DE102011113611B3

DE102011113611B3 - Wasserphantom und Messsystem

Info

Publication number: DE102011113611B3
Application number: DE102011113611A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schüle Edmund
Original assignee: PTW Freiburg Physikalisch Technische Werkstaetten Dr Pychlau GmbH
Current assignee: PTW Freiburg Physikalisch Technische Werkstaetten Dr Pychlau GmbH
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-09-17
Also published as: US9149657B2; US20130068939A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Messsystem (3) zur Verwendung in der Strahlentherapie, beispielsweise zur Vermessung von Strahlenquellen, insbesondere für ein Wasserphantom (1). Das Wasserphantom (1) weist einen Wasserbehälter (2) und ein Messsystem (3), an dem mindestens eine Halterung (6) für einen Strahlungsdetektor angeordnet ist, auf. Die Halterung (6) ist entlang mindestens einer Bewegungsachse (4) innerhalb des Wasserbehälters (2) bewegbar, wobei eine Steuereinheit (9) vorhanden ist, die Befehle zur Steuerung der Bewegungsachse (4) entgegennimmt und ausführt. Damit die Bewegungsvorrichtung (3) nicht aufwändig ausgerichtet werden muss, wird ein virtuelles Koordinatensystem (11) definiert, das an der Wasseroberfläche (8) ausgerichtet ist. Eine Umsetzeinheit (10) überträgt die Steuerbefehle aus dem virtuellen Koordinatensystem (11) in das reale Koordinatensystem (5) der Bewegungsvorrichtung (3), so dass Bewegungen der Halterung (6) immer parallel und/oder senkrecht zur Wasseroberfläche (8) erfolgen.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Messsystem, insbesondere für ein Wasserphantom, mit mindestens einer Bewegungsachse, an der mindestens eine Halterung für einen Strahlungsdetektor angeordnet ist, wobei die Halterung entlang mindestens einer Bewegungsachse bewegbar ist, wobei eine Steuereinheit vorhanden ist, die Befehle zur Steuerung der Bewegungsachse entgegennimmt und ausführt.
Ein solches Messsystem wird beispielsweise bei einem Wasserphantom in der Strahlentherapie im Rahmen der Qualitätssicherung oder Kommissionierung von Bestrahlungsvorrichtungen, wie etwa Beschleunigern, verwendet. Dabei wird das Strahlungsfeld der Bestrahlungsvorrichtung mit Hilfe eines Strahlungsdetektors vermessen, der beispielsweise in einem mit Wasser gefüllten Wasserbehälter (sog. Wasserphantom) bewegt wird.
Das Wasser im Wasserphantom weist eine spezifische Absorptionsrate für Strahlung auf, die etwa dem menschlichen Gewebe entspricht. Damit etwa eine Messung der Flächenverteilung aussagekräftig ist, ist es entscheidend, dass die Absorption an allen Messpunkten der Messebene gleich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Wasserstand über dem Detektor stets konstant bleibt.
Das Koordinatensystem, in dem der Strahlungsdetektor bewegt wird, ist dabei in der Regel durch die mechanischen Bewegungsachsen definiert, entlang derer die Bewegung in ein, zwei oder drei räumlichen Dimensionen stattfindet. Die mechanischen Bewegungsachsen müssen daher präzise zur Wasseroberfläche des Wasserphantoms ausgerichtet sein, damit der Wasserstand an verschiedenen Orten einer Messebene exakt gleich ist.
Der gegenwärtige Stand der Technik ist die manuelle oder elektromotorische Justierung der Bewegungsachsen. In einer Ausführung sind die Bewegungsachsen fest am Wasserbehälter montiert. Es wird nun die gesamte Einheit, bestehend aus Wasserbehälter und Bewegungsachsen, horizontal und damit parallel zur Wasseroberfläche ausgerichtet. In einer anderen Ausführung sind die Bewegungsachsen justierbar am Wasserbehälter befestigt und können unabhängig von diesem waagerecht ausgerichtet werden. Eine Ausrichtung des Wasserbehälters ist dabei nicht erforderlich, solange nur die Parallelität mit der Wasseroberfläche gefordert ist, nicht aber zugleich jene mit den Wänden des Wasserbehälters.
Eine Bewegung entlang der festgelegten Bewegungsachsen erfolgt nach der Ausrichtung immer parallel oder senkrecht zur Wasseroberfläche.
Diese mechanische Ausrichtung der Bewegungsvorrichtung in Bezug auf die Wasseroberfläche erfordert jedoch große Sorgfalt und ist sehr zeitaufwändig. Zudem muss die Bewegungsvorrichtung extra Mittel zum Ausrichten aufweisen, wodurch die Vorrichtung zusätzlich aufwändig und teuer ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Wasserphantom zu schaffen, dessen Aufbau einfacher und bequemer ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Anstelle der mechanischen Justierung der Bewegungsachsen tritt eine Koordinatentransformation in ein virtuelles Koordinatensystem, das zur Wasseroberfläche ausgerichtet ist. Die Bewegung findet dann mit transformierten Koordinaten im realen Koordinatensystem der Bewegungsachsen statt, die nicht ausgerichtet sein müssen.
Zum Ausgleichen von eventuellen Schrägstellungen der Bewegungsachsen, und damit des realen Koordinatensystems, muss zwangsläufig eine rZ-Bewegungsachse vorhanden sein.
Durch die Koordinatentransformation kann eine eindimensionale Bewegung im virtuellen Koordinatensystem unter Umständen eine zweidimensionale oder gar dreidimensionale Bewegung im realen Koordinatensystem erfordern.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Messsystems besteht nun darin, dass eine zeitaufwändige Justierung und Ausrichtung der Bewegungsvorrichtung an der Bezugsebene nicht mehr erforderlich ist.
Darüber hinaus muss die Bewegungsvorrichtung nicht zum Ausrichten ausgelegt sein und ist daher einfacher und kostengünstiger.
Das virtuelle Koordinatensystem ist an der Bezugsebene ausgerichtet. Dabei sind die virtuellen Koordinatenachsen, je nach Anzahl und gewünschter Bewegungsrichtung, jeweils parallel und/oder senkrecht zur Bezugsebene ausgerichtet.
Bewegungen werden dann im virtuellen Koordinatensystem definiert. Die Umsetzeinheit transformiert diese Bewegungen in das reale Koordinatensystem und leitet die neuen Bewegungsbefehle an die Steuereinheit weiter, die wie bekannt die Bewegungsachsen ansteuert.
Da das Messsystem mit den fest verbundenen Bewegungsachsen bei jedem Einsatz eine andere Schrägstellung gegenüber einer Bezugsebene aufweisen kann, muss das virtuelle Koordinatensystem zunächst an der Bezugsebene ausgerichtet werden.
Dies kann auf viele verschiedene Arten geschehen. Die Bestimmung der Lage der Bewegungsachsen in Bezug auf die Bezugsebene kann beispielsweise durch manuellen oder automatischen Abgleich erfolgen.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn eine Messvorrichtung vorhanden ist, die eine automatisierte oder automatische Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems ermöglicht. Somit ist kein manueller Eingriff am System notwendig und der Abgleich erfolgt einfach, zuverlässig und exakt.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Messvorrichtung mindestens einen Sensor zur Bestimmung des Abstands zur Bezugsebene auf. Zur Festlegung des virtuellen Koordinatensystems wird der Abstand zur Bezugsebene an mindestens zwei Messpunkten bestimmt und daraus der Winkel der Schrägstellung ermittelt. Aus dem Schrägstellungs-Winkel können eine Drehmatrix und das virtuelle Koordinatensystem abgeleitet werden.
Alternativ können auch andere Sensoren oder Messkonzepte zur Bestimmung des Schrägstellungswinkels gegenüber der Bezugsebene verwendet werden.
Die Abstandsbestimmung kann beispielsweise durch taktile Sensoren, mittels Ultraschall oder Laser erfolgen.
Zur Bestimmung eines Winkels kann beispielsweise ein Abstandssensor vorhanden sein, der an der Bewegungsvorrichtung angeordnet ist, so dass verschiedene Messpunkte angefahren werden können.
Alternativ kann die Messvorrichtung vorzugsweise mindestens zwei Abstandssensoren aufweisen, die im realen Koordinatensystem in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind.
Als Bezugsebene kann beispielsweise eine Ebene an einer Strahlungsquelle dienen, die senkrecht zur Strahlungsrichtung liegt. Die Bezugsebene kann jedoch auch eine Oberfläche eines festen oder flüssigen Absorbers sein, der im Strahlengang zwischen dem Messsystem und einer Strahlungsquelle angeordnet sein kann.
Insbesondere kann die Bezugsebene die Wasseroberfläche eines Wasserphantoms sein. Dabei können die Abstandssensoren beispielsweise Wassersensoren sein.
Zweckmäßigerweise weist die Bewegungsvorrichtung für jede Bewegungsachse einen Elektromotor als Antrieb auf. Die Elektromotoren können dabei beispielsweise als Schrittmotoren ausgeführt sein.
Zur Ansteuerung der Bewegungsachsen ist eine Steuereinheit vorhanden, die beispielsweise einen Mikrokontroller oder Mikroprozessor aufweist.
Zweckmäßigerweise ist die Umsetzeinheit zusammen mit der Steuereinheit in einem Mikrokontroller realisiert.
Die Erfindung ist nachfolgend am Beispiel eines Wasserphantoms mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 ein Wasserphantom mit einem erfindungsgemäßen Messsystem in Schrägstellung und
2 ein erfindungsgemäßes Wasserphantom mit zwei jeweils an den Enden einer Bewegungsachse angeordneten Abstandssensoren.
Die 1 zeigt ein Wasserphantom 1 mit einem Wasserbehälter 2 und einem daran befestigten Messsystem 3. Das Messsystem 3 weist im Beispiel drei Bewegungsachsen 4 auf, die ein reales Koordinatensystem 5 mit Koordinatenachsen rN (N = X, Y, Z) definieren. Weiterhin befindet sich an der rX-Bewegungsachse 13 des Messsystems 3 eine Halterung 6, an der beispielsweise ein Strahlungsdetektor (nicht dargestellt) befestigbar ist. Der Strahlungsdetektor kann damit innerhalb des Wasserbehälters 2 positioniert werden, um beispielsweise die Flächen- oder Raumverteilung der Strahlungsintensität einer Strahlungsquelle zu vermessen.
Die Bewegungsachsen 4 weisen beispielsweise Elektromotoren auf, mit denen eine Bewegung sehr genau steuerbar ist. Zum Ansteuern der Elektromotoren weist das Phantom 1 eine Steuereinheit 9 auf, die Bewegungsbefehle entgegennimmt und umsetzt. Die Bewegungsbefehle können beispielsweise absolute oder relative Koordinaten oder Strecken auf den Bewegungsachsen 4 beinhalten. Die Steuereinheit 9 ist vorzugsweise in einem Mikrokontroller 7 oder Mikroprozessor realisiert, der die Steuereinheit 9 als Betriebsprogramm beinhaltet.
Im Bild ist der Wasserbehälter 1 um die rY-Koordinatenachse des realen Koordinatensystems 5 geneigt, so dass die reale rX-Koordinatenachse nicht parallel und die rZ-Koordinatenachse nicht senkrecht zur Wasseroberfläche 8 ausgerichtet sind. Die rY-Koordinatenachse steht senkrecht zur Papierebene und ist daher nicht darstellbar.
Bei einer Bewegung der Halterung 6 entlang der rX-Bewegungsachse 13 ändert sich daher zwangsläufig der Abstand der Halterung 6 zur Wasseroberfläche 8, wodurch die Absorptionsrate verändert wird. Dadurch ist eine aussagekräftige Strahlungs-Messung entlang der rX-Bewegungsachse 13 nicht möglich.
Im erfindungsgemäßen Wasserphantom 1 wird daher ein virtuelles Koordinatensystem 11 definiert, dessen virtuelle Koordinatenachsen vN (N = X, Y, Z) an der Wasseroberfläche 8 als Bezugsebene ausgerichtet sind. Das heißt die virtuellen Koordinatenachsen vN sind parallel beziehungsweise senkrecht zur Wasseroberfläche 8 ausgerichtet.
Das Wasserphantom 1 weist eine Umsetzeinheit 10 auf, die Bewegungsbefehle im virtuellen Koordinatensystem 11 in Bewegungsbefehle im realen Koordinatensystem 5 umsetzt und an die Steuereinheit 9 weiterleitet.
Die Umsetzeinheit 10 führt praktisch eine Koordinatentransformation vom virtuellen 11 in das reale Koordinatensystem 5 durch. Zweckmäßigerweise ist die Umsetzeinheit 9 zusammen mit der Steuereinheit im Betriebsprogramm des Mikrokontrollers 7 realisiert.
Dadurch ist es nun möglich, dass alle Bewegungsbefehle im virtuellen Koordinatensystem 11 angegeben werden, so dass Bewegungen stets an der Wasseroberfläche 8 ausgerichtet sind. Die Umsetzeinheit 10 transformiert die Bewegungsbefehle völlig transparent in das reale Koordinatensystem 5, so dass die Bewegungsachsen 4 entsprechend angesteuert werden.
Eine Bewegung entlang einer Bewegungsachse im virtuellen Koordinatensystem 11 kann dabei, je nach Schieflage des Wasserbehälters, durchaus zu einer dreidimensionalen Bewegung der Halterung 5 im realen Koordinatensystem 5 führen.
Um Schrägstellungen des Wasserbehälters 2 auszugleichen benötigt die Bewegungsvorrichtung 3 prinzipiell eine Bewegungsachse 12 in rZ-Richtung.
Damit die Koordinatentransformation möglich ist, muss das virtuelle Koordinatensystem 11 bekannt sein oder zunächst bestimmt werden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise automatisch oder automatisiert.
In 2 ist beispielhaft eine Anordnung gezeigt, mit der eine automatische Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems 11 möglich ist. Dazu sind an den Enden der rX-Bewegungsachse 13 zwei Wasser- oder Abstandssensoren 14 angeordnet. Ein solcher Wassersensor 14 kann beispielsweise einen Schwimmer aufweisen, der unter Wasser einen Schaltkontakt offen hält und außerhalb des Wassers schließt. Es können jedoch auch andere mechanische oder elektrische Wasser- oder Abstandssensoren verwendet werden.
Um den Abstand zur Wasseroberfläche zu messen, wird in diesem Fall die rX-Bewegungsachse 13 in rZ-Richtung beispielsweise vom Boden oder einer festen Position nach oben bewegt, bis beide Sensoren 14 aus dem Wasser aufgetaucht sind.
Aus dem Abstand dx zwischen den Sensoren 14 im realen Koordinatensystem 5 und den gemessenen Abständen d1, d2 der Sensoren 14 zur Wasseroberfläche 8 lässt sich der Drehwinkel α gemäß tanα = d2 – d1 / dx bestimmen.
Alternativ kann auch d2 – d1 = dy direkt bestimmt werden, indem eine Abstandsmessung erst gestartet wird, wenn der erste Sensor 14 aus dem Wasser aufgetaucht ist und beendet wird, wenn der zweite Sensor 14 aufgetaucht ist.
Mit dem Drehwinkel α kann eine Drehmatrix in bekannter Weise erstellt werden, die zur Transformation der Koordinaten aus dem virtuellen 11 in das reale 5 Koordinatensystem dient.
Eine eventuelle Verkippung um die rX-Koordinatenachse kann durch einen weiteren Abstandssensor in rY-Richtung bestimmt werden.
Die Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems erfolgt vorzugsweise durch ein Programm, das im Mikrokontroller 7 abläuft.
Eine automatisierte Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems 11 ist auch ohne fest verbaute Wassersensoren 14 möglich.
Dazu wird beispielsweise auf der Halterung 6 anstelle eines Strahlungsdetektors ein Wassersensor 14 angeordnet.
Dann wird mit dem Sensor an verschiedenen fest vorgegebenen Messpunkten im realen Koordinatensystem 5 jeweils der Abstand zur Wasseroberfläche 8 gemessen.
Je nach Anzahl der Bewegungsachsen reichen dazu zwei oder maximal drei Messpunkte aus. Aus den ermittelten Abständen im realen Koordinatensystem kann nach oben genannter Formel der oder die Drehwinkel bestimmt werden, um den der Wasserbehälter gedreht ist. Daraus kann eine Drehmatrix zur Koordinatentransformation erstellt werden.
Die automatisierte oder automatische Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems 11 erfordert nur wenig Zeit und wenig beziehungsweise keinerlei Eingriff durch den Benutzer und ist daher im Vergleich zur mechanischen Ausrichtung der Bewegungsachsen wesentlich einfacher, schneller und genauer.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung in einem Wasserphantom beschränkt. Anstelle des Wassers kann ohne Änderung des Messprinzips beispielsweise ein Festkörper-Absorber im Strahlengang angeordnet sein. Die Bezugsebene ist dann nicht die Wasseroberfläche sondern eine Oberfläche des Festkörper-Absorbers. Die Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems erfolgt dann analog durch Messung der Abstände zu dieser Oberfläche.
Die Erfindung kann auch ganz ohne Absorber verwendet werden. Dazu kann eine Bezugsebene an der Strahlungsquelle oder frei im Raum angeordnet sein, die senkrecht zur Strahlungsrichtung ausgerichtet ist. Auch hier erfolgt die Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems durch Abstandsmessungen zwischen Bewegungsachsen und Bezugsebene an mehreren Messpunkten. Die Abstandsmessung kann hier beispielsweise durch Ultraschall oder Laser erfolgen.

Claims

Messsystem (3) mit mindestens einer Bewegungsachse (4), an der mindestens eine Halterung (6) für einen Strahlungsdetektor angeordnet ist, wobei die Halterung (6) entlang mindestens einer Bewegungsachse bewegbar ist, wobei eine Steuereinheit (9) vorhanden ist, die Befehle zur Steuerung der Bewegungsachse (4) entgegennimmt und ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass ein reales Koordinatensystem (5) vorhanden ist, dessen reale Koordinatenachsen (rX, rY, rZ) jeweils durch die Bewegungsachsen (4) definiert sind, dass ein virtuelles Koordinatensystem (11) vorhanden ist, dessen virtuelle Koordinatenachsen (vX, vY, vZ) in Bezug zu einer Referenzebene (8) ausgerichtet sind, dass eine Umsetzeinheit (10) vorhanden ist, die Bewegungsbefehle im virtuellen Koordinatensystem (11) in Bewegungsbefehle im realen Koordinatensystem (5) umsetzt und an die Steuereinheit (9) weiterleitet, so dass eine Bewegung der Halterung (6) immer parallel und/oder senkrecht zur Referenzebene (8) erfolgt und dass das Messsystem (3) eine rZ-Bewegungsachse (12) aufweist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung vorhanden ist, die eine automatisierte oder automatische Bestimmung des virtuellen Koordinatensystems (5) ermöglicht.
Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung mindestens einen Sensor (14) zur Bestimmung des Abstands zur Referenzebene (8) aufweist und dass zur Festlegung des virtuellen Koordinatensystems (11) der Abstand zur Referenzebene (8) an mindestens zwei Messpunkten bestimmt wird.
Messsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung mindestens zwei Abstandssensoren (14) aufweist, die in im realen Koordinatensystem (5) definierten Abständen (dx) zueinander angeordnet sind.
Messsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandssensor (14) an einer Halterung an der Bewegungsvorrichtung (3) angeordnet ist mit der verschiedene Messpunkte angefahren werden können.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (3) für jede Bewegungsachse (4) einen Elektromotor als Antrieb aufweist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzeinheit (10) und die Steuereinheit (9) in einem Mikrokontroller (7) realisiert sind.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzebene an einer Strahlungsquelle angeordnet ist.
Wasserphantom (1) mit einem Wasserbehälter (2) und einem Messsystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die rZ-Bewegungsachse (12) senkrecht zum Boden des Wasserbehälters (2) ausgerichtet ist.
Wasserphantom (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzebene die Wasseroberfläche (8) des mit Wasser gefüllten Wasserbehälters (2) ist.