DE10109193C5

DE10109193C5 - Beschleuniger, medizinisches System und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE10109193C5
Application number: DE10109193A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hiramoto; Hideaki Nishiuchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: AU2323501A; US20020014588A1; AU766111B2; JP2002043099A; US6472834B2; DE10109193B4; DE10109193A1; JP3705091B2

Abstract

Zyklischer Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten (2) und vierpoligen Elektromagneten (5, 6) zum Herbeiführen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten (9) zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer Betatronschwingung zur Emission des geladenen Partikelstrahls und einer Hochfrequenzquelle (24) zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl, um den Strahl durch Bewegen auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze zur Instabilität und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung zu führen, wobei die Hochfrequenzquelle ein Wechselstromsignal mit mehreren diskreten Frequenzkomponenten fi (i = 1, 2, ..., n) erzeugt, wobei das Wechselstromsignal einen Frequenzbereich von f1 bis fn abdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestfrequenzdifferenz der Frequenzkomponenten fi+1 – fi im Bereich von 500 Hz bis einschließlich 10 kHz liegt, wobei die Phase der mehreren Frequenzkomponenten f1 so eingestellt ist, daß die Phasendifferenz zwischen sämtlichen Frequenzkomponenten Werte annimmt, die kein ganzzahliges Vielfaches von π sind, und...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleuniger zum Beschleunigen eines geladenen Partikelstrahls und zur Erzeugung des zu verwendenden Strahls, ein Verfahren zur Erzeugung des Strahls und ein den Strahl verwendendes medizinisches System. Das in der Beschreibung erwähnte Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Beschleunigersystem ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Ein herkömmliches Beschleunigersystem und ein herkömmliches Verfahren zur Erzeugung des geladenen Partikelstrahls durch das Beschleunigersystem sind in der JP Nr. 2,596,292 beschrieben.
Wie gemäß der Druckschrift Nr. 2,596,292 wird veranlaßt, daß der geladene Partikelstrahl von einem Vorbeschleuniger auf den Beschleuniger in der nachfolgenden Stufe auftrifft. Der Beschleuniger in der nachfolgenden Stufe beschleunigt den geladenen Partikelstrahl auf die für eine Behandlung erforderliche Energie und erzeugt den Strahl. Die geladenen Partikel zirkulieren, wobei sie nach links und rechts oder nach oben und unten schwingen. Dies wird als Betatronschwingungen bezeichnet. Die Anzahl der Schwingungen der Betatronschwingung pro Umlauf wird als Harmonie bezeichnet. Für die Divergenz und die Konvergenz werden zwei vierpolige Elektromagneten verwendet, die die Harmonie nahe einer ganzen Zahl + 1/3, einer ganzen Zahl + 2/3 oder einer ganzen Zahl + 1/2 einstellen. Gleichzeitig wird ein auf der kreisförmigen Umlaufbahn vorgesehener mehrpoliger Elektromagnet zur Erzeugung einer Resonanz angeregt, wodurch die Amplitude der Betatronschwingungen der geladenen Partikel mit mehr als einer bestimmten Betatronschwingungsamplitude unter einer hohen Anzahl an umlaufenden geladenen Partikeln plötzlich erhöht wird. Das Phänomen dieser plötzlichen Amplitudensteigerung wird als Resonanz der Betatronschwingung bezeichnet. Der Schwellenwert der Amplitude der Betatronschwingungen, bei denen die Resonanz auftritt, wird als Stabilitätsgrenze bezeichnet, wobei der Wert dieser Veränderungen von der Beziehung zwischen den Intensitäten des die Resonanz erzeugenden mehrpoligen Magnetfelds und des vierpoligen Magnetfelds abhängt. Die Resonanz, die erzeugt wird, wenn die Harmonie nahe einer ganzen Zahl + 1/2 eingestellt ist, wird als Resonanz zweiter Ordnung bezeichnet, und die Resonanz, die erzeugt wird, wenn die Harmonie nahe einer natürlichen Zahl + 1/3 oder + 2/3 eingestellt ist, wird als Resonanz dritter Ordnung bezeichnet. Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines Falls, in dem die Harmonie nahe einer ganzen Zahl + 1/3, also auf eine Resonanz dritter Ordnung eingestellt ist. Der Wert der Stabilitätsgrenze der Resonanz nimmt ab, wenn sich die Abweichung von der Harmonie von einer ganzen Zahl + 1/3 verringert. Daher wird die Harmonie beim Stand der Technik zunächst an eine ganze Zahl + 1/3 angenähert und konstant eingestellt, während die Intensität des die Resonanz erzeugenden mehrpoligen Elektromagneten konstant gehalten wird, d. h. die Feldintensität des vierpoligen Magneten sowie die Intensitäten des Ablenkungselektromagneten und des die Resonanz erzeugenden mehrpoligen Elektromagneten werden konstant gehalten. Dann wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld mit mehreren verschiedenen Frequenzkomponenten oder einem Frequenzband an den Strahl angelegt, das die Betatronschwingungsamplitude zur Erzeugung einer Resonanz steigert. Der Strahl wird von dem Extraktionsdeflektor unter Verwendung der Steigerung der Betatronschwingung aufgrund der Resonanz extrahiert. Der extrahierte Ionenstrahl wird unter Verwendung eines Elektromagneten eines Ionenstrahltransportsystems zu einem Behandlungsraum transportiert.
In der JP-A-7-14,699 ist eine bei einem herkömmlichen Beschleuniger verwendete Hochfrequenzextraktionsquelle beschrieben. Die Harmonie des geladenen Partikelstrahls wird durch die Wirkung des die Resonanz erzeugenden mehrpoligen Elektromagneten abhängig von der Betatronschwingungsamplitude verändert. Daher muß die Hochfrequenz zur Strahlenextraktion ein Frequenzband oder mehrere verschiedene Frequenzkomponenten aufweisen. Beim Stand der Technik werden hohe Frequenzen an den geladenen Partikelstrahl angelegt, die ein Frequenzband im zweistelligen kHz-Bereich haben und das Produkt des dezimalen Bruchs der Harmonie und der Umlauffrequenz des aus dem zyklischen Beschleuniger extrahierten geladenen Partikelstrahls einschließen.
Der von dem Beschleuniger emittierte geladene Partikelstrahl wird, wie in der JP-A-10-118,204 beschrieben, zu einem Behandlungsraum transportiert, in dem eine Bestrahlungsvorrichtung für die Behandlung vorgesehen ist. Die Bestrahlungsvorrichtung weist einen Streuer zur Steigerung des Strahlendurchmessers und einen Strahlenabtastmagneten zum Veranlassen einer kreisförmigen Abtastung durch den Strahl mit gesteigertem Durchmesser auf. Die kreisförmige Abtastung durch den Strahl mit durch den Streuer vergrößertem Durchmesser dient der Abflachung der integrierten Strahlenintensität innerhalb der Position der Mitte des Abtaststrahls. Der Strahl mit abgeflachter Intensitätsverteilung wird durch einen Patientenkollimator so eingestellt, daß seine Form mit dem erkrankten Körperteil übereinstimmt, bevor er auf den Patienten abgestrahlt wird.
Zudem kann, obwohl dies von Vorstehendem abweicht, ein Strahl mit kleinem Durchmesser verwendet werden und unter Verwendung des Strahlenabtastelektromagneten so abtasten, daß seine Form mit dem erkrankten Teil übereinstimmt. Bei diesem Abtastverfahren mit einem Strahl mit kleinem Durchmesser wird der an den Strahlenabtastelektromagneten angelegte Strom so gesteuert, daß der Strahl auf eine vorgegebene Position gestrahlt wird. Das Anlegen der hohen Frequenzen an den Strahl wird nach der Bestätigung des Aufbringens einer bestimmten Strahlungsmenge durch einen Strahlenintensitätsmonitor eingestellt, wodurch die Emission des Strahls beendet wird. Nach der Beendigung der Bestrahlung wird der an den Strahlenabtastelektromagneten angelegte Strom verändert, um die Bestrahlungsposition zu verändern, und der Strahl wird wiederholt erneut abgestrahlt.
So wird bei einem herkömmlichen medizinischen Beschleunigersystem der Durchmesser des Strahls vor dessen Abstrahlung durch den Streuer gesteigert und kreisförmig abgelenkt, so daß die Abtastung dergestalt erfolgt, daß die integrierte Intensitätsverteilung im Bereich innerhalb des Abtastkreises abgeflacht werden kann. Bei dieser Bestrahlung durch Abtastung mit einem Strahl ist es zur Abflachung der Intensitätsverteilung wünschenswert, die Veränderung der Strahlenintensität und insbesondere die Frequenzkomponenten im Bereich von etwa zweistelligen Hz-Werten bis zu zweistelligen kHz-Werten zu verringern. Da bei dem herkömmlichen medizinischen Beschleunigersystem die für die Emission an den geladenen Partikelstrahl anzulegenden hohen Frequenzen jedoch ein Frequenzband oder mehrere verschiedene Frequenzen aufweisen, weist der von dem Beschleuniger emittierte Strahl Frequenzkomponenten im Bereich von zweistelligen Hz-Werten bis zu zweistelligen kHz-Werten auf, und seine Intensität verändert sich mit der Zeit. Daher ist zum Erhalt einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung der Bestrahlung eine geeignete Auswahl der Geschwindigkeit der kreisförmigen Abtastung entsprechend der zeitbedingten Veränderung der Strahlenintensität oder eine Abflachung der Intensitätsverteilung der Bestrahlung durch die Auswahl einer von der Frequenz der Veränderung der Strahlenintensität abweichenden Abtastfrequenz erforderlich. Das Problem der Veränderung der Strahlenintensität kann durch eine starke Steigerung der Frequenz der kreisförmigen Abtastung gelöst werden, doch die Kosten der Abtastelektromagneten und der Energieversorgung werden erheblich gesteigert. Überdies sind bei einer großen zeitbedingten Veränderung der Strahlenintensität die Bedingungen, wie die Reproduzierbarkeit und die Stabilität des an den Abtastelektromagneten angelegten Stroms, die zur Unterdrückung der Veränderung der Intensitätsverteilung des Strahlungsfelds auf einen zulässigen Bereich erforderlich sind, schwerwiegender als wenn die zeitbedingte Veränderung der Strahlenintensität klein ist.
Obwohl beim Stand der Technik der Durchmesser des Abtaststrahls groß oder klein ist, macht die zeitbedingte Veränderung der Strahlenintensität überdies eine Steigerung der Zeitauflösung des Strahlenintensitätsmonitors zur Bestätigung einer vorgegebenen Bestrahlungsintensitätsverteilung erforderlich.
Die US 5 576 602 beschreibt ein Verfahren zum Extrahieren eines Strahls geladener Partikel sowie einen kleinen Beschleuniger für einen Strahl geladener Partikel. Der Beschleuniger weist einen Hohlkörper zum Beschleunigen eines Strahls geladener Partikel auf, eine Einheit zum Anlegen von Hochfrequenz zur Erhöhung der Betatronoszillationsamplitude, einen Mehrpolmagnet für Resonanz mit der Betatronoszillation, wenn die geladenen Partikel die Stabilitätsgrenze überschritten haben, Umlenkmagneten zum horizontalen und vertikalen Fokussieren und Defokussieren des Strahls geladener Partikel. Die Amplitude der Betatronoszillation wird durch eine Hochfrequenz mit einer oder mehreren Frequenzkomponenten so erhöht, daß Resonanz angeregt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen zur Unterdrückung der Veränderung des emittierten Strahlenstroms von insbesondere Frequenzen von etwa zweistelligen Hz-Werten bis zu zweistelligen kHz-Werten geeigneten Beschleuniger, ein diesen Beschleuniger verwendendes medizinisches Beschleunigersystem und ein Verfahren zum Betreiben des Systems zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Zirkularbeschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum Herbeiführen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze der Resonanz einer Betatronschwingung zur Erzeugung des geladenen Partikelstrahls, einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den geladenen Partikelstrahl zum Bewegen des geladenen Partikelstrahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze und dadurch zur Anregung der Resonanz der Betatronschwingung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzquelle ein Wechselstromsignal erzeugt, das mehrere verschiedene Frequenzkomponenten enthält, deren Mindestfrequenzdifferenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz liegt und deren Phasen die Phasendifferenz zwischen diesen Frequenzkomponenten und andere Werte als ein ganzzahliges Vielfaches von π enthalten.
Zur Steigerung der Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls durch hohe Frequenzen zu seiner Verschiebung auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze ist es wünschenswert, daß die hohen Frequenzen nahe am Produkt des Dezimalbruchs der Harmonie (der Anzahl der Betatronschwingungen in der Zeitspanne, in der der geladene Partikelstrahl einmal in dem zyklischen Beschleuniger umläuft) des geladenen Partikelstrahls und der Umlauffrequenz oder am Produkt des Dezimalbruchs der Harmonie und einem integralen Vielfachen der Umlauffrequenz liegen. Die Harmonie wird abhängig von der Amplitude der Betatronschwingung verändert. Daher ist zum Überschreiten der Stabilitätsgrenze für die Bestrahlung und damit zur Steigerung der Amplitude der Betatronschwingung die Verwendung von hohen Frequenzen mit mehreren verschiedenen Frequenzkomponenten erforderlich.
Da gemäß denn vorstehend genannten Aspekt der Erfindung von der Hochfrequenzquelle ein Wechselstromsignal an den geladenen Partikelstrahl angelegt wird, das mehrere verschiedene Frequenzkomponenten enthält, deren Mindestfrequenzdifferenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz liegt, liegt die niedrigste Frequenzkomponente der Veränderung der Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz, und daher ist es möglich, eine Veränderung des Bestrahlungsstroms unter einige hundert Hz auszuschließen, die insbesondere bei einem Bestrahlungsverfahren unterdrückt werden muß, bei dem ein Strahl mit kleinem Durchmesser zur Abtastung abgelenkt wird. Wenn die Phasendifferenz zwischen den Frequenzkomponenten ein ganzzahliges Vielfaches von π ist, wird die Signalintensität zudem aufgrund der Überlagerung dieser unterschiedlichen Frequenzkomponenten erheblich gesteigert oder verringert. Durch eine derartige Auswahl der Phasendifferenz zwischen diesen Frequenzkomponenten, daß sie einen anderen Wert als ein ganzzahliges Vielfaches von π aufweist, ist es jedoch möglich, eine Veränderung der Intensität des emittierten Strahls zu unterdrücken.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein zyklischer Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zur Veranlassung einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze der Betatronschwingungsresonanz zur Erzeugung des geladenen Partikelstrahls und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den geladenen Partikelstrahl zu dessen Verschiebung auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze und zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzquelle die Summe mehrerer Wechselstromsignale erzeugt, deren momentane Frequenzen sich mit der Zeit verändern und bei denen die Durchschnittswerte der momentanen Frequenzen zeitbezogen unterschiedlich sind, und das Summensignal an den geladenen Partikelstrahl anlegt.
Wenn ein hochfrequentes Signal mit mehreren Frequenzen an den geladenen Partikelstrahl angelegt wird, unterliegt der geladene Partikelstrahl einer Betatronschwingung mit einer von den Intensitäten der Elektromagneten des Beschleunigers und den für die Emission angelegten Hochfrequenzkomponenten abhängigen Betatronschwingungsfrequenz (dem Produkt der Umlauffrequenz und der Harmonie des geladenen Partikelstrahls), und die Amplitude der Betatronschwingung wird mit der Summe und den Differenzen zwischen der Betatronschwingungsfrequenz und den für die Emission angelegten Hochfrequenzkomponenten und mit den Summen und Differenzen dieser Hochfrequenzkomponenten selbst verändert. Dadurch wird auch die Anzahl der Partikel des geladenen Partikelstrahls oder die Intensität des emittierten geladenen Partikelstrahls, der die Stabilitätsgrenze übersteigt, bei den gleichen Frequenzen wie vorstehend beschrieben verändert. Die Frequenzkomponenten mit zweistelligen kHz-Werten oder darunter, die bei der Anwendung des geladenen Partikelstrahls für eine medizinische Behandlung wesentlich sind, werden aufgrund der Differenzen zwischen der Betatronschwingungsfrequenz und den für die Emission angelegten Hochfrequenzkomponenten und den Differenzen zwischen diesen Hochfrequenzkomponenten für die Emission erzeugt. Die Veränderung des emittierten Strahls mit der Zeit im zweistelligen kHz-Bereich oder darunter kann wie nachstehend beschrieben aufgrund des Prinzip gemäß den vorstehend beschriebenen Merkmalen der Erfindung verringert werden.
Das Wechselstromsignal wird durch A_isin(2πf_it + θ_i) ausgedrückt, wobei t die Zeit, A_i die Amplitude und θ_i die Phase repräsentieren, und die momentane Frequenz wird durch f_i + (dθ_i/dt)/(2π) ausgedrückt. Wenn sich die momentane Frequenz mit der Zeit verändert, gilt dθ_i/dt ≠ 0. Wenn vorab festgelegt wird, daß der Durchschnittswert dθ_i/dt Null ist, ist der Durchschnittswert der momentanen Frequenz in bezug auf die Zeit f_i. Die Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls wird mit der Frequenzdifferenz zwischen der Betatronschwingungsfrequenz und der angelegten Hochfrequenz verändert. Gemäß dem vorstehend genannten Merkmal wird das Summensignal ΣA_isin(2πf_it + θ_i(t)) der Wechselstromsignale mit unterschiedlichen Frequenzen f_i (i = 1, 2, n, wobei n 2 oder mehr beträgt) und Phasen θ_i, die sich mit der Zeit verändern, erzeugt und an den geladenen Partikelstrahl angelegt.
Die Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls wird mit der Differenzfrequenz zwischen der Betatronschwingungsfrequenz und der angelegten Hochfrequenz verändert. Die Betatronschwingungsamplitude verändert sich aufgrund der angelegten Hochfrequenz f_i mit einer Frequenz von f_i – f_β. Da sich die Phase θ_i des Wechselstromsignals mit der Frequenz f_i mit der Zeit verändert, hängt die Phase der Amplitudenveränderung der Betatronschwingung bei der Frequenz f_i – f_β auch von der Umlaufposition des in dem Beschleuniger umlaufenden geladenen Partikelstrahls, d. h. von der seitlichen Position des Strahls ab. Dadurch hängt es von der Umlaufposition des in dem Beschleuniger zirkulierenden Strahls oder von der seitlichen Position ab, ob der Strahl abgestrahlt wird oder nicht. Die Richtung und Position, von der aus der in dem Beschleuniger umlaufende Strahl abgestrahlt wird, verändern sich bei jedem Umlauf. Anders ausgedrückt wird zu einem bestimmten Zeitpunkt das vordere Ende des geladenen Partikelstrahls in der Drehrichtung abgestrahlt, doch die zweite Hälfte des Strahls von dessen Mitte in der Drehrichtung an wird nicht abgestrahlt. Im Laufe der Zeit wird jedoch der mittlere Abschnitt des Strahls in der Umlaufrichtung emittiert, aber die erste und zweite Hälfte des Strahls in der Drehrichtung werden nicht abgestrahlt. Daher nimmt die Betatronschwingungsamplitude abhängig von der Umlaufposition mit einer anderen Phase zu, und der Strahl wird an einer Kreisposition abgestrahlt, die sich mit der Zeit verändert. Beim Stand der Technik wird der Strahl an sämtlichen Umlaufpositionen abgestrahlt und ähnlich an sämtlichen Umlaufpositionen weniger abgestrahlt. Daher ist erfindungsgemäß die Veränderung sämtlicher geladener Partikel des Strahls in bezug auf die Zeit extrem klein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zyklischer Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum Ablenken des zu drehenden geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze der Resonanz der Betatronschwingung für die Emission des Strahls und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zu seiner Verschiebung jenseits der Stabilitätsgrenze und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzquelle ein näher bestimmtes Summensignal aus mehreren verschiedenen Signalen erzeugt, und das Summensignal an den Strahl anlegt.
Das Wechselstromsignal wird durch A_isin(2πf_it + θ_i) ausgedrückt, wobei t die Zeit, A_i die Amplitude und θ_i die Phase repräsentieren, und die gegenwärtige Frequenz wird durch f_i + (dθ_i/dt)/(2π) ausgedrückt. Wenn sich die momentane Frequenz mit der Zeit verändert, gilt dθ_i/dt ≠ 0. Wenn vorab festgelegt wird, daß der Durchschnittswert dθ_i/dt 0 ist, ist der Durchschnittswert der momentanen Frequenz in bezug auf die Zeit f_i. Gemäß dem vorstehend genannten Merkmal wird das Summensignal ΣA_isin(2πf_it + θ_i(t)) der Wechselstromsignale, deren (dθ_i/dt), (dθ_j/dt) (i ≠ j) unterschiedlich sind oder bei denen die Veränderungsraten der Phasen θ_i und θ_j bei f_i (i = 1, 2, ..., n, wobei n 2 oder mehr ist) unterschiedlich sind, erzeugt und an den geladenen Partikelstrahl angelegt.
Die Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls wird mit der Differenzfrequenz zwischen den angelegten hohen Frequenzen verändert. Anders ausgedrückt wird die Betatronschwingungsamplitude mit der Differenz f_i – f_j verändert, wenn die angelegten Frequenzen durch f_i und f_j repräsentiert werden. Ebenso werden die Phasen θ_i und θ_j der Wechselstromsignale der Frequenzen f_i und f_j in bezug auf die Zeit mit verschiedenen Raten verändert, und daher hängt die Veränderung der Betatronschwingungsamplitude bei einer Frequenz f_i – f_j von der Umlaufposition oder der Phase des in dem Beschleuniger umlaufenden Strahls oder von der Auf- und Ab-Position des Strahls ab. Da die Phase der Steigerung der Betatronschwingungsamplitude von der Umlaufposition des Strahls abhängt und da sich die Phasen verändern, wird daher die Anzahl sämtlicher geladener Partikel des erzeugten Strahls zeitbezogen sehr viel weniger als gemäß Anspruch 1 der Erfindung verändert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zyklischer Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum Herbeiführen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer Betatronschwingung zur Abstrahlung des Strahls und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze und damit zum Anregen einer Resonanz der Betatronschwingung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzquelle ein Summensignal ΣA_isin(2πf_it + θ_i) aus mehreren Wechselstromsignalen mit verschiedenen Frequenzen f_i und Phasen θ_i und einer den Frequenzen f_i zugeordneten Amplitude A_i erzeugt, wobei t die Zeit repräsentiert und die Phasen θ_i mit einer vorgegebenen Periode verändert werden.
Die Wechselstromsignale werden durch A_isin(2πf_it + θ_i) repräsentiert, wobei t die Zeit und A_i die Amplitude ist. Die momentane Frequenz wird durch 2πf_i + dθ_i/dt ausgedrückt. Wenn die jeder f_i zugeordnete θ_i in einer vorgegebenen Periode verändert wird, wird auch die Phase der Steigerung der Betatronschwingung für die Bestrahlung ständig verändert. Daher wird die Intensität des erzeugten Strahls gemittelt, wodurch der Strahl zeitbezogen weniger verändert wird.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zyklischer Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum Herbeiführen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer Betatronschwingung zur Abstrahlung des Strahls und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzquelle mehrere thermische Rauschgeneratoren und eine an der Stufe neben den thermischen Rauschgeneratoren vorgesehene Schalteinrichtung zum Auswählen eines der Ausgänge dieser Generatoren in vorgegebenen Zeitintervallen aufweist und basierend auf dem Ausgang des ausgewählten thermischen Rauschgenerator eine Hochfrequenz an den Strahl anlegt.
Damit wird die Phasendifferenz zwischen verschiedenen, an den Strahl anzulegenden Hochfrequenzen mit einer vorgegebenen Periode verändert. Dadurch wird die Phase der Veränderung der Betatronschwingungsamplitude jede Sekunde verändert, und damit wird ein Mittelwert der erzeugten Strahlenintensität erzeugt, so daß die Strahlenintensität weniger verändert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein medizinisches Beschleunigersystem mit einem zyklischen Beschleuniger, einem Transportsystem zum Transportieren eines von dem zyklischen Beschleuniger erzeugten geladenen Partikelstrahls und einer Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des Strahls auf einen Patienten geschaffen, gekennzeichnet durch die Verwendung des in Anspruch 1 beanspruchten zyklischen Beschleunigers als Beschleuniger.
Damit werden die niedrigen Frequenzkomponenten der Amplitudenänderung der Betatronschwingung innerhalb des zyklischen Beschleunigers reduziert, wodurch der erzeugte Strahl zeitbezogen weniger verändert wird. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung zur Behandlung ein Strahl mit einer weniger veränderten Amplitude abgestrahlt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein medizinisches Beschleunigersystem mit einem zyklischen Beschleuniger, einem Transportsystem zum Transportieren eines von dem Beschleuniger erzeugten, geladenen Partikelstrahls und einer Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des Strahls auf einen Patienten geschaffen, gekennzeichnet durch die Verwendung des in Anspruch 2 beanspruchten zyklischen Beschleunigers als Beschleuniger.
Damit wird auch die Phase der Amplitudenveränderung der Betatronschwingung innerhalb des zyklischen Beschleunigers jede Sekunde verändert, und ein Mittelwert der erzeugten Strahlenintensität wird erzeugt, wodurch der erzeugte Strahl zeitbezogen weniger verändert wird. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung zur Behandlung ein Strahl mit weniger veränderter Amplitude abgestrahlt werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein medizinisches Beschleunigersystem mit einem zyklischen Beschleuniger, einem Transportsystem zum Transportieren eines von dem Beschleuniger erzeugten geladenen Partikelstrahls und einer Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des transportierten Strahls auf einen Patienten geschaffen, gekennzeichnet durch die Verwendung des in Anspruch 4 beanspruchten zyklischen Beschleunigers als Beschleuniger.
Damit wird die Phase der Hochfrequenz, die an den Strahl angelegt wird, damit der Strahl von dem Beschleuniger erzeugt werden kann, zeitbezogen verändert. Dementsprechend wird auch die Phase der Amplitudenveränderung der Betatronschwingung jede Sekunde verändert, und ein Mittelwert der erzeugten Strahlenintensität wird erzeugt, wodurch die erzeugte Strahlenintensität zeitbezogen weniger verändert wird. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung zur Behandlung ein Strahl mit weniger veränderter Intensität abgestrahlt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Beschleunigersystems geschaffen, das einen zyklischen Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zur Veranlassung einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer Betatronschwingung zur Abstrahlung des geladenen Partikelstrahls und eine Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung; ein Transportsystem zum Transportieren des von dem zyklischen Beschleuniger erzeugten Strahls und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des transportieren Strahls auf einen Patienten aufweist, wobei das Verfahren die Schritte der Erzeugung eines mehrere Frequenzkomponenten, deren Mindestfrequenzdifferenz im Bereich von 500 Hz bis einschließlich 10 kHz liegt und deren Phasen Phasendifferenzen zwischen den Frequenzkomponenten und andere Werte als ein ganzzahliges Vielfaches von π enthalten, enthaltenden Wechselstromsignals zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze durch die Hochfrequenzquelle, des Anlegens des Wechselstromsignals an den Strahl, damit der Strahl durch den zyklischen Beschleuniger erzeugt werden kann, und des Abstrahlens des Strahls durch die Bestrahlungseinrichtung zur Behandlung umfaßt.
Damit werden die niederfrequenten Komponenten der Amplitudenveränderung der Betatronschwingung in dem zyklischen Beschleuniger verringert, und die erzeugte Strahlenintensität wird zeitbezogen weniger verändert, wodurch von dem Beschleuniger ein Strahl mit einer zeitbezogen weniger veränderten Intensität erzeugt werden kann. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung für die Behandlung ein Strahl mit einer weniger veränderten Amplitude abgestrahlt werden. Insbesondere ist es möglich, die Veränderung des Bestrahlungsstrom unter einige hundert Hz zu verringern, die bei einem Verfahren zur Bestrahlung durch Abtasten mit einem Strahl mit kleinem Durchmesser unterdrückt werden muß.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Beschleunigersystems geschaffen, das einen zyklischen Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum Veranlassen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer Betatronschwingung zum Abstrahlen des geladenen Partikelstrahls und eine Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung, ein Transportsystem zum Transportieren des von dem zyklischen Beschleuniger erzeugten Strahls und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des transportierten Strahls auf einen Patienten aufweist, wobei das Verfahren die Schritte der Erzeugung eines Summensignals aus Signalen durch die Hochfrequenzquelle, deren momentane Frequenzen sich zeitbezogen verändern und bei denen die Durchschnittswerte der momentanen Frequenzen zeitbezogen unterschiedlich sind, des Anlegens des Summensignals an den Strahl, so daß der Strahl durch den zyklischen Beschleuniger erzeugt werden kann, und des Abstrahlens des Strahls für eine Behandlung durch die Bestrahlungsvorrichtung umfaßt.
Damit werden die Phasen mehrerer Hochfrequenzkomponenten, die an den Strahl anzulegen sind, damit der Strahl von dem Beschleuniger erzeugt werden kann, zeitbezogen verändert. Dementsprechend wird auch die Phase der Amplitudenveränderung der Betatronschwingung jede Sekunde verändert, und ein Mittelwert der erzeugten Strahlenintensität wird erzeugt, so daß ein Strahl mit einer weniger veränderten Intensität erzeugt werden kann. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung zur Behandlung ein Strahl mit einer weniger veränderten Intensität abgestrahlt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Beschleunigersystems geschaffen, das einen zyklischen Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum Veranlassen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer Betatronschwingung zum Abstrahlen des geladenen Partikelstrahls und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze und damit zum Anregen einer Resonanz der Betatronschwingung, ein Transportsystem zum Transportieren des von dem zyklischen Beschleuniger erzeugten Strahls und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des transportierten Strahls auf einen Patienten aufweist, wobei das Verfahren die Schritte des Anlegens eines Summensignals ΣA_isin(2πf_it + θ_i), wobei t die Zeit repräsentiert, aus mehreren Wechselstromsignalen mit verschiedenen Hochfrequenzen f_i (i = 1, 2, ..., n), Phasen θ_i und zu den Frequenzen f_i gehörigen Amplituden A_i an den Strahl, wobei sich die Phasen θ_i zeitbezogen mit einer vorgegebenen Periode verändern, des Transports des von dem Beschleuniger erzeugten Strahls durch Anlegen des Hochfrequenzsignals an den Strahl und des Abstrahlens des Strahls durch die Bestrahlungsvorrichtung umfaßt.
Damit werden die Phasen mehrerer Hochfrequenzen, die an den Strahl angelegt werden, damit der Strahl durch den Beschleuniger erzeugt werden kann, in vorgegebenen Zeitintervallen verändert. Dementsprechend wird die Phase der Amplitudenveränderung der Betatronschwingung jede Sekunde verändert, und der Mittelwert der erzeugten Strahlenintensität wird erzeugt, wodurch die erzeugte Strahlenintensität zeitbezogen weniger verändert wird. Daher kann für eine Behandlung von der Bestrahlungsvorrichtung ein Strahl mit einer weniger veränderten Intensität abgestrahlt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm eines medizinischen Beschleunigersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist ein Diagramm einer Bestrahlungsdüse 200 gemäß 1;
3 ist ein Diagramm einer Hochfrequenzquelle 24 gemäß 1;
4 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Phase und der Signalintensität eines an die Elektroden 25 angelegten Hochfrequenzsignals zeigt;
5 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Phase eines an die Elektrode angelegten Hochfrequenzsignals zeigt;
die 6A und 6B sind Diagramme, die ein Bestrahlungsverfahren, bei dem ein Streuer verwendet wird, und die Intensitätsverteilung der Strahlung zeigen;
7 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Phase eines Hochfrequenzsignals bei einem medizinischen Beschleunigersystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
8 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Signalintensität eines Hochfrequenzsignals bei einem medizinischen Beschleunigersystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 ist ein Diagramm, das das Ergebnis einer numerischen Simulation der Intensitätsveränderung des geladenen Partikelstrahls bei den Ausführungsformen gemäß den 7 und 8 zeigt;
10 ist ein Diagramm, das das Ergebnis einer numerischen Simulation der Intensitätsveränderung eines geladenen Partikelstrahls gemäß dem Stand der Technik zeigt;
11 ist ein Blockdiagramm einer Hochfrequenzquelle 24 eines medizinischen Beschleunigersystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
12 ist ein Blockdiagramm einer Hochfrequenzquelle 24 eines medizinischen Beschleunigersystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
Ein medizinisches Beschleunigersystem gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
1 zeigt die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen medizinischen Beschleunigersystems. Bei diesem System werden Protonen injiziert und extrahiert, und der von dem Beschleuniger 111 erzeugte Strahl wird zu einem Behandlungsraum 98 transportiert, um jemandem gegen Krebs zu behandeln. Zur Behandlung wird eine Behandlungsplanvorrichtung 131 verwendet, um auf der Grundlage von Patientendaten eine Strahlenenergie, eine Bestrahlungsdosis und eine Bestrahlungsdauer zu bestimmen und sie an eine Steuereinheit 132 zu übertragen. Die Steuereinheit steuert entsprechend diesen Informationen eine Energiezufuhr 113 sowohl für den Beschleuniger 111 als auch für eine Energieversorgung 112 für Vorrichtungen eines Systems zum Transportieren eines emittierten Strahls und eine Energieversorgung 201 für eine Bestrahlungsvorrichtung eines Bestrahlungssystems für die Behandlung.
Der erfindungsgemäße Beschleuniger 111 umfaßt einen Vorbeschleuniger 16, ein System 17 zum Transportieren eines einfallenden Strahls zum Transportieren des Strahls zu dem Beschleuniger 111, eine Eingangsvorrichtung 15, einen Hochfrequenzbeschleunigungshohlraum 3 zur Versorgung des einfallenden Strahls mit Energie, einen Ablenkungselektromagneten 2 zur Biegung der Umlaufbahn des Strahls, vierpolige Elektromagneten 5, 6 zur Steuerung der Betatronschwingung des Strahls, einen sechspoligen Elektromagneten 9 zum Anregen der Resonanz zum Zeitpunkt der Abstrahlung, Elektroden 25 zum Anlegen eines sich mit der Zeit verändernden hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zur Steigerung der Betatronschwingungsamplitude der Partikel innerhalb einer Stabilitätsgrenze der Resonanz und eine Vorrichtung 4 zum Abstrahlen des Strahls zur Zufuhr der Partikel mit gesteigerter Amplitude zu einem Strahlentransportsystem 102. Das Strahlentransportsystem 102 ist aus Ablenkungselektromagneten 105 und vierpoligen Elektromagneten 104 ausgebildet. Unter diesen Vorrichtungen werden der sechspolige Elektromagnet 9 zur Resonanzerzeugung, die Elektroden 25 zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl, die Strahlenausgabevorrichtung 4 und die vierpoligen Elektromagneten 104 und die Ablenkungselektromagneten 105 des Strahlentransportsystems ausschließlich für den Prozeß der Abstrahlung des beschleunigten Strahls verwendet.
Die Umlaufbahn des über die Einlaßvorrichtung 15 auf den Beschleuniger auftreffenden Strahls wird während des Umlaufs durch die Ablenkungselektromagneten 2 gebogen. Zudem wird der Strahl durch die Einwirkung des vierpoligen Elektromagneten längs der vorgegebenen Umlaufbahn gedreht. Die Frequenz der Betatronschwingung kann durch Verändern der Größe der Anregung der vierpoligen Elektromagneten 5 für die Konvergenz und der vierpoligen Elektromagneten 6 für die Divergenz gesteuert werden. Um eine stabile Zirkulation des einfallenden Strahls in dem Beschleuniger 111 zu veranlassen, ist es erforderlich, daß die Anzahl der Betatronschwingungen pro Vollkreis des Beschleunigers bzw. die Betatronfrequenz (Harmonie) keine Resonanz verursacht. Bei dieser Ausführungsform werden die vierpoligen Elektromagneten 5, 6 so eingestellt, daß die horizontale Harmonie νx und die vertikale Harmonie νy an einen Wert von einer ganzen Zahl + 0,25 oder einer ganzen Zahl + 0,75 angenähert werden können. Unter diesen Umständen kann der Strahl zum stabilen Zirkulieren in dem Beschleuniger gebracht werden, und bei der Zirkulation kann Energie von dem Hochfrequenzbeschleunigungshohlraum an ihn abgegeben werden. Der Strahl wird durch Steigern der Magnetfeldintensitäten des Ablenkungselektromagneten 2 und der vierpoligen Elektromagneten 5, 6 weiter beschleunigt, wobei das Feldintensitätenverhältnis der Magneten konstant gehalten wird. Da das Verhältnis der Feldintensitäten konstant ist, kann die Anzahl der Betatronschwingungen pro Vollkreis des Beschleunigers bzw. die Harmonie konstant gehalten werden.
Beim Extraktionsprozeß werden die Stromquelle der vierpoligen Elektromagneten 5 für die Konvergenz und die Stromquelle der vierpoligen Elektromagneten 6 für die Divergenz so eingestellt, daß die horizontale Harmonie νx einen Wert von einer ganzen Zahl + 1/3 + Δ oder einer ganzen Zahl + 2/3 + Δ haben kann (wobei Δ ein kleiner Wert von ca. 0,01 ist). In der folgenden Beschreibung ist die horizontale Harmonie νx so ausgewählt, daß sie eine ganze Zahl + 1/3 + Δ ist. Dann wird veranlaßt, daß Strom zur Resonanzanregung in den sechspoligen Elektromagneten 9 fließt. Die Intensität des in den sechspoligen Elektromagneten fließenden Stroms wird so bestimmt, daß die Partikel des zirkulierenden Strahls mit großen Betatronschwingungsamplituden jenseits der Stabilitätsgrenze fallen. Der Wert der Stromintensität wird vorab durch Berechnungen oder über wiederholte Bestrahlungsvorgänge geschätzt.
Dann wird das von der Hochfrequenzquelle 24 erzeugte Hochfrequenzsignal über die Elektroden 25 an den Strahl angelegt. 3 ist ein Blockdiagramm der Hochfrequenzquelle 24. Wie in 3 dargestellt, sind die Elektroden 25 plattenförmige Elektroden, die einander horizontal gegenüberliegen, so daß ein zeitbezogen veränderndes Signal an den Strahl angelegt werden kann. Ströme mit entgegengesetzten Vorzeichen werden von der Hochfrequenzquelle 24 an die Elektroden 25 angelegt, wodurch elektrische Felder in den in 3 gezeigten Richtungen erzeugt werden, durch die der geladene Partikelstrahl beeinflußt wird.
Die in 3 gezeigte Hochfrequenzquelle 24 empfängt Signale mit der Strahlenenergie E, der zyklischen Frequenz f_r, der Herausnahmezeit t_ex und der Sollbestrahlungsdosis, die die Steuereinheit 132 entsprechend den Informationen von der Behandlungsplanvorrichtung 131 zugeführt hat, und legt das folgende, sich zeitbezogen verändernde Signal an die Elektroden 25 an. Dies bedeutet, daß die Hochfrequenzquelle 24 auf der Grundlage der Signale von der Steuereinheit 132 ein Summensignal ΣA_isin(2πf_it + θ_i), wobei t die Zeit bezeichnet, aus Wechselstromsignalen mit unterschiedlichen Frequenzen f₁, f₂, ..., f_n (f₁ < f₂ < ... < f_n) und Phasen θ_i (i = 1, 2, ..., n) und zu den Frequenzen f_i (i = 1, 2, ..., n) gehörigen Amplituden A_i (i = 1, 2, ..., n) erzeugt, deren gegenwärtige Frequenzen sich mit der Zeit verändern. Anders ausgedrückt werden die Phasen θ_i der Wechselstromsignale in vorgegebenen Zeitintervallen wiederholt verändert, und das Summensignal wird an die Elektroden 25 angelegt. Die Veränderung der Phase θ_i in bezug auf die Zeit wird so ausgewählt, daß die Phasen θ_i, θ_j, θ_i – θ_j von θ_i, θ_j (i ≠ j, i, j = 1, 2, ..., n) mit einer bestimmten Periode verändert werden können. Mehrere Frequenzen f_i, f₂, ..., f_n umfassen auf der Grundlage der zyklischen Frequenz f_r Werte von f_r/3 bis (1/3 + δ)f_r zwischen den Mindest- und Höchstwerten. Die Frequenzen f₁, f₂, ..., f_n werden so ausgewählt, daß die Differenz zwischen der Frequenz f_i+1 und der daneben liegenden Frequenz f_i im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz liegt. Der Grund für die Auswahl dieser Frequenzkomponenten basiert auf den folgenden Überlegungen.

(a) Die Harmonie des Strahls mit extrem kleiner Betatronschwingungsamplitude ist eine ganze Zahl + 1/3 + δ, wie durch die vierpoligen Elektromagneten bestimmt. Die Harmonie der Partikel, deren Betatronschwingungsamplitude so groß ist, daß sie nahe an der Stabilitätsgrenze liegt, wird um δ von diesem Wert abgelenkt, so daß sie nahe an einem Wert von einer ganzen Zahl + 1/3 liegt. Dadurch sind die Harmonien der Strahlen Partikel, deren Schwingungsamplituden zwischen diesen Werten liegen, gleichmäßig zwischen den Werten einer natürlichen Zahl + 1/3 + δ und einer natürlichen Zahl + 1/3 verteilt.
(b) Zur effektiven Steigerung der Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls ist es erforderlich, eine Hochfrequenz nahe der Betatronschwingungsfrequenz an den geladenen Partikelstrahl anzulegen.
(c) Die Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikel strahls wird bei den Frequenzdifferenzen f_i – f_j (i, j = 1, 2, ..., n) zwischen den hohen Frequenzen f₁, f₂, ..., f_n verändert, und daher wird der Strahlenstrom mit den gleichen Frequenzen verändert. Daher wird die Frequenz f_i (i = 1, 2, ..., n) so bestimmt, daß die Frequenzdifferenz f_i+1 – f_i 500 Hz beträgt oder höher ist, was bei einer Abtastung mit einem Strahl mit kleinem Durchmesser wünschenswert ist. Wenn die Frequenzdifferenz f_i+1 – f_i so gewählt wird, daß sie 10 kHz oder mehr beträgt, ist es schwierig, die Betatronschwingungsamplitude durch Hochfrequenzen mit einer praktischen Energie effektiv zu steigern.

Wenn eine sekundäre Resonanz als Betatronschwingungsresonanz verwendet wird, wird die Harmonie so ausgewählt, daß sie nahe bei einer ganzen Zahl + 1/2 liegt. Die Frequenzbandbreite ist die gleiche wie vorstehend beschrieben.
Die Phase θ_i (i = 1, 2, ..., n) des Signals A_isin(2πf_it + θ_i) bei der Frequenz f_i wird in Zeitintervallen Δt m Mal (m: eine natürliche Zahl) auf θ₁, θ₂, ..., θ_m verändert. Nach einer m-maligen Veränderung wird die gleiche Phasenänderung mit einer Periode T_exrf = mΔt wiederholt.
Obwohl die Periode T_exrf später beschrieben wird, wird bei dieser Ausführungsform die Periode T_exrf, mit der die Phase verändert wird, als zyklische Periode T (= 1/f_r) des Strahlenbeschleunigers verwendet, und die ausgewählte Anzahl an Unterteilungen m ist m = 4. 4 zeigt die Veränderungen der Phase θ_i der Signalfrequenz f_i und die Signalintensität der Frequenz f_i (i = 1, 2, ..., n). Die Periode T gemäß 4 entspricht T_exrf. Die Phase jeder Frequenz f_i zum Zeitpunkt t₀ + kT_exrf (k: eine ganze Zahl) beträgt θ_i1, und nach dem Verstreichen der Zeitspanne Δt bzw. zum Zeitpunkt t = t₀ + Δt + kT_exrf wird die Phase auf θ_i2 geändert. Diese Phasenänderung erfolgt für jede Frequenz f_i. Ähnlich wird die Phase zum Zeitpunkt t = t₀ + 2Δt + kT_exrf auf die ursprüngliche Phase θ_i3 und zum Zeitpunkt t = t₀ + 3Δt + kT_exrf auf θ_i4 geändert. Wenn m > 4 gilt, wird die Phase in Intervallen Δt, ... und bei t = t₀ + Δt(m – 1) + kT_exrf = t₀ + T – Δt + kT_exrf auf θ_im geändert. Nach dem Verstreichen der Periode T_exrf, mit der die Phase verändert wird, wird die Phase θ_i jeder Frequenz f_i erneut auf θ_i1 zurückgesetzt, und die vorstehend beschriebene Phasenveränderung wird wiederholt. Ähnlich wird die Phase θ_j jeder Frequenz f_i verändert, wie in 5 gezeigt. Die zu verändernde Phase θ_j wird so gewählt, daß die Phasendifferenz θ_ik – θ_jk (wobei i ≠ j gilt) zwischen den unterschiedlichen Frequenzen f_i und f_j jede Δt verändert wird. Dann wird die Summe ΣA_isin(2πf_it + θ_i) der verschiedenen Frequenzsignale geschätzt und an die Elektroden 25 angelegt.
Wenn das Hochfrequenzsignal an die Elektroden 25 angelegt wird, wird der Gradient des Strahls im Umlauf durch die Wirkung der elektrischen und magnetischen Felder verändert und beginnt, die Betatronschwingungsamplitude des Strahls zu steigern. Die Betatronschwingungsamplitude der Partikel, die die Stabilitätsgrenze übersteigen, wird durch die Resonanz rasch gesteigert. Die Partikel, die eine Resonanz der Betatronschwingung verursacht haben, werden nach der Intensivierung der Schwingung von der Strahlenausgabevorrichtung 4 abgestrahlt. Wenn die Betatronschwingungsamplitude auf diese Weise verändert wird, werden Differenzfrequenzkomponenten zwischen der Betatronschwingungsfrequenz f_β und den extern angelegten Hochfrequenzen und zwischen diesen extern angelegten Hochfrequenzen verursacht. Anders ausgedrückt betragen, wenn die an den geladenen Partikelstrahl angelegten Hochfrequenzen durch f₁, f₂, ..., f_n (f₁ < f₂ ... < f_n) ausgedrückt werden, die Frequenzdifferenzen zwischen der Betatronschwingungsfrequenz f_β und den extern angelegten Hochfrequenzen f₁ – f_β, f₂ – f_β, f_n – f_β. Zudem beträgt die maximale Frequenzdifferenz zwischen den angelegten Hochfrequenzen f_n – f₁, und die minimale ist die niedrigste Frequenz der Frequenzdifferenzen f_i – f_j (i, j: 1, 2, ..., n und i ≠ j) zwischen den Frequenzen f₁, f₂, ..., f_n. Diese Frequenzkomponenten treten als die Betatronschwingungsamplitude verändernde Komponenten auf. Bei medizinischen Beschleunigersystemen hat die maximale Frequenzdifferenz f_n – f₁ in etwa zweistellige kHz-Werte.
Bei dieser Ausführungsform werden auch die Phasen der Frequenzkomponenten f_i – f_β, f_i – f_j (i, j = 1, 2, ..., n, i ≠ j) der Betatronschwingungsamplitude durch Verändern der Hochfrequenzen f₁, f₂, f_n alle Δt in Intervallen Δt verändert. Daher unterscheiden sich beispielsweise die Phasen der Frequenzkomponenten f_i – f_β, f_i – f_j (i, j = 1, 2, ..., n, i ≠ j) der Betatronschwingungsamplitudenveränderung des geladenen Partikelstrahls, an den zum Zeitpunkt t₀ + kT_exrf (k: 0, 1, 2, ..., m) die Hochfrequenz mit der Phase θ_i1 angelegt wurde, von denen des geladenen Partikelstrahls, an den zum Zeitpunkt t = t₀ + Δt + kT_exrf (k: 0, 2, 2, ..., m) die Hochfrequenz mit der Phase θ_i2 angelegt wurde. Wenn der geladene Partikelstrahl, dessen Betatronschwingungsamplitude geringfügig kleiner als die Stabilitätsgrenze ist, zum Zeitpunkt t = t₀ + kT_exrf, to = t₀ + Δt + kT_exrf, t = t₀ + 2Δt + kT_exrf, ... t = t₀ + (k – 1)Δt + kT_exrf (k: 0, 1, 2, ..., m) die Hochfrequenzelektroden passiert, enthält er durch die Wiederholung dieser Phasenveränderungen aufgrund der Phasendifferenz zwischen den Hochfrequenzen einen Teil-Strahl, der die Stabilitätsgrenze übersteigt, und einen Teil-Strahl, der die Stabilitätsgrenze nicht übersteigt. Der Strahl, der die Hochfrequenzelektroden bei t = t₀ + Δt + kT_exrf passiert hat, ist beispielsweise in der Phase, in der die Betatronschwingungsamplitude zunimmt, und wird daher abgestrahlt, doch der Strahl, der die Elektroden bei t = t_o + (k – 1)Δt + kT_exrf passiert hat, ist in der Phase, in der die Amplitude abnimmt, und wird daher nicht abgestrahlt. Anders ausgedrückt wird der Strahl in Abhängigkeit davon abgestrahlt oder nicht, ob er die Hochfrequenzelektroden in bezug auf Δt früh oder spät passiert. Wenn die Zeit weiter vergeht, tritt das umgekehrte Phänomen auf. Obwohl der Strahl nur Δt vorher abgestrahlt wird, wird er Δt danach nicht abgestrahlt. Daher wird die Intensitätsveränderung des abzustrahlenden Strahls innerhalb jedes der Zeitintervalle von t = t₀ + kT_exrf bis t = t₀ + (k + 1)T_exrf, von t = t₀ + (k + 1)T_exrf bis t = t₀ + (k + 2)T_exrf und von t = t₀ + (n + 2)T_exrf bis t = t₀ + (n + 3)T_exrf verringert. Da die zeitbezogene Veränderung der momentanen Frequenz bzw. die Veränderung der Phase für jede Frequenz f_i (i = 1, 2, ..., n) ausgeführt wird, ist die Veränderung der Frequenzkomponenten f_i – f_β, f_i – f_j (i, j = 1, 2, ..., n, i ≠ j) von zweistelligen kHz-Werten oder darunter des Strahlenstroms sehr klein.
In 3 ist ein Computer 133 der Hochfrequenzquelle 24 gezeigt. Dieser Computer 133 berechnet auf der Grundlage der die Strahlenenergie E betreffenden Informationen und der von der Steuereinheit 132 des in 1 gezeigten Beschleunigers 111 zugeführten zyklischen Frequenz f_r die für eine Abstrahlung anzulegende Hochfrequenz f_i (i = 1, 2, ..., n). Gleichzeitig empfangt der Computer 133 von der Steuereinheit 132 die Anzahl m der Unterteilungen, in die die für einen Umlauf des geladenen Partikelstrahls in dem zyklischen Beschleuniger erforderliche Zeitspanne T unterteilt ist. Daher kann die Phasenänderungszeit Δt anhand des Ausdrucks Δt = T_exrf (= T)/m berechnet werden. Der Computer 133 erzeugt auf der Grundlage der Anzahl n der Frequenzkomponenten und der Anzahl m der Unterteilungen Daten der Phase θ_ik (i = 1, 2, ..., n; k = 1, 2, ..., m) für die Frequenz f_i (i = 1, 2, ..., n). Bei dieser Ausführungsform wird die Phase θ_ik (i = 1, 2, ..., n; k = 1, 2, ..., m) anhand von Zufallszahlen erzeugt, die π werden, wenn von 0 bis 2π ein Mittelwert erzeugt wird. Zudem wird das Summensignal Σ_Aisin(2πf_it + θ_i1) der Wechselstromsignale der verschiedenen Frequenzen über das Intervall von t = 0 bis Δt berechnet, wobei A_i die Amplitude bei der Frequenz f_i (i = 1, 2, ..., n) ist, und dann wird ΣA_isin(2πf_it + θ_i2) über das Intervall von t = Δt bis 2Δt berechnet. Diese Operationen werden wiederholt, um ΣA_isin(2πf_it + θ_im) über das Intervall von t = (m – 1)Δt bis mΔt zu erzeugen. Überdies werden ΣA_isin(2πf_it + θ_i1) über das Intervall von t = T_exrf bis Δt + T_exrf, ΣA_isin(2πf_it + θ_i2) über das Intervall von t = T_exrf + Δt bis T_exrf + 2Δt, etc. berechnet. Die Ergebnisse der Berechnung werden in einem Speicher 30 für Schwingungsformdaten gespeichert. Der Ausgang des Speichers 30 wird durch einen D/A-Wandler 27 in ein analoges Signal umgewandelt, von einem Verstärker 28 verstärkt und über Elektroden 25 an den geladenen Partikelstrahl angelegt. Je kürzer die Phasenveränderungszeit Δt ist, desto mehr kann die zeitbezogene Veränderung des Bestrahlungsstroms verringert werden. Es wird jedoch nötig, die Größe des Speichers 30 für die Schwingungsformdaten zu erhöhen, die Abtastzeit des D/A-Wandlers zu verkürzen und ein breites Frequenzband für den Verstärker 28 und die Elektroden 25 vorzusehen. Daher sollte die Phasenänderungszeit Δt unter Berücksichtigung dieser Merkmale bestimmt werden.
Die im Speicher 30 für die Schwingungsformdaten zu speichernden Daten werden für jede abzustrahlende Strahlenenergie erzeugt. Die für die Emission anzulegenden Hochfrequenzen f_i (i = 1, 2, n) im Bereich von der Frequenz f₁ bis f_n sind basierend auf der Umkehrung der Periode T oder der zyklischen Frequenz f_r auf den Bereich von ca. f_r/3 bis (1/3 + δ)f_r begrenzt. Der Wert δ wird so gewählt, daß er auch bei Berücksichtigung des Umstands, daß die Harmonie aufgrund der Impulsdifferenz des Strahls verändert wird, groß genug ist. Wenn der geladene Partikelstrahl von dem Beschleuniger beschleunigt und erzeugt wird, werden entsprechend den Strahlenenergieinformationen von der Steuereinheit 132 Schwingungsformdaten aus dem Speicher 30 gelesen und an den D/A-Wandler 27 übertragen.
Das analoge Hochfrequenzsignal von dem D/A-Wandler 27 wird von dem Verstärker 28 verstärkt und über die Elektroden 25 an den geladenen Partikelstrahl angelegt, wie in 3 gezeigt. Wenn der Strahl aus dem Beschleuniger entfernt wird, wird der Verstärkungsgrad des Verstärkers 28 durch den Ausgang eines durch das Signal von einer Steuereinheit 134 gesteuerten Speichers 31 verändert. Die Muster dieser Veränderung in bezug auf die Zeit sind ebenfalls für jede Strahlenenergie E und für jede Abstrahlzeit T_ex im Speicher 31 gespeichert. Daher erfolgt die zeitbezogene Veränderung der an den Strahl anzulegenden Hochfrequenzen, um die Anzahl der pro Zeiteinheit abgestrahlten Partikel konstant zu halten. Unmittelbar nach dem Beginn der Emission befinden sich viele Partikel innerhalb der Stabilitätsgrenze, und wenn die Emission fortschreitet, nimmt die Anzahl der Partikel innerhalb der Stabilitätsgrenze ab. Da die Anzahl der pro Zeiteinheit abgestrahlten Partikel proportional zum Produkt der Partikel innerhalb der Stabilitätsgrenze und der Geschwindigkeit ist, mit der Betatronschwingung die Stabilitätsgrenze übersteigt, wird die an den Strahl anzulegende Hochfrequenzspannung mit dem Fortschreiten der Eimission gesteigert, wodurch es möglich wird, die Anzahl der pro Zeiteinheit abgestrahlten Partikel konstant zu halten. Da die Strahlenenergie, die Bestrahlungsdosis und die Bestrahlungszeit durch den Patienten und das erkrankte Teil betreffende Informationen bestimmt wird, wird das diesen Informationen entsprechende Signal von der Steuereinheit 132 an die Steuereinheit 134 gesendet, und ein geeignetes Muster wird aus dem Speicher 31, in dem vorab Verstärkungsmuster betreffende Daten gespeichert werden, gelesen und dem Verstärker 28 zugeführt, so daß der Strahl abgestrahlt werden kann.
Bei dieser Ausführungsform ist die Periode T_exrf, mit der die Phase verändert wird, die zyklische Periode T des geladenen Partikelstrahls, und Δt ist T geteilt durch eine positive ganze Zahl. Daher enthält das von der Hochfrequenzquelle 24 an den geladenen Partikelstrahl anzulegende Wechselstromsignal nicht nur einen Frequenzbereich von f₁ bis f_n, sondern auch die Frequenzbereiche mit gleicher Bandbreite von f_r + f₁ bis f_r + f_n, von 2f_r + f₁ bis 2f_r + f_n, von 3f_r + f₁ bis 3f_r + f_n, ..., von Band zu Band um f_r verschoben. Diese Frequenzkomponenten erstrecken sich bis maximal ca. 1/(2Δt). Daher entspricht der Bereich der an den geladenen Partikelstrahl anzulegenden Frequenzkomponenten im wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der zyklischen Frequenz + der Betatronschwingungsfrequenz, so daß die Betatronschwingungsamplitude effektiv gesteigert werden kann. Dementsprechend müssen die Verstärker 28 der Hochfrequenzquelle 24 und die Elektroden 25 solche Breitbandfrequenzcharakteristika aufweisen, daß diese Hochfrequenzen alle ohne Dämpfung an den geladenen Partikelstrahl angelegt werden können. Wenn die Anzahl m der Unterteilungen und Δt jeweils groß und klein eingestellt werden, werden höhere Frequenzkomponenten verursacht, und daher ist es erforderlich, die Merkmale des Verstärkers 28 und der Elektroden 25 entsprechend den höheren Frequenzkomponenten zu verbessern.
Die Periode T_exrf, mit der die Phase verändert wird, sollte so ausgewählt werden, daß sie in etwa der zyklischen Periode T (= 1/f_r) des geladenen Partikelstrahls oder einer den bei der zeitbezogenen Veränderung des Strahlenemissions-stroms wesentlichen Frequenzkomponenten entsprechenden Periode oder einem zweistelligen kHz-Wert, nämlich etwa einigen Duzend μs, entsprechen. Der Grund dafür ist, daß die an den geladenen Partikelstrahl anzulegenden Hochfrequenzkomponenten Komponenten enthalten, die die Betatronschwingungsamplitude nicht effektiv steigern können, wenn die Phase in den anderen Perioden verändert wird, wodurch eine effektive Verwendung der Leistung der Hochfrequenzquelle verhindert wird. Wenn T_exrf = T (die zyklische Periode des geladenen Partikelstrahls) gilt, erstreckt sich das von der Hochfrequenzquelle 24 erzeugte Hochfrequenzspektrum aufgrund der zeitbezogenen Veränderung der gegenwärtigen Frequenz nicht nur über einen Bereich von f₁ bis f_n, sondern auch auf die Bereiche in etwa von f_r + f₁ bis f_r + f_n, 2f_r + f₁ bis 2f_r + f_n, ..., von 6f_r + f₁ bis 6f_r + f_n. Hier ist f_r die zyklische Frequenz des geladenen Partikelstrahls und die Umkehrung der Periode T, mit der die momentane Frequenz verändert wird. Der Verstärker 28 der Hochfrequenzquelle 24 und der Elektroden 25 müssen Frequenzcharakteristika aufweisen, die breit genug sind, um ein Anlegen dieser Hochfrequenzen an den geladenen Partikelstrahl ohne eine Dämpfung zu ermöglichen. Wenn die Anzahl m der Unterteilungen und Δt jeweils groß und klein sind, werden höhere Frequenzkomponenten verursacht, und daher ist die Verwendung eines Verstärkers 28 und von Elektroden 25 erforderlich, die zur Handhabung derartiger höherer Frequenzkomponenten geeignet sind.
Wenn die Periode T_exrf, mit der die Phase verändert wird, zur Unterdrückung einer zeitbezogenen Veränderung des abgestrahlten Strahlenstroms so gewählt wird, daß sie entsprechend der Frequenz (zwölffachen kHz-Werten) ca. 50 μs beträgt, wird die niedrigste Frequenz des von der Hochfrequenzquelle 24 erzeugten Hochfrequenzspektrums in bezug auf die Frequenz f₁ um etwa einige Duzend kHz verringert, wogegen seine höchste Frequenz ähnlich in bezug auf die Frequenz f_n um einige Duzend kHz erhöht wird. Daher wird die Effizienz der Hochfrequenz-energie zur Veränderung der Betatronschwingungsamplitude leicht verringert. Derartige höhere Frequenzkomponenten wie die Bereiche von f_r + f₁ bis f_r + f_n und von 2f_r + f₁ bis 2f_r + f_n, die verursacht werden, wenn T_exrf = T gilt, werden jedoch nicht erzeugt. Daher benötigen der Verstärker 28 der Hochfrequenzquelle 24 und die Elektroden 25 kein breites Frequenzband, wie es erforderlich ist, wenn die Phasenveränderungsperiode T_exrf so ausgewählt wird, daß sie die zyklische Periode T des geladenen Partikelstrahls ist.
Der von dem Beschleuniger 111 erzeugte und über das Transportsystem 102 zum Behandlungsraum 98 transportierte Strahl wird durch eine Rotationsbestrahlungsvorrichtung auf einen Patienten abgestrahlt. Das Transportsystem 102 weist einen zum Messen des Strahlenstroms oder der im wesentlichen zum Strahlenstrom proportionalen Strahlungsmenge vorgesehenen Monitor 32 auf. Eine in 3 gezeigte Vergleichseinrichtung 34 vergleicht den Ausgang dieses Monitors 32 mit einem Sollwert 33 des von der Steuereinheit 132 über den Computer 133 übertragenen Strahlenstroms. Der Verstärker 28 der Hochfrequenzquelle 24 wird auf der Grundlage der Differenz von der Vergleichseinrichtung gesteuert, wodurch die an den geladenen Partikelstrahl angelegte Hochfrequenzenergie so gesteuert wird, daß ein Sollstrahlenstrom erzeugt werden kann. Das von der Vergleichseinrichtung 34 erzeugte Signal zur Steuerung des Verstärkers 28 dient der Steigerung oder Verringerung des Verstärkungsgrads des Verstärkers 28 entsprechend der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Sollwert des Bestrahlungsstroms.
Wenn Fälle auftreten, in denen sich die Strahlenenergie E selbst bei der gleichen Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Sollwert unterscheidet, wird die Größe der Steigerung oder Verringerung des Verstärkungsgrads entsprechend der vom Computer 133 zugeführten Strahlenenergie E verändert. Daher wird erfindungsgemäß durch Verändern der Phasen der Hochfrequenzen oder der momentanen Frequenz mit der Zeit die zeitbezogene Veränderung des durch die Hochfrequenzen erzeugten Strahlenstroms für die Emission verringert, und die Veränderung des Stroms aufgrund der anderen Ursachen wird durch die vorstehend erwähnte Steuerung gelöst, wodurch veranlaßt wird, daß der Strom konstant gehalten wird.
Nachstehend wird die im Behandlungsraum 98 vorgesehene Rotationsbestrahlungsvorrichtung 110 beschrieben. Die Rotationsbestrahlungsvorrichtung 110 kann durch die in 1 gezeigte Drehachse den Strahl aus jedem Winkel auf den Patienten abstrahlen. Die Rotationsbestrahlungsvorrichtung weist die vierpoligen Elektromagneten 104 und Ablenkungselektromagneten 105 zum Transportieren des von dem Beschleuniger 111 erzeugten Strahls zu dem zu bestrahlenden Objekt und die Stromzufuhr 112 zur Zufuhr von Strom zu den vierpoligen Elektromagnten 104 und den Ablenkungselektromagneten 105 auf.
Die Rotationsbestrahlungsvorrichtung 110 weist auch die Bestrahlungsdüse 200 auf. Die Düse 200 weist Elektromagneten 220, 221 zum Bewegen der Bestrahlungsdüse in der x-Richtung und der y-Richtung auf. Hier ist die x-Richtung die zur Ablenkungsebene des Ablenkungselektromagneten 105 parallele Richtung und die y-Richtung die zur Ablenkungsebene des Ablenkungselektromagneten 105 senkrechte Richtung. Die Stromzufuhr 201 zur Zufuhr von Strom ist mit den Elektromagneten 220, 221 verbunden. 2 zeigt die Bestrahlungsdüse 200. Ein Streuer 300 zur Steigerung des Strahlendurchmessers ist unter den Elektromagneten 220, 221 vorgesehen. Ein Bestrahlungsmengenmonitor 301 zum Messen der Bestrahlungsmengenverteilung des Strahls ist ebenfalls unter dem Streuer 300 vorgesehen. Überdies ist ein Kollimator 226 unmittelbar vor dem Patienten als zu bestrahlendes Objekt vorgesehen, um eine Beschädigung der gesunden Zellen um das betroffene Teil zu verhindern.
Die 6A und 6B zeigen den durch den Streuer 300 vergrößerten Strahl und seine Intensitätsverteilung. Der durch den Streuer erweiterte Strahl nimmt eine im wesentlichen Gauss'sche Verteilung an und wird von den Elektromagneten 220, 221 so abgelenkt, daß eine kreisförmige Abtastung erfolgt. Der Radius r des Abtastkreises wird so ausgewählt, daß er in etwa 1,1 bis 1,2 Mal so groß wie der Durchmesser des von dem Streuer erweiterten geladenen Partikelstrahls ist. Das Ergebnis ist, daß der innerhalb der kreisförmigen Spur des Abtastzentrums abgestrahlte geladene Partikelstrahlabschnitt eine flache Integrationsintensitätsverteilung annimmt. Daher wird die Behandlungsplanvorrichtung 131 zum vorherigen Festlegen der Bestrahlungsposition (X_i, Y_i) (i = 1, 2, ..., n) des Strahls und einer erforderlichen Bestrahlungsdosis verwendet, und nach der Bestrahlung wird die Tatsache, daß ein Strahl mit der erforderlichen Dosis abgestrahlt wurde, von dem Bestrahlungsmengenmonitor 301 bestätigt. Dann wird die Bestrahlungsposition verändert, und die Bestrahlungsprozedur wird wiederholt, wodurch eine gleichmäßige Abstrahlung des Strahls auf das erkrankte Teil ermöglicht wird.
Wenn sich der Körper eines Patienten aufgrund seiner Atmung oder anderer Faktoren bewegt, wird ein die Bewegung des Körpers des Patienten angebendes Signal an die Steuerung gesendet, damit die Abstrahlung des geladenen Partikelstrahls dringlich eingestellt wird. In diesem Fall wird von dem Bestrahlungssystem ein Signal für einen dringlichen Abbruch gesendet, und ferner wird ein Dosisbeendigungssignal gesendet, wenn der Dosimeter des Bestrahlungssystems erfaßt, daß ein Strahl mit der Solldosis abgestrahlt wurde. Auf der Grundlage dieser Signale sendet ein in der Hochfrequenzquelle 24 vorgesehener Unterbrechungsgenerator 35 ein Steuersignal zum Stoppen der Hochfrequenzen an die Steuereinheit 134, und ein in der Hochfrequenzquelle 24 vorgesehener Hochfrequenzschalter 36 beendet das Anlegen der Hochfrequenzen an die Elektroden 25. Daher wird durch Unterbrechen der Hochfrequenzen von der Hochfrequenzquelle 24 eine Unterbrechung der Abstrahlung des geladenen Partikelstrahls in kurzer Zeit ermöglicht. Zudem können mehrere Hochfrequenzunterbrechungseinrichtungen in der Hochfrequenzquelle 24 vorgesehen sein, wodurch eine noch sicherere Beendigung der Abstrahlung des Strahls ermöglicht wird.
Ausführungsform 2
Die zweite Ausführungsform der Erfindung wird beschrieben.
Das System gemäß der zweiten Ausführungsform hat den gleichen Aufbau wie das gemäß der ersten Ausführungsform. In der in 3 gezeigten Hochfre-quenzquelle erzeugt der Computer 33 das durch das durch das Summensignal ΣA_isin(2πf_it + B_isin(2πt/T_exrf + ϕ_i)) ausgedrückte Hochfrequenzsignal aus verschiedenen Frequenzen f_i, wobei t die Zeit, f_r die zyklische Frequenz des Strahls, f_i die Frequenzen der Signale (i = 1, 2, ..., n), ϕ_i die Phase jeder Frequenz f_i, A_i die Amplitude und B_i eine Konstante repräsentieren. Die Daten dieses Hochfrequenzsignals sind in dem Speicher 30 gespeichert. Bei diesem Hochfrequenzsignal wird die Phase mit der Periode T_exrf verändert, wodurch die momentane Frequenz des Signals wie bei der ersten Ausführungsform verändert wird. Wenn der Strahl abgestrahlt wird, werden die Daten aus dem Speicher 30 gelesen und an den D/A-Wandler 27 gesendet, wo sie in ein analoges Signal umgewandelt werden. Das analoge Signal wird von dem Verstärker 28 verstärkt und über die Elektroden 25 an den Strahl angelegt. Die Methode, nach der mehrere Frequenzen f_i (i = 1, 2, ..., n) ausgewählt werden, ist genau die gleiche wie bei der Ausführungsform 1. Die n Phasen ϕ_i (i = 1, 2, ..., n) werden aus Zufallszahlen mit dem Mittelwert π im Bereich von 0 bis 2π ausgewählt. Die Konstante B_i sollte bei dieser Ausführungsform so ausgewählt werden, dass sie groß ist oder 2π beträgt.
Wenn T_exrf so gewählt wird, daß es die Periode T ist, mit der der Strahl umläuft, hat das Signal A_isin(2πf_it + 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)) das Frequenzspektrum L/T_exrf ± f_i = L·f_r ± f_i (L = 1, 2, ..., eine ganze Zahl nahe B_i). Anders ausgedrückt ist das Frequenzspektrum durch ein ganzzahliges Vielfaches der zyklischen Frequenz f_r von der ursprünglichen f_i getrennt. Obwohl die Geschwindigkeit, mit der die Betatronschwingungsamplitude des Strahls gesteigert wird, nicht verringert wird, ist es erforderlich, daß der Verstärker 28 und die Elektroden 25 derartige Frequenzcharakteristika aufweisen, daß sie diese Frequenzkomponenten, wie gemäß der Ausführungsform 1, nicht dämpfen.
Wenn T_exrf so gewählt wird, daß sie ca. 50 μs beträgt oder daß 1/T_exrf ca. 20 kHz beträgt, hat das Signal A_isin(2πf_it + 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)) das Frequenzspektrum L/T_exrf ± f_i = L·f_r ± f_i (L = 1, 2, ..., eine ganze Zahl nahe B_i). Anders ausgedrückt wird das Frequenzspektrum gegenüber der ursprünglichen f_i um ein ganzzahliges Vielfaches von 20 kHz erweitert, und die Geschwindigkeit der Steigerung der Betatronschwingungsamplitude des Strahls wird verringert. Die Phasen 2πsin(2πf_rt + ϕ₁) und 2πsin(2πf_rt + ϕ₂), die die momentane Frequenz des Signals sin(2πf_it + 2πsin(2πf_rt + ϕ_i)) (i = 1, 2, ..., n) verändern, wobei T_exrf = T gilt, sind in 7 als Phase 1 und Phase 2 gezeigt. Zudem zeigt 8 die Intensitätsveränderungen eines zur Phase 1 gehörigen Signals 1 = sin(2πf₁t + 2πsin(2πf_rt + ϕ₁) und eines zur Phase 2 gehörigen Signals 2 = sin(2πf₂t + 2πsin(2πf_rt + ϕ₂). Die Abszissen in den 7 und 8 basieren auf der zyklischen Periode T des Strahls. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß sich die Phasen der an den Strahl anzulegenden Hochfrequenzsignale bei einer Veränderung der Umlaufposition des Strahls verändern und daß sich daher die Phase der Veränderung der Betatronschwingungsamplitude mit der Veränderung der Umlaufposition verändert.
9 zeigt die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Intensitätsveränderung des beim Anlegen der Hochfrequenzen gemäß dieser Ausführungsform an den Strahl abgestrahlten geladenen Partikelstrahls. Überdies zeigt 10 die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Intensitätsveränderung des Strahls beim Stand der Technik, bei dem die Phasen der Hochfrequenzen für die Emission konstant gehalten werden. Die Abszissen in den 9 und 10 repräsentieren die Anzahl der Umläufe bzw. die Zeit, und die Ordinaten sind die relativen Werte der abgestrahlten Partikelzahlen. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß die Anzahl der abgestrahlten Partikel bei der Erfindung effektiver konstant gehalten werden kann. Dies bedeutet, daß beim Stand der Technik die Phase der Steigerung der Betatronschwingungsamplitude nicht von der Umlaufposition abhängt, da die momentane Frequenz des Wechselstromsignals mit der Frequenz f_i ohne Phasenänderung konstant ist. Wenn der Strahl abgestrahlt wird, wird daher der Strahl in der Umlaufrichtung von der Spitze bis zur hinteren Hälfte abgestrahlt. Wenn dagegen kein Strahl abgestrahlt wird, wird der Strahl von der Spitze bis zur hinteren Hälfte in der Umlaufrichtung nicht abgestrahlt. Daher traten die Frequenzkomponenten f_i – f_β, f_i – f_j bei der Intensitätsveränderung des abgestrahlten Strahls in bezug auf die Zeit klar auf.
Ausführungsform 3
Die dritte Ausführungsform der Erfindung wird beschrieben.
Der Aufbau dieser Ausführungsform stimmt mit Ausnahme des Aufbaus der Hochfrequenzquelle mit dem der ersten und der zweiten Ausführungsform überein. 11 zeigt die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform. Die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform verwendet n Oszillatoren 400 mit Frequenzen f_i/k (i = 1, 2, ..., n), wobei k eine hinreichend große ganze Zahl ist. Die Signale von den Oszillatoren 400 mit den Frequenzen f_i/k werden durch Phasenverschiebungseinrichtungen 401 um 90 Grad phasenverschoben. Wenn das Signal von dem Oszillator 400 mit der Frequenz f₁/k durch sin(2π(f_i/k)t) repräsentiert wird, kann das um 90 Grad verschobene Signal durch cos(2π(f_i/k)t) repräsentiert werden. Ein Oszillator 402 wird zur Erzeugung eines Signals 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)/k zur Erzeugung eines Produktsignals verwendet, wobei T_exrf der gleiche Wert wie gemäß den Ausführungsformen 1, 2 bzw. die Periode ist, mit der die Phase verändert wird, und ϕ_i die Phase ist. Das Signal cos(2π(f_i/k)t) wird mit dem Signal 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)/k multipliziert, um das Produktsignal 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)·cos(2π(f_i/k)t)/k zu erzeugen. Wenn das Produktsignal zu sin(2π(f_i/k)t) addiert wird, wird das Signal sin(2π(f_i/k)t + 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)·cos(2π(f_i/k)t)/k erzeugt. Dieses addierte Produktsignal kann durch sin(2π(f_i/k)t + 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)/k) ausgedrückt werden, wenn berücksichtigt wird, daß 2π/k klein genug ist. Wenn dieses Signal einer Multiplikationseinrichtung 403 zum Multiplizieren der Frequenz mit k zugeführt wird, kann von der Multiplikationseinrichtung der Ausgang sin(2πf_it + 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)) erzeugt werden. Die Ausgänge der Oszillatoren 400 mit den Frequenzen f_i/k (k = 1, 2, ..., n) werden auf genau die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben verarbeitet, und die Ausgänge der Multiplikationseinrichtungen 403 werden schließlich durch eine Addiereinrichtung 404 addiert, um das Signal ΣA_isin(2πf_it + 2πsin(2πt/T_exrf + ϕ_i)) zu erzeugen, wobei T_exrf als zyklische Periode T des geladenen Partikelstrahls bezeichnet wird oder so ausgewählt werden kann, daß sie, wie bei den Ausführungsformen 1, 2, ca. 50 μs beträgt. Der Ausgang der Addiereinrichtung 404 wird von dem Verstärker 28 verstärkt und dann an die Elektroden 25 angelegt, wodurch die gleiche Wirkung wie bei den Ausführungsformen 1, 2 erzielt wird. Diese Ausführungsform kann aus analogen Schaltungselementen aufgebaut sein und hat daher den Vorteil, daß sie nicht die Bedingungen für die Speichergröße und die Abtastzeit des D/A-Wandlers erfüllen muß, die bei den Ausführungen 1, 2 aus digitalen Schaltungen benötigt werden. Die Frequenzcharakteristika des Verstärkers 28 und der Elektroden 25 müssen die gleichen wie bei den Ausführungsformen 1, 2 sein.
Ausführungsform 4
Die vierte Ausführungsform der Erfindung wird beschrieben.
Der Aufbau dieser Ausführungsform stimmt mit Ausnahme des Aufbaus der Hochfrequenzquelle mit dem der Ausführungsformen 1, 2 überein. 12 zeigt die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform. Die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform verwendet m verschiedene weiße Rauschquellen 40. Der Ausgang jeder der weißen Rauschquellen 40 wird einem Bandpaßfilter 41 zugeführt, und dieses Bandpaßfilter erzeugt ein kontinuierliches Hochfrequenzspektrum im Bereich von der niedrigsten Frequenz f₁ zur höchsten Frequenz f_n. Die Ausgänge der m verschiedenen weißen Rauschquellen 40 weisen das gleiche Frequenzspektrum, jedoch unterschiedliche Phasen in ihren Frequenzbändern auf. Bei dieser Ausführungsform werden die Ausgänge der m verschiedenen weißen Rauschquellen 40 als Reaktion auf das Signal von der Steuereinheit 134 zu jeder Zeitspanne Δt (= T/m) von einem Schalter 42 umgeschaltet, und der ausgewählte Ausgang wird von dem Verstärker 28 auf eine erforderliche Spannung verstärkt und über die Elektroden 25 an den geladenen Partikelstrahl angelegt. Da die gleichen Frequenzen wie bei der Ausführungsform 1 an den Strahl angelegt werden müssen, weist das Bandpaßfilter 41 Paßbänder von f₁ bis f_n, von f_r + f₁ bis f_r + f_n, von 2f_r + f₁ bis 2f_r + f_n, 6f_r + f₁ bis 6f_r + f_n auf, die entsprechend der Energie und der Harmonie des von der Steuereinheit 134 gesendeten, geladenen Partikelstrahls verändert werden.
Bei der Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform wird die Phase jeder an den Strahl anzulegenden Hochfrequenz durch abwechselndes Auswählen einer der verschiedenen weißen Rauschquellen 40 zeitbezogen verändert. Anders ausgedrückt kann die gleiche Wirkung wie bei der Ausführungsform auf den Strahl ausgeübt werden. Bei dieser Ausführungsform kann ohne Verwendung eines Speichers und eines D/A-Wandlers eine Hochfrequenzquelle mit der gleichen Wirkung wie bei der Ausführungsform 1 erzeugt werden.
Daher ist es möglich, einen Beschleuniger zu schaffen, der einen geladenen Partikelstrahl mit zeitbezogen weniger veränderter Intensität abstrahlen kann. Darüber hinaus kann bei einem medizinische Beschleunigersystem, bei dem der von einem Beschleuniger erzeugte geladene Partikelstrahl zu einer Bestrahlungsvorrichtung transportiert und von dort zur Behandlung abgestrahlt wird, das erkrankte Teil gleichmäßig bestrahlt werden. Zudem kann dagegen die Strahlungsmenge leicht gesteuert werden, um sie relativ zur Position zu verändern. Überdies kann die Zeitauflösung verringert werden, die der Monitor zur Steuerung der Strahlungsmenge benötigt, wodurch es möglich wird, den Strahlenmonitor und sein Steuersystem zu vereinfachen.

Claims

Zyklischer Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten (2) und vierpoligen Elektromagneten (5, 6) zum Herbeiführen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten (9) zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer Betatronschwingung zur Emission des geladenen Partikelstrahls und einer Hochfrequenzquelle (24) zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl, um den Strahl durch Bewegen auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze zur Instabilität und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung zu führen, wobei die Hochfrequenzquelle ein Wechselstromsignal mit mehreren diskreten Frequenzkomponenten f_i (i = 1, 2, ..., n) erzeugt, wobei das Wechselstromsignal einen Frequenzbereich von f₁ bis f_n abdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestfrequenzdifferenz der Frequenzkomponenten f_i+1 – f_i im Bereich von 500 Hz bis einschließlich 10 kHz liegt, wobei die Phase der mehreren Frequenzkomponenten f₁ so eingestellt ist, daß die Phasendifferenz zwischen sämtlichen Frequenzkomponenten Werte annimmt, die kein ganzzahliges Vielfaches von π sind, und die Hochfrequenzquelle ein Summensignal ΣA_isin(2πf_it + θ_i(t)) aus mehreren Wechselstromsignalen A_isin(2πf_it + θ_i(t)) mit den unterschiedlichen Frequenzen f_i (i = 1, 2, ..., n), den Frequenzen f_i zugeordneten und sich zeitbezogen mit einer vorgegebenen Periode ändernden Phasen θ_i(t) und den Frequenzen f_i zugeordneten Amplituden A_i erzeugt, wobei t die Zeit ist.
Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzquelle ein Summensignal aus mehreren Signalen erzeugt, deren momentane Frequenzen sich zeitbezogen ändern und bei denen die Durchschnittswerte der momentanen Frequenzen zeitbezogen unterschiedlich sind, und das Summensignal an den Strahl anlegt.
Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzquelle ein Summensignal aus mehreren Signalen erzeugt, deren momentane Frequenzen sich im Laufe der Zeit verändern und bei denen die Durchschnittswerte der momentanen Frequenzen in Bezug auf die Zeit und die sich im Laufe der Zeit ändernden Werte unterschiedlich sind, und das Summensignal an den Strahl anlegt.
Medizinisches Beschleunigersystem mit einem zyklischen Beschleuniger nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, einem Transportsystem (102) zum Transportieren des von dem zyklischen Beschleuniger erzeugten Strahls, und einer Bestrahlungsvorrichtung (200) zum Abstrahlen des transportierten Strahls auf einen Patienten.