DE102008009765B4

DE102008009765B4 - Bestimmen von Steuerparametern einer Bestrahlungsanlage für eine Bestrahlung eines Zielvolumens

Info

Publication number: DE102008009765B4
Application number: DE102008009765A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bert; Eike Rietzel; Martin Rohregger
Original assignee: Siemens AG; GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH; Siemens Corp
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: EP2279027A1; US8598546B2; WO2009103467A1; US20100327188A1; DE102008009765A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines Datensatzes, der Zielpunkte (30) in einem Zielvolumen (40) in einem ersten Körper (77) definiert, auf die in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prozess nacheinander ein Partikelstrahl (20) zu richten ist, wobei durch Richten des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt (30) in einer Umgebung des Zielpunkts (30) eine vorbestimmte räumliche Dosisverteilung (32, 34; 61, 69) zu erzeugen ist, und wobei jeder Zielpunkt (30) einen in einem homogenen zweiten Körper, der zu dem ersten Körper (77) hinsichtlich seiner Wechselwirkung mit dem Partikelstrahl äquivalent ist, in Richtung des Partikelstrahls (20) gemessenen z-Abstand von einem nächst benachbarten Zielpunkt (30) bei einer höheren oder niedrigeren Partikelenergie sowie einen gegenseitigen Abstand der Zielpunkte in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl aufweist, wobei die Zielpunkte (30) in dem Datensatz mit zumindest einem der folgenden Parameter definiert werden: – z-Abstände, – gegenseitiger Abstand der Zielpunkte in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl, –...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Steuerparametern einer Bestrahlungsanlage für eine Bestrahlung eines vorbestimmten Zielvolumens in einem Rasterscanverfahren oder in einem Spotscanverfahren oder in einem kontinuierlichen Scanverfahren oder in einem anderen Scanverfahren.
Die Therapie von Tumoren mit Partikelstrahlen, insbesondere mit Protonen, Alpha-Teilchen und Kohlenstoffkernen, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dabei weist das Rasterscanverfahren gegenüber anderen Verfahren eine Reihe von Vorteilen auf. Bei diesem wird ein dreidimensionales Raster über das Tumorvolumen gelegt. Der Partikelstrahl wird durch Ablenkmagnete in zwei zueinander senkrechten Richtungen (x- und y-Richtung) abgelenkt. Durch eine aktive Variation der Partikelenergie wird die Position des Bragg-Peaks, in dem der größte Anteil der Dosis deponiert wird, auf unterschiedliche Tiefen (z-Richtung) in dem Körper eingestellt.
Die Dosis, die als Funktion des Orts zu applizieren ist, wird von einem Anwender nach einer eingehenden Diagnose festgelegt bzw. verschrieben. Beispielsweise soll die Dosis innerhalb des Tumors möglichst konstant sein und außerhalb des Tumors möglichst steil abfallen. Aber auch eine komplexere Abhängigkeit der Dosis vom Ort ist möglich. Eine möglichst genaue Einhaltung der Dosis ist eine wichtige Voraussetzung für einen Behandlungserfolg.
Beispielsweise zeigt das Dokument US 7,102,144 B2 (Matsuda et al) eine Partikelstrahlanlage zur Behandlung von Patienten, in welchem ein herkömmliches Raster verwendet wird. Auch das Dokument DE 10 2005 063 220 A1 (Bert et al.) zeigt eine ähnliche Vorrichtung, wobei ebenfalls ein herkömmliches Raster verwendet wird.
Abweichungen der tatsächlichen applizierten Dosis von der verschriebenen Dosis, die im Folgenden auch als Soll-Dosis bezeichnet wird, können durch verschiedene Ursachen hervorgerufen werden. Zu diesen Ursachen zählen unter anderem eine Abweichung des Orts des Partikelstrahls vom vorgesehenen. Ort sowie Bewegungen des Patienten oder von Teilen des Patienten während deren Bestrahlung.
Um die Wirkungen derartiger Einflüsse zu verringern, werden unter anderem ein möglichst feines Raster von Zielpunkten des Partikelstrahls und eine möglichst große Ausdehnung des Partikelstrahls gewählt. Je feiner aber das Raster ist, desto länger dauert die Bestrahlung, da jede Änderung der Ablenkung des Partikelstrahls in x- oder y-Richtung und jede Änderung der Partikelenergie eine bestimmte Zeitdauer erfordert. Insbesondere eine Änderung der Partikelenergie erfordert zahlreiche Änderungen und Anpassungen von Einstellungen an Magneten des Beschleunigers und der Strahltransporteinheit. Für diese Änderungen und Anpassungen ist eine Zeitdauer erforderlich, die die Gesamtdauer der Bestrahlung deutlich beeinflusst. je größer der Raumbereich ist, über den die durch das Richten des Partikelstrahls auf einen ausgewählten Zielpunkt hervorgerufene bzw. applizierte Dosis ist, desto flacher fällt die Dosis am Rand des Zielvolumens ab. Je größer der Querschnitt eines Partikelstrahls ist, desto geringer ist auch die Genauigkeit, mit der dessen Lage, beispielsweise mittels eines Vieldraht-Proportionalzählers, überwacht werden kann. Somit ist in Bezug auf Abstände zwischen Isoenergieschichten und die Breite der Dosisverteilung, die aus dem Richten des Partikelstrahls auf einen einzelnen Zielpunkt resultiert, ein Kompromiss erforderlich.
Eine ähnliche Problematik existiert nicht nur bei einer Bestrahlung eines Tumors eines Patienten, sondern auch bei vielen anderen Anwendungen, bei denen ein Zielvolumen in einem beliebigen (belebten oder unbelebten) Körper mit einem Partikelstrahl bestrahlt wird. Als Beispiele seien die Bestrahlung von Phantomen im Rahmen von Forschungsarbeiten oder im Rahmen der Qualitätsüberprüfung bzw. Qualitätssicherung einer Anlage und die Bestrahlung von Materialien in der Materialforschung oder zur Veränderung ihrer Eigenschaften genannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen eines Datensatzes und eine verbesserte Steuerung zum Steuern einer Anlage zum Bestrahlen eines Zielvolumens mittels eines Scanverfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, ein Computer-Programmprodukt, eine Steuerung und eine Anlage gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, in Richtung des Partikelstrahls gemessene Abstände zwischen nächst benachbarten Zielpunkten, die räumliche Verteilung der durch das Richten des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt erzeugten Dosis innerhalb des Zielvolumens und/oder den in Richtung senkrecht zum Partikelstrahl gemessenen Abstand von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten in Abhängigkeit von der Partikelenergie zu variieren.
Ein zu bestrahlender Körper kann eine räumlich variierende Dichte, eine räumlich variierende Nuklidzusammensetzung und andere räumlich variierende Eigenschaften haben, die die Wechselwirkung des Partikelstrahls mit der Materie des Körpers beeinflussen. Beispielsweise haben Protonen, Helium-, Sauerstoff-, Kohlenstoff- oder Neonionen jeweils in Knochen, Bindegewebe, Muskelgewebe, Fett, Luft oder Wasser unterschiedliche Reichweiten, erzeugen unterschiedliche Spektren sekundärer Strahlung und erzeugen bei gleicher Partikelenergie und gleicher Partikelfluenz jeweils unterschiedliche Dosen. Mit in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessenen Abständen sind deshalb hier und im Folgenden entsprechende Abstände in einem homogenen Körper, der zu dem tatsächlich bestrahlten inhomogenen Körper hinsichtlich seiner Wechselwirkung mit dem Partikelstrahl äquivalent ist, gemeint. Alternativ können jedoch auch die Abstände in dem tatsächlich bestrahlten Körper eingesetzt werden.
Ein Zielpunkt ist hier und im Folgenden ein beispielsweise durch Angabe von drei kartesischen Raumkoordinaten (x, y, z) definierbarer Ort, der in der Regel innerhalb des zu bestrahlenden Körpers und insbesondere innerhalb des Zielvolumens liegt, innerhalb dessen eine nicht verschwindende Dosis appliziert werden soll. Ein Partikelstrahl ist hier und im Folgenden ein Strahl mit einem definierten Querschnitt aus den oben bereits beispielhaft genannten Ionen oder anderen Partikeln mit einem definierten, in der Regel schmalen Spektrum der Partikelenergie, Die Partikelenergie ist hier und im Folgenden die Energie des einzelnen Partikels beim Eintritt in den zu bestrahlenden Körper.
Wenn hier und im Folgenden auf einen Partikelstrahl Bezug genommen wird, der auf einen Zielpunkt gerichtet ist, bedeutet dies, dass der Partikelstrahl (beispielsweise durch Ablenkmagnete) in x- und y-Richtung so gelenkt wird, dass der Zielpunkt beispielsweise im Schwerpunkt oder auf einer Linie (oder deren Verlängerung) maximaler Fluenz oder Dosis liegt, und dass der Zielpunkt im Bragg-Peak des Partikelstrahls liegt.
In Richtung parallel zum Partikelstrahl kann die räumliche Verteilung der Dosis, die während des Richtens des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt in dessen Umgebung erzeugt wird, über das Spektrum der Partikelenergie gesteuert werden. Eine scharf definierte Energie des Partikelstrahls hat einen scharf definierten Bragg-Peak zur Folge. Je breiter das Energiespektrum des Partikelstrahls ist, desto breiter ist der Bragg-Peak. Aus einem ursprünglich monoenergetischen Partikelstrahl kann beispielsweise mittels eines Ripple-Filters ein Partikelstrahl mit einem breiten Energiespektrum erzeugt werden.
In x- und y-Richtung wird die räumliche Verteilung der Dosis, die durch einen auf einen Zielpunkt gerichteten Partikelstrahl in der Umgebung des Zielpunkts erzeugt wird, durch den Querschnitt des Partikelstrahls bestimmt.
Eine Abhängigkeit des in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessenen Abstands zwischen nächst benachbarten Zielpunkten und/oder der durch das Richten des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt in dessen Umgebung erzeugten räumlichen Dosisverteilung von der Energie der in dem zu bestrahlenden Körper eintretenden Partikel ist beispielsweise bei einer Anordnung der Zielpunkte in Isoenergieschichten möglich. Allen Zielpunkten innerhalb einer Isoenergieschicht ist die gleiche Partikelenergie zugeordnet. Innerhalb eines homogenen Körpers, in den der Partikelstrahl durch eine zu diesem senkrecht stehende Grenzfläche eintritt, sind Isoenergieschichten eben.
In einem inhomogenen Körper oder einem Körper, in den der Partikelstrahl durch eine beliebig geformte Grenzfläche eintritt, weist eine Isoenergieschicht in der Regel eine komplexe räumliche Gestalt auf. Bei einer Anordnung der Zielpunkte in Isoenergieschichten ist der in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessene Abstand von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten der in der gleichen Richtung gemessene Abstand der Isoenergieschichten.
eine von der Partikelenergie abhängige Variation des in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessenen Abstands zwischen in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten oder der räumlichen Dosisverteilung ist jedoch bei einer beliebigen Anordnung der Zielpunkte möglich. Der Partikelstrahl kann dabei in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen oder aber in einem diskontinuierlichen Prozess nacheinander auf die Zielpunkte innerhalb des Zielvolumens gerichtet werden, beispielsweise im Rahmen eines Rasterscanverfahrens, eines Spotscanverfahrens, eines kontinuierlichen Scanverfahrens oder eines anderen Scanverfahrens.
Der in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessene Abstand von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten und/oder die beim Richten des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt erzeugte räumliche Dosisverteilung können innerhalb des gesamten Zielvolumens oder auch innerhalb von Teilbereichen des Zielvolumens monotone oder streng monotone Funktionen der Partikelenergie sein.
Für einige Anwendungen kann es besonders vorteilhaft sein, in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessene Abstände von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten bei einer niedrigeren Partikelenergie größer zu wählen als bei einer höheren Partikelenergie. Zielpunkte bei einer niedrigeren Partikelenergie haben in der Regel schon bei der Bestrahlung dahinter liegender Zielpunkte bei einer höheren Partikelenergie eine Vordosis erhalten. Diese Vordosis ist zumindest im Falle nicht allzu abrupter Inhomogenitäten des bestrahlten Körpers in Richtung parallel zum Partikelstrahl in der Regel nur schwach ortsabhängig. Bei Einhaltung konstanter Anforderungen an die Genauigkeit, mit der die applizierte Gesamtdosis der verschriebenen Dosis entsprechen soll, ist bei abnehmender Partikelenergie aufgrund der zunehmenden Vordosis ein immer größerer in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessener Anstand von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten möglich. Die so erzielte Verringerung der Anzahl der zielpunkte hat gleichzeitig eine Beschleunigung des Bestrahlungsvorgangs mit entsprechenden positiven Auswirkungen für den Patienten und für die Bestrahlungsanlage zur Folge. Zur Verbesserung der Homogenität bzw. zur Minderung der Welligkeit der Gesamtdosis kann mit abnehmender Partikelenergie gleichzeitig die Breite des Bragg-Peaks vergrößert werden.
Aufgrund entsprechender Überlegungen kann mit abnehmender Partikelenergie ein abnehmender Querschnitt des Partikelstrahls und/oder auch eine abnehmende Breite des Bragg-Peaks gewählt werden. Die dadurch hervorgerufene Tendenz zu einer ansteigenden Welligkeit bzw. Inhomogenität der applizierten Dosis wird durch die relativ hohe Homogenität der mit abnehmender Partikelenergie ansteigenden Vordosis kompensiert.
Zusätzlich oder alternativ zum in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessenen Abstand von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten und/oder zusätzlich oder alternativ zur räumlichen Verteilung der beim Richten des Partikelstrahls auf einen einzelnen Zielpunkt in dessen Umgebung erzeugten Dosis, kann auch der in Richtung senkrecht zum Partikelstrahl gemessene Abstand von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten als Funktion der Partikelenergie variiert werden. So kann beispielsweise der Einfluss eines abnehmenden Querschnitts des Partikelstrahls auf die Homogenität der applizierten Dosis bzw. auf die Genauigkeit, mit der die applizierte Dosis der verschriebenen Dosis entspricht, durch einen gleichzeitig abnehmenden in Richtung senkrecht zum Partikelstrahl gemessenen Abstand von in dieser Richtung nächst benachbarten Zielpunkten teilweise oder vollständig kompensiert werden.
Bei einer Anordnung der Zielpunkte in Isoenergieschichten kann es für viele Anwendungen vorteilhaft sein, den Abstand zwischen nächst benachbarten Isoenergieschichten zumindest dann zu reduzieren, insbesondere auf einen minimalen Abstand zu reduzieren, wenn eine Isoenergieschicht in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl über Isoenergieschichten bei höheren Partikelenergien hinausragt und damit Zielpunkte ohne Vordosis aufweist.
Eine weitere Optimierung ist möglich, wenn der Abstand zweier nächst benachbarter isoenergieschichten in Abhängigkeit von den durch Richten des Partikelstrahls auf Zielpunkte in einer der beiden Isoenergieschichten zu erzeugenden Dosis bzw. der Differenz der Soll-Dosis und der Vordosis festgelegt wird. Dazu werden zunächst für alle Zielpunkte in einer ausgewählten Isoenergieschicht die durch ein Richten des Partikelstrahls auf Zielpunkte in Isoenergieschichten mit höherer Partikelenergie an Zielpunkten in der ausgewählten Isoenergieschicht zu erzeugenden Vordosen berechnet. Der Abstand der nächsten Isoenergieschicht mit der nächst niedrigeren Partikelenergie kann dann abhängig von den Vordosen, insbesondere dem Minimum der berechneten Vordosen, und den Soll-Dosen festgelegt werden. Alternativ wird nach dem Berechnen der Vordosen und in Abhängigkeit von den berechneten Vordosen und den Soll-Dosen der Abstand der ausgewählten Isoenergieschicht von der nächst benachbarten Isoenergieschicht mit höherer Partikelenergie angepasst oder optimiert. Diese Optimierung kann iterativ erfolgen. Eine entsprechende Festlegung oder Optimierung der in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessenen Abstände ist auch vorteilhaft, wenn die Zielpunkte nicht in Isoenergieschichten angeordnet sind. Auch die Breite des Bragg-Peaks kann auf entsprechende Weise in Abhängigkeit von berechneten Vordosen und verschriebenen Soll-Dosen festgelegt oder optimiert werden.
Jedes der beschriebenen Verfahren kann zusätzlich so ausgebildet sein, dass die abhängig von der jeweiligen Partikelenergie gewählten z-Abstände und/oder räumlichen Dosisverteilungen an den einzelnen Zielpunkten zusätzlich abhängig von einer Bewegung des zu bestrahlenden Zielvolumens oder eines Teils des Zielvolumens gewählt werden. Die Bewegung des zu bestrahlenden Zielvolumens kann eine tatsächliche, während der Bestrahlung gemessene Bewegung sein oder aber auch eine während der Bestrahlung zu erwartende Bewegung. Die während der Bestrahlung erwartete Bewegung beruht beispielsweise auf Erfahrungswerten.
Die bei der Wahl beziehungsweise Einstellung von z-Abständen, dem Abstand in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl und/oder räumlichen Dosisverteilungen berüksichtigte Bewegung kann die natürliche Bewegung sein, beispielsweise aufgrund von Atmung, Herzschlag, Peristaltik oder Bewegungen der Verdauungsorgane. So kann bei Bestrahlung einer Lunge eine typische Bewegung der Lunge angenommen werden, bei Bestrahlung einer Prostata eine andere, typische Bewegung, die bei Bestrahlung der Prostata üblicherweise auftritt. Alternativ kann die berücksichtige Bewegung eine bei Anwendung einer Technik zur Reduktion von Bewegungseinflüssen verbleibende Restbewegung sein. Techniken zur Reduktion von Bewegungseinflüssen sind beispielsweise als Gating oder Tracking bekannt.
Bei der dargestellten von der Partikelenergie abhängigen Festlegung von Abständen oder räumlichen Dosisverteilungen kann, also ferner berücksichtigt werden, ob, in welcher Richtung und in welchem Ausmaß ein Zielpunkt während der Bestrahlung durch die Atmung, den Herzschlag oder aufgrund anderer Ursachen periodisch oder aperiodisch bewegt oder aus seiner Normallage verschoben werden kann.
Viele Aspekte der vorliegenden Erfindung können sowohl in einem Verfahren zum Erzeugen eines Datensatzes, der eine Vielzahl von zielpunkten in einem Zielvolumen in einem zu bestrahlenden Körper definiert, als auch in einem Verfahren zum Steuern einer Bestrahlungsanlage, in einem Computer Programmprodukt, einer Anlage zum Bestrahlen oder einer Steuerung zum Steuern einer solchen Anlage verwirklicht werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Bestrahlungsanlage gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung von Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik, die für eine Bestrahlungsplanung, zum Erzeugen einen Datensatzes oder zur Steuerung einer Bestrahlung verwendbar sind
3 eine schematische Darstellung von Zielpunkten in mehreren Isoenergieschichten mit streng monoton zunehmenden z-Abständen;
4 eine schematische Darstellung von Zielpunkten in mehreren Isoenergieschichten entsprechend 3, wobei zusätzlich die Abstände der Zielpunkte senkrecht zur Strahlrichtung variiert werden;
5 eine schematische Darstellung von Zielpunkten in mehreren Isoenergieschichten entsprechend den 3 bzw. 4, wobei zusätzlich distal ein größerer Strahlquerschnitt verwendet wird als proximal;
6 eine schematische Darstellung von Zielpunkten in mehreren Isoenergieschichten, wobei die z-Abstände stufenweise verändert werden;
7 eine schematische Darstellung von Dosisverteilungen innerhalb einer Isoenergieschicht;
8 eine schematische Darstellung von Dosisverteilungen innerhalb einer Isoenergieschicht entsprechend 7, wobei zusätzlich die gegenseitigen Abstände der Zielpunkte von distal nach proximal zunehmen;
9 eine schematische Darstellung von Bragg-Peaks in mehreren Isoenergieschichten;
10 eine schematische Darstellung von Bragg-Peaks in mehreren Isoenergieschichten entsprechend 9, wobei die Breite der Bragg-Peaks von distal nach proximal zunimmt;
11 eine schematische Darstellung mehrerer Isoenergieschichten;
12 eine weitere schematische Darstellung mehrerer Isoenergieschichten; und
13 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Erzeugen eines Datensatzes und zum Steuern einer Anlage.
1 zeigt einen schematischen Überblick über den Aufbau einer an sich bekannten Bestrahlungsanlage 10 als Beispiel für eine beliebige Anlage zum Bestrahlen eines Körpers, insbesondere eines tumorerkrankten Gewebes in dem Körper, mit einem Partikelstrahl. Als Partikel werden vornehmlich Ionen, beispielsweise Protonen, Pionen, Heliumionen, Kohlenstoffionen, Neonionen etc., eingesetzt.
Üblicherweise werden derartige Partikel in einer Partikelquelle 11 erzeugt. Wenn, wie in 1 dargestellt, zwei Partikelquellen 11 vorhanden sind, die zwei verschiedene Ionensorten erzeugen, kann zwischen diesen beiden Ionensorten innerhalb eines kurzen zeitinntervalls umgeschaltet werden. Dazu wird beispielsweise ein Schaltmagnet 12 verwendet, der zwischen den Ionenquellen 11 einerseits und einem Vorbeschleuniger 13 andererseits angeordnet ist Als Beispiele für zwei verschiedene Zonensorten, die in einer Bestrahlungsanlage alternativ verwendet werden, sind Helium-Ionen (³He oder ⁴He) und Kohlenstoff-Ionen zu nennen. Diese unterscheiden sich in ihrer strahlenbiologischen Wirkung und sind für verschiedene Tumorarten besonders geeignet. ⁴He und ¹²C weisen jeweils im vollständig ionisierten zustand das gleiche Verhältnis A/Q zwischen der Massenzahl A und der Ladung Q auf. Sie können deshalb ohne größere Anpassung in derselben Beschleunigeranlage beschleunigt werden.
Die von der oder einer der Ionenquellen 11 erzeugten und ggf. mit dem Schaltmagneten 12 ausgewählten Ionen werden in dem Vorbeschleuniger 13 auf ein erstes Energieniveau beschleunigt. Der Vorbeschleuniger 13 ist beispielsweise eins Linearbeschleuniger (LINAC für engl.: ”LINear ACcelerator”). Anschließend werden die Ionen in einen Beschleuniger 15, beispielsweise ein Synchrotron oder zyklotron, eingespeist. In dem Beschleuniger 15 werden sie auf hohe Energien, wie sie zur Bestrahlung nötig sind, beschleunigt. Nachdem die Ionen den Beschleuniger 15 verlassen, führt eins Hochenergiestrahl-Transportsystem 17 den Partikelstrahl zu einem oder mehreren Bestrahlungsräumen 19. In einem Bestrahlungsraum 19 werden die beschleunigten Partikel auf einen zu bestrahlenden Körper gerichtet. Je nach Ausgestaltung erfolgt dies von einer festen Richtung (in so genannten ”fixed beam”-Räumen) aus oder aber über eine um eine Achse 22 bewegliche rotierbare Gantry 21 von verschiedenen Richtungen aus.
2 zeigt eine schematische Darstellung von an sich bekannten Einrichtungen, die bei der Bestrahlungsplanung, zum Erzeugen eines Datensatzes, der Zielpunkte in einem Zielvolumen in einem Körper definiert, und bei der Steuerung einer Bestrahlungsanlage, wie sie beispielsweise oben anhand der 1 dargestellt wurde, verwendet werden können.
Mittels eines Computer-Tomographen oder Kernspin-Tomographen 71 oder mittels anderer diagnostischer Einrichtungen können Lage und Ausdehnung eines zu bestrahlenden Tumors oder eines anderen Zielvolumens ermittelt werden. Daten von dem Tomographen 71 werden unmittelbar oder nach einer Aufbereitung durch weitere, in 2 nicht dargestellte Einrichtungen in einer Vorrichtung 81 zum Erstellen eines Datensatzes verarbeitet. Die Vorrichtung 81 ist beispielsweise ein Arbeitsplatz-Computer, eine Workstation oder ein anderer Computer. Optional ist die Vorrichtung 81 ferner durch ihre Benutzerschnittstelle, Software oder andere Merkmale dafür geeignet, dass medizinisches Personal dort das Zielvolumen, die zu applizierenden Dosen, die Aufteilung derselben auf mehrere Fraktionen, die Richtung der Bestrahlung und andere Details der Partikeltherapie definiert.
Der zu bestrahlende Körper 77 kann mit verschieden ausgebildeten Überwachungseinrichtungen vor, während oder nach der Bestrahlung durch die Anlage 10 überwacht werden. Beispielsweise sind eine PET-Kamera 72 (PET = Positronen-Emissions-Tomographie) und/oder ein Abstandssensor 73 zur Erfassung eines zu bestrahlenden Körpers 77, der auf einer Lagerfläche 78 gelagert ist, vorgesehen. Die PET-Kamera 72 und/oder der Abstandssensor 73 und die Lagerfläche 78 können innerhalb eines der oben anhand der 1 dargestellten Bestrahlungsräume 19 angeordnet sein. In diesem Fall können mittels der PET-Kamera 72 und/oder des Abstandssensor 73 die durch einen Partikelstrahl 20 erzeugte Dosis sowie Bewegungen des bestrahlten Körpers 77 erfasst werden. Alternativ sind die PET-Kamera 72, der Abstandssensor 73 und die Lagerfläche 78 außerhalb eines Bestrahlungsraums angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann der Körper 77 mittels einer Fluoraskopie-Einrichtung, einer Röntgen-Einrichtung, eines Ultraschallsensors, eines Atemgürtels und/oder anderer externer Sensoren überwacht werden.
Daten vom Tamographen 71, von der PET-Kamera 72 und vom Abstandssensor 73 können von einer Einrichtung 82 zum Bestimmen von einem oder mehreren Bewegungsparametern verarbeitet werden. Mittels der Einrichtung 82 können vor einer Bestrahlung oder während einer Bestrahlung Bewegungen von Teilbereichen des Körpers 77 (beispielsweise aufgrund von Atmung oder Herzschlag) quantitativ erfasst werden. Der oder die von der Einrichtung 82 bestimmten Bewegungsparameter können von der Vorrichtung 81 zum Erstellen eines Datensatzes berücksichtigt werden.
Zur Berücksichtigung bei der Erstellung eines Datensatzes eignen sich insbesondere Daten über die Amplituden typischer und/oder periodischer Bewegungen oder über einen Zusammenhang zwischen der räumlichen Lage des Zielvolumens und/oder einer von außen, beispielsweise mittels des Abstandssensors 73 erfassbaren Größe. Alternativ oder zusätzlich können von der Einrichtung 82 bestimmte Parameter bzw. Daten direkt von einer Steuerung 86 zur Steuerung einer Bestrahlungsanlage 10, wie sie oben anhand der 1 dargestellt wurde, verarbeitet werden. Dazu eignen sich besonders Daten, die während der Bestrahlung von der PET-Kamera 72 oder dem Abstandssensor 73 erfasst werden. In die Steuerung der Anlage 10 durch die Steuerung 86 geht ferner der von der Vorrichtung 81 erstellte Datensatz ein. Über Steuerleitungen 87 oder auf andere Weise ist die Steuerung 86 mit der Bestrahlungsanlage 10 gekoppelt.
Der anhand der 1 dargestellte Grundaufbau einer Bestrahlungsanlage 10 ist typisch für viele Partikeltherapieanlagen und andere Bestrahlungsanlagen, ein abweichender Aufbau ist aber ebenfalls möglich. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind sowohl in Zusammenhang mit der anhand der 1 dargestellten Bestrahlungsanlage und den oben anhand der 2 dargestellten Einrichtungen als auch mit anderen Bestrahlungsanlagen und Einrichtungen einsetzbar.
Die 3 bis 6 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Schnitts eines Zielvolumens 40. Die dargestellten Schnittebenen werden jeweils durch eine x-Richtung und eine z-Richtung aufgespannt, wobei die x-Richtung senkrecht zur Richtung eines das Zielvolumen 40 bestrahlenden Partikelstrahls und die z-Richtung parallel zu dieser angeordnet ist. Sowohl innerhalb als auch außerhalb des zielvolumens 40 sind jeweils Zielpunkte 30 dargestellt, die in Isoenergieschichten 51 bis 59 angeordnet sind. Der Partikelstrahl wird typischerweise nur auf innerhalb des Zielvolumens 40 liegende Zielpunkte 30 gerichtet.
Wenn das Zielvolumen 40 in einem hinsichtlich seiner Wechselwirkung mit dem zu verwendeten Partikelstrahl homogenen Körper liegt, in den der Partikelstrahl durch eine zum Partikelstrahl senkrechte Grenzfläche eintritt, sind die Isoenergieschichten 51 bis 59, wie in den 3 bis 6 dargestellt, eben. Anderenfalls sind die Darstellungen in den 3 bis 6 als Darstellungen entsprechender Schnitte durch hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit dem Partikelstrahl homogene und zu den tatsächlich zu bestrahlenden Körper äquivalente Körper (beispielsweise Wasseräquivalente) mit einer zum Partikelstrahl senkrechten ebenen Grenzfläche zu verstehen.
Die Anzahl der Zielpunkte 30 und die Anzahl der Isoenergieschichten 51 bis 59 können von den Darstellungen in den 3 bis 6 jeweils beliebig abweichen. In den 3, 4 und 6 sind die Zielpunkte 30 durch kleine Kreise dargestellt. In 5 sind die Zielpunkte 30 teilweise auch als Ellipsen dargestellt. Die unterschiedlichen Ausdehnungen dieser Ellipsen in x-Richtung zeigen an, dass beim Richten des Partikelstrahls auf die Zielpunkte 30 unterschiedliche räumliche Dosisverteilungen erzeugt werden.
Bei jeder der Darstellungen der 3 bis 6 ist vorgesehen, dass der Partikelstrahl von links und damit in der positiven z-Richtung auf das Zielvolumen 40 fällt. Deshalb wird die in den 3 bis 8 jeweils ganz rechts dargestellte Isoenergieschicht 51 jeweils als äußerst distale Schicht bezeichnet, während die jeweils ganz links dargestellte Isoenergieschicht 59 jeweils als äußerst proximale Isoenergieschicht bezeichnet wird.
In 3 ist eine Anordnung der Zielpunkte 30 in Isoenergieschichten 51 bis 59 dargestellt, deren Abstände d₁ bis d_n von distal nach proximal streng monoton zunehmen. Als Funktion der Partikelenergie, unter der wie erwähnt immer die Energie der in den zu bestrahlenden Körper eintretenden Partikel verstanden wird, fällt der Abstand nächst benachbarter Isoenergieschichten streng monoton.
An einem Zielpunkt in einer nicht äußerst distalen Isoenergieschicht wird in der Regel bereits beim Richten des Partikelstrahls auf Zielpunkte 30 in mehr distalen Isoenergieschichten eine Dosis erzeugt bzw. deponiert, die hier als Vordosis bezeichnet wird. Je mehr proximal ein Zielpunkt liegt, desto höher ist in der Regel die Vordosis. Da distal des Bragg-Peaks nur eine geringe und sehr schnell abfallende Dosis erzeugt wird, entspricht die beim Richten eines Partikelstrahls auf einen Zielpunkt an diesem zu erzeugende Dosis im Wesentlichen der Differenz der verschriebenen Dosis bzw. Soll-Dosis und der Vordosis.
Die Vordosis ist zumindest bei einem homogenen Zielvolumen 40 nur schwach ortsabhängig. Je höher die nur schwach ortsabhängige Vordosis ist, desto größer kann bei einer vorgegebenen Obergrenze für die Ortsabhängigkeit der Gesamtdosis die Ortsabhängigkeit der durch Richten des Partikelstahls auf Zielpunkte in einer betrachteten Isoenergieschicht erzeugten Dosis sein. Da die Vordosis in der Regel von distal nach proximal zunimmt, kann deshalb der Abstand nächst benachbarter Schichten ebenfalls zunehmen. Die resultierende Verminderung der Gesamtzahl der Zielpunkte und insbesondere die Reduktion der Anzahl der Isoenergieschichten hat eine Beschleunigung des gesamten Bestrahlungsvorgangs zur folge.
4 zeigt eine Variante der Anordnung der Zielpunkte 30, bei der von distal nach proximal neben dem Abstand nächst benachbarter Isoenergieschichten auch der in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl gemessene Abstand nächst benachbarter Zielpunkte 30 innerhalb einer Isoenergieschicht von C₁ zu c_n zunimmt. Distal wird bei kleinen Vordosen durch kleine Abstände nächst benachbarter Isoenergieschichten und durch kleine Abstände der Zielpunkte innerhalb einer Isoenergieschicht die gewünschte Genauigkeit der applizierten Dosis, insbesondere beispielsweise die gewünschte geringe Ortsabhängigkeit der applizierten Dosis, erreicht. Proximal ist aufgrund der hohen Vordosis zur Erfüllung dieser Vorgabe ein größerer Abstand nächst benachbarter Isoenergieschichten und ein größerer Abstand von Zielpunkten innerhalb einer Isoenergieschicht möglich,
5 zeigt eine Variante der oben anhand der 3 dargestellten Anordnung der Zielpunkte, bei der ähnlich wie in den 3 und 4 distal ein kleiner Schichtabstand verwendet wird, der bis zur äußerst proximalen Isoenergieschicht 59 ansteigt. Zusätzlich wird distal ein größerer Strahlquerschnitt verwendet als proximal, Die Ausdehnung der in 5 für die Darstellung der Zielpunkte 30 verwendeten Ellipsen in x-Richtung zeigt jeweils unterschiedliche Querschnitte des Partikelstrahls an. Der variierende Querschnitt des Partikel-Strahls erzeugt eine räumliche Dosisverteilung, die in Richtung senkrecht zum Partikelstrahl distal größer ist als proximal.
In 6 sind die meisten Zielpunkte 30 in Isoenergieschichten 51 bis 59 angeordnet, deren Abstände von der äußerst distalen Isoenergieschicht 51 zur äußerst proximalen Isoenergieschicht 59 in mehreren Stufen zunehmen. Als Funktion der Partikelenergie nehmen die Abstände der rächst benachbarten Isoenergieschichten in Stufen ab. Bei der äußerst distalen Isoenergieschicht 51 und einigen benachbarten Isoenergieschichten beträgt der Abstand zwischen nächst benachbarten Isoenergieschichten jeweils d₁. In einem proximalen Bereich, der sich an die äußerst proximale Isoenergieschicht 59 anschließt, beträgt der Abstand zwischen nächst benachbarten Isoenergieschichten jeweils d₃, wobei d₃ größer als d₁ ist. In einem mittleren Bereich beträgt der Abstand zwischen nächst benachbarten Isoenergieschichten d₂, wobei d₂ größer als d₁ und kleiner als d₃ ist.
In den 3 bis 6 ist erkennbar, dass aufgrund der Form des Zielvolumens 40 auch im mittleren Bereich Zielpunkte 30 existieren, die nur eine geringe Vordosis aufweisen. Um auch dort eine vorgegebene maximale Abweichung der tatsächlich applizierten Dosis von der Soll-Dosis zu erzielen, können zusätzliche Isoenergieschichten eingefügt werden. Solche zusätzlichen Isoenergieschichten sind in 6 beispielhaft mit den Bezugszeichen 53 und 55 dargestellt, können jedoch auch bei den oben anhand der 3 bis 5 dargestellten Anordnungen von Zielpunkten verwendet werden. Durch eine in x-Richtung verkürzte Darstellung der zusätzlichen Isoenergieschichten 53, 55 soll erkennbar sein, dass in diesen zusätzlichen Isoenergieschichten der Partikelstrahl nur auf einige wenige Zielpunkte 30 gerichtet wird.
Die 7 und 8 zeigen jeweils schematische Darstellungen von Dosisverteilungen innerhalb einer Isoenergieschicht, die durch das Richten des Partikelstrahls auf die Zielpunkte innerhalb der dargestellten Isoenergieschichten erzeugt werden. Rechts oben ist jeweils eine distale, insbesondere die äußerst distale Isoenergieschicht 51 (vgl. 3 bis 6) dargestellt. Links unten ist eine proximale, insbesondere die äußerst proximale Isoenergieschicht 59 dargestellt. In der Mitte ist jeweils eine Isoenergieschicht in einem mittleren Bereich dargestellt. Die durch das Richten des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt erzeugte räumliche Dosisverteilung ist jeweils vereinfacht durch zwei konzentrische Kreise 32, 34 dargestellt. Diese beiden Kreise stellen jeweils Mengen von Orten gleicher Dosis dar. Beispielsweise beträgt die Dosis auf den kleineren Kreis 32 jeweils 95% und auf den größeren Kreis 34 jeweils 30% der maximalen (zentralen) Dosis. Abweichend von den Darstellungen in den 7 und 8 können der Querschnitt eines Partikelstrahls und die durch diesen hervorgerufene Ortsabhängigkeit der Dosis von der Kreissymmetrie abweichen.
Sowohl bei 7 als auch bei 8 nehmen der Querschnitt des Partikelstrahls und die Ausdehnung der räumlichen Verteilung der Dosis, die durch das Richten des Partikelstrahls auf einen einzelnen Zielpunkt erzeugt wird, in den beiden Richtungen (x-Richtung und y-Richtung) senkrecht zur Richtung des Partikelstrahls von der distalen Schicht 51 zur proximalen Schicht 59 ab. Während bei 7 die gegenseitigen Abstände der Zielpunkte innerhalb der Isoenergieschicht von distal nach proximal konstant bleiben, nehmen diese Abstände bei 8 zu.
Die 9 und 10 zeigen schematische Darstellungen von Bragg-Peaks 61 bis 69 in mehreren Isoenergieschichten, wie sie beispielsweise in den 3 bis 5 dargestellt sind. Der Abszisse ist die z-Koordinate zugeordnet, der Ordinate ist die Dosis D zugeordnet. Entsprechend der von distal nach proximal anwachsenden Vordosis für jede einzelne Isoenergieschicht nimmt das Dosismaximum des einzelnen Bragg-Peaks vom äußerst distalen Bragg-Peak 61 zum äußerst proximalen Bragg-Peak 69 ab. In den 9 und 10 ist auch erkennbar, dass die Abstände zwischen den Isoenergieschichten bzw. zwischen den Bragg-Peaks 61 bis 69 von distal nach proximal von d₁ bis d_n zunehmen, ähnlich wie bei den Darstellungen in den 3 bis 5.
Die Darstellung in 10 unterscheidet sich von der in 9 dadurch, dass zusätzlich von distal nach proximal durch eine zunehmende Breite des Energiespektrums eine entsprechende zunehmende Breite des Bragg-Peaks erzeugt wird. Durch die zunehmende Breite des Bragg-Peaks wird der Einfluss des zunehmenden Abstands nächstbenachbarter Isoenergieschichten auf die Genauigkeit, mit der die tatsächlich applizierte Dosis der Soll-Dosis entspricht, teilweise oder vollständig kompensiert. Eine variable Aufweitung des Energiespektrums des Partikelstrahls ist beispielsweise mittels eines variablen Ripple-Filters oder mittels mehrerer Ripple-Filter, die alternativ mittels einer geeigneten Vorrichtung in den Strahlengang gebracht werden, möglich.
Alternativ wird die Breite des Bragg-Peaks für distale Isoenergieschichten größer gewählt als für proximale. Die Breite des Bragg-Peaks kann eine monotone oder streng monotone Funktion der Partikelenergie sein, beispielsweise eine Stufenfunktion oder ein Polynom. Insbesondere kann für die Breite des Bragg-Peaks in fast allen Isoenergieschichten ein vorbestimmter Wert und nur für wenige Isoenergieschichten am distalen Rand eine demgegenüber vergrößerte Breite gewählt werden. Mit einer größeren Breite des Bragg-Peaks für distale Isoenergieschichten, in denen nur eine geringe oder keine Vordosis aus der Bestrahlung von Isoenergieschichten mit noch höherer Partikelenergie vorliegt, kann dort die Genauigkeit der erzeugten Dosis erhöht werden.
Die 11 und 12 zeigen schematische Darstellungen weiterer Beispiele für die Anordnung von Isoenergieschichten. Anders als bei den 3 bis 6 wird hier die Ausdehnung des Zielvolumens in Richtung senkrecht zum Partikelstrahl durch die Ausdehnung der die Isoenergieschichten darstellenden Rechtecke in x-Richtung dargestellt.
11 zeigt bei einer entlang der z-Richtung variierenden Ausdehnung des Zielvolumens in x-Richtung eine hinsichtlich der Genauigkeit der applizierten Dosis und hinsichtlich einer Minimierung der Anzahl der Zielpunkte optimierte Anordnung der Isoenergieschichten.
Die Anordnung der Isoenergieschichten in der Darstellung der 12 wird nachfolgend von distal nach proximal beschrieben, Von einer äußerst distalen Isoenergieschicht 51 bis zu einer mit den Bezugszeichen 52 gekennzeichneten Isoenergieschicht weist jede Isoenergieschicht Zielpunkte auf, die in Richtung senkrecht zum Partikelstrahl außerhalb der Isoenergieschichten zu höheren Partikelenergien liegen und deshalb keine Vordosis aufweisen. Von der äußerst distalen Isoenergieschicht 51 bis zur Isoenergieschicht 52 bleibt der Abstand nächstbenachbarter Isoenergieschichten deshalb der minimale Abstand.
Ab der Isoenergieschicht 52 bis zu einer Isoenergieschicht 54 nimmt der Querschnitt des Zielvolumens ab. Entsprechend nimmt die innerhalb einer Isoenergieschicht minimale Vordosis zu, und der Abstand nächst benachbarter Isoenergieschichten kann immer größer gewählt werden.
Proximal der Isoenergieschicht 54 sind zwei Isoenergieschichten erkennbar, die jeweils Zielpunnkte ohne Vordosis umfassen. Der Abstand nächstbenachbarter Isoenergieschichten weist deshalb zunächst wieder den minimalen Wert auf. Ab einer Isoenergieschicht 56 weist zunächst wieder jede Isoenergieschicht ausschließlich Zielpunkte auf, die in einer Projektion parallel zur z-Richtung vollständig innerhalb der jeweils nächst distalen Isoenergieschicht liegen. Die Abstände zwischen nächst benachbarten Isoenergieschichten können deshalb ansteigend gewählt werden.
Unmittelbar vor der äußerst proximalen Isoenergieschicht treten dann nochmals zwei Isoenergieschichten auf, die jeweils Zielpunkte ohne Vordosis umfassen.
13 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Anlegen eines Datensatzes und zum Steuern einer Bestrahlungsanlage. Die ersten acht Schritte 91 bis 98 werden beispielsweise mithilfe der oben anhand der 2 dargestellten Vorrichtung 81 ausgeführt. Ergebnis kann eine Anordnung von Zielpunkten sein, wie sie oben anhand, der 3 bis 12 dargestellt wurde. Die letzten beiden Schritte 99, 100 werden beispielsweise von der oben anhand der 2 dargestellten Steuerung 86 ausgeführt.
In einem ersten Schritt 91 wird der Datensatz angelegt. In einem zweiten Schritt 92 wird ein Zielvolumen erfasst, beispielsweise mittels des oben anhand der 2 dargestellten Tomographen 71 und der ebenfalls oben anhand der 2 dargestellten Vorrichtung 81.
Der dritte Schritt 93, der vierte Schritt 94, der fünfte Schritt 95 und der sechste Schritt 96 werden für jede einzelne Isoenergieschicht innerhalb des Zielvolumens ausgeführt. Dabei wird jeweils zunächst im dritten Schritt 93 eine Isoenergieschicht festgelegt, beispielsweise indem die Koordinaten der Zielpunkte innerhalb der Isoenergieschicht definiert werden. In einem vierten Schritt 94 wird für jeden einzelnen Zielpunkt der Isoenergieschicht die an dem jeweiligen Zielpunkt beim Richten des Partikelstrahls auf Zielpunkte bei höherer Partikelenergie erzeugte Vordosis berechnet.
In einem fünften Schritt 95 werden abhängig von den im vierten Schritt 94 berechneten Vordosen und den Zielpunkten zugeordneten Soll-Dosen einer oder mehrere Parameter für die gesamte Isoenergieschicht oder für einzelne Zielpunkte aus der Isoenergieschicht festgelegt. Diese Parameter beschreiben den in Richtung parallel zum Partikelstrahl gemessenen Abstand des Zielpunkts oder der Isoenergieschicht vom nächstbenachbarten Zielpunkt bzw. von der nächstbenachbarten Isoenergieschicht und/oder die Ausdehnung der räumlichen Verteilung der durch ein Richten des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt zu erzeugenden Dosisverteilung in Richtung parallel zum Partikelstrahl und/oder in den Richtungen senkrecht zum Partikelstrahl. Ferner können die Parameter den Abstand nächstbenachbarter Zielpunkte innerhalb einer Isoenergieschicht beschreiben.
Die im fünften Schritt 95 festgelegten Parameter können sich auf die jeweils nächste Isoenergieschicht mit niedrigerer Partikelenergie bzw. den Abstand zu dieser beziehen. Alternativ beziehen sich die im fünften Schritt 95 festgelegten Parameter auf die Isoenergieschicht, deren Vordosen im vierten Schritt 94 berechnet wurden. Wenn die Parameter den Schichtabstand umfassen, kann der fünfte Schritt 95 eine Korrektur der im dritten Schritt 93 festgelegten Lage der Isoenergieschicht oder eine iterative Optimierung derselben umfassen.
Bei der Festlegung der Parameter im fünften Schritt 95 kann auch die oben beschriebene Information über Bewegungen des zu bestrahlenden Körpers verwendet werden, wobei beispielsweise in stark bewegten Bereichen ein geringerer Abstand von Zielpunkten oder Isoenergieschichten oder eine (vor allem in Richtung der Bewegung) breitere Dosisverteilung gewählt wird.
Bei einer vereinfachten Variante werden die Parameter in Abhängigkeit von der Isoenergieschicht oder einer Nummer der Isoenergieschicht festgelegt, wobei beispielsweise der Abstand der Isoenergieschichten eine Funktion von deren Nummer ist.
In einem sechsten Schritt 96 werden die im fünften Schritt 95 festgelegten Parameter bzw. Daten in den im ersten Schritt 91 angelegten Datensatz geschrieben.
Bei den oben beschriebenen Schritten des in 13 dargestellten Verfahrens können auch die beim Richten des Partikel-Strahls auf die einzelnen Zielpunkte zu applizierenden Dosen oder Partikel-Anzahlen festgelegt und in den im ersten Schritt 91 angelegten Datensatz geschrieben werden. Alternativ werden diese Dosen oder Partikel-Anzahlen in einen separaten Datensatz geschrieben. Gemäß einer weiteren Alternative werden diese Dosen erst nach der vollständigen Festlegung aller Zielpunkte hinsichtlich ihrer räumlichen Lagen und der Ausdehnungen der Dosisverteilungen in einem siebten Schritt 97 festgelegt und in einem achten Schritt 98 in den im ersten Schritt 91 erzeugten oder in einen anderen Datensatz geschrieben. Die durch den so erzeugten Datensatz definierten Zielpunkte können insbesondere die oben anhand der 3 bis 12 dargestellten Merkmale aufweisen, und zwar auch in Kombinationen die in den 3 bis 12 nicht dargestellt sind.
Der in den oben beschriebenen Schritten erzeugte Datensatz kann gespeichert, einer Qualitätskontrolle unterzogen, korrigiert oder übertragen werden. Schließlich kann er in einem neunten Schritt 99 gelesen oder empfangen und dann in einem zehnten Schritt 100 zum Steuern einer Bestrahlungsanlage verwendet werden.
Die oben dargestellten Schritte können in mehreren getrennten Verfahren und zu verschiedenen Zeitpunkten ausgeführt werden. Beispielsweise werden die Schritte 91 bis 96 und gegebenenfalls die Schritte 97 und 98 mit einigem zeitlichen Abstand vor der Bestrahlung ausgeführt. Der neunte Schritt 99 und der zehnte Schritt 100 werden unmittelbar vor bzw. während der Bestrahlung ausgeführt.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht nur für eine Anwendung im Rahmen einer Partikeltherapie geeignet. Sie sind darüber hinaus allgemein in Anlagen zur Bestrahlung von Materie anwendbar, insbesondere, wenn die applizierte Strahlendosis räumlich variieren oder auf ein Zielvolumen beschränkt sein soll, und auch, wenn die Materie sich relativ zum Bezugssystem der Anlage bewegt oder relativ zum Bezugssystem der Anlage bewegt wird.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Datensatzes, der Zielpunkte (30) in einem Zielvolumen (40) in einem ersten Körper (77) definiert, auf die in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prozess nacheinander ein Partikelstrahl (20) zu richten ist, wobei durch Richten des Partikelstrahls auf einen Zielpunkt (30) in einer Umgebung des Zielpunkts (30) eine vorbestimmte räumliche Dosisverteilung (32, 34; 61, 69) zu erzeugen ist, und wobei jeder Zielpunkt (30) einen in einem homogenen zweiten Körper, der zu dem ersten Körper (77) hinsichtlich seiner Wechselwirkung mit dem Partikelstrahl äquivalent ist, in Richtung des Partikelstrahls (20) gemessenen z-Abstand von einem nächst benachbarten Zielpunkt (30) bei einer höheren oder niedrigeren Partikelenergie sowie einen gegenseitigen Abstand der Zielpunkte in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl aufweist, wobei die Zielpunkte (30) in dem Datensatz mit zumindest einem der folgenden Parameter definiert werden: – z-Abstände, – gegenseitiger Abstand der Zielpunkte in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl, – räumliche Verteilung der erzeugten Dosis, wobei zumindest einer der Parameter als Funktion der Partikelenergie variiert wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der Datensatz so erzeugt wird, dass der z-Abstand bei einer niedrigeren Partikelenergie größer ist als bei einer höheren Partikelenergie.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der Datensatz so erzeugt wird, dass der z-Abstand eine monoton oder streng monoton fallende Funktion der Partikelenergie ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zum Festlegen des z-Abstands eines ausgewählten Zielpunkts (30) von dem nächst benachbarten Zielpunkt (30) mit höherer Partikelenergie oder des z-Abstands des ausgewählten Zielpunkts (30) von dem nächst benachbarten Zielpunkt (30) mit niedrigerer Partikelenergie folgende Schritte ausgeführt werden: Berechnen (94) der durch ein Richten des Partikelstrahls (20) auf Zielpunkte (30) mit höherer Partikelenergie an dem ausgewählten Zielpunkt (30) zu erzeugenden Vordosis; Festlegen (95) des z-Abstands in Abhängigkeit von der berechneten Vordosis und von der Soll-Dosis an dem ausgewählten Zielpunkt (30).
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der z-Abstand des ausgewählten Zielpunkts (30) von dem nächst benachbarten Zielpunkt (30) mit höherer Partikelenergie so festgelegt wird, dass ein Verhältnis zwischen der durch Richten des Partikelstrahls (20) auf den ausgewählten Zielpunkt (30) an dem ausgewählten Zielpunkt (30) zu erzeugenden Dosis und der Soll-Dosis an dem ausgewählten Zielpunkt (30) einen vorbestimmten Wert annimmt oder einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Datensatz so erzeugt wird, dass die Zielpunkte in Isoenergieschichten (51, 59) angeordnet sind, und bei dem zum Festlegen des z-Abstands einer ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) von der nächst benachbarten Isoenergieschicht (51, 59) mit höherer Partikelenergie oder des z-Abstands der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) von der nächst benachbarten Isoenergieschicht (51, 59) mit niedrigerer Partikelenergie folgende Schritte ausgeführt werden: Berechnen (94) von durch ein Richten des Partikelstrahls (20) auf Zielpunkte (30) in Isoenergieschichten (51, 59) mit höherer Partikelenergie zu erzeugenden Vordosen an Zielpunkten in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59); Festlegen (95) des z-Abstands in Abhängigkeit von den berechneten Vordosen und von Soll-Dosen an den Zielpunkten (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59).
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der z-Abstand in Abhängigkeit von dem maximalen Verhältnis oder der maximalen Differenz zwischen Soll-Dosis und Vordosis aller Zielpunkte (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, ..., 59) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, bei dem der z-Abstand der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) von der nächst benachbarten Isoenergieschicht (51, ..., 59) mit höherer Partikelenergie so festgelegt wird, dass ein Verhältnis zwischen einer durch Richten des Partikelstrahls (20) auf einen Zielpunkt (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) an dem Zielpunkt (30) zu erzeugenden Dosis und der Soll-Dosis an demselben Zielpunkt (30) für keinen Zielpunkt (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ferner Daten in den Datensatz geschrieben werden, die für die Zielpunkte (30) jeweils den Querschnitt des Partikelstrahls (20) definieren.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der Datensatz so erzeugt wird, dass der Querschnitt des Partikelstrahls (20) bei einer geringeren Partikelenergie kleiner ist als bei einer höheren Partikelenergie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei dem zum Festlegen des Querschnitts des Partikelstrahls an einem ausgewählten Zielpunkt (30) folgende Schritte ausgeführt werden: Berechnen (94) der durch ein Richten des Partikelstrahls (20) auf Zielpunkte (30) mit höherer Partikelenergie an dem ausgewählten Zielpunkt (30) zu erzeugenden Vordosis; Festlegen (95) des Querschnitts in Abhängigkeit von der berechneten Vordosis und von der Soll-Dosis an dem ausgewählten Zielpunkt (30).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der Datensatz so erzeugt wird, dass die Zielpunkte in Isoenergieschichten (51, 59) angeordnet sind, und bei dem zum Festlegen des Querschnitts des Partikelstrahls an Zielpunkten (30) in einer ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) folgende Schritte ausgeführt werden: Berechnen (94) der an Zielpunkten (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht durch ein Richten des Partikelstrahls (20) auf Zielpunkte (30) mit höherer Partikelenergie zu erzeugenden Vordosen; Festlegen (95) des Querschnitts des Partikelstrahls (20) an Zielpunkten (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, ..., 59) in Abhängigkeit von der berechneten Vordosis und von den Soll-Dosen an den Zielpunkten (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in dem Datensatz ferner für die Zielpunkte (30) die jeweilige Breite des Bragg-Peaks (61, 69) des Partikelstrahls (20) festgelegt wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der Datensatz so erzeugt wird, dass die Breite des Bragg-Peaks (61, 69) bei einer geringeren Partikelenergie kleiner ist als bei einer höheren Partikelenergie.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zum Festlegen der Breite des Bragg-Peaks (61, 69) an einem ausgewählten Zielpunkt (30) folgende Schritte ausgeführt werden: Berechnen (94) der durch ein Richten des Partikelstrahls (20) auf Zielpunkte (30) mit höherer Partikelenergie an dem ausgewählten Zielpunkt (30) zu erzeugenden Vordosis; Festlegen (95) der Breite des Bragg-Peaks (61, 69) in Abhängigkeit von der berechneten Vordosis und von der Soll-Dosis an dem ausgewählten Zielpunkt (30).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Datensatz so erzeugt wird, dass die Zielpunkte in Isoenergieschichten (51, 59) angeordnet sind, und bei dem zum Festlegen der Breite des Bragg-Peaks (61, 69) an Zielpunkten (30) in einer ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) folgende Schritte ausgeführt werden: Berechnen (94) der durch ein Richten des Partikelstrahls (20) auf Zielpunkte (30) mit höherer Partikelenergie an Zielpunkten (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) zu erzeugenden Vordosen; Festlegen (95) des Querschnitts des Partikelstrahls (20) an Zielpunkten (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, 59) in Abhängigkeit von der berechneten Vordosis und von den Soll-Dosen an dem Zielpunkt (30) in der ausgewählten Isoenergieschicht (51, ..., 59).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die z-Abstände oder die räumlichen Dosisverteilungen so festgelegt werden, dass eine Abweichung der Dosis von der Soll-Dosis einen vorbestimmten Schwellenwert an keinem Ort in dem Zielvolumen (40) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ferner Daten in den Datensatz geschrieben werden, die für jeden Zielpunkt (30) einen Sollwert für eine Dosis definieren, die beim Richten des Partikelstrahls (20) auf den jeweiligen Zielpunkt (30) an dem jeweiligen Zielpunkt (30) zu erzeugen ist, oder die für jeden Zielpunkt (30) die Partikelzahl definieren, die beim Richten des Partikelstrahls (20) auf den jeweiligen Zielpunkt (30) in dem Zielvolumen (40) zu applizieren ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Erfassen einer Bewegung von zumindest Teilen des Zielvolumens (40), wobei die Zielpunkte (30) in dem Datensatz mit zumindest entweder z-Abständen oder räumlichen Dosisverteilungen definiert werden, die von der erfassten Bewegung abhängen,
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem die Bewegung vor der Bestrahlung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Datensatz Steuerparameter für eine Anlage (10) zum Bestrahlen umfasst.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Verfahren ferner ein Verfahren zum Steuern der Anlage (10) ist, ferner mit folgendem Schritt: Lesen (99) des Datensatzes; Steuern (100) der Anlage (10) gesteuert durch den Datensatz.
Computer-Programmprodukt mit Anweisungen zum Steuern eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche bei der Ausführung des Computer-Programmprodukts auf einem Computer.
Steuerung (86) zum Steuern einer Anlage (10) zum Bestrahlen eines vorbestimmten Zielvolumens in einem ersten Körper (77) mit einem Partikelstrahl (20), wobei die Steuerung (86) ausgebildet ist, um den Partikelstrahl (20) nacheinander auf eine Vielzahl von Zielpunkten (30) in dem Zielvolumen zu richten, um an jedem der Zielpunkte (30) in einem Bereich um den Zielpunkt (30) eine vorbestimmte Dosisverteilung (42) zu erzeugen, wobei jeder Zielpunkt (30) einen in einem homogenen zweiten Körper, der zu dem ersten Körper (77) hinsichtlich seiner Wechselwirkung mit dem Partikelstrahl äquivalent ist, in Richtung des Partikelstrahls (20) gemessenen z-Abstand von einem nächst benachbarten Zielpunkt (30) bei einer höheren oder niedrigeren Partikelenergie sowie einen gegenseitigen Abstand der Zielpunkte in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl aufweist, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um zumindest einen der folgenden Parameter als Funktion der Partikelenergie zu steuern; – z-Abstände, – gegenseitiger Abstand der Zielpunkte in einer Richtung senkrecht zum Partikelstrahl, – räumliche Verteilung der erzeugten Dosis.
Steuerung (86) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Steuerung (86) einen Ausgang zum Steuern zumindest entweder von z-Abständen oder einem Querschnitt des Partikelstrahls (20) oder einer Breite eines Bragg-Peaks (61, 69) aufweist.
Steuerung (86) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um ein Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche zu steuern.
Anlage (10) zum Bestrahlen eines vorbestimmten Zielvolumens in einem Körper (77) mit einem Partikelstrahl (20), mit einer Steuerung nach einem der Ansprüche 24 bis 26.
Anlage (10) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Anlage (10) eine Vorrichtung zum Variieren der Breite des Bragg-Peaks (61, 69) während einer Bestrahlungssitzung eines Patienten aufweist.