DE102014114805B3

DE102014114805B3 - Verfahren zur Herstellung von standardisierten Tumor-Phantomen sowie Vorrichtung und Verfahren zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme

Info

Publication number: DE102014114805B3
Application number: DE102014114805.3A
Authority: DE
Inventors: Ingo Jonuschies; Jens Kurth
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: WO2016058898A2; WO2016058898A4; WO2016058898A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von standardisierten Tumor-Phantomen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme. Die Erfindung dient der Verbesserung der Diagnostik, der Verlaufskontrolle und der genaueren Festlegung der Bestrahlungsbereiche für eine anschließende Strahlentherapie. Es wird sich die Aufgabe gestellt, ein mobile universal einsetzbare Vorrichtung zu entwickeln, welche für eine wiederholbare und reproduzierbare 4D-Bewegung (in Raum und Zeit) eines vollkommen realitätsnahen Phantomeinsatzes für Messungen in medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systemen, wie CT-, PET-, SPECT- oder MRT-Systemen, und an radioonkologischen Beschleunigern einsetzbar ist. Die Vorrichtung zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme besteht aus einem Körper-Phantom für die Simulation eines menschlichen Körpers und einer Bewegungseinrichtung für ein Tumor-Phantom im Innern des Körper-Phantoms. Die Bewegungseinrichtung besteht aus einer kinematische Kette aus mindestens zwei Drehgelenken und einem Schubgelenk, welche das Tumor-Phantom innerhalb des Körper-Phantoms auf Trajektorien analog zur menschlichen Atmung in drei Dimensionen bewegen. Die Bewegungseinrichtung besteht aus Werkstoffen, die ähnliche Schwächungseigenschaften für Gamma-Strahlung besitzen wie das umgebende Fluid.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von standardisierten Tumor-Phantomen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme. Die Erfindung dient der Verbesserung der Diagnostik, der Verlaufskontrolle und der genaueren Festlegung der Bestrahlungsbereiche für eine anschließende Strahlentherapie.
Weiterhin kann die Erfindung in der Strahlentherapie verwendet werden, um den Einfluss der Atmung auf die Präzision der Bestrahlung zu untersuchen und Planungsalgorithmen zur Berücksichtigung von Atmungsartefakten können hochpräzise und reproduzierbar untersucht werden. Dabei kommt an allen Modalitäten die gleiche Phantomanordnung zum Einsatz. Dieses ist extrem wichtig, da die mittels CT und PET gewonnen anatomischen und metabolischen Informationen in die Bestrahlungsplanung und Bestrahlung direkt eingehen.
In der modernen medizinischen Diagnostik onkologischer Erkrankungen ermöglicht die Kombination von Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Röntgen-Computertomographie (CT) in Form moderner PET/CT-Geräte die Nutzung der CT-Information zur anatomischen Lokalisation und zur Korrektur der Photonenschwächung der PET. Gleiches gilt auch für die Kombination der Single-Photon-Emission-Computer-Tomographie (SPECT) mit CT in SPECT/CT-Systemen. Diese Hybridbildgebung aus molekularer und morphologischer Information wird in ihrer Genauigkeit (exakte Größen- und Positionsbestimmung, Quantifizierung der dargestellten Stoffwechselvorgänge) von bewegten anatomischen Strukturen negativ beeinflusst (durch Atmung verursachte Bewegungen thorakaler und im Oberbauch gelegener Strukturen). Die Genauigkeit der qualitativen und quantitativen Befundung ist jedoch entscheidend für therapeutische Entscheidungen. Die exakte Größenbestimmung von Tumoren mit der PET (PET/CT) stellt dabei eine Herausforderung dar, da u.a. wegen des begrenzten örtlichen Auflösungsvermögens (≥ 5 mm) der Partialvolumeneffekt beachtet werden muss. Gleichzeitig stellt die tatsächliche Größe des im PET/CT sichtbaren stoffwechselaktiven Areals einen wichtigen Parameter für die optimierte Planung strahlentherapeutischer oder (neuro)chirurgischer Behandlungen und das bestimmte Tumorvolumen einen validen Parameter zur Beurteilung des Therapieansprechens dar.
Es existieren Algorithmen und Technologien zur Erfassung eines Surrogat-Signals der Atmung und der darauf synchronisierten Datenerfassung bzw. der Korrektur der erfassten Daten. Deren Erprobung, fortlaufende Validierung und auch die Weiterentwicklung ist jedoch zwingend an Modellaufbauten (sogenannte Phantome) gebunden, da eine Erprobung am Patienten nicht möglich ist. Insbesondere der Vergleich mit der tatsächlich vorhandenen Anatomie ist nicht möglich. Für diesen Zweck werden Phantome benötigt, welche möglichst realistische anatomische Geometrien von Tumoren (Läsionen) nachbilden, die sowohl im PET als auch im CT (idealerweise auch im MRT) ein messbares Signal liefern.
Phantome, die sowohl für molekulare als auch morphologische Bildgebung verwendet werden können, bestehen derzeit aus Acrylglasmodellen mit Glashohlkugeln (zur definierten und reproduzierbaren Befüllung mit einem radioaktiven Tracer), jedoch sind diese Phantome mit einer Reihe von Limitationen behaftet:

– es gibt kein standardisiertes Phantom, das die atmungsinduzierte Bewegung von Modellkörpern (Phantomeinsätzen) hochgenau und reproduzierbar simuliert,
– inaktive Acrylglas- oder Glaswände der derzeit in Phantomen verwendeten Hohlkugeln führen zu Fehlern bei der Kalibrierung und Evaluierung von Algorithmen zur quantitativen und qualitativen Beschreibung von Tumorläsionen,
– die derzeit verwendeten Hohlkugeln bilden reale anatomische Strukturen nur stark idealisiert ab.

Bekannt sind Phantome, welche in verschiedenen Freiheitsgraden Bewegungen simulieren. So wird in US 7 667 191 B2 ein Phantom offenbart, welches die Bewegung durch Atmung in 3D simuliert. Dazu ist in einer Kammer, welche mit einem Fluid gefüllt ist, ein deformierbares Teil eingebracht. Mit Hilfe eines weiteren Fluids oder Luft wird dieses deformierbare Teil expandiert oder kontraktiert. Aus den dadurch entstehenden Bewegungen soll die Bewegung des Oberkörpers/Lunge durch die Atmung simuliert werden. Eine ebenfalls deformierbare, kleinere kugelförmige Masse aus kompressiblem Kunststoff ist als Tumorphantom wiederum in dem deformierbaren Teil eingebracht und wird adhäsiv auf seinem Platz gehalten. Es erfolgt eine Formveränderung des Tumormodells während der Bewegungssimulation. In dem Tumorphantom ist ein Strahlungsdetektor eingebracht, um die empfangene Strahlendosis zu messen. Nachteil der Lösung ist, dass die entstehende Bewegung im Vorfeld nicht genau analytisch vorhergesagt werden kann bzw. dass die Bewegungsbahn nicht räumlich steuerbar ist.
In DE 10 2007 045 879 A1 wird ein Verfahren zum Bestimmen einer effektiven, insbesondere einer effektiv wirksamen, Strahlendosisverteilung eines beweglichen Zielvolumens beim Bestrahlen des beweglichen Zielvolumens gemäß einem Bestrahlungsplan beschrieben. Das Zielvolumen weist mehrere Rasterpunkte auf, durch welche ein Ermitteln von Transformationsparametern durch Transformieren der ersten Positionen in weitere Positionen ermöglicht wird. Es werden Korrekturparameter berechnet und angewendet, die durch Bewegung hervorgerufenen Veränderungen der Lage des Bragg-Maximums und der applizierten biologisch effektiven Dosis kompensieren. Dieses Verfahren benötigt im Vorfeld eine Möglichkeit, die benötigten Steuerungsalgorithmen an bewegten Referenzmodellen, welche realitätsnah sind, zu testen.
Die Patentveröffentlichung DE 10 2010 061 121 B4 offenbart eine Bestrahlungsphantomvorrichtung zur Validierung eines Bestrahlungsvorgangs, insbesondere zur Validierung einer Bestrahlungsplanung mit einer Bewegungsvorrichtung mit vier Bewegungsfreiheitsgraden zur Bewegung eines ersten Teilbereichs der Bestrahlungsphantomvorrichtung relativ zu einem zweiten Teilbereich der Bestrahlungsphantomvorrichtung. Die Bestrahlungsphantomvorrichtung ist mit einer auswechselbaren Detektoreinrichtung versehen, welche die eingebrachte Strahlung misst, um quantitative Validierungen der Bestrahlung zu realisieren.
Hersteller der PET/CT-Systeme und Entwickler von neuen Rekonstruktionsalgorithmen sind auf die reproduzierbare Validierung angewiesen.
Da die PET/CT-Geräte unterschiedlicher Hersteller unterschiedliche Abbildungseigenschaften haben und unterschiedliche Ansätze zur Korrektur atmungsinduzierter Unschärfen verwenden, diese hängen u.a. auch direkt von verwendeten Rekonstruktionsparametern ab, müssen im Rahmen multizentrischer Untersuchungen Messungen mit Phantomen an allen beteiligten Einrichtungen unter reproduzierbaren und standardisierten Bedingungen stattfinden.
Segars et al. (W. P. Segars (2010), „4D-XCAT phantom for multimodality imaging research", Med Phys, vol. 37, pp. 4902–15; W. P. Segars et al. (2013), „Population of anatomically variable 4D XCAT adult phantoms for imaging research and optimization", Med Phys, vol. 40, p. 043701) entwickelten ein digitalisiertes mathematisches Phantom, welches auf nicht-uniformen rationalen B-Splines (kurz NURBS) basiert und in Softwaresimulationen der PET- oder SPECT-Messung eingebunden werden kann. Das 4D-NURBS XCAT-Phantom wurde ursprünglich als Simulationsbasis mit realistisch und flexibel modellierbarer Anatomie entwickelt. Die Basis dafür sind reale CT-Daten und mittels 4D-CT erfasste Bewegungstrajektorien von Patienten.
Es handelt sich aber um ein reines Softwarephantom, dass in einer definierten Simulationsumgebung in ein vorhandenes Softwaremodell des PET/CT- oder SPECT/CT-Gerätes eingebunden werden muss. Eine Hardwarevalidierung ist damit nicht möglich. Auch die Möglichkeit der klinischen Nutzung in multi-zentrischen Studien und im Rahmen von Geräte- und Algorithmenoptimierung ist nicht möglich.
Dunn et al. (L. Dunn et al. (2012), „A phantom for testing of 4D-CT for radiotherapy of small lesions", Med Phys, vol. 39, pp. 5372–83) konstruierten ein 4D-Phantom für die Verifikation von 4D-CT für die Strahlentherapie. Das Phantom besteht aus Polymethylmethacrylat (Perspex) und verwendet eine offene wippenähnliche Mechanik, um Bewegungsamplituden ≥ 6 cm nachzubilden. Damit können Trajektorien der atmungsinduzierten Bewegung eines thorakalen Tumors nur zweidimensional nachgebildet werden. Bewegungen thorakaler Strukturen sind aber immer dreidimensional und auch von ihrer anatomischen Lage abhängig. Die Mechanik ist offen konstruiert, das heißt die Anwendung im für die Nutzung im PET notwendigen Wasserbad (um die Untergrundstrahlung bspw. im Plasma simulieren zu können) ist nicht möglich.
Die meisten Lösungen arbeiten zudem mit idealisierten Modellkörpern (Kugeln), die bei der Verwendung im PET/CT oder SPECT/CT bei der Befüllung mit einem radioaktiv markierten Tracer zu Fehlern durch die inaktiven Glaswände führen.
Um ein Phantom zur regelmäßigen Qualitätskontrolle aber auch zu Entwicklungszwecken multi-zentrisch einsetzen zu können, muss es kompakt und einfach zu bedienen sein und eine hohe Reproduzierbarkeit der Bewegung und der damit erzielten Abbildung besitzen. Tumormodelle (Phantomeinsätze) müssen reproduzierbar und der menschlichen Atmung nachempfunden bewegt werden. Hierfür zeigt die Veröffentlichung KR 10 2010 0 047 910 A eine Vorrichtung mit einem direkten Angriff auf ein Lungen-Phantom im Inneren eines Phantom-Körpers über ein einzelnes Drehgelenk. Damit wird jedoch nur die Ausdehnung und Kontraktion einer Lunge simuliert.
Weiterhin offenbart die Patentveröffentlichung DE 10 2010 061121 A1 eine Bestrahlungsphantomvorrichtung zur Validierung eines Bestrahlungsvorgangs. Zur Bewegung von Teilen eines Tumor-Phantoms im Inneren eines Phantom-Körpers wird eine Vorrichtung, nämlich ein Robotor gezeigt. Dabei weist diese Vorrichtung mehrere Drehgelenke auf.
Algorithmen zur Korrektur bzw. zur Berücksichtigung von atmungsinduzierten Bewegungen der anatomischen Strukturen lassen sich sowohl in der PET- und SPECT-Technik als auch in der Computertomographie nur unzureichend standardisiert und reproduzierbar testen, vergleichen und optimieren. Bisher werden vorrangig digitale Phantome bei der Entwicklung der Rekonstruktionsalgorithmen verwendet. Eine Testung an Hardwaremodellen findet bisher nicht regelhaft statt. Zum anderen gibt es bisher kein Phantom, das an mehreren bildgebenden Modalitäten (PET, SPECT, CT) angewendet werden kann. Gerade bei der zunehmend stärker vertretenen multimodalen Bildgebung (PET/CT und SPECT/CT) ist eine identische Geometrie und Dichteverteilung des Phantoms an allen Modalitäten wichtig.
Darstellung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Sicherheit, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Qualität nuklearmedizinsicher Bildgebungsverfahren zu verbessern. Die Bildgebungsverfahren sollen dazu hinsichtlich des Bildrauschens durch die atmungsinduzierte Bewegung von Tumoren angepasst werden, indem die Konturen der Phantome realitätsnah gestaltet sind und auf bekannten, der Atmung entsprechenden Bewegungsbahnen während des Bildgebungsprozesses bewegt werden.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein mobile, universal einsetzbare Vorrichtung zu entwickeln, welche für eine wiederholbare und reproduzierbare 4D-Bewegung (in Raum und Zeit) eines vollkommen realitätsnahen Phantomeinsatzes für Messungen in medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systemen, wie CT-, PET-, SPECT- oder MRT-Systemen, und an radioonkologischen Beschleunigern einsetzbar ist. Die Bewegung soll dabei in Nachahmung der Bewegungstrajektorien von Tumoren und Läsionen erfolgen. Weiterhin soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Validieren von Geräten für die Computertomographie zur Diagnose und Therapie entwickelt werden, welches multizentrisch, d.h. in verschiedenen Kliniken und für Geräte unterschiedlicher Hersteller, einsetzbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Schritten:

a) Extrahieren von Läsionsbereichen verschiedener Tumore auf der Basis von medizinisch-tomographischen Bildserien,
b) Transferieren der gewonnenen geometrischen Informationen, Punktewolken oder facettierten Flächeninformationen in ein CAD-System,
c) Berechnen von konsistenten und geschlossenen Flächenmodellen aus den geometrischen Informationen aus Schritt b) unter Anwendung eines Reverse-Engineering-Konzepts, indem die in einer Bildebene zugehörigen Randpunkte der extrahierten Bereiche mit Splinekurven verbunden werden und danach die Randpunkte der extrahierten Bereiche senkrecht zu den Bildebenen mit Splinekurven verbunden werden, wodurch eine Kurvenschar (Splinenetz) zur Beschreibung von Außenkonturrandkurven der extrahierten Läsionsbereiche erhalten wird,
d) Verbinden der Kurven zu Teilflächen und Verbinden der Teilflächen zu einem Flächenverbund eines Flächenmodells, welches jeweils ein virtuelles Referenzmodell darstellt, von dem die relevanten geometrischen Daten bekannt und wiederholbar sind,
e) Kategorisieren der verschiedenen virtuellen Referenzmodelle nach ihren morphologischen Ausprägungen und ihrem Volumen, indem zwei Gruppen unterschiedlicher Referenzen angelegt werden,
f) Vergleichen der Referenzmodelle jeder Gruppe und Bilden von Klassen mit jeweils gleichartigen Eigenschaften innerhalb jeder Klasse,
g) Bilden eines Repräsentationsmodells in jeder Klasse einer jeden Gruppe,
h) Skalierung der Repräsentationsmodelle der einzelnen Klassen auf die Repräsentationsvolumina der Gruppen, um Referenzmodellklassen zu bilden, welche in einer Matrix "topologisch-geometrische Ausprägung x Volumen" abgelegt werden, und Bildung einer standardisierten Referenzmodell-Datenbasis unterschiedlicher, realitätsnaher morphologischer Ausprägung,
i) Einteilung der virtuellen Referenzmodelle nach der anatomischen Lage der zu Grunde liegenden Extraktionsbereiche aus den medizinisch-tomographischen Bildserien in Gruppen,
j) Zuordnung einer spezifischen Trajektorie zu jeder anatomischen Lage, und verknüpfen dieser Daten mit der beschriebenen Matrix „topologisch-geometrische Ausprägung x Volumen“,
k) Fertigung von standardisierten Tumor-Phantomen entsprechend der Repräsentationsmodelle mit den Konturen der standardisierten Referenzmodelle durch Gießen oder durch Additive-Manufacturing.

Ein Durchschnittsmodell wird als Repräsentationsmodell in jeder Klasse einer jeden Gruppe aus den in einer Klasse zugehörigen Modellen gebildet. Und das Tumor-Phantom wird in einer Gussform gefertigt, wobei die Gussform aus den Daten für die Repräsentationsmodelle mit den Konturen der standardisierten Referenzmodelle hergestellt wird. Es besteht aus einem wasserlöslichen, biologischen Abformmaterial, welches mit einem in wässriger Lösung vorliegenden Tracer kombinierbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme besteht aus einem Körper-Phantom für die Simulation eines menschlichen Körpers und einer Bewegungseinrichtung für ein Tumor-Phantom im Innern des Körper-Phantoms. Die Bewegungseinrichtung besteht aus einer kinematischen Kette aus mindestens zwei Drehgelenken und einem Schubgelenk, welche das Tumor-Phantom innerhalb des Körper-Phantoms auf Trajektorien analog zur menschlichen Atmung in drei Dimensionen bewegen. Dazu ist das erste Drehgelenk der kinematischen Kette ein exzentrisches Drehgelenk mit einer rotierenden Scheibe und einem außermittig angeordneten Verbindungsstück ist, wobei das Verbindungsstück seinerseits mit dem zweiten Drehgelenk verbunden ist. Das zweite Drehgelenk besteht aus einem Kopfteil und einem, in dem Kopfteil drehbar gelagerten Trägerteil. Das Trägerteil ist Teil des Schubgelenks, in welcher eine Haltevorrichtung für das Tumor-Phantom beweglich angeordnet ist. Die Bewegungseinrichtung besteht aus Werkstoffen, die ähnliche Schwächungseigenschaften für Gamma-Strahlung besitzen wie das umgebende Fluid.
Es sind zwei Verfahren zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme erfindungsgemäß vorgesehen. Für beide Verfahren wird ein Referenzmodells eines Tumor-Phantoms mit einer homogenen Verteilung eines nuklearmedizinischen Tracermaterials in seiner Geometrie bereitgestellt.
Das erste Verfahren nutzt ein oder mehrere erstellte 3D-Datensätze des realitätsnahen Referenzmodells zu einem Modell des Tumor-Phantoms mittels des zu verwendenden medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems. Ein Steuerungs- und Auswertealgorithmen läuft über das erstellte Modell des Tumor-Phantoms, indem je nach Modalität des verwendeten medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems eine gemessene Geometrie aus den Datensätzen mittels Segmentierung bestimmt und mit der bekannten Geometrie des Tumor-Phantoms verglichen wird, um Differenzen abzuleiten. Berechnungs- und Konturierungsalgorithmen zur Volumenbestimmung werden erstellt und optimiert und der zu bestrahlenden Bereiche eines zu heilenden Tumors wird definiert. Es wird eine Bestrahlungsplanung erstellt und die korrekte Übernahme der Bilddaten in die Bestrahlungsplanung für eine anschließende Strahlentherapie kontrolliert. Die Daten für die Bestrahlungsplanung werden an eine medizinisch-tomographische Beschleunigungseinrichtung übertragen.
Das zweite Verfahren nutzt ein oder mehrere erstellte 4D-Datensätze des realitätsnah bewegten Referenzmodells zu einem Modell des Tumor-Phantoms mittels des zu verwendenden medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems. Im Unterschied zu dem vorhergehend beschriebenen Verfahren erfolgt eine Trajektorienextraktion aus den erstellten 4D-Datensätzen zur Bestimmung der Tumorbewegung.
Als medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme werden entweder CT- oder MRT-Systeme oder PET- und SPECT-Systeme mit PET- und SPECT-Datensätzen angewendet. Das gleiche Tumor-Phantom kommt durch die Erfindung an den verschiedenen medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systemen zum Einsatz.
Die verwendeten Phantommodelle entsprechen realitätsnahen Tumorgeometrien und weisen keinen Fehler durch inaktive Glaswände auf. Mittels der Erfindung können PET-, SPECT- und CT-Bildgebung validiert und neue Rekonstruktionsalgorithmen erprobt werden und der Einfluss von Atmungsbewegung auf die Bildgebung an allen drei Modalitäten überprüft werden. Ferner erlaubt die Erfindung die Validierung und Optimierung von Konturierungsalgorithmen für die klinische PET und PET/CT. Weiterhin kann die Erfindung in der Strahlentherapie verwendet werden, um den Einfluss der Atmung auf die Präzision der Bestrahlung zu untersuchen, und Planungsalgorithmen zur Berücksichtigung von Atmungsartefakten können hochpräzise und reproduzierbar untersucht werden. Die vorgestellte Erfindung ermöglicht weiterhin die Validierung von 4D-PET- und 4D-CT-Daten für die strahlentherapeutische Planung.
Dabei kommt an allen Modalitäten die gleiche Phantomanordnung zum Einsatz.
Weitere Vorteile der Erfindung sind, dass die Tumormodelle schnell und reproduzierbar im klinischen Umfeld herzustellen sind und eine definierte und sehr homogene Markierung mit Radiotracern ermöglicht wird. Randschichteffekte wurden mit der erfindungsgemäßen Lösung nicht beobachtet.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist es, dass für den Anwender während der Herstellung der Tumor-Phantome nur eine sehr geringe Strahlenbelastung auftritt.
Durch die Erfindung können im klinischen Prozess Geräte mit den standardisierten Phantomen kalibriert und validiert werden. Das Verfahren und die Vorrichtung sind multizentrisch in den unterschiedlichsten Kliniken und für Geräte der verschiedensten Hersteller von medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systemen, sowohl in der CT- als auch in der PET- und SPECT-Bildgebung, einsetzbar. Das 3D-Hardware-Phantom zur Nachbildung von atmungsinduzierter Bewegung bildet die Trajektorie eines Tumors vollständig in vier Dimensionen ab. Die Modellkörper haben eine reale Tumorgeomtrie. Die verwendeten Phantomeinsätze weisen keinen Randschichteffekt auf. Die Erfindung lässt sich technologisch ebenfalls für die Anwendung in der strahlentherapeutischen Dosimetrie anwenden, womit erstmalig die gesamte onkologische Behandlungskette aus Bildgebung (PET/CT) und Therapie mit einer Phantomanordnung validiert und optimiert werden kann. Das Tumor-Phantom ist mobil und transportierbar.
Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Systeme,
2 einen Ablaufplan für das Generieren virtueller Referenzmodelle,
3 ein Flächenmodell eines erfindungsgemäßen Tumor-Phantoms und
4 eine erfindungsgemäße Bewegungseinrichtung für das Tumor-Phantom.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Systeme wird in 1 gezeigt und besteht aus einem an sich bekannten Körper-Phantom 1 für die Simulation des menschlichen Körpers, einem Tumor-Phantom 2, welches sich in dem Körperphantom befindet, und einer Bewegungseinrichtung 3 für das Tumor-Phantom 2.
Das Körper-Phantom 1 hat die Form eines geschlossenen Ovalzylinders. Zwei ovale Seitenwände 11 begrenzen den ovalzylindrischen Körper 10. Das Phantom kann mit verschiedenen Fluiden, welche die Gewebsdichte des menschlichen Körpers simulieren, befüllt werden und ist somit für eine Reihe von Modalitäten (CT, MR, PET, SPECT und Hybridvarianten davon) anwendbar.
Für die Validierung von PET-, SPECT- und CT-Bildgebung sind eine absolute Wiederholbarkeit, immer gleiche Bedingungen, gleiche Formen der Tumore (was eine Standardisierung der Geometrie bedeutet) und eine sehr gute Handhabbarkeit im klinischen Umfeld von Bedeutung.
Das Tumor-Phantom 2 hat annähernd die Struktur und die Dichte eines menschlichen Tumors. Es ist aus einem wasserlöslichen Material, welches solide, formstabil und genau in den Details ist, hergestellt. Diese Bedingungen werden beispielsweise mit Alginat erreicht. Es sind auch andere Materialien denkbar, welche allerdings die genannten Eigenschaften haben müssen. Das Tumor-Phantom 2 ist in mehreren verschiedenen, genau definierten Größen und Formen hergestellt, um die unterschiedlichen Tumore klassifizieren zu können. Es wird mit einer Additive-Manufacturing-Technologie gefertigt. Hierfür werden CT-Informationen gemessener Tumorgeometrien in realitätsnahe, weiter verarbeitbare CAD-Daten überführt, um anschließend mittels eines Rapid-Prototyping-Prozesses wiederverwendbare Gussformen herzustellen. Unter Verwendung der Gussform und der wasserlöslichen Biomaterialien (Abgussmaterial) werden die realitätsnahen Phantommodelle reproduzierbar hergestellt. Die verwendeten Biomaterialen werden beim Anmischprozess mit einem in Wasserlösung vorliegendem Tracer versetzt und weisen eine homogene Tracerverteilung bis in die Randschichten auf. Als Tracer können alle in der PET- und SPECT-Bildgebung eingesetzten Radiopharmaka verwendet werden. Von dem hergestellten Tumor-Phantom 2 sind die Geometriedaten aus dem CAD-Datensatz exakt bekannt und eignen sich daher sehr gut für die Validierung der Bildgebung, beispielsweise durch Ermittlung von Ortsauflösung, Kontrast und Bestimmung von Recovery Coefficients (RC) hinsichtlich Größe, Volumen und Quantifizierung. Recovery Coefficients (RC) sind definiert als das Verhältnis von gemessener zu wahrer Größe und dienen einer möglichen Korrektur der PET- oder SPECT-Aufnahmen. Ferner lassen sich automatisierte Softwarealgorithmen, welche der Größen- und Volumenbestimmung dienen (auch als Konturierungsalgorithmen bezeichnet) hersteller- und geräteunabhängig überprüfen und optimieren.
In 2 wird ein Ablaufplan für das Generieren virtueller Referenzmodelle gezeigt. Basierend auf den aus CT- und/oder auch PET/CT-Untersuchungen extrahierten Läsionsbereichen werden die vorliegenden geometrischen Informationen, Punktewolken oder facettierte Flächeninformationen, in ein CAD-System transferiert. Unter Anwendung des Reverse-Engineering-Konzepts (auch als Nachkonstruktion bezeichnet) werden aus den geometrischen Informationen konsistente und geschlossene Flächenmodelle geschaffen. Dazu werden die in einer Bildebene zugehörigen Randpunkte der extrahierten Bereiche mit Splinekurven verbunden. Im Anschluss werden senkrecht zu den Bildebenen die Randpunkte der extrahierten Bereiche mit Splinekurven verbunden. Das so entstandene Netz (Kurvenschar) beschreibt die Außenkonturrandkurven der extrahierten Läsionsbereiche. Aufbauend auf dem Splinenetz werden die Kurven zu Teilflächen und die Teilflächen zu einem Flächenverbund verbunden. Das entstandene Flächenmodell (siehe 3) stellt jeweils ein virtuelles Referenzmodell dar, von dem die relevanten geometrischen Informationen bekannt und nachvollziehbar sind. Im Unterschied zum Stand der Technik werden die virtuellen Referenzmodelle über einen Reverse-Engineering-Prozess in einem CAD-System generiert, wodurch alle relevanten Daten exakt bekannt sind.
Die virtuellen Referenzmodelle werden nach ihren morphologischen Ausprägungen und ihrem anatomischem Auftreten kategorisiert. Dazu werden Gruppen dreier unterschiedlicher Referenzen angelegt und anschließend in Klassen zur Standardisierung eingeteilt. Die Referenzen beschreiben:

1. die topologisch-geometrische Ausprägung,
2. die Volumina und
3. die anatomische Lage (spezifische Trajektorie).

Die topologisch-geometrischen Ausprägungen der virtuellen Referenzmodelle einer Gruppe werden verglichen und zu gleichartigen topologisch-geometrischen Klassen zusammengefasst. Aus den in einer topologisch-geometrischen Klasse zugehörigen Modellen wird ein Durchschnittsmodell gebildet, welches das Repräsentationsmodell dieser topologisch-geometrischen Klasse darstellt. Die Volumina der virtuellen Referenzmodelle einer Gruppe werden verglichen und zu gleichartigen Volumen-Klassen zusammengefasst. Aus den einer Volumen-Klasse zugehörigen Volumina werden Durchschnittswerte gebildet, welche das Repräsentationsvolumen dieser Volumen-Klasse darstellen. Durch Skalierung der Repräsentationsmodelle der einzelnen Klassen auf die Repräsentationsvolumina der Gruppen entstehen die Referenzmodellklassen. Jeder Klassenteil beschreibt somit ein bestimmtes Repräsentationsmodell mit einem zugehörigem Repräsentationsvolumen. Dadurch erhält man eine N×M Matrix (topologisch-geometrische Ausprägung×Volumen), welche als standardisierte Referenzmodell-Datenbasis unterschiedlicher, realitätsnaher morphologischer Ausprägung genutzt werden kann. Die virtuellen Referenzmodelle werden nach der anatomischen Lage der zu Grunde liegenden Extraktionsbereiche aus den CT- und/oder PET/CT-Untersuchungen in Gruppen eingeteilt. Durch Auswertung der Bewegung der Läsionen in der CT- bzw. PET/CT-Untersuchung kann jeder anatomischen Lage eine spezifische Trajektorie zugeordnet werden. Die oben beschriebene zweidimensionale Matrix „t opologisch-geometrische Ausprägung x Volumen“ wird durch eine dritte Dimension „Trajektorie“ erweitert, in der die Informationen der spezifischen Trajektorie einer anatomischen Lage enthalten sind.
Die materialisierten physischen Tumor-Phantome 2 bilden die Konturen der standardisierten Referenzmodelle ab. Die Tumor-Phantome 2 werden durch Gießen hergestellt. Durch dieses Fertigungsverfahren werden beliebige Konturen mit Hinterschneidungen und Freiformflächen, wie sie bei realen Tumorgeometrien vorkommen, realisiert. Der Herstellungsprozess ist so ausgeführt, dass ein wiederverwendbarer Einsatz der Gussformen zur Reproduzierbarkeit gegeben ist. Für die Herstellung der Gussformen kommt das Prinzip der Additive-Manufacturing-Technologie unter Verwendung eines Rapid-Prototyping-Verfahrens zum Einsatz. Damit ist es möglich, zeitnah und flexibel auf gewünschte Geometrieänderungen zu reagieren. Das verwendete biologische Abformmaterial ist wasserlöslich und mit dem in wässriger Lösung vorliegenden Tracer kombinierbar. Die Halbwertzeiten des Tracers sind in den Verarbeitungs- und Aushärtezeiten des Abformmaterials berücksichtigt. Hierdurch werden Tumor-Phantome 2 im klinischen Alltag mit bekannter, realitätsnaher Geometrie und einer homogenen Tracerverteilung bis in den Randschichtbereich hergestellt.
Die Tumor-Phantome 2 können aber ebenso direkt mittels 3D-Druckverfahren hergestellt werden, wobei poröse Materialien für den Druck verwendet werden und der Tracer im Nachgang zugefügt wird.
4 zeigt die erfindungsgemäße Bewegungseinrichtung für das Tumor-Phantom 2. Die Bewegungseinrichtung 3 ist so ausgelegt, dass das Tumor-Phantom 2 innerhalb des adäquat ausgelegten Arbeitsraumes im Körper-Phantom 1 die 3D-Bewegung auf Trajektorien (Bewegungsbahnen) analog zur menschlichen Atmung nachempfindet. Die Bewegungseinrichtung 3 besteht aus einer kinematische Kette aus einem ersten und einem zweiten Drehgelenk 31 und 32 und einem Schubgelenk 33. Dazu ist das erste Drehgelenk 31 mit einer Halterung 30 fest verbunden. Die Halterung 30 ist ihrerseits mit einer der beiden Seitenwände 11 des Körper-Phantoms 1 verbunden. Die Halterung 30 kann als Ausführungsform auch Teil eines Roboterarms sein, welcher in den Arbeitsraum hineinragt. Das erste Drehgelenk 31 ist ein exzentrisches Drehgelenk mit einer rotierenden Scheibe 311 und einem außermittig angeordneten Verbindungsstück 312. Das Verbindungsstück 312 ist seinerseits mit dem zweiten Drehgelenk 32 verbunden. Das zweite Drehgelenk 32 besteht aus einem Kopfteil 321 und einem in dem Kopfteil 321 drehbar gelagerten Trägerteil 322. Das Trägerteil 322 ist wiederum Teil des Schubgelenks 33, wobei an das Trägerteil 322 eine Schubgelenkaufnahme 331 angeformt ist. In der Schubgelenkaufnahme 331 ist die Haltevorrichtung 34 für das Tumor-Phantom 2 beweglich angeordnet. Durch diese Anordnung der Gelenke 31, 32 und 33 kann das darauf befestigte Tumor-Phantom 2 in vorgegebenen Trajektorien entsprechend der menschlichen Atmung bewegt werden. Die Haltevorrichtung 34 ist für eine bevorzugte Ausführungsform an ihrem proximalen Ende mit einem Gelenk 341 für drei Freiheitsgrade verbunden. Die Bewegungseinrichtung 3 wird pneumatisch angetrieben. Hierzu werden die in der medizinischen Praxis üblichen Anschlüsse genutzt, welche über die Halterung 30 mit einem entsprechenden Koppelglied mit der Bewegungseinrichtung 3 verbunden werden können.
Die Gelenke und Antriebe sind voll gekapselt und die weitere Konstruktion flüssigkeitsresistent ausgeführt, so dass eine Verwendung in dem fluidgefüllten Körper-Phantom 1 erfolgen kann. Um den Einfluss der Konstruktion auf die allseitige Bildaufnahme zu minimieren, werden als Materialien Werkstoffe verwendet, die in ihrem Einfluss auf die Bildgebung vernachlässigbar sind und keine zusätzlichen Artefakte in der Bildgebung verursachen. Eine so aufgebaute Versuchseinrichtung ist zum Kalibrieren und Validieren einsetzbar. Der optimierte Einsatz in der PET- oder SPECT-Bildgebung wird durch die Möglichkeit der Markierung einer Hintergrundstrahlung garantiert.
Das Tumor-Phantom 2 wird als realitätsnahes Referenzmodell direkt auf einer der Atmung nachempfundenen Bewegungsbahn durch die kinematische mechanische Kette der Bewegungseinrichtung 3 bewegt. Dies erfolgt über einen pneumatischen Antrieb, wobei die schon vorhandenen standardisierten Anschlüsse in den klinischen Einrichtungen genutzt werden. Die Bewegungsbahn ist im Vorfeld exakt bekannt und wird für einen nach der Bildgebung angesetzten Validierungsprozess als Referenz/Sollwert verwendet. Indem die Geometrie und die Trajektorie des Tumor-Phantoms 2 bekannt sind, sind auch das Ziel und der Weg bekannt.
Für das Verfahren zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Systeme wird das Tumor-Phantom 2 mit einer homogenen Verteilung eines Tracermaterials in seiner Geometrie bereitgestellt. Außerdem werden ein 3D-Datensatz oder auch mehrere Datensätze des Tumor-Phantoms 2 mittels eines medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems erstellt. Über dieses 3D-Modell des Tumor-Phantoms 2 läuft ein Algorithmus, indem je nach Modalität des verwendeten medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems, beispielsweise CT-, PET-, SPECT- oder MRT-System, die gemessene Geometrie aus den 3D-Daten mittels Segmentierung bestimmt und mit der bekannten Geometrie des Tumor-Phantoms 2 verglichen wird, um Differenzen (Fehler der Messung) abzuleiten. Da das Tumor-Phantom 2 mit einem nuklearmedizinischen Tracer infundiert ist, kann es je nach verwendetem Radiopharmakon auch mit PET- und SPECT-Systemen gescannt werden. Bei PET- und SPECT-Datensätzen wird ebenfalls die gemessene Aktivitätskonzentration (SUV-„Standardized Uptake Value", Aktivität pro Volumen) mit der tatsächlichen des Tumor-Phantoms 2 verglichen, um Abweichungen der Quantifizierung zu bestimmen. Eine Besonderheit ist, dass immer die gleiche Phantom-Anordnung an den verschiedenen Modalitäten zum Einsatz kommt.
Für ein weiteres Ausführungsbeispiel wird das Referenzmodell eines Tumor-Phantoms 2 mit einer homogenen Verteilung eines nuklearmedizinischen Tracermaterials in seiner Geometrie bereitgestellt. Es werden ein oder mehrere 4D-Datensätze des realitätsnah bewegten Referenzmodells zu einem Modell des Tumor-Phantoms 2 mittels des zu verwendenden medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems erstellt. Der Algorithmus läuft wie bei dem 3D-Modell über das 4D-Modell, und es wird eine gemessene Geometrie aus den Datensätzen mittels Segmentierung bestimmt und mit der bekannten Geometrie des Tumor-Phantoms 2 verglichen, um Differenzen abzuleiten. Ebenso werden Berechnungs- und Konturierungsalgorithmen zur Volumenbestimmung erstellt und optimiert und die zu bestrahlenden Bereiche eines zu heilenden Tumors definiert. Zusätzlich erfolgt eine Trajetorienextraktion aus den erstellten 4D-Datensätzen zur Bestimmung der Tumorbewegung. Danach wird eine Bestrahlungsplanung erstellt und die korrekte Übernahme der Bilddaten in die Bestrahlungsplanung für eine anschließende Strahlentherapie kontrolliert. Die Daten für die Bestrahlungsplanung werden an eine medizinisch-tomographische Beschleunigungseinrichtung übertragen.
Ziel der Vermessung ist die Herstellung von Referenzmodellen für die Kalibrierung von medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systemen, um bestehende Berechnungsalgorithmen für eine Definition der zu bestrahlenden Bereiche zur Heilung von Tumoren gezielt zu verbessern.
Beim Einsatz in multizentrischen Studien sollen die Aufnahme-, Rekonstruktions- und Auswerteparameter an Geräten unterschiedlicher Standorte und Hersteller so optimiert und abgestimmt werden, dass die gemessenen Patientendatensätze direkt vergleichbar sind. Die Optimierung der Aufnahme- und Rekonstruktionsparameter erfolgt dabei durch einen Soll-Ist-Vergleich zwischen den bekannten Werten des Tumor-Phantoms 2 (Geometrie und ggf. Aktivitätskonzentration, wie SUV und Aktivität pro Volumen) und den aus den akquirierten 3D-Bilddaten gemessenen Werten. Die Aufnahme- und Rekonstruktionsparameter werden solange variiert, bis vorher definierte Fehlergrenzen unterschritten werden.
Zur Segmentierung von Geometrien erfolgt ein Vergleich von Algorithmen. Hierzu werden Steuerungs- und Auswertealgorithmen an bewegten Referenzmodellen genutzt, welche realitätsnah sind, deren exakte Bewegungen bekannt sind und deren simulierte Bewegungen den atmungsinduzierten Bewegungen eines Patienten entsprechen. Dies ist bspw. für die Nutzung der Bilddaten in der Bestrahlungsplanung für eine anschließende Strahlentherapie wichtig, da hierfür Konturierungsalgorithmen zur Volumenbestimmung validiert und optimiert werden.
Das Fehlen einer inaktiven Glas- oder Acrylglasbegrenzung des Tumor-Phantoms 2 ist u.a. Bedingung für das Fehlen von Oberflächenschichteffekten, wodurch eine sehr gute Möglichkeit der Vermessung des Phantomeinsatzes gegeben ist. Ziele der Validierung sind dabei: Optimierung von Geräteparametern der Bilddatenakquisition, von Rekonstruktionsparametern und von Softwaretools zur anschließenden Bildverarbeitung (Größenbestimmung, Quantifizierung, statistischer Vergleich mit Voruntersuchungen oder Kollektiven von „Normalpatienten"). Im Rahmen der Qualitätssicherung medizinisch-tomographischer Bildgebung steht die Überprüfung der Konstanz von Abbildungseigenschaften (Orts- und Zeitauflösung, Bildkontrast, Quantifizierung) im Vordergrund. Beim Einsatz in multizentrischen Studien sollen die Aufnahme-, Rekonstruktions- und Auswerteparameter an Geräten unterschiedlicher Standorte und Hersteller so optimiert und abgestimmt werden, dass die gemessenen Patientendatensätze direkt vergleichbar sind. Die mit der Erfindung gegebene Reproduzierbarkeit sowohl der Geometrie als auch der Tracerkonzentration der Phantomeinsätze und der Trajektorien bei Überprüfung von 4D-Bildgebung ist direkte und unabdingbare Voraussetzung. Beim Einsatz zur Validierung und Optimierung in der Strahlentherapie spielt insbesondere die Überprüfung von Konturierungsalgorithmen zur Volumenbestimmung, die Trajektorienextraktion aus 4D-Bilddaten zur Bestimmung der Tumorbewegung, die Kontrolle der korrekten Übernahme der Bilddaten in die Bestrahlungsplanung und die korrekte Übertragung an die Beschleunigungseinrichtung eine zentrale Rolle. Für all diese Fälle wird das gleiche standardisierte Phantom mit definiert wiederholbaren Geometrien und Trajektorien verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Körper-Phantom
10: ovalzylindrischer Körper
11: Seitenwände
2: Tumor-Phantom
3: Bewegungseinrichtung
30: Halterung
31: erstes Drehgelenk
311: rotierende Scheibe
312: Verbindungsstück
32: zweites Drehgelenk
321: Kopfteil
322: Trägerteil
33: Schubgelenk
331: Schubgelenkaufnahme
34: Haltevorrichtung für das Tumor-Phantom 2
341: Gelenk

Claims

Verfahren zur Herstellung von standardisierten Tumor-Phantomen mit den Schritten: a) Extrahieren von Läsionsbereichen verschiedener Tumore auf der Basis von medizinisch-tomographischen Bildserien, b) Transferieren der gewonnenen geometrischen Informationen, Punktewolken oder facettierten Flächeninformationen in ein CAD-System, c) Berechnen von konsistenten und geschlossenen Flächenmodellen aus den geometrischen Informationen aus Schritt b) unter Anwendung eines Reverse-Engineering-Konzepts, indem die in einer Bildebene zugehörigen Randpunkte der extrahierten Bereiche mit Splinekurven verbunden werden und danach die Randpunkte der extrahierten Bereiche senkrecht zu den Bildebenen mit Splinekurven verbunden werden, wodurch eine Kurvenschar (Splinenetz) zur Beschreibung von Außenkonturrandkurven der extrahierten Läsionsbereiche erhalten wird, d) Verbinden der Kurven zu Teilflächen und Verbinden der Teilflächen zu einem Flächenverbund eines Flächenmodells, welches jeweils ein virtuelles Referenzmodell darstellt, von dem die relevanten geometrischen Daten bekannt und wiederholbar sind, e) Kategorisieren der verschiedenen virtuellen Referenzmodelle nach ihren morphologischen Ausprägungen und ihrem Volumen, indem zwei Gruppen unterschiedlicher Referenzen angelegt werden, f) Vergleichen der Referenzmodelle jeder Gruppe und Bilden von Klassen mit jeweils gleichartigen Eigenschaften innerhalb jeder Klasse, g) Bilden eines Repräsentationsmodells in jeder Klasse einer jeden Gruppe, h) Skalierung der Repräsentationsmodelle der einzelnen Klassen auf die Repräsentationsvolumina der Gruppen, um Referenzmodellklassen zu bilden, welche in einer Matrix "topologisch-geometrische Ausprägung x Volumen" abgelegt werden, und Bildung einer standardisierten Referenzmodell-Datenbasis unterschiedlicher, realitätsnaher morphologischer Ausprägung, i) Einteilung der virtuellen Referenzmodelle nach der anatomischen Lage der zu Grunde liegenden Extraktionsbereiche aus den medizinisch-tomographischen Bildserien in Gruppen, j) Zuordnung einer spezifischen Trajektorie zu jeder anatomischen Lage, und verknüpfen dieser Daten mit der beschriebenen Matrix „topologisch-geometrische Ausprägung x Volumen“, k) Fertigung von standardisierten Tumor-Phantomen entsprechend der Repräsentationsmodelle mit den Konturen der standardisierten Referenzmodelle durch Gießen oder durch Additive-Manufacturing.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden eines Durchschnittsmodells als Repräsentationsmodell in jeder Klasse einer jeden Gruppe aus den in einer Klasse zugehörigen Modellen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumor-Phantome in einer Gussform gefertigt werden, wobei die Gussform aus den Daten für die Repräsentationsmodelle mit den Konturen der standardisierten Referenzmodelle hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Struktur und Dichte der Tumor-Phantome denen eines menschlichen Tumors entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumor-Phantome aus einem wasserlöslichen, biologischen Abformmaterial hergestellt werden, welches mit einem in wässriger Lösung vorliegenden Tracer kombinierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche, biologische Abformmaterial Alginat ist.
Vorrichtung zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme, welche aus einem Körper-Phantom (1) für die Simulation eines menschlichen Körpers und einer Bewegungseinrichtung (3) für ein Tumor-Phantom (2) im Innern des Körper-Phantoms (1) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (3) aus einer kinematischen Kette aus mindestens zwei Drehgelenken (31, 32) und einem Schubgelenk (33) besteht, welche das Tumor-Phantom (2) innerhalb des Körper-Phantoms (1) auf Trajektorien analog zur menschlichen Atmung in drei Dimensionen bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehgelenk (31) der kinematischen Kette ein exzentrisches Drehgelenk mit einer rotierenden Scheibe (311) und einem außermittig angeordneten Verbindungsstück (312) ist, wobei das Verbindungsstück (312) seinerseits mit dem zweiten Drehgelenk (32) verbunden ist, welches aus einem Kopfteil (321) und einem in dem Kopfteil (321) drehbar gelagerten Trägerteil (322) besteht, wobei das Trägerteil (322) Teil des Schubgelenks (33) ist und an das Trägerteil (322) eine Schubgelenkaufnahme (331) angeformt ist, in welcher eine Haltevorrichtung (34) für das Tumor-Phantom (2) beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (34) an ihrem proximalen Ende mit einem Gelenk (341) für drei Freiheitsgrade verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Körper-Phantom (1) aus einem ovalzylindrischen, fluidgefüllten Körper (10) besteht und durch zwei ovale Seitenwände (11) begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (3) mit einer der beiden Seitenwände (11) des Körper-Phantoms (1) verbunden ist oder Teil eines Roboterarms ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (3) pneumatisch angetrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (3) aus Werkstoffen besteht, die ähnliche Schwächungseigenschaften für Gamma-Strahlung besitzen wie das umgebende Fluid.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke und Antriebe voll gekapselt sind und die gesamte Bewegungseinrichtung (3) fluidresistent ausgeführt ist.
Verfahren zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme, mit den Schritten: i. Bereitstellen eines nach Anspruch 1 hergestellten Referenzmodells eines Tumor-Phantoms (2) mit einer homogenen Verteilung eines nuklearmedizinischen Tracermaterials in seiner Geometrie, ii. Erstellen eines oder mehrerer 3D-Datensätze des realitätsnahen Referenzmodells zu einem Modell des Tumor-Phantoms (2) mittels des zu verwendenden medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems, iii. Ablauf eines Steuerungs- und Auswertealgorithmus über das erstellte Modell des Tumor-Phantoms (2), indem je nach Modalität des verwendeten medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems eine gemessene Geometrie aus den Datensätzen nach Schritt ii. mittels Segmentierung bestimmt und mit der bekannten Geometrie des Tumor-Phantoms (2) verglichen wird, um daraus Differenzen abzuleiten, iv. Erstellen und Optimieren von Berechnungs- und Konturierungsalgorithmen zur Volumenbestimmung und Definition der zu bestrahlenden Bereiche eines zu heilenden Tumors, v. Erstellen einer Bestrahlungsplanung und Kontrolle der korrekten Übernahme der Bilddaten in die Bestrahlungsplanung für eine anschließende Strahlentherapie, und vi. Übertragung der Daten für die Bestrahlungsplanung an eine medizinisch-tomographische Beschleunigungseinrichtung.
Verfahren zur Validierung von Geräten für medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme, mit den Schritten: i. Bereitstellen eines nach Anspruch 1 hergestellten Referenzmodells eines Tumor-Phantoms (2) mit einer homogenen Verteilung eines nuklearmedizinischen Tracermaterials in seiner Geometrie, ii. Erstellen eines oder mehrerer 4D-Datensätze des realitätsnah bewegten Referenzmodells zu einem Modell des Tumor-Phantoms (2) mittels des zu verwendenden medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems, iii. Ablauf eines Steuerungs- und Auswertealgorithmus über das erstellte Modell des Tumor-Phantoms (2), indem je nach Modalität des verwendeten medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systems eine gemessene Geometrie aus den Datensätzen nach Schritt ii. mittels Segmentierung bestimmt und mit der bekannten Geometrie des Tumor-Phantoms (2) verglichen wird, um daraus Differenzen abzuleiten, iv. Erstellen und Optimieren von Berechnungs- und Konturierungsalgorithmen zur Volumenbestimmung und Definition der zu bestrahlenden Bereiche eines zu heilenden Tumors, v. Trajetorienextraktion aus den nach Schritt ii. erstellten 4D-Datensätzen zur Bestimmung der Tumorbewegung, vi. Erstellen einer Bestrahlungsplanung und Kontrolle der korrekten Übernahme der Bilddaten in die Bestrahlungsplanung für eine anschließende Strahlentherapie, und vii. Übertragung der Daten für die Bestrahlungsplanung an eine medizinisch-tomographische Beschleunigungseinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass als medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme CT- oder MRT-Systeme angewendet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass als medizinisch-tomographische Bildgebungs-Systeme PET- und SPECT-Systeme mit PET- und SPECT-Datensätzen angewendet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den PET- und SPECT-Datensätze eine gemessene Aktivitätskonzentration mit einer tatsächlichen Aktivitätskonzentration des Tumor-Phantoms (2) verglichen wird, um Abweichungen einer Quantifizierung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das gleiche Tumor-Phantom (2) an den verschiedenen medizinisch-tomographischen Bildgebungs-Systemen zum Einsatz kommt.