DE102007032025A1

DE102007032025A1 - Partikeltherapie-Anlage

Info

Publication number: DE102007032025A1
Application number: DE102007032025A
Authority: DE
Inventors: Andres Sommer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Eine Partikeltherapie-Anlage (2) umfasst eine um eine Drehachse (D) drehbare, zylinderförmige Gantry (4) mit einem rotierbaren Strahlerzeuger (6) und einem Strahlungskanal (8) zur Führung des erzeugten Partikelstahls. Am Strahlungskanal (8) zwischen dem Strahlerzeuger (6) und einem Strahlaustrittsfenster (10) ist ein Degrader (16) zur Einstellung der Energie des Partikelstrahls angeordnet. Ein patienten- und personalschonender Betrieb der Partikeltherapie-Anlage (2) bei einer gleichzeitigen hohen Steifigkeit ist gewährleistet, indem ein Abschirmelement (22) zur Abschirmung eines Bestrahlungsraums vor dem Degrader (16) vorgesehen ist, welches Abschirmelement (22) um die Drehachse (D) rotierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Partikeltherapie-Anlage, umfassend eine um eine Drehachse drehbare, zylinderförmige Gantry mit einem rotierbaren Strahlerzeuger und einem Strahlungskanal zur Führung des erzeugten Partikelstrahls, wobei am Strahlungskanal zwischen dem Strahlerzeuger und einem Strahlaustrittsfenster ein Degrader zur Einstellung der Energie des Partikelstrahls angeordnet ist.
Geladene Teilchen werden seit über 50 Jahren in Partikeltherapie-Anlagen zur Therapierung von Krebs eingesetzt. Dabei wird ein Partikelstrahl in einem Strahlerzeuger generiert und über einen Strahlungskanal zu einem Strahlaustrittsfenster geführt. Das Strahlaustrittsfenster ragt in einen Bestrahlungsraum hinein, in welchem Bestrahlungsraum der zu behandelnde Patient positioniert ist. Der Strahlerzeuger, der ein Teilchenbeschleuniger ist, kann beispielsweise nach Art eines Kreisbeschleunigers, eines so genannten Zyklotrons aufgebaut sein. Im Zyklotron werden die zu beschleunigenden Teilchen mit Hilfe eines Magnetfeldes in eine Spiralbahn gebracht, so dass eine oder mehrere Beschleunigungsstrecken mehrfach durchlaufen werden.
In der US 4,111,306 ist eine Strahlungstherapie-Maschine zur Behandlung von Patienten mittels eines Strahles aus hochenergetischen Neutronen beschrieben. Die Maschine umfasst eine Gantry, an der ein zyklotronischer Protonenbeschleuniger derart angeordnet ist, dass er um eine Drehachse der Gantry rotiert. Der Zyklotron ist dabei direkt an einem Rotor der Gantry angeordnet und befindet sich im Bestrahlungsraum. Getragen vom Rotor bewegt sich der Zyklotron somit entlang einer Kreisbahn um den Patienten.
Für gewöhnlich ist ein Zyklotron durch einen Degrader ergänzt, der insbesondere ein Teil des Strahlungskanals ist. Mittels des Degraders wird die Energie und somit die Geschwindigkeit des Partikelstrahls variiert. Ein Degrader ist beispielsweise in der Patentschrift US 6,433,336 B1 beschrieben. Bei einem Degrader wird das bekannte Prinzip genutzt, dass die Geschwindigkeit der Teilchen, die durch einen Block aus einem Material durchgehen, in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften sowie von der Dicke des Blocks abnimmt. Durch die Wechselwirkung zwischen den im Zyklotron erzeugten Teilchen und den Molekülen des Blocks wird Energie freigesetzt, so dass der Degrader selbst als Strahlenquelle wirkt.
Um einen im Bezug auf eine Strahlenbelastung schonenden Aufenthalt des Patienten oder des medizinischen Personals im Bestrahlungsraum während der Behandlung und nach dem Abschalten der Partikeltherapie-Anlage zu gewährleisten, ist es erforderlich, einen Strahlenschutz vorzusehen, der den Bestrahlungsraum vor der aus der Anreicherung des Degraders und anderer möglicher Materialien am Strahlengang resultierenden Strahlung abschirmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Partikeltherapie-Anlage anzugeben, die sich durch eine hohe Steifigkeit sowie einen patienten- und personalschonenden Betrieb auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Partikeltherapie-Anlage, umfassend eine um eine Drehachse drehbare, zylinderförmige Gantry mit einem rotierenden Strahlerzeuger und einem Strahlungskanal zur Führung des erzeugten Partikelstrahls, wobei am Strahlungskanal zwischen dem Strahlerzeuger und einem Strahlaustrittsfenster ein Degrader zur Einstellung der Energie des Partikelstrahls angeordnet ist und wobei ein Abschirmelement zur Abschirmung eines Bestrahlungsraums vor dem Degrader vorgesehen ist, welches Abschirmelement um die Drehachse rotierbar ist. Unter Abschirmelement wird allgemein eine zusätzliche Komponente verstanden, die geeignet ist, die vom Degrader stammende Strahlung abzuschirmen. Das Abschirmelement weist hierzu eine ausreichende Dicke auf, die üblicherweise mehrere Meter beträgt. Die Dicke ist dabei abhängig vom gewählten Abschirmmaterial des Abschirmelements.
Die Erfindung geht in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass die Strahlenbelastung, der ein Patient oder ein sich nach der Behandlung im Bestrahlungsraum befindliches Personalmitglied ausgesetzt ist, durch ein geeignetes Abschirmelement reduziert werden kann. Das Abschirmelement ist insbesondere derart angeordnet und ausgebildet, dass die vom Degrader entstandene Strahlung nicht in den Bestrahlungsraum eindringen kann. Aufgrund der Anordnung der Komponenten der Partikeltherapie-Anlage ist es besonders vorteilhaft, wenn das Abschirmelement nach Art einer Wand ausgebildet ist, die insbesondere zwischen dem Degrader und einer Rückwand des Bestrahlungsraums der Gantry angeordnet ist, damit der Bestrahlungsraum sicher abgeschirmt ist.
In einem weiteren Schritt erkennt die Erfindung, dass die Stabilität der Partikeltherapieanlage erhöht wird, indem das Abschirmelement ebenfalls um die Drehachse rotierbar ist. Wenn das Abschirmelement drehbar gelagert ist, ist seine Position gegenüber den anderen rotierbaren Gantry-Komponenten fest, so dass die Führung des Strahlungskanals durch das Abschirmelement deutlich einfacher ist, da das Abschirmelement die Rotation des Strahlungskanals nicht einschränkt. Somit wird die Steifigkeit der Partikeltherapie-Anlage erhöht, da das Abschirmelement seine Position in Bezug auf die Gantry nicht ändert.
Im Hinblick auf eine konstruktiv möglichst stabile Ausgestaltung ist der Strahlerzeuger bevorzugt rotationssymmetrisch zur Drehachse angeordnet. Durch die rotationssymmetrische Anordnung des Strahlerzeugers wird insbesondere ein Unwuchteffekt und somit eine unsymmetrische Gewichtsverteilung, die schwer auszugleichen ist, bei der Rotation der Gantry vermieden.
In der vorgeschlagenen Partikeltherapie-Anlage bildet der Strahlerzeuger, der insbesondere ein Zyklotron ist, die schwerste der Gantry-Komponenten und erfordert eine sichere Lagerung. Auf der anderen Seite sind Lagerelemente erforderlich, welche eine störungsfreie Rotation des Abschirmelements ermöglichen. Ausgehend von diesen Überlegungen sind gemäß einer bevorzugten Variante Lagerelemente zur drehbaren Lagerung der Gantry vorgesehen, die zumindest im Bereich des Strahlerzeugers und des Abschirmelements angeordnet sind. Diese Lagerelemente können durch weitere Lagerelemente ergänzt werden, die an unterschiedlichen Stellen der Gantry angeordnet sind und eine Tragfunktion aufweisen sowie eine einwandfreie Rotation der Gantry ermöglichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist im Bereich des Abschirmelements eine Labyrinthdichtung zur Abdichtung der Gantry gegenüber einer Raumwand vorgesehen. Unter Raumwand kann hierbei ein Seitenbereich, ein Deckbereich sowie ein Fußbodenbereich einer die Gantry umschließenden Wandung verstanden werden. Das Abschirmelement bildet einen Teil der Gantry, der an die feste Raumwand angrenzt und beweglich gegenüber der Raumwand ist. Eine Abdichtung, die ein Durchdringen der vom Degrader erzeugten Strahlung in Richtung zum Bestrahlungsraum verhindert, wird insbesondere durch die geometrische Ausgestaltung des Abschirmelements und der Raumwand gebildet. Das Abschirmelement weist auf seinem Umfang z. B. ein Zickzack- oder Mäandermuster auf, so dass sich kein gerader Spalt zwischen dem Abschirmelement und der Raumwand bilden kann, über den die Streustrahlung des Degraders in den Bestrahlungsraum eindringen kann.
Vorteilhafterweise bildet das Abschirmelement die Rückwand des Bestrahlungsraums. Es ist also kein Freiraum zwischen einer Rückwand des Bestrahlungsraums und dem Abschirmelement vorgesehen, sondern der Bestrahlungsraum, in dem der Patient während seiner Behandlung positioniert wird, wird nach hinten in Richtung zum Strahlerzeuger durch das Abschirmelement be grenzt. Hierbei wird insbesondere das Volumen der Gantry auf ein erforderliches Minimum reduziert.
Zur Symmetrierung der Gewichtsverteilung in der Partikeltherapie-Anlage ist nach einer bevorzugten Variante ein Gegengewicht zum Ausgleich des Gewichts des Strahlerzeugers, des Strahlungskanals und des Abschirmelements vorgesehen, welches Gegengewicht derart angeordnet ist, dass der Schwerpunkt der Gantry auf der Drehachse liegt. Das Gegengewicht dient zum Auswuchten des Gewichts des insbesondere einige hundert Tonnen schweren Strahlerzeugers, des nachgeschalteten Strahlungskanals, der in einem Abstand von der Drehachse um diese rotiert, sowie des Abschirmelements, so dass die Massen in der Partikeltherapie-Anlage um die Drehachse rotationssymmetrisch verteilt sind.
Bei einer Bestimmung des Schwerpunkts der Gantry unter Berücksichtigung der Massen der rotierenden Gantry-Komponenten (Strahlerzeuger, Strahlungskanal, Abschirmelement) stellt sich heraus, dass bei einem den Bestrahlungsraum nach hinten begrenzten Abschirmelement der Schwerpunkt angrenzend an das Abschirmelement auf der Seite des Strahlerzeugers liegt. Diese Feststellung kann konstruktiv genutzt werden, indem vorteilhafterweise das Gegengewicht zumindest teilweise aus dem Abschirmelement gebildet ist. Hierbei kann das Abschirmelement bei einer geeigneten Geometrie und Position derart angeordnet sein, dass es allein das Gewicht vom Strahlerzeuger und Strahlungskanal ausgleicht. Alternativ kann das Gegengewicht weitere Elemente umfassen, die am Abschirmelement angeordnet sind und mit diesem mitrotieren.
Eine besonders sichere Abschirmung des Bestrahlungsraums vor der im Degrader generierten Streustrahlung wird erreicht, indem das Abschirmelement vorteilhafterweise aus einem Material hoher spezifischer Dichte, insbesondere aus Beton und/oder Stahl ausgebildet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur schematisch einen Längsschnitt durch eine Partikeltherapie-Anlage mit einer zylinderförmigen, rotierbaren Gantry.
In der Figur ist eine Partikeltherapie-Anlage 2 gezeigt, die eine im Wesentlichen zylinderförmige Gantry 4 umfasst. Die Gantry 4 ist derart angeordnet und gelagert, dass sie um eine Drehachse D rotieren kann. Die rotierbare Gantry 4 umfasst einen im Bezug auf die Drehachse D rotationssymmetrisch angeordneter Strahlerzeuger 6, der in diesem Ausführungsbeispiel ein Zyklotron ist, sowie einen Strahlungskanal 8 zur Führung des im Zyklotron 6 erzeugten Partikelstrahls. Der Strahlungskanal 8 erstreckt sich zwischen dem Zyklotron 6 und einem Strahlaustrittsfenster 10, das in einen Bestrahlungsraum 12 hineinragt. Die Partikeltherapie-Anlage 2 umfasst außerdem eine Patientenpositioniervorrichtung 13 mit deren Hilfe ein Patient 15 in dem Bestrahlungsraum 12 zur Behandlung positionierbar ist. Der Strahlungskanal 8 zur Führung des im Zyklotron 6 erzeugten Partikelstrahls umfasst Elektromagnete 14 zum Umlenken des Partikelstrahls sowie einen Degrader 16 zur Einstellung der Energie bzw. der Geschwindigkeit des Partikelstrahls.
Die Gantry 4 ist mittels Lagerelemente 18 an einer Raumwand 20 gelagert. Die Raumwand 20 ist derart ausgebildet, dass sie die zylindrische Gantry 4 zumindest umfangsseitig umschließt.
Im Betrieb der Gantry 4 entsteht im Degrader 16 eine unerwünschte Streustrahlung, die z. B. den im Bestrahlungsraum 12 befindlichen Patienten 15 zusätzlich belastet. Zur Abschirmung des Bestrahlungsraums 12 ist bei der gezeigten Ausführungsform der Partikeltherapie-Anlage 2 ein Abschirmelement 22 vorgesehen, welches den Bestrahlungsraum 12 vom Degrader 16 trennt. Das Abschirmelement 22 ist aus Beton und/oder Stahl ausgebildet, so dass die im Degrader 16 generierte Strahlung durch das Abschirmelement 22 nicht in den Bestrahlungsraum 12 eindringen kann. Das Abschirmelement 22 bildet hierbei eine Rückwand des Bestrahlungsraums 12 und begrenzt diesen nach hinten in Richtung zum Degrader 16 und Zyklotron 6.
Das Abschirmelement 22 ist derart ausgebildet, dass es mit der Gantry 4 um die Drehachse D rotiert. Damit die Gantry sicher gelagert ist, sind die Lagerelemente 18 gemäß dem Ausführungsbeispiel im Bereich der schwersten Gantry-Komponenten, nämlich des Zyklotrons 6 und des Abschirmelements 22 angeordnet.
Um eine berührungsfreie Abdichtung des Abschirmelements 22 gegenüber der Raumwand 20 zu schaffen, welche die Rotation der Gantry 4 nicht einschränkt und gleichzeitig verhindert, dass die Streustrahlung aus dem Degrader 16 in den Bestrahlungsraum 12 vordringt, ist im Bereich des Abschirmelements 22 eine Labyrinthdichtung 24 vorgesehen. Die Labyrinthdichtung 24 ist durch ein mäanderförmiges Muster erreicht, welches sich um den Umfang des Abschirmelements 22 in Axialrichtung erstreckt und durch ein korrespondierendes Muster an der Rückwand 20 ergänzt ist. Dadurch wird insbesondere die Ausbildung eines geraden Spaltes zwischen dem Abschirmelement 22 und der Rückwand 20 vermieden, durch welchen Spalt die Partikelstrahlung aus dem Degrader 16 in den Bestrahlungsraum 12 gelangen kann.
Zur Stabilisierung der Partikeltherapie-Anlage 2 ist außerdem ein Gegengewicht 26 vorgesehen, welches derart angeordnet ist, dass der Schwerpunkt der Gantry 4 auf der Drehachse D liegt, so dass keine Unwuchtkräfte und eventuell damit verbundene Verformungseffekte bei der Rotation der Gantry 4 entstehen. Die Position und Masse des Gegengewichts 26 wird unter Berücksichtigung der Positionen und Massen des Zyklotrons 6, des Strahlungskanals 8 und des Abschirmelements 22 ermittelt. Bei der in der Figur gezeigten Anordnung befindet sich der Schwerpunkt des Systems nahe des Abschirmelements 22 auf der Seite des Zyklotrons 6. Diese Tatsache wird ausgenutzt, um die Masse des erforderlichen Gegengewichts 26 zu reduzieren, indem das Gegengewicht 26 teilweise aus dem Abschirmelement 22 gebildet ist. Dies wird erreicht, indem das Gegengewicht 26 an dem Abschirmelement 22 befestigt ist und bei einer Rotation der Gantry 4 mit dem Abschirmelement 22 mitdreht. Das Gegengewicht 26 und das Abschirmelement 22 bilden somit eine Ausgleichseinheit, die das Gewicht des Zyklotrons 6 und des Strahlungskanals 8 kompensiert, damit der Schwerpunkt der Gantry 4 auf der Drehachse D liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4111306 [0003]
- US 6433336 B1 [0004]

Claims

Partikeltherapie-Anlage (2) umfassend eine um eine Drehachse (D) drehbare, zylinderförmige Gantry (4) mit einem rotierbaren Strahlerzeuger (6) und einem Strahlungskanal (8) zur Führung des erzeugten Partikelstrahls, wobei am Strahlungskanal (8) zwischen dem Strahlerzeuger (6) und einem Strahlaustrittsfenster (10) ein Degrader (16) zur Einstellung der Energie des Partikelstrahls angeordnet ist und wobei ein Abschirmelement (22) zur Abschirmung eines Bestrahlungsraums vor dem Degrader (16) vorgesehen ist, welches Abschirmelement (22) um die Drehachse (D) rotierbar ist.
Partikeltherapie-Anlage (2) nach Anspruch 1, wobei der Strahlerzeuger (6) rotationssymmetrisch zur Drehachse (D) angeordnet ist.
Partikeltherapie-Anlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei Lagerelemente (18) zur drehbaren Lagerung der Gantry (4) vorgesehen sind, die zumindest im Bereich des Strahlerzeugers (6) und des Abschirmelements (22) angeordnet sind.
Partikeltherapie-Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Bereich des Abschirmelements (22) eine Labyrinthdichtung (24) zur Abdichtung der Gantry (4) gegenüber einer Raumwand (20) vorgesehen ist.
Partikeltherapie-Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschirmelement (22) eine Rückwand des Bestrahlungsraums (12) bildet.
Partikeltherapie-Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gegengewicht (26) zum Ausgleich des Gewichts des Strahlerzeugers (6), des Strahlungskanals (8) und des Abschirmelements (22) vorgesehen ist, welches derart angeordnet ist, dass der Schwerpunkt der Gantry (4) auf der Drehachse (D) liegt.
Partikeltherapie-Anlage nach Anspruch 6, wobei das Gegengewicht (26) zumindest teilweise aus dem Abschirmelement (22) gebildet ist.
Partikeltherapie-Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschirmelement (22) aus einem Material hoher spezifischer Dichte, insbesondere aus Beton und/oder Strahl ausgebildet ist.