DE102011053868A1

DE102011053868A1 - System und Verfahren zur Positionierung mittels Nuklearer Bildgebung

Info

Publication number: DE102011053868A1
Application number: DE102011053868A
Authority: DE
Inventors: Christian Hieronimi; Jörg Traub; Thomas Wendler
Original assignee: humediQ GmbH; SURGICEYE GmbH
Current assignee: humediQ GmbH; SURGICEYE GmbH
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-03-28
Also published as: US20140235921A1; EP2758131A1; WO2013041720A1

Abstract

Ein System zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Zielgewebe eines Patienten bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät wird bereitgestellt. Das System umfasst mindestens einen Detektor zur bildgebenden Detektion der Strahlungsverteilung einer radioaktiven Strahlungsquelle, die sich in einem Zielgewebebereich befindet; eine Recheneinheit, ausgelegt zur Berechnung der Pose des Zielgewebebereichs aus Messdaten des Detektors, sowie zum Berechnen einer Korrekturgröße als Differenz zwischen der berechneten Pose mit Vergleichswerten; sowie eine Schnittstelle, mit der die Daten zu berechneter Pose des radioaktiv markierten Zielgewebebereichs, sowie die Korrekturgröße, von der Recheneinheit zu einem Strahlentherapiegerät oder einem Patientenpositionierungsgerät übermittelt werden können. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der nuklearen Bildgebung wie etwa PET oder SPECT, und Aspekte der Erfindung betreffen ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Zielgewebe eines Patienten bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät und eine Vorrichtung zum Positionieren eines Patienten relativ zu einer Strahlungsquelle für die Strahlentherapie, in Abhängigkeit von Messdaten mindestens eines Nuklearstrahlungs-Detektors.
Die Therapie von Tumoren mit verschiedenen Strahlungsarten ist eine der Standardmethoden in der Onkologie. Ein wichtiges Thema bei entsprechenden Therapieformen ist die hochselektive Bestrahlung des Zielgewebes, da so wenig wie möglich gesundes umliegendes Gewebe geschädigt werden soll. Daher ist eine präzise Erfassung/Erkennung der Zielstruktur und ein darauf aufbauende Ausrichtung des Strahlentherapiegeräts ein Ziel bei der Weiterentwicklung entsprechender Systeme.
Bei der Positionierung von Patienten im Bestrahlungsraum unter einem Linearbeschleuniger, einer Protonentherapieanlage oder anderen externen Bestrahlungsmaschinen werden dazu üblicherweise Positionierungssysteme benutzt. Dazu gehören z.B. Fixierungssysteme, etwa zur Fixierung einzelner Gliedmaßen, thermoplastische Fixierungsmasken, laser-unterstützte Positionierungssysteme, roboterbasierte Positionierungssysteme, Ultraschall-basierte Positionierungssysteme etc., beziehungsweise werden dabei Röntgenbilder eingesetzt, wie z.B. bei Multiple-2D-Röntgen-Positioniersystemen, Gantry-montierten Primärstrahl-Computertomographen oder Megavolt-Computertomographen, des Weiteren optische Positionierungssysteme basierend auf präoperativen CT- oder MR-Daten und Registrierung.
Die Positionierung ist unter anderem deshalb eine Herausforderung, da sich die Anatomie zwischen den Bestrahlungsfraktionen ändern kann, z.B. durch organische Veränderungen im Gewebe, Luft-, Wasser- und Speiseeinlagerungen, Schrumpfen des Tumors, etc., wobei sich diese Änderungen auf einer Zeitskala von Tagen oder Wochen zwischen den Bestrahlungsfraktionen abspielen.
Eine andere Problemstellung ist, dass sich selbst während der Behandlung die Lage des Zielgebiets zumindest geringfügig ändern kann, z.B. durch Bewegungen des Patienten, zum Beispiel durch Atmung, Herzschlag und Husten ausgelöste minimale Haltungsänderungen.
Mehrere Faktoren spielen daher zusammen, welche die korrekte und nachhaltige Positionierung eines Patienten zu erschweren.
Bisherige Ansätze sind z.B. die oben erwähnten Röntgen-basierten Positionierungssysteme, die auch während der Bestrahlung benutzt werden können. Solche Systeme sind oft mit Bewegungssensoren ausgestattet, die in der Lage sind, größere Änderungen zu detektieren, und dann die Aufnahme von neuen Röntgenbildern auslösen. Anhand dieser aktualisierten Röntgenbilder kann man dann den Patienten erneut bzw. re-positionieren. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass er eine Röntgen-Strahlenbelastung bei jeder Aufnahme involviert. Dies bedeutet unter anderem, das man nicht auf Echtzeitbasis neue Bilder aufnehmen kann – und somit nicht nur die zusätzliche Strahlenbelastung als Nachteil zu rechnen ist, sondern auch die langsame Rate der Repositionierung des Patienten.
Ein weiterer Ansatz ist die Benutzung der Information, die man aus der Oberfläche des Patienten bekommt, um interne Verformungen oder Bewegungen zu erfassen. Mögliche Ausführungen benutzen Markierungen, die auf der Haut angebracht sind (z.B. optische Marker) oder direkt die Oberfläche des Patienten selbst, etwa bei der Benutzung von Oberflächenerfassungssysteme wie etwa Time-of-Flight-Kameras, einem stereotaktischen Kamerasystem oder Laser-Scanning-Systemen. Solche Systeme haben den Nachteil, dass sie nicht genau die Verformungen und Bewegungen von tiefliegenden Strukturen erfassen können, da deren Bewegungen naturgemäß nicht in direktem Zusammenhang mit Bewegungen der Oberfläche stehen.
Alternativ gibt es Ansätze, bei denen Sensoren in das Zielgewebe implantiert werden, um interne Bewegungen verfolgen zu können. Beispiele sind Systeme der Unternehmen Calypso oder Navitek. Im ersten werden elektromagnetische Sensoren in einer Prostata implantiert und während der Bestrahlung nachgeführt, um somit aktiv die Bestrahlung anzupassen. Im Falle von Navitek wird eine radioaktive Markierung in der Prostata implantiert und von einem Kollimatorsystem in 3D lokalisiert, um dann die Bestrahlung anhand dieser Position anzupassen. Diese Systeme haben als Problem, dass sie nur die einzelnen implantierten Sensoren verfolgen können. Technisch können nicht mehr als 2 oder in günstigsten Fällen 3 solcher Sensoren mit ausreichender Genauigkeit verfolgt werden. Komplexe Strukturen und die Formen der Tumoren können nicht erfasst werden und somit kann die Bestrahlung nur suboptimal angepasst werden. Tumore, die man systemisch markieren kann, können durch solche Systeme überhaupt nicht verfolgt werden.
Bei Bewegungen periodischer Natur wie diejenige die vom Herzschlag oder von der Atmung verursacht werden, werden Verfahren wie das Gating benutzt. Bei solchen wird nur dann bestrahlt, wenn der Patient in einer bestimmten Phase der Atmung, des Herzschlages oder beiden sich befindet, bei welcher die Position des Zielgewebes bekannt ist. Zur Detektion dieser Phase sind oft Atmungssensoren und Herzschlagsensoren im Einsatz. Nicht periodische Bewegungen können aber diese Systeme nicht verfolgen. Des Weiteren diese Systeme gehen davon aus, dass Atmung oder Herzschlag in der Tat periodisch ist, was aber nicht der Fall ist.
Vor diesem Hintergrund wird daher ein System zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Zielgewebe eines Patienten bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät gemäß Anspruch 1, und ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Anspruch 11 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, aus den Figuren und aus der Beschreibung.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein System zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Zielgewebe eines Patienten bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät bereitgestellt. Das System umfasst mindestens einen Detektor zur bildgebenden Detektion der Strahlungsverteilung einer radioaktiven Strahlungsquelle, die sich in einem Zielgewebebereich befindet; eine Recheneinheit, ausgelegt zur Berechnung der Pose des Zielgewebebereichs aus Messdaten des Detektors, sowie zum Berechnen einer Korrekturgröße als Differenz zwischen der berechneten Pose mit Vergleichswerten; und eine Schnittstelle, mit der die Daten zu berechneter Pose des radioaktiv markierten Zielgewebebereichs, sowie die Korrekturgröße, von der Recheneinheit zu einem Strahlentherapiegerät oder einem Patientenpositionierungsgerät übermittelt werden können. Maßgeblich in der Erfindung ist die bildgebende Natur des Detektors, die die Strahlungsverteilung einer radioaktiven Strahlungsquelle erfassen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Gewebe eines Patienten bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Applizieren einer radioaktiven Strahlungsquelle in einen Zielgewebebereich, der bestrahlt werden soll; die bildgebende Detektion einer emittierten Strahlungsverteilung der Strahlungsquelle, während sich der Patient in einer Behandlungsposition befindet; das Berechnen einer Pose des Zielgewebebereichs anhand der detektierten Strahlung; und das Berechnen einer Korrekturgröße als Differenz zwischen der berechneten Pose des Zielgewebebereichs und einem Soll-Posewert.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen der offenbarten Verfahren und umfasst auch Vorrichtungsteile zum Ausführen jeweils einzelner Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte können durch Hardwarekomponenten, durch einen mittels entsprechender Software programmierten Computer, durch eine Kombination von beiden, oder in irgendeiner anderen Weise ausgeführt werden. Die Erfindung ist des Weiteren auch auf Verfahren gerichtet, gemäß denen die jeweils beschriebenen Vorrichtungen arbeiten. Sie beinhaltet Verfahrensschritte zum Ausführen jeder Funktion der Vorrichtungen.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben.
1 zeigt ein System zur Positionierung gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
2 zeigt ein System zur Positionierung gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung;
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Systems gemäß Ausführungsformen;
4 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Systems gemäß weiteren Ausführungsformen;
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, von denen einige auch in den Figuren beispielhaft dargestellt sind. Bei der folgenden Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Komponenten. Im Allgemeinen werden nur Unterschiede zwischen verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Hierbei können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform beschrieben werden, auch ohne weiteres im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden, um noch weitere Ausführungsformen zu erzeugen.
Die hier behandelten zu bestrahlenden Strukturen (Ziel-Strukturen, Ziel-Gewebebereiche) sind in der Regel Tumoren oder Lymphknoten, die sich mit einem radioaktiven Tracer durch nuklearmedizinische Bildgebungssysteme (PET, SPECT, Gamma-Kameras, Compton-Kameras, freehand SPECT, etc.) darstellen lassen. Alternativ kann man Strukturen, die sich nicht systemisch oder mit einer funktionellen Markierung wie etwa die Sentinel-Markierung nuklearmedizinisch markieren lassen, direkt durch die Injektion oder die Implantation von Radioaktivität markieren. Somit werden diese Strukturen radioaktiv und können nuklearmedizinisch dargestellt werden. Ein typisches Beispiel ist die Implantierung eines I-125 Markers, der eine Titanhülle besitzt, an den Ort des Tumors.
Der hier verwendete Begriff "PET-Detektor" bezieht sich auf jegliche Art von Koinzidenzkamerasystem, dass aus mindestens zwei einzelnen Detektoren besteht, die mindestens einen Teil der relevanten Anatomie auf einer die beiden verbindenden imaginären Linie betrifft, und die mit einer Koinzidenzvorrichtung verbunden sind, um Koinzidenzen (gleichzeitige Detektionen in einem Energiebereich) in beiden nachweisen zu können.
Der Begriff "Freehand-SPECT-Detektor" bezieht sich auf jegliche Art von freibeweglichen nachgeführten Detektoren (auch nicht bildgebenden wie etwa Gammasonden), die aus Messungen aus unterschiedlichen Richtungen ein 3D-Bild aus einer Einzelphotonenstrahlung rekonstruieren können.
In Ausführungsbeispielen wird vor der Strahlenbehandlung ein nuklearmedizinisches Bild der Target-Struktur (z.B. einem Tumor) im Patienten im Strahlentherapieraum erzeugt und für die initiale Positionierung des Patienten verwendet. Dazu liegt der Patient bereits auf der Liege des Bestrahlungsgeräts, bzw. sitzt, wenn dies beispielsweise durch die Bauweise des Geräts vorgesehen ist. Die vom markierten Gewebe ausgehende Strahlung wird durch ein Detektorsystem mit mindestens einem Detektor über einen bestimmten Zeitraum erfasst, der typischerweise im Bereich zwischen einer halben Sekunde und wenigen Minuten liegt, z.B. 3, 10 oder 20 Sekunden. Die tatsächlich für die Messung benötigte Zeit ist unter anderem abhängig von der Natur der verwendeten bzw. detektierten Strahlung, der Stärke der Strahlungsquelle, wie tief sie im Gewebe sitzt und somit abgeschirmt wird, der Sensitivität des Detektors und der gewünschten Ortsauflösung.
Das Detektionssystem ist so ausgelegt, dass mittels einer nachgeschalteten rechnerischen Verarbeitung der erfassten Detektorsignale Informationen über die Größe, Position und die Form des Zielgewebes im Raum erhalten werden können. Solch eine Konfiguration lässt sich mit einer Vielzahl von möglichen Detektorvarianten und – kombinationen erzielen, wobei die erforderliche Ortsinformation in manchen Ausführungsbeispielen durch Variation der Detektorposition während der Messung gewonnen wird, in anderen Ausführungsbeispielen auch durch den Einsatz von Kollimatoren vor den Detektor/en. Der im folgenden auch verwendete, dem Fachmann bekannte Begriff der „Pose“ bedeutet, dass drei Raum-Koordinaten und zwei oder drei Winkel-Koordinaten bestimmt werden (die die Orientierung angeben).
Um die Position der Zielstruktur aus den Detektordaten zu berechnen, werden grundsätzlich bekannte Methoden der Bildverarbeitung eingesetzt. Dazu gehören etwa Segmentierung, Klassifizierung, und Atlas, um daraus eine 3D-Position, Form und gegebenenfalls Orientierung im Raum der Zielstruktur zu bestimmen. Entsprechende Verfahren zur Gewinnung von Orts- und Forminformationen aus Detektordaten sind dem Fachmann bekannt und sollen hier nicht im Detail erläutert werden.
Durch Vergleich dieser Daten mit den geometrischen Daten des Strahlengangs des Bestrahlungsgeräts lässt sich ermitteln, wie die Position des Patienten verändert werden muss, um das Zielgewebe, z.B. den Tumor, an die richtige Position zu bringen. Die ermittelte Korrektur bzw. die Korrekturgröße ist im einfachsten Fall ein dreidimensionaler Vektor, dessen Länge und Richtung die benötigte Veränderung angeben, damit eine Bestrahlung begonnen werden kann. Mittels dieses Korrekturvektors kann der Patient an der korrekten Stelle für die Bestrahlung positioniert werden. Die Korrekturgröße kann auch eine Matrix sein (z.B. eine rigide 4 × 4 Transformationsmatrix), oder insbesondere ein Verformungsfeld, wie unten näher erläutert wird.
Der Korrekturvektor bzw. die Korrekturgröße wird dem Benutzer der Bestrahlungsmaschine für die Re-Positionierung des Patienten angezeigt. Dies kann in Form einer graphischen Darstellung auf einem Display, z.B. einem LCD-Monitor, oder durch ein Audiosignal geschehen. Möglich ist auch eine Überlagerung der Korrekturinformationen mit einem von einer Kamera aufgenommenen Videobild des Patienten.
Alternativ oder zusätzlich kann diese Korrektur in ein Positionierungssystem eingespeist werden, welches den Patienten automatisch in die korrekte Position gegenüber der Strahlentherapiemaschine positioniert. Diese Korrekturgröße kann auch abgespeichert werden und als Initialwert für folgende Bestrahlungsfraktionen verwendet werden.
Zudem kann das beschriebene Bildgebungsverfahren während einer Bestrahlung weiter Bilder generieren, und damit den erwähnten Korrekturvektor in Echtzeit aktualisieren. Diese Echtzeitaktualisierung kann dem Benutzer angezeigt werden, oder kann die Anzeige einer optischen und/oder akustischen Warnung auslösen/triggern. Sollte die nötige errechnet Korrektur zu groß sein (d.h. sollte die Position des Tumors zu stark von der Sollposition abweichen), kann die Bestrahlung automatisch gestoppt werden, z.B. mittels An/Abschalten eines Interlocks. Ein Interlock ist eine Vorrichtung, die die Bewegung oder die Bestrahlung eines Strahlentherapiegerätes stoppt oder unterbricht, wenn einem Patienten, einer Bedienperson oder das Strahlentherapiegerät selbst Schaden droht.
Zudem kann die Korrekturgröße benutzt werden um die Bestrahlung einzuschalten wenn sie einen Wert unterschreit. Zudem kann die Korrekturgröße in ein Positionierungssystem eingespeist werden, um automatisch eine Korrektur während der Bestrahlung durchzuführen.
In Ausführungsbeispielen umfasst das oben beschriebene Verfahren mindestens einen Detektor, eine Recheneinheit zur Datenauswertung, sowie eine Schnittstelle zur Übertragung von Daten zwischen der Recheneinheit und dem Bestrahlungsgerät. In Ausführungsbeispielen kann die Recheneinheit auch als Teil des Bestrahlungsgeräts ausgeführt sein, so dass als einzige zusätzliche Baugruppe zu dem Bestrahlungsgerät eine bzw. mehrere Detektoreinheiten erforderlich sind.
1 zeigt ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Patient 50 liegt auf einer Behandlungsliege 60. Diese ist mit einem Patientenpositionierungsgerät 70 verbunden, das die Liege in vertikaler und horizontal in mehrere Richtungen verstellen kann, um die Position des Patienten zum Strahlengang des Bestrahlungsgeräts 80 zu verändern. Vor der Behandlung wurde dem Patienten die Strahlenquelle 90 an der Stelle des zu behandelnden Gewebes appliziert. Die Quelle kann z.B. ein Iod-125 Implantat sein. Als Detektor für die Erfassung der emittierten Strahlung, bzw. als bildgebendes Element, dient in diesem Ausführungsbeispiel eine Gamma-Kamera 130, die über ein Kabel 100 mit einer Recheneinheit 110 verbunden ist. Die Verbindung kann in einer weiteren Ausführung eine kabellose Verbindung sein, wie z.B. eine Funkverbindung.
Die Kamera 130 ist im Raum frei beweglich und ist mit einem Tracking-Marker 190 versehen. Dessen Position im Raum wird von einem Tracking-Sensor 120 aufgenommen, der ebenfalls mit der Recheneinheit 110 verbunden ist. Der Tracking-Sensor 120 bildet zusammen mit der Recheneinheit 110 ein Trackingsystem 105. Dieses kann in Ausführungsbeispielen ein optisches, elektromagnetisches, akustisches, mechanisches oder RFID-Trackingsystem sein.
Die Kamera wird zur Ortsbestimmung des Targets 90 frei über den Körper des Patienten 50 bewegt und nimmt dabei die von der Strahlungsquelle 90 emittierte Strahlung auf. Währenddessen nimmt das Trackingsystem 105 laufend die Pose der Kamera 130 auf. Dabei wird typischerweise auch die Ausrichtung der Kamera-Mittelachse im Raum aufgezeichnet. Durch zeitliche Zuordnung der gemessenen Strahlungswerte mit den Trackingdaten kann so nach Anwendung eines Bildbearbeitungsverfahrens auf die Rohdaten ein 3D Bild generiert werden (wie etwa bei Freehand SPECT) und somit Informationen über den geometrischen Ort bzw. die Größe der Strahlenquelle 90 gezogen werden.
Die von dem Tracking-Sensor 120 aufgenommenen Pose-Daten der Gamma-Kamera 130 liefern in Verbindung mit den Detektionsdaten der Kamera eine Datenbasis, um die Pose der Strahlenquelle 90 in Bezug auf die Position des Tracking-Sensors 120 präzise zu bestimmen. Damit ist eine Ortsbestimmung der Quelle 90 in Bezug auf den Tracking-Sensor 120 möglich. Um abzugleichen, ob die absolute Position der Strahlenquelle 90, beziehungsweise des zu bestrahlenden Zielgewebes, an der Sollposition im Strahlengang des Bestrahlungsgeräts 80 liegt, wird ein örtlicher Bezug des Tracking-Sensors 120 zu dem Bestrahlungsgerät 80 benötigt. Dies kann zum Beispiel dadurch gewährleistet sein, dass die geometrischen Beziehungen zwischen Bestrahlungsgerät 80, dessen Strahlengang und der Position des Tracking-Sensors 120 bekannt und abgespeichert sind. Durch Hinterlegung dieser Informationen in einem Speicher der Recheneinheit 110, z.B. bei erstmaliger Inbetriebnahme bzw. Kalibrierung, kann die Recheneinheit auf dieser Basis die errechnete Pose der Strahlenquelle 90 mit den hinterlegten geometrischen Daten abgleichen.
In Ausführungsbeispielen erfasst der Tracking-Sensor 120 neben der Kamera-Pose auch weitere Bestandteile des Bestrahlungsszenarios, insbesondere das Bestrahlungsgerät 80 und die Liege 60, die jeweils mit eigenen Tracking-Markern 192, 194 versehen sind. Auf diese Weise kann die Recheneinheit 110 direkt eine räumliche Beziehung zwischen den Komponenten Detektor (Kamera 130), eventuell Liege 60 und Bestrahlungsgerät 80 berechnen. Die charakteristischen geometrischen Daten des Bestrahlungsgeräts 80, insbesondere der Strahlengang in Bezug auf die äußeren Abmessungen der Geräts, können in einem Speicher der Recheneinheit 110 hinterlegt sein. In diesem Fall kann die Recheneinheit aus den Trackingdaten aller Komponenten in Verbindung mit den von der Kamera aufgenommenen und zu einem Bild verarbeiteten Daten direkt die Korrekturgröße k berechnen. Mit diesem Korrekturwert kann über eine Schnittstelle direkt das Patientenpositioniergerät 70 angesteuert werden.
In Ausführungsbeispielen kann die errechnete Pose des Zielgewebebereichs über eine (Funk-)Schnittstelle 73 an eine Steuereinheit 112 (nicht dargestellt) des Bestrahlungsgeräts 80 übertragen werden. Die Software zur Berechnung der Korrekturgröße k und zur entsprechenden Steuerung des Patientenpositioniergeräts 70 ist in diesem Fall im Steuergerät 112 vorgesehen, im Gegensatz zu den vorigen Beispielen. In Ausführungsbeispielen kann die Korrekturgröße k, sofern grafisch darstellbar, auf einem optischen Anzeigegerät 180 dargestellt werden, gegebenenfalls als Überlagerung mit einem visuellen Kamerabild des Patienten. Auf diese Weise ist eine Kontrolle durch eine Bedienperson möglich. Die Repositionierung des Patienten kann auch durch manuellen Eingriff der Bedienperson vorgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine akustische Signalisierung oder das Triggern vom An-/Abschalten vom Interlock vorgesehen sein, etwa wenn während der Bestrahlung eine Bewegung des Patienten erfolgt. Dies kann über die Recheneinheit 110 oder das Bestrahlungsgerät 80 erfolgen.
Die Korrekturgröße k dient als Grundlage für eine Korrektur der Position des Patienten 50 und damit auch der Strahlenquelle 90 bzw. des Zielgewebes. Im einfachsten Fall ist k ein zweidimensionaler Vektor, der angibt, in welche Richtung und um welche Distanz und Richtung der Patient in einer x-y-Ebene (siehe 1) verschoben werden muss, um das Zielgewebe im Strahlengang 82 des Bestrahlungsgeräts zu positionieren. In Ausführungsbeispielen ist k ein drei- oder mehrdimensionaler Vektor, wobei typischerweise auch eine Verschiebungskomponente in Richtung der z-Koordinate (Höhenposition des Patienten) vorgesehen ist.
In Ausführungsbeispielen kann k auch eine Matrix sein, etwa eine rigide 4 × 4 Transformationsmatrix. Diese kann zB auch eine Drehung beinhalten, z.B. für den Fall, dass sich die Lage der zu bestrahlenden Struktur im Körper verändert hat, was durch eine rein translatorische Bewegung in x, y, z nicht kompensiert werden könnte. In anderen Beispielen kann k ein Verformungsfeld sein. Dies kann z.B. zweckdienlich sein, um Größenänderungen des Zielgewebes (z.B. des Tumors) gegenüber einem bei einer früheren Bestrahlungssession aufgenommenen Bild zu korrigieren. Zum Berechnen dieses Verformungsfelds kann man Methoden der deformierbare Registrierung benutzen, wie etwa nichtparametrische Registrierungsmethoden, parametrische Registrierungsmethoden (z.B. mit B-Splines), Curvature Registration, Demons Registration, Diffeomorphic Demons Registration, Symmetic Forces Demons Registration, Level Set Motion Registration, PDE Deformable Registration, etc. Im Allgemeinen wird in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen, dass das Bestrahlungsgerät bzw. die durchgeführte Therapie derart ist, dass der Strahl durch Kollimation so eingestellt werden kann, dass sein Querschnitt mit einem Querschnitt des zu bestrahlenden Zielgewebes zumindest näherungsweise identisch ist. Dies heißt gleichzeitig, dass es eine eineindeutige Pose des Zielgewebes bzw. der Strahlungsquelle 90 in Bezug zum Strahlengang 82 gibt, bei der das optimale Bestrahlungsergebnis erzielt wird, da der Strahlquerschnitt den gesamten Tumor abdeckt, unter weitgehender Schonung angrenzenden gesunden Gewebes durch die Kollimation.
In Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass der Strahlquerschnitt des Bestrahlungsgeräts 80 kleiner ist als eine Querschnittsfläche des zu bestrahlenden Zielgewebes. Ist das Zielgewebe nicht nur durch ein implantiertes Target, sondern durch Injektion einer radioaktiven Tracer-Substanz zur Gänze radioaktiv, kann in diesem Fall über das oben beschriebene Bilderkennungssystem das Zielgewebe als dreidimensionale räumliche Struktur vom Positionierungssystem erfasst werden. Das Positionierungssystem kann in diesem Szenario dazu benutzt werden, eine Querschnittsfläche des Tumors bzw. Zielgewebes mit dem Strahl des Bestrahlungsgeräts abzurastern, so dass sukzessive die gesamte Fläche des Tumors bestrahlt wird. Hierzu kann eine Eingrenzung oder Segmentierung des zu bestrahlenden Tumors gegen andere, ebenfalls leicht strahlende Volumina im Körper vorgenommen werden.
In anderen Ausführungsbeispielen ist der Strahlquerschnitt des Bestrahlungsgeräts 80 größer ist als eine Querschnittsfläche des zu bestrahlenden Zielgewebes. In diesem Fall kann man aus der Form des Zielgewebes die Form the Strahlquerschnitts mittels eines Multi-Leaf-Kollimator mit der vom Zielgewebe angleichen.
Die Echtzeitfähigkeit des Systems gemäß Ausführungsbeispielen kann genutzt werden, um während einer Strahlenbehandlung ein kontinuierliches Monitoring der Pose des Zielgewebes vorzunehmen, so dass ständig eine Korrekturgröße k berechnet werden kann. Übersteigt diese eine bestimmte Grenzbedingung, d.h. im allgemeinen, weicht die Pose des Zielgewebes zu sehr von einer Sollpose ab, d.h. das Zielgewebe ist nicht mehr im Strahlengang 82, können verschiedene Maßnahmen vorgesehen sein. Möglich ist eine optische Anzeige, etwa auf Display 180 oder auf einem anderen Bedienmonitor des Bestrahlungsgeräts 80, sowie eine akustische Warnung. Erfolgt länger keine Reaktion oder ist die Grenzwertüberschreitung zu erheblich, kann auch die Recheneinheit 110 bzw die Recheneinheit 112 des Bestrahlungsgeräts eine automatische Unterbrechung der Bestrahlung veranlassen (z.B. mittels dem An/Abschalten von einem Interlock). Alternativ kann die Recheneinheit 110, 112 auch eine automatische Nachführung der Patientenposition über eine Ansteuerung des Patientenpositionierungsgeräts 70 über Schnittstelle 72 veranlassen.
In Ausführungsbeispielen ist ein Trackingelement 196 am Patienten befestigt, und das Trackingsystem ist zum Erhalten von Trackingelement-Koordinaten konfiguriert, die eine Pose des Trackingelements 196 angeben. In Ausführungsbeispielen ist ferner eine Auflagefläche 86 der Liege mit Gewichtssensoren versehen, um eine Gewichtsverteilung der abzubildenden Person 50 zu ermitteln, wenn die Person auf der Auflagefläche aufliegt. Dies kann u.a. zur zusätzlichen Bestimmung der Bewegung des Patienten verwendet werden. In Ausführungsbeispielen umfasst das System weiter ein Oberflächen-Bestimmungs-System zum Lokalisieren einer Körperoberfläche der abzubildenden Person; bevorzugt mittels eines nachgeführten Instruments zum Abtasten der Oberfläche, wobei das Instrument eine Hand-Gammasonde, eine Hand-Gammakamera 130, eine Time-of-flight-Kamera, eine stereoskopische Kamera, ein Laserscanner, oder eine beliebige Kombination der vorgenannten sein kann.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 1 ist hier keine Hand-Gammakamera 130 als bildgebender Detektor im Einsatz, sondern zwei ortsfeste Detektoren 150, 160, die links und rechts des Körpers des Patienten positioniert sind (im Bild vor und hinter der abgebildeten Person, aus Darstellungsgründen transparent). Mittels der zwei Strahlungsdetektoren 150, 160 wird ebenfalls eine bildgebende, ortsaufgelöste Erfassung des Strahlungsfelds der Strahlungsquelle 90 im Patienten 50 erzielt. Die Detektoren sind mit der Recheneinheit 110 verbunden (nicht dargestellt). Da die Detektoren ortsfest sind, ist ihre räumliche Beziehung zum Bestrahlungsgerät 80 bzw. dessen Strahlengang 82 bekannt bzw. lässt sich einmalig etwa bei einer Kalibrierung ermitteln. Somit ist in diesem Beispiel kein Trackingsystem erforderlich, um die detektierte Position der Strahlungsquelle in Bezug zum Strahlengang 82 des Bestrahlungsgeräts 80 zu setzen.
3 zeigt ausschnittsweise das Detektorarrangement 150, 160 des in 2 gezeigten Systems. Die Detektoren können zusammen ein PET Detektor bilden oder 2 Gammakameras sein. Alternativ können die Detektoren jeweils der Streudetektor einer Compton-Kamera sein, die mit einem Absorptionsdetektor (nicht dargestellt) zusammenarbeiten kann.
4 zeigt ein Detektorarrangement eines Systems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dabei ist ein ortsfester Detektor 160 neben dem Patienten kombiniert mit einem frei beweglichen Detektor 130, der etwa handgeführt sein kann, aber auch durch einen Roboterarm (nicht dargestellt) über Recheneinheit 110 gesteuert sein kann. Mögliche Detektor Kombinationen sind z.B. 2 befestigte Gammakameras, die auf den Körperteil von Interesse gerichtet sind, 1 PET-Detektor, der aus 2 befestigten PET-Platten besteht, eine befestigte Gammakamera und einen handgeführten nachgeführten nichtbildgebenden Detektor (wie etwa eine Gammasonde), 2 freibewegliche nachgeführte Mini-Gammakameras, etc.
Es ist dem Fachmann ohne weiteres eingängig, dass eine Vielzahl von Kombinationen verschiedener Detektortypen eingesetzt werden kann, um mit den hier beschriebenen Systemen eine ortsaufgelöste, bildgebende Detektion zu erzielen. So sind z.B. auch zwei frei bewegliche Detektoren vom Typ der Hand-Gammakamera 130 möglich.
5 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Gewebe eines Patienten bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät gemäß Ausführungsbeispielen. In einem Schritt (500) wird dem Patienten eine radioaktive Strahlungsquelle in einen Zielgewebebereich appliziert, der bestrahlt werden soll. Im Schritt (510) erfolgt die bildgebende Detektion einer emittierten Strahlungsverteilung der Strahlungsquelle, wobei sich der Patient in einer Behandlungsposition befindet. In einem Schritt (530) folgt die Berechnung einer Pose des Zielgewebebereichs bzw. der Strahlungsquelle anhand der detektierten Strahlung. In einem Schritt (540) wird eine Korrekturgröße k als Differenz zwischen der berechneten Pose des Zielgewebebereichs und einem Sollwert berechnet.

Claims

System zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Zielgewebe eines Patienten (50) bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät (80), umfassend: – mindestens einen Detektor (130, 150, 160) zur bildgebenden Detektion der Strahlungsverteilung einer radioaktiven Strahlungsquelle (90), die sich in einem Zielgewebebereich befindet; – eine Recheneinheit (110, 112), ausgelegt zur Berechnung der Pose des Zielgewebebereichs aus Messdaten des Detektors (130, 150, 160), sowie zum Berechnen einer Korrekturgröße als Differenz zwischen der berechneten Pose mit Vergleichswerten; – eine Schnittstelle (72, 73), mit der die Daten zu berechneter Pose des radioaktiv markierten Zielgewebebereichs, sowie die Korrekturgröße, von der Recheneinheit (110) zu einem Strahlentherapiegerät (80) oder einem Patientenpositionierungsgerät (70) übermittelt werden können.
System nach Anspruch 1, wobei die Recheneinheit weiter ausgelegt ist, die Form des markierten Gewebes aus den Messdaten zu errechnen.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Korrekturgröße ein mindestens dreidimensionaler Korrekturvektor, eine Matrix und/oder ein Verformungsfeld ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Trackingsystem (105) zur Erfassung der Pose des mindestens einen Detektors (130, 150, 160) und/oder des Strahlentherapiegeräts (80), bevorzugt ein optisches, elektromagnetisches, akustisches, mechanisches oder RFID-Trackingsystem.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ausgabeeinheit (180), um den mindestens dreidimensionalen Korrekturvektor, die Matrix oder das Verformungsfeld graphisch und/oder akustisch anzuzeigen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Vorrichtung (70) zur Veränderung der Lage des Patienten gemäß den Vorgaben der Korrekturgröße.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der Korrekturgröße in Echtzeit während einer Strahlentherapiebehandlung durchgeführt wird, und wobei bei Überschreiten einer Grenzbedingung für die Korrekturgröße mindestens eines der folgenden ausgeführt wird: – Signalisieren der Grenzbedingungsüberschreitung an eine Bedienperson, und – automatisches Unterbrechen der Behandlung.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Strahlungsdetektor (130, 150, 160) ein PET-Detektor, ein SPECT-Detektor, ein freehand SPECT-Detektor, eine Compton-Kamera oder eine Gamma-Kamera ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens zwei Strahlungsdetektoren (130, 150, 160) umfasst, die eine der folgenden Eigenschaften aufweisen: – beide sind befestigt, – einer ist befestigt, der andere ist frei beweglich, – beide sind frei beweglich.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend zumindest eines der Folgenden: (i) ein an der abzubildenden Person (50) zu befestigendes Trackingelement (196), wobei das Trackingsystem (105) zum Erhalten von Trackingelement-Koordinaten konfiguriert ist, die eine Pose des Trackingelements (196) angeben; (ii) eine Auflagefläche (86) mit Gewichtssensoren, um eine Gewichtsverteilung der abzubildenden Person (50) zu ermitteln, wenn die Person auf der Auflagefläche aufliegt; und (iii) ein Oberflächen-Bestimmungs-System zum Lokalisieren einer Körperoberfläche der abzubildenden Person (50); bevorzugt mittels eines nachgeführten Instruments zum Abtasten der Oberfläche, wobei das Instrument eine Hand-Gammakamera (130), eine Time-of-flight-Kamera, eine stereoskopische Kamera, ein Laserscanner, oder eine beliebige Kombination der vorgenannten sein kann.
Verfahren zur Bestimmung der Position von radioaktiv markiertem Gewebe eines Patienten bei der Strahlentherapie mit einem Strahlentherapiegerät, umfassend: – Applizieren einer radioaktiven Strahlungsquelle (90) in einen Zielgewebebereich, der bestrahlt werden soll; – bildgebende Detektion einer emittierten Strahlungsverteilung der Strahlungsquelle, während sich der Patient in einer Behandlungsposition befindet; – Berechnen einer Pose des Zielgewebebereichs anhand der detektierten Strahlung; und – Berechnen einer Korrekturgröße als Differenz zwischen der berechneten Pose des Zielgewebebereichs und einem Soll-Posewert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei 3D-Informationen über die Form und die Abmessungen des radioaktiv markierten Gewebes aus den detektierten Strahlungsmesswerten ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die 3D-Informationen durch Anwendung von Bildverarbeitungsmethoden auf die ermittelten Strahlungsmesswerte erhalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, weiter umfassend mindestens eines der folgenden: a) Mitteilung der errechneten Korrekturgröße an eine Bedienperson des Strahlentherapiegeräts, bevorzugt in akustischer und/oder optischer Form, b) Aktivieren eines Interlocks, um die Bestrahlung zu unterbrechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, weiter umfassend: Verändern der relativen Lage zwischen dem Patienten (50) und einer Bestrahlungsquelle des Therapiegeräts (80) derart, dass sich der Zielgewebebereich an einer definierten Solllage befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Applizierung der Strahlungsquelle mindestens eines der folgenden umfasst: – Implantieren mindestens eines Targets, das eine radioaktive Substanz enthält – Injizieren eines radioaktiven Fluids in den Körper des Patienten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Bestimmung des Korrekturvektors in Echtzeit während einer Strahlentherapiebehandlung durchgeführt wird, und wobei bei Überschreiten eines Grenzwertes des Korrekturvektors mindestens eines der folgenden ausgeführt wird: – Signalisieren der Grenzwertüberschreitung an eine Bedienperson, und – automatisches Unterbrechen der Behandlung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Korrekturgröße ein mindestens dreidimensionaler Vektor, eine Matrix oder ein Verformungsfeld ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei der mindestens eine Detektor beweglich ist, und wobei dessen Position durch optisches, elektromagnetisches, akustisches oder mechanisches oder Funk-Tracking vom System erfasst wird.