DE102009035951B4

DE102009035951B4 - Bestimmung von Strahlparametern für asymmetrische Photonenstrahlen

Info

Publication number: DE102009035951B4
Application number: DE102009035951.6A
Authority: DE
Inventors: Christian EHRINGFELD
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: US8742326B2; DE102009035951A1; US20110024625A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Strahlparameters eines durch einen Beschleuniger generierten, asymmetrischen Photonenstrahls, umfassend die Schritte: – Messung eines Strahlprofils eines symmetrischen Photonenstrahls mit maximaler Feldausdehnung, – Normieren des gemessenen symmetrischen Strahlprofils, – Messung eines Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls, – Normierung des Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls derart, dass das Maximum des Profils dem Wert des normierten symmetrischen Strahlprofils am Ort des Maximums entspricht, und – Bestimmung einer der Strahlparameter Feldausdehnung, Penumbra, Symmetrie oder Flatness aus dem normierten asymmetrischen Strahlprofil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Strahlparameters eines durch einen Beschleuniger generierten, asymmetrischen Photonenstrahls.
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.
Je nach durch die jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen wird der Strahl des Beschleunigers anders geformt. Die Formung wird üblicherweise mit Mitteln der Kollimation und Absorption durchgeführt. Neben symmetrischen Strahlprofilen, d. h. bzgl. einer Zentralachse symmetrischer Strahlen, die in der Regel zu einem bzgl. eines Isozentrums symmetrischen Dosisprofil führen, werden auch sog. asymmetrische Strahlen eingesetzt. Beispielsweise werden in der Strahlentherapie bei modernen Bestrahlungstechniken wie IMRT (Intensity Modulated Radio Therapy) anstelle eines ausgedehnten Feldes, das einen zu zerstörenden Tumor umschließt, zahlreiche kleine Felder verwendet, die in Addition eine bessere Dosisverteilung im Tumor ergeben.
Eine Vorgehensweise zur Erzeugung von asymmetrischen Strahlen ist z. B. in der WO 98/35 358 A1 angegeben. In der Veröffentlichung [1] ist ein Verfahren zur Bestimmung von Korrekturfaktoren für asymmetrische Strahlprofile offenbart.
Die Verwendung von asymmetrischen Strahlen bringt das Erfordernis mit sich, dass diese Strahlen für den Einsatz beschrieben bzw. klassifiziert werden müssen.
Zur Strahlenbeschreibung wurden Parameter definiert, die in der Beschleunigertechnik praktisch durchgängig verwendet werden. Bei diesen Parametern handelt es sich beispielsweise um die Parameter Field Size (Feldgröße bzw. Feldausdehnung), Penumbra, Symmetrie und Flatness. Bei asymmetrischen Feldern wird üblicherweise zur Auswertung bzw. Analyse eine Verschiebung des Feldes derart vorgenommen, dass die Feldmitte des asymmetrischen Feldes auf der Zentralachse liegt. Danach wird wie bei symmetrischen Feldern vorgegangen.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine verbesserte Parameterbestimmung für asymmetrische Photonenstrahlen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Bestimmung eines Strahlparameters (z. B. Feldausdehnung, Penumbra oder Symmetrie) eines durch einen Beschleuniger generierten, asymmetrischen Photonenstrahls mittels gemessener Strahlprofile durchgeführt. Dabei wird eine Messung eines Strahlprofils eines symmetrischen Photonenstrahls mit maximaler Feldausdehnung (in der Regel in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahls) durchgeführt (mit Strahlprofil ist damit die gemessene Dosisverteilung im Messbereich gemeint). Vorzugsweise werden dabei die Steuerungsparameter des verwendeten Beschleunigers (insb. Strahlkollimation) so eingestellt, dass der symmetrische Photonenstrahl die maximale Feldausdehnung aufweist. Das so erhaltene symmetrische Strahlprofil wird normiert (üblich ist dabei eine Normierung auf 100% des Zentralstrahls bzw. der Isodosis, d. h. des Dosiswertes beim Schnittpunkt des Messbereiches mit der Zentralachse). Das normierte symmetrische Strahlprofil kann für eine Parameterbestimmung verschiedener asymmetrischer Strahlen verwendet werden, d. h. es genügt in der Regel die Generierung eines solchen Profils, das dann praktisch als Art Eichprofil für asymmetrische Dosisverteilungen fungiert. Ein gemessenes Strahlprofil eines asymmetrischen Photonenstrahls wird dann derart normiert, dass das Maximum des Profils dem Wert des normierten symmetrischen Strahlprofils am Ort des Maximums (des asymmetrischen Strahlprofils) entspricht. Dieser Wert kann eine Prozentzahl sein, z. B. bei einer Normierung der Isodosis des symmetrischen Strahles auf 100%. Aus dem normierten asymmetrischen Strahlprofil wird einer der Strahlparameter Feldausdehnung, Penumbra, Symmetrie oder Flatness bestimmt. Dafür kann es sinnvoll sein, das normierte asymmetrische Strahlprofil derart zu verschieben, dass das Maximum auf der Zentralachse zu liegen kommt (z. B. ist denkbar, dass dies bei der Bestimmung des Parameters Symmetrie durchgeführt wird).
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 verwendet werden, z. B. eine zylindrische Ionisationskammer oder 2D Scanning Arrays wie das SLA 48 Scanning Device mit einer LA 48 Matrix der Firma PTW. Daneben ist zumindest 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, welcher bzw. welche vorzugsweise Funktionen für zusätzlich benötigte Vorgänge (Steuerung, Regelung verwendeter medizinischer Einrichtungen) übernimmt.
Die Erfindung wird im folgenden Namen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
1: einen Behandlungsraum mit einem Beschleuniger,
2: eine schematische Darstellung eines Linearbeschleunigers,
3: Darstellung zur Definition des Parameters Feldgröße,
4: Darstellung zur Definition des Parameters Penumbra,
5: Darstellung zur Definition des Parameters Symmetrie,
6: eine herkömmliche Normierung von Strahlendosiswerten eines asymmetrischen Strahls,
7: eine erfindungsgemäße Normierung von Strahlendosiswerten eines asymmetrischen Strahls und
8: ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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.
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 oder Absorptionsstrukturen zur Strahlformung anzubringen.
Typischerweise erzeugt ein Linearbeschleuniger wie in 2 erst einmal einen bzgl. einer Zentralachse bzw. einer Symmetrieachse des Beschleunigers symmetrischen Strahl. Asymmetrische Strahlen können durch Kollimation oder/und Absorption geformt werden.
Typische Strahlparameter eines durch einen Beschleuniger erzeugten Strahles sind Feldgröße oder -ausdehnung (Field Size), Penumbra (Halbschatten), Symmetrie und Flatness. Für diese Parameter gibt es Definitionen, die generell angewandt werden. Z. B. wird die radiologische Feldgröße üblicherweise definiert durch den Abfall auf 50% der Maximumsintensität (50% Isodosis), d. h. als der Abstand der 50%-Dosis zwischen linker und rechter Seite des Profils (3). Ein anderer verwendeter Parameter ist die sogenannte Penumbra oder auch Halbschatten genannt, welche als der Abstand zwischen den 20% und 80% Intensitätswerten bzw. der Isodosis auf beiden Seiten des Profils definiert wird (vgl. 4). 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. 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 (vgl. 5). Diese Flächen werden begrenzt durch die Zentralachse und die 50%-Feldgrenze.
In 6 ist eine herkömmliche Vorgehensweise zur Reskalierung gezeigt. Eine asymmetrische Kurve 1 mit einem maximalen Intensitätswert D_max wird zur Analyse in der Auswerte-Software so verschoben (Schritt 2), dass die Feldmitte des asymmetrischen Feldes auf der Zentralachse liegt und somit auf 100% skaliert (Schritt 3) werden kann.
Diese Methode ist eine, vor allem in Bezug auf die Auswertung der radiologischen Feldausdehnung mit gewissen Fehlern behaftete Näherung. Insbesondere betrifft das die Parameter Feldgröße, Penumbra und Symmetrie.
Eine Verbesserung bietet das erfindungsgemäße Vorgehen, welches anhand von 7 beschrieben wird.
In 7 ist wieder die asymmetrische Feldverteilung 1 aus 3 gezeigt. Weiter ist eine symmetrische Feldverteilung 4 dargestellt. Diese wurde durch eine Messung bei der maximalen Feldausdehnung von 40 × 40 cm erhalten und dann bei der Zentralachse auf 100% skaliert. Die asymmetrische Kurve wird nun in einem Schritt 5 auf den Wert der Kurve 4 normiert, den die Kurve am Ort x_max des Maximums der asymmetrischen Kurve hat. Diese Reskalierung liefert genauere Werte bei der Parameterbestimmung. Für die Parameterbestimmung (Parameter Symmetrie) kann eine Verschiebung der reskalierten Kurve stattfinden (in der Figur ebenfalls dargestellt).
8 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung eines Strahlparameters eines durch einen Beschleuniger generierten, asymmetrischen Photonenstrahls. Dieses umfasst die Schritte:
21: Messung eines Strahlprofils eines symmetrischen Photonenstrahls mit maximaler Feldausdehnung
22: Normieren des gemessenen symmetrischen Strahlprofils
23: Messung eines Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls
24: Normierung des Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls derart, dass das Maximum des Profils dem Wert des normierten symmetrischen Strahlprofils am Ort des Maximums entspricht
25: Bestimmung einer der Strahlparameter Feldausdehnung, Penumbra, Symmetrie oder Flatness aus dem normierten asymmetrischen Strahlprofil
Dem Fachmann sind diverse Abwandlungen routinemäßiger Natur unmittelbar einsichtig. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Schritte eine andere als die in 8 angegebene sein. Insbesondere kann die Reihenfolge der Messungen von symmetrischen und asymmetrischen Profil vertauscht sein.

[1] Kwa W. et al., Dosimetry for asymmetric x-ray fields. Med. Phys. 21 (10), pp. 1599–1604, October 1994

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Strahlparameters eines durch einen Beschleuniger generierten, asymmetrischen Photonenstrahls, umfassend die Schritte: – Messung eines Strahlprofils eines symmetrischen Photonenstrahls mit maximaler Feldausdehnung, – Normieren des gemessenen symmetrischen Strahlprofils, – Messung eines Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls, – Normierung des Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls derart, dass das Maximum des Profils dem Wert des normierten symmetrischen Strahlprofils am Ort des Maximums entspricht, und – Bestimmung einer der Strahlparameter Feldausdehnung, Penumbra, Symmetrie oder Flatness aus dem normierten asymmetrischen Strahlprofil.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das normierte Strahlprofil des asymmetrischen Photonenstrahls zwecks Parameterbestimmung zur Zentralachse des symmetrischen Strahls verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlprofil des symmetrischen Strahls auf 100% am Ort der Zentralachse des Strahls normiert wird.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Strahlparameters eines durch einen Beschleuniger generierten, asymmetrischen Photonenstrahls mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend – eine Messeinrichtung zur Messung eines Strahlprofils eines symmetrischen Photonenstrahls mit maximaler Feldausdehnung, – eine Rechnereinheit zum Normieren des gemessenen symmetrischen Strahlprofils, – eine Messeinrichtung zur Messung eines Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls, – eine Rechnereinheit zur Normierung des Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls derart, dass das Maximum des Profils dem Wert des normierten symmetrischen Strahlprofils am Ort des Maximums entspricht, und – eine Rechnereinheit zur Bestimmung einer der Strahlparameter Feldausdehnung, Penumbra, Symmetrie oder Flatness aus dem normierten asymmetrischen Strahlprofil.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Rechnereinheit zur Verschiebung des normierten Strahlprofils des asymmetrischen Photonenstrahls zwecks Parameterbestimmung zur Zentralachse des symmetrischen Strahls aufweist.