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Die Erfindung betrifft ein Bestrahlungssystem zur Ausführung einer therapeutischen Bestrahlung eines Zielvolumens eines Patienten, aufweisend ein bewegliches und steuerbares Tragsystem, einen Strahler zur gerichteten Abgabe ionisierender Strahlung in einem ersten begrenzten Strahlungsfeld, in dem die Dosisleistung ortsabhängig variiert, ein Blendensystem zur weiteren variablen Begrenzung eines zweiten Strahlungsfeldes als Ausschnitt aus dem ersten Strahlungsfeld durch ein Strahlungsfenster, eine Steuereinheit mit einem Speicher für mindestens ein Computerprogramm, durch welches im Betrieb das Bestrahlungssystem gesteuert wird, wobei das mindestens eine Computerprogramm zur Erstellung oder Empfang eines Bestrahlungsplanes zur Bestrahlung eines sich um den Patienten bewegenden Zielbereiches ausgebildet ist.
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Bestrahlungssysteme zur therapeutischen Bestrahlung, insbesondere von Tumorpatienten, sind allgemein bekannt. Man unterscheidet bei diesen zwischen zwei Arten von Bestrahlungssystemen, nämlich „Flat Beam“-Systeme und „Unflat Beam“-Systeme.
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Unter „Flat Beam“-Systemen werden Bestrahlungssysteme verstanden, deren erstes Strahlungsfeld mit Hilfe geeigneter Mittel, beispielsweise durch vorgeschaltete Ausgleichsfilter unterschiedlicher Dicke, über den gesamten Bereich des ersten Strahlungsfeldes bezüglich der dort örtlich vorliegenden Strahlungsintensität ausgeglichen ist. Damit besitzt gleichzeitig auch das zweite Strahlungsfeld, das immer einen Ausschnitt aus dem ersten Strahlungsfeld darstellt, eine homogene Dosisleistung über das gesamte zweite Strahlungsfeld, unabhängig von seiner Positionierung im ersten Strahlungsfeld. Wird mit einem solchen „Flat Beam“-System ein Tumor eines Patienten bestrahlt, indem ein gemäß Bestrahlungsplanung zu bestrahlender variierender Zielbereich auf dem Patienten bestrahlt wird, um ein Zielvolumen im Patienten mit einer vorgegebenen Strahlungsdosis abzudecken und zusätzlich zur Bewegungskompensation eines sich, z. B. durch Atmung, im Patienten bewegenden Tumors dieser Zielbereich translatorisch relativ zum Strahler nachgeführt wird, so verändert sich die Dosisleistung und die Dosisverteilung im Zielbereich nicht.
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Dem gegenüber gibt es sogenannte „Unflat Beam“-Systeme, bei denen zu Gunsten einer verbesserten Dosisleistung auf den Ausgleichsfilter verzichtet wird, so dass die Dosisleistung im ersten Strahlungsfeld einen Gradienten aufweist, also sich positionsabhängig im ersten Strahlungsfeld ändert. Entsprechend ist auch das zweite Strahlungsfeld, das einen Ausschnitt aus dem ersten Strahlungsfeld darstellt, ebenfalls inhomogen. Aufgrund dieser Inhomogenität, die sich außerdem je nach Positionierung des zweiten Strahlungsfeldes im ersten ändert, würde eine Nachführung des Zielbereiches zur Bewegungskompensation des Tumors stark erschwert, da sich je nach Positionierung des zweiten Strahlungsfeldes im ersten Strahlungsfeld Abweichungen bezüglich der tatsächlich am Tumor applizierten Dosis ergeben. Aus diesem Grunde wurde bisher auf einen Nachführung eines „Unflat Beams“ zur Bewegungskompensation verzichtet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bestrahlungssystem zu finden, welches eine bewegungskompensierende Nachführung eines „Unflat Beams“ erlaubt und dabei mit hoher Sicherheit dafür sorgt, dass genau die tatsächlich geplante Dosis im Tumor beziehungsweise im Zielvolumen appliziert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass eine therapeutische Bestrahlung mit gleichzeitiger Bewegungskompensation auch unter Verwendung eines „Unflat Beams“ möglich ist, wenn die inhomogene Dosisleistungsverteilung des ersten, also originären, durch den Strahler erzeugten Strahlungsfeldes und die Positionierung eines durch ein Blendensystem erzeugten Ausschnittfeldes in diesem ersten Strahlungsfeld bekannt ist, wobei das durch das Ausschnittsfeld durchgelassene zweite Strahlungsfeld letztendlich als therapeutische Strahlung verwendet wird. Da das zweite Strahlungsfeld einen Teilbereich des ersten, bezüglich seiner Dosisleistungsverteilung bekannten, Strahlungsfeldes darstellt, kann während der Bestrahlung die durch das zweite Strahlungsfeld applizierte Dosis wiederum unterteilt in viele Teilbereiche verfolgt und bestimmt werden, so dass auch bei einem in Lage und Kontur sich verändernden zweiten Strahlungsfeld mit inhomogener Dosisleistungsverteilung die abgegebene Ortsdosis bekannt ist. Entsprechend kann bei erreichen einer durch die Bestrahlungsplanung vorgegebenen Gesamtdosis an einem beliebigen Ort des Zielbereiches die weitere Bestrahlung dieses mit ausreichender Dosis bestrahlten Teilgebietes beendet werden und durch Anpassung der variablen Kontur des zweiten Strahlungsfeldes die restlichen Teilbereiche des Zielfeldes so lange bestrahlt werden, bis über das gesamte Zielgebiet genau die gewünschte Dosis appliziert ist.
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Es ist also hierbei zu beachten, dass es nicht mehr – wie es bei einer Bestrahlung mit einem „Flat Beam“ üblich war – ausreicht, lediglich die Bestrahlungszeit bei bekannter, überall gleicher Dosisleistung zu bestimmen, sondern nun die Variation der örtlichen Dosisleistung in Abhängigkeit der Inhomogenität der Dosisleistungsverteilung im ersten originären Strahlungsfeld und der jeweiligen Positionierung des Ausschnitts für das zweite Strahlungsfeld berücksichtigt werden muss. Weiterhin ist es notwendig, tatsächlich verabreichte Ortsdosen im Zielfeld während der Bestrahlung zu ermitteln und die Bestrahlung derart auszuführen, dass Bereiche, in denen eine von der Bestrahlungsplanung vorgegebene Dosis bereits erreicht ist, von der weiteren Bestrahlung auszunehmen. Dies kann durch die entsprechende Variation der Blende, die das zweite Bestrahlungsfeld bestimmt, ausgeführt werden. Gegebenenfalls muss das zweite Bestrahlungsfeld dann so eingeschränkt werden, dass nach Erreichen einer Maximaldosis in einem Teilbereich des Zielfeldes die restliche Dosis in den übrigen Teilbereichen des Zielfeldes durch „Abscannen“ dieser Teilbereiche mit einem wesentlich verkleinerten zweiten Strahlungsfeld appliziert wird.
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Insgesamt kann durch ein zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgestaltetes Bestrahlungssystem eine aus verschiedenen Richtungen, vorzugsweise durch rotatorische Bewegung eines Strahlers, auf ein Zielvolumen ausgeführte therapeutische Bestrahlung unter gleichzeitiger translatorischer Nachführung des therapeutischen Strahls zur Kompensation einer Relativbewegung des Zielvolumens zum Bestrahlungssystem ausgeführt werden.
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Demgemäß schlagen die Erfinder ein Bestrahlungssystem zur Ausführung einer therapeutischen Bestrahlung eines Zielvolumens eines Patienten vor, aufweisend:
- – ein bewegliches und steuerbares Tragsystem,
- – einen Strahler zur gerichteten Abgabe ionisierender Strahlung in einem ersten begrenzten Strahlungsfeld, in dem die Dosisleistung ortsabhängig variiert,
- – ein Blendensystem zur weiteren variablen Begrenzung eines zweiten Strahlungsfeldes als Ausschnitt aus dem ersten Strahlungsfeld durch ein Strahlungsfenster,
- – eine Steuereinheit mit einem Speicher für mindestens ein Computerprogramm, durch welches im Betrieb das Bestrahlungssystem gesteuert wird, wobei das mindestens eine Computerprogramm zur Erstellung oder Empfang eines Bestrahlungsplanes zur geplanten Bestrahlung eines variierenden Zielbereiches auf dem Patienten zur Bestrahlung eines Zielvolumens aus verschiedenen Richtungen ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist das Bestrahlungssystem weiterhin so ausgestaltet, dass zur Ausführung der Bestrahlung des Zielvolumens das zweite Strahlungsfeld während der Bestrahlung zur Kompensation von Bewegungen des Zielvolumens relativ zum Bestrahlungssystem durch eine der geplanten Variation der Zielbereiches überlagerte translatorische Nachführung des Zielbereiches ausgeführt wird.
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Vorzugsweise kann das Bestrahlungssystem so ausgebildet sein, dass der Zielbereich auf dem Patienten durch eine rotatorische Bewegung des Strahlers um den Patienten variiert wird.
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Weiterhin kann das mindestens eine Computerprogramm zur Durchführung der folgenden Verfahrensschritte ausgebildet sein:
- – während der therapeutischen Bestrahlung findet eine Echtzeitberechnung der tatsächlich applizierten Dosisverteilung im Zielbereich für eine Vielzahl von Teilflächen statt,
- – wird eine Übereinstimmung oder Überschreitung einer der berechneten Ortsdosen in mindestens einer Teilfläche des Zielbereichs mit einer durch die Bestrahlungsplanung vorgegebenen Ortsdosis erreicht, so findet die weitere Bestrahlung unter Aussparung dieser mindestens einen Teilfläche des Zielbereiches statt.
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Alternativ kann das mindestens eine Computerprogramm zur Durchführung der folgenden Verfahrensschritte ausgebildet sein:
- – während der therapeutischen Bestrahlung findet eine Echtzeitberechnung der tatsächlich applizierten Dosisverteilung im Zielvolumen für eine Vielzahl von Teilvolumenelementen statt,
- – wird eine Übereinstimmung oder Überschreitung einer der berechneten Ortsdosen in mindestens einem Teilvolumenelement des Zielvolumens mit einer durch die Bestrahlungsplanung vorgegebenen Ortsdosis erreicht, so findet die weitere Bestrahlung unter Aussparung dieses mindestens einen Teilvolumenelementes statt.
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Vorteilhaft kann weiterhin das mindestens eine Computerprogramm dahingehend ausgebildet sein, dass es zur translatorischen Nachführung des Zielbereiches eine Variation von Lage und Kontur des Strahlungsfensters bewirkt. Hierbei können zur Bildung des Strahlungsfenster eine Vielzahl von individuell gesteuert, verschiebbaren Lamellen vorliegen. Allgemein bekannt ist ein solches Blendensystem unter der Bezeichnung MLC (multileaf collimator = Multilamellenkollimator).
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Weiterhin kann das mindestens eine Computerprogramm dahingehend ausgebildet werden, dass zur Nachführung des Zielbereiches die Lamellen bewegt werden oder alternativ zur Nachführung des Zielbereiches das – vom MLC gebildete – Strahlungsfenster translatorisch relativ zum ersten Strahlungsfeld bewegt wird.
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Gemäß einer weiteren Alternative kann auch zur Nachführung des Zielbereiches ein Fokus, an dem die verwendete Strahlung auf einem Target oder einer Anode erzeugt wird, translatorisch relativ zum Strahlungsfenster bewegt werden. Eine solche Bewegung des Fokus hat den Vorteil, dass keinerlei mechanische Elemente bewegt werden müssen, da es ausreicht, einen Elektronenstrahl durch entsprechende Ablenkung zu steuern und damit den Fokus auf einem entsprechend groß ausgelegten Target oder einer entsprechend großen Anode variabel zu positionieren.
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Alternativ kann der Bestrahlungsplan also aus einem oder mehreren statischen Feldern beziehungsweise aus einem oder mehreren dynamisch zu applizierenden Feldern bestehen. Außerdem kann der Bestrahlungsplan aus einer oder mehreren statischen beziehungsweise fix einzustellenden Richtungen ausgeführt werden oder dynamisch um den Patienten rotierend ausgeführt werden. Wobei jeweils die erfindungsgemäße Bewegungsnachführung stattfindet.
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Grundsätzlich kann das oben beschriebene Bestrahlungssystem einerseits im Zusammenhang mit einem Bestrahlungsplan verwendet werden, der eine gleichmäßige Verteilung einer Solldosis im Zielbereich beziehungsweise Zielvolumen aufweist oder andererseits mit einem Bestrahlungsplan, der eine über den Zielbereich beziehungsweise über das Zielvolumen variierende Solldosis aufweist.
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Obwohl die Erfindung grundsätzlich mit verschiedensten Arten von Strahlern zusammenwirken kann, ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn zur Strahlerzeugung ein Elektronenbeschleuniger vorliegt, der eine Elektronenführungsvorrichtung aufweist, die die beschleunigten Elektronen zur Erzeugung von Bremsstrahlung und charakteristischer Strahlung auf ein Zielmaterial lenkt. Meistens werden hierfür Linearbeschleuniger verwendet, die an einem Tragarm beziehungsweise einer Gantry rotatorisch um den zu bestrahlenden Patienten bewegt werden können und im Betrieb einen Elektronenstrahl im MeV-Bereich erzeugen, der zur Erzeugung von Bremsstrahlung auf ein Transmissionstarget gelenkt wird. Aufgrund der relativ hohen Elektronenenergie wird dadurch Bremsstrahlung erzeugt, deren Intensitätsverteilung eine keulenförmig in Strahlrichtung der Elektronen gerichtete Kontur aufweist. Entsprechend dieser Intensitätsverteilung ist auch das erste Strahlungsfeld inhomogen.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Bestrahlungssystem; 2: Antriebsgehäuse; 3: Gantry; 4: Multilamellenkollimator (MLC); 5: Rotationsachse; 6: Steuer- und Recheneinheit; D(x)/t: Dosisleistungsverteilung; e–: Elektronenstrahl; F: Fokus; IV(SF1), IV(SF2): Intensitätsverteilung; L: Linearbeschleuniger; P: Patient; Prg1–Prgn: Computerprogramme; SF1: erstes Strahlungsfeld; SF2: zweites Strahlungsfeld; S1: erstes Strahlenbündel; S2: zweites Strahlenbündel; SF2(x1): zweites Strahlungsfeld am Ort x1; SF2(x2): zweites Strahlungsfeld am Ort x2; T: Target; VS1–VS14: Verfahrensschritte; x: Ortskoordinate; ZV: Zielvolumen.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems mit Steuer- und Recheneinheit in einer Frontansicht in Rotationsachsenrichtung der Gantry;
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2: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems mit Steuer- und Recheneinheit in einer Seitenansicht senkrecht zur Rotationsachse der Gantry;
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3: schematische Darstellung eines Schnittes durch den Strahler mit erstem und zweitem Strahlungsfeld und deren ortsabhängiger Intensitätsverteilung;
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4: beispielhafter Verfahrensablauf einer erfindungsgemäßen therapeutischen Bestrahlung.
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Die 1 und 2 zeigen in zwei Ansichten ein erfindungsgemäßes Bestrahlungssystem 1, bestehend aus einem Antriebsgehäuse 2, einer rotierbaren Gantry 3 in deren Kopf ein nicht näher dargestellter Linearbeschleuniger zur Erzeugung einer Bremsstrahlung angeordnet ist. Unterhalb des ebenfalls hier nicht gezeigten Targets des Linearbeschleunigers befindet sich ein MLC (Multilamellenkollimator) 4, mit dem durch Verschieben der Lamellen aus einem ersten Strahlungsfeld ein zweites variables Strahlungsfeld in der gewünschten Kontur und Lage „herausgeschnitten“ wird. Zur Bestrahlung eines Patienten wird die Gantry um ihre Rotationsachse 5 rotiert, so dass bei der Bestrahlung Bereiche des Patienten, die außerhalb des durch die Bestrahlungsplanung vorgegebenen Zielvolumens liegen, mit wesentlich geringerer Dosis beaufschlagt werden als das Zielvolumen selbst. Es wird also der therapeutische Strahl aus umlaufenden Richtungen auf das Zielvolumen gerichtet, wobei in der Bestrahlungsplanung ein ebenso umlaufender Zielbereich auf dem Patienten und darin die zu applizierende Dosis angegeben wird.
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Da sich während der Bestrahlung aufgrund von Bewegungen des Patienten selbst und/oder durch Organbewegungen, zum Beispiel durch Atmung, das Zielvolumen – meist ein Tumor im Patienten – verschieben kann, wird der Zielbereich entsprechend dieser Bewegung des Zielvolumens durch eine translatorische Verschiebung des Zielbereiches dieser Bewegung nachgeführt. Weiterhin wird zur Verkürzung der Bestrahlungszeit versucht eine möglichst hohe Dosisleistung zu gewährleisten, wofür auf bisher übliche Ausgleichsfilter zur Egalisierung der Dosisleistung im Strahlungsfeld verzichtet wird. Dieser Verzicht bedingt eine starke Variation der Dosisleistung über das gesamte Bestrahlungsfeld.
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Die Steuerung des Bestrahlungssystems 1 erfolgt über eine Steuer- und Recheneinheit 6, in deren Speicher Computerprogramme Prg1–Prgn zur Ausführung gespeichert sind, welche das hier beschriebene erfindungsgemäße Verfahren im Betrieb ausführen.
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In der 3 ist ein Schnitt durch ein Bestrahlungssystem mit einer Teildarstellung eines Linearbeschleunigers L gezeigt, in dem ein stark beschleunigter Elektronenstrahl e– auf ein Target T auftrifft, wo die Elektronen e– am Fokus F aufgrund ihrer dort auftretenden Bremsbeschleunigung Bremsstrahlung abgeben. Dabei entsteht ein erstes Strahlenbündel S1 mit einem, bezüglich der Dosisleistungsverteilung, inhomogenen ersten Strahlungsfeld SF1 oberhalb des MLC. Aus diesem ersten Strahlungsfeld wird mit Hilfe des variabel einstellbaren MLC 4 ein zweites kleineres Strahlenbündel S2 – das einen Teil des ersten Strahlenbündels S1 darstellt – ausgegrenzt und ein zweites Strahlungsfeld SF2 auf den Patienten P projiziert, das den Zielbereich für die Bestrahlung darstellt. Dieses zweite Strahlungsfeld SF2 verändert sich je nach Bestrahlungsrichtung entsprechend der dreidimensionalen Kontur des dadurch zu treffenden Zielvolumens ZV, variiert je nach Strahlungsrichtung, hier durch das um den Patienten P umlaufende Strahlungsbündel S2. Das zweite Strahlungsfeld SF2, und damit der Zielbereich für das zweite Strahlungsbündel, kann nun zur Nachführung bei einer Bewegung des Zielvolumens ZV relativ zum ersten Strahlungsbündel S1 verschoben werden, so dass sich die Dosisleistungsverteilung in Abhängigkeit von der Lage x des zweiten Strahlungsfeldes relativ zum ersten Strahlungsfeld verändert.
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In der gezeigten Darstellung sind daher zum besseren Verständnis das erste Strahlenbündel S1 mit dem darin durch den MLC 4 ausgeschnittenen zweiten Strahlenbündel S2 dargestellt. Im unteren Teil ist die zugehörige Dosisleistungsverteilung D(x)/t des Strahls gegenüber der Ortskoordinate x aufgetragen. Der jeweilige Ausschnitt des zweiten Strahlenbündels S2 bestimmt – je nach dessen Lage (x1 oder x2) – die unterschiedlichen Intensitätsverteilungen IV(SF2(x1)) und IV(SF2(x2)), welche das Strahlungsfeld SF2(x1) beziehungsweise SF2(x2) aufweist.
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In der Praxis kann dann die Fläche des Strahlungsfeldes – wie beispielsweise mit SF2(x1) gezeigt – in Teilflächen unterteilt werden und je Teilfläche die tatsächlich applizierte Dosis in Relation zur Forderung aus der Bestrahlungsplanung – fortlaufend während der Bestrahlung – verglichen werden. Weist eine dieser Teilflächen die gewünschte applizierte Dosis auf, so wird für diese Teilfläche die Bestrahlung beendet und durch entsprechende Anpassung und gegebenenfalls Aufteilung der Kontur die Bestrahlung nur noch auf den restlichen Teilflächen durchgeführt, bis alle Teilflächen die geplante Dosis erhalten haben.
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Ein bevorzugtes Beispiel für einen Ablauf einer Bestrahlung mit dem erfindungsgemäßen Bestrahlungssystem ist in der 4 mit den Schritten VS1 bis VS14 gezeigt, wobei die einzelnen Schritte der folgenden Beschreibung entsprechen:
- VS1: Vorbereitung des Patienten und der Bestrahlung inklusive Patientenlagerung und -positionierung;
- VS2: Vorbereitung des Tracking-System, welches in Echtzeit die Bewegungsdaten überwacht und die Überwachung und Anpassung der Bestrahlung durchführt;
- VS3: Aktivierung der Echtzeitüberwachung des Zielvolumens;
- VS4: Überwachung des Patienten beziehungsweise des Zielvolumens zur Bestimmung der Position des Zielvolumens;
- VS5: Start der Dosisapplikation mit automatischer Anpassung der Lamellenpositionen zur Kompensation der Bewegung und Veränderung des Zielvolumens;
- VS6: Überwachung der applizierten Dosisprofile;
- VS7: Stopp der Dosisapplikation, wenn lokal die vorgeschriebene bzw. geplante Dosis erreicht ist;
- VS8: Berechnung des Unterschiedes zwischen der applizierten und der geplanten Dosis an jeder lokalen Position;
- VS9: Anlegen / Aktualisieren des Dosis-Abweichungs-Protokolls;
- VS10: Bestimmung der noch zu applizierenden Dosisprofile;
- VS11: Optional: Filterung der Dosisverteilung für Bereiche, wo die noch zu applizierende Dosis unter einem definierten Schwellenwert liegt;
- VS12: Fortführung der Bestrahlung der verbliebenen geplanten Dosisprofile;
- VS13: Entscheidung: Ist geplante Dosis noch nicht appliziert, dann fortfahren mit VS4, oder geplante Dosis ist appliziert, dann Abschluss mit VS14;
- VS14: Berechnung der gesamten, applizierten Dosisverteilung und Verifizierung mit der geplanten Dosisverteilung.
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Insgesamt wird mit der Erfindung also ein Bestrahlungssystem zur Ausführung einer therapeutischen Bestrahlung eines Zielvolumens eines Patienten vorgeschlagen, welches softwaregesteuert gerichtet ionisierende Strahlung mit ortsabhängig im Strahlungsfeld inhomogener Dosisleistung auf einen in einer Bestrahlungsplanung zuvor festgelegt variierenden Zielbereich auf dem Patienten zur geplanten Dosisapplikation in einem Zielvolumen des Patienten abstrahlt und dabei derart gesteuert wird, dass bei der Bestrahlung des Zielvolumens aus verschiedenen Richtungen der Zielbereich zur Kompensation von Bewegungen des Zielvolumens relativ zum Bestrahlungssystem durch eine der geplanten Variation der Zielbereiches überlagerte translatorische Nachführung des Zielbereiches ausgeführt wird.
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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.
