DE19731307C1 - Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern bzw. Röntgenkapillaroptiken und ist anwendbar für medizinische Zwecke, insbesondere zur Behandlung von erkranktem Gewebe.

Röntgenstrahlen werden für die medizinische Therapie und Diagnostik seit Jahrzehnten mit großem Erfolg angewendet. Die gegenwärtige internationale Forschung und technische Entwicklung ist darauf ausgerichtet, verbesserte Methoden, höhere Auflösung, Bildauswertung, dreidimensionale Bilddarstellung und Verringerung der Strahlenbelastung zu erreichen.

Insbesondere in der Röntgen-Therapie bereitet bei der Bestrahlung von bösartigem Gewebe der Umstand Probleme, daß dabei in erheblichem Umfang auch gesundes Gewebe in Mitleidenschaft gezogen wird.

Aufgabe der Strahlentherapie ist die möglichst vollständige Zerstörung des Tumorgewebes bei möglichst geringer Schädigung des umliegenden gesunden Gewebes. Das bedeutet, daß die zur Zerstörung erforderliche Strahlendosis im Bereich des Tumors konzentriert werden sollte. Da Tumoren sowohl an der Körperoberfläche als auch an nahezu jeder Stelle im Körperinneren vorkommen, ist eine Vielzahl von Bestrahlungsarten und -techniken entwickelt worden, wobei die Bestrahlung tiefliegender Körperregionen i. a. nur durch die Anwendung entsprechend harter Strahlung möglich ist. Dabei ist dann eine Strahlenbelastung des dazwischenliegenden Gewebes unvermeidlich.

Die Wahl der Strahlungsart und -energie sowie die Ausdehnung des Strahlenfeldes werden durch die Lage (Tiefe) und die Größe des Tumors bestimmt, wobei die Eindringtiefe anhand der Gewebe-Halbwertstiefe (GHWT) und der 10 cm-%-Dosis abgeschätzt werden kann.

Neben der Auswahl der geeigneten Strahlungsart und -energie werden - insbesondere bei Photonenstrahlen - folgende Techniken angewandt, um dem Ziel "maximale Tumorvernichtung bei minimaler Schädigung des gesunden Gewebes" näherzukommen.

• - Filterung zur Strahlungshärtung
• - geeignete Blenden und Kollimatoren
• - Variation des Fokus-Haut-Abstandes
• - Durchstrahlung aus verschiedenen Richtungen (Bewegung der Quelle um den Patienten).

Eine Sonderform stellt die afterloading-Technik dar. Hierbei werden die leeren Quellenträger im Körper des Patienten angebracht, und die Quellen werden dann computergesteuert über spezielle Führungsschläuche eingefahren. Hiermit kann zunächst optimaler Strahlenschutz für das Bedienungspersonal wie auch für den Patienten gewährleistet werden. Weiterhin können die Quellen während der Bestrahlung im Applikator um kleine Distanzen bewegt werden, wodurch sich ganz bestimmte, der Tumorform angepaßte Dosisleistungsverteilungen (Isodosen) erreichen lassen. Dem gleichen Zweck dient auch die Einbringung mehrerer z. B. kugelförmiger Quellen in einen röhrenförmigen Applikator.

Bei einer aus der US 5 566 221 bekannten Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe wird ein Elektronenstrahl durch einen in den Körper eingeführten Katheter geleitet und trifft auf ein im Katheter angeordnetes Target, um dort in unmittelbarer Nähe des zu bestrahlenden Gewebes Röntgenstrahlung zu erzeugen.

Die Verwendung von Röntgenkapillaroptiken in der Medizin ist ebenfalls bereits bekannt.

So beschreibt die Gattungsbildende DE 44 11 330 A1 zur Behandlung von Tumoren eine Röntgenquelle mit einem optischen System.

Dabei wird die Röntgenquelle mit einer aus einzelnen Röntgenlichtleitern gebildeten Linse oder Halblinse auf einer kugelförmigen Oberfläche so bewegt, daß sich der Tumor immer im Brennpunkt des Strahls befindet und die gesunden Zellen nur eine Minimaldosis erhalten. Weiterhin wird in der DE 44 08 057 A1 die Verwendung eines zwischen Röntgenstrahlenquelle und Meßobjekt angeordneten Optikelementes beschrieben, welches aus einer Vielzahl sehr dünner, hohler Kapillaren aus beispielsweise Glas und/oder Keramik und/oder Metall und/oder Polymeren und/oder Polymergemischen und/oder Kompositen mit Polymerer Matrix besteht und zur Durchstrahlung des zu untersuchenden Objektes unter gleichzeitiger Rotation von Strahlenquelle, Optikelement und Empfänger als konstruktive Einheit, um das zu untersuchende Objekt sowie Verschiebung der gesamten konstruktiven Einheit in der Längsachse und damit Realisierung eines Tomographen dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe zu schaffen, welche es ermöglicht, sicher und mit einfachen Mitteln die Strahlung direkt an dem erkranktem Gewebe zur Wirkung zu bringen bei nur minimalen invasiven Eingriffen bzw. durch natürliche Körperöffnungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, mit röntgenoptischen Systemen in Koppelung mit endoskopischen Geräten die Strahlung direkt vor Ort zur Wirkung zu bringen, indem im Einführungsteil eines Endoskops mindestens ein Röntgenlichtleiter angeordnet ist, welcher an seinem Eingang mit einer Röntgenstrahlenquelle verbunden ist.

Erfindungsgemäß werden als Röntgenlichtleiter ausgebildete Glaskapillaroptiken verwendet, um mit relativ geringen Intensitätsverlusten die von einer Röntgenquelle erzeugte Strahlung in das Zielgebiet ohne Beeinträchtigung gesunden Gewebes zu führen. Das dabei angewendete physikalische Prinzip ist die Totalreflexion von Röntgenphotonen an glatten Oberflächen. Da der Therapieerfolg von der Photonen- Energie der Strahlung abhängt, ist es wichtig, die Oberflächen, z. B. die Innenwände von Glaskapillaren, mit schweren Metallen zu beschichten, um einen größeren Winkel der Totalreflexion zu erhalten. Unter Nutzung der bewährten Technik starrer Endoskope in der Medizin kann im Inneren eines solchen Endoskops ein Röntgenlichtleiter positioniert werden. Die eigentliche Röntgenquelle ist vollständig abgeschirmt außerhalb des Körpers angebracht. Zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit des Röntgenlichtleiter-Ausgangs gegenüber dem zu bestrahlenden Gewebe kann, wie dies bei der minimalinvasiven Chirurgie üblich ist, eine Lichtquelle mit einer Mikro-CCD-Kamera verwendet werden. Zur Sensibilisierung des Tumorgewebes wird auf gesondertem Wege oder durch die Kapillaren Sauerstoff in das Zellgewebe eingeleitet. Eine zusätzliche gezielte thermische Erwärmung des Gewebes über ein infrarotleitendes Glasfaserkabel steigert den Therapieeffekt.

Eine weitere Minimierung der Röntgendosis ist durch die Maßnahme möglich, in die Tumorzellen chemische Verbindungen einzulagern, die den Therapieeffekt verstärken.

Durch die Wahl der Kapillardurchmesser und des Abstandes des Kapillarausgangs zum zu bestrahlenden Gewebe können Bereiche vom Bruchteil einiger mm³ bis zu mehreren cm³ bestrahlt werden. Falls es erforderlich ist, ein größeres Volumen zu treffen, kann am Ausgang mit einem geeignet geformten Streukörper gearbeitet werden.

Bezüglich der Röntgenlichtleiter selbst werden Monokapillaren mit ≦ 1 mm und gerade Polykapillaren mit 5 ..... 10 mm verwendete. Mit Kapillaren aus Borsilikat sind Röntgenstrahlen der Energie 5 ..... 30 KeV, mit solchen aus z. B. Bleiglas bzw. mit schweratomiger Innenbeschichtung etwa bis 80 KeV übertragbar. Die Länge der eingesetzten Röntgenlichtleiter beträgt etwa 100 bis 300 mm, die Transmission von Polykapillaren 10 ..... 30%. Infolge des Wirkprinzips der äußeren Totalreflexion sind die Röntgenlichtleiter im wesentlichen gerade und starr, der Strahlungsaustritt ist axial.

Röntgenlichtleiter sind für Anwendungen der Kurzdistanz- und Kontaktherapie geeignet, die Strahlungseinwirkung kann vorrangig intracavitär bzw. intraoperativ, aber auch percutan (für oberflächliche Tumoren) erfolgen. Zu interstitiellen Therapie besteht ebenfalls eine Beziehung, da auch damit eng umgrenzte Tumoren behandelt werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Prinzipdarstellung des mit einer Strahlenquelle gekoppelten Endoskops

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des Einführungsteiles mit Röntgenlichtleiter und weiteren Kanälen

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist die Strahlenquelle 1 direkt mit dem Einführungsteil 2 eines Endoskops gekoppelt. In dem Einführungsteil 2 ist mindestens ein Röntgenlichtleiter 3 angeordnet, welcher mit seinem Eingang mit der Strahlenquelle 1 verbunden ist derart, daß zumindest ein Teil der von der Strahlenquelle 1 erzeugte Strahlung in den Röntgenlichtleiter eingekoppelt wird.

Der Ausgang des Röntgenlichtleiters befindet sich am Einstichbereich des Einführungsteils 2. Der bzw. die Röntgenlichtleiter 3 kann/können aus Monokapillaren oder Polykapillaren bestehen und im Instrumentenkanal und/oder neben dem Instrumentenkanal des Einführungsteils 2 angeordnet sein. Die Strahlenquelle 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Hochleistungsröntgenröhre im kW-Bereich, vorzugsweise mit schweratomigem Anodenmaterial (W, Au). In Verbindung mit Monokapillaren bzw. schmalen Polykapillaren sind Feinstrukturröhren mit Normalfokus günstig, auch Industrie- bzw. medizinische Röntgenröhren (mit Drehanode) sind anwendbar. Für breitere Bündel mit geraden Polykapillaren sind Spektroskopieröhren mit großem Brennfleck geeignet. Um eine hohe Transmission zu erreichen, sind hier Einzelkapillaren mit Innendurchmesser von einigen 0,1 mm zweckmäßig.

Die am Ausgang des Röntgenlichtleiters 3 verfügbare Energiedosisleistung liegt in der Größenordnung von wenigstens 30 .... 60 Gy/h, damit bei fraktionierter Bestrahlung z. B. Tagesdosen von 2 Gy mit Bestrahlungszeiten in der Größenordnung von Minuten erreichbar sind. Da sich bei endoskopischen Eingriffen der Patient in der Regel bei Bewußtsein befindet, ist eine längere Ruhigstellung kaum möglich.

Aus Gründen der Strahlengeometrie und des Strahlenschutzes sind Strahlenquelle 1 und Endoskop starr und strahlendicht miteinander verbunden. Die Einheit Röntgenröhre und Endoskop ist in einem Manipulator 6 gehaltert, der eine exakte Positionierung ermöglicht, damit bei fraktionierter Bestrahlung immer wieder die gleiche Stelle getroffen wird, unter gleichzeitiger optischer Kontrolle.

Diese optische Kontrolle kann, wie auch in Fig. 2 zu ersehen ist, durch weitere im Einführungsteil 2 angeordnete Lichtleiter 4 im Zusammenwirken mit Lichtsendern und Lichtempfängern und/oder CCD- Bildaufnahmebauelemente erfolgen.

Um eine hohe Effektivität bei der Bestrahlung zu erreichen, ist es zweckmäßig, zusätzlich zu der Bestrahlung dem Gewebe Sauerstoff und/oder Wärme und/oder spezielle sensibilisierende chemische Verbindungen zuzuführen. Hierzu weist das Einführungsteil 2 mindestens eine Leitung zur Sauerstoff-Zuführung und mindestens einen Infrarotleiter (5) auf. Die Leitung zur Sauerstoffzuführung können durch die Hohlräume der Kapillaren der Röntgenlichtleiter 3 gebildet werden.

Durch die relativ geringe Masse und Abmessungen der Röntgeneinrichtung mit Endoskop werden interessante Anwendungen während der Operation (intraoperativ) ermöglicht. Die gesamte Röntgeneinrichtung ist dazu fahrbar und der bedienende Radiologe kann mit im OP arbeiten.

Da die Strahlenaustrittsfläche des Röntgenlichtleiters 3 ebenso wie das Objektiv mit Körperflüssigkeit in Berührung kommt, ist das Endoskop spülbar ausgebildet (Spülschaft, gleichzeitig zum Absaugen von Körperflüssigkeit). Das Endoskop bzw. der Trokar mit Röntgenlichtleiter ist außerdem sterilisierbar.

Für den Einsatz in der strahlenbiologischen und zellbiologischen Forschung (s. u.) ist der Röntgenlichtleiter mit einem Mikroskop gekoppelt.

Nachfolgend sollen noch einige spezielle Anwendungsbeispiele aufgezeigt werden.

Mit den mit Röntgenlichtleitern erreichbaren Röntgenenergien werden mit 20 ..... 30 keV oberflächliche Tumoren mit ≦ 1 mm Dicke bestrahlt, mit 50 ..... 80 keV etwa bis zu 10 mm Dicke.

Die zur Tumorvernichtung erforderliche Tagesdosis beträgt für einen Tumor von 10 mm bei einer Fraktionierung von 2 Gy/Tag, 5 Bestrahlungen/Woche etwa 60 .... 68 Gy. Dabei muß zur sicheren Erzielung einer biologischen Wirkung die Dosisleistung ≧ 1 gy/min betragen, die entsprechende Isodosenkurve muß den Tumor einschließen.

In den Körperregionen Haut, Kopf- und Halsbereich, Speiseröhre, männliche und weibliche Geschlechtsorgane, harnableitendes System erscheint eine Strahlentherapie erfolgversprechend.

Mit Röntgenlichtleitern 3 sind kleinere Tumoren von 5- 10 mm in den o. g. Körperregionen, die mit einem geraden, starren Endoskop bei axialer Ausstrahlung zugänglich sind, therapierbar. Einen weiteren Anknüpfungspunkt bilden Tumore, die normalerweise interstitiell (mit radioaktiven Isotopen) behandelt werden, bei denen aber die Afterloadingtechnik wegen nicht möglicher Fixierung der Führungsschläuche nicht angewandt werden kann. Ein Beispiel hierfür sind Karzionome der Nasennebenhöhlen nach der OP, weiterhin Bestrahlungen im Rahmen der Neurochirurgie während des Eingriffs. Möglich ist die Anwendung der Röntgenlichtleiter bei Tumoren am Auge, in der Speiseröhre, im gynäkologischen und im Rektalbereich. Als besonders interessant erscheint die Möglichkeit, Bestrahlungen intraoperativ, in die offene Operationswunde durchzuführen.

Andersartige und gegebenenfalls sehr interessante weitere Anwendungsmöglichkeiten für die Röntgenlichtleiter 3 ergeben sich in der strahlenbiologischen und zellbiologischen Forschung. Mit einer Mono- oder Polykapillare von z. B. 1 mm kann ein scharf umgrenzter Bereich einer Zellkultur bzw. eines Gewebes bestrahlt werden, und die Reaktionen im bestrahlten und benachbarten Bereich während und nach der Bestrahlung können untersucht werden (unter dem Mikroskop). Mit konischen Kapillaren, die ein konzentriertes Bündel mit Durchmesser im µm-Bereich erzeugen, könnten Bestandteile einer Zelle bestrahlt und die Wirkungen untersucht werden. Voraussetzung ist hier, daß die für die biologischen Wirkungen erforderliche Dosis erreicht werden kann.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern, dadurch gekennzeichnet, daß im Einführungsteil (2) eines Endoskops mindestens ein Röntgenlichtleiter (3) angeordnet ist, welcher an seinem Eingang mit einer Röntgenstrahlenquelle (1) verbunden ist.

2. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenlichtleiter im Instrumentenkanal und/oder neben dem Instrumentenkanal angeordnet sind.

3. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenlichtleiter (3) aus Monokapillaren und/oder Polykapillaren bestehen.

4. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einführungsteil zusätzlich zu dem Röntgenlichtleiter (3) weitere Lichtleiter (4) und/oder CCD-Bildaufnahmeelemente und/oder mindestens ein Infrarotleiter (5) angeordnet sind.

5. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (4) mit Lichtquellen und Lichtempfängern verbunden sind.

6. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einführungsteil (2) Leitungen zur Sauerstoff-Zuführung angeordnet sind.

7. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen zur Sauerstoff-Zufuhr durch die Kapillaren der Röntgenlichtleiter oder andere Rohrsysteme gebildet werden.

8. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Endoskop und die Röntgenstrahlenquelle (1) in einem Manipulator (6) angeordnet und gehaltert sind.

9. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren aus Borsilikatglas und/oder Bleiglas mit schweratomiger Innenbeschichtung bestehen.

10. Vorrichtung zur Bestrahlung von Gewebe unter Verwendung von Röntgenlichtleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlenquelle (1) eine Hochleistungsröntgenröhre ist.