-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Strahlentherapieeinrichtungen
für die
Behandlung von Tumoren oder dergleichen und spezifisch auf eine
Strahlentherapiemaschine, die eine individuelle Echtzeitsteuerung
der Intensität
von mehreren Strahlen innerhalb eines Behandlungsstrahlenbündels ermöglicht.
-
Medizinische
Einrichtungen für
Strahlentherapie behandeln tumoröse
Gewebe mit Hochenergiestrahlung. Die Menge der Strahlung und deren
Platzierung muss genau gesteuert werden, um sicherzustellen, dass der
Tumor sowohl eine ausreichende Bestrahlung erhält, die ihn zerstört, als
auch die Beschädigung
des umgebenden nicht tumorösen
Gewebes minimiert wird.
-
Ein
hochgenaues Verfahren zum Steuern der Strahlendosis für einen
Patienten verwendet eine Strahlungsquelle, die ein Strahlenbündel erzeugt,
das aus vielen einzelnen Strahlen zusammengesetzt ist, deren Intensität einzeln
gesteuert werden kann. Dieses Bündel
kann durch eine Reihe von Verschlüssen, wovon jeder einen Strahl
steuert, oder durch einen einzigen modulierten Strahl, der sich über den
Patienten bewegt, um das Bündel über ein
Zeitintervall zu erzeugen, erzeugt werden.
-
Der
Ursprung der Strahlen bewegt sich über einen Bereich von Winkeln
um den Patienten, wobei durch richtiges Wählen der Intensitäten bei
verschiedenen Winkeln komplexere Gebiete in dem Patienten genau
bestrahlt werden können.
Die
US-Patente 5.724.400 ,
5.673.300 ,
5.668.371 ,
5.661,773 ,
5.625.663 ,
5.548.627 ,
5.528.650 ,
5.442.675 ,
5.394.542 und
5.317.616 , die alle an den Anmelder
der vorliegenden Erfindung übertragen
sind, beschreiben die Konstruktion einer Maschine dieses Typs und
ein Verfahren zum Berechnen der erforderlichen Strahlintensitäten als
Funktion des Winkels. Bei der beschriebenen Maschine steuern Verschlüsse, die
zwischen einem geöffneten
und einem geschlossenen Zustand umgeschaltet werden, jeweils die
Intensität
eines entsprechenden einzelnen Strahls, jedoch sind auch andere
Verfahren, die Strahlen veränderlicher
Intensität
liefern, einschließlich
jener, die einen einzigen modulierten und abtastenden Strahl verwenden,
sowie weitere solche Systeme bekannt.
-
Die
Aussicht auf eine erhöhte
Genauigkeit solcher Strahlentherapiesysteme und deren verstärkte Komplexität machen
ein Mittel zur Verifikation der korrekten Arbeitsweise der Verschlüsse und
somit der Intensität
der den Patienten bestrahlenden Strahlen wünschenswert. Ein nachgeschalteter
Patientenbestrahlungsmonitor, allgemein als "Ausgangsdetektor" bekannt, kann eine näherungsweise
Angabe des korrekten Betriebs der Strahlentherapiemaschine liefern,
jedoch verhindern die Dämpfung
von Strahlen durch den Patienten, die Streuung der Strahlen und
die Überlappung
von Strahlen an Detektorelementen des nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektors
die direkte Beobachtung der Verschlussfunktion in einem nachträglichen
Patientenbild. Dennoch ermöglicht
die Empfindlichkeit des nachgeschalteten Patientenbestrahlungsmonitors
gegenüber
der Dämpfung
von Strahlung durch den Patienten seine Verwendung für ein Abbilden
des Patienten zur Registrierung bzw. Einrichtung und Verifikation
der Patientenpositionierung oder dergleichen bei vollständig geöffneten
Verschlüssen.
-
Die
indirekte Verifikation der Intensität kann durch Kameras besorgt
werden, die die Verschlüsse
oder an den Verschlüssen
angebrachte Sensoren beobachten, um deren korrekte Funktion und
Bewegung anzugeben. Informationen über die Verschlussfunktion
verschaffen gemeinsam eine allgemeine Angabe des Teilchenflusses
der auf den Patienten gerichteten Strahlen, unter der Voraussetzung,
dass das Profil des auf die Verschlüsse auftreffenden Strahlenbündels bekannt
und zuverlässig
ist.
-
Vorzugsweise
und wie in dem oben angeführten
US-Patent 5.394.452 gelehrt
kann ein vorgeschalteter Patientenbestrahlungsmonitor verwendet
werden, um eine direkte Messung der Intensität der Strahlen vorzunehmen.
Der vorgeschaltete Patientenbestrahlungsmonitor verschafft einen
Messwert für
den von dem Patienten empfangenen Teilchenfluss, was jedoch beschwerlich
ist, wobei er anders als ein nachgeschalteter Patientenbestrahlungsmonitor
nicht zur Beschaffung von Informationen über die Patientenpositionierung
oder -abbildung verwendet werden kann.
-
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
Erfinder haben erkannt, dass ein nachgeschalteter Patientenbestrahlungsmonitor
allein tatsächlich
dazu verwendet werden kann, den Betrieb des Verschlusssystems während der
Strahlentherapie an einem bestimmten Patienten zu verifizieren,
wenn die Antwort der Dämpfung
durch den Patienten und die Strahlenwege genau modelliert werden
können.
Das Modell kann dann invertiert und auf die erfasste Strahlung,
die den Patienten verlässt,
angewandt werden, um eine Angabe des Eintritts-Teilchenflusses der
einzelnen Strahlen oder anderer damit zusammenhängenden physikalischen Größen wie
etwa der Energie zu liefern. Der Eintritts-Teilchenfluss kann zusammen
mit irgendwelchen Informationen über
den Patienten aus einem Tomogramm oder dergleichen dazu verwendet
werden, die Strahlendosis, die dem Patienten verabreicht wird, abzuleiten.
-
Das
Modell kann ausgehend von einer bekannten Geometrie der Strahlentherapiemaschine
und geschätzten
Eigenschaften des Patienten oder eines Standardpatienten oder Eigenschaften
des Patienten, wie sie von einem Tomogramm vor der Behandlung oder
einer experimentell oder theoretisch hergeleiteten Datenbank abgeleitet
worden sind, konstruiert werden oder durch selektive Erregung verschiedener
Verschlüsse
und Messung der empfangenen Signale unmittelbar vor oder während der
Strahlenbehandlungssitzung hergeleitet werden. Die bei solchen Messungen
verwendete Strahlung kann von dem Behandlungsplan selbst "geborgt" sein, um so die
Gesamtstrahlendosis für
den Patienten unbeeinflusst zu lassen.
-
Spezifisch
schafft die Erfindung ein System zum Verifizieren der Funktion einer
Strahlentherapie-Strahlungsquelle in einer Strahlentherapiemaschine,
die betreibbar ist, um mehrere Strahlen zu erzeugen, die einen steuerbaren
Teilchenfluss haben. Die Strahlen werden durch ein Patientenvolumen
zu einem Detektor aus mehreren Detektorelementen geleitet, die an
räumlich
getrennten Punkten Detektorsignale bereitstellen, wobei jedes Detektorelement
Strahlung von mehreren Strahlen empfängt. Das System empfängt einen Behandlungsplan,
um die Strahlungsquelle so zu betreiben, dass sie einen Satz von
Strahlen mit vorgegebenem Teilchenfluss erzeugt, wobei gleichzeitig
mit der Strahlentherapie Detektorsignale gemessen und unter Verwendung
eines Modells der erwarteten Dämpfung
jedes von der Strahlungsquelle durch das Patientenvolumen zu dem
Detektor verlaufenden Strahls zu verarbeiten, um einen gemessenen
Teilchenfluss jedes Strahls des Satzes von Strahlen zu deduzieren
bzw. abzuleiten. Schließlich
wird der gemessene Teilchenfluss mit dem vorgegebenen Teilchenfluss
jedes Strahls verglichen, um die Funktion der Strahlungsquelle zu
verifizieren oder die Strahlendosis, die dem Patienten verabreicht
wird, abzuleiten.
-
Demgemäß ist eine
Aufgabe der Erfindung, ein Strahlentherapiesystem zu schaffen, das
nur einen einzigen nachgeschalteten Patientenbestrahlungsmonitor
erfordert. Da der Strahlungsmonitor nicht zwischen dem Patienten
und der Strahlungsquelle angeordnet ist, kann er teilweise oder
vollständig
absorbierend sein, was eine größere Flexibilität beim Entwurf
verschafft. Anders ein vorgeschalteter Patientenmonitor kann der nachgeschaltete
Patientenmonitor für
Patientenabbildungs- und -positionierungsaufgaben verwendet werden.
-
Das
Modell kann auf einer bekannten Geometrie des Strahlentherapiesystems,
optional durch tomographische Informationen über den Patienten verstärkt, basieren.
Alternativ kann das Modell aus einer Reihe von Messungen des Patienten
oder eines Phantoms erzeugt werden, bei der die Strahlungsquelle
betätigt wird,
um eine vorgegebene Folge von Test-Teilchenflüssen für den Satz von Strahlen zu
erzeugen, wobei jene Teilchenflüsse
dazu verwendet werden, ein Modell zu erzeugen. Die Daten können in
einer Datenbank gespeichert werden, wobei optional Datensätze kombiniert
werden können,
um Daten für
einen Standardpatienten zu erzeugen.
-
Demgemäß ist eine
weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verifikationssystem zu schaffen,
das der Modifikation des Strahlenbündels, wenn es den Patienten
durchläuft,
genau Rechnung trägt.
-
Die
vorgegebene Folge von Test-Teilchenflüssen für den Satz von Strahlen kann
einen Einheitsteilchenfluss für
einen Strahl zu einer Zeit ergeben, um eine Impulsantwort des Patienten/der
Strahlungsquelle zu erzeugen.
-
Demgemäß ist eine
weitere Aufgabe der Erfindung, ein einfaches System zum Kennzeichnen
des Patienten und des Strahlenwegs zu schaffen, derart, dass es
zur Verifikation der Strahlungsquellenabgabe und/oder der Strahlendosis
durch einen nachgeschalteten Patientenbestrahlungsmonitor verwendet
werden kann.
-
Mehrere
Sätze von
Strahlen können
unter der Voraussetzung, dass sich die Strahlen bei dem Detektor nicht
oder nur minimal überlappen,
gleichzeitig in den Einheitsteilchenfluss in der vorgegebenen Folge
eingespeist werden.
-
Demgemäß ist eine
weitere Aufgabe der Erfindung, ein System zu schaffen, das die erforderlichen
Daten für
das Modell, das zur Verifikation verwendet wird, schnell erfasst.
-
Der
Strahlungsbehandlungsplan kann so modifiziert werden, dass die Teilchenflüsse der
vorgegebenen Folge von Test-Teilchenflüssen subtrahiert werden, um
dadurch die Strahlendosis für
den Patienten unerhöht
zu belassen.
-
Demgemäß ist eine
weitere Aufgabe der Erfindung, eine äußerst genaue Kennzeichnung
des Patienten zu schaffen, indem die für die Behandlung verwendete
wirkliche Strahlung verwendet wird und dabei der Nachteil einer
erhöhten
Strahlendosis für
den Patienten vermieden wird.
-
Die
vorgegebene Folge kann einen Einheitsteilchenfluss lediglich für Strahlen,
die wirklich in dem Strahlungsbehandlungsplan verwendet werden,
ergeben. Für
jene Strahlen, die solcherart nicht gemessen werden, können Schätzungen
vorgenommen werden.
-
Demgemäß ist eine
weitere Aufgabe der Erfindung, ein genaues Modellieren des Patienten
lediglich für
Strahlen, deren Dosis von anderen Abschnitten des Strahlungsbehandlungsplans "geborgt" wird, vorzusehen,
um die Zunahme der Gesamtdosis für
den Patienten zu verhindern.
-
Es
ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, gewisse Informationen
zur Verifikation von Strahlen, von denen nicht erwartet wird, dass
sie in dem Strahlentherapiesystem verwendet werden, zu verschaffen,
um mögliche
Fehler, in die sie münden
würden,
zu verfolgen.
-
Der
Behandlungsplan kann mehrere Sitzungen umfassen, wobei Mittel zum
Korrigieren des Behandlungsplans vorgesehen sein können, um
für nachträgliche Sitzungen
Abweichungen zwischen dem gemessenen Teilchenfluss und dem vorgegebenen
Teilchenfluss Rechnung zu tragen.
-
Die
oben genannten und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung deutlich. In der Beschreibung wird
Bezug auf die begleitende Zeichnung genommen, die einen Teil hiervon
bildet und in der veranschaulichend eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gezeigt ist. Eine solche Ausführungsform repräsentiert
jedoch nicht unbedingt den vollen Umfang der Erfindung; um den Umfang
der Erfindung zu interpretieren, muss auf die beigefügten Ansprüche Bezug
genommen werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht der bei der vorliegenden Erfindung
verwendeten Verschlusssystemanordnung, die die Verschlussblätter und
ihre zugeordneten elektromagnetischen Stellglieder zeigt;
-
2 ist
ein Querschnitt des Verschlusssystems von 1 längs der
Linie 2-2, der die trapezförmige Gestalt
eines jeden Verschlussblatts für
ein aufgefächertes
Strahlenbündel
der Strahlung und die Führungsschienen
für die
Unterstützung
der Verschlussblätter
bei ihrer Bewegung zeigt;
-
3 ist
ein Blockschaltplan, der die Elemente einer Strahlentherapiemaschine
zeigt, die einen herkömmlichen
CT-Scanner und das Verschlusssystem der vorliegenden Erfindung enthalten
und einen Computer umfassen, der zum Steuern jenes Verschlusssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet ist;
-
4 ist
eine vereinfachte Darstellung des Strahlführungssystems bzw. der Gantry
der Strahlentherapiemaschine von 3, die bei
der Berechnung eines Patientenmodells verwendete Variablen zeigt;
-
5 ist
eine zu 4 ähnliche Figur, die Komplikationen
bei der Bestimmung des Eintritts-Teilchenflusses an einem nachgeschalteten
Patientenbestrahlungsdetektor zeigt, die durch Überlappung der Strahlung verschiedener
Strahlen an dem nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektor verursacht
werden;
-
6 ist
eine Tabelle, die ein Verschlussbetätigungsmuster, wie es Test-Teilchenflüsse zum
Messen einer Impulsantwort des Patienten/Verschlusssystems ergeben,
zeigt, das zum Ableiten eines Modells des Patienten-Verschlusssystems
geeignet ist;
-
7 ist
eine zu 6 ähnliche Figur, die ein komplexeres
Verschlussbetätigungsmuster
liefert, um ein Modell zu schaffen, das einem Halbschatten und anderen
Nichtlinearitäten
Rechnung trägt;
-
8 ist
ein Ablaufplan der Schritte des vorliegenden Verfahrens beim Verifizieren,
Modellieren und Korrigieren einer Strahlentherapiesitzung;
-
9 ist
eine übertrieben
groß gehaltene
Ansicht eines Verschlusses nach 2, der Zungen,
Rillen- und Halbschatteneffekte zeigt; und
-
10 ist
eine zu 6 ähnliche Figur, die ein Verschlussbetätigungsmuster
zeigt, das ein schnelles Verfahren zum Erzeugen eines Modells des
Patienten-/Verschlusssystems ergibt.
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In 1 umfasst
eine zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignete Strahlentherapiemaschine 10 eine
Strahlungsquelle 12, die ein im Allgemeinen konisches Strahlenbündel 14' erzeugt, das
von einem Brennpunkt 18 ausgeht und auf einen Patienten 17 (in 1 nicht
gezeigt) gerichtet ist. Das konische Strahlenbündel 14' wird durch eine rechtwinklige,
lichtundurchlässige
Maske 16, die aus einem Satz rechtwinkliger Verschlusssystemblätter konstruiert
ist, parallel gerichtet, um ein im Allgemeinen planares aufgefächertes Strahlenbündel 14 zu
bilden, das auf eine Ebene 20 für aufgefächerte Strahlenbündel zentriert
wird.
-
Ein
Verschlusssystem 22, das mehrere benachbarte trapezförmige Blätter 30 umfasst,
die zusammen einen Bogen mit konstantem Radius um den Brennpunkt 18 bilden,
wird in dem aufgefächerten
Strahlenbündel 14 und
auf die Ebene 20 für
aufgefächerte
Strahlenbündel
zentriert, bevor das Strahlenbündel
von dem Patienten 17 empfangen wird. Jedes Blatt ist aus
einem dichten strahlenundurchlässigen
Material wie etwa Blei, Wolfram, Zer, Tantal oder einer verwandten
Legierung konstruiert.
-
Die
Blätter 30 werden
in Hülsen 24 gehalten,
so dass jedes Blatt 30 vollständig in seiner entsprechenden
Hülse 24 gleiten
kann, um den jener Hülse 24 zugeordneten
Strahl 28 zu blockieren. Vorzugsweise begrenzen bzw. durchschneiden
die Blätter 30 des
Verschlusssystems 22 das gesamte aufgefächerte Strahlenbündel so,
das es unter Versatzwinkeln ϕ in einen Satz von scheibenähnlichen
Strahlen 28 unterteilt wird. Wenn das Blatt 30 seinen
entsprechenden Strahl 28 blockiert, wird gesagt, dass es
sich im geschlossenen Zustand befindet. Die Hülsen 24 besitzen eine
reichliche Länge,
damit jedes Blatt 30 aus dem Weg des aufgefächerten
Strahlenbündels
gleiten kann, um seinen entsprechenden Strahl 30 völlig unbehindert
zu lassen, und dennoch durch die Hülse 24 geführt wird.
Wenn ein Blatt diese nicht sperrende Position einnimmt, wird gesagt, dass
es sich im "geöffneten
Zustand" befindet.
-
Jedes
Blatt 30 kann sich mittels eines primären relaisartigen elektromagnetischen
Stellglieds 32, das durch ein Schiebeelement 34 mit
dem Blatt 30 verbunden ist, schnell zwischen seinem geöffneten
und seinem geschlossenen Zustand bewegen. Der von dem Strahl 28 geleitete
Teilchenfluss kann durch Verändern
des Arbeitszyklus der Bewegung des Blatts, der dem Verhältnis zwischen
der Zeit, in der es sich im geöffneten
Zustand befindet, und der Zeit, in der es sich im geschlossenen
Zustand befindet, entspricht, gesteuert werden.
-
Wie
in 2 gezeigt ist, werden die Blätter 30 in den Hülsen 24 durch
Zungen 36, die in Rillen bzw. Nuten 38, die längs der
Ränder
der Blätter 30 ausgeschnitten
sind, eingesetzt sind, abgestützt
und geführt.
Die Rillen 38 ermöglichen
den Führungszungen 36,
die Blätter 30 während der
Bewegung zwischen dem geöffneten
Zustand und dem geschlossenen Zustand in den Hülsen 24 zu halten.
-
Wie
nun in 3 gezeigt ist, ist die Strahlungsquelle 12 an
einer Gantry 44 angebracht, wobei sich die Letztere in
der Ebene 20 für
aufgefächerte
Strahlenbündel
um ein Drehzentrum 45 in dem Patienten 17 dreht, so
dass das aufgefächerte
Strahlenbündel 14 eine
Scheibe des Patienten 17 aus einer Vielzahl von Winkeln θ bestrahlen
kann. Die Strahlungsquelle 12 wird durch ein Strahlungssteuermodul 48 gesteuert,
das seinerseits unter der Steuerung eines Computers das Strahlenbündel 14 ein-
oder ausschaltet.
-
Eine
Verschlusssystemsteuerung 52, die durch einen Zeitgeber,
der Sollpositionssignale erzeugt, gelenkt wird, versieht einen jeden
Elektromagneten mit einer elektrischen Erregung, um die Stellglieder 32 getrennt
zu steuern und jedes der Blätter 30 in
seine entsprechende Hülse 24 und
seinen entsprechenden Strahl 28 (siehe auch 1)
oder aus dieser bzw. diesem zu bewegen. Die Verschlusssystemsteuerung 52 bewegt die
Blätter 30 des
Verschlusssystems 22 schnell zwischen ihrem geöffneten
und ihrem geschlossenen Zustand, um entweder jeden Strahl 28 vollständig zu
dämpfen
oder diesem keine Dämpfung
zu verschaffen. Abstufungen in dem Teilchenfluss jedes Strahls,
wie sie für
das Teilchenflussprofil erforderlich sind, werden durch Einstellen
der relativen Dauer, während
der jedes Blatt 30 in der geschlossenen Position ist, im
Vergleich zu der relativen Dauer, während der jedes Blatt 30 in
der geöffneten
Position ist, für
jeden Gantry-Winkel
erhalten.
-
Aus
der folgenden Beschreibung geht jedoch hervor, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf ein eindimensionales Verschlusssystem begrenzt
ist, sondern in jeder Strahlentherapiemaschine verwendet werden kann,
die eine unabhängige
Modulation einer Folge von Strahlen der durch den Patienten geleiteten
Strahlung entweder gleichzeitig oder über ein Zeitintervall ermöglicht.
Folglich sind zweidimensionale Verschlusssysteme, keilartige Verschlüsse oder
sogar eine elektronische Modulation des Strahlenbündels zur
Verwendung mit der Erfindung geeignet.
-
Das
Verhältnis
zwischen dem geschlossenen Zustand und dem geöffneten Zustand oder der "Arbeitszyklus" für jedes
Blatt 30 beeinflusst die durch ein gegebenes Blatt 30 bei
jedem Rollgerüstwinkel
hindurchgelassene Gesamtenergie und steuert somit den mittleren
Teilchenfluss jedes Strahls 28. Die Fähigkeit, bei jedem Gantry-Winkel
den mittleren Teilchenfluss zu steuern, ermöglicht eine genaue Steuerung
der durch das Strahlenbündel 14 durch
das bestrahlte Volumen des Patienten 17 beschafften Dosis
durch Therapieplanungsverfahren, die die nachstehend beschrieben
werden. Die Verschlusssystemsteuerung 52 ist ebenfalls
mit dem Computer 51 verbunden, um eine Programmsteuerung
des Verschlusssystems 22, die noch beschrieben wird, zu
ermöglichen.
-
Ein
optionales tomographisches Bilderzeugungssystem 11, das
eine Röntgenstrahlenquelle 46 und eine
gegenüberliegende
Detektorgruppe 50 verwendet, kann wie die Strahlungsquelle 12 vorteilhafterweise
an derselben Gantry 44 angebracht sein, um vor der Strahlentherapie
zu Planungszwecken ein tomographisches Bild oder Scheibenbild der
bestrahlten Scheibe des Patienten 17 zu erzeugen. Alternativ
kann eine solche tomographische Bilderzeugung an einer getrennten
Maschine ausgeführt
werden, wobei die Scheiben gemäß Bezugspunkten
an dem Patienten 17 ausgerichtet werden können.
-
Ein
Gantry-Steuermodul 54 liefert die Signale, die zum Drehen
der Gantry 44 und somit zum Ändern der Position der Strahlungsquelle 12 und
des Gantry-Winkels θ des
aufgefächerten
Strahlenbündels 14 für die Strahlentherapie
sowie für
die Computertomographie-Röntgenstrahlenquelle 46 und
die Detektorgruppe 50, die ebenfalls an der Gantry 44 angebracht
sind, erforderlich sind. Das Gantry-Steuermodul 54 ist
mit dem Computer 51 verbunden, so dass die Gantry unter
Computersteuerung gedreht werden kann und der Computer 51 mit
einem Signal beliefert werden kann, das den Gantry-Winkel θ angibt,
um jene Steuerung zu unterstützen.
-
Steuermodule
für das
tomographische Bilderzeugungssystem 11 umfassen: ein Röntgenstrahlenmodul 56 zum
An- und Abschalten der Röntgenstrahlenquelle 46 und
ein Datenerfassungssystem 58 zum Empfangen von Daten von
der Detektorgruppe 50, um ein topographisches Bild zu konstruieren.
-
Eine
Bildrekonstruktionseinrichtung 60, die typischerweise einen
sehr schnellen Array-Prozessor oder dergleichen umfasst, empfängt Daten
von dem Datenerfassungssystem 58, um das "Rekonstruieren" eines tomographischen
Behandlungsbildes anhand solcher Daten gemäß Verfahren, die auf dem Fachgebiet
wohlbekannt sind, zu unterstützen.
Die Bildrekonstruktionseinrichtung 60 kann außerdem Signale 59 eines
nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektors verwenden, um ein
tomographisches Absorptionsbild zu erzeugen, das zu Verifikationszwecken
und Zwecken der Planung einer künftigen
Therapie verwendet werden kann, wie weiter unten näher beschrieben
wird.
-
Ein
Datenendgerät 62,
das eine Tastatur- und Anzeigeeinheit 63 umfasst, ermöglicht einer
Bedienungsperson das Eingeben von Programmen und Daten in den Computer 51 und
das Steuern der Strahlentherapiemaschine 10 und des tomographischen
Bilderzeugungssystems 11 sowie das Anzeigen von durch die Bildrekonstruktionseinrichtung 60 gelieferten
Bildern an der Anzeigeeinheit 63.
-
Ein
Massenspeichersystem 64, das entweder eine Magnetplatteneinheit
oder ein Bandlaufwerk ist, ermöglicht
die Speicherung von durch das tomographische Bilderzeugungssystem 11 und
den nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektor 53 gesammelten
Daten zur späteren
Verwendung. Computerprogramme zum Betreiben der Strahlentherapiemaschine 10 sind
im Allgemeinen in dem Massenspeichersystem 64 gespeichert
und werden zur schnellen Verarbeitung während des Gebrauchs der Strahlentherapiemaschine 10 in
den internen Speicher des Computers 51 geladen.
-
Die
Strahlungsquelle 12 kann ein Linearbeschleuniger sein,
der in einer gepulsten Betriebsart erregt wird, wobei die Impulse
synchron mit dem Digital-Analog-Umsetzer des Datenerfassungssystems 58 erfolgen, so
dass ein Satz von Ansichten während
des Verschlussöffnens
und -schließens
erhalten werden kann. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Impulsrate
des Linearbeschleunigers, wenn jede Projektion der Strahlung bei
einem gegebenen Gantry-Winkel θ während der
Strahlentherapie eine Sekunde beträgt, zweihundert Mal pro Sekunde
sein, unter der Voraussetzung einer Echtzeit-Bewegungsstudie der
Blätter 30 auf
der Grundlage des das Blatt verlassenden und in den Patienten 17 eindringenden
veränderlichen
Teilchenflusses.
-
Während des
Betriebs der Strahlentherapiemaschine 11 empfängt die
Verschlusssystemsteuerung 52 von dem Computer 51 ein
Behandlungssinogramm, das ein Teilchenflussprofil für jeden
Gantry-Winkel θ umfasst.
Das Behandlungssinogramm beschreibt die Intensität oder den Teilchenfluss für jeden
Strahl 28 des Strahlenbündels 14,
die bzw. der für
jeden Gantry-Winkel θ an
einer gegebenen Position des Patiententragtisches (nicht gezeigt)
gewünscht
und durch das Strahlenbündel 14 übertragen
wird.
-
Um
auf 4 Bezug zu nehmen, versieht ein Verschlusssystem
die Steuerung einer Gesamtzahl J von Strahlen 28, die durch
die Indexvariable j = 1 bis J gekennzeichnet sind. Jeder durch das
Verschlusssystem 22 erzeugte Strahl 28 geht längs der
Strahlenmittellinie 66 durch den Patienten 17,
um durch den nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektor 53,
der I Detektorelemente besitzt, die durch die Indexvariable i =
1 bis I gekennzeichnet sind, erfasst zu werden. Jedes Detektorelement
erzeugt ein Signal Si(t), das auf ein Detektorelement
i bezogen ist. Das Signal kann den Teilchenfluss, die Energie oder
irgendeine verwandte physikalische Größe angeben.
-
Das Überwachen
des Betriebs des Verschlusssystems 22 mittels eines nachgeschalteten
Patientenbestrahlungsdetektors 53 wird durch die durch
den Patienten 17 längs
der Strahlenmittellinie 66 erzeugte Dämpfung erschwert. Somit muss
dann, wenn der Teilchenfluss, der durch den nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektor 53 empfangen
wird, von jenem, der von dem Behandlungssinogramm verlangt wird,
abzuweichen scheint, auch eine Bestimmung vorgenommen werden, ob
das Verschlusssystem 22 fehlerhaft arbeitet oder ob die
Dämpfung
durch den Patienten 17 anders als jene ist, die erwartet
worden ist. Daher kann, wie erkennbar ist, das System unter der
Voraussetzung, dass der Eintritts-Teilchenfluss oder der korrekte Betrieb
auf irgendeine andere Weise erlangt wird, zum Erfassen der Patientenbewegung
verwendet werden.
-
Um
auf 5 Bezug zu nehmen, ist eine zweite Erschwerung
der Verwendung des nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektors 53 zum Überwachen
des Verschlusssystems 22, dass die Strahlen 28 tatsächlich einen
Winkel α um
ihre Mittellinie 66 umschreiben, der im Allgemeinen die
gewünschte
Größe eines einzelnen
Detektorelements des nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektors 53 überschreitet.
Somit empfängt
jedes Detektorelement Strahlung von mehreren Strahlen, wobei ein
Versuch, zu bestimmen, ob ein gegebenes Blatt i des Verschlusssystems 22 richtig
funktioniert, die Kenntnis des Zustands von anderen Blättern erfordern
kann.
-
Die
Erfinder haben erkannt, dass diese erschwerenden Umstände dennoch
beide überwunden
werden können,
indem die Dämpfung
durch den Patienten 17 und die Geometrie, die die Beziehung
zwischen dem Verschlusssystem 22 und dem nachgeschalteten
Patientenbestrahlungsdetektor 53 beschreibt, speziell in Form
eines Satzes simultaner Gleichungen modelliert wird.
-
Wie
oben kann unter der Annahme, dass es J Blätter 30 und I Detektorelemente 68 gibt,
das Signal Si(t), das durch das Detektorelement
i zur Zeit t empfangen wird, wie folgt geschrieben werden: Si(t) = di1w1(t) + di2w2(t) + di3w3(t) + ... + dijwJ(t), (1)wobei
diJ das Signal repräsentiert, das an dem Detektorelement
i für eine
durch ein Blatt j gelieferte Energiefluenzeinheit erfasst würde, und
wj den Gesamt-Teilchenfluss, der das Verschlusssystem 22 bei
dem Blatt j verlässt,
repräsentiert.
Es sei grundsätzlich
angemerkt, dass das Signal für
jedes Detektorelement i eine Funktion von mehreren Strahlen und
eine Funktion der Dämpfungseigenschaften
des Patienten 17 ist.
-
Die
d
ij-Werte können als Satz von Antworten
des Systems betrachtet werden, die durch Impulsfunktionen bedingt
sind, die durch die verschiedenen Blätter
30 erzeugt werden.
In erster Linie ist die Hauptabhängigkeit
der Elemente d
ij jene von der Länge des
radiologischen Wegs durch den Patienten von dem Verschlusssystem
22 zu
dem nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektor
53.
Bei einem gegebenen Gantry-Winkel θ um den Patienten kann d
ij als zeitunabhängig betrachtet werden. Das
Signal des vollständigen
Satzes von Detektorelementen
68 kann wie folgt in Matrixform
geschrieben werden:
-
Die
kann wie folgt in einer vereinfachten Notation geschrieben werden: S(t) = ⌊d ij⌋(t)w(t) (3)
-
Bei
einer typischen Konfiguration ist die Matrix von dij-Werten
eine spärliche
nicht quadratische Matrix. Daher kann eine Pseudoinverse der Matrix
erhalten werden, um so die Werte von wj(t)
auf der Grundlage der Kenntnis der von dem nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektor 53 empfangenen
Signale Si(t) zu berechnen. Wenn die Elemente
dij erhalten werden können, das System linear ist
und seine Inverse berechnet werden kann, kann der Betrieb des Verschlusssystems 22 folglich
durch die Signals Si(t) von dem nachgeschalteten
Patientenbestrahlungsdetektor 53 verifiziert werden, um
andere Verifikationsmechanismen zu ergänzen oder stattdessen verwendet
zu werden.
-
Allgemein
gilt daher: w(t) = [d ij(t)]–1 S(t) (4)
-
Um
nun auf 6 Bezug zu nehmen, liefert die
Matrix ⌊d ij(t)⌋ ein Modell des Patienten-/Verschlusssystems
und kann erzeugt werden, indem (1) Annahmen über den Patienten 17 getroffen
werden und die bekannten Parameter der Geometrie der Strahlentherapiemaschine
aufgenommen werden oder (2) diese aktuell gemessen werden oder (3)
eine Kombination dieser zwei Lösungswege
eingeschlagen wird.
-
Bei
einer Ausführungsform
wird die Matrix ⌊d ij(t)⌋ erhalten, indem ein Phantom
verwendet wird, das einem Patienten sehr ähnlich ist und bestrahlt wird,
um die Werte der Matrix ⌊d ij(t)⌋ zu messen, wie weiter unten beschrieben
wird. Die Matrix ⌊d ij(t)⌋ wird dann gespeichert und
bei starken Unterschieden zwischen dem Patienten und dem Phantom
an den Patienten angepasst. Alternativ kann die Matrix ⌊d ij(t)⌋ erhalten
werden, während
sich der Patient an Ort und Stelle an der Strahlentherapiemaschine
befindet.
-
In
jedem Fall kann die Messung der Werte dij erhalten
werden, indem jedes Blatt 30 der Reihe nach einzeln erregt
wird, so dass nur ein Blatt 30 zu einer gegebenen Zeit
geöffnet
ist, wie durch das Zeitdiagramm von 6, das bei
Zellen, die ein x enthalten, ein Öffnen anzeigt, angegeben wird.
Für jedes
geöffnete
Blatt wird eine Spalte der Matrix-dij-Werte
erhalten, wie nach Durchsicht der oben angeführten Gleichungen verständlich wird,
wobei angemerkt sei, dass ein einzelnes Blatt dem w-Vektor entspricht,
der einen einzigen Wert ungleich null besitzt. Dieser Prozess kann
für jeden
Gantry-Winkel θ wiederholt
werden, so dass eine Anzahl von Matrizen dijθ gefunden
werden kann, deren Inverse zu verschiedenen Zeiten während der
Strahlentherapie zur Anwendung auf die Empfangssignale Si(t, θ)
entsprechend dem bestimmten Gantry-Winkel θ, bei dem die Signale empfangen
werden, verwendet werden können.
Die Matrix von dijθ-Werten steht sowohl
mit den Dämpfungseigenschaften
des Patienten 17, auf die oben mit Bezug auf 4 hingewiesen
worden ist, als auch mit der Wechselwirkung zwischen den Strahlen
und den Detektorelementen, auf die oben mit Bezug auf 5 hingewiesen
worden ist, in Einklang. Vorläufige
Untersuchungen haben gezeigt, dass nur drei Impulse des Linearbeschleunigers
benötigt
werden, um dij zu messen.
-
Um
dann auf 8 Bezug zu nehmen, kann eine
Strahlentherapiesitzung mit dem Empfang eines Behandlungssinogramms 70 beginnen,
wie durch den gleich nummerierten Prozessblock 70 angegeben
wird. Zur selben Zeit kann ein Tomogramm 72 des Patienten
aufgenommen werden, wie durch den gleich nummerierten Prozessblock 72 angegeben
wird, wobei wie oben beschrieben die Detektorgruppe 50 und
eine Röntgenstrahlenquelle 46 verwendet
werden.
-
Das
Tomogramm kann dazu verwendet werden, den Patienten 17 an
der Strahlentherapiemaschine richtig einzurichten, wie durch den
Prozessblock 74 angegeben wird, indem der Patient 17 entweder
auf einem Tragtisch oder dergleichen verlagert wird oder das Behandlungssinogramm 70 so
modifiziert wird, dass es dem verlagerten Patienten entspricht.
-
Typischerweise
führt ein
Behandlungssinogramm 70 dazu, dass bestimmte Blätter 30 bei
bestimmten Winkeln θ nicht
geöffnet
sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird nur für
jene Blätter,
die geöffnet sind,
eine Messung von dij-Werten vorgenommen,
wie durch den Prozessblock 76 angegeben wird. Wie oben beschrieben
worden ist, werden die Blätter,
die während
der Behandlung geöffnet
werden, jeweils einzeln geöffnet,
was Spaltenmesswerte der obigen Matrix ⌊d ij(t)⌋ ergibt.
-
Wie
durch den zu dem Prozessblock 76 parallelen Prozessblock 78 angegeben
wird, können
bei jenen Blätter,
die während
der Therapie nicht geöffnet
werden und für
die dennoch ein dij-Wert gewünscht wird, dij-Werte
geschätzt
oder modelliert werden, indem entweder vergleichbare dij-Werte verwendet werden,
die mit einem anstelle des Patienten 17 positionierten
Phantom, beispielsweise einem Wasserphantom, das eine mittlere Dämpfungseigenschaft
des Patienten repräsentiert,
erhalten werden, oder indem Gebrauch von den Informationen, die
aus dem Tomogramm 72 abgeleitet werden, gemacht wird. Solche
dij-Werte können zur Überwachung der normalerweise
geschlossenen Blätter 30 gegen
ein mögliches
zufälliges Öffnen verwendet
werden. Schätzungen
dieser Art können
auch erlangt werden, um die zum Erhalten der dij-Werte
erforderliche Zeit zu verkürzen
oder um die Strahlendosis für
den Patienten 17 zu verkleinern.
-
Im
Fall der Verwendung eines Phantoms zum Modellieren des Patienten 17 erfordert
dies einfach die Ausführung
der Schritte des Öffnens
einzelner Blätter
durch den Prozessblock 76, jedoch stattdessen mit einem
Phantom, und das Speichern jener Werte für eine spätere Verwendung. Das reine
Modellieren kann durch Anwendung von Monte Carlo oder anderer Techniken
auf einen Standardpatienten oder die erfassten Daten des Tomogramms 72 erfolgen.
-
In
dem darauf folgenden Prozessblock 80 wird die Matrix ⌊d ij(t)⌋ invertiert,
um sie beim Überwachen des
Betriebs des Verschlusssystems 22 zu verwenden. In einem
optionalen Prozessblock 82 kann die dem Patienten 17 verabreichte
Strahlendosis in dem Prozess der Messung von dij-Werten
durch den Prozessblock 76 von dem Behandlungssinogramm 70 subtrahiert
werden, um zu keiner Zunahme der Strahlendosis für den Patienten als Folge dieses
Prozesses zu führen.
Die Verwendung der Modellierung des Prozessblocks 78 für Blätter, die
normalerweise nicht geöffnet
werden, fördert
diese Fähigkeit
zur Vermeidung einer Zusatzdosis.
-
Im
Prozessblock 84 wird die Strahlentherapiebehandlung erbracht,
wobei die Signale Si(t) von dem nachgeschalteten
Patientenbestrahlungsdetektor 53 bei jedem Gantry-Winkel θ, auf die
eine entsprechend dem Gantry-Winkel θ gewählte invertierte
Matrix [d ij(t)]–1 angewandt
wird, überwacht
werden. Der Dunkelstrom kann von den Signalen Si(t)
subtrahiert werden, bevor diese weiter verarbeitet werden.
-
Im
Prozessblock 86 wird dieser Teilchenfluss w(t) unter Verwendung
der invertierten Matrizen [d ij(t)]–1 berechnet, während im
Prozessblock 88 der berechnete Teilchenfluss mit dem Teilchenfluss,
der durch das möglicherweise
durch den Prozessblock 82 modifizierte Behandlungssinogramm 70 vorgeschrieben
wird, verglichen wird.
-
Im
Prozessblock 90 wird die Strahlendosis, die dem Patienten 17 verabreicht
wird, anhand des gemessenen Teilchenflusses, der im Prozessblock 86 bestimmt
wird, berechnet. Wenn der gemessene Teilchenfluss kleiner als jener
ist, der durch das Behandlungssinogramm 70 angenommen wird,
können
im Prozessblock 92 spätere
Stufen (Gantry-Winkel θ) der Behandlung
korrigiert werden oder im Fall, dass das Behandlungssinogramm in
mehreren Sitzungen geliefert wird, spätere Sitzungen des Behandlungssinogramms
kompensiert werden, um eine zu kleine Bemessung oder eine zu große Bemessung
der Strahlendosis zu korrigieren.
-
Wenn
ein stetiger Fehler in dem Teilchenfluss vorkommt, kann eine Alarmausgabe
an die Bedienungsperson vorgesehen sein, wie im Prozessblock 94 angegeben
wird, was ein Problem mit einem oder mehreren Blättern 30 anzeigt. Ähnlicherweise
kann die korrekte Funktion von Blättern nach Trends, die auf
einen möglichen
Fehler hinweisen, überwacht
werden, wobei die Erfassung dieser Trends ebenfalls zu einem Alarmzustand
führen
können.
-
Im
Prozessblock 96 wird der Strahlungsbehandlungsplan fortgesetzt,
wobei der Prozess in einer Schleife zum Prozessblock 84 zurückkehren
kann.
-
Um
nun auf 9 Bezug zu nehmen, kann die
Annahme der Linearität
in dem Betrieb der Blätter 30 durch
einen Zungen- und Rillen/Halbschatteneffekt (tongue and groove/penumbra
(TAG-P) effect) der Blätter 30 beeinträchtigt werden.
Wenn sich ein gegebenes Blatt 30 in einer geschlossenen
Position befindet, liegt ein Signal, das längs einer Mittelachse des Blatts
empfangen wird, auf einem ersten niedrigen Wert 100, der
der Leckage durch das Blatt 30, der Streuung (in erster
Linie von primären
Kollisionen) und dem Dunkelstrom von dem nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektor 53 entspricht.
An den Rändern
des Strahls 28 steigt das Signal als Ergebnis einer größeren Leckage
durch die Ränder
des Blatts 30, die eine Rille für die Unterstützung des
Blatts 30 (an einer entsprechenden befestigten Führungszunge 36,
oben beschrieben) enthalten, und infolge der Halbschatteneffekte,
die Fachleuten auf dem Gebiet der Optik wohlbekannt sind, jedoch
auf einen höheren
Pegel 102 an. Daraus folgt, dass es nicht zu einem Energiefluenzbetrag
durch ein Blatt zu einer Zeit, sondern zu einem solchen durch mehrere
Blätter
gleichzeitig gleichwertig ist.
-
Diese
Abweichung von der Linearität
kann durch empirische Messwerte, die an einem Phantom oder dergleichen
erfasst worden sind, ausgeglichen und korrigiert werden, wobei die
Messung bei Blättern,
die alle geöffnet
sind, gegenüber
einem Blatt zu einer Zeit bewertet wird, um die Detektorelemente
des nachgeschalteten Patientenbestrahlungsdetektors 53 an
den Grenzflächen
zwischen Blättern 30,
die folglich am empfänglichsten
für den
Halbschatteneffekt sind, zu identifizieren. Diese Messung kann außerdem ein
Verhältnis
bestimmen, in dem das Signal 102 das Signal 100 überschreitet.
Diese Korrektur kann ebenfalls durch Modellieren erhalten werden,
wobei die Korrektur iterativ sein kann. Außerdem können während des Einrichtens des Patienten
erhaltene Informationen oder das CT-Scan verwendet werden, um diesen
Nichtlinearitäten
Rechnung zu tragen.
-
Im
Prozessblock 86 kann der gemessene Teilchenfluss dazu verwendet
werden, ein grobes Maß darüber, welche
Blätter 30 geöffnet und
welche geschlossen sind, liefern, wobei auf der Grundlage dieser
Bestimmung das Verhältnis
auf die Signale Si(t) der relevanten Detektoren,
die als TAG-P-Effekten
unterworfen erkannt worden sind, angewandt werden kann, wenn die
räumliche
Auflösung
der Detektorelemente viel feiner ist als jene, die sich durch die
Blätter 30 ergibt.
-
Durch
TAG-P verursachte Effekte höherer
Ordnung können
durch eine komplexere Erfassung der dij-Matrix
korrigiert werden. Um auf 7 Bezug
zu nehmen, können
einzelne Blätter 30 zusammen
mit Kombinationen ihrer Nachbarblätter 30 erregt werden,
um so eine vollständigere
Datenbank zu erzeugen, die die Wechselwirkung zwischen Blättern 30 auf
die erfassten Signale widerspiegelt. Die Informationen dieser Datenbank
können
wiederum angewandt werden, indem eine anfängliche Bestimmung darüber, welche
Blätter
geöffnet
und welche geschlossen sind, unter Vernachlässigung der TAG-P-Effekte vorgenommen
wird und dann die geeignete dij-Matrix,
die jenem bekannten Zustand entspricht, angewandt wird.
-
Die
Leckage und die Übertragung
sind in der im Prozessblock 76 durchgeführten Messung implizit enthalten.
Jedoch ist dies eine Überkorrektur,
wenn alle Blätter
geöffnet
sind und keine Leckage oder Übertragung zu
berücksichtigen
ist. Eine derartige Korrektur kann den Wert von Si(t)
so gewichten, dass er abnimmt, wenn mehr Blätter geöffnet werden. Eine einfache
Korrektur ist das Subtrahieren des der Leckage und der Übertragung
entsprechenden Werts von den verschiedenen Spalten.
-
Um
nun auf 10 Bezug zu nehmen, kann die
Erlangung des Messwerts für ⌊d ij(t)⌋ im
Prozessblock 76 beschleunigt werden, indem mehrere Verschlüsse für Strahlen 28 so
weit in einen Abstand voneinander geöffnet werden, dass sie sich
nicht merklich überlappen.
Wie in 10 gezeigt ist, wird jedes dritte
Blatt geöffnet,
um die Gesamtzeitspanne, die erforderlich ist, um ⌊d ij(t)⌋ zu
erfassen, zu reduzieren. Im Allgemeinen können weitere Steigerungen hinsichtlich
der Erfassungszeit dadurch erreicht werden, dass weniger aktuelle Messungen
von Blättern
durchgeführt
werden und eine größere Anzahl
von Blättern
geschätzt
wird, möglicherweise
auf der Grundlage von gemessenen Blättern. Benachbarte Blätter können ebenfalls
gleichzeitig geöffnet werden,
wobei die Überlappung
durch Entfaltung mittels Modellierung korrigiert werden kann.
-
Die
obige Beschreibung gilt für
Systeme, bei denen die Gantry unter einer Folge diskreter Gantry-Winkel θ um den
Patienten positioniert wird (oder bei denen die Gantry-Position
durch diskrete Gantry-Winkel angenähert werden kann), während die
Behandlung durchgeführt
wird, was somit zu einer begrenzten Anzahl diskreter Matrizen dijθ führt. Jedoch
wird wohlgemerkt vorgezogen, für
eine kontinuierliche Gantry-Bewegung ohne kontinuierliche Bewegung
des Patienten durch die Gantry oder mit einer solchen zu sorgen,
wobei die Letztere ein schraubenlinienförmiges Abtastmuster ergibt.
In diesem Fall können
die dijθ Mittelpositionen
innerhalb einer Spanweite von Winkeln Δθ und Orte z bezüglich des
Patienten oder Mittelwerte von mehreren Messwerten innerhalb jener
Spannweite Δθ repräsentieren.
-
Die
obige Beschreibung war jene für
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; Fachleuten werden viele Modifikationen
einfallen, die vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
abzuweichen. Um die Öffentlichkeit über die
verschiedenen Ausführungsformen,
die in den Umfang der Erfindung fallen können, in Kenntnis zu setzen,
sind die folgenden Ansprüche
erstellt worden.
