DE19612668C1

DE19612668C1 - Verfahren sowie Vorrichtung zum Optimieren von Bestrahlungsdaten für die therapeutische Patientenbestrahlung

Info

Publication number: DE19612668C1
Application number: DE19612668A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Med Busch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2016-03-30
Also published as: US6167294A; WO1997036648A1; EP0830179A1

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.

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

1. Verfahren zum Optimieren von Bestrahlungsdaten für die therapeutische Patientenbestrahlung mit folgenden Schrit ten:

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.

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.