CN102369457A - 探测器装置 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于探测在目标体积(23)中施加的粒子束(22)的入射深度的探测器装置，具有至少一个探测部件(25，52)。探测部件(100，150)被构造并且设计用来采集在目标体积形成中的光子、特别是伽马量子。此外提出了一种用于确定物体(24)中，特别是在物体(24)的目标体积(23)中粒子束(22)的入射深度的方法，其中，采集通过粒子束(22)在物体(24)中的相互作用产生的光子、特别是伽马量子。

Description

探测器装置

技术领域

本发明涉及一种探测器装置、照射装置和用于确定在目标体积中施加的粒子束的入射深度的方法。

背景技术

利用离子束或粒子束对物体的照射体积中的目标体积的照射涉及对材料、特别是无机、有机和生物材料的照射，并且在研究、工业和医疗技术的不同领域被采用。目标体积在此特别包括其中为修改被照射的材料而要沉积预先给出的剂量的区域；照射体积特别还包括材料的由射线穿透的那些区域，其中在目标体积中然后施加期望的剂量。粒子束或离子束特别被理解为由带电的(geladenen)微粒或中性微粒组成的高能射线，其中带电的微粒是指例如质子、碳离子或其他元素的离子、π介子，中性微粒是指例如中子。在以下的描述中同义地使用离子束、粒子束以及微粒束的概念。高能特别理解为在几个MeV/amu直到几个GeV/amu(amu：原子的质量单位)范围中的粒子的能量。

适于照射的照射装置一般具有产生并形成离子束的加速装置，其中，为了照射，离子束经过射线传输系统被传输到其中布置了照射体积的区域中。此外照射装置包括射线修改装置，其可以将离子束的参数与目标体积的位置和大小匹配。射线修改装置特别地还称为应用系统，其这样地预先给出离子束的能量、方向和流密度(Fluenz)或剂量，使得剂量分布大概相应于目标体积的位置和大小。

照射体积例如可以通过用于验证照射场的探测装置来模拟。照射体积一般包括照射场，其是在侧边方向并且垂直于离子束的方向具有最大伸展的场、一般是在x和y方向上。探测装置在此可以由验证场或由所谓的具有多个先后布置的侧边伸展的验证场的堆组成。为此，在放射性剂量测定法领域中例如使用具有照相的感光乳胶的薄膜。此外在照射场中采用用于测量流密度分布的核粒子径迹探测器。在医学应用中利用对生物组织的照射来研究粒子束的作用，以便能够估计在宇宙空间中的宇宙射线的射线暴露的效应。

最后，照射体积中的目标体积还可以是患者中的肿瘤的体积。通常在此照射体积由治疗的医生确定，并且包括实际的目标体积，即肿瘤体积，以及围绕可见的肿瘤体积的安全边缘。在此使用离子束来摧毁在照射体积中的肿瘤组织。

在肿瘤治疗中，离子束的特别的特性允许在将肿瘤组织暴露于非常高的剂量的情况下，最小限度地损害周围健康组织。这点主要取决于离子束的有利的深度剂量分布。在高能离子束入射到材料中时，该高能射线首先沉积少量能量。随着速度增加，特定的能量沉积也在增加，在被称为布拉格峰值的分布曲线的范围中达到其最大值，然后陡峭地下降。由此，即使在肿瘤位于较深处时，也能够在肿瘤组织中沉积比在周围的健康组织中更多的能量。此外，对于例如碳离子的重离子，其生物功效上升到布拉格峰值的最大值。

一般来说，通过在目标体积上方的z方向上移动或者扫描布拉格峰值，从而在粒子束的方向(z方向)上逐片地或逐层地扫描目标体积。布拉格峰值的该移动通常通过改变粒子束的能量来进行。目标体积在此划分为所谓的等能量层，其中不同的等能量层分别具有不同粒子束能量。对目标体积的侧边的扫描一般通过由粒子束优选逐点地扫描在x、y平面中的等能量层来进行。x-y平面在此基本上垂直于各个等能量层。扫描点一般被称为矩阵点，从而把目标体积划分为矩阵点，每个矩阵点都带有x-、y-、z-坐标点，它们优选相继被游历(angefahren)并且在其中能够施加粒子束的特定剂量。

在此待照射的身体(特别是位于待照射的身体内部的待照射的体积区域)可以静态地/不动地或运动地呈现。在待照射的物体中的照射体积或其部分，特别是待照射的目标体积可能发生运动。运动不仅可以平移地相对于外部的坐标系进行，而且也可以以待照射的身体的不同区域相对彼此的偏移(包括扭转和变形)来进行。

为了能够照射运动的身体，使用所谓的四维照射方法。在此最后涉及到具有时间变量(其中时间作为第四维)的三维照射方法。对于这样的材料处理方法的例子存在于在制造高能组件(特别是微处理器和存储器芯片)中以及在制造微结构的和纳米结构的机械装置中的材料科学领域。

可以采用扫描方法。特别地讨论三个特殊的方法。在此涉及到所谓的再扫描方法(Rescanning-Verfahren)、门控方法(Gating-Verfahren)以及跟踪方法(Tracking-Verfahren)。

在再扫描方法中，对待照射的身体进行大量先后发生的照射过程。由此按照统计学的平均，在运动的身体(以及待照射的目标区域的)的周期地重复的运动模式下，实现目标体积的足够强的照射。然而问题是，对目标身体的不要照射的部分区域几乎不可避免地产生相对高的辐射负担。此外再扫描方法由于其原理而主要适用于相对快发生的、周期重复的运动。

在门控方法中，仅当待照射的体积区域处于相对窄地限制的、定义的区域中时，才进行对目标身体的主动照射。相反在其他时刻不进行照射(通常通过断开微粒束)。原则上门控方法提供好的照射结果。然而缺陷是，照射时间更长，这除了别的之外导致更高成本。

跟踪方法提供了一个非常有前途的方案。在此将射线在其中发生作用的区域相应地跟踪(nachgeführt)目标身体的待照射的体积区域的运动。跟踪方法将精确的、目标准确的治疗的优点和相对短的照射时间集于一身。

基于照射目标体积(也就是肿瘤)的肿瘤治疗的成功，最大程度地取决于离子束的有效部分能够以何种程度只集中于目标体积。

因此期望在照射期间尽可能精确地识别物体的目标体积中的离子束的精确位置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于确定在目标体积中施加的粒子束的位置的方法和探测器装置。此外本发明要解决的技术问题是实现具有这样的探测器装置的照射装置。

本发明通过独立权利要求的特征解决上述技术问题。优选的扩展分别由从属权利要求的特征中得出。

按照本发明的用于探测在目标体积中施加的粒子束的入射深度的探测器装置具有至少一个探测部件，该探测部件被构造并且设计用于采集在目标体积中形成的光子、特别是伽马量子。由此探测通过粒子、特别是离子在目标体积中减速(Abbremsung)而产生的瞬发伽马射线(prompten Gammas)。这些瞬发伽马射线是具有几个MeV的能量分布的光子，并且优选具有在大约3和10MeV之间连续的能量分布。这些瞬发伽马射线基本上各向同性地围绕目标体积被发射。由此在任何角度方向至少可以布置一个探测部件、特别是径向围绕目标体积布置。优选地，从离子束的射线方向上看，探测部件布置在目标体积的侧面和/或之下或之后。优选地可以在利用粒子束照射目标体积的时刻来测量伽马量子，因为伽马量子是在离子在目标体积中的减速过程(Abbremsprozess)中产生的。由此可以与照射同时地采集光子，在该照射中分别可以在目标体积的一个或多个矩阵点施加粒子束。换言之，在目标体积中施加粒子束的时刻采集光子。获得的信息优选可以在继续进行照射时并且特别是为了控制继续的照射过程而被使用。因为确定了入射深度，在此例如可以进行粒子束的能量校正。此外例如当应用了跟踪方法时，利用从探测部件获得的信息可以进行粒子束的能量的跟踪(Nachführung)。如果涉及到采用了再扫描的照射，则可以将借助探测部件获得的入射深度的信息用于继续进行照射过程，特别是再扫描参数。

在探测器装置的优选构造中，设置另一个探测部件，其中该另一个探测部件是第一探测部件并且所述至少一个探测部件是第二探测部件，其中，在粒子束的射线方向上观察，第二探测部件布置在第一探测部件的后面。由此可以借助第一和第二探测部件相对彼此的布置来测量粒子束的分布、特别是空间的分布和/或在目标体积中的其剂量沉积。可以对通过利用粒子束照射目标体积而形成的特别是高能的光子或瞬发的伽马量子进行尤其是三维的方向分辨的探测。优选设置第一探测部件用于测量表示粒子束射线特征的第一参数并且第二探测部件用于测量表示微粒束的特征的第二参数。在此可以在第二探测部件中优选对光子计数，并且由此确定在离子束中微粒的流密度。但是也可以进行光子的类似测量。

优选利用第一探测部件可以测量粒子束的方向，并且利用第二探测部件测量在目标体积中形成的光子的强度。在此第一探测部件优选这样布置，使得其由粒子束穿透或者横穿，然后粒子束击中目标体积，并优选在该目标体积中减速而且由此被沉积。由此特别可以从第一探测部件的测量中确定粒子束的分布，特别是在x和/或y方向上相对于目标体积的位置情况(Ortslage)。借助第二探测部件，可以确定在z方向上的目标体积中的位置和由此离子束的入射深度。因为第二探测部件优选可以探测击中该探测部件的光子，所以可以确定，在目标体积的哪个等能量层中沉积了特定的剂量。这点可以通过确定特别是计数产生的伽马量子的多少来进行。从中例如可以通过对计数的粒子进行积分来确定在目标体积中已经沉积的粒子的剂量。优选可以同时进行利用第一探测部件的测量和利用第二探测部件的测量。特别地可以基本上在光子的形成时刻确定剂量的测量。

在此优选的是，借助前面描述的探测器装置，非侵入地并且重要地是同时地测量粒子束的局部分布及其在物体、特别是患者的目标体积中的剂量沉积。在照射(即施加微粒束)期间确定的剂量分布可以用于控制照射，特别是用于控制施加。这点特别是对于主动的射线施加，例如再扫描和/或跟踪方法来说是重要的，此外，在该方法中目标体积的连续的单个小的部分体积被照射。

在探测器装置的优选构造中，第一探测部件这样构造和设计，使得借助第一探测部件可以确定在至少一个侧边的维中的粒子束的方向。第一探测部件可以是第一探测器，其优选是传输探测器(Transmissionsdetektor)并且基本上不改变粒子束。第一探测部件特别可以是位置分辨的探测器，例如第一探测部件可以是丝室(Drahtkammer)或像素电离室(Pixel-Ionisationskammer)。优选地，第一探测部件是具有低水平的面密度的探测器。

在优选的构造中，这样构造并设计探测器装置的第一探测部件，使得至少在与第一侧边维不同的第二侧边维上，借助第一探测部件可以确定粒子束的方向。由此确定在目标体积中击在特定的被称为矩阵点或像素的目标照射点上的粒子束的x和/或y坐标。通过确定粒子束的方向，由此基本上可以确定目标空间中粒子束的地点(Ort)或位置(Position)。特别地，结合射束导向(Strahlführung)的参数，可以通过确定在第一探测部件中侧边的(x、y)位置，从而确定目标体积中粒子束的方向。目标体积中粒子束的位置同时可以是高能光子的产生的地点。

探测器装置的第二探测部件优选构造和设计为：借助对目标体积中形成的光子的、优选是在低于几个MeV并且直到几个MeV的能量范围中的高能光子的位置分辨的测量，来确定目标体积中粒子束的入射深度。因为目标体积中(特别是布拉格峰值中)粒子束的目标位置是形成高能光子的地点，所以可以利用对形成光子的地点的确定来测量目标体积中施加的微粒束的布拉格峰值的位置(Lage)以及粒子束在目标体积中的入射深度。在此形成光子的地点可以借助第二探测部件来确定，特别地通过位置分辨地探测在目标体积外部的光子来确定。离开目标体积的光子的位置分布优选是各向同性的。优选地，第二探测部件布置在目标体积侧面并且在粒子束的射线轴外部。特别优选地，第二探测部件优选径向围绕粒子束的射线轴布置，特别是布置在径向地从目标体积指向外部的轴上。

在此可以采用至少一个位置分辨地测量的伽马探测器作为第二探测部件。优选地，片状地(lamellenartig)构造探测器装置的第二探测部件。优选以薄片的前端面垂直于粒子射线轴布置第二探测部件的薄片。在此第二探测部件还可以由平板构造，其中平板互相平行地布置。平板形成所谓的平板堆。平板的窄面可以在目标体积的方向上对齐。平板堆在射线轴方向上的长度优选可以大于或等于目标体积的长度。平板堆的前端面优选地基本上平行于射线轴布置。各个平板的前端面在此可以平行于射线方向对齐。由此，从目标体积中出来的光子可以击中各个平板的前端面。根据目标体积中地点的不同，光子按照不同的角度击中不同的平板。光子将其能量分别输出给一个平板或多个平板，或者将其能量沉积在其穿过的平板中。在此通过不同的过程、例如康普顿散射、光效应和对偶形成(Paarbildung)产生电子。因为平板或薄片优选是薄的，所以足够好地分离目标体积中不同的光子的形成地点，以及由此好的位置分辨率是可能的。由于动量守恒定律(Impulserhaltungssatze)，产生的电子在各自的平板中向前散射。由此它们在初始产生的光子的前进或传播方向上散射。由此，仅垂直地击中某一个平板或薄片的电子在这一个探测器平板或薄片中给出其全部能量。倾斜击中的电子具有很小的机会来将其全部能量在一个平板中给出，而是在两个或多个平板中被测量。对于这些电子，每个平板所测量的能量比将其能量在一个平板中给出的电子的更小。由此可以从在每个平板中测量的给出的能量确定光子的方向，并且由此确定在目标体积中的形成地点。因此可以位置分辨地探测在目标体积中形成的光子、特别是伽马量子。

优选地，探测器装置的特征在于，第二探测部件构造为停止探测器，其中在射线方向上看，第二探测部件优选布置在目标体积后面。优选地，第二探测部件布置在射线轴上或者至少相对于射线轴对称。在此可以采用所有公知的塑料探测器作为停止探测器。还可以考虑采用金刚石探测器、特别是多晶的金刚石探测器。停止探测器优选布置在目标体积的远端，特别是在粒子束的射线方向上看布置在目标体积的后面。特别地，停止探测器具有一个固定的位置。从该位置(也就是说，从目标体积到第二探测部件的距离)和测量的渡越时间(Flugzeit)可以确定特别是在光子(尤其是瞬发的伽马射线)的z方向上的形成地点。在此可以采用激光脉冲作为对于渡越时间测量的起始信号，其启动形成微粒束。从中又可以确定在各个矩阵点或像素中的粒子束的位置。还可以设置其他停止探测器。特别地，其他停止探测器可以以关于粒子射线轴的不同的角度布置。从中可以通过计算算法重建在目标体积中形成的部分射线的位置。

上述技术问题还通过一种用于照射物体中的目标体积的照射装置解决，所述照射装置具有至少一个加速器装置，所述加速器装置具有射线产生部件、射线形成部件、用于控制粒子束的控制部件以及至少一个按照本发明的探测器装置。该加速器装置可以是本身公知的加速器，例如同步加速器或回旋加速器，利用其能够产生在从几百MeV到几十GeV范围中的粒子束。但是加速器装置优选还可以是激光诱发的加速器。在此有利的是，利用一个用作停止探测器的第二探测部件，激光束可以作为对于探测器装置的起始信号工作。在激光诱发的加速器中，具有非常高的功率的激光束(Peta-Watt激光)击中薄膜。此外，在此产生带电微粒，由这些微粒可以形成粒子束。该粒子束然后可以击中目标体积并且在那里沉积，其中粒子还沉积在布拉格峰值中并且通过减速形成瞬发的伽马射线。

在照射装置的优选构造中，探测器装置这样构造和设计，使得其产生控制信号，该控制信号可以被馈入到照射装置的控制部件中。借助控制部件可以对照射进行控制，特别是在线地控制，所述控制优选地与照射同时进行。特别地可以使用涉及粒子束的入射深度的来自探测器装置的控制信号，以便扫描(abscannen)或游历(abfahren)目标体积的连续的矩阵点。

优选地，照射装置的特征在于，探测器装置具有至少一个用于探测光子、特别是高能伽马量子的探测部件。优选地，设置第一和/或至少一个第二探测部件，其中第一探测部件和至少一个第二探测部件布置在相对于目标体积的至少两个不同的位置上、优选布置在两个互相垂直的位置。优选地，至少所述第二探测部件分别布置在目标体积侧面。第二探测部件特别地可以布置在径向围绕目标体积的位置上。在此它们可以测地学地布置在目标体积的平面中或目标体积下面。

上述技术问题还通过一种用于确定物体中、特别是在物体的目标体积中粒子束的入射深度的方法解决，其中借助至少一个探测器装置、特别是按照权利要求1至7中任一项所述的探测器装置采集通过粒子束在物体中的相互作用产生的光子、特别是伽马量子。

优选采集、特别是利用位置分辨的探测部件采集粒子束的方向、特别是目标体积中粒子束的侧边地点。在此，探测部件确定目标体积中的粒子束的地点，作为至少一个光子的形成地点。这点可以通过测量在探测部件中被测的光子的或从该光子形成的电子的能量来完成。

优选地，在该方法中，可以在粒子射线轴外部的多个位置上互相独立地采集光子、特别是伽马量子。由此可以采用具有薄的片厚的片状探测部件。

优选地，所述方法构造为：借助对光子从目标体积中的形成地点到探测部件的渡越时间的测量，来确定光子在利用粒子束照射的物体的目标体积中的形成地点。探测部件在此优选是伽马探测器。渡越时间测量在此优选由来自于产生微粒束的激光的信号来启动。

由此该方法适合于确定在目标体积中施加的粒子束的地点，其中采集在目标体积中形成的光子的地点。在此特别地确定粒子束在身体中的入射深度，其中特别地可以采集通过粒子束在目标体积中的相互作用产生的伽马量子的渡越时间。

结合地描述和讨论前面描述的装置和方法的特别的技术特征和优点。在此装置的特征和优点可以应用于方法并且对于方法是成立的，反之亦然。

附图说明

以下结合优选实施例并且借助附图详细解释本发明。相同的或类似的内容在此利用相同的附图标记表示。其中，

图1示出了具有第一探测部件和第二探测部件的探测器装置；

图2示出了片状的第二探测部件；

图3a，3b，3c，3d示出了第二探测部件的测量的图：计数率作为能量的函数E_dep；

图4示出了在激光射线穿通薄膜进入情况下的处理；

图5示出了具有用于渡越时间测量的装置的探测器装置；

图6示出了其中记录了光子的计数率作为光子能量的函数的图；

图7示出了按照本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性示出了具有第一探测部件20和第二探测部件25的探测器装置100。在表示粒子束22的方向的并且用箭头102表示的射线方向102上看，第一探测部件20布置在第二探测部件25之前。粒子束22在此可以是离子束，特别是由质子、氦离子、碳离子、氖离子或氧离子组成的射线。射线22还可以具有π介子或μ介子(Myonen)，以及由两种或多种提到的粒子的混合。

离子束22可以在加速器装置中利用离子源产生(未示出)，或者在激光束驱动的加速器装置中。粒子束22的产生在此对于探测器装置100的工作方式来说是不重要的。粒子束22的能量典型地为10MeV/amu直到几个GeV/amu。在此，粒子束22的能量选择为使得粒子束22适合于照射物体24中的、例如患者24中的目标体积23。物体24、特别是患者24在此示意性地被表示为椭圆24。但是物体24还可以是模体，并且用于在照射患者之前或之后验证照射参数。在此，能量典型地选择为使得粒子束22入射物体24中几厘米深并且在目标体积23中停止。粒子束22的能量损耗在此典型地符合布拉格分布。在目标体积23中产生光子，其利用波浪形的箭头101表示。产生的光子的能量分布将结合图6来详细解释。光子从目标体积23中出来并且能够在目标体积23外部被探测到。出来的光子的角度分布典型地是各向同性的。光子可以在径向围绕射线轴布置的一个或多个探测部件中被探测。产生的光子也称为瞬发的伽马射线。

第二探测部件25构造为片状的探测器，并且具有平板或薄片1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。平板1至10或薄片1至10的数量纯粹是示例性地用于理解而不是限制性的。探测部件25的工作方式精确按照对图2和3的描述进行。以倾斜的俯视图示出第二探测部件25。第二探测部件25具有前端面104，其面向目标体积23。此外其具有背向目标体积23的背面以及第一和第二侧面110和112以及上表面106。

第一探测部件20优选地是位置分辨的探测器或位置分辨的用于测量的探测器，其可以采集粒子束通过该探测器的流出地点。探测部件20的面密度在此选择为使得探测部件20是传输探测器。特别地，第一探测部件20可以是具有1812×1707像素的分辨率的电离室，丝室或像素电离室。但是也可以采用具有更小像素值的像素电离室。典型地可以达到小于3mm的分辨率。分辨率典型地位于μm范围，特别是小于或大概等于100μm。第一探测部件20的典型的几何尺寸可以为大约40×40cm。

图2示出了图1的具有平板或薄片1至10的第二探测部件25的纵剖面。纵剖面平行于第二探测部件25的前端面104延伸。利用箭头114和116表示光子和通过它们产生的电子的轨迹，其垂直地击中前端面104并且由此沿着平行于平板的走向“延伸”。电子可以将其全部能量沉积在一个平板中，前提条件是该平板足够长。箭头118和120表示光子和通过它们产生的电子的轨迹，其以角度α₁击中第二探测部件25的前端面104。角度α₁在此优选为在零度(0°)和角度α_gr之间。箭头122至128示出了以角度α₂击中前端面104的轨迹，其中α₂大于α₁。与利用箭头130表示的平板方向倾斜延伸的电子由此具有更小的机会来将其能量在仅一个平板中给出。其穿过多个平板并且将其能量在多个平板中给出。由此可以在多个平板中测量能量信号，其中该能量信号示出更小沉积的能量。在图3中示出了这样的能量谱。从这些信号中可以确定在目标体积23中粒子束22的射程，即，在产生对应电子的目标体积23中光子的产生地点。为此将平板1至10单个地并且互相独立地布置。对此的谱在图3中示出。

在平板1至10具有典型地小于5mm的板厚的情况下，深度分辨率低于5mm。对于在肿瘤治疗中的应用，即，为了确定在目标体积23中粒子束22的临床相关的射程，可以利用相应的布置和板厚实现典型地1mm的分辨率。为此优选将第二探测部件25布置在目标体积23侧面，并且将具有大约相同的构造的另一个探测部件(未示出)布置在带有目标体积23的患者24的下面。当多个探测部件25、25’、25”等布置在目标体积23的侧面和下面时，可以实现更小的分辨率。探测部件25原则上可以布置在围绕射线轴102的圆上的任何位置上。

探测部件25的构造在WO2008/009528，特别地在第23至27页上和所参考的图3、4、5中有详细解释，其中探测部件25是方向敏感的。

图3示出了光子的或产生的电子的在探测部件25中沉积的能量的测量的能量谱。计数率N作为以MeV为单位的能量E_dep的函数被记录。在此能量优选是在探测部件的一个平板中沉积的电子的能量。由于动量守恒定律，在第二探测部件25的平板中从光子中通过康普顿或光子散射或对偶形成而产生的电子向前对齐，即，在初始形成的光子的传播方向上对齐。图3a示出了对于如下情况的能量谱，即，光子平行于探测部件25的平板1至10的布置击中它。图3b示出了对于α＝30°的角度α的能量谱。可以看出，计数的或者说记录的光子或电子的数量N在3MeV能量的情况下更小。与图3a的谱中大概N＝2800相比，N大概为2000。图3c示出对于α＝60°的情况的能量谱，其中计数率N在3MeV能量的情况下示出小于2000的结果。图3d示出了对于在α＝90°角度下对光子或电子记录的能量谱。在此记录的具有3MeV能量的结果的数量N更小。图3a、3b、3c、3d中的谱是各个平板的谱并且是示例性地理解的。从它们中可以看出，倾斜地击中各自的平板的光子或电子，在高能部分(例如在大约3MeV情况下)可以具有较少份额，或者，在各自的平板中记录更少事件。这些平板通常是探测部件25的平板，它们位于目标体积23中的离子的射程的另一面。由此光子可以不垂直地击中平板的前端面104。典型地这些平板是具有编号4，5，6，7，8的那些平板，光子垂直于前端面104击中这些平板。具有编号9和10以及1至3的平板仅看见倾斜进入的光子。击中平板1至3和9、10的这些光子在平板中给出较少能量。由于几何环境，光子不能够平行地击中探测部件25的平板1至3和9、10。

图4示出了过程的原理图，该过程在激光驱动的加速器的技术中起作用。通过短时脉冲激光，在飞秒(Femtosekunden)的时间窗中产生具有非常高的强度(优选在Peta-Watt范围中)的光子脉冲并且击中碳薄膜140。然后在薄膜中首先从碳膜140的原子结合中释放电子(用“-”表示)，其形成等离子体142，其中剩余的离子(用“+”表示)通过大约1012特斯拉每米的场强在少于一毫米的非常短的加速路径中可以被加速到几个MeV。这些加速的离子可以形成粒子束，该粒子束形状可以为例如在图1和5中利用附图编号22表示的粒子束。该粒子束22用于照射目标体积23。该粒子束22或者离子束在图4中没有示出。

图5以示意图示出了探测器装置150。探测器装置150优选在具有非常短的脉冲持续时间的激光驱动的加速器上对于离子束22被采用。探测器装置150具有第一探测部件20。其例如可以是多丝室(Vieldrahtkammer)。借助探测部件20可以确定粒子束的方向，或其在x和y方向上的侧边位置。此外探测器装置150还具有第二探测部件152。在粒子束22的射线方向上看，第二探测部件152布置在目标体积23的后面，并且用作停止探测器。在第二探测部件152中记录在目标体积23中产生的光子、特别是伽马量子。所述光子可以在第二探测部件152中视其厚度和材料而定被停止。第二探测部件152优选是公知的塑料探测器或者公知的金刚石探测器，优选由多晶的金刚石构成的金刚石探测器。从停止探测器152的位置、或在目标体积23和探测部件152之间的距离中得出的飞行路径160、和测量的渡越时间中，可以确定在目标体积23中产生的伽马射线154的精确位置。由此，可以确定在目标体积23中施加的粒子束22的入射深度。除了第二探测部件152之外还可以以相对于粒子束22的不同角度布置其他停止探测器(未示出)。

以下一般性地解释激光驱动的微粒加速器的特点和与探测在目标体积23中的入射深度的关系。在激光驱动的微粒加速器中，微粒束的时间精度

基本上取决于产生的微粒脉冲的能量精度

并且已经达到了在将来应用该加速技术时所需的较小百分数的数值。迄今为止激光加速的加速器还在试验阶段。切合实际地可以假定时间精度在几个皮秒范围。由此可以确定，相应产生的粒子脉冲或粒子束22何时被入射到身体或患者24。

在患者24中在直到可以是肿瘤组织的目标体积23的减速路径中，确定的瞬发的伽马射线的能量散射和由此时间上的散射仅以几个百分比扩散。也就是可以假定，瞬发的伽马射线同样以皮秒精度被产生。在伽马量子产生的地点和瞬发的伽马探测之间的距离可以被换算成渡越时间。光具有0.3mm/皮秒的速度。这意味着，通过在探测部件52中，也就是说，在身体24外部的计数器中测量确定的伽马量子的渡越时间，可以精确到毫米地确定至光子的形成地点的距离。

因此探测方法可以是TOF方法(TOF：Time of Flight，飞行时间)，借助该方法可以测量在患者24中(粒子)束的入射深度。瞬发的伽马射线的形成时间-如前面描述的通过激光脉冲产生-已知为精确到皮秒。该信号可以用作起始信号。在患者24外部的快速探测器(布置在射线轴102上的第二探测部件52)中，测量伽马量子的击中，并且通过渡越时间确定至用作停止探测器的第二探测部件52的距离。从所有产生的伽马量子得到的测量的信号独立于能量，因为光速不取决于能量。

为了测量入射深度，停止探测器(第二探测部件52)可以布置在射线方向上光子形成地点的远侧。可以使用公知的塑料探测器作为停止探测器，或者还可以使用例如多晶的金刚石探测器。从对同步产生的光子的渡越时间的测量中，然后得到伽马射线的源地点/起源的精确位置，即例如患者的目标体积23中的离子束的地点。通过以相对于主射线(输出粒子束的轴)不同角度的其他停止探测器，然后可以利用合适的程序来重建患者24中的每个部分射线(Teil-Strahl)的位置(Lage)。

图6示出了一个图，该图示出，在利用质子轰击水目标(Wassertarget)时产生光子。在图中在y轴上记录了形成的光子的数量，作为在x轴上记录的其能量的函数。在此对于轰击水目标的上百个质子确定形成的光子的数量。形成的光子的强度基本上位于3至10MeV之间。这点大概相应于当质子的粒子束击中了人组织时形成的光子的数量和能量。由此从该图中可以获悉，在将粒子束沉积在人组织中时，形成具有大约3至10MeV的能量的光子。这些光子也被称为伽马量子，并且由此具有直到几个MeV的连续能量谱，而且各向同性地围绕目标体积中沉积的粒子束被发送。在离子在患者中的减速过程期间，形成具有直到几个MeV能量的这样的高能伽马量子。这些量子基本上离开患者并且可以从外部被探测。数量取决于沉积的粒子的数量。借助将由第二探测部件25和52探测的光子可以确定该能量分布。由此探测部件25和/或52构造为使得能够探测在大约3至10MeV之间的能量范围中的这些光子。由此，可以探测该所谓的瞬发的伽马射线的，即探测在减速过程期间发射的电磁射线，用于探测粒子束22的粒子在目标体积23中的沉积地点。由此通过组合第一探测部件20和第二探测部件25实现了方向分辨的探测，利用该探测可以定位伽马射线的起源。通过对瞬发的伽马射线的测量，在此可以确定粒子束22在目标体积23中的入射深度。

在此，根据粒子束有所不同地构造探测器装置。在连续的射线的情况下，如具有同步加速器或回旋加速器的加速器装置，可以采用在患者24之前的对于微粒束22的位置分辨的微粒探测器(探测部件20)与平行于治疗射线安装在患者旁的片状的射程伽马探测器(第二探测部件25)的组合。为此可以采用在WO2008/009528中描述的探测器元件(参见图1)。在位置分辨的微粒传输探测器中(例如丝室、像素电离室或小的面密度的其他位置分辨的传输计数器)对于每个体素元件的微粒束确定侧边(x-y)的坐标。通过给出的在患者或身体之前的射束导向(Strahlführung)由此也给出患者或身体中的射束方向。

如结合图1和2的描述中已经解释的，利用片状的伽马探测器(探测部件25)来进行入射深度的测量，如特别是在图1和2中以及WO2008/009528的第19页第21行至第21页第14行中描述的。在此，可以无需使用准直器并且由此高效率地确定该深度：对于高能的光子/伽马量子由于冲量守恒定律，副产品(Folgeprodukte)，即在探测器中产生的康普顿或光子或对偶形成电子，向前、即在初始的光子的传播方向上散射。因为探测部件由单个的尤其是薄的片(即平板)组成或构造，所以仅平行于平板对齐地入射的(参见图2)电子具有将其全部能量在探测部件25上给出的机会。倾斜于平板对齐地入射(einlaufen)的电子将其能量在一个平板中沉积的机会较小。这在WO2008/009528中已经解释了，特别地参考关于其中图3、4和5的第23页第28行至第27页第32行，在此对其进行引用。

类似于在WO2008/009528中已经描述的用于搜寻地雷的探测系统中，这种探测器是方向敏感的。与WO2008/009528的对源的方向进行定位的地雷探测器不同，利用探测部件25可以测量射程。因此探测器材料区域(由探测器材料构成的平板)可以单个地即互相独立地被读出。位于患者中离子的射程的另一面的探测器，仅由不再能平行地入射的伽马量子到达，并且由此在能量谱的高能部分具有较少份额。

对在目标体积中形成的光子的直接探测提供相对于其他方法的优点，这将在以下解释：如果要实现尽可能符合目标的(zielkonforme)照射，则进行主动匹配，所谓的质子调强放疗(IMPT)，其中目标体积划分为20000-50000个小的单个体积(体素)，这些单个体积然后先后在几分钟之内被照射。对于IMPT，开发了对在患者中产生的同位素10C和11C的正电子衰减的同时测量法，即所谓的in-beam PET，作为质量保证并且应用在达姆施塔特重离子治疗中。利用该技术可以根据每个照射部分(Bestrahlungsfraktion)确定在患者中射线的射程分布，而且识别并校正在百分之几的患者中的不一致之处(Umstimmigkeiten)。然而借助PET的分析只有在照射之后才能进行，因为这两个基本的PET同位素¹⁰C和¹¹C分别具有10秒以及20秒的寿命。

对于质子治疗，也提出了并且试验了对于患者中剂量沉积的质量保证的类似分析，其中首先分析了正电子发射物¹⁵O(HWZ：2分钟)。因此在公知的方法中缺陷是，该PET分析虽然在其他离子发射(Ionenprojektilen)情况下是可能的，然而由于各自的半衰期(Halbwertszeiten)，总是在每个部分(Fraktion)之后仅仅进行死后的(posthume)分析。

由此不能进行对在患者中的射线的同时观察。目前除了如在GSI亥姆霍兹重离子研究中心采用的In-beam PET之外，没有可以用于分析瞬发的伽马射线的，即，可临床用于患者中的射线的定位的标准方法。

物理中通常的分辨能量的分光计也不适合于此，因为其曾经提供错误信息：能量而不是地点，因为其还具有低效率(仅在百分率范围的响应概率(Ansprechwahrscheinlichkeit))，并且因为该效率一般随着伽马能量而降低并且对于MeV范围来说很小。

闪烁伽马探测器如NaJ或塑料闪烁器，或其他伽马探测器(硅(Si)或锗(Ge)半导体)本身不具有方向分辨率。该方向分辨率可以通过前面连接的准直器来达到，但是仍仅以效率为代价。无准直器的康普顿探测器装置也不能被有意义的采用，在该装置中在第一散射薄膜中为了发射电子而将光子从薄膜中带出并且然后从整个动力学的分析中确定形成地点或初始的光子/伽马量子的方向。之所以这样，是因为康普顿计数器也具有小的百分数的小效率并且由此几乎不适合临床需要。

因此测量瞬态发射的伽马量子的按照本发明的探测器装置和方法是具有优势的。伽马量子在此具有另一种时间结构，根据治疗射线的时间结构，即根据离子束是否是如在同步加速器中那样连续的(或准连续的)，或者射线是否以如在目前开发的激光驱动的加速器中发射的微脉冲。(具有其时间结构的回旋加速器近似于加脉冲的加速器类型)。

图7示出了一种方法，利用该方法可以确定粒子束22在物体24的待照射的目标体积23中的入射深度。在方法步骤200中确定粒子束的方向。这点优选利用确定粒子束22的至少一个侧边位置的第一探测部件20进行。在第二方法步骤210中利用位置分辨的探测部件确定通过粒子束22在目标体积23中形成的光子的z位置。在方法步骤220中将目标体积23中粒子束22的确定的x/或y位置和确定的z位置组合，并且确定在目标体积中照射的矩阵点。在方法步骤225中可以输出控制信号。控制信号可以被馈入到用于控制照射装置和/或加速器装置的控制装置中。

在该方法的一个实施方式中，方法步骤210可以替换地通过测量向前、即在射线方向上看发射的光子的渡越时间来进行。在作为用于光子的停止探测器的第二探测部件和目标体积中光子通过粒子束的产生地点之间的距离在此通过对光子的渡越时间的测量来确定。由此可以确定在目标体积中光子的精确的产生地点。第二探测部件52在此基本上以零度、优选在射线轴102上布置。由此可以确定粒子束22在目标体积23中的入射深度。

Claims (16)

1.一种用于探测在目标体积(23)中施加的粒子束(22)的入射深度的探测器装置，具有至少一个探测部件(25，52)，其被构造并且设计用来采集在目标体积形成中的光子、特别是伽马量子。

2.根据权利要求1所述的探测器装置，其特征在于，设置另一个探测部件(20)，其中，该另一个探测部件(20)是第一探测部件并且所述至少一个探测部件(25，52)是第二探测部件(25，52)，其中，所述至少第二探测部件(25，52)在粒子束(22)的射线方向上看被布置在第一探测部件(20)的后面。

3.根据权利要求1或2所述的探测器装置，其特征在于，所述第一探测部件(20)被这样构造和设计，使得借助所述第一探测部件(20)能够确定在至少一个侧边的维中的粒子束(22)的方向。

4.根据上述权利要求1至3中任一项所述的探测器装置，其特征在于，所述第一探测部件(20)被这样构造并设计，使得借助所述第一探测部件(20)能够确定在至少一个与第一侧边维不同的第二侧边维上的粒子束(22)的方向。

5.根据上述权利要求1至4中任一项所述的探测器装置，其特征在于，所述第一探测部件(20)是电离室或丝室。

6.根据上述权利要求1至5中任一项所述的探测器装置，其特征在于，所述第二探测部件(25，52)被构造并且设计用于位置分辨地探测在目标体积(23)中形成的光子、特别是伽马量子。

7.根据上述权利要求1至5中任一项所述的探测器装置，其特征在于，所述第二探测部件(25)片状地构造。

8.根据上述权利要求1至6中任一项所述的探测器装置，其特征在于，所述第二探测部件(25)的薄片以薄片(1，2，3，4，5，6，7，8，9，10)的前端面(104)垂直于粒子射线轴(102)布置。

9.一种用于照射物体(24)中的目标体积(23)的照射装置，具有加速器装置、用于控制粒子束(22)的控制部件和按照权利要求1至8中任一项所述的探测器装置(100，150)。

10.根据权利要求8所述的照射装置，其中，所述探测器装置(100，150)被这样构造和设计，使得其产生控制信号，该控制信号能够被馈入到照射装置的控制部件中。

11.根据权利要求8或9所述的照射装置，其特征在于，所述探测器装置(100，150)具有至少一个用于探测光子的探测部件(25，52)。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的照射装置，其特征在于，设置第一探测部件(20)和/或第二探测部件(25，52)，其中所述第一探测部件(20)和第二探测部件(25，52)被布置在相对于目标体积(23)的至少两个不同的位置上、优选地被布置在两个互相垂直的位置。

13.一种用于确定物体(24)中、特别是在物体(24)的目标体积(23)中粒子束(22)的入射深度的方法，其中，借助探测器装置(100，150)，特别是按照权利要求1至7中任一项所述的探测器装置采集通过粒子束(22)在物体(24)中的相互作用产生的光子、特别是伽马量子。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，采集，特别是利用位置分辨的探测部件(20)采集粒子束(22)的方向、特别是目标体积(23)中粒子束(22)的侧边地点。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，在粒子射线轴(102)外部的多个位置上互相独立地采集光子、特别是伽马量子。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，借助对光子的从目标体积(23)中的形成地点到探测部件(52)的渡越时间的测量来确定光子的在利用粒子束(22)照射的物体(24)的目标体积(23)中的形成地点。

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