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Die
Erfindung betrifft eine medizinische Strahlentherapieeinrichtung,
insbesondere für
die Partikel-Strahlentherapie.
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Bei
der Strahlentherapie mit Hilfe von Partikeln, wie beispielsweise
Schwerionen oder Protonen, wird in einem geeigneten Beschleuniger
ein Partikelstrahl erzeugt, welcher in einem Strahlungskanal geführt und über ein
Austrittsfenster des Strahlungskanals in den Strahlentherapieraum
eintritt. Das zu bestrahlende Zielvolumen im zu behandelnden Patienten
(beispielsweise Tumor), muss hierbei möglichst genau auf das Isozentrum
der Bestrahlungseinrichtung abgestimmt werden. Der Patient ist während der Durchführung der
Strahlentherapie üblicherweise
auf einer Patientenliege immobilisiert, so dass eine Bewegung des
Patienten möglichst
ausgeschlossen und das Zielvolumen ortsfest bezüglich des Partikelstrahls ist.
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Üblicherweise
wird vor Beginn der Strahlentherapie mit Hilfe eines bildgebenden
Systems eine Positionsverifikation vorgenommen, um die aktuelle tatsächliche
Position des Zielvolumens mit einer der Therapieplanung zugrunde
liegenden Position des Zielvolumens abzugleichen. D. h. mit der
bildgebenden Diagnose wird überprüft, ob das
Zielvolumen sich tatsächlich
an dem vermuteten Ort befindet. Das bildgebende System umfasst hierbei
typischerweise eine Strahlungsquelle, insbesondere Röntgenstrahlungsquelle,
sowie einen geeigneten Detektor. Die Positionsverifikation wird
unmittelbar vor Durchführung
der Strahlentherapie vorgenommen, während der Patient sich bereits
in der immobilisierten Lage für
die Strahlentherapie befindet. Für
das bildgebende System ist hierbei ein gewisser Freiraum um das Zielvolumen
erforderlich. Die Rönt genstrahlungsquelle
ist hierbei beispielsweise vor dem Ende des Strahlenkanals oder
in unmittelbarer Nähe
neben oder um das Ende des Strahlenkanals herum angeordnet. Aufgrund
dieses notwendigen Freiraums muss daher das Ende des Strahlenkanals
vom Zielvolumen eine gewisse Luftstrecke beabstandet sein, die in
der Größenordnung
von etwa 1,0 m liegt.
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Bei
der Durchführung
der Bestrahlung mit dem Partikelstrahl sind üblicherweise am Ende des Strahlenkanals
unmittelbar vor dem Austrittsfenster in den Strahlengang mindestens
ein Strahlendetektor sowie passive Strahlelemente angeordnet. Deren Gesamtlänge in Strahlungsrichtung
beträgt
etwa 0,5 m. Das Austrittsfenster weist daher einen nicht unerheblichen
Abstand zum zu bestrahlenden Zielvolumen auf. Für eine möglichst präzise Behandlung des Zielvolumens
wird jedoch eine möglichst
nahe Positionierung des Austrittsfensters am Zielvolumen angestrebt,
da der Partikelstrahl, der innerhalb des Strahlenkanals im Vakuum
geführt
wird, an Luft zusehends an Fokus verliert. Dies führt dazu,
dass die Genauigkeit der Bestrahlung reduziert wird, so dass die
Gefahr der Bestrahlung auch von gesundem Gewebe besteht. Um diese
Aufweitung des Fokus möglichst gering
zu halten, wird das Strahlenaustrittsfenster möglichst nahe an das Zielvolumen
herangefahren. Aufgrund des beengten Raums kann dabei die Bildgebung
nur aus bestimmten Richtungen durchgeführt werden.
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In
dem Artikel "Isocenter
characeristics of an external ring proton gantry" von M. F. Moyers und W. Lesyna, Int.
J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 60 (2004), S. 1622–1630 ist eine Gantry einer
Bestrahlungsvorrichtung beschrieben, die einen in Richtung zu und weg
vom Isozentrum der Gantry bewegbaren Austrittsfenster aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zielvolumennahe Positionierung
des Austrittsfensters bei der Strahlentherapie zu ermöglichen, ohne
die Positionsverifikation mittels des bildgebenden Systems zu beeinträchtigen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine medizinische Strahlentherapieeinrichtung mit einem sich in
Strahl richtung erstreckenden Strahlungskanal, auch als Strahlrohr
bezeichnet, welcher endseitig ein Austrittsfenster für einen
Partikelstrahl aufweist. Die Position des Austrittsfensters ist
hierbei in Strahlungsrichtung verschiebbar, wobei das Austrittsfenster
in Längs-
oder Strahlungsrichtung bis zu etwa der Länge eines Freiraums verfahrbar
ist, der für
ein bildgebendes System für
eine Positionsverifikation vor Durchführung der Strahlentherapie
erforderlich ist.
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Durch
die Verschiebbarkeit des Austrittsfensters kann dieses relativ zu
dem während
der Positionsverifikation und der Bestrahlung ortsfesten Zielvolumen
des Patienten in Strahlungsrichtung verschoben und somit der Abstand
zwischen dem Zielvolumen und dem Austrittsfenster variiert werden. Bei
der Durchführung
der Strahlentherapie wird zunächst
das Austrittsfenster in eine rückgezogene
Position verfahren, so dass ein möglichst großer Freiraum zwischen dem Austrittsfenster
und dem zu bestrahlenden Zielvolumen erreicht ist. Anschließend wird
mit Hilfe des bildgebenden Systems eine Positionsverifikation vorgenommen.
Da das Austrittsfenster in der rückgezogenen
Position ist, wird ausreichend Freiraum für das bildgebende System zur
Verfügung
gestellt, so dass aus jeder Position eine Positionsverifikation
durchgeführt
werden kann. Im Anschluss an die Positionsverifikation wird das
Austrittsfenster in eine vordere, möglichst zielvolumennahe Position
verfahren, so dass die Luftstrecke zwischen Austrittsfenster und
Zielvolumen möglichst
gering ist. Durch die Verschiebbarkeit des Austrittsfensters wird
daher auf der einen Seite für
die Positionsverifikation eine sehr gute Variabilität in der
Orientierungsrichtung der Bildgebung erzielt. Andererseits wird
durch die Verlängerung
des Strahlungskanals der Partikelstrahl im Vakuum sehr nahe an das
zu bestrahlende Zielvolumen herangeführt, so dass der Partikelstrahl
außerhalb
des Strahlungskanals aufgrund der Wechselwirkung mit Luft möglichst
wenig an Fokus verliert.
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Das
Austrittsfenster ist hierbei in Strahlrichtung etwa bis zu der Länge des
notwendigen Freiraums für
das bildgebende System verfahrbar. Diese Längsverfahrbarkeit beträgt daher
insbesondere etwa 0,5–1
m.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist in Längsrichtung im Anschluss an
das Austrittsfenster ein Detektorblock befestigt, also bezüglich des Austrittsfensters
ortsfest insbesondere direkt am Strahlungskanal oder Strahlungsrohr
angeordnet. Dieser Detektorblock umfasst hierbei insbesondere mindestens
einen Detektor für
den Partikelstrahl sowie passive Strahlelemente. Durch die ortsfeste
Positionierung wird daher der Detektorblock zusammen mit dem Austrittsfenster
in Längsrichtung
verschoben. Durch die unmittelbare Anordnung am Austrittsfenster
können
der De tektor sowie die passiven Strahlelemente optimal bezüglich des
Partikelstrahls justiert werden.
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Um
die Verstellbarkeit des Austrittsfensters mit möglichst einfachen konstruktiven
Mitteln zu ermöglichen,
weist der Strahlungskanal zumindest einen längenvariablen Teilabschnitt
auf. Zweckdienlicherweise ist dieser Teilabschnitt hierbei teleskopartig
ausgebildet. Alternativ hierzu ist er in einer bevorzugten Ausgestaltung
elastisch ausgebildet, so dass seine Länge aufgrund der Elastizität variabel
ist. Insbesondere ist hierbei der elastische Teilabschnitt nach
Art eines Wellschlauches oder Wellrohrs ausgebildet. Durch diese
Maßnahmen
ist mit vergleichsweise einfachen konstruktiven Mitteln eine hohe Längsvariabilität des Strahlungskanals
erzielt.
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Es
ist dabei vorgesehen, dass der in seiner Länge variierbare Teilabschnitt
einen im Vergleich zu einem Vorderbereich des Strahlungskanals reduzierten
Durchmesser aufweist. Der Vorderbereich des Strahlungskanals ist
hierbei zum Austrittsfenster hin orientiert. Durch diese Maßnahme wird
die notwendige Energie für
die Längsverstellung
möglichst
gering gehalten, da nämlich
im Inneren des Strahlungskanals ein Ultrahochvakuum von etwa 10–8 mbar herrscht.
Bei einer Verlängerung
des Strahlungskanals wird das Innenvolumen des Strahlungskanals erhöht, was
zu einer zusätzlichen
Druckreduzierung führt.
Da bei einer Verlängerung
gegen den Atmosphärendruck
gearbeitet werden muss, wird daher durch die Verwendung eines Teilabschnitts
mit geringerem Durchmesser die weitere Druckabsenkung und damit
die erforderliche Energie für
die Längsverstellung
gering gehalten.
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Zweckdienlicherweise
beträgt
der Durchmesser des Teilabschnitts hierbei lediglich das 0,2- bis
0,7-fache des Durchmessers des Strahlungskanals im Vorderbereich.
Insbesondere ist der Durchmesser des Teilabschnitts weniger als
halb so groß wie
der des Vorderbereichs.
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Um
eine möglichst
stabile Anordnung des Teilabschnitts zu gewährleisten, ist dieser über Flansche
zwischen zwei Teilstücken
des Strahlungskanals befestigt.
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Weiterhin
ist für
eine möglichst
stabile Ausführung
vorgesehen, dass der Vorderbereich verfahrbar auf einem Traggestell
gelagert ist. Die Lagerung ist dabei vorzugsweise derart, dass die
jeweilige Längenposition
des Austrittsfensters fixierbar ist. Dies erfolgt beispielsweise über mechanische
Arretier- oder Sperrelemente oder auch durch die Sperrung einer Antriebseinheit,
die für
die Verfahrbarkeit vorgesehen sind.
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Zweckdienlicherweise
ist der Vorderbereich hier motorisch, pneumatisch oder hydraulisch
verfahrbar. Beispielsweise ist hierbei ein Motor mit Getriebe, ein
Linearmotor, ein pneumatisch oder hydraulisch ausfahrbarer Zylinder
etc. vorgesehen. Zweckdienlicherweise ist dieser Antrieb hierbei
derart ausgebildet, dass er den Vorderbereich mit einer ausreichend
hohen Haltekraft in der jeweiligen Längenposition sperren oder halten
kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
ausschnittsweise dargestellte Strahlentherapieeinrichtung gemäß einer
ersten Alternative und
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2 eine
ausschnittsweise dargestellte Strahlentherapieeinrichtung gemäß einer
zweiten Alternative.
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In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Die
Strahlentherapieeinrichtung gemäß den 1 und 2 umfasst
einen als Rohr ausgebildeten Strahlungskanal 2, welcher
einen längenvariablen
Teilabschnitt 4A, 4B aufweist. Der Teilabschnitt 4A, 4B ist
jeweils zwischen zwei Teilstücken
des Strahlungskanals 2 über
Flansche 6 befestigt. Am vorderen Ende des Strahlungskanals 2 ist
dieser mit einem Austrittsfenster 8 verschlossen. Der zum
Austrittsfenster 8 orientierte Teilbereich bildet einen
Vorderbereich 10 des Strahlungskanals 2. Dieser
Vorderbereich 10 ist in Längs- oder Strahlungsrichtung 12 verfahrbar
angeordnet und auf einem Traggestell 16 abgestützt. Für die Verfahrbarkeit
des Vorderbereichs 10 in Längsrichtung 12 ist
ein Antrieb vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 ist hierbei
ein Antriebsmotor 18 vorgesehen, der auf eine Zahnstange 20 einwirkt,
die mit einem Stützring 21 des
Vorderbereichs 10 fest verbunden ist. Über den Antriebsmotor 18 ist
daher die Zahnstange 20 und damit der Vorderbereich 10 in
Längsrichtung 12 hin
und her verschieblich. Über
den Antriebsmotor 18 ist daher die Zahnstange 20 und
damit der Vorderbereich 10 in Längsrichtung 12 hin
und her verschieblich. Im Ausführungsbeispiel
verläuft
die Strahlungsrichtung und damit die Längsrichtung 12 in
horizontaler Richtung. Abweichend hiervon können auch von der Horizontalen
abweichende Strahlungsrichtungen vorgesehen sein.
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Vor
dem Austrittsfenster 8 ist ein Detektorblock 22 ortsfest
am Austrittsfenster 8 befestigt. In diesem Detektorblock 22 sind
in hier nicht näher
dargestellter Weise ein Partikel-Detektor sowie passive Strahlelemente
angeordnet.
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Die
Strahlentherapieeinrichtung umfasst weiterhin ein bildgebendes System,
das eine Strahlungsquelle, insbesondere eine Röntgenstrahlungsquelle 24,
und einen dieser gegenüberliegend
angeordneten, hier nicht näher
dargestellten Röntgendetektor.
In Längsrichtung 12 vor
dem Austrittsfenster 8 ist während der Durchführung der
Therapie ein Patient 26 auf einer Patientenliege 28 immobilisiert
angeordnet. Ein zu bestrahlendes Zielvolumen 30 ist hierbei
exakt zu einer Partikelstrahlrichtung 32 ausgerichtet.
Das Zielvolumen 30 ist vom Austrittsfenster 8 in
Strahlungsrichtung 14 um den Abstand A beabstandet.
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Bei
der Strahlentherapie wird der Patient 26 zunächst in
die vorgesehene immobilisierte Position gebracht, so dass das Zielvolumen 30 ortsfest
im Therapieraum fixiert ist. Als nächstes wird mit Hilfe des bildgebenden
Systems eine Positionsverifikation durchgeführt. Hierbei ist das Austrittsfenster 8 in
einer rückgezogenen
Position gehalten, so dass der Abstand A möglichst groß ist und im Ausführungsbeispiel
mit dem vor dem Austrittsfenster 8 angeordneten Detektorblock 22 in
der Größenordnung
von etwa 1 m oder mehr liegt. Der Abstand A ist hierbei derart gewählt, dass
eine möglichst
optimale Bildgebung ermöglicht
ist, um qualitativ hochwertige Bilder zu erzielen. Nach erfolgter
Positionsverifikation wird das Austrittsfenster 8 um einen
Verstellweg S nach vorne in Richtung zum Zielvolumen 30 verfahren,
so dass das Austrittsfenster 8 möglichst nahe am Zielvolumen 30 orientiert
ist. Im Ausführungsbeispiel
mit dem vorgeschalteten Detektorblock 22 ist das vordere Ende
des Detektorblocks 22 nahezu unmittelbar am Patienten 26 positioniert.
Die freie Wegstrecke zwischen dem Austrittsfenster 8 und
dem Zielvolumen 30 ist daher minimiert.
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Zur
eigentlichen Bestrahlung wird dann das Zielvolumen 30 mit
einem Partikelstrahl, beispielsweise ein Schwerionenstrahl, behandelt.
Der Partikelstrahl wird hierbei in einem hier nicht näher dargestellten
Beschleuniger erzeugt und durch den Strahlungskanal 2 geführt. Um
eine Strahlaufweitung zu verhindern, ist im Strahlungskanal 2 ein
Ultrahochvakuum von typischerweise etwa 10–8 mbar
eingestellt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach der 1 ist der längenvariable Teilabschnitt 4A als
ein Wellschlauch oder Wellrohr aus einem ausreichend elastischen
Material ausgebildet. Der Teil abschnitt 4A ist endseitig
von den Flanschen 6 begrenzt, mit denen er an korrespondierende
Flansche des Strahlungskanals 2 vakuumdicht angeschlossen
ist. Das Material des Teilabschnitts 4A weist hierbei eine
ausreichende Elastizität
auf, um die gewünschte
Längsverschiebarkeit
zu ermöglichen
und gleichzeitig die erforderliche Abdichtung zur äußeren Umgebung
hin zu gewährleisten.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 ist der Strahlungskanal 2 zum einen über einen
vorderen als Flansch ausgebildeten Stützring 21 mit der
Zahnstange 20 sowie über
einen hinteren, ebenfalls als Flansch ausgebildeten Stützring 21 fest
mit dem Traggestell 16 verbunden, so dass eine gute mechanische
Abstützung
des gesamten Strahlungskanals 2 bei gleichzeitiger Verfahrbarkeit
des Vorderbereichs 10 gewährleistet ist.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 2 unterscheidet sich zu dem Ausführungsbeispiel
nach 1 im Wesentlichen dadurch, dass anstelle des wellrohrartig
ausgebildeten Teilabschnitts 4A ein teleskopartig ausgebildeter
Teilabschnitt 4B vorgesehen ist, dass der Teilabschnitt 4B einen
verringerten Durchmesser aufweist und dass der Teilabschnitt 4B hinter
dem hinteren Stützring 21 angeordnet
ist. Der Vorderbereich ist in diesem Ausführungsbeispiel daher an zwei
Stellen über
die Stützringe 21 auf
dem Traggestell 16 abgestützt.
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Bei
der teleskopartigen Ausbildung des Teilabschnitts 4B sind
zwei ausreichend steife Rohre teleskopartig ineinander verschoben,
wobei diese in hier nicht näher
dargestellter Weise ebenfalls zur Umgebung hin abgedichtet sind,
um das Ultrahochvakuum im Strahlungskanal 2 aufrecht zu
erhalten.
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Der
Durchmesser D1 des Teilabschnitts 4B im Bereich der Teleskoprohre
beträgt
etwa lediglich 1/3 des Durchmessers D2 des Strahlungskanals 2 im Vorderbereich 10 nahe
am Austrittsfenster 8. Im Vorderbereich 10 weist
dieser einen Durchmesser D2 von typischerweise etwa 350 mm auf,
wobei im vom Aus trittsfenster 8 entfernten Bereich der
Strahlungskanal 2 typischerweise einen Durchmesser D2 im
Bereich von etwa lediglich 100 mm aufweist. In diesem vom Austrittsfenster 8 entfernten
Bereich des Strahlungskanals 2 ist der Teilabschnitt 4B angeordnet. Wegen
des verringerten Durchmessers ist bei einer Verlängerung des Strahlungskanals 2 die
Volumenzunahme im Inneren des Strahlungskanals 2 gering gehalten.
Aufgrund der nur geringen Volumenzunahme ist auch die Druckreduzierung
und damit die aufzuwendende Kraft für die Verschiebung zum Zielvolumen 30 hin
gering gehalten.
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Durch
die hier beschriebene Längenvariabilität des Strahlungskanals 2 ist
die Möglichkeit
geschaffen, alle an der Bestrahlung beteiligten Komponenten optimal
einzusetzen, so dass zum einen eine möglichst gute und genaue Bildgebung
zur Lokalisierung des Zielvolumens 30 ermöglicht ist
und dass zugleich bei der Bestrahlung eine möglichst präzise und fokussierte Behandlung
des Zielvolumens 30 mit dem Partikelstrahl gewährleistet
ist. Letzteres wird durch die Reduzierung des Abstands zwischen
dem als Vakuumrohr ausgebildeten Strahlungskanal 20 und
dem Zielvolumen 30, also dem Isozentrum, gewährleistet.