SE512603C2 - Metod och anordning för automatiserad dosplanering - Google Patents

Description

.imfimm 10 15 20 25 30 35 512 603 målvolymen på bästa sätt. Denna metod fungerade någorlun- da så långe man höll sig till två dimensioner, men funge- rar inte i tre dimensioner. Den andra metoden som prövats gick ut pà att man kontinuerligt förflyttade skotten ge- nom målvolymen och på så sätt fick en superponerad dos som täckte målvolymen. Denna metod fungerade bra i teo- rin, men den har än så länge fallit på att det ännu inte är möjligt att utföra den kontinuerliga skottförflytt- ningen genom volymen.

Uppfinningens syfte Föreliggande uppfinning har därmed till syfte att åstadkomma en metod för automatisk dosplanering för ste- reotaktisk strålkirurgi vilken helt eller åtminstone del- vis undanröjer ovannämnda problem och nackdelar.

Detta syfte uppnås med uppfinningen såsom den av- gränsas av de bifogade patentkraven.

Kort beskrivning av ritningarna På den bifogade ritningen visas ett flödesschema över ett utföringsexempel av metoden enligt uppfinningen.

Beskrivning av föredragna utföringsformer Metoden enligt uppfinningen skall nu i exemplifie- rande syfte beskrivas mer ingående med hjälp av ett utfö- ringsexempel. Metoden omfattar följande steg: I ett första steg 1 matas anatomiska bilder in till datorn med programmet för dosplanering, vilka klart visar målvolymen uppdelat i tunna skikt. Sedan markeras i ett andra steg 2 målvolymen medelst ett ritverktyg i datorn, för att på så sätt tillhandahålla information om var mål- volymen befinner sig. Programmet bildar därmed en tre- dimensionell modell av målvolymen med en given upplös- ning. Denna målvolym uppdelas sedan i ett efterföljande steg 3 i tre delvolymer: 10 15 20 25 30 35 512 603 ° den inre volymen; ° volymen hos skiktet strax innanför målvolymens rand; och ° en volym uppbyggd kring arean som omger màlvolymen.

Därefter skall startkonfigurationen för dosplane- ringen bestämmas. Härvid bestäms i ett först steg 4 en kollimatorstorlek för den första delen av den automatiska dosplaneringen. Storleken skall väljas med hänsyn taget till storleken på målvolymen. I nästa steg 5 tillförs det första skottet till dosplanen vid målvolymens center- punkt. Nästa skott placeras därefter vid en position i innervolymen där den minsta dosen erhålls i steg 6. Där- efter görs en test 7 för att se om en dos som uppfyller ett av användaren utvalt kriterium uppnås i hela den inre volymen. Detta kriterium, som kan styras av användaren via gränssnittet, kan exempelvis vara att 90% av den inre målvolymen skall ha en dos över ett förutbestämt värde.

Om det konstateras 8 att dosen inte var tillräcklig sker en återgång till steg 6 ovan.

Eventuellt upprepas vidare stegen 6-8 med en mindre kollimator. På detta sätt kan en ideal dosfördelning med ett minimalt antal skott åstadkommas genom att kriteriet sätts lågt när stora kollimatorer placeras ut, och däref- ter höjs undan för undan medan allt mindre kollimatorer tillförs.

Efter denna grovinställning av skotten förbättras denna dosplan medelst en iterativ metod. Ett kvalitets- mått används för dosplanen. Måttet erhålls genom att i beräkningen medtaga dosen i den inre delen, skaldelen och den yttre delen av volymen. Grovt sett önskas en låg dos utanför målvolymen, en hög dos inne i målvolymen och en likformighet i skalvolymen. I en första optimering 9 an- vänds en kvasi-Newtonmetod kallad Broyden-Fletcher- Goldfarb-Shannonmetoden (BFGS-metoden) för att finna ett minima i det multi-dimensionella området som bildas av alla skottpostitionerna. Denna metod är sedan tidigare känd i andra sammanhang och beskrivs exempelvis av W H H "w H II' \ mn 1 nun 1fi\H|MM|HN”W rm|wH |wmnuw mu\m»m i Lil xlfllIllinn i.. |..\ J. .IJ . 10 15 20 25 30 35 512 603 Press, S A Tenkolsky, W T Vetterling och B P Flannery i ”Numerical Recipes in C - The Art of Scientific Compu- ting", Cambridge University Press, New York, USA. Antalet dimensioner blir härvid 3*(antalet skott). Iterationen fortsätter till dess att ett tillräckligt lågt mått er- hålls. Skotten förflyttas därigenom till postioner som ger en bättre dosplan. Alla skotten har dock fortfarande samma vikt.

Därefter utförs en ny sekvens 10 av BFGS iteratio- ner. Denna gång beaktas dock endast viktfaktorerna. Skot- ten förflyttas följaktligen inte, men viktfaktorerna jus- teras för att därigenom förbättra dosplanen.

En tredje sökning ll efter minima genomförs sedan, och denna gång används såväl viktfaktorerna för skotten som deras positioner för att finna minimat. De viktfakto- rer och positioner för skotten som framkommer vid detta tredje steg verifieras sedan av en operatör. Om resulta- tet är tillfredsställande används dessa sedan i dosplanen för behandlingen. Om Operatören inte är nöjd sker en kompletterande manuell optimering på traditionellt vis varvid fler skott kan läggas till, skotten kan förflyttas osv. Därefter startar processen om på nytt. På detta sätt undviks att optimeringsprocessen fastnar i icke-optimala lokala minima. Denna iterativa automatiska optimeringen och den manuella korrigeringen upprepas till dess att opreatören anser att resultatet duger för behandlingen.

Metoden fungerar följaktligen så att den minimerar en funktion som beskriver dosplanen. Denna funktion byg- ger på medelvärden och standardavvikelser i de tre olika delvolymer av den màlvolym som skall bestrålas. Dessa delvolymer är såsom redan nämnts målvolymens inre, dess rand och dess närmaste omgivning. För att metoden både skall kunna förbättra en redan bra dosplan och skapa en bra dosplan från ett dåligt utgångsläge så är funktionen uppdelad i två delar.

Ett exempel skall härnäst ges på parametersättning för att täcka målvolymen med 50%-isodos. Den första delen 10 15 20 25 30 35 512 603 har härvid till uppgift att skapa en dosplan där 50%- isodosen någorlunda täcker målvolymen, och den andra de- len strävar efter att 50%-isodosen ska följa målvolymens konturer samtidigt som dosen utanför minimeras och dosen innanför maximeras. Funktionen ser företrädesvis ut på följande sätt: f = fl + fg där delfunktionerna är: fl = k1(0.5-mi+1.28or)+k2(mu+1.280¿-0.5) fz = (1-mi)+mu+or+|O.5-mr1+k3(O.3-mr+1.28or) där k1=0 om 90% av volymen i det inre av målvolymen har en dos som överstiger 50% av maxdosen, annars k1=l00 och där k2=0 om 90% av volymen som ligger precis utanför mål- volymen har en dos under 50% av maxdosen, annars k2=l00.

Att dessa konstanter sätts till 100 beror på att denna del av funktionen skall vara dominera då ovanstående kri- terier inte är uppfyllda. Andra värden pà dessa konstan- ter är dock givetvis också möjliga med fullt tillfreds- ställande resultat. Vidare är k3=O om 90% av volymens rand mottog en dos som var större än 30% av maxdosen och annars k3=l. Av de övriga konstanterna är mi dosmedelvär- det i det inre av volymen och ci standardavvikelsen i samman område, medan mu och ø¿ betecknar motsvarande stor- heter för området precis utanför volymen, och mr och of för randen. Parametervärdena 0,5 i funktionerna ovan här- rör från valet av 50%-isodos, och kommer följaktligen att förändras om andra val görs.

Man skall dock komma ihåg att optimeringens resultat bara är ett förslag på en dosplan och alltid måste bedö- mas av en ansvarig läkare eller sjukhusfysiker innan den används. lll Il I lllll l llllll ll lll | lll ll ||| u l ||| llâll lll II llll l |".l l l lll l llllllï' lli ll ||ll lllll Illlll lll liiiainziil: HI |. ¿äfl ÅM¿_;J 10 '512 603 En förutsättning för den automatiska positioneringen av skotten är att strålningen är rumsinvariant. Detta gäller dock för den vanligt förekommande strålningen så- som gammastrålning.

Uppfinningen har ovan beskrivits med hjälp av ett utföringsexempel, men det inses att många alternativa varianter är möjliga. Exempelvis är det tänkbart med fler delområden än tre. Det är också möjligt att tillämpa me- toden för dosplanering för andra former av stereotaktisk stràlkirugi än sådan med gammastrålning. Sådana och andra närliggande varianter måste anses omfattas av uppfinning- en såsom den avgränsas av de bifogade patentkraven.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 512 603 PATENTKRAV

1. l. Metod för automatisk dosplanering för stereotak- tisk strålkirurgi omfattande stegen: att till en dator mata in information rörande posi- tionen för målvolymen som skall strålbehandlas; att i dosplanen placera ett antal skott med en pre- liminär vikt vid vissa preliminära positioner i denna màlvolym; och att medelst en iterativ minimeringsmetod minimera dosplanen med avseende på position och vikt för skotten, k ä n n e t e c k n a d av det ytterligare steget att dela upp volymen i tre delvolymer: en delvolym omfat- tande det inre av målvolymen, en delvolym omfattande skiktet strax innanför kanten av målvolymen, dvs randen av målvolymen, samt en delvolym omfattande arean som om- ger màlvolymen, varvid steget att minimera omfattar en separat optimering för de tre volymerna så att en hög volym erhålls inne i volymen, en låg dos erhålls i den omgivande volymen samt en likformig dos erhålls i den mellanliggande volymen.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att skotten vid den preliminära placeringen placeras dels i målvolymens centerpunkt, dels i de områ- den av volymen där strålningen är lägst, varvid så många skott placeras ut att på förhand uppställda kriterier uppfylls.

3. Metod enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att inmatning av information till da- torn omfattar stegen att genom inmatande av, företrädes- vis skiktvisa, bilder mata in information om den för be- handling avsedda volymen, samt att med hjälp av denna information göra en modell av en positionsbestämd målvo- lym. H

4. Metod enligt något av ovanstående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att minimeringen omfattar en första minimering avseende enbart positionen för skotten, HH x Hí íH H I: mm m wu n u n HH IH Må H HH] H |H || iHil Hïl ÄEH H HH \ l lwlll Hm llil I ll ml. hLh l lm 10 15 20 25 30 35 512 603 en andra minimering avseende enbart vikten för skotten samt en tredje minimering avseende både vikt och position för skotten.

5. Metod enligt något av ovanstående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att minimeringen sker med hjälp av Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shannenmetoden (BFGS).

6. Metod enligt något av ovanstående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att informationen som matas in i datorn härrör från datortomografi-, magnetresonans- tomografi- och/eller angiografiska bilder av skikt i hjärnan.

7. Anordning för automatiskt alstrande av dosplane- ring för stereotaktisk strålkirurgi omfattande ett inmat- ningsorgan för inmatande av information rörande positio- nen för màlvolymen som skall strâlbehandlas, ett minne för lagrande av nämnda information och en databehandlande enhet avpassad att i dosplanen placera ett antal skott med en preliminär vikt vid vissa preliminära positioner i denna màlvolym; och att medelst en iterativ minimerings- metod minimera dosplanen med avseende på position och vikt för skotten, k ä n n e t e c k n a d av att den databehandlande enheten vidare är avpassad att dela upp màlvolymen i tre delvolymer: en delvolym omfattande det inre av màlvolymen, en delvolym omfattande skiktet strax innanför kanten av màlvolymen, dvs randen av màlvolymen, samt en delvolym omfattande arean som omger màlvolymen, varvid minimeringen omfattar en separat optimering för de tre volymerna så att en hög volym erhålls inne i volymen; en låg dos erhålls i den omgivande volymen samt en lik- formig dos erhålls i den mellanliggande volymen.