DE102011007529B4

DE102011007529B4 - Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsprofils eines sich in einem Untersuchungsobjekt bewegenden Objektes, Strahlentherapiesystem und eine Kombination aus CT-System und Strahlentherapiesystem

Info

Publication number: DE102011007529B4
Application number: DE201110007529
Authority: DE
Inventors: Dr. Grasruck Michael; Dr. Flohr Thomas; Karl Stierstorfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-04-16
Also published as: DE102011007529A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsprofils eines sich, insbesondere zyklisch, in einem Untersuchungsobjekt (7) bewegenden Objektes mit einem relativ zum Untersuchungsobjekt (7) verschiebbaren Strahler-Detektor-System (2, 3), wobei der Detektor (3) aus einer Vielzahl von senkrecht zueinander angeordneten Zeilen und Reihen an Detektorelementen besteht und mindestens die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: – Abtastung des Untersuchungsobjektes (7) im Bereich des sich bewegenden Objektes während einer Relativverschiebung des Strahler-Detektor-Systems (2, 3) zum Untersuchungsobjekt (7) mit einer gegebenen Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der Reihen, wobei während des Vorschubes eine Vielzahl von Auslesevorgängen der Detektorelemente stattfindet und ein Pixeldatensatz mit Schwächungswerten der Detektorelemente über die Zeit gebildet wird, – Entfernung der Abbildung relativ zum Untersuchungsobjekt (7) ortsfesten Strukturen aus dem Pixeldatensatz, – Bestimmung jeweils einer durch das bewegte Objekt erzeugten Beobachtungsgröße in Gestalt eines induzierten Schwächungswertes in jeder Detektorzeile jeweils zu einer Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitpunkten der Abtastung und Bildung eines 3D-Datensatzes aus den Werten des induzierten Schwächungswertes der Detektorzeilen über die Detektorzeilen und über die Auslesezeitpunkte der Abtastung, – Bestimmung mindestens eines der Werte aus nachfolgender Liste aus dem Ergebnisdatensatz: Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude der Bewegung des Objektes, Aufenthaltsbereich des Objektes während der Abtastung, Position des Objektes an einer vorgegebenen Phase der Bewegung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsprofils eines sich in einem Untersuchungsobjekt bewegenden Objektes mit einem relativ zum Untersuchungsobjekt verschiebbarem Strahler-Detektor-System. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Strahlentherapiesystem und eine Kombination aus CT-System und Strahlentherapiesystem zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Verfahren zur Bestimmung von Bewegungsprofilen bewegter Objekte in einem Untersuchungsobjekt, zum Beispiel von einem sich bewegenden Herzen oder einem Tumor, der im Bereich von Lunge oder Abdomen angesiedelt ist und sich durch die Atembewegung des bewegenden Objektes relativ zu einem ansonsten still liegenden Patienten bewegt sind allgemein bekannt. So wird beispielsweise in der Radiotherapie versucht vor der Bestrahlung eine Tumorposition relativ zum Patienten beziehungsweise zum Therapiesystem möglichst genau zu bestimmen. Dabei stößt man auf die Schwierigkeit, dass Patienten sich bewegen, da zum Beispiel die Atembewegung über die Dauer der Therapie nicht unterdrückt werden kann. Somit sollte wenigstens der zeitliche Verlauf der Bewegung oder zumindest der Bereich der Bewegung eines zu bestrahlenden Objektes gekannt werden.
Zur Detektion von durch Atmung bedingter Bewegungen von Tumoren werden heute üblicherweise Flächendetektoren eingesetzt. Diese bieten besonders in Richtung der Patientenachse, in die Atembewegung vor allem stattfindet, eine große Abdeckung von zum Teil mehr als 20 cm. Für projektive Aufnahmen ist ein Flachdetektor mit annähernd quadratischen Maßen sehr gut geeignet.
Andererseits ist man jedoch auch bestrebt für eine optimale Bestrahlungsplanung die räumliche Lage eines Tumors im Körper eines Patienten möglichst genau bestimmen zu können. Hierfür benötigt man jedoch eine CT-Bildgebung mit einem üblichen CT-System, da ein Flächendetektor weder geometrisch noch von seiner technischen Güte für CT-Bildgebung geeignet ist. In der CT-Bildgebung werden jedoch Detektoren eingesetzt, welche in der Regel eine nur geringe Ausdehnung in Richtung der Patientenachse, also in Systemachsenrichtung oder auch z-Achsenrichtung, aufweisen.
Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit für jede geforderte Aufgabe, also Bestimmung der räumlichen Lage und Bestimmung des Bewegungsprofils des Tumors, einen eigenen, jeweils optimalen Detektor zu verwenden, jedoch erzeugt dies insgesamt einen zu großen Aufwand.
Es wird weiterhin auf die im Prüfungsverfahren ermittelte Druckschrift KAVANAGH, A. [et al.]: Obtaining breathing Patterns from any sequential thoracic x-ray image set. In: Phys. Med. Biol. 55, 2009, S. 4879–4888, verwiesen. Diese Druckschrift offenbart ein anderes Verfahren, mit dem bei einer Kreisabtastung ohne Vorschub aus den analysierten Schwächungswerten ein Atemmuster durch Analyse der Variation der Pixel-Schwächungswerte ermittelt wird. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für die Ermittlung eines Bewegungsmusters bei der Abtastung eines in z-Richtung sich verschiebenden Detektors.
Außerdem wird auf die Druckschrift US 2004/0 218 719 A1 verwie- sen. Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Auswahl phasenkorrelierter Bilder, bei dem mit Hilfe eines Kegelstrahl-CTs mehrere Bilder in einer Zeitreihe erzeugt werden, jedes der Bilder auf einen eindimensionalen Wert reduziert wird, aus diesen reduzieren Werten eine periodische Struktur ermittelt wird und damit die Bilder aus einer gemeinsamen Phase ermittelt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Lösung dafür zu suchen, wie mit Hilfe eines an sich sehr schmalen Detektors verlässliche Informationen zum Bewegungsprofil eines Objektes zu erhalten sind, das in seiner Ausdehnung die Weite der gesamten Bewegung und des bewegten Objektes nicht abdeckt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist ein hinreichend genaues Bewegungsprofil eines Objektes aus der Abtastung eines in Bewegungsrichtung schmalen Detektors, der schmaler als der gesamte Bereich der Bewegung des Objektes ist, zu erhalten, wenn der Detektor während der Bewegung des Objektes den Bewegungsbereich überstreichend abtastet und die Bilddaten entsprechend ausgewertet werden.
Hierzu wird ein Strahler-Detektor-System, vorzugsweise eines CT-Systems, verwendet, das in Fächerrichtung volle Abdeckung des zu untersuchenden Bereichs bietet, aber in z-Richtung den Bewegungsbereich nur teilweise abdeckt. Das sich, vorzugsweise regelmäßig zyklisch, bewegende Objekt wird nun, einem Topographiemodus entsprechend, also ohne Rotation des Detektors, linear abgetastet. Dabei wird der Vorschub v kleiner oder gleich der Detektorabdeckung b_v in Vorschubrichtung geteilt durch die längste Periodenzeit p_min der zu beobachtenden Bewegung gewählt. Es gilt also v ≤ b/p_min. Damit wird gewährleistet, dass im gesamten Datensatz Projektionen zu allen Phasen der Bewegung vorhanden sind. Somit hat man zu jeder Vorschubposition mehrere Projektionen zu unterschiedlichen Phasen der Bewegung. Bei Atembewegung kann man zusätzlich davon ausgehen, dass die Bewegung in einem engen Frequenzband, meist zwischen 0.1 s^–1 und 1 s^–1, stattfindet. Mit Hilfe einer Frequenzanalyse, beispielsweise mittels eines Bandfilters oder einer Fourieranalyse, kann der Beitrag der Atmung herauspräpariert werden.
Als zeitabhängige Beobachtungsgröße, also dem vom bewegten Objekt induzierten Beobachtungswert, kann zum Beispiel die Gesamtschwächung in einer Zeile oder einem Teilabschnitt einer Zeile oder ein vom Objekt hervorgerufener maximaler Schwächungswert in der Zeile genommen werden. Bevor diese Beobachtungsgröße bestimmt wird, sollten allerdings ortsfeste Strukturen zunächst, zum Beispiel durch Schwellwertbildung oder Abzug von zeilenweisen Minimumwerten der Schwächung, weitgehend eliminiert werden. Trägt man dann die Beobachtungsgröße über die Zeit und die Detektorkoordinate in Vorschubrichtung, also zum Beispiel über die Detektorzeilen, auf, so erhält man eine zeitabhängigen Verlauf der Beobachtungsgröße über die Detektorkoordinate in Vorschubrichtung. Zusätzlich kann die Detektorkoordinate aufgrund der bekannten relativen Vorschubgeschwindigkeit des Detektors zum Untersuchungsobjekt auf die Koordinate des Untersuchungsobjektes transferiert werden. Hieraus lässt sich durch eine einfache Frequenzanalyse die Bewegung des Objektes relativ zum Untersuchungsobjekt bestimmen.
Entsprechend dem oben beschriebenen Grundgedanken schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsprofils eines sich, insbesondere zyklisch, in einem Untersuchungsobjekt bewegenden Objektes mit einem relativ zum Untersuchungsobjekt verschiebbarem Strahler-Detektor-System vor, wobei der Detektor aus einer Vielzahl von senkrecht zueinander angeordneten Zeilen und Reihen an Detektorelementen besteht und mindestens die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:

– Abtastung des Untersuchungsobjektes im Bereich des sich bewegenden Objektes während einer Relativverschiebung des Strahler-Detektor-Systems zum Untersuchungsobjekt mit einer gegebenen Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der Reihen, wobei während des Vorschubes eine Vielzahl von Auslesevorgängen der Detektorelemente stattfindet und ein Pixeldatensatz mit Schwächungswerten der Detektorelemente über die Zeit gebildet wird,
– Entfernung der Abbildung relativ zum Untersuchungsobjekt ortsfesten Strukturen aus dem Pixeldatensatz,
– Bestimmung jeweils einer durch das bewegte Objekt erzeugten Beobachtungsgröße in Gestalt eines induzierten Schwächungswertes in jeder Detektorzeile jeweils zu einer Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitpunkten der Abtastung und Bildung eines 3D-Datensatzes aus den Werten des induzierten Schwächungswertes der Detektorzeilen über die Detektorzeilen und über die Auslesezeitpunkte der Abtastung,
– Bestimmung mindestens eines der Werte aus nachfolgender Liste aus dem Ergebnisdatensatz: Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude der Bewegung des Objektes, Aufenthaltsbereich des Objektes während der Abtastung, Position des Objektes an einer vorgegebenen Phase der Bewegung.

Vorzugsweise kann dieses Verfahren mit einem Detektor verwendet werden, dessen Ausdehnung in Reihenrichtung entsprechend der Vorschubrichtung kleiner ist als der Bereich der Bewegung des Objektes in diese Richtung oder kleiner als die Ausdehnung des abgetasteten Bereiches in Vorschubrichtung.
Bezüglich des vom bewegten Objekt induzierten Schwächungswertes kann besonders bevorzugt das Schwächungsmaximum in jeder Detektorzeile oder der Mittelwert der Schwächung in jeder Detektorzeile betrachtet werden. Grundsätzlich können jedoch alle durch das Objekt beeinflusste Schwächungswerte oder von diesen Schwächungswerten abgeleitete Funktionen verwendet werden, so lange diese signifikant das Vorhandensein des Objektes in der betrachteten Detektorzeile wiedergeben.
Zur Entfernung der Abbildung ortsfester Strukturen aus dem Pixeldatensatz können zum Beispiel die folgenden Verfahrensschritte:

– Bestimmung der Minima der Schwächungswerte bezogen auf alle ortsfeste Positionen und
– Abzug der Minima von allen gemessenen Schwächungswerten im Pixeldatensatz an den jeweiligen ortsfesten Positionen, oder alternativ:
– Bestimmung des Mittelwertes eines vorgegebenen Prozentsatzes der unteren Schwächungswerte bezogen auf alle ortsfesten Positionen und
– Abzug der Mittelwerte im Pixeldatensatz an den jeweiligen ortsfesten Positionen

Zur Vermeidung von Fehlinterpretationen, wird auch vorgeschlagen, dass vor einer weiteren Verwendung des 3D-Datensatzes eine Rauschreduktion ausgeführt wird.
Weiterhin können zur Vereinfachung der Betrachtung des 3D-Datensatzes vor einer weiteren Verwendung des 3D-Datensatzes alle Werte jedes Zeitpunktes mit Ausnahme eines Maximumwertes entfernt werden. Hierdurch wird durch die Maximumwerte eine einfacher zu verarbeitende Liniendarstellung erzeugt, wobei damit auch die 3D-Darstellung in eine einfache 2D-Darstellung überführt wird.
Günstig ist es auch, wenn vor einer weiteren Verwendung des 3D-Datensatzes beziehungsweise des daraus abgeleiteten 2D-Datensatzes die Zeilenwerte entsprechend dem während der Abtastung vorliegenden Vorschub angepasst werden.
Grundsätzlich lässt sich bereits aus dem 3D-Datensatz beziehungsweise aus einem daraus abgeleiteten 2D-Datensatz bereits ein Bewegungsbereich oder eine Bewegungsfrequenz durch einfaches ausmessen erkennen, besonders günstig ist es jedoch, wenn der 3D-Datensatz oder der daraus abgeleitete 2D-Datensatz einer Frequenzanalyse unterzogen wird, aus der die gesuchten Werte hervorgehen. Hieraus kann dann die Frequenz, die Phase und/oder die Amplitude der Bewegung des Objektes und/oder des Aufenthaltsbereich des Objektes während der Abtastung und/oder die Position des Objektes an einer vorgegebenen Phase der Bewegung entnommen werden.
Zur Frequenzanalyse kann in an sich bekannter Weise ein 3D-Datensatz mit einem Bandpassfilter gefiltert werden oder einer Fouriertransfomation unterzogen werden, wobei alle Frequenzen außerhalb eines Bereiches erwarteter Bewegungsfrequenzen eliminiert werden.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren schlagen die Erfinder auch ein Strahlentherapiesystem vor, welches aufweist:

– ein relativ zu einem Patienten verschiebbares Strahler-Detektor-System, wobei der Detektor aus einer Vielzahl von senkrecht zueinander angeordneten Zeilen und Reihen an Detektorelementen besteht,
– ein Steuer- und Rechensystem mit einem Speicher, in dem mindestens ein Programm gespeichert ist, welches im Betrieb das Strahlentherapiesystem steuert und die Verfahrensschritte eines der oben beschriebenen Verfahren ausführt, wobei der Patient dem Untersuchungsobjekt und das bewegte Objekt einem Tumor entspricht und aus den Bewegungsdaten des Tumors zumindest mittelbar der Ort und der zeitliche Ablauf einer Bestrahlung beeinflusst werden.

Als besonders günstig zu erkennendes bewegtes Objekt kann dabei ein Tumor im Bereich von Lunge oder Abdomen eines Patienten angesehen werden. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das Strahler-Detektor-System ergänzend zu einem therapeutischen Strahler angeordnet ist.
Besonders günstig ist dabei eine Kombination aus CT-System und Strahlentherapiesystem, aufweisend:

– ein CT-System mit mindestens einem Strahler-Detektor-System, wobei der Detektor aus einer Vielzahl von senkrecht zueinander angeordneten Zeilen und Reihen an Detektorelementen besteht,
– ein Strahlentherapiesystem mit einem therapeutischen Strahler,
– eine einzige verschiebbare Patientenliege zur kombinierten Verwendung im CT- und Strahlentherapiesystem,
– ein Steuer- und Rechensystem mit einem Speicher, in dem mindestens ein Programm gespeichert ist, welches im Betrieb das CT-System zur Bestimmung der Lage und Bewegung eines Tumors im Bereich von Lunge oder Abdomen steuert und dabei die Verfahrensschritte eines der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt, wobei der Patient dem Untersuchungsobjekt und das bewegte Objekt dem Tumor entspricht, und
– ein Programm zur Ablaufsteuerung der therapeutischen Bestrahlung mit dem Strahlentherapiesystem gespeichert ist, das im Betrieb ausgeführt wird, wobei die im CT-System ermittelten Bewegungsdaten des Tumors den Ort und den zeitlichen Ablauf der Bestrahlung beeinflussen.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: Gantrygehäuse; 5: Systemachse; 6: Patientenliege; 7: Patient; 8: Computer; 9: therapeutischer Strahler; 10: Strahlertherapiesystem; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme; P: Wahrscheinlichkeit; P₀ bis P₉: Phasen; P_ges: Aufenthaltswahrscheinlichkeit.
Es zeigen im Einzelnen:
1: CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: Kombiniertes CT- und Strahlentherapiesystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3: 3D-Datensatz;
4: aus 3D-Datensatz abgeleiteter 2D-Datensatz mit Darstellung des Verlaufs der zyklischen Bewegung eines Objektes über einen sich verschiebenden Detektor;
5: 2D-Datensatz aus 4 ergänzt um den Vorschub des Detektors zur Darstellung des Verlaufs der zyklischen Bewegung eines Objektes relativ zur z-Koordinate des Untersuchungsobjektes beziehungsweise der Patientenliege;
6: Bandpassgefiltertes Signal über die Zeit zur Bestimmung von Frequenz und Phase der Objektbewegung;
7: Darstellung der Aufenthaltshäufigkeit des bewegten Objektes bezüglich verschiedener Bewegungsphasen über die z-Koordinate des Untersuchungsobjektes.
Die 1 zeigt ein CT-System 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Bewegungsprofils eines sich zyklisch in einem Untersuchungsobjekt bewegenden Objektes mit einem relativ zum Untersuchungsobjekt verschiebbarem Strahler-Detektor-System. Als Untersuchungsobjekt ist hier ein Patient 7 dargestellt, der auf einer Patientenliege 6 gelagert ist und zur erfindungsgemäßen Abtastung durch den Messbereich im Gantrygehäuse 4 zwischen dem als Röntgenröhre 2 ausgebildeten Strahler und dem gegenüber liegenden Detektor 3 entlang der Systemachse 5 verschoben werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Abtastung wird, entgegen einer normalen CT-Abtastung, keine Rotationsbewegung mit dem Strahler-Detektor-System 2, 3 ausgeführt, sondern bei still stehender Gantry und sich bewegender Patientenliege 6 gemessen. Gesteuert wird das CT-System 1 dabei durch den Computer 8, in dem sich ein Speicher mit den Programmen Prg₁–Prg_n befindet, wobei die Programme im Betrieb unter anderem das erfindungsgemäße Verfahren ausführen und die bei der Abtastung empfangenen Detektordaten wie oben beschrieben erfindungsgemäß auswerten. Hierdurch kann zum Beispiel vorbereitend für eine Strahlentherapiesitzung der aktuelle Bewegungsbereich eines Tumors oder relativ zur Atemphase und zum Koordinatensystem des Patienten die aktuelle Position eines Tumors bestimmt werden und ein strahlentherapeutisches Gerät entsprechend programmiert werden.
Eine verbesserte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der 2 skizziert. Diese zeigt eine Kombination eines CT-Systems 1 mit einem Strahlentherapiesystem 10 mit einem therapeutischen Strahler 9, wobei beide Systeme 1 und 10 gemeinsam dieselbe verfahrbare Patientenliege 6 verwenden und damit auf ein identisches Patientenkoordinatensystem zurückgreifen. Bei dem Patienten 7 kann auf diese Weise ohne Umlagerung der Bewegungsbereich oder der atemphasenabhängige Bewegungsverlauf mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren bestimmt werden.
So kann einerseits durch eine konventionelle CT-Untersuchung die räumliche Lage eines Tumors im Patienten beziehungsweise relativ zum Patiententisch bestimmt werden. Zusätzlich kann der aktuelle Bewegungsverlauf des Tumors oder zumindest der Bewegungsbereich oder Aufenthaltsbereich des Tumors während der gesamten Atmungsphasen oder bestimmter Atemphasen mit dem Strahler-Detektor-System 2, 3 des CTs abgetastet werden. Anschließend kann unmittelbar mit Hilfe des Strahlentherapiesystems 10 ohne weitere Umlagerung des Patienten 7 die Strahlentherapie des nun sehr genau bestimmten Tumors ausgeführt werden.
Durch diese wesentlich verbesserte und vereinfachte Positionsbestimmung des Tumors lassen sich kostengünstig unnötige letale Bestrahlungen von gesundem Gewebe weitgehend vermeiden, da hier Veränderungen am Körper des Patienten, die im Laufe einer Strahlentherapiebehandlung mit mehreren Sitzungen meist unvermeidlich sind, problemlos berücksichtigt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Bewegungsverlaufes wird nun beispielhaft anhand einer einfachen Simulation eines sich bewegenden Objektes mit einer sich harmonisch bewegenden Kugel im Messbereich eines im Bezug auf den Bewegungsbereich der Kugel schmalen CT-Detektors dargestellt:
Hierzu wird während der Verschiebung des sich zyklisch bewegenden Objektes mit einer Vorschubgeschwindigkeit v ≤ b_v /p_min ein Pixeldatensatz mit einer Vielzahl von Schwächungswerten über einen Mehrzeilen-CT-Detektor und eine Vielzahl von Readings aufgenommen.
Darauf wird zeilenweise aus den verschiedenen Zeitpunkten der Readings, die Zeile gesucht, die die geringste Schwächung aufweist. Mit diesem Messwert der Schwächung werden alle Zeilen an der gleichen Stelle – relativ zum Untersuchungsobjekt – um den so ermittelten Offset korrigiert. Anschließend werden die Maximumwerte der Schwächung je Detektorzeile gesucht und in einem 3D-Datensatz über die Zeit und die Zeilenzahl gespeichert. Zur Visualisierung können die Maximumwerte der Schwächung farbkodiert in einem Koordinatensystem aus Zeilenzahl und Zeit dargestellt werden. Die 3 zeigt eine entsprechende Schwarz-Weiß-Darstellung des 3D-Datensatzes, wobei auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Zeilennummer # aufgetragen ist und die Grauwerte in der dritten Dimension die ermittelten Maximumwerte der Schwächung der jeweiligen Zeile zurzeit t als Grauwert aufgetragen sind. Auch hier lässt sich bereits mit bloßem Auge bereits die harmonische Bewegung der Kugel erkennen, die dem konstanten Vorschub überlagert ist.
Sucht man in der 3 nun die Wertemaxima zu jedem Zeitpunkt t über die Zeilen #, so ergibt sich ein Bewegungsverlauf des Kugelschwerpunktes, wie er in der 4 gezeigt ist. Eine zusätzliche Berücksichtigung der Bewegung des Objektes durch den eingestellten Vorschub und Auftragung des Ortes z des Schwerpunktes der Kugel relativ zur Tischposition beziehungsweise eines auf dem Tisch befindlichen Untersuchungsobjektes über die Zeit t wird in der 5 gezeigt. Sobald der Detektor sich über dem Objekt befindet, erhält man die gezeigte typische Darstellung einer oszillierenden Bewegung.
Aus dem dargestellten Signalverlauf aus 5 kann die harmonische Atembewegung abgeschätzt werden. Bereits ein einfacher Bandpassfilter im Bereich der Atemfrequenz liefert zufrieden stellende Ergebnisse bezüglich des Bewegungsablaufes der abgetasteten Kugel beziehungsweise eines sich im Bereich von Lunge oder Abdomen bewegenden Tumors, wie es in der 6 dargestellt ist.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass diese Bewegungsdaten auch dazu verwendet werden können, die ursprünglichen Projektionsdaten bewegungskorrigiert zusammenzusetzen, so dass Bewegungsunschärfen eliminiert werden können. Nimmt man phasenselektiv nur Projektionen, die zu einer bestimmten Phase gehören, so kann ein vollständiges Topogramm für diese Phase zusammengesetzt werden kann.
Schließlich ist in der 7 für zehn äquidistante Phasen P₀ bis P₉ die Wahrscheinlichkeit P, die Kugel am jeweiligen Aufenthaltsort anzutreffen, dargestellt. Zum Vergleich ist auch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit P_ges über alle Bewegungsphasen der Kugel zusammengefasst.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann man auch phasenselektive Topographie-Aufnahmen bei einer kleinen z-Abdeckung über einen deutlich größeren Bereich in z-Richtung erhalten. Man umgeht dabei die Nachteile, die mit breiten Detektoren verknüpft sind, wie hohe Kosten, große Einbaumaße und Einschränkung der Gantry-Kippung.
Durch die intrinsische Verwendung der Information zum Gating kann man sich die Verwendung eines externen Triggermonitors, wie zum Beispiel einen Atemgurt sparen, was Kosten und Zeit im Arbeitsablauf erspart.
Da die Streustrahlung in guter Näherung linear zur z-Abdeckung des Detektors ist, kann mit dem geschilderten Verfahren ein Bewegungsprofil über einen großen Bereich in z-Richtung aufgenommen werden, ohne dabei gleichzeitig mit der erhöhten Streustrahlung und entsprechenden Bildartefakten konfrontiert zu sein.
Insgesamt wird also mit dieser Erfindung ein Verfahren, ein Strahlentherapiesystem und eine Kombination aus CT-System und Strahlentherapiesystem zur Bestimmung eines Bewegungsprofils eines sich in einem Untersuchungsobjekt bewegenden Objektes mit einem relativ zum Untersuchungsobjekt verschiebbarem Strahler-Detektor-System beschrieben, wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:

– Abtastung des Untersuchungsobjektes im Bereich des sich bewegenden Objektes während einer Relativverschiebung des Strahler-Detektor-Systems zum Untersuchungsobjekt und erzeugen eines Pixeldatensatzes mit Schwächungswerten über die Zeit,
– Entfernung ortsfester Strukturen aus dem Pixeldatensatz,
– Bestimmung jeweils einer durch das bewegte Objekt erzeugte Beobachtungsgröße in Gestalt eines induzierten Schwächungswertes in jeder Detektorzeile jeweils zu einer Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitpunkten der Abtastung und Bildung eines 3D-Datensatzes aus den Werten des induzierten Schwächungswertes der Detektorzeilen über die Detektorzeilen und über die Auslesezeitpunkte der Abtastung, und
– Bestimmung mindestens eines der Werte aus nachfolgender Liste aus dem Ergebnisdatensatz: Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude der Bewegung des Objektes, Aufenthaltsbereich des Objektes während der Abtastung, Position des Objektes an einer vorgegebenen Phase der Bewegung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsprofils eines sich, insbesondere zyklisch, in einem Untersuchungsobjekt (7) bewegenden Objektes mit einem relativ zum Untersuchungsobjekt (7) verschiebbaren Strahler-Detektor-System (2, 3), wobei der Detektor (3) aus einer Vielzahl von senkrecht zueinander angeordneten Zeilen und Reihen an Detektorelementen besteht und mindestens die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: – Abtastung des Untersuchungsobjektes (7) im Bereich des sich bewegenden Objektes während einer Relativverschiebung des Strahler-Detektor-Systems (2, 3) zum Untersuchungsobjekt (7) mit einer gegebenen Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der Reihen, wobei während des Vorschubes eine Vielzahl von Auslesevorgängen der Detektorelemente stattfindet und ein Pixeldatensatz mit Schwächungswerten der Detektorelemente über die Zeit gebildet wird, – Entfernung der Abbildung relativ zum Untersuchungsobjekt (7) ortsfesten Strukturen aus dem Pixeldatensatz, – Bestimmung jeweils einer durch das bewegte Objekt erzeugten Beobachtungsgröße in Gestalt eines induzierten Schwächungswertes in jeder Detektorzeile jeweils zu einer Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitpunkten der Abtastung und Bildung eines 3D-Datensatzes aus den Werten des induzierten Schwächungswertes der Detektorzeilen über die Detektorzeilen und über die Auslesezeitpunkte der Abtastung, – Bestimmung mindestens eines der Werte aus nachfolgender Liste aus dem Ergebnisdatensatz: Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude der Bewegung des Objektes, Aufenthaltsbereich des Objektes während der Abtastung, Position des Objektes an einer vorgegebenen Phase der Bewegung.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (3) verwendet wird, dessen Ausdehnung in Reihenrichtung kleiner ist als der Bereich der Bewegung des Objektes in diese Richtung oder der abgetastete Bereich.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das bewegte Objekt induzierte Schwächungswert ein durch das Objekt beeinflusster Schwächungswert der jeweiligen Detektorzeile ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das bewegte Objekt induzierte Schwächungswert eine aus den Schwächungswerten der jeweiligen Detektorzeile abgeleitete Funktion ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das bewegte Objekt induzierte Schwächungswert die Gesamtschwächung der Detektorzeile ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das bewegte Objekt induzierte Schwächungswert die Gesamtschwächung eines Teilbereichs der Detektorzeile ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das bewegte Objekt induzierte Schwächungswert das Schwächungsmaximum in jeder Detektorzeile ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das bewegte Objekt induzierte Schwächungswert der Mittelwert der Schwächungswerte über jede Detektorzeile ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entfernung der Abbildung ortsfester Strukturen aus dem Pixeldatensatz die folgenden Verfahrensschritte im Pixeldatensatz ausgeführt werden: – Bestimmung der Minima der Schwächungswerte bezogen auf alle ortsfesten Positionen und – Abzug der Minima von allen gemessenen Schwächungswerten im Pixeldatensatz an den jeweiligen ortsfesten Positionen.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entfernung der Abbildung ortsfester Strukturen aus dem Pixeldatensatz die folgenden Verfahrensschritte im Pixeldatensatz ausgeführt werden: – Bestimmung des Mittelwertes eines vorgegebenen Prozentsatzes der unteren Schwächungswerte bezogen auf alle ortsfesten Positionen und – Abzug der Mittelwerte im Pixeldatensatz an den jeweiligen ortsfesten Positionen.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer weiteren Verwendung des 3D-Datensatzes oder eines daraus abgeleiteten 2D-Datensatzes eine Rauschreduktion ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer weiteren Verwendung des 3D-Datensatzes oder eines daraus abgeleiteten 2D-Datensatzes alle Werte jedes Zeitpunktes mit Ausnahme eines Maximumwertes entfernt werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer weiteren Verwendung des 3D-Datensatzes oder eines daraus abgeleiteten 2D-Datensatzes die Zeilenwerte entsprechend dem während der Abtastung vorliegenden Vorschub angepasst werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Datensatz oder ein daraus abgeleiteter 2D-Datensatz einer Frequenzanalyse unterzogen wird, aus der die gesuchten Werte hervorgehen.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Frequenz, Phase und/oder Amplitude der Bewegung des Objektes und/oder des Aufenthaltsbereichs des Objektes während der Abtastung und/oder der Position des Objektes an einer vorgegebenen Phase der Bewegung der 3D-Datensatz oder ein daraus abgeleiteter 2D-Datensatz einer Frequenzanalyse unterzogen wird, aus der die gesuchten Werte hervorgehen.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Frequenz, Phase und/oder Amplitude der Bewegung des Objektes und/oder des Aufenthaltsbereichs des Objektes während der Abtastung und/oder der Position des Objektes der 3D-Datensatz oder ein daraus abgeleiteter 2D-Datensatz mit einem Bandpassfilter gefiltert wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Frequenz, Phase und/oder Amplitude der Bewegung des Objektes und/oder des Aufenthaltsbereichs des Objektes während der Abtastung und/oder der Position des Objektes der 3D-Datensatz oder ein daraus abgeleiteter 2D-Datensatz einer Fouriertransfomation unterzogen wird und alle Frequenzen außerhalb eines Bereiches erwarteter Bewegungsfrequenzen eliminiert werden.
Verfahren zur Erzeugung eines bewegungsartefaktfreien Topogramms durch Topogrammabtastung eines Patienten (7), Bestimmung der Atembewegung gemäß dem Verfahren eines der voranstehenden Verfahrensansprüche und phasenrichtige Zusammenfassung von Projektionsdaten aufgrund eines hieraus ermittelten Bewegungsprofils des Patienten (7) zumindest im Bereich von Atembewegung.
Strahlentherapiesystem (10), aufweisend: – ein relativ zu einem Patienten verschiebbares Strahler-Detektor-System, wobei der Detektor aus einer Vielzahl von senkrecht zueinander angeordneten Zeilen und Reihen an Detektorelementen besteht, – ein Steuer- und Rechensystem (8) mit einem Speicher, in dem mindestens ein Programm (Prg₁–Prg_n) gespeichert ist, welches im Betrieb das Strahlentherapiesystem (10) steuert und die Verfahrensschritte eines der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt, wobei der Patient (7) dem Untersuchungsobjekt und das bewegte Objekt einem Tumor entspricht und aus den Bewegungsdaten des Tumors zumindest mittelbar der Ort und der zeitliche Ablauf einer Bestrahlung beeinflusst wird.
Strahlentherapiesystem (10) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahler-Detektor-System (2, 3) ergänzend zu einem therapeutischen Strahler (9) angeordnet ist.
Kombination aus CT-System (1) und Strahlentherapiesystem (10), aufweisend: – ein CT-System (1) mit mindestens einem Strahler-Detektor-System (2, 3), wobei der Detektor (3) aus einer Vielzahl von senkrecht zueinander angeordneten Zeilen und Reihen an Detektorelementen besteht, – ein Strahlentherapiesystem (10) mit einem therapeutischen Strahler (9), – eine einzige verschiebbare Patientenliege (6) zur kombinierten Verwendung im CT- und Strahlentherapiesystem, – ein Steuer- und Rechensystem (8) mit einem Speicher, in dem mindestens ein Programm (Prg₁–Prg_n) gespeichert ist, welches im Betrieb das CT-System (1) zur Bestimmung der Lage und Bewegung eines Tumors im Bereich von Lunge oder Abdomen steuert und dabei die Verfahrensschritte eines der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt, wobei der Patient (7) dem Untersuchungsobjekt und das bewegte Objekt dem Tumor entspricht, und – ein Programm (Prg_x) zur Ablaufsteuerung der therapeutischen Bestrahlung mit dem Strahlentherapiesystem (10) gespeichert ist, das im Betrieb ausgeführt wird, wobei die im CT-System (1) ermittelten Bewegungsdaten des Tumors den Ort und den zeitlichen Ablauf der Bestrahlung beeinflussen.