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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung eines Patienten.
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Die Bestrahlung von Patienten mittels Röntgenstrahlung ist ein in der Medizin weitverbreitetes diagnostisches und therapeutisches Mittel. Typische Vorrichtungen zur Diagnose von Krankheiten mittels Röntgenstrahlung sind Computertomographen, C-Bögen und Mammographiegeräte. Die dabei verwendete Strahlung liegt typischerweise im Energiebereich von etlichen keV.
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Für therapeutische Anwendungen wird üblicherweise Röntgenstrahlung mit einer höheren Energie verwendet (MeV-Bereich). Die Energie dieser Strahlung ist dann hoch genug, um Tumore bzw. krankes Gewebe zu zerstören. Die Erzeugung der entsprechend hochenergetischen Röntgenstrahlung ist im Vergleich zur Erzeugung niederenergetischer Röntgenstrahlung aufwändiger. Für die Generierung dieser Röntgenstrahlung werden meist Linearbeschleuniger (häufig abgekürzt mit Linac) verwendet. Der Aufbau eines derartigen Linacs ist beispielsweise in der Druckschrift
US 2008/0303457 A1 beschrieben.
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Es sind Bestrahlungseinrichtungen bekannt, die es erlauben, eine Bestrahlung von unterschiedlichen Richtungen vorzunehmen. In 1 ist eine für diesen Zweck ausgestaltete Vorrichtung gezeigt. Eine Gantry 1 ist an einem Träger 2 befestigt. In der Gantry 1 ist ein Linearbeschleuniger eingebettet, welcher über eine Öffnung 3 die Emission von Röntgenstrahlen ermöglicht. Ein zu behandelnder Patient wird auf einer Patientenlagerung 4 positioniert. Das Bestrahlungssystem von 1 erlaubt die Rotation der Gantry um eine Achse. In 2 ist das System aus 1 noch einmal dargestellt, wobei jetzt die Gantry 1 um einen Winkel im Vergleich zur 1 bzw. zur Vertikalen rotiert wurde. Man kann mit diesem System aus mehreren verschiedenen Winkelstellungen einen Tumor bestrahlen.
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Bei Bestrahlungsbehandlungen mit Bestrahlung aus verschiedenen Richtungen ist üblicherweise wichtig, dass der Strahl für jede der Richtungen den Tumor trifft. In anderen Worten, die Strahlen sollten sich in einem Punkt, der im Bereich des zu bestrahlenden Gewebes liegt, schneiden. Man spricht hier auch von dem (mechanischen) Isozentrum, d. h. dem Schnittpunkt von Strahlen, die verschiedenen Bestrahlungspositionen entsprechen.
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Es besteht ein Bedürfnis für flexiblere Strahlungseinrichtungen, deren Freiheitsgrade insbesondere auch isozentrische Bestrahlung zulassen.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Bestrahlungsvorrichtung anzugeben, die flexibel und aufwandsarm bezüglich der Bestrahlung aus verschiedenen Richtungen ausgestaltet ist.
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Die
US 4 727 564 offenbart ein leichtgewichtiges, tragbares Röntgensystem. Dieses Röntgensystem umfasst einen vertikalen Mast, an welchem ein um eine vertikale Achse drehbarer, für die Anbringung einer Röntgenquelle ausgestalteter Arm angeordnet ist.
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Die
US 2 793 296 beschreibt einen Apparat für Radiotherapie oder Radiotherapie. Es wird eine Ausführung dieses Apparats dargestellt, bei welchem eine Röntgenquelle an einer von zwei vertikalen Säulen getragenen Querverbindung angebracht ist.
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Die Erfindung wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bestrahlung eines Patienten vorgesehen. Dabei kann die Bestrahlung sowohl therapeutischer als auch diagnostischer Natur sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Strahlereinheit, mit einer Strahlenquelle. Diese Strahlenquelle kann z. B. mittels eines Linearbeschleunigers gebildet sein. Weiter ist die Strahlereinheit mit einer horizontalen und einer vertikalen Führung versehen. Die horizontale Führung kann beispielsweise an Boden oder Decke befestigbar sein. Die vertikale Führung ist horizontal verstellbar mit der horizontalen Führung verbunden, d. h. die horizontale Führung erlaubt die Bewegung bzw. Verschiebung der vertikalen Führung in horizontaler Richtung. Beide Führungen können beispielsweise mittels Schienen realisiert sein, auf welchen Wägen bzw. Schlitten laufen bzw. verschiebbar sind. An einem Wagen bzw. Schlitten der horizontalen Führung kann dann die vertikale Führung angebracht sein. An der vertikalen Führung ist wiederum ein Trägerelement angebracht, welches vertikal verstellbar ist. Dieses Trägerelement kann einen Wagen oder Schlitten umfassen. An dem Trägerelement wiederum ist die eine Strahlenquelle umfassende Strahlereinheit angeordnet. Die Strahlereinheit beinhaltet beispielsweise einen Strahlerkopf, in welchem z. B. ein Linearbeschleuniger angeordnet ist. Diese Strahlereinheit umfasst vorzugsweise neben einem Kopf noch einen zweiten Teil, welche Schaltelemente zur Stromversorgung (Generator, Transformatoren, ...) umfasst. Die Strahlereinheit kann direkt an dem Trägerelement angebracht sein. Dabei ist es möglich, dass sie mit Mitteln angebracht ist, die weitere Freiheitsgrade für die Bewegung der Strahlereinheit ermöglichen.
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Die Erfindung ermöglicht eine flexible Positionierung der Strahlereinheit in zwei Dimensionen (horizontal und vertikal). Die Anordnung ist von hoher Stabilität, da die Strahlereinheit mittels des Trägerelementes an der horizontalen Führung angeordnet, d. h. durch diese auch mechanisch unterstützt wird. Schließlich erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung mit separater Strahlereinheit das aufwandsarme Vorsehen von weiteren Freiheitsgraden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Strahlereinheit um eine Drehachse drehbar bei dem Trägerelement angeordnet. Die Drehachse ist im Wesentlichen transversal bzw. eine im Wesentlichen transversale Achse. Dabei ist transversal dadurch definiert, dass eine transversale Achse zur horizontalen und vertikalen Richtung bzw. Achse orthogonal ist. Der Begriff „im Wesentlichen” ist so zu verstehen, dass eine Kippbewegung der Strahlereinheit vorgesehen sein kann, nach welcher die Drehachse nicht mehr orthogonal zur vertikalen Achse bzw. nur mehr näherungsweise transversal ist. D. h. in anderen Worten, die Drehachse ist in zumindest einer Stellung der Strahlereinheit orthogonal sowohl zur horizontalen als auch zur vertikalen Achse. Dieser weitere Freiheitsgrad der Strahlereinheit erlaubt die Bestrahlung eines Patienten von verschiedenen (seitlichen) Richtungen. Insbesondere sind mit dem horizontalen und dem vertikalen Freiheitsgrad die Strahlungsfunktionen der Vorrichtung aus 1 emulierbar bzw. reproduzierbar.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung ist die Strahlereinheit um eine Kippachse kippbar angeordnet. Die Kippachse kann in zumindest einer Stellung horizontal sein, d. h. zumindest in einer Stellung der Strahlereinheit ist die Kippachse eine horizontale Achse. Vorzugsweise sind sowohl eine Drehachse und eine Kippachse vorgesehen und die Kippachse dreht sich bei einer Drehung um Drehachse mit. D. h. die Drehung bzw. Drehachse wird mittels Komponenten realisiert, die sich bei einer Drehung der Strahlereinheit mitdrehen.
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Eine Möglichkeit der Realisierung der vertikalen Führung und auch der horizontalen Führung ist mittels zweier Schienen. Im Falle der vertikalen Führung wäre dann das Trägerelement an diesen beiden Schienen befestigt. Diese beiden Schienen können so ausgestaltet sein, dass zwischen ihnen oder teilweise zwischen ihnen Platz für Motoren oder Antriebsmittel zum Bewegen bzw. Antreiben der Elemente vorhanden ist. Im Zuge einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist eine Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen, die insbesondere dafür eingerichtet ist, die Bewegung der einzelnen Freiheitsgrade bzw. Bewegungsmöglichkeiten so zu koordinieren, dass im Zuge einer Bestrahlung während der die Bestrahlungseinheit ihre Position bzw. Orientierung ändert, eine isozentrische Bestrahlung stattfindet.
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Der Erfindungsgegenstand umfasst auch ein System aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem Patiententisch, welcher verschiedene Freiheitsgrade umfasst, und eine Steuerung für die verschiedenen Freiheitsgrade von Vorrichtung und Patiententisch. Die Steuerung des Gesamtsystems ist wiederum so ausgestaltet, dass eine isozentrische Bestrahlung möglich ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 ein herkömmliches Bestrahlungssystem,
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2 das Bestrahlungssystem aus 1 mit gekippter Gantry,
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3 eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung,
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4a bis 4c verschiedene Stellungen der Bestrahlungsvorrichtung aus 3,
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5 eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung aus einer von 3 unterschiedlichen Sicht,
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6 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung,
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7 eine Bestrahlungseinheit, die als Komponente der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung zum Einsatz kommen kann, und
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8 eine schematische Darstellung eines Patiententisches, welcher mit einer erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung koordiniert zum Einsatz kommen kann.
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1 und 2 zeigen eine herkömmliche Lösung, bei der ein Freiheitsgrad (Rotation) der Strahlenquelle vorgesehen ist. Weitere Freiheitsgrade sind in die Patientenpositionierung mittels des Patiententisches 4 ausgelagert. Mögliche Freiheitsgrade des Patiententisches 4 sind auch anhand von 8 weiter unten dargestellt.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung. Diese ist ohne Verkleidung dargestellt (im Gegensatz zu den 1 und 2), um so die Funktionsweise besser nachvollziehen zu können. Die gesamte Vorrichtung ruht auf einer Bodenführung 5, welche mit zwei Schienen 51 und 52 gebildet ist. Alternativ könnte eine Deckenführung vorgesehen sein. Auf diesen Schienen ist ein Schlitten 9 aufgesetzt, welcher die vertikale Führung 6 trägt. Die vertikale Führung 6 ist wiederum mit zwei Schienen 61 und 62 gebildet. Zwischen den beiden Schienen bzw. auf den Schlitten 9 können Antriebsmittel für die Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen sein. Es ist ein Trägerelement 8 zum Tragen einer Strahlereinheit 7 vorgesehen. Dieses Trägerelement ist entlang der vertikalen Führung 7 verfahrbar. Konkret realisiert ist dies dadurch, dass das Trägerelement mit einem Schlitten 81 gebildet ist, auf welchem senkrecht eine Scheibe mit runder Öffnung 82 angeordnet ist. An dieser Scheibe 82 ist die Strahlereinheit 7 angeordnet. Die Öffnung der Scheibe 82 ist vorgesehen zur Durchführung von Verbindungen zwischen den beiden Teilen 71 und 72 der Strahlereinheit 7. Diese Verbindungen können sowohl für die Übertragung von Energie (z. B. Kabel) als auch zu mechanischen Zwecken (Stabilität) vorgesehen sein. Die beiden Teile 71 und 72 der Strahlereinheit 7 dienen im Wesentlichen unterschiedlichen Funktionen, nämlich der Energieerzeugung (72) bzw. der Strahlungserzeugung (71). Dies ist detaillierter anhand von 5 nachvollziehbar. Das Gewicht der beiden Bestandteile 71 und 72 der Trägereinheit 7 ist zumindest teilweise bezüglich des Anbringungsortes an der Scheibe 82 ausgeglichen, d. h. die Gestaltung der Strahlereinheit aus im Wesentlichen zwei Teilen reduziert die Belastung (auftretende Momente).
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Das gezeigte System weist fünf Freiheitsgrade auf. Es ist ein Freiheitsgrad der Verschiebung bzw. Translation entlang einer horizontalen Achse 11 vorgesehen. Dieser Freiheitsgrad ist mittels des Schlittens 9 realisiert. Weiter ist eine Translation in vertikaler Richtung mittels der Führung 7 und des Schlittens 8 realisiert. Ein weiterer Freiheitsgrad ist eine Translation entlang einer transversalen Achse 13. Diese wird z. B. realisiert, indem sich die Scheibe 82 auf dem Schlitten 8 transversal verschieben lässt.
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Der transversale Freiheitsgrad 13 kann z. B. mittels einer Linearführung (z. B. mit Schienen als Führungselemente) und einer Gewindespindel, welche die Drehbewegung eines Motors in eine Linearbewegung umwandelt, umgesetzt werden. Die Strahlereinheit 7 ist um eine im Wesentlichen transversale Achse rotierbar (Freiheitsgrad 14). Der Begriff „im Wesentlichen” bedeutet, dass diese Achse in der im Bild gezeigten Stellung transversal ist. Bei einer möglichen Kippung der Strahlereinheit (Freiheitsgrad 15) ist die Rotation 14 nicht mehr notwendigerweise genau um eine transversale, sondern um eine nach Maßgabe des Kippwinkels von der transversalen Achse abweichende Achse. Der Rotationsfreiheitsgrad 14 lässt sich beispielsweise mittels Schnecke und Schneckenrad realisieren. Als letzter Freiheitsgrad ist ein Kippfreiheitsgrad 15 vorgesehen, welcher in 3 bezüglich einer horizontalen Achse besteht.
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Vorzugsweise dreht sich das entsprechende Kippgelenk bzw. die Kippachse bei einer Drehung (Freiheitsgrad 14) mit. D. h., falls eine Drehung der Strahlereinheit aus der Stellung von 3 vorgenommen wird (vgl. 4a und 4c), ist die Kippachse nicht mehr horizontal, sondern die Kippung folgt im Wesentlichen der Strahlungsrichtung (z. B. vertikale Stellung der Kippachse bei 4a, ca. 45° zur Horizontalen bei 4c). Dieser Kippfreiheitsgrad kann beispielsweise mittels eines Hebelmechanismus und einer Kurbel realisiert werden.
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Die gesamten Freiheitsgrade können beispielsweise so zusammenspielen, dass eine isozentrische Bestrahlung realisiert wird. Beispielsweise können in diesem Sinne Kippfreiheitsgrad 15 und transversaler Freiheitsgrad 13 gemeinsam verändert werden. Denn eine Kippung der Strahlereinheit 7 würde eine Abweichung vom Isozentrum verursachen, welche durch eine Verschiebung entlang der transversalen Achse 13 kompensiert werden kann.
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4a bis 4c zeigen die Vorrichtung in verschiedenen Stellungen. Dabei können Parkstellungen definiert sein, in welchen die mechanischen Belastungen minimiert sind und zugleich im Bereich um den Patienten Platz für andere Maßnahmen geschaffen sind. Eine derartige Parkstellung kann beispielsweise wie die Stellung von 4b aussehen.
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Diese Bestrahlungsrichtung weist insgesamt einen vergleichsweise einfachen mechanischen Aufbau auf. Sie kommt mit einer einzigen Hubsäule bzw. vertikalen Führung aus. Somit handelt es sich um eine ökonomische Lösung. Durch die horizontale Führung, welche am Boden oder an der Decke befestigt werden kann, ergibt sich ein vergleichsweise steifer Aufbau, d. h. wenig Abweichungen durch Materialverbiegungen. Das gesamte System kann wie in den 4a bis 4c gezeigt, seitlich geparkt werden, so dass die Ebene oberhalb der Horizontalschienen frei zugänglich ist. Dies ermöglicht es unter anderem, Bildgebungssysteme, wie z. B. eine CT-Gantry, in diesen Bereich einzufahren und die Bildgebung durchzuführen, ohne den Patiententisch zu bewegen. Installationen und Ausrichtung des gesamten Systems sind vergleichsweise einfach durchzuführen. Durch die fünf Freiheitsgrade der Kinematik können statische und dynamische Abweichungen und Verformungen der Kinematik kompensiert werden. Damit wird die Genauigkeit der Positionierung verbessert und der mechanische Justieraufwand verringert.
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5 und 6 zeigen ein erfindungsgemäßes Bestrahlungssystem aus von 3 verschiedenen Perspektiven (5 schräg von hinten, 6 von oben). Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Konzeptes ist die Ausbildung der Strahlereinheit 7 als eigene, in das Gesamtsystem einfügbare Komponente, deren Stellung mittels der vom Restsystem bereitgestellten Freiheitsgrade bedarfsabhängig bzw. gemäß Bestrahlungsplan flexibel angepasst werden kann.
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In 7 ist im Detail eine Strahlereinheit 7 gezeigt, wie sie in der Bestrahlungsvorrichtung zum Einsatz kommen kann. Diese besteht aus den zwei Teilen 71 und 72. Der erste Teil 71, den man auch als Strahlerkopf bezeichnen könnte, umfasst die typischen Funktionen für die Strahlerzeugung. Beispielsweise Zirkulator 711, den Linearbeschleuniger 712, einen Magneten zur Abschirmung und zur Strahlumleitung 713 und einen Lamellenkollimator 714. Der Bestandteil 72 umfasst im Wesentlichen die Komponenten zur Energieerzeugung und Modulation 721 und ein Magnetron 722, d. h. eine Vakuumlaufzeitröhre zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich. Dieses Magnetron stellt einen Generator für Hochfrequenz dar. Die Bauweise dieser Strahlungseinheit erlaubt es, sie effizient in der in 3 dargestellten Kinematik einzusetzen. Zusätzlich zu den Freiheitsgraden der Bestrahlungseinheit, wie sie in 3 dargestellt ist, können Freiheitsgrade des verwendeten Patiententisches vorgesehen sein.
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8 zeigt schematisch eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Patiententisches 4, der verschiedene Freiheitsgrade aufweist. Der Patiententisch ist, wie im unteren Bild ersichtlich, im Boden eingelassen und kann um seine Basis 42 herumrotiert werden. Ebenso ist eine Bewegung der Auflagefläche bzw. des Brettes 41 auf dem der Patient liegt, in horizontaler Richtung möglich. Diese und weitere mögliche Freiheitsgrade des Patiententisches (z. B. vertikaler Freiheitsgrad) können in das Gesamtsystem integriert werden. Es ist dann eine gemeinsame Steuerung (im Bild nicht gezeigt) für die Bestrahlungseinrichtung und das Patientenbett vorhanden, welche bei einer isozentrischen Bestrahlung alle Freiheitsgrade so ausregelt, dass der Strahl immer durchs Isozentrum geht.
