DE60124123T2

DE60124123T2 - Vorrichtung zur Elektronenlinearbeschleunigung während einer intraoperativen Strahlungstherapie

Info

Publication number: DE60124123T2
Application number: DE60124123T
Authority: DE
Inventors: Luigi Venier; Felice Santoni; Alberto Sagripanti
Original assignee: Hitesys SpA
Current assignee: Hitesys SpA
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: ATE343414T1; EP1317944B1; EP1317944A1; DE60124123D1; ES2275644T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf technologische Verbesserungen der "Vorrichtung zur Elektronenlinearbeschleunigung, insbesondere für die intraoperative Strahlentherapie", die HITESYS S.p.a. entwickelt hat und deren Patent Nummer 01 281 184 in Italien am 17.02.1998 erteilt wurde, in den USA unter der Nummer US-A-5 635 721 am 03.06.1997 erteilt wurde und vor dem Europäischen Patentamt unter der Nummer EP-A-0 702 982 anhängig ist. Die vorliegende Erfindung und die genannten und bezeichneten Patente werden auf die intraoperative Strahlentherapie angewandt, die als therapeutisches Verfahren bei der Behandlung von Tiefenneoplasmen verwendet wird und darin besteht, einer Tumormasse eine einzelne intensive Strahlungsdosis zuzuführen, wobei verhindert wird, daß die Dosis das umgebende gesunde Gewebe beeinträchtigt. Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es durch Anwenden der Strahlungsdosis direkt auf den Tumor oder den makroskopischen oder mikroskopischen Tumorrückstand möglich, das peritumorale gesunde Gewebe zu schonen, das bei der herkömmlichen Strahlentherapie mit externen Strahlen beeinträchtigt wird.
Ihr Anwendungsbereich reicht von chirurgisch inoperablen Tumoren bis Tumorrückständen nach einer teilweisen chirurgischen Entfernung oder bis zu einem Tumorbett nach einer vollständigen chirurgischen Entfernung. Für einen weiten Bereich von Tumoren, insbesondere diejenigen, die das Abdomen, das Becken und die Brust betreffen, bietet im allgemeinen eine Verwendung einer Elektronenstrahltherapie eine hohe Vielfältigkeit in der Behandlung sowohl von Tumorrückständen nach einer chirurgischen Entfernung als auch von als inoperabel angesehenen Tumormassen.
Die vorliegende Erfindung verbessert sehr stark die in den genannten und bezeichneten Patenten beschriebenen Hauptarbeitsmerkmale, deren Beitrag zur Weiterentwicklung der intraoperativen Strahlungstherapie in Forschungsarbeiten gezeigt worden ist, die die anmeldende Gesellschaft über einen langen Zeitraum ausgeführt hat und über die weiter unten in der vorliegenden Anmeldung berichtet wird.
Die genannten und bezeichneten Patente zielten darauf ab, viele Nachteile und/oder Risiken der Benutzung der linear beschleunigten Elektronen in dem spezifischen Feld der intraoperativen Strahlentherapie zu vermeiden, nämlich:

– das Erfordernis, den Patienten aus dem Operationssaal an eine andere Stelle zu verbringen, verursacht Probleme, die damit zusammenhängen, daß der Patient unter Anästhesie bewegt wird und daß Zeit zwischen dem chirurgischen Eingriff und der nachfolgenden Strahlentherapie vergeht;
– das Erfordernis, jede Operation strikt entsprechend der Verfügbarkeit des Zugangs zu dem Strahlentherapie-Ort zu planen, was die Anforderungen an die Arbeitszeit vergrößert und die Anzahl von Patienten, die die Strahlentherapie nutzen können, verringert;
– die hohen Herstellungskosten und erheblichen Belastungen der Vorrichtungen; das Hindernis, den Strahlungskopf im Raum zu plazieren und ihn. auf eine flexible Weise zu bewegen, so daß der Elektronenstrahl die gesamte beteiligte Tumormasse bestrahlt, obwohl diese Masse eine ungleichmäßige Form haben kann;
– der Verzicht auf die Erzeugung von intensiver Strahlung, die nicht durch einfache bewegliche Platten begrenzt werden kann, und dem daraus folgenden Erfordernis nach schwer abgeschirmten Arbeitsplätzen.

Zur Beseitigung der Nachteile und/oder Risiken offenbart das oben erwähnte Patent die Realisierung der Vorrichtung für die Linearbeschleunigung von Elektronen, insbesondere für die intraoperative Strahlentherapie, die

– direkt in dem Operationssaal ohne spezielle strahlenschützende Maßnahmen verwendet werden kann; die die flexible und präzise Bewegung des Elektronenstrahles im Raum ermöglicht, um eine Behandlung von Tumormassen zu ermöglichen, die eine variable und unterschiedliche Form aufweisen;
– es ermöglicht, den Elektronenbeschleunigungsbereich getrennt von der Hochfrequenzerzeugung und dem Steuerungsbereich vorzusehen;
– es ermöglicht, ein sehr geringes Niveau an Röntgenstrahlung zu erreichen, die einfach abgeschirmt werden kann; die es ermöglicht, die Strahlendosis, die einem vorgegebenen Tumorbereich verabreicht wird, räumlich zu variieren; deren Größe und Gewicht mäßig sind;
– die das Erfordernis nach externen Fokussierungs- oder Zentrierungsvorrichtungen für den emittierten Elektronenstrahl vermeidet;
– die es vermeidet, die Kathode aus der Beschleunigungsstruktur zu eliminieren.

Alle Innovationen der oben genannten und bezeichneten Patente und diejenigen in dem spezifischen Bereich der intraoperativen Strahlentherapie definieren den gegenwärtigen Stand der Technik, finden in der vorliegenden Erfindung in Form einer Verbesserung der Arbeitsmerkmale und/oder der Arbeitserfordernisse Verwendung als Antwort auf die gegenwärtigen Bedürfnisse der intraoperativen Strahlentherapie.
Im einzelnen behält die vorliegende Erfindung Funktion und/oder die Einsatzmöglichkeit der genannten und bezeichneten Patente bei, wobei sie jedoch einige Verbesserungen einführt als Ergebnis detaillierter Forschungsarbeiten im medizinischen Bereich.
Kurz gesagt, beziehen sich die Verbesserungen auf:

– das Vorsehen eines Strahlungsschildes unter dem Behandlungstisch, dessen Zentrierungssystem von einem Ultraschallwandlersystem oder dergleichen abhängt;
– die neue Konfiguration der Gelenkstruktur, die darauf abzielt, die Hochfrequenzübertragung zu der Beschleunigungsstruktur einfach zu gestalten, ohne Neigungsbewegungen des Strahlungskopfes und Rollbewegungen der gesamten Baugruppe mechanische Widerstände entgegenzusetzen;
– die neue Konfiguration des Strahlungskopfes, der die sphärische Bewegung des Strahlungskopfes ausführt, wobei das Zentrum auf der Achse der Beschleunigungsstruktur liegt und vorzugsweise eine Schwerpunktposition aufweist, um das Trägheitsmoment zu minimieren;
– das Plazieren des Modulators an einem beliebigen Teil des beweglichen Systems auch an dem Rand des beweglichen Systems, da die neue Konfiguration den Durchgang des Wellenleiters, der die Hochfrequenz zu der Beschleunigungsstruktur überträgt, innerhalb der Struktur der gegabelten Lagerung vorsieht;

Die durch die vorliegende Erfindung eingeführten Innovationen werden später zusammen mit den beibehalte nen Merkmalen aufgezeigt und beschrieben, um alle Arbeitsmerkmale der Vorrichtung zur intraoperativen Strahlentherapie aufzuzeigen.
Ein grundsätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung, insbesondere für die intraoperative Strahlentherapie, anzugeben, die direkt in dem Operationssaal ohne spezielle Strahlenschutzmaßnahmen verwendet werden kann, die im Bereich der Technik zu dem oben erwähnten Patent paßt, andere, fortschrittlichere technische Elemente für die Realisierung der Vorrichtung einführt, die hinsichtlich des Betriebs, der Anordnung, der Autonomie und Steuerung des strahlentherapeutischen Verfahrens zufriedenstellender ist, unabhängig davon, wie die Vorschläge sein können.
Innerhalb des Bereiches dieses Zieles besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung anzugeben, die es ermöglicht, die gesamte Gelenkstruktur ferngesteuert in Bewegung zu setzen, um gleichzeitig den Strahlungskopf zu handhaben, wobei gleichzeitig der Komfort der Verstellung innerhalb und außerhalb des Operationssaales erhöht ist, um die flexible und präzise Bewegung des Elektronenstrahles im Raum besser zu ermöglichen in Bezug auf Tumormassen, die variable und unterschiedliche Formen haben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung anzugeben, die durch eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung gespeist wird, die die Vorrichtung während des therapeutischen Verfahrens unabhängig von dem Spannungsversorgungsnetz macht, um eine Interferenz und/oder Schwierigkeiten des Netzes in Bezug auf die Funktionen der Vorrichtung zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung anzugeben, die den Frequenzmodulator an dem horizontalen Arm des Trägers der Gelenkstruktur hat, der den Strahlungskopf hält, oder in einem beliebigen anderen Teil des beweglichen Systems. Eine solche Anordnung ermöglicht eine bessere Flexibilität und eine bestimmte Balance der Vorrichtung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung anzugeben, die eine automatische Frequenzsteuerung aufweist, wobei die Aufgabe darin besteht, die Schwingfrequenz des Magnetrons stets synchron mit der Resonanzfrequenz der Struktur zur Elektronenlinearbeschleunigung zu halten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung zusätzlich zu den in den genannten und bezeichneten Patenten beschriebenen anzugeben, die eine Struktur aufweist, die geeignet ist, eine Abtastbewegung des Strahlungskopfes auszuführen und eine sphärische Bewegung mit dem Zentrum auf der Achse der Beschleunigungsstruktur auszuführen, um das Trägheitsmoment zu mininimieren; eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung anzugeben, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und einfach herstellbar ist.
Dieses Ziel, diese Aufgaben und andere werden nachfolgend deutlich und werden durch eine Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung, insbesondere für die Strahlentherapie, gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus einem bevorzugten, jedoch nicht ausschließli chen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich werden, das ausschließlich als nicht einschränkendes Beispiel in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, wobei:
1 eine Ansicht einer bekannten Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung ist;
2 eine Ansicht der Konfiguration der Beschleunigungshohlräume eines bekannten Typs einer Beschleunigungsvorrichtung ist;
3 ein Blockdiagramm für einen bekannten Typ einer patentierten Vorrichtung für die Linearbeschleunigung ist;
4 ein Blockdiagramm eines automatischen Frequenzkontrollsystemes gemäß dem bekannten Typ der patentierten Beschleunigungsvorrichtung ist;
5 eine Seitenansicht eines Roboters und eines Bestrahlungskopfes ist, wobei der genannte Roboter und der genannte Bestrahlungskopf ein Teil einer Beschleunigungsvorrichtung eines bekannten Typs sind;
6 eine Seitenansicht eines Roboters und eines Strahlungskopfes ist, wobei der Roboter und der Kopf Teil der vorliegenden Beschleunigungsvorrichtung sind;
7 die Bestrahlungskopfgruppe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Flußdiagramm der Schritte für die Charakterisierung des Bereiches des Körpers eines Patienten ist, der mit der patentierten Vorrichtung von dem bekannten Typ zu behandeln ist;
9 ein Flußdiagramm der Betriebsschritte für eine abtastende Bestrahlung mittels einer patentierten Vorrichtung vom bekannten Typ ist.
Unter Bezugnahme auf 1 weist die bekannte Beschleunigungsvorrichtung einen HF-Modulator 1, ein Magnetron 2, Kathodenmodulationsmittel 3, Zirkulations mittel 4, eine Last-Wasserkühlung 5, eine Beschleunigungsstruktur 6, einen Fokussiermagneten 7, einen Zentriermagneten 8, einen Deflektormagneten 9, einen Strahldiffusor 10, einen Strahlequalizer 11, einen Strahlaufbringer 12 und einen Strahlkollimator 13 auf. Es sei nunmehr auf die 2 und 3 Bezug genommen, in denen im Detail die bekannte und patentierte Beschleunigungsstruktur dargestellt ist, die gebildet ist durch eine Mehrzahl von Beschleunigungshohlräumen 26 (auch als Resonanzhohlräume bezeichnet), die in Reihe nebeneinander angeordnet sind, durch eine Kathode 28, die mit dem ersten Beschleunigungshohlraum verbunden ist, und durch Kontroll- und Verarbeitungsmittel 30. Die Beschleunigungshohlräume 26 sind durch eine äußere vakuumdichte Ummantelung 24 umschlossen.
Die Beschleunigungshohlräume 26 der Beschleunigungsstruktur des bekannten Typs 39 sind dafür ausgelegt, eine HF-Selbstfokussierung entlang der X-Achse der genannten Hohlräume zu erzeugen.
Eine Selbstfokussierung ist dadurch erreicht worden, daß unterschiedliche Längenwerte für den ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Hohlraum verwendet worden sind, so daß sich die Länge von dem ersten Hohlraum zu dem fünften vergrößert und für die folgenden Hohlräume konstant bleibt. Im einzelnen hat sich herausgestellt, daß die optimalen Längen für den ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Hohlraum 25 mm bzw. 40 mm bzw. 45 mm bzw. 48 mm bzw. 50 mm sind. Die Energie der Elektronen und ihr Einfangen sind ebenfalls für den ersten Hohlraum behandelt worden, in dem die Elektronen noch nicht relativistisch sind und die werte von b und r (Lorenz-Parameter) erheblich variieren.
Eine Kathode 28 ist vor dem ersten Beschleuni gungshohlraum angeordnet und wird durch die Kathodenmodulationsmittel 36 gespeist; eine dünne Titanschicht ist außerhalb des letzten Beschleunigungshohlraumes für eine Vakuumdichtigkeit angeordnet.
Das Kontroll- und Verarbeitungsmittel 30 weist folgendes auf: Spannungsversorgungsmittel 31; Verarbeitungsmittel 40, die vorteilhafterweise einen Computer aufweisen; das Kühlsystem der Vorrichtung; die Mittel zum Verteilen von Antriebskraft; die Sicherheitsvorrichtungen (nicht gezeigt).
Die Kontroll- und Verarbeitungsmittel 30 sind mit den Modulationsmitteln 33 verbunden, die HF-Modulationsmittel 34 aufweisen, die mit dem Magnetron 35 und dem Kathodenmodulationsmittel 36 verbunden sind. Das Magnetron 35 ist vor zufälligen Lastreflexionen durch ein Ferrit-Isolationssystem 37 geschützt. Wellenleitermittel 38, die vorteilhafterweise durch einen flexiblen Wellenleiter gebildet sind, verbinden die HF-Modulationsmittel 33 mit Bestrahlungsmitteln, die durch einen Strahlungskopf 32 gebildet sind, der eine Beschleunigungsstruktur 39 aufweist.
In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 63 einen besonderen Bereich des Körpers des Patienten, der durch Bestrahlung mittels der Vorrichtung des bekannten Typs und der Vorrichtung gemäß der Erfindung behandelt werden soll.
Es sei nun auf 4 Bezug genommen. Die Beschleunigungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist ferner eine HF-Selbstkontrolle auf, deren Aufgabe darin besteht, die Schwingfrequenz des Magnetrons 35 koinzident mit der Resonanzfrequenz der Beschleunigungsstruktur 26 zu halten.
Bei dem bekannten Typ von Vorrichtung kommt es tatsächlich bei dem Magnetron 35 und der Beschleuni gungsstruktur 26 zu individuellen Frequenzabweichungen des Arbeitspunktes (innerhalb von Grenzen), wobei beispielsweise die Temperatur die Resonanzfrequenz beeinflußt.
Die vorliegende Erfindung beseitigt solche Nachteile mittels einer Selbstkontrollschaltung für die Frequenz 40, die dafür sorgt, daß der Oszillator und die Last miteinander Schritt halten.
Eine Kapazitätskopplung 41, die in dem Knoten des Wellenleiters 38 angeordnet ist, zweigt einen Teil der Hochfrequenz ab. Tatsächlich besteht die Bedeutung des Knotenpunktes darin, ein Verhalten der Spannung zu erzielen, das im hohen Maße abhängig ist von der Art der angekoppelten Oszillatorlast; eine solche Abhängigkeit ist in dem Graphen 44 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Emissionsfrequenz des Magnetrons 35 aufgetragen; in der Mitte der Achse ist die Resonanzfrequenz des Beschleunigers f₀ angegeben. Die Ordinatenachse stellt die Spannung dar, die von der Diode abgenommen wird, die mit der Kapazitätskopplung 41 verbunden ist: ein Spitzenwert der Spannung, die in dem Wellenleiter 38 vorhanden ist, in dem Knotenpunkt, wo die Kopplung eingefügt ist.
Ein Variieren der Frequenz des Magnetrons führt dazu, daß die Spannung, die von der Diode abgenommen wird, um einen zentralen Wert V₀ variiert; bei einer darauf folgenden Änderung der Spannung der Diode auf eine Spannung die V₀ entspricht, ist es möglich, ein Signal abzusetzen, das für den Antrieb des Motors in Bezug auf die Abstimmungs-Achse 42 passend ist; Drehung ist das, was dazu führt, die Spannung V in Richtung auf die Spannung V₀ zu bringen und damit die Frequenz f in Richtung auf die Frequenz f₀.
Danach wird das besondere Merkmal der Frequenz- Selbstkontrollschaltung analysiert, das darin besteht, Gebrauch von nur einer Signalabweichung von dem Wellenleiter zu machen, anders als das bekannte System und alle übrigen, die zwei Signale benutzen.
5 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung der bekannten Art, wobei das Bezugszeichen 50 eine Tragstruktur bezeichnet, die mit dem Boden verbunden ist oder auf diesem aufsteht.
Eine Gelenkstruktur 51 ist auf der Tragstruktur 50 angeordnet und dient dazu, den Strahlungskopf 32 zu tragen und zu bewegen; ein Diaphragma 60 ist an dem Strahlungskopf angebracht in der Position, wo der Elektronenstrahl austritt.
Im einzelnen ist die Gelenkstruktur 51, die allgemein auch als Röhrenträger bezeichnet wird, durch einen vertikal angeordneten Roboter gebildet, der 4 gelenkig miteinander verbundene Segmente aufweist, die mit dem Bezugszeichen 51a, 51b, 51d bezeichnet sind und es ermöglichen, den Strahlungskopf 32 in jeder Position im Raum anzuordnen.
Die gelenkig miteinander verbundenen Segmente 51a, 51b, 51c und 51d sind relativ zueinander schwenkbar, um dem Strahlungskopf 32 sechs Freiheitsgrade im Raum zu geben.
Im einzelnen ist das Gelenksegment 51a um die Drehachse 52 der Strahlstruktur 50 sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn drehbar; das Gelenksegment 51b ist in beiden Richtungen um die Scharnierachse 53 drehbar; das Segment 51c ist in beiden Richtungen sowohl um die Scharnierachse 54 als auch um die Achse 56 drehbar; und das Segment 51d ist in beiden Richtungen um die Scharnierachse 55 drehbar.
Das Bezugszeichen 57 bezeichnet einen Tragpfosten für einen Operationstisch 58. Der Pfosten ruht auf einem Fuß 59, der gegenüber dem Boden moderat abgeschirmt ist für den Fall, daß ein Zutritt zu den Räumen unterhalb des Operationstisches während der Benutzung der Vorrichtung der bekannten Art nicht verboten ist. Ansonsten ist die Abschirmung nicht erforderlich.
Steuerungsmittel, die vorzugsweise eine bewegliche Knopftafel 61 aufweisen, steuern die bekannte Vorrichtung.
6 ist eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der das Bezugszeichen 50n (neu) eine Tragstruktur mit einem selbst angetriebenen und ferngesteuerten Schlitten bezeichnet, wobei die anderen Komponenten der Tragstruktur des Strahlungskopfes 52, der im Raum sechs Freiheitsgrade hat, 5 entsprechen.
Unter Einbeziehung der grundsätzlichen Arbeitsprinzipien des bekannten Typs von Vorrichtung bezeichnen die zuvor verwendeten Bezugszeichen die gleichen Dinge, wobei die Bezugszeichen die Funktionen oder eingefügten Teile der vorliegenden Erfindung bezeichnen.
6 zeigt die bessere Anordnung des Modulators (34, 36), der in einem vollständig geschlossenen Metallbehälter 64 aufgenommen ist, der an dem horizontalen Arm der Gelenkstruktur oder an einem beliebigen anderen Teil des beweglichen Systems angeordnet ist, zur Erzeugung der Hochfrequenz, die zu den Hohlräumen 26 von der Gelenkstruktur des Roboters 39 zu übertragen ist.
Ferner ist bei dem Bezugszeichen 62 die integrierte Strahlungsabschirmung des Elektronenstrahls gezeigt, deren Ziel darin besteht, während des Betriebs den Elektronenstrahl zu zentrieren.
Und darüber hinaus ist, obwohl in 6 nicht dargestellt, zur Verbesserung des Gegenstandes der vor liegenden Erfindung ein thermostatischer Kreis mit einem Austausch zwischen warmer Luft und Fluid anstatt zwischen Wasser und Fluid vorgesehen. Es ist offensichtlich, daß das für die Kühlung vorgesehene Fluid ausschließlich dasjenige des Shunt-Kreises der Vorrichtung ist und keine Notwendigkeit für einen externen Einlaß besteht.
Nach alledem sind unter Bezugnahme auf 6 die Bezugszeichen der Teile und Funktionen, die durch die vorliegende Erfindung eingefügt oder verändert worden sind, gezeigt, wobei die Bezugszeichen der nicht veränderten Teile und Funktionen nicht verändert sind und 5 entsprechen. 7 zeigt die neue Konfiguration des Strahlungskopfes 60 als eines Systems, das die sphärische Bewegung unter Verwendung eines sphärisch gegabelten Lagers (Stütze) 70 vollzieht und zwei Drehbewegungen mit senkrechten Achsen kombiniert: eine Drehung der gegabelten Lagerung bezüglich des Rahmens 72 (Rollbewegung der gegabelten Lagerung und des Kopfes); eine Drehbewegung des Kopfes bezüglich der gegabelten Lagerung 73 (Neigebewegung des Kopfes);
Die 8 und 9 sind Flußdiagramme der Betriebsschritte der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die durch das Verarbeitungsmittel 40 gesteuert werden.
Unter Bezugnahme auf die obigen Figuren ist der Betrieb der Vorrichtung für die Elektronenlinearbeschleunigung gemäß der Erfindung wie folgt.
Der Schlittenroboter, der durch die gelenkig miteinander verbundenen Segmente 71, 72, 73, 74 und 75 gebildet ist, ermöglicht es, den Strahlungskopf 32 so zu orientieren, daß er den Elektronenstrahl exakt auf den Bereich richtet, wo die Therapie auszuführen ist. Die Möglichkeit der Orientierung des Strahlungskopfes 32 ermöglicht es, eine Ausdehnung des Strahles zu ver meiden und erlaubt damit eine präzise Behandlung des zu bestrahlenden Bereiches, wobei der Strahlungskopf 32 sehr nahe an den zu bestrahlenden Bereich herangebracht wird. Daher ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu dem minimal möglichen Abstand, der mit bekannten Linearbeschleunigern erreicht werden kann und zwischen 80 und 100 cm variiert, eine viel höhere Effizienz bei der Behandlung des Patienten zu erzielen, da eine Strahlstreuung nicht auftritt und daher ein viel niedrigeres Energieniveau erforderlich ist (von 4 bis 12 MeV).
Darüber hinaus ermöglicht die auf dem selbst angetriebenen und ferngesteuerten Schlitten angeordnete Tragstruktur 50n gemäß der Erfindung die Annäherung der Vorrichtung an den Tragpfosten des Operationstisches 58. Verschiebungen erfolgen ferngesteuert und überwacht in Bezug auf Tumorbereiche des Patienten, die durch Bestrahlung mit der Vorrichtung vom bekannten Typ bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung beaufschlagt werden müssen.
Eine kontinuierliche Messung der Position der verschiedenen gelenkigen Segmente, die den Roboter bilden, wird mittels eines Sensorsystems (nicht dargestellt) ausgeführt, mit dem der Roboter ausgestattet ist.
Die Verarbeitungsmittel 40 ermöglichen es, die gewünschten Bewegungen der Gelenksegmente 72, 73, 74 und 75, die den Roboter bilden, und damit des Strahlungskopfes 32 vorzudefinieren, so daß der Strahlungskopf eng der Kontur des zu bestrahlenden Bereiches folgt; es ist darüber hinaus möglich, die gewünschte Strahlungsdosis für jeden Punkt des zu behandelnden Bereiches einzustellen.
Die Modulationsmittel erzeugen und steuern die Hochfrequenz und steuern auch die Kathode 28. Die erzeugte und selbstgesteuerte Hochfrequenz 40 wird mittels einer flexiblen Wellenleiters zu den Beschleunigungshohlräumen übertragen.
Die Elektronen, die sich entlang der Achse der Beschleunigungshohlräume 26 bewegen, werden allmählich über die in jedem Hohlraum 26 vorhandene Hochfrequenz beschleunigt, bis sie die gewünschte endgültige Energie erreichen. Die Elektronen treten aus der Beschleunigungsstruktur 32 durch die dünne Titanschicht 25 aus, deren Dicke es den Elektronen ermöglicht, aus diesen auszutreten, ohne einen nennenswerten Teil der Energie, die sie besitzen, zu verlieren.
Das hochfrequente elektrische Feld, das zur Beschleunigung der Elektronen verwendet wird, wird durch das Magnetron 35 erzeugt, gesteuert 40 und speist die Beschleunigungsstruktur 32 mittels des Wellenleiters 38.
Der Modulator der Kathode 36 speist die Kathode und synchronisiert ihren Betrieb, so daß der Zug der HF-Pulse, der die Beschleunigungsstruktur 32 speist, zu der Emission von Elektronen auf Seiten der Kathode paßt.
Der Elektronenstrahl wird in den ersten Hohlräumen gleichzeitig fokussiert und beschleunigt mit einer eingestellten Kombination der Kathoden-Injektionsenergie und der Länge des ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Hohlraumes. Er kann durch das Zentrum des jeweils darauffolgenden Hohlraumes der Beschleunigungsstruktur nach der Spitze der Hochfrequenz hindurchtreten, um so eine zusätzliche Fokussierung zu erfahren.
Der Elektronenstrahl wird gepulst, und jeder Puls dauert 4 Mikrosekunden. Die Frequenz der Pulse kann fest oder variabel sein, was es ermöglicht, die erfindungsgemäße Vorrichtung direkt innerhalb des Betriebsraumes ohne besondere Strahlenschutzmaßnahmen zu verwenden.
Die Verwendung der Verarbeitungsmittel 40 ermöglicht es, die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine mechanisch abtastende Bestrahlung mit vier unterschiedlichen Betriebszuständen der Beschleunigungsvorrichtung zu verwenden.
Diese vier Zustände sind:

– Anweisungsschritt;
– Lernschritt;
– Überprüfungsschritt;
– Therapieschritt;

8 ist ein Blockschaltbild der Folge von Schritten zum Definieren eines zu bestrahlenden Bereiches, der als "Quellenebene" bezeichnet wird, wobei diese Schritte durch die Verarbeitungsmittel 40 ausgeführt werden; in der Figur ist nach dem anfänglichen Schritt 100 ein Schritt 110 vorgesehen zum Selektieren der Ebene, in der der zu bestrahlende Bereich liegt; auf den Schritt 110 folgt ein Schritt 120 zum Auswählen des Neigungswinkels des Strahlungskopfes 32 relativ zu der definierten Quellenebene. Darauf folgt dann der Schritt 130 zum Eingeben der Scheitelpunkte des zu bestrahlenden Körpers, der Schritt 150 zum Verfolgen der Umfangslinie des Körpers zur Bestätigung, der Schritt 160 zum Berechnen der Daten für die Bestrahlung, der Bestrahlungsschritt 150 und schließlich der Endschritt 170.
Es sein nun auf 9 Bezug genommen. Wenn der Patient für die Elektronentherapie bereit ist (Schritt 200), wird die erfindungsgemäße Vorrichtung plaziert (Schritt 210), die Gelenkstruktur 51 geöffnet, so daß ihr Bestrahlungsrichtungsindikator auf das Zentrum zu behandelnden Bereiches gerichtet ist. Diese Bewegung wird über die bewegliche Bodentafel 61 gesteuert.
An dieser Stelle wird die Vorrichtung in den Lernzustand versetzt: Der Bediener beginnt, den Strahl entlang eines Pfades zu bewegen, der mit dem Rand des zu behandelnden Bereiches übereinstimmt; dieser Pfad wird über mehr oder weniger beabstandete Punkte in Abhängigkeit von der Komplexität des Profils entwickelt, und das Verarbeitungsmittel 40 interpoliert eine Verbindung zwischen den verschiedenen Punkten mit geraden Abschnitten oder kreisförmigen Bögen.
Sobald das Lernen beendet ist, wird die Vorrichtung in den Überprüfungsschritt versetzt, währenddessen der Bediener (Schritte 240 und 260) die erforderliche Dosis und die entsprechende Energie für jedes Feld eingibt und die Gelenkstruktur 51 kontinuierlich (S. 250 und 270) entlang den entsprechenden Pfaden mit seinem Lichtzeiger bewegt.
Sobald der Überprüfungsschritt beendet ist, werden die Schritte für die Bestrahlung der verschiedenen Felder (Schritte 280, 290 und 300) ausgeführt. Diese Bestrahlungsschritte können auf dem Monitor der Verarbeitungsmittel 40 verfolgt werden, der in Echtzeit Daten anzeigt, die den jeweiligen Pfad, den prozentualen Anteil der ausgeführten Behandlung, die verabreichte Dosis und die verbleibende Dosis anzeigen.
Darauf folgt der Endschritt 310.
Im Falle einer herkömmlichen Bestrahlung bewegt der Bediener nach dem Bewegen des Strahlungskopfes 32 in die Nähe des Patienten und nach dem Einstellen der gewünschten Dosis mittels des Verarbeitungsmittels 40 den Strahlungskopf 32 in Richtung auf den Kollimatorkonus, der verwendet wird, um die Teile des Körpers des Patienten, die nicht bestrahlt werden sollen, vor dem Elektronenstrahl zu schützen, und beginnt die Bestrahlung.
Die Trennung zwischen dem Strahlungskopf 32 und den Modulationsmitteln 33 und ihre Verbindung mittels des flexiblen Wellenleiters 38 ermöglichen es, einen gelenkigen mechanischen Arm 51 vorzusehen, der geeignet ist, die Beschleunigungsstrukturen 39 und den Strahlungskopf 32 mit extremer Präzision und auf eine sehr flexible Art und Weise zu positionieren und im Raum zu bewegen.
Eine Steuerung mittels eines in geeigneter Weise programmierten Computers 40 ermöglicht es, die Bewegung der Gelenkstruktur 51 so einzustellen, daß der Elektronenstrahl die gesamte Tumormasse behandelt unabhängig davon, wie ungleichmäßig sie ist.
Die Selbstfokussierungseigenschaft des Strahles macht es in Kombination mit der Form der Beschleunigungsstruktur 32 überflüssig, zusätzliche externe Hilfsvorrichtungen zum Regulieren des Strahles (Magneten usw.) vorzusehen, so daß auf diese Weise ein sehr geringes Niveau an Röntgenstrahlung eingehalten werden kann. Diese Reduzierung der Bestrahlung ermöglicht es, die Vorrichtung in Behandlungsräumen ohne besondere Abschirmung zu benutzen.
Die Verwendung einer vakuumdichten Verschweißung zum Zusammenfügen der verschiedenen Beschleunigungshohlräume 26, die die Beschleunigungsstruktur 32 bilden, ermöglicht es, auf die externe vakuumdichte Ummantelung zu verzichten, so daß auf diese Weise Gewicht und Größe reduziert sind.
Die auf diese Weise erhaltene Vorrichtung ist verschiedenen Modifikationen und Abwandlungen zugänglich, die allesamt im Schutzumfang des erfindungsgemäßen Konzeptes liegen. Da beispielsweise bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung der Querschnitt des Strahles sehr klein bleibt, muß im Gegenzug der Strom des Strahles erheblich verringert werden, um die Gefahr zu vermeiden, daß eine exzessive lokale Dosis verabreicht wird und das bestrahlte Gewebe nekrotisiert. Das Erfordernis, die Intensität des Strahles zu verringern, kann dazu führen, daß die Kathode 28 aus der Beschleunigungsstruktur 39 weggelassen wird und die Elektronen mittels des bekannten Phänomens der Kaltextraktion aus einem metallischen Material gesetzt werden. Dieses Phänomen beruht auf der Tatsache, daß ein intensives elektrisches Feld, das an metallisches Material angelegt wird, in der Lage ist, eine bestimmte Anzahl von Elektronen aus den äußersten Atomschalen herauszulösen. Die Anzahl von Elektronen, die herausgelöst werden können, ist jedoch für die Strahlströme, die von bekannten Beschleunigern benötigt werden, nicht ausreichend: mit einer bestimmten Ausnahme, wie bei dem oben erwähnten Patent.
Schließlich können alle Details durch technisch äquivalente Bauteile ersetzt werden. In der Praxis können die verwendeten Materialien, solange sie mit der spezifischen Verwendung kompatibel sind, sowie die Abmessungen entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen gewählt werden.
Wo in einem der Ansprüche technische Merkmale mit Bezugszeichen bezeichnet sind, sind diese Bezugszeichen ausschließlich zum Zwecke der Verbesserung der Lesbarkeit der Ansprüche eingefügt worden, und dementsprechend haben solche Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung auf die Auslegung der Elemente, die ausschließlich beispielshalber mit solchen Bezugszeichen versehen sind.

Claims

Eine Vorrichtung zur Elektronenlinearbeschleunigung, insbesondere für die intraoperative Bestrahlungstherapie, das folgendes umfaßt: – Bestrahlungmittel, das eine Beschleunigungsstrukur hat, das aus einer Mehrzahl von Hohlräumen (26) und einem Strahlungskopf (32) gebildet ist; – eine Gelenkstruktur (51) zum Bewegen des Bestrahlungsmittels; – Modulationsmittel (33) zum Erzeugen, Selbstüberwachen und Übertragen einer Hochfrequenz zu den Hohlräumen von der Beschleunigungsstruktur (51) – Verarbeitungs- und Kontrollmittel (30), die angepaßt sind die Vorrichtung zu steuern, wobei das Modulationsmittel von dem Bestrahlungsmittel getrennt ist, wobei die Verbindung durch einen flexiblen Wellenleiter (38) stattfindet, der angepaßt ist, die Hochfrequenz zu der Beschleunigungsstruktur (51) zu leiten; – eine gegabelte Stütze (71), die den Strahlungskopf (32) trägt, die mit der Gelenkstruktur (51) mittels einer Drehwelle verbunden ist, um eine Drehbewegung der gegabelten Stütze (71) und des Strahlungskopfes (32) auszuführen, worin sich ein drehbares Gelenk und ein Teil des flexiblen Wellenleiters (38) befinden; wobei der Strahlungskopf (32) mit der gegabelten Stütze (71) durch eine Drehachse, die ihre Achse orthogonal zur Rollachse hat, mit der gegabelten Stütze (71) verbunden ist, zur Ausführung von Schwingbewegungen. – einen Strahlungsschirm unter einer Behandlungscouch, umfassend ein Zentrierssystem.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, worin die Gelenkstruktur (51) einen Roboter zur Bewegung des Bestrahlungsmittel umfasst, wobei der Roboter auf einer mobilen Stützstruktur angeordnet ist, die sich selbstangetrieben über dem Boden des Operationsraumes bewegt.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 2, worin der Roboter vier Gelenksegmente umfasst, die in Bezug aufeinander beweglich sind und dem Bestrahlungsmittel erlauben, sich mit 6 Freiheitsgraden zu bewegen.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, worin die Mehrzahl von Hohlräumen der Beschleunigungsstruktur untereinander mittels vakuumdichter Lötnähte verbunden sind, wobei die Hohlräume von dem ersten bis zum fünften zunehmende Längen haben, die nachfolgenden Hohlräume identisch in der Länge sind, wobei die Mehrzahl von Hohlräumen eine Selbstfokussierung des Elektronenstrahls erzeugt.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 4, worin die Beschleunigungsstruktur eine Kathode umfaßt, die vor dem ersten Hohlraum angeordnet ist, und eine Titanschicht, die ausserhalb des letzten Hohlraums angeordnet ist.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, worin das Modulationsmittel ein Magnetron, einen Hochfrequenzmodulator und einen Kathodenmodulator umfasst, das angepaßt ist, die Kathode zu betreiben.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 4, worin die Beschleunigungsstruktur eine Titanschicht umfasst, die ausserhalb des letzten Hohlraums angeordnet ist.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, worin das Modulationsmittel ein Magnetron und einen Hochfrequenzmodulator umfasst, das in einem Arm der Gelenkstruktur untergebracht ist.
Eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 6, worin das Modulationsmittel eine automatische Frequenzkontrolle umfasst, um die Oszillationsfrequenz des Magnetrons in Übereinstimmung mit der von der Resonanz der Beschleunigungsstruktur zu halten.