DE60208009T2

DE60208009T2 - System zur Echtzeitplanung von Strahlentherapie

Info

Publication number: DE60208009T2
Application number: DE2002608009
Authority: DE
Inventors: Johann Kindlein; Dimos Baltas; Georgios Sakas; Frans Kuipers; Hans Martin Schot
Original assignee: Nucletron Operations BV
Current assignee: Nucletron Operations BV
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: AU2003204404A1; CA2432493C; US20110288361A1; DE60334956D1; US7899517B2; ATE488271T1; US9381377B2; ATE312648T1; JP2004041725A; US8744553B2; US8301228B2; EP1374949B1; ES2355700T3; JP4439843B2; PT1374951E; DE60208009D1; US20130102831A1; CA2432493A1; ES2254599T3; AU2003204404B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Echtzeitplanung einer Strahlungsbehandlung zur Verwendung bei der Durchführung einer Strahlentherapie bei einem vorausgewählten anatomischen Abschnitt eines Tierkörpers, mit

A einem Schrittmotor zur automatischen Positionierung einer Bildgebungseinrichtung zur Erzeugung von dem anatomischen Abschnitt entsprechenden Bilddaten,
B einer Einrichtung zum Einführen zumindest einer Hohlnadel an einer Position in den anatomischen Abschnitt unter der Führung einer Vorlage,
C einer Strahlenabgabeeinrichtung zum Definieren einer Vielzahl von Positionen mit einer Ortsbeziehung innerhalb eines Volumens des anatomischen Abschnitts und zum Einführen zumindest einer Energieemissionsquelle durch die zumindest eine Hohlnadel an der Vielzahl der Positionen in den anatomischen Abschnitt,
D einer Verarbeitungseinrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbehandlungsplans zum Durchführen der Strahlentherapie, wobei der Behandlungsplan Informationen über – die Anzahl, Position, Richtung und Abschätzung des besten Weges der Platzierung einer oder mehrerer der Hohlnadeln in der anatomischen Form und dem Volumen des zu behandelnden anatomischen Abschnitts, – die zu emittierende Strahlendosismenge enthält.

In den letzten zehn Jahren gab es wesentliche Änderungen bei der Durchführung von Strahlungsbehandlungen. Das jahrhundertealte Ziel der Strahlentherapie, das heißt, die Zufuhr einer heilenden Dosis zum Target, beispielsweise einem Tumor, während normales Gewebe des Tierkörpers bewahrt wird, kann nun mit großer Verfeinerung verfolgt werden. Trotz hauptsächlicher Verbesserungen, die mit dreidimensionalen Bildgebungsverfahren erreicht werden können, die eine geeignete Definition der Anatomie ermöglichen, haben Brachytherapie-Behandlungen noch nicht vollständig von diesen wichtigen neuen Informationen profitiert.
Bei einer Brachytherapie unter Verwendung von Energieemissionsquellen mit hoher Dosisrate (HDR) werden Katheter oder Hohlnadeln in einem Target- bzw. Zielvolumen in einem Tierkörper platziert und es wird angenommen, dass wenn die Dosisverteilung die Katheter abdeckt, auch die Anatomie abgedeckt wird. Eine Bildgebung wird allgemein zum Einstellen der Behandlungsränder verwendet, jedoch beruhen optimierte Dosisverteilungen auf Überlegungen, wie den Katheterpositionen und einer gewünschten Dosis, und sind auf wenige definierte Punkte beschränkt. Dies resultiert notwendigerweise in einer Annäherung der Form des zu behandelnden anatomischen Abschnitts.
Im Fall der Behandlung der Prostata resultiert eine Volumenoptimierung in einer Dosisverteilung, die im Wesentlichen eine zylindrische Form hat. Mit einer zylindrisch geformten Annäherung der Prostata ist es möglich, eine vollständige Abdeckung des Prostatavolumens durch die von der Quelle oder den Quellen emittierte Strahlung sicherzustellen. Nur eine konformale Dosisverteilung, die dem anatomischen Abschnitt mit einem geeigneten Rand um die Prostata zugeführt wird, wird das gesamte betroffene kanzeröse Gewebe umfassen.
Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren (beispielsweise Etienne Lessard, Med. Phys. 28. (5) Mai 2001) verwenden das Konzept der Inversplanung zum Erhalten einer anatomiebasierten Optimierung der Dosisverteilung. Ohne manuelle Modifizierung zum Durchführen einer konformalen HDR-Prostatabehandlung und Wissen um den exakten Ort der Applikatoren (Katheter/Hohlnadeln) ist es aufgrund moderner Bildgebungsverfahren einfach, die mögliche Stoppposition der radioaktiven Quelle in einem Katheter oder einer Hohlnadel zu bestimmen, die sich in dem Tierkörper befindet. Die möglichen Quellenpositionen werden als gegeben betrachtet. Das System muss beruhend auf einer HDR-Inversplanung eine Dosisoptimierung bestimmen, die vollständig von anatomischen und klinischen Kriterien gesteuert ist, um die beste Verweilzeitverteilung zu entscheiden.
Im US Patent Nr. 5,391,139 von G.K. Edmundson ist ein System zur Echtzeitplanung einer Strahlungsbehandlung nach dem Oberbegriff offenbart. Mit diesem System werden Bilddaten des anatomischen Abschnitts, beispielsweise der Prostata, für Planungszwecke erhalten, und das medizinische Personal wählt eine willkürliche Anzahl von Nadelposition unter Verwendung vorbestimmter Platzierungsregeln, die empirisch aus der Erfahrung bestimmt sind. Das Planungssystem entwickelt einen Behandlungsplan beruhend auf diesen willkürlichen Nadelpositionen, woraufhin das medizinische Personal die Planungsergebnisse zu untersuchen und zu entscheiden hat, ob diese Ergebnisse für die Durchführung der tatsächlichen Strahlungsbehandlung geeignet sind. Findet das medizinische Personal die Planungsergebnisse nicht zufriedenstellend, müssen die virtuellen Nadelpositionen geändert werden, und unter Verwendung der neu positionierten Nadeln wird ein neuer Behandlungsplan erzeugt. Dieser Versuch- und Irrtum-Ansatz wird wiederholt, bis ein Behandlungsplan entwickelt ist, der die tatsächliche beabsichtigte Strahlungsbehandlung erfüllt.
Danach werden die Katheter oder Nadeln über eine Vorlage in den Tierkörper entsprechend dem erzeugten Behandlungsplan eingeführt.
Herkömmliche Dosisoptimierungsalgorithmen stellen eine einzelne Zielfunktion dar, das heißt, sie liefern eine einzelne Lösung. Diese Lösung wird durch ein Versuch- und Irrtum-Verfahren wie bei Edmundson's US Patent Nr. 5,391,139 durch Modifizieren von Wichtigkeitsfaktoren einer gewichteten Summe von Zielfunktion gefunden, beispielsweise durch neu Positionieren der virtuellen Nadeln oder durch Ändern der zuzuführenden Strahlungsdosis. Dieses Problem wird gegenwärtig behandelt und es wurden einige Verfahren zum Finden eines optimalen Satzes von Wichtigkeitsfaktoren vorgeschlagen.
Herkömmliche Optimierungsverfahren kombinieren die Target-Zielfunktionen und die Zielfunktionen für das umgebende gesunde Gewebe und kritische Strukturen in einer einzelnen gewichteten Zielfunktion. Der Gewichts- oder Wichtigkeitsfaktor für jede Zielfunktion muss zugeführt werden. Die erhaltene Lösung hängt vom Wert der verwendeten Wichtigkeitsfaktoren ab. Ein Ziel eines Behandlungsplanungssystems besteht in der Fähigkeit, den Arzt beim Erhalten guter Pläne sofort zu unterstützen. Es sollte auch alle Informationen über die Möglichkeiten für die Zielfunktionen der Behandlung bereitstellen. Zum Erkunden der machbaren Region des Lösungsraums bezüglich jeder Zielfunktion müssen verschiedene Werte für die Wichtigkeitsfaktoren in der zusammengefassten Zielfunktion gegeben sein.
Außerdem unterscheiden sich die geeigneten Werte dieser Wichtigkeitsfaktoren bei jedem klinischen Fall. Dies impliziert, dass für jeden neuen klinischen Fall viel Aufwand für deren Bestimmung erforderlich ist.
Während aktuelle Optimierungsverfahren einzelne gewichtete Zielfunktionsverfahren sind, ist das Dosisoptimierungsproblem ein wahres Mehrfachzielfunktionsproblem, und daher sollten Mehrfachzielfunktions-Optimierungsverfahren verwendet werden.
Lahanes et al. offenbaren eine anatomiebasierte dreidimensionale Dosisoptimierung bei einer Brachytherapie unter Verwendung eines genetischen Mehrfachzielfunktionsalgorithmus (Medical Physics 26 (9), September 1999). In der US-B1-6200255 ist ein genetischer Mehrfachzielfunktionsalgorithmus zur Verwendung bei einer Brachytherapie mit geringer Dosis offenbart.
Der gradientenbasierte Algorithmus ermöglicht aufgrund seiner Leistung den Aufbau der sogenannten Pareto- oder Kompromissoberfläche, die alle Informationen des Wettbewerbs zwischen den Zielfunktionen enthält, die für den Planer zum Auswählen der Lösung erforderlich sind, die diese Anforderung am Besten erfüllt.
Ein Problem dieses Algorithmus besteht darin, dass die gewichtete Summe, wie sie bei allen herkömmlichen Dosisoptimierungsalgorithmen verwendet wird, keine Lösungen in möglichen nicht-konvexen Abschnitten der Pareto-Kompriss-Oberfläche bereitstellen kann, da eine konvexe gewichtete Summe von Zielfunktionen lediglich in den konvexen Abschnitten der Paretofront konvergiert. Eine weitere Haupteinschränkung des Algorithmus besteht in seiner Beschränkung auf konvexe Zielfunktionen, für die Gradienten berechnet werden können. Gemäß den Kuhn-Tucker-Theoremen kann in diesem Fall ein globales Optimum gehalten werden, und die gesamte Paretofront ist von der gewichteten Summe aus zugänglich.
Beim Suchen nach einem optimalen Satz von Wichtigkeitsfaktoren ist die Anzahl der Kombinationen für k Zielfunktionen ungefähr proportional zu n^k-1, wobei jeder Wichtigkeitsfaktor in n Punkte unterteilt wird, und die Form der gesamten Kompromissoberfläche erfordert eine sehr hohe Berechnungszeit. Die meisten realistischen Probleme erfordern die gleichzeitige Optimierung vieler Zielfunktionen. Es ist unwahrscheinlich, dass alle Zielfunktionen für einen einzelnen Satz an Parametern optimal sind. Wenn dem so ist, existieren viele, im Prinzip unendlich viele Lösungen.
Ein Mehrfachzielfunktionsalgorithmus liefert keine einzelne Lösung, aber einen repräsentativen Satz aller möglicher Lösungen. Aus diesen repräsentativen Lösungen muss eine einzelne endgültige Lösung ausgewählt werden. Es stehlt ein komplexes Problem dar, automatisch eine derartige Lösung auszuwählen, und solche Verfahren wurden vorgeschlagen, jedoch weiß ein Planer dann nicht, welche alternativen Lösungen stattdessen hätten ausgewählt werden können. Bei Problemen, wenn verschiedene Sätze von Zielfunktionen verglichen werden müssen, sind diese Informationen wertvoll, da sie die Möglichkeiten zeigen, die ein Planer für jeden derartigen Satz hat.
Eine Zeitanalyse der Optimierung bei verfügbaren kommerziellen Systemen beruhend auf beispielsweise 35 klinischen Fällen zeigt, dass selbst dann, wenn ein einzelner Optimierungsdurchlauf lediglich wenige Sekunden erfordert, die tatsächliche Optimierung 5,7 ± 4,8 Minuten dauert. Die Bewertung der Ergebnisse dauert zusätzliche 5,8 ± 2,5 Minuten. Dies zeigt, dass das Ergebnis eines einzelnen Optimierungsdurchlaufs nicht immer zufriedenstellend ist, und die meiste Zeit mit einer manuellen Versuch- und Irrtumoptimierung zugebracht wird.
Die Erfindung soll die vorstehend beschriebenen Probleme lösen und schlägt ein neues System zur Echtzeitplanung einer Strahlungsbehandlung gemäß dem vorstehenden Oberbegriff vor, wobei die möglichen Positionen der Energieemissionsquellen nicht als gegeben betrachtet werden, und der Ort der Nadeln nicht beruhend auf Regeln vorbestimmt ist, die empirisch bestimmt wurden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Beschreibung eines neuen Systems und Verfahrens zur Echtzeitplanung einer Strahlungsbehandlung, die eine erhebliche Beschleunigung einer anatomiebasierten Einzel- und Mehrfachzielfunktions-Dosisoptimierung und von Inversplanungsprozeduren für eine HDR-Interstitielle Brachytherapie ermöglichen.
Die Erfindung zielt auf eine Erzeugung eines Behandlungsplans in Echtzeit ab, der dem medizinischen Personal sofort präsentiert wird und auch sofort bei der Strahlungsbehandlung verwendet werden kann.
Die vorstehenden Aufgaben werden durch ein Planungssystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 29 gelöst.
Der in dieser Anmeldung verwendeter Ausdruck Nadeln deckt beispielsweise Katheter, Führungsröhren oder andere Elemente ab, die in einem Tierkörper zu implantieren sind, um eine Energieemissionsquelle in diesem Tierkörper zu positionieren. Der bei dem erfindungsgemäßen Behandlungsplanungssystem verwendete zweidimensionale Bildsegmentierungsalgorithmus kann alle oder einen Teil dieser Elemente verwenden (beispielsweise Hohlnadeln, Katheter und Führungsröhren).
Die Anwendung eines dreidimensionalen Bildgebungsalgorithmus und eines dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus ermöglicht eine schnelle Echtzeiterzeugung eines Behandlungsplans ohne das Erfordernis der Bestimmung bestimmter Zielfunktionen als Startpunkt für den Behandlungsplanungsschritt, wie die Positionierung einer oder mehrerer Nadeln in dem anatomischen Abschnitt.
Tatsächlich verwendet der anatomiebasierte genetische Optimierungsalgorithmus bei dem erfindungsgemäßen Behandlungsplanungssystem bestimmte tierkörperbezogene Daten und/oder systembezogene Daten und/oder strahlungsbezogene Daten, wobei die tierkörperbezogenen Daten Daten hinsichtlich der Form und des Orts des anatomischen Abschnitts und/oder der Form und des Orts spezifischer Organe nahe oder in dem anatomischen Abschnitt sind.
Die systembezogenen Daten können Daten hinsichtlich der Vorlage und ihrer Position bezüglich des anatomischen Abschnitts des Tierkörpers und/oder der Dimensionen der verwendeten Nadeln und/oder der minimalen Verschiebungsdistanz der Energieemissionsquelle durch die Strahlungszuführeinrichtung sein, während die strahlungsbezogenen Daten Daten hinsichtlich der vorgeschriebenen Strahlungsdosis für den anatomischen Abschnitt des Tierkörpers, der maximalen Strahlungsbelastungsdosis für die spezifischen Organe nahe oder in dem anatomischen Abschnitt sind.
Diese spezifischen Daten werden als Randbedingungen verwendet und in den genetischen anatomiebasierten Optimierungsalgorithmus durch das medizinische Personal eingegeben oder durch den Algorithmus beispielsweise aus den durch die Bildgebungseinrichtung erhaltenen Bilddaten bestimmt/errichtet.
Die Dosisoptimierung muss viele wiederstreitende Zielfunktionen berücksichtigen, wie die Abdeckung des vorausgewählten anatomischen Abschnitts oder eines mit einer bestimmten Dosis zu behandelnden Planungszielvolumens (PTV) und die Dosisabschirmung des umgebenden Gewebes und bestimmter empfindlicher Organe (OAR = Risikoorgane), wie die Blase und Urethra, wenn Prostatakrebs behandelt wird. Die Zielfunktionen werden in eine einzelne Zielfunktion F_Tot kombiniert, die durch eine gewichtete Summe der einzelnen Zielfunktionen gebildet ist. Der optimale Wert f^* _i für die vom Optimierungsalgorithmus gefundene i-te Zielfunktion hängt von den verwendeten Gewichten (Wichtigkeitsfaktoren) ab und ist nicht unbedingt das bestmögliche Ergebnis, da die Abbildung von Wichtigkeit auf den Zielfunktionsraum komplex ist, insbesondere bei drei und mehr Zielfunktionen. In den Fällen, in denen die Lösung nicht zufriedenstellend ist, muss der Behandlungsplaner die Optimierung mit einem unterschiedlichen Satz von Wichtigkeitsfaktoren wiederholen. Ein Verfahren besteht in der Erhöhung der Wichtigkeitsfaktoren der Zielfunktionen, für die die Lösung kein zufriedenstellendes Ergebnis liefert.
Praktisch kann lediglich eine kleine Anzahl von Kombinationen getestet werden, und anhand dieses Ansatzes kann der Behandlungsplaner nicht alle Informationen über den Bereich möglicher Werte und den Konkurrenzgrad sammeln, die zum Auswählen der „besten Lösung" erforderlich sind. Zum Erhalten des "best"-möglichen Ergebnisses unter Vermeidung von Versuchs- und Irrtumsverfahren schlägt die Erfindung die Verwendung eines gradientenbasierten Mehrfachzielfunktionsoptimierungsalgorithmus vor.
Dessen Bedeutung wurde im US Patent Nr. 6,327,490 erkannt, in dem ein Verfahren zum Speichern und Vergleichen verschiedener Behandlungspläne vorgestellt ist. Was in diesem Patent nicht erkannt ist ist, dass manchmal nicht nur eine Modifizierung der Energieemissionsquellenpositionen erforderlich ist, sondern auch eine Modifikation der Wichtigkeitsfaktoren/Randbedingungen, die die Qualität der Lösung bestimmen. In der klinischen Praxis ist oft Realität, dass die erforderliche Optimierung eine Mehrfachzielfunktion anstelle einer Einzelzielfunktion ist, und dies erhöht die für den Berechnungsvorgang erforderliche Zeit umso mehr. Demnach besteht ein echtes Bedürfnis nach anatomiebasierten Optimierungsverfahren und inversen Planungsprozeduren für sehr schnelle Dosisberechnungsverfahren.
Die Dosis d_i(x) am i-ten Abtastpunkt wird berechnet durch
wobei N_d die Anzahl der Quellen, x_j ² die Verweilzeit der j-ten Quellenverweilposition und d ~_ij der Kernwert für den i-ten Dosisberechnungspunkt und die j-te Quellenverweilposition ist. Dosisberechnungsnachschlagetabellen (LUT) von d ~_ij werden in einem Vorverarbeitungsschritt berechnet und gespeichert. Die Berechnung der Dosis für N_S Abtastpunkte erfordert N_sN_d Modifikationen und N_s(N_d – 1) Additionen.
Ein Faltungsverfahren beruhend auf der Fast Fourier Transformation (FFT) für die Berechnung einer dreidimensionalen Dosisverteilung wurde von Boyer und Mok 1986 vorgeschlagen, das die Berechnungszeit zu verringern versucht. Mit der Anwendung von FFT-basierten Faltungsverfahren ist die für die Berechnung einer Dosisverteilung bei diesem Verfahren erforderliche Zeit unabhängig von der Anzahl der Quellen. Obwohl es nicht mit winkelasymmetrischen Kernen fertig wird, ist ein Vorteil des FFT-basierten Verfahrens, dass die Berechnungszeit praktisch von der Form des verwendeten dosimetrischen Kerns unabhängig ist. Unsere Analyse hat gezeigt, dass dieses Verfahren mit herkömmlichen Verfahren nur dann vergleichbar ist, wenn die Anzahl der Quellen viel größer als 300 ist. Die Vermeidung von Übertragseffekten kann lediglich durch ein Auffüllen mit Nullen in jeder Dimension vermieden werden, was die Transformationsgröße auf N = 8.N_s für N_s Abtastpunkte erhöht und 8.N_s.ln(8.N_s) Operationen erfordert.
Das Ziel der erfindungsgemäßen HDR-Brachytherapiedosisoptimierung besteht in der Abdeckung des zu behandelnden anatomischen Abschnitts (PTV) mit zumindest einem Dosiswert und im Schutz der spezifischen empfindlichen Organe (OAR) und des umgebenden normalen Gewebes vor Dosiswerten über einem bestimmten Pegel. Bei varianzbasierten Zielfunktionen werden Dosiswerte über einem kritischen Dosiswert quadratisch bestraft. Die Zielfunktionen sehen so aus, dass die Isodosis der optimalen Dosisverteilung der vorgeschriebenen Dosis mit der Fläche des anatomischen Abschnitts übereinstimmt. Mit diesem Ansatz ist die Verwendung einer zusätzlichen Zielfunktion für das umgebende normale Gewebe nicht erforderlich. Für dieses sollte die Dosisvarianz f_s der Abtastpunkte (Dosispunkte), die gleichmäßig über die Fläche des anatomischen Abschnitts verteilt sind, so klein als möglich sein. Die Vermeidung äußerst hoher Dosiswerte in dem anatomischen Abschnitt, beispielsweise der Prostata, wird durch die Dosisverteilungsvarianz f_v im anatomischen Abschnitt gesteuert.
Es werden normalisierte Varianzen verwendet:
wobei m_s und m_v die Durchschnittsdosiswerte jeweils auf der Oberfläche des anatomischen Abschnitts und im anatomischen Abschnitt und N_s, N_v die entsprechende Anzahl der Abtastpunkte sind. Der Zielfunktionsraum von (f_s, f_v) ist konvex und gradientenbasierte Algorithmen konvergieren auf die globale Pareto-Front. Sind insbesondere empfindliche Organe zu berücksichtigen, wird eine zusätzliche Zielfunktion für jedes spezifische Organ (OAR) aufgenommen:
wobei N_OAR die Anzahl der Abtastpunkte im spezifischen Organ und D_c ^OAR die entsprechende kritische Dosis als Bruchteil der vorgeschriebenen Dosis oder Referenzdosis darstellt, welche Dosis bei diesem Modell gleich der Durchschnittsdosis auf der Oberfläche des anatomischen Abschnitts ist. Die Zielfunktionen für die spezifischen empfindlichen Organe sind dieselben wie für die anatomischen Organe, enthalten aber die Dosisvarianzen gegenüber den kritischen Dosiswerten, die nur für diese bestimmten spezifischen Organe spezifisch sind. Die Ableitungen lauten:
wobei die folgenden Beziehungen verwendet werden:
wobei d s / i, d v / i und d OAR / i jeweils die Dosisrate am i-ten Abtastpunkt auf der Fläche des anatomischen Abschnitts, im anatomischen Abschnitt und in einem spezifischen Organ ist. d ~ s / il, d ~ v / il, d ~ OAR / il ist jeweils der Dosiskern für den i-ten Abtastpunkt und die l-te Quellenverweilposition für die Abtastpunkte auf der Fläche des anatomischen Abschnitts, im anatomischen Abschnitt und in dem spezifischen Organ. N_d ist die Zahl von Quellenverweilpositionen.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Berechnung von Zielwerten und Ableitungen wird die Nachschlagetabelle d ~ S / iα als N_S × N_d-Matrix K ~^S betrachtet:
Ist
der Vektor von Dosiswerten d s / i und ist t →^T = (t₁, t₂, ... t_Nd) = (x 2 / 1, x 2 / 2, ... x 2 / Nd) der Vektor der Verweilzeiten, dann ist d^S = K ~^St →.
Der herkömmliche Ansatz besteht in der Berechnung der Dosiswerte und dann der Zielfunktionswerte und ihrer Ableitungen. Die Anzahl der Operationen zur Berechnung von d →^S erfordert N_d·N_s Multiplikationen und (N_d – 1)·N_s Additionen. Der für K →^S erforderliche Speicher beträgt N_d·N_s Gleitpunkte. Der Speicher für diese zuvor berechnete Matrix ist aufgrund der erheblichen Verbesserung in der Optimierungsgeschwindigkeit erwünscht. Die Berechnung der Zielfunktionen und der Ableitungen für N_s Abtastpunkte und N_d Quellenverweilpositionen erfordert daher eine Größenordnung von N_d·N_s Operationen.
Neues Verfahren zur Berechnung der Ziele und Ableitungen unter Verwendung von Dosiskernnachschlagetabellen.
Die Zielfunktion f_s und ihre N_d Ableitungen können wie folgt geschrieben werden:
Es ist möglich, die Anzahl von Operationen der Zielwerte und deren Ableitungen auf ungefähr O(N_d·N_d) Operationen zu verringern.
Mit
ergibt sich
D^s ist eine symmetrische (D s / αβ = D s / βα) N_d × N_d-Matrix. K ~^s ist die Dosiskernmatrix erster Ordnung und D^s ist die Dosiskernmatrix zweiter Ordnung.
Die Ausdrücke m_s,m 2 / s und
können aus K ~^s unter Verwendung der folgenden Beziehungen berechnet werden:
wobei
ein N_s-dimensionaler Vektor und
ist.
Aus der Matrixdarstellung können die folgenden Ausdrücke analytisch wie folgt geschrieben werden:
wobei
Für die Zielfunktion f_v sind die entsprechenden Matrizen K ~^v und D^v erforderlich. D^s und D^v können einmal in einem Vorverarbeitungsschritt berechnet werden, der lediglich 1 bis 2 Sekunden erfordert.
Die Gleichungen (1) bis (3) zeigen, dass es möglich ist, die Anzahl von Abtastpunkten im anatomischen Abschnitt ohne Erhöhung der Optimierungszeit zu erhöhen, da die rechte Seite jeder Gleichung nicht direkt von der Anzahl der Abtastpunkte abhängt. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit ohne Erhöhung der Rechenkosten erhöht werden kann.
Mit dem neuen Ansatz ist die Anzahl der Operationen von der Anzahl der Abtastpunkte unabhängig. Es ist nicht erforderlich, die Matrix K ~^s und K ~^v zu speichern. Lediglich die Matrizen D^s, D^v und die N_d-dimensionalen Vektoren
und
sind für die Dosisoptimierung erforderlich. Die Matrizen K ~^s und K ~^v erfordern die Speicherung von N_s·N_d und N_v·N_d Zahlen, während beide symmetrische Matrizen D^s und D^v die Speicherung von N_d(N_d + 1) Zahlen erfordern, das heißt, der Speicher ist von der Anzahl von Abtastpunkten unabhängig.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass dieser neue Algorithmus allgemein für Zielfunktionen (und ihre Ableitungen) der folgenden Typen anwendbar ist, die bei der Brachytherapie (HDR und Seeds) und der externen Strahlradiotherapie verwendet werden:
wobei D_i die gewünschte Dosis für den i-ten Abtastpunkt und N die Anzahl von Abtastpunkten ist. Zielfunktionen der Form f₂ und f₃ werden für das umgebende Normalgewebe verwendet, wo die Dosis zu minimieren ist. f₂ ist ein Maß der integralen Dosis, während mit f₃ die hohen Dosiswerte stärker als mit f₂ bestraft werden.
Für die externe Strahlenradiotherapie und intensitätsmodulierte Strahlenradiotherapie (IMRT) ergibt sich auf Grund der zerstreuten Matrixnatur der Kernmatrix ein Vorteil lediglich dann, wenn die Abtastpunktdichte derart ist, dass die Durchschnittszahl der Abtastpunkte pro Beamlet größer als die Anzahl der Beamlets ist.
Ferner ist anzuführen, dass es offensichtlich ist, dass derselbe Vorteil zu erwarten ist, wenn dieses neue Verfahren wie in den Gleichungen 1 bis 3 beschrieben implementiert wird, da der Kern eines umgekehrten bzw. inversen Planungssystems auf der Berechnung anatomiebezogener Zielfunktionen beruht.
Zum Optimieren für die spezifischen Organe werden die Zielfunktion und die Ableitungen lediglich durch Terme gebildet, für die d OAR / i > D OAR / cm_s ist, was durch Θ(d OAR / i – D OAR / cm_s) ausgedrückt ist. Ein großer Anteil der Abtastpunkte weist Dosiswerte auf, die kleiner als D OAR / cm_s sind. Es ist möglich, die Berechnung eines Teils dieser Dosiswerte unter Verwendung der Cauchy-Schwarz-Bunjakovski-Ungleichung zu vermeiden:
Für die Dosis d_i des i-ten Abtastpunkts ergibt sich
Die Größe
wird lediglich einmal pro Iteration berechnet, während die N_s Konstanten
in einem Vorverarbeitungsschritt berechnet und gespeichert werden können. Ist r·p_i < D OAR / c^Rm_s folgt d_i < D OAR / cm_s und ansonsten ist die Berechnung von d_i erforderlich. Selbst wenn die Schätzung der Dosis durch die Ungleichung nicht sehr gut ist ist es möglich, die Berechnung der Dosiswerte eines großen Anteils der Abtastpunkte in den spezifischen Organen unter Verwendung lediglich einer Multiplikation pro Punkt zu vermeiden.
Eine bessere Schätzung kann mit der folgenden Beziehung erhalten werden:
wobei N_d in zwei ungefähr gleiche Ausdrücke N₁, N₂ aufgeteilt wird, das heißt, N_d = N₁ + N₂.
Die zwei Terme
können pro Iteration einmal berechnet werden, während die 2N_s Terme
und
in einem Vorverarbeitungsschritt vor der Optimierung einmal berechnet und gespeichert werden.
Dieses Verfahren kann auf Zielfunktionen des folgenden Typs ausgedehnt werden:
Für a = 2 wird der quadratische Typ der Zielfunktionen erhalten, für a = 1 die Lesard-Pouliot-Zielfunktionen und für a = 0 die DVH-beruhenden Zielfunktionen. Unter Verwendung der Ungleichung kann die Berechnung der Dosis eines Teils der Abtastpunkte vermieden werden, wenn r·P_i < D_H ist. Für das Rektum, die Blase und normales Gewebe vermeidet dieser Ansatz die Berechnung eines erheblichen Anteils der Dosiswerte.
Die Hauptidee des vorgeschlagenen Dosisoptimierungsbeschleunigungsverfahrens besteht darin, dass die hier vorgestellten und gemeinsam bei der Brachytherapie verwendeten Zielfunktionen und ihre Ableitungen ohne Berechnung der individuellen Dosiswerte oder eines Bruchteils dieser berechnet werden können. Für Zielfunktionen des in den Gleichungen (4) bis (6) gegebenen Typs ist die Anzahl von Operationen für die Berechnung der Zielfunktionswerte und ihrer Ableitungen von der Anzahl der Abtastpunkte unabhängig, wenn die Vorverarbeitungszeit zur Berechnung und Speicherung von
vernachlässigt wird.
Dieses Verfahren ermöglicht die Erhöhnung der Anzahl der Abtastpunkte im anatomischen Abschnitt bis zu wenigen tausend, wodurch die Genauigkeit ohne Verlust der Optimierungsgeschwindigkeit verbessert wird. Verglichen mit der Standarddosisoptimierung ist das neue Verfahren desto schneller, je mehr Abtastpunkte vorhanden sind. Die Beschleunigung ist auch für Implantate mit einer kleinen Anzahl von Quellenverweilpositionen erheblich, wo der Ausdruck N 2 / d viel kleiner als N_s·N_d ist, der zuvor für die Berechnung der Dosiswerte erforderlich war.
Eine Mehrfachzieloptimierung mit 100 Quellen unter Verwendung von bis zu 100 Lösungen und bis zu 5000 Abtastpunkten im anatomischen Abschnitt mit einem 2 GHz PC ist in weniger als 10 Sekunden möglich. Der Speicherplatz für N_s Abtastpunkte und N_d Quellen kann um einen Faktor von ungefähr 2N_s/N_d verringert werden.
Eine Beschleunigung wird nicht nur für deterministische Algorithmen sondern auch für stochastische Algorithmen wie genetische Algorithmen oder simuliertes Härten erwartet.
Für Zielfunktionen hoher Dosisgrenzwerte vermeidet eine Schätzung des Dosiswerts unter Verwendung von lediglich zwei Multiplikationen und einer Addition pro Abtastpunkt das Erfordernis der Berechnung des Dosiswerts aus einem Bruchteil der Abtastpunkte.
1 zeigt eine sehr schematische Darstellung verschiedener Elemente einer bekannten Einrichtung zum Implantieren einer Energieemissionsquelle, beispielsweise radioaktiver Saaten bzw. Seeds in einer Vorsteherdrüse. Ein Patient 1 ist in einer Steinschnittposition auf einem Tisch 2 liegend gezeigt. Mit dem Tisch 2 ist ein Gehäuse 3 fest verbunden. Das Gehäuse 3 umfasst eine Ansteuereinrichtung 4 zum schrittweisen Bewegen einer Stange 4a. Eine Vorlage 5 ist mit dem Tisch 2 verbunden oder daran befestigt, und ist mit einer Vielzahl von (nicht gezeigten) Führungslöchern versehen, durch die Hohlnadeln 9, 10 relativ zum Patienten positioniert werden können. Mittels eines Halters 6 ist ein transrektaler Bildgebungsmessfühler 7 fest mit der Stange 4a verbunden, die in einer Richtung zum und weg vom Patienten mittels der Ansteuereinrichtung 4 beweglich ist. Der Bildgebungsmessfühler 7 kann ein Ultraschallmessfühler sein.
Eine Nadel 9 wird zum Fixieren der Vorsteherdrüse 11 in einer Position relativ zur Vorlage 5 verwendet. Eine Anzahl von Nadeln 10 wird an einer Position durch die Vorlage 5 in der Vorsteherdrüse 11 befestigt. Die Vorlage 5 bestimmt die relativen Positionen der Nadeln 10 in zwei Dimensionen. Die Nadeln 10 sind an ihren entfernten Enden offen und durch einen Stecker aus biokompatiblem, vorzugsweise bioabsorbierbarem Wachs versiegelt. In dem Gehäuse 3 befindet sich eine Implantierungs- bzw. Seed-Ladeeinheit 8.
Ein bekanntes Therapieplanungsmodul 12a ist zur Bestimmung der Anzahl und relativen Positionen der Implantierungen bzw. Seeds in jeder Nadel zum Implantieren in der Vorsteherdrüse 11 vorgesehen. Ein derartiges Therapieplanungsmodul 12a umfasst üblicherweise einen mit einem Therapieplanungsprogramm programmierten Computer. Das Therapieplanungsmodul 12a ist mit der Implantierungsladeeinheit 8 über eine Steuereinrichtung 12 zur Steuerung der Anzahl der Implantierungen pro Nadel verbunden. Die Steuereinrichtung 12 kann eine separate Einrichtung sein oder kann ein integrierter Teil entweder der Implantierungsladeeinheit 8 oder des Therapieplanungsmoduls 12a sein oder kann als Software des Therapieplanungsmoduls 12a oder der Implantierungsladeeinheit 8 ausgebildet sein.
Die in 1 gezeigte bekannte Einrichtung arbeitet wie folgt. Ein Patent 1 ist in Spinal- oder allgemeiner Narkose und liegt auf dem Operationstisch 2 in Steinschnittposition. Der (Ultraschall) – Bildgebungsmessfühler 7 wird in das Rektum eingeführt und der Messfühler ist über eine Signalleitung 7a mit einem bekannten Bildschirm verbunden, wobei ein Bild des Inneren des Patienten, insbesondere der Vorsteherdrüse 11 vom Betrachtungspunkt des Bildgebungsmessfühlers 7 aus zu sehen ist. Die Vorlage 5 ist an der Ansteuereinrichtung 4 angebracht, wodurch die Korrelation der Ultraschallbildgeometrie und der Vorlage 5 sichergestellt ist. Die Vorsteherdrüse 11 ist relativ zur Vorlage 5, zur Ansteuereinrichtung 4 und zum Bildgebungsmessfühler 7 mittels einer oder mehrerer Nadeln 9, 10 fixiert. Danach werden unter Ultraschall weitere Nadeln 10 in den Körper und die Vorsteherdrüse eine nach der anderen eingeführt.
Die Bewegung des Bildgebungsmessfühlers mittels der Ansteuereinrichtung 4 längsseits im Rektum steuert die Nadeltiefen jeder Nadel 10. Sind alle Nadeln 10 platziert, werden ihre Positionen relativ zur Vorsteherdrüse 11 in zumindest einer mehrerer bekannter Weisen bestimmt. Das Therapieplanungsmodul 12a bestimmt auf bekannte Weise, wie die Nadeln 10 in der Prostata zu platzieren sind, und wie viele radioaktive Implantierungen bzw. Saaten ("Seeds") in welcher Reihenfolge pro Nadel 10 zu platzieren sind. Die Informationen über die gewünschte Platzierung der radioaktiven Saaten in den Nadeln 10 wird zur Steuerung der Implantierungsladeeinheit 8 verwendet.
Erfindungsgemäß erzeugt das Therapiebehandlungsplanungsmodul zumindest einen Behandlungsplan wie er mit einem dreidimensionalen Bildgebungsalgorithmus und einem dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus für die spezifischen Organe in dem anatomischen Abschnitt, die Nadeln und die Röhren zum Umwandeln der mittels der Bildgebungseinrichtung erhaltenen Bilddaten in ein dreidimensionales Bild des anatomischen Abschnitts vorgesehen ist, wobei durch die Verwendung zumindest eines anatomiebasierten genetischen Einzel- oder Mehrfachzieloptimierungsalgorithmus zur Vorplanung oder für virtuelle Simulationszwecke die Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der optimalen Anzahl und Position zumindest einer der Hohlnadeln in Echtzeit, der Position der Energieemissionsquelle in jeder Hohlnadel sowie der Verweilzeit der Energieemissionsquelle an jeder Position eingerichtet ist, während eine Verarbeitungseinrichtung für Nachplanungszwecke zur Bestimmung der echten Nadelpositionen und der Verweilzeiten der Energieemissionsquelle für jede Position in Echtzeit beruhend auf dreidimensionalen Bildinformationen eingerichtet ist.
2 zeigt eine Vorlage zur Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems zur Echtzeitplanung einer Strahlungsbehandlung. Die Vorlage 20 ist insbesondere von einem Vorlagenrahmen 25 abnehmbar, der mit der Schrittmotoreinrichtung zum Verschieben der Bildgebungseinrichtung wie in Verbindung mit 1 beschrieben verbunden ist.
Die Vorlage 20 hat einen Gitteraufbau mit Nadellöchern 22 mit einem Abstand von 3,5 Millimetern in diagonaler Richtung. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel hat die Vorlage einen Gitteraufbau mit Nadellöchern mit einem Abstand von 2,5 mm in orthogonaler Richtung.
Die Vorlage kann eine Vorlage mit einem Motor ohne Löcher sein, und die Nadeln werden mit einer Führungsröhre geführt, wobei die Führungsröhre an jeder Position des virtuellen Vorlagengitters positioniert werden kann. Da bei diesem Ausführungsbeispiel keine Löcher verwendet werden, schränkt das Fehlen eines Gitters die Positionierung der Nadeln bezüglich der Vorlage und des zu behandelnden anatomischen Abschnitts nicht ein. Tatsächlich ist die Gitterkonfiguration bei einer Vorlage ohne Löcher lediglich hinsichtlich des Durchmessers der verwendeten Nadeln beschränkt.
Die in 2 gezeigte Vorlage ist vom Rahmen 25 abnehmbar. Der Rahmen 25 ist wie vorstehend beschrieben mit der Schrittmotoreinrichtung verbunden. Für eine gute Verbindung und Orientierung des Rahmens 25 und der Vorlage 20 bezüglich der Einrichtung in 1 ist der Rahmen 25 mit Ausrichtungsstiften 27 versehen, die mit entsprechenden Öffnungen (nicht gezeigt) in der Einrichtung in 1 zusammenpassen.
Die Vorlage 20 hat einen sattelförmigen Körper 20a, der in den Rahmen 25 wie in 2 gezeigt passt. Für Ausrichtungszwecke ist die Vorlage 20 mit Nuten 11a-11b versehen, die mit den entsprechenden Löchern 26a-26b im Umfang des Rahmens 25 zusammenpassen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Beschreibung der in den Körper eingeführten Katheter oder Nadeln in ihren realen geometrischen Dimensionen, durch die die HDR-Quelle läuft. Infolge dessen ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, dass Abtastpunkte für die Dosisbewertung, die innerhalb der Nadeln oder Katheter liegen, ausgeschlossen werden. Dies trägt zur Verringerung der Anzahl an Abtastpunkten im anatomischen Abschnitt verglichen mit anderen herkömmlichen Verfahren und zur Erhöhung der Geschwindigkeit bei.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist ein Katheter oder eine Hohlnadel durch Katheterbeschreibungspunkte definiert. Diese Punkte sind mittels Zylindern verbunden, und an jedem Katheter sind Länge und Durchmesser beschrieben. Der Satz der Katheterzylinder und Sphären wird zur Beschreibung der Geometrie eines Katheters verwendet, die entweder metallisch linear oder plastisch und gekrümmt sein kann.
Zur Erzeugung eines jeweiligen Behandlungsplans ist die Verarbeitungseinrichtung des erfindungsgemäßen Strahlungsbehandlungsplanungssystems zur Erzeugung eines Satzes von Mehrfachabtastpunkten unter Verwendung des dreidimensionalen Bildgebungsalgorithmus und des dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus und zur Berechnung der optimalen Strahlendosisverteilung für jeden Abtastpunkt unter Verwendung eines gradienten-basierten Algorithmus eingerichtet.
Die Qualität der Ergebnisse hängt von der Verteilung der erzeugten Abtastpunkte ab. Erfindungsgemäß wird die Dosisverteilung im anatomischen Abschnitt (PTV), kritischen Strukturen, wie bestimmten empfindlichen Organen (OAR) und der Oberfläche des anatomischen Abschnitts aus der Dosis einer geringen Anzahl an Punkten (Abtastpunkten) geschätzt.
Wie es in den 4 und 5 gezeigt ist, sind die erzeugten Abtastpunkte auf den Konturen und der triangulierten Oberfläche des zu behandelnden anatomischen Abschnitts verteilt. Für das konturenbasierende Verfahren befinden sich keine Punkte an beiden Enden des anatomischen Abschnitts. Daher ist ein großer Teil der Oberfläche für den Optimierungsalgorithmus nicht definiert, und die resultierende Isodosis ist lediglich durch die Konturen des anatomischen Abschnitts gebunden.
Abtastpunkte im Volumen werden aus geringen Diskrepanzsequenzen oder quasi-zufallsverteilten Abtastpunkten erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass im Gegensatz zu pseudozufallsverteilten Abtastpunkten Lücken und Clusterbildung vermieden werden. Monte-Carlo-erzeugte Größen konvergieren sehr viel schneller als eine herkömmliche Pseudozufallsfolge. Abtastpunkte innerhalb von Kathetern werden ausgeschlossen. Dies verringert den Einfluss von sehr großen Dosiswerten von Abtastpunkten, die gelegentlich sehr nahe an den Quellenverweilpositionen erzeugt werden. Aus den Abtastpunkten erhaltene statistische Werte werden daher mit größerer Genauigkeit berechnet.
In dem erfindungsgemäßen System werden zwei Behandlungsplanungsschritte durchgeführt:
Vorplanung oder umgekehrte Planung bzw. Inversplanung:
Unter der gegebenen Geometrie des zu behandelnden anatomischen Abschnitts (PTV), der spezifischen Organe (OAR) nahe oder in dem anatomischen Abschnitt, einer Vorlage und ihrer Position werden die optimale Anzahl und Position von Nadeln, die Verweilpositionen und die Verweilzeiten der Energieemissionsquelle bestimmt, sodass die resultierende Dosisverteilung verschiedene Kriterien wie Abdeckung des anatomischen Abschnitts mit der Verschreibungsdosis, Vermeidung von Dosiswerten über kritischen Werten in spezifischen Organen, usw. erfüllt.
Nachplanung: Unter der gegebenen Geometrie des anatomischen Abschnitts (PTV) und der spezifischen Organe (OAR) und einer gegebenen Anzahl und Position von Nadeln und der Position der Energieemissionsquelle in jeder Nadel werden die Verweilzeiten der Energieemissionsquelle an jeder Position bestimmt, sodass die resultierende Dosisverteilung verschiedene Kriterien wie die Abdeckung des anatomischen Abschnitts mit der Verschreibungsdosis, Vermeidung von Dosiswerten über kritischen Werten in den spezifischen Organen, usw. erfüllt.
Vorlagenbasierte Inversplanung
6 definiert die Vorlagen- und Kathetereigenschaften. Die Planungssoftware läuft auf einem Personalcomputer oder Laptopcomputer und ermöglicht die Einstellung bestimmter Zielfunktionen/Begrenzungen/Parameter vor der Erzeugung eines Behandlungsplans. Der Verschiebungsschritt der Quelle in einer Nadel ist auf 5,0 mm in den Nach-Ladungsparametern eingestellt, da ein Wert von 2,5 mm eine große Anzahl von Quellen erzeugt, und die Optimierung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Algorithmus mehr Zeit benötigen kann, und da dann ein 512 MB RAM empfohlen wird. Durch Drücken des Knopfs Autoaktivierung ("Autoactivation") erscheint der Dialog von 7, der weitere Organe (oder VOIs, das heißt, interessierende Volumina) enthalten kann.
Dieser Dialog wird für den Autoaktivierungsalgorithmus verwendet. Das anatomische Organ (PTV) und die vor zuviel Strahlungsdosis zu schützenden spezifischen Organe (OAR) sind aufgelistet, sowie der minimale Abstand der Quellenverweilpositionen vom entsprechenden VOI in Millimetern. Er wird zur Auswahl lediglich von Quellenverweilpositionen verwendet, die sich an einer Entfernung zu einem entsprechenden VOI von mehr als einem bestimmten Wert befinden.
Es werden lediglich VOIs berücksichtigt, für die der entsprechende Knopf gedrückt wird. In diesem Beispiel wird das Rektum ignoriert, da es außerhalb des anatomischen Abschnitts (PTV) liegt.
Nun bewegt das Programm alle Katheter/Nadeln, die sich innerhalb des anatomischen Abschnitts befinden, wobei die spezifischen Organe und die Geometrie des anatomischen Abschnitts berücksichtigt werden. Der Benutzer muss nun lediglich eine Untergruppe dieser Gruppe verwenden. Im Prinzip wird dies automatisch unter Verwendung eines Optimierungsverfahrens durchgeführt, das flexibel und robust ist. Dabei handelt es sich um die echte Inversplanung.
In 8 ist der Quellenparameter-Dialog zum Einstellen der Verschreibungsdosis gezeigt. Dieser Dialog wird zum definieren der Quellenstärke oder -Aktivität ("Source Strength/Activity") und der Verschreibungsdosis ("Prescription Dose") verwendet. Diese Parameter müssen für die Verwendung der Optimierungsalgorithmen zugeführt werden. Die Quelle ist durch ihre Stärke in Einheiten von U oder als Aktivität in Einheiten von GBq oder Ci charakterisiert. Die Verschreibungsdosis ist in cGy bestimmt.
Danach erscheint der Inversplanungs-Dialog von 9 und die Vorlagenansicht und Laden von 10 erscheint. 10 zeigt das Gitter der Vorlage, die Katheter und VOIs an verschiedenen Entfernungen von der Vorlage. Die ausgewählten Katheter sind dunkel gezeigt. Die Katheter, die ausgewählt werden können sind in hellgrau gezeigt. Durch Bewegen des Zyklus-Schiebers wird eine parallele Ebene entlang der Normalen zur Vorlage und mit einer gegebenen Entfernung von der Vorlage, die durch die Entfernung z definiert ist, bewegt. In der Vorlagenansicht ist der Schnittpunkt der VOIs mit der Ebene im Anatomiefenster gezeigt.
Durch Auswählen eines der in 11 (und 10) gezeigten Knöpfe kann die Katheterdichte ausgewählt werden.
Durch Auswählen eines oder mehrerer Katheter oder Nadeln (außer solchen in hellgrau gezeigten) mittels des Mauscursors kann der ausgewählte Katheter ein- oder ausgeschaltet werden. So kann der Benutzer die Katheter auswählen, die er während der Behandlungsplanung verwenden möchte. Beispielsweise kann ein Satz von Kathetern in der Peripherie und ein zusätzlicher Satz von Kathetern innerhalb des anatomischen Abschnitts ausgewählt werden. Vorzugsweise wird die Anzahl der ausgewählten Katheter oder Nadeln auf 15 bis 20 zum Begrenzen der durchzuführenden Anzahl an Berechnungen begrenzt.
Danach erscheint der Dialog Geometrie und Abtastung von 12, der Informationen über die Abtastpunkte, die Anzahl von Quellenverweilpositionen und die Anzahl von Kathetern enthält. Danach muss ein Optimierungsmodus ausgewählt werden, und der Dialog von 13 erscheint. Hier kann das Optimierungsverfahren ausgewählt werden, beispielsweise ein deterministisches Optimierungsverfahren.
Nach dem Auswählen von Eingestellte Optimierungsoptionen ("Set Optimization Options") in 13 erscheint der Dialog von 14. Die spezifischen Organe (OAR = Organs At Risk), die während der Strahlenbehandlungsplanung zu berücksichtigen sind, müssen ausgewählt werden. In diesem Fall befindet sich das Rektum außerhalb des zu behandelnden anatomischen Bereichs und kann ignoriert werden. Allerdings ist bei diesem Beispiel Prostatakrebs zu behandeln, und daher wird der Urethra-Knopf ausgewählt, da die Urethra in der Prostata vorhanden ist. Der kritische Dosiswert, dem das spezifische Organ als Bruchteil der Verschreibungsdosis ausgesetzt werden kann. In diesem Fall wird durch das medizinische Personal entschieden, dass die Urethra nicht mehr als 50% der Verschreibungsdosis erhalten darf. Daher wird der Faktor 1,5 eingegeben.
Mittels dieses Dialogs kann eine Einzel- oder Mehrfachzielfunktionoptimierung ("Single" oder "Multi Objective") durchgeführt werden. Die Mehrfachzielfunktionoptimierung wird ausgewählt. Nach der Optimierung werden dem Benutzer (medizinischen Personal) des Behandlungsplanungssystems 20 Lösungen vorgestellt. Das Behandlungsplanungssystem Plato, das von diesem Anmelder Nucletron B.V. entwickelt und im Handel erhältlich ist, oder andere Systeme verwenden einen Einzelsatz von Wichtigkeitsfaktoren, was nicht empfohlen wird, da es keinen einzelnen Satz von Wichtigkeitsfaktoren für alle Fälle geben kann. Es gibt keine Einzellösung, sondern im Prinzip unendlich viele Lösungen.
Das erfindungsgemäße Behandlungsplanungssystem versucht einen repräsentativen Satz einer Vielzahl von Behandlungsplanungslösungen zu erzeugen. Das deterministische Verfahren ist der einfachste Ansatz. Empfohlen wird natürlich der evolutionäre Algorithmus, der flexibler ist und viel mehr Lösungen erzeugt, aus denen die Beste für jeden Fall gefunden werden kann. Es ist nicht immer möglich, ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Selbst wenn lediglich Prostatafälle betrachtet werden.
Nach der Initialisierung berechnet das erfindungsgemäße Behandlungsplanungssystem die Volumina des anatomischen Abschnitts und der spezifischen Organe, erzeugt die Abtastpunkte, und Nachschlagetabellen werden gefüllt. In diesem Fall wiederholt der Optimierungsalgorithmus 20 Mal mit 20 verschiedenen Sätzen von Wichtigkeitsfaktoren.
Nach dem Optimierungsschritt muss der Entscheidungsknopf ("Decision button") zum Auswählen einer Lösung und Betrachten der Ergebnisse ausgewählt werden. Der in 15 gezeigte Dialog erscheint. Wird der Knopf Ergebnisse aller Lösungen ("Show Results Of All Solutions") gedrückt, erscheint der Dialog in 16. Durch Bewegen des Reiters zu DVH werden Werte sichtbar, und diese Werte werden beim Treffen der Entscheidung über den endgültigen Behandlungsplan verwendet.
Durch Auswählen der Spalte DVH (1.500) Urethra werden die Werte in dieser Spalte in absteigender Reihenfolge sortiert. Siehe 18.
Gemäß 18 ist die beste Strahlungsdosisabdeckung des anatomischen Abschnitts (PTV) in diesem Beispiel 92,13%, während 10,785% der Urethra einen Dosiswert über 1,5 Mal der Verschreibungsdosis aufnimmt. Möchte das medizinische Personal eine Dosismenge der Urethra unter 1% (in 18 0,77% , beträgt die beste Abdeckung für den anatomischen Abschnitt (Prostata) 86,115. Durch Drücken des Histogramm- Knopfs werden beispielsweise die Verteilungen angezeigt (19).
Die deterministischen Algorithmen verwenden einen Mittelwert bei der Dosisnormalisierung für die Oberfläche des anatomischen Abschnitts, und sind daher nicht so flexibel wie die evolutionären Algorithmen. Jedoch zeigen die Beispiele immer noch die Unterschiede zwischen den Behandlungsplanungslösungen, die bei verschiedenen Wichtigkeitsfaktoren/Randbedingungen erhalten werden, die sehr groß sein können. Also bestünde ein Verfahren darin, zuerst die spezifischen Organe (OARs) zu berücksichtigen, dann die Dosisabdeckung des anatomischen Abschnitts (PTV) und schließlich die Dosis im umgebenen Gewebe. Welche Präferenzen der Planer auch immer hat, der erfindungsgemäße Algorithmus erzeugt alle möglichen Lösungen und der Planer kann auswählen, welche Behandlungslösung die Beste ist.
Wird entschieden, dass 1% der Urethra mehr als den kritischen Dosiswert erhalten darf, wird die Behandlungslösung Nr. 15 in 20 (siehe auch 16 und 18) ausgewählt. Wird die Lösung 15 in der Liste ausgewählt, muss der Einzellösungannehmen-Knopf ("Accept Single Solution button") gedrückt werden, und zum Sehen der Isodosisverteilungen muss der Isodosis-Der-Ausgewählten-Lösung-Knopf ("Iso-Dose Of Selected Solution button") in 20 gedrückt werden.
Durch Auswählen des 3D-Knopfs in 21 werden die Isodosiswerte markiert, die anzuzeigen sind (hier die Isodosis für 1 Mal Verschreibung und 2 Mal Verschreibung). Danach werden zwei 3D-Isodosisverteilungen angezeigt.
Nachimplantierungsoptimierung
Bei der Nachimplantierungsoptimierung wird angenommen, dass die Quellenverweilpositionen gegeben sind. Dies ist im Prinzip das, was die Plato-Systeme von Nucletron Inversplanung nennen. Nach Aktivieren der Nachimplantierungsoptimierung lädt das Behandlungsplanungssystem die VOIs und Katheter und der Autoaktivierungsdialog von 22 erscheint.
Nach Drücken des OK-Knopfs wird der Quelleparameterdialog von 23 angezeigt. Nach Auswählen der Quellenparameter und Drücken von OK fährt das System direkt mit dem Optimierungsschritt ("Optimization Step") von 13 fort. Analog zum Vorplanungsschritt kann der deterministische Optimierungsalgorithmus ausgewählt werden. Die Schritte der Erzeugung von Mehrfachbehandlungslösungen sind dann die gleichen wie im Vorplanungsschritt.

Claims

System zur Echtzeitplanung einer Strahlungsbehandlung zur Verwendung bei der Durchführung einer Strahlentherapie bei einem vorausgewählten anatomischen Abschnitt eines Tierkörpers, mit a) einem Schrittmotor zur automatischen Positionierung einer Bildgebungseinrichtung zur Erzeugung von dem anatomischen Abschnitt entsprechenden Bilddaten, b) einer Einrichtung zum Einführen zumindest einer Hohlnadel an einer Position in den anatomischen Abschnitt unter der Führung einer Vorlage, c) einer Strahlenabgabeeinrichtung zum Definieren einer Vielzahl von Positionen mit einer Ortsbeziehung innerhalb eines Volumens des anatomischen Abschnitts und zum Einführen zumindest einer Energieemissionsquelle durch die zumindest eine Hohlnadel an der Vielzahl der Positionen in den anatomischen Abschnitt, d) einer Verarbeitungseinrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbehandlungsplans zum Durchführen der Strahlentherapie, wobei der Behandlungsplan Informationen über – die Anzahl, Position, Richtung und Abschätzung des besten Weges der Platzierung einer oder mehrerer der Hohlnadeln in der anatomischen Form und dem Volumen des zu behandelnden anatomischen Abschnitts, – die zu emittierende Strahlendosismenge enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung mit einem dreidimensionalen Bildgebungsalgorithmus und einem dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus zumindest für die spezifischen Organe in dem anatomischen Abschnitt und die Nadeln zum Umwandeln der durch die Bildgebungseinrichtung erhaltenen Bilddaten in ein dreidimensionales Bild des anatomischen Abschnitts versehen ist, wobei durch die Verwendung zumindest eines anatomiebasierten genetischen Einzel- oder Mehrfachzieloptimierungsalgorithmus die Verarbeitungseinrichtung zur Vorausplanung oder für eine virtuelle Simulation zur Bestimmung der optimalen Anzahl und Position zumindest einer der Hohlnadeln, der Position der Energieemissionsquelle in der jeweiligen Hohlnadel sowie der Einsatzzeiten der Energieemissionsquelle an der jeweiligen Position in Echtzeit unter Verwendung des zumindest einen anatomiebasierten genetischen Einzel- oder Mehrfachzieloptimierungsalgorithmus eingerichtet ist, während die Verarbeitungseinrichtung für Nachplanungszwecke zur Bestimmung der echten Nadelpositionen und der Einsatzzeiten der Energieemissionsquelle für die jeweilige Position in Echtzeit beruhend auf dreidimensionalen Bildinformationen unter Verwendung des zumindest einen anatomiebasierten genetischen Einzel- oder Mehrfachzieloptimierungsalgorithmus eingerichtet ist, und wobei die Verarbeitungseinrichtung zur Erzeugung des jeweiligen Behandlungsplans zur Erzeugung eines Satzes mehrerer Abtastpunkte unter Verwendung des dreidimensionalen Bildgebungsalgorithmus und des dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus und zum Berechnen der optimalen Strahlendosisverteilung für die jeweiligen Abtastpunkte unter Verwendung eines gradientenbasierten Algorithmus eingerichtet ist, und wobei die Anzahl an Operationen für die Berechnung der optimalen Strahlendosisverteilung unabhängig von der Anzahl der Abtastpunkte ist.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der anatomiebasierte genetische Optimierungsalgorithmus zur Erzeugung des Behandlungsplans spezifische tierkörperbezogene Daten und/oder systembezogene Daten und/oder strahlenbezogene Daten verwendet.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die tierkörperbezogenen Daten die Form und den Ort des anatomischen Abschnitts und/oder die Form und den Ort spezifischer Organe nahe dem oder innerhalb des anatomischen Abschnitts betreffende Daten sind.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die systembezogenen Daten die Vorlage und ihre Position hinsichtlich des anatomischen Abschnitts des Tierkörpers und/oder die Dimensionen der verwendeten Nadeln und/oder die minimale Verschiebungsstrecke der Energieemissionsquelle durch die Strahlenabgabeeinrichtung betreffende Daten sind.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlage einen Gitteraufbau mit Nadellöchern mit einem Abstand von 3,5 mm in diagonaler Richtung hat.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlage einen Gitteraufbau mit Nadellöchern mit einem Abstand von 2,5 mm in orthogonaler Richtung hat.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlage eine Motor-Vorlage ohne Löcher ist und die Nadeln mit einem Führungsrohr geführt werden, während das Führungsrohr in jeder Position des virtuellen Vorlagengitters positioniert werden kann.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlage eine abnehmbare Vorlage ist, die an eine sattelförmige Körperfläche angepasst ist und selbst vom Rahmen der Vorlage abnehmbar ist.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenbezogenen Daten die vorgeschriebene Strahlendosis hinsichtlich des anatomischen Abschnitts des Tierkörpers, die maximale Strahlenbelastungsdosis für die spezifischen Organe nahe oder in dem anatomischen Abschnitt betreffende Daten sind.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gradientenbasierte Algorithmus für die Strahlendosisverteilungsberechnung auf den folgenden Beziehungen beruht:

wobei ms und m_s jeweils die Durchschnittsdosiswerte auf der Oberfläche des zu behandelnden anatomischen Abschnitts und in dem anatomischen Abschnitt sind, wobei N_s, N_v die entsprechenden Zahlen der Abtastpunkte sind, wobei d_i ^s, d_i ^v und die d_i ^OAR jeweils die Dosisrate am i-ten Abtastpunkt auf der Oberfläche des anatomischen Abschnitts, in dem anatomischen Abschnitt und in einem spezifischen Organ sind, wobei d ~ s / il, d ~ v / il, d ~ OAR / il jeweils der Dosiskern für den i-ten Abtastpunkt und die l-te Einsatzposition der Energieemissionsquelle für die Abtastpunkte auf der Oberfläche des anatomischen Abschnitts, in dem anatomischen Abschnitt und in einem spezifischen Organ sind, und wobei N_d die Anzahl der Einsatzpositionen darstellt.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung zum Minimieren der Dosisvarianz f_s für den jeweiligen Abtastpunkt und des Auftretens hoher Dosiswerte in dem anatomischen Abschnitt entsprechend folgendem Algorithmen eingerichtet ist:
wobei f_v die Dosisverteilungsvarianz ist.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung zum Minimieren der Dosisvarianz f_OAR für das jeweilige spezifische Organ entsprechend folgendem Algorithmus eingerichtet ist:
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastpunkte die Grenze des zu behandelnden anatomischen Abschnitts und/oder die Grenze der spezifischen Organe und/oder die Position einer oder mehrerer Nadeln darstellen.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastpunkte, die sich in den Hohlnadeln befinden, von der Strahlendosisverteilungsberechnung ausgeschlossen sind.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte berechnete Strahlendosis für die Abtastpunkte gleich der zu emittierenden Strahlendosismenge ist.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bewertung der Strahlendosisverteilung und zur Berechnung der Algorithmen f_s, f_v und f_OAR verwendeten Abtastpunkte unter Verwendung eines Quasizufallszahlengenerators erzeugt werden.
Strahlenbehandlungsplanungssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der jeweiligen Nadeln, wie sie virtuell in dem Behandlungsplan bestimmt wird, in dem dreidimensionalen Bild des anatomischen Abschnitts auf einem Bildschirm angezeigt und zum Führen der entsprechenden Hohlnadel an der tatsächlichen Position in dem anatomischen Abschnitt verwendet wird.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuellen Nadeln identifiziert werden und ihre Positionen als Navigationsangaben in dem Bild des anatomischen Abschnitts angezeigt werden, das während des Einführens der echten Nadeln erhalten wird, wobei die echten Nadeln eine nach der anderen die virtuellen Nadeln an der ausgewählten Position ersetzen.
Strahlenbehandlungsplanungssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ausführung des dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus der genetische Optimierungsalgorithmus automatisch gestartet wird.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Definition der jeweiligen vorausgewählten anatomischen Position anhand einer Vielzahl paralleler, nicht unbedingt angrenzender Konturen des segmentierten dreidimensionalen Bildes bestimmt wird, während zusätzliche dazwischenliegende Konturen zwischen diesen interpoliert werden, wenn zusätzliche Segmente zwischen den angrenzenden Konturen vorhanden sind.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Definition einer vorausgewählten anatomischen Region in dem dreidimensionalen Bild des anatomischen Abschnitts durch einen geraden oder gekrümmten Weg und durch eine auf diesem Weg senkrecht stehende geschlossene Kurve bestimmt wird, während die Form und die Größe der geschlossenen Kurve sich entlang des Weges anhand einer Vielzahl von Verfahren ändern können.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Kurve als geometrische Kurve fester Größe definiert ist.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorausgewählte anatomische Region ein spezifisches Organ in dem anatomischen Abschnitt sein kann, wobei das spezifische Organ als röhrenförmiges Organ und die geschlossene Kurve als Kreis oder Ellipse dargestellt werden.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlnadel mittels ihrer echten geometrischen Dimensionen beschrieben ist.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einführens der Nadeln ihre tatsächliche Position in dem Tierkörper in Echtzeit mittels der Bildgebungseinrichtung visualisiert wird.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vorausplanung jede virtuelle Nadel nach einer Abtastung und dreidimensionalen Rekonstruktion schrittweise durch die halbautomatisch segmentierten Nadeln ersetzt wird.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ersetzen einer oder mehrerer virtueller Nadeln durch entsprechende echte Nadeln in dem anatomischen Abschnitt ein neuer Behandlungsplan unter Verwendung einer Anfangsnadelkonfiguration gestartet werden kann, die die Positionen der echten implantierten und verbleibenden virtuellen Nadeln enthält.
Strahlenbehandlungsplanungssystem nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung mehr als einen Behandlungsplan gleichzeitig erzeugt und zumindest einen deterministischen Algorithmus zum Anbieten eines Spektrums der besten aller Behandlungslösungen verwendet.
Verfahren zum Erzeugen eines Strahlenbehandlungsplans zur Verwendung bei der Durchführung einer Strahlentherapie bei einem ausgewählten anatomischen Abschnitt eines Tierkörpers eines Patienten, wobei zumindest eine Hohlnadel an einer Position in den anatomischen Abschnitt unter der Führung einer Vorlage oder eines Führungswerkzeugs eingeführt wird, und wobei unter Verwendung einer Strahlenabgabeeinrichtung zumindest eine Energieemissionsquelle durch die zumindest eine Hohlnadel in den anatomischen Abschnitt abgegeben wird, mit den Schritten: Abbilden des zu behandelnden anatomischen Abschnitts, Erzeugen eines Behandlungsplans zum Durchführen der Strahlentherapie, wobei der Behandlungsplan virtuelle Informationen über – die Anzahl und Position einer oder mehrerer der Hohlnadeln in der anatomischen Form und dem Volumen des zu behandelnden anatomischen Abschnitts, – die zu emittierende Strahlendosismenge enthält, gekennzeichnet durch die Schritte Umwandeln der durch die Abbildung erhaltenen Bilddaten in ein dreidimensionales Bild des anatomischen Abschnitts unter Verwendung eines dreidimensionalen Bildgebungsalgorithmus und eines dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus für die spezifischen Organe in dem anatomischen Abschnitt, die Nadeln und die Energieemissionsquelle, Verwenden zumindest eines anatomiebasierten genetischen Einzel- oder Mehrfachzieloptimierungsalgorithmus zur Bestimmung der optimalen Anzahl und Position zumindest einer der Hohlnadeln, der Position der Energieemissionsquelle in der jeweiligen Hohlnadel sowie der Einsatzzeiten der Energieemissionsquelle an der jeweiligen Position in Echtzeit zur Vorausplanung oder für eine virtuelle Simulation, wobei zur Erzeugung des jeweiligen Behandlungsplans ein Satz mehrerer Abtastpunkte unter Verwendung des dreidimensionalen Bildgebungsalgorithmus und des dreidimensionalen Bildsegmentierungsalgorithmus erzeugt wird, und die optimale Strahlendosisverteilung für die jeweiligen Abtastpunkte unter Verwendung eines gradientenbasierten Algorithmus berechnet wird, und wobei die Anzahl an Operationen für die Berechnung der optimalen Strahlendosisverteilung unabhängig von der Anzahl der Abtastpunkte ist.