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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Strahlentherapie.
Genauer betrifft sie eine Vorrichtung der Art, die unter dem Namen „Phantom" bekannt ist, und
die zur Vorbereitung der Apparatur während virtueller Simulationsvorgänge eingesetzt wird,
welche die Durchführung
einer Strahlentherapie mit Hilfe eines Scanners oder einer analogen
Vorrichtung vorbereiten.
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Die
Behandlung von Tumoren durch Strahlentherapie ist heutzutage möglich durch
den Einsatz von Geräten,
welche eine Vorrichtung zur medizinischen Bildherstellung, wie einen
Scanner, aufweisen, welcher an eine für die Behandlung des Patienten eingesetzte
Vorrichtung zur Aussendung der Strahlung gekoppelt ist. Die Vorbereitung
dieser Geräte vor
der effektiven Durchführung
der Bestrahlung des Patienten umfasst einen Schritt der so genannten „virtuellen
Simulation".
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Dieser
Ausdruck bezieht sich auf eine Gruppe von Software, die dem Benutzer
ermöglicht
zu definieren oder zu berechnen, was man als „Isozentrum der Behandlung" bezeichnet, d.h.
den punktuellen Bereich, wo die Strahlung vor der Zerstörung des
Tumors zusammenlaufen soll, und dann die durchzuführende Behandlung
mit Hilfe von Röntgenaufnahmen
zu simulieren. Zwei Softwarekomponenten werden während der virtuellen Simulationsphase
eingesetzt:
- – Software, welche einerseits
die Konturen des zu behandelnden Tumors und andererseits Organe definiert,
die während
der Aussendung der Strahlung keinesfalls erreicht werden dürfen;
- – und
Software, welche ermöglicht
die Strahlen dank der Ansicht von rekonstruierten Röntgenaufnahmen
anzuordnen und die Abdeckungen und Lamellen des Kollimators zu positionieren.
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Die
Vorrichtung, welche die virtuelle Simulation sicherstellt, schlägt alle
Bewegungen einer Teilchenbeschleunigungsvorrichtung mit Hilfe von
in Parameterdarstellung vorgesehener Software vor. Aber klassischer
Weise kann die Richtigkeit der von dieser Software gelieferten Daten
nur während
einer in Anwesenheit des Patienten durchgeführten Simulation kontrolliert
werden, was für
diesen letzteren anstrengend ist. Es ist somit wünschenswert, ein Werkzeug an
der Hand zu haben, welches ermöglicht eine
Kontrolle der Richtigkeit der Funktionsweise der virtuellen Simulationssoftware
ohne Anwesenheit des Patienten durchzuführen.
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Es
ist bekannt, für
die Eichung von Scannern Vorrichtungen zu benutzen, die als „Phantome" bezeichnet werden.
Sie bestehen aus einem Volumen mit bekannten Dimensionen eines Materials
(Wasser, Polystyrol verschiedener Dichten, Plexiglas), das sich
im Wesentlichen in gleicher Weise verhält wie das menschliche Gewebe,
das von der Untersuchung betroffen ist, und zwar im Hinblick auf
die Absorption und die Diffusion der eingesetzten Strahlung. Diese
bekannten Phantome sind nicht für
die Durchführung
einer virtuellen Simulation, wie sie soeben definiert wurde, eingerichtet.
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In
der Schrift „A
quality assurance phantom for digitally reconstructed radiograph
(DRRs) Med Phys 1994. 21, 902" ist
vorgeschlagen worden ein Phantom zu benutzen, das aus einem Polystyrolrahmen
mit 15 cm Seitenlänge
und mit vier Testflächen besteht.
Es ermöglicht
eine Bewertung der räumlichen
Auflösung
des Gerätes
vorzunehmen. Auf der Hauptseite sind geometrische Formen eingraviert, welche
ermöglichen
die Modulationsübertragungsfunktion,
die Kontrastschärfe,
die räumliche
Linearität der
rekonstruierten Röntgenaufnahmen
und die Qualität
des Rekonstruktionsalgorithmus der rekonstruierten Röntgenaufnahmen
für einen
divergierenden Strahl zu messen. Aber dieses Phantom erlaubt nicht alle
diejenigen Vorgänge
durchzuführen,
die notwendig sind für
die Überprüfung der
Qualität
der virtuellen Simulation. Es ist somit immer erforderlich zur Kontrolle
der Qualität
einer virtuellen Simulation in ihrer Gesamtheit, mehrere aufeinander
folgende Analysen von verschiedenen Testobjekten durchzuführen, was eine
erhebliche Verfügbarkeit
des Scanners und der virtuellen Simulationskonsole erfordert.
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, ein Phantom vorzuschlagen, welches
erlaubt die Gesamtheit der virtuellen Simulationsfunktionen eines Strahlentherapiesystems
zu testen, das eine Bildherstellungsvorrichtung wie einen Scanner,
einsetzt, und zwar im Verlauf einer minimalen Anzahl von Vorgängen.
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Hierzu
hat die Erfindung ein Phantom für
die Qualitätskontrolle
eines Systems zur virtuellen Simulation einer Strahlenbehandlung
mit einer Vorrichtung zur medizinischen Bildherstellung zum Gegenstand, dadurch
gekennzeichnet, dass es aufweist:
- – einen
Stützkasten,
- – einen
in dem Stützkasten
angeordneten Kern, der aus einer Vielzahl von Elementen mit verschiedenen
Formen, Abmessungen und Dichten, wobei die Dichten die Dichten unterschiedlicher Organe
und Milieus des menschlichen Körpers
simulieren, wobei zwei dieser Elemente aus zwei ineinander geschachtelten
Pyramidenstümpfen verschiedener
Dichten bestehen, wobei mindestens einer von diesen keine totale
Symmetrie bezüglich
seiner Längsachse
aufweist,
- – Kugeln,
die aus einem Röntgenstrahlen
undurchlässigen
Material bestehen und in dem besagten Kern vorgesehen sind,
- – Zumindest
zwei abnehmbare, einander gegenüberliegende
Seitenflächen,
die geometrische Figuren bestimmende Drähte umschließen,
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Vorzugsweise
weist das Phantom eine allgemeine Würfelform auf.
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Vorzugsweise
ist eine der Kugeln im Zentrum des Kerns angeordnet.
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Vorzugsweise
weist das Phantom sechs abnehmbare Seitenflächen auf, die geometrische
Figuren definierende Drähte
umschließen.
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Wie
zu verstehen ist, besteht das erfindungsgemäße Phantom in erster Linie
aus einem Stützkasten
mit vorzugsweise einer Würfelform.
An diesem Stützkasten
sind zumindest zwei Platten angebracht, auf welchen eine geometrische
Figur mit Hilfe von Drähten
ausgebildet ist, welche dort eingebettet sind, wobei die Platten
an dem Stützkasten
einander gegenüberliegend
angeordnet sind. Diese beiden Platten dienen dazu zu überprüfen, ob
die Divergenz des rekonstruierten Bildes korrekt ist. Vorteilhafter
Weise weisen alle Flächen
des Stützkastens
solche Platten auf, so dass es möglich
ist, ein Maximum an Divergenztests im Verlauf einer einzigen Operation
durchzuführen.
Der Kasten ist im Inneren mit Volumina ausgestattet, welche auffällige geometrische
Forrnen sowie verschiedene Dichten aufweisen, und welche ermöglichen
die Dichten verschiedener Organe (wie die Brust, die Muskeln, die
Knochen, die mit Luft gefüllten
Lungen) zu simulieren. Das eine dieser Volumina besteht insbesondere
aus ineinander geschachtelten Pyramidenstümpfen. Im Inneren dieser Volumina
ist eine bestimmte Anzahl von Metallkugeln, vorzugsweise aus Stahl,
an definierten Positionen angeordnet. Vorzugsweise ist eine dieser
Kugeln im Zentrum des Phantoms angeordnet. Diese Kugeln bilden Markierungspunkte
für die
Behandlungsisozentren. Der Vergleich zwischen dem Bild der Volumina,
welche den Kasten bestücken,
und der Realität ermöglicht,
die genaue Eichung der virtuellen Simulationssoftware zu überprüfen.
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Die
Erfindung wird besser verstanden werden bei der Lektüre der nachfolgenden
Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren gegeben
ist:
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1,
die in der Perspektive ein Beispiel für einen Stützkasten für ein erfindungsgemäßes Phantom
und die Seitenflächen,
die mit ihm verbunden sind, darstellt;
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2,
die in der Perspektive ein Beispiel für einen Kern darstellt, der
dafür bestimmt
ist, in den Stützkasten
eingesetzt zu werden;
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3, die im Schnitt entlang III-III (3a) und
im Schnitt entlang IV-IV (3b) einen
Bereich des besagten Kerns darstellt;
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4,
die in der Perspektive einen anderen Bereich des besagten Kerns
darstellt.
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Der
in 1 dargestellte Stützkasten 1 wird durch
Zusammenbau von zwei Elementen gebildet, welche in dem dargestellten
Beispiel einen Würfel
mit 19 cm Seitenlänge
bilden. Das erste Element 2 ist eine an ihrer Oberseite
offene Dose, deren Grundfläche
ein Quadrat mit 19 cm langen Seiten ist, und deren Seitenflächen eine
Höhe von
18 cm aufweisen. Das zweite Element 3 ist eine quadratische
Platte mit 19 cm langen Seiten und einer Dicke von 1 cm, welche
an dem oberen Bereich des Kastens 1 derart angeordnet ist,
dass sie einen Deckel für
das erste Element 2 bildet. Diese beiden Elemente 2, 3 bestehen aus
einem Material wie Stoßpolystyrol
(mit einer Dichte von 1,05), aber sie können auch beispielsweise aus
Polymethylmethacrylat (PMMA) bestehen. Diese beiden Elemente 2, 3 werden
miteinander mit Hilfe von Schrauben aus einem Material wie Nylon mit
einer Länge
von 2 cm einstückig
ausgebildet.
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Der
Stützkasten 1 ist
dafür bestimmt,
einen Kern 4 zu umschließen, von dem ein Beispiel in 2 dargestellt
ist.
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Dieser
Kern 4 ist von einer kubischen Anordnung mit 17 cm Seitenlänge gebildet,
welche aus Elementen besteht, von denen einige bemerkenswerte geometrische
Eigenschaften besitzen, und die verschiedene Dichten aufweisen,
welche repräsentativ sind
für die
Dichten der verschiedenen Organe und Milieus des menschlichen Körpers, welche
die Strahlen der Vorrichtung für
die Strahlentherapie durchdringen können. Unter diesen Elementen
befinden sich vier Würfel 5, 6, 7, 8 mit
3,5 cm Seitenlänge,
die jeweils eine Spitze des Kerns 4 besetzen. Zwei dieser
Würfel 5, 6 sind
an zwei einander diagonal gegenüberliegenden
Spitzen angeordnet. Diese Würfel 5, 6, 7, 8 weisen
alle unterschiedliche Dichten auf. Beispielsweise weist der Würfel 5 eine
Dichte von 0,991 auf, welche diejenige der Brust simuliert, der Würfel 6 weist
eine Dichte von 1,609 auf, welche diejenige des Knochens simuliert,
der Würfel 7 weist eine
Dichte von 1,062 auf, welche diejenige des Muskels simuliert und
der Würfel 8 weist
eine Dichte von 0,465 auf, welche diejenige der ausgeatmeten Lunge simuliert.
An den Spitzen der Würfel 5, 6,
die an den Punkten mit den Koordinaten (5; 5; 5) und (–5; –5; –5) in dem
Koordinatensystem angeordnet sind, welches als Ursprung das Zentrum
des Kerns 4 aufweist, sind Kugeln aus einem Röntgenstrahlen
undurchlässigen Material,
wie Stahl, 9, 10 angeordnet, die dafür bestimmt
sind Behandlungsisozentren zu simulieren. Stahl wird bevorzugt gegenüber anderen
Materialien gewählt,
da es auf den rekonstruierten Bildern gut zu sehen ist und nicht
zu viele künstliche
Veränderungen
auf diesem Bild bewirkt.
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Andere
dieser Elemente sind von einem Element 11 in Form eines
Pyramidenstumpfes mit der Länge „L" = 13,5 cm gebildet,
dessen große
Grundfläche
ein Quadrat mit 5,5 cm Seitenlänge
ist, und von einem Element 12, welches das Element 11 umgibt
und eine nicht völlig
symmetrische äußere Form bezüglich seiner
Längsachse
aufweist. Es umgibt das Element 11 über eine Dicke „e" = 1 cm entlang drei
Seiten seiner großen
Grundfläche
und über
eine Dicke „e" = 0,5 cm entlang
der vierten Seite. Diese beiden Elemente 11, 12 weisen
verschiedene Dichten auf. Die aus diesen beiden Elementen 11, 12 gebildete
Anordnung ist dafür
bestimmt, den zentralen Bereich des Kerns 4 zu bilden.
Sie weist eine Länge „L" von 13,5 cm auf,
d.h. kleiner als die Länge
einer Kante des Kerns 4, den sie somit nicht von einer
Seite zur anderen durchquert. Vorzugsweise befindet sich im Inneren
des Elementes 11 mit einem Abstand „d" von der großen Grundfläche gleich 8,5 cm eine Stahlkugel 13,
welche ein Isozentrum für
die Behandlung simuliert. Der Abstand „d" ist so gewählt, dass sich die Kugel 13 genau
im Zentrum des von dem zusammengesetzten Kern 4 gebildeten
Würfels
befindet.
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In
dem Bereich des Kerns 4, der zurückspringend von den Elementen
in Form von Pyramidenstümpfen 11, 12 angeordnet
ist, sind ebenfalls drei quaderförmige
Elemente 14, 15, 16 mit einer Länge „l" = 6 cm und einer
Breite und Dicke gleich 2 cm eingefügt. Diese Elemente sind übereinander
liegend und in Längsrichtung
zueinander versetzt angeordnet. Auch hier weisen die Elemente jeweils
unterschiedliche Dichten auf, welche unterschiedliche Konstituenten
des menschlichen Körpers
simulieren.
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Der übrige Rest
des würfelförmigen Kerns 4, in
welchem die verschiedenen Elemente 5, 6, 7, 8, 11, 12, 14, 15, 16 angeordnet
sind, ist von einem Körper
aus Polystyrol gebildet.
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Schließlich ist
der Kasten 1 an seinen sechs Flächen mit quadratischen Platten 18, 19, 20, 21, 22, 23 mit
20 cm Seitenlänge
und einer Dicke von 0,5 cm bedeckt, welche an ihre in lösbarer Weise
durch Schrauben mit einer Länge
von 1 cm aus einem Röntgenstrahlen
durchlässigen
Material wie Nylon befestigt sind. Diese Platten 18–23 bestehen
aus Plexiglas und sie weisen eingebettet in ihrer Masse Drähte aus
einem Metall wie Kupfer auf, welche geometrische Figuren wie diejenigen,
die in 1 dargestellt sind, aufzeichnen. Jede dieser Figuren
kann für die Überprüfung einer
oder mehrerer besonderer Funktionen der Software im Hinblick darauf
bestimmt sein, wie die Software ihre Form wieder hergestellt hat.
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Die
Tatsache, dass sechs solcher abnehmbarer Platten 18–23 vorhanden
sind, ist insofern vorteilhaft als sie ermöglicht ein Maximum an Funktionen
im Verlauf eines einzigen Versuchs zu testen. Es wäre ebenfalls
im Rahmen der Erfindung, eine weniger große Anzahl von abnehmbaren Platten
vorzusehen. Allerdings ist ein Minimum von zwei Platten 18–23,
die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten
des Kerns 4 angeordnet sind, erforderlich, um zu überprüfen, ob
die Divergenz des rekonstruierten Bildes korrekt ist. Hierzu sind
besonders Kreise zeichnende Motive, wie auf den Platten 18, 21 der 1 dargestellt,
gezeigt.
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Das
soeben beschriebene und dargestellte Phantom ist nur ein Beispiel;
insbesondere verbliebe es auch im Geist der Erfindung, ihm eine
andere Form als würfelförmig zu
geben. Der Würfel
bietet den Vorteil leicht handhabbar zu sein und die Platten 18–23,
welche seine Außenseiten
bilden, austauschen zu können.
Die Formen und die Abmessungen der den Kern 4 bildenden
Elemente können
von denjenigen abweichen, die beschrieben worden sind. Allerdings
ist das Vorhandensein von ineinander geschachtelten Elementen in
Form von Pyramidenstümpfen 11, 12 mit
verschiedenen Dichten unabdingbar.
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Dies
erlaubt zu überprüfen:
- – die
Fähigkeit
der Software, mit Genauigkeit automatisch die Konturen von Organen
mit verschiedenen Dichten nachzuvollziehen;
- – die
Genauigkeit der Sicherheitszonen, welche einem Organ zugeordnet
werden können,
das sich im Verlauf der Behandlung bewegt; die Tatsache, dass das
Element 12 nicht symmetrisch ausgebildet ist, ist dafür bestimmt,
eine Ausdehnung eines nicht symmetrische Organs zu überprüfen;
- – durch
die Kenntnis der Dicken der Elemente 11 und 12 ist
es möglich,
die Messung dieser Elemente mit der von der Software vorgenommenen Berechnung
der Sicherheitszone zu vergleichen, welche der Dicke des Materials
des äußeren Elementes 12 entsprechen
muss;
- – die
Fähigkeit
der Software, verschiedene Umrisse zu interpolieren, wodurch man
die Genauigkeit der Rekonstruktion des Volumens abschätzen kann.