DE102008007245A1

DE102008007245A1 - Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät

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Publication number: DE102008007245A1
Application number: DE102008007245A
Authority: DE
Inventors: Christopher Jude Dr. Walnut Creek Amies; Paul Abingdon Beasley; Juan Carlos Dr. Celi; Oliver Dr. Heid; Francisco Miguel Concord Hernandez-Guerra; Marcel Jan Marie Kruip; Markus Dr. Vester
Original assignee: Siemens AG; Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2028-02-02
Also published as: CN101347656B; US20080208036A1; US8958864B2; CL2008000604A1; JP5147451B2; CN101347656A; DE102008007245B4; JP2008212667A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät. Dazu ist erfindungsgemäß ein kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät vorgesehen mit einem Magnetresonanzdiagnoseteil mit einem Innenraum, der in radialer Richtung durch einen Hauptmagneten begrenzt wird, und einem Strahlentherapieteil zur Bestrahlung eines Bestrahlungsgebiets innerhalb des Innenraums, wobei zumindest Teile des Strahlentherapieteils, die eine Strahlablenkungsanordnung umfassen, innerhalb des Innenraums angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät.
Im Rahmen der Strahlentherapie soll im Allgemeinen ein Ziel innerhalb des menschlichen Körpers 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. Dies ist insbesondere relevant für Bestrahlungsziele im Ober- und Unterbauch sowie im Beckenbereich, beispielsweise der Prostata. Um die Strahlendosis außerhalb des Zielvolumens zu minimieren und somit gesundes Gewebe zu schonen, wird die gesamte Strahlenerzeugung um den Patienten bewegt. Dadurch konzentriert sich die Strahlendosis im Strahl im Bereich der Rotationsachse.
Als Bildgebungsmedium zur Überwachung der Therapie wurden sowohl Röntgen- als auch Ultraschalleinrichtungen vorgeschlagen. Diese stellen jedoch nur eine eingeschränkte Lösung des Problems dar. Der Ultraschallbildgebung fehlt für viele Anwendungen die Eindringtiefe. Bei der Röntgenbildgebung können die Röntgensensoren durch die Gammastrahlung des Beschleunigers gestört oder beschädigt werden. Außerdem ist die Qualität der Aufnahmen von Gewebe oft nicht befriedigend.
Daher werden heute hauptsächlich Positionierhilfen und Fixiereinrichtungen oder auf die Haut des Patienten aufgetragenen Markierungen verwendet, um sicherzustellen, dass der Patient in der Bestrahlungseinrichtung die gleiche Position wie bei der vorangegangenen Bestrahlungsplanung hat und somit das Bestrahlungszentrum der Bestrahlungseinrichtung mit dem Bestrahlungsziel auch tatsächlich zusammenfällt. Diese Positionierhilfen und Fixiereinrichtungen sind jedoch aufwändig und für den Patienten meist unbequem. Zusätzlich bergen sie die Gefahr von Bestrahlungsfehlern, weil in der Regel keine weitere Überprüfung der tatsächlichen Position des Bestrahlungszentrums während der Bestrahlung erfolgt.
Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik, die sowohl eine besonders gute Weichteildarstellung als auch eine spektroskopische Analyse des Untersuchungsgebiets erlaubt. Damit bietet sich diese Technik grundsätzlich zur Überwachung einer Strahlentherapie an.
In US 6,366,798 wird ein Strahlentherapiegerät mit verschiedenartigen Magnetresonanzbildgebungssystemen kombiniert. Bei allen Ausführungsformen ist dort die Magnetanordnung des Magnetresonanzbildgebungssystems in zwei Teile geteilt. Zusätzlich rotieren bei einigen Ausführungsformen wesentliche Teile des Magnetresonanzbildgebungssystems zusammen mit der Strahlungsquelle des Strahlentherapiegeräts. Dabei befindet sich die Strahlungsquelle jeweils außerhalb der Magnetresonanzbildgebungssysteme und muss durch Abschirmvorrichtungen von dem Streufeld des Magnetresonanzbildgebungssystems geschützt werden. Sowohl eine Zweiteilung des Magneten, als auch ein rotierbarer Magnet und die Abschirmung der Strahlungsquelle sind technisch aufwändig und erhöhen die Kosten.
In den Schriften GB 2 427 479 A , US 6 925 319 B2 , GB 2 247 478 A , US 2005/0197564 A1 und US 2006/0273795 A1 sind weitere Geräte beschrieben, in denen ein Strahlenthera piegerät oder ein Röntgenbildgebungssystem mit einem Magnetresonanzbildgebungssystem kombiniert werden.
Die GB 2 393 373 A beschreibt einen Linearbeschleuniger mit integriertem Magnetresonanzbildgebungssystem. Dabei umfasst das Magnetresonanzbildgebungssystem in einem Ausführungsbeispiel Mittel zur Kompensation eines Magnetfeldes, um am Ort des Beschleunigers die Feldstärke des Magnetfeldes des Magnetresonanzbildgebungssystems zu minimieren. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Filter eingesetzt, um eine mögliche, durch das Magnetfeld des Magnetresonanzbildgebungssystems hervorgerufene, Heterogenität in einem Therapiestrahl zu kompensieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät anzugeben, das es unter geringem konstruktiven Aufwand erlaubt, eine qualitativ hochwertige Bildüberwachung durch Magnetresonanz während einer Strahlentherapie zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist ein kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät vorgesehen mit einem Magnetresonanzdiagnoseteil mit einem Innenraum, der in radialer Richtung durch einen Hauptmagneten begrenzt wird, und einem Strahlentherapieteil zur Bestrahlung eines Bestrahlungsgebiets innerhalb des Innenraums, wobei zumindest Teile des Strahlentherapieteils innerhalb des Innenraums angeordnet sind.
Das Magnetdiagnoseteil erlaubt eine Bewegungsanalyse des Bestrahlungsziels in Echtzeit und somit eine optimale Überwachung und Steuerung einer Bestrahlungstherapie. Die Integration des Strahlentherapieteils in ein Magnetresonanzgerät und die damit verbundene Nähe des Strahlentherapieteils zum Bestrahlungsziel ermöglichen eine hohe Strahlungsluminanz sowie eine hohe Genauigkeit in der Steuerung des Strahlengangs. Die Verwendung eines konventionellen Hauptmagneten ist möglich.
Vorteilhafterweise umfasst der Strahlentherapieteil einen Elektronenbeschleuniger. Elektronen sind leicht zu erzeugen und die beschleunigten Elektronen können auf einfache Weise einen Therapiestrahl erzeugen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform verläuft eine Elektronenstrahlrichtung in dem Elektronenbeschleuniger im Wesentlichen parallel zur Hauptmagnetfeldachse. Elektronen, die sich parallel zu einem Magnetfeld bewegen, werden durch dieses nicht in ihrer Flugbahn beeinflusst. Somit ist eine Bestimmung ihrer Flugrichtung und Geschwindigkeit erleichtert gegenüber durch Magnetfelder beeinflussten, beschleunigten Elektronen.
Vorteilhaft umfasst der Strahlentherapieteil eine Strahlablenkungsanordnung, die insbesondere einen Elektromagnetenumfasst, der den Elektronenstrahl einwärts in den Innenraum umlenkt. Auf diese Weise werden die beschleunigten Elektronen bereits in die gewünschte Therapiestrahlrichtung gebracht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Strahlablenkungsanordnung einen gepulsten Magneten. Dieser kann (kurzzeitig) ohne besonderen Aufwand ein Magnetfeld in der Größenordnung des Hauptmagnetfeldes oder größer erzeugen. Durch besonders kurze Pulse wird außerdem eine Störung des Magnetresonanzgeräts minimiert.
Zweckmäßig umfasst der Strahlentherapieteil eine Targetanode zur Erzeugung eines Röntgenstrahls entlang eines Röntgenstrahlengangs. Röntgenstrahlung, insbesondere hochenergetische, ist für eine Strahlentherapie besonders geeignet und wird von den in einem Magnetresonanzgerät herrschenden elektromagnetischen Feldern nicht beeinflusst.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Targetanode eine Durchstrahlanode. Eine Durchstrahlanode ist für die Erzeugung hochenergetischer Röntgenstrahlung besonders geeignet.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Homogenisierungskörper im Röntgenstrahlengang nach der Targetanode angeordnet. Der Homogenisierungskörper schwächt beispielsweise den Strahlkern und homogenisiert die Röntgenstrahlverteilung im Strahlquerschnitt.
Vorteilhaft ist ein Kollimator im Röntgenstrahlengang nach der Targetanode angeordnet. Der Kollimator erlaubt eine Regulierung der Röntgenstrahlrichtung und des Querschnitts des Röntgenstrahls.
Der Kollimator ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform zumindest teilweise zwischen zwei axial beabstandeten Teilgradientenspulen des Magnetresonanzgeräts angeordnet. Dies stellt eine besonders platzsparende Anordnung dar, bei gleichzeitig vorteilhafter Nähe zum Bestrahlungsziel.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Kollimator Einstellmittel zur Veränderung des Querschnitts des Röntgenstrahls. So kann der Querschnitt des Röntgenstrahls auch während der Bestrahlung der Form des Bestrahlungsziels ideal angepasst werden.
Zumindest Teilgradientenspulen des Gradientenspulensystems sind vorteilhafter Weise gegenüber dem Strahlentherapieteil geschirmt. Dies erlaubt einen unabhängigen, insbesondere auch gleichzeitigen, Betrieb des bei Betrieb rotierenden Strahlentherapieteils und des Magnetresonanzdiagnoseteils, da die wechselnden Gradientenfelder der Gradientenspulen den rotierenden Strahlentherapieteil so nicht beeinflussen.
Ist der Strahlentherapieteil um die Hauptmagnetfeldachse rotierbar, ergibt sich als weiterer Vorteil, dass die appli zierte Strahlendosis außerhalb des Zielvolumens, d. h. außerhalb des Bestrahlungszentrums, minimiert werden kann. Somit wird gesundes Gewebe während der Strahlentherapie entlastet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts,
2–4 schematische Darstellungen von Ausschnitten weiterer Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts und
5–8 beispielhafte Ausführungsformen von Strahlablenkungsanordnungen, die in einem erfindungsgemäßen kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät eingesetzt werden können.
1 zeigt eine (nicht maßstabsgetreue) schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts 1 mit einem Magnetresonanzdiagnoseteil 3 und einem Strahlentherapieteil 5. Der Magnetresonanzdiagnoseteil 3 umfasst einen Hauptmagneten 10, ein Gradientenspulensystem, das zwei hier symmetrische Teilgradientenspulen 21A, 21B umfasst, Hochfrequenzspulen 14, beispielsweise zwei Teile einer Körperspule 14A, 14B, und eine Liege 6. Alle diese Bestandteile des Magnetresonanzteils sind mit einer Steuereinheit 31 und einer Bedien- und Anzeigekonsole 32 verbunden.
Im dargestellen Beispiel sind sowohl der Hauptmagnet 10 als auch die Teilgradientenspulen 21A, 21B im Wesentlichen hohlzylinderförmig und koaxial um die horizontale Achse 15 angeordnet. Der Innenmantel des Hauptmagneten 10 begrenzt in radia ler (senkrecht von der Achse 15 weg weisender) Richtung einen zylinderförmigen Innenraum 7, in dem der Strahlentherapieteil 5, das Gradientensystem, Hochfrequenzspulen 14 und die Patientenliege 6 angeordnet sind. Genauer ist der Strahlentherapieteil 5 in dem Innenraum 7 zwischen der Außenseite des Gradientenspulensystems 21A und 21B und der nach innen weisenden Mantelfläche des Hautmagneten 10 angeordnet.
Der Hauptmagnet 10 umfasst neben den Magnetspulen weitere Konstruktionselemente, wie Träger, Gehäuse etc., und erzeugt das für die Magnetresonanzuntersuchung nötige homogene Hauptmagnetfeld. Im gezeigten Beispiel ist die Hauptmagnetfeldrichtung parallel zur horizontalen Achse 15. Die Anregung der Kernspins des Patienten erfolgt über magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse, die über Hochfrequenzspulen 14 eingestrahlt werden. Die von den angeregten Kernpins ausgesendeten Signale werden wieder von Hochfrequenzspulen 14 empfangen.
Die axial beabstandeten Teilgradientenspulen 21A, 21B umfassen je Gradientenspulen 20, die jeweils vollständig von einer Abschirmung 27 umschlossen sind. Die Gradientenspule 20 umfassen Trägern und Einzelgradientenspulen, die magnetische Gradientenfelder zur selektiven Schichtanregung und zur Ortskodierung der Magnetresonanzsignale in drei Raumrichtungen einstrahlen.
Der Strahlentherapieteil 5 ist an einer Gantry 8 angeordnet und umfasst einen Elektronenbeschleuniger 9, der hier als Linearbeschleuniger ausgebildet ist, eine Strahlablenkungsanordnung 17, eine Targetanode 19, einen Homogenisierungskörper 22 und einen Kollimator 23. Die Gantry 8 kann eine Aussparung umfassen (gestrichelte Linien), wodurch ein Zugang zum Magnetresonanzdiagnoseteil auch von dieser Seite her möglich bleibt.
Der Elektronenbeschleuniger 9 des Strahlentherapieteils 5 umfasst eine Elektronenquelle 11, beispielsweise eine Wolfram kathode, die einen Elektronenstrahl 13 erzeugt, der durch den Elektronenbeschleuniger 9 parallel zum Hauptmagnetfeld des Hauptmagneten 10 vorzugsweise gepulst beschleunigt wird. Beispielsweise erzeugt der Elektronenbeschleuniger 9 Elektronenstrahlpulse von einer Länge von 5 μs alle 5 ms. Erzeugt der Elektronenbeschleuniger 9 gepulste Elektronenstrahlen 13, kann er komprimierter gebaut werden, z. B. mit einer Länge von etwa einem halben Meter, und trotzdem der Belastung durch die hochenergetischen Elektronenstrahlen 13 standhalten.
Die Beschleunigung der Elektronen des Elektronenstrahls 13 erfolgt durch elektrische Wechselfelder in zylinderförmigen Hohlleitern des Elektronenbeschleunigers 9. Die Elektronen des Elektronenstrahls 13 werden auf Energien bis in die Größenordnung von mehreren MeV beschleunigt. Der Elektronenbeschleuniger 9 ist mit einer Beschleunigersteuereinheit 12 zur Steuerung der Wechselfelder und der Elektronenquelle 11 verbunden.
Der Elektronenstrahl 13 verlässt den Elektronenbeschleuniger 9 an dem der Elektronenquelle gegenüberliegenden Ende und wird von der Strahlablenkungsanordnung 17 um 90° radial einwärts in Richtung auf die Achse 15 umgelenkt. Dazu umfasst die Strahlablenkungsanordnung 17 einen Magneten, der ein geeignetes Magnetfeld erzeugt. Der Magnet ist als Elektromagnet aus nichtferromagnetischen Materialien ausgebildet, um ungewünschte Wechselwirkungen mit den umgebenden magnetischen Feldern zu verhindern. Da die Strahlablenkungsanordnung 17 in einem starken, äußeren Magnetfeld arbeiten muss, ist sie gegenüber herkömmlichen Strahlablenkungsanordnungen entsprechend modifiziert.
Um den gepulsten Elektronenstrahl 13 auf kleinem Raum ablenken zu können, muss die Strahlablenkungsanordnung 17 starke Magnetfelder erzeugen. Zur Verringerung der Verlustleistung ist das Magnetfeld der Strahlablenkungsanordnung 17 ein gepulstes Magnetfeld, das mit dem gepulsten Elektronenstrahl 13 synchronisiert ist. Dazu ist die Strahlablenkungsanordnung 17 mit einer Strahlablenkungssteuereinheit 18 verbunden, die auch mit der Beschleunigersteuereinheit 12 verbunden ist.
Der abgelenkte Elektronenstrahl 13 trifft auf die Targetanode 19 und erzeugt einen in der Strahlverlängerung aus der Targetanode austretenden Röntgenstrahl entlang eines Röntgenstrahlgangs. Der Röntgenstrahl wird durch den Homogenisierungskörper 22 homogenisiert.
Der Kollimator 23 ist in einem Ringschlitz zwischen den beabstandeten Teilgradientenspulen 21A, 21B in dem Röntgenstrahl nach der Targetandode 19 angeordnet. Die dadurch erreichte Nähe zum Bestrahlungsziel verbessert einerseits die Strahlungsluminanz und andererseits die Wirksamkeit des Kollimators 23.
Der Kollimator 23 erlaubt eine Beeinflussung der Röntgenstrahlrichtung sowie des Querschnitts des Röntgenstrahls. Dazu umfasst der Kollimator 23 bewegliche Einstellmittel 24, die den Röntgenstrahl nur in einer bestimmten Richtung, z. B. nur parallel zu der radialen Achse 26 oder bis maximal in einer Richtung um einen Winkel α von der Achse 26 weg, und mit einem bestimmten Querschnitt passieren lassen. Es ist auch möglich, die Einstellmittel 24 des Kollimators 23 derart einzustellen, dass parallel zur Achse 26 keine Röntgenstrahlen mehr passieren können, sondern nur „schräge" Röntgenstrahlen in einer Richtung um bestimmte Winkel von der Achse 26 weg, Durchlass finden. Zur Steuerung der Einstellmittel 24 ist der Kollimator 23 mit einer Kollimatorsteuereinheit 25 verbunden. Derartige Kollimatoren sind hinreichend bekannt. Als Beispiel sei auf sogenannte „multi-leaf" Kollimatoren verwiesen. Sie ermöglichen eine sogenannte intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT: engl. "intensity modulated radiation therapy"), bei der die Größe, die Form und die Intesnsität des Röntgenstrahl optimal an das Bestrahlungsziel angepasst werden können. Insbesondere erlaubt die IMRT auch eine Positionierung des Bestrahlungszentrums außerhalb der Rotationsachse des Strahlentherapiegeräts.
Der Röntgenstrahl durchstrahlt das Untersuchungsobjekt, hier den Patienten P, dabei verläuft der Röntgenstrahlengang durch ein Diagnosevolumen D des Magnetresonanzdiagnoseteils 3. Um außerhalb des Bestrahlungszielvolumens die lokale Strahlendosis zu minimieren, rotiert der Strahlentherapieteil um die Hauptmagnetfeldachse. Dadurch wird nur im Bestrahlungszentrum B die volle Dosis appliziert. Der Kollimator 23 passt auch während der Rotation den Querschnitt des Röntgenstrahls ständig dem vorliegenden Umriss des Bestrahlungsziels an. Die Gantry 8 ist für eine Rotation des Strahlentherapieteils ausgebildet. Eine Gantrysteuereinheit 29 steuert die Bewegung des Strahlentherapieteils 5. Als Beispiel ist der Strahlentherapieteil 5 als Strahlentherapieteil 5' nach einer Rotation um 180° dargestellt.
Die Gantrysteuereinheit 29, die Kollimatorsteuereinheit 25, die Strahlablenkungssteuereinheit 18, die Beschleunigersteuereinheit 12 und die Steuereinheit 31 sind miteinander verbunden, um die durch den Magnetresonanzdiagnoseteil gewonnenen Diagnosedaten, beispielsweise die dreidimensionale Form des Bestrahlungsziels, die Rotationsposition des Strahlentherapieteils, sowie die Kollimatoreinstellungen bezüglich Querschnitt und Richtung des Röntgenstrahls und die oben beschriebene gepulste Strahlerzeugung miteinander koordinieren zu können.
Die Liege 6 ist vorzugsweise in drei Raumrichtungen beweglich, um das Zielgebiet der Bestrahlung genau in das Bestrahlungszentrum B positionieren zu können. Dazu ist die Steuereinheit 31 zweckmäßig dazu ausgebildet, eine Bewegung der Liege 6 zu steuern.
Die 2 bis 4 zeigen Ausschnitte weiterer Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts. In den gezeigten Ausführungsbeispielen variiert gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 1 insbesondere die Anordnung eines jeweiligen Strahlen therapieteils 5, 105, 205, 305. Der Übersichtlichkeit halber ist daher jeweils nur der obere Abschnitt von einem Hauptmagneten 110, 210, 310 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts bis etwa zu einer Hochfrequenzspule 114, 214, 314 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts gezeigt. Der restliche Aufbau und die Funktionsweise sind, soweit nicht anders beschrieben, im Wesentlichen analog zu dem in 1 gezeigten Beispiel, auf das hiermit verwiesen wird.
2 zeigt einen Hauptmagneten 110 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts auf dessen, einem Innenraum 107 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts zugewandter Seite ein Gradientenspulensystem 120 angeordnet ist. Das Gradientenspulensystem 120 umfasst insbesondere Primärspulen 121 und Sekundärspulen 122. Zwischen Primärspulen 121 und Sekundärspulen 122 befindet sich ein Freiraum, in dem der Strahlentherapieteil 105 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts angeordnet ist. Eine derartige beabstandete Anordnung der Primär- und Sekundärspulen 121 und 122 erhöht die Effizienz des Gradientenspulensystems 120. Weiter sind auf der dem Innenraum 107 zugewandten Seite des Gradientenspulensystems Hochfrequenzspulen 114 angeordnet.
Dabei kann das Gradientenspulensystem 120 oder zumindest die Primärspulen 121 wie im Beispiel der 1 in zwei Teilgradientenspulen 121A, 121B geteilt und derart angeordnet sein, dass sich zumindest Teile des Strahlentherapieteils 105 bei einer Rotation des Strahlentherapieteils 105 um die Hauptmagnetfeldachse in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen den Teilen bewegen können. Auch die Hochfrequenzspulen 114 sind dann vorteilhafterweise in entsprechender Weise in zwei Teilhochfrequenzspulen 114A und 114B geteilt.
Alternativ ist es denkbar, das Gradientenspulensystem 120 derart auszuführen, dass es zusammen mit dem Strahlentherapieteil 105 um die Hauptmagnetfeldachse rotierbar ist. In diesem Fall ist eine Teilung des Gradientenspulensystems 120 oder der Primärspulen nicht unbedingt sinnvoll. Es genügt bereits die Primärspule 121 derart auszubilden, dass sie den Strahlentherapieteil 105 an einer Stelle in den Innenraum 107 dringen lassen, um Therapiestrahlen auf ein Bestrahlungszentrum B abgeben zu können. Gleiches gilt für die Hochfrequenzspulen 114. Gegebenenfalls muss hier die mechanische Drehung des Gradientenspulensystems 120 durch geeignete Ansteuerung der Gradientenströme kompensiert werden. Ein solches elektrisches Rotieren von Gradientenfeldern ist jedoch eine übliche Fähigkeit von gängigen Magnetresonanzsystemen. Allerdings sollten hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Rotation gestellt werden.
Dieses Ausführungsbeispiel gewährt durch seine besonders kompakte Bauweise einem Patienten in dem Innenraum 107 ausnehmend viel Raum. Vorteilhaft ist ein Kollimator des Strahlentherapieteils 105 in dem Ausführungsbeispielen der 2 besonders flach ausgeführt, um einem Patienten in dem Innenraum 107 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts noch mehr Raum zu lassen.
In 3 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts skizziert. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Gradientenspulensystem 220 wie in einem üblichen Magnetresonanzgerät auf der einem Innenraum 207 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts zugewandten Seite eines Hauptmagneten 210 angeordnet. Dabei können übliche Bauteile für den Hauptmagneten 210 und des Gradientensystem 220 verwendet werden, was unter anderem Kosten spart.
Wiederum auf der dem Innenraum 207 zugewandten Seite des Gradientensystems 220 sind Hochfrequenzspulen 214 angeordnet. Dabei ist jedoch zwischen dem Gradientensystem 220 und den Hochfrequenzspulen 214 ausreichen Raum gelassen, um einen Strahlentherapieteil 205 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts zwischen dem Gradientensystem 220 und den Hochfrequenzspulen 214 anzuordnen.
Der Strahlentherapieteil 205 rotiert während einer Bestrahlung eines Bestrahlungszentrums B um die Hauptmagnetfeldachse des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts. Ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel der 2 können auch hier die Hochfrequenzspulen 214 entweder derart in zwei Teilhochfrequenzspulen 214A und 214B geteilt werden, dass sich zumindest Teile des Strahlentherapieteils 205 in einem ringförmigen Spalt zwischen den Teilhochfrequenzspulen 214A und 214B bewegen können. Oder die Hochfrequenzspulen 214 können mit dem Strahlentherapieteil 205 mitrotiert werden.
4 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts. Hierbei sind wie in herkömmlicher Bauweise eines Magnetresonanzgeräts Hochfrequenzspulen 314 innerhalb eines Gradientensystems 320 angeordnet, das selbst innerhalb eines Hauptmagneten 310 angeordnet ist. Erst auf der einem Innenraum 307 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts zugewandten Seite ist ein Strahlentherapieteil 305 angeordnet. Wie in den oben angegebenen Ausführungsbeispielen rotiert der Strahlentherapieteil 305 während einer Bestrahlung um die Hauptmagnetfeldachse des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts. In diesem Ausführungsbeispiel sind keine besonderen baulichen Maßnahmen bezüglich des Gradientensystems 320 und der Hochfrequenzspulen 314 notwendig, um diese Rotationsbewegung des Strahlentherapieteils zu ermöglichen.
Vorteilhaft ist der Innenradius der Hochfrequenzspulen 314 möglichst groß gewählt und der Strahlentherapieteil möglichst flach ausgeführt, um einem Patienten im Innenraum 307 nicht zu beengen.
Der Strahlentherapieteil 105, 205, 305 der Ausführungsbeispiele der 2 bis 4 ist jeweils im Wesentlichen analog zu dem Strahlentherapieteil 5 aus dem Ausführungsbeispiel von 1 aufgebaut. Die einzelnen Beuteile sind der Übersichtlichkeit halber nicht nochmals dargestellt. Die Rotationsbewegung der Strahlentherapieteile 105, 205, 305 und/oder des Gradientenspulensystems 120, 220, 320 und/oder der Hochfrequenzspulen 114, 214 ist jeweils durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet.
Gegebenenfalls wird in den Ausführungsbeispielen der 2, 3 und 4 der Strahlentherapieteil 105, 205, 305 und der Magnetresonanzteil, insbesondere das Gradientensystem 120, 220, 320 und/oder die Hochfrequenzspulen 114, 214, 314, nicht gleichzeitig, sondern in wechselndem Betrieb betrieben, um eventuelle störende Wechselwirkungen, insbesondere zwischen bewegten Teilen des Strahlentherapieteils 105, 205, 305 und elektromagnetischen Wechselfeldern des Magnetresonanzteils, auszuschließen.
Die 5 bis 8 zeigen drei Beispiele möglicher Ausführungsformen von Strahlablenkungsanordnungen 17, die in einem Strahlentherapieteil 5, 105, 205, 305 eingesetzt werden können.
In 5 ist eine Strahlablenkungsanordnung 17' dargestellt, die aus zwei ringförmigen Ablenkungsspulen 17A' und 17B' besteht. Die Ablenkungsspulen 17A', 17B' sind in einem kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät im Wesentlichen senkrecht zu dem Hauptmagnetfeld des Hauptmagneten des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts angeordnet. Die Feldrichtung der Ablenkungsspulen 17A', 17B' verläuft im Wesentlichen parallel zu einer radialen Achse 26 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts, also in der für einen Therapiestrahl gewünschten Austrittsrichtung. Durch die Kombination des Hauptmagnetfeldes und des Magnetfeldes der Ablenkungsspulen 17A', 17B' wird ein Elektronenstrahl 13' in die gewünschte Richtung abgelenkt.
Die Stromdichte in den Ablenkungsspulen 17A', 17B' ist unter anderem je nach Hauptmagnetfeldstärke des kombinierten Strah lentherapie- und Magnetresonanzgeräts und Energie des Elektronenstrahls zu bestimmen. Beispielsweise bei einem Elektronenstrahl von 6 MeV und einem Hauptmagnetfeld von 1,5 T können die Ablenkungsspulen 17A', 17B' den Strahl in die gewünschte Richtung ablenken, wenn die Stromdichte in den Ablenkungsspulen 17A', 17B' ca. 500 MA/m² beträgt.
Die 6 bis 8 zeigen Strahlablenkungsanordnungen 17'' und 17''', deren Ausgestaltung mittels Simulationsprogrammen, beispielsweise auf Basis einer Finite Elemente Methode oder einer Finiten Differenzen Methode, errechnet wurden. Dabei war das zugrunde liegende Problem jeweils die Frage, wie ein Elektronenstrahl, der parallel in ein Hauptmagnetfeld eintritt, in eine Richtung abgelenkt werden kann, die senkrecht auf das Hauptmagnetfeld steht, um auf ein Ziel zu treffen. Dazu wurde berechnet, welches Feld für eine derartige Ablenkung nötig ist, und wie es erzeugt werden kann.
6 zeigt ein aktives Spulenpaar 17'' als Strahlablenkungsanordnung, das derart geformt ist, dass es das gestellte Problem löst. Ein parallel zu einer horizontalen Achse 15, und damit in Richtung eines Hauptmagnetfeldes eines kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts eintreffender Elektronenstrahl 13'' tritt zwischen das Spulenpaar 17'' an der Position "I" ein und wird derart geführt, dass er das Spulenpaar 17'' parallel zu einer radialen Achse 26 des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts an der Position "O" verlässt. Dabei kann die Stärke der Feldstärke des Spulenpaares 17'' je nach Energie des Elektronenstrahls variiert werden.
Ein beispielhaftes Spulenpaar 17'' erzeugt ein Querfeld von ca. 0,3 T. Damit kann z. B. ein Elektronenstrahl von 6 MeV in einem kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät von 1,5 T Feldstärke in der gewünschten Art und Weise abgelenkt werden.
In den 7 und 8 ist eine weitere mögliche Lösung des oben genannten Problems, diesmal durch eine passive Strahlablenkungsanordnung, dargestellt.
Wie in 7 gezeigt umfasst die Strahlablenkungsanordnung 17''', die ein zur Lösung des Problems nötiges Querfeld erzeugt, vier Ablenkungseinheiten 117A, B, C, D. Die Anordnung der Ablenkungseinheiten 117A, B, C, D wurde durch Iteration so bestimmt, dass ein Elektronenstrahl 13''', der parallel zu einem Hauptmagnetfeld in der Darstellung von 7 von rechts in die Ablenkungseinheit 117A eintritt, derart von Ablenkungseinheit 117A zu Ablenkungseinheit 117B gelenkt wird, dass der Elektronenstrahl 13''' durch die Ablenkungseinheit 117B hindurch nach oben abgelenkt wird. Von der Ablenkungseinheit 117B wird der Elektronenstrahl 13''' durch die Ablenkungseinheit 117C gelenkt, wobei der Elektronenstrahl 13'' die Ablenkungseinheit 117C derart verlässt, dass er nach unten zu Ablenkungseinheit 117D gelenkt wird, sodass er die Ablenkungseinheit 117D senkrecht zu dem Hauptmagnetfeld verlässt. Angaben wie „oben", „unten", „rechts" und „links" beziehen sich jeweils auf die beispielhafte Darstellung aus 7.
8 zeigt genauer eine Ablenkungseinheit 117. Die Ablenkungseinheit 117 umfasst mehrere Permanentmagnete 118A, B, C, D, E, F, G, H, die vorzugsweise aus seltenen Erden, z. B. NdFeB oder SmCo, gefertigt sind.
Beispielsweise, um einen 6 MeV Elektronenstrahl in einem Hauptmagnetfeld von 1,4 T auf die gewünschte Art und Weise abzulenken, werden sechs Permanentmagnete 118A, B, C, D, E, F mit Abmessungen von ca. 10 × 4 × 4 mm und zwei Permanentmagnete 118G, H mit Abmessungen von 10 × 8 × 4 mm in der dargestellten Weise angeordnet. Dabei werden je drei der Permanentmagnete der kleineren Abmessung 118A, B, C, D, E, F mit wechselnder Ausrichtung der jeweiligen Magnetfelder der Permanentmagnete 118A, B, C, D, E, F aufeinander gestapelt. Zwischen diese Stapel werden die beiden größer bemessenen Permanentmagnete 118G, H angeordnet. Die Pfeile verdeutlichen die jeweiligen Magnetfeldrichtungen in den Permanentmagneten 118A, B, C, D, E, F, G, H.
Diese Ausführungsform ist besonders einfach herzustellen und bildet zudem eine besonders kompakte Lösung. Darüber hinaus wirken hier nur geringe statische Kräfte, sodass keine besonderen Befestigungsmaßnahmen erforderlich sind. Erste Ergebnisse zeigen zudem, dass die Strahlablenkungsanordnung 17''' nur ein sehr geringes Streufeld erzeugt. Allerdings sind Permanentmagnete empfindlich gegen Änderungen in der Umgebungstemperatur oder dem umgebenden Hauptmagnetfeld.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6366798 [0006]
- GB 2427479 A [0007]
- US 6925319 B2 [0007]
- GB 2247478 A [0007]
- US 2005/0197564 A1 [0007]
- US 2006/0273795 A1 [0007]
- GB 2393373 A [0008]

Claims

Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät mit einem Magnetresonanzdiagnoseteil mit einem Innenraum, der in radialer Richtung durch einen Hauptmagneten begrenzt wird und einem Strahlentherapieteil zur Bestrahlung eines Bestrahlungsgebiets innerhalb des Innenraums, wobei zumindest Teile des Strahlentherapieteils, die eine Strahlablenkungsanordnung umfassen, innerhalb des Innenraums angeordnet sind.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1, wobei der Strahlentherapieteil einen Elektronenbeschleuniger umfasst.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach Anspruch 2, wobei eine Elektronenstrahlrichtung in dem Elektronenbeschleuniger im Wesentlichen parallel zur Hauptmagnetfeldachse verläuft.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlentherapieteil in einem Freiraum angeordnet ist, dessen radiale Ausdehnung von der zum Innenraum weisenden Mantelfläche des Hauptmagneten und der Außenseite eines zum Hauptmagneten koaxialen Gradientenspulensystems begrenzt wird.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strahlentherapieteil in einem Freiraum zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule eines Gradientenspulensystems angeordnet ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strahlentherapieteil zwischen einem Gradientenspulensystem und Hochfrequenzspulen des Magnetresonanzdiagnoseteils angeordnet ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strahlentherapie teil an einer einem Diagnosevolumen des kombinierten Strahlentherapie- und Magnetresonanzgeräts zugewandten Seite von Hochfrequenzspulen des Magnet resonanzdiagnoseteils angeordnet ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektronenbeschleuniger mit einer Beschleunigersteuereinheit verbunden ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlablenkungsanordnung einen Elektronenstrahl einwärts in den Innenraum umlenkt.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach Anspruch 9, wobei die Strahlablenkungsanordnung dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl um 90° radial einwärts umzulenken.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Strahlablenkungsanordnung mindestens einen Elektromagneten umfasst.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Strahlablenkungsanordnung mindestens einen Permanentmagneten umfasst.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, wobei die Strahlablenkungsanordnung mindestens einen gepulsten Magneten umfasst.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 9, 10, 11 oder 13, wobei die Strahlablenkungsanordnung mit einer Strahlablenkungssteuereinheit verbunden ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlentherapieteil eine Targetanode zur Erzeugung eines Röntgenstrahls entlang eines Röntgenstrahlengangs umfasst.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach Anspruch 11, wobei die Targetanode eine Durchstrahlanode ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei ein Homogenisierungskörper im Röntgenstrahlengang nach der Targetanode angeordnet ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15,16 oder 17, wobei ein Kollimator im Röntgenstrahlengang nach der Targetanode angeordnet ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach Anspruch 18, wobei der Kollimator zumindest teilweise zwischen zwei axial beabstandeten Teilgradientenspulen des Magnetresonanzgeräts angeordnet ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei der Kollimator Einstellmittel zur Veränderung des Querschnitts des Röntgenstrahls umfasst.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der Kollimator mit einer Kollimatorsteuereinheit verbunden ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 21, wobei zumindest Teilgradientenspulen des Gradientenspulensystems gegenüber dem Strahlentherapieteil geschirmt sind.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlentherapieteil um die Hauptmagnetfeldachse rotierbar ist.
Kombiniertes Strahlentherapie- und Magnetresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Röntgenstrahlgang durch ein Diagnosevolumen des Magnetresonanzdiagnoseteils verläuft.