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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum Bestrahlen eines Gewebes zur Strahlentherapie mit aufgeweiteten Teilchenstrahlen aus einer Teilchenstrahlenquelle mit wenigstens einem Teilchenbeschleuniger.
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In der Strahlentherapie werden ionisierende Strahlen auf Patienten gerichtet, so dass krankes Gewebe - beispielsweise Tumore - zerstört oder wenigstens die Schmerzen gelindert werden. Üblicherweise werden dazu Elektronenstrahlen und Photonenstrahlen benutzt, die direkt oder als Bremsstrahlung in Elektronenbeschleunigern erzeugt werden. Diese Anlagen sind kompakt. Zurzeit wird der klinische Einsatz von Protonenstrahlen und anderen lonenstrahlen untersucht. Diese Strahlen können ihre zerstörerische Energie räumlich genauer im gewünschten Gewebe applizieren, so dass umliegendes gesundes Gewebe besser geschont werden kann, weil besonders viel Energie am Ende der Strahlreichweite im sogenannten Bragg-Peak deponiert wird. Die Strahlenergie bestimmt hierbei, in welcher Tiefe im Patienten der Bragg-Peak liegt.
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Üblicherweise liefern in der Therapie mit Protonen- und anderen lonenstrahlen eingesetzte Beschleuniger Strahlen mit einem geringen Querschnitt (Durchmesser im Millimeterbereich) und einer bestimmten Energie. Es ist klinisch erforderlich, den Strahl vom Beschleuniger zum Patienten zu führen und das Gebiet des Bragg-Peaks eines Strahles über das in der Regel größere Zielvolumen (Ausdehnungen von bis zu etlichen Zentimetern) zu verteilen. Hierzu muss der Strahl in seinem Querschnitt und in seiner Energie an Lage und Ausdehnung des Zielvolumens angepasst werden.
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Weiter ist es klinisch hilfreich, dass der Strahl flexibel aus verschiedenen Richtungen auf den Patienten gelenkt werden kann. Dazu befindet sich bei den konventionellen Elektronenbeschleunigern der ganze Beschleuniger auf einer um den Patienten rotierenden Einheit, der sogenannten Gantry. Für die Protonen- und lonenbeschleuniger wird in der Regel nur der letzte Teil der Strahlführung auf einer Gantry montiert. Dabei werden aber nur sehr eng kollimierte Strahlen einer festen Energie geliefert.
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Es gibt im Wesentlichen zwei Varianten, die Strahlenergie für eine Bestrahlung an das Zielvolumen anzupassen. Bei der ersten Variante wird die Energie des vom Beschleuniger gelieferten Strahles durch Einstellung am Beschleuniger geändert. Bei der zweiten Variante wird ein Absorber (Degrader) in den Strahl eingebracht, der die Energie des Strahles auf den gewünschten Wert reduziert.
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Des Weiteren gibt es im Wesentlichen zwei Varianten, die medizinisch notwendigen großen Querschnitte der Zielvolumina von einigen Zentimetern für Protonenstrahlen und andere lonenstrahlen zu erreichen.
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Bei der ersten Variante wird ein Strahl mit geringem Querschnitt in einem absorbierenden Material aufgestreut. Damit die Verluste durch die Aufstreuung und die im Absorber entstehende Untergrundstrahlung klein sind, muss der Absorber dünn sein. Dass widerspricht aber der Forderung nach einer geringen Driftstrecke zwischen Absorber und Patient und damit einer kompakten Strahlführung. Üblicherweise befindet sich der Streuabsorber beispielsweise für einen Protonenstrahl ungefähr 3 m vor dem Patienten, für Strahlen schwererer Ionen noch weiter vom Patienten entfernt.
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Bei der zweiten Variante wird der eng kollimierte Strahl nacheinander auf verschiedene Punkte im kranken Gewebe gerichtet. Dazu ist eine seitliche Ablenkung des Strahls notwendig, die üblicherweise mit zwei Dipolmagneten realisiert wird.
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Beide Verfahren der Strahlapplikation haben ihre Vor- und Nachteile. Bei der zweiten Variante, dem sogenannten Strahlscannen, kann die Energie (Bragg-Peak) im kranken Gewebe besser als bei der ersten Variante deponiert werden. Bei der ersten Variante, der Streumethode, wird in der Regel vollständig auf zeitlich veränderliche Einstellungen und damit auf energieabhängige Strahlquerschnitte verzichtet, so dass immer vor dem Zielvolumen Bereiche auftreten, in denen unerwünscht viel Energie deponiert wird. Allerdings ist für Strahlscannen, da viele Punkte im Tumor hintereinander bestrahlt werden müssen, ein kontinuierlicher Strahl oder eine gepulster Strahl mit schneller Pulsfolge nötig, um die Bestrahlungszeit akzeptabel kurz zu halten. Moderne Beschleunigungstechnologien, wie die Beschleunigung mittels Hochintensitätslasern oder induktive Beschleuniger mit hochisolierenden Materialien (Dielectric-Wall Accelerator) erzeugen sehr intensive Teilchenpulse aber mit geringer Pulswiederholrate. Um mit ihnen die Vorteile des Strahlscannens zu nutzen, muss ein während der Bestrahlung variabel aufweitbarer Strahl auf verschiedene Teilvolumina des Zielvolumens gelenkt werden.
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Weiterhin lassen sich Protonen- und lonenstrahlen mit der medizinisch notwendigen Energie (bei Protonen 70 bis 230 MeV) nur sehr schwer magnetisch ablenken. Mit konventionellen Magneten mit Eisenkern wird wegen der Sättigungsmagnetisierung des Eisens maximal ein Wert von ungefähr 2 Tesla für die Magnetfeldstärke erreicht. Dieser Wert verringert sich noch, je weiter die Enden des Eisenkerns, also die Polschuhe, voneinander entfernt sind. Damit der letzte Dipolmagnet einer Gantry, der den Protonen- oder lonenstrahl in die Richtung des Patienten lenkt, nicht zu groß wird, wird er in der Regel vor den Elementen, die den Strahlquerschnitt vergrößern, angeordnet. Durch die notwendigen Driftstrecken haben die üblichen Gantries dann jedoch eine Radius von ungefähr 5 m. Beide Varianten der Strahlapplikation in Form von Strahlscannen und der Streumethode benötigen am Ende einen großen Querschnitt des Strahlrohres.
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In der Druckschrift
US 5 757 009 A wird ein Vorschlag zur Erzeugung großer und homogener Strahlquerschnitte angegeben. Hierbei wird der Protonenstrahl durch magnetische Quadrupole soweit wie gewünscht aufgeweitet und anschließend wieder zu einem Parallelstrahl formiert. Durch dieses Verfahren, dem sogenannten magnetischen Aufstreuen, das im Vergleich zum oben vorgestellten passiven Strahlaufstreuverfahren kein absorbierendes Material benötigt, wird die entstehende Untergrundstrahlung erheblich reduziert. Auch kann die Driftstrecke verkürzt werden. Jedoch liefern sie nicht den Vorteil der besseren Verteilung der deponierten Energie (Bragg-Peak) des Strahlscannens.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2009 040 457 A1 ist eine Einrichtung zur Selektion von Teilchen bestimmter Energie aus Teilchenstrahlen bekannt, wobei mittels eines beweglichen Magnetsystems eine Energieselektion erfolgt.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Strahlentherapie mit Teilchenstrahlen mit einem großen Strahlquerschnitt zu schaffen, bei der auch die Vorteile des Strahlscannens zur Verfügung stehen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zum Bestrahlen eines Gewebes zur Strahlentherapie mit aufgeweiteten Teilchenstrahlen aus einer Teilchenstrahlenquelle mit wenigstens einem Teilchenbeschleuniger zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die erzeugten Teilchenstrahlen einen großen Strahlquerschnitt aufweisen und trotzdem mit veränderlichen Strahlrichtungen auf verschiedene Teilvolumina des Tumors gelenkt werden können.
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Dazu sind in Teilchenstrahlrichtung nach dem Teilchenbeschleuniger mindestens ein in wenigstens einer Richtung bewegbarer Magnet zur Veränderung der mittleren Richtung des Teilchenstrahls in Bewegungsrichtung oder zur Veränderung der mittleren Richtung in Bewegungsrichtung und Aufweitung des Teilchenstrahls und ein feststehender Magnet zum Ablenken des Teilchenstrahls winklig zur Ablenkung des ersten Magneten und/oder zum Aufweiten des Teilchenstrahls angeordnet, so dass der aufgeweitete Teilchenstrahl über das Gewebe führbar ist.
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Die Einrichtung eignet sich vorteilhafterweise zur Deponierung ausreichender Energie im gesamten kranken Gewebe, und nicht nur in einem Teil davon, so dass eine Heilung erreicht wird. Im Patienten können Strahlquerschnitte mit einem Durchmesser von beispielsweise bis zu 20 cm erreicht werden. Mit der Einrichtung werden die Vorteile der Verfahren zur Strahlapplikation mit einer Aufweitung des Teilchenstrahls und einer punktweisen nacheinander folgenden Bestrahlung mit einem eng kollimierten Strahl kombiniert. Das kann vorteilhafterweise auch ohne Austausch von Komponenten erfolgen. Da das Strahlrohr bis zum letzten Magneten kleiner gehalten werden kann, als der maximale Strahlquerschnitt es erfordert, können auch kompaktere Strahlführungen erreicht werden.
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Das magnetische Aufstreuen, das vor allem Quadrupole erfordert, wird dazu mit der üblichen Einrichtung des aus zwei Dipolmagneten bestehenden Strahlscanners kombiniert, indem ein Quadrupol des Streusystems auch die Funktion einer Dipolspule des Strahlscanners übernimmt. Dazu wird ein bewegbarer Magnet aus beispielsweise wenigstens einem Quadrupol eingeführt.
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Trifft der Strahl nicht zentral auf einen Quadrupol, so erfährt er auch eine Ablenkung, wie bei einem Dipol. Dadurch kann ein bewegbarer Quadrupol, der ursprünglich nur für die Einstellung des Strahlquerschnittes gedacht war, auch die Funktion einer Dipolspule des Strahlscanners übernehmen, indem er mehr oder weniger dezentral zum Strahl positioniert wird.
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Durch die Möglichkeit auch Strahlen mit größerem Querschnitt zu scannen, können die Nachteile des bisher üblichen Strahlscannens abgeschwächt werden. Einerseits können große Teile von bewegten Zielvolumina gleichzeitig bestrahlt werden, so dass für diese Bereiche die Homogenität der deponierten Energie bereits sichergestellt ist. Andererseits können so die unerwünschten Bereiche vor dem Zielvolumen mit zu hoher deponierter Energie, wie sie beim bisher üblichen Einsatz der Streumethode auftreten, vermieden werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.
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In Teilchenstrahlrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 nach dem Teilchenbeschleuniger der in einer Richtung bewegbare Magnet so angeordnet, dass sich der Teilchenstrahl nicht mittig zwischen den Magnetpolen befindet, so dass der erste Magnet die mittlere Richtung des Teilchenstrahls verändert, dabei gleichzeitig den Teilchenstrahl aufweitet und der in seiner Richtung veränderte und aufgeweitete Teilchenstrahl in Bewegungsrichtung des bewegbaren Magnets abgelenkt wird. Weiterhin ist dem bewegbaren Magnet der feststehende Magnet zum Ablenken des aufgeweiteten Teilchenstrahls winklig zur Ablenkung des bewegbaren Magneten nachgeordnet.
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In Teilchenstrahlrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 nach dem Teilchenbeschleuniger der in zwei Richtungen bewegbare Magnet angeordnet, so dass der bewegbare Magnet die mittlere Richtung des Teilchenstrahls in alle Richtungen winklig zur Strahlrichtung verändert. Weiterhin ist dem bewegbaren Magnet der feststehende Magnet zum Aufweiten des in seiner Richtung veränderten Teilchenstrahls nachgeordnet.
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In Teilchenstrahlrichtung sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 nach dem Bechleuniger nacheinander der feststehende Magnet und der bewegbare Magnet angeordnet.
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Der bewegbare Magnet ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein Quadrupol, wobei der Teilchenstrahl dezentral durch den Quadrupol gelangt und sich die mittlere Richtung des Teilchenstrahls verändert. Weiterhin ist der feststehende Magnet ein Dipol oder ein Quadrupol.
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Der Quadrupol weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 zwei Komponenten mit Teilen mit Magneten auf, wobei erste Teile der Komponenten feststehende Teile sind und die zweiten Teile der Komponenten miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen zweiten Teile sind über wenigstens einen Antrieb an eine Steuereinrichtung gekoppelt, so dass die zweiten Teile gegen die feststehenden Magnete bewegbar sind. Mittels einer mit dem Antrieb verbundenen Steuereinrichtung können vorgebbare Abstände der Magnete der Dipole und daraus folgernd bestimmte Aufweitungen des Teilchenstrahls eingestellt werden.
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Der Quadrupol weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 zwei Komponenten mit Teilen mit Magneten auf, wobei erste Teile der Komponenten feststehende Teile sind. Die zweiten Teile sind über jeweils einen Antrieb an eine Steuereinrichtung gekoppelt, so dass die zweiten Teile unabhängig voneinander gegen die feststehenden ersten Teile bewegbar sind. Mittels einer mit den Antrieben verbundenen Steuereinrichtung können vorgebbare Abstände der Magnete der Dipole und daraus folgernd bestimmte Aufweitungen des Teilchenstrahls eingestellt werden.
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In Strahlrichtung nach dem Teilchenbeschleuniger sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 unabhängig voneinander bewegbare Quadrupole als bewegbarer Magnet angeordnet. Jeder Quadrupol ist weiterhin über eine Steuereinrichtung an einen Antrieb gekoppelt.
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Der Quadrupol besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 aus zwei entgegengesetzt gleichen Dipolen, wobei die Magnete des Dipols gepulste Magnete oder supraleitende Magnete sind. Damit können starke Magnetfelder erzeugt werden, die über dem Maximalwert eines konventionellen Magneten mit Eisenkern liegen. Durch das stärkere Magnetfeld ist gleichzeitig ein kompakteres Gantrydesign möglich.
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Der bewegbare Quadrupol als bewegbarer Magnet ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 an wenigstens einen mit einer Steuereinrichtung verbundenen Antrieb gekoppelt.
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Die Teilchen sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 Protonen oder Ionen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Einrichtung zum Bestrahlen eines Gewebes zur Strahlentherapie mit einem Teilchenstrahl und
- 2 bewegbare Quadrupole als bewegbarer Magnet und einen nachgeordneten Dipol als feststehender Magnet zur Aufweitung und Ablenkung des aus der Einrichtung austretenden Teilchenstrahls.
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Eine Einrichtung zum Bestrahlen eines Gewebes 11 zur Strahlentherapie mit Teilchenstrahlen 7 besteht im Wesentlichen aus einem Laser 1 in Verbindung mit einer Teilchenstrahlenquelle 2, wenigstens einem Teilchenbeschleuniger 3 und Mittel zum Beeinflussen und Ablenken des Teilchenstrahls 7.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zum Bestrahlen eines Gewebes 11 zur Strahlentherapie mit einem Teilchenstrahl 7 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Nach dem Teilchenbeschleuniger 3 sind Mittel zum Beeinflussen und Ablenken des Teilchenstrahls 7 angeordnet. Dabei wird der Teilchenstrahl 7 beispielsweise durch Ablenkmittel 4 zweimal rechtwinklig abgelenkt. Damit ist eine minimale Größe der Einrichtung gegeben, der Patiententisch 9 kann neben dem Teilchenbeschleuniger 3 angeordnet sein. Zwischen den Ablenkmitteln 4 ist vorzugsweise eine Einrichtung 10 zum Formen des Teilchenstrahls 7 angeordnet. Der beschleunigte Teilchenstrahl 7 wird somit rechtwinklig abgelenkt, geformt und rechtwinklig abgelenkt.
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Die 2 zeigt bewegbare Quadrupole als bewegbarer Magnet 5 und einen nachgeordneten Dipol als feststehender Magnet 6 zur Aufweitung und Ablenkung des aus der Einrichtung austretenden Teilchenstrahls 7 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Nach dem abgelenkten Teilchenstrahl 7 ist mindestens ein in wenigstens einer Richtung bewegbarer Magnet 5 angeordnet, der aus mehreren Quadrupolen bestehen kann. Der Teilchenstrahl 7 ist dabei so geführt, dass dieser dezentral durch den bewegbaren Magnet 5 gelangen kann und sich die mittlere Richtung des Teilchenstrahls 7 dabei gleichzeitig verändert. Der bewegbare Magnet 5 ist über mindestens einen Antrieb 8 an eine Steuereinrichtung gekoppelt, so dass der Teilchenstrahl 7 weiterhin mit der Bewegung in dieser Richtung ablenkbar ist. Der bewegbare Magnet 5 kann aus mehreren nacheinander angeordneten Quadrupolen bestehen, so dass eine mehrfache Beeinflussung, beispielsweise Richtungsänderung und Aufweitung, erfolgen kann. Diese können darüber hinaus auch über weitere Antriebe mit der Steuereinrichtung gekoppelt sein, so dass der mehrfach beeinflusste Teilchenstrahl 7 mit der Bewegung des bewegbaren und mehrere Quadrupole aufweisenden Magneten 5 abgelenkt wird. Darüber hinaus kann natürlich auch wenigstens einer dieser Quadrupole ein den Teilchenstrahl 7 fokussierender und/oder konzentrierender Quadrupol sein. Die einzelnen Quadrupole bilden dabei Komponenten des bewegbaren Magneten 5.
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Der bewegbare Magnet 5 ist in einer Richtung quer zum Teilchenstrahl bewegbar. Das ist hier beispielsweise die x-Richtung. Dazu ist der bewegbare Magnet 5 an den Antrieb 8 gekoppelt, der weiterhin mit der Steuereinrichtung verbunden ist, so dass eine bestimmte Bewegung gegeben ist. Gleichzeitig kann über die Steuereinrichtung die Magnetfeldstärke der Komponenten des bewegbaren Magnets 5 gesteuert werden, so dass die Geometrie des Teilchenstrahls 7 beeinflussbar ist. In Strahlrichtung nach dem bewegbaren Magnet 5 ist ein feststehender Magnet 6 als Dipol zum Ablenken des in x-Richtung bewegenden Teilchenstrahls 7 nachgeordnet. Die Komponenten des Dipols sind dazu so angeordnet, dass der Teilchenstrahl 7 hier in y-Richtung abgelenkt wird. Die Komponenten des Dipols sind an die Steuereinrichtung gekoppelt, so dass über die jeweilige Magnetfeldstärke der Komponenten des Dipols eine Ablenkung des Teilchenstrahls 7 erfolgt. Damit ist der aufgeweitete Teilchenstrahl 7 über das Gewebe 11 führbar. Die Teilchen sind dazu insbesondere Protonen oder Ionen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 1 Laser
- 2
- Quelle
- 3
- Teilchenbeschleuniger
- 4
- Mittel
- 5
- bewegbarer Magnet
- 6
- feststehender Magnet
- 7
- Teilchenstrahl
- 8
- Antrieb
- 9
- Patiententisch
- 10
- Einrichtung zum Formen
- 11
- Gewebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5757009 A [0011]
- DE 102009040457 A1 [0012]
