DE102011080364B4 - Kontrastmittel-verstärkte Bildgebung bei der Strahlentherapie - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bildgebung im Rahmen einer Strahlentherapie mit folgenden Verfahrensschritten,- Anfertigen eines Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatzes vor Beginn der Bestrahlungssitzung zur Positionierung des Patienten, wobei es sich bei dem Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatz um einen Computer-tomographie-Datensatz handelt,- Anfertigen eines weiteren Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatzes- Vergleichen des weiteren Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatzes mit dem Computertomographie-Datensatz bei einer Bestrahlungssitzung,wobei der weitere Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz während einer Bestrahlung der Bestrahlungssitzung zur Lokalisation eines Zielvolumens aufgezeichnet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildgebung im Rahmen einer Strahlentherapie.
- Die Strahlentherapie ist ein etabliertes Verfahren, bei dem ionisierende Strahlung eingesetzt wird, um pathologisches Gewebe, wie z.B. Tumorgewebe, zu behandeln. Ziel der Strahlentherapie ist es, das zu behandelnde Gewebe mit einer ausreichenden therapeutischen Dosis zu bestrahlen und dabei gleichzeitig gesundes, umliegendes Gewebe zu schonen. Der therapeutische Effekt basiert unter anderem darauf, dass ionisierende Strahlung auf gesundes Gewebe und auf pathologisches Gewebe unterschiedlich wirkt.
- Um sicherzustellen, dass Unsicherheiten bei der Positionierung des zu behandelnden Gewebes, die zwischen einer Planungsphase und einer Behandlungsphase aus verschiedenen Gründen auftreten können, den Behandlungserfolg nicht gefährden, werden üblicherweise Sicherheitssäume verwendet, um die das Zielvolumen vergrößert wird.
- Die bildgestützte Strahlentherapie (engl: „Image guided Radiation Therapy“ - IGRT) ermöglicht es, die Unsicherheiten bei der Bestrahlung des Zielvolumens zu reduzieren. Die IGRT erlaubt es, das Zielvolumen, Risikoorgane (engl: „Organs At Risk“ - OAR) sowie gesundes, umliegendes Gewebe vor Beginn einer Bestrahlung zu visualisieren, um so die Möglichkeit prinzipiell zu eröffnen, das Zielvolumen genauer zu bestrahlen und kleinere Sicherheitssäume zu verwenden.
- Um Patientenveränderungen zwischen den Fraktionen besser bestimmen zu können, kann vor jeder Bestrahlung - idealerweise auf dem gleichen Tisch - eine Computertomographie-Aufnahme (auch CT für Computertomographie) angefertigt werden. Damit kann die Position des Tumors nachjustiert werden.
- Um die Patientenbewegung während der Bestrahlung zu beobachten, kann der MV-Therapie-Strahl auch zur Projektionsbildgebung, z.B. zum sogenannten „portal imaging“, genutzt werden. Darüber hinaus gibt es auch Systeme, die zusätzlich zum MV-Therapie-Strahl eine weitere Röntgenquelle und einen zusätzlichen röntgenempfindlichen Detektor haben. Damit kann neben projektiver Überwachung der Patientenbewegung zusätzlich auch eine CT-Bildgebung als Lagerungskontrolle betrieben werden.
- Für die Erstellung von Bestrahlungsplänen für die Strahlentherapie werden Schnittbilder benötigt, die die zu bestrahlende Region dreidimensional darstellen. Dazu werden überwiegend CT-Bilder verwendet.
- Das Dokument
DE 695 29 857 T2 offenbart ein Strahlungstherapiesystem, das ein Strahlungstherapieplanungs-CT-System mit einem Röntgen-CT-Scanner umfasst. - Das Dokument
DE 10 2009 057 066 A1 offenbart ein Strahlentherapiegerät mit einer Bildgebungsvorrichtung. - Das Dokument
DE 10 2009 049 074 B4 offenbart ein Strahlentherapiegerät mit einer therapeutischen Strahlenquelle, mit einer diagnostischen Röntgenquelle und mit einem diagnostischen Röntgendetektor. - Das Dokument
DE 10 2007 046 514 A1 offenbart Verfahren zur Erkennung und Markierung von Kontrastmittel in Blutgefäßen der Lunge mit Hilfe einer CT-Untersuchung unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenenergiespektren und Auswerteeinheit eines CT-Systems. - Das Dokument
US 5 207 223 A offenbart sin Bestrahlungsgerät zur selektiven Bestrahlung eines Patienten. - Das Dokument
DE 10 2005 018 330 A1 offenbart ein System zur Erzeugung von CT-Bilddatensätzen in einem ersten Betriebsmodus, einer automatischen Bestrahlungsplanung und einem zweiten Betriebsmodus für die Bestrahlung eines Tumor-Patienten mit einer Röntgenquelle - Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, das letztlich zu einer genauen und präzisen Strahlapplikation führt.
- Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildgebung im Rahmen einer Strahlentherapie umfasst:
- - Anfertigen eines (oder mehrerer) Kontrastmittel-verstärkter Röntgen-Bilddatensätze vor Beginn der Bestrahlungssitzung zur Positionierung des Patienten, wobei es sich bei dem Kontrastmittel-verstärkten Röntgenbilddatensatz um einen Computertomographie-Datensatz handelt,
- - Vergleichen eines weiteren Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatzes mit dem Computertomographie-Datensatz bei einer Bestrahlungssitzung.
- Es wurde erkannt, dass das zu bestrahlende Gewebe und das umgebende Gebiet, falls nur nativ dargestellt, zwar einen gewissen Kontrast aufweisen, der jedoch niedrig ist, da der Kontrast eines Nativbildes naturgemäß nicht sonderlich hoch ist.
- Für eine zuverlässige und insbesondere automatisierte Auswertung des zu bestrahlenden Gewebes, z.B. zur Tumorerkennung, ist eine gute Abgrenzung von erkranktem und gesundem Gewebe sehr vorteilhaft.
- Zur Durchführung der Röntgenbildgebung wird nun zur Kontrast-Verstärkung ein Kontrastmittel gegeben. Eine Vielzahl von Anwendungen und Arbeitsabläufen ist denkbar. Bei einer Leber z.B. kann ein Bild in der arteriellen Phase, der venösen Phase oder der spätvenösen Phase angefertigt werden. Aber auch die allgemeine, verbesserte Abgrenzung von Organen bleibt nach Kontrastmittelgabe über einige Minuten erhalten.
- Während native Röntgenbildgebung, z.B. eine native CT-Bildgebung, normalerweise nicht in der Lage ist, einen detaillierten Weichteilkontrast aufzulösen, bietet nun die Kombination mit dem Kontrastmittel die Möglichkeit, auch den Tumor selbst im Therapie-Verlauf sichtbar zu machen. Eine Verknüpfung über Knochen und korrelierte Atlanten, mit der ansonsten die Tumorlokalisation durchführt werden müsste, kann dann entfallen.
- Ausführungsformen der Erfindung bieten weiterhin den Vorteil, dass auf sogenannte Seeds oder Fiducials verzichtet werden kann. Seeds/Fiducials, also Marker, werden nämlich oftmals verwendet, um das Tumorvolumen im Nativbild besser zu erkennen, und werden daher für einige Raumforderungen implantiert. Die Seeds/Fiducials sind aus metallischen Verbindungen und können so auch auf einem Nativbild gut erkannt werden. Die Implantierung der Seeds/Fiducials ist ein jedoch invasiver Eingriff, der mit allen typischen Nebenwirkungen (z.B. Infektionen) einhergehen kann.
- In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz ein mit einem Zwei-Quellen-Computertomographen aufgezeichneter Kontrastmittel-verstärkter dreidimensionaler Röntgen-Bilddatensatz, z.B. ein Computertomographie-Datensatz, sein. Die Bestrahlungsplanung wird dann unter Verwendung dieses dreidimensionalen Röntgen-Bilddatensatzes durchgeführt.
- Es ist erkannt worden, dass für die Erstellung von Bestrahlungsplänen Schnittbilder besonders vorteilhaft sind, auf denen das zu bestrahlende Gewebe und das zu schonende, gesunde Gewebe klar voneinander abgegrenzt werden können. Weiterhin sollte die Dichte des Gewebes zur genauen Dosisplanung präzise wiedergegeben werden.
- Die dazu üblicherweise verwendeten CT-Bilder, aus denen die Dichte des Gewebes mit Hilfe sogenannter Hounsfield-Units (HUs) entnommen werden kann, weisen den Nachteil eines geringen Kontrasts auf. Für Organe, die sich in ihrer Dichte nicht selten nur gering von umgebendem Gewebe unterscheiden, ist die Konturierung, d.h. die Abgrenzung des Tumorgebiets, schwierig und stellt den größten Unsicherheitsfaktor bei der Therapieplanung dar.
- CT-Aufnahmen, die mit Kontrastmittel erstellt wurden, bieten zwar einen besseren Kontrast, stellen aber die Dichte des Gewebes nicht mehr korrekt dar und sind ebenfalls weniger gut zur Dosisplanung geeignet. Verfälschte Dichtewerte (HUs) müssten dann z.B. manuell durch Tabellenwerte ersetzt werden.
- Es ist nun möglich, dieses Problem zu lösen, indem eine einzige 3D-Röntgen-Aufnahme mit Kontrastmittel erstellt wird, und zwar unter Verwendung eines Zwei-Quellen-Computertomographen (auch bekannt als Dual-Source-CT oder Dua1-Energy-CT) .
- Aus dem Dual-Energy-Computertomographie-Datensatz können dann zwei verschiedene, weitere Abbildungsdatensätze berechnet werden. Diese beiden Abbildungsdatensätze können dann jeweils unterschiedliche spezifische Objekteigenschaften visualisieren. So kann der erste Abbildungsdatensatz einen höheren Kontrast aufweisen als zweite Abbildungsdatensatz. Der zweite Abbildungsdatensatzes kann ein virtueller Nativ-Computertomographie-Datensatz (sogenanntes „virtual native image“) sein.
- Der virtuelle Nativ-Computertomographie-Datensatz kann dann zur Ermittlung von Schwächungswerten für therapeutische Strahlung während der Bestrahlungsplanung verwendet werden.
- Aus dieser einen Dual-Energy-CT-Aufnahme bzw. Dual-Source-CT-Aufnahme können folglich aufgrund des unterschiedlichen Schwächungsverlaufs der beiden Energieanteile der Dual-Energy-Röntgenstrahlung zwei (oder gar mehr) verschiedene Abbildungsdatensätze berechnet werden. Ein Abbildungsdatensatz stellt den optimalen Kontrast zur Gewebedifferenzierung dar und ein zweiter Abbildungsdatensatz beinhaltet die korrekten Dichtewerte. Die HUs sind damit sozusagen linear dargestellt. Diese verschiedenen Darstellungen basieren auf derselben Aufnahme und sind deshalb perfekt deckungsgleich und mit minimalem Aufwand erstellt.
- Anstelle eines Dual-Source-CT kann auch ein Hybrid-Bildgebungssystem, umfassend einen Ein-Quellen-Computertomographen und ein Bildgebungssystem mit einer eigenen Röntgenstrahlenquelle und einem eigenen flächigen Strahlendetektor, verwendet werden, um den dreidimensionalen Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatz aufzunehmen. Das Bildgebungssystem, z.B. ein kV-Bildgebungssystem, kann z.B. zur Anfertigung von radiographischen Durchleuchtungsaufnahmen, von Fluoroskopien und/oder von Cone-Beam-Computertomographien ausgebildet sein.
- Ebenso ist es denkbar, eine Hybrid-Bildgebungssystem, umfassend zwei derartige Bildgebungssysteme mit jeweils einer eigenen Röntgenstrahlenquelle und einem eigenen flächigen Strahlendetektor, verwendet werden, um den dreidimensionalen Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatz Röntgen-Bilddatensatz aufzunehmen.
- Auch bei derartigen Systemen lassen sich virtuelle Nativ-Aufnahmen aus dem dreidimensionalen Röntgen-Bilddatensatz errechnen.
Im Gegensatz zu Lösungen, die die Erstellung von zwei getrennten Aufnahmen (mit und ohne Kontrastmittel) als Basis haben, ist nun der Patient nicht mehr einer zusätzlichen Strahlendosis ausgesetzt. Die Gefahr, dass die beiden Aufnahmen nicht exakt fusioniert werden können, z.B. durch Bewegung zwischen den beiden Aufnahmezeitpunkten, ist verringert. - Im Gegensatz zu Lösungen, bei denen eine CT-Aufnahme mit den Aufnahmen aus anderen bildgebenden Verfahren (z.B. MRT, Ultraschall, PET) fusioniert werden, um eine bessere Tumorlokalisation zu erreichen, wird die genaue Tumorlokalisation nun mit einer einzigen Dual-Energy-CT-Aufnahme erreicht.
- In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz bei einer Bestrahlungssitzung zur Lokalisation des Zielvolumens aufgezeichnet.
- Die Idee ist nun die verbesserte diagnostische Information, die durch die Gabe des Kontrastmittels möglich wird, in dem Zeitbereich, in dem die Bestrahlung üblicherweise stattfindet (in der Regel wenige Minuten) zu nutzen, um einerseits den Therapiestrahl besser kontrollieren zu können und gegebenenfalls auf Abweichungen zur Planung reagieren zu können.
- Vorteilhaft dafür ist eine Computertomographie-Bildgebung, die deutlich schneller ist als die Gesamtdauer der Radiotherapie. In jedem Fall kann die optimierte Bildgebung zur Qualitätskontrolle über die gesamte Therapie-Sitzung verwendet werden.
- Auch bei Strahlentherapie-Systemen, bei denen die Bildgebung mit Flatpanel-Detektoren durchgeführt wird, führt dies zu einem entscheidenden Vorteil, da Flatpanel-Detektoren üblicherweise eine begrenzte Bildqualität aufweisen.
- Die Bestrahlungssitzung kann insbesondere eine Bestrahlungssitzung einer hypofraktionierten Bestrahlung oder einer Einzel-Fraktions-Bestrahlung sein.
- Eine konventionell fraktionierte Strahlentherapie ist oftmals auf 25 bis 30 Fraktionen mit einer Fraktion pro Tag angesetzt. Hier sollte ein therapeutischer Vorteil durch den Einsatz des Kontrastmittels im Vergleich mit den möglichen Nebenwirkungen des Kontrastmittels (z.B. Nierenversagen) abgewogen werden.
- Es wurde jedoch erkannt, dass dies bei Änderung der Fraktionierung, z.B. bei Hypofraktionierung (bis zu 5 Fraktionen mit deutlich höheren Einzeldosen) oder bei einer sogenannten „single-fraction“-Therapie, zu einem therapeutischen Vorteil führt. Daher ist diese Ausgestaltung des Verfahrens hier besonders vorteilhaft.
- Die Gabe des Kontrastmittels kann derart mit dem Zeitpunkt der Bestrahlungssitzung koordiniert werden, dass das Kontrastmittel seine kontrastverstärkende Eigenschaft für die Dauer der Bestrahlungssitzung entfaltet. Dies kann geschehen, indem das Kontrastmittel unmittelbar vor Beginn der Bestrahlungssitzung verabreicht wird.
- Der Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz kann ein vor Beginn der Bestrahlungssitzung zur Positionierung des Patienten aufgezeichneter Computertomographie-Datensatz sein, der beispielsweise zur Positionierung des Patienten angefertigt wird. In diesem Falle kann im Laufe der Bestrahlung ein weiterer Kontrastmittel-verstärkter Röntgen-Bilddatensatz (z.B. ein zweidimensionales Projektionsbild) aufgezeichnet werden, der mit dem Computertomographie-Datensatz mithilfe einer Rechnereinheit automatisch verglichen wird.
- Die Aufnahmen können sehr schnell noch online während der Bestrahlung ausgewertet werden. Dies kann nun vollautomatisch durch eine Rechnereinheit geschehen. Die Rechnereinheit kann den Tumor selbständig und zuverlässig erfassen und segmentieren, um eine Entscheidung aus dem Vergleich ableiten zu können, die dann wiederum zur Steuerung der Bestrahlung verwendet wird. Die Kontrastmittel-verstärkte Bildgebung erleichtert derartige Verfahren erheblich, da die Lokalisation des Tumors und der Vergleich von Abbildungen nun wesentlich einfacher und genauer implementiert werden können.
- Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
-
1 ein Ablaufdiagramm über ein Bestrahlungsplansverfahren, -
2 ein Ablaufdiagramm über ein Verfahren, das im Rahmen einer Bestrahlungssitzung angewendet wird. -
1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Bestrahlungsplanung. - Zunächst wird dem Patienten ein Kontrastmittel verabreicht (Schritt
11 ). - Anschließend wird ein Dual-Energy-CT-Datensatz mit einem Dual-Energy-CT aufgezeichnet (Schritt
13 ). Aus diesem Datensatz werden zwei weitere Abbildungsdatensätze ermittelt. - Der erste Abbildungsdatensatz (Schritt
15 ) weist einen optimalen Kontrast zur Tumorlokalisation und zur Abgrenzung von Risikoorganen auf. - Der zweite Abbildungsdatensatz (Schritt
17 ) ist ein virtueller Nativ-CT- Abbildungsdatensatz. Dies bedeutet, dass die Dichtewerte den Dichtewerten eines Nativ-CT entsprechen, obwohl dem Patienten bei der Aufzeichnung der Rohbilddaten ein Kontrastmittel verabreicht wurde. - Anschließend wird die Bestrahlungsplanung mithilfe dieser beiden Datensätze durchgeführt (Schritt
19 ). - Der erste Abbildungsdatensatz wird zur Lokalisation und zur Segmentierung der Zielorgane und der zu schonenden Strukturen verwendet. Der zweite Abbildungsdatensatz wird verwendet, um die korrekte Schwächung der therapeutischen Strahlung bei der Bestrahlungsplanung zu berücksichtigen und zu ermitteln. Anschließend erfolgt die Durchführung der Bestrahlungsplanung mit bekannten Verfahren. Der fertige Bestrahlungsplan wird abgespeichert oder einem Strahlentherapiegerät übermittelt.
-
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das während einer Bestrahlungssitzung angewendet wird. - Unmittelbar vor Beginn einer Bestrahlungssitzung, die eine Bestrahlungssitzung einer hypofraktionierten Bestrahlung oder einer Einzel-Fraktions-Bestrahlung sein kann, wird dem Patienten ein Kontrastmittel verabreicht (Schritt
31 ). - Eine erste Computertomographie wird angefertigt, die dann zur Positionierung des Patienten in Bezug auf das Strahlentherapiegerät verwendet wird (Schritt
33 ). Hierbei wird der Tumor derart im Isozentrum positioniert, dass er - wie geplant - bestrahlt werden kann. - Die Bestrahlung wird begonnen (Schritt
35 ). - Im Laufe der Bestrahlung werden weitere zweidimensionale Projektionsbilddaten angefertigt (Schritt
37 ), die mit dem Positionierungs-CT online, d.h. noch während der Bestrahlung, automatisiert durch eine Rechnereinheit verglichen werden (Schritt39 ). - Abhängig von dem Vergleich wird der Verlauf der Bestrahlung gesteuert (Schritt
41 ). So kann die Bestrahlung abgebrochen werden, falls sich eine zu große Abweichung zwischen dem Projektionsbilddaten und dem Positionierungs-CT ergibt. Die Bestrahlung kann aber auch abgeändert werden, um etwaige Änderungen auszugleichen.
Claims (10)
- Verfahren zur Bildgebung im Rahmen einer Strahlentherapie mit folgenden Verfahrensschritten, - Anfertigen eines Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatzes vor Beginn der Bestrahlungssitzung zur Positionierung des Patienten, wobei es sich bei dem Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatz um einen Computer-tomographie-Datensatz handelt, - Anfertigen eines weiteren Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatzes - Vergleichen des weiteren Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatzes mit dem Computertomographie-Datensatz bei einer Bestrahlungssitzung, wobei der weitere Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz während einer Bestrahlung der Bestrahlungssitzung zur Lokalisation eines Zielvolumens aufgezeichnet wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei der Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz ein mit einem Zwei-Quellen-Computertomographen aufgezeichneter dreidimensionaler Kontrastmittel-verstärkter Röntgenbild-Datensatz ist. - Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei der Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz ein mit einem Hybrid-Bildgebungssystem, umfassend einen Ein-Quellen-Computertomographen und ein Bildgebungssystem mit einer eigenen Röntgenstrahlenquelle und einem eigenen flächigen Strahlendetektor, aufgezeichneter dreidimensionaler Kontrast-mittel-verstärkter Röntgen-Bilddatensatz ist. - Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei der weitere Kontrastmittel-verstärkte Röntgen-Bilddatensatz mit einem Hybrid-Bildgebungssystem, umfassend zwei Bildgebungssysteme mit jeweils einer eigenen Röntgenstrahlenquelle und einem eigenen flächigen Strahlendetektor, aufgezeichneter dreidimensionaler Kontrastmittel-verstärkter Röntgenbild-Datensatz ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 2 bis4 , wobei eine Bestrahlungsplanung unter Verwendung des dreidimensionalen Kontrastmittel-verstärkten Röntgenbild-Datensatzes durchgeführt wird. - Verfahren nach
Anspruch 5 , wobei aus dem dreidimensionalen Kontrastmittel-verstärkten Röntgenbild-Datensatz zwei verschiedene, weitere Abbildungsdatensätze berechnet werden. - Verfahren nach
Anspruch 6 , wobei der erste weitere Abbildungsdatensatz einen höheren Kontrast aufweist als der zweite weitere Abbildungsdatensatz und wobei der zweite weitere Abbildungsdatensatz ein virtueller Nativ-Computertomographie-Datensatz ist. - Verfahren nach
Anspruch 7 , wobei der virtuelle Nativ-Computertomographie-Datensatz zur Ermittlung von Schwächungswerten für therapeutische Strahlung während der Bestrahlungsplanung verwendet wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , wobei die Bestrahlungssitzung eine Bestrahlungssitzung einer hypofraktionierten Bestrahlung oder einer Einzel-Fraktions-Bestrahlung ist. - Verfahren nach
Anspruch 9 , wobei die Gabe des Kontrastmittels für den weiteren Kontrastmittel-verstärkten Röntgen-Bilddatensatz derart mit dem Zeitpunkt der Bestrahlungssitzung koordiniert wird, dass das Kontrastmittel seine kontrastverstärkende Eigenschaft für die Dauer der Bestrahlungssitzung entfaltet.
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