WO2011128189A1 - Vorrichtung zur auf röntgenstrahlen basierenden hervorhebung von weichteilen in der medizinischen strahlentherapie - Google Patents

Vorrichtung zur auf röntgenstrahlen basierenden hervorhebung von weichteilen in der medizinischen strahlentherapie Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for X-ray based highlighting of soft tissues in medical imaging.
  • This apparatus and an associated method can be used in particular in a beam Thera ⁇ pie réelle or be in radiotherapy ver ⁇ turns.
  • Radiation therapy is generally intended to irradiate a target area within the human body to fight disease, especially cancer.
  • a high radiation dose is deliberately generated in an irradiation center (isocenter) of an irradiation device or radiotherapy device.
  • a radiation therapy machine will contact me ⁇ dizinisch ionizing radiation on humans to cure diseases or to delay its progression, especially in tumors.
  • high-energy beams mainly gamma radiation, X-rays and electrons are used. It is also possible to use systems for treatment with neutrons, protons and heavy ions.
  • a certain desired Dosisvertei ⁇ lung is to be realized in a target volume with a radiation therapy device.
  • the problem frequently arises that the goal of Be ⁇ radiation in the body is movable.
  • a tumor in the abdominal area shifts during the breathing process.
  • a tumor may also have grown or already shrunk in the period between irradiation planning and actual irradiation. Therefore, it is possible to determine the location of the irradiation target in the body during the irradiation by imaging to control the beam accordingly or if necessary to cancel the irradiation and thus to increase the success of the therapy.
  • One goal in radiotherapy is one with the help of
  • Real-time guided treatment without having to reposition the patient during treatment.
  • radiation therapy systems with integrated X-ray imaging or separate computed tomography or magnetic resonance imaging that support treatment planning.
  • Radiation therapy systems with integrated X-ray imaging do not provide high resolution soft tissue contrast images for precise treatment or irradiation, nor do they provide a necessary opportunity to adapt to treatment in real time based on the images produced. That is, an adjustment for respiration or patient movement during treatment is currently not possible.
  • This insert is concernedge ⁇ starting disadvantageous in that the contrast produced is not suitable to visualize soft tissue, and is limited in precision in the radiation treatment. Furthermore, real-time adaptation of the treatment plan can not be achieved.
  • One aspect of the invention is a control required for the therapy ⁇
  • the radiation dose which emerges on an X-ray-based soft tissue highlighting phase contrast imaging which can be preferably used in a radiation therapy device.
  • the result of soft tissue imaging can be used for real-time and non-real-time therapy planning, as well as adjustment of the treatment plan or radiation dose.
  • the radiation dose control here comprises: a) anatomical imaging for tumor localization before, during and after the irradiation
  • a development of the invention provides a high-quality soft tissue imaging highlighting such to implemen ⁇ animals that a monochromatic X-ray source is used.
  • a monochromatic X-ray source typically produces protons with a narrow wavelength window to allow phase contrast imaging for the imaging of soft tissues.
  • an improved soft-tissue contrast can be generated by applying a K-absorption band.
  • a further embodiment of the invention provides to implement a high-resolution soft-tissue imaging by an energy-suppressing X-ray detector.
  • an energy-suppressing X-ray detector Preferably, stray radiation due to a narrow photon energy range is suppressed. Further, an increased contrast are generated by a dependent by wavelength ex absorption (especially color) or spektoskopische Informati ⁇ on.
  • a further embodiment of the invention provides that the high quality soft tissue imaging is implemented by highlighting a coherent X-ray source, which generates photons with a kon ⁇ stant relative phase.
  • An X-ray interpherometer can be used for phase-sensitive imaging.
  • Another embodiment of the invention contemplates implementing high quality soft tissue imaging as follows. Incoherent x-ray sources producing photons with a random phase distribution are preferably used together with an interpherometer. In order to implement a phase-contrast imaging, in this case a so-called "grating" is applied, whereby a regular spatial accumulation of corresponding ⁇ len, identical, parallel and elongated elements will be produced.
  • a further aspect of the invention provides a method for position control of X-ray based imaging means (S, D) for highlighting soft tissue of a target area provided within a radiotherapy apparatus for phase contrast imaging, wherein with respect to the Target area regardless of the device means (T) to be positioned for radiotherapy.
  • a further embodiment of the invention provides that control signals output by a control device cause avoidance of a collision between the imaging means (S, D) and the device means (T) for radiotherapy.
  • the invention has the following advantages: There is provided a radiation therapy system having integrated high quality soft-tissue highlighting imaging, similar to magnetic resonance imaging, to enable high-precision radiation treatment.
  • the high-precision radiation therapy of the invention has economically similar expenses on as already Exists ⁇ Ionizing Radiation therapy approaches.
  • the figure shows an example of a radiation therapy device in which a positioning of the X-ray source S and the X-ray detector D makes possible a radiation coverage of the entire patient's body P from every possible angle. This is indicated by the illustrated arrows and circles.
  • the accelerator shown (accelerator) or Betrah- radiation source for the T Thearapie makes it possible to cover the whole Pati ⁇ ducks body with rays from every possible angle. This is indicated by the illustrated arrows and circles.
  • the positioning or arrangement of the x - ray sources and detector combination wherein x - ray sources and - detector in Reference statically to one another - for example, both may be attached to the "ends" of a C-arm, and the accelerator
  • An unillustrated hardware ⁇ or software control that is integrated into the radiation therapy device or deducted from the radiation therapy machine are independently Steue ⁇ approximately signals. leads to this, prevents a collision of the components S, D and T in their positioning.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur auf Röntgenstrahlen basierten Hervorhebung von Weichteilen in der medizinischen Bildgebung. Diese Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren kann insbesondere in einem Strahlentherapiegerät eingesetzt werden bzw. in der Strahlentherapie verwendet werden. Ein Aspekt der Erfindung ist eine Kontrolle der für die Therapie notwendigen Strahlendosis, die auf einer röntgenstrahlbasierten Weichteile hervorhebenden Phasenkontrastbildgebung hervorgeht, das vorzugsweise in einer Strahlungstherapievorrichtung verwendet werden kann. Das Ergebnis der Weichteile hervorhebenden Bildgebung kann zur Echtzeit- und Nichtechtzeit-Therapieplanung sowie der Anpassung des Behandlungsplans bzw. der Strahlungsdosis verwendet werden. Die Strahlungsdosiskontrolle umfasst hierbei: c) anatomische Bildgebung zur Tumorlokalisierung vor, während und nach der Bestrahlung d) optional: Echtzeitanpassung des Behandlungsplans, basierend auf einer Weichteile hervorhebenden Bildgebung. Die Positionierung bzw. Anordnung der Röntgenquellen S und - detektor D -Kombination bei einem solchen Strahlungstherapiegerät und eines Akzelerators T sind unabhängig voneinander. Der Akzelerator (Beschleuniger) erlaubt es, den ganzen Patientenkörper P mit Strahlen zu überdecken.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur auf Röntgenstrahlen basierenden Hervorhebung von Weichteilen in der medizinischen Strahlentherapie
Die Erfindung betrifft vor allem eine Vorrichtung zur auf Röntgenstrahlen basierten Hervorhebung von Weichteilen in der medizinischen Bildgebung. Diese Vorrichtung sowie ein dazugehöriges Verfahren kann insbesondere in einem Strahlenthera¬ piegerät eingesetzt werden bzw. in der Strahlentherapie ver¬ wendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Im Rahmen der Strahlentherapie soll im Allgemeinen ein Zielbereich innerhalb des menschlichen Körpers bestrahlt werden, um Krankheiten, insbesondere Krebs, zu bekämpfen. Dabei wird gezielt in einem Bestrahlungszentrum (Isozentrum) einer Bestrahlungseinrichtung bzw. Strahlentherapiegerät eine hohe Strahlungsdosis erzeugt. Ein Strahlentherapiegerät wendet me¬ dizinisch ionisierende Strahlung auf den Menschen an, um Krankheiten zu heilen oder deren Fortschreiten, insbesondere bei Tumoren, zu verzögern. Als ionisierende, hochenergetische Strahlen werden dabei vorwiegend Gammastrahlung, Röntgenstrahlung und Elektronen verwendet. Es ist auch möglich, Anlagen zur Behandlung mit Neutronen, Protonen und schweren Ionen einzusetzen.
Zur Behandlung beispielsweise eines Tumors soll mit einem Strahlentherapiegerät eine bestimmte gewünschte Dosisvertei¬ lung in einem Zielvolumen realisiert werden. Bei der Bestrahlung ergibt sich häufig das Problem, dass das Ziel der Be¬ strahlung im Körper beweglich ist. So verschiebt sich beispielsweise ein Tumor im Bauchbereich während des Atemvorgangs. Andererseits kann ein Tumor im Zeitraum zwischen Bestrahlungsplanung und tatsächlicher Bestrahlung auch gewachsen oder bereits geschrumpft sein. Daher ist es möglich, die Lage des Bestrahlungsziels im Körper während der Bestrahlung durch Bildgebung zu kontrollieren, um den Strahl entsprechend zu steuern oder ggf. die Bestrahlung abbrechen zu können und somit den Erfolg der Therapie zu erhöhen. Ein Ziel in der Strahlentherapie ist, eine mit Hilfe von
EchtZeitbilder geführte Behandlung, ohne den Patienten während der Behandlung erneut positionieren zu müssen. Es gibt entweder Strahlungstherapiesysteme mit integrierter Röntgen- bildgebung oder separater Computertomographie oder Magnetre- sonanzbildgebung, die die Behandlungsplanung unterstützen.
Strahlungstherapiesysteme mit integrierter Röntgenbildgebung liefern jedoch keine hochaufgelösten Weichteilkontrastbilder zur präzisen Behandlung bzw. Bestrahlung noch erfüllen sie eine notwendige Möglichkeit, in die Behandlung in Echtzeit basierend auf den erzeugten Bildern anzupassen. Dass heißt, eine Anpassung für Atmung oder Patientenbewegung während der Behandlung ist derzeit nicht möglich. Es gibt Strahlungsthe¬ rapiesysteme mit integrierter konventioneller Röntgenbildge¬ bung mit konventioneller charakteristischer Kontrastbildge- bung, die auf der Absorption von Photonen basieren, wobei der Photoelektronische Prozess zur Bildgebung des interessieren¬ den Zielbereiches verwendet wird. Dieser Einsatz ist dahinge¬ hend nachteilig, als der erzeugte Kontrast nicht geeignet ist, um Weichteile zu visualisieren, und ist begrenzt in der Präzision bei der Strahlungsbehandlung. Des Weiteren kann keine Echtzeitanpassung des Behandlungsplans erreicht werden. Als Bildgebungsmedium zur Überwachung der Behandlung bzw. Therapie ist auch eine Ultraschalleinrichtung möglich. Diese stellen jedoch nur eine eingeschränkte Lösung des Problems da. Der Ultraschallbildgebung fehlt für viele Anwendungen die Eindringtiefe. Des Weiteren sind verschiedene Strahlungsthe¬ rapiesysteme mit integrierter Magnetresonanzbildgebungslösun- gen z.B. aus DE 10 2008 007 245 AI bekannt. Die hohe Qualität der Weichteilhervorhebung der Magnetresonanzbildgebung ist nützlich, um Weichteile zu identifizieren, die mit der Strahlentherapie behandelt werden sollen. Diese Ansätze sind sehr aufwändig und komplex. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Methode bzw. eine Vorrich¬ tung in der Strahlentherapie zur Verfügung zu stellen, die eine durch EchtZeitbilder gesteuerte Behandlung ermöglicht, wobei die Bildgebung Weichteile in ausreichender Genauigkeit hervorheben soll. Zu dem soll eine Anpassung des Behandlungs¬ plans bzw. der Strahlendosis in Echtzeit ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung sowie dem Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung bzw. des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Ein Aspekt der Erfindung ist eine Kontrolle der für die The¬ rapie notwendigen Strahlendosis, die auf einer röntgenstrahl- basierten Weichteile hervorhebenden Phasenkontrastbildgebung hervorgeht, das vorzugsweise in einer Strahlungstherapievorrichtung verwendet werden kann. Das Ergebnis der Weichteile hervorhebenden Bildgebung kann zur Echtzeit- und Nichtecht- zeit-Therapieplanung sowie der Anpassung des Behandlungsplans bzw. der Strahlungsdosis verwendet werden.
Die Strahlungsdosiskontrolle umfasst hierbei: a) anatomische Bildgebung zur Tumorlokalisierung vor, während und nach der Bestrahlung
b) optional: Echtzeitanpassung des Behandlungsplans, ba¬ sierend auf einer Weichteile hervorhebenden Bildgebung.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, eine hochqualitative Weichteile hervorhebende Bildgebung derart zu implemen¬ tieren, dass eine monochromatische Röntgenquelle verwendet wird. Ein monochromatische Röntgenquelle produziert in der Regel Protonen mit einem engen Wellenlängen-Fenster, um eine Phasenkontrastbildgebung für die Darstellbarkeit von Weichteilen zu ermöglichen. Vorzugsweise kann ein verbesserter Weichteilkontrast dadurch erzeugt werden, dass ein K-Absorptionsband angewandt wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, eine hochauflösende Weichteil hervorhebende Bildgebung durch einen Energie unterdrückenden Röntgendetektor zu implementieren. Vorzugsweise wird eine Streustrahlung aufgrund eines engen Photonenenergiebereiches unterdrückt. Des Weiteren kann ein erhöhter Kontrast durch eine durch Wellenlänge abhängige Ab- sorption (insbesondere Farbe) bzw. spektoskopische Informati¬ on erzeugt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die hoch qualitative Weichteil hervorhebende Bildgebung durch eine kohärente Röntgenquelle, welche Photonen mit einer kon¬ stant relativen Phase erzeugt, implementiert wird. Es kann zur phasensensitiven Bildgebung ein Röntgenstrahlinterphero- meter verwendet werden. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die hochqualitative Weichteil hervorhebende Bildgebung wie folgt zu implementieren. Es werden inkohärente Röntgenstrahlquel- len, welche Photonen mit einer zufälligen Phasenverteilung erzeugen, vorzugsweise zusammen mit einem Interpherometer verwendet. Um eine Phasenkontrastbildgebung implementieren zu koennen, wird hierbei ein sogenanntes „Gräting" angewandt, wodurch eine regelmäßige räumliche Ansammlung von essentiel¬ len, identischen, parallelen und verlängerten Elementen hervorgebracht wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zur Positionssteuerung von auf Röntgenstrahlen basierenden Bildge- bungsmitteln (S, D) zur Hervorhebung von Weichteilen eines Ziel-Bereichs vor, die innerhalb einer Strahlentherapievor- richtung zu einer Phasenkontrastbildgebung vorgesehen sind, wobei sie in Bezug auf den Ziel-Bereich unabhängig von den Vorrichtungsmitteln (T) zur Strahlentherapie positioniert werden . Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass durch eine Steuerungseinrichtung abgegebene Steuerungssignale eine Vermeidung einer Kollision zwischen den Bildgebungsmit- teln (S, D) und den Vorrichtungsmitteln (T) zur Strahlentherapie bewirken.
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf: Es wird ein Strahlungstherapiesystem zur Verfügung gestellt, das eine integrierte hochqualitative Weicheteil hervorhebende Bildgebung, ähnlich einer Magnetresonanzbildgebung, aufweist, um eine hochpräzise Strahlungsbehandlung zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße hochpräzise Strahlungstherapie weist wirtschaftlich ähnliche Aufwendungen auf wie bereits existie¬ rende Strahlungstherapieansätze.
Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele:
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Figur. Die Figur zeigt ein Beispiel für ein Strahlungstherapiegerät, bei dem eine Positionierung der Röntgenquelle S und des Rönt- gendetektors D eine Strahlenabdeckung des ganzen Patientkörpers P aus jedem möglichen Winkel möglich macht. Dies wird durch die dargestellten Pfeile und Kreise angedeutet.
Der dargestellte Akzelerator (Beschleuniger) bzw. Betrah- lungsquelle T für die Thearapie erlaubt es, den ganzen Pati¬ entenkörper mit Strahlen aus jedem möglichen Winkel zu überdecken. Dies wird durch die dargestellten Pfeile und Kreise angedeutet.
Die Positionierung bzw. Anordnung der Röntgenquellen und - detektor-Kombination, wobei Röntgenquellen und - detektor in Bezug zueinander statisch - z.B. beide an den „Enden" eines C-Bogens angebracht sein können, und des Akzelerators sind unabhängig voneinander. Eine nicht dargestellte Hardware¬ bzw. Softwaresteuerung, die in das Strahlentherapiegerät in- tegriert ist oder abgesetzt vom Strahlentherapiegerät Steue¬ rungssignale an dieses leitet, verhindert eine Kollision von den Komponenten S, D und T bei deren Positionierung.

Claims

Patentansprüche
Strahlentherapievorrichtung aufweisend auf Röntgenstrahlen basierende Bildgebungsmittel (S, D) zur Her¬ vorhebung von Weichteilen eines Ziel-Bereichs, die so ausgestaltet sind, dass die Bildgebungsmittel zu einer Phasenkontrastbildgebung ausbildet sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsmittel in Bezug auf den Ziel-Bereich unabhängig von den Vorrichtungsmitteln (T) zur Strahlentherapie positionierbar sind.
3. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsmittel zumindest eine Röntgenquelle (S) und zumindest einen Detektor (D) aufweisen, die in Bezug zueinander statisch angeordnet sind, jedoch gemeinsam frei beweglich und/oder positionierbar in Bezug auf die Vorrichtungsmittel (T) zur Strahlentherapie sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steu¬ erungseinrichtung oder eine Empfangseinrichtung von Steuerungssignalen zur Vermeidung einer Kollision zwischen den Bildgebungsmitteln (S, D) und den Vorrichtungsmitteln (T) zur Strahlentherapie aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsmittel zu¬ mindest eine monochromatische Röntgenquelle aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsmit¬ tel zumindest eine kohärente Röntgenquelle aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsmit- tel zumindest eine inkohärente Röntgenquelle aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungsmittel zu¬ mindest eine Energie unterdrückenden Detektor aufwei¬ sen .
9. Verfahren zur Positionssteuerung von auf Röntgenstrahlen basierenden Bildgebungsmitteln (S, D) zur Hervorhebung von Weichteilen eines Ziel-Bereichs, die innerhalb einer Strahlentherapievorrichtung zu einer Phasenkon- trastbildgebung vorgesehen sind, wobei sie in Bezug auf den Ziel-Bereich unabhängig von den Vorrichtungsmitteln (T) zur Strahlentherapie positioniert werden.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuerungseinrichtung abgegebene Steuerungssignale eine Vermeidung einer Kol¬ lision zwischen den Bildgebungsmitteln (S, D) und den Vorrichtungsmitteln (T) zur Strahlentherapie bewirken.
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