Lamellen schützen gesundes Gewebe

Noch bis vor wenigen Jahren konnten Kopf- und Halstumore nicht wirklich sicher bestrahlt werden, ohne dabei das Risiko einzugehen, Organe wie Rückenmark oder Speicheldrüsen zu schädigen. Ärzte waren gezwungen, die Strahlungsdosen niedrig zu halten – oftmals zu niedrig, um Tumore wirkungsvoll und umfassend zu zerstören. So befanden sich Ärzte in einem wirklichen Dilemma: Eine Strahlentherapie könnte den Krebs zwar heilen, aber gleichzeitig dem Patienten schweren Schaden zufügen; andererseits würden niedrigere Strahlungsdosen möglicherweise nicht ausreichen, um das Tumorwachstum wirksam zu stoppen. Die Krankenhäuser benötigen daher ein Gerät, das nicht nur mit hochentwickelter Technologie ausgestattet ist, sondern auch einen effizienten, zuverlässigen Prozess zur Behandlung des Tumors ermöglicht, gleichzeitig aber nicht betroffenes, gesundes Gewebe ausspart.

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Die Tumorbestrahlungstechnik von Varian Medical Systems ist darauf ausgelegt, die Strahlendosis dem Tumor gemäss zu „formen“ und sich selbst auf kleinste und unregelmäßig ausgebildete Ziele präzise auszurichten. Diese Systeme sind in der Lage, lokale Überhitzungen (sogenannte „Hot Spots“) zu minimieren. Für ihr neustes Gerät zur Erzeugung ultrafeiner Strahlen für die Radiochirurgie hat Varian die FDA 510(k)-Freigabe erhalten. Der „HD120 MLC“ besteht aus einem computergesteuerten Arrangement von bis zu 120 parallel angeordneten, individuell einstellbaren Wolfram-Lamellen, die den Weg des Röntgenstrahls fokussiert blockieren. Der Multilamellenkollimator (Multileaf Collimator, MLC) befindet sich am Kopf des Linearbeschleunigers, der den Röntgenstrahl erzeugt. Die in zwei parallelen Reihen angeordneten Lamellen des MLC lassen sich nach innen und außen bewegen, was einer formverstellbaren Blende gleichkommt, durch welche die Strahlung zum Tumor des Patienten geleitet wird. Die Kontur dieser Blende wird dabei über die gesamte Behandlungsdauer hinweg dynamisch verändert – sie wird automatisch der Form des Tumors sowie dem momentanen Eintrittswinkel des Strahls entsprechend angepasst. Die durch den MLC sehr präzise geformten, aus verschiedenen Winkeln abgegebenen Strahlen erlauben eine Strahlendosis, die örtlich sehr nahe in das dreidimensionale Volumen des Tumors abgegeben werden kann.

Darüber hinaus ermöglicht der MLC eine intensitätsmodulierte Strahlentherapie (Intensity-Modulated Radiation Therapy, IMRT). Hierbei wird mittels einstellbarer Lamellen der Röntgenstrahl geometrisch geformt und gleichzeitig dazu die Bestrahlungsintensität variiert, was es möglich macht, unterschiedliche Zonen im Tumor mit verschiedenen Dosen zu bestrahlen. Mit dieser modulierten Strahlung können somit aggressivere Bereiche des Tumors mit erhöhter Dosis und Areale, wo der Strahl nahe sensiblem, gesundem Gewebe liegt oder dieses durchdringt, mit entsprechend reduzierten Dosen behandelt werden.

Vor Einführung des neuen Multilamellenkollimators HD120 MLC verfügte Varians höchstauflösendes Gerät über Multilamellen von fünf Millimeter Breite. Mit dem HD120 konnte die Lamellenbreite auf noch 2,5 Millimeter reduziert und somit die Präzision bei der Strahlformung um 100 Prozent erhöht werden. An jeder Seite des Varian-Kollimators befindet sich ein 22 Zentimeter großer, mit 60 Lamellen ausgelegter Bereich – aufgeteilt in einen acht Zentimeter grossen zentralen Bereich von 32 Lamellen von 2,5 Millimeter Breite, flankiert von zwei sieben Zentimeter großen äußeren Bereichen von jeweils 14 Lamellen von fünf Millimeter Breite. Ausgelegt auf Langlebigkeit ist der HD120 MLC als Gerät für den Dauerbetrieb im harten Klinikalltag geeignet.

Von 120 Antrieben bewegt

Bei zu enger Platzierung können die Lamellen verklemmen, stehen sie zu weit auseinander, kann Leckstrahlung austreten. Um dies zu verhindern, wurden die Lamellen in einem aufwendig konstruierten System angeordnet. Die Bewegung der Lamellen übernehmen dabei 120 kompakt arrangierte Antriebe von Maxon Motor. Wichtig ist der Umstand, dass die Baugröße der Maxon-Motoren es Varians Ingenieuren ermöglichte, die 120 Lamellen-Antriebe auf gerade einmal 40 mal 40 Zentimeter Fläche unterzubringen. Dabei kommen Motoren der Typen RE 8, RE 10 und RE 13 zum Einsatz. Während die Motoren an sich schon sehr klein sind, gelang den Entwicklern ein weiterer, beachtenswerter Grad der Miniaturisierung: Jeder Motor verfügt über einen Encoder, der Feedbacksignale in hoher Auflösung liefert und, begründet auf den stark eingeschränkten Platzverhältnissen, äußerst kompakt gebaut ist. Zudem sind die Encoder strahlenresistent ausgeführt, da die eingesetzte hohe Strahlendosis herkömmliche Encoder-Technologie zerstören würde.

Varians Bestrahlungssystem wurde entwickelt um – sozusagen einer frei beweglichen Bestrahlungskanone gleich – engumschriebene Strahlendosen in Tausende von verschiedenen Segmenten im Tumor zu senden. Um dies zu erreichen gestaltet der Multilamellenkollimator die Form der Öffnung für den Strahl schnell und automatisch nach vorprogrammierten Daten. Dies fordert von den Motoren hohes Drehmoment und große Dynamik, um die Lamellen schnell und präzise verstellen zu können. Die synchrone Verstellung der Lammellen, selbst unter dem möglichen Einfluss hoher Reibung, bedeutet einen weiteren beträchtlichen Anspruch an die Antriebe.

Durch die Verwendung von Seltene-Erden-Magneten erreichen die Motoren auch bei kleiner Baugröße einen hohen Wirkungsgrad. Die patentierte Rautenwicklung sorgt für lange Lebensdauer, minimales Elektrorauschen, hohe Beschleunigung und hohen Wirkungsgrad. Der Einsatz des eisenlosen Rotors führt zu rastmomentfreiem Verhalten, was eine sehr exakte Steuerung und Positionierung der Lamellen ermöglicht. Die Motoren liegen im Leistungsbereich von 0,5 bis 1,5 Watt, messen im Durchschnitt acht mal 17 bis 13 mal 24,6 Millimeter und verfügen über ein Nenndrehmoment bis zu 1,61 Millinewtonmeter. Der maximale Wirkungsgrad der Antriebe liegt je nach Wicklung bei 76 Prozent, die Umgebungstemperaturen zwischen minus 20 bis plus 65 Grad Celsius. Entsprechend den Anforderungen an Drehzahl oder Spannung stehen verschiedene Wicklungen zur Auswahl. Passende Getriebe mit Untersetzungen von vier zu eins bis 1.024 zu eins sind in der Lage, intermittierendes Drehmoment bis 200 Millinewtonmeter abzugeben. Verfügbar sind Encoder mit Durchmessern bis acht Millimeter und Auflösungen von bis zu 100 Impulsen pro Umdrehung. bw