DE102011000204B4 - Erstellung einer Bestrahlungsplanung unter Berücksichtigung der Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit - Google Patents

Abstract

Verfahren (1) zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise und/oder zumindest bereichsweise die Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit auf die Bestrahlungsplanung berechnet (4), bewertet, dargestellt (7) und/oder berücksichtigt (8) werden wobei die Unsicherheit durch automatisiertes Aufprägen einer Schwankung auf zumindest einen Parameter (4) berücksichtigt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung.
• Teilchenstrahlen werden zwischenzeitlich in unterschiedlichen Gebieten der Technik verwendet. Dabei werden in Abhängigkeit vom Einsatzzweck und dem zur Verfügung stehenden Kostenrahmen unterschiedlichste Arten von Teilchen verwendet. So werden beispielsweise Teilchenstrahlen mit Photonen, Elektronen, Protonen und Schwerionen (z. Bsp. Heliumionen, Kohlenstoffionen usw.), Pionen, Mesonen usw. verwendet. Zum Teil werden auch Gemische aus unterschiedlichen Teilchen verwendet. Je nach Teilchenart und erforderlicher Energie sind die zur Erzeugung des Teilchenstrahls erforderlichen Beschleuniger unterschiedlich aufgebaut und zum Teil recht komplex.
• Ein technisches Gebiet, bei dem Teilchenstrahlen zum Teil seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt werden liegt im Bereich der Medizintechnik. Hier wird beispielsweise Photonenstrahlung (insbesondere Röntgenstrahlung) bereits seit etlichen Jahrzehnten zur Krebstherapie verwendet.
• Insbesondere in den letzten Jahren hat die Krebstherapie mit Schwerionen-Teilchenstrahlen angefangen, sich in der Medizintechnik als feste Größe zu etablieren. Ein großer Vorteil von Teilchenstrahlen mit Hadronen, insbesondere Schwerionen, ist, dass diese einen ausgeprägten Bragg-Peak aufweisen. Das heißt, dass die entsprechenden Teilchen beim Durchdringen von Materie ihre Bewegungsenergie nicht gleichmäßig entlang ihrer Bahn an das durchdrungene Gewebe abgeben. Vielmehr konzentriert sich der größte Teil der Energieabgabe bei Schwerionen auf einen relativ kurzen Bereich, kurz bevor die Teilchen im durchdrungenen Gewebe „steckenbleiben”. Diese Eigenschaft macht es möglich, eine bestimmte Energiedosis in einem Zielvolumenbereich (insbesondere auch in z-Richtung parallel zum Teilchenstrahl) gezielt zu deponieren, ohne dass die umliegenden Gewebebereiche (also z. Bsp. die vor bzw. hinter dem Zielgebiet liegenden Gewebebereiche) mit einer (höheren) Dosis beaufschlagt werden. Speziell diese Eigenschaft macht eine besonders effektive und für den Patienten schonende Krebstherapie möglich.
• Bei heutigen Therapieverfahren wird dabei in zunehmendem Maße auf Scanning-Verfahren (insbesondere auch Raster-Scanning-Verfahren, einschließlich intensitätsmodulierter Raster-Scanning-Verfahren) zurück gegriffen. Hierbei wird ein bleistiftdünner Teilchenstrahl (ein sogenannter Pencil-Strahl) verwendet, um das zu therapierende Gewebe sukzessive nacheinander anzufahren. Ein großer Vorteil bei derartigen Scanning-Verfahren ist, dass nahezu beliebige Tumorformen therapiert werden können.
• In der Praxis läuft speziell die Therapie mit Schwerionenstrahlen unter Verwendung einer sogenannten „Bestrahlungsplanung” ab. Dies rührt daher, da es zu einer großen Anzahl an unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen den Schwerionen des Teilchenstrahls und dem Gewebe kommt, deren rechnerische Berücksichtigung sehr aufwändig ist. Bei einer numerischen Behandlung des Problems benötigen beispielsweise auch heute verfügbaren schnelle Computer Rechenzeiten im Bereich von Minuten bis Stunden.
• Am Anfang einer Behandlung wird zunächst vom Arzt eine (biologisch wirksame) Dosisverteilung für den Patienten verschrieben. Die Dosisverteilung hängt dabei vom jeweiligen Volumenbereich im Patientenkörper ab. Vereinfacht gesprochen muss die wirksame Dosis im Bereich des Tumors über einem Schädigungsgrenzwert liegen, sodass das Tumorgewebe zerstört wird. Dagegen ist das umliegende Gewebe möglichst wenig (im Idealfall überhaupt nicht, was jedoch in aller Regel technisch nicht durchführbar ist) zu belasteten. Insbesondere wenn benachbart zum Tumorgewebe kritische Gewebebereiche, wie beispielsweise sogenannte OARs (englisch für Organ At Risk”) liegen, wird hier oftmals ein oberer Grenzwert festgelegt, der nicht überschritten werden darf, damit es zu keiner Schädigung dieser kritischen Gewebebereiche kommt. Bei solchen kritischen Geweben kann es sich beispielsweise um Hauptblutgefäße, Nervenknoten oder das Rückenmark handeln.
• Ausgehend von der vom Arzt verschriebenen Dosisverteilung wird anschließend die Bestrahlungsplanung erstellt. Dabei wird – grob gesprochen – die vom Arzt verschriebene (biologisch wirksame) Dosisverteilung in ein von der Bestrahlungsvorrichtung verwendbares Format (Steuerparametersatz) umgerechnet. In der Praxis erfolgt dies dadurch, dass berechnet wird, welchen biologischen Effekt ein dünner Teilchenstrahl, der aus einer oder aus mehreren Richtungen mit einem bestimmten (dreidimensionalen) Bewegungsmuster (bei Scanning-Verfahren) in den Zielvolumenbereich des Zielkörpers eingebracht wird, verursacht. Die so berechneten biologischen Effekte werden mit der vom Arzt verschriebenen biologisch wirksamen Dosisverteilung verglichen. Durch Optimierungsverfahren wird versucht, die Differenz zwischen der verschriebenen Dosisverteilung und der laut Rechnung eingebrachten biologisch wirksamen Dosisverteilung zu minimieren.
• Im Rahmen der Bestrahlungsplanung werden insbesondere auch Dosisbeiträge berücksichtigt, die der Teilchenstrahl in andere Volumenbereiche (zum Beispiel in einzelne Rasterpunkte) einbringt. Dabei sind in aller Regel die Dosisbeiträge hinter dem (distal zum) „aktuellen” Volumenbereich (Rasterpunkt) sehr klein (sodass diese oftmals auch vernachlässigt werden können), wohingegen in Strahlrichtung gesehen vor dem (proximal zum) „aktuellen” Volumenbereich (Rasterpunkt) durchaus relevante Dosiseinträge erfolgen können. Weiterhin ist – insbesondere im Falle von Schwerionen-Teilchenstrahlung – zu berücksichtigen, dass die sogenannte relative biologische Wirksamkeit (RBE für englisch: „Relative Biological Effectiveness”) in komplexer und nichtlinearer Weise von physikalischen Parametern abhängt. Beispielsweise ändert sich typischerweise der Zusammenhang zwischen der deponierten physikalischen Dosis (korrespondierend mit dem Energieverlust des Teilchenstrahls) und der Gewebeschädigung (also der biologisch wirksamen Dosis) in Abhängigkeit von der Teilchenenergie. Weiterhin kann es – wiederum insbesondere im Fall von Schwerionen-Teilchenstrahlung – zu sogenannter Sekundärstrahlung durch zerfallende Schwerionen kommen. Auch dies bringt nichtlineare biologische Effekte mit sich. Darüber hinaus verändert sich die eingebrachte Dosis (sowohl die physikalische, als auch die biologisch wirksame Dosis) mit der Gewebeart, sodass (unter anderem) Knochen, Muskelgewebe, Blutgefäße, Hohlräume und dergleichen bei der Bestrahlungsplanung unterschiedlich zu gewichten sind. Einen Überblick über die Probleme bei der Erstellung von Bestrahlungsplanungen findet sich beispielsweise in den beiden Artikeln „Treatment Planning for Heavy Ion Radiotherapy: Clinical Implementation and Application” von M. Krämer et al., Phys. Med. Biol. 45 (2000), S. 3299 bis 3317 sowie in „Treatment Planning for Heavy Ion Radiotherapy: Calculation and Optimisation of Biologically Effective Dose” von M. Krämer und M. Scholz in Phys. Med. Biol. 45 (2000), S. 3319 bis 3330.
• In der US-Offenlegungsschrift US 2006/0285640 A1 wird ein Monte-Carlo-Computerprogramm zur Beschreibung eines Teilchendurchgangs durch Materie beschriebe. Es wird vorgeschlagen, wie die statistische Schwankungsbreite der Ergebnisse bei gleicher Rechenzeit verkleinert werden kann.
• In der deutschen Patentschrift DE 10 2005 058 871 B3 wird vorgeschlagen, dass die Charakteristika, die zwei oder mehr unterschiedliche Bestrahlungsszenarien von auf ein Gewebe einwirkender Strahlung gemäß einer Bestrahlungsplanung zeigen, zu Vergleichszwecken in einer gemeinsamen Darstellung visualisiert werden.
• Auch in der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 18 204 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei der im Rahmen einer Bestrahlungsplanung die vorab berechneten Lösungen unterschiedlicher Strahlentherapiepläne visuell dargestellt und miteinander verglichen werden können.
• In der US-Offenlegungsschrift US 2010/0054413 A1 wird ein Dosis-Berechnungs-Werkzeug vorgeschlagen, das so betrieben werden kann, dass es eine Varianz-Karte ausgeben kann, die eine Unsicherheit der Dosis darstellt. Die Varianz-Karte zeigt in Form einer punktweisen Darstellung, wo eine hohe Unsicherheit der Dosis existieren kann, und wo eine niedrige Unsicherheit der Dosis existieren kann. Die Unsicherheit der Dosis resultiert aus einem oder mehreren Datenparametern, die sich auf einen Bestrahlungsparameter oder einen Berechnungsparameter beziehen.
• Ein großes Problem bei heute üblichen Bestrahlungsplanungen besteht darin, dass diese in aller Regel von einem fixen Parameter-Datensatz ausgehen. Derartige Parameter sind beispielsweise die Betriebsparameter der Beschleunigeranlage, die Tumorverteilung, die Verteilung unterschiedlicher Gewebearten, die Teilchenstrahlgröße und Energie, die Position des Patienten relativ zur Beschleunigeranlage, die Lage des Tumors innerhalb des Patienten, das Strahlprofil, die Bewegung des Patienten sowie die Bewegung von Tumorbereichen durch Atmung, Herzschlag und sonstige innere Bewegungen des Patienten usw. Diese (jeweils als fix angenommenen) Parameter werden zur Erstellung der Bestrahlungsplanung verwendet.
• So wie es ganz allgemein in der Technik der Fall ist, kommt es jedoch auch vorliegend zu Ungenauigkeiten, die beispielsweise von Geräteschwankungen, Messungenauigkeiten und dergleichen herrühren können. Es hat sich nun herausgestellt, dass bei der Erstellung von Bestrahlungsplanungen die Schwankungen von bestimmten Parametern sehr große Auswirkungen auf die resultierende Bestrahlungsplanung und die effektiv eingebrachte biologisch wirksame Dosis haben können. Es kann somit der Fall eintreten, dass eine Bestrahlungsplanung, die in der Theorie eine an sich sehr gute Dosisverteilung erzeugt, in der Praxis höchst nachteilig ist, da diese sehr empfindlich auf auch nur leichte Parameterschwankungen mit großen Dosisverteilungsänderungen reagiert (also nicht robust ist). In die Bewertung der „Robustheit” einer Bestrahlungsplanung gegenüber Schwankungen von Parameterwerten fließt derzeit viel Erfahrung und Gefühl der die Bestrahlungsplanung erstellenden Person (in der Regel ein Arzt und/oder ein Medizinphysiker) ein. Eine „echte”, insbesondere eine quantitative Bewertung der Robustheit der Bestrahlungsplanung findet jedoch nicht statt.
• Eine solche möglichst auch quantitative – Bewertung der „Robustheit” der Bestrahlungsplanung ist jedoch wünschenswert, um verbesserte Dosisverteilungen und somit schlussendlich bessere Therapieerfolge erwirken zu können.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung vorzuschlagen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung vorzuschlagen.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe.
• Es wird vorgeschlagen, ein Verfahren zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung derart durchzuführen, dass zumindest zeitweise und/oder zumindest bereichsweise die Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit auf die Bestrahlungsplanung berechnet, bewertet, dargestellt und/oder berücksichtigt werden, wobei die Unsicherheit durch automatisiertes Aufprägen einer Schwankung auf zumindest einen Parameter berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann die Unsicherheit, die durch in der Praxis unvermeidliche Fehlannahmen, Messfehler bzw. Parameterschwankungen der Beschleunigervorrichtung, der Messsensorik oder des Patienten (usw.) entstehen können, zumindest qualitativ, vorzugsweise jedoch auch quantitativ erfasst werden. Das Ergebnis des Bestrahlungsplanungsprozesses kann dadurch besser und insbesondere robuster werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass vorteilhafte Bestrahlungsplanungen in aller Regel auch deutlich unabhängiger vom Können, Erfahrungsgrad, „Gefühl” usw. der mit der Bestrahlungsplanung involvierten Person(en) ausfallen können. Dadurch kann es beispielsweise möglich werden, dass im Verhältnis zu heute auch weniger hoch qualifizierte Fachkräfte für die Erstellung von Bestrahlungsplanungen eingesetzt werden können. Die Auswirkungen, die eine Unsicherheit (bzw. mehrere Unsicherheiten, insbesondere eine größere Anzahl von relevanten Unsicherheiten, insbesondere im Wesentlichen alle und/oder alle relevante Unsicherheiten) auf die Ergebnisse der Bestrahlungsplanung hat, können dabei in beliebiger Weise berechnet, bewertet, dargestellt und/oder berücksichtigt werden. Eine Berechnung kann beispielsweise dahingehend erfolgen, dass die Werte lediglich intern berechnet werden. Sinnvoller ist es jedoch, wenn mit den berechneten Werten auch etwas „angefangen” wird. Insbesondere kann es sich als sinnvoll erweisen, wenn eine Bewertung der (vorläufigen) Bestrahlungsplanung, insbesondere eine von der Bestrahlungsplanungsvorrichtung selbst herbeigeführte Bewertung der (vorläufigen) Bestrahlungsplanung durchgeführt wird. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass eine Bestrahlungsplanung blockiert bzw. nicht ausgegeben wird, wenn die Auswirkungen einer Unsicherheit zu groß sind und insbesondere über einem bestimmten Grenzwert liegen. Auch kann eine „zulässige” Bestrahlungsplanung erstellt und/oder freigegeben werden, die insbesondere unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt. Vorteilhaft ist es jedoch auch, wenn die Auswirkungen der Unsicherheiten beispielsweise zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise qualitativ und/oder quantitativ der die Bestrahlungsplanung erstellenden Person (bzw. die die Bestrahlungsplanung erstellenden Personen) dargestellt werden. Die entsprechenden Personen können dann (beispielsweise basierend auf ihrer Erfahrung) die Bestrahlungsplanung derart optimieren, dass auch die Auswirkungen der Unsicherheiten beispielsweise besonders klein und/oder auf sonstige Weise vorteilhaft sind (mit anderen Worten also besonders robust sind). Besonders vorteilhaft kann es jedoch auch sein, wenn die Auswirkungen der zumindest einen Unsicherheit im Rahmen der Bestrahlungsplanung zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise (automatisiert) berücksichtigt werden. So kann beispielsweise ein Optimierungsalgorithmus selbsttätig eine Optimierung auch hinsichtlich der Auswirkungen der zumindest einen Unsicherheit durchführen (mit anderen Worten eine Optimierung hinsichtlich der Robustheit der Bestrahlungsplanung durchführen), so dass dadurch beispielsweise ein (lokales) Minimum erreicht werden kann. Unter den Auswirkungen einer Unsicherheit ist insbesondere eine Schwankung der Dosisverteilung im zu bestrahlenden Volumen bzw. in Teilen des zu bestrahlenden (beziehungsweise des nicht zu bestrahlenden) Volumens zu verstehen. Insbesondere kann sich dies auf (nach Möglichkeit zu vermeidende) Unterdosierungen im Bereich des zu therapierenden Tumors und/oder Überdosierungen im gesunden Gewebe, insbesondere in Bereichen, in denen empfindliches Gewebe (wie OARs) vorhanden ist, beziehen.
• Vorteilhaft ist es, wenn bei dem Verfahren die Schwankung des zumindest eines Parameters in einem typischen und/oder maximal zu erwartenden Rahmen angenommen wird. Diese Schwankung wird dabei automatisiert berücksichtigt. Es können also beispielsweise mehrere Bestrahlungsplanungen berechnet werden, und diese anschließend miteinander verglichen werden, Die Berechnung kann dabei derart erfolgen, dass eine Bestrahlungsplanung für den Fall gerechnet wird, dass der betreffende Parameter seinen nominellen Wert aufweist, eine Bestrahlungsplanung für den Fall gerechnet wird, dass der betreffende Parameter seinen typischen Maximalwert einnimmt, eine Bestrahlungsplanung für den Fall gerechnet wird, dass der betreffende Parameter seinen im realen Betrieb maximal zu erwartenden Wert aufweist, eine Bestrahlungsplanung für den Fall gerechnet wird, dass der betreffende Parameter seinen typischen Minimalwert einnimmt und/oder eine Bestrahlungsplanung für den Wert gerechnet wird, dass der betreffende Parameter seinen minimalen, im realen Betrieb zu erwartenden Wert einnimmt. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass (weitere) Zwischenwerte berechnet werden. Diese können beispielsweise so gewählt werden, dass sie geeignet statistisch verteilt sind, zum Beispiel derart, dass sie den realistischer Weise über die Zeit zu erwartenden Parameterwerten entsprechen (vorzugsweise kann hier eine geeignete statistische Gewichtung vorgesehen werden). Bei Vorhandensein mehrerer Parameter ist es grundsätzlich in beliebiger Weise möglich, dass die betreffenden Parameter jeweils „eindimensional” variiert werden, oder dass eine Variation bei n Parameter in Form eines n-dimensionalen Raums erfolgt. Selbstverständlich sind zwischen diesen beiden Extremen auch dazwischen liegende Strategien möglich und gegebenenfalls sinnvoll und zu bevorzugen. Die jeweils erhaltenen Bestrahlungsplanungen können anschließend miteinander verglichen werden. Beispielsweise ist es möglich, dass die jeweils erhaltenen Bestrahlungsplanungen „lediglich” der die Bestrahlungsplanung erstellenden Person dargestellt werden. Möglich ist es auch, dass durch Anwendung mathematischer Fit-Verfahren bestimmte Tendenzen angezeigt werden und/oder in einem zumindest eingeschränkten Rahmen eine automatisierte Optimierung erfolgt. Eine Berechnung sollte insbesondere für solche Parameter erfolgen, die beispielsweise erfahrungsgemäß einen besonders großen Einfluss auf das Ergebnis der Bestrahlungsplanung haben. Parameter, die beispielsweise erfahrungsgemäß nur einen geringen oder (annähernd) keinen Einfluss auf die Bestrahlungsplanung haben, sollten dagegen aus Rechenzeitgründen nicht oder nur mit einer geringeren „Auflösung” (Rechenpunktdichte) berücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Dichte an Rechenpunkten für den jeweiligen Parameter dessen (beispielsweise erfahrungsgemäß zu erwartende) Auswirkung auf die Bestrahlungsplanung widerspiegelt.
• Grundsätzlich können als Unsicherheit und/oder als Parameter alle Werte verwendet werden, die eine Auswirkung/einen Einfluss auf die Bestrahlungsplanung haben, insbesondere solche, die eine nicht zu vernachlässigende, eine größere und/oder eine signifikante Auswirkung auf die Bestrahlungsplanung haben. Bevorzugt ist es insbesondere, wenn zumindest eine Unsicherheit und/oder zumindest eine Schwankung zumindest eines Parameters und/oder zumindest ein Parameter zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise der Gruppe entnommen ist, die die Patientenpositionierung, die Bewegungserfassung, die Strahlreichweite, das Strahlprofil, die Strahllage und die Gewebeart umfasst. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die genannten Größen eine üblicherweise besonders große Auswirkung auf die Bestrahlungsplanung haben. Als „Patientenpositionierung” sind dabei insbesondere Lagerungsungenauigkeiten des Patienten zu verstehen. Typischerweise werden Patienten mit Hilfe eines Immobilisierungssystems bzw. eines Patientenpositionierungssystems gelagert, wobei Lagerungsungenauigkeiten im Bereich von typischerweise Millimetern auftreten können. Eine Berücksichtigung der Patientenpositionierung kann beispielsweise als Verschiebung des Isozentrums und/oder als eine Rotation des Strahleintrittskanals bei der Dosisberechnung berücksichtigt werden. Unter „Bewegungserfassung” ist insbesondere eine Größe zu verstehen, die aufgrund von Abweichungen bei der Bewegungserfassung des Patienten bzw. von Teilen des Patienten erfolgt. Beispielsweise kann die Atmung eines Patienten mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen, bildgebenden Verfahren (z. Bsp. CT und/oder Überwachung mit Hilfe einer Videokamera) verfolgt werden und hierauf basierend auf die aktuelle Lage eines sich bewegenden Zielvolumenbereichs (z. Bsp. ein im Lungengewebe angeordneter Tumor) geschlossen werden. Hierbei kann es zu Unsicherheiten kommen, die beispielsweise durch Erfassungsfehler der Messvorrichtung (z. Bsp. Bildfehler einer Videokamera, Messfehler eines Dehnungsmessstreifens usw.), durch Fehler bei der Korrelation zwischen Messwert und Position des Zielvolumenbereichs, durch Phasenfehler, durch Latenzfehler zwischen Bewegungssurrogat und eigentlicher Bewegung und dergleichen hervorgerufen werden können. Derartige Fehler können beispielsweise durch Manipulationen der Bewegungstrajektorie des Zielvolumenbereichs im Rahmen einer 4-D-Dosisberechnung berücksichtigt werden. Unter „Strahlprofil” (sowohl lateral, als auch longitudinal) sind insbesondere Unzulänglichkeiten in Bezug auf die Formgebung des Teilchenstrahls (anzustreben ist in der Regel eine kreisförmige Strahlprofilform mit Gauss-Profil) in Folge technischer Limits oder Unzulänglichkeiten zu verstehen. Unter „Strahllage” (sowohl lateral als auch longitudinal) sind insbesondere Positionierungsfehler zu verstehen, die durch eine Teilchen-Energiemodulationseinrichtung, durch Fehler eines lateralen Teilchenablenksystems (beispielsweise Magnetfeldspulen) und dergleichen entstehen können. Derartige Ungenauigkeiten können insbesondere durch technisches Limits oder Unzulänglichkeiten entstehen. Sie können durch Variation des Isozentrums und/oder durch Rotation des Strahleintrittskanals berücksichtigt werden. Unter „Strahlreichweite” kann insbesondere die Reichweite des Teilchenstrahls aufgrund der unterschiedlichen Dämpfungswirkung unterschiedlicher Gewebearten im Patienten verstanden werden. Die sogenannten Hounsfield-Einheiten, die beispielsweise aus einem CT-Datensatzes ausgelesen werden können, müssen für die Ansteuerung einer Teilchenbeschleunigervorrichtung in wasserequivalente Reichweiten umgerechnet werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Tabelle erfolgen. Eine derartige Tabelle hat jedoch nur eine endliche Genauigkeit. Unsicherheiten in der Strahlreichweite können beispielsweise durch Manipulation der Hounsfield-Einheiten-Reichweite-Tabelle und/oder durch eine globale Verschiebung erreicht werden. Unter „Gewebeart” ist insbesondere ein Wert zu verstehen, der Ungenauigkeiten bezüglich der (gemessenen) Gewebeart, und damit in Bezug auf die unterschiedliche Dämpfungswirkung und/oder biologische Wirksamkeit des Teilchenstrahls auf das entsprechende Gewebe berücksichtigt. Dies kann beispielsweise dadurch berücksichtigt werden, dass die Gewebegrenzen und/oder die Gewebeeigenschaften variiert werden.
• Vorteilhafterweise kann das Verfahren derart ausgeführt werden, dass die Auswirkungen von zumindest einer Unsicherheit zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise durch Vergleich von zumindest zwei, bevorzugt von einer Mehrzahl von Bestrahlungsplanungsergebnissen berechnet, dargestellt und/oder berücksichtigt werden. Insbesondere können dabei Bestrahlungsplanungsergebnisse genutzt werden, welche durch zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise Variation beziehungsweise durch Schwankung zumindest eines Parameters ermittelt wurden. Die erhaltenen Bestrahlungsplanungsergebnisse (vorzugsweise durch Schwankung zumindest eines Parameters, gegebenenfalls aber auch auf anderem Wege ermittelt) können – wie bereits weiter oben erläutert – „lediglich” der die Bestrahlungsplanung erstellenden Person dargestellt werden, und/oder automatisiert, beispielsweise unter Verwendung von an sich bekannten numerischen Optimierungsstrategien, genutzt werden, um schlussendlich zu einer verbesserten, insbesondere robusteren Bestrahlungsplanung zu kommen.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest zeitweise und/oder zumindest bereichsweise eine Mehrzahl von Unsicherheiten berechnet, bewertet, dargestellt und/oder berücksichtigt wird. Vorzugsweise werden dabei insbesondere solche Unsicherheiten (beziehungsweise deren Auswirkungen) berücksichtigt, welche größere, relevante, signifikante und/oder nicht zu vernachlässigende Auswirkungen auf die Bestrahlungsplanung aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn (im Wesentlichen) sämtliche, derart relevanten Parameter berücksichtigt werden. Es kann sich jedoch bereits als vorteilhaft erweisen, wenn lediglich eine einzelne Unsicherheit und/oder eine gewisse Anzahl (insbesondere Teilmenge) an Unsicherheiten berücksichtigt werden.
• Insbesondere wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass die Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise visuell, insbesondere grafisch dargestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass das menschliche Auge besonders geeignet ist, eine große Anzahl an grafisch dargestellten Informationen in kurzer Zeit zu verarbeiten. Auf diese Weise ist eine für die die Bestrahlungsplanung erstellende Person besonders komfortable, schnelle und in der Regel intuitive Benutzung des Verfahrens möglich. Auch können typischerweise besonders gute Ergebnisse der Bestrahlungsplanung erzielt werden. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass bereits bei heutigen Verfahren zur Erstellung von Bestrahlungsplanungen oftmals eine visuelle Schnittstelle für die die Bestrahlungsplanungen erstellende Person existiert. Insofern kann das Verfahren vorteilhafterweise auf bereits existierender Hardware durchgeführt werden (bzw. können etwaige Hardwareänderungen in kleinerem, vertretbaren Aufwand gehalten werden) und/oder die die Bestrahlungsplanung erstellende Person muss nicht aufwändig umlernen, ehe sie das Verfahren nutzen kann.
• Vorteilhaft kann es sein, wenn das Verfahren derart durchgeführt wird, dass die Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise als Absolutwert, als absolute Schwankung, als relative Schwankung, als Grenzwertannäherung und/oder als Flag-Anzeige ausgegeben werden. Eine Anzeige als Absolutwert kann beispielsweise einen errechneten Maximalwert bzw. Minimalwert darstellen (Ausgabe z. Bsp. als Angabe der deponierten Dosis). Auch ist eine Anzeige in Form einer relativen Schwankung möglich, also beispielsweise indem angezeigt wird, wie viel Prozent der „eigentlich” zu deponierende Dosis überschritten bzw. unterschritten ist. Auch kann eine absolute Schwankung angegeben werden, die beispielsweise in Einheiten der deponierten Dosis ein potentielles Überschreiten bzw. Unterschreiten der gewünschten Dosis (Solldosis) darstellt. Eine weitere Anzeigeform ist, in wie weit man sich an einen Grenzwert annähert, oder in wie weit dieser bereits überschritten ist (beispielsweise in Form einer relativen und/oder einer absoluten Anzeige). Auch eine Flag-Anzeige ist denkbar, die beispielsweise binär darstellt, ob man sich noch innerhalb einer zulässigen Schwankungsbreite (beziehungsweise innerhalb einer enger gewählten Test-Schwankungsbreite) befindet, oder ob diese bereits verlassen wurde. Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn die Art der Anzeige veränderbar ist und/oder zwischen unterschiedlichen Anzeigeformen gewechselt werden kann. Weiter vorteilhaft kann es sein, wenn die Veränderung beziehungsweise der Wechsel von der die Bestrahlungsplanung durchführenden Person durchführbar ist. Insbesondere hat sich in ersten Versuchen gezeigt, dass eine Verwendung von mehreren Darstellungsformen üblicherweise besonders gute Ergebnisse der Bestrahlungsplanung möglich macht. Insbesondere sind bei der Erstellung einer Bestrahlungsplanung oftmals zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Anzeigeformen erwünscht bzw. sinnvoll.
• Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn bei dem Verfahren zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise eine Flicker-Darstellung, eine farbcodierte Darstellung, Eine Graustufen-Darstellung, eine Isolinien-Darstellung, eine Washing-Darstellung und/oder eine Zeichendarstellung erfolgt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Art der Anzeige veränderbar ist und/oder gewechselt werden kann, insbesondere in Abhängigkeit von dem spezifischen Wunsch der die Bestrahlungsplanung erstellenden Person. Auch hier kann durch Verwendung insbesondere mehrerer Darstellungsarten üblicherweise ein besonders hoher Benutzerkomfort und/oder eine besonders vorteilhafte Bestrahlungsplanung realisiert werden. Eine Zeichendarstellung kann beispielsweise durch Anzeigen von Zahlenwerten, oder aber auch durch Anzeigen eines Kreuzes bzw. eines Hakens (für „liegt außerhalb eines zusätzlichen Grenzwerts” bzw. „liegt innerhalb eines zusätzlichen Grenzwerts”) erfolgen. Farbcodierte Darstellungen, Graustufen-Darstellungen, Isolinien-Darstellungen und Washing-Darstellungen sind in der Regel besonders intuitiv für die die Bestrahlungsplanung erstellende Person. Insbesondere werden derartige Darstellungen zum Teil bereits für die Erstellung von Bestrahlungsplanungen genutzt, sodass ein besonders schnelles Erlernen des vorgeschlagenen Verfahrens möglich ist. Speziell eine Flicker-Darstellung ist besonders vorteilhaft, da in zeitlicher Abfolge unterschiedliche Bilder nacheinander gezeigt werden. Hier kann beispielsweise durch die „Zeitachse” die zusätzliche, darzustellende Dimension realisiert werden. Die Flicker-Darstellung ist insbesondere mit den anderen, explizit vorgeschlagenen Darstellungsarten, jedoch auch mit beliebigen weiteren Darstellungsarten besonders vorteilhaft. Die Frequenz des Bildwechsels kann bei der Flicker-Darstellung so gewählt werden, dass der Wechsel noch vom menschlichen Auge erkannt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass die Frequenz des Bildwechsels so hoch gewählt wird, dass der Bildwechsel nicht mehr als solcher erkannt wird, sondern für das menschliche Auge aus den unterschiedlichen Bildern ein einzelnes Bild mit „gemischten Farben” entsteht.
• Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens ergibt sich, wenn die Bestrahlungsplanung zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise als 3-D-Bestrahlungsplanung und/oder als 4-D-Bestrahlungsplanung durchgeführt wird. Dabei eignet sich eine 3-D-Bestrahlungsplanung insbesondere für im Wesentlichen feststehende Zielvolumenbereiche (gegebenenfalls auch für bewegliche Zielvolumenbereiche, die mit Hilfe von „Gating”-Bestrahlungsverfahren bestrahlt werden). Eine 4-D-Bestrahlungsplanung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein sich bewegendes Zielvolumengebiet zu bestrahlen ist, insbesondere dann, wenn das sich bewegende Zielvolumengebiet aktiv „nachverfolgt” wird, wie insbesondere mithilfe sogenannter „Tracking”-Bestrahlungsverfahren (üblicherweise als Scanning-Verfahren, Spot-Scanning-Verfahren, kontinuierliche Scanning-Verfahren, Raster-Scanning-Verfahren und/oder intensitätsmodulierte Raster-Scanning-Verfahren durchgeführt).
• Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung vorgeschlagen, die derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie ein Verfahren mit den vorab beschriebenen Eigenschaften durchführt. Die entsprechende Vorrichtung weist dann die vorab beschriebenen Eigenschaften und Vorteile in analoger Weise auf. Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um „klassische”, softwaregesteuerte elektronische Rechner handeln. Selbstverständlich können die Rechner aus einer Vielzahl von Einzelrechnern bestehen, die beispielsweise durch elektronische Netzwerke miteinander verknüpft sind. Dabei kann es sich in beliebiger Weise um sogenannte Workstation-Farmen handeln oder auch um verteilte Computernetzwerke, bei denen die Computer nicht an einem einzelnen Ort angeordnet sind, sonder räumlich weit voneinander beabstandet sein können, und beispielsweise über Internet, virtuelle Privatnetzwerke (VPN) und dergleichen miteinander gekoppelt sein können (zum Beispiel so genanntes „distributed computing”). Insbesondere ist es möglich, dass das Verfahren auf solchen Vorrichtungen durchgeführt wird, die bereits zur Erstellung von „klassischen” Bestrahlungsplanungen genutzt werden. Dadurch kann ein besonders schneller Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens, bzw. eine besonders schnelle Migration auf das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht werden.
• Schließlich wird auch eine Speichereinrichtung beansprucht, welche zumindest eine Bestrahlungsplanung enthält, die zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise gemäß dem vorab beschriebenen Verfahren erstellt wurde. Bei der Speichereinrichtung kann es sich um eine beliebige elektronische Speichereinrichtung handeln, wie beispielsweise den Speicherbereich eines elektronischen Rechners (RAM, Festplatten und dergleichen). Insbesondere kann es sich auch um eine Datenträgereinrichtung handeln, wie beispielsweise nach dem derzeitigen Stand der Technik um eine Diskette, um eine CD, um eine DVD, um eine Blue-Ray-Disc, um einen USB-Stick, um eine Wechselplatte, um einen magnetoptischen Datenträger usw.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1: ein schematischer Ablaufplan für ein Verfahren zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung;
• 2: eine Vorrichtung zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung in schematischer, perspektivischer Ansicht;
• 3: ein erstes Beispiel für eine Darstellungsmöglichkeit der Auswirkungen von Unsicherheiten auf die Bestrahlungsplanung;
• 4: ein zweites Beispiel für eine Darstellungsmöglichkeit der Auswirkungen von Unsicherheiten auf die Bestrahlungsplanung.
• In 1 ist ein schematischer Ablaufplan für ein Verfahren zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung 1 dargestellt, bei dem die Auswirkungen von Unsicherheiten auf das Bestrahlungsergebnis im Rahmen der Bestrahlungsplanung berücksichtigt werden.
• Das Verfahren zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung 1 beginnt mit dem Startschritt 2. Hier werden die Ausgangsdaten für die Erstellung einer Bestrahlungsplanung bereitgestellt. Als Ausgangsdaten werden beispielsweise Daten über Ort, Lage, Ausdehnung, Gewebeart und dergleichen eines zu therapierenden Tumors eingelesen. Weiterhin werden Information über das umliegende Gewebe und dessen Strahlungsresistenz, insbesondere auch Informationen über kritisches Gewebe, welches besonders empfindlich auf eine höhere Belegung mit einer Dosis reagiert (sogenannte OARs = „Organ At Risk”) zur Verfügung gestellt. Weiterhin liegt die von einem Arzt verschriebene Soll-Dosisverteilung beim Startschritt 2 des Verfahrens 1 vor. In dieser Verschreibung wird beispielsweise definiert, mit welcher Strahlenbelastung das Tumorgewebe beaufschlagt werden soll. Gegebenenfalls sind auch Angaben bezüglich einer Maximaldosis für (Teile) des umgebenden Gewebes vorhanden.
• Basierend auf dem im Start-Schritt 2 zur Verfügung gestellten Informationen werden in einem darauf folgenden Schritt 3 der Tumor, die Risikostrukturen und gegebenenfalls sonstige Gewebebereiche konstruiert. Das heißt, es wird der Ort und die Ausdehnung des Tumors und der Risikostrukturen in das „numerische Format” der Vorrichtung, auf dem die Bestrahlungsplanung erstellt wird (beispielsweise ein sehr leistungsfähiger Computer) umgerechnet. So können beispielsweise die entsprechenden Gewebebereiche mit Begrenzungslinien intuitiv einsichtig dargestellt werden.
• Nunmehr liegen sämtliche Daten vor, um im darauf folgenden Schritt 4 eine anfängliche Bestrahlungsplanung zu erstellen und zu optimieren. Die anfängliche Bestrahlungsplanung wird dabei mit nominellen Parametern erstellt/optimiert. Das heißt, es wird zunächst davon ausgegangen, dass sämtliche Eingangsdaten, wie beispielsweise die Angaben über die Lage der jeweiligen Gewebe, vollständig korrekt sind, also keine Messfehler oder sonstige Veränderungen aufgetreten sind. Ebenso wird davon ausgegangen, dass sämtliche Maschinenparameter und dergleichen fehlerfrei sind, es also insbesondere zu keinen Strahllagefehlern, Strahlenergiefehlern, Strahlformfehlern und dergleichen kommt. Dies entspricht der bisherigen, gemäß dem Stand der Technik erfolgenden Bestrahlungsplanung (sieht man einmal von dem ”Gefühl” der die Bestrahlungsplanung erstellenden Person ab). Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Bestrahlungsplanung in der Regel iterativ erfolgt und zum Teil mehrere durch die die Bestrahlungsplanung erstellende Person initiierte Ausgangsversuche (die gegebenenfalls mit nach ”Gefühl” erstellten manuellen Vorgaben gestartet werden) erforderlich sein können.
• Es ist leicht einsichtig, dass die Annahme idealer Daten in der Praxis nicht zutreffend ist. In der Praxis sind sämtliche Ausgangsdaten (beispielsweise die Lage des Tumorgewebes) stets mit einem gewissen Fehler verbunden. Diese Fehler können einerseits durch die Messapparatur bedingt sein (beispielsweise bei der Erfassung mit einem Computertomografen (= CT) oder einem sonstigen Erfassungssystem). Speziell bei 4-D-Bestrahlungsverfahren (also bei Verfahren zur Bestrahlung sich bewegender Tumore) ist der Einsatz eines CTs während der Bestrahlung unpraktikabel bzw. unerwünscht. In derartigen Fällen wird daher während der Datenerfassung mit einem CT üblicherweise gleichzeitig ein sogenanntes Bewegungssurrogat aufgenommen. Hierbei kann es sich um eine Erfassung einer Bewegung mit einer Videokamera, um einen um einen Brustkorb gelegten Dehnungsmessstreifen, oder dergleichen handeln. Anschließend kann man während der eigentlichen Therapie vom Bewegungssurrogat auf die CT-Daten und damit auf die eigentliche Lage des zu therapierenden Zielvolumenbereichs schließen. Möglich ist es aber auch, dass ein Fehler entsteht, der nicht-technischer Natur ist. Beispielsweise liegen zwischen CT-Messung und der eigentlichen Therapie mehrere Stunden und/oder Tage (die beispielsweise zur Erstellung der Bestrahlungsplanung genutzt werden). In diesem Zeitraum kann es aufgrund von biologischen Effekten zu einer Ortsveränderung, Dichteveränderung und/oder Größenveränderung des Tumorgewebes kommen. Auch hierdurch werden Fehler erzeugt, die nicht (vollständig) beherrschbar sein können. Weitere Fehler können durch die Vorrichtung selbst entstehen. So kann aufgrund von technischen Grenzwerten der erzeugte Teilchenstrahl nicht beliebig genau sein, wodurch beispielsweise Abweichungen bei der Teilchenenergie, Teilchenlage und Teilchengeometrie ohne Weiteres auftreten können. Die Fehler können zwar grundsätzlich vergleichsweise klein sein, aber trotz ihrer gegebenenfalls geringen Diskrepanz vom Sollwert durchaus signifikante Effekte auf die Bestrahlungsplanung haben. So ist es insbesondere im Bereich von Gewebeübergängen und/oder in speziellen Gewebebereichen durchaus möglich, dass nicht akzeptable Veränderungen der schlussendlich applizierten Dosis auftreten können.
• Um die Robustheit der in Schritt 4 berechneten und optimierten Bestrahlungsplanung zu überprüfen wird beim vorgeschlagenen Verfahren 1 ein weiterer Schritt 5 durchgeführt wird, bei dem eine Mehrzahl von (relevanten) Parametern variiert wird. Bei einer Anzahl n von Parametern entsteht somit ein n-dimensionaler Parameterraum. Zu jedem Parametersatz im n-dimensionalen Parameterraum wird vorliegend die resultierende Dosisverteilung pro Parametersatz berechnet. Ein Beispiel für Parameter, die im dargestellten Ausführungsbeispiel verändert werden (wobei es möglich ist, manche Parameter wegzulassen und/oder zusätzliche Parameter zu berücksichtigen), ist die Genauigkeit der Patientenpositionierung, die von dem verwendeten Immobilisierungssystem bzw. Patienten positionierungssystem realisiert werden kann. Eine Ungenauigkeit bei der Patientenpositionierung kann durch eine Verschiebung des Isozentrums des applizierten Teilchenstrahls und/oder eine Rotation des Strahleintrittskanals berücksichtigt werden. Ein weiterer Parameter, der berücksichtigt werden kann, ist (insbesondere bei 4-D-Bestrahlungsverfahren) die Bewegungserfassung, die beispielsweise bei Verwendung eines Bewegungssurrogats berücksichtigt werden kann. Bei der Bewegungserfassung können ungenaue Messwerte durch ungenaue Amplituden, ungenaue Phasen und/oder eine Latenz zwischen Bewegungssurrogat und der eigentlichen Bewegung (also eine Art Phasenversatz) vorliegen. Diese Ungenauigkeiten können bei der Berechnung durch geeignete Manipulationen an der für die 4-D-Dosisberechnung verwendeten Bewegungstrajektorie des Zielvolumenbereichs simuliert werden. Ein weiteres Beispiel für einen weiteren Parameter ist die Strahlreichweite. Die Ausgangsbasis für die Bestrahlungsplanung ist ein 3-D-CT-Datensatz oder ein 4-D-CT-Datensatz. Die im CT-Datensatz auftretende „Färbung” (Gewebeintensität) entspricht nicht der wasserequivalenten Reichweite, wie sie vom Teilchenstrahl „gesehen” wird. Eine Umrechnung der „CT-Daten” (in Hounsfield-Einheiten (HU) gemessen) in die wasseräquivalente Reichweite erfolgt durch eine geeignete Umrechnungstabelle sowie den Parametern der Einstrahlrichtung. Da eine derartige Tabelle nur eine endliche Genauigkeit hat (aber üblicherweise auch aus anderen Gründen), kommt es in der Regel zu entsprechenden Unsicherheiten in der Strahlreichweite. Diese können bei der vorliegenden Berechnung durch eine Manipulation der Hounsfield-Einheiten-Reichweiten-Tabelle oder eine globale Verschiebung berücksichtigt werden. Ein weiteres Beispiel ist eine Unsicherheit beim Strahlprofil (lateral und longitudinal) die durch technische Limits oder Unzulänglichkeiten beim Beschleunigungsprozess/Strahlführungsprozess auftreten kann. Die entsprechende Unsicherheit kann durch einen entsprechend modifizierten physikalischen Dosiseintrag pro Gewebe-Volumeneinheit (Rasterpunkt) berücksichtigt werden. Noch ein weiteres Beispiel ist die Ungenauigkeit des biologischen Modells, das zur Erstellung der Bestrahlungsplanung verwendet wurde. Derartige Unsicherheiten können durch modifizierte biologische Modellparameter berücksichtigt werden.
• Die Variation der Parameter im Verfahrensschritt 5 erfolgt vorteilhafter Weise derart, dass eine bestimmte Anzahl an Zwischenpunkten berücksichtigt wird. Die Dichte der Zwischenpunkte kann insbesondere in solchen Bereichen erhöht werden, in denen sich die resultierende Dosisverteilung besonders stark ändert (die Auswirkungen der Parameterschwankungen also besonders groß sind). Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die lokalen Maxima bzw. die lokalen Minima möglichst vollständig erfasst werden. Die Variation der Parameter sollte darüber hinaus in einem Bereich erfolgen, der so gewählt ist, dass alle typischerweise auftretenden Parameterveränderungen und/oder alle im realen Betrieb maximal zu erwartenden Parametervariation abgedeckt werden. Sinnvoll kann es auch sein, dass zusätzlich zu den genannten Werten noch ein gewisser Sicherheitszuschlag erhoben wird, sodass beispielsweise über die maximal im realen Betrieb zu erwartende Parameterschwankung hinaus um weitere 50% weiter gerechnet wird (ausgehend vom Abstand zwischen Nominalwert und maximalerweise im Betrieb zu erwartendem Schwankungswert).
• Da eine unter Umständen größere Anzahl von Parametern und Parametervariationen zu berechnen ist, kann der Verfahrensschritt 5 eine längere Rechenzeit beanspruchen. Insbesondere kann es erforderlich sein, mehrere hundert oder mehrere tausend Dosisverteilungen zu berechnen.
• Im darauf folgenden Schritt 6 werden die Dosisunsicherheiten oder sonstige statistische Schwankungen pro Volumeneinheit bestimmt. Diese Unsicherheiten können in einem geeigneten Format gespeichert werden, wie beispielsweise in einer entsprechend dimensionalen Matrix gespeichert werden. Beispielsweise können in diesem Schritt absolute Abweichungen von der Solldosis, relative Abweichungen von der Solldosis, absolut eingebrachte Dosen, binäre Daten (die beispielsweise angeben, ob eine Dosis noch innerhalb eines zulässigen Dosisintervalls liegt, oder nicht) und dergleichen berechnet und gespeichert werden. Weiterhin ist es möglich, dass weitergehende Berechnungen durchgeführt werden, insbesondere Aufsummationen bzw. Aufintegrationen. Derartige Berechnungen sind insbesondere dann sinnvoll (und in aller Regel zu einem bestimmten – wenn auch späteren – Zeitpunkt durchzuführen), wenn beispielsweise Histogramme und dergleichen dargestellt werden sollen. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass gerade medizinisches Personal im Rahmen der Überprüfung von Bestrahlungsplanungen gerne auf so genannte „Dosis-Volumen-Histogramme” zurückgreift. Dementsprechend kann eine höhere Akzeptanz seitens des medizinischen Personals erzielt werden, wenn auch im Rahmen der vorliegend vorgeschlagenen „Fehlerbewertungsdarstellung” derartige Dosis-Volumen-Histogramme erstellt werden können.
• Anschließend wird im Verfahrensschritt 7 die Dosisvariation (Dosisunsicherheit) angezeigt. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass die nominelle Dosisverteilung (Soll-Dosisverteilung) mit einer Unsicherheitsverteilung überlagert angezeigt wird. Die Anzeige kann beispielsweise als sogenannter Flicker-Plot erfolgen, bei der die nominelle Dosisverteilung und die Unsicherheitsverteilung mit relativ hoher Frequenz abwechselnd hintereinander dargestellt werden. Das Auge reagiert erfahrungsgemäß relativ empfindlich auf Bewegungen, sodass mit Hilfe eines derartigen Flicker-Plots eine qualitativ und/oder quantitativ gute Analyse durch eine Person erfolgen kann.
• Zusätzlich oder alternativ zur nominellen Dosisverteilung (insbesondere im Wechsel mit einer nominellen Dosisverteilung) kann beispielsweise die maximale Dosis und/die minimale Dosis aus der Unsicherheitsanalyse (Verfahrensschritt 6) angezeigt werden. Ebenso kann zusätzlich oder alternativ ein binärer Datensatz angezeigt werden, der z. Bsp. in grün oder rot anzeigt, ob ein vorgegebenes Akzeptanzintervall erreicht wurde. Ebenso kann zusätzlich oder alternativ eine die Unsicherheiten quantifizierende Verteilung (z. Bsp. Konfidenzverteilung) in komplementären Farben flickernd dargestellt werden. Die Unsicherheiten können insbesondere so skaliert werden, dass sie von den Farben her den Dosiswerten der jeweiligen Volumenbereiche gleichen, wenn die Unsicherheit klein und/oder tolerierbar ist, beziehungsweise als hierzu komplementäre Farben dargestellt werden. Diese Voxel können dann beispielsweise grau erscheinen (insbesondere bei einem hochfrequenten Flicker). Ebenso ist es möglich, dass anstelle eines Flickers die Verteilung mit einer gewissen Transparenz (beispielsweise 50%-Transparenz) statisch über die Nominalverteilung gelegt dargestellt wird (zum Beispiel unter Verwendung von zur Nominalverteilung komplementären Farben). Die Transparenz kann dann dafür sorgen, dass Dosiswerte mit kleinen Unsicherheiten beispielsweise in einer Grauskala dargestellt werden. Größere Abweichungen können dagegen durch farbliche Darstellung (sowohl bei Flicker-Darstellung als auch bei transparenter oder sonstiger Darstellung) farblich hervortretend dargestellt werden. Die Farbe kann dabei an Ausmaß für die Abweichung sein.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass jeder Volumenbereich in den dargestellten Bildern (insbesondere in den Schnittbildern) beispielsweise mit einem Symbol überlagert angezeigt wird, das anzeigt, ob ein Konfidenzintervall eingehalten wird. Beispielsweise kann ein Hakensymbol symbolisieren, dass die Unsicherheit innerhalb eines tolerablen Intervalls liegt, während ein Kreuz für ein Überschreiten der Grenze steht. Auch eine quantitative Darstellung ist hier möglich, indem beispielsweise mehr oder weniger weit ausgefüllte Rechteckrahmen dargestellt werden (histogrammartige Darstellung).
• Weiterhin ist auch eine Darstellung als Konturplot möglich. Insbesondere kann eine Darstellung über die CT-Daten gelegt erfolgen. Hier ist es insbesondere möglich, dass anhand der „real sichtbaren Struktur” eine besonders intuitive quantitative und/oder qualitative Bewertung durch den Ersteller der Bestrahlungsplanung erfolgen kann.
• Eine weitere Darstellungsmöglichkeit basiert auf den – gerade von medizinischem Personal derzeit oft verwendeten – Dosis-Volumen-Histogrammen. So kann hierbei die Darstellung der auftretenden Unsicherheiten in Form von Fehlerbalken, welche über Dosis-Volumen-Histogramme gelegt werden, erfolgen. Selbstverständlich ist auch eine Darstellung mithilfe von Grauschattierungen und/oder von Farben und/oder auf andere Weise denkbar.
• Basierend auf der in Schritt 7 erzeugten Darstellung wird im folgenden Schritt 8 die Qualität und insbesondere die Robustheit der im Rahmen des Verfahrens 1 (bislang) erstellten Bestrahlungsplanung bewertet. Je nachdem ob die Güte und/oder Robustheit der Bestrahlungsplanung als ausreichend erachtet wird, wird entweder zum Verfahrensschritt 4 zurück gesprungen 9 oder zum nächsten Verfahrensschritt 11 weiter gesprungen 10. Im Verfahrensschritt 11 wird die erstellte Bestrahlungsplanung beispielsweise auf einem Datenträger (DVD, CD und dergleichen) gespeichert. Damit endet 12 das Verfahren 1.
• Selbstverständlich ist es möglich, dass die Bewertung 8 nicht (ausschließlich) durch eine Person erfolgt. Vielmehr ist es möglich, dass beispielsweise zusätzlich oder alternativ eine automatische Bewertungsprozedur durchgeführt wird.
• In 2 ist in einer schematischen Darstellung eine Planungsvorrichtung 13 dargestellt, auf der beispielsweise das in 1 dargestellte Verfahren 1 zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung durchgeführt werden kann. Die Planungsvorrichtung 13 basiert dabei auf einem programmgesteuerten elektronischen Rechner 14. Zur Erhöhung der Rechenkapazität des Rechners 14 kann dieser mehrere Prozessoren aufweisen und/oder als sogenannter Cluster ausgebildet sein. Der Rechner 14 verfügt über einen internen Speicher 16 (beispielsweise eine Festplatte), auf dem ein entsprechender Programmcode, der das Verfahren 1 durchführt, gespeichert ist. Dabei ist es durchaus möglich, dass der im internen Speicher 16 gespeicherte Programmcode zur Durchführung beispielsweise in einen flüchtigen Arbeitsspeicher (sogenannter RAM) geladen wird.
• Weiterhin weist der Rechner 14 eine Dateneingabe/Ausgabeeinheit auf, die im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel als DVD-Laufwerk 15 ausgebildet ist. Über das DVD-Laufwerk 15 können beispielsweise Patientendaten, Maschinenparameter, eine verschriebene Dosisverteilung und dergleichen in den Rechner 14 eingelesen werden. Ebenso kann über das DVD-Laufwerk 15 die fertig erstellte Bestrahlungsplanung ausgegeben und gespeichert werden. Bei dem DVD-Laufwerk 15 kann es sich beispielsweise um einen handelsüblichen DVD-Brenner handeln, der Daten nicht nur von CDs oder DVDs lesen kann, sondern auch Daten auf CD-Rohlinge beziehungsweise DVD-Rohlinge schreiben kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Mehrzahl an DVD-Laufwerken 15 vorzusehen.
• Die Bedienung des Rechners 14 erfolgt über an sich bekannte Dateneingabe-Einheiten wie beispielsweise eine Tastatur 17, eine Maus 18 und/oder ein elektronisches Zeichenbrett 19. Die Ausgabe der Bestrahlungsplanung sowie deren Unsicherheiten erfolgt vorliegend über einen oder mehrere Bildschirme 20.
• In 3 ist ein erstes Beispiel für eine Datenausgabe, die unter Verwendung eines Verfahrens 1 zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung gemäß 1 (oder gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel einer Bestrahlungsplanung) erstellt wurde, dargestellt.
• Hierbei wurde beispielhaft ein zu behandelnder Tumorbereich 21, der sich im Inneren des Kopfes 22 eines Patienten befindet (Gehirntumor), gewählt. Wie üblich ist der Tumorbereich 21 (der gegebenenfalls mit einem gewissen, kleineren Sicherheitssaum umgeben ist) mit einer Strahlungsdosis zu versehen, sodass die im Tumorbereich 21 befindlichen Gewebezellen stark geschädigt bzw. abgetötet werden. Das außerhalb des Tumorbereichs 21 befindliche Gewebe sollte dagegen möglichst nicht bzw. möglichst wenig mit Strahlung beaufschlagt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Tumorbereich 21 kreisrund eingezeichnet. In der Praxis wird dieser in der Regel abweichende Formen aufweisen; zur Erläuterung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die genaue Formgebung des Tumorbereichs 21 jedoch unerheblich. Weiterhin sind in der Darstellung 23 Gewebekonturlinien 24 eingezeichnet, die dem Benutzer der Planungsvorrichtung 13 zur Orientierung – und damit insbesondere zur Arbeitserleichterung – dienen. Die Darstellung 23 kann beispielsweise durch entsprechende Auswahl durch den Benutzer auf dem Bildschirm 20 einer Planungsvorrichtung 13 dargestellt und gegebenenfalls variiert werden.
• Bei der in 3 gezeigten Darstellung wird eine Schwankung (Veränderung) der Dosisverteilung bei einer Variation von Eingangsparametern im Rahmen der Erstellung einer Bestrahlungsplanung (vergleiche 1) berechnet und in Form von unterschiedlichen Graustufen dargestellt. Dabei wurde im Rahmen der Berechnung dieser Dosisschwankungen ein bestimmtes Raster 25 mit einer bestimmten Genauigkeit (Rasterauflösung) gewählt, wobei das Raster 25 in Form von feinen Linien in 3 zu erkennen ist. Die Auflösung des Rasters 25 kann selbstverständlich je nach Erfordernis feiner oder gröber gewählt werden. Auch ist an unterschiedliche Rasterauflösungen in unterschiedlicher Raumrichtung und/oder an unterschiedliche Rasterauflösungen in unterschiedlichen Bereichen der Darstellung 23 zu denken (beispielsweise feinere Rasterauflösung in einem Volumenbereich im bzw. benachbart zum Tumorbereich 21).
• Wie dies bei einer realen Bestrahlung in der Regel der Fall ist, so führt auch bei der Berechnung eine Schwankung von Eingangsparametern (beispielsweise von Geräteparametern und dergleichen) in Bereichen 26, die weit entfernt vom Tumorbereich 21 liegen, zu keiner (bzw. bestenfalls zu einer minimalen) Veränderung der deponierten Dosis in den betreffenden Gewebereichen 26. Dementsprechend ist in diesen, entfernten Gewebebereichen 26 keine (merkliche) Graufärbung zu erkennen.
• Kommt man jedoch in Gebiete, die benachbart zum Tumorbereich 21 liegen, so nimmt die Graufärbung deutlich zu, was in 3 gut zu erkennen ist. Je stärker die Graufärbung ist, desto stärker schwankt die deponierte Dosis bei einer Veränderung der Eingangsparameter.
• Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schwankung in den meisten Gewebebereichen des Kopfs 22 in einem gut vertretbaren Schwankungsbereich. Die Graustufungen sind lediglich schwach getönt. Etwas anderes gilt für den in 3 zu erkennenden Problembereich 27, wo eine Variation von Eingabeparametern zu einer starken Veränderung der deponierten Dosis führt. Aus diesem Grund ist der Problembereich 27 mit einer sehr starken Graufärbung hinterlegt. Für den Benutzer der Planungsvorrichtung 13 ist dies ein Anzeichen dafür, dass er eine neue, veränderte Bestrahlungsplanung erstellen sollte, die im gesamten Kopfbereich 22 keine derartig starke Dosisvariation bei Veränderung von Parameterwerten aufzeigt. Mit anderen Worten wird der Benutzer der Planungsvorrichtung 13 versuchen eine Bestrahlungsplanung zu errechnen, bei der die Darstellung 23 von Dosisvariationen über den gesamten Bereich hinweg lediglich Rasterpunkte mit geringer Grautönung aufweist. Dies gilt im besonderen Maße, wenn im Problembereich 27 ein (besonders) kritischer Gewebebereich liegt (beispielsweise ein Gehirnbereich mit einer wichtigen Funktion und/oder mit einem Blutgefäß). In einem derartigen Fall kann gegebenenfalls bereits dann ein akzeptabler Bestrahlungsplan vorliegen, wenn ein Problembereich 27 zwar vorhanden ist, aber außerhalb dieses (und anderer) kritischer Gewebebereiche liegt. Wie man im Übrigen in 3 erkennen kann, ist beim dort dargestellten Beispiel im Problembereich 27 kein kritischer Gewebebereich vorhanden.
• Um den Komfort für den Benutzer der Planungsvorrichtung 13 weiter zu erhöhen ist es selbstverständlich auch möglich, dass anstelle einer Graustufenskala zusätzlich oder alternativ eine Farbskala Anwendung findet.
• Eine Weiterbeildung der in 3 gezeigten Darstellung 23 von Dosisschwankungen ist die in 4 gezeigte Darstellung 28 von Dosisschwankungen. Wie man erkennen kann, ähnelt die in 4 gezeigte Darstellung 28 weitestgehend der in 3 gezeigten Darstellung 23. Als zusätzliches Hilfsmittel für den Benutzer der Planungsvorrichtung 13 sind jedoch zusätzlich noch Flag-Werte in Form von Haken 29 bzw. Kreuzen 30 eingezeichnet. Ein Haken 29 bedeutet dabei, dass eine vom Arzt verschriebene maximale Dosisschwankung nicht überschritten wird (es wird also beispielsweise weder eine von einem Arzt für einen bestimmten Gewebebereich vorgegebene Höchstdosis, noch eine von einem Arzt für einen bestimmten Gewebebereich vorgegebene Mindestdosis überschritten beziehungsweise unterschritten, so dass hierdurch Überdosierungen beziehungsweise Unterdosierungen vermieden werden können. Dementsprechend bedeutet ein Kreuz 30, dass eine vom Arzt als unzulässig erklärte, zu starke Schwankung der eingetragenen Dosis auftritt. Dementsprechend ist die in 4 erkennbare Darstellung 28 von Dosisschwankungen aufgrund der im Problembereich 27 erkennbaren Kreuze zu verwerfen.
• Um die Darstellung 28 für den Benutzer der Planungsvorrichtung 13 nicht zu überfrachten, ist in Gewebebereichen (insbesondere in entfernt liegenden Gewebereichen 26), in denen die Dosisschwankung besonders gering ausfällt, keinerlei Flag-Darstellung gemacht. Es werden also dort weder Haken 29 noch Kreuze 30 dargestellt. Dies erleichtert nicht nur die Übersichtlichkeit, sondern stellt für den Benutzer eine Art „drittes Flag” für eine besonders niedrige Dosisschwankung dar.
• Möglich ist es im Übrigen auch, dass die von einem Arzt als zulässig erklärten Schwankungswerte durch den Benutzer der Planungsvorrichtung 13 durch entsprechende Benutzereingabe „verschärft” werden können. Dadurch wird es dem Benutzer der Planungsvorrichtung 13 ermöglicht, auf besonders einfache und komfortable Weise eine besonders robuste Bestrahlungsplanung erstellen zu können.
• In den 5 bis 8 sind weitere Darstellungen 31, 32, 33, 34 von Dosisschwankungen dargestellt. Die Darstellungen 31, 32, 33, 34 berufen dabei auf so genannten Dosis-Volumen-Histogrammen, wie sie derzeit bereits für Bestrahlungszwecke verwendet werden (und insbesondere bei medizinischem Personal beliebt sind). Bei den Darstellungen 31, 32, 33, 34 ist jeweils längs der Abszisse 35 die Dosis (in Prozent) dargestellt, während entlang der Ordinate 36 das Volumen (ebenfalls in Prozent) dargestellt wird.
• In Darstellung 31 (5) ist sowohl die entsprechende Dosis-Volumen-Kurve 37 für das Zielvolumen (CTV für Clinical Target Volume) als auch die Dosis-Volumen-Kurve 38 für kritische Gewebebereiche (OAR für Organ At Risc) eingezeichnet. Neben den eigentlichen Kurven 37, 38 sind auch Fehlerbalken 39 eingezeichnet, die die Veränderung der jeweiligen Kurve 37, 38 in Abhängigkeit von Schwankungen bei Eingabeparametern darstellen. Die genaue Definition der dargestellten Fehlerbalken 39 kann dabei variieren (beispielsweise in Abhängigkeit von speziellen Nutzerbedürfnissen). So kann der Fehlerbalken 39 beispielsweise ein 5%–95%-Intervall darstellen. Selbstverständlich sind auch andere Intervallgrenzen oder sonstige Bedeutungen denkbar.
• In 6 ist eine gegenüber 5 veränderte Darstellung 32 gezeigt. Bei der vorliegenden Darstellung 32 ist die Situation für mehrere, unterschiedliche Phasen I, II, III, IV und V (jeweils durch unterschiedliche „Stricharten” eingezeichnet) dargestellt. Hierdurch kann insbesondere bei bewegten Zielvolumina (4D-Bestrahlungsverfahren) eine besonders vorteilhafte Evaluierung der Bestrahlungsrobustheit erfolgen. Die dargestellten Fehlerbalken 39 können dabei „kumulativ” für die unterschiedlichen Phasen dargestellt werden, oder auch jeweils individuell pro einzelner Phase I, II, III, IV und V dargestellt werden. Selbstverständlich ist auch ein Wechsel (beispielsweise in Abhängigkeit von einem Benutzerwunsch) denkbar. Die Fehlerbalken 39 können im Übrigen nicht nur senkrecht, sondern auch zusätzlich oder alternativ waagrecht eingezeichnet werden, was in der Darstellung 33 in 7 gezeigt ist.
• In 8 ist schließlich noch eine weitere Darstellungsmöglichkeit 34, welche auf Dosis-Volumen-Histogrammen basiert, gezeigt. Die Darstellung, die auf Graustufen oder Farben 40 basieren kann (wobei die Graustufen bzw. Farben 40 vorliegend durch unterschiedliche Schraffuren 40 symbolisiert sind), kann unterschiedliche Intervallgrenzen für verschiedene „Fehlerbalken” einfach und schnell erfassbar darstellen. Zusätzlich zu den unterschiedlichen Graustufen/Farben 40 ist in der in 8 gezeigten Darstellung 34 noch einen Median-Linie 41 eingezeichnet.
• Lediglich der Vollständigkeit halber sollte darauf hingewiesen werden, dass auch in den Darstellungen 32, 33, 34 gemäß der 6 bis 8 (ähnlich wie in Darstellung 31 der 5) zusätzlich auch eine Dosis-Volumen-Kurve 38 für kritische Gewebebereiche eingezeichnet werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Verfahren zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung

2

Startschritt

3

Konstruktion Gewebestrukturen

4

Bestrahlungsplanung erstellen

5

Parametervariation und Berechnung Dosisverteilung

6

Bestimmung der Dosisunsicherheit

7

Anzeige Dosisunsicherheit

8

Bewertung

9

Rücksprung

10

Weitersprung

11

Speichern der Bestrahlungsplanung

12

Ende Verfahren

13

Planungsvorrichtung

14

Rechner

15

DVD-Laufwerk

16

Interner Speicher

17

Tastatur

18

Maus

19

Elektronisches Zeichenbrett

20

Bildschirm

21

Tumorbereich

22

Kopf

23

Darstellung von Dosisschwankungen

24

Gewebekonturlinien

25

Raster

26

Entfernte Gewebebereiche

27

Problembereich

28

Darstellung von Dosisschwankungen

29

Haken

30

Kreuz

31

Darstellung von Dosisschwankungen

32

Darstellung von Dosisschwankungen

33

Darstellung von Dosisschwankungen

34

Darstellung von Dosisschwankungen

35

Abszisse

38

Ordinate

37

Dosis-Volumen-Kurve für Zielvolumen

38

Dosis-Volumen-Kurve für kritische Gewebebereiche

39

Fehlerbalken

40

Graustufe/Farbe

41

Median-Linie

Claims (11)

1. Verfahren (1) zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise und/oder zumindest bereichsweise die Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit auf die Bestrahlungsplanung berechnet (4), bewertet, dargestellt (7) und/oder berücksichtigt (8) werden wobei die Unsicherheit durch automatisiertes Aufprägen einer Schwankung auf zumindest einen Parameter (4) berücksichtigt wird.
2. Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwankung des zumindest einen Parameters in einem typischen und/oder maximal zu erwartenden Rahmen angenommen wird.
3. Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Unsicherheit und/oder zumindest eine Schwankung zumindest eines Parameters und/oder zumindest ein Parameter zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise der Gruppe entnommen ist, die die Patientenpositionierung, die Bewegungserfassung, die Strahlreichweite, das Strahlprofil, die Strahllage und die Gewebeart umfasst.
4. Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswirkungen von zumindest einer Unsicherheit zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise durch Vergleich von zumindest zwei, bevorzugt von einer Mehrzahl von Bestrahlungsplanungsergebnissen berechnet (4), bewertet, dargestellt (7) und/oder berücksichtigt (8) werden.
5. Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise und/oder zumindest bereichsweise eine Mehrzahl von Unsicherheiten berechnet (4), dargestellt (7) und/oder berücksichtigt (8) wird.
6. Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise visuell, insbesondere graphisch dargestellt (7) werden.
7. Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswirkungen zumindest einer Unsicherheit zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise als Absolutwert, als absolute Schwankung, als relative Schwankung, als Grenzwertannäherung und/oder als Flag-Anzeige ausgegeben (7) werden.
8. Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise eine Flicker-Darstellung, eine farbcodierte Darstellung, eine Graustufendarstellung, eine Isolinien-Darstellung, eine Washing-Darstellung und/oder eine Zeichendarstellung erfolgt.
9. Verfahren (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsplanung zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise als 3-D-Bestrahlungsplanung und/oder als 4-D-Bestrahlungsplanung durchgeführt wird.
10. Vorrichtung (13) zur Erstellung einer Bestrahlungsplanung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt.
11. Speichereinrichtung (15), insbesondere Datenträgereinrichtung, welche zumindest eine Bestrahlungsplanung enthält, die zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise gemäß einem Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erstellt wurde.

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