DE4143401A1 - Verfahren zur bestimmung der dosiswerte an der wand von hohlorganen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dosiswerte an der Wand von Hohlorganen gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Die Erfindung wird vorzugsweise in der gynäkologischen Kontakttherapie bei der Bestimmung der Dosisbelastung an der Rektumwand angewendet.

Verfahren zur Bestimmung der Dosiswerte im Rektum sind bekannt. So können z. B. über die Auswertung von Filmen in zwei Ebenen über, die auf diesen Filmen abgebildeten kontrastgebenden äquidenten Punkte einer Rektumsonde, die in diesen Punkten anliegenden Dosiswerte berechnet werden. Weiterhin kann die Dosis direkt während der Bestrahlung mittels Ionisations- bzw. Halbleiterdosimeter, die an diesen Meßstellen anliegt, angezeigt werden. Außerdem kann durch Auswertung von in das Rektum gelegten TLD Roads die in diesen Roads applizierte Dosis nach der Bestrahlung ermittelt werden.

Gemeinsam ist all diesen Verfahren, daß die Dosis nur in den Meßpunkten ermittelt wird und nicht der Dosiswert an der Rektumwand als kritisches Organteil.

Der bekannte große Dosisgradient in der Kontakttherapie bewirkt, daß bereits auf wenige Millimeter die Dosis rapide ansteigen bzw. abfallen kann. So kann die endliche Größe der Sondendurchmesser (im Bereich von 4-8 mm) eine Dosisdifferenz von der Sondenmitte (Meßort) bis zur Sondenoberfläche von einigen 10% verursachen.

Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist, daß sich in der Sondenspitze, die mit großer Wahrscheinlichkeit an die Rektuminnenwand anstößt, kein Meßpunkt befindet. Der Abstand zwischen Sondenspitze und erstem Meßpunkt liegt im Bereich von 5 bis 25 mm, beim kommerziellen Meßgerät AM6 der Firma PTW Freiburg bei 20 mm.

In der Literatur (M.Busch, "Die Messung der Strahlenbelastung von Blase und Rektum bei der gynäkologischen Kontakttherapie mit bewegter Strahlenquelle", Strahlentherapie 154 (1978), 681-685) wird vorgeschlagen, die gemessenen Dosiswerte grafisch darzustellen und das wirkliche Dosismaximum und seinen Ort durch grafische Interpolation aufzusuchen.

Auch bei diesem Verfahren wird das Dosismaximum nur in der Sondenmitte bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, aus den mit einer Mehrfachsonde ermittelten Dosiswerten die Dosiswerte an der Rektumwand bzw. in der Nähe der Rektumwand zu ermitteln. Mit Hilfe der Erfindung soll die genaue Ermittlung der Dosisbelastungswerte an der Rektumwand bereits während der Bestrahlung erreicht werden.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß aus den ermittelten Koordinatentripeln der Strahlendetektorpositionen einer relativ starren Mehrfachsonde mit mindestens drei Strahlendetektorpositionen die Transformationswinkel von einem applikatorfesten Koordinatensystem (x, y, z) zu einem Mehrfachsonden- Koordinatensystem (x′, y′, z′) ermittelt werden. Die gekrümmte Mehrfach- Sonde liegt in einer Ebene y′ = constant. In dieser Ebene werden mittels Kreisgleichung aus den mindestens drei Koordinatentripeln der vordersten Strahlendetektorpositionen der Krümmungsradius und der fiktive Mittelpunkt der gekrümmten Mehrfachsonde bestimmt. Über den so erhaltenen Krümmungsradius, dem fiktiven Mittelpunkt, dem Krümmungsradius der Mehrfachsondenspitze, dem Durchmesser der Mehrfachsonde und dem Abstand der Sondenspitze von dem vordersten Detektor der gekrümmten Mehrfachsonde und den Transformationswinkeln zwischen den zwei Koordinatensystemen (x,y,z) und (x′, y′, z′) werden die Koordinatentripel beliebiger Punkte auf der Oberfläche der Mehrfachsonde im Bereich der Sondenspitze bis zum entferntesten Detektorpunkt berechnet.

Weiterhin werden mittels Bestrahlungsplan die Dosiswerte an diesen Punkten bestimmt und mittels Simulationsrechnung wird der maximale Dosiswert an der Oberfläche der Mehrfachsonde ermittelt, der der Wand des Hohlorganes gegenüber liegt.

Die Koordinatentripel der Strahlendetektoren in der Mehrfachsonde werden während der Bestrahlung aus den mit den Strahlendetektoren gemessenen Dosisleistungswerten bei Kenntnis der Ortslage von drei nicht auf einer Gerade liegenden Quellenpositionen iterativ berechnet. In 0. Näherung wird eine reziprokquadratische Abstandsabhängigkeit der Dosisleistung angenommen. Die Winkelabhängigkeit und die von der reziprokquadratischen Abstandsabhängigkeit abweichende radiale Abhängigkeit der Dosisleistungsverteilung wird durch ein Produkt W (d)*K(r) dargestellt. Die Dosisleistung wird durch den Produktansatz 1/r² W(d)*K(r) dargestellt.

Mit diesem Verfahren wird es möglich, während der Bestrahlung die zu erwartenden Dosiswerte z. B. an der Rektumwand zu berechnen und gegebenenfalls eine Bestrahlungsplanänderung während der Bestrahlung durchzuführen, um eine maximal mögliche Belastung des Tumorherdes bei Einhaltung von kritischen Werten in den gesunden Hohlorganen zu realisieren.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bei Collum- Ca.-Bestrahlungen,

Fig. 2 Lage der Sonde im Rektum,

Fig. 3 Abbildung der zentralliegenden Applikatorsonde und der Mehrfachsonde auf einer seitlichen Röntgenaufnahme.

Fig. 1 zeigt die zentral liegende Applikatorsonde 1 mit der Sondenspitze 26 und eine im festen Bezug zur Applikationssonde 1 liegende seitliche Applikatorsonde 2 eines nicht näher gezeigten Mehrkanal-Applikators, wie er bei einer Collum-Ca.-Bestrahlung eingesetzt wird. Weiterhin ist die Mehrfachsonde 3 mit ihrer Sondenspitze 4, mit dem Krümmungsradius der Sondenspitze 5 und den Strahlendetektoren 6, 7, 8, 9 und 10 eingezeichnet. In der Applikatorsonde 1 sind die Quellenpositionen 11 und 12 und in der Applikatorsonde 2 die Quellenposition 13 gezeichnet. Dabei liegen die drei Quellenpositionen nicht auf einer Gerade. Das Applikatorkoordinatensystem (x, y, z) wird so gewählt, daß die Quellenposition 11 der Koordinatenursprung ist. Die x-Achse verläuft in der Achse 14 der Applikatorsonde 1. Die Ebene Z = 0 ist so gewählt, daß die Quellenpositionen 11,12 und 13 in dieser Ebene liegen.

Die Arbeitsweise zur Bestimmung der Koordinaten der Strahlendetektoren 6 bis 10 ist folgende: Nacheinander werden die Quellenpositionen 11, 12 und 13 angefahren und mit den Strahlendetektoren 6 bis 10 die Dosisleistungswerte erfaßt. Mit jedem Detektor werden somit drei Meßwerte ermittelt.

Die Dosisleistung D wird durch die Beziehung

gegeben, wobei W (d) die Winkelabhängigkeit und K (r) die Abweichung der radialen Abhängigkeit von der 1/r²- Abhängigkeit beschreibt. Dabei ist d der Winkel zwischen der Längsachse der Quelle und der Geraden zwischen dem Quellpunkt (Quellenposition) und dem Aufpunkt (Strahlendetektor) und r der Abstand zwischen Quellpunkt und Aufpunkt. C ist eine quellenspezifische Konstante.

In 0. Näherung wird K (r)*W (d) = 1 gesetzt. Aus den zur Verfügung stehenden drei Gleichungen für die Dosisleistungswerte für jeden Detektor 6-10 werden die Koordinaten der fünf Detektoren 6-10 berechnet. Mit den so berechneten Koordinaten der Detektorpositionen werden die Produkte K (r)*W (d) berechnet und erneut die Koordinaten der Strahlendetektorpositionen bestimmt.

Die Iteration wird solange fortgesetzt, bis die Koordinatenänderungen von zwei aufeinanderfolgenden Iterationsschritten einen vorgegebenen Grenzwert nicht mehr überschreiten.

Man hat somit iterativ die Koordinaten der einzelnen Strahlendetektorpositionen 6 bis 10 bestimmt. Die so bestimmten Strahlendetektorpositionen 6 bis 10 liegen mit Sicherheit nicht an der Rektumwand wegen des endlichen Durchmessers der Mehrfachsonde 3 von z. B. 7 mm an.

Da die Sondenspitze 4 mit großer Wahrscheinlichkeit an der inneren Rektumwand 15 liegt, gibt dieser Punkt einen annähernd repräsentativen Belastungswert für die Rektumwandbelastung an.

Die verwendete Mehrfachsonde 3 ist relativ starr, so daß über größere Bereiche der Krümmungsradius 16 der gelegten Sonde annähernd konstant ist und die gekrümmte Mehrfachsonde 3 annähernd in einer Ebene liegt.

Aus den Koordinaten der drei vordersten Strahlendetektoren werden die Transformationswinkel bestimmt, in deren Koordinatensystem (X′, Y′, Z′), die Mehrfachsonde 3 in der Y′-Ebene = constant liegt. Mit den zur Verfügung stehenden Koordinatentripeln in dem (X′, Y′, Z′)-Koordinatensystem der drei Strahlendetektorpunkte 6, 7 und 8 kann über die Kreisgleichung der fiktive Mittelpunkt 17 der gekrümmten Mehrfachsonde 3 und der Krümmungsradius 16 dieser Sonde in der Y′-Ebene = constant berechnet werden. Mittels des Kreissegmentes 18, das dem Abstand der Sondenspitze 4 zum vordersten Strahlendetektorpunkt 6 entspricht, lassen sich die Koordinaten der Sondenspitze 4 in dem (X′, Y′, Z′) Koordinatensystem berechnen.

Anschließend erfolgt eine Rücktransformation dieser Koordinaten in das Koordinatensystem (X, Y, Z).

Es ist somit möglich, bei Kenntnis der Koordinaten der Strahlendetektorpositionen 6, 7 und 8 über die Kreisgleichung die Koordinaten der Sondenspitze 4 zu berechnen.

Bedingt durch die anatomischen Verhältnisse und die Beschaffenheit der Mehrfachsonde liegt mit großer Wahrscheinlichkeit der vordere Mehrfachsondenbereich von der Sondenspitzenmitte 4 bis zum Punkt 19, der sich aus dem Krümmungsradius 5 der Sondenspitze 4 und dem Durchmesser 20 der Mehrfachsonde 3 berechnen läßt, an der Rektumwand 15 an. Von der geometrischen Anordnung her liegt der Mehrfachsondenoberflächenpunkt 19, der Endpunkt der Sondenspitzenkrümmung, am nächsten zur zentralliegenden Applikatorsonde 1 und es ist somit der Punkt, an dem im Mehrfachsondenspitzenbereich die größte Dosis zu erwarten ist.

Wie bereits beschrieben, liegen die größeren Dosisleistungswerte nicht an den Strahlendetektorenpositionen 6 bis 10 an, sondern an den Mehrfachsondenoberflächenpunkten, die der zentralliegenden Applikationssonde 1 gegenüberliegen.

Aus den Koordinaten der Strahlendetektorpositionen 6-10 und dem Durchmesser 20 der Mehrfachsonde 3 lassen sich die Koordinaten der Punkte 21 bis 25 an der Rektumsondenoberfläche, die in senkrechter Richtung zur zentralliegenden Applikationssonde 1 liegen und den Strahlendetektorpositionen 6 bis 10 entsprechen, berechnen. Anhand der berechneten Koordinaten an den Mehrfachsondenoberflächenpunkten 4, 19, 21 bis 25 läßt sich mittels Bestrahlungsplan die Dosis in diesen Punkten berechnen. Es ist nicht gesichert, daß mit den sieben berechneten Dosiswerten der maximale Dosiswert auf der Mehrfachsondenoberfläche erfaßt ist. Grundsätzlich sind drei Fälle zu beachten.

1. Der maximale Wert liegt am Punkt 4 bzw. am Punkt 4 und an dem Punkt 19. Im letzteren Fall kann der tatsächliche Maximalwert zwischen diesen zwei Punkten liegen. Aus den uns zur Verfügung stehenden Koordinaten dieser zwei Punkte, dem Durchmesser 20 der Sonde 3, dem Krümmungsradius 5 der Sondenspitze 4 und den Transformationswinkeln läßt sich über den Bestrahlungsplan der Rektumsondenpunkt mit dem größten Dosiswert mittels Simulationsverfahren ermitteln.

2. Der Maximalwert liegt an dem Punkt 25 bzw. an den zwei Punkten 24 und 25.

Im letzteren Fall kann der Maximalwert zwischen den zwei Punkten liegen. Aus den Koordinaten dieser Punkte, dem Krümmungsradius 16 der Mehrfachsonde 3, dem Durchmesser 20 der Mehrfachsonde und den Transformationswinkeln läßt sich über den Bestrahlungsplan der Mehrfachsondenpunkt mit dem größten Dosiswert mittels Simulationsverfahren berechnen.

3. Der Maximalwert liegt an den Punkten 21 bzw. 22, bzw. 23, bzw. 24. In diesen Fällen kann der Maximalwert an der Mehrfachsondenoberfläche zwischen den Punkten 19 und 22 bzw. 21 und 23 bzw. 22 und 24 bzw. 23 und 25 liegen.
Berechnung analog dem Fall 2.

Eine weitere Verfahrensweise wird in Fig. 3 erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Koordinaten von Mehrfachsondenmeßpunkten mittels Filmaufnahmen in zwei Ebenen ermittelt. Die Fig. 3 zeigt die wesentlichen Merkmale bei einer seitlichen Aufnahme.

In diesem Fall wird der Koordinatenursprung durch die Spitze 26′ der abgebildeten zentralliegenden Applikationssonde 1′ festgelegt. Die X-Achse zeigt in Richtung der Applikatorsondenachse 14, die Y-Achse in die ventral-dorsale Richtung. Die auf dem Film abgebildete Mehrfachsonde 3′ mit der Sondenspitze 4′ wird mit den Detektorpunkten 6′ bis 10′ dargestellt.

Mittels nicht gezeichnetem Digitizer werden die interessierenden Punkte der zwei Filmaufnahmen in den Rechner eingegeben und mit einem entsprechenden Programm die Koordinaten der Sondenspitze 4, des Punktes 19 und der Mehrfachsondenpunkte an der Sondenoberfläche 21 bis 25 berechnet. Das weitere Vorgehen zur Ermittlung der Dosis an den entsprechenden Punkten an der Mehrfachsondenoberfläche ist analog dem im Beispiel 1.

Bezugszeichenliste:

 1 zentralliegende Applikationssonde
 1′ Abbildung von 1 auf einer seitlichen Filmaufnahme
 2 seitlich liegende Applikationssonde
 3 Mehrfachsonde
 3′ Abbildung von 3 auf einer seitlichen Filmaufnahme
 4 Sondenspitze
 4′ Abbildung von 4 auf einer seitlichen Filmaufnahme
 5 Krümmungsradius der Sondenspitze 4
 6 bis 10 Strahlendetektoren
 6′ bis 10′ Abbildung von 6 bis 10 auf einer seitlichen Filmaufnahme
11 bis 13 Quellenpostionen
14 x-Achse im Applikatorsondenkoordinatensystem (x, y, z) in Richtung der zentralliegenden Applikatorensondenachse
15 innere Rektumwand
16 Krümmungsradius der Mehrfachsonde 3
17 fiktiver Mittelpunkt der gekrümmten Mehrfachsonde 3
18 Abstand der Sondenspitze 4 zum vordersten Strahlendetektor 6
19 Endpunkt der Sondenspitzenkrümmung
20 Durchmesser der Mehrfachsonde
21 bis 25 Punkte an der Rektumsondenoberfläche in senkrechter Richtung von den Detektoren 6 bis 10 zur zentralliegenden Applikationssonde
26 Spitze der zentralliegenden Applikatorsonde
26′ Abbildung von 26 auf einer seitlichen Filmaufnahme

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der Dosiswerte an der Wand von Hohlorganen, insbesondere bei den Rektumwänden in der gynäkologischer Afterloading-Therapie dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten Koordinatentripeln der Strahlendetektorpositionen einer relativ starren Mehrfachsonde mit mindestens drei Strahlendetektorpositionen die Transformationswinkel von einem applikatorfesten Koordinatensystem (x, y, z) zu einem Mehrfachsonden- Koordinatensystem (x′, y′, z′) ermittelt werden, indem die gekrümmte Mehrfachsonde (3) in einer Ebene y′ = constant liegt,

• - in dieser Ebene aus den mindestens drei Koordinatentripeln der vordersten Strahlendetektorpositionen der Krümmungsradius (16) und der fiktive Mittelpunkt (17) der gekrümmten Mehrfachsonde mittels Kreisgleichung bestimmt werden,
• - mit dem so erhaltenen Krümmungsradius (16), dem fiktiven Mittelpunkt (17), dem Krümmungsradius (5) der Mehrfachsondenspitze (4), dem Durchmesser (20) der Mehrfachsonde (3) dem Abstand (18) der Sondenspitze (4) von dem vordersten Detektor (6) der gekrümmten Mehrfachsonde (3) und den Transformationswinkeln zwischen den zwei Koordinatensystemen (x, y, z) und (x′, y′, z) die Koordinatentripel beliebiger Punkte auf der Oberfläche der Mehrfachsonde (3) im Bereich der Sondenspitze (4) bis zum entferntesten Detektorpunkt (10) berechnet werden, weiterhin mittels Bestrahlungsplan die Dosiswerte an diesen Punkten bestimmt werden und mittels Simulationsrechnung der maximale Dosiswert der der Wand des Hohlorganes gegenüber liegt, ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinatentripel der Strahlendetektoren in der Mehrfachsonde während der Bestrahlung aus den mit den Strahlendetektoren gemessenen Dosisleistungswerten bei Kenntnis der Ortslage von drei nicht auf einer Gerade liegenden Quellenpositionen iterativ berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß in 0. Näherung eine reziprokquadratische Abstandsabhängigkeit der Dosisleistung angenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelabhängigkeit und die von der reziprokquadratischen Abstandsabhängigkeit abweichende radiale Abhängigkeit der Dosisleistungsverteilung durch ein Produkt W (d)*K(r) dargestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Dosisleistung durch den Produktansatz 1/r² W(d)*K(r) dargestellt wird.