DE102007045879A1

DE102007045879A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestrahlung eines bewegten Zielvolumens

Info

Publication number: DE102007045879A1
Application number: DE102007045879A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bert; Gerhard Kraft; Eike Rietzel; Alexander Schmidt
Original assignee: Siemens AG; GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: EP2190531B1; US8405050B2; US20100301235A1; JP2010540050A; EP2190531A1; JP5325222B2; WO2009040117A1; DE102007045879B4

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer effektiven, insbesondere einer effektiv wirksamen, Strahlendosisverteilung eines beweglichen Zielvolumens umfasst ein Erfassen erster und weiterer Positionen von Volumenelementen des Zielvolumens in einem ersten und mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens, ein Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen, ein Bestrahlen des beweglichen Zielvolumens gemäß einem Bestrahlungsplan, der eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten aufweist, wobei während der Bestrahlung eines Rasterpunktes erfasst wird, in welchem der Bewegungszustände sich das bewegliche Zielvolumen befindet, ein Zuordnen von Rasterpunkten, zu Sub-Bestrahlungsplänen und ein Bestimmem der effektiv wirksamen Dosis für jedes der Mehrzahl von Volumenelementen, jeweils aus Beiträgen der Rasterpunkte der Sub-Bestrahlungspläne unter Verwendung der Transformationsparameter. Berechnung und Anwendung von Korrekturparametern, die durch Bewegung hervorgerufene Veränderungen der Lage des Bragg-Maximums und der applizierten biologisch effektiven Dosis kompensieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer effektiven Strahlendosisverteilung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufstellen eines Bestrahlungsplans, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation sowie eine Vorrichtung zur Bestrahlung, die jeweils im Zusammenhang mit einer Bestrahlung von bewegten Zielvolumen verwendbar sind.
Die Therapie von Tumoren mit Partikelstrahlen, insbesondere mit Protonen, α-Teilchen und Kohlenstoffkernen, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dabei weist das Rasterscanverfahren gegenüber anderen Verfahren eine Reihe von Vorteilen auf. Bei dem Rasterscanverfahren wird ein dreidimensionales Raster über das Tumorvolumen gelegt. Der Partikelstrahl wird durch Ablenkmagnete in zwei zueinander senkrechten Richtungen abgelenkt. Durch eine aktive Variation der Partikelenergie wird die Position des Bragg-Peaks, in dem der größte Anteil der Dosis deponiert wird, auf unterschiedliche Gewebetiefen eingestellt. Bekannte Scanverfahren sind etwa spot scanning, continuous scanning und uniform scannning.
Bei der Teilchentherapie mit gescanntem Teilchenstrahl führen Bewegungen des Zielgebietes im Allgemeinen zu einer Verschlechterung der geplanten Dosisverteilung. Durch eine Überlagerung der Scanbewegung mit einer Bewegung des Zielgebietes kann es in allen Teilen des Zielgebietes zu Über- und Unterdosierungen kommen.
Die DE 100 31 074 A1 befasst sich mit einer Bestrahlung mittels Rasterscanverfahren im statischen Fall.
Die DE 10 2004 028 035 A1 befasst sich mit einer Kompensation von dreidimensionalen Bewegungen eines Zielvolumens während einer Ionenstrahl-Bestrahlung.
In der Dissertation „Bestrahlung für bewegte Zielvolumen in der Tumortherapie mit gescanntem Kohlenstoffstrahl"; C. Bert; Technische Universität Darmstadt; 1. Februar 2006 werden sowohl Möglichkeiten zur Dosisberechung in Gegenwart von Bewegung als auch Möglichkeiten zur Berechnung von Kompensationsvektoren und Vorbestrahlungskorrekturen für bewegungskompensierte Bestrahlungen aufgezeigt.
Der Artikel „4D treatment planning for scanned ion beams"; Christoph Bert, Eike Rietzel; 3. Juli 2007; http://www.rojournal.com/content/2/1/24 befasst sich mit einer Strahlenbehandlung von Tumoren, die sich aufgrund von Atembewegungen eines Patienten bewegen.
Die DE 10 2005 063 220 A1 befasst sich mit einer Berechnung einer absorbierten Strahlendosis unter Bewegung und einer Anpassung der Strahllage unter Berücksichtigung der absorbierten Dosis. Bei der absorbierten Dosis wird davon ausgegangen, dass die Gesamtdosis linear zur Teilchenzahl ist. Es werden in jeder Bewegungsphase Teildosen berechnet und anschließend in einem Referenzzustand aufsummiert.
Bei Materialien, die eine Nichtlinearität zwischen absorbierter Dosis und Strahleneffekt, d. h. der Wirkung, aufweisen, ist nicht die absorbierte Dosis, sondern die effektiv wirksame Dosis relevant.
Bei biologischen Proben, etwa im Rahmen einer Patientenbestrahlung, ist dies insbesondere die effektive biologisch wirksame Dosis, kurz die biologisch effektive Dosis. Bei einem Detektor, etwa einem Scintillator oder einem Film, wird insbesondere auf die Materialeffektivität abgestellt.
Die effektive Dosis beschreibt die Dosis, die in einem Material, sei es Gewebe oder ein sonstiges Material, etwa Detektormaterial oder Filmmaterial, unter Berücksichtigung einer Bewegung deponiert wird (zur Bestimmung, s. unten). Die effektiv wirksame Dosis beschreibt die Wirkung einer deponierten Dosis unter Berücksichtigung einer Bewegung. Die Wirkung kann insbesondere auch nicht-linear von der deponierten Dosis abhängen (zur Bestimmung, s. unten).
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer effektiven Strahlendosisverteilung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufstellen eines Bestrahlungsplans, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation sowie eine Vorrichtung zur Bestrahlung zu schaffen, die Bewegungen eines bestrahlten Zielvolumens berücksichtigen können.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren nach Ansprüchen 1, 10 und 16 und Vorrichtungen nach Ansprüchen 8, 14, 20 und 22 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, bei der Bestrahlung eines bewegten Zielvolumens mit Teilchenstrahlen, die effektive Strahlendosis sowie Kompensationsparameter zu berechnen. Damit lässt sich, trotz der Bewegung des Zielvolumens, eine für einen stationären Referenzfall optimierte, effektive Strahlendosis in dem bewegten Zielvolumen deponieren. Bei der effektiven Strahlendosis, insbesondere der effektiv wirksamen Dosis, kann es sich etwa um eine effektiv biologisch wirksame Dosis oder auch um eine Materialeffektivität handeln.
Als Teilchenstrahlen können geladene oder ungeladene Teilchenstrahlen verwendet werden. Für geladene Teilchenstrahlen können beispielsweise Protonen, Helium-Ionen oder Kohlenstoff-Ionen eingesetzt werden.
Die biologisch effektive Dosis ergibt sich aus einer Wichtung der von dem Zielvolumen absorbierten, physikalischen Dosis, insbesondere der effektiven Dosis, mit einer relativen biologischen Wirksamkeit. Die in einem bewegten Zielvolumen deponierte, absorbierte Dosis und die Kompensationsparameter können nach den in der DE 10 2005 063 220 A1 offenbarten Verfahren berechnet werden.
Eine Materialeffektivität der Dosis ergibt sich aus einer Wichtung der von dem Zielvolumen absorbierten, physikalischen Dosis, insbesondere der effektiven Dosis, mit einer relativen Effizienz (bei Detektoren spricht man hier manchmal auch von Detektorausbeute).
Die effektiv wirksame Dosis kann sich also etwa auf die effektive biologisch wirksame Dosis oder auch auf die Materialeffektivität beziehen. In Kurzform wird auch gelegentlich auf die wirksame Dosis abgestellt. Die relative biologische Wirksamkeit und die relative Effizienz werden hier unter dem Oberbegriff relative Wirksamkeit zusammengefasst.
Vorteilhafterweise ermöglicht der erfindungsgemäße Ansatz die Berechnung der effektiv wirksamen Dosis, insbesondere der biologisch effektiven Dosis oder der Materialeffektivität auch unter Bewegung des Zielvolumens. Dabei sind keine komplett neuen Bestrahlungssysteme erforderlich, da sich die erfindungsgemäßen Ansätze durch eine Erweiterung vorhandener Bestrahlungssysteme umsetzen lassen. Zusätzlich ermöglicht der erfindungsgemäße Ansatz eine kompensierte Behandlung des bewegten Zielvolumens bei gescanntem Teilchenstrahl mit der effektiv wirksamen Dosis. Dies hat, beispielsweise bei einer Tumorbehandlung, den positiven Effekt, dass eine kleinstmögliche Strahlenbelastung von gesundem Gewebe ohne Verlust der therapeutischen Wirkung innerhalb des bewegten Zielvolumens erzielbar ist.
Im Folgenden werden einige Begriffe, die zu Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, erläutert.
Ein „Zielvolumen" ist ein von einem Teilchenstrahl zu bestrahlender Bereich oder Körper. Das Zielvolumen kann aus einem beliebigen Material bestehen, das mittels Strahlung zu untersuchen bzw. behandelbar ist. Insbesondere kann das Zielvolumen aus einem Material bestehen bei, dem kein linearer Zusammenhang zwischen deponierter Teilchenanzahl und dem Dosis-Effekt (der Wirkung) besteht (Filme, Scintillatoren, biologisches Gewebe). Das Zielvolumen kann sich während der Bestrahlung bewegen. Bei solchen Bewegungen kann es sich um Bewegungen in be liebige Richtungen oder auch Rotationen handeln. Die Bewegungen können auch zu Formänderungen des Zielvolumens führen.
Ein „Voxel" oder „Volumenelement" entspricht insbesondere einer kubischen Unterteilung eines Volumendatensatzes mit einer typischen Kantenlänge von ungefähr 1 × 1 × 2 mm³. Der Volumendatensatz enthält Parameter des zu bestrahlenden Zielvolumens. Bei dem Volumendatensatz kann es sich beispielsweise um einen Patientenvolumendatensatz handeln der z. B. aus einer Computertomographie oder einer Dosisberechnung resultiert.
Ein „Rasterpunkt" oder „grid position" (x, y, E, N, F) ist eine 3D Koordinate (x, y, E) im Koordinatensystem des Scannersystems eines Bragg-Maximums mit einer zu applizierenden Teilchenanzahl N bei einem Strahlfokus F als Teil eines Bestrahlungsplans. Die lateralen Koordinaten x, y sind orthogonal zur Strahlrichtung, die Energie E beschreibt die Isoenergieschicht, das heißt eine Schicht mit gleicher Eindringtiefe in Strahlrichtung. Zur Bewegungskompensation kann die Lage des Rasterpunktes während Ablauf des Bestrahlungsplans verändert werden. Diese Veränderung lässt sich durch die Parameter Δx, Δy, ΔE, ΔN und evt. auch ΔF beschreiben. Dabei wird beispielweise in einem ersten Schritt bei einer Transformation von einem Bewegungszustand in einen anderen Bewegungszustand lediglich die räumliche Lage der Koordinaten x, y, E eines Rasterpunkts transformiert. Die Lage (x, y, E) des Bragg-Maximums kann auch durch eine 3D-Koordinate innerhalb eines Volumendatensatzes beschrieben werden. Beispielsweise ergibt sich aus einer Transformation der Rasterpunktkoordinaten in ein Computertomographie (CT) Koordinatensystem die räumliche Lage des Rasterpunkts im Volumendatensatz.
Ein "Bestrahlungsplan" ist ein Ensemble an Rasterpunkten, die unter einem oder mehreren definierten Tisch- und Einstrahlwinkeln mit einem bestimmten Primärteilchen, beispielsweise ¹²C, p, auf einen Patienten appliziert werden. Beispielsweise kann ein Bestrahlungsplan 10⁴ Rasterpunkte aufweisen. Unter Bewegung spielt eine Reihenfolge der Rasterpunktapplikation eine Rolle, da beispielsweise eine Wechselwirkung mit einer Tumorbewegung besteht.
Mittels einer „Bewegungstrajektorie" oder „Bewegungs-Ersatzgröße" kann eine Bewegung des Zielvolumens beschrieben werden. Beispielsweise kann eine 3D-Trajektorie eines Tumors durch implementierte Goldkügelchen + Flouroskopie, d. h. Röntgenvideo oder Radiotransponder vermessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ersatzgröße gemessen werden, aus deren Bewegung in der Regel nur die Phase bzw. der Bewegungszustand beispielsweise der Zielgebietsbewegung, bzw. auch die Phase oder der Bewegungszustand der umliegenden Anatomie, insbesondere der Anatomie im Eingangsbereich, hervorgeht. Dies ist für eine vierdimensionale Computertomographie (4DCT) Aufnahme und eine atemsynchronisierte Bestrahlung bei vorhandener Korrelation zur Zielgebietsbewegung ausreichend. Als Ersatzgröße kann beispielsweise eine Bewegung der Bauchdecke, ein Atemfluss oder eine Atemtemperatur verwendet werden.
Eine „Bewegungsphase" oder ein „Bewegungszustand" ist ein Abschnitt der Bewegung des Zielvolumens. Die Bewegung des Zielvolumens kann in eine Mehrzahl von Bewegungsphasen oder Bewegungszustände unterteilt werden. Einer der Bewegungsphasen oder Bewegungszustände wird häufig als Referenz definiert. Beispielsweise kann eine Bewegungsphase einen Abschnitt der zyklischen Atemperiode über die Phase oder Amplitude der Bewe gungstrajektorie definieren. Eine Bewegungsphase entspricht dabei einem zeitlichen Abschnitt einer 4DCT, also einer Phase der 4DCT. Demnach besteht eine zeitliche Korrelation zwischen der Bewegungsphase und der entsprechenden 4DCT Phase.
Unter einem "gemischten Feld" versteht man das Teilchen- und Energiespektrum an einem bestimmten Ort/Voxel des bestrahlten Gebietes. Das Teilchen- und Energiespektrum gibt Aufschluss über die Menge und Energie der verschiedenen Teilchen an diesem Ort und hängt wegen der Fragmentierung des Primärstrahls von dessen Anfangsenergie und der Tiefe des Ortes ab. Die biologische Wirksamkeit eines bestimmten gemischten Feldes kann durch "Alpha" und "Beta" Werte beschrieben werden, die nach dem linear quadratischen Modell eine Umrechnung der absorbierten Dosis D in einen Überlebenswert S erlauben (s. Z. B. Kanai T et al, 1997, Irradiation of mixed beam and design of spreadout Bragg peak for heavy-ion radiotherapy, Radiat Res 147: 78–85 und Zaider M, Rossi HH, 1980, The synergistic effects of different radiations, Radiat Res 83: 732–739): S = exp(–Alpha*D + Beta*D*D). Für die Erfindung können die Alpha- und Beta-Werte insbesondere nach Krämer M, Schulz M, 2006, Rapid calculation of biological effects in ion radiotherapy, Phys Med Biol 51: 1959–1970, bestimmt werden. Bei Detektoren stellt die Effizienz den Zusammenhang zwischen absorbierter Dosis und dem Detektorsignal her und kann je nach Detektor und Modell durch ein oder mehrere Parameter beschrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer effektiven Strahlendosisverteilung, insbesondere einer effektiv wirksamen Strahlendosisverteilung, bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolu mens, das eine Mehrzahl von Volumenelementen aufweist, mit folgenden Schritten:
Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens;
Erfassen weiterer Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens;
Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen;
Bestrahlen des beweglichen Zielvolumens gemäß einem Bestrahlungsplan mit einer Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten, wobei während der Bestrahlung eines Rasterpunktes erfasst wird, in welchem der Bewegungszustände sich das bewegliche Zielvolumen befindet;
Zuordnen von Rasterpunkten, bei deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen in dem ersten Bewegungszustand befand, zu einem ersten Sub-Bestrahlungsplan;
Zuordnen von Rasterpunkten, bei deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen in dem mindestens einen weiteren Bewegungszustand befand, zu mindestens einem weiteren Sub-Bestrahlungsplan; und
Bestimmen der effektiven Dosis für mindestens eines der Mehrzahl von Volumenelementen, jeweils aus Beiträgen der Rasterpunkte des ersten Sub-Bestrahlungsplans und des mindestens ei nen weiteren Sub-Bestrahlungsplans, unter Verwendung der Transformationsparameter.
Das Verfahren kann natürlich bei einer tatsächlichen Bestrahlung, grundsätzlich aber auch bei einer simulierten Bestrahlung, etwa im Vorfeld einer tatsächlichen Bestrahlung, eingesetzt werden. Auch in einer Simulation kann die effektive bzw. effektiv wirksame Strahlendosisverteilung ermittelt werden. Hieraus lassen sich etwa Rückschlüsse darauf gewinnen, wie eine nachfolgende Bestrahlung verlaufen würde. Ggf. kann eine Anpassung des Bestrahlungsplans ermittelt werden, um eine Bestrahlung einer gewünschten effektiven bzw. effektiv wirksamen Dosisverteilung anzupassen.
Ein Teil bzw. sogar die Mehrzahl der Volumenelemente des Zielvolumens müssen dabei nicht notwendigerweise lediglich diejenigen Volumenelemente umfassen, die tatsächlich einem Rasterpunkt entsprechen. Die Volumenelemente können auch sonstige Volumenelemente umfassen, die für eine Bestrahlung wichtig sind, wie z. B. die Volumenelemente, die die zu bestrahlenden Volumenelemente umgeben, wie z. B. zu schonendes Gewebe, oder Volumenelemente, die in einem Eintrittskanal liegen.
Die Transformationsparameter können beispielsweise ermittelt werden, indem der erste Bewegungszustand zu dem weiteren Bewegungszustand registriert wird. Dies bedeutet z. B., dass in einem 4DCT diejenige Phase, die dem ersten Bewegungszustand entspricht, mit derjenigen Phase, die dem weiteren Bewegungszustand entspricht, zueinander registriert werden. Die Registrierung kann dabei eine rigide oder auch eine nicht-rigide Registrierung sein. Welche Registrierung verwendet wird, hängt dabei von dem Rechenaufwand und der gewünschten Genauigkeit ab.
Transformationen zwischen zwei Bewegungsphasen können etwa iterativ ermittelt/optimiert werden. Grundlage ist der 4DCT Datensatz, d. h. ein 3D CT pro Bewegungsphase. Die Transformationsvorschrift wird so lange optimiert bis ein Vergleichmaß, das die Übereinstimmung von zwei CT Würfeln nach der Transformation beschreibt, minimal wird. Typische Vergleichsmaße sind die Summe der quadratischen Differenzen der Voxelwerte/Grauwerte oder die NMI (norm. mutal information), ein Entropiemaß. Es gibt mehrere bekannte/veröffentlichte Ansätze für mögliche Transformationsvorschriften.
Ein Sub-Bestrahlungsplan ist dabei der Teil eines Bestrahlungsplans, der einem bestimmten Bewegungszustand zugeordnet ist. Beispielsweise sind diejenigen Rasterpunkte, die während eines Bewegungszustandes bestrahlt werden, Teil des diesem Bewegungszustandes zugeordneten Sub-Bestrahlungsplans. Insbesondere können die Rasterpunkte des Sub-Bestrahlungsplans dem zugeordneten Bewegungszustand auch angepasst sein. Beispielsweise kann ein Bestrahlungsplan an einem ersten Bewegungszustand, d. h. dem Referenz-Bewegungszustand, definiert sein. Wenn nun Rasterpunkte während eines anderen Bewegungszustandes bestrahlt werden – wenn diese Rasterpunkte also dem Sub-Bestrahlungsplan appliziert werden – können die Koordinaten dieser Rasterpunkte, etwa x, y, E, dadurch transformiert werden, dass auf die Koordinaten dieser Rasterpunkte, diejenige Transformation angewendet wird, die den Referenz-Bewegungszustand in den weiteren Bewegungszustand transformiert. Hierdurch erhält man eine Anpassung der Rasterpunkte an denjenigen Bewegungszustand, während dem die Rasterpunkte appliziert werden.
Summarisch kann man in anderen Worten sagen, dass für die Bestimmung der effektiven Dosis alle während der Bestrahlung auftretenden Bewegungszustände berücksichtigt werden können und jeweils die absorbierte Dosis berechnet wird, um anschießend unter Beachtung der benötigten Transformation aufsummiert zu werden. Die Parameter zur Berechnung der effektiv wirksamen Dosis können dann (s. u.) unter Beachtung der entsprechenden Transformation jeweils aufsummiert werden, um die Wirkung der Strahlendosis inklusive aller Parameter zu berechnen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufstellen eines Bestrahlungsplans mit Korrekturwerten zur Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens, das eine Mehrzahl von Volumenelementen aufweist, mit folgenden Schritten:
Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens;
Erfassen weiterer Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens;
Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen;
Aufstellen eines Bestrahlungsplanes zur Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens basierend auf den ersten Positionen, wobei der Bestrahlungsplan eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten aufweist;
Bestimmen von Korrekturparametern pro Rasterpunkt und Bewegungszustand basierend auf den Transformationsparametern, wobei die Korrekturparameter eine Anpassung des Bestrahlungsplans an den mindestens einen weiteren Bewegungszustand ermöglichen, und wobei die Korrekturparameter in einem Speicherbereich einer Rechnereinheit speicherbar sind;
Bestimmen von ersten Beiträgen eines Rasterpunktes, die zur Berechnung einer effektiven, insbesondere effektiv wirksamen, Strahlungsdosis nachfolgend, in dem ersten Bewegungszustand, zu bestrahlender Rasterpunkte verwendbar sind;
Bestimmen von zweiten Beiträgen eines Rasterpunktes, die zur Berechnung einer effektiven, insbesondere effektiv wirksamen, Strahlungsdosis nachfolgend, in dem mindestens einem weiteren Bewegungszustand, zu bestrahlender Rasterpunkte verwendbar sind, unter Berücksichtigung der Korrekturparameter; und
Bilden von Korrekturbeiträgen, insbesondere von Differenzbeiträgen, aus den ersten und zweiten Beiträgen, wobei die Korrekturbeiträge in einem Speicherbereich einer Rechnereinheit speicherbar sind.
Die ermittelten Korrekturparameter sind insbesondere zur nachfolgenden Verwendung in einem Speicher einer Rechnereinheit, beispielsweise in einer dort abgelegten Korrekturtabelle, hinterlegbar. In analoger Weise sind die ermittelten Korrekturbeiträge in einem Speicher einer Rechnereinheit, beispielswei se in der gleichen Tabelle wie die Korrekturparameter oder in einer weiteren Korrekturtabelle hinterlegbar.
Ergänzend zu bzw. zusammen mit den Korrekturbeiträgen können etwa auch weitere Informationen, beispielsweise in einer gemeinsamen Tabelle, gespeichert werden. Solche Informationen können etwa Teichenspektren betreffen und können bei einer weitergehenden Berechnung der effektiv wirksamen Dosis benutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Bestrahlungsplanes mit Korrekturparametern und Korrekturbeiträgen gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Ermitteln eines aktuellen Bewegungszustands und eines aktuellen Rasterpunktes während einer Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens gemäß dem Bestrahlungsplan;
Auslesen eines aktuellen Korrekturparameters aus seinem Speicherbereich, wobei der aktuelle Korrekturparameter dem aktuellen Bewegungszustand und dem aktuellen Rasterpunkt zugeordnet ist;
Bestimmen einer, aufgrund vorher bestrahlter Rasterpunkte, bereits auf den aktuellen Rasterpunkt applizierten effektiven Strahlungsdosis, unter Verwendung der Korrekturbeiträge; und
Anpassen der gemäß dem Bestrahlungsplan für den aktuellen Rasterpunkt vorgesehenen Strahlendosis, unter Berücksichtigung des aktuellen Korrekturparameters und der bereits applizierten effektiven Strahlendosis.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhalber mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Bestrahlungsanlage;
2 eine schematische Darstellung von Rasterpunkten eines Bestrahlungsschemas;
3 eine zeitliche Korrelation eines Scanprozesses mit einer Bewegung des Zielvolumens;
4 eine schematische Darstellung zweier Bewegungszustände des Zielvolumens;
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer effektiv wirksamen Strahlendosisverteilung;
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation; und
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation.
Um dem störenden Einfluss der Bewegung des Zielvolumens während der Bestrahlung zu entgegnen kann die Strahllage und die Strahlintensität an die jeweils aktuelle Position des Zielvolumens angepasst werden. Dazu können die laterale Strahlposi tion, die Tiefenreichweite und gegebenenfalls auch die Teilchenzahl an den Bewegungsablauf des Zielvolumens angepasst werden. Insbesondere bei der Anpassung der Teilchenzahl ist es erforderlich, die relevante effektiv wirksame Dosis zu berücksichtigen. Handelt es sich bei dem Zielvolumen beispielsweise um einen Tumor so sollte die Teilchenzahl unter Berücksichtigung der für den Patienten relevanten biologisch effektiven Dosis erfolgen; handelt es sich etwa um Detektormaterial, so sollte die Teilchenzahl unter Berücksichtigung der für das Material relevanten relativen Effizienz erfolgen.
Die biologisch effektive Dosis kann sich aus der absorbierten Dosis durch Multiplikation mit der relativen biologischen Wirksamkeit ergeben. Die relative biologische Wirksamkeit hängt nicht nur von der Teilchenzahl sondern auch von der Teilchensorte und der Teilchenenergie, der Art des Zielgewebes sowie der applizierten, absorbierten Dosis ab. In die Berechnung der relativen biologischen Wirksamkeit geht üblicherweise das Zellüberleben ein, das von den genannten Parametern abhängt.
Die Materialeffektivität kann sich entsprechend aus der absorbierten Dosis durch Beachtung der relativen Effizienz ergeben. Auch die relative Effizienz hängt nicht nur von der Teilchenzahl, sondern auch von der Teilchensorte und der Teilchenenergie, der Art des Zielmaterials sowie der applizierten, absorbierten Dosis ab. In die Berechnung der Materialeffektivität geht üblicherweise die Wirkung ein, die von den genannten Pa rametern abhängt. Es kann auch hier zunächst die Wirkung bestimmt werden und mit dieser die relative Effizienz berechnet werden.
Im Allgemeinen variiert die relative biologische Wirksamkeit von Ort zu Ort. An einem bestimmten Ort des Zielvolumens wird die relative biologische Wirksamkeit durch die absorbierte Dosis, das Teilchen- und Energiespektrum und der getroffenen Materialart bestimmt. Bezüglich des Teilchenspektrums gilt für Teilchen, die schwerer als Protonen sind, dass der Primärstrahl bei der Wechselwirkung mit Materie bzw. Gewebe fragmentiert, so dass leichtere Teilchen, wie beispielsweise H, He oder Li, entstehen. Bei der getroffenen Materialart kann es sich beispielsweise um Gewebe eines Tumors, etwa der Lunge oder der Haut handeln.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann für die Berechnung der biologisch effektiven Dosis die relative biologische Wirksamkeit mit allen Abhängigkeiten voll berücksichtigt werden – das gilt natürlich auch entsprechend für die Materialeffektivität mit der entsprechenden relativen Effizienz. Zur Berechnung der biologisch effektiven Dosis an einem Punkt des Referenzbewegungszustands wird die anatomische Lage dieses Punktes zunächst in jeden anderen Bewegungszustand des Zielvolumens transformiert. Auf diese Weise können für den Referenzzustand in Abhängigkeit vom Bestrahlungsverlauf die Parameter, die die relative biologische Wirksamkeit bestimmen, durch Übertragung aus den anderen Zuständen erzeugt werden. Dies ist für jede anatomische Position des Referenzzustandes möglich. Zunächst wird das Teilchen- und Energiespektrum bestimmt, dass sich aus allen Teilstrahlen ergibt, die in den einzelnen Bewegungszuständen appliziert werden. Dieses wird zu einem Gesamtspektrum für Teilchensorte und Teilchenenergie addiert. Anschließend wird aus den Gesamtspektren die resultierende biologisch effektive Dosis, die relative biologische Wirksamkeit und/oder das Zellüberleben errechnet; entsprechend die resultierende Materialeffektivität und die relative Effizienz.
Zur Anpassung der Teilchenzahl an die Bewegung des Zielvolumens kann ein Kontrollsystem die für das Erreichen einer Solldosis notwendigen Teilchenzahlkorrekturen bestimmen. Dies kann auf Grundlage der berechneten Teilchen- und Energiespektren erfolgen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können benötigte Korrekturparameter vorberechnet und dem Kontrollsystem etwa als Tabelle bereitgestellt werden. Somit kann das Kontrollsystem während einer Verfolgung des Bestrahlungsverlaufs mit Hilfe der Korrekturparameter ermitteln, ob und gegebenenfalls wie die Teilchenzahl am aktuellen Bestrahlungspunkt anzupassen ist, um die Solldosis zu erreichen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Bestrahlungsanlage. Die Bestrahlungsanlage kann die Vorrichtungen gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung aufweisen und ausgebildet sein, um die Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Bestrahlungsanlage ausgebildet, um ein Zielvolumen 102 zu bestrahlen. Bei dem Zielvolumen 102 kann es sich um ein bewegliches Zielvolumen handeln. Dies ist in 1 durch Pfeile angedeutet, die das Zielvolumen 102 umgeben. Ferner sind einzelne Schichten des Zielvolumens 102 angedeutet. Eine isoenergetische Schicht des Zielvolumens wird mit einer gewissen Energie eines Teilchenstrahls, beispielsweise einem ¹²C-Strahls, bestrahlt. Bei dem Zielvolumen 102 kann es sich beispielsweise um einen Tumor handeln.
Die Bestrahlungsanlage weist ein Synchrotron oder auch einen anderen Beschleuniger 104 zur Bereitstellung eines Teilchenstrahls 105 auf. Eine laterale Ablenkung des Teilchenstrahls 105, die bereits für die Bestrahlung stationärer Zielvolumina notwendig ist (Rasterscanverfahren) und eine laterale Kompensation der Zielvolumenbewegung kann mittels Scanmagneten 106 erfolgen. Bei den Scanmagneten 106 kann es sich beispielsweise um Dipolmagnete handeln, wobei die laterale Kompensation durch eine Anpassung der Dipolmagneteinstellungen erfolgen kann. Für eine longitudinale Kompensation entlang der Strahlachse weist die Bestrahlungsanlage eine Energievariationseinrichtung auf. Zum Beispiel ist die Energievariationseinrichtung in Form eines Keilsystems 108 zur passiven Energiemodulation ausgebildet. Dass Keilsystem 108 kann beispielsweise Keile aus Kunststoff aufweisen, die mittels einem linearen Motor bewegt werden können. Die hier beschriebene Erfindung ist für jede Art von Energievariationseinrichtung anwendbar beispielsweise auch durch aktive Energievariation seitens eines entsprechend ausgestatteten Beschleunigers ausbildbar. Die Bestrahlung kann gemäß einem Bestrahlungsschemas mit einer Mehrzahl von Rasterpunkten erfolgen.
Die Bestrahlungsanlage kann ferner eine Erfassungseinrichtung 110, eine Kontrolleinrichtung 112, einen Rasterscan 114 und einen Teilchenzähler 116 aufweisen. Die Erfassungseinrichtung 110 kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Bewegung des Zielvolumens 102 zu erfassen und an die Kontrolleinrichtung 112 bereitzustellen. Der Teilchenzähler 116 kann ausgebildet sein, um eine Anzahl der Teilchen des Teilchenstrahls 105 und an die Kontrolleinrichtung 112 bereitzustellen. Bei dem Teilchenzähler 116 kann es sich um eine Ionisationskammer handeln. Die Kontrolleinrichtung 112 kann ausgebildet sein, um den Beschleuniger 104, die Scanmagnete 106 und das Energiemodulationssystem 108 anzusteuern. Dazu kann die Kontrolleinrichtung 112 ausgebildet sein, um entsprechende Steuerungsparameter aus den von der Erfassungseinrichtung 110 und dem Teilchenzähler 116 empfangenen Daten zu ermitteln.
2 zeigt eine schematische Darstellung von Rasterpunkten, die gemäß einem Bestrahlungsschema auf einem Gitter angeordnet sind. Gemäß dem Bestrahlungsschema werden die Rasterpunkte, wie durch die Pfeile angedeutet, zeitlich nacheinander bestrahlt. Nimmt das Zielvolumen unterschiedliche Bewegungszustände an, so verändert sich die Lage der Rasterpunkte. Die linke Darstellung von 2 zeigt die Rasterpunkte in einem Referenzbewegungszustand des Zielvolumens. Beispielhaft ist einer der Referenzpunkte mit einem Bezugszeichen 222 versehen. Die rechte Darstellung von 2 zeigt die Rasterpunkte in einem weiteren Bewegungszustandes des Zielvolumens. Beispielhaft ist ein Punkt 222 in dem weiteren Bewegungszustand mit einem Bezugszeichen 222a versehen.
Für den in der linken Darstellung gezeigten Referenzbewegungszustand können Dosisbeiträge von jeder Gitterposition (x, y, E, N) auf nachfolgend bestrahlte Gitterpositionen (x', y', E', N') berechnet werden. Die Berechnung basiert auf der lateralen Entfernung r und Tiefe z'.
Für den in der rechten Darstellung gezeigten weiteren Bewegungszustand werden Änderungen in dem effektiv wirksamen Dosisbeitrag ΔD berechnet. Die Berechnung basiert auf der aktu ellen 4DCT Phase und beinhaltet eine Adaption der Position des Bragg-Maximums Δ(x, y, z) und Δ(x', y', z'). Daraus ergibt sich eine Verschiebung der Tiefendosisverteilung d(E, z + Δz), eine Verschiebung von z' um Δz', sowie eine Änderung in der lateralen Entfernung (r').
3 zeigt eine zeitliche Korrelation eines Scanprozesses mit einer Bewegung des Zielvolumens. Diese Korrelation kann zur Berechnung der erforderlichen effektiv wirksamen Strahlendosis verwendet werden wenn der Scanprozess simuliert wird oder zur Berechnung der applizierten Strahlendosis nach einer erfolgten Bestrahlung.
Die obere Graphik ist auf die Bewegung des Zielvolumens gerichtet. Auf der vertikalen Achse sind die Bewegungszustände des Zielvolumens als absolute Position 352 und als Bewegungsphase 354 aufgetragen. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Basierend auf einer Bewegungstrajetorie 352 kann der aktuelle Bewegungszustand 354 des Zielvolumens bestimmt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wurden zehn Bewegungszustände verwendet. Die Kennlinie 352 zeigt die Bewegung des Zielvolumens. Die Kennlinie 354 zeigt die zugehörigen Bewegungszustände des Zielvolumens.
Die untere Graphik ist auf den Beschleuniger der Bestrahlungsanlage gerichtet. Auf der vertikalen Achse sind die Gitterpositionen 358, die den Rasterpunkten entsprechen, und die Strahlintensität 356 aufgetragen. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Der Scanverlauf wird durch die extrahierte Strahlungsintensität 356 und der Anzahl von Partikeln pro Gitterposition N bestimmt. Der Scanverlauf, d. h. die Erbringungszeit einer jeden Gitterposition, ist nicht linear weil N für verschiedene Rasterpunkte i. A. nicht gleich ist. Die Kennlinie 356 zeigt die Intensität des Teilchenstrahls. Die Kennlinie 358 zeigt die bestrahlte Gitterposition.
4 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung zweier Bewegungszustände des Zielvolumens 102. Das Zielvolumen weist eine Mehrzahl von Voxel auf, die in 4 jeweils durch kleine Quadrate dargestellt sind. Die linke Darstellung zeigt das Zielvolumen in einem ersten Bewegungszustand, der als Referenz dient. Der Teilchenstrahl 105 dringt bis zu einem vorgesehenen Punkt in das Zielvolumen ein. Die Bestrahlung wirkt sich nicht nur auf das Zielvoxel aus, sondern auch auf die im Eingangskanal des Teilchenstrahls 105 liegenden Voxel. Diese im Eingangskanal liegenden Voxel erhalten durch die Bestrahlung des Zielvoxels bereits eine Vorbestrahlung. Abhängig von dem Bewegungszustand des Zielvolumens werden unterschiedliche Voxel von der Vorbestrahlung erfasst. Der Einfluss einer Rotation des Zielvolumens auf die Vorbestrahlung ist in der rechten Darstellung gezeigt. Durch die Rotation des Zielvolumens ändert sich im Vergleich zu dem links gezeigten Referenzfall die Dosis im Eingangskanal des Teilchenstrahls 105. Ein vergleichbarer Effekt tritt bei Deformationen und i. a. nicht-rigiden Bewegungen des Zielgebiets auf.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer effektiv wirksamen Strahlendosisverteilung bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem beweglichen Zielvolumen kann es sich um das in 1 gezeigte Zielvolumen 102 handeln. Das Zielvolumen weist, wie in 4 gezeigt, eine Mehrzahl von Volumenelementen auf. Gemäß diesem Ausfüh rungsbeispiel kann das Zielvolumen, wie in 4 gezeigt, einen ersten und einen zweiten Bewegungszustand annehmen. Der erste Bewegungszustand wird als Referenzbewegungszustand definiert.
Gemäß dem Verfahren werden zunächst die Positionen der Volumenelemente erfasst, an denen sich die Volumenelemente befinden, wenn sich das bewegliche Zielvolumen 102 in dem ersten Bewegungszustand befindet. In entsprechender Weise werden die Positionen der Volumenelemente erfasst, an denen sich die Volumenelemente befinden, wenn sich das bewegliche Zielvolumen 102 in dem zweiten Bewegungszustand befindet. Sind für das bewegliche Zielvolumen 102 mehr als zwei Bewegungszustände definiert, so werden dieser und die folgenden Verfahrensschritte in entsprechender Weise auch für die weiteren Bewegungszustände durchgeführt.
Nach der Erfassung der Positionen werden die ersten Positionen in die zweiten Positionen transformiert, um Transformationsparameter zu bestimmen. Die Transformation kann gemäß einer vorbestimmten Transformationsvorschrift erfolgen. Beispielsweise kann die Bestimmung der Transformationsparameter über eine Registrierung der Bewegungszustände erfolgen.
Das bewegliche Zielvolumen 102 wird gemäß einem Bestrahlungsplan bestrahlt. Der Bestrahlungsplan weist eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten 222 auf. Der Bestrahlungsplan ist basierend auf dem Referenzbewegungszustand, d. h. entsprechend dem Satz erster Positionen aufgestellt worden. Zur Berücksichtung der Bewegung des Zielvolumens 102 können unterschiedliche Bestrahlungstechniken eingesetzt werden. Bei der unterbrochenen Strahlungstechnik erfolgt eine an die Bewegung des Zielvolumen angepasste Unterbrechung des Bestrahlungsablaufes (engl. gating). Alternativ kann die Bestrahlungstechnik ein mehrfaches Anwenden des Bestrahlungsplans (engl. rescanning) oder eine Bewegungskompensation mittels Kompensationsparametern umfassen. Bei entsprechender Auslegung des Bestrahlungsplans kann die Bestrahlung auch ohne eine spezielle Bestrahlungstechnik, d. h. wie für stationäre Zielvolumina, erfolgen.
Während des Bestrahlungsvorganges kann für jeden einzelnen bestrahlten Rasterpunkt erfasst werden, in welchem der Bewegungszustände sich das bewegliche Zielvolumen 102 gerade befindet. Alternativ kann die Erfassung auch jeweils für eine Gruppe von bestrahlten Rasterpunkten erfolgen.
Die Erfassung der jeweiligen Bewegungszustände ermöglicht ein Zuordnen bestrahlter Rasterpunkte zu den jeweiligen Bewegungszuständen. So können Rasterpunkten 222, während deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen 102 gerade in dem ersten Bewegungszustand befand, zu einem ersten Sub-Bestrahlungsplan zugeordnet werden. Entsprechend können Rasterpunkte 222a, während deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen 102 gerade in dem weiteren zweiten Bewegungszustand befand, zu einem zweiten Sub-Bestrahlungsplan zugeordnet werden. Sofern das bewegliche Zielvolumen 102 noch weitere Bewegungszustände annehmen kann, können in entsprechender Weise weitere Sub-Bestrahlungspläne aufgestellt werden.
Basierend auf den aufgestellten Sub-Bestrahlungsplänen kann die effektiv wirksame Dosis ermittelt werden. Insbesondere kann die effektiv wirksame Dosis für jedes Volumenelement, jeweils aus Beiträgen der Rasterpunkte 222, 222a des ersten Sub- Bestrahlungsplans und des zweiten Sub-Bestrahlungsplans, bestimmt werden. Die Bestimmung kann unter Verwendung der Transformationsparameter erfolgen. Somit können die Beiträge der Rasterpunkte 222a des weiteren Sub-Bestrahlungsplans durch eine Transformation der ersten Positionen in die zweiten Positionen ermittelt werden.
Wenn etwa die tatsächlich deponierte, effektiv wirksame Dosis in einem der Volumenelemente berechnet werden soll, kann beispielsweise das bei der Bestrahlung des Rasterpunkts 222 vorliegende Teilchen- und Energiespektrum hierzu beitragen. Der Beitrag ist im Allgemeinen ein anderer, wenn der Rasterpunkt 222 während eines ersten Bewegungszustandes bestrahlt worden ist, d. h. als Teil des ersten Sub-Bestrahlungsplans, verglichen zu dem Fall, wenn der Rasterpunkt 222a während eines zweiten Bewegungszustandes bestrahlt worden ist. Durch das Verfahren kann die effektive wirksame Dosis nun auch in Abhängigkeit der verschiedenen Bewegungszustände berechnet werden.
Die zur Ermittlung der effektiv wirksamen Dosis verwendeten Beiträge der Rasterpunkte 222, 222a können jeweils Parameter zur Berechnung einer absorbierten Strahlendosis und einer relativen Wirksamkeit, insbesondere einer relativen biologischen Wirksamkeit oder auch einer relativen Effizienz aufweisen. Die relative Wirksamkeit in einem Volumenelement kann durch die von dem Volumenelement absorbierte Strahlendosis, einer Teilchenenergie der Bestrahlung, einem Teilchenspektrum der Bestrahlung und/oder einer Materialart des Volumenelements beeinflussbar sein. Die Parameter können zusammen mit der Erfassung der Positionen der Volumenelemente ermittelt werden.
Das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise von der in 1 gezeigten Bestrahlungsanlage ausgeführt werden.
Dazu kann beispielsweise die Erfassungseinrichtung 110 der Bestrahlungsanlage eine Einrichtung zum Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand und eine Einrichtung zum Erfassen weiterer Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens 102 aufweisen. Ferner kann die Erfassungseinrichtung 110 ausgebildet sein, um während der Bestrahlung eines Rasterpunktes zu erfassen, in welchem der Bewegungszustände sich das bewegliche Zielvolumen 102 gerade befindet.
Die Kontrolleinrichtung 112 der Bestrahlungsanlage kann beispielsweise eine Einrichtung zum Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen und eine Einrichtung zum Zuordnen von Rasterpunkten zu den zugeordneten Bewegungszuständen aufweisen, um Sub-Bestrahlungspläne zu erstellen. Ferner kann die Kontrolleinrichtung 112 eine Einrichtung zum Bestimmen der effektiv wirksamen Dosis aus Beiträgen der Rasterpunkte 222, 222a der Sub-Bestrahlungspläne aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Berechung der effektiv biologisch wirksamen Dosisverteilung unter Bewegung des Zielvolumens die folgenden Schritte:
In einem ersten Schritt erfolgt eine Aufnahme von zeitlich aufgelösten Volumendatensätzen aus denen eine 3D Bewegung des Zielvolumens, beispielsweise eines Tumors und der umgebenden Anatomie, hervorgeht und die für die Berechnung der Teilchenreichweite geeignet sind. Die Berücksichtigung der Bewegung der Anatomie ist insbesondere im Strahlweg wichtig. Zur Aufnahme der Volumendatensätzen kann mit 4DCTs gearbeitet werden, wobei die CTs einen Bewegungszyklus des Tumors, beispielsweise einen Atemzyklus, in 10 quasi-stationäre 3DCTs, 4DCT-Phasen unterteilen. Eine der 4DCT Phasen wird als Referenzphase definiert. Für das Beispiel des Atemzyklus wird typischerweise die 4DCT Phase bei der Ausatmung als Referenzphase verwendet.
Eine Konturierung des Tumorvolumens und gegebenenfalls der Risikoorgane wird zumindest in der Referenzbewegungsphase aber gegebenenfalls auch in den restlichen 4DCT Phasen durchgeführt.
Es folgt die Bestimmung der Transformationsvorschrift mit der beispielsweise ein Transferieren aller Voxelmittelpunkte der festgelegten Referenzphase in die anderen, hier beispielsweise neun 4DCT Phasen erfolgen kann. Dafür werden nicht-rigide Registrierungsverfahren mit den zugeordneten Transformationsalgorithmen und beispielsweise einer Vergleichsmetrik, wie z. B. Korrelationsmetriken (correlation), normalized mutual information oder Summe der Abstandsquadrate (sum of squared differences), verwendet.
Eine Optimierung eines quasi-statischen Referenzbestrahlungsplans erfolgt basierend auf der Referenzphase und den entsprechenden Konturen. Die Anwendung bzw. Dosisberechnung dieses Referenzbestrahlungsplans ergibt eine statische Referenz-Dosisverteilung im Koordinatensystem der Referenzphase. Beispielsweise kann eine effektiv wirksame Dosisverteilung, ins besondere eine biologisch effektive Dosis oder eine Materialeffektivität, optimiert werden.
Es folgt eine Bestrahlung eines Patienten mit dem Referenzbestrahlungsplan. Die Bestrahlung kann ohne jegliche Veränderung des Referenzbestrahlungsplans erfolgen, beispielsweise durch Unterbrechung des Bestrahlungsablaufs (engl. gating), durch mehrfaches Anwenden des Referenzbestrahlungsplan (engl. rescanning) oder bewegungskompensiert durch Anwendung der Kompensationsparameter (Δx, Δy, ΔE, ΔN, ΔF). In jedem Fall wird die Patientengeometrie während der Bestrahlung durch eine Organbewegung verändert. Eine Modellierung der Organbewegung kann z. B. vor der Bestrahlung durch 4DCT erfolgen. Unmittelbar vor der Bestrahlung kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch geeignete Methoden (ggf. Fluoroskopie) untersucht werden, ob die Modellierung noch gültig ist.
Während der Bestrahlung erfolgt eine zeitlich aufgelöste Messung der Teilchenextraktion aus dem Synchrotron. Alternativ und i. A. gleichwertig kann eine Messung des Bestrahlungszeitpunkts jedes Rasterpunktes erfolgen. Zudem erfolgt eine Messung der Bewegungstrajektorie des Tumors oder einer passenden Ersatzgröße. Erforderlich ist dabei, dass alle Messungen zeitlich korreliert sind.
Es folgt eine Zuordnung des Rasterpunktes zu der Bewegungsphase und damit dem 4DCT. Pro Bewegungsphase entsteht dadurch ein Sub-Bestrahlungsplan. Angewendet auf die zugeordnete 4DCT Phase entsteht eine Sub-Dosisverteilung, die mit Hilfe der Transformationsvorschriften in die Referenzbewegungsphase transformiert werden kann. Die Sub-Dosisverteilung umfasst nur die ab sorbierte, physikalische Dosis. In der Referenzbewegungsphase erfolgt eine Summierung aller Dosisverteilungen zu einer gesamt absorbierten, physikalischen Dosis. Für die effektiv wirksame Dosis können auf diese Art jedoch noch keine Sub-Dosisverteilungen ausgerechnet werden, da die relative Wirksamkeit, insbesondere die relative biologische Wirksamkeit oder die relative Effizienz, von den Parametern der anderen Sub-Bestrahlungspläne beeinflusst wird.
Eine Berechnung der effektiv wirksamen Dosis, insbesondere der biologisch effektiven Dosis oder der Materialeffektivität, unter Bewegung erfolgt nun durch Berechnung im Referenzkoordinatensystem. Um die Dosis eines Voxels zu bestimmen wird der Beitrag aller Rasterpunkte aus allen Sub-Bestrahlungsplänen zu einem Gesamt-Teilchen- und -Energiespektrum berechnet. Hierzu wird der Voxelmittelpunkt in das Koordinatensystem der entsprechenden Bewegungsphase transformiert und es werden, unter Berücksichtigung der dort gültigen 4DCT Phase die Parameter zur Berechnung von absorbierter Dosis, insbesondere ein lateraler Abstand zum Voxel und eine wasseräquivalente Tiefe, und der relativen Wirksamkeit, insbesondere ein Teilchen- und Energiespektrum, gesammelt. Aus der Gesamtheit der Parameter pro Voxel lässt sich die relative Wirksamkeit und die absorbierte Dosis und damit die effektiv wirksame Dosis, insbesondere die biologisch effektive Dosis oder die Materialeffektivität, berechnen (betreffend die Bestimmung der effektiv wirksamen Dosis und der relativen Wirksamkeit über die Wirkung, s. oben).
Die anhand von 5 beschriebenen Verfahren eignen sich zur Berechnung der effektiv wirksamen Dosisverteilung, insbesondere der biologischen Wirksamkeit und der Materialeffektivität, unter Bewegung des Zielvolumens und sind für verschiedene Techniken zur Minimierung des Bewegungseinflusses anwendbar.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Aufstellen eines Bestrahlungsplans mit Korrekturwerten, das zur Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens geeignet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem beweglichen Zielvolumen kann es sich wiederum um das in 1 gezeigte Zielvolumen 102 handeln, das wie in 4 gezeigt, eine Mehrzahl von Volumenelementen aufweist und einen ersten und einen zweiten Bewegungszustand annehmen kann, wobei der erste Bewegungszustand als Referenzbewegungszustand definiert wird.
Wie bereits anhand von 5 beschrieben, werden in ersten Verfahrensschritten zunächst erste und weitere Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in dem ersten oder zweiten Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens 102 erfasst. Anschließend werden durch ein Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen Transformationsparameter ermittelt.
In einem nächsten Schritt kann ein Bestrahlungsplan zur Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens 102 aufgestellt werden. Der Bestrahlungsplan wird basierend auf den ersten Positionen aufgestellt und weist wiederum eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten 222 auf.
Basierend auf den Transformationsparametern können nun Korrekturparameter pro Rasterpunkt und Bewegungszustand bestimmt werden. Die Korrekturparameter ermöglichen eine Anpassung des Bestrahlungsplans an den weiteren Bewegungszustand. Eine solche Anpassung ist erforderlich, da sich die Positionen der Vo lumenelemente in den unterschiedlichen Bewegungszuständen unterscheiden können. Die Korrekturparameter können etwa in einer Korrekturtabelle gespeichert werden.
Für jeden Rasterpunkt 222 des ersten Bewegungszustands können erste Beiträge bestimmt werden, die zur Berechnung einer effektiven Strahlungsdosis nachfolgend zu bestrahlender Rasterpunkte verwendbar sind. Nachfolgende Rasterpunkte sind hierbei Rasterpunkte, die in dem ersten Bewegungszustand zeitlich nach demjenigen Rasterpunkt 222 bestrahlt werden, für den gerade die ersten Beiträge bestimmt werden.
In entsprechender Weise können für jeden Rasterpunkt 222a des zweiten Bewegungszustands zweite Beiträge bestimmt werden, die zur Berechnung einer effektiv wirksamen Strahlungsdosis nachfolgend zu bestrahlender Rasterpunkte verwendbar sind. Nachfolgende Rasterpunkte sind hierbei Rasterpunkte, die in dem weiteren Bewegungszustand zeitlich nach demjenigen Rasterpunkt 222a bestrahlt werden, für den gerade die zweiten Beiträge bestimmt werden. Kann das bewegliche Zielvolumen weitere Bewegungszustände annehmen, so können für diese weiteren Bewegungszustände in entsprechender Weise weitere Beiträge für die entsprechenden Rasterpunkte ermittelt werden.
Nach der Ermittlung der ersten und zweiten Beiträge kann aus diesen ein Korrekturbeitrag, insbesondere ein Differenzbeitrag, gebildet werden. Der Korrekturbeitrag kann auch in einer Korrekturtabelle gespeichert werden, wobei diese Tabelle mit der Korrekturtabelle für die Korrekturparameter identisch sein kann, aber nicht muss.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel bestimmen die Rasterpunkte jeweils eine Lage eines Bragg-Maximums in dem ersten Bewegungszustand. Ein Korrekturparameter, der einem Rasterpunkt zugeordnet ist, definiert eine Veränderung der Lage des Bragg-Maximums in dem zweiten Bewegungszustand. Beispielsweise können die Korrekturparameter eine laterale und longitudinale Änderung des Bragg-Maximums definieren.
Das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise von der in 1 gezeigten Bestrahlungsanlage ausgeführt werden.
Dazu kann die Erfassungseinrichtung 110 der Bestrahlungsanlage eine Einrichtung zum Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand und eine Einrichtung zum Erfassen zweiter Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens 102 aufweisen.
Die Kontrolleinrichtung 112 der Bestrahlungsanlage kann beispielsweise eine Einrichtung zum Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die zweiten Positionen und eine Einrichtung zum Aufstellen eines Bestrahlungsplanes zur Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens 102 aufweisen. Ferner kann die Kontrolleinrichtung 112 eine Einrichtung zum Bestimmen von Korrekturparametern pro Rasterpunkt und Bewegungszustand, eine Einrichtung zum Speichern der Korrekturparameter, etwa in einer ersten Korrekturtabelle, eine Einrichtung zum Bestimmen von ersten Beiträgen eines Rasterpunktes 222, eine Einrichtung zum Bestimmen von zweiten Beiträgen eines Rasterpunktes 222a, eine Einrichtung zum Bilden von Korrekturbeiträgen, insbesondere von Differenzbeiträ gen, aus den ersten und zweiten Beiträgen und eine Einrichtung zum Speichern der Korrekturbeiträge, etwa in einer zweiten Korrekturtabelle, aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren für die Berechung von Kompensationsparametern für bewegungskompensierte Bestrahlung die folgenden Schritte.
In einem ersten Schritt werden, wie anhand von 5 beschrieben, zunächst 4DCT, Transformationsparameter und ein Referenzbestrahlungsplan erstellt.
Es folgt eine Berechnung der Parameter Δx, Δy, ΔE und ggf. ΔF pro Rasterpunkt und Bewegungsphase und eine Speicherung der Parameter etwa in einer ersten Korrekturtabelle. Zur Berechnung können bekannte Verfahren eingesetzt werden.
Zur Ermittlung der absorbierten Dosis können ebenfalls bekannte Verfahren eingesetzt werden.
Für die Referenzbewegungsphase erfolgt eine Bestimmung und Speicherung der Beiträge eines Rasterpunktes, die zur Berechnung der effektiv wirksamen Dosis für alle Rasterpunkte-im-CT, die nachfolgend bestrahlt werden, erforderlich sind.
Für alle weiteren Bewegungsphasen erfolgt die gleiche Berechnung wie für die Referenzbewegungsphase allerdings auf 4DCT und unter Berücksichtigung der Δx, Δy, ΔE und ggf. ΔF der Rasterpunkte und Rasterpunkte-im-CT.
Es folgt eine Bildung von Korrekturbeiträgen, insbesondere Differenzbeiträgen, aus den Parametern und ein Abspeichern etwa in einer weiteren Korrekturtabelle, die der Korrekturtabelle mit den Korrekturparametern entsprechen kann, aber nicht muss.
Die anhand von 6 beschriebenen Verfahren ermöglichen eine Aufstellung eines Bestrahlungsplans basierend auf Korrekturparametern und Korrekturbeiträgen, ggf. abgelegt in Korrekturtabellen, deren Anwendung eine Korrektur für die Bewegung enthalten und dabei die biologisch effektive Dosis berücksichtigen.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem beweglichen Zielvolumen kann es sich wiederum um das in 1 gezeigte Zielvolumen 102 handeln.
In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt ein Bereitstellen eines Bestrahlungsplanes, von Korrekturparametern ggf. in einer ersten Korrekturtabelle und von Korrekturbeiträgen ggf. in einer zweiten Korrekturtabelle. Der Bestrahlungsplan und die Korrekturparameter bzw. Korrekturbeiträge können mittels der anhand von 6 beschriebenen Verfahren erstellt werden.
Während einer Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens 102 gemäß dem Bestrahlungsplan wird ein aktueller Bewegungszustand des Zielvolumens 102 erfasst. Zudem wird ein entsprechend dem Bestrahlungsplan aktuell zu bestrahlender Rasterpunkt 222 erfasst.
Der aktuelle Bewegungszustand und der aktuelle Rasterpunkt werden verwendet, um, etwa aus der ersten Korrekturtabelle, einen aktuellen Korrekturparameter auszulesen, der dem aktuellen Bewegungszustand und dem aktuellen Rasterpunkt zugeordnet ist.
Aufgrund einer Bestrahlung vorangegangener Rasterpunkte wurde, wie anhand von 4 dargestellt, auf den aktuellen Rasterpunkt bereits eine Strahlungsdosis appliziert. Unter Verwendung der Korrekturbeiträge, etwa aus der zweiten Korrekturtabelle, kann diese auf den aktuellen Rasterpunkt bereits applizierte Strahlungsdosis ermittelt werden.
Um den aktuellen Rasterpunkt mit der, gemäß dem Bestrahlungsplan vorgesehenen Strahlendosis zu bestrahlen, kann die für den aktuellen Rasterpunkt vorgesehenen Strahlendosis angepasst werden. Diese Anpassung kann basierend auf dem aktuellen Korrekturparameter und der bereits applizierten Strahlendosis erfolgen.
Der Schritt des Anpassens kann erfolgen, indem die gemäß dem Bestrahlungsplan vorgesehene Strahlendosis mit der bereits applizierten Strahlendosis verglichen wird. Entsprechend dem sich ergebenen Vergleichsergebnis kann die zur Bestrahlung des aktuellen Rasterpunktes vorgesehene Teilchenzahl angepasst werden. Beispielsweise kann die Teilchenzahl reduziert werden, um eine Bestrahlung durch vorangegangene Rasterpunkte zu berücksichtigen.
Zum Bestimmen der bereits applizierten Strahlendosis können Fehlbeträge pro Rasterpunkt 222 protokolliert werden. Dazu wird die Bestrahlung erfasst, die auf den aktuellen Rasterpunkt aufgrund vorher bestrahlter Rasterpunkte bereits appliziert wurde. Die Fehlbeträge können zur Berechnung einer Teilchenzahldifferenz verwendet werden, die zur Anpassung der gemäß dem Bestrahlungsplan zu applizierenden Teilchenzahl verwendet werden kann.
Das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise von der in 1 gezeigten Bestrahlungsanlage ausgeführt werden.
Dazu kann die Erfassungseinrichtung 110 der Bestrahlungsanlage neben den anhand von 6 bereits beschriebenen Einrichtungen ferner eine Einrichtung zum Ermitteln eines aktuellen Bewegungszustands und eines aktuellen Rasterpunktes 222 während einer Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens 102 gemäß dem Bestrahlungsplan aufweisen. Die Kontrolleinrichtung 112 kann ferner eine Einrichtung zum Auslesen eines aktuellen Korrekturparameters, etwa aus der ersten Korrekturtabelle, eine Einrichtung zum Bestimmen einer bereits auf den aktuellen Rasterpunkt applizierten Strahlungsdosis und eine Einrichtung zum Anpassen der Strahlendosis aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Anwendung der Kompensationsparameter während der Bestrahlung die folgenden Schritte.
In einem ersten Schritt werden als Grundlage, wie anhand von 6 beschrieben, Korrekturparameter und Korrekturbeiträge sowie der Referenzbestrahlungsplan erstellt. Zudem wird die Bewegungserfassung für die Bestimmung der Bewegungsphase, die für den Zugriff auf die Nachschlagtabelle benötigt wird, durchgeführt, und es wird der aktuell bestrahlte Rasterpunkt, der ebenfalls für den Zugriff auf die Nachschlagtabelle benötigt wird, erfasst.
Die Werte Δx, Δy, ΔE sind bestimmt und können aus einer ggf. erstellten ersten Korrekturtabelle ausgelesen werden; sie können durch die aktuelle Bewegungsphase und den aktuellen Rasterpunkt parametrisiert sein.
Eine Anpassung der Teilchenzahl erfolgt je nachdem, ob durch die Bestrahlung aller bisherigen Rasterpunkte mehr oder weniger effektiv wirksame Dosis als im Referenzplan vorgesehen, appliziert wurde. Dementsprechend wird die Teilchenzahl erhöht oder vermindert. Dabei kann ΔD aus einer ggf. erstellten Korrekturtabelle ausgelesen werden. Dafür erfolgt bei der Bestrahlung vorheriger Rasterpunkte durch Anwendung der Korrekturbeiträge eine Protokollierung und durch entsprechende Zähler eine Berücksichtigung der Fehlbeträge bei später bestrahlten Rasterpunkten unter Berücksichtigung der effektiv wirksamen Dosis. Unmittelbar vor der Bestrahlung eines Rasterpunktes wird der entsprechende Zähler ausgewertet und eine Berechnung des ΔN erfolgt auf Basis der im Zähler summierten Fehlbeiträge und des N und/oder der Dosis des Referenzbestrahlungsplans. Beide Schritte können online erfolgen. Sie können nicht vorberechnet werden, da die Abfolge Bewegungsphase zu Rasterpunkt nicht planbar ist, da sie von der Bewegungstrajektorie und dem Scanvorgang beeinflusst wird und somit i. A. bei jeder Behandlung verschieden ist.
Im Folgenden wird näher auf die Berechnung der Korrekturparameter zur Anpassung der Teilchenzahl eingegangen; es werden zwei Ansätze vorgestellt. Die Rasterpunkte seien in der Reihenfolge ihrer Bestrahlung von 1 bis M durchnummeriert.
Ansatz 1 ("Onlineüberleben"):
Vor der Bestrahlung werden zu jedem Rasterpunkt und zu jeder Bewegungsphase Alpha-, Beta- und sonstige Dosisgewichte, also Parameter, die zur Berechnung der effektiv wirksamen Dosis benötigt werden, für alle zuvor zu bestrahlenden Rasterpunkte vorberechnet und in einer Kontrolleinheit abgelegt. Diese Gewichte ergeben mit der Teilchenzahl des zugehörigen Rasterpunkts multipliziert die Beiträge des Rasterpunktes zu den für die Berechnung des Überlebens wichtigen Parametern Alpha, Beta und absorbierte Dosis des gemischten Feldes.
Zu Beginn der Bestrahlung wird eine Liste angelegt, in der die eingestrahlte Teilchenzahl und die zu diesem Zeitpunkt gültige Bewegungsphase für jeden Rasterpunkt notiert wird. Vor der Bestrahlung eines Punktes wird aus der Liste die Teilchenzahl mit dem zur entsprechenden Bewegungsphase gehörigen Gewicht multipliziert und für alle Vorgängerpunkte addiert. Hieraus lässt sich online Alpha, Beta und die absorbierte Dosis des gemischten Feldes bestimmen und damit die bisher applizierte effektiv wirksame Dosis. Aus der Differenz zum Sollwert der effektiv wirksamen Dosis wird die Teilchenzahl des aktuellen Punktes derart bestimmt, dass die effektiv wirksame Dosis der gewünschten entspricht. Die Korrekturen und damit auch die Vorberechnungen müssen nicht zwingend auf die Rasterpunktpositionen begrenzt sein, sondern können auch auf Volumenelemente bzw. andere Stützpunkte bezogen sein.
Die Addition der einzelnen Beiträge (Gewicht multipliziert mit der Teilchenzahl) lässt sich auch für jeden Punkt sofort nach der Bestrahlung eines Punktes und/oder in der Extraktionspause durchführen, wofür man dann eine weitere Onlineliste mit einem Eintrag pro Punkt haben müsste.
Ansatz 2 ("Spektrummethode"):
Vor der Bestrahlung werden zu jedem Rasterpunkt und zu jeder Bewegungsphase normierte Energie- und Teilchenspektren mit einem geeigneten Energiebinning für alle nachfolgend zu bestrahlenden Rasterpunkte vorberechnet und in einer Tabelle einer Kontrolleinheit zur Verfügung gestellt. D. h. zu dem ersten zu bestrahlenden Rasterpunkt werden pro Bewegungsphase für die Rasterpunkte 2 bis M normierte Spektren berechnet, zu dem zweiten Rasterpunkt werden pro Bewegungsphase für die Rasterpunkte 3 bis M Spektren berechnet, usw. Dabei kann entfernungsabhängig vom aktuellen Rasterpunkt für die weiteren Rasterpunkte auch auf die Berechnung und Speicherung verzichtet werden, wenn kein oder ein zu vernachlässigender Beitrag vorliegt.
Weiterhin werden die Sollspektren, wie sie sich aus dem Referenzplan ergeben, zu Beginn der Bestrahlung für alle Punkte (außer dem ersten) angelegt, in denen im Folgenden online die Differenz zum tatsächlichen Beitrag eines Punktes gespeichert werden sollen. Während der Bestrahlung eines Punktes wird die Bewegungsphase gemessen und für alle nachfolgenden Punkte die normierten Spektren der aktuellen Bewegungsphase mit der Differenz aus der eingestrahlten und der geplanten Teilchenzahl des aktuellen Punktes multipliziert und zu den anfangs angelegten Spektren addiert. Vor der Bestrahlung des nächsten Punktes wird aus den so online berechneten Energie- und Teilchenspektren die bisher applizierte effektiv wirksame Dosis bestimmt und die Teilchenzahl des aktuellen Punktes entsprechend angepasst, so dass insgesamt die gewünschte effektiv wirksame Dosis erzielt wird. Hierfür sind noch die dE/dx Ta belle des biologischen Targets/Detektormaterials und die intrinsischen Effizienz- bzw. RBW-Tabellen erforderlich. Die Korrekturen und damit auch die Vorberechnungen müssen nicht zwingend auf die Rasterpunktpositionen begrenzt sein, sondern können auch auf Volumenelemente bzw. andere Stützpunkte bezogen sein.
Eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die anhand von 7 beschriebenen Verfahren auszuführen, kann die Korrekturparameter und Korrekturbeiträge ggf. in Korrekturtabellen enthalten und ist ausgebildet, um die Protokollierung der Parameter zur Berechnung von ΔN vorzunehmen und vor der Bestrahlung eines Rasterpunktes das für eine biologisch effektive Dosiskompensation notwendige ΔN zu berechnen.
Die oben dargestellten Schritte der erfindungsgemäßen Verfahren können in mehreren getrennten Verfahren und zu verschiedenen Zeitpunkten ausgeführt werden. Auch können einzelne Verfahrensschritte parallel zueinander ausgeführt werden oder, sofern sinnvoll, auch in anderer Reihenfolge ausgeführt werden. Zudem können die beispielhaft beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen miteinander kombiniert werden.
Merkmale, die im Zusammenhang mit einem der Verfahren offenbart sind, können auch für eine der Vorrichtungen relevant sein und umgekehrt.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind allgemein in Anlagen zur Bestrahlung von Materie anwendbar, insbesondere, wenn sich die Materie relativ zum Bezugssystem der Anlage bewegt oder relativ zum Bezugssystem der Anlage bewegt wird und wenn der in der Materie zu erzielende Effekt nicht-linear von der absorbierten Dosis abhängt.

102: Zielvolumina
104: Beschleuniger
105: Teilchenstrahl
106: Scanmagnet
108: Keilsystem
110: Erfassungseinrichtung
112: Kontrolleinrichtung
114: Rasterscan
116: Teilchenzähler
222: Referenzpunkt
222a: Referenzpunkt
352: Bewegung des Zielvolumina
354: Bewegungszustände
356: Strahlintensität
358: Gitterpositionserbringungszeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10031074 A1 [0004]
- DE 102004028035 A1 [0005]
- DE 102005063220 A1 [0008, 0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Dissertation „Bestrahlung für bewegte Zielvolumen in der Tumortherapie mit gescanntem Kohlenstoffstrahl"; C. Bert; Technische Universität Darmstadt; 1. Februar 2006 [0006]
- Artikel „4D treatment planning for scanned ion beams"; Christoph Bert, Eike Rietzel; 3. Juli 2007; http://www.rojournal.com/content/2/1/24 [0007]
- Kanai T et al, 1997, Irradiation of mixed beam and design of spreadout Bragg peak for heavy-ion radiotherapy, Radiat Res 147: 78–85 und Zaider M, Rossi HH, 1980, The synergistic effects of different radiations, Radiat Res 83: 732–739 [0028]
- Krämer M, Schulz M, 2006, Rapid calculation of biological effects in ion radiotherapy, Phys Med Biol 51: 1959–1970 [0028]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer effektiven Strahlendosisverteilung bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens (102), das eine Mehrzahl von Volumenelementen aufweist, mit folgenden Schritten: Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); Erfassen weiterer Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen; Bestrahlen des beweglichen Zielvolumens (102) gemäß einem Bestrahlungsplan mit einer Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten (222), wobei während der Bestrahlung eines Rasterpunktes erfasst wird, in welchem der Bewegungszustände sich das bewegliche Zielvolumen (102) befindet; Zuordnen von Rasterpunkten (222), bei deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen (102) in dem ersten Bewegungszustand befand, zu einem ersten Sub-Bestrahlungsplan; Zuordnen von Rasterpunkten (222a), bei deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen (102) in dem mindestens einen weiteren Bewegungszustand befand, zu mindestens einem weiteren Sub-Bestrahlungsplan; und Bestimmen der effektiven Dosis für mindestens eines der Mehrzahl von Volumenelementen, jeweils aus Beiträgen der Rasterpunkte (222, 222a) des ersten Sub-Bestrahlungsplans und des mindestens einen weiteren Sub-Bestrahlungsplans, unter Verwendung der Transformationsparameter.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der effektiven Dosis ein Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen umfasst, um den Beitrag der Rasterpunkte (222a) des mindestens einen weiteren Sub-Bestrahlungsplans zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beiträge der Rasterpunkte (222, 222a) jeweils Parameter zur Berechnung einer absorbierten Strahlendosis und einer relativen Wirksamkeit aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die relative Wirksamkeit in einem Volumenelement durch die von dem Volumenelement absorbierte Strahlendosis, einem Teilchen- und Energiespektrum der Bestrahlung und/oder einer Materialart des Volumenelements beeinflussbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die effektiv wirksame Dosis bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestrahlens einen Schritt des Aufstellens des Bestrahlungsplanes basierend auf den ersten Positionen umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bestrahlens eine Unterbrechung eines Bestrahlungsablaufes, ein mehrfaches Anwenden des Bestrahlungsplans oder eine Bewegungskompensation mittels Kompensationsparametern umfasst, um Bewegungen des beweglichen Zielvolumen (102) zu berücksichtigen.
Vorrichtung zum Bestimmen einer effektiven Strahlendosisverteilung bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens (102), das eine Mehrzahl von Volumenelementen aufweist, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung zum Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); einer Einrichtung zum Erfassen weiterer Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); einer Einrichtung zum Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen; einer Einrichtung zum Bestrahlen des beweglichen Zielvolumens (102) gemäß einem Bestrahlungsplan der eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten (222) aufweist, wobei die Einrichtung zum Bestrahlen ferner ausgebildet ist, um während der Bestrahlung eines Rasterpunktes zu erfassen, in welchem der Bewegungszustände sich das bewegliche Zielvolumen (102) befindet; einer Einrichtung zum Zuordnen von Rasterpunkten (222), bei deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen (102) in dem ersten Bewegungszustand befand, zu einem ersten Sub-Bestrahlungsplan; einer Einrichtung zum Zuordnen von Rasterpunkten (222a), bei deren Bestrahlung sich das bewegliche Zielvolumen (102) in dem mindestens einen weiteren Bewegungszustand befand, zu mindestens einem weiteren Sub-Bestrahlungsplan; und einer Einrichtung zum Bestimmen der effektiven Dosis für mindestens eines der Mehrzahl von Volumenelementen, jeweils aus Beiträgen der Rasterpunkte (222, 222a) des ersten Sub-Bestrahlungsplans und des mindestens einen weiteren Sub-Bestrahlungsplans unter Verwendung der Transformationsparameter.
Vorrichtung nach Anspruch 8, ausgelegt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Aufstellen eines Bestrahlungsplans mit Korrekturwerten zur Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumen (102), das eine Mehrzahl von Volumenelementen aufweist, mit folgenden Schritten: Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); Erfassen weiterer Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen; Aufstellen eines Bestrahlungsplanes zur Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens (102) basierend auf den ersten Positionen, wobei der Bestrahlungsplan eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten (222) aufweist; Bestimmen von Korrekturparametern pro Rasterpunkt und Bewegungszustand basierend auf den Transformationsparametern, wobei die Korrekturparameter eine Anpassung des Bestrahlungsplans an den mindestens einen weiteren Bewegungszustand ermöglichen, und wobei die Korrekturparameter in einem Speicherbereich einer Rechnereinheit speicherbar sind; Bestimmen von ersten Beiträgen eines Rasterpunktes (222), die zur Berechnung einer effektiven Strahlungsdosis nachfolgend, in dem ersten Bewegungszustand, zu bestrahlender Rasterpunkte verwendbar sind; Bestimmen von zweiten Beiträgen eines Rasterpunktes (222a), die zur Berechnung einer effektiven Strahlungsdosis nachfolgend, in dem mindestens einem weiteren Bewegungszustand, zu bestrahlender Rasterpunkte verwendbar sind, unter Berücksichtigung der Korrekturparameter; und Bilden von Korrekturbeiträgen aus den ersten und zweiten Beiträgen, wobei die Korrekturbeiträge in einem Speicherbereich einer Rechnereinheit speicherbar sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Rasterpunkt eine Lage eines Bragg-Maximums in dem ersten Bewegungszustand definiert und ein zugeordneter Korrekturparameter eine Veränderung der Lage des Bragg-Maximums in dem mindestens einem weiteren Bewegungszustand definiert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei einem Rasterpunkt zugeordnete Korrekturparameter eine laterale und longitudinale Änderung des Bragg-Maximums definiert.
Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die effektive Strahlendosis nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmt wird.
Vorrichtung zum Aufstellen eines Bestrahlungsplans mit Korrekturwerten zur Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens (102), das eine Mehrzahl von Volumenelementen aufweist, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung zum Erfassen erster Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in einem ersten Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); einer Einrichtung zum Erfassen weiterer Positionen der Mehrzahl von Volumenelementen in mindestens einem weiteren Bewegungszustand des beweglichen Zielvolumens (102); einer Einrichtung zum Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in die weiteren Positionen; einer Einrichtung zum Aufstellen eines Bestrahlungsplanes zur Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens (102) basierend auf den ersten Positionen, wobei der Bestrahlungsplan eine Mehrzahl von zu bestrahlenden Rasterpunkten (222) aufweist; einer Einrichtung zum Bestimmen von Korrekturparametern pro Rasterpunkt und Bewegungszustand basierend auf den Transformationsparametern, wobei die Korrekturparameter eine Anpassung des Bestrahlungsplans an den mindestens einen weiteren Bewegungszustand ermöglichen, und wobei die Korrekturparameter in einem Speicherbereich einer Rechnereinheit speicherbar sind; einer Einrichtung zum Bestimmen von ersten Beiträgen eines Rasterpunktes (222), die zur Berechnung einer effektiven Strahlungsdosis nachfolgend, in dem ersten Bewegungszustand, zu bestrahlenden Rasterpunkten verwendbar sind; einer Einrichtung zum Bestimmen von zweiten Beiträgen eines Rasterpunktes (222a), die zur Berechnung einer effektiven Strahlungsdosis nachfolgend, in dem mindestens einem weiteren Bewegungszustand, zu bestrahlenden Rasterpunkten verwendbar sind, unter Berücksichtigung der Korrekturparameter; und einer Einrichtung zum Bilden von Korrekturbeiträgen aus den ersten und zweiten Beiträgen, wobei die Korrekturbeiträge in einem Speicherbereich einer Rechnereinheit speicherbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, ausgelegt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 13.
Verfahren zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumen (102), mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Bestrahlungsplanes mit Korrekturparametern und Korrekturbeiträgen gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13; Ermitteln eines aktuellen Bewegungszustands und eines aktuellen Rasterpunktes (222) während einer Bestrahlung des beweglichen Zielvolumens (102) gemäß dem Bestrahlungsplan; Auslesen eines aktuellen Korrekturparameters aus seinem Speicherbereich, wobei der aktuelle Korrekturparameter dem aktuellen Bewegungszustand und dem aktuellen Rasterpunkt zugeordnet ist; Bestimmen einer, aufgrund vorher bestrahlter Rasterpunkte, bereits auf den aktuellen Rasterpunkt applizierten Strahlungsdosis, unter Verwendung der Korrekturbeiträge; und Anpassen der gemäß dem Bestrahlungsplan für den aktuellen Rasterpunkt vorgesehenen Strahlendosis, unter Berücksichtigung des aktuellen Korrekturparameters und der bereits applizierten Strahlendosis.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Anpassens ein Vergleichen der gemäß dem Bestrahlungsplan vorgesehenen Strahlendosis mit der bereits applizierten Strahlendosis umfasst und wobei eine zur Bestrahlung des aktuellen Rasterpunktes vorgesehene Teilchenzahl entsprechend einem Vergleichsergebnis anpassbar ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei der Schritt des Bestimmens einer bereits applizierten Strahlendosis ein Protokollieren von Fehlbeträgen pro Rasterpunkt (222) durch Bestrahlung von vorherigen Rasterpunkten umfasst und ferner ein Berechnen einer Teilchenzahldifferenz auf Basis der Fehlbeträge und der gemäß dem Bestrahlungsplan zu applizierende Teilchenzahl, vor der Bestrahlung des aktuellen Rasterpunktes, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die effektive Strahlendosierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation bei einer Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumen (102), mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Bestrahlungsplanes, von Korrekturparametern und Korrekturbeiträgen gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13; einer Einrichtung zum Ermitteln eines aktuellen Bewegungszustands und eines aktuellen Rasterpunktes (222) während einer Bestrahlung des beweglichen Zielvolumen (102) gemäß dem Bestrahlungsplan; und einer Einrichtung zum Auslesen eines aktuellen Korrekturparameters, wobei der aktuelle Korrekturparameter dem aktuellen Bewegungszustand und dem aktuellen Rasterpunkt zugeordnet ist. einer Einrichtung zum Bestimmen einer, aufgrund vorher bestrahlter Rasterpunkte, bereits auf den aktuellen Rasterpunkt applizierten Strahlungsdosis, unter Verwendung der Korrekturbeiträge; und einer Einrichtung zum Anpassen der gemäß dem Bestrahlungsplan für den aktuellen Rasterpunkt vorgesehenen Strahlendosis, unter Berücksichtigung des aktuellen Korrekturparameters und der bereits applizierten Strahlendosis.
Vorrichtung nach Anspruch 20, ausgelegt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 19.
Vorrichtung zur Bestrahlung eines beweglichen Zielvolumens (102), umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation, welche Vorrichtung zur Bestrahlung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 19 zur Bestimmung einer Strahlendosiskompensation ausgelegt ist.