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Die Erfindung betrifft Datenverarbeitungssysteme zur Bestimmung des Einflusses von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bei der Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen und Computer-Programm-Produkte auf einem maschinenlesbaren Träger zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Einflusses von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bei der Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen.
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An die Planung der Bestrahlung eines Patienten, also an die Erstellung eines nominellen Bestrahlungsplans, kann in Bestrahlungsplanungssystemen eine Robustheitsanalyse angeschlossen werden. Dazu wird zu ausgewählten, möglichen Setup-Fehlern als zu erwartende Abweichungen in der Patientenpositionierung zunächst das Patienten-CT relativ zu den simulierten Bestrahlungsfeldern entsprechend räumlich verschoben und die resultierenden, vom Plan abweichenden Dosisverteilungen nachberechnet. Zur Abschätzung der im Patienten deponierten Dosis oder zur Evaluierung der im Therapieverlauf lokal aufsummierten Dosis, besteht die Möglichkeit, die für verschiedene Setup-Fehler berechneten vom Plan abweichenden Dosisverteilungen unter Berücksichtigung des Planungs-CTs oder auch von im Therapieverlauf angefertigten Kontroll-CTs zwischenzuspeichern und schließlich aufzuaddieren. Dabei und im Folgenden steht CT für Röntgen-Computertomographie.
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Die Berechnung vieler, verschiedener Dosisverteilungen ist rechenzeitintensiv. Dadurch wird sich zumeist auf die Betrachtung weniger Setup-Fehler beschränkt. Eine Gesamtbeurteilung der Planrobustheit in Bezug auf die während der Gesamtbehandlung möglicherweise applizierte Dosis ist so allerdings schwierig. Für eine solche wäre die statistische Analyse von mehreren hundert Setup-Fehlern, bei denen das Patienten-CT im dreidimensionalen Raum relativ zur geplanten Position verschoben wird, notwendig. Darüber hinaus besteht neben der Rechenzeitproblematik noch der Nachteil, dass die einzelnen Dosisverteilungen abzuspeichern sind und somit die Datenbanken erheblich vergrößert werden.
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Durch Die Druckschrift
DE 10 2007 045 879 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestrahlung eines bewegten Zielvolumens bekannt. Diese beziehen sich auf eine Bestimmung einer effektiven Strahlendosisverteilung, ein Aufstellen eines Bestrahlungsplans und eine Bestimmung einer Strahlendosiskompensation sowie eine Vorrichtung zum Bestrahlen, die Bewegungen eines bestrahlten Zielvolumens berücksichtigen können. Das Verfahren und die Vorrichtung betrifft eine Problematik der Partikeltherapie von sich bewegenden Zielvolumina. Insbesondere wird darauf abgezielt, bei exakter Patientenpositionierung (keine Positionierungenauigkeit/Setup-Fehler), die tatsächlich applizierte, durch den Einfluss der Organbewegung veränderte Dosisverteilung während einer einzelnen Fraktion zu berechnen bzw. die Bestrahlung instantan während der Applikation des Bestrahlungsplans dahingehend zu verändern, dass die Bewegung bzw. der Bewegungseinfluss kompensiert wird und somit quasi eine Dosisverteilung appliziert werden kann, die in den einzelnen Voxeln der statisch geplanten Verteilung entspricht. Das Verfahren und die Vorrichtung betreffen jedoch nicht den Einfluss von Fehlern/Unsicherheiten in der Patientenpositionierung. Dreidimensionale Setup-Fehler und unterschiedliche Positionierungen werden in der Druckschrift nicht behandelt.
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Die von C.G. Baum 2007 an der Eberhard Karls Universität Tübingen angefertigte Dissertation, „Konzepte zur bildgestützten, adaptiven Bestrahlungsplanung und zur Simulation von Behandlungsverläufen bei fluenzmodulierter Strahlentherapie“ behandelt den dosimetrischen Einfluss von unterschiedlichen Patientenpositionierungen in der Strahlentherapie mit Photonenstrahlen, jedoch nicht mit Partikelstrahlen. Dabei wird auf eine Methode der sogenannten Dosisverschmierung eingegangen, welche lediglich mit einer berechneten 3D-Dosisverteilung aus einem ersten Bestrahlungsplan arbeitet (Faltung mit dem Kernel der Aufenthaltswahrscheinlichkeit nach Positionierung) und hierfür insbesondere die Invarianz der Dosisverteilung im Patienten bezüglich auftretender Patientenverschiebungen annimmt. Das ist aufgrund der speziellen physikalischen Eigenschaften von Partikeln (Partikelstrahlen besitzen eine definierte Reichweite) eine nicht zulässige Annahme zur Bestimmung des Einflusses von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bei der Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen, wobei kumulierte Dosisverteilungen im Therapieverlauf bei sich ändernder Anatomie und statistisch erwartbare mittlere Dosisverteilungen einfach bestimmbar sind.
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Die Dissertation „Bestrahlungsplanung für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescanntem Kohlenstoffstrahl“, welche 2006 von C. Bert an der Technische Universität Darmstadt verfasst wurde, beschreibt eine Möglichkeit, sich bewegende Zielgebiete unter Berücksichtigung einer während der Bestrahlung veränderlichen Patientengeometrie bzw. Patientenanatomie gekennzeichnet durch ein 4DCT zu bestrahlen. Hierbei wird die Dosis pro Fraktion nachberechnet, welche mit oder ohne Bewegungskompensation appliziert wurde. Auch wird darin die Art der Bewegungskompensation erläutert und „der Referenzbestrahlungsplan zum Zeitpunkt der Bestrahlung verändert“. Ein Kompensationsvektor bewirkt, dass ein geplanter Spot/ein geplantes Partikelstrahlbündel seine Dosis im geplanten Zielvolumen deponiert. Es kommt jedoch nicht dazu, dass durch einen Setup-Fehler die Dosis an einer anderen Stelle relativ zum geplanten Ort deponiert wird.
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In der von C. Bert und E. Rietzel verfassten Druckschrift „4D treatment planning for scanned ion beams“ (doi:10.1186/1748-717X-2-24), welche am 3. Juli 2007 in der Fachzeitschrift Radiation Oncology erschien, wird der Beginn eines Projektes zur Behandlung von Tumoren beschrieben, die einer Atembewegung ausgesetzt sind. Ein Prototyp eines Strahlenapplikationssystems zur Zielverfolgung mit einem gescannten Bleistift-Strahl wurde dabei entwickelt und in Betrieb genommen. Zur Erleichterung der Behandlungsplanung für Tumore, die Organbewegungen unterliegen, wurde ein Behandlungsplanungssystem um eine vollständige 4D-Funktionalität erweitert. Die 4D-Version des Behandlungsplanungssystem ermöglicht die Berechnung von Dosisverteilungen unter Berücksichtigung von Bewegungen. Die 4D-Berechnungen basieren dabei u.a. auf 4D-Computertomographiedaten, Organbewegungstrajektorien und Strahlscan-Parametem. Methoden eines 4D-Behandlungsplanungsansatzes werden beschrieben und die Funktionalität des Systems wird sowohl für Phantom- als auch für Patientendaten demonstriert.
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In der Druckschrift „Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) - Supplement 11 - Radiotherapy Objects“, welche 1997 von der Medical Imaging Technology Association herausgegeben wurde, wird auf den Seiten 28, 61, 63 und 72 der Begriff „Metersets“ näher erläutert.
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Die Internetressource „DICOM PS3.3 2023b - Information Object Definitions - C.36. RT Second Generation Modules“ der National Electrical Manufacturers Association erläutert den Begriff „Metersets“ ebenfalls (Stand 2023).
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Im oben genannten Stand der Technik wird die tatsächliche Patientenpositionierung als bekannt angenommen (kein Setupfehler vorhanden). Der Einfluss von Positionierungsfehlern wird darin nicht betrachtet/abgeschätzt.
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Der in den Patentansprüchen 1, 2, 7 und 8 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Datenverarbeitungssysteme und Computer-Programm-Produkte auf einem maschinenlesbaren Träger zur Durchführung eines Verfahrens zur Robustheitsanalyse eines auf einer CT-Aufnahme eines Patienten basierenden nominellen Bestrahlungsplans für die Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen so zu schaffen, dass kumulierte Dosisverteilungen im Therapieverlauf bei sich ändernder Anatomie und statistisch erwartbare mittlere Dosisverteilungen einfach bestimmbar sind, wobei der Einfluss von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bestimmt wird.
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Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 2, 7 und 8 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Ein Datenverarbeitungssystem zur Robustheitsanalyse eines auf einer CT-Aufnahme eines Patienten basierenden nominellen Bestrahlungsplans für die Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen als ein erster Bestrahlungsplan einer ersten Ausführungsform, wobei der Einfluss von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bestimmt wird ist dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungssystem für eine Anzahl von dreidimensionalen Setup-Fehlern als dreidimensionale Richtungsvektoren im Koordinatensystem des Patienten-CTs eine Einrichtung zur Erstellung eines den Einfluss von Setup-Fehlern beinhaltenden zweiten Bestrahlungsplans aufweist.
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Das Datenverarbeitungssystem der ersten Ausführungsform weist
- - ein erstes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die dreidimensionalen Richtungsvektoren der dreidimensionalen Setup-Fehler in die Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen von Partikelstrahlbündeln des ersten Bestrahlungsplans projiziert werden, einem mit dem ersten Modul verbundenen zweiten Modul, welches so ausgebildet ist, dass Partikelstrahlbündel in jedes Bestrahlungsfeld mit Koordinaten eingefügt werden, welche relativ zu den Partikelstrahlbündeln im ersten Bestrahlungsplan entsprechend den projizierten Setup-Fehlern verschoben sind,
- - ein mit dem zweiten Modul verbundenes drittes Modul, welches so ausgebildet ist, dass Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel gewichtet werden, und dabei entweder die Setup-Fehler vordefinierte Stützstellen im Raum sind und die Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel mit der Annahme einer kohortenspezifischen Wahrscheinlichkeitsverteilung für den jeweiligen dreidimensionalen Setup-Fehler gewichtet sind oder die Setup-Fehler mit einer Monte-Carlo-Methode entsprechend einer kohortenspezifischen dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Setup-Fehler bestimmt sind und die Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel gleichgewichtet sind, wobei die Metersets die Maßzahlen für die zu applizierenden Partikel sind und wobei die kohortenspezifischen Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Setup-Fehler Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Setup-Fehlern für verschiedene Bestrahlungsregionen sind,
- - ein mit dem dritten Modul verbundenes viertes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans global skaliert werden, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen, auf.
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Das Datenverarbeitungssystem der ersten Ausführungsform weist ferner
- - ein mit dem vierten Modul verbundenes fünftes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die Dosisverteilungen aus dem ersten Bestrahlungsplan und aus dem zweiten Bestrahlungsplan mit zu erwartenden Abweichungen unter Berücksichtigung der CT-Aufnahme des Patienten in einem Bestrahlungsplanungssystem ermittelt werden, und
- - ein mit dem fünften Modul verbundenes sechstes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die Dosisverteilungen aus dem ersten und dem zweiten Bestrahlungsplan miteinander verglichen werden, auf.
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Kohortenspezifisch meint, dass für verschiedene Bestrahlungsregionen, beispielsweise Kopf-Hals-Tumore, Hirn-Tumore, Tumore im Thoraxbereich, Tumore im Abdominalbereich, Tumore im Beckenbereich und so weiter, unterschiedliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen, beispielsweise unterschiedliche Standardabweichungen bei Normalverteilungen, angenommen werden können. Genauso können die Kohorten anhand von anderen Patientenmerkmalen definiert werden. Das können zum Beispiel die für die Lagerung verwendeten Hilfsmittel und Bildgebungen sein. Beispielsweise sind das eine Fixierung mit/ohne individuellen Masken, Beißblöcke oder Vakuumkissen, orthogonale Röntgenbildgebung oder dreidimensionale CT-Bildgebung.
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Ein Datenverarbeitungssystem zur Robustheitsanalyse eines auf einer CT-Aufnahme eines Patienten basierenden nominellen Bestrahlungsplans für die Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen als ein erster Bestrahlungsplan einer zweiten Ausführungsform, wobei der Einfluss von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bestimmt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungssystem für eine dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern als dreidimensionale Richtungsvektoren im Koordinatensystem des Patienten-CTs eine Einrichtung zur Erstellung eines den Einfluss von Setup-Fehlern beinhaltenden zweiten Bestrahlungsplans aufweist.
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Das Datenverarbeitungssystem der zweiten Ausführungsform weist
- - ein erstes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern in den Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen von Partikelstrahlbündeln des ersten Bestrahlungsplans als zweidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben wird,
- - ein mit dem ersten Modul verbundenes zweites Modul, welches so ausgebildet ist, dass die Partikelstrahlbündel des ersten Bestrahlungsplans vervielfältigt und verschoben werden, so dass die neuen zweidimensionalen Koordinaten symmetrisch um die ursprüngliche Koordinate des jeweiligen Partikelstrahlbündels angeordnet sind,
- - ein mit dem zweiten Modul verbundenes drittes Modul, welches so ausgebildet ist, dass Metersets der vervielfältigten Partikelstrahlbündel entsprechend ihrer zweidimensionalen Verschiebungskoordinate und der abgeleiteten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung im jeweiligen Feld gewichtet werden, wobei die Metersets die Maßzahlen für die zu applizierenden Partikel sind, und
- - ein mit dem dritten Modul verbundenes viertes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans global skaliert werden, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen, auf.
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Das Datenverarbeitungssystem der ersten Ausführungsform weist ferner
- - ein mit dem vierten Modul verbundenes fünftes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die Dosisverteilungen aus dem ersten Bestrahlungsplan und aus dem zweiten Bestrahlungsplan mit zu erwartenden Abweichungen unter Berücksichtigung der CT-Aufnahme des Patienten in einem Bestrahlungsplanungssystem ermittelt werden, und
- - ein mit dem fünften Modul verbundenes sechstes Modul, welches so ausgebildet ist, dass die Dosisverteilungen aus dem ersten und dem zweiten Bestrahlungsplan miteinander verglichen werden, auf.
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Bei einer normalfraktionierten, perkutanen Strahlentherapie für Tumorerkrankungen erhält der Patient in mehreren Einzelfraktionen jeweils einen Bruchteil der gesamten, verordneten Dosis. Vor jeder Fraktion wird der Patient möglichst identisch gelagert. Eine Positionierung wie zum Zeitpunkt der Generierung des Röntgen-Computertomogramms (CT) für die Bestrahlungsplanerstellung wird dabei angestrebt. Kleinere Abweichungen sind jedoch unvermeidbar. Werden Protonen- oder andere lonenstrahlen für die Behandlung genutzt, können sich gegebenenfalls durch diese Setup-Fehler erkennbare relevante Dosisabweichungen ergeben. Bei Setup-Fehlern ändert sich für die einzelnen Partikelstrahlbündel im Bestrahlungsplan das zu durchdringende Gewebe und somit in diesem Fall auch die lokal deponierte Dosis.
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Die Einrichtung und das Datenverarbeitungssystem zeichnen sich dadurch aus, dass eine schnelle Bestimmung einer zu erwartenden Gesamtdosisverteilung im Patienten unter Berücksichtigung von zufälligen Positionierungsfehlern gegeben ist. Die Robustheitsanalyse von Bestrahlungsplänen kann maßgeblich beschleunigt werden. Die Robustheit eines erstellten Bestrahlungsplans wird hinsichtlich der zu erwartenden Dosisverteilung im Patienten unter Berücksichtigung der angenommenen Positionierungsungenauigkeit abgeschätzt. Dabei wird ein zweiter Bestrahlungsplan erstellt, der den Einfluss der Setup-Fehler enthält. Anhand der daraus ermittelten Dosisverteilung wird überprüft, inwiefern die geforderten Kriterien an die Tumorerfassung und Normalgewebsschonung erfüllt sind. Vorteilhafterweise wird dazu das dreidimensionale Problem (3D Verschiebung des Patienten im Raum) auf ein zweidimensionales Problem reduziert, da die Komponente des Setup-Fehlers in Einstrahlrichtung vernachlässigt werden kann.
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Dem Partikelstrahlbündel im Bestrahlungsplan ist eine kinetische Energie, ein Meterset, und eine zweidimensionale Koordinate zugeordnet. Die Energie bestimmt die Eindringtiefe und damit das Tiefendosisprofil in Strahlrichtung im Patienten. Die Metersets kodieren die zu applizierende Anzahl an Partikeln. Die Koordinate des Partikelstrahlbündels gibt an, wo sich in Strahlrichtung betrachtet das Partikelstrahlbündel im Bestrahlungsfeld relativ zum Zentralstrahl befindet. Die technologie- und energiebedingte, laterale Ausdehnung der Partikelstrahlbündel in Luft besitzt eine Halbwertsbreite von beispielsweise jeweils einschließlich von 4 mm bis 15 mm. Die einzelnen Partikelstrahlbündel haben typischerweise einen Abstand von ungefähr jeweils einschließlich von 7 bis 10 mm. Dieser Abstand ist größer als die üblicherweise zu erwartenden Setup-Fehler in der Partikeltherapie bis etwa 5 mm.
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Durch die direkte Bestimmung einer aufsummierten Dosis, die die in Betracht gezogenen Setup-Fehler berücksichtigt, ist die Bewertung und Interpretation wesentlich schneller möglich. Die genannten Vorteile sind von großer Wichtigkeit für die Translation und Anwendung von Robustheitsanalysen in die schon heute komplexe klinische Praxis mit entsprechenden zeitlichen und personellen Randbedingungen.
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Erfindungsgemäß wird ein Computer-Programm-Produkt auf einem maschinenlesbaren Träger zur Durchführung eines Verfahrens zur Robustheitsanalyse eines auf einer CT-Aufnahme eines Patienten basierenden nominellen Bestrahlungsplans für die Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen als ein erster Bestrahlungsplan zur Verfügung gestellt, wobei der Einfluss von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bestimmt wird.
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Ein Computer-Programm-Produkt einer ersten Ausführungsform weist
- a) Verwendung des ersten Bestrahlungsplans,
- b) Erstellung eines den Einfluss von Setup-Fehlern beinhaltenden zweiten Bestrahlungsplans für eine Anzahl von dreidimensionalen Setup-Fehlern als dreidimensionale Richtungsvektoren im Koordinatensystem des Patienten-CTs mit
- - Projektion der dreidimensionalen Setup-Fehler in die Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen von Partikelstrahlbündeln des ersten Bestrahlungsplans,
- - Einfügung von Partikelstrahlbündeln in jedes Bestrahlungsfeld mit Koordinaten, die relativ zu den Partikelstrahlbündeln im ersten Bestrahlungsplan entsprechend den projizierten Setup-Fehlern verschoben sind,
- - Wichtung von Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel,
wobei entweder die Setup-Fehler vordefinierte Stützstellen im Raum sind und die Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel mit der Annahme einer kohortenspezifischen Wahrscheinlichkeitsverteilung für den jeweiligen dreidimensionalen Setup-Fehler gewichtet sind oder
wobei die Setup-Fehler mit einer Monte-Carlo-Methode entsprechend einer kohortenspezifischen dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Setup-Fehler bestimmt sind und die Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel gleichgewichtet sind, wobei die Metersets die Maßzahlen für die zu applizierenden Partikel sind und wobei die kohortenspezifischen Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Setup-Fehler Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Setup-Fehlern für verschiedene Bestrahlungsregionen sind, und
- - globaler Skalierung der Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen,
- c) Ermittlung der Dosisverteilungen aus dem ersten Bestrahlungsplan und aus dem zweiten Bestrahlungsplan mit zu erwartenden Abweichungen unter Berücksichtigung der CT-Aufnahme des Patienten in einem Bestrahlungsplanungssystem und
- d) Vergleich der Dosisverteilungen aus dem ersten und dem zweiten Bestrahlungsplan, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft, auf.
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Der zweite Bestrahlungsplan kann damit unabhängig von einem Bestrahlungsplanungssystem oder innerhalb eines Bestrahlungsplanungssystems, mit welcher auch der nominelle erste Bestrahlungsplan optimiert wurde, erstellt werden.
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Ein Computer-Programm-Produkt einer zweiten Ausführungsform weist
- a) Verwendung des ersten Bestrahlungsplans,
- b) Erstellung eines den Einfluss von Setup-Fehlern beinhaltenden zweiten Bestrahlungsplans für eine dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern als dreidimensionale Richtungsvektoren im Koordinatensystem des Patienten-CTs mit
- - Beschreibung der dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern in den Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen von Partikelstrahlbündeln des ersten Bestrahlungsplans als zweidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung,
- - Vervielfältigung und Verschiebung von Partikelstrahlbündeln des ersten Bestrahlungsplans, so dass die neuen zweidimensionalen Koordinaten symmetrisch um die ursprüngliche Koordinate des jeweiligen Partikelstrahlbündels angeordnet sind,
- - Wichtung von Metersets der vervielfältigten Partikelstrahlbündel entsprechend ihrer zweidimensionalen Verschiebungskoordinate und der abgeleiteten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung im jeweiligen Feld, wobei die Metersets die Maßzahlen für die zu applizierenden Partikel sind, und
- - globaler Skalierung der Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen,
- c) Ermittlung der Dosisverteilungen aus dem ersten Bestrahlungsplan und aus dem zweiten Bestrahlungsplan mit zu erwartenden Abweichungen unter Berücksichtigung der CT-Aufnahme des Patienten in einem Bestrahlungsplanungssystem und
- d) Vergleich der Dosisverteilungen aus dem ersten und dem zweiten Bestrahlungsplan, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft, auf.
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Der zweite Bestrahlungsplan kann damit unabhängig von einem Bestrahlungsplanungssystem oder innerhalb eines Bestrahlungsplanungssystems, mit welcher auch der nominelle erste Bestrahlungsplan optimiert wurde, erstellt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 3 bis 6 angegeben.
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Die dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 die dreidimensionale Normalverteilung mit gleicher Varianz in allen drei Raumrichtungen. Diese stellt sich entsprechend als zweidimensionale Normalverteilung mit gleicher Varianz aus jeder beliebigen Einstrahlrichtung dar.
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Die symmetrische Verschiebung der Partikelstrahlbündel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 durch eine hexagonale Anordnung mit mehreren Generationen gegeben.
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Die Unterschiede der Dosisverteilungen werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 mit Differenzdosisverteilungen und/oder Dosis-Volumen-Histogrammen ermittelt.
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Die Ermittlung der Dosis erfolgt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 aus dem zweiten Bestrahlungsplan unter Berücksichtigung zeitlich nacheinander erstellter Kontroll-CT-Aufnahmen des Patienten. Damit wird vorteilhafterweise die Analyse der Auswirkung von Setup-Fehlern mit der Analyse der Auswirkung von anatomischen Veränderungen kombiniert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
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Ein Verfahren zur Bestimmung des Einflusses von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bei der Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen erfolgt mit der Verwendung eines auf einer CT-Aufnahme des Patienten basierenden Bestrahlungsplans als ein nomineller erster Bestrahlungsplan. Daraus wird ein den Einfluss der Gesamtheit der untersuchten Setup-Fehlem beinhaltender zweiter Bestrahlungsplan
- - in einer ersten Ausführungsform für eine Anzahl von dreidimensionalen Setup-Fehlern oder
- - in einer zweiten Ausführungsform für eine dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern erstellt.
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Die Dosisverteilungen werden aus dem ersten und dem zweiten Bestrahlungsplan mit zu erwartenden Abweichungen unter Berücksichtigung der CT-Aufnahme des Patienten in einem Bestrahlungsplanungssystem ermittelt und die Dosisverteilungen miteinander verglichen. Die Unterschiede der Dosisverteilungen werden mit Differenzdosisverteilungen und/oder Dosis-Volumen-Histogrammen ermittelt.
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Dazu erfolgen in der ersten Ausführungsform eine
- - Projektion der dreidimensionalen Setup-Fehler in die Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen der Partikelstrahlbündel,
- - Einfügung von Partikelstrahlbündeln in jedes Bestrahlungsfeld mit Koordinaten, die relativ zu den Partikelstrahlbündeln im ersten Bestrahlungsplan entsprechend der projizierten Setup-Fehler verschoben sind,
- - Wichtung der Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel, die die Maßzahlen der zu applizierenden Partikel repräsentieren, und
- - globale Skalierung der Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen.
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Die Anzahl von Setup-Fehlern sind dazu vordefinierte Stützstellen im Raum. Die Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel werden mit der Annahme einer kohortenspezifischen Wahrscheinlichkeitsverteilung für den jeweiligen dreidimensionalen Setup-Fehler gewichtet.
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Die Setup-Fehler werden mit einer Monte-Carlo-Methode entsprechend einer kohortenspezifischen dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Setup-Fehler bestimmt. Die Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel werden gleichgewichtet.
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Bei der zweiten Ausführungsform erfolgen eine
- - Beschreibung der dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern in den Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen der Bestrahlungsfelder,
- - Vervielfältigung und Verschiebung der Partikelstrahlbündel des ersten Bestrahlungsplans, so dass die neuen zweidimensionalen Koordinaten symmetrisch um die ursprüngliche Koordinate des jeweiligen Partikelstrahlbündels angeordnet sind,
- - Wichtung der Metersets der vervielfältigten Partikelstrahlbündel entsprechend ihrer zweidimensionalen Verschiebungskoordinate und der abgeleiteten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung im jeweiligen Feld, wobei die Metersets die Maßzahlen der zu applizierenden Partikel repräsentieren, und
- - globale Skalierung der Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen.
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Die dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung ist dabei die dreidimensionale Normalverteilung mit gleicher Varianz in allen drei Raumrichtungen, die sich entsprechend als zweidimensionale Normalverteilung mit gleicher Varianz aus jeder beliebigen Einstrahlrichtung darstellt.
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Die symmetrische Verschiebung der Partikelstrahlbündel ist durch eine hexagonale Anordnung mit mehreren Generationen gegeben.
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Ein Datenverarbeitungssystem zur Bestimmung des Einflusses von zu erwartenden Abweichungen in der Patientenpositionierung als Setup-Fehler bei der Strahlentherapie mit aktiv gescannten Partikelstrahlen mit einem auf einer CT-Aufnahme des Patienten basierenden Bestrahlungsplan als ein nomineller erster Bestrahlungsplan besitzt dazu in einer ersten Ausführungsform eine Einrichtung für eine Anzahl von dreidimensionalen Setup-Fehlern oder in einer zweiten Ausführungsform eine Einrichtung für eine dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern jeweils zur Erstellung eines den Einfluss von Setup-Fehlern beinhaltenden zweiten Bestrahlungsplans.
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Die Einrichtung der ersten Ausführungsform umfasst
- - ein erstes Modul zur Projektion der dreidimensionalen Setup-Fehler in die Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen der Partikelstrahlbündel,
- - ein mit dem ersten Modul verbundenes zweites Modul zur Einfügung von Partikelstrahlbündeln in jedes Bestrahlungsfeld mit Koordinaten, die relativ zu den Partikelstrahlbündeln im ersten Bestrahlungsplan entsprechend der projizierten Setup-Fehler verschoben sind,
- - ein mit dem zweiten Modul verbundenes drittes Modul zur Wichtung der Metersets der eingefügten Partikelstrahlbündel, die die Maßzahlen der zu applizierenden Partikel repräsentieren, und
- - ein mit dem dritten Modul verbundenes viertes Modul zur globalen Skalierung der Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen.
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Die Einrichtung der ersten Ausführungsform besitzt
- - ein erstes Modul zur Beschreibung der dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Setup-Fehlern in den Ebenen senkrecht zu den Einstrahlrichtungen der Bestrahlungsfelder,
- - ein mit dem ersten Modul verbundenes zweites Modul zur Vervielfältigung und Verschiebung der Partikelstrahlbündel des ersten Bestrahlungsplans, so dass die neuen zweidimensionalen Koordinaten symmetrisch um die ursprüngliche Koordinate des jeweiligen Partikelstrahlbündels angeordnet sind,
- - ein mit dem zweiten Modul verbundenes drittes Modul zur Wichtung der Metersets der vervielfältigten Partikelstrahlbündel entsprechend ihrer zweidimensionalen Verschiebungskoordinate und der abgeleiteten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung im jeweiligen Feld, wobei die Metersets die Maßzahlen der zu applizierenden Partikel repräsentieren, und
- - ein mit dem dritten Modul verbundenes viertes Modul zur globalen Skalierung der Metersets aller Partikelstrahlbündel des zweiten Bestrahlungsplans, so dass die Summen der Metersets im zweiten Bestrahlungsplan und im ersten Bestrahlungsplan übereinstimmen.
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Im Datenverarbeitungssystem sind das vierte Modul mit einem fünften Modul zur Ermittlung der Dosisverteilungen aus dem ersten und dem zweiten Bestrahlungsplan mit zu erwartenden Abweichungen unter Berücksichtigung der CT-Aufnahme des Patienten in einem Bestrahlungsplanungssystem und das fünfte Modul mit einem sechsten Modul zum Vergleich der Dosisverteilungen verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Setup-Fehler dreidimensionale Richtungsvektoren im Koordinatensystem des Patienten-CTs.
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In einer Ausführungsform des Ausführungsbeispiels kann die Ermittlung der Dosis aus dem zweiten Bestrahlungsplan unter Berücksichtigung zeitlich nacheinander erstellter Kontroll-CT-Aufnahmen des Patienten erfolgen.
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Zitierte Nichtpatentliteratur:
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- C.G.Baum: „Konzepte zur bildgestützten, adaptiven Bestrahlungsplanung und zur Simulation von Behandlungsverläufen bei fluenzmodulierter Strahlentherapie“, Dissertation, Eberhard-Karls-Universität, Tübingen, 2007
- C. Bert: „Bestrahlungsplanung für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescanntem Kohlenstoffstrahl“, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2006
- C. Bert, E. Rietzel. „4D treatment planning for scanned ion beams.“ Radiation Oncology 2.1, 2007, S. 1 -10
- Medical Imaging Technology Association, „Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) - Supplement 11 - Radiotherapy Objects“, 1997, Seiten 28, 61, 63 und 72
- DICOM PS3.3 2023b - Information Object Definitions - C.36. RT Second Generation Modules, 2023, NEMA