DE69931164T2

DE69931164T2 - System zur anpassung der strahlenabgabe für strahlentherapie

Info

Publication number: DE69931164T2
Application number: DE69931164T
Authority: DE
Inventors: E. Edward Madison FITCHARD; H. Gustavo Madison OLIVERA; J. Paul Madison RECKWERDT; R. Thomas Madison MACKIE
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2019-08-07
Also published as: EP1525902A1; IL141204A0; EP1102611B1; AU5465499A; JP2002522129A; EP1102611A1; KR20010072303A; NZ509667A; JP3749119B2; CA2339497C; JP2006068538A; IL173494A; CA2339497A1; WO2000007669A1; IL141204A; JP4245593B2; EP1525902B1; US6385286B1; AU746987B2; ATE324930T1

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Strahlungstherapie-Gerät für die Behandlung von Tumoren oder dergleichen und insbesondere auf ein computergestütztes Verfahren, um einen Strahlenbehandlungsplan schnell zu korrigieren, um so eine Bewegung oder Änderung der Form von Behandlungsbereichen zu berücksichtigen.
Ein medizinisches Gerät für Strahlungstherapie behandelt tumoröse Gewebe mit Hochenergie-Strahlung. Eine derartige Strahlung kann Röntgenstrahlung oder Strahlung aus beschleunigten Elektronen, Protonen, Neutronen oder schweren Ionen sein. Die Menge an Strahlung und ihre Platzierung muss genau gesteuert werden, um zu gewährleisten, dass der Tumor eine ausreichende Strahlung empfängt, um zerstört zu werden, und dass zugleich die Beschädigung bei dem umgebenden nicht-tumorösen Gewebe minimiert wird.
Ein sehr genaues Verfahren zur Steuerung der Dosis für einen Patienten nutzt eine Strahlungsquelle, die viele einzelne Strahlen erzeugt, deren Intensität und/oder Energie unabhängig gesteuert werden kann. Dies kann durch eine Reihe von Blenden, von denen jede einen Strahl steuert, oder durch einen einzelnen modulierten Strahl, der über den Patienten bewegt wird, ausgeführt werden. Die Strahlungsquelle läuft um den Patienten in einer Strahlungsebene, um einen scheibenförmigen Abschnitt des Patienten zu beleuchten, wenn die Umlaufbahn eben ist, oder um mehrere scheibenförmige Abschnitte des Patienten zu bestrahlen, wenn die Umlaufbahn spiralförmig ist. Indem die Strahlungsintensitäten und/oder Energien bei verschiedenen Winkeln richtig ausgewählt werden, können komplizierte Bereiche innerhalb des scheibenförmigen Abschnitts genau bestrahlt werden. Eine Abbildung der Modulation des jeweiligen Strahls in Abhängigkeit von dem Winkel bildet ein „Behandlungs-Sinogramm".
Das US-Patent 5.317.616, das am 31. Mai 1994 erteilt wurde, beschreibt die Konstruktion einer derartigen Maschine und ein Verfahren zur Berechnung der erforderlichen Strahlintensitäten und/oder -energien in Abhängigkeit vom Winkel.
Um einen Vorteil aus der verbesserten Genauigkeit in der Dosis-Platzierung zu ziehen, die durch derartige Strahlungstherapie-Systeme geboten wird, kann der Strahlenbehandlungsplan auf einem Computertomographie-Bild (CT-Bild) des Patienten beruhen. Wie es im Gebiet bekannt ist, wird ein CT-Bild erzeugt, indem viele Projektionsbilder, die bei verschiedenen Winkeln von dem Patienten erhalten wurden, mathematisch rekonstruiert werden. Bei einer typischen Fächerstrahl-CT-Erfassung, umkreist die Quelle des aufgefächerten Strahls den Patienten in einer Fächerebene, um einen scheibenförmigen Abschnitt des Patienten zu beleuchten, während die Dämpfung des jeweiligen Strahls des aufgefächerten Strahls in Abhängigkeit von diesem Winkel gemessen wird, um Projektionen zu erhalten. Die Geometrie der CT-Erfassung ist folglich der Geometrie der Strahlungstherapie sehr ähnlich.
Jede CT-Projektion bildet ein eindimensionales Linienbild, das die Dämpfung des aufgefächerten Strahls durch eine „Scheibe" des Patienten angibt. Diese Linienbilder bei dem jeweiligen Winkel bilden zusammen ein „Dämpfungs-Sinogramm", das durch Verwendung gut bekannter Algorithmen wie etwa einer gefilterten Rückprojektion in zweidimensionale tomographische Bilder der Scheibe rekonstruiert werden können. Die sinographischen Daten, die an sich unverständlich sind, werden üblicherweise von dem Anwender nicht weiter verwendet oder es wird nicht weiter darauf zugegriffen.
Indem das CT-Bild verwendet wird, betrachtet der Radiologe den tumorösen Bereich und bestimmt die Strahlwinkel und Intensitäten und/oder Energien (die in Bezug auf das Tumorbild identifiziert wurden), die verwendet werden, um den Tumor zu behandeln. Bei einem automatischen System wählt ein Computerprogramm den Strahlwinkel und Intensitäten und/oder Energien aus, woraufhin der Physiker eine Dosiskarte erzeugt, die den tumorösen Bereich sowie obere und untere Dosisgrenzen für Bereiche der Behandlung identifiziert.
Die Erstellung eines Behandlungsplans anhand der Dosiskarte ist sogar bei derzeitigen Hochgeschwindigkeitscomputern eine zeitaufwändige Operation. Entsprechend wird das CT-Bild des Patienten vor dem Zeitpunkt der Strahlenbehandlung erfasst. Im Ergebnis wird der Patient während der Strahlenbehandlung üblicherweise nicht in der gleichen Position sein, in der der Patient während des CT-Bildgebungsverfahrens war. Das Problem einer genauen Ausrichtung des Patienten ist verstärkt, wenn die Behandlung in einer Anzahl verschiedener Sitzungen im Verlauf der Zeit erfolgt.
Das US-Patent 5.673.300, auf dem der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht, beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen einer Patientenbewegung, indem unmittelbar vor einer Strahlungstherapie ein zweites CT-Bild erhalten wird und das Sinogramm jenes CT-Bildes mit dem Sinogramm des ursprünglichen CT-Bildes verglichen wird, das für eine Planung der Strahlenbehandlung verwendet wurde. Dieser Vergleich führt zu einer Angabe einer Patientenbewegung, die direkt bei dem Behandlungs-Sinogramm angewendet werden kann, das verwendet wird, um die Strahlungstherapie-Maschine zu steuern. Durch ein Erkennen der direkten Analogie zwischen den Dämpfungs-Sinogrammen des CT-Bildes und den Behandlungs-Sinogrammen der Strahlungstherapie-Behandlung vereinfacht diese Erfindung sehr stark ein Erfassen und Korrigieren einer Fehlerfassung des Patienten für das Behandlungs-Sinogramm.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Strahlungstherapie-Maschine gemäß Anspruch 1.
Die Erfinder haben erkannt, dass die zuvor genannte Technik der direkten Modifizierung des Behandlungs-Sinogramms eine Echtzeit-Korrektur der Patientenbewegung ermöglicht, indem die zeitaufwändige Übersetzung einer Dosiskarte in ein Behandlungs-Sinogramm umgangen wird. Eine derartige Korrektur kann eine Echtzeit-Bewegung von einem gleichzeitigen tomographischen Abtasten oder von gut bekannten Messaufnehmern, die verwendet werden, um eine physiologische Bewegung zu messen, ableiten. Ein verbessertes Verfahren zum Korrigieren von „Fächerstrahl"-Sinogrammen erleichtert diese Verwendung des Sinogramms direkt.
Die Erfinder haben außerdem erkannt, dass die Möglichkeit, Sinogramme zu bearbeiten, um sie einer Bewegung in der zugrunde liegenden Struktur anzupassen, ein neuartiges Verfahren ermöglicht, ein Behandlungs-Sinogramm zu erzeugen, indem zuvor berechnete partielle Sinogramme kombiniert werden, die Behandlungen von Standardelementen des Patienten darstellen. Diese Standardelemente können bewegt werden, um mit einer bestimmten Anatomie des Patienten und mit den partiellen Sinogrammen, die gemäß den zuvor beschriebenen Techniken modifiziert wurden, übereinzustimmen. Die partiellen Sinogramme werden hierauf kombiniert und direkt oder als eine Ausgangsbasis für eine schrittweise Behandlungs-Planungssoftware verwendet.
Folglich ermöglicht die Erfindung eine Echtzeitkorrektur einer Patientenbewegung, um nicht nur Fehler bei der Patientenpositionierung, sondern auch physiologische Bewegungen zu korrigieren, wie sie etwa durch Atmung oder Herzbewegung verursacht werden. Eine direkte Operation bei dem Behandlungs-Sinogramm macht eine derartige Echtzeit-Steuerung möglich.
Die Bewegung kann erfasst werden, indem ein Planungs-Tomographiebild des Patienten zeitgleich mit der Erstellung des Behandlungs-Sinogramms mit einem Überwachungs-Tomographiebild des Patienten verglichen wird, das während der Strahlungstherapie aufgenommen wurde. Alternativ kann die Patientenbewegung durch ein Modell erfasst werden, bei dem als ein Eingangssignal ein physiologisches Signal wie etwa Atmung oder Herzschlag empfangen werden oder äußere Bezugsmarkierungen gemessen werden.
Die Maschine kann so beschaffen sein, dass sie eine Bibliothek von partiellen Sinogrammen erstellt, wobei jedes partielle Sinogramm Intensitäten und/oder Energien von verschiedenen Strahlen bei gegebenen Winkeln der Strahlungsachse in Sinogrammzeilen und eine Intensität und/oder Energie von gegebenen Strahlen bei verschiedenen Winkeln der Strahlungsachse in Sinogrammspalten für ein Patientenelement in ersten Betriebsweisen bereitstellt. Gruppen von Darstellungen von Patientenelementen können in Kombinationen bei zweiten Betriebsweisen angeordnet sein, um so einen gegebenen Patienten zu modellieren, für den eine Strahlenbehandlung erforderlich ist. Änderungen bei den Patientenelementen zwischen den ersten und den zweiten Betriebsweisen können in Änderungsdaten festgehalten werden. Diese Änderungsdaten können verwendet werden, um die partiellen Sinogramme des jeweiligen Patientenelements in Übereinstimmung mit den Änderungsdaten zu modifizieren, und die partiellen Sinogramm können kombiniert werden, um ein Behandlungs-Sinogramm des Patienten zu erzeugen.
Hierbei wird die Möglichkeit genutzt, Behandlungs-Sinogramme direkt zu modifizieren, um Sinogrammvorlagen zu erstellen, die einfach kombiniert werden können, um ein Behandlungs-Sinogramm ohne die Erfordernis von aufwändigen Behandlungsplanungs-Operationen zu erzeugen. Die Änderungsdaten können sowohl eine Änderung des Orts als auch der Abmessung der Patientenelemente angeben, wobei diese Patientenelemente einfache geometrische Formen sein können oder bestimmte Organe modellieren können.
Es wird eine finite Bibliothek von Patientenelementen geschaffen, die ausreicht, um ein Zusammenstellen eines angenäherten Behandlungs-Sinogramms zu ermöglichen.
Das so konstruierte Behandlungs-Sinogramm kann weiter optimiert werden, damit es besser mit der Dosiskarte übereinstimmt.
Folglich kann die Erfindung einen verbesserten Ausgangspunkt für eine Dosisoptimierung schaffen sowie die Anzahl von Schritten und folglich die Zeit, die zur Erstellung des Behandlungs-Sinogramms erforderlich ist, verringern.
Die Erfindung wird weiterhin beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine perspektivische Teilschnittansicht eines Strahlungstherapie-Systems ist, das für die Erfassung von radiographischen Projektionen und für die Erzeugung von Hochenergie-Strahlungstherapiestrahlen sorgt, und einen Patiententisch zeigt, um einen Patienten darauf zu tragen;
2 eine vereinfachte Ansicht einer Scheibe eines Objekts wie etwa eines Patienten ist, die Zeilenprojektionen des Objekts bei zwei Winkeln θ zeigt, wobei die Dämpfungen A längs der Abmessung t in der vertikalen Achse der jeweiligen Projektion angegeben sind;
3 ein Sinogramm ist, das aus mehreren Zeilenprojektionen gebildet ist, wie etwa jene, die in 2 über 360° des Winkels θ erfasst wurden, wobei die Dämpfung der Projektionen durch Schraffierung angegeben ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines vereinfachten Objekts ist, das abgetastet werden kann, wobei ein spiralförmiger Abtastpfad und ein Abtastpfad Scheibe für Scheibe gezeigt werden;
5 ein Satz von Sinogrammen des Objekts von 4 ist, wie es bei einem Abtasten Scheibe für Scheibe erhalten werden würde;
6 ein Sinogramm des Objekts von 4 ist, wie es bei einem spiralförmigen Abtasten erhalten werden würde;
7 eine Kombination aus Blockdiagramm und Ablaufdiagramm ist, die die Schritte des Erstellens eines Behandlungs-Sinogramms, das für eine Steuerung einer Strahlungstherapie-Maschine verwendet wird, von einer Computertomograph-Abtastung zeigt, die an der gleichen oder an einer anderen Maschine aufgenommen wurde;
8a und 8b Figuren ähnlich 2 sind, die jeweils die Auswirkung einer Bewegung einer Struktur in einem Parallelstrahlsystem und in einem System mit aufgefächertem Strahl zeigen;
9 ein Ablaufdiagramm ist, das die Schritte eines ersten Verfahrens zum Korrigieren einer Bewegung in einem aufgefächerten Strahl zeigt, das ein „Rebinning" des aufgefächerten Sinogramms in eine parallele Konfiguration umfasst;
10 ein Ablaufdiagramm ähnlich jenem von 9 ist, das ein zweites Verfahren zum Korrigieren einer Bewegung in einem aufgefächerten Strahl zeigt, das eine direkte mathematische Bearbeitung durch Skalieren und Verschieben des Behandlungs-Sinogramms ohne „Rebinning" in eine parallele Strahl-Konfiguration umfasst;
11 eine Figur ähnlich 2, 8a und 8b ist, die die Auswirkung einer Ausdehnung eines Objekts vor Ort im Gegensatz zu einer translatorischen Bewegung von 8a und 8b zeigt; und
12 eine Figur ähnlich 7 ist, die Elemente der Echtzeit-Bewegungskorrektur, die von der vorliegenden Erfindung genutzt wird, und die Konstruktion eines Behandlungs-Sinogramms aus zuvor berechneten partiellen Sinogrammen zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Strahlungstherapie-Maschine
In 1 umfasst nun eine Strahlungstherapie-Maschine 10, die für eine Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, einen strahlungsdurchlässigen Tisch 12 mit einer freitragenden Oberseite 14. Die Oberseite 14 des Tisches wird in einer Bohrung 18 eines ringförmigen Gehäuses 20 der Strahlungstherapie-Maschine 10 durch eine Bewegung des Tisches 12 längs Schiene 16, die sich längs einer z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems 22 erstrecken, aufgenommen.
Der Tisch 12 umfasst außerdem eine innere Schienenbaueinheit und eine (nicht gezeigten) Hubvorrichtung, um ein Einstellen der Oberseite 14 in einer seitlichen horizontalen Position (die durch die x-Achse des Koordinatensystems 22 angegeben ist) und vertikal (was durch die y-Achse des Koordinatensystems 22 angegeben ist) zu ermöglichen. Eine Bewegung in der x- und in der y-Richtung ist durch den Durchmesser der Bohrung 18 begrenzt.
Ein drehbarer Montageaufbau 24, der zu der Bohrung 18 koaxial ist und in dem Gehäuse 20 angeordnet ist, trägt eine Röntgenstrahlungsquelle 26 und eine Hochenergie-Strahungsquelle 28 an ihrer inneren Oberfläche. Die Röntgenstrahlungsquelle 26 kann eine herkömmliche drehende Anoden-Röntgenröhre sein, während die Strahlungsquelle 28 eine beliebige Quelle einer Behandlungsstrahlung sein kann, einschließlich einer Quelle, die Röntgenstrahlen, beschleunigte Elektronen, Protonen oder schwere Ionen produziert, wie es auf dem Gebiet offensichtlich ist. Die Röntgenstrahlungsquelle 26 und die Strahlungsquelle 28 drehen sich mit dem Montageaufbau 24 um ein Drehzentrum 64 in der Nähe der Oberseite des Patiententisches 12, wenn die Tischoberseite 14 in der Bohrung 18 positioniert ist.
Die Röntgenstrahlungsquelle 26 wird gebündelt, um einen gefächerten Strahl 30 zu erzeugen, der im Allgemeinen in der x-y-Ebene liegt und die Bohrung 18 und folglich die Tischoberseite 14 kreuzt, wenn die Tischoberseite 14 in der Bohrung 18 positioniert ist. Der gefächerte Strahl 30 divergiert um eine zentrale Achse 31, deren Winkel durch die Position des Montageaufbaus 24 gesteuert wird. Die Achse 31 wird nachfolgend als die Projektionsachse bezeichnet.
Nachdem er aus der Tischoberseite 14 ausgetreten ist, wird der gefächerte Strahl 30 durch einen Lineargruppendetektor 32 erfasst, der diametral gegenüber der Strahlungsquelle 28 angeordnet ist. Folglich ermöglicht der sich drehende Montageaufbau 24, dass radiographische Projektionen eines Patienten auf der Tischoberseite 14 mit aufgefächertem Strahl bei einer Vielzahl von Winkeln θ von dem Patienten erfasst werden können.
Die Strahlungsquelle 28 ist so angebracht, dass sie einen aufgefächerten Strahl von Hochenergiestrahlung 34 ähnlich dem aufgefächerten Strahl 30 projiziert, der jedoch den aufgefächerten Strahl 30 im rechten Winkel kreuzt, um so bei der anderen Seite des Montageaufbaus 24 durch einen Strahlungsdetektor und einen Anschlag 36 aufgenommen zu werden. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Anschlag durch einen Detektor ersetzt, um eine Alternative zu dem Detektor 32 bereitzustellen, um eine Bewegung des Patienten abzuleiten. Der aufgefächerte Strahl der Hochenergie-Strahlung 34 divergiert um eine Strahlungsachse, die in dem Strahl zentriert und senkrecht zu der Projektionsachse 31 liegt.
Die Strahlungsquelle 28 weist einen Kollimator 38 auf, der an ihrer Vorderseite angebracht ist, um den Strahl der Hochenergiestrahlung 34 in viele angrenzende Strahlen zu teilen, deren Energie und/oder Teilchenfluenz einzeln gesteuert werden kann. Wie sie hier verwendet wird, ist eine Steuerung der Energie und/oder der Teilchenfluenz der Strahlen so zu verstehen, dass dies nicht nur die Energie einzelner Röntgenstrahlen-Photonen (oder Teilchen in dem Fall einer Strahlungstherapie, die Elektronen, Protonen oder schwere Ionen verwendet) umfasst, sondern alternativ oder zusätzlich die Gesamtanzahl von Photonen oder Teilchen, wie diese von der Teilchenfluenz, der Teilchenfluenzrate und der Aussetzungszeit abhängt. In dem Fall einer Strahlungstherapie, die Teilchen nutzt, können die Energie der Teilchen, die Teilchenfluenz und die Teilchenfluenzrate gesteuert werden, indem Sinogramme verwendet sein, die durch die vorliegende Erfindung modifiziert sein können, wie es aus der folgenden Beschreibung hervorgeht.
Ein zur Teilchenfluenzsteuerung geeigneter Kollimatortyp ist im US-Patent 5.317.616 beschrieben, das dem Anmelder des vorliegenden Falls übertragen wurde, wobei eine einfache Modifizierung dieses Kollimators, der keilförmige Filter verwendet, zur Teilchenenergiesteuerung verwendet werden kann. Alternativ kann ein Einzelstrahl-Abtastsystem oder ein anderes System, das einen Satz einzeln modulierter Strahlen bereitstellt, verwendet werden. Der Ort der Strahlungsquelle 28 und der Röntgenstrahlungsquelle 26 sind präzise gekennzeichnet, so dass Bilder, die von der Röntgenstrahlungsquelle 26 erhalten wurden, für eine Ausrichtung auf die Strahlungsquelle 28 verwendet werden können.
Ein Computer 40 mit einer Bildanzeige 42 sowie einer Maus und einer Tastatur 44 für eine Benutzereingabe, die auf dem Gebiet gut bekannt sind, sind mit der Strahlungstherapie-Maschine 10 verbunden, um eine Bewegung des Tisches 12 zu steuern und um die Operation des Montageaufbaus 24 zusammen mit der Strahlungsquelle 28 und der Röntgenstrahlungsquelle 26 zu koordinieren und um während eines Abtastens des Patienten gemäß in dem Gebiet gut bekannter Verfahren Daten von dem Lineargruppendetektor 32 zu sammeln.
CT- und Strahlungstherapie-Behandlungs-Sinogramme
In 2 umfasst nun eine Scheibe 50 des Patienten, die längs der x-y-Ebene aufgenommen wurde, zwei Zonen 54 innerhalb einer größeren Zone 52. Strahlung, die längs der Strahlachse 31 durch die Scheibe 50 verläuft (bei einem vertikalen oder einem davor oder dahinter liegenden Winkel („AP")) erzeugt eine Projektion 56, die die Dämpfung von Röntgenstrahlen aufzeichnet, die durch die Scheibe 50 längs einer einzigen Linie senkrecht zu der Strahlachse 31 (für CT) verläuft, oder sorgt für eine Strahlenbehandlungs-Projektion von unterschiedlicher Elektronen-Energie und/oder Intensität von Strahlen entsprechend den verschiedenen Zonen 52 und 54 (für Strahlungstherapie). In beiden Fällen wird der Abstand längs dieser Achse senkrecht zu der Projektionsachse mit t bezeichnet. Die Zonen 54 können getrennt bei dem vertikalen Winkel aufgelöst werden und folglich liegen zwei Höchstwerte 58 (Dämpfung oder Strahlungsenergie und/oder Intensität) in der Projektion 56 vor.
Im Gegensatz sind bei einer zweiten Projektion längs einer Projektionsachse 31' bei einem Winkel θ von der Vertikalen die Zonen 54 so ausgerichtet, dass die Projektion 56' einen einzigen Höchstwert 58' zeigt.
In 3 können nun Projektionen bei verschiedenen Winkeln θ über 360° kombiniert werden, um ein Sinogramm 60 zu bilden, das im Computer 40 vorübergehend als eine Datenmatrix gespeichert wird. Wie es gezeigt ist, ist diese Datenmatrix so angeordnet, dass jede Zeile einen unterschiedlichen Winkel θ und dass jede Spalte einen unterschiedlichen Abstand t längs der Projektion darstellt. Für ein CT-Dämpfungs-Sinogramm ist jedes Element der Matrix ein Dämpfungswert. Für ein Strahlenbehandlungs-Sinogramm ist jedes Element der Matrix eine Energie und/oder Teilchenfluenz eines Strahls des Behandlungsstrahls. Die Werte können als numerische Variablen in dem Computer 40 gespeichert werden und sind als schraffierte Kurven 62 gezeigt.
Das Muster des Sinogramms 60 ist im Allgemeinen jenes von überlagerten sinusförmigen Kurven 62 (daher der Name), wobei jede Kurve 62 eine Grundperiode in θ von 360 Grad als ein Ergebnis der sichtbaren Bewegung von Zonen 54 auf einer Umlaufbahn um ein Zentrum der Montageaufbaudrehung 64 hat, falls Projektionen bei verschiedenen Winkeln θ aufgenommen wurden. Im Allgemeinen folgen Zonen 54 zu der Drehachse 64 des Montageaufbaus hin Sinuskurven mit kleinerer Amplitude, während Zonen 54, die weiter weg von dem Drehzentrum 64 sind, Sinuskurven mit größerer Amplitude folgen. Die Phase der Sinuskurven hängt im Allgemeinen von der Anfangsposition der Zonen 54 in Bezug auf die erste Projektion bei θ = 0 ab.
Bei einer herkömmlichen CT-Erfassung kann ein Dämpfungs-Sinogramm zu einem tomographischen Bild der Scheibe 50 rekonstruiert werden. Wie es auf dem Gebiet gut bekannt ist, ist ein Dämpfungs-Sinogramm mit t-Werten, die sich über die größte Querschnittbreite einer abgebildeten Scheibe 50 erstrecken, und mit θ-Werten über 360° ausreichend, um ein tomographisches Bild der Scheibe beispielsweise durch das Verfahren der gefilterten Rückprojektion zu rekonstruieren.
Bei einer Strahlungstherapie kann ein Behandlungs-Sinogramm verwendet werden, um die Elektronen-Energie und/oder die Teilchenfluenz von angrenzenden Strahlen eines aufgefächerten Strahls von Hochenergiestrahlung 34 zu steuern, der durch den Patienten geschickt wird. Wenn beispielsweise die Zonen 54 aus 2 tumorös sind, kann ein Strahlenbehandlungsplan allgemein gut mit den Kurven 62 übereinstimmen, die Strahlung hoher Intensität erzeugen würden, die sich bei den Zonen 54 unter einer Vielzahl von verschiedenen Winkeln θ schneiden würden, um eine hohe Gesamtdosis bei den Zonen 54, jedoch eine geringe Dosis überall sonst zu erzeugen.
Aus 1 folgt zudem, dass das tomographische Bild, das aus dem Sinogramm 60 erzeugt wurde, genutzt werden kann, um einen Strahlenbehandlungsplan zu erstellen, der sich genau auf dieses tomographische Bild bezieht. Das US-Patent 5.661.773 beschreibt allgemein ein interaktives Verfahren zum Erzeugen eines Behandlungsplans in der Form eines Sinogramms 60, das auf einem tomographischen Bild beruht.
In 4 wird nun bei einer tomographischen Erfassung „Scheibe für Scheibe" oder bei einer Strahlungsbehandlung Scheibe-für-Scheibe das abgebildete Objekt 51 in eine Vielzahl von Scheiben 70 aufgeteilt, die längs der z-Achse getrennt sind, und die Erfassung von Projektionen oder die Strahlenbehandlung werden erzielt, indem die Strahlachse 31 auf eine einzige Ebene beschränkt ist, wenn sie sich um das abgebildete Objekt 51 dreht, das allgemein durch den Pfeil 72 angegeben ist. Beim Abschuss der 360-Grad-Drehung wird das Objekt durch ein Bewegen des Tisches 12 längs der z-Achse bewegt, bis die nächste Scheibe auf die Strahlachse 31 ausgerichtet ist.
Bei einem alternativen Erfassungs- oder Behandlungsverfahren, das als „spiralförmiges Abtasten" bezeichnet wird, folgt die Projektionsachse einem spiralförmigen Pfad durch das abgebildete Objekt 51, indem der Tisch 12 mit jeder Änderung im Winkel θ um einen kleinen Betrag in z erhöht wird.
Bei dem vorherigen Verfahren Scheibe-für-Scheibe wird eine Reihe von Sinogrammen 60' verwendet (Dämpfung und Behandlung), von denen jedes völlig gleich zu jenem ist, das anhand 3 beschrieben wurde und üblicherweise 360° einer Montageaufbaubewegung umfasst. Verschiedene Scheiben 70 erzeugen unterschiedliche Abfolgen eines Sinogramms 60', von denen jedes einen unterschiedlichen, jedoch konstanten z-Wert aufweist.
Im Gegensatz erzeugt die spiralförmige Erfassung ein Sinogramm 60'', bei dem jede Zeile des Sinogramms 60'' eine unterschiedliche Zunahme sowohl in θ als auch in Z darstellt.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel erstreckt sich eine Zone 54 lediglich durch die ersten zwei Scheiben 70. In 5 zeigen folglich lediglich die ersten zwei Sinogramme 60' Sinuskurven 62, die in Bezug zu der Zone 54 stehen. Ähnlich zeigen bei dem sinusförmig erfassten Sinogramm 60'' von 6 lediglich die ersten 720 Grad des Sinogramms 60'' eine Signalkurve 62.
Das Behandlungs-Planungsverfahren
In 7 kann nun die Strahlungstherapie-Maschine 10 oder eine unabhängige (nicht gezeigte) CT-Maschine verwendet werden, um tomographische Daten in der Form eines Dämpfungs-Sinogramms 41 eines Patienten 43 zu erfassen. Wie es zuvor beschrieben wurde, stellt das Dämpfungs-Sinogramm 41 im Allgemeinen (hier vertikal dargestellte) Zeilen, die einen Satz von Dämpfungsmessungen A(t) umfassen, die von dem Detektor 32 bei verschiedenen Strahlen bei einem gegebenen Projektionswinkel θ erfasst wurden, und (hier horizontal dargestellte) Spalten, die die gleichen Daten für verschiedene Projektionswinkel θ darstellen, bereit.
Das Dämpfungs-Sinogramm 41 wird durch eine tomographische Rekonstruktionseinheit 45, etwa eine, die gut bekannte gefilterte Rückprojektionsalgorithmen verwendet, erfasst, um ein Planungs- Tomographiebild 46 bereitzustellen, das eine Scheibe des Patienten 43 darstellt. Dieser und die folgenden Schritte können an einem Computer 40 durchgeführt werden.
Das Planungs-Tomographiebild 46 kann einem Dosiskarten-Editor 48 zur Verfügung gestellt werden, bei dem es einen Hintergrund bereitstellt, auf dem durch einen Physiker eine Dosiskarte 55 erstellt wird. Die Dosiskarte 55 stellt die gewünschte Dosis in Bereichen innerhalb der Scheibe des Patienten 43 dar.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Dosiskarte 55 interaktiv mit Editierbefehlen 53 von einer Tastatur- oder Cursorsteuerungsvorrichtung erstellt, die von dem Dosiskarten-Editor 48 empfangen werden.
Die Dosiskarte 55 wird verwendet, um ein Behandlungs-Sinogramm 57 zu erstellen, das Energie und/oder Teilchenfluenz von mehreren Strahlen von der Strahlungsquelle 28 bei verschiedenen Strahlwinkeln θ beschreibt, die die gewünschte Dosis der Dosiskarte 55 erzeugen. Das Behandlungs-Sinogramm 57 ist im Allgemeinen in (hier vertikal dargestellten) Zeilen, die Werte einer Funktion I(t) bereitstellen, die eine Strahlenergie und/oder Teilchenfluenz für verschiedene Strahlen t innerhalb eines Strahls und in (hier horizontal dargestellte) Spalten angeordnet, die Werte einer Funktion I(θ) bereitstellen, die eine Strahlenergie und/oder Teilchenfluenz für verschiedene Strahlwinkel θ angeben.
Im Allgemeinen wird das Verfahren der Umsetzung der Dosiskarte 55 in das Behandlungs-Sinogramm als eine schrittweise Optimierung durch die Planungs-Software 59 durchgeführt. Die Planungs-Software 59 erzeugt ein Probe-Sinogramm 101, das einem Dosisrechner 61 zur Verfügung gestellt wird, wobei letzterer die Dosis ermittelt, die durch das Probe-Sinogramm erzeugt werden würde, und vergleicht diese mit der gewünschten Dosis, wie es durch den Vergleichsknoten 102 angegeben ist. Die Planungssoftware 59, die eine Anzeige der Abweichung zwischen der durch das Probe-Sinogramm 101 bereitgestellten Dosis und der Dosiskarte 55 erhält, modifiziert hierauf die Strahlenergie und/oder Teilchenfluenz des Probe-Sinogramms 101 gemäß dieser Abweichung und das Verfahren wird wiederholt, bis ein Behandlungs-Sinogramm 57 erhalten wird. Das Behandlungs-Sinogramm 57 wird hierauf bereitgestellt, um den Kollimator 38 für eine Behandlung des Patienten 43 zu steuern.
Aufgrund der Zeit, die erforderlich ist, um die tatsächliche Strahlenbehandlung durchzuführen, die das Behandlungs-Sinogramm 57 verwendet, ist eine Patientenbewegung, die durch Atmung und weitere Quellen verursacht wird, unvermeidbar. Diese Bewegung kann erfasst werden, die Zeit, die für eine Änderung der Dosiskarte 55 erforderlich ist, um die Bewegung wiederzugeben und um das Behandlungs-Sinogramm 57 erneut zu berechnen, ist jedoch zu groß, als dass kurzzeitige Patientenbewegungen praktisch berücksichtigt werden könnten. Die vorliegende Erfindung hat erkannt, dass mit Hochgeschwindigkeitscomputern die Korrekturtechnik zur Vorbehandlung der Patientenposition, die allgemein im US-Patent 5.673.300 beschrieben ist und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, verwendet werden kann, um auch eine Bewegung während des Behandlungsverfahrens an sich zu korrigieren.
Wie es in 8a dargestellt ist, erfordert eine relative Bewegung des Patienten 43 oder eines Abschnitts des Patienten 43 um einen Betrag Δr ⇀ von einer ersten Position 63 zu einer zweiten Position 63' eine Verschiebung der Zeilen des Sinogramms, wobei I(t) zu I(t +
) modifiziert wird, wobei
ein Betrag proportional zu Δr ⇀ mal ϕ ist, was dem Unterschied zwischen dem Strahlwinkel θ für jene Zeile des Sinogramms und dem Winkel von Δr ⇀ entspricht. Diese Korrektur allein ist für Parallelstrahlsysteme ausreichend, bei denen jeder der Strahlen der Hochenergiestrahlung 34 parallel ist (in 8a gezeigt), sie ist jedoch nur ein Teil der Korrektur, die für ein System mit aufgefächertem Strahl gewünscht ist, bei dem jeder der Strahlen der Hochenergiestrahlung 34 von einem gemeinsamen Ursprung um die Strahlachse divergiert, wie es in 8b dargestellt ist.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Divergenz der Strahlen in einem Fächerstrahlsystem eine Vergrößerungswirkung verursacht, die idealerweise ausgeglichen werden sollte. In 8b sorgt hierauf irgendeine Bewegung eines Objekts um Δr ⇀ von Position 63 zu Position 63' nicht nur für eine Verschiebung der Sinogrammzeilen I(t), sondern sie kann für eine Vergrößerung dieser Funktion sorgen. Folglich bewirkt das Objekt bei der Position 63', das sich näher zu dem Ursprung des aufgefächerten Strahls sowie über den Ursprung des aufgefächerten Strahls bewegt, eine Verschiebung der Funktion I(t + α) und eine Skalierung der Funktion I(βt), die die relativen Vergrößerungswirkungen wiedergeben, die durch eine Bewegung zu dem Ursprung des aufgefächerten Strahls der Hochenergiestrahlung 34 und von diesem weg bewirkt wird. Die Beträge α und β hängen von den bestimmten Abmessungen der Strahlungstherapie-Maschine 10 ab und hängen allgemein von dem Betrag der Bewegung und dem Ursprung der Bewegung ab und sie können durch gut verstandene geometrische Techniken ermittelt werden. Im Allgemeinen müssen die Skalierung und die Verschiebung keine linearen Funktionen sein und sie müssen nicht einheitlich über den Patienten sein.
Eine Korrektur des Behandlungs-Sinogramms, wie es zuvor beschrieben wurde, kann auf eine Vielzahl von Arten vorgesehen werden. Bei einer im 9 gezeigten ersten Ausführungsform werden die Zeilen und Spalten des Behandlungs-Sinogramms einem „Rebinning" unterzogen, um ein Sinogramm zurückzustrahlen, das ein völlig gleiches Strahlungsmuster, jedoch an einer Maschine mit parallelen Strahlen liefert. Dieses „Rebinning"-Verfahren ist eine geometrische Transformation, die auf dem Gebiet der Computertomographie gut bekannt ist, und es kann direkt berechnet werden, indem mathematische Formeln verwendet werden, oder sie kann im Voraus berechnet werden, um eine Tabelle zu erzeugen, die Elemente des Behandlungs-Sinogramms 57 mit aufgefächertem Strahl auf entsprechende Elemente eines Sinogramms mit parallelen Strahlen abbildet. Im Allgemeinen wird ein Interpolationsschritt erforderlich sein, damit die Elemente auf die ganzzahligen Strahlen- und Strahlwinkelwerte des Sinogramms abgebildet werden können. Dieses „Rebinning" ist durch den Verfahrensblock 81 angegeben.
Nun wird bei dem Verfahrensblock 83 für jeden Strahlwinkeln die Komponente der Bewegung senkrecht zu dem Strahlwinkel ermittelt und verwendet, um die bestimmte Zeile des Sinogramms in direktem Verhältnis zu jener Komponente zu verschieben. Eine Bewegung parallel zu dem Strahlwinkel kann als ein Ergebnis der Parallelstrahlgeometrie vernachlässigt werden.
Beim Verfahrensblock 84 kann das resultierende verschobene Parallelstrahl-Sinogramm durch „Rebinning" in ein Sinogramm mit divergentem Strahl umgesetzt werden, indem das umgekehrte Verfahren verwendet wird, das im Verfahrensblock 81 beschrieben wurde. Das resultierende Sinogramm muss sowohl bei einer parallelen als auch bei einer senkrechten Bewegung des Patienten korrigiert werden.
Wie es alternativ in 10 dargestellt ist, kann für jede Zeile des Behandlungs-Sinogramms, das sich auf einen bestimmten Strahlwinkel bezieht, eine senkrechte Komponente
der Bewegungen Δr ⇀ bestimmt werden, wie es durch den Verfahrensblock 86 angegeben ist. Bei dem Verfahrensblock 88 können hierauf die Zeilen proportional zu dieser Komponente und zu der Vergrößerung, die durch die divergierenden Strahlen des aufgefächerten Strahls verursacht wird, verschoben werden. Nun kann bei dem Verfahrensblock 90 die parallele Komponente der Bewegung
in Bezug auf eine Strahlachse bei θ bestimmt werden und bei dem Verfahrensblock 92 können die Zeilen geeignet skaliert werden. Schließlich können bei dem Verfahrensblock 94 die skalierten und verschobenen Zeilen neu abgetastet werden, um sie mit ganzzahligen Werten zu versehen, die in dem Behandlungs-Sinogramm 57 erlaubt sind.
Der senkrechte Wert der Bewegung
und die parallele Komponente der Bewegung
könne für eine beliebige Verlagerung von Δx und Δy innerhalb eines feststehenden x-y-Koordinatensystems, das in der Ebene des aufgefächerten Strahls liegt, gemäß der folgenden Formel abgeleitet werden:
Für ein System mit aufgefächertem Strahl, das einen Mehrblatt-Kollimator nutzt, weist das korrigierte Sinogramm I(βt + α) im Allgemeinen Unstetigkeiten auf, die nicht an der Trennung zwischen den Blättern des Kollimators 38 liegen, die die Strahlen definieren. Deswegen muss das Sinogramm erneut abgetastet werden, damit es in die Grenzen des Behandlungs-Sinogramms 57 passt. Standardverfahren der Interpolation können für dieses erneute Abtasten verwendet werden. Die Erfinder erkennen, dass es bei diesem Ansatz zusätzliche Fehler einschließlich des Fehlers gibt, dass Streuung berücksichtigt wird, es wird jedoch angenommen, dass diese Fehler klein sind oder korrigiert werden können.
In 12 können nun die zuvor beschriebene Modifizierungstechnik für das Behandlungs-Sinogramm oder die einfachere Behandlungs-Sinogrammmodifizierung, die in dem Vorgängerpatent 5.673.300 beschrieben ist, genutzt werden, um eine Echtzeit-Bewegungskorrektur bereitzustellen. Während der Behandlung des Patienten 43 mit der Strahlungstherapie-Maschine 10' kann ein reguläres tomographisches Projektionssignal erzielt werden, indem der Detektor 32 verwendet wird, oder es kann ein tomographisches Megavolt-Projektionssignal erzielt werden, indem ein Megavolt-Detektor 65 verwendet wird. Die so erhaltenen Bilder können verwendet werden, um ein Echtzeit-Bildgebungs-Sinogramm 67 zu schaffen, das mit dem Planungs-Dämpfungs-Sinogramm 41 verglichen werden kann, wie es durch den Vergleichsblock 93 gemäß der in dem zuvor erwähnten Patent beschriebenen Technik zur Bereitstellung eines Bewegungssignals 69 angegeben ist.
Im Allgemeinen korreliert der Vergleich zwischen den zwei Dämpfungs-Sinogrammen 41 und 67 Zeilen der Sinogramme bei bestimmten Strahlwinkeln, um eine Patientenbewegung in einer oder mehreren rechtwinkligen Achsen festzustellen. Allgemeiner kann diese Technik erweitert werden, um die Bewegung des Patienten 43 in sechs Parametern bestehend aus x, y und z und Roll-, Gier und Stampfachse vollständig zu definieren.
Alternativ kann ein Patientenbewegungssensor 66 verwendet werden, um ein physiologisches Signal von dem Patienten zu liefern, das eine Bewegung angibt. Im einfachsten Fall kann der Sensor 66 eine Druckmanschette sein, um eine Brustwandausdehnung zu erfassen, die proportional zur Atmung ist, oder er kann einfach ein elektronisches Signal wie etwa ein ECG-Signal erfassen. Das derart erfasste Signal 71 kann einem mathematischen Modell 73 zugeführt werden, das den Signalverlauf mit inneren Änderungen in dem Patienten in Bezug setzt, sei es durch die Verwendung einer einfachen mathematischen Modellierung des Patienten, beispielsweise Atmen als eine Ausdehnung einer im Allgemeinen ovalen Brustwand, oder indem verschiedene Phasen des Signalverlaufs mit gemessenen tomographischen Bildern des Patienten oder eines Standardpatienten getastet werden, wodurch Änderungen der Stelle oder der Perspektiven von inneren Strukturen des Patienten 43 angegeben werden würden. Der Patientenbewegungssensor kann alternativ optisch sein, wobei äußere Bezugsmarkierungen verwendet werden, die durch Laser oder dergleichen optisch erfasst werden, oder er kann Signale von weiteren bekannten Bildgebungssystemen wie etwa einer magnetischen Resonanzbildgebung (MRI) nutzen, oder er kann durch Positionierungs-Fixierungseinrichtungen bereitgestellt werden, die an dem Patienten befestigt sind, wobei gut bekannte Orts- bzw. Orientierungsbestimmungstechnologien verwendet werden wie etwa jene, die Hochfrequenz- oder Lichtsender und -empfänger nutzen, wie sie von Realitätssimulations-Kopfhörern (Headsets) und dergleichen bekannt sind.
Diese Signale 69 von irgendeiner Quelle können einem Sinogramm-Bearbeitungsprogramm 74 zur Verfügung gestellt werden, das als Software in einem Hochgeschwindigkeits-Computerprozessor eingebaut ist, der die zuvor beschriebenen Transformationen durchführt, wobei die Eingabewerte den
Wert und absolute Koordinateninformationen beschreiben. Das Sinogramm-Bearbeitungsprogramm 74 empfängt folglich ein Sinogramm, das, wie es in 7 beschrieben wurde, zuvor erstellt wurde, um ein modifiziertes Behandlungs-Sinogramm 76 zu erstellen, das dem Kollimator 38 auf einer Echtzeit-Basis zur Verfügung gestellt wird, um so die gegenwärtige Strahlenbehandlung auf einer Echtzeit-Basis zu modifizieren.
Die Fähigkeit, das Behandlungs-Sinogramm 57 durch einfache mathematische Operationen wie etwa Verschieben und Skalieren zu modifizieren, schafft die Möglichkeit, die schnellen Korrekturen durchzuführen, die in Echtzeit erforderlich sind. Ferner können in dem Fall, bei dem ein Modell 73 verwendet wird, Modifikationen vorhergesehen und im Voraus berechnet werden, und/oder viele modifizierte Behandlungs-Sinogramme 76 können im Voraus berechnet und bei Bedarf einfach mit dem Kollimator 38 in Verbindung geschaltet werden.
Ebenfalls in 11 muss nun das Korrekturverfahren, das bei dem Sinogramm angewendet wird, nicht nur eine Verlagerung von Objekten bewältigen, sei es in dem Patienten oder einschließlich des ganzen Patienten, sondern es muss dieses bis zu einem bestimmten Grad auch allgemeinen Abmessungsänderungen von Objekten in dem Patienten anpassen. Beispielsweise kann sich das Objekt in der Betriebsweise 63 aufblähen, so dass es wegen der vorhersagbaren Auswirkung des Ausdehnens durch ein Skalieren der Sinogramm-Funktion I(t), die erforderlich ist, um die Behandlung jener Struktur fortzusetzen, ein Objekt in der Betriebsweise 63'' wird. Im Unterschied zu der Ausdehnung von 4 wird jedoch in diesem Fall eine ähnliche Ausdehnung bei allen Strahlwinkeln gefunden. Folglich kann durch diese Technik eine Anpassung an komplizierte Organabmessungsänderungen ohne die Erfordernis einer Neuberechnung der Dosiskarte 55 erfolgen.
Diese Möglichkeit, das Behandlungs-Sinogramm 57 zu modifizieren, um den Ort und die Abmessungen der Strukturen zu ändern, die behandelt werden, ermöglicht ein neuartiges Verfahren einer schnellen Konstruktion von Behandlungs-Sinogrammen, wodurch der Bedarf an herkömmlicher Planungs-Software vermieden oder der Bedarf für derartige Software-Iterationen begrenzt wird.
Wieder in 12 bereitet ein derartiges System eine Reihe von partiellen Sinogrammen 80(a) bis 80(c) vor, von denen jedes einem zuvor festegelegten Patientenelement 82(a) bis 82(c) entspricht, und stellt eine Standard-Behandlung für jene Elemente bereit. Diese partiellen Sinogramme 80(a) bis 80(c) können erstellt werden, indem eine herkömmliche Planungs-Software verwendet wird, und sie werden über den Verlauf einer beliebig langen Zeitdauer optimiert und hierauf für einen späteren Gebrauch in einer elektronisch zugänglichen Bibliothek zusammen mit Darstellungen von Patientenelementen 82(a) bis 82(c) gespeichert, wobei sie einen Bereich, möglicherweise ein erwartetes Material, und eine gewünschte Behandlungsdosis angeben.
Während des Planungsverfahrens empfängt der Dosiskarten-Editor 48 Darstellungen, die den Behandlungszonen und Dosen von Patientenelementen 82(a) bis 82(c) entsprechen, und ermöglicht, dass diese in Bezug auf das tomographische Planungsbild 46 sowohl durch Verschiebung in Bezug auf das tomographische Planungsbild 46 als auch durch Ausdehnung und Zusammenziehen bearbeitet werden können. Diese Bearbeitungsbefehle werden als Editierbefehle 53 empfangen und werden außerdem über eine Leitung 85 dem Sinogramm-Bearbeitungsprogramm 74 zugeführt.
Wenn die Patientenelemente 82(a) bis 82(c) bearbeitet worden sind, modifiziert das Sinogramm-Bearbeitungsprogramm 74 die partiellen Sinogramme 80(a) bis 80(c), wie es zuvor beschrieben wurde, damit diese mit den neuen räumlichen Orten und Abmessungen ihrer zugeordneten Patientenelemente 82 übereinstimmen. Die Sinogramme 80(a) bis 80(c) für die ausgewählten Patientenelemente 82(a) bis 82(c), die bei der Erzeugung einer Dosiskarte 55 verwendet wurden, können hierauf aufsummiert oder auf eine andere Weise kombiniert werden, um das Behandlungs-Sinogramm 76 zu erzeugen. Die Kombination wirkt auf Elementpaare von entsprechenden Zeilen und Spalten ein.
Folglich kann ein Physiker, der ein tumoröses Organ zu behandeln wünscht, auf der Grundlage von einigen gemittelten Personen ein Patientenelement 82(a) auswählen, das eine zuvor geplante Behandlung für jenes Organ darstellt, und es mit einem zweiten Patientenelement 82(a) kombinieren, das eine in der Nähe liegende empfindliche Struktur darstellt, bei der eine Bestrahlung vermieden werden muss. Diese zwei Abschnitte können auf einer Darstellung des Patientenkörpers angeordnet werden, die außerdem durch einen Abschnitt modelliert wurde, wie er gegenüber einem tomographischen Bild eines tatsächlichen Patienten ausgerichtet ist.
Das resultierende Behandlungs-Sinogramm 76 kann dem Kollimator 38 direkt zugeführt werden oder es kann als ein Ausgangspunkt für weitere Optimierungen verwendet werden, indem die Iteration des Dosisrechners 61 und die Planungssoftware 59 verwendet werden, wie es zuvor beschrieben wurde.
Die Patientenelemente können folglich sowohl Standard-Organe oder geometrische Standardformen einer vorgegebener Dichte und einer gewünschten Dosis darstellen. Soweit viele Patientenbehandlungen abgesehen von geringfügigen anatomischen Änderungen in der Abmessung ähnlich sind, ermöglich ein derartiges System, dass der Physiker erprobte Strahlungstherapietechniken bei den Patienten verwendet.
Die Technik zum Erstellen eines Behandlungs-Sinogramms aus partiellen Sinogrammen 80 kann ferner durch die Bewegungserfassung, die durch Signale 69 bereitgestellt wird, in dem Maß erweitert werden, dass eine Bewegung, die bei einem bestimmten Organ identifiziert wurde, als ein einzelnes partielles Sinogramm 80 identifiziert werden kann und folglich von den anderen Komponenten des Behandlungs-Sinogramms 57 unterscheidbar ist, wodurch eine Einstellung jenes Organs isoliert möglich ist.

Claims

Strahlungstherapie-Maschine (10), die umfasst: ein Montageaufbau (24); eine Strahlungsquelle (28), die einen Strahlungsfächer-Strahl (34) aus Strahlen, die einzeln energie- und/oder teilchenfluenzmoduliert und längs einer Strahlungsachse orientiert sind, bereitstellen kann, wobei die Strahlungsachse in einem Winkelbereich um einen in dem Montageaufbau (24) positionierten Patienten positionierbar ist; und einen Computer (40), der die Operationen des Montageaufbaus (24) und der Strahlungsquelle (28) koordiniert; wobei die Maschine (10) so beschaffen ist, dass sie: (a) ein Strahlenbehandlungs-Sinogramm (57) aus Zeilen und Spalten annimmt, das Energie und/oder Teilchenfluenz für verschiedene Strahlen für einen gegebenen Winkel der Strahlungsachse in Zeilen und Energie- und/oder Teilchenfluenz eines gegebenen Strahls für verschiedene Winkel der Strahlachse in Spalten für einen Patienten in einer ersten Position bereitstellt; (b) Patientenbewegungsdaten (69) entwickelt, die die Patientenbewegung aus der ersten Position in eine zweite Position angeben; und (c) für einen gegebenen Strahlachsenwinkel des Strahlenbehandlungs-Sinogramms die entsprechende Zeile des Behandlungs-Sinogramms (57) entsprechend einer Komponente der Patientenbewegung senkrecht zu der gegebenen Strahlachse verschiebt; dadurch gekennzeichnet, dass: die Maschine (10) ferner so beschaffen ist, dass sie die entsprechende Zeile des Strahlbehandlungs-Sinogramms (57) entsprechend einer Komponente der Patientenbewegung parallel zu der gegebenen Strahlachse skaliert, wodurch die Divergenz des aufgefächerten Strahls (34) der Behandlungsstrahlung angepasst werden kann.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 1, wobei die Maschine (10) so beschaffen ist, dass sie die Zeilen des Behandlungs-Sinogramms (57) verschiebt und skaliert durch (i) Ausführen eines "Rebinning" des Strahlbehandlungs-Sinogramms (57) in ein paralleles Strahlbehandlungs-Sinogramm, das eine äquivalente Behandlung des Patienten in der ersten Position mit einer virtuellen Strahlungstherapie-Maschine bereitstellt, die einzeln energie- und/oder teilchenfluenzmodulierte Strahlen besitzt, die getrennt sind, jedoch längs einer Divergenzachse um eine Strahlungsachse zueinander parallel sind; (ii) Verschieben der entsprechenden Zeile des Behandlungs-Sinogramms (57) entsprechend einer Komponente der Patientenbewegung senkrecht zu der gegebenen Strahlachse für jeden gegebenen Strahlachsenwinkel des parallelen Strahlbehandlungs-Sinogramms (57); (iii) Ausführen eines umgekehrten "Rebinning" des parallelen Strahlbehandlungs-Sinogramms (57), das durch den Schritt (ii) modifiziert ist, zurück in ein Strahlbehandlungs-Sinogramm (57).
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 1, die so beschaffen ist, dass sie Patientenbewegungsdaten durch Vergleichen tomographischer Bilder des Patienten in der ersten und in der zweiten Position erhält.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 1, die so beschaffen ist, dass sie Patientenbewegungsdaten durch ein Patientenbewegungsmodell (13) entwickelt, das als einen Eingang ein physiologisches Signal (71) empfängt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Atmungssignal und einem Herzschlagsignal besteht.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 1, wobei die Strahlungstherapie-Maschine (10) die einzeln energie- und/oder teilchenfluenzmodulierten Strahlen mittels eines Mehrblatt-Kollimators (38) mit fester Blatttrennung bereitstellt; wobei die Maschine (10) so beschaffen ist, dass sie die modifizierten Zeilen des divergierenden Strahlbehandlungs-Sinogramms (57) neu abtastet, um eine Übereinstimmung mit der Blatttrennung des Mehrblatt-Kollimators (38) zu schaffen.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 1, die so beschaffen ist, dass sie sich an eine ungleichmäßige Patientenbewegung anpasst, die etwa durch eine Änderung der Form der inneren Struktur des Patienten hervorgerufen wird, und bei der die Komponente der Patientenbewegung senkrecht zu der gegebenen Strahlachse und die resultierende Verschiebung von der Position senkrecht zu der gegebenen Strahlachse abhängen und die Komponente der Patientenbewegung parallel zu der gegebenen Strahlachse und die resultierende Skalierung von der Position parallel zu der gegebenen Strahlachse abhängen; wodurch eine Anpassung an eine Expansion und an eine Kontraktion innerer Organe möglich ist.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 1, die so beschaffen ist, dass sie Patientenbewegungsdaten durch einen Bewegungssensor entwickeln, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Magnetresonanz-Bilderzeugungseinrichtung; einem optischen Scanner und einer an dem Patienten angebrachten Ortsfixierungseinrichtung besteht.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 1, die so beschaffen ist, dass sie: (a) eine Bibliothek von partiellen Sinogrammen (80a, b, c) aus Zeilen und Spalten vorbereitet, die Energie und/oder Teilchenfluenz unterschiedlicher Strahlen für einen gegebenen Winkel der Strahlungsachse in Zeilen sowie Energie und/oder Teilchenfluenz eines gegebenen Strahls für unterschiedliche Winkel der Strahlachse in Spalten bereitstellen, wobei jedes partielle Sinogramm (80a, b, c) eines von mehreren Patientenelementen in ersten Betriebsweisen entspricht; (b) Kombinationen einer Menge von Darstellungen der Patientenelemente in zweiten Betriebsweisen anordnet, um so einen gegebenen Patienten, der eine Strahlungsbehandlung benötigt, zu modulieren; (c) für jedes der Patientenelemente der Menge Änderungsdaten bestimmt, die Änderungen in den Patientenelementen zwischen den ersten und den zweiten Verfahrensweisen angeben; (d) die partiellen Sinogramme jedes der Patientenelemente der Menge in Übereinstimmung mit den Änderungsdaten modifiziert; und (e) die modifizierten partiellen Sinogramme kombiniert, um ein Behandlungs-Sinogramm des Patienten zu schaffen.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 8, bei der die Änderungsdaten die Patientenbewegungsdaten sind.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 9, bei der die Patientenbewegungsdaten Echtzeitdaten sind, die die Bewegung des Patienten angeben.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 8, bei der die Patientenelemente einfache geometrische Bereiche sind.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 8, bei der die Patientenelemente Modelle von Patientenorganen sind.
Strahlungstherapie-Maschine nach Anspruch 8, die so beschaffen ist, dass sie die partiellen Sinogramme entsprechend einer Dosiskarte für den Patienten anordnet und das Behandlungs-Sinogramm (57) in der Weise optimiert, dass es besser mit der Dosiskarte übereinstimmt.