DE102006042726A1

DE102006042726A1 - Lamellenkollimator

Info

Publication number: DE102006042726A1
Application number: DE102006042726A
Authority: DE
Inventors: John Juschka; Johannes Reger; Rene Schramm; Steffen Seeber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27
Also published as: CN101145409A; CN101145409B; US20080063147A1; JP2008068092A; US7558378B2

Abstract

Es wird ein Lamellenkollimator (1) angegeben, insbesondere für ein Strahlentherapiegerät (20). Der Lamellenkollimator (1) weist eine Anzahl entlang einer Verschiebungsrichtung (3) verstellbarer Lamellen (4) zur Absorption von sich entlang einer Strahlungsrichtung (5) ausbreitenden Strahlen auf, wobei sich bezüglich der Verschiebungsrichtung (3) gegenüberliegende Lamellen (4) mit aufeinander orientierten Stirnflächen (7) in eine Schließposition (6) verstellbar sind. Für eine verbesserte Strahlungsabschirmung im Bereich der Stirnflächen (7) der Lamellen (4) ist eine abschirmungsverstärkende Flächenform vorgesehen, die in der Schließposition (6) durch eine zumindest partielle Überlappung der Stirnflächen (7) bezüglich der Strahlungsrichtung (5) charakterisiert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lamellenkollimator, insbesondere für ein Strahlentherapiegerät, mit einer Anzahl entlang einer Verschiebungsrichtung verstellbarer Lamellen zur Absorption von sich entlang einer Strahlungsrichtung ausbreitenden Strahlen, wobei sich bezüglich der Verschiebungsrichtung gegenüberliegende Lamellen mit aufeinander orientierten Stirnflächen in eine Schließposition verstellbar sind.
In Strahlentherapiegeräten, beispielsweise bei der therapeutischen Anwendung von Röntgenstrahlen, werden Lamellenkollimatoren zur Strahlenfokussierung eingesetzt. Insbesondere bei der Anwendung hochenergetischer elektromagnetischer Strahlen oder Teilchenstrahlen, beispielsweise in der Tumortherapie, kann die Strahlenfokussierung im wesentlichen nur durch Absorption erfolgen. Hierzu wird ein Lamellenkollimator in einen Strahlengang einer entsprechenden Strahlungsquelle eingebracht. Dieser Lamellenkollimator umfasst eine Anzahl gegeneinander verschiebbarer Lamellen aus absorbierendem Material, beispielsweise aus Wolfram. Die Stärke der Lamellen in der Richtung der Strahlen ist aufgrund der endlichen Eindringtiefe der Strahlung in dem absorbierenden Material der Strahlungsenergie für die jeweilige Anwendung angepasst. Ein Lamellenkollimator dieser Art ist beispielsweise in DE 196 39 861 A1 oder in WO 00/46813 beschrieben. Die Lamellen sind in zwei sich gegenüberliegenden Paketen parallel oder leicht halbkreisförmig angeordnet, so dass sie in einer durch die Position des Kollimators definierten Verschiebungsrichtung, die im wesentlichen in einer Ebene orthogonal zur Strahlungsrichtung liegt, jeweils mit ihren Stirnseiten aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können. Die sich jeweils stirnendseitig gegenüberliegenden Lamellen können gegenläufig bis in eine Schließposition verstellt werden. Insgesamt kann somit eine Öffnung mit einem beliebigen Quer schnitt eingestellt werden, außerhalb derer die Strahlung von den Lamellen absorbiert wird. Für die Einstellung irregulärer Querschnittsformen werden Kollimatoren mit teilweise besonders schmalen Lamellen eingesetzt, wie es in DE 196 39 861 A1 der Fall ist. So kann beispielsweise das für eine therapeutische Anwendung zu bestrahlende Gebiet genau eingestellt werden.
Speziell in Hinblick auf therapeutische Anwendungen ist es wichtig, Strahlungsexpositionen räumlich und zeitlich möglichst präzise definieren zu können. Insbesondere Nebeneffekte wie Streuung und Mitbestrahlung nicht zur Exposition vorgesehener Gebiete, etwa in Randzonen, stellen hierbei limitierende Faktoren dar. Für eine Minimierung solcher Nebeneffekte ist einerseits die Geometrie der Lamellen von Bedeutung, an deren Rändern Strahlung gestreut werden kann. Andererseits spielt die Präzision der Verstellmechanik für die Lamellen, deren Soll- und Istpositionen hinreichend genau übereinstimmen müssen, eine Rolle. Ferner ist der Absorptionsgrad der Lamellen bedeutsam. Bei einem Kollimator der eingangs genannten Art ist eine unerwünschte partielle Strahlentransmission als Leckage, also Durchlässigkeit, bekannt. Nachteiligerweise tritt dieses Problem insbesondere an den Stirnflächen der Lamellen auf, wenn diese in Schließposition gestellt sind. Insbesondere Strahlenanteile, die zwischen den Stirnflächen verlaufen, werden transmittiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lamellenkollimator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 anzugeben, bei dem die Leakage im Bereich der Stirnflächen möglichst vermieden wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Lamellenkollimator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1, der ein abschirmungsverstärkendes Lamellendesign durch eine in der Schließposition partielle Überlappung der Stirnflächen bezüglich der Strahlungsrichtung aufweist.
Durch diese Überlappung in der Schließposition wird eine parallele Ausrichtung der Stirnflächen zu Strahlen des von der Strahlungsquelle emittierten Strahlenbündels vermieden, welches sich im wesentlichen leicht divergent aufgefächert entlang der Strahlungsrichtung ausbreitet. Sämtliche Strahlenanteile sind somit gezwungen, in das absorbierende Material der Lamellen einzudringen, und ein unmittelbarer Strahlendurchlass zwischen den Stirnflächen wird verhindert. Zudem wird die Notwendigkeit eines direkten Kontaktes zwischen den Stirnflächen vermieden, wodurch die einzuhaltenden Toleranzen an die Verstellmechanik der Lamellen im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen erhöht werden. Denn bei herkömmlichen Anordnungen sind die Stirnflächen parallel zu Strahlenanteilen des Strahlenbündels ausgerichtet, so dass ein Strahlendurchlass in der Schließposition nur durch direkten Kontakt der Stirnflächen reduziert werden kann. Das hat nachteiligerweise zur Folge, dass enge Toleranzgrenzen an die Verstellmechanik der Lamellen gesetzt werden, sowie eine raschere Materialermüdung durch Spannungen in den Lamellen. Die Überlappung der Stirnflächen führt daher zu einer Entlastung der Verstellmechanik, bei effektiverer Strahlenabschirmung und sonst gleichbleibender Funktonalität. An den seitlichen Rändern der Lamellen kann eine Strahlentransmission durch eine laterale Schrägstellung der Lamellen weitgehend reduziert werden.
Das durch die Überlappung definierte abschirmungsverstärkende Lamellendesign ist bevorzugterweise durch eine zum partiellen Ineinandergreifen ausgelegte Stirnflächenform realisiert. Somit ist für einen einfallenden Strahl aus einer beliebigen Richtung eine ungehinderte Transmission nicht mehr möglich. Der Strahl muss in das absorbierende Lamellenmaterial eindringen. Partielles Ineinandergreifen bedeutet hier das Ineinandergreifen zumindest in einem sich in der Strahlungsrichtung erstreckenden Teilbereich.
Vorzugsweise sind hierfür die Stirnflächen der Lamellen mit zueinander korrespondierenden Oberflächenformen versehen. Dies bedeutet, dass die Form der Stirnfläche einer Lamelle die Form der Stirnfläche der in der Schließposition stirnendseitig gegenüberliegenden Lamelle als negative Paßform definiert.
In einer bevorzugten Ausführung des Lamellenkollimators sind die Stirnflächen mit glatten Krümmungen versehen. Dies ist dazu geeignet, eine abschirmungsverstärkende Stirnflächengeometrie zu realisieren, die insbesondere die Strahlführung bei geöffneten Lamellen nicht beeinträchtigt. Denn durch die Anwesenheit von unstetigen Oberflächenstrukturen, wie beispielsweise Ecken und Stufen, kann die Streuung erhöht werden.
Vorteilhafterweise sind insbesondere die Kanten der Lamellen abgerundet, was zu einer Verminderung von Streueffekten bei geöffneten Lamellen beiträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Lamellenkollimators ist eine Anzahl der Stirnflächen in den Teilbereichen, die zur verbesserten Strahlungsabschirmung in der Schließposition vorgesehen sind, mit einem sinusförmigem Oberflächenprofil versehen. Dieses Profil stellt eine technisch einfach zu realisierende Variante eines glatt gekrümmten Stirnflächenprofils dar.
Bevorzugterweise liegt für eine Anwendung insbesondere mit Röntgenstrahlen die Amplitude des Sinusprofils der Stirnflächenform in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm.
Weiterhin sind in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Lamellenkollimators die in der Schließposition sich gegenüberliegenden, ineinandergreifenden Stirnflächen korrespondierend zueinander konkav und konvex gekrümmt.
Bevorzugterweise liegt für eine Anwendung insbesondere mit Röntgenstrahlen der Krümmungsradius der konkaven/konvexen Stirnflächen in einem Bereich von etwa 200 mm bis etwa 800 mm.
Ferner weisen in einer weiteren geeigneten Ausführung des Lamellenkollimators die Stirnflächen im Teilbereich Absätze oder Stufen auf. Eine solche Stirnflächengeometrie ist insbesondere dazu geeignet, den Weg eines Strahls durch das Lamellenmaterial zu verlängern und ist daher beim Einsatz besonders hochenergetischer Strahlungen anwendbar, für die relativ große Eindringtiefen charakteristisch sind. Durch die Wahl eines speziell hochabsorbierenden Materials sind Streueffekte an den Absätzen oder Stufen reduzierbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Lamellenkollimators für eine Anwendung insbesondere mit Röntgenstrahlen liegt die Breite des Überlappungsbereiches der Stirnflächen (7) in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm.
Ferner ist ein Lamellenkollimator zur verbesserten Strahlungsabschirmung derart ausgestaltet, dass die Lamellen in verschiedenen Ebenen gruppiert angeordnet sind. Beispielsweise können stirnendseitig sich gegenüberliegende Lamellen in der Schließposition einen Winkel einschließen, der von 180 Grad verschieden ist, womit die Lamellen nicht in ein und derselben Ebene angeordnet sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung
1 einen Lamellenkollimator in einer Ebene senkrecht zur Strahlungsrichtung,
2 eine Seitenansicht einer Strahlungsquelle mit einem herkömmlichen Lamellenkollimator mit dargestelltem Strahlengang,
3 eine seitliche Ansicht von zwei gegenüberliegenden Lamellen mit einer konvexen und mit einer abgerundeten konkaven Stirnfläche in Schließposition,
4 eine seitliche Ansicht von zwei gegenüberliegenden Lamellen mit in die Stirnflächen eingebrachtem Absatz in Schließposition,
5 eine seitliche Ansicht von zwei gegenüberliegenden Lamellen mit sinusförmigen Stirnflächen in Schließposition, sowie
6 ein Strahlentherapiegerät mit einem Lamellenkollimator.
In 1 ist ein Lamellenkollimator 1 in Aufsicht schematisch dargestellt. Der Lamellenkollimator 1 weist ein Gehäuse 2 sowie entlang einer Verschiebungsrichtung 3 über eine Verstellmechanik verstellbare Lamellen 4 auf. Die Verstellmechanik ist in dem Gehäuse 2 untergebracht. Die Lamellen 4 absorbieren Strahlen eines Strahlenbündels 11 aus einer Strahlungsquelle 10 (vgl. 2). Das Strahlenbündel 11 weist eine Hauptausbreitungsrichtung auf, die im wesentlichen definiert ist durch eine Mittelachse des üblicherweise leicht divergenten Strahlenbündels 11. Diese Hauptausbreitungs-richtung wird als Strahlungsrichtung 5 bezeichnet, die in dieser Darstellung senkrecht in die Bildebene hinein zeigt. Die Lamellen 4 sind gegenläufig aufeinander zu bis in eine Schließposition 6 verstellbar, in der der Abstand der Stirnflächen 7 der Lamellen 4 zueinander minimal ist. Durch das Verstellen der Lamellen 4 kann für das den Lamellenkollimator 1 in Strahlungsrichtung 5 durchtretende Strahlenbündel eine Öffnung so vorgegeben werden, dass der Querschnitt des durchtretenden Strahlenbündels einem vordefinierten Bestrahlungsgebiet 8 bis auf Randzonen 9 entspricht.
In 2 ist der Strahlengang durch einen herkömmlichen Lamellenkollimator 1 schematisch in seitlicher Ansicht dargestellt. Der Lamellenkollimator 1 wird beidendseitig entlang der Strahlungsrichtung 5 durch Teile des Gehäuses 2 begrenzt. Deutlich sichtbar sind hier die entlang der Verschiebungs richtung 3 beweglichen Lamellen 4, die mit ihren Stirnflächen 7 einander zugewandt sind, und die in der Strahlungsrichtung 5 eine Ausdehnung a von etwa 160 mm aufweisen. Aus der Strahlungsquelle 10 tritt die Strahlung in Form eines divergent aufgefächerten Strahlenbündels 11 aus, dessen Querschnitt durch die Einstellung der Lamellen 4 beeinflusst wird. Die Lamellen 4 sind mit abgerundeten Kanten 12 versehen. Bei den hier dargestellten Lamellen 4 des herkömmlichen Lamellenkollimators 1 sind die Stirnflächen 7 parallel zur Strahlungsrichtung 5 ausgerichtet.
In 3 sind zwei sich stirnendseitig gegenüberliegende Lamellen des Lamellenkollimators in der Schließposition 6 in seitlicher Ansicht dargestellt. Die eine Lamelle 4A weist im mittleren Bereich eine konvex gekrümmte Stirnfläche 7A auf, im Ausführungsbeispiel mit einem Krümmungsradius R von etwa 500 mm. Die Krümmung geht kontinuierlich in die abgerundeten Kanten 12A über, die einen Krümmungsradius R' aufweisen, der in etwa dem Krümmungsradius R entspricht. Die Stirnfläche 7B der gegenüberliegenden Lamelle 4B ist zur genauen Passung konkav geformt. Die konkave Formgebung geht in die konvex abgerundeten Kanten 12B über, deren Krümmungsradien etwa denen der Kanten 12A entsprechen, also etwa 500 mm. Der Überlappungsbereich der Lamellen 4A und 4B weist in der Verschiebungsrichtung 3 eine Breite von etwa 0,5 mm auf. Entlang der Strahlungsrichtung 5 breitet sich das divergente Strahlenbündel 11 aus.
In 4 sind zwei sich stirnendseitig gegenüberliegende Lamellen 4A und 4B eines Lamellenkollimators in der Schließposition 6 in seitlicher Ansicht dargestellt. Die Formgebung der Stirnflächen 7A und 7B ist analog zur der in 3, mit dem Unterschied, dass die Stirnflächen mittig einen Absatz 14 von etwa 0,5 mm Breite aufweisen, und dass die Formgebung der Stirnflächen im Anschluß an den Absatz in Strahlungsrichtung 5 gegenüber der Formgebung in 3 gespiegelt ist. Durch die Breite des Absatzes ist die Breite des Überlappungsbereiches in der Verschiebungsrichtung 3 definiert. Ent lang der Strahlungsrichtung 5 breitet sich das divergente Strahlenbündel 11 aus.
In 5 sind zwei sich stirnendseitig gegenüberliegende Lamellen 4A und 4B eines Lamellenkollimators in der Schließposition 6 in seitlicher Ansicht dargestellt. Die Stirnflächen 7A und 7B weisen sinusförmige Oberflächenprofile auf, welche in jeweils konvex abgerundete Kanten 12A und 12B respektive, übergehen, deren jeweilige Krümmungsradien R' von der Größenordnung in etwa übereinstimmen und wie in 3 und 4 etwa 500 mm betragen. Die Amplitude x des Sinusprofils beträgt etwa 0,2 mm. Die Breite des Überlappungsbereiches in der Verschiebungsrichtung 3 entspricht der doppelten Amplitude. Entlang der Strahlungsrichtung 5 breitet sich das divergente Strahlenbündel 11 aus.
In 6 ist der schematische Aufbau eines Strahlentherapiegerätes 20 dargestellt, welches eine Zentraleinheit 21 und einen Bestrahlungskopf 22 umfasst. In den Bestrahlungskopf 22 ist ein Lamellenkollimator 1 der oben beschriebenen Art eingebracht (vgl. 2). Das den Lamellenkollimator passierende Strahlenbündel 11 mit definiertem Strahlenquerschnitt tritt aus dem Bestrahlungskopf 22 entlang der Strahlungsrichtung 5 aus und kann für therapeutische Zwecke verwendet werden.

Claims

Lamellenkollimator (1), insbesondere für ein Strahlentherapiegerät (20), mit einer Anzahl entlang einer Verschiebungsrichtung (3) verstellbarer Lamellen (4) zur Absorption von sich entlang einer Strahlungsrichtung (5) ausbreitenden Strahlen, wobei sich bezüglich der Verschiebungsrichtung (3) gegenüberliegende Lamellen mit aufeinander orientierten Stirnflächen (7) in eine Schließposition (6) verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Schließposition (6) die Stirnflächen (7) zumindest einer Anzahl der Lamellen (4) bezüglich der Strahlungsrichtung (5) zumindest in einem Teilbereich überlappen.
Lamellenkollimator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (7) zum Ineinandergreifen geformt sind.
Lamellenkollimator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Ineinandergreifen geformten Stirnflächen (7) korrespondierende Oberflächenprofile aufweisen.
Lamellenkollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (7) im Teilbereich glatt gekrümmt sind.
Lamellenkollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (7) abgerundete Kanten aufweisen.
Lamellenkollimator nach einem Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (7) jeweils eine sinusförmige Stirnflächenform aufweisen.
Lamellenkollimator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sinusförmige Stirnflächenform eine Amplitude (x) im Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm aufweist.
Lamellenkollimator nach einem Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (7) zueinander korrespondierend konkav und konvex zum Ineinandergreifen ausgebildet sind.
Lamellenkollimator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Stirnfläche (7) einen Krümmungsradius (R) von im Bereich von etwa 200 mm bis etwa 800 mm aufweist.
Lamellenkollimator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil der Stirnflächen (7) zumindest einen Absatz aufweist.
Lamellenkollimator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (7) sich in der Schließposition (6) in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm überlappen.
Lamellenkollimator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen in verschiedenen Ebenen gruppiert angeordnet sind.