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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitaufgelösten Tomosynthesebildgebung, mit dem ein sich bewegendes Objekt abgebildet werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bildgebungsvorrichtung zur zeitaufgelösten Tomosynthesebildgebung. Derartige Bildgebungsverfahren können insbesondere im Rahmen der Strahlentherapie eingesetzt werden.
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Die Strahlentherapie ist ein etabliertes Verfahren, bei dem ionisierende Strahlung eingesetzt wird, um pathologisches Gewebe, wie z.B. Tumorgewebe, zu behandeln. Ziel der Strahlentherapie ist es, das zu behandelnde Gewebe mit einer ausreichenden therapeutischen Dosis zu bestrahlen und dabei gleichzeitig gesundes, umliegendes Gewebe zu schonen. Der therapeutische Effekt basiert unter anderem darauf, dass ionisierende Strahlung unterschiedlich auf gesundes und pathologisches Gewebe wirkt.
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Um sicherzustellen, dass Unsicherheiten bei der Positionierung des zu behandelnden Gewebes, die zwischen einer Planungsphase und einer Behandlungsphase aus verschiedenen Gründen auftreten können, den Behandlungserfolg nicht gefährden, werden üblicherweise Sicherheitssäume verwendet, um die das Zielvolumen vergrößert wird.
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Die bildgestützte Strahlentherapie (engl: „Image guided Radiation Therapy“ - IGRT) ermöglicht es, die Unsicherheiten bei der Bestrahlung des Zielvolumens zu reduzieren. Die IGRT erlaubt es, das Zielvolumen, Risikoorgane (engl: „Organs At Risk“ - OAR) sowie gesundes, umliegendes Gewebe vor Beginn einer Bestrahlung zu visualisieren, um so prinzipiell die Möglichkeit zu eröffnen, das Zielvolumen genauer zu bestrahlen und kleinere Sicherheitssäume zu verwenden.
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Verschiedene Bildgebungsmodalitäten sind zur IGRT vorgeschlagen worden. Bildgebungsverfahren, die die Bewegung/Deformation berücksichtigen, welche beispielsweise von der Atembewegung kommt, können ebenfalls zur IGRT eingesetzt werden. Verschiedene vierdimensionale (4D) Ansätze können angewendet werden. Diese Ansätze können bereits während der Planungsphase angewendet werden, um das Zielvolumen und die Risikoorganen genauer zu identifizieren, aber auch unmittelbar vor einer Bestrahlungsphase, um die Bewegungsgrenzen des Zielvolumens und der Risikoorganen zu identifizieren.
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Aus
DE 10 2009 021 740 A1 ist ein Strahlentherapiegerät mit zumindest einer therapeutischen Strahlenquelle und einer bildgebenden Einheit bekannt, wobei die bildgebende Einheit mehrere diagnostische Röntgenstrahlenquellen und mindestens einen gegenüberliegend angeordneten diagnostischen Strahlendetektor umfasst. Die therapeutische Strahlenquelle kann um einen Patienten rotiert werden. Die diagnostischen Strahlenquellen und Strahlungsdetektoren sind dagegen ortsfest angeordnet. Mittels der bildgebenden Einheit werden vor oder während einer therapeutischen Bestrahlung durch schnelle und individuelle Ansteuerung der diagnostischen Strahlenquellen Projektionsbilddaten aufgenommen, aus denen ein vierdimensionaler Computertomographie(CT)-Datensatz des zu untersuchenden Volumens rekonstruiert wird.
DE 10 2009 021 740 A1 offenbart des Weiteren auch die Erlangung von dreidimensionaler Bildinformation durch Tomosynthese.
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Aus
DE 10 2009 043 420 A1 ist eine weitere Vorrichtung, insbesondere zur Tomosynthesebildgebung bekannt. Auch diese Vorrichtung umfasst mehrere Röntgenstrahlenquellen und einen gegenüberliegend angeordneten Detektor. Die Röntgenstrahlenquellen werden zur Aufnahme von Projektionsbildern nacheinander aktiviert, wobei aus den Projektionsbildern ein 3D-Bild rekonstruiert wird.
DE 10 2009 043 420 A1 offenbart dabei, während einer ersten Phase einer zyklischen Bewegung, insbesondere der Herz- oder Atembewegung eines Aufnahmeobjekts einen ersten Bruchteil der Röntgenstrahlenquellen zu aktivieren und während derselben Phase eines nachfolgenden Bewegungszyklus einen anderen Bruchteil der Röntgenstrahlenquellen zu aktivieren, um Bewegungsartefakte zu vermeiden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bildgebung eines sich bewegenden Objektes anzugeben, das eine zeitaufgelöste Bilderserie des sich bewegenden Objektes erzeugt, das die internen Strukturen des Objekts genau abbildet, und das eine geringe Anforderung an die mechanischen Fähigkeiten der Bildgebungsvorrichtung stellt. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Bildgebungsvorrichtung anzugeben, mit der ein derartiges Verfahren durchgeführt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur zeitaufgelösten Tomosynthesebildgebung für ein sich bewegendes Objekt umfasst folgende Schritte:
- - Bewegen einer Bildgebungsvorrichtung, welche eine Röntgenquelle und einen Röntgendetektor umfasst, um das sich bewegende Organ und Aufzeichnen von Rohbilddaten für eine zeitliche Serie von Tomosynthesebildern,
- - Rekonstruieren der zeitlichen Serie von Tomosynthesebildern aus den Rohbilddaten.
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Während des Bewegens der Bildgebungsvorrichtung, z.B. bei einer Rotation der gesamten Bildgebungsvorrichtung um ein Rotationszentrum (z.B. um 360°), kann eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung an die Geschwindigkeit der Bewegung des sich bewegenden Objekts angepasst werden.
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Es wurde erkannt, dass ein derartiges Verfahren eine zeitaufgelöste tomographische Bildgebung auch dann ermöglicht, wenn die Bildgebungsvorrichtung bezüglich der Geschwindigkeit der Bewegung der Röntgenquelle und des Röntgendetektors eingeschränkt ist.
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Ohne diese Einschränkung könnten zum Beispiel vierdimensionalen Bildaufnahmeverfahren verwendet werden, bei denen die Aufnahmezeit klein ist im Vergleich zum Atemzyklus Zum Beispiel kann ein aktuell verfügbarer Computertomograph eine komplette Rotation in nur 0,33 s ausführen, was vernachlässigbar klein ist im Vergleich zu den 4 bis 6 s eines physiologischen Atemzyklus. Ein Computertomograph mit diesen Fähigkeiten ist jedoch aufwändig zu konstruieren.
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Bildgebungsvorrichtungen, die eine Rotationszeit haben, die wesentlich länger ist, können einfacher und kostengünstiger konstruiert werden. In diesem Fall wirkt sich eine Objektbewegung wie z.B. eine Atembewegung auf die Bildqualität aus. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn ein Computertomograph so langsam rotiert wird, dass die Dauer einer kompletten Rotation in etwa der Periode des Atemzyklus entspricht. Auch ein Cone-Beam Computertomograph, der an einen linearen Beschleuniger (LINAC) eines Strahlentherapiegeräts montiert ist, benötigt bis zu 60 s, um eine volle Rotation zu bewerkstelligen.
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Es kann z.B. vorteilhaft sein, Computertomographen zur digitalen Tomosynthese einzusetzen, bei der nur die Bilddaten aus einem beschränkten Winkelbereich zur Rekonstruktion verwendet werden. Bei einem langsam rotierenden CT, bei dem die komplette Rotation ca. 4 bis 6 s dauert, kann das Zielvolumen dennoch zeitaufgelöst dargestellt werden. Z.B kann dann eine Atembewegung in der zeitlichen Serie von Tomosynthese-Abbildungen wiedergegeben werden.
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Die Bewegung des Computertomographen kann beispielsweise derart mit einer quasi-zyklischen Bewegung des Zielvolumens (z.B. Atembewegung) synchronisiert werden, dass eine volle Rotation des Computertomographen in etwa übereinstimmt mit der Bewegungsperiode (z.B. der Dauer eines Atemzyklus der Atembewegung, ca. 4 bis 6 s).
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Wenn eine volle Rotation von 360° in 6 s durchgeführt wird, kann ein Winkelbereich von 40° in 0,67 s oder 60° in 1 s abgedeckt werden. Dieser Winkelbereich ermöglicht es, eine ausreichende Anzahl von einzelnen Projektionsbilddaten aufzuzeichnen, um eine digitale Tomosynthese zu rekonstruieren, die dann einer Atemphase von 0,67 s bis 1 s Dauer entspricht. Dementsprechend kann der gesamte Atemzyklus zeitaufgelöst dargestellt werden, mit einem Datensatz von einzelnen digitalen Tomosynthese-Abbildungen, die den 6 (oder mehr) Atemphasen zugeordnet sind.
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In einer Ausgestaltung ist es möglich, dass das Objekt während der Aufzeichnung der Rohbilddaten sich mit verändernder Geschwindigkeit bewegt und die Bewegungsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung der sich verändernden Objektgeschwindigkeit angepasst wird. Diese Anpassung kann sogar innerhalb eines Bewegungszyklus durchgeführt werden.
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Die Geschwindigkeit der Gantry kann der Steilheit der Phase angepasst werden. So ist z.B. die Einatemphase steiler als die Ausatemphase, so dass eine gleiche Anzahl von Projektionsbildern für einen vorgegebenen Winkelbereich in der Einatemphase in einer kürzeren Zeit aufgenommen werden sollen, verglichen mit der Ausatemphase. Als Surrogat für die Atemphase, anhand dessen die Steilheit ermittelt werden kann, kann ein Signal verwendet werden, das von einem externen Sensor stammt, wie beispielsweise von einem optischen System, das Oberfläche des Patienten aufzeichnet, oder von einem Atemgurt.
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Bei der Steuerung kann ein Atemsignal aufgezeichnet werden, und aus dem Atemsignal ein vorausberechnetes Atemsignal ermittelt werden. Das vorausberechnete Atemsignal kann verwendet werden, um die Bewegungsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung zu steuern.
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Insbesondere kann die Bildgebungsvorrichtung derart um das Objekt bewegt werden, dass die Bewegung der Röntgenquelle und des Röntgendetektors in einer Ebene liegen, wobei die Bildgebungsvorrichtung insbesondere um 360° um das Objekt bewegt wird. Auf diese Weise kann das Verfahren auch bei herkömmlichen Computertomographen mit einem zweidimensionalen Röntgendetektor oder bei einem Cone-Beam Computertomographen, wie er beispielsweise in ein Strahlentherapiegerät integriert sein kann, angewendet werden.
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In einer Ausführungsvariante wird die Bildgebungsvorrichtung derart bewegt, dass der Winkelbereich, von dem aus die Rohbilddaten für die Rekonstruktion eines Einzelbildes der zeitlichen Serie von Tomosynthesebildern aufgezeichnet werden, in weniger als 2 Sekunden, insbesondere in weniger als 1,5 Sekunden oder weniger als 1 Sekunde überstrichen wird. Auf diese Weise können typische Atembewegungen mit hoher Genauigkeit zeitaufgelöst dargestellt werden.
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In einer Ausführungsvariante kann der Winkelbereich, von dem aus die Rohbilddaten für die Rekonstruktion eines Einzelbildes der zeitlichen Serie aufgezeichnet werden, 35° bis 100°, insbesondere 40° bis 70° betragen.
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Die Bildgebungsvorrichtung kann derart lange bewegt werden, dass mindestens 4 Phasen, insbesondere mindestens 6 Phasen der Objektbewegung in der zeitlichen Serie der Tomosynthesebilder abgebildet werden.
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Die Rohbilddaten können derart aufgezeichnet werden, dass die rekonstruierten Einzelbilder der zeitlichen Serie unterschiedliche Tomosynthese-Rekonstruktionsebenen aufweisen.
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Insbesondere können die Tomosynthese-Rekonstruktionsebenen zweier aufeinander folgender Einzelbilder der zeitlichen Serie der Tomosynthesebilder um mindestens 20° oder 30°, insbesondere um mindestens 40° und höchst insbesondere um mindestens 50° zueinander gewinkelt sind. Eine derartige Ausgestaltung lässt sich mit einer rotierenden Gantry besonders einfach implementieren.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens können die zeitlichen Serie der Tomosynthesebilder in Vorbereitung einer Strahlentherapiesitzung und/oder während einer Strahlentherapiesitzung verwendet werden. Dies ermöglicht es, eine volumetrische 4D-IGRT in einer vergleichsweise einfachen Art zu implementieren.
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Es wurde erkannt, dass sich das Bildgebungsverfahren besonders für die Strahlentherapie eignet. In Strahlentherapiegeräten ist oftmals bereits eine Röntgen-Bildgebungsvorrichtung mit einer Röntgenquelle und einem zweidimensionalen Röntgendetektor integriert. Diese Bildgebungsvorrichtungen können jedoch nicht so flexibel bewegt werden wie eine freistehende Bildgebungsvorrichtung, da sie mechanisch mit anderen Komponenten des Strahlentherapiegeräts gekoppelt sind.
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Mit dem jetzigen Bildgebungsverfahren kann dennoch eine genaue und zeitaufgelöste Darstellung des Zielvolumens erreicht werden. Hiermit kann z.B. eine quasi-zyklische Bewegung des Zielvolumens abgebildet werden. Ein Beispiel für eine typische quasi-zyklische Bewegung eines Zielvolumens in der Strahlentherapie ist die Bewegung eines Zielvolumens, die durch die Atmung verursacht wird.
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Dies hat den Vorteil, dass Sicherheitssäume reduziert werden können, da die Position des Zielvolumens genauer ermittelt werden kann. Damit wird dem Problem begegnet, dass die Verwendung von Sicherheitssäumen problematisch sein kann, da ein inverser Zusammenhang zwischen der Größe des Zielvolumens und der anwendbaren Dosis besteht, wenn gleichzeitig das umgebende gesunde Gewebe geschont werden soll.
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Verschiedene Techniken können nun mögliche Bewegungen/Deformationen der Patientenanatomie ausgleichen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, die Vereinigung aller möglichen Positionen des Zielvolumens während verschiedener Bewegungsphasen zu bilden (auch bekannt als ITV für engl: „Internal Target Volume“) und die 3D-Optimierung entsprechend anzupassen.
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Eine andere Möglichkeit ist es, das Zielvolumen in einer Bewegungsphase zu identifizieren und die Kontur des Zielvolumens auf die anderen Bewegungsphasen zu übertragen, um daraufhin eine vierdimensionale Optimierung durchzuführen. Ein derart optimierter oder angepasster Bestrahlungsplan kann dann verwendet werden, um Tracking-Behandlungsverfahren zu implementieren.
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Eine anderes mögliches Bestrahlungsverfahren basiert auf dem so genannten Gating-Verfahren, bei dem eine bestimmte Bewegungsphase verwendet wird, um die Bestrahlung zu planen und anschließend durchzuführen. Auch bei einem derartigen Verfahren kann das Bildgebungsverfahren eingesetzt werden, um die Bewegungsphase zu identifizieren, in der sich das Zielvolumen befindet.
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Die erfindungsgemäße Bildgebungsvorrichtung weist auf:
- - eine Röntgenquelle und einen Röntgendetektor,
- - eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Bewegung der Bildgebungsvorrichtung und zur Steuerung der Röntgenquelle und des Röntgendetektors zur Aufzeichnung von Rohbilddaten,
- - eine Rekonstruktionsvorrichtung zum Rekonstruieren einer zeitlichen Serie von Tomosynthesebildern aus den Rohbilddaten.
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Die Steuerungsvorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass bei der Aufzeichnung der Rohbilddaten eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung an die Geschwindigkeit der Bewegung des sich bewegenden Objekts angepasst wird.
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Insbesondere kann die Bildgebungsvorrichtung durch entsprechende Konfiguration der Steuerungsvorrichtung und/oder der Rekonstruktionsvorrichtung derart ausgebildet sein, dass bei Betrieb der Bildgebungsvorrichtung eines der oben beschriebenen Verfahren ausgeführt wird.
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Die Bildgebungsvorrichtung kann in ein Strahlentherapiegerät integriert sein, derart, dass beim Bewegen der Bildgebungsvorrichtung eine therapeutische Strahlenquelle ebenfalls mitbewegt wird. Diese Ausgestaltung eines Strahlentherapiegeräts wird oft verwendet, bringt aber den Nachteil mit sich, dass im Vergleich zur reinen Computertomographie nur vergleichsweise langsame Rotationsgeschwindigkeiten erreicht werden können. Nun kann eine genaue und zeitaufgelöste quasidreidimensionale Bildgebung, nämlich eine Tomosynthesebildgebung, auch mit einer derartigen Vorrichtung erreicht werden.
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Die vorangehende und die folgende Beschreibung der einzelnen Merkmale, deren Vorteile und deren Wirkungen bezieht sich sowohl auf die Vorrichtungskategorie als auch auf die Verfahrenskategorie, ohne dass dies im Einzelnen in jedem Fall explizit erwähnt ist; die dabei offenbarten Einzelmerkmale können auch in anderen als den gezeigten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
- 1 einen stark schematisierten Aufbau eines Strahlentherapiegeräts mit einer o-förmigen Gantry,
- 2 ein Bewegungssignal eines Atemzyklus zur Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung,
- 3 eine 360° Rotation der Bildgebungsvorrichtung mit einer Darstellung von Winkelbereichen, in denen unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten gefahren werden,
- 4 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren, das bei der Bildgebung angewendet werden kann, und
- 5 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Strahlentherapie, in dem eine Ausführungsform des Bildgebungsverfahrens verwendet werden kann.
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1 zeigt in stark schematisierter Weise ein Strahlentherapiegerät 11 mit einer o-förmigen Gantry 13. In dieser Gantry 13 ist die therapeutische Strahlenquelle 15 rotierbar gelagert. Dieselbe Konstruktion, welche die therapeutische Strahlenquelle 15 rotierbar lagert, trägt eine diagnostische Röntgenstrahlenquelle 17 und einen diagnostischen, zweidimensionalen Röntgendetektor 19. Mit dieser Bildgebungsvorrichtung lassen sich Bilddaten eines im Zentrum positionierten Patienten 21 aufzeichnen.
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Die Rotation der Bildgebungsvorrichtung 17, 19 und die Aufzeichnung der Bilddaten wird durch eine Steuerungsvorrichtung 23 des Strahlentherapiegeräts 11 gesteuert. Die Rohbilddaten werden in einer Rekonstruktionsvorrichtung 27 verarbeitet, welche digitale Tomosynthese-Bilder aus den Rohbilddaten rekonstruiert.
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Die Steuerungsvorrichtung 23 verfügt über einen Eingang, über den ein Signal, das die Bewegung des abzubildenden Objekts im Patienten 21 charakterisiert, der Steuerungsvorrichtung 23 zugeführt werden kann. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung 23 dann die Rotationsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung 17, 19 während eines Bewegungszyklus verändern und an die Geschwindigkeit der Bewegung des abzubildenden Objekts entsprechend anpassen.
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Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 23 die Steilheit eines Surrogatssignals, das die Objekt-Bewegung charakterisiert, ermitteln und dementsprechend die Geschwindigkeit der Rotation der Bildgebungsvorrichtung 17, 19 in verschiedenen Bewegungsphasen unterschiedlich einstellen. Während Bewegungsphasen, in denen das Surrogatssignal eine größere Steilheit aufweist, wird die Bildgebungsvorrichtung 17, 19 schneller bewegt als in Bewegungsphasen, in denen das Surrogatssignal eine geringere Steilheit aufweist.
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Dieser Sachverhalt ist anhand von 2 an einem Beispiel näher erläutert.
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In 2 ist das Surrogatssignal 31 für einen Atemzyklus dargestellt. Die einzelnen Atemphasen (frühe, mittlere und späte Inspiration - A1, A2, A3 -; frühe, mittlere und späte Exspiration - A4, A5, A6) sind dem Surrogatssignal 31 überlagert dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Phase der späten Exspiration A6 deutlich länger dauert als beispielsweise die Phase der frühen Inspiration A1.
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Dementsprechend kann der Winkelbereich, der während der späten Exspiration A6 zur Aufzeichnung der Tomosynthese-Rohbilddaten überstrichen wird, mit deutlich geringerer Bewegungsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung 17, 19 gefahren werden als der Winkelbereich, der der frühen Inspiration A1 zugeordnet ist.
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3 zeigt die Aufteilung einer kompletten 360° Rotation der Bildgebungsvorrichtung 17, 19 in sechs verschiedene Winkelbereiche dargestellt, die den Atemphasen aus 2 zugeordnet sind. Die Winkelbereiche, die den Atemphasen A1, A2, A4 und A5 zugeordnet sein, werden mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung bzw. der Gantry gefahren, während die Winkelbereiche, die den Atemphasen A3 und A6 zugeordnet sind, mit einer geringen Rotationsgeschwindigkeit gefahren werden.
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Aus den Rohbilddaten, die während der Rotation der Bildgebungsvorrichtung 17, 19 durch den Winkelbereich A1 aufgezeichnet werden, lässt sich ein erstes Einzelbild DTS1 der zeitlichen Serie der Tomosynthesebilder rekonstruieren. Dieses Einzelbild DTS1 ist der Phase der frühen Inspiration zugeordnet.
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Aus den Rohbilddaten, die während der Rotation der Gantry durch den Winkelbereich A2 aufgezeichnet werden, lässt sich ein zweites Einzelbild DTS2 der zeitlichen Serie der Tomosynthesebilder rekonstruieren. Dieses Einzelbild DTS2 ist der Phase der mittleren Inspiration zugeordnet. Dies wird in den anderen Atemphasen entsprechend fortgeführt.
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Auf diese Weise erhält man eine zeitliche Serie von sechs Tomosynthesebildern DTSi, i=1...6, die den anhand von 2 beschriebenen Atemphasen Ai, i=1...6, zugeordnet sind. Die Abbildungsebene der sechs Tomosynthesebilder DTSi dreht sich dabei entsprechend den Winkelbereichen, aus denen die Rohbilddaten für die jeweiligen Tomosynthesebilder DTSi aufgezeichnet worden sind.
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Falls die maximale Rotationsgeschwindigkeit der CT-Gantry (bzw. der Cone-Beam-CT-Gantry) eine Umdrehung in 6 s beträgt, kann ein Atemzyklus wie oben beschrieben in sechs Phasen abgebildet werden. Falls die Rotationsgeschwindigkeit weniger als 6 s beträgt, die Gantry also schneller ist, können die sechs Phasen mit einer besseren Bildqualität abgebildet werden, da die bewegungsinduzierte Unschärfe reduziert werden kann.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm über ein Verfahren, das zeigt, wie die Bewegungsgeschwindigkeit der Bildgebungsvorrichtung abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des abzubildenden Objekts gesteuert werden kann.
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Grundlage hierfür ist es, das Bewegungssignal der Atembewegung im Vorfeld zu kennen. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass das Atemsignal zeitlich quasi invariant ist, sofern man einen kleinen Zeitraum von ein bis zwei Minuten betrachtet. Ausnahmen sind Irregularitäten, die beispielsweise durch Husten oder Ähnlichem verursacht werden. Abgesehen davon ist es möglich, das Atemsignal vergleichsweise verlässlich über einen Zeitraum von bis zu 1 s oder gar mehr vorherzusagen.
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Bei dem hier beschriebenen Verfahren kann eine Methode verwendet werden, bei der das Atemsignal über einen Zeitraum von 0,5 bis 1 s vorausberechnet wird. Das vorausberechnete Signal kann dazu verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Atembewegung zu modellieren, um so die optimale Abtastrate für die einzelnen Projektionsbilder zu erhalten, die dann Grundlage für die Rekonstruktion der atemaufgelösten Tomosynthese bilden.
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Als Algorithmus für die Vorausberechnung kann beispielsweise eine Support-Vektor-Regression, neuronale Netze, polynominale Verfahren, Kalman-Filter oder andere Algorithmen verwendet werden.
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In einem ersten Schritt wird das Atemsignal aufgezeichnet, beispielsweise mithilfe optischer Oberflächen- oder Punkt-Scanner, mithilfe von Druckgürtel, etc... (Schritt 51)
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Das aufgezeichnete Atemsignal wird dazu verwendet, ein Vorhersage-Modell zu erstellen, mit dem der Kurvenverlauf des Atemsignals über eine kurze Zeitperiode von beispielsweise 0,5 bis 1 s vorhergesagt werden kann. Der Atemzyklus wird mithilfe des Vorhersage-Modells vorausberechnet (Schritt 53).
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Die erste Ableitung des Atemsignals bezüglich der Zeit wird gebildet und auf diese Weise wird das vorausberechnete Signal verwendet, um die Rotationsgeschwindigkeit der Gantry als Funktion der ersten Ableitung derart anzupassen, dass die optimale Abtastrate für die atemaufgelöste Tomosynthesebildgebung eingestellt wird (Schritt 55).
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Das aktuelle Atemsignal wird weiterhin gemessen und mit dem vorausberechneten Signal verglichen (Schritt 57). Falls ein Unterschied zwischen dem vorausberechneten und dem gemessenen Signal über einem Schwellwert liegt, kann die Aufzeichnung der Bilddaten abgebrochen werden. Es kann aber auch die Gantrygeschwindigkeit weiter angepasst werden, um den Unterschied auszugleichen.
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Anschließend werden die atemaufgelösten Projektionsbilddaten mit der optimalen Abtastrate aufgezeichnet (Schritt 59) und dann dazu verwendet, die zeitliche Serie der Tomosynthesebilder rekonstruieren (Schritt 61).
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Das hier geschilderte Verfahren ist lediglich ein Beispiel. Verschiedene Schritte müssen nicht implementiert werden, so kann zum Beispiel die Vorausberechnung des Atemsignals und der Vergleich mit dem tatsächlich gemessenen Atemsignal nicht durchgeführt werden. Eine Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit abhängig vom gemessenen oder vorhergesagten Atemsignal auch nicht zwingend nötig.
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Anhand des in 5 gezeigten Ablaufdiagramms wird ein Beispiel erläutert, wie das Bildgebungsverfahren in einen Ablauf im Rahmen der Strahlentherapie eingebettet werden kann.
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In einem ersten Schritt wird ein vierdimensionales Planungs-CT aufgenommen (Schritt 71).
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Mit diesem 4DCT erfolgt die Planung der Bestrahlung. Falls gewünscht, können zusätzliche Bildgebungsmodalitäten wie eine 4D-Magnetresonanztomographie oder eine 4D-Positronen-Emissions-Tomographie aufgezeichnet werden. Diese zusätzlichen Bildgebungsmodalitäten können zum Planungs-4DCT registriert werden. Die Phasenlage der vierdimensionalen Datensätze wird dabei berücksichtigt, zum Beispiel wird die Phase der maximalen Exspiration im CT zur Phase der maximalen Exspiration im MR registriert. Anschließend erfolgen die Definition und die Optimierung eines Bestrahlungsplans basierend auf dem 4DCT (und gegebenenfalls unter Zuhilfenahme der zum CT registrierten, zusätzlichen Datensätze) (Schritt 73).
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Der Bestrahlungsplan wird dem Strahlentherapiegerät übermittelt, zum Beispiel direkt oder über ein OIS (für engl: „Oncology Information System“).
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Im Vorfeld einer Bestrahlungssitzung wird ein zeitaufgelöster Bilddatensatz aufgezeichnet, in dessen Focus das Zielvolumen und die umgebenden Risikoorgane stehen. Dabei kommt ein Bildgebungsverfahren wie oben beschrieben zum Einsatz.
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Es wird ein Surrogatssignal für die Atembewegung aufgezeichnet (Schritt 75). Anschließend werden die Rohbilddaten für die zeitlich aufgelöste Tomosynthese aufgezeichnet (Schritt 77).
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Dazu wird ein CT mit langsamer Rotation aufgezeichnet, das mit dem Atemzyklus synchronisiert ist. Dies bedeutet, dass die Aufzeichnungszeit der Rohbilddaten in etwa der Dauer der Atemphase entspricht, zum Beispiel 4 bis 6 s. Bei der Aufzeichnung der Bilddaten wird die Geschwindigkeit der CT-Gantry moduliert, und zwar in Abhängigkeit des Atemsignals, um den benötigten Winkelbereich pro Atemphase aufzuzeichnen.
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Anschließend erfolgt die Rekonstruktion einer digitalen Tomosynthese für jede Atemphase (Schritt 79).
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Wenn beispielsweise eine 360° Rotation in 6 s durchgeführt wird, können sechs digitale Tomosynthese-Volumina rekonstruiert werden, die jeweils eine Atemphase mit einer Dauer von 1 s abbilden. Für die Rekonstruktion eines Einzelbildes werden die sukzessiven, zusammenhängend aufgezeichneten Projektionsbilddaten eines zugeordneten Winkelbereichs verwendet.
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Die aufgezeichnete vierdimensionale digitale Tomosynthese, also die zeitliche Serie der sechs Einzelbilder, kann mit den vierdimensionalen Planungsdatensätzen korreliert werden (Schritt 81) und die dadurch gewonnenen Informationen können in die Steuerung der Bestrahlung einfließen (Schritt 83).
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Eine anatomische Abweichung zwischen den Planungsdatensatz und dem Datensatz, der unmittelbar vor Beginn einer Behandlung aufgezeichnet worden ist, also dem 4D digitalen Tomosynthese-Datensatz, kann auf verschiedene Weise kompensiert werden. Z.B. kann ein geometrischer Ausgleich durchgeführt werden, bei dem beispielsweise über eine Verschiebung des Patienten das Zielvolumen repositioniert wird und so eine Abweichung zumindest partiell kompensiert wird. Ebenfalls ist ein dosimetrischer Ausgleich möglich, zum Beispiel über eine Änderung der ursprünglichen Bestrahlungsplanung oder gar im Rahmen einer kompletten Neuberechnung der Bestrahlungsplanung.
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Alternativ oder zusätzlich kann das externe Bewegungssignal mit internen Daten über die Position des Zielvolumens korreliert werden, beispielsweise um ein Tracking-Verfahren zu steuern.
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Die Bestrahlung kann daraufhin durchgeführt werden, zum Beispiel in einzelnen oder mehreren Fraktionen.
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Während der Bestrahlung kann Schritt 75 bis Schritt 79 als Ganzes wiederholt werden, um die Bestrahlung zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Es ist auch möglich Schritt 75 bis Schritt 79 in einem schmaleren Winkelbereich durchzuführen, wobei dann Tomosynthese-Bilddaten für z.B. nur ein bis drei Atemphasen aufgezeichnet werden. Diese unvollständige Serie zeitlicher Tomosynthesebilder kann dennoch dazu verwendet werden, die Konsistenz der Position des Zielvolumens und/oder der Korrelation der Position des Zielvolumens mit dem externen Signal zu überprüfen und gegebenenfalls das zu Grunde liegende Modell anzupassen.
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Die Möglichkeit, das Zielvolumen tomographisch in jeder Atemphase darzustellen, bietet also einen Ansatz, fortgeschrittene 4D-IGRT Strategien vergleichsweise einfach zu implementieren, wie beispielsweise ein Tracking-Verfahren, das eine Korrelation eines externen Signals mit einer internen Abbildung des Zielvolumens verwendet. Es kann ebenso ein Gating-Verfahren angewendet werden, bei dem die aktuelle dreidimensionale Position des Zielvolumens vor und/oder während einer Bestrahlungssitzung visualisiert und zur Steuerung des Gating-Verfahrens verwendet wird.
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Auch wenn sich das vorgestellte Bildgebungsverfahren für Strahlentherapieanwendungen besonders eignet, kann es auch für andere Anwendungen nützlich sein, wie beispielsweise C-Bogen basierte interventionelle Anwendungen.
