DE102013212088B3

DE102013212088B3 - Bestrahlungssystem

Info

Publication number: DE102013212088B3
Application number: DE102013212088.5A
Authority: DE
Inventors: Bela Vajko
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: US20140378738A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bestrahlungssystem zur gleichzeitigen Applikation einer Strahlentherapie und einer Hyperthermie. Das Bestrahlungssystem weist eine Strahlenquelle und einen Magnetresonanztomographen mit einer Steuerung, eine Mehrzahl an lokalen Spulen zur Anordnung auf einem Körper eines Patienten und eine Mehrzahl an Sendeeinrichtungen auf. Die Sendeeinrichtungen sind ausgelegt, die lokalen Spulen unabhängig voneinander mit Hochfrequenzsignalen zu versorgen. Dabei ist die Steuerung ausgelegt, die Sendeeinrichtungen derart anzusteuern, dass ein vorbestimmter Bereich in dem Körper des Patienten durch die von den lokale Spulen abgestrahlten Hochfrequenzsignale auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird. Die Strahlenquelle ist ausgelegt, ein Ziel in dem vorbestimmten Bereich zu bestrahlen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bestrahlungssystem zur gleichzeitigen Applikation einer Strahlentherapie und einer Hyperthermie. Das Bestrahlungssystem weist eine Strahlenquelle zur Bestrahlung eines Patienten und einen Magnetresonanztomographen auf. Der Magnetresonanztomograph weist weiterhin eine Steuerung, eine Mehrzahl an lokalen Spulen zur Anordnung an dem Patienten und eine Mehrzahl an Sendeeinrichtungen aufweist, wobei die Sendeeinrichtungen ausgelegt sind, die lokalen Spulen unabhängig voneinander mit Hochfrequenzsignalen zu versorgen.
Zur Behandlung von Tumoren ist es seit langem bekannt, diese mit energiereichen elektromagnetischen Wellen aus dem Röntgen- oder Gammaspektrum oder auch mit Partikelstrahlen zu bestrahlen, um Tumorzellen zu schädigen und zum Absterben zu bringen.
Aus der Druckschrift „Simultaneous delivery of electron beam therapy and ultrasound hyperthermia using scanning reflectors” (E. G. Moros et al., International Journal of Radiation Oncology Biology Physics 31 (1995), S. 893–904) ist es bekannt, gleichzeitig eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl und eine Hyperthermie mittels Ultraschall (HIFU, engl. High Intensity Focussed Ultrasound) auszuführen, was die Wirkung des Elektronenstrahls auf die Tumorzellen verstärkt.
Es sind weiterhin Systeme bekannt, bei denen ein Magnetresonanztomograph genutzt wird, um eine Bestrahlungseinrichtung bei der Ausrichtung auf das zu bestrahlende Ziel zu unterstützen und zu steuern (z. B. Systeme der ViewRay Inc.).
Bei Magnetresonanz-Messungen wird die Wechselwirkung von magnetischen Momenten von Atomkernen, den Kernspins, mit einem äußeren Magnetfeld untersucht. Die Kernspins richten sich in dem äußeren Magnetfeld aus und präzedieren mit einer Larmorfrequenz, welche von dem Wert des magnetischen Moments des Atomkerns und dem äußeren Magnetfeld abhängt, bei Anregung durch ein äußeres elektromagnetisches Wechselfeld um die Achse der Ausrichtung im Magnetfeld. Dabei erzeugen die Atomkerne ein elektromagnetisches Wechselfeld mit der Larmorfrequenz. Das zur Anregung der Spins eingestrahlte elektromagnetische Wechselfeld führt dabei zu einer Erwärmung des untersuchten Objekts durch absorbierte Leistung.
In der Magnetresonanztechnik ist mit der Verwendung immer stärkerer Magnetfelder bis zu 3 T und mehr die Frequenz der Hochfrequenz-Anregungssignale gestiegen, mit der wiederum die spezifische Absorptionsrate SAR quadratisch zunimmt. Mittlerweile kann die Messzeit durch die SAR und die maximal zulässige Erwärmung des Körpers des Patienten durch die Hochfrequenzsignale limitiert sein.
Aus der Veröffentlichung „Local specific absorption rate control for parallel transmission by virtual observation points”, Eichfelder G., Gebhardt M., Department Mathematik, Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Magn. Reson. Med. 66 (2011), S. 1468–1476, ist eine Überwachung der lokalen Absorptionsrate bei paralleler Anregung mit mehreren Spulen bekannt.
Die Offenlegungsschrift US 2013/0131433 A1 beschreibt eine Therapievorrichtung, die eine Vorrichtung zum Erwärmen des Gewebes, eine Magnetresonanzvorrichtung zur Erfassung thermometrischer Daten und eine Strahlentherapievorrichtung aufweist. Eine Steuerung steuert die Bestrahlungsvorrichtung und die Vorrichtung zum Erwärmen eines bestrahlten Bereichs. Die Vorrichtung zum Erwärmen wird anhand der thermometrischen Daten gesteuert.
Aus der Offenlegungsschrift US 2004/0199070 A1 ist ein Magnetresonanzsystem bekannt, das ein Antennenarray aufweist, das Hochfrequenzenergie mit einer vorbestimmten Phase und Amplitude aussendet um fokussierte Hochfrequenzenergie für eine hyperthermische Behandlung zu erzeugen. Das Magnetresonanzsystem nutzt Magnetresonanzsignale, um eine Temperatur eines behandelten Bereichs zu bestimmen.
Die Offenlegungsschrift US 2011/0213239 A1 beschreibt schließlich eine kombinierte Strahlentherapie und Magnetresonanzvorrichtung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Wirksamkeit einer Bestrahlung bei möglichst geringem Aufwand verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Bestrahlungssystem und ein Verfahren zum Betrieb des Bestrahlungssystems gelöst.
Das erfindungsgemäße Bestrahlungssystem zur gleichzeitigen Applikation einer Strahlentherapie und einer Hyperthermie weist eine Strahlenquelle zur Bestrahlung eines Patienten und einen Magnetresonanztomographen auf. Der Magnetresonanztomograph weist eine Steuerung, eine Mehrzahl an lokalen Spulen zur Anordnung an dem Patienten und eine Mehrzahl an Sendeeinrichtungen auf, wobei die Sendeeinrichtungen ausgelegt sind, die lokalen Spulen unabhängig voneinander mit Hochfrequenzsignalen zu versorgen. Dabei ist die Steuerung ausgelegt, die Sendeeinrichtungen derart anzusteuern, dass durch die von den lokalen Spulen abgestrahlten Hochfrequenzsignale ein vorbestimmter Bereich in einem Körper des Patienten um eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, während die Strahlenquelle ausgelegt ist, ein Ziel in dem vorbestimmten Bereich zu bestrahlen.
Die unabhängigen lokalen Spulen und Sendeeinrichtungen erlauben es der Steuerung auf vorteilhafte Weise, Energie mittels elektromagnetischer Wellen in den Körper des Patienten zu übertragen, sodass sich dieser an vorbestimmten Stellen erwärmt. Auf vorteilhafte Weise verstärkt die Erwärmung an dem zu bestrahlenden Ziel die biologische Wirksamkeit der Bestrahlung. Darüber hinaus ermöglicht der Magnetresonanztomograph auch eine bildgebende Darstellung, sodass die Ausrichtung der Bestrahlung auf das zu bestrahlende Ziel, beispielsweise einen Tumor, optimiert werden kann.
Das Bestrahlungssystem ist ausgelegt, wahlweise die Sendeeinrichtung mit einem ersten Ansteuersignal anzusteuern, das ausgelegt ist, mittels der Sendeeinrichtungen und der lokalen Spulen einen vorbestimmten Bereich in dem Körper des Patienten auf die vorbestimmte Temperatur zu erwärmen oder die Sendeeinrichtung mit einem zweiten Ansteuersignal anzusteuern, das ausgelegt ist, mittels des Magnetresonanztomographen eine bildgebende Darstellung zu erzeugen.
Dies macht es auf vorteilhafte Weise möglich, die Hochfrequenzimpulse für den jeweiligen Zweck Bildgebung bzw. Wärmewirkung zu optimieren.
Die Steuerung des erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems ist ferner ausgelegt, die Sendeeinrichtung mit dem ersten Ansteuersignal anzusteuern, wenn die Strahlenquelle keine Strahlung auf den Patienten emittiert.
Somit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, während einer Bestrahlungsphase, in der der Patient von der Strahlungsquelle bestrahlt wird, die Lage des Bestrahlungsziels mittels einer bildgebenden Magnetresonanztomographie zu überwachen, während in den Bestrahlungspausen die Sendeeinrichtungen optimierte Hochfrequenzpulse ausgeben können, um den zu bestrahlenden Bereich zu erwärmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Bestrahlungssystems teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Magnetresonanztomograph des Bestrahlungssystems weiterhin ausgelegt, eine Temperaturerhöhung in dem vorbestimmten Bereich mittels einer Magnetresonanzmessung zu erfassen.
Die Ausgangsamplitude, die Phasenkohärenz der Präzession der Kernspins und auch der Abfall der Anregung ändern sich in Abhängigkeit von der Temperatur einer Probe, in der sich die Atomkerne befinden. Durch Vergleich zweier Messungen kann durch den Magnetresonanztomographen auf vorteilhafte Weise eine Temperaturänderung der Probe zwischen den beiden Messungen ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die vorbestimmte Temperatur einen Wert zwischen normaler Körpertemperatur und 42 Grad Celsius oder die vorbestimmte Temperatur beträgt 42 Grad Celsius.
Eine Erwärmung des Körpergewebes während der Bestrahlung auf 42 Grad Celsius stellt eine optimale Wirkung der Bestrahlung in dem erwärmten Gewebe sicher, während unbestrahltes Gewebe durch die Temperaturerhöhung nicht geschädigt wird.
In einer denkbaren Ausführungsform des Bestrahlungssystems ist die Mehrzahl an lokalen Spulen jeweils derart ausgelegt, dass sich die lokalen Spulen nicht wechselseitig durch ihre Signale beeinflussen.
Indem die Antennen sich nicht oder nur in geringem Maße wechselseitig beeinflussen, können die von den Sendeeinrichtungen in die lokalen Spulen eingespeisten Signale unabhängig voneinander von der Steuerung eingestellt werden, was das Ermitteln der einzustellenden Signale vereinfacht.
In einer möglichen Ausführungsform des Bestrahlungssystems sind die Steuerung und die Sendeeinrichtungen ausgelegt, die Hochfrequenzsignale der einzelnen lokalen Spulen mit einer jeweils vorbestimmten Phasenlage bereitzustellen.
Das Einstellen der Phasenlage ermöglicht es auf vorteilhafte Weise, durch Überlagerung der von den einzelnen lokalen Spulen ausgesandten elektromagnetischen Felder ein resultierendes Überlagerungsfeld mit einer Richtwirkung und einer vorgegebenen Feldverteilung zu erzeugen.
Bei einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems weist die Steuerung eine Ermittlungseinheit auf, wobei die Ermittlungseinheit ausgelegt ist, anhand einer vorbestimmten Temperaturverteilung im Patienten Ansteuerungssignale für die Sendeeinrichtungen zu ermitteln, mit der die vorbestimmte Temperaturverteilung im Patienten im Wesentlichen erreichbar ist.
Die Ermittlungseinheit ermöglicht es auf vorteilhafte Weise, die gewünschte Temperaturverteilung vorzugeben, worauf die ermittelten Ansteuerungssignale, die von der Steuerung an die Sendeeinrichtungen ausgegeben werden, über die lokalen Spulen zu elektromagnetischen Wechselfeldern im Gewebe führen, welche die Temperaturverteilung im Körper des Patienten hervorrufen. Im Wesentlichen heißt dabei, dass die Temperaturen, begrenzt durch die physikalischen Gegebenheiten wie Wärmediffusion und Wellenlänge, bestimmte Profile nur innerhalb der natürlichen Grenzen abbilden können, sodass z. B. ein maximaler Temperaturgradient nicht überschritten werden kann. Insbesondere ist damit auch ausgedrückt, dass die Temperaturverteilung gewisse Sicherheitskriterien wie eine maximale Temperatur nicht überschreitet.
In einer möglichen Ausführungsform des Bestrahlungssystems ist die Steuerung ausgelegt, die Sendeeinrichtung derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen der vorbestimmten Temperaturverteilung und der erfassten Temperaturerhöhung verringert wird.
Damit ermöglicht es das erfindungsgemäße Bestrahlungssystem auf vorteilhafte Weise, eine mögliche Abweichung zwischen den durch Ermittlungseinheit ermittelten ersten Ansteuersignalen und der damit erzielten Erwärmung von der gewünschten Temperaturverteilung zu ermitteln und zu korrigieren. So kann die Abweichung minimiert werden und gleichzeitig die Einhaltung von Sicherheitsgrenzwerten garantiert werden, indem die wahre Temperaturverteilung berücksichtigt wird.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems;
2 ein Flussdiagramm für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 ein Flussdiagramm für eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Bestrahlungssystem weist einen Magnetresonanztomographen 5 zur Erfassung einer Abbildung eines Bereichs eines Körpers eines Patienten auf. Weiterhin weist das Bestrahlungssystem eine Strahlenquelle 6 auf.
Der Magnetresonanztomograph 5 weist eine Magneteinheit 10 mit einem Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. eines Patienten 40 in einem Probenvolumen erzeugt. Das Probenvolumen ist in einer Durchführung 16 angeordnet, die sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3 T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden.
Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Probenvolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 12 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Probenvolumen erzeugen können.
Die Magneteinheit 10 weist weiterhin eine Körperspule 14 und lokale Spulen 15 auf. Die Körperspule 14 wird als Sendespule genutzt, wenn über ein großes Volumen ein möglichst homogenes elektromagnetisches Anregungsfeld erzeugt werden soll. Die lokalen Spulen 15 sind vorzugsweise als zweidimensionale oder dreidimensionale Matrix angeordnet und bedecken den ganzen Körper des Patienten 40 oder auch nur den zu bestrahlenden Teil. Die lokalen Spulen 15 dienen unter anderem als Sendespulen, um jeweils in ein im Wesentlichen räumlich begrenztes Volumen des Körpers elektromagnetische Wellen einzustrahlen. Dabei können die lokalen Spulen 15 beispielsweise kreisförmige oder polygonale Spulen sein, die einander teilweise überlappen. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die Felder benachbarter Spulen teilweise gleichsinnig und gegensinnig überlagern, sodass nebeneinanderliegende Spulen sich wechselseitig im Wesentlichen nicht beeinflussen.
Die überlappende Anordnung der Sendespulen 15 sorgt auch dafür, dass im ganzen zu bestrahlenden Bereich, der von den Spulen bedeckt ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld eingestrahlt werden kann.
Ein Magnetresonanzsignal, dass durch das elektromagnetische Wechselfeld der Sendespulen 15 und das statische Magnetfeld B0 in dem Patienten angeregt wird, kann entweder wieder von den Sendespulen 15 oder auch von einer separaten Körperspule 14 empfangen werden, die Signale aus dem ganzen Untersuchungsbereich empfangen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Bestrahlungssystem ist es denkbar, dass auf die Körperspule 14 verzichtet wird und lediglich die lokalen Spulen 15 sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen genutzt werden.
Eine Steuereinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 14 bzw. die lokalen Spulen 15 und wertet die empfangenen Signale aus.
So weist die Steuereinheit 20 eine Gradientenansteuerung 21 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Probenvolumen bereitstellen.
Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Mehrzahl an Sendeeinrichtungen 22 auf, die ausgelegt sind, für jede Sendespule 15 einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude, Phase und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernspins in dem Patienten 40 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden.
Die Empfangseinheit 24 ist dazu ausgelegt, von der Körperspule 14 (oder einer Sendespule 15) empfangene und über eine Signalleitung 33 der Empfangseinheit 24 zugeführten Hochfrequenzsignale bezüglich Amplitude und Phase auszuwerten. Dabei handelt es sich insbesondere um Hochfrequenzsignale, welche Kernspins in dem Patienten 40 als Antwort auf die Anregung durch einen Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B0 bzw. in einem resultierenden Magnetfeld aus einer Überlagerung von B0 und Gradientenfeldern aussenden.
Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Steuerung 23 auf, welche dazu ausgelegt ist, zur Bilderfassung mittels Magnetresonanztomographie die zeitliche Koordination der Aktivitäten der Gradientenansteuerung 21 und der Sendeeinrichtungen 22 vorzunehmen. Dazu ist die Steuerung 23 mit den anderen Einheiten 21, 22, 24 über einen Signalbus 25 verbunden und in Signalaustausch. Die Steuerung 23 ist dazu ausgelegt, von der Empfangseinheit 24 ausgewertete Signale aus dem Patienten 40 entgegenzunehmen und zu verarbeiten oder der Gradientenansteuerung 22 und den Sendeeinrichtungen 22 Puls- und Signalformen vorzugeben und zeitlich zu koordinieren.
Der Patient 40 ist auf einer Patientenliege 30 angeordnet. Derartige Patientenliegen sind bereits aus der Magnetresonanz-Tomographie bekannt. Die Patientenliege 30 weist eine erste Stütze 36 auf, die unter einem ersten Ende 31 der Patientenliege 30 angeordnet ist. Damit die Stütze 36 die Patientenliege 30 in einer waagerechten Lage halten kann, weist sie üblicherweise einen Fuß auf, der sich entlang der Patientenliege 30 erstreckt. Um die Patientenliege 30 zu bewegen, kann der Fuß auch Mittel zum Bewegen, wie Rollen, aufweisen. Zwischen dem Boden und der Patientenliege ist außer der Stütze 36 an dem ersten Ende 31 kein konstruktives Element angeordnet, sodass die Patientenliege bis zu dem ersten Ende 31 in die Durchführung 16 des Feldmagneten 11 eingeführt werden kann. In 1 sind Linearschienensysteme 34 dargestellt, die die Stütze 36 mit der Patientenliege 30 bewegbar verbinden, sodass die Patientenliege 30 entlang der Längsrichtung 2 verfahren werden kann. Dazu weist das Linearschienensystem einen Antrieb 37 auf, der es ermöglicht, von einer Bedienperson oder auch von der Steuerung 23 gesteuert die Patientenliege 30 in Längsrichtung 2 zu bewegen, sodass es auch möglich ist, Bereiche des Körpers des Patienten zu untersuchen, die eine größere Ausdehnung haben als das Probenvolumen in der Durchführung 16.
Zur Erzeugung einer vorbestimmten Temperatur in einem vorbestimmten Bereich im Körper des Patienten steuert die Steuerung 23 die Sendeeinrichtungen 22 mit ersten Ansteuersignalen an, sodass diese hochfrequente Ausgangssignale an die Sendespulen 15 ausgeben. Dabei ist die Steuerung 23 in der Lage, die Frequenz und/oder Amplitude der Signale und/oder deren Phasenlage zueinander zu beeinflussen.
Dabei ist es in einer Ausführungsform denkbar, dass bestimmte Ausgangssignalformen für bestimmte zu erwärmende Bereiche vorbestimmt in der Steuerung gespeichert sind. Dabei kann die Temperaturänderung mit der Leistung der Summe der Signale skalieren. Im einfachsten Falle wäre es auch denkbar, dass das Volumen allein dadurch vorgegeben wird, dass eine einzelne Sendespule 15 angesteuert wird und dadurch der jeweils darunterliegende Bereich des Körpers des Patienten 40 erwärmt wird.
In einer anderen Ausführungsform weist die Steuerung eine Ermittlungseinheit auf, die dazu ausgelegt ist, aus einer vorbestimmten Temperaturverteilung für den Körper des Patienten 40 anhand eines Modells für die Absorption der elektromagnetischen Wellen im Körper und für die Überlagerung der elektromagnetischen Wellen der einzelnen Sendespulen 15 jeweils für jede Sendespule 15 das Ausgangssignal sowie das dazugehörige erste Ansteuerungssignal für die Sendeeinrichtungen 22 bestimmt. Die Steuerung 23 gibt dann die entsprechenden ersten Ansteuerungssignale zeitlich koordiniert an die entsprechenden Sendeeinrichtungen 22 aus, sodass diese die passenden Ausgangssignale für Sendespulen 15 erzeugen und diese in den Körper des Patienten 40 abgestrahlt werden, um dort die gewünschte Temperaturverteilung zu erzeugen.
Dabei ist es in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems möglich, dass die Ermittlungseinheit 26 Sicherheitsgrenzwerte berücksichtigt, sodass beispielsweise in keinem Bereich des Körpers des Patienten eine Temperatur von 42 Grad Celsius überschritten wird oder eine maximale Energie in einem Zeitraum eingestrahlt wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems ist es auch denkbar, dass der Magnetresonanztomograph 5 die Temperaturverteilung im Körper des Patienten 40 mittels zweier nacheinander erfasster Messungen ermittelt. Die Ausgangsamplitude, die Phasenkohärenz der Präzession der Kernspins und auch der Abfall der Kernspinanregung ändern sich in Abhängigkeit von der Temperatur einer Probe, in der sich die Atomkerne befinden. Durch Vergleich zweier Messungen kann durch den Magnetresonanztomographen 5 auf vorteilhafte Weise eine Temperaturänderung der Probe zwischen den beiden Messungen ermittelt werden.
Dabei ist es dann denkbar, dass die Ermittlungseinheit 26 bei der Ermittlung der ersten Ansteuersignale für die Sendeeinrichtungen 22 nicht nur ein Modell für den Körper und dessen Absorptionseigenschaften verwendet, sondern auch die tatsächliche Temperaturverteilung aus der Messung berücksichtigt, um die Modellrechnung zu korrigieren oder auch zu ersetzen. Dieser Prozess kann auch iterativ über mehrere nacheinander folgende Anregungspulse optimiert werden.
In einer Ausführungsform ist es auch denkbar, dass bei der Ermittlung der ersten Ansteuersignale auch die Temperaturerhöhung durch Hochfrequenzpulse berücksichtigt wird, die für eine Abbildung des Körpers des Patienten zum Steuern der Ausrichtung einer Strahlenquelle 6 benötigt und mittels der zweiten Ansteuersignale in den Sendeeinrichtungen 22 erzeugt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Bestrahlungssystem ist die Strahlenquelle 6 derart angeordnet, dass ein freier Zugang zu dem zu bestrahlenden Bereich im Körper des Patienten 40 gegeben ist. Darunter ist unter anderem zu verstehen, dass sich kein Teil der Magneteinheit 10 in einem Strahlengang der Strahlenquelle 6 befindet und die Strahlung nennenswert abschwächt oder streut. Dies betrifft insbesondere metallene Teile wie Magnetspulen, Kryostat oder Antennen. Bei dem dargestellten Magnetresonanztomograph 5 ist dies vor allem über die Öffnungen der Durchführung 16 in der Längsrichtungen 2 möglich. Es wäre aber auch ein geteilter Feldmagnet 11 denkbar, sodass ein seitlicher Zugang zu dem Patienten 40 möglich ist, durch den eine Bestrahlung erfolgen kann. Um die Strahlungsquelle ausrichten zu können, ist diese an einer Halterung, beispielsweise einem C-Bogen 7 beweglich angeordnet.
Um einen besseren Zugang für die Bestrahlung zu ermöglichen, ist in einer weiteren Ausführungsform eine offene Magneteinheit denkbar, die beispielsweise einen Magneten in Hufeisenform aufweist. Dabei sind allerdings die möglichen Magnetfeldstärken reduziert und betragen beispielsweise nur 1,5 T oder weniger.
Als Strahlenquelle 6 können Röntgenröhren oder auch Gammaquellen dienen, die hochenergetische Photonen ausstrahlen. Denkbar sind aber auch Partikelstrahlenquellen, wie Linearbeschleuniger, die Elektronen, Protonen oder schwerere Ionen mit hoher Energie abstrahlen. Bei geladenen Partikelstrahlen ist dabei die Ablenkung der Partikel durch die Magnetfelder des Feldmagneten 11 und der Gradientenspulen 12 zu berücksichtigen oder eine Strahlrichtung parallel zu den Magnetfeldlinien zu wählen, beispielsweise in Längsrichtung 2.
Dabei ermöglicht es eine Aufhängung 7, die Strahlenquelle 6 in ihrer Ausrichtung in Bezug auf den Patienten durch die Steuereinheit 20 so auszurichten, dass die Strahlenquelle 6 beispielsweise auf einen Tumor ausgerichtet ist, dessen Lage mittels einer Magnetresonanztomographie bestimmt wurde und dessen Umgebung durch das von den Sendespulen 15 emittierte elektromagnetische Wechselfeld auf 42 Grad Celsius erwärmt ist. Bei großen Strahlenquellen ist es umgekehrt auch denkbar, dass der Patient 40 mit dem Magnetresonanztomographen 5 relativ zu der Strahlenquelle 6 ausgerichtet wird.
2 stellt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Betrieb des erfindungsgemäßen Bestrahlungssystems dar.
In Schritt S10 wird der Steuerung 23 ein erwünschtes Temperaturprofil für den zu bestrahlenden Bereich des Körpers des Patienten 40 vorgegeben. Dies kann beispielsweise durch eine Ortsangabe im Körper, eine Maximaltemperatur und einen Temperaturgradienten durch einen Bediener an der Steuereinheit 20 geschehen, die beispielsweise eine graphische Eingabeoberfläche aufweist. Es ist aber auch das Einspielen einer vorbereiteten Datei mit einem dreidimensionalen Modell denkbar.
In einem Schritt S20 wird eine Magnetresonanztomographie des Patienten 40 in der Durchführung 16 erfasst. Dabei werden die Sendeeinrichtungen 22 mit zweiten Ansteuersignalen zur Bildgebung mittels einer Magnetresonanztomographie angesteuert. Dann bestimmt die Steuereinheit 20 aus der Magnetresonanztomographie die genaue Lage des zu bestrahlenden Bereichs oder ein Bediener markiert diese beispielsweise an einer graphischen Bedienoberfläche.
In Schritt S40 ermittelt die Steuerung 23 aus dem vorbestimmten Temperaturprofil die ersten Ansteuersignale für die Sendeeinrichtungen 22, die zur Erreichung der Temperaturerhöhung notwendig sind.
Die ersten Ansteuersignale können beispielsweise aus einer Datenbank entnommen werden, die für die unterschiedlichen Positionen des vorbestimmten Bereichs unterschiedliche Datensätze bereit hält. Dabei kann die Leistung mit der gewünschten Temperaturerhöhung linear skalieren.
Es ist aber auch denkbar, dass die Ermittlungseinheit 26 mittels eines Modells für die Absorption der elektromagnetischen Wellen im Körper und eines Modells für die Überlagerung der elektromagnetischen Wellen, die von den einzelnen Sendespulen 15 emittiert werden, geeignete erste Ansteuerungssignale für die Sendespulen 15 ermittelt.
Die ersten Ansteuersignale in Schritt S40 unterscheiden sich dabei von zweiten Ansteuersignalen in Schritt S20 zur Bildgebung. Je nach Art der Abbildung sind zweite Ansteuersignale mit unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und/oder Phasenlage erforderlich.
In beiden Fällen erfolgt in Schritt S50 eine Überprüfung der ermittelten Werte auf eine mögliche Überschreitung von Sicherheitsgrenzwerten, beispielsweise einer maximalen Temperatur von 42 Grad Celsius oder einer maximalen abgestrahlten Energie. Nur wenn die Grenzwerte nicht überschritten werden, werden die ersten Ansteuerungssignale wie nachfolgend beschrieben ausgegeben.
In Schritt S60 werden die ersten Ansteuerungssignale an die Sendeeinrichtungen 22 ausgegeben, die die ermittelten Hochfrequenzsignale erzeugen und über die Sendespulen 15 aussenden.
In Schritt S90 wird die Strahlenquelle auf das Ziel, dessen Position in Schritt S20 bestimmt wurde, ausgerichtet und das Ziel bestrahlt.
3 zeigt eine weitere denkbare Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit gleichen Referenzzeichen benannte Schritte sind identisch zu den entsprechenden Schritten aus der 2.
Wie zu 2 wird in Schritt S10 ein erwünschtes Temperaturprofil erfasst und in Schritt S20 ein Bild des Patienten bzw. des zu bestrahlenden Bereichs durch eine Magnetresonanztomographie erfasst.
In Schritt S30 wird eine weitere Magnetresonanzmessung zur Ermittlung einer Temperaturänderung durchgeführt.
In Schritt S40 werden die ersten Ansteuersignale ermittelt, wobei die in Schritt S30 erfassten Temperaturwerte bei dem Ermitteln der ersten Ansteuersignale in dem Modell berücksichtigt werden.
Wie zu 2 beschrieben, werden in Schritt S50 die ermittelten ersten Ansteuersignale überprüft und in Schritt S60 die ersten Ansteuersignale an die Sendeeinrichtungen 22 ausgegeben, das elektromagnetische Wechselfeld über die Sendespulen 15 ausgesendet und der vorbestimmte Bereich des Körpers des Patienten 40 erwärmt. In Schritt S70 erfolgt eine erneute Temperaturmessung des Körpers des Patienten 40 bzw. des Bereichs mittels einer Magnetresonanztomographie.
In Schritt S80 vergleicht die Steuerung 23 die gemessenen Werte der Temperaturerhöhung mit den im Modell berechneten Werten. Ist die gewünschte Temperaturerhöhung noch nicht erreicht, werden die Schritte S40 bis S70 wiederholt, bis die gewünschte Temperaturverteilung erreicht ist.
Es ist weiterhin denkbar, dass nach Schritt S90 die Schritte ab Schritt S20 wiederholt werden, um beispielsweise Bewegungen einzelner Organe oder des ganzen Patienten zu erfassen und zu berücksichtigen, beispielsweise indem die Strahlenquelle 6 der veränderten Position nachgeführt wird. In einer möglichen Ausführungsform wird dabei der Schritt S20 während der ganzen Zeit, in der das Ziel bestrahlt wird, wiederholt. So wird permanent die Lage des Ziels überwacht und gegebenenfalls die Bestrahlung bei zu großen Abweichungen unterbrochen oder die Ausrichtung der Strahlenquelle 6 auf das Ziel nachgeführt.
In einer Ausführungsform ist es denkbar, dass die Messung der Temperaturänderung in den Schritten S30 und/oder S70 durch ein schnelles Verfahren zur Messung einer Temperaturänderung mittels Magnetresonanztomographie erfolgt, wie es in der zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Erfindung noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 221 463 A1 beschrieben ist.
Dieses Verfahren zur Messung einer Temperaturveränderung umfasst a): den Schritt eines Anregens von Kernspins in einem Probenvolumen durch einen Hochfrequenzimpuls in einem Magnetfeld, b) den Schritt eines Erfassens und Speicherns einer ersten Projektion eines Integrals eines Magnetresonanzsignals in dem Probenvolumen über einen ersten n-dimensionalen Raum auf einen ersten m-dimensionalen Raum mittels einer Multi-Echo-Sequenz, wobei n + m = 3 ist, und einer ersten Projektion eines Integrals eines Magnetresonanzsignals in dem Probenvolumen über einen zweiten n-dimensionalen Raum auf einen zweiten m-dimensionalen Raum mittels einer Multi-Echo-Sequenz, wobei der erste und der zweite m-dimensionale Raum nicht parallel zueinander sind und wobei n + m = 3 ist. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt c) eines Wiederholens des Schritts b), wobei das Erfassen und Speichern einer jeweils zweiten Projektion erfolgt und den Schritt d) einer Differenzbildung der ersten Projektion und zweiten Projektion über den ersten n-dimensionalen Raum und einer Differenzbildung der ersten Projektion und zweiten Projektion über den zweiten n-dimensionalen Raum zum Bestimmen einer Temperaturänderung.
Bei dem Verfahren zur Messung einer Temperaturänderung erfolgt eine Erfassung einer Projektion auf zwei m-dimensionale Räume, die nicht zueinander parallel sind. Dabei ist der Begriff Raum im mathematischen Sinne zu verstehen, nicht allein als euklidischer Raum mit drei senkrecht aufeinander stehenden Koordinatenachsen. Ein eindimensionaler Raum in diesem Sinne ist eine Linie oder Gerade, ein zweidimensionaler Raum eine Fläche oder Ebene. Die Summe der natürlichen Zahlen n und m ist jeweils 3 und entspricht der Anzahl der Dimensionen des euklidischen Raums. Daher ist es vorteilhafterweise möglich, durch nur zwei Projektionen eine räumliche Lage eines Bereichs veränderter Temperatur zu erfassen, anstatt das ganze Probenvolumen räumlich in Schichten abtasten zu müssen. So können auch transiente Temperaturspitzen erkannt werden, hingegen werden Artefakte ausgeblendet, die keine Änderung in dem kurzen Zeitraum dazwischen erfahren haben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Bestrahlungssystems sowie ein zur Durchführung des Verfahrens zur Messung einer Temperaturänderung geeignetes Bestrahlungssystem erlauben es, in den Pausen zwischen einzelnen Bestrahlungsintervallen sowohl die Temperatur des Bereichs durch Hochfrequenzeinstrahlung zu verändern, als auch die Veränderung der Temperatur durch eine Messung zu überwachen, ohne den gesamten Vorgang merklich zu verlängern. Da die angewandten Temperaturen selbst nicht unmittelbar schädlich für das Gewebe sind, ist insbesondere hinreichend, wenn durch eine zweidimensionale, schnell zu erreichende Projektion der Temperaturverteilung das Auftreten einer gefährlichen Erwärmung ausgeschlossen werden kann.

Claims

Bestrahlungssystem zur gleichzeitigen Applikation einer Strahlentherapie und einer Hyperthermie, wobei das Bestrahlungssystem (1) aufweist: – eine Strahlenquelle (6) zur Bestrahlung eines Patienten (40), – einen Magnetresonanztomographen (5), wobei der Magnetresonanztomograph (5) eine Steuerung (23), eine Mehrzahl an lokalen Spulen (15) zur Anordnung an dem Patienten und eine Mehrzahl an Sendeeinrichtungen (22) aufweist, wobei die Sendeeinrichtungen (22) ausgelegt sind, die lokalen Spulen (15) unabhängig voneinander mit Hochfrequenzsignalen zu versorgen, wobei die Steuerung (23) ausgelegt ist, die Sendeeinrichtungen (22) derart anzusteuern, dass ein vorbestimmter Bereich in einem Körper des Patienten (40) durch die von den lokale Spulen (15) abgestrahlten Hochfrequenzsignale auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird und wobei die Strahlenquelle (6) ausgelegt ist, ein Ziel in dem vorbestimmten Bereich zu bestrahlen; wobei die Steuerung (23) ausgelegt ist, wahlweise die Sendeeinrichtung (22) mit einem ersten Ansteuersignal anzusteuern, das ausgelegt ist, mittels der Sendeeinrichtungen (22) und der Sendeantennen (15) den vorbestimmten Bereich in einem Körper des Patienten (40) mit Hochfrequenzsignalen auf die vorbestimmte Temperatur zu erwärmen oder die Sendeeinrichtung (22) mit einem zweiten Ansteuersignal anzusteuern, das ausgelegt ist, mittels des Magnetresonanztomographen (5) eine bildgebende Darstellung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (23) ausgelegt ist, die Sendeeinrichtung (22) mit dem ersten Ansteuersignal anzusteuern, wenn die Strahlenquelle (6) keine Strahlung auf den Patienten emittiert.
Bestrahlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Magnetresonanztomograph (5) weiterhin ausgelegt ist, eine Temperaturerhöhung in dem vorbestimmten Bereich mittels einer Magnetresonanzmessung zu erfassen.
Bestrahlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vorbestimmte Temperatur höchstens 42 Grad Celsius beträgt.
Bestrahlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl an lokalen Spulen (15) jeweils derart ausgelegt ist, dass sich die lokalen Spulen (15) nicht wechselseitig durch ihre Signale beeinflussen.
Bestrahlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (23) und die Sendeeinrichtungen (22) ausgelegt sind, die Hochfrequenzsignale der einzelnen lokalen Spulen (15) mit einer jeweils vorbestimmten Phasenlage bereitzustellen.
Bestrahlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (23) eine Ermittlungseinheit (26) aufweist, wobei die Ermittlungseinheit (26) ausgelegt ist, anhand einer vorbestimmten Temperaturverteilung im Patienten (40) Ansteuerungssignale für die Sendeeinrichtungen (22) zu ermitteln, mit der die vorbestimmte Temperaturverteilung im Patienten (40) im Wesentlichen erreichbar ist.
Bestrahlungssystem nach den Ansprüchen 2 und 6, wobei die Steuerung (23) ausgelegt ist, die Sendeeinrichtungen (22) derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen der vorbestimmten Temperaturverteilung und der erfassten Temperaturerhöhung verringert wird.
Verfahren zum Betrieb eines Bestrahlungssystems (1) mit einer Strahlenquelle (6) zur Bestrahlung eines Patienten und einem Magnetresonanztomographen (5), wobei der Magnetresonanztomograph (5) eine Steuerung (23), eine Mehrzahl an lokalen Spulen (15) zur Anordnung an dem Patienten (40) und eine Mehrzahl an Sendeeinrichtungen (22) aufweist, die ausgelegt sind, die lokalen Spulen (15) unabhängig voneinander mit Hochfrequenzsignalen zu versorgen, wobei die Steuerung (23) die Sendeeinrichtungen (22) derart ansteuert, dass die von den lokalen Spulen (15) abgestrahlten Hochfrequenzsignale einen vorbestimmten Bereich in einem Körper (40) des Patienten um eine vorbestimmte Temperatur erwärmen, wobei die Strahlenquelle (6) ein Ziel in dem vorbestimmten Bereich bestrahlt wobei die Steuerung in einer Wärmephase die Sendeeinrichtung (22) mit einem ersten Ansteuersignal ansteuert, das ausgelegt ist, mittels der Sendeeinrichtungen (22) und der lokalen Spulen (15) einen vorbestimmten Bereich in einem Körper des Patienten (40) auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, wobei die Steuerung die Sendeeinrichtung (22) in einer Bestrahlungsphase, in der die Strahlenquelle (6) das Ziel bestrahlt, mit einem zweiten Ansteuersignal ansteuert, das ausgelegt ist, mittels des Magnetresonanztomographen (5) eine bildgebende Darstellung zu erzeugen und dass der Magnetresonanztomograph (5) die bildgebende Darstellung erzeugt, und wobei die Wärmephase nicht mit der Bestrahlungsphase überlappt.