DE102006004687B4

DE102006004687B4 - Verfahren zur Kontrolle von Bestrahlungen an Bestrahlungseinrichtungen mit in-beam Positronenemissionstomographen

Info

Publication number: DE102006004687B4
Application number: DE102006004687.0A
Authority: DE
Inventors: Paulo Crespo; Klaus Heidel; Prof. Dr. Enghardt Wolfgang; Fine Fiedler
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: WO2007087790A2; EP1981594A1; DE102006004687A1

Abstract

Verfahren zur Kontrolle von Bestrahlungen an Bestrahlungseinrichtungen mit in-beam Positronenemissionstomographen, wobei die Mikrostruktur des Strahls verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Flugzeitdifferenz der Annihilationsquanten gemessen wird und – die Korrelation des Annihilationsortes mit den Strahlortskoordinaten in ein Echtzeitdatenerfassungssystem eingespeist wird und – aus der Korrelation des Annihilationsortes und der Strahlortskoordinaten und der Mikro- und Makrostruktur des Strahls eine off-line-Korrektur der Abbildungsfehler auf Grund physiologischer Prozesse durch Abtrennung der lang- und kurzlebigen Positronenemitter erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Monitorings der strahlentherapeutischen Behandlung mit in-beam-Positronen-Emissions-Tomographie (in-beam-PET). Das Verfahren ist vorwiegend für die Kontrolle und Qualitätssicherung der strahlentherapeutischen Behandlung von Tumorpatienten einsetzbar.
Der Begriff in-beam-PET beschreibt die Nutzung der Positronen-Emissionstomographie zur Kontrolle der Schwerionentherapie (W. Enghardt, P. Crespo, F. Fiedler, R. Hinz, K. Parodi, J. Pawelke, F. Pönisch: Charged hadron tumour therapy monitoring by means of PET. Nucl. Instrum. Meth., in Phys. Research A 525 (2004) 284). Die therapeutische Bestrahlung und die PET-Messung erfolgen gleichzeitig. Im Unterschied zum PET-Tracer Imaging in der nuklear-medizinischen Diagnostik wird beim in-beam-PET die Positronenradioaktivität dem Patienten nicht in Form einer radioaktiven Tracersubstanz verabreicht, sie entsteht hierbei durch nukleare Wechselwirkungen des Therapiestrahles mit Atomkernen des Gewebes. Die räumliche Verteilung der Positronenradioaktivität ist mit der Dosisverteilung korreliert und wird deswegen für die Überprüfung der korrekten Umsetzung der Bestrahlungsplanung genutzt. Eine in-beam-PET-Messung wird während der Tumorbestrahlung mit einer in den medizinischen Bestrahlungsplatz integrierten Positronenkamera durchgeführt. Die Daten werden gespeichert, und nach dem Ende der Bestrahlung wird ein Rekonstruktionsalgorithmus benutzt, um die Verteilung der Positronenradioaktivität im Patienten darzustellen. Die benötigten Zeiten hierfür liegen, abhängig von der Zahl der Annihilationsereignisse, zwischen 10 min und 2 Stunden.
In DE 10 2004 009 784 A1 wird ein Verfahren zur Datenerfassung beschrieben, das in Zusammenhang mit dem in EP 0 986 070 A1 angemeldeten Verfahren zur Hochpräzisionspatientenbestrahlung unter Nutzung eines Rasterscansystems angewendet werden kann, um eine ortsgenaue Strahlapplikation zu ermöglichen.
Crespo et al.: Suppression of Random coincidences During in-Beam PET Measurements. IEEE Transactions on Nuclear Science Vol. 52, No 5, August 2005, beschreibt in den und die Mikrostruktur und die Makrostruktur des Strahls.
Eine Echtzeitkontrolle der Bestrahlung und eine Korrektur des Einflusses physiologischer Prozesse unter Nutzung des Wissens um die Bestrahlungsplanung sind mit den bekannten technischen Lösungen nicht möglich.
Außerdem sind die nach der Bestrahlung erhaltenen Bilder durch nicht korrigierbare Bildverzerrung und durch ungenügend korrigierbare physiologische Prozesse gestört.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirkliche Echtzeit-Beobachtung der laufenden Bestrahlung weitgehend verzerrungsfrei zu ermöglichen. Außerdem soll mit dem Verfahren eine Korrektur der physiologischen Prozesse möglich werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 dargelegten Merkmalen gelöst. Eine vorteilhafte Ausführung ist im Patentanspruch 2 beschrieben.
Mit der Erfindung wird eine Echtzeit-Beobachtung der Bestrahlung möglich. Korrekturen für physiologische Prozesse können vorgenommen werden. Es können verzerrungsfreie Positronenemissionsverteilungen während der Bestrahlung erstellt werden. Die Positronenemitterverteilung kann gegen Abbildungsfehler auf Grund physiologischer Prozesse korrigiert werden.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Allgemeine Erläuterung:
Die Umsetzung der Erfindung erfordert die Verwendung von PET-Detektoren mit einer Koinzidenz-Zeitauflösung von weniger als 200 ps FWHM, um eine Echtzeit-time-of-flight-PET-Messung zu ermöglichen, die mit dem millimetergenauen Ort des Nadelstrahls auch in Echtzeit korreliert werden soll. Damit wird es machbar, aus dem Zeitunterschied des Eintreffens der Signale in den Detektoren direkt auf den Annihilationsort rückzuschließen. Mit den damit bekannten Annihilationsortskoordinaten wird eine Abtrennung der kurzlebigen Positronenemitter (die noch nicht durch physiologische Prozesse in ihrer Verteilung gestört wurden) von langlebigen Positronenemittern möglich. Diese Abtrennung ermöglicht eine präzise und erstmals eine Echtzeit-in-beam-PET-Bildgebung im Vergleich zur bisher benutzten in-beam-PET-Methode. Eine bildliche Darstellung der im Patienten erzeugten Positronenradioaktivität (ohne Einfluss physiologischer Prozesse) wird damit während der Bestrahlung möglich. Gegenwärtig wird die erforderliche Dosis in 20 Fraktionen appliziert.
Im gegenwärtigen Entwicklungsstadium der Ionentherapie werden Fraktionierungsschemata mit 20 oder mehr täglichen Fraktionen, ähnlich wie bei der konventionellen Strahlentherapie mit Photonen oder Elektronen, angewendet. Damit ist eine Intervention nach jeder applizierten täglichen Dosisfraktion möglich. Bei präzisen hypofraktionierten oder Einzeitbestrahlungen mit entsprechend erhöhter Dosis müssen Abweichungen vom Bestrahlungsplan während der Applikation einer Bestrahlungsfraktion festgestellt und gegebenenfalls Maßnahmen zur Sicherstellung des Therapieerfolges ergriffen werden.
Weiterhin wird durch die mit der Erfindung mögliche Unterscheidung zwischen zeitnah durch einen bestimmten Nadelstrahl erzeugten Positronenemittern, die vor ihrem Zerfall keinen physiologischen Prozessen unterliegen, und den langlebigen, die physiologischen Prozessen unterliegen und die nicht direkt mit einem bestimmten Nadelstrahl korreliert sind, eine Korrektur der Abbildungsfehler auf Grund eben dieser Prozesse möglich.
Das erhaltene Signal wird mit den aus der Bestrahlungsplanung über den Ort des Strahles erhaltenen Informationen korreliert.
Durch die Ortsinformation des Strahles können Koinzidenzen, die aus dem Zerfall kurzlebiger Positronenemitter kommen und die noch nicht durch physiologische Prozesse in ihrer Verteilung gestört wurden, zur Rekonstruktion einer unverfälschten Darstellung der Aktivitätsverteilung benutzt werden, die sofort vorliegt, da der Annihilationsort beim Registrieren der Koinzidenz bekannt ist. Eine Beurteilung der erfolgreichen Umsetzung des Bestrahlungsplanes ist somit während der Bestrahlung möglich. Koinzidenzen, die von längerlebigen Isotopen kommen und deren Verteilung durch physiologische Prozesse beeinflusst ist, werden benutzt, um ortsabhängig eben diese Prozesse zu korrigieren.
Beispiel
Es wird ein Gamma-Detektor wie folgt benutzt: Der Szintillationskristall besteht aus einem schnellen Szintillator mit hoher Lichtausbeute. Ein schnelles Signal für Zeitmessungen wird durch Geigerphotodioden (GPD) gegeben, aus dem Signal lässt sich auch die Energieinformation ableiten. Das führt die time-of-flight-PET-Messung aus. Die Informationen über den Momentan-Bestrahlungsort stehen aus dem Rasterscansystem zur Verfügung. Eine zeitliche Korrelation der PET-Messung mit dem Strahlort ist möglich durch ein Echtzeit-Datenerfassungssystem. Gemessene Koinzidenzen können dahingehend unterschieden werden, ob sie direkt von von einem eintreffenden Nadelstrahl erzeugten kurzlebigen Isotop stammen oder zu den langlebigen Isotopen gehören, die durch vorhergehende Nadelstrahlen erzeugt wurden. Damit ist in Echtzeit aus den dem jeweiligen Nadelstrahl zuzuordnenden Koinzidenzen eine Aktivitätsverteilung im Patienten während der Bestrahlung rekonstruierbar. Durch Nutzen der Information, die aus den langlebigen Positronenemittern stammen, lassen sich Abbildungsfehler auf Grund physiologischer Prozesse korrigieren und zusätzlich zu dem während der Bestrahlung gewonnenen Bild lässt sich nach der Bestrahlung eine rekonstruierte Positronenradioaktivitätsverteilung mit besserer Statistik unter Einbeziehung der Korrektur der Abbildungsfehler auf Grund physiologischer Prozesse berechnen.
Statt Geiger-Photodioden können auch andere Szintillatoren mit hoher Lichtausbeute zusammen mit schnellen Photonen-Detektoren benutzt werden.

Claims

Verfahren zur Kontrolle von Bestrahlungen an Bestrahlungseinrichtungen mit in-beam Positronenemissionstomographen, wobei die Mikrostruktur des Strahls verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Flugzeitdifferenz der Annihilationsquanten gemessen wird und – die Korrelation des Annihilationsortes mit den Strahlortskoordinaten in ein Echtzeitdatenerfassungssystem eingespeist wird und – aus der Korrelation des Annihilationsortes und der Strahlortskoordinaten und der Mikro- und Makrostruktur des Strahls eine off-line-Korrektur der Abbildungsfehler auf Grund physiologischer Prozesse durch Abtrennung der lang- und kurzlebigen Positronenemitter erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Korrelation des Annihilationsortes und der Strahlortskoordinaten in Echtzeit eine bildliche Darstellung der β+-Aktivität erfolgt.