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Die Erfindung betrifft ein Phantom zur Messung und Überprüfung einer von einem Bestrahlungsgerät abgegebenen Strahlendosis in einem Tumor und/oder Gewebe, insbesondere von atmungsbedingt bewegten Tumoren und/oder Geweben.
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Phantome sind im Stand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise verwendet, um die Bestrahlungstherapie von Krebspatienten zu planen bzw. die Dosierung einer geplanten Strahlentherapie zu überprüfen.
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Bei der Durchführung einer Bestrahlung muss sichergestellt sein, dass die den Tumor erreichende Strahlendosis ausreichend ist. Im Tumor muss eine bestimmte Dosis erreicht werden, um die Zerstörung der Zellen oder eine Hemmung des Wachstums zu erreichen. Gleichzeitig darf die Dosis im den Tumor umgebenden Gewebe und den umliegenden Organen eine bestimmte Höhe nicht überschreiten. Dies ist beispielsweise bei Lungentumoren eine Schwierigkeit, da sich ein Lungentumor während der Bestrahlung durch die Atmung oder den Herzschlag des Patienten bewegt. Der Tumor kann zeitweise von den Knochen des Patienten verdeckt sein, sodass nur noch ein Teil der vorgesehenen Strahlung den Tumor erreicht.
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Um die Strahlendosis während der Therapie zu optimieren, wird daher vor Beginn der Strahlentherapie eine Simulation der Tumorbewegung während der Bestrahlung durchgeführt. Eine solche Simulation erfolgt anhand eines Phantoms, welches mit der geplanten Strahlendosis bestrahlt wird. Die geplante Strahlendosis wird zuvor anhand von CT-Bildern und einer Atemkurve berechnet. Ein in dem Phantom angeordneter, bewegter künstlicher Tumor enthält einen Detektor, der die den Tumor erreichende Strahlung erfasst und misst und an ein geeignetes Medium zum Aufzeichnen und Anzeigen der Daten weitergibt. Die ermittelten Werte können anschließend ausgewertet werden und die geplante Bestrahlung bei Bedarf angepasst werden.
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Phantome, die im Stand der Technik bekannt sind, weisen einen starren Phantomkörper aus einem gewebeäquivalenten Material auf, der einen durchschnittlichen menschlichen Thorax darstellt. In dem Phantomkörper ist eine Ausnehmung vorgesehen, in die ein Zylinder aus einem lungenäquivalenten Material eingesteckt ist. Der Zylinder ist mit einem Endbereich mit einem Bewegungsaktuator verbunden und wird in der Ausnehmung durch lineare Translation und Rotation bewegt. In den Zylinder sind eine kugelförmige Nachbildung eines Tumors und mindestens ein Detektor eingebettet. Durch den Bewegungsaktuator wird die Bewegung des Tumors im Körper während der Atmung simuliert. Das Phantom ist an einen weiteren Aktuator angeschlossen, der das Phantom als Einheit anhebt und wieder absenkt, um die Auf- und Abbewegung des Körpers durch die Atmung des Menschen zu simulieren.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Phantome liegt darin, dass der Phantomkörper homogen und starr ausgebildet ist, sodass eine Bewegung des den Tumor umgebenden Gewebes, der Organe und der Knochen nicht simuliert werden kann. Es ist lediglich die Verfolgung des Tumors möglich. Bei der Bestrahlung sind Gewebeunterschiede und -veränderungen sowie die Bewegung der Knochen jedoch von besonderer Bedeutung, da die Strahlung durch das Auftreffen der Strahlung auf einen Knochen weniger intensiv bei dem Tumor angelangt und möglicherweise keine ausreichende Bestrahlung des Tumors erfolgen kann. Auch die unterschiedlichen Organe und Gewebeschichten ändern ihre Strahlendurchlässigkeit beim Ein- und Ausatmen, sodass eine Berücksichtigung erforderlich ist. Es ist daher von großer Bedeutung, die Bewegung des Tumors aber auch der knöchernen, sowie der organischen Strukturen im Körper beim Ein- und Ausatmen zu berücksichtigen, um den Tumor mit einer ausreichenden Bestrahlungsdosis zu behandeln und das gesunde Gewebe gleichzeitig zu schonen. Mit den bekannten Phantomen kann somit keine optimale Simulation durchgeführt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Phantom zur Messung und Überprüfung einer von einem Bestrahlungsgerät abgegebenen Strahlendosis zu schaffen, wobei bei der Messung sowohl die Bewegung des Tumors als auch eine Bewegung der den Tumor umgebenden Knochen und des den Tumor umgebenden Gewebes und der Organe berücksichtigt werden soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Phantom gemäß Anspruch 1 vor.
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Die für eine Behandlung notwendige Bestrahlung eines atemverschieblichen Tumors, der sich beispielsweise im Bereich der Lunge befindet, wird durch einen entsprechenden Fachmann anhand von CT- und/oder MRT-Bildern und einer zusätzlich aufgenommenen Atemkurve berechnet. Das Phantom wird zur Überprüfung der berechneten und geplanten Bestrahlung an einem Bestrahlungsgerät gelagert und ausgerichtet und mit der geplanten Bestrahlung behandelt.
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Während der Bestrahlung wird das Phantom durch ein an die Zuleitungsseite einer in die künstliche Lunge eingeführten Luftleitung angeschlossenes Belüftungssystem beatmet, wobei der Korpus durch eine luftundurchlässige Kunststoffmantel umhüllt ist, sodass in dem Korpus bzw. in der künstlichen Lunge einströmende Luft im Korpus verbleibt und nicht entweichen kann. Um das Einatmen zu simulieren, wird das Phantom belüftet, sodass Luft in die künstliche Lunge einströmt. Dadurch wird die Lunge aufgebläht und das umliegende Gewebe und die Organe werden von der Lunge verdrängt. Um das Ausatmen zu simulieren, wird die Lunge entlüftet, wobei die Luft aus der Lunge abgesaugt wird. Das Volumen der Lunge verkleinert sich und das Gewebe und die umliegenden Organe können der Bewegung folgen und sich in der Brusthöhle ausdehnen. Durch die Beatmung zieht sich die Lunge wechselweise zusammen und dehnt sich wieder aus, wie es im menschlichen Körper der Fall ist. Sämtliche künstliche Strukturen des Teil-Korpus, wie Organe, Gewebe und Knochen, folgen der Bewegung der Lunge. Dies gelingt durch die gelenkige Verbindung der knöchernen Strukturen untereinander und durch die elastische Nachbildung der Organe, sowie die Einbettung der Knochen in Silikon. Das weiche Gewebe, wie Organe, Muskulatur oder Bindegewebe, wird beim Ein- und Ausatmen durch das Ausdehnen und Zusammenziehen der Lunge im Wechsel verdrängt und komprimiert und dehnt sich wieder aus. Dadurch verändert sich beispielsweise der zu durchstrahlenden Querschnitt der Organe. Die knöchernen Strukturen bewegen sich zeitweise im Behandlungsstrahl, sodass hinter den Knochen liegende Bereiche verschattet sind und eine geringere als die berechnete Strahlendosis in diesen Bereichen erreicht wird. In einem der Organe oder im Gewebe ist ein künstlicher Tumor angeordnet, der durch die Beatmung des Korpus in diesem bewegt wird. Je nach Lage des Tumors im künstlichen Teil-Korpus wird dieser stärker oder weniger stark bewegt. Die Strahlungsdosis im Tumor und/oder dem umliegenden Gewebe wird durch einen oder mehrere Detektoren ermittelt und durch ein Speicher- und/oder Anzeigegerät angezeigt und gespeichert. Es können beispielsweise ein Detektor in dem bewegten Tumor und weitere Detektoren in dem den Tumor umgebenden Gewebe angeordnet sein, um die Strahlung sowohl im Tumor selbst als auch in dem gesunden Gewebe, welches um den Tumor herum angeordnet ist, zu messen. Dies kann notwendig sein, da das gesunde Gewebe nur einer bestimmten maximalen Strahlung ausgesetzt sein darf, um es nicht zu stark zu schädigen.
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Einflussfaktoren, wie die Bewegung des Tumors, des Gewebes, der Organe und der Knochen können mit dem Phantom während der Bestrahlung simuliert werden, sodass eine besonders genaue Ermittlung der applizierten Strahlendosis ermittelbar ist.
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Mit Hilfe der ermittelten Daten kann ein Abgleich mit dem zuvor berechneten und geplanten Bestrahlungsplan vorgenommen werden und für den Fall, dass die applizierte Dosis im Verhältnis zur geplanten Dosis nicht ausreichend ist oder die Strahlendosis im gesunden Gewebe zu hoch ist, kann eine Überarbeitung der geplanten Bestrahlung vorgenommen werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Wirbelkörper und die Rippen in Silikone unterschiedlicher Härtegrade eingebettet sind und eine stabile, bewegliche Struktur bilden.
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Die Silikone sind so ausgewählt, dass sie das menschliche Gewebe nachbilden. Durch die Einbettung der knöchernen Strukturen in das Silikon wird eine stabile aber dennoch bewegliche Struktur hergestellt, sodass bei der Simulation des Ein- und Ausatmens zwar ein fester Zusammenhalt der Knochen besteht aber dennoch eine gewisse Beweglichkeit des Teil-Korpus gegeben ist, sodass der Teil-Korpus die Bewegung des menschlichen Teilkörpers nachahmen kann.
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Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass der Korpus mit einer Schicht aus Silikon umhüllt ist, die wiederum von dem Kunststoffmantel umhüllt ist.
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Die Silikonschicht dient als äußere Schutzschicht des Teil-Korpus und ist zur luftdichten Abdichtung des Teil-Korpus gegenüber der Umgebungsatmosphäre von dem Kunststoffmantel umhüllt.
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Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Luftleitung, sowie die Wirbelsäule und die Rippen durch 3D-Druck hergestellte Hohlkörper aus Kunststoff sind, wobei die Wirbelkörper und die Rippen mit einer Silikonmasse, vorzugsweise mit Zusatzstoffen, gefüllt sind.
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Die 3D gedruckten Hohlkörper bilden eine starre Hülle, die mit einer Silikonmasse gefüllt werden können. Die Silikonmasse kann Zusatzstoffe wie beispielsweise Calciumcarbonat enthalten. Diese Knochennachbildungen weisen dem menschlichen Knochen besonders ähnliche Eigenschaften auf und zeigen eine vergleichbare Strahlendurchlässigkeit. Dadurch können besonders genaue Messungen durchgeführt werden.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Luftleitung, sowie die Wirbelkörper und die Rippen eine Hülle aus Polylactid (PLA) aufweisen und mit einer Masse aus Silikon und Calciumcarbonat gefüllt sind.
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PLA ist für den 3D Druck besonders geeignet und bietet nach Fertigstellung der einzelnen Knochen und Wirbelkörper eine gute Stabilität. Calciumcarbonat ist auch im menschlichen Knochen enthalten und dient zur Angleichung der Dichtewerte an das menschliche Vorbild. Auf diese Weise können besonders gute Knochennachbildungen bereitgestellt werden.
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Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Organe aus Silikonen unterschiedlicher Härtegrade und mit unterschiedlichen Dichtewerten bestehen und den menschlichen Organen nachgebildet sind.
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Um die künstlichen Organe an die Strahlendurchlässigkeit und die Elastizität der menschlichen Organe anzupassen, sind diese aus unterschiedlichen Silikonen hergestellt. Sie weisen an die menschlichen Organe entsprechend angepasste Härte- und Dichtegrade auf und verhalten sich bei der Simulation des Ein- und Ausatmens wie menschliche Organe. Dadurch kann eine besonders genaue Messung durchgeführt werden.
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Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Lunge aus Silikonschaum besteht.
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Der Schaum wird bei der Simulation des Ein- und Ausatmens komprimiert und dehnt sich wieder aus. Dadurch erfolgt eine Veränderung der Dichte des Schaums, was sich auf die Durchlässigkeit der Strahlung auswirkt. Dadurch können die Eigenschaften der menschlichen Lunge nachgebildet werden.
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Auch ist vorzugsweise vorgesehen, dass in weiteren Organen und/oder dem umliegenden Gewebe weitere Detektoren angeordnet sind, die mit dem Speicher- und/oder Anzeigegerät verbunden sind.
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Dadurch kann auch die Strahlungsintensität in den weiteren Organen und dem umliegenden Gewebe gemessen und ggf. angepasst werden.
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Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass das Phantom einen modularen Aufbau aufweist, wobei die Organe und/oder die Detektoren aus dem Teil-Korpus entnehmbar und austauschbar sind.
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Dadurch ist es möglich unterschiedliche Organe in den Teil-Korpus einzusetzen. Die Organe können Tumore an unterschiedlichen Stellen aufweisen, sodass ein Organ ausgewählt werden kann, welches auf den jeweiligen zu behandelnden Patienten oder an die vorgesehene Messung individuell angepasst ist.
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Es können auch die Detektoren aus den Organen oder dem Gewebe entnommen und ausgetauscht werden. Zum einen können somit defekte Messmittel ausgetauscht werden, es ist aber auch möglich die Detektoren an die jeweiligen Speicher- und Anzeigegeräte des Anwenders anzupassen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Phantom auch ein künstliches Zwerchfell aus Silikonmaterial umfasst, welches ebenfalls von dem Kunststoffmantel umgeben ist
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Durch ein an das menschliche Zwerchfell angepasstes künstliches Zwerchfell aus Silikon erfolgt eine gleichmäßige Druckverteilung in dem Teil-Korpus. Der Teil-Korpus und das das darin eingebettete Zwerchfell sind von dem Kunststoffmantel umhüllt und luftdicht abgedichtet.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Phantoms ist in den Figuren dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 einen Ausschnitt eines Phantoms belüftet;
- 2 den Ausschnitt des Phantoms entlüftet.
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Die Figuren zeigen ein Phantom 1 zur Messung und Überprüfung einer von einem Bestrahlungsgerät abgegebenen Strahlendosis in einem atmungsbedingt bewegten Tumor 2. Das Bestrahlungsgerät ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Das Phantom 1 besteht aus einem dem menschlichen Körper nachgebildeten Teil-Korpus mit einer künstlichen Wirbelsäule, die aus mehreren gelenkig miteinander verbundenen Wirbelkörpern besteht, und mit der Wirbelsäule gelenkig verbundenen künstlichen Rippen 3. Die Wirbelsäule und die Rippen 3 sind in Silikon eingebettet und bilden eine künstliche Brusthöhle 4, in der künstliche Nachbildungen von menschlichen Organen angeordnet sind und die künstliches Gewebe aufweist. In die Brusthöhle 4 ist eine Luftleitung 5 eingeführt, die in eine in der Brusthöhle 4 angeordnete künstliche Lunge 6 ausmündet und die zuleitungsseitig an ein Belüftungssystem angeschlossen ist, welches in den Figuren nicht gezeigt ist. Umhüllt ist der Korpus von einem luftundurchlässigen Kunststoffmantel 7. In der Lunge 6 ist eine künstliche Nachbildung eines Tumors 2 angeordnet, in den ein Strahlendetektor 8 integriert ist, der eine eintretende Strahlung des Bestrahlungsgerätes erfasst und misst und der mit einem Speicher- und Anzeigegerät zur Anzeige und Speicherung der erfassten und gemessenen Strahlenwerte verbunden ist. Das Speicher- und Anzeigegerät ist in den Figuren ebenfalls nicht dargestellt.
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Während das Phantom 1 mit einem Bestrahlungsgerät bestrahlt wird, wird der Teil-Korpus bzw. die Lunge 6 durch das an die Zuleitungsseite 11 der Luftleitung 5 angeschlossene Belüftungssystem beatmet, wobei der Teil-Korpus durch den Kunststoffmantel 7 luftdicht umhüllt ist, sodass die einströmende Luft in dem Teil-Korpus bzw. in der künstlichen Lunge 6 verbleibt und nicht entweichen kann. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Teil-Korpus im belüfteten Zustand. Zur Simulation des Einatmens, wird das Phantom 1 belüftet, sodass Luft in die künstliche Lunge 6 einströmt. Zum Ausatmen wird die Lunge 6 entlüftet, was in 2 gezeigt ist, wobei die Luft aus der Lunge 6 abgesaugt wird. Während der Beatmung zieht sich die Lunge 6 zusammen und dehnt sich wieder aus, wobei dies wie beim menschlichen Vorbild im ständigen Wechsel erfolgt. Die Strukturen des Teil-Korpus, wie Organe und Knochen, bewegen sich entsprechend der Bewegung der Lunge 6. Dies gelingt durch die gelenkige Verbindung der knöchernen Strukturen untereinander und durch eine elastische Nachbildung der Organe, sowie die Einbettung der Knochen in Silikon. Das weiche Gewebe, wie Organe, Muskulatur oder Bindegewebe, wird beim Ein- und Ausatmen durch das Ausdehnen und Zusammenziehen der Lunge 6 im Wechsel verdrängt und komprimiert und dehnt sich dann wieder aus. Dadurch verändert sich der zu durchstrahlende Querschnitt. Die knöchernen Strukturen bewegen sich teils im Behandlungsstrahl, sodass hinter den Knochen liegende Bereiche verschattet sind und in den Bereichen eine geringere Strahlendosis erreicht wird. Der in der Lunge 6 angeordnete Tumor 2 wird durch die Atmung im Teil-Korpus mitbewegt. In den Tumor 2 ist ein Detektor 8 eingebettet, der die auf den Tumor 2 treffende Strahlungsdosis ermittelt. Der Detektor 8 ist mit einem Kabel 12, welches durch die Luftleitung 5 aus dem Teil-Korpus herausgeführt ist, an ein Speicher- und Anzeigegerät angeschlossen, welches die gemessenen Werte anzeigt und speichert. Mit Hilfe der ermittelten Werte kann überprüft werden, ob die zuvor berechnete und geplante Bestrahlung ausreichend ist oder ob eine Anpassung vorgenommen werden muss. Der Detektor kann auf beliebige andere Weise an das Speicher- und Anzeigegerät angeschlossen sein. Beispielsweise können alternativ zu einem Kabel Lichtwellenleiter verwendet werden. Auch eine drahtlose Kommunikation zwischen Detektor und Speicher- und Anzeigegerät ist möglich.
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Die Wirbelkörper und die Rippen 3 sind in Silikone unterschiedlicher Härtegrade eingebettet und bilden eine stabile, bewegliche Struktur. Die Silikone sind so ausgewählt, dass sie das menschliche Gewebe nachbilden. Durch die Einbettung der knöchernen Strukturen in das Silikon wird eine stabile aber dennoch bewegliche Struktur hergestellt, sodass bei der Simulation des Ein- und Ausatmens zwar ein fester Zusammenhalt der Knochen besteht aber dennoch eine gewisse Beweglichkeit des Teil-Korpus gegeben ist, wie es auch im menschlichen Körper der Fall ist.
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Der Teil-Korpus ist zudem mit einer Schicht 9 aus Silikon umhüllt, die wiederum von dem Kunststoffmantel 7 umhüllt ist. Die Silikonschicht 9 dient als äußere Schutzschicht des Teil-Korpus und ist zur Abdichtung des Korpus von dem Kunststoffmantel 7 umhüllt.
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Die Luftleitung 5, sowie die Wirbelsäule und die Rippen 3 sind durch 3D-Druck hergestellte Hohlkörper aus Polylactid. Die Wirbelkörper und die Rippen 3 sind mit einer Masse aus Silikon und Calciumcarbonat gefüllt. Die Hohlkörper bilden eine starre Hülle, die in einfacher Weise mit der Silikonmasse gefüllt werden kann. Diese Knochennachbildungen weisen dem menschlichen Knochen besonders ähnliche Eigenschaften auf und zeigen eine vergleichbare Strahlendurchlässigkeit. Dadurch können besonders genaue Messungen durchgeführt werden. PLA ist für den 3D Druck besonders geeignet und bietet nach Fertigstellung der einzelnen Knochen und Wirbelkörper eine gute Stabilität. Calciumcarbonat ist auch im menschlichen Knochen enthalten und dient zur Angleichung der Dichtewerte an das menschliche Vorbild. Auf diese Weise können besonders gute Knochennachbildungen bereitgestellt werden.
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Um auch die künstlichen Organe an die Strahlendurchlässigkeit der menschlichen Organe anzupassen, sind diese aus Silikonen mit unterschiedlichen Härtegraden und Dichtewerten hergestellt. Dadurch verhalten sich die Organe bei der Simulation des Ein- und Ausatmens wie menschliche Organe und es kann eine besonders genaue Messung durchgeführt werden.
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Die Lunge 6 besteht aus einem Silikonschaum. Dieser Schaum kann bei der Simulation des Ein- und Ausatmens komprimiert werden und dehnt sich wieder aus. Dadurch erfolgt eine Veränderung der Dichte des Schaums, was sich auf die Durchlässigkeit der Strahlung auswirkt.
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Das Phantom 1 weist einen modularen Aufbau auf. Dadurch ist es möglich die Organe und auch den Sitz des Tumors 2 in dem jeweiligen Organ an den Patienten anzupassen. Auf diese Weise kann das Phantom 1 individuell an den Patienten angepasst werden. Auch der Detektor 8 kann aus der Lunge 6 entnommen und ausgetauscht werden. Dies ermöglicht den Austausch eines defekten Messmittels. Zudem können Detektoren ausgetauscht werden, um diese an die Geräte des Verwenders anzupassen.
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Es können auch weitere Detektoren in den Teil-Korpus eingebracht werden.
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Das Phantom 1 umfasst ein künstliches Zwerchfell 10 aus Silikonmaterial, welches ebenfalls von dem Kunststoffmantel 7 umgeben ist, wobei das Zwerchfell 10 ein an das menschliche Zwerchfell angepasstes künstliches Zwerchfell 10 aus Silikon ist und für eine gleichmäßige Druckverteilung in dem Teil-Korpus sorgt. Der Korpus und das das darin eingebettete Zwerchfell 10 sind von dem Kunststoffmantel 7 umhüllt und abgedichtet.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
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Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.
