DE602004006736T2 - Phantom für die qualitätskontrolle eines systems zur virtuellen simulation einer radiotherapeutischen behandlung - Google Patents
Phantom für die qualitätskontrolle eines systems zur virtuellen simulation einer radiotherapeutischen behandlung Download PDFInfo
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Description
- 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.
- 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".
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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,
- Vorzugsweise weist das Phantom eine allgemeine Würfelform auf.
- Vorzugsweise ist eine der Kugeln im Zentrum des Kerns angeordnet.
- Vorzugsweise weist das Phantom sechs abnehmbare Seitenflächen auf, die geometrische Figuren definierende Drähte umschließen.
- 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.
- Die Erfindung wird besser verstanden werden bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren gegeben ist:
-
1 , die in der Perspektive ein Beispiel für einen Stützkasten für ein erfindungsgemäßes Phantom und die Seitenflächen, die mit ihm verbunden sind, darstellt; -
2 , die in der Perspektive ein Beispiel für einen Kern darstellt, der dafür bestimmt ist, in den Stützkasten eingesetzt zu werden; -
3 , die im Schnitt entlang III-III (3a ) und im Schnitt entlang IV-IV (3b ) einen Bereich des besagten Kerns darstellt; -
4 , die in der Perspektive einen anderen Bereich des besagten Kerns darstellt. - Der in
1 dargestellte Stützkasten1 wird durch Zusammenbau von zwei Elementen gebildet, welche in dem dargestellten Beispiel einen Würfel mit 19 cm Seitenlänge bilden. Das erste Element2 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 Element3 ist eine quadratische Platte mit 19 cm langen Seiten und einer Dicke von 1 cm, welche an dem oberen Bereich des Kastens1 derart angeordnet ist, dass sie einen Deckel für das erste Element2 bildet. Diese beiden Elemente2 ,3 bestehen aus einem Material wie Stoßpolystyrol (mit einer Dichte von 1,05), aber sie können auch beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA) bestehen. Diese beiden Elemente2 ,3 werden miteinander mit Hilfe von Schrauben aus einem Material wie Nylon mit einer Länge von 2 cm einstückig ausgebildet. - Der Stützkasten
1 ist dafür bestimmt, einen Kern4 zu umschließen, von dem ein Beispiel in2 dargestellt ist. - 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 Würfel5 ,6 ,7 ,8 mit 3,5 cm Seitenlänge, die jeweils eine Spitze des Kerns4 besetzen. Zwei dieser Würfel5 ,6 sind an zwei einander diagonal gegenüberliegenden Spitzen angeordnet. Diese Würfel5 ,6 ,7 ,8 weisen alle unterschiedliche Dichten auf. Beispielsweise weist der Würfel5 eine Dichte von 0,991 auf, welche diejenige der Brust simuliert, der Würfel6 weist eine Dichte von 1,609 auf, welche diejenige des Knochens simuliert, der Würfel7 weist eine Dichte von 1,062 auf, welche diejenige des Muskels simuliert und der Würfel8 weist eine Dichte von 0,465 auf, welche diejenige der ausgeatmeten Lunge simuliert. An den Spitzen der Würfel5 ,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 Kerns4 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. - 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 Element12 , welches das Element11 umgibt und eine nicht völlig symmetrische äußere Form bezüglich seiner Längsachse aufweist. Es umgibt das Element11 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 Elemente11 ,12 weisen verschiedene Dichten auf. Die aus diesen beiden Elementen11 ,12 gebildete Anordnung ist dafür bestimmt, den zentralen Bereich des Kerns4 zu bilden. Sie weist eine Länge „L" von 13,5 cm auf, d.h. kleiner als die Länge einer Kante des Kerns4 , den sie somit nicht von einer Seite zur anderen durchquert. Vorzugsweise befindet sich im Inneren des Elementes11 mit einem Abstand „d" von der großen Grundfläche gleich 8,5 cm eine Stahlkugel13 , welche ein Isozentrum für die Behandlung simuliert. Der Abstand „d" ist so gewählt, dass sich die Kugel13 genau im Zentrum des von dem zusammengesetzten Kern4 gebildeten Würfels befindet. - In dem Bereich des Kerns
4 , der zurückspringend von den Elementen in Form von Pyramidenstümpfen11 ,12 angeordnet ist, sind ebenfalls drei quaderförmige Elemente14 ,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. - Der übrige Rest des würfelförmigen Kerns
4 , in welchem die verschiedenen Elemente5 ,6 ,7 ,8 ,11 ,12 ,14 ,15 ,16 angeordnet sind, ist von einem Körper aus Polystyrol gebildet. - Schließlich ist der Kasten
1 an seinen sechs Flächen mit quadratischen Platten18 ,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 Platten18 –23 bestehen aus Plexiglas und sie weisen eingebettet in ihrer Masse Drähte aus einem Metall wie Kupfer auf, welche geometrische Figuren wie diejenigen, die in1 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. - 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 Platten18 –23 , die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Kerns4 angeordnet sind, erforderlich, um zu überprüfen, ob die Divergenz des rekonstruierten Bildes korrekt ist. Hierzu sind besonders Kreise zeichnende Motive, wie auf den Platten18 ,21 der1 dargestellt, gezeigt. - 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 Kern4 bildenden Elemente können von denjenigen abweichen, die beschrieben worden sind. Allerdings ist das Vorhandensein von ineinander geschachtelten Elementen in Form von Pyramidenstümpfen11 ,12 mit verschiedenen Dichten unabdingbar. - 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 und12 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 Elementes12 entsprechen muss; - – die Fähigkeit der Software, verschiedene Umrisse zu interpolieren, wodurch man die Genauigkeit der Rekonstruktion des Volumens abschätzen kann.
Claims (4)
- Phantom für die Qualitätskontrolle eines Systems zur virtuellen Simulation einer radiotherapeutischen Behandlung anhand einer Vorrichtung zur medizinischen Bildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Teile umfasst: – einen Stützkasten (
1 ), – einen Kern (4 ) im besagten Stützkasten (1 ) und bestehend aus einer Vielzahl verschiedener Elemente (5 ,6 ,7 ,8 ,11 ,12 ,14 ,15 ,16 ,17 ) verschiedener Formen, Dimensionen und Dichten, wobei die besagten Dichten die Dichten unterschiedlicher Organe und Milieus des menschlichen Körpers simulieren, wobei zwei dieser Elemente (11 ,12 ) aus zwei ineinandergeschachtelten Pyramidenstümpfen verschiedener Dichten bestehen, wobei mindestens einer von diesen keine Gesamtsymmetrie zu seiner Längsachse aufweist, – Kugeln (9 ,10 ,13 ), die aus einem röntgenstrahlenundurchlässigen Material bestehen und in dem besagten Kern vorgesehen sind, – mindestens zwei abnehmbaren einander gegenüberliegenden Seitenflächen (18 ,21 ), die geometrische Figuren bestimmende Drähte enthalten. - Phantom nach Anspruch 1, durch eine würfelförmige Gesamtform gekennzeichnet.
- Phantom nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine (
13 ) der Kugeln im Innersten des Kerns angeordnet ist. - Phantom nach einem der Ansprüche 1 bis 3, durch sechs abnehmbare Seitenflächen (
18 –23 ) gekennzeichnet, die geometrische Figuren bestimmende Drähte enthalten.
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