DE20109313U1

DE20109313U1 - Robotergestützte Röntgensysteme zur Bildgebung und Lokalisation in der Strahlentherapie

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Publication number: DE20109313U1
Application number: DE20109313U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-27
Filing date: 2001-05-27
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2011-05-28
Also published as: DE10127235A1

Description

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Robotergestützte Röntgensysteme zur Bildgebung und Lokalisation in der Strahlentherapie

Beschreibung

Die Erfindung betrifft robotergestützte Röntgensysteme als Vorrichtungen

• zur automatisierten Erstellung planarer Röntgenaufnahmen mit Hilfe eines
Robotersystems in beliebigen Raumrichtungen und

• nachfolgender digitaler Auswertung.

&iacgr;&ogr; Diese Vorrichtungen stellen vielseitige Messmethoden zur Detektion der Röntgenanatomie aus allen Raumrichtungen dar. Sie ermöglichen eine optimale Projektion anatomischer Details. Durch Einsatz eines Navigationssystems kann eine bessere Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig verminderter Rüstzeit für das Erstellen der Aufnahme erreicht werden. Mit Hilfe von Computeralgorithmen kann aus den aufgenommenen Röntgenbildern die Lage des durchstrahlten Objektes im Raum bestimmt werden. Durch Auswertung einer oder mehrerer in definierter Position erstellter Aufnahmen können Abweichungen in der Lagerung eines Patienten festgestellt werden. Zusätzlich ist ein Abgleich mit Informationen aus anderen bildgebenden Verfahren wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) mit Hilfe von Computeralgorithmen möglich. Das Ergebnis kann lässt sich zur Korrektur der Patientenlagerung nutzen und ist damit ein wichtiges Hilfsmittel für den Einsatz moderner Bestrahlungstechniken.

Die heute gebräuchlichen Standardgeräte zur Erstellung planarer Röntgenaufnahmen umfassen im wesentlichen eine standardisierte Anordnung aus einer Röntgenröhre auf der einen Seite des aufzunehmenden Objektes und einem Röntgensensor auf der anderen. Die beiden Komponenten werden relativ zum Objekt im allgemein manuell mit Hilfe einer die Bewegung unterstützenden, nichtintelligenten Elektromechanik in eine für die gewünschte Aufnahmetechnik geeignete Position gebracht. Die Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade der Mechanik ist dabei auf das für eine bestimmte Aufnahmetechnik minimal notwendige Maß reduziert. In den meisten Fällen muss der Patient umgelagert werden, wenn verschiedene Ansichten einer ROI (Region of Interest = interessierender Aufnahmebereich) dargestellt werden müssen. Daher existieren eine Reihe verschiedener unifunktionaler Röntgengeräte wie

C-Bögen (DE-Patentschrift DE 19947809, DE 19856537), Therapiesimulatoren, Thorax-Aufnahmegeräte usw. nebeneinander.

Obwohl das grundsätzliche aufnahmetechnische Prinzip aller Röntgengeräte weitgehend identisch ist, kann mit dem Einsatz einer herkömmlichen Mechanik keine Multifunktionalität erreicht werden, da eine manuelle Beherrschung der dazu erforderlichen zusätzlichen Zahl von Freiheitsgraden nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Röntgengeräte und die Röntgentechnik so weiter zu entwickeln, dass sie sich multifunktional einsetzen lassen. Die Aufgabe wurde durch die

&iacgr;&ogr; Bereitstellung robotergestützter Röntgensysteme als Vorrichtungen gelöst, die aus den beiden Komponenten zur Röntgenbildgebung - Röntgenröhre auf der einen Seite und Bildverstärker oder Fiat Panel auf der anderen - sowie einer nachgeschalteten digitalen Bildauswertung (nachgeschaltete Auswertealgorithmik, nachfolgende digitale Auswertung) als Automationstechnik in Gestalt eines Röntgenroboters, der das Zielgebiet detektiert und in das Therapiegerät navigiert, bestehen.

Die erfinderische Idee liegt darin, den beiden Komponenten zur Röntgenbildgebung, also der Röntgenröhre auf der einen Seite und dem Bildverstärker bzw. Fiat Panel (US 6222906, WO 01/26132, EP 1092393) mit hoher Röntgensensitivität und hoher Auflösung bei flacher Bauform auf der anderen, jeweils ein maximales Maß an Bewegungsfreiheitsgraden zu geben.

Dazu soll die für eine bestimmte Aufnahmetechnik ideale Position relativ zum Objekt und zur Röntgenröhre mit Hilfe einer Automationstechnik, also einem Roboter, exakt eingestellt werden. Die Umlagerung des Patienten kann damit minimiert werden.

Mit Hilfe dieser Robotertechnik ist in der Röntgendiagnostik ein multifunktionaler Einsatz der Fiat Panel-Technik mit seinen entscheidenden Vorteilen für die Bildgebung möglich.

In der Strahlentherapie wurde bisher das Konzept verfolgt, einen Patienten weitgehend zu fixieren, um die genaue Ausrichtung des Therapiegeräts auf die ROI zu ermöglichen. Dieses Verfahren findet seine Grenzen bei Genauigkeitsanforderungen der Dosiseskalation in Körperregionen mit Eigenbewegung (Atmung).
Die Idee, das Zielgebiet genau und objektiv mit Hilfe eines Röntgenroboters zu detektieren und kontrolliert in das Isozentrum des Therapiegerätes zu navigieren, ist jedoch auf alle Therapieformen anwendbar. Dadurch lassen sich als Nebeneffekt die sogenannten Feldkontrollaufnahmen vermeiden, die mit der Bestrahlungsenergie des Gerätes durchgeführt werden müssen und gerade bei komplizierten Vielfeldertechniken eine nicht unerhebliche

unerwünschte Strahlenbelastung darstellen. An den Komponenten wird hierzu ein Navigationssystem befestigt, welches die Positionierung, zum Beispiel relativ zu einem raumfesten, mit Lasern erzeugten Koordinatensystem, sicherstellt. Weitere Sensoren erfassen das aufzunehmende Objekt und verhindern Kollisionen, wobei die Sensordaten gleichzeitig auch zur Feinpositionierung herangezogen werden können. Zusätzliche Sicherheit für das System ergibt sich durch die Überwachung des Gesamtsystems durch entsprechend geschulte MTRA (Medizinisch-Technische Radiologie-Assistenten), die etwa durch Loslassen eines Sicherheitsschalters sofort alle Bewegungen stoppen können.
Eine nachgeschaltete digitale Bildauswertung ermöglicht einen Datenvergleich zwischen der

&iacgr;&ogr; Röntgenaufnahme und Informationen aus anderen diagnostischen Techniken, wie z.B. DRRs (digital rekonstruierte Röntgenaufnahmen). Damit ist eine Kontrolle sowohl der Patientenlagerung als auch der Feinpositionierung des Systems relativ zur ROI möglich.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahrensweise eine genaue Ausrichtung des Therapiegeräts auf die ROI ermöglicht wird und insbesondere bei Genauigkeitsanforderungen der Dosiseskalation in Körperregionen mit Eigenbewegung (Atmung) geeignet ist.

Die Merkmale der Erfindung gehen aus den Elementen der Ansprüche und aus der Beschreibung hervor, wobei sowohl einzelne Merkmale als auch mehrere in Form von Kombinationen vorteilhafte Ausführungen darstellen, für die mit dieser Schrift Schutz beantragt wird. Die Merkmale aus bekannten und neuen Elementen ergeben in ihrer Gesamtheit einen synergistischen Effekt, der zu den erfindungsgemäßen neuen robotergestützten Röntgensystemen führt.

Zu den Vorteilen der Erfindung gehört es, dass sie sich konformaler Techniken bedient und sich insbesondere bei der Dosiseskalation bewährt hat.

Die erfindungsgemäße Verwendung der neuen Röntgensysteme liegt darin, dass sie zur Bildgebung und Lokalisation in der Strahlentherapie, als Therapiesimulator sowie als Multifunktions-Röntgengerät zur Diagnostik geeignet sind. Sie bezieht sich in gleicher Weise auf die automatisierte Erstellung planarer Röntgenaufnahmen in beliebigen Raumrichtungen und nachfolgender digitaler Auswertung sowie auf den Datenvergleich zwischen Röntgenaufnahmen und Informationen aus anderen diagnostischen Techniken, wie mit aus CT-Aufnahmen generierten DRRs oder Simulatoraufnahmen.

Die Erfindung soll anhand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.

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Anwendungsbeispiele

1. Anwendungsbeispiele für robotergestützte Röntgensysteme

1.1. Hochpräzise Lokalisation von Zielvolumina in der Strahlentherapie

Ein solches System soll im Rahmen neuer Strahlentherapiemethoden die notwendige Genauigkeit der Lokalisation erreichbar machen und sicherstellen. Die Anlage besteht aus folgenden Komponenten:

• einem Patientenlagerungstisch aus Karbonfasern, der eine optimale Lagerung, &iacgr;&ogr; Fixierung und gegebenenfalls auch Nachführung des Patienten gewährleistet

• einem System aus einem oder mehreren Paaren aus Röntgenröhren/Röntgensensoren, das sich automatisch am raumfesten Koordinatensystem ausrichtet (und damit z.B. optimal auf das Isozentrum eines Bestrahlungsgeräts ausgerichtet werden kann)

• Algorithmen, welche die erstellten planaren Röntgenaufnahmen zum Beispiel mit aus CT-Aufnahmen generierten DRRs oder Simulatoraufnahmen vergleichbar machen.

Die DRRs berücksichtigen dabei auch etwaige Drehungen, Translationen oder Torsionen des Patienten. Dies ermöglicht es, Lagerungsfehler zu erkennen und zu kompensieren.

1.2. Therapiesimulator

Ein Therapiesimulator benötigt:

• einen Patientenlagerungstisch aus Karbonfasern, der über dieselben Einstellungsmöglichkeiten wie der Patientenlagerungstisch am Strahlentherapiegerät verfügt. Der Tisch kann ganz einfach sein. Er braucht nur noch auf und ab zu fahren;

· ein Paar aus Röntgenröhre und Bildverstärker / Fiat Panel, das sich robotergesteuert ausrichtet;

• nachgeschaltete Auswertealgorithmik, mit der zum Beispiel digitale Ausblendungen des Strahlenfeldes vorgenommen werden können.

In Spezialausführungen werden die Funktionen einer solchen Simulatoreinheit auch von der vorgenannten Mimik zur hochpräzisen Lokalisation von Zielvolumina in der Strahlentherapie übernommen.

1.3. Multifunktions-Röntgengerät zur Diagnostik

Ein Multifunktions-Röntgengerät zur Diagnostik besteht ebenfalls aus folgenden Teilen:

• einem Patientenlagerungstisch aus Karbonfasern, der spezielle Lagerungen des Patienten ermöglicht;

· der robotergeführten Aufnahmemimik, mit Röntgenröhre und Fiat-Panel, welche sich optimal auf den Röntgenfokus ausrichten kann, um höchste Bildqualität zu gewährleisten. Die Aufnahmequalität wird dabei selbstgesteuert; objektive Reproduzierbarkeit vermindert subjektive Einstellungsfehler und trägt damit wesentlich zur Reduktion der Strahlendosis in der Diagnostik bei, wie sie nach den Strahlenschutzgrundsätzen gefordert

&iacgr;&ogr; ist;

• der Auswertealgorithmik. Eine schnelle Auswertealgorithmik erlaubt die Korrektur von Bildfehlern, digitale Vergrößerung zum Beispiel auf Übersichtsaufnahmen, so dass von Subregionen mit diagnostischen Auffälligkeiten sofort eine weitere Röntgenaufnahme mit höherer Auflösung erstellt werden kann, ohne dass der Patient umgelagert werden muss.

2. Technische Realisierung

2.1. Röntgenaufnahmetechnik

Die Röntgenaufnahmetechnik wird mit den herkömmlichen Komponenten aus Röntgenröhre und Bildverstärker versehen. Vorteile ergeben sich durch den Einsatz der neuartigen Fiat Panels mit ihrer flachen Bauweise und hohen Auflösung zumindest für die Röntgendiagnostik. Die Fiat Panels sind jedoch sehr teuer und rechtfertigen ihre Anschaffung vor allem, wenn sie möglichst vielseitig eingesetzt werden können, wie es mit einer Multifunktions-Röntgenanlage der Fall ist.

2.2. Halterung/Bewegung der Komponenten zur Röntgenaufnahme

Es sind erfindungsgemäß mehrere Varianten zur Auslegung der Roboter-Mechanik vorgesehen:

• Frei bewegliche Systeme auf der Basis von Industrierobotern mit kardanisch aufgehängten, drehbaren Röntgenröhren und Bildverstärker/Fiat Panel erlauben alle Freiheitsgrade.

• Modifizierte C-Bögen mit Teleskopverschiebung kardanisch gelagerter Röntgenaufnahmetechnik sind insbesondere für Therapiesimulatoren einsetzbar.

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• Gegebenfalls kann auch eine der beiden Komponenten Röntgenröhre und Bildverstärker/ Fiat Panel mit weniger Bewegungsfreiheitsgraden oder sogar ortsfest ausgelegt werden, wenn die andere die notwendigen Bewegungsfreiheitsgrade besitzt. Dies ist zum Beispiel bei der meist isozentrisch ausgerichteten Anlage zur hochpräzisen Lokalisation von Zielvolumina in der Strahlentherapie der Fall.

Die Bewegung der Mechanik erfolgt über handelsübliche Elektromotorik, zum Beispiel Schrittmotoren.

&iacgr;&ogr; 2.3. Sensorik

Der Sensorik kommen zwei Aufgaben zu:

• Steuerdaten zur Positionierung der Röntgenaufnahmekomponenten

Steuerdaten zur Positionierung der Röntgentechnik werden mit Hilfe von Stereokameras, Abstandsmessern zur Haut oder Markern auf der Haut oder im Körper selbst ermittelt. In is der Strahlentherapie kann das System auch durch Photosensoren an ein raumfestes

Lasersystem angekoppelt und damit auf ein raumfestes Koordinatensystem mit Ursprung im Isozentrum des Bestrahlungsgerätes ausgerichtet werden.

• Überwachung von Sicherheitsabständen zwischen Anlage und Patienten

Hierzu werden Berührungsschalterleisten, Infrarotsensoren oder Abstandsmesser auf der Patientenhaut verwendet, die den Abstand zwischen der Technik und dem Patienten feststellen. Diese Einrichtungen mit übergeordneter Abschaltfunktion sind unverzichtbar und deshalb redundant auszulegen. Zusätzlich ist darauf zu achten, dass die Anlagen durch MTRA oder Mediziner überwacht werden, die zur Bewegung der Anlage permanent einen Sicherheitsschalter drücken müssen.

2.4. Algorithmik

Algorithmen zur Generierung von DRR, zur Bildfusionierung und schneller digitaler Bildbearbeitung sind bereits im Einsatz oder derzeit in der Entwicklung. Die durch einen Mediziner individuell generierten ROIs werden automatisch ausgewertet und mit Referenzwerten verglichen. Quantitative Daten sollen wiederum in die Steuerung der Anlage einfließen, zum Beispiel zur Repositionierung des Patienten oder der Röntgenaufnahmetechnik.

Claims

1. Robotergestützte Röntgensysteme als Vorrichtungen zur Bildgebung und Lokalisation in der Strahlentherapie, bestehend aus den Röntgenbildgebungs-Komponenten Röntgenröhren und Bildverstärker/Flat Panel sowie einer nachgeschalteten digitalen Bildauswertung als Automationstechnik in Gestalt eines Röntgenroboters, der das Zielgebiet detektiert und in das Therapiegerät navigiert.

2. Robotergestützte Röntgensysteme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Komponenten zur Röntgenbildgebung ein Navigationssystem befestigt wird, das die Positionierung sicherstellt.

3. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung relativ zu einem raumfesten, mit Lasern erzeugten Koordinatensystem sichergestellt wird.

4. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren das aufzunehmende Objekt erfassen, um Kollisionen zu verhindern und die Sensordaten gleichzeitig zur Feinpositionierung herangezogen werden.

5. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeschaltete digitale Bildauswertung mit der Röntgenaufnahme und Informationen aus anderen diagnostischen Techniken - DRRs, Patientenlagerung, Feinpositionierung des Systems relativ zur ROI - verbunden ist.

6. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur hochpräzisen Lokalisation von Zielvolumina in der Strahlentherapie, bestehend aus einem Patientenlagerungstisch, einem System aus einem oder mehreren Paaren aus Röntgenröhren/Röntgensensoren, das sich automatisch am raumfesten Koordinatensystem ausrichtet sowie aus Algorithmen, welche die erstellten planaren Röntgenaufnahmen - zum Beispiel mit aus CT-Aufhahmen generierten DRRs oder Simulatoraufnahmen - vergleichbar machen.

7. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Therapiesimulator, bestehend aus einem Patientenlagerungstisch, der über dieselben Einstellungsmöglichkeiten wie der Patientenlagerungstisch am Strahlentherapiegerät verfügt, aus einem Paar aus Röntgenröhre und Bildverstärker/Flat Panel, das sich robotergesteuert ausrichtet sowie aus einer nachgeschalteten Auswertealgorithmik, mit der zum Beispiel digitale Ausblendungen des Strahlenfeldes vorgenommen werden.

8. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 5, als Multifunktions-Röntgengerät zur Diagnostik, bestehend aus einem Patientenlagerungstisch, der spezielle Lagerungen des Patienten ermöglicht, aus einer robotergeführten Aufnahmetechnik mit Röntgenröhre und Flat-Panel, welche sich optimal durch selbstgesteuerte objektive Reproduzierbarkeit auf den Röntgenfokus ausrichten kann sowie aus einer Auswertealgorithmik zur Korrektur von Bildfehlern.

9. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Roboter- Mechanik als

1. 9.1 frei bewegliches System auf der Basis von Industrierobotern mit kardanisch aufgehängten, drehbaren Röntgenröhren und Bildverstärker/Flat Panel, die alle Freiheitsgrade erlauben oder

2. 9.2 modifizierte C-Bögen mit Teleskopverschiebung kardanisch gelagerter Röntgenaufnahmetechnik, die insbesondere für Therapiesimulatoren einsetzbar sind oder

3. 9.3 mit weniger Bewegungsfreiheitsgraden oder sogar als ortsfestes System zur Wirkung kommt, wenn eine der beiden Komponenten Röntgenröhre und Bildverstärker/Flat Panel die notwendigen Bewegungsfreiheitsgrade besitzt, ausgelegt ist.

10. Rönigensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit

1. 10.1 einer Sensorik zur

1. 10.1.1 Ermittlung der Steuerdaten, die zur Positionierung der Röntgenaufnahmekomponenten sowie zur Positionierung der Röntgentechnik mit Hilfe von Stereokameras, Abstandsmessern zur Haut oder Markern auf der Haut

2. 10.1.2 Überwachung von Sicherheitsabständen zwischen Anlage und Patienten mit Hilfe von Berührungsschalterleisten, Infrarotsensoren oder Abstandsmessern erforderlich sind,

2. 10.2 einer Algorithmik zur

1. 10.2.1 Generierung von DRR

2. 10.2.2 Bildfusionierung und schneller digitaler Bildbearbeitung ausgestattet sind.

11. Röntgensysteme nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Strahlentherapie durch Photosensoren an ein raumfestes Lasersystem gekoppelt und damit auf ein raumfestes Koordinatensystem mit Ursprung im Isozentrum des Bestrahlungsgerätes ausgerichtet werden.