DE2805111A1

DE2805111A1 - Neutronen-strahlentherapiegeraet

Info

Publication number: DE2805111A1
Application number: DE19782805111
Authority: DE
Inventors: Guy Azam
Original assignee: CGR MEV SA
Current assignee: CGR MEV SA
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-07
Publication date: 1978-08-10
Also published as: JPS5399690A; GB1546060A; US4192998A; FR2379294B1; DE2805111C2; JPS616669B2; FR2379294A1; CA1107868A

Description

2B0&1U

Patentanwälte

Dipl.-Ing Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

6. Februar 1978

C.G.R. MeV

Route de Guyancourt

78530 BUC /Frankreich

Unser Zeichen: C 3163

Neutronen-Strahlentherapiegerät

Die Bestrahlungsgeräte und insbesondere medizinische Strahlentherapiegeräte verwenden entweder Strahlungsbündel, die von radioaktiven Quellen geliefert werden (Gammatherapie), oder Bündel von direkt verwendbaren beschleunigten Teilchen, oder auch Röntgenstrahlen, die von einer Metallplatte erhalten werden, die mit einem Bündel beschleunigter Elektronen beschossen wird. Es ist auch bekannt, für bestimmte medizinische Behandlungen ein Neutronenbündel zu verwenden, das durch Beschüß eines tritiumhaltigen Targets mit Deuterium erhalten wird; dieses Target besteht aus einem Metall oder einer Metaliverbindung mit hohem Wasserstoffgehalt. Die Menge der erzeugten Neutronen hängt dann von der Menge an Tritium-Atomen ab, die durch die Deuteriumstrahlung bei deren Eindringen in das Nuclear-Target beschossen werden.

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Lei/Gl

Bekannte Vorrichtungen, mit denen Neutronenbündel erhalten werden können, haben jedoch einen großen Raumbedarf und ein großes Gewicht; wenn es sich um therapeutische Bestrahlungsgeräte mit veränderlichem Einfallswinkel handelt, muß daher der Behandlungstisch verschoben werden, weil der Neutronenerzeuger nicht verschoben werden kann.

Es wäre daher für bestimmte medizinische Behandlungen von Vorteil, wenn man ein Neutronen-Bestrahlungsbündel mit veränderlichem Einfallwinkel zur Verfügung hätte, das von einer kompakten Vorrichtung geliefert wird, die um eine Achse drehbar ist.

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Neutronen-Strahlentherapiegerät hat einen geringen Raumbedarf und liefert ein Neutronenbündel durch Beschüß eines metallischen Targets mit einem Bündel beschleunigter Elektronen, wobei diese Anordnung so kleine Abmessungen hat, daß sie im beweglichen Arm des Bestrahlungsgeräts untergebracht werden kann.

Nach der Erfindung ist ein Neutronen-Strahlentherapiegerät mit einer Quelle für ein Bündel geladener Teilchen, einem Target, das bei Beschüß mit dem Teilchenbündel ein Neutronen-Nutzbündel emittiert, Einrichtungen zur Beseitigung der durch den Beschüß des Targets erzeugten Störstrahlungen, einem Kollimatorsystem für das Neutronen-Nutzbündel und Einrichtungen zur Kontrolle der Eigenschaften des Neutronen-Nutzbündels, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle geladener Teilchen ein Elektronen-Linearbeschleuniger ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungform eines Neutronen-Strahlentherapiegeräts nach der Erfindung,

Fig. 2 den Bestrahlungskopf eines Neutronen-Strahlentherapiegeräts nach der Erfindung,

Pig. 3 eine Schnittansicht eines Kollimators, der in dem Neutronen-Strahlentherapiegerät nach der Erfindung verwendet wird, und

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Neutronen-Strahlentherapiegeräts nach der Erfindung.

Das in Fig. 1 gezeigte Neutronen-Strahlentherapiegerät hat einen beweglichen .
Achse drehbar ist.

einen beweglichen Arm 1, der um 360° um eine horizontale

In dem beweglichen Arm 1 ist ein Teilchen-Linearbeschleuniger A angeordnet, der die Elektronen eines von einer Quelle 2 abgegebenen Elektronenbündels F beschleunigen kann. Ein Kopplungssystem 3 ermöglicht die Einführung eines HF-Signals in den Beschleuniger A. Am Ausgang des Beschleunigers A ist ein Target 4 angeordnet, das in einen Kupferblock 5 eingesetzt ist, der mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, beispielsweise mit Kühlrohren 6 (Fig. 2), in denen ein Kühlmittel umlaufen kann. Wie Fig. 2 zeigt, ist der Block 5 mit einem ersten Kanal 7 für den Durchgang des Bündels F beschleunigter Elektronen und mit einem zweiten Kanal 8 für den Durchgang des Neutronen-Nutzbündels N versehen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kanal 8 in einem Winkel von 90° zu dem Kanal 7 angeordnet, wodurch es leicht möglich ist, die vom Target 4 in Richtung zu dem

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Elektronenbündel F emittierten Störphotonen zu "beseitigen. Der Block 5 ist in einem Schutzmantel 9 angebracht, der seinerseits in einen Schutzmantel 10 eingesetzt ist; die von den Schutzmänteln 9 und 10 gebildete Anordnung ist dazu bestimmt, den Störphotonenfluß zurückzuhalten. Bei dem beschriebenen Beispiel besteht der Schutzmantel 9 aus Wolfram und der Schutzmantel 10 aus Blei; diese Schutzmäntel sind in einem Schutzblock 11 angebracht, der aus einem Material mit hohem Wasserstoffgehalt besteht, beispielsweise aus Polyäthylen (oder auch aus borhaltigem Holz oder auch aus Wasser), das in der Lage ist, die von dem Target 4 emittierten Neutronen (isotropische Emission) zu absorbieren, mit Ausnahme des Nutzneutronenflusses, der durch den zu diesem Zweck vorgesehenen Kanal 12 geht. Die von dem Target 4 und den Schutzteilen (Schutzmäntel 9, und Schutzblock 11) gebildete Anordnung ist in dem Bestrahlungskopf des Strahlentherapiegeräts angeordnet. Im Weg des Neutronen-Nutzbündels N sind hintereinander eine Meßkammer 14 und ein Kollimator 20 angeordnet. Die Meßkammer 14 enthält ein Kontrollsystem 15 für die Kontrolle der Zentrierung, der Homogenität und der Bestrahlungsdosis des Neutronenbündels N und ein Ausgleichsfilter 16.

Das Meßsystem 15 ist mit einer an sich bekannten, in der Zeichnung nicht dargestellten Sicherheitsvorrichtung verbunden, die den Betrieb des Elektronenbeschleunigers A regelt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kollimators 20, der bei dem Feutronen-Strahlentherapiegerät verwendbar ist, Der Kollimator 20 besteht aus einem abnehmbaren Block 21 aus Polyäthylen, dessen für den Durchgang des Neutronen-Nutzbündels N bestimmter Kanal 22 vorbestimmte Abmessungen

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hat. Rings um den Block 21 ist eine Anordnung von Schutzelementen 23 bis 33 angebracht, die entweder aus einem einfachen Material bestehen (wie beispielsweise die Elemente 24-, 30, 32, 33), oder aus einem zusammengesetzten Material (wie das Element 23, das beispielsweise aus Polyäthylen und Wolframpulver hergestellt ist). Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 besteht das Element 24 aus Blei, die Elemente 25, 27» 29 aus Polyäthylen und Bor, die Elemente 26 und 28 aus boriertem Holz, das Element aus Stahl, das Element 32 aus Wolfram und schließlich das Element 33 aus Blei. Die Anordnung der verschiedenen Elemente 23 bis 33 sowie ihre Zusammensetzung sind nur als Beispiele angegeben.

Im Betrieb trifft das Bündel P der vom Beschleuniger A beschleunigten Elektronen (Pig. 1) ohne vorherige Ablenkung auf das Target 4. Ein Teil der vom Target 4 isotrop emittierten Neutronen geht durch die Kanäle 8 und 22 (Pig. 2), die das Neutronen-Nutzbündel N begrenzen, das sich in einer Richtung YY ausbreitet, die senkrecht zu der mittleren Teilchenbahn des Elektronenbündels P verläuft. Die Photonendichte entlang dieser Achse YY (die senkrecht zu der Hauptemissionskeule der Photonen liegt) ist sehr gering, wodurch ein Neutronen-Nutzbündel N von ausreichender Reinheit erhalten werden kann.

Ein Neutronen-Strahlentherapiegerät der zuvor beschriebenen Art, bei dem ein Linearbeschleuniger verwendet wird, der ein Elektronenbündel von etwa 15 MeV durch Beschüß eines Wolfram-Targets liefert, kann beispielsweise ein Neutronenbündel von 2 bis 7 MeV liefern*, wobei der Elektronen/Neutronen-Umwandlungswirkungsgrad in der Größenordnung
liegt.

—4
Ordnung von 2 · 10 Neutronen pro Elektron und pro MeV

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Wenn die Behandlung ein intensiveres Neutronenbündel N von höherer Energie erfordert, die beispielsweise einem Elektronenbündel P von 25 bis 30 MeV entspricht, kann man eine abgeänderte Ausführungsform des Feutronen-Strahlentherapiegeräts verwenden. Bei dieser in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist der Elektronenbeschleuniger A außerhalb des Arms angebracht, der um eine Achse XX drehbar ist, die mit der mittleren Teilchenbahn des aus dem Beschleuniger A austretenden Elektronenbündels P zusammenfällt; dieses Elektronenbündel P wird in einer Richtung verschoben, die senkrecht zu der betrachteten mittleren Teilchenbahn am Ausgang des Beschleunigers A steht. Diese Verschiebung kann mit Hilfe eines Translationssystems erfolgen, wie es beispielsweise in der I¹R-OS 70 02 468 beschrieben ist. Dieses Translationssystem, das schematisch in dem Neutronen-Strahlentherapiegerät von Pig. 4 dargestellt ist, ist stigmatisch und achromatisch. Es besteht auch vier Elektromagneten E.., E₂, E^, E,, die Magnetfelder liefern, die parallel zueinander und senkrecht zu den. Symmetrieebenen der Luftspalte der Elektromagnete (Zeichenebene von Pig. 4) gerichtet sind. Die Anordnung der Elektromagnete E^ bis E, ist so getroffen, daß die ganze Anordnung als Symmetriemittelpunkt einen Punkt M aufweist, der mit dem Brennpunkt des Moments der Bewegungsgröße der Teilchen zusammenfällt. Der Abstand L zwischen den einander zugewandten Plächen von zwei aufeinanderfolgenden Elektromagneten beträgt L = 2r/tg Θ, wobei r der Krümmungsradius der mittleren Teilchenbahn des Elektronenbündels in den Elektromagneten E- bis Ea ist und θ der Winkel ist, den die Eintrittsund Austrittsflächen jedes der Elektromagnete E₁ bis E, miteinander bilden. Die Eintrittsfläche des Elektromagnets E₁ steht senkrecht zu der mittleren Teilchenbahn des aus

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dem Beschleuniger A austretenden Elektronenbündels, und die Austrittsfläche des Elektromagnets E* steht senkrecht zu dem austretenden Bündel. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfährt das Elektronenbündel im wesentlichen eine seitliche Versetzung 1 = 4r. Am Ausgang des Translationssystems kann eine magnetische Linse L angeordnet werden, damit eine geeignete Fokussierung des Elektronenbündels auf dem Target 4 erhalten wird.

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Claims

Patentanwälte
Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.
E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser
Ernsbergerstrasse 19
8 München 60
6. Februar 1978

C.G.R. MeV

Route de Guyanoourt

78550 BUC /Frankreich.

Unser Zeichen: 0 3163

Patentansprüche

1J Neutronen-Strahlentherapiegerät mit einer Quelle für ein Bündel geladener Teilchen, einem Target, das bei Beschüß mit dem Teilchenbündel ein Neutronen-Nutzbündel emittiert, Einrichtungen zur Beseitigung der durch den Beschüß des Targets erzeugten Störstrahlungen, einem Kollimatorsystem für das Neutronen-Nutzbündel und Einrichtungen zur Kontrolle der Eigenschaften des Neutronen-Nutzbündels, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle geladener Teilchen ein Elektronen-Linearbeschleuniger (A) ist.

2. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (4) aus Wolfram besteht und in einen Block (5) aus einem gut wärmeleitenden Material eingesetzt ist, daß der Block (5) einen ersten Kanal (7) für den Durchgang des Elektronenbündels (F)

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ORIGINAL INSPECTED

Le i/Gl

und einen zweiten Kanal (8) für den Durchgang des Neutronen-Nutzbündels (N) aufweist und mit einem Kühlmittel-Umlauf system ausgestattet ist, daß der Block (5) im Innern einer Anordnung von Schutzmänteln (9, 10) angebracht ist, die störende Photonen zurückhalten, daß die Schutzmantel (9, 10) in einem Schutzblock (11) angeordnet sind, der störende Neutronen zurückhält, daß der Schutzblock (11) aus einem Material mit hohem Wasserstoffgehalt hergestellt ist, und daß die Schutzmantel (9, 10) und der Schutzblock (11) mit Öffnungen versehen sind, die den Durchgang des Elektronenbündels (F) und den Durchgang des Neutronen-Nutzbündels (N) ermöglichen.

3. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schutzmantel (9, 10) vorgesehen sind, die ineinandergefügt sind, und daß der erste Schutzmantel (9) aus Wolfram und der zweite Schutzmantel (10) aus Blei besteht.

4. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Neutronenbündels (N) in dem Schutzblock (11) eine Meßkammer (14) mit einem Kontrollsystem (15) für die Zentrierung, die Homogenität und die Dosismenge des Neutronen-Nutzbündels (N) und mit einem Ausgleichsfilter (16) sowie ein Kollimatorsystem (20) angeordnet sind, und daß eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen ist, die in Verbindung mit dem Kontrollsystem (15) den Betrieb des Elektronenbeschleunigers (A) regelt.

5. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollimatorsystem (20) ein erstes Bauteil (21) aus Polyäthylen aufweist, das mit einer Mittelöffnung (22) für den Durchgang des Neutronen-Nutzbündels (N) versehen ist, sowie ein zweites Bauteil (23) aus einer

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Polyäthylen-Wolfram-Zusammensetzung, eine Bleibuchse (24), welche die beiden Elemente (21, 23) umgibt, und eine Bauteilgruppe (25 bis 32), die einen geschichteten Schutzblock: von zylindrischer Form bildet, dessen Rotationssymmetrieachse mit der mittleren Teilchenbahn des Neutronen-Nut zbünd eis (N) zusammenfällt.

6. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach einem der Ansprüche

1 bis 5, mit einem beweglichen Arm, an dessen freiem Ende ein Bestrahlungskopf angebracht ist, dadurch gekennzeichnte, daß der Elektronen-Linearbeschleuniger (A) in dem beweglichen Arm (1) angebracht ist und daß das Target (4), der Block (5) und die Schutzmantel (9, 10) im Bestrahlungskopf (C) untergebracht sind.
7. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem beweglichen Bestrahlungsarm, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronen-Linearbeschleuniger (A) außerhalb des beweglichen Arms (1) entlang der Drehachse (XX) des beweglichen Arms (1) angebracht ist, daß ein stigmatisches und achromatisches Translationssystem für das Elektronenbündel (P), das aus Elektromagneten (E₁, E₂, Έ-ζι E.) besteht, derart in dem beweglichen Arm (1) angebracht ist, daß das aus dem Translationssystem austretende Bündel parallel zu der Drehachse (XX) und senkrecht zu dem Target (4) verläuft, und daß die mittlere Teilchenbahn des Neutronen-Nutzbündels (N) senkrecht zu der Drehachse (XX) gerichtet ist.
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