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Die
Erfindung betrifft einen im Patentanspruch 1 angegebenen Strahlenkollimator
zur Verwendung in der Strahlentherapie und eine im Patentanspruch
10 angegebene Verwendung eines Strahlenkollimators in der Röntgenstrahlentherapie.
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Die
Röntgenstrahlentherapie
wird routinemäßig zur
Behandlung invasiver medizinischer Krankheiten, beispielsweise von
Krebs, benutzt. Das Prinzip der Strahlentherapie besteht darin,
dass ein Röntgenstrahl
Krebszellen abtötet.
Wird der Strahl auf ein Krebsgewebe oder einen anderen abnormalen
Bereich gerichtet, werden die Zellen zerstört. Es ist jedoch unvermeidbar,
dass der Strahl auch das umgebende gesunde Gewebe schädigt. Wenn
die Strahlung daher nicht in geeigneter Weise begrenzt wird, können die
Nebeneffekte für
einen Patienten schwerwiegend sein.
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Eine
derartige Begrenzung wird gewöhnlich durch
Kollimation des Strahls erreicht, so dass er sich nur über dem
minimal notwendigen Bereich ausdehnt, um den gesamten Krebs, aber
nur einen minimalen Bereich des gesunden umgebenden Gewebes zu erfassen.
Zu diesen Zweck sind Mehrlamellen-Kollimatoren bekannt, bei den
Lamellen in den Strahl eingeschoben bzw. aus diesem herausgezogen
werden können,
um so die Form des austretenden Strahls vorgebbar zu ändern.
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In
der Patentschrift
DE
600 18 394 T2 ist ein derartiger Lamellen-Kollimator angegeben.
Er umfasst mehrer Lamellen, die geöffnet oder geschlossen werden
können,
um den Durchtritt der Strahlen zuzulassen oder zu verhindern.
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Nachteilig
an Lamellen-Kollimatoren ist, dass die Strahlformung begrenzt ist
und hinterschnittene oder hohle Öffnungen
nicht realisiert werden können.
Außerdem
ist der durchgehende Strahl im Strahlinneren nicht beeinflussbar,
das heißt
ein Dosisprofil kann nur am Strahlrand beeinflusst werden. Bekannte
Bauarten sind auch entweder sehr langsam beim Verstellen der Lamellen
oder erlauben nur zwei Stellungen je Lamelle.
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Eine
Verbesserung wird durch den Gegenstand der
DE 102 21 634 B4 erzielt.
Die Vorrichtung zur räumlichen
Modulation eines Röntgenstrahlbündels umfasst
eine Vielzahl von flachen Schwächungselementen
für Röntgenstrahlung,
die matrixartig an einem Träger
angeordnet und unabhängig voneinander
piezoelektrisch zwischen zumindest zwei Stellungen schwenk- oder
kippbar sind. Für
die Strahltherapie besteht aber oft der Wunsch, eine höhere Auflösung der
Matrix zu erreichen und die Modulationsgeschwindigkeit zu vergrößern.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung einen Strahlenkollimator anzugeben,
dessen Apertur eine höhere
Auflösung
besitzt und der schnell modulierbar ist.
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Gemäß der Erfindung
wird die gestellte Aufgabe mit dem Strahlenkollimator des unabhängigen Patentanspruchs
1 und mit der Verwendung des Strahlenkollimators des unabhängigen Patentanspruchs
10 gelöst.
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Die
Erfindung beansprucht einen Strahlenkollimator, der zwischen einer
Strahlung abgebenden Strahlenquelle und einem Objekt anordenbar
ist. Er umfasst nebeneinander angeordnete Absorberkanäle, die
eine matrixförmige,
zweidimensionale Kollimatorapertur bilden. Außerdem umfasst er mindestens ein
in dem Absorberkanal angeordnetes erstes Absorberelement. Das erste
Absorberelement blockiert bzw. schwächt in einer ersten Position
die Strahlung und lässt
in mindestens einer zweiten Position die Strahlung zumindest teilweise
durch den Absorberkanal hindurch. Die ersten Absorberelemente sind stabförmig und
im Absorberkanal durch eine Drehung um ihre Längsachse und/oder durch eine Längsverschiebung
und/oder durch eine Querverschiebung von der ersten in die mindestens
eine zweite Position in ihrer Lage veränderbar. Dies bringt den Vorteil,
dass die zweidimensionale Kollimatorapertur einfach, schnell und
mit hoher Auflösung
moduliert werden kann.
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In
einer Weiterbildung kann durch Bewegen des ersten Absorberelements
in Strahlungsrichtung Strahlung durch den Absorberkanal an dem ersten Absorberelement
vorbei zum Objekt ge langen kann. Durch dieses „Ziehen” bildet sich ein Kernschatten des
ersten Absorberelements und es entsteht nach dem Kollimator ein
Hohlstrahl. Diese sogenannte „Siebstrahlung” hat die
Wirkung, dass die Oberflächendosis
bei einer Bestrahlung eines menschlichen Körpers bei gleichbleibender
Tiefenwirkung reduziert wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können die
ersten Absorberelemente pyramidenstumpfförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet
sein. Vorteilhaft daran ist eine sehr hohe Packungsdichte.
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Des
Weiteren kann der Strahlenkollimator mindestens ein in dem Absorberkanal
hinter und/oder vor dem ersten Absorberelement fest angeordnetes
zweites Absorberelement umfassen, wobei die Lage des ersten zum
zweiten Absorberelement derart veränderbar ist, dass in der mindestens
einen zweiten Position Strahlung durch den Absorberkanal gelangen
kann. Dies bietet eine Realisierung mit hoher Packungsdichte und
großer
Modulationsgeschwindigkeit.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
können
die ersten und zweiten Absorberelemente pyramidenstumpfsegmentförmig ausgebildet
und zueinander verschiebbar angeordnet sein.
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Außerdem können die
ersten und zweiten Absorberelemente zueinander drehbar angeordnet und
kegelstumpfsegmentförmig
sein.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann die Kollimatorapertur die
Form einer Teilfläche
einer Kugeloberfläche
aufweisen, die als Mittelpunkt einen Brennpunkt der Strahlenquelle
besitzt. So ist sichergestellt, dass ein Maximum an fokussierter
Strahlung zu einem Objekt gelangen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
können
sich die Absorberkanäle
und die ersten und zweiten Absorberelemente in Richtung der Strahlenquelle verjüngen. Dadurch
kann eine gekrümmte
Kollimatorapertur gebildet werden.
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Des
Weiteren kann der Strahlenkollimator ein Röntgenkollimator für Röntgenstrahlung
sein.
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Die
Erfindung beansprucht auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Strahlenkollimators
in einer Röntgentherapievorrichtung.
Dies bringt den Vorteil, dass bei einer Röntgenstrahlentherapie eine
schnell und einfach modulierbare Apertur mit hoher Auflösung zum
Einsatz kommen kann.
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Weitere
Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden
Erläuterungen
mehrerer Ausführungsbeispiele
anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es
zeigen:
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1:
einen Querschnitt eines Strahlenkollimators mit verfahrbaren ersten
Absorberelementen,
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2:
einen Querschnitt entlang einer Oberfläche eines Strahlenkollimators
mit verfahrbaren ersten Absorberelementen,
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3:
eine perspektivische Ansicht eines Strahlenkollimators mit verfahrbaren
ersten Absorberelementen
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4:
einen Querschnitt eines Strahlenkollimators mit zweiten Absorberelementen
und verfahrbaren ersten Absorberelementen,
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5:
einen Querschnitt entlang einer Oberfläche eines Strahlenkollimators
mit zweiten Absorberelementen und verfahrbaren ersten Absorberelementen,
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6:
einen Querschnitt eines Strahlenkollimators mit zweiten Absorberelementen
und drehbaren ersten Absorberelementen,
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7:
einen Querschnitt entlang einer Oberfläche eines Strahlenkollimators
mit zweiten Absorberelementen und drehbaren ersten Absorberelementen
und
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8:
eine perspektivische Ansicht eines Strahlenkollimators mit zweiten
Absorberelementen und drehbaren ersten Absorberelementen.
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Der Übersichtlichkeit
und Deutlichkeit wegen sind in den 1, 2 und 4 bis 7 teilweise
Abstände
zwischen Stegen 5 und ersten und zweiten Absorberelementen 3, 4 dargestellt.
In einer Realisierung sind diese Abstände bzw. „Lücken” nicht vorhanden. Die ersten
Absorberelementen 3 sitzen in einer ersten Position und
die zweiten Absorberelementen 4 zumindest immer „dicht” an den
Stegen 5. So lassen die ersten Absorberelemente 3 in
der ersten Position keine Strahlung durch die Absorberkanäle 2.
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1 zeigt
vergrößert einen
Ausschnitt aus einem Strahlenkollimator 1 mit gekrümmter Oberfläche, der
im Strahlenfeld 8 einer Strahlenquelle 7 angeordnet
ist. Aufgabe des Kollimators 1 ist es, die Strahlung zu
begrenzen und zu modulieren bzw. zu schwächen. Dazu bildet der Kollimator 1 eine
zweidimensionale Apertur, welche durch den Gegenstand der Erfindung
moduliert werden kann.
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Der
Strahlenkollimator 1 umfasst einen Träger 6 mit einer Vielzahl
von Absorberkanälen 2,
die auf den Brennpunkt der Strahlenquelle 7 ausgerichtet
sind und eine in Richtung Strahlenquelle 7 sich verjüngende Form
aufweisen. Die Absorberkanäle 2 werden
durch Stege 5 im Träger 6 begrenzt
bzw. gebildet. In den Absorberkanälen 2 sind beweglich
stabförmige,
erste Absorberelemente 3 gelagert, die in einer ersten
Position die Strahlung am Durchtritt durch den Absorberkanal 2 hindern
oder diese lediglich stark schwächen.
Die erste Position des ersten Absorberelements 3 ist beim
ersten und dritten von links dargestellten ersten Absorberelement 3 zu
erkennen. In einer zweiten Position, die von der ersten Position verschieden
ist, lassen die ersten Absorberelemente 3 die Strahlung
zumindest teilweise passieren, so dass diese auf ein in 1 nicht
dargestelltes zu bestrahlendes Objekt gelangen kann. Verschiedene zweite
Positionen des ersten Absorberelements 3 sind beim zweiten
und vierten von links dargestellten ersten Absorberelement 3 zu
erkennen. Strahlung kann deshalb durch den Absorberkanal 2 gelangen, weil
die ersten Absorberelemente 3 eine sich verjüngende Form
aufweisen und beim Ziehen des ersten Absorberelements 3 in
Strah lungsrichtung einen Spalt zwischen den Stegen 5 und
dem ersten Absorberelements 3 bilden. Die ersten Absorberelemente können einen
Pyramidenstumpf- oder eine Kegelstumpfform aufweisen. Die ersten
Absorberelemente 3 bestehen aus einem Strahlen absorbierenden
Material, beispielweise Wolfram, Uran oder Blei.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf einen Teil eines Strahlenkollimators 1 gemäß 1 dargestellt, wobei
entlang der Oberfläche
geschnitten ist. So sind die Querschnitte der geschnittenen ersten
Absorberelemente 3 je nach Lage – gezogen/nicht gezogen – unterschiedlich
groß sichtbar.
Durch Stege 5 in einem Träger 6 werden Absorberkanäle 2 gebildet,
in denen die ersten Absorberelemente 3 beweglich gelagert sind.
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Um
eine hohe Packungsdichte zu erzeugen, die eine örtlich hoch auflösende Apertur
bildet, können
die Stege 5 sehr dünn
sein oder sogar weggelassen werden. In 3 ist diese
Ausführungsform
perspektivisch dargestellt. Die Absorberkanäle 2 werden nur durch
die angrenzenden ersten Absorberelemente 3 gebildet. Die
vollständige,
dichte Packung der stabförmigen
ersten Absorberelemente 3 bildet eine zweidimensionale
Kollimatorapertur 11 und blockiert die Strahlung 8.
Wird ein erstes Absorberelement 3 aus der Packung weg von
der Strahlungsquelle 7 gezogen, entsteht eine Ringöffnung,
deren Außenkontur
von den nicht gezogenen ersten Absorberelementen 3 gebildet
wird und dessen Innenkontur der Schatten des gezogenen ersten Absorberelements 3 ist.
Dadurch entsteht nach dem Kollimator 1 ein Hohlstrahl 10.
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Diese
Ziehbewegung ist kinematisch einfach, da linear, und erfordert nur
einen geringen Kraftaufwand auch bei hohen Ziehgeschwindigkeiten.
Günstig
ist auch, dass infolge der sich verjüngenden Form, beispielsweise
einer Konus form, einerseits in der ersten Position, d. h. im gesteckten
Zustand, eine dichte Packung erzeugt wird, andererseits beim Ziehen
des ersten Absorberelements 3 eine leichte Ablösung von
den benachbarten Absorberelementen 3 erfolgt und damit
die Bewegung reibungsarm ist.
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Ein
Linearantrieb der ersten Absorberelemente 3 kann zum Beispiel
mittels Magnetspulen und an den ersten Absorberelementen 3 angebrachten Magneten
bzw. Eisenkernen, oder durch Kolbewirkung und Druckluft, oder durch
piezoelektrische Reibantriebe erfolgen. Die divergierenden Achsen der
ersten Absorberelemente 3 ergeben einen zusätzlichen
Einbauraum für
Führungsrohre
und Aktoren unterhalb des Kollimators 1, gegebenenfalls
im Kernschatten der ersten Absorberelemente 3.
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Der
Querschnitt der ersten Absorberelemente 3 kann beispielsweise
regelmäßig drei-,
vier- oder sechseckig sein. Runde erste Absorberelemente 3 benötigen selbst
bei engster Packung Füllkörper zur Verkleinerung
der Restöffnungen.
Diese stationären Absorber
können
durch Ausbohren eines Trägers 6 entstehen
oder durch Dreiecks- oder Rundstäbe
gebildet werden.
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Der
Kernschatten 10 der ersten Absorberelemente 3 hat
eine zusätzliche
positive Wirkung, da er eine Reduktion der Oberflächendosis
ohne Nachteil für
die Tiefenwirkung bewirkt (sogenannte „Siebstrahlung”).
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Für eine Auflösung von
1·1 cm2 über
32·32 cm2 in einer Bestrahlungsebene werden 32·32 erste Absorberelemente 3 benötigt. Bei
einem geometrischen Abstandsverhältnis
Kollimator 1 – Quelle 7 zu Objekt – Quelle 7 von
1:3 sind die Durchmesser der ersten Absorberelemente ca. 3 mm. Es
werden für eine
gute Absorption etwa 10 cm lange erste Absorberelemente 3 benötigt.
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4 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform.
Vergrößert ist
ein Ausschnitt aus einem Strahlenkollimator 1 mit gekrümmter Oberfläche dargestellt,
der im Strahlenfeld 8 einer Strahlenquelle 7 angeordnet
ist. Aufgabe des Kollimators 1 ist es, die Strahlung zu
begrenzen und zu modulieren sowie zu schwächen. Dazu bildet der Kollimator 1 eine
zweidimensionale Apertur, welche durch den Gegenstand der Erfindung
moduliert werden kann. Der Strahlenkollimator 1 umfasst
einen Träger 6 mit einer
Vielzahl von Absorberkanälen 2,
die auf den Brennpunkt der Strahlenquelle 7 ausgerichtet
sind und eine Richtung Strahlenquelle sich verjüngende Form aufweisen. Die
Absorberkanäle 2 werden
durch Stege 5 im Träger 6 begrenzt
bzw. gebildet. Zweite Absorberelemente 4, die in etwa nur
den halben Querschnitt des Absorberkanals 2 ausfüllen, sind
in den Absorberkanälen 2 fest
angeordnet. Bewegliche erste Absorberelemente 3 sind hinter
den zweiten Absorberelementen 4 angeordnet. Sie füllen etwa nur
die Hälfte
des Querschnitts des Absorberkanals 2. Die ersten und zweiten
Absorberelemente 3, 4 besitzen die Form eines
Pyramidenstumpfs.
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In
einer ersten Position (siehe Darstellung im linken und rechten Absorberkanal 2)
wird die Strahlung nahezu vollständig
durch das erste Absorberelement 3 geblockt, während in
einer zweiten Position (siehe Darstellung in den beiden mittleren
Absorberkanälen 2)
Strahlung von der Strahlenquelle 7 zu einem Objekt gelangen
kann. Durch stufenloses Verschieben der ersten Absorberelemente 3 kann
die Apertur einfach moduliert werden.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf einen Teil eines Strahlenkollimators 1 aus 4.
Durch Stege 5 in einem Träger 6 werden Absorberkanäle 2 gebildet, in
denen erste Absorberelemente 3 beweglich gelagert sind.
Zusätzlich
sind zweite Absorberelemente 4 fest in den Kanälen 2 angeordnet.
Durch Verschieben der ersten Absorberelemente 3 werden
die Öffnungen
der Absorberkanäle 2 frei,
so dass Strahlung die ersten Absorberelemente 3 passieren
kann. In 5 sind erste Absorberelemente 3 in
unterschiedlichen Positionen dargestellt. Die ersten und zweiten
Absorberelemente 3, 4 können pyramidenstumpfförmig oder
in Form eines Kegelstumpfsegments ausgeführt sein.
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6 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform.
Vergrößert ist
ein Ausschnitt aus einem Strahlenkollimator 1 mit gekrümmter Oberfläche dargestellt,
der im Strahlenfeld 8 einer Strahlenquelle 7 angeordnet
ist. Aufgabe des Kollimators 1 ist es, die Strahlung zu
begrenzen und zu modulieren sowie zu schwächen. Dazu bildet der Kollimator 1 eine
zweidi mensionale Apertur, welche durch den Gegenstand der Erfindung
moduliert werden kann. Der Strahlenkollimator 1 umfasst
einen Träger 6 mit einer
Vielzahl von Absorberkanälen 2,
die auf den Brennpunkt der Strahlenquelle 7 ausgerichtet
sind und eine Richtung Strahlenquelle 7 sich verjüngende Form
aufweisen. Die Absorberkanäle 2 werden
durch Stege 5 im Träger 6 begrenzt
bzw. gebildet. Zweite Absorberelemente 4 in Form eines
halben Kegelstumpfs, die in etwa nur den halben Querschnitt der Absorberkanäle 2 ausfüllen, sind
in den Absorberkanälen 2 fest
angeordnet. Bewegliche erste Absorberelemente 3, ebenfalls
in Form eines halben Kegelstumpfs, sind hinter den zweiten Absorberelementen 4 angeordnet.
Sie füllen
etwa nur die Hälfte
des Querschnitts des Absorberkanals 2 aus. In einer ersten
Position (siehe Darstellung im linken und rechten Absorberkanal 2)
wird die Strahlung 8 nahezu vollständig durch das erste Absorberelement 3 geblockt während in
einer zweiten Position (siehe Darstellung in den beiden mittleren
Absorberkanälen 2)
Strahlung 8 von der Strahlenquelle 7 zu einem
Objekt gelangen kann. Durch stufenloses Drehen der ersten Absorberelemente 3 um
die Drehachse 9 wird das erste Absorberelement 3 aus
der Strahlung „rausgedreht” und somit
kann die Apertur einfach moduliert werden.
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7 zeigt
eine Draufsicht auf einen Teil eines Strahlenkollimators 1 gemäß 6.
Durch Stege 5 in einem Träger 6 werden Absorberkanäle 2 gebildet,
in denen erste Absorberelemente 3 um eine Drehachse 9 drehbar
gelagert sind. Zusätzlich
sind zweite Absorberelemente 4 fest in den Kanälen 2 angeordnet.
Durch Drehen der ersten Absorberelemente 3 um die Drehachsen 9 werden
die Öffnungen
der Absorberkanäle 2 größer, so
dass Strahlung die ersten Absorberelemente 3 passieren
kann. In 7 sind die ersten Absorberelemente 3 in
unterschiedlichen Positionen dargestellt. Die ersten und zweiten Absorberelemente 3, 4 sind
in Form eines Kegelstumpfsegments ausgeführt.
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8 zeigt
perspektivisch die Ausführungsform
der 6 und 7. In einem Träger 6 eines Strahlenkollimators 1 befindet
sich eine Vielzahl von durchgehenden, konisch verlaufen den Absorberkanälen 2,
welche möglichst
eng gepackt sind. Die Absorberkanäle 2 bilden eine zweidimensionale
Apertur 11, die modulierbar ist, indem eine Strahlung 8 von einer
Strahlungsquelle 7 durchgelassen oder geblockt wird. Dazu
befinden sich in den Absorberkanälen 2 entlang
einer Drehachse 9 drehbar gelagerte erste Absorberelemente 3.
Sie haben die Form eines halben Kegelstumpfs und blockieren die
Strahlung 8 in einer ersten Position und lassen in mindestens
einer zweiten Position die Strahlung 8 zumindest teilweise
passieren. Als Gegenstück
befindet sich vor dem ersten Absorberelement 3 ein gleich
geformtes, feststehendes zweites Absorberelement 4 im Absorberkanal 2.
Somit kann der zugeordnete Raumwinkelbereich vollständig abgedeckt
(= keine Strahlung) oder bis zu 50% freigegeben werden. Im Wesentlichen
bewegt sich das erste Absorberelement 3 in und aus dem
Schatten des zweiten Absorberelements 4. Durch mehrere
drehbare, hintereinander angeordnete, kleinere erste Absorberelemente 3 kann
eine mehr als 50 prozentige Öffnung
des Absorberkanals 2 erreicht werden. Die sehr geringe
erforderliche Rotation der ersten Absorberelemente 3 für volle
Modulation der Öffnungen
der Absorberkanäle 2 erlaubt
sehr hohe Modulationsgeschwindigkeiten. Hinter dem Strahlenkollimator 1 steht
ein Einbauraum für
die Aktuatoren, beispielsweise elektromagnetische, piezoelektrische
oder pneumatische, zur Verfügung.
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Der
Schatten der ersten Absorberelemente 3 hat eine zusätzliche
positive Wirkung, da er eine Reduktion der Oberflächendosis
ohne Nachteil für
die Tiefenwirkung bewirkt (sogenannte „Siebstrahlung”).
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Für eine Auflösung von
1·1 cm2 über
32·32 cm2 in einer Bestrahlungsebene werden 32·32 erste Absorberelemente 3 benötigt. Bei
einem geometrischen Abstandsverhältnis
Kollimator 1 – Quelle 7 zu Objekt – Quelle 7 von
1:3 sind die Durchmesser der ersten Absorberelemente ca. 3 mm.
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Der
in den 1 bis 8 beschriebene Strahlenkollimator 1 kann
bevorzugt bei Röntgenvorrichtungen
für eine
Röntgenstrahlentherapie
verwendet werden.
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- 1
- Strahlenkollimator
- 2
- Absorberkanal
- 3
- erstes
Absorberelement
- 4
- zweites
Absorberelement
- 5
- Steg
- 6
- Träger
- 7
- Strahlenquelle
- 8
- Strahlung
- 9
- Drehachse
- 10
- Hohlstrahl
- 11
- Kollimatorapertur