DE102005038242B3

DE102005038242B3 - Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung eines Partikelstrahls einer Partikeltherapieanlage, Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit und Verfahren

Info

Publication number: DE102005038242B3
Application number: DE102005038242A
Authority: DE
Inventors: Sven Oliver Dr. Grözinger; Tim Use
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-08-13
Also published as: US20070034815A1; US7579610B2; JP2007050250A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung eines Partikelstrahls einer Partikeltherapieanlage mit einem oberflächenstrukturierten Aufweitungselement (13, 21), wobei das Aufweitungselement (13, 21) aus einem flexiblen Werkstoff ausgebildet ist. Die Vorrichtung weist z.B. eine Park- und eine Durchstrahlungsposition (19, 23; 17, 27) des Aufweitungselements (13, 21) auf und ist z.B. Teil einer Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit (9, 9'). Aufgrund der Flexibilität des Werkstoffs kann z.B. die Parkposition (19, 23) oder eine Zwischenposition zwischen Park- und Durchleuchtungsposition (19, 23; 17, 27) eine Verformung des Aufweitungselements (13, 21) bedingen. Die Vorrichtung nimmt dadurch wenig Raum ein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung eines Partikelstrahls einer Partikeltherapieanlage mit einem Aufweitungselement, eine Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
Bei der Partikeltherapie wird ein Patient mit hochenergetischen Partikeln bestrahlt. Im Vergleich mit der konventionellen Photonentherapie wird die Partikeltherapie durch eine so genannte inverse Dosisverteilung charakterisiert. Diese wird durch eine niedrige Dosis im Eintrittskanal des Partikelstrahls und durch ein scharfes Maximum im Bereich der maximalen Eindringreichweite der Partikel in den Patienten. Dieses Maximum wird als Bragg-Peak bezeichnet. Die Lage des Bragg-Peaks hängt von der Energie der Partikel im Partikelstrahl ab. Dies ermöglicht es, durch ein Variieren der Partikelenergie die Lage des Bragg-Peaks, d.h. der maximalen Wechselwirkung mit dem bestrahlten Gewebe, hoch genau in Strahlrichtung einzustellen.
Die Energieunschärfe der eintreffenden Partikel bestimmt die Breite des Bragg-Peaks. Bei der Bestrahlung hintereinander liegender Schichten in der Bestrahlungsrichtung sollte die Ausdehnung des Bragg-Maximums eine teilweise Überlappung der Bragg-Peaks erlauben, um eine kontinuierliche Dosisverteilung im zu bestrahlenden Gewebe zu bewirken. Ist das Bragg-Maximum zu stark ausgeprägt, wird die Dosisverteilung in Z-Richtung leicht moduliert. Um dies zu vermeiden müsste ein geringerer Schichtabstand gewählt werden, wodurch die Bestrahlungsdauer verlängert werden würde.

U. Weber und G. Kraft beschreiben in „Design and construction of a ripple filter for a smoothed depth dose distribution in conformal particle therapy", Phys. Med. Biol. 44 (1999) 2765–2775 einen so genannten Ripplefilter, der das Bragg-Maximum durch die Partikelenergieverteilung des Partikelstrahls der Partikeltherapieanlage verbreitert.

Neben dem von U. Weber und G. Kraft beschriebenen Ripple-Filter für eine Partikeltherapieanlage mit einer Rasterscanvorrichtung sind in der Partikeltherapie mittels der so genannten Scattering-Technik weitere passive, die Reichweite modulierende Vorrichtungen bekannt. In der Scattering-Technik passen diese den Bragg-Peak in seiner Ausrichtung auf die gesamte Tiefe des Tumors an. Derartige Vorrichtungen sind z.B. Propeller und Kantenfilter, welche entweder schnell rotiert oder schnell im Strahl hin und her bewegt werden, um Bragg-Peaks räumlich zu überlagern.

Üblicherweise werden passive Strahlformungselemente, wie z.B. Ripple-Filter, Reichweiten einstellende Elemente etc., aus rigiden Materialien, in der Regel PMMA oder Aluminiumhergestellt. Derartige Materialien sind mechanisch hochpräzise bearbeitet und entsprechend beschädigungsgefährdet (s. die spezielle Ausbildung der Rillenstruktur bei U. Weber und G. Kraft). Ferner ist von der Fa. RPD Inc. ein passives Bolus-Material zur Reichweiteneinstellung bekannt, welches auf den Patienten gelegt wird.

Zur Vereinfachung der Handhabung einer Partikeltherapieanlage ist es vorteilhaft, passive Strahlformungselemente automatisiert im Strahl positionieren zu können. Denn durch den häufigen Ein- und Ausbau von passiven Elementen werden diese mechanisch belastet, so dass die feinen Strukturen schaden nehmen können. Des Weiteren wird für den Ein- und Ausbau viel Platz beansprucht, der unter Umständen aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Bereich des Strahlaustritts aus einer Vakuumstrahlzuführung nicht vorhanden ist.

Üblicherweise werden strahlformende Elemente zusammen mit Strahlüberwachungselementen zur Positions- und Intensitätsüberwachung am Strahlaustritt des Partikelstrahls aus der evakuierten Strahlzuführung angeordnet und bilden eine so genannte Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungsvorrichtung, die möglichst patientennah angeordnet ist.

Y. Futami et al., „Broad-beam three-dimensional irradiation system for heavy-ion radiotherapy at HIMAC", Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 430 (1999), S. 143–153, beschreibt einen Ripple-Filter aus Aluminium, dessen Wellenform die Dosisverteilung definiert.

B. Schaffner et al., „Ridge filter design and optimization for the broad-beam three-dimensional irradiation system for heavy-ion radiotherapy", Med. Phys. 27 (2000), S. 716–714, offenbart die Auswirkungen auf die Dosisverteilung von verschieden geformten Ripple-Filtern aus Aluminium.

Die JP 2000084097 A offenbart einen rotierbaren Ripple-Filter, der eine kontinuierlich variable Dosisverteilung ermöglicht.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Energieaufweitung eines Partikelstrahls einer Partikeltherapieanlage anzugeben, die gegen Beschädigung unempfindlich ist und überdies platzsparend ausgebildet werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit mit einer derartigen Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung anzugeben.

Die Aufgabe bezüglich der eingangs beschriebenen Vorrichtung zur Energieaufweitung wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe bezüglich der Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit und des Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung wird durch die Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit nach Anspruch 8 bzw. das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung wird das Aufweitungselement aus einem flexiblen Werkstoff vorzugsweise mit gewebeäquivalenten und/oder wasseräquivalenten Eigenschaften bezüglich der Wechselwirkung mit Partikeln ausgebildet. D.h., die Dichte des Werkstoffs liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 g/ccm. Vorzugsweise weist der flexible Werkstoff elastische Eigenschaften auf und ist vorzugsweise leicht verformbar. Vorzugsweise ist der Werkstoff reversibel und/oder frei von einem Hysterese-artigen Aufrechterhalten eines verformten Zustands verformbar, so dass er nach einer Verformung, z.B. in seiner Durchstrahlungsposition, seine für die Aufweitung gewünschte Form aufweist.

Um die Aufweitung der Energieverteilung zu bewirken, wird z.B. die Oberflächenstruktur des Aufweitungselements moduliert, wobei beispielsweise die Struktur analytisch berechnet und optimiert werden kann. Beispielsweise kann die Oberfläche eine Rillenstruktur gemäß der Eingangs angegebenen Veröffentlichung von U. Weber und G. Kraft aufweisen. Als Material kann dabei beispielsweise das Material der Fa. RPD Inc. verwendet werden. Die Oberflächenstrukturierung ist resistent gegenüber Verformungen, so dass auch nach der Einnahme eines verformten Zwischenzustandes bei der Durchstrahlung die benötigte Aufweitung der Energieverteilung bewirkt wird.

Eine derartige Vorrichtung ist im Hinblick auf eine lokale Zerstörung durch mechanische Einflüsse weniger gefährdet. Sie kann zusätzlich als Teil der Partikeltherapieanlage aufgrund der flexiblen Eigenschaft Platz sparend im Bereich des Strahlaustritts angeordnet werden, indem das Aufweitungselement beispielsweise in einem ersten Betriebszustand zum Durchstrahlen mit dem Partikelstrahl in einer Durchstrahlungsposition und in einem zweiten Betriebszustand in einer Parkposition angeordnet wird, wobei nur im ersten Betriebszustand die Wechselwirkung des Aufweitungselements mit dem Partikelstrahl stattfindet. Vorteilhaft kann dabei aufgrund der Flexibilität des Aufweitungselements dieses beim Wechsel vom ersten zum zweiten oder vom zweiten zum ersten Betriebszustand zumindest teilweise verformt werden, ohne dass es, insbesondere seine Oberflächenstruktur, Schaden nimmt. Dadurch ist es z.B. möglich, dass in einer Ausbildungsform der Vorrichtung im zweiten Betriebszustand das Aufweitungselement zumindest teilweise aufgerollt oder Platz sparend angeordnet ist; z.B. wird zumindest ein Teilabschnitt des Aufweistungselements parallel zum Strahl verformt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Halterung auf, von der das Aufweitungselement gehalten wird und welche automatisiert angetrieben wird, um die verschiedenen Betriebszustände einzunehmen. Da bei ist die Bewegung der Halterung nicht auf, z.B. lineare, Bewegungen beschränkt, in denen keine Verformung des Aufweitungselements stattfinden würde, sondern es können auch beliebige Bewegungen und damit zusammenhängende Verformungen im Rahmen der Flexibilität des Werkstoffs durchgeführt werden.

In einer Ausführungsform wird die Vorrichtung im Bereich des Strahlaustritts der Partikeltherapieanlage, d.h. bevorzugt zwischen der evakuierten Strahlzuführung und dem Patienten, angeordnet. Üblicherweise ist er, abgesehen von die Reichweite einstellenden Elementen, im Strahlengang das letzte durchstrahlte Element und befindet sich innerhalb der Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit der Partikeltherapieanlage, die zum einen den Strahl hinsichtlich Energie und Teilchenzahl überwacht und die zum anderen die Energieverteilung einstellenden Strahlparameter anpasst.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Es folgt die Erläuterung von mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der 1 bis 3. Es zeigen:
1 eine schematische Negativform zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine Skizze zur Verdeutlichung von Strahl- und Parkposition einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
3 eine Skizze zur Verdeutlichung von Strahl- und Parkposition einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine Negativform 1 eines Aufweitungselements zum Ausgießen mit einem Rohmaterial des flexiblen Werkstoffes. Man erkennt Einfüllkanäle 3, durch die das entweder flüssige oder geleeartige Rohmaterial in den Formhohlraum 5 gelangt. Die Negativform ist in ein Oberteil 7A und ein Unterteil 7B zweigeteilt, so dass das Aufweitungselement nach dem Aushärten leicht entnommen werden kann.
Die eine Innenseite der Negativform 7B ist beispielsweise nach Art der Strukturierung des Ripple-Filters entsprechend der eingangs erwähnten Veröffentlichung von U. Weber und G. Kraft geformt. Dazu wird die Negativform 1 beispielsweise aus Stahl oder Aluminium in einem spanabhebenden Verfahren hochpräzise hergestellt.
Bei der Aushärtung wird das Rohmaterial einem Prozess unterzogen, der eine Änderung des Aggregatszustandes von flüssig oder gallertartig zu fest bewirkt. Dieser Prozess kann entsprechend dem verwendeten Material unterschiedlich ausfal- len, z.B. kann er in Abhängigkeit des Vernetzungsgrades bei unterschiedlichen Temperaturen oder Drücken stattfinden. Nach dem Erstarren wird die Form geöffnet und die Positivform aus der Negativform 1 entnommen. Das derartig erzeugte Aufweitungselement weist nach der Entformung über den gesamten relevanten Temperaturbereich und bei den relevanten Drücken ein flexibles, elastisches Werkstoffverhalten auf und hat bevorzugt gewebeäquivalente Eigenschaften. Es ist durch die Flexibilität weniger anfällig für Zerstörungen durch mechanische Einflüsse. Das urformende Herstellungsverfahren ist wirtschaftlicher als die spanabhebende Herstellung von einzelnen passiven Elementen.
Durch die elastischen Materialeigenschaften kann das Strahlformungselement bei der automatisierten Einbringung in den Partikelstrahl verformt werden, so dass die Vorrichtung sehr raumsparend ausgebildet werden kann. Beispielhafte Ausführungsformen zeigen die 2 und 3.
In 2 erkennt man eine Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit 9. Diese schließt sich an einen Strahlaustritt 11 aus einem evakuierten Strahlzuführungssystem einer Partikeltherapieanlage an und stellt die letzte Einheit der Partikeltherapieanlage dar, durch die der Partikelstrahl zum einen überwacht (Überwachungselemente 12) und zum anderen hinsichtlich seiner Energieverteilung angepasst wird. Der Partikelstrahl kann bei Verwendung einer Rasterscanvorrichtung innerhalb eines Scanbereichs von z.B. 40 cm × 40 cm austreten. Die möglichen Strahlpositionen sind durch die gestrichelten Pfeile gekennzeichnet.
Eine Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung des Partikelstrahls weist ein Aufweitungselement 13 auf, das von einem Rahmen 15 gehalten wird und das mindestens die Ausmaße des Scanbereichs aufweist. Das Aufweitungselement ist aus einem flexiblen Material. In einem ersten Betriebszustand wird es vom Partikelstrahl durchstrahlt; es befindet sich dabei in einer Durchstrahlungsposition 17. Wird die Vorrichtung nicht mehr benötigt, kann sie aus dem Partikelstrahl entfernt werden. Dazu fährt die Halterung beispielsweise auf Schienen in einen zweiten Betriebszustand 19 (gestrichelt gezeichnet), indem das Aufweitungselement Platz sparend verformt in einer Parkposition neben dem Strahlaustritt angeordnet ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung eines Partikelstrahls mit einem flexiblen Aufweitungselement 21. Eine Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit 9' eines Strahlaustritts 11' weist neben dem Aufweitungselement 21 wiederum Strahlüberwachungselemente 12' auf. In der Ausführungsform gemäß 3 befindet sich das nicht benötigte Aufweitungselement 21 in einer Parkposition 23 außerhalb des Strahlengangs in einem aufgerollten Zustand (gestrichelt gezeichnet). Es wird bei Bedarf mittels Führungsschienen 25 aus dieser Parkposition automatisiert in den Partikelstrahl in eine Durchstrahlungsposition 27 gebracht.

Claims

Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung eines Partikelstrahls einer Partikeltherapieanlage mit einem oberflächenstrukturierten Aufweitungselement (13, 21), wobei das Aufweitungselement (13, 21) aus einem flexiblen Werkstoff ausgebildet ist, und wobei der flexible Werkstoff reversibel und/oder hysteresefrei verformbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der flexible Werkstoff gewebeähnliche und/oder wasserähnliche Eigenschaften insbesondere in Hinblick auf die Wechselwirkung mit dem Partikelstrahl aufweist und/oder wobei der flexible Werkstoff insbesondere eine Dichte von ca. 1 g/ccm, insbesondere von 1,03 g/ccm, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der flexible Werkstoff elastische Eigenschaften aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der flexible Werkstoff Silikon, Gel oder Paraffin aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Aufweitungselement (13, 21) in einem ersten Betriebszustand zum Durchstrahlen mit dem Partikelstrahl in einer Durchstrahlungsposition (17, 27) und in einem zweiten Betriebszustand in einer Parkposition (19, 23) anordenbar ist, in der keine Wechselwirkung mit dem Partikelstrahl vorliegt, wobei das Aufweitungselement beim Wechsel vom ersten zum zweiten und/oder vom zweiten zum ersten Betriebszustand mindestens einen verformten Zwischenzustand einnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei im zweiten Betriebszustand das Aufweitungselement (13, 21) zumindest teilweise aufgerollt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Vorrichtung eine Halterung (15) und/oder Führungsschienen (25) aufweist, wobei das Aufweitungselement (13, 21) von der Halterung gehalten wird und automatisiert angetrieben entlang der Führungsschienen (25) verschiebbar ist, um verschiedene Betriebszustände einzunehmen.
Strahlüberwachungs- und Strahlanpassungseinheit (9, 9') einer Strahlentherapieanlage mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Herstellung eines Aufweitungselements(13, 21) einer Vorrichtung zur Aufweitung einer Partikelenergieverteilung eines Partikelstrahls einer Partikeltherapieanlage aus einem flexiblen Werkstoff, wobei der flexible Werkstoff reversibel und/oder hysteresefrei verformbar ist, wobei eine aus einem festen Material gebildete Negativform (1) des Aufweitungselements (13, 21) bereitgestellt und mit einem flüssigen oder gallertartigem Rohmaterial des flexiblen Werkstoffs gefüllt wird, wobei anschließend das Rohmaterial einen Prozess zur Änderung des Aggregatszustandes in einen festen Zustand durchläuft, bevor es der Negativform (1) entnommen wird.