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Die Erfindung betrifft ein bildgebendes System, insbesondere einen Magnetresonanztomographen (MRT), das mit einem Bestrahlungssystem kombiniert ist.
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In der modernen Strahlentherapie werden zur Berechnung der Bestrahlungspläne Bilddaten von Röntgensystemen, Magnetresonanztomographen und/oder Computertomographen (CT) verwendet. Bei Verwendung eines MRT definiert der behandelnde Arzt basierend auf dem MRT-Datensatz das Zielvolumen sowie die zu applizierende Dosisverteilung und ein entsprechendes Programm berechnet hieraus oft auch unter Berücksichtigung eines CT-Datensatzes den Bestrahlungsplan. Der Bestrahlungsplan beinhaltet bspw. für eine IMRT-Bestrahlung die Winkel, unter denen der Patient bestrahlt wird, sowie die bei einem bestimmten Winkel zu applizierende Dosis nebst evtl. Kollimatoreinstellungen etc. Im Anschluss an die MRT- und CT-Untersuchung und nach Fertigstellung des Bestrahlungsplans wird der Patient in den Bestrahlungsraum gebracht und dort unter Verwendung des Bestrahlungsplans bestrahlt.
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Hierbei tritt das Problem auf, dass beispielsweise aufgrund von Organbewegungen während des Transports des Patienten zum Bestrahlungsraum auch das Zielvolumen, das heißt der zu bestrahlende Tumor, eventuell seine Position im Körper ändert. Dieses Problem entsteht speziell dann, wenn der Patient selbst zu Fuß oder bspw. in einem Rollstuhl zum Bestrahlungsraum gelangt.
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Auch ist nicht auszuschließen, dass aufgrund von Atembewegungen oder anderen Bewegungen des Patienten während der Bestrahlung die momentane, tatsächliche Position des Zielvolumens nicht mehr mit der Position des Zielvolumens während der der Bestrahlungsplanung zugrunde liegenden MRT- und CT-Untersuchung übereinstimmt.
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Zusätzlich treten schon bei der Umpositionierung des Patienten von bildgebender Untersuchung zu Bestrahlung und von Bestrahlung zu Bestrahlung Varianzen auf.
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Um diesen Problemen zu begegnen, werden im Bestrahlungssystem bspw. Röntgensysteme integriert, mit denen die Position des Patienten beziehungsweise des Zielvolumens vor der Bestrahlung und evtl. zwischen zwei Fraktionen der Bestrahlung überprüft wird. Systembedingt liefern Röntgensysteme jedoch nur einen ungenügenden Weichteilkontrast, so dass eine präzise Lokalisierung des Zielvolumens nur schwer möglich ist. Eine Korrektur des Bestrahlungsplans basierend auf diesen Daten des Röntgensystems ist daher mangels ausreichender Präzision nur bedingt möglich (z. B. durch Markierungssysteme verschiedenster Art).
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Alternativ wurden kombinierte Systeme bestehend aus einem CT und einem Bestrahlungssystem vorgeschlagen. Auch beim CT ergibt sich bekanntermaßen systembedingt das Problem des mangelnden Weichteilkontrasts, so dass auch dieses kombinierte System nur bedingt geeignet ist, Daten für eine notwendige Korrektur eines Bestrahlungsplans mit ausreichender Genauigkeit zu liefern.
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Es ist demnach weder basierend auf den Daten eines Röntgensystems noch auf den Daten eines CT-Systems möglich, eine eventuell notwendige genaue Korrektur eines Bestrahlungsplans auszuführen.
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Eine ausreichende Genauigkeit kann derzeit lediglich mit Hilfe der Bilddaten eines MRT-Systems erreicht werden, da dieses bekanntermaßen einen sehr hohen Weichteilkontrast bietet, so dass die Position des Zielvolumens sehr präzise bestimmt werden kann. Nachteilig am MRT-System ist, wie bereits erwähnt, dass der Patient nach der Untersuchung im MRT in den Bestrahlungsraum gebracht werden muss, wobei jedoch die ebenfalls oben erwähnten Verschiebungen des Zielvolumens auftreten können.
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Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, den Patienten schon vor der Untersuchung im CT und im MRT zu immobilisieren, wodurch weitestgehend sichergestellt wird, dass zumindest der Patient selbst seine Position und Lage bspw. bezüglich der Unterlage, auf der der Patient immobilisiert ist und die als Referenzkoordinatensystem dienen kann, nicht ändert. Damit ist auch die Wahrscheinlichkeit groß, dass das Zielvolumen seine Position nicht wesentlich ändern kann. Diese Methode ist jedoch äußerst aufwändig und erfordert komplexe infrastrukturelle Maßnahmen sowie ein geschultes Personal. Darüber hinaus ist es auch hier nicht möglich, eine Anpassung des Bestrahlungsplans bei einer Bewegung des Patienten in Echtzeit durchzuführen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur bildgestützten Bestrahlung eines Patienten anzugeben, bei der es nicht nötig ist, den Patienten zu repositionieren. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Methode zur Erstellung oder Anpassung eines Bestrahlungsplans anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen der Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen formuliert.
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Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph mit einem bestimmten Raumbereich, in dem ein mit dem Magnetresonanztomographen abzubildendes Objekt positionierbar ist, ist ausgebildet, um von einem in dem bestimmten Raumbereich des Magnetresonanztomographen positionierten Objekt einen Datensatz zu erzeugen, anhand dessen ein Bild des Objekts, insbesondere ein Schnittbild des Objekts, berechenbar ist. Der Magnetresonanztomograph weist zusätzlich ein Bestrahlungssystem auf, wobei das Bestrahlungssystem zumindest zwei separate Bestrahlungseinheiten umfasst, die um den vorgegebenen Raumbereich herum verteilt angeordnet und derart ausgerichtet sind, dass zumindest in dem bestimmten Raumbereich eine vorgebbare Strahlendosisverteilung erzeugbar ist.
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Dem Magnetresonanztomographen ist eine erste Recheneinheit zugeordnet, die ausgebildet ist, um anhand des vom Magnetresonanztomographen erzeugbaren Datensatzes das Bild zu berechnen.
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Dem Bestrahlungssystem ist eine zweite Recheneinheit zugeordnet, die ausgebildet ist, um die Bestrahlungseinheiten entsprechend einem Bestrahlungsplan anzusteuern, um die vorgebbare Strahlendosisverteilung zu erzeugen.
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Weiterhin ist eine dritte Recheneinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, um den Bestrahlungsplan zu berechnen oder einen bestehenden Bestrahlungsplan zu modifizieren und/oder der zweiten Recheneinheit zur Verfügung zu stellen.
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Diese dritte Recheneinheit ist ausgebildet, um basierend auf dem vom Magnetresonanztomographen erzeugten Datensatz in Echtzeit, insbesondere während einer Untersuchung des Objektes mit dem Magnetresonanztomographen und basierend auf dem während der Untersuchung erzeugten Datensatz oder weitestgehend unmittelbar nach der Erzeugung des Datensatzes, einen neuen Bestrahlungsplan zu berechnen und/oder einen bestehenden Bestrahlungsplan zu modifizieren.
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Die Bestrahlungseinheiten sind insbesondere fest installiert und unbeweglich. Sie sind gleichmäßig auf einem Kreisumfang verteilt, wobei der Kreismittelpunkt in dem bestimmten Raumbereich, insbesondere im Zentrum des bestimmten Raumbereichs, liegt.
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Bei einem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für die erfindungsgemäße Kombination aus Bestrahlungssystem und Magnetresonanztomographen wird die vorgebbare Strahlendosisverteilung von einem Bestrahlungsplan vorgegeben, wobei das Bestrahlungssystem im Magnetresonanztomographen, insbesondere die zumindest zwei Bestrahlungseinheiten, basierend auf dem Bestrahlungsplan angesteuert wird, so dass die vorgebbare Strahlendosisverteilung erzeugt wird, wobei
- – anhand des vom Magnetresonanztomographen erzeugten Datensatzes ein neuer Bestrahlungsplan berechnet werden kann und
- – das Bestrahlungssystem, insbesondere die zumindest zwei Bestrahlungseinheiten, basierend auf dem neu berechneten Bestrahlungsplan angesteuert wird.
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Der neue Bestrahlungsplan kann auf einem bestehenden Bestrahlungsplan basieren, wobei zur Berechnung des neuen Bestrahlungsplans der bestehende Bestrahlungsplan anhand des vom Magnetresonanztomographen erzeugten Datensatzes angepasst wird.
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Die Berechnung des neuen Bestrahlungsplans kann in Echtzeit erfolgen, insbesondere während einer Untersuchung des Objektes mit dem Magnetresonanztomographen und basierend auf dem während der Untersuchung erzeugten Datensatz oder weitestgehend unmittelbar nach der Erzeugung des Datensatzes.
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Die Untersuchung mit dem Magnetresonanztomographen zur Erzeugung des Datensatzes und die Bestrahlung mit dem Bestrahlungssystem können insbesondere gleichzeitig erfolgen.
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Alternativ erfolgt eine Untersuchung mit dem Magnetresonanztomographen zur Erzeugung des Datensatzes zwischen zwei Fraktionen der Bestrahlung mit dem Bestrahlungssystem.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Erstellung oder Anpassung eines Bestrahlungsplans unter Verwendung des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen wird der Bestrahlungsplan basierend auf dem vom Magnetresonanztomographen erzeugten Datensatz, insbesondere basierend auf dem zumindest einen erzeugten Bild, berechnet.
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Der Bestrahlungsplan wird dabei in Echtzeit erstellt oder angepasst, insbesondere während einer Untersuchung des Objektes mit dem Magnetresonanztomographen oder weitestgehend unmittelbar nach der Erzeugung des Datensatzes.
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Einer der Vorteile der Erfindung liegt darin, dass aufgrund der Verwendung der MRT-Bildgebung während und/oder unmittelbar bevor der Strahlentherapiebehandlung ohne die Notwendigkeit, den Patienten zwischen dem MRT und dem Bestrahlungssystem bewegen zu müssen, die Möglichkeit einer hochpräzisen bildgestützten Strahlentherapie sowohl in Echtzeit als auch in Nicht-Echtzeit gegeben ist. Darüber hinaus ist es möglich, den Bestrahlungsplan in Echtzeit zu modifizieren beziehungsweise beispielsweise an die Patientenbewegung aufgrund der Atmung anzupassen, weil MRT einen sehr guten Weichteilkontrast liefert und Bewegungen des Zielvolumens daher schnell und zuverlässig erkannt werden können.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Die 1 zeigt in schematisierter und vereinfachter Darstellung einen Magnetresonanztomographen 100, in dessen Bohrung ein Patient 10 positioniert ist. Die einzelnen Komponenten des MRT, beispielsweise die Gradientenspulen und der supraleitende Magnet, sind hier nicht dargestellt. Im MRT 100 ist erfindungsgemäß ein Bestrahlungssystem 200 mit in diesem Fall drei Bestrahlungseinheiten 210, 220, 230 angebracht. Die einzelnen Bestrahlungseinheiten 210, 220, 230 weisen jeweils einen Linearbeschleuniger zur Erzeugung von Röntgenstrahlung auf, mit der der Patient 10 bestrahlt wird. Die Linearbeschleuniger erzeugen jeweils bspw. durch das Auftreffen eines hochbeschleunigten Elektronenstrahls auf eine Targetanode harte Röntgenstrahlung. Der beim Auftreffen des Elektronenstrahls entstehende Röntgenstrahlenfächer kann zusätzlich in einem Kollimator auf das Zielvolumen beschränkt werden.
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Die Bestrahlungseinheiten 210, 220, 230 sind um den Patienten herum angeordnet und fest und unbeweglich mit dem MRT 100 verbunden. Dies unterscheidet das Bestrahlungssystem 200 bspw. von einem handelsüblichen Bestrahlungssystem mit rotierbarer Gantry, bei dem der Strahlkopf beweglich ist und um den Patienten herum rotiert werden kann.
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Die Bestrahlungseinheiten 210, 220, 230 sind außerdem derart platziert und ausgerichtet, dass das mit den Bestrahlungseinheiten behandelbare Zielvolumen, beispielsweise ein Tumor, im Field of View (FoV) des MRT 100 liegt. Insbesondere sind die Bestrahlungseinheiten 210, 220, 230 gleichmäßig auf einem Kreisumfang verteilt, wobei der Kreismittelpunkt im Zentrum des Field of View des MRT 100 liegt.
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Damit ist sichergestellt, dass für den Fall, dass der Tumor in den mit dem MRT 100 erzeugten Bildern sichtbar ist, mit dem Bestrahlungssystem 200 vollständig bestrahlbar ist.
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Weiterhin ist ein Steuerrechner 300 vorgesehen, der eine erste 310, eine zweite 320 sowie eine dritte Recheneinheit 330 aufweist. Die Signalverlaufswege zwischen den einzelnen Recheneinheiten und anderen Komponenten des Systems sind mit Hilfe von Pfeilen dargestellt. Alternativ können für jede Recheneinheit oder für Kombinationen der Recheneinheiten separate Steuerrechner verwendet werden.
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Die erste Recheneinheit 310 dient dazu, die mit dem MRT aufgenommenen Datensätze in entsprechende Bilddaten umzurechnen. Typischerweise wird hierbei die schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet.
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Die zweite Recheneinheit 320 ist dem Bestrahlungssystem 200 zugeordnet. Die zweite Recheneinheit 320 stellt die Steuereinheit für die Bestrahlungseinheiten 210, 220, 230 des Bestrahlungssystems 200 dar und ist ausgebildet, die einzelnen Bestrahlungseinheiten entsprechend einem Bestrahlungsplan anzusteuern, um die vorgebbare Strahlendosisverteilung zur Bestrahlung des Tumors bzw. des Zielvolumens zu erzeugen.
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Der Bestrahlungsplan wird in der dritten Recheneinheit 330 berechnet, wobei wie einleitend erläutert Bilddaten eines CT und/oder eines MRT verwendet werden. Der in der dritten Recheneinheit 330 berechnete Bestrahlungsplan wird an die zweite Recheneinheit 320 übertragen, wo der Bestrahlungsplan schließlich umgesetzt wird, um die Strahlendosisverteilung zu erzeugen. Dabei kann der Bestrahlungsplan bspw. Informationen darüber enthalten, welche Dosis mit der jeweiligen Bestrahlungseinheit 210, 220, 230 appliziert werden soll, d. h. mit welcher Intensität und/oder wie lange bestrahlt werden soll. Weiterhin können Steuerbefehle für einen evtl. in der jeweiligen Bestrahlungseinheit 210, 220, 230 integrierten Kollimator (nicht dargestellt) zur Strahlformung enthalten sein.
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Die Bilddaten des MRT 100 werden der dritten Recheneinheit 330 von der ersten Recheneinheit 310 zugespielt. Das erfindungsgemäße bildgebende System 100 mit integriertem Bestrahlungssystem 200 bietet demnach den Vorteil, dass der Patient nach Aufnahme des MRT-Datensatzes nicht mehr zum Ort der Bestrahlung transportiert werden muss. Die oben genannte Problematik der eventuellen Verschiebung des Zielvolumens entfällt somit. Natürlich ist es weiterhin möglich, der dritten Recheneinheit 330 zur Berechnung eines Bestrahlungsplans auch Datensätze von externen Tomographen zuzuführen. Speziell die CT-Bilddaten müssen von einem externen CT zugeführt werden.
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Zusammengefasst werden also mit der ersten Recheneinheit 310 aus einem vom MRT 100 erzeugten Datensatz Bilddaten erzeugt, die der dritten Recheneinheit 330 zugeführt werden, wo basierend auf den Bilddaten ein Bestrahlungsplan berechnet wird. Der Bestrahlungsplan wird an die zweite Recheneinheit 320 übertragen, mit der das Bestrahlungssystem 200 bzw. die Bestrahlungseinheiten 210, 220, 230 des Bestrahlungssystems 200 angesteuert werden.
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Mit modernen MRT-Systemen ist es möglich, aus einem soeben aufgenommenen Datensatz in Echtzeit Bilddaten zu erzeugen. Es muss somit nicht mehr wie bei älteren Systemen notwendig abgewartet werden, bis eine vollständige Messung abgelaufen ist, um den Bilddatensatz anzuzeigen und auszuwerten. Dies ausnutzend können die in der ersten Recheneinheit 310 in Echtzeit erzeugten Bilder dazu verwendet werden, die aktuelle Position des Zielvolumens zu überwachen und gegebenenfalls ebenfalls in Echtzeit den Bestrahlungsplan zu modifizieren, beispielsweise für den Fall, dass aufgrund der Atembewegung des Patienten das Zielvolumen bzw. der Tumor seine Position ändert. Diese Möglichkeit ist, wie einleitend erwähnt, derzeit nur mit einem MRT-System aufgrund des hohen Weichteilkontrastes möglich.
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Das erfindungsgemäße MRT 100 mit integriertem Bestrahlungssystem 200 bietet somit zum einen den Vorteil, dass der Patient nach einer bildgebenden Untersuchung nicht mehr zum Bestrahlungssystem transportiert werden muss. Anhand der mit dem MRT erzeugten Bilddaten kann der Bestrahlungsplan erstellt und unmittelbar an das Bestrahlungssystem weitergeleitet werden, um die entsprechende Bestrahlung zu applizieren, ohne den Patienten bewegen zu müssen. Zum anderen bietet das erfindungsgemäße System den Vorteil, dass ein bereits bestehender Bestrahlungsplan während der Applikation desselben dahingehend angepasst werden kann, dass bei Verschiebungen des Zielvolumens, die in Echtzeit detektiert werden können, eine Neuberechnung des Bestrahlungsplans basierend auf den soeben aufgenommenen Bilddaten ebenfalls in Echtzeit erfolgen kann.
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Die Untersuchung des Patienten 10 mit dem MRT 100 kann gleichzeitig mit der Bestrahlung des Patienten erfolgen. Alternativ ist es natürlich denkbar, die MRT-Untersuchung in evtl. Fraktionspausen zwischen zwei Einzelbestrahlungen auszuführen. Letzteres setzt natürlich voraus, dass die Gesamtbestrahlung des Patienten in mehrere Fraktionen unterteilt ist.
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Der Begriff ”Recheneinheit” soll in der vorliegenden Erfindung in zweierlei Weise interpretierbar sein und dementsprechend zwei Ausführungsformen umfassen: Zum Einen können die erste, die zweite und die dritte Recheneinheit bspw. separate, physikalisch getrennte Computer oder CPUs sein, auf denen jeweils das der jeweiligen Recheneinheit zugeordnete Programm implementiert ist. Zum Anderen ist es insbesondere im Hinblick auf steigende Rechenleistung vorstellbar, dass zukünftig sämtliche oder zumindest mehrere der für die hier beschriebene Anwendung notwendigen Rechenoperationen von einem einzelnen Computer ausgeführt werden können. Dementsprechend müssen die einzelnen Recheneinheiten 310, 320, 330 nicht streng und notwendig als getrennte physikalische Einheiten verstanden werden, sondern können auch als Programmkomponenten eines übergeordneten Programms interpretiert werden, das von einem einzigen Computer ausgeführt wird und das die oben beschriebenen Funktionalitäten der ersten, zweiten und dritten Recheneinheit aufweist. In diesem Sinne wäre also die erste Recheneinheit 310 so zu verstehen, dass sie die Programmkomponente des übergeordneten Programms darstellt, mit der die mit dem MRT aufgenommenen Datensätze in entsprechende Bilddaten umgerechnet werden.
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Bspw. der Begriff ”erste Recheneinheit” umfasst also in der ersten Interpretation der vorliegenden Erfindung eine physikalische Rechenvorrichtung, bspw. einen Computer bzw. eine CPU, die ausgebildet ist, um die mit dem MRT aufgenommenen Datensätze in entsprechende Bilddaten umzurechnen. In der zweiten Interpretation der vorliegenden Erfindung bezieht sich dieser Begriff auf die Programmkomponente, die diese Funktion ausführt und die auf einem gemeinsamen Computer abläuft, auf dem auch die zweite und die dritte Recheneinheit in der entsprechenden Interpretation der Erfindung implementiert sind.
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Natürlich müssen nicht unbedingt alle drei Recheneinheiten 310, 320, 330 bzw. die entsprechenden Programmkomponenten auf einem Computer ablaufen. Je nach Systemarchitektur können auch bspw. nur zwei der drei Komponenten auf dem gemeinsamen Computer abgearbeitet werden, während die übrige Komponente auf einem separaten Computer abläuft.
