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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur automatisierten Dosisplanung bei der stereotaktischen Strahlentherapie.
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Hintergrund
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Bei
der neurochirurgischen Behandlung von Tumoren, Mißbildungen
der Gefäße und ähnlichen Fehlbildungen
des Gehirns werden häufig
Techniken der stereotaktischen Strahlentherapie eingesetzt, welche
z. B. Gammastrahlung aus Kobalt-60-Quellen verwenden, wie es bei einer
solchen, unter der Bezeichnung "GammaKniven" ("Gamma Knive") kommerziell erhältlichen
Quelle der Fall ist. Zweckmäßig wird
eine Mehrzahl von Quellen dieser Art um den Kopf des Patienten verteilt
positioniert. Mittels eines Kollimators werden die Richtstrahlen
auf einen kleinen, sphärischen
Bereich des Gehirns fokussiert. Der Durchmesser des sphärischen
Bereiches ist ebenso wie die Bestrahlungsdauer (Gewichtung) wählbar, wobei
es durch Überlagerung
der aus einigen solcher Bestrahlungspunkte emittierten Dosen im
Innern des Gehirns möglich
ist, ein Strahlendosisfeld zu erzeugen, innerhalb dessen die von
dem Tumor empfangene Dosis maximiert wird, während zugleich die von dem
umgebenden Gewebe empfangene Dosis mi nimiert wird. Gegenwärtig wird
die Dosisplanung von Medizinern oder Medizintechnikern gänzlich manuell
durchgeführt,
wobei Bestrahlungspunkte, sogenannte Shots, im Innern des Tumors
positioniert werden und die Dosisverteilung mit der Erstreckung
des Tumors durch Studium von Tomogrammen des Gehirns verglichen
wird. Gleichfalls ist der Einsatz von Computerprogrammen möglich, wie dem
kommerziell erhältlichen
Programm "GammaPlan", welches eine zwei-
oder dreidimensionale Ansicht von Zielbereichen und der Dosisverteilung
sowie eine Speicherung von Schichtbildern des Gehirns ermöglicht,
welche durch Darstellungstechniken, wie Computertomographie (CT),
Kernspintomographie (magnetic resonance imaging, MRI) und angiographischen
Methoden, erzeugt werden, wobei jedoch die Auswahl der Bestrahlungspunkte
gänzlich manuell
geschieht. Dieses im wesentlichen manuelle Verfahren ist zeitaufwendig
und stellt überdies
hohe Anforderungen an die Erfahrung und die Qualifikation desjenigen,
welcher die Dosisplanung durchführt.
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Ferner
wurden Versuche unternommen, die Dosisplanung durch automatisierte
Mittel durchzuführen.
Eine dieser Methoden beruht auf der Idee, eine sphärische Gestalt
der Bestrahlungspunkte zu unterstellen und hiermit zu versuchen,
den Zielbereich optimal auszufüllen.
Diese Methode funktioniert so lange zufriedenstellend, wie nur zweidimensionale Bereiche
betroffen sind, doch kann sie nicht auf dreidimensionale Ansichten
angewandt werden. Eine weitere erprobte Methode umfaßt eine
kontinuierliche Verlagerung der Bestrahlungspunkte durch den Zielbereich
hindurch, um somit eine überlagerte
Dosis zu erhalten, welche den Zielbereich abdeckt. Während diese
Methode in der Theorie gut funktioniert, hat sie sich in der Praxis
bislang als nicht erfolgreich erwiesen, da es bislang nicht möglich war,
die Bestrahlungspunkte kontinuierlich durch den Bereich hindurch
zu verlagern.
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Die
US 5 339 812 A beschreibt
ein System zur Optimierung eines Dosisplans, wobei der Bereich mit
Knotenpunkten gerastert und die Dosis errechnet wird, welche an
jeden Knotenpunkt abgegeben werden soll. Mittels eines iterativen
Verfahrens wird der Dosisplan z. B. im Hinblick auf den Ort und
die Stärke der
Strahlung optimiert.
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Der
US 5 428 125 A ist
ein Verfahren zur Behandlungsplanung entnehmbar, gemäß dem die
Behandlung zunächst
mit einer identischen Stärke
aller Strahlen simuliert wird. Nachdem das Ergebnis der Simulation
ausgewertet worden ist, wird die individuelle Gewichtung der Strahlen
errechnet.
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Ziel der Erfindung
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Ein
Ziel der Erfindung besteht folglich darin, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur automatisierten Dosisplanung für die stereotaktische Strahlentherapie
vorzuschlagen, bei welchem bzw. welcher die vorgenannten Probleme
und Nachteile gänzlich
oder zumindest teilweise vermieden werden.
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Diese
Ziel wird durch die von den beigefügten Ansprüchen definierte Erfindung erreicht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
beigefügte
Zeichnung zeigt ein Fließbild einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Nachstehend
ist das Verfahren aus Gründen der
Veranschaulichung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Das
Verfahren umfaßt
die folgenden Schritte:
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In
einem ersten Schritt 1 werden anatomische Bilder mit Hilfe
eines Programms zur Dosisplanung in einen Computer eingegeben. Die
Bilder stellen den in dünne
Schichten unterteilten Zielbereich klar dar. In einem zweiten Schritt 2 wird
der Zielbereich mittels eines Zeichenwerkzeugs im Computer markiert,
um auf diese Weise Informationen über den Ort des Zielbereichs
zur Verfügung
zu stellen. Auf der Grundlage der derart erhaltenen Daten erzeugt
das Programm ein dreidimensionales Modell des Zielbereichs mit einer
vorherbestimmten Auflösung.
Dieser Zielbereich wird sodann in einem dritten Schritt 3 in drei
Bereiche unterteilt, nämlich:
- – den
Innenbereich;
- – den
sich unmittelbar an die Grenze des Zielbereichs nach innen anschließenden Schichtbereich;
und
- – den
Bereich um denjenigen Bereich herum, welcher den Zielbereich umgibt.
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Anschließend wird
die Anordnung bezüglich des
Anfangs des Dosisplans festgelegt. Demnach wird in einem vierten
Schritt 4 die Größe eines
Kollimators bezüglich
des ersten Teils der automatisierten Dosisplanung bestimmt. Die
Größe wird
in Abhängigkeit
der Größe des Zielbereichs
gewählt.
In einem nachfolgenden Schritt 5 wird der erste Bestrahlungspunkt
in dem Dosisplan in dem zentralen Punkt des Zielbereichs positioniert.
Der nachfolgende Bestrahlungspunkt wird sodann in einem Schritt 6 an
einer Position in dem Innenbereich positioniert, an welchem die
geringste Dosis erhalten wird. Anschließend wird in einem Schritt 7 ein
Test durchgeführt, um
zu überprüfen, ob
in dem gesamten Innenbereich eine Dosis erhalten wird, welche das
von dem Benutzer ausgewählte
Kriterium erfüllt.
Ein solches Kriterium, welches von dem Benutzer über die Schnittstelle steuerbar
sein kann, kann beispielsweise darin bestehen, daß 90% des
inne ren Zielbereichs eine Dosis oberhalb eines vorherbestimmten
Wertes erhalten sollen. Stellt sich heraus, daß die Dosis unzureichend ist
(Schritt 8), so kehrt das Verfahren zu dem oben erläuterten
Schritt 6 zurück.
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Erforderlichenfalls
können
die Schritte 6 bis 8 unter Einsatz eines kleineren
Kollimators wiederholt werden. Auf diese Weise wird es möglich, eine
ideale Dosisverteilung mittels einer minimalen Anzahl an Bestrahlungspunkten
zu erzielen, indem das Kriterium auf einen niedrigen Wert gesetzt
wird, wenn große
Kollimatoren positioniert werden, wobei es anschließend nach
und nach erhöht
wird, während schrittweise
kleinere Kollimatoren hinzugefügt
werden.
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Nach
dieser groben Einstellung der Bestrahlungspunkte wird der Dosisplan
unter Einsatz einer iterativen Methode verbessert. Für die Dosisplanung wird
eine Qualitätskenngröße verwendet.
Die Kenngröße wird
dadurch erhalten, indem bei Berechnung derselben die Dosis berücksichtigt
wird, welche der Innenbereich, der Schalenbereich und der Außenbereich
des Bereichs erhält.
Näherungsweise
ausgedrückt
ist außerhalb
des Zielbereichs eine geringe Dosis, im Innenbereich des Zielbereichs
eine hohe Dosis und im Schalenbereich Gleichmäßigkeit erwünscht. Im Rahmen einer ersten
Optimierung (Schritt 9) wird eine als Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shannon-Methode (BFGS-Methode)
bekannte, quasi-Newton'sche
Methode verwendet, um in dem von sämtlichen Positionen der Bestrahlungspunkte gebildeten,
mehrdimensionalen Bereich ein Mimimum zu ermitteln. Diese Methode
ist in anderem Zusammenhang bekannt und z. B. von W. H. Press, S. A.
Tenkolsky, W. T. Vetterling und B. P. Flannery in dem Beitrag "Numerical Recipes
in C – The
Art of Scientific Computing",
Cambridge University Press, New York, USA, beschrieben. Die Anzahl
an Dimensionen beträgt
folglich 3 * (Anzahl an Bestrahlungspunkten). Die Iteration wird
so lange durchge führt,
bis eine hinreichend kleine Kenngröße erhalten wird. Auf diese Weise
werden die Bestrahlungspunkte an Positionen hin verlagert, welche
einen verbesserten Dosisplan erzeugen. Indes besitzen noch sämtliche
Bestrahlungspunkte dieselbe Gewichtung.
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Anschließend wird
im Rahmen eines Schrittes 10 eine neue Sequenz von BFGS-Iterationen durchgeführt. In
diesem Fall werden jedoch nur die Gewichtungsfaktoren betrachtet.
Folglich werden die Bestrahlungspunkte nicht verlagert, sondern
nur die Gewichtungsfaktoren eingestellt, um den Dosisplan auf diese
Weise zu verbessern.
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Sodann
wird im Rahmen eines Schrittes 11 eine dritte Ermittlung
von Minima durchgeführt,
wobei in diesem Fall sowohl die Gewichtungsfaktoren der Bestrahlungspunkte
als auch die Positionen der Bestrahlungspunkte verwendet werden,
um das Minimum zu ermitteln. Die in diesem dritten Suchschritt erhaltenen
Gewichtungsfaktoren und Positionen der Bestrahlungspunkte werden
anschließend
von dem Benutzer überprüft. Ist
das Ergebnis zufriedenstellend, so wird es hernach in dem Dosisplan
für die
Behandlung verwendet. Ist der Benutzer mit dem Ergebnis nicht zufrieden,
so wird eine zusätzlich
manuelle Optimierung in herkömmlicher
Weise durchgeführt, im
Rahmen derer einige Bestrahlungspunkte hinzugefügt, die Bestrahlungspunkte
verlagert werden können
usw. Anschließend
wird wieder mit dem Prozeß begonnen.
Auf diese Weise wird die Gefahr verringert, daß der Optimierungsprozeß an einem
nicht optimalen, lokalen Minimum hängenbleibt. Diese iterative,
automatische Optimierung und die manuelle Korrektur werden so lange
wiederholt, bis der Benutzer die Ergebnisse als hinreichend zufriedenstellend erachtet,
um sie für
die Behandlung einzusetzen.
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Die
Methode beruht folglich auf der Minimierung einer Funktion, welche
den Dosisplan beschreibt. Diese Funktion basiert auf Mittelwerten
und Standardabweichungen in drei verschiedenen Teilbereichen des
zu bestrahlenden Zielbereichs. Wie bereits erwähnt, sind diese Teilbereiche
der Innenbereich des Zielbereichs, dessen Grenze sowie dessen nächster Umgebungsbereich.
Um es zu ermöglichen, mittels
der Methode sowohl einen bereits zufriedenstellenden Dosisplan zu
verbessern als auch einen zufriedenstellenden Dosisplan ausgehend
von einer schlechten Ausgangsposition zu erzeugen, ist die Funktion
in zwei Teile unterteilt.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
zur Einstellung von Parametern zur Abdeckung eines Zielbereichs
mit 50% Iso-Dosen
erläutert.
Der erste Teil dient zur Erzeugung eines Dosisplans, bei welchem
die 50% Iso-Dosis den Zielbereich hinreichend gut abdeckt, während der
zweite Teil zur Sicherstellung dient, daß die 50% Iso-Dosis die Konturen
des Zielbereichs verfolgt, während
zugleich die Dosis außerhalb
desselben minimiert und die Dosis innerhalb desselben maximiert
wird. Die Funktion genügt
vorzugsweise der nachfolgenden Gleichung: f =
f1 + f2 mit
den Teilfunktionen: f1 =
k1(0,5 – mi + 1,28 σi) + k2(mu + 1,28 σu – 0,5)und f2 = (1 – mi) + mu + σr +
|0,5 – mr| + k3(0,3 – mr + 1,28 σr)wobei k1 =
0, wenn 90% des Bereichs im Innern des Zielbereichs eine Dosis enthalten,
welche 50% der maximalen Dosis überschreitet,
andernfalls ist k1 = 100; und wobei k2 = 0, wenn 90% des Bereichs unmittelbar
außerhalb
des Zielbe reichs eine Dosis von weniger als 50% der maximalen Dosis
aufweisen, andernfalls ist k2 = 100. Die
Tatsache, daß die
genannten Konstanten auf 100 gesetzt werden, beruht auf der Tatsache,
daß dieser
Teil der Funktion der dominante Teil sein soll, wenn das oben genannte
Kriterium nicht erfüllt
wird. Selbstverständlich
sind auch andere Werte dieser Konstanten ohne weiteres möglich und
liefern diese ebenfalls voll zufriedenstellende Ergebnisse. Ferner
ist k3 = 0, wenn 90% der Grenze des Bereichs
eine Dosis von mehr als 30% der maximalen Dosis erhalten, andernfalls
ist k3 = 1. Von den weiteren Konstanten
ist mi der Mittelwert der Dosis im Innern
des Bereichs und ist σi die Standardabweichung in demselben Bereich,
während
mu und σu die entsprechenden Anteile des Bereichs
unmittelbar außerhalb
des Bereichs sowie mr und σr die
der Grenze bezeichnen. Die Werte 0,5 der Parameter der oben genannten
Funktionen ergeben sich aus der Auswahl von 50% Iso-Dosen und sind
folglich abzuändern, wenn
eine andere Auswahl getroffen werden soll.
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Es
sei jedoch in Erinnerung gerufen, daß die Ergebnisse der Optimierung
lediglich einen Vorschlag für
einen Dosisplan darstellen und vor der Anwendung jedenfalls von
einem verantwortlichen Mediziner oder Medizintechniker evaluiert
werden sollten.
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Eine
Voraussetzung für
die automatische Positionierung der Bestrahlungspunkte besteht darin, daß die Strahlung
räumlich
voneinander abhängig ist.
Dies ist jedoch bei der Mehrzahl der existierenden Arten von Strahlung
der Fall, wie z. B. bei der Gammastrahlung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist allgemein für
die automatisierte Dosisplanung in der stereotaktischen Strahlentherapie
geeignet. Das Verfahren ist insbesondere zum Einsatz in Verbindung
mit Bestrahlungsgeräten
geeignet, welche verschiedene Strahlquellen verwenden, aber eine
ortsfeste Geometrie besitzen, d. h. Geräte, bei welchen die Strahlrichtungen
ortsfest oder zumindest in bestimmten Richtungen festgesetzt und
folglich schwer variierbar sind. Bei solchen Gerätetypen ist folglich eine Verlagerung
eines Isozentrums im Behandlungsraum nicht möglich und wird der Patient
statt dessen relativ zu dem Isozentrum bewegt, um verschiedene Isozentrumspositionen
zu erhalten. Darüber
hinaus ist das Verfahren zum Einsatz in Verbindung mit dem kommerziell
erhältlichen "Leksell Gamma Knife" oder ähnlichen
Geräten
geeignet. Das Ziel des Verfahrens besteht in einer Optimierung der
Anzahl an Isozentren, der Strahldimensionen sowie der Dosen pro
Isozentrum auf der Geundlage der bekannten, ortsfesten Strahlrichtungen.
Aufgrund dessen kann das Verfahren auch in Verbindung mit beliebigen
Geometrien des Zielbereichs unabhängig von der Komplexität der Geometrie
eingesetzt werden.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des vorgenannten Verfahrens bzw. zur automatisierten Erzeugung eines
Dosisplans für
die stereotaktische Strahlentherapie umfaßt:
- – Eingabemittel
zur Eingabe von Daten bezüglich der
Position des zu bestrahlenden Zielbereichs;
- – einen
Speicher zur Speicherung dieser Daten; und
- – eine
Datenverarbeitungseinheit, welche zur Positionierung einer Anzahl
von Bestrahlungspunkten in dem Dosisplan mit einem vorläufigen Gewichtungsfaktor
in vorläufigen
Positionen des Zielbereichs und zur Minimierung einer Funktion, welche
den Dosisplan bezüglich
der Positionen und der Gewichtungsfaktoren der Bestrahlungspunkte
beschreibt, mittels einer iterativen Optimierungsmethode ausgebildet
ist.
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Die
Datenverarbeitungseinheit ist ferner zum Unterteilen des Bereichs
in drei Teilbereiche ausgebildet, wobei ein Teilbereich den Innenbereich
des Zielbereichs umfaßt,
ein Teilbereich den sich unmittelbar an die Grenze des Zielbereichs
nach innen anschließenden
Schichtbereich umfaßt
und ein Teilbereich den den Zielbereich umgebenden und außerhalb
desselben angeordneten Bereich umfaßt, wobei der Dosisplan mittels
der iterativen Optimierungsmethode für die drei Teilbereiche optimierbar
ist, um eine hohe Dosis im Innern des Zielbereichs, eine geringe Dosis
in dem umgebenden Bereich und Gleichmäßigkeit in dem Schichtbereich
zu erzielen.
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Vorstehend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben,
wobei darauf hingewiesen sei, daß verschiedene alternative
Ausführungsformen
möglich
sind. So kann beispielsweise die Anzahl an Teilbereichen größer als
drei sein. Ebenfalls ist es möglich,
das Verfahren der Dosisplanung bei anderen Formen der stereotaktischen Strahlentherapie
als bei der Behandlung mit Gammastrahlen anzuwenden. Diese und weitere
offensichtliche Variationen fallen unter den Schutzbereich der Erfindung,
wie er durch die beigefügten
Ansprüche festgelegt
ist.