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Gegenstand
der nicht vorveröffentlichten
DE-Patentanmeldung 10 2007 025 584.7 vom 01.06.2007
mit dem Titel „Strahlführungsmagnet zur Ablenkung
eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer
gekrümmten Teilchenbahn und Bestrahlungsanlage mit einem
solchen Magneten" ist ein besonderer Strahlführungsmagnet
zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs
einer gekrümmten, eine Strahlführungsebene festlegenden
Teilchenbahn. Dieser Magnet umfasst ein auf ferromagnetisches die
Strahlführung beeinflussendes Material verzichtendes Spulensystem,
das entlang der Teilchenbahn ausgedehnte, gekrümmte Einzelspulen
aufweist. Die Einzelspulen sind jeweils paarweise spiegelbildlich
zu der Strahlführungsebene angeordnet. Das Spulensystem
umfasst zumindest, zwei Hauptspulen mit in Richtung der Teilchenbahn
langgestreckten Seitenteilen und bezüglich der Strahlführungsebene
aufgebogenen Endteilen. Weiterhin umfasst das Spulensystem zwei
zwischen den Endteilen der Hauptspulen angeordnete, zumindest weitgehend
flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen mit
in Richtung der Teilchenbahn langgestreckten Seitenteilen und bogenförmigen
Endteilen.
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Gekrümmte
Strahlführungsmagnete kommen verbreitet in Teilchenbeschleunigeranlagen
zu einer Ablenkung und/oder Fokussierung eines Strahls geladener
Teilchen wie beispielsweise Elektronen oder Ionen zum Einsatz. Die
in einer solchen Teilchenbeschleunigeranlage auf hohe kinetische Energien
beschleunigten Teilchen werden zunehmend in der medizinischen Therapie,
beispielsweise der Krebstherapie, eingesetzt. Eine Bestrahlungsanlage
zur medizinischen Therapie geht beispielsweise aus der vorgenannten
DE 199 04 675 A1 oder
auch aus der
US 4,870,287
A hervor. Derartige Bestrahlungsanlagen umfassen eine Teilchenquelle
und einen Beschleuniger zur Erzeugung eines hochenergetischen Teilchenstrahls.
Der hochenergetische Teilchenstrahl soll nun auf einen zu bestrahlenden Bereich
eines Probanden, beispielsweise eine Geschwulst, gerichtet werden.
Weiterhin soll die Strahlendosis im umliegenden Bereich, also dem
nicht zu therapierenden Bereich, des Körpers des Probanden möglichst
gering gehalten werden. Um die Strahlendosis in dem nicht zu therapierenden
Bereich gering zu halten, bietet es sich an, den zu therapierenden Bereich
aus verschiedenen Richtungen zu bestrahlen. Zu diesem Zweck wird
der Teilchenstrahl entlang einer durch den Beschleuniger vorgegebenen
Achse in eine sogenannte „Gantry" eingeschossen, welche um
die durch den Teilchenstrahl vorgegebene Achse drehbar ist.
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Unter
einer Gantry ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung aus verschiedenen
Strahlführungsmagneten zu verstehen, mit denen der Teilchenstrahl
mehrfach aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt werden
kann, so dass er nach Verlassen der Gantry unter einem bestimmten
Winkel auf den zu bestrahlenden Bereich trifft. Typischerweise trifft
der Teilchenstrahl unter einem Winkel von 45° bis 90°,
bezüglich der Rotationsachse der Gantry, auf den zu bestrahlenden
Bereich. Damit eine Bestrahlung eines zu therapierenden Bereiches
von mehreren Seiten erfolgen kann, sind die Strahlführungsmagnete
auf einem Gestell, welches Teil der Gantry ist, derart angeordnet,
dass der aus der Gantry austretende Teilchenstrahl stets durch einen
bestimmten Bereich, das sogenannte „Isozentrum", verläuft.
In einer Richtung lateral zu dem Teilchenstrahl kann das Isozentrum
eine Ausdehnung von ca. 20 mal 20 cm aufweisen. Auf diese Weise
kann die Strahlendosis im umliegenden Bereich des Isozentrums auf
ein großes Volumen verteilt werden, so dass die Strahlenbelastung
außerhalb des Isozentrums verhältnismäßig gering
gehalten werden kann.
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Zur
Bestrahlung einer räumlich ausgedehnten Geschwulst oder
eines räumlich ausgedehnten Tumors ist neben einer Variation
des Winkels, unter dem der Teilchenstrahl auf den zu bestrah lenden
Bereich trifft, sowohl eine Variation der kinetischen Energie der
Teilchen wie auch eine Variation der lateralen Ortskoordinaten am
Auftreffpunkt des Teilchenstrahls wünschenswert. Zu einer
Variation der lateralen Ortskoordinaten des Teilchenstrahls am Ort
des Isozentrums werden typischerweise Scannermagnete in die Gantry
integriert. Mit Hilfe dieser Scannermagnete kann der Teilchenstrahl
in einer horizontalen oder vertikalen Ebene um jeweils kleine Winkel abgelenkt
werden. Diese durch die Scannermagnete hervorgerufenen Ablenkungen
des Teilchenstrahls müssen typischerweise von dem in Strahlrichtung
folgenden Magneten derart kompensiert werden, dass der Teilchenstrahl
die Gantry in nahezu parallel zu versetzenden Strahlen in das Isozentrum
verlässt.
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Zur
Variation der kinetischen Energie der Teilchen werden diese ausgehend
von der Teilchenquelle mit unterschiedlichen kinetischen Energien
in eine Gantry eingeschossen. Abhängig von der gewünschten
kinetischen Energie der in die Gantry eingeschossenen Teilchen müssen
die einzelnen Magnete der Gantry entsprechend erregt werden.
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Aus
den vorgenannten an die Magnete einer Gantry gestellten Bedingungen
ergeben sich ionenoptische Anforderungen an die Konstruktion der Strahlführungsmagnete.
Aus dem Stand der Technik bekannte Spulendesigns sind hinsichtlich
dieser Kriterien im Allgemeinen optimiert.
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Derartige
aus dem Stand der Technik bekannte Strahlführungsmagnete
weisen das technische Problem auf, dass in den Endbereichen, insbesondere
den Bögen gekrümmter Haupt- und/oder Korrekturspulen,
die magnetische Flussdichte aufgrund der geringen Krümmungsradien
auf sehr hohe Werte ansteigt. Werden die Spulen des Strahlführungsmagneten
supraleitend ausgeführt, so verstärkt sich dieses
technische Problem weiter, da die in den Endbereichen der Spulen
auftretenden magnetischen Felder größer sein können
als die kritische magnetische Flussdichte des supraleitenden Materials.
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Um
die vorgenannten technischen Probleme insbesondere hinsichtlich überkritischer
magnetischer Flussdichten im Endbereich der Einzelspulen eines Strahlführungsmagneten
gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern, sind in
der DE-Patentanmeldung ... . für den Strahlführungsmagneten der
eingangs genannten Art folgende Merkmale vorgeschlagen:
- – Die Endteile der Hauptspulen sollen bezüglich der
Strahlführungsebene derart um mehr als 90° aufgebogen
sein, dass sie sich in den Feldbereich des jeweiligen bogenförmigen
Endteils der jeweils zugeordneten Nebenspule erstrecken.
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Bei
einer derartigen Ausgestaltung des vorgeschlagenen Strahlführungsmagneten
ist es möglich, das Auftreten überkritischer Magnetfelder
in den bogenförmigen Endteilen der Nebenspulen zu vermeiden.
Insbesondere können Magnetfelder in den bogenförmigen
Endteilen der Nebenspulen vermieden werden, welche maximale Grenzwerte überschreiten,
die durch das zur Konstruktion des Strahlführungsmagneten
herangezogene Material vorgegeben sind. Insbesondere kann bei einem
Strahlführungsmagneten, welcher supraleitende Spulen aufweist
vermieden werden, dass das supraleitende Material einem überkritischen
Magnetfeld ausgesetzt wird, so dass das supraleitende Material oberhalb dieses überkritischen
Magnetfeldes seine supraleitenden Eigenschaften verliert. Das kritische
Magnetfeld des entsprechenden supraleitenden Materials ist insbesondere
von dem von dem supraleitenden Material getragenen Strom abhängig.
Gemäß den vorgenannten Maßnahmen ist
es daher insbesondere möglich, bei einer vorgegebenen Stromtragfähigkeit des
supraleitenden Materials, dieses lediglich einem entsprechend unterkritischen
Magnetfeld auszusetzen. Ein derartiger besonderer Strahlführungsmagnet
ist somit insbesondere hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit
verbessert, ohne dass eine Überdimensionierung seines Leitermaterials
erforderlich ist.
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Mit
dem vorgeschlagenen Strahlführungsmagnet kann das Feld,
welchem die bogenförmigen Endteile der Nebenspulen ausgesetzt
sind, reduziert werden. Zusätzlich an den Strahlführungsmag neten zu
stellende ionenoptische Anforderungen können einer Ausgestaltung
der Endteile der Hauptspulen des vorgeschlagenen Strahlführungsmagneten
jedoch Grenzen setzen. So kann es aus ionenoptischen Gründen
nicht immer möglich sein, eine optimale Feldkompensation
für die Endteile der Hauptspulen zu erreichen. Weiterhin
kann an den vorgeschlagenen Strahlführungsmagneten die
Forderung gestellt werden, dass dessen Streufeld in einem Patientenraum
möglichst gering gehalten werden soll.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den vorgeschlagenen Strahlführungsmagneten
dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend aufgezeigten Probleme
zumindest vermindert sind.
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Diese
Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 und 3 angegebenen Maßnahmen
gelöst. Demgemäß soll der vorgeschlagene
Strahlführungsmagnet Zusatzspulen aufweisen, welche im
Feldbereich der jeweiligen bogenförmigen Endteile der Nebenspulen angeordnet
sind. Weiterhin erfindungsgemäß soll der Strahl
elektrisch geladener Teilchen in einen langgestreckten Patientenraum
abgelenkt werden, wobei sich beidseitig des langgestreckten Patientenraumes Kompensationsspulen
befinden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten
kann das Feld, welchem die bogenförmigen Endteile der Hauptspulen
ausgesetzt sind, durch Zusatzspulen weiter verringert werden. Die
Zusatzspulen können beispielsweise getrennt von dem restlichen
Spulensystem des Strahlführungsmagneten gesteuert werden,
so dass eine optimale Kompensation der Magnetfelder erreicht werden
kann. Weiterhin ist es möglich, ionenoptische Anforderungen
an den Strahlführungsmagneten zu berücksichtigen,
ohne auf eine entsprechende Feldkompensation im Bereich der bogenförmigen
Endbereiche der Hauptspulen zu verzichten. In dem Kompensationsspulen
beidseitig eines langgestreckten Patientenraums angeordnet werden,
kann das Streufeld des Strahlführungsmagneten im Patientenraum
aktiv kompensiert werden. Eine geringe Belastung des Patientenraums
durch das Streufeld des Strahlführungsmagneten ist aus
verschiedenen medizinischen und technischen Gründen wünschenswert.
So erweitert sich der Einsatzbereich eines derart verbesserten Strahlführungsmagneten
beispielsweise auf Patienten, welche elektromagnetisch sensible
Geräte innerhalb des Körpers tragen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten
gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
- – So können sich die Zusatzspulen
in einer oder mehreren Ebene(n) parallel zu der Strahlführungsebene
erstrecken. Durch eine Anordnung der Zusatzspulen in einer oder
mehreren Ebene(n) parallel zu der Strahlführungsebene kann eine
besonders effektive Feldkompensation erreicht werden.
- – Die Kompensationsspulen können sich in einer zu
der Strahlführungsebene parallelen Ebene(n) erstrecken.
Indem die Kompensationsspulen parallel zu der Strahlführungsebene
angeordnet werden, kann eine besonders effektive Feldkompensation
im Patientenraum erreicht werden.
- – Die Endteile der Hauptspulen können derart
aufgebogen sein, dass in der Projektion in die Strahlführungsebene
die Endteile der Hauptspulen und die bogenförmigen Endteile
der Nebenspulen einander überlappen. Durch eine Überlappung
der Endteile der Hauptspulen und der bogenförmigen Endteile
der Nebenspulen in Projektion in die Strahlführungsebene,
kann in dem betreffenden Bereich der Überlappung ein Bereich
angegeben werden, in welchem eine effektive Kompensation der von
den jeweiligen Endteilen erzeugten Magnetfelder vorliegt.
- – Die Endteile der Hauptspulen können bezüglich der
Strahlführungsebene um näherungsweise 180° aufgebogen
sein. Die Endteile der Hauptspulen können dabei zumindest
annähernd in einer Ebene liegen, die zumindest näherungsweise
parallel zu einer Ebene liegt, die durch das jeweilige bogen förmige
Endteil der zugeordneten Nebenspule definiert ist. Werden die Endteile
der Hauptspule bezüglich der Strahlführungsebene um
näherungsweise 180° aufgebogen, so weist das von
diesen Endteilen erzeugte Magnetfeld nahezu ausschließlich
eine Magnetfeldkomponente auf, welche dem Magnetfeld, welches von den
bogenförmigen Endteilen der zugeordneten Nebenspule erzeugt
wird, in seiner Richtung exakt entgegensteht. Folglich ist nahezu
das ganze von den Endteilen der Hauptspule erzeugte Magnetfeld für
eine Kompensation der Magnetfelder der Endteile der Hauptspulen
und der Endteile der Nebenspulen wirksam.
- – Das Spulensystem kann ein erstes und ein zweites
Spulenteilsystem zur Erzeugung eines ersten und zweiten Dipolmomentes
umfassen. Das erste Spulenteilsystem kann zumindest die zwei Hauptspulen
mit den aufgebogenen Endteilen als erste Hauptspulen und die zwei
zumindest weitgehend flachen Nebenspulen umfassen. Die Nebenspulen
können jeweils einen Innenbereich umschließen,
in dem jeweils eine zumindest weitgehend flache, bananenförmig
gekrümmte Korrekturspule angeordnet ist. Das zweite Spulenteilsystem
kann zwei zweite bananenförmig gekrümmte Hauptspulen
umfassen, die jeweils im Bereich der Strahlführungsebene
zwischen den ersten Hauptspulen angeordnet sind und jeweils ein
der Teilchenbahn nahes und ein der Teilchenbahn fernes langgestrecktes
zweites Seitenteil aufweisen. Im Querschnitt betrachtet können
die Seitenteile senkrecht zu der Strahlführungsebene eine
größere Ausdehnung als parallel zu der Strahlführungsebene
aufweisen. Das erste und zweite Spulenteilsystem können
derart erregt sein, dass das erste und zweite Dipolmoment in zumindest
näherungsweise entgegengesetzte Richtungen weisen. Ein
Strahlführungsmagnet mit einem Spulensystem gemäß der
vorgenannten Ausführungsform weist vorteilhaft ein reduziertes
Streufeld auf. Bei Strahlführungsmagneten mit einem reduzierten
Streufeld kann es sich insbesondere um leistungsstarke Strahlführungsmagnete
handeln, bei denen das Auftreten von hohen Magnetfeldern in den
bogenförmigen Endteilen der Nebenspu len besonders dominant
ist. Grade für derartige Strahlführungsmagnete
ist es besonders vorteilhaft, wenn die in den bogenförmigen
Endteilen der Nebenspulen auftretenden hohen Magnetfelder kompensiert
werden können.
- – Das erste und das zweite Spulenteilsystem können
derart erregt sein, dass im Außenbereich des Strahlführungsmagneten
die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulenteilsystems
minimiert ist. Eine Minimierung des Streufeldes eines Strahlführungsmagneten
stellt eine graduelle Verbesserung hinsichtlich dessen elektromagnetischer
Verträglichkeit dar. Insbesondere für einen derartigen
Strahlführungsmagneten ist es vorteilhaft, wenn dieser
hinsichtlich des Problems hoher Magnetfelder in den bogenförmigen Endteilen
der Nebenspulen verbessert ist.
- – Der Strahl elektrisch geladener Teilchen kann längs
einer gekrümmten Teilchenbahn in ein Isozentrum abgelenkt
werden. Weiterhin kann die Summe der Dipolmomente des ersten und
zweiten Spulenteilsystems zumindest am Ort des Isozentrums minimiert
sein. Wird ein Strahlführungsmagnet gemäß der
vorstehenden Ausführungsform zu therapeutischen Zwecken
eingesetzt, so kann sich am Ort des Isozentrums der zu therapierende
Bereich befinden. Der besondere Strahlführungsmagnet gemäß der
vorstehenden Ausführungsform ist aufgrund seines reduzierten Streufeldes
medizinischen Anwendungen zugänglich, bei denen sich am
Ort des Isozentrums oder in dessen Nähe ein elektromagnetisch
empfindliches Gerät, beispielsweise ein Herzschrittmacher,
befindet. Zu therapeutischen Zwecken, beispielsweise für
die Ionentherapie, werden typischerweise leistungsstarke Magnete
verwendet. Leistungsstarke Magnete weisen besonders auffällig
das Problem auf, dass in den bogenförmigen Endteilen der
Nebenspulen erhöhte Magnetfelder auftreten. Daher ist es
für einen derartigen Strahlführungsmagneten besonders
vorteilhaft, wenn dieser hinsichtlich dieses technischen Problems verbessert
ist.
- – Die Einzelspulen des ersten und zweiten Spulenteilsystems
können elektrisch in Reihe geschaltet sein und die Windungszahlen
der Einzelspulen können derart dimensioniert sein, dass
die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulenteilsystems
minimiert ist. Weiterhin können die Einzelspulen des ersten
und zweiten Spulenteilsystems elektrisch in Reihe geschaltet sein
und die von den zweiten Hauptspulen in der Strahlführungsebene
eingeschlossene Fläche kann derart bemessen sein, dass
die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulenteilsystems
minimiert ist. Gemäß den beiden vorgenannten Ausführungsformen
können besonders einfache Strahlführungsmagnete
angegeben werden, welche zum einen hinsichtlich eines minimierten
Streufeldes und weiterhin hinsichtlich des Auftretens maximaler
Magnetfeldbelastungen verbessert sind.
- – Die Leiter der Einzelspulen können metallisches Tieftemperatursupraleitermaterial
(sogenanntes „LTC-Supraleitermaterial") oder metalloxidisches Hochtemperatursupraleitermaterial
(sogenanntes „HTC-Supraleitermaterial") aufweisen. Weiterhin
kann das metalloxidische Hochtemperatursupraleitermaterial bei einer
Betriebstemperatur zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise bei einer Betriebstemperatur
zwischen 20 K und 30 K, gehalten werden. Wird ein Strahlführungsmagnet gemäß einer
der drei vorgenannten Ausführungsformen mit supraleitenden
Spulen realisiert, so ist das Problem des Auftretens überkritischer
magnetischer Felder in den bogenförmigen Endteilen der
Nebenspulen besonders kritisch. Supraleitendes Material verliert
nämlich oberhalb eines materialspezifischen kritischen
magnetischen Feldes seine supraleitenden Eigenschaften. Kann das Auftreten überkritischer
magnetischer Felder vermieden werden, so kann der Strahlführungsmagnet
gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen
hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit verbessert werden.
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Die
sich auf eine Bestrahlungsanlage beziehende Aufgabe wird mit den
in Anspruch 15 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Demgemäß soll
eine Bestrahlungsanlage nach der Erfindung eine feststehende, einen
Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugende Teilchenquelle aufweisen.
Weiterhin soll die Bestrahlungsanlage ein Gantry-System aufweisen,
welches um eine Rotationsachse drehbar ist und mehrere Ablenk- und/oder
Fokussierungsmagnete zur Ablenkung und/oder Fokussierung des Teilchenstrahls
in ein Isozentrum aufweist. Zumindest einer der Ablenk- und/oder
Fokussierungsmagnete des Gantry-Systems soll ein erfindungsgemäß ausgeführter
Strahlführungsmagnet nach einer der vorgenannten Ausführungsformen
sein.
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Die
erfindungsgemäße Bestrahlungsanlage ist gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Bestrahlungsanlagen hinsichtlich
des Problems auftretender überkritischer magnetischer Felder
verbessert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der besonderen Bestrahlungsanlage gehen aus den
von Anspruch 15 abhängigen Ansprüchen hervor.
Dabei kann die Bestrahlungsanlage nach Anspruch 15 mit den Merkmalen
eines, vorzugsweise mit denen mehrerer, Unteransprüche
kombiniert werden. Demgemäß kann die Bestrahlungsanlage
nach der Erfindung zusätzlich noch die folgenden Merkmale
aufweisen:
- – Die Bestrahlungsanlage
kann als Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten, welcher von dem
Teilchenstrahl vor Erreichen des Isozentrums zuletzt durchlaufen
wird, einen Strahlführungsmagneten nach einer der vorgenannten
Ausführungsformen enthalten. Bei demjenigen Ablenk- und/oder
Fokussierungsmagneten einer Bestrahlungsanlage, welcher von dem
Teilchenstrahl vor Erreichen des Isozentrums zuletzt durchlaufen wird,
handelt es sich typischerweise um einen Strahlführungsmagneten
mit hoher Leistung. Besonders vorteilhaft ist es daher, diesen Magneten hinsichtlich
des Auftretens überhöhter Magnetfelder in den
bogenförmigen Endteilen der Nebenspulen zu verbessern.
- – Die Bestrahlungsanlage kann einen Strahlführungsmagneten
aufweisen, dessen Streufeld zumindest in einem Patientenraum, vorzugsweise zumindest
am Ort des Isozentrums minimiert ist. Eine Minimierung des Streufeldes
des Strahlführungsmagneten im Patientenraum, vorzugsweise am
Ort des Isozentrums, stellt eine graduelle Verbesserung der elektromagnetischen
Verträglichkeit der Bestrahlungsanlage dar. Weiterhin ist
der Strahlführungsmagnet der Bestrahlungsanlage hinsichtlich
des Auftretens überkritischer magnetischer Felder in den
bogenförmigen Endteilen der Nebenspulen verbessert.
- – Der Teilchenstrahl kann ein Strahl aus C6+-Teilchen
sein. C6+-Teilchen werden zunehmend im Bereich
der Krebstherapie eingesetzt. Bei derartigen in der Medizintechnik
eingesetzten Bestrahlungsanlagen handelt es sich um Bestrahlungsanlagen
mit Ablenkung und/oder Fokussierungsmagneten mit hoher Leistung.
Es ist daher für eine derartige Bestrahlungsanlage vorteilhaft,
wenn diese zumindest einen Strahlführungsmagneten aufweist,
welcher hinsichtlich des Auftretens überhöhter
magnetischer Felder in den bogenförmigen Endteilen der
Nebenspulen verbessert ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Strahlführungsmagneten sowie der erfindungsgemäßen
Bestrahlungsanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen
Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten
Zeichnung hervor. In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten
sowie der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage
in schematisierter Darstellung angedeutet. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
Bestrahlungsanlage mit einem Gantry-System,
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2 einen
vorgeschlagenen Strahlführungsmagneten in Perspektivansicht
gemäß der prioritätsbegründenden
Anmeldung
DE 10 2007 025584.7 vom
01.06.2007,
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3 einen
weiteren vorgeschlagenen Strahlführungsmagneten in Perspektivansicht
gemäß der prioritätsbegründenden
Anmeldung
DE 10 2007 025584.7 vom
01.06.2007,
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4 den
vorgeschlagenen Strahlführungsmagneten gemäß 3 in
einer Projektion in die Strahlführungsebene und
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5 einen
Strahlführungsmagneten mit Zusatzspulen und Kompensationsspulen
als Teil einer Bestrahlungsanlage nach der Erfindung.
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Sich
in der Zeichnung entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. In der Zeichnung nicht näher erläuterte
Bauteile sind allgemein bekannter Stand der Technik.
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1 zeigt
eine Bestrahlungsanlage 100, mit welcher ein Strahl elektrisch
geladener Teilchen 101, ausgehend von einer Teilchenquelle 102 mit
Hilfe eines Gantry-Systems entlang einer gekrümmten Teilchenbahn
abgelenkt wird. Bei dem Teilchenstrahl 101 kann es sich
insbesondere um einen Strahl aus C6+-Ionen
handeln. Der Teilchenstrahl 101 wird mit Hilfe des Gantry-Systems,
ausgehend von der Teilchenquelle 102 in ein Isozentrum 103 abgelenkt.
Die Ablenkung des Teilchenstrahls 101, welcher innerhalb
des Gantry-Systems in einem Strahlführungsrohr 104 geführt
wird, erfolgt mittels mehrerer Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete 105.
Das die Ablenkungs- und/oder Fokussierungsmagnete 105 umfassende
Gantry-System ist um eine Rotationsachse A drehbar, welche typischerweise
von der Teilchenquelle 102 vorgegeben ist. Allgemein kann
ein Gantry-System neben einer Vielzahl von Ablenkungs- und/oder
Fokussierungsmagneten 105 weitere Bauteile umfassen wie
beispielsweise ein Gestell zur Halterung der Ablenkungs- und/oder
Fokussierungsmagnete, Lagervorrichtungen, ein Kühlsystem
zur Kühlung der Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete 105 und
weitere zum Betrieb der Gantry notwendige Bauteile.
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Mit
Hilfe des Gantry-Systems ist es möglich, den Teilchenstrahl 101 in
das Isozentrum 103 abzulenken. Unter einem Isozentrum 103 ist
in diesem Zusammenhang derjenige Bereich zu verstehen, in welchem
der Teilchenstrahl 101 die Rotationsachse A der Gantry
schneidet. Bei einer Rotation des Gantry- Systems um die Rotationsachse
A verläuft der Teilchenstrahl 101 stets durch
das Isozentrum 103.
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Ein
Gantry-System kann insbesondere im Rahmen einer medizinischen Therapie
eingesetzt werden. In diesem Fall wird sich im Bereich des Isozentrums 103 ein
zu behandelnder Bereich, beispielsweise ein Tumor oder eine Geschwulst,
welcher bestrahlt werden soll, befinden. Eine derartige medizinische
Behandlung kann insbesondere unter Verwendung eines Strahls von
C6+-Ionen erfolgen.
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Die
Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete 105 einer Bestrahlungsanlage 100 können
Magnetwicklungen aufweisen, welche aus normalleitendem Material
oder aus supraleitendem Material hergestellt sind.
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2 zeigt
einen Teil eines Strahlführungsmagneten 200 in
Perspektivansicht. Bei dem in 2 dargestellten
Strahlführungsmagneten 200 kann es sich insbesondere
um einen Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten 105 handeln,
der Teil einer Bestrahlungsanlage 100 ist. Der Strahlführungsmagnet 200 kann
eine erste und eine zweite Hauptspule 201, 202 aufweisen,
welche entlang einer Teilchenbahn langgestreckte Seitenteile 203 bzw. 204 aufweisen.
Die Hauptspulen 201, 202 können paarweise spiegelbildlich
zu einer Strahlführungsebene angeordnet sein, welche durch
die Teilchenbahn des Strahls elektrisch geladener Teilchen 101 festgelegt ist.
Die zwei Hauptspulen 201, 202 weisen weiterhin jeweils
sich an die langgestreckten Seitenteile 203, 204 anschließende
Endteile 205, 206 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind in 2 lediglich die aufgebogenen
Endteile 205, 206 der Hauptspule 201 dargestellt.
Die aufgebogenen Endteile 205, 206 sind bzgl.
der durch den Strahl elektrisch geladener Teilchen 101 festgelegten
Strahlführungsebene aufgebogen. Die Endteile 205, 206 sollen
dabei um mehr als 90° bzgl. der Strahlführungsebene
aufgebogen sein.
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Zwischen
den Endteilen 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 befindet
sich jeweils eine weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte
Nebenspule 207. Die Nebenspulen 207 weisen jeweils
in Richtung der Teilchenbahn langgestreckte Seitenteile 208 sowie
bogenförmige Endteile 209, 210 auf.
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Die
aufgebogenen Endteile 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 sind
derart aus der Strahlführungsebene aufgebogen, dass sie
sich in den Feldbereich des jeweils zugehörigen Endteils 209, 210 der
jeweils zugeordneten Nebenspule 207 erstrecken. Gemäß dem
in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt
sich beispielsweise das aufgebogene Endteil 205 der Hauptspule 201 in
den Feldbereich des Endteils 209 der Nebenspule 207.
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Der
Strahlführungsmagnet 200 kann insbesondere frei
von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussenden
Material sein. Für einen entsprechenden Strahlführungsmagneten 200 wird
also auf magnetfeldformendes Material, beispielsweise Eisenjoche,
verzichtet.
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Die
Endteile 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 können
um mehr als 90° aus der Strahlführungsebene aufgebogen
sein, insbesondere können die Endteile 205, 206 der
Hauptspulen 201, 202 um zumindest näherungsweise
180° bzgl. der Strahlführungsebene aufgebogen
sein. Die Endbereiche 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 liegen
dann in einer Ebene, welche zumindest näherungsweise, parallel zu
der Strahlführungsebene liegt. Werden die Endteile 205, 206 der
Hauptspulen 201, 202 um mehr als 90° gegenüber
der Strahlführungsebene aufgebogen, so weist das von den
Endteilen 205, 206 erzeugte Magnetfeld eine Magnetfeldkomponente
auf, welche senkrecht auf der Strahlführungsebene steht. Die
auf der Strahlführungsebene senkrecht stehende Magnetfeldkomponente
kompensiert zumindest teilweise das von den bogenförmigen
Endteilen 209, 210 der Nebenspulen 207 erzeugte
Magnetfeld. Werden die Endteile 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 um
näherungsweise 180° gegenüber der Strahlführungsebene
aufgebogen, so weist das von den Endtei len 205, 206 erzeugte
Magnetfeld nahezu vollständig eine Magnetfeldkomponente
auf, welche senkrecht auf der Strahlführungsebene steht.
Da die Magnetfeldkomponente, welche senkrecht auf der Strahlführungsebene
steht und von den Endteilen 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 erzeugt
wird, eine Richtung aufweist, welche der Richtung des Magnetfeldes,
welches von den bogenförmigen Endteilen 209, 210 der
Nebenspulen 207 erzeugt wird, kompensieren sich die entsprechenden
Magnetfelder zumindest teilweise.
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Der
Strahlführungsmagnet 200 kann Einzelspulen aufweisen,
deren Leiter zumindest überwiegend aus metallischem Tieftemperatursupraleitermaterial
(LTC-Supraleitermaterial) gefertigt sind. Stattdessen kann der Strahlführungsmagnet 200 Einzelspulen
aufweisen, deren Leiter metalloxidisches Hochtemperatursupraleitermaterial
(HTC-Supraleitermaterial) aufweisen. Als Hochtemperatursupraleitermaterial
kann beispielsweise sogenanntes YBCO verwendet werden. Die Betriebstemperatur
von Leitern der Einzelspulen aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial
kann zwischen 10 K und 40 K, insbesondere zwischen 20 K und 30 K
liegen. Ein Strahlführungsmagnet 200, welcher
mit supraleitenden Einzelspulen ausgestaltet ist, weist weiterhin
ein Kühlsystem zur Kühlung der supraleitenden
Einzelspulen auf, wie es allgemein aus dem Stand der Technik bekannt
ist.
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3 zeigt
einen weiteren Strahlführungsmagneten 300, der
ein Spulensystem aufweist, welches in ein erstes und ein zweites
Spulenteilsystem unterteilt ist. Das erste und zweite Spulenteilsystem können
ein erstes und ein zweites Dipolmoment erzeugen, welche zumindest
näherungsweise in entgegengesetzte Richtungen weisen. Das
erste Spulenteilsystem umfasst dabei die zwei Hauptspulen 201 und
die zwei zumindest weitgehend flachen Nebenspulen 207.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 3 lediglich
eine der beiden Hauptspulen und eine der beiden Nebenspulen dargestellt.
Die Nebenspulen 207 umschließen jeweils einen
Innenbereich, in dem eine zumindest weitgehend flache, bananenförmig
gekrümmte Korrekturspule 301 angeordnet ist. Das
zweite Spulensystem umfasst zwei zweite, bananenförmig
gekrümmte zweite Hauptspulen 302, 303,
welche jeweils ein der Teilchenbahn nahes und ein der Teilchenbahn
fernes, langgestrecktes zweites Seitenteil 304, 305 aufweisen.
Im Querschnitt betrachtet, also in einem Schnitt senkrecht zur Strahlführungsebene,
können die langgestreckten Seitenteile 304, 305 senkrecht
zu der Strahlführungsebene eine größere
Ausdehnung aufweisen als parallel zu der Strahlführungsebene.
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Das
erste und das zweite Spulenteilsystem können derart erregt
sein, dass das Dipolmoment des ersten Spulenteilsystems und das
Dipolmoment des zweiten Spulenteilsystems sich zumindest näherungsweise
kompensieren. Insbesondere können das erste und das zweite
Spulenteilsystem derart erregt sein, dass im Fernfeld des Strahlführungsmagneten 300 die
Summe der Dipolmomente des ersten Spulenteilsystems und des zweiten
Spulenteilsystems minimiert ist. Wie allgemein bekannt, fällt
ein Quadrupolmoment vom Ort seiner Erzeugung betrachtet schneller
ab als ein Dipolmoment. Da die Dipolmomente des ersten und des zweiten
Spulenteilsystems sich zumindest teilweise kompensieren, zeigt der
Strahlführungsmagnet 300 gemäß dem
in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel im
Wesentlichen ein Quadrupolmoment. Da das Quadrupolmoment gegenüber
dem Dipolmoment im Raum schneller abfällt, kann ein Strahlführungsmagnet 300 angegeben
werden, welcher ein vermindertes Streufeld aufweist.
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Bei
dem Strahlführungsmagneten 300 gemäß dem
in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann
es sich insbesondere um einen Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten
handeln, welcher von einem Strahl elektrisch geladener Teilchen 101 als
letztes durchlaufen wird, bevor der Strahl elektrisch geladener
Teilchen 101 in ein Isozentrum 103 trifft (vgl. 1).
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Der
Strahlführungsmagnet 300 gemäß dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel kann weiterhin derart ausgestaltet
sein, dass das erste und das zweite Spulenteilsystem derart erregt
sind, dass das Dipolmoment des Strahlführungsmagneten 300 am
Ort des Isozentrums 103 minimiert ist. Der Strahlführungsmagnet 300 ist
somit insbesondere für den Einsatz in der Medizintechnik
geeignet. Wird ein Strahlführungsmagnet 300 gemäß dem
in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel in
der Medizintechnik verwendet, so wird sich im Bereich des Isozentrums 103 ein
zu therapierender Bereich befinden. Ein Strahlführungsmagnet
mit reduziertem Streufeld ist für besondere medizinische
Anwendung, beispielsweise zur Bestrahlung von Patienten, welche
elektromagnetisch sensible medizinische Geräte innerhalb des
Körpers tragen (beispielsweise einen Herzschrittmacher),
besonders geeignet.
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Um
die von den ersten und zweiten Spulenteilsystem erzeugten Dipolmomente
so zu dimensionieren, dass diese sich nach Möglichkeit
kompensieren, können die Einzelspulen des ersten und des zweiten
Spulenteilsystems elektrisch in Reihe geschaltet sein und die Windungszahlen
der Einzelspulen des ersten und zweiten Spulenteilsystems können
derart dimensioniert sein, dass die Summe der Dipolmomente des ersten
und des zweiten Spulenteilsystems minimiert ist. Alternativ können
die Einzelspulen des ersten und des zweiten Spulenteilsystems elektrisch
in Reihe geschaltet sein und die zweiten Hauptspulen 203 können
innerhalb der Strahlführungsebene eine derart bemessene
Fläche einschließen, dass die Summe der Dipolmomente
des ersten und des zweiten Spulenteilsystems minimiert ist.
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4 zeigt
den in 3 dargestellten Strahlführungsmagneten 300 in
einer Projektion in die Strahlführungsebene. In 4 sind
die einzelnen Spulen des ersten und zweiten Spulenteilsystems dargestellt.
Das erste Spulenteilsystem umfasst zwei Hauptspulen 207,
wobei in 4 lediglich eine der beiden
Hauptspulen dargestellt ist, wobei die entsprechende zweite Hauptspule,
die spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene angeordnet
ist, deckungsgleich mit der ersten zu liegen käme. Die
ersten Hauptspulen 201 weisen jeweils aufgebogene Endteile 205, 206 auf.
Zwischen den aufgebogenen Endteilen 205, 206 befinden
sich die Nebenspulen 207. Die Hauptspulen 201 weisen
jeweils entlang der Teilchenbahn langgestreckte Seitenteile 203 auf,
die Nebenspulen 207 weisen jeweils weitgehend flache, langgestreckte
Seitenteile 208 auf.
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Das
zweite Spulenteilsystem umfasst zwei zweite Hauptspulen 302, 303,
welche jeweils bananenförmig gekrümmt sind und
im Bereich der Strahlführungsebene zwischen den ersten
Hauptspulen 201 angeordnet sind. Die zwei zweiten Hauptspulen 302, 303 weisen
jeweils ein der Teilchenbahn nahes Teilstück 401 und 402 und
ein der Teilchenbahn fernes Seitenteil 304, 305 auf.
Gemäß der Darstellung von 4 könnte
das erste Spulenteilsystem ein Dipolmoment erzeugen, welches aus
der Papierebene heraus weist, während das zweite Spulenteilsystem ein
Dipolmoment erzeugt, welches in die Papierebene hinein weist. Ebenso
ist natürlich eine jeweils um 180° gedrehte Orientierung
des Dipolmoments möglich.
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Das
in 4 dargestellte Spulensystem kann neben dem ersten
und dem zweiten Spulenteilsystem im Innenbereich der Nebenspule
angeordnete Korrekturspulen 301 aufweisen. Ein Strahl elektrisch
geladener Teilchen 101 kann mit dem in 4 dargestellten
Spulensystem in ein Isozentrum 103 abgelenkt werden.
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Die
Endteile 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 können
derart aufgebogen sein, dass sie sich mit den bogenförmigen
Endteilen 209, 210 der Nebenspulen 207 in
der Projektion in die Strahlführungsebene überlappen.
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5 zeigt
einen Strahlführungsmagneten 200 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Der Strahlführungsmagnet 200 weist
die bereits aus den vorstehenden Ausführungsbeispielen
bekannte Hauptspulen, von denen lediglich eine Hauptspule 201 dargestellt
ist, mit Endteilen 205, 206 auf. Zwischen den
Endteilen 205, 206 der Hauptspule 201 erstreckt
sich eine gekrümmte Nebenspule 207 mit bogenförmigen
Endteilen 209, 210. Im Innenbereich der Nebenspule 207 befindet
sich eine Korrektur spule 301. Im Bereich der bogenförmigen
Endteile 209, 210 der Nebenspule 207 befinden
sich jeweils Zusatzspulen 501 angeordnet. Die Zusatzspulen 501 können
getrennt von dem restlichen Spulensystem des Strahlführungsmagneten 200 ansteuerbar
sein. Insbesondere können die Zusatzspulen 501 derart
erregt sein, dass eine effektive Magnetfeldkompensation im Bereich
der bogenförmigen Endteile 209, 210 der
Nebenspule 207 erreicht werden kann.
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Mit
dem in 5 dargestellten Strahlführungsmagneten 200 kann
ein Strahl 101 elektrisch geladener Teilchen in ein Isozentrum 103 abgelenkt werden.
Das Isozentrum 103 kann insbesondere innerhalb eines langgestreckten
Patientenraumes 502 liegen. Beidseitig dieses langgestreckten
Patientenraumes 502 können Kompensationsspulen 503 angeordnet
sein. Mittels der Kompensationsspulen 503 kann das Streufeld
des Strahlführungsmagneten 200 im Bereich des
Patientenraumes 502 vermindert und ggf. minimiert werden.
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Die
Zusatzspulen 501 und/oder die Kompensationsspulen 503 können
aus normalleitendem oder insbesondere aus supraleitendem Material
gefertigt sein und einzeln oder auch gemeinsam mit dem restlichen
Spulensystem des Strahlführungsmagneten 200 ansteuerbar
bzw. erregbar sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007025584 [0001, 0021, 0022]
- - DE 19904675 A1 [0002]
- - US 4870287 A [0002]