Blende eines Multi-Leaf-Kollimators: Die Lamellen bilden die Form des Tumors nach. Ärzte können so den Krebs des Patienten punktgenau bestrahlen.

Blende eines Multi-Leaf-Kollimators: Die Lamellen bilden die Form des Tumors nach. Ärzte können so den Krebs des Patienten punktgenau bestrahlen.DKFZ

Bestrahlung ist neben der Chemo- und Antihormontherapie sowie der Operation eine der wichtigsten Methoden zur Behandlung von Krebserkrankungen und wird bei etwa jedem zweiten Patienten angewandt. Insbesondere die Behandlung bösartiger Tumore, die dicht neben oder sogar in Risiko-Organen wie im Gehirn, im Rückenmark oder in der Lunge liegen, ist für Ärzte noch immer keine Routine.

Die Arbeitsgruppe ‚Elektronisches Entwicklungslabor‘ des Deutschen Krebsforschungszentrums DKFZ entwickelt unter der Leitung von Steffen Seeber Multi-Lamellen-Kollimatoren, um die Strahlentherapie zu verbessern. Kollimatoren lenken Strahlenbündel ab und richten sie so aus, dass sie den Tumor aus unter­schied­lichen Richtungen treffen – das umliegende Gewebe bleibt dadurch weitgehend unversehrt. Diese sogenannte konformale Strahlentherapie ist nur mit Linear­beschleunigern, kurz Linac, möglich, die mit einem Multi Leaf Collimator (MLC) ausgestattet sind. Letztere bestehen aus 40 bis 120 paarweise angeordneten Lamellen – in der Regel aus Wolfram – die unabhängig voneinander bewegt und positioniert werden können. Nicht ohne Grund: Die Lamellen bilden die Form des Tumors nach und ermöglichen so ein millimetergenaues Bestrahlen.

MLC finden dabei unterschiedliche Anwendung: Um diejenigen Tumore zu behandeln, die in der Nähe von strahlungsempfindlichen Organen liegen, setzen Ärzte die intensitäts­modulierte Strahlentherapie (IMRT) ein, bei der sich die Strahlendosis unregelmäßig verteilt. Viele unterschiedliche Strahlen­felder addieren sich schichtweise zu einem ‚Dosisgebirge‘, ähnlich wie bei einem 3-D-Drucker. Die Metall­lamellen eines MLC fahren hier 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 vollständige Dosis erhält. Bis zu 40 % kürzere Behandlungs­zeiten erzielen Ärzte mit der dynamischen Sliding-Window-Technik. Dabei fahren die Lamellen während der kontinuierlichen Bestrahlung unterschiedlich schnell und ohne Unterbrechung durch das gesamte Bestrahlungs­feld. Um die Lamellen positionstreu nach der Bestrahlungsplanung zu bewegen, werden spezielle MLC mit einer Dynamik von 1 ms benötigt.

Steuerungen für Compact-MLC

Ergebnis der Machbarkeitsstudie: Compact MLC des DKFZ mit 40 Lamellenpaaren, der in Kooperation mit ZUB entstand.

Ergebnis der Machbarkeitsstudie: Compact MLC des DKFZ mit 40 Lamellenpaaren, der in Kooperation mit ZUB entstand.DKFZ

Innerhalb eines DKFZ-Teilprojekts zur dezentralen Steuerungsarchitektur für eine neue Generation Kollimatoren – die ‚Compact MLC‘ – entwickelte ZUB Machine Control die Antriebssteuerungen zur Positionierung der Kollimator-Lamellen. Über 80 Lamellen werden hierbei einzeln mit einem eigenen Motor bewegt. 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 sind durch den logischen Vergleich der Feedbacks auch zur Überwachung und Sicherheit geeignet. Die Ansteuerung der Achsen basiert auf dem Standard PLCopen Motion Control. Dieser ermöglicht eine herstellerunabhängige Systemintegration. Für die Ansteuerung wählten die Projektbeteiligten in der Konzeptionsphase die Multi-Achsen-Steuerung MACS4, da zu dem Zeitpunkt nur sie als Ethercat-bus­fähige Steuerung, die verwendeten Motoren und deren sehr kleinen Ströme von etwa 100 mA betreiben konnte. Innerhalb der zum MLC-Projekt gehörenden Machbarkeitsstudie wurden 16 6-Achs-Steuerungen für maximal 96 Achsen verbaut.

Auslagerung von Elektronik erhöht MTBF

Die MACS5-AMP1 setzt sich aus CPU und einem intelligenten Leistungsteil zusammen, das von der Recheneinheit aus per SPI gesteuert wird.

Die MACS5-AMP1 setzt sich aus CPU und einem intelligenten Leistungsteil zusammen, das von der Recheneinheit aus per SPI gesteuert wird. ZUB

Bei dem Compact MLC wollten die Projektbeteiligten auch den Bauraum sowie die MTBF (Mean Time Between Failures) verbessern. Um Elektronikausfälle aufgrund der Strahlung zu vermeiden, konzipierten sie eine dezentrale Steuerungsarchitektur. ZUB entwickelte dafür die modular aufgebaute Steuerungs­generation MACS5. Die MACS5-AMP1 besteht aus einer Recheneinheit zur Positionsregelung und Verarbeitung der Sensor­werte sowie einem intelligenten Leistungsteil, das von der Recheneinheit aus per SPI (Serial Peripheral Interface) gesteuert wird.

Die Kommunikation zum Leistungsteil erweiterte Klaus Schewiola, stellvertretender Leiter Elektronisches Entwicklungslabor EEL des DKFZ durch einen Ethercat-zu-SPI-Protokollumsetzer um einen dezentralen Aktuatorknoten. Ethercat basiert auf dem Standard-Ethernet Frame, verfolgt jedoch den Ansatz harter Echtzeit mit deter­ministi­schen Antwortzeiten losgelöst von paketorientierter TCP/IP Übertragung. Durch die Eigenschaft von Ethernet, Daten zwischen Teilnehmern gleichzeitig in beide Richtungen zu übertragen, kann der Slave das vom Master erhaltene Telegramm sofort zurücksenden. So beträgt die Nutzdatenrate eines Telegramms über 90 %. Mittels Ringtopologie wurde eine Leitungs­redundanz erreicht, damit das System bei einem Kabelbruch weiterarbeiten kann. Mit verteilten Uhren (Distributed Clocks) ließ sich eine hohe Synchronisations­genauigkeit der räumlich verteilten Prozesse erzielen. Da alle Ethercat-Geräte eine Systemzeit teilen, gelang es, die zeitliche Schwankung auszugleichen.

Sensorknoten mit Busanschluss

Innerhalb des Projekts wurde die MACS5-Kommunikation zum Leistungsteil durch einen Ethercat-zu-SPI-Protokollumsetzer erweitert. Es entstand ein dezentraler Aktuatorknoten.

Innerhalb des Projekts wurde die MACS5-Kommunikation zum Leistungsteil durch einen Ethercat-zu-SPI-Protokollumsetzer erweitert. Es entstand ein dezentraler Aktuatorknoten.Klaus Schewiola

Durch die Erweiterung der MACS5-Kommunikation mit Ethercat wäre bereits eine dezentrale Steuerung möglich gewesen, allerdings waren die Sensoren noch immer direkt an der Recheneinheit der MACS5 anzuschließen. Die Lösung hierfür konzipierte Schewiola: einen Sensor­knoten mit Bus­an­schluss. Er bereitet 20 bis 40 Encoder-Signale in einem FPGA (Field Programmable Gate Array) auf. Ein im FPGA enthaltener IP-Core stellt die Sensordaten mit identischem Verhalten zum Leistungsteil der MACS5-AMP über SPI zur Verfügung. Die Recheneinheiten der MACS5 für die Achsregelung sind mit der übergeordneten SPS in den externen Bereich ausgelagert. Da die Rechen­leistung der MACS5 für zehn oder mehr Achsen reicht, genügen zwei MACS5 für einen Quadranten. Die Kommunikation entspricht der Arbeitsweise der MACS5-AMP und berücksichtigt unter anderem folgende Vorgaben: Die Zykluszeit für die gesamte Ethercat-Kommunikation und der Zykluszeit der SPS (Ethercat-Master) beträgt 125 µs. Hierfür wird ein jitterfreies SYNC-Signal mit einem stabilen 8-kHz-Takt benötigt. Die Daten zwischen Recheneinheit und Leistungsteil werden in Blöcken von 26 x 16 Bit übertragen, wobei das MSB (Most Significant Bit) zuerst kommt.

Die Architektur, die als Projektergebnis entstand, besitzt aufgrund der modularen Bauweise ein geringes Volumen. Die sicherheitskritischen Recheneinheiten konnten aus dem direkten Strahlenumfeld verlagert werden. Außerdem liegt nun ein frei skalierbares System mit einer Zykluszeit von 125 µs vor, das theoretisch nur durch die Framegröße von Ethercat limitiert ist. Innerhalb des strahlungsbelasteten MLC konnten die Projektbeteiligten die Elektronik reduzieren.

Eine der Herausforderungen der Strahlentherapie bleibt, die Bewegungen von Patienten wie Atmen und Schlucken in Echtzeit zu verfolgen und während der Bestrahlung auszugleichen. Die MLC- Steuerungsgeneration ist dafür bereits ausgelegt. Bis 2017 plant die Arbeitsgruppe EEL des DKFZ die Fertigstellung eines MLC-Prototypen.

SPS IPC Drives 2015 – Halle 1, Stand 140