DE202011104321U1

DE202011104321U1 - Messphantoms zur Überprüfung der Positionierungsgenauigkeit von Patientenlagerungsvorrichtungen in der perkutanen Strahlentherapie an CTs, Simulatoren und Linearbeschleunigern sowie der Abbildungseigenschaften ihrer bildgebenenden Systeme und der korrekten datentechnischen Übertragung und Datenbehandlung zwischen den unterschiedlichen Systemen (NK-100)

Info

Publication number: DE202011104321U1
Application number: DE201120104321
Authority: DE
Original assignee: UNIVERSITAETSKLINIKUM FRANKFURT AM MAIN; Universitatsklinikum Frankfurt Am Main
Current assignee: UNIVERSITAETSKLINIKUM FRANKFURT AM MAIN; Universitatsklinikum Frankfurt Am Main
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-08-13

Abstract

Qualitätssicherungsphantom zur Überprüfung der Genauigkeit der Patientenpositionierung in der perkutanen Strahlentherapie bestehend aus einem PMMA-Quader mit Mittelplatte, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Quader Prüfmarker unterschiedlicher Materialien in definierten geometrischen Abständen zueinander angeordnet enthält.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung zur Überprüfung der Genauigkeit der Patientenpositionierung und den geometrischen Abbildungseigenschaften von strahlentherapeutischen Einrichtungen zur perkutanen Strahlenbehandlung von Tumorpatienten.
Die perkutane Behandlung von Tumorpatienten in der Strahlentherapie findet üblicherweise auf Basis der computertomographisch (CT) bestimmten Patientendaten an einem klinischen Linearbeschleuniger (Linac) statt. Anhand des CT-Datensatzes wird der zu therapierende Bereich und die zur Behandlung erforderliche Anordnung der Strahlenfelder festgelegt und die Dosisverteilung anhand der Elektronendichten berechnet. In einigen Fällen findet vor der Bestrahlung eine Überprüfung der Strahlenfelder mit Röntgenstrahlen an einem Therapiesimulator statt. Bei der Therapie an modernen Linearbeschleunigern, die mit kV und/oder MV-bildgebenden Systemen ausgestattet sind, findet die Überprüfung der Strahlenfelder direkt vor der Bestrahlung am Linearbeschleuniger statt.
Für eine präzise Behandlung ist eine sehr genaue Positionierung des Patienten bzw. des zu therapierenden Bereichs unter dem Strahlenfeld erforderlich. Hierzu muss das Strahlenfeldisozentrum des Patienten exakt im Strahlungs-isozentrum des Linac (angezeigt durch ein Laserkreuz im Raum) positioniert werden. Zur Festlegung und Durchführung der Positionierung sind fixe Raumkoordinatensysteme am CT, am Simulator und am Linac sowie ein spezifisches Patientenkoordinatensystem definiert. Der Ursprung des Patientenkoordinatensystems (Referenzpunkt) wird während der CT-Aufnahme individuell für jeden Patienten im CT-Datensatz festgelegt und mittels eines Lasermarkierungssystems auf dem Patienten markiert. Über das Patientenkoordinatensystem ist die Position des Strahlenfeldisozentrums im Patienten exakt bestimmt und kann somit mit Hilfe des Referenzpunktes und durch Tischverschiebungen des motorisch angetriebenen Patiententisches auf einfache Weise im Strahlungsisozentrum positioniert werden. Die Präzision der Übertragung des Referenzpunktes vom CT-Datensatz auf den Patienten und die Positionierung des Patienten (basierend auf dem Referenzpunkt) im Koordinatensystem des Bestrahlungsgeräts ist von entscheidender Bedeutung für die Präzision der Behandlung. Bildgebende Systeme (zweidimensionale Röntgenaufnahmen oder dreidimensionale Cone-Beam-CT-Aufnamhen mit kV- oder MV-Strahlung) im Bestrahlungsraum ermöglichen eine Überprüfung der Patientenpositionierung.
Um die Positionierungsgenauigkeit der Patienten im langfristigen Betrieb ständig zu gewährleisten und zu dokumentieren, sind qualitätssicherende Maßnahmen der verwendeten Einrichtungen zur Festlegung und Übertragung des Referenzpunktes sowie der zur Positionierung des Patienten im Bestrahlungsraum und deren Überprüfung eingesetzten Einrichtungen (bildgebende Systeme etc.) durchzuführen.
Die hier zur Erteilung eines Gebrauchsmusterschutzes eingereichten Vorrichtung dient als Hilfsmittel zur Überprüfung aller Komponenten, die für eine korrekte Patientenpositionierung relevant sind. Sie erlaubt eine schnelle und präzise Durchführung der Qualitätssicherungsmaßnahmen.
Die beschriebene Vorrichtung ist zwar als eigenständiges Gerät gedacht und beschrieben, kann aber in einer besonderen Ausbildung auch als Zusatz zu einem Grundsystem verwendet werden.
Die nachfolgende Beschreibung der Vorrichtung wurde sorgfältig verfasst und geprüft. Sollten verwendete Begriffe, Beschreibungen oder bildliche Darstellungen nicht klar und eindeutig verständlich sein, so bitten wir um umgehende Mitteilung, damit wir die Begriffe erläutern und den Sachverhalt verständlicher machen können.
1. Beschreibung des Problemkreises, mit dem sich die Erfindung befasst
Die fortschreitende Entwicklung von Bestrahlungsgeräten und -techniken ermöglicht eine immer präzisere Dosisapplikation im Patienten. Voraussetzung zur Nutzung des Potentials dieser neuen Techniken ist ein immer höheres Maß an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit mit der die Patienten unter dem Therapiestrahl positioniert werden. Ermöglicht wird diese präzise Positionierung durch Lasermarkierungssysteme und Lagerungstische, die in mindestens drei Raumrichtungen millimetergenau verfahrbar sind. Des Weiteren werden sowohl zweidimensional- als auch dreidimensional-bildgebende Systeme zur Überprüfung der Positionierung im Bestrahlungsraum eingesetzt. Dieses wiederum geht einher mit immer mehr erforderlichen qualitätssichernden Maßnahmen an den Geräten. Eine besondere Herausforderung ist die Überprüfung der resultierenden Gesamtpräzision mehrerer aufeinanderfolgender Lagerungs- und Positionierungsvorgänge am CT, Simulator und am Linac. Bei der Positionierung spielt somit das Zusammenspiel von mehreren Geräten in unterschiedlichen Behandlungsräumen eine große Rolle.
Die für alle drei Gerätetypen erforderlichen geometrischen Prüfparameter zur Untersuchung der Genauigkeit der Patientenpositionierung sollen durch entsprechende Prüfmarker und deren entsprechende Prüfanordnung in EINER Vorrichtung (Prüfphantom) in Einklang gebracht werden. Dieses Prüfphantom soll somit die Überprüfung aller für die Positionierung in der Strahlentherapie relevanter Punkte ermöglichen. Die Auswertung der Prüfergebnisse soll zum Teil per Auswertesoftware erfolgen können. Die auf den Aufnahmen dargestellten Marker müssen somit einerseits eindeutig und kontrastreich abgebildet werden (sowohl auf kV- als auch MV-Aufnahmen) und andererseits müssen Abbildungsartefakte durch eine geeignete Auswahl der Materialien minimiert werden. Eine eindeutige Kodierung der Marker-Ebenen zur Identifizierung der Ausrichtung des Phantoms im dreidimensionalen Raum soll je nach Ausführung des Phantoms möglich sein.
Die Form der Prüfmarker und ihre spezifisch auf das zu prüfende Gerät bzw. Gerätekomponente angepasste geometrische Anordnung sollen die Überprüfung folgender Punkte erlauben:

1.1 Kontrolle der korrekten Berechnung der Laser- und Tischposition zur Markierung des Referenzpunktes
1.2 Raumlasersystem- und Tischkalibrierung am CT
1.3 Laserkreuz- und Tischkalibrierung am Simulator
1.4 Richtigkeit der Berechnung des Tischverschubs zur Positionierung des Behandlungsisozentrums im Strahlenfeldisozentrum
1.5 Tischkalibrierung im Bestrahlungsraum
1.6 Anzeigegenauigkeit der Lage des Strahlenfeldisozentrums durch raumfeste Lichtanzeiger (Kreuzlaser)
1.7 Kontrolle der Einrichtungen und Hilfsmittel zur Überprüfung der Lagerung von Patienten (z. B. Fadenkreuzplatte, bildgebende Systeme)
1.8 Präzision und Funktion des automatischen Tischverschubs
1.9 Richtigkeit der automatischen Berechnung des Tischverschubs durch Überlagerung des Cone-Beam-CTs mit dem Planungs-CT

2. Beschreibung des Lösungsansatzes
Eine zur Lösung des Problems geeignete Basis ist die gemeinsame Anordnung der verschiedenen in kV- bzw. MV-Röntgenaufnahmen abbildbaren Prüfmarker in einem stabilen Hohlquader mit Mittelplatte.
Entsprechend den in 1. dargestellten Anforderungen, ergeben sich folgende Lösungsansätze:
2.1
Anordnung mindestens einer Referenzkugel (Skizze 1, Position 3) in dem Quader, deren geometrischer Mittelpunkt auf der Phantomoberfläche markiert ist. Als Referenzkugeln können Beekley CT-Spots^® verwendet werden. Diese rufen keine Artefakte in dem aufgenommen CT-Datensatz hervor. Der Mittelpunkt einer Referenzkugel kann als Ursprung (Referenzpunkt) des Patientenkoordinatensystems festgelegt werden. Anschließend werden die Tisch- und Laserpositionen vom Bestrahlungsplanungssystem zur Markierung dieses Punktes auf dem Phantom berechnet und die Verschiebungen durchgeführt. Durch Überprüfung der Übereinstimmung zwischen den Laserlinien und den Markierung der Mittelpunkte der Kugel auf der Phantomoberfläche können 1.1 und 1.2 überprüft werden.
2.2
Anordnung mindestens einer Isozentrumskugel (Skizze 1, Position 2) in definiertem Abstand zur Referenzkugel, deren geometrischer Mittelpunkt ebenfalls auf der Phantomoberfläche markiert ist. Im Bestrahlungsplanungssystem kann der Mittelpunkt dieser Kugel als Strahlungsisozentrum zweier orthogonaler Felder festgelegt werden. Nach Positionierung der Referenzkugel im Strahlungsisozentrum des Linacs und anschließender Tischverschiebung um die berechneten Werte, sollte die Isozentrumskugel im Strahlungsisozentrum positioniert sein. Durch Überprüfung der Übereinstimmung der Laser mit den Markierungen der Isozentrumskugel auf der Phantomoberfläche ist eine Überprüfung der Punkte 1.3 bis 1.7 möglich.
2.3
Des weiteren kann das Phantom weitere Kugeln enthalten (Skizze 1, Position 4), die als Hilfsmittel zur Auswertung der Phantomorientierung und -positionierung dienen. Durch das Erstellen von Röntgenaufnahmen nach der Positionierung des Phantoms und deren geometrische Auswertung, kann die Überprüfung der Punkte 1.4 bis 1.7 erfolgen.
2.4
Nach Überprüfung und Auswertung der Positionierung mittels zweier orthogonaler Aufnahmen und/oder Cone-Beam-CT-Aufnahmen, kann eine Korrektur der Positionierung mit der automatischen Tischverschiebung erfolgen. Durch anschließende erneute Aufnahmen können Punkte 1.8 und 1.9 überprüft werden.
2.5
Sternförmig um die Flächenisozentren der Quaderflächen angebrachte Wolframstäbe (Skizze 1, Position 5) dienen zusätzlich als röntgenographisch abbildbare Hilfsobjekte. Diese ermöglichen eine schnelle und präzise Überprüfung, ob eine im Quaderisozentrum angebrachte Isozentrumskugel in einer Flucht auf dem Zentralstrahl zwischen zwei gegenüberliegenden Quaderflächen liegt. Positionsabweichungen in Form von Verdrehungen und Verschiebungen des Zentralstrahls um das Phantomisozentrum sind in der überlagerten Abbildung der beiden gegenüberliegenden Kreuze aus Wolframstäben und der Isozentrumskugel in Form von Asymmetrien sichtbar. Hierzu muss die Isozentrumskugel mit MV-Strahlung am Linac kontrastreich abbildbar sein.
2.6
Zur genauen und reproduzierbaren Positionierung des Phantoms in der Längs- und Querachse des Patiententisches sind 2 Positionierungsplatten so ausgeführt, dass das Phantom in genauer Relation zu den auch für die Patienten vorgesehenen Positionierungsmarken der Tischplatte fixiert wird (Skizze 1, Position 6).
3. Beschreibung der Neuartigkeit gegenüber herkömmlichen Techniken
Ein speziell auf die Anforderungen der Positionierungsskette (Festlegung, Durchführung und Verifikation der Positionierung an den verschiedenen Geräten) ausgelegtes Phantom ist uns bisher nicht als kommerziell erhältlich bekannt.
Bisher mussten Universalphantome provisorisch mit zusätzlichen Markern versehen werden oder verschiedene Phantome für die unterschiedlichen Kontrollen und Geräte verwendet werden.
4. Beschreibung der Erhöhung des Standes der Technik
Die hier zur Anmeldung zum Gebrauchsmusterschutz beschriebene und eingereichte Vorrichtung ermöglicht durch die Verwendung von Markern unterschiedlicher Materialien, deren spezifische Anordnung und ihrer Markierung auf der Phantomoberfläche folgende Neuerungen:

1) die Verwendung eines einzigen Phantoms zur Kontrolle der Patientenpositionierung an den drei unterschiedlichen Systemen (CT, Simulator und Linearbeschleuniger) . Die Marker sind jeweils auf eine deutliche und artefaktarme Röntgenbildgebung entweder am CT bzw. kV-Röntgenbildgebungssystem oder mit dem Megavolt Portal Imaging System des Linearbeschleunigers optimiert.
2) sowohl Translations- als auch Rotationsabweichungen der Positionierung beim Wechsel zwischen den Systemen schnell und präzise zu ermitteln, zu quantifizieren, zu dokumentieren sowie Ursachen möglicher Abweichungen zu lokalisieren.
3) optische Lagerungshilfsmittel (Lichtfeld mit Fadenkreuz, Kreuzlasersysteme) mit in die Kontrollen einzubeziehen.

5. Technische Beschreibung, Skizzen
5.1 Beschreibung des Gesamtsystems (Skizze 1)

Die folgende technische Zeichnung beschreibt die Komponenten der Vorrichtung und ihr Zusammenwirken: 5.2 Bezugszeichenliste

Positionsnummer	Benennung
1	Geometrische Mittelpunktmarkierung der Kugeln
2	Isozentrumskugel
3	Referenzkugeln
4	Hilfskugeln zur verbesserten Auswertung der Phantomorientierung und -positionierung
5	Wolframstäbe als zusätzlich abbildbare Hilfsobjekte
6	Positionierungsplatten

Claims

Qualitätssicherungsphantom zur Überprüfung der Genauigkeit der Patientenpositionierung in der perkutanen Strahlentherapie bestehend aus einem PMMA-Quader mit Mittelplatte, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Quader Prüfmarker unterschiedlicher Materialien in definierten geometrischen Abständen zueinander angeordnet enthält.
Qualitätssicherungsphantom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass exakt in der Mitte des Phantoms (d. h. im geometrischen Isozentrum) eine 4 mm Wolframkugel positioniert ist, die sowohl auf kV als auch auf MV-Aufnahmen sichtbar ist und deren Position im Phantom auf der Phantomoberfläche mittels Linien gekennzeichnet ist.
Qualitätssicherungsphantom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Beekley CT-Spot^® als Referenzkugel in einer der vier Seitenplatten positioniert ist, welche nahezu artefaktfrei auf CT-Bildern dargestellt wird und deren Position im Phantom auf der Phantomoberfläche mittels Linien gekennzeichnet ist.
Qualitätssicherungsphantom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sternförmig um die Flächenisozentren der Quaderflächen 2 cm lange Wolframstäbe angebracht sind, die sowohl auf kV als auch auf MV-Aufnahmen abgebildet werden (Anordnung wie auf Skizze 1). Diese sind auf den sich gegenüberliegenden Flächen jeweils um das Flächenisozentrum verdreht angeordnet.
Qualitätssicherungsphantom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Seitenplatten weitere Stahlkugeln symmetrisch um das Flächenisozentrum positioniert sind, die sowohl auf kV als auch auf MV-Aufnahmen abgebildet werden.
Qualitätssicherungsphantom nach Anspruch 1, das durch Einbringen zusätzlicher Marker in asymmetrischer Anordnung oder unterschiedlicher Form im oder am Phantom eine eindeutige Identifizierung der Orientierung im Raum ermöglicht (d. h. die Aufhebung aller eventuellen Dreh- Spiegel- oder Inversionssymmetrien).
Positionierungsplatten für Phantome z. B. wie dem nach Anspruch 1, die die hinreichend genaue Positionierung eines Messphantoms in Bezug zu den absoluten Tischkoordinaten ermöglichen.