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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Detektoranordnung für die Therapie
mit einem Ionenstrahl.
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Bei
der Therapie mit einem Ionenstrahl-Protonen oder ionisierte Atome
mit höherer
Massenzahl, beispielsweise Kohlenstoffionen – werden diese in Form eines
scharf gebündelten
Strahls gezielt in einen zu behandelnden Tumor geschossen. Die Therapie
mit einem solchen hochenergetischen Ionenstrahl weist gegenüber der
konventionellen Strahlentherapie mit Röntgen- oder Gammastrahlen eine
Reihe von Vorteilen auf. Einer dieser Vorteile ist die Möglichkeit,
einen scharf gebündelten
Ionenstrahl verwenden zu können,
der durch magnetische Ablenkfelder exakt auf den Tumor ausgerichtet
werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die von
den Ionen an das Gewebe abgegebene Energie und damit die lokale
Dosisleistung mit wachsender Eindringtiefe zunimmt und nach einem
Maximum steil abfällt,
so dass über
die Energie der Ionen der Ort eingestellt werden kann, an dem die
Ionen in Strahlrichtung die maximale Dosis im Gewebe verursachen.
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Eine
solche mit Ionenstrahlen arbeitende Therapieeinrichtung ist in 4 veranschaulicht. Ionen
werden in einem in der Figur nicht dargestellten Teilchenbeschleuniger
auf eine vorgebbare kinetische Energie beschleunigt und zu einem
Ionenstrahl 2 gebündelt.
Der Ionenstrahl 2 passiert eine Magnetanordnung 4,
in der er lateral, d.h. senkrecht zur Strahlrichtung abgelenkt wird,
so dass er gezielt auf einen Tumor 6 eines Patienten 8 ausgerichtet
werden kann. Auf seinem Weg zum. Patienten 8 durchquert der
Ionenstrahl 2 ein Detektorsystem, das aus einer Mehrzahl
von hintereinander angeordneten Detektoren 10 aufgebaut
ist. Bei diesen Detektoren 10 handelt es sich um Ionisationskammern
und ortsauflösende
Proportionalzählrohre.
Während
die Ionisationskammern zur Bestimmung der Teilchenstrahldichte und
damit der Dosisleistung des Ionenstrahls 2 dienen, sind
die Proportionalzählrohre
zur Messung der Lage, Richtung und lateralen Ausdehnung des Ionenstrahls 2 vorgesehen.
Die Detektoren 10 umfassen hierzu ein gasdichtes Gehäuse, in
dem je nach Art des Detektors 10 eine oder eine Vielzahl
von Zählelektroden
oder Zähldrähten angeordnet
sind. Ein ortsauflösendes
Proportionalzählrohr
enthält etwa
200 Elektroden, um eine Lokalisation des Ionenstrahls 2 in
lateraler Richtung mit hinreichender Genauigkeit ermöglichen
zu können.
Zum Auswerten der von einem solchen ortsauflösenden Proportionalzählrohr bereitgestellten
Messsignale werden dann die gleiche Anzahl von Signalleitungen benötigt, mit denen
die Messsignale zur Weiterverarbeitung an weitere Elektronikeinheiten,
beispielsweise analoge Signalverstärker, Analog-Digital-Wandler
und Prozessoren weitergeleitet werden. Ein solcher Aufbau ist auf
Grund der Vielzahl von Steckverbindungen technisch aufwendig und
fehleranfällig.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Detektoranordnung
für die
Therapie mit einem Ionenstrahl anzugeben, mit der die vorstehend genannten
Nachteile zu vermeiden sind.
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Die
genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einer Detektoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1. Gemäß diesen Merkmalen
enthält
die Detektoranordnung einen Detektor, der eine in einem Gehäuse befindliche
Detektorkammer aufweist, das mit einer Leiterplatte versehen ist,
die einen außerhalb
der Detektorkammer befindlichen Bereich aufweist, der mit Baugruppen
zum Verarbeiten der vom Detektor bereitgestellten Messsignale und
zum Übertragen
der verarbeiteten Messsignale an eine externe Steuer- und Auswerteeinrichtung
bestückt
ist.
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Durch
diese Maßnahme
kann die Anzahl der erforderlichen Signalleitungen zwischen Detektor und
einer externen Steuer- und Auswerteeinrichtungen insbesondere für den Fall,
dass es sich bei dem Detektor um ein ortsauflösendes Proportionalzählrohr handelt,
erheblich verringert werden. Darüber
hinaus ist es durch eine am Ort des Detektors stattfindende Verarbeitung
möglich,
Messsignale in digitalisierter und daher störungssicherer Weise über standardisierte
Schnittstellen zu übertragen.
Durch die Integration von Detektor und Elektronik, d. h. der zur Verarbeitung
der Messsignale erforderlichen Firm- und Software, ist es möglich ein
kompaktes Gerät
zu bilden, das über
standardisierte Schnittstellen mit der externen Steuer- und Auswerteeinrichtung
kommuniziert. Durch den integrierten Aufbau der Detektoranordnung
und die standardisierten Schnittstellen nach außen ist im Falle eines in der
Detektoranordnung auftretenden Fehlers deren kompletter Austausch schnell
und problemlos möglich
und die Gefahr eines Bedienfehlers beim Austausch ist auf ein Minimum reduziert.
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Wenn
die verarbeiteten Messsignale über eine
optische Schnittstelle an die externe Steuer- und Auswerteeinrichtung übertragen
werden, ist eine besonders hohe Übertragungssicherheit
sichergestellt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
die Detektoranordnung eine Schnittstelle zum Übertragen von elektrischen
Kontroll- und Steuersignalen zwischen dem Detektor und der Steuer-
und Auswerteeinrichtung. Dies ermöglicht die Steuerung der Detektoranordnung
mit einem standardisierten elektrischen Bussystem.
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Wenn
auf der Leiterplatte außerdem
eine Baugruppe zur Fehleranalyse und zum Erzeugen eines das Auftreten
eines Fehlers anzeigenden Statussignals integriert ist, können fehlerhaft
arbeitende Detektoranordnungen schnell erkannt werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt
sich die Leiterplatte in die Detektorkammer und führt die
zum Betrieb des Detektors erforderlichen elektrischen Anschlussleitungen
in die Detektorkammer. Durch diese Maßnahme wird insbesondere für den Fall,
dass es sich bei dem Detektor um ein ortsauflösendes Proportionalzählrohr handelt,
der mechanische Aufbau durch den Wegfall der andernfalls notwendigen
hohen Anzahl von elektrischen Durchführungen erheblich vereinfacht.
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Wenn
das Gehäuse
des Detektors einen flachen Rahmen umfasst und wobei die Leiterplatte
auf einer Flachseite des Rahmens angeordnet und zugleich eine mit
einem für
den Ionenstrahl durchlässigen
Fenster versehene Deckplatte des Gehäuses ist, wird ein besonders
kompakter Aufbau erzielt.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 einen
Detektor gemäß der Erfindung in
einer schematischen perspektivischen Darstellung,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines aus Leiterplatte und Rahmen bestehenden
Teils des Gehäuses
des erfindungsgemäßen Detektors,
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3 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Detektors, in der die wesentlichen funktionellen
Einheiten veranschaulicht sind,
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4 den
prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung für die Therapie mit einem Ionenstrahl,
wie sie im Stand der Technik bekannt ist.
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Gemäß 1 umfasst
die Detektoranordnung einen Detektor 10, bei dem es sich
um eine Ionisationskammer oder ein Proportionalzählrohr handeln kann, dessen
Gehäuse 16 aus
einem flachen Rahmen 18 aus Aluminium aufgebaut ist, der
an einer seiner Flachseiten mit einer Deckplatte 20 versehen
ist. Die Deckplatte 20 besteht aus einem Halterahmen 22,
und einem für
den Ionenstrahl durchlässigen
Fenster 24, das im Beispiel aus einer mit Aluminium bedampften
Kaptonfolie besteht.
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Auf
der der Deckplatte 20 gegenüberliegenden Flachseite des
Rahmens 18 ist eine Leiterplatte 26 angeordnet,
die zugleich als Deckplatte für
eine vom Gehäuse 16 eingeschlossene
Detektorkammer 27 dient. Die Leiterplatte 26 steht
an mehreren Seiten des Rahmens 18 über den äußeren Rand des Gehäuses 16 vor
und ist auf dies Weise von außerhalb des
Gehäuses 16 zugänglich.
In diesem von außerhalb
des Gehäuses 16 zugänglichen
Bereich ist die Leiterplatte 26 mit einer Vielzahl von
Modulen oder Baugruppen 28 bestückt, die dem jeweiligen Verwendungszweck
des Detektors 10 – Ionisationskammer oder
ortsauflösendes
Proportionalzählrohr – angepasst
sind.
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Die
das sensitive Volumen des Detektors 10 bildende Detektorkammer 27 wird
von einem Zählgas
G durchströmt,
das über
Anschlussstutzen 30 in die Detektorkammer 27 ein-
bzw. aus der Detektorkammer 27 ausgeleitet wird.
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Die
Baugruppen 28 können
auf die Leiterplatte 26 aufgesteckt werden und bilden ein
modulares System. Bei diesen Baugruppen 28 handelt es sich
vorzugsweise um austauschbare Standard-Baugruppen oder Standard-Funktionsgruppen,
wie sie im industriellen Einsatz üblich sind.
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In
der Darstellung gemäß 2,
die nur den mit der Leiterplatte 26 versehenen Rahmen 18 zeigt, ist
zu erkennen, dass sich die Leiterplatte 26 in das Innere
des Rahmens 18 und damit in das Innere der vom Rahmen 18 umgebenen
Detektorkammer 27 erstreckt, so dass die Versorgung der
in der Detektorkammer 27 angeordneten Elektroden mit Hochspannung
unmittelbar über
in der Leiterplatte 26 angeordnete Leiterbahnen erfolgen
kann, so dass aufwendige, am Rahmen 18 angeordnete elektrische
Durchführungen,
die insbesondere bei den ortsauflösenden Proportionalzählrohren
in einer hohen Anzahl notwendig wären, entfallen.
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Der
auch bezüglich
der Elektronikkomponenten modulare Aufbau der erfindungemäßen Detektoranordnung
ist anhand von 3 für eine Detektoranordnung mit
einem ortsauflösenden
Proportionalzählrohr
als Detektor 10 veranschaulicht. In der Detektorkammer 27 sind
eine Vielzahl von Elektroden 32 in Form von dünnen Drähten angeordnet,
die über
ein auf der Leiterplatte 26 außerhalb der Detektorkammer 27 befindliches
Hochspannungsmodul 34 mit Hochspannung versorgt werden.
Die entsprechenden Anschlussleitungen werden mit Hilfe der sich
in das Innere der Detektorkammer 27 erstreckenden Leiterplatte 26 (in
der Figur gestrichelt angedeutet) in die Detektorkammer 27 geführt und
dort an die Elektroden 32 angeschlossen. Die Elektroden 32 sind
an eine Vorverstärkerbaugruppe 36 angeschlossen,
in der die durch den Ionenstrahl ausgelösten Spannungssignale verstärkt werden.
Die verstärkten Spannungssignale
werden einem Analog-Digital-Wandler 38 zugeführt, der
an ein FPGA (Field Programmable Gate Array) 40 angeschlossen
ist, das zur schnellen Berechnung der Strahlposition und der Strahlintensität dient.
Die auf diese Weise erzeugten Messdaten M, d.h. die nach Verarbeitung
in digitaler Form vorliegenden Messsignale werden über eine
optische Schnittstelle 42 an eine zentrale Steuer- und
Auswerteeinrichtung 44 weitergeleitet.
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Auf
der Leiterplatte 26 befindet sich außerdem ein Mikrocontroller 46,
sowie eine Schnittstelle 48, beispielsweise ein CAN-Bus
(Controller Area Network), zum Übertragen
von elektrischen Kontroll- und Steuersignalen C zwischen der Detektoranordnung und
der Steuer- und Auswerteeinrichtung 44.
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In
der Detektorkammer 27 befindet sich außerdem ein Sensor 50 zur
Messung des Gasdurchflusses. Mit Hilfe der dem Mikrocontroller 46 zugeführten Messdaten
erfolgt außerdem
eine Überwachung
der Detektoranordnung auf etwaig auftretende Fehler und es wird
ein Sperr- oder Statussignal S generiert, das über eine optische Alarmschnittstelle 52 ebenfalls
an die zentrale Steuer- und Auswerteeinrichtung 44 übermittelt
wird. In die sem Ausführungsbeispiel übernimmt
der Mikrocontroller 46 die Funktion einer auf der Leiterplatte 26 integrierten
Baugruppe zur Fehleranalyse.