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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine physiologische Gating-Steuerung von Strahlentherapie.
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Hintergrund
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Strahlentherapie
umfasst medizinische Behandlungsmethoden, die selektiv bestimmte
Bereiche eines menschlichen Körpers,
wie zum Beispiel karzinomatöse
Tumore, hohen Strahlungsdosen aussetzen. Die Absicht der Strahlentherapie
ist, das abgezielte biologische Gewebe derart zu bestrahlen, dass
das schädliche Gewebe
zerstört
wird. Bei bestimmten Arten von Strahlentherapie kann das Bestrahlungsvolumen
auf die Größe und die
Form des Tumors oder des abgezielten Gewebebereichs beschränkt werden,
um das Zufügen
eines unnötigen
Strahlenschadens an gesundem Gewebe zu vermeiden. Zum Beispiel ist
die Konformationstherapie eine Strahlentherapie, die häufig eingesetzt
wird, um die Dosisverteilung durch genaueres Anpassen des Behandlungsvolumens
an den abgezielten Tumor zu optimieren.
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Eine
normale physiologische Bewegung stellt eine Begrenzung bei der klinischen
Planung und Lieferung der herkömmlichen
Strahlentherapie und der Konformationstherapie dar. Eine normale
physiologische Bewegung, wie zum Beispiel Atmung oder Bewegung des
Herzens, kann eine Positionsverschiebung des Tumors oder des der
Bestrahlung ausgesetzten Gewebebereichs hervorrufen. Wenn der Bestrahlungsstrahl
geformt wurde, um das Behandlungsvolumen an die exakte Ausdehnung
eines Tumors anzupassen, dann könnte
eine Bewegung dieses Tumors während
der Behandlung zu dem Bestrahlungsstrahl führen, der nicht ausreichend
in der Größe festgelegt
oder geformt ist, um das abgezielte Tumorgewebe vollständig zu
erfassen.
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Ein
Ansatz zu diesem Problem (z.B. US-A-5727554, US-A-5538494) weist die
physiologische Gating-Steuerung des Bestrahlungsstrahls während der
Behandlung anhand des Gating-Steuersignals
auf, das mit der Bewegung des Körpers
des Patienten synchronisiert ist. Bei diesem Ansatz werden Messgeräte verwendet,
um den physiologischen Zustand und/oder die physiologische Bewegung
des Patienten zu messen. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass die
Atmung Verschiebungen in der Position eines Lungentumors im Körper eines
Patienten bewirkt. Wenn Strahlentherapie auf den Lungentumor angewendet
wird, dann können ein
Temperatursensor, ein Dehnmessstreifen, ein Pneumotachograph oder
ein optisches bildgebendes System verwendet werden, um den Atemzyklus
des Patienten zu messen. Diese Messgeräte können ein Signal erzeugen, das
für die
Bewegung des Patienten während
des Atemzyklus indikativ ist. Der Bestrahlungsstrahl kann basierend
auf bestimmten Schwellwert-Amplitudenpegeln des gemessenen Atemsignals
gating-gesteuert werden, so dass der Bestrahlungsstrahl während bestimmter
Zeitpunkte in dem Atemsignal, die mit einer übermäßigen Bewegung des Lungentumors
korrespondieren, ausgeschaltet oder gestoppt wird.
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Bekannte
Ansätze
für die
physiologische Gating-Steuerung der Strahlentherapie sind reaktiv,
das heißt,
bekannte Ansätze
verwenden Gating-Steuerungsverfahren, die sklavisch auf gemessene
Pegel physiologischer Bewegungen reagieren. Ein Nachteil bei reaktiven
Gating-Steuerungssystemen ist, dass die gemessene physiologische
Bewegung eine Bewegung umfassen kann, die, wenn sie mit den effektiven
Arbeitsgeschwindigkeiten von Komponenten des Gating-Steuerungssystems
verglichen wird, relativ schnell ist. Daher kann es sein, dass ein
reines reaktives Gating-Steuerungssystem nicht in der Lage ist,
schnell genug zu reagieren, um die verabreichte Strahlung wirksam
zu gating-steuern. Zum Beispiel kann das Gating-Steuerungssystem einen Schalter zum
Gating-Steuern der Bestrahlungsbehandlung aufweisen, bei der der
Schalter eine bestimmte Zeitperiode Δt benötigt, um vollständig einzuschalten.
Wenn die Schaltzeitperiode Δt
im Vergleich zu dem gemessenen physiologischen Bewegungszyklus relativ
langsam ist, dann kann es sein, dass ein System, das solch einen
Schalter in einer reaktiven Weise einsetzt, nicht in der Lage ist,
die Applikation von Strahlung zu geeigneten Zeitpunkten während der
Strahlentherapie zu gating-steuern.
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Deshalb
besteht ein Bedürfnis
nach einem System, um diese und andere Probleme des Standes der Technik
anzugehen. Es besteht ein Bedürfnis
nach einem System für
eine physiologische Gating-Steuerung, welches nicht rein reaktiv
ist, um physiologische Bewegungssignale zu messen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes System zur physiologischen
Gating-Steuerung für
die Strahlentherapie bereit. Gemäß einem
Aspekt weist die Erfindung ein System zum Erfassen und vorhersagbarem
Abschätzen
regulärer
Zyklen physiologischer Aktivität
oder physiologischer Bewegungen auf. Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist auf die prädiktive
Betätigung
von Komponenten des Gating-Steuerungssystems gerichtet. Noch ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist auf die physiologische Gating-Steuerung
der Bestrahlungsbehandlung basierend auf der Phase der physiologischen
Aktivität
gerichtet.
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Die
vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen beschrieben.
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Diese
und andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung sind nachstehend
in der ausführlichen
Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
begleitenden Zeichnungen werden einbezogen, um für ein weiteres Verständnis der
Erfindung zu sorgen und zusammen mit der ausführlichen Beschreibung dazu
zu dienen, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
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1 stellt
die Komponenten eines Systems zur physiologischen Gating-Steuerung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar.
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2 stellt
ein Beispiel eines Diagramms eines Atembewegungssignals dar.
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3 stellt
ein Diagramm eines Bewegungssignals und ein Diagramm eines Gating-Steuersignals dar.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das Verfahrensvorgänge zeigt, die in einer Ausführungsform
der Erfindung ausgeführt
werden.
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5 ist
ein Flussdiagramm, das Verfahrensvorgänge zum Erfassen und Vorhersagen
einer Abschätzung
von regulären
physiologischen Bewegungen zeigt.
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6a stellt
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
einer Kamera dar, die in der Erfindung eingesetzt werden kann.
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6b stellt
eine Vorderansicht der Kamera von 6a dar.
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7a stellt
einen retroreflektierenden Marker gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dar.
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7b stellt
eine Querschnittsansicht des retroreflektierenden Markers von 7a dar.
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8 stellt
eine Vorrichtung zum Herstellen eines retroreflektierenden Markers
dar.
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9 stellt
ein Phasendiagramm dar, das mit einem Diagramm eines Gating-Steuersignals
synchronisiert ist.
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10 stellt
eine Ausführungsform
eines Halbkugel-Markerblocks
dar.
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11 stellt
eine Ausführungsform
eines zylindrischen Markerblocks dar.
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12 ist
ein Schema eines Computer-Hardwaresystems, mit welchem die vorliegende
Erfindung implementiert sein kann.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Erfassen und prädiktive
Abschätzen
regulärer
Zyklen einer physiologischen Aktivität oder Bewegung auf. Die Erfindung
kann für
jede reguläre
physiologische Aktivität,
einschließlich
zum Beispiel die Atem- oder Herzzyklen, angewendet werden.
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Beim
Betrieb werden ein oder mehrere Datensätze, die für die interessierende physiologische
Aktivität repräsentativ
sind, für
den Patienten erfasst. Beispielsweise kann ein Elektrokardiograph
eingesetzt werden, um Daten zu erzeugen, die für den Herzzyklus repräsentativ
sind. Um Daten zu erzeugen, die für den Atemzyklus repräsentativ
sind, können
ein Temperatursensor, ein Dehnmessstreifen oder ein Pneumotachograph eingesetzt
werden. Andere Messgeräte
oder Einrichtungen können
eingesetzt werden, um Datensätze
zu erhalten, die für
die physiologische Aktivität
oder die physiologischen Bewegungen repräsentativ sind.
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1 stellt
die Komponenten einer Ausführungsform
eines Systems 100 zur physiologischen Gating-Steuerung
von Strahlentherapie dar, bei welchem Daten, die für die physiologische
Aktivität
repräsentativ
sind, mit einer optischen bildgebenden Vorrichtung erfasst werden.
Das System 100 weist eine Bestrahlungsstrahlquelle 102 (wie
zum Beispiel einen konventionellen Linearbeschleuniger) auf, welcher
die Lage betreffend konfiguriert ist, einen Bestrahlungsstahl auf
einen Patienten 106 zu richten, der sich auf einem Behandlungstisch 104 befindet.
Ein Schalter 116 ist wirksam mit der Bestrahlungsstrahlquelle 102 gekoppelt.
Der Schalter 116 kann betätigt werden, um die Applikation
des Bestrahlungsstrahls am Patienten 106 zu unterbrechen.
In einer Ausführungsform
ist der Schalter 116 Teil der mechanischen und elektrischen
Struktur der Bestrahlungsstrahlquelle 102. Alternativ weist
der Schalter 116 eine externe Vorrichtung auf, die mit
der Steuerelektronik der Bestrahlungsstrahlquelle 102 verbunden
ist.
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Eine
optische oder Video-Bildgebungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine
Videokamera 108, ist derart gerichtet, dass sich zumindest
ein Teil des Patienten 106 innerhalb des Sehfeldes der
Kamera befindet. Die Kamera 108 überwacht den Patienten 106 auf
die Bewegung hin, die mit der bestimmten physiologischen Aktivität zusammenhängt, die
gemessen wird. Wenn beispielsweise Atembewegungen des Patienten überwacht werden,
dann kann die Kamera 108 konfiguriert sein, die Bewegung
des Brustkorbs des Patienten zu überwachen.
Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Kamera 108 mit ihrer Achse etwa 45 Grad zu der
Längsachse
des Patienten 106 angeordnet. Zur Messung der Atemaktivität, die zu
etwa 3–5
mm Brustkorbbewegung führen könnte, ist
das Sehfeld des Videobildes vorzugsweise eingestellt, dass es einen
Bereich von etwa 20 cm mal 20 cm des Brustkorbes des Patienten sieht.
Nur aus Gründen
der Darstellung ist in 1 eine einzelne Kamera 108 gezeigt.
Jedoch kann die Anzahl der eingesetzten Kameras 108 diese
Zahl übersteigen,
und die genaue zu verwendende Anzahl hängt von der jeweiligen Anwendung
ab, auf welche sie gerichtet ist.
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In
einer Ausführungsform
projizieren eine oder mehrere Beleuchtungsquellen (welche in der
bevorzugten Ausführungsform
Infrarotquellen sind) Licht auf den Patienten 106 auf dem
Behandlungstisch 104. Das erzeugte Licht wird von einem
oder mehreren Festpunkten auf dem Körper des Patienten reflektiert.
Die Kamera 108, welche auf den Patienten 106 gerichtet
ist, fängt
das von dem einen oder den mehreren Festpunkten reflektierte Licht
ein und erfasst es. Die Festpunkte werden basierend auf der physiologischen
Aktivität
ausgewählt,
die untersucht wird. Beispielsweise werden für Atemmessungen Festpunkte
von einer oder mehreren Stellen an der Brust des Patienten ausgewählt.
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Die
Ausgangssignale der Kamera 108 werden zu einem Computer 110 oder
einer anderen Art von Verarbeitungseinheit gesendet, die in der
Lage ist, Videobilder zu empfangen. Gemäß einer speziellen Ausführungsform
weist der Computer 110 einen Microsoft Windows NT ausführenden
Intel-Pentium-basierten Prozessor auf und weist eine Video-Framegrabberkarte
mit einem separaten Kanal für
jede in dem System verwendete Videoquelle auf. Die durch die Kamera 108 aufgezeichneten
Bilder werden zu dem Computer 110 zur Verarbeitung gesendet.
Wenn die Kamera 108 eine Analogausgabe erzeugt, wandelt
der Framegrabber vor der Verarbeitung durch den Computer 110 die
Kamerasignale in ein digitales Signal um. Basierend auf den von dem
Computer 110 empfangenen Videosignalen können Steuersignale
von dem Computer 110 gesendet werden, um den Schalter 116 zu
betätigen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind ein oder mehrere passive Marker 114 an dem Patienten
in dem Bereich angeordnet, der auf eine Bewegung hin zu erfassen
ist. Jeder Marker 114 weist vorzugsweise ein reflektierendes
oder retroreflektierendes Material auf, das Licht reflektieren kann,
ob bei sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängen. Wenn die Beleuchtungsquelle örtlich gemeinsam
mit der Kamera 108 angeordnet ist, dann weist der Marker 114 vorzugsweise
ein retroreflektierendes Material auf, das Licht größtenteils
in die Richtung der Beleuchtungsquelle reflektiert. Alternativ weist
jeder Marker 114 seine eigene Lichtquelle auf. Der Marker 114 wird
anstelle von oder in Verbindung mit physischen Festpunkten am Körper des
Patienten verwendet, der durch die Kamera 108 abgebildet
wird, um die Bewegung des Patienten zu erfassen. Vorzugsweise werden
Marker 114 anstelle von Körperfestpunkten verwendet,
weil solche Marker 114 leichter über das durch die Kamera 108 erzeugte
Videobild zu erkennen und zu verfolgen sind. Wegen der reflektierenden
oder retroreflektierenden Eigenschaften der bevorzugten Marker 114 liefern
die Marker 114 einer Lichterfassungsvorrichtung, wie zum
Beispiel der Kamera 108, inhärent einen größeren Kontrast
in einem Videobild, insbesondere wenn die Kamera 108 und
die Beleuchtungsquelle örtlich
gemeinsam angeordnet sind.
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Das
Verwenden eines video- oder optisch basierten Systems, um die Bewegung
des Patienten zu verfolgen, bietet verschiedene Vorteile. Erstens
bietet ein video- oder optisch basiertes System einen zuverlässigen Mechanismus
zum Wiederholen von Messergebnissen zwischen Anwendungen an einem
bestimmten Patienten. Zweitens ist die Erfindung nicht invasiv,
und sogar wenn Marker verwendet werden, müssen keine Kabel oder Verbindungen
zu dem Patienten hergestellt werden. Darüber hinaus kann, wenn die Verwendung
von Markern unpraktisch ist, das System noch ohne Marker durch Durchführen von
Messungen der physiologischen Aktivität verwendet werden, die in
ausgewählten
Körperfestpunkten
verschlüsselt
ist. Schließlich
ist die Erfindung genauer, weil sie auf der Absolutmessung einer
externen anatomisch-physischen Bewegung basiert.
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Eine
mögliche
Unzulänglichkeit
beim Verfolgen der Marker 114 ist, dass der Marker irgendwo
in dem Video-Frame erscheinen kann und es sein kann, dass alle Bildelemente
des Video-Frames geprüft
werden müssen,
um die Lage des Markers 114 zu bestimmen. Daher weist in
einer Ausführungsform
die anfängliche Bestimmung
von Orten für
den Marker 114 eine Prüfung
aller Bildelemente in dem Video-Frame auf. Wenn der Video-Frame
640 mal 480 Bildelemente aufweist, dann werden anfänglich alle
307200 (640·480)
Bildelemente geprüft,
um die Lage der Marker 114 zu finden.
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Zur
Echtzeitverfolgung des Markers 114 könnte das Prüfen jedes Bildelements für jeden
Video-Frame, um die Lage des Markers 114 in Echtzeit zu
bestimmen, eine erhebliche Menge an Systemressourcen verbrauchen.
Daher kann in einer Ausführungsform
die Echtzeitverfolgung des Markers 114 durch Verarbeiten
eines kleinen Bereichs des Video-Frames vereinfacht werden, der
hier als ein "Verfolgungstor" bezeichnet wird,
das basierend auf einer Abschätzung
der Lage des bereits identifizierten Markers 114 in dem
Video-Frame platziert wird. Die vorher bestimmte, in dem vorhergehenden
Video-Frame definierte Lage eines Markers 114 wird verwendet,
um einen anfänglichen
Suchbereich (d.h. das Verfolgungstor) für diesen gleichen Marker in
Echtzeit zu definieren. Das Vefolgungstor ist ein relativ kleiner
Teilbereich des Video-Frames,
der an dem vorhergehenden Ort des Markers 114 auf den Mittelpunkt
eingestellt ist. Das Verfolgungstor wird nur ausgedehnt, wenn es den
neuen Ort des Markers 114 nicht enthält. Man betrachte als ein Beispiel
die Situation, wenn der vorher bestimmte Ort eines bestimmten Markers
das Bildelement (50, 50) in einem Video-Frame ist. Wenn das Verfolgungstor
auf einen 50-mal-50-Bereich des Video-Frames begrenzt ist, dann
würde das
Verfolgungstor für dieses
Beispiel die Bildelemente umfassen, die innerhalb des Bereichs eingebunden
sind, der durch die Koordinaten (25, 50), (75, 50), (50, 25) und
(50, 75) definiert ist. Die anderen Teilbereiche des Video-Frames
werden nur durchsucht, wenn der Marker 106 nicht innerhalb
dieses Verfolgungstors gefunden wird.
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Die
von der Kamera 108 zu dem Computer 110 gesendeten
Videobildsignale werden verwendet, um Bewegungssignale zu erzeugen
und zu verfolgen, die für
die Bewegung des Markers 114 und/oder der Festpunktstrukturen
an dem Körper
des Patienten repräsentativ
sind. 2 stellt ein Beispiel eines Diagramms 200 eines
Bewegungssignals für
die Atembewegung dar, das Informationen bezüglich der Bewegung des Markers 114 während eines
bestimmten Messzeitraums enthält.
Die horizontale Achse stellt Zeitpunkte dar und die vertikale Achse
stellt die relative Lage oder Bewegung des Markers 114 dar.
Gemäß einer
Ausführungsform weist
das dargestellte Signal in 2 eine Mehrzahl
von diskreten Datenpunkten auf, die entlang des Bewegungssignaldiagramms 200 eingetragen
sind.
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Ein
wichtiger Aspekt der physiologischen Gating-Steuerung von Strahlentherapie
ist die Bestimmung der Grenzen der "Behandlungsintervalle" zum Applizieren
der Strahlung. Für
Zwecke der Gating-Steuerung können
Schwellwertpunkte über
dem Amplitudenbereich des Bewegungssignals definiert werden, um
die Grenzen der Behandlungsintervalle zu bestimmen. Eine Bewegung
des Patienten, die aus die Grenzen der Behandlungsintervalle herausfällt, entspricht
einer Bewegung, von der vorhergesagt wird, dass sie unzulässige Level
der Bewegung an dem für
eine Bestrahlung abgezielten Tumor oder Gewebe verursacht. Gemäß einer
Ausführungsform
entsprechen die Behandlungsintervalle dem Abschnitt des physiologischen
Zyklus, im welchem die Bewegung des klinischen Zielvolumens minimiert
ist. Andere Faktoren zum Bestimmen der Grenzen der Behandlungsintervalle
umfassen das Identifizieren des Teils des Bewegungssignals, das
mit der geringsten Bewegung des Zielvolumens einhergeht, oder des
Teils des Bewegungssignals, das mit der größten Separation des Zielvolumens
von gefährdeten
Organen einhergeht. Somit kann das Bestrahlungsstrahlmuster mit
der minimal möglichen
Begrenzung geformt werden, um die Bewegung des Patienten zu berücksichtigen.
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Die
Strahlung wird nur auf den Patienten appliziert, wenn sich das Bewegungssignal
innerhalb der vorgesehenen Behandlungsintervalle befindet. Mit Bezug
auf 3 sind Beispiele von Behandlungsintervallen dargestellt,
die durch den Signalbereich 302 indiziert sind, der über den
in dem Bewegungssignaldiagramm 200 gezeigten Bewegungsdaten
definiert wurde. In dem Beispiel von 3 fällt jede
Bewegung der gemessenen Körperstelle,
die den Wert von 0,8 übersteigt
(gezeigt durch obere Grenzlinie 304) oder die sich unter
den Wert von 0,0 (gezeigt durch untere Grenzlinie 304)
bewegt, aus den Grenzen der Behandlungsintervalle heraus.
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In 3 ist
ein Beispiel eines Diagramms 300 eines Gating-Steuersignals
gezeigt, das nach dem Diagramm 200 des Bewegungssignals
ausgerichtet ist. Jedes Bewegungssignal, das aus dem Signalbereich 302 des
Behandlungsintervalls herausfällt,
führt zu
einem "Strahl anhalten"-Schwellenwert 310
des Gating-Steuersignals, der die Applikation von Strahlung auf
den Patienten stoppt. Jedes Bewegungssignal, das innerhalb des Signalsbereichs 302 des
Behandlungsintervalls liegt, führt
zu einem "Strahl
ein"-Schwellenwert 312 des Gating-Steuersignals,
der ermöglicht,
dass Strahlung auf den Patienten appliziert wird. In einer Ausführungsform
werden digitale Signale, die die in dem Bewegungssignaldiagramm 200 gezeigten
Informationen repräsentieren,
durch den Computer 110 verarbeitet und mit den Schwellwertpegeln
des Signalbereichs 302 des Behandlungsintervalls verglichen,
um die Schwellenwerte 310 und 312 des Gating-Steuersignals
zu erzeugen. Alternativ können
die Schwellenwerte 310 und 312 des Gating-Steuersignals
durch Zuführen
analoger Bewegungssignale in einen Komparator erhalten werden, damit
sie mit analogen Schwellwertsignalen verglichen werden, die mit
dem Signalbereich 302 des Behandlungsintervalls korrespondieren.
In jedem Fall werden die Schwellenwerte 310 und 312 des
Gating-Steuersignals durch den Computer 110 erzeugt und
werden an den Schalter 116 angelegt, der den Betrieb der
Bestrahlungsstrahlquelle 102 (1) steuert,
um die Applikation eines Bestrahlungsstrahls auf den Patienten 106 zu
stoppen oder zu starten.
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4 ist
ein Flussdiagramm der Verfahrensvorgänge, die in einer Ausführungsform
ausgeführt
werden. Der erste Verfahrensvorgang ist, Grenzen für die Behandlungsintervalle über dem
Bereich von Bewegungssignalen zu definieren, die durch eine Kamera
zu erfassen sind (402). Wie oben angegeben, korrespondiert
jede Bewegung, die aus den Grenzen der Behandlungsintervalle herausfällt, mit
einer Bewegung, von der vorhergesagt wird, dass sie zu unzulässigen Levels
der Bewegung des für
eine Bestrahlung abgezielten Tumors oder Gewebes führt. Ein
optisches oder Video-Bildgebungssystem, wie zum Beispiel eine Videokamera, wird
verwendet, um die physiologische Bewegung des Patienten zu messen
(404), und die Ausgangssignale des optischen oder Video-Bildgebungssystems
werden verarbeitet, um die gemessenen Bewegungssignale mit den Schwellwertgrenzen
der Behandlungsintervalle zu vergleichen (406).
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Wenn
das Bewegungssignal außerhalb
der Grenzen der Behandlungsintervalle liegt, dann wird ein "Strahl aus"-Schwellenwert des Gating-Steuersignals
an einen Schalter angelegt, der wirksam mit der Bestrahlungsstrahlquelle
gekoppelt ist (408). Wenn die Bestrahlungsstrahlquelle
den Patienten derzeit bestrahlt (410), dann wird die Schalterstellung
betätigt,
um den Bestrahlungsstrahl anzuhalten oder zu stoppen (411).
Das Verfahren kehrt dann zu dem Verfahrensvorgang 406 zurück.
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Wenn
das Bewegungssignal innerhalb der Grenzen der Behandlungsintervalle
liegt, dann wird ein "Strahl
ein"-Schwellenwert des
Gating-Steuersignals erzeugt (412) und an einen Schalter
angelegt, der wirksam mit der Bestrahlungsstrahlquelle gekoppelt
ist. wenn die Bestrahlungsstrahlquelle derzeit nicht auf den Patienten
appliziert wird (413), dann wird die Schalterstellung betätigt, um
die Bestrahlungsstrahlquelle einzuschalten oder zu applizieren,
um den Patienten zu bestrahlen (414). Das Verfahren kehrt
dann zu dem Verfahrensvorgang 406 zurück.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Bestrahlungsstrahlquelle ausgeschaltet werden, wenn eine signifikante
Abweichung in den regulären
physiologischen Bewegungen des Patienten erfasst wird. Solche Abweichungen
können
aus einer plötzlichen
Bewegung oder einem Husten durch den Patienten resultieren. Die Position
und/oder die Orientierung des abgezielten Gewebes kann im Ergebnis
dieser Abweichung inakzeptabel verschoben sein, obgleich der Amplitudenbereich
des Bewegungssignals während
dieser Abweichung noch in die Grenzen der Behandlungsintervalle
fällt.
Somit hilft die Erfassung solcher Abweichungen die geeigneten Zeiträume definieren,
um die Bestrahlungsbehandlung zu gating-steuern.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Erfassen und prädiktives Abschätzen einer
Periode einer physiologischen Aktivität vor. In der Tat kann die
vorliegende Erfindung mit der physiologischen Bewegung des Patienten "phasenverriegeln". Da sich die Phase
des Gating-Steuerungssystems mit der Bewegungsperiode phasenverriegelt,
können
Abweichungen von dieser Periode identifiziert und geeignet behandelt
werden.
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Zum
Beispiel kann während
der Gating-Steuerung auf den Atemzyklus eine plötzliche Bewegung oder ein Husten
durch den Patienten zu einer Abweichung von der erfassten Periode
des Atemzyklus führen.
Die Bestrahlungsbehandlung kann während dieser Abweichungen von
der regulären
Periode gating-gesteuert werden. Die vorliegende Erfindung sieht
auch ein prädiktives
Abschätzen
der Periode der nachfolgenden physiologischen Bewegung vor, um nachzufolgen.
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5 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens einer Ausführungsform der Erfindung, um
die prädiktive Abschätzung und
Erfassung von regulären
physiologischen Bewegungszyklen auszuführen. In Verfahrensvorgang 502 wird
ein Gerät
oder System (wie zum Beispiel System 100 von 1)
eingesetzt, um Datensignale zu erzeugen, die für die interessierende physiologische
Aktivität
repräsentativ
sind. In einer Ausführungsform weisen
die Datensignale einen Strom digitaler Datensamples auf, die gemeinsam
ein Signalwellenmuster bilden, das für die physiologische Bewegung
repräsentativ
ist, die geprüft
wird. Eine Anzahl diskreter Messsamples werden für die physiologische Aktivität während einer
bestimmten Zeitperiode aufgenommen. Beispielsweise werden in einer
Ausführungsform
der Erfindung, die auf eine Atemmessung gerichtet ist, circa 200–210 Datensamples
für jedes
ungefähr
7-sekündige
Zeitintervall gemessen.
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In
Verfahrensvorgang 504 wird an den gemessenen Datensamples
eine Musterabgleichsanalyse durchgeführt. In einer Ausführungsform
wird der neueste Satz von Datensamples für das physiologische Signal
gegen einen unmittelbar vorhergehenden Satz von Datensamples korreliert,
um die Periode und die Wiederholung des Signals zu bestimmen. Eine
Autokorrelationsfunktion kann eingesetzt werden, um diesen Musterabgleich
durchzuführen.
Das Verfahren berechnet für
jeden neuen Samplepunkt der physiologischen Bewegung oder des physiologischen Überwachungssensorsignals
die Autokorrelationsfunktion der letzten n Samples des Signals,
wobei n circa 1,5 bis 2 Signal-Atemperioden entspricht. Dann wird
der sekundäre
Höchstwert der
Autokorrelationsfunktion identifiziert, um die Periode und die Wiederholung
des Signals zu bestimmen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird anstelle einer Autokorrelationsfunktion eine Absolute-Differenz-Funktion
verwendet. Anstatt des sekundären
Höchstwertes
wird ein sekundäres
Minimum in der absoluten Differenz gesucht. Das Verfahren berechnet
für jeden
neuen Samplepunkt der physiologischen Bewegung oder des physiologischen Überwachungssensorsignals
die minimale absolute Differenz zwischen den beiden Datensätzen über einem
Bereich überlappender
Datensamples. Das sekundäre
Minimum entspricht der Datenposition, die den letzten Satz von Datensamples
am besten mit dem vorhergehenden Satz von Datensamples abgleicht.
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Noch
eine weitere alternative Ausführungsform
führt einen
Musterabgleich basierend auf einem Modell der physiologischen Aktivität aus, die
gemessen wird. Das Modell ist eine dynamische Darstellung der physiologischen
Bewegung oder des physiologischen Überwachungssensorsignals für diese
physiologische Aktivität.
Der neueste Satz von Datensamples wird gegen das Modell abgeglichen,
um Parameter des sich wiederholenden Vorgangs zu schätzen.
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Ein
Musterabgleich unter Verwendung des gemessenen physiologischen Signals
(504) liefert Informationen bezüglich des Übereinstimmungsgrades sowie
eines Ortes der besten Übereinstimmung
für den
sich wiederholenden Vorgang. Wenn in dem Verfahrensvorgang 504 eine
Autokorrelationsfunktion eingesetzt wird, dann liefert die relative
Stärke
des sekundären
Höchstwertes
ein Maß dafür, wie repetitiv
das Signal ist. Ein Schwellwertbereichswert wird definiert, um für eine Angabe
des Übereinstimmungsgrades
zwischen den beiden Sätzen
von Datensamples zu sorgen. Wenn sich die Stärke des sekundären Höchstwertes
innerhalb des definierten Schwellwertbereichs befindet (Verfahrensvorgang 508),
dann zeigt der Übereinstimmungsgrad
an, dass das Signal repetitiv ist, und die Lage des sekundären Höchstwertes
liefert eine Schätzung
der Signalperiode. Wenn in dem Verfahrensvorgang 504 eine
Absolute-Differenz-Funktion verwendet wird, dann liefert der relative
Wert des sekundären
Minimums ein Maß dafür, wie repetitiv
das Signal ist. Wenn der Wert des sekundären Minimums einen definierten
Schwellwertbereich erreicht (508), dann zeigt der Übereinstimmungsgrad an,
dass das Signal repetitiv ist, und die Lage des sekundären Minimums
liefert eine Schätzung
der Signalperiode.
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Wenn
der Korrelationswert des sekundären
Höchstwertes
oder des sekundären
Minimums den definierten Schwellwertbereich nicht erreicht, dann
wird eine Abweichung von der regulären physiologischen Aktivität erfasst,
wodurch eine Unregelmäßigkeit
in der regulären
physiologischen Bewegung des Patienten angezeigt wird (510).
Diese Unregelmäßigkeit
könnte
zum Beispiel aus einer plötzlichen
Bewegung oder einem Husten des Patienten resultieren. In einer Ausführungsform
führt diese
erfasste Unregelmäßigkeit
zu der Erzeugung eines "Strahl
anhalten"-Signals,
das die Applikation von Strahlung an dem Patienten unterbricht.
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Wenn
der Übereinstimmungsgrad
Wiederholung anzeigt, wird der Punkt der besten Übereinstimmung geprüft, um zu
bestimmen, ob die Periode innerhalb eines vernünftigen Bereichs liegt. Die
Lage des sekundären
Höchstwertes
oder des sekundären
Minimums liefert eine Schätzung
der Periode der physiologischen Aktivität. In einer Ausführungsform
wird der Punkt der besten Übereinstimmung
mit einem Schwellwertbereich verglichen (509). Wenn der
Punkt der besten Übereinstimmung nicht
in den Schwellwertbereich fällt,
dann wird eine Abweichung von der regulären physiologischen Aktivität erfasst
(510). Wenn der Punkt der besten Übereinstimmung in den Schwellwertbereich
fällt,
dann wird das Signal als repetitiv akzeptiert (512).
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Die
Schätzung
der Periode basierend auf dem Punkt der besten Übereinstimmung kann verwendet werden,
um die Periode und die Wellenformparameter des nächsten Satzes von Datensamples
für das
Signal vorherzusagen (514). Es ist zu beachten, dass die
Verfahrensvorgänge 504, 508 und 509 auf
eine Wiederholung auf der Basis einer Mehrzahl von Datensamples über einem
Bereich solcher Samples testen. Jedoch kann unter manchen Umständen eine
wesentliche Abweichung von der normalen physiologischen Bewegung sogar
innerhalb des neuen Datensatzes oder der neuesten Datensätze, die
analysiert werden, auftreten, da aber der Gesamtsatz von Datensamples
eine Wiederholung anzeigt (zum Beispiel wegen der Mittelwertbildung von
absoluten Differenzen über
dem Bereich von Datensamples, die verglichen werden), kann es sein,
dass die Verfahrensvorgänge 504, 508 und 509 die
Abweichung nicht erfassen. Um einen Test auf eine schnelle Abweichung
durchzuführen,
wird der vorhergesagte Wert aus dem Verfahrensvorgang 514 mit
dem nächsten korrespondierenden
Datensample verglichen (515). Wenn der vorhergesagte Wert
mit dem tatsächlichen
Wert des Datensamples nicht innerhalb eines definierten Schwellwertbereichs übereinstimmt,
dann wird eine Abweichung erfasst (510). Wenn ein Vergleich
des vorhergesagten Wertes und des tatsächlichen Wertes des Datensamples
in den definierten Schwellwertbereich fällt, dann wird die Wiederholung
bestätigt,
und eine Abweichung wird für
diesen Bereich von Datensamples nicht erfasst (516).
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In
einer Ausführungsform
wird das erste Mal, wenn das Verfahren von 5 durchgeführt wird,
der Verfahrensvorgang des Musterabgleichs (504) über dem
gesamten Bereich von Datensamples durchgeführt. Danach kann der Verfahrensvorgang
des Musterabgleichs über
einem begrenzten Suchintervall durchgeführt werden, welches durch die
Ergebnisse der unmittelbar vorherigen Ausführung des Verfahrens definiert
wird. Beispielsweise kann der vorhergesagte Wert aus dem Verfahrensvorgang 514 verwendet
werden, um die Lage des Suchintervalls für den nächsten Satz von Datensamples
zu definieren. Jedoch kann dann, wenn die Verfahrensvorgänge 508, 509 und 514 eine
Abweichung auf der Basis der Analyse des anfänglichen Suchintervalls erfassen,
das Suchintervall erweitert werden, um sicherzustellen, dass eine
Abweichung tatsächlich
aufgetreten ist. Das Verfahren von 5 kann mit
dem vergrößerten Suchintervall
wiederholt werden, um zu versuchen, einen Punkt der besten Übereinstimmung
außerhalb
des anfänglichen
Suchintervalls zu finden. In einer Ausführungsform umfasst das vergrößerte Suchintervall
den gesamten Bereich von Datensamples. Alternativ umfasst das vergrößerte Suchintervall
nur einen erweiterten Teil des gesamten Bereichs von Datensamples.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann eine physiologische Gating-Steuerung eher auf
der Basis der Phase der physiologischen Aktivität als ihrer Amplitude ausgeführt werden.
Das steht im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten
Beispiel, in welchem die Amplitude des Signals der physiologischen
Bewegung die Grenzen der Behandlungsintervalle für die Applikation von Strahlung
definiert.
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Mit
Bezug auf 9 ist ein Beispiel eines Diagramms 900 dargestellt,
das den Phasenverlauf des Signals einer physiologischen Bewegung
zeigt. Ein Behandlungsintervallbereich 902 wurde über dem
Phasendiagramm 900 definiert. In dem Beispiel von 9 sind
die Grenzen des Behandlungsintervallbereichs 902 durch
die Phase des erfassten Signals definiert. Strahlung wird auf den
Patienten nur appliziert, wenn die Phase des Signals der physiologischen
Bewegung in die Grenzen des Behandlungsintervallbereichs 902 fällt. 9 stellt
Beispiele des Behandlungsintervallbereichs 902 mit Grenzen
dar, die sich von 30 Grad bis 300 Grad erstrecken. Demnach wird
die auf den Patienten applizierte Strahlung unterbrochen oder gestoppt,
wenn die Phase des Signals der physiologischen Bewegung zwischen
301 Grad und 29 Grad liegt.
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In 9 ist
ein Diagramm 906 eines Gating-Steuersignals gezeigt, das
nach dem Phasendiagramm 900 ausgerichtet ist. Ein "Strahl anhalten"-Signalschwellenwert 910 ergibt
sich, wenn die Phase des Signals der physiologischen Bewegung aus
dem Behandlungsintervallbereich 902 herausfällt. Ein "Strahl ein"-Signalschwellenwert 912 ergibt
sich, wenn die Phase des Signals der physiologischen Bewegung in
die Grenzen des Behandlungsintervallbereichs 902 fällt. Die "Strahl ein"- und "Strahl anhalten"-Signalschwellenwerte 910 und 912 werden
einem Schalter 116 zugeführt, der wirksam den Betrieb
einer Bestrahlungsstrahlquelle 102 (1) steuert.
Wenn auf den Patienten gerade Strahlung appliziert wird, triggert
die Anwendung des "Strahl
anhalten"-Signalschwellenwertes 910 den
Schalter 116, die Applikation von Strahlung zu unterbrechen
oder zu stoppen. Wenn auf den Patienten gerade keine Strahlung appliziert
wird, triggert die Anwendung des "Strahl ein"-Signalschwellenwertes 912 die
Applikation von Strahlung auf den Patienten.
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Die
prädiktiven
Qualitäten
der vorliegenden Erfindung ermöglichen
den Betrieb eines Gating-Steuerungssystems sogar, wenn die gemessene
physiologische Bewegung eine Bewegung aufweist, die im Vergleich
zu den effektiven Betriebsgeschwindigkeiten der Komponenten des
Gating-Steuerungssystems
relativ schnell ist. Man betrachte nur als ein Beispiel ein Gating-Steuerungssystem,
das einen Schalter zur Gating-Steuerung der Bestrahlungsbehandlung
aufweist, in welcher der Schalter eine bekannte Zeitperiode Δt benötigt, um
vollständig
einzuschalten. Wenn die Schaltzeitperiode Δt im Vergleich zu dem gemessenen
Zyklus der physiologischen Bewegung relativ langsam ist, dann kann
es sein, dass ein System, das so einen Schalter in einer reaktiven
Weise einsetzt, nicht in der Lage ist, die Applikation von Strahlung
an dem Patienten wirksam zu gating-steuern.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt ein prädiktives Triggern des Schalters 116,
um den Zeitbetrag Δt
zu kompensieren, der notwendig ist, um den Schalter vollständig einzuschalten.
Eine vorhergesagte Periode für eine
physiologische Aktivität
kann durch Einsatz des Verfahrens von 5 erhalten
werden. Ein Behandlungsintervallbereich wird über einem Teil der Periode
der physiologischen Aktivität
definiert. Auf der Basis der Zeit Δt, die erforderlich ist, um
den Schalter 116 vollständig
zu betätigen,
kann der Schalter 116 um diese Zeitperiode Δt vor dem
Zeitpunkt der Grenze des Behandlungsintervalls vorbetätigt werden,
so dass der Zeitpunkt für eine
vollständige
Betätigung
des Schalters 116 mit der Grenze des Behandlungsintervalls
zusammenfällt.
Somit kann die Strahlung ungeachtet der Betriebsgeschwindigkeiten
des Schalters 116 wirksam an den Grenzen des Behandlungsintervalls
gatinggesteuert werden. Das gleiche Verfahren kann auch eingesetzt
werden, um die Betriebsgeschwindigkeiten anderer Komponenten des
Gating-Systems zu kompensieren.
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Das
Folgende ist eine Ausführungsform
der Erfindung, die in der Programmiersprache Visual Basic kodiert
ist. Der folgende Programmcode ist auf ein Verfahren zum Erfassen
und prädiktiven
Abschätzen
der Periode des Atemzyklus unter Verwendung der Absolute-Differenz-Funktion
gerichtet:
-
In
diesem Programmcode stellt die Variable "i" einen
Zähler
oder Index für
das Datensample dar, das verarbeitet wird. Die Variable "Range" stellt den Suchbereich
dar, der analysiert werden soll. Wenn die Periode des physiologischen
Zyklus schon bestimmt wurde (das heißt aus einer früheren Ausführung dieses
Programmcodes), dann weist die Variable "Period" die erfasste Periode auf. Wenn die
Periode noch nicht bestimmt wurde, dann ist die Variable "Period" auf einen Standardwert
eingestellt, der für
einen normalen Atemzyklus repräsentativ
ist (zum Beispiel die Anzahl von Datenpunkten in einem normalen
Atemzyklus, welche circa 95 Datensamples in einer Ausführungsform
der Erfindung beträgt,
in der circa 200–210
Datensamples über eine
circa 7-sekündige
Zeitperiode erhalten werden). Die Variable "MinAbsDiff" ist der kleinste Wert der absoluten
Differenz über
dem Suchbereich. Die Variable "Diff" stellt einen Vergleich
zwischen dem tatsächlichen Wert
eines nächsten
Datensamples und dem erwarteten Wert dieses nächsten Datensamples dar.
-
Die
Variablen "j", "StartJ" und "CurrJ" sind Zähler oder
Indizes in den Datensamples, die verarbeitet werden. Die Variable "k" ist ein Zähler für den Suchbereich. Die Variable "MaxK" stellt die Position
in dem Suchbereich mit dem kleinsten Wert der absoluten Differenz
dar. Die Variable "AbsDiff" hält die Summe
der Werte der absoluten Differenz für überlappende Datensamples aufrecht.
Die Variable "NormAbsDiff" ist der durchschnittliche
Wert der absoluten Differenz für
eine bestimmte Position in dem Suchbereich, welcher als ein Prozentwert
dargestellt ist. Die Variable "n" wird verwendet,
um die Position der Datensamples relativ zu dem Suchbereich zu verfolgen,
welche als ein Prozentwert dargestellt ist. "Predict" ist der vorhergesagte Wert, der durch
diesen Programmcode zurückgegeben
wird.
-
Die
Variable "MinAbsDiff" wird auf einen hohen
Wert initialisiert, so dass jeder nachfolgende Absolute-Differenz-Wert kleiner als
der initialisierte Wert sein wird. In einer Ausführungsform weist der Satz von
Datensamples, der verarbeitet wird, 200 Datenpunkte auf. Daher wird
in diesem Programmcode die Variable "StartJ" 201 Datensamples zurückgesetzt.
Die Variable "CurrJ" wird ein Datensample
zurückgesetzt.
Weil ein kreisförmiges
Array verwendet wird, wird während
der Initialisierung sowohl von "StartJ" als auch von "CurrJ" die Variable "BufLength" referenziert.
-
Die äußere Do-Schleife
bewegt den aktuellen und den vorhergehenden Satz von Datensamples
relativ zueinander. Die äußere Do-Schleife
ist aktiv, solange die Variable "k" anzeigt, dass der
Programmcode innerhalb des Suchbereichs verarbeitet. In einer Ausführungsform
wird der Suchbereich anfänglich
auf drei Positionen auf jeder Seite einer vorhergesagten Position
eingestellt. Die vorhergesagte Position basiert auf der Periode,
die für
eine unmittelbar vorherige Ausführung
des Programmcodes erhalten wurde. Wenn der Programmcode nicht unmittelbar
vorher ausgeführt
wurde, dann wird ein vorgegebener Periodenwert verwendet. Wenn ein
akzeptabler minimaler Absolute-Differenz-Wert innerhalb dieses Suchbereichs
nicht gefunden wird, dann kann der Suchbereich auf beispielsweise
50 Positionen auf jeder Seite der vorhergesagten Position ausgedehnt
werden.
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Die
Variable "j" wird auf den Wert "StartJ" initialisiert. Auch
die Variablen "AbsDiff" und "n" werden vor der Ausführung der inneren Do-Schleife
initialisiert.
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Die
innere Do-Schleife führt
die Berechnung der Absolute-Differenz-Werte
zwischen dem aktuellen Satz und dem vorherigen Satz von Datensamples
aus. Die Variable "AbsDiff" hält die Summe
der absoluten Differenz von Werten für überlappende Datensamples aufrecht,
die verglichen werden. Es ist zu beachten, dass die Anzahl von Datensamples,
die analysiert werden, um die Absolute-Differenz-Werte zu bestimmen, basierend
auf der Position in dem Suchbereich variiert, die gerade verarbeitet
wird. Dies ergibt sich, weil unterschiedliche Positionen in dem
Suchbereich unterschiedliche Anzahlen von Datensamples aufweisen,
die mit dem vorherigen Satz von Datensamples, die verglichen werden, überlappen.
In der Ausführungsform
dieses Programmcodes wird die Absolute-Differenz-Funktion unter
Verwendung jedes 10. Signal-Samplepunktes berechnet, das heißt, es wird
eine unterabgetastete Subtraktion verwendet. Weil ein ringförmiges Array
verwendet wird, wird die Variable "Chartwidth" während
der Berechnung von "AbsDiff" referenziert.
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Die
Variablen "MaxSignal" und "MinSignal" zeigen einen maximalen
und einen minimalen Bereich für Signalwerte
an, die bisher abgetastet wurden. Diese Werte können zum Beispiel während einer
Lernperiode für
das System ermittelt werden, in welcher Datensamples für eine Mehrzahl
von Atemzyklen erhalten werden. Die Variable "NormAbsDiff" enthält den mittleren Absolute-Differenz-Wert,
der als ein Prozentwert basierend auf den Werten "MaxSignal" und "MinSignal" dargestellt wird.
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Wenn
der Wert "NormAbsDiff" kleiner als ein
vorher ermittelter oder gleich einem vorher ermittelten Wert "MinAbsDiff" ist, dann wird die
Variable "MinAbsDiff" auf den Wert "NormAbsDiff" gesetzt. Die Variable "MaxK" wird auf den Wert
von "k" gesetzt, wenn der
Wert "MinAbsDiff" neu gesetzt wird.
Dann wird die Variable "k" erhöht, und
wenn der Wert "k" noch innerhalb des
Suchbereichs ist, dann kehrt der Programmcode zu dem Anfang der äußeren Do-Schleife
zurück.
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Das
Ergebnis dieses Programmcodes ist ein Kandidat eines minimalen Absolute-Differenz-Wertes und
eine Kandidatenposition für
die minimale absolute Differenz. Der Wert MaxK wird mit vordefinierten Schwellenwerten
verglichen, um sicherzustellen, dass er in einen zutreffenden Bereich
von Werten für
die physiologische Aktivität
fällt,
die verarbeitet wird. So wird in einer Ausführungsform der Wert MaxK geprüft, um sicherzugehen,
dass er größer oder
gleich 40 und kleiner oder gleich 150 ist. Wenn der Wert MaxK den
Schwellwertbereich einhält,
dann wird die Variable "Period" auf den wert "MaxK" gesetzt. Die Variable "Predict" gibt den vorhergesagten
Wert für
den nächsten
Satz von Datensamples, der zu verarbeiten ist, zurück. Die
Variable "Diff" kennzeichnet den
Differenzwert zwischen dem aktuellen Datensample-Wert und dem vorhergesagten Datensample-Wert
und ist als prozentualer Anteil zu den werten "MaxSignal" und "MinSignal" dargestellt.
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In
einer Ausführungsform
kann ein Bild eines Fortschrittsbalkens angezeigt werden, um die
Periodizität
der Signalsamples visuell anzuzeigen. Gemäß dem Programmcode wird dann,
wenn der "MinAbsDiff"-Wert kleiner oder
gleich einer 20%igen Differenz ist, der sichtbare Fortschrittsbalken
mit dem berechneten "MinAbsDiff"-Wert aktualisiert.
Andernfalls zeigt der sichtbare Fortschrittsbalken alle anderen "MinAbsDiff"-Werte, die eine
20%ige Differenz überschreiten,
als einen vorgegebenen Wert von "20" an.
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Die 6a und 6b stellen
eine Ausführungsform
einer Kamera 108 dar, die in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann, um Daten optisch oder visuell zu erfassen,
die für
die physiologische Bewegung repräsentativ
sind. Die Kamera 108 ist eine Ladungsgekoppelte-Einheit
("CCD")-Kamera mit einer oder
mehreren photoelektrischen Kathoden und einer oder mehreren CCD-Einheiten.
Eine CCD-Einheit ist ein Halbleiterbaustein, der in lokalen Bereichen
Ladung speichern kann und über
geeignete Steuersignale diese Ladung zu einem Auslesepunkt überträgt. Wenn
Lichtphotonen von der abzubildenden Szene an den photoelektrischen
Kathoden fokussiert werden, werden Elektronen proportional zu der
an der Kamera empfangenen Lichtintensität freigesetzt. Die Elektronen
werden in Ladungsmulden eingefangen, die innerhalb der CCD-Einheit
angeordnet sind. Die Verteilung der eingefangenen Elektronen in
den Ladungsmulden repräsentiert
das an der Kamera empfangene Bild. Die CCD überträgt diese Elektronen zu einem
Analog-Digital-Wandler. Die Ausgabe des Analog-Digital-Wandlers
wird zu dem Computer 410 gesendet, um das Videobild zu
verarbeiten und die Positionen der retroreflektierenden Marker 406 zu
berechnen. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist die Kamera 108 eine monochrome CCD-Kamera
mit einem RS-170-Ausgang und einer 640x480-Pixelauflösung. Alternativ
kann die Kamera 408 eine CCD-Kamera mit CCIR-Ausgang und
einer 756x567-Pixelauflösung
aufweisen.
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In
einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Infrarot-Beleuchtungseinrichtung 602 ("IR-Beleuchtungseinrichtung") mit der Kamera 108 gemeinsam
angeordnet. Die IR-Beleuchtungseinrichtung 602 erzeugt
einen oder mehrere Strahlen infraroten Lichts, das in die selbe
Richtung wie die Kamera 108 geleitet wird. Die IR-Beleuchtungseinrichtung 602 weist
eine Fläche
auf, die ringförmig
um die Linse 606 des Kameragehäuses 608 angeordnet
ist. Die Fläche
der IR-Beleuchtungseinrichtung 602 weist eine Mehrzahl
von einzelnen LED-Elementen 604 zum Erzeugen von Infrarotlicht
auf. Die LED-Elemente 604 sind in einem Spiralmuster an
der IR-Beleuchtungseinrichtung 602 angeordnet. Infrarotfilter,
die Teil der Kamera 108 sein können, sind entfernt oder deaktiviert,
um die Empfindlichkeit der Kamera für Infrarotlicht zu erhöhen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
können
digitale Videoaufnahmen des Patienten in einer Sitzung über die
Kamera 108 aufgezeichnet werden. Die selbe Kamera 108,
die zum Verfolgen der Bewegung des Patienten verwendet wird, kann
verwendet werden, um Videobilder des Patienten für eine zukünftige Referenz aufzuzeichnen.
Eine normale Umgebungslicht-Bildfolge des Patienten kann in Synchronisation
mit den gemessenen Bewegungssignalen der Marker 114 erhalten
werden.
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Die 7a und 7b stellen
eine Ausführungsform
eines retroreflektierenden Markers 700 dar, der innerhalb
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Der retroreflektierende
Marker 700 weist eine erhöhte reflektierende Fläche 702 zum
Reflektieren von Licht auf. Die erhöhte reflektierende Fläche 702 weist eine
halbkugelförmige
Gestalt auf, so dass Licht ungeachtet des Einfallswinkels der Lichtquelle
reflektiert werden kann. Eine ebene Fläche 704 umgibt die
erhöhte
reflektierende Fläche 702.
Die Unterseite der ebenen Fläche 704 stellt
eine Befestigungsfläche
bereit, um den retroreflektierenden Marker 700 an bestimmten
Stellen am Körper
eines Patienten zu befestigen. Gemäß einer Ausführungsform
weist der retroreflektierende Marker 700 retroreflektierendes
Material 3M#7610WS auf, das von dem Unternehmen 3M verfügbar ist.
In einer Ausführungsform
hat der Marker 700 einen Durchmesser von circa 0,5 cm und
eine Höhe
des höchsten
Punktes der erhöhten
reflektierenden Fläche 702 von
circa 0,1 cm.
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8 stellt
eine Vorrichtung 802 dar, die zum Herstellen der retroreflektierenden
Marker 700 eingesetzt werden kann.
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Die
Vorrichtung 802 weist ein Unterteil 804 mit einem
daran befestigen elastischen Ring 806 auf. Der elastische
Ring 806 ist an einem Unterformteil 808 befestigt,
das eine von seiner Mitte vorstehende Aufwölbung aufweist. Ein Steuerhebel 810 kann
betätigt
werden, um ein Oberteil 812 entlang von Stützstangen 814 zu
bewegen. Das Oberteil 812 weist ein federbelastetes Oberformteil 816 auf.
Das Oberformteil 816 ist mit einem halbkugelförmigen Hohlraum
an seiner Unterseite ausgebildet. Beim Betrieb wird ein Stück des retroreflektierenden
Materials auf dem Unterformteil 808 platziert. Der Steuerhebel 810 wird
betätigt,
um das Oberteil 812 in Richtung auf das Unterteil 804 zu
bewegen. Das retroreflektierende Material wird zwischen dem Unterformteil 808 und
dem Oberformteil 816 zusammengedrückt und geformt. Das Oberformteil 816 formt
die obere Außenseite
des retroreflektierenden Materials in eine halbkugelförmige Gestalt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
weist der Marker 114 einen Markerblock mit einem oder mehreren
Referenzorten an seiner Oberfläche
auf. Jeder Referenzort an dem Markerblock weist vorzugsweise ein retroreflektierendes
oder reflektierendes Material auf, das durch eine optische Bildgebungsvorrichtung,
wie zum Beispiel die Kamera 108, auffindbar ist.
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11 stellt
eine Ausführungsform
eines Markerblocks 1100 mit einer zylindrischen Form mit
mehreren Referenzorten dar, die aus retroreflektierenden Elementen 1102 bestehen,
die an seiner Oberfläche
angeordnet sind. Der Markerblock 1100 kann als ein starrer
Block (zum Beispiel aus Styropor) ausgebildet sein. In dieser Weise
hergestellte Blöcke
können
mehrfach wiederverwendet werden, sogar bei mehreren Patienten. Die
retroreflektierenden Elemente 1102 können aus dem selben Material
gebildet sein, das verwendet wird, um die retroreflektierenden Marker 114 der 7a und 7b zu erstellen.
Der Markerblock ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das
leichtgewichtig genug ist, um nicht das normale Atmen durch den
Patienten störend
zu beeinflussen.
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Ein
Markerblock kann in jede Form oder Größe geformt werden, solange
die Größe, der
Abstand und die Positionierung der Referenzorte so konfiguriert
sind, dass eine Kamera oder eine andere bildgebende Vorrichtung
ein Bild sehen und erzeugen kann, das die Positionierung des Markerblocks
genau zeigt. Beispielsweise stellt 10 einen
alternativen Markerblock 1000 mit einer halbkugelförmigen Gestalt
dar, der eine Mehrzahl von an seiner Oberfläche befestigten retroreflektierenden
Elementen 1002 aufweist.
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Der
Markerblock kann mit Formen ausgebildet sein, um sich bestimmten
Körperteilen
anzupassen. Zum Beispiel können
Formen oder Abdrücke,
die zu bestimmten Stellen am Körper
passen, als Markerblöcke eingesetzt
werden. Markerblöcke,
die geformt sind, damit sie sich bestimmten Bereichen des Körpers anpassen,
erleichtern die reproduzierbare Platzierung der Markerblöcke an bestimmten
Stellen an dem Patienten. Alternativ können die Markerblöcke geformt
sein, damit sie sich bestimmten Vorrichtungen anpassen, die am Körper eines
Patienten befestigt sind. Zum Beispiel kann ein Markerblock mit
Vertiefungen und Nuten geformt sein, die es erlauben, dass er an
Brillen befestigt wird. In noch einer anderen Ausführungsform
können
die Vorrichtungen mit einem integralen Markerblock (integralen Markerblöcken) mit
reflektierenden oder retroreflektierenden Markern an ihnen ausgebildet
sein.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Markerblocks weist nur einen einzelnen Referenzort/ein einzelnes
reflektierendes Element an seiner Oberfläche auf. Diese Ausführungsform
des Markerblocks wird anstatt des retroreflektierenden Markers 406 verwendet,
um bestimmte Stellen am Körper
eines Patienten mit einer optischen bildgebenden Vorrichtung zu
erfassen.
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12 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform
eines Computersystems 1900 darstellt, auf welchem eine
Ausführungsform
der Erfindung implementiert sein kann. Das Computersystem 1900 weist
einen Bus 1902 oder einen anderen Kommunikationsmechanismus
zum Kommunizieren von Informationen und einen an den Bus 1902 gekoppelten
Prozessor 1904 zum Verarbeiten von Informationen auf. Das
Computersystem 1900 weist auch einen Hauptspeicher 1906,
wie zum Beispiel einen Direktzugriffsspeicher (RAM), oder eine andere
an den Bus 1902 gekoppelte dynamische Speichereinrichtung
zum Speichern von Informationen und Befehlen auf, die durch den
Prozessor 1904 auszuführen
sind. Der Hauptspeicher 1906 kann auch zum Speichern von
temporären
Variablen oder anderer Zwischeninformationen während der Ausführung von
Befehlen verwendet werden, die von dem Prozessor 1904 auszuführen sind.
Das Computersystem 1900 weist ferner einen Festwertspeicher
(ROM) 1908 oder eine andere an den Bus 1902 gekoppelte
statische Speichervorrichtung zum Speichern von statischen Informationen
und Befehlen für
den Prozessor 1904 auf. Eine Datenspeichereinrichtung 1910,
wie zum Beispiel eine Magnetplatte oder eine optische Platte, ist
zum Speichern von Informationen und Befehlen vorgesehen und an den
Bus 1902 gekoppelt.
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Das
Computersystem 1900 kann über den Bus 1902 an
eine Anzeige 1912, wie zum Beispiel eine Kathodenstrahlröhre (CRT),
gekoppelt sein, um einem Benutzer Informationen anzuzeigen. Eine
Eingabeeinrichtung 1914, die alphanumerische und andere
Tasten aufweist, ist zum Kommunizieren von Informationen und Befehlsauswahlen
zu dem Prozessor 1904 an den Bus 1902 gekoppelt.
Eine andere Art einer Benutzereingabeeinrichtung ist die Cursorsteuerung 1916,
wie zum Beispiel eine Maus, ein Trackball oder Cursor-Richtungstasten
zum Kommunizieren von Richtungsinformationen und Befehlsauswahlen
zu dem Prozessor 1904 und zum Steuern der Cursorbewegung
auf der Anzeige 1912. Die Eingabevorrichtung weist typischerweise
zwei Freiheitsgrade in zwei Achsen, einer ersten Achse (zum Beispiel
x) und einer zweiten Achse (zum Beispiel y) auf, welche es der Einrichtung
ermöglichen,
Positionen in einer Ebene anzugeben.
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Das
Computersystem 1900 wird zum Erfassen und prädiktiven
Abschätzen
physiologischer Zyklen verwendet. Gemäß einer Ausführungsform
ist so eine Verwendung durch das Computersystem 1900 in
Antwort auf den Prozessor 1904 vorgesehen, der eine oder
mehrere Sequenzen von einem oder mehreren in dem Hauptspeicher 1906 enthaltenen
Befehlen ausführt.
Solche Befehle können
von einem anderen computerlesbaren Medium, wie zum Beispiel der
Speichereinrichtung 1910, in den Hauptspeicher 1906 eingelesen
werden. Die Ausführung
der Sequenzen der in dem Hauptspeicher 1906 enthaltenen
Befehle bewirkt, dass der Prozessor 1904 die hierin beschriebenen
Prozessschritte ausführt.
Es können
auch ein oder mehrere Prozessoren in einer Multiprocessing-Anordnung eingesetzt
werden, um die Sequenzen der in dem Hauptspeicher 1906 enthaltenen
Befehle auszuführen.
In alternativen Ausführungsformen
kann eine festverdrahtete Schaltung anstatt von oder zusammen mit
Softwarebefehlen verwendet werden, um die Erfindung zu implementieren.
Somit sind die Ausführungsformen
der Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Kombination von Hardware-Schaltungstechnik
und Software beschränkt.
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Der
Begriff "computerlesbares
Medium", wie er
hier verwendet wird, bezieht sich auf jedes Medium, das beim Bereitstellen
von Befehlen für
den Prozessor 1904 zur Ausführung beteiligt ist. So ein
Medium kann viele Formen in Anspruch nehmen, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf nichtflüchtige
Medien, flüchtige Medien
und Übertragungsmedien.
Nichtflüchtige
Medien schließen
zum Beispiel optische oder magnetische Platten ein, wie zum Beispiel
die Speichereinrichtung 1910. Flüchtige Medien schließen einen
dynamischen Speicher ein, wie zum Beispiel den Hauptspeicher 1906. Übertragungsmedien
schließen
Koaxialkabel, Kupferkabel und Glasfaser ein, einschließlich der
Leitungen, die den Bus 1902 umfassen. Übertragungsmedien können auch
die Form von akustischen oder Lichtwellen in Anspruch nehmen, wie
zum Beispiel solche, die bei der Radiowellen- und der Infrarot-Datenkommunikation
erzeugt werden.
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Bekannte
Formen von computerlesbaren Medien schließen beispielsweise eine Diskette,
eine flexible Platte, eine Festpatte, ein Magnetband oder irgendein
anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, irgendein anderes optisches
Medium, eine Lochkarte, einen Lochstreifen, irgendein anderes physisches
mit Löchermustern,
einen RAM, einen PROM und einen EPROM, einen Flash-EPROM, irgendeinen
anderen Speicherchip oder irgendeine andere Speicherkassette, eine
Trägerwelle
wie nachstehend beschrieben oder irgendein anderes Medium ein, von
welchem ein Computer lesen kann.
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Verschiedene
Formen von computerlesbaren Medien können beim Übertragen einer oder mehrerer Sequenzen
von einem oder mehreren Befehlen zu dem Prozessor 1904 zur
Ausführung
einbezogen sein. Zum Beispiel können
die Befehle anfänglich
auf einer magnetischen Platte eines entfernten Computers aufgenommen
sein. Der entfernte Computer kann die Befehle in seinen dynamischen
Speicher laden und die Befehle über
eine Telefonleitung unter Verwendung eines Modems senden. Ein Modem
lokal zu dem Computersystem 1900 kann die Daten auf der
Telefonleitung empfangen und einen Infrarotsender verwenden, um
die Daten in ein Infrarotsignal umzuwandeln. Ein an den Bus 1902 gekoppelter
Infrarotdetektor kann die in dem Infrarotsignal transportierten
Daten empfangen und die Daten auf dem Bus 1902 platzieren.
Der Bus 1902 transportiert die Daten zum Hauptspeicher 1906,
von welchem der Prozessor 1904 die Befehle abruft und ausführt. Die
von dem Hauptspeicher 1906 empfangenen Befehle können optional
in der Speichereinrichtung 1910 entweder vor oder nach
der Ausführung
durch den Prozessor 1904 gespeichert werden.
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Das
Computersystem 1900 weist auch eine an den Bus 1902 gekoppelte
Kommunikationsschnittstelle 1918 auf. Die Kommunikationsschnittstelle 1918 stellt
eine Zweiwege-Datenkommunikation
bereit, die an eine Netzwerkverbindung 1920 koppelt, der
mit einem lokalen Netzwerk 1922 verbunden ist. Beispielsweise
kann die Kommunikationsschnittstelle 1918 eine Dienstintegriertes-Digitalnetz
(ISDN)-Karte oder ein Modem sein, um eine Datenkommunikationsverbindung
zu einer entsprechenden Art von Telefonleitung bereitzustellen.
Als ein anderes Beispiel kann die Kommunikationsschnittstelle 1918 eine
Lokales-Netz (LAN)-Karte sein, um eine Datenkommunikationsverbindung
zu einem kompatiblen LAN bereitzustellen. Drahtlose Verbindungen
können auch
implementiert sein. In jeder solchen Implementierung sendet und
empfängt
die Kommunikationsschnittstelle 1918 elektrische, elektromagnetische
oder optische Signale, die Datenströme transportieren, die verschiedene
Arten von Informationen darstellen.
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Die
Netzwerkverbindung 1920 stellt typischerweise eine Datenkommunikation
durch ein oder mehrere Netzwerke zu anderen Einrichtungen bereit.
Beispielsweise kann die Netzwerkverbindung 1920 eine Verbindung
durch ein lokales Netz 1922 zu einem Hostcomputer 1924 oder
zu medizinischen Geräten 1926,
wie zum Beispiel einer Bestrahlungsstrahlquelle oder einem Schalter,
der wirksam mit einer Bestrahlungsstrahlquelle gekoppelt ist, bereitstellen.
Die über
die Netzwerkverbindung 1920 transportierten Datenströme können elektrische, elektromagnetische
oder optische Signale aufweisen. Die Signale durch die verschiedenen
Netzwerke und die Signale auf der Netzwerkverbindung 1920 und
durch die Kommunikationsschnittstelle 1918, die Daten zu
und von einem Computersystem 1900 transportieren, sind
exemplarisch Formen von Trägerwellen,
die die Informationen transportieren. Das Computersystem 1900 kann
durch das Netzwerk (die Netzwerke), die Netzwerkverbindung 1920 und
die Kommunikationsschnittstelle 1918 Nachrichten senden
und Daten, einschließlich
Programmcode, empfangen.
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In
der vorangehenden Beschreibung wurde die Erfindung mit Bezug auf
bestimmte Ausführungsformen
davon beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene
Modifikationen und Änderungen
daran vorgenommen werden können,
ohne sich von der Erfindung zu entfernen. Zum Beispiel können die
durch den Computer 110 ausgeführten Operationen durch irgendeine
Kombination aus Hardware und Software ausgeführt werden und sollten nicht
auf bestimmte Ausführungsformen
beschränkt
werden, die nur eine bestimmte Definition von "Computer" umfassen. Die Beschreibung und die
Zeichnungen sind dementsprechend eher in einem veranschaulichenden
als einem restriktiven Sinn zu betrachten.