Verfahren zur Kontrolle von Bestrahlungen an

Bestrahlungseinrichtungen mit in-beam

Positronenemissionstomographen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Monitorings der strahlentherapeutischen Behandlung mit in-beam Positronen-Emissions-Tomographie (PET) . Das Verfahren ist vorwiegend für die Kontrolle und Qualitätssicherung der strahlentherapeutischen Behandlung von Tumorpatienten einsetzbar.

Der Begriff in-beam PET beschreibt die Nutzung der Positronen- Emissionstomographie zur Kontrolle der Schwerionentherapie (W. Enghardt, P. Crespo, F. Fiedler, R. Hinz, K. Parodi , J. Pawelke, F. Pönisch, Charged hadron tumour therapy monitoring by means of PET, Nucl. Instrum. Meth, in Phys . Research A 525 (2004) 284) . Die therapeutische Bestrahlung und die PET-Messung erfolgen gleichzeitig. Im Unterschied zum PET-Tracer Imaging in der nuklear-medizinischen Diagnostik wird beim in-beam PET die Positronenradioaktivität dem Patienten nicht in Form einer radioaktiven Tracersubstanz verabreicht, sie entsteht hierbei durch nukleare Wechselwirkungen des Therapiestrahles mit Atomkernen des Gewebes . Die räumliche Verteilung der Positronenradioaktivität ist mit der Dosisverteilung korreliert und wird deswegen für die überprüfung der korrekten Umsetzung der Bestrahlungsplanung genutzt. Eine in-beam PET-Messung wird während der Tumorbestrahlung mit einer in den medizinischen Bestrahlungsplatz integrierten Positronenkamera durchgeführt. Die Daten werden gespeichert, und nach dem Ende der Bestrahlung wird ein Rekonstruktionsalgorithmus benutzt, um die Verteilung der Positronenradioaktivität, die im Patienten erzeugt wurde, darzustellen. Die benötigten Zeiten hierfür liegen, abhängig von der Zahl der Annihilationsereignisse, zwischen 10 min und 2 Stunden.

__n DE 10 2004 009 784 Al wird ein Verfahren zur Datenerfassung beschreiben, das in Zusammenhang mit dem in EP 98 117 256.2 angemeldeten Verfahren zur Hochpräzisions-Patientenbestrahlungen unter Nutzung eines Rasterscansystems angewendet werden kann, das eine ortsgenaue Strahlapplikation ermöglicht.

Eine Echtzeitkontrolle der Bestrahlung und eine Korrektur des Einflusses physiologischer Prozesse unter Nutzung des Wissens um die Bestrahlungsplanung sind mit den bekannten technischen Lösungen nicht möglich.

Außerdem sind die nach der Bestrahlung erhaltenen Bilder durch nicht korrigierbare Bildverzerrung und durch ungenügend korrigierbare physiologische Prozesse gestört.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirkliche Echtzeit-Beobachtung der laufenden Bestrahlung weitgehend verzerrungsfrei zu ermöglichen. Außerdem soll mit dem Verfahren eine Korrektur der physiologischen Prozesse möglich werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch dargelegten Merkmalen gelöst.

Mit der Erfindung wird eine Echtzeit-Beobachtung der Bestrahlung möglich. Korrekturen für physiologische Prozesse können vorgenommen werden. Es können verzerrungsfreie Positronenemissionsverteilungen während der Bestrahlung erstellt werden. Die am Patienten erzeugte Positronenemitterverteilung kann gegen Abbildungsfehler und gegen physiologische Prozesse korrigiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert .

Allgemeine Erläuterung:

Die Umsetzung der Erfindung erfordert die Verwendung von PET-

Detektoren mit einer Koinzidenz-Zeitauflösung von weniger als 200

ps FWHM, um eine Echtzeit time-of-flight PET-Messung zu ermöglichen, die mit dem millimetergenauen Ort des Nadelstrahls auch in Echtzeit korreliert werden soll. Damit wird es machbar, aus dem Zeitunterschied des Eintreffens der Signale in den Detektoren direkt auf den Annihilationsort rückzuschließen. Mit den damit bekannten Annihilationsortskoordinaten wird eine Abtrennung der kurzlebigen Positronenemitter (die noch nicht durch physiologische Prozesse in ihrer Verteilung gestört wurden) von langlebigen Positronenemitter möglich. Diese Abtrennung ermöglicht eine präzise und erstmals in Echtzeit in-beam PET-Bildgebung im Vergleich zur bisher benutzten in-beam PET-Methode. Eine bildliche Darstellung der im Patienten erzeugten Positronenradioaktivität wird damit während der Bestrahlung möglich und kann infolge dessen beobachtet und korrigiert werden. Gegenwärtig wird die erforderliche Dosis in 20 Fraktionen appliziert.

Im gegenwärtigen Entwicklungsstadium der, Ionentherapie werden Fraktionierungsschemata mit 20 oder mehr täglichen Fraktionen, ähnlich wie bei der konventionellen Strahlentherapie mit Photonen und Elektronen angewendet. Damit ist eine Intervention nach jeder applizierten täglichen Dosisfraktion möglich. Bei präzisen hypofraktionierten oder Einzeitbestrahlungen mit entsprechend erhöhter Dosis müssen Abweichungen vom Bestrahlungsplan während der Applikation einer Bestrahlungsfraktion festgestellt und gegebenenfalls Maßnahmen zur Sicherstellung des Therapieerfolges ergriffen werden.

Weiterhin wird durch die mit der Erfindung mögliche Unterscheidung zwischen zeitnah durch einen bestimmten Nadelstrahl erzeugten Positronenemittern, die vor ihrem Zerfall keinen physiologischen Prozessen unterliegen und den langlebigen, die physiologischen Prozessen unterliegen und die nicht direkt mit einem bestimmten Nadelstrahl korreliert sind, eine Korrektur eben dieser Prozesse möglich.

Das erhaltene Signal wird mit den aus der Bestrahlungsplanung über den Ort des Strahles erhaltenen Informationen korreliert.

Durch die Ortsinformation des Strahles können Koinzidenzen, die aus dem Zerfall kurzlebiger Positronenemitter kommen und die noch nicht durch physiologische Prozesse in ihrer Verteilung gestört wurden, zur Rekonstruktion einer unverfälschten Darstellung der Aktivitätsverteilung benutzt werden, die sofort vorliegt, da der Annihilationsort beim Registrieren der Koinzidenz bekannt ist. Eine Beurteilung der erfolgreichen Umsetzung des Bestrahlungsplanes ist somit während der Bestrahlung möglich. Koinzidenzen, die von längerlebigen Isotopen kommen und deren Verteilung durch physiologische Prozesse beeinflusst ist, werden benutzt, um ortsabhängig eben diese Prozesse zu korrigieren.

Beispiel

Es wird ein Gamma-Detektor wie folgt benutzt: Der Szintillationskristall besteht aus einem schnellen Szintillator mit hoher Lichtausbeute. Ein schnelles Signal für Zeitmessungen wird durch Geigerphotodioden (GPD) gegeben, aus dem Signal läßt sich auch die Energieinformation ableiten. Das führt die time-of- flight-PET-Messung aus. Die Informationen über den Momentan- Bestrahlungsort stehen aus der Rasterscansystems zur Verfügung. Eine zeitliche Korrelation der PET-Messung mit dem Strahlort ist möglich durch ein Echtzeit-Datenerfassungssystem. Gemessene Koinzidenzen können dahingehend unterschieden werden, ob sie direkt von einem eintreffenden Nadelstrahl erzeugten kurzlebigen Isotope stammen oder zu den langlebigen Isotopen gehören, die durch vorhergehende Nadelstrahlen erzeugt wurden. Damit ist in Echtzeit aus den dem jeweiligen Nadelstrahl zuzuordnenden Koinzidenzen eine Aktivitätsverteilung im Patienten während der Bestrahlung rekonstruierbar. Durch Nutzen der Information, die aus den langlebigen Positronenemittern stammen, lassen sich physiologische Prozesse korrigieren und zusätzlich zu dem während der Bestrahlung gewonnenen Bild lässt sich nach der Bestrahlung eine rekonstruierte Positronenradioaktivitätsverteilung mit besserer Statistik unter Einbeziehung der Korrektur der

physiologischen Prozesse berechnen.

Statt Geiger-Photodioden können auch andere Szintillatoren mit hoher Lichtausbeute zusammen mit schnellen Photonen-Detektoren benutzt werden.