DE19503647C2

DE19503647C2 - Meßvorrichtung zur in-vivo und on-line-Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie

Info

Publication number: DE19503647C2
Application number: DE19503647A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wolfgang Haesing; Harald Bueker
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1995-02-06
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: WO1996024859A1; JPH10513559A; US5938605A; DE19503647A1; ATE200584T1; EP0808464B1; DE59606771D1; EP0808464A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur in-vivo und on line-Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie.

Es ist bekannt, eine annähernd gewebeäquivalente in-vivo-Messung einer Dosis mit miniaturisierten Thermolumineszenz-Dosimetern in einigen Anwendungsfällen durchzuführen.

Nachteilig ist jedoch die Beschränkung auf bestimmte Anwendungsfälle. Ferner steht das Meßergebnis erst nach aufwendiger Auswertung des Thermolumineszenez-Dosimeters frühestens eine Stunde nach Beendigung der Bestrahlung zur Verfügung.

Aus US 5 008 546 ist eine Meßeinrichtung mit zwei Sensoren für beta-Strahlung bekannt, bei der die beiden Sensoren unterschiedliche Empfindlichkeiten für radioaktive Strahlung aufweisen, und so eine Detektion der beta-Strahlung erfolgen kann.

Des weiteren gibt es zahlreiche Vorschläge und Versuche, die Dosis faseroptisch oder mit Halbleiterdosimetern in-vivo und on-line zu messen. (US 5,014,708 von Mai 1991; H. Büker et al., Fiber-Optic Radiation Dosimetrie for Medical Application, SPIE, Vol 1201, Optical Fibers in Medicine V, S. 419-429 (1990); H. Büker et al., Physical Properties and Concepts for Applications of Attenuation-based Fiber-Optic Dosimeters for Medical Instrumentation, SPIE, Vol 1648, Fiber Optic Medical and Fluorescent Sensors and Applications, S. 63-70 (1992)).

Gemäß den Vorschlägen und Versuchen werden Sensoren eingesetzt, deren Material entweder eine vom Gewebe erheblich abweichende effektive Ordnungszahl aufweisen oder eine geringe Nachweisempfindlichkeit besitzen. Nachteilig ist jedoch, daß eine genaue Messung, insbesondere bei einer Photonenstrahlung, nicht möglich ist, da das Material des Sensors stets von dem des Gewebes abweicht und die absorbierte Dosis materialabhängig ist. Ferner ist prinzipiell keine Aussage über die Gewebetiefe möglich. Des weiteren ist nachteilig, in der Materialwahl beschränkt zu sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die angeführten Nachteile durch Schaffung einer Meßvorrichtung zur on-line und in- vivo-Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie zu überwinden.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der anspruchsgemäßen Vorrichtung wird die Strahlendosis an einem Ort durch zumindest zwei Sensoren gemessen. Die Sensoren sind so zu wählen, daß sich innerhalb des Meßbereiches das Meßsignal proportional zur Dosis ändert. Ausreichend ist dabei eine durch eine Ausgleichsrechnung erzielte Proportionalität zwischen Meßsignal und Strahlendosis.

Mindestens zwei Meßsignale S_i und S_j der eingesetzten Sensoren i und j müssen eine voneinander abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen. Eine solche unterschiedliche Abhängigkeit ist bei optischen Sensoren mit unterschiedlichen effektiven Ordnungszahlen Z_eff gegeben. Die unterschiedliche Anzeige kann jedoch auch durch eine unterschiedliche Abschirmung der Sensoren bewirkt sein.

Es wird zumindest ein Quotient Q_ij = S_i/S_j zweier gemessener Signale S_i und S_j dieser Sensoren i und j gebildet. Ein Signal S_i bzw. S_j kann mittels je einem Sensor i bzw. j oder aber beispielsweise als Mittelwert mehrerer Meßsignale von mehreren eingesetzten Sensoren, die die gleiche Abhängigkeit von der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen, ermittelt worden sein. Entscheidend ist, daß ein von der Dosis unabhängiger Wert bei der weiteren Auswertung verwendet wird. Alternativ zur einfachen Quotientenbildung kann daher auch mit Quotienten wie (S_i - S_j)/(S_i + S_j) oder deren Kehrwerten fortgesetzt werden. Im folgenden wird die einfache Quotientenbildung Q_ij herangezogen.

Ferner sind die zu den berechneten Quotienten Q_ij gehörigen effektiven Gewebetiefen d_g zu ermitteln. Dies geschieht anhand von Eichtabellen oder Eichkurven. Die benötigten Daten zur Erstellung dieser Tabellen bzw. Kurven sind durch Eichmessungen einer Dosisverteilung in Abhängigkeit von der geometrischen Tiefe d_g in einem Phantom, also z. B. in einem Wasserbad oder einem PMMA-Phantom zu ermitteln. Diese geometrische Tiefe d_g wird als effektive Gewebetiefe bezeichnet, da die geometrische Tiefe während der Messung grundsätzlich von der Tiefe während der Eichmessung abweicht.

Aus den ermittelten effektiven Gewebetiefen d_g sind die von d_g abhängigen Kalibrierfaktoren K_i(d_g) und K_j(d_g) der Sensoren S_i und S_j zu bestimmen. Die Kalibrierfaktoren können experimentell im Phantom gegen eine Ionisationskammer gemäß S_i(d_g) = K_i(d_g)^-1 . D tiefenabhängig bestimmt werden.

Die gewebeäquivalente Dosis D wird dann gemäß

berechnet, wobei N die Anzahl der Kalibrierfaktoren darstellt.

Mit der anspruchsgemäßen Vorrichtung werden folgende Vorteile erzielt. Das Material des Sensors muß nicht auf das Gewebe abgestimmt sein und kann daher frei gewählt werden. Die gewebeäquivalente Dosis kann mit der Vorrichtung sehr genau ermittelt werden. Außerdem steht mit der effektiven Gewebetiefe ein Maß für Tiefe im Gewebe, in der gemessen worden ist, zur Verfügung.

Wird ein Signal S₁ bzw. S₂ zweimal durch zwei gleiche Sensoren gemessen, so kann auch anstelle eines Einzelwertes eine entsprechende Mittelwertbildung aus diesen beiden Signalen für die weitere Berechnung herangezogen werden.

Unter einem Sensor ist jedes Bauteil zu verstehen, welches einer seiner physikalischen, chemischen oder technischen Eigenschaften bei Bestrahlung ändert und diese Änderung als Maß für die durch die Strahlung bewirkte Strahlendosis geeignet ist. Die Änderung ist geeignet, wenn mit zunehmender Strahlendosis eine kontinuierliche Änderung der physikalischen, chemischen oder technischen Eigenschaft einhergeht.

Beispiele für derartige Bauteile sind mikro- oder faseroptische Sensoren, z. B. bekannt aus DE 39 29 294 A1 oder DE 32 34 900 A1. Unter mikrooptischem Sensor ist ein Sensor mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm zu verstehen.

Beispiel für eine derartige Änderung ist die Änderung einer optischen Eigenschaft, wie induzierte Dämpfung, Szintillation oder Fluoreszenz, bekannt aus DE 39 29 294 A1. Gemäß DE 39 29 294 A1 werden Sensoren über faseroptische, strahlungsresistente Übertragungsleitungen bzw. -fasern mit einer Meß- und Auswerteelektronik verbunden. Die Meßsignale werden durch die Elektronik angezeigt. Bestehen die Sensoren aus mikromechanischen Bauelementen, so kann jeder einzelne Sensor in je einem Lumen eines mehrlumigen Katheters angeordnet sein.

Zwei Sensoren zeigen eine voneinander abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung, wenn sich die Meßsignale unterschiedlich ändern. Diese Änderung kann durch die Bauart bedingt sein, z. B. durch eine unterschiedliche effektive Ordnungszahl bei optischen Sensoren oder aber infolge von unterschiedlichen Abschirmungen der Sensoren.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß Anspruch 3 weist die Meßeinrichtung rotationssymmetrisch angeordnete Sensoren auf und besteht aus mindestens drei Sensoren, von denen mindestens zwei die gleiche Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen.

Sind zwei Sensoren baugleich, z. B. optische Sensoren mit gleicher effektiver Ordnungszahl, so zeigen die Sensoren eine gleiche Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit. Unterschiede von Meßsignalen, die im Rahmen von Meßungenauigkeiten liegen oder die produktionsbedingt sind, sind unerheblich. Die Rotationssymmetrie bezieht sich auf die Mittelachse des Aufbaus, entlang der die Sensoren z. B. in ein Gewebe eingeführt werden. Aufgrund des rotationssymmetrischen Aufbaus ist die Einrichtung unempfindlich gegenüber einer Rotation um diese Mittelachse.

Es zeigen

Fig. 1: planares Trägerelement zur Ankopplung mehrerer faseroptischer strahlungsempfindlicher Sensoren

Fig. 2: Metallkapillare als Trägerelement zur Ankopplung von faseroptischen strahlungsempfindlichen Sensoren

Fig. 3: Aufbau mit einem szintillierenden und einem die strahlungsinduzierte Dämpfung messenden faseroptischen Sensor

Fig. 4: drei strahlungsempfindliche Sensoren in einem mehrlumigen Katheter

Fig. 5a, b: Längs- und Querschnitt eines Aufbaus mit drei strahlungsempfindlichen Sensoren

Fig. 6: effektive Gewebetiefe in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Signale zweier Sensoren mit unterschiedlicher effektiver Ordnungszahl

Fig. 7: Abhängigkeit der Kalibrierfaktoren zweier Sensoren mit unterschiedlicher effektiver Ordnungszahl von der effektiven Gewebetiefe

Fig. 8: Dosismessungen in Abhängigkeit von der Gewebetiefe

Fig. 1 zeigt einen rotationssymmetrischen Aufbau mit drei strahlungsempfindlichen Sensorfasern 1, 2 und 3. Die mittlere Sensorfaser 2 besteht aus einer PbO-Faser mit 60 Gew.-% Bleioxyd. Diese ist an eine strahlungsunempfindliche Zwillingsfaser 4, bestehend aus zwei Quarzfasern (Hard-Clad-Fasern mit hoher numerischer Appertur) in einer gemeinsamen Ummantelung 5, gekoppelt.

Die Sensorfasern 1 und 3 sind Ge-P dotierte Gradienten-Index-Fasern (Germanium ungefähr 26 Gew.-%, Phosphor ungefähr 4 Gew.-%), die an den handelsüblichen, strahlungsharten Nachrichtenfasern 6 und 7 angespleißt sind. Die Sensorfasern 1, 2 und 3 sind im planaren Substrat 8 rotationssymmetrisch zur Längsachse der mittleren Faser 2 eingebettet. Das Substrat 8 besteht aus Metall, Glas oder Silizium. Insgesamt ist der planare Aufbau ungefähr 0,9 mm breit.

Die Zwillingsfaser wird als Übertragungsfaser eingesetzt, um störende Fresnel-Reflexionen beim Auslesen der strahlungsinduzierten Lichtschwächung zu vermeiden. Die rotationssymmetrische Anordnung der Sensoren bewirkt eine Unempfindlichkeit der Meßeinrichtung gegenüber einer Rotation um die Längsachse des mittleren Sensors 2 im Strahlungsfeld. Die Verwendung zweier Germanium-Phosphor-Sensoren verbessert zudem das Signal-Rauschverhältnis des Meßsignals beim Auslesen der Germanium-Phosphor- Sensoren 1 und 3.

Werden die Sensorfasern 1, 2 und 3 bestrahlt, so nimmt die Lichtdämpfung in den Sensorfasern mit zunehmender Dosis zu. Die Dämpfung ist folglich ein Maß für die Strahlendosis. Die Abhängigkeit zwischen Dämpfung und Dosis bei der PbO-Faser unterscheidet sich von der Abhängigkeit bei den Ge-P-dotierten Fasern 1 und 3 aufgrund unterschiedlicher effektiver Ordnungszahlen.

Die Enden der Sensoren sind verspiegelt, die den Enden gegenüberliegen, an die die Übertragungsfasern 4, 6 und 7 gekoppelt sind. Die Verspiegelung dient der Lichtreflexion. Von der Meß- und Auswerteelektronik ausgehend gelangt Licht über die Übertragungsfasern 4, 6 und 7 in die Sensoren. Das Licht wird an den verspiegelten Enden reflektiert und wird so zurück zur Elektronik gelenkt. Die Laufrichtung des Lichtes wird in der Fig. 1 durch die sechs, parallel verlaufenden Pfeile (vor den Übertragungsleitern) verdeutlicht. Die Elektronik registriert die Änderung der Dämpfung und zeigt diese Änderung als Maß für die Dosis an.

Fig. 2 zeigt im Prinzip den Aufbau aus Fig. 1. Einziger Unterschied ist die Einbettung in die VA-Kapillare 9 anstelle des planaren Substrats aus Fig. 1. Die Zwillingsfaser ist mittels Epoxy-Kleber 10 fixiert.

Der in Fig. 3 im Querschnitt gezeigte Aufbau besteht aus einem szintillierenden NaI-Kristall 11 als ersten Sensor und einer PbO-Faser 12 als zweiten Sensor. Der NaI-Kristall 11 dient gleichzeitig als Trägerelement für die PbO-Faser, die zudem von der VA-Kapillare 13 umhüllt wird. Zur Erhöhung der Lichtausbeute des szintillierenden Elementes sind seine Endflächen verspiegelt und seine innere und äußere Mantelfläche 14 mit einem lichtstreuenden Material geringer Absorption, z. B. Bariumsulfat oder Titandioxyd, beschichtet. Die Lichtauskopplung aus dem szintillierendem Sensor 11 erfolgt durch ein oder mehrere Fenster 15, vor denen Lichtwellenleiter fixiert sind. Die Ankopplung des PbO-Sensors erfolgt wiederum mittels einer Zwillingsfaser.

In Fig. 4 wird ein Aufbau analog Fig. 1 und 2 dargestellt. Diesmal wird jedoch ein dreilumiger, im Querschnitt dargestellter Katheterschlauch 16 zur Positionierung der Sensoren 1, 2 und 3 eingesetzt. Die PbO-Faser 2 ist von einer Stahlkapillare 17 umhüllt. Die Stahlkapillare 17 dient der Ankopplung einer Zwillingsfaser.

In Fig. 5a, b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit drei Sensorfasern 1, 2 und 3 analog Fig. 1, 2 oder 3 im Längs- (Fig. 5a) und Querschnitt (Fig. 5b) dargestellt. Die Ge-P-dotierten Gradientenindexfasern 1 und 3 sind an den Stellen 18 und 19 an strahlungsharte Übertragungsfasern 6 und 7 angespleißt und werden durch die biokompatible Vergußmasse 20 geschützt. Die PbO-Faser 2 ist zunächst von einer Ummantelung 21 und dann von einer Metallkapillare 22 umgeben. Der Al-Spiegel 23 dient wie erläutert der Lichtreflexion.

Sämtliche dargestellte Sensoren können Bestandteil der anspruchsgemäßen Meßvorrichtung sein. Die in Fig. 6, 7 und 8 dargestellten Meßergebnisse wurden mit einem Aufbau gemäß Fig. 5 a, b erzielt. Die gewebeäquivalente Dosis wurde dabei gemäß der Beschreibung des Verfahrens ermittelt, das mit der Meßvorrichtung ausge führt wird.

Fig. 6 zeigt die effektive Gewebetiefe d_g in Abhängigkeit von dem Quotienten Q₁₂ der beiden Dosisanzeigen S₁ und S₂, wenn der Doppelsensor im Dosismaximum der Tiefendosisverteilung kalibriert wurde. Das eine Signal S₁ stellt den Mittelwert der beiden von den Ge-P-Sensoren 1 und 3 stammenden Signale dar. Der Kalibrierungspunkt befindet sich im Schnittpunkt 24 der punktierten Linien.

In Fig. 7 ist die Abhängigkeit der Kalibrierfaktoren K_i(d_g) der Sensorelemente 1 und 2 mit unterschiedlicher effektiver Ordnungszahl von der effektiven Gewebetiefe d_g dargestellt (i = 1, 2). Kurve 25 ist mit dem Sensor 1 und Kurve 26 mit dem Sensor 2 aufgenommen worden.

Fig. 8 zeigt Tiefendosismessungen mit dem Ge-P-Sensor 1 (kreisförmige Punkte 27) sowie dem PbO-Sensor 2 (Kreise 28) bei Bestrahlungen mit einer Co60-Strahlenquelle. Aufgetragen ist die Dosis D (Skt = Skalenteile) gegen die geometrische Gewebetiefe G (mm = Millimeter). Die senkrecht punktierte Linie kennzeichnet die Tiefe, in der kalibriert wurde. Ge-P-Sensoren und PbO-Sensoren zeigen eine voneinander abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung, wie die voneinander abweichenden Meßpunkte 27 verglichen mit den Meßpunkten 28 verdeutlichen. Die Quadrate 29 stellen das mit der Vorrichtung ermittelte Ergebnis dar. Ein Vergleich der ermittelten Werte 29 mit der mittels durchgezogener Linie 30 dargestellten Dosisanzeige einer Ionisationskammer zeigt, daß die Vorrichtung ein nahezu gewebeäquivalentes Ergebnis liefert und insbesondere genauer als das durch den PbO-Sensor gemessene Resultat ist.

Claims

1. Meßvorrichtung zur in-vivo und on-line-Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie,

1. mit zumindest zwei Sensoren (1, 2), welche eine voneinander abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit (27, 28) für ionisierende Strahlung zeigen, für die Messung einer Strahlung
2. mit einer Meß- und Auswerteelektronik, die so beschaffen ist, daß zumindest ein Quotient aus den durch die zwei Sensoren (1, 2) ermittelten Meßsignalen S₁ und S₂ gebildet wird und unter Verwendung des bzw. der Quotienten die gewebeäquivalente Dosis ermittelt wird.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1

1. mit einem Speicherelement, in dem die Abhängigkeit des Quotienten von effektiven Gewebetiefen anhand von Eichtabellen oder Eichkurven
2. und in dem die Abhängigkeit von Kalibrier faktoren von der effektiven Gewebetiefe gespeichert sind
3. und die Auswerteelektronik so beschaffen ist, daß mit Hilfe der gespeicherten Daten die gewebeäquivalente Dosis ermittelt wird.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit drei parallel in einer Ebene angeordneten, fa seroptischen Sensoren, wobei die äußeren Sensoren die gleiche Energieab hängigkeit und der mittlere Sensor eine hiervon abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisemp findlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen und die äußeren Sensoren in identischer Entfernung zum mittleren Sensor angeordnet sind.