DE69934893T2

DE69934893T2 - Vorrichtung zur erstellung eines strahlungsbehandlungsplanes

Info

Publication number: DE69934893T2
Application number: DE69934893T
Authority: DE
Inventors: M. David Madison SHEPARD; Peter Randwick HOBAN; R. Thomas Madison MACKIE; J. Paul Madison RECKWERDT; H. Gustavo Madison OLIVERA
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2019-08-07
Also published as: EP1102610A1; AU757570B2; EP1102610B1; CA2339534A1; WO2000007668A1; JP2002522128A; IL141202A; AU5465399A; IL141202A0; KR20010072304A; DE69934893D1; US6560311B1; CA2339534C; NZ509668A; JP3775993B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Planung der Strahlungstherapie für die Behandlung von Tumoren, wobei sie für Strahlungstherapiemaschinen geeignet ist, die unabhängige intensitätsmodulierte schmale Strahlenbündel der Strahlung bereitstellen.
Die Strahlungstherapie umfasst die Behandlung von Tumorgewebe mit hochenergetischer Strahlung entsprechend einem Behandlungsplan. Der Behandlungsplan steuert die Anordnung der Strahlung und das Niveau der Dosis, so dass das tumoröse Gewebe eine ausreichende Dosis der Strahlung empfängt, während die Strahlung auf das umgebende und benachbarte nicht tumoröse Gewebe minimal ist.
Die intensitätsmodulierte Strahlungstherapie (IMRT) behandelt einen Patienten mit mehreren Strahlen der Strahlung, von denen jeder unabhängig in der Intensität und/oder der Energie gesteuert werden kann. Die Strahlen sind von verschiedenen Winkeln um den Patienten gerichtet und werden kombiniert, um ein gewünschtes Dosismuster bereitzustellen. Typischerweise besteht die Strahlungsquelle entweder aus hochenergetischer Röntgenstrahlen, Elektronen aus bestimmten Linearbeschleunigern oder Gammastrahlen von im hohen Grade fokussierten Radioisotopen, wie z. B. Co⁶⁰.
Die Verfahren zum Erzeugen intensitätsmodulierter Strahlen der Strahlung sind im Stand der Technik wohlbekannt, wobei sie das Stop-und-Schieß-Verfahren (Xia, P., Verhey, L. J., "Multileaf Collimation Leaf Sequencing Algorithm for Intensity Modulated Beams with Multiple Static Segments", Medical Physics, 25:1424-34 (1998)), die Technik der gleitenden Fenster (Bortfeld, u. a., "Realization and Verifacation of Three-Dimensional Conformal Radiotherapy With Modulated Fields", Int'l J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 30:899-908 (1994)), die intensitätsmodulierte Therapie (Yu, C. X., "Intensity-Modulated Arc Therapy With Dynamic Multileaf Collimation: An Alternative to Tomotherapy", Physics in Medicine & Biology, 40:1435-49 (1995)), und die sequentielle (axiale) Tomotherapie (Carol, u. a., "The Field-Matching Problem as it Applies to the Peacock Three Dimensional Conformal System for Intensity Modulation", Int'l J. Radiat. Oncol. Biol. Phvs., 34:183-87(1996)), enthalten.
Ein im hohen Grade genaues IMRT-Verfahren verwendet ein planares Fächerstrahlenbündel, das den Patienten in der Ebene des Strahlenbündels umkreist, um eine einzelne Scheibe des Patienten auf einmal zu behandeln. Vor dem Erreichen des Patienten wird das Fächerstrahlenbündel durch einen Mehrblatt-Kollimator (MLC) geleitet, der aus einer Folge opaker Blätter besteht. Wie sich die Strahlungsquelle um den Patienten dreht, bewegen sich die Wolfram-Blätter in den und aus dem Strahlenbündel der Strahlung und modulieren die Intensität der einzelnen Strahlen in dem Fächerstrahlenbündel.
Ein Intensitätswert für jeden Strahl des Fächerstrahlenbündels in jedem Winkel des Fächerstrahlenbündels um den Patienten und für jede Scheibe des Patienten ist durch ein Behandlungs-Sinogramm definiert. Das Behandlungs-Sinogramm wird durch einen Arzt anhand einer Dosiskarte vorbereitet, die den Betrag der Strahlungsdosis und ihren Ort überall im Patienten angibt.
Die Vorbereitung eines Behandlungs-Sinogramms aus einer Dosiskarte ist äußerst kompliziert. Beispiele enthalten das simulierte Glühen (Langer M. und Morrill S., "A Comparison of Mixed Integer Programming and Fast Simulated Annealing For Optimized Beam Weights in Radiation Therapy", Medial Physics, 23:957-64 (1996)), die lineare Programmierung (Langer M. und Leong J., "Optimization of Beam Weights Under Dose-Volume Restrictions", Int'l. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 13:1225-60 (1987), die nichtlineare Programmierung (Bortfeld u. a., "Methods of Image Reconstruction From Projections Applied to Conformal Radiotherapy", Phys. Med. Biol., 35:1423-34 (1990)), die gemischt ganzzahlige Programmierung (Langer M. und Morrill S., "A Comparison of Mixed Integer Programming and Fast Simulated Annealing For Optimized Beam Weights in Radiation Therapy", Medical Physics, 23:957-64 (1996)), und die iterative gefilterte Rückprojektion (Holmes u. a., "An Iterative Filtered Backprojection Inverse Treatment Planning Algorithm for Tomotherapy," Int'l. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 32:1215-1225 (1995)). Ein weiteres Verfahren ist das von Llacer vorgeschlagene Verfahren der "Dynamically Penalized Likelihood", das im US-Patent Nr. 5.602.892 beschrieben ist.
Viele dieser Verfahren legen schwere Belastungen auf den Computer-Speicher. In den Tomotherapie-Anwendungen umfasst z. B. ein Strahlungsbehandlungsplan mit mittlerer Größe oft Speicherintensitäten von 91.000 Strahlen der Strahlung. Die Verfolgung der durch diese Strahlen bereitgestellten Dosis kann einen Speicher von mehr als 2,7 × 10¹¹ Dosiselementen erfordern.
US 5.782.739 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Behandlungs-Sinogrammen aus Dosiskarten.
Spezifischer schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Optimieren eines Strahlungsbehandlungsplans für eine Strahlentherapiemaschine, die unabhängig gesteuerte Strahlung längs mehrerer Strahlen j, die auf einen Patienten gerichtet sind, bereitstellt, um eine Dosis Ddi = dijwj an die Volumenelemente i abzugeben, wobei die Vorrichtung umfasst: a) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie eine vorgeschriebene Gesamtdosis D p / i in den Volumenelementen i in einem Behandlungsbereich identifizieren; b) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie jedem Strahl j einen Teilchenfluenzwert w_j zuweisen; gekennzeichnet durch: c) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie eine tatsächliche Dosis D d / i, die in jedem Volumenelement i mit den zugewiesenen Teilchenfluenzwerten w_i der für die Zuweisung ausgelegten Mittel erzeugt wird, berechnen; d) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie für jeden gegebenen Strahl j den Teilchenfluenzwert w_j der für die Zuweisung ausgelegten Mittel entsprechend einer Aktualisierungsfunktion für die vorgeschriebene Dosis D p / i und für die tatsächliche Dosis D d / i modifizieren; und e) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie die modifizierten Teilchenfluenzwerte w_j verwenden, um eine solche Strahlentherapiemaschine zu steuern.
Folglich ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Teichenfluenzwerte aus mehreren Strahlen, die in einer Strahlungstherapiesitzung verwendet werden, ohne die Notwendigkeit zu schaffen, die Teildosiswerte für jeden Strahl zu speichern.
In einer Ausführungsform kann die Aktualisierungsfunktion für jedes Bildelement i, das Strahlung von dem gegebenen Strahl j empfängt, ein Verhältnis der vorgeschriebenen Dosis D p / i zu der tatsächlichen Dosis D d / i oder z. B.
sein, wobei w (k+1) / j und w k / j die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung der Teilchenfluenz der Strahlen sind und a eine vorgegebene Approximation der Dosis pro Größe des Energieflusses d_ij ist.
Folglich ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die von einem rechnerisch einfachen Verfahren des Modifizierens der Strahl-Teilchenfluenzen Gebrauch macht, wie es durch die Vorrichtung schnell ausgeführt werden kann. Unter Verwendung einer Approximation der Dosis pro Energiefluenz d_ij oder der Dosis pro irgendeiner auf die Energiefluenz bezogenen Größe werden die oben beschriebenen Probleme des Speicherns und Berechnens der Teildosis vermieden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Aktualisierungsfunktion für jedes Volumenelement i, das Strahlung von dem gegebenen Strahl j empfängt, ein Verhältnis der vorgeschriebenen Dosis D p / i zu der tatsächlichen Dosis D d / i oder z. B.
sein, wobei w (k + 1 ) / j und w k / j die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung im Schritt (d) sind.
Folglich ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Funktion zum Modifizieren der Teilchenfluenzen der Strahlen, damit sie konvergieren, um die gewünschte Dosis zu erzeugen, die keinen Teildosis-Term d_ij besitzt, zu schaffen.
Die vorhergehenden und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor. In der Beschreibung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die einen Teil von ihr bildet und in der als Veranschaulichung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist. Eine derartige Ausführungsform stellt nicht notwendigerweise den vollen Umfang der Erfindung dar, wobei deshalb auf die Ansprüche hierin Bezug genommen werden muss, um den Umfang der Erfindung zu interpretieren.
KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht der Verschlusssystem-Baugruppe, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die die Verschlussblätter und ihre zugeordneten Aktuatoren zeigt;
2 ist ein Querschnitt des Verschlusssystems nach 1 längs der Linie 2-2, die den trapezförmigen Aspekt jedes Verschlussblattes für ein Strahlungs-Fächerstrahlenbündel der Strahlung und die Führungsschienen zum Unterstützen der Verschlussblätter, wenn sie sich bewegen, zeigt;
3 ist ein Blockschaltplan, der die Elemente der Strahlungstherapiemaschine zeigt, die einen herkömmlichen CT-Scanner und das Verschlusssystem der vorliegenden Erfindung enthält und die einen Computer umfasst, der geeignet ist, um das Verschlusssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu steuern;
4 ist eine vereinfachte Darstellung des Gerüsts der Strahlungstherapiemaschine nach 3, die die bei der Berechnung eines Patientenmodells verwendeten Variable zeigt;
5 ist ein Ablaufplan für den Prozess der Optimierung der Strahlen-Teichenfluenzwerte gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 enthält zwei Veranschaulichungen eines DVH-gestützten Systems, das bei der Führung der Optimierung nützlich ist. 6a ist eine Veranschaulichung eines DVH-gestützten Abzugssystems, das von Bortfeld u. a, "Clinically Relevant Intensity Modulation Optimization Using Physical Criteria", vorgelegt auf der XII International Conference an the Use of Computers in Radiation Therapy, Salt Lake City, Utah, USA, 1997, (unveröffentlicht), offenbart worden ist, in dem der schraffierte Bereich der Zone entspricht, die mit einem Abzug belegt wird. 6b ist eine Verallgemeinerung des Bortfeld-DVH-Abzugs. Jeder betrachtete Bereich besitzt im Abzugschema ein anderes Gewicht.
7a ist eine Dosisverteilung eines Behandlungsplanes, in dem ein Gewicht von 0,95 dem Behandlungsvolumen zugewiesen worden ist, während ein Gewicht von 0,05 den sensitiven Bereichen zugewiesen worden ist.
7b ist das kumulative Dosisvolumen-Histogramm, das der Dosisverteilung nach 7a entspricht.
8a ist eine Dosisverteilung eines Behandlungsplanes, der eine DVH-Spezifikation enthält, die erfordert, dass ein Abzug hinzuzufügen ist, wenn mehr als 15 % des sensitiven Bereichs eine Dosis von 0,4 überschritten haben.
8b ist das kumulative Dosisvolumen-Histogramm, das der Dosisverteilung nach 8a entspricht.
9a ist eine Dosisverteilung eines Behandlungsplanes, bei dem ein DVH-gestützter Abzug angewendet worden ist, wenn mehr als 25 % des sensitiven Bereichs eine Dosis von 0,1 überschritten haben.
9b ist die veranschaulichte Lösung der Zielfunktion, die der Dosisverteilung nach 9a entspricht, bei der die ausgezogene Linie die Summe der quadrierten Differenzen zwischen den abgegebenen und vorgeschriebenen Dosen über alle Pixel im Tumor und im sensitiven Bereich ist. Die gestrichelte Linie ist der Wert der gleichen Berechnung über alle Tumor-Pixel und nur diejenigen Pixel im sensitiven Bereich, die mit einem Abzug belegt werden.
10a ist eine Dosisverteilung eines Prostata-Behandlungsplanes, in dem das zentral angeordnete Ziel die Prostata und die Samenbläschen enthält. Über der Prostata befindet sich die Blase und darunter befindet sich das Rektum. Die gestrichelte Linie ist die 95-%-Isodosislinie.
10b ist das kumulative Dosisvolumen-Histogramm, das der Dosisverteilung nach 10a entspricht. Die zwei Spezifikationen für das Rektum sind mit einem quadratischen DVH gezeigt, während die zwei Spezifikationen für die Blase mit Rhomben im DVH gezeigt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Strahlentherapie-Ausrüstung
Während die vorliegende Erfindung in jeder Strahlungstherapiemaschine Anwendung findet, die einen Patienten in mehreren Winkeln mit einer großen Anzahl von teilchenfluenz-gesteuerten schmalen Strahlenbündeln der Strahlung bestrahlen kann, macht in der bevorzugten Ausführungsform die Erfindung von einem Mehrblatt-Kollimator-System Gebrauch.
In 1 enthält eine derartige Strahlungstherapiemaschine 10 eine Strahlungsquelle 12, die ein im Allgemeinen kegelförmiges Strahlenbündel 14' der Strahlung erzeugt, das von einem Brennpunkt 18 ausgeht und auf einen (in 1 nicht gezeigten) Patienten 17 gerichtet ist. Das kegelförmige Strahlenbündel 14' der Strahlung wird durch eine rechteckige opake Maske 16 kollimiert, die aus einem Satz rechteckiger Verschlusssystem-Lamellen konstruiert ist, um ein im Allgemeinen ebenes Fächerstrahlenbündel 14 der Strahlung zu erzeugen, das um eine Fächerstrahlenbündel-Ebene 20 der Strahlung zentriert ist.
Ein Verschlusssystem 22 ist im Fächerstrahlenbündel 14 der Strahlung und um die Fächerstrahlenbündel-Ebene 20 der Strahlung zentriert, bevor das Strahlenbündel der Strahlung durch den Patienten 17 aufgenommen wird, wobei es mehrere benachbarte trapezförmige Blätter 30 enthält, die zusammen einen Bogen mit konstantem Radius um den Brennpunkt 18 bilden. Jedes Blatt ist aus einem dichten röntgenstrahlenundurchlässigen Material, wie z. B. Blei, Wolfram, Zer, Tantal oder einer in Beziehung stehenden Legierung, gebildet.
Die Blätter 30 werden in Hüllen 24 gehalten, so dass jedes Blatt 30 vollständig in seine entsprechende Hülle 24 gleiten kann, um den der Hülle 24 zugeordneten Strahl 28 zu blockieren. Vorzugsweise begrenzen die Blätter 30 des Verschlusssystems 22 das ganze Fächerstrahlenbündel der Strahlung, um das Fächerstrahlenbündel der Strahlung in einen Satz benachbarter plattenförmiger Strahlen 28 bei Versatzwinkeln f zu unterteilen. Wenn das Blatt 30 seinen entsprechenden Strahl 28 blockiert, wird es als im geschlossenen Zustand befindlich bezeichnet. Die Hüllen 24 besitzen eine reichliche Länge, um jedem Blatt 30 zu erlauben, aus dem Weg des Fächerstrahlenbündels der Strahlung zu gleiten, um seinen entsprechenden Strahl 28 vollständig unbehindert zu lassen und dennoch immer noch durch die Hülle 24 geführt zu werden. In dieser nicht blockierenden Position wird das Blatt als im "geöffneten Zustand" befindlich bezeichnet.
Jedes Blatt 30 kann sich mittels eines primären relaisartigen elektromagnetischen Aktuators 32, der durch ein Schieberelement 34 mit dem Blatt 30 verbunden ist, schnell zwischen seinem geöffneten und seinem geschlossenen Zustand bewegen. Die durch den Strahl 28 weitergeleitete Teilchenfluenz kann gesteuert werden, in dem der Arbeitszyklus der Bewegung des Blattes geändert wird, der das Verhältnis zwischen der Zeitdauer, in der es sich im geöffneten Zustand befindet, im Gegensatz zu der, in der es sich im geschlossenen Zustand befindet, ist.
In 2 sind die Blätter 30 durch Führungszungen 36, die in die Nuten 38 eingepasst sind, die längs der Kanten der Blätter 30 geschnitten sind, innerhalb der Hüllen 24 unterstützt und geführt. Die Nuten 38 erlauben den Führungszungen 36, die Blätter 30 während der Bewegung zwischen den geöffneten und geschlossenen Zuständen innerhalb der Hüllen 24 gleitfähig zu halten.
In 3 ist die Strahlungsquelle 12 am Gerüst 44 angebracht, wobei sich das Letztere innerhalb der Fächerstrahlenbündel-Ebene 20 der Strahlung um einen Drehungsmittelpunkt 45 im Patienten 17 dreht, so dass das Fächerstrahlenbündel 14 der Strahlung eine Scheibe des Patienten 17 aus verschiedenen Gerüstwinkeln θ bestrahlen kann. Die Strahlungsquelle 12 wird durch ein Strahlungssteuermodul 48 gesteuert, das das Strahlenbündel 14 der Strahlung unter der Steuerung eines Computers 51 ein- oder ausschaltet.
Eine Verschlusssystem-Steuerung 52, die durch einen Zeitgeber gesteuert wird, der die gewünschten Positionssignale erzeugt, stellt jedem Elektromagneten eine elektrische Erregung bereit, um die Aktuatoren 32 separat zu steuern, um jedes der Blätter 30 in seine entsprechende und aus seiner entsprechenden Hülle 24 und aus dem und in den Strahl 38 zu bewegen, (siehe außerdem 1). Die Verschlusssystem-Steuerung 52 bewegt die Blätter 30 des Verschlusssystems 22 schnell zwischen ihren geöffneten und geschlossenen Zuständen, um jeden Strahl 28 vollständig zu dämpfen oder um jedem Strahl 28 keine Dämpfung bereitzustellen. Die Abstufungen in der Teilchenfluenz jedes Strahls, wie es für das Teilchenfluenz-Profil notwendig ist, werden erhalten, indem die relative Dauer, während der sich jedes Blatt 30 in der geschlossenen Position befindet, im Vergleich zur relativen Dauer, während der sich jedes Blatt in der geöffneten Position befindet, für jeden Gerüstwinkel eingestellt wird.
Das Verhältnis zwischen den geschlossenen und geöffneten Zuständen oder der "Arbeitszyklus" für jedes Blatt 30 beeinflusst die Gesamtenergie, die durch ein gegebenes Blatt 30 bei jedem Gerüstwinkel weitergeleitet wird, wobei es folglich die mittlere Teilchenfluenz jedes Strahls 28 steuert. Die Fähigkeit, die mittlere Teilchenfluenz bei jedem Gerüstwinkel zu steuern, erlaubt die genaue Steuerung der Dosis, die durch das Strahlenbündel 14 der Strahlung bereitgestellt wird, durch das bestrahlte Volumen des Patienten 17 durch die Therapieplanungsverfahren, die im Folgenden beschrieben werden. Die Verschlusssystem-Steuerung 52 ist außerdem mit dem Computer 51 verbunden, um die Programmsteuerung des Verschlusssystems 92 zu erlauben, das zu beschreiben ist.
Ein optionales tomographisches Bildgebungssystem 11, das eine Röntgen-Quelle 46 und ein gegenüberliegendes Detektorfeld 50 verwendet, kann vorteilhaft als die Strahlungsquelle 12 am selben Gerüst 44 angebracht sein, um vor der Strahlungstherapie für Planungszwecke oder während der Behandlung ein tomographisches Bild oder ein Scheibenbild der bestrahlten Scheibe des Patienten 17 zu erzeugen. Alternativ kann eine derartige tomographische Bildgebung in einer separaten Maschine ausgeführt werden, wobei die Scheiben entsprechend den Bezugspunkten im Patienten 17 ausgerichtet werden.
Ein Gerüst-Steuermodul 54 stellt die Signale bereit, die notwendig sind, um das Gerüst 44 zu drehen und folglich die Position der Strahlungsquelle 12 und den Gerüstwinkel q des Fächerstrahlenbündels 14 der Strahlung sowohl für die Strahlungstherapie als auch für die Röntgen-Quelle 46 und das Detektorfeld 50 für die Computer-Tomographie, die außerdem am Gerüst 44 angebracht sind, zu ändern. Das Gerüst-Steuermodul 54 ist mit dem Computer 51 verbunden, so dass das Gerüst unter der Steuerung des Computers gedreht werden kann, und um außerdem dem Computer 51 mit einem Signal zu versehen, das den Gerüstwinkel q angibt, um diese Steuerung zu unterstützen.
Die Steuermodule für das tomographische Bildgebungssystem 11 enthalten: ein Röntgen-Steuermodul 56, um die Röntgen-Quelle 46 ein- und auszuschalten, und ein Datenerfassungssystem 58, um die Daten vom Detektorfeld 50 zu empfangen, um ein topographisches Bild zu konstruieren.
Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 60, die typischerweise einen Hochgeschwindigkeits-Feldprozessor oder dergleichen enthält, empfängt die Daten vom Datenerfassungssystem 58, um das "Rekonstruieren" eines tomographischen Behandlungsbildes aus derartigen Daten entsprechend den im Stand der Technik wohlbekannten Verfahren zu unterstützen. Die Bildrekonstruktionseinrichtung 60 kann außerdem Detektorsignale 59 der Strahlung hinter dem Patienten verwenden, um ein tomographisches Absorptionsbild zu erzeugen, das für die Zwecke der Verifikation und künftigen Therapieplanung zu verwenden ist, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Ein Endgerät 62, das eine Tastatur und eine Anzeigeeinheit 63 umfasst, erlaubt einer Bedienungsperson, Programme und Daten in den Computer 51 einzugeben und die Strahlungstherapiemaschine 10 und das tomographische Bildgebungssystem 11 zu steuern und die durch die Bildrekonstruktionseinrichtung 60 bereitgestellten Bilder auf der Anzeigeeinheit 63 anzuzeigen.
Ein Massenspeichersystem 64, das entweder eine Magnetplatteneinheit oder ein Bandlaufwerk ist, erlaubt die Speicherung der durch das tomographische Bildgebungssystem 11 und den Detektor 53 für die Strahlung hinter dem Patienten gesammelten Daten für die spätere Verwendung. Die Computer-Programme zum Betreiben der Strahlungstherapiemaschine 10 sind im Allgemeinen im Massenspeichersystem 64 gespeichert und werden für die schnelle Verarbeitung während der Verwendung der Strahlungstherapiemaschine 11 in den internen Speicher des Computers 51 geladen.
Die Strahlungsquelle 12 kann ein Linearbeschleuniger sein, der in einer Impulsbetriebsart mit Impulsen erregt wird, die zu einem Digital-Analog-Umsetzer des Datenerfassungssystems 58 synchron sind, damit eine Menge von Ansichten während des Öffnens und Schließens des Verschlusses erhalten werden kann. Falls jede Projektion der Strahlung bei einem gegebenen Gerüstwinkel q während der Strahlentherapie eine Sekunde dauert, kann die Impulsrate des Linearbeschleunigers zweihundert mal pro Sekunde betragen, was eine Echtzeit-Bewegungsstudie der Bewegung der Blätter 30 anhand der sich ändernden Teilchenfluenz bereitstellt, die das Blatt verlässt und in den Patienten 17 eintritt.
Während des Betriebs der Strahlungstherapiemaschine 11 empfängt die Verschlusssystem-Steuerung 52 vom Computer 51 ein Behandlungs-Sinogramm, das ein Teilchenfluenz-Profil für jeden Gerüstwinkel θ umfasst. Das Behandlungs-Sinogramm beschreibt die Intensität oder die Teilchenfluenz jedes Strahls 28 des Strahlenbündels 14 der Strahlung, die für jeden Gerüstwinkel θ bei einer gegebenen Position des (nicht gezeigten) Patiententrägertisches gewünscht ist, wie sie durch das Strahlenbündel 14 der Strahlung übertragen wird.
In 4 stellt ein Verschlusssystem die Steuerung einer Gesamtzahl J von Strahlen 28 bereit, die durch die Indexvariable j = 1 bis J identifiziert wird. Jeder durch das Verschlusssystem 22 erzeugte Strahl 28 geht längs einer Strahlmittellinie 66 durch den Patienten 17 hindurch, um durch den Detektor 53 für die Strahlung hinter dem Patienten erfasst zu werden, der Detektorelemente besitzt.
Die Behandlungsplanung
In 5 beginnt die Erzeugung des optimalen Strahlentherapie-Behandlungsplans gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Identifikation einer Karte der vorgeschriebenen Dosis D p / i, die den Betrag der Dosis bereitstellt, der an verschiedenen Volumenelementen i innerhalb einer Scheibe gewünscht ist, wie durch den Prozessblock 100 angegeben ist. Typischerweise sind diese verschiedenen Volumenelemente i in Bereichen gruppiert, die einen oder mehrere Bereiche des tumorösen Gewebes, wo eine hohe Dosis erforderlich ist, und einen oder mehrere Bereiche des sensitiven Gewebes, wo die Dosis unter einen vorgegebenen Wert begrenzt sein muss, enthalten.
Die Karte der vorgeschriebenen Dosis D p / i ist innerhalb des Speichers des Computers als ein Feld von Elementen gespeichert, wobei jedes Element einen digitalen Wert enthält. Das Verfahren zum Eingeben der Dosiskarte D p / i kann das Anzeigen der tomographischen Ansicht des Patienten auf der Anzeige des Endgerätes und das manuelle Verfolgen um den tumorösen Bereich unter Verwendung einer Rollkugel oder einer ähnlichen Eingabevorrichtung umfassen, wie es im Stand der Technik gut verstanden ist. Es können Standard-Bereichsfüllungsalgorithmen verwendet werden, um die jedem Spurbereich zugewiesenen Dosiswerte zum geeigneten Element im Feld des Speichers, das die Karte der gewünschten Dosis darstellt, zu übertragen. Jedes Element der Dosiskarte D p / i definiert die an einem Volumenelement i innerhalb einer Scheibe eines Patienten gewünschte Dosis.
Ein Teilchenfluenzwert w_j jedes Strahls j jedes Strahlenbündels bei jedem Gerüstwinkel θ, der die gewünschte Dosis in jedem Volumenelement j erzeugt, muss dann bestimmt werden, wie durch den Prozessblock 102 angegeben ist. Dieser Prozess ist ein Iterationsprozess; ein beliebiger Anfangswert der Teilchenfluenz w_j für die Strahlen j wird ausgewählt, der dann wiederholt modifiziert wird, bis optimierte Werte erhalten werden.
Je näher die für die Strahlen j ausgewählten anfänglichen Teilchenfluenzen w_j an den endgültigen Werten liegen, desto schneller kann die Optimierung abgeschlossen werden. Aus diesem Grund wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Bibliothek früherer Strahlentherapie-Behandlungspläne überprüft, um einen Behandlungsplan für die Behandlung eines Patienten auszuwählen, der eine ähnliche Anordnung des tumorösen Gewebes und der sensitiven Gewebe besitzt. Die Ähnlichkeit zwischen dem Patienten, dem vorhergehenden Behandlungsplan und dem aktuellen Plan schafft die Anfangswerte der Teilchenfluenzen w_j für die Strahlen, die eine genaue Approximation der Strahlen sind, die für die aktuelle Anwendung der Strahlentherapie notwendig ist. Die Bibliothek kann mehrere verschiedene Behandlungspläne umfassen, die innerhalb eines Datenspeichersystems, wie z. B. eines Computers, gespeichert sind, und einen Katalog der verschiedenen Behandlungsvolumina mit unterschiedlichen Formen und Größen besitzen.
Wie durch den Prozessblock 104 dargestellt ist, wird als Nächstes die abgegebene Dosis D d / i, die durch die anfänglichen Strahl-Teilchenfluenzen w_j bereitgestellt werden würde, durch herkömmliche Techniken bestimmt.
Wie im US-Patent 5.317.616, erteilt am 31. Mai 1994, gelehrt wird, kann eine Bestimmung der Terma, der pro Einheitsmasse freigegebenen Gesamtenergie, längs jedes Strahls anhand der Teilchenfluenz des Strahls und der Eigenschaften des Patienten bestimmt werden. Die Terma für ein gegebenes Volumenelement kann für jeden Strahl und für jeden Strahlenbündelwinkel akkumuliert werden, wobei dann die Gesamt-Terma für jedes Volumenelement mit einem im Voraus berechneten Streukern(en) gefaltet wird, um die Dosis bei diesem Volumenelement zu bestimmen. Der Kern (die Kerne) können die Streuung über den Bereich eines Strahlenbündelwinkels aus verschiedenen Strahlenbündelwinkeln darstellen und folglich in einer Faltungsoperation die Dosisberechnung für alle Strahlenbündelwinkel bereitstellen. Der Kern (die Kerne) kann (können) durch herkömmliche Techniken, wie z. B. die Monte-Carlo-Simulation, berechnet werden. Die Faltung der Terma mit dem (den) Streukern(en) schafft eine genaue Berechnung der Querstreuung, die in Fällen wie dem Kopf und dem Nacken oder einer Tangentialfeld-Strahlentherapie der Brust von besonderer Wichtigkeit ist, wo das bestrahlte Volumen klein ist.
Im Allgemeinen wird weder die Terma jedes Strahls gesichert noch wird die an ein Volumenelement durch einen einzigen Strahl abgegebene Teildosis gesichert, wobei folglich beträchtliche Speichereinsparungen geschaffen werden.
Im Prozessblock 106 wird die im Prozessblock 104 berechnete abgegebene Dosis D d / i mit der im Prozessblock 100 eingegebenen vorgeschriebenen Dosis D p / i verglichen, wobei die Teilchenfluenz jedes Strahls durch eine Aktualisierungsfunktion bezüglich eines Verhältnisses einer Funktion der vorgeschriebenen Dosis D p / i geteilt durch eine Funktion der tatsächlichen Dosis D d / i für jedes Volumenelement i, das die Strahlung vom gegebenen Strahl j empfängt, eingestellt wird.
In einer ersten Ausführungsform ist die Aktualisierungsfunktion ein Verhältnis der geometrischen Mittel für die vorgeschriebene Dosis D p / i und für die tatsächliche Dosis D d / i für jedes Volumenelement i, das die Strahlung vom gegebenen Strahl j empfängt, wobei sie wie folgt veranschaulicht werden kann:
wobei w (k+1 ) / j und w k / j die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung sind, während n Gesamtzahl der Volumenelemente ist. Wie aus der Untersuchung der Gleichung (1) gesehen werden kann, sind nur die Gesamtdosiswerte für die Volumenelemente erforderlich, während die Teildosen, die von den speziellen Strahlen j beigetragen werden, nicht notwendig sind und folglich nicht gespeichert werden müssen, wie oben angegeben worden ist.
Es kann analytisch gezeigt werden, dass, wenn dieses erste Verhältnisaktualisierungsverfahren wiederholt angewendet wird (indem die Prozessblöcke 104 und 106 wiederholt werden, wobei in jeder Iteration des Prozessblocks 104 die modifizierten Teilchenfluenzwerte vom vorhergehenden Prozessblock 106 verwendet werden), die Tendenz besteht, dass eine Zielfunktion Oj(w) optimiert wird:
deren Approximation erster Ordnung lautet:
Alternativ kann in einer zweiten Ausführungsform die Aktualisierungsfunktion zum Modifizieren der Strahlenbündelgewichte ein Verhältnis der Summe bei der vorgeschriebenen Dosis D p / i und der tatsächlichen Dosis D d / i für jedes Volumenelement i, das die Strahlung vom gegebenen Strahl j empfängt, sein, wobei sie wie folgt veranschaulicht werden kann:
wobei w (k + 1 ) / j und w k / j die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung sind und a eine vorgegebene Approximation der Dosis pro Energiefluenz (d_ij) oder der Dosis pro irgendeiner auf die Energiefluenz bezogen Größe des gegebenen Strahls j, der modifiziert wird, ist. Alternativ kann a eine nicht konstante Mittelachsen-Tiefendosis sein, die gespeichert und dann nachgeschlagen wird, um als eine Approximation für d_ij zu dienen. Indem die tatsächlichen Werte von d_ij nicht gespeichert werden, sind die Speicheranforderungen immer noch signifikant verringert. Im Aktualisierungsfaktor würde die Einbeziehung von d_ij normalerweise dazu dienen, die größte Bedeutung auf jene Volumenelemente zu legen, die die höchste Dosis empfangen. Die verwendete Approximation kann die Rate der Umsetzungsrate des Algorithmus beeinflussen, aber die pro Iteration bestimmte Verteilung der vollen Dosis erhält die Genauigkeit einer unter Verwendung der Faltungs-/Überlagerungstechnik ausgeführten Dosisberechnung aufrecht.
Es kann analytisch gezeigt werden, dass, wenn dieses zweite Aktualisierungsverfahren pro Prozessblock 108 wiederholt angewendet wird (indem die Prozessblöcke 104 und 106 wiederholt werden, wobei in jeder Iteration des Prozessblocks 104 die modifizierten Teilchenfluenzwerte vom vorhergehenden Prozessblock 106 verwendet werden), die Tendenz besteht, dass die folgende Zielfunktion Oj(w) die Optimierung erreicht:
wobei n ein Exponent ist, der einen Wert von 2 besitzt. In einem ähnlichen Zugang kann Oj(w) unter Verwendung von n, das einen Wert von n > 2 besitzt, optimiert werden.
Die Gleichung minimiert eine Summe der Größe der Differenz zwischen den abgegebenen Dosen und den vorgeschriebenen Dosen. Die konvexe Art dieser Zielfunktion schreibt vor, dass jedes lokale Minimum außerdem das globale Minimum ist. Bei einer konvexen Zielfunktion so wie dieser ist die Verwendung stochastischer Optimierungstechniken nicht gerechtfertigt.
Das Aktualisierungsverfahren kann weiter modifiziert werden, um die Zielfunktion robuster zu machen. Spezifisch kann die Aktualisierungsfunktion so modifiziert werden, um für jeden Bereich des Patienten gemäß der folgenden Gleichung Gewichtungsfaktoren anzuwenden:
In dieser Gleichung ist C_T ein Gewichtungsfaktor, der einem Tumorbereich zugewiesen ist, während C_R ein Gewichtungsfaktor ist, der einem sensitiven Bereich zugewiesen ist. T bezeichnet das Tumorvolumen, während R den sensitiven Bereich angibt. Wie vorher können die Werte von d_ij durch einen konstanten Wert a oder durch Werte, die in einer Tabelle nachgeschlagen werden, die d_ij approximiert, approximiert werden.
In dieser Anmeldung kann der Abzug für die Überdosierung eines Volumenelements im Tumorvolumen gleich dem Abzug für die Unterdosierung desselben Volumenelements gesetzt werden. Es ist jedoch einfach, Gewichtungsfaktoren zu implementieren, die entweder der Unterdosierung oder der Überdosierung eine größere Betonung geben und folglich ein klinisch annehmbareres Ergebnis erzeugen.
Die Verwendung von Gewichtungsfaktoren ist außerdem auf die sensitiven Strukturen anwendbar. Eine Möglichkeit enthält die Optimierung, bei der den unterdosierten Volumenelementen ein Gewicht von null zugewiesen wird. Im Ergebnis werden die Volumenelemente in den sensitiven Bereichen nur mit einem Abzug belegt, falls sie eine Dosis empfangen, die größer als die zugewiesene Toleranzdosis ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Flexibilität der interaktiven Technik weiter verbessert, indem ein kumulatives Dosisvolumen-Histogramm (DVH) für jedes Behandlungsvolumen betrachtet wird. Für eine besonders sensitive Struktur kann der Anwender einen Punkt im DVH spezifizieren, der sowohl die Dosisgrenze (D_max) als auch einen Bruchteil der sensitiven Struktur (V_max), dem es erlaubt ist, die Grenze zu überschreiten, angibt. Eine mögliche Implementierung der Überlegungen zum Dosisvolumen kann auf einer Technik basieren, die von Bortfeld u. a., "Clinically Relevant Intensity Modulation Optimization Using Physical Criteria", vorgelegt auf der XII International Conference an the Use of Computers in Radiation Therapy, Salt Lake City, Utah, USA, 1997, (unveröffentlicht), entwickelt worden ist. Bei einem DVH-gestützten Abzug kann sowohl eine einheitliche Zieldosis als auch eine klinisch annehmbare Dosisverteilung in den sensitiven Bereichen erhalten werden.
Der DVH-gestützte Abzug führt die Optimierung, aber seine Spezifikation ist keine absolute Einschränkung. Es kann außerdem ein Gewichtungsfaktor zu jeder DVH-Spezifikation hinzugefügt werden und dadurch der Abzug für eine Übertretung vergrößert werden. Durch die Vergrößerung des relativen Gewichtungsfaktors, der einem Abzug zugewiesen ist, wird die Wichtigkeit der Erfüllung der DVH-Spezifikation effektiv erhöht.
Ein DVH-gestützter Abzug ist besonders bei Organen nützlich, die eine parallele Natur aufweisen. Dies ist so, weil bei parallelen Koordinaten der Onkologe oft bereit ist, einen Abschnitt des Organs zu opfern, um eine vorteilhafte Dosisverteilung im Tumor zu erhalten.
Die vorliegende Optimierungstechnik berücksichtigt den DVH-gestützten Abzug und die Berechnung der Aktualisierungsfaktoren. Früher ist allen Volumenelementen in den sensitiven Bereichen eine Toleranzdosis zugewiesen worden. Die Überlegungen zum Dosisvolumen erfordern jedoch nur die Einbeziehung einer ausgewählten Anzahl von Volumenelementen in den sensitiven Bereichen für die Optimierung.
Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Volumenelement in der sensitiven Struktur mit einem Abzug belegt, falls es eine Dosis zwischen D_max und D' empfängt. D' ist die aktuelle Dosis, bei der V_max überschritten wird. Dies ist in den 6a und 6b veranschaulicht. Die mit einem Abzug belegten Volumenelemente stellen die Volumenelemente der sensitiven Bereiche dar, die die kleinste Überschussdosis über D_max empfangen und mit einem Abzug belegt werden, weil sie die kleinste Verringerung der Dosis erfordern, um der DVH-Spezifikation zu entsprechen. Demzufolge ändert sich die Teilmenge der mit einem Abzug belegten Volumenelemente bei jeder Iteration.
Der Abzug kann basierend auf irgendwelche Kriterien hinzugefügt werden. Es ist z. B. wahrscheinlich, dass ein Praktiker wählen kann, einen Abzug hinzuzufügen, falls mehr als ein bestimmter Prozentsatz des gefährdeten Bereichs eine spezifizierte Dosis überschreitet. Gleichfalls könnte der Abzug zur Zielfunktion hinzugefügt werden, falls eine bestimmte Bedingung nicht erfüllt worden ist.
Gemäß dieser Ausführungsform bestimmt der Algorithmus einmal pro Iteration, ob die DVH-Spezifikation erfüllt worden ist. Falls die Spezifikation nicht erfüllt worden ist, wird zur Zielfunktion ein Abzug hinzugefügt. Der Abzug wird auf die Volumenelemente in der RAR mit der kleinsten Überschussdosis über D^plim angewendet. In 6a entspricht der schraffierte Bereich diesen Volumenelementen. Die Volumenelemente werden gewählt, weil sie die kleinste Änderung der Dosis erfordern, um die DVH-Spezifikation zu erfüllen. In dieser Ausführungsform kann die Gleichung (6) als:
neu geschrieben werden, wobei λ DVH / i als der DVH-Abzug dient. Im obigen Beispiel ist der DVH-Abzug auf die Volumenelemente angewendet worden, die sich im schraffierten Bereich des in 6a gezeigten DVH befinden.
Ein verallgemeinerter DVH-Abzug ist außerdem möglich. Für diesen Zugang wird das DVH in eine Folge von Dosisbereichen unterteilt. Jeder Dosisbereich besitzt seinen eigenen Abzugswert λ DVH / i, der verwendet wird, um das DVH entsprechend einem gewünschten Plan zu modifizieren. Eine typische Form eines entsprechend dieses Optimierungsverfahrens angewendeten DVH-Abzugs ist in 6b veranschaulicht. In diesem Fall wird der Optimierungsprozess durch die größeren λ DVH / i-Werte beherrscht.
Die in 6b gezeigte Stufenfunktion ist eine Darstellung des Musters der Gewichte, das angewendet werden kann, und der Bereiche, wo sie angewendet werden. Die Ordinate stellt jedoch nicht die tatsächlichen Werte dar.
Der DVH-gestützte Abzug schafft keine harte Einschränkung, sondern er ist nur vorgesehen, um die Optimierung zu führen. Ein Gewichtungsfaktor kann zu jeder DVH-Spezifikation hinzugefügt werden, wobei dadurch der Abzug für eine Übertretung vergrößert wird. Durch Vergrößerung der relativen Gewichtungsfaktoren, die einem Abzug zugewiesen sind, wird die Wichtigkeit der Erfüllung der DVH-Spezifikation effektiv erhöht.
Ein primärer Vorteil der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Fähigkeit schafft, umfangreiche Dosisoptimierungen auszuführen, während die Speicheranforderungen des gewählten Computers minimiert sind. Die in der Vorrichtung verwendeten Verfahren sind außerdem flexibel, robust und zur Verbesserung durch das Hinzufügen von Gewichtungsfaktoren, die jedem Bereich des Patienten zugewiesen sind, oder durch das Hinzufügen von Überlegungen zum Dosisvolumen fähig. Infolge ihrer Flexibilität profitiert die vorliegende Erfindung ferner von ihrer Fähigkeit, im Zusammenhang mit der faltungs-/überlagerungsgestützten Dosisberechnung effizient zu arbeiten.
In den oben beschriebenen Verfahren kann der Aktualisierungsfaktor berechnet werden, indem nur die Volumenelemente aktualisiert werden, die sich im primären Weg des gegebenen Strahls j befinden. Dieser Zugang führt schließlich zu einer schnelleren Optimierungsplanung für komplizierte Strahlentherapiebehandlungen, wie z. B. jenen, die in der Tomotherapie verwendet werden.
BEISPIEL 1
Ein Strahlungsbehandlungsplan wurde für ein Behandlungsvolumen in der Form eines umgekehrten U, das einen rechteckigen sensitiven Bereich umgibt, optimiert. Das U-förmige Behandlungsvolumen wurde aus einem 5 cm-mal-5 cm-Quadrat ausgeschnitten, während der sensitive Bereich in der Konkavität des U angeordnet wurde. Der Aktualisierungsfaktor der Gleichung 6 wurde verwendet, um einen Gewichtungsfaktor für das Behandlungsvolumen (C_T) und den sensitiven Bereich (C_R) des Patienten einzubeziehen. In dieser Gleichung wurden C_T und C_R auf 0,95 bzw. 0,05 gesetzt.
Die 7a und 7b stellen die Ergebnisse aus dieser Simulation dar. Die Verwendung der Gewichtungsfaktoren führte im Vergleich zu den ohne Gewichtungsfaktoren erhaltenen Ergebnissen zu einer signifikanten Verbesserung der Zieldosisverteilung. Es wurde beobachtet, dass die Dosisverteilung im Behandlungsvolumen verbessert wurde, indem eine höhere Dosis an ein größeres Volumen der sensitiven Struktur abgegeben wurde. Durch die Vergrößerung der Dosis für die sensitive Struktur wurde die 90-%-Isodosislinie erweitert, damit sie mit dem Rand des Ziels genau übereinstimmt.
BEISPIEL 2
Ein Strahlungsbehandlungsplan wurde gemäß der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung optimiert, indem ein kumulatives Dosisvolumen-Histogramm (DVH) betrachtet wurde. Das kumulative DVH stellte einen DVH-gestützten Abzug bereit, der bei der Berechnung des Aktualisierungsfaktors während des Aktualisierungsprozesses berücksichtigt wurde. Die Aktualisierungsfaktoren wurden modifiziert, damit sie einen Abzug enthielten, falls ein spezifiziertes Volumenelement in der sensitiven Struktur eine Dosis zwischen D_max und D* empfing. D* wurde als die aktuelle Dosis definiert, bei der V_max überschritten wurde.
Die Charakterisierung der mit einem Abzug belegten Volumenelemente ist in 6 veranschaulicht. Die mit einem Abzug belegten Volumenelemente stellen die sensitiven Volumenelemente des Bereichs dar, der die kleinste Überschussdosis über D_max empfängt. Diese speziellen Volumenelemente wurden mit einem Abzug belegt, weil sie die kleinste Verringerung der Dosis erforderten, um die DVH-Spezifikation zu erfüllen. Demzufolge ändert sich die Teilmenge der mit einem Abzug belegten Volumenelemente bei jeder Iteration.
Die 8a und 8b stellen die Ergebnisse aus einem Optimierungsprozess dar, der eine Dosisvolumenspezifikation im Zusammenhang mit der oben erörterten Gleichung 5 verwendete. Für die Geometrie in der Form eines umgekehrten U wurde ein Abzug hinzugefügt, falls mehr als 15 % des gefährdeten Bereichs eine Dosis von 0,4 überschritten. Wie in 8a veranschaulicht ist, stimmt die 90-%-Isodosislinie genau mit dem Rand des Behandlungsvolumens überein.
BEISPIEL 3
9 stellt die Ergebnisse einer Simulation der Behandlungsoptimierung dar, die ein U-förmiges Behandlungsvolumen und ein DVH-gestüztes Abzugsystem umfasst. In dieser Simulation wurde ein Abzug hinzugefügt, falls mehr als 25 % der sensitiven Bereiche eine Dosis von 0,1 überschritten.
9b stellt den Wert der Zielfunktion über den Verlauf der Optimierung dar. Die ausgezogene Linie stellt den Wert der Summe der quadrierten Differenzen zwischen den vorgeschriebenen und den tatsächlichen Dosen über das ganze Behandlungsvolumen und die sensitiven Bereiche dar. Die gestrichelte Linie ist die tatsächliche Zielfunktion, die minimiert ist, wenn ein DVH-gestützter Abzug verwendet wird. Spezifisch ist sie die Summe der quadrierten Differenzen zwischen der abgegebenen Dosis und der vorgeschriebenen Dosis über alle Volumenelemente im Behandlungsvolumen plus die Summe der quadrierten Differenzen zwischen der abgegebenen Dosis und der Dosisgrenze der mit einem Abzug belegten Volumenelemente. Es wird angegeben, dass sich bei jeder aufeinanderfolgenden Iteration der Wert dieser beiden Funktionen verringert.
BEISPIEL 4
Die DVH-Spezifikationen wurden außerdem an einem simulierten Prostata-Behandlungsplan getestet. In diesem Fall war der Prostata eine Dosis von 80 Gy vorgeschrieben. Die DVH-Spezifikationen des Rektums waren: (1) füge einen Abzug hinzu, falls mehr als 15 % des Rektums eine Dosis von 25 Gy überschreiten, und (2) füge einen Abzug hinzu, falls irgendwelche Volumenelemente über 50 Gy liegen. Die DVH-Spezifikationen der Blase waren: (1) füge einen Abzug hinzu, falls mehr als 40 % des Volumens eine Dosis von 27 Gy überschreiten, und (2) belege alle Volumenelemente über 54 Gy mit einem Abzug.
Die Ergebnisse der Prostatasimulation sind in 10 gezeigt. Es wird angegeben, dass die 95-%-Isodosislinie mit dem Rand des Ziels genau übereinstimmt. Die vier DVH-Spezifikationen sind in 10b graphisch dargestellt.
Die obige Beschreibung ist die einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewesen, den Fachleuten auf dem Gebiet wird einfallen, dass viele Modifikationen ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Vorrichtung (51) zum Optimieren eines Strahlungsbehandlungsplans für eine Strahlentherapiemaschine (10), die unabhängig gesteuerte Strahlung längs mehrerer Strahlen j, die auf einen Patienten gerichtet sind, bereitstellt, um eine Dosis Ddi = dijwj in Volumenelemente i abzugeben, wobei die Vorrichtung umfasst: a) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie eine vorgeschriebene Gesamtdosis D p / i in den Volumenelementen i in einem Behandlungsbereich identifizieren; b) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie jedem Strahl j einen Teilchenfluenzwert w_j zuweisen; gekennzeichnet durch: c) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie eine tatsächliche Dosis D d / i, die in jedem Volumenelement i mit den zugewiesenen Teilchenfluenzwerten w_j der für die Zuweisung ausgelegten Mittel erzeugt wird, berechnen; d) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie für jeden gegebenen Strahl j den Teilchenfluenzwert w_ider für die Zuweisung ausgelegten Mittel entsprechend einer Aktualisierungsfunktion für die vorgeschriebene Dosis D p / i und für die tatsächliche Dosis D d / i modifizieren; und e) Mittel, die so beschaffen sind, dass sie die modifizierten Teilchenfluenzwerte w_j verwenden, um eine solche Strahlentherapiemaschine zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Aktualisierungsfunktion für jedes Bildelement i, das Strahlung von dem gegebenen Strahl j empfängt, ein Verhältnis einer Funktion der vorgeschriebenen Dosis D p / i im Zähler zu einer Funktion der tatsächlichen Dosis D d / i im Nenner ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Aktualisierungsfunktion gegeben ist durch:
wobei w ( k + 1 1 ) / j ) und w k / j k Formel die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung im Schritt d) sind und a eine vorgegebene Approximation der Dosis pro Größe des Energieflusses d_ij ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Aktualisierungsfunktion ein Verhältnis der geometrischen Mittel der vorgeschriebenen Dosis D p / i p und der tatsächlichen Dosis D d / i d für jedes Volumenelement i, das Strahlung von dem gegebenen Strahl j empfängt, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Funktion gegeben ist durch:
wobei w ( ( k k +1 +1 ) / j ) und w k / j k die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung des Schrittes d) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Aktualisierungsfunktion gegeben ist durch:
wobei w (k+1 (k+1 ) / j ) und w k / j k die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung des Schrittes d) sind, C_T ein Gewichtungsfaktor ist, der einem Tumorbereich zugewiesen ist, C_R ein Gewichtungsfaktor ist, der einem sensitiven Bereich zugewiesen ist, und a eine vorgegebene Approximation der Dosis pro Größe der Energiefluenz d_ij ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Aktualisierungsfunktion gegeben ist durch:
wobei w ( ( k k +1 +1 ) / j ) und w k / j k die Teilchenfluenzwerte vor bzw. nach der Modifizierung des Schrittes d) sind, C_T ein Gewichtungsfaktor ist, der einem Tumorbereich zugewiesen ist, C_R ein Gewichtungsfaktor ist, der einem sensitiven Bereich zugewiesen ist, λ DVH / i DVH ein Abzugswert ist, der jedem Bereich des Patienten zugewiesen ist, und a eine vorgegebene Approximation der Dosis pro Größe der Energiefluenz d_ij ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 6 oder 7, bei der a ein konstanter Wert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5, 6 oder 7, die so konstruiert und angeordnet ist, dass die für die Zuweisung ausgelegten Mittel, die für die Berechnung ausgelegten Mittel und die für die Modifikation ausgelegten Mittel ihre Funktionen nacheinander in einer Mehrzahl von Iterationen ausführen, derart, dass die Werte der Teilchenfluenzwerte, die durch die für die Modifikation ausgelegten Mittel modifiziert werden, durch die für die Zuweisung ausgelegten Mittel verwendet werden, um einen Teilchenfluenzwert w_j für jeden Strahl j zuzuweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5, 6 oder 7, bei der die für die Modifikation ausgelegten Mittel nur die Volumenelemente i längs der Mittellinie des gegebenen Strahls j berücksichtigen.
Strahlentherapiemaschine (10), die die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.