DE19612668C1 - Verfahren sowie Vorrichtung zum Optimieren von Bestrahlungsdaten für die therapeutische Patientenbestrahlung - Google Patents
Verfahren sowie Vorrichtung zum Optimieren von Bestrahlungsdaten für die therapeutische PatientenbestrahlungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung zum Optimieren von Bestrahlungsdaten für
die therapeutische Patientenbestrahlung.
Ziel der klinischen Strahlentherapie ist es, Patienten von Tu
morleiden zu heilen und dabei gleichzeitig Nebenwirkungen so
weit wie möglich zu vermeiden. Bei Ausarbeitung eines Bestrah
lungsplanes ist es daher wichtig, vorausschauend die klinischen
Auswirkungen der beim Patienten auftretenden Strahlendosen zu
beurteilen und den letztendlich verwendeten Bestrahlungsplan
entsprechend einer durchgeführten Nutzen-/Risikoabwägung auszu
wählen.
Ein geeigneter Bestrahlungsplan wird daher sowohl die verwende
ten Bestrahlungsfelder an vorgegebene Tumorkonturen anpassen
als auch die gleichzeitig bewirkte Bestrahlung gesunden Gewebes
und eine dadurch mögliche Schädigung mitberücksichtigen. Dies
ist notwendig, da aus physikalischen Gründen eine homogene Do
sisverteilung lediglich über das Zielvolumen, d. h. den zu be
strahlenden Tumor, nicht möglich ist, sondern stets auch eine
Mitbestrahlung gesunden Gewebes sowie gesunder Organe erfolgt,
die mitunter äußerst anfällig für Strahlungsschäden sind.
Um den Mediziner bei der Auswahl eines geeigneten Bestrahlungs
planes zu unterstützen, ist es heute bereits üblich, eine von
einem bestimmten Bestrahlungsplan bewirkte Dosisverteilung im
Gewebe des Patienten vorauszuberechnen. Insbesondere ist es
hierzu bekannt, sogenannte Isodosenpläne zu erstellen, aus de
nen der Mediziner, ähnlich zu Isobaren in einer Wetterkarte,
die Orte gleichhoher Strahlendosen ablesen kann.
Aus der Verteilung der Strahlendosen im Körper und insbesondere
aus der Kenntnis der Strahlendosen in risikobehafteten Organen
und Gewebeteilen kann der Mediziner einen Bestrahlungsplan er
arbeiten, bei dem zumindest sichergestellt ist, daß besonders
strahlensensible Organe und Gewebeteile im Verhältnis zu dem
erzielbaren Erfolg nicht unnötig stark belastet werden.
Bei der Erstellung eines als in diesem Sinne geeigneten Be
strahlungsplans wird der Mediziner somit auf seine klinische
Erfahrung sowie auf die ihm bekannte Literatur vertrauen, durch
die er Anhaltspunkte erhält, inwieweit bestimmte Dosen für ein
zelne Organe im Vergleich zum erzielbaren Nutzen für den Pa
tienten toleriert werden können. Selbstverständlich wird somit
jeder Mediziner einen durch seine persönlichen Kenntnisse be
einflußten Bestrahlungsplan entwickeln, und selbstverständlich
wird ein derartiger Bestrahlungsplan nur auf einer groben Nut
zen-/Risikoabschätzung aufbauen.
Insbesondere unter Berücksichtigung der heute zur Verfügung
stehenden technischen Möglichkeiten, eine zu erwartende Strah
lendosenverteilung im Körper des Patienten räumlich darstellen
zu können, wird verständlich, daß es für den Strahlenmediziner
schwer möglich ist, die ihm zur Verfügung stehende Information
über die Strahlendosenverteilung, basierend auf dem ihm zugäng
lichen Wissen, in korrekter Weise in die entsprechenden biolo
gischen Wirkungen umzusetzen und somit eine zuverlässige Nut
zen-/Risikoabschätzung durchzuführen.
Um dem Mediziner die Auswahl eines geeigneten Bestrahlungspla
nes zu erleichtern, ist es weiterhin bekannt, aus der berechne
ten räumlichen Strahlendosenverteilung für bestimmte Organe so
genannte Dosis-Volumenhistogramme zu erstellen. Ein derartiges
Dosis-Volumenhistogramm gibt dem Mediziner unter Verlust der
räumlichen Auflösung Aufschluß darüber, welche Prozentsätze
eines bestimmten Organs jeweils mit welchen Strahlendosen bela
stet sind. Eine derartige Umsetzung in Dosis-Volumen
histogramme erleichtert es dem Mediziner, die ihm aus der Fach
literatur oder aus seiner klinischen Praxis bekannten Wirkungs
zusammenhänge für die Risiko-/Nutzenabschätzung einzusetzen.
Beispielsweise kann ein Mediziner, ausgehend von einem derarti
gen Dosis-Volumenhistogramm, zu dem Schluß gelangen, daß ein
Bestrahlungsplan mit einer relativ gleichmäßigen Strahlenbela
stung für ein bestimmtes Organ, von der der Mediziner jedoch
weiß, daß diese mit einer verhältnismäßig geringen Wahrschein
lichkeit eine Schädigung des betreffenden Organs zur Folge hat,
einem anderen Bestrahlungsplan vorzuziehen ist, bei dem dassel
be Organ insgesamt weniger belastet wird, stellenweise jedoch
mit Strahlendosen belastet wird, die mit einer relativ hohen
Wahrscheinlichkeit spätere Schädigungen zur Folge haben.
Theoretisch kann der Mediziner somit unter Berücksichtigung
derartiger Dosis-Volumenhistogramme und unter Berücksichtigung
der gesamten auf dem Bereich der Strahlentherapie zur Verfügung
stehenden Literatur für jedes einzelne Organ eine Aussage dar
über treffen, ob ein bestimmter Bestrahlungsplan für das be
treffende Organ toleriert werden kann oder nicht. Da es jedoch
schon aus Zeitgründen unmöglich ist, das gesamte zur Verfügung
stehende Wissen für jedes einzelne Organ zu berücksichtigen
und, basierend darauf, denjenigen Bestrahlungsplan auszuwählen,
der den besten Kompromiß zwischen den verschiedenen getroffenen
Nutzen-/Risikobewertungen darstellt, fließt in der klinischen
Praxis in der Regel lediglich das dem entsprechenden Mediziner
bekannte Wissen in die Erstellung des Bestrahlungsplanes mit
ein, wobei für die letztendliche Auswahl des Bestrahlungsplanes
auch willkürliche oder gefühlsmäßige Entscheidungen eine Rolle
spielen.
Aus der US 5 205 289 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Optimieren der Bestrahlungsdaten für die therapeutische
Patientenbestrahlung bekannt, gemäß denen Bilddaten über die
räumliche Lageverteilung relevanter Organ- und Gewebeteile
erzeugt werden, weiterhin Bestrahlungsdaten erzeugt und
ausgewählt werden, die eine geeignete Bestrahlung des Patienten
bestimmen, basierend auf den Bilddaten über die räumliche
Lageverteilung relevanter Organ- und Gewebeteile sowie
basierend auf der beabsichtigten Therapie, sowie weiterhin
Strahlungsdosenverteilungsdaten erzeugt werden, die, basierend
auf den erzeugten Bild- sowie Bestrahlungsdaten, eine räumliche
Verteilung der applizierten physikalischen Strahlendosen in
bezug auf die relevanten Organ- und Gewebeteile repräsentieren.
Basierend auf den errechneten Strahlendosen für die einzelnen
Volumeneinheiten werden anschließend biologische
Strahlenwirkungsdaten erzeugt, wobei auch eine unterschiedliche
Gewichtung der verschiedenen Volumeneinheiten vorgesehen ist.
Aus den Strahlenwirkungsdaten werden schließlich
Nutzen-/Risikobewertungsdaten erzeugt, und durch Minimierung der
Nutzen-/Risikobewertungsdaten wird eine Optimierung der
Bestrahlungsdaten erreicht (vgl. Spalte 10, Zeile 20 bis
Spalte 11, Zeile 67).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine
Nutzen-/Risikobewertung bei der therapeutischen Patientenbestrahlung
in einfacher und zuverlässiger Weise erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren zum Optimieren
von Bestrahlungsdaten für die therapeutische Pa
tientenbestrahlung mit folgenden Schritten gelöst:
- a) Erzeugen von Bilddaten über die räumliche Lageverteilung re levanter Organ- und Gewebeteile;
- b) Erzeugen oder Auswählen von Bestrahlungsdaten, die eine ge eignete Bestrahlung des Patienten bestimmen, basierend auf den Bilddaten über die räumliche Lageverteilung relevanter Organ- und Gewebeteile sowie basierend auf der beabsichtigten Thera pie;
- c) Erzeugen von Strahlendosenverteilungsdaten, die, basierend auf den erzeugten Bild- sowie Bestrahlungsdaten, eine räumliche Verteilung der applizierten physikalischen Strahlendosen in be zug auf die relevanten Organ- und Gewebeteile repräsentieren;
- d) Speichern einer Vielzahl von ersten Regeln, die Zusammenhän ge zwischen therapeutischen Wirkungen und/oder Nebenwirkungen einerseits und applizierten physikalischen Strahlendosen ande rerseits angeben;
- e) Auslesen geeigneter erster Regeln und Anwenden dieser auf einzelne Organ- und/oder Gewebevolumeneinheiten der relevanten Organ- und/oder Gewebeteile und darauf basierendes Erzeugen biologischer Strahlenwirkungsdaten für die einzelnen Volumen einheiten;
- f) Speichern einer Vielzahl von zweiten Regeln, die Zusammen hänge zwischen den für die einzelnen Volumenteile eines Gewebe- oder Organteils bestimmten biologischen Strahlenwirkungsdaten und zu erwartenden Gesamtwirkungen und/oder Gesamtnebenwirkun gen für das betreffende Gewebe- oder Organteil beschreiben;
- g) Auslesen und Anwenden geeigneter zweiter Regeln auf die er zeugten biologischen Strahlungswirkungsdaten und Erzeugen or gan- und/oder gewebespezifischer biologischer Gesamtstrahlungs wirkungsdaten;
- h) Erzeugen von Nutzen-/Risikobewertungsdaten, basierend auf den erzeugten Gesamtstrahlungswirkungsdaten;
- i) Wiederholen der Schritte b), c), e), g) und h) für unterschiedliche Bestrahlungsdaten und
- j) Auswählen derjenigen Bestrahlungsdaten für die durchzufüh rende Therapie, die im Vergleich zu den anderen Bestrahlungsda ten zu den geeignetsten Nutzen-/Risikobewertungsdaten geführt haben.
Zum anderen wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Erzeu
gen von Nutzen-/Risikobewertungsdaten für die therapeutische
Patientenbestrahlung mit folgenden Einrichtungen gelöst:
einer Computer-Tomographieeinrichtung zum Erzeugen und Spei chern von Bilddaten, die die räumliche Lageverteilung relevan ter Gewebe- und Organteile repräsentieren,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Bestrahlungsdaten auf Grund lage derer von einer Bestrahlungseinrichtung eine Patientenbe strahlung vorgenommen werden kann, wobei die Daten in Abhängig keit der von der Computer-Tomographieeinrichtung erzeugten Da ten erzeugt werden,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Strahlendosenverteilungsda ten, die eine simulierte Dosenverteilung in den relevanten Ge webe- und Organteilen bei einer auf die Bestrahlungsdaten ge stützten Patientenbestrahlung repräsentieren,
einem regelbasierenden Expertensystem, enthaltend einen ersten und zweiten Regelsatz, wobei der erste Regelsatz Zusammenhänge zwischen therapeutischen Wirkungen und/oder Nebenwirkungen ei nerseits und applizierten physikalischen Strahlendosen anderer seits betrifft und das Expertensystem den ersten Regelsatz auf die erzeugten Strahlendosen und aufgelöst nach einzelnen Volu meneinheiten der relevanten Gewebe- und Organteile anwendet und entsprechende biologische Strahlenwirkungsdaten für die einzel nen Volumenanteile erzeugt, und wobei der zweite Regelsatz Zu sammenhänge zwischen den für die einzelnen Volumenteile eines Gewebe- oder Organteils bestimmten biologischen Strahlenwir kungsdaten und zu erwartenden Gesamtwirkungen und/oder Gesamt nebenwirkungen für das betreffende Gewebe- oder Organteil be schreibt und das Expertensystem den zweiten Regelsatz auf die biologischen Strahlenwirkungsdaten für die einzelnen Volumen teile eines Gewebe- oder Organteils anwendet, um biologische Gesamtstrahlungswirkungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil und basierend hierauf Nutzen-/Risikobewer tungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil zu erzeugen.
einer Computer-Tomographieeinrichtung zum Erzeugen und Spei chern von Bilddaten, die die räumliche Lageverteilung relevan ter Gewebe- und Organteile repräsentieren,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Bestrahlungsdaten auf Grund lage derer von einer Bestrahlungseinrichtung eine Patientenbe strahlung vorgenommen werden kann, wobei die Daten in Abhängig keit der von der Computer-Tomographieeinrichtung erzeugten Da ten erzeugt werden,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Strahlendosenverteilungsda ten, die eine simulierte Dosenverteilung in den relevanten Ge webe- und Organteilen bei einer auf die Bestrahlungsdaten ge stützten Patientenbestrahlung repräsentieren,
einem regelbasierenden Expertensystem, enthaltend einen ersten und zweiten Regelsatz, wobei der erste Regelsatz Zusammenhänge zwischen therapeutischen Wirkungen und/oder Nebenwirkungen ei nerseits und applizierten physikalischen Strahlendosen anderer seits betrifft und das Expertensystem den ersten Regelsatz auf die erzeugten Strahlendosen und aufgelöst nach einzelnen Volu meneinheiten der relevanten Gewebe- und Organteile anwendet und entsprechende biologische Strahlenwirkungsdaten für die einzel nen Volumenanteile erzeugt, und wobei der zweite Regelsatz Zu sammenhänge zwischen den für die einzelnen Volumenteile eines Gewebe- oder Organteils bestimmten biologischen Strahlenwir kungsdaten und zu erwartenden Gesamtwirkungen und/oder Gesamt nebenwirkungen für das betreffende Gewebe- oder Organteil be schreibt und das Expertensystem den zweiten Regelsatz auf die biologischen Strahlenwirkungsdaten für die einzelnen Volumen teile eines Gewebe- oder Organteils anwendet, um biologische Gesamtstrahlungswirkungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil und basierend hierauf Nutzen-/Risikobewer tungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil zu erzeugen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß
bei der bisherigen Vorgehensweise zur Bestrahlungsplanung das
vorhandene Wissen über gewebe- und organspezifische Wirkungen
bestimmter Strahlendosen unzureichend genutzt wird. Weiterhin
liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß
für eine zuverlässige Beurteilung der biologischen Wirkungen
einer Bestrahlung nur ein rechnergestützter Ansatz erfolgreich
sein kann, wobei ein solcher nicht auf einem mathematischen Mo
dell beruhen sollte, da dieser, um erfolgversprechend zu sein,
eindeutige Wirkungszusammenhänge voraussetzen würde, die in der
klinischen Praxis nicht angetroffen werden.
In erfindungsgemäßer Weise ist daher vorgesehen, insbesondere
das aus der Fachliteratur zur Verfügung stehende Wissen über
individuelle biologische Wirkungen von Strahlendosen in Form
eines regelbasierenden Expertensystems bei der Bestrahlungs
planbeurteilung in beliebig detaillierter Weise mit einfließen
zu lassen. Mit den heute zur Verfügung stehenden Rechnerlei
stungen kann theoretisch das gesamte zur Verfügung stehende
Wissen in kurzer Zeit abgefragt werden und in die Beurteilung,
welche biologischen Wirkungen eine bestimmte räumliche Strah
lendosenverteilung entfaltet, mit einfließen.
Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, daß es
für eine zuverlässige und genaue Gesamtbeurteilung notwendig
ist, zunächst eine Beurteilung hinsichtlich einzelner Volumen
teile des bestrahlten Bereichs vorzunehmen und anschließend für
jedes Organ oder jeden Gewebeabschnitt nochmals die biologische
Gesamtwirkung, aufbauend auf den für die einzelnen Volumenteile
festgestellten Einzelwirkungen, abzuschätzen. Gemäß der Erfin
dung fließt also, abweichend von einer Bewertung mittels
Dosis-Volumenhistogrammen, die räumliche Strahlendosenverteilung in
die Gesamtbeurteilung mit ein, und es werden nicht lediglich
prozentuale Dosenverteilungen in einem bestimmten Organ oder
Gewebeabschnitt berücksichtigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung ist das verwendete Expertensystem in der Lage, mit mit Unsi
cherheit behafteten Regeln auszukommen, wobei dies vorzugsweise
unter Anwendung des der Fuzzy-Set-Theorie zugrunde liegenden
Ansatzes realisiert wird.
Dieser auf der Fuzzy-Set-Theorie basierende Ansatz erscheint
insbesondere geeignet, da er in der Lage ist, das in der Lite
ratur zur Verfügung stehende unvollständige und mit Unsicher
heiten behaftete Wissen optimal auf beliebige in der Praxis an
zutreffende Konstellationen umzusetzen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegen
den Erfindung, teilweise unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung, näher erläutert.
Um das zu bestrahlende Zielvolumen zu bestimmen sowie die durch
einen bestimmten Bestrahlungsplan hervorgerufene Strahlendosen
verteilung abbilden zu können, werden zunächst Bilddaten über
die räumliche Verteilung der entsprechenden Organ- sowie Gewe
beteile des Patienten erzeugt. Dies geschieht vorzugsweise mit
tels eines in der Zeichnung dargestellten Computer-Tomographen
oder MR-Tomographen 1, der den entsprechenden Teil des Körpers
des Patienten abtastet und die entsprechenden Bilddaten lie
fert.
Basierend auf den gewonnenen Bilddaten wird dann ein grober Be
strahlungsplan ausgewählt, durch den das zu bestrahlende Ziel
volumen mit möglichst geringer Belastung der Nachbarvolumina
bestrahlt werden kann. Derartige anfängliche Bestrahlungspläne
können direkt von einer Rechnereinheit 2, basierend auf den von
dem Computer-Tomographen 1 gelieferten Bilddaten, erstellt wer
den. Die Rechnereinheit 2 berechnet dann, ausgehend von dem
verwendeten Bestrahlungsplan, die physikalische Strahlendosis
verteilung über die einzelnen interessierenden Organ- und Gewe
beteile des Patienten. Die so erzeugten räumlichen Strahlendo
sisverteilungsdaten können graphisch angezeigt werden und ver
mitteln dem Strahlentherapeuten, vorzugsweise durch verschiede
ne Einfärbungen, einen Eindruck über die bewirkte physikalische
Strahlendosisverteilung am Patienten.
Aufbauend auf den Strahlendosisverteilungsdaten berechnet ein
regelbasierendes Expertensystem, das auf einer Rechnereinheit 3
implementiert ist, für jedes einzelne Volumenelement des be
strahlten Körperabschnittes die entsprechenden biologischen
Strahlenwirkungsdaten.
Das Expertensystem speichert zu diesem Zweck eine Vielzahl von
Regeln, betreffend Zusammenhänge zwischen therapeutischen Wir
kungen und/oder Nebenwirkungen einerseits und applizierten phy
sikalischen Strahlendosen andererseits. Die entsprechenden Re
geln werden dabei aus der zur Verfügung stehenden Literatur so
wie der klinischen Praxis gewonnen. Das Expertensystem wendet
diese Regeln auf einzelne Volumenelemente, beispielsweise auf
jeden ccm des bestrahlten Volumens an und errechnet hieraus
biologische Strahlungswirkungsdaten für jedes entsprechende Vo
lumenelement.
Dies bedeutet, daß in erfindungsgemäßer Weise bei der Umsetzung
der physikalischen Strahlendosisverteilung in biologische Wir
kungsdaten die räumliche Strahlendosisverteilung mit berück
sichtigt wird.
In einer zweiten Stufe ermittelt das Expertensystem dann für
jedes Gewebe oder Organ oder Organteil und jeden als einheit
lich zu betrachtenden Gewebeabschnitt biologische Gesamtwir
kungsdaten. Diese enthalten Informationen über die gesamte bio
logische Wirkung für das betreffende Organ oder den betreffen
den Gewebeabschnitt, basierend auf den Einzelwirkungen in den
einzelnen Volumenelementen des entsprechenden Organs oder Gewe
beabschnitts.
Das Expertensystem erreicht diese Umsetzung von Einzelvolumen
daten in Daten über das gesamte Volumen des Organs oder des ge
meinsam zu betrachtenden Gewebeabschnitts mittels der Anwendung
eines weiteren Regelsatzes, der wiederum aus der zur Verfügung
stehenden Literatur oder aus der klinischen Praxis gewonnen
werden kann.
Dieser weitere Regelsatz kann beispielsweise berücksichtigen,
ob ein entsprechendes Organ ein sogenanntes "serielles" oder
"paralleles" Organ ist. Bei einem parallelen Organ, wie bei
spielsweise der Lunge oder der Niere, ist eine punktuelle
Strahlenschädigung für das Funktionieren des gesamten Organs
bedeutungslos. Entsprechend können bei derartigen Organen punk
tuell hohe Dosen und entsprechende punktuelle Schädigungen to
leriert werden. Bei seriellen Organen, wie beispielsweise dem
Rückenmark oder dem Hirnstamm, können bereits punktuelle Schä
digungen zu schwerwiegenden Funktionsstörungen führen. Bei der
artigen Organen ist somit stets zu vermeiden, daß punktuell ho
he Strahlendosen mit entsprechend großen biologischen Wirkungen
auftreten, um die Gesamtfunktionsfähigkeit zu erhalten. Fallbe
zogen können bei derartigen Organen jedoch homogene Dosen in
beträchtlichem oder mittlerem Maße tolerierbar sein, soweit
nicht einzelne Schwellwertdosen überschritten werden. Bezogen
auf Tumorgewebe muß eine Mindeststrahlendosis gewährleistet
sein, um dem Patienten eine Heilungschance eröffnen zu können.
Derartiges Wissen wird von dem Expertensystem zur Umsetzung der
biologischen Wirkungsdaten von einzelnen Volumeneinheiten auf
gesunde Organteile oder zusammenhängende Gewebeabschnitte be
rücksichtigt.
Basierend auf den so ermittelten Gesamtwirkungsdaten kann dann
eine Nutzen-/Risikobewertung für die entsprechenden Organe oder
interessierenden Gewebeabschnitte durchgeführt werden.
Aufbauend auf einer derartigen Nutzen-/Risikoabschätzung kann
dann ein geeigneter Bestrahlungsplan aus einer Vielzahl von
möglichen Bestrahlungsplänen ausgewählt werden. Auch können die
biologischen Gesamtwirkungsdaten bzw. die Nutzen-/Risikoab
schätzungen zur Erstellung oder Anpassung eines geeigneten Be
strahlungsplanes verwendet werden. In diesem Falle würde die
Rechnereinheit 3 ihre Ergebnisse an die Einheit 2 zurückgeben,
damit diese den geeigneten Bestrahlungsplan erstellt.
Vorzugsweise werden die biologischen Gesamtwirkungsdaten für
jedes Organ sowie jeden einheitlich zu betrachtenden Gewebeab
schnitt separat ermittelt, und es erfolgt eine ebensolche sepa
rate Nutzen-/Risikoabschätzung. In einer dritten Stufe kann
dann das Expertensystem die einzelnen Nutzen-/Risikoabwägungen
miteinander vergleichen und, basierend hierauf, den geeignet
sten Bestrahlungsplan auswählen. Auch diese Auswahl kann wie
derum basierend auf entsprechenden in der Literatur oder aus
der klinischen Praxis bekannten Regeln getroffen werden.
Vorzugsweise kann die Recheneinheit 3 die erstellten
Nutzen-/Risikobewertungen graphisch darstellen, so daß auch der Patient
ersehen kann, welches Risiko er mit einer geplanten Bestrahlung
im Verhältnis zu dem erzielbaren therapeutischen Erfolg ein
geht.
Auf Grundlage des vom Expertensystem 3 ausgewählten Bestrah
lungsplans kann dann eine Patientenbestrahlung von einer Be
strahlungseinrichtung 4 durchgeführt werden. Die Bestrahlungs
einrichtung 4 ist dabei vorzugsweise über ein Netzwerk mit dem
Expertensystem verbunden und kann die entsprechenden Daten vom
Expertensystem abfragen.
Besonders bevorzugterweise arbeitet das Expertensystem basie
rend auf dem sogenannten Fuzzy-Set-Theorie-Ansatz und arbeitet
somit mit mit Unsicherheit behafteten Regeln. Dieser Ansatz
scheint zur Umsetzung des aus der Literatur sowie der Strahlen
behandlungspraxis bekannten unvollständigen Wissens auf belie
bige praktische Situationen am besten geeignet zu sein.
Gemäß der Fuzzy-Set-Theorie werden "unscharfe Mengen" betrach
tet, deren Elemente in unterschiedlicher Weise zu einzelnen
Mengen gehören. Während in der klassischen Mengenlehre ein
bestimmtes Element entweder zu einer Menge gehört oder nicht ge
hört, gibt es in der Fuzzy-Set-Theorie Elemente, die nur in ge
wissem Maße zu einer Menge gehören. Das Maß der Zugehörigkeit
wird durch eine Funktion für die einzelnen Elemente einer Menge
angegeben. Mit diesem Ansatz ist es möglich, Entscheidungen,
basierend auf einer unvollständigen Wissensbasis und ohne das
Vorliegen von exakt gemessenen Eingangswerten, treffen zu kön
nen. Fuzzy-Systeme sind dabei in der Lage, selbst bei sich wi
dersprechenden Einzelregeln stabil zu arbeiten.
Ein Beispiel für eine Regel, die von dem Expertensystem in der
ersten Stufe angewandt werden könnte, d. h. dem ersten Satz von
Regeln angehören könnte, ist beispielsweise folgende Regel:
"Wenn in einem Lungenteilelement die Einzeldosis 2 Gy und die
Gesamtdosis 40 Gy beträgt, die Zeit der Applikation vier Wochen
ist, keine Pausen gemacht werden und gleichzeitig eine bestimm
te toxische Chemotherapie läuft und der Patient eine Vorschädi
gung der Lunge durch Steinstaub hat, dann ist der Schaden durch
die Bestrahlung in einem Lungenteilelement hoch".
Der Schaden wird somit "linguistisch" mehr oder weniger fein
abgestuft: zum Beispiel "kein", "gering", "mittel", "hoch",
"total". Derartige Regeln müssen für jedes Organ oder Gewebe
einzeln vorliegen und sollten darüber hinaus möglichst auch für
unterschiedliche Dosen vorliegen. In einem von dem Erfinder er
stellten Prototyp des Systems werden 500 Regeln in der erwähn
ten ersten Stufe berücksichtigt. Die Regeln werden anschließend
mit Hilfe der Fuzzy-Mathematik verknüpft.
Entsprechend der Erfindung werden diese Regeln auf die bei
spielsweise 1 cm³ großen Volumenteile angewandt. Es wird vor
zugsweise geprüft, inwieweit eine aktuell vorliegende Situation
mit den Voraussetzungen (den linken Seiten) der vorhandenen Re
geln übereinstimmt. Hieraus wird ein Kompatibilitätsmaß für je
de vorliegende Regel errechnet. Die Kompatibilitätsmaße werden
anschließend den Ergebnissen (den rechten Seiten) aller Regeln
aufgeschlagen. Es resultiert eine Liste von Ergebnissen, die
mehr oder weniger (je nach Kompatibilität mit den Eingangsgrö
ßen) zutreffen. Regeln, deren Kompatibilitätsmaß Null ist, ent
fallen aus der weiteren Betrachtung. Die Aggregation aller
"bewerteten" Ergebnisse wird entweder durch eine Minimumbe
trachtung oder durch eine Multiplikation erstellt. Als Ergebnis
erhält man eine unscharfe Menge, die Auskunft über den Gewebe
schaden gibt. Genauer gesagt, sagt die Ergebnismenge aus, wel
che der vielen möglichen Schädigungsgrade in welchem Ausmaß für
das betreffende Volumenelement vorliegt.
Anschließend wird eine zweite Bewertung, basierend auf einem
zweiten Regelsatz, durchgeführt. Erneut unter Anwendung der
Fuzzy-Set-Theorie werden die einzelnen unscharfen Mengen, die
für ein einzelnes Organ vorliegen, addiert. Wie erwähnt, ergibt
sich dadurch für jedes Organ oder für jeden als einheitlich zu
betrachtenden Gewebeabschnitt eine biologische Gesamtwirkung,
ausgehend von der dann eine Nutzen-/Risikobewertung möglich
ist.
Da bei Vorliegen umfangreicher Regelsätze und insbesondere bei
Anwendung des ersten Regelsatzes auf jedes einzelne Volumenele
ment, ein beträchtlicher Rechenaufwand notwendig ist, ist ent
sprechend einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß nur
repräsentative Punkte des bestrahlten Körperabschnitts für die
Berechnung verwendet werden. Beispielsweise können aus dem ge
samten bestrahlten Volumen oder aus einem interessierenden Or
gan lediglich 400 statistisch verteilte repräsentative Volu
menelemente berücksichtigt werden. Durch Verwendung derartiger
Untermengen läßt sich der Rechenaufwand drastisch verringern,
so daß die Nutzen-/Risikobewertung in äußerst kurzer Zeit er
folgen und somit quasi "zeitgleich" mit der erstellten Isodo
sen-Verteilung vorliegen kann. Vorzugsweise können die er
sten Regeln statt oder zusätzlich zu den einzelnen Volumenele
menten auch auf Dosis-Volumenhistogramme angewandt werden. Dazu
ist es erforderlich, daß zunächst die Dosis-Volumenhistogramme,
basierend auf den Strahlendosisverteilungsdaten, für jedes Or
gan, Organteil oder jeden Gewebeabschnitt erstellt werden. Das
Expertensystem wird dann einen ersten Regelsatz auf die so er
stellten Dosis-Volumenhistogramme anwenden, um die biologischen
Strahlenwirkungsdaten für die entsprechenden Organe, Organteile
oder Gewebeabschnitte zu erzeugen.
Wie bereits weiter oben erwähnt, werden die Nutzen-/Risikobe
wertungsdaten vorzugsweise für jedes Organ bzw. jeden Gewebeab
schnitt separat ermittelt. Diese separaten Nutzen-/Risikobe
wertungsdaten werden anschließend in einer weiteren Stufe von
dem Expertensystem in Nutzen-/Risikobewertungsdaten für den ge
samten Körper umgerechnet, wobei dies wiederum durch Anwenden
entsprechend geeigneter Regeln geschieht.
Claims (9)
1. Verfahren zum Optimieren von Bestrahlungsdaten für
die therapeutische Patientenbestrahlung mit folgenden Schrit
ten:
- a) Erzeugen von Bilddaten über die räumliche Lageverteilung re levanter Organ- und Gewebeteile;
- b) Erzeugen oder Auswählen von Bestrahlungsdaten, die eine ge eignete Bestrahlung des Patienten bestimmen, basierend auf den Bilddaten über die räumliche Lageverteilung relevanter Organ- und Gewebeteile sowie basierend auf der beabsichtigten Thera pie;
- c) Erzeugen von Strahlendosenverteilungsdaten, die, basierend auf den erzeugten Bild- sowie Bestrahlungsdaten, eine räumliche Verteilung der applizierten physikalischen Strahlendosen in be zug auf die relevanten Organ- und Gewebeteile repräsentieren;
- d) Speichern einer Vielzahl von ersten Regeln, die Zusammenhän ge zwischen therapeutischen Wirkungen und/oder Nebenwirkungen einerseits und applizierten physikalischen Strahlendosen ande rerseits angeben;
- e) Auslesen geeigneter erster Regeln und Anwenden dieser auf einzelne Organ- und/oder Gewebevolumeneinheiten der relevanten Organ- und/oder Gewebeteile und darauf basierendes Erzeugen biologischer Strahlenwirkungsdaten für die einzelnen Volumen einheiten;
- f) Speichern einer Vielzahl von zweiten Regeln, die Zusammen hänge zwischen den für die einzelnen Volumenteile eines Gewebe- oder Organteils bestimmten biologischen Strahlenwirkungsdaten und zu erwartenden Gesamtwirkungen und/oder Gesamtnebenwirkun gen für das betreffende Gewebe- oder Organteil beschreiben;
- g) Auslesen und Anwenden geeigneter zweiter Regeln auf die er zeugten biologischen Strahlungswirkungsdaten und Erzeugen or gan- und/oder gewebespezifischer biologischer Gesamtstrahlungs wirkungsdaten;
- h) Erzeugen von Nutzen-/Risikobewertungsdaten, basierend auf den erzeugten Gesamtstrahlungswirkungsdaten;
- i) Wiederholen der Schritte b), c), e), g) und h) für unterschiedliche Bestrahlungsdaten und
- j) Auswählen derjenigen Bestrahlungsdaten für die durchzufüh rende Therapie, die im Vergleich zu den anderen Bestrahlungsda ten zu den geeignetsten Nutzen-/Risikobewertungsdaten geführt haben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schritte d) und e) einerseits sowie die Schritte f) und g)
andererseits jeweils von einem Expertensystem geleistet wer
den.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
die Schritte d) und e) bewerkstelligende Expertensystem mit mit
Unsicherheit behafteten Regeln, vorzugsweise unter Anwendung
des der Fuzzy-Set-Theorie zugrunde liegenden Ansatzes, arbei
tet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schritt c) die Erstellung sogenannter
Dosis-Volumenhistogramme umfaßt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Nutzen-/Risikobewertungsdaten für je
des Organ- oder Gewebeteil einzeln erstellt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in bezug auf jedes Organ- oder Gewebeteil
lediglich eine Untermenge der in dem entsprechenden Organ- oder
Gewerbeteil enthaltenen Volumenteile für die Datener
stellung berücksichtigt wird.
7. Vorrichtung zum Erzeugen von Nutzen-/Risikobewertungsdaten
für die therapeutische Patientenbestrahlung mit:
einer Computer-Tomographieeinrichtung zum Erzeugen und Spei chern von Bilddaten, die die räumliche Lageverteilung relevan ter Gewebe- und Organteile repräsentieren,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Bestrahlungsdaten, auf Grundlage derer von einer Bestrahlungseinrichtung eine Patien tenbestrahlung vorgenommen werden kann, wobei die Daten in Ab hängigkeit der von der Computer-Tomographieeinrichtung erzeug ten Daten erzeugt werden,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Strahlendosisverteilungsda ten, die eine simulierte Dosisverteilung in den relevanten Ge webe- und Organteilen bei einer auf die Bestrahlungsdaten ge stützten Patientenbestrahlung repräsentieren,
einem regelbasierendem Expertensystem, enthaltend einen ersten und zweiten Regelsatz, wobei der erste Regelsatz Zusammenhänge zwischen therapeutischen Wirkungen und/oder Nebenwirkungen einerseits und applizierten physikalischen Strahlendosen ande rerseits betrifft, das Expertensystem den ersten Regelsatz auf die erzeugten Strahlendosen und aufgelöst nach einzelnen Volu meneinheiten der relevanten Gewebe- und Organteile anwendet und entsprechende biologische Strahlenwirkungsdaten für die einzel nen Volumenanteile erzeugt, und wobei der zweite Regelsatz Zu sammenhänge zwischen den für die einzelnen Volumenteile eines Gewebe- oder Organteils bestimmten biologischen Strahlenwir kungsdaten und zu erwartenden Gesamtwirkungen und/oder Gesamt nebenwirkungen für das betreffende Gewebe- oder Organteil be schreibt und-das Expertensystem den zweiten Regelsatz auf die biologischen Strahlenwirkungsdaten für die einzelnen Volumen teile eines Gewebe- oder Organteils anwendet, um biologische Gesamtstrahlungswirkungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil und basierend hierauf Nutzen-/Risiko bewertungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil zu erzeugen.
einer Computer-Tomographieeinrichtung zum Erzeugen und Spei chern von Bilddaten, die die räumliche Lageverteilung relevan ter Gewebe- und Organteile repräsentieren,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Bestrahlungsdaten, auf Grundlage derer von einer Bestrahlungseinrichtung eine Patien tenbestrahlung vorgenommen werden kann, wobei die Daten in Ab hängigkeit der von der Computer-Tomographieeinrichtung erzeug ten Daten erzeugt werden,
einer Einrichtung zum Erzeugen von Strahlendosisverteilungsda ten, die eine simulierte Dosisverteilung in den relevanten Ge webe- und Organteilen bei einer auf die Bestrahlungsdaten ge stützten Patientenbestrahlung repräsentieren,
einem regelbasierendem Expertensystem, enthaltend einen ersten und zweiten Regelsatz, wobei der erste Regelsatz Zusammenhänge zwischen therapeutischen Wirkungen und/oder Nebenwirkungen einerseits und applizierten physikalischen Strahlendosen ande rerseits betrifft, das Expertensystem den ersten Regelsatz auf die erzeugten Strahlendosen und aufgelöst nach einzelnen Volu meneinheiten der relevanten Gewebe- und Organteile anwendet und entsprechende biologische Strahlenwirkungsdaten für die einzel nen Volumenanteile erzeugt, und wobei der zweite Regelsatz Zu sammenhänge zwischen den für die einzelnen Volumenteile eines Gewebe- oder Organteils bestimmten biologischen Strahlenwir kungsdaten und zu erwartenden Gesamtwirkungen und/oder Gesamt nebenwirkungen für das betreffende Gewebe- oder Organteil be schreibt und-das Expertensystem den zweiten Regelsatz auf die biologischen Strahlenwirkungsdaten für die einzelnen Volumen teile eines Gewebe- oder Organteils anwendet, um biologische Gesamtstrahlungswirkungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil und basierend hierauf Nutzen-/Risiko bewertungsdaten für das entsprechende Gewebe- oder Organteil zu erzeugen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Expertensystem mit mit Unsicherheit behafteten Regeln, vorzugsweise
unter Anwendung des der Fuzzy-Set-Theorie zugrunde liegenden
Ansatzes, arbeitet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung basierend auf den organ- und/oder gewebe
spezifischen biologischen Gesamtstrahlungswirkungsdaten und
einer darauf beruhenden Nutzen-/Risikobewertung die geeigneten
Bestrahlungsdaten für die Patientenbestrahlung auswählt.
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
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