DE2002620B2

DE2002620B2 - Strahlenquelle für medizinische Zwecke

Info

Publication number: DE2002620B2
Application number: DE2002620A
Authority: DE
Inventors: Norman Charles Fremont Howard; Lawrence Earl Livermore Wilkinson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-24
Filing date: 1970-01-21
Publication date: 1978-10-05
Also published as: CH502826A; NL7000413A; FR2029069A1; GB1286561A; SE346047B; IT954060B; US3588031A; ES375772A1; JPS5027157B1; BE744894A; DE2002620A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlenquelle für medizinische Zwecke mit einem Kobalt-60-Strahlenkörper hoher spezifischer Aktivität, der in zwei zylinderförmigen, konzentrisch angeordneten metallischen Büchsen eingekapselt ist, von denen die innere, den Strahlenkörper zylindrisch umgebende Büchse aus nichtrostendem Stahl besteht.

Eine solche Strahlenquelle ist in der Zeitschrift »Nugleonics« Band 21, S. 72 bis 74 (1963) beschrieben. Diese beschriebene Strahlenquelle weist jedoch keine Innenabschirmung auf und außerdem besteht die äußere Büchse bei der beschriebenen Strahlenquelle aus Aluminium.

Dieser Mangel an einer Innenabschirmung schließt die Verwendung von Kobalt-60-Strahlenkörpern derart hoher spezifischer Aktivität aus, wie sie in neuerer Zeit hergestellt werden können und wie man sie einsetzen sollte, um eine möglichst punktförmige Strahlenquelle zu haben.

Solche punktförmigen Strahiungsquellen gestatten nämlich eine bessere Konzentrierung der Strahlung auf die tatsächlich zu bestrahlenden Bereiche und vermindern die Bestrahlung der diesen zu bestrahlenden Bereichen benachbarten Gewebe, d. h. die sogenannten Halbschattengebiete werden verkleinert und damit die Beeinträchtigung gesunden Gewebes vermindert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Strahlenquelle so auszubilden, daß ein Kobalt-60-Strahlenkörper höherer spezifischer Aktivität verwendet werden kann, um eine Strahlenquelle zu erhalten, die einer idealen punktförmigen Strahlungsquelle stärker angenähert ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Strahlenkörper innerhalb der inneren Büchse zumindest teilweise von einem Abschirnimaterial mit einer Dichte von mehr als 10 g/cm³ umgeben ist und daß auch die äußere Büchse aus nichtrostendem Stahl besteht.

Der Außendurchmesser der äußeren Büchse ist zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Büchsen in einen international genormten Kapselhalter eingesetzt werden können. Das Kobalt-60 liegt vorzugsweise in der Form kleiner Pillen vor, die als Zylinder aufeinandergesetzt und in eine ringförmige oder hohlzylindrische Innenabschirmung eingesetzt sind. Die Wandstärke dieser Innenabschirmung beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,7 cm. Ist die Wandstärke dünner, so nimmt die Abschirmwirkung ab, so daß sehr starke Kobaltquellen nicht mehr sicher gehandhabt werden können. Ist dagegen die Wandstärke der Innenabschirmung merklich dicker, dann wird der Durchmesser der Kobalt-60-Quelle so klein, daß die spezifische Aktivität für die starke Quelle so hoch werden muß, wie es bis heute noch nicht erreichbar ist. Die Innenabschirmung und das aktive Kobalt werden dann in die zwei Büchsen aus nichtrostendem Stahl eingeschlossen, deren Wandstärke etwa 0,65 mm beträgt. Für diese Büchsen wird nichtrostender Stahl verwendet, weil er die notwendige mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist und weil sich Büchsen aus nichtrostendem Stahl ohne Schwierigkeiten dicht verschweißen lassen. Für diese Büchsen sollte kein Material verwendet werden, das besonders schwer ist, da sonst bei der eigentlichen therapeutischen Behandlung der Kobaltstrahl zu stark geschwächt wird.

Für die Innenabschirmung kann man jedes Material verwenden, dessen spezifisches Gewicht 10 g/cm³

2ί übersteigt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Strahlenquelle nach der Erfindung verwendet man jedoch unlegiertes und unplattiertes metallisches Uran oder aber eine Wolframlegierung hierfür. Uran ist ganz besonders, gut geeignet. Das Uran sollte deswegen

J·) unlegiert und unplattiert sein, weil jeder Legierungsbestandteil beziehungsweise das zum Plattieren verwendete Material leichter als Uran ist, so daß der mikroskopische Wirkungsquerschnitt der Innenabschirmung herabgesetzt würde. Das Uran kann in der

"Λ erfindungsgemäßen Strahlenquelle deswegen unplaltierl verwendet werden, weil es in den Stahlbüchsen vollständig dicht eingeschlossen ist. In Luft ist Uranmetall als Außenabschirmung dagegen schwierig zu verwenden, da es leicht oxydiert und da sich bei der

4i) Oxydation das Volumen des Urans ausdehnt. Eine Außenabschirmung aus Uran kann sich daher leicht so weit ausdehnen, daß die ganze Strahlenquelle nicht mehr auseinandergenommen werden kann. Wolfram ist als Innenabschirmung ebenfalls gut zu verwenden, weil seine Dichte hoch ist und weil es zu vernünftigen Kosten zur Verfugung steht.

Eine Innenabschirmung hoher Dichte, die das aktive Material ganz eng umgibt, ist wensentlich wirksamer als eine äquivalente Menge von Abschirmmaterial, die in

μ einem größeren Abstand von der eigentlichen Strahlungsquelle angeordnet ist. Solche weniger vorteilhaften Außenabschirmungen aus Uran bzw. einer Wolframlegierung sind in dem »American journal of Roentgenology« Band 74, 898 bis 903 (I955) bzw. der Zeitschrift »Nuclear Engineering« Seiten 469 bis 471 (1965) beschrieben.

Wenn man die Abschirmung innen in die Büchse mit dem aktiven Material einsetzt, benötigt man wesentlich weniger Abschirmmaterial als für eine äquivalente

f>° Abschirmung, die in Form eines Hohlzylinders oder Ringes außen um die Kapsel oder Büchse herum angeordnet ist, die das aktive Material enthält. Wenn ein großer außen angeordneter Abschirmring verwendet wird, tritt auch mehr Strahlung an den Stirnflächen des

<>5 Ringes aus. Wenn die Abschirmung dagegen innen in der Kapsel mit dem aktiven Material angeordnet ist, tritt an den Stirnflächen wesentlich weniger Strahlung aus.

Die Absorption von Gammastrahlung durch Materie erfolgt nach einem Exponentialgesetz. Strahlung einer bestimmten Energie wird daher durch aufeinander 'olgende Schichten gleicher Dicke immer um den gleichen Bruchteil geschwächt. Eine I₁? cm dicke Bleischicht schwächt beispielsweise die primäre Kobaltstrahlung um den Faktor 2. Durch eine weitere 1,2 cm dicke Bleischicht wird die ursprüngliche Kobaltstrahlung dann insgesamt um den Faktor 4 geschwächt. Wenn es beispielweise erforderlich ist, die Kobaltstrahlung um den Faktor 1000 zu schwächen, damit die Strahlendosis außen an der Kobaltkanone den Sicherheitsbestimmungen genügt, sind etwa 12 cm Blei erforderlich, da 1024 gleich 2^IU ist. Die Schichtdicke, die einen Strahl um den Faktor 2 schwächt, wird r~. »Halbwertsdicke« genannt. Die Halbwertsdicke von Uran für Kobaltstrahlung beträgt 0,566 cm, die von Wolfram 0,69 cm. Wenn man also in der Kobaltkapsel eine Innenabschirmung aus Uran anordnet, die zwischen 0,3 und 0,7 cm dick ist, wird die Kobaltstrahlung zusätzlich um einen Faktor geschwächt, der zwischen 0,53 und 1,25 liegt. Für Wolfram liegen diese Faktoren zwischen 0,43 und 1,02. Durch die Erfindung ist es daher möglich, in bisherigen Kobaltkanonen Präparate zu verwenden, deren Aktivität 40% bis 125% höher ist. 2">

Durch die Verwendung der Innenabschirmung können daher Präparate mit höheren Aktivitäten verwendet werden, und außerdem kann man den Durchmesser der Präparate kleiner machen, so daß sich das Präparat in höherem Maße einer idealen punktför- w migen Quelle nähert. Dann werden auch die Halbschattengebiete kleiner, so daß bei der Bestrahlung voü erkranktem Gewebe weniger gesundes Gewebe in Mitleidenschaft gezogen wird.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit r> den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Strahlenquelle, die in einen international genormten Halter eingesetzt worden ist, mi

Fig. 2 perspektivisch eine andere Ausführungsform der Strahlenquelle nach der Erfindung und

Fig. 3 schematisch eine Kobalt-60-Kanone mit einer erfindungsgemäßen Strahlenquelle.

In der F i g. 1 ist perspektivisch eine Strahlenquelle 10 π für medizinische Zwecke dargestellt, die in einen international genormten Halter 11 eingesetzt worden ist. Der genormte Halter Il ist mit einem Außengewinde 12 versehen, um den Halter 11 in die genormte Bohrung einer Kobaltkanone einschrauben zu können. ·'> <> Die zylindrische Strahlenquelle 10 ist in die genormte Bohrung innerhalb des Halters 11 eingesetzt. Ein nach innen ragender Vorsprung 13 sorgt dafür, daß die Strahlenquelle 10 nicht nach unten aus der Bohrung des Halters 11 herausrutschen kann, und oben ist die ">i Strahlenquelle 10 durch einen Sprengring 14 gesichert, der in einen ringförmigen Schlitz innerhalb der Bohrung des Halters 11 eingesetzt ist.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, enthält die Strahlenquelle 10 eine gewisse Menge von aktivem Kobalt-60, die mit wi 15 bezeichnet und in eine ringförmige Innenabschirmung 16 eingesetzt ist. Das Kobalt-60 und die Innenabschirmung 16 sind in zwei konzentrisch angeordnete Büchsen 17 und 18 aus nichtrostendem Stahl eingesetzt, deren Deckel 17a und 18a mit den tr> Büchsen verschweißt sind, um zu verhindern, daß radioaktives Material aus den Büchsen herausfallen kann.

Die erfindungsgemäße Strahlenquelle erlaubt es, in genormten Kobaltkanonen höhere Aktivitäten von Kobalt-60 zu verwenden, da die Strahlenquellen an solchen Stellen mit zusätzlichen Abschirmungen versehen sind, an denen die Abschirmungen am wirksamsten sind. Der Durchmesser des zylindrisch angeordneten Kobalt-60 ist darüber hinaus nur gering, so daß der Ausgangsstrahl einen nur geringen Durchmesser aufweist. Dadurch werden die störenden Halbschattengebiete kleiner. Da die Innenabschirmung 16 völlig in den beiden Büchsen 17 und 18 eingeschlossen ist, können für diese Abschirmung Materialien wie Ui an verwendet werden, die ihr Volumen durch Oxydation an Luft vergrößern. Wenn man dagegen versuchen würde, eine Abschirmung aus Uran zwischen der Kapsel mit dem Kobalt-60 und der Bohrung im Kapselhalter 11 anzuordnen, würde das bran nach einer gewissen Zeit durch Oxydation sein Volumen vergrößern, so daß es schwierig, wenn nicht gar unmöglich wäre, die Kobaltkapsel aus dem Halter 11 herauszunehmen. Eine Abschirmung zwischen der Außenwandung einer Kobalt-60-Kapsel und der Innenwandung der Bohrung eines genormten Kapselhalters zu verwenden, ist ebenfalls schwierig, weil an den international genormten Kapselhaltern keine Vorkehrung zur Halterung dieser zusätzlichen Abschirmung getroffen ist. Außerdem braucht man auch mehr Abschirmmaterial, was verhältnismäßig teuer ist, wenn man eine Abschirmung vorgegebener Stärke nicht direkt innerhalb der Kobaltkapsel verwendet, sondern diese Abschirmung zwischen der Außenwandung der Kobaltkapsel und der Innenwandung eines genormten Kapselhalters anordnet.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Strahlenquelle nach der Erfindung. Wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 wird die Kobaltkapsel 10 durch einen nach innen ragenden Vorsprung 13 und einen Sprengring 14 in der Bohrung eines genormten Kapselhalters 11 gehaltert. Die Innenabschirmung 16' ist jedoch nicht mehr ringförmig, wie in der Ausführungsform nach Fig. 1, sondern sie ist als einseitig abgeschlossener Hohlzylinder ausgebildet worden. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist dann besonders günstig, wenn die Aktivität der Kobalt-60 sehr hoch ist. Die zusätzliche Innenabschirniung 16' schirmt das Kobalt-60 sowohl seitlich als auch nach hinten ab. Keine Abschirmung des Kobalt-60 am Strahlaustritt wäre dagegen ungünstig, weil hierdurch auch die therapeutisch zu verabfolgende Strahlendosis geschwächt würde. Wenn die spezifische Aktivität des Kobalt-60 sehr hoch und der Durchmesser des Kobalts-60 verhältnismäßig gering ist, wird ein Teil des Kobalt-60 am Ende des Zylinders von demjenigen Kobalt-60 abgeschirmt, das näher am Strahlaustritt liegt. Wenn man daher an Stelle von aktivem Material hinter der Quelle Abschirmmaterial anordnet, wird die Leistung der Quelle kaum geringer, die Abschirmung nach hinten dagegen wesentlich besser.

Fig. 3 zeigt schematisch eine übliche Kobaltkanone, in die eine erfindungsgemäße Strahlenquelle eingesetzt ist. Die Kanone 20 ist über einem Patienten 21 angeordnet, der auf einem üblichen Tisch liegt und bestrahlt werden soll. Die Kanone 20 weist eine horizontal verlaufende Öffnung auf, in der eine Verschlußtrommel 22 angeordnet ist, die mittels eines Antriebs 23 drehbar ist. Die Verschlußtrommel 22 ist an einem Rand mit einer horizontalen Öffnung versehen, in der eine Ziehvorrichtune 24 für die Quelle 10

angeordnet ist. Diese Ziehvorrichtung wird durch einen abnehmbaren Deckel 25 gchaltert. Man kann die Strahlenquelle 10 direkt in einen Hohlraum in der Ziehvorrichtung 24 einsetzen oder diesen Hohlraum so ausbilden und mit einem Innengewinde versehen, daß man die Strahlenquelle 10 in einem genormten Halter 11 in den Hohlraum einschrauben kann. Die Verschlußtrommel 22 kann mittels des Antriebs 23 aus der Stellung »zu« in die Stellung »offen« gedreht werden. In der Stellung »zu« ist die ganze Strahlenquelle vollständig mit Abschirmmaterial umgeben, während die Strahlenquelle in der Stellung »offen« einer öffnung 26 gegenüber angeordnet ist, durch die hindurch die Bestrahlung des Patienten 21 erfolgt.

Die Kollimatorblöcke 26a bestimmen die Breite des Strahles, der durch die Linien 27 angedeutet ist. Wenn die Strahlenquelle einer punktförmigen Quelle gleicht, trifft der Strahl 27 auf einem gut definierten Gebiet des Patienten 21 auf, wie aus Fig.3 hervorgeht. Wenn der Durchmesser der Strahlenquelle dagegen größer ist, sind die Ränder des Gebietes, in dem der Strahl auf den Patienten auftrifft, stark verwaschen, so daß es schwierig ist, abgegrenzte Gewebe eines Patienten gezielt zu bestrahlen.

·■; Wenn sich die Verschlußtrommel in der Stellung »zu« befindet, liegt das Ausgangsende der Strahlenquelle einer großen Menge von Abschirmmaterialien 28 gegenüber, das in der Kobaltkanone 20 angeordnet ist Da jedoch die geometrischen Abmessungen der

Kt Ziehvorrichtung 24 und der Trommel 22 hinter der Strahlenquelle festgelegt sind, ist es schwierig, hinter der Strahlenquelle oder seitlich von ihr zusätzliche Abschirmungen anzubringen, wenn in der Kobaltkanone Strahlenquellen verwendet werden sollen, derer

Ii Aktivität größer als die Aktivität von Strahlenqueller ist, für die die Kobaltkanone ursprünglich bestimmt war Durch die erfindungsgemäße Strahlenquelle ist e« dagegen möglich, höhere Aktivitäten zu benutzen, se daß die Möglichkeiten erweitert werden, über die mar mit üblichen Kobaltkanonen verfügt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strahlenquelle für medizinische Zwecke mit einem Kobalt-60-Strahlenkörper hoher spezifischer Aktivität, der in zwei zylinderförmigen, konzentrisch angeordneten metallischen Büchsen eingekapselt ist, von denen die innere, den Strahlenkörper zylindrisch umgebende Büchse aus nichtrostendem Stahl besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenkörper (15, 15') innerhalb dec inneren Büchse (17) zumindest teilweise von einem Abschirmmaterial (16, 16') mit einer Dichte von mehr als 10 g/cm³ umgeben ist und daß auch die äußere Büchse (18) aus nichtrostendem Stahl besteht.

2. Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kobalt-60-Strahienkörper (15, 15') eine spezifische Aktivität von 300 bis 500 Curie/g aufweist.

3. Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschirmmaterial unlegiertes oder unplattiertes Uranmetall oder eine Wolframlegierung verwendet ist.