DE19944088C2 - Festkörperphantom zur Messung radiotherapeutischer Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Festkörperphantom zur Messung radiotherapeu­ tischer Strahlung mit wenigstens einer um eine erste Achse und um eine zur ersten Achse parallel verlaufende zweite Achse drehbar gelagerten Aufnahme für einen Strahlungssensor.

Solche Festkörperphantome sind bekannt, z. B. aus dem deutschen Gebrauchsmuster 297 04 004, aus US 45 38 071 oder aus DE 31 45 262 C2.

In der Strahlentherapie ist die Kenntnis der Höhe der Dosis und deren genaue Verteilung im menschlichen Körper von entscheidender Bedeutung. Daher wird die Dosis in geeigneten Meßphantomen, die den Körper des Patienten repräsentieren sollen, mit Hilfe von für die jeweilige Strahlung empfindlichen Strahlungssensoren, z. B. Detektoren wie Ionisations­ kammern, aber auch mittels von fotografischen Platten und dergleichen bestimmt. Dabei wird im folgenden der Einfachheit halber immer von Strahlungssensoren gesprochen, so daß dieser Begriff im weitesten Sinne zu verstehen ist.

Die bei einer Messung erhaltenen Dosiswerte werden dann mit den in der Bestrahlungsplanung errechneten Werten verglichen. Insbesondere bei dynamischen Bestrahlungsverfahren, bei denen viele einzelne Bestrahlungs­ felder zeitlich und räumlich überlagert werden, muß für die Bestimmung der Dosis an einem einzelnen Punkt der gesamte Bestrahlungsplan ab­ laufen. Um eine repräsentative Information über die dreidimensionale Dosisverteilung zu erhalten, muß diese Messung an vielen Punkten wiederholt werden. Um den Zeitaufwand solcher Messungen zu reduzieren, können die Messungen mit Multikanal-Dosimetern durchgeführt werden, die eine simultane Bestimmung von Dosiswerten an verschiedenen Raumpunkten erlauben.

Die wichtigste dynamische Bestrahlungstechnik in der Strahlentherapie ist die sogenannte intensitäts-modulierte Strahlentherapie (IMRT) mit einem medizinischen Linearbeschleuniger. In diesem Fall kommen beliebige Einstrahlrichtungen zur Anwendung. Für die Verifikation der so erzeugten Bestrahlungsfelder ist es von zentraler Bedeutung, daß die Felder unter dem Einstrahlwinkel verifiziert werden, unter dem sie auch am Patienten angewendet werden, da der korrekte Ablauf der Bestrahlung (z. B. das mechanische Bewegen von Strahlblenden) vom Rotationswinkel des Be­ strahlungskopfes abhängen kann.

Neben den Festkörperphantomen der eingangs genannten Art sind soge­ nannte Wasserphantome (mit Wasser gefüllte Behälter) bekannt, bei welchen ein oder mehrere Strahlungssensoren (vorzugsweise Ionisations­ kammern) an einem motorisch bewegbaren Arm im Wasserbehälter ver­ fahrbar sind. Diese Wasserphantome erlauben es zwar vorteilhaft, die jeweils verwendeten Strahlungssensoren beliebig innerhalb des Strahlungs­ feldes zu positionieren, jedoch sind sie zur Verifikation intensitäts- modulierter Felder nur mit großen Einschränkungen einsetzbar, denn bei nicht-senkrechtem Einfall der Strahlung zur Wasseroberfläche kann es zu Verfälschungen der Meßergebnisse kommen. Wegen der schlecht definierten Meßgeometrie des Wasserphantoms bei Winkel, die von 0° bzw. 90° abweichen, kommt es darüber hinaus zu Verfälschungen der Meßergebnisse.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fest­ körperphantom der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem die durch eine Rotation um die erste und/oder zweite Achse bewirkte Verkippung eines in der Aufnahme befindlichen Sensors ausgeglichen werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst von einem Festkörperphantom zur Messung radiotherapeutischer Strahlung mit wenigstens einer um eine erste Achse und um eine zur ersten Achse parallel verlaufende zweite Achse drehbar gelagerten Aufnahme für einen Strahlungssensor, bei welchem die wenigstens eine Aufnahme um eine zur ersten und zweiten Achse parallele dritte Achse drehbar gelagert ist. Damit wird es z. B. möglich, die durch einen Normalenvektor definierte Richtung einer Anordnung aus Sensoren bzw. eines Sensors, wie der sensitiven Fläche eines Films, relativ zur Richtung der zu messenden Strahlung konstant zu halten und so auch nach Verfahren der Aufnahme an einen anderen Ort durch Bewegen um die erste und/oder zweite Achse exakt vergleichbare Meßgeometrien zu erhalten.

Bei einer erfindungsgemäßen Aufnahme handelt es sich somit um jede beliebige Vorrichtung, die in der Lage ist, einen Sensor bezüglich eines Festkörperphantoms zu fixieren. Insbesondere kann die Aufnahme auch zur Positionierung mehrerer Sensoren geeignet sein. Dieses hat den Vorteil, daß in einem Arbeitsschritt ein gesamtes Raumgebiet bzw. mehrere Raumpunkte gleichzeitig gemessen werden können. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für dynamische Strahlungsvorgänge, so daß nicht für jeden Raumpunkt der gesamte dynamische Prozeß durchgeführt werden muß. Vielmehr kann in einem Arbeitsgang die Strahlung an verschiedenen Raumpunkten gemessen werden. Die erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet hierbei, daß trotz Bewegung des Festkörperphantoms die Ausrichtung der Detektoren bzw. die Lage der Detektoren in gewünschter Weise definiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich insbesondere für die Verwendung im Zusammenspiel mit Ionisitationskammern, da diese eine schnelle Auslesung des Ergebnisses ermöglichen, wodurch der Verifikationsprozeß weiter beschleunigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahme in einem Abstand A2 zur zweiten Achse vorgesehen ist, der dem Abstand A1 der zweiten Achse zur ersten Achse entspricht. Dies erlaubt es, die Aufnahme auch geradlinig, z. B. diametral entlang des durch die Summe von A1 und A2 gegebenen Aktionsradius zu verfahren. Dabei kann das Zentrum der Aufnahme mit der dritten Achse zusammenfallen, so daß also auch die dritte Achse in einem Abstand A2 zur zweiten Achse angeordnet ist, der dem Abstand A1 der zweiten Achse zur ersten Achse entspricht.

In vorteilhafter Weiterbildung weist das Festkörperphantom Mittel zum Bewegen eines in die wenigstens eine Aufnahme eingesetzten Strahlungs­ sensors entlang einer zu den Achsen parallelen Richtung auf. Damit wird - innerhalb gewisser Grenzen - eine beliebige dreidimesionale Positionierbarkeit des Sensors im auszumessenden Strahlungsfeld möglich. Dabei sei an dieser Stelle betont, daß die Mittel zum Bewegen eines in die wenigstens eine Aufnahme eingesetzten Strahlungssensors entlang einer zu den Achsen parallelen Richtung nahezu beliebig ausgebildet und an unter­ schiedlicher Stelle im Inneren oder am Äußeren des Phantoms vorgesehen sein können. Beispielsweise ist es möglich, die Aufnahme als lange Röhre ausbilden, in welcher der jeweilige Sensor hin- und her bewegt werden kann. Es ist aber auch möglich, an der Aufnahme oder am Äußeren des Phantom beispielsweise Verfahrschienen vorzusehen, um so die komplette Aufnahme entlang der zu den Achsen parallelen Richtung zu bewegen. Der Fachmann kann also vorteilhaft die dem jeweiligen Einsatzfall optimal angepaßten Mittel zum Verfahren des Sensors wählen.

Bevorzugt weist das Phantom ferner Mittel zum automatischen Bewegen eines in die wenigstens eine Aufnahme eingesetzten Strahlungssensors um die drei Achsen und/oder entlang einer zu den Achsen parallelen Richtung auf, welche eine automatische, vorzugsweise computergesteuerte Positio­ nierung des oder der jeweiligen Sensors/Sensoren relativ zum auszu­ messenden Strahlungsfeld erlauben.

Bei den meisten Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, ein die wenigstens eine Aufnahme und die drei Achsen umschließendes Gehäuse vorzusehen. Dieses Gehäuse kann wenigstens senkrecht zu den drei Achsen die Aufnahme umschließen und beispielsweise quader- oder würfelförmig sein sowie aus einem Material mit zu bestimmten radiologischen Eigenschaften menschlichen Gewebes äquivalenten radiologischen Eigenschaften bestehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Festkörper­ phantom Mittel zur Synchronisation von Drehbewegungen der wenigstens einen Aufnahme um die erste und/oder die zweite Achse mit Drehbe­ wegungen um die dritte Achse derart auf, daß eine Drehung der wenigstens einen Aufnahme um die erste und/oder zweite Achse zu einer Drehung der Aufnahme um die dritte Achse führt, wobei die Drehung um die dritte Achse bewirkt, daß die Richtung eines Normalenvektors zu einer in der wenigstens einen Aufnahme vordefinierten Ebene bei Drehungen um die erste und/oder zweite Achse konstant bleibt. Diese beispielsweise in Form eines entsprechenden Getriebes oder durch entsprechende Ausbildung einer die Bewegung um die drei Achsen steuernden Steuereinrichtung realisierten Mittel gewährleisten, daß die aufgabengemäß gewünschte Konstanz der Ausrichtung eines oder mehrerer in die Aufnahme/Aufnahmen einge­ setzen/eingesetzter Sensors/Sensoren relativ zur Strahlungsrichtung automatisch gewährleistet werden kann und nicht z. B. manuell eingestellt werden muß, wodurch eine mögliche Fehlerquelle bei Messungen ausgeschlossen wird.

Die Aufnahme kann in unterschiedlicher Weise um die drei Achsen drehbar gelagert und beispielsweise am Ende entsprechend gelagerter Dreharme vorgesehen sein. Eine besonders einfache, robuste und von ihren radiologischen Eigenschaften besonders günstige Bauweise des Phantoms sieht jedoch drei ineinandergesetzte Zylinder vor, wobei die erste Achse die Mittelachse eines ersten Zylinders, die zweite Achse die Mittelachse eines im ersten Zylinder exzentrisch gelagerten zweiten Zylinders und die dritte Achse die Mittelachse eines im zweiten Zylinder exzentrisch gelagerten dritten Zylinders bildet. Dabei kann dann die Aufnahme zylindrisch ausgebildet und konzentrisch im dritten Zylinder angeordnet sein.

Vorteilhaft kann das Festkörperphantom ferner Mittel zum Befestigen des Phantoms am Bestrahlungskopf eines medizinischen Bestrahlungsgerätes aufweisen, also z. B. am Gehäuse mit entsprechenden Halterungen versehen sein.

Um eine möglichst vielseitige Anwendbarkeit des Festkörperphantoms zu gewährleisten, kann die wenigstens eine Aufnahme zur Aufnahme von wenigstens einen Sensor tragenden Einsätzen ausgebildet sein. Damit können dann bei unterschiedlichen Einsatzfällen oder bei wiederholten Messungen desselben Strahlungsfeldes in einfacher und schneller Weise die zu verwendenden, in einem Einsatz gehalterten Sensoren ausgetauscht werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer von vielen möglichen Ausführungs­ formen rein beispielhaft und nicht beschränkend gezeigten Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Festkörperphantoms in Verbindung mit der Zeichnung, in welcher die Fig. 1 bis 3 das Festkörperphantom in verschiedenen Rotationsstellungen der Aufnahme um die drei Achsen zeigen.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnetes Festkörperphantom gezeigt, wobei zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Rotationsstellungen um das Phantom ein Positionsrahmen mit x- und y-Achse gezeichnet wurde.

Bei dem Phantom ist in einem - bei diesem Ausführungsbeispiel in etwa würfelförmigen Gehäuse 12 ein erster Zylinder 14 um seine Mittelachse 16 automatisch drehbar gelagert. Im ersten Zylinder 14 ist ein zweiter Zylinder 18 ebenfalls automatisch um seine Mittelachse 20 drehbar gelagert, wobei sich die Achse 20 im Abstand A1 zur Achse 16 des ersten Zylinders 14 befindet.

Im zweiten Zylinder 18 ist ein dritter Zylinder 22 um seine zur ersten und zweiten Achse parallel verlaufende Mittelachse 24 drehbar gelagert, wobei sich die Achse 24 in einem Abstand A2 zur Achse 20 des zweiten Zylinders 18 befindet, der dem Abstand A1 der zweiten Achse 20 zur ersten Achse 16 entspricht, so daß unter anderem auch gerade Bewegungen der dritten Achse 24 entlang der punktierten Linien durch das Zentrum des ersten Zylinders 14 möglich sind.

Der dritte Zylinder 22 ist ein Hohlzylinder und bildet in seinem Inneren eine Aufnahme 26 für einen oder mehrere Strahlungssensoren beziehungs­ weise für einen den oder die Strahlungssensoren tragenden Einsatz.

Durch entsprechende, nicht weiter gezeigte Mittel ist sichergestellt, daß die Richtung eines Normalenvektors zu einer in der wenigstens einen Auf­ nahme hier mehr oder weniger willkürlich definierten und nicht-senkrecht zu den Achsen 16, 20 und 24 verlaufenden Ebene 28 bei Drehungen um die erste und/oder zweite Achse konstant bleibt, wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich. Dabei sei betont, daß die Zylinder 14 und 18 unabhängig voneinander frei um die Achsen 16 bzw. 20 drehbar sind.

Das Phantom besteht aus einem für die Dosisverifikation geeigneten Meßmaterial wie z. B. Acrylglas oder Plexiglas.

In der Aufnahme 26 im innersten Zylinder 22 kann zu Messungen ein austauschbarer Einsatz der seinerseits wiederum Hohlräume oder Bohrungen besitzt, in die geeignete Detektoren zum Zwecke der Dosis­ messung einbracht werden können. Für verschiedene Detektoren können verschiedene Einsätze zur Verfügung stehen.

Beispielsweise können in dem Einsatz mehrere Lochbohrungen vorhanden sein, die das Einbringen von kleinvolumigen Fingerhut-Ionisationskammern ermöglichen. Hierbei müssen die Lochbohrungen bzw. die Ionisationskammern so angeordnet sei, daß sie sich bei der Dosismessung nicht beeinflussen.

Damit die Anordnung der jeweiligen Sensoren relativ zur Einstrahlrichtung bei Drehungen um die Achse 16 und/oder 20 erhalten bleibt, ist der innerste Zylinder 22 mit dem Gehäuse 12 zwangsgekoppelt. Die Zwangs­ kopplung kann zum Beispiel durch ein geeignetes Zahnradgetriebe oder durch eine mechanische Führung, die ihrerseits auf einer zweiten Führung am Gehäuse 12 des Phantoms 10 befestigt ist, realisiert werden.

Durch Kopplung der Zylinder 14 und 18 an geeignete Schrittmotoren, die über eine Kontrolleinheit angesteuert werden, können die unterschiedlichen Rotationspositionen computergesteuert eingestellt werden. Damit können eingesetzte Detektoren innerhalb einer Ebene (x- und y-Richtung) bewegt werden.

Das gesamte Phantom kann über eine starre Halterung am Bestrahlungskopf eines Linearbeschleunigers befestigt werden, so daß wegen der Zwangs­ kopplung des Zylinders 22 die Orientierung der Detektoren relativ zur Einstrahlrichtung konstant bleibt. Die Verifikationsmessungen sind dadurch unter beliebigen Winkeln des Bestrahlungskopfes möglich.

Um die Detektoren außer in x- und y-Richtung auch in der z-Richtung bewegen zu können, kann das gesamte Gehäuse 12 relativ zur Halterung durch einen dritten Schrittmotor verschoben werden.

Nach Befestigung des Phantoms 10 an einem Bestrahlungskopf werden die beiden Rotationswinkel um die Achsen 16 und 20 sowie der translatorische Freiheitsgrad in z-Richtung so eingestellt, daß sich der Referenzpunkt der Anordnung der Detektoren (z. B. der Mittelpunkt des Zylinders 14) im Isozentrum der Bestrahlungsanlage befindet. Durch Mitteilung dieses Punktes an das Bestrahlungsprogramm kann eine Kalibrierung vorgenommen werden. Die Verifikation eines dynamisch erzeugten Bestrahlungsfeldes wird nun so durchgeführt, daß zunächst mit einem Bestrahlungsplanungs-Programm die Dosisverteilung von der Patientengeometrie auf die des Phantoms umgerechnet wird. Anschließend wird anhand der graphischen Darstellung der Dosisverteilung eine optimale Meßposition für die Detektoranordnung bestimmt. Die Angabe einer solchen Meßposition kann z. B. durch Angabe der Position des Referenzpunktes der Detektoranordnung im Zylinder 14, relativ zur Mitte der Phantomeintrittsfläche geschehen. Aus diesen drei kartesischen Koordinaten können die zwei Rotationswinkel um die Achsen 16 und 20 und die Translation in z-Richtung berechnet werden. Die zwei Winkel und die Translation können computergestützt eingestellt werden. Damit ist die Meßposition erreicht und die Messung kann durchgeführt werden. Die Phantomgeometrie bleibt für alle Einstrahlwinkel gleich.

Claims (15)

1. Festkörperphantom zur Messung radiotherapeutischer Strahlung mit wenigstens einer um eine erste Achse (16) und um eine zur ersten Achse parallel verlaufende zweite Achse (20) drehbar gelagerten Aufnahme (26) für einen Strahlungssensor, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Aufnahme (26) um eine zur ersten und zweiten Achse (16, 20) parallele dritte Achse (24) drehbar gelagert ist.

2. Festkörperphantom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (26) in einem Abstand A2 zur zweiten Achse (20) vorgesehen ist, der dem Abstand A1 der zweiten Achse (20) zur ersten Achse (16) entspricht.

3. Festkörperphantom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dritte Achse (24) in einem Abstand A2 zur zweiten Achse (20) angeordnet ist, der dem Abstand A1 der zweiten (20) Achse zur ersten Achse (16) entspricht.

4. Festkörperphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Bewegen eines in die wenigstens eine Aufnahme eingesetzten Strahlungssensors entlang einer zu den Achsen parallelen Richtung vorgesehen sind.

5. Festkörperphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum automatischen Bewegen eines in die wenigstens eine Aufnahme eingesetzten Strahlungssensors um die drei Achsen und/oder entlang einer zu den Achsen parallelen Richtung vorgesehen sind.

6. Festkörperphantom nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß ein die wenigstens eine Aufnahme (26) und die drei Achsen (16, 20, 24) wenigstens senkrecht zu den Achsen (16, 24, 20) umschließendes Gehäuse (12) vorgesehen ist.

7. Festkörperphantom nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) quader- oder würfelförmig ist.

8. Festkörperphantom nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (12) aus einem Material mit zu bestimmten radiologischen Eigenschaften menschlichen Gewebes äquivalenten radiologischen Eigenschaften besteht.

9. Festkörperphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Synchronisation von Drehbe­ wegungen der wenigstens einen Aufnahme (26) um die erste und/oder die zweite Achse (16, 20) mit Drehbewegungen um die dritte Achse (24) derart vorgesehen sind, daß eine Drehung der wenigstens einen Aufnahme (26) um die erste und/oder zweite Achse (16, 20) zu einer Drehung der Aufnahme um die dritte Achse (16) führt, wobei die Drehung um die dritte Achse (26) bewirkt, daß die Richtung eines Normalenvektors zu einer in der wenigstens einen Aufnahme (26) vordefinierten, zu den Achsen (16, 20, 24) nicht-senkrechten Ebene bei Drehungen um die erste und/oder zweite Achse (16, 20) konstant bleibt.

10. Festkörperphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Achse (16) die Mittelachse eines ersten Zylinders (14) bildet.

11. Festkörperphantom nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (20) die Mittelachse eines im ersten Zylinder (14) exzentrisch gelagerten zweiten Zylinders (18) bildet.

12. Festkörperphantom nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Achse (24) die Mittelachse eines im zweiten Zylinder (18) exzentrisch gelagerten dritten Zylinders (22) bildet.

13. Festkörperphantom nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (26) zylindrisch ausgebildet und konzentrisch im dritten Zylinder (22) angeordnet ist.

14. Festkörperphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Befestigen des Phantoms am Bestrahlungskopf eines medizinischen Bestrahlungsgerätes vorgesehen sind.

15. Festkörperphantom nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Aufnahme (26) zur Aufnahme von wenigstens einen Sensor tragenden Einsätzen ausgebildet ist.