DE10161152B4

DE10161152B4 - Positionierung des Behandlungsstrahls eines Strahlentherapiesystems mittels eines Hexapoden

Info

Publication number: DE10161152B4
Application number: DE10161152.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Müller; Dr. Vogele Michael
Original assignee: Medical Intelligence Medizintechnik GmbH
Current assignee: Medical Intelligence Medizintechnik GmbH
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2005512699A; EP1455898A2; WO2003053520A3; WO2003053520A2; AU2002356653A1; DE10161152A1; US20090168961A1; US20050063510A1

Abstract

Strahlentherapiesystem, bestehend aus zumindest einer Unterlage (15), auf der ein Patient (13) gelagert ist, einer Bestrahlungsvorrichtung (1), insbesondere einem Linearbeschleuniger, die einen Behandlungsstrahl (12) erzeugt, und einem Strahlführungselement (11) zum Lenken des Behandlungsstrahls (12) auf ein Isozentrum (14) in dem Patienten (13), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hexapod (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) zum Verstellen des Strahlführungselementes (11) und/oder der Unterlage (15) vorgesehen ist, dass zumindest ein Sensor (20, 21) am Hexapoden (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) und/oder am Strahlführungselement (11) und/oder am Linearbeschleuniger zur Erfassung der Position des Patienten (13) auf der Unterlage (15) vorgesehen ist, und dass eine Steuerung (30) vorgesehen ist, die eine mittels des zumindest einen Sensors (20, 21) erfasste Istposition mit einer vorgegebenen Sollposition des Patienten (13) vergleicht und den Hexapoden (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) so steuert, dass der Behandlungsstrahl (12) das Isozentrum (14) des Patienten (13) trifft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlentherapiesystem gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen des Anspruches 1.
Bekannte Strahlentherapiesysteme bestehen zumindest aus einer Unterlage, auf der der Patient gelagert werden kann, der sog. Patientenliege, und einer Bestrahlungsvorrichtung, insbesondere einem sog. Linearbeschleuniger. Der Linearbeschleuniger ist für gewöhnlich an einem Gerüst, der sog. Gantry, befestigt. Die Gantry ist in der Regel beweglich gestaltet, d. h. sie ist um den auf der Liege liegenden Patienten rotierbar. Das im Linearbeschleuniger erzeugte Bestrahlungsfeld wird in einem Bündelungsinstrument, dem sog. Kollimator, gebündelt und ggf. geformt, d. h. die Form des Bestrahlungsfeldes wird an die Konturen des Tumors angepaßt, wodurch eine gezielte Bestrahlung erfolgen kann.
Ein Problem bei der Strahlentherapie liegt darin, den Tumor und damit den Patienten relativ zur Strahlungsquelle so zu positionieren, daß der Strahl bzw. das Strahlenfeld den Tumor möglichst genau trifft und danebenliegendes Gewebe geschont wird. Hierfür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, wobei diese auch kombiniert sein können. Zum einen kann die Strahlenquelle ortsfest bleiben und der Patient und damit der Tumor relativ zu ihr bewegt werden. Zum anderen kann der Patient fixiert sein und die Strahlenquelle bewegt werden. Zur Veränderung der Position des Patienten sind verschiedene Systeme bekannt, die alle darauf beruhen, daß der fest auf der Liege fixierte Patient bewegt wird, indem die Position der Liege verstellt wird.
So beschreibt die DE 197 28 788 A1 ein Verfahren zur Patientenpositionierung relativ zum Behandlungsgerät. Hierbei wird mit Hilfe von CCD-Kameras und durch Bildverarbeitung und Morphing die Istposition des Patienten bestimmt und mit einer zuvor festgelegten Sollposition verglichen. Daraufhin werden Servomotoren der Liege gesteuert, die den Patienten in die Soll-Lage zurückbringen. Diese Steuerung wird im Sekunden- oder Zehntelsekundentakt durchgeführt, um auch auf Atembewegungen des Patienten reagieren zu können.
Aus der DE 198 05 917 A1 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, mit dem die Position von Patienten bei der Strahlentherapie erkannt werden kann und der Patient entsprechend positioniert werden kann. Hierfür wird die Oberflächenstruktur des Patientenkörpers mit zumindest zwei Sensoren erfaßt und mit einem Sollbild verglichen, wodurch Abweichungen der aktuellen Position des Patienten von der Sollposition erkannt werden können. Daraufhin kann dann ggf. eine Lageabweichungskorrektur durchgeführt werden.
Bei der Verstellung der Strahlenquelle ist zudem bekannt, daß diese durch Rotation der Gantry erfolgen kann. Weiterhin zeigt die US 6 052 436 A eine Vorrichtung zur Strahlentherapie, bei der über dem Patienten zwei Führungsschienen fixiert werden, an denen entlang ein Linearbeschleuniger mit aufgesetztem Kollimator bewegt werden. Anhand von Schlitzen in den Führungsschienen werden die Platten des Kollimators so bewegt, daß sich das Bestrahlungsfenster bei Bewegung des Linearbeschleunigers ändert, dahingehend, daß die Form des Bestrahlungsfensters der Form des Tumors angepaßt wird.
Trotz der bekannten Lösungsansätze verbleibt das Problem, des die Positionierung des Patienten oder, genauer gesagt, das Isozentrums des Tumors relativ zur Strahlenquelle noch relativ ungenau ist. Weiterhin haben die bekannten Bestrahlungssysteme den Nachteil, daß die Strahlenquelle relativ zum Patienten nur eingeschränkt verstellbar ist, wodurch insbesondere die Einstrahlung aus ungewöhnlichen Winkeln erschwert ist bzw. komplizierte Vorrichtungen notwendig sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Strahlentherapiesystem zur Verfügung zu stellen, das die oben geschilderten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll ein System geschaffen werden, mit dem die Strahlenquelle relativ zum Patienten möglichst schnell und präzise eingestellt werden kann, um eine optimale Tumorbehandlung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strahlentherapiesystem gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Strahlentherapiesystem besteht zumindest aus einer Unterlage, auf der ein Patient gelagert ist, und einer Bestrahlungsvorrichtung, insbesondere einem Linearbeschleuniger, der einen Behandlungsstrahl erzeugt. Mit dem Begriff ”Behandlungsstrahl” werden alle vom Linearbeschleuniger erzeugten Arten von Strahlung bezeichnet, d. h. sowohl Photonen- als auch Elektronenstrahlen. Weiterhin sollen von dem Begriff nicht nur punktförmige Strahlenbündel, sondern auch sog. Bestrahlungsfelder umfaßt sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Richtung des Behandlungsstrahls mittels zumindest einem Hexapoden einstellbar ist. Mit dem Begriff ”Hexapod” wird eine Vorrichtung bezeichnet, die nach dem sog. Stewart-Prinzip arbeitet (D. Stewart, ”A Platform With Six Degrees of Freedom”, UK Institution of Mechanical Engineers Proceedings, 1965–66, Vol. 180, Pt 1, No 15). Ein Hexapod weist sechs entlang ihrer Längsachse verstellbare Streben oder Stempel, insbesondere Hydraulikzylinder oder Elektrospindeln auf, die sich jeweils zwischen einer oberen und einer unteren Plattform erstrecken. Eine der beiden Plattformen ist dabei fixiert oder stationär, während die andere durch Längenveränderung der Streben, Stempel oder Spindeln bewegt wird. Der Hexapod erlaubt eine kombinierte Translations- und Rotationsbewegung entlang der bzw. um die sechs Koordinaten (X, Y, Z; theta-X, theta-Y, theta-Z). Damit weist ein Hexapod sechs Freiheitsgrade auf. Der Einsatz eines Hexapoden zur Direktionierung des Behandlungsstrahls ermöglicht daher dessen rasche und präzise Ausrichtung. Im praktischen Einsatz bedeutet dies, dass beispielsweise durch Rotation der Gantry eine Grobausrichtung erfolgt und die Feinjustierung dann insbesondere mittels des Hexapoden erfolgen kann, indem der Behandlungsstrahl mit dem Hexapoden ausgerichtet wird. Dadurch ist eine besonders schnelle und exakte Justierung möglich. Weiterhin ermöglicht der Einsatz des Hexapoden zur Ausrichtung des Behandlungsstrahls, dass ein im Vergleich zu anderen Verstellmöglichkeiten (wie sogenannte Kreuztischen) geringer Platzbedarf besteht. Der Hexapod weist zudem eine relativ geringe Aufbauhöhe auf.
Aus der US 2139966 A ist eine Röntgenstrahl-Vorrichtung bekannt, bei der als Beispiel sechs Röntgenstrahlquellen vorgesehen sind, die in einem Sechseck angeordnet sind und deren Ausgangsstrahlen über Strahlführungsrohre für einen gemeinsamen Kreuzungs- oder Brennpunkt geleitet werden. Zu diesem Zweck sind sowohl die Röntgenstrahlquellen als auch die Strahlführungsrohre an einem gemeinsamen Träger schwenkbar befestigt, und die Strahlführungsrohre sind in ihrer Länge veränderbar, um den gemeinsamen Schnittpunkt sämtlicher Röntgenstrahlen hinsichtlich seiner Lage einzustellen. Obwohl dies eine Art von Hexapod für das untere Ende der Strahlführungsrohre bildet, wird die Bestrahlungsvorrichtung als solche nicht durch einen Hexapoden verstellt.
Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Hexapod zwischen Linearbeschleuniger und Kollimator angebracht ist, insbesondere dass dieser mit einer Ringscheibe aufgesteckt ist. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest ein Sensor am Hexapoden und/oder am Linearbeschleuniger und/oder am Kollimator vorgesehen ist, mit dem die Position des Patienten erfasst werden kann. Vorzugsweise sind zwei Sensoren vorgesehen, wobei jedoch auch vorgesehen sein kann, dass nur ein Sensor am Hexapod bzw. Linearbeschleuniger bzw. Kollimator vorgesehen ist und der andere an einem beliebigen anderen Punkt im Behandlungsraum. Dadurch ist eine genaue Positionsbestimmung des Patienten möglich, da zumindest zwei Bilder erzeugt werden und miteinander verglichen werden können.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass der Hexapod so steuerbar ist, dass der Behandlungsstrahl der Tumorkontur nachführbar ist. Eine derartige Steuerung kann beispielsweise vorsehen, dass mittels Verfahren, die ein dreidimensionales Bild erzeugen, beispielsweise der Computertomographie (CT), die Tumorkontur und die Position des Tumors im Patienten erfasst werden. Anhand dieser Daten wird dann mittels des Hexapoden und des von ihm eingestellten Strahlführungselementes der Behandlungsstrahl so ausgerichtet und bewegt, daß der Behandlungsstrahl die Konturen des Tumors nachfährt. Dadurch wird zum einen erzielt, daß der Tumor vollständig bestrahlt wird, und zum anderen verhindert, daß benachbartes Gewebe mit von der Bestrahlung betroffen wird. Weiterhin ermöglicht eine Nachführung des Behandlungsstrahls entlang der Tumorkonturen, daß mit einer geringstmöglichen Dosis gearbeitet werden kann, da Unsicherheitsfaktoren bezüglich beispielsweise der Tumorgröße ausgeschaltet sind und dessen gezielte Bestrahlung ermöglicht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert und beschrieben. Hierbei zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes Strahlentherapiesystem in schematischer Darstellung.
Wie aus (der einzigen) 1 ersichtlich ist, weist das erfindungsgemäße Strahlentherapiesystem einen Linearbeschleuniger 1 auf. Der Linearbeschleuniger 1 kann jede beliebige Gestalt annehmen, so kann er beispielsweise als am Boden stehendes Gerät ausgebildet sein, aoder an der Decke montiert sein. Weiterhin wird der Linearbeschleuniger 1 in der Regel an einem Gerüst, der sog. Gantry, befestigt sein. Im Linearbeschleuniger wird die zur Behandlung benötigte Strahlung auf bekannte Art und Weise erzeugt. Der Behandlungsstrahl 12, angedeutet durch einen entsprechenden Pfeil, passiert somit den Kopf 2 des Linearbeschleunigers 1., Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß zwischen dem Kopf 2 des Linearbeschleunigers 1 und einem Kollimator 11 ein Hexapod vorgesehen ist. Der Hexapod weist zwei Plattformen 3 und 10 auf, wobei die Plattform 3 am Linearbeschleuniger 1, vorzugsweise an dessen Kopf 2 befestigt ist, und die bewegliche Plattform 10 am Kollimator 11 zu dessen Verstellung befestigt ist. Anstelle eines Kollimators 11 kann auch jedes andere beliebige Bündelungs- oder Strahlführungselement vorgesehen sein, je nach gewünschter Anwendung.
Die Plattformen 3 und 10 des Hexapoden sind ringförmig gestaltet und weisen daher Durchtrittsöffnungen 16 und 17 auf, durch die der Behandlungsstrahl 12 hindurchtritt. Es ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Plattform 3 fest mit dem Linearbeschleuniger 1 bzw. dessen Kopf 2 verbunden ist, und so die Plattform des Hexapoden bildet, die in ihrer Position fixiert ist. Die Plattform 10 ist dagegen verstellbar durch Längenveränderung der Streben 4, 5, 6, 7, 8 und 9, wobei sich der Begriff ”Streben” auch auf gleichwirkende Stempel oder Spindeln bzw. allgemein tranlatorische Antriebe beziehen soll. Die Streben 4, 5, 6, 7, 8 und/oder 9 sind entlang ihrer Längsachse längenverstellbar, wie durch den Pfeil 18 angedeutet. Durch Veränderung der Länge von zumindest einer Strebe 4, 5, 6, 7, 8, 9 wird die verstellbare Plattform 10 somit in ihrer Position verändert und dadurch der Kollimator 11 als Strahlführungselement entsprechend mitbewegt. Dadurch wiederum wird der Einstrahlwinkel des Behandlungsstrahles 12 verändert. Dadurch kann der Behandlungsstrahl 12 so ausgerichtet werden, daß er das Isozentrum 14 in dem Patienten 13, der auf einer Unterlage 15 fixiert ist, möglichst präzise trifft. Als ein derartiges Isozentrum 14 wird beispielsweise ein Tumor verstanden, der mittels Strahlentherapie behandelt werden soll.
Vorzugsweise ist weiterhin ein Sensorsystem vorgesehen, mit dem die Position des Patienten 13 auf der Unterlage 15 festgestellt werden kann. Hierfür können beispielsweise an der Plattform 10 Sensoren 20 und 21 vorgesehen sein. Als Sensoren 20 und 21 können beispielsweise Scanning-Systeme verwendet werden, die den Körper und damit die Position des Patienten 13 fortlaufend abtasten bzw. die Oberflächenkontur des Patienten 13 aufnehmen. Die Sensoren 20 und 21 sind dabei auf den Patienten 13 ausgerichtet, wie dies durch die Strichpunkt-Linien 22 und 23 angedeutet ist. Mit Hilfe der Sensoren 20 und 21 wird somit die Position des Patienten 13 auf der Unterlage 15 erfaßt und so fortlaufend überprüft, ob das Isozentrum 14 und der Behandlungsstrahl 12 optimal aufeinander ausgerichtet sind, d. h. ob der Behandlungsstrahl 12 das Isozentrum 14 genau trifft. Werden Abweichungen festgestellt, so ist vorgesehen, daß der oben beschriebene Hexapod dahingehend gesteuert wird, daß der Behandlungsstrahl 12 nachgeführt wird und dieser das Isozentrum 14 wieder genau trifft.
Alternativ dazu könnte beispielsweise auch vorgesehen sein, daß bei einer Abweichung der Istposition des Patienten 13 von seiner Sollposition das Bestrahlungssystem abgeschaltet wird, um Schädigungen des umgebenden Gewebes zu vermeiden. In 1 ist schematisch eine Steuerung 30 dargestellt, die über jeweils einen Signalausgang 31 mit dem Hexapoden verbunden ist. Die Steuerung 30 kann weiterhin verschiedene Eingänge aufweisen, beispielsweise die Eingänge 32 und 33 von den Sensoren 20 und 21. Weiterhin kann die Steuerung 30 auch Signaleingänge von bildgebenden Geräten, z. B. einem CT aufweisen. Hierbei ist vorgesehen, daß die Steuerung 30 jede einzelne Strebe 4, 5, 6, 7, 8, 9 des Hexapoden permanent und gesondert ansteuert, um eine möglichst exakte Ausrichtung des Behandlungsstrahles 12 in allen sechs Freiheitsgraden zu erzielen.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, daß die Unterlage 15, auf der der Patient 13 gelagert werden kann, verstellbar gestaltet ist. Diese Verstellbarkeit wird dadurch erzielt, daß ein Hexapod vorgesehen ist, mit dem die Unterlage 15 verstellt werden kann. Das Vorsehen eines Hexapoden zum Verändern der Position der Unterlage 15 bringt den Vorteil mit sich, daß der Hexapod eine Verstellbarkeit in sechs Freiheitsgraden gewährleistet. Dadurch ist die Unterlage 15 und mit ihr der Patient 13 stufenlos und mit nur geringem Platzbedarf in jede Lage bringbar. Weiterhin ermöglicht ein Hexapod eine äußerst präzise und rasche Verstellbarkeit der Unterlage 15.

Claims

Strahlentherapiesystem, bestehend aus zumindest einer Unterlage (15), auf der ein Patient (13) gelagert ist, einer Bestrahlungsvorrichtung (1), insbesondere einem Linearbeschleuniger, die einen Behandlungsstrahl (12) erzeugt, und einem Strahlführungselement (11) zum Lenken des Behandlungsstrahls (12) auf ein Isozentrum (14) in dem Patienten (13), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hexapod (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) zum Verstellen des Strahlführungselementes (11) und/oder der Unterlage (15) vorgesehen ist, dass zumindest ein Sensor (20, 21) am Hexapoden (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) und/oder am Strahlführungselement (11) und/oder am Linearbeschleuniger zur Erfassung der Position des Patienten (13) auf der Unterlage (15) vorgesehen ist, und dass eine Steuerung (30) vorgesehen ist, die eine mittels des zumindest einen Sensors (20, 21) erfasste Istposition mit einer vorgegebenen Sollposition des Patienten (13) vergleicht und den Hexapoden (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) so steuert, dass der Behandlungsstrahl (12) das Isozentrum (14) des Patienten (13) trifft.
Strahlentherapiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensoren (20, 21) zur Erfassung der Istposition des Patienten (13) vorgesehen sind.
Strahlentherapiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels ein dreidimensionales Bild erzeugenden Verfahrens die Kontur und Position eines Tumors erfasst wird, und dass die Steuerung (30) den zumindest einen Hexapoden (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) so steuert, dass der Behandlungsstrahl (12) der Kontur eines Tumors nachgeführt wird.
Strahlentherapiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (30) bei einer Abweichung der Istposition von der vorgegebenen Sollposition die Bestrahlungsvorrichtung (1) abschaltet.
Strahlentherapiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der zumindest eine Hexapod (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) zwischen dem Linearbeschleuniger (1) und dem Strahlführungselement (11) angeordnet ist.