DE102011005450B4

DE102011005450B4 - Blende für einen in der Elektronenbestrahlungstherapie einzusetzenden Applikator und Applikator

Info

Publication number: DE102011005450B4
Application number: DE201110005450
Authority: DE
Inventors: Gisela ANTON; Björn Kreisler; Torsten Müller; Ina Münster; Gabriele Suft
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2031-03-12
Also published as: US20120292538A1; US8803113B2; DE102011005450A1

Abstract

Blende (1) für einen in der Elektronenbestrahlungstherapie einzusetzenden Applikator (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1) in einer Dreischichtanordnung aufgebaut ist, wobei die der Einstrahlrichtung (3) der Elektronen zugewandte Schicht (4) aus einem ersten Material mit einer ersten Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, besteht, die kleiner als eine zweite Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, eines zweiten Materials der mittleren Schicht (5) ist, welche kleiner als eine dritte Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, eines dritten Materials einer der Einstrahlrichtung (3) der Elektronen abgewandten Schicht (6) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blende für einen in der Elektronenbestrahlungstherapie einzusetzenden Applikator sowie einen Applikator mit einer derartigen Blende.
Die Bestrahlung mit Elektronen wird in neuester Zeit auch zur Behandlung, insbesondere zur Behandlung von Tumoren, in der Medizin eingesetzt. Dabei werden Elektronen in Linearbeschleunigern beschleunigt, woraufhin der Strahl aufgeweitet und abgeflacht wird, beispielsweise durch Streufolien. Zur Formung des Elektronenstrahls sind meist bereits in diesem Bereich Kollimatoreinheiten bzw. Blenden vorgesehen, die den Strahl seitlich einschränken.
Gerade für Elektronen gilt, dass sie durch Luft und andere Materialien sehr stark gestreut werden, so dass die Richtungsverteilung und die räumliche Verteilung der Elektronen in dem Strahl „verwischt” wird. Mithin ist es notwendig, den Elektronenstrahl nahe der zu bestrahlenden Oberfläche, insbesondere der Haut eines Patienten, nochmals zu kollimieren. Bei der Elektronenbestrahlung im medizinischen Bereich sind dabei sogenannte Elektronenapplikatoren vorgesehen, die die Dimensionen des Elektronenstrahls nahe am Patienten begrenzen, um die Divergenz des Strahls zu reduzieren und beispielsweise gesundes Gewebe zu schützen.
Elektronenapplikatoren sind in verschiedenen Bauweisen bekannt, die allesamt gemein haben, dass wenigstens eine, häufig zwei oder drei, Blende enthalten ist. Diese Blenden werden in der wissenschaftlichen Literatur oft als „Scraper” bezeichnet.
Das Design der Applikatoren und auch der als Kollimatoren wirkenden Blenden ist letztlich nicht einfach als ein strahlgeometrisches Problem zu betrachten, nachdem, wie bereits beschrieben, die Streuung deutliche Einflüsse auf die Strahlform hat. Daher wurde eine Vielzahl von Überlegungen in den geometrischen Aufbau der Applikatoren bzw. der aufeinanderfolgenden Blenden gesteckt. Ein wichtiges Problem ist jedoch auch die Materialwahl für die Blenden, denn auch dort müssen die strahlenphysikalischen Eigenschaften bezüglich der Feldverteilung und der seitlichen Leckstrahlung der Applikatoren gewährleistet werden. Daher wurde vorgeschlagen, Elektronenapplikatoren einzusetzen, die zwei oder drei Blenden (Scraper) aus einem homogenen Material umfassen, wobei jedoch nur bestimmte Materialien, insbesondere Metalle, in Betracht kommen, die zu einem hohen Gewicht der Blenden und somit der Applikatoren führen. Kurze Beschreibungen zu Applikatoren und Blenden in der medizinischen Strahlenbehandlung finden sich beispielsweise in einem Artikel von L. J. van Battum et al., Phys. Med. Biol. 48 (2003) 2493–2507 oder in ICRU Report 35, 2. Nachdruck, 1992, Kapitel 3.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Blende für einen Elektronenapplikator zu schaffen, die ein geringeres Gewicht aufweist, die notwendigen Blendeneigenschaften erfüllt und insbesondere verbesserte strahlenphysikalische Eigenschaften hat.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Blende für einen in der Elektronenbestrahlungstherapie einzusetzenden Applikator vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Blende in einer Dreischichtanordnung aufgebaut ist, wobei die der Einstrahlrichtung der Elektronen zugewandte Schicht aus einem ersten Material mit einer ersten Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, besteht, die kleiner als eine zweite Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, eines zweiten Materials der mittleren Schicht ist, welche kleiner als eine dritte Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, eines dritten Materials der der Einstrahlrichtung der Elektronen abgewandten Schicht ist. Dabei liegt insbesondere die erste Ordnungszahl in einem Bereich unterhalb von 14 und/oder die zweite Ordnungszahl in einem Bereich von 14–50 und/oder die dritte Ordnungszahl in einem Bereich oberhalb von 50.
Es hat sich gezeigt, dass die notwendigen strahlenphysikalischen Eigenschaften der Blenden sich auch durch eine geschickte Materialwahl und einen Aufbau der Blende in einer Dreischichtkonstruktion erzielen lassen, das bedeutet, es liegt eine Kombination mehrerer Materialien in einer Mehr schichtanordnung vor. Dabei ist für mehrere Elemente enthaltende Materialien der Begriff „Ordnungszahl” als die mittlere Ordnungszahl zu verstehen. Mithin kann auch Materialien wie beispielsweise Kunststoff eine Ordnungszahl, dann eine mittlere Ordnungszahl, zugeordnet werden. Es wird also letztlich vorgeschlagen, in Strahlrichtung aufeinanderfolgend eine Schicht eines Materials mit einer niedrigen Ordnungszahl, insbesondere kleiner als 14, eine Schicht aus einem mittelschweren Material mit einer zweiten Ordnungszahl, insbesondere von 14–50, und eine Schicht aus einem Material mit einer hohen Ordnungszahl, insbesondere oberhalb von 50, aufeinander folgen zu lassen. Auf diese Weise wird es gleichzeitig möglich, das Gewicht der Blende und somit des Applikators zu reduzieren und verbesserte strahlenphysikalische Eigenschaften zu erreichen. So bleibt auch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die homogene Feldverteilung erhalten und die seitliche Leckstrahlung wird durch geringe induzierte Sekundärstrahlung reduziert.
Das grundsätzliche Prinzip der vorliegenden Erfindung basiert auf dem unterschiedlichen Wechselwirkungsverhalten in Abhängigkeit von den Ordnungszahlen. Das Stroßbremsvermögen niederenergetischer geladener Teilchen, hier Elektronen, kann über die Bethe-Bloch-Formel berechnet werden, wonach das Stoßbremsvermögen für leichte Elemente größer als für Elemente mit hoher Ordnungszahl ist, da das Verhältnis der Ordnungs- und Massenzahl mit zunehmender Ordnungszahl abnimmt. Ein weiterer Effekt hierbei ist, dass bei hohen Ordnungszahlen die Bindungsenergien für die inneren Hüllenelektronen abnehmen und damit auch die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit.
Andererseits ist es aber so, dass Materialien höherer Ordnungszahl im Bereich einer höheren kinetischen Energie der Elektronen das weitaus bessere Bremsvermögen aufweisen, weshalb sie in den Blenden eingesetzt werden. Letztlich ergänzen sich die drei in den Schichten genannten Materialien in ihrer Funktionalität äußerst vorteilhaft, wobei zunächst das erste Material niedriger Ordnungszahl den Streustrahlungsanteil niederenergetischer Elektronen reduziert, so dass die Patientendosis außerhalb des Strahlungsfelds ebenso reduziert wird. Mithin wird durch die Schicht aus einem Material niedriger Ordnungszahl bereits eine Verbesserung in Bezug auf die Dosisbelastung durch niederenergetische Elektronen erreicht. Das zweite, mittelschwere Material mit der zweiten Ordnungszahl ist das eigentlich der Strahlformung dienende Material. Das bedeutet, ein Anteil von Elektronen wird in den Strahl zurückgestreut und der Elektronenstrahl wird innerhalb des Strahlenfeldes kollimiert. Dieses Material stellt letztlich das Optimum zwischen den sich widersprechenden Anforderungen „geringe Bremsstrahlungserzeugung” und „niedriger Streustrahlungsanteil niederenergetischer Protonen” dar. Die der zu bestrahlenden Oberfläche zugewandte Schicht aus dem dritten Material, das die dritte, hohe Ordnungszahl aufweist, dient der Reduktion von Bremsstrahlungsphotonen, so dass weiterhin die Patientendosis außerhalb des Strahlungsfeldes reduziert wird.
Mithin liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur eine Reduzierung des Blendengewichts vor, sondern es treten auch Verbesserungen bezüglich der Strahlenführung auf, nachdem insbesondere durch die Schicht aus dem ersten Material seitliche Leckstrahlung durch geringe induzierte Sekundärstrahlung reduziert werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Material ein Kunststoff, insbesondere Polyethylen, und/oder Aluminium ist und/oder das zweite Material Kupfer und/oder Eisen und/oder Stahl ist und/oder das dritte Material Wolfram und/oder Blei ist. Diese Materialien haben sich als besonders geeignet zum Aufbau eines Scrapers mit den verbesserten Eigenschaften gemäß der Verbindung erwiesen.
Bezüglich der Schichtdicken kann vorgesehen sein, dass die Schicht des ersten Materials eine Dicke von 1–20 mm aufweist und/oder die Schicht des zweiten Materials eine Dicke von 3–20 mm aufweist und/oder die Schicht des dritten Materials eine Dicke von 1–7 mm aufweist. Dabei ist üblicherweise eine dünnere Schicht des dritten Materials bereits ausreichend, so dass die dritte Schicht dünner als die Schichten aus dem ersten und dem zweiten Material sein kann. Insbesondere kann die mittlere Schicht die größte Dicke aufweisen, nachdem sie ja die hauptsächlich strahlformende Aufgabe übernimmt, wie bereits beschrieben.
Neben der Blende betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Elektronenapplikator, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Blende, insbesondere zwei oder drei erfindungsgemäße Blenden. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Blende lassen sich analog auf den erfindungsgemäßen Elektronenapplikator übertragen, welcher mithin in seinem Gewicht reduziert ist und verbesserte strahlphysikalische Eigenschaften aufweist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Blende, und
2 einen erfindungsgemäßen Elektronenapplikator.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Blende 1. Diese wird als Teil eines Elektronenapplikators nahe der zu bestrahlenden Fläche, insbesondere der Haut eines Patienten, eingesetzt, um die Strahlendosis außerhalb der zu bestrahlenden Fläche möglichst gering zu halten. Hierzu weist die Blende 1 eine zentrale Durchgangsöffnung 2 auf, durch die ein Elektronenstrahl, dessen Richtung 3 eingezeichnet ist, hindurchtreten kann.
Ersichtlich ist die erfindungsgemäße Blende 1 als eine Mehrschichtanordnung aufgebaut, wobei eine der Eintrittsrichtung 3 zugewandte Schicht 4 vorliegend aus Polyethylen besteht, mithin eine sehr niedrigere mittlere Ordnungszahl unterhalb von 14 aufweist. Diese Schicht ist vorliegend 10 mm dick.
Eine mittlere Schicht 5, die aus einem mittelschweren Material einer zweiten Ordnungszahl besteht, hier aus Eisen oder Stahl, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel 7 mm dick gewählt worden. An diese schließt sich, der Eintrittsrichtung 3 des Elektronenstrahls abgewandt, eine Schicht 6 aus einem Material mit einer hohen Ordnungszahl größer als 50 an, hier aus Blei. Die Schicht 6 ist deutlich dünner gewählt und nur etwa 3 mm dick.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die genaue geometrische Ausgestaltung sowie die exakt verwendeten Schichtdicken letztlich für jeden Anwendungsfall in einem Optimierungsverfahren konkret bestimmt werden können.
2 zeigt eine Prinzipskizze eines Elektronenapplikators 7, der sich an den Austrittsbereich 8 einer Elektronenstrahlaufbereitungseinrichtung wie grundsätzlich bekannt anschließt. Der Applikator 7 wird im Wesentlichen benachbart zu einer zu bestrahlenden Fläche 9, beispielsweise einer Patientenoberfläche, angeordnet. Vorliegend umfasst der Elektronenapplikator 7 an einer Tragestruktur 8 angeordnet, die auch ein seitlich geschlossenes Gehäuse definieren kann, drei aufeinanderfolgende, leicht unterschiedlich ausgestaltete erfindungsgemäße Blenden 1. Die Dreischichtstruktur der Blenden 1 ist aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht näher dargestellt.
Durch die drei Schichten 4, 5, 6 ist es nicht nur möglich, ein geringeres Gewicht aufweisende Applikatoren 7 herzustellen, sondern es wird auch das Strahlverhalten verbessert, nachdem die Schicht 4 mit dem ersten Material niedriger Ordnungszahl den Streustrahlungsanteil niederenergetischer Elektronen deutlich reduziert, die Schicht 5 mit dem mittelschweren Material die eigentliche Strahlformungsaufgabe übernimmt und die Schicht 6 mit dem dritten Material hoher Ordnungszahl Bremsstrahlungsphotonen aufgrund der quadratischen Abhängigkeit von der Ordnungszahl stark reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Blende
2: Durchgangsöffnung
3: Richtung
4: Schicht
5: Schicht
6: Schicht
7: Elektronenapplikator
8: Austrittsbereich
9: Fläche

Claims

Blende (1) für einen in der Elektronenbestrahlungstherapie einzusetzenden Applikator (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1) in einer Dreischichtanordnung aufgebaut ist, wobei die der Einstrahlrichtung (3) der Elektronen zugewandte Schicht (4) aus einem ersten Material mit einer ersten Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, besteht, die kleiner als eine zweite Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, eines zweiten Materials der mittleren Schicht (5) ist, welche kleiner als eine dritte Ordnungszahl, welche im Fall eines mehrere Elemente enthaltenden Materials eine mittlere Ordnungszahl ist, eines dritten Materials einer der Einstrahlrichtung (3) der Elektronen abgewandten Schicht (6) ist.
Blende nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ordnungszahl in einem Bereich unterhalb von 15 liegt und/oder die zweite Ordnungszahl in einem Bereich von 15 bis 50 und/oder die dritte Ordnungszahl in einem Bereich oberhalb von 50 liegt.
Blende nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Kunststoff und/oder Aluminium ist und/oder das zweite Material Kupfer und/oder Eisen und/oder Stahl ist und/oder das dritte Material Wolfram und/oder Blei ist.
Blende nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (4) des ersten Materials eine Dicke von 1 bis 20 mm aufweist und/oder die Schicht (5) des zweiten Materials eine Dicke von 3 bis 20 mm aufweist und/oder die Schicht (6) des dritten Materials eine Dicke von 1 bis 7 mm aufweist.
Elektronenapplikator (7), umfassend wenigstens eine Blende (1), insbesondere zwei oder drei Blenden (1), nach einem der vorangehenden Ansprüche.