Gerätetechnik in der Strahlentherapie Tiefendosiskurven von

29.04.2008
Gerätetechnik in der Strahlentherapie
Strahlentherapie
Teletherapie
Photonenstrahlung
Egrenz ≈
Egrenz ≈
20-300 keV
1-20 MeV
Brachytherapie
Teilchenstrahlung
Photonenstrahlung
TeilchenStrahlung
Egrenz ≈
umschlossene
Radionuklide
offene und
umschlossene
Radionuklide
5-200 MeV
•Elektronen
•Protonen
•Neutronen
•Ionen
•Π-Mesonen
Konventionelle
Röntgengeräte
Umschlossene Nuklide
•Co-60
•(Cs-137)
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•Ir-192
•Cs-137
•Au-198
•….
Elektronenbeschleuniger
•Linac
•Mikrotron
•(Betatron)
•J-131
•Sr-90
•Y-90
•Rh-186
•P-32
•.....
Prof. Dr. Zink: Gerätetechnik Strahlentherapie
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Tiefendosiskurven von Photonen
Tiefendosisverlauf von Photonen hängt ab von:
• Energie der Photonen
• Abstand Fokus - Messort (1/r2-Gesetz)
• Anteil der „Streustrahlung“
• Art des Gewebes (Dichte, Z)
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Einfluss des 1/r2‐Gesetzes auf Verlauf der Tiefendosiskurve
Photonenenergie: ca. 200 kV‐Bremsstrahlung
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Einfluss der Energie auf den Verlauf der Tiefendosiskurven
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Fluenz und Dosis bei hochenergetischen Photonen
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Bestrahlungstechnik: Mehrfelderbestrahlung
Beispiel: Dosisverlauf bei opponierenden Gegenfeldern
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Bremsstrahlungsspektrum Photonen
Aus n „dünnen“ Targets resultierendes Röntgenspektrum
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Emissionsrichtung der Bremsstrahlung
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Emissionsrichtung der Bremsstrahlung
Relative Dosisprofile der emittierten Bremsstrahlung hinter einem Wolframtarget für unterschiedliche Elektronenenergien (Ausgleichsfilter !!)
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Röntgenoberflächentherapie
Röntgentherapiegerät
DERMOPAN
Erzeugungsspannung:
einstellbar 10 - 60 kV
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Röntgentiefentherapie
Röntgentherapiegerät
STAPILIPAN
Erzeugungsspannung:
einstellbar 120 - 400 kV
Tubuslänge (FOA) 30 - 50 cm
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Bauformen von Röntgentherapieröhren
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Teletherapie: Isozentrische Bestrahlungsgeometrie
Isozentrum: Schnittpunkt der 3 Geräte‐
R t ti
Rotationsachsen
h
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Kobalt‐Geräte
Tiefendosisverlauf etwa vergleichbar zu 4 MVStrahlung aus Beschleuniger
Halbwertzeit: 5.26 Jahre -> monatliche Korrektur der Bestrahlungszeiten
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Kobalt‐Geräte
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Kobalt‐Quelle
Spez. Aktivität moderner Co-Quellen:
740 GBq/g
Gesamtaktivität: 100 - 300 TBq (T: 1012)
Halbschatten durch endliche H
lb h tt d h dli h
Quellengröße:
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Kobalt‐Geräte
Verschlußkonstruktionen
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Kobalt‐Geräte: Bestrahlungskopf
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Kobalt‐Geräte:
Nachteile:
Vorteile:
•
•
•
•
einfaches technisches Konzept
geringe Ausfallzeiten
erfordert nur geringe technische
Infrastruktur
hohe Flexibilität bei Bestrahlung
(Kopfauslenkung)
•
•
•
•
•
•
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Strahlenbelastung des Personals;
großer Halbschatten;
g
keine Überwachung der Patientenbestrahlung (Protokolliersystem);
Tiefendosisverlauf nicht für
tiefliegende Tumoren geeignet;
Entsorgung des radioaktiven
Materials;
geringe Dosisleistung;
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Betatron (Kreisbeschleuniger)
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Geschwindigkeit der Elektronen
Geschwindigkeit und Masse des Elektrons
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Mikrotron
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Zyklotron (Protonen, Ionen)
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Linearbeschleuniger
Beschleuigung im longitudinalen (axialen) elektrischen Feld
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Linearbeschleuniger
Beschleuigung im longitudinalen elektrischen Feld
ν = 3*109 Hz => λ = 10 cm
nur gepulster Betrieb möglich !!
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Linearbeschleuiger
Klinischer Linearbeschleuniger
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Klinischer Linearbeschleuniger
Typische Daten:
• zwei Photonenenergien (6 und 18 MV‐Bremsstrahlung)
• Elektronenenergien 6 ‐
El kt
i 6 20 MeV
20 M V
• Abstand Fokus‐Isozentrum: 100 cm
• Dosisleistung im Isozentrum: ca. 3 Gy/min
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Klinischer Linearbeschleuniger
„Einfache“ Linearbeschleuniger (nur eine Photonenenergie ‐ meisst 6 MV‐X)
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Beschleunigerrohr
Schwingungsmode: TM010 (E-Feld in axialer Richtung)
Richtung des E-Feldes wechselt in Abständen λ/2 - 4 Cavitäten je λ
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(Altes) Beschleunigerrohr
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Prinzip Wanderwellenbeschleuniger
Beschleunigendes Feld nur in jedem vierten Resonator
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Elektronen‐Bunching
→ Durch Verkürzung der Resonatoren
wird Phasengeschwindigkeit der
Mikrowellen reduziert
→ Früher: Injektionsenergie 100 ‐ 200 kV
Heute: 10 ‐ 30 kV
Heute: 10 30 kV
Früher: Länge des Bunchers
Früher:
Länge des Bunchers
einige Resonatoren
Heute: Halber Resonator
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Prinzip Stehwellenrohr
→ jeder zweite Resonator ist v→
immer feldfrei
→ Mikrowellenleistung ist doppelt
so groß wie bei Wanderwellenrohr
→ Halbierung der Rohrlänge möglich
←v
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Stehwellenrohr
→ jeder zweite Resonator
ist immer feldfrei
→ jeder zweite Resonator
kann nach außen gelegt
werden
→ Halbierung der Rohrlänge
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Pulsfolge am Linearbeschleuniger
→ Makroimpulse (ca. 5µs) bestehen aus ca. 2*104 Mikroimpulsen (ca. 30 ps).
→ Folgen im zeitlichen Abstand von 330 ps aufeinander (entspricht 3 GHz).
→ Mikroimpulse sind kürzer als eine halbe Schwingungsdauer, da
Elektronen nur innerhalb eines schmalen Zeitintervalls unmittelbar nach
d
dem
Wellenmaximum
W ll
i
beschleunigt
b
hl
i t werden.
d
→ Mikroimpuls enthält ca. 2*104 Elektronen, Makroimpuls entsprechend
2*108 Elektronen.
→ Pulsfolge der Makroimpulse typischerweise 200 Hz
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Linearbeschleuiger
Klinischer Linearbeschleuniger
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Gun (Kathode)
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Erzeugung bzw. Verstärkung von Mikrowellen: Klystron
Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen in erstem Resonator
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Klystron
Periodische Verstärkung des Stromes (d.h. des Mikrowellenfeldes
im 2. Resonator
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Klystron
• Mikrowellenverstärker:
Verstärkung bis 1011
• Hochspannung: 80 ‐
Hochspannung 80 120 kV
120 kV
• Leistung: ca. 1 MW
• Magnetfeldspulen zur Fokussierung (Wärmeentwicklung in Drift‐Tubes)
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Erzeugung bzw. Verstärkung von Mikrowellen: Magnetron
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„Transport“ von Mikrowellen: Hohlleiter 29.04.2008
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Linearbeschleuiger
Klinischer Linearbeschleuniger
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Strahlerkopf
Blenden: einzeln einstellbar mit “Overtravel“. Gesamtfeld‐
größe im Isozentrum: 40x40 cm2
MLC: zusätzlich oder anstatt eines Blendenpaares
et a 60 120 Lamellen, die einzeln motorisch etwa 60 ‐
0 a e e ,dee e
oto sc
verfahrbar sind, und damit nahezu jede Feldform
ermöglichen
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Ausgleichsfilter für Photonenstrahlung
Typische Formen für Ausgleichskörper
Typische Formen für Ausgleichskörper
eTarget
Einfluß eines dejustierten
Elektronenstrahls auf das Profil im Isozentrum ⇒ Bendingmagnet
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Bendingmagnet
I: 90‐Grad‐Umlenkung
Keine achromatische Linse !!
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Bendingmagnet
II: 270‐Grad‐Umlenkung
achromatische Linse !!
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Dosismonitorsystem
Zwei unabhängige (geschlossene) Dosismonitorkammern messen die Dosis (“Monitoreinheiten“), regeln und überwachen die Strahlführung
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Flatness ‐ Symmetrie ‐ Feldgröße
Flatness:(< 5%):
Symmetrie (<2%):
Definition der Feldgrenzen: 50% - Wert des Dosisprofils
⇒ Teil der Qualitätssicherung nach DIN 6847 Teil 5
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Outputfaktor OF
OF = D(z,A)/D(z,AR) ‐ AR: Referenzfeldgröße
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