DE102023105921B3

DE102023105921B3 - Vorrichtung zur magnetresonanz-geführten partikelstrahltherapie und verfahren zum erstellen eines bestrahlungsplans

Info

Publication number: DE102023105921B3
Application number: DE102023105921.1A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Gebauer; Hermann Fuchs
Original assignee: Medizinische Universitaet Wien; Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Medizinische Universitaet Wien; Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2024-06-27
Anticipated expiration: 2043-03-10

Abstract

Das Charakterisieren eines Magnetfelds (300) umfasst ein mehrmaliges Durchstrahlen eines Teilvolumens (310) des Magnetfelds (300) mit einem Ionenstrahl (100) bei unterschiedlichen Ablenkungen des Ionenstrahls (100) entlang mindestens einer ersten Raumachse und/oder bei unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls (100), das Bestimmen von Auftrefforten des Ionenstrahls (100) entlang der ersten Raumachse und/oder entlang einer zu der ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse in dem Magnetfeld (300) oder in Strahlrichtung hinter dem Magnetfeld (300), und das Bestimmen von Parametern des Magnetfelds (300) auf Basis der unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls (100) sowie der Auftrefforte. Das Verfahren ermöglicht das Kompensieren der Wirkung des Magnetfelds (300) eines in einer Vorrichtung (200) zur therapeutischen Partikelstrahltherapie integrierten Magnetresonanztomographen (250) auf den Ionenstrahl (100).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Charakterisieren eines Magnetfeldes sowie eine Vorrichtung zur MR(Magnetresonanz)-geführten Partikelbestrahlung, insbesondere zur MR-geführten Ionenstrahltherapie mit klinischer Ionenbestrahlung unter gleichzeitiger Magnetresonanz-Bildgebung. Die Anmeldung betrifft ferner ein Verfahren zur Erstellung eines Bestrahlungsplans für Vorrichtungen zur MR-geführten Partikelbestrahlung, insbesondere für Bestrahlungsplätze zur Ionenstrahltherapie mit klinischer Ionenbestrahlung.
HINTERGRUND
Anlagen zur Strahlentherapie ermöglichen die medizinische Anwendung von ionisierender Strahlung, z.B. zur Behandlung von malignem Gewebe beim Menschen. Die Wirkung der Bestrahlung beruht im Wesentlichen auf der Energieübertragung auf das durchstrahlte Gewebe bzw. auf das im Gewebe enthaltene Wasser. Dazu nutzt die Photonenstrahltherapie (Englisch: photon beam therapy) Röntgen- bzw. Gammastrahlung, die Partikelstrahltherapie (auch „Ionenstrahltherapie“, Englisch: ion beam therapy) Ionen, z.B. Protonen oder Schwerionen.
Die Energie der Ionen nimmt mit zunehmender Eindringtiefe in das Gewebe ab. Bezogen auf ein Einheitsvolumen steigt die abgegebene Energie mit zunehmender Eindringtiefe an bis die maximale Reichweite (Bragg-Peak) der Ionen im Gewebe erreicht ist. Der Großteil der durch den Ionenstrahl eingetragenen Energie wird daher in einem vergleichsweise schmalen Bereich um den Bragg-Peak herum in das Gewebe eingetragen. Abgesehen davon, dass Fragmente, in die schwere Ionen bei der Bestrahlung zerfallen können, eine höhere Reichweite haben können als die Ausgangsionen, dringt der Ionenstrahl in tiefere Anteile des Gewebes jenseits des Bragg-Peaks nicht vor. Im durchstrahlten Anteil des Gewebes geben die Ionen pro Einheitsvolumen weniger Energie ab als um den Bragg-Peak herum. Die Tiefe des Bragg-Peaks hängt von der kinetischen Energie der Ionen ab. Anders als der Photonenstrahl kann der Ionenstrahl daher in gewissem Umfang tiefenselektiv eingesetzt werden.
Während der therapeutischen Bestrahlung tastet ein dünner Ionenstrahl („Bleistiftstrahl“; Englisch: pencil beam) das Zielgebiet dreidimensional ab, wobei der Ionenstrahl entlang zweier orthogonaler Richtungen z.B. durch ein Magnetfeld so abgelenkt wird, dass eine Querschnittsfläche eines zuvor definiertes Behandlungsgebiets möglichst vollständig punktweise oder kontinuierlich vom Ionenstrahl abgetastet wird, und wobei die Eindringtiefe des Ionenstrahls über die kinetische Energie der Ionen eingestellt wird. Der Ionenstrahl lässt sich mit höherer Tiefenselektivität einsetzen als der Photonenstrahl. Behandlungsbedingte Nebenwirkungen lassen sich reduzieren.
Vor oder während der Strahlenbehandlung eines Körpers wird typischerweise ein bildgebendes Verfahren genutzt, um den Strahl präzise und zuverlässig selektiv auf das zu behandelnde Gewebe zu richten. Photonenbestrahlung kann mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) kombiniert werden, der einen hohen Weichgewebekontrast (Englisch: soft-tissue contrast) liefert. Bei einer Kombination von Ionenbestrahlung mit einem MRT beeinflusst das Magnetfeld des MRTs den Ionenstrahl.
Die Druckschrift US 2015/0094517 A1 beschreibt ein Hadronen-Therapiesystem mit einer Liege, die entlang einer translatorischen Richtung beweglich ist und mit einer Strahlenabgabevorrichtung, die einen Hadronen-Bleistiftstrahl im Wesentlichen parallel zur translatorischen Richtung abgibt, wobei der Hadronen-Bleistiftstrahl entlang zweier Scanrichtungen auslenkbar ist. Die Trajektorie des Bleistiftstrahls wird unter Berücksichtigung von Daten, die das Magnetfeld eines MRTs beschreiben, korrigiert. Eine Therapie-Apparatur, bei der die Ablenkung eines Strahls geladener Teilchen durch das Magnetfeld eines MRTs durch rechnerische Mittel berücksichtigt wird, ist in der Druckschrift US 2011/0237859 A1 beschrieben. Die Druckschrift US 2018/0099154 A1 führt aus, dass zur Korrektur des Einflusses des Magnetfelds eines MRTs auf die Trajektorie eines Hadronenstrahls bereits diverse Lösungen vorgeschlagen wurden. Die Druckschrift US 2016/0213951 A1 beschreibt eine Apparatur mit einer therapeutischen Strahlenquelle, einem MRT und einer zusätzlichen, zum Magnetfeld des MRTs in fester örtlicher Beziehung stehenden Röntgenquelle. Ein der Röntgenquelle am Magnetfeld des MRTs gegenüberliegend angeordnetes Sensor-Array detektiert einen von der Röntgenquelle abgegebenen Röntgenstrahl. Aus den Detektionskoordinaten wird die Position des Magnetfelds des MRTs relativ zu der therapeutischen Strahlenquelle bestimmt. Die Druckschrift US 2009/0149735 A1 beschreibt eine Apparatur zur MRT-gestützten Elektronenstrahltherapie. Das MRT-Gerät und die Elektronenstrahlquelle sind derart miteinander gekoppelt, dass der Elektronenstrahl das Zielobjekt bei gleichbleibender Qualität der MRT-Bilder von allen Seiten bestrahlen kann.
Der vorliegenden Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Partikelstrahltherapie zur Verfügung zu stellen. Von der Aufgabe wird die Angabe eines Verfahrens zum Erstellen eines Bestrahlungsplans für eine solche Vorrichtung und die Angabe eines Verfahrens zur Charakterisierung eines Magnetfelds umfasst.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die nachfolgenden Figuren illustrieren Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Ionenstrahltherapie, eines Verfahrens zum Erstellen eines Bestrahlungsplans für eine solche Vorrichtung und eines Verfahrens zur Charakterisierung eines Magnetfelds. Die in den Figuren gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A und 1B sind schematische Darstellungen eines Ionenstrahls im feldfreien Raum und in einem Magnetfeld zur Erläuterung des Hintergrunds der Ausführungsformen.
2A und 2B sind schematische Darstellungen von Auftrefforten eines Ionenstrahls im feldfreien Raum und in einem Magnetfeld zur Illustration eines Verfahrens zur Charakterisierung eines Magnetfelds nach einer Ausführungsform.
3 ist ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Magnetresonanz-geführten Partikelstrahltherapie nach einer Ausführungsform.
4 ist eine schematische Darstellung eines Ionenstrahls in Magnetfeldern unterschiedlicher Lage zur Illustration eines Verfahrens zum Erstellen eines Bestrahlungsplans für eine Vorrichtung zur Magnetresonanz-geführten Partikelstrahltherapie nach einer Ausführungsform, die die Lage eines Magnetfeldmodells bestimmt.
5 ist eine schematische Darstellung eines Ionenstrahls in Magnetfeldern unterschiedlicher Form zur Illustration eines Verfahrens zum Erstellen eines Bestrahlungsplans für eine Vorrichtung zur Magnetresonanz-geführten Partikelstrahltherapie nach einer Ausführungsform, die Koeffizienten von Termen eines Magnetfeldmodells bestimmt.

DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die beigefügten Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen, die die Erfindung realisieren können. Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. wird mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Die Komponenten der Ausführungsformen können entlang unterschiedlicher Orientierungen ausgerichtet werden. Insoweit dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keinerlei Weise einschränkend aufzufassen. Neben den gezeichneten Ausführungsformen gibt es weitere Ausführungsformen. An den in den Figuren dargestellten und/oder im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen können strukturelle oder andere Änderungen vorgenommen werden, ohne dass dabei vom beanspruchten Gegenstand abgewichen wird. Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern sich nicht ausdrücklich oder inhärent etwas anderes ergibt.
Ein zum Verständnis der der vorliegenden Offenbarung beitragender Aspekt betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines Magnetfelds, insbesondere zur Charakterisierung eines solchen Magnetfeldes, das durch eine Vorrichtung zur MR(Magnetresonanz)-Bildgebung erzeugt wird, etwa durch einen Magnetresonanztomographen.
Mindestens ein Teilvolumen des Magnetfelds wird mehrmalig mit einem Ionenstrahl durchstrahlt. Der Ionenstrahl durchstrahlt dabei das Teilvolumen bei unterschiedlichen Ablenkungen des Ionenstrahls entlang mindestens einer ersten Raumachse und/oder bei unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls.
Bei dem Magnetfeld kann es sich um ein stationäres Magnetfeld, ein annähernd stationäres Magnetfeld oder ein dynamisches Magnetfeld mit hohem stationären Anteil handeln. Das Magnetfeld kann ein im Wesentlichen homogenes Kernfeld und ein das Kernfeld umhüllendes inhomogenes Randfeld aufweisen. Das vom Ionenstrahl durchstrahlte Teilvolumen kann vollständig innerhalb des Kernfelds definiert sein. Der Ionenstrahl wird beispielsweise durch schnelle Protonen oder Schwerionen, z.B. Kohlenstoff-Ionen, gebildet.
Die Verteilung der kinetischen Energie der den Ionenstrahl bildenden Ionen ist schmal im Verhältnis zum Mittelwert, bzw. der kinetischen Energie beim Verteilungsmaximum. Die mittlere kinetische Energie der den Ionenstrahl bildenden Ionen wird im Folgenden vereinfachend als „Energie des Ionenstrahls“ bezeichnet. Die Energieverteilung der Ionen im Ionenstrahl ist typischerweise gaußförmig bei einer Standardabweichung σ kleiner 1%. Die mittlere kinetische Energie entspricht dann auch der kinetischen Energie des Verteilungsmaximums. In Abwesenheit des Magnetfeldes und ohne Ablenkung breitet sich der Ionenstrahl entlang einer Hauptstrahlrichtung aus, wobei sich der Ionenstrahl aufweitet. Das Teilvolumen kann entlang der Hauptstrahlrichtung angeordnet sein.
Der Ionenstrahl kann das Teilvolumen unter unterschiedlichen Ablenkungen des Ionenstrahls entlang der ersten Raumachse, oder entlang der ersten Raumachse und einer zu der ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse durchstrahlen. Beispielsweise wird das Teilvolumen bei mindestens zwei, z.B. mindestens vier oder mindestens neun unterschiedlichen Ablenkungen entlang der ersten und zweiten Raumachse durchstrahlt. Alternativ oder zusätzlich kann der Ionenstrahl das Teilvolumen für genau eine, für mehrere, oder für jede der Ablenkungen bei mindestens zwei unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls durchstrahlen.
Die erste Raumachse und die zweite Raumachse können orthogonal zur Hauptstrahlrichtung ausgerichtet sein. Während jeder Durchstrahlung bleiben die Ablenkung des Ionenstrahls und die Energie des Ionenstrahls konstant. Der Ionenfluss im Ionenstrahl kann für alle Durchstrahlungen gleich oder unterschiedlich sein.
Das Verfahren zur Charakterisierung eines Magnetfelds umfasst zudem das Bestimmen der Auftrefforte des Ionenstrahls entlang der ersten Raumachse und/oder einer zu der ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse in dem Magnetfeld oder in Strahlrichtung hinter dem Magnetfeld.
Insbesondere wird für jedes Durchstrahlen die Position des Auftrefforts des Ionenstrahls in mindestens einer von der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse aufgespannten Detektionsebene relativ zu einem Bezugsort bestimmt. Der Bezugsort kann z.B. der Schnittpunkt der Hauptstrahlrichtung mit der Detektionsebene sein. Die Detektionsebene kann innerhalb des Kernfelds oder in Strahlrichtung hinter dem Kernfeld, z.B. hinter dem Magnetfeld liegen.
Auf Basis der unterschiedlichen Ablenkungen und/oder der unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls sowie der Auftrefforte des Ionenstrahls werden Parameter des Magnetfelds bestimmt.
Zur Bestimmung der Parameter des Magnetfelds können zusätzlich Informationen zum Ionenpfad vor Eintritt in das Magnetfeld herangezogen werden. Informationen zum Ionenpfad vor Eintritt in das Magnetfeld können z.B. Angaben zur Position des Ionenstrahls relativ zu einem Bezugsort in mindestens einer von der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse aufgespannten Ausgangsebene in Strahlrichtung vor dem Magnetfeld enthalten. Der Bezugsort kann z.B. der Schnittpunkt der Hauptstrahlrichtung mit der Ausgangsebene sein. Alternativ oder ergänzend können solche Informationen zum Ionenpfad bei abgeschaltetem Magnetfeld in mindestens einer Detektionsebene in dem oder in Strahlrichtung hinter dem von dem eingeschalteten Magnetfeld durchdrungenen Volumen gewonnenen werden. Solche Informationen zum Ionenpfad vor Eintritt in das Magnetfeld können aus einem Sicherheits- und Kontrollsystem der Ionenstrahlvorrichtung abrufbar sein.
Insbesondere lässt sich die Lage eines Magnetfelds mit dem Grunde nach bekannter Form bestimmen, wobei die Lage die Position des Magnetfelds relativ zu einem Bezugsort und/oder die Orientierung des Magnetfelds relativ zu einem Bezugssystem angibt. Alternativ lässt sich die Form eines unbekannten Magnetfelds bestimmen.
Mit dem angegebenen Verfahren zur Charakterisierung eines Magnetfelds lässt sich mindestens die Wirkung des Magnetfelds auf Ionenstrahlen mit den zur Charakterisierung des Magnetfelds benutzten Auslenkungen und/oder Energien bestimmen. Aus den ermittelten Parametern für das Magnetfeld lässt sich zudem die Wirkung des Magnetfelds auf Ionenstrahlen mit anderen Auslenkungen und/oder Energien als den zur Bestimmung der Parameter des Magnetfelds benutzten mindestens näherungsweise berechnen. Die Kenntnis der Parameter des Magnetfeldes ermöglicht die Berücksichtigung des Magnetfelds bei der Steuerung des Ionenstrahls. Insbesondere können Ablenkung und/oder Energie eines Ionenstrahls zur therapeutischen Bestrahlung derart gesteuert werden, dass die Wirkung des Magnetfelds auf den Ionenstrahl vollständig oder zumindest in hohem Maße kompensiert wird.
Das Ermitteln der Parameter des Magnetfelds kann ein analytisches und/oder numerisches Lösen der Lorentzgleichung für Strecken des Ionenstrahls im Magnetfeld zu den Auftrefforten umfassen, wobei die Auftrefforte in einer Detektionsebene oder mehreren, zueinander parallelen Detektionsebenen bestimmt werden.
Eine durch einen ortsabhängigen Verlauf von Richtung und Stärke des Magnetfelds gegebene Form des Magnetfelds kann mindestens näherungsweise bekannt sein und die durch das Verfahren bestimmten Parameter können mindestens einen Verschiebungsvektor umfassen, der eine Position des Magnetfelds relativ zu einem Bezugsort beschreibt, und/oder einen Orientierungsvektor, der eine Orientierung des Magnetfelds relativ zu einem Bezugssystem angibt.
Der Verschiebungsvektor und/oder der Orientierungsvektor werden bestimmt, indem die Lorentzgleichung für den Weg des Ionenstrahls durch das Magnetfeld bis zu dem jeweiligen Auftreffort analytisch und/oder numerisch gelöst wird, wobei die bekannte Form des Magnetfelds zugrunde gelegt wird. Danach wird in einem iterativen Prozess die Lage des modellierten Magnetfelds so lange variiert, bis die für das Magnetfeld errechneten Positionen der Auftrefforte bestmöglich mit den messtechnisch ermittelten Positionen der Auftrefforte übereinstimmen.
Die Parameter können alternativ auch Koeffizienten eines Modells des Magnetfelds umfassen.
Die Form des Magnetfelds kann beispielsweise durch einen Satz von Feldvektoren angegeben werden, die Betrag und Richtung der magnetischen Feldstärke für einen Satz von vorgegebenen Orten im dreidimensionalen Raum angeben. Alternativ oder zusätzlich kann die Form des Magnetfelds durch ein qualitatives Modell mit einer begrenzten Anzahl von voneinander unabhängigen Termen angegeben werden, wobei jeder Term jeweils durch einen Koeffizienten gewichtet wird. Die Terme des Modells werden aus bekannten Eigenschaften der Magnetfeldquelle und der Umgebung abgeleitet bzw. beruhen auf Beobachtung und Erfahrung.
Die Koeffizienten werden bestimmt, indem die Lorentzgleichung für den Weg des Ionenstrahls durch das Magnetfeld bis zu dem jeweiligen Auftreffort analytisch und/oder numerisch gelöst wird, wobei für die Koeffizienten zunächst Startwerte eingesetzt werden, die z.B. auf Erfahrungswerten und früheren Beobachtungen beruhen können. Danach werden in einem Optimierungsprozess die Koeffizienten des Magnetfeldmodells so lange variiert, bis die für das Magnetfeldmodell errechneten Positionen der Auftrefforte bestmöglich mit den messtechnisch ermittelten Positionen der Auftrefforte übereinstimmen.
Die Ablenkungen können derart gewählt werden, dass die Auftrefforte des Ionenstrahls in mindestens einer durch die erste Raumachse und die zweiten Raumachse aufgespannten Detektionsebene in oder in Strahlrichtung hinter dem Magnetfeld ein Punktmuster bilden.
Ein solches Punktmuster, insbesondere ein regelmäßiges Punktmuster, ermöglicht eine einfache Zuordnung einer Auslenkung des Ionenstrahls zu einem Auftreffort und damit eine einfachere Auswertung.
Das Magnetfeld kann von einem Magnetresonanztomographen und der Ionenstrahl von einer Ionenquelle einer Vorrichtung zur Partikelstrahltherapie erzeugt werden. Wird das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen in der aufgezeigten Weise charakterisiert, dann lässt sich in der Folge die Wirkung des Magnetfelds auf den therapeutischen Ionenstrahl kompensieren. Damit wird die Grundlage dafür geschaffen, dass die Vorrichtung zur Partikelstrahltherapie mit einem Bildgebungsverfahren mit hohem Weichgewebekontrast kombiniert werden kann, das im engen zeitlichen Zusammenhang mit einer therapeutischen Bestrahlung genutzt werden, ohne die Präzision der Ionenstrahlführung zu beeinträchtigen.
Die Positionen der Auftrefforte in der Detektionsebene oder den Detektionsebenen können mittels eines zur Ortsjustierung des Ionenstrahls eingerichteten Strahlendetektors bestimmt werden. Mit der Nutzung eines ohnehin in der Vorrichtung vorhandenen Strahlendetektors zur Bestimmung der Auftrefforte kann die Charakterisierung des Magnetfelds ohne gerätetechnischen Mehraufwand an bestehenden Vorrichtungen zur Ionenstrahltherapie durchgeführt werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur MR-geführten Partikelstrahltherapie. Die Vorrichtung entspricht funktional einem Bestrahlungsplatz und weist einen Magnetresonanztomographen, ein Strahllinienendstück, eine Strahlablenkeinrichtung und eine Steuereinheit auf.
Der Magnetresonanztomograph erzeugt in einem Beobachtungsvolumen ein Magnetfeld.
Das Beobachtungsvolumen ist ein Ausschnitt des Raums oberhalb einer Unterlage, auf der ein Patient gelagert und teilweise fixiert werden kann, etwa einer Liege. Das Magnetfeld kann ein stationäres Magnetfeld, ein annähernd stationäres Magnetfeld oder ein dynamisches Magnetfeld mit hohem stationären Anteil sein. Das Magnetfeld kann ein im Wesentlichen homogenes Kernfeld und ein das Kernfeld umhüllendes inhomogenes Randfeld aufweisen. Das Beobachtungsvolumen wird von dem Magnetfeld vollständig durchdrungen.
Das Strahllinienendstück (Englisch: treatment nozzle) ist an eine Strahllinie (Englisch: beamline) anschließbar und gibt einen von der Strahllinie empfangenen Ionenstrahl durch ein Austrittsfenster ab.
Die Strahllinie empfängt Ionen von einer Ionenquelle, z.B. einem Teilchenbeschleuniger, und führt die Ionen in Form eines Ionenstrahls im Innern eines Strahlrohrs. Dazu weist die Strahllinie mehrere Ablenk- und Fokussiereinrichtungen auf, die auf den Ionenstrahl wirken.
Der Ionenstrahl wird beispielsweise durch schnelle Protonen oder Schwerionen, z.B. Kohlenstoff-Ionen, gebildet. Die Verteilung der kinetischen Energie der den Ionenstrahl bildenden Ionen ist schmal im Verhältnis zur kinetischen Energie des Verteilungsmaximums. Die mittlere kinetische Energie der den Ionenstrahl bildenden Ionen wird im Folgenden vereinfachend als „Energie des Ionenstrahls“ bezeichnet.
Das Strahllinienendstück schließt mechanisch an die Strahllinie an und kann weitere Einrichtungen zur Beeinflussung der Eigenschaften des aus dem Austrittsfenster des Strahllinienendstücks austretenden Ionenstrahls aufweisen.
Die Strahlablenkeinrichtung lenkt den durch das Austrittsfenster austretenden Ionenstrahl in Abhängigkeit von ersten Steuerdaten entlang zweier orthogonaler Raumachsen in einer Weise ab, dass der Ionenstrahl ein Teilvolumen des Beobachtungsvolumens abtastet.
Die Strahlablenkeinrichtung kann in einen röhrenartigen Abschnitt des Strahllinienendstücks integriert sein oder an das Austrittsfenster anschließen. Das Strahllinienendstück und die Strahlablenkeinrichtung können so eingerichtet sein, dass sich der Ionenstrahl ohne Ablenkung durch die Strahlablenkeinrichtung entlang einer Hauptstrahlrichtung ausbreitet und dabei nur geringfügig aufweitet.
Die Strahlablenkeinrichtung kann den Ionenstrahl entlang einer ersten Raumachse und entlang einer zu der ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse ablenken. Der Grad der Ablenkung wird für beide Raumachsen durch die ersten Steuerdaten festgelegt. Die erste Raumachse und die zweite Raumachse können orthogonal zur Hauptstrahlrichtung ausgerichtet sein. Die durch die Strahlablenkeinrichtung möglichen maximalen Ablenkungen bestimmen im Zielvolumen den Auslenkbereich entlang der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung gemäß einer Bestrahlungsplanungsdatei (Bestrahlungsplan) zu steuern. Der Bestrahlungsplan enthält die ersten Steuerdaten, wobei die ersten Steuerdaten aus Rohdaten für eine Bestrahlung eines vorgegebenen Zielgebiets innerhalb des Teilvolumens und aus Korrekturdaten zur Kompensation eines Einflusses des von dem Magnetresonanztomographen erzeugten Magnetfelds auf den Ionenstrahl innerhalb des Magnetfelds abgeleitet sind. Die Korrekturdaten sind aus einer Wirkung des Magnetfelds auf einen von dem Strahllinienendstück abgegebenen Ionenstrahl abgeleitet.
Die Rohdaten definieren das Zielgebiet einer therapeutischen Bestrahlung in mindestens einer zur Hauptstrahlrichtung orthogonalen Bestrahlungsebene, beispielsweise in mehreren parallelen Bestrahlungsebenen. Die Rohdaten beschreiben z.B. den Umriss eines Stücks malignen Gewebes, das von gutartigem Gewebe umhüllt ist, in einer oder mehreren Behandlungsebenen, wobei die Rohdaten auf einen Bezugsort oder auf Bezugskoordinaten am Patienten bzw. an der Vorrichtung bezogen sind. Die Rohdaten können vor Beginn der Strahlentherapie durch bildgebende Verfahren oder automatisierte Scanverfahren erstellt und über eine Datenschnittstelle in ein Bestrahlungsplanungssystem eingespeist werden. Das Bestrahlungsplanungssystem umfasst ein Programm zum Erstellen einer Bestrahlungsplanungsdatei (Bestrahlungsplan). Der Bestrahlungsplan enthält die zur Bestrahlung des Zielgebiets erforderlichen Bestrahlungsparameter.
Die Rohdaten beschreiben das Zielgebiet in einer Form, die es dem Bestrahlungsplanungssystem ermöglicht, Steuerdaten für ein Abtasten des Zielgebiets ohne Magnetfeld zu ermitteln.
Die Korrekturdaten werden unmittelbar aus einer messtechnisch in einem Kalibrierbetrieb ermittelten Wirkung des vom MRT erzeugten Magnetfelds auf einen von dem Strahllinienendstück abgegebenen Ionenstrahl abgeleitet.
Das Bestrahlungsplanungssystem bestimmt die ersten Steuerdaten unter Berücksichtigung der Korrekturdaten derart, dass sich der das Magnetfeld durchstrahlende Ionenstrahl zwischen dem Austrittsfenster des Strahllinienendstücks und dem Zielgebiet so verhält, als wäre das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen nicht vorhanden. Mit den so ermittelten ersten Steuerdaten kann der Ionenstrahl das Zielgebiet auch bei aktiviertem Magnetfeld mit hoher Ortsgenauigkeit abtasten. Insbesondere kann der Ionenstrahl derart gesteuert werden, dass die Wirkung des Magnetfelds auf den Ionenstrahl vollständig oder zumindest in hohem Maße kompensiert wird. Der von dem Bestrahlungsplanungssystem erstellte Bestrahlungsplan enthält die so ermittelten ersten Steuerdaten. Die Steuereinheit überträgt die ersten Steuerdaten aus dem Bestrahlungsplan an die Strahlablenkeinrichtung.
Der Magnetresonanztomograph nutzt für die Aufnahme der Bilddaten ein starkes magnetisches Feld, das den Ionenstrahl aus seiner Solllage auslenkt. Das magnetische Feld ist vor und nach der eigentlichen Aufnahme der Bilddaten im Wesentlichen zeitlich invariant (stationär) bzw. weist einen starken stationären Anteil auf.
Die Ausführungsformen ermöglichen die Kompensation des Einflusses mindestens des stationären Anteils des Magnetfeldes eines Magnetresonanztomographen und damit eine MR-Bildgebung im engen zeitlichen Zusammenhang mit einer medizinischen Partikelstrahlenbehandlung, insbesondere unmittelbar vor, während und/oder nach jeder Bestrahlung. Der hohe Weichgewebekontrast der MR-Bildgebung ermöglicht eine gute Lokalisierung des zu bestrahlenden Gewebes durch den Bediener, wodurch die Steuerung des Ionenstrahls nachjustiert, der Strahlungseintrag besser auf das maligne Gewebe begrenzt und unnötiger Strahlungseintrag in gesundes Gewebe reduziert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Strahldämpfungseinrichtung auf. Die Strahldämpfungseinrichtung beeinflusst eine Energie des durch das Austrittsfenster austretenden Ionenstrahls bzw. die Geschwindigkeit der Ionen im Ionenstrahl in Abhängigkeit von zweiten Steuerdaten. Der Bestrahlungsplan enthält die zweiten Steuerdaten. Die zweiten Steuerdaten sind aus den Rohdaten und den Korrekturdaten ermittelt.
Insbesondere bestimmt das Bestrahlungsplanungssystem die ersten und zweiten Steuerdaten unter Berücksichtigung der Korrekturdaten derart, dass sich der das Magnetfeld durchstrahlende Ionenstrahl zwischen dem Austrittsfenster des Strahllinienendstücks und dem Zielgebiet so verhält, als wäre das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen nicht vorhanden.
Die Strahlentherapie nutzt unterschiedliche Energien und damit unterschiedliche Reichweiten der Ionen im Gewebe zum Abtasten des Zielgebiets entlang der Strahlrichtung. Die Reichweite wird durch das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen beeinflusst. Die Korrektur der Reichweite des Ionenstrahls verbessert z.B. die Begrenzung des Strahlungseintrags auf das maligne Gewebe und kann dazu beitragen, unnötigen Strahlungseintrag in gesundes Gewebe weiter zu reduzieren.
Die Vorrichtung weist einen Strahlendetektor auf. Der Strahlendetektor bestimmt Positionen der Auftrefforte des Ionenstrahls in mindestens einer zu einer Hauptstrahlrichtung des nicht abgelenkten Ionenstrahls geneigten, z.B. orthogonalen, Detektionsebene innerhalb des Teilvolumens oder in Strahlrichtung hinter dem Teilvolumen.
Der Strahlendetektor kann zusätzlich zur obligatorischen Ortsjustierung des Ionenstrahls im Zuge der Gerätekalibrierung geeignet und eingerichtet sein. Ein solcher Strahlendetektor zur Ortsjustierung des Ionenstrahls im Zuge der Gerätekalibrierung kann ohnehin bereits Teil der Vorrichtung sein. Andernfalls kann der Strahlendetektor allein zur Bestimmung des Magnetfelds eingebaut sein und betrieben werden. Der Strahlendetektor kann z.B. entlang der Hauptstrahlrichtung beweglich gelagert sein, um die Auftrefforte für die gleichen Ablenkungen und Energien des Ionenstrahls nacheinander in mehreren Detektionsebenen entlang der Hauptstrahlrichtung zu erfassen
Die Vorrichtung weist eine Kalibriereinheit auf. Die Kalibriereinheit steuert einen Kalibrierbetrieb der Vorrichtung, bestimmt im Kalibrierbetrieb die Korrekturdaten und gibt die Korrekturdaten über eine gerätetechnische oder programmtechnische Schnittstelle aus. Im Kalibrierbetrieb durchstrahlt der Ionenstrahl jeweils für unterschiedliche Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls das Teilvolumen des von dem Magnetresonanztomographen erzeugten Magnetfelds, wobei jeweils Positionen von Auftrefforten des Ionenstrahls in mindestens einer von der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse aufgespannten Detektionsebene bestimmt werden. Aus den unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls und den Positionen der Auftrefforte werden die Korrekturdaten bestimmt.
Die Korrekturdaten können an ein Bestrahlungsplanungssystem übertragen werden. Auf Basis der Korrekturdaten erstellt das Bestrahlungsplanungssystem einen Bestrahlungsplan mit der Maßgabe, dass die Wirkung des MRT-Magnetfelds bestmöglich kompensiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Kalibriereinheit dazu eingerichtet, auf Basis der im Kalibrierbetrieb verwendeten unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls und auf Basis der im Kalibrierbetrieb bestimmten Positionen der Auftrefforte des Ionenstrahls für die Durchstrahlungen im Kalibrierbetrieb bei bekannter Form Parameter des von dem Magnetresonanztomographen erzeugten Magnetfelds zu bestimmen, wobei die Parameter Vektoren, die eine Lage des Magnetfelds relativ zu einem Bezugsort beschreiben und/oder Koeffizienten für Terme eines Modells des Magnetfelds umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform können die Ablenkungen für den Kalibrierbetrieb derart gewählt sein, dass ein gesamter Auslenkbereich der Strahlablenkeinrichtung entlang der zwei Raumachsen abgedeckt ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Kalibrierbetrieb für mindestens eine Ablenkung mindestens zwei Durchstrahlungen mit Ionenstrahlen unterschiedlicher Energien umfassen.
Insbesondere kann im Kalibrierbetrieb der Ionenstrahl das Teilvolumen unter unterschiedlichen Ablenkungen entlang der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse durchstrahlen. Beispielsweise wird das Teilvolumen bei mindestens zwei, z.B. mindestens vier oder mindestens neun unterschiedlichen Ablenkungen entlang der ersten und zweiten Raumachse durchstrahlt. Alternativ oder zusätzlich kann der Ionenstrahl das Teilvolumen für genau eine, für mehrere, oder für jede der Ablenkungen bei mindestens zwei unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls durchstrahlen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Bestrahlungsplans für eine Vorrichtung zur Magnetresonanz-geführten Partikelstrahltherapie, insbesondere für einen mit einem Magnetresonanztomographen ausgestatteten Behandlungsplatz zur Strahlentherapie.
In einem Beobachtungsvolumen wird durch einen der Vorrichtung zugeordneten Magnetresonanztomographen ein Magnetfeld erzeugt.
Ein Teilvolumen des Beobachtungsvolumens wird mit einem von der Vorrichtung gesteuerten Ionenstrahl bei unterschiedlichen Ablenkungen des Ionenstrahls entlang mindestens einer ersten Raumachse und/oder bei unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls mehrmals durchstrahlt. In dem Teilvolumen oder in Strahlrichtung hinter dem Teilvolumen werden Auftrefforte des Ionenstrahls entlang der ersten Raumachse und einer zur ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse bestimmt. Auf Basis der unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls und der Auftrefforte des Ionenstrahls werden Korrekturdaten zur Kompensation der Wirkung des Magnetfelds auf den Ionenstrahl in dem Teilvolumen bestimmt. Die Korrekturdaten werden an ein Programm zum Erstellen eines Bestrahlungsplans (Bestrahlungsplanungssystem) übertragen.
Während jeder Durchstrahlung bleiben die Ablenkung des Ionenstrahls und die Energie des Ionenstrahls gleich. Der Ionenfluss im Ionenstrahl kann während jeder Durchstrahlung konstant sein.
Beispielsweise wird das Teilvolumen bei mindestens zwei, z.B. mindestens vier oder mindestens neun unterschiedlichen Ablenkungen durchstrahlt, wobei die Energie des Ionenstrahls gleich sein kann. Nach einem anderen Beispiel wird das Teilvolumen bei nur einer Ablenkung oder ohne Ablenkung des Ionenstrahls bei einer Vielzahl unterschiedlicher Energien des Ionenstrahls durchstrahlt. Ein weiteres Beispiel kombiniert unterschiedliche Ablenkungen mit unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls.
Die Auftrefforte werden bestimmt, indem beispielsweise für jeden Auftreffort die Position in einer Detektionsebene bestimmt wird, die von der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse aufgespannt wird und orthogonal zu einer Hauptstrahlrichtung des nicht abgelenkten Ionenstrahls ausgerichtet sein kann. Die Detektionsebene kann sich innerhalb des Teilvolumens oder in Strahlrichtung hinter dem Teilvolumen befinden. Die Auftrefforte können für die gleiche Ablenkung und die gleiche Energie des Ionenstrahls in mehreren Detektionsebenen entlang der Hauptstrahlrichtung ermittelt werden.
Aus den unterschiedlichen Ablenkungen und der Position der Auftrefforte in den Detektionsebenen werden für jede Ablenkung des Ionenstrahls Korrekturdaten ermittelt, die die Wirkung des Magnetfelds auf den Ionenstrahl beschreiben.
Die Korrekturdaten werden einem Programm zum Erstellen eines Bestrahlungsplans übergeben. Ein Bestrahlungsplan umfasst alle Steuerdaten, die für den Betrieb einer Vorrichtung zur Ionenstrahltherapie im Rahmen einer durchgehenden Strahlungsbehandlung erforderlich sind. Auf Grundlage der Korrekturdaten erstellt das Programm zum Erstellen des Bestrahlungsplans die Steuerdaten im Bestrahlungsplan derart, dass die Wirkung des MRT-Magnetfelds bestmöglich kompensiert wird. Dazu berücksichtigt das Programm die Korrekturdaten.
In einem anschließenden Therapiebetrieb steuert die Steuereinrichtung den Ionenstrahl anhand des Bestrahlungsplans dann so, dass bei der therapeutischen Bestrahlung die Wirkung des Magnetfelds des Magnetresonanztomographen auf den Ionenstrahl kompensiert wird. Der Ionenstrahl kann dann ein vorgegebenes Zielgebiet im Behandlungsvolumen auch bei aktivem Magnetfeld mit hoher Ortsgenauigkeit abtasten, wodurch der Magnetresonanztomograph zeitnah zur therapeutischen Bestrahlung eingesetzt werden kann.
Die hohe Selektivität der Partikelbestrahlung lässt dem Grunde nach eine sehr präzise Behandlung des malignen Gewebes selektiv zum gesunden Gewebe zu. Dazu müssen Lage und Ausdehnung des malignen Gewebes hinreichend genau bekannt sein und der Ionenstrahl muss sich präzise genug führen lassen können. Dazu ist es derzeit üblich, vor der Partikelbestrahlung Röntgenaufnahmen des malignen Gewebes und dessen Umgebung am Patientenbett oder am Behandlungsgerät anzubringen. Verbleibenden Unsicherheiten in der Positionierung, z.B. aufgrund von Tumorbewegungen, wird durch Hinzufügen von Toleranzzonen an das eigentliche Zielgebiet Rechnung getragen, um das maligne Gewebe sicher zu entfernen. Die Toleranzzonen vergrößern das insgesamt zu bestrahlende Gebiet und setzen einen größeren Teil des gesunden Gewebes der Bestrahlung aus.
Der hohe Weichgewebekontrast der MR-Bildgebung ermöglicht zwar eine bessere Lokalisierung des zu bestrahlenden Gewebes; auf Magnetresonanz beruhende bildgebende Verfahren (MR-Bildgebung) nutzen aber zur Aufnahme ein starkes magnetisches Feld, das den Ionenstrahl aus seiner Solllage auslenkt. Das magnetische Feld ist vor der eigentlichen Aufnahme im Wesentlichen zeitlich invariant (stationär) bzw. weist einen starken stationären Anteil auf.
Die Berücksichtigung der Korrekturdaten bei der Steuerung von Ablenkung und Energie des Ionenstrahls ermöglicht die Kompensation des Einflusses mindestens des stationären Anteils des Magnetfeldes der MRT-Vorrichtung und damit eine MR-Bildgebung im engen zeitlichen Zusammenhang mit einer therapeutischen Partikelstrahlenbehandlung, insbesondere unmittelbar vor, während und/oder nach jeder Bestrahlung. Das zu bestrahlenden Gewebe wird besser lokalisiert, wodurch der Strahlungseintrag besser auf das maligne Gewebe begrenzt und unnötiger Strahlungseintrag in gesundes Gewebe verringert werden kann.
Modelle für das Magnetfeld, die aus den Eigenschaften der Magnetfeldquelle und der Umgebung des Bestrahlungsplatzes abgeleitet werden, liefern gerade für die Randbereiche des Magnetfelds oftmals unbefriedigende Näherungen. Mit den im Kalibrierbetrieb gewonnenen Korrekturdaten lassen sich Modellbasierte Ansätze verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Korrekturdaten Koeffizienten eines Modells des Magnetfelds in dem durchstrahlten Teil des Beobachtungsvolumens.
Das Modell des Magnetfelds kann voneinander unabhängige Terme enthalten, die jeweils durch Koeffizienten gewichtet werden. Die Koeffizienten des Modells des Magnetfelds charakterisieren Form und Lage des Magnetfelds in dem durchstrahlten Teil des Beobachtungsvolumens. Die Form des Magnetfelds entspricht dem ortsabhängigen Verlauf von Richtung und Stärke des Magnetfelds. Die Koeffizienten können mittels eines Optimierungsverfahrens, z.B. dem Nelder-Mead-Verfahren oder eines Fitting-Algorithmus bestimmt werden, bei dem eine beispielweise durch die Methode der kleinsten Quadrate (MKQ; Englisch: method of least squares) bestimmte Restabweichung zwischen den für ein Modell ermittelten Auftrefforten und den tatsächlichen Auftrefforten minimiert wird.
Die Auswertung der Position der Auftrefforte bei unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls im Kalibrierbetrieb ermöglicht eine genauere Bestimmung von Form und Lage des Magnetfelds, so dass die Wirkung des Magnetfelds auf einen beliebigen, das Magnetfeld durchstrahlenden Ionenstrahl genauer beschrieben werden kann.
Für den Therapiebetrieb berechnet das Bestrahlungsplanungssystem unter Berücksichtigung der im Kalibrierbetrieb ermittelten Koeffizienten des Modells für das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen die Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls, die zum Abtasten des durch die Rohdaten beschriebenen Zielgebiets im Therapiebetrieb mit aktivem Magnetfeld erforderlich sind, und adaptiert den Bestrahlungsplan entsprechend.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Korrekturdaten Vektoren, die eine Lage des Magnetfeldes relativ zu einem Bezugsort beschreiben.
Diese Ausführungsform betrifft Fälle, in denen die Form des Magnetfelds a priori hinreichend genau bekannt ist, nicht aber dessen Position relativ zu einem Bezugsort an der Vorrichtung und/oder dessen Orientierung. Mit dem beschriebenen Kalibrierverfahren lassen sich Vektoren angeben, die die Lage des Magnetfelds relativ zu einem Bezugssystem beschreiben.
Die Steuereinheit berechnet die Ablenkungen und/oder Energien, die zum Abtasten des durch die Rohdaten beschriebenen Zielgebiets im Therapiebetrieb erforderlich sind, unter Berücksichtigung der bereits im Vorfeld ermittelten Koeffizienten des Modells für das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen sowie des Verschiebevektors.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ermitteln der Korrekturdaten ein analytisches und/oder numerisches Lösen der Lorentzgleichung für Strecken des Ionenstrahls im Beobachtungsvolumen zu den Auftrefforten.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Ablenkungen derart gewählt, dass bei Abwesenheit des inhomogenen stationären Magnetfeldes die Auftrefforte in einer in dem Teilvolumen oder in Strahlrichtung hinter dem Teilvolumen durch die erste Raumachse und die zweiten Raumachse aufgespannten Detektorebene zu einem Punktmuster angeordnet sind.
Das Punktmuster kann unregelmäßig oder regelmäßig sein. Beispielsweise kann das Punktmuster ein regelmäßiges Gitter mit quadratischen Maschen oder ein rotationssymmetrisches Punktmuster sein.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Ablenkungen derart gewählt, dass ein gesamter Auslenkbereich entlang der ersten Raumachse und/oder ein gesamter Auslenkbereich entlang der zweiten Raumachse abgedeckt werden.
Die Auswertung von Durchstrahlungen bei den maximalen Ablenkungen entlang beider Raumachsen ermöglicht es, Korrekturdaten für das gesamte für die Bestrahlung vorgesehene Beobachtungsvolumen zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Auftrefforte in mehr als einer Detektionsebene ermittelt, wobei die Detektionsebenen entlang der Hauptstrahlrichtung voneinander beabstandet sind.
1A zeigt einen Ionenstrahl 100 in einer Ruhelage, auf die sich die im Folgenden genannten Ablenkungen des Ionenstrahls 100 beziehen. In der Ruhelage breitet sich der nicht abgelenkte Ionenstrahl 100 entlang einer Hauptstrahlrichtung aus. Der Ionenstrahl 100 tritt durch eine Gewebeoberfläche 351 in ein Gewebe 350 ein. Die Energie des Ionenstrahls und damit die Reichweite des Ionenstrahls 100 im Gewebe 350 ist so gewählt, dass der Ionenstrahl 100 innerhalb eines Zielgebiets 311 im Gewebe 350 endet.
Zur Abtastung des Zielgebiets 311 lenkt eine Strahlablenkeinrichtung 220 den Ionenstrahl 100 mittels magnetischer und/oder elektrischer Felder entlang einer x-Achse und entlang einer y-Achse ab.
1B zeigt die Wirkung eines Magnetfelds 300 auf den nicht ausgelenkten Ionenstrahl 100 der 1A. Das Magnetfeld 300 durchdringt einen Teil des Gewebes 350 mit dem Zielgebiet 311. Das Magnetfeld 300 ist im Wesentlichen stationär oder umfasst einen stationären Anteil und ist mindestens in seinem Randbereich inhomogen. Das Magnetfeld 300 lenkt den Ionenstrahl 100 ab. Durch die gekrümmte Wegstrecke im Gewebe reduziert sich auch die Eindringtiefe in das Gewebe 350.
Bei der Integration eines MRTs in einen Behandlungsplatz zur Partikelstrahltherapie beeinflusst demnach das Magnetfeld 300 des MRTs die Dosisverteilung im Gewebe 350. Dazu wird in einem ersten Schritt die durch das Magnetfeld 300 bewirkte Strahlablenkung berechnet. In einem zweiten Schritt werden die Steuerdaten für die Strahlablenkeinrichtung 220 und ggf. eine Strahldämpfungseinrichtung so berechnet, dass die durch das Magnetfeld 300 bewirkte Stahlablenkung kompensiert wird.
Eine Möglichkeit zur Berechnung der Strahlablenkung des Ionenstrahls 100 durch das Magnetfeld 300 ist die Erweiterung der relativistischen Bewegungsgleichung für ein Ion mit der Ruhemasse m₀, der Ladung q und der Geschwindigkeit $\vec{v}$
in einem Magnetfeld $\vec{B}$
nach Gleichung (1): $\frac{d}{d t} (γ m_{0} \vec{v}) = q (\vec{v} \times \vec{B})$
Der Lorentz-Faktor γ ergibt sich dabei aus der Geschwindigkeit $\vec{v}$
des Ions und der Lichtgeschwindigkeit c nach Gleichung (2): $γ = {(1 - \frac{{| \vec{v} |}^{2}}{c^{2}})}^{- \frac{1}{2}}$
Beim Durchgang des Ionenstrahls 100 durch das Gewebe 350 deponieren die Ionen Energie entlang der Wegstrecke. Die Abnahme der Energie der Ionen kann berücksichtigt werden, indem beispielsweise die Geschwindigkeit ${\vec{v}}_{n e w}$
eines Ions mit einer Ausgangsgeschwindigkeit ${\vec{v}}_{o l d}$
nach einer um d inkrementierten Weglänge nach der Bethe-Bloch-Formel gemäß den Gleichungen (3) und (4) berechnet wird: ${\vec{v}}_{n e w} = {\vec{v}}_{o l d} - \frac{d \vec{r}}{d x + d y + d z} \times (| {\vec{v}}_{o l d} | - | \vec{v} (γ') |)$
$γ' = γ_{o l d} - \frac{1}{m_{0}} \int_{0}^{d} \frac{d E}{d s} d s$
Monte-Carlo- oder Pencil-Beam Algorithmen, die auf einem solchen Ansatz zur Dosisberechnung beruhen, erfordern eine detaillierte Kenntnis der Form des Magnetfelds 300 und seiner Lage in Bezug auf den Behandlungsstrahl. Zwar kann das Magnetfeld in einem MRT ein sehr homogenes Kernfeld aufweisen; neben dem Kernfeld umfasst ein solches Magnetfeld aber auch inhomogene und nicht oder bisher bestenfalls annähernd zu modellierende Randfelder, in denen das Magnetfeld stark abfällt. Ein Behandlungsstrahl durchstrahlt immer einen Abschnitt eines solchen Randfelds. Wird der Behandlungsstrahl abgelenkt, um verschiedene Positionen im Zielgebiet abzutasten, dann durchstrahlt der Ionenstrahl auch zwangsläufig Bereiche des Randfelds mit unterschiedlichen Feldverläufen. Der Einfluss des Randfelds auf den Ionenstrahl hängt daher stark von der Ablenkung des Ionenstrahls ab.
Zur Integration eines MRTs in einen Behandlungsplatz zur Ionenstrahltherapie zielen die vorliegenden Ausführungsformen auf eine präzise Charakterisierung des von dem MRT erzeugten Magnetfelds und die Kompensation der durch das Magnetfeld 300 bewirkten Strahlablenkung.
2A und 2B beziehen sich auf ein Verfahren zur Charakterisierung eines Magnetfelds 300, insbesondere eines Magnetfelds 300 mit einem inhomogenen Anteil.
2A zeigt in der linken Bildhälfte schematisch eine Strahlablenkeinrichtung 220 für einen Ionenstrahl 100. Referenzsteuerdaten steuern die Strahlablenkeinrichtung 220 so, dass der Ionenstrahl 100 nacheinander neun unterschiedliche Ablenkungen entlang einer ersten Raumachse (x-Achse) und einer zur ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse (y-Achse) erfährt.
Die rechte Bildhälfte zeigt die resultierenden Auftrefforte 401 des Ionenstrahls 100 in einer Detektionsebene 410, die von der x-Achse und der y-Achse aufgespannt wird, für den feldfreien Fall. In diesem Beispiel sind die Referenzsteuerdaten so gewählt, dass die Auftrefforte 401 in der Detektionsebene 410 in drei Zeilen und drei Spalten angeordnet sind, wobei der Zeilenabstand dem Spaltenabstand entspricht. Die Lage der Auftrefforte 401 liefert Informationen zum Ionenpfad in Strahlrichtung vor dem vom eingeschalteten Magnetfeld durchdrungenen Volumen.
In 2B durchstrahlt der Ionenstrahl 100 mindestens ein Teilvolumen des zu charakterisierende Magnetfelds 300 mehrmals bei unterschiedlichen Ablenkungen des Ionenstrahls 100 entlang der x-Achse und y-Achse, wobei die Energie des Ionenstrahls 100 für alle Ablenkungen gleich ist. Zum besseren Vergleich wird in diesem Beispiel die Strahlablenkeinrichtung 220 mit den gleichen Referenzsteuerdaten gesteuert, wie sie für das Beispiel der 2A zugrunde gelegt werden.
Die rechte Bildhälfte zeigt wieder die resultierenden Auftrefforte 401 des Ionenstrahls 100 in der Detektionsebene 410. Unter dem Einfluss des Magnetfelds 300 verschieben sich die Auftrefforte 401 für jede der Ablenkungen. Gegenüber dem Beispiel der 2A verschiebt sich für jede Ablenkung der Auftreffort 401 in unterschiedlichem Maße und in unterschiedlicher Richtung.
Die Positionen der Auftrefforte 401 des Ionenstrahls 100 in der Detektionsebene 410 werden entlang der x-Achse und der y-Achse bestimmt. Aus den Positionen der Auftrefforte 401 für die unterschiedlichen Ablenkungen können Parameter des Magnetfelds bestimmt werden, z.B. die Lage des Magnetfelds sofern dessen Form bekannt ist, oder die Koeffizienten von Termen eines mathematischen Modells des Magnetfelds.
Das mathematische Modell beruht auf einem in-silico Computermodell des das Magnetfeld erzeugenden Magneten und ermöglicht es dem Grunde nach, den Einfluss des Magnetfelds 300 auf den Ionenstrahl für jede beliebige Auslenkung zu berechnen. Durch das Bestimmen der Auftrefforte für vordefinierte Ablenkungen kann das mathematische Modell in-situ in einem Kalibrierbetrieb des Bestrahlungsplatzes verifiziert und/oder durch Neuberechnung der Koeffizienten der Terme verbessert werden. Für den folgenden Therapiebetrieb wird der Berechnung der Steuerdaten für die erforderlichen Ablenkungen und Energien des Ionenstrahls das verbesserte Modell zugrunde gelegt. Damit lässt sich eine zur Therapie gewünschte Positionierungsgenauigkeit des Behandlungsstrahls im Zielgebiet von unter 0,5mm lateraler Abweichung erreichen.
3 zeigt eine Vorrichtung 200 zur Magnetresonanz-geführten Partikelstrahltherapie, die zum Charakterisieren des Magnetfelds 300 eines MRTs 250 und zu dessen Kompensation anhand verbesserter Modellkoeffizienten eingerichtet ist.
Die Vorrichtung 200 umfasst ein Strahllinienendstück 210, das an eine Strahllinie 110 angeschlossen ist. Das Strahllinienendstück 210 nimmt einen in der Strahllinie 110 geführten Ionenstrahl 100 auf und gibt den Ionenstrahl 100 durch ein Austrittsfenster 219 in Richtung des Magnetfelds 300 ab. Eine Strahlablenkeinrichtung 220 lenkt den durch das Austrittsfenster 219 austretenden Ionenstrahl 100 in Abhängigkeit von ersten Steuerdaten SD1 entlang zweier orthogonaler Raumachsen ab, so dass der Ionenstrahl 100 ein Teilvolumen 310 des Magnetfelds 300 durchstrahlt. Eine Strahldämpfungseinrichtung 230 beeinflusst die Energie des durch das Austrittsfenster 219 austretenden Ionenstrahls 100 in Abhängigkeit von zweiten Steuerdaten SD2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Strahlablenkeinrichtung 220 und die Strahldämpfungseinrichtung 230 innerhalb des Strahllinienendstücks 210 angeordnet.
Eine Steuereinheit 280 überträgt die ersten Steuerdaten SD1 an die Strahlablenkeinrichtung 220 und die zweiten Steuerdaten SD2 an die Strahldämpfungseinrichtung 230. Die Steuereinheit 280 erhält die ersten und zweiten Steuerdaten SD1, SD2 aus einem Bestrahlungsplan. Den Bestrahlungsplan erstellt ein Bestrahlungsplanungssystem 400 aus Rohdaten DR für eine Bestrahlung eines Zielgebiets 311 innerhalb des Teilvolumens 310 und aus Korrekturdaten DK zur Kompensation des Einflusses des von dem Magnetresonanztomographen 250 erzeugten Magnetfelds 300 auf den Ionenstrahl 100.
Ein Strahlendetektor 260 ermittelt die Positionen von Auftrefforten des Ionenstrahls 100 in einer von der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse aufgespannten Detektionsebene 410 hinter dem Teilvolumen 310.
Eine Kalibriereinheit 270 steuert einen Kalibrierbetrieb der Vorrichtung 200. Die Kalibriereinheit 270 kann als ein in die Ablaufsteuerung der Steuereinheit 280 integriertes Programmmodul oder als eigenständiges prozessorgesteuertes Steuergerät realisiert sein. Im Kalibrierbetrieb veranlasst die Kalibriereinheit 270 das Durchstrahlen des Magnetfelds 300 für vordefinierte Ablenkungen und Energien des Ionenstrahls 100 und das Erfassen der Auftreffpunkte für die vordefinierten Ablenkungen und Energien des Ionenstrahls 100. Aus den vordefinierten Ablenkungen und Energien für den Kalibrierbetrieb und den im Kalibrierbetrieb ermittelten Auftrefforten bestimmt die Kalibriereinheit 270 die Korrekturdaten DK und gibt die Korrekturdaten DK an das Bestrahlungsplanungssystem 400 aus.
Die Korrekturdaten DK können Parameter des Magnetfelds 300 enthalten, wobei die Parameter Vektoren, die eine Position und eine Orientierung eines qualitativen Modells 285 des Magnetfelds 300 relativ zu einem Bezugssystem beschreiben, und/oder Koeffizienten des Modells 285 des Magnetfelds 300 umfassen können.
4 bezieht sich auf die Bestimmung von Position und/oder Orientierung des vom MRT erzeugten Magnetfelds, insbesondere der Position und/oder Orientierung eines vordefinierten Modells 285 des Magnetfelds relativ zu einem Bezugssystem.
Im Kalibrierbetrieb werden die Auftrefforte für die Durchstrahlung des Magnetfelds bei den Ablenkungen nach 2B in einer oder mehreren Detektionsebenen bestimmt. Für die Form des vom MRT erzeugten Magnetfeld liegt eine geschlossene Beschreibung in Form eines Modells 285 vor.
Die relativistische Lorentz-Gleichung (1) wird in einem iterativen Verfahren für unterschiedliche Lagen 301, 302, 303 des Modells 285 des Magnetfeldes gelöst, wobei in einer der Detektionsebenen für die Lage 301 die Auftrefforte 401, für die Lage 302 die Auftrefforte 402 und für die Lage 303 die Auftrefforte 303 errechnet werden. Diejenige Lage, für die sich über alle Detektionsebenen die beste Übereinstimmung der errechneten Auftrefforte mit den im Kalibrierbetrieb gemessenen Auftrefforten ergibt, fließt in die Korrekturdaten ein, beispielsweise in Form eines Ortsvektors, der die Position dieses Modells 285 relativ zu einem Bezugsort angibt und/oder eines Orientierungsvektors, der die Orientierung des betreffenden Modells 285 relativ zu einem Bezugssystem angibt.
Reicht die Messung genau eines Punktmusters an genau einer Position der Detektionsebene entlang der Hauptstrahlrichtung und mit genau einer Energie des Ionenstrahls nicht aus, um Position und Orientierung des Magnetfeldes entlang aller drei Raumachsen zu bestimmen, dann können im Kalibrierbetrieb für das gleiche Punktmuster die Auftrefforte bei mehreren unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls ermittelt werden. Im Vergleich zu Messungen an mehreren Positionen der Detektionsebene kann der Aufwand erheblich reduziert werden.
5 bezieht sich auf die Bestimmung von Koeffizienten des Models des vom MRT erzeugten Magnetfelds.
Im Kalibrierbetrieb werden die Auftrefforte für die Durchstrahlung des Magnetfelds bei den Ablenkungen nach 2B bestimmt. Für das vom MRT erzeugte Magnetfeld liegt ein Grundmodell mit mehreren unabhängigen Termen vor.
Die relativistische Lorentz-Gleichung (1) wird in einem iterativen Verfahren für unterschiedliche Koeffizienten der Terme des Grundmodells des Magnetfeldes gelöst, wobei jeder Koeffizient einen Term des Grundmodells 285 gewichtet. Die Koeffizienten beeinflussen die Form des Magnetfelds. Für ein Modell 321 mit einer ersten Kombination von Koeffizienten ergeben sich rechnerisch die Auftrefforte 421, Für ein Modell 322 mit einer zweiten Kombination von Koeffizienten ergeben sich rechnerisch die Auftrefforte 422, und für ein Modell 323 mit einer dritten Kombination von Koeffizienten ergeben sich rechnerisch die Auftrefforte 423. Diejenige Kombination von Koeffizienten, für die sich die beste Übereinstimmung der errechneten Auftrefforte mit den im Kalibrierbetrieb gemessenen Auftrefforten ergibt, definiert das Magnetfeldmodell zur Berechnung der Steuerdaten für den Behandlungsstrahl.
Für eine genaue Behandlungsplanung ist es nicht erforderlich, die vollständige Form des Magnetfelds zu kennen, da der Behandlungsstrahl nur ein kleines Teilvolumen des Magnetfelds durchstrahlt. Für ein solches Teilvolumen lässt sich ein Modell mit einer vergleichsweise kleinen Anzahl unabhängiger Terme angeben, so dass die Koeffizienten des Modells mit vergleichsweise wenig Messaufwand im Kalibrierbetrieb bestimmt werden können.

Claims

Vorrichtung (200) zur Magnetresonanz-geführten Partikelstrahltherapie, aufweisend: einen Magnetresonanztomographen (250), eingerichtet zum Erzeugen eines Magnetfelds (300) in einem Beobachtungsvolumen; ein Strahllinienendstück (210), eingerichtet zum Anschluss an eine Strahllinie (110) und zum Abgeben eines von der Strahllinie (110) empfangenen Ionenstrahls (100) durch ein Austrittsfenster (219); eine Strahlablenkeinrichtung (220), dazu eingerichtet, den durch das Austrittsfenster (219) austretenden Ionenstrahl (100) in Abhängigkeit von ersten Steuerdaten entlang zweier orthogonaler Raumachsen derart abzulenken, dass der Ionenstrahl (100) ein Teilvolumen (310) des Beobachtungsvolumens abtastet; eine Steuereinheit (280), dazu eingerichtet, die Strahlablenkeinrichtung (220) gemäß einer Bestrahlungsplanungsdatei zu steuern, wobei die Bestrahlungsplanungsdatei die ersten Steuerdaten enthält, die ersten Steuerdaten aus Rohdaten für eine Bestrahlung eines Zielgebiets (311) innerhalb des Teilvolumens (310) und aus Korrekturdaten zur Kompensation eines Einflusses des von dem Magnetresonanztomographen (250) erzeugten Magnetfelds auf den Ionenstrahl (100) für die Strahlablenkeinrichtung (220) ermittelt sind, und die Korrekturdaten aus einer Wirkung des Magnetfelds (300) auf einen von dem Strahllinienendstück (210) abgegebenen Ionenstrahl (100) abgeleitet sind; einen Strahlendetektor (260), der dazu eingerichtet ist, Positionen von Auftrefforten des Ionenstrahls (100) in einer von der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse aufgespannten Detektionsebene innerhalb des Teilvolumens oder in Strahlrichtung hinter dem Teilvolumen zu bestimmen; und eine Kalibriereinheit (270), die dazu eingerichtet ist, einen Kalibrierbetrieb der Vorrichtung (200) zu steuern, im Kalibrierbetrieb die Korrekturdaten zu bestimmen, und die Korrekturdaten über eine gerätetechnische oder programmtechnische Schnittstelle auszugeben, wobei im Kalibrierbetrieb der Ionenstrahl (100) das Teilvolumen jeweils für unterschiedliche Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls (100) durchstrahlt, jeweils Positionen von Auftrefforten des Ionenstrahls (100) in mindestens einer von der ersten Raumachse und der zweiten Raumachse aufgespannten Detektionsebene (410) bestimmt, und die Korrekturdaten aus den unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls (100) und den Positionen der Auftrefforte bestimmt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend: eine Strahldämpfungseinrichtung (230), dazu eingerichtet eine Energie des durch das Austrittsfenster (219) austretenden Ionenstrahls (100) in Abhängigkeit von zweiten Steuerdaten zu beeinflussen, wobei die Bestrahlungsplanungsdatei die zweiten Steuerdaten enthält und die zweiten Steuerdaten aus den Rohdaten und den Korrekturdaten ermittelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Kalibriereinheit (270) dazu eingerichtet ist, auf Basis der im Kalibrierbetrieb verwendeten unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls (100) und auf Basis der im Kalibrierbetrieb bestimmten Positionen der Auftrefforte des Ionenstrahls (100) Parameter des Magnetfelds (300) zu bestimmen, wobei die Parameter Vektoren, die eine Lage des Magnetfelds (300) relativ zu einem Bezugssystem beschreiben, und/oder Koeffizienten eines Modells des Magnetfelds (300) umfassen.
Verfahren zum Erstellen eines Bestrahlungsplans für eine Vorrichtung (200) zur Magnetresonanz-geführten Partikelstrahltherapie, umfassend: Erzeugen eines Magnetfelds in einem Beobachtungsvolumen (300) durch einen Magnetresonanztomographen (250) der Vorrichtung (100); mehrmaliges Durchstrahlen eines Teilvolumens (310) des Beobachtungsvolumens (300) mit einem von der Vorrichtung (200) gesteuerten Ionenstrahl (100) bei unterschiedlichen Ablenkungen des Ionenstrahls (100) entlang mindestens einer ersten Raumachse und/oder bei unterschiedlichen Energien des Ionenstrahls (100); Bestimmen von Auftrefforten des Ionenstrahls (100) in einer von der ersten Raumachse und einer zur ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse aufgespannten Detektionsebene in dem Teilvolumen (310) oder in Strahlrichtung hinter dem Teilvolumen (310); Ermitteln, in einem Kalibrierbetrieb, von Korrekturdaten für die Ablenkung des Ionenstrahls zur Kompensation der Wirkung des Magnetfelds auf den Ionenstrahl (100) in dem Teilvolumen auf Basis der unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls (100) und der Auftrefforte des Ionenstrahls (100), wobei im Kalibrierbetrieb der Ionenstrahl (100) das Teilvolumen jeweils für unterschiedliche Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls (100) durchstrahlt, jeweils Positionen von Auftrefforten des Ionenstrahls (100) in der Detektionsebene (410) bestimmt, und die Korrekturdaten aus den unterschiedlichen Ablenkungen und/oder Energien des Ionenstrahls (100) und den Positionen der Auftrefforte bestimmt werden; und Übertragen der Korrekturdaten an ein Programm zum Erstellen eines Bestrahlungsplans über eine gerätetechnische oder programmtechnische Schnittstelle.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Korrekturdaten Koeffizienten eines Modells des Magnetfelds in dem durchstrahlten Teil des Beobachtungsvolumens umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei die Korrekturdaten einen Vektor umfassen, der eine Lage des Magnetfeldes relativ zu einem Bezugsort beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Ermitteln der Korrekturdaten ein analytisches und/oder numerisches Lösen der Lorentzgleichung für Strecken des Ionenstrahls (100) im Beobachtungsvolumen zu den Auftrefforten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Ablenkungen derart gewählt werden, dass bei Abwesenheit des inhomogenen stationären Magnetfeldes die Auftrefforte in dem Teilvolumen oder in Strahlrichtung hinter dem Teilvolumen in einer durch die erste Raumachse und die zweiten Raumachse aufgespannten Detektorebene zu einem Punktmuster angeordnet sind.