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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Lamellenkollimator, insbesondere
für ein Strahlentherapiegerät, sowie auf ein Strahlentherapiegerät
mit einem derartigen Lamellenkollimator.
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Ein
Lamellenkollimator wird in der Strahlentherapie zur Behandlung von
Tumoren eingesetzt. Ein derartiger Lamellenkollimator ist beispielsweise in
der
DE 196 39 861
A1 oder in der
WO 00/46813 beschrieben.
In der Strahlentherapie wird ein Tumor mit energiereichen Strahlen,
meistens mit hochenergetischer Röntgenstrahlung eines Linearbeschleunigers,
bestrahlt. Der Lamellenkollimator wird dabei in den Strahlengang
des Röntgenstrahls eingebracht. Er weist mehrere gegeneinander
motorisch verschiebbare Lamellen zur Vorgabe einer Öffnung
auf, deren Kontur der Kontur des Tumors entspricht. Somit wird nur
der Tumor und nicht das angrenzende gesunde Körpergewebe
mit den Röntgenstrahlen bestrahlt. Dazu sind zwei Pakete
von Lamellen so gegenüber angeordnet, dass sie mit ihren
Stirnseiten aufeinander zu- oder voneinander weg bewegt werden können.
Somit lässt sich eine nahezu jede beliebige Kontur eines
Tumors nachbilden.
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Jede
dieser Lamellen ist mittels eines als Schrittmotor ausgeführten
Elektromotors positionierbar. Nachteilig hat sich jedoch die Positioniergenauigkeit
eines derartigen Schrittmotors erwiesen. Weiterhin weist ein Schrittmotor
ein Anfahrverhalten auf, das geringfügige Anpassungen in
der Position nicht zulässt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lamellenkollimator mit
einer verbesserten Positioniervorrichtung anzugeben. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß gelöst durch einen
Lamellenkollimator nach Anspruch 1. Hierzu ist jeder Lamelle zumindest
ein Linearantrieb mit zumindest einem von ei ner Steuereinrichtung
ansteuerbaren Piezoaktor zum Verschieben der Lamelle in einer Verstellrichtung
zugeordnet.
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Mittels
des Einsatzes eines Piezoaktors zum Verschieben einer Lamelle lässt
sich eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit erzielen. Eine komplizierte
Mess- und Steuerungstechnik zum Ausgleich von Positionierungsungenauigkeiten,
wie sie selbst bei hochgenauen Schrittmotoren notwendig ist, kann
somit unterbleiben. Weiterhin ist die Verschiebung des Piezoaktors
zur angelegten Versorgungsspannung proportional. Somit lässt
sich mittels der Vorgabe der Versorgungsspannung exakt und in einfacher
Weise vorgeben, wie weit die Lamelle mittels des Piezoaktors verschoben
wird. Durch eine wiederholte Ansteuerung des Piezoaktors ist somit eine
sukzessive Linearbewegung der Lamelle erreichbar.
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Zudem
weist der Piezoaktor eine geringe Stromaufnahme während
des Bewegens der Lamelle auf. Ansonsten ist der Piezoaktor praktisch
stromlos, so dass seine Stromaufnahme nahe Null liegt. Daher kann
ein für die elektrische Versorgung des Piezoaktors bereitzustellender
Transformator weiterhin mit einer geringen Leistung ausgelegt sein.
Der Energiebedarf des Piezoaktors ist gering, so dass die Betriebskosten
des Linearantriebs im Vergleich zu einem elektromotorisch getriebenen
Linearantrieb niedrig liegen. Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme
ist die Geräuschentwicklung beim Betrieb des Transformators
gering.
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Da
ein Piezoaktor lediglich einen geringen Bauraum benötigt,
kann ein derartiger Linearantrieb sehr geringe Ausmessungen aufweisen.
Er ist daher baulich bedeutend kompakter ausführbar, als
ein konventioneller Linearantrieb für einen Lamellenkollimator
mit einzeln ansteuerbaren Elektromotoren.
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Zweckmäßig
weist der Piezoaktor ein Piezoelement sowie einen an das Piezoelement
angekoppelten Übertrager auf. Auf diese Weise lässt
sich der Übertrager hinsichtlich seiner Geometrie exakt
an die zu bewegende Lamelle anpassen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist zur Übertragung einer
Antriebskraft zwischen dem Übertrager und der zu bewegenden
Lamelle ein Reibschluss ausgebildet, wobei die Reibungskraft richtungsabhängig
einstellbar ist. Mit anderen Worten wird die verschieblich gelagerte
Lamelle nach der Herstellung des Reibkontaktes mit dem Übertrager von
diesem mittels Haftreibung bewegt. Die mechanische Kopplung zwischen Übertrager
und Lamelle mittels Reibschluss ist rein passiver Natur. Es ist
daher keine Steuerung der Kopplungskraft notwendig.
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Da
der Übertrager direkt mit der Lamelle mittels Reibschluss
verbunden ist, liegt keinerlei mechanisches Spiel zwischen Übertrager
und Lamelle vor. Somit lässt sich eine besonders hohe Positionier- und
Wiederholgenauigkeit erzielen. Eine komplizierte Steuerungstechnik
zum Ausgleich von Positionierungsungenauigkeiten, wie sie selbst
bei hochgenauen Schrittmotoren notwendig ist, muss nicht eingesetzt
werden.
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Mittels
des Übertragers erfolgt über Reibschluss eine
direkte Kraftübertragung auf die zu bewegende Lamelle.
Ein Getriebe zur Kraftübertragung ist daher nicht notwendig,
so dass der Antrieb einfach und kostengünstig ausführbar
ist. Das Angreifen des Übertragers an der Lamelle erfolgt
praktisch lautlos, so dass die Geräuschentwicklung während
des Verfahrens der Lamelle sehr gering ist. Zudem weist der Piezoaktor
eine Stromaufnahme nahe Null während des Halten der Lamelle
mittels Reibschluss in einer Halteposition auf, so dass ein besonders
niedriger Energieverbrauch insbesondere im Bereitschaftsbetrieb
des Lamellenkollimators gewährleistet ist.
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Zweckmäßig
steuert die Steuereinrichtung den Piezoaktor derart an, dass unter
Ausnutzung der Massenträgheit der Lamelle bei einer Auslenkung
in Bewegungsrichtung die Lamelle mitgenommen wird und in der entgegengesetzten
Richtung der Übertrager über die Lamelle gleitet.
Mit anderen Worten kommt der Reibschluss zwischen Übertrager
und Lamelle lediglich durch das Wechselspiel zwischen der Massenträgheit
der Lamelle und der richtungsabhängigen Ansteuerung des Übertragers
zustande. Somit ist in einfacher Weise und mit einem geringen Steuerungsaufwand
eine gerichtete Bewegung der Lamelle erzielt.
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Vorteilhaft
ist die Steuereinheit eingerichtet, den Piezoaktor derart anzusteuern,
dass die Geschwindigkeit des Übertragers in Bewegungsrichtung geringer
ist, als in der entgegengesetzten Richtung. Ein rascher Aufbau oder
ein rascher Abbau der Versorgungsspannung führt zu einem
raschen Ausdehnen oder Zusammenziehen des Piezoelements. Somit überwindet
der am Piezoelement befestigte Übertrager die an seiner
Reibfläche durch Reibschluss angreifende Haftreibungskraft.
Der Übertrager wird mittels Gleitreibung an der Oberfläche
der Lamelle in der der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Richtung
bewegt. Auf diese Weise ist der Angriffspunkt des Übertragers
an der Lamelle veränderbar. Hierbei ist ausgenutzt, dass
die zu bewegende Lamelle gegenüber dem Übertrager
eine bedeutend größere Masse aufweist und somit
aufgrund ihrer Massenträgheit in ihrer Position verbleibt.
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Ein
langsamer Aufbau oder ein langsamer Abbau der Versorgungsspannung
führt zu einem langsamen Ausdehnen oder Zusammenziehen
des Piezoelements. Auf diese Weise kommt es zu einem Reibschluss
zwischen dem Übertrager und der Lamelle. Die Massenträgheit
der Lamelle wird durch die Haftreibungskraft zwischen Übertrager
und Lamelle überwunden. Die Lamelle wird mittels des an
ihr angreifenden Übertragers in der Bewegungsrichtung verschoben.
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Somit
lässt sich mit einer periodischen Versorgungsspannung,
die zeitlich rasch ansteigt und langsam abfällt, eine Linearbewegung
der Lamelle in Bewegungsrichtung in einfacher Weise erzielen. Mit einer
periodischen Versorgungsspannung, die rasch abfällt und
langsam ansteigt, lässt sich in ebenso einfacher Weise
eine Umkehr der Bewegungsrichtung erzielen.
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Mittels
einer asymmetrischen Versorgungsspannung ist demnach eine beidseitige
Linearbewegung umsetzbar. Als Versorgungsspannung eignet sich beispielsweise
eine periodische Spannung nach Art eines asymmetrischen Sägezahns.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Piezoaktoren zur
Bewegung der Lamelle vorgesehen. Somit lässt sich auch
eine Lamelle mit einer hohen Masse und damit einer hohen Massenträgheit
mittels des Linearantriebs bewegen. Die Piezoaktoren sind mittels
der Steuereinrichtung zusammen bewegbar, so dass die mittels Haftreibung
auf die Lamelle übertragene Haftreibungskraft zur ihrer Verschiebung
mittels Reibschluss ausreicht. Eine Bewegung einer Lamelle mittels
mehrerer gleichzeitig bewegter Piezoaktoren ist insbesondere von
Bedeutung, wenn eine Lamelle hoher Masse bewegt werden soll. Dies
ist beispielsweise bei einem in der Strahlentherapie eingesetzten
Lamellenkollimator der Fall. Ein derartiger Lamellenkollimator weist
Lamellen aus einem strahlenabschirmenden Werkstoff, zumeist aus
einer Wolframlegierung, mit einer sehr hohen Dichte auf, so dass
die einzelnen Lamellen über eine hohe Masse verfügen.
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Vorteilhaft
ist die Steuereinrichtung eingerichtet, die Piezoaktoren sukzessive
zu betätigen. Dadurch ist eine sukzessive Änderung
der Angriffspunkte der einzelnen Übertrager mittels Gleitreibung unter
Ausnutzung der Massenträgheit der Lamelle und eine kontinuierliche
unterbrechungsfreie Verschiebung der Lamelle möglich.
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Die
Piezoaktoren sind dabei zweckmäßig an den Schmalseiten
und/oder an den Flachseiten der Lamelle angeordnet. Dabei sind verschiedene
vorteilhafte Anordnungen möglich. So können mehrere Piezoaktoren
jeweils paarweise an gegenüber liegenden Schmalseiten oder
an gegenüberliegenden Flachseiten angeordnet sein. Auf
diese Weise lässt sich die Kraft auf eine die Lamelle haltende
und führende Linearführung verringern.
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In
einer anderen vorteilhaften Variante können mehrere Piezoaktoren
an einer Schmalseite oder an einer Flachseite angeordnet sein. Damit
ist nur an dieser Schmalseite oder Flachseite ein Bauraum für
den Piezoaktor vorzusehen. Der Linearantrieb lässt sich
somit besonders kompakt ausführen. Andererseits ist die
Linearführung der Lamelle so auszuführen, dass
trotz der einseitig an der Lamelle angreifenden Kraft eine leichtgängige
Verschiebung der Lamelle möglich ist.
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Die
Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Strahlentherapiegerät
mit einem Lamellenkollimator nach einem der vorherigen Ansprüche.
Dabei sind die auf den Lamellenkollimator gerichteten Ansprüche
mit ihren Vorteilen sinngemäß auf das Strahlentherapiegerät
zu übertragen. Da der Lamellenkollimator sehr genau positionierbare
Lamellen aufweist, ist eine Kontur für die Bestrahlung
eines Tumors genau vorgebbar. Somit lässt sich eine Strahlentherapie
sehr exakt durchführen. Das Risiko, entweder Teile des
Tumorgewebes bei der Bestrahlung nicht zu erfassen, oder aber gesundes
Körpergewebe durch Bestrahlung zu schädigen, ist
daher gegenüber einem Lamellenkollimator mit einem elektromotorischen
Antrieb nach dem Stand der Technik deutlich geringer.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
einen Lamellenkollimator in einer Draufsicht,
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2a–c
schematisch die Bewegung einer einzelnen Lamelle in einer Bewegungsrichtung
mittels eines ersten, zwei Piezoaktoren umfassenden Linearantriebs
in drei Phasen,
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3a–c
die Bewegung der Lamelle aus den 2a–c
entgegen der Bewegungsrichtung aus den 2a–c
in drei Phasen,
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4 schematisch
einen zweiten, zwei Piezoaktoren umfassenden Linearantrieb für
eine Lamelle,
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5 schematisch
einen dritten, zwei Piezoaktoren umfassenden Linearantrieb für
eine Lamelle, sowie
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6 ein
Strahlentherapiegerät mit einem Lamellenkollimator.
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1 zeigt
schematisch in einer Draufsicht einen Lamellenkollimator 2,
der eine Anzahl zueinander im wesentlichen parallel angeordneter,
plattenartiger Lamellen 4 umfasst. Diese Lamellen 4 sind
in Verstellrichtung 6 verstellbar. Zur Verstellung werden jeweils
zwei einander gegenüberliegende Lamellen 4 mittels
einer Steuereinrichtung 8 mit ihren vorderen Stirnseiten 10 aufeinander
zu- oder voneinander weg bewegt. Auf diese Weise lässt
sich eine nahezu beliebige Kontur 12 für die Bestrahlung
eines Tumors mit einem durch den Lamellenkollimator 2 in
Strahlrichtung 14 durchtretenden Röntgenstrahl
einstellen. In der 1 tritt dieser Röntgenstrahl
von der Bildebene aus gesehen von oben nach unten durch die Bestrahlungskontur 10 durch
den Lamellenkollimator 2 hindurch.
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2a zeigt
eine mittels einer Linearführung 16 in Verstellrichtung 6 längsverschieblich
gelagerte Lamelle 4. Zum Verschieben der Lamelle 4 ist
ein Linearantrieb 18 zum Verschieben einer Lamelle 4 mit zwei
von der Steuereinheit 8 ansteuerbaren Piezoaktoren 20, 20' vorgesehen.
Ein jeder Piezoaktor 20, 20' umfasst ein Piezoelement 22, 22' und
einen an dieses angekoppelten Übertrager 24, 24',
die in der 2a schematisch gezeigt sind.
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Die
beiden Übertrager 24, 24' der Piezoaktoren 18, 18' stehen
mit den gegenüberliegenden Schmalseiten 26, 26' der
Lamelle 4 in Reibkontakt. Dabei wirkt eine Reibkraft 28, 28' auf
die Oberfläche der Schmalseite 26, 26'.
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Das
Verschieben der Lamelle 4 in einer Bewegungsrichtung 30 verläuft
wie folgt. Zunächst wird mittels der Steuereinrichtung 8 die
Versorgungsspannung V des Piezoelements 22 des ersten Piezoaktors 20 rasch
erhöht. Der Übertrager 24 des Piezoaktors 20 gleitet
mittels Gleitreibung über die Oberfläche der Schmalseite 26.
Er legt dabei in der der Bewegungsrichtung 30 entgegengesetzten
Richtung 32 das Wegintervall 34 zurück
und verändert somit seinen Angriffspunkt. Anschließend
wird mittels der Steuereinrichtung 8 gemäß 2b die
Versorgungsspannung des Piezoelements 22' des Piezoaktors 20' rasch
erhöht. Auch der Übertrager 24' des Piezoaktors 20' verschiebt
sich somit in der entgegengesetzten Richtung 32 an der
Oberfläche der Schmalseite 26' um das Wegintervall 34.
Nunmehr weisen beide Übertrager 24, 24' der
beiden Piezoaktoren 20, 20' einen um das Wegintervall 34 in
der entgegengesetzten Richtung 32 verschobenen neuen Angriffspunkt auf.
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Schließlich
wird gemäß 2c mittels
der Steuereinrichtung 8 gleichzeitig die Versorgungsspannung
beider Piezoelemente 22, 22' langsam reduziert.
Die beiden Übertrager 24, 24' werden
von den Piezoelementen 22, 22' um das Wegintervall 34 in
Bewegungsrichtung 30 bewegt. Somit greift die Reibkraft 28, 28' beider
Reibflächen der Übertrager 24, 24' gemeinsam
an den beiden Schmalseiten 26, 26' über
einen Reibschluss an. Da die Bewegung der beiden Übertrager 24, 24' zudem
langsam erfolgt, wird auch die Lamelle 4 mittels Reibschluss
mit den Übertragern 24, 24' mitgeführt
und in der Bewegungsrichtung 30 um das Wegintervall 34 bewegt. Anschließend
erfolgt wiederum, wie für die 4a und 4b beschrieben, eine erneute Veränderung
des Angriffspunktes der beiden Übertrager 24, 24'.
Somit ist eine kontinuierliche Linearbewegung der Lamelle 4 in
der Bewegungsrichtung 30 erreicht.
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In
den 3a–c ist die Bewegung der Lamelle 4 mittels
des Linearantriebs 1 in der Bewegungsrichtung 30 entgegen
der Bewegungsrichtung aus den 2a–c
beschrieben. Gemäß 3a wird zunächst
mittels der Steuereinrichtung 8 die Versorgungsspannung
des Piezoelements 22' rasch reduziert. Der Übertrager 24' des
Piezoaktors 20' bewegt sich um das Wegintervall 34 in
der der Bewegungsrichtung 30 entgegengesetzten Richtung 32.
Anschließend wird gemäß der 3b mittels der
Steuereinrichtung 8 die Versorgungsspannung des Piezoelements 22 des
ersten Piezoaktors 20 reduziert. Somit bewegt sich auch
der Übertrager 24 des Piezoaktors 20 um
das Wegintervall 34 mittels Gleitreibung in der entgegengesetzten
Richtung 32. Der Angriffspunkt beider Übertrager 24, 24' der
beiden Piezoaktoren 20, 20' ist jeweils um das
Wegintervall 34 verändert.
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Schließlich
wird gemäß der 3c mittels der
Steuereinrichtung 8 die Versorgungsspannung der beiden
Piezoaktoren 22, 22' gleichzeitig langsam erhöht.
Beide Übertrager 24, 24' werden um das Wegintervall 34 in
der Bewegungsrichtung 32 verschoben. Da diese Verschiebung
langsam erfolgt und zudem die beiden Reibflächen der beiden Übertrager 24, 24' eine
Reibkraft 28, 28' mittels Reibschluss auf die
Lamelle 4 übertragen, wird die Lamelle 4 mittels
Haftreibung ebenfalls in der Bewegungsrichtung 30 um das
Wegintervall 34 bewegt.
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Da
die beiden Piezoaktoren 20, 20' mit ihren Übertragern 24, 24' an
den beiden gegenüberliegenden Schmalseiten 26, 26' der
Lamelle 4 angreifen, wird die Lamelle 4 nicht
mit einer zusätzlichen Kraft beaufschlagt. Die Linearführung 16 kann
somit einfach ausgeführt sein.
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Die
in den 2a–c und 3a–c
beschriebene Bewegung der Lamelle 4 soll lediglich ein
Zusammenwirken mehrerer Piezoaktoren 20, 20' verdeutlichen.
Prinzipiell lassen sich durch den Einsatz einer größeren
Zahl von Piezoaktoren 20, 20' Lamellen 4 mit
einer sehr großen Masse bewegen. Weiterhin müssen
in diesem Fall die Piezoaktoren 20, 20' nicht
einzeln hintereinander angesteuert sein, sondern es kann auch eine
Ansteuerung in Gruppen erfolgen. Weist die Lamelle 4 eine
sehr hohe Masse auf, so bewirkt ihre Massenträgheit, dass
einzelne Übertrager 24, 24' auch dann
verschiebbar sind, wenn sie vergleichsweise langsam angesteuert
werden. Es wird somit die Zahl der Piezoaktoren 20, 20', ihre
Ansteuerung und ihre Reibflächen aufeinander abgestimmt,
um eine gleichmäßige Bewegung zu erhalten.
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Gemäß 4 weist
ein zweiter Linearantrieb 18 für eine Lamelle 4 zwei
Piezoaktoren 20, 20' auf. Jeder der beiden gegenüberliegenden
Flachseiten 36, 36' der Lamelle 4 ist
ein Piezoaktor 20, 20' zugeordnet. Jeder Piezoaktor 20, 20' übt
eine Reibkraft 28, 28' auf die ihm zugeordnete
Flachseite 36, 36' aus. Der einzige Unterschied
zur 2a besteht darin, dass die beiden Piezoaktoren 20, 20' nunmehr den
Flachseiten 36, 36' und nicht mehr den Schmalseiten 26, 26' der
Lamelle 4 zugeordnet sind. Die Lamelle 4 wird
analog zu der für die 2a–c
und 3a–c beschriebenen Weise in Verstellrichtung 6 bewegt.
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Gemäß 5 weist
ein dritter Linearantrieb 18 für eine Lamelle 4 wiederum
zwei Piezoaktoren 20, 20' auf. Beide Piezoaktoren 20, 20' sind
an einer Schmalseite 18 der Lamelle 4 angeordnet.
Jeder Piezoaktor 20, 20' übt mit seinem Übertrager 24, 24' eine
Reibkraft 28, 28' auf die Schmalseite 18 aus.
Die Bewegung der Lamelle 4 erfolgt wiederum in der für die 2a–c
und 3a–c beschriebenen Weise. Die Anordnung
der Piezoaktoren 20, 20' ermöglicht auf
der einen Seite eine besonders kompakte Bauweise. Auf der anderen
Seite muss jedoch die Linearführung 16 derart
ausgeführt sein, dass sie die von einer Seite wirkende
Reibkraft 28, 28' aufnimmt.
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6 zeigt
in einer schematischen Seitenansicht ein Strahlentherapiegerät 38,
das mittels einer Haltevorrichtung 40 einen in einem Gehäuse
angeordneten Lamellenkollimator 2 umfasst. Mittels einer
in der 6 nicht dargestellten Fokussiermimik tritt der
Röntgenstrahl 42 durch den Lamellenkollimator 2 in
Strahlrichtung 14 zur Bestrahlung eines Tumors 44 einer
Person 46 hindurch. Dabei gibt der Lamellenkollimator 2 mittels
seiner einzeln verschiebbaren und in der Figur nicht dargestellten
Lamellen 4 die Kontur 10 für die Bestrahlung
des Tumors 44 vor, wie es in 1 gezeigt
ist. Da die Person 46 in Strahlrichtung 14 eine
Entfernung vom Lamellenkollimator 2 aufweist, die in der
Größenordnung von etwa einem Meter oder mehr liegt,
weitet sich der Röntgenstrahl 42 auf seinem Weg
vom Lamellenkollimator 2 zum Tumor 44 auf. Mit
anderen Worten bedeuten auch geringe Positionierungenauigkeiten
im Millimeterbereich, dass entweder krankes Gewebe des Tumors 44 vom
Röntgenstrahl 42 nicht erfasst wird oder aber,
dass gesundes, den Tumor 44 umgebendes Gewebe erfasst und
vom Röntgenstrahl 42 geschädigt wird.
Durch die verbesserte Positionierung der Lamellen 4 ist
damit eine besonders gezielte Strahlentherapie möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19639861
A1 [0002]
- - WO 00/46813 [0002]