DE102008047197A1

DE102008047197A1 - Verfahren zur Strahlentherapie mit Ionenstrahlen und Teilchenbeschleuniger zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008047197A1
Application number: DE200810047197
Authority: DE
Inventors: Klaus Blasche; Bernhard Franczak
Original assignee: Individual
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: DE102008047197B4; DE102008047197A8

Abstract

Ein Verfahren zur Strahlentherapie mit Ionenstrahlen eines Teilchenbeschleunigers ist angegeben, der einen Synchrotronring mit Anordnungen für langsame Teilchenextraktion aufweist, wobei das Synchrotron von Zyklus zu Zyklus variabel in Ionensorte, Ionenenergie und/oder Strahlenintensität einstellbar ist, der Teilchenstrahl durch Quadrupol- und/oder Scannermagnete eingestellt und mit variablem Strahldurchmesser über eine zweidimensionale Fläche gesteuert wird, und ein räumlich definiertes, beliebiges Targetvolumen durch Energievariation von Synchrotron-Zyklus zu -Zyklus bestrahlt wird. Um Bewegungen des Targetvolumens, beispielsweise eines Tumorvolumens aufgrund der Atem- oder Herztätigkeit oder sonstiger, durch das vegetative Nervensystem gesteuerte Bewegungen, wie der Peristaltik, Rechnung zu tragen, und dadurch eine definierte genaue Bestrahlung zu ermöglichen, wird die Energie des extrahierten Ionenstrahls mit einem externen Steuersignal gesteuert und der extrahierte Ionenstrahl mit variabler Energie während der langsamen Extraktion an die Bewegungen des Targetvolumens angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlentherapie mit Ionenstrahlen eines Teilchenbeschleunigers, der einen Synchrotronring mit Anordnungen für langsame Teilchenextraktion aufweist, wobei das Synchrotron von Zyklus zu Zyklus variabel in Ionensorte, Ionenenergie und/oder Strahlenintensität einstellbar ist, der Teilchenstrahl durch Quadrupol- und/oder Scannermagnete eingestellt und mit variablen Strahldurchmesser über eine zweidimensionale Fläche gesteuert wird, und ein räumlich definiertes, beliebiges Targetvolumen durch Energievariation von Synchrotron-Zyklus zu -Zyklus bestrahlt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Teilchenbeschleuniger zur Durchführung des Verfahrens.
Die Strahlentherapie mit Ionenstrahlen wird auch kurz als Partikeltherapie bezeichnet. Beschleuniger sind hierfür beschrieben. Eine neue optimale Auslegung für ein Synchrotron zum Einsatz in der Partikeltherapie wurde in der Anmeldung WO 2005/125289 A1 international zum Patent angemeldet. Die ersten Anlagen dieser Bauart werden zurzeit in Marburg und in Kiel errichtet.
Ein modernes Synchrotron für die Partikeltherapie liefert mit jedem Maschinenzyklus frei wählbar eine vorab definierte Partikelsorte, in der Regel Protonen, Helium-Ionen oder Kohlenstoff-Ionen, und eine passende Teilchenstrahl-Energie, die mit geeigneter Intensität und Fokussierung während der etwa 2–10 Sekunden andauernden Patientenbestrahlung mit Hilfe von zwei so genannten Scanner-Magneten zur millimetergenauen Bestrahlung einer Fläche im Tumorvolumen eingesetzt werden kann. Durch variable Einstellung der Endenergie von Zyklus zu Zyklus, d. h. bei variabler Eindringtiefe in das Tumorvolumen wurden so erstmals im Forschungsinstitut der Gesellschaft für
Schwerionenforschung GmbH (GSI), Darmstadt, unregelmäßig strukturierte Tumorbereiche mit einer Präzision im Millimeterbereich erfolgreich bestrahlt. In einem Synchrotron werden demnach von Zyklus zu Zyklus unterschiedliche Strahlendosierungen mit jeweils nur soviel Partikelenergie erzeugt, wie es für das Erreichen unterschiedlicher vorgegebener Tiefen erforderlich ist.
Die Energieeinstellung von Zyklus zu Zyklus bei einer maximalen Bestrahlungszeit von etwa 10 Sekunden in einer Zyklusdauer von etwa 12 Sekunden kann nur mit einem Synchrotron durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu ist die Partikelenergie in einem Zyklotron beim Austritt aus dem Beschleuniger fest vorgegeben und kann nur durch Energieabsorber passiv verändert werden. Die passive Energieeinstellung durch Absorber hat zwei gravierende Nachteile:

(a) Nach dem Absorber ergibt sich eine breitere Energieverteilung und eine seitliche Aufstreuung des Partikelstrahls, die man durch radiale Blenden und magnetische Ablenkung mit entsprechender Energieselektion kompensieren muss.
(b) Bei der Partikelauswahl durch Blenden bleiben nur wenige Prozent des beschleunigten Partikelstrahls für die Partikeltherapie verfügbar, während der überwiegende Teil des beschleunigten Partikelstrahls auf die Blenden trifft

Der neuartige und erfolgreiche Einsatz der aktiven Bestrahlungstechnik in der Partikeltherapie, der bisher nur in der GSI, Darmstadt bei mehr als 400 Patienten über 10 Jahre erfolgreich praktiziert wurde, wird nun weltweit von der Firma Siemens AG vermarktet, wobei eine optimale technische Auslegung des Synchrotrons zu einer sehr kostengünstigen Lösung für die Beschleunigeranlage geführt hat.
Bisher wurde die beschriebene optimale aktive Bestrahlungstechnik mit der gewünschten Genauigkeit im Bereich von 1 mm nur für räumlich genau fixierte Tumorvolumina vorzugsweise im Kopfbereich eingesetzt.
Für die Behandlung von Tumoren, z. B. in der Lunge, Leber, etc., die der Atembewegung folgen, sind geeignete Verfahren nicht bekannt. Analog kann man auch den Einfluss der Herzbewegung diskutieren. Dasselbe gilt für die Behandlung von Organen, deren Bewegung durch die so genannte Peristaltik autonom gesteuert und auch durch das vegetative Nervensystem moduliert wird. In der folgenden Diskussion wird der Einfluss der Atembewegung als wichtigstes Beispiel diskutiert.
Insbesondere ist bekannt, dass man durch den Einsatz von Energieabsorbern eine Anpassung der Partikelenergie an die Atembewegung erreichen kann, wenn man die Dicke dieser Absorber durch geeignete mechanische Bewegung im Rhythmus der Atembewegung anpasst. Erste Tests dieses Verfahrens zeigen aber sehr deutlich, dass man auf diesem Weg alle oben beschriebenen Nachteile der passiven Energieeinstellung über die Hintertür wieder einführt.
Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Energieanpassung an die Organbewegungen, die als Folge der Atem- oder Herzbewegung oder sonstigen durch das vegetative Nervensystem gesteuerten Bewegungen auftreten, auch während der etwa 10 Sekunden andauernden langsamen Extraktion aus dem Synchrotron aktiv zu steuern und auf diesem Weg eine passive Energieanpassung durch Energieabsorber zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Energie des extrahierten Ionenstrahls mit einem externen Steuersignal gesteuert, und der extrahierte Ionenstrahl mit variabler Energie während der langsamen Extraktion an die Bewegungen des Targetvolumens, beispielsweise eines Tumorvolumens, angepasst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen.
Die gestellte Aufgabe wird auch durch einen Teilchenbeschleuniger zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 16 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine kontinuierliche Veränderung bzw. Nachstellung der Energie des Partikelstrahls im Synchrotron vorgesehen, entsprechend der Vorgabe durch ein externes Steuersignal, das primär die Atembewegung auswertet und sekundär die zur Atembewegung korrelierte Partikelenergie vorgibt, wie nachfolgend im Einzelnen erläutert wird. Jeweils auf die angeforderte Energie abgestimmt wird auch eine kontinuierliche Anpassung des Extraktionssystems, der Strahltransportstrecken zu den Behandlungsräumen und der Scannersysteme für die transversale Strahlsteuerung vorgenommen. Die technische Umsetzung des beschriebenen Betriebs von Synchrotron, Strahltransport und aktiver Bestrahlungstechnik erfordert neue Konzepte für die Steuerung und die Regelkreise aller beteiligten Geräte.
Nach dem heutigen Stand der Technik werden alle wesentlichen Kontrollparameter für den Betrieb des Synchrotrons, also insbesondere alle Parameter, welche die Energie bestimmen, vor dem Beginn eines Synchrotronzyklus festgelegt. Nach dem Stand der Technik kann die Energie des extrahierten Ionenstrahls während der etwa 10 Sekunden andauernden langsamen Extraktion nicht verändert werden.
Entsprechend der Aufgabenstellung der Erfindung wird bei der vorliegenden Erfindung die Energie während der Extraktion automatisch dem vorgegebenen Stellsignal nachgeführt, wobei die Zeitkonstante für die Einstellung der vorgegebenen Energie vorzugsweise im Bereich von etwa 10–30 msec liegen sollte. In der Praxis wird das Stellsignal für die erforderliche Energie für ein Zeitintervall von etwa 10–30 msec vorab extrapoliert, wie dies nachfolgend im Einzelnen beschrieben werden wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die für den aktuellen Zyklusablauf vorgegebenen Rampenparameter, die entsprechend dem bekannten Ablauf einer Synchrotronsteuerung den Maschinenbetrieb mit fester Extraktionsenergie steuern, durch geeignete programmierbare elektronische Verfahren „online” mit einer Zeitkonstanten vorzugsweise im Bereich von 10–30 Millisekunden nachgestellt. Diese Synchrotron-Parameter sind insbesondere die Magnetfelder für die Hauptdipolmagnete, die Hauptquadrupolmagnete, die Korrekturmagnete, die Sextupolmagnete für die Resonanzextraktion, die Frequenz und Amplitude für die HF-Beschleunigungsstrecken sowie die Komponenten im Extraktionskanal, d. h. das elektrostatische Extraktionsseptum und die erforderlichen Septummagnete für die Strahlauslenkung. Zudem müssen alle Magnete in den Strahltransportstrecken vom Synchrotron zu den Bestrahlungsplätzen an die variable Ionenstrahlenergie angepasst werden. Für diese Aufgabe wird eine elektronische Kontrolleinheit eingesetzt, die das für etwa 10 bis 30 Millisekunden extrapolierte Energiesignal für die Energieanpassung während der Resonanzextraktion auswertet und in geeignete Kontrolldaten für die Online-Steuerung aller beteiligten Synchrotrongeräte sowie der Geräte in den Strahltransportstrecken zwischen dem Synchrotron und den jeweiligen Therapieräumen umsetzt.
Als Steuersignal für die variable Energieanpassung wird vorzugsweise ein Taktsignal verwendet, das die erforderlichen Energieschritte in einen entsprechenden Zeittakt transformiert, oder wahlweise ein geeignet normierter Digitalwert für die erforderlichen Energie schritte, wie dies in den Ansprüchen 8 und 9 angegeben ist.
So werden erfindungsgemäß nicht nur die lineare sondern auch die quadratische und die kubische Extrapolation auf einfache sehr schnelle Rechenoperationen wie Addition, Subtraktion, und Verschiebeoperationen zurückgeführt und in geeigneter Weise parametrisiert. Auf diese Weise kann die vorgegebene langsame Energievariation in eine jeweils entsprechende Variation der wenigen Parameter für die kubische Kurvenextrapolation der erforderlichen Rampen für die beteiligten Geräte transformiert werden.
Vorzugsweise werden dabei alle Anfangswerte der Kontrolldaten für die kubische Extrapolation bereits vor dem jeweiligen Maschinenzyklus berechnet und dann online schrittweise mit Hilfe des Zeittaktsignals für jeden Energieschritt (etwa 100 eV/u) durch Inkrementierung berechnet wie dies nachfolgend noch im Einzelnen beschreiben wird.
Alternativ können auch für jeweils etwa 20 Millisekunden mit einem Vorlauf von weniger als fünf Millisekunden für jeden Zeitschritt von etwa 100 Mikrosekunden über das gesamte Zeitintervall, vorzugsweise durch kubische Extrapolation alle Kontroll- oder Steuerwerte als Funktion der Zeit vorausberechnet werden. Diese Maßnahmen sind im Anspruch 13 angegeben.
Die schnelle Modifikation der Rampenparameter muss auf der untersten Steuerebene umgesetzt werden, und zwar entweder in digitalen Kontrolleinheiten (digital control units oder DCU) auf einem Rechner oder auch in FPGA-Modulen (Field Programmable Gate Array), wobei wegen der erforderlichen Geschwindigkeit nur einfache Rechenoperationen vorgesehen sind. Vorzugsweise wird die jeweilige Neuberechnung der Rampenparameter durch lineare, quadratische, oder kubische Extrapolation des bisherigen Kurvenverlaufs auf den aktuellen neuen Zielwert vorgenommen.
Vorzugsweise wird die technische Umsetzung der schnellen Parameterberechnung für ein Zeitintervall von zum Beispiel etwa 20 Millisekunden kann durch etwa 10 bis 100 Interpolationsschritte auf der untersten Steuerebene vorgenommen werden.
In Ergänzung zur schnellen Online-Berechnung der erforderlichen Kontrollparameter oder gegebenenfalls auch als Ersatz ist es für einige wichtige Geräte oder Kontrollgrößen vorteilhaft, digitale oder analoge Regelkreise vorzusehen. Typische Beispiele sind digitale oder analoge Magnetfeld-Regelungen für die beteiligten Dipolmagnete oder auch die automatische Intensitäts- und Positionsregelung für den Therapiestrahl auf dem großflächigen Intensitäts- und Positionsmonitor (Beam Application Monitor System BAMS) direkt vor dem Patienten.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein modernes Synchrotron für die Partikeltherapie als Stand der Technik, wie es zurzeit in Marburg und Kiel gebaut wird.
2 zeigt schematisch ein bereits bekanntes Verfahren, wie bei fester Einstellung der Extraktionsenergie in einem Synchrotronzyklus die Ionenstrahlenergie dennoch durch den Einbau von dicken Targets in die Strahltransportstrecke vom Synchrotron zu einem Therapieplatz die Ionenstrahl-Energie variabel reduziert werden kann.
3 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Energieanpassung an die Atembewegung während der etwa 10 Sekunden andauernden Strahlextraktion aus dem Synchrotron.
4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Online-Energieanpassung während der Resonanzextraktion aus dem Synchrotron mit Hilfe neuer Vorgaben für die erforderliche Ionenstrahlenergie, die mit einem Vorlauf von 10 bis 30 Millisekunden durch ein externes Signal festgelegt wird.
5 zeigt eine Online-Regelung der relevanten Synchrotron Parameter während der Resonanzextraktion mit Hilfe einer zentralen Kontrolleinheit, welche die Vorgaben für die extrapolierte Ionenstrahlenergie in 2 bis 3 Millisekunden in geeignete Steuerdaten für alle beteiligten Geräte umsetzt und an diese weiterleitet.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für die schnelle Interpolation zur Berechnung der erforderlichen Steuerdaten für die einzelnen Geräte, hier für die Steuerung eines Magnetstrom-Netzgeräts im Synchrotron, mit Hilfe einer Zeittaktsteuerung unter Verwendung eines Zeitaktsignals mit Übertragung, wie z. B. 1 Byte bei einer Taktfrequenz im Bereich von 100 kHz.
7 zeigt die schnelle Extrapolation neuer Kontrolldaten als Funktion der Zeit für die beteiligten Geräte mit Hilfe einfacher linearer, quadratischer und/oder gegebenenfalls kubischer Extrapolation, die auf elementare Rechenprozesse zurückgeführt werden können wie Addition, Subtraktion und Verschiebeoperationen.
8 zeigt als Alternative zur Zeittaktsteuerung gemäß 6 die Übertragung von digitalen Energieparametern z. B. im zeitlichen Abstand von etwa 30 Millisekunden.
9 zeigt eine Ausführungsform der digitalen Online-Steuerung der relevanten Synchrotron-Parameter, hier am Beispiel des Magnetstroms für ein Paar von Synchrotron-Hauptmagneten während der Resonanzextraktion am Beispiel einer lokalen digitalen Kontrolleinheit (digital control unit DCU). Die Steuerung der Geräte erfolgt über die Energieanforderung.
10 zeigt eine Ausführungsform der digitalen Online-Steuerung der relevanten Synchrotron-Parameter während der Resonanzextraktion am Beispiel eines FPGA Moduls (Field Programmable Gate Array)
11 zeigt eine Ausführungsform für den digitalen oder analogen Regelkreis zum Beispiel für den Aufbau der Magnetfeldregelung für einen Ablenk- oder Dipolmagneten, der zugleich für die Kontrolle der erforderlichen Magnetfeldvariation während der Resonanzextraktion genutzt wird. Diese Figur betrifft die Einstellung variabler Geräteparameter, hier eines variablen Sollwerts für den Magnetstrom I_M(t) für das Magnetfeld B (t), über einen analogen oder digitalen Regelkreis, entsprechend der Steuerung durch die variable Energieanforderung E(t) während der Resonanzextraktion.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Synchrotronring 100 eines Teilchenbeschleunigers in einer Ausführungsform, die im Prinzip geeignet ist für den Ausbau zu einem Beschleuniger mit Online-Energieanpassung während der so genannten Resonanzextraktion entsprechend dem Gegenstand dieser Erfindung.
Der Synchrotronring weist Dipolmagnetpaare 13/14, 15/16, 17/18, 19/20, 21/22 und 23/24, fokussierende Quadrupolmagnete 25 bis 30 und defokussierende Quadrupolmagnete 31 bis 36 sowie Strahlbeschleunigungsmittel 44 auf, die zum Zweck der Online-Energieanpassung während der Resonanzextraktion entsprechend der jeweils angeforderten Ionenstrahlenergie variabel eingestellt werden müssen. Zudem sind die erforderlichen Extraktionsmittel gezeigt, nämlich sechs Sextupolmagnete 37 bis 42, ein elektrostatisches Extraktionsseptum 45, zwei Septummagnete 46 und 47 sowie eine Hochfrequenz-Rauschanregung 48 des Ionenstrahls, die in der Regel auch an den Betrieb mit Online-Energieanpassung während der Resonanzextraktion angepasst werden müssen.
Die Draufsicht zeigt auch eine Strahltransport-Strecke 110 vom Synchrotron zu einem Therapieplatz mit zwei Ablenkmagneten 60/61, mit den Quadrupol-Magneten 63 bis 69, und mit den Scanner-Magneten 70/71 die in der Regel auch an den Betrieb mit Online-Energieanpassung während der Resonanzextraktion angepasst werden müssen.
2 zeigt das bekannte Verfahren, wie bei fester Einstellung der Extraktionsenergie in einem Synchrotronzyklus die Ionenstrahlenergie dennoch durch den Einbau von dicken Targets in die Strahltransportstrecke vom Synchrotron zu einem Therapieplatz die Ionenstrahlenergie während der Resonanzextraktion variabel reduziert werden kann. Ein variabler Energieverlust kann mit zwei Verfahren erreicht werden: (1) Entweder wird ein keilförmiges Target 50 mit einem geeigneten Antrieb 51 transversal durch den Ionenstrahl bewegt, so dass sich der jeweils erforderliche Energieverlust ergibt, oder (2) man bewegt den Ionenstrahl durch transversale Ablenkung 52 auf die jeweils geeignete transversale Position auf dem keilförmigen Target, die den erforderlichen Energieverlust ergibt.
Beide Verfahren sind passive Methoden zur Energieeinstellung, wie sie auch beim Einsatz von Beschleunigern mit fester Endenergie wie bei einem Zyklotron benutzt werden. Die gravierenden Nachteile dieser Verfahren sind bekannt, nämlich transversale Aufstreuung des Ionenstrahls und Verbreiterung der Energieverteilung im Ionenstrahl durch Energieaufstreuung (energy straggling). Diese Nachteile können im Prinzip durch geeignete Blenden- und Analysiersysteme kompensiert werden, wobei aber entsprechend hohe Strahlverluste im Bereich von 90% entstehen und eine vermeidbare radioaktive Kontamination von Komponenten auftritt, welche durch die bestehenden Strahlenschutzgesetze nicht toleriert wird.
In einem Synchrotron kann man entsprechend dem bekannten Stand der Technik die gewünschte Ionenenergie für jeden Maschinenzyklus und somit für jeden Extraktionsprozess neu einstellen und damit aktiv an die Anforderungen für den Einsatz in der Strahlentherapie einstellen.
In der Praxis benötigt man aber darüber hinaus in jedem einzelnen Extraktionsprozess eine Anpassung der Strahlenergie an die unvermeidbare Organbewegung z. B. infolge der Atembewegung. Daher wurde vorgeschlagen, die Energie während der Resonanzextraktion durch passive Energieabsorber zu reduzieren.
3 zeigt als Beispiel schematisch die erforderliche Energieanpassung an die Atembewegung während der etwa 10 Sekunden andauernden Strahlextraktion aus dem Synchrotron. Die erforderliche Energieanpassung muss im Rahmen der Therapiekontrolle messtechnisch erfasst und als Steuerparameter bereitgestellt werden. Ähnlich wie die Atembewegung könnte man auch die Herzbewegung registrieren und in ein geeignetes Steuersignal für die Energieanpassung mit einer Periodendauer von 1 Sekunde oder weniger umsetzen. Vor Beginn des aktuellen Synchrotron-Zyklus wird man vorzugsweise eine Endenergie 305 einstellen, die als Referenzenergie E₀ annähernd in der Mitte des erforderlichen Energiebands 310 für die Energieanpassung liegt. Sobald die vorgewählte Referenzenergie mit der Standardbeschleunigung 300 im Synchrotron erreicht ist, wird auf dem Extraktionsplateau (flat top) während der geplanten Extraktionsdauer von etwa 10 Sekunden mit dem Beginn der Strahlextraktion so lange gewartet, bis die von der Atembewegung bestimmte Referenzenergie E₀ erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt T₀ wird man die Resonanzextraktion aktivieren und mit der erforderlichen Online-Energieanpassung beginnen. Nach Ablauf der geplanten Extraktionszeit von etwa 10 Sekunden wird die Bestrahlung zum Zeitpunkt T_e nach etwa zwei bis drei Atemzügen abgebrochen.
4 zeigt schematisch das Prinzip der Online-Energieanpassung mit variabler Extraktionsenergie 400 jeweils für Zeitintervalle 405 von etwa 20 Millisekunden. Nach dem bekannten Stand der Technik wird angenommen, dass die jeweilige Endenergie für das nächste Zeitintervall mit einem Vorlauf von etwa 25 Millisekunden bereitgestellt werden kann, wenn man bei der messtechnischen Erfassung der Atembewegung oder auch der Herzbewegung im Therapiekontrollzentrum in geeigneter Weise extrapoliert. Der Vorlauf von etwa 5 Millisekunden 410, 420 vor dem nächsten Intervall wird dann genutzt, um alle beteiligten Geräte über den geplanten nächsten Energieschritt in der Online-Energieanpassung zu informieren.
5 zeigt schematisch ein zentrales Kontrollmodul 500 für die Energieanpassung im Synchrotron und in den Strahltransport-Strecken, das ein Steuersignal 505 für die variable Energieanpassung aufnimmt und in geeigneter Weise an die Steuerrechner aller beteiligten Geräte im Synchrotron 510 und auf den Hochenergie- Strahltransportstrecken 520 weiterleitet und zwar über eine geeignete Busleitung 530 oder alternativ über separate Stichleitungen. Als Steuersignal für die variable Energieanpassung wird vorzugsweise ein Taktsignal verwendet, das die erforderlichen Energieschritte in einen entsprechenden Zeittakt transformiert (6) oder wahlweise in einen geeignet normierten Digitalwert für die erforderliche Energieanpassung (siehe 8).
6 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform für das bevorzugte Zeittaktsignal, das hier mit einer technischen Standardfrequenz von etwa 100 kHz jeweils ein Byte überträgt. Eine 8 Bit Codierung dieser Bytes ist nach Bedarf möglich und vorteilhaft. In dem gezeigten Beispiel ist ein Startevent 600 und ein Stopevent 630 vorgesehen, sowie Pulse oder Bytes 610 für einen positiven festen Energieschritt im Bereich von δE = 100 eV/u und ebenso für einen negativen Energieschritt 620 von δE = –100 eV/u. Dazwischen werden die erforderlichen Nullcodes 605 eingefügt, die regelmäßig alle 10 Mikrosekunden übertragen werden (100 kHz). Das entsprechende Prinzip der schnellen Interpolation zur Berechnung der erforderlichen Steuerdaten für die einzelnen Geräte, z. B. für die Steuerung eines Magnetstrom-Netzgeräts im Synchrotron, mit Hilfe dieser Zeittaktsteuerung wird anhand von 7 erläutert.
7 zeigt als Ausführungsbeispiel das Prinzip der schnellen kubischen Interpolation durch Iterationsverfahren mit Hilfe des Zeittaktsignals wie in 6 gezeigt. Mit jedem Taktsignal (705) für einen neuen Energieschritt δE = ±100 eV/u (701, 702) wird eine neue Berechnung des korrelierten Geräteparameters, hier des Magnetstroms I_M für die Magnetstromversorgung von zwei Dipolmagneten im Synchrotron ausgelöst, 710 und 720. Auch dieses Verfahren basiert auf einer Interpolation mit einfachen Additionen und Subtraktionen zur Online-Berechnung der erforderlichen Steuerwerte im nächsten Intervall. Die kubische Interpolation ist das geeignete Verfahren, die Steuerwerte für ein einziges Energie-Intervall so zu berechnen, dass die Steuerkurve aus dem vorgegebenen Zusammenhang für I_M(E) berechnet werden kann. Bei linearer Interpolation, die alternativ eingesetzt werden könnte, würde sich ein unstetiger Kurvenverlauf ergeben. Eine weitergehende Methode stellt die quadratische Interpolation dar, die aber zur Anregung einer instabilen Schwingung führen kann. Die kubische Interpolation ist die bevorzugte Ausführungsform, die den Aufbau von instabilen Oszillationen durch fehlerhafte Interpolationswerte vermeiden kann. Alle drei Ausführungsformen sind praktische Ausführungsformen einer schnellen Interpolation durch Iterationsverfahren. Die vorliegende Abbildung demonstriert das prinzipielle Verfahren am Beispiel der kubischen Interpolation.
8 zeigt eine alternative Ausführungsform für die digitale Online-Steuerung der relevanten Synchrotron-Parameter während der Resonanzextraktion mit Hilfe der Übertragung eines digitalen Energiesignals im zeitlichen Abstand von etwa 20 Millisekunden wie in 4 schematisch gezeigt. Das jeweils aktuelle Energiesignal wird an alle betroffenen Geräte im Synchrotron und in den Hochenergie-Strahltransportstrecken übertragen und dort zu einer entsprechenden Gerätesteuerung für das jeweils anstehende Energieintervall genutzt. Ei wird dabei vorzugsweise als Festkommazahl, alternativ auch als Gleitkommazahl übertragen. Das entsprechende Verfahren wird am Beispiel einer lokalen digitalen Kontrolleinheit (digital control unit DCU) in 9 erläutert.
9 zeigt den schematischen Ablauf für die Steuerung aller Geräte auf der Basis von Energiesignalen, die im zeitlichen Abstand von etwa 20 Millisekunden verteilt werden.
Im ersten Schritt werden die erforderlichen Anfangswerte der Interpolations-Parameter q, p, und d für das kommende 20 Millisekunden Zeitintervall aus den bekannten Daten für das vorangehende Intervall und aus der Vorgabe der neuen Zielenergie mit einem Vorlauf von etwa 5 Millisekunden berechnet. Auf diese Weise kann man bei kubischer Interpolation in sehr einfacher Weise die notwendigen Parameter für die Interpolation aus den Eckdaten Anfangswerte, Anfangssteigung und Endwert berechnen kann. Wenn man zum Beispiel eine Unterteilung des Intervalls mit einer Länge von 20 Millisekunden in 100 Segmente jeweils mit einer Länge von 200 Mikrosekunden unterstellt, müssen bei einer iterativen Online-Berechnung der Parameter in jeweils 200 Mikrosekunden nur die folgenden einfachen Rechenoperationen ausgeführt werden:
q kubisches Inkrement
p := p + q quadratisches Inkrement
d := d + p lineares Inkrement
a := a + d Amplitude Magnetstrom I_M(t)
Auf diese Weise können in der gegebenen Zeit sehr einfach vorzugsweise durch Festkomma-Operationen für Addition bzw. Subtraktion schrittweise die Amplitudenparameter a mit Hilfe der Inkrementparameter d und der Parabelparameter p berechnet werden.
10 zeigt eine alternative Ausführungsform der digitalen Online-Steuerung der relevanten Synchrotron-Parameter während der Resonanzextraktion mit Hilfe eines FPGA Moduls (Field Programmable Gate Array) an der Stelle einer digitalen Kontrolleinheit (DCU) wie in 9 beschrieben
11 zeigt eine Ausführungsform für den digitalen oder analogen Regelkreis zum Beispiel für den Aufbau der Magnetfeldregelung für einen Ablenk- oder Dipolmagneten, der zugleich für die Kontrolle der erforderlichen Magnetfeldvariation während der Resonanzextraktion genutzt wird. In diesem Fall wird der von der Energie abhängige Korrekturwert als Regelwert in die entsprechenden analogen oder digitalen Regelkreise eingeführt, zum Beispiel in den Regelkreis für das magnetische Dipolfeld für zwei Ablenkmagnete im Synchrotron.
Am Ende wird der Magnetstrom I_M(t) ausgegeben, der zur Steuerung einer Magnetstromversorgung (MPS) verwendet wird.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Synchrotron für die Strahlentherapie mit Ionenstrahlen für den Einsatz in der so genannten Partikeltherapie. Nach dem Stand der Technik erfolgt die Energieeinstellung in einem Synchrotron von Zyklus zu Zyklus bei einer Bestrahlungszeit von etwa 10 Sekunden. Während der Bestrahlungszeit von etwa 10 Sekunden liefert das Synchrotron die vorab definierte konstante Endenergie.
Aufgabe der Erfindung ist es, auch während der etwa 10 Sekunden andauernden langsamen Strahlextraktion aus dem Synchrotron die Energie variabel zu steuern. Auf diese Weise kann die erforderliche Energieanpassung an die Herz- oder Atembewegung oder an die so genannte Peristaltik erstmals online in einem Synchrotronzyklus autonom gesteuert werden.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch Abwandlungen, Ausgestaltungen und Modifikationen möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/125289 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Strahlentherapie mit Ionenstrahlen eines Teilchenbeschleunigers, der einen Synchrotronring (100) mit Anordnungen für langsame Teilchenextraktion aufweist, wobei das Synchrotron von Zyklus zu Zyklus variabel in Ionensorte, Ionenenergie und/oder Strahlintensität einstellbar ist, der Teilchenstrahl durch Quadrupol- und/oder Scannermagnete eingestellt und mit variablem Strahldurchmesser über eine zweidimensionale Fläche gesteuert wird, und ein räumlich definiertes, beliebiges Targetvolumen durch Energievariation von Synchrotron-Zyklus zu -Zyklus bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des extrahierten Ionenstrahls mit einem externen Steuersignal gesteuert wird, und der extrahierte Ionenstrahl mit variabler Energie während der langsamen Extraktion an die Bewegungen des Targetvolumens angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieanpassung auf die gemessene Bewegung abgestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen quasi-periodische Atem- oder Herzbewegungen, und/oder durch das vegetative Nervensystem autonom gesteuerte Bewegungen, wie die Peristaltik, sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen gemessen und in Abhängigkeit hiervon die Energie des Ionenstrahls angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem bereits aufgezeichneten Verlauf der Bewegungen und dem damit korrelierten Verlauf des Steuersignals jeweils ein erwarteter Verlauf vorausberechnet und als Rechenbasis für die erforderliche Energienachführung des Ionenstrahls herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für die Energieanpassung während einer Resonanzextraktion auswertet und daraus Steuerdaten für die Online-Steuerung aller beteiligten Synchrotrongeräte sowie der Geräte in den Strahltransportstrecken zwischen dem Synchrotron und den jeweiligen Therapieräumen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Verlauf für ein Zeitintervall von 10 bis 30 Millisekunden vorausberechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuersignal für die Energieanpassung ein Taktsignal verwendet wird, das die erforderlichen Energieschritte in einen entsprechenden Zeittakt transformiert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktsignal als ein normierter Digitalwert für erforderliche Energieschritte verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderlichen Steuerdaten entweder als Zeittaktsignal oder mit Übertragung als digitaler extrapolierter Energiewert in stetiger Fortsetzung des bisherigen Verlaufs mittels linearer, quadratischer und/oder kubischer Näherung extrapoliert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Näherung durch Addition oder Subtraktion entsprechender Korrekturterme ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangswerte aller Steuerdaten für die kubische Extrapolation vor dem jeweiligen Maschinenzyklus berechnet und anschließend online schrittweise mit Hilfe des Zeittaktsignals für jeden Energieschritt durch Inkrementierung berechnet werden.
Verfahren nach einen der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils etwa 20 Millisekunden mit einem Vorlauf von weniger als fünf Millisekunden für jeden Zeitschritt von etwa 100 Mikrosekunden über das gesamte Zeitintervall, vorzugsweise durch kubische Extrapolation, alle Steuerwerte als Funktion der Zeit berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die extrapolierten Steuerdaten zur schnellen Online-Modifikation der Rampenparameter aller beteiligten Synchrotrongeräte sowie der Geräte in den Strahltransportstrecken zwischen dem Synchrotron und den jeweiligen Therapieräumen in den jeweiligen Steuergeräten der untersten Steuerebene umgesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die extrapolierten Steuerdaten in geeignete Regelkreise für die Steuerung der entsprechenden Geräte im Synchrotron und/oder in den Strahltransportstrecken, in digitale oder analoge Magnetfeld-Regelungen für die beteiligten Dipolmagnete und/oder in die automatische Positionsregelung über die Scanner-Magnete vor dem Therapieräumen eingeführt werden.
Teilchenbeschleuniger für die Strahlentherapie mit Ionenstrahlen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinheit für die Auswertung eines Steuersignals für die Energieanpassung während einer Resonanzextraktion und die Ermittlung von Steuerdaten daraus für die Online-Steuerung aller beteiligten Synchrotrongeräte sowie der Geräte in den Strahltransportstrecken zwischen den Synchrotron und den jeweiligen Therapieräumen.
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch lokale elektronische Steuereinheiten für die einzelnen Synchrotrongeräte und/oder für die einzelnen Geräte in den Strahlentransportstrecken zwischen dem Synchrotron und den jeweiligen Therapieräumen zum Umsetzen der extrapolierten Steuerdaten zur schnellen Online-Modifikation der Rampenparameter der jeweiligen Steuergeräte in der untersten Steuerebene.
Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten digitale Steuereinheiten (digital control units oder DCU) und/oder FPGA(Field Programmable Gate Array)-Module sind.