DE2552018A1

DE2552018A1 - Equal dose determination by X:ray computer tomograph - using alternative gamma source for directly determining gamma absorption

Info

Publication number: DE2552018A1
Application number: DE19752552018
Authority: DE
Inventors: Erich Prof Dr Bagge; Eckart Dr Duehmke; Helmut Prof Dr Gremmel
Original assignee: SCHLOTTAU ROLF
Current assignee: SCHLOTTAU ROLF
Priority date: 1974-10-19
Filing date: 1975-11-20
Publication date: 1977-06-02

Abstract

The Parent Patent describes the use of an X-ray computer tomograph for converting the local absorption coeffts. obtd. from the tomograph into electrom densities. The objective is to obtain refined radiation therapy. In this patent an alternative nuclear gamma radiation source is connected to the equipment instead of the X-ray source. This enables the distribution pattern for the gamm-absorption coeffts., which is also a determining factor in the therapy, to be measured. Pref. the distribution pattern of the absorption coeffts. obtd. in the 100 KeV and in the MeV range, is used for calculating the absorption coeffts. fior higher quantum energies above the 1 MeV range, allowing for the pair-forming processes which occur. This distribution pattern in turn enables the local dose rate distribution to be determined. By introducing the measurement of the gamm-absorption coefficients for local regions of the body, a considerable amount of calculation is eliminated. Further conversions of the observed absorption coeffts. are no longer required.

Description

P 24 49 itS 751.6 P 24 49 ITS 751.6

Neuer Titel: Isodosenbestiwinung durch Röntgen-Computer-Tomographie in Verbindung mit dem Einsatz von energiereichen Gammastrahlen." Im Hauptpatent wird davon ausgegangen, daß ein Rontgen-Computer-Tomograph dazu benutzt werden soll, durch Umrechnung der vom Gerät ermittelten lokalen Obsorptionskoeffizienten des Objekts auf Elektronendichten, die Möglichkeit zu einer verfeinerten Strahlentherapie zu schaffen.New title: Isodose determination by X-ray computer tomography in connection with the use of high-energy gamma rays. "In the main patent it is assumed that an X-ray computer tomograph is to be used by converting the local absorption coefficient of the determined by the device Object on electron densities, the possibility of refined radiation therapy to accomplish.

Das Verfahren erfordert einen verhältnismäßig großen Aufwand an Rechenarbeit und ist ohne die Hilfe eines größeren Computers haufia nicht schnell genug für die Therapie durchführbar. Es ist ja zu bedenken, daß das Absorptionsverhalten der verschiedenen Bestandteile eines Körperauerschnittes für die zur Tomographie verwendeten Röntgenstrahlen im Bereich zwischen 50 und 120 keV 60 von der zur Therapie verwendeten Strahlung (z.B. Co -y-Strahlung von 1,17-1,33 MeV) wesentlich verschieden ist.The method requires a relatively large amount of computing work and without the help of a larger computer, haufia is not fast enough for that Therapy feasible. It must be remembered that the absorption behavior of the different Components of a body section for the X-rays used for tomography in the range between 50 and 120 keV 60 of the radiation used for therapy (e.g. Co -y radiation of 1.17-1.33 MeV) is significantly different.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, einen Computer-Tomographen so einzurichten, daß er neben einer Röntgenröhre wahlweise auch eine Gammastrahlenquelle derselben Strahlenart einsetzen kann, die zur Strahlentherapie verwendet wird. Man erhält auf diese Weise neben der Röntgen-Tomographie zusätzlich auch noch das sehr genaue Verteilungsmuster gerade der interessierenden lokalen Gamma-Absorptionskoeffizienten, die für die therapeutische Isodosenverteilung maßgebend sind.According to the invention, a computer tomograph is now proposed set up in such a way that, in addition to an X-ray tube, there is also an optional gamma ray source Can use the same type of radiation that is used for radiation therapy. Man In this way, in addition to the X-ray tomography, also receives the very thing exact distribution pattern of the local gamma absorption coefficients of interest, which are decisive for the therapeutic isodose distribution.

Es ist dann überflüssig, noch weitere Umrechnungen an den beobachteten Absorptionskoeffizienten vorzunehmen.It is then superfluous to carry out further conversions on the observed Make absorption coefficients.

Die hiermit beschriebene Anwendungsmöglichkeit des Tomographen mit 2 Strahlenauellen verschiedener Gamma-Energien erlaubt aber noch eine sehr wichtige Ausdehnung ihrer Anwendungsmöglichkeiten.The possibility of using the tomograph described herewith 2 radiation sources of different gamma energies allow another very important one Extension of their application possibilities.

Betrachtet man nämlich die beiden Verteilungsmuster der Absorptionskoeffizienten für die Röntgenstrahlen im 100 keV-Bereich und für die Gamma-Strahlen im 1-MeV-Bereich (z.B. einer Co60-Quelle), so liefert das erstere gute Xussagen nur über die lokalen Verteilungen kompakter Knochenbezirke und über gashaltige Hohlräume der Größenordnung oberhalb des Auflösungsvermögens.If one considers the two distribution patterns of the absorption coefficients for the X-rays in the 100 keV range and for the gamma rays in the 1 MeV range (e.g. a Co60 source), the former only provides good statements about the local ones Distributions of compact bone areas and gaseous cavities of the order of magnitude above the resolving power.

Gebiete, in denen Knochensubstanz, wasseräguivalente Gewebe und Luft in unterschiedlichen Mengenverhältnissen vertreten sind, können hingegen hinsichtlich ihrer geweblichen Zusammensetzung nicht eindeutig identifiziert werden.Areas in which bone substance, water equivalent tissue and air are represented in different proportions, however, can with regard to their tissue composition cannot be clearly identified.

Das MeV-Bild ermöglicht nun aber wegen des nahezu gleichartigen Absorptionsverhaltens aller nicht lufthaltigen Körpergewebe gerade eine klare Erkennung von auch nur teilweise gashaltigen Gewebspartien.However, the MeV image now makes it possible because of the almost identical absorption behavior of all non-aerated body tissue just a clear recognition of even only partially parts of tissue containing gas.

Weitergehenden Aussagen über die stoffliche Zusammensetzung der einzelnen Gewebsarten und Organe, insbesondere hinsichtlich ihrer mittleren Ordnungszahl kann man nun noch erhalten, wenn man diese Zusammenhänge ausnutzt und folgendermaßen vorgeht: Das Verteilungsmuster der lokalen Absorptionskoeffizienten für die 1-MeV-Gamma-Strahlung stellt praktisch das Ergebnis einer reinen Comptonabsorption dar, da in diesem Energiebereich der Photo-Effekt keine Rolle mehr spielt und die Paarbildunq gerade noch nicht wirksam geworden ist. Man kann deshalb aus den gewonnenen Absorptionskoeffizienten mit Hilfe der Klein-Nishina-Formel (K.-N.-F.) ohne Schwierigkeiten die lokalen Elektrondichten des Körperauerschnitts berechnen.Further statements about the material composition of the individual Types of tissue and organs, especially with regard to their mean atomic number you can still get it if you take advantage of these connections and do the following proceeding: The distribution pattern of the local absorption coefficients for the 1 MeV gamma radiation is practically the result of a pure Compton absorption, since it is in this energy range the photo effect no longer plays a role and the pair formation just not yet effective has become. One can therefore use the absorption coefficients obtained with the help the Klein-Nishina formula (K.-N.-F.) the local electron densities without difficulty of the body profile.

Sind diatbekannt, so kann man daraus wiederum mit Hilfe der K.-N.-F. die von der Comptonstreuuno allein herrührenden Absorptionskoeffizienten des Körperauerschnittes für die viel energieärmeren Röntgenstrahlen im 100 keV-Bereich sauber berechnen. Es reicht hierbei aus, eine mittlere Quantenenergie des Röntgenspektrutns auszusetzen. Nach Messungen von McCullough, Baker, Houser and Reese (1974) ist für den EMI-Scanner bei einer Anodenspannung von 120 kV und der verwendeten Filterung eine mittlere Quantenenergie von 73 keV ermittelt worden.If you know your diet, you can use the K.-N.-F. the absorption coefficients of the body cut-out resulting from the Compton scattering alone Calculate cleanly for the much lower-energy X-rays in the 100 keV range. It is sufficient here to expose an average quantum energy of the X-ray spectrum. According to measurements by McCullough, Baker, Houser and Reese (1974) is for the EMI scanner at an anode voltage of 120 kV and the filtering used, a medium one Quantum energy of 73 keV has been determined.

Sobald nun das Verteilungsmuster der Comptonstreuungsabsorptionskoeffizienten für die Röntgenauanten im 100 keV-Bereich vorliegt, kann man durch Differenzbildung aus den gemessenen lokalen Röntgenabsorptionskoeffizienten, die ja die Summe der Koeffizienten von Photoeffekt und Comptonstreuung darstellen,und aus den gerade errechneten Comptonkoeffizienten die Absorptionskoeffizienten des Photoeffekts für sich allein bestimmen.As soon as now the distribution pattern of the Compton scattering absorption coefficient for the X-ray accuracy is in the 100 keV range, one can calculate the difference from the measured local X-ray absorption coefficient, which is the sum of the Represent coefficients of photoeffect and Compton scattering, and from the straight line calculated Compton coefficients are the absorption coefficients of the photoelectric effect for determine yourself alone.

Das so ermittelte Verteilungsmuster der Absorptionskoeffizienten des reinen Photoeffekts liefert aber unmittelbar das Verteilungsmuster der mittleren Ordnungszahlen Z des durchstrahlten Materials.The distribution pattern of the absorption coefficient of the determined in this way pure photo effect provides the distribution pattern of the middle one directly Ordinal numbers Z of the irradiated material.

Die hierfür erforderlichen Umrechnungsformeln für den Photoeffekt im 100 keV-Bereich sind heute wohlbekannt, sodaß es keine Schwierigkeiten macht, von den Absorptionskoeffizienten auf die Ordnungszahlen umzurechnen. Ist dies geschehen, so verfügt man über eine ganz erheblich verbesserte Information für die räumliche Verteilung des Gewebes und seiner stofflichen Zusammensetzung.The necessary conversion formulas for the photo effect in the 100 keV range are well known today, so that it does not cause any difficulties to convert from the absorption coefficient to the ordinal numbers. Has this happened so one has one vastly improved information for the spatial distribution of the tissue and its material composition.

Diese läßt sich jetzt dazu verwenden, auc#h für höhere Quantenenergien oberhalb des 1-MeV-Bereichs (z.B. für die Bremsguanten eines Elektronenbeschleunigers, wie sie heute mit Elektronenenergien bis etwa 40 MeV in der Medizin eingesetzt werden) das Verteilungsmuster der Absorptionskoeffizienten der zur Therapie benutzten Strahlung durch einen Computer errechnen zu lassen.This can now be used for this, also for higher quantum energies above the 1 MeV range (e.g. for the braking quantum of an electron accelerator, how they are used in medicine today with electron energies up to about 40 MeV) the distribution pattern of the absorption coefficients of the radiation used for therapy to be calculated by a computer.

Man muß mit Hilfe der K.-N.-F. für die inzwischen bekannten lokalen Elektronendichten die Comptonabsorptionskoeffizienten und mit Hilfe der Bethe-Heitler-Formel für die Paarerzeugung für das Verteilungsmuster der mittleren Ordnungszahlen die Gesamt-Absorptionskoeffizienten ermitteln.With the help of the K.-N.-F. for the now well-known local Electron densities are the Compton absorption coefficients and with the help of the Bethe-Heitler formula for the pair generation for the distribution pattern of the mean ordinal numbers the Determine the total absorption coefficient.

Die Kenntnis der Elektronendichte und der räumlichen Verteilung der mittleren Ordnungszahlen im untersuchten Körperguerschnitt läßt aber noch eine weitere ASnwendungsmoglichkeit des hier geschilderten Verfahrens für die Strahlentherapie zu: Es ist nämlich möglich, unter Anwendung der Bethe-Blockschen Bremsformel und der Williamsschen Streuformel für energiereiche Elektronen die für Therapiezwecke wichtige Dosisleistungsverteilung bei Bestrahlung mit energiereichen Elektronen von einem Computer bestimmen zu lassen.Knowing the electron density and the spatial distribution of the Mean ordinal numbers in the examined body cross-section leaves one more A possible use of the method described here for radiation therapy to: It is namely possible using the Bethe-Block brake formula and Williams' scattering formula for high-energy electrons for therapeutic purposes important dose rate distribution when irradiated with high-energy electrons to be determined by a computer.

Für die drei hier beschriebenen Anwendungsfälle des um eine Kern-Gamma-Strahlungsguelle erweiterten Tomographen gilt dabei die Aussage, daß durch diese Verfahren die Einschaltung des Arztes für die Beurteilung der Verteilungsmuster durch ihn und ihre weitere Verarbeitung durch Hilfspersonal entbehrlich wird, was zu einer zeitlichen Abkürzung des diagnostischen Vorgangs, aber auch zur Vermeidung von menschlichen Fehlleistungen bei der Festlegung der therapeutischen Maßnahmen und ganz allgemein zur Einsparung von Personal führt.For the three applications of the nuclear gamma radiation source described here extended tomograph, the statement applies that by this method the activation the doctor for the assessment of the distribution pattern by him and your others Processing by auxiliary staff becomes superfluous, what to a Shortening the diagnostic process in terms of time, but also to avoid human Failures in determining the therapeutic measures and in general leads to savings in personnel.

Lit£rat# 1.) E.C. McCullough, H.L. Baker, O.W. Houser und D.F. Reese: An Evaluation of the Ouantitative and Radiation Features of a Scanning X-Ray Transverse Axial Tomograph: The EMI-Scanner." Radiology 111 (1974),P. 709 - 715 2.) W. Heitler: "The Quantum Theory of Radiation." rd At the Clarendon Press: Oxford 1960, 3 Edition, P. 256 ff Lit £ rat # 1.) E.C. McCullough, H.L. Baker, O.W. Houser and D.F. Reese: An Evaluation of the Ouantitative and Radiation Features of a Scanning X-Ray Transverse Axial Tomograph: The EMI-Scanner. "Radiology 111 (1974), P. 709-715 2.) W. Heitler: "The Quantum Theory of Radiation." rd At the Clarendon Press: Oxford 1960, 3 Edition, P. 256 ff

Claims

Patent claims Patent claim 1 Method for isodose determination for radiation therapy with nuclear gamma rays, characterized in that one an X-ray computer tomograph with an additional source instead of an X-ray source optionally deployable core gamma radiation source equips to do this directly the distribution pattern of the gamma absorption coefficients, which are also decisive for therapy to obtain.

Claim 2 Method according to Claim 1, characterized in that that the two can be seen in this way by the tomograph in the 100 keV and in the MeV range produced distribution pattern of the absorption coefficients is used to the Distribution pattern of the absorption coefficients for higher quantum energies above of the 1 MeV range, taking into account the pairing processes that have to be added there to calculate, which in turn now determine the local dose rate distribution allowed.

Claim 3 Method according to Claims 1 and 2, characterized in that that the distribution pattern of the absorption coefficients determined according to claim 2 used for gamma rays and the tissue distribution pattern derived from them, around with the help of the Bethe-Block brake formula and the Williams scatter formula for high-energy electrons also the expected dose rate distributions in the cross-section of the body in the case of exposure to fast electrons to be calculated by a computer.