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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche 1
bzw. 25.
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Strahlentherapie
beinhaltet medizinische Behandlungen, die selektiv bestimmte Bereiche
eines menschlichen Körpers,
wie beispielsweise krebsartige Tumore, hohen Dosen von Strahlung
aussetzen. Das Ziel der Strahlentherapie ist, das biologische Zielgewebe
so zu bestrahlen, dass das Schadgewebe zerstört wird. Bei bestimmten Strahlentherapiearten
kann das Strahlungsvolumen auf die Größe und die Form des Tumor-
oder Zielgewebe-Bereichs begrenzt werden, um zu vermeiden, dass
gesundem Gewebe unnötige
Strahlungsschäden
zugefügt
werden. Beispielsweise ist eine Konformationstherapie ein Strahlentherapieverfahren,
das oft angewendet wird, um die Dosiszuteilung durch genaueres Anpassen
des Behandlungsvolumens an den Zieltumor zu optimieren.
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Normale
physiologische Bewegung stellt bei der klinischen Planung und beim
Zuführen
von herkömmlicher
Strahlentherapie und von Konformationstherapie eine Einschränkung dar.
Normale physiologische Bewegung, wie beispielsweise die Atmungsbewegung
oder die Herzbewegung, kann eine Positionsverlagerung des einer
Bestrahlung unterzogenen Tumor- oder Gewebebereichs hervorrufen. Wenn
der Bestrahlungsstrahl so ausgebildet wurde, dass das Behandlungsvolumen
an die exakten Abmessungen eines Tumors angepasst ist, dann könnte eine
Bewegung dieses Tumors während
der Behandlung dazu führen,
dass der Bestrahlungsstrahl nicht ausreichend dimensioniert oder
ausgebildet ist, um das Ziel-Tumorgewebe vollständig zu überdecken.
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Um
dieses Problem anzupacken, kann die Größe und/oder die Form des Bestrahlungsstrahls um
einen „Bewegungsspielraum" (d. h. die vorausberechnete
Bewegungsdistanz in jeder Richtung des Zieltumors) ausgedehnt werden,
so dass eine vollständige
Bestrahlung des Zielgewebes erhalten wird. Der Nachteil dieses Lösungsansatzes
ist, dass dieses erhöhte
Strahlungsvolumen dazu führt,
dass anderes, gesundes Gewebe, das sich innerhalb des Bereichs des
Ausdehnungsvolumens befindet, mit Strahlung beaufschlagt wird. Mit
anderen Worten erfordert eine Bewegung während einer Behandlung das
Beaufschlagen eines eine vergrößerte Abmessung
aufweisenden Strahlungsfeldes, das ein inakzeptabel großes Volumen
von normalem, das Ziel-Behandlungsvolumen umgebenden Gewebe negativ
beeinflussen könnte.
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Ein
anderer Lösungsansatz
für dieses
Problem beinhaltet physiologisches Steuern des Bestrahlungsstrahls
während
der Behandlung, wobei das Steuersignal mit der Bewegung des Patienten-Körpers synchronisiert
wird. Bei diesem Lösungsansatz
werden Messmittel verwendet, um den physiologischen Zustand des
Patienten in Bezug auf die bestimmte, untersuchte physiologische
Bewegung zu messen. Beispielsweise hat die Atmung gezeigt, dass
sie Positionsverlagerungen eines Lungentumors im Körper eines
Patienten hervorruft. Wenn der Lungentumor mit Strahlentherapie
beaufschlagt wird, dann kann ein Temperatursensor, ein Dehnmessstreifen
oder ein Pneumotachograph am Patienten angeschlossen werden, um
den Atmungszyklus des Patienten zu messen. Der Bestrahlungsstrahl
kann basierend auf bestimmten Schwellenwert-Punkten innerhalb des
gemessenen Atmungszyklus so gesteuert werden, dass der Bestrahlungsstrahl
während
Perioden im Atmungszyklus, die übermäßiger Bewegung
des Lungentumors entsprechen, ausgeschaltet wird.
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Bekannte
Verfahren zum Durchführen
physiologischen Steuerns erfordern üblicherweise, dass Spezial-Messmittel
in Kontakt mit oder invasiv an dem Patienten angeordnet werden müssen. Beispielsweise
erfordern die bekannten Lösungsansätze für mit dem
Atmungszyklus synchronisiertes physiologisches Steuern, dass ein
Patienten-Kontakt-Messmittel, wie beispielsweise ein Dehnmessstreifen
oder ein Atmungsmesser, am Patienten-Körper angeschlossen wird. Ein
bekannter Lösungsansatz
für mit
dem Herzzyklus synchronisiertes Steuern erfordert, dass ein Elektrokardiograph
mit dem Patienten-Körper gekoppelt
wird. Das Erfordern, dass ein Messmittel in Kontakt mit dem Patienten-Körper anzuordnen
oder invasiv in diesem anzubringen ist, könnte unter bestimmten Umständen Probleme
verursachen. Beispielsweise ist ein Atmungsmesser ein Pneumotachograph-Gerät, das an
einen Patienten angeschlossen wird, um das Luftvolumen zu messen,
das während
der Atmung durch den Atemweg des Patienten hindurch passiert. Das
mit einem Verwenden eines Atmungsmessers verbundene Unbehagen kann,
insbesondere wenn das Steuerverfahren die Benutzung dieses Messmittels
für einen
ausgedehnten Zeitraum erfordert, die Nützlichkeit dieses Messmittels
beim Messen des Atmungszyklus eines Patienten einschränken. Ferner
haben viele dieser Messmittel hinderliche Kabel oder Verbindungen,
die die Verwendbarkeit dieser Messmittel innerhalb bestimmter, beschränkter Bereiche
oder bei bestimmten Patienten-Körper-Gestalten
einschränken.
Ein anderer Nachteil ist, dass für
jeden Körperteil,
der hinsichtlich einer Bewegung vermessen wird, ein Spezial-Messmittel
erforderlich ist. Dies erfordert nicht nur die Verwendung einer
Mehrzahl von Messmitteln für
die Vielzahl von Körperteilen,
die hinsichtlich einer Bewegung auszumessen sein könnten, sondern
in einigen Fällen
kann der bestimmte, einer Überprüfung unterzogene
Körperteil
kein zugeordnetes Spezial-Messmittel zum Erfassen seiner Bewegung
aufweisen.
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Ein
anderes Verfahren zum Durchführen physiologischen
Steuerns verwendet eine Kamera zum Überwachen der Patientenbewegung
mittels Erzeugens digitaler Bildsignale, die ein Bild eines oder mehrerer
natürlicher
oder künstlicher
Bezüge
am Patienten darstellen. Ein Prozessor bestimmt aufeinanderfolgende
Bezugspositionen, und der Bestrahlungsstrahl wird abgeschaltet,
wenn der Prozessor ermittelt, dass die Bewegung eines der Bezüge bestimmte
Schranken überschreitet.
Ein mit der Atmung des Patienten synchronisiertes Steuersignal kann
zum Steuern des Bestrahlungsstrahl-Generators aus den digitalen
Bildsignalen extrahiert werden. Solch ein System für physiologisches
Steuern ist im am 17. März
1998 für
Kalend et al erteilten US-Patent Nr. 5,727,554 offenbart. Leider
ist ein Nachteil solch eines Systems, dass die Bewegung der inneren
Bereiche des Körpers,
die der Bestrahlungsstrahl eigentlich anpeilt, mittels Untersuchens
nur der äußeren Körperbewegungen
eines Patienten nicht präzise ermittelt
werden kann.
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Daher
besteht ein Bedarf für
eine Vorrichtung und ein Verfahren, die diese und andere Probleme des
Standes der Technik anpacken. Es besteht ein Bedarf für ein Verfahren
und eine Vorrichtung für
physiologisches Steuern, die nicht erfordern, dass Messmittel oder
Sonden entweder außen
oder invasiv am oder im Patienten-Körper angebracht werden. Ferner besteht
ein Bedarf für
ein Verfahren und eine Vorrichtung, die unter Verwendung von eine
Bewegung sowohl äußerer als
auch innerer Bereiche des Körpers betreffende
Daten präzise
und dauerhaft das Planen für
physiologisches Steuern von Strahlenbehandlungen ermöglichen.
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Die
Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte
Vorrichtung für
physiologisches Steuern einer Strahlentherapie bereit.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Merkmalen im kennzeichnenden
Teil der Ansprüche
1 bzw. 25 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem
Aspekt weist die Erfindung die Verwendung einer optischen oder Video-Abbildungs-Vorrichtung
zum Erzeugen von Bilddaten auf, um eine reguläre, physiologische Bewegung
eines Patienten-Körpers
zu messen. Eine optische oder Video-Abbildungs-Vorrichtung bietet
ein nichtinvasives Verfahren zum Messen der Bewegung an einem Patienten-Körper. Die
Bilddaten können
genutzt werden zum Quantifizieren von absichtlicher oder von unabsichtlicher
Bewegung des Patienten, die die Zufuhr von Strahlen zu einem Zielventil
beeinflussen kann. Ein Steuersignal kann erzeugt werden, um die
Strahlungszufuhr bei einem bestimmten, im Bewegungszyklus erfassten
Schwellenwert-Ereignis zu unterbrechen.
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Diese
und andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung sind im Folgenden
in der detaillierten Beschreibung, den Figuren und den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die
anliegenden Figuren sind beigefügt,
um ein besseres Verständnis
der Erfindung zu bieten, und dienen zusammen mit der detaillierten
Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
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1 zeigt die Komponenten
einer Vorrichtung für
physiologisches Steuern, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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2 zeigt ein Beispiel eines
Atmungsbewegungssignal-Diagramms.
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3 zeigt ein Bewegungssignal-Diagramm und
ein Steuersignal-Diagramm.
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4 ist ein Flussdiagramm,
das Verfahrensschritte zeigt, die bei einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden.
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5a zeigt die Komponenten
einer Vorrichtung zum Durchführen
von Steuerungssimulationen, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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5b zeigt eine Ausführungsform
einer Benutzer-Schnittstelle
für eine
Steuerungssimulation.
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6a zeigt eine Seitenansicht
einer Ausführungsform
einer Kamera, die bei der Erfindung verwendet werden kann.
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6b zeigt eine Vorderansicht
der Kamera von 6a.
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7a zeigt einen retro-reflektiven
Marker gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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7b zeigt eine Querschnittsansicht
des retroreflektiven Markers von 7a.
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8 zeigt eine Vorrichtung
zum Herstellen eines retroreflektiven Markers.
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9 zeigt eine Ausführungsform
eines Marker-Blocks.
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10 zeigt einen alternativen
Marker-Block.
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1 zeigt die Komponenten
einer Vorrichtung 100 für
physiologisches Steuern von Strahlentherapie, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Bestrahlungsstrahl-Quelle 102 (wie
beispielsweise einen üblichen Linearbeschleuniger)
auf, der positionsmäßig eingerichtet
ist, einen Bestrahlungsstrahl auf einen auf einem Behandlungstisch 104 befindlichen
Patienten 106 zu richten. Ein Schalter 116 ist
mit der Bestrahlungsstrahl-Quelle 102 wirkgekoppelt.
Der Schalter 116 kann betätigt werden, um das Aufbringen
des Bestrahlungsstrahls auf den Patienten 106 zu unterbrechen.
Bei einer Ausführungsform
ist der Schalter 116 Teil der mechanischen und der elektrischen Struktur
der Bestrahlungsstrahl-Quelle 102. Alternativ weist der
Schalter 116 eine externe Vorrichtung auf, die mit der
Steuerelektronik der Bestrahlungsstrahl-Quelle 102 gekoppelt
ist.
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Eine
optische oder Video-Abbildungs-Vorrichtung, wie beispielsweise eine
Videokamera 108, ist so ausgerichtet, dass zumindest ein
Teil des Patienten 106 innerhalb des Kamerablickfeldes
liegt. Die Kamera 108 überwacht
den Patienten 106 hinsichtlich einer Bewegung in Bezug
auf bestimmte, gemessene physiologische Aktivität. Wenn beispielsweise Atmungsbewegungen
des Patienten überwacht
werden, dann kann die Kamera 108 so eingerichtet sein, dass
sie die Bewegung des Brustkorbs des Patienten überwacht. Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Kamera 108 mit ihrer Achse in circa 45 Grad zur
Längsachse
des Patienten 106 angeordnet. Zur Messung von Atmungsaktivität, die in
etwa 3–5
mm Brustkorbbewegung resultieren könnte, ist das Video-Abbildungs-Blickfeld
vorzugsweise so eingestellt, dass es einen etwa 20 cm mal 20 cm-Bereich
des Brustkorbs des Patienten zeigt. In 1 ist ausschließlich zu Zwecken der Erläuterung
eine einzige Kamera 108 gezeigt. Jedoch kann die Anzahl
von bei der Erfindung verwendeten Kameras 108 diese Anzahl überschreiten,
und die genaue, bei der Erfindung zu verwendende Anzahl hängt von
der speziellen Anwendung ab, auf die sie ausgerichtet ist.
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Bei
einer Ausführungsform
projizieren eine oder mehrere Beleuchtungsquellen (welche bei der bevorzugten
Ausführungsform
Infrarot-Quellen sind) Licht auf den Patienten 106 auf
dem Behandlungstisch 104. Das erzeugte Licht wird reflektiert
von einer oder mehreren Markierungen auf dem Patienten-Körper. Die
Kamera 108, die auf den Patienten 106 gerichtet
ist, nimmt das von der einen oder den mehreren Markierungen reflektierte
Licht auf und erfasst es. Die Markierungen sind basierend auf der
untersuchten physiologischen Aktivität ausgewählt. Beispielsweise werden
für Atmungsmessungen
Markierungen aus einer oder mehreren Stellen auf dem Patientenbrustkorb
ausgewählt.
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Die
Ausgabesignale der Kamera 108 werden zu einem Computer 110 oder
einem anderen Typ von Verarbeitungseinheit gesendet, der Videobilder
empfangen kann. Gemäß einer
speziellen Ausführungsform
weist der Computer 110 einen Intel-Pentium-basierten, Microsoft-Windows-NT-betriebenen
Prozessor auf und hat eine Videoframegrabber-Karte mit einem separaten
Kanal für
jede bei der Vorrichtung verwendete Videoquelle. Die von der Kamera 108 aufgenommenen
Bilder werden zur Verarbeitung zum Computer 110 gesendet.
Wenn die Kamera 108 eine analoge Ausgabe erzeugt, wandelt
der Framegrabber die Kamerasignale, vor dem Verarbeiten durch den
Computer 110, in ein digitales Signal um. Basierend auf
den vom Computer 110 empfangenen Videosignalen können vom
Computer 110 Steuersignale zum Betätigen des Schalters 116 gesendet
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind ein oder mehrere passive Marker 114 auf dem Patienten
in dem Bereich angeordnet, der hinsichtlich einer Bewegung zu detektieren
ist. Jeder Marker 114 weist vorzugsweise ein reflektives
oder retro-reflektives Material auf, das Licht, ob bei sichtbaren
oder unsichtbaren Wellenlängen,
reflektieren kann. Wenn sich die Beleuchtungsquelle mit der Kamera 108 an der
gleichen Stelle befindet, dann weist der Marker 114 vorzugsweise
retro-reflektives Material auf, das Licht im Wesentlichen in die
Richtung der Beleuchtungsquelle reflektiert. Alternativ weist jeder
Marker 114 seine eigene Lichtquelle auf. Der Marker 114 wird
anstelle von oder in Verbindung mit physischen Markierungen am Patienten-Körper verwendet,
der mittels der Kamera 108 abgebildet wird, um eine Patientenbewegung
zu erfassen. Marker 114 werden vorzugsweise anstelle von
Körpermarkierungen
verwendet, da solche Marker 114 über das mittels der Kamera 108 erzeugte
Videobild einfacher zu erfassen und zu verfolgen sind. Aufgrund
der reflektiven oder retro-reflektiven Eigenschaften der bevorzugten Marker 114 bieten
die Marker 114 für
eine Lichterfassungs-Vorrichtung, wie beispielsweise die Kamera 108,
inhärent
einen größeren Kontrast
in einem Videobild, insbesondere wenn die Kamera 108 und
die Beleuchtungsquelle an der gleichen Stelle positioniert sind.
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Ein
Verwenden einer Video- oder optisch basierten Vorrichtung, um eine
Patientenbewegung zu verfolgen, bietet verschiedene Vorteile. Erstens
stellt eine Video- oder optisch basierte Vorrichtung einen zuverlässigen Mechanismus
bereit zum Wiederholen von Messergebnissen zwischen Anwendungen
an einem bestimmten Patienten. Zweitens ist das erfindungsgemäße Verfahren
nichtinvasiv, und selbst wenn Marker verwendet werden, müssen am
Patienten keine Kabel oder Verbindungen vorgesehen werden. Ferner
kann die Vorrichtung, wenn die Verwendung von Markern unpraktisch
ist, weiterhin ohne Marker eingesetzt werden, indem Messungen physiologischer
Aktivität
durchgeführt
werden, die auf ausgewählte
Körperstellen
abgestimmt sind. Schließlich ist
das erfindungsgemäße Verfahren
genauer, da es auf absoluter Messung äußerer, anatomischer, physischer
Bewegung basiert.
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Eine
mögliche
Unzulänglichkeit
beim Verfolgen der Marker 114 ist, dass die Marker irgendwo
im Videoframe erscheinen können,
und alle der Bildelemente des Videoframes können zu überprüfen sein, um die Position des
Markers 114 zu ermitteln. Daher beinhaltet bei einer Ausführungsform
die initiale Ermittlung von Positionen für den Marker 114 eine
Prüfung
aller der Bildelemente im Videoframe. Wenn das Videoframe 640 mal
480 Bildelemente aufweist, dann werden initial alle 307200 (640*480)
Bildelemente geprüft,
um die Position der Marker 114 zu finden.
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Für eine Echtzeit-Verfolgung
des Markers 114 könnte
das Prüfen
jedes Bildelements für
jedes Videoframe, um die Position des Markers 114 in Echtzeit
zu ermitteln, eine signifikante Menge an Systemressourcen verbrauchen.
Daher kann die Echtzeit-Verfolgung des Markers 114 bei
einer Ausführungsform
mittels Verarbeitens eines kleinen Bereichs des Videoframes, hierin
als ein „Verfolgungs-Tor" bezeichnet, erleichtert
werden, der positioniert wird basierend auf einer Berechnung der
Position des bereits identifizierten Markers 114 im Videoframe.
Die vorher bestimmte Position eines im vorherigen Videoframe definierten
Markers 114 wird verwendet, um einen initialen Suchbereich
(d. h. das Verfolgungs-Tor) für
diesen selbigen Marker 114 in Echtzeit zu definieren. Das
Verfolgungs-Tor ist ein relativ kleiner Bereich des Videoframes,
der an der vorherigen Position des Markers 114 zentriert
ist. Das Verfolgungs-Tor wird nur dann ausgedehnt, wenn es nicht
die neue Position des Markers 114 enthält. Als ein Beispiel betrachte
man die Situation, wenn die vorher bestimmte Position eines bestimmten
Markers in einem Videoframe ein Bildelement (50, 50)
ist. Wenn das Verfolgungs-Tor auf einen 50 mal 50-Bereich des Videoframes
beschränkt
ist, dann würde das
Verfolgungs-Tor für
dieses Beispiel die Bildelemente umfassen, die innerhalb des Bereichs
zusammengefügt
sind, der durch die Koordinaten (25, 50), (75, 50),
(50, 25) und (50, 75) definiert
ist. Die anderen Bereiche des Videoframes werden nur dann durchsucht,
wenn der Marker 114 nicht innerhalb dieses Verfolgungs-Tores
gefunden wird.
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Die
von der Kamera 108 zum Computer 110 gesendeten
Videobildsignale werden verwendet, um Verfolgungs-Bewegungssignale
zu erzeugen, die die Bewegung des Markers 114 und/oder
von Markierungs-Strukturen am Patienten-Körper repräsentieren. 2 zeigt ein Beispiel eines Bewegungssignal-Diagramms 200 für Atmungsbewegung,
das Informationen enthält
hinsichtlich der Bewegung eines Markers 114 während einer
vorgegebenen Messperiode. Die horizontale Achse stellt Zeitpunkte
dar, und die vertikale Achse stellt die relative Position oder Bewegung
des Markers 114 dar.
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Ein
wichtiger Aspekt physiologischen Steuerns von Strahlentherapie ist
die Bestimmung der Grenzen der „Behandlungsintervalle" zum Beaufschlagen
von Strahlung. Zu Steuerungszwecken können aus dem Amplitudenbereich
des Bewegungssignals Schwellenwert-Punkte definiert werden, um die
Grenzen der Behandlungsintervalle zu bestimmen. Bewegungen des Patienten,
die aus den Grenzen der Behandlungsintervalle hinausfallen, entsprechen
einer Bewegung, bei der vorhergesagt ist, dass sie inakzeptable
Bewegungsniveaus für
den für
eine Bestrahlung vorgesehen Tumor oder das für eine Bestrahlung vorgesehene
Gewebe verursacht. Gemäß einer
Ausführungsform
entsprechen die Behandlungs-Intervalle dem Abschnitt des physiologischen
Zyklus, in dem die Bewegung des klinischen Zielvolumens minimiert
ist. Andere Faktoren zum Bestimmen der Grenzen der Behandlungs-Intervalle umfassen
das Identifizieren des Bereichs der Bewegungssignale, der die letzte
Bewegung des Zielvolumens betrifft, oder des Bereichs des Bewegungssignals,
der den größten Abstand
des Zielvolumens von gefährdeten
Organen betrifft. Daher kann das Bestrahlungsstrahl-Muster mit dem
für eine
Patientenbewegung zu berücksichtigenden
minimal möglichen Spielraum
ausgebildet werden.
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Strahlung
wird dem Patienten nur dann beaufschlagt, wenn sich das Bewegungssignal
innerhalb der festgelegten Behandlungs-Intervalle befindet. Bezugnehmend
auf 3 sind Beispiele
von Behandlungs-Intervallen gezeigt, die durch einen Signalbereich 302 dargestellt
sind, der aus den Bewegungsdaten definiert wurde, die im Bewegungssignal-Diagramm 200 gezeigt
sind. Bei dem Beispiel von 3 fällt jede
Bewegung der gemessenen Körperstelle,
die den Wert von 0,8 (gezeigt durch eine obere Begrenzungslinie 304) überschreitet,
oder welche sich unterhalb des Wertes von 0,0 (gezeigt durch eine
untere Begrenzungslinie 306) bewegt, aus den Grenzen der
Behandlungs-Intervalle heraus.
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In 3 ist ein Beispiel eines
Steuersignal-Diagramms 300 gezeigt, das zum Bewegungssignal-Diagramm 200 ausgerichtet
ist. Jedes Bewegungssignal, das aus dem Behandlungsintervall-Signalbereich 302 herausfällt, resultiert
in einem „Strahl-Stop"-Steuersignal-Schwellenwert 310,
der die Beaufschlagung von Strahlung auf den Patienten stoppt. Jedes
Bewegungssignal, das sich innerhalb des Behandlungsintervall-Signalbereichs 302 befindet,
resultiert in einem „Strahl-Ein"-Steuersignal-Schwellenwert 312,
der erlaubt, dass dem Patienten Strahlung beaufschlagt wird. Bei
einer Ausführungsform
werden digitale Signale, die die im Bewegungssignal-Diagramm 200 gezeigte
Information repräsentieren,
vom Computer 110 verarbeitet und mit den Schwellenwert-Stufen
des Behandlungsintervall-Signalbereichs 302 verglichen,
um Steuersignal-Schwellenwerte 310 und 312 zu
erzeugen. Alternativ können
Steuersignal-Schwellenwerte 310 und 312 erhalten
werden, indem einem Komparator analoge Bewegungssignale zugeführt werden,
die mit analogen Schwellenwert-Signalen zu vergleichen sind, die
dem Behandlungsintervall-Signalbereich 302 entsprechen.
In jedem Fall werden vom Computer 110 Steuersignal-Schwellenwerte 310 und 312 erzeugt
und dem Schalter 116 zugeführt, der den Betrieb der Bestrahlungsstrahl-Quelle 102 (1) steuert, um die Beaufschlagung
eines Bestrahlungsstrahls auf einen Patienten 106 zu stoppen
oder zu starten.
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4 ist ein Flussdiagramm
der Verfahrensschritte, die bei einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden.
Der erste Verfahrensschritt ist, aus dem Bereich von Bewegungssignalen,
die mittels einer Kamera zu erfassen sind, Grenzen für die Behandlungs-Intervalle
zu definieren (402). Wie oben angegeben, entspricht jede
Bewegung, die aus den Grenzen der Behandlungs-Intervalle herausfällt, einer
Bewegung, bei der vorhergesagt ist, dass sie in inakzeptablen Bewegungsniveaus
des für
eine Bestrahlung vorgesehenen Tumors oder Gewebes resultiert. Eine
optische oder Video-Abbildungs-Vorrichtung,
wie beispielsweise eine Videokamera, wird verwendet, um die physiologische
Bewegung des Patienten zu messen (404), und die Ausgabesignale der
optischen oder Video- Abbildungs-Vorrichtung werden verarbeitet,
um die gemessenen Bewegungssignale mit den Schwellenwert-Grenzen
der Behandlungs-Intervalle zu vergleichen (406).
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Wenn
sich das Bewegungssignal außerhalb der
Grenzen der Behandlungs-Intervalle befindet, dann wird ein „Strahl-Aus"-Steuersignal-Schwellenwert an einen
Schalter angelegt, der mit der Bestrahlungsstrahl-Quelle wirkgekoppelt
ist (408). Wenn die Bestrahlungsstrahl-Quelle gegenwärtig den
Patienten (410) bestrahlt, dann wird die Schalterstellung
so gesteuert, dass der Bestrahlungsstrahl gestoppt oder abgeschaltet
wird (411). Der Prozess kehrt dann zu Verfahrensschritt 406 zurück.
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Wenn
sich das Bewegungssignal innerhalb der Grenzen der Behandlungs-Intervalle
befindet, dann wird ein „Strahl-Ein"-Steuersignal-Schwellenwert erzeugt (412)
und an einen Schalter angelegt, der mit der Bestrahlungsstrahl-Quelle
wirkgekoppelt ist. Wird die Bestrahlungsstrahl-Quelle gegenwärtig nicht
dem Patienten beaufschlagt wird (413), dann wird die Schalterstellung
so gesteuert, dass die Bestrahlungsstrahl-Quelle angeschaltet oder
beaufschlagt wird, um den Patienten zu bestrahlen (414). Der
Prozess kehrt dann zu Verfahrensschritt 406 zurück.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Bestrahlungsstrahl-Quelle
ausgeschaltet werden, wenn in den regulären physiologischen Bewegungen
des Patienten eine signifikante Abweichung erfasst wird. Solche
Abweichungen können
aus einer plötzlichen Bewegung
oder aus einem Husten des Patienten resultieren. Die Position und/oder
die Ausrichtung des Zielgewebes kann sich infolge dieser Abweichung
inakzeptabel verschieben, selbst wenn während dieser Abweichung der
Amplitudenbereich des Bewegungssignals immer noch in die Grenzen
der Behandlungs-Intervalle fällt.
Daher hilft eine Erfassung solcher Abweichungen, die geeigneten
Zeitintervalle zu definieren zum Steuern der Strahlenbehandlung.
Ein Verfahren zum Erfassen von Abweichungen von regulären physiologischen
Bewegungen eines Patienten ist in der internationalen PCT-Anmeldung
Nr. PCT/US99/24946 des Anmelders und der internationalen Offenlegungsschrift
Nr. WO 00/24466 offenbart.
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Während der
Planungsphase der Strahlenbehandlung können Steuerungssimulationen
durchgeführt
werden, um die optimalen Grenzen der Behandlungs-Intervalle zu bestimmen. 5a zeigt eine Vorrichtung 500,
die zum Durchführen
einer Steuerungssimulation verwendet werden kann. Wie bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 100 weist
die Vorrichtung 500 eine Kamera 108 auf, die auf
einen Patienten auf einem Behandlungstisch 104 gerichtet ist.
Die Ausgabesignale der Kamera 108 werden zur Verarbeitung
an einen Computer 110 gesendet. Die Vorrichtung 500 weist
zusätzlich
eine Bildgebungsvorrichtung auf, die Bilder erzeugen kann von inneren Strukturen
im Patienten-Körper.
Bei einer Ausführungsform
weist die Vorrichtung 500 eine digitale, Fluoroskopie-Bildgebungs-Vorrichtung
mit einer Röntgenstrahl-Quelle 502 und
einer Fluoroskopie-Röntgenstrahl-Erfassungseinrichtung 504 auf. Das
resultierende Fluoreszenz-Video
kann auf einer Fluoreszenz-Anzeigevorrichtung 506 angezeigt
werden. Zusätzlich
können
die Ausgabesignale von der Fluoroskopie-Röntgenstrahl-Erfassungseinrichtung 504 an
den Computer 110 gesendet werden.
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Während einer
Steuerungssimulation wird die Bewegung einer oder mehrerer Markierungen oder
Marker 114 am Patienten-Körper unter Verwenden der Kamera 108 optisch
gemessen. Die erfasste Bewegung der Markierung oder des Markers 114 resultiert
in der Erzeugung von Bewegungssignalen gemäß dem unter Bezugnahme auf 2 erläuterten Verfahren. Während Bewegungsdaten
gesammelt werden, erzeugt die Fluoroskopie-Videovorrichtung Bilddaten
des für
eine Bestrahlung vorgesehenen Tumors oder Gewebes. Bei einer Ausführungsform
ist die Anordnungs-Geometrie der Fluoroskopie-Bildgebungsvorrichtung
derart gestaltet, dass sie der Projektions-Geometrie der Bestrahlungsstrahl-Quelle
entspricht, die verwendet wird, um zur Behandlung Bestrahlungsstrahlen
zu beaufschlagen. Dies ermöglicht
eine präzise
Simulation der Zielvolumens, das bei der tatsächlichen Behandlung zu erreichen
ist.
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5b zeigt eine Ausführungsform
einer Benutzer-Schnittstelle 510 zum
Darstellen der aufgezeichneten Daten der Fluoreszenz-Bilder und
der Bewegungssignale. Ein Bereich der Benutzer-Schnittstelle 510 stellt
ein Diagramm 512 der gemessenen Bewegungssignale dar. Ein
anderer Bereich der Benutzer-Schnittstelle 510 stellt ein
Fluoreszenz-Video 514 dar. Während der Planungsphase der
Behandlung kann das Fluoreszenz-Video 514 des Ziel-Tumors
oder Ziel-Gewebes gleichzeitig mit der Anzeige der Bewegungssignale
angezeigt werden. Die gleichzeitige Anzeige von beiden Datensätzen ermöglicht basierend
auf dem Bereich von Bewegungen des Tumors oder Zielgewebes bei bestimmten
Abschnitten der Bewegungssignale eine visuelle Art des Bestimmens
der korrekten Grenzen der Behandlungs-Intervalle.
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Steuerungssimulationen
können
mittels Durchführens
einer „gesteuerten
Wiedergabe" durchgeführt werden.
Eine gesteuerte Wiedergabe beinhaltet ein Einstellen simulierter
Schwellenwert-Grenzen für
die Behandlungs-Intervalle. Während
der gesteuerten Wiedergabe kann die Benutzer-Schnittstelle so gestaltet
sein, das sie das Fluoreszenz-Bild nur anzeigt, wenn sich das Bewegungssignal
innerhalb der Grenzen der simulierten Behandlungs-Intervalle befindet.
Das Fluoreszenz-Video
kann abgeschaltet oder angehalten werden, wenn sich das Bewegungssignal
außerhalb
der simulierten Behandlungs-Intervalle
befindet. Der Steuerungs-Schwellenwert kann, während sowohl das Fluoreszenz-Video
als auch die Bewegungssignale auf der Benutzer-Schnittstelle angezeigt
werden, dynamisch angepasst werden. Das Wiedergabe/Anpass-Verfahren kann durchgeführt werden,
bis der Arzt mit dem Steuerungs-Schwellenwert des Behandlungsfensters
zufrieden ist. Die Anzeigerate kann, um die visuelle Wiedergabe
des Fluoreszenz-Videos zu beschleunigen oder zu verlangsamen, dynamisch
angepasst werden.
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Bei
einer Ausführungsform
kann im Fluoreszenz-Video 514 ein visueller Anzeigerahmen
um einen interessierenden Bereich e) herum ausgebildet werden. Beispielsweise
kann ein kastenartiger Rahmen um einen im Fluoreszenz-Video 514 gezeigten Tumor
herum gezeichnet werden. Alternativ kann ein Anzeigerahmen, der
im Wesentlichen mit der Form eines Tumors übereinstimmt, um diesen Tumor
herum gezeichnet werden. Der visuelle Anzeigerahmen kann verwendet
werden, um die Form eines beaufschlagten Bestrahlungsstrahls zu
simulieren.
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Während der
Wiedergabe kann an bestimmten Punkten im Bewegungssignalbereich
die Bewegung des Tumors in Bezug auf den visuellen Anzeigerahmen
helfen, die korrekten Grenzen der Behandlungs-Intervalle zu bestimmen.
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Das
aufgezeichnete Fluoreszenz-Bild ermöglicht eine digitale Analyse
und Quantifizierung des Betrages der aus regulärer physiologischer Bewegung
resultierenden Tumorbewegung. Für
jedes Bildframe können
die dem Tumor oder Zielgewebe entsprechenden Bilddaten mittels des
Computers 510 markiert oder anderweitig selektiert werden.
Mit diesen Bilddaten können
Berechnungen durchgeführt
werden, um eine während
der regulären
physiologischen Bewegungen stattfindende Bewegung des Tumors oder
Gewebes zu analysieren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann diese Berechnung mittels digitaler Subtraktion von Bildframes
durchgeführt
werden. Beim Verwenden digitaler Subtraktion wird ein erstes Bildframe
ausgewählt, das
einem ersten Zeitpunkt in einem Bewegungszyklus entspricht. Ein
zweites Bildframe, das einem zweiten Zeitpunkt im Bewegungszyklus
entspricht, wird ausgewählt.
Eine digitale Subtraktion wird zwischen den Bildelementen des ersten
und des zweiten Bildframes durchgeführt, um die Differenz über den Bereich
der Bildframes zu erhalten, der dem Tumor oder Zielgewebe entspricht.
Bei einer Ausführungsform
wird die Größe der Differenz
unter Verwenden der Standardabweichung von Pixelwerten der Subtraktionsergebnisse
berechnet. Der Verteilungsbereich über den Subtraktionsbereich
wird analysiert, um den Betrag der zwischen dem ersten und dem zweiten
Zeitpunkt im Bewegungszyklus vom Tumor oder Zielgewebe durchgemachten
Positionsverlagerung zu ermitteln. Diese Berechnung kann über komplette
Aufzeichnungsperioden durchgeführt
werden, um präzise
Tumor- oder Zielgewebe- Bewegung
in unterschiedlichen Stadien im Bewegungszyklus zu quantifizieren.
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Die
quantifizierten Bewegungsdaten des Tumors oder Zielgewebes ermöglichen
eine präzise
Bestimmung von Steuerungs-Schwellenwerten für die Behandlungs-Intervalle.
Wenn der Arzt beispielsweise wünscht,
dass die Behandlungs-Intervalle
Bewegungsperioden enthalten, die einen bestimmten Schwellenwert-Bewegungsspielraum
nicht überschreiten,
dann können
die quantifizierten Bewegungsdaten analysiert werden, um die exakten
Grenzen der Behandlungs-Intervalle zu ermitteln, die den gewünschten
Bewegungsspielraum erzielen. Alternativ können in den Computer 110 bestimmte,
voreingestellte Bewegungsspielraum-Schwellenwerte einprogrammiert
werden. Basierend auf den voreingestellten Bewegungsspielräumen kann
die Vorrichtung eine Analyse der Bewegungsdaten durchführen, um die
optimalen Steuerungs-Schwellenwerte
für die
Behandlungs-Intervalle zu ermitteln, so dass die voreingestellten
Bewegungsspielräume
erzielt werden. Dieser Steuerungs-Schwellenwert kann als die Standard-
oder die vorgeschlagenen Behandlungs-Intervalle für den entsprechenden
Patienten bestimmt sein.
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Um
die Steuerungs-Schwellenwert-Einstellungen für die Behandlungs-Intervalle
zu bestätigen, kann
eine Verifikation durchgeführt
werden. Dies ist insbesondere nützlich
während
des Bereitstellens einer Teilbehandlung. Dies kann als eine zweite
Simulationsprozedur durchgeführt
werden, indem die während
der Planungsphase verwendete Steuerungssimulation wiederholt wird.
Alternativ kann während
einer für
den Patienten mit der Bestrahlungsstrahl-Quelle vorgesehenen Behandlungssitzung eine
gesteuerte Verifikations-Bildverarbeitung
durchgeführt
werden. Gesteuerte elektronische Tor-Bilder können während der Zufuhr der Teil-Strahlenbehandlungen
erhalten werden. Um dies zu erreichen, triggert die Steuervorrichtung
eine einzige Belichtung oder eine Sequenz von Belichtungen, welche
mit den Ursprungs-Referenzbildern
automatisch oder visuell verglichen werden können. Die Verifikation kann
an jedem Punkt wiederholt werden, der bei der Behandlungsplanung
als klinisch geeignet erachtet wird.
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Die 6a und 6b zeigen eine Ausführungsform einer Kamera 108,
die bei der Erfindung verwendet werden kann. Die Kamera 108 ist
eine Ladungskopplungs („CCD")-Kamera mit einer
oder mehreren photoelektrischen Kathoden und einer oder mehreren
CCD-Einheiten. Eine CCD-Einheit ist ein Halbleiterbauelement, das
Ladung in lokalen Bereichen speichern kann und das bei geeigneten
Steuersignalen diese Ladung an eine Auslesestelle überträgt. Wenn
Lichtphotonen von der abzubildenden Szene auf die photoelektrischen
Kathoden fokussiert sind, werden im Verhältnis zur in der Kamera empfangenen
Lichtintensität
Elektronen freigesetzt. Die Elektronen werden in in der CCD-Einheit
angeordneten Ladungsbehältern
eingefangen. Die Verteilung eingefangener Elektronen in den Ladungsbehältern repräsentiert
das in der Kamera aufgenommene Bild. Der CCD überträgt diese Elektronen zu einem
Analog-zu-Digital-Wandler. Die Ausgabe des Analog-zu-Digital-Wandlers
wird zum Verarbeiten des Videobildes und zum Berechnen der Positionen
der retro-reflektiven Marker 114 zum Computer 110 gesendet.
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist die Kamera 108 eine monochromatische
CCD-Kamera mit einem RS-170-Ausgang und einer 640 × 480-Pixelauflösung. Alternativ
kann die Kamera 108 eine CCD-Kamera mit einem CCIR-Ausgang
und einer 756 × 567-Pixelauflösung aufweisen.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
der Erfindung ist eine Infrarot-Beleuchtungseinrichtung 602 („IR-Beleuchtungseinrichtung") mit der Kamera
an der gleichen Stelle angeordnet. Die IR-Beleuchtungseinrichtung 602 erzeugt einen
oder mehrere Strahlen von Infrarotlicht, das in der gleichen Richtung
wie die Kamera 108 ausgerichtet ist. Die IR-Beleuchtungseinrichtung 602 weist
eine Fläche
auf, die ringartig um die Linse 606 eines Kamerakörpers 608 herum
ausgebildet ist. Die Fläche
der IR-Beleuchtungseinrichtung 602 weist zum Erzeugen von
Infrarotlicht eine Mehrzahl von einzelnen LED-Elementen 604 auf.
Die LED-Elemente 604 sind an der IR-Beleuchtungseinrichtung 602 in
einem Spiralmuster angeordnet. Infrarotfilter, die Teile der Kamera 108 sein können, sind
entfernt oder deaktiviert, um die Empfindlichkeit der Kamera für Infrarotlicht
zu erhöhen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
können
digitale Videoaufnahmen des Patienten bei einer Sitzung über die
Kamera 108 aufgezeichnet werden. Dieselbe Kamera 108,
die zum Verfolgen einer Patientenbewegung verwendet wird, kann genutzt
werden, um für
eine zukünftige
Bezugnahme Videobilder des Patienten aufzuzeichnen. Eine Normal-Umgebungslicht-Bildsequenz des Patienten
kann synchron mit den gemessenen Bewegungssignalen von Markern 114 erhalten
werden.
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Die 7a und 7b zeigen eine Ausführungsform eines retro-reflektiven
Markers 700, der bei der Erfindung verwendet werden kann.
Der retro-reflektive Marker 700 weist zum Reflektieren
von Licht eine erhabene Reflektionsfläche 702 auf. Die erhabene Reflektionsfläche 702 weist
eine Halbkugelform auf, so dass Licht unabhängig vom Einfallwinkel der
Lichtquelle reflektiert werden kann. Eine ebene Fläche 704 umgibt
die erhabene Reflektionsfläche 702.
Die Unterseite der ebenen Fläche 704 stellt
einen Befestigungsabschnitt bereit, um den retro-reflektiven Marker 700 an
bestimmten Stellen an einem Patienten-Körper anzubringen. Gemäß einer
Ausführungsform
besteht der retro-reflektive Marker 700 aus einem retro-reflektiven
Material 3M#7610WS, das von der 3M Corporation verfügbar ist.
Bei einer Ausführungsform
weist der Marker 700 einen Durchmesser von etwa 0,5 cm
und eine Höhe
des höchsten
Punktes der erhabenen Reflektionsfläche 702 von etwa 0,1
cm auf.
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8 zeigt eine Vorrichtung 802,
die verwendet werden kann, um retro-reflektive Marker 700 herzustellen.
Die Vorrichtung 802 weist einen Basisabschnitt 804 mit
einem daran befestigten elastischen Ring 806 auf. Der elastische
Ring 806 ist am unteren Formenteil 808 angebracht,
das eine von seiner Mitte vorstehende Ausbauchung aufweist. Ein Steuerhebel 810 kann
betätigt
werden, um den oberen Abschnitt 812 entlang von Stützstangen 814 zu bewegen.
Der obere Abschnitt 812 weist ein unter Federspannung stehendes,
oberes Formenteil 814 auf. Das obere Formenteil 814 ist
an seiner Unterseite mit einer halbkugelförmigen Vertiefung ausgebildet.
Im Betrieb wird ein Teil aus retro-reflektivem Material auf dem
unteren Formenteil 808 platziert. Der Steuerhebel 810 wird
so betätigt,
dass der obere Abschnitt 812 zum Basisabschnitt 804 hin
bewegt wird. Das retroreflektive Material wird zusammengedrückt und
zwischen dem unterem Formenteil 808 und dem oberem Formenteil 814 geformt.
Das obere Formenteil 814 bildet die obere Außenseite
des retro-reflektiven Materials in einer Halbkugelform aus.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
weist der Marker 114 einen Markerblock mit einer oder mehreren
Referenzstellen auf seiner Oberfläche auf. Jede Referenzstelle
auf dem Marker-Block weist vorzugsweise ein retro-reflektives oder
reflektives Material auf, das mittels einer optischen Abbildungs-Vorrichtung,
wie beispielsweise der Kamera 108, erfassbar ist.
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9 zeigt eine Ausführungsform
eines eine zylindrische Form aufweisenden Marker-Blocks 900 mit
mehreren aus retroreflektiven Elementen 902 bestehenden,
auf seiner Oberfläche
angeordneten Referenzstellen. Der Marker-Block 900 kann
als ein starrer Block (beispielsweise aus Styropor) ausgebildet
sein. Die auf diese Weise ausgebildeten Blöcke können selbst bei mehreren Patienten
eine Vielzahl von Malen wiederverwendet werden. Die retro-reflektiven
Elemente 902 können
aus dem gleichen Material geformt sein, das verwendet wird, um die
retro-reflektiven Marker 114 der 7a und 7b herzustellen. Der
Marker-Block ist vorzugsweise aus einem Material geformt, das leichtgewichtig
genug ist, die normale Atmung des Patienten nicht zu beeinträchtigen.
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Ein
Marker-Block kann in jeder Form oder Größe ausgebildet sein, solange
die Größe, der
Abstand und die Positionierung der Referenzstellen derart gestaltet
sind, dass eine Kamera oder eine andere optische Abbildungs-Vorrichtung ein Bild
aufnehmen und erzeugen kann, das präzise die Positionierung des
Marker-Blocks zeigt. Beispielsweise zeigt 10 einen alternativen, eine Halbkugelform
aufweisenden Marker-Block 1000, der eine Mehrzahl von auf
seiner Oberfläche
angebrachten, retro-reflektiven Elementen 1002 aufweist.
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Der
Marker-Block kann mit Formen ausgebildet sein, die an bestimmte
Körperteile
passen. Beispielsweise können
als Marker-Blocks Formteile oder Gussteile verwendet sein, die mit
bestimmten Stellen auf dem Körper übereinstimmen.
Marker-Blocks, die
so geformt sind, dass sie an bestimmte Bereiche des Körpers passen,
erleichtern die wiederholbare Platzierung der Marker-Blocks an bestimmten
Stellen am Patienten. Alternativ können die Marker-Blocks so ausgebildet
sein, dass sie an bestimmte Befestigungsvorrichtungen passen, die
an einem Patienten-Körper
angebracht sind. Beispielsweise kann ein Marker-Block so in Vertiefungen
und Nuten ausgebildet sein, das er an einer Brille angebracht werden
kann. Bei noch einer anderen Ausführungsform sind die Befestigungsvorrichtungen
mit einem integralen Marker- Blocks)
mit reflektiven oder retro-reflektiven Markern darauf ausgebildet.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Marker-Blocks weist auf ihrer Oberfläche lediglich ein einziges
Referenzstellen-/Reflektions-Element
auf. Diese Ausführungsform
des Marker-Blocks
wird anstelle des retro-reflektiven Markers 114 verwendet, um
bestimmte Stellen an einem Patienten-Körper mit einer optischen Abbildungs-Vorrichtung
zu erfassen.
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In
der obigen Beschreibung wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf
bestimmte Ausführungsformen
davon beschrieben. Es wird jedoch deutlich, dass unterschiedliche
Modifikationen und Änderungen
daran durchgeführt
werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können innerhalb
des Umfangs der Erfindung die vom Computer 110 durchgeführten Operationen
durch jede Kombination von Hardware und Software durchgeführt werden
und sollten nicht auf bestimmte Ausführungsformen beschränkt sein,
die nur eine bestimmte Definition von „Computer" aufweisen. Die Beschreibung und die
Figuren sind demgemäß, anstatt
in einem einschränkenden,
in einem veranschaulichenden Sinn zu betrachten.