DE102011076050B4

DE102011076050B4 - Strahlentherapiegerät mit einer Röntgen-Bildgebungsvorrichtung mit länglicher Detektorausbildung

Info

Publication number: DE102011076050B4
Application number: DE201110076050
Authority: DE
Inventors: Reiner Franz Schulz; Kaiss Shanneik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: DE102011076050A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlentherapiegerät mit einer Bildgebungsvorrichtung zur Durchleuchtung eines Objekts mit Röntgenstrahlung. Ein Aspekt der Erfindung sind eine oder mehrere ausgedehnte kV-Strahlenquellen (3, 4), zwei Detektoren (5, 6) und die dazugehörige Bildrekonstruktion. Die beiden Röntgen- bzw. kV-Strahlenquellen (3, 4) befinden sich senkrecht zum Detektor (5, 6). Erfindungsgemäß kommt die zumindest eine ausgedehnte Strahlungsquelle in einer Ausführungsform in die direkte Nähe der MV-Quelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlentherapiegerät mit einer Bildgebungsvorrichtung zur Durchleuchtung eines Objekts mit Röntgenstrahlung.
Hintergrund der Erfindung
Die kontinuierliche Verbesserung von Behandlungstechniken in der Strahlentherapie, wie zwie z.B. der IMRT ermöglicht es, eine hohe Strahlendosis im Tumor zu deponieren und gleichzeitig benachbarte Risikoorgane zu verschonen. Eine genaue Positionierung des Patienten auf der Patientenliege ist hierbei von großer Bedeutung, da schon geringe Abweichungen der Patientenposition gegenüber der geplanten Position zu einer unnötigen Strahlenbelastung des Patienten und evtl. zu einer falschen Tumorbehandlung führen.
Um dieses Risiko zu minimieren, werden bildgebende Systeme, wie etwa Röntgensysteme, in die Strahlentherapie Geräte integriert, die eine exakte Positionierung des Patienten bei der Strahlentherapie ermöglichen. Dies erhöht die Präzision der Strahlenbehandlung, da die Abweichung von der Planung so gering wie möglich ist. Dadurch ist es möglich, Bewegungen eines Tumors von einer Behandlungssitzung zur nächsten auszugleichen (interfraktionelle Bewegung). Es können auch Tumorbewegungen innerhalb einer Therapiesitzung und während der Bestrahlung stattfinden (intrafraktionelle Bewegung). Diese Bewegungen können durch eine Bildgebung erfasst werden, so dass eine Kompensation der Bewegung ermöglicht wird.
Daher ist es günstig, das Röntgensystem in das Bestrahlungsgerät zu integrieren, um in Echtzeit oder zeitnah abwechselnd mit der Bestrahlung die Tumorbewegung zu erkennen und ggf. die Strahlenbehandlung anzupassen.
Es sind Strahlentherapiegeräte möglich, welche eine kV-Röntgenvorrichtung umfassen, um vor oder während einer geplanten Bestrahlungssitzung die Position des Patienten und des zu bestrahlenden Tumors überwachen zu können. Aufgrund des Platzbedarfs der Röntgenvorrichtung ist es nicht ohne weiteres möglich, die Röntgenvorrichtung an einer idealen Position im Strahlentherapiegerät anzuordnen. Denkbar sind z. B. Strahlentherapiegeräte mit einer kV-Röntgenvorrichtung, die senkrecht zu dem Therapiestrahl angeordnet ist.
Ein dediziertes kV-System der Anmelderin, „kVision”, bietet ein Bildgebungssystem in Blickrichtung des Therapiestrahls.
Es gibt auch kV-Bildgebungssysteme, die dedizierte fest im Raum montierte Systeme vorsehen. Darüber hinaus gibt es Bildgebungssysteme, die versetzt gegenüber dem Therapiestrahl an der Gantry des Therapiegerätes montiert sind.
Eine weitere Möglichkeit, die Position des Patienten zu überprüfen, ist die Verwendung des MV-Therapiestrahls (Megavolt = Gammastrahlung) – z. B. das System ”MVision” der Anmelderin –, der den Patienten durchdringt. Die MV-Bildgebung besitzt mehrere Nachteile. Die höhere Energie des Röntgenspektrums bedingt eine schlechtere Bildqualitäts, z. B. niedrige Kontrastauflösung, sowie insbesondere eine schlechte Quanteneffizienz der Detektoren in diesem Energiebereich. Daraus folgt eine schlechtere Tumorerkennbarkeit. Zudem ist der Therapiestrahl bei der Bestrahlung durch entsprechende Blenden auf das Zielvolumen beschränkt, was ein eingeschränktes Sichtfeld mit sich bringt.
In DE 10 2009 057 066 A1 bzw. in der korrespondierenen US 2011/0135051 A1 ist eine Anordnung schon vorgeschlagen worden, die die sogenannte inverse Detektorgeometrie benutzt. Wegen der starken Streustrahlung in der Nähe des Beschleunigers treten Strahlenschäden an digitalen Röntgendetektoren auf. Die inverse Detektorgeometrie ist von Vorteil, da sie den Einsatz kleinerer Detektoren ermöglicht, die dadurch weniger Angriffsfläche bieten und besser abzuschirmen sind. Die kleinere Bauform ermöglicht auch eine für die nachfolgende Bildrekonstruktion vorteilhafte geometrische Anordnung.
Der Detektor/die Detektoren befinden sich ”oben”, dicht an der MV-Strahlungsquelle. In Bezug auf Strahlenschäden, Kalibrierbarkeit und Lebensdauer ist es vorteilhaft, die kV-Detektoren möglichst weit entfernt von der MV-Strahlungsquelle anzuordnen.
Aus DE 10 2009 021 740 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die drehbar gelagerte Röntgenröhren auf Kohlenstoffnanoröhren basierend aufweist. Dadurch wird das Problem gelöst, den von herkömmlichen Röntgenröhren beanspruchten Platz deutlich zu verringern. Die therapeutischen Strahlenquellen im Strahlentherapiegerät sind so angeordnet, dass die therapeutische Strahlenquelle in einer Ebene rotiert werden kann. Zusätzlich können mehrere diagnostische Strahlungsquellen kreisförmig um die Rotationsachse der therapeutischen Strahlenquelle angeordnet werden. Damit wird ermöglicht, sämtliche Strahlungsquellen und Detektoren frei um den Patienten rotierbar anzuordnen und dabei die Strahlungsquellen möglichst zu verkleinern.
Aus US 7 003 072 B2 ist eine Methode bekannt, mit der ein Zielobjekt, z. B. ein Tumor, in einem Objekt, z. B. in einem Gewebe, durch Scannen des Objekts mit einem Röntgenstrahl lokalisiert werden kann. Die Lehre dieser Druckschrift hat dabei zum Ziel, dass die Strahlendosis möglichst verringert werden soll.
Auch der Inhalt dieser beiden Druckschriften führt zu keiner Lösung des oben geschilderten Problems.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben genannten Systeme bzw. Anordnungen zu verbessern.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Ein Aspekt der Erfindung sind eine oder mehrere ausgedehnte kV-Strahlenquellen, zwei Detektoren und die dazugehörige Bildrekonstruktion. Die beiden Röntgen- bzw. kV-Strahlenquellen befinden sich senkrecht zum Detektor.
Erfindungsgemäß kommt die zumindest eine ausgedehnte Strahlungsquelle in einer Ausführungsform in die direkte Nähe der MV-Quelle. Die Strahlungsquelle besteht aus weniger strahlungsempfindlichen Komponenten, so dass insgesamt gesehen, die vorgeschlagene Anordnung deutlich weniger anfällig gegen MV-Streustrahlung ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung des zumindest einen Strahlers und der zumindest zwei Detektoren führt zu einer erheblichen Verbesserung der Lebensdauer der Detektoren, da sich die Detektoren nicht direkt im Strahlengang des Therapiestrahls befinden und somit die Streustrahlung auf die Detektoren reduziert wird. Strahlenschäden in einem Detektor ergeben sich hauptsächlich in seiner Elektronik. Hier sind Strahlenhärte-Designs notwendig.
Die Integration des Bildgebungssystems in das Bestrahlungsgerät erlaubt eine in-line Geometrie, ohne dass dabei der Detektor oder die Quelle vom Behandlungsstrahl durchstrahlt wird. Falls es sich bei dem Bestrahlungssystem um einen Linearbeschleuniger (Linac) handelt, dann ist die Strahlenquelle des Bildgebungssystems nahe am Therapie-Strahlaustritt zu montieren. Der Detektor wird am gegenüberliegenden Ende der Gantry montiert, so dass sie den Patienten durchstrahlen kann und die Bildgebungsebene im Bereich des Patienten ist. Hierbei sollte sichergestellt werden, dass der Detektor sich nicht im Strahlengang vom Therapiestrahl befindet.
Die erfindungsgemäße Bildgebung erlaubt die Rekonstruktion eines zweidimensionalen Bildes in einer Ebene zwischen Quelle und Detektor. Dadurch, dass sich der Detektor außerhalb des Strahlengangs befindet, ist eine bessere Kalibrierung des Detektors möglich. Der Verzicht auf ein Streustrahlraster führt zu einer besseren Dosisbilanz.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
1 und 2 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
3 Fokuspunkte, die nacheinander angesteuert werden können,
4 bis 6 Fächerstrahlverläufe für weitere verschiedene aktivierte Fokuspunkte,
7, 8 und 10 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Röntgenquelle und einem Detektor und
9 eine mögliche Anordnung von Fokuspunkten.
In 1 und 2 ist ein Beispiel für die erfindungsgemäße Anordnung skizziert. Der Therapiestrahl 1 durchdringt den Patienten 2 und die Liege (nicht dargestellt). Zwei kV-Strahler 3 und 4 sowie zwei Röntgendetektoren 5 und 6 sind orthogonal zueinander angeordnet. Die ausgedehnten Röntgenquellen 3 und 4 bestehen aus einer Vielzahl von Fokuspunkten 7 (scanning beam, jump focus), die nacheinander angesteuert werden können, wie z. B. in 3 dargestellt. Ein Kollimator 9 begrenzt die emittierten Röntgenstrahlen 8 derart, dass definierte Fächerstrahlbündel 10 erzeugt werden, welche auf die Mehrzeilendetektoren 5 und 6 ausgerichtet werden. Vorzugsweise ist eine nicht dargestellte Auswertungsvorrichtung vorgesehen, die die von den Detektoranordnungen aufgezeichneten Signale auswerten kann.
In den 1 sowie 4 bis 6 sind die Fächerstrahlverläufe für vier verschiedene aktivierte Fokuspunkte gezeigt.
9 zeigt eine mögliche Anordnung von Fokuspunkten. Die Fokuspunkte können nacheinander angesteuert werden (z. B. beginnend von rechts nach links, F1 bis FN oder umgekehrt). Es ist auch eine Strahlenquelle denkbar, die entlang einer flächigen Bahn beweglich ist.
Die lineare Bahn der Quelle kann eine Gerade oder auch ein Bogensegment sein.
Durch ein Bogensegement ist eine größere Abtastung der Patientenbreite möglich. Dies wäre mit einer geraden Anordnung nur möglich, wenn man sie sehr lang machen würde.
Der Detektor besteht aus einem zweidimensionale Array aus Detektorelementen, wobei die Ausdehnung des Detektors in einer Dimension des Arrays vorzugsweise wesentlich größer ist als die Ausdehnung in der anderen Dimension.
Der Detektor ist hierbei ein Röntgendetektor. Er kann aus einem eindimensionalen Detektorarray (Detektorzeile) bestehen oder aus einem Array mit mehreren Zeilen.
Der Detektor ist so angeordnet, dass er nicht im Strahlengang des Therapiestrahls liegt. Der Detektor liegt gegenüber den beiden Röntgenquellen.
Das Bildgebungssystem, bestehend aus der zumindest einen Strahlenquelle und den beiden Röntgendetektoren, ist so an das Gerät zu Strahlentherapie gekoppelt, dass die Bildgebungsachse im Wesentlichen mit der Achse des Therapiestrahls übereinstimmt.
Erfindungsgemäß ist ein Fächerstrahlbündel 10 so ausgerichtet, dass es auf einer ersten Seite des Strahlengangs des Therapiestrahls entlangführt, und ein weiteres Fächerstrahlbündel 10 ist so ausgerichtet, dass des auf einer anderen Seite des Strahlengangs des Therapiestrahls entlangführt.
Dadurch werden der Tumor und gleichzeitig auch andere Anatomische Referenzpunkte mit aufgenommen. Diese dienen dann zur weiteren Anpassung des Therapieplans.
Die Verkippung der Achse des Bildgebungssystems gegenüber der Achse des Therapiestrahls beträgt vorzugsweise zwischen 0° und 15°, und 15° und 30°. Das Bildgebungssystem ist an einem Gerät zur Strahlentherapie gekoppelt, wobei es fest an der Gantry montiert sein kann oder an beweglichen Armen an der Gantry angebracht ist. Das Bildgebungssystem der beiden Detektoren ist nur so weit gegeneinander verkippt (Abstand zwischen den beiden Detektoren), dass die Bildgebungsachsen eine Bildgebung im Wesentlichen in Richtung des Therapiestrahls (In-line) ermöglichen. Das Bildgebungssystem der beiden Detektoren kann so weit gegeneinander verkippt sein, dass die Bildgebungsachsen eine stereoskopische Bildgebung ermöglichen.
In 7, 8 und 10 sind weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung skizziert, die im Gegensatz zu der oben beschriebenen Anordnung gemäß den 1 bis 5 aus einer Röntgenstrahlenquelle und zwei Detektoren bestehen.
Folgende Bild-Rekonstruktions-Methoden sind denkbar:

1. Eine Methode zur Berechnung von digital rekonstruierten Radiographien (DRRs): Der Strahlengang entspricht hierbei nicht dem Strahlengang einer Lochkamera (Kegelstrahl-Geometrie), sondern einer Bildgebung mit ID-Quelle und ID-Detektor (Tetraeder Geometrie).
2. Eine Methode zur Erzeugung von Computer Tomographien (CT) mit einer ID-Quelle und einem ID-Detektor:
– Die Rekonstruktion der CT Schicht wird analog zu einer Rekonstruktion in Kegelstrahl-Geometrie durchgeführt.
– Die Strahlen werden vor der Rekonstruktion umsortiert.
– Die Umsortierung erzeugt eine Kegelstrahl-Geometrie.
– Die Umsortierung ist mit der Umsortierung in der Rekonstruktion kombiniert.

Es ist auch möglich, durch die digitale Tomosynthese (DTS) Schnittbilder zu erzeugen.
Bezugszeichenliste

1: Therapie-Strahl (Therapy beam)
2: Patient
3: kV-Strahler (distributed X-ray source)
4: kV-Strahler (distributed X-ray source)
5: Mehrzeilendetektor (Multi-row detector array)
6: Mehrzeilendetektor (Multi-row detector array)
7: Fokuspunkte F₁ bis F_N
8: Röntgenstrahlung
9: Kollimator
10: Röntgenfächerstrahl

Claims

Strahlentherapiegerät mit einer Bildgebungsvorrichtung zur Durchleuchtung eines Objekts (2) mit Röntgenstrahlung, die Bildgebungsvorrichtung aufweisend: – mindestens eine Quellenanordnung (3, 4), von welcher Röntgenstrahlen von verschiedenen Positionen (F1 bis FN) aussendbar sind, wobei die verschiedenen Positionen eine mindestens eindimensionale Struktur bilden, – wenigstens zwei Detektoranordnungen (5, 6) zur Detektion der von der mindestens einen Quellenanordnung ausgehenden und auf die Detektoranordnungen gesendeten Röntgenstrahlen, wobei zwischen einer Quellenanordnung und einer Detektoranordnung ein zu durchstrahlendes Objekt anordenbar ist, sodass mit der Detektoranordnung die durch das Objekt abgeschwächten Röntgenstrahlen aufzeichenbar sind, wobei ein Bereich der Detektoranordnung verschiedenen Positionen der mindestens eindimensionalen Struktur zugeordnet ist, von denen aus jeweils Röntgenstrahlen in Teildurchleuchtungen auf den Bereich richtbar sind, wobei der Bereich der Detektoranordnung, der durch die mehreren Teildurchleuchtungen getroffen wird, länglich ausgebildet ist mit einer Ausdehnung in Längsrichtung, die größer ist als die Ausdehnung in Querrichtung, und wobei der Bereich der Detektoranordnung derart zu der mindestens eindimensionalen Struktur der Quellenanordnung angeordnet ist, dass die Längsrichtung des Bereichs im Wesentlichen senkrecht zu der mindestens eindimensionalen Struktur steht, wobei der Bereich der Detektoranordnung während des Richtens der Röntgenstrahlen von den verschiedenen Positionen aus auf den Bereich räumlich feststehend ist, und wobei der Bereich derart zu der mindestens eindimensionalen Struktur der Quellenanordnung ausgerichtet ist, dass die Teildurchleuchtungen, die von den verschiedenen Positionen der mindestens eindimensionalen Struktur aus bei räumlich feststehendem Bereich der Detektoranordnung ausgesendet werden, eine Strahlengeometrie aufbauen, die das Objekt flächig durchstrahlt, wobei das Strahlentherapiegerät einen Strahlaustritt aufweist, von welchem aus therapeutische Strahlung (1) auf einen Patienten richtbar ist, wobei die mindestens eine Quellenanordnung nahe am Strahlaustritt montiert ist und die Detektoranordnungen in Richtung des therapeutischen Strahls (1) hinter dem Patienten (2) angeordnet sind, wobei die Quellenanordnung eine oder mehrere Röntgenstrahlenquellen umfasst, welche an den verschiedenen Positionen der Quellenanordnung positioniert sind, wobei die Geometrie der ersten Detektoranordnung eine andere räumliche Orientierung aufweist als die Strahlengeometrie der zweiten Detektoranordnung der Detektoranordnungen, sodass das Objekt im Wesentlichen gleichzeitig aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen durchleuchtbar ist, insbesondere zur stereoskopischen Bildgebung, wobei die auf die erste Detektoranordnung richtbaren Strahlen auf einer ersten Seite entlang des Strahlengangs des Therapiestrahls ausrichtbar und die auf die zweite Detektoranordnung richtbaren Strahlen auf einer anderen Seite entlang des Strahlengangs des Therapiestrahls ausrichtbar sind.
Strahlentherapiegerät nach Anspruch 1, wobei eine Auswertungsvorrichtung zur Auswertung der von den Detektoranordnungen aufgezeichneten Signale vorgesehen ist.
Strahlentherapiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Quellenanordnung eine Röntgenquelle mit einer Positioniervorrichtung umfasst, mit der der Fokus der Röntgenquelle an die verschiedenen Positionen der Quellenanordnung positionierbar ist.
Strahlentherapiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, wobei die Auswertungseinheit zur Ermittlung eines Durchleuchtungsbildes aus den aufgezeichneten Signalen ausgebildet ist.
Strahlentherapiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei die Auswertungseinheit zur Ermittlung eines dreidimensionalen Volumendatensatzes aus den aufgezeichneten Signalen ausgebildet ist.
Strahlentherapiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sich zwischen der mindestens einen Quellenanordnung und einer der Detektoranordnungen aufbauende Strahlengeometrie eine Zentralachse aufweist, die gegenüber der Therapiestrahlzentralachse um weniger als 30°, insbesondere um weniger als 15°, verkippt ist.