DE19650013A1

DE19650013A1 - Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe, insbesondere Tumore

Info

Publication number: DE19650013A1
Application number: DE19650013A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Naegeler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1996-12-03
Publication date: 1998-06-04

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Fahr- und Positioniertisch mit fixiertem Nullpunkt, einem Transportsystem, einem Gerät zur Bestimmung der Lage von Tumoren im Körper eines Lebewesens mit Rechner zur Auswertung der tomographischen Geometrie- und Konturdaten und mit einem Strahlengerät zur Bestrahlung von Tumoren im Körper eines Lebewesens durch mehrere einzelne Strahlen, die für sich für das umliegende Gewebe im wesentlichen unschädlich sind und sich in einem engen räumlichen Bereich als Zentrum treffen, das das Gewebe, insbesondere einen Tumor, schädigt.

Es ist bekannt, Tumore durch Bestrahlung, insbesondere durch eine flächige Bestrahlung, einer stereotaktischen Bestrahlung, durch Gammaknife oder Isotopen/Ionenbestrahlung zu behandeln.

Bei jedem dieser bekannten Bestrahlungsarten wird das an den Tumoren angrenzende oder umschlossenes gesundes Gewebe durch die Strahlen mehr oder weniger stark belastet. Die bekannten Vorrichtungen zur Bestrahlung von Tumoren schädigen aufgrund ihrer Konstruktion und der sich daraus ergebenden Strahlengeometrie meistens das gesunde Gewebe durch die konstruktionsbedingt großvolumige Bestrahlung des Tumors in seinen gesamten Ausmaßen.

Es ist üblich, das zu behandelnde Gewebe durch eine oder mehrere Strahlenquellen direkt zu bestrahlen, wenn die Behandlung eines Tumors an der Oberfläche eines Lebewesens erfolgt.

Befindet sich das zu behandelnde Gewebe im inneren eines Lebewesens, bestehen die Vorrichtungen meistens aus mehreren Strahlenquellen, die ringförmig so angeordnet sind, daß die einzelnen Strahlen sich so kreuzen, daß die Größe des zu schädigenden Tumors erreicht wird oder das Zentrum des Strahlenbündels sich innerhalb des Tumors befindet, der dann großvolumig geschädigt wird.

Als besonders nachteilig hat es sich erwiesen, daß bei diesen Bestrahlungen entweder umgebendes gesundes Gewebe gleichzeitig mit geschädigt wird oder bei einem zu kleinen Zentrum des Strahlenbündels, einzelne Gewebeteile eines Tumors nicht ausreichend geschädigt werden.

Auch Vorrichtungen zur Bestrahlung von Tumoren sind bekannt, welche eine Strahlenquelle so um das Lebewesen auf einer Kreisbahn führen, daß der Tumor durch den Energiestrahl ständig getroffen wird.

Alle diese Vorrichtungen bestehen im wesentlichen aus einer oder mehreren Strahlenquellen, die so angeordnet sind, daß der Energiestrahl bei Bewegung der Strahlenquellen, daß zu behandelnde Gewebe ständig bestrahlt. Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß einmal entweder der lokalisierte Tumor nur teilweise in seinen Ausmaßen geschädigt wird oder die Bestrahlung geht über die Größe des Tumors hinaus und schädigt somit in einem erheblichen Maße umliegendes gesundes Gewebe mit.

Sie haben auch den Nachteil, daß umschlossenes gesundes Gewebe, wie lymphatisches Gewebe, Knochenmark oder Dünndarmepithel, wenn es von einem Tumor umwuchert ist, mit bestrahlt wird und dadurch bedingt lebenswichtiges Gewebe zu einem erheblichen Anteil geschädigt wird.

Es sind aber auch Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Ring mit darauf angeordneten Strahlenquellen um das Lebewesen herum rotiert. Das äußerliche, möglichst nicht zu schädigende Gewebe wird bei diesen Vorrichtungen strahlenmäßig relativ schwach belastet.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 23 947 ist auch ein Gerät zur Stoffveränderungen im Körper bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Strahlenquellen konzentrierte oder gebündelte Strahlen so absenden, daß diese Strahlen sich im Körper eines Lebewesens kreuzen. Die Strahler sind in dem Gerät um den Körper so angebracht, daß sich ihre Strahlen sehr schnell und einfach in jede erforderliche Richtung lenken lassen. Durch eine Bewegung der einzelnen Strahler kann der Schnittpunkt der Strahlen entsprechend den lokalen Erfordernissen eingestellt werben. Aber auch dieses bekannte System hat den Nachteil, daß ein Tumor großvolumig bestrahlt wird und dadurch angrenzendes gesundes Gewebe entsprechend ihrer spezifischen Strahlensensibilität mehr oder weniger stark geschädigt wird.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß das räumliche Zentrum eines Strahlenbündels nur Bereiche eines zu schädigenden Gewebes erreicht, das innerhalb der Außenkonturen/Oberfläche eines zu behandelnden Gewebes, bevorzugterweise Tumore, liegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches und deren weiteren Ausgestaltung gemäß den weiteren Ansprüchen mit seinen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Zur Erreichung der vorhergehend beschriebenen und anderer Ziele und in Übereinstimmung mit dem Zweck dieser Erfindung, wie in der Niederschrift detailliert aufgeführt, liefert die Vorrichtung eine Bestrahlung zur Schädigung eines Gewebes, insbesondere Tumorgewebe, die auch multitaktisch durchgeführt werden kann.

In einer Ausführungsform wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst mit einem Fahr- und Positioniertisch mit einem Rahmen zur Fixierung des Lebewesens mit definierten Nullpunkt in den drei Achsen x y z. Dieser Fahr- und Positioniertisch wird über ein Transportsystem in ein Gerät, vorzugsweise eine Kernspin- oder computertomographischen Anlage, zur Bestimmung der Lage von Tumoren im Körper eines Lebewesens zur Lage des dreiachsigen Nullpunktes am Rahmen eines Fahr- und Positioniertisches mit Rechner zur genauen Auswertung und Berechnung der dreidimensionalen tomographischen Geometrie- und Konturdaten des Tumors zur Lage des Nullpunktes am Fixierrahmen, gebracht. Gleichzeitig wird eine dreidimensionale Lage von durch Tumore umschlossenes Gewebe, Nerven, Adern oder ähnliches genau ermittelt.

Die Messung mit Hilfe einer Kernspin- oder computertomographischen Anlage erfolgt bevorzugterweise zeilen- und schichtweise, so daß die Geometrie- und Konturdaten des Tumors zur Lage des Nullpunktes am Fixierrahmen im Rechner erstellt werden können. Aufgrund dieser gemessenen Geometrie- und Konturdaten erstellt der Rechner ein Fahrprogramm zur Steuerung der Lage des Fixierrahmens des 3-Achs-Fahr- und Positioniertisches zur Bestrahlung von Tumoren.

Der 3-Achs-Fahr- und Positioniertisch mit seinem Fixierrahmen und seinen dreiachsig definierten Nullpunkt wird in einer Ausführungsform durch das Transportsystem zum erfindungsgemäßen Strahlengerät in die Ausgangsposition gebracht. Hier wird der Fixierrahmen mit dem Nullpunkt maßlich fixiert und auf dem 3 Achs-Fahr und Positioniertisch indexiert und in den drei Ebenen xyz zur Bestrahlung von Tumoren gebracht.

Das erfindungsgemäße Strahlengerät besitzt mehrere Strahlenquellen, die über der gesamten Peripherie räumlich auf der Innenseite eines kugelförmigen Segmentes des Strahlengerätes so angeordnet sind, daß sich die einzelnen Strahlen als Strahlenbündel in einem engen räumlichen Bereich als Zentrum treffen, das kleiner als der Tumor ist. Die einzelnen Strahlenquellen strahlen dabei Strahlen mit einem Energieinhalt ab, der bedeutend unter dem Grenzwert einer Schädigung von Gewebe liegt, so daß eine Schädigung des Gewebes durch ein einzelnes Strahlenbündel aus einer Strahlenquelle, auch bei einer Mehrfachbestrahlung unwahrscheinlich ist.

Bevorzugterweise werden Strahlungsintensitäten der einzelnen Strahlenquellen von unter 2 Gray, bevorzugterweise unter 1 Gray installiert. Zur maximalen Schonung des umgebendes gesunden Gewebes werden Strahlenquellen mit eine Strahlungsintensität von bis zu 0,1 Gray installiert, da bei dieser Gesamtkörperdosis eine noch auftretende Strahlenbelastung leicht bzw. reversibel ist.

Die Anzahl der Strahlenquelle beträgt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens 20, bevorzugterweise werden 400 bis 600 Strahlenquellen angeordnet.

Die Anordnung der Strahlenquellen erfolgt dabei auf der Innenseite des kugelförmigen Segments. Es ist von Vorteil, wenn die einzelnen Strahlenquellen auf der innenliegenden Seite das kugelförmige Segmentes flächenmäßig so verteilt sind, daß die äußersten Strahlen zueinander einen Strahlenkegel mit einem Winkel bis zu 160° bilden.

In einer weiteren Ausführungsform des Strahlungsgerätes lassen sich die einzelnen Strahlen aus den Strahlenquellen vorteilhafterweise so fokussieren, daß der enge räumliche Bereich des Zentrums des Strahlenbündels einen geringeren Durchmesser als 20 mm besitzt, vorzugsweise 0,2 bis 5 mm. Zur besseren Dosierung der Energie im Zentrum können einzelne Strahlenquellen entsprechend der erforderlichen Energie im engen räumlichen Bereich des Zentrums des Strahlenbündels einzeln zu- oder abschalten werden.

Es ist von Vorteil einzelne Strahlenquellen in dem Strahlengerät zu- oder abzuschalten, da durch die Anzahl der zugeschalteten Strahlenquellen und/oder der Geschwindigkeit der Bewegung des engen räumlichen Bereiches des Zentrums des Strahlenbündels im Gewebe sich die Strahlungsdosis steuern läßt.

Erfindungsgemäß wird nach der Positionierung des Strahlengerätes durch maßliche Fixierung des Nullpunktes am Fixierrahmen und deren Indexierung auf dem 3 Achs-Fahr- und Positioniertisches die Bestrahlung durchgeführt. Entsprechend der ermittelten räumlichen Geometrie und der Kontur des Tumors wird der Fahr- und Positioniertisch mit Hilfe des errechneten Steuerprogrammes, beispielsweise eine NC-Steuerung, in die Ausgangsposition gebracht und das Strahlengerät eingeschaltet.

Das Steuerprogramm positioniert den Fixierrahmen mit dem darin befindliches Lebewesen entsprechend dem Computerprogramm immer so, daß alle Bereiche eines Tumors zeilen- und schichtweise durch den engen räumliche Bereich des Zentrums des Strahlenbündels abgefahren werden. Hierbei kann die Dauer der Bestrahlung der einzelnen zu schädigenden Gewebepartien frei gewählt werden, da durch die geringe Strahlendosis eines einzelnen Strahles eine Schädigung von Gewebe im wesentlichen ausgeschlossen ist.

Vorteilhafterweise erfolgt diese Bestrahlung zeilenweise von einem Rand des Tumors zum anderen und schichtweise, aber auch jede andere Variante ist möglich.

Am Ende oder am Anfang des Bestrahlungsvorgangs oder auch dazwischen kann die Außenkontur des ermittelten Tumors zusätzlich abgefahren werden, damit alle Bereiche des Tumors erfaßt werden.

Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß aufgrund des relativ engen räumlichen Bereiches des Zentrums des Strahlenbündels und aufgrund der Steuerung die Bestrahlung mit einer Genauigkeit von 0,01 bis 0,02 mm vorgenommen werden kann.

Ein weiterer Vorteil ist, daß aufgrund der definierten Lage und der Form des Tumors im Lebewesen in bezug zum Nullpunkt des Fixierrahmens des Fahr- und Positioniertisches sich durch das Steuerprogramm der enge räumliche Bereich des Zentrums des Strahlenbündels auch von dem Tumor umwucherte Gewebepartien, wie empfindliches lymphatisches Gewebe, Knochenmark oder Dünndarmepithel, umfahren werden kann ohne das die Strahlungsquellen abgeschaltet werden müssen.

In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, daß der Positioniertisch nicht gleichzeitig als Fahrtisch ausgebildet ist. Bei dieser Vorrichtung werden das Gerät zur Bestimmung der Lage von Tumoren, beispielsweise eine Kernspin- oder computertomographische Anlage, gegenüber dem dreiachsigen Nullpunkt des Fixierrahmens über den Positioniertisch gefahren. Nach Messung der Daten zur Erstellung der räumlichen Lage des Tumors gegenüber dem Nullpunkt fährt das Gerät zur Seite. Das Bestrahlungsgerät fährt über der Positioniertisch in die Ausgangslage und der Nullpunkt wird indexiert. Nach dem Erreichen der Ausgangslage wird die Bestrahlung entsprechend dem errechneten Steuerprogramm durchgeführt.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist nach der Positionierung des Strahlengerätes es auch möglich, daß Strahlengerät so zu steuern, daß jeder Bereich eines ermittelten Tumors entsprechend dem Fahrprogramm bestrahlt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Bestrahlung durch die Vorrichtung mit dem engen räumlichen Bereich des Zentrums des Strahlenbündels zeilen- und schichtweise, bevorzugt multitaktisch durchgeführt. Es ist aber auch jede andere Art der Bestrahlung möglich.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Vorrichtung als Strahlenmesser benutzt. Entsprechend den berechneten Konturdaten eines Tumors wird ein durch die Vorrichtung erzeugtes energiereiches Zentrum mit sehr kleinen Ausmaßen, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,3 mm, so geführt, daß das geschädigte Gewebe von dem gesunden Gewebe im Inneren eines Lebewesens abgetrennt wird. Nach der Abtrennung kann das lose Gewebe beispielsweise mit einer Sonde abgesaugt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur multitaktischen Bestrahlung näher erläutert werden.

Es zeigen die Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung:

Fig. 1 Längsschnitt durch die Vorrichtung

Fig. 2 Draufsicht auf die Vorrichtung
Die erfinderische Vorrichtung für eine multitaktische Bestrahlung besteht im wesentlichen aus einem 3-Achs-Fahr- und Positioniertisch 8 mit einem Rahmen 2 zur Fixierung des Lebewesens und einem definierten Nullpunkt 3 in den drei Achsen x y z, einem Gerät 4 zur Bestimmung der Lage von Tumoren im Körper eines Lebewesens 1 mit Rechner zur exakten dreidimensionalen Bestimmung der geometrischen Kontur des Gewebes, einschließlich umschlossenes gesundes Gewebe, wie Nerven, lymphatische Gewebe usw. in bezug zum Nullpunkt 3. Nach Aufnahme der Daten erfolgt der Weitertransport des 3-Achs-Transport- und Positioniertisches 2 unter das Strahlengerät 5 in eine Position zur Indexierung des Nullpunktes 3 am Fixierrahmen 2. Durch die Indexierung des Nullpunktes 3 am Fixierrahmen 2 erreicht das Lebewesen 1 eine Ausgangslage, die das Zentrum 6 des Strahlenbündels genau in eine Position bringt, die innerhalb des ermittelten Tumors liegt. Nach Erreichen dieser Position erfolgt die Bestrahlung multitaktisch zeilen- und schichtweise entsprechend den zuvor aufgenommenen Daten und den daraus berechneten Steuerprogramm. Die Steuerung des Fixierrahmens 2 am Fahr- und Positioniertisch 8 erfolgt so, daß das gesunde Gewebe, das vom Tumor umwuchert wurde, umfahren wird.

In dem Strahlengerät sind 400-600 Strahlenquellen mit einer Strahlenleistung von je 0,1 Gray räumlich so angeordnet, daß die energiereichen Strahlen sich in einem engen räumlichen Bereich als Zentrum 6 mit einem Durchmesser von 0,2 bis 5 mm treffen. Die Anordnung der Strahlenquellen auf der inneren Seite des kugelförmigen Segmentes des Strahlengerätes 5 ist gleichmäßig. Die äußeren Strahlen bilden dabei zueinander einen Strahlenkegel mit einem Winkel von 160°, alle anderen Strahlen befinden sich innerhalb dieses Winkels.

Die Anlage, bestehend aus dem Gerät (4) zur Bestimmung der Lage von Tumoren im Körper eines Lebewesens und dem Strahlengerät (5), sowie dem Transportsystem (7) für den Fixierrahmen (2) und kann auch als Transfersystem mit Quer- und Rücktransport ausgebildet werden. Dies hätte den Vorteil, daß eine größere Anzahl von Lebewesen behandelt werden kann, da während der Bestrahlung eines Lebewesens bei einem anderen Lebewesen bereits die Lage und Geometrie eines Tumors bestimmt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Lebewesen

2

Fixierrahmen

3

Nullpunkt

4

Gerät zur Messung der Lage von Tumoren

5

Strahlengerät

6

Zentrum des Strahlenbündels

7

Transportsystem

8

Fahr- und Positioniertisch

Claims

1. Vorrichtung mit einem Fahr- und Positioniertisch (8) mit Fixierrahmen (2) und Nullpunkt (3), einem Gerät (4) zur Bestimmung der Lage von Tumoren im Körper eines Lebewesens (1) mit Rechner und mit einem Strahlengerät (5) zur Bestrahlung von Tumoren im Körper eines Lebewesens durch mehrere einzelne Strahlen, die für sich für das umliegende Gewebe im wesentlichen unschädlich sind und sich in einem engen räumlichen Bereich als Zentrum (6) treffen, das den Tumor schädigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (6) des Strahlenbündels, das kleiner als der Tumor ist mittels Steuerung des Fahr- und Positioniertisches (8) alle Bereiche des Tumors räumlich schädigt, ohne die Tumoraußengrenzen zu überschreiten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 20 Strahlen, vorzugsweise mindestens 400-600 Strahlen sich im Zentrum (6) treffen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (6) der sich treffenden Strahlen kugelförmig ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (6) der zusammentreffenden Strahlen einen geringeren Durchmesser als 20 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 5,0 mm aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tumor dreidimensional abgefahren wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tumor bevorzugt zeilen- und schichtweise abgefahren wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkonturen des Tumors zusätzlich abgefahren werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Energiestrahl eine Strahlendosis von nicht mehr als 2 Gray, vorzugsweise unter 1 Gray aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlengerät (5) ein kugelförmiges Segment mit mehreren einzelnen Strahlenquellen aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Strahlenquellen auf der Innenseite des kugelförmigen Segments peripher und räumlich, bevorzugt bis zu einem Winkel von 160° zueinander angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel aus den einzelnen Strahlenquellen zusammen einen Strahlenkegel bildet, deren Winkel maximal 160° beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen einzeln zu- oder abschaltbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen einzeln fokussierbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer- und Fahrprogramm sich aus den Daten der Lage des Tumors gegenüber dem Nullpunkt (3) berechnet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Fahr- und Positioniertisches (8) über einen maßlich definierten Nullpunkt (3) erfolgt.