DE602004008918T2

DE602004008918T2 - Mehrblatt-kollimator

Info

Publication number: DE602004008918T2
Application number: DE602004008918T
Authority: DE
Inventors: Rajko Topolnjak; Uulke Van Der Heide; Jan Lagendijk
Original assignee: Elekta AB
Current assignee: Elekta AB
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: JP2009513172A; DE602004008918D1; EP1641534A1; CN100569316C; CN1819856A; GB0315909D0; EP1641534B1; US7095823B2; WO2005004987A1; GB2403884A; US20050008123A1; ATE372812T1; GB2403884B

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Multilamellen-Kollimator.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Multilamellen-Kollimatoren (MLC) werden (in erster Linie) auf dem Gebiet der Strahlenbehandlung benutzt. Dabei wird ein Behandlungsstrahl auf einen Patienten gerichtet, und dieser Strahl muss gebündelt werden, um eine Anpassung an die Form des zu behandelnden Bereiches zu erzielen. Es ist wichtig zu gewährleisten, dass die Strahlungsdosis in den Bereichen außerhalb jenes Bereiches so gering als möglich ist, aber es muss auch gewährleistet werden, dass der gesamte Bereich bestrahlt wird. Wenn Teile unbestrahlt verbleiben, dann ist die Wahrscheinlichkeit eines Wiederauftretens erhöht, und wenn nicht behandelte Bereiche dann bestrahlt werden, dann kann eine Beschädigung des gesunden Gewebes in größeren seitlichen Bereichen auftreten, und es ist eine längere Genesungszeit nach der Behandlung erforderlich.
Da der Behandlungsbereich selten geradlinig begrenzt ist, werden Multilamellen-Kollimatoren benutzt. Diese bestehen aus einer Gruppe von fingerförmig gestalteten Lamellen aus Strahlung absorbierendem Material, wobei die Finger parallel angeordnet und in der Lage sind, in Längsrichtung zu den anderen bewegt zu werden. Indem jede Lamelle in eine gewählte Position überführt wird, kann ein Kollimator geschaffen werden, der einen nicht geradlinig verlaufenden Rand ergibt. Im Allgemeinen wird eine derartige Gruppe von Fingern (oder eine „Bank" von Fingern) auf jeder Seite des Strahls vorgesehen.
Mit Multilamellen-Kollimatoren sind im Allgemeinen zwei Schwierigkeiten verknüpft. Die eine Schwierigkeit besteht darin, dass die Strahlung zwischen den Lamellen des Feldes im Leckstrom hindurchtreten kann, und die andere Schwierigkeit besteht darin, dass die Lamellen oft quadratische Enden besitzen und demgemäß ein pixelartiges Muster bilden, wenn sie auf einen Rand ausgerichtet werden, der nicht senkrecht zur Lamellenrichtung verläuft.
Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um diesen Leckstrom zu vermeiden, einschließlich gestufter Ränder an den Lamellen, die sich demgemäß (bis zu einem gewissen Ausmaß) ineinander verketten und den Freiraum zwischen den Lamellen begrenzen. Jedoch ist der Leckstrom zwischen den Lamellen bei gewissen Behandlungsplänen ein beschränkender Faktor, beispielsweise bei der intensiven modulierten Strahlungstherapie (IMRT), wo die Behandlungszeit relativ lang ist.
Die Anordnung mit Pixelbildung ist ein Faktor, der sich auf die Lösung des Lamellenfeldes bezieht, und daher richten sich die Versuche zur Lösung des Problems auf die Benutzung schmalerer Lamellen. Hierdurch wird der Kollimator jedoch noch komplexer, und gegenwärtige Konstruktionen gemäß JP03009767 schlagen die Benutzung von zwei Lamellenfeldern vor, die derart versetzt sind, dass die Lamellen des einen Feldes die Spalte zwischen den Lamellen des anderen Feldes abdecken. Dies führt zu einer verbesserten Auflösung und einem verminderten Leckstrom, jedoch ergibt sich immer noch ein pixelartiger Effekt.
Ein ähnlicher Multilamellen-Kollimator ist auch in der WO-A-99/17305 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Multilamellen-Kollimator zu schaffen, der weiter die Probleme der Leckströme zwischen den Lamellen und die der Pixelbildung löst und eine verbesserte Auflösung und große Bereichsabmessungen ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung schafft demgemäß einen Kollimator für einen zur Behandlung vorgesehenen Behandlungsstrahl, wobei der Kollimator Folgendes umfasst: einen ersten Multilamellen-Kollimatorsatz; einen zweiten Multilamellen-Kollimatorsatz, dessen Lamellen einen spitzen Winkel zu den Lamellen des ersten Multilamellen-Kollimators bilden; und einen dritten Multilamellen-Kollimatorsatz, dessen Lamellen einen spitzen Winkel zu den Lamellen des zweiten Multilamellen-Kollimators bilden.
Jeder Multilamellen-Kollimatorsatz beinhaltet gewöhnlich ein Paar einander gegenüberliegender Lamellengruppen.
Der spitze Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Multilamellen-Kollimatorsatz ist vorzugsweise der gleiche wie der spitze Winkel zwischen dem zweiten und dem dritten Satz. Ein geeigneter spitzer Winkel beträgt etwa 60°, jedoch können auch andere geeignete Winkel benutzt werden.
Der Halbschatten befindet sich in einem Bereich nahe dem Strahlungsfeldrand. Die Halbschattenbreite wird im typischen Fall definiert durch den Abstand zwischen den Punkten, wo 20 % und 80 % der Dosis an der Zentralachse abgestrahlt werden. Ein kleiner Halbschatten bedeutet eine gute Strahldefinition, die die Möglichkeit schafft, eine maximale Dosis nach einem Zielvolumen zu richten mit einem rapiden Abfall der Dosis in der Nähe hiervon nach dem umgebenden normalen gesunden Gewebe.
Bei einem solchen Kollimator sind mehrere Konstruktionsmerkmale zu bevorzugen, um die Halbschattencharakteristiken zu verbessern:

– Die Lamellen, die beim Multilamellen-Kollimator am dichtesten an der Strahlungsquelle liegen, können tiefer in Richtung der Strahlung verlaufen als die Lamellen des Multilamellen-Kollimators, die entfernt von der Strahlungsquelle liegen.
– Die Lamellen des Multilamellen-Kollimators, die am weitesten von der Strahlungsquelle entfernt liegen, können schmaler in Strahlungsrichtung sein als die Lamellen eines Multilamellen-Kollimators, der dichter an der Strahlungsquelle liegt.
– Die Spitzen der Lamellen der Multilamellen-Kollimatoren können abgerundet sein.
– Der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen des Multilamellen-Kollimators, der am dichtesten an der Strahlungsquelle liegt, kann größer sein als der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen eines Multilamellen-Kollimators, der weiter entfernt von der Strahlungsquelle liegt.
– Der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen des Multilamellen-Kollimators, der am weitesten von der Strahlungsquelle entfernt liegt, kann kleiner sein als der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen eines Multilamellen-Kollimators, der näher an der Strahlungsquelle liegt.

Im Allgemeinen ist es auch zu bevorzugen, dass der erste Multilamellen-Kollimator am dichtesten an der Strahlungsquelle liegt und der dritte Multilamellen-Kollimator am weitesten von der Strahlungsquelle entfernt ist, wobei der zweite Multilamellen-Kollimator zwischen den ersten und den dritten Multilamellen-Kollimatoren liegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 zeigt einen Vertikalschnitt eines bekannten Multilamellen-Kollimators mit einem einzigen Feld von Lamellen;
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Multilamellen-Kollimator in einem entsprechenden Vertikalschnitt;
3 zeigt ein typisches klinisches Feld für die Strahlenbehandlung;
4 zeigt das erreichte Strahlungsmuster unter Benutzung eines Multilamellen-Kollimators mit zwei Lamellenfeldern und 10 mm breiten Lamellen;
5 zeigt das erreichte Strahlungsmuster unter Benutzung eines Multilamellen-Kollimators mit zwei Lamellenfeldern und 4 mm breiten Lamellen;
6 zeigt die Benutzung eines Multilamellen-Kollimators gemäß der Erfindung mit drei Lamellenfeldern unter Benutzung von 10 mm breiten Lamellen;
7 zeigt die Überdosis an, die für ein Standardziel mit einem Bereich von Orientierungen angewandt wird;
8 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Beschleuniger, der zum Teil mit einem Multilamellen-Kollimator gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ausgerüstet ist; und
9 zeigt das Halbschattenprofil, das durch den Multilamellen-Kollimator gemäß 8 erzielt wird.
EINZELBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt den relevanten Teil eines Strahlkollimators 1 herkömmlicher Ausbildung. Der Kollimator 1 weist eine Gruppe von Paaren aus Multilamellen- Feldern 2, 2a auf, die in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Röntgenstrahls oder eines anderen Strahls 3 angeordnet sind, der aus der Apertur 4 austritt.
2 zeigt den erfindungsgemäßen Kollimator 10 in einem entsprechenden Vertikalschnitt (d.h. in der Ebene des Strahls 3) wie in 1 des üblichen Kollimatortypes. Der erfindungsgemäße Kollimator umfasst drei Multilamellen-Gruppen 11a, 11b und 11c, wobei jede Gruppe aus einem Multilamellen-Feld besteht, das auf beiden Seiten des Röntgenstrahls 3 angeordnet ist, und jede Gruppe ist in einer Reihe im Vertikalschnitt angeordnet. Nicht sichtbar ist in 2, dass die drei Gruppen in unterschiedlichen Orientierungen derart angeordnet sind, dass die Richtung ihrer Lamellen unter 60° zueinander verläuft.
3 zeigt ein typisches klinisches Behandlungsfeld 20 mit einer unregelmäßig geradlinig begrenzten Form, das unter Benutzung von Behandlungsplänen, wie IMRT, behandelt werden muss. Der Bereich innerhalb der ausgezogenen schwarzen Linie bildet den Umfang der Form des Gewebes, das mit Röntgenstrahlen oder einer anderen Strahlung behandelt werden muss. Damit das Gewebe, das den Behandlungsbereich umgibt, d.h. das gesunde Gewebe, nicht beschädigt wird, muss der zu behandelnde Bereich die Behandlungsstrahlung empfangen, während das gesunde Gewebe gegen die Strahlung unter Benutzung eines geeigneten die Strahlung abschirmenden Materials geschützt werden muss.
4 zeigt das unter Benutzung eines Multilamellen-Kollimators mit zwei Lamellengruppen erhaltene Strahlungsmuster, wie dies beispielsweise erhalten wird durch einen Kollimator gemäß der JP03009767 . Die Breite der Lamellen beträgt bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel 10 mm. Die Breite der Lamellen wird in der Ebene senkrecht zur Strahlrichtung gemessen. Wie ersichtlich, werden große Bereiche des gesunden Gewebes bestrahlt, weil die Strahlungsbegrenzung unter Benutzung des herkömmlichen Multilamellen-Kollimators mit zwei Feldern nur annähernd erreicht werden kann.
Wenn die Breite der Lamellen verkleinert wird, um eine bessere Auflösung zu erhalten und die Lamellen 4 mm breit sind, um einen Mini-Kollimator zu erzeugen, dann nähert sich das Strahlungsmuster dichter dem Muster des zu behandelnden Gewebes, wie dies in 5 dargestellt ist. Es ist klar, dass die Auflösung immer besser wird, je schmaler die Lamellen ausgebildet sind. Jedoch können die Lamellen nur auf eine endliche Breite verkleinert werden, da sonst die Konstruktionsbedingungen unüberwindlich werden. Je schmaler die Lamellen des Feldes sind, desto kleiner wird die praktisch erreichbare Feldgröße, und so wird es schwierig, große Bereiche zu behandeln.
Die Feldgröße eines herkömmlichen Multilamellen-Kollimators mit zwei Lamellenfeldern liegt in der Größenordnung von 40 × 40 cm². Die Feldgröße des Mini-Kollimators liegt in der Größenordnung von 16 × 20 cm². Die Feldgröße eines Kollimators gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt jedoch wenigstens 40 cm im Durchmesser und sie kann noch größer sein.
6 zeigt das Strahlungsmuster, das durch einen Kollimator gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wurde, bei dem die Lamellen 10 mm breit sind. Es ist ersichtlich, dass das Zielbestrahlungsmuster wesentlich gegenüber jenem verbessert ist, das unter Benutzung 10 mm breiter Lamellen eines herkömmlichen Multilamellen-Kollimators mit zwei Feldern oder mit schmaleren Lamellen des Mini-Kollimators erreicht wird, bei dem das Muster gemäß 5 erhalten wird.
7 zeigt die Überdosis, d.h. die Bestrahlung des gesunden Gewebes, angewandt für ein standardisiertes Ziel und einen Bereich von Orientierungen. Wie ersichtlich, beträgt die Überdosis unter Benutzung eines Zwei-Lamellen-Kollimators ein Minimum nur unter zwei Orientierungen, d.h. wenn der zu behandelnde Bereich einen vertikalen oder horizontalen Rand besitzt und die Lamellen des herkömmlichen Kollimators dicht benachbart zu dem Rand angeordnet werden können. Das Gleiche gilt für den Mini-Kollimator, wo wiederum die Minima der Überdosis auch nur unter zwei Orientierungen bestehen. Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Kollimators zeigt eine markante und wesentliche Verbesserung in der Verminderung der Überdosis, wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, wobei der größte Teil der Überdosislinie weit unter der Linie liegt, die durch den Mini-Kollimator erreicht wurde.
8 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. Der Multilamellen-Kollimator ist teilweise in einem Beschleuniger angeordnet. Der Beschleuniger umfasst eine Quelle, um die Strahlung zu erzeugen sowie einen Primär-Kollimator 31, der teilweise den Strahl 3 bündelt und Filter 32, um den Strahl zu filtern. Der Strahl tritt dann durch den Multilamellen-Kollimator gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung hindurch. Die Tiefe der Lamellen wird in Richtung parallel zur Richtung des Röntgenstrahles 3 gemessen. Die Tiefe des Lamellenfeldes 31a ist die größte, und die Tiefe des zweiten Lamellenfeldes 31b ist kleiner als die Tiefe des ersten Lamellenfeldes, und die Tiefe des Lamellenfeldes 31c ist kleiner als die Tiefe des zweiten Lamellenfeldes.
Die Lamellen sind außerdem in Richtung parallel zur Richtung des Strahls gekrümmt, wobei der Krümmungsradius des ersten Lamellenfeldes 31a größer ist als der Krümmungsradius des zweiten Lamellenfeldes 31b. Der Krümmungsradius des dritten Lamellenfeldes 31c ist kleiner als der Krümmungsradius des zweiten Lamellenfeldes.
9 zeigt die sich ergebenden Halbschatten bei diesem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei die Verbesserung fast zweimal so groß ist wie bei einem herkömmlichen Zweifeld-Kollimator. Der Prozentsatz des Bereichs außerhalb des Kollimatormusters, der bei einem herkömmlichen Zweifeld-Kollimator zwischen 20 und 100 % der Strahlung liegt, beträgt bei der Erfindung größenordnungsmäßig etwa 13 %. Bei dem Mini-Kollimator ist dieser auf etwa 8 % verringert, jedoch erreicht der Multilamellen-Kollimator gemäß der vorliegenden Erfindung einen Fluss von etwa 7 %.
Daher ist ersichtlich, dass der Multilamellen-Kollimator gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorteile eines großen Zweifeld-Kollimator herkömmlicher Bauart in Bezug auf die Feldgröße aufweist und dabei auch noch den Fluss, die Auflösung und das Verhalten eines Mini-Kollimators hat.
Außerdem ermöglicht der erfindungsgemäße Kollimator die Ausbildung von MCL-Köpfen, die wesentlich einfacher ausgebildet sind. Die Lamellen brauchen an ihren Verbindungen keine Nut-Feder-Mechanismen aufzuweisen, da andere Lamellenfelder darüber und/oder darunter diese Zwischenräume überbrücken. Außerdem braucht der Kollimatorkopf nicht drehbar angeordnet zu werden, da der Kollimator weniger richtungsabhängig ist.
Es ist natürlich klar, dass verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele getroffen werden können, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
IN DER BESCHREIBUNG ERWÄHNTE REFERENZEN
Die vom Anmelder erwähnten Druckschriften dienen nur zum Gebrauch durch den Leser. Sie bilden nicht Teil des europäischen Patentdokuments. Obgleich große Sorgfalt getroffen wurde, um die Referenzen zu erstellen, können Fehler und Auslassungen nicht ausgeschlossen werden, und das EPA schließt in dieser Beziehung die Verantwortung aus.
Patent-Dokumente, die in der Beschreibung erwähnt sind:

JP 03009767 B in Spalte [0006][0032]
WO 9917305 A in Spalte [0007]

Claims

Kollimator für einen Bestrahlungsstrahl, der Folgendes umfasst: einen ersten Multilamellen-Kollimatorsatz (11a); einen zweiten Multilamellen-Kollimatorsatz (11b), dessen Lamellen einen spitzen Winkel zu den Lamellen des ersten Multilamellen-Kollimators (11a) bilden; und einen dritten Multilamellen-Kollimatorsatz (11c), dessen Lamellen einen spitzen Winkel zu den Lamellen des zweiten Multilamellen-Kollimators (11b) bilden.
Kollimator nach Anspruch 1, wobei jeder Multilamellen-Kollimatorsatz (11a, 11b, 11c) ein Paar einander gegenüberliegende Lamellengruppen beinhaltet.
Kollimator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der spitze Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Multilamellen-Kollimatorsatz (11a, 11b) der gleiche ist wie der spitze Winkel zwischen dem zweiten und dem dritten Satz (11b, 11c).
Kollimator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der oder einer der spitze(n) Winkel 60° beträgt.
Kollimator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lamellen (31a) des der Strahlungsquelle (30) am nächsten liegenden Multilamellen-Kollimators in Richtung der Strahlung tiefer sind als die Lamellen (31b, 31c) eines weiter von der Strahlungsquelle (30) entfernten Multilamellen-Kollimators.
Kollimator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lamellen (31c) des von der Strahlungsquelle (30) am weitesten entfernt gelegenen Multilamellen-Kollimators in Richtung der Strahlung weniger tief sind als die Lamellen (31a, 31b) eines näher an der Strahlungsquelle gelegenen Multilamellen-Kollimators.
Kollimator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spitzen der Lamellen (31a, 31b, 31c) der Multilamellen-Kollimatoren abgerundet sind.
Kollimator nach Anspruch 7, wobei der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen (31a) des der Strahlungsquelle (30) am nächsten gelegenen Multilamellen-Kollimators größer ist als der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen (31b, 31c) eines weiter von der Strahlungsquelle (30) entfernt gelegenen Multilamellen-Kollimators.
Kollimator nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen (31c) des von der Strahlungsquelle (30) am weitesten entfernt gelegenen Multilamellen-Kollimators geringer ist als der Krümmungsradius der Spitzen der Lamellen (31a, 31b) einer näher an der Strahlungsquelle (30) gelegenen Multilamellen-Kollimators.
Kollimator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Multilamellen-Kollimator (11a) der Strahlungsquelle (30) am nächsten liegt, der dritte Multilamellen-Kollimator (11b) am weitesten von der Strahlungsquelle (30) entfernt liegt und der zweite Multilamellen-Kollimator (11b) zwischen dem ersten und dem dritten Multilamellen-Kollimator (11a, 11c) liegt.