DE10205949B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen oder Protonen mit Strahlextraktion - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen oder Protonen mit Strahlextraktion Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen oder Protonen mit Strahlextraktion, bei dem die Strahlenergie, Strahlfokussierung und Strahlintensität für jeden Beschleunigerzyklus eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Strahlextraktion für jeden Beschleunigerzyklus jeweils individuell vor dem Beginn des betreffenden Beschleunigerzyklus festgelegt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen oder Protonen mit Strahlextraktion, wobei die Strahlenergie, Strahlfokussierung und Strahlintensität für jeden Beschleunigerzyklus eingestellt werden.
  • Ein derartiges Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt, beispielsweise aus der EP 1 045 399 A1 , die sich mit der Erhöhung der geometrischen Präzision der Dosisapplikation und der Unabhängigkeit von Strahlpositionsschwankungen befaßt. Im Ergebnis konnte eine aus der Gesamtbestrahlung resultierende Dosisverteilung realisiert werden, die im Mittel um weniger als 5% von der geplanten Dosisverteilung abweicht.
  • Eine grundlegende Erläuterung des intensitätsgeregelten Rasterscanverfahrens gibt der Artikel ”Magnetic scanning system for heavy ion therapy” von Th. Haberer, W. Becher, D. Schardt und G. Kraft, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A330, Seiten 296–305, 1993. Unter Einsatz des Rasterscanverfahrens können die therapeutisch hocheffektiven Ionen auf das vom Arzt definierte Behandlungsvolumen konzentriert werden, was ein optimales Therapieergebnis ermöglicht. Das Rasterscanverfahren besteht dabei aus einer Kombination aus transversaler Ablenkung eines fokussierten Teilchenstrahls in schnellen Dipolmagneten mit Variation der Strahlenergie im Beschleuniger zur Festlegung der Teilchenreichweite. Die virtuelle Segmentierung des Behandlungsvolumens im Rahmen eines Bestrahlungsplans ist in 3 veranschaulicht. Es wird eine Serie von Schnitten konstanter Teilchenenergie (Isoenergieschnitte IES) erstellt. Die Isoenergieschnitte werden wiederum in ein Raster von Strahlpositionen segmentiert und für jede einzelne Strahlposition wird eine Teilchenbelegung optimiert.
  • Zur Bestrahlung der einzelnen Isoenergieschnitte eines Bestrahlungsplans wird derzeit ein Beschleunigerzyklus mit den drei einstellbaren Parametern Strahlenergie, Strahlfokussierung und Strahlintensität festgelegt. Die Zyklusdauer und damit die Dauer der Strahlextraktion ist auf einen festen Wert gesetzt. Diese Vorgehensweise bringt Nachteile mit sich, denn Isoenergieschnitte können so nicht unbedingt mit einem Beschleunigerzyklus abgearbeitet werden, vielmehr würde eine bis zu einem Faktor 10 größere Strahlextraktionszeit benötigt. Durch die mit dem Einsatz mehrerer Beschleunigerzyklen verbundenen Beschleunigungs- und Abbremszeiten sowie den zur Beschleunigervorbereitung benötigten Zeiten ergibt sich ein zeitlicher Mehraufwand, der in der Größenordnung der Extraktionszeit liegt.
  • Weitere Zeitverluste ergeben sich aus der Notwendigkeit sogenannter Konditionierzyklen, das heißt Beschleunigerzyklen ohne Strahlextraktion, die zur Herstellung definierter Feldbedingungen in den Magneten des Beschleunigers und der Strahlführungen ablaufen müssen, ohne daß eine Bestrahlung durchgeführt werden kann.
  • Weitere Bestrahlungstotzeiten ergeben sich dadurch, daß zwar bei Erreichen des Bestrahlungsziels (alle Bestrahlungspositionen konnten innerhalb eines Isoenergieschnittes bestrahlt werden) oder eines sogenannten Interlockfalls die Bestrahlung, das heißt die Strahlextraktion und der Strahltransport, unterbrochen wird. Indessen führt dies nach den derzeit angewandten Verfahren nicht zur Unterbrechung des Beschleunigerzyklus; das heißt, dieser läuft ohne Strahlextraktion weiter.
  • Eine andere Notwendigkeit, die Bestrahlung zu unterbrechen, ergibt sich, wenn das zu bestrahlende Gewebe eine komplexe Geometrie aufweist, in der Dichte inhomogen ist und somit Bestrahlungspläne mit nicht zusammenhängenden Gebieten ergibt, die indessen mit denselben Strahlparametern bestrahlt werden müssen. Andere Bestrahlungspläne mit nicht zusammenhängenden Gebieten wiederum müssen mit derselben Strahlenergie, nicht jedoch mit denselben Einstellungen für Fokussierung und Intensität bestrahlt werden. Nach derzeitigem Stand der Technik führt jedoch eine Strahlunterbrechung zum Verlust der Extraktionsmöglichkeit innerhalb des laufenden Beschleunigerzyklus, das heißt, es muß ein neuer Beschleunigerzyklus angefordert werden. Ebenso ist es nicht möglich, die Strahlextraktion innerhalb eines Beschleunigerzyklus wieder aufzunehmen, noch den Fokussierungszustand und/oder die Strahlintensität innerhalb eines Beschleunigerzyklus zu ändern.
  • In der Veröffentlichung ”Accelerator Control for the GSI Cancer Therapy Project” von H. Eickhoff, Th. Haberer, R. Steiner, Sixth European Particle Accelerator Conference (EPAC 1998), Seite 2348–2350 wird die Verwendung von Ionen für die Therapie von Krebs unter Verwendung von intensitätsmodulierten Rasterscan-Methoden bei Nutzung einer Variation der Extraktionsenergie des Strahls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strahl-Pulsen beschrieben.
  • In der europäischen Patentanmeldung EP 0 986 070 A1 ist eine Ionenbeschleuniger-Einrichtung mit einer Mehrzahl von Behandlungsplätzen beschrieben, wobei zumindest ein Behandlungsplatz eine rotierbare Gantry aufweist. Die Gantry weist dabei eine Vorrichtung zur Durchführung eines Rasterscanverfahrens auf.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung so auszugestalten, daß sich ein hoher Nutzungsgrad bei verringerter Bestrahlungsdauer ergibt.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß der Erfindung wird somit ein Verfahren zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen oder Protonen mit Strahlextraktion vorgeschlagen, bei dem die Strahlenergie, Strahlfokussierung und Strahlintensität für jeden Beschleunigerzyklus eingestellt werden. Dabei wird auch für jeden Beschleunigerzyklus jeweils individuell vor dem Beginn des jeweiligen Beschleunigerzyklus die Dauer der Strahlextraktion festgelegt.
  • Die Erfindung findet somit Anwendung bei zyklisch laufenden Beschleunigern. Wie erwähnt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dauer der Strahlextraktion für jeden Beschleunigerzyklus eingestellt. Durch die variable Strahlextraktionsdauer (Flattop-zeit) können die durch erneute Beschleunigerzyklusanforderungen anfallenden Bestrahlungstotzeiten stark herabgesetzt werden, womit sich erhebliche Zeiteinsparungen und deutlich höhere Patientendurchsätze ergeben.
  • Soll ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer DC-(Gleichstrom-)Maschine erfolgen, etwa bei einem Zyklotron, muss die Herstellung der Zeitstruktur des Strahls (EIN/AUS) und der notwendigen Flexibilität der Strahlparameter (Energie, Intensität, Fokus) auf anderem Wege erfolgen.
  • Eine weitere Maßnahme zur flexibleren Steuerung des Bestrahlungsablaufs ergibt sich dadurch, daß auch die Teilchenfüllung von Beschleunigerzyklus zu Beschleunigerzyklus variabel angeboten wird. Damit kann ein wirksamerer Strahlenschutz erzielt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Strahlextraktion während eines Beschleunigerzyklus unterbrochen und wieder aufgenommen werden. Diese Variante eignet sich besonders zur Bestrahlung nicht zusammenhängender Gebiete mit konstanter Strahlenergie, eventuell auch konstanter Strahlfokussierung und -intensität.
  • Eine flexible Bestrahlungsbehandlung ergibt sich, wenn während eines Beschleunigerzyklus die Strahlfokussierung und/oder Strahlintensität geändert wird. Auf diese Weise kann innerhalb eines Beschleunigerzyklus beispielsweise mit derselben Strahlenergie, aber geändertem Therapiestrahl gearbeitet werden.
  • Die oben aufgeführten Maßnahmen zur Festlegung der Strahlextraktion, wie variable und unterbrechbare Strahlextraktion, änderbarer Fokus und Intensität ergeben hochflexible Strahlanforderungsmechanismen. Die Bestrahlungsdauer kann so enorm reduziert werden.
  • Durch die Maßnahme, eine Feldregelung der Beschleunigermagnetversorgung und Strahlführung können die eingangs erwähnten Konditionierzyklen weitgehend oder vollständig entfallen, da der extrahierte Behandlungsstrahl stabil und präzise zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Eine Anwendung der vorstehend erwähnten Maßnahmen gemäß der Erfindung einzeln oder in Kombination ermöglicht es, die Bestrahlungsdauer erheblich herabzusetzen. Eine Berechnung der zu erwartenden Reduktion der Bestrahlungszeit im Fall einer Kombination sämtlicher Maßnahmen hat für bereits durchgeführte Bestrahlungspläne eine Verringerung der mittleren Bestrahlungsdauer auf etwa ein Drittel der zuvor benötigten Zeit ergeben.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen mit Strahlextraktion, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, weist eine Einstellvorrichtung für die individuelle Einstellung der Strahlextraktionsdauer jedes Beschleunigerzyklus vor dem Beginn des betreffenden Beschleunigerzyklus auf. Vorzugsweise umfaßt sie eine Einrichtung zur Unterbrechung und Wiederaufnahme des Extraktionsstrahls innerhalb eines Beschleunigerzyklus. Hierzu sind gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Extraktions- und/oder Injektionskicker, also schnelle Magnete, vorgesehen. Alternativ kann auch eine Einrichtung zur KO-Extraktion des Extraktionsstrahls vorgesehen sein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Einstellvorrichtung für die Änderung von Fokussierung und/oder Intensität des Extraktionsstrahls während eines Beschleunigerzyklus vorgesehen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine Veranschaulichung eines Bestrahlungsplans gemäß der Erfindung, der nicht zusammenhängende Gebiete enthält, die mit denselben Strahlparametern zu bestrahlen sind,
  • 2 einen Bestrahlungsplan gemäß Stand der Technik, der nicht zusammenhängende Gebiete enthält, die mit denselben Strahlparametern zu bestrahlen sind, und
  • 3 eine Veranschaulichung einer im Rahmen einer Bestrahlungsplanung vorgenommenen virtuellen Segmentierung des Behandlungsvolumens mit einem aus einer Serie von Isoenergieschnitten (IES).
  • Die in 1 und 2 dargestellten Bestrahlungspläne zeigen im oberen Teil das Synchrotrondipolfeld, wobei auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Energie aufgetragen ist. Das untere Diagramm zeigt jeweils die Intensität des Extraktionsstrahls, wobei wiederum die Intensität gegen die Behandlungszeit aufgetragen ist.
  • Während sich gemäß herkömmlichem Verfahren nach 2 verschiedene Teilchenimpulse (Spills) ergeben, führt dies zu einer größeren Zeitdauer Te, während der isoliert liegende Isoenergieschnitte zu bestrahlen sind, das heißt pro Gebiet ergibt sich für eine Extraktionsdauer ein separater Teilchenimpuls (Spill).
  • Die Darstellung von 1 zeigt deutlich den durch die Erfindung realisierbaren Zeitgewinn. Es könnte die Teilchenimpulse reduziert werden, indem mit einer Strahlextraktion verschiedene Gebiete durch Strahlunterbrechung abgedeckt werden können. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich somit statt drei Teilchenimpulsen ein einziger Teilchenimpuls mit weniger Totzeiten. Die Darstellung von 1 ist keine empirisch gewonnene Darstellung, sondern beruht auf der Analyse von 46 im Jahre 2000 ausgeführten Bestrahlungsplänen. Die Reduktion der mittleren Bestrahlungsdauer ergab eine Verkürzung von 251 auf 87 Sekunden, auf praktisch ein Drittel der Zeit.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen oder Protonen mit Strahlextraktion, bei dem die Strahlenergie, Strahlfokussierung und Strahlintensität für jeden Beschleunigerzyklus eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Strahlextraktion für jeden Beschleunigerzyklus jeweils individuell vor dem Beginn des betreffenden Beschleunigerzyklus festgelegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Strahlextraktion für jeden Beschleunigerzyklus eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenfüllung des Extraktionsstrahls für jeden Beschleunigerzyklus eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlextraktion während eines Beschleunigerzyklus unterbrochen und wieder aufgenommen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlfokussierung während eines Beschleunigerzyklus geändert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlintensität während eines Beschleunigerzyklus geändert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldregelung der Beschleunigermagnetversorgung und Strahlführung durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf Anforderung der Beschleunigerzyklus beendet wird.
  9. Vorrichtung zum Steuern einer nach dem Rasterscanverfahren arbeitenden Bestrahlungseinrichtung für schwere Ionen oder Protonen mit Strahlextraktion, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellvorrichtung für die individuelle Einstellung der Strahlextraktionsdauer jedes Beschleunigerzyklus vor dem Beginn des betreffenden Beschleunigerzyklus vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Unterbrechung und Wiederaufnahme des Extraktionsstrahls innerhalb eines Beschleunigerzyklus vorgesehen ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Extraktions- und/oder Injektionskicker vorgesehen sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur KO-Extraktion des Extraktionsstrahls vorgesehen ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellvorrichtung für die Änderung von Fokussierung und/oder Intensität des Extraktionsstrahls während eines Beschleunigerzyklus vorgesehen ist.
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