DE102012201835B4

DE102012201835B4 - Vorrichtung zur kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und Strahlungstherapie

Info

Publication number: DE102012201835B4
Application number: DE102012201835.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Lerch
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: DE102012201835A1

Abstract

Vorrichtung zur Durchführung einer kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und zur Strahlungstherapie eines sich durch mechanische Organaktivität teilweise bewegenden Patienten (7) mit gesundem und partiell malignem Gewebe, aufweisend:1.1. ein CT-System (1) zur Erzeugung von CT-Bilddaten zumindest in einem therapeutisch zu bestrahlenden Bereich,1.2. ein Strahlentherapiesystem (10) zur Ausführung einer gezielten therapeutischen Bestrahlung,1.3. eine gemeinsam genutzte Patientenliege (6) zur Positionierung des zu behandelnden Patienten (7) in bekannter Relation zum CT- und Strahlentherapiesystem (1, 10),1.4. ein Monitoring-System (4) zur Bestimmung der Organaktivität des Patienten (7),1.5. mindestens eine Steuer- und Recheneinheit (8) zur Ausführung darin gespeicherter Computerprogramme (Prg1- Prgn) für die Steuerung des CT-Systems (1), des Strahlentherapiesystems (10) und des Monitoring-Systems (4), einschließlich der Rekonstruktion von CT-Bilddaten und der Berechnung von Bestrahlungsparametern für die Ausführung der Strahlentherapie bei minimaler Strahlenbelastung des gesunden Gewebes und maximaler Strahlenbelastung des malignen Gewebes durch Einstrahlung aus einer Vielzahl unterschiedlicher Raumwinkel mit zumindest teilweise unterschiedlicher Dosisleistung, dadurch gekennzeichnet, dass auch Computerprogramme (Prg1- Prgn) gespeichert sind, welche im Betrieb die folgenden Verfahrensschritte ausführen:1.6. Messung des zeitlichen Verlaufs (A(t)) der Bewegungsamplitude (A) eines bewegten Organs vor Beginn einer CT-Abtastung über mehrere Bewegungszyklen,1.7. Bestimmung der Amplitudengrenzen (A1, A2) im gemessenen zeitlichen Verlauf (A(t)) der Bewegungsamplitude (A), die einen vorgegebenen prozentualen Zeitanteil mit möglichst geringer Bewegungsamplitude (A) einschließen, als Amplitudenfenster (A1- A2) eines Ruhebereiches, 1.8. Abtastung des Patienten (7) mit dem CT-System (1) zumindest innerhalb der Amplitudengrenzen (A1, A2) mindestens eines Bewegungszyklus und während der gesamten Dauer des Amplitudenfensters (A1- A2), wobei eine Spiralabtastung ausgeführt wird, deren Parameter Pitch und Rotationszeit derart eingestellt werden, dass an jeder z-Schicht des aufgenommenen Volumens Projektionsdaten aus einem vollständigen Bewegungszyklus vorliegen,1.9. Rekonstruktion von CT-Bilddaten aus allen während des Amplitudenfensters (A1- A2) abgetasteten Absorptionsdaten,1.10. Berechnung der Bestrahlungsplanung anhand der so rekonstruierten CT-Bilddaten,1.11. Ausführung der therapeutischen Bestrahlung ausschließlich innerhalb der vorbestimmten Amplitudengrenzen (A1, A2) und unter Ausnutzung des gesamten Amplitudenfensters (A1- A2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und zur Strahlungstherapie eines sich durch mechanische Organaktivität teilweise bewegenden Patienten mit gesundem und partiell malignem Gewebe, wobei die Vorrichtung ein CT-System zur Erzeugung von CT-Bilddaten zumindest in einem therapeutisch zu bestrahlenden Bereich, ein Strahlentherapiesystem zur Ausführung einer gezielten therapeutischen Bestrahlung, eine gemeinsam genutzte Patientenliege zur Positionierung des zu behandelnden Patienten in bekannter Relation zum CT- und Strahlentherapiesystem, ein Monitoring-System zur Bestimmung der Organaktivität des Patienten, und mindestens einer Steuer- und Recheneinheit zur Ausführung darin gespeicherter Computerprogramme für die Steuerung des CT-Systems, des Strahlentherapiesystems und des Monitoring-Systems, einschließlich der Rekonstruktion von CT-Bilddaten und der Berechnung von Bestrahlungsparametern für die Ausführung der Strahlentherapie bei minimaler Strahlenbelastung des gesunden Gewebes und maximaler Strahlenbelastung des malignen Gewebes durch Einstrahlung aus einer Vielzahl unterschiedlicher Raumwinkel mit zumindest teilweise unterschiedlicher Dosisleistung.
Solche Vorrichtungen zur Durchführung einer kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und zur Strahlungstherapie sind allgemein bekannt. Bei den hiermit durchgeführten Behandlungen von Tumoren im Thorax-/Abdomenbereich unterliegen diese einer periodischen Atembewegung. Dadurch ist ihre Position während der Bestrahlung nicht positionsfest und es wird ein sogenanntes „Intra-Fraction Motion Management“ nötig. Ohne „Gating“-Methoden steht man bei der Strahlentherapieplanung (RTP) vor dem Dilemma, entweder ein zu kleines Areal zu bestrahlen aus dem sich Teile des Tumors periodisch herausbewegen oder das bestrahlte Gebiet auf den gesamten Bewegungsbereich des Tumors auszudehnen, wodurch zu viel gesundes Gewebe in Mitleidenschaft gezogen wird. In der Atemgating-Strahlentherapieplanung (4D-RTP) wird dieses Problem zurzeit dadurch gelöst, dass die Bestrahlung zeitlich unterbrochen wird, also nur zu bestimmten Atemphasen bestrahlt wird.
Dabei bestehen primär zwei Problemkreise:

1) Bei der Wahl der geeigneten Atemphasen beziehungsweise zu nutzenden Zeitfenster, also des Gates innerhalb dessen die Bestrahlung ausgelöst wird, besteht das Problem, dass zwar je kürzer dieses Zeitfenster gewählt wird, desto weniger bewegt sich der Tumor in dieser Zeit, desto genauer kann die Zielregion der Bestrahlung eingegrenzt werden und somit gesundes Gewebe geschont werden. Allerdings erhöht sich damit prozentual auch die Behandlungszeit des Patienten was zu einem Komfortverlust für den Patienten führt und den Patientendurchsatz verringert. Es liegt somit am Strahlenphysiker, die Atemphase zu finden, in der die Atembewegung gekennzeichnet durch die Atemamplitude am schwächsten ausfällt und das Bestrahlungsfenster innerhalb dieser Atemphase vertretbar lang zu wählen.
2) Die der Planung zugrunde gelegten CT-Bilder decken einen wesentlich kleineren Amplitudenbereich der Atmung ab als das Bestrahlungsfenster. Typischerweise werden bei Atemzykluslängen von 6-10/Minute Atmungszeitfenster einer Dauer von einigen Sekunden für die Bestrahlung ausgewählt. Zur Planung des Zielvolumens werden jedoch CT-Bilder herangezogen, für deren Rekonstruktion bislang zwei Varianten genutzt werden. Entweder es werden im Rahmen einer Atemgating-CT-Untersuchung Bilder mit einer scharfen Zeitauflösung von typischerweise 0,5*CT-Rotationszeit, also T<= 0,5s, erstellt. Um die vollständige Tumorbewegung während des Bestrahlungszeitfensters zu ermitteln müssen aufgrund der im Vergleich zur Bestrahlung scharfen CT-Zeitauflösung mehrere Bildersätze aus verschiedenen Atemphasen innerhalb des Bestrahlungszeitfensters miteinander verglichen oder kombiniert werden. Das ist sehr aufwändig und auch in Bezug auf die Genauigkeit der Darstellung der Positionierung des zu bestrahlenden Bereiches im Zeitpunkt der Bestrahlung nicht optimal. Alternativ können auch CT-Bilder erstellt werden, welche über den gesamten Atemzyklus mitteln, so genannte Average-CT-Bilder, was zwar wesentlich einfacher ist, aber die reale Bestrahlungssituation noch ungenauer wiedergibt.

Die WO 2003/003796 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Erfassen und zur Abschätzung regelmäßiger Zyklen physiologischer Aktivität oder Bewegungen. Beschrieben wird die Nutzung des Verfahrens zum Bestimmen von Behandlungsintervallen für die Strahlentherapie.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung einer kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und zur Strahlungstherapie eines sich durch mechanische Organaktivität (Atmung, Herztätigkeit) teilweise bewegenden Patienten mit gesundem und partiell malignem Gewebe zu finden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Der Erfinder hat erkannt, dass sich optimale Zeitfenster - definiert durch eine obere und eine untere Amplitudengrenze - zur Durchführung der therapeutischen Bestrahlung dadurch finden lassen, dass im Vorfeld einer CT-Abtastung ein Bewegungs-Monitoring ausgeführt wird und auf der Basis eines vorgegebenen Prozentsatzes Y („Yield-Faktor“ oder „Dutycycle“) ein Amplitudenbereich aus dem aufgenommenen Amplitudenverlauf automatisch ermittelt wird, welcher genau den zeitlichen Anteil Y des aufgenommenen Amplitudenverlaufes umfasst, welcher den kleinstmöglichen Amplitudenbereich abdeckt. Der Amplitudenbereich wird nach oben durch eine obere Grenzamplitude und auch nach unten durch eine weitere Grenzamplitude beziehungsweise den Amplitudenwert Null begrenzt, so dass sich ein optimales Amplitudenfenster ergibt. Das Ergebnis ist dann ein Amplitudenfenster, das einen vorgegebenen Dutycycle, also den gewünschten Prozentsatz Y der Atemkurve, durch Angabe möglichst eng beieinander liegender Grenzamplituden abdeckt. Somit wird zu gegebenem Y genau das Amplitudenfenster bestimmt, das die kleinste Bewegung des Tumors erwarten lässt und sich damit am besten für eine zielgenaue Bestrahlung eignet.
Weiterhin kann, nachdem nun ein optimales Amplitudenfenster mit minimaler Bewegung für die auszuführende Bestrahlung definiert ist, bevor CT-Aufnahmen erstellt wurden, nun mit dem CT-System eine CT-Abtastung, eine Spiralabtastung mit einem Pitch (z.B. 0,1) und einer Rotationszeit, vorzugsweise langsamer Rotationszeit (z.B. 1s), aufgenommen werden, bei der sichergestellt wird, dass diese Parameter abhängig von der Dauer der ermittelten Amplitudenfenster so gewählt werden, dass an jeder z-Schicht des aufgenommenen Volumens Projektionsdaten aus einem vollständigen Atemzyklus vorliegen.
Entweder vor der CT-Abtastung oder parallel zur Aufnahme der CT-Projektionsdaten kann das Atemprofil, also der Verlauf der zeitlich veränderlichen Atemamplituden aufgenommen werden. Aufgrund des Atemprofils wird die Atemkurve analysiert, und das für die individuelle Atmung dieses Patienten optimale Amplitudenfenster für die Bestrahlung bestimmt, welches gegebenenfalls auch für die Triggerung der Röhrenspannung bei einer später ausgeführten CT-Abtastung verwendet werden kann und dann auch später für die Steuerung der Bestrahlung angewandt wird. Anstatt jetzt im Bereich dieses Amplitudenfensters willkürlich Rekonstruktionen scharfer zeitlicher Auflösung bei verschiedenen Amplitudenwerten durchzuführen, werden stattdessen an jeder z-Position alle innerhalb des Amplitudenfensters liegenden Projektionsdaten für die Rekonstruktion der CT-Darstellung herangezogen. Die dadurch entstehenden CT-Bilder bieten somit den Vorteil, dass sie den Tumor an der gleichen Stelle abbilden, wie er später in dem Amplitudenfenster und damit dem Bestrahlungszeitfenster vorgefunden wird. Also sind diese CT-Bilddaten auch mit einer ähnlichen Amplitudenverteilung gewonnen wie sie später in der Bestrahlung auftreten werden, sofern der Patient sein Atemprofil in etwa beibehält.
Es liegt somit eine mit der Atemamplitudenverteilung gewichtete Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Tumors zum Zeitpunkt seines Aufenthalts innerhalb des Bestrahlungsamplitudenfensters vor. Dies ermöglicht eine genauere Strahlentherapieplanung. Des Weiteren ist für die Strahlentherapieplanung nur genau diese einzige Bilderserie nötig und nicht mehrere bei verschiedenen Amplituden aufgenommenen Bilderserien. Dies bedeutet eine erhebliche Arbeitserleichterung für alle Beteiligten und vereinfacht eine mögliche algorithmische Vorverarbeitung des Bildmaterials, z.B. automatische Tumorsegmentierungssoftware, wesentlich.
Bei der Aufnahme der CT-Bilder können im Rahmen dieser Erfindung noch einige Maßnahmen ergriffen werden um die Dosiseffizienz bei der Bilderstellung zu erhöhen. Vorteilhaft ist es, vor der CT-Abtastung zunächst die Atmung des Patienten für eine Weile zu überwachen. Erleichtert werden kann dies im Rahmen eines Atemcoachings. Dabei kann dann das optimale Amplitudenfenster ermittelt werden und bereits bei der CT-Abtastung Verwendung finden. Nach dieser Atembeobachtungsphase kann das Ergebnis, also der ermittelte Amplitudenbereich, wie folgt genutzt werden:

a) „Pulsing“-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird der CT-Röhrenstrom außerhalb des Amplitudenfensters auf ein Minimum reduziert. Damit wird bei den Projektionsaufnahmen die ohnehin nicht zur Rekonstruktion verwendet werden, ca. 67% der Dosis eingespart.
b) Statische Reduktion des Röhrenstroms. Das zuvor ermittelte Amplitudenfenster ist in der Regel bei respiratorisch bedingter Bewegung deutlich länger als ein Detektorhalbumlauf. Da bei der Rekonstruktion über alle innerhalb des Amplitudenfensters liegenden Projektionsdaten somit mehr als eine Detektorhalbumlaufzeit verwendet und die anfallenden Projektionsdaten aufsummiert werden, kann der Röhrenstrom statisch, also während der gesamten Untersuchung unverändert, proportional zur erwartenden Anzahl der innerhalb des Amplitudenfensters liegenden Detektorhalbumdrehungen reduziert werden. Dieser zu erwartende Proportionalitätsfaktor kann aus der vor der CT-Aufnahme beobachteten Atemkurve des Patienten bestimmt werden. Unter Annahme einer Detektorrotationszeit von 1s und einer Atemzykluslänge von 6s lassen sich bei einem Yield-Faktor von Y=30% etwa 72% der Dosis einsparen. Dieses Verfahren ist mit dem Pulsing-Verfahren kombinierbar.
c) Dynamische Reduktion des Röhrenstroms. Sollte sich in klinischen Tests die Vorhersage der nächsten Atemzykluslänge zum Beispiel durch ein einfaches Trend-Median-Verfahren oder ein ähnliches Verfahren bewähren, könnte der Röhrenstrom auch dynamisch während der CT-Untersuchung auf die kommende Atemzykluslänge und damit die zu erwartende im Bestrahlungs-/Rekonstruktionsamplitudenfensters liegenden Detektorhalbumdrehungen angepasst werden. Die zusätzliche Dosisersparnis zu b) wäre aber relativ gering und abhängig von der Regelmäßigkeit des Atems.

Auf der Basis des oben vorgestellten Verfahrens sind auch die nachfolgenden beschriebenen Ausführungsvarianten Teil der Erfindung:

1) Prinzipiell ist das Verfahren nicht nur für Strahlentherapie- / Bestrahlungssitzungen an kombinierten CT/Linac-Systemen möglich sondern auch im Rahmen einer Standard-RTP an getrennten Geräten. Es ist dann aber darauf zu achten, dass identisch kalibrierte Atemmonitoring-Geräte verwendet werden und die korrekte Positionierung des Patienten in übertragbarer Weise sichergestellt wird.
2) Weiterhin eignet sich dieses Verfahren nicht nur für die eigentliche Strahlentherapieplanungssitzung, die meist lange vor der ersten Bestrahlungssitzung durchgeführt wird, sondern auch für eine genauere Bestimmung der Repositionierung, wie sie meist vor den einzelnen über Wochen verteilten Bestrahlungssitzungen durchgeführt werden.
3) Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf die Repositionierung an Standard-Linacs angewendet werden, bei denen die Repositionierung nicht über kombinierte oder separate CT-Geräte durchgeführt wird. Auch wenn hierfür andere Bildgebungsverfahren am Linac zum Einsatz kommen wie z.B. Cone-Beam-CT, Slow-CT, kV-Imaging, kann dieses Verfahren genutzt werden, indem darauf geachtet wird, dass die aufgenommenen Projektionsdaten genau während und über das gesamte Bestrahlungsamplitudenfenster aufgenommen und gemittelt werden und dieses vollständig abdecken.

Demgemäß schlägt der Erfinder eine Vorrichtung zur Durchführung einer kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und zur Strahlungstherapie eines sich durch mechanische Organaktivität - also durch Atmung und/oder Herztätigkeit - teilweise bewegenden Patienten mit gesundem und partiell malignem Gewebe vor, aufweisend:

- ein CT-System zur Erzeugung von CT-Bilddaten zumindest in einem therapeutisch zu bestrahlenden Bereich,
- ein Strahlentherapiesystem zur Ausführung einer gezielten therapeutischen Bestrahlung,
- einer gemeinsam genutzten Patientenliege zur Positionierung des zu behandelnden Patienten in bekannter Relation zum CT- und Strahlentherapiesystem,
- einem Monitoring-System zur Bestimmung der Organaktivität des Patienten,
- mindestens eine Steuer- und Recheneinheit zur Ausführung darin gespeicherter Computerprogramme für die Steuerung des CT-Systems, des Strahlentherapiesystems und des Monitoring-Systems, einschließlich der Rekonstruktion von CT-Bilddaten und der Berechnung von Bestrahlungsparametern für die Ausführung der Strahlentherapie bei minimaler Strahlenbelastung des gesunden Gewebes und maximaler Strahlenbelastung des malignen Gewebes durch Einstrahlung aus einer Vielzahl unterschiedlicher Raumwinkel mit zumindest teilweise unterschiedlicher Dosisleistung.

Die erfindungsgemäße Verbesserung der Vorrichtung wird dadurch realisiert, dass auch Computerprogramme gespeichert sind, welche im Betrieb die folgenden Verfahrensschritte ausführen:

- Messung des zeitlichen Verlaufs der Bewegungsamplitude eines bewegten Organs vor Beginn einer CT-Abtastung über mehrere Bewegungszyklen,
- Bestimmung der Amplitudengrenzen im gemessenen zeitlichen Verlauf der Bewegungsamplitude, die einen vorgegeben prozentualen Zeitanteil mit möglichst geringer Bewegungsamplitude einschließen, als Amplitudenfenster eines Ruhebereiches,
- Abtastung des Patienten mit dem CT-System zumindest innerhalb der Amplitudengrenzen mindestens eines Bewegungszyklus und während der gesamten Dauer des Amplitudenfensters,
- Rekonstruktion von CT-Bilddaten aus allen während des Amplitudenfensters abgetasteten Absorptionsdaten,
- Berechnung der Bestrahlungsplanung an Hand der so rekonstruierten CT-Bilddaten,
- Ausführung der therapeutischen Bestrahlung ausschließlich innerhalb der vorbestimmten Amplitudengrenzen und unter Ausnutzung des gesamten Amplitudenfensters.

Vorteilhaft kann während der CT-Abtastung über alle Amplitudenfenster die Dosisleistung derart gleich eingestellt werden, dass nicht mehr als die zur Bilderstellung notwendige Dosis innerhalb der Amplitudenfenster abgegeben wird.
Weiterhin vorteilhaft kann bei der CT-Abtastung vor jedem Amplitudenfenster oder zu Beginn jedes Amplitudenfensters aus dem vorgegangenen Amplitudenverlauf eine Dauer des zu erwartenden Amplitudenfensters prognostiziert werden und die Dosisleistung entsprechend der erwarteten Dauer des Amplitudenfensters optimiert werden. Zur Prognostizierung kann beispielsweise ein Trend-Median-Verfahren eingesetzt werden.
Wird eine Prognostizierung der Dauer des zu erwartenden Amplitudenfensters ausgeführt, so ist es besonderst günstig:

- die Bestrahlungsplanung für CT-Bilddaten aus unterschiedlich langen Amplitudenfenstern zu berechnen,
- bei der therapeutischen Bestrahlung ebenfalls die Dauer des jeweils anstehenden Amplitudenfensters zu prognostizieren und
- für jede prognostizierte Dauer eines Amplitudenfensters die jeweils hierzu passenden Bestrahlungsparameter aus der Bestrahlungsplanung einzustellen.

Grundsätzlich können im Rahmen der Erfindung verschiedene Varianten zur Bestimmung der Amplitudengrenzen verwendet werden. In einer ersten Variante wird von Null ausgehend ein möglichst kleiner Amplitudenwert gesucht, wobei unter diesem Amplitudenwert der vorgegebene prozentuale Anteil der betrachteten Bewegungszyklen liegen muss. Diese Methode ist sehr einfach und wenig rechenintensiv, führt aber nicht immer zu einem guten Ergebnis.
In einer ersten Alternative wird zur Bestimmung der Amplitudengrenzen ausgehend von einem minimalen vorkommenden ersten Amplitudenwert oder von einem manuell gewählten unteren Amplitudenwert, der vorzugsweise an der Unterkante eines flachen Bereichs der Atemkurve beziehungsweise der Unterkante eines Maximums im Histogramm gewählt wird, ein kleinster darüber liegender zweiter Amplitudenwert gesucht, wobei der erste und zweite Amplitudenwert den Amplitudenbereich begrenzen und innerhalb dieses Amplitudenbereiches der vorgegebene prozentuale Anteil der betrachteten Bewegungszyklen liegen muss. Diese Methode führt bei den meisten Atemprofilen zu einem guten Ergebnis, stößt jedoch in Ausnahmefällen auch an seine Grenzen.
Schließlich wird auch noch vorgeschlagen, dass zur Bestimmung der Amplitudengrenzen zu jedem beliebigen ersten Amplitudenwert ein kleinster darüber liegender zweiter Amplitudenwert gesucht wird, der einen Amplitudenbereich begrenzt, innerhalb dessen der vorgegebene prozentuale Anteil der betrachteten Bewegungszyklen liegt, und dann der Amplitudenbereich ausgewählt wird, der am engsten ist. Diese Vorgehensweise benötigt zwar den meisten Rechenaufwand, führt allerdings regelmäßig zum optimalen Ergebnis bei der Suche nach dem optimalen Amplitudenbereich.
Es kann eine gegatete CT-Rekonstruktion ausgeführt werden.
Weiterhin kann die Bestimmung des Amplitudenbereiches auf der Basis des Monitorings vor der CT-Abtastung erfolgen, wobei dann auch eine bezüglich des Röhrenstroms getriggerte CT-Abtastung derart ausgeführt werden kann, dass der Röhrenstrom außerhalb des Amplitudenfensters reduziert wird.
Erfindungsgemäß ist die Ausführung der CT-Abtastung in Form einer Spiralabtastung vorgesehen, wobei deren Parameter Pitch und Rotationszeit derart eingestellt werden, dass an jeder z-Schicht des aufgenommenen Volumens Projektionsdaten aus einem vollständigen Bewegungszyklus vorliegen.
Im Rahmen der Erfindung kann als bewegtes Organ die Lunge betrachtet werden, wobei dann als Bewegungsamplituden die Atemamplituden gemessen werden.
Alternativ kann als bewegtes Organ auch das Herz angesehen werden, wobei die Herztätigkeit und damit als Bewegungsamplituden die Herzbewegungsamplituden gemessen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: Sensor; 6: Patientenliege; 7: Patient; 8: Steuer- und Recheneinheit; 9: Strahler; 10: Strahlentherapiesystem; A: Bewegungsamplitude; A₁: untere Amplitudengrenze; A₂: obere Amplitudengrenze; A₁ - A₂: Amplitudenbereich / Amplitudenfenster; A(t): zeitlicher Verlauf der Bewegungsamplitude; B: Bereich; I_R: Röhrenstrom; I_R(t): zeitlicher Verlauf des Röhrenstroms; Prg₁ - Prg_n: Computerprogramme.
Es zeigen im Einzelnen:

1: Schematische Darstellung der automatischen Bestimmung eines Amplitudenbereiches für die Strahlentherapie;
2: Schematische Darstellung der Dosisreduktion einer der Bestrahlungsplanung vorangehenden CT-Untersuchung auf der Basis des automatisch bestimmten Amplitudenbereiches für die Strahlentherapie;
3: Kombiniertes CT- und Strahlentherapiesystem mit erfindungsgemäß programmierter gemeinsamer Steuer- und Recheneinheit.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der automatischen Bestimmung eines Amplitudenbereiches für die Strahlentherapie. Dabei ist oben zunächst ein Zeitdiagramm des zeitlichen Verlaufs A(t) der Bewegungsamplitude A der Lunge beziehungsweise des Brustkorbes eines Patienten über die Zeit t dargestellt. Aus diesem Verlauf A(t), der vorzugsweise unmittelbar vor einer CT-Untersuchung aufgenommen wird, ist darunter in einem Histogramm die Häufigkeit der Messungen (Ordinate) gegenüber den Amplituden (Abszisse) extrahiert worden. Erfindungsgemäß kann in diesem Histogramm nun ein möglichst enger Amplitudenbereich gesucht werden, der einen vorgegebenen zeitlichen Prozentsatz der Bewegungszyklen einschließt. Die gefundenen Amplitudengrenzen sind mit A₁ (untere Amplitudengrenze) und A₂ (obere Amplitudengrenze sowohl im Histogramm als auch im oben dargestellten Amplitudenverlauf eingetragen.
Grundsätzlich wird darauf hingewiesen, dass ein solcher Amplitudenbereich auch aus der Verlaufskurve A(t) direkt ablesbar beziehungsweise automatisch findbar ist, indem zunächst der Boden des Amplitudenverlaufs gesucht und dann darüber liegend eine zweite Amplitudengrenze gesucht wird, die gerade den gesuchten zeitlichen Prozentsatz einschließt. Alternativ kann auch in einer besonders einfachen Variante die untere Amplitude Null gesetzt werden und nur die obere Amplitudengrenze bestimmt werden. Eine solche Vorgehensweise funktioniert nur bei „typischen“ Atemkurven, die im unteren Bereich sehr flach verlaufen, also ein längeres Verharren im ausgeatmeten Zustand aufweisen. Patienten deren Atemprofil im oberen Bereich flacher ist, also mit längerem Verharren im eingeatmeten Zustand, würde man den Bereich von oben her suchen müssen. Im Allgemeinen gibt der Algorithmus immer einen Amplitudenbereich wieder, der den flachsten Bereich der Atmung umschließt. Diese flachen Bereiche liegen bei den meisten Patienten im unteren ausgeatmeten Amplitudenbereich aber eben nicht unbedingt bei allen.
Da nun der für die therapeutische Bestrahlung genutzte Amplitudenbereich bekannt ist, kann zur Dosiseinsparung bei der eingangs durchzuführenden CT-Untersuchung zumindest der Röhrenstrom auf der Basis der Grenzamplituden getriggert werden, so dass nur im vorgegebenen Amplitudenbereich bildgebende Strahlung verwendet wird. Ein solches „Pulsing“ des Röhrenstromes beziehungsweise der Dosisleistung ist durch die schraffierten Bereiche B, die dem Amplitudenverlauf überlagert sind, gezeigt. Unbeachtet bleibt bei dieser Variante noch die tatsächliche Dauer der Amplitudenbereiche, wobei allerdings bereits hierdurch eine Dosiseinsparung von ca. 60% gegenüber einer ungepulsten CT-Abtastung erreicht wird. Wesentlich ist allerdings im Rahmen der Erfindung, dass zur Bilddatenrekonstruktion Detektordaten aus dem gesamten Amplitudenbereich verwendet werden, der danach auch zur therapeutischen Bestrahlung genutzt wird.
Eine verbesserte Variante zur Dosiseinsparung bei der CT-Abtastung kann dadurch erfolgen, dass die zur Bildgebung genutzte Dosis zunächst konstant über die gesamte Abtastung soweit reduziert wird, dass gerade ausreichende Dosis zur Bildgebung appliziert wird. Um die mögliche Absenkung der Dosisleistung abschätzen zu können und dabei keine unverwertbaren Aufnahmen zu erhalten, wird dabei von einer minimalen Dauer des Amplitudenbereiches aus dem vorhergehend gemessenen Amplitudenverlauf ausgegangen. Hierdurch kann eine weitere Dosiseinsparung um ca. 25% - gegenüber 100% Dosis bei durchgehender Beleuchtung während des gesamten Scanvorganges -, also insgesamt 60% + 25% = 85% Dosiseinsparung, erreicht werden.
Zusätzlich können ca. 5% eingespart werden, wenn eine dynamische Absenkung des Röhrenstromes erfolgt. Dies setzt allerdings eine Vorausschau auf die jeweils aktuell zu erwartende Dauer des genutzten Amplitudenbereiches voraus. Beispielsweise kann hierzu ein Trend-Median-Verfahren verwendet werden. In der 2 ist nochmals der Amplitudenverlauf A(t) dargestellt, wobei darüber der Verlauf des Röhrenstroms I_R(t) über die gleiche Zeitachse angezeigt ist. Da nun die zu erwartende Dauer des jeweiligen Amplitudenbereiches, in dem dann auch die therapeutische Bestrahlung stattfinden soll, bekannt ist, kann die tatsächlich verwendete Dosisleistung entsprechend dieser zu erwartenden Dauer des Amplitudenbereiches angepasst werden. Das heißt also, dass bei zu erwartenden langen Amplitudenbereichen einer Ruhephase mit geringerer Dosisleistung Bilddaten abgetastet werden als bei einer kürzeren Dauer. Entsprechend wird also die verwendete Dosisleistung passend auf die zur Bildgebung mit ausreichender Qualität notwendige Dosisleistung angepasst und keine Dosis verschwendet. Insgesamt ergibt sich somit eine Einsparung an Dosis von ca. 60% + 25% + 5% = 90%.
In der 3 ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bestehend aus einem CT-System 1 mit einer auf einer Gantry angebrachten Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegend auf der rotierbaren Gantry angeordneten Detektor 3. Weiterhin umfasst die Vorrichtung auch ein Strahlentherapiesystem 10 mit einem Strahler 9 zur therapeutischen Bestrahlung. Der Patient 7 befindet sich auf einer Patientenliege 6 und wird wahlweise zur CT-Abtastung in das Messfeld des CT-Systems 1 beziehungsweise in das Bestrahlungsfeld des Bestrahlungssystems 10 positioniert. Beide Systeme 1, 10 sind mit einer programmierbaren Steuer- und Recheneinheit 8 verbunden, in der auch die notwendigen Bildrekonstruktionen und die Bestrahlungsplanung auf der Basis der rekonstruierten CT-Bilddaten stattfinden. Zusätzlich ist an der Steuer- und Recheneinheit 8 ein Sensor 4 angeschlossen, durch den auch das Monitoring der Bewegungsamplituden am Patienten 7 durch die Steuer- und Recheneinheit 8 ausgeführt werden kann. Zur Durchführung des gesamten erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Speicher der Steuer- und Recheneinheit 8 Computerprogramme Prg₁-Prg_n gespeichert, die im Betrieb die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen.
Insgesamt wird also mit der Erfindung eine Vorrichtung zur kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und Strahlungstherapie eines sich durch mechanische Organaktivität teilweise bewegenden Patienten mit gesundem und partiell malignem Gewebe vorgestellt, wobei im System Computerprogramme gespeichert sind, welche die folgenden Verfahrensschritte ausführen:

- Messung des zeitlichen Verlaufs der Bewegungsamplitude eines bewegten Organs,
- Bestimmung eines möglichst engen Amplitudenfensters das einen vorgegeben prozentualen Zeitanteil einschließt,
- Abtastung des Patienten innerhalb und während der gesamten Dauer des Amplitudenfensters,
- Rekonstruktion von CT-Bilddaten aus allen während des Amplitudenfensters abgetasteten Absorptionsdaten,
- Berechnung der Bestrahlungsplanung an Hand der so rekonstruierten CT-Bilddaten,
- Ausführung der therapeutischen Bestrahlung ausschließlich innerhalb und unter Ausnutzung des gesamten Amplitudenfensters.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung zur Durchführung einer kombinierten Bestrahlungsplanung mit CT-Bilddaten und zur Strahlungstherapie eines sich durch mechanische Organaktivität teilweise bewegenden Patienten (7) mit gesundem und partiell malignem Gewebe, aufweisend: 1.1. ein CT-System (1) zur Erzeugung von CT-Bilddaten zumindest in einem therapeutisch zu bestrahlenden Bereich, 1.2. ein Strahlentherapiesystem (10) zur Ausführung einer gezielten therapeutischen Bestrahlung, 1.3. eine gemeinsam genutzte Patientenliege (6) zur Positionierung des zu behandelnden Patienten (7) in bekannter Relation zum CT- und Strahlentherapiesystem (1, 10), 1.4. ein Monitoring-System (4) zur Bestimmung der Organaktivität des Patienten (7), 1.5. mindestens eine Steuer- und Recheneinheit (8) zur Ausführung darin gespeicherter Computerprogramme (Prg₁ - Prg_n) für die Steuerung des CT-Systems (1), des Strahlentherapiesystems (10) und des Monitoring-Systems (4), einschließlich der Rekonstruktion von CT-Bilddaten und der Berechnung von Bestrahlungsparametern für die Ausführung der Strahlentherapie bei minimaler Strahlenbelastung des gesunden Gewebes und maximaler Strahlenbelastung des malignen Gewebes durch Einstrahlung aus einer Vielzahl unterschiedlicher Raumwinkel mit zumindest teilweise unterschiedlicher Dosisleistung, dadurch gekennzeichnet, dass auch Computerprogramme (Prg₁ - Prg_n) gespeichert sind, welche im Betrieb die folgenden Verfahrensschritte ausführen: 1.6. Messung des zeitlichen Verlaufs (A(t)) der Bewegungsamplitude (A) eines bewegten Organs vor Beginn einer CT-Abtastung über mehrere Bewegungszyklen, 1.7. Bestimmung der Amplitudengrenzen (A₁, A₂) im gemessenen zeitlichen Verlauf (A(t)) der Bewegungsamplitude (A), die einen vorgegebenen prozentualen Zeitanteil mit möglichst geringer Bewegungsamplitude (A) einschließen, als Amplitudenfenster (A₁ - A₂) eines Ruhebereiches, 1.8. Abtastung des Patienten (7) mit dem CT-System (1) zumindest innerhalb der Amplitudengrenzen (A₁, A₂) mindestens eines Bewegungszyklus und während der gesamten Dauer des Amplitudenfensters (A₁ - A₂), wobei eine Spiralabtastung ausgeführt wird, deren Parameter Pitch und Rotationszeit derart eingestellt werden, dass an jeder z-Schicht des aufgenommenen Volumens Projektionsdaten aus einem vollständigen Bewegungszyklus vorliegen, 1.9. Rekonstruktion von CT-Bilddaten aus allen während des Amplitudenfensters (A₁ - A₂) abgetasteten Absorptionsdaten, 1.10. Berechnung der Bestrahlungsplanung anhand der so rekonstruierten CT-Bilddaten, 1.11. Ausführung der therapeutischen Bestrahlung ausschließlich innerhalb der vorbestimmten Amplitudengrenzen (A₁, A₂) und unter Ausnutzung des gesamten Amplitudenfensters (A₁ - A₂).
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der CT-Abtastung über alle Amplitudenfenster (A₁ - A₂) die Dosisleistung derart gleich eingestellt wird, dass nicht mehr als die zur Bilderstellung notwendige Dosis innerhalb der Amplitudenfenster (A₁ - A₂) abgegeben wird.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der CT-Abtastung vor jedem Amplitudenfenster (A₁ - A₂) oder zu Beginn jedes Amplitudenfensters (A₁ - A₂) aus dem vorgegangenen Amplitudenverlauf (A(t)) eine Dauer des zu erwartenden Amplitudenfensters (A₁ - A₂) prognostiziert wird und die Dosisleistung entsprechend der erwarteten Dauer des Amplitudenfensters (A₁ - A₂) optimiert wird.
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass: 4.1. die Bestrahlungsplanung für CT-Bilddaten aus unterschiedlich langen Amplitudenfenstern (A₁ - A₂) berechnet wird, 4.2. bei der therapeutischen Bestrahlung ebenfalls die Dauer des jeweils anstehenden Amplitudenfensters (A₁ - A₂) prognostiziert wird und 4.3. für jede prognostizierte Dauer eines Amplitudenfensters (A₁ - A₂) die jeweils hierzu passenden Bestrahlungsparameter aus der Bestrahlungsplanung eingestellt werden.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Amplitudengrenzen (A₁, A₂) von Null ausgehend ein möglichst kleiner Amplitudenwert (A₂) gesucht wird, wobei unter diesem Amplitudenwert (A₂) ein vorgegebener prozentualer Anteil der betrachteten Bewegungszyklen liegen muss.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Amplitudengrenzen (A₁, A₂) ausgehend von einem minimalen vorkommenden ersten Amplitudenwert (A₁) ein kleinster darüber liegender zweiter Amplitudenwert (A₂) gesucht wird, wobei der erste und zweite Amplitudenwert (A₁, A₂) den Amplitudenbereich (A₁ - A₂) begrenzen und innerhalb dieses Amplitudenbereiches (A₁ - A₂) ein vorgegebener prozentualer Anteil der betrachteten Bewegungszyklen liegen muss.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Amplitudengrenzen (A₁, A₂) zu jedem beliebigen ersten Amplitudenwert (A₁) ein kleinster darüber liegender zweiter Amplitudenwert (A₂) gesucht wird, der einen Amplitudenbereich (A₁ - A₂) begrenzt, innerhalb dessen ein vorgegebener prozentualer Anteil der betrachteten Bewegungszyklen liegt, und dann der Amplitudenbereich (A₁ - A₂) ausgewählt wird, der am engsten ist.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass eine gegatete CT-Rekonstruktion ausgeführt wird.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Amplitudenbereiches (A₁ - A₂) auf der Basis des Monitorings vor der CT-Abtastung erfolgt.
Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine bezüglich des Röhrenstroms (I_R) getriggerte CT-Abtastung derart ausgeführt wird, dass der Röhrenstrom (I_R) außerhalb des Amplitudenfensters (A₁ - A₂) reduziert wird.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegte Organ die Lunge ist und Atemamplituden gemessen werden.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegte Organ das Herz ist und die Herztätigkeit gemessen wird.