SE417278B - Medicinsk stralbehandlingsapparat - Google Patents

Description

7804096-1 För att få optimalt resultat krävs att strålfördelningen i varje bestrålnings- riktning anpassas till formen på det område, som skall förstöras, sett i den aktuel- la bestrålningsriktningen.

De medel, varmed strålfältet på patienten primärt ställes in, består av nämnda avbländningskroppar som i praktiken utgöres av kraftiga, vanligen rektangulära block av bly. Två mot varandra vinkelräta par av sådana blyblock är vanligen anordnade, vilka block mellan sig definierar ett rektangulärt strålfält. Blocken är parvis mekaniskt sammankopplade och blocken i varje par rör sig vid ändring av strålfältets storlek på ett symmetriskt sätt i förhållande till strålkällans centrumlinje, dvs båda blocken i ett par har alltid samma avstånd till nämnda centrumlinje. En sådan bestrålningsapparat ger alltid en strålningsfördelning som är symmetrisk i förhåll- ande till strålkällans centrumlinje.

För att anpassa strålningen till aktuell form på en tumör eller liknande som skall förstöras, eller i vissa fall även för att skydda känsliga delar av kroppen, krävs emellertid ofta en osymmetrisk strålfördelning, dvs en fördelning som uppvisar maximal strålning nära ena kanten av strålfältet och avtrappšnde strålning i rikt- ning mot den motstâende kanten av fältet. Detta har tidigare vanligen âstadkommits med hjälp av kilformade dämpkroppar som placerats i strålgången mellan strålkällan och patienten. En uppsättning av sådana kilar med olika storlek på kilvinkeln har därvid funnits tillgängliga för att ge möjlighet att ställa in önskad avtrappnings- hastighet hos strålningen. ' Detta är en statisk lösning, som bara ger en begränsad, grov inställningsmöj- lighet till följd av de ofta med nödvändighet stora stegen mellan dämpkilarnas lut- ningsvinklar.

Det har också tidigare föreslagits att koppla isär de båda bländarkropparna i ett par, dvs overksamgöra den inbördes mekaniska kopplingen mellan dem, och att åstadkomma en "dynamisk" kilverkan genom att låta den ena bländarkroppen röra sig åtminstone under en del av bestrålningstiden. Den andra kroppen i paret hålles fast under bastrålningen. Maximal stråldos erhålles därvid i närheten av den kant av strålfältet, som svarar mot den stillastående bländarkroppen, medan stråldosen blir avtagande i riktning mot den motsatta kanten. Avtrappningshastigheten i strâldosen, dvs vinkeln i den ekvivalenta dämpkilen, beror på den hastighet med vilken den rör- liga kroppen rört sig under en del av bestrålningsperioden.

Nackdelen med detta är att rörelsemekanismen blir avsevärt mera komplicerad än i de tidigare vanliga konstruktionerna med kopplade bländarkroppar och att dessa bländarkroppar, då de kan röra sig fritt relativt varandra, med nödvändighet måste göras större (längre) för att en bländarkropp i maximalt inskjutet läge, som svarar mot ett läge där den inre kanten ligger bortanför strålkällans centrumlinje, ej skall släppa förbi strålning vid sin bakkant. Vidare kan kraftig mekanisk obalans ß 7804096-1 uppstå i systemet, vilket kräver extra stabil upphängning. Endast ett par av blän- darkropparna kan vara försett med en sådan separat drivning och anordningen har där- för begränsad användbarhet. Dessutom innebär frånvaron av inbördes mekanisk koppling mellan bländarkropparna i ett par ett riskmoment därigenom att man av misstag kan få oaymmetriak bestrâlning, då symmetrisk bestrålning är önskvärd, med felbehandling som följd. - ' Enligt en annan tidigare föreslagen lösning på problemet att alstra osymmetrisk dosfördelning utan användning av fasta dämpkilar har man en extra dämp- eller blän- darplatta som ligger framför eller bakom de symmetriskt sammankopplade avbländnings- kropparna, sett i strålbanan. Vid bestrålning ställes därvid de symmetriskt kopplade bländarkropparna in i ett läge svarande mot det önskade strålfältet, vilket bibehål- les under bestrålningen, medan den osymmetrieka dosfördelningen åstadkommas därige- nom att den nämnda extra dämpplattan under bestrâlningen bringas att röra sig med en hastighet som svarar mot kilvinkeln hos den ekvivalenta kilen.

En nackdel med detta är att apparaten blir avsevärd mera komplicerad än den hittills vanligen använda till följd av den extra dämpplattan med rörelsemekanism för denna. Den rörliga extra bländarplattan eller dämpplattan med rörelsemekanism och inställningsorgan gör också att handhavandet av apparaten blir väsentligt mera komplicerat. Även denna lösning ger bara möjlighet att erhålla kilverkan i en rikt- ning. Ändamålet med uppfinningen är att möjliggöra varje önskad strålfördelning, t ex osymmetrisk strålfördelning, på ett enklare och billigare sätt än i dessa kända el- ler föreslagna bestrålningsapparater och att dessutom möjliggöra önskad, t ex osym- metrisk, strålfördelning i vilken som helst riktning. Detta uppnås enligt uppfin- ningen därigenom att i en apparat av inledningsvis beskrivet slag en rörelsemeka- nism för patientbordet och minst en av avbländningskropparna är styrbar med en styr- anordning vilken är utförd att koppla de båda rörelserna med varandra under åtmin- stone en del av bestrålningstiden.

Denna apparat för åstadkommande av en godtycklig strålfördelning, t ex en osymmetrisk strålfördelning, har den stora fördelen att den ej innehåller någon som helst extra apparatur: de rörelsemekanismer som utnyttjas finns redan och är nödvändiga För den kvasi-stationära inställningen av strålfältet. Det enda som till- kommer är en relativt enkel styr- och synkroniseringsfunktion, dvs i princip mjuk- vara för de redan befintliga rörelsemekanismernas styrkretsar. Trots enkelheten med- ger uppfinningen inställning av godtycklig dosfördelning och detta inte enbart i den ena rörelserlkrningen sammanfallande med rörelseriktnlngen för det ena paret av blän- darkroppar utan även i en häremot vinkelrät riktning sammanfallande med rörelserlkt- ningen för det andra paret av bländarkroppar, eftersom bordet vanligen ävenledes vsoaoes-1 är inställbart i två mot varandra vinkelräta riktningar.

En föredragen utföringsform av uppfinningen kännetecknas därav, att kopp- lingen mellan avbländningskroppens och patientbordets rörelsemekanismer resul- terar i en lika stor och likadant riktad vinkelhastighet hos nämnda element, sett från'strålkällan. Om avbländningskropparna, som är inställbara relativt varandra, alltid har ett lika stort avstånd till en centrumlinje hos strålknip~ pet kan därvid den ena kroppen vara så anordnad att den rör sig med patientbor- det i dess rörelse. Detta resulterar i en osymmetrisk dosfördelning i patienten trots det faktum att apparaten i sig själv är symmetrisk¿ En annan föredragen utföringsform kännetecknas därav att strålkällan med avbländningssystemet är roterbar omkring patientbordet varvid, om en behandling består av Flera delbestrålningar, strålkällan ställes in i olika vinkellägen för varje delbestrålning.

För att erhålla ensynkron rörelse hos bordet och minst en av avbländnings- kropparna kan en bestrålningsapparat enligt uppfinningen vara försedd med detek- torer som avger signaler vilka är ett mått på patientbordets respektive avbländ- ningskropens momentana läge relativt ett referensläge.

Uppfinnningen åskådliggöres på bifogade ritningar, där figur 1 visar ett isodos-diagram vid symmetrisk strålningsfördelning, figur 2 visar ett liknande dia- gram vid osymmetrisk strålningsfördelning, figur 3 visar ett isodos-diagram för den resulterande strålningsdosen vid bestrålning med osymmetriska strålfält från två olika riktningar, figur 4 visar en schematisk perspektivvy av en bestrålningsappa- rat, där uppfinningen kan komma till användning, figur 5 visar ett snitt genom appa- raten enligt figur 4, figur 6 visar en schematisk bild av den synkrona drivningen av bländare och patientbord enligt uppfinningen och figur 7 visar ett enkelt utförande av en styranordning för att åstadkomma den eynkrona drivningen.

Figur 1 visar ett isodos-diagram för att illustrera strålningsasorbtionen 1 ett homogent material, t ex en vätskeformig provlösning, vid bestrålning med ett symmet- riskt strålfält. Varje kurva bildar orten för en given strålningsabsorbtion angiven i procent av ett maxvärde (100$) Figur 2 visar motsvarande isodos-diagram vid ett asymmetriskt strålfält, t ex alstrat på dynamiskt sätt i enlighet med uppfinningens principer.

Figur 3 visar ett isodos-diagram avseende den resulterande strålabsorbtionen vid bestrâlning från två mot varandra vikelräta riktningar och med assymetriskt strålfält i vardera riktningen. En given isodos-kurva, t ex 90%, i det resulterande isodos-diagrammet skall därvid i största möjliga utsträckning sammanfalla med formen på en tumör eller liknande, som skall förstöras.

I figur 4 visas en schematisk perspektivvy av en strålbehandlingeapparat i vil- ken uppfinningens principer kan komma till användning. På ritningen betecknar 10 ett stativ som uppbär en arm 11 för ett strålhuvud 12, medan 13 är ett bord avsett att '7804096-1 uppbära en patient som skall behandlas med strålning från en i huvudet ingående strålkälla. Armen 11 är monterad på en ring 14 som är roterbart uppburen i stativet 10. Ringen 14 kan rotera omkring en axel 15 som går genom ett s k isocentrum IC. Vid vridning av ringen 14 och därmed svängning av armen 11 är den i huvudet 12 ingående strålkällans centrumlinje 16 ständnigt inriktad mot isocentrat IC. Huvudet 12 är dessutom vridbart omkring sin centrumlinje 16. Patientbordet 13 är uppburet av en perlare 17 som är excentriskt monterad på ett vridord 18 i golvet, vars axel 19 passerar genom isocentrat IC. Bordet är även vridbart omkring en genom pelaren 17 gående axel. Slutligen är bordet 13 translatoriskt förskjutbart i sin längriktning x, i tvärriktningen y samt i höjdled z.

Figur 3 visar ett schematiskt snitt genom strålhuvudet 12 och bordet 13 med en patient 20 placerad på bordet. Det har i enlighet med första steget vid genomföran- det av sättet enligt uppfinningen i figur 5 antagits att huvudet vridits omkring strålkällans centrumlinje 16 till ett sådant läge att rörelseriktningen för det ena paret av'bländarkroppar i huvudet sammanfaller med en rörelseriktning för bordet, på ritningen x-riktningen. I figur 5 betecknar 21 ett driftrör med avböjningskammare, medan 22 är en enhet med röntgenplatta och elektronfönster. Driftröret utgör utgång på en linjär elektronaccelerator och 21 och 22 bildar tillsammans en strålkälls för röntgen- eller elektronstrålning. 23 är en primär kollimator, 24 en filterenhet, 25 en jonisationskammarenhet, 26 en hållare för bland annat en spegel 27, 28 en strål- fältsdefinierade ljuskälla och 29, 30 är två bländare som vardera består va två bländarkroppar 29a, 29b respektive 30a, 30b. Bländarkropparna är rörliga i huvudsak- ligen translatoriska rörelsebanor i riktning mot och från varandra och är inbördes kopplade, såsom är visat för kropparna 30a och 30b genom en kopplingsstång 31, så att de båda kropparna i paret ständigt har samma avstånd till strålkällans centrum- linje (symmetrisk inställning). Detsamma gäller för det andra bländarparet 29. In- ställningen av de båda paren bländarkroppar bestämmer storleken av strålfältet på patienten 20.

Enligt uppfinningen bringas bländarkropparna i ett par jämte bordet att röra sig synkront och i parallella banor under åtminstone en del av bestrålningstiden.

Detta är sohematískt illustrerat i figur 6, som visar samma snitt som figur 5 men med bara bländarkropparna 30a och 30b inritade tillsammans med driv- och avkännings- organ för dessa kroppar samt motsvarande driv- och avkänningsorgan för bordet samt en gemensam styranordning för abordet och bländarkropparna i paret 30. Enligt figur 6 avkännes bländarkropparnas 30a, 30b momentana läge av en potentiometer 32 medan bordets 13 momentana läge avkänns av en potentiometer 33. Potentiometrarnas 32 och 33 utsignaler leds till den gemensamma styranordningen 34. En motor 35 driver krop- parna 30a och 30b medan en motor 36 driver bordet 13. Styrsignalerna för motorerna 35 och 36 matas från den gemensamma styranordningen 34 till respektive motor via ett modem 37 respektive 38. Styrningen av motorerna är därvid sådan att exempelvis den 7804096-1 av bländarkroppen 30a definierade kanten 39 av strålfältet bibehåller sitt läge på patienten under bländarkropparnas och bordets rörelse. Detta är lätt att säkerställa med kännedom om bländarkropparnas avstånd till strålkällan, vilket avstånd är fast och således en apparatparameter, samt avståndet från den bestrålade ytan till strål- källan. Det sista avståndet kan lätt erhållas genom att avläsa bordets höjdinställ- ning på en skala vilket värde sedan korrigeras för den aktuella tjockleken hos pati- enten vid det bestrålade stället. Bordet 13 styrs sedan så att dess tillryggalagda vägsträcka, räknat från ett begynnelseläge, alltid står i samma proportion till den av bländarkroppen 30a tillryggalagda vägsträckan som förhållandet mellan den bestrå- lade ytans och bländarkroppens avstånd till strålkällan. Om bländarkropparna och bordet rör sig under hela bestrålningstiden erhålles en mycket kraftig avtrappning av stråldosfördelningen vilket svarar mot en stor vinkel hos den ekvivalenta dämpki- len. Om man vill ha en mindre snabb avtrappning av stråldosen svarande mot en mindre kilvinkel bringas kropparna och bordet att röra sig med högre hastighet, varvid de under den resterande delen av bestrålningstiden är stillastående. Under den sist- nämnda perioden skall bländarkropparna ha maximal öppning. Det är därför lämpligt att driva bländarkropparna från ett inre ändläge till ett yttre ändläge vid början av bestrålningstiden och sedan då kropparna kommit till sistnämnda läget låta dem stå kvar i detta läge till slutet av bestrålningstiden. Maximal dos erhålles alltid i närheten av den stillastående kanten 39 av strålfältet.

Ett enkelt utförande i analogiteknik av styranordningen 34 är visat i figur 7.

Det har här antagits att den ena motorn, i exemplet motorn 35 som driver bländar- kropparna i paret 30, har en tachometergenerator 41 vilken avger en mot motorns has- tighet proportionell signal. Dessutom finns en ej visad start- och stoppanordning som vid initiering startar drivningen av motorerna och stoppar motorerna vid upp- nående av ett förutbestämt valt slutläge.

Enligt figur 7 går tachometergeneratorns 41 utsignal till plusingången på en differentialförstärkare 42, till vara minusingång en styrspänning V¿¿ matas. Diffe- rentíalförstärkarens 42 utsignal går via en drivförstärkare 43 till motorn 35. I den bildade återkopplade kretsen regleras motorhastigheten genom negativ återkoppling tills spänningen från tachometergeneratorn är lika med den tillförda spänningen flx och motorn 35 kommer att gå med en konstant hastighet vilken är bestämd av flx .

Signalen från den till motorn 35 hörande lägespotentiometern 32 går efter in- vertering till en summationskrets 44 där den matas in genom ett ingångsmotstånd Ra. Signalen från den till den andra motorn 36 hörande lägespotentiometern 33 går också till summationskretsen 44, där den matas in genom ett ingångsmotstånd Rb.

Summationskretsens 44 utsignal går via en drivförstärkare 45 till motorn 36. I den så bildade slutna regleringskretsen ställs motorns 36 läge in i beroende av motorns 35 läge tills utsignalen från den summerande kretsen 44 är noll. De båda potentie- metrarna antages ha samma karakteristik och avge en signal Va, Vb som är propor- tionell mot den sträcka La respektive Lb bländarkropparna 30 respektive bordet 7804096-1 13 rört sig relativt ett referensläge (translatorisk rörelse förutsättes i båda fal- 1êfl)- Ifl8ånšSm0fSfiånäen Ra respektive Eb göres proportionella mot avståndet a längs centrumlinjen från strålkällan till blëndarkropparna 30 respektive motsvarande avstånd b från strålkällan till den bestrålade ytan på patienten (figur 6). Man er- håller då följande samband: Ä» LLQ Rb aa EJ Ra a v där k är potentiometrarnas 32 och 33 proportionalitetskonstant.

Detta ger: L fi=;:, dvs sträckorna La och Lb är proportionella mot avstånden a och b vilket är önskvärt (förutsatt att såväl bordet som bländarkropparna rör sig translatoriskt).

Arbetsförloppet vid bestrålning med tillämpning av uppfinningens principer under utnyttjande av en bestrålningsapparat av beskrivet utförande är följande: Patientbordet ställes först alltid in i sitt nolläge eller referensläge, dvs med koordinaterna x, y och z = 0, och patienten placeras i ett noga förutbestämt läge på bordet. Detta är nödvändigt för att man skall få önskat effektivt strål- ningsområde vid samtliga efterföljande delbestrålningsförlopp från olika riktningar.

Man kan således ej kompensera en något felaktig placering på bordet genom att för- flytta bordet i motsvarande grad, eftersom detta skulle ge felaktig inställning vid de efterföljande delbestrålningsförloppen. För att uppnå den exakt riktiga place- ringen av patienten på bordet svarande mot den placering patienten hade på bordet första gången, då tumören eller liknande mättes in och strâldosfördelningen bestäm- des, kan patienten först placeras grovt i rätt läge genom att iaktta patientens röntgenbild på en monitor och jämföra med en fotografisk röntgenplât med patienten i det korrekta läget. Slutlig injustering av läget görs sedan med hjälp av ett antal markeringar, av vilka en är antydd vid 40 i figur 6, som har gjorts på patientens kropp vid den första inmätningen, och vilka markeringar exempelvis bringas att sam- manfalla med ljuspunkter från apparatfasta ljuskällor, t ex laserljuskällor. Där- efter vrids strålhuvudet så att det ena bländarparets rörelseriktning exakt samman- faller med en rörelseriktningen hos bordet, t ex x-riktningen. Patienten och strål- 7804096-1 källan intar nu korrekt inbördes läge och bestrålningen kan börja. Huvudparameter för bestrålningen är den totala bestrålningstiden och den valda tiden ställs först in. Därefter ställs den önskade dosfördelningens osymmetri in genom att välja has- tighet hos bordet och bländarkropparna. Denna inställning kan exempelvis vara grade- rad i vinkeln hos den ekvivalenta dämpkilen. Efter samtliga inställningar initieras apparaten och bestrålningen genomföras automatiskt med inställda data. Armen med strålhuvudet svänges till ett nytt läge och samma förlopp upprepas etc.

I stället för att driva blëndarkropparna och patientbordet med konstant hastig- het kan denna hastighet även göras variabel, vilket svarar mot en dämpkil med vari- erande vinkel. Vilket som helst av bländarkroppsparen kan bringas att röra sig under bestrålningen förutsatt att bordet bringas att röra sig i en parallell riktning. Det är också möjligt att bringa båda paren att röra sig samtidigt om bordet ävenledes påverkas i båda riktningarna. I princip är det även möjligt att utföra bestrålning med rörliga bländarkroppar och rörligt patientbord under rörelse hos den arm som uppbär strålkällan.

Claims (5)

9 7804096-1 Patentkrav

1. Medicinsk strålbehandlingsapparat försedd med en strâlkälla (21,22), medel (23) för att rikta ett strålknippe som alstras av strålkällan mot en patient (20), ett avbländmngssystem (29.30) med minst två avbländningskrop- par (29a, 29b; 30a, 30b) för blockering av den strålning, som träffar krop- parna, och genomsläppande av strålningen i fältet mellan dem, vilka kroppar är rörliga relativt varandra i huvudsak vinkelrätt mot strålriktningen för inställning av bestrålningsfältets storlek, samt ett patientbord (13), som är inställbart genom förskjutning i minst en riktning (x, y) i huvudsak vinkel- rätt mot strâlriktningen, k ä n n e t e c k n a d av att en rörelsemekanism (36,38 respektive 35,37) för patientbordet (13) och minst en av avbländnings- kropparna (30a, 30b) är styrbar med en styranordning (34) vilken är utförd att koppla de båda rörelserna med varandra under åtminstone en del av bestrålningstíden.

2. Medicinsk strålbehandlingsapparat enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d av att kopplingen mellan patientbordets (13) och avblädningskroppens (30a, 30b) rörelsemekanismer (36,38; 35,37) resulterar i en lika stor och lika- dant riktad vinkelhastighet hos nämnda element, sett från strålkällan (21,22).

3. Medicinsk strålbehandlingsapparat enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e- t e c k n a d av att de två avbländningskropparna (29a, 29b; 30a, 30b), som är inställbara relativt varandra, alltid har ett lika stort avstånd till en-centrum- linje (16) hos strålknippet, varvid en av kropparna (t ex 30a) är så anordnad att den rör sig med patientbordet (13) i dess rörelser. Ä.

4. Medicinsk strålbehandlingsapparat enligt patentkravet 1,2 eller 3, k ä n- n e t e c k n a d av att strålkällan (21, 22) med avbländningssystemet (29,30) är roterbar omkring patientbordet (13) varvid, om en behandling består av flera delbestrålningar, strålkällan (2l,22) ställes in i olika vinkeliägen för varje delbestrålning,

5. Medicinsk strålbehandlingsapparat enligt något av patentkraven 1 - H, k ä n n e t e c k n a d av att strålbehandlingsapparaten för att erhålla en synkron rörelse hos enavfländningskropp (30a, 30b) och patientbordet (13) är för- sedd med detektorer (33, 32) för att avge signaler som är ett mätt på patient- bordets (13) respektive avbländningskroppens (30a, 30b) momentana läge relativt ett referensläge. ANFöRDA PUBLIKATIONER; Tyskland 1 091 699 (30 me/oe) us s 947 689 (2so-s12)