DE102013206315A1

DE102013206315A1 - Method and computing device for supporting radiation therapy treatment

Info

Publication number: DE102013206315A1
Application number: DE201310206315
Authority: DE
Inventors: Simon Bauer; Robert Grimm; Berthold Kiefer
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Verfahren zur Unterstützung einer strahlentherapeutischen Behandlung eines in einem durch die Atmung bewegten Bereich eines Körpers eines Patienten liegenden Zielgebiets, umfassend folgende Schritte: – Aufnahme eines ein durch die Atmung bewegtes Aufnahmegebiet, insbesondere das Zielgebiet, zeigenden Magnetresonanzdatensatzes (8) unter Verwendung einer Magnetresonanzsequenz, bei der die Phasenkodierungsrichtung (2) fest entlang einer z-Richtung liegt und das Auslesen radial in unterschiedlichen Ausleserichtungen (5) einer zur z-Richtung senkrechten Ausleseebene (3) erfolgt, über mehrere Atmungszyklen, – Ermittlung eines den Atmungszustand wiedergebenden Atmungsparameters aus im k-Raumzentrum gemessenen Magnetresonanzdaten für jeden Zeitpunkt, in dem das k-Raumzentrum vermessen wurde, – Zuordnung der Magnetresonanzdaten des Magnetresonanzdatensatzes (8) jeweils zu einem durch den zugehörigen Atmungsparameter beschriebenen Atmungszustand, – Ermittlung eines Bewegungsmodells unter Verwendung der verschiedenen Atmungszuständen zugeordneten Magnetresonanzdaten und – Nutzung des Bewegungsmodells zur Ermittlung wenigstens eines Ansteuerungsparameters und/oder Planungsparameters zur Strahlentherapiebehandlung.Method for supporting a radiation therapy treatment of a target area lying in a breathing area of a patient's body, comprising the following steps: - Recording a magnetic resonance data record (8) showing a breathing area moved by breathing, in particular the target area, using a magnetic resonance sequence over which the phase coding direction (2) is fixed along a z-direction and which is read out radially in different read-out directions (5) of a read-out plane (3) perpendicular to the z-direction, over several breathing cycles, - determination of a breathing parameter reflecting the breathing condition from Magnetic resonance data measured for the center of the room for each point in time at which the k-center of the room was measured, assignment of the magnetic resonance data of the magnetic resonance data set (8) to a respiratory state described by the associated breathing parameter, determination of a movement model using The magnetic resonance data associated with the various respiratory conditions and use of the movement model to determine at least one control parameter and / or planning parameter for radiation therapy treatment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterstützung einer strahlentherapeutischen Behandlung eines in einem durch die Atmung bewegten Bereich eines Körpers eines Patienten liegenden Zielgebiets. Daneben betrifft die Erfindung eine Recheneinrichtung zur Unterstützung einer Strahlentherapie. The invention relates to a method for supporting a radiotherapeutic treatment of a target area lying in a region of a patient's body moved by the respiration. In addition, the invention relates to a computing device for supporting a radiotherapy.

Bei der Strahlentherapie wird hochenergetische Strahlung eingesetzt, um malignes Gewebe, insbesondere Tumorgewebe, in einem Zielgebiet des Körpers des Patienten gezielt zu schädigen und idealerweise zu zerstören. Dabei ist allerdings zu beachten, dass Läsionen im Thorax oder im abdominalen Bereich teilweise starker Bewegung durch die Atmung des Patienten unterliegen, so dass mit herkömmlichen Strahlentherapietechniken eine unnötig große Region bestrahlt wird oder die Therapie jeweils für einen bestimmten Zeitraum abhängig vom Atmungszustand unterbrochen wird. Im Einzelnen sind mehrere Lösungsansätze für das Problem der Atem- oder sonstigen natürlichen Bewegung eines Patienten bei der Strahlentherapie bekannt. In radiotherapy, high-energy radiation is used to specifically damage and ideally destroy malignant tissue, in particular tumor tissue, in a target area of the patient's body. It should be noted, however, that lesions in the thorax or abdominal region are sometimes subject to strong movement through the patient's breathing, so that with conventional radiotherapy techniques an unnecessarily large region is irradiated or the therapy is interrupted for a certain period depending on the respiratory state. Specifically, several approaches to the problem of respiratory or other natural motion of a patient in radiotherapy are known.

Eine erste, wenig zu bevorzugende Lösung sieht vor, dass eine größere, das Zielgebiet umfassende Region bestrahlt wird, die während aller Atmungszustände das Zielgebiet umfasst. Dabei kann es jedoch zur Schädigung von umliegendem, gesundem Gewebe kommen. Denkbar ist auch der Ansatz, dass eine kleinere Region innerhalb des Zielgebiets bestrahlt wird, die während aller Atemphasen ausschließlich das Zielgebiet beinhaltet, wobei dass jedoch häufig keine adäquate Bestrahlung über das gesamte Zielgebiet möglich ist. A first, less preferable solution is to irradiate a larger region comprising the target area, which includes the target area during all respiratory conditions. However, this can lead to damage of surrounding, healthy tissue. It is also conceivable to irradiate a smaller region within the target area, which exclusively contains the target area during all respiratory phases, but that frequently no adequate irradiation over the entire target area is possible.

Es wurde ferner vorgeschlagen, eine Bestrahlung nur bei angehaltenem Atem durchzuführen. Dies ist jedoch durch die Atemanhaltezeit und/oder Atemanhaltefähigkeit des Patienten stark begrenzt und führt nicht zu einer adäquaten, geeigneten Behandlungsmethode. It has also been proposed to perform radiation only with breath hold. However, this is severely limited by the patient's breath hold time and / or breath-holding ability and does not result in an adequate, appropriate treatment method.

Mithin wurde zur Verbesserung dieser Vorgehensweisen vorgeschlagen, ein Bewegungsmodell der Atmung zu erzeugen. Hierzu ist es bekannt, eine vierdimensionale Computertomographiemessung durchzuführen, die bei freier Atmung des Patienten erfolgt. Aus Gründen möglichst geringer Strahlenbelastung des Patienten umfasst diese Messung typischerweise nur einen relativ kurzen Zeitraum von wenigen Atemzyklen. Wird hieraus ein Bewegungsmodell abgeleitet, kann es z. B. mit der Bewegung von optischen, auf den Patienten angeordneten Markern oder den Signalen eines Atemgurts korreliert werden, was eine Übertragung der Bewegung auf die Strahlentherapie erlaubt. Während der Therapie wird die Position der Marker und/oder das Atemgurt-Signal überwacht und die Bestrahlung wird nur dann ausgelöst, wenn sich das Zielgebiet im entsprechenden Atemzustand in der bestrahlten Region befindet. Beispielhaft zur Beschreibung eines solchen Verfahrens sei auf den Artikel von J. R. McClelland at el., „A continuous 4D motion model from multiple respiratory cycles for use in lung radiotherapy“, Medical Physics 33 (9), 2006 , verwiesen.Thus, to improve these approaches, it has been proposed to create a model of breathing movement. For this purpose, it is known to perform a four-dimensional computed tomography measurement, which takes place with free breathing of the patient. For reasons of the lowest possible radiation exposure of the patient, this measurement typically only covers a relatively short period of a few breathing cycles. If a movement model derived from this, it may, for. B. be correlated with the movement of optical, arranged on the patient markers or the signals of a breathing belt, which allows a transfer of the movement to the radiotherapy. During therapy, the position of the markers and / or the respiratory gland signal is monitored and the radiation is only triggered when the target area is in the appropriate respiratory state in the irradiated region. For example, to describe such a method, see the article by JR McClelland at el., "A continuous 4D motion model of multiple respiratory cycles for use in lung radiotherapy", Medical Physics 33 (9), 2006 , referenced.

Nachdem vierdimensionale Computertomographiemessungen eine starke Strahlenbelastung des Patienten zur Folge haben, wurde in Betracht gezogen, auf der Basis von Magnetresonanzmessungen zu arbeiten. So ist es zum einen bekannt, eine Atem-Triggerung mit zweidimensionalen Magnetresonanzsequenzen durchzuführen. Dabei wird eine schnelle, zweidimensionale Magnetresonanzmessung durchgeführt, um die Atmung und die daraus folgende Bewegung abwechselnd in mehreren Schichten zu erfassen, wobei analog zum Ansatz unter Verwendung vierdimensionaler Computertomographiedatensätze die Korrelation zu Markern und/oder Atemgurt-Signalen ausgenutzt werden kann, um die Bestrahlung zu steuern. Beispielhaft sei hier auf den Artikel von L. Cerviño et al., „MRI-guided tumor tracking in lung cancer radiotherapy“, Phys. Med. Biol. 2007, 56: 3773–3785 , verwiesen. Möglich ist eine derartige Atem-Triggerung auch mit sequenziell aufgenommenen dreidimensionalen Magnetresonanzvolumen, wobei hochbeschleunigte dreidimensionale Akquisitionssequenzen eingesetzt werden. After four-dimensional computed tomography measurements resulted in a strong radiation exposure of the patient, it was considered to work on the basis of magnetic resonance measurements. For example, it is known to perform breath triggering with two-dimensional magnetic resonance sequences. In this case, a fast, two-dimensional magnetic resonance measurement is carried out in order to record the respiration and the consequent movement alternately in several layers, analogous to the approach using four-dimensional computed tomography data sets, the correlation to markers and / or Atemgurt-signals can be exploited to the irradiation Taxes. As an example, here is the article by L. Cerviño et al., "MRI-guided tumor tracking in lung cancer radiotherapy", Phys. Med. Biol. 2007, 56: 3773-3785 , referenced. Such breath triggering is also possible with sequentially recorded three-dimensional magnetic resonance volumes, wherein highly accelerated three-dimensional acquisition sequences are used.

Ein zweckmäßiges Verfahren zur Schätzung eines Bewegungsmodells aus Magnetresonanzdaten wurde in einem Artikel von C. Buerger et al., „Nonrigid Motion Modeling of the Liver From 3-D Undersampled Self-Gated Golden-Radial Phase Encoded MRI“, IEEE Trans. Medical Imag. 31 (3), 805–815, 2012 , vorgeschlagen, auch in Zusammenhang mit der Strahlentherapie. Die Idee dort ist es, eine spezielle Magnetresonanzsequenz zu verwenden, welche eine besondere Trajektorie, nämlich die GRPE-Trajektorie, einsetzt (Golden-Radial-Phase Encoding Trajecotry). Bei dieser Trajektorie wird ein kartesisches Sampling in der Ausleserichtung mit einem unterabgetasteten radialen Abtastschema in der Phasenkodierungsebene kombiniert, worin der Winkelschritt zwischen zwei konsekutiven radialen Schichtprofilen durch den goldenen Winkel gegeben ist. Durch die konstante Ausleserichtung werden in regelmäßigen zeitlichen Abständen k-Raum-Zeilen senkrecht zur Phasenkodierungsebene durch das k-Raum-Zentrum aufgenommen, welche im genannten Artikel als zentrale k-Raum-Speichen (c-ksp) bezeichnet werden. Die eindimensionale FFT jeder c-ksp korrespondiert zu der Projektion des gesamten erregten Volumens auf die Ausleserichtung, die dort in Kopf-Fuß-Richtung gewählt wurde, so dass eine kontinuierliche Überwachung der zeitlichen Bewegung des Diaphragmas möglich wird, welche als ein Atmungsparameter verschiedene aufeinander folgende Atmungszustände eines Atmungszyklus beschreibt, die dann entsprechenden Intervallen des Atmungsparameters entsprechen. A convenient method of estimating a model of motion from magnetic resonance data has been described in an article by C. Buerger et al., "Nonrigid Motion Modeling of the Liver From 3-D Undersampled Self-Gated Golden-Radial Phase Encoded MRI", IEEE Trans. Medical Imag. 31 (3), 805-815, 2012 , also proposed in the context of radiotherapy. The idea there is to use a special magnetic resonance sequence which uses a special trajectory, namely the GRPE trajectory (Golden-Radial-Phase Encoding Trajecotry). In this trajectory, Cartesian sampling in the readout direction is combined with a sub-sampled radial scan scheme in the phase encoding plane, wherein the angular step between two consecutive radial layer profiles is given by the golden angle. Due to the constant readout direction, k-space lines perpendicular to the phase encoding plane are picked up at regular time intervals by the k-space center, which are referred to as central k-space spokes (c-ksp) in said article. The one-dimensional FFT of each c-ksp corresponds to the projection of the entire excited volume on the readout direction selected there in the head-to-foot direction so as to allow continuous monitoring of the temporal movement of the diaphragm, which are different than one respiratory parameter describes the following respiratory conditions of a respiratory cycle, which then correspond to corresponding intervals of the respiratory parameter.

Der Atmungsparameter erlaubt es folglich, Magnetresonanzdaten entsprechenden Atmungsparameterintervallen und somit Atmungszuständen zuzuordnen, so dass zu jedem Atmungszustand ein Sub-Magnetresonanzdatensatz besteht, der rekonstruiert werden kann. In dem Artikel von C. Buerger et al. wird nun weiter vorgeschlagen, eine nicht-starre, also elastische Registrierung zwischen den aus den Sub-Magnetresonanzdatensätzen rekonstruierten Magnetresonanzbildern durchzuführen, woraus ein Satz von pixelweisen Deformationsfeldern hervorgeht, welche mithin die Deformation über den Atemzyklus beschreiben. So kann ein patientenspezifisches Bewegungsmodell der Atmung, mithin insbesondere ein 4D-Volumen, durch Kombination der Deformationsfelder erzeugt werden. The respiration parameter thus allows magnetic resonance data to be assigned to corresponding respiratory parameter intervals and thus to respiratory states, such that there is a sub-magnetic resonance data set for each respiratory state which can be reconstructed. In the article by C. Buerger et al. It is now further proposed to perform a non-rigid, that is elastic registration between the magnetic resonance images reconstructed from the sub-magnetic resonance data sets, from which a set of pixel-wise deformation fields emerge, which thus describe the deformation over the respiratory cycle. Thus, a patient-specific movement model of respiration, thus in particular a 4D volume, can be generated by combining the deformation fields.

Die Tatsache, dass ein Atmungsparameter aus dem Magnetresonanzdatensatz selbst abgeleitet werden kann, wird häufig auch als „Self-Gating“ oder „Selbstnavigation“ bezeichnet. Mithin wird durch den Artikel von C. Buerger et al. ein self-gating mit kartesischem Readout und radialer Phasenkodierung beschrieben. Das dortige Verfahren ermöglicht zwar eine recht hochqualitative Aufnahme eines dreidimensionalen Volumens mit entsprechend schnellen Messzeiten, jedoch wird weder ein anisotropes Sichtfeld noch eine Anpassung von Aufnahmeparametern erlaubt, was zu noch kürzeren Messzeiten führen könnte. The fact that a respiratory parameter can be derived from the magnetic resonance data set itself is often referred to as "self-gating" or "self-navigation". Thus, by the article of C. Buerger et al. self-gated with cartesian readout and radial phase encoding. Although the method allows a very high-quality recording of a three-dimensional volume with correspondingly fast measurement times, but neither an anisotropic field of view nor an adjustment of recording parameters is allowed, which could lead to even shorter measurement times.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren anzugeben, welches aufgrund schneller Messungen eine hochqualitative Ermittlung eines Bewegungsmodells erlaubt, welches im Rahmen der Planung und/oder Durchführung der Strahlentherapie nutzbringend verwendet werden kann. The invention is therefore based on the object of specifying an improved method on the other hand, which allows a high-quality determination of a movement model due to rapid measurements, which can be used beneficially in the planning and / or implementation of radiotherapy.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst:

– Aufnahme eines ein durch die Atmung bewegtes Aufnahmegebiet, insbesondere das Zielgebiet, zeigenden Magnetresonanzdatensatzes unter Verwendung einer Magnetresonanzsequenz, bei der die Phasenkodierungsrichtung fest entlang einer z-Richtung liegt und das Auslesen radial in unterschiedlichen Ausleserichtungen einer zur z-Richtung senkrechten Ausleseebene erfolgt, über mehrere Atmungszyklen,
– Ermittlung eines den Atmungszustand wiedergebenden Atmungsparameters aus im k-Raumzentrum gemessenen Magnetresonanzdaten für jeden Zeitpunkt, in dem das k-Raumzentrum vermessen wurde,
– Zuordnung der Magnetresonanzdaten des Magnetresonanzdatensatzes jeweils zu einem durch den zugehörigen Atmungsparameter beschriebenen Atmungszustand,
– Ermittlung eines Bewegungsmodells unter Verwendung der verschiedenen Atmungszuständen zugeordneten Magnetresonanzdaten und
– Nutzung des Bewegungsmodells zur Ermittlung wenigstens eines Ansteuerungsparameters und/oder Planungsparameters zur Strahlentherapiebehandlung.

To solve this problem, a method of the type mentioned is provided, which comprises the following steps:

- Recording of a moving through the breathing recording area, in particular the target area, showing magnetic resonance data set using a magnetic resonance sequence in which the phase coding direction is fixed along a z-direction and the reading is carried out radially in different read directions of a perpendicular to the z-direction readout plane, over several breathing cycles,
Determination of a breathing parameter representing the respiratory state from magnetic resonance data measured in the k-space center for each time point in which the k-space center was measured,
Assignment of the magnetic resonance data of the magnetic resonance data set in each case to a respiration state described by the associated respiration parameter,
Determining a movement model using the different magnetic resonance data associated with the different respiratory conditions
Use of the movement model for determining at least one activation parameter and / or planning parameter for radiation therapy treatment.

Die Erfindung schlägt also eine besonders vorteilhafte Modifikation des bei C. Buerger et al. beschriebenen Verfahrens vor, in dem statt einer Magnetresonanzsequenz mit einer kartesischen, festen Ausleserichtung und einer radialen Phasenkodierung in einer Phasenkodierungsebene nun vorgeschlagen wird, eine dreidimensionale, selbstnavigierende Magnetresonanzmessung mit einer kartesischen Phasenkodierung, also einer festen Phasenkodierungsrichtung, und einer radialen Ausleseebene, in der in aufeinanderfolgenden Aufnahmevorgängen unter verschiedenen Richtungen ausgelesen wird, zu verwenden. Auch dabei wird mithin ein sogenanntes „Stack-of-Stars“-Abtastschema eingesetzt, um ein vierdimensionales Modell der Atmung zu erzeugen, das bedeutet, es wird eine selbstnavigierende, dreidimensionale, radiale Magnetresonanzmessung zur Bestimmung eines Bewegungsmodells mit hoher räumlicher Auflösung und dessen Anwendung zur Planung und/oder Überwachung der Strahlentherapie vorgeschlagen. The invention thus proposes a particularly advantageous modification of C. Buerger et al. in which, instead of a magnetic resonance sequence with a Cartesian, fixed read-out direction and a radial phase coding in a phase coding plane, a three-dimensional, self-navigating magnetic resonance measurement with a Cartesian phase coding, ie a fixed phase coding direction, and a radial read-out plane, in successive Recording operations under different directions is to be used. Here, too, a so-called "stack-of-Stars" scanning is used to produce a four-dimensional model of breathing, which means it is a self-navigating, three-dimensional, radial magnetic resonance measurement to determine a motion model with high spatial resolution and its application to Planning and / or monitoring of radiotherapy proposed.

Eine wichtige, dem Verfahren zugrunde liegende Erkenntnis ist, dass zwar nicht für jede Ausleserichtung eine gleiche Zeile durch das k-Raumzentrum vermessen wird und zur Bestimmung eines Atmungsparameters eingesetzt werden kann, wie dies bei dem Artikel von C. Buerger et al. vorgeschlagen wurde, aber es ausreichend ist, das genauso häufig vermessene k-Raumzentrum zu betrachten, das bedeutet, den Werten k_x = k_y = k_z = 0 am nächsten gelegene Messpunkte im k-Raum, da diese die durchschnittliche Intensität im betrachteten Volumen, also dem Aufnahmegebiet, wiedergeben. Es hat sich gezeigt, dass diese Intensität zwar nicht quantitativ, beispielsweise im Sinne einer Verschiebung eines Diaphragmas, die Atmungsbewegung widerspiegelt, dies jedoch qualitativ tut, so dass sich dementsprechend eine Nutzung als Atmungsparameter ebenso realisieren lässt. Insbesondere kann also den Magnetresonanzdaten eines bestimmten, zeitlich zusammenhängenden Aufnahmevorgangs in einer Ausleserichtung der Atmungsparameter, der aus den Rohdaten im k-Raumzentrum, die in diesem Aufnahmevorgang ermittelt wurden, bestimmt wurde, zuordnen. An important finding that is based on the method is that, although not every read-out direction, an identical row is measured through the k-space center and can be used to determine a respiration parameter, as in the article by C. Buerger et al. but it is sufficient to consider the equally measured k-space center, that is, the nearest k-space to the values k _x = k _y = k _z = 0, since these are the average intensity in the considered volume , ie the recording area. Although it has been shown that this intensity does not quantitatively, for example in the sense of displacement of a diaphragm, reflect the respiratory movement, it does so qualitatively, so that use as a respiration parameter can be realized accordingly. In particular, therefore, the magnetic resonance data of a specific temporally related recording process can be assigned in a read-out direction the respiration parameter, which was determined from the raw data in the k-space center, which were determined in this recording process.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise bringt eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber den beschriebenen, im Stand der Technik genannten Verfahren mit sich. Im Gegensatz zu den unter Verwendung der Computertomographie eingesetzten Verfahren wird der Patient keiner zusätzlichen Strahlendosis ausgesetzt. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Magnetresonanzdatensatz über einen Zeitraum von mehreren Minuten, beispielsweise einer Minute bis zehn Minuten, aufgenommen werden kann, und somit repräsentativer für die mittlere Atmungsbewegung ist als eine auf einen deutlich kürzeren Zeitraum beschränkte Computertomographiemessung, da eine Vielzahl von Atmungszyklen erfasst wird. Aufgrund des besseren Weichteilkontrastes lässt sich insbesondere das durch die Strahlung zu behandelnde Zielgewebe im Zielgebiet deutlich besser abbilden als in Computertomographiebildern. The procedure according to the invention brings a multiplicity of advantages over the described methods mentioned in the prior art. In contrast to the methods used using computed tomography, the patient is not exposed to any additional radiation dose. It should be noted at this point that the magnetic resonance data set over a period of several minutes, for example one minute to ten minutes, can be recorded, and thus more representative of the average respiratory motion is limited to a much shorter period computed tomography measurement, since a variety of Breathing cycles is detected. Due to the better soft tissue contrast, in particular the target tissue to be treated by the radiation can be reproduced much better in the target area than in computed tomography images.

Ein Problem der ferner beschriebenen zweidimensionalen Mehrschicht-Magnetresonanz-Bildgebung sind Diskontinuitäten zwischen den aufgenommenen Schichten. Im erfindungsgemäßen Verfahren hingegen umfasst die Messung ein komplettes dreidimensionales Volumen, nämlich das Aufnahmegebiet. Die Vermeidung der Schicht-Inkonsistenzen ist besonders wichtig für die akkurate Abbildung von Markern, die sowohl in der Magnetresonanzbildgebung als auch durch optische Sensoren während der Strahlentherapie verfolgt werden können, so dass eine exaktere Schätzung des Atmungszustands als beispielsweise bei Verwendung eines Atemgurts möglich ist. Es liegt also in einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in den Magnetresonanzdaten und/oder daraus rekonstruierten Magnetresonanzbildern sichtbare Marker zu verwenden, die auch als optische Marker von einem Atmungsnachverfolgungssystem erfasst werden können, so dass eine Korrelation zu einer während der Strahlentherapie hergestellten Messung mit dem Nachverfolgungssystem hergestellt werden kann, was jedoch selbstverständlich auch durch andere Techniken geschehen kann, beispielsweise die Verwendung eines Atemgurts, der auch bereits während der Magnetresonanzmessung betrieben wird. A problem of the further described two-dimensional multilayer magnetic resonance imaging are discontinuities between the recorded layers. In contrast, in the method according to the invention, the measurement comprises a complete three-dimensional volume, namely the recording area. Avoiding the layer inconsistencies is particularly important for the accurate mapping of markers that can be tracked in both magnetic resonance imaging and optical sensors during radiotherapy so that a more accurate estimate of the breathing state than, for example, using a breathing belt is possible. It is thus in an advantageous embodiment of the present invention to use visible markers in the magnetic resonance data and / or magnetic resonance images reconstructed therefrom, which can also be detected as optical markers by a respiration tracking system, so that a correlation with a measurement produced during the radiotherapy with the Tracking system can be made, but this can of course be done by other techniques, such as the use of a breathing belt, which is already operated during the magnetic resonance measurement.

Die ebenso möglichen dreidimensionalen Magnetresonanz-Messtechniken des Standes der Technik erlauben weder eine hohe zeitliche noch eine hohe räumliche Auflösung, da beispielsweise bei einer zeitlichen Auflösung von einer Sekunde nur eine sehr grobe Ortskodierung in drei Dimensionen möglich ist. Die vorgeschlagene kontinuierliche Messung bei freier Atmung erlaubt eine retrospektive Rekonstruktion räumlich und zeitlich hoch aufgelöster Magnetresonanzbilder aufgrund des Atmungsparameters und der entsprechenden Zuordnung. The equally possible three-dimensional magnetic resonance measuring techniques of the prior art do not permit a high temporal resolution or a high spatial resolution, since, for example, with a temporal resolution of one second only a very coarse spatial coding in three dimensions is possible. The proposed continuous measurement during free breathing allows a retrospective reconstruction of spatially and temporally high-resolution magnetic resonance images due to the respiration parameter and the corresponding assignment.

Wie bereits erwähnt wurde, wird durch die in dem Artikel von C. Buerger et al. verwendete radiale Phasenkodierung, also die wechselnde Phasenkodierungsrichtung in der Phasenkodierungsebene, ein isotropes Volumen, also ein isotropes Aufnahmegebiet, abgedeckt. Das bedeutet, die Auflösung in der Phasenkodierebene entspricht der Auflösung in der (dort festen) Ausleserichtung. Durch die im erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagene Verwendung einer radialen Stack-of-Stars-Trajektorie mit kartesischer Phasenkodierung und radialer Ausleseebene kann auch ein deutlich anisotropes Aufnahmegebiet abgedeckt werden, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Dies erlaubt eine effizientere Messung des Bewegungsmodells. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem bekannten Vorgehen von C. Buerger et al. ist, dass die Phasenkodierrichtung im erfindungsgemäßen Verfahren fest bleibt, so dass ein ggf. höherer Aufwand zur Änderung der Phasenkodierrichtung vermieden wird, sowie dass die Ausleserichtung nicht zwangsläufig in Kopf-Fuß-Richtung laufen muss, um die benötigten Projektionen abzuleiten. As has already been mentioned, this is explained in the article of C. Buerger et al. used radial phase encoding, ie the changing phase encoding direction in the phase encoding plane, an isotropic volume, ie an isotropic recording area, covered. This means that the resolution in the phase encoding level corresponds to the resolution in the (fixed) readout direction. The use of a radial stack-of-stars trajectory with Cartesian phase coding and radial read-out plane proposed in the method according to the invention also makes it possible to cover a clearly anisotropic recording area, which will be discussed in more detail below. This allows a more efficient measurement of the movement model. Another advantage over the known procedure of C. Buerger et al. is that the phase coding direction in the process according to the invention remains fixed, so that a possibly higher effort to change the phase encoding is avoided, and that the readout direction does not necessarily have to walk in the head-foot direction in order to derive the required projections.

In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass aufeinanderfolgende Ausleserichtungen um einen eine gleichmäßige Abdeckung des Aufnahmegebiets erlaubenden Winkel gegeneinander gedreht sind, insbesondere einen dem goldenen Schnitt entsprechenden Winkel. Die Idee der Wahl des Winkels in der Ausleseebene, um die aufeinanderfolgende Ausleserichtungen gegeneinander gedreht sind, die ja immer durch k_x = k_y = 0 verlaufen, ist es, eine Art von „Zufallsverteilung“ zu generieren, die auch bei der Erzeugung von Sub-Magnetresonanzdatensätzen, die verschiedenen Atmungszuständen zugeordnet sind, eine relativ gleichmäßige Abdeckung des dreidimensionalen Aufnahmegebiets erlauben. Dies lässt sich am besten durch einen goldenen Winkel als Winkelschritt erlauben, das bedeutet, der Winkelschritt zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmerichtungen kann durch den goldenen Schnitt γ ≈ 1, 618 gegeben sein, was in einem Winkel von 180°/γ ≈ 111,25° resultiert. Es existieren jedoch vier Möglichkeiten zur Wahl eines goldenen Winkels: Unterteilt man einen Vollkreis mit Geradenabschnitten, kann dies mit dem großen goldenen Winkel (etwa 222,5°) oder dem kleinen goldenen Winkel (etwa 137,5°) erfolgen. Für den Halbkreis gilt entsprechend die Möglichkeit des oben bereits dargelegten (halben) großen goldenen Winkels von etwa 111,25° oder des (halben) kleinen goldenen Winkels (etwa 68,75°). Selbstverständlich wird für alle Fälle der k-Raum insgesamt durchgemessen, nicht nur der Vollkreis/Halbkreis, wobei aber auch ein asymmetrisches Echo prinzipiell denkbar ist, bei dem beispielsweise nur 60% des Durchmessers in einem Auslesevorgang gemessen wird. Eine solche Winkelwahl erlaubt letztlich eine isotrope Auflösung in der Ausleseebene und gibt somit die Möglichkeit zu retrospektiven Rekonstruktionen mit unterschiedlichen temporalen Auslösungen und bei jedem beliebigen Atemzustand, indem die „goldenen Profile“, die an den dem Atmungszustand entsprechenden Zeitpunkten aufgenommen wurden, kombiniert werden. Es ergibt sich eine quasi-gleichförmige k-Raumverteilung in der Ausleseebene, so dass eine hohe Qualität über alle Atmungszustände des Atmungszyklus im Bewegungsmodell sichergestellt wird. In a particularly expedient embodiment of the present invention can be provided that successive read-out directions are rotated by a uniform coverage of the receiving area allowing angle against each other, in particular an angle corresponding to the golden section. The idea of choosing the angle in the read-out plane around which the successive read-out directions are rotated against each other, which always run through k _x = k _y = 0, is to generate a kind of "random distribution" that is also used in the generation of sub Magnetic resonance data sets, which are assigned to different breathing conditions, allow a relatively uniform coverage of the three-dimensional recording area. This can best be achieved by using a golden angle as an angular step, that is, the angular step between successive picking directions can be given by the golden intersection γ≈1, 618, resulting in an angle of 180 ° / γ≈115.25 °. However, there are four ways to choose a golden angle: Dividing a full circle with straight sections, this can be done with the large golden angle (about 222.5 °) or the small golden angle (about 137.5 °). For the semicircle, the possibility of the above (half) large golden angle of about 111.25 ° or of the (half) small golden angle (about 68.75 °) applies accordingly. Of course, for all cases, the k-space as a whole is measured, not only the full circle / semicircle, but also an asymmetric echo is in principle conceivable in which, for example, only 60% of the diameter is measured in a read-out. Such an angle choice ultimately allows an isotropic resolution in the readout plane and thus gives the possibility for retrospective reconstructions with different temporal ones Triggers and any respiratory state by combining the "golden profiles" taken at times corresponding to the respiratory state. This results in a quasi-uniform k-space distribution in the readout plane, so that a high quality over all respiratory states of the respiratory cycle is ensured in the motion model.

Die Magnetresonanzsequenz kann vorzugsweise eine insbesondere T1-gewichtete, insbesondere eine Fettunterdrückung umfassende Gradientenechosequenz sein. Auf diese Weise werden ideal auswertbare Magnetresonanzbilder für das Bewegungsmodell erhalten, nachdem zusammenfassend eine T1-gewichtete, dreidimensionale, radiale Stack-of-Stars-Gradientenechosequenz mit Fettunterdrückung gewählt wird. The magnetic resonance sequence may preferably be a gradient echo sequence, in particular T1-weighted, in particular a fat suppression. In this way, ideally evaluable magnetic resonance images for the motion model are obtained after summarily selecting a T1-weighted, three-dimensional, radial Fat-Loss Stack-of-Stars gradient echo sequence.

Eine konkrete Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Atmungsparameter durch eine Mittelung einer vorbestimmten Anzahl von dem k-Raumzentrum am nächsten gelegenen Magnetresonanzdaten einer durch das k-Raumzentrum verlaufenden Zeile in der Ausleseebene ermittelt wird, wobei die Anzahl insbesondere drei beträgt. Der Aufnahmeparameter als „Self-Gating“-Signal kann mithin als der mittlere Absolutwert der zentralen drei k-Raumabtastungen in einem Auslesevorgang bestimmt werden. Auf diese Art und Weise kann der Aufnahmeparameter robuster bestimmt werden, ohne dass zu weit außen liegende (und damit für unterschiedliche Ausleserichtungen deutlich unterschiedliche) Magnetresonanzdaten mit einfließen. A specific embodiment of the present invention provides that the respiration parameter is determined by averaging a predetermined number of the magnetic resonance data closest to the k-space center of a row in the read-out plane passing through the k-space center, the number being in particular three. The acquisition parameter as a "self-gating" signal can thus be determined as the mean absolute value of the central three k-space samples in a read-out process. In this way, the acquisition parameter can be determined more robustly, without that too far outward (and thus significantly different for different read directions) magnetic resonance data are included.

Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, dass nur das dem k-Raumzentrum am nächsten gelegene Magnetresonanzdatum den Ausleseparameter bildet, so dass allein die im k-Raumzentrum gemessene durchschnittliche Intensität im betrachteten Volumen, wie oben bereits dargelegt, berücksichtigt wird. Alternatively, it is of course also possible that only the magnetic resonance data closest to the k-space center forms the read-out parameter, so that only the average intensity measured in the k-space center in the considered volume, as already explained above, is taken into account.

Vorzugsweise werden Subdatensätze für unterschiedliche Intervalle des Atmungsparameters ermittelt. Der Atmungsparameter beschreibt also durch unterschiedliche Werte verschiedene Atmungszustände innerhalb eines Atmungszyklus, welche Atmungszustände durch entsprechende Atmungsparameterintervalle beschrieben werden. Sollen nun alle Magnetresonanzdaten eines Atmungszustands gesammelt werden, werden alle in das zugehörige Atmungsparameterintervall fallenden Magnetresonanzdaten zu einem Subdatensatz zusammengefasst, wobei, wie oben dargelegt wurde, immer einem Aufnahmevorgang in einer Ausleserichtung der aus der darin vorgenommenen Abtastung des k-Raumzentrums ermittelte Atmungsparameter zugeordnet wird. In der Folge kann vorgesehen sein, dass aus den Subdatensätzen Magnetresonanzbilder rekonstruiert werden, aus denen ein Referenzbild ausgewählt wird, woraufhin durch eine elastische Registrierung aller Magnetresonanzbilder auf das Referenzbild eine Deformation für jedes Intervall des Atmungsparameters ermittelt wird, welche als Grundlage für das Bewegungsmodell verwendet wird. Liegen mithin dreidimensionale Magnetresonanzbilder für alle Atmungszustände vor, kann ein Referenzbild, beispielsweise zu Ende der Exspiration, bestimmt werden, auf das die anderen Magnetresonanzbilder elastisch registriert werden, so dass Deformationsinformationen, insbesondere Deformationsfelder, resultieren, die es ermögliche, ausgehend von dem Referenzbild die Lage eines Pixels zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Atmungszyklus zu ermitteln. Die Vorgehensweise ist vergleichbar mit dem durch den zitierten Artikel von C. Buerger diesbezüglich Offenbarten, welches hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der Anmeldung aufgenommen wird. Preferably, sub-data sets are determined for different intervals of the respiration parameter. The respiratory parameter thus describes different respiratory states within a respiratory cycle by different values, which respiratory states are described by corresponding respiratory parameter intervals. If all magnetic resonance data of a respiratory state are now to be collected, all magnetic resonance data falling within the associated respiration parameter interval are combined into a sub-data set, whereby, as stated above, the respiration parameter determined from the scan of the k-space center determined therein is always assigned to a recording procedure in a read-out direction. As a result, it can be provided that magnetic resonance images are reconstructed from the sub-data sets, from which a reference image is selected, whereupon a deformation for each interval of the respiration parameter is determined by elastic registration of all magnetic resonance images on the reference image, which is used as a basis for the motion model , If there are therefore three-dimensional magnetic resonance images for all respiratory states, a reference image, for example at the end of the expiration, can be determined, to which the other magnetic resonance images are elastically registered, so that deformation information, in particular deformation fields, results, which makes it possible, starting from the reference image, the position of a pixel at any time within the respiratory cycle. The procedure is similar to that disclosed by the cited article by C. Buerger in this regard, which is hereby incorporated by reference into the disclosure of the application.

Wie bereits erwähnt, ist es ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass eine Anpassung von Aufnahmeparametern für unterschiedliche Raumrichtungen, insbesondere Ausleserichtungen, erfolgen kann, insbesondere also Hintergrundwissen in die Parametrierung der Magnetresonanzfrequenz einfließen kann. So kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein die Auflösung und/oder das Aufnahmegebiet definierender Aufnahmeparameter für wenigstens zwei unterschiedliche Raumrichtungen, insbesondere Ausleserichtungen, unterschiedlich gewählt wird, wobei auch eine Anpassung von Aufnahmeparametern in der Phasenkodierungsrichtung für unterschiedliche Aufnahmerichtungen denkbar ist. In einer konkreten Ausgestaltung kann dabei als Beispiel bei einer eine koronale oder sagittale Schicht definierenden Ausleserichtung eine geringere Auflösung gewählt wird, da die Effekte der Atmung in einer derartigen Richtung meist weniger deutlich erkennbar sind. Auf diese Weise ergibt sich bei einer koronalen Schichtorientierung mit vergleichsweise wenigen kodierten Schichten eine kürzere Messzeit. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einer eine koronale oder sagittale Schicht definierenden Ausleserichtung ein in der Phasenkodierungsrichtung reduzierter Bereich aufgenommen wird. Das bedeutet, dass das Aufnahmegebiet bei koronaler oder sagittaler Schichtorientierung eng auf das Zielgebiet bzw. die sonstige beobachtete Region, insbesondere beispielsweise einen Tumor und dessen Nachbarschaft, eingegrenzt werden kann, während bei isotroper Auflösung die Messung des kompletten Volumens notwendig wäre. Es ist also eine volumenselektive Anregung denkbar, die lediglich den relevanten Bereich in der Richtung, in der die Atmungsbewegung hauptsächlich stattfindet, erfasst. As already mentioned, it is a particular advantage of the method according to the invention that adaptation of acquisition parameters for different spatial directions, in particular read-out directions, can take place, in particular so that background knowledge can be incorporated into the parameterization of the magnetic resonance frequency. Thus, it may be provided that at least one recording parameter defining the resolution and / or the recording area is selected differently for at least two different spatial directions, in particular read-out directions, wherein an adaptation of recording parameters in the phase coding direction for different recording directions is also conceivable. In a specific embodiment, a lower resolution can be selected as an example in the case of a readout direction defining a coronal or sagittal layer, since the effects of breathing in such a direction are usually less clearly recognizable. In this way results in a coronal layer orientation with comparatively few coded layers a shorter measurement time. Furthermore, it can be provided that, in the case of a readout direction defining a coronal or sagittal slice, a region reduced in the phase coding direction is recorded. This means that in the case of coronal or sagittal slice orientation, the recording area can be confined narrowly to the target area or the other observed region, in particular, for example, a tumor and its neighborhood, whereas measurement of the complete volume would be necessary in the case of isotropic resolution. Thus, a volume-selective excitation is conceivable which only detects the relevant region in the direction in which the respiratory motion mainly takes place.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Bewegungsmodell zur Animation eines dreidimensionalen Computertomographiedatensatzes des Zielgebiets verwendet wird. Neben der unmittelbaren Verwendung der vierdimensionalen Magnetresonanzbilder kann das Bewegungsmodell auch eingesetzt werden, um beispielsweise eine ohnehin vorliegende dreidimensionale Computertomographie-Rekonstruktion in die vierte Dimension zu erweitern. Hierzu kann beispielsweise die ermittelte Deformationsinformation für verschiedene Atemzustände auf den dreidimensionalen Computertomographiedatensatz übertragen werden. An derartige Computertomographiedatensätze sind bei der Strahlentherapie zuständige Ärzte bzw. sonstiges Personal besser gewöhnt, zudem bieten diese häufig auch eine gute räumliche Auflösung, so dass sie für die Planung und/oder Unterstützung der eigentlichen Strahlentherapie nützliche Parameter liefern können. An expedient development of the present invention provides that the Movement model is used for animation of a three-dimensional computed tomography data set of the target area. In addition to the direct use of the four-dimensional magnetic resonance images, the movement model can also be used to expand, for example, an already present three-dimensional computed tomography reconstruction into the fourth dimension. For this purpose, for example, the determined deformation information for different breathing states can be transmitted to the three-dimensional computed tomography data set. Such computed tomography data sets are more accustomed to doctors or other personnel responsible for radiotherapy, and in addition often provide good spatial resolution, so that they can provide useful parameters for the planning and / or support of the actual radiotherapy.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Ansteuerungsparameter eine Unterbrechung des Bestrahlungsbetriebs und/oder eine Nachführung von Kollimatoren betrifft. Möglich ist es also beispielsweise, das gewonnene Bewegungsmodell zu verwenden, um die Bestrahlung zu unterbrechen, sobald das Zielgebiet sich durch die Atmung außerhalb der bestrahlten Region befindet, wobei es auch denkbar ist, anhand des Bewegungsmodells und eines, wie oben bereits dargelegt, die aktuelle Atmung beschreibenden gemessenen weiteren Atmungsparameters, der dem aus den Magnetresonanzdaten ermittelten Atmungsparameter entspricht bzw. diesem eindeutig zugeordnet ist, Kollimatoren, die die bestrahlte Region definieren, dem Zielgebiet nachzuführen. Während der Strahlentherapiebehandlung können also ebenso die Atmung beschreibende weitere Atmungsparameter ermittelt werden, für die der Zusammenhang mit dem Atmungsparameter des Bewegungsmodells bekannt ist, so dass praktisch in Echtzeit aufgrund des Bewegungsmodells die Ansteuerungsparameter ermittelt werden. It may further be provided that the drive parameter relates to an interruption of the irradiation operation and / or a tracking of collimators. Thus, it is possible, for example, to use the motion model obtained to interrupt the irradiation as soon as the target area is outside the irradiated region due to the respiration. It is also conceivable, based on the motion model and, as already explained above, the current one Breathing descriptive measured further respiratory parameters, which corresponds to the respiratory parameters determined from the magnetic resonance data or is uniquely associated with this, collimators that define the irradiated region to track the target area. During the radiation therapy treatment, it is therefore also possible to determine further respiration parameters describing the respiration, for which the relationship with the respiration parameter of the movement model is known, so that the actuation parameters are determined practically in real time on the basis of the movement model.

Wie bereits dargelegt wurde, lässt sich das Bewegungsmodell jedoch auch hervorragend verwenden, um im Rahmen einer Planung der Strahlentherapie, mithin im Vorfeld der eigentlichen Bestrahlung, bereits Ansteuerungsparameter zu ermitteln und die Strahlentherapie zeitlich zu planen. However, as already explained, the movement model can also be used excellently in order to determine activation parameters within the framework of a planning of the radiotherapy, and therefore in advance of the actual irradiation, and to schedule the radiation therapy in terms of time.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Recheneinrichtung zur Unterstützung einer Strahlentherapie, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Recheneinrichtung übertragen, mit welcher mithin dieselben Vorteile erreicht werden können. Dabei kann es sich bei der Recheneinrichtung durchaus um vernetzte Computer oder dergleichen handeln, wobei die Recheneinrichtung bevorzugt eine auch als Empfangseinheit zur Entgegennahme aufgenommener Magnetresonanzdaten wirkende Steuereinheit zur Ansteuerung einer Magnetresonanzeinrichtung zur Aufnahme der Magnetresonanzdaten wie oben beschrieben, eine Aufnahmeparameterermittlungseinheit zur Ermittlung des Aufnahmeparameters, eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung von Magnetresonanzdaten zu Atmungszuständen und eine Bewegungsmodellermittlungseinheit zur Ermittlung eines Bewegungsmodells umfassen kann. Schließlich kann auch eine Ansteuerungsparametermittlungseinheit zur Ermittlung von Ansteuerungsparametern für die Strahlentherapie vorgesehen sein. In addition to the method, the invention also relates to a computing device for supporting a radiotherapy, which is designed for carrying out the method according to the invention. All statements relating to the method according to the invention can be analogously transferred to the computing device according to the invention, with which therefore the same advantages can be achieved. The computing device may well be networked computers or the like, the computing device preferably having a control unit acting as a receiving unit for receiving magnetic resonance data for controlling a magnetic resonance device for recording the magnetic resonance data as described above, a recording parameter determination unit for determining the acquisition parameter, an allocation unit for the assignment of magnetic resonance data to respiratory states and a movement model determination unit for determining a movement model. Finally, it is also possible to provide a control parameter determination unit for determining activation parameters for radiation therapy.

Schließlich betrifft das Verfahren auch eine kombinierte Magnetresonanz-Strahlentherapie-Einrichtung mit einer Recheneinrichtung der erfindungsgemäßen Art. In derartigen Kombinationseinrichtungen, die im Stand der Technik bereits vorgeschlagen wurden, sind eine Magnetresonanzeinrichtung und eine Strahlentherapieeinrichtung in ein gemeinsames Gerät integriert, wobei die Recheneinrichtung beispielsweise die Steuereinrichtung einer solchen Magnetresonanz-Strahlentherapie-Einrichtung sein kann oder in dieser enthalten sein kann. Finally, the method also relates to a combined magnetic resonance radiotherapy device with a computing device of the type according to the invention. In such combination devices, which have already been proposed in the prior art, a magnetic resonance device and a radiotherapy device are integrated into a common device, wherein the computing device, for example, the control device Such a magnetic resonance radiotherapy device may be or may be contained in this.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Further advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawings. Showing:

1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention,

2 eine die Abtastung im k-Raum zeigende Darstellung, 2 a representation showing the sample in k-space,

3 eine die Aufteilung in Subdatensätze zeigende Darstellung, und 3 a representation showing the division into sub-data records, and

4 eine erfindungsgemäße Recheneinrichtung. 4 a computing device according to the invention.

1 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Unterstützung bei der Strahlentherapie, wobei ein Bewegungsmodell für die Atmung ermittelt wird, das die Bewegung des zu bestrahlenden Zielgebiets (Zielgewebes) unter Einfluss der Atmung beschreibt. Dieses Bewegungsmodell kann genutzt werden, um im Rahmen der Planung und/oder der Durchführung der Strahlentherapie Ansteuerungsparameter zu ermitteln. 1 shows a flowchart of an embodiment of the method according to the invention for assistance in radiotherapy, wherein a movement model for the respiration is determined, which describes the movement of the target area to be irradiated (target tissue) under the influence of respiration. This movement model can be used to determine activation parameters in the context of the planning and / or the implementation of the radiation therapy.

Dazu wird zunächst in einem Schritt 1 ein Magnetresonanzdatensatz aufgenommen, wobei eine spezielle Magnetresonanzsequenz verwendet wird, die eine Selbstnavigation (Self-Gating), also die Ermittlung eines Atmungsparameters aus dem Magnetresonanzdatensatz selber, und eine schnelle, das dreidimensionale Aufnahmegebiet (hier das Zielgebiet) dreidimensional abdeckende Aufnahme von Magnetresonanzdaten erlaubt. Hierzu wird eine radiale „Stack-of-Stars“-Abtastung verwendet, welche durch 2 näher erläutert werden soll, die die Abtastung im k-Raum näher beschreibt, indem die Richtungen k_x, k_y und k_z entsprechend angegeben sind. Ersichtlich verläuft die Phasenkodierrichtung 2 in k_z-Richtung, sie ist fest und es erfolgt ihr entlang eine kartesische Abtastung, was durch die parallelen Schichten 3 symbolisiert wird. Die Phasenkodierrichtung 2 steht senkrecht auf einer Ausleseebene 4, in der die sich mit jedem Auslesevorgang unterscheidenden Ausleserichtungen 5 liegen. Das bedeutet, das Auslesen erfolgt radial, wobei vorliegend die Drehung zwischen zwei aufeinander folgend genutzten Ausleserichtungen dem goldenen Winkel, hier 111,25°, entspricht, um eine gleichmäßige Abdeckung des Aufnahmegebiets zu erzielen. This is done first in one step 1 recorded a magnetic resonance data set, wherein a special magnetic resonance sequence is used, a self-navigation (self-gating), ie the determination of a respiratory parameter from the Magnetic resonance data set itself, and a fast, the three-dimensional recording area (here the target area) three-dimensional covering recording of magnetic resonance data allowed. For this purpose, a radial "stack-of-Stars" -sampling is used, which by 2 will be explained in more detail, which describes the sample in k-space closer by the directions k _x , k _y and k _z are indicated accordingly. The phase coding direction is evident 2 in k _z direction, it is fixed and it follows along a Cartesian scan, passing through the parallel layers 3 is symbolized. The phase encoding direction 2 is perpendicular to a reading level 4 in which the reading directions differ with each readout 5 lie. This means that the reading takes place radially, wherein in the present case the rotation between two consecutively used readout directions corresponds to the golden angle, here 111.25 °, in order to achieve a uniform coverage of the recording area.

Dabei sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass für jede Ausleserichtung ein Punkt im bzw. äußerst nahe am k-Raumzentrum ausgelesen wird. Erfolgen für jede Ausleserichtung 5 beispielsweise N_z Auslesevorgänge von Zeilen in bzw. parallel zur Ausleseebene 4, wird das k-Raumzentrum alle N_z·TR (TR = Repetitionszeit) aufgenommen. It should be noted at this point that for each read-out direction a point in or extremely close to the k-space center is read out. Successes for each readout direction 5 for example, N _z read operations of lines in or parallel to the readout level 4 , the k-space center is recorded every N _z * TR (TR = repetition time).

Die Parametrisierung der Magnetresonanzsequenz kann abhängig von der Orientierung der aktuellen Aufnahmerichtung 5 erfolgen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer koronalen Schichtorientierung mit vergleichsweise geringer Auflösung, also kürzerer Messzeit, gearbeitet wird, während bei koronaler und/oder sagittaler Schichtorientierung das Aufnahmegebiet auch eng auf das Zielgebiet eingegrenzt werden kann, mithin lediglich beispielsweise das zu bestrahlende Zielgewebe, insbesondere ein Tumor und dessen Nachbarschaft, aufgenommen wird, wenn keine starke Atmungsbewegung in dieser Richtung erwartet wird. Es kann also Hintergrundwissen genutzt werden, um die konkreten Aufnahmeparameter der Magnetresonanzsequenz einzustellen. The parameterization of the magnetic resonance sequence may depend on the orientation of the current recording direction 5 respectively. In this case, provision may be made for example to work with a comparatively low resolution, ie a shorter measurement time, in a coronal slice orientation, while in the case of coronal and / or sagittal slice orientation, the recording area can also be confined narrowly to the target area, ie only the target tissue to be irradiated, for example especially a tumor and its vicinity, is recorded when no strong respiratory motion in this direction is expected. Thus, background knowledge can be used to set the specific acquisition parameters of the magnetic resonance sequence.

Ist also unter Verwendung der mit Hilfe von 2 beschriebenen radialen Stack-of-Stars-Trajektorie bei kartesischer Phasenkodierung und radialem Readout ein Magnetresonanzdatensatz aufgenommen worden, wird nun in einem Schritt 6 für jeden Zeitpunkt, zu dem das k-Raumzentrum aufgenommen wurde, also für jeden zeitlich zusammenhängenden, einer Aufnahmerichtung 5 entsprechenden Aufnahmevorgang entlang der Phasenkodierrichtung 2, ein Atmungsparameter als Self-Gating-Signal bestimmt. Dazu werden vorliegend die drei dem k-Raumzentrum entlang einer Zeile parallel zur Aufnahmeebene 4 am nächsten liegenden Magnetresonanzdaten gemittelt und ihr Betrag betrachtet. Alternativ ist es auch denkbar, nur das Magnetresonanzdatum, das am nächsten zum k-Raumzentrum gemessen wurde, betragsmäßig zu verwenden. Dieses Magnetresonanzdatum gibt die durchschnittliche Intensität im Aufnahmegebiet wieder und beschreibt qualitativ den Ablauf der Atembewegung, also aufeinanderfolgender Atemzyklen, nachdem durch die Magnetresonanzdaten eine Mehrzahl von Atemzyklen erfasst wurde. Mit anderen Worten gibt der Atmungsparameter also an, in welchem Atemzustand sich der Patient bei der Aufnahme der Daten einer Aufnahmerichtung 5, für die der Atmungsparameter ermittelt wurde, gefunden hat. Aus dem Magnetresonanzdatensatz selber lässt sich also für die verschiedenen, jeweils einer Aufnahmerichtung 5 entsprechenden Zeitabschnitte bzw. Aufnahmevorgänge bestimmen, welchem Atmungszustand sie zugehörig sind. So is using the with the help of 2 described radial stack-of-stars trajectory at Cartesian phase encoding and radial readout a magnetic resonance data has been recorded, will now be in one step 6 for each point in time at which the k-space center was recorded, that is, for each temporally connected, a recording direction 5 corresponding recording process along the phase encoding 2 , a respiratory parameter determined as a self-gating signal. For this purpose, in the present case, the three k-space center along a line parallel to the receiving plane 4 averaged next to the nearest magnetic resonance data and their magnitude considered. Alternatively, it is also conceivable to use only the magnetic resonance date that was measured closest to the k-space center in terms of amount. This magnetic resonance date represents the average intensity in the recording area and qualitatively describes the course of the respiratory movement, that is to say successive respiratory cycles, after a plurality of breathing cycles has been detected by the magnetic resonance data. In other words, the respiration parameter indicates in which breathing state the patient takes up the data of a recording direction 5 for which the respiratory parameter was determined. From the magnetic resonance data set itself can thus be for the different, each a recording direction 5 corresponding periods or recordings determine which respiratory state they belong.

Es sei darauf hingewiesen, dass zweckmäßigerweise parallel ein weiterer die Atmung beschreibender Parameter, beispielsweise mit einem Atmungsgurt oder dergleichen, aufgenommen werden kann, um eine Zuordnung des Atmungsparameters zu dem weiteren die Atmung beschreibenden Parameter zu ermöglichen. It should be pointed out that a further parameter describing the respiration, for example with a breathing belt or the like, can be added in parallel in order to permit an assignment of the respiration parameter to the further parameter describing the respiration.

In einem Schritt 7 wird der Atmungsparameter genutzt, um die Magnetresonanzdaten je nach Atmungsparameter verschiedenen Subvolumina zuzuordnen, die unterschiedlichen Atmungszuständen zugeordnet sind. Dies wird durch 3 näher erläutert, in der zunächst der gesamte Magnetresonanzdatensatz 8 angedeutet ist. Der Atmungsparameter liegt während eines Atmungszyklus innerhalb eines bestimmten Bereichs 9, was durch den rein schematisch und beispielhaft dargestellten Verlauf 10 angedeutet wird. Der Bereich 9 kann nun in Intervalle 11 unterteilt werden, die verschiedenen Atmungszuständen entsprechen. In one step 7 The respiratory parameter is used to assign the magnetic resonance data, depending on the respiratory parameters, to different subvolumes assigned to different respiratory states. This is going through 3 explained in more detail in the first of the entire magnetic resonance data set 8th is indicated. The respiratory parameter is within a certain range during a respiratory cycle 9 , what by the purely schematic and exemplified course 10 is hinted at. The area 9 can now in intervals 11 which correspond to different respiratory conditions.

Je nachdem, in welchem Intervall 1 der einem Magnetresonanzdatum zugeordnete Atmungsparameter liegt, wird das Magnetresonanzdatum in den entsprechenden Subdatensatz 12 einsortiert. Nachdem die Aufnahmerichtungen 5 immer um den goldenen Winkel beabstandet sind, ergibt sich eine äußerst gleichmäßige Verteilung auch für die Subdatensätze 12, die mithin immer verschiedene, möglichst gleich verteilte Aufnahmerichtungen 5 in der Aufnahmeebene 4 bzw. die in diesen Aufnahmerichtungen 5 gemessenen Magnetresonanzdaten enthalten. Depending on which interval 1 the respiratory parameter associated with a magnetic resonance date is the magnetic resonance date in the corresponding sub-data set 12 sorted. After the shooting directions 5 are always spaced by the golden angle, results in a very even distribution for the sub-data sets 12 , therefore always different, as evenly distributed recording directions 5 in the recording plane 4 or in these shooting directions 5 measured magnetic resonance data included.

In einem Schritt 13 werden unter Verwendung der Subdatensätze 12 für jeden Atmungszustand Magnetresonanzbilder wie grundsätzlich bekannt rekonstruiert. Aus diesen Magnetresonanzbildern wird ein Referenzbild gewählt, welches beispielsweise einem end-exspirativen Zustand entsprechen kann. In one step 13 be using the sub records 12 For each respiratory state, magnetic resonance images reconstructed as known in principle. From these magnetic resonance images, a reference image is selected, which may correspond, for example, to an end-expiratory state.

In einem Schritt 14 werden die andere Magnetresonanzbilder elastisch auf das Referenzbild registriert, so dass Deformationsinformationen, konkret Deformationsfelder, entstehen, aus denen sich ableiten lässt, wie sich jeder Bildpunkt ausgehend vom Referenzbild zu einem bestimmten Atmungszustand bewegt hat. Es ergibt sich also aus den Deformationsinformationen in Schritt 15 ein Bewegungsmodell, welches den Effekt der Atmung im Zielgebiet beschreibt. In one step 14 For example, the other magnetic resonance images are elastically registered on the reference image, so that deformation information, in particular deformation fields, arises from which it can be deduced how each pixel has moved from the reference image to a specific respiratory state. It follows from the deformation information in step 15 a movement model that describes the effect of breathing in the target area.

In einem Schritt 16 wird dieses Bewegungsmodell dann genutzt, um Ansteuerungsparameter für die strahlentherapeutische Behandlung zu ermitteln. Dies kann bereits in einer Planungsphase geschehen, in der den zeitlichen Ablauf bestimmende Ansteuerungsparameter unter Nutzung des Bewegungsmodells ermittelt werden, wobei es dabei zweckmäßig sein kann, das Bewegungsmodell zu nutzen, um einen dreidimensionalen Computertomographiedatensatz, falls ein solcher vorliegt, zu animieren und in diesem die Bewegung des Zielgebiets zu zeigen. Vorteilhaft lässt sich das Bewegungsmodell jedoch auch während der Bestrahlung einsetzen, nachdem, wenn der Atmungszustand auch während der Bestrahlung bestimmt wird, immer die Lage des Zielgebiets ermittelt ist und somit die Bestrahlung unterbrochen werden kann, falls das Zielgebiet durch die Atmung außerhalb der bestrahlten Region liegt, oder Kollimatoren nachgeführt werden können, so dass das Zielgebiet auch während seiner Bewegung weiter bestrahlt wird. In one step 16 This model of movement is then used to determine activation parameters for radiotherapeutic treatment. This can already take place in a planning phase in which the timing sequence determining driving parameters are determined using the motion model, it may be appropriate to use the movement model to animate a three-dimensional computed tomography data set, if one exists, and in this the Show movement of the target area. However, the movement model can advantageously also be used during the irradiation, since, if the respiratory state is also determined during the irradiation, the position of the target area is always determined and thus the irradiation can be interrupted if the target area lies outside the irradiated region due to the respiration , or collimators can be tracked so that the target area is further irradiated during its movement.

Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es im erfindungsgemäßen Verfahren äußerst zweckmäßig sein kann, wenn Marker auf dem Patienten angeordnet werden, die sowohl in den Magnetresonanzdaten erkannt werden können, wie auch beispielsweise optisch über ein Nachverfolgungssystem erfasst werden können. Dann ist über die Marker eine Zuordnung der durch den Atmungsparameter beschriebenen Atmungszustände zu durch die Marker beschriebenen Atmungszuständen, insbesondere während der strahlentherapeutischen Behandlung, möglich. Selbstverständlich sind auch, wie bereits erwähnt wurde, weitere die Atmung beschreibende Parameter sowohl während der Magnetresonanzdatenerfassung als auch der Bestrahlung erfassbar, um eine Zuordnung herzustellen. It should also be noted at this point that it can be extremely expedient in the method according to the invention if markers are arranged on the patient, which can be recognized both in the magnetic resonance data and, for example, can be detected optically via a tracking system. Then, via the markers, an assignment of the respiratory states described by the respiration parameter to respiration states described by the markers is possible, in particular during the radiotherapeutic treatment. Of course, as already mentioned, further parameters describing the respiration during both the magnetic resonance data acquisition and the irradiation are detectable in order to establish an association.

4 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Recheneinrichtung 17, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Dazu weist die Recheneinrichtung 17 zunächst eine Steuereinheit 18 auf, über die unter Nutzung der oben beschriebenen Magnetresonanzsequenz durch Ansteuerung einer Magnetresonanzeinrichtung 25 der Magnetresonanzdatensatz 8 aufgenommen und in der Recheneinrichtung 17 empfangen werden kann, so dass die Steuereinheit 18 auch als Empfangseinheit wirken kann. In einer Atmungsparameterbestimmungseinheit 19 wird der Atmungsparameter wie oben beschrieben aus den Magnetresonanzdaten bestimmt. Eine Zuordnungseinheit 20 ordnet die Magnetresonanzdaten des Magnetresonanzdatensatzes 8 anhand des Atmungsparameters den Subdatensätzen 12 zu, wonach eine Rekonstruktionseinheit 21 hieraus die Magnetresonanzbilder bestimmt. In einer Registrierungseinheit 22 werden diese auf das Referenzbild, das aus den Magnetresonanzbildern gewählt wurde, registriert, so dass sich die Deformationsinformation ergibt und in einer Bewegungsmodellermittlungseinheit 23 das Bewegungsmodell erzeugt werden kann. Eine Ansteuerungsparameterermittlungseinheit 24 ermittelt schließlich, wie beschrieben wurde, Ansteuerungsparameter im Rahmen der Planung und/oder Durchführung der Strahlentherapie. 4 shows a schematic diagram of a computing device according to the invention 17 , which is designed for carrying out a method according to the invention. For this purpose, the computing device 17 first a control unit 18 on, using the magnetic resonance sequence described above by driving a magnetic resonance device 25 the magnetic resonance data set 8th recorded and in the computing device 17 can be received, so the control unit 18 can also act as a receiving unit. In a respiration parameter determination unit 19 the respiratory parameter is determined from the magnetic resonance data as described above. An allocation unit 20 Maps the magnetic resonance data of the magnetic resonance data set 8th based on the respiratory parameter the sub-data sets 12 to, after which a reconstruction unit 21 From this the magnetic resonance images are determined. In a registration unit 22 they are registered on the reference image selected from the magnetic resonance images so as to give the deformation information and in a motion model acquiring unit 23 the movement model can be generated. A drive parameter determination unit 24 finally determines, as described, activation parameters in the context of the planning and / or implementation of radiotherapy.

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. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims

A method for assisting radiotherapy treatment of a target area lying in a region of a body of a patient moved by the respiration, comprising the following steps: receiving a magnetic resonance data record moving through the respiration, in particular the target area 8th ) using a magnetic resonance sequence in which the phase coding direction ( 2 ) is fixedly along a z-direction and the reading radially in different readout directions ( 5 ) a reading plane perpendicular to the z-direction ( 3 ), over a plurality of respiratory cycles, - determination of a breathing parameter representing the respiratory state from magnetic resonance data measured in the k-space center for each time point in which the k-space center was measured, - assignment of the magnetic resonance data of the magnetic resonance data set ( 8th ) each to a respiration state described by the associated respiration parameter, - determination of a motion model using the different magnetic resonance data associated with different respiratory conditions and - use of the motion model to determine at least one control parameter and / or planning parameter for radiation therapy treatment.

Method according to claim 1, characterized in that successive read-out directions ( 5 ) are rotated relative to one another by an angle which permits uniform coverage of the recording area, in particular an angle corresponding to the golden section.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic resonance sequence is a particular T1-weighted, especially a fat suppression comprehensive gradient echo sequence.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the respiration parameter is determined by averaging a predetermined number of the magnetic resonance data closest to the k-space center of a row in the read-out plane ( 4 ), the number being in particular three.

Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that only the magnetic resonance data closest to the k-space center forms the read-out parameter.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that sub-data sets ( 12 ) for different intervals ( 11 ) of the respiratory parameter.

Method according to claim 6, characterized in that from the sub-data sets ( 12 Magnetic resonance images are reconstructed, from which a reference image is selected, whereupon a deformation information for each interval of the respiratory parameter is determined by an elastic registration of all magnetic resonance images on the reference image, which is used as the basis of the movement model.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the resolution and / or the recording area defining recording parameters for at least two different spatial directions, in particular read-out directions ( 5 ), is chosen differently.

Method according to claim 8, characterized in that a read-out direction defining a coronal or sagittal layer ( 5 ) a lower layer resolution is selected.

Method according to claim 8 or 9, characterized in that a read-out direction defining a coronal or sagittal layer ( 5 ) in the phase encoding direction ( 2 ) reduced area is recorded.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the movement model for the animation of a three-dimensional computed tomography data set of the target area is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the drive parameter relates to an interruption of the irradiation operation and / or a tracking of collimators.

Computing device ( 17 ) in support of radiotherapy, adapted to carry out a method according to any one of the preceding claims.

Magnetic resonance radiotherapy device, comprising a computing device according to claim 13.