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Die
Erfindung betrifft eine Strahlentherapievorrichtung und ein Verfahren
zur Steuerung einer Strahlentherapievorrichtung.
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Im
Rahmen der Strahlentherapie soll im Allgemeinen ein Ziel innerhalb
des menschlichen Körpers mit Therapiestrahlen bestrahlt
werden, um Krankheiten, insbesondere Krebs, zu bekämpfen. Dabei
wird gezielt in einem Bestrahlungszentrum (Isozentrum) einer Bestrahlungseinrichtung
eine hohe Strahlungsdosis erzeugt. Bei der Bestrahlung ergibt sich
häufig das Problem, dass das Ziel der Bestrahlung im Körper
beweglich ist. So verschiebt sich beispielsweise ein Tumor im Bauchbereich
während des Atemvorgangs. Andererseits kann ein Tumor im Zeitraum
zwischen Bestrahlungsplanung und tatsächlicher Bestrahlung
auch gewachsen oder bereits geschrumpft sein. Daher wurde vorgeschlagen,
die Lage des Bestrahlungsziels im Körper während
der Bestrahlung durch Bildgebung zu kontrollieren, um den Strahl
entsprechend zu steuern oder gegebenenfalls die Bestrahlung abbrechen
zu können und somit den Erfolg der Therapie zu erhöhen.
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Eine
bekannte medizinische Bildgebungstechnik ist die Magnetresonanztechnik.
Die Magnetresonanztechnik erlaubt sowohl eine besonders gute Weichteildarstellung
als auch eine spektroskopische Analyse des Untersuchungsgebiets.
Damit bietet sich diese Technik auch als medizinisches Bildgebungsgerät
zur Überwachung einer Strahlentherapie an. Im Folgenden
steht die Abkürzung „MR" für „Magnetresonanztechnik".
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Es
sind bereits Geräte bekannt, die ein Magnetresonanzgerät
und eine Bestrahlungsvorrichtung kombinieren, um eine Überwachung
einer Strahlentherapie zu ermöglichen. Als Beispiele seien
die Offenbarungen der
US 6198957 ,
der
US 2005/0197564 und
der
WO 03/008986 genannt.
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Es
sind weiterhin Ausführungen von kombinierten Strahlentherapie-
und Magnetresonanzgeräten denkbar, die einen offenen, C-förmigen
Magneten mit einer Bestrahlungseinrichtung kombinieren oder die
einen Therapiestrahl erst im Inneren eines Magneten des Magnetresonanzgeräts
erzeugen, beispielsweise durch Beschleunigen von Elektronen parallel
zu einem Hauptmagnetfeld des Magneten und Umlenken der Elektronen
durch einen geeigneten Elektromagneten auf eine Targetanode auf
Höhe eines Bildgebungsvolumens des Magnetresonanzgeräts
zur Erzeugung eines Therapiestrahls, der in dem Bildgebungsvolumen
auf ein Zielvolumen trifft.
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Um
die Strahlendosis außerhalb des Zielvolumens zu minimieren
und somit gesundes Gewebe zu schonen, wird in der Regel die gesamte
Strahlenerzeugung um den statischen Patienten bewegt. Es ist gegebenenfalls
jedoch auch denkbar, die Strahlerzeugung statisch auszubilden und
stattdessen das Zielvolumen rotieren zu lassen. In beiden Fällen
konzentriert sich die Strahlendosis im Strahl im Bereich der Rotationsachse.
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Alternativ
können als medizinisches Bildgebungsgerät zur Überwachung
der Therapie auch Röntgen- oder Ultraschalleinrichtungen
verwendet werden. Allerdings sind dabei weitere Schwierigkeiten
zu beachten. Der Ultraschallbildgebung fehlt z. B. für
viele Anwendungen die Eindringtiefe. Bei der Röntgenbildgebung,
eingeschlossen der Computertomographie, können z. B. die
Röntgensensoren durch die Gammastrahlung des Beschleunigers
gestört oder beschädigt werden.
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Eine
andere Art der Bekämpfung von bösartigem Tumorgewebe
ist die Abtötung des krankhaften Gewebes durch Erwärmung,
z. B. auf 60°C, durch hochfokusierten Ultraschall, auch
HIFU genannt (HIFU: „high intensity focused ultrasound").
Auch hierbei ist eine Überwachung der Erwärmung
sinnvoll, um eine Schädigung von an das krankhafte Gewebe
angrenzendem, gesundem Gewebe zu vermeiden.
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Dazu
ist beispielsweise eine Vorrichtung zur lokalen Erwärmung
und globalen Überwachung eines Gewebes und deren Verwendung
in der
DE 197 43 294
C1 offenbart, die zu diesem Zweck ein Kernspintomographiegerät
mit einer Quelle zur Erzeugung von Ultraschall und einem Fokussierer
zur Fokusierung des Ultraschalls kombiniert.
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Die
US 6,582,381 B1 offenbart
eine Vorrichtung zur Positionierung eines Ultraschall-Therapiegeräts,
das unter MR-Überwachung betrieben wird. Die Vorrichtung
erlaubt eine präzise Steuerung der Position und Orientierung
einer Ultraschallsonde des Ultraschall-Therapiegeräts innerhalb
eines MR-Geräts.
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Krankhaftes
Gewebe wird durch eine Strahlentherapie umso besser abgetötet,
je höher die applizierte Strahlendosis ist. Ähnlich
ist die Abtötung von krankhaftem Gewebe durch Ultraschall
effizienter, je höher die Temperatur ist, auf die das Gewebe erwärmt
wird. Jedoch sind sowohl die Strahlendosis als auch die Temperatur
jeweils derart zu beschränken, dass keine zu große
Belastung für einen Patienten entsteht, und dass möglichst
wenig gesundes Gewebe in Mitleidenschaft gezogen wird.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung
zur Therapie von krankhaftem Gewebe, insbesondere Tumoren, bereitzustellen,
die effizient das krankhafte Gewebe abtötet und dabei gleichzeitig
umliegendes gesundes Gewebe schont und damit für einen
Patienten gut verträglich ist. Eine weitere Aufgabe ist
es, ein Verfahren zur effizienten Steuerung der Vorrichtung anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie das Verfahren
gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zwischen einer Überwärmung
von krankhaftem Gewebe einerseits und einer Strahlentherapie des krankhaften
Gewebes andererseits synergetische Effekte auftreten, wenn sie gleichzeitig
appliziert werden. So wurde festgestellt, dass bereits mit einer
kleinen Strahlendosis ein guter Therapieerfolg erzielt werden kann,
wenn z. B. ein bestrahlter Tumor eine gegenüber der normalen
Körpertemperatur erhöhte Temperatur hat. Dieser
Zusammenhang wird z. B. auch in „Increased tumour
response of a murine fibrosarcoma to low temperature hyperthermia
and low dose rate brachytherapy" von Ryu et al. in Int. J. Hyperthermia,
1996; 12 (5): 635–643, beschrieben. Als mögliche
Ursache für eine höhere Strahlenempfindlichkeit
wird dabei eine erhöhte metabolische Aktivität
in erwärmtem Areal diskutiert.
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Um
die oben genannten synergetischen Effekte auf einfache Weise nutzbar
zu machen, umfasst eine erfindungsgemäße Strahlentherapievorrichtung
ein medizinisches Bildgebungsgerät zur Bestimmung und/oder
Kontrolle von Position und Größe eines Zielvolumens
sowie von Temperaturen in dem Zielvolumen, sowie eine Bestrahlungsvorrichtung
zur Bestrahlung des Zielvolumens mit Therapiestrahlen und eine HIFU-Vorrichtung
(HIFU: „high intensity focused ultrasound") zur Bestrahlung
des Zielvolumens mit Ultraschall zur Erhöhung der Temperatur
in dem Zielvolumen.
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Dadurch
kann ein Zielvolumen gleichzeitig mittels der HIFU-Vorrichtung erwärmt
und mittels der Bestrahlungsvorrichtung bestrahlt werden, wobei beide
Vorgänge durch die Bildgebungsvorrichtung überwacht
werden. Somit wird eine Strahlenwirkung der Bestrahlungsvorrichtung
kontrolliert auf das Zielvolumen begrenzt und somit umgebendes,
gesundes Gewebe optimal geschont.
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Vorteilhaft
umfasst die Strahlentherapievorrichtung mindestens eine Steuereinheit,
die indirekt oder direkt mit dem medizinischen Bildgebungsgerät und
der Bestrahlungsvorrichtung und der HIFU-Vorrichtung in Verbindung
steht, und Signale mindestens des medizinischen Bildgebungsgeräts
empfangen, sowie Steuersignale an das medizinische Bildgebungsgerät
und/oder die Bestrahlungsvorrichtung und/oder die HIFU-Vorrichtung
senden kann. So kann durch eine entsprechende Programmierung der mindestens
einen Steuereinheit z. B. bzgl. Grenzwerte für Temperatur
im und außerhalb des Zielvolumens und/oder Vorgaben eines
Bestrahlungsplans, vorteilhaft automatisch und damit schnell und
zuverlässig auf eine zum jeweiligen Zeitpunkt gegebene
Situation bzgl. Position, Größe, Temperatur und
bereits applizierter Strahlendosis im und um das Zielvolumen reagiert
und die Bestrahlung mit Ultraschall bzw. Therapiestrahlen effizient
geregelt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform steuert die mindestens
eine Steuereinheit die Bestrahlungsvorrichtung und die HIFU-Vorrichtung
derart, dass ein Bestrahlungszentrum der Bestrahlungsvorrichtung
mit einem Bestrahlungszentrum der HIFU-Vorrichtung koinzidiert.
So wird der oben angesprochene synergetische Effekt besonders gefördert.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung einer
Strahlentherapievorrichtung, die ein medizinisches Bildgebungsgerät,
eine Bestrahlungsvorrichtung und eine HIFU-Vorrichtung umfasst,
umfasst folgende Schritte, nachdem ein Untersuchungsobjekt in der
Strahlentherapievorrichtung positioniert ist:
- – Bestimmen
bzw. Kontrollieren von Position und Größe eines
Zielvolumens des Untersuchungsobjekts in der Strahlentherapievorrichtung
mittels des medizinischen Bildgebungsgeräts,
- – Starten einer Bestrahlung des Zielvolumens durch
die HIFU-Vorrichtung mit Ultraschall zur Erwärmung des
Zielvolumens,
- – Kontrollieren von Temperatur und Ausbreitung von
Bereichen mit erhöhter Temperatur in dem Untersuchungsobjekt
mittels des medizinischen Bildgebungsgeräts,
- – Freigeben einer Bestrahlung des Zielvolumens mit
Therapiestrahlen der Bestrahlungsvorrichtung, sobald eine Zieltemperatur
im Zielvolumen erreicht ist,
- – Regeln der durch die HIFU-Vorrichtung erzeugten Erwärmung
des Zielvolumens durch Steuern der HIFU-Vorrichtung gemäß Ergebnissen
der Kontrolle von Temperatur und Ausbreitung von Bereichen mit erhöhter
Temperatur,
- – Steuern der Bestrahlung des Zielvolumens mit Therapiestrahlen
durch die Steuereinheit gemäß Ergebnissen der
Kontrolle der Position des Zielvolumens und/oder gemäß Ergebnissen
der Kontrolle von Temperatur und Ausbreitung von Bereichen mit erhöhter
Temperatur,
- – Abbrechen der Bestrahlung, sobald eine gewünschte
Strahlendosis von Therapiestrahlen appliziert wurde oder eine Maximaltemperatur
in dem Zielvolumen überschritten wird.
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Vorteilhaft
werden insbesondere die Verfahrensblöcke Freigeben einer
Bestrahlung mit Therapiestrahlen, Regeln der durch die HIFU-Vorrichtung erzeugten
Erwärmung des Zielvolumens und Abbrechen der Bestrahlung
durch mindestens eine indirekt oder direkt mit dem Bildgebungsgerät,
der Bestrahlungsvorrichtung und der HIFU-Vorrichtung verbundene
Steuereinheit auf Grundlage von mittels des Bildgebungsgeräts
ermittelten Parametern des Zielvolumens gesteuert.
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Die
vorrichtungsbezogenen Vorteile gelten für das Verfahren
analog.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen. Die aufgeführten Beispiele stellen
keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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2 schematisch,
eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Strahlentherapievorrichtung,
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3 schematisch,
eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Strahlentherapievorrichtung.
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1 zeigt
in einem Diagramm schematisch die Verfahrensblöcke des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden, nachdem
ein Untersuchungsobjekt, z. B. ein Patient, in üblicher
Weise, z. B. mittels einer Patientenliege, in einer erfindungsgemäßen
Strahlentherapievorrichtung positioniert wurde, zunächst
mittels einer Bildgebungsvorrichtung Position und Größe,
d. h. die Lage und die Ausmaße, eines Zielvolumens des
Untersuchungsobjekts bestimmt (Block 13) und bis zum Abschluss
einer Bestrahlung kontrolliert (Block 25). Die Daten werden von
einer Steuereinheit empfangen und ausgewertet.
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Anschließend
wird eine Bestrahlung des ermittelten Zielvolumens mit Ultraschall
einer HIFU-Vorrichtung gestartet (Block 15). Das Starten
der Bestrahlung des Zielvolumens mit Ultraschall wird z. B. durch
die Steuereinheit gemäß der empfangenen Daten
bzgl. Position und Größe des Zielvolumens gesteuert.
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Die
durch die Bestrahlung mit Ultraschall erhöhte Temperatur
in dem Zielvolumen wird mittels der Bildgebungsvorrichtung kontrolliert
und Temperatur und Ausbreitung von Bereichen mit erhöhter
Temperatur in dem Untersuchungsobjekt ständig überwacht
(Block 17). Ist die Bildgebungsvorrichtung ein Magnetresonanzgerät
geschieht dies beispielsweise durch die Verwendung einer temperatursensitiven Sequenz
bei der Datenaufnahme. Wiederum werden die Daten von einer Steuereinheit
empfangen und ausgewertet.
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Die
HIFU-Vorrichtung wird anhand der ermittelten Werte für
Temperatur im Zielvolumen und Ausbreitung einer erhöhten
Temperatur bis zum Ende der gesamten Bestrahlung derart durch die,
die Daten bzgl. der Temperatur im Zielvolumen auswertende Steuereinheit
geregelt, dass eine gewünschte Zieltempera tur im Zielvolumen
erreicht, eine Maximaltemperatur aber nicht überschritten
wird (Block 19). Desgleichen zielt die Regelung der HIFU-Vorrichtung darauf
ab, eine Erhöhung der Temperatur außerhalb des
Zielvolumens zu vermeiden. Insbesondere werden hierbei Frequenz
des Ultraschalls und Dauer der Bestrahlung einzelner Bereiche in
dem Zielvolumen geregelt. Gegebenenfalls kann die Bestrahlung mit Ultraschall
durch die HIFU-Vorrichtung zeitweise auch ausgesetzt werden, falls
z. B. die Maximaltemperatur überschritten wurde.
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Erreicht
die Temperatur in dem Zielvolumen die gewünschte Zieltemperatur,
wird eine Bestrahlung des Zielvolumens mit Therapiestrahlen einer Bestrahlungsvorrichtung
freigegeben (Block 21). Dies geschieht vorteilhaft ebenfalls
durch die, die Daten bzgl. der Temperatur im Zielvolumen auswertende
Steuereinheit. Die gewünschte Zieltemperatur wird derart
gewählt, dass die oben angesprochene Synergie zwischen
Erwärmung und Bestrahlung mit Therapiestrahlen bedarfsgerecht
gefördert wird. Die gewünschte Zieltemperatur
kann auch ein Temperaturbereich sein. Für eine Strahlentherapie
von Menschen wird daher vorgeschlagen, die Zieltemperatur derart
zu wählen, dass ca. 39°C nicht unterschritten und
ca. 43°C nicht überschritten werden. Eine beispielhafte
Zieltemperatur könnte daher 42°C ± δ,
mit δ z. B. 0,5°C, sein. In dem angegebenen Temperaturintervall
ist das Zielvolumen gegenüber umgebendem Gewebe deutlich
erwärmt. Gleichzeitig ist die Temperatur noch nicht so
hoch, dass allein durch die Temperaturerhöhung eine Zerstörung
des Gewebes im Zielvolumen erreicht würde, was den Synergieeffekt
zunichte machen würde. Aus demselben Grund sollte die Maximaltemperatur
ca. 45°C nicht überschreiten.
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Nach
der Freigabe erfolgt die Bestrahlung des Zielvolumens mit Therapiestrahlen
nach einem vorher festgelegten Therapieplan, wobei Therapiestrahlen
der Bestrahlungsvorrichtung in bekannter Weise durch die ermittelten
Daten bzgl. Position und Größe des Zielvolumens
(s. Block 25) gesteuert und ggf. angepasst werden. Dies
erfolgt beispielsweise mittels Multi-Leaf-Kollimatoren. Zusätzlich
kann der Therapiestrahl auch abhängig von der momentanen Temperatur
im Zielvolumen (s. Block 17) z. B. bzgl. seiner Intensität
angepasst werden (Block 23).
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Sobald
eine gemäß Therapieplan gewünschte Strahlendosis
von Therapiestrahlen in dem Zielvolumen appliziert wurde, werden
die Bestrahlung mit Therapiestrahlen und die Bestrahlung mit Ultraschall abgebrochen
(Block 27).
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2 und 3 zeigen
schematische Skizzen verschiedener Ausführungsformen einer
erfindungsgemäßen Strahlentherapievorrichtung.
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Die
Strahlentherapievorrichtung umfasst jeweils eine Bildgebungsvorrichtung 1,
eine Bestrahlungsvorrichtung 3 und eine HIFU-Vorrichtung 5.
In den 2 und 3 ist jeweils die Bildgebungsvorrichtung 1 und
die Bestrahlungsvorrichtung 3 nur durch gestichelte Kästchen
dargestellt. Für genauere Angaben bezüglich der
Bildgebungsvorrichtung 1 und der Bestrahlungsvorrichtung 3 und
wie sie zu kombinieren sind, wird z. B. auf die eingangs genannten
Schriften verwiesen.
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In
eine erfindungsgemäße Strahlentherapievorrichtung
ist ein Untersuchungsobjekt, beispielsweise ein Patient P, der ein
Zielvolumen Z umfasst, z. B. mittels einer Liege 11 derart
einbringbar, dass das Zielvolumen Z mittels der Bestrahlungsvorrichtung 3 mit
Therapiestrahlen 7 bestrahlt werden kann und gleichzeitig
mittels der Bildgebungsvorrichtung 1 Daten über
das Zielvolumen erfasst werden können. Eine Steuereinheit 9 ist
mit der Bildgebungsvorrichtung 1, der Bestrahlungsvorrichtung 3 und
der HIFU-Vorrichutng 5 verbunden und erhält von
der Bildgebungsvorrichtung 1 Daten über Position
und ges Zielvolumens sowie über die Temperatur im und um das
Zielvolumen. In Abhängigkeit der erhaltenen Daten steuert
die Steuereinheit 9 die HIFU-Vorrichtung 5 und
die Bestrahlungsvorrichtung 3 wie oben bereits im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschildert.
Dabei ist die Steuereinheit 9 nicht nötiger Weise
eine einzelne Einheit, sondern sie kann vielmehr auch aus mehreren
räumlich und/oder logisch getrennten Steuereinheiten zusammengesetzt
sein.
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In 2 ist
die HIFU-Vorrichtung 5 teilweise außerhalb der
Bildgebungsvorrichtung 1 angeordnet. Der Ultraschall wird
von einer entsprechenden Quelle 6 erzeugt und mittels Wellenleiter 4,
z. B. aus Quarzglas, zu einem Kopf 8 der HIFU-Vorrichtung geführt,
von wo aus er in das Zielvolumen Z eingestrahlt werden kann. Die
Quelle 6 erzeugt den Ultraschall mit einer bestimmten Frequenz,
die je nach gewünschtem Grad einer Erwärmung variiert
werden kann. Dabei ist jedoch, insbesondere wenn die Bildgebungsvorrichtung
ein Magnetresonanzgerät ist, zu beachten, dass die gewählte
Frequenz nicht mit Arbeitsfrequenzen der Bildgebungsvorrichtung
störend Wechselwirken kann. Der Kopf 8 fokussiert
den Ultraschall gezielt im Zielvolumen, um für die gewünschte Erwärmung
zu sorgen.
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3 zeigt
eine alternative Anordnung der HIFU-Vorrichtung
5' in einer
erfindungsgemäßen Strahlentherapievorrichtung.
Hierbei ist der Kopf
8' der HIFU-Vorrichtung
5' in
der Liege
11' angeordnet. Eine Positionierung des Kopfes
8' für
eine zielgenaue Erwärmung des Zielvolumens Z ist beispielsweise analog
zu dem Positionierungsgerät aus der bereits zitierten
US 6,582,381 B1 ausgeführt.
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Bekannte
Köpfe von HIFU-Vorrichtungen sind vorwiegend aus Piezokristallen
oder Keramiken gefertigt und damit kompatibel mit bekannten Bildgebungstechniken
wie Röntgen, Computertomographie oder Magnetresonanztechnik
sowie stabil gegenüber einer Bestrahlung mit Therapiestrahlen.
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Soll
trotzdem eine direkte Bestrahlung des HIFU-Kopfes 8, 8' mit
Therapiestrahlen vermieden werden, kann die Bestrahlung mit Therapiestrahlen und
die Bestrahlung mit Ultraschall durch die HIFU-Vorrichtung 5, 5' beispielsweise
abwechselnd gepulst werden oder der Therapiestrahl 7 unter
einem Winkel auf das Zielvolumen Z eingestrahlt werden und der Kopf 8, 8' so
angeordnet werden, dass der Kopf 8, 8' nicht direkt
getroffen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6198957 [0004]
- - US 2005/0197564 [0004]
- - WO 03/008986 [0004]
- - DE 19743294 C1 [0009]
- - US 6582381 B1 [0010, 0037]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Increased
tumour response of a murine fibrosarcoma to low temperature hyperthermia
and low dose rate brachytherapy" von Ryu et al. in Int. J. Hyperthermia,
1996; 12 (5): 635–643 [0014]