Antriebssteuerungen

Einsatz gegen den Krebs

Das deutsche Krebsforschungszentrum DKFZ entwickelt in Zusammenarbeit mit Unternehmen eine neue Generation von Multi-Lamellen-Kollimatoren, die die Strahlentherapie verbesseren sollen. Damit die Strahlung nur die Tumorzellen trifft und nicht das umliegende gesunde Gewebe schädigt, bedarf es unter anderem hochpräziser und dynamischer Antriebstechnik.
Neben Operationen und der Chemo- und Antihormontherapie gehört die Bestrahlung zu den wichtigsten Methoden im Kampf gegen Krebs. Die große Herausforderung: Tumorzellen so hochdosiert zu bestrahlen, dass sie zerstört werden ohne das umliegende gesunde Gewebe zu schädigen. Insbesondere wenn Tumore dicht bei oder sogar in Organen wie Gehirn, Rückenmark oder Lunge liegen. In der Radiologie des DKFZ werden seit Jahrzehnten zusammen mit Medizintechnikfirmen komplexe Kollimatoren entwickelt, die Strahlenbündel ablenken und so ausrichten, dass sie den Tumor aus unterschiedlichen Richtungen treffen und das umliegende Gewebe weitgehend schonen. Dabei wird mit Lamellen die Form des Tumors nachgebildet. Diese konformale Strahlentherapie ist nur mit Geräten möglich, deren Linearbeschleuniger mit einem Multi Leaf Collimator (MLC) ausgestattet ist.

Lamellen dosieren Strahlung

Ein Kollimator besteht aus 40 bis 120 paarweise angeordneten Lamellen, i.d.R. Wolfram, die unabhängig voneinander bewegt und positioniert werden. So passen sie sich jeder beliebigen Tumorform an und ermöglichen millimetergenaue Bestrahlungen. Für die Behandlung in der Nähe von strahlungsempfindlichen Organen eignet sich die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT), bei der die Strahlendosis unregelmäßig verteilt wird. Viele unterschiedliche Strahlenfelder werden, ähnlich einem 3D-Drucker, schichtweise addiert. Die Metalllamellen fahren unabhängig voneinander durch das gesamte Bestrahlungsfeld, sodass die Bereiche in der Nähe eines Risikoorgans kürzer geöffnet bleiben, während der restliche Teil durch die längere Öffnung die volle Dosis erhält. Die dynamische Sliding-Window-Technik ermöglicht dabei bis zu 40% kürzere Behandlungszeiten, die Lamellen fahren während der kontinuierlichen Bestrahlung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ohne Unterbrechung durch das gesamte Bestrahlungsfeld. Um die Lamellen schnell und absolut positionstreu nach der Bestrahlungsplanung zu bewegen, werden spezielle hochpräzise MLC mit hoher Dynamik (1ms-Takt) benötigt.

Auswahl der Steuerungen

Im Fall des Compact-MLC wird jede der 80 Lamellen mit einem eigenen Motor positioniert. Um hochdynamisch und präzise steuern zu können hat jeder Antrieb zwei Rückführungen: Einen Drehgeber für die Geschwindigkeitsregelung und einen Analogeingang für die genaue Positionserkennung. Beide werden durch logischen Vergleich der Feedbacks zusätzlich zur Überwachung und Sicherheit genutzt. Eine Bedingung für die eingesetzten Antriebssteuerungen aus dem Hause ZUB Machine Control war die Anpassungsfähigkeit für künftige Systeme. Die Achsen und ihre Funktionalität basieren auf PLCopen und erlauben eine herstellerunabhängige Systemintegration. Die Auswahl zur Ansteuerung fiel auf die Multi-Achsen-Steuerung MACS4, da diese Ethercat-fähige Steuerung in der Lage war, die verwendeten Motoren und deren Ströme von nur rund 100mA zu betreiben. Für das Proof of Concept sind am MLC sechzehn Sechsachssteuerungen für maximal 96 Achsen verbaut. Die Weiterführung des Compact-MLC-Projektes erforderte eine Reduzierung des Bauraumes und Verbesserung der MTBF durch Strahlenschädigung der Elektronik. Aus diesen Anforderungen wurde im Zuge der Masterarbeit eine dezentrale Steuerungsarchitektur konzipiert.