DE69530423T2

DE69530423T2 - Mehrfach-fixierung bei einem rahmenlosen stereotaxieverfahren

Info

Publication number: DE69530423T2
Application number: DE69530423T
Authority: DE
Inventors: J. Frank BOVA; A. William FRIEDMAN
Original assignee: University of Florida; University of Florida Research Foundation Inc
Current assignee: University of Florida Research Foundation Inc
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2015-05-25
Also published as: EP0809465A1; JP3889284B2; EP0809465B1; CA2220949A1; CA2252645A1; WO1996025098A1; EP0904027A1; JP2002301089A; EP0904027A4; CA2220949C; EP1279369A3; CA2252645C; JP2000510717A; HK1003614A1; ATE237279T1; JPH11501534A; WO1997040766A1; DE69530423D1; EP1279369A2; US5588430A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für stereotaktische medizinische Verfahren. Insbesondere ermöglicht sie ein wiederholtes genaues Positionieren (Fixieren) eines Patienten oder eines Teils eines Patienten zum Durchführen von medizinischen Verfahren, die zu unterschiedlichen Zeiten ausgeführt werden.
Verschiedene medizinische Verfahren schließen wiederholte Behandlungen zu unterschiedlichen Zeiten ein. Zum Beispiel wird die Anwendung von Strahlung manchmal zu Behandlung von Hirntumoren oder anderen Leiden eingesetzt. Obwohl manchmal eine einfache Anwendung von Strahlung eingesetzt werden kann, gibt es unter vielen Umständen gute medizinische Gründe, um eine wiederholte Anwendung von Strahlung zu unterschiedlichen Zeiten einzusetzen.
Die Behandlung eines Strahlentherapiepatienten kann in vier Etappen unterteilt werden. Diese sind (1) diagnostische Einschätzung, (2) Behandlungsplanung, (3) Simulation und (4) Behandlung. Unsere Wiederholungsfixiervorrichtung kann auf die letzten drei Etappen des Behandlungsprozesses angewendet werden. In der ersten Etappe, derjenigen der diagnostischen Einschätzung, entscheidet der Arzt, welche Gewebe unter einem Erkrankungsrisiko stehen und behandelt werden sollten. Der Patient kann viele diagnostische Untersuchungen durchlaufen, einschließlich Angiographie-, Computertomographie (CT)- und Magnetresonanz (MR)-Bilderzeugung. Nachdem der Arzt überzeugt ist, daß sie die Gewebe unter einem Risiko identifiziert haben, durchläuft der Patient dann einen Prozeß, der als Behandlungssimulation bekannt ist. Dieser Prozeß schließt das Gewinnen eines Satzes von Bildern, wie beispielsweise Leeraufnahmen, digitalen Bildern, CT-, MRI- und Ultraschall-Bildern, ein. Diese Radiographien ermöglichen es dem Arzt, eine spezifische Bahn für jedes Strahlenbündel auszuwählen, die nur die Gewebe unter Risiko einschließt und die normalen Gewebe ausschließt. Da die Gewebe, auf die der Arzt gezielt hat, oft für die Radiographie transparent sind, verläßt sich der Arzt routinemäßig auf radiographische Orientierungspunkte, um die richtige Strahlausrichtung zu schlußfolgern. Diese gleichen Orientierungspunkte werden anschließend auf ähnlichen Radiographien abgebildet, die vor dem Verabreichen der Strahlungsbehandlung mit dem therapeutischen Röntgenstrahl aufgenommen werden. Diese Vorbehandlungsradiographien, die als Therapieportalaufnahmen bekannt sind, ermöglichen es dem Arzt, die passende Ausrichtung des Behandlungsstrahls und der Anatomie des Patienten zu beurteilen. Die Häufigkeit, mit der diese Portalaufnahmen wiederholt werden, hängt von der Komplexität des Patientensetups und der Nähe des Strahls zu kritischen Strukturen (wie beispielsweise einem Sehnerv des Patienten) ab.
Ein Routineablauf einer Strahlentherapie kann von 10 bis 64 Fraktionen über einen Zeitraum von zwei bis sechs Wochen umfassen. Die Zahl der Behandlungen hängt von den Spezifika der einzelnen Krankheit ab. Für jede Fraktion muß der Patient an der Telestrahlentherapie-Einheit repositioniert und im Verhältnis zum Strahlenbündel ausgerichtet werden.
Es gibt eine klinische Situation, in der die Zielgewebe auf Grund ihrer Nähe zu für die Radiographie undurchsichtigen Strukturen nicht entsprechend lokalisiert werden können, wie durch das obige Simulationsverfahren erforderlich. Arteriovenöse Fehlbildungen, Akustikusneurinome und andere kleine intrakranielle Ziele sind Beispiele solcher klinischen Einheiten. Um die Identifikation und die anschließende Behandlung solcher Ziele zu ermöglichen, ist eine neue und sehr wirksame Technik, bekannt als Strahlentherapie, entwickelt worden. (Als Strahlenchirurgie wird allgemein eine Einzelfraktion-Strahlentherapiebehandlung, das heißt eine einzelne Behandlung, betrachtet, obwohl sie auch weiter interpretiert werden kann. Mehrfache Strahlentherapiebehandlungen werden oft Hochpräzisionsstrahlentherapie oder fraktionierte stereotaktische Strahlentherapie genannt.) Diese Technik ermöglicht es, daß kleine intrakranielle Ziele mit einem hohen Präzisionsgrad identifizier und behandelt werden.
Die strahlenchirurgische Technik wendet stereotaktische Prinzipien zum Zielen, Lokalisieren und Behandeln ein. Das Verfahren beginnt damit, daß ein stereotaktisches Bezugssystem am Schädel des Patienten befestigt wird. Dieses Bezugssystem bleibt während des gesamten strahlenchirurgischen Verfahrens im Verhältnis zu allen intrakraniellen Punkten unbeweglich. Alle diagnostischen Untersuchungen, wie beispielsweise Angiographie, CT- und MR-Abtastung schließen einen Satz von Bezugsmarkierungen ein, die es ermöglichen, daß alle Punkte innerhalb des Bildes im Verhältnis zum stereotaktischen Bezugsrahmen lokalisiert werden.
Sobald die Zielgewebe identifiziert worden sind, kann die Bahn der Strahlenbündel mathematisch berechnet werden. Die Rechneralgorithmen, welche dieses Verfahren unterstützen, ermöglichen es dem Kliniker, die Dosismenge zu bewerten, die innerhalb des Patienten abgesetzt würde, falls die simulierten Strahlen tatsächlich Röntgenstrahlen wären, die längs der vorgeschlagenen Bahnen angewandt würden. Bei einem Versuch, zu einem Behandlungsplan zu kommen, der die Strahlendosis angemessen auf die Zielgewebe beschränkt, während die Dosis für alle normalen Gewebe begrenzt wird, werden die Strahlenbündel modifiziert, beseitigt oder dem Plan neue Strahlen hinzugefügt. Sobald bei einem Plan mit einer annehmbaren Dosisverteilung angekommen worden ist, werden die Informationen über die Strahlbahn zur Strahlentherapie-Behandlungseinheit übertragen. Danach wird dem Patienten eine einzelne Strahlungsfraktion gegeben, und der stereotaktische Rahmen wird entfernt. Die gesamte Länge des Verfahrens, von dem Anbringen des Rahmens durch die Behandlung, umfaßt üblicherweise 6 bis 8 Stunden.
Die unten aufgelisteten früheren US-Patente der Erfinder des Vorliegenden legen Techniken zum Gewährleisten einer stereotaktischen Strahlenchirurgie mit einem hohen Präzisionsgrad offen:
Die Techniken der obigen Patente der Erfinder ermöglichen, daß der Patient im Verhältnis zu Strahlenbündeln der stereotaktischen Strahlenchirurgie genau positioniert wird, bis zu zwischen plus 0,2 mm oder minus 0,1 mm. Obwohl dies bei Einzelfraktionstherapie sehr gut funktioniert, gibt es klinische Situationen, in denen ein Fraktionieren der Gesamtdosis, d. h. ein Teilen der Dosis in viele kleine Fraktionen, einen zusätzlichen therapeutischen Vorteil erbringen würde. Beim Strahlentherapieverfahren geht die Beziehung zwischen intrakraniellen Zielpunkten und dem Bezugssystem verloren, sobald der Bezugsrahmen vom Patienten entfernt worden ist. Da das obige Verfahren erfordern würde, daß der Bezugsrahmen über den gesamten Behandlungsverlauf, der mehrere Wochen dauern kann, am Schädel des Patienten befestigt bleibt, wird diese Herangehensweise als ungeeignet für eine fraktionierte Therapie betrachtet. Als Alternative dazu würde jede Fraktionsbehandlung ein mühsames und zeitaufwendiges Verfahren erfordern, um die Patientenposition für eine zweite und nachfolgende Behandlungen wieder festzulegen.
Es gibt mehrere unterschiedliche Techniken für eine noninvasive Wiederholungsfixierung. Diese Verfahren können in drei Grundkategorien aufgeteilt werden. Es gibt Beißplattensysteme, Umrißwiederausrichtungssysteme und Maskensysteme. Alle diese Systeme haben Konstruktionsmängel, die zu unannehmbaren und nicht feststellbaren Positionsfehlern führen können.
Ein System zur Wiederholungsfixierung wird in US 4971060 gezeigt. Dieses System umfaßt eine Beißplatte mit einer dem Gebiß des Patienten entsprechenden Form, die im Mund eines Patienten gehalten wird und mit einem starren Träger verbunden wird, der Markierungen für einen geometrischen Bezug auf ein tomographisches Bild hat.
Die Maskentechniken sind bei der Strahlentherapie seit mehr als drei Jahrzehnten verwendet worden. Bei diesem System wird eine Maske nach Maß angefertigt, die gut auf das Gesicht oder den gesamten Kopf paßt. Für eine Hochpräzisionsstrahlentherapie wird die Maske danach an einem stereotaktischen Bezugsrahmen, ähnlich dem für ein beliebiges stereotaktisches Verfahren verwendeten Rahmen, befestigt. Vor jeder diagnostischen Untersuchung wird der Patient im Maske-Rahmen-System plaziert, und zur Bildregistrierung werden normale stereotaktische Bezugssysteme verwendet.
Maskensysteme zur Immobilisierung und Repositionierung sind bei der Strahlentherapie häufig verwendet worden. Nach mehreren Berichten in der Literatur scheinen Maskensysteme eine Wiederholungsfixierungstoleranz zu haben, die nicht besser ist als 3 bis 5 mm. Nach unserer Meinung ist dieses Genauigkeitsniveau unannehmbar für eine fraktionierte Strahlentherapie.
Beißplattensysteme sind ebenfalls seit mehreren Jahrzehnten bei der Strahlentherapie verwendet worden. Diese Technik erfordert die Anfertigung einer maßgefertigten Beißplatte. Die Platte paßt gut auf die Zähne des Patienten. Wie bei den Maske-Rahmen-Systemen wird die Beißplatte an einem stereotaktischen Bezugsrahmen befestigt, der danach den routinemäßigen Satz von Bezugsmarkierungen sowohl für Leeraufnahmenradiographie als auch für CT- und MR-Abtastung aufnimmt. Der Hauptnachteil dieses Systems ist, daß die Beißplatte sowohl zum Lokalisieren als auch zur Patientenfixierung verwendet wird. Die Beißplatte stellt nicht nur den Bezug für eine stereotaktische Lokalisierung bereit, sondern ist ebenfalls der Mechanismus, der verwendet wird, um den Patienten in seine Position zu bewegen. Ein Bewegen des Patienten unter Verwendung der Beißplatte erzeugt ein Drehmoment an der Grenzfläche von Beißplatte und Zähnen. Eine Analyse dieser Herangehensweise enthüllt, daß sehr kleine Bewegungen bei der Beißplattenposition im Verhältnis zu den Zähnen des Patienten zu großen Verschiebungen und Drehungen der intrakraniellen Ziele führen können. Da kein Verfahren zur Überprüfung der Ausrichtung je entwickelt worden ist, bleiben diese Fehler unerkannt.
Ein alternatives System zum Patientenpositionieren verwendet die eigenen anatomischen Umrisse des Patienten als stereotaktisches Bezugssystem. Bei dieser Herangehensweise wird eine CT- oder MR-Abtastung gemacht, und eine dreidimensionale Rekonstruktion der Oberfläche des Patienten wird gewonnen. Diese Umrisse dienen als Bezugssystem für eine stereotaktische Lokalisierung.
Die üblichen diagnostischen Untersuchungen werden durchgeführt, und danach wird die Behandlung unter Verwendung der gleichen, bei einer routinemäßigen Strahlentherapie verwendeten, stereotaktischen Prinzipien geplant. Das Ziel wird identifiziert, und die Oberflächenumrißkoordinaten des Patienten werden im Verhältnis zum Isozentrum gemessen. Der Patient wird an der Telestrahlentherapie-Einheit plaziert, und die Oberflächenumrisse werden wieder durch die Anwendung der Oberflächendigitalisierung gewonnen. Ein Satz von Algorithmen berechnet danach sowohl die Verschiebungen als auch die Drehungen, die erforderlich sind, um das Ziel des Patienten über dem Isozentrum der Telestrahlentherapie-Einheit zu repositionieren. Es ist gezeigt worden, daß die Genauigkeit solcher Systeme unter klinischen Untersuchungsbedingungen annähernd zwei bis drei mm beträgt.
Beim Durchführen einer fraktionierten Strahlentherapie ist die Genauigkeit beim Anwenden der Strahlung sehr wichtig. Manche Tumore oder andere Leiden erfordern, daß die Strahlung in verhältnismäßig kleinen Volumina konzentriert wird. Eine Fehlausrichtung des Strahlenbündels kann bewirken, daß eine unzureichende Strahlungsmenge auf den Tumor oder ein anderes Ziel angewendet wird. Außerdem kann eine solche Fehlausrichtung die Wahrscheinlichkeit und/oder den Grad einer Schädigung von gesundem Gewebe angrenzend an den Tumor oder das andere Ziel erhöhen.
Eine fraktionierte Strahlentherapie kann ungenau sein, falls der Tumor oder das andere Ziel nicht mit einem ausreichenden Genauigkeitsgrad lokalisiert werden kann. Diese Notwendigkeit einer richtigen Lokalisierung ist jedoch die gleiche Notwendigkeit, die beim Ausführen einer Einzeldosenstrahlentherapie besteht, und auf diese Notwendigkeit richten sich die zuvor erwähnten Patente der Erfinder des Vorliegenden. Der zusätzliche Faktor bei einer fraktionierten Strahlentherapie ist die Notwendigkeit, eine Position des Patienten leicht und genau zu wiederholen. Falls die Position des Patienten im Verhältnis zur ersten Behandlung fehlerfrei war, sollte das Repositionieren normalerweise bewirken, daß der Patient für die zweite und nachfolgende Behandlungen genau die gleiche Position (im Verhältnis zum Behandlungsmechanismus) einnimmt. Falls jedoch die zweite oder eine andere nachfolgende Behandlung durchgeführt wird, wobei der Patient nur geringfügig aus der ersten Behandlungsposition bewegt wird, wird dies Ungenauigkeiten einführen. Die oben erörterten Wiederholungsfixierungstechniken haben die angezeigten Nachteile.
Allgemeiner ist die Notwendigkeit einer Wiederholungsfixierung eines Patienten oder eines Abschnitts eines Patienten außerhalb der Strahlentherapie vorhanden. Im allgemeinen Fall möchte man ein erstes medizinisches Verfahren an einem Patienten mit einer genauen Lokalisierung von Abschnitten des Patienten durchführen und zu einem gewissen späteren Zeitpunkt ein zweites medizinisches Verfahren an dem Patienten mit einer genauen Lokalisierung von Abschnitten des Patienten durchführen. Man kann die mühsamen und zeitaufwendigen Lokalisierungsschritte für das zweite medizinische Verfahren wiederholen, aber dies erhöht die medizinischen Kosten und die Kompliziertheit. Wie hierin verwendet, ist ein medizinisches Verfahren ein Verfahren zu diagnostischen und/oder kurativen Zwecken.
ZIELE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes System zur Wiederholungsfixierung beim Durchführen medizinischer Verfahren bereitzustellen.
Ein spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine hochpräzise noninvasive Wiederholungsfixierung zu gewährleisten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wiederholungsfixierung bereitzustellen, bei der eine Lokalisiervorrichtung mechanisch unabhängig von allen zum Positionieren des Patienten verwendeten Strukturen ist. Das heißt, keine zum Positionieren des Patienten verwendete Struktur bewegt die Lokalisiervorrichtung, außer mit Hilfe des Patienten.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wiederholungsfixierung für eine stereotaktische Strahlentherapie bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wiederholungsfixierung bereitzustellen, die eine verhältnismäßig schnelle Relokalisierung eines Patienten nach einer anfänglichen Lokalisierung ermöglicht.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wiederholungsfixierung bereitzustellen, welche die Nachteile von oben erörterten Techniken nach dem bekannten technischen Stand auf ein Minimum verringert oder vermeidet.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein System für medizinische Verfahren bereitgestellt, wobei das System eine Beißplatte mit einem mit derselben verbundenen äußeren Abschnitt umfaßt, bei dem die Beißplatte ein Zahnabdruckmaterial zum Fertigen eines Abdrucks hat, um die Beißplatte in Übereinstimmung mit den Zähnen eines Patienten zu bringen, und der Abdruck gehandhabt werden kann, um die Beißplatte mit einer identischen Ausrichtung im Verhältnis zu den Zähnen in Übereinstimmung mit den Zähnen des Patienten zu bringen, wie als die Beißplatte zuvor angebracht wurde, wobei die Beißplatte Bezugsmarkierungen auf derselben hat, wobei das System dadurch gekennzeichnet wird, daß:
es eine von der Beißplatte unabhängige Positioniervorrichtung umfaßt, die gehandhabt werden kann, um wenigstens einen Abschnitt des Patienten in einer gewünschten Position zu sichern,
die Beißplatte wenigstens 3 Bezugsmarkierungen hat,
die Beißplatte mechanisch frei ist derart, daß ein Patient positioniert werden kann, ohne während des Positionieren des Patienten Kräfte auf die Beißplatte auszuüben, und
es ein Erfassungsuntersystem hat, um die Positionen der Bezugsmarkierungen zu erfassen, wenn der Patient in der gewünschten Position ist.
Vorzugsweise ist das Anbringen und Neuanbringen der Lokalisiervorrichtung noninvasiv. Wie hierin verwendet, soll noninvasiv bedeuten, daß keine Löcher in einem Patienten erzeugt werden müssen und kein Patientengewebe entfernt werden muß, um die Lokalisiervorrichtung abzubringen und neu anzubringen.
Genauer gesagt, ist die Lokalisiervorrichtung eine Beißplatte mit einem mit derselben verbundenen äußeren Abschnitt, und die LED befinden sich auf dem äußeren Abschnitt. Das Anbringen schließt ein, einen Abdruck aus einem Zahnabdruckmaterial zu verwenden, um die Beißplatte in Übereinstimmung mit den Zähnen des Patienten zu bringen, und wobei das Neuanbringen den Abdruck verwendet, um die Beißplatte mit einer identischen Ausrichtung im Verhältnis zu den Zähnen in Übereinstimmung mit den Zähnen des Patienten zu bringen, wie als die Beißplatte zuvor angebracht wurde.
Bei Anwendung wird das System ein erstes Mal vor dem Durchführen eines medizinischen Verfahrens verwendet und danach ein zweites Mal vor dem Durchführen eines nachfolgenden medizinischen Verfahrens verwendet.
Die Bezugsmarkierungen können LED sein. Die Verwendung von LED benutzt beim ersten und beim zweiten Mal ein Erfassungsuntersystem zum Erfassen der Positionen der LED, wenn der Patient in der gewünschten Position ist. Vor dem Durchführen des zweiten medizinischen Verfahrens wird der Patient unter Verwendung der Positioniervorrichtung positioniert.
In einem spezifischen Aspekt der Erfindung sind die beim ersten Mal verwendeten Bezugsmarkierungen andere Gegenstände als LED, und die beim zweiten Mal verwendeten Bezugsmarkierungen sind LED, die an den Stellen der Gegenstände auf den äußeren Abschnitt gesetzt werden.
In einem alternativen spezifischen Aspekt der Erfindung sind die beim ersten und beim zweiten Mal verwendeten Bezugsmarkierungen LED, und die Verwendung der Bezugsmarkierungen benutzt beim ersten und beim zweiten Mal ein Erfassungsuntersystem zum Erfassen der Positionen der LED. Vor dem Durchführen des ersten und des zweiten medizinischen Verfahrens wird der Patient jeweils unter Verwendung einer von der Lokalisiervorrichtung unabhängigen Positioniervorrichtung positioniert, um wenigstens den Abschnitt des Patienten in einer gewünschten Position zu sichern.
Das System kann außerdem eine Strahlentherapievorrichtung umfassen, um einem Patienten eine Strahlungsbehandlung zu verabreichen, wobei die Positioniervorrichtung und das Erfassungsuntersystem das richtige Positionieren des Patienten für das Verabreichen der Strahlungsbehandlung ermöglichen. So, wie der Begriff hierin verwendet wird, würden eine für eine Strahlenchirurgie konfigurierte Strahlentherapievorrichtung, ein Standard-Linearbeschleuniger, eine Strahlenchirurgievorrichtung wie in den obigen früheren Patenten beschrieben und jede andere Einrichtung zum Verabreichen therapeutischer Strahlung als Strahlentherapievorrichtung betrachtet.
Die Bezugsmarkierungen schließen drei LED ein, die eindeutig eine Ebene definieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und anderen Merkmale der vorliegenden Endung werden leichter zu verstehen sein unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Zeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile darstellen und in denen:
1 ein vereinfachtes Diagramm des Systems der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine vergrößerte Seitenansicht des Kopfes eines Patienten mit an demselben befestigten Abschnitten der vorliegenden Erfindung ist,
3 eine detaillierte Ansicht einer Lokalisiervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist und
4 eine auseinandergezogene Ansicht der Lokalisiervorrichtung von 3 ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 wird gezeigt, daß das System 10 der vorliegenden Erfindung einen Linearbeschleuniger 12 zum Durchführen einer stereotaktischen Strahlentherapie am Kopf 14 eines Patienten hat, der sich auf einem chirurgischen Tisch 16 (nur teilweise gezeigt) befindet und mit Hilfe eines Kopfrings 18 an demselben befestigt wird. Die Details des Beschleunigers 12 und des Tischs 16 sind kein notwendiger Teil der vorliegenden Erfindung und müssen nicht erörtert werden. Darüber hinaus würden diese auf die in Bezug auf die Strukturen und Techniken der obigen US-Patente der Erfinder erörterte Weise konstruiert und nutzbar, was die präzise Verabreichung einer Strahlentherapie an den Patienten ermöglicht.
Als eine Alternative oder zusätzlich zum Beschleuniger 12 kann eine Sonde 20 (auf eine bekannte Weise konstruiert) für stereotaktische Chirurgie wie gezeigt an einem am Tisch 16 befestigten Anker 22 oder an einer Wand oder einer anderen Struktur, wie beispielsweise einem Linearbeschleuniger, CT, MR oder einem anderen erforderlichen Bezug (nicht gezeigt) angebracht werden. Die Sonde 20, die ein Skalpell, ein Laser oder eine andere chirurgische Vorrichtung ist, kann alternativ LED auf derselben haben, um unter Verwendung bekannter Techniken die genaue Position und Richtung (Ausrichtung) der Sonde im Raum zu erfassen, so daß die Sonde nicht an irgend etwas befestigt werden muß. Ein weiteres alternatives oder zusätzliches Merkmal kann ein bildgebendes System, wie beispielsweise ein Computertomographie (CT)- oder Magnetresonanz (MR)-System, 24 sein. Eine oder mehrere der Komponenten Beschleuniger 12, Sonde 20 und bildgebendes System 24 werden verwendet, um medizinische Verfahren am Patienten durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung gewährleistet die wiederholte Fixierung einer Lokalisiervorrichtung in Übereinstimmung mit (d. h., eindeutig positioniert im Verhältnis zu) einem Abschnitt eines Patienten. Vor der Erörterung von Details, wie dies erreicht wird, wird allgemein bemerkt, daß die Lokalisiervorrichtung verwendet wird, um einen Bezugsrahmen zum Durchführen eines ersten medizinischen Verfahrens bereitzustellen, und die Lokalisiervorrichtung danach entfernt wird. Danach wird die Lokalisiervorrichtung erneut am Patienten befestigt, so daß ein zweites medizinisches Verfahren durchgeführt werden könnte. Die medizinischen Verfahren können beliebige diagnostische und/oder Behandlungsverfahren sein. Die folgende Erörterung wird jedoch die Verwendung der Technik für eine fraktionierte Strahlentherapie hervorheben.
Das vorliegende System verwendet eine Beißplatte 26, durch nichteinschränkende Drähte 28 (d. h., sie sind locker und ziehen nicht wesentlich an der Beißplatte) mit einer sequentiellen LED-Treiberschaltung 30 verbunden. (An Stelle der Drähte könnte eine, nicht gezeigte, drahtlose Anordnung verwendet werden, um die LED einzutakten, oder eine Treiberschaltung könnte sich auf der Beißplatte selbst befinden.) Die Schaltung 30 wird ebenfalls mit einem Rechner 32 verbunden. Der Rechner wird mit dem bildgebenden System 24 und einem Kamerasystem 34 verbunden. Das Kamerasystem 34, das als Erfassungsuntersystem dient, kann von einer bekannten Art sein, die als Teil desselben mehrere Kameras 36 hat, um die Beißplatte 26 mit Hilfe von mehreren LED (in 1 nicht gezeigt) auf derselben zu lokalisieren. Das Kamerasystem 34 und die Technik zum Eintakten der LED (durch sequentielles Entzünden jeweils einer derselben) können jene im US-Patent 5198877, erteilt an Schulz am 30. März 1993, allem Anschein nach übertragen auf die PixSys, Inc., sein. Ein solches Kamerasystem ist im Handel von der PixSys, Inc. erhältlich.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nun der Kopf 14 des Patienten unter Verwendung eines Kopfrings 18 gehalten und kann positioniert werden, wobei der Ring danach unter Verwendung von Techniken, erörtert in den zuvor erwähnten Patenten der Erfinder des Vorliegenden, an seinem Platz fixiert werden würde. Der Kopfring 18 kann von jeder zum Halten des Kopfes verwendeten oder entwickelten Art sein.
Die Beißplatte 26 ist eine Art einer Lokalisiervorrichtung und hat wenigstens drei LED 38 (in 2 nur zwei sichtbar) auf derselben. Die drei LED befinden sich nicht in einer Linie und definieren daher eindeutig eine Ebene. Am vorteilhaftesten ist es, wenn die Beißplatte 26 mechanisch frei ist derart, daß ein Patient positioniert werden kann, ohne während des Positionieren des Patienten Kräfte auf die Beißplatte auszuüben. Genauer gesagt, ist die Beißplatte 26 unabhängig von allen Strukturen (wie beispielsweise dem Ring 18), die zum Positionieren des Patienten verwendet werden (wobei solche Strukturen Positionierungsstrukturen genannt werden). Das heißt, keine zum Positionieren des Patienten verwendete Struktur bewegt die Beißplatte 26, außer mit Hilfe des Patienten. Auf diese Weise werden auf die Beißplatte 26 keine Kräfte oder Drehmomente ausgeübt, die bewirken könnten, daß sie ihre Position im Verhältnis zum Patienten geringfügig ändert.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 hat die Beißplatte 26 einen Kunststoff-Mundabschnitt 39, der Zahnabdrücke 40 (wegen der Einfachheit der Darstellung nur einige gezeigt) hat, vorher auf eine bekannte Weise aus Zahnabdruckmaterial auf dem Mundabschnitt 38 geformt. Eine Montageplatte 42 ist integriert mit dem Mundabschnitt 39 oder wird an demselben angebracht. Drei Löcher 44 werden innerhalb der Montageplatte 42 angeordnet und ermöglichen, daß sie abnehmbar eine Markierungsplatte 46 mit drei Pfosten 48 aufnimmt, die zu den Löchern 44 passen. Die Markierungsplatte 46, die eben und parallel zur gleichfalls ebenen Montageplatte 42 ist, kann aus einem transparenten Kunststoff konstruiert werden und LED 38 haben, in derselben angeordnet (wie gezeigt) oder auf einer Oberfläche derselben angebracht.
Eine alternative, nur in 4 gezeigte, Markierungsplatte 50 kann auf die gleiche Art geformt werden wie die Markierungsplatte 46 und drei Pfosten 52 (nur einer sichtbar) haben, um sie mit Hilfe der Löcher 44 an der Montageplatte 42 zu befestigen. Statt LED als Bezugsmarkierungen zu verwenden, hat die Markierungsplatte 50 drei Markierungen, die strahlenundurchlässige Markierungen für eine Angiographie- oder CT-Abtastung sein können, oder die Magnetresonanzmarkierungen für eine MR-Abtastung sein können. Nur zwei der Markierungen 54 sind in 4 sichtbar, aber es wird zu erkennen sein, daß ihre Anordnung und Positionierung vorzugsweise die gleichen sein würden wie für die LED 38 in 3 gezeigt.
Unter Berücksichtigung aller Abbildungen wird nun der Einsatz der Erfindung für eine fraktionierte stereotaktische Strahlentherapie erörtert.
Bevor der Patient entweder eine Angiographie, eine CT-Abtastung oder eine MR-Abtastung durchläuft, wird der den Zahnabdrücken 40 entsprechende Abdruck dadurch hergestellt, daß der Mundabschnitt 39 mit dem Zahnabdruckmaterial gegen die Zähne des Patienten gebracht wird. Bekannte Techniken ermöglichen, daß ein solcher Abdruck in etwa 10 Minuten hergestellt wird. Danach würde der Mundabschnitt 39 durch Klebstoff oder auf andere Weise dauerhaft an der Montageplatte 42 befestigt (vorausgesetzt, die Montageplatte 42 ist nicht integriert mit dem Mundabschnitt 39). Die Montageplatte 42 kann etwa 3 cm mal 6 cm betragen und hätte die drei Löcher 44 in derselben.
Danach kann ein zeitweiliger Klebstoff verwendet werden, um die Markierungsplatte 50 dadurch an der Montageplatte 42 zu befestigen, daß die Pfosten 52 in die entsprechenden Löcher 44 eingeführt werden. Das bildgebende System 24 bildet das Gehirn des Patienten ab und erfaßt die Position der wenigstens drei Markierungen 54. Durch die gesamte Region des Interesses werden dreidimensionale Positionen innerhalb von 0,2 mm bestimmt. Obwohl 1 das bildgebende System 24 an der gleichen Stelle wie den Beschleuniger 12 gezeigt hat, wird zu erkennen sein, daß sie sich an gesonderten Stellen befinden könnten. Statt die durch das bildgebende System 24 erfaßten Markierungen 54 zu verwenden, könnte man als Alternative dazu während der anfänglichen Bilderzeugung die LED 38 auf der Markierungsplatte 46 verwenden, und der Rechner 32 könnte die Positionsdaten in Bezug auf die LED 38 mit den Abbildungsdaten vom Abbildungsgerät 24 kombinieren.
Während des Abbildens würde der Kopfklemmring 18 nicht notwendigerweise verwendet werden, aber eine gewisse Patientenhalterung würde normalerweise verwendet werden, nur um dem Patienten daran zu erinnern, für die annähernd 30 Sekunden für ein vollständiges Abbilden stillzuhalten.
Nachdem die diagnostischen Bilder gewonnen worden sind, wird eine routinemäßige Planungssitzung einer stereotaktischen Strahlenchirurgie durchgeführt. Nachdem zu einem annehmbaren Plan gekommen worden ist, werden das Isozentrum oder die Isozentren des Plans im Verhältnis zu den Beißplattenmarkierungen identifiziert. Dies erzeugt dann eine Verbindung zwischen dem äußeren Bezugssystem, den Markierungen und dem intrakraniellen Ziel.
Der Patient wird danach in den Behandlungsbereich gebracht. Sie werden durch die Verwendung von komfortablen Kopfklemmen positioniert und immobilisiert. An diesem Punkt können die bei den diagnostischen Verfahren verwendeten Markierungen durch die Verwendung einer Hochpräzisionsdigitalisierungssonde (nicht gezeigt) lokalisiert werden.
Statt eine Digitalisierungssonde (nicht gezeigt) zu verwenden, um spezifische Markierungspunkte auf der Markierungsplatte, wie beispielsweise der Platte 50, zu lokalisieren, könnte die Markierungsplatte 50 von der Montageplatte 42 getrennt, und die Markierungsplatte 46 an der Montageplatte 42 befestigt werden, bevor der Mundabschnitt 39 wieder im Patienten plaziert wird, mit seinen oder ihren Zähnen in Übereinstimmung mit den Abdrücken 40. Unter Verwendung der Markierungsplatte 46 werden die Infrarot-LED 38 eingetaktet, und das Kamerasystem 34 identifiziert die genaue Position der Platte 46 in Bezug auf sechs Freiheitsgrade. Mit anderen Worten, die Verwendung von wenigstens drei LED nicht in einer Linie ermöglicht eine genaue Bestimmung der Position der Platte 46 in Bezug auf die x-, die y- und die z-Achse und der Drehung um die x-, die y- und die z-Achse (also sechs Freiheitsgrade).
Da die Positionen der Markierungen im Verhältnis zum intrakraniellen Ziel (wie beispielsweise einem Hirntumor) bekannt sind, wird bekannt sein, welche die Positionen der Markierungen sein sollten, damit sich das Ziel am Isozentrum des Beschleunigers 12 befindet. Das Kamerasystem 34 liefert die gegenwärtige Position der Markierungen an den Rechner 32. Durch Vergleichen der gegenwärtigen Positionen der Markierungen mit den richtigen Positionen berechnet der Rechner 32 die passenden Verschiebungen in 3 Dimensionen und Drehungen um 3 Achsen, die erforderlich sind, um den Patienten zur richtigen Position zu bewegen. Für jede nachfolgende Behandlung nach der ersten Strahlenbehandlung wird der Patient wieder an der passenden Behandlungsposition plaziert, die Positionen der Bezugsmarkierungen werden bestimmt, und die erforderlichen Bewegungen werden berechnet und durchgeführt.
Am wichtigsten ist, daß das Repositionieren des Patienten in die richtige Position für die Behandlung nicht die Beißplatte 26 benutzt. Statt dessen würde ein solches Repositionieren den Kopfklemmring 18 benutzen. Daher und da die Beißplatte 26 nicht mit der Positionierstruktur verbunden wird, übt ein solches Repositionieren keine Kräfte oder Drehmomente auf die Beißplatte 26 aus. Folglich vermeidet die Positionslokalisiervorrichtung (Beißplatte) die Fehlausrichtungen oder Fehler, die sonst durch eine an einer zum Repositionieren des Patienten verwendeten Struktur befestigte Lokalisierplatte eingeführt würden.
Um das obige System zu erproben, sind sowohl das bekannte Oberflächenumrißverfahren als auch die vorliegende Technik in anatomischen Attrappen umgesetzt worden. Um die Genauigkeit und Präzision der Technik zu überprüfen, wurde die Attrappe, eine Polystyrolschaum-Puppe, mit einem starren stereotaktischen Rahmen zusammengepaßt. Danach wurde die Attrappe abgetastet und lokalisiert und in die richtige Behandlungsposition gebracht. Die anatomischen Umrisse und die Beißplattenmarkierungen wurden lokalisiert. Danach durchlief die Attrappe eine Reihe von präzisen Bewegungen, die sowohl einzelne Verschiebungen und Drehungen als auch kombinierte Bewegungen einschlossen. Diese Bewegungen wurden bis zu Schritten von 0,1 mm und 0,2 Grad ausgeführt. Nach jeder Bewegung wurden die Positionen wieder gewonnen. Die umgekehrte Bewegung, die zum Repositionieren der Attrappe wieder am Isozentrum erforderliche Bewegung, wurde danach berechnet. Die Ergebnisse des Versuchs zeigten, daß das Umrißverfahren in der Lage war, die Attrappe bis innerhalb von 2 mm von der Ausgangsposition zu repositionieren. Die Beißplatte war in der Lage, diese Bewegung bis innerhalb von 0,3 mm auszuführen.
Die obige Steigerung der Genauigkeit beträgt fast eine Größenordnung. Wichtiger ist, daß der routinemäßig bei der Strahlentherapie erreichte Dosisgradient zu einer Verringerung der Dosis von einer Intensität von 90% zu einer Intensität von 50% in annähernd 2 mm führt. Das heißt, daß Gewebe am Rand des Zielvolumens mit einer hohen Wahrscheinlichkeit bei jeder gegebenen Fraktion eine subklinische Dosis empfangen. Die mit dem Beißplattensystem erreichbare gesteigerte Genauigkeit verringert die Wahrscheinlichkeit von Zielpositionierungsfehlern beträchtlich.
Obwohl die Lokalisiervorrichtung beim bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Beißplatte ist, sieht die vorliegende Erfindung allgemein andere Lokalisiervorrichtungen vor, die in Übereinstimmung mit einem Abschnitt eines Patienten gebracht werden können.
Vorteilhafterweise ist die hierin verwendete Beißplatte eine noninvasive Lokalisiervorrichtung und vermeidet die Unbequemlichkeit, die mit Techniken verbunden ist, die erfordern, ein oder mehrere Löcher in einem Patienten zu erzeugen oder auf andere Weise Gewebe von einem Patienten zu entfernen. Jedoch kann die vorliegende Erfindung ebenfalls auf invasive Lokalisiervorrichtungen angewendet werden, die mechanisch unabhängig von jeder den Patienten positionierenden Struktur (d. h., zum Ändern oder Einstellen der Patientenposition verwendeten Elementen) sind.
Obwohl die vorliegende Beschreibung die Verwendung von drei Markierungen, wie beispielsweise der LED 38 oder der Markierungen 54, vorausgesetzt hat, könnten mehr als drei verwendet werden und können dazu beitragen, genauere Positionierungsinformationen bereitzustellen. Zum Beispiel könnte eine vierte LED, nicht in der durch die LED 38 definierten Ebene, nützliche Zusatzinformationen bereitstellen.
Verschiedene Rechnerprogramme können verwendet werden, um die Beziehung zwischen intrakraniellen oder anderen Zielpunkten und den Markierungen oder LED bereitzustellen. Gleichfalls können verschiedene Rechnerprogramme verwendet werden, um die passenden Verschiebungen in 3 Dimensionen und die Drehungen um 3 Achsen zu berechnen, die erforderlich sind, um den Patienten in die richtige Position zu bewegen.
Die Erörterung hat bisher vorausgesetzt, daß man die Patientenposition nach dem erneuten Befestigen der Beißplatte einstellen möchte, so daß die Patientenposition für ein zweites medizinisches Verfahren (entweder diagnostisch oder kurativ) identisch mit der anfänglichen Patientenposition ist. Die vorliegende Erfindung sieht jedoch ebenfalls vor, daß die zweite Position versetzt von der ersten Patientenposition stabilisiert werden könnte. In diesem Fall könnte das zweite medizinische Verfahren eine Umwandlung verwenden, so daß eine Behandlung durch die Sonde 20 oder eine Bilderzeugung durch den Bildgeber 24 so eingestellt werden könnte, daß die Unterschiede zwischen der ersten Patientenposition und der zweiten Patientenposition berücksichtigt werden. Da die Bewegung des Beschleunigers 12 im Verhältnis zum Patienten normalerweise auf Bögen um zwei Querachsen begrenzt ist, wäre es schwieriger, sich einer Versetzung zwischen der ersten Patientenposition und der zweiten Patientenposition anzupassen, obwohl ein Strahlungskopf mit einem größeren Grad an Bewegungsfreiheit ermöglichen könnte, eine solche Umwandlung zu verwenden. Die Verwendung einer solchen Umwandlungstechnik würde es ermöglichen, die Patientenposition zu sichern, ohne zu erfordern, daß die Patientenposition identisch mit derjenigen für die vorherige Behandlung ist. Unter solchen Umständen wäre eine Positioniervorrichtung, welche die Patientenposition einfach stabilisiert, ausreichend, selbst, falls die Positioniervorrichtung nicht die Fähigkeit bereitstellte, den Patienten mit Hilfe derselben zu bewegen oder zu repositionieren. Außerdem könnte man, falls das medizinische Verfahren ausreichend schnell ist, in der Lage sein, sogar die Verwendung einer einfachen positionsstabilisierenden Positioniervorrichtung zu vermeiden.
Obwohl es nicht gezeigt wird, könnte es auf dem strahlenaussendenden Kopf, dem Kollimator oder einem anderen Teil des Linearbeschleunigers 12 und/oder des Kopfträgers außerdem einen Satz von LED geben. Durch eine richtige Plazierung der LED zum Erfassen aller Fehlausrichtungen der in den zuvor erwähnten Patenten der Erfinder erörterten Art wären die verschiedenen Fehlausrichtungskorrekturmechanismen jener Patente nicht erforderlich. Statt Fehlausrichtungen unter Verwendung jener Mechanismen zu korrigieren, würde die Verwendung solcher LED auf einem Teil des Linearbeschleunigers 12 und/oder des Kopfträgers ermöglichen, daß das System nicht nur die Verschiebung/Drehung des Patienten im Verhältnis zum nominellen Isozentrum des Linearbeschleunigers berechnet, sondern würde ermöglichen, daß das System das tatsächliche Isozentrum berechnet. Folglich könnte der Patient zu einer richtigen Position im Verhältnis zum tatsächlichen Isozentrum bewegt werden. Dies gleicht jede Versetzung zwischen dem nominellen Isozentrum (Isozentrum ohne die Fehlausrichtungen) und dem tatsächlichen Isozentrum aus.
Obwohl hierin spezifische Konstruktionen vorgestellt worden sind, sollte es sich von selbst verstehen, daß diese nur veranschaulichenden Zwecken dienen. Fachleuten auf dem Gebiet werden verschiedene Modifikationen und Anpassungen offensichtlich sein. In Anbetracht möglicher Modifikationen wird es sich von selbst verstehen, daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die hieran angefügten Ansprüche bestimmt werden sollte.

Claims

System für medizinische Verfahren, wobei das System eine Beißplatte (26) mit einem mit derselben verbundenen äußeren Abschnitt umfaßt, bei dem die Beißplatte ein Zahnabdruckmaterial zum Fertigen eines Abdrucks hat, um die Beißplatte in Übereinstimmung mit den Zähnen eines Patienten zu bringen, und der Abdruck gehandhabt werden kann, um die Beißplatte mit einer identischen Ausrichtung im Verhältnis zu den Zähnen in Übereinstimmung mit den Zähnen des Patienten zu bringen, wie als die Beißplatte zuvor angebracht wurde, wobei die Beißplatte Bezugsmarkierungen (38) auf derselben hat, wobei das System dadurch gekennzeichnet wird, daß: es eine von der Beißplatte unabhängige Positioniervorrichtung (18) umfaßt, die gehandhabt werden kann, um wenigstens einen Abschnitt des Patienten in einer gewünschten Position zu sichern, die Beißplatte wenigstens 3 Bezugsmarkierungen hat, die Beißplatte mechanisch frei ist derart, daß ein Patient positioniert werden kann, ohne während des Positionieren des Patienten Kräfte auf die Beißplatte auszuüben, und es ein Erfassungsuntersystem (34) hat, um die Positionen der Bezugsmarkierungen zu erfassen, wenn der Patient in der gewünschten Position ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Bezugsmarkierungen LED sind.
System nach Anspruch 1 oder 2, das außerdem eine Strahlentherapievorrichtung (12) umfaßt, um einem Patienten eine Strahlungsbehandlung zu verabreichen, wobei die Positioniervorrichtung und das Erfassungsuntersystem das richtige Positionieren des Patienten für das Verabreichen der Strahlungsbehandlung ermöglichen.
System nach Anspruch 1 oder 2, das außerdem ein Abbildungsuntersystem (24) umfaßt, um den Patienten abzubilden.
System nach Anspruch 1, bei dem die Beißplatte einen mit derselben verbundenen äußeren Abschnitt hat und sich die Bezugsmarken auf dem äußeren Abschnitt befinden.
System nach Anspruch 5, das außerdem eine Strahlentherapievorrichtung (12) umfaßt, um einem Patienten eine Strahlungsbehandlung zu verabreichen, wobei die Positioniervorrichtung und das Erfassungsuntersystem das richtige Positionieren des Patienten für das Verabreichen der Strahlungsbehandlung ermöglichen.
System nach Anspruch 5, bei dem die Bezugsmarkierungen drei LED einschließen, die eindeutig eine Ebene definieren.