DE102009040031B4

DE102009040031B4 - Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung sowie -Verfahren

Info

Publication number: DE102009040031B4
Application number: DE102009040031A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Iseki; Takeshi Yoshiyuki; Hiroyuki Daido; Masahiro Ikegami; Mamiko Nishiuchi; Akira Noda
Original assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: US20100127183A1; CN101740156A; JP2010125012A; JP5374731B2; US8222617B2; DE102009040031A1; CN101740156B

Abstract

Eine lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung umfasst: einen Teilchenstrahlgenerator, der ein Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, um einen lasergetriebenen Teilchenstrahl zu emittieren; eine Strahlkonvergenzeinheit, die eine Transportbahn bildet, welche den emittierten lasergetriebenen Teilchenstrahl zu einem Gegenstand führt und dabei den lasergetriebenen Teilchenstrahl räumlich konvergiert; einen Energieselektor, der eine Energie und eine Energiebreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls auswählt; eine Bestrahlungsmündung, die den lasergetriebenen Teilchenstrahl veranlasst, den Gegenstand abzutasten, um eine Bestrahlungsposition im Gegenstand einzustellen; und eine Bestrahlungssteuerung, die den Betrieb des Teilchenstrahlgenerators, der Strahlkonvergenzeinheit, des Energieselektors und der Bestrahlungsmündung steuert. Die Strahlkonvergenzeinheit erzeugt ein Magnetfeld auf einer Trajektorie des lasergetriebenen Teilchenstrahls und konvergiert dabei den lasergetriebenen Teilchenstrahl durch das Magnetfeld, wobei das Magnetfeld divergierende Komponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls, die sich von einer Mitte der Trajektorie entfernen, zurück zur Mitte der Trajektorie zwingt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungstechnik, bei der ein Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt wird, um lasergetriebene Teilchenstrahlen zu extrahieren und die lasergetriebenen Teilchenstrahlen als Bestrahlungsteilchenstrahlen zu verwenden, welche zur Analyse oder für andere Zwecke eingesetzt werden, und betrifft insbesondere eine lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung sowie ein lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren, welches die räumliche Verteilung und Energieverteilung von lasergetriebenen Teilchenstrahlen steuert, während der lasergetriebene Teilchenstrahl zu einem zu bestrahlenden Objekt transportiert wird.
Stand der Technik
Es ist eine Teilchenstrahl-Bestrahlungstechnik vorgeschlagen worden, die einen Beschleuniger wie z. B. ein Synchrotron verwendet, um Protonen oder geladene Teilchen einer Substanz wie z. B. Kohlenstoff zu beschleunigen und so einen beschleunigten Teilchenstrahl zu erzeugen, und die den beschleunigten Teilchenstrahl im Körper eines Patienten zum Stillstand bringt, um Krebszellen abzutöten (siehe Patentdokument 1: JP 2006-341069 A ). Solch eine beschleunigergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungstechnik erfordert eine große Beschleunigeranlage, welche einen großen Aufstellungsraum belegt und hohe Kosten für die Installation oder Instandhaltung mit sich bringt. Daher verbot sich bei den jüngsten Techniken eine weit verbreitete Verwendung und die Technik wurde nur in einer begrenzten Anzahl von Anlagen eingesetzt.
Im Lichte dieser Umstände wurde in den letzten Jahren eine lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungstechnik in Betracht gezogen (siehe Patentdokumente 2 und 3: JP 2007-531556 A und JP 2008-022994 A ). Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungstechnik bestrahlt einen vom Krebs betroffenen Teil eines Patienten beispielsweise mit einem Protonenstrahl, der durch Bestrahlen eines Metalls oder eines dünnen Polymerfilms mit Laserlicht hoher Intensität und ultrakurzer Pulsdauer extrahiert wird (im Folgenden als lasergetriebener Protonenstrahl bezeichnet). Die Verwendung von lasergetriebenen Protonenstrahlen wird die Notwendigkeit großer Beschleunigeranlagen eliminieren und die Größe und Kosten der Einrichtungen verringern, was zu einem verbreiteten Einsatz der Protonbestrahlungstechnologie, wie z. B. der Protonenstrahlentherapie, führen kann.
Lasergetriebene Protonenstrahlen haben die Eigenschaft, von einem Target unter einem Divergenzwinkel und räumlicher Streuung (Ausbreitung) emittiert zu werden. Wenn daher lasergetriebene Protonenstrahlen als Strahlentherapie eingesetzt werden, sollte die Expositionsdosis im eine erkrankte Stelle umgebenden normalen Gewebe verringert werden. Das heißt, dass ein Vorgang notwendig ist, um die lasergetriebenen Protonenstrahlen im Verlauf des Transports der lasergetriebenen Protonenstrahlen zur erkrankten Stelle zu konvergieren (zusammenzuführen).
Da die lasergetriebenen Protonenstrahlen vom Target unter einem Divergenzwinkel emittiert werden, neigt die Intensität der Strahlen dazu, im Verlauf des Transports zur erkrankten Stelle geringer zu werden. Die Verringerung der Intensität der lasergetriebenen Protonenstrahlen macht es unmöglich, die lasergetriebenen Protonenstrahlen zur Strahlentherapie einzusetzen oder sie erhöht die Bestrahlungszeit, was zu einer Belastung des Patienten führen kann, welcher in einer festen Position und Haltung gehalten wird.
Die WO 2007/061426 A2 offenbart eine lasergetriebene Teilchenstrahlbestrahlungsvorrichtung, bei der ein passiver Kollimator den Teilchenstrahl kollimiert und ein Protonenselektor Protonen anhand ihrer Energie, nicht jedoch ihrer Energiebreite auswählt. Er ist somit nicht geeignet, eine bestimmte Strahlbreite an einer vorgegebenen Eindringtiefe, beispielsweise beim Spot Scanning mit Protonen, zu erzeugen.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben genannten Umstände getätigt, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung sowie ein lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren bereitzustellen, welche in der Lage sind, Strahlentherapie unter Verwendung von lasergetriebenen Teilchenstrahlen durchzuführen und die Konvergenz der lasergetriebenen Teilchenstrahlen zu erhöhen, während die Abnahme der Intensität der lasergetrieben Teilchenstrahlen im Verlauf des Transports der lasergetriebenen Teilchenstrahlen zu einer erkrankten Stelle eines Patienten reduziert wird.
Die obige sowie weitere Aufgaben können gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst werden, dass in einem Aspekt eine lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung bereitgestellt wird, umfassend:
einen Teilchenstrahlgenerator, der ein Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, um einen lasergetriebenen Teilchenstrahl zu emittieren;
eine Strahlkonvergenzeinheit, die eine Transportbahn, welche den emittierten lasergetriebenen Teilchenstrahl zu einem zu bestrahlenden Objekt führt, bildet und den lasergetriebenen Teilchenstrahl räumlich konvergiert;
einen Energieselektor, der eine Energie und eine Energiebreite des von der Strahlkonvergenzeinheit konvergierten lasergetriebenen Teilchenstrahls gemäß einer Tiefe einer in dem zu bestrahlenden Gegenstand festgelegten Bestrahlungsposition auswählt;
eine Bestrahlungsmündung, die bewirkt, dass der lasergetriebene Teilchenstrahl das zu bestrahlende Objekt abtastet (scannt), um eine Bestrahlungsposition im Objekt einzustellen; und
eine Bestrahlungssteuerung, die den Betrieb des Teilchenstrahlgenerators, der Strahlkonvergenzeinheit, des Energieselektors und der Bestrahlungsmündung steuert;
wobei die Strahlkonvergenzeinheit ein Magnetfeld auf einer Trajektorie des lasergetriebenen Teilchenstrahls erzeugt und der lasergetriebene Teilchenstrahl dabei durch das Magnetfeld konvergiert wird, wobei das Magnetfeld die Divergenzkomponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls, welche sich von einer Mitte der Trajektorie entfernen, dazu zwingt, zur Mitte der Trajektorie zurückzukehren.
In diesem Aspekt können die folgenden Ausführungsformen oder Ausführungswege angewendet werden.
Die Strahlkonvergenzeinheit kann zwischen dem Teilchenstrahlgenerator und dem Energieselektor vorgesehen werden.
Die Strahlkonvergenzeinheit kann einen multipolaren Magneten umfassen, welcher aus einem Permanentmagneten hergestellt ist, und der multipolare Magnet erzeugt das Magnetfeld. Eine Vielzahl der multipolaren Magneten sind entlang einer Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls der Strahlkonvergenzeinheit vorgesehen und zumindest einer der mehreren Magneten ist beweglich vorgesehen.
Die Strahlkonvergenzeinheit kann einen Winkelkollimator umfassen, der zwischen den multipolaren Magneten und dem Target des Teilchenstrahlgenerators vorgesehen ist und der Komponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls mit großem Winkel daran hindert, die multipolaren Magneten zu erreichen.
Der Energieselektor kann so ausgestaltet sein, dass er in der Transportbahn der lasergetriebenen Teilchenstrahlen ein Magnetfeld erzeugt, welches die lasergetriebenen Teilchenstrahlen entsprechend ihrem Impuls ablenkt, um einen lasergetriebenen Teilchenstrahl mit einer bestimmten Trajektorie auszuwählen und die übrigen lasergetriebenen Teilchenstrahlen aus der Transportbahn zu entfernen, so dass eine Energie- und Energiebreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls ausgewählt wird.
Der Energieselektor kann mit einem Elektromagneten, der ein variables Magnetfeld unter Steuerung eines Erregerstroms erzeugt, und mit einem Energiekollimator versehen sein, der so vorgesehen ist, dass er die Transportbahn eines lasergetriebenen Teilchenstrahls blockiert, welcher vom variablen Magnetfeld abgelenkt wurde, und der einen Schlitz ausbildet, welcher es einem lasergetriebenen Teilchenstrahl mit einer bestimmten Trajektorie erlaubt, durch den Schlitz durchzutreten. Es kann erwünscht sein, dass der Energiekollimator des Energieselektors die Größe des Schlitzes einstellt.
Die lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung kann weiter eine Energieverteilungs-Konvergenzeinheit umfassen, die die Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls bildet und eine Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls durch die Transportbahn konvergiert, um eine Spitze mit einer bestimmten Energie bereitzustellen, wobei die Bestrahlungssteuerung die Energieverteilungskonvergenzeinheit so steuert, dass ein auf den von der Strahlkonvergenzeinheit konvergierten Teilchenstrahl anzuwendendes, hochfrequentes elektrisches Feld gemäß der Tiefe der in dem zu bestrahlenden Gegenstand festgelegten Bestrahlungsposition geregelt wird.
Die Energieverteilungs-Konvergenzeinheit kann eine Phasenrotations-Resonatoreinheit umfassen, die eine Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls bildet und unter Anwendung einer hochfrequenten Spannung in der Transportbahn ein hochfrequentes elektrisches Feld erzeugt, in welchem ein Zustand, bei dem Protonen in einer Ansammlung beschleunigt werden, und ein Zustand, bei dem Protonen in einer Ansammlung gebremst werden, scheinbar die Energieverteilung des lasergetriebenen Protonenstrahls auf eine bestimmte Energie hin zusammenführen, und wobei die Bestrahlungssteuerung die Phase der hochfrequenten Spannung, die an der Phasenrotations-Resonatoreinheit angelegt wird, einstellt, um so die Position der Energiespitze der Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls einzustellen.
Die Phasenrotations-Resonatoreinheit der Energieverteilungs-Konvergenzeinheit kann einen äußeren Resonator umfassen, der die Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls bildet, sowie eine Vielzahl von inneren Resonatoren, welche in einer Reihe im äußeren Resonator beabstandet sind und an denen eine hochfrequente Spannung angelegt wird, wobei ein hochfrequentes elektrisches Feld in einem Spalt zwischen benachbarten inneren Resonatoren gebildet wird, um die Energieverteilung eines Protonenstrahls um die Energie der Protonen herum zu konvergieren, die in den Spalt zu einer Zeit eintreten, an der sie mit der Phase der an den inneren Resonatoren angelegten hochfrequenten Spannung synchronisiert werden, aus der Ansammlung von Protonen im äußeren Resonator.
Es kann erwünscht sein, dass die Bestrahlungssteuerung eine Pulsbreitenkompressionsspannung an den inneren Resonatoren der Energieverteilungs-Konvergenzeinheit anlegt, um ein hochfrequentes elektrisches Feld im Spalt zwischen benachbarten inneren Resonatoren zu erzeugen, wobei die Pulsbreitenkompressionsspannung definiert ist als
wobei f die Frequenz der an den inneren Resonatoren anzulegenden hochfrequenten Spannung ist, L der Abstand von einem lasergetriebenen Teilchenstrahlemissionspunkt im Target zum Spalt zwischen benachbarten inneren Resonatoren ist, β₀ und γ₀ Lorenzfaktoren sind, E₀ die Gesamtenergie des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, m die Masse des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, und q die Ladung des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist.
Die Energieverteilungs-Konvergenzeinheit kann zwischen der Strahlkonvergenzeinheit und dem Energieselektor vorgesehen werden.
Die lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung kann weiter eine Strahlintensitäts-Beobachtungseinheit umfassen, die bestimmt, ob die Intensität eines lasergetriebenen Teilchenstrahls mit der von der Energieverteilungs-Konvergenzeinheit konvergierten Energieverteilung und mit einer bestimmten, vom Energieselektor ausgewählten Energiebreite normal ist oder nicht, wobei, wenn die Strahlintensitäts-Beobachtungseinheit feststellt, dass die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls abnormal ist, die Bestrahlungssteuerung die Bestrahlung des Gegenstands mit dem lasergetriebenen Teilchenstrahl stoppt.
Es kann erwünscht sein, dass die Strahlintensitäts-Beobachtungseinheit feststellt, ob die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls pro Schuss von gepulstem Laserlicht normal ist oder nicht, und zwar auf Grundlage einer Spitzenintensität der Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren bereitgestellt, umfassend:
einen Teilchenstrahlerzeugungsschritt der Bestrahlung eines Targets mit gepulstem Laserlicht, um einen lasergetriebenen Teilchenstrahl zu extrahieren;
einen Strahlkonvergenzschritt des räumlichen Konvergierens des lasergetriebenen Teilchenstrahls;
einen Energieselektionsschritt der Auswahl einer Energie und einer Energiebreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls gemäß einer Tiefe einer Bestrahlungsposition, die in einem zu bestrahlenden Objekt festgelegt ist; und
einen Bestrahlungsschritt des Einstellens der Bestrahlungsposition des lasergetriebenen Teilchenstrahls im zu bestrahlenden Objekt,
wobei im Strahlkonvergenzschritt ein Magnetfeld auf der Trajektorie erzeugt wird, das die divergierenden Komponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls, welche sich von einer Mitte der Trajektorie des lasergetriebenen Teilchenstrahls entfernen, zur Mitte der Trajektorie zurückdrängt, und der lasergetriebene Teilchenstrahl durch das Magnetfeld konvergiert wird.
Das Verfahren kann die folgenden bevorzugten Ausführungsformen oder -wege bereitstellen.
Es kann erwünscht sein, dass im Strahlkonvergenzschritt das Ausmaß der Konvergenz des in jedem Schritt verwendeten lasergetriebenen Teilchenstrahls durch Einstellen des Magnetfelds eingestellt wird.
Es kann erwünscht sein, dass im Energieselektionsschritt ein Magnetfeld, durch welches die lasergetriebenen Teilchenstrahlen gemäß ihren Impulsen abgelenkt werden, auf der Trajektorie der lasergetriebenen Teilchenstrahlen ausgebildet wird und abgelenkte lasergetriebene Teilchenstrahlen auf Grundlage der Unterschiede der Trajektorien untersucht (aussortiert) werden, um eine Energie und eine Energiebreite eines lasergetriebenen Teilchenstrahls auszuwählen.
Das lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren kann weiter einen Energieverteilungs-Konvergenzschritt der Konvergierung eine Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls umfassen, um eine Spitze bei einer bestimmen Energie bereitzustellen.
Das lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren kann weiter einen Pulsbreiten-Kompressionsschritt der Verringerung der Pulsbreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls umfassen.
Es kann erwünscht sein, dass beim Pulsbreiten-Kompressionsschritt ein hochfrequentes elektrisches Feld, das durch eine Pulsbreitenkompressionsspannung induziert wird, erzeugt wird und der lasergetriebene Teilchenstrahl zum hochfrequenten elektrischen Feld geführt und durch es durchgeführt wird, um die Pulsbreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls zu verringern, wobei die Pulsbreiten-Kompressionsspannung definiert ist als
Wobei f die Frequenz der hochfrequenten Spannung ist, L der Abstand von einem lasergetriebenen Teilchenstrahl Emissionspunkt ist, β₀ und γ₀ Lorenzfaktoren sind, E₀ die Gesamtenergie des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, m die Masse des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, und q die Ladung des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist.
Es kann erwünscht sein, dass nachdem die Energieverteilung im Energieverteilungs-Konvergenzschritt konvergiert wurde und eine bestimmte Energie- und Energiebreite im Energieselektionsschritt ausgewählt wurden, festgestellt wird, ob die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls normal ist oder nicht, und wenn festgestellt wird, dass die Intensität abnormal ist, die Bestrahlung des Objekts mit dem lasergetriebenen Teilchenstrahl gestoppt wird.
Die Feststellung, ob die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls pro Schuss von gepulstem Laserlicht normal ist oder nicht, kann durchgeführt werden auf Grundlage einer Spitzenintensität der Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls.
Gemäß der vorliegenden Erfindung der oben genannten Strukturen und Merkmale wird eine Strahlentherapie unter Verwendung von lasergetriebenen Teilchenstrahlen ermöglicht, und die Konvergenz der lasergetriebenen Teilchenstrahlen kann erhöht werden, während die Intensitätsabnahme der lasergetriebenen Teilchenstrahlen im Verlauf des Transports der lasergetriebenen Teilchenstrahlen an eine erkrankte Stelle eines Patienten verringert wird.
Die Art sowie weitere charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gemacht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das eine erste Ausführungsform einer lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Diagramm, das beispielhafte Bestrahlungsmusterdaten darstellt, die sich auf die lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 1 beziehen;
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer ausgewählten Energie und Energiebreite eines Protonenstrahls in der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 1 veranschaulicht;
4 ist ein Diagramm, das einen Zustand eines Energiekollimators darstellt, wenn die Energie (150 MeV) und eine Breite (5 mm) der Strahlendposition an der Eindringtiefe („beam stop position width in depth”) eines Protonenstrahls in der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 1 gewählt werden;
5 ist ein Diagramm, das einen Zustand eines Energiekollimators darstellt, wenn die Energie (100 MeV) und eine Energiebreite (5 mm) eines Protonenstrahls in der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung in 1 gewählt werden;
6 ist ein Diagramm, welches eine Variation eines in 5 gezeigten Verfahrens zur Auswahl der Energie eines Protonenstrahls darstellt;
7 ist ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform einer lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist ein Diagramm, das das Ergebnis einer Simulation einer Protonenstrahltrajektorie in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 1 darstellt;
9 ist ein Diagramm, das die Überlagerung von Dosenverteilungen auf einer Strahlungsscheibe darstellt, die von der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 1 gebildet wird;
10 ist ein Diagramm, welches eine zweite Ausführungsform einer lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ist eine vergrößerte Ansicht einer Phasenrotations-Resonatoreinheit der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 2;
12 ist ein Diagramm, das eine Energieverteilung eines Protonenstrahls darstellt, der durch die Phasenrotations-Resonatoreinheit der 2 durchgetreten ist (Ergebnis einer Simulation);
13 veranschaulicht ein Beispiel von Änderungen der Energiespitze eines Protonenstrahls in der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 2 (Ergebnis einer Simulation);
14 ist ein funktionales Blockdiagramm, das sich auf die Strahlintensitätsbeobachtung in der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 2 bezieht;
15 ist ein Diagramm, das eine Energieverteilung eines Protonenstrahls darstellt, der durch eine Energieverteilungskonvergenzeinheit und einen Energieselektor der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 2 durchgetreten ist;
16 ist ein Diagramm, das eine Energieverteilung eines Protonenstrahls unter abnormalen Bedingungen darstellt, die eine ungenaue Energieauswahl eines Protonenstrahls in der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung der 2 verursachen;
17 ist ein Diagramm, das einen Effekt der elektrischen Hochfrequenz-Feldsteuerung gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt (Ergebnis einer Simulation), wobei 17(A) eine Pulsbreite eines Protonenstrahls in dem Fall darstellt, in welchem die an einer Phasenrotations-Resonatoreinheit angelegte Spannung nicht mit einem Pulsbreitenkompressionsspannungswert zusammenfällt, und 17(B) veranschaulicht die Pulsbreite eines Protonenstrahls, in dem Fall, in welchem die an der Phasenrotations-Resonatoreinheit angelegte Spannung mit dem Pulsbreiten-Kompressionsspannungswert übereinstimmt; und
18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Anordnung zur Auswahl einer Energie und einer Energiebreite von geladenen Teilchen unter Verwendung eines achromatischen Magneten darstellt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Ausführungsformen einer lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung und des entsprechenden Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
Im Folgenden wird auf 1 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform einer lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von lasergetriebenen Protonenstrahlen als dessen Teilchenstrahlquelle für die Strahlungstherapie veranschaulicht.
Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U umfasst einen Protonenstrahl-Generator 1, eine Strahlkonvergenzeinheit 2, einen Energieselektor 3, eine Bestrahlungsmündung 4 und eine Bestrahlungssteuerung 6. Bezugsziffer 9 in 1 bezeichnet beispielsweise eine erkrankte Stelle eines Patienten.
(Protonenstrahlgenerator)
Der Protonenstrahlgenerator 1 bestrahlt ein Dünnfilmtarget 101 aus Metall oder Polymer mit gepulstem Laserlicht 102, welches eine hohe Intensität und eine ultrakurze Wellenlänge aufweist, um lasergetriebene Protonenstrahlen 103 zu erzeugen. Der Protonenstrahlgenerator 1 ist so ausgestaltet, dass ständig ein neues Target 101 auf der Bestrahlungstrajektorie des gepulsten Laserlichts 102 bereitgestellt wird.
(Strahlkonvergenzeinheit)
Die Strahlkonvergenzeinheit 2 bildet eine Transportbahn, welche einen lasergetriebenen Protonenstrahl 103 an eine erkrankte Stelle 9 eines Patienten führt und den lasergetriebenen Protonenstrahl 103 konvergiert, der aus dem Protonenstrahlgenerator 1 unter einem Divergenzwinkel θ emittiert wird. Die Strahlkonvergenzeinheit umfasst einen Quadrupolmagneten 201, einen QM-Aktuator 202 und einen Winkelkollimator 203.
Der Quadrupolmagnet 201 bildet ein Magnetfeld auf der Trajektorie des lasergetriebenen Protonenstrahls 103, der die Divergenzkomponenten (divergierenden Komponenten) des lasergetriebenen Protonenstrahl 103, welche sich von der Mitte der Trajektorie entfernen, zur Mitte der Trajektorie zurückzwingt. Das Magnetfeld konvergiert den lasergetriebenen Protonenstrahl 103.
Der Quadrupolmagnet 201 umfasst drei Quadrupolmagneten 201a bis 201c, welche Permanentmagneten sind. Die Quadrupolmagneten 201a bis 201c sind entlang der Transportbahn des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 angeordnet, so dass das den lasergetriebenen Protonenstrahl 103 konvergierende Magnetfeld mehrfach auf den lasergetriebenen Protonenstrahl 103 ausgeübt wird. Die Anzahl der Quadrupolmagneten kann unter Berücksichtigung von Faktoren wie z. B. der Steuerung der Konvergenz des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 geeignet variiert werden. Im Folgenden wird ein lasergetriebener Protonenstrahl, welcher mit dem Quadrupolmagneten 201 konvergiert würde, als „Protonenstrahl” bezeichnet.
Der QM-Aktuator 202 bewegt mindestens einen der Quadrupolmagnete 201a bis 201c entlang der Transportbahn des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 unter der Steuerung der Bestrahlungssteuerung 6.
Der Winkelkollimator 203 hindert weitwinklige Komponenten des vom Protonenstrahlgenerator 1 erzeugten lasergetriebenen Protonenstrahls 103 daran, den Quadrupolmagneten 201 zu erreichen. Der Winkelkollimator 203 ist zwischen dem Target 101 im Protonenstrahlgenerator 1 und dem an nächsten zum Target 101 gelegenen Quadrupolmagneten 201a vorgesehen und besitzt einen Bohrungsdurchmesser, der kleiner als jener eines Einlasses für lasergetriebene Protonenstrahlen 103 ist, welcher im Quadrupolmagneten 201a ausgebildet ist. Der Winkelkollimator 203 besteht aus einem Material mit geringer Strahlungsaktivierung, wie z. B. Aluminium. (Energieselektor)
Der Energieselektor 3 ist am Protonenstrahlauslass der Strahlkonvergenzeinheit 2 vorgesehen und dazu geeignet, einen Protonenstrahl mit einer bestimmten Energie und einer bestimmten Energiebreite (oder Energiestreuung) unter den Protonenstrahlen 104a auszuwählen, welche eine kontinuierliche Energieverteilung aufweisen und von der Strahlkonvergenzeinheit 2 konvergiert wurden. Der Energieselektor 3 umfasst einen Energieseparationsmagneten 301, eine Stromversorgung 303 des Energieseparationsmagneten, einen Energiekollimator 303, einen EC-Aktuator 304, einen Energiekombinationsmagneten 305 und eine Stromversorgung 306 des Energiekombinationsmagneten.
Der Energieseparationsmagnet 301 erzeugt ein Magnetfeld, das unter Anwendung eines Erregerstroms in Richtung und Größe variabel ist, und verwendet dieses variable Magnetfeld so, um die Trajektorie eines Protonenstrahls 104a, der von der Strahlkonvergenzeinheit 2 konvergiert wurde, entsprechend seinem Impuls abzulenken, um dadurch die Menge der Ablenkung des Protonenstrahls 104a zu steuern. Der Energieseparationsmagnet 301 umfasst zwei Energieseparationsmagneten 301a und 301b.
Die Stromversorgung 302 des Energieseparationsmagneten, deren Ausgabe durch die Bestrahlungssteuerung auf komplizierte Weise gesteuert wird, legt den erforderlichen Erregerstrom am Energieseparationsmagneten 301 an, um das vom Energieseparationsmagneten 301 erzeugte Magnetfeld zu ändern. Die Stromversorgung 302 des Energieseparationsmagneten umfasst Stromversorgungsquellen 302a und 302b des Energieseparationsmagneten, die mit den Energieseparationsmagneten 301a bzw. 301b verbunden sind.
Der Energiekollimator 303 umfasst zwei Blöcke 303a und 303b, welche vorgesehen sind, um die Transportbahn eines Protonenstrahls 104b, der vom Energieseparationsmagneten 301 entsprechend dem Impulsunterschied abgelenkt und diffundiert wurde, zu blockieren, und vertikal beweglich sind, sowie einen Schlitz S1, der durch die Blöcke von 303a und 303b definiert ist und es einen Protonenstrahl 104b, der eine bestimmte Trajektorie besitzt, erlaubt selektiv durch den Schlitz S1 durchzutreten.
Der EC-Aktuator 304 bewegt die Blöcke 303a und 303b des Energiekollimators 303 unter der Steuerung der Bestrahlungssteuerung 6 nach oben und nach unten. Zum Beispiel vergrößert oder verringert der EC-Aktuator 304 die Größe des durch die Blöcke 303a und 303b definierten Schlitzes S1, während er die Schlitzmitte C1 des Schlitzes S1 beibehält, oder er bewegt die Blöcke 303a und 303b nach oben und nach unten, so dass die Schlitzmitte C1 des Schlitzes S1 verlagert wird, während die Größe des Schlitzes S1 beibehalten wird.
Der Energiekombinationsmagnet 305 erzeugt ein Magnetfeld, welches unter Anwendung eines Erregerstroms in Richtung und Größe variabel ist. Das variable Magnetfeld rekonvergiert die Trajektorie eines Protonenstrahls 104b, der durch den Energieseparationsmagneten 301 entsprechend seinem Impuls abgelenkt und diffundiert wurde. Der Energiekombinationsmagnet 305 umfasst zwei Energiekombinationsmagneten 305a und 305b.
Die Stromversorgung 306 des Energiekombinationsmagneten, deren Ausgabe durch die Bestrahlungssteuerung 6 gesteuert wird, legt einen erforderlichen Erregerstrom am Energiekombinationsmagneten 305 an, um so das vom Energieseparationsmagneten 301 erzeugte Magnetfeld zu ändern. Die Stromversorgung 306 des Energiekombinationsmagneten umfasst Stromversorgungsquellen 306a und 306b des Energiekombinationsmagneten, die mit den Energiekombinationsmagneten 305a bzw. 305b verbunden sind.
Die Anzahl der Energieseparationsmagneten, der Energieseparationsmagnetenstromversorgungsquellen, der Energiekombinationsmagneten und der Energiekombinationsmagneten-Stromversorgungsquellen kann unter Berücksichtigung der Steuerbarkeit der Ablenkung und der Kombinierung der Protonenstrahlen geeignet geändert werden.
(Bestrahlungsmündung)
Die Bestrahlungsmündung 4 ist am Protonenstrahlauslass des Energieselektors 3 vorgesehen und steuert die Trajektorie eines Protonenstrahls 104c mit einer bestimmten Energie, der durch den Energieselektor 3 durchgetreten ist, so dass der Protonenstrahl 104c genau auf einen Bestrahlungspunkt 902 angewendet wird, der sich an der erkrankten Stelle 9 eines Patienten befindet. Die Bestrahlungsmündung 4 dient auch dazu, die Bestrahlungsposition und die Bestrahlungsdosis des Protonenstrahls 104c an der erkrankten Stelle 9 zu beobachten.
Die Bestrahlungsmündung 4 umfasst einen Rasterelektromagneten (scanning electromagnet) 401, eine Stromversorgung 402 des Rasterelektromagneten, eine Positionsbeobachtungseinheit 403, ein Dosimeter 404 und einen Dosimeterschaltkreis 405.
Der Rasterelektromagnet 401 (Rasterelektromagnet 401), der durch einen Erregerstrom gesteuert wird, umfasst einen horizontalen Rasterelektromagneten 401a zum Einstellen der Trajektorie eines Protonenstrahls 104c in horizontaler Richtung und einen vertikalen Rasterelektromagneten 401b zum Einstellen der Trajektorie des Protonenstrahls 104c in der vertikalen Richtung. Die Stromversorgung 402 des Rasterelektromagneten (402a, 402b) führt einen zum Scannen des Protonenstrahls 104c erforderlichen Strom dem Rasterelektromagneten 401 (401a, 401b) zu.
Die Positionsbeobachtungseinheit 403 gibt ein Signal aus, das die Position eines Protonenstrahls 104c anzeigt, welcher an der Positionsbeobachtungseinheit 403 vorbeigetreten ist, d. h. die Position des Einfalls des Protonenstrahls 104c an der erkrankten Stelle 9 eines Patienten, und sendet das Signal an die Bestrahlungssteuerung 6. Die Positionsbeobachtungseinheit 403 kann eine Ionisationskammer-Positionsbeobachtungseinheit sein.
Das Dosimeter 404 gibt ein elektrisches Signal aus, welches der Intensität oder Dosis eines Protonenstrahls 104c entspricht, der am Dosimeter 404 vorbeigetreten ist, d. h. der Intensität oder Dosis des Protonenstrahls 104c, der an der erkrankten Stelle 9 des Patienten angewendet wird. Das Dosimeter 404 kann eine Ionisationskammer-Dosimeter sein.
Der Dosimeterschaltkreis 405 empfängt eine elektrische Signalausgabe vom Dosimeter 404 und, wenn der Wert des empfangenen elektrischen Signals einen voreingestellten integrierten Ausgabewert erreicht, sendet ein „Dosiserreicht”-Signal an die Bestrahlungssteuerung 6, welches anzeigt, dass eine vorausgewählte Dosis am an der erkrankten Stelle 9 des Patienten befindlichen Bestrahlungspunkt 902 angewendet wurde.
(Bestrahlungssteuerung)
Die Bestrahlungssteuerung 6 ist in der Lage, Bestrahlungsmusterdaten aufzuzeichnen, die spezifizieren, wie die Strahlentherapie für einen Patienten durchgeführt werden sollte. Die Bestrahlungssteuerung 6 steuert die gesamte lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U mit Bezug auf die Bestrahlungsmusterdaten. Die Bestrahlungsmusterdaten werden aus optimalen Bestrahlungsinformationen erzeugt, die bei der Therapieplanung vor der Strahlentherapie vorbereit wurden.
2 veranschaulicht beispielhafte Bestrahlungsmusterdaten, auf die die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U der 1 zurückgreift.
Die Bestrahlungsmusterdaten umfassen die relativen horizontalen und vertikalen Positionen 001 und 002, die die Bestrahlungspunkte 902 (1) anzeigen, betrachtet aus einer Referenzposition und für jede Bestrahlungsscheibe 901 festgelegt, in welche die erkrankte Stelle 9 des Patienten virtuell unterteilt wird, die Eindringtiefe im Patienten 003, welche die Position einer Bestrahlungsscheibe 901, d. h. die Tiefe im Patienten, anzeigt, die Breite 004 der Strahlendposition an der Eindringtiefe („beam stop position width in depth”), die die Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe („stop position in depth”) im Patienten anzeigt, und die Strahlintensität 005 sowie die voreingestellte Dosis 006, die an jedem Bestrahlungspunkt 902 angewendet werden sollen. Diese Informationspunkte sind zur Steuerung des Betriebs des Protonenstrahlgenerators 1, der Strahlkonvergenzeinheit 2, des Energieselektors 3, der Bestrahlungsmündung 4 notwendig. Die Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe ergibt sich aus Unterschieden in der Eindringtiefe im Patienten in Abhängigkeit von der Energiebreite eines Protonenstrahls. Die Bestrahlungsmusterdaten können nach Bedarf geändert werden.
Die Bestrahlungssteuerung 6 umfasst eine Strahlkonvergenzsteuerung 601, eine Energieselektionssteuerung 602 und eine Rastersteuerung 603.
Die Strahlkonvergenzsteuerung 601 stellt die Position der Quadrupolmagneten 201 ein, um so die Fokalposition (Position des Brennpunkts) der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 einzustellen, an der die lasergetriebenen Protonenstrahlen 103, die in den Quadrupolmagneten 201 der Strahlkonvergenzeinheit 2 eintreten, konvergieren. Zum Beispiel stellt die Strahlkonvergenzsteuerung 601 die relativen Positionen der Quadrupolmagneten 201a bis 201c so ein, dass der Brennpunkt der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 an der erkrankten Stelle 9 des Patienten gebildet wird.
Die Positionseinstellung der Quadrupolmagneten 201a bis 201c wird dadurch erzielt, dass der QM-Aktuator 202 basierend auf Informationen betrieben wird, die die Positionen der Quadrupolmagneten 201a bis 201c anzeigen, welche für die Energie jedes vom Energieselektor 3 auszuwählenden Protonenstrahls spezifiziert sind.
Um einen Protonenstrahl mit einer in den Bestrahlungsmusterdaten spezifizierten Energie (siehe 2) aus den Protonenstrahlen auszuwählen, welche in den Energieselektor 3 eingetreten sind, steuert die Energieselektionssteuerung 602 die Ausgabe der Stromversorgung 302 des Energieseparationsmagneten, um dadurch den Erregerstrom einzustellen, der an dem Energieseparationsmagneten 301 angelegt wird, um so den Betrag der Ablenkung der Protonenstrahlen 104b einzustellen.
Die Energieselektionssteuerung 602 stellt auch nach Bedarf die Position der Schlitzmitte C1 des Energiekollimators 303 des Energieselektors 3 ein, um die Trajektorie des Protonenstrahls 104c zum Durchtritt des Schlitzes S1 auszuwählen. Die Energieselektionssteuerung 602 steuert die Ausgabe der Stromversorgung 306 des Energiekombinationsmagneten des Energieselektors 3, um den Erregerstrom einzustellen, der am Energiekombinationsmagneten 305 angelegt wird, um den vom Energieseparationsmagneten 301 abgelenkten und diffundierten Protonenstrahl zu konvergieren.
Die Energieselektionssteuerung 602 stellt auch die Größe des Schlitzes S1 des Energiekollimators 303 ein, indem der EC-Aktuator 304 betätigt wird, um die Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe des Protonenstrahls an der erkrankten Stelle 9 des Patienten einzustellen. Das heißt, dass die Energieselektionssteuerung 602 die Blöcke 303a und 303b nach oben und unten in einander entgegengesetzte Richtungen verlagert, so dass ein Protonenstrahl in eine Energiebreite, welche in der Lage ist, eine erforderliche Strahlendenpositionsbreitentiefe an der erkrankten Stelle 9 des Patienten bereitzustellen, selektiv durch den Schlitz S1 des Energiekollimators 303 durchgelassen wird. Der Betrag der Verlagerung der Blöcke 303a und 303b wird basierend auf einer Strahlendpositionsbreitentiefe 004 festgelegt, die in den Bestrahlungsmusterdaten enthalten ist (siehe 2).
Die Rastersteuerung 603 steuert die Ausgabe der Stromversorgung 402 des Rasterelektromagneten, um so den Erregerstrom einzustellen, der am Rasterelektromagneten 401 angelegt wird, so dass der Protonenstrahl 104c in Bezug auf einen vorbestimmten Bestrahlungspunkt 902 eintritt.
Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U mit dem oben genannten Aufbau wird auf folgende Weise betrieben, welche auf einem Beispiel basiert, bei dem die Strahlentherapie durchgeführt wird, indem das so genannte Spot-Scanning-Bestrahlungsverfahren verwendet wird. Das Spot-Scanning-Bestrahlungsverfahren wurde auf dem Gebiet der beschleunigergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungstechnik etabliert und hat sich als therapeutisch hoch wirkungsvoll erwiesen.
Bei dem Spot-Scanning-Protonenbestrahlungsverfahren wird die erkrankte Stelle eines Patienten virtuell in dreidimensionale Gitterpunkte unterteilt, d. h. Bestrahlungsscheiben und Bestrahlungspunkte, die sich in den Bestrahlungsscheiben befinden, und die erkrankte Stelle wird mit einem Protonenstrahl in Richtung der Tiefe der erkrankten Stelle (der Richtung entlang der Protonenstrahlachse D2) und in der Richtung des Querschnitts der erkrankten Stelle (die die Protonenstrahlachse D2 schneidende Richtung) abgetastet. Wenn ein Signal „Dosis vollständig”, welches anzeigt, dass eine auf einen Bestrahlungspunkt angewendete Dose einen für den Bestrahlungspunkt festgelegten Dosiswert erreicht hat, erzeugt wird, wird die Bestrahlung des Bestrahlungspunkts mit dem Protonenstrahl gestoppt. Dann wird der Protonenstrahl zum nächsten Bestrahlungspunkt oder -scheibe bewegt und die Bestrahlung wird erneut gestartet. Indem der Vorgang wiederholt wird, wird die gesamte erkrankte Stelle bestrahlt.
Es wird beispielsweise angenommen, dass ein Therapieplan festlegt, dass die Strahlentherapie an einem Bestrahlungspunkt 902a in der tiefsten Bestrahlungsscheibe 901a gestartet wird, die Bestrahlungsscheibe 101a sich an einer Tiefe im Patienten von 156 mm befindet, die Energie eines Protonenstrahls, der an der Bestrahlungsscheibe 901a endet, 150 MeV sein sollte und eine Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe des Protonenstrahls an der Bestrahlungsscheibe 901a 5 mm beträgt. In diesem Fall werden die Komponenten der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U basierend auf dem Behandlungsplan (Bestrahlungsmusterdaten) wie folgt durch die Bestrahlungssteuerung 6 eingestellt.
Im Energieselektor 3 werden der auf den Energieseparationsmagneten 301 anzuwendende Erregerstrom und nach Bedarf die Position der Schlitzmitte C1 des Energiekollimators 303 so eingestellt, dass eine Protonenstrahlenergie von 150 MeV ausgewählt wird.
Gleichzeitig wird die Größe des Schlitzes S1 des Energiekollimators 303 im Energieselektors 3 so eingestellt, dass eine Protonenstrahl-Energiebreite beispielsweise von 1,8% als Energiebreite ausgewählt wird, die notwendig ist, um eine Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe von 5 mm bereitzustellen. Eine Energiebreite von 1,8% (äquivalent zu einer Impulsbreite von 1%) kann ausgewählt werden, indem die Größe des Schlitzes S1 des Energiekollimators 303 auf einen Wert = 1% des Ablenkabstands D1 (des Abstands in der vertikalen Richtung betrachtet von der nicht abgelenkten Protonenstrahlachse D2) des Protonenstrahls 104b eingestellt wird. Der auf den Energiekombinationsmagneten 305 anzuwendende Erregerstrom wird so eingestellt, dass der Protonenstrahl, der durch den Schlitz S1 des Energiekollimators 303 getreten ist und abgelenkt sowie gestreut wurde, konvergiert.
3 zeigt ein Beispiel einer Protonenstrahlenergie 007 (150 MeV) und einer Energiebreite 008 (1,8% eines in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U ausgewählten Protonenstrahls). 4 zeigt schematisch einen Zustand des Energiekollimators 303, wenn eine Protonenstrahlenergie von 150 MeV und eine Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe von 5 mm in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U ausgewählt werden, wobei die Bezugsziffer 009 die Protonenstrahlintensität bezeichnet, die Bezugsziffern 010 die Position der Schlitzmitte C1 (11 cm) des Energiekollimators 303 Bezug auf die Protonenstrahlachse D2 (0 cm, siehe 1) bezeichnet, und die Bezugsziffer 011 die Größe des Schlitzes S1 (1,1 mm) des Energiekollimators 303 bezeichnet.
Die Positionen der Quadropolmagneten 201a bis 201c in der Strahlkonvergiereinheit 2 werden gemäß der vom Energieselektor 3 ausgewählten Protonenstrahlenergie eingestellt. Als Ergebnis wird die Intensität des Protonenstrahls mit einer Energie von 150 MeV (Energiebreite von 1,8%) bereitgestellt, die vom Protonenstrahl, welcher die erkrankte Stelle 9 eines Patienten erreicht, gefordert wird.
Der Erregerstrom für den Rasterelektromagneten 401 in der Bestrahlungsmündung 4 wird eingestellt, um die Trajektorie des Protonenstrahls so zu justieren, dass der Protonenstrahl mit einer Energie von 150 MeV (Energiebreite von 1,8%) präzise in dem Bestrahlungspunkt 902a eindringt.
Nachdem die Komponenten auf diese Weise eingestellt wurden, emittiert der Protonenstrahlgenerator 1 gepulstes Laserlicht 102 hoher Intensität und ultrakurzer Wellenlänge auf ein Target 101 unter Steuerung der Bestrahlungssteuerung 6, und das Target 101 emittiert lasergetriebene Protonenstrahlen 303 mit einer kontinuierlichen Energie unter einem Divergenzwinkel θ.
Der von dem Protonenstrahlgenerator 1 emittierte lasergetriebene Protonenstrahl 103 wird zunächst zur Strahlkonvergenzeinheit 2 gelenkt. In der Strahlkonvergenzeinheit 2 hindert der Winkelkollimator 203 die weitwinkligen Komponenten eines Protonenstrahls 104 daran, in die Struktur der Quadrupolmagneten 201 einzutreten. Andererseits konvergieren die lasergetriebenen Protonenstrahlen 103, welche in das vom Quadrupolmagneten 201 erzeugte Magnetfeld eingetreten sind, beim Durchtreten des Protonenstrahls 103 durch das Magnetfeld allmählich in einen Protonenstrahl 104a.
Der Protonenstrahl 104a wird von der Strahlkonvergenzeinheit 2 dem Konvergierungsvorgang unterzogen und wird dann zum Energieselektor 3 geführt. In Energieselektor 3 tritt der Protonenstrahl 104a in das vom Energieseparationsmagneten 301 erzeugte Magnetfeld ein und die Trajektorie des Protonenstrahls 104a wird gemäß dem Impuls abgelenkt. Der abgelenkte Protonenstrahl 104b läuft zum Schlitz S1 des Energiekollimators 303, tritt durch den Schlitz S1 hindurch und wird ein Protonenstrahl 104c mit einer Energie von 150 MeV (mit einer Energiebreite von 1,8%). Dann konvergiert der Protonenstrahl 104c, der abgelenkt wurde und aufgrund von Impulsunterschieden gestreut wurde, allmählich, während der Protonenstrahl 104c durch das von Energiekombinationsmagneten 305 erzeugtem Magnetfeld tritt.
Der im Energieselektor 3 ausgewählte Protonenstrahl 104c wird zur Bestrahlungsmündung 4 geführt. In der Bestrahlungsmündung 4 tritt der Protonenstrahl 104c in das vom Rasterelektromagneten 401 erzeugte Magnetfeld ein, wobei die Trajektorie des Protonenstrahls 104c in der horizontalen und vertikalen Richtung eingestellt wird. Der Protonenstrahl 104c läuft dann zu einem Bestrahlungspunkt 902a, der in einer Strahlungsscheibe 901a festgelegt ist, und die Strahlenbehandlung wird auf dem Bestrahlungspunkt 902a angewendet.
Während der Bestrahlung beobachtet die Bestrahlungssteuerung 6 auf Grundlage einer Signalausgabe aus der Positionsbeobachtungseinheit 403, ob der Protonenstrahl 104c mit der eingestellten Trajektorie korrekt in den Bestrahlungspunkt 902a eindringt. Wenn die Bestrahlungssteuerung 6 feststellt, dass die Einfallsposition nicht korrekt ist, gibt die Bestrahlungssteuerung 6 einen Alarm aus und stoppt den Betrieb der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U unter Verwendung eines Schaltsperre („interlock”).
Die Bestrahlung des Bestrahlungspunkte 902a mit dem Protonenstrahl wird fortgesetzt, bis aus dem Dosimeterschaltkreis 405 ein „Dosis vollendet”-Signal ausgegeben wird. Wenn das „Dosis vollendet”-Signal ausgegeben wird und in die Bestrahlungssteuerung 6 eingespeist wird, geht die Bestrahlung zum nächsten Bestrahlungspunkt 902b über. Das heißt, dass die Bestrahlungssteuerung 6 auf die Bestrahlungsmusterdaten zurückgreift, um den Erregerstrom für den Rasterelektromagneten 401 so einzustellen, dass der Protonenstrahl in den nächsten Bestrahlungspunkt 902b eindringt und die Bestrahlung des Bestrahlungspunkts 902b mit dem Protonenstrahl fortgesetzt wird, bis wiederum das „Dosis vollendet”-Signal in die Bestrahlungssteuerung 6 eingespeist wird.
Der oben genannte Vorgang wird wiederholt, um die Bestrahlung aller Bestrahlungspunkte 102 zu vollziehen, die in der Strahlungsscheibe 901a festgelegt sind.
Nach Vollendung der Bestrahlung in der Strahlungsscheibe 901a geht die Bestrahlung zur nächsten Strahlungsscheibe 901b über. Das heißt, dass die Bestrahlungssteuerung 6 auf die Bestrahlungsmusterdaten zurückgreift, um den Energieselektor 3 so einzustellen, dass der Protonenstrahl an der Position der Strahlungsscheibe 901b gestoppt wird, und auch um die Strahlungsmündung 4 so einzustellen, dass der Protonenstrahl in jeden der Bestrahlungspunkte, nicht gezeigt, in der Strahlungsscheibe 901b eindringt. Der Vorgang wird in Reihenfolge wiederholt und die Bestrahlung erreicht die oberflächlichste Strahlungsscheibe 901c.
Unter der Annahme, dass der Behandlungsplan spezifiziert, dass die oberflächlichste Bestrahlungsscheibe 901c an einer Tiefe im Patienten von 80 mm liegt und die Energie des Protonenstrahls, der an der Position der Strahlungsscheibe 901c gestoppt wird, 100 MeV beträgt, unterscheidet sich die Energiebreite eines Protonenstrahls, die notwendig ist, um eine Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe von 5 mm an der erkrankten Stelle 9 des Patienten zu erhalten, von jener für eine zuvor gewählte Energie von 150 MeV. Dies liegt daran, dass die Reichweite des Protonenstrahls im Patienten, d. h. die Position, an welcher der Protonenstrahl gestoppt wird, nicht proportional zur Energie ist.
Um daher eine Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe von ungefähr 5 mm zu erhalten, wie es der Fall war, als eine Protonenstrahlenergie von 150 MeV ausgewählt wurde, wird die Größe des Schlitzes S1 des Energiekollimators 303 auf eine Größe eingestellt, die sich von der Größe unterscheidet, welche festgelegt wurde, als eine Protonenstrahlenergie von 150 MeV ausgewählt wurde.
Weiter zeigt die 5 einen Zustand des Energiekollimators 303, wenn eine Protonenstrahlenergie von 100 MeV und eine Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe von 5 mm in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U ausgewählt werden, wobei die Bezugsziffer 013 die Position (11 cm) der Schlitzmitte C1 in Bezug auf die Protonenstrahlachse D2 (0 cm, siehe 1) bezeichnet und die Bezugsziffer 014 die Größe des Schlitzes S1 (2,6 mm) bezeichnet.
5 zeigt einen Zustand des Energiekollimators 303, wenn die Energie des Protonenstrahls dadurch ausgewählt wird, dass der Betrag der Ablenkung des Protonenstrahls 104b eingestellt wird, indem der am Energieseparationsmagneten 301 anliegende Erregerstrom gesteuert wird. Dementsprechend ist die Position der Schlitzmitte C1 des Energiekollimators 303 (11 cm) dieselbe wie in dem Fall, in dem eine Protonenstrahlenergie von 150 MeV ausgewählt wurde.
Jedoch kann die Energie des Protonenstrahls auch dadurch ausgewählt werden, dass die Position der Schlitzmitte C1 des Energiekollimators 303 ohne oder in Verbindung mit der Einstellung des Betrags der Ablenkung des Protonenstrahls 104b eingestellt wird. 6 zeigt eine beispielhafte Abwandlung des Verfahrens zur Auswahl einer Protonenstrahlenergie, wobei die Bezugsziffern 013' und 014', wie die Bezugsziffern 013 und 014, die Position der Schlitzmitte C1 in Bezug auf die Protonenstrahlachse D2 bzw. die Größe des Schlitzes S1 bezeichnet. Wie in 6 gezeigt ist, wird, wenn mit Hilfe dieses Verfahrens eine Protonenstrahlenergie von 100 MeV gewählt wird, die Schlitzmitte C1 nach oben bewegt und der Schlitz S wird vergrößert im Vergleich mit dem Fall, wo eine Energie von 150 MeV gewählt wurde, so dass eine Strahlendenpositionsbreitentiefe von 5 mm erhalten wird.
Im Folgenden wird der Umstand, der zur vorliegenden Erfindung geführt hat, sowie die Wirkungen der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U beschrieben.
Ein lasergetriebener Protonenstrahl hat die Eigenschaft, von einem Target unter einem Divergenzwinkel und unter räumlicher Ausbreitung (Streuung) emittiert zu werden. Wenn daher ein lasergetriebener Protonenstrahl für die Strahlentherapie verwendet wird, muss die Expositionsdosis im normalen Gewebe, das eine erkrankte Stelle umgibt, reduziert werden. Das heißt, dass ein Vorgang notwendig ist, um den lasergetriebenen Protonenstrahl im Verlauf des Transports des lasergetriebenen Protonenstrahls an die erkrankte Stelle zu konvergieren. Wenn jedoch lasergetriebene Protonenstrahlen verwendet werden, können die wesentlichen Komponenten einer herkömmlich verwendeten Beschleuniger-getriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung aus den im Folgenden beschriebenen Gründen nicht eingesetzt werden.
Bei einer Beschleuniger-getriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung wird eine Vorrichtung, die Reichweitenversteller (range shifter) genannt wird, verwendet, um die Reichweiten eines Beschleuniger-getriebenen Protonenstrahls in einem Patienten einzustellen. Der range shifter umfasst Acrylscheiben unterschiedlicher Dicken und erlaubt es einem Protonenstrahl mit der erforderlichen Energie durch ihn hindurchzutreten, um die Reichweite eines beschleunigergetriebenen Protonenstrahls im Patienten einzustellen. Für einen lasergetriebenen Protonenstrahl nimmt die Expositionsdosis in normalen Bereichen zu, während die Intensität sich wesentlich verringert, während der Protonenstrahl an einen Bestrahlungspunkt transportiert wird, da der lasergetriebene Protonenstrahl unter einem Divergenzwinkel von einem Target emittiert wird. Die Streuung durch den range shifter wird zu weiterer räumlicher Ausbreitung (Streuung) des Protonenstrahls führen, um die Expositionsdosis in normalen Bereichen weiter zu erhöhen.
Zusätzlich wird in der beschleunigergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung eine Vorrichtung verwendet, die ridge filter genannt wird. Der ridge filter hat die Funktion, die Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe („beam stop position width in depth”) eines beschleunigergetriebenen Protonenstrahl mit einer sehr geringen Energiebreite (einer einzelnen Energie) so zu verbreitern, dass eine steile Dosisverteilung, genannt Bragg-Spitze (Bragg peak) dem Abstand zwischen den Scheiben im Patienten entspricht. Ein lasergetriebener Protonenstrahl hat hingegen eine kontinuierliche Energie und es ist daher bedeutungslos, die Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe durch den ridge filter zu erhöhen. Stattdessen würde die Streuung durch den ridge filter den Protonenstrahl weiter räumlich ausbreiten und würde daher den Nachteil des Anstiegs der Strahlungsexposition in den normalen Bereichen erhöhen.
Bei der Protonenstrahl-Strahlentherapie ist ein notwendiger Vorgang jener, die Protonenstrahlenergie und -energiebreite auszuwählen. Wenn der lasergetriebene Protonenstrahl verwendet wird, muss der Vorgang durchgeführt werden, während die Intensitätsabnahme des Protonenstrahls verringert wird. Jedoch besitzt die beschleunigergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung keine solche Anordnung.
Daher hat der Erfinder einen lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung konzipiert, die in der Lage ist, die Energie und die Energiebreite eines lasergetriebenen Protonenstrahls einzustellen, während die räumliche Ausbreitung und der Abfall der Intensität des lasergetriebenen Protonenstrahls minimiert werden, wodurch eine Therapiestrahlung unter Verwendung von lasergetriebenen Teilchenstrahlen realisiert wird.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform einer lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Beispiel zum Vergleich mit der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U gemäß der ersten Ausführungsform ist. Dieselben Komponenten wie jede der ersten Ausführungsform werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und auf deren nochmalige Beschreibung wird verzichtet.
Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' gemäß der alternativen Ausführungsform der 7 umfasst einen Energieselektor 3'. Der Energieselektor 3' umfasst einen Konvergenzkollimator 307' und einen Energiekollimator 303'.
Der Konvergenzkollimator 307' des Energieselektors 3' ist so positioniert, dass er die Bahn eines von einem Protonenstrahlgenerator 1 erzeugten lasergetriebenen Protonenstrahls 103 blockiert und eine Öffnung G1' besitzt, um es einem Teil des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 zu erlauben, durch ihn hindurchzutreten. Der Konvergenzkollimator 307' besteht aus einem Material geringer Radioaktivierung, wie z. B. Aluminium.
Der Energiekollimator 303' des Energieselektors 3 umfasst zwei Blöcke 303a' und 303b', die so vorgesehen sind, dass sie die Bahn eines vom Energieseparationsmagneten 301 gemäß einem Impulsunterschied abgelenkten Protonenstrahl 104b blockieren, und ein Schlitz S1' wird von den Blöcken 303a' und 303b' definiert.
In der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' wird der Konvergenzkollimator 307' an der stromaufwärts liegenden Seite in Bezug auf den Energieseparationsmagneten 301 vorgesehen, so dass die weitwinkligen Komponenten des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 aus der Bahn des Strahls entfernt werden, bevor der lasergetriebene Protonenstrahl 103 in den Energieselektor 3' eintritt. Als Ergebnis kann eine präzise und auf den in einem Behandlungsplan festgelegten Bestrahlungspunkt 902 eingeschränkte Bestrahlung erreicht werden und die Expositionsdosis in normalem Gewebe kann verringert werden.
In dem Energieselektor 3' des lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' tritt der Protonenstrahl 104a in das vom Energieseparationsmagneten 301 erzeugte Magnetfeld ein, und dementsprechend wird die Trajektorie des Protonenstrahls 104a dem Impuls gemäß abgelenkt. Der abgelenkte Protonenstrahl 104b tritt durch den Schlitz S1' hindurch und besitzt eine bestimmt Energie. Der Protonenstrahl 104c tritt in das das von einem Energiekombinationsmagneten 305 erzeugte Magnetfeld ein, in welchem der aufgrund des Impulsunterschieds abgelenkte und gestreute Protonenstrahl 104b rekonvergiert wird.
Auf diese Weise ist die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' in der Lage, die Reichweite (Eindringtiefe) eines Protonenstrahls in einem Patienten und die Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe ohne Verwendung eines in beschleunigergetriebenen Teilchenstrahlvorrichtungen verwendeten range shifters und ridge filters festzulegen. Dementsprechend werden die lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 durch den range shifter und den ridge filter nicht gestreut und daher kann die räumliche Ausbreitung des Strahls an einer erkrankten Stelle verhindert werden. Somit kann eine Strahlungsexposition in den die erkrankte Stelle umgebenden normalen Bereichen verhindert werden.
Um jedoch bei der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' die Konvergenz eines Protonenstrahls zu erhöhen, ist es notwendig, die Größe der Öffnung G1' des Konvergenzkollimators 307' zu verringern, was die Intensität des Protonenstrahls senken wird, der durch den Konvergenzkollimator 307 durchtritt und schließlich die erkrankte Stelle 9 des Patienten erreicht.
Zum Beispiel wird nun angenommen, dass der Divergenzwinkel θ eines lasergetriebenen Protonenstrahls 103 5° beträgt und der Glanzwinkel in dem Durchtrittsbereich des Schlitzes S1 des Energieselektors 3', betrachtet vom Emissionspunkt des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 auf einem Target 101 aus, auf 0,5° festgelegt wird, um eine geeignete Strahlgröße und Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe an der erkrankten Stelle 9 einzustellen. In diesem Fall ist die Intensität des zum Energieselektor 3' geführten Protonenstrahls kleiner oder gleich ungefähr 1% der Intensität des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 unmittelbar nach seiner Emission aus dem Target 101.
Die Energiebreite des in einer typischen Therapiestrahlung verwendeten Protonenstrahls beträgt ungefähr 2 bis 5%. Daher wird die Intensität des Protonenstrahls 104c, der durch den Energieselektor 3' durchgetreten ist, weiter gesenkt. Abhängig von der Intensität des anzuwendenden gepulsten Laserlichts 102 und anderer Bedingungen hat sich erfahrungsgemäß gezeigt, dass die Bestrahlung einer erkrankten Stelle 9 von beispielsweise 10 cm³ mit einer Dosis von 2 Gy unter Verwendung der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' ungefähr 100 min erfordert. Es ist jedoch unerwünscht, einen Patienten eine solch lange Zeit an Ort und Stelle zu halten, und es bestand Bedarf nach einer Minimierung der Intensitätsabnahme durch Erhöhung der Konvergenz. Es ist ein erster Kernpunkt, der die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' betrifft.
Wenn zudem in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' die Energie eines Protonenstrahls entsprechend der Tiefe einer erkrankten Stelle 9 im Patienten von 150 MeV auf 100 MeV geändert wird, kann eine für eine Energie von 150 MeV eingestellte Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe von 5 mm nicht mehr für eine Energie von 100 MeV wie oben beschrieben erhalten werden, sondern es wird sich beispielsweise eine Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe von lediglich ungefähr 2 mm ergeben.
Man kann als Verfahren zum Erhalten einer gleichmäßigen Dosisverteilung in Betracht ziehen, den Abstand zwischen Strahlungsscheiben auf einen Wert einzustellen, der gleich der kleinsten Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe ist. Dieses Verfahren kann eine höchst gleichmäßige Dosisverteilung bereitstellen. Jedoch erhöht die Verringerung des Abstands zwischen den Strahlungsscheiben die für die Bestrahlung der gesamten erkrankten Stelle 9 notwendige Anzahl von Bestrahlungsscheiben, was die Bestrahlungszeit (inklusive der für die Steuerung des Energieselektors 3' erforderlichen Zeit) erhöht, was wiederum die Belastung des Patienten erhöht.
Man kann dann als Verfahren zum Erhalten einer gleichmäßigen Dosisverteilung ohne Erhöhung der Bestrahlungszeit während dem Planen der Behandlung die Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe in Betracht zeihen, die sich entsprechend den auszuwählenden Protonenstrahlenergien ändern, und die Einstellung des Abstands zwischen den Strahlungsscheiben in Betracht ziehen, die eine gleichmäßige Dosisverteilung bereitstellt. Jedoch können Bestrahlungsmusterdaten wie z. B. Daten über die Strahlungsscheiben und die Bestrahlungspunkte gewöhnlich basierend auf Bilddaten festgelegt werden, die unter Verwendung der Computertomographie (CT) aufgenommen wurden (gewöhnlich Bilder, die an gleichmäßig beabstandeten Positionen aufgenommen werden). Wenn die Strahlungsscheiben separat vorbereitet werden sollen, wären zusätzliche Zeit für die Berechnungen zur Optimierung der Bestrahlung und zusätzliche Kosten zum Entwickeln der Optimierungsberechnungen sowie einer lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung erforderlich.
Das heißt, dass man von der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' erforderte, eine hohe Gleichmäßigkeit der Dosisverteilung zu erzielen, ohne dabei den Abstand zwischen den Strahlungsscheiben zu verringern oder die Bestrahlungsoptimierungsberechnungen durchzuführen. Dies ist ein zweiter Kernpunkt, das die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' betrifft.
Angesichts der obigen Umstände hat der Erfinder die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' verbessert und die Konfiguration der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U der ersten Ausführungsform übernommen.
8 bis 10 sind Diagramme, die Funktionen der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' darstellen.
Im Folgenden wird die Kompatibilität von Konvergenz und Intensität des Protonenstrahls besprochen.
In der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein vom Protonenstrahlgenerator 1 erzeugter lasergetriebener Protonenstrahl 103 durch das Magnetfeld durchgeschickt, das vom in der Strahlkonvergenzeinheit 2 vorgesehenen Quadrupolmagneten 201 erzeugt wird, um dadurch den lasergetriebenen Protonenstrahl 103 zu konvergieren.
8 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Trajektorien eines Protonenstrahls 104a der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U. Die horizontale Achse stellt den Abstand in Laufrichtung des Protonenstrahls dar und die vertikale Achse stellt den Abstand in Richtung der Streuung des Protonenstrahls dar. Die Bezugsziffern 201a bis 201c in 8 bezeichnen die Positionen der Quadrupolmagneten 201a bis 201c in der Strahlkonvergenzeinheit 2. Die Bezugsziffern 015 stellt die Trajektorie des Protonenstrahls in der horizontalen Richtung dar und die Bezugsziffer 016 stellt die Trajektorie des Protonenstrahls in der vertikalen Richtung dar.
Wie in 8 gezeigt kann bei der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U die Konvergenz des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 gut erhöht werden, während die Abnahme der Intensität verringert wird, ohne dabei einen Konvergenzkollimator 307' verwenden zu müssen, der in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' vorgesehen ist.
Es wurde herausgefunden, dass ungefähr 36% der Intensität des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 in den Energieselektor 3 geführt wird, und zwar in einem Fall, in dem der Divergenzwinkel θ des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 5° beträgt und der Glanzwinkel im Durchtrittsbereich des Schlitzes S1 des Energieselektors 3 betrachtet vom Emissionspunkt der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 im Target 101 aus 0,5° beträgt.
Andererseits wird in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' nur ungefähr 1% oder weniger der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 zum Energieselektor 3' geführt, wie oben beschrieben wurde. Indem daher der Quadrupolmagnet 301 als Mittel zum Konvergieren der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 verwendet wird, kann ein Protonenstrahl mit einer Intensität ungefähr 40 Mal höher als bei der den Konvergenzkollimator 307 verwendenden Vorrichtung bereitgestellt werden.
Da die Abnahme der Intensität des lasergetriebenen Protonenstrahls wesentlich verringert werden kann, während die Konvergenz des lasergetriebenen Protonenstrahls erhöht wird, kann die für die Strahlentherapie erforderliche Zeit, die z. B. bei der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' 100 Minuten betrug, auf wenige Minuten verringert werden.
Im Folgenden wird die Kompatibilität zwischen der Auswahl der Protonenstrahlenergie und der Energiebreite sowie der Intensität des Protonenstrahls erläutert.
Ein durch Durchtritt durch die Strahlkonvergenzeinheit 2 der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U konvergierter Protonenstrahl 104a wird zum Energieselektor 3 geführt. Im Energieselektor 3 tritt der Protonenstrahl 104a in das vom Energieseparationsmagneten 301 erzeugte Magnetfeld ein und die Trajektorie des Protonenstrahls 104a wird dem Impuls entsprechend abgelenkt. Der abgelenkte Protonenstrahl 104b tritt durch den Schlitz S1 und wird zum Protonenstrahl 104c mit einer bestimmten Energie. Der Protonenstrahl 104c tritt dann durch das vom Energiekombinationsmagneten 305 erzeugte Magnetfeld und der aufgrund des Momentunterschieds abgelenkte und gestreute Protonenstrahl 107b wird vereint.
Auf diese Weise ist die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U ebenso wie die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U' in der Lage, die Eindringtiefe eines Protonenstrahls in einem Patienten sowie eine Strahlendpositionsbreitentiefe festzulegen, ohne dabei einen range shifter und einen ridge filter einzusetzen, der in beschleunigergetrieben Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtungen verwendet wird.
Im Folgenden wird nun die Gleichmäßigkeit der Dosisverteilung angesprochen.
In der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U wird die Energiebreite eines durch den Energiekollimator 303 durchtretenden Protonenstrahls jedes Mal dann eingestellt, wenn eine Strahlungsscheibe 901 gewechselt wird, so dass eine konstante Strahlendpositionsbreitentiefe bereitgestellt wird. Das bedeutet, dass wenn der am Energieseparationsmagneten 301 anliegende Erregerstrom eingestellt wird, um einen Protonenstrahl im Energieselektor 3 auszuwählen, die Bestrahlungssteuerung 6 auf Bestrahlungsmusterdaten zurückgreift, um die Größe des Schlitzes S1 des Energiekollimators 303 so zu vergrößern oder zu verkleinern, dass eine im Behandlungsplan spezifizierte Breite der Strahlendposition an der Eindringtiefe bereitgestellt wird.
Daher kann eine höchst gleichmäßige Dosisverteilung bereitgestellt werden, selbst wenn gleichmäßig beabstandete Strahlungsscheiben festgelegt werden, die unter Verwendung von mit Hilfe der Computertomographie aufgenommenen Bilddaten festgelegt wurden. Das heißt, dass die höchst gleichmäßige Dosisverteilung bereitgestellt werden kann, ohne dabei den Abstand zwischen Strahlungsscheiben zu verringern oder Bestrahlungsoptimierungsberechnungen durchzuführen. 9 zeigt eine Überlagerung von Dosisverteilungen (Ergebnisse einer Simulation) auf den mit der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U gebildeten Strahlungsscheiben, wobei die horizontale Achse die Tiefe (mm) im Patienten darstellt und die vertikale Achse die Bestrahlungsdosis (Gy) darstellt.
Wie des Weiteren aus 9 ersichtlich ist, stellt die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U eine höchst gleichmäßige Dosisverteilung an einer Eindringtiefe im Bereich von 156 bis 80 mm bereit.
Zur Sicherheit wird das Folgende erwähnt.
Die aus dem Protonenstrahlgenerator 1 unter einem Divergenzwinkel θ emittierten weitwinkligen Komponenten eines lasergetriebenen Protonenstrahls 103 werden blockiert, bevor sie in die Strahlenkonvergenzeinheit 2 eintreten. Dies hindert die Protonenstrahlen daran, den Quadrupolmagneten 201 zu erreichen, der sich in den Divergenztrajektorien des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 befindet, wodurch eine Radioaktivierung des Materials des Quadrupolmagneten 201 ursächlich verhindert wird. Weiter werden im Protonenstrahl 104, der schließlich die erkrankte Stelle 9 des Patienten erreichen wird, diejenigen Komponenten eliminiert, die vom im vorläufigen Behandlungsplan spezifizierten Bestrahlungspunkt 902 nach außen weg abweichen, und daher wird die Expositionsdosis im normalen Gewebe verringert.
Vorteilhafte Wirkungen der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U werden im Folgenden beschrieben.

(1) Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U umfasst: einen Teilchenstrahlgenerator, der ein Target 101 mit gepulstem Laserlicht 102 bestrahlt, um dadurch einen lasergetriebenen Protonenstrahl 103 zu emittieren; eine Strahlkonvergenzeinheit 2, die eine Transportbahn bildet, welche den emittierten lasergetriebenen Protonenstrahl 103 an eine erkrankte Stelle 9 eines Patienten führt, und die den lasergetriebenen Protonenstrahl 103 räumlich konvergiert; einen Energieselektor 3, der eine Energie und eine Energiebreite des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 auswählt; eine Bestrahlungsmündung 4, die den lasergetriebenen Protonenstrahl 103 veranlasst, die erkrankte Stelle 9 abzutasten (zu scannen), um so eine Bestrahlungsposition an der erkrankten Stelle 9 einzustellen; und eine Bestrahlungssteuerung 6, die den Betrieb des Teilchenstrahlgenerators 1, der Strahlkonvergenzeinheit 2, des Energieselektors 3 bzw. der Bestrahlungsmündung 4 steuert. Diese Konfiguration ermöglicht die Strahlentherapie unter Verwendung lasergetriebener Protonenstrahlen. Das heißt, dass der Bedarf nach einem Beschleuniger eliminiert wird, und es kann eine Protonen-Strahlungstherapie erzielt werden, die aus vorteilhafte Weise eine kompakte und raumsparende Vorrichtung einsetzt. Des Weiteren erzeugt die Strahlkonvergenzeinheit 2 ein Magnetfeld auf der Trajektorie des lasergetriebenen Protonenstrahls 103, das die divergierenden Komponenten des lasergetriebenen Protonenstrahls 103, die sich von der Mitte der Trajektorie entfernen, zur Mitte der Trajektorie zurückdrängt. Das Magnetfeld konvergiert den lasergetriebenen Protonenstrahl 103. Daher kann die Konvergenz des lasergetriebenen Teilchenstrahls erhöht werden, während die Abnahme der Intensität des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 während des Transports des lasergetriebenen Teilchenstrahls an die erkrankte Stelle des Patienten verringert wird.
(2) Die Strahlkonvergenzeinheit 2 ist zwischen dem Protonenstrahlgenerator 1 und dem Energieselektor 3 vorgesehen. Daher wird ein im Target 101 unter einem Divergenzwinkel θ emittierter lasergetriebener Protonenstrahl 103 räumlich konvergiert und dann der Energie- und Energiebreitenauswahl unterzogen. Als Ergebnis kann ein lasergetriebener Protonenstrahl 103 mit einer hohen Intensität im Vergleich mit der Konfiguration erhalten werden, bei der die Strahlkonvergenzeinheit 2 nach dem Energieselektor 3 angeordnet ist. Somit wird der in Punkt (1) beschriebene vorteilhafte Effekt verstärkt.
(3) Die Strahlkonvergenzeinheit 2 umfasst den aus Permanentmagneten bestehenden Quadrupolmagneten 201. Der Quadrupolmagnet 201 erzeugt ein Magnetfeld, das einen lasergetriebenen Protonenstrahl 103 konvergiert. Daher kann eine kompakte, kostengünstige lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U realisiert werden im Vergleich mit einer Vorrichtung, bei der ein Elektromagnet verwendet wird, um ein Magnetfeld durch Einstellen eines Erregerstroms einzustellen und so die lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 zu konvergieren.
(4) Der Quadrupolmagnet 201 der Strahlkonvergenzeinheit 2 umfasst mehrere Quadrupolmagneten, die entlang der Transportbahn der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 vorgesehen sind, und mindestens einer der Magneten 201 ist beweglich. Daher kann die räumliche Verteilung des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 eingestellt werden. Als Ergebnis kann die Konvergenz und die Intensität des lasergetriebenen Protonenstrahls 103, der die erkrankte Stelle 9 des Patienten erreicht, hoch gehalten werden, wodurch die oben unter Punkt (1) beschriebenen vorteilhaften Wirkungen weiter verstärkt werden,
(5) Die Strahlkonvergenzeinheit 2 umfasst den Winkelkollimator 203, der zwischen dem Quadrupolmagneten 201 und dem Target 101 des Protonenstrahlgenerators 1 vorgesehen ist und die weitwinkligen Komponenten eines lasergetriebenen Protonenstrahls 103 daran hindert, den Quadrupolmagneten 201 zu erreichen. Dementsprechend kann die Expositionsdosis im normalen Gewebe außerhalb der erkrankten Stelle 9 minimiert werden und die Sicherheit der Strahlentherapie wird verbessert.
(6) Der Energieselektor 3 erzeugt ein Magnetfeld in der Transportbahn der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103, das die lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 entsprechend ihrem Impuls ablenkt. Der Energieselektor 3 wählt auch einen lasergetriebenen Protonenstrahl 103 aus, der eine bestimmte Trajektorie besitzt, und eliminiert die anderen lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 aus der Transportbahn, wodurch die Energie und Energiebreite des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 ausgewählt werden. Dementsprechend beeinflusst die Streuung der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 nicht den Vorgang des Auswählens der Energie und Energiebreite des lasergetriebenen Protonenstrahls 103. Als Ergebnis kann der lasergetriebene Protonenstrahl 103 mit hoher Intensität an die erkrankte Stelle 9 transportiert werden. Somit wird die oben unter Punkt (1) beschriebene vorteilhafte Wirkung weiter verstärkt.
(7) Der Energieselektor 3 umfasst den Energieseparationsmagneten 301 mit einem Elektromagneten, welcher ein variables Magnetfeld unter der Steuerung eines Erregerstroms ausbildet, sowie den Energiekollimator 303. Der Energiekollimator 303 ist so vorgesehen, dass er die Transportbahn der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103, die vom variablen Magnetfeld abgelenkt wurden, blockiert und ist mit dem Schlitz S1 versehen, der es einem lasergetriebenen Protonenstrahl 103 mit einer bestimmten Trajektorie selektiv erlaubt, durch den Schlitz S1 durchzutreten. Daher kann die oben unter Punkt (6) beschriebene vorteilhafte Wirkung zuverlässig und leicht erzielt werden.
(8) Der Energiekollimator 303 des Energieselektors 3 ist auf solche Weise ausgebildet, dass die Größe des Schlitzes 51 eingestellt werden kann. Daher kann eine höchst gleichmäßige Dosisverteilung erzielt werden und die Präzision der Strahlentherapie kann verbessert werden, ohne dabei den Raum zwischen den Strahlungsscheiben zu verringern oder Strahlungsoptimierungsberechnungen durchzuführen.

[Zweite Ausführungsform]
10 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform einer lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und die zweite Ausführungsform umfasst zusätzlich zu den Komponenten der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U der ersten Ausführungsform Anordnungen, die sich auf eine Auswahlfunktion der Protonenstrahlenergie sowie eine Schaltsperre der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U beziehen.
Im Folgenden werden dieselben Komponenten wie in der ersten Ausführungsform mit denselben Bezugsziffern oder -Zeichen bezeichnet, um ihre nochmalige Beschreibung zu vermeiden, und bei den Komponenten, die Variationen jener der ersten Ausführungsform sowie neu hinzugefügte Komponenten sind, wird den Bezugsziffern zusätzlich ein „A” angehängt.
Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst eine Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A und eine Strahlintensitäts-Beobachtungseinheit 7A, wie in 10 gezeigt ist. Eine Bestrahlungssteuerung 6A der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A umfasst eine Energieverteilungskonvergenzsteuerung 604A sowie eine Hochfrequenzstromversorgung 605A.
(Energieverteilungskonvergenzeinheit)
Die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A ist zwischen einem Protonenstrahlgenerator 1 und einem Energieselektor 3 vorgesehen, wie in 10 gezeigt ist. Die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A bildet die Transportbahn eines lasergetriebenen Protonenstrahls 103. Die Energieverteilung des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 wird auf der Transportbahn konvergiert, um eine Spitze bei einer bestimmten Energie bereitzustellen. Die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A wird mit einer Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A ausgebildet, die einen äußeren Resonator 501A und innere Resonatoren 502A umfasst.
11 ist eine vergrößerte Ansicht der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A.
Der äußere Resonator 501A der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A stellt eine äußere Konfiguration der Transportbahn eines Protonenstrahls 104d dar, der durch eine Strahlkonvergenzeinheit 2 getreten ist.
Die inneren Resonatoren 502A der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A sind innerhalb des äußeren Resonators 501A ausgebildet und entlang der Längsrichtung des äußeren Resonators 501A beabstandet. Eine hochfrequente Spannung wird von der Hochfrequenzstromversorgung 605A an die inneren Resonatoren 502A angelegt.
Die inneren Resonatoren 502A wenden ein hochfrequentes elektrisches Feld auf den Protonenstrahl 104b an, der durch Spalte G2 zwischen benachbarten inneren Resonatoren 502A durchtritt, um die Energieverteilung des Protonenstrahls 104d um die Energie jener Protonen herum zu konvergieren, die synchron mit der Phase der an den inneren Resonatoren 502A anliegenden Hochfrequenzspannung in jeden Spalt G2 eintreten, und zwar aus der Zahl jener Protonen, die ein Protonenbündel (Zeit-diskreter Zustand der Protonen) darstellen.
12 zeigt einen Graph der Energieverteilung eines Protonenstrahls, der durch die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A durchgetreten ist (Ergebnisse einer Simulation), wobei die horizontale Achse die Energie des Protons darstellt und die vertikale Achse die Anzahl der Protonen pro Schuss von gepulstem Laserlicht 102 darstellt. In 12 bezeichnet Bezugsziffer 017 die Energieverteilung eines Protonenstrahls in Abwesenheit eines an der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A angelegten hochfrequenten elektrischen Feldes, und die Bezugsziffer 018 stellt die Energieverteilung des Protonenstrahls bei Vorhandensein des an der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A anliegenden hochfrequenten elektrischen Feldes dar.
Die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A ist bevorzugt zwischen der Strahlkonvergenzeinheit 2 und dem Energieselektor 3 vorgesehen. Das liegt daran, dass die Intensität des Protonenstrahls, der die erkrankte Stelle 9 eines Patienten erreicht, hoch gehalten werden kann, wenn die Energieverteilung des Protonenstrahls in der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A konvergiert wird und die Energie des Protonenstrahls im Energieselektor 3 ausgewählt wird, verglichen mit einem hierzu umgekehrten Fall. Das heißt, dass die Strahlkonvergenzeinheit 2, die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A, der Energieselektor 3 und die Bestrahlungsmündung 4 bevorzugt in dieser Reihenfolge von stromaufwärts des Protonenstrahltransportwegs betrachtet, wie in 10 gezeigt, angeordnet sind, um die Intensität des Protonenstrahls beizubehalten.
[Bestrahlungssteuerung]
Die Energieverteilungskonvergenzsteuerung 604A der Bestrahlungssteuerung 6A stellt die Position der Energiespitzen eines Protonenstrahls 104b ein, der durch die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A durchgetreten ist. Die Einstellung der Position der Energiespitze wird dadurch durchgeführt, dass die Phase der hochfrequenten Spannung, die an die inneren Resonatoren 502A der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A anzulegen ist, basierend auf der Eindringtiefe im Patienten 003 (2) gesteuert wird, welche für jede in den Bestrahlungsmusterdaten enthaltene Position der Strahlungsscheibe spezifiziert ist.
Die Phase der Hochfrequenzspannung wird dadurch gesteuert, dass eine Hochfrequenzspannung, die die folgende Gleichung (1) erfüllt, an der Hochfrequenzstromversorgung 605A angelegt wird. [Gleichung 1]
Hier ist f die Frequenz des hochfrequenten elektrischen Felds, ϕ ist die Phase des hochfrequenten elektrischen Felds, L ist der Abstand vom Protonenemissionspunkt eines Targets, E₀ (im folgenden besprochen) ist die gewünschte Energiespitze des Protonenstrahls, v₀ ist die E₀ entsprechende Protonengeschwindigkeit, und n ist eine ganze Zahl.
Das heißt, dass die Energieverteilungskonvergenzsteuerung 604A die Phase der auf die inneren Resonatoren 502A anzulegenden hochfrequenten Spannung einstellt und die Energiespitze um die gewünschte Energie E₀ in der Energieverteilung des Protonenstrahls 104d, der durch die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A durchtritt, gemäß Gleichung (1) bereitstellt. Die Amplitude der hochfrequenten Spannung erfüllt bevorzugt k = 1/L (k = 2πqVf/c²β₀ ³γ₀ ²E₀), um die Energieverteilung zu konvergieren, wobei q die Ladung des Protons ist, β₀ und γ₀ Lorenfaktoren sind und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
13 zeigt einen Graph der Änderungen der Energiespitze eines Protonenstrahls in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A (Ergebnisse einer Simulation), wobei die horizontalen und vertikalen Achsen dieselben wie in 12 sind. In 13 stellen die Bezugsziffern 019a bis 019c unterschiedliche Energiespitzen dar, die sich aus den Positionseinstellungen durch die Phasenrotationssteuerung ergeben.
Wenn die Bestrahlungssteuerung 6A von der Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A ein abnormales Signal empfängt, stellt die Bestrahlungssteuerung 6A den Betrieb der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A mit Hilfe einer Sperrschaltung ein.
(Strahlintensitätsbeobachtungseinheit)
Die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A beobachtet durchgehend die Intensität pro Schuss eines Protonenstrahls 104c.
14 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Strahlintensitätsbeobachtung in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A betrifft, wobei die Pfeile einen Signalfluss darstellen.
Wie in der ersten Ausführungsform gibt ein Dosimeter 404 der Bestrahlungsmündung 4 ein elektrisches Signal aus, das der Dosis des Protonenstrahls 104c entspricht, welcher durch das Dosimeter 404 durchgetreten ist, d. h. der Dosis des auf die erkrankte Stelle 9 des Patienten angewendeten Protonenstrahls. Ein Dosimeterschaltkreis 405 der Bestrahlungsmündung 4 empfängt die elektrische Signalausgabe vom Dosimeter 404. Wenn das empfangene elektrische Signal einen voreingestellten integrierten Ausgabewert erreicht, sendet der Dosimeterschaltkreis 405 ein „Dosis vollständig”-Signal an die Bestrahlungssteuerung 6, was anzeigt, dass die voreingestellte Dosis für den an der erkrankten Stelle 9 des Patienten festgelegten Bestrahlungspunkt 902 erreicht wurde.
Die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A empfängt vom Dosimeterschaltkreis 405 ein der Intensität des Protonenstrahls pro Schuss entsprechendes elektrisches Signal und vergleicht durchgehend die von dem empfangenen elektrischen Signal bezeichnete Intensität des Protonenstrahls mit einer in den Bestrahlungsmusterdaten spezifizierten Strahlintensität 005. Wenn die von Dosimeterschaltkreis 405 empfangene Intensität von der in dem Bestrahlungsmusterdaten spezifizierten Strahlintensität um einen vorbestimmten Wert oder mehr abweicht, sendet die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A ein abnormales Signal an die Bestrahlungssteuerung 6A.
Die in den Bestrahlungsmusterdaten enthaltene Strahlintensität 005 bezeichnet die Strahlintensität unter Bedingungen, in welchen alle Parameter und Komponenten wie z. B. das hochfrequente elektrische Feld für die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A und den Energieseparationsmagneten 301 des Energieselektors 3 geeignet eingestellt sind. Die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A bestimmt auf Grundlage der Strahlintensität in den Bestrahlungsmusterdaten, ob die Strahlintensität in einer vorbestimmten Energiebreite um die in der Energieverteilung des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 gebildete Energiespitze (siehe 16) (Spitzenintensität) normal ist oder nicht.
Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A wird auf folgende Weise betrieben.
Es wird hier angenommen, dass bei den Bestrahlungsmusterdaten die der Eindringtiefe im Patienten 003 entsprechende Energie 30 MeV beträgt und die Energiebreite, die erforderlich ist, um die Breite 004 der Strahlendposition an der Eindringtiefe zu erhalten, 5% beträgt.
In diesem Fall regelt die Energieverteilungskonvergenzsteuerung 604A der Bestrahlungssteuerung 6A die an die inneren Resonatoren 502A anzulegende hochfrequente Spannung und regelt das auf einen Protonenstrahl 104d anzuwendende hochfrequente elektrische Feld so, dass eine Energiespitze um 30 MeV in der Energieverteilung des Protonenstrahls 104d gebildet wird.
Die Energieauswahlsteuerung 602A der Bestrahlungssteuerung 6A stellt den Energieseparationsmagneten 301 und die Position der Schlitzmitte C1 des Energiekollimators 303 so ein, dass eine Energiebreite von 5% um 30 MeV herum aus der Energieverteilung des Protonenstrahls 104d extrahiert wird.
Nachdem die Komponenten 2, 3, 4 und 5A eingestellt wurden, erzeugt der Protonenstrahlgenerator 1 lasergetriebene Protonenstrahlen 103, und die Strahlentherapie wird an allen Strahlungsscheiben 901, die an der erkrankten Stelle 9 des Patienten festgelegt wurden, gemäß einem ähnlichen Verfahren wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt. Wenn die Intensität des auf die erkrankte Stelle 9 angewendeten Protonenstrahls 104c nicht korrekt ist, stellt die Bestrahlungssteuerung 6A den Betrieb der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A bei Erhalt eines abnormalen Signals von der Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A ein. Der Rest des Betriebs ist derselbe wie jener der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U der ersten Ausführungsform.
Im Folgenden werden die Wirkungen der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A beschrieben.
15 und 16 sind Diagramme, die die Wirkungen der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A darstellen.
Die Kompatibilität zwischen der Auswahl der Energie und der Energiebreite des Protonenstrahls sowie der Intensität werden beschrieben.
15 zeigt eine Energieverteilung eines Protonenstrahls, der durch die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A und den Energieselektor 3 der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A getreten ist. In 15 stellt die horizontale Achse die Protonenenergie dar und die vertikale Achse stellt die Anzahl der Protonen pro Schuss von gepulstem Laserlicht 102 dar. Die Bezugsziffer 020 stellt die Energieverteilung des Protonenstrahls nach Durchtritt durch die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A dar, und die Bezugsziffer 021 stellt die Energieverteilung nach Durchtritt durch den Energieselektor 3 dar.
Bei der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A konvergiert die Energie eines Protonenstrahls 104d, der durch die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A getreten ist, energetisch um die Energie, die auftritt, wenn der Zeitpunkt, zu dem der Protonenstrahl 104d durch die Spalte wie z. B. den Spalt G2 zwischen benachbarten inneren Resonatoren 502A durchtritt, mit der Phase der hochfrequenten Spannung synchronisiert ist. Zum Beispiel konvergiert die Energie des Protonenstrahls um 30 MeV herum, wie in 15 gezeigt ist, und der Prozentanteil der Protonen mit einer Energie von 30 MeV unter den im Protonenstrahl 104d enthaltenen Protonen nimmt zu.
Wenn dementsprechend eine Einstellung gemacht wird, so dass ein Protonenstrahl mit einer Energie von 30 MeV (±5%) durch den Schlitz S1 des Energiekollimators 303 im Energieselektor 3 durchtritt, wie in 15 gezeigt ist, wird die Intensität des Protonenstrahls, der durch den Schlitz S1 durchtritt, größer als in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U der ersten Ausführungsform.
Im Folgenden wird hier die „Sicherheit” beschrieben.
16 zeigt eine Energieverteilung eines Protonenstrahls unter abnormalen Bedingungen, bei denen eine ungenaue Energieauswahl in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A gemacht wird. In 16 stellen die vertikalen und horizontalen Achsen und die Bezugsziffern dieselben Parameter wie in 15 dar.
Weiter wird die ungenaue Energieauswahl durch einen Strukturdefekt der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A oder des Energiekollimators 303 des Energieselektors 3 oder durch ein Versagen bei der Steuerung der Energieverteilungskonvergenzsteuerung 604A oder der Energieauswahlsteuerung 602 verursacht.
Eine Energieverteilung eines Protonenstrahls, welche unter abnormalen Bedingungen, die durch ungenaue Energieauswahl verursacht sind, auftritt, ist, wie in 16 gezeigt ist, wesentlich verschlechtert im Vergleich mit der Energieverteilung des Protonenstrahls, die zum Zeitpunkt der korrekten Energieauswahl auftritt. Das liegt daran, dass bevor der Protonenstrahl den Schlitz S1 des Energiekollimators 303 des Energieselektors 3 erreicht, die Energieverteilung des Protonenstrahls von der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A konvergiert wird, um die Anzahl der Protonen zu erhöhen, die Energiekomponenten besitzen, welche durch den Schlitz S1 durchtreten können.
Basierend auf dem elektrischen Signal, dass der Intensität des Protonenstrahls mit der Energieverteilung, welche durch die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A konvergiert wurde, entspricht, bestimmt die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A, ob eine abnormale Auswahl gemacht wurde oder nicht.
Daher kann die ungenaue Energieauswahl zuverlässig von einer Änderung in der Intensität der Strahlausgabe aus dem Dosimeter 404 unterschieden werden. Das heißt, dass eine ungenaue Energieauswahl auf Grundlage der Intensität des Protonenstrahls bewertet werden kann, und zwar zusätzlich zu dem beobachteten Erregerstrom des Energieseparationsmagneten 301 im Energieselektor 3 und der beobachteten Position der Schlitzmitte C1 des Energiekollimators 303 und der Größe des Schlitzes S1.
Bei der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung U gemäß der ersten Ausführungsform ist es schwierig, die ungenaue Energieauswahl bei deren Auftreten auf Grundlage der Änderung der Intensität des Protonenstrahls zu entdecken. Das liegt daran, dass die Energieverteilung des Protonenstrahls, dessen Energie von der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A nicht konvergiert wurde, wie in 12 gezeigt flach ist (Bezugsziffer 017), und selbst wenn eine geringfügig von der gewünschten Energie verschiedene Energie ausgewählt wird, ändert sich der Gesamtwert der Intensität des Protonenstrahls, der in eine vorbestimmte Energiebreite fällt, nicht wesentlich. Ein abnormales Signal kann ausgegeben werden, wenn eine geringfügige Änderung bei der Intensität eines Protonenstrahls erfasst wird. Jedoch könnte in diesem Fall die Sperrschaltung häufig aktiviert werden, da die vom Energieselektor 3 ausgewählte Protonenstrahlenergie gewöhnlich geringfügig fluktuiert.
Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A wird die folgenden vorteilhaften Funktionen und Wirkungen zusätzlich zu den vorteilhaften Wirkungen (1) bis (8) der ersten Ausführungsform erzielen.

(9) Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A umfasst die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A, die die Transportbahn des Protonenstrahls bildet und die Energieverteilung des Protonenstrahls auf der Transportbahn konvergiert, um eine Spitze bei einer bestimmten Energie bereitzustellen. Daher wird die Intensität des Protonenstrahls, welcher die auf Grundlage der Tiefe eines Bestrahlungspunkts 902 im Patienten festgelegte Energie besitzt, erhöht und die unter Punkt (1) der ersten Ausführungsform beschriebene vorteilhafte Wirkung wird verstärkt.
(10) Die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A umfasst die Phasenrotationsresonatoreinheit 500A, welche die Transportbahn des Protonenstrahls bildet und unter Anwendung einer hochfrequenten Spannung ein hochfrequentes elektrisches Feld auf der Transportbahn erzeugt, wobei ein Zustand, in dem die ein Protonenbündel ausmachenden Protonen beschleunigt werden, und ein Zustand, in dem die ein Protonenbündel ausmachenden Protonen abgebremst werden, auftreten und dadurch die Energieverteilung des Protonenstrahls auf eine bestimmte Energie hin konvergieren lassen. Die Bestrahlungssteuerung 6A stellt die Phase und die Amplitude der an die Phasenrotationsresonatoreinheit 500A anzulegenden hochfrequenten Spannung ein, um die Position der Energiespitze der Energieverteilung des Protonenstrahls einzustellen. Daher kann eine gewünschte Energiespitze in der Energieverteilung des Protonenstrahls ausgebildet werden, in dem die Ladung und die zeit-diskreten Zustände des Protonenstrahls genutzt werden.
(11) Die Phasenrotationsresonatoreinheit 500A der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A umfasst den äußeren Resonator 501A, welche die Transportbahn eines Protonenstrahls bildet, sowie die inneren Resonatoren 502A, die in dem äußeren Resonator 501A in einer Reihe beabstandet sind und an die eine hochfrequente Spannung angelegt wird. Ein hochfrequentes elektrisches Feld wird in den Spalten zwischen benachbarten inneren Resonatoren 502A erzeugt, um die Energieverteilung des Protonenstrahls um die Energie der Protonen herumkonvergieren zu lassen, die in die Spalte zu Zeitpunkten eintreten, die mit der Phase der an die inneren Resonatoren 502A angelegten hochfrequenten Spannung synchronisiert sind, und zwar unten den Protonen, die ein Protonenbündel im äußeren Resonator 501A bilden. Daher kann die unter (10) beschriebene vorteilhafte Wirkung einfach und effektiv erreicht werden.
(12) Die lasergetriebene Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A umfasst die Strahlintensitäts-Beobachtungseinheit 7A, die bestimmt, ob die Intensität des Protonenstrahls mit der Energieverteilung, die von der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A konvergiert wurde, und mit einer bestimmten Energie, die von Energieselektor 3 ausgewählt wurde, normal ist oder nicht. Wenn die Strahlintensitäts-Beobachtungseinheit 7A bestimmt, dass die Intensität abnormal ist, stellt die Bestrahlungssteuerung 6A die Bestrahlung der erkrankten Stelle 9 des Patienten mit dem Protonenstrahl ein. Somit kann eine Sperrschaltung unter Verwendung der Intensität eines auf die erkrankte Stelle 9 angewendeten Protonenstrahls bereitgestellt werden, wodurch die Sicherheit der Strahlentherapie weiter erhöht wird.
(13) Die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A bestimmt, ob die Intensität des Protonenstrahls pro Schuss von gepulstem Laserlicht 102 normal ist oder nicht. Die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit 7A führt die Bestimmung basierend auf der Spitzenintensität der Energieverteilung des Protonenstrahls durch. Wenn dementsprechend die Intensität des Protonenstrahls von einem erforderten Wert abweicht, wird die dem Dosimeter 404 bereitgestellte Intensität des Protonenstrahls wesentlich verringert, selbst wenn es die Intensität pro Schuss ist. Daher kann mit einem hohen Grad an Genauigkeit festgestellt werden, ob der Protonenstrahl normal ist oder nicht. Dementsprechend kann die Sperrschaltung mit einem hohen Grad an Zuverlässigkeit aktiviert werden, selbst während der Bestrahlung eines einzelnen Bestrahlungspunkts. Somit kann die unter (12) beschriebene vorteilhafte Wirkung verstärkt werden.

[Dritte Ausführungsform]
Eine dritte Ausführungsform betrifft eine elektrische Hochfrequenzfeldsteuerung für den Protonenstrahl, die in der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A der zweiten Ausführungsform durchgeführt wird.
Die Bestrahlungssteuerung 6A der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A (siehe 10) legt eine Pulsbreitenkompressionsspannung an die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A dadurch an, dass die Ausgabe der hochfrequenten Stromversorgung 605A gesteuert wird.
Die Pulsbreitenkompressionsspannung ist eine Spannung, die so eingestellt wird, dass sie die Pulsbreite der Protonenstrahlen, die in einem durch die Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A durchtretenden Protonenstrahl 104d enthalten sind, komprimiert. Die Pulsbreitenkompressionsspannung wird im Folgenden beschrieben.
Im Folgenden wird die Pulsbreitenkompressionsspannung beschrieben.
In dem Fall der Phasenrotation des im Protonenstrahl 104b enthaltenen Protonenstrahls um eine gegebene Geschwindigkeit, kann der Geschwindigkeitsbereich, in welchem der Protonenstrahl phasengedreht wird, wie folgt ausgedrückt werden: [Gleichung 2]
wobei f die Frequenz der an die inneren Resonatoren 502A der Phasenrotationsresonatoreinheit 500A angelegten hochfrequenten Spannung ist und L der Spaltabstand zwischen der Mitte eines den Protonenstrahl erzeugenden Targets 101 und der Phasenrotationsresonatoreinheit 500A ist.
Indem das Verhältnis ΔE/E₀ ≈ β₀ ²γo²·dv/v₀ verwendet wird, kann die Gleichung (2) umgeschrieben werden zu: [Gleichung 3]
wobei β₀ und γ₀ Lorenzfaktoren sind, die v₀ entsprechen, und E₀ die Gesamtenergie inklusive der kinetischen Energie und der Ruheenergie ist, die v₀ entspricht.
Indem das Verhältnis
verwendet wird, kann die Gleichung (3) umgeschrieben werden zu: [Gleichung 4]
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und m die Masse der Teilchen ist.
Um die Pulsbreite ΔE des Protonenstrahls zu komprimieren, indem die Phasendrehung im hochfrequenten elektrischen Feld bei der Spannung (Spannungsamplitude) V durchgeführt wird, muss ΔE < qV gegeben sein. Daher kann die Spannungsamplitude V der Pulsbreitenkompressionsspannung wie folgt ausgedrückt werden: [Gleichung 5]
wobei q die Ladung des Protonenstrahls ist.
Wenn die Bestrahlungssteuerung 6A die an die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A anzulegende Spannung auf eine erforderliche Pulsbreitenkompressionsspannung einstellt, führt die Bestrahlungssteuerung 6A eine Rückkopplungsregelung durch, die sich auf die Ausgabe der hochfrequenten Stromversorgung 605A bezieht, und wenn der Spannungswert von dem erforderlichen Wert abweicht, führt sie eine die Sperrschaltung aktivierende Steuerung durch. Das liegt daran, dass die an die Phasenrotationsresonatoreinheit 500A angelegte Spannung dazu neigt, aufgrund von Entladungen oder anderen Ursachen instabil zu werden.
Die folgenden Funktionen und Wirkungen werden durch die elektrische Hochfrequenzfeldsteuerung des Protonenstrahls gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzielt.
Im Hinblick auf die Kompression der Pulsbreite des Protonenstrahls werden die folgenden Erläuterungen angewandt.
17 stellt eine Funktion der elektrischen Hochfrequenzfeldsteuerung (Ergebnisse von Simulationen) dar, wobei 17A die Pulsbreite eines Protonenstrahls in dem Fall zeigt, in welchem die an die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A angelegte Spannung die Bedingung (siehe Gleichung 5) für die Pulsbreitenkompressionsspannung nicht erfüllt, und 17B die Pulsbreite des Protonenstrahls in dem Fall zeigt, in welchem die an die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A angelegte Spannung die Bedingung (siehe Gleichung 5) erfüllt. Die Bezugsziffer 022a in 17A stellt die Pulsbreite des Protonenstrahls dar, der keiner Pulsbreitenkompression unterworfen wird, und die Bezugsziffer 022b in 17B stellt die Pulsbreite des Protonenstrahls dar, der der Pulsbreitenkompression unterzogen wird. Die vertikalen und horizontalen Achsen und die anderen Bezugszeichen in 17 sind dieselben wie in 8.
Bei der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung A besitzt ein aus dem Target 101 des Protonenstrahlgenerators 1 emittierter lasergetriebener Protonenstrahls 103 eine gewisse Pulsbreite. Die Pulsbreite des lasergetriebenen Protonenstrahls 103 nimmt mit dem Durchlaufen durch den Energieselektor 3 zur erkrankten Stelle 9 des Patienten hin zu. Zum Beispiel kann sich eine Pulsbreite von einer Nanosekunde oder weniger auf mehrere Nanosekunden erhöhen, wie in 17A gezeigt ist.
Wenn im Gegensatz dazu die Amplitude der an der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A angelegten hochfrequenten Spannung so eingestellt wird, dass sie die Bedingung (Gleichung 5) erfüllt, wird die Pulsbreite des durch die Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A durchtretenden Protonenstrahls 104d komprimiert und verringert. Beispielsweise läuft ein aus dem Target 101 im Protonenstrahlgenerator 1 emittierter lasergetriebener Protonenstrahl 103 mit einer Pulsbreite von einer Nanosekunde oder weniger durch den Energieselektor 3, und dementsprechend nimmt die Impulsbreit auf 2,1 Nanosekunden zu. Dann wird der lasergetriebene Protonenstrahl 103 der Pulsbreitenkompression unterzogen, und dementsprechend wird die Pulsbreite an der erkrankten Stelle 9 des Patienten auf weniger eine Nanosekunde verringert, wie in 17B gezeigt ist. Die qualitative Begründung ist, dass der Protonenstrahlpuls 104d aus dem Grund komprimiert wird, dass in dem Protonenstrahl 104b enthaltene langsame Protonenstrahlen beschleunigt und schnelle Protonenstahlen abgebremst werden. Dies gilt für die Energieverteilungskonvergenzfunktion der zweiten Ausführungsform.
Der oben beschriebene Effekt der Pulsbreitenkompression ermöglicht es den lasergetriebenen Protonenstrahlen 103, über eine lange Distanz transportiert zu werden, während die ursprüngliche Pulsbreite der lasergetriebenen Protonenstrahlen 103 beibehalten wird. Praktische Vorteile der Pulsbreitenkompressionsfunktion oder -Wirkung bei der Protonenstrahlungstherapie werden im Folgenden beschrieben.
Die Krebszellen abtötenden Wirkungen der an der erkrankten Stelle 9 des Patienten angewendeten Teilchenstrahlen können grob in zwei Teilchen-Zellen-Wechselwirkungen unterteilt werden, nämlich die direkte und die indirekte. Die direkte Wirkung ist eine Wechselwirkung, bei der der Teilchenstrahl DNS direkt beschädigt oder zerstört. Bei der indirekten Wirkung erzeugen andererseits die vom Teilchenstrahl im Körper des Patienten erzeugten Ladungen aktive Teilchen, wie z. B. OH-Radikale, und die Wechselwirkung mit den aktiven Teilchen beschädigt oder zerstört die DNS.
Im Allgemeinen ist die direkte Wirkung dominant, wenn schwere Teilchenstrahlen wie z. B. Kohlenstoffteilchenstrahlen als Teilchenstrahlen bei der Strahlentherapie eingesetzt werden. Für Teilchenstrahlen wie z. B. Protonenstrahlen mit geringem LET (linearem Energietransfer), ist die indirekte Wirkung dominant. Die direkte Wirkung hat einen höheren Abtötungseffekt für Krebszellen und kann Krebszellen zerstören. Selbst wenn nur eine geringe Anzahl von OH-Radikalen erzeugt werden, wie in hypoxischen Zellen, können Krebszellen von der direkten Wirkung zerstört werden.
Die Pulsbreitenkompressionsspannung komprimiert die Pulsbreite des Protonenstrahls, um die Dichte der Protonenstrahlen zu erhöhen. Dementsprechend erhöht sich bei dem Strahlenpuls, auf den die Pulskompressionsspannung angewendet wird, der Anteil von direkten Wirkungen an den Protonenstrahl-Zellen-Wechselwirkungen und daher kann ein Strahlungseffekt erzielt werden, der ähnlich jenen der schweren Teilchenstrahlen ist. Da außerdem in einer kurzen Zeit intensive Energie angewendet werden kann, kann der Effekt der Beschädigung/Zerstörung von Krebszellen-DNS durch die Erhitzungswirkung verstärkt werden. Die Steuerung des hochfrequenten elektrischen Feldes für den Protonenstrahl hat gemäß der vorliegenden Ausführungsform die folgenden vorteilhaften Wirkungen, zusätzlich zu den Wirkungen (1) des (8) der ersten Ausführungsform und den Wirkungen (9) bis (13) der zweiten Ausführungsform.

(14) Eine Pulsbreitenkompressionsspannung, die die Bedingung (5) erfüllt, wird verwendet, um ein hochfrequentes elektrisches Feld an der Phasenrotations-Resonatoreinheit 500A der Energieverteilungskonvergenzeinheit 5A anzulegen. Daher kann die Dichte des Protonenstrahls erhöht werden, um seinen LET auf ein Niveau zu erhöhen, das vergleichbar jenen der schweren Teilchenstrahlen ist, wodurch die Wirksamkeit der Strahlentherapie verbessert wird.

Obwohl die lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung und das lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform oben mit Bezug auf die erste bis dritte Ausführungsform beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und viele andere Änderungen und Abwandlungen können vorgenommen werden, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen, das in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Obwohl beispielsweise der Protonenstrahlgenerator der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung gemäß den Ausführungsformen ein Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, um lasergetriebene Protonenstrahlen zu extrahieren, sind die zu extrahierenden Teilchenstrahlen nicht auf Protonenstrahlen begrenzt, und sämtliche geladenen Teilchen, wie z. B. α-Strahlen oder Kohlenstoffstrahlen können extrahiert werden. In diesen Fällen werden die Teilchen abhängigen Parameter in den Gleichung (2) bis (5), wie z. B. die Ladung q und die Geschwindigkeit v₀ in der dritten Ausführungsform, Parameter sein, die sich auf geladene Teilchenstrahlen beziehen, welche der Pulsbreitenkompression unterzogen werden sollen.
Obwohl des weiteren die Strahlkonvergenzeinheit der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung in den beschriebenen Beispielen mit Quadropolmagneten ausgestattet ist, die Permanentmagneten sind, kann die Strahlkonvergenzeinheit mit Hexapolmagneten oder mit multiplen Magneten höherer Ordnung ausgestattet werden.
Die Funktion des Energieselektors der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung, die den Protonenstrahl ablenkt, kann durch einen achromatischen Magneten (siehe 18) bereitgestellt werden, welcher einen darin vorgesehenen Energiekollimator aufweist. Das heißt, dass der Energieselektor aus einer beliebigen Einheit bestehen kann, die in der Lage ist: (i) die geladenen Teilchen in ein Magnetfeld zu führen, (ii) die Trajektorien der geladenen Teilchen aufgrund von Impulsunterschieden zu streuen, (iii) die benötigten geladenen Teilchen (Trajektorien) auszuwählen, nachdem die Trajektorien im Magnetfeld gestreut wurden, und (iv) die Trajektorien erneut zu konvergieren, wenn oder nachdem die geladenen Teilchen aus dem Magnetfeld austreten.
Die Strahlkonvergenzsteuerung und die Energieauswahlsteuerung in der Bestrahlungssteuerung der lasergetriebenen Protonenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung greifen in den beschriebenen Beispielen auf Bestrahlungsmusterdaten zu, um die Positionen der Quadrupolmagneten der Strahlkonvergenzeinheit, den Erregerstrom für den Energieselektor und die Position des Schlitzes des Energiekollimators einzustellen. Jedoch können diese Einstellungen auch basierend auf Einstellgrößen durchgeführt werden, die zuvor für jede Strahlungsscheibe spezifiziert wurden.
Es kann eine Anzeigevorrichtung in der Bestrahlungssteuerung der lasergetriebenen Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen werden, die in der Lage ist, Steuervariablen wie z. B. die an die Phasenrotations-Resonatoreinheit anzulegende Spannung (siehe Gleichung (1)) anzuzeigen, um es einer Bedienperson zu erlauben, eine manuelle Steuerung oder Korrekturen der Bestrahlungssteuerung vorzunehmen.
Eine lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung, welche wie folgt konfiguriert ist, ermöglicht eine Strahlentherapie unter Verwendung von lasergetriebenen Teilchenstrahlen und kann die Konvergenz der lasergetriebenen Teilchenstrahlen verbessern, während die Abnahme der Intensität der lasergetriebenen Teilchenstrahlen im Verlauf des Transports der lasergetriebenen Teilchenstrahlen an die erkrankte Stelle des Patienten verringert wird.
Jede lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung kann eingesetzt werden, soweit sie folgendes umfasst: einen Teilchenstrahlgenerator, der ein Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, um einen lasergetriebenen Teilchenstrahl zu emittieren; eine Strahlkonvergenzeinheit, die eine Transportbahn bildet, welche den emittierten lasergetriebenen Teilchenstrahl zu einem zu bestrahlenden Gegenstand führt und den lasergetriebenen Teilchenstrahl räumlich konvergiert; einen Energieselektor, der eine Energie und eine Energiebreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls auswählt; eine Bestrahlungsmündung, die den lasergetriebenen Teilchenstrahl veranlasst, den zu bestrahlenden Gegenstand abzutasten, um eine Bestrahlungsposition im Gegenstand einzustellen; und eine Bestrahlungssteuerung, die den Betrieb des Teilchenstrahlgenerators, der Strahlkonvergenzeinheit, des Energieselektors und der Bestrahlungsmündung steuert, wobei die Strahlkonvergenzeinheit ein Magnetfeld auf einer Trajektorie des lasergetriebenen Teilchenstrahls erzeugt und der lasergetriebene Teilchenstrahl dabei durch das Magnetfeld konvergiert wird, wobei das Magnetfeld divergierende Komponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls, die sich von der Mitte der Trajektorien entfernen, zurück auf die Mitte der Trajektorie zwingt.

Claims

Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung, umfassend: einen Teilchenstrahlgenerator, der ein Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, um einen lasergetriebenen Teilchenstrahl zu emittieren; eine Strahlkonvergenzeinheit, die eine Transportbahn bildet, welche den emittierten lasergetriebenen Teilchenstrahl zu einem zu bestrahlenden Gegenstand führt und den lasergetriebenen Teilchenstrahl dabei räumlich konvergiert; einen Energieselektor, der eine Energie und eine Energiebreite des von der Strahlkonvergenzeinheit konvergierten lasergetriebenen Teilchenstrahls gemäß einer Tiefe einer in dem zu bestrahlenden Gegenstand festgelegten Bestrahlungsposition auswählt; eine Bestrahlungsmündung, die den lasergetriebenen Teilchenstrahl veranlasst, den zu bestrahlenden Gegenstand abzutasten, um die Bestrahlungsposition in dem Gegenstand einzustellen; und eine Bestrahlungssteuerung, die den Betrieb des Teilchengenerators, der Strahlkonvergenzeinheit, des Energieselektors und der Bestrahlungsmündung steuert; wobei die Strahlkonvergenzeinheit ein Magnetfeld auf einer Trajektorie des lasergetriebenen Teilchenstrahls erzeugt und dabei den lasergetriebenen Teilchenstrahl durch das Magnetfeld konvergiert, wobei das Magnetfeld divergierende Komponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls, die sich von einer Mitte der Trajektorie entfernen, zurück zur Mitte der Trajektorie zwingen.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlkonvergenzeinheit zwischen dem Teilchenstrahlgenerator und dem Energieselektor vorgesehen ist.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlkonvergenzeinheit einen Multipolmagneten umfasst, der aus einem Permanentmagneten besteht, und der Multipolmagnet das Magnetfeld erzeugt.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine Vielzahl an Multipolmagneten entlang einer Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls in der Strahlkonvergenzeinheit vorgesehen sind und mindestens einer der mehreren Magnete beweglich vorgesehen ist.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Strahlkonvergenzeinheit einen Winkelkollimator umfasst, der zwischen dem Multipolmagneten und dem Target des Teilchenstrahlgenerators vorgesehen ist und dabei weitwinklige Komponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls daran hindert, die Mulipolmagneten zu erreichen.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energieselektor so ausgestaltet ist, dass er auf der Transportbahn der lasergetriebenen Teilchenstrahlen ein Magnetfeld erzeugt, welches die lasergetriebenen Teilchenstrahlen gemäß deren Impuls ablenkt, einen lasergetriebenen Teilchenstrahl mit einer bestimmten Trajektorie auswählt und die übrigen lasergetriebenen Teilchenstrahlen aus der Transportbahn entfernt, um so eine Energie- und Energiebreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls auszuwählen.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Energieselektor mit einem Elektromagneten, welcher unter der Steuerung eines Erregerstroms ein variables Magnetfeld erzeugt, und mit einem Energiekollimator versehen ist, der vorgesehen ist, um die Transportbahn eines von dem variablen Magnetfeld abgelenkten lasergetriebenen Teilchenstrahls zu blockieren, und der einen Schlitz zu bildet, der einen lasergetriebenen Teilchenstrahl mit einer bestimmten Trajektorie selektiv durch den Schlitz durchtreten lässt.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Energiekollimator des Energieselektors eine Größe des Schlitzes einstellt.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Energieverteilungskonvergenzeinheit, die die Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls bildet und dabei eine Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls über die Transportbahn konvergiert, um eine Spitze bei einer bestimmten Energie bereitzustellen, wobei die Bestrahlungssteuerung die Energieverteilungskonvergenzeinheit so steuert, dass ein auf den von der Strahlkonvergenzeinheit konvergierten Teilchenstrahl anzuwendendes, hochfrequentes elektrisches Feld gemäß der Tiefe der in dem zu bestrahlenden Gegenstand festgelegten Bestrahlungsposition geregelt wird.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Energieverteilungskonvergenzeinheit eine Phasenrotations-Resonatoreinheit umfasst, die eine Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls bildet und bei Anlegen einer hochfrequenten Spannung auf der Transportbahn ein hochfrequentes elektrisches Feld erzeugt, in welchem ein Zustand, bei dem Protonen in einem Bündel beschleunigt werden, und ein Zustand, bei dem Protonen in einem Bündel abgebremst werden, die Energieverteilung des lasergetriebenen Protonenstrahls auf eine bestimmte Energie zu konvergieren scheinen, und wobei die Bestrahlungssteuerung die Phase der an die Phasenrotations-Resonatoreinheit anzulegenden hochfrequenten Spannung einstellt, um die Position der Energiespitze der Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls einzustellen.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Phasenrotationsresonatoreinheit der Energieverteilungskonvergenzeinheit einen äußeren Resonator umfasst, der die Transportbahn des lasergetriebenen Teilchenstrahls bildet, und eine Vielzahl von inneren Resonatoren umfasst, die im äußeren Resonator in einer Reihe beabstandet sind und an die eine hochfrequente Spannung angelegt wird, wobei in einem Spalt zwischen benachbarten inneren Resonatoren ein hochfrequentes elektrisches Feld ausgebildet wird, um die Energieverteilung eines Protonenstrahls aus den Protonen in einem Bündel im äußeren Resonator um die Energie von in den Spalt eintretenden Protonen zu einem Zeitpunkt zu konvergieren, an dem sie mit der Phase der an den inneren Resonatoren angelegten hochfrequenten Spannung synchronisiert sind.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Bestrahlungssteuerung eine Pulsbreitenkompressionsspannung an den inneren Resonatoren der Energieverteilungskonvergenzeinheit anlegt, um ein hochfrequentes elektrisches Feld im Spalt zwischen benachbarten inneren Resonatoren zu erzeugen, wobei die Pulsbreitenkompressionsspannung definiert ist als
wobei f die Frequenz der an den inneren Resonatoren anzulegenden hochfrequenten hochfrequenten Spannung ist, L der Abstand von einem Emissionspunkt des lasergetriebenen Teilchenstrahls im Target zum Spalt zwischen den benachbarten inneren Resonatoren ist, β₀ und γ₀ Lorenzfaktoren sind, E₀ die Gesamtenergie des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, m die Masse des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, und q die Ladung des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Energieverteilungskonvergenzeinheit zwischen der Strahlkonvergenzeinheit und dem Energieselektor vorgesehen ist.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter eine Strahlintensitätsbeobachtungseinheit umfassend, die bestimmt, ob die Intensität eines lasergetriebenen Teilchenstrahls mit der von der Energieverteilungskonvergenzeinheit konvergierten Energieverteilung und mit einer bestimmten, vom Energieselektor ausgewählten Energiebreite normal ist oder nicht, wobei die Bestrahlungssteuerung die Bestrahlung des Gegenstands mit dem lasergetriebenen Teilchenstrahl stoppt, wenn die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit feststellt, dass die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls abnormal ist.
Lasergetriebene Teilchenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Strahlintensitätsbeobachtungseinheit feststellt, ob die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls pro Schuss von gepulstem Laserlicht normal ist oder nicht, und zwar auf Grundlage einer Spitzenintensität der Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren, umfassend: einen Teilchenstrahlerzeugungsschritt, bei dem ein Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt wird, um einen lasergetriebenen Teilchenstrahl zu extrahieren; einen Strahlkonvergenzschritt, bei dem der lasergetriebene Teilchenstrahl räumlich konvergiert wird; einen Energieauswahlschritt, bei dem eine Energie und eine Energiebreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls gemäß einer Tiefe einer in einem zu bestrahlenden Gegenstand festgelegten Bestrahlungsposition ausgewählt wird; und einen Bestrahlungsschritt, bei dem die Bestrahlungsposition des lasergetriebenen Teilchenstrahls im zu bestrahlenden Gegenstand eingestellt wird, wobei bei dem Strahlkonvergenzschritt einem Magnetfeld auf der Trajektorie erzeugt wird, das divergierende Komponenten des lasergetriebenen Teilchenstrahls, die sich von einer Mitte der Trajektorie des lasergetriebenen Teilchenstrahls entfernen, zurück zur Mitte der Trajektorie zwingt, und der lasergetriebene Teilchenstrahl vom Magnetfeld konvergiert wird.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren nach Anspruch 16, wobei bei dem Strahlkonvergenzschritt der Konvergenzgrad des in jedem Schritt verwendeten lasergetriebenen Teilchenstrahls dadurch eingestellt wird, dass das Magnetfeld eingestellt wird.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei bei dem Energieauswahlschritt ein Magnetfeld auf der Trajektorie des lasergetriebenen Teilchenstrahls ausgebildet wird, durch welches die lasergetriebenen Teilchenstrahlen gemäß ihrem Impuls abgelenkt werden, und die abgelenkten lasergetriebenen Teilchenstrahlen auf Grundlage von Unterschieden der Trajektorien ausgesondert werden, um eine Energie und eine Energiebreite eines lasergetriebenen Teilchenstrahls auszuwählen.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, weiter umfassend einen Energieverteilungskonvergenzschritt, bei dem eine Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls konvergiert wird, um eine Spitze bei einer bestimmten Energie bereitzustellen.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, weiter einen Pulsbreitenkompressionsschritt umfassend, bei dem die Pulsbreite des lasergetriebenen Teilchenstrahls verringert wird.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren nach Anspruch 20, wobei bei dem Pulsbreitenkompressionsschritt ein durch eine Pulsbreitenkompressionsspannung induziertes hochfrequentes elektrisches Feld erzeugt wird, und der lasergetriebene Teilchenstrahl zum hochfrequenten elektrischen Feld und durch es hindurchgeführt wird, um die Pulsbreiten des lasergetriebenen Teilchenstahls zu verringern, wobei die Pulsbreitenkompressionsspannung definiert ist als:
, wobei f die Frequenz der hochfrequenten Spannung ist, L der Abstand von einem Emissionspunkt des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, β₀ und γ₀ Lorenzfaktoren sind, E₀ die Gesamtenergie der lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, m die Masse des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist, und q die Ladung des lasergetriebenen Teilchenstrahls ist.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei nach dem Konvergieren der Energieverteilung im Energieverteilungskonvergenzschritt und dem Auswählen einer bestimmten Energie und Energiebreite im Energieauswahlschritt festgestellt wird, ob die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls normal ist oder nicht, und wenn bestimmt wird, dass die Intensität abnormal ist, die Bestrahlung des Gegenstands mit dem lasergetriebenen Teilchenstrahl gestoppt wird.
Lasergetriebenes Teilchenstrahl-Bestrahlungsverfahren nach Anspruch 22, wobei die Feststellung durchgeführt wird, ob die Intensität des lasergetriebenen Teilchenstrahls pro Schuss von gepulstem Laserlicht normal ist oder nicht, und zwar auf Grundlage einer Spitzenintensität der Energieverteilung des lasergetriebenen Teilchenstrahls.