DE69929628T2

DE69929628T2 - Verfahren und system zur prädiktiven steuerung von strahlentherapie

Info

Publication number: DE69929628T2
Application number: DE69929628T
Authority: DE
Inventors: Hassan Los Altos MOSTAFAVI
Original assignee: Varian Medical Systems Technologies Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Technologies Inc
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2019-10-23
Also published as: EP1123137B1; AU1228600A; KR20010083921A; US20060004547A1; DE69929628D1; EP1123137A1; CA2348091A1; US7191100B2; AU771038B2; JP4391023B2; US6959266B1; WO2000024466A1; ATE316403T1; US6621889B1; JP2002528193A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine physiologische Gating-Steuerung von Strahlentherapie.
Hintergrund
Strahlentherapie umfasst medizinische Behandlungsmethoden, die selektiv bestimmte Bereiche eines menschlichen Körpers, wie zum Beispiel karzinomatöse Tumore, hohen Strahlungsdosen aussetzen. Die Absicht der Strahlentherapie ist, das abgezielte biologische Gewebe derart zu bestrahlen, dass das schädliche Gewebe zerstört wird. Bei bestimmten Arten von Strahlentherapie kann das Bestrahlungsvolumen auf die Größe und die Form des Tumors oder des abgezielten Gewebebereichs beschränkt werden, um das Zufügen eines unnötigen Strahlenschadens an gesundem Gewebe zu vermeiden. Zum Beispiel ist die Konformationstherapie eine Strahlentherapie, die häufig eingesetzt wird, um die Dosisverteilung durch genaueres Anpassen des Behandlungsvolumens an den abgezielten Tumor zu optimieren.
Eine normale physiologische Bewegung stellt eine Begrenzung bei der klinischen Planung und Lieferung der herkömmlichen Strahlentherapie und der Konformationstherapie dar. Eine normale physiologische Bewegung, wie zum Beispiel Atmung oder Bewegung des Herzens, kann eine Positionsverschiebung des Tumors oder des der Bestrahlung ausgesetzten Gewebebereichs hervorrufen. Wenn der Bestrahlungsstrahl geformt wurde, um das Behandlungsvolumen an die exakte Ausdehnung eines Tumors anzupassen, dann könnte eine Bewegung dieses Tumors während der Behandlung zu dem Bestrahlungsstrahl führen, der nicht ausreichend in der Größe festgelegt oder geformt ist, um das abgezielte Tumorgewebe vollständig zu erfassen.
Ein Ansatz zu diesem Problem (z.B. US-A-5727554, US-A-5538494) weist die physiologische Gating-Steuerung des Bestrahlungsstrahls während der Behandlung anhand des Gating-Steuersignals auf, das mit der Bewegung des Körpers des Patienten synchronisiert ist. Bei diesem Ansatz werden Messgeräte verwendet, um den physiologischen Zustand und/oder die physiologische Bewegung des Patienten zu messen. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass die Atmung Verschiebungen in der Position eines Lungentumors im Körper eines Patienten bewirkt. Wenn Strahlentherapie auf den Lungentumor angewendet wird, dann können ein Temperatursensor, ein Dehnmessstreifen, ein Pneumotachograph oder ein optisches bildgebendes System verwendet werden, um den Atemzyklus des Patienten zu messen. Diese Messgeräte können ein Signal erzeugen, das für die Bewegung des Patienten während des Atemzyklus indikativ ist. Der Bestrahlungsstrahl kann basierend auf bestimmten Schwellwert-Amplitudenpegeln des gemessenen Atemsignals gating-gesteuert werden, so dass der Bestrahlungsstrahl während bestimmter Zeitpunkte in dem Atemsignal, die mit einer übermäßigen Bewegung des Lungentumors korrespondieren, ausgeschaltet oder gestoppt wird.
Bekannte Ansätze für die physiologische Gating-Steuerung der Strahlentherapie sind reaktiv, das heißt, bekannte Ansätze verwenden Gating-Steuerungsverfahren, die sklavisch auf gemessene Pegel physiologischer Bewegungen reagieren. Ein Nachteil bei reaktiven Gating-Steuerungssystemen ist, dass die gemessene physiologische Bewegung eine Bewegung umfassen kann, die, wenn sie mit den effektiven Arbeitsgeschwindigkeiten von Komponenten des Gating-Steuerungssystems verglichen wird, relativ schnell ist. Daher kann es sein, dass ein reines reaktives Gating-Steuerungssystem nicht in der Lage ist, schnell genug zu reagieren, um die verabreichte Strahlung wirksam zu gating-steuern. Zum Beispiel kann das Gating-Steuerungssystem einen Schalter zum Gating-Steuern der Bestrahlungsbehandlung aufweisen, bei der der Schalter eine bestimmte Zeitperiode Δt benötigt, um vollständig einzuschalten. Wenn die Schaltzeitperiode Δt im Vergleich zu dem gemessenen physiologischen Bewegungszyklus relativ langsam ist, dann kann es sein, dass ein System, das solch einen Schalter in einer reaktiven Weise einsetzt, nicht in der Lage ist, die Applikation von Strahlung zu geeigneten Zeitpunkten während der Strahlentherapie zu gating-steuern.
Deshalb besteht ein Bedürfnis nach einem System, um diese und andere Probleme des Standes der Technik anzugehen. Es besteht ein Bedürfnis nach einem System für eine physiologische Gating-Steuerung, welches nicht rein reaktiv ist, um physiologische Bewegungssignale zu messen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes System zur physiologischen Gating-Steuerung für die Strahlentherapie bereit. Gemäß einem Aspekt weist die Erfindung ein System zum Erfassen und vorhersagbarem Abschätzen regulärer Zyklen physiologischer Aktivität oder physiologischer Bewegungen auf. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf die prädiktive Betätigung von Komponenten des Gating-Steuerungssystems gerichtet. Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf die physiologische Gating-Steuerung der Bestrahlungsbehandlung basierend auf der Phase der physiologischen Aktivität gerichtet.
Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen beschrieben.
Diese und andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen werden einbezogen, um für ein weiteres Verständnis der Erfindung zu sorgen und zusammen mit der ausführlichen Beschreibung dazu zu dienen, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
1 stellt die Komponenten eines Systems zur physiologischen Gating-Steuerung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
2 stellt ein Beispiel eines Diagramms eines Atembewegungssignals dar.
3 stellt ein Diagramm eines Bewegungssignals und ein Diagramm eines Gating-Steuersignals dar.
4 ist ein Flussdiagramm, das Verfahrensvorgänge zeigt, die in einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden.
5 ist ein Flussdiagramm, das Verfahrensvorgänge zum Erfassen und Vorhersagen einer Abschätzung von regulären physiologischen Bewegungen zeigt.
6a stellt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Kamera dar, die in der Erfindung eingesetzt werden kann.
6b stellt eine Vorderansicht der Kamera von 6a dar.
7a stellt einen retroreflektierenden Marker gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
7b stellt eine Querschnittsansicht des retroreflektierenden Markers von 7a dar.
8 stellt eine Vorrichtung zum Herstellen eines retroreflektierenden Markers dar.
9 stellt ein Phasendiagramm dar, das mit einem Diagramm eines Gating-Steuersignals synchronisiert ist.
10 stellt eine Ausführungsform eines Halbkugel-Markerblocks dar.
11 stellt eine Ausführungsform eines zylindrischen Markerblocks dar.
12 ist ein Schema eines Computer-Hardwaresystems, mit welchem die vorliegende Erfindung implementiert sein kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Erfassen und prädiktive Abschätzen regulärer Zyklen einer physiologischen Aktivität oder Bewegung auf. Die Erfindung kann für jede reguläre physiologische Aktivität, einschließlich zum Beispiel die Atem- oder Herzzyklen, angewendet werden.
Beim Betrieb werden ein oder mehrere Datensätze, die für die interessierende physiologische Aktivität repräsentativ sind, für den Patienten erfasst. Beispielsweise kann ein Elektrokardiograph eingesetzt werden, um Daten zu erzeugen, die für den Herzzyklus repräsentativ sind. Um Daten zu erzeugen, die für den Atemzyklus repräsentativ sind, können ein Temperatursensor, ein Dehnmessstreifen oder ein Pneumotachograph eingesetzt werden. Andere Messgeräte oder Einrichtungen können eingesetzt werden, um Datensätze zu erhalten, die für die physiologische Aktivität oder die physiologischen Bewegungen repräsentativ sind.
1 stellt die Komponenten einer Ausführungsform eines Systems 100 zur physiologischen Gating-Steuerung von Strahlentherapie dar, bei welchem Daten, die für die physiologische Aktivität repräsentativ sind, mit einer optischen bildgebenden Vorrichtung erfasst werden. Das System 100 weist eine Bestrahlungsstrahlquelle 102 (wie zum Beispiel einen konventionellen Linearbeschleuniger) auf, welcher die Lage betreffend konfiguriert ist, einen Bestrahlungsstahl auf einen Patienten 106 zu richten, der sich auf einem Behandlungstisch 104 befindet. Ein Schalter 116 ist wirksam mit der Bestrahlungsstrahlquelle 102 gekoppelt. Der Schalter 116 kann betätigt werden, um die Applikation des Bestrahlungsstrahls am Patienten 106 zu unterbrechen. In einer Ausführungsform ist der Schalter 116 Teil der mechanischen und elektrischen Struktur der Bestrahlungsstrahlquelle 102. Alternativ weist der Schalter 116 eine externe Vorrichtung auf, die mit der Steuerelektronik der Bestrahlungsstrahlquelle 102 verbunden ist.
Eine optische oder Video-Bildgebungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine Videokamera 108, ist derart gerichtet, dass sich zumindest ein Teil des Patienten 106 innerhalb des Sehfeldes der Kamera befindet. Die Kamera 108 überwacht den Patienten 106 auf die Bewegung hin, die mit der bestimmten physiologischen Aktivität zusammenhängt, die gemessen wird. Wenn beispielsweise Atembewegungen des Patienten überwacht werden, dann kann die Kamera 108 konfiguriert sein, die Bewegung des Brustkorbs des Patienten zu überwachen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Kamera 108 mit ihrer Achse etwa 45 Grad zu der Längsachse des Patienten 106 angeordnet. Zur Messung der Atemaktivität, die zu etwa 3–5 mm Brustkorbbewegung führen könnte, ist das Sehfeld des Videobildes vorzugsweise eingestellt, dass es einen Bereich von etwa 20 cm mal 20 cm des Brustkorbes des Patienten sieht. Nur aus Gründen der Darstellung ist in 1 eine einzelne Kamera 108 gezeigt. Jedoch kann die Anzahl der eingesetzten Kameras 108 diese Zahl übersteigen, und die genaue zu verwendende Anzahl hängt von der jeweiligen Anwendung ab, auf welche sie gerichtet ist.
In einer Ausführungsform projizieren eine oder mehrere Beleuchtungsquellen (welche in der bevorzugten Ausführungsform Infrarotquellen sind) Licht auf den Patienten 106 auf dem Behandlungstisch 104. Das erzeugte Licht wird von einem oder mehreren Festpunkten auf dem Körper des Patienten reflektiert. Die Kamera 108, welche auf den Patienten 106 gerichtet ist, fängt das von dem einen oder den mehreren Festpunkten reflektierte Licht ein und erfasst es. Die Festpunkte werden basierend auf der physiologischen Aktivität ausgewählt, die untersucht wird. Beispielsweise werden für Atemmessungen Festpunkte von einer oder mehreren Stellen an der Brust des Patienten ausgewählt.
Die Ausgangssignale der Kamera 108 werden zu einem Computer 110 oder einer anderen Art von Verarbeitungseinheit gesendet, die in der Lage ist, Videobilder zu empfangen. Gemäß einer speziellen Ausführungsform weist der Computer 110 einen Microsoft Windows NT ausführenden Intel-Pentium-basierten Prozessor auf und weist eine Video-Framegrabberkarte mit einem separaten Kanal für jede in dem System verwendete Videoquelle auf. Die durch die Kamera 108 aufgezeichneten Bilder werden zu dem Computer 110 zur Verarbeitung gesendet. Wenn die Kamera 108 eine Analogausgabe erzeugt, wandelt der Framegrabber vor der Verarbeitung durch den Computer 110 die Kamerasignale in ein digitales Signal um. Basierend auf den von dem Computer 110 empfangenen Videosignalen können Steuersignale von dem Computer 110 gesendet werden, um den Schalter 116 zu betätigen.
Gemäß einer Ausführungsform sind ein oder mehrere passive Marker 114 an dem Patienten in dem Bereich angeordnet, der auf eine Bewegung hin zu erfassen ist. Jeder Marker 114 weist vorzugsweise ein reflektierendes oder retroreflektierendes Material auf, das Licht reflektieren kann, ob bei sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängen. Wenn die Beleuchtungsquelle örtlich gemeinsam mit der Kamera 108 angeordnet ist, dann weist der Marker 114 vorzugsweise ein retroreflektierendes Material auf, das Licht größtenteils in die Richtung der Beleuchtungsquelle reflektiert. Alternativ weist jeder Marker 114 seine eigene Lichtquelle auf. Der Marker 114 wird anstelle von oder in Verbindung mit physischen Festpunkten am Körper des Patienten verwendet, der durch die Kamera 108 abgebildet wird, um die Bewegung des Patienten zu erfassen. Vorzugsweise werden Marker 114 anstelle von Körperfestpunkten verwendet, weil solche Marker 114 leichter über das durch die Kamera 108 erzeugte Videobild zu erkennen und zu verfolgen sind. Wegen der reflektierenden oder retroreflektierenden Eigenschaften der bevorzugten Marker 114 liefern die Marker 114 einer Lichterfassungsvorrichtung, wie zum Beispiel der Kamera 108, inhärent einen größeren Kontrast in einem Videobild, insbesondere wenn die Kamera 108 und die Beleuchtungsquelle örtlich gemeinsam angeordnet sind.
Das Verwenden eines video- oder optisch basierten Systems, um die Bewegung des Patienten zu verfolgen, bietet verschiedene Vorteile. Erstens bietet ein video- oder optisch basiertes System einen zuverlässigen Mechanismus zum Wiederholen von Messergebnissen zwischen Anwendungen an einem bestimmten Patienten. Zweitens ist die Erfindung nicht invasiv, und sogar wenn Marker verwendet werden, müssen keine Kabel oder Verbindungen zu dem Patienten hergestellt werden. Darüber hinaus kann, wenn die Verwendung von Markern unpraktisch ist, das System noch ohne Marker durch Durchführen von Messungen der physiologischen Aktivität verwendet werden, die in ausgewählten Körperfestpunkten verschlüsselt ist. Schließlich ist die Erfindung genauer, weil sie auf der Absolutmessung einer externen anatomisch-physischen Bewegung basiert.
Eine mögliche Unzulänglichkeit beim Verfolgen der Marker 114 ist, dass der Marker irgendwo in dem Video-Frame erscheinen kann und es sein kann, dass alle Bildelemente des Video-Frames geprüft werden müssen, um die Lage des Markers 114 zu bestimmen. Daher weist in einer Ausführungsform die anfängliche Bestimmung von Orten für den Marker 114 eine Prüfung aller Bildelemente in dem Video-Frame auf. Wenn der Video-Frame 640 mal 480 Bildelemente aufweist, dann werden anfänglich alle 307200 (640·480) Bildelemente geprüft, um die Lage der Marker 114 zu finden.
Zur Echtzeitverfolgung des Markers 114 könnte das Prüfen jedes Bildelements für jeden Video-Frame, um die Lage des Markers 114 in Echtzeit zu bestimmen, eine erhebliche Menge an Systemressourcen verbrauchen. Daher kann in einer Ausführungsform die Echtzeitverfolgung des Markers 114 durch Verarbeiten eines kleinen Bereichs des Video-Frames vereinfacht werden, der hier als ein "Verfolgungstor" bezeichnet wird, das basierend auf einer Abschätzung der Lage des bereits identifizierten Markers 114 in dem Video-Frame platziert wird. Die vorher bestimmte, in dem vorhergehenden Video-Frame definierte Lage eines Markers 114 wird verwendet, um einen anfänglichen Suchbereich (d.h. das Verfolgungstor) für diesen gleichen Marker in Echtzeit zu definieren. Das Vefolgungstor ist ein relativ kleiner Teilbereich des Video-Frames, der an dem vorhergehenden Ort des Markers 114 auf den Mittelpunkt eingestellt ist. Das Verfolgungstor wird nur ausgedehnt, wenn es den neuen Ort des Markers 114 nicht enthält. Man betrachte als ein Beispiel die Situation, wenn der vorher bestimmte Ort eines bestimmten Markers das Bildelement (50, 50) in einem Video-Frame ist. Wenn das Verfolgungstor auf einen 50-mal-50-Bereich des Video-Frames begrenzt ist, dann würde das Verfolgungstor für dieses Beispiel die Bildelemente umfassen, die innerhalb des Bereichs eingebunden sind, der durch die Koordinaten (25, 50), (75, 50), (50, 25) und (50, 75) definiert ist. Die anderen Teilbereiche des Video-Frames werden nur durchsucht, wenn der Marker 106 nicht innerhalb dieses Verfolgungstors gefunden wird.
Die von der Kamera 108 zu dem Computer 110 gesendeten Videobildsignale werden verwendet, um Bewegungssignale zu erzeugen und zu verfolgen, die für die Bewegung des Markers 114 und/oder der Festpunktstrukturen an dem Körper des Patienten repräsentativ sind. 2 stellt ein Beispiel eines Diagramms 200 eines Bewegungssignals für die Atembewegung dar, das Informationen bezüglich der Bewegung des Markers 114 während eines bestimmten Messzeitraums enthält. Die horizontale Achse stellt Zeitpunkte dar und die vertikale Achse stellt die relative Lage oder Bewegung des Markers 114 dar. Gemäß einer Ausführungsform weist das dargestellte Signal in 2 eine Mehrzahl von diskreten Datenpunkten auf, die entlang des Bewegungssignaldiagramms 200 eingetragen sind.
Ein wichtiger Aspekt der physiologischen Gating-Steuerung von Strahlentherapie ist die Bestimmung der Grenzen der "Behandlungsintervalle" zum Applizieren der Strahlung. Für Zwecke der Gating-Steuerung können Schwellwertpunkte über dem Amplitudenbereich des Bewegungssignals definiert werden, um die Grenzen der Behandlungsintervalle zu bestimmen. Eine Bewegung des Patienten, die aus die Grenzen der Behandlungsintervalle herausfällt, entspricht einer Bewegung, von der vorhergesagt wird, dass sie unzulässige Level der Bewegung an dem für eine Bestrahlung abgezielten Tumor oder Gewebe verursacht. Gemäß einer Ausführungsform entsprechen die Behandlungsintervalle dem Abschnitt des physiologischen Zyklus, im welchem die Bewegung des klinischen Zielvolumens minimiert ist. Andere Faktoren zum Bestimmen der Grenzen der Behandlungsintervalle umfassen das Identifizieren des Teils des Bewegungssignals, das mit der geringsten Bewegung des Zielvolumens einhergeht, oder des Teils des Bewegungssignals, das mit der größten Separation des Zielvolumens von gefährdeten Organen einhergeht. Somit kann das Bestrahlungsstrahlmuster mit der minimal möglichen Begrenzung geformt werden, um die Bewegung des Patienten zu berücksichtigen.
Die Strahlung wird nur auf den Patienten appliziert, wenn sich das Bewegungssignal innerhalb der vorgesehenen Behandlungsintervalle befindet. Mit Bezug auf 3 sind Beispiele von Behandlungsintervallen dargestellt, die durch den Signalbereich 302 indiziert sind, der über den in dem Bewegungssignaldiagramm 200 gezeigten Bewegungsdaten definiert wurde. In dem Beispiel von 3 fällt jede Bewegung der gemessenen Körperstelle, die den Wert von 0,8 übersteigt (gezeigt durch obere Grenzlinie 304) oder die sich unter den Wert von 0,0 (gezeigt durch untere Grenzlinie 304) bewegt, aus den Grenzen der Behandlungsintervalle heraus.
In 3 ist ein Beispiel eines Diagramms 300 eines Gating-Steuersignals gezeigt, das nach dem Diagramm 200 des Bewegungssignals ausgerichtet ist. Jedes Bewegungssignal, das aus dem Signalbereich 302 des Behandlungsintervalls herausfällt, führt zu einem "Strahl anhalten"-Schwellenwert 310 des Gating-Steuersignals, der die Applikation von Strahlung auf den Patienten stoppt. Jedes Bewegungssignal, das innerhalb des Signalsbereichs 302 des Behandlungsintervalls liegt, führt zu einem "Strahl ein"-Schwellenwert 312 des Gating-Steuersignals, der ermöglicht, dass Strahlung auf den Patienten appliziert wird. In einer Ausführungsform werden digitale Signale, die die in dem Bewegungssignaldiagramm 200 gezeigten Informationen repräsentieren, durch den Computer 110 verarbeitet und mit den Schwellwertpegeln des Signalbereichs 302 des Behandlungsintervalls verglichen, um die Schwellenwerte 310 und 312 des Gating-Steuersignals zu erzeugen. Alternativ können die Schwellenwerte 310 und 312 des Gating-Steuersignals durch Zuführen analoger Bewegungssignale in einen Komparator erhalten werden, damit sie mit analogen Schwellwertsignalen verglichen werden, die mit dem Signalbereich 302 des Behandlungsintervalls korrespondieren. In jedem Fall werden die Schwellenwerte 310 und 312 des Gating-Steuersignals durch den Computer 110 erzeugt und werden an den Schalter 116 angelegt, der den Betrieb der Bestrahlungsstrahlquelle 102 (1) steuert, um die Applikation eines Bestrahlungsstrahls auf den Patienten 106 zu stoppen oder zu starten.
4 ist ein Flussdiagramm der Verfahrensvorgänge, die in einer Ausführungsform ausgeführt werden. Der erste Verfahrensvorgang ist, Grenzen für die Behandlungsintervalle über dem Bereich von Bewegungssignalen zu definieren, die durch eine Kamera zu erfassen sind (402). Wie oben angegeben, korrespondiert jede Bewegung, die aus den Grenzen der Behandlungsintervalle herausfällt, mit einer Bewegung, von der vorhergesagt wird, dass sie zu unzulässigen Levels der Bewegung des für eine Bestrahlung abgezielten Tumors oder Gewebes führt. Ein optisches oder Video-Bildgebungssystem, wie zum Beispiel eine Videokamera, wird verwendet, um die physiologische Bewegung des Patienten zu messen (404), und die Ausgangssignale des optischen oder Video-Bildgebungssystems werden verarbeitet, um die gemessenen Bewegungssignale mit den Schwellwertgrenzen der Behandlungsintervalle zu vergleichen (406).
Wenn das Bewegungssignal außerhalb der Grenzen der Behandlungsintervalle liegt, dann wird ein "Strahl aus"-Schwellenwert des Gating-Steuersignals an einen Schalter angelegt, der wirksam mit der Bestrahlungsstrahlquelle gekoppelt ist (408). Wenn die Bestrahlungsstrahlquelle den Patienten derzeit bestrahlt (410), dann wird die Schalterstellung betätigt, um den Bestrahlungsstrahl anzuhalten oder zu stoppen (411). Das Verfahren kehrt dann zu dem Verfahrensvorgang 406 zurück.
Wenn das Bewegungssignal innerhalb der Grenzen der Behandlungsintervalle liegt, dann wird ein "Strahl ein"-Schwellenwert des Gating-Steuersignals erzeugt (412) und an einen Schalter angelegt, der wirksam mit der Bestrahlungsstrahlquelle gekoppelt ist. wenn die Bestrahlungsstrahlquelle derzeit nicht auf den Patienten appliziert wird (413), dann wird die Schalterstellung betätigt, um die Bestrahlungsstrahlquelle einzuschalten oder zu applizieren, um den Patienten zu bestrahlen (414). Das Verfahren kehrt dann zu dem Verfahrensvorgang 406 zurück.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Bestrahlungsstrahlquelle ausgeschaltet werden, wenn eine signifikante Abweichung in den regulären physiologischen Bewegungen des Patienten erfasst wird. Solche Abweichungen können aus einer plötzlichen Bewegung oder einem Husten durch den Patienten resultieren. Die Position und/oder die Orientierung des abgezielten Gewebes kann im Ergebnis dieser Abweichung inakzeptabel verschoben sein, obgleich der Amplitudenbereich des Bewegungssignals während dieser Abweichung noch in die Grenzen der Behandlungsintervalle fällt. Somit hilft die Erfassung solcher Abweichungen die geeigneten Zeiträume definieren, um die Bestrahlungsbehandlung zu gating-steuern.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Erfassen und prädiktives Abschätzen einer Periode einer physiologischen Aktivität vor. In der Tat kann die vorliegende Erfindung mit der physiologischen Bewegung des Patienten "phasenverriegeln". Da sich die Phase des Gating-Steuerungssystems mit der Bewegungsperiode phasenverriegelt, können Abweichungen von dieser Periode identifiziert und geeignet behandelt werden.
Zum Beispiel kann während der Gating-Steuerung auf den Atemzyklus eine plötzliche Bewegung oder ein Husten durch den Patienten zu einer Abweichung von der erfassten Periode des Atemzyklus führen. Die Bestrahlungsbehandlung kann während dieser Abweichungen von der regulären Periode gating-gesteuert werden. Die vorliegende Erfindung sieht auch ein prädiktives Abschätzen der Periode der nachfolgenden physiologischen Bewegung vor, um nachzufolgen.
5 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens einer Ausführungsform der Erfindung, um die prädiktive Abschätzung und Erfassung von regulären physiologischen Bewegungszyklen auszuführen. In Verfahrensvorgang 502 wird ein Gerät oder System (wie zum Beispiel System 100 von 1) eingesetzt, um Datensignale zu erzeugen, die für die interessierende physiologische Aktivität repräsentativ sind. In einer Ausführungsform weisen die Datensignale einen Strom digitaler Datensamples auf, die gemeinsam ein Signalwellenmuster bilden, das für die physiologische Bewegung repräsentativ ist, die geprüft wird. Eine Anzahl diskreter Messsamples werden für die physiologische Aktivität während einer bestimmten Zeitperiode aufgenommen. Beispielsweise werden in einer Ausführungsform der Erfindung, die auf eine Atemmessung gerichtet ist, circa 200–210 Datensamples für jedes ungefähr 7-sekündige Zeitintervall gemessen.
In Verfahrensvorgang 504 wird an den gemessenen Datensamples eine Musterabgleichsanalyse durchgeführt. In einer Ausführungsform wird der neueste Satz von Datensamples für das physiologische Signal gegen einen unmittelbar vorhergehenden Satz von Datensamples korreliert, um die Periode und die Wiederholung des Signals zu bestimmen. Eine Autokorrelationsfunktion kann eingesetzt werden, um diesen Musterabgleich durchzuführen. Das Verfahren berechnet für jeden neuen Samplepunkt der physiologischen Bewegung oder des physiologischen Überwachungssensorsignals die Autokorrelationsfunktion der letzten n Samples des Signals, wobei n circa 1,5 bis 2 Signal-Atemperioden entspricht. Dann wird der sekundäre Höchstwert der Autokorrelationsfunktion identifiziert, um die Periode und die Wiederholung des Signals zu bestimmen.
In einer alternativen Ausführungsform wird anstelle einer Autokorrelationsfunktion eine Absolute-Differenz-Funktion verwendet. Anstatt des sekundären Höchstwertes wird ein sekundäres Minimum in der absoluten Differenz gesucht. Das Verfahren berechnet für jeden neuen Samplepunkt der physiologischen Bewegung oder des physiologischen Überwachungssensorsignals die minimale absolute Differenz zwischen den beiden Datensätzen über einem Bereich überlappender Datensamples. Das sekundäre Minimum entspricht der Datenposition, die den letzten Satz von Datensamples am besten mit dem vorhergehenden Satz von Datensamples abgleicht.
Noch eine weitere alternative Ausführungsform führt einen Musterabgleich basierend auf einem Modell der physiologischen Aktivität aus, die gemessen wird. Das Modell ist eine dynamische Darstellung der physiologischen Bewegung oder des physiologischen Überwachungssensorsignals für diese physiologische Aktivität. Der neueste Satz von Datensamples wird gegen das Modell abgeglichen, um Parameter des sich wiederholenden Vorgangs zu schätzen.
Ein Musterabgleich unter Verwendung des gemessenen physiologischen Signals (504) liefert Informationen bezüglich des Übereinstimmungsgrades sowie eines Ortes der besten Übereinstimmung für den sich wiederholenden Vorgang. Wenn in dem Verfahrensvorgang 504 eine Autokorrelationsfunktion eingesetzt wird, dann liefert die relative Stärke des sekundären Höchstwertes ein Maß dafür, wie repetitiv das Signal ist. Ein Schwellwertbereichswert wird definiert, um für eine Angabe des Übereinstimmungsgrades zwischen den beiden Sätzen von Datensamples zu sorgen. Wenn sich die Stärke des sekundären Höchstwertes innerhalb des definierten Schwellwertbereichs befindet (Verfahrensvorgang 508), dann zeigt der Übereinstimmungsgrad an, dass das Signal repetitiv ist, und die Lage des sekundären Höchstwertes liefert eine Schätzung der Signalperiode. Wenn in dem Verfahrensvorgang 504 eine Absolute-Differenz-Funktion verwendet wird, dann liefert der relative Wert des sekundären Minimums ein Maß dafür, wie repetitiv das Signal ist. Wenn der Wert des sekundären Minimums einen definierten Schwellwertbereich erreicht (508), dann zeigt der Übereinstimmungsgrad an, dass das Signal repetitiv ist, und die Lage des sekundären Minimums liefert eine Schätzung der Signalperiode.
Wenn der Korrelationswert des sekundären Höchstwertes oder des sekundären Minimums den definierten Schwellwertbereich nicht erreicht, dann wird eine Abweichung von der regulären physiologischen Aktivität erfasst, wodurch eine Unregelmäßigkeit in der regulären physiologischen Bewegung des Patienten angezeigt wird (510). Diese Unregelmäßigkeit könnte zum Beispiel aus einer plötzlichen Bewegung oder einem Husten des Patienten resultieren. In einer Ausführungsform führt diese erfasste Unregelmäßigkeit zu der Erzeugung eines "Strahl anhalten"-Signals, das die Applikation von Strahlung an dem Patienten unterbricht.
Wenn der Übereinstimmungsgrad Wiederholung anzeigt, wird der Punkt der besten Übereinstimmung geprüft, um zu bestimmen, ob die Periode innerhalb eines vernünftigen Bereichs liegt. Die Lage des sekundären Höchstwertes oder des sekundären Minimums liefert eine Schätzung der Periode der physiologischen Aktivität. In einer Ausführungsform wird der Punkt der besten Übereinstimmung mit einem Schwellwertbereich verglichen (509). Wenn der Punkt der besten Übereinstimmung nicht in den Schwellwertbereich fällt, dann wird eine Abweichung von der regulären physiologischen Aktivität erfasst (510). Wenn der Punkt der besten Übereinstimmung in den Schwellwertbereich fällt, dann wird das Signal als repetitiv akzeptiert (512).
Die Schätzung der Periode basierend auf dem Punkt der besten Übereinstimmung kann verwendet werden, um die Periode und die Wellenformparameter des nächsten Satzes von Datensamples für das Signal vorherzusagen (514). Es ist zu beachten, dass die Verfahrensvorgänge 504, 508 und 509 auf eine Wiederholung auf der Basis einer Mehrzahl von Datensamples über einem Bereich solcher Samples testen. Jedoch kann unter manchen Umständen eine wesentliche Abweichung von der normalen physiologischen Bewegung sogar innerhalb des neuen Datensatzes oder der neuesten Datensätze, die analysiert werden, auftreten, da aber der Gesamtsatz von Datensamples eine Wiederholung anzeigt (zum Beispiel wegen der Mittelwertbildung von absoluten Differenzen über dem Bereich von Datensamples, die verglichen werden), kann es sein, dass die Verfahrensvorgänge 504, 508 und 509 die Abweichung nicht erfassen. Um einen Test auf eine schnelle Abweichung durchzuführen, wird der vorhergesagte Wert aus dem Verfahrensvorgang 514 mit dem nächsten korrespondierenden Datensample verglichen (515). Wenn der vorhergesagte Wert mit dem tatsächlichen Wert des Datensamples nicht innerhalb eines definierten Schwellwertbereichs übereinstimmt, dann wird eine Abweichung erfasst (510). Wenn ein Vergleich des vorhergesagten Wertes und des tatsächlichen Wertes des Datensamples in den definierten Schwellwertbereich fällt, dann wird die Wiederholung bestätigt, und eine Abweichung wird für diesen Bereich von Datensamples nicht erfasst (516).
In einer Ausführungsform wird das erste Mal, wenn das Verfahren von 5 durchgeführt wird, der Verfahrensvorgang des Musterabgleichs (504) über dem gesamten Bereich von Datensamples durchgeführt. Danach kann der Verfahrensvorgang des Musterabgleichs über einem begrenzten Suchintervall durchgeführt werden, welches durch die Ergebnisse der unmittelbar vorherigen Ausführung des Verfahrens definiert wird. Beispielsweise kann der vorhergesagte Wert aus dem Verfahrensvorgang 514 verwendet werden, um die Lage des Suchintervalls für den nächsten Satz von Datensamples zu definieren. Jedoch kann dann, wenn die Verfahrensvorgänge 508, 509 und 514 eine Abweichung auf der Basis der Analyse des anfänglichen Suchintervalls erfassen, das Suchintervall erweitert werden, um sicherzustellen, dass eine Abweichung tatsächlich aufgetreten ist. Das Verfahren von 5 kann mit dem vergrößerten Suchintervall wiederholt werden, um zu versuchen, einen Punkt der besten Übereinstimmung außerhalb des anfänglichen Suchintervalls zu finden. In einer Ausführungsform umfasst das vergrößerte Suchintervall den gesamten Bereich von Datensamples. Alternativ umfasst das vergrößerte Suchintervall nur einen erweiterten Teil des gesamten Bereichs von Datensamples.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine physiologische Gating-Steuerung eher auf der Basis der Phase der physiologischen Aktivität als ihrer Amplitude ausgeführt werden. Das steht im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Beispiel, in welchem die Amplitude des Signals der physiologischen Bewegung die Grenzen der Behandlungsintervalle für die Applikation von Strahlung definiert.
Mit Bezug auf 9 ist ein Beispiel eines Diagramms 900 dargestellt, das den Phasenverlauf des Signals einer physiologischen Bewegung zeigt. Ein Behandlungsintervallbereich 902 wurde über dem Phasendiagramm 900 definiert. In dem Beispiel von 9 sind die Grenzen des Behandlungsintervallbereichs 902 durch die Phase des erfassten Signals definiert. Strahlung wird auf den Patienten nur appliziert, wenn die Phase des Signals der physiologischen Bewegung in die Grenzen des Behandlungsintervallbereichs 902 fällt. 9 stellt Beispiele des Behandlungsintervallbereichs 902 mit Grenzen dar, die sich von 30 Grad bis 300 Grad erstrecken. Demnach wird die auf den Patienten applizierte Strahlung unterbrochen oder gestoppt, wenn die Phase des Signals der physiologischen Bewegung zwischen 301 Grad und 29 Grad liegt.
In 9 ist ein Diagramm 906 eines Gating-Steuersignals gezeigt, das nach dem Phasendiagramm 900 ausgerichtet ist. Ein "Strahl anhalten"-Signalschwellenwert 910 ergibt sich, wenn die Phase des Signals der physiologischen Bewegung aus dem Behandlungsintervallbereich 902 herausfällt. Ein "Strahl ein"-Signalschwellenwert 912 ergibt sich, wenn die Phase des Signals der physiologischen Bewegung in die Grenzen des Behandlungsintervallbereichs 902 fällt. Die "Strahl ein"- und "Strahl anhalten"-Signalschwellenwerte 910 und 912 werden einem Schalter 116 zugeführt, der wirksam den Betrieb einer Bestrahlungsstrahlquelle 102 (1) steuert. Wenn auf den Patienten gerade Strahlung appliziert wird, triggert die Anwendung des "Strahl anhalten"-Signalschwellenwertes 910 den Schalter 116, die Applikation von Strahlung zu unterbrechen oder zu stoppen. Wenn auf den Patienten gerade keine Strahlung appliziert wird, triggert die Anwendung des "Strahl ein"-Signalschwellenwertes 912 die Applikation von Strahlung auf den Patienten.
Die prädiktiven Qualitäten der vorliegenden Erfindung ermöglichen den Betrieb eines Gating-Steuerungssystems sogar, wenn die gemessene physiologische Bewegung eine Bewegung aufweist, die im Vergleich zu den effektiven Betriebsgeschwindigkeiten der Komponenten des Gating-Steuerungssystems relativ schnell ist. Man betrachte nur als ein Beispiel ein Gating-Steuerungssystem, das einen Schalter zur Gating-Steuerung der Bestrahlungsbehandlung aufweist, in welcher der Schalter eine bekannte Zeitperiode Δt benötigt, um vollständig einzuschalten. Wenn die Schaltzeitperiode Δt im Vergleich zu dem gemessenen Zyklus der physiologischen Bewegung relativ langsam ist, dann kann es sein, dass ein System, das so einen Schalter in einer reaktiven Weise einsetzt, nicht in der Lage ist, die Applikation von Strahlung an dem Patienten wirksam zu gating-steuern.
Die vorliegende Erfindung erlaubt ein prädiktives Triggern des Schalters 116, um den Zeitbetrag Δt zu kompensieren, der notwendig ist, um den Schalter vollständig einzuschalten. Eine vorhergesagte Periode für eine physiologische Aktivität kann durch Einsatz des Verfahrens von 5 erhalten werden. Ein Behandlungsintervallbereich wird über einem Teil der Periode der physiologischen Aktivität definiert. Auf der Basis der Zeit Δt, die erforderlich ist, um den Schalter 116 vollständig zu betätigen, kann der Schalter 116 um diese Zeitperiode Δt vor dem Zeitpunkt der Grenze des Behandlungsintervalls vorbetätigt werden, so dass der Zeitpunkt für eine vollständige Betätigung des Schalters 116 mit der Grenze des Behandlungsintervalls zusammenfällt. Somit kann die Strahlung ungeachtet der Betriebsgeschwindigkeiten des Schalters 116 wirksam an den Grenzen des Behandlungsintervalls gatinggesteuert werden. Das gleiche Verfahren kann auch eingesetzt werden, um die Betriebsgeschwindigkeiten anderer Komponenten des Gating-Systems zu kompensieren.
Das Folgende ist eine Ausführungsform der Erfindung, die in der Programmiersprache Visual Basic kodiert ist. Der folgende Programmcode ist auf ein Verfahren zum Erfassen und prädiktiven Abschätzen der Periode des Atemzyklus unter Verwendung der Absolute-Differenz-Funktion gerichtet:
In diesem Programmcode stellt die Variable "i" einen Zähler oder Index für das Datensample dar, das verarbeitet wird. Die Variable "Range" stellt den Suchbereich dar, der analysiert werden soll. Wenn die Periode des physiologischen Zyklus schon bestimmt wurde (das heißt aus einer früheren Ausführung dieses Programmcodes), dann weist die Variable "Period" die erfasste Periode auf. Wenn die Periode noch nicht bestimmt wurde, dann ist die Variable "Period" auf einen Standardwert eingestellt, der für einen normalen Atemzyklus repräsentativ ist (zum Beispiel die Anzahl von Datenpunkten in einem normalen Atemzyklus, welche circa 95 Datensamples in einer Ausführungsform der Erfindung beträgt, in der circa 200–210 Datensamples über eine circa 7-sekündige Zeitperiode erhalten werden). Die Variable "MinAbsDiff" ist der kleinste Wert der absoluten Differenz über dem Suchbereich. Die Variable "Diff" stellt einen Vergleich zwischen dem tatsächlichen Wert eines nächsten Datensamples und dem erwarteten Wert dieses nächsten Datensamples dar.
Die Variablen "j", "StartJ" und "CurrJ" sind Zähler oder Indizes in den Datensamples, die verarbeitet werden. Die Variable "k" ist ein Zähler für den Suchbereich. Die Variable "MaxK" stellt die Position in dem Suchbereich mit dem kleinsten Wert der absoluten Differenz dar. Die Variable "AbsDiff" hält die Summe der Werte der absoluten Differenz für überlappende Datensamples aufrecht. Die Variable "NormAbsDiff" ist der durchschnittliche Wert der absoluten Differenz für eine bestimmte Position in dem Suchbereich, welcher als ein Prozentwert dargestellt ist. Die Variable "n" wird verwendet, um die Position der Datensamples relativ zu dem Suchbereich zu verfolgen, welche als ein Prozentwert dargestellt ist. "Predict" ist der vorhergesagte Wert, der durch diesen Programmcode zurückgegeben wird.
Die Variable "MinAbsDiff" wird auf einen hohen Wert initialisiert, so dass jeder nachfolgende Absolute-Differenz-Wert kleiner als der initialisierte Wert sein wird. In einer Ausführungsform weist der Satz von Datensamples, der verarbeitet wird, 200 Datenpunkte auf. Daher wird in diesem Programmcode die Variable "StartJ" 201 Datensamples zurückgesetzt. Die Variable "CurrJ" wird ein Datensample zurückgesetzt. Weil ein kreisförmiges Array verwendet wird, wird während der Initialisierung sowohl von "StartJ" als auch von "CurrJ" die Variable "BufLength" referenziert.
Die äußere Do-Schleife bewegt den aktuellen und den vorhergehenden Satz von Datensamples relativ zueinander. Die äußere Do-Schleife ist aktiv, solange die Variable "k" anzeigt, dass der Programmcode innerhalb des Suchbereichs verarbeitet. In einer Ausführungsform wird der Suchbereich anfänglich auf drei Positionen auf jeder Seite einer vorhergesagten Position eingestellt. Die vorhergesagte Position basiert auf der Periode, die für eine unmittelbar vorherige Ausführung des Programmcodes erhalten wurde. Wenn der Programmcode nicht unmittelbar vorher ausgeführt wurde, dann wird ein vorgegebener Periodenwert verwendet. Wenn ein akzeptabler minimaler Absolute-Differenz-Wert innerhalb dieses Suchbereichs nicht gefunden wird, dann kann der Suchbereich auf beispielsweise 50 Positionen auf jeder Seite der vorhergesagten Position ausgedehnt werden.
Die Variable "j" wird auf den Wert "StartJ" initialisiert. Auch die Variablen "AbsDiff" und "n" werden vor der Ausführung der inneren Do-Schleife initialisiert.
Die innere Do-Schleife führt die Berechnung der Absolute-Differenz-Werte zwischen dem aktuellen Satz und dem vorherigen Satz von Datensamples aus. Die Variable "AbsDiff" hält die Summe der absoluten Differenz von Werten für überlappende Datensamples aufrecht, die verglichen werden. Es ist zu beachten, dass die Anzahl von Datensamples, die analysiert werden, um die Absolute-Differenz-Werte zu bestimmen, basierend auf der Position in dem Suchbereich variiert, die gerade verarbeitet wird. Dies ergibt sich, weil unterschiedliche Positionen in dem Suchbereich unterschiedliche Anzahlen von Datensamples aufweisen, die mit dem vorherigen Satz von Datensamples, die verglichen werden, überlappen. In der Ausführungsform dieses Programmcodes wird die Absolute-Differenz-Funktion unter Verwendung jedes 10. Signal-Samplepunktes berechnet, das heißt, es wird eine unterabgetastete Subtraktion verwendet. Weil ein ringförmiges Array verwendet wird, wird die Variable "Chartwidth" während der Berechnung von "AbsDiff" referenziert.
Die Variablen "MaxSignal" und "MinSignal" zeigen einen maximalen und einen minimalen Bereich für Signalwerte an, die bisher abgetastet wurden. Diese Werte können zum Beispiel während einer Lernperiode für das System ermittelt werden, in welcher Datensamples für eine Mehrzahl von Atemzyklen erhalten werden. Die Variable "NormAbsDiff" enthält den mittleren Absolute-Differenz-Wert, der als ein Prozentwert basierend auf den Werten "MaxSignal" und "MinSignal" dargestellt wird.
Wenn der Wert "NormAbsDiff" kleiner als ein vorher ermittelter oder gleich einem vorher ermittelten Wert "MinAbsDiff" ist, dann wird die Variable "MinAbsDiff" auf den Wert "NormAbsDiff" gesetzt. Die Variable "MaxK" wird auf den Wert von "k" gesetzt, wenn der Wert "MinAbsDiff" neu gesetzt wird. Dann wird die Variable "k" erhöht, und wenn der Wert "k" noch innerhalb des Suchbereichs ist, dann kehrt der Programmcode zu dem Anfang der äußeren Do-Schleife zurück.
Das Ergebnis dieses Programmcodes ist ein Kandidat eines minimalen Absolute-Differenz-Wertes und eine Kandidatenposition für die minimale absolute Differenz. Der Wert MaxK wird mit vordefinierten Schwellenwerten verglichen, um sicherzustellen, dass er in einen zutreffenden Bereich von Werten für die physiologische Aktivität fällt, die verarbeitet wird. So wird in einer Ausführungsform der Wert MaxK geprüft, um sicherzugehen, dass er größer oder gleich 40 und kleiner oder gleich 150 ist. Wenn der Wert MaxK den Schwellwertbereich einhält, dann wird die Variable "Period" auf den wert "MaxK" gesetzt. Die Variable "Predict" gibt den vorhergesagten Wert für den nächsten Satz von Datensamples, der zu verarbeiten ist, zurück. Die Variable "Diff" kennzeichnet den Differenzwert zwischen dem aktuellen Datensample-Wert und dem vorhergesagten Datensample-Wert und ist als prozentualer Anteil zu den werten "MaxSignal" und "MinSignal" dargestellt.
In einer Ausführungsform kann ein Bild eines Fortschrittsbalkens angezeigt werden, um die Periodizität der Signalsamples visuell anzuzeigen. Gemäß dem Programmcode wird dann, wenn der "MinAbsDiff"-Wert kleiner oder gleich einer 20%igen Differenz ist, der sichtbare Fortschrittsbalken mit dem berechneten "MinAbsDiff"-Wert aktualisiert. Andernfalls zeigt der sichtbare Fortschrittsbalken alle anderen "MinAbsDiff"-Werte, die eine 20%ige Differenz überschreiten, als einen vorgegebenen Wert von "20" an.
Die 6a und 6b stellen eine Ausführungsform einer Kamera 108 dar, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um Daten optisch oder visuell zu erfassen, die für die physiologische Bewegung repräsentativ sind. Die Kamera 108 ist eine Ladungsgekoppelte-Einheit ("CCD")-Kamera mit einer oder mehreren photoelektrischen Kathoden und einer oder mehreren CCD-Einheiten. Eine CCD-Einheit ist ein Halbleiterbaustein, der in lokalen Bereichen Ladung speichern kann und über geeignete Steuersignale diese Ladung zu einem Auslesepunkt überträgt. Wenn Lichtphotonen von der abzubildenden Szene an den photoelektrischen Kathoden fokussiert werden, werden Elektronen proportional zu der an der Kamera empfangenen Lichtintensität freigesetzt. Die Elektronen werden in Ladungsmulden eingefangen, die innerhalb der CCD-Einheit angeordnet sind. Die Verteilung der eingefangenen Elektronen in den Ladungsmulden repräsentiert das an der Kamera empfangene Bild. Die CCD überträgt diese Elektronen zu einem Analog-Digital-Wandler. Die Ausgabe des Analog-Digital-Wandlers wird zu dem Computer 410 gesendet, um das Videobild zu verarbeiten und die Positionen der retroreflektierenden Marker 406 zu berechnen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kamera 108 eine monochrome CCD-Kamera mit einem RS-170-Ausgang und einer 640x480-Pixelauflösung. Alternativ kann die Kamera 408 eine CCD-Kamera mit CCIR-Ausgang und einer 756x567-Pixelauflösung aufweisen.
In einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung ist eine Infrarot-Beleuchtungseinrichtung 602 ("IR-Beleuchtungseinrichtung") mit der Kamera 108 gemeinsam angeordnet. Die IR-Beleuchtungseinrichtung 602 erzeugt einen oder mehrere Strahlen infraroten Lichts, das in die selbe Richtung wie die Kamera 108 geleitet wird. Die IR-Beleuchtungseinrichtung 602 weist eine Fläche auf, die ringförmig um die Linse 606 des Kameragehäuses 608 angeordnet ist. Die Fläche der IR-Beleuchtungseinrichtung 602 weist eine Mehrzahl von einzelnen LED-Elementen 604 zum Erzeugen von Infrarotlicht auf. Die LED-Elemente 604 sind in einem Spiralmuster an der IR-Beleuchtungseinrichtung 602 angeordnet. Infrarotfilter, die Teil der Kamera 108 sein können, sind entfernt oder deaktiviert, um die Empfindlichkeit der Kamera für Infrarotlicht zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform können digitale Videoaufnahmen des Patienten in einer Sitzung über die Kamera 108 aufgezeichnet werden. Die selbe Kamera 108, die zum Verfolgen der Bewegung des Patienten verwendet wird, kann verwendet werden, um Videobilder des Patienten für eine zukünftige Referenz aufzuzeichnen. Eine normale Umgebungslicht-Bildfolge des Patienten kann in Synchronisation mit den gemessenen Bewegungssignalen der Marker 114 erhalten werden.
Die 7a und 7b stellen eine Ausführungsform eines retroreflektierenden Markers 700 dar, der innerhalb der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Der retroreflektierende Marker 700 weist eine erhöhte reflektierende Fläche 702 zum Reflektieren von Licht auf. Die erhöhte reflektierende Fläche 702 weist eine halbkugelförmige Gestalt auf, so dass Licht ungeachtet des Einfallswinkels der Lichtquelle reflektiert werden kann. Eine ebene Fläche 704 umgibt die erhöhte reflektierende Fläche 702. Die Unterseite der ebenen Fläche 704 stellt eine Befestigungsfläche bereit, um den retroreflektierenden Marker 700 an bestimmten Stellen am Körper eines Patienten zu befestigen. Gemäß einer Ausführungsform weist der retroreflektierende Marker 700 retroreflektierendes Material 3M#7610WS auf, das von dem Unternehmen 3M verfügbar ist. In einer Ausführungsform hat der Marker 700 einen Durchmesser von circa 0,5 cm und eine Höhe des höchsten Punktes der erhöhten reflektierenden Fläche 702 von circa 0,1 cm.
8 stellt eine Vorrichtung 802 dar, die zum Herstellen der retroreflektierenden Marker 700 eingesetzt werden kann.
Die Vorrichtung 802 weist ein Unterteil 804 mit einem daran befestigen elastischen Ring 806 auf. Der elastische Ring 806 ist an einem Unterformteil 808 befestigt, das eine von seiner Mitte vorstehende Aufwölbung aufweist. Ein Steuerhebel 810 kann betätigt werden, um ein Oberteil 812 entlang von Stützstangen 814 zu bewegen. Das Oberteil 812 weist ein federbelastetes Oberformteil 816 auf. Das Oberformteil 816 ist mit einem halbkugelförmigen Hohlraum an seiner Unterseite ausgebildet. Beim Betrieb wird ein Stück des retroreflektierenden Materials auf dem Unterformteil 808 platziert. Der Steuerhebel 810 wird betätigt, um das Oberteil 812 in Richtung auf das Unterteil 804 zu bewegen. Das retroreflektierende Material wird zwischen dem Unterformteil 808 und dem Oberformteil 816 zusammengedrückt und geformt. Das Oberformteil 816 formt die obere Außenseite des retroreflektierenden Materials in eine halbkugelförmige Gestalt.
In einer alternativen Ausführungsform weist der Marker 114 einen Markerblock mit einem oder mehreren Referenzorten an seiner Oberfläche auf. Jeder Referenzort an dem Markerblock weist vorzugsweise ein retroreflektierendes oder reflektierendes Material auf, das durch eine optische Bildgebungsvorrichtung, wie zum Beispiel die Kamera 108, auffindbar ist.
11 stellt eine Ausführungsform eines Markerblocks 1100 mit einer zylindrischen Form mit mehreren Referenzorten dar, die aus retroreflektierenden Elementen 1102 bestehen, die an seiner Oberfläche angeordnet sind. Der Markerblock 1100 kann als ein starrer Block (zum Beispiel aus Styropor) ausgebildet sein. In dieser Weise hergestellte Blöcke können mehrfach wiederverwendet werden, sogar bei mehreren Patienten. Die retroreflektierenden Elemente 1102 können aus dem selben Material gebildet sein, das verwendet wird, um die retroreflektierenden Marker 114 der 7a und 7b zu erstellen. Der Markerblock ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das leichtgewichtig genug ist, um nicht das normale Atmen durch den Patienten störend zu beeinflussen.
Ein Markerblock kann in jede Form oder Größe geformt werden, solange die Größe, der Abstand und die Positionierung der Referenzorte so konfiguriert sind, dass eine Kamera oder eine andere bildgebende Vorrichtung ein Bild sehen und erzeugen kann, das die Positionierung des Markerblocks genau zeigt. Beispielsweise stellt 10 einen alternativen Markerblock 1000 mit einer halbkugelförmigen Gestalt dar, der eine Mehrzahl von an seiner Oberfläche befestigten retroreflektierenden Elementen 1002 aufweist.
Der Markerblock kann mit Formen ausgebildet sein, um sich bestimmten Körperteilen anzupassen. Zum Beispiel können Formen oder Abdrücke, die zu bestimmten Stellen am Körper passen, als Markerblöcke eingesetzt werden. Markerblöcke, die geformt sind, damit sie sich bestimmten Bereichen des Körpers anpassen, erleichtern die reproduzierbare Platzierung der Markerblöcke an bestimmten Stellen an dem Patienten. Alternativ können die Markerblöcke geformt sein, damit sie sich bestimmten Vorrichtungen anpassen, die am Körper eines Patienten befestigt sind. Zum Beispiel kann ein Markerblock mit Vertiefungen und Nuten geformt sein, die es erlauben, dass er an Brillen befestigt wird. In noch einer anderen Ausführungsform können die Vorrichtungen mit einem integralen Markerblock (integralen Markerblöcken) mit reflektierenden oder retroreflektierenden Markern an ihnen ausgebildet sein.
Eine alternative Ausführungsform des Markerblocks weist nur einen einzelnen Referenzort/ein einzelnes reflektierendes Element an seiner Oberfläche auf. Diese Ausführungsform des Markerblocks wird anstatt des retroreflektierenden Markers 406 verwendet, um bestimmte Stellen am Körper eines Patienten mit einer optischen bildgebenden Vorrichtung zu erfassen.
12 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Computersystems 1900 darstellt, auf welchem eine Ausführungsform der Erfindung implementiert sein kann. Das Computersystem 1900 weist einen Bus 1902 oder einen anderen Kommunikationsmechanismus zum Kommunizieren von Informationen und einen an den Bus 1902 gekoppelten Prozessor 1904 zum Verarbeiten von Informationen auf. Das Computersystem 1900 weist auch einen Hauptspeicher 1906, wie zum Beispiel einen Direktzugriffsspeicher (RAM), oder eine andere an den Bus 1902 gekoppelte dynamische Speichereinrichtung zum Speichern von Informationen und Befehlen auf, die durch den Prozessor 1904 auszuführen sind. Der Hauptspeicher 1906 kann auch zum Speichern von temporären Variablen oder anderer Zwischeninformationen während der Ausführung von Befehlen verwendet werden, die von dem Prozessor 1904 auszuführen sind. Das Computersystem 1900 weist ferner einen Festwertspeicher (ROM) 1908 oder eine andere an den Bus 1902 gekoppelte statische Speichervorrichtung zum Speichern von statischen Informationen und Befehlen für den Prozessor 1904 auf. Eine Datenspeichereinrichtung 1910, wie zum Beispiel eine Magnetplatte oder eine optische Platte, ist zum Speichern von Informationen und Befehlen vorgesehen und an den Bus 1902 gekoppelt.
Das Computersystem 1900 kann über den Bus 1902 an eine Anzeige 1912, wie zum Beispiel eine Kathodenstrahlröhre (CRT), gekoppelt sein, um einem Benutzer Informationen anzuzeigen. Eine Eingabeeinrichtung 1914, die alphanumerische und andere Tasten aufweist, ist zum Kommunizieren von Informationen und Befehlsauswahlen zu dem Prozessor 1904 an den Bus 1902 gekoppelt. Eine andere Art einer Benutzereingabeeinrichtung ist die Cursorsteuerung 1916, wie zum Beispiel eine Maus, ein Trackball oder Cursor-Richtungstasten zum Kommunizieren von Richtungsinformationen und Befehlsauswahlen zu dem Prozessor 1904 und zum Steuern der Cursorbewegung auf der Anzeige 1912. Die Eingabevorrichtung weist typischerweise zwei Freiheitsgrade in zwei Achsen, einer ersten Achse (zum Beispiel x) und einer zweiten Achse (zum Beispiel y) auf, welche es der Einrichtung ermöglichen, Positionen in einer Ebene anzugeben.
Das Computersystem 1900 wird zum Erfassen und prädiktiven Abschätzen physiologischer Zyklen verwendet. Gemäß einer Ausführungsform ist so eine Verwendung durch das Computersystem 1900 in Antwort auf den Prozessor 1904 vorgesehen, der eine oder mehrere Sequenzen von einem oder mehreren in dem Hauptspeicher 1906 enthaltenen Befehlen ausführt. Solche Befehle können von einem anderen computerlesbaren Medium, wie zum Beispiel der Speichereinrichtung 1910, in den Hauptspeicher 1906 eingelesen werden. Die Ausführung der Sequenzen der in dem Hauptspeicher 1906 enthaltenen Befehle bewirkt, dass der Prozessor 1904 die hierin beschriebenen Prozessschritte ausführt. Es können auch ein oder mehrere Prozessoren in einer Multiprocessing-Anordnung eingesetzt werden, um die Sequenzen der in dem Hauptspeicher 1906 enthaltenen Befehle auszuführen. In alternativen Ausführungsformen kann eine festverdrahtete Schaltung anstatt von oder zusammen mit Softwarebefehlen verwendet werden, um die Erfindung zu implementieren. Somit sind die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Kombination von Hardware-Schaltungstechnik und Software beschränkt.
Der Begriff "computerlesbares Medium", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jedes Medium, das beim Bereitstellen von Befehlen für den Prozessor 1904 zur Ausführung beteiligt ist. So ein Medium kann viele Formen in Anspruch nehmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf nichtflüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien. Nichtflüchtige Medien schließen zum Beispiel optische oder magnetische Platten ein, wie zum Beispiel die Speichereinrichtung 1910. Flüchtige Medien schließen einen dynamischen Speicher ein, wie zum Beispiel den Hauptspeicher 1906. Übertragungsmedien schließen Koaxialkabel, Kupferkabel und Glasfaser ein, einschließlich der Leitungen, die den Bus 1902 umfassen. Übertragungsmedien können auch die Form von akustischen oder Lichtwellen in Anspruch nehmen, wie zum Beispiel solche, die bei der Radiowellen- und der Infrarot-Datenkommunikation erzeugt werden.
Bekannte Formen von computerlesbaren Medien schließen beispielsweise eine Diskette, eine flexible Platte, eine Festpatte, ein Magnetband oder irgendein anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, irgendein anderes optisches Medium, eine Lochkarte, einen Lochstreifen, irgendein anderes physisches mit Löchermustern, einen RAM, einen PROM und einen EPROM, einen Flash-EPROM, irgendeinen anderen Speicherchip oder irgendeine andere Speicherkassette, eine Trägerwelle wie nachstehend beschrieben oder irgendein anderes Medium ein, von welchem ein Computer lesen kann.
Verschiedene Formen von computerlesbaren Medien können beim Übertragen einer oder mehrerer Sequenzen von einem oder mehreren Befehlen zu dem Prozessor 1904 zur Ausführung einbezogen sein. Zum Beispiel können die Befehle anfänglich auf einer magnetischen Platte eines entfernten Computers aufgenommen sein. Der entfernte Computer kann die Befehle in seinen dynamischen Speicher laden und die Befehle über eine Telefonleitung unter Verwendung eines Modems senden. Ein Modem lokal zu dem Computersystem 1900 kann die Daten auf der Telefonleitung empfangen und einen Infrarotsender verwenden, um die Daten in ein Infrarotsignal umzuwandeln. Ein an den Bus 1902 gekoppelter Infrarotdetektor kann die in dem Infrarotsignal transportierten Daten empfangen und die Daten auf dem Bus 1902 platzieren. Der Bus 1902 transportiert die Daten zum Hauptspeicher 1906, von welchem der Prozessor 1904 die Befehle abruft und ausführt. Die von dem Hauptspeicher 1906 empfangenen Befehle können optional in der Speichereinrichtung 1910 entweder vor oder nach der Ausführung durch den Prozessor 1904 gespeichert werden.
Das Computersystem 1900 weist auch eine an den Bus 1902 gekoppelte Kommunikationsschnittstelle 1918 auf. Die Kommunikationsschnittstelle 1918 stellt eine Zweiwege-Datenkommunikation bereit, die an eine Netzwerkverbindung 1920 koppelt, der mit einem lokalen Netzwerk 1922 verbunden ist. Beispielsweise kann die Kommunikationsschnittstelle 1918 eine Dienstintegriertes-Digitalnetz (ISDN)-Karte oder ein Modem sein, um eine Datenkommunikationsverbindung zu einer entsprechenden Art von Telefonleitung bereitzustellen. Als ein anderes Beispiel kann die Kommunikationsschnittstelle 1918 eine Lokales-Netz (LAN)-Karte sein, um eine Datenkommunikationsverbindung zu einem kompatiblen LAN bereitzustellen. Drahtlose Verbindungen können auch implementiert sein. In jeder solchen Implementierung sendet und empfängt die Kommunikationsschnittstelle 1918 elektrische, elektromagnetische oder optische Signale, die Datenströme transportieren, die verschiedene Arten von Informationen darstellen.
Die Netzwerkverbindung 1920 stellt typischerweise eine Datenkommunikation durch ein oder mehrere Netzwerke zu anderen Einrichtungen bereit. Beispielsweise kann die Netzwerkverbindung 1920 eine Verbindung durch ein lokales Netz 1922 zu einem Hostcomputer 1924 oder zu medizinischen Geräten 1926, wie zum Beispiel einer Bestrahlungsstrahlquelle oder einem Schalter, der wirksam mit einer Bestrahlungsstrahlquelle gekoppelt ist, bereitstellen. Die über die Netzwerkverbindung 1920 transportierten Datenströme können elektrische, elektromagnetische oder optische Signale aufweisen. Die Signale durch die verschiedenen Netzwerke und die Signale auf der Netzwerkverbindung 1920 und durch die Kommunikationsschnittstelle 1918, die Daten zu und von einem Computersystem 1900 transportieren, sind exemplarisch Formen von Trägerwellen, die die Informationen transportieren. Das Computersystem 1900 kann durch das Netzwerk (die Netzwerke), die Netzwerkverbindung 1920 und die Kommunikationsschnittstelle 1918 Nachrichten senden und Daten, einschließlich Programmcode, empfangen.
In der vorangehenden Beschreibung wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen davon beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne sich von der Erfindung zu entfernen. Zum Beispiel können die durch den Computer 110 ausgeführten Operationen durch irgendeine Kombination aus Hardware und Software ausgeführt werden und sollten nicht auf bestimmte Ausführungsformen beschränkt werden, die nur eine bestimmte Definition von "Computer" umfassen. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind dementsprechend eher in einem veranschaulichenden als einem restriktiven Sinn zu betrachten.

Claims

System zur Gating-Steuerung von Strahlung, aufweisend: eine Messvorrichtung zum Messen der physiologischen Bewegung eines Patienten; einen Prozessor (110), der konfiguriert ist, Ausgabeinformation von der Messvorrichtung über eine gemessene physiologische Bewegung zu empfangen und ein auf der Ausgabeinformation basierendes Gating-Steuersignal zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (110) konfiguriert ist, einen ersten Satz von Signaldaten zu empfangen, der für eine physiologische Bewegung des Patienten während einer ersten Zeitperiode repräsentativ ist; durch Musterabgleich des ersten Satzes von Signaldaten mit einem zweiten Satz von Signaldaten in Bezug auf die physiologische Bewegung des Patienten, die während einer zweiten Zeitperiode gemessen wird, zu bestimmen, ob es eine signifikante Abweichung von einer normalen physiologischen Bewegung innerhalb eines Amplitudenbereichs (302) der physiologischen Bewegung zwischen Amplitudengrenzen (304, 306) gibt, die Signal-Schwellenwerten (312, 310) eines Behandlungsintervalls entsprechen, oder zu bestimmen, ob es eine signifikante Abweichung von einer normalen physiologischen Bewegung außerhalb eines Behandlungsintervallbereichs (902) zwischen Phasengrenzen gibt, die den Signal-Schwellenwerten (910, 912) eines Behandlungsintervalls entsprechen; und das Gating-Steuersignal basierend auf einem Ergebnis des Musterabgleichs zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Satz von Signaldaten ein Signal-Wellenmuster aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Satz von Signaldaten eine Mehrzahl von diskreten Mess-Samples aufweist, die während der ersten Zeitperiode erhalten werden.
System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, den ersten Satz von Signaldaten und den zweiten Satz von Signaldaten unter Verwendung einer Autokorrelationsfunktion zu vergleichen.
System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, den ersten Satz von Signaldaten und den zweiten Satz von Signaldaten unter Verwendung einer Absolute-Differenz-Funktion zu vergleichen.
System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, einen Übereinstimmungsgrad zwischen dem ersten Satz von Signaldaten und dem zweiten Satz von Signaldaten zu bestimmen.
System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, den Übereinstimmungsgrad durch einen sekundären Spitzenwert einer Autokorrelationsfunktion zu bestimmen.
System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, den Übereinstimmungsgrad durch einen sekundären Tiefstwert einer Absolute-Differenz-Funktion zu bestimmen.
System nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, den Übereinstimmungsgrad mit einem Schwellwertbereich zu vergleichen.
System nach Anspruch 9, wobei der Übereinstimmungsgrad außerhalb des Schwellwertbereichs eine Abweichung von einer normalen physiologischen Bewegung anzeigt.
System nach Anspruch 9, wobei der Übereinstimmungsgrad innerhalb des Schwellwertbereichs eine sich wiederholende physiologische Bewegung anzeigt.
System nach Anspruch 11, wobei ein Punkt der besten Übereinstimmung eine Periode der physiologischen Bewegung anzeigt.
System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, eine Periode der physiologischen Bewegung während einer dritten Zeitperiode vorauszusagen.
System nach Anspruch 13, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, eine Komponente des Gating-Steuersystems auf der Basis der vorausgesagten Periode prädiktiv zu betätigen.
System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, eine Periode der physiologischen Bewegung zu bestimmen.
System nach Anspruch 15, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, ein Behandlungsintervall zu definieren, um den Strahlungsstrahl wegzusteuern.
System nach Anspruch 16, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, das Behandlungsintervall basierend auf einem Phasenbereich der Periode der physiologischen Bewegung zu definieren.
System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der zweite Satz von Signaldaten ein Datenmodell der physiologischen Bewegung des Patienten ist.
System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Messvorrichtung eine Kamera aufweist.