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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
eines Strahlparameters eines durch einen Beschleuniger generierten,
nicht geglätteten Photonenstrahls.
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In
der Medizintechnik werden Beschleuniger zur Strahlerzeugung eingesetzt.
Typischerweise kommen Linearbeschleuniger zum Einsatz (in der Regel
mit Linac abgekürzt), welche Elektronen oder als Sekundär-
bzw. Bremsstrahlung Photonen für den eingesetzten Strahl
erzeugen. Der erzeugte Strahl kann sowohl diagnostischen als auch
therapeutischen Zwecken dienen.
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Die
Strahlintensität des erzeugten Strahls ist in der Regel
nicht gleichmäßig. Um über den Querschnitt
des verwendeten Strahles eine gleichmäßige Intensität
zu erreichen, werden sogenannte Glättungsfilter (Flattening
Filters) eingesetzt. Diese Glättungsfilter sind der charakteristischen
Intensitätsverteilung des Strahles derart angepasst, dass
durch Absorption von Strahlung bzw. Photonen eine gleichmäßige
Strahlintensität über den Querschnittsbereich
des Strahles erzielt wird. Da der nicht geglättete Strahl
in der Mitte des Strahles üblicherweise das Intensitätsmaximum
aufreist und eine kontinuierlich nach Maßgabe des Abstandes
zum Zentrum abfallende Intensitätscharakteristik besitzt,
sind in der Regel Glättungsfilter derart gestaltet, dass
sie im Zentrum des Strahles die höchste Absorption haben
und sich das Absorptionsvermögen gemäß dem
Abstand vom Zentrum verringert. Derartige Glättungsfilter sind
beispielsweise in der
EP
0253 046 A1 (für therapeutische Anwendungen) und
der
US 2006/0256925 A1 (für
diagnostische Anwendungen) offenbart.
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Jüngere
Bestrebungen beim therapeutischen Einsatz von Beschleunigern zur
Photonengenerierung gehen dahin, auf den Glättungsfilter
bei der Bestrahlung zu verzichten. Der Grund dafür besteht hauptsächlich
darin, dass nicht geglättete Strahlen eine wesentlich höhere
Dosisleistung als geglättete Strahlen aufweisen. Der geglättete
Strahl hat typischerweise ein Maximum von 500 Monitor Units (MU) pro
Minute, wobei sich der ungeglättete Strahl bezüglich
dem Maximalwert in deutlich höheren Bereich bewegt (gegenwärtig
bis 2000 MU/min). Monitor Units ist dabei eine interne Bezeichnung
für die Leistung eines Linacs. Die Kalibration erfolgt
dabei so, dass unter Referenzbedingungen (definierter Abstand, Messtiefe,
Feldgröße, etc.) ein MU gleich der Dosis von 0,01
Gy (Gray) entspricht. Da bei Anwendungen wie Stereotaxie oder IMRT
(intensity modulated radiotherapy) sehr hohe Dosisleistungen (mehrere
1000 MU) benötigt werden, verringert sich bei der Verwendung
von ungeglätteten Strahlen die Behandlungszeit erheblich.
Bei Stereotaxie und IMRT wird mit Feldern (field size) geringer
Ausdehnung gearbeitet. Bei der üblichen Strahlungsleistung
von geglätteten Strahlen wäre demnach die Zeitdauer
für das Applizieren einer für die Behandlung erforderlichen
Strahlungsmenge erheblich. Diese Zeitdauer wird durch die Erhöhung
der Strahlungsintensität, welche mit der Entfernung des
Glättungsfilters einhergeht, deutlich verringert.
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Die
Verwendung von nicht geglätteten Photonenstrahlen für
therapeutische Einsätze ist auch in den Veröffentlichungen
[1] und [2] beschrieben. Dabei argumentiert [1], dass eine Verwendung
von nicht geglätteten Strahlen zusätzlich auch
noch zu einer Reduktion der von dem Patienten absorbierten Gesamtstrahlungsmenge
führt ([1], Seite 136).
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Die
Verwendung von nicht geglätteten Strahlen bringt das Erfordernis
mit sich, dass diese Strahlen für den Einsatz beschrieben
bzw. klassifiziert werden müssen. Für geglättete
Strahlen sind Parameter zur Strahlenbeschreibung definiert worden,
die in der Beschleunigertechnik durchgängig verwendet werden.
Bei diesen Parametern handelt es sich beispielsweise um die Parameter
Field Size, Penumbra, Symmetrie und Flatness. Da die Definition
dieser Parameter für geglättete Strahlen festgelegt
wurde, haben die nach den Definitionen dieser Parameter erhaltenen
Werte für ungeglättete Strahlen nicht denselben
Aussagegehalt wie für geglättete Strahlen. Die
Verwendung dieser Parameterdefinitionen für nicht geglättete
Strahlen führt nicht nur dazu, dass Parameterwerte von
ungeglätteten und geglätteten Strahlen zumindest
zum Teil nicht mehr vergleichbar sind, sondern auch dazu, dass Parameterwerte
von ungeglätteten Strahlen bei verschiedener Strahlausdehnung
auch nicht mehr direkt vergleichbar sind. Eine komplexe Umrechnung
wäre zum Vergleich erforderlich, wie es z. B. in der Veröffentlichung
[2] versucht wird.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung für
eine vereinfachte Parameterbestimmung für nicht geglättete
Photonenstrahlen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Ansprüche gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass eine von der Ausdehnung
des Feldes abhängige Skalierung der Strahlendosiswerte
erlaubt, mit Parameterdefinitionen für geglättete
Strahlen auch bei nicht geglätteten Strahlen zu arbeiten.
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Erfindungsgemäß wird
ein Strahlparameter eines durch einen Beschleuniger (z. B. durch
einen Linac) generierten, nicht geglätteten Photonenstrahl bestimmt.
Bei der erfindungsgemäßen Strahlparameterbestimmung
werden zunächst Strahlendosiswerte in einer Ebene senkrecht
zu der Ausbreitungsrichtung des Strahls gemessen. Die Ausbreitungsrichtung
des Strahls wird dabei durch den verwendeten Beschleuniger festgelegt.
Es wird eine Definition für die Strahlausdehnung (Field
Size) eines geglätteten Strahles herangezogen. Mit Hilfe
dieser Definition wird eine Normierung bzw. Reskalierung der gemessenen
Strahlendosiswerte durchgeführt. Diese Normierung wird
derart vorgenommen, dass für die Ausdehnung (Field Size)
des nicht geglätteten Strahls im Wesentlichen der Wert
erhalten wird, der für die Ausdehnung des geglätteten
Strahls erhalten würde. Für die Normierung erforderliche
Dosiswerte des geglätteten Strahls können vorab
in einer Messung bestimmt worden sein. In einer unten beschriebenen bevorzugten
Variante wird für die Normierung eine Fitfunktion benützt.
Der Ausdruck „im Wesentlichen” berücksichtigt
hierbei auch durch das Fitverfahren bedingte Ungenauigkeiten. Die
Normierung erfolgt in der Regel durch Multiplikation der Strahlendosiswerte
(welche beispielsweise in Prozent der Maximaldosis angegeben sind)
mit einem Faktor. Dieser Faktor wird erfindungsgemäß so
festgelegt, dass man im Wesentlichen dieselbe Feldausdehnung wie
für einen geglätteten Strahl erhält bzw.
die Werte für die Feldausdehnung für den geglätteten
und den ungeglätteten Fall im Wesentlichen übereinstimmen
(bei Verwendung derselben, für den geglätteten
Strahl üblichen Definition). Dieses Vorgehen macht sich
die Tatsache zu Nutze, dass die Ausdehnung von therapeutisch nutzbaren
Strahles durch Kollimatoren beschränkt werden und die Definition
für die Ausdehnung des geglätteten Strahles in
der Regel so gewählt ist, dass im Rahmen der für
die Bestrahlung erheblichen Genauigkeit die durch den Kollimator
festgelegte Ausdehnung erhalten wird. Der Begriff „im Wesentlichen” ist
dabei auch so zu verstehen, dass durch die Normierung eine Übereinstimmung
im Rahmen der für die Strahlcharakterisierung erforderlichen
Genauigkeit des Parameters „Field Size” hergestellt
wird.
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Durch
die Normierung sind Strahlparameterdefinitionen für den
geglätteten Strahl anwendbar, aus welchen dann Strahlparameter
des ungeglätteten Strahls bestimmt werden können.
Ein derart bestimmter Strahlparameter kann z. B. die Strahlausdehnung
(Field Size) sein, welche per Konstruktion im Wesentlichen mit der
Ausdehnung eines geglätteten Strahls übereinstimmt.
Aber auch z. B. für die Parameter Penumbra und Symmetrie
ergeben sich hiermit Werte, welche sinnvolle Aussagen über
Strahleigenschaften darstellen und mit entsprechenden Strahleigenschaften
von geglätteten Strahlen vergleichbar sind.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass Parameter bestimmt werden, welche
ohne weitere Anpassung sinnvolle Aussagen über den Strahl
liefern und ohne weiteres mit entsprechenden Parametern von nicht
geglätteten Strahlen vergleichbar sind. Eine für die
praktische Anwendung sehr hilfreiche Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
besteht darin, für eine Mehrzahl von Werten für
die Ausdehnung des Strahles einen Skalierungswert für die
Normierung zu bestimmen und mittels der Skalierungswerte eine Fitkurve
für Skalierungswerte als Funktion der Feldausdehnung zu
generieren. Diese durch einen Fit gebildete Skalierungsfunktion
kann dann für die Normierung von Strahlendosiswerten für
beliebige Werte der Feldausdehnung verwendet werden. D. h. durch diese
Weiterbildung braucht nur einmalig die Skalierungsfunktion berechnet
zu werden; bei der Anwendung der Skalierungsfunktion ist dann kein
expliziter Abgleich des nicht geglätteten Strahls mit dem
geglätteten erforderlich.
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Als
Definition für die Strahlausdehnung des geglätteten
Strahls wird beispielsweise der Abfall einer Isodose (Prozentverteilung
der Dosis) auf 50% der Maximaldosis verwendet. In diesem Fall würden die
Strahlendosiswerte derart auf einem Prozentwert (in der Regel teilweise > 100%) normiert werden, dass
sich ein Abfall der Isodose auf den Wert 50% im Wesentlichen an
identischen Positionen wie für den geglätteten
Strahl ergibt.
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Die
Erfindung umfasst ebenfalls eine Vorrichtung bzw. Vorrichtungselemente
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Dabei ist eine Messeinrichtung zum Messen von Strahlendosiswerten
in der Ebene senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Strahls umfasst.
Als Messeinrichtung können handelsübliche Messvorrichtungen
wie Ionisationskammern verwendet werden. Daneben ist eine Rechnereinheit
zur Normierung der Strahlendosiswerte gegeben, welche für
die erfindungsgemäße Vorgehensweise eingerichtet
ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen PC oder eine
Workstation, welche vorzugsweise Funktionen für zusätzlich benötigte
Vorgänge (Steuerung, Regelung verwendeter medizinischer
Einrichtungen) übernimmt.
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Die
Erfindung wird im folgenden Namen eines Ausführungsbeispiels
anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1:
einen Behandlungsraum mit einem Beschleuniger.
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2:
eine schematische Darstellung eines Linearbeschleunigers
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3:
eine erfindungsgemäße Normierung von Strahlendosiswerten
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4:
eine erfindungsgemäß erhaltene Fitfunktion
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5:
Skalierungswerte für die Aufstellung der Fitfunktion.
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In 1 sind
Ausstattungselemente eines Behandlungsraumes zu sehen. In diesem
Raum 1 befindet sich ein Gehäuse eines Linearbeschleunigers 10,
welches an einer rotierbaren Gantry 20 befestigt ist. Die
Energieversorgung wird über die Einheit 30 wahrgenommen,
welche mit einem Eingabe- und Steuersystem 50 verbunden
ist. Dieses System 50 stellt beispielsweise auch die Rechenressourcen für
die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bereit. Weiter sind ein Patiententisch 70 und ein
darauf positionierter, zu therapierender Patient 60 gezeigt.
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2 zeigt
schematisch den Aufbau eines Linearbeschleunigers. Dieser beinhaltet
eine Steuerungsschnittstelle 11, eine Elektronenquelle 13,
ein System 12 zur Lenkung und Beschleunigung von Elektronen,
eine Vakuumpumpe 14, ein Target 15, einen Kollimator 16,
ein Dosimeter 17 und Befestigungsklammern 18.
Das Gehäuse 10 des Beschleunigers kann mit magnetischen
Feldern und Strahlung abschirmenden Material beschichtet sein, um
die inneren Elemente abzuschirmen. Durch die Elektronenquelle 13 erzeugte
Elektronen werden durch das Leitungssystem 12 auf das Target 15 gesendet.
Dieses Target ist typischerweise aus einem Material mit einem hohen
Atomgewicht, z. B. Gold, Wolfram etc. Beim Auftreffen und Abbremsen
des Elektronenstrahles wird ein Photonenstrahl erzeugt, der ein
für die Strahlenbehandlung geeignetes Energiespektrum aufweist.
Die Klammer 18 kann z. B. dazu verwendet werden, um einen
Glättungsfilter anzubringen. Die Erfindung zielt auf Anwendungen,
wo kein Glättungsfilter vorgesehen ist.
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Typische
Strahlparameter eines geglätteten Strahles – z.
B. durch einen Beschleuniger entsprechend 2 erzeugt – sind
Feldausdehnung (Field Size) Penumbra, Symmetrie und Flatness. Der
Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass ein großer
Teil dieser Parameter, die ursprünglich für geglättete
Strahlen definiert wurden, auch mit derselben Definition für
nicht geglättete Strahlen anwendbar sind, wenn die erfindungsgemäße
Normierung erfolgt. Ein Parameter, der für den nicht geglätteten Strahl
verwendet werden können, ist z. B. Die Feldausdehnung bzw.
Feldgröße. Diese wird für geglättete
Strahlen üblicherweise definiert durch den Abfall auf 50%
der Maximumsintensität (50% Isodose). Ebenfalls ein sinnvoll
verwendbarer Parameter ist die sogenannte Penumbra, welche als der
Abstand zwischen den 20% und 80% Intensitätswerten bzw.
der Isodosen definiert wird. Mit anderen Worten, der Parameter Penumbra
misst, wie schnell das Feld von 80% Intensität auf 20%
Intensität abfällt bzw. wie scharf die Feldausdehnung
definiert ist, und liefert somit auch ein Maß für
Genauigkeit des Wertes für die Feldausdehnung. Dies ist
auch ein Genauigkeitsmaß, welches im vorliegenden Fall
für die in 3 beschriebenen Abgleich zur
Feldgröße des geglätteten Feldes verwendet
werden könnte. D. h. die erfindungsgemäße
Normierung ist auf jeden Fall so durchzuführen, dass der
Fehler der Übereinstimmung nicht größer
als der Wert für den Parameter Penumbra des geglätteten
Strahls ist. Entsprechend kann der Ausdruck „im Wesentlichen” bzgl.
der Übereinstimmung der Feldausdehnung des geglätteten und
des normierten, nicht geglätteten Strahls interpretiert
werden. Die Symmetrie wird üblicherweise definiert als
100% × |a – b|/|a + b|, wobei a die Fläche links
der zentralen Achse und b die Fläche rechts der zentralen
Achse ist. Diese Flächen werden begrenzt durch die Zentralachse
und die 50%-Feldgrenze. Symmetrie ist auch eine Eigenschaft, die
für nicht geglättete Strahlen relevant sind.
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Dagegen
macht z. B. der Parameter Flatness bzw. Homogenität bei
nicht geglätteten Strahlen wenig Sinn.
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In 3 ist
gezeigt, wie eine erfindungsgemäße Normierung
vorgenommen werden kann. In 1 sind 3
Kurven (31: flattend, 32: unflattend und 33:
rescaled unflattend) gezeigt, die Prozentwerte der Strahlintensität
in Abhängigkeit der Position darstellen. Die zentrale vertikale
Achse (y-Achse) ist dabei gleichzeitig die zentrale Achse des Strahles,
wo der Strahl maximale Intensität aufweist. Der maximale
Intensitätswert wird in der Zeichnung mit Dcax bezeichnet.
Die erste Kurve 31 ist eine übliche Darstellung
für einen geglätteten Strahl. Diese Kurve 31 ist im
Maximum auf 100% normiert. Im horizontalen Abstand sind die Intensitätswerte
auf beiden Seiten im Wesentlichen konstant um dann in einem Übergangsbereich
sehr schnell auf niedrige Prozentwerte abzufallen. Diese näherungsweise
Konstanz der Intensität geht beim nicht geglätteten
Strahl verloren. Die entsprechende Kurve 32 ist unterhalb
der ersten Kurve zu sehen. Diese Kurve (ebenfalls auf 100% im Maximum
normiert) zeigt seitlich mit wachsender Distanz vom Zentrum einen
stetigen Abfall, der sich in einem Randbereich beschleunigt und
dort zu einem schnellen Abfall auf Null entwickelt. Hier spielt
die Beobachtung eine Rolle, wie typischerweise der Intensitätsabfall
bei Kurven für geglättete Strahlen aussieht. Auch
dort ist ein schneller Abfall in einem Randbereich gegeben, der
im Wesentlichen durch die Öffnung des Kollimators festgelegt
wird. Nur sind aufgrund des Abfalls zwischen dem Maximalwert und dieser
Region, welcher bei geglätteten Strahlen nicht auftritt,
Definitionen für den geglätteten Strahl nicht unmittelbar
anwendbar.
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Erfindungsgemäß wird
nun die Kurve für den nicht geglätteten Strahl 32 derart
mit einem Skalierungsfaktor multipliziert, dass bei Anwendung der Definition
für die Feldausdehnung beim geglätteten Strahl
sich eine übereinstimmende Feldausdehnung beim nicht geglätteten
Strahl ergibt. In 3 erhält man so die
dritte Kurve 33, welche Werte höher als 100% aufweist.
Bei der Anwendung der Definition für die Ausdehnung eines
geglätteten Strahls, nämlich den Abfall auf 50%
des Isowertes, auf diese normierte Kurve erhält man, wie
aus der Figur ersichtlich ist, im Wesentlichen denselben Wert für
die Ausdehnung wie für den geglätteten Strahl.
Dabei ist ein mögliches Vorgehen das folgende: Bei der
gezeigten Figur ist der Abfall der zweiten Kurve 32 auf
der linken Seite stärker als auf der rechten. Man kann
nun den Faktor zur Skalierung so festlegen, dass für den
x-Wert, an dem die geglättete Kurve 31 links auf
50% abgefallen ist, die reskalierte Kurve 33 denselben
Wert wie die geglättete Kurve 31 hat. D. h. die
Normierung oder Reskalierung wird durchgeführt, indem ein Punkt
(50%-Punkt) der Kurven in Übereinstimmung gebracht wird.
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Das
Vorgehen aus 3 lässt sich für
verschiedene Feldgrößen wiederholen. In der in 5 gezeigten
Tabelle sind, als Beispiel, Skalierungswerte in Abhängigkeit
der Feldausdehnung gezeigt. Durch diese Punkte lässt sich
eine Fitkurve legen, wie es in 4 dargestellt
ist. Vorliegend wurde ein Polynom zweiten Grades gewählt,
d. h. über den Fit wurden drei Parameter der Fitkurve bestimmt.
Diese Kurve, welche den maximalen Prozentwert der reskalierten Kurve
in Abhängigkeit der Feldgröße anzeigt,
hat den Vorteil, dass sehr schnell für beliebige Feldgrößen
der Skalierungswert erhältlich ist. Dabei gilt das erst
einmal für quadratisch geformte Strahlen. Rechteckige Feldformen
lassen sich jedoch zu äquivalenten quadratischen Feldformen
in Beziehung setzen, so dass hier auch das erfindungsgemäße Verfahren
zur Anwendung kommen kann (siehe [3]). Anstelle einer Fitfunktion
kann auch zwischen gewählten Feldgrößen
interpoliert werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Dem Fachmann sind diverse Abwandlungen routinemäßiger
Natur unmittelbar einsichtig. Zum Beispiel können andere Fitfunktionen
für die Erstellung einer Kurve gemäß 4 oder
andere Skalierungswerte als in 5 verwendet
werden.
- [1] Bayouth J. E. et al., Image-guided stereotactic
radiosurgery using a specially designed high-dose-rate LINAC. Medical
Dosimetry, Vol. 32, No. 2, pp. 134–141, 2007
- [2] Pönisch F. et al., Properties of unflattened
photon beams shaped by a multileaf collimator. Med. Phys. 66 (6),
June 2006
- [3] Sterling et al. Automation of radiation treatment planning.
Brit. J. Radiol. 37: 544–550, 1964
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0253046
A1 [0003]
- - US 2006/0256925 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Bayouth J.
E. et al., Image-guided stereotactic radiosurgery using a specially
designed high-dose-rate LINAC. Medical Dosimetry, Vol. 32, No. 2, pp.
134–141, 2007 [0028]
- - Pönisch F. et al., Properties of unflattened photon
beams shaped by a multileaf collimator. Med. Phys. 66 (6), June
2006 [0028]
- - Sterling et al. Automation of radiation treatment planning.
Brit. J. Radiol. 37: 544–550, 1964 [0028]