DE2805111C2

DE2805111C2 - Neutronen-Strahlentherapiegerät

Info

Publication number: DE2805111C2
Application number: DE2805111A
Authority: DE
Inventors: Guy La Celle St. Cloud Azam
Original assignee: C.G.R.-MeV, Buc
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-07
Publication date: 1987-03-26
Also published as: GB1546060A; DE2805111A1; US4192998A; JPS616669B2; FR2379294A1; CA1107868A; FR2379294B1; JPS5399690A

Description

Die Erfindung betrifft ein Neutronen-Strahlentherapiegerät nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bestrahlungsgeräte und insbesondere medizinische Strahlentherapiegeräte arbeiten mit Strahlung, die entweder aus radioaktiven Quellen (Gamma-Therapie) gewonnen wird oder aus direkt verwendbaren beschleunigten Teilchen oder Röntgenstrahlen besteht, die durch den Beschuß eines metallischen Targets mit einem Elektronenstrahl entstehen. Es ist ebenso bekannt, für bestimmte medizinische Behandlungen Neutronenstrahlen einzusetzen, die durch den Beschuß eines Tritium-haltigen Targets mit Deuterium gewonnen wird. Dieses Target kann aus Metall oder einer Metallverbindung mit hohem Wasserstoffgehalt bestehen. Die Zahl der erzeugten Neutronen hängt somit von der Anzahl der Tritium-Atome ab, die während des Eindringens der Deuterium-Strahlen in das Nuklear-Target getroffen werden.
Bei einem bekannten Neutronen-Strahlentherapiegerät der eingangs genannten Gattung (GB-PS 15 75 740) werden in einem Zyklotron Protonen beschleunigt, die nach Durchlaufen eines ersten Kanals auf einem Target auftreffen, wodurch Neutronen emittiert werden, die als Neutronenstrahlenbündel durch einen zweiten Kanal zum Patienten gelangen, wobei der Protonenstrom und der Neutronenstrom sowie die zugehörigen Kanäle die gleiche Richtung, also die gleiche Mittelachse aufweisen. Bei diesem bekannten Gerät wiegt das Zyklotron ca. 24 Tonnen und ist zur Änderung der Achse des Neutronenstrahls an einem entsprechend stabilen Verstellring seitlich angeordnet, in den das Bett des Patienten geschoben wird, so daß ein Verdrehen des Ringes in sich eine Lageänderung des Zyklotrons und damit des Neutronenstrahls zur Folge hat. Der Konstruktions- und Kostenaufwand eines solchen Gerätes ist aufgrund des großen Zyklotrongewichtes außerordentlich hoch. Außerdem verändert sich bei einer Änderung des Einfallswinkels des Neutronennutzstrahls der Abstand von Zyklotron und damit Target zum Patienten je nach Einstellage. Diese Änderung kann aufgrund des innerhalb des Ringes für den Tisch nur beschränkt zur Verfügung stehenden Platzes nur in geringem Umfang korrigiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Neutronen-Strahlentherapiegerät zu schaffen, mit dem bei veränderbarem Einfallswinkel des Neutronenstrahlenbündels ein geringerer Raumbedarf und ein geringeres Gewicht als bei bekannten Geräten erreichbar ist, so daß die Positionierung zwischen Patient und Gerät erleichtert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Neutronen- Strahlentherapiegerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dieses Gerät hat den Vorteil geringen Raumbedarfs und eines verhältnismäßig geringen Gewichts von z. B. ca. 4 Tonnen. Durch die Anwendung von Elektronen als geladene Teilchen kann ein Linearbeschleuniger eingesetzt werden, der verhältnismäßig wenig Raum braucht und erforderlichenfalls im beweglichen Arm untergebracht werden kann. Je nach Anlenkung des Armes kann der Einfallswinkel des Neutronenstrahlenbündels nahezu jeden Wert einnehmen. Der Transporttisch des Patienten kann parallel zum beweglichen Arm des Gerätes verschiebbar sein, so daß durch das ungehinderte Verschieben des Transporttisches ein weiterer Freiheitsgrad für die Positionierung gegeben ist. Da das Neutronenstrahlenbündel mit dem Elektronenstrahl einen insbesondere rechten Winkel einschließt, ergibt sich eine wirksame Ausblendung der gleichzeitig mit den Neutronen erzeugten Gammastrahlung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Z. B. besteht nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Trägerblock aus einem gut wärmeleitenden Material mit einem Kühlmittelumlaufsystem und ist innerhalb von Schutzmänteln zur Abschirmung von Störphotonen untergebracht, wobei diese Schutzmäntel in einem Schutzblock angeordnet sind, der Störneutronen abschirmt und eine Öffnung für den Durchgang des Neutronenstrahlenbündels aufweist. Dadurch, daß das Target unmittelbar mit dem Trägerblock aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Kupfer, in Berührung steht und dieser Trägerblock zusätzlich ein Kühlmittelumlaufsystem aufweist, kann auf kleinem Raum sehr effektiv die erforderliche Kühlung durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu ist bei dem weiter oben beschriebenen bekannten Gerät eine sehr umständliche Kühlung vorgesehen, bei der das Target um seine Achse gedreht wird, wobei Kühlflüssigkeit in dieser Achse zirkuliert.
Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung sind im Schutzblock eine Meßkammer mit der Einrichtung zur Überwachung der Zentrierung, der Homogenität und der Bestrahlungsdosis des Neutronenstrahlenbündels, ein Ausgleichsfilter sowie ein Kollimator angeordnet, die der Neutronenstrahl durchläuft, wobei eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen ist, die in Verbindung mit der Überwachungseinrichtung den Betrieb des Elektronenbeschleunigers regelt. Diese Überwachungseinrichtung ist bei einer vorteilhaften Ausbildung an einer Stelle des Neutronenstrahls eingesetzt, wo dieser bereits weitgehend gegen Störneutronen abgeschirmt ist und kaum noch oder keine Störphotonen aufweist.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Neutronen-Strahlentherapiegeräts in vereinfachter Darstellung,
Fig. 2 den Bestrahlungskopf eines Neutronen-Strahlentherapiegerätes nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 3 einen Schnitt durch einen im Neutronen- Strahlentherapiegerät verwendeten Kollimator, und
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel des Strahlentherapiegeräts.
Das in Fig. 1 gezeigte Neutronen-Strahlentherapiegerät hat einen beweglichen Arm 1, der um 360° um eine horizontale Achse drehbar ist.
In dem beweglichen Arm 1 ist ein Elektronen-Linearbeschleuniger A angeordnet, durch den die Elektronen eines von einer Quelle 2 abgegebenen Elektronenstrahls F beschleunigt werden. Ein Anschluß 3 ermöglicht die Einführung eines HF-Signals in den Beschleuniger A. Am Ausgang des Beschleunigers A ist ein Target 4 angeordnet, das in einen aus Kupfer bestehenden Trägerblock 5 eingesetzt ist, der ein Kühlsystem aufweist, beispielsweise mit Kühlrohren 6 (Fig. 2), in denen ein Kühlmittel umlaufen kann. Wie Fig. 2 zeigt, ist der Trägerblock 5 mit einem ersten Kanal 7 für den Durchgang des beschleunigten Elektronenstrahls F und einem zweiten Kanal 8 für den Durchgang eines Neutronen- Nutzstrahls N versehen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kanal 8 rechtwinkelig zum Kanal 7 angeordnet, wodurch es leicht möglich ist, vom Target 4 in Richtung Elektronenstrahl F emittierte Störphotonen zu eliminieren. Der Trägerblock 5 ist in einem Schutzmantel 9 untergebracht, der seinerseits in einen Schutzmantel 10 eingesetzt ist; die von den Schutzmänteln 9 und 10 gebildete Einrichtung ist dazu bestimmt, den Störphotonenfluß abzuschirmen. Bei dem beschriebenen Beispiel besteht der Schutzmantel 9 aus Wolfram und der Schutzmantel 10 aus Blei; diese Schutzmäntel werden von einem Schutzblock 11 aufgenommen, 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 Neutronenstrahlenbündels N, das durch den zu diesem Zweck vorgesehenen Kanal 12 des Schutzblocks 11 geht. Die vom Target 4 und den Schutzteilen (Schutzmäntel 9, 10 und Schutzblock 11) gebildete Einrichtung ist in einem Bestrahlungskopf C (Fig. 1) des Strahlentherapiegeräts untergebracht. Auf dem Weg des Neutronenstrahlenbündels N sind nacheinander eine Meßkammer 14, ein Ausgleichsfilter 16 und ein Kollimator 20angeordnet. Die Meßkammer 14 enthält eine Einrichtung 15 zur Überwachung der Zentrierung, der Homogenität und der Bestrahlungsdosis des Neutronenstrahlenbündels N.
Die Meßeinrichtung 15 arbeitet mit einer an sich bekannten, in der Zeichnung nicht dargestellten Sicherheitsvorrichtung zusammen, die den Betrieb des Elektronen-Linearbeschleunigers A regelt.
Fig. 3 zeigt ein bei dem Neutronen-Strahlentherapiegerät verwendbares Ausführungsbeispiel des Kollimators 20. Der Kollimator 20 weist ein abnehmbares Bauteil 21 aus Polyäthylen auf, das einen für den Durchgang des Neutronenstrahlenbündels N vorgesehenen Kanal 22 bestimmter Abmessungen hat. Um das Bauteil 21 ist eine Gruppe von Schutzelementen 23 bis 33 angeordnet, die entweder aus einem einfachen Material (beispielsweise die Elemente 24, 30, 32, 33), oder aus einem zusammengesetzten Material ( beispielsweise das Element 23) aus Polyäthylen und Wolframpulver bestehen. Bei dem Ausführungsbeispiel bestehen das Element 24 aus Blei, die Elemente 25, 27, 29 aus Polyäthylen und Bor, die Elemente 26 und 28 aus boriertem Holz, das Element 30 aus Stahl, das Element 32 aus Wolfram und schließlich das Element 33 aus Blei.
Während des Betriebs trifft der vom Linearbeschleuniger A beschleunigte Elektronenstrahl (Fig. 1) ohne Ablenkung auf das Target 4. Ein Teil der vom Target 4 isotrop emittierten Neutronen strömt durch die Kanäle 8 und 22 (Fig. 2) in einer Richtung YY, die im rechten Winkel zur Mittelachse des Elektronenstrahls F verläuft. Die Photonendichte entlang dieser Achse YY (die senkrecht zu der Hauptemissionskeule Photonen liegt) ist sehr gering, so daß man einen Neutronen-Nutzstrahl N von ausreichender Reinheit hat.
Mit einem Neutronen-Strahlentherapiegerät der beschriebenen Art kann bei Verwendung eines Linearbeschleunigers, der für den Beschuß eines Wolfram-Targets einen Elektronenstrahl von etwa 15 MeV erzeugt, ein Neutronenstrahl von 2 bis 7 MeV erzielt werden, wobei der Elektronen/ Neutronen-Umwandlungswirkungsgrad in der Größenordnung von 2 · 10^-4 Neutronen pro Elektron und pro MeV liegt.
Wenn die medizinische Behandlung ein intensiveres Neutronenstrahlenbündel N mit höherer Energie erfordert, beispielsweise entsprechend einem Elektronenstrahl F von 25 bis 30 MeV, so kann eine abgewandelte Ausführungsform des Neutronen-Strahlentherapiegeräts verwendet werden. Bei einer solchen in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsform ist der Elektronen-Linearbeschleuniger A nicht innerhalb des Arms untergebracht, der um eine Achse XX drehbar ist, sondern er ist in dieser Drehachse XX angeordnet, wo mehr Raum für einen größeren Beschleuniger zur Verfügung steht. Die Drehachse XX fällt mit der Mittelachse des aus dem Linearbeschleuniger A austretenden Elektronenstrahls F zusammen; der Elektronenstrahl F wird danach zu der betrachteten Mittelachse des Elektronenstrahls am Ausgang des Beschleunigers A parallel verschoben. Diese Verschiebung kann mit Hilfe einer Translationsvorrichtung 100 erfolgen, wie beispielsweise in der FR-OS 70 02 468 beschrieben ist. Diese Translationsvorrichtung 100 arbeitet stigmatisch und achromatisch. Sie besteht aus vier Elektromagneten E ₁, E ₂, E ₃, E ₄, die parallel zueinander und senkrecht zu den Symmetrieebenen der Luftspalte der Elektromagnete (Zeichenebene von Fig. 4) gerichtete Magnetfelder liefern. die Elektromagnete E ₁ bis E ₄ sind derart angeordnet, daß als Symmetriemittelpunkt ein Punkt M dient, der mit dem dynamischen Mittelpunkt des Moments der Bewegungsgröße der Teilchen zusammenfällt. Der Abstand L zwischen den einander zugewandten Flächen von zwei aufeinanderfolgenden Elektromagneten beträgt L = 2r/tg R, wobei r der Krümmungsradius der Mittelachse des Elektronenstrahls in den Elektromagneten E ₁ bis E ₄ ist und R der Winkel ist, den die Eintritts- und Austrittsfläche jedes der Elektromagnete E ₁ bis E ₄ miteinander einschließen. Die Eintrittsfläche des Elektromagneten E ₁ steht senkrecht zu der Mittelachse des aus dem Beschleuniger A austretenden Elektronenstrahls, und die Austrittsfläche des Elektromagneten E ₄ steht senkrecht zu dem austretenden Strahl. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfährt der Elektronenstrahl im wesentlichen eine seitliche Versetzung 1 = 4r. Am Ausgang des Translationssystems kann eine magnetische Linse L angeordnet werden, damit eine geeignete Fokussierung des Elektronenstrahls auf dem Target 4 erzielt wird.

Claims

1. Neutronen-Strahlentherapiegerät mit einer einen Strahl aus geladenen Teilchen erzeugenden Quelle, mit einem Target, das bei Beschuß durch die geladenen Teilchen Neutronen emittiert und das in einen Trägerblock eingesetzt ist, der einen ersten Kanal für den Durchgang des Strahls der geladenen Teilchen und einen zweiten Kanal für den Durchgang eines Strahlenbündels aus emittierten Neutronen aufweist, mit Vorrichtungen zur Abschirmung von beim Beschuß entstehender Störstrahlung, mit einer Kollimatorvorrichtung für das Neutronenstrahlbündel und mit einer Einrichtung zur Überwachung der Kenngrößen des Neutronenstrahlbündels, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerblock (5) in einem Bestrahlungskopf (C) untergebracht ist, der am freien Ende eines um eine Achse drehbaren beweglichen Arms (1) angeordnet ist, daß die den Strahl aus geladenen Teilchen (F) erzeugende Quelle eine Elektronenquelle (2 ) mit Linearbeschleuniger (A) ist und daß der zweite Kanal (8) rechtwinklig abgewinkelt zum ersten Kanal (7) verläuft.

2. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus Wolfram besteht, daß der Trägerblock (5) aus einem gut wärmeleitenden Material besteht und ein Kühlmittelumlaufsystem enthält, und daß der Trägerblock (5) innerhalb von Schutzmänteln (9, 10) zur Abschirmung vor Störphotonen untergebracht ist und diese Schutzmäntel (9, 10) in einem Schutzblock (11) angeordnet sind, der Störneutronen abschirmt und eine Öffnung (12) für den Durchgang des Neutronenstrahlenbündels (N) aufweist.

3. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Schutzblock (11) eine Meßkammer (14) mit einer Einrichtung (15) zur Überwachung der Zentrierung, der Homogenität und der Bestrahlungsdosis des Neutronenstrahlenbündels (N), ein Ausgleichsfilter (16) sowie ein Kollimator (20) angeordnet sind, die das Neutronenstrahlenbündel durchläuft, und daß eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen ist, die in Verbindung mit der Überwachungseinrichtung (15) den Betrieb des Linearbeschleunigers (A) regelt.

4. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (20) ein erstes Bauteil (21) aus Polyäthylen mit einem Kanal (22) für den Durchgang des Neutronenstrahlenbündels (N), ein zweites Bauteil (23) aus einer Polyäthylen-Wolfram- Verbindung und eine die beiden Bauteile (21, 23) umgebende Bleibuchse (24) sowie eine einen geschichteten Schutzblock zylindrischer Form bildende Bauteilgruppe (25-32 ) aufweist, deren Drehachse mit der Mittelachse des Neutronenstrahlenbündels (N) zusammenfällt.

5. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearbeschleuniger (A) im beweglichen Arm (1) untergebracht ist.

6. Neutronen-Strahlentherapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearbeschleuniger (A) in der Drehachse (XX) des beweglichen Arms (1) angeordnet ist, daß im beweglichen Arm (1) Elektromagneten (E ₁, E ₂, E ₃, E ₄) angeordnet sind, die eine stigmatische und achromatische Translationsvorrichtung (100) zur Translationsverschiebung des Elektronenstrahls (M) bilden, und daß der nach der Translationsverschiebung austretende Elektronenstrahl parallel zu der Drehachse (XX) und senkrecht zum Target (4) verläuft und die Mittelachse des Neutronenstrahlenbündels (N) senkrecht zur Drehachse (XX) verläuft.