DE19515550A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überprüfung der Positionierung eines Strahlungsfleckes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Bei der radiochirurgischen Behandlung im Bereich des Kopfes bzw. Gehirns eines Patienten ist es erforderlich, keine empfindlichen bzw. gesunden Gewebeteile zu treffen und zu schädigen. Hierzu müssen die radiochirurgischen Geräte und Ein­ richtungen, welche relevant für die Zielfindung, insbesondere bei der Behandlung, sind, überprüft und kontrolliert werden. Die Präzision des Diagnosesystems ist im selben Maße von Bedeutung wie die Präzision bei der Gewebebehandlung. Eine grundsätzliche Schwierigkeit besteht darin, daß bei den Diagnosesystemen, wie z. B. der Kernspintomographie hauptsächlich auf einen guten Kontrast und hohe Auflösung Wert gelegt wird; die geometrische Abbildungstreue jedoch nicht so von Bedeutung ist, da leichte Verzerrungen das diagnostische Ergebnis im all­ gemeinen nicht beeinflussen.

Bei der Behandlung wird am Kopf des Patienten mit Hilfe von Befestigungs­ schrauben ein stereotaktischer Rahmen (Leksell-Rahmen) befestigt. Dieser dient als Bezugssystem sowohl bei der diagnostischen Definition des zu behandelnden Gewebes, insbesondere Tumors, als auch für die Bestimmung der Zielposition bei der sich anschließenden Strahlungsbehandlung. Bei der Diagnose wird ein Orts­ identifikationshelm, z. B. aus Kunststoff, am stereotaktischen Rahmen befestigt, der im Diagnosegerät, beispielsweise im Tomographen, die jeweilige Position eines Schnittbildes definiert. Mit diesem Rahmen wird der Patient in das Diagno­ segerät, beispielsweise einen Kernspintomographen oder Computertomographen, eingebracht, und der Krankheitsherd wird bildlich dargestellt. Das Bild wird in einen Zentralrechner überspielt und gespeichert. Im Zentralrechner wird die Zielposition, d. h. der Ort des zu behandelnden Gewebes, definiert und die Form und Dosis sowie die Position (Zielposition) des Bestrahlungsfeldes festgelegt. Im Therapiegerät wird mittels des stereotaktischen Rahmens der Kopf des Patienten so fixiert, daß die Strahlungsbehandlung mit bestimmter Dosisvorgabe an der Zielposition, d. h. am Ort des zu behandelnden Gewebes, z. B. des Tumors, durch­ geführt werden kann. Für eine erfolgreiche Applikation der Strahlungsbehand­ lung, insbesondere im Kopfbereich, ist über alle Zwischenschritte hinweg eine Genauigkeit von mindestens 1,5 mm, insbesondere 0,5 mm, erforderlich.

Bei bekannten Verfahren werden die diagnostischen und therapeutischen Geräte und Einrichtungen unabhängig voneinander hinsichtlich ihrer Genauigkeit ver­ messen und analysiert. Die Genauigkeit der diagnostischen Geräte und Einrichtun­ gen wird daher unabhängig von der Genauigkeit der therapeutischen Geräte er­ mittelt. Beispielsweise werden für die geometrische Abbildungstreue diagnosti­ scher Systeme, z. B. von Kernspintomographen, Phantome verwendet, die von Gittern durchzogen sind. Damit lassen sich Verzerrungen bildlich darstellen und rechnergestützte Auswertungen erzielen. Für die Überprüfung der Genauigkeit therapeutischer Geräte werden ebenfalls Phantome eingesetzt, welche mit röntgen­ strahlempfindlichen Filmen an einem bestimmten geometrischen Ort bestückt werden. Dabei wird lediglich überprüft, ob das therapeutische Gerät das feste Zielgebiet trifft. Insbesondere bei Therapiegeräten gibt es kein standardisiertes Überprüfungsverfahren für die Genauigkeit der Geräte. Auch bei diagnostischen Geräten werden individuell die Präzisionsüberprüfungen vorgenommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 6 zu schaffen, mit denen in einem einzigen Durchgang die Gesamtabweichung des Strahlungsfleckes, welche aus mehreren Fehlerquellen sowohl bei der Diagnose als auch bei der Therapie resultiert, bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß beim Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 7 gelöst.

Bei der Erfindung kommt ein Prüfkörper zum Einsatz, der im stereotaktischen Rahmen zusammen mit einem strahlungsempfindlichen Material befestigt wird. Das strahlungsempfindliche Material kann als strahlungsempfindliche, insbesonde­ re gammastrahlungsempfindliche Schicht, beispielsweise in Form eines Films, vorliegen. In bevorzugter Weise kommt ein Röntgenfilm zur Anwendung, der eine lineare Energieempfindlichkeit hat, der selbstentwickelnd ist, der kein Korn aufweist und nicht lichtempfindlich ist. Ein derartiger Film ist mit der Bezeich­ nung GAF-Chromic im Handel erhältlich.

Am Prüfkörper ist eine Zielmarkierung vorgesehen. Die Projektion dieser Ziel­ markierung auf die strahlungsempfindliche Schicht wird in einem Rechner, der zur Steuerung der Behandlungsstrahlung dient, als Zielposition für den Bestrah­ lungsfleck gespeichert. In Abhängigkeit von der gespeicherten Zielposition auf der strahlungsempfindlichen Schicht erfolgt die Steuerung der Strahlen, welche den Bestrahlungsfleck bei der Behandlung bilden. Die Abweichung des Strahlungs­ fleckes von der Zielposition auf der strahlungsempfindlichen Schicht ist ein Maß für die Gesamtabweichung des Bestrahlungsfleckes, welche aus allen Fehlerquel­ len des Systems resultieren.

Zur Überprüfung der Präzision, insbesondere bei der Strahlungsbehandlung, läßt sich beispielsweise unter Zuhilfenahme von Computertomographie oder einer anderen Diagnoseeinrichtung, mit welcher die Lage eines Tumors in einem Kör­ perteil, z. B. Kopf, eines Patienten bestimmt wurde, oder eines Abtastschemas jeweils mit Hilfe des stereotaktischen Rahmens, z. B. eines Leksell-Rahmens, in welchem der Prüfkörper eingespannt ist, die Lage der Zielposition diagnostizie­ ren. Das Bild der Zielposition kann mit einer bestimmten Dosis für die Strahlung verknüpft werden. Die strahlungsempfindliche Schicht wird dann entsprechend der Dosisvorgabe bestrahlt, wobei die Positionierung des Strahlungsfleckes auf der strahlungsempfindlichen Schicht in Abhängigkeit von der gespeicherten Posi­ tionierung erfolgt. Gegebenenfalls kann die Zielposition auf der strahlungsemp­ findlichen Schicht, insbesondere dem Film, mechanisch in Abhängigkeit von der Lage der Zielmarkierung am Prüfkörper eingeritzt sein. Falls der Bestrahlungs­ fleck gegenüber dieser Zielposition eine Abweichung aufweist, kann diese leicht festgestellt werden. Insbesondere wird eine solche strahlungsempfindliche Schicht verwendet, die eine Schwärzung am Ort des Strahlungsfleckes wiedergibt. Die Schwärzungsauswertung ergibt eine genaue Bestimmung der Dosisverteilung im Bestrahlungsfleck. Für die Bestimmung, insbesondere quantitative Bestimmung der applizierten Dosis und Dosisverteilung am Strahlungsfleck kann das bestrahlte Zielvolumen mittels Filmdensitometrie ausgewertet werden. Damit erreicht man zusätzlich zur Überprüfung der geometrischen Präzision auch eine Überprüfung der Genauigkeit der Dosis. Durch die so ermittelte Abweichung des Bestrahlungs­ fleckes vom theoretischen Zielpunkt (Zielposition) werden Fehler, die in der Diagnostik, in der Bildübertragung, bei der Einstellung, bei der Dosisplanung verursacht wurden, sowie Fehler des Behandlungsgerätes gleichzeitig erfaßt und können durch entsprechende Justage kompensiert werden. Das Überprüfungsver­ fahren läßt sich einfach durchführen, da nur ein Durchgang erforderlich ist, um alle Fehlerquellen zu kompensieren.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Gesamtansicht des Überprüfungs­ systems;

Fig. 2 in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für einen Prüfkörper; und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Prüfkörper der Fig. 2.

In der Fig. 1 ist in einem stereotaktischen Rahmen 11 ein Prüfkörper 1 gehalten. Der Prüfkörper 1 enthält Befestigungsstellen 2 bis 9 in Form von Bohrungen, die Gewinde aufweisen. Die Verbindung zwischen dem stereotaktischen Rahmen 11 und den Befestigungsstellen 2 bis 9 wird durch Einspannstifte 14 hergestellt. Der zylindrisch ausgebildete Prüfkörper 1 besitzt in seiner Zylinderachse 13 eine Zielmarkierung 10. Diese Zielmarkierung 10 kann in der gleichen Ebene liegen wie die Befestigungsstellen 2 bis 9, welche sich mit der Zielmarkierung 10 als Mitte in radialer Richtung erstrecken, wie die Fig. 3 zeigt. In der Zylinderachse kann eine zusätzliche Bohrung als Befestigungsstelle liegen.

Die Position der Zielmarkierung 10 läßt sich genau ermitteln. Dies kann bei­ spielsweise dadurch erfolgen, daß am stereotaktischen Rahmen 11 über die Ein­ spannstifte 14 die Positionierung der Zielmarkierung 10 gegenüber dem stereotak­ tischen Rahmen 11 bestimmbar ist. Die Lage des stereotaktischen Rahmens 11, beispielsweise in einem in Fig. 1 schematisch dargestellten Helm 24 einer radio­ chirurgischen Einrichtung, ist ebenfalls genau bestimmt. Damit kann die geome­ trische Lage der Zielmarkierung 10 in einem Positionsspeicher 15 eingegeben werden. Der symbolisierte Helm 24 in Form einer Kugelschale (Halbkugelschale) ist bei der Überprüfung in der Diagnoseeinrichtung der Ortsidentifikationshelm und in der Therapieeinrichtung der Kollimatorhelm.

Es ist jedoch auch möglich, mit Hilfe eines diagnostischen Systems, beispiels­ weise durch Computertomographie, Kernresonanzdarstellung, die Position der Zielmarkierung 10 in der radiochirurgischen Vorrichtung zu ermitteln und im Positionsspeicher 15 zu speichern. Es wird das gleiche System verwendet, wel­ ches bei der Diagnose am Patienten verwendet wurde bzw. wird. Der Helm 24 ist dann der Ortsidentifikationshelm.

Für die Überprüfung der Genauigkeit in der Therapieeinrichtung, insbesondere der radiochirurgischen Vorrichtung, wird auf den Prüfkörper 1 eine strahlungs­ empfindliche Schicht 12 in Form eines Spezialfilmes, der empfindlich (z. B. Schwärzung) gegenüber Gammastrahlung ist, aufgelegt. Am Prüfkörper 1 sowie an der strahlungsempfindlichen Schicht 12 können Bezugsmarkierungen 16 und 17 vorgesehen sein, um einen geometrischen Lagebezug zwischen der Schicht 12 und dem Prüfkörper 1, insbesondere der Zielmarkierung 10, zu haben. Auf der strah­ lungsempfindlichen Schicht 12, z. B. dem Film, kann an der Stelle, an welcher die Zylinderachse 13 die Schicht 12 durchsetzt, eine zusätzliche Markierung als Ziel­ position (theoretischer Zielpunkt) eingeritzt sein, welche genau über der Zielmar­ kierung 10 liegt. Da die Entfernung der Zielmarkierung 10 von der in der strah­ lungsempfindlichen Schicht 12, z. B. eingeritzten Markierung, genau bekannt ist, wird der Ort dieser auf der strahlungsempfindlichen Schicht 12 befindlichen Ziel­ position bei der Präzisionsüberprüfung der Einrichtung, wie noch erläutert wird, verwendet.

Ferner ist eine Dosisspeichereinrichtung 18 vorgesehen, in welcher eine bestimm­ te Dosisvorgabe für die Bestrahlung bei der Überprüfung der Genauigkeit der Anordnung eingegeben werden kann.

Für die Durchführung des Präzisionstestes wird der Ablauf wie bei einer Behand­ lung eines singulären Tumors, insbesondere Hirntumors, simuliert und physika­ lisch erfaßt. Der Prüfkörper mit der darauf befindlichen strahlungsempfindlichen Schicht 12, welche beispielsweise von einem gammastrahlungsempfindlichen Film gebildet wird, ist in dem stereotaktischen Rahmen 19 eingespannt und befindet sich in dem schematisch in Fig. 1 dargestellten Kollimatorhelm 24, welcher in­ nerhalb einer Anordnung von auf einer Halbkugel angeordneten Strahlungsquel­ len, beispielsweise Gammastrahlungsquellen (Kobalt-60-Quellen), zentrisch an­ geordnet wird. Diese Anordnung ist identisch mit der Anordnung, welche bei der Bestrahlungsbehandlung des Patienten verwendet wird. Der Prüfkörper mit der stereoempfindlichen Schicht bildet ein Phantom, beispielsweise ein Kopfphantom, für den Körperteil, welcher die mit der Bestrahlung zu behandelnde kritische Region, beispielsweise einen Tumor, aufweist. Die Strahlung, insbesondere Rönt­ genstrahlung, welche durch Pfeile 19, 20, 21 in der Fig. 1 gekennzeichnet ist, wird auf die Zielposition, welche sich in der Zylinderachse 13 in der strahlungs­ empfindlichen Schicht 12 befindet, gerichtet. Dies erfolgt in Abhängigkeit von der im Positionsspeicher 15 gespeicherten Position mit Hilfe einer Strahlungssteuer­ einrichtung 22. Die Strahlungssteuereinrichtung 22 befindet sich zusammen mit dem Dosisspeicher 18 und dem Positionsspeicher 15 in einer zentralen Rechner­ einrichtung 23 für die Steuerung der gesamten Strahlungsbehandlungseinrichtung.

Bei der Bestrahlung der strahlungsempfindlichen Schicht 12 in Abhängigkeit von der gespeicherten Dosisvorgabe und dem gespeicherten Ort der Zielmarkierung auf dem strahlungsempfindlichen Film 12 ergibt sich ein Strahlungsfleck auf der strahlungsempfindlichen Schicht, beispielsweise durch Schwärzung. Die Abwei­ chung des Strahlungsfleckes auf der strahlungsempfindlichen Schicht 12 von der darauf befindlichen, z. B. eingeritzten Zielposition, welche den theoretischen Zielpunkt darstellt, ist die Gesamtabweichung des Bestrahlungsfleckes vom theo­ retischen Zielpunkt auf der strahlungsempfindlichen Schicht, welche durch Fehler bei der Diagnostik, Fehler in der Bildübertragung, Fehler bei Einstellungen so­ wohl bei der Diagnostik als auch bei der Behandlung verursacht werden. Ferner kann durch Auswertung der Schwärzung der strahlungsempfindlichen Schicht 12 ein Fehler bei der Dosierung ermittelt werden.

Aus der geometrischen Abweichung und der Dosisabweichung lassen sich zur Einstellung des Behandlungsgerätes für die nachfolgende Strahlungsbehandlung am Patienten exakte Kalibriergrößen gewinnen. Damit läßt sich in relativ kurzer Zeit mit einem einzigen Testdurchlauf eine hohe Präzision der Geometrie als auch der Dosis für alle bei der Diagnose und der Therapie involvierten Geräte errei­ chen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Überprüfung der gesteuerten Positionierung eines Strah­ lungsfleckes, der bei einer anschließenden radiochirurgischen Behandlung auf eine oder mehrere Stellen an oder in einem Körperteil, insbesondere am Kopf eines Patienten gerichtet wird, wobei der Körperteil während der Behandlung von einem stereotaktischen Rahmen, welcher gegenüber der Strahlungsquelle eine bestimmte Position einnimmt, gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem stereotaktischen Rahmen ein Prüfkörper und ein gegenüber dem Strahlungsfleck empfindliches Material befestigt werden, daß die Position einer am Prüfkörper vorgesehenen und auf das strahlungsempfind­ liche Material projizierten Zielmarkierung in der Steuereinrichtung gespei­ chert wird, daß der Strahlungsfleck in Abhängigkeit von der in der Steuer­ einrichtung gespeicherten Position auf das eine definierte Lage gegenüber dem Prüfkörper einnehmende strahlungsempfindliche Material gerichtet wird und daß die Abweichung des Strahlungsflecks auf dem strahlungs­ empfindlichen Material von der durch die Markierung bestimmten Zielpo­ sition bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Lage der am Prüfkörper vorgesehenen Zielmarkierung in einer Diagnoseeinrichtung erfolgt, in welcher die Position des zu bestrahlenden Körperteils festgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Oberfläche des Prüfkörpers, welche die Markierung enthält, ein strahlungsempfindlicher Film als strahlungsempfindliches Material gelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der Markierung am strahlungsempfindlichen Material als Zielposition kenntlich gemacht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig eine Dosisbestimmung des auf das strahlungsempfindliche Material auftreffenden Strahlungsfleckes durchgeführt wird und ein Ver­ gleich mit einer bestimmten Dosisvorgabe für den Strahlungsfleck durch­ geführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Volumen des Strahlungsflecks mittels Filmdensitomatrie für die quantitati­ ve Dosisbestimmung ausgemessen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1) mehrere Befestigungsstellen (2-9) aufweist, wel­ che eine definierte Positionierung der Zielmarkierung (10) im stereotakti­ schen Rahmen (11) gewährleisten und daß über der Oberfläche des Prüf­ körpers (1), an welcher die Zielmarkierung (10) sichtbar ist, eine strah­ lungsempfindliche Schicht (12), welche vom Prüfkörper (1) entfernbar ist, angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkör­ per (1) eine ebene Fläche aufweist, in welcher die Zielmarkierung (10) sichtbar vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1) zylinderförmig mit planen Stirnflächen ausgebildet ist und daß die Zielmarkierung (10) in einer der beiden Stirnflächen angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielmar­ kierung (10) in der Zylinderachse (13) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsfleck ein Fokuspunkt einer Konvergenzbestrahlung ist.