DE10305421B4

DE10305421B4 - Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens einer oberen Schranke, mindestens einer Blendenöffnung und mindestens eines Parametersatzes für die Bestrahlung eines Zielvolumens in einem Körper

Info

Publication number: DE10305421B4
Application number: DE2003105421
Authority: DE
Inventors: Konrad Prof. Dr. Engel
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: DE10305421A1; WO2004069336A1

Abstract

Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens einer oberen Schranke einer Bestrahlungsdosis für die Bestrahlung eines Zielvolumens (4) in einem Körper (3) durch eine Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), wobei mehrere Parameter der Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), insbesondere die relative Bestrahlungsrichtung (θ, β, φ, I, H), die Strahlgeometrie, die Bestrahlungszeit und/oder die Bestrahlungsintensität einstellbar sind, und eine nicht zu unterschreitende und im Wesentlichen nicht zu überschreitende Mindestbestrahlungsdosis für die Bestrahlung des Zielvolumens (4) vorgegeben ist und weitere, außerhalb des Zielvolumens (4) liegende Volumenelemente (30) des Körpers (3) jeweils mit einer die mindestens eine obere Schranke nicht zu überschreitenden Strahlendosis beaufschlagt werden, mit den Schritten:
a) Berechnung der Strahlendosis mindestens eines außerhalb des Zielvolumens (4) liegenden Volumenelements (30) bei Variation mindestens eines Bestrahlungsparameters (θ, β, φ, I, H) unter der Bedingung, dass mindestens ein Zielvolumenelement (40) des Zielvolumens (4) mindestens die Mindestbestrahlungsdosis erhält;
b) Bestimmung zweier oberer Schranken des mindestens einen Volumenelements (30) als...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens einer oberen Schranke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur automatischen Berechung mindestens einer Blendenöffnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und ein Verfahren zur automatischen Berechnung eines Parametersatzes für die Bestrahlung eines Zielvolumens in einem Körper durch eine Bestrahlungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 6 bzw. 8.
Bei der Bestrahlung von Körpern, insbesondere in der medizinischen Strahlentherapie, ist es notwendig, eine Vielzahl von Parametern auf das jeweilige zu bestrahlende Körpergebiet einzustellen. Dabei ist es häufig wünschenswert, das zu bestrahlende Zielvolumen mit einer nicht zu unterschreitenden und im Wesentlichen nicht zu überschreitenden Mindestbestrahlungsdosis zu beaufschlagen, um beispielsweise die Behandlung eines Tumors zu ermöglichen. Das Übrige, außerhalb des Zielgebiets liegende Volumen des Körpers soll hingegen mit einer möglichst geringen Strahlungsdosis beaufschlagt werden, um unnötige Schädigungen des Materials bzw. des Gewebes zu vermeiden.

Parametersätze für Bestrahlungsvorrichtungen wurden bislang derart bestimmt, dass ein behandelnder Arzt sowohl eine wenig zu überschreitende Mindestdosis festlegt, mit der das Zielgebiet bestrahlt werden soll als auch eine obere Schranke angibt, mit der die umliegenden Volumenbereiche des Körpers, insbesondere auch zu schützende Organe, maximal bestrahlt werden sollen. Diese vom Arzt angegebene obere Schranke wird entweder empirischen Untersuchungen entnommen oder entspricht der Erfahrung des jeweiligen Arztes. Anhand von Tabellenwerken, umfangreichen Nachschlagwerken und empirischen Optimierungen der Strahlungsbedingungen können so bislang unter Zuhilfenahme von Simulationen und zeitaufwändigen mathematischen Suchverfahren Parametersätze für die Bestrahlung ermittelt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens einer oberen Schranke, mindestens eines Parametersatzes bzw. mindestens einer Blendenöffnung für die Bestrahlung eines Zielvolumens in einem Körper anzugeben.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens einer oberen Schranke für die Bestrahlung eines Zielvolumens durch eine Bestrahlungsvorrichtung in einem Körper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Demgemäß sind mehrere Parameter der Bestrahlungsvorrichtung, insbesondere die relative Bestrahlungsrichtung, die Strahlgeometrie, die Bestrahlungszeit und/oder die Bestrahlungsintensität einstellbar und es ist eine nicht zu unterschreitende und im Wesentlichen nicht zu überschreitende Mindestbestrahlungsdosis für die Bestrahlung des Zielvolumens vorgegeben. Weitere, außerhalb des Zielvolumens liegende Volumenelemente des Körpers werden jeweils mit einer die mindestens eine obere Schranke nicht zu überschreitenden Strahlendosis beaufschlagt, wobei die obere Schranke mit den folgenden Schritten berechnet wird:

a) Berechnung der Strahlendosis mindestens eines außerhalb des Zielvolumens liegenden Volumenelements bei Variation mindestens eines Bestrahlungsparameters unter der Bedingung, dass mindestens ein Zielvolumenelement des Zielvolumens mindestens die Mindestbestrahlungsdosis erhält;
b) Bestimmung zweier oberer Schranken des mindestens einen Volumenelements als die jeweils kleinste und die jeweils durchschnittliche Strahlendosis der in a) berechneten Strahlendosen des Volumenelements;
c) Bereitstellung mindestens einer mit den beiden oberen Schranken korrelierenden endgültigen oberen Schranke als Mittelwert der beiden oberen Schranken.

Durch diese Berechnung der oberen Schranke wird ein verbes sertes Bestrahlungsergebnis erreicht, da anhand der vorgegebenen erforderlichen Mindestdosis im Zielvolumen die Belastung des übrigen Volumens objektiv gering gehalten wird. Eine empirische Festlegung oberer Schranken entfällt dadurch völlig.

Nach Schritt b) wird zuverlässig eine endgültige obere Schranke als Mittelwert der beiden oberen Schranken für das Volumenelement berechnet. Um unterschiedliche Materialeigenschaften und insbesondere die Eigenschaften schützenswerter Organe in die Berechnung mit einzubeziehen, können den oberen Schranken Bedeutungsfaktoren zugeordnet werden, mit denen die jeweilige berechnete obere Schranke gewichtet wird. Die Bedeutungsfaktoren können in die Berechnung der Mittelwerte als Gewichtungsfaktor mit eingehen.

Eine Berechnung der oberen Schranke wird dadurch erreicht, dass dem Volumenelement in Schritt a) mindestens ein Zielvolumenelement zugeordnet wird und die Bestrahlungsparameter unter der Bedingung variiert werden, dass das mindestens eine dem Volumenelement zugeordnete Zielvolumenelement mindestens die Mindestbestrahlungsdosis erhält.

Eine effiziente Berechnung der oberen Schranken lässt sich durch eine Einschränkung der Anzahl der zu berechnenden Volumenelemente erreichen. Dies wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass das mindestens eine zugeordnete Zielvolumenelement den kleinsten Abstand aller Zielvolumenelemente zum Volumenelement aufweist. In einem üblichen Bestrahlungsaufbau wird das zugeordnete Zielvolumenelement vorteilhaft so bestimmt, dass es in einem computertomographischen Querschnitt (CT-Querschnitt) den kleinsten Abstand aller Zielvolumenelemente in demselben computertomographischen Querschnitt aufweist.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz besteht darin, eine Anzahl von Volumenelementen zufällig aus dem außerhalb des Zielgebietes liegenden Volumen auszuwählen.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens eines Parametersatzes für die Bestrahlung eines Zielvolumens in einem Körper durch eine Bestrahlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Mehrere Parameter der Bestrahlungsvorrichtung, insbesondere die relative Bestrahlungsrichtung, die Strahlgeometrie, die Bestrahlungszeit und/oder die Bestrahlungsintensität sind einstellbar und es ist eine nicht zu unterschreitende und im Wesentlichen nicht zu überschreitende Mindestbestrahlungsdosis für die Bestrahlung des Zielvolumens vorgegeben. Weitere, außerhalb des Zielvolumens liegende Volumenelemente des Körpers werden jeweils mit einer eine obere Schranke nicht zu überschreitenden Strahlendosis beaufschlagt, wobei zur automatischen Berechnung des mindestens einen Parametersatzes mindestens eine obere Schranke in eine Zielfunktion, insbesondere eine lineare oder eine stückweise quadratische Zielfunktion, eingeht.

Nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 geht eine endgültige obere Schranke gemäß dem oben beschriebenen Verfahren als obere Schranke in die Zielfunktion mit ein. Vorteilhaft wird der mindestens eine Parametersatz durch automatische Optimierung der Zielfunktion berechnet.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens eines Parametersat zes für die Bestrahlung eines Zielvolumens in einem Körperdurch eine Bestrahlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Demgemäß sind mehrere Parameter der Bestrahlungsvorrichtung, insbesondere die relative Bestrahlungsrichtung, die Strahlgeometrie, die Bestrahlungszeit und/oder die Bestrahlungsintensität einstellbar und es ist eine nicht zu unterschreitende und im Wesentlichen nicht zu überschreitende Mindestbestrahlungsdosis für die Bestrahlung des Zielvolumens vorgegeben. Weitere, außerhalb des Zielvolumens liegende Volumenelemente des Körpers werden jeweils mit einer eine obere Schranke nicht zu überschreitenden Strahlendosis beaufschlagt, wobei der mindestens eine Parametersatz mit den folgenden Schritten berechnet wird:

a) Festlegung globaler Parameter aus der Menge aller Parameter und einer Zielfunktion zur Bestimmung aller restlicher Parameter außer der Bestrahlungsdauer;
b) Ermitteln der durch die Rahmenbedingungen der Bestrahlungsvorrichtung erlaubten Wertebereiche aller globaler Parameter;
c) Bilden einer Folge von Mengen globaler Parametersätze, wobei jede gebildete Menge eine Teilmenge der nachfolgenden Menge ist und jede Menge im Wesentlichen gleichverteilt im Raum der erlaubten Parametersätze ist;
d) Berechnung von vollständigen, insbesondere die Bestrahlungsdauer umfassenden, optimalen Parametersätzen für jedes Element der in c) gebildeten Folge, wo bei zur Optimierung alle globalen, zum aktuellen Folgenelement gehörigen Parametersätze erlaubt sind und die berechneten optimalen globalen Parametersätze des vorhergehenden Elements der Folge den Ausgangspunkt für die Optimierung des aktuellen Folgenelements bilden;
e) Entfernung der Parametersätze aus der Menge der optimalen Parametersätze des letzten Elementes der Folge, die keinen signifikanten Einfluss auf das Bestrahlungsergebnis haben;
f) Bildung einer neuen Menge globaler Parametersätze durch Hinzunehmen von zu den optimalen Parametersätzen nahegelegenen Parametersätzen;
g) Berechnung optimaler Parametersätze, wobei zur Optimierung alle Parametersätze der in Schritt f) gebildeten Mengen erlaubt sind und die nach Schritt e) verbliebenen Parametersätze als Ausgangspunkt dienen; und
h) Wiederholte Entfernung jeweils des Parametersatzes aus der in Schritt g) bestimmten Menge der optimalen Parametersätze, der den geringsten Einfluss auf das Bestrahlungsergebnis hat, bis eine vorgebbare Anzahl von Parametersätzen erreicht ist.

Es lässt sich auf diese Weise eine handhabbare Anzahl von Parametersätzen, beispielsweise vier unterschiedliche Parametersätze, ermitteln, mit denen dann die Bestrahlung durchgeführt wird. Die Parametersätze sind dahingehend optimiert, dass das Zielvolumen mindestens mit der Mindestbestrahlungsdosis beaufschlagt wird und das übrige Körpervolu men so wenig wie möglich belastet wird. Dabei wird eine wirtschaftlich sinnvolle Anzahl von Bestrahlungsparametern angegeben, mit denen dann bestrahlt werden kann.

Zur weiteren Optimierung der Parametersätze werden die Schritte e) bis g) mindestens zweimal durchlaufen, insbesondere bis eine vorgebbare Feinheit erreicht ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden nach jeder Entfernung eines Parametersatzes im Schritt h) die verbliebenen Parametersätze mit den folgenden Schritten optimiert:

i) Bildung einer neuen Menge globaler Parametersätze durch Hinzunehmen von zu den optimalen Parametersätzen nahegelegenen Parametersätzen; und
j) Berechnung optimaler Parametersätze, wobei zur Optimierung alle Parametersätze der im Schritt i) gebildeten Menge, aber höchstens ein benachbarter Parametersatz eines bisher optimalen Parametersatzes erlaubt sind und die vor einer Entfernung im Schritt h) verbliebenen Parametersätze als Ausgangspunkt dienen.

Durch Hinzunahme höchstens eines benachbarten Parametersatzes wird so die Anzahl der Parametersätze im Ergebnis nicht verändert, es findet aber eine Feinjustierung der Parametersätze statt.

Mit Vorteil wird in h) mindestens ein Parametersatz entfernt, der das berechnete Bestrahlungsergebnis im Wesentlichen nicht verändert. Dadurch kann eine Reduktion der Anzahl von Parametersätzen und damit eine Reduktion der benötigten Bestrahlungsschritte erreicht werden, ohne dass sich das Be strahlungsergebnis, insbesondere die Belastung der außerhalb des Zielvolumens liegenden Volumenbereiche, wesentlich verändert.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur automatischen Berechnung einer Blendenöffnung einer Bestrahlungsvorrichtung für die Bestrahlung eines Zielvolumens in einem Körper mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Die Bestrahlungsvorrichtung weist mindestens eine Blendenvorrichtung mit verstellbaren Blendenlamellen zur Formung des Therapiestrahls auf. Mindestens eine Blendenöffnung wird ausgehend von einer dem Zielvolumen entsprechenden Ausgangsöffnung durch Festlegung mindestens eines im Bereich der Ausgangsöffnung liegenden räumlichen Öffnungsintervalls festgelegt, wobei die Blendenöffnung im Wesentlichen einen Teilbereich der Ausgangsöffnung darstellt.

Durch diese Aufteilung der Ausgangsöffnung in einige wenige Blendenöffnungen kann eine weitere Reduktion des Rechenaufwandes erreicht werden, da hier nicht mit einzelnen quadratischen Blendenöffnungen gerechnet wird, sondern mit größer flächigen Bereichen.

Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf

a) Aufteilung der Ausgangsöffnung in mindestens zwei sich voneinander unterscheidende Blendenöffnungen, die sich durch proportionale Verkleinerung der Lamellenöffnungen einer Menge ausgewählter Lamellen und durch vollständige Schließung der restlichen Lamellen ergeben;
b) Bilden einer Folge von Mengen zugelassener Blendenöffnungen, wobei jede gebildete Menge eine Teilmenge der nachfolgenden Menge ist;
c) Berechnung optimaler Parametersätze die eine vorgegebenen Bestrahlungsdosis im Zielgebiet und eine möglichst geringe Dosis in allen anderen Gebieten ermöglichen, für jedes Element der in b) gebildeten Folge, wobei zur Optimierung alle zum aktuellen Folgenelement gehörigen Parametersätze erlaubt sind und die berechneten optimalen Parametersätze des vorhergehenden Elements der Folge den Ausgangspunkt für die Optimierung des aktuellen Folgenelements bilden.

Durch dieses Verfahren werden dem Zielvolumen verbessert angepasste Bestrahlungsstrahlen erzeugt. Das Verfahren weist ein vorteilhaftes Verhalten bei der Berechnung der Bestrahlungsparameter auf, da hier auch mit einer gegenüber den sonst üblichen, quadratischen „pencil beams" vergrößerten Bestrahlungsfläche gerechnet wird.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist die Form der Blendenöffnung im Bereich des Intervalls ähnlich der Form der Ausgangsöffnung der Blende. Dadurch wird auch eine gute Überdeckung der Randbereiche erreicht.

Mit Vorteil entsprechen die in Schritt b) von einem Folgenelement zum nächsten Folgenelement hinzukommenden Blendenöffnungen immer kleineren Flächen.

Es ist vorteilhaft, die oben beschriebenen Verfahren miteinander zu kombinieren, insbesondere zur automatischen Berechnung der Parameter mindestens eines Parametersatzes einer Bestrahlungsvorrichtung. Insbesondere das Verfahren zur Be rechnung mindestens einer oberen Schranke, die Verfahren zur Berechnung der geometrischen Parameter zur Bestimmung der Einstrahlrichtungen und das Verfahren zur Berechnung einer Blendenöffnung sind besonders vorteilhaft miteinander kombinierbar. Hieraus ergeben sich dann die exakten und optimierten geometrischen Parameter, die die Geometrie des Strahls und dessen Einstrahlrichtung bestimmen.

Die geometrische Optimierung ist dabei gekoppelt mit der Bestimmung der übrigen Parameter, insbesondere der Strahlintensität, der Bestrahlungsdauer und der Verwendung eines Keils. Durch die Anwendung aller Berechnungsmöglichkeiten kann so ein weitgehend optimaler Parametersatz errechnet werden. Jede weitere Kombination der genannten Verfahren in jeder beliebigen Reihenfolge und untereinander sowie mit bekannten Verfahren zur Bestimmung der Bestrahlungsbedingung einer Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung eines Körpers ist denkbar und vorteilhaft zur Lösung der gestellten Aufgabe anzuwenden.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Zeichnungen der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Bestrahlungsvorrichtung;
2 eine schematische Abbildung einer Blendenanordnung; und
3 eine schematische Darstellung eines Körpers mit einem Zielvolumen und einem das Zielvolumen umgebenden Volumen.
In 1 ist schematisch eine Bestrahlungsvorrichtung gezeigt, die eine Vielzahl einstellbarer Parameter aufweist. Eine Liege 1 ist in ihrer Längsrichtung I und in ihrer Höhe H zur Festlegung des Isozentrums verschiebbar und weiterhin um einen Winkel θ verschwenkbar. Eine Blende 22 in der ursprünglichen Form eines Rechtecks, durch die ein Therapiestrahl 21 austritt, kann um einen Winkel β verschwenkt werden. Die Blende 22 und die entsprechende Strahlungsquelle 2 ist an einem Arm 20 gelagert, der sich wiederum um einen Winkel φ verschwenken lässt. Der aus der Strahlungsquelle 2 austretende Therapiestrahl 21 lässt sich über eine in 2 gezeigte Blendenanordnung mit Blendenlamellen in seiner Form beeinflussen. Weiterhin lassen sich die Energie des Therapiestrahls 21 und die Bestrahlungszeit einstellen. Weiterhin ist es möglich, hier nicht gezeigte Absorptionskeile zur Abschirmung bzw. Aufbringung eines Gradienten auf das Strahlprofil in den Strahlengang des Therapiestrahles 21 einzubringen.
Die Blendenanordnung 22 ist in 2 schematisch dargestellt und weist mehrere, Rechtecke ausbildende Blendenlamellen 23 auf, die zum Schließen der Blende von unten und von oben bzw. von links und rechts gegeneinander geschoben werden können. Über die Stellung der unterschiedlichen Blendenlamellen lässt sich die Form der Blendenöffnung bestimmen.
Die schematische Blendenanordnung der linken Zeichnung der 2 zeigt dabei eine Blendenstellung, in der die einzelnen Blendenlamellen 23 derart eingestellt sind, dass ein Zielvolumen 4 vollständig innerhalb der in der Blende gebildeten Öffnung liegt. In der rechten Zeichnung der 2 ist hingegen nur ein Teil des Zielvolumens von der Blendenöffnung umfasst.
In 3 ist schematisch ein zu bestrahlender Körper gezeigt. Ein zu bestrahlendes Zielvolumen 4 ist in dem Volumen des übrigen Körpers 3 eingeschlossen. Das Zielvolumen 4 ist in unterschiedliche Volumenelemente 40, sogenannte Voxel unterteilt. Das den Zielbereich 4 umgebende weitere Volumen 3 ist ebenfalls in Voxel 30 unterteilt. Bei einem erfindungsgemäßen Berechnungsverfahren zur automatischen Berechnung der oberen Schranke für die Voxel 30 des übrigen Volumens 3, werden die Voxel 40 betrachtet, die möglichst nahe am Voxel 30 liegen.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, mit einigen wenigen Einstrahlungsrichtungen und der Modulation der Intensität der Therapiestrahlen eine möglichst homogene und vorgegebene Bestrahlungsdosis im Zielgebiet und eine möglichst geringe Dosis in allen anderen Gebieten zu erhalten. Dabei sollen Parametersätze gefunden werden, mit denen die zu 1 und 2 beschriebenen Parameter der Bestrahlungsvorrichtung optimal auf dieses Ergebnis eingestellt werden können. Durch die Vielzahl der Parameter und die Vielfalt der möglichen auszuprägenden Werte der Parameter sowie durch eine große Anzahl von möglichen Dosisberechnungspunkten innerhalb des Körpers ist es ein komplexes Problem, alle Parameter simultan optimal einzustellen.
Die Berechnung der zentralen Parameter, nämlich beispielsweise der Winkel des Bestrahlungstisches, des die Strahlungsquelle tragenden Armes, der Verwendung eines Keiles und/oder der Bestrahlungsintensität wird erfindungsgemäß in einem einzigen Verfahren vollzogen. Dies wird durch die Festlegung Volumenelement (Voxel) -bezogener Grenzen und Kosten der jeweiligen Straffunktion, einer Variante des projizierten Newtonverfahrens und einem ausgefeilten Feldmanagement und einer Feldreduktion sowie durch die Verwendung von Grundstellungen der Blendeneinrichtung anstelle von quadratischen „pencil beams" erreicht.
Das zu berechnende Feld setzt sich unter anderem aus der Position des Isozentrums, der Feldbreite, der Feldlänge, der Position der Blendenteile, der aufgebrachten Energie, dem Feldwinkel (Drehwinkel des Kollimators), dem Winkel des Armes der Strahlungsquelle, dem Winkel des Behandlungstisches und der Art eines verwendeten Keiles zusammen. Für jedes zu verwendende Feld wir zusätzlich noch die Bestrahlungsdauer ermittelt.
Zur Berechnung können Voxel in der Größe von etwa 7 × 7 × 10 mm³ verwendet werden, die aber beispielsweise an die Auflösung eines jeweils verwendeten CT-Schnitts, in dem das jeweilige Zielgebiet eingezeichnet wird, angepasst werden können. Eine zu grobe Wahl der Voxelgröße führt zu unzuverlässigen Ergebnissen, ein zu kleines Voxelvolumen führt zu unnötig hohen Rechenzeiten.
Zur Optimierungsrechnung wird beispielsweise eine übliche stückweise quadratische Zielfunktion verwendet.
Vom Arzt wird eine mindestens zu erreichende Bestrahlungsdosis für das Zielvolumen festgelegt. Das Ziel ist es, einen entsprechenden Behandlungsplan zu finden, so dass die Dosis im Zielgebiet sehr nah der vom Arzt festgelegten Dosis und auf der anderen Seite die übrigen Volumenelemente, insbesondere schützenswerte Organe, mit einer möglichst geringen Dosis beaufschlagt werden.
Dazu wird entgegen der üblichen Praxis im erfindungsgemäßen Verfahren die obere Grenze der Bestrahlungsdosis für die übrigen Gebiete, die außerhalb des Zielvolumens liegen, berechnet.
Für jeden Berechnungspunkt wird der annähernd kleinste Dosiswert berechnet, den man erzielen kann, wenn man so bestrahlt, dass das Zielgebiet die gewünschte Mindestdosis erhält. Dieser Wert ist dann die gesuchte obere Schranke. Diese obere Schranke kann weiterhin noch durch Bedeutungsfaktoren, die sich auf das in dem jeweiligen Volumenelement befindliche Material beziehen, etwas verschoben werden und geht dann in die Zielfunktion, die es zu berechnen gilt, ein.
Zur weiteren Vereinfachung und Optimierung des Verfahrens sollen im Wesentlichen alle möglichen Einstrahlrichtungen und Intensitäten der Parameter simultan erfasst werden. Durch die große Vielzahl der möglichen Parameterwerte ist dies aber nur bedingt möglich. Die Menge der zugelassenen Parametersätze wird daher schrittweise vergrößert, und zwar so, dass eine als optimal ermittelte Lösung für einen kleineren Wertebereich zugelassener Parametersätze als Anfangslösung für einen größeren Wertebereich genommen wird. Durch Weglassen nichtsignifikanter Parametersätze erhält man so eine Lösung, die zunächst optimal ist.
Die so gefundene Lösung wird dann verfeinert, indem man neben signifikanten Einstrahlrichtungen auch benachbarte Richtungen zulässt. Auf diese Weise lässt sich iterativ eine Feineinstellung erreichen. Da die erhaltene Lösung häufig noch zu viele Felder bzw. Einstrahlrichtungen aufweist, wird anschließend die Anzahl der Felder schrittweise reduziert, indem alle die Felder weggelassen werden, die nur eine geringe Verschlechterung der Bestrahlungsergebnisse liefern. Weiterhin kann ab einer gewissen Schranke nach jedem Weglassen eines Parametersatzes eine weitere Justierung vorgenommen werden. Auf diese Weise kann die Rechengeschwindigkeit zur Bestimmung der jeweiligen Parametersätze erhöht werden.
Eine weitere Erhöhung der Rechengeschwindigkeit erhält man dadurch, dass bei der Berechnung der Parameter von einer relativ großflächigen Bestrahlung ausgegangen wird. Durch eine Blendenvorrichtung können die Therapiestrahlen ausgehend von einer Grundstellung, bei der das Zielvolumen optimal umschlossen ist, geformt werden. Ausgehend von der Grundstellung werden Basisstellungen abgeleitet, die durch räumliche Intervalle in horizontaler sowie vertikaler Richtung definiert werden. Es werden dabei also Teile des Zielvolumens abgedeckt.
Das verbleibende offene Gebiet ist dann ein Teil eines Gebietes, das ähnlich zu dem offenen Gebiet der Grundstellung ist. Mit diesen Basisstellungen wird dann im Optimierungsalgorithmus gearbeitet. Durch Feld-Management wird hier wieder die Anzahl der zugelassenen Basisstellungen schrittweise vergrößert, so dass eine alte optimale Lösung im nächsten Schritt als neue zulässige Startlösung genommen werden kann.

Claims

Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens einer oberen Schranke einer Bestrahlungsdosis für die Bestrahlung eines Zielvolumens (4) in einem Körper (3) durch eine Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), wobei mehrere Parameter der Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), insbesondere die relative Bestrahlungsrichtung (θ, β, φ, I, H), die Strahlgeometrie, die Bestrahlungszeit und/oder die Bestrahlungsintensität einstellbar sind, und eine nicht zu unterschreitende und im Wesentlichen nicht zu überschreitende Mindestbestrahlungsdosis für die Bestrahlung des Zielvolumens (4) vorgegeben ist und weitere, außerhalb des Zielvolumens (4) liegende Volumenelemente (30) des Körpers (3) jeweils mit einer die mindestens eine obere Schranke nicht zu überschreitenden Strahlendosis beaufschlagt werden, mit den Schritten: a) Berechnung der Strahlendosis mindestens eines außerhalb des Zielvolumens (4) liegenden Volumenelements (30) bei Variation mindestens eines Bestrahlungsparameters (θ, β, φ, I, H) unter der Bedingung, dass mindestens ein Zielvolumenelement (40) des Zielvolumens (4) mindestens die Mindestbestrahlungsdosis erhält; b) Bestimmung zweier oberer Schranken des mindestens einen Volumenelements (30) als die jeweils kleinste und die jeweils durchschnittliche Strahlendosis der in a) berechneten Strahlendosen des Volumenelements (30); c) Bereitstellung mindestens einer mit den beiden oberen Schranken korrelierenden endgültigen oberen Schranke als Mittelwert der beiden oberen Schranken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Volumenelement (30) in Schritt a) mindestens ein Zielvolumenelement (40) zugeordnet wird, das den kleinsten Abstand (5) aller Zielvolumenelemente (40) zum Volumenelement (30) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeordnete Zielvolumenelement (40) in einem computertomographischen Querschnitt den kleinsten Abstand (5) aller Zielvolumenelemente (40) in demselben computertomographischen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) eine endgültige obere Schranke als Mittelwert der beiden oberen Schranken für das Volumenelement (30) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden oberen Schranken jeweils mit einem Bedeutungsfaktor gewichtet werden, der Eigenschaften des sich in dem jeweiligen Volumenelement (30) befindlichen Materials, insbesondere zu schützenden Gewebes, widerspiegelt.
Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens eines Parametersatzes für die Bestrahlung eines Zielvolumens (4) in einem Körper (3) durch eine Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), wobei mehrere Parameter der Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), insbesondere die relative Bestrahlungsrichtung (θ, β, φ, I, H), die Strahlgeometrie, die Bestrahlungszeit und/oder die Bestrahlungsintensität einstellbar sind, und eine nicht zu unterschreitende und im Wesentlichen nicht zu überschreitende Mindestbestrahlungsdosis für die Bestrahlung des Zielvolumens (4) vorgegeben ist und weitere, außerhalb des Zielvolumens (4) liegende Volumenelemente (30) des Körpers (3) jeweils mit einer eine obere Schranke nicht zu überschreitenden Strahlendosis beaufschlagt werden, wobei zur automatischen Berechnung des mindestens einen Parametersatzes mindestens eine obere Schranke in eine Zielfunktion, insbesondere eine lineare oder eine stückweise quadratische Zielfunktion, eingeht, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schranke als endgültige obere Schranke gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 5 bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parametersatz durch automatische Optimierung der Zielfunktion berechnet wird.
Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens eines Parametersatzes für die Bestrahlung eines Zielvolumens (4) in einem Körper (3) durch eine Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), wobei mehrere Parameter der Bestrahlungsvorrichtung (1, 2), insbesondere die relative Bestrahlungsrichtung (θ, β, φ, I, H), die Strahlgeometrie, die Bestrahlungszeit und/oder die Bestrahlungsintensität einstellbar sind, und eine nicht zu unterschreitende und im Wesentlichen nicht zu überschreitende Mindestbestrahlungsdosis für die Bestrahlung des Zielvolumens (4) vorgegeben ist und weitere, außerhalb des Zielvolumens (4) liegende Volumenelemente (30) des Körpers (3) jeweils mit einer eine obere Schranke nicht zu überschreitenden Strahlendosis beaufschlagt werden, mit den Schritten: a. Festlegung globaler Parameter aus der Menge aller Parameter und einer Zielfunktion zur Bestimmung aller restlichen Parameter außer der Bestrahlungsdauer; b. Ermitteln der durch die Rahmenbedingungen der Bestrahlungsvorrichtung erlaubten Wertebereiche aller globaler Parameter; c. Bilden einer Folge von Mengen globaler Parametersätze, wobei jede gebildete Menge eine Teilmenge der nachfolgenden Menge ist und jede Menge im Wesentlichen gleichverteilt im Raum der erlaubten Parametersätze ist; d. Berechnung von vollständigen, insbesondere die Bestrahlungsdauer umfassenden, optimalen Parametersätzen für jedes Element der in c) gebildeten Folge, wobei zur Optimierung alle globalen, zum aktuellen Folgenelement gehörigen Parametersätze erlaubt sind und die berechneten optimalen globalen Parametersätze des vorhergehenden Elements der Folge den Ausgangspunkt für die Optimierung des aktuellen Folgenelements bilden; e. Entfernung der Parametersätze aus der Menge der optimalen Parametersätze des letzten Elementes der Folge, die keinen signifikanten Einfluss auf das Bestrahlungsergebnis haben; f. Bildung einer neuen Menge globaler Parametersätze durch Hinzunehmen von zu den optimalen Parametersätzen nahegelegenen Parametersätzen; g. Berechnung optimaler Parametersätze, wobei zur Optimierung alle Parametersätze der in Schritt f) gebildeten Mengen erlaubt sind und die nach Schritt e) verbliebenen Parametersätze als Ausgangspunkt dienen; und h. Wiederholte Entfernung jeweils des Parametersatzes aus der in Schritt g) bestimmten Menge der optimalen Parametersätze, der den geringsten Einfluss auf das Bestrahlungsergebnis hat, bis eine vorgebbare Anzahl von Parametersätzen erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte e) bis g) mindestens zweimal durchlaufen werden, insbesondere bis eine vorgebbare Feinheit erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Entfernung eines Parametersatzes im Schritt h) die verbliebenen Parametersätze mit den folgenden Schritten optimiert werden: i) Bildung einer neuen Menge globaler Parametersätze durch Hinzunehmen von zu den optimalen Parametersätzen nahegelegenen Parametersätzen; und j) Berechnung optimaler Parametersätze, wobei zur Optimierung alle Parametersätze der im Schritt i) gebildeten Menge, aber höchstens ein benachbarter Parametersatz eines bisher optimalen Parametersatzes erlaubt sind und die vor einer Entfernung im Schritt h) verbliebenen Parametersätze als Ausgangspunkt dienen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in h) mindestens ein Parametersatz entfernt wird, der das berechnete Bestrahlungsergebnis im Wesentlichen nicht verändert.
Verfahren zur automatischen Berechnung mindestens einer Blendenöffnung einer Bestrahlungsvorrichtung (1, 2) für die Bestrahlung eines Zielvolumens (4) in einem Körper (3), wobei die Bestrahlungsvorrichtung (1, 2) mindestens eine Blendenvorrichtung (22) mit verstellbaren Blendenlamellen (23) zur Formung des Therapiestrahls (21) aufweist, wobei mindestens eine Blendenöffnung ausgehend von einer dem Zielvolumen (4) entsprechenden Ausgangsöffnung durch Festlegung mindestens eines im Bereich der Ausgangsöffnung liegenden räumlichen Öffnungsintervalls festgelegt wird, wobei die Blendenöffnung im Wesentlichen einen Teilbereich der Ausgangsöffnung darstellt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Aufteilung der Ausgangsöffnung in mindestens zwei sich voneinander unterscheidende Blendenöffnungen, die sich durch proportionale Verkleinerung der Lamellenöffnungen einer Menge ausgewählter Lamellen (23) und durch vollständige Schließung der restlichen Lamellen (23) ergeben; b) Bilden einer Folge von Mengen zugelassener Blendenöffnungen, wobei, jede gebildete Menge eine Teilmenge der nachfolgenden Menge ist; c) Berechnung optimaler Parametersätze, die eine vorgegebene Bestrahlungsdosis im Zielgebiet und eine möglichst geringe Dosis in allen anderen Gebieten ermöglichen, für jedes Element der in b) gebildeten Folge, wobei zur Optimierung alle zum aktuellen Folgenelement gehörigen Parametersätze erlaubt sind und die berechneten optimalen Parametersätze des vorhergehenden Elements der Folge den Ausgangspunkt für die Optimierung des aktuellen Folgenelements bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) von einem Folgenelement zum nächsten Folgeelement hinzukommenden Blendenöffnungen immer kleineren Flächen entsprechen.