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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerät für konforme Strahlentherapie
von Tumoren mit einem Bestrahlungsstrahl, der eine vorbestimmte,
konstante Strahlungsintensität
hat.
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BESCHREIBUNG DES STANDES
DER TECHNIK
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Die
moderne Strahlentherapie bei Tumoren hat zwei Ziele: Zerstörung des
Tumors und Verhindern der Beschädigung
von gesundem Gewebe und Organen in der Nähe des Tumors. Es ist bekannt, dass
eine große
Mehrzahl von Tumoren vollständig zerstört werden
kann, wenn eine ausreichende Strahlungsdosis dem Tumorvolumen zugeführt wird; es
können
jedoch Komplikationen aufgrund der nötigen effektiven Strahlendosis
auftreten aufgrund der Zerstörung
von gesundem, den Tumor umgebendem Gewebe oder anderer gesunder,
in der Nähe
des Tumors sich befindlicher Körperorgane.
Das Ziel der konformen Strahlentherapie ist es, die Strahlendosis so
zu begrenzen, dass sie nur dem Tumorvolumen zugeführt wird,
das durch die äußeren Oberflächen des
Tumors definiert ist, und gleichzeitig die Strahlendosis auf das
umgebende, gesunde Gewebe oder in der Nähe liegende, gesunde Organe
zu minimieren.
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Die
konforme Strahlentherapie wurde üblicherweise
durch eine Reihe von Techniken versucht und verwendet typischerweise
einen Linearbeschleuniger („LINAC") als Bestrahlungsstrahlquelle,
um den Tumor zu behandeln. Der Linearbeschleuniger hat typischerweise
eine Bestrahlungsstrahlquelle, die um den Patienten rotiert und
den Bestrahlungsstrahl auf den zu behandelnden Tumor richtet. Die
Strahlenintensität
des Bestrahlungsstrahls ist eine vorbestimmte, konstante Strahlintensität. Multileaf-Kollimatoren, die
mehrere Lamellen oder Finger oder Vorsprünge haben, die einzeln in die
Bahn des Strahls hinein oder daraus hinaus bewegt werden können, können programmiert
werden, der räumlichen
Kontur des Tumors zu folgen, wie sie vom Bestrahlungsstrahl beim Durchdringen
des Tumors oder aus der „Vogelperspektive
des Strahls" während der
Rotation der Bestrahlungsstrahlquelle gesehen wird, die auf einer
rotierbaren Gantry des Linearbeschleunigers montiert ist. Die mehrfachen
Lamellen des Multileaf-Kollimators
formen eine Außenlinie
der Tumorform, wie durch das Tumorvolumen in Bewegungsrichtung des Bestrahlungsstrahls
dargestellt und blockieren dadurch die Übertragung der Strahlung auf
Gewebe, das außerhalb
der räumlichen
Kontur des Tumors liegt, wie sie sich dem Strahl in Abhängigkeit
der besonderen radialen Ausrichtung bezüglich des Tumorsvolumens präsentiert.
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Ein
anderer Ansatz der konformen Strahlentherapie umfasst den Einsatz
von voneinander unabhängig
gesteuerten Kollimatorbacken, die ein Schlitzfeld über einem
stationären
Patienten abtasten können,
während
gleichzeitig ein separater Satz Kollimatorbacken dem Zielvolumen
folgt, während
die Gantry des Linearbeschleunigers rotiert. Ein zusätzlicher Ansatz
war der Einsatz von Zusatzgeräten
für LINACs,
die es ermöglichen,
dass ein Schlitz (engl. slit) über
den Patienten gescannt wird. Die Intensität des Bestrahlungsstrahls im
gesamten Schlitz wird modifiziert, während der Schlitz gescannt
wird.
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Ein
weiterer Ansatz für
die konforme Strahlentherapie ist der Einsatz eines Narrow-Pencil-Beam
(Strahl mit scharfer Bündelung)
aus hochenergetischen Photonen, dessen Energie variiert werden kann,
und der Strahl wird über
das Tumorvolumen gescannt, um die bestmögliche Bestrahlungsdosisverteilung
in jeder Richtung der Gantry zuzuführen, auf welcher die Photonenstrahlquelle
montiert ist.
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Ein
Hauptproblem, das in Zusammenhang mit solchen Verfahren des Standes
der Technik der konformen Strahlentherapie steht, ist, dass, wenn das
Tumorvolumen konkave Grenzen oder Oberflächen hat, die die räumliche
Konfiguration oder Kontur des Bestrahlungsstrahls variieren, sie
nur eine Zeitlang erfolgreich ist. Besonders wenn die Fältelungen oder äußeren Oberflächen eines
Tumors wiedereintretend in oder konkav zu einer Ebene parallel zur Bahn
des Behandlungsbestrahlungsstrahls sind, können gesundes Gewebe oder Organe
innerhalb der Hohlräume
liegen, die durch die äußeren, konkaven
Tumoroberflächen
gebildet werden; ebenso wie die Tatsache, dass die Dicke des Tumors
entlang der Bahn des Bestrahlungsstrahls variiert.
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Um
in der Lage zu sein, Tumore mit konkaven Grenzen behandeln zu können, ist
es notwendig, die Intensität
des Bestrahlungsstrahls über
der Tumoroberfläche
zu variieren sowie die äußere Konfiguration
des Strahls zu variieren, damit er mit der Form, mit der sich der
Tumor dem Strahl präsentiert, in Übereinstimmung
ist. Die Strahlintensität
jedes Bestrahlungsstrahlsegments sollte veränderbar sein, um eine Strahlintensität in Relation
zu der Dicke des Teils des Tumors zu haben, durch den der Bestrahlungsstrahl
tritt. Wo z. B. der Bestrahlungsstrahl durch einen dicken Abschnitt
des Tumors tritt, sollte die Strahlintensität größer sein als wenn der Strahlungsstrahl
durch einen dünnen
Abschnitt des Tumors tritt.
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Spezielle
Abtaststrahltherapiegeräte
wurden entwickelt, bei denen die Veränderung der Strahlintensität durch
den Einsatz eines scharfen Abtaststrahls (Scanning-Pencil-Beam)
von hochenergetischen Photonen erreicht wird. Die Strahlintensität dieses
Geräts
wird verändert
durch Erhöhung
der Leistung seiner Elektronenkanone, die den Strahl erzeugt. Die
Leistungserhöhung
wird computergesteuert gelenkt, indem die Kanone um den Tumor herum gelenkt
wird durch Bewegen der Gantry, auf der sie montiert ist, und des
Tisches, auf dem der Patient liegt. Der Effekt ist ein schrittweises „Bemalen" des Ziels mit der
Dicke oder Intensität
der Farbe oder der Bestrahlungsstrahlintensität, die durch die Menge der
Farbe auf dem Pinsel oder die Energie variiert wird, die an die
Elektronenkanone, die sich über
den Tumor bewegt, angelegt wird. Solche speziellen Abtaststrahltherapiegeräte, die
direkte Strahlenergiemodulation nützen, sind teuer und ziemlich
zeitaufwändig
in deren Anwendung und Bedienung und man glaubt, sie stünden in
Zusammenhang mit einem signifikanten Patientenrisiko, aufgrund von
Bedenken in Bezug auf die Computersteuerung des Behandlungsstrahls
selbst.
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Andere
Verfahren und Geräte
für die
konforme Strahlentherapie wurden entwickelt, die die Strahlintensität eines
Bestrahlungsstrahls über
einem Gewebevolumen in Übereinstimmung
mit der Dicke des Tumors im Gewebevolumen durch Nutzung einer Vielzahl
von Bestrahlungsstrahlsegmenten räumlich modulieren. Solche Verfahren
und Geräte
nutzen abschwächende
Lamellen oder Blenden in einem Gestell, das innerhalb des Strahlungsstrahls positioniert
wird, bevor der Strahl in den Patienten eintritt. Der Tumor wird
der Strahlung scheibenweise ausgesetzt, jede Scheibe wird selektiv
von den Blenden in Segmente zerteilt. Ein kleiner Nachteil dieser Verfahren
und dieses Geräts
resultiert jedoch aus der Tatsache, dass nur zwei Gewebevolumenscheiben mit
einer Rotation der Gantry des Linearbeschleunigers behandelt werden
können.
Obwohl die Scheiben von beliebiger Größe sein können, wird eine größere Auflösung erreicht
durch Auswählen
von möglichst
dünnen
Scheiben für
die Behandlung. Reduziert sich die Dicke der Behandlungsscheiben,
erhöht sich
die Behandlungszeit für
den Patienten, da mehrere Behandlungsscheiben notwendig sind, um
das gesamte Tumorvolumen zu behandeln.
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Ein
neues Verfahren und Gerät
für die
konforme Strahlentherapie für
den Einsatz eines Strahlungsstrahls mit einer vorbestimmten, konstanten Strahlintensität für die Behandlung
eines Tumors ist in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung EP-A-0695560
von Mark P. Carol vorgeschlagen, die eine Bestrahlungsstrahlquelle
zur Herstellung eines Strahlungsstrahls mit einer vorbestimmten,
konstanten Strahlintensität
beinhaltet; wenigstens eine 3×3-Schachbrettanordnung,
die abwechselnd strahlendurchlässige
und strahlenundurchlässige
Felder hat, um den Behandlungsstrahl in eine Anordnung aus einer
Vielzahl von Strahlsegmenten aufzuteilen; und Mittel zur unabhängigen Modulation
der Strahlintensität
der Bestrahlungsstrahlsegmente, um die Strahlintensität des Behandlungsstrahls über dem Tumor
räumlich
zu modulieren.
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Die
vorgenannten Verfahren und Apparate wurden konzipiert, um den Anteil
der der Strahlung ausgesetzten Strukturen zu minimieren. Da jedoch die
Exposition auf umgebende Strukturen nicht vollständig vermieden werden kann,
sind Behandlungspläne
erwünscht,
die optimiert wurden, um das Tumorvolumen zu zerstören bei
gleichzeitiger Minimierung der auf die umgebenden Strukturen abgegebenen
Strahlungsmenge. Bestehende Verfahren und Apparate zur Optimierung
von Behandlungsplänen verwenden
einen Computer, um mögliche
Pläne basierend
auf Trefferfunktionen einzustufen, die die Bewertung eines Behandlungsplans
durch einen Arzt simulieren. Bestehende Verfahren und Apparate haben
sich jedoch als unzureichend erwiesen.
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Bestehende
Verfahren und Apparate nutzen ein computergesteuertes Verfahren
zur Erstellung optimierter Behandlungspläne basierend auf einer objektiven
Kostenfunktion, die die Kosten für
die Bestrahlung verschiedener Teile, sowohl des Tumors als auch
des umgebenden Gewebes oder Strukturen, zuweist. Solch ein computergesteuertes
Verfahren ist in der Technik als Simulated Annealing bekannt. Bestehende
Verfahren des Simulated Annealing nützen Kostenfunktionen, die
die Kosten einer zu geringen Exposition eines Tumorvolumens relativ
zu den umgebenden Strukturen bei übermäßiger Exposition berücksichtigen.
Die Kostenfunktionen, die bei bereits bestehenden Verfahren angewendet
werden, berücksichtigen
die Strukturvolumina jedoch nicht als ein Ganzes, sie beruhen lediglich
auf Kosten bezüglich
einzelnen Punkten in der Struktur und berücksichtigen weiterhin nicht
die relative Bedeutung von variierenden umgebenden Strukturarten.
Bestimmte Strukturarten sind in ihren Funktionen zum Beispiel redundant
und beträchtliche
Teile ihres Strukturvolumens können
vollständig
zerstört
werden bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung ihrer Funktion. Andere Strukturarten
verlieren ihre Funktion, falls irgendeine der Strukturen vollständig zerstört wird.
Deshalb können
mehr sensitive Strukturvolumina eine gemessene Strahlendosis empfangen,
solange kein Teil der Struktur einer tödlichen Dosis ausgesetzt wird.
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In
der der Optimierung von Behandlungsplänen verwendete, bestehende
Kostenfunktionen berücksichtigen
solche variierenden Kosten in Zusammenhang mit den verschiedenen
Strukturarten nicht. Nach Optimierung des Behandlungsplans muss
der Arzt laufend jeden berechneten Behandlungsplan bezüglich Übereinstimmung
mit dem gewünschten Behandlungsziel
bewerten. Wenn der berechnete Behandlungsplan nicht erfolgreich
die Behandlungsziele erfüllt,
wird der Optimierungsprozess wiederholt, bis ein Behandlungsplan
berechnet werden kann, der die Behandlungsziele des Arztes sowohl
in Bezug auf das Tumorvolumen als auch auf umgebende Strukturen
erfüllt.
Weiterhin erlauben es bestehende Verfahren und Apparate dem Arzt
nicht, die bekannten Teilvolumendaten in Zusammenhang mit kumulativen
Dosis-Volumen-Histogramm-(„CDVH"-)Kurven zu nutzen,
um die gewünschten
Dosisverteilungen festzusetzen.
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Dementsprechend
gab es vor Entwicklung der vorliegenden Erfindung kein Verfahren
oder Gerät
für die
konforme Strahlentherapie zur Verwendung mit einem Bestrahlungsstrahl,
der eine vorbestimmte, konstante Strahlintensität zur Behandlung von Tumoren
hat, die: einfach und ökonomisch
in der Anwendung sind, und die das haben, von dem man annimmt, dass
es ein hoher Sicherheitsfaktor für
die Patientensicherheit ist; die einen optimalen Behandlungsplan
berechnen, um im Widerstreit stehende vorbestimmte Behandlungsziele
eines Arztes zu erfüllen,
wobei Rechnung getragen wird für
Ziele sowohl in Bezug auf Zieltumorvolumen als auch multiple Strukturarten;
und die Teilvolumendaten oder die assoziierten CDVH-Kurven bei der
Erstellung der gewünschten
Dosisverteilungen für
jedes Tumorzielvolumen und Gewebe- und Strukturarten nutzen.
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Deshalb
hat man in der Technik nach einem Verfahren und einem Gerät für die konforme
Strahlentherapie gesucht zur Verwendung mit einem Bestrahlungsstrahl,
der eine vorbestimmte, konstante Strahlintensität zur Behandlung eines Tumors
hat, der: einfach und ökonomisch
in der Anwendung ist; das hat, von dem man annimmt, ein hoher Sicherheitsfaktor
für Patientensicherheit
zu sein; einen optimalen Behandlungsplan errechnet, um in Widerstreit
stehenden, vorbestimmten Behandlungszielen eines Arztes zu erfüllen, wobei
Rechnung getragen wird für
Ziele sowohl in Bezug auf Zieltumorvolumen als auch multiple Strukturarten;
und der Teilvolumendaten oder die assoziierten CDVH-Kurven nützt, um die
gewünschten
Dosisverteilungen für
jedes Zieltumorvolumen und Gewebe- und Strukturarten zu erstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch
1 vorgesehen. Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät gemäß Anspruch 12
vorgesehen.
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Nach
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät für konforme
Strahlentherapie vorgesehen, das ein Gerät gemäß des zweiten Aspekts in Verbindung
mit einem Gerät
zur Zuführung eines
konformen Bestrahlungsstrahls umfasst.
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Die
Kostenfunktion kann durch die Schritte erhalten werden: Bestimmen
eines CDVH, das in Zusammenhang mit der gewünschten Dosisvorschrift steht;
Zuordnen von Zonen zu jedem CDVH; Zuordnen von Wertigkeiten zu jeder
Zone, anwendbar auf die CDVHs in Zusammenhang mit sowohl der gewünschten
Dosisvorschrift als auch der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung;
Berechnen von Zonekosten für
jedes Ziel und jede Struktur nach der folgenden Formel:
worin C
Z die
Kosten für
die gegenwärtige
Zone, W
Z die Wertigkeit ist, die der gegenwärtigen Zone
zugeordnet ist, A
p der Bereich oder die
Länge der
gegenwärtigen
Zone des vorgeschlagenen CDVH ist, und worin A
d der
Bereich oder die Länge
der gegenwärtigen
Zone des gewünschten
CDVH ist; Berechnen von Ziel- oder Strukturkosten für jedes
Ziel oder jede Struktur, nach der folgenden Formel:
CT = Cz1 + Cz2 + Cz3 + ... +
Czn, und CS = Cz1 + Cz2 + Cz3 + ... +
Czn,worin C
S und
C
T die Kosten für jede Struktur oder Zone sind
und worin C
z1, C
z2,
C
z3 und C
zn die
Kosten sind, die für
jede Zone der ersten, zweiten und dritten bis n-ten Zone jedes Ziels
oder Struktur berechnet worden sind; und Berechnen von Gesamtkosten
(C
Total) für die Änderung in der vorgeschlagenen
Bestrahlungsstrahlausrichtung nach der folgenden Formel:
CTotal = CS +
CT worin C
Total die
Gesamtkosten der vorgeschlagenen Änderung an der Bestrahlungsstrahlausrichtung sind.
Weiterhin kann die optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung an einen
Patienten mit einem Apparat zur konformen Strahlentherapie angewendet werden
und die vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung kann errechnet
werden durch Simulated-Annealing-Planungsverfahren der Strahlentherapie.
Darüber
hinaus können
das CDVH, das in Zusammenhang mit der vorbestimmten Dosisvorschrift steht,
grafisch in den Computer eingegeben werden, oder das CDVH kann von
dem Computer rechnerisch konstruiert werden basierend auf Teilvolumendaten, die
in Zusammenhang mit der vorbestimmten gewünschten Dosisvorschrift stehen,
die in den Computer eingegeben wurde.
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Das
Verfahren zur Bestimmung einer optimierten Bestrahlungsstrahlausrichtung
zum Zuführen
von Strahlung auf ein Tumorzielvolumen, während die Bestrahlung eines
Strukturvolumens in einem Patienten minimiert wird, kann die folgenden Schritte
umfassen: (a) Bestimmen eines gewünschten CDVH, das in Zusammenhang
mit sowohl mit jedem Ziel als auch jeder Struktur steht; (b) Verwenden eines
Computers zum iterativen Vergleichen von Kosten der während einer
gegebenen Iteration vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung
mit einer Strahlausrichtung, die während der vorangegangenen Iteration
vorgeschlagen wurde, basierend auf den relativen Kosten, die in
Zusammenhang mit den vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtungen stehen,
wobei die Kosten errechnet werden durch: (1) Bestimmen eines CDVH,
das in Zusammenhang sowohl mit jedem Ziel und jeder Struktur steht,
basierend auf der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlanordnung einer
gegebenen Iteration, (2) Zuweisen von Kostenzonen zu dem gewünschten
CDVH und dem vorgeschlagenen CDVH einer gegebenen Iteration in Zusammenhang
mit jedem Ziel und jeder Struktur; (3) Zuordnen eines Wertes zu
der Wertigkeit zu jeder Kostenzone jedes CDVH, das in Zusammenhang
sowohl mit jedem Ziel als auch jeder Struktur steht, (4) für jedes
Ziel und jede Struktur Multiplizieren der Werte zu den Wertigkeiten
jeder Zone mit dem Quotienten aus einem Wert, der für das Gebiet
der Zone des CDVH steht, das in Zusammenhang mit der vorgeschlagenen
Bestrahlungsstrahlausrichtung steht, und einem Wert, der für den Bereich
der Zone des CDVH steht, das in Zusammenhang mit der gewünschten
Bestrahlungsstrahlausrichtung steht; (5) Zusammenzählen der
Ergebnisse von Schritt (4) für jede
Zone jedes CDVH von jedem Ziel und jeder Struktur, um die Gesamtdosiskosten
zu erhalten; (c) Annehmen der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung
einer gegebenen Iteration, falls die Gesamtdosiskosten einer gegebenen
Iteration geringer sind als die Gesamtdosiskosten der vorhergehenden Iteration;
(d) Ablehnen der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung einer
gegebenen Iteration, falls die Gesamtdosiskosten einer gegebenen
Iteration größer sind
als die Gesamtdosiskosten der vorhergehenden Iteration; und (e)
Wiederholen der Schritte b-d, bis die vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung
einen Gesamtdosiskostenwert innerhalb eines akzeptablen Niveaus
hat, um eine optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung zu erhalten. Darüber hinaus
kann die vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung durch Simulated-Annealing-Planungsverfahren
der Strahlentherapie errechnet werden und die optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung
kann einem Patienten durch Verwenden eines konformen Strahlentherapiegeräts zugeführt werden.
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Das
Verfahren zum Bestimmen einer optimierten Bestrahlungsstrahlausrichtung
zum Zuführen
von Strahlung auf ein Tumorzielvolumen, während die Bestrahlung auf ein
Strukturvolumen in einem Patienten minimiert wird, kann die folgenden Schritte
umfassen: Bestimmen eines gewünschten CDVH
für mindestens
jeweils ein Ziel oder Struktur, das den gewünschten kumulativen Effekt
einer dem Patienten zugeführten
Strahlendosis darstellt; Berechnen einer vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung,
die vorgeschlagen wird, um sie dem Patienten zuzuführen, die
in Zusammenhang mit den Gesamtdosiskosten steht; Erstellen eines
gewünschten
CDVH für
jedes von mindestens jeweils einem Ziel oder Struktur, das den kumulativen
Effekt der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung darstellt;
Zuordnen einer Vielzahl von Kostenzonen für jedes der gewünschten
CDVHs; Zuordnen einer Zonenwertigkeit für jede der Vielzahl von Kostenzonen
eines jeden CDVH; Bestimmen eines Zonenkostenwertes, der die Zonenkosten
für jede
Kostenzone eines jeden CDVHs von jedem Ziel und jeder Struktur darstellt
für jede
der Vielzahl von Kostenzonen eines jeden gewünschten CDVHs durch Multiplizieren
eines Wertes, der die Zonenwertigkeit der Kostenzone darstellt,
mit einem Wert, der den Quotienten eines Wertes, der den Zonenbereich
der Kostenzone darstellt, welcher durch das vorgeschlagene CDVH
begrenzt wird, und mit einem Wert, der den Zonenbereich der Kostenzone
darstellt, der durch das gewünschte
CDVH begrenzt wird, Bestimmen eines Gesamtzielkostenwertes, der
die Kosten der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung für jedes des
mindestens einen Ziels darstellt, durch Summieren der Zonenkostenwertigkeiten
von jedem des mindestens einen Ziels; Bestimmen eines Gesamtstrukturkostenwertes,
der die Kosten der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung
für jede
der mindestens einen Struktur darstellt, durch Summieren der Zonenkostenwertigkeiten
von jeder der mindestens einen Struktur; und Bestimmen eines Gesamtdosiskostenwertes,
der die Gesamtkosten der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung
darstellt, durch Summieren des jeweiligen Zielkostenwertes und des
jeweiligen Strukturkostenwertes. Darüber hinaus, kann in Antwort
auf die Gesamtkostenwertigkeiten, die vorgeschlagene Dosis, dargestellt
durch das vorgeschlagene CDVH, einem Patienten durch ein konformes
Strahlentherapiegerät
zugeführt
werden, falls der Gesamtdosiskostenwert innerhalb eines akzeptablen
Niveaus liegt, oder die durch das vorgeschlagene Ziel-CDVH dargestellte
Dosis kann zurückgewiesen
werden, falls der Gesamtdosiskostenwert ein akzeptables Niveau übersteigt.
Noch darüber
hinaus kann die vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung errechnet
werden durch Anwenden von Simulated-Annealing-Planungsverfahren der Strahlentherapie.
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Das
Verfahren kann durchgeführt
werden durch Verwenden eines Geräts
zum Bestimmen einer optimierten Bestrahlungsstrahlausrichtung zum Zuführen von
Strahlung auf ein Tumorzielvolumen, während die Bestrahlung eines
Strukturvolumens in einem Patienten minimiert wird, umfassend die
folgenden Schritte: Verwenden eines Computers, um eine vorgeschlagene
Bestrahlungsstrahlausrichtung durch Berechnung zu erzielen; Verwenden
eines Computers, um durch Berechnung die vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung
iterativ zu ändern, wobei
eine Kostenfunktion bei jeder Iteration einfließt, um sich Übereinstimmung
mit den Teilvolumendaten, die in Zusammenhang mit der vorgeschlagenen
Bestrahlungsstrahlausrichtung stehen, zu nähern; und Ablehnen der Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung, falls die Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung zu einer geringeren Übereinstimmung mit
der gewünschten
Vorschrift führt,
und Annehmen der Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung, falls die Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung zu einer größeren Übereinstimmung
mit der gewünschten
Vorschrift führt,
um eine optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung zu erzielen. Weiterhin
können
die Teilvolumendaten durch den Computer, basierend auf einem CDVH,
errechnet werden, das grafisch über
ein Zeigegerät
in den Computer eingegeben wurde, oder die Teilvolumendaten können direkt
in den Computer eingegeben werden.
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Der
Gerät zum
Bestimmen einer optimierten Bestrahlungsstrahlausrichtung zum Zuführen von Strahlung
auf ein Tumorzielvolumen, während
die Bestrahlung eines Strukturvolumens in einem Patienten minimiert
wird, kann umfassen: einen Computer, der so adaptiert ist, um eine
vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung rechnerisch zu erzielen,
der Computer ist weiterhin so adaptiert, um die vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung
iterativ zu ändern,
der Computer ist weiterhin so adaptiert, um eine Kostenfunktion
bei jeder Iteration einzuschließen,
um sich Übereinstimmung
mit den Teilvolumendaten, die in Zusammenhang mit der vorgeschlagenen
Bestrahlungsstrahlausrichtung stehen, mit den Teilvolumendaten,
die in Zusammenhang mit einer vorbestimmten, gewünschten Dosisvorschrift stehen, zu
nähern,
und der Computer kann weiterhin so adaptiert sein, um die Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung abzulehnen, falls
die Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung zu einer geringeren Übereinstimmung mit
der gewünschten
Dosisvorschrift führt,
und um die Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung anzunehmen, falls
die Änderung der
gewünschten
Bestrahlungsstrahlausrichtung zu einer größeren Übereinstimmung mit der gewünschten
Dosisvorschrift führt,
um eine optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung zu erzielen. Das
Gerät kann weiterhin
ein konformes Strahlentherapiegerät umfassen, das mit dem Computer
kommuniziert, um die optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung dem
Patienten zuzuführen.
Die Teilvolumendaten können
außerdem
als ein CDVH dargestellt werden.
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Das
Gerät zum
Bestimmen einer optimierten Bestrahlungsstrahlausrichtung zum Zuführen von Strahlung
auf ein Tumorzielvolumen, während
die Bestrahlung eines Strukturvolumens in einem Patienten minimiert
wird, kann einen Computer umfassen, einschließend: Mittel, um eine vorgeschlagene
Bestrahlungsstrahlausrichtung rechnerisch zu erzielen, Mittel, um
rechnerisch die vorgeschlagene Bestrahlungsstrahlausrichtung iterativ
zu ändern,
Mittel, um eine Kostenfunktion bei jeder Iteration einzuschließen, um
sich einer Übereinstimmung
von Teilvolumendaten, die in Zusammenhang mit der vorgeschlagenen
Bestrahlungsstrahlausrichtung stehen, mit den Teilvolumendaten zu
nähern,
die in Zusammenhang mit einer vorbestimmten gewünschten Dosisvorschrift stehen,
und Mittel zum Ablehnen der Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung, falls die Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung zu einer geringeren Übereinstimmung
mit der gewünschten
Vorschrift führt,
und Annehmen der Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung, falls die Änderung
der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung zu einer größeren Übereinstimmung
mit der gewünschten
Vorschrift führt,
um eine optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung zu erzielen. Das
Gerät kann
darüber
hinaus ein Gerät
zur konformen Strahlentherapie umfassen, das in Kommunikation mit dem
Computer steht, um die optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung
dem Patienten zuzuführen. Darüber hinaus
können
die Teilvolumendaten als ein CDVH dargestellt werden.
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Das
Verfahren zum Bestimmen einer optimierten Bestrahlungsstrahlausrichtung
zum Zuführen
von Strahlung auf mindestens ein Tumorzielvolumen, während die
Bestrahlung von mindestens einem Strukturvolumen in einem Patienten
minimiert wird, kann die Schritte umfassen: Bestimmen gewünschter
Teilvolumendaten für
jedes von mindestens einem Zielvolumen und Strukturvolumen, die
in Zusammenhang mit einer gewünschten
Dosisvorschrift stehen; Eingeben der gewünschten Teilvolumendaten in
einen Computer; Einsatz des Computers in Antwort auf die gewünschten
Teilvolumendaten, um sich durch Berechnung den gewünschten CDVHs
für jedes
mindestens eine Ziel und jede mindestens eine Struktur zu nähern, die
in Zusammenhang mit der gewünschten
Dosisvorschrift stehen; und Einsatz des Computers, um die optimierte
Bestrahlungsstrahlausrichtung zu berechnen, die in Zusammenhang
mit den CDVHs steht, die durch den Computer näherungsweise ermittelt wurden.
Darüber hinaus
können
die CDVHs durch die folgenden Schritte näherungsweise ermittelt werden:
Einsatz des Computers, um rechnerisch einen Satz der vorgeschlagenen
Strahlenwertigkeiten zu gewinnen, Einsatz des Computers, um rechnerisch
den Satz der vorgeschlagenen Strahlenwertigkeiten iterativ zu ändern, Einschließen einer
Kostenfunktion bei jeder Iteration, um die Kosten der Änderung
des Satzes der vorgeschlagenen Strahlenwertigkeiten zu bestimmen;
und Ablehnen der Änderung
an dem Satz der vorgeschlagenen Strahlenwertigkeiten, falls die Änderung
an dem Satz der vorgeschlagenen Strahlenwertigkeiten zu einer geringeren Übereinstimmung mit
den gewünschten
CDVHs führt,
und Annehmen der Änderung
an dem Satz der vorgeschlagenen Strahlenwertigkeiten, falls die Änderung
an dem Satz der vorgeschlagenen Strahlenwertigkeiten zu einer größeren Übereinstimmung
mit den gewünschten CDVHs
führt.
Darüber
hinaus kann die optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung errechnet
werden durch Simulated-Annealing-Planungsverfahren der Strahlentherapie,
die optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung kann dem Patienten
mit einem konformen Strahlentherapiegerät zugeführt werden und die gewünschten
CDVHs können
rechnerisch durch den Computer erstellt werden, basierend auf numerischen
Werten, die den in den Computer eingegebenen Teilvolumendaten entsprechen.
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Das
Verfahren zum Bestimmen einer optimierten Bestrahlungsstrahlausrichtung
zum Zuführen
von Strahlung auf wenigstens ein Tumorzielvolumen, während die
Bestrahlung wenigstens eines Strukturvolumens in einem Patienten
reduziert wird, kann die Schritte umfassen: Unterscheiden jedes
des mindestens einen Tumorzielvolumens und jedes des mindestens
einen Strukturvolumens durch die Art des Ziels oder der Struktur;
Bestimmen von gewünschten
Teilvolumendaten für
jedes des mindestens einen Zielvolumens und Strukturvolumens, die in
Zusammenhang mit einer gewünschten
Dosisvorschrift stehen; Eingeben der gewünschten Teilvolumendaten in
einen Computer; Verwenden des Computers, um eine optimierte Bestrahlungsstrahlausrichtung
durch Berechnung zu erzielen, in Antwort auf die gewünschten
Teilvolumendaten und in Antwort auf die Ziel- oder Strukturart eines
jeden des mindestens einen Tumorzielvolumens und eines jeden des
mindestens einen Strukturvolumens. Weiterhin kann die optimierte
Bestrahlungsstrahlausrichtung dem Patienten mit einem konformen
Strahlentherapiegerät
zugeführt
werden.
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Die
Planungsverfahren und das Gerät
zur Strahlungsdosierung haben, im Vergleich zu früher vorgestellten
Verfahren und Geräten
des Standes der Technik, die Vorteile: einfach und ökonomisch
in der Anwendung zu sein, das aufzuweisen, von dem man glaubt, ein
hohe Sicherheitsfaktor für
Patientensicherheit zu sein; der Errechnung eines optimalen Behandlungsplans,
um im Widerstreit stehenden vorbestimmten Behandlungszielen eines
Arztes zu entsprechen, wobei Zielen sowohl beim Zieltumorvolumen
als auch bei vielfältigen
Gewebestrukturarten Rechnung getragen wird, und wobei CDVH-Kurven bei
der Erstellung der optimalen Strahlausrichtungen genutzt werden,
um die gewünschten
Dosisvorschriften für
jedes Zieltumorvolumen und Gewebe- und Strukturarten zu erzielen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen ist:
-
1 eine
perspektivische Ansicht eines konventionellen Linearbeschleunigers,
einschließlich einer
rotierbaren Liege, eines Kollimators und einer Gantry;
-
2 ein
Flussdiagramm eines Bestrahlungsplanungssystems zum Steuern des
Betriebs des Geräts
der vorliegenden Erfindung;
-
3 eine
Ziel-CDVH-Kurve, verwendet in dem System der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine
Struktur-CDVH-Kurve, verwendet in dem System der vorliegenden Erfindung;
-
5 eine Vorschriftstafel des Systems der vorliegenden
Erfindung;
-
6A eine
Dosisbehandlung, die das Verhältnis
der Dosis eines einzigen Behandlungsstrahls beim Durchtritt durch
ein Behandlungsfeld zeigt; und
-
6B eine
Dosisbehandlung, die das Verhältnis
der Dosis zweier Behandlungsstrahlen beim Durchtritt durch ein Behandlungsfeld
zeigt.
-
Während die
Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beschrieben wird, wird es verstanden werden, dass es nicht beabsichtigt
war, die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel zu beschränken. Im
Gegenteil war es beabsichtigt, alle Alternativen, Modifikationen
und Äquivalente,
die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen und durch die nachfolgenden
Ansprüche
definiert werden, zu erfassen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Simulated-Annealing-Planungsverfahren
der Strahlentherapie (SARP-Verfahren; SARP: Simulated Annealing
Radiotherapy Planning) sind in der Technik wohl bekannt, um optimierte
Behandlungsstrahlausrichtungen zu berechnen, um objektive Parameter
eines Arztes im Hinblick auf im Widerspruch stehende Behandlungsziele
eines Tumorvolumens und dessen umgebende Strukturen zu erfüllen. Bestehende
SARP-Verfahren nutzen systematische Algorithmen, um eine vorgeschlagene,
optimierte Strahlausrichtung zu berechnen. Moderne LINACS bestrahlen
eine Tumorstelle, indem mehrere Durchgänge entlang variierender Bögen gemacht
werden, die sich dem Zielvolumen entlang verschiedener Eintrittsbahnen
nähern,
wobei jeder Bogen zu einem Punkt, zentral zu einem Zielvolumen,
gerichtet wird, der im Allgemeinen als Epizentrum des Behandlungsvolumens
bezeichnet wird. Jeder Durchgang des Behandlungsstrahls wird die
Teile des Tumors und der umgebenden Strukturen bestrahlen, die innerhalb
dieses Bogens passieren. Durch Nutzen solcher mehrfacher Strahldurchgänge werden
bestimmte Teile des Behandlungsfelds nur von einigen dieser Strahlbögen bestrahlt,
während
andere Teile des Behandlungsfelds von jedem Strahlbogen bestrahlt werden.
Dadurch wird die höchste
Dosiskonzentration am Epizentrum bewirkt.
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Zieht
man 6A und 6B als
Beispiele heran, so zeigt 6A eine
Dosisbeziehung für
den Zentralstrahl eines auf ein Behandlungsfeld gerichteten Einzelstrahls
aus der Richtung, die durch den Pfeil 600 angegeben ist.
Das dreidimensionale Behandlungsfeld ist auf ein zweidimensionales
Gitter 601 projiziert dargestellt. In diesem Beispiel wäre bei Verwendung
eines Einzelstrahls die Strahlenwertigkeit oder -intensität am Epizentrum 602 78
% der Dosis am Eintrittspunkt 603. Wenn ein zweiter Strahl
mit gleicher Intensität
auf das Behandlungsfeld aus der durch den Pfeil 610 (6B)
gekennzeichneten Richtung gerichtet und so platziert wäre, dass
sich die beiden Strahlen nur am Epizentrum 602 überschneiden,
so wäre
die Dosis am Epizentrum 602 zweimal 78 % oder 156 % der
Dosis jedes entsprechenden Behandlungsstrahls. Der kumulative Effekt von
multiplen Strahlen, die von verschiedenen Eintrittsbahnen 600, 610 durch
das Behandlungsfeld treten, erzeugt dabei eine am Epizentrum 602 auftretende
Dosiskonzentration.
-
Die
optimale Strahlausrichtung wird erreicht durch iterative Erhöhung der
Strahlenwertigkeit durch Berechnung, wobei eine Kostenfunktion eingeschlossen
wird, um sicherzustellen, dass eine iterative Änderung der Strahlenwertigkeit
nicht in einer unakzeptablen Exposition von Volumina von Gewebe oder
anderen Strukturen, die der vorgeschlagenen Dosis ausgesetzt werden,
resultiert. Bei jeder Iteration wird die aus der vorgeschlagenen
Strahlauswahl resultierende Dosisverteilung mit einer vorgeschriebenen
Dosis für
Tumorvolumen und umgebende Gewebestrukturen verglichen. Falls die
Erhöhung
oder Verringerung der Strahlenwertigkeiten zu einer größeren Übereinstimmung
mit der gewünschten
Vorschrift führen
würde,
wird die Änderung
angenommen. Schließlich
liefert das SARP-Verfahren einen optimierten Behandlungsplan, basierend
auf den Behandlungszielen, die durch die Kostenfunktion, die in den
SARP-Algorithmus eingeschlossen sind, ausgedrückt werden.
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Das
System der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein verbessertes, optimiertes
Behandlungsplanungssystem, das multiplen Behandlungsparametern,
sowohl für
ein Ziel als auch mehrere umgebende Strukturarten, Rechnung trägt. Das
System beinhaltet eine modifizierte Kostenfunktion, die es einem
Arzt erlaubt, konventionelle kumulative Dosis-Volumen-Histogramme
(„CDVH"s) zu verwenden,
um eine gewünschte
Dosisvorschrift für
sowohl das Zielvolumen oder Ziel als auch jedes involvierte Strukturvolumen
oder Struktur zu erstellen, welche dann als Eingabe für das System
zur Bestimmung der vorgeschlagenen Bestrahlungsstrahlausrichtung zum
Zuführen
auf einen Patienten verwendet werden. Das Optimierungsverfahren
kann unter Verwendung konventioneller Ausrüstung durchgeführt werden,
einschließend
einen konventionellen Linearbeschleuniger („LINAC") 300, wie in 1 gezeigt,
der eine rotierbare Gantry hat, einen konventionellen Computer oder
Satz von Computern und Planoptimierungssoftware, die die Optimierungsverfahren der
vorliegenden Erfindung nützt.
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2 zeigt
einen Vorgang zur Erstellung eines Behandlungsplans, bei dem das
System der vorliegenden Erfindung genützt wird. Der erste Schritt dieses
Verfahrens wird im Allgemeinen als Registrierungsprozess, Schritt 800,
bezeichnet. Dies ist der Prozess-Schritt, bei dem ein Satz an konventionellen Achsenschnittbildern
des durch konforme Strahlentherapie der vorliegenden Erfindung zu
behandelnden Teils des Patienten ausgerichtet wird. Diese Bilder
werden zuerst durch konventionelles computertomographisches („CT") Abtasten oder Magnet-Resonanz-Darstellungstechniken
(„MRI"), die ein Bild produzieren,
das einen Gewebe-„Schnitt" mit anatomischer
Genauigkeit darstellt, erhalten. Die Serien der „Schnitte", die die komplette CT- oder MRI-Studie
bilden, stellen ein dreidimensionales Bild eines bestimmten Teils
des Patienten dar zur Sichtbarmachung als valider, dreidimensionaler
Datensatz. Die resultierenden Daten werden durch Stichprobenerhebung
der Eingabedaten, Bestimmung gemeinsamer Marken mit bekannter Geometrie
und Verändern der
Daten, damit sie korrekt ausgerichtet werden, erhalten. Die resultierende
Auflösung
wird so eingestellt, dass sie geometrisch korrekt ist, basierend
auf dem vorher beschriebenen verwendeten bekannten Patientenfixiergerät, und,
falls Bilder vom Film gescannt wurden, wird eine Grauskala-Bildnormalisierung
durchgeführt,
basierend auf Referenzgraubalken, die in den Bildern enthalten sind.
Es werden konventionelle, zweidimensionale Bildveränderungstechniken
verwendet, mit für
die Auflösungseinstellung
erforderlichem Supersampling und Filterung. Vom Bediener des Plansystems
wird die Beabstandung der Bildschnitte eingegeben und durch die
bekannte Patientenfixierungsgerätgeometrie
verifiziert.
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Der
nächste
Schritt des Systems wird im Allgemeinen als Werkzeuge der Anatomie,
Schritt 801, bezeichnet. Der Arzt identifiziert das dreidimensionale
Volumen der für
die Strahlungsplanung signifikanten Struktur in einer konventionellen
Art, wobei der Arzt anatomische Strukturen basierend auf Bildern, die
Schnitt-für-Schnitt
darstellen, identifiziert.
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Die
Vorschriftstafel, Schritt 802, erlaubt dem Arzt die Eingabe
des gewünschten
Ziels der Strahlungstherapiebehandlung in das Planungssystem, das
im Planoptimierungsschritt 803 verwendet wird.
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3 und 4 zeigen
konventionelle Ziel- und Struktur-CDVH-Kurven 100 bzw. 200,
die typischerweise von einem Arzt bei Überprüfung des Effekts einer abgegebenen
Dosis auf ein Ziel oder eine Struktur verwendet werden, bevor diese
Dosisverteilung dem Patienten zugeführt wird. Ärzte und Fachleute für Bestrahlungsdosierung
sind mit CDVH-Kurven 100, 200 vertraut; sie sind
jedoch typischerweise daran gewöhnt,
eine Dosisverteilung nach Optimierung eines Behandlungsplans zu
analysieren. Im Gegensatz dazu werden die bekannten CDVH-Kurven 100, 200 von
einem Arzt verwendet, der das System der vorliegenden Erfindung
nicht nur beim Ausgabevorgang, Schritt 807 (2),
verwendet, welcher nachfolgend detailliert beschrieben werden wird; sondern
auch vor dem Planoptimierungsschritt 803 (2),
um Teilvolumendaten für
jedes Ziel und jede Struktur zu erstellen, die die Dosislimits und
andere Parameter darstellen, wie nachfolgend detailliert beschrieben
werden wird, um Eingabeparameter für die Kostenfunktion der vorliegenden
Erfindung erstellen, die in dem Vorschriftstafel-Schritt 802 (2)
der vorliegenden Erfindung eingegeben werden können.
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Die
in dem System der vorliegenden Erfindung verwendeten CDVH-Kurven 100, 200 sind
aus von Teilvolumendaten für
jedes Ziel und jede Struktur eines bestimmten Patienten erstellt.
Im System der vorliegenden Erfindung werden Teilvolumendaten vom
Anwender während
des Vorschriftstafel-Schrittes 802 (2) eingegeben. 5 zeigt eine für die Eingabe von Teilvolumendaten
in das Planungssystem der vorliegenden Erfindung verwendete Ausführung einer
Vorschriftstafel 400. Die Teilvolumendaten beschreiben
im Allgemeinen, welcher Prozentsatz eines Tumorvolumens oder einer
Struktur welche Dosis erhalten kann. Nun mit Bezug auf 3,
können die
Teilvolumendaten für
ein Ziel Daten enthalten, die Werten entsprechen, die als Datenpunkte
auf einer Ziel-CDVH-Kurve 100 dargestellt sind. Der am
Ziel zu erreichende Zieldosiswert Bd ist die im Zielvolumen zu erreichende
gewünschte
Dosis; der Zielmaximumdosiswert C ist die maximale Dosis, die irgendein
Teil des Ziels erhalten soll; der Zielminimumdosiswert A ist die
minimale Dosis, die irgendein Teil des Zielvolumens, der mit einer
zu geringen Dosis versorgt werden wird, erhalten soll; und der Teil
des Zielvolumens, der eine höhere
Dosis als die Zieldosis haben soll, kann durch den Zielprozentsatz über dem
Zielwert Bv dargestellt werden. Der am Ziel zu erreichende Zieldosiswert
Bd und der Zielprozentsatz über
dem Zielwert Bv umfassen die Koordinaten von Datenpunkt B.
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Eine
erläuternde
Ziel-CDVH-Kurve 100 ist in 3 gezeigt.
Beispielsweise kann ein Arzt bestimmen, dass ein gegebenes Zielvolumen
weniger als 80 Gy erhalten muss. Deshalb wäre der Zielmaximumdosiswert
C 80 Gy, wobei kein Teil des Zielvolumens eine kumulative Dosis
von 80 Gy erhalten könnte.
Danach kann der Arzt bestimmen, dass die gewünschte kumulative Dosis für das Zielvolumen
75 Gy sein sollte und dass nur fünf
(5 %) Prozent des Zielvolumens eine kumulative Dosis von weniger
als 75 Gy erhalten sollten. Deshalb sollten fünfundneunzig (95 %) Prozent
des Zielvolumens eine kumulative Dosis von mehr als 75 Gy erhalten.
Dementsprechend wäre
am Ziel der gewünschte
Zieldosiswert Bd 75 Gy und der Zielprozentsatz über dem Zielwert Bv wäre fünfundneunzig
(95 %) Prozent. Schließlich kann
der Arzt bestimmen, dass das gesamte Ziel einen Minimumdosiswert
von 70 Gy erhalten soll. Deswegen wäre der Zielminimumdosiswert
A 70 Gy. Die durch Auftragen dieser Werte als eine konventionelle CDVH-Kurve
erhaltene Ziel-CDVH-Kurve 100 ist in 3 gezeigt.
Nachdem der Arzt die gewünschten Ziele
in das System gemäss
Vorschriftstafel-Schritt 802 (2) eingegeben
hat, kann das System der vorliegenden Erfindung die entsprechende Ziel-CDVH-Kurve 100 für die Überprüfung durch
den Arzt anzeigen. Alternativ dazu kann der Arzt die Ziel-CDVH-Kurve 100 grafisch
darstellen durch Verwenden einer Maus oder eines andere Zeigegeräts und das
System würde
dann die numerischen Werte zeigen, die die Ziele am Ziel, entsprechend
der Ziel-CDVH-Kurve 100, darstellen.
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Unter
Bezug auf 4 ist ein beispielhaftes Struktur-CDVH 200 gezeigt.
Zum Beispiel können
die Teilvolumendaten für
eine Struktur Daten beinhalten, die Werten entsprechen, die als
Datenpunkte auf einer Struktur-CDVH-Kurve 200 dargestellt
sind. Der Strukturdosisgrenzwert Bd' ist das gewünschte Dosislimit, das nicht
im Volumen einer sensitiven Struktur überschritten werden darf; der
Strukturmaximumdosiswert C' ist
die maximale Dosis, der von irgendeinem Teil der Struktur erhalten
darf; der Strukturminimumdosiswert A' ist die Dosis, unterhalb der kein nennenswerter
Nutzen durch Reduzieren der Exposition der Struktur erreicht wird;
und der Teil des Strukturvolumens, der eine höhere Dosis als die Zieldosis erhält, kann
durch den Strukturprozentsatz über
dem Grenzwert Bv' dargestellt
werden. Der Strukturdosisgrenzwert Bd' und der Strukturprozentsatz über dem Grenzwert
Bv' umfassen die
Koordinaten des Datenpunkts B'.
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Eine
erläuternde
Struktur-CDVH-Kurve 200 ist in 4 gezeigt.
Als Beispiel, ein Arzt kann bestimmen, dass ein gegebenes Strukturvolumen
weniger als 60 Gy erhalten muss. Deshalb wäre der Strukturmaximumdosiswert
C' 60 Gy, wobei
kein Teil des Strukturvolumens eine kumulative Dosis von 60 Gy erhalten
kann. Danach kann der Arzt bestimmen, dass das gewünschte kumulative
Dosislimit für
das Strukturvolumen 50 Gy sein soll, und dass nur zwanzig (20 %)
Prozent des Strukturvolumens mehr als diese kumulative Dosis erhalten
sollen. Deshalb müssten
achtzig (80 %) Prozent des Strukturvolumens eine kumulative Dosis
von weniger als 50 Gy erhalten. Dementsprechend wäre das Strukturdosislimit
Bd' 50 Gy und der
Strukturprozentsatz über
dem Grenzwert Bv' wäre zwanzig
(20 %) Prozent. Schließlich
kann der Arzt bestimmen, dass es keinen nennenswerten Nutzen durch
die Reduktion der Exposition auf die Struktur von weniger als 45
Gy gibt. Deshalb wäre
der Strukturminimumdosiswert A 45 Gy. Die durch Auftragen dieser
Werte als eine konventionelle CDVH-Kurve erhaltene Struktur-CDVH-Kurve 200 ist
in 4 gezeigt. Nachdem der Arzt die gewünschten
Strukturziele in das System gemäß dem Vorschriftstafel-Schritt 802 (2)
eingegeben hat, kann das System der vorliegenden Erfindung die entsprechenden
Ziel- und Struktur-CDHV-Kurven 100, 200 zur Überprüfung durch
den Arzt anzeigen. Alternativ dazu kann der Arzt die Ziel- und Struktur-CDVH-Kurven 100, 200 grafisch
darstellen durch Verwenden einer Maus oder eines anderen Zeigegeräts und das
System würde
dann die numerischen Werte, die die Ziele entsprechend der CDVH-Kurven 100, 200 darstellen,
anzeigen. In jedem Fall können
die resultierenden CDVH-Kurven sowohl für das Ziel als auch die Strukturen
verglichen werden, um sicherzustellen, dass die Strukturkurven innerhalb
der Grenzen der Zielkurven liegen. Dies kann durch manuelle Überlagerung
der Grafiken erreicht werden, oder in einer bevorzugten Ausführung, durch
gleichzeitige Anzeige der Grafiken entlang der numerischen Darstellungen
der Teilvolumendaten wie in 5 gezeigt.
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5 zeigt eine Ausführung einer Vorschriftstafel 400,
die im Vorschriftstafel-Schritt 802 der vorliegenden Erfindung
Verwendung findet, bei der die numerischen Werte für die Zielvolumendaten
für jedes
Ziel und jede Struktur eingegeben wurden. Die entsprechenden Ziel-
und Struktur-CDVH-Kurven 100, 200 werden in einem
Grafikfenster 401 angezeigt.
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Im
Planoptimierungsschritt 803, ist die Strahlungsplanoptimierung
ein spezieller Fall eines inversen Problems, wobei das Ziel ist,
den besten Weg zum Erreichen der Dosisvorschrift zu bestimmen. Es wird
eine SARP-Technik verwendet, um diese Optimierung durchzuführen durch
Teilen der Strahlungszufuhr in eine große Anzahl von kleinen Strahlen,
von denen jeder das Ziel trifft. Der verwendete Ablauf aus Annealing
und Kühlung
passt in die Klasse von FSA-Techniken (Fast-Simulated-Annealing).
Außer der
vorgenannten, detaillierten Beschreibung der in vorliegendem System
genützten
Kostenfunktion sind die Details der vorangehenden simulierten Annealing-Techniken
in der Technik wohl bekannt und beschrieben in Publikationen wie „Optimization
of Conformal Radiotherapy Dose Distributions by Simulated Annealing", S. Webb, Physics
and Medical Biology, Band 34, Seiten 1349 bis 1370 (1989); und „Optimization
of Conformal Radiotherapy Dose Distributions by Simulated Annealing:
2. Inclusion of Scatter in the 2d Technique", S. Webb, Physics and Medical Biology,
Band 36, Seiten 1227 bis 1237, (1991). Ein geeigneter Computer wird
beim Ausführen
des Planoptimierungsschritts verwendet, sowie bei den anderen Schritten
des Bestrahlungsplanungssystems.
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Mit
nochmaligem Bezug auf 3 und 4 unter
Verwendung von bekannten Ziel- und Volumen-CDVH-Kurven, wie Ziel- und Volumen-CDVH-Kurven 100, 200 (3 und 4), können bestimmte
Bereiche oder Zonen der CDVH-Kurven als wichtiger für eine bestimmte
Art von Ziel oder Struktur identifiziert werden. Vom Computer werden
dann nach experimenteller Erzeugung durch den Anwender relative
Wertigkeiten zugewiesen, die das gewünschte Ziel jeder Zielart oder
Strukturart erreichen werden, wenn sie, wie weiter unten beschrieben
wird, mittels der Kostenfunktion der vorliegenden Erfindung angewendet
werden. In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Zielvolumen-CDVH-Kurve 100 (3)
sieben Zonen T1-T7. Die Zonen T1-T6 stellen Gebiete oberhalb und
unterhalb der Zielvolumen-CDVH-Kurve 100 dar, während die
Zone T7 die Länge
der sich von der Achse 101, welche das Zielvolumen darstellt,
zum Datenpunkt A, welcher den Wert aus Zielwert minus Dosiswert
darstellt, erstreckenden Linie darstellt. Gleichermaßen kann
nun mit Bezug auf 4 die Strukturvolumen-CDVH-Kurve 200 (4) ähnlich sieben
Zonen S1-S6, und S8, umfassen. Zonen S1-S6 und S8 stellen jeweils
die jeweiligen Bereiche oberhalb und unterhalb der Struktur-CDVH-Kurve 200 dar.
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Die
Kostenfunktion ist eine analytische Bestimmung, ob, falls irgendeine Änderung
bezüglich der
Stärke
der für
die Behandlung des Patienten verwendeten Strahls gemacht wird, die
resultierende Dosisverteilung näher
an dem vom Benutzer gewünschten
Ergebnis liegt. In der in der vorliegenden Erfindung verwendeten
Kostenfunktion kann zum Beispiel jedem Bereich oder jeder Zone des
CDVH eine relative Wertigkeit zugeschrieben werden entsprechend
der Wichtigkeit dieses Bereichs oder Zone des CDVH. Zonenkosten
werden dann für
das Ziel und jede Struktur errechnet, zum Beispiel gemäß der folgenden
Formel: Cz = Wz·(Ap/Ad),worin
Cz die Kosten für die gegenwärtige Zone
sind, Wz die der gegenwärtigen Zone zugeordnete Wertigkeit,
Ap der Bereich der gegenwärtigen Zone
einer vorgeschlagenen CDVH-Kurve oder Pseudo-Kurve ist, und worin Ad der
Bereich der gegenwärtigen
Zone der gewünschten
CDVH-Kurve bis auf Zielzone T7 ist, worin Ad die Länge, dargestellt
durch die Zielzone T7 und Strukturzone S8, ist, worin Ad die Länge, dargestellt
durch die Strukturzone S8, ist. Nachdem alle Zonenkosten berechnet
sind, werden die Ziel- oder Strukturkosten für jedes Ziel oder jede Struktur
gemäß der folgenden
Formel berechnet: CT =
Cz1 + Cz2 + Cz3 + ... + Czn, und CS = Cz1 +
Cz2 + Cz3 + ...
+ Czn,worin CS und
CT die Kosten für jede Struktur oder Zone sind
und worin Cz1, Cz2,
Cz3 und Czn die
Kosten sind, die für
jede Zone der ersten, zweiten und dritten bis n-ten Zone jedes Ziels
oder Struktur berechnet worden sind. Die Gesamtkosten für die Änderung
an der vorgeschlagenen Strahlverteilung werden dann gemäß der folgenden
Formel berechnet: CTotal =
CS + CT worin
CTotal die Gesamtkosten der vorgeschlagenen Änderung
an der Strahlverteilung sind.
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Mit
anderen Worten sind höhere
Kosten mit der Änderung
an der vorgeschlagenen Strahlverteilung verbunden, wenn der Bereich
unter der vorgeschlagenen CDVH-Kurve oder Pseudo-Kurve größer ist
als der Bereich unter der gewünschten
CDVH-Kurve. Das System wird deshalb die an den Strahlen vorgenommene
Veränderung
ablehnen und wird erneut versuchen, die Strahlenwertigkeiten zu ändern, um die
Gesamtkosten, gemäß in der
Technik wohlbekannten konventionellen Optimierungstechniken, zu verringern.
Wo die Ziele an der Zielstruktur und Strukturgrenzen miteinander
kollidieren, werden Strahlveränderungen
die Kosten beim Ziel verringern, während sich die Kosten in einer
oder mehreren Strukturen erhöhen
werden. Eine Bestimmung, ob diese Strahlveränderung vom System aufrechterhalten
wird oder nicht, hängt
von den relativen Veränderungen
in den Ziel- und Strukturkosten ab.
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Durch
Zuordnen verschiedener Wertigkeiten zu verschiedenen Zonen der CDVH-Kurven
können unterschiedliche
Resultate erhalten werden. Deshalb fließen die Wertigkeiten in die
Software ein, ein Ergebnis im Sinn habend, und der Anwender muss
verstehen, welche Art von Ergebnissen die zugeordneten Wertigkeiten
erzielen werden. Ein Fachmann wird in der Lage sein, die gewünschten
Wertigkeiten ohne übermäßiges Experimentieren
auszuwählen,
um ein gewünschtes
Ergebnis im System zu erzielen. Zum Beispiel ist in einer Implementierung
der Erfindung, das Aussparen sensitiver Strukturen gegenüber der Behandlung
des gesamten Ziels vorzuziehen, um Komplikationen zu vermeiden,
die aus der Zuführung von
Strahlung resultieren können.
Das Aussparen sensitiver Strukturen wird dadurch erreicht, dass
eine Dosisverteilung zugeführt
wird, wobei die vorgeschlagene Struktur-CDVH-Kurve oder Struktur-Pseudo-Kurve
mit der gewünschten
Struktur-CDVH-Kurve äquivalent
oder besser als die gewünschte
Struktur-CDVH-Kurve ist. Um dieses Ergebnis zu erhalten, müssen Wertigkeiten
so ausgewählt
werden, dass die Änderung
abgelehnt wird, falls eine Strahländerung durchgeführt wird,
welche die vorgeschlagene Ziel-CDVH-Kurve oder Ziel-Pseudo-Kurven
verbessert, aber die vorgeschlagene Struktur-CDVH-Kurve oder Struktur-Pseudo-Kurven
verschlechtert. Deswegen sollten hohe Wertigkeiten den Strukturzonen
zugeordnet werden, die bestimmt sind, einem Risiko für strukturelle
Verletzung ausgesetzt zu sein, so wie Zonen S4, S5 und S8. Die tatsächlichen,
zugeordneten Wertigkeiten basieren auf klinischer Erfahrung eines Fachmanns.
Diese Wertigkeiten können
dann in das System einprogrammiert werden, so dass sie wiederholt
verwendet werden können,
um ein gewünschtes Ergebnis
zu erzielen.
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Die
klinische Erfahrung hat gezeigt, dass es zwei Arten von Strukturen
gibt, jede Kategorie davon reagiert unterschiedlich auf Strahlung.
Für bestimmte Strukturarten
ist die maximale Dosis, die von irgendeinem Teil der Struktur erhalten
wird, der Hauptfaktor bei der Bestimmung, ob eine Komplikation auftreten
wird oder nicht. Ein Beispiel einer solchen Struktur, die als biologisch
polymorphe Struktur („BP-Struktur") bezeichnet werden
kann, ist das Rückenmark.
In solch einer Struktur erfüllt
jeder Teil der Struktur eine bestimmte Funktion; falls ein Teil
der Struktur, egal wie klein, zerstört ist, ist die Gesamtfunktion
der Struktur betroffen. Im Wege der Analogie, die BP-Art der Struktur
kann als Reihenschaltung angesehen werden. Falls ein Teil der BP-Struktur, egal
wie klein, unterbrochen wird, funktioniert der Schaltkreis nicht
mehr. Durch Verwenden einer ähnlichen
Analogie, die BP-Struktur steht im Gegensatz zu einer biologisch
einheitlichen Struktur („BU-Struktur"), die als eine Parallelschaltung
angesehen werden kann, wo alle Teile der BU-Struktur dieselbe Funktion
haben. Das Überdosieren
eines Teils der BU-Struktur durch eine letale Dosis für jenen
Teil der BU-Struktur kann annehmbar sein, solange ein ausreichender
Teil der BU-Struktur erhalten bleibt.
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Für eine BP-Struktur
können
die Zonen S4, S5 und S8 als wichtig ausgewählt werden, wobei die Zone
S8 die maximale Dosis darstellt, die von irgendeinem Teil der Struktur
erhalten wird, die als die wichtigste Zone für diese Strukturart ausgewählt ist. Für eine BU-Struktur,
wo die maximale Dosis solange nicht wichtig ist, solange das gewünschte Volumen der
Struktur unter das gewählte
Limit fällt,
kann nur die Zone S4 wichtig sein. Deswegen werden hohe Wertigkeiten
für Zonen
S4, S5 und S8 in BP-Strukturen gewählt. Entsprechend können hohe
Wertigkeiten für
BU-Strukturen nur in Zone S4 gewählt
werden.
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Die
Auswirkung auf die Unterscheidung zwischen BP- und BU-Strukturen
kann gezeigt werden, wo es ein einziges Ziel oder eine einzige Struktur gibt.
Eine Änderung
kann am Strahl gemacht werden, die eine Reduzierung der Zielkosten
verursacht. Diese Strahlveränderung
kann die Zunahme der Fläche in
der Zone S5 der CDVH-Kurve für
die Struktur bewirken. Wenn die Struktur eine BU-Struktur ist, dann gibt
es keinen Anstieg in den Gesamtkosten in Zusammenhang mit der Strahlveränderung,
da der Zone S5 in der BU-Struktur eine sehr niedrige relative Wertigkeit
zugeordnet wurde. Deshalb wird das System diese Strahlveränderung
annehmen. Ist die Struktur jedoch eine BP-Struktur, dann gibt es
einen Anstieg in den Gesamtkosten in Zusammenhang mit der Strahlveränderung,
da der Zone S5 in der BP-Struktur eine hohe relative Wertigkeit
zugeordnet wurde. In solch einem Fall wird das System die Strahlveränderung,
die den Anstieg in den Gesamtkosten in Zusammenhang mit der Strahlveränderung verursacht
hat, nicht annehmen, und das System wird versuchen, eine andere
Strahlveränderung
unternehmen, um die Gesamtkosten für die Strahlverteilung zu reduzieren.
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Sowohl
für BP-
als auch für
BU-Strukturen wäre
es wünschenswert,
eine Strahlverteilung zu erzielen, die in einer günstigeren
CDVH-Kurve für
jede Struktur resultiert als die gewünschte CDVH-Kurve für jene Strukturen,
falls dies bei gleichzeitiger Erzielung der Ziele an der Zielstruktur
möglich
ist. Deshalb würde
den Zonen zur Linken der gewünschten CDVH-Kurven
(Zonen S1 und S3) ebenfalls positive Wertigkeiten zugeordnet werden,
obwohl diese Wertigkeiten relativ klein sein würden. Solch eine Auswahl an
Wertigkeiten würde
das System dazu veranlassen, Strahländerungen auszuwählen, die
diese Zonen der vorgeschlagenen CDVH-Kurve links von der gewünschten
CDVH-Kurve für
solche Strukturen anheben, solange die Strahländerungen die Kosten in Zusammenhang
mit dieser Strahländerung
für das Ziel
nicht erhöhen.
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In
einer besonderen Anwendung kann es ebenfalls gewünscht sein, dass alle Zielstrukturen ihre
Ziele, ungeachtet der den Strukturen zugeführten Strahlung, erhalten.
Es kann jedoch auch gewünscht
sein, dass die Dosis für
die Strukturen so lange begrenzt wird, wie solche Strukturendosisbegrenzungen
nicht die Fähigkeit
zur maximalen Behandlung des Ziels beeinträchtigen. In dieser Anwendung
müssen
hohe Wertigkeiten den Zonen T1, T3 und T7 im Ziel zugeordnet werden.
Die relativen Wertigkeiten werden dann so zugeordnet, dass sie hoch genug
sind, um sicherzustellen, dass die Ziele an den Zielstrukturen erfüllt werden,
dass sie aber nicht so hoch sind, dass der Effekt auf die Dosis
für die
Strukturen komplett ignoriert wird.
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Die
Wertigkeiten können
dann an Hand von Erfahrung und durch geringfügiges Experimentieren durch
einen Fachmann so gewählt
werden, dass die folgenden Behandlungsziele in einer gewünschten Anwendung
in Abhängigkeit
von der Aggressivität des
Behandlungsplans erreicht werden können: In einer Anwendung, in
der das System die Tendenz hat, die Strukturen zu schützen, können die
Wertigkeiten so gewählt
werden, dass sichergestellt wird, dass alle Strukturgrenzen eingehalten
werden, während
den Zielen an der Zielstruktur gleichzeitig ermöglicht wird, wo es möglich ist,
erreichen zu werden; in einer anderen Anwendung, in der das System
die Tendenz hat, das Ziel zu behandeln, können die Wertigkeiten so gewählt werden,
dass sichergestellt wird, dass alle Ziele an der Zielstruktur erreicht
werden und es gleichzeitig ermöglicht
wird, wo es möglich
ist, Strukturgrenzen zu erreichen; in einer dritten Anwendung können die
Wertigkeiten durch das System so angepasst werden, dass die Strahländerungen
basierend auf einer gleitenden Skala innerhalb der vorangegangenen
Anwendungen beeinflusst werden. Ein Anwender kann das System anweisen,
die Strahlverteilung gemäß der gewünschten
Anwendung zu beeinflussen. In dem Fall der oben angeführten dritten
Anwendung kann vom Benutzer zum Beispiel ein Wert zwischen 0 und
10, willkürlich
einen Wert von 0, der das Erreichen von Zielen an der Zielstruktur
darstellt, und einen Wert von 10 aufweisend, der das Bewahren von
Strukturen darstellt, eingegeben werden, so dass die Strahlenwertigkeiten
entsprechend dem gewünschten
Ergebnis zugeordnet werden. Zum Beispiel kann die Auswahl von 5
vom Benutzer so gewählt
werden, dass Wertigkeiten durch das System so zugeordnet werden,
dass das System gleichmäßig zwischen
der Behandlung des Zielvolumens und dem Schutz der Strukturvolumen
beeinflusst wird. Eine Auswahl von 3 würde dann das System in Richtung
der Behandlung des Zielvolumens verschieben, während eine Auswahl von 7 das
System in Richtung des Schutzes der umgebenden Strukturen verschieben
würde.
Die in der vorliegenden Erfindung angewendete Kostenfunktion kann
leicht von einem Fachmann in einen bestehenden SARP-Algorithmus
eingebaut werden.
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Mit
nochmaligem Bezug auf 2 ist der nächste Schritt im Planungssystem
der Schritt 804, die Instrumentenanpassung. Der resultierende,
optimierte Satz an Strahlungsstrahlpositionen und Strahlenwertigkeiten
oder Strahlenintensitäten
für Bestrahlungsstrahlsegmente
wird an die Zuführfähigkeiten
des LINAC-Geräts 300 (1)
nach der Optimierung angepasst. Ein iterativer Prozess wird genutzt, um
OF-Einstellungen (Ausgabefaktor-Einstellungen; OF: engl. Output
Factor), der zeitlichen Abstimmung der Bewegungen der Bauteile und
Beschränkungen der
gleichzeitigen Bewegungen Rechnung zu tragen, um Steuerinformation
für das
LINAC-Gerät 300 (1)
zu erhalten, die den optimierten Behandlungsplan darstellt und innerhalb
der Beschränkungen
in der Bedienung des LINAC-Geräts 300 (1) zugeführt werden
können.
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Ein
Stärkenormalisierungsschritt 805 normalisiert
weiter die Rotationsbögen,
durch die sich die Strahlungsstrahlquelle bewegt, um sicherzustellen, dass
der Tumor eine gleichmäßige Strahlungsdosis aus
jeder Position erhält,
die so ausgewählt
sind, um das zu eliminieren, was als „heiße" oder „kalte" Regionen im behandelten Gewebevolumen
bekannt ist. Dieser Schritt kann durch Variieren der Strahlungsdosisrate
der Strahlungsquelle ausgeführt
werden und kann durch Anwenden einer konventionellen, einfachen
linearen Skalierungstechnik bewerkstelligt werden.
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In
Dosissimulationsschritt 800 wird die Strahlungsdosis für den Patienten
simuliert, basierend auf der Steuerinformation für das LINAC-Gerät 300 (1).
Der in diesem Schritt verwendete Algorithmus wird auf der dreidimensionalen
modifizierten Pfadlängentechnik
(Three-Dimensional Modified Path Length Technique) basiert, die
in der Technik wohlbekannt ist. Beispiele dieses Algorithmus werden
in den folgenden Publikationen diskutiert: „Algorithm for Dosimetry of
Multiarc Linear Accelerator Stereotactic Radiosurgery", G. Luxton et al.,
Medical Physics, Band 18, Seite 1211-1221 (1991); „Dosage Calculations
in Radiation Therapy",
W.L. Saylor, herausgegeben von Urban & Schwarzenberg (1979).
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Der
Ausgabevorgangsschritt 807 erlaubt dem Arzt, die simulierte
Strahlungsdosisinformation zu überprüfen und
den Strahlungsplan für
die Patientenzufuhr zu genehmigen. Nach einer solchen Überprüfung und
Genehmigung wird eine Diskette erstellt, die die Daten zur Steuerung
des LINAC-Geräts 300 (1)
für den
spezifischen Strahlungszufuhrfall enthält. Die Daten beinhalten Instruktionen
für die
zeitliche Abstimmung und die Bewegung der Bauteile, Strahlungsquelleneinstellinformation
und konventionelle Patienteninformation. Nachdem die vorgenannten
Schritte ausgeführt
worden sind, wird Schritt 808, Zufuhrsystem, ausgeführt ist,
worin die Verfahrensschritte der konformen Strahlungstherapieverfahren der
vorliegenden Erfindung wie vorher beschrieben ausgeführt werden,
um den Tumor in dem Patienten zu behandeln.
