WO1996024859A1

WO1996024859A1 - Messverfahren und sensor zur on-line in-vivo bestimmung der gewebeäquivalenten dosis bei der strahlentherapie

Info

Publication number: WO1996024859A1
Application number: PCT/DE1996/000174
Authority: WO
Inventors: Friedrich-Wolfgang HÄSING; Harald BÜKER
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 1995-02-06
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 1996-08-15
Also published as: JPH10513559A; DE19503647C2; US5938605A; DE19503647A1; ATE200584T1; EP0808464B1; DE59606771D1; EP0808464A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie. Zunächst wird die Strahlendosis verfahrensgemäß an einem Ort durch zumindest zwei Sensoren i und j gemessen. Die Sensoren sind dabei so gewählt, daß die zugehörigen Meßsignale Si und Sj eine voneinander abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen. Es wird hieraus ein dosisunabhängiger Quotient Qij = Si / Sj gebildet. Aus diesem dosisunabhängigen Wert wird dann die gewebeäquivalente Dosis D berechnet. Vorteile des Verfahrens sind: Das Material des Sensors muß nicht auf das Gewebe abgestimmt sein und kann daher frei gewählt werden. Die gewebeäquivalente Dosis wird sehr genau ermittelt. Die Meßeinrichtung weist drei parallel sowie äquidistant in einer Ebene angeordnete faseroptische Sensoren auf. Die äußeren Sensoren sind identisch. Sie unterscheiden sich vom mittleren durch eine abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung.

Description

B e s c h r e i b u n g

Meßverfahren und Sensor zur on-line in-vivo Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur in- vivo und on line-Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, eine annähernd gewebeäquivalente in-vivo-Messung einer Dosis mit miniaturisierten Thermolumineszenz-Dosimetem in einigen Anwendungsfallen durchzuführen. Nachteilig ist jedoch die Beschränkung auf bestimmte Anwendungsfalle. Ferner steht das Meßergebnis erst nach aufwendiger Auswertung des Thermolumineszenez-Dosimeters frühestens eine Stunde nach Beendigung der Bestrahlung zur Verfugung.

Des weiteren gibt es zahlreiche Vorschläge und Versuche, die Dosis faseroptisch oder mit Halbleiterdosimetem 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. 19-429(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 eines Meßverfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur on-line und in-vivo- Bestimmung der gewebeäquivalenten Dosis bei der Strahlentherapie zu überwinden. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost

Im einzelnen kann das Verfahren nach Anspruch 1 wie folgt durchgeführt werden- Zunächst wird die Strahlendosis an einem Ort durch zumindest zwei Sensoren gemessen wird Die Sensoren sind so zu wählen, daß sich innerhalb des Meßbereiches die Strahlendosis proportional zum Meßsignal ändert. Ausreichend ist dabei eine durch eine Ausgleichsrechnung erzielte Proportionalitat zwischen Meßsignal und Strahlendosis

Mindestens zwei Meßsignale Sj und S; der eingesetzten Sensoren ι und i müssen eine voneinander abweichende Energieabhangigkeit der Nachwetsempfindlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen. Eine solche unterschiedliche Abhängigkeit ist bei optischen Sensoren mit unterschiedlichen effektiven Ordnungszahlen Z_e f gegeben. Die unterschiedliche Anzeige kann jedoch auch durch eine unterschiedliche Abschirmung der Sensoren bewirkt sein

Es wird zumindest ein Quotienten Qjj = SJ / SJ zweier gemessener Signale S_j und Sj dieser

Sensoren i und j gebildet. Ein Signal Sj bzw. Sj 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 o weiteren Auswertung verwendet wird. Alternativ zur einfachen Quotientenbildung kann daher auch mit Quotienten wie (Sj - S;)/(Sj + Sj) oder deren Kehrwerten fortgesetzt werden Im folgenden wird die einfache Quotientenbildung QJ; herangezogen

Ferner sind die zu den berechneten Quotienten Qjj gehörigen effektiven Gewebetiefen d_g zu 5 ermitteln. Dies geschieht anhand von Eichtabellen oder Eichkurven. Die benötigten Daten zur

Erstellung dieser Tabellen bzw. Kurven sind durch Eichmessuπgen einer Dosisverteilung in Abhängigkeit von der geometrischen Tiefe dg 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 geometrischen Tiefe während der Messung o grundsätzlich von der Tiefe während der Eichmessung abweicht

Aus den ermittelten effektiven Gewebetiefen dg sind die von d„ abhangigen Kalibrierfaktoren K_j(dg) und Kj(dg) der Sensoren Sj und Sj zu bestimmen. Die Kalibrierfaktoren können experimentell im Phantom gegen eine Ionisationskammer gemäß Sj(dg) = Kj(dg)* D 5 tiefenabhangig bestimmt werden.

berechnet, wobei N die Anzahl der Kalibrierfakt oreπ darstellt.

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

Das Verfahren gemäß ruckbezogenem Verfahrensanspruch stellt eine vorteilhafte Ausführungsform dar. Wird ein Signal S] 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

Eine Meßeinrichtung zur verfahrensgemäßen Bestimmung einer gewebe quivalenten Strahlendosis weist mindestens zwei Sensoren auf, die eine voneinander abweichende Energieabhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen.

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 3929294 AI oder DE 32 34 900 AI . Unter mikrooptischem Sensor ist ein Sensor mit einem Durchmesser kleiner als l mm zu verstehen.

Beispiel für eine derartige Änderung ist die Änderung einer optischen Eigenschaft, wie induzierte Dämpfung, Szintillation oder Fluoreszenz, bekannt aus DE 3929294 AI. Gemäß DE 3929294 AI 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 andern. 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 ist die Meßeinrichtung rotationssymmetrisch bezuglich ihrer Sensoren aufgebaut und besteht aus mindestens drei Sensoren, von denen mindestens zwei die gleiche Energieabhangigkeit der Nachweisempfindlichkeit für ionisierende Strahlung zeigen

Sind zwei Sensoren baugleich, z B optische Sensoren mit gleicher effektiver Ordnungszahl, so zeigen die Sensoren eine gleiche Energieabhangigkeit der Nachweisempfmdlichkeit 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 Autbaus 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 szintillierendem und einem die strahlungsinduzierte Dampfung messenden faseroptischen Sensor Fig 4: drei strahlungsempfindliche Sensoren in einem mehrlumigen Katheter

Fig. 5 a, 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

Figur 1 zeigt einen rotationssymmetrischen Aufbau mit drei strahlungsempfindlichen Sensorfasem 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 - Fasem mit hoher numerischer Appertur) in einer gemeinsamen Ummantelung 5, gekoppelt.

Die Sensorfasern 1 und 3 sind Ge-P dotierte Gradienten-Index-Fasem (Germanium ungefähr 26 Gew%, Phosphor ungefähr 4 Gew%), die an den handelsüblichen, strahlungsharten Nachrichtenfasern 6 und 7 (z B AT&T-Rad Hard 3A) angespleißt sind Die Sensorfasern 1, 2 und 3 sind im planaren Substrat 8 rotationssymmetrisch zur Langsachse 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 Ubertragungsfaser eingesetzt, um störende Fresnel-Reflexionen beim Auslesen der strahlungsinduzierten Lichtschwachung zu vermeiden Die rotationssymmetrische Anordnung der Sensoren bewirkt eine Unempfindliclikeit der Meßeinrichtung gegenüber einer Rotation um die Langsachse des mittleren Sensors 2 im Strahlungsfeld. Die Verwendung zweier Germanium-Phosphor-Sensoren verbessert zudem das Signal-Rauschverhaltnis des Meßsignals beim Auslesen der Germanium-Phosphor-Sensoren 1 und 3

Werden die Sensorfasern 1,2 und 3 bestrahlt, so nimmt die Lichtdampfung 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 Übertragungsleitem) verdeutlicht Die Elektronik registriert die Änderung der Dampfung 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 1 1 dient gleichzeitig als Tragerelement 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. 5 a, 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. 5 b) dargestellt. Die Ge-P-dotieπen 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 AI-Spiegel 23 dient wie erläutert der Lichtreflexion.

Mit allen dargestellten Sensoren kann das Verfahren gemäß Anspruch 1 durchgeführt werden. 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.

Fig. 6 zeigt die effektive Gewebetiefe dg in Abhängigkeit von dem Quotienten Q_]2 der beiden Dosisanzeigen S\ und S2, wenn der Doppelsensor im Dosismaximum der Tiefendosisverteilung kalibriert wurde. Das eine Signal S] 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 Kj(dg) 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 verfahrensgemäß ermittelte Ergebnis dar. Ein Vergleich der ermittelten Werte 29 mit der , mittels durchgezogener Linie 30 dargestellten Dosisanzeige einer Ionisationskammer zeigt, daß das Verfahren ein nahezu gewebeäquivalentes Ergebnis liefert und insbesondere genauer als das durch den PbO-Sensor gemessene Resultat ist.

Claims

Patentansprüche

1 Verfahren zur in-vivo und on-line Bestimmung der gewebeaquivalenten Dosis bei der

Strahlentherapie, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlung durch zumindest zwei Sensoren (1,2), welche eine voneinander abweichende Energieabhangigkeit der Nachweisempfindlichkeit (27, 28) für ionisierende Strahlung zeigen, gemessen wird, zumindest ein Quotient (S] geteilt durch S?) aus den durch die zwei Sensoren (1.2) ermittelten Meßsignalen S] und S? gebildet wird und unter Verwendung des bzw der

Quotienten die gewebeaquivalente Dosis ermittelt wird

2. Verfahren nach vorhergehendem Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis gleichzeitig durch mindestens zwei mikro- bzw. faseroptische, an demselben Ort im Gewebe liegende Sensoren (1,2), die eine unterschiedliche effektive Ordnungszahl haben, deren optische Eigenschaften durch ionisierende Strahlung verändert werden und die faseroptisch ausgelesen werden, gemessen wird, aus den durch die Sensoren (1,2) gemessenen Signalen (Sj, S2) der Quotient Q12 ⁼

S_]/S2 gebildet wird, die zum Quotienten gehörige effektive Gewebetiefe (d„) anhand einer Eichkurve bestimmt wird, die von der effektiven Gewebetiefe d abhangigen Kalibrierfaktoren K] (dg) und K2(d„) experimentell ermittelt werden und hieraus die gewebeaquivalente Dosis D gemäß

berechnet wird.

3. Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Strahlendosis mittels Sensoren, deren Meßsignale sich in Abhän¬ gigkeit von der Strahlendosis ändern, 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.