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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine lasergeschweißte Brachytherapiequelle und
ein Verfahren zum Laserschweißen
der Brachytherapiequelle.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mit
den Jahren sind in dem menschlichen Körper implantierte Brachytherapiequellen
ein sehr effektives Werkzeug in der Strahlentherapie zur Behandlung
erkrankter Gewebe geworden, besonders von krebsartigen Geweben.
Die Brachytherapiequellen sind in der Industrie auch als radioaktive
Seeds bzw. Kapseln bekannt. Typischerweise werden diese Brachytherapiequellen
unter Anwendung chirurgischer Verfahren oder minimal-invasiver Techniken, wie
zum Beispiel von Subkutankanülen,
direkt in zu bestrahlende Gewebe eingesetzt. Diese Brachytherapiequellen
enthalten im allgemeinen ein radioaktives Material, wie zum Beispiel
Iod-125, das niederenergetische Röntgenstrahlen emittiert, um
maligne Gewebe zu bestrahlen und zu zerstören, ohne eine zu starke Schädigung des
umgebenden gesunden Gewebes zu verursachen, wie von Lawrence in US-A-3351049
(Patentschrift '049)
offenbart. Da radioaktive Materialien wie Iod-125 eine kurze Halbwertszeit
haben und niederenergetische Röntgenstrahlung
emittieren, können
die Brachytherapiequellen unbegrenzt in menschlichem Gewebe belassen werden,
ohne sie chirurgisch entfernen zu müssen. Obwohl jedoch Brachytherapiequellen
nicht aus den einbettenden Geweben entfernt werden müssen, ist es
notwendig, die Brachytherapiequellen permanent abzudichten, so daß die radioaktiven
Materialien nicht in den Körper
entweichen können.
Außerdem muß die Brachytherapiequelle
so konstruiert sein, daß sie
eine leichte Bestimmung der Position und der Anzahl von Brachytherapiequellen
zuläßt, die
im Gewebe eines Patienten implantiert sind, um den Patienten wirksam
zu behandeln. Diese Information ist außerdem nützlich, um die Strahlungsdosisverteilung in
dem behandelten Gewebe so zu berechnen, daß eine wirksame Behandlung
durchgeführt
werden kann, und um kalte Stellen (Bereiche mit verminderter Strahlung)
zu vermeiden.
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Zur
Behandlung von Karzinom und verschiedener Tumorarten in menschlichen
und tierischen Körpern
sind viele verschiedene Typen von Brachytherapiequellen eingesetzt
worden. Traditionelle Brachytherapiequellen sind in kleinen Metallkapseln
enthalten, die aus Titan oder Edelstahl bestehen und die verschweißt oder
geklebt werden, um das radioaktive Material dicht einzuschließen.
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Diese
verschiedenen Verfahren zum permanenten Abdichten der Brachytherapiequellen,
die so angewandt werden, daß die
radioaktiven Materialien nicht in den Körper entweichen können und
nach der Behandlung nicht entfernt werden müssen, können eine drastische Auswirkung
auf die Herstellungskosten und auf die Strahlungsverteilung der
Brachytherapiequellen haben. Erhöhte
Kosten vermindern die ökonomische
Effektivität
der Brachytherapiequellenbehandlung gegenüber konventionelleren Verfahren wie
zum Beispiel der Chirurgie oder der Strahlentherapie. Außerdem können die
schlechteren Strahlungsverteilungseffekte, die auf diese Abdichtungsverfahren
zurückzuführen sind,
in herkömmlichen Brachytherapiequellen
schließlich
die Gesundheit des Patienten beeinträchtigen, da höhere Strahlungsdosen
erforderlich sind oder zusätzliche
Brachytherapiequellen in den menschlichen Körper eingebracht werden müssen. All
das führt
zu einer weniger wirksamen Behandlung, die mehr gesundes Gewebe
schädigen
kann, als sonst notwendig wäre.
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Ein
erster Typ einer herkömmlichen
Brachytherapiequelle 10 ist in 1 dargestellt
und verwendet zwei Metallhülsen 12 und 14.
Die Brachytherapiequelle 10 wird in US-A-4891165 offenbart,
erteilt am 2. Juni 1990 an Sutherantiran und zediert an Best Industries,
Springfield, VA. Jede dieser Hülsen
weist ein geschlossenes Ende 16 bzw. 18 auf und
wird unter Anwendung von Ziehverfahren hergestellt. Die Hülse 14 weist
einen Außendurchmesser
auf, der kleiner ist als ein Innendurchmesser der Hülse 12, damit
die Hülse 14 innerhalb
der Hülse 12 gleiten kann,
bis das offene Ende der Hülse 14 in
Kontakt mit dem geschlossenen Ende 16 der Hülse 12 kommt. Radioaktives
Material, wie zum Beispiel Pellets, wird in die kleinere Hülse 14 eingefüllt, und
dann wird die größere Außenhülse 12 über die
kleinere Hülse 14 geschoben.
Als nächstes
wird die Brachytherapiequelle 10 durch WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen) des
offenen Endes der größeren Hülse 12 an
das geschlossene Ende 18 der kleineren Hülse 14 permanent
abgedichtet. Es kann auch Laserschweißen angewandt werden. Obwohl
das Verschweißen
der beiden Hülsen 12 und 14 eine
gute Abdichtung liefert, leidet die Brachytherapiequelle 10 unter
verschiedenen Nachteilen.
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Ein
Nachteil ergibt sich daraus, daß die Strahlungskapsel 10 aus
zwei Stücken
von deutlich verschiedener Größe (den
beiden Hülsen 12 und 14) geformt
wird, was einen zusätzlichen
Montageschritt zum Zusammensetzen der beiden Hülsen 12 und 14 erfordert.
Dies ist zeitraubend und kann das Montageverfahren verlangsamen
sowie die Gesamtherstellungskosten der Brachytherapiequellen 10 erhöhen.
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Eine
andere herkömmliche
Brachytherapiequelle 30, wie in 2 dargestellt,
verwendet eine einzelne Röhre 32,
die Endkappen 34 und 36 aufweist, die an den Enden 38 und 40 der
Einzelröhre 32 zum
Zurückhalten
des radioaktiven Materials eingesetzt werden. Die Brachytherapiequelle 30 wird
in US-A-4784116
offenbart, erteilt am 15. November 1988 an Russen, Jr. et al. und
zediert an Theragenics Corporation, Atlanta, GA. Die Enden 38 und 40 werden
dann mit den Endkappen 34 und 36 verschweißt oder
verklebt, um die Brachytherapiequelle 30 zu verschließen und
abzudichten. Obwohl die Brachytherapiequelle 30 eine einzige
Wand und eine bessere Strahlungsverteilung entlang der Länge (oder
den Seiten) der Brachytherapiequelle 30 bereitstellt, leidet
die Brachytherapiequelle 30 noch unter verschiedenen Nachteilen.
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Ein
erster Nachteil ist, daß die
Enden 38 und 40 der Brachytherapiequelle 30 keine
gleichmäßige Strahlungsverteilung
liefern, die eine Punktquelle approximiert, da die Endkappen 34 und 36 am
Ende der Brachytherapiequelle 30 eine Doppelwand bilden, die
eine erhebliche Strahlungsmenge blockiert. Ein weiterer Nachteil
ergibt sich aus den Schweißnähten, die
zum Abdichten der Endkappen 34 und 36 an den Enden 38 und 40 der
Einzelröhre 32 dienen,
da diese gleichfalls die Strahlungsverteilung verringern. Ein weiterer
Nachteil entsteht daraus, daß ein
dreistufiger Montageprozeß statt
des oben diskutierten zweistufigen Montageprozesses durchgeführt wird,
da jetzt drei getrennte Teile zusammenzusetzen sind (die Einzelröhre 32 und
die Endkappen 34 und 36).
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In
einer Alternative zu diesem Typ einer herkömmlichen Brachytherapiequelle
weist eine in 3 dargestellte Brachytherapiequelle 50 Endstopfen 52 und 54 auf,
die in die offenen Enden einer Einzelröhre geschoben werden. Die Brachytherapiequelle 50 wird
in US-A-5683345 offenbart, erteilt an Waksman et al. und zediert
an die Novoste Corporation, Norcross, GA. Die Endstopfen 52 und 54 werden
entweder mit einem Klebstoff fixiert, und das Metall der Einzelröhre 56 wird
dann um die Endstopfen 52 und 54 herumgebogen,
oder die Endstopfen 52 und 54 werden an die Einzelröhre 56 angeschweißt. Die
Brachytherapiequelle 50 leidet unter den gleichen Nachteilen
wie oben diskutiert. Außerdem
wird die Strahlungsverteilung aus den Endstopfen 52 und 54 wegen
der größeren Dicke
der Endstopfen 52 und 54 erheblich vermindert.
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Bei
einer weiteren, in 4 dargestellten herkömmlichen
Brachytherapiequelle 70, auf welcher der Oberbegriff von
Anspruch 1 basiert, werden einige von den Nachteilen der mehrteiligen
Baugruppe überwunden,
indem eine Einzelröhre 72 verwendet wird,
um einen Körper
mit einer einheitlichen Seitenwand in Längsrichtung der Brachytherapiequelle 70 zu
bilden. Die Brachytherapiequelle 70 wird von der Amersham
International PLC vertrieben. Ein Ende der Einzelröhre 72 wird
WIG-geschweißt,
und dann wird das radioaktive Material in das offene Ende 76 der
Einzelröhre 72 eingebracht.
Als nächstes
wird das offene Ende 76 WIG-geschweißt, um die Einzelröhre 72 dicht
zu verschließen
und eine einzige, einheitliche Brachytherapiequellenstruktur bereitzustellen.
Die Brachytherapiequelle 70 leidet jedoch unter vielen
Nachteilen.
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Zum
Beispiel verursacht das WIG-Schweißen der Enden 74 und 76 die
Bildung einer Raupe aus geschmolzenem Metall an den Enden 74 und 76 der
Einzelröhre 72.
Aufgrund der Natur des WIG-Schweißens bilden
die verschweißten
Enden 74 und 76 im allgemeinen eine Raupe, die
ebenso dick ist wie der Durchmesser der Einzelröhre 72. Wegen der
Dicke der Raupen 78 und 80, welche die Enden 74 und 76 verschließen, wird
daher die Strahlungsverteilung aus den Enden 74 und 76 der
Brachytherapiequelle 70 erheblich vermindert. Außerdem wird
das Ende 76 erst nach dem Einbringen des radioaktiven Materials
in die Einzelröhre 72 verschlossen,
und das Ende 76 kann unter Umständen wegen der Gegenwart des
Trägerkörpers des
radioaktiven Materials, der die thermischen Eigenschaften der Brachytherapiequelle 70 beeinflußt, nicht
auf die gleiche Weise abdichten. Daher kann die Raupe 80 eine
andere Form als die Raupe 78 aufweisen, was die Strahlungsverteilung
weiter verändern
kann und zu Strahlungsverteilungen führen könnte, die von einer Brachytherapiequelle
zur anderen nicht übereinstimmen,
wodurch die Voraussage der tatsächlichen Strahlungsverteilung
schwieriger wird.
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Daher
liefert die Brachytherapiequelle 70 keine gleichmäßige Strahlungsverteilung,
obwohl sie einige von den Nachteilen in den früheren Brachytherapiequellen
durch Minimieren der Montageschritte überwindet, die mit mehreren
Teilen verbunden sind. Tatsächlich
kann wegen der Möglichkeit
von Veränderungen
des zweiten Endes beim WIG-Schweißen die Verteilung von einer
Brachytherapiequelle 70 zur anderen erheblich variieren.
Typische Strahlungsverteilungsdiagramme für herkömmliche Brachytherapiequellen 70 mit
Verwendung der Einzelröhre 72 sind
in den 5(a) und 5(b) dargestellt.
Wie in den 5(a) und 5(b) gezeigt,
tendieren die Strahlungsverteilungsdiagramme 102 und 104 dazu, sich
zu den Enden 74 und 76 der Brachytherapiequelle 70 hin
erheblich zu vermindern und kalte Zonen 106 und Strahlungskeulen 108 zu
bilden. Dies bedeutet, daß in
Abhängigkeit
davon, wie die Brachytherapiequellen 70 nebeneinander angeordnet
werden, kalte Stellen in der Strahlungsverteilung zwischen nebeneinanderliegenden
Brachytherapiequellen 70 entstehen können, wo Zellen von den kalten Zonen 106 an
den Enden 74 und 76 keine Strahlung empfangen.
Oder wenn die nebeneinanderliegenden Brachytherapiequellen dicht
genug beieinander angeordnet werden, um sicherzustellen, daß durch
die Gegenwart der kalten Zonen 106 keine kalten Stellen entstehen,
werden überlappende
Bereiche in den Strahlungskeulen 108 auftreten, die eine
zu hohe Strahlungsdosis liefern können. Jeder dieser beiden Zustände könnte entweder
zu viel oder zu wenig Strahlung ergeben, was zu einer weniger wirksamen medizinischen
Behandlung führt.
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US-A-5405309,
erteilt an Theragenics Corporation, beschreibt eine Röntgenstrahlungsquelle mit
einem Mantel in Form einer Röhre.
Die Enden der Röhre
werden verschlossen, indem die offenen Enden durch Stauchen geschlossen
und verschweißt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Brachytherapiequelle
und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, das für praktische Zwecke
die oben erwähnten
Beschränkungen
beseitigt.
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Die
Erfindung stellt eine Brachytherapiequelle gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
zu ihrer Herstellung gemäß der Definition
in Anspruch 8 bereit.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist eine Brachytherapiequelle zur Verwendung bei
der Strahlenbehandlung des Körpers
radioaktives Material und ein Gehäuse auf. Das Gehäuse dient
zur Aufnahme der radioaktiven Materialien und wird durch mindestens
eine Röhre
mit zwei Enden gebildet. Die beiden Enden der mindestens einen Röhre werden
durch Schweißen
verschlossen, so daß eine
Strahlungsverteilung der Brachytherapiequelle eine Kugelform einer
theoretischen Punktquelle approximiert, die im wesentlichen frei
von kalten Zonen ist, um eine Unterexposition oder Überexposition
des Körpers
mit Strahlung zu minimieren und das Einbringen der Brachytherapiequelle
in den Körper zu
vereinfachen.
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Vorzugsweise
werden die Enden der mindestens einen Röhre durch Laserschweißen abgedichtet,
und ein Laser führt
die Laserschweißung durch,
während
die Brachytherapiequelle bezüglich des
Lasers gedreht wird. Außerdem
wird der Laser in kurzen Impulsen aktiviert. Zum Beispiel wird der
Laser in einer ersten Impulsserie aktiviert, um zunächst ein
Ende der mindestens einen Röhre
zu erweichen und das eine Ende der mindestens einen Röhre zumindest
teilweise zu verschließen,
dann wird der Laser zu einer zweiten Impulsserie aktiviert, um das eine
Ende der mindestens einen Röhre
zu verschließen
und überschüssiges Material
zu entfernen, als nächstes
wird der Laser in einer dritten Impulsserie aktiviert, um zunächst das
andere Ende der mindestens einen Röhre zu erweichen und das eine
entfernte Ende der mindestens einen Röhre zumindest teilweise zu
verschließen,
und schließlich
wird der Laser zu einer vierten Impulsserie aktiviert, um das andere Ende
der mindestens einen Röhre
zu verschließen und überschüssiges Material
zu entfernen. Jedes der beiden abgedichteten Enden verjüngt sich
von einer Wanddicke der mindestens einen Röhre auf eine vorgegebene maximale
Dicke, um die Auswirkung auf die Strahlungsverteilung zu minimieren
und die Bildung kalter Zonen weitgehend zu verhindern. In besonderen
Ausführungsformen
ist die Wanddicke der mindestens einen Röhre kleiner oder gleich 0,051 mm
(0,002 Zoll), wobei die vorgegebene maximale Dicke kleiner oder
gleich 0,762 mm (0,030 Zoll) ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird das radioaktive Material aus einer
Gruppe ausgewählt,
die aus Tod-125 und Palladium-103 besteht. Außerdem wird das radioaktive
Material in Form von kugelförmigen
Perlen ausgebildet. Die Brachytherapiequelle kann außerdem eine
Markersubstanz aufweisen, die in dem Gehäuse enthalten ist, um die Position
der Brachytherapiequelle im Körper
zu kennzeichnen. In bestimmten Ausführungsformen ist die Markersubstanz
in Form von mindestens zwei getrennten Markern ausgebildet, um sowohl
die Orientierung als auch die Position der Brachytherapiequelle
anzuzeigen.
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In
weiteren Ausführungsformen
weist ein Verfahren zur Herstellung einer Brachytherapiequelle zur
Verwendung bei der Strahlungsbehandlung des Körpers die Schritte zur Bereitstellung
eines radioaktiven Materials und zur Ausbildung eines Gehäuses auf.
Das Gehäuse
wird aus mindestens einer Röhre mit
zwei Enden zur Aufnahme des radioaktiven Materials geformt. Als
nächstes
werden die zwei Enden der mindestens einen Röhre verschweißt, um das
radioaktive Material in der mindestens einen Röhre so abzudichten, daß eine Strahlungsverteilung
der Brachytherapiequelle eine Punktquelle approximiert, die frei
von kalten Zonen ist, um die Unterexposition oder Überexposition
des Körpers
mit Strahlung zu minimieren und das Einbringen der Brachytherapiequelle in
den Körper
zu vereinfachen. In weiteren Ausführungsformen werden die Enden
der mindestens einen Röhre
durch Laserschweißen
verschweißt,
und das Laserschweißen
wird durch Drehung der Brachytherapiequelle bezüglich eines Lasers ausgeführt, der
in kurzen Impulsen aktiviert wird.
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Bestimmte
Ausführungsformen
des Laserschweißverfahrens
weisen die folgenden Schritte auf: Aktivieren des Lasers in einer
ersten Impulsserie, um zunächst
ein Ende der mindestens einen Röhre
zu erweichen und das eine Ende der mindestens einen Röhre zumindest
teilweise zu verschließen;
Aktivieren des Lasers zu einer zweiten Impulsserie, um das eine
Ende der mindestens einen Röhre abzudichten
und überschüssiges Material
zu entfernen; Aktivieren des Lasers in einer dritten Impulsserie,
um zunächst
das andere Ende der mindestens einen Röhre zu erweichen und das andere
Ende der mindestens einen Röhre
zumindest teilweise zu verschließen; und Aktivieren des Lasers
zu einer vierten Impulsserie, um das andere Ende der mindestens
einen Röhre
abzudichten und überschüssiges Material zu
entfernen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden
ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich
werden, die anhand eines Beispiels verschiedene Merkmale von Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Eine
ausführliche
Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
gegeben, wobei gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile
in den verschiedenen Figuren bezeichnen.
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines ersten Typs einer herkömmlichen Brachytherapiequelle.
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2 zeigt
eine Schnittansicht eines zweiten Typs einer herkömmlichen
Brachytherapiequelle.
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3 zeigt
eine Schnittansicht eines dritten Typs einer herkömmlichen
Brachytherapiequelle.
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4 zeigt
eine Schnittansicht eines vierten Typs einer herkömmlichen
Brachytherapiequelle.
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Die 5(a) und 5(b) zeigen
Strahlungsverteilungsdiagramme für
die in 4 dargestellte herkömmliche Brachytherapiequelle.
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6 zeigt
eine Schnittansicht einer Brachytherapiequelle gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die 7(a) und 7(b) zeigen
Strahlungsverteilungsdiagramme für
die in 6 dargestellte Ausführungsform der Brachytherapiequelle.
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8 zeigt
ein verallgemeinertes Systemschema einer Laserschweißvorrichtung,
die in einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eingesetzt wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
in den Zeichnungen zu Erläuterungszwecken
dargestellt, wird die Erfindung in einer verbesserten Brachytherapiequelle
mit einer gleichmäßigeren
Strahlungsverteilung und einem Verfahren zu deren Herstellung verwirklicht.
In bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dienen die Brachytherapiequellen zur
Krebsbehandlung bei Menschen und Tieren. Man wird jedoch erkennen,
daß weitere
Ausführungsformen
der Erfindung bei anderen kleinen Strahlungsquellen angewandt werden
können,
wie zum Beispiel denjenigen, die zur Identifizierung oder dergleichen
eingesetzt werden, in denen übereinstimmende
und gleichmäßige Strahlungsverteilungen
erforderlich sind, oder zur Behandlung anderer Krankheiten eingesetzt
werden können, wie
zum Beispiel Herzkrankheiten, Schmerz, nicht krebsartigen Geschwülsten, zur
Drüsentherapie
oder dergleichen.
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Das
Fertigungsverfahren kann zum Schweißen anderer kleiner Kapseln
angewandt werden, die enge Toleranzen an dem abgedichteten Ende
der Kapseln erfordern.
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Wie
in 6 dargestellt, nutzt eine Brachytherapiequelle 1000 gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine einheitliche Kapsel, die mit der Laserschweißtechnologie
geformt wird. Das Laserschweißverfahren
sorgt für Übereinstimmung
der Schweißnähte in den
Brachytherapiequellen, um die Herstellung von Strahlungsquellen
zu ermöglichen,
die in den Eigenschaften von einer Brachytherapiequelle zur anderen übereinstimmen.
Vorzugsweise verwendet die Brachytherapiequelle 1000 eine
Einzelröhre 1002 mit
zwei Enden 1004 und 1006, die durch Schweißnähte 1008 und 1010 abgedichtet
werden. Die Einzelröhre 1002 enthält das radioaktive
Material 1012 und die Markersubstanz 1014. Die
Einzelröhre 1002 der
Brachytherapiequelle 1000 kann aus Titan, Edelstahl, Nickel,
Metall oder irgendeinem anderen Material geformt werden, das sich
zum Schweißen
eignet und medizinische Anwendungskriterien erfüllt. Die Einzelröhre 1002 wird so
gewählt,
daß sie
eine Anfangswanddicke von 0,051 mm (0,002 Zoll) aufweist, wie bei "a" in 6 dargestellt.
In alternativen Ausführungsformen
kann die Einzelröhre 1002 dünner oder
dicker sein, wobei die Dicke durch das in der Kapsel enthaltene
Material, das gewünschte
Strahlungsverteilungsdiagramm, die gewünschte Stärke der Strahlung und die Umgebung
bestimmt wird, in der die Brachytherapiequelle 1000 eingesetzt
werden wird. Obwohl eine Einzelröhre 1002 bevorzugt
wird, können
alternative Ausführungsformen
mehrere Röhren
nutzen, die miteinander verbunden sind, solange eine gleichmäßige Strahlungsverteilung
um die Brachytherapiequelle herum erzielt werden kann.
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Wenn
in bevorzugten Ausführungsformen die
Enden 1004 und 1006 durch die Schweißnähte 1008 und 1010 abgedichtet
worden sind, verjüngen sich
die Schweißnähte 1008 und 1010 von
der Wanddicke von 0,051 mm (0,002 Zoll) (dargestellt als "a" in 6) auf eine
maximale Dicke von 0,508 mm (0,020 Zoll) (dargestellt als "b" in 6). Die
maximale Dicke von 0,508 mm (0,020 Zoll) tritt jedoch nur am äußersten
Ende der Brachytherapiequelle 1000 auf und nimmt allmählich im
wesentlichen auf die Dicke von 0,051 mm (0,002 Zoll) ab, wenn die Schweißnähte 1008 und 1010 mit
der Wand der Einzelröhre 1002 verschmelzen.
Durch die spitz zulaufenden Schweißnähte 1008 und 1010 wird
die dicke Schweißraupe
vermieden, die sich quer über
eine Einzelröhre
bildet, wenn in den früheren
Ausführungsformen
das herkömmliche
WIG-Schweißen
angewandt wird. In alternativen Ausführungsformen können andere Wanddicken
verwendet werden, wobei die Dicke vom Typ des eingesetzten radioaktiven Materials,
von der Größe der Brachytherapiequelle und
von dem zum Formen der Einzelröhre 1002 verwendeten
Material abhängig
ist, so daß die
Wanddicke im Bereich von 0,025 mm (0,001 Zoll) bis 0,254 mm (0,010
Zoll) oder mehr liegen kann und die maximale Schweißnahtdicke
im Bereich von 0,051 mm (0,002 Zoll) bis 0,762 mm (0,030 Zoll) oder
mehr liegen kann.
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Das
Ergebnis des Laserschweißverfahrens ist
eine Brachytherapiequelle 1000, die eine sehr gleichmäßige und übereinstimmende
Strahlungsverteilung mit einer nur minimalen Einsattelung (oder kalten
Zone) durch die Enden 1004 und 1006 liefert, wie
durch die Strahlungsverteilungen in den 7(a) und 7(b) dargestellt, im Vergleich zu denjenigen, die
in Brachytherapiequellen erzeugt werden, die unter Anwendung des
herkömmlichen
WIG-Schweißens
oder durch Stopfenverschlüsse
geformt werden, wie in den 5(a) und 5(b) dargestellt. Wie in den 7(a) und 7(b) dargestellt,
sind die Strahlungsverteilungen 1100 und 1102 zwischen den
Seiten 1104, 1106, 1108, 1110, 1112, 1114, 1116 und 1118 im
wesentlichen gleichmäßig, ungeachtet der
Richtung. Folglich ist gezeigt worden, daß die Brachytherapiequelle 1000 eine
gute Annäherung
einer theoretischen, kugelförmigen
Punktstrahlungsquelle liefert. Die bevorzugten Brachytherapiequellen sind
lineare Elemente und neigen dazu, eine mehr eiförmige Strahlungsquelle als
die theoretische kugelförmige
Punktquelle zu erzeugen. Wie jedoch in den 7(a) und 7(b) dargestellt, approximiert die Strahlungsverteilung
eine theoretische, kugelförmige Punktquelle,
wenn sie aus einem Abstand von nur 1 cm beobachtet wird. In weiteren
Ausführungsformen ist
es unter Umständen
möglich,
die Länge
der Brachytherapiequelle, die Dicke der Einzelröhre 1002, die Anordnung
radioaktiver Materialien 1012 in der Einzelröhre 1002 und
die maximale Dicke der Laserschweißnähte 1008 und 1010 zu
regulieren, um theoretische Punktquellen in beobachtbaren Abständen zu
approximieren, die wesentlich kleiner als 1 Zentimeter sind.
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Das
bevorzugte Strahlungsmaterial 1012 ist Iod-125 und Palladium-103.
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In
alternativen Ausführungsformen
können jedoch
andere radioaktive Materialien verwendet werden, wie zum Beispiel
Cobalt-57, Cobalt-60, Caesium-137, Iridium-192 oder dergleichen.
Vorzugsweise besteht die Markersubstanz 1014 aus Gold oder
Silber. In alternativen Ausführungsformen
kann jedoch die Markersubstanz aus anderen strahlungsblockierenden
Materialen geformt werden, wie zum Beispiel Blei oder dergleichen.
In bevorzugten Ausführungsformen
sind das Strahlungsmaterial 1012 und die Markersubstanz 1014 kugelförmig. Außerdem können mehrere
Marker 1014 verwendet werden, wie in US-A-6503186 dargestellt
und beschrieben, um sowohl die Position als auch die Orientierung
der Brachytherapiequelle 1000 anzuzeigen.
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Das
Innere der Brachytherapiequelle 1000 an den Schweißstellen 1008 und 1010 ist
gekrümmt, um
die Dicke und die Strahlungsdämpfung
am dicksten Teil der Schweißstellen 1008 und 1010 weiter
zu minimieren. Diese innere Krümmung
ist das Ergebnis des Schweißprozesses,
der zunächst
die Enden 1004 und 1006 der Einzelröhre 1002 erweicht
und dann die erweichten Enden 1004 und 1006 schnell verflüssigt, um
die Schweißstellen 1008 und 1010 zu bilden,
welche die Brachytherapiequelle 1000 abdichten. In weiteren
Ausführungsformen
kann durch Verwendung von kugelförmigem
radioaktivem Material 1012 oder kugelförmiger Markersubstanz 1014 in den
Enden 1004 und 1006 der Brachytherapiequelle die
innere Krümmung
verstärkt
werden. Dadurch wird die Hitzeverteilung unterstützt und die Bildung einer Schweißraupe an
den erweichten (oder leicht geschmolzenen) Enden 1004 und 1006 minimiert, die
sich an die Form des radioaktiven Materials anpassen, um eine gekrümmte Innenfläche zu erzeugen,
welche die Dicke der Schweißstellen 1008 und 1010 minimiert.
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Die
Brachytherapiequellen 1000 werden unter Anwendung von präzise gesteuerten
Laserschweißverfahren
hergestellt. Wie in 8 dargestellt, enthält ein Laserschweißsystem 2000 eine
Reihe von Einzelröhren 1002 mit
Enden 1004 und 1006, die in einem Führungsrohr 2002 enthalten
sind. Das Führungsrohr 2002 wird
benutzt, um die Einzelröhren 1002 einer
Spannvorrichtung 2004 zuzuführen, welche die Einzelröhre 1002 während des
Laserschweißprozesses
aufnimmt und dreht. Die Einzelröhren 1002 werden
durch einen Schubdraht 2006 durch das Führungsrohr 2002 zur
Spannvorrichtung 2004 befördert. In bevorzugten Ausführungsformen wird
der Schubdraht durch eine Schrittmotoreinheit (nicht dargestellt)
schrittweise bewegt; jedoch kann in alternativen Ausführungsformen
der Schubdraht von Hand oder durch andere automatische Vortriebverfahren
vorgeschoben werden. In alternativen Ausführungsformen können das
Führungsrohr 2002 und/oder
der Schubdraht 2006 weggelassen werden, und die Einzelröhren können durch
andere, dem Fachmann bekannte Verfahren der Spannvorrichtung 2004 zugeführt werden.
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Sobald
die Einzelröhren 1002 in
die Spannvorrichtung 2004 eingeführt werden, ermittelt ein Geigerzähler 2008,
der über
ein Kabel 2012 mit einem Strahlungssensor 2010 verbunden
ist, ob radioaktives Material 1012 unter dem Laser 2014 angeordnet ist.
Wenn radioaktives Material 1012 erfaßt wird, dann wird das Laserschweißverfahren
für dieses Brachytherapiequelle 1000 abgebrochen,
um eine Strahlungskontamination durch Bestrahlen und Verdampfen
des radioaktiven Materials 1012 durch den Lasrr 2014 zu
vermeiden. Wenn kein radioaktives Material 1012 erfaßt wird,
geht das Laserschweißverfahren
weiter. Außerdem
wird eine Videokamera 2016 benutzt, um die Enden 1004 und 1006 der
Einzelröhre 1002 auszurichten
und eine genaue Anordnung der Laserschweißstellen 1008 und 1010 sicherzustellen.
In weiteren Ausführungsformen
kann ein Anschlag (nicht dargestellt) angeordnet werden, um die
Fortbewegung der Einzelröhre 1002 bei
ihrem Vorschub durch die Spannvorrichtung 2004 zu stoppen.
Wenn sich die Einzelröhre 1002 in
Position befindet, wird die Spannvorrichtung 2004 in Eingriff
gebracht, und der Anschlag wird vor dem Schweißen entfernt.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird ein Ende der Einzelröhre 1002 gefalzt,
und dann wird das radioaktive Material (und eine etwaige Markersubstanz)
in die Einzelröhre 1002 geladen,
zum Beispiel durch Ansaugen durch das gefalzte Ende oder durch Einschieben
des radioaktiven Materials (und einer etwaigen Markersubstanz) durch
das offene Ende und anschließendes
Andrücken
an das gefalzte Ende der Einzelröhre 1002.
In alternativen Ausführungsformen
wird zunächst
ein Ende der Einzelröhre 1002 lasergeschweißt, und
dann wird radioaktives Material (und eine etwaige Markersubstanz)
vor dem Laserschweißen
des anderen Endes der Einzelröhre 1002 in
die Einzelröhre
geladen. Alternativ kann ein Ende gefalzt werden, als nächstes wird
das radioaktive Material (und eine etwaige Markersubstanz) in das
offene Ende der Einzelröhre 1002 geladen,
und schließlich
wird das andere Ende vor dem Laserschweißen der Brachytherapiequelle 1000 gefalzt.
In weiteren Alternativen wird eine zeitweilige Füllmasse in jedes offene Ende 1004 und 1006 der
Einzelröhre 1002 eingebracht,
die dann während
des Laserschweißverfahrens
abgeschnitten wird. In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des
Falzens der Einzelröhre 1002 ein
Ende der Einzelröhre 1002 vor
dem Einsetzen des radioaktiven Materials (und einer etwaigen Markersubstanz)
durch Laserschweißen
abgedichtet werden. Um gute thermische Eigenschaften dieser Schweißstelle
zu erleichtern, kann innerhalb der Einzelröhre 1002 ein Draht
angeordnet werden, um das Vorhandensein von radioaktivem Material
(und einer etwaigen Markersubstanz) zu simulieren. Dann wird der
Draht entfernt, und das radioaktive Material (und eine etwaige Markersubstanz) werden
in das offene Ende der Brachytherapiequelle eingesetzt, wonach das
offene Ende der Brachytherapiequelle auf die oben beschriebene Weise
lasergeschweißt
wird.
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Vor
der Aktivierung des Lasers 2014 wird die Spannvorrichtung 2004 durch
einen Antriebsmotor 2018, der mit der Spannvorrichtung 2004 verbunden ist,
mit hoher Geschwindigkeit gegen den Laser 2014 in Drehung
versetzt. Dadurch kann der Laser 2014 einen Laserschweißstrahl
auf alle Seiten der Einzelröhre 1002 richten.
Die Drehung trägt
dazu bei, zu verhindern, daß auf
einer Seite der Einzelröhre 1002 zuviel
Wärme entwickelt
wird und dadurch das Material ungleichmäßig zu stark verflüssigt oder
erweicht wird. Außerdem
tragen die an der Einzelröhre 1002 erzeugten,
relativ schwachen Zentrifugalkräfte
dazu bei, das Erweichen der Einzelröhre 1002 zu minimieren.
In bevorzugten Ausführungsformen
rotiert die Spannvorrichtung 2004 mit 42 U/min; jedoch
können in
alternativen Ausführungsformen
höhere
oder niedrigere Umdrehungszahlen angewandt werden, zum Beispiel
Umdrehungszahlen im Bereich von nur 10 U/min oder bis zu 100 U/min
(oder bei richtiger Steuerung des Lasers sogar noch wesentlich höher), wobei
die Umdrehungszahlen auf der Basis des Durchmessers der Einzelröhre 1002,
der Dicke der Einzelröhre 1002 und
der zum Formen der Einzelröhre 1002 verwendeten
Materialart ausgewählt
werden. In weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Laser
um eine ruhende Spannvorrichtung und Einzelröhre in Drehung versetzt werden,
um die lasergeschweißten
Enden zu erzeugen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird ein erstes Ende 1004 der Einzelröhre 1002 geschweißt, dann
wird die Einzelröhre 1002 durch
eine andere Einzelröhre 1002 ersetzt,
die durch das Führungsrohr 2002 zugeführt wird.
Nachdem das Ende 1004 aller Einzelröhren 1002 lasergeschweißt worden
ist, um die Schweißstelle 1008 zu
bilden, werden die Einzelröhren 1002 umgedreht
und wieder in das Führungsrohr 2002 geladen,
um das andere Ende 1006 der Einzelröhren 1002 mit der
Laserschweißstelle 1010 abzudichten.
Wie oben diskutiert, kann vor oder zwischen dem Laserschweißen der
Enden 1004 und 1006 der Einzelröhre 1002 radioaktives
Material (und eine etwaige Markersubstanz) eingefüllt werden.
In alternativen Ausführungsformen
wird das Ende 1004 der Einzelröhre mit der Laserschweißstelle 1008 abgedichtet,
und dann wird das andere Ende vor dem Übergang zu einer weiteren Einzelröhre 1002 sofort mit
der Laserschweißstelle 1010 versehen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
bläst eine
Inertgasquelle 2020 Inertgas, wie zum Beispiel Helium,
Argon oder dergleichen, durch einen Auslaßschlauch 2022 über die
freiliegende Einzelröhre 1002,
während
die Enden 1004 und 1006 lasergeschweißt werden.
Durch die Gegenwart des Inertgases wird die Oxidation während des
Laserschweißverfahrens
minimiert oder beseitigt. Außerdem
kann das Inertgas verwendet werden, um die Enden 1004 und 1006 und
die Laserschweißstellen 1008 und 1010 der
Einzelröhre 1002 schnell
abzukühlen
und die Bildung der Schweißstellen 1008 und 1010 genauer
zu steuern. Ein wahlfreies Absaugrohr 2024 wird verwendet,
um das Inertgas zu entfernen und das Inertgas zur Verwendung in
späteren
Laserschweißvorgängen zurückzuführen.
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Um
die gewünschten
Laserschweißstellen 1008 und 1010 zu
erzielen, muß eine
sehr sorgfältige Steuerung
des Laserschweißverfahrens
angewandt werden, um die Bildung einer großen Schweißraupe am Ende der Brachytherapiequelle
zu vermeiden, welche die Strahlungsverteilung so verzerren würde, daß sie dem
Diagramm für
die Brachytherapiequelle 70 ähnlich sehen würde, wie
in den 4, 5(a) und 5(b) dargestellt.
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Vorzugsweise
werden für
jede Schweißstelle 1008 und 1010 zwei
getrennte Impulsperioden des Lasers 2014 angewandt. Die
erste, durch den Laser ausgestrahlte Impulsserie besteht aus 30
Impulsen mit einer Pulsfrequenz von 8 Impulsen pro Sekunde und 226
V aus dem Laser 2014, die hauptsächlich darauf gerichtet ist,
das Ende der Einzelröhre 1002 zumindest
teilweise zu verschließen.
Daher wird durch die vom Laser 2014 ausgestrahlte erste
Impulsgruppe das Metall geschmolzen (oder erweicht), so daß es beginnt,
zusammenzufallen und eine Schweißraupe zu bilden, aber dann
wird der Laser 2014 abgeschaltet, um das Metall der Einzelröhre 1002 abkühlen zu
lassen. Eine durch den Laser ausgestrahlte zweite Impulsserie besteht
aus 30 Impulsen mit einer Pulsfrequenz von 8 Impulsen pro Sekunde
und 244 V. Die zweite Impulsserie schneidet überschüssiges Material von den Enden 1004 und 1006 ab
und schmilzt die Enden der teilweise verschlossenen Einzelröhre 1002 wieder
ein, um die Enden 1004 und 1006 zu verschließen und
die Schweißstellen 1008 und 1010 zu
bilden. Die höhere Spannung
in der zweiten Impulsserie trägt
zum Entfernen des überschüssigen Materials
bei. In alternativen Ausführungsformen
kann eine einzige Impulsserie verwendet werden, um die Schweißstellen 1008 und 1010 zu
bilden; jedoch hat die Erfahrung gezeigt, daß es schwieriger ist, die Bildung
der Schweißstellen 1008 und 1010 zu
steuern. Die zwei Impulsserien erleichtern die Herstellung der gewünschten
Schweißstellen 1008 und 1010.
Außerdem
kann anstelle der Spannungsänderung
zwischen den beiden Impulsserien die Anzahl der Impulse variiert
werden. Es können
auch unterschiedliche Spannungspegel verwendet werden, solange kein übermäßiges Schmelzen
auftritt, wodurch dann statt der übereinstimmenden Schweißstellen,
die man durch sorgfältige
Steuerung der Spannung, der Impulszahl und der Zeiteinstellung der
Impulse erhält, eine
Schweißraupe
am Ende der Einzelröhre 1002 gebildet
würde.
In anderen Ausführungsformen
können
nach Anwendung der anfänglichen
zwei Impulsperioden zur Ausbildung der jeweiligen Schweißstellen 1008 und 1010 weitere
zusätzliche
Impulsperioden auf jedes Ende 1004 und 1006 angewandt
werden, um die Enden 1004 und 1006 weiter zu glätten und
abzurunden. Hierbei können
diese zusätzlichen Impulsperioden
bewirken, daß die
Enden 1004 und 1006 eine theoretische kugelförmige Punktstrahlungsquelle
genauer annähern.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird ein 10 Watt-Laser von Unitek Miyachi Corp., Monrovia, CA, eingesetzt,
jedoch können
auch kleinere oder größere Laser
verwendet werden. In bevorzugten Ausführungsformen wird eine Hochleistungs-Laserquelle
verwendet, da sie das Metall schnell schmilzt und erstarren läßt, um einen
Verdickungs- oder Raupenbildungseffekt ähnlich demjenigen zu vermeiden, der
bei WIG-Schweißverfahren
anzutreffen ist. In alternativen Ausführungsformen kann anstelle
eines Lasers ein Elektronenstrahl oder dergleichen angewandt werden.
Elektronenstrahlen werden jedoch nicht bevorzugt, da sie ein Vollvakuum
in der Umgebung der Schweißstelle
erfordern, während
das Laserschweißen
in Gegenwart eines Inertgasstroms bei normalem Luftdruck durchgeführt werden
kann. In weiteren alternativen Ausführungsformen ist es unter Umständen möglich, WIG-Schweißverfahren
so anzupassen, daß sie
eine besser gesteuerte Schweißstelle
liefern, welche die durch das Laserschweißverfahren erzielbare Schweißstelle
annähert.
Dies könnte
dadurch erfolgen, daß die
Hitzeverteilung und die Zeiteinstellung begrenzt werden und möglicherweise die
Enden ausgezogen werden, statt sie umzuklappen, wie dies beim herkömmlichen
WIG-Schweißen erfolgt.
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Ein
entscheidender Aspekt für
die Steuerung der Bildung der Schweißstellen 1008 und 1010 an den
Enden 1004 und 1006 der Einzelröhre 1002 der Brachytherapiequelle 1000 ist
die Steuerung der Hitzeverteilung und der auf die Enden 1004 und 1006 der
Einzelröhre 1002 angewandten
Energiemenge. Dies wird durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit, der
Laserleistungspegel, der Laserimpulsdauer, der Anzahl der Laserimpulse,
der Anzahl der Laserimpulsserien und der Inertgasmenge gesteuert,
die für einen
bestimmten Einzelröhrentyp 1002 angewandt werden.
So kann man durch Einstellung der anderen Faktoren, wie zum Beispiel
der Laserimpulsdauer oder der Anzahl der Laserimpulse, höhere oder
niedrigere Drehgeschwindigkeiten anwenden. Der wichtige Aspekt des
Laserschweißverfahrens
ist die Steuerung der Geschwindigkeit und des Umfangs des Schmelzvorgangs,
dem die Enden 1004 und 1006 der Einzelröhre 1002 während des
Laserschweißverfahrens
ausgesetzt sind. Durch ungenügende
Hitze wird die Brachytherapiequelle 1000 nicht abgedichtet,
und zu starke Hitze bildet eine große Schweißraupe und ergibt eine Brachytherapiequelle,
die der oben beschriebenen Brachytherapiequelle 70 ähnlich ist.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
hat die Einzelröhre 1002 einen
runden Querschnitt. In alternativen Ausführungsformen kann jedoch die
Einzelröhre 1002 andere
Röhrenquerschnitte
nutzen, wie zum Beispiel quadratische, rechteckige, dreieckige, sechseckige
Querschnitte oder dergleichen.
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Die
obige Beschreibung bezieht sich zwar auf bestimmte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, aber es versteht sich, daß viele
Modifikationen vorgenommen werden können. Die beigefügten Patentansprüche schließen derartige
Modifikationen ein, die dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung
entsprechen.
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Die
gegenwärtig
offenbarten Ausführungsformen
sind daher in jeder Hinsicht als erläuternd und als nicht einschränkend einzusehen,
wobei der Umfang der Erfindung eher durch die beigefügten Patentansprüche als
durch die vorstehende Beschreibung angegeben wird, und alle Änderungen,
die im Sinne der Ansprüche
liegen, sind daher darin eingeschlossen.