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Sachgebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln eines
Patienten mit ionisierender Strahlung. Bei der Ausführung der
Erfindung wird ein Patient relativ zu einer ionisierenden Strahlungsquelle
während
einer Behandlung bewegt. Durch Bewegen des Patienten während einer
Behandlung ist es möglich,
sowohl die Strahlung, zugeführt
zu Bereichen außerhalb
eines Soll-Volumens, zu minimieren, als auch, bei der Behandlungsplanung,
die biologischen Eigenschaften von unterschiedlichen Bereichen innerhalb
und außerhalb
des Soll-Volumens zu berücksichtigen.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist bekannt, dass das Aussetzen von Gewebe ionisierender Strahlung
die Zellen, die dieser ausgesetzt sind, abtöten wird. In dem Verfahren
einer herkömmlichen
Strahlungstherapie werden allerdings wesentliche Volumina von normalem
Gewebe zusätzlich
zu pathologischem Gewebe schädlichen Strahlungspegeln
ausgesetzt.
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Verschiedene
Verfahren sind im Stand der Technik eingesetzt worden, um das Aussetzen
von gesundem Gewebe gegenüber
ionisierender Strahlung zu minimieren. Zum Beispiel sind Vorrichtungen, die
Strahlung auf den Tumor aus einer Anzahl von Richtungen richten,
verwendet worden. In solchen Vorrichtungen ist die Menge an ionisierender
Strahlung, die von jeder Strahlungsquelle ausgeht, geringer als
diejenige, die notwendig ist, um Gewebe zu zerstören. Vielmehr tritt eine Gewebezerstörung dort auf,
wo die Strahlungsstrahlen von mehreren Quellen zusammentreffen,
was bewirkt, dass der Strahlungspegel solche Pegel erreicht, die
für Gewebe
zerstörend
sind. Der Konvergenzpunkt der Mitte der mehreren Strahlungsstrahlen
wird hier als der "Fokussierungspunkt" bezeichnet. Das
Strahlungsfeld, das einen Fokussierungspunkt umgibt, wird hier als
das "Fokus-Volumen" bezeichnet. Die
Größe des Fokus-Volumens
kann durch Variieren der Größe der sich
schneidenden Strahlen variiert werden.
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Ein
solches Strahlungsgerät,
das unter dem Namen GAMMA KNIFE (Elekta Instruments S. A.) verkauft
wird, weist eine Abschirmung für
ionisierende Strahlung auf, die eine wesentliche Anzahl von ionisierenden
Strahlungsquellen besitzt. Die Strahlung führt durch eine Anzahl von Kanälen hindurch,
wobei alle davon zu einem gemeinsamen Fokussierungspunkt in einer
Vertiefung innerhalb der Strahlungsabschirmung führen. Auf ein solches System
wird in dem US-Patent 4 780 898 Bezug genommen und ist dort beschrieben.
Ein anderes System, das herkömmlich
als LINAC (oder Linearbeschleunigung) bezeichnet wird, setzt eine
ionisierende Strahlungsquelle ein, die sich umfangsmäßig um einen
Fokussierungspunkt herum bewegt, was eine Reihe von Strahlen ionisierender
Strahlung durch das Fokus-Volumen hindurch zuführt. Ein Kopf eines Patienten,
der in einem stereotaktischen Instrument immobilisiert ist, das
die Stelle des Behandlungsziels in dem Kopf des Patienten definiert,
wird durch ein System befestigt, das das Behandlungsziel in Übereinstimmung
mit dem vorstehend erwähnten
Fokussierungspunkt positioniert.
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Die
ionisierende Strahlung in dem Fokus-Volumen dieser Bestrahlungsgeräte ist,
verglichen mit der Strahlung, die von jedem individuellen Strahl
der Vorrichtung ausgeht, intensiv. Bereiche außerhalb des Fokus-Volumens
nehmen im Wesentlichen geringere Mengen an ionisierender Strahlung
auf. Deshalb kann pathologisches Gewebe behandelt werden, während umgebende,
gesunde Bereiche vermieden werden.
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Allgemein
ist das Fokus-Volumen sphärisch, da
der Schnitt der Querschnitte mehrerer Strahlungsstrahlen ungefähr eine
Kugel mit einer konstanten Strahlungsdichte an jedem Punkt äquidistant
von dem Fokussierungspunkt bildet. Als Folge nehmen, wenn die Form
des Volumens des pathologischen Gewebes nicht im Wesentlichen sphärisch ist,
entweder einige Bereiche des pathologischen Gewebes nicht genug
Strahlung auf oder andere Bereiche des gesunden Gewebes nehmen zu
viel Strahlung auf. Mit anderen Worten können Variationen in der Strahlungsempfindlichkeit
innerhalb des Fokus-Volumens nicht
berücksichtigt
werden. Um sicherzustellen, dass das gesamte Volumen des pathologischen
Gewebes vollständig
dem Strahlungsfeld ausgesetzt ist, ist der Strahlungsstrahl geneigt,
um zerstörende Strahlungsdosen
auf gesundes Gewebe innerhalb des Fokusvolumens zuzuführen.
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Es
ist möglich,
das Volumen des gesunden Gewebes, das hohe Dosen an ionisierender
Strahlung aufnimmt, durch Verringern der Größe des Fokus-Volumens und durch
manuelles Umpositionieren des Patienten mehrere Male, so dass die
unterschiedlichen Positionen der verschiedenen Fokus-Volumina effektiv
das gesamte Volumen des pathologischen Gewebes abdecken würden, zu
verringern. Während
dieses Verfahren eine erhöhte Übereinstimmung
zwischen dem Volumen und der Form des pathologischen Gewe bes und
dem Volumen, das hohe Strahlungsdosen aufnimmt, ermöglicht,
kann die Zeit, die erforderlich ist, um manuell einen Patienten
eine ausreichende Anzahl von Malen umzupositionieren, damit die
Größe des ausgewählten Fokus-Volumens
effektiv das pathologische Gewebe abdeckt, unangemessen lange Behandlungsperioden
erfordern. Weiterhin bringt die manuelle Umpositionierung das Potenzial
von Fehlern mit der sich daraus ergebenden, erhöhten Bestrahlung des gesunden
Gewebes mit sich.
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Eine
zweite potenzielle Maßnahme
zum Minimieren der Bestrahlung von gesundem Gewebe würde diejenige
sein, die individuelle Strahlungsgröße und die Intensitäten zu variieren,
wodurch die Form des Fokus-Volumens so modifiziert werden könnte, um
besser mit dem Volumen des pathologischen Gewebes übereinzustimmen.
Mit den vielen möglichen
Kombinationen der Größen des
einfallenden Strahls und der Intensitäten, die interaktiv durch das
radiologische Team evaluiert werden müssen, um eine Verteilung der
Strahlungsdosis zu finden, die für
eine Behandlung eines Volumens eines pathologischen Gewebes geeignet
ist, das eine spezifische Form besitzt, wird die Erfahrung des Radiotherapie-Teams
beim Auswählen
der Strahlgrößen und der
-intensitäten
ein wesentlicher Faktor für
die Effizienz und Effektivität
der Bestrahlungsbehandlung.
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Eine
weitere Lösung
setzt die Projektion eines Fokus-Volumens aus ionisierender Strahlung
auf einen Behandlungsbereich ein. Eine solche Technik ist, zum Beispiel,
in Experimental Verification of an Algorithm for Inverse Radiation
Therapy Planning, Radiotherapy and Oncology, 17 (1990) 359–368, beschrieben.
Gemäß diesem
Artikel ist es inpraktikabel, den Patienten in Bezug auf einen fixierten
Fokussierungspunkt zu bewegen. Diese Schlussfolgerung wurde auf
Therapy Planning and Dosimetry for the Pion Application at the Swiss
Institute for Nuclear Research, Radiation an Environmental Biophysics,
16, 205–209
(1979), begründet,
wo berichtet wurde, dass man demonstriert hat, dass eine dynamische Bewegung
des Patienten in einer Pion-Erzeugung nicht durchführbar war.
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Demzufolge
sind, obwohl der Stand der Technik eine Strahlungsbehandlung eines
Objekts, bei dem die Dosis-Verteilung eng mit dem Behandlungsbereich
innerhalb des Objekts übereinstimmt, vorschlägt, die
Verfahren von der Erfahrung des radiologischen Teams abhängig, was
potenzielle Fehler während
der manuellen Umpositionierung mit sich bringt und/oder verlängerte Behandlungszeiten
erfordert. Im Gegensatz zu diesem Verfahren nach dem Stand der Technik
beseitigt die vorliegende Erfindung – mittels einer automatischen
Positionierung und Umpositionierung eines Zielbereichs relativ zu
einem Fokus-Volumen – die
Risiken eines manuellen Fehlers, was die Verwendung von kleineren
Fokus-Volumina ermöglicht,
um dadurch die Übereinstimmung zwischen
einem Strahlungsfeld und einem Soll-Volumen zu verbessern und dadurch
das Erfordernis von Maßnahmen
entsprechend "Try
and Error", die
Fokus-Volumina mehrerer Größen zugeordnet
sind, zu verringern, und dies verkürzt die Planungszeit für eine Behandlung.
Zusätzlich
ermöglicht,
im Gegensatz zu der Lehre des Stands der Technik, die vorliegende
Erfindung eine dynamische Bewegung eines Objekts relativ zu einer
Strahlungsquelle, wodurch eine größere, lokale Übereinstimmung
der Dosis-Zuführung
auf das Volumen und die Form des pathologischen Gewebes durch Bewegung
unter Raten möglich
gemacht wird, was eine Strahlungs-Aufbringung, basierend auf den
zellularen Eigenschaften des Gewebes, wie beispielsweise Strahlungsempfindlichkeit,
sowohl innerhalb als auch außerhalb
des Soll-Volumens,
moduliert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung für eine medizinische Strahlungsbehandlung,
mit einem Fokus-Volumen, wobei die Position davon in Bezug auf die
ionisierende Strahlungsquelle fixiert verbleibt, allerdings in Bezug
auf das Objekt, das bestrahlt werden soll, variabel ist. Unter Verwendung
der Vorrichtung der Erfindung wird ein Objekt in Bezug auf das Fokus-Volumen
einer ionisierenden Strahlungsquelle bewegt, wodurch eine Mehrzahl von
Unterbereichen innerhalb des Objekts variierenden Strahlungsintensitätsniveaus
zum Variieren von Verweilzeiten unterworfen wird. Die dynamische
Bewegung wird durch eine mittels Computer gesteuerte Positionierungs-Vorrichtung
geführt,
um eine Strahlungsdosis-Verteilung zu erzielen. Die Strahlungsdosis-Verteilung
stimmt eng mit einer erwünschten Strahlungsdosis-Verteilung
unter Berücksichtigung sowohl
des biologischen Ansprechverhaltens der verschiedenen Gewebe, die
der Strahlung unterworfen werden, als auch der Form des Soll-Volumens überein.
Die Fokus-Volumengröße und die
Form können
im Zusammenwirken mit der Bewegung des Objekts variiert werden,
um weiter die Strahlungsbehandlung zu optimieren. Eine Bestimmung
der Fokus-Volumengröße, der
-Intensität
und der Verweilzeit des Fokus-Volumens in dem Soll-Bereich wird durch
anfängliches
Unterteilen des spezifizierten Behandlungsvolumens in Volumenelemente
oder Voxel vorgenommen. Biologische Charakteristika des Behandlungsvolumens
werden dann jedem Voxel zugeordnet. Eine Wahrscheinlichkeit zum
Erreichen einer komplikationsfreien Kontrolle des pathologischen Gewebes
wird dann für
jedes Voxel, basierend auf den biologischen Charakteristika, berechnet.
Die Energieaufbringung auf jedes Voxel, die benötigt wird, um diese Wahrscheinlichkeit
einer komplikationsfreien Tumor-Kontrolle zu erreichen, wird darauf
folgend berechnet. Schließlich
wird, aus der Energieaufbringung auf jedes Voxel, die Verweilzeit
des Fokus-Volumens an bestimmten Voxeln bestimmt. Wenn einmal die
Verweilzeit bestimmt worden ist, ist es möglich, die Reihenfolge von
Bewegungen zu bestimmen, die notwendig ist, um das Objekt in Bezug
auf das Fokus-Volumen zu positionieren, um die notwendige Strahlung
für jedes
Voxel zuzuführen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 stellt
ein Strahlungs-Behandlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
dar.
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2 stellt
ein Flussdiagramm für
ein Computerprogramm zur Verwendung in einem Strahlungs-Behandlungssystem
gemäß der vorliegenden Erfindung
dar.
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3 stellt
einen Modulator dar, der zur Verwendung in einem Strahlungs-Behandlungsgerät gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet ist.
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4 stellt
eine alternative Form eines Modulators dar, der zur Verwendung in
einem Strahlungs-Behandlungsgerät
gemäß der vorliegenden Erfindung
geeignet ist.
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5 stellt
ein Aufhängungssystem
zum Bewegen einer Positionierungsvorrichtung in Bezug auf eine Strahlungsquelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar.
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6 zeigt
die Ausführungsform
der 5 entlang eines Schnitts VI-VI.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 stellt
ein Strahlungs-Behandlungssystem dar, das zum Ausführen eines
Strahlungs-Behandlungsverfahrens nützlich ist. Insbesondere stellt 1 die
Koordination von verschiedenen Teilen eines Strahlungs-Behandlungsgeräts 103 dar,
das eine elektronisch gesteuerte Positionierungsvorrichtung 105 und
eine Ionisierungs-Strahlungseinheit 110 besitzt, um kontrollierte
Strahlung auf ausgewählte
Teile eines Objekts, das sich unter der Behandlung befindet, zuzuführen. Die
Verwendung einer elektronisch gesteuerten Positionierungsvorrichtung
in Kombination mit berechneten Strahlungsdosen für individuelle Voxel, basierend
auf Charakteristika eines Ansprechverhaltens auf biologische Strahlung,
ermöglicht
dem Bestrahlungssystem, dargestellt in 1, dynamisch die
Strahlungsbehandlung des Ziels durch Bewegung des Ziels in Bezug
auf den Fokussierungspunkt zu steuern. Genauer gesagt optimiert
das Strahlungs-Behandlungssystem der 1 die Strahlungszufuhr
von individuellen Voxeln auf einer Realzeitbasis so, dass die Strahlung,
absorbiert in dem Ziel, mit den erwünschten Strahlungsdosen, die
erwünschten biologischen
Ansprechverhalten der verschiedenen Gewebe, die behandelt werden
sollen, zugeordnet sind, übereinstimmt.
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Ein
Eingabe-Daten-System 150, dargestellt in 1,
weist ein System zum Erzeugen und/oder zum Speichern von dreidimensionalen,
geometrischen Koordinaten des Behandlungsvolumens innerhalb eines
Objekts, wie beispielsweise eines Patienten, auf. Dieses System
erzeugt auch die Typen von biologischen Ansprechverhalten des Soll-Volumens und von
umgebenden Geweben, die behandelt werden sollen, und/oder speichert
sie. Dieses Eingabe-Daten-System 150 überträgt die Behandlungs-Volumen-Daten
zu dem Host-Computer-System 100. Das Eingabe-Daten-System 150 ist,
zum Beispiel, ein herkömmliches
Computer-Grafik-System, das dreidimensionale Koordinaten eines Behandlungsvolumens
und von zugeordneten Untervolumen des Behandlungsvolumens mit Daten,
die biologische Eigenschaften der Untervolumen darstellen, speichert.
Der Host-Computer 100 wandelt
diese Daten in eine Reihe von Motorsteuer-, Bestrahlungsstrahlgrößen- und
Bestrahlungsstrahlenergie-Ausgangs-Steuersignalen über ein
Computerprogramm, wie beispielsweise ein solches, das in 2 dargestellt
ist, um. Der Host-Computer
schickt Strahlungssteuersignale zu den Strahlungsmodulatoren 45 der Vorrichtung
der Bestrahlungseinheit 110 über eine Leitung 130,
um die Größe und/oder
die Intensität
der Bestrahlungsstrahle, die von der Strahlungsquelle austreten,
um das Behandlungsvolumen zu bestrahlen, zu steuern.
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Die
Strahlungseinheit 110 umfasst auch eine Strahlungsquelle,
die einen, zwei oder mehr Strahlungsstrahlen projiziert, und eine
Einrichtung, um die Strahlungsstrahlengröße zu steuern, beispielsweise Modulatoren 45.
Die Strahlungsquelle des Bestrahlungsbehandlungsgeräts kann
irgendeine einer Vielzahl von herkömmlichen, ionisierenden Strahlungsquellen
sein, die ein effektives Fokus-Volumen an Strahlung erzeugen. Ein
Fokus-Volumen wird
typischerweise durch den Schnitt mehrerer (zwei bis einige hundert)
Strahlungsstrahlen, die von der Strahlungsquelle austreten, gebildet.
Die Strahlachsen sind auf einen festgelegten Punkt in Bezug auf
die Strahlungsquelle gerichtet. Das Fokus-Volumen ist die Summe
(über das
Volumen der sich schneidenden Bestrahlungsstrahlen) von Strahlungsdichten von
jedem der sich schneidenden Bestrahlungsstrahlen. Ein effektives
Fokus-Volumen kann auch durch Ausrichten der Achse eines einzelnen
Strahlungsstrahls durch einen fixierten Punkt von einer Mehrzahl
(typischerweise 2 bis 360) unterschiedlicher Winkel gebildet werden.
Eine solche Technik wird üblicherweise
in Bestrahlungseinheiten vom Linearbeschleuniger-Typ verwendet.
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Der
Host-Computer 100 schickt auch die Motor-Steuersignale über Leitungen 120 zu
jeder einer ersten, einer zweiten und einer dritten Motoranordnung,
jeweils mit Motoren 21, 22 und 25, innerhalb der
elektronisch gesteuerten Positionierungsvorrichtung 105.
Die erste und die zweite Motoranordnung arbeiten so zusammen, dass
sich Motoren 21, 22 und 25 in der ersten
Anordnung immer präzise
mit demselben Abstand wie die Motoren 21, 22 und 25 in
der zweiten Anordnung bewegen. Die erste und die zweite Motoranordnung
sind jeweils mit einem Rückführsystem 170 verbunden,
das den Translationsweg der Motoren 21, 22 und 25 in
der ersten Motoranordnung mit den Translationswegen der Motoren 21, 22 und 25 jeweils
der zweiten Motoranordnung vergleicht. Wenn ein Paar von zusammenarbeitenden
Motoren 21, 22 oder 25 nicht ungefähr (d. h. > 0,2 mm einer Differenz)
denselben Translationsweg haben, erzeugt ein Fehlererfassungs-Rückführsystem 170 ein Rückführfehlersignal,
um die gesamte Motorbewegung und die Bestrahlungsaufbringung zu
beenden, gesendet über
die Leitung 180 zu dem Host-Computer-System 100.
Wenn das Computer-System eine Motorbewegung und eine Aufbringung
von Strahlung aufgrund dieses Rückführsignals
beendet hat, können
die Motoren dann erneut kalibriert werden, und die Behandlung beginnt
erneut. Das Rückführsystem 170 überwacht
auch die Strahlungsintensität
durch Überwachung
der Strahlgrößen, erzeugt
durch die Strahlungsmodulatoren, die das Fokus-Volumen bilden. Die
Größe des Strahls
wird durch den Host-Computer 100 über Strahlungsmodulatoren 45 für jeden
Strahl gesteuert. Wenn ein Modulator einen Strahl bildet, der einen
Querschnitt größer oder
kleiner besitzt, als dies erwünscht
ist, dann sendet das Fehlererfassungs-Rückführsystem 170 ein Fehlersignal
zu dem Host-Computer, der, daraufhin, Steuersignale zu den damit
zusammen arbeitenden Motoren erzeugt, die den Patienten von dem
Fokus-Volumen des Strahlungsbehandlungsgeräts weg bewegen. Alternativ
sendet, wenn das Fehlererfassungs-Rückführsystem 170 erfasst,
dass die Größe des Strahlungsstrahls
nicht korrekt ist, dann das Rückführsystem 170 ein
Fehlersignal zu dem Host-Computer 100, der dann die Strahlungsquelle abschaltet.
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Die
manuelle Steuereinheit 160 besteht aus einem Joystick-Mechanismus
oder dergleichen, der Signale für
ein manuelles Steuern der damit zusammen arbeitenden Mo toren 21, 22 und 25 erzeugt. Diese
Signale werden zu beiden Sätzen
der damit zusammenarbeitenden Motoren 21, 22 und 25 über ein
Kabel 120 durch das Host-Computer-System 100 gesendet. Ein Monitor 165 zeigt
ein Bild entsprechend zu einem Fokussierungspunkt und einem Behandlungs-Volumen
an, wenn das Behandlungs-Volumen in Bezug auf den Fokussierungspunkt
auf die Signale, geschickt zu den damit zusammenarbeitenden Motoren 21, 22 und 25 hin,
bewegt wird.
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2 stellt
ein Computerprogramm 200 dar, das durch einen Computer 100 des
Strahlungsbehandlungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Steuern des Aufbringens von Strahlung innerhalb des
Behandlungsvolumens eines Objekts durch automatisches Bewegen des
Objekts in Bezug auf das Fokus-Volumen verwendet wird. Das Computerprogramm
erzeugt Signale, um Motoren zu steuern, die das Objekt so bewegen,
um eine Strahlungs-Fokus-Volumen-Verweilzeit an einem Ort für eine ausreichende
Zeit zu haben, um die geeignete Strahlungsintensität für diesen
Ort zuzuführen.
Zu Anfang werden die dreidimensionalen Koordinaten des Behandlungsvolumens
und die biologischen Charakteristika des Gewebes in dem Behandlungsvolumen
(und der Umgebung davon) erzeugt und zu dem Computersystem geschickt, 203.
Das Behandlungsvolumen wird dann in Volumenelemente oder Voxel segmentiert, 205,
die ein minimales Volumen kleiner als das Fokus-Volumen haben, das
an dem Schnitt der Strahlungsstrahle erzeugt ist. Biologische Ansprechverhalten
auf eine Bestrahlung des Gewebes, zugeordnet zu dem Behandlungsbereich,
werden dann den Voxeln zugeordnet, 220. Die Spezifikation
der Gewebe-Typen ermöglicht
dem behandelnden Arzt, über
mittels Computer gesteuerte Strahlung unterschiedliche Typen von
Tumorbereichen zu behandeln, die unterschiedlich auf spezifische
Strahlungsdosen reagieren können.
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Wenn
einmal die Gewebetypen für
jedes Voxel eingerichtet worden sind, wählt das Computerprogramm 200 ein
erwünschtes,
biologisches Ansprechverhalten 230 für jedes Voxel aus, was von
einer Strahlungsdosis für
dieses Voxel abhängt.
Diese Auswahl erzeugt eine Verteilung Φ(r) für die erwünschte Strahlungsdosis für das Behandlungsvolumen.
Ein spezifisches Beispiel eines solchen biologischen Ansprechverhaltens
ist die maximale Wahrscheinlichkeit einer komplikationsfreien Kontrolle
des pathologischen Gewebes (P+), ausgewählt für jedes Voxel. P+ ist die Wahrscheinlichkeit,
um eine Kontrolle für
einen spezifischen Typ eines Gewebes für eine spezifizierte Strahlungsdosis
minus der Wahrscheinlichkeit von fatalen Komplikationen für diese
Strahlungsdosis und diesen Ge webetyp zu erreichen. Die Daten, die
sich auf die Wahrscheinlichkeit einer Kontrolle beziehen, werden
zu dem Computerprogramm von vorliegenden oder zuvor veröffentlichten,
klinischen Studien zugeführt.
Ein Auswählen
eines maximalen P+ für
jedes Voxel erzeugt eine optimale Strahlungsverteilung für die Kontrolle
des pathologischen Gewebes, da jedes ausgewählte P+ eine zugeordnete Strahlungsdosis
besitzt. Die Erzeugung von P+ kann alternativ als die Wahrscheinlichkeit
einer Kontrolle für
einen spezifischen Typ eines Gewebes für eine spezifizierte Strahlungsdosis
minus der Wahrscheinlichkeit von nachteiligen (nicht notwendigerweise
fatalen) Komplikationen von dieser Strahlungsdosis für diesen
Typ eines Gewebes definiert werden. Alternativ können biologische Ansprechverhalten
von Gewebe auf Strahlung, in Abhängigkeit von
dem Ort des Behandlungsvolumens relativ zu anderen Behandlungsvolumina,
ausgewählt
werden. Weiterhin können
andere, biologische Ansprechverhalten von Gewebe auf Strahlung ausgewählt werden,
was unterschiedliche Strahlungsdosis-Verteilungen für das Gewebe
erzeugen würde.
Diese Auswahlen eines biologischen Ansprechverhaltens stattet den
behandelnden Arzt mit mehr Freiheitsgraden in Bezug auf die Behandlungsdosen
für unterschiedliche
Typen und Stellen von Geweben aus.
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Wenn
einmal eine erwünschte
Strahlungsdosis Φ(r)
für jedes
Voxel in Schritt 230 erzeugt worden ist, muss das Computerprogramm 200 spezifizieren, wie
irgendein bestimmtes Voxel die erforderliche Dosis aufnehmen wird.
Dies ist ein Problem, da Strahlungsstrahlen, fokussiert auf irgendeinem
Voxel, eine Strahlungsbelichtung auf angrenzende Voxel verteilen
werden. Das Computerprogramm 200 löst dieses Problem durch zuerst
Bestimmen, 240, eines Energie-Niederschlags-Kernel H(r,
r'), das die durchschnittliche,
spezifische Energie, aufgebracht auf einen Punkt r pro Einheits-Energie,
auffallend auf ein Volumen, zentriert bei r', ist. Das Programm 200 nimmt
an, dass H(r, r')
räumlich
unabhängig
ist. Das bedeutet, dass die Energie, aufgebracht auf einen Punkt
r von einem Fokus-Volumen, zentriert bei r', nur eine Funktion des Abstands zwischen
r und r' ist. Eine
Folge dieser Annahme ist diejenige, dass die berechnete Dosis-Verteilung
D(r) als das Integral der Dichte F(r') der Energie-Niederschlags-Kernel H(r,
r') über dasselbe
Volumen ausgedrückt
werden kann. Der integrale Ausdruck wird dann über herkömmliche analytische oder iterative
Techniken für
entweder D(r) oder F(r'),
unter Vorgabe von H(r, r')
und entweder F(r')
oder D(r), jeweils, aufgelöst.
Die Energie-Niederschlags-Kernel H(r, r') sind bekannt und werden für den integralen
Ausdruck eingegeben, da die Energieverteilung, die dem physikalischen Schnitt
von mehreren Bestrahlungsstrahlen eines gegebenen Querschnitts für irgendein
Fokus-Volumen zugeordnet ist, bekannt ist. Das Kernel kann, zum Beispiel,
durch Drehen eines normierten Strahlquerschnitts über 360
Grad simuliert werden. Energie-Niederschlags-Kernel H werden zu
jedem Voxel im Schritt 240 zugeordnet.
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Wenn
einmal die Energie-Niederschlags-Kernel für alle Voxel bestimmt worden
sind, wird die berechnete Strahlungsdosis-Verteilung D(r) durch
iteratives Auflösen
in Bezug auf die Strahlungsdichte F(r') bestimmt. Das bedeutet, dass eine Anfangsdichte
F0(r')
für jedes
Voxel angenommen wird, multipliziert mit dem Niederschlags-Kernel
für jedes
Voxel, und dann über
das gesamte Behandlungsvolumen aufsummiert wird. Die zu Anfang berechnete
Dosis-Verteilung D0(r) wird dann mit der
erwünschten
Strahlungsdosis Φ(r)
verglichen, 250, und ein Fehler-Term wird erzeugt. Die
angenommene Anfangsdichte ist ein eingestelltes F(r'), als eine Funktion
des Fehler-Terms, und das nächste
D1(r) wird berechnet. Dieser Iterationsvorgang
fährt fort,
bis die berechnete Dn(r) nach n Iterationen
ausreichend nahezu dem erwünschten Φ(r) liegt.
Die zu Anfang angenommene Dichte wird ausgewählt, um eine wesentliche Überdosis
zu dem Behandlungsbereich zuzuführen.
Der Fehler-Term stellt eine Abnahme in der Strahldichte dar. Als
eine Folge wird die Konvergenz der iterativen Berechnungen garantieren,
dass der Behandlungsbereich nicht weniger als die erwünschte Dosis
aufnehmen wird. Diese Betrachtung stellt sicher, dass nicht eine
Unterbestrahlung eines Behandlungsbereichs vorhanden sein wird.
Das Ergebnis des Iterationsschritts 250 ist eine Dichte
F(r) für jedes
Voxel, was die Zeitdauer spezifiziert, mit der ein spezifisches
Kernel auf irgendeinem Voxel verweilen sollte. Typischerweise konvergiert
die Iteration bei ungefähr
n = 200 oder davor.
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Wenn
einmal die Dauer eines spezifischen Kernels an irgendeinem bestimmten
Voxel bekannt ist, erzeugt der Computer 100 Steuersignale, 270,
die zu den Modulatoren 45 und zu beiden Sätzen der
damit zusammenarbeitenden Motoren 21, 22 und 25 geschickt
werden. Die Steuersignale, die zu den Modulatoren 45 geschickt
sind, stellen die Strahlungsstrahlgröße, und demzufolge die Kernel-Größe, für irgendein
ausgewähltes
Voxel ein. Die Steuersignale, die zu den damit zusammenwirkenden
Motoren 21, 22 und 25 geschickt sind,
bewegen den Patienten in Bezug auf das Fokus-Volumen so, dass die
Strahlungsenergie, die auf das Fokus-Volumen auftrifft, eine Dauer
auf irgendeinem bestimmten Voxel nur lang genug besitzt, um die
erforderliche Strahldichte zu diesem be stimmten Voxel zuzuführen. Die
Bewegung des Soll-Volumens, relativ zu dem Fokussierungs-Volumen,
kann kontinuierlich sein, während das
Soll-Volumen der Strahlung ausgesetzt wird, und die Geschwindigkeit
kann verlangsamt oder beschleunigt werden, was zu einer geeigneten
Verweilzeit führt.
Alternativ kann eine Bewegung eine sequenzielle Bewegung oder eine
Umpositionierung des Soll-Volumens in einer Mehrzahl von Positionen relativ
zu dem Fokus-Volumen aufweisen. In diesem Fall ist die Strahlungsquelle
in ihren Pulsen abgestellt, während
das Ziel-Volumen bewegt wird, und ist in den Pulsen eingeschaltet,
während
das Ziel-Volumen stationär
verbleibt. So, wie er hier verwendet wird, bedeutet der Ausdruck "sequenzielle Bewegung" das Anhalten der
Bewegung des Soll-Volumens,
eine Bestrahlung des Ziels des Volumens und ein Bewegen des Soll-Volumens
erneut. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Fokussierungspunkt
nicht außerhalb
des Objekts, das Soll-Volumen enthaltend, bewegt, während diese
sequenzielle Umpositionierung auftritt.
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Die
zusammenwirkenden Motoren 21, 22 und 25 ebenso
wie Modulatoren 45 werden damit fortfahren, die Strahlung,
aufgebracht auf den Patienten, zu steuern, bis das Rückführsystem 170 des Strahlungsbehandlungssystems
erfasst, dass entweder die zusammenwirkenden Motoren sich nicht
synchron bewegen oder dass eine oder mehrere der Strahlungsquelle(n)
nicht die erforderliche Strahlintensität erzeugt (erzeugen) oder dass
die Modulatoren 45 nicht die erforderliche Strahlform erzeugen. Wenn
irgendeiner dieser Zustände
auftritt, wird das Computerprogramm Befehle erzeugen, 280,
um die Bewegung des Motors anzuhalten und/oder die Strahlungs-Aufbringung
anhalten. An diesem Punkt wird das Programm 200 den Benutzer 285 zu
einer Evaluierung auffordern, ob mit der verbleibenden, computergesteuerten
Behandlung fortgefahren werden soll oder ob mit einem manuellen
Betrieb fortgefahren werden soll. Wenn der Benutzer wünscht, zu der
Computersteuerung zurückzukehren,
wird eine neue Sequenz von Steuerbewegungen erzeugt, 270, unter
Berücksichtigung,
dass ein Teil der vorherigen Behandlung bereits durchgeführt ist.
Wenn der Benutzer einen manuellen Betrieb anfordert, gibt das Programm
die Steuerung über
das Strahlungs-Behandlungssystem frei und sendet Signale von der manuellen
Steuereinheit 160 zu beiden Sätzen der zusammenwirkenden
Motoren 21, 22 und 25.
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Die
Vorrichtung, die vorstehend beschrieben ist, kann an irgendeine
Strahlungseinheit 110 angepasst werden, die ionisierende
Strahlung zu einem Fokus-Volumen zuführt, wie beispielsweise ein
Gamma KnifeTM oder LINAC Strahlungs-Behandlungssystem
oder ein Behandlungssystem mit schweren Teilchen. Um eine Strahlungszufuhr
zu steuern, kann (können)
der (die) Kanal (Kanäle) über den
(die) die Strahlung zugeführt
wird, mit Strahlungsmodulatoren 45 versehen sein, wie dies
in 3 dargestellt ist. Die Strahlungsmodulatoren 45 können als
zueinander hinweisende Bleiplatten oder Keile derselben, die relativ
zueinander bewegbar sind, um einen variablen Schlitz einer Öffnung zum
Modulieren der Form oder der Intensität des Strahlungsstrahls, der
durch die Öffnung
hindurchführt,
zu bilden, aufgebaut sein.
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3 stellte
eine Draufsicht eines Modulators 45 dar. Insbesondere ist
eine bewegbare Bleiplatte 60 über einer bewegbaren Bleiplatte 70 angeordnet.
Die Platte 60 besitzt eine diamantförmige Öffnung 62 dort hindurch
und die Platte 70 besitzt eine diamantförmige Öffnung 72 dort hindurch.
Die Öffnungen 62 und 72 konvergieren
so, um eine Öffnung 65 durch
die Platten 60 und 70 zu bilden. Die relative Position
der Platten 60 und 70 bestimmt die Größe der Öffnung 65,
durch die hindurch ein Strahlungsstrahl führt. Die Größe der Öffnung 65 formt den Strahlungsstrahl,
der durch die Öffnung 65 hindurchführt.
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4 stellt
eine alternative Form eines Modulators, geeignet für den Einsatz
bei der vorliegenden Erfindung, dar. Der Modulator, dargestellt
in 4, ist aus zwei Sätzen 80 und 82 von
entgegengesetzt orientierten Latten aus strahlungsblockierendem
Material gebildet. Die Latten können
auch aus einem strahlungsmodulierenden Material gebildet sein, das
selektive Intensitäten
einer Strahlung in Abhängigkeit
von der Energie der einfallenden Strahlung überträgt. Individuelle Latten innerhalb
eines ersten oder eines zweiten Satzes bilden eine ebene Oberfläche, im
Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Bestrahlungsstrahls.
Die zwei Sätze
von Latten sind in Bezug zueinander so orientiert, dass sie den
Querschnitt des Strahlungsstrahls bilden. Die Latten sind in Bezug
zueinander bewegbar, und wenn sie bewegt werden, wird der Querschnitt
des Strahls moduliert. Zum Beispiel bewegt sich die Latte 80 (a)
relativ zu der Latte 82 (a) um einen Teil der Öffnung 85 zu
bilden, und die Latte 80 (b) bewegt sich relativ zu der
Latte 82 (b), um einen anderen Teil der Öffnung 85 zu
bilden. Irgendein anderer, geeignet geformter und dimensionierter
Modulator kann beim Ausführen
der Erfindung verwendet werden.
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Die
Strahlungsquellen innerhalb der Strahlungseinheit 110 sind
vorzugsweise ionisierende Strahlungsquellen, die hoch energetische
(Gamma- oder Röntgenstrahlen)
Photonen oder stark aufgeladene Teilchen emittieren.
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Wie
in 5 und 6 dargestellt ist, wird ein
Objekt, wie beispielsweise der Schädel 6 eines Patienten,
in Bezug auf eine Fixiervorrichtung 5 innerhalb einer elektronisch
gesteuerten Positionierungsvorrichtung 105 immobilisiert.
Die elektronisch gesteuerte Positionierungsvorrichtung 105 umfasst eine
Basis 17, ein Aufhängungssystem
und eine Fixiervorrichtung 5. Die Fixiervorrichtung 5 ist
in Bezug auf die Strahlungsvorrichtung bewegbar. Während einer
Behandlung wird der Rahmen 5 durch die Positionierungsvorrichtung
zu den Positionen bewegt, die notwendig sind, um zu ermöglichen,
dass der Fokussierungspunkt F der Strahlungsstrahlen innerhalb des
Soll-Volumens 28 angeordnet wird. Der Fokussierungspunkt
befindet sich an dem Schnitt der Mehrzahl der Strahlungsstrahlen
S. Die Positionierungsvorrichtung ist an dem Bestrahlungsgerät durch
eine Basis 17 befestigt. Das Aufhängungssystem, befestigt an
der Basis 17 durch einen Träger 18, translatiert die
Fixiervorrichtung 5 in der horizontalen und vertikalen
Ebene, d. h. des dreidimensionalen Koordinatensystem, in Bezug auf
die Strahlungsquelle und den Fokussierungspunkt F. Diese Aufhängungsanordnung
weist ein Paar von horizontalen Tragearmen 8, oder dergleichen,
auf, die in einer Linie zueinander orientiert sind, in deren Längsrichtung
translatierbar sind und gleitend in zugeordneten Führungen 9 eines Trägers 18 gehalten
sind.
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Das äußere Ende
jedes Tragearms 8 ist mit dem zugeordneten Teil des Trägers über eine
Gewindebuchseneinrichtung 19 verbunden, über die
die Getriebeanordnung (nicht dargestellt) mit einem elektronisch
gesteuerten Motor 21 innerhalb des Tragarms 8 verbunden
ist. Der Motor 21 befindet sich in einer parallelen Orientierung
zu den Gewindekomponenten der Gewindehülseneinrichtung 19,
wie dies in 6 dargestellt ist. Der Motor 21 wird
vorzugsweise über
eine NC-Steuerung von dem Computer oder dergleichen (nicht dargestellt),
einem zugeordneten Computerprogramm folgend, betrieben. Beide Motoren 21 arbeiten
zusammen und bilden eine Motoranordnung, die so angeordnet ist,
um die Fixiervorrichtung 5 in der X-Richtung zu translatieren.
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Zusätzlich ist,
angrenzend an das innere Ende jedes Tragearms 8, ein elektronisch
gesteuerter Motor 22 mit einem Tragearm 23, der
eine Gewindebuchseneinrichtung 24, auch verbunden mit dem Motor 22,
umschließt,
verbunden. Die Tragearme 23 verlaufen parallel zueinander
und sind gegenüber
zueinander angeordnet. Die Motoren 22 werden auch elektronisch
gesteuert, betätigt über eine
NC-Steuerung von dem Computer, und arbeiten so zusammen, um eine
Motoranordnung zu bilden, die so angeordnet ist, um das stereotaktische
Instrument in der Z-Richtung zu translatieren.
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Ein
weiterer elektronischer Motor 25 ist mit einem Tragearm 26,
angrenzend an das innere Ende jedes Tragearms 8 über den
jeweiligen Tragearm 23 hinaus, verbunden und dadurch getragen.
Die Tragearme 26 verlaufen parallel zueinander und sind
gegenüberliegend
zueinander angeordnet. Jeder Tragearm 26 ist an dem statischen
Bereich einer jeweiligen Gewindebuchseneinrichtung 24 befestigt
und innerhalb von Führungen
(nicht dargestellt) geführt. Die
Gewindebuchseneinrichtungen (nicht dargestellt) sind weiterhin mit
dem jeweiligen Motor 25 verbunden. Die Motoren 25 werden
auch elektronisch gesteuert, betätigt über eine
NC-Steuerung von dem Computer, oder dergleichen, und arbeiten so
zusammen, um eine Motoranordnung zu bilden, die so angeordnet ist,
um die Fixiervorrichtung 5 in der Y-Richtung zu translatieren.
Die Gewindebuchseneinrichtung (nicht dargestellt) trägt eine
Befestigungseinrichtung 27, um lösbar das stereostatische Instrument
in einer definierten Position in der Aufhängungsanordnung zu befestigen.
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Eine
Fixiervorrichtung 5, geeignet zur Verwendung bei dieser
Erfindung, wenn ein Schädel
eines Patienten in der Positionierungsvorrichtung immobilisiert
wird, ist, zum Beispiel, ein stereotaktisches Gestell. Das Gestell
bzw. der Rahmen ist an dem Schädel
des Patienten fixiert und an dem Aufhängungssystem befestigt. Das
Gestell kann an dem Schädel
des Patienten mittels chirurgischer Spiralbohrer fixiert werden,
die durch die Haut hindurchführen
und sich in dem darunter liegenden Knochen verankern. Alternativ
kann die Fixiervorrichtung 5 eine solche sein, die nicht
invasiv ist und/oder ermöglicht, dass
das Gestell umordenbar an dem Patienten umpositioniert werden kann.
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Das
Paar der zusammenwirkenden Motoren 21 ist gegenüberliegend
angeordnet und arbeitet synchron. Insbesondere signalisiert, wenn
die Motoren nicht den stereotaktischen Rahmen gleichzeitig mit demselben
Weg bewegen, dann das Fehlererfassungs-Rückführ-System 170 (nicht
dargestellt), verbunden mit dem Paar der zusammenwirkenden Motoren 1,
dem Computer, dass die Orientierung der Fixiervorrichtung nicht
korrekt ist und das Programm, das die Fixiervorrichtung bewegt,
angehalten wird, so dass die Fixiervorrichtung umorientiert werden
kann.
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Ein
personalisiertes Computerprogramm für eine Behandlung eines Patienten
steuert die Bewegungen jeder Motoranordnung 21, 21; 22, 22;
und 25, 25. Auf diese Art und Weise wird die Fixiervorrichtung 5 und
deshalb der Schädel 6 des
Patienten in der X-, Y- und
der Z-Richtung innerhalb der Basis 17 bewegt und unterschiedliche
Teile des Behandlungs-Ziels 28 werden aufeinander folgend
an dem Fokussierungspunkt F für
ver schiedene Zeitperioden entsprechend zu dem Programm positioniert.
Die Bewegungen beider Motoren in jeder Motoranordnung werden kontinuierlich
gegeneinander durch den Computer geprüft, und falls sich die Bewegung
eines Motors von dem jeweiligen damit zusammenarbeitenden Motor unterscheidet,
gibt der Computer ein Halte-Signal aus, und die Behandlung wird
ausgesetzt. Der Betrieb des Computers führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit
und auch der Möglichkeit,
die Behandlung, falls dies erwünscht
ist, abzubrechen und danach die Behandlung wieder an dem geeigneten
Punkt in dem Computerprogramm aufzunehmen.
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Während diese
Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen davon
beschrieben und dargestellt worden ist, wird für Fachleute auf dem betreffenden
Fachgebiet ersichtlich werden, dass Änderungen in der vorstehenden
Beschreibung oder in den Darstellungen in Bezug auf die Form oder
das Detail vorgenommen werden können,
ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, zu verlassen. Insbesondere kann irgendeine gesteuerte Bewegungseinrichtung,
die ermöglicht,
dass das Objekt bestrahlt wird, indem es relativ zu einer Strahlungsquelle
bewegt wird, eingesetzt werden.