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Aufgabenstellung
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Vorrichtung
zur möglichst
gleichmäßigen Bestrahlung
des Umfelds eines in einen Körper
eingebrachten Applikators.
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Stand der Technik
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In
der Medizin ist die Bestrahlung von malignen Veränderungen im Körper eine
etablierte Methode zur Behandlung von raumfordernden Prozessen. Die über die
biologische Verträglichkeit
des Zielvolumens hinausgehende Bestrahlung erfolgt durch Einbringung
von gekapselten Radionukliden in das Zielvolumen oder mittels Strahlenquellen
von außerhalb des
Körpers.
Ein Vorteil der Einbringung gekapselter Radionuklide ist die homogene
Strahlungsabgabe rund um die Kapsel, wodurch das außerhalb
des Zielvolumens liegende gesunde Gewebe bei entsprechender Anordnung
geschont werden kann. Nachteilig bei der Einbringung von Radionukliden
ist die erforderliche Abschirmung der Strahlung im Vorfeld der Einbringung
und beim Transport, da die Radionuklide kontinuierlich strahlungsaktiv
sind. Ebenfalls sind, jeweils abhängig von den lokalen Gesetzgebungsvorschriften,
besondere Umgangsgenehmigungen erforderlich, Strahlenschutzvorkehrungen
zu treffen und eine spezielle Abfallentsorgung sicherzustellen.
Zusätzlich
ist der Zerfall der Radionuklide, der ja die wirksame Strahlung
erzeugt, zeitabhängig
und erschwert somit die Dosimetrie der applizierten Strahlungsmenge
im Volumen. Die Dosimetrie stellt sicher, dass nur im vorab definierten
Zielvolumen die Strahlung über
dem biologisch tolerierten Wert liegt und das umgebende gesunde
Gewebe nicht irreparabel geschädigt
wird.
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Strahlungsquellen
außerhalb
des Körpers, wie
etwa Linearbeschleuniger oder Röntgenquellen haben
den Vorteil, dass Strahlung nur in eingeschaltetem Zustand abgegeben
wird, aber den großen Nachteil,
gesundes, zwischen Strahlenquelle und Zielvolumen liegendes Gewebe
zu schädigen,
bis die Strahlung das Zielvolumen erreicht und dort bestimmungsgemäß schädigt. Hierdurch
wird die Zahl der Bestrahlungen durch die Toleranz des bestrahlten, gesunden
Gewebes begrenzt.
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Ansätze zur
Lenkung der Strahlung über rohrförmige Vorrichtungen,
bzw. zur Erzeugung von Bremsstrahlung mit innerhalb des Körpers eingebrachten
Vorrichtungen sind in
US 5,153,900 und
WO 2003/024527 beschrieben.
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Ein
Vorgehen zur Bestrahlung von Zielvolumen mittels teilweise in den
Körper
eingebrachten Vorrichtungen ist in
WO
2004/112890 beschrieben.
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Die
Erzeugung von Bremsstrahlung ("Röntgenstrahlung") ist mit Wärmeentstehung
verbunden, wobei die Wärmeabfuhr
aus der Auftreffzone des Elektronenstrahls ein großes Problem
für die
Haltbarkeit der Vorrichtung und die Stabilität der Strahlung bezüglich Wellenlängenverteilung,
Strahlengeometrie und Intensität
darstellt. Insofern sind die Ansätze aus
der
US 5,153,900 und
daraus abgeleiteten Schutzrechtsanmeldungen nachteilig, da die Wärmeabfuhr
in keiner Ausführungsform
gewährleistet
ist und sich nachteilig auf die Dosimetrie auswirkt. Auch ist die
Wärmeabfuhr
an das Gewebe um das distale Ende der Vorrichtung, die nicht notwendigerweise
mit ihrem thermischen Wirkungsvolumen im Zielvolumen liegen muss,
nicht immer tolerabel – etwa
bei sensiblen Strukturen (Nerven, Blut- oder Lymphgefäße, o.ä.).
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Analog
zu der diffusen optischen Verteilung von Licht rund um einen Streulichtapplikator
(vgl.
DE 41 37 983.7 ) soll
die erfindungsgemäße Lösung niederenergetische
Röntgenstrahlung
in einem Zielvolumen möglichst
homogen verteilen.
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In
den vergangenen Jahren wurden einige Versuche der Entwicklung einer
niedrig-energetischen Röntgenquelle
in Miniaturausführung
unternommen (Dinsmore M et al., Med. Phys. 1996 Jan, 23
(1): 45-52). Das aktuell verwendete Prinzip beruht auf
der sekundären
Erzeugung der Röntgenstrahlung.
Dabei wird eine konventionelle Röntgenröhre zur
Erzeugung der Röntgenstrahlung
benutzt. Die energiereichen, in einem Kollimator gebündelt Photonen
treffen in einer Hohlnadel auf ein Molybdäntarget, Wechselwirken dort
und wirken als quasi-punktförmige
material-charakteristische Röntgenstrahlquellen
(Gutman G et al., Phys. Med. Biol., 49(2004): 4677-4688).
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Bei
der Verwendung des neuartigen Systems der Needle like Anode X-Ray
Tube als Photonen-basiertes radiochirurgisches System konnte bei einer
Spannung von 40 kV, einem Anodenstrom von 200 μA und einer Expositionszeit
von 300 sec eine Dosis von 5 Gy erzeugt werden. Die Effekte der
ionisierenden Röntgenstrahlen
mit dem Tumorgewebe sind Folge der direkten Wechselwirkung mit der
Materie. Für
eine therapeutische Wirkung von ionisierender Strahlung in Lebergewebe
benötigt
man nach heutigem Stand der Technik eine Dosis von > 10 Gy im Zielvolumen.
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Die
in
WO 2005/120201 beschriebenen Möglichkeiten
zur Umlenkung der Strahlung am distalen Ende der röhrenförmigen Vorrichtung
erzeugt im wesentlichen eine Strahlenkeule, die nicht fluchtend
zur röhrenförmigen Vorrichtung
ausgerichtet sein muss, sich aber immer auf einen kleinen Raumwinkel
beschränkt.
Damit besteht die Unsicherheit in der Bestrahlung darin, dass vorrichtungsnah
in diskrete Richtungen senkrecht zum auf die Vorrichtung gerichteten
Strahl eine hohe Intensität,
aber vorrichtungsfern und an den Rändern der Strahlenkeule eine
auslaufende Schädigungszone
besteht, die eine hohe Abhängigkeit
von der von extern applizierten Strahlungsmenge und -energie hat.
Die sichere Erfassung eines Zielvolumens kann daher nur durch mehrfache
Anwendungen von unterschiedlichen Seiten des Zielvolumens erfolgen.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Um
das Problem einer vollständigen
Durchdringung eines Zielvolumens mit einer vorbestimmten Strahlungsdosis
zu beseitigen wird erfindungsgemäß eine Röntgenstrahlung
streuende Substanz oder ein Substanzgemisch in Form kleiner röntgenstrahlungsablenkender
Partikel in einer röntgenstrahlungsdurchlässigen oder
definiert röntgenstrahlungsschwächenden
Matrix gleichmäßig verteilt,
so dass eine rotationssymmetrische Strahlungsverteilung um die Achse
der auf diesen Streukörper
(Diffusor) gerichteten Röntgenstrahlung
erfolgt.
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Durch
den Einsatz von geeigneten Streukörpern bzw. Streukörpern in
Kombination mit geeigneten Fluoreszenztargets, die eine Umsetzung
der primären
auf das Fluoreszenztarget gerichteten Röntgenstrahlung in ein niederenergetisches
Röntgenfluoreszenzspektrum
bewirkt, kann eine weitgehend isotrope Verteilung der Dosis im Zielvolumen
erreicht werden. Eine Fortführung
des Erfindungsgedankens ist der Einsatz röntgenfluoreszierender Partikel
anstelle oder gemischt mit den o.g. Streupartikeln. Für die Röntgenfluoreszenz
geeignete Elemente höherer Ordnungszahlen,
z.B. Zink, Europium etc., konstituieren diese Partikel vollständig oder
als äußere Schicht,
bzw. Teil der äußeren Schicht.
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Auch
der Einsatz von im Zielkörper
stark absorbierter Röntgenstrahlung
wird durch die vom Zielkörper
ungeschwächte
Einleitung in den Körper über röhrenförmige Vorrichtungen
und die anschließende Streuung
im Streukörper
weit von der Oberfläche
entfernt möglich,
ohne Rücksicht
auf sonstige Randbedingungen wie Wärmeentwicklung oder Durchstrahlung
außerhalb
des Zielvolumens liegender Körperelemente
zu nehmen. Durch eine Variation der Parameter der Röntgenquelle,
bei einer Röntgenröhre beispielsweise
Beschleunigungsspannung, Röhrenstrom,
Anodenmaterial, Filter und Kollimatoren ist eine Anpassung der Strahlung
an die Größe des Zielvolumens
denkbar. Da die Strahlenquelle unmittelbar an das Zielvolumen gebracht
wird und nicht von dieser entfernt ist, erfolgt keine Schädigung umliegenden
Gewebes. Eine genaue Dosisverteilung ist exakt vorhersagbar und
weist bei Einsatz von niederenergetischer Röntgenstrahlung am menschlichen
und tierischen Körper
einen im Vergleich zu anderen, etablierten Bestrahlungsarten steilen
Dosisrandabfall auf. Somit lässt
sich die Methode ohne Wirkungseinschränkung auch in die Nähe von strahlensensiblen Strukturen
verwenden. Die Applikation ist dadurch gegenüber anderen radiochirurgischen
Verfahren vereinfacht und die Dosisplanung und die Therapiekontrolle
können
mit den gängigen
bildgebenden Verfahren nach dem Stand der Technik (Ultraschall, Kernspintomografie,
Computertomografie, etc.) erfolgen.
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Die
Anwendung ist nicht explizit auf die radiochirurgische Anwendung
begrenzt, sondern offen z. B. auch für Beleuchtungszwecke (z.B.
Röntgenfilmbelichtung,
Röntgenstrahlung über Fluoreszenz
in optische Strahlung) oder andere erwünschte Wechselwirkungsmechanismen
ionisierender Strahlung, auch außerhalb der Anwendung am menschlichen oder
tierischen Körper.
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Für eine denkbare
Anwendung am menschlichen oder tierischen Körper kann die Röntgenstrahlung
von externen Quellen mittels einem perkutan platzierten Röntgenlichtleiter
nahezu verlustfrei in den Körper
geleitet werden. Röntgenlichtleiter
sind Kapillarstrukturen in denen die Röntgenstrahlung durch mehrfache
Totalreflexion weitergeleitet wird. Dieser Prozess ist den normalen
Lichtleitern vergleichbar. Allerdings erfolgt die Weiterleitung
an Luft, um die Absorption zu reduzieren. Weiterhin sind die kritischen
Winkel für
die Totalreflexion von Röntgenstrahlung
extrem klein, so dass nur geringe Krümmungen der Röntgenlichtleiter
möglich
sind. Röntgenlichtleiter
werden aus Glas hergestellt, die Innendurchmesser der Kapillaren
sind im μm-Bereich.
Sie können
in Bündeln
zusammengefasst werden. Durch eine Formung der Bündel im Eingangsbereich ist
es möglich
einen großen
Raumwinkel der von der Röhre emittierten
Strahlung zu erfassen und daraus ein paralleles Röntgenstrahlbündel zu
formen.
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Die
Röntgenlichtleiter
können
in Metallkanülen
eingebettet werden und haben damit eine ausreichende Stabilität für die perkutane
Applikation an menschlichen und tierischen Körpern. Bei Verwendung von Edelstahlkanülen ist
eine Sterilisation der Kanülen
mit bekannten Methoden möglich,
was eine Mehrfachnutzung der Röntgenlichtleiter
ermöglichen würde. Die
Kapillaren können
durch strahlendurchlässige
Fenster abgeschlossen werden, die ein Eindringen von Körperflüssigkeiten
in die Kapillaren verhindern. Auf den Kanülen aufgesetzte Diffusoren
(diffusor tips/Streukörper)
können
für die
isotrope Verteilung der Strahlung genutzt werden.
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Zur
weitergehenden Formung der an den Partikeln gestreuten Röntgenstrahlung
kann die Geometrie des oben beschriebenen Streukörpers gemäß dem Stand der Technik angepasst
werden, so dass über
die Länge
eine gleichmäßige Strahlungsabgabe
erfolgt. Ebenso kann zur Strahlformung die Konzentration der Partikel
im Streukörper
entlang der Achse der auf den Streukörper eingestrahlten Röntgenstrahlung
gemäß dem Stand
der Technik variiert werden. Auch eine Variation der Partikelart
entlang der Achse der auf den Streukörper eingestrahlten Röntgenstrahlung
kann zur Strahlformung eingesetzt werden.
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Weitergehend
kann entsprechend dem Stand der Technik durch die Gesamtlänge des
Diffusors, die Wahl der Materialien oder Materialienmixe für Partikel,
für Matrix
und für
einen um den Diffusor denkbaren Begrenzungskörper, die Partikelkonzentration
und die Matrixeigenschaften bestimmt werden, wieviel Röntgenstrahlung
den Diffusor seitlich und in Richtung der auf diesen Diffusor gerichteten
Röntgenstrahlung
verlasst und damit die Strahlungsverteilung um den Diffusor vorbestimmt
werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
werden die auf den Diffusor gerichteten Röntgenstrahlenbündel in
eine sich nach distal verjüngende
Kegelbohrung gerichtet, wodurch die auf den Kegel auftreffenden
Röntgenstrahlen
durch Totalreflexion seitlich aus der Strahlachse ausgelenkt werden.
In Weiterführung des
Erfindungsgedankens kann diese ausgelenkte Strahlung auch zusätzlich durch
einen außerhalb
der Kegelbohrung gelegenen Diffusor gestreut werden. In Weiterführung des
Erfindungsgedankens kann der Kegel mit einer Folie aus Material
mit für
die Strahlung hohem Brechungsindex ausgekleidet werden, um die Steilheit
der Kegelbohrung zu vermindern. In Weiterführung des Erfindungsgedankens
kann auch eine Struktur oder ein Material durch Ablagerungsprozesse
(Kristallgitter, einfache oder mehrfache Beschichtung, o.ä.) zur Beugung
von Röntgenstrahlung auf
die Oberfläche
der Kegelbohrung aufgebracht werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
werden dem Körper
im Zielvolumen Substanzen oder Substanzgemische auf geeignete Art
zugeführt,
die eine über
eine röhrenförmige Vorrichtung
in den Körper eingebrachte
niederenergetische Strahlung streuen oder durch Röntgenfluoreszenz
in niederenergetische Strahlung umsetzen. Niederenergetische Strahlung
streuende Substanzen oder Partikel erzielen eine Intensitätsüberhöhung an
der zur Strahlenquelle ausgerichteten Grenzfläche zwischen mit solchen Substanzen
nicht- angereicherten
und angereicherten Bereichen durch Remission, was für die Erzielung einer
vorbestimmten Strahlungsdosis im Zielvolumen ausgenutzt werden kann.
Die Tatsache, dass Röntgenfluoreszenz
immer ein niederenergetisches Spektrum als die Anregungsstrahlung
erzeugt, gekoppelt mit der Tatsache, dass niederenergetische Strahlung
von menschlichem und tierischem Gewebe besser als hochenergetische
Strahlung absorbiert wird, ermöglicht
also die Beeinflussung der Dosisverteilung im Zielgebiet durch die
Kopplung von Strahlung mit dem Vorhandensein von Substanzen, die
in den Körper
eingebrachte niederenergetische Strahlung streuen oder durch Röntgenfluoreszenz
in niederenergetische Strahlung umsetzen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
für die
Erfindungsgedanken sind in Zeichnungen festgehalten, stellen aber
keine Einschränkung
der Ausführungsformen dar.
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1 zeigt
einen aus einer externen Quelle stammenden Röntgenstrahl (1), der
niederenergetisch ist und über
geeignete Vorrichtungen in den Körper
geleitet wird und über
einen Streukörper
(2) in verschiedenen Richtungen gestreut wird. Die gestreuten
Röntgenstrahlen
(3) – hier
sind nur exemplarisch einige eingezeichnet – werden über Mehrfachstreuung oder Umsetzung
durch Fluoreszenz oder beide Mechanismen im Zielvolumen isotrop
verteilt.
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2 zeigt
eine ähnliche
Konfiguration wie 1, wobei der Streukörper (4)
geometrisch anders geformt ist – hier
als Beispiel als Kegelstumpf – und dadurch
den Röntgenstrahlen
(1) nach einer materialabhängigen mittleren freien Weglänge zwischen zwei
Streuereignissen mehr Streukörper
bietet. Dadurch wird die Strahlungsverteilung der gestreuten oder
durch Fluoreszenz umgesetzten Röntgenstrahlen
(3) beeinflusst und liefert Möglichkeiten zur Anpassung der
Isodosenlinien an das Zielvolumen.
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3 zeigt ähnlich wie 2 eine
geometrische Veränderung
des Streukörpers
(5), wobei jedoch die Röntgenstrahlung
(1) auf eine Kegelbohrung gerichtet ist und hierdurch an
der Oberfläche
Totalreflexion auftritt, die eine Strahlablenkung bewirkt. Zusätzlich ist
die Strahlung durch einen Streukörper (5)
geleitet, welcher die Strahlung streut oder durch Fluoreszenz in
niederenergetischere Strahlung umsetzt, die dann als Streustrahlung
(3) in das Zielvolumen austritt.
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4 zeigt
einen aus unterschiedlichen Zusammensetzungen aufgebauten Streukörper, der
für die
Zeichnung aus Blöcken
unterschiedlicher Zusammensetzung (6, 7, 8)
zusammengesetzt ist. Ein gradueller Übergang zwischen den Materialienzusammensetzungen
ist ebenfalls erfindungsgemäß. In dem
Ausführungsbeispiel
auf der 4 ist ein Streukörper (6) mit einer
Substanzmischung mit hohem Anteil an Röntgenfluoreszenz erzeugendem
Material, gefolgt von einem Streukörper (7) mit einer
niedrigen Streuerkonzentration und abgeschlossen von einem Streukörper (8)
mit einer hohen Streukörperkonzentration
dargestellt. Die Strahlung wird verschieden beeinflusst und an das
umgebende Zielvolumen als Streustrahlung (3) abgegeben.
Auch hier ist die Form der Isodosenlinien durch die Gestaltung und Wahl
der Materialienzusammensetzung vorherbestimmbar.
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5 zeigt
eine andere Anwendungsform der streuenden oder röntgenfluoreszierenden Substanzen.
Hier ist eine verlustarme Einleitung von Röntgenstrahlung in den Körper durch
einen Röntgenstrahlungsleiter
(9), der vor dem Zielvolumen (12), welches unmittelbar
an einem Blutgefäß (11) gelegen
ist, positioniert ist. Die Strahlung, die entweder niederenergetisch
ist und dann durch ein Austrittsfenster (10) ohne wesentliche
Beeinflussung hindurchtritt, oder wahlweise höherenergetisch und über ein
Fluoreszenztarget in niederenergetische Röntgenstrahlung (1)
umgewandelt wird, ist auf das Zielvolumen gerichtet. Durch eine
in dem Blutgefäß befindliche
Substanz, die röntgenstreuend
wirkt, werden die nicht im Zielvolumen absorbierten Strahlungsanteile
(3) gestreut und auf das Zielvolumen zurückgelenkt,
oder aber röntgenfluoreszierend
wirkt und die Strahlung in noch therapeutisch-biologisch wirksame Röntgenstrahlung
umsetzt. Dieser Enhancement-Effekt bewirkt, dass die Dosis im Zielgebiet erhöht wird
und die Gefahr der Schädigung
des Blutgefäßes sinkt.
In ähnlicher
Anordnung kann erfindungsgemäß auch über einen
minimal-invasiven Zugang, z.B. eine lange Kanüle, ein Depot einer solchen
Substanz aus Sicht des Röntgenstrahlungsleiters
hinter einem Zielvolumen angelegt werden. Ebenfalls erfindungsgemäß ist die
Aufsättigung
des Zielvolumens mit der genannten Substanz, um über eine Intensitätsüberhöhung durch
diese Aufsättigung mit
streuendem Material den Enhancement-Effekt zu erreichen.
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- 1
- Röntgenstrahl
aus externer Quelle
- 2
- Streukörper/Diffusor
- 3
- gestreute
Röntgenstrahlung
bzw. Röntgenfluoreszenz
- 4
- geometrisch
angepasster Streukörper
(Ausführungsbeispiel)
- 5
- mit
konischer Bohrung versehener Streukörper (Ausführungsbeispiel)
- 6
- Streukörper mit
Zusammensetzung X
- 7
- Streukörper mit
Zusammensetzung Y
- 8
- Streukörper mit
Zusammensetzung Z
- 9
- Röntgenstrahlungsleiter
- 10
- Austrittsfenster
(wahlweise auch Fluoreszenztarget)
- 11
- Blutgefäß mit "Radiosensitizer"
- 12
- Zielvolumen
(Tumor)