DE19922656A1 - Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie, Kollimator und Steuerungsprogramm - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine konforme Strahlentherapie mit einer Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (2) und einer Scannvorrichtung (3) zum Scannen des Elektronenstrahls (2, 2'), einem Target (4) zur Umwandlung des gescannten Elektronen- in einen "gescannten" Photonenstrahl (5) sowie einem Kollimator (6). DOLLAR A Durch die Erfindung sollen beliebig ausgestaltete Bereiche auf einfache Weise schnell und mit ausreichender Genauigkeit mit der durch den Behandlungsplan vorgegebenen Bestrahlung beaufschlagt werden können. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, daß der Kollimator (6) derart ausgebildet ist, daß er mindestens eine Öffnung (7, 7', 7'', 7''') aufweist, welche der Begrenzung des "gescannten" Photonenstrahls (5) für die Erzeugung eines derart kleinen Bestrahlungspunktes (8) dient, daß durch das Scannen das zu bestrahlende Objekt (9) bezüglich seiner zu bestrahlenden Bereiche (10) mit ausreichender Genauigkeit bestrahlbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechend ausgebildeten Kollimator sowie ein Steuerungsprogramm.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und einer Scannvorrichtung zum Scannen des Elektronenstrahls, einem Target zur Umwandlung des gescannten Elektronen- in einen "gescannten" Photonenstrahl sowie einem Kollimator. Die Erfin­ dung betrifft weiterhin einen Kollimator für eine derartige Vorrichtung sowie ein Steue­ rungsprogramm zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung.

Vorrichtungen für die konforme Strahlentherapie dienen dazu, eine Bestrahlung derart vorzunehmen, daß krankes Gewebe wie ein Krebstumor möglichst stark und das umlie­ gende Gewebe möglichst wenig mit Strahlung beaufschlagt wird. Zunächst wurden individuelle Kollimatoren gefertigt, um für jedes zu behandelnde Objekt und jede Einstrahlrichtung die zu bestrahlenden Bereiche unter Abdeckung und daher Schonung der umliegenden Bereiche mit Strahlung zu beaufschlagen. Danach wurden Multileaf­ kollimatoren mit einer Vielzahl verstellbarer Lamellen (Leafs) eingesetzt, die mit der Strahlungsquelle den Patienten umkreisen, um einen Tumor aus verschiedenen Einstrahlrichtungen unter ständiger computergesteuerter Nachbildung der Tumorform zu bestrahlen. Neben der aufwendigen Mechanik besteht ein Nachteil dieser Methode darin, daß sich nicht alle äußeren Begrenzungen nachbilden lassen und eine Modulation der Intensität der Bestrahlung innerhalb des zu bestrahlenden Bereichs nur bedingt dadurch möglich ist, daß Leafs zeitweise in den Strahlengang gefahren werden. Dadurch lassen sich jedoch nicht beliebige Strukturen von intensiv, weniger intensiv oder gar nicht zu bestrahlenden Bereichen ausbilden. Bedingt durch die Leafanordnung sind Aufteilungen der Fläche nur bedingt und die Aussparung von kanalartigen, inselartigen oder ähnlichen Bereichen oft nicht möglich. Gerade dies ist jedoch oft eine wichtige Anforderung, insbesondere, wenn sich Tumore um zu schützende Organe, wie beispielsweise um das Rückenmark herum gebildet haben.

Aus diesem Grund wurde von Svensson, Lind und Brahme in der Veröffentlichung "Beam characteristics and clinical possibilties of an new compact treatment unit design combining narrow pencil beam scanning and segmental multileafcollimation" (Med. Phys.25 (12), Dezember 1998, Seite 2358f.) vorgeschlagen, einen Kollimator der beschriebenen Art, beispielsweise einen Multileafkollimator, mit einer Einrichtung zu kombinieren, die innerhalb der Umgrenzung durch den Kollimator Bereiche aussparen oder mit einer verminderten Intensität bestrahlen kann. Zu diesem Zweck wird durch Scannen ein Bestrahlungspunkt über den zu bestrahlenden Bereich bewegt, wobei Bereiche ausgespart oder kurzzeitiger und damit weniger intensiv bestrahlt werden kön­ nen. Da sich der der Bestrahlung dienende Photonenstrahl nicht durch magnetische Kräfte beeinflussen und somit nicht scannen läßt, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, mit Hilfe von Magneten gescannt und dann mittels eines Targets in einen - in indirekter Weise - "gescannten" Photonenstrahl umgewandelt, mit dem dann die Bestrahlung erfolgt. Da der auf diese Weise erzeugte und über den zu bestrahlenden Bereich geführte Bestrahlungspunkt relativ groß ist und keine exakten Begrenzungen aufweist, kann durch das Scannen die jeweils zu bestrahlende Fläche nicht mit hinreichender Genauig­ keit nachgebildet werden. Aus diesem Grund wird auch zusätzlich der Kollimator zur äußeren Begrenzung des zu bestrahlenden Bereichs eingesetzt. Dies bedingt jedoch, daß die begrenzten Möglichkeiten der Nachbildung von Formen durch Multileafkollimato­ ren auch hier Grenzen setzen, wenn auch nur bezüglich der genauen äußeren Umrisse. Andererseits sind Aussparungen oder unterschiedliche Bestrahlungsintensitätsvertei­ lungen innerhalb des zu bestrahlenden Bereichs mit der Ungenauigkeit durch die relativ großen Bestrahlungspunkte mit ihren unexakten Begrenzungen behaftet. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht in dem nach wie vor bestehenden hohen mechanischen Aufwand für die Betätigung der Leafs des Multileafkollimators und der damit verbun­ denen Trägheit der Einstellungsänderungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, mit der beliebig ausgestaltete Bereiche auf einfache Weise, schnell und mit ausreichender Genauigkeit mit der durch den Behandlungsplan vorgegebenen Bestrahlung beaufschlagt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kollimator derart ausgebil­ det ist, daß er mindestens eine Öffnung aufweist, welche der Begrenzung des "gescann­ ten" Photonenstrahls für die Erzeugung eines derart kleinen Bestrahlungspunktes dient, daß durch das Scannen das zu bestrahlende Objekt bezüglich seiner zu bestrahlenden Bereiche mit ausreichender Genauigkeit bestrahlbar ist.

Der Lösung der Aufgabe dient auch ein Kollimator für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, der für die Anfügung an die Vorrichtung ausgebildet ist und mindestens eine Öffnung aufweist, welche der Begrenzung des gescannten Photonenstrahls für die Erzeugung eines derart kleinen Bestrahlungspunktes dient, daß durch das Scannen das zu bestrahlende Objekt bezüglich seiner zu bestrahlenden Bereiche mit ausreichender Genauigkeit bestrahlbar ist.

Weiterhin dient der Lösung der Aufgabe ein Steuerungsprogramm für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, das derart ausgebildet ist, daß der Elektronenstrahl derart gescannt wird, daß er nach der Umwandlung in einen Photonenstraht durch die minde­ stens eine Öffnung eines Kollimators einen derart kleinen Bestrahlungspunkt bildet, daß durch derartige Bestrahlungspunkte der zu bestrahlende Bereich eines Objekts mit aus­ reichender Genauigkeit bestrahlt werden kann, wobei durch das Steuerungsprogramm der Photonenstrahl mit der mindestens einen Öffnung in derartige Positionen relativ zueinander bringbar ist, daß dadurch der zu bestrahlende Bereich mit Bestrahlungs­ punkten bedeckbar ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine bessere Nachbildung der Tumorform bezüglich der äußeren Begrenzung möglich ist, da keine Beschränkung der möglichen Formen gegeben ist, wie dies bei der Nachbildung von Tumoren durch die Leafs von Multileafkollimatoren der Fall ist. Innerhalb der äußeren Begrenzung ist es möglich, einzelne exakt begrenzte Bereiche, auch mit komplizierten Formen auszusparen oder mit einer geringeren Strahlendosis zu beaufschlagen. Dies ist besonders wichtig, wenn sich ein Tumor in unmittelbarer Nähe eines zu schonenden Organs wie des Rücken­ marks befindet oder gar um dieses Organ herumgewachsen ist. Weiterhin kann der mechanische Aufwand - je nach Ausführungsform - erheblich verringert oder ganz darauf verzichtet werden. Dadurch werden sowohl die Kosten als auch Störanfälligkeit und Verschleiß verringert, bei Ausführungsformen ohne Mechanik tritt praktisch kein Verschleiß mehr auf. Da die Scannvorrichtung wesentlich schneller arbeitet als die Leafverstellung des Multileafkollimators erfolgt die Einstellung wesentlich schneller. Dadurch brauchen keine mechanischen Stellzeiten mehr berücksichtigt werden und es ist bei einer Bestrahlung eines Patienten, bei der dieser von der in einer Gantry gelager­ ten Strahlungsquelle umrundet wird, eine wesentlich exaktere laufende Nachstellung der zu bestrahlenden Form und Intensität möglich. Außerdem kann der Halbschatten verrin­ gert, die laterale Auflösung der Feldmodulation erheblich verbessert und die Leckstrah­ lung wesentlich verringert werden.

Je nach den Gegebenheiten und der mechanischen Ausführungsform sind verschiedene Arbeitsweisen der Vorrichtung möglich. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Scannvorrichtung derart betrieben wird und der Kollimator derart ausgebildet ist, daß der Bestrahlungspunkt kontinuierlich über die zu bestrahlenden Bereiche wandert. Es ist jedoch auch möglich, daß die Scannvorrichtung derart betrieben wird und der Kollimator derart ausgebildet ist, daß der Bestrahlungspunkt schrittweise über die zu bestrahlenden Bereiche wandert und an festgelegten aneinandergereihten Bestrahlungs­ punkten die Bestrahlung erfolgt, also nach einer Arbeitsweise, die als "step-and-shoot" bezeichnet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht nicht nur die exakte Bestrahlung bestimmter Bereiche, sie ermöglicht ebenso eine unterschiedliche Bestrahlungsintensität innerhalb der bestrahlten Bereiche und dies ebenfalls mit der bereits erwähnten Exakt­ heit und Schnelligkeit. Zu diesem Zweck wird eine Steuerung vorgesehen, die derart eingerichtet ist, daß sie eine Modulation der Bestrahlungsintensität innerhalb der zu bestrahlenden Bereiche vornimmt. Dies kann durch eine Einstellung der Intensität des Strahls erfolgen oder vorzugsweise dadurch, daß eine Modulation der Bestrahlungszeit erfolgt, entweder indem Bereiche kürzer und länger oder einfach und mehrfach bestrahlt werden.

Auch für die Arbeitsweise der Scannvorrichtung gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann vorgesehen sein, daß die Scannvorrichtung derart ausgebildet ist, daß sie den Elektronenstrahl und damit auch den Photonenstrahl bezüglich seines Winkels zur Zentralachse auslenkt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Scannvorrichtung derart ausgebildet ist, daß sie den Elektronenstrahl und damit den Photonenstrahl paral­ lel zur Zentralachse verschiebt. Die Scannvorrichtung kann mit mindestens einem Dipol oder mit mindestens einem Vierpol ausgestattet sein. Dabei wird für jede Scannrichtung ein Dipol benötigt. Eine parallele Verschiebung des Strahls kann zum Beispiel mit vier Dipolen realisiert werden, da in diesem Fall für jede Scannrichtung zwei Dipole erfor­ derlich sind. Die Wahl der Arbeitsweise der Scannvorrichtung ist dabei auf die Ausge­ staltung und Arbeitsweise des jeweils vorgesehenen Kollimators abgestimmt.

Für die Ausgestaltung des Kollimators gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. So kann ein Kollimator mit einer röhrenförmigen Öffnung vorgesehen sein, die dem gescannten Strahl folgt. Die weitere Ausgestaltung richtet sich nach der Arbeitsweise der Scannvor­ richtung. Lenkt diese den Elektronenstrahl und damit den Photonenstrahl bezüglich seines Winkels zur Zentralachse aus, so ist es zweckmäßig, wenn die röhrenförmige Öffnung im wesentlichen parallel zum gescannten Strahl ausgerichtet wird. Dadurch wird ein Halbschatten vermieden. Diese Maßnahme ist jedoch nicht erforderlich, wenn der Elektronenstrahl und damit der Photonenstrahl parallel zur Zentralachse verschoben wird.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Kollimator verschiebbar mit mehreren röhrenförmigen Öffnungen ausgebildet ist, derart, daß sich mittels der möglichen Posi­ tionen der Öffnungen sowie der Ausrichtungen des gescannten Strahls der zu bestrah­ lende Bereich durch Bestrahlungspunkte abdecken läßt. Dabei kann der Kollimator rasterförmig angeordnete Öffnungen aufweisen, wobei jede Öffnung innerhalb des Verschiebungsbereichs des Kollimators für die Abbildung weniger benachbarter Bestrahlungspunkte vorgesehen ist. Ein solcher Kollimator ist insbesondere für eine Scannvorrichtung, die mit einer parallelen Auslenkung des Strahls arbeitet, geeignet, da sich die röhrenförmigen Öffnungen je nach ihrer Anordnung auf dem Kollimator in Richtung des gescannten Strahls liegend ausbilden lassen. Ein weiterer großer Vorteil dieses Kollimators besteht darin, daß der mechanische Aufwand auf ein Minimum redu­ ziert wird. Ein solcher Kollimator eignet sich besonders gut dazu, als Zusatzgerät in ein Bestrahlungsgerät eingesetzt zu werden, dessen Scannvorrichtung mit einer parallelen Auslenkung des Strahls arbeitet. In diesem Fall muß lediglich entsprechend der Bemes­ sung des Kollimators eine Einrichtung der Abstände zwischen Strahlungsquelle, Kolli­ mator und dem zu bestrahlenden Bereich erfolgen und ein entsprechendes Steuerungs­ programm eingegeben werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht einen feststehenden Kollimator mit mehreren röhrenförmigen Öffnungen vor. Für den Einsatz eines solchen Kollimators müssen die Abstände zwischen Target, Kollimator und Objekt sowie die Anordnung und Öffnungsweiten der Öffnungen derart bemessen und aufeinander abgestimmt sein, daß der gescannte Photonenstrahl die zu bestrahlenden Bereiche geschlossen mit Bestrahlungspunkten bedecken kann. Die Erzielung dieses Ergebnisses wird noch anhand einer Figur erläutert. Auch dieser Kollimator läßt sich nachträglich in ein Bestrahlungsgerät einsetzen, wobei auch hier die genannten Abstände entsprechend dem Kollimator eingerichtet und ein entsprechendes Steuerungsprogramm geladen werden muß.

Die Öffnungen in dem verschiebbaren oder dem feststehenden Kollimator lassen sich auf verschiedene Weise anordnen. Es kann vorgesehen sein, daß die Öffnungen in einem Raster angeordnet sind, wobei verschiedene Raster möglich sind. So kann das Raster Reihen aufweisen, welche abwechselnd um einen halben Abstand der Öffnungs­ mittelpunkte gegeneinander versetzt sind. Dabei können die Öffnungen eine runde Form aufweisen oder, um ein exakteres Angrenzen der Bestrahlungspunkte zu erreichen, die Form regelmäßiger Sechsecke. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Öffnungen in einem regelmäßigen orthogonalen Raster angeordnet sind. Dann ist es für ein exaktes Aneinandergrenzen der Bestrahlungspunkte zweckmäßig, wenn die Öffnun­ gen eine viereckige Form aufweisen. Selbstverständlich sind jedoch auch noch andere Ausgestaltungsmöglichkeiten denkbar. Die Wände der röhrenförmigen Öffnungen kön­ nen gerade verlaufen oder parallel zum Photonenstrahl ausgerichtet sein, also der Diver­ genz des Photonenstrahls folgen. Dadurch wird vermieden, daß der Photonenstrahl nur einen Teil des Kollimatormaterials durchdringen muß und dadurch ein Halbschatten entsteht. Dies ist auch beim verschiebbaren Kollimator annähernd dadurch möglich, daß nur ein kleiner Verschiebebereich gewählt wird.

Zur Umwandlung des Elektronenstrahls in einen Photonenstrahl dient ein Target, auch Bremsstrahlungstarget genannt. Dabei muß gewährleistet sein, daß in dem Photonen­ strahl, der zur Behandlung dient, keine Elektronen mitgeführt werden. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, daß das Target derart beschaffen ist, daß es keine Elektronen mehr hindurchläßt. Dazu ist insbesondere eine gewisse Dicke des Targetmaterials erfor­ derlich. Eine andere Lösung besteht darin, daß das Target mit einer elektronenabsorbie­ renden Schicht ausgestattet ist. Dies kann eine Kohlenstoffschicht sein.

Es besteht jedoch noch eine weitere Möglichkeit, durch das Target hindurchgetretene Elektronen aus dem Photonenstrahl zu entfernen. Zu diesem Zweck wird zwischen dem Target und dem Kollimator ein Reinigungsmagnet zur Entfernung der Elektronen aus dem Photonenstrahl angeordnet. Dies ist möglich, weil die Elektronen auf ein Magnet­ feld reagieren, jedoch nicht die Photonen. Das Magnetfeld dieses Reinigungsmagneten lenkt die Elektronen aus dem Strahlengang ab und lenkt sie zweckmäßigerweise in eine elektronenabsorbierende Vorrichtung.

Wie oben bereits beschrieben, kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch durch die Anfügung eines Kollimators an eine bestehende Bestrahlungsvorrichtung gelöst werden. Ein solcher Kollimator ist wie oben beschrieben ausgestaltet. Dies resul­ tiert daraus, daß der Kollimator der erfindungswesentliche Gegenstand ist und die eingangs genannte Vorrichtung lediglich in der bereits beschriebenen Art angepaßt werden muß. Unter dieser Voraussetzung ist ein erfindungsgemäßer Kollimator geeignet in den Zubehörhalter einer bekannten Vorrichtung eingesetzt zu werden. Ein derartiger Kollimator kann eine röhrenförmige Öffnung oder rasterförmig angeordnete röhrenför­ mige Öffnungen aufweisen. Im letzteren Fall kann er entweder derart ausgebildet sein, daß er in mindestens zwei Positionen verschiebbar ist oder er kann mit fest positionier­ ten Öffnungen fest anordenbar ausgebildet sein. Die Abstimmung der Abstände zwischen Target, Kollimator und zu bestrahlendem Objekt auf die Öffnungsweiten und die Abstände der Öffnungen des Kollimators ist eine Frage der Ausgestaltung von Kollimatoren für bestimmte Geräte und eine Frage der Einstellung und Positionierung des Kollimators am Gerät. Selbstverständlich läßt sich ein derartiger Kollimator als Zubehörteil für eine bestehende Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie mit all den Merkmalen ausbilden, die bereits oben zur Vorrichtung beschrieben wurden. Für den Betrieb einer solchen Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie mit dem erfin­ dungsgemäßen Kollimator ist dann lediglich noch ein Steuerprogramm erforderlich, auf das oben ebenfalls hingewiesen wurde. Dieses Steuerprogramm sorgt für ein derartiges Scannen des Strahls, daß mit Hilfe des Kollimators die erforderlichen Bestrahlungs­ punkte gebildet werden. Durch das Steuerprogramm läßt sich nicht nur der zu bestrah­ lende Bereich exakt abbilden, es kann auch derart ausgebildet sein, daß es innerhalb des zu bestrahlenden Bereichs unterschiedliche vorgegebene Bestrahlungszeiten entspre­ chend einem Behandlungsplan gestaltet. Selbstverständlich kann das Steuerprogramm ebenfalls entsprechend aller oben genannter Merkmale ausgebildet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, die Prinzipdarstellun­ gen und Ausführungsmöglichkeiten enthält. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie der erfindungsgemäßen Art,

Fig. 2a eine Prinzipskizze einer konventionellen Bestrahlung,

Fig. 2b und 2c eine Prinzipskizze einer Bestrahlung mit fluenzmodeliertem Strah­ lenprofil,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 und 5a ein drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kollimators und

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolli­ mators.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 15 für die konforme Strahlentherapie. Durch eine Strahlungsquelle 1, meist ein Linearbe­ schleuniger, wird ein Elektronenstrahl 2 erzeugt, der mittels einer Scannvorrichtung 3 gescannt wird. Der gescannte Elektronenstrahl 2' wird entweder parallel zu einer Zen­ tralachse 11 oder in einem Winkel zu dieser ausgelenkt. Der Pfeil 17 symbolisiert die Scannung des Elektronenstrahls 2, 2'. Dieser gescannte Elektronenstrahl 2' wird durch ein Target 4 hindurchgeleitet und dabei in einen Photonenstrahl 5 umgewandelt. Auf diese Art und Weise erhält man einen "gescannten" Photonenstrahl 5. Damit dieser Photonenstrahl 5 frei von Elektronen ist, kann entweder das Target 4 eine entsprechende Dicke aufweisen oder es kann eine elektronenabsorbierende Schicht 12 angeordnet werden. Es ist jedoch auch möglich, ein Reinigungsmagnet 13 vorzusehen, der in Rich­ tung des Pfeils 21 Elektronen aus dem Strahl 5 entfernt und einer elektronenabsorbie­ renden Vorrichtung 14 zuführt. Dies ist dadurch möglich, weil die Elektronen auf ein Magnetfeld reagieren, jedoch nicht die Photonen. Unmittelbar unterhalb des Reini­ gungsmagneten 13 ist der Kollimator 6, beispielsweise in einem Zubehörhalter 16 ange­ ordnet, wobei die mindestens einer Öffnung 7 einer Begrenzung des "gescannten" Photonenstrahls 5 dient. Mittels des Photonenstrahls 5 wird ein zu bestrahlendes Objekt 9, beispielsweise der Tumor eines Patienten 18, mittels einer Vielzahl von Bestrah­ lungspunkten 8 bestrahlt.

Fig. 2a zeigt eine Prinzipskizze einer konventionellen Bestrahlung. Bereits bei dieser wurde ein Photonenstrahl 5 von verschiedenen Seiten auf das zu bestrahlende Objekt 9 gerichtet. Jedoch waren die verwendeten Kollimatoren 6 lediglich in der Lage eine äußere Begrenzung des Photonenstrahls 5 vorzunehmen. Auf diese Weise konnte zwar ein zu bestrahlender Bereich 10 eingegrenzt werden, jedoch war es weder möglich komplizierte und exakte Geometrien auszubilden noch die Intensität über den zu bestrahlenden Bereich 10 zu modulieren. Es war oft nicht möglich ein Risikoorgan 19 von einer Bestrahlung auszunehmen, insbesondere dann nicht, wenn der Tumor 9 um das Risikoorgan 19 herumgewachsen war. Diese Situation trat bei der Verbindung von festen, für spezielle Einzelfälle gefertigten Kollimatoren aber auch bei sehr grob einstellbaren Kollimatoren auf.

Fig. 2b und 2c zeigt einer Prinzipskizze einer Bestrahlung mit fluenzmoduliertem Strahlenprofil. Dies wurde bereits durch Multileafkollimatoren annähernd erreicht, jedoch mit der Behaftung der bereits aufgeführten Mängel. Die Erfindung ermöglicht es eine derartige Modellierung des Profils und der Intensität eines Strahls 5 wesentlich zu verbessern. Die Bereiche 23 zeigen die Intensitätsmodellierung von der jeweiligen Bestrahlungsseite. Dabei ist es möglich eine direkte Bestrahlung des Risikoorgans 19 fast völlig zu vermeiden. Die Fig. 2c zeigt am Beispiel des intensitätsmodellierten Strahlenprofils 23 an dem die Koordinaten x und z aufgetragen sind, wie diese Intensi­ tätsmodellierung in der x-y-Ebene aussieht. Um das in seiner Lage gestrichelt angedeu­ tete Risikoorgan 19 (z. B. Rückenmark) und ein weiteres Risikoorgan (z. B. vom Rückenmark ausgehender Nervenstrang) zu schonen sind die zu bestrahlenden Bereiche 10 aufgeteilt und die Linien zeigen die unterschiedliche Intensität 23 der Bestrahlung in diesen Bereichen 10 an. Es handelt sich dabei um eine Formung der äußeren Begren­ zungen und der Intensität über den zu bestrahlenden Bereich 10, wie er durch einen Multileafkollimator nur sehr bedingt möglich ist. Der Zweck der Erfindung besteht darin, derart komplizierte Formen und Intensitätsmodellierungen exakt und schnell vor­ nehmen zu können.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Elektronenstrahl 2 durch die Scannvor­ richtung 3 in seinem Winkel gegenüber der Zentralachse 11 ausgelenkt und mittels eines Kollimators 6 derart begrenzt, daß die gewünschten Bestrahlungspunkte 8 in dem zu bestrahlenden Bereich 10 ausbildbar sind. Zu diesem Zweck ist der Kollimator 6 mit einer röhrenförmigen Öffnung 7' ausgestattet, die dem gescannten Strahl 5 folgt. Diese Stellbewegung der Öffnung 7' ist durch die Pfeile 20 symbolisiert. Eine nicht gezeich­ nete Stelleinrichtung mit Antrieb sorgt für diese Stellbewegung. Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die röhrenförmige Öffnung 7' jeweils im wesentlichen parallel zum gescannten Strahl 5 ausgerichtet ist, was durch eine entsprechende Ausgestaltung der Stelleinrichtung und damit der Stellbewegung erreicht werden kann. Die übrigen Bezugszeichen und Funktionen - auch bei den folgenden Figuren - entsprechen dem zu Fig. 1 beschriebenen.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem verschiebbaren Kollimator 6. Ein solcher verschiebbarer Kollimator 6 kann sowohl zur Begrenzung eines Photonenstrahls 5 dienen, der parallel zur Zentralachse 11 gescannt wurde als auch für die Begrenzung eines Photonenstrahls 5, der, wie dies hier dargestellt ist, in seinem Winkel zur Zentralachse 11 ausgelenkt wurde. Für diesen Fall sind die röhrenförmigen Öffnungen 7" derart ausgerichtet, daß ihre Wandungen parallel zum Photonenstrahl 5 verlaufen. Um den zu bestrahlenden Bereich 10 geschlossen mit Bestrahlungspunkten 8 beaufschlagen zu können, ist eine Stellbewegung 22 des Kollimators 6 und damit der Öffnungen 7" erforderlich. Diese Stellbewegung 22 kann jedoch in einem so kleinen Bereich stattfinden, daß die Ausrichtung der Öffnungen 7" bezüglich des Photonen­ strahls 5 in tolerierbaren Grenzen gewährleistet bleibt. Dadurch ist es möglich, eine relativ einfache Mechanik für eine geringfügige Kollimatorverschiebung 22 in zwei oder wenige Positionen einzusetzen. Diese Mechanik ist wesentlich weniger aufwendig als die Mechanik des oben genannten Ausführungsbeispiels oder die von Multileafkolli­ matoren und es lassen sich sämtliche erfindungsgemäße Vorteile erzielen. Ein derartiger Kollimator 6 hat den Vorteil, daß es an bestehenden Vorrichtungen 15 für die konforme Strahlentherapie mit einer Auslenkung des Strahls in einem Winkel zur Zentralachse 11 als Nachrüstungsgegenstand in den Zubehörhalter 16 eingesetzt werden kann. Es ist dann lediglich eine entsprechende Abstimmung der verschiedenen Positionen der Öff­ nungen 7" mit der Auslenkung des Strahls 2, 2', 5 durch die Scannvorrichtung 3 erfor­ derlich. Es sollten dann auch die Öffnungen 7" auf die Winkelauslenkungen abge­ stimmt sein, wobei die Stellbewegungen in einer Ebene verlaufen können, da eine Ausrichtung der Öffnungen 7" in Richtung des Strahls nicht mehr durch die Stellbewe­ gung 22 erfolgen muß.

Fig. 5 und 5a zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem festste­ henden Kollimator 6. Ein derartiger feststehender Kollimator 6 kann mit Öffnungen 7''' ausgestattet sein, die alle die gleiche Form aufweisen, wobei sie zum Beispiel mit ihren Wandungen an die Divergenz des Photonenstrahls 5 angepaßt sind, um einen Halb­ schatten zu vermeiden. Ein derartiger Kollimator 6 mit den beschriebenen Öffnungen 7''' wirkt mit einer Scannvorrichtung 3 zusammen, welche den Elektronenstrahl 2 parallel zur Zentralachse 11 auslenkt, wie dies durch den Pfeil 17 angedeutet ist. Entsprechend dem Scanning des Elektronenstrahls 2, 2' verläuft auch der Photonen­ strahl 5 parallel zur Zentralachse 11. Erfolgt nun eine entsprechende Abstimmung des Abstandes a zwischen dem Beginn der Strahlungsdivergenz am Target 4, also der Photonenstrahlungsquelle und dem Kollimator 6 und des Abstandes b zwischen dem Kollimator 6 und dem zu bestrahlenden Bereich 10 mit der Öffnungsweite d der Öff­ nungen 7''' und mit dem Abstand D der Öffnungsmittelpunkte der Öffnungen 7''', so kann erreicht werden, daß sich mittels der feststehenden Öffnungen 7''' Bestrahlungs­ punkte 8 erzeugen lassen, die den gesamten zu bestrahlenden Bereich 10 bedecken. Der Aufbau der Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt, wobei dort der Abstand zwischen Kollimator 6 und zu bestrahlendem Bereich 10 verkürzt und der Photonenstrahl 5 sowie der Bestrahlungspunkt 8 vereinfacht dargestellt sind. Dieser Teil wurde in Fig. 5a vergrößert und genauer dargestellt, um sichtbar zu machen, wie die Bestrahlungspunkte 8 den zu bestrahlenden Bereich 10 bedecken. Durch eine entsprechende Formgebung bezüglich der Öffnungen 7''' kann gewährleistet werden, daß die Bestrahlungspunkte 8 exakt aneinandergrenzen. Beispiele einer solchen Formgebung sind Vierecke oder regelmäßige Sechsecke. Um einen Halbschatten noch mehr zu reduzieren, können die Wandungen an die Divergenz des Strahlenganges angepaßt sein. Dies zeigt die Fig. 5a.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kollimators 6. Dieser Kollimator 6 trägt in einem Raster angeordnete Öffnungen 7" oder 7''' die im Zusam­ menwirken mit dem "gescannten" Photonenstrahl 5 die Bestrahlungspunkte 8 erzeugen. Zu diesem Zweck sind die Reihen der Öffnungen 7" oder 7''' versetzt angeordnet um ein möglichst genaues Aneinandergrenzen der Bestrahlungspunkte 8 zu erreichen. Dabei weisen die Reihen Abstände von √₃/2×D auf, wobei D der Abstand der Öffnungsmit­ telpunkte der Öffnungen 7" oder 7''' ist. Dieser Kollimator 6 kann sowohl für einen feststehenden Kollimator 6 als auch für einen verschiebbaren Kollimator 6 eingesetzt werden. Bei der letztgenannten Verwendung muß für den Fall, daß der Photonenstrahl 5 in einem Winkel zur Zentralachse 11 ausgelenkt ist, ist eine entsprechende Ausrichtung der Öffnungen 7" im Kollimator 6 sowie ein Antrieb für die Stellbewegung erfor­ derlich. Der Antrieb für die Stellbewegung wird von dem Programm gesteuert, das auch der Steuerung der Scannvorrichtung dient, da diese Steuerungen simultan und aufeinan­ der abgestimmt erfolgen müssen.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kollimators 6. Im Gegensatz zu dem eben beschriebenen Kollimator 6 sind die Öffnungen 7" oder 7''' als Vierecke ausge­ bildet, die in einem orthogonalen Raster angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestal­ tungen der Öffnungen 7" oder 7''' besteht darin, daß die erzeugten Bestrahlungspunkte 8 exakt aneinandergrenzen können. Derselbe Effekt wird jedoch auch bei der Anord­ nung von regelmäßigen Sechsecken bei einem Kollimator gemäß der Fig. 6 erzielt. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen möglich, die ebenfalls aneinander­ grenzende Bestrahlungspunkte 8 erzeugen, wie beispielsweise Dreiecke. Im übrigen gilt das zu Fig. 6 ausgeführte.

Die Figuren zeigen lediglich beispielhaft, wie die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen umgesetzt werden kann. Für weitere Ausführungsbeispiele müssen die Geometrien in entsprechender Weise ausgestaltet werden, um eine geschlossene Anein­ anderreihung von Bestrahlungspunkten 8 zu gewährleisten. Dies ist sowohl für festste­ hende Kollimatoren 6 als auch für verschiebbare Kollimatoren 6 möglich.

Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie, Kollimator und Steuerungsprogramm Bezugszeichenliste

1

Strahlungsquelle

2

,

2

' Elektronenstrahl

2

' gescannter Elektronenstrahl

3

Scannvorrichtung

4

Target

5

Photonenstrahl ("gescannt")

6

Kollimator

7

,

7

',

7

",

7

''' Öffnung(en)

7

' Öffnung, die dem gescannten Strahl folgt

7

" Öffnungen, die verschiebbar sind

7

''' fest positionierte Öffnungen

8

Bestrahlungspunkt

9

Objekt

10

zu bestrahlende Bereiche

11

Zentralachse

12

elektronenabsorbierende Schicht

13

Reinigungsmagnet

14

elektronenabsorbierende Vorrichtung

15

Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie

16

Zubehörhalter

17

Pfeil: Scanning des Elektronenstrahls

18

Patient

19

Risikoorgan

20

Pfeile: Stellbewegung der Öffnung

7

'

21

Pfeil: Entfernung von Elektronen aus dem Photonenstrahl

22

Stellbewegung der Öffnungen

7

" (Kollimatorverschiebung)

23

Bereiche mit intensitätsmodulliertem Strahlenprofil
a Abstand des Targets zum Kollimator
b Abstand des Kollimators zum Objekt
D Abstand der Öffnungsmittelpunkte
d Öffnungsweite einer Öffnung

Claims (32)

1. Vorrichtung für die konforme Strahlentherapie mit einer Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (2) und einer Scannvorrichtung (3) zum Scan­ nen des Elektronenstrahls (2, 2'), einem Target (4) zur Umwandlung des gescannten Elektronen- in einen "gescannten" Photonenstrahl (5) sowie einem Kollimator (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (6) derart ausgebildet ist, daß er mindestens eine Öffnung (7, 7', 7", 7''') aufweist, welche der Begrenzung des "gescannten" Photonenstrahls (5) für die Erzeugung eines derart kleinen Bestrahlungspunktes (8) dient, daß durch das Scannen das zu bestrahlende Objekt (9) bezüglich seiner zu bestrahlen­ den Bereiche (10) mit ausreichender Genauigkeit bestrahlbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scannvorrichtung (3) derart betreibbar ist und der Kollimator (6) derart ausgebildet ist, daß der Bestrahlungspunkt (8) kontinuierlich über die zu bestrah­ lenden Bereiche (10) wandert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scannvorrichtung (3) derart betreibbar ist und der Kollimator (6) derart ausgebildet ist, daß der Bestrahlungspunkt (8) schrittweise (step-and-shoot) über die zu bestrahlenden Bereiche (10) wandert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung derart eingerichtet ist, daß sie eine Modulation der Bestrah­ lungsintensität innerhalb der zu bestrahlenden Bereiche (10) vornimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Bestrahlungsintensität durch eine Modulation der Bestrahlungszeit erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scannvorrichtung (3) derart ausgebildet ist, daß sie den Elektronenstrahl (2, 2') und damit auch den Photonenstrahl (5) bezüglich seines Winkels zur Zentralachse (11) auslenkt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scannvorrichtung (3) derart ausgebildet ist, daß sie den Elektronenstrahl (2, 2') und damit den Photonenstrahl (5) parallel zur Zentralachse (11) verschiebt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scannvorrichtung (3) mit mindestens einem Dipol ausgestattet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scannvorrichtung (3) mit mindestens einem Vierpol ausgestattet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (6) eine röhrenförmige Öffnung (7') aufweist, die dem gescannten Strahl (5) folgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein verschiebbarer Kollimator (6) mit mehreren röhrenförmigen Öffnungen (7") vorgesehen ist, derart, daß sich mittels der möglichen Position der Öffnungen (7") sowie der Ausrichtungen des gescannten Strahls (2', 5) der zu bestrahlende Bereich (10) durch Bestrahlungspunkte (8) abdecken läßt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein feststehender Kollimator (6) mit mehreren Öffnungen (7''') vorgesehen ist, wobei die Abstände (a, b) zwischen Target (4), Kollimator (6) und Objekt (9) sowie die Anordnung und Öffnungsweiten (d) der Öffnungen (7''') derart bemes­ sen und aufeinander abgestimmt sind, daß der "gescannte" Photonenstrahl (5) die zu bestrahlenden Bereiche (10) geschlossen mit Bestrahlungspunkten (8) bedecken kann.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmige(n) Öffnung(en) (7', 7", 7''') im wesentlichen parallel zum gescannten Strahl (5) ausgerichtet ist (sind).

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (7", 7''') in einem Raster angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster Reihen aufweist, welche abwechselnd um einen halben Abstand (D) der Öffnungsmittelpunkte gegeneinander versetzt sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (7', 7", 7''') eine runde Form aufweisen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (7', 7", 7''') die Form regelmäßiger Sechsecke aufweisen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (7", 7''') in einem regelmäßigen orthogonalen Raster ange­ ordnet sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (7", 7''') eine viereckige Form aufweisen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der röhrenförmigen Öffnungen (7, 7', 7", 7''') gerade verlaufen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der röhrenförmigen Öffnungen (7, 7', 7", 7''') parallel zum Photonenstrahl (5) ausgerichtet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (4) derart beschaffen ist, daß es keine Elektronen hindurchläßt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (4) eine entsprechende Dicke aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (4) mit einer elektronenabsorbierenden Schicht (12) ausgestattet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Target (4) und dem Kollimator (6) ein Reinigungsmagnet (13) zur Entfernung der transmittierenden Elektronen aus dem Photonenstrahl (5) angeordnet ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsmagnet (13) die Elektronen in eine elektronenabsorbierende Vorrichtung (14) lenkt.

27. Kollimator (6) für eine Vorrichtung (15) für die konforme Strahlentherapie mit einer Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (2, 2') und einer Scannvorrichtung (3) zum Scannen des Elektronenstrahls sowie einem Target (4) zur Umwandlung des gescannten Elektronen- in einen "gescannten" Photonen­ strahl (5), dadurch gekennzeichnet, daß er für die Anfügung an die Vorrichtung (15) ausgebildet ist und mindestens eine Öffnung (7, 7', 7", 7''') aufweist, welche der Begrenzung des "gescannten" Photonenstrahls (5) für die Erzeugung eines derart kleinen Bestrahlungspunktes (8) dient, daß durch das Scannen das zu bestrahlende Objekt (9) bezüglich seiner zu bestrahlenden Bereiche (10) mit ausreichender Genauigkeit bestrahlbar ist.

28. Kollimator nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß er rasterförmig angeordnete röhrenförmige Öffnungen (7", 7''') aufweist.

29. Kollimator nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (6) derart ausgebildet ist, daß er in mindestens zwei Positionen verschiebbar ist.

30. Kollimator nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß er mit fest positionierten Öffnungen (7''') fest montierbar ausgebildet ist.

31. Steuerungsprogramm zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß es derart ausgebildet ist, daß der Elektronenstrahl (2, 2') derart gescannt wird, daß er nach der Umwandlung in einen Photonenstrahl (5) und Durchgang durch die mindestens eine Öffnung (7, 7', 7", 7''') eines Kollimators (6) einen derart kleinen Bestrahlungspunkt (8) bildet, daß durch derartige Bestrahlungspunkte (8) der zu bestrahlende Bereich (10) eines Objekts (9) mit ausreichender Genauigkeit bestrahlt werden kann, wobei durch das Steuerungsprogramm der Photonenstrahl (5) mit der mindestens einen Öffnung (7, 7', 7", 7''') in derartige Positionen relativ zueinander bringbar ist, daß dadurch der bestrahlende Bereich (10) mit Bestrahlungspunkten (8) bedeckbar ist.

32. Steuerungsprogramm nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß es derart ausgebildet ist, daß innerhalb des zu bestrahlenden Bereichs (10) unterschiedliche Bestrahlungszeiten vorgegeben werden können.