DE19904675A1

DE19904675A1 - Gantry-System und Verfahren zum Betrieb des Systems

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Publication number: DE19904675A1
Application number: DE19904675A
Authority: DE
Inventors: Marius Pavlovic; Dieter Schardt
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2000-08-10
Also published as: WO2000045891A2; JP2002536084A; EP1148911A2; WO2000045891A3; DE50009030D1; ATE285270T1; US6635882B1; AU2669500A; EP1148911B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gantry-System zum Einstellen und Ausrichten eines Ionenstrahls auf ein Target aus einem beliebig bestimmbaren effektiven Behandlungswinkel. Der Ionenstrahl wird dabei in die horizontal angeordnete Gantry-Rotationsachse des Gantry-Systems eingeführt und mittels Magnetoptiken von der Gantry-Rotationsachse zunächst abgelenkt. Dann wird der Ionenstrahl unter einstellbaren Winkeln von 0 bis 360 DEG um die Gantry-Rotationsachse auf ein Target so ausgerichtet, daß der Ionenstrahl die Gantry-Rotationsachse in dem Isozentrum des Gantry-Systems schneidet. Neben der Gantry weist das Gantry-System ein Targetträgersystem mit einem drehbaren Targetträger auf, dessen Trägerrotationsachse vertikal zu der Gantry-Rotationsachse in dem Isozentrum angeordnet ist. Der letzte Ablenkungsmagnet lenkt den Ionenstrahl derart ab, daß der Ionenstrahl unter einem Winkel zwischen größer gleich 45 DEG und kleiner 90 DEG die Gantry-Rotationsachse im Isozentrum schneidet. Damit kann der Ionenstrahl beim Drehen der Gantry um eine volle Umdrehung um die Gantry-Rotationsachse einen Kegelmantel beschreiben. Das Targetträgersystem weist jeweils einen Targetträger für zwei Positionen, die in vertikaler Ebene senkrecht zueinander sind, auf, wobei die Träger-Rotationsachse in das Isozentrum des Gantry-Systems bringbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestrahlen eines Tumors aus beliebig bestimmbaren effektiven Behandlungswinkeln mittels des oben beschriebenen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Gantry-System zum Einstellen und Ausrichten eines Ionenstrahls auf ein Target gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Gantry-System ist aus der US 4,870,287 bekannt. Bei dem bekannten Gantry-System wird der Ionenstrahl in der ho rizontal angeordneten Gantry-Rotationsachse dem Gantry-System zugeführt und mittels Magnetoptiken von der Gantry- Rotationsachse zunächst abgelenkt.

Danach wird der Ionenstrahl mittels Magnetoptiken parallel zur Gantry-Rotationsachse geführt und schließlich aus dieser paral lelen Richtung zur Gantry-Rotationsachse in eine radiale Rich tung zur Gantry-Rotationsachse abgelenkt. Das Target wird übli cherweise in dem Schnittpunkt des radial geführten Ionenstrahls mit der Gantry-Rotationsachse angeordnet. Dieser Schnittpunkt wird als Isozentrum definiert.

Der Ionenstrahl kann somit bei einer vollständigen Umdrehung der Gantry um die Gantry-Rotationsachse auf das Target in einer Ebene senkrecht zur Gantry-Rotationsachse ausgerichtet werden und auf Winkel zwischen 0 und 360° eingestellt werden.

Das Gantry-System weist außer der Gantry ein Targetträger- System mit einem drehbaren Targetträger auf. Die Träger- Rotationsachse des Targetträgers ist vertikal zu der Gantry- Rotationsachse in dem Isozentrum angeordnet. Somit kann das Gantry-System, das mindestens eine Gantry und ein Targetträger- System aufweist, einen Ionenstrahl derart einstellen und aus richten, daß ein im Isozentrum angeordnetes Target aus einem beliebig bestimmbaren Winkel im Raum bestrahlt werden kann. Bei einem derartigen Gantry-System ist es notwendig, daß der letzte Ablenkungsmagnet der Gantry den Ionenstrahl um 90° ablenkt, weshalb eine derartige Gantry auch 90°-Gantry genannt wird.

Bei der aus der Druckschrift US 4,870,287 bekannten 90°-Gantry verläßt der Ionenstrahl folglich die Gantry in Richtung auf die Gantry-Rotationsachse senkrecht zu der Gantry-Rotationsachse. Ein Winkel α der Gantryrotation wird zwischen der Ebene, in der der Ionenstrahl durch die Gantry geführt wird, und der ho rizontalen Ebene des Raums, in dem sich die Gantry- Rotationsachse befindet, definiert. Demnach entspricht eine ho rizontale Position der Gantry entweder dem Winkel α = 0 oder dem Winkel α = 180°, wenn die Gantry in der horizontalen Ebene liegt und damit der Ionenstrahl in der Gantry in dieser hori zontalen Ebene geführt wird. Demgemäß entspricht die oberste Position der Gantry in vertikaler Richtung dem Winkel α = 90° und die unterste Position der Gantry weist einen Winkel von α = 270° auf.

Ein Behandlungswinkel γ ist zwischen der horizontalen Ebene des Raumes und der Richtung, in welcher der Ionenstrahl in ein Tar getvolumen eintritt, definiert. Ein effektiver Behandlungswin kel ist zwischen einer frontalen Ebene eines Patienten und der Richtung, in welcher der Ionenstrahl in ein Targetvolumen ein tritt, definiert. Für einen üblicherweise liegenden Patienten sind der Behandlungswinkel und der effektive Behandlungswinkel identisch.

Bei dem aus der Druckschrift US 4,870,287 bekannten 90°- Gantry-System ist der Targetträger als um eine vertikale Achse drehbarer Tisch mit einer Längsachse und einer Querachse ausge bildet. Ein Winkel β der Targetträgerrotation ist zwischen der Längsachse des Targetträgertisches und der Gantry- Rotationsachse definiert. Aufgrund der Drehbarkeit des Tar getträgers um eine vertikale Achse kann der Winkel β Werte zwischen 0° und 360° einnehmen. Für einen vorgegebenen Behand lungswinkel γ, der von dem Gantry-Rotationswinkel α abhängt kann weiterhin ein bestimmter Eintrittskanal für die Tumorbe strahlung durch Einstellen des Winkels β der Trägerrotation ge wählt werden. Aufgrund der Einstellbarkeit des Winkels β, der der Targetträgerrotation zugeordnet ist, und der Einstellbar keit des Winkels α, der der Gantryrotation zugeordnet ist, kann bei einem konventionellen System, bei dem der Ionenstrahl durch den letzten Ablenkungsmagneten radial zur Gantry- Rotationsachse abgelenkt wird, das Targetvolumen, das auf dem Targetträger fixiert ist, für jeden Eintrittskanal zur Tumorbe handlung ausgerichtet werden.

Das aus der Druckschrift US 4,870,287 bekannte 90°-Gantry- System hat den Nachteil, daß der letzte Ablenkungsmagnet der Gantry den Ionenstrahl um mindestens 90° ablenken muß, um alle Behandlungswinkel γ in einem Gantry-System mit Targetträger- System zu ermöglichen. Der große Ablenkungswinkel des letzten Ablenkungsmagneten erfordert abhängig von der Massenzahl der abzulenkenden Ionen einen großen Radius oder eine hohe magneti sche Feldstärke. Damit ist der Nachteil verbunden, daß einer seits die Konstruktion einer Gantry bisher nur für Ionen mit kleinster Massenzahl gelungen ist, das heißt, für Protonen, und für Ionen mit höherer Massenzahl zwischen 4 und 16 der letzte Ablenkungsmagnet den Umfang und die Masse der Gantry wegen der schweren Ionen mit höherer Massenzahl als ein Proton derart aufbläht, daß ein Gantry-System für die klinische Anwendung nicht mehr vertretbar ist.

Zur Verringerung von Masse und Volumen einer Gantry für Ionen schwerer als Protonen gibt es Vorschläge, supraleitende Mate rialien für die Erregerspulen der Ablenkungsmagnete einzuset zen. Damit würden zwar die zu rotierenden Massen und das Volu men der Gantry verringert, jedoch würden die Kosten für die Kühlung der supraleitenden Materialien das Gantry-System in er heblichem Maße verteuern, zumal eine 360° Rotation für ein Kühlsystems mit flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff für moderne supraleitende Materialien äußerst problematisch ist.

Ein weiterer Vorschlag, der in der japanischen Veröffentlichung im Journal of the Japanese Society for Therapeutic Radiology and Oncology, vol. 9, suppl. 2, November 1997 im Rahmen der Proceedings of the XXVII PTCOG Meeting von M. Pavlovic unter dem Titel "GSI Studies of a Gantry for Heavy Ion Cancer The rapy" vorgetragen wurde, ermöglicht das Vermindern der Masse und des Volumens der Gantry durch Ändern des Ablenkungsgrades des letzten Ablenkungsmagneten von bisher 90° auf 60°. Diese Lösung hat den Nachteil, daß der Behandlungswinkel γ nur noch von 0° bis 60° mit einer derartigen sogenannten 60°-Gantry im Zusammenwirken mit dem konventionellen Targetträger-System rea lisiert werden kann. Somit sind mit einem derartigen Gantry- System, das einen Ablenkungswinkel von 60° für den letzten Ab lenkungsmagneten aufweist, Behandlungswinkel γ zwischen größer 60° und 90° nicht mehr realisierbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer Gantry mit vermindertem Ablenkungswinkel des letzten Ablenkungsmagneten ein Gantry- System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, das oh ne supraleitende Materialien für die Magnetoptiken auskommt und trotz Verkleinern des Ablenkungswinkels des letzten Ablenkungs magneten unter 90° ein Einstellen und Ausrichten eines Ionen strahls auf ein Target aus einem beliebig bestimmbaren effekti ven Behandlungswinkel ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Er findung, ein Verfahren zur Bestrahlung eines Targetvolumens und Einstellen und Ausrichten eines Ionenstrahls zur Behandlung ei nes Tumors mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gantry-Systems anzu geben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Gegenstandes der An sprüche 1 und 7 gelöst.

Dazu lenkt der letzte Ablenkungsmagnet den Ionenstrahl derart ab, daß er unter einem Winkel zwischen größer gleich 45° und kleiner 90° die Gantry-Rotationsachse im Isozentrum schneidet, so daß der Ionenstrahl beim Drehen der Gantry um eine volle Um drehung um die Gantry-Rotationsachse einen Kegelmantel be schreibt und das Targetträger-System für zwei Positionen, die in vertikaler Ebene senkrecht zueinander sind, einen Targetträ ger aufweist, wobei dessen Träger-Rotationsachse in das Isozen trum des Gantry-Systems bringbar ist.

Eine derartige Lösung hat den Vorteil, daß der Targetträger nur in zwei festliegenden Positionen fixierbar sein muß und in bei den Positionen, die in vertikaler Ebene senkrecht zueinander sind, um eine vertikal ausgerichtete Träger-Rotationsachse drehbar sein muß. Ein wesentlicher Vorteil dieses Gantry- Systems ist es, daß selbst Winkel, die kleiner als 90° und vor zugsweise kleiner als 60° sind und somit vorteilhaft ein äußerst niedriges Gantryvolumen und äußerst geringe Abmessungen für den Durchmesser einer Gantry ermöglichen, mit dem erfindungsgemäßen Gantry-System realisiert werden können. Ein derartig kompaktes Gantry-System benötigt keine teuren Hilfsaggregate zur Kühlung von supraleitenden Materialien. Ein weiterer Vorteil einer der artigen Gantry mit konventionellen Magnetoptiken ist, daß nun auch Ionenstrahlen von Ionen schwerer als Protonen mit Massen zahlen zwischen 4 und 16 durch ein Gantry-System, das für kli nische Maßstäbe geeignet ist, für jeden beliebig bestimmbaren effektiven Behandlungswinkel einstellbar und ausrichtbar sind.

Um ein Targetvolumen mit einer optimalen Dosisverteilung zu be strahlen, ist bei dem erfindungsgemäßen Gantry-System vorzugs weise eine Auslenkung des Ionenstrahls vorgesehen, um damit schichtweise das Targetvolumen abzutasten. Die Führung des le nenstrahls in der Gantry vom Einkopplungspunkt des Ionenstrahls in die Gantry-Rotationsachse bis zur Umlenkung des Ionenstrahls im letzten Ablenkungsmagneten des Gantry-Systems erfolgt vor zugsweise dadurch, daß der Ionenstrahl zunächst mit einem 38°- Ablenkungsmagneten von der Gantry-Rotationsachse abgelenkt und mit einem zweiten 38°-Ablenkungsmagneten in eine Richtung par allel zur Gantry-Rotationsachse gebracht wird. In dieser paral lelen Richtung durchläuft der Ionenstrahl zwei Scannermagnete, die den Ionenstrahl in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen (horizontal und vertikal zum Ionenstrahl), die ih rerseits orthogonal zum Ionenstrahl verlaufen, ablenken, so daß ein Abtasten einer Fläche des Targetvolumens nach Durchlaufen des gescannten Ionenstrahls durch den letzten Ablenkungsmagne ten in vorteilhafter Weise möglich wird.

Die bevorzugte Positionierung des Abtastsystems stromaufwärts des letzten Ablenkungsmagneten vermindert somit beträchtlich den Gantryradius und erfordert jedoch eine vergrößerte Apertur, um ein großes Behandlungsfeld zu ermöglichen. Diese bevorzugte Anordnung von Ablenkungsmagneten und Abtastsystemen zeigt einen hohen Grad von ionenoptischer Flexibilität. Der Ionenstrahl kann im Isozentrum deshalb vorteilhaft von 2 bis 16 mm Durch messer angepaßt werden und die Magnetoptiken der Gantry sind immer achromatisch.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lenkt der letzte Ablenkungsmagnet den Ionenstrahl derart ab, daß die Gan try-Rotationsachsew unter einem Winkel größer gleich 45° und kleiner 60° im Isozentrum geschnitten wird. Insbesondere die Ablenkungswinkel unter 60° zeigen die enormen Vorteile der vor liegenden Erfindung, indem einerseits die Gantryabmessungen mi nimiert werden und andererseits das Gantry-System in Zusammen wirkung der bevorzugten Ausführungsform der Gantry mit dem er findungsgemäßen Targetträgersystem ein Einstellen und Ausrich ten eines Ionenstrahls auf ein Target aus einem beliebig be stimmbaren effektiven Behandlungswinkel sicherstellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Targetträgersystem eine Drehbühne auf, die um eine vertikale Drehbühnenachse drehbar ist. Auf dieser Drehbühne sind zwei Targetträger in zwei Positionen angeordnet, wobei die Positio nen in vertikaler Ebene senkrecht zueinander sind. Jeder der beiden Targetträger ist um eine vertikale Träger-Rotationsachse drehbar.

Dieses bevorzugte Targetträger-System sieht vor, daß je nach effektivem Behandlungswinkel ein Patient auf dem Targetträger entweder in liegender oder in sitzender Position angeordnet wird. Der effektive Behandlungswinkel muß aus medizinischen Gründen ein beliebig bestimmbarer Winkel im Patientenkoordina tensystem sein, um möglichst eine optimale Abtastung des Tar getvolumens durch den Ionenstrahl zu gewährleisten.

Die Optimierung der Ionenstrahldosisverteilung in dem Targetvo lumen oder einem Volumenelement des Targets hängt wesentlich von der Struktur des zu durchstrahlenden gesunden Gewebes über dem Tumorvolumen ab. Demnach sind bei der medizinischen Festle gung des effektiven Behandlungswinkels und des Eintrittskanals Gewebehohlräume und Gewebeverdichtungen, beispielsweise bei Knochengewebe, sowie die Lage kritischer Organe in der Nähe des Tumors entsprechend zu berücksichtigen. Insofern ist ein belie big bestimmbarer effektiven Behandlungswinkel, der durch das erfindungsgemäße Gantry-System ermöglicht wird, ein großer Vor teil für eine, klinische Behandlung.

Vorzugsweise sind die vertikalen Träger-Rotationsachsen der zwei Positionen der Targetträger wechselweise in das Isozentrum des Gantrysystems mittels einer Drehbühne durch Drehen der Drehbühne um ihre Drehbühnenachse bringbar. Mit dieser bevor zugten Ausführungsform ist der Vorteil verbunden, daß der Pati ent in einer der beiden Positionen auf dem entsprechenden Tar getträger positioniert werden kann und anschließend mittels der Drehbühne in das Isozentrum des Gantry-Systems auf dem Tar getträger bringbar ist. Dann kann die Gantry auf den vorher be stimmten Winkel α eingestellt werden, und der Targetträger in der gewählten Position auf den vorbestimmten Winkel β mittels einer Drehbewegung um die vertikale Trägerrotationsachse einge stellt werden. Nach diesen drei Einstellungen kann dann das Targetvolumen mit dem gescannten Ionenstrahl abgetastet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Targetträgersystem zwei getrennte Zuführschienen auf, auf denen jeweils ein Targetträger der zwei Positionen angeord net ist, wobei die Zuführschienen aus jeweils unterschiedlichen Richtungen jeweils einen der Targetträger mit seiner Rotati onsachse in das Isozentrum wechselweise lateral verschieben können. Dieses System hat den Vorteil, daß der Patient auf dem ausgewählten Targetträger außerhalb des Isozentrums positio niert und präpariert werden kann und dann durch Verschieben auf den Zuführschienen in das Isozentrum gebracht werden kann. In dem Isozentrum kann dann das Abtasten des Targetvolumens vorge nommen werden, wenn zwischenzeitlich der Gantryrotationswinkel α mittels Drehen der Gantry und β mittels Drehen des Targetträ gers eingestellt wurden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das Tar getträgersystem ein universales Roboter-System auf, das den Targetträger in zwei Positionen und die vertikalen Träger- Rotationsachsen in dem Isozentrum anordnet. Derartige mehrach sige Robotersysteme ermöglichen es, einen drehbaren Targetträ ger in unterschiedlichen Positionen in dem Isozentrum anzuord nen und ersetzt damit die sonst notwendigen, unterschiedlich konstruierten zwei Targetträger und eventuelle Zuführschienen oder Drehbühnen. Ein derart universales Robotersystem kann für diese bevorzugte Anwendung stark vereinfacht werden, zumal nur zwei in der vertikalen Ebene senkrechtzueinander stehende Posi tionen des drehbaren Targetträgers erforderlich werden.

Das Verfahren zum Bestrahlen eines Tumors aus beliebig bestimm barem effektivem Behandlungswinkel mittels eines Gantry-Systems ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a) Bestimmen des günstigsten effektiven Behandlungswinkels und des günstigsten Eintrittskanals in bezug auf die Lage und Größe eines Tumors in einem gesunden Gewebe und unter der Maßgabe einer minimalen Strahlenbelastung des umgebenden Gewebes mit einer optimalen Verteilung einer Ionenstrahldo sis für das zu bestrahlende Tumorgewebe,
b) Auswahl der für den bestimmten effektiven Behandlungswinkel notwendigen Position des Targetträgers aus zwei in einer vertikalen Ebene senkrecht aufeinanderstehenden Positionen,
c) Verbringen der Trägerrotationsachse der geeigneten Position des Targetträgers in das Isozentrum des Gantry-Systems,
d) Ausrichten und Einstellen des Targetträgers durch Drehen des Targetträgers um seine vertikale Trägerrotationsachse in bezug auf den günstigsten Winkel,
e) Ausrichten und Einstellen der Gantry durch Drehen der Gan try um ihre horizontale Gantry-Rotationsachse in bezug auf den günstigsten Winkel,
f) Räumliches Abtasten des gesamten Tumorvolumens mit dem Io nenstrahl aus dem effektiven Behandlungswinkel.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß mit Hilfe der Kombination eines auf Behandlungswinkel γ limitierten Gantry-Systems und eines Targetträger-Systems, das das Target in zwei in vertika ler Ebene senkrecht zueinanderliegenden Positionen dem Isozen trum der Gantry zuführt, jeder beliebig bestimmbare effektive Behandlungswinkel zur Bestrahlung des Tumorvolumens einstellbar ist, so daß ohne Einschränkungen des effektiven Behandlungswin kels ein Target mit Ionen bestrahlt werden kann. Dabei ist es unerheblich, ob zuerst der Winkel α mit Hilfe der Gantry und anschließend der Winkel β mit Hilfe des Targetträgers einge stellt wird, oder die umgekehrte Reihenfolge gewählt wird.

Wesentlich ist lediglich, daß für effektive Behandlungswinkel von 0 bis 90° minus λ nur eine Position und damit vorzugsweise einer der Targetträger einsetzbar ist und für Winkel zwischen 90° minus λ und dem Ablenkungswinkel λ des letzten Ablenkungs magneten beide Positionen des Targetträgers anwendbar sind und für effektive Behandlungswinkel zwischen dem Ablenkungswinkel des letzten Ablenkungsmagneten und 90° die andere der beiden Positionen für den Targetträger verwendbar ist. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist folglich, daß trotz eingeschränk tem Ablenkungswinkel des letzten Ablenkungsmagneten der zu be handelnde Tumor mit einem Ionenstrahl aus jeder beliebig be stimmbaren Richtung behandelt werden kann und somit die medizi nisch optimale Bestrahlungsrichtung mit einem in seiner Masse, seinem Volumen und seinen Kosten verminderten Gantry-System eingehalten werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Er findung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Gantry-Systems gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen Vergleich der Wirkung des letzten Ablen kungsmagneten einer herkömmlichen Gantry und einer Gantry, die bei dem erfindungsgemäßen Gantry-System zum Einsatz kommt,

Fig. 3 zeigt die Winkelverhältnisse und Winkeldefinitionen ei ner Gantry, wie sie beim erfindungsgemäßen Gantry-System zum Einsatz kommen,

Fig. 4 zeigt die Ionenstrahlführung der Gantry bei α = 90°,

Fig. 5 zeigt die Ionenstrahlführung der Gantry bei α = 45°,

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht einer der beiden Positionen des Targetträgers,

Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht der anderen der beiden Positio nen des Targetträgers,

Fig. 8 zeigt eine Anordnung von Zuführschienen gemäß einer wei teren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Gantry-Systems 6 der Erfindung. Ein derartiges Gantry- System 6 richtet einen Ionenstrahl 1 auf ein Target 2. Dazu wird der Ionenstrahl 1 in der horizontal angeordneten Gantry- Rotationsachse 9 dem Gantry-System 6 zugeführt und mittels Magnetoptiken von der Gantry-Rotationsachse 4 zunächst abgelenkt und dann parallel zur Rotationsachse des Gantry-Systems ge führt. Die Gantry 14 kann eine volle Umdrehung unter einem ein stellbaren Winkel α von 0 bis 360° ausführen. Bei einer derar tigen Umdrehung beschreibt der Ionenstrahl einen Kegelmantel, dessen Kegelspitze auf der Gantry-Rotationsachse liegt und die se im Isozentrum 5 schneidet. Das Gantry-System 6 weist neben der Gantry 14 ein Targetträger-System 7 auf. Dieses Target- Trägersystem 7 hat mindestens einen drehbaren Targetträger 8, dessen Rotationsachse 13 vertikal zu der Gantry-Rotationsachse 4 in dem Isozentrum angeordnet werden kann.

Der letzte Ablenkungsmagnet 9 lenkt den Ionenstrahl 1 derart ab, daß er unter einem Winkel zwischen größer gleich 45° und kleiner 90° die Gantry-Rotationsachse 4 im Isozentrum 5 schnei det. In der abgebildeten Ausführungsform ist dieser Ablenkungs winkel 55°, so daß der Ionenstrahl 1 beim Drehen des Gantry- Systems 6 um eine volle Umdrehung um die Rotationsachse 4 einen Kegelmantel eines Kegels mit einem Öffnungswinkel von 110° be schreibt. In der Fig. 1 beträgt die Einstellung des Winkels α 90°, so daß das Ionenstrahlablenksystem der Gantry 14 in seiner obersten Position angeordnet ist. Ein Target 2, das auf dem Targetträger 8 in der Position 10 angeordnet ist, kann um eine vertikale Achse 13 im Isozentrum gedreht werden und trotz voll ständiger Umdrehungsmöglichkeit der Gantry von 0 bis 360° nur bis zu Behandlungswinkeln, die dem Austrittswinkel des Ionen strahls aus den Magnetoptiken der Gantry entsprechen, bestrahlt werden. In der Ausführungsform mit einer 55°-Gantry ist dieser Austrittswinkel gegenüber einer horizontalen Ebene 55°, da der letzte Ablenkungsmagnet 9 den Ionenstrahl lediglich um diese 55° aus einer Parallelen zur Gantryrotationsachse ablenkt.

Mit einem Targetträger 8 in der Position 10 können deshalb nicht alle effektiven Behandlungswinkel erreicht werden. Des halb weist diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen weiteren Targetträger 8 auf, der eine zweite Position 11 des Targets ermöglicht, die gegenüber der Position 10 in einer ver tikalen Ebene senkrecht ausgerichtet ist. In dieser Position 11 kann das Target mit den effektiven Behandlungswinkeln beauf schlagt werden, die in der Position 10 nicht erreichbar sind. Das sind die effektiven Behandlungswinkel von 55° bis 90°. Dar über hinaus können die effektiven Behandlungswinkel von 35 bis 55° mit beiden Positionen 10 und 11 des Targetträgers 8 er reicht werden.

Somit ist es möglich, mit dieser Ausführungsform einen Ionen strahl einzustellen und auf ein Target auszurichten, der aus einem beliebig bestimmbaren effektiven Behandlungswinkel trotz vermindertem Ablenkungswinkel des letzten Ablenkungsmagneten 9 auf das Target auftrifft.

Das gesamte Targetvolumen kann volumenelementweise und schicht weise durch eine scannbare magnetische horizontale Ablenkung 25, die stromaufwärts vom letzten Ablenkungsmagneten 9 angeord net ist, und eine scannbare magnetische vertikale Ablenkung 26, die zwischen der horizontalen Ablenkung 25 und dem letzten Ab lenkungsmagneten 9 angeordnet ist, abgetastet werden. Diese Ab tastung erfolgt schichtweise, in dem die Eindringtiefe und da mit die Schichthöhe im Target durch die jeweilige Energie des Ionenstrahls eingestellt wird.

Durch geeignete Programmierung der horizontalen 25 und der ver tikalen Ablenkung 26 können die unterschiedlichsten Volumenfor men des Targets abgetastet werden und damit messerscharf Tumor gewebe von umgebendem gesunden Gewebe unterschieden werden.

Aufgrund der erhöhten Massenträgheit von Ionen schwerer als Protonen hat ein Gantry-System mit einem Austrittswinkel nach dem letzten Ablenkungsmagneten von kleiner 90° den Vorteil, daß das erfindungsgemäße Gantry-System mit wesentlich kleinerem Ra dius konstruiert werden kann als ein herkömmliches System, das eine Ablenkung von 90° erfordert.

Dieser Unterschied wird deutlich durch einen Vergleich in Fig. 2 gezeigt, bei dem die Wirkung eines letzten Ablenkungsmagneten einer herkömmlichen 90°-Gantry, und einer beispielsweise 55°- Gantry, die beispielswiese bei einer bevorzugten Ausführungs form des Gantry-Systems zum Einsatz kommt, gezeigt wird. In dem Stand der Technik einer 90°-Gantry, die bisher nur für Protonen geeignet ist, wird mit dem letzten Ablenkungsmagneten der Ionenstrahl 100 aus einer Richtung parallel zur Gantryrotati onsachse 4 in eine Richtung radial zur Gantryrotationsachse 4 abgelenkt und trifft je nach Drehwinkel der Gantry auf das Tar get unter einem einstellbaren Winkel α zwischen 0 und 360°, und durch Drehen des Targetträgers 110 kann praktisch jeder Winkel im Raum zur Bestrahlung des Targets eingestellt werden.

In diesem Ausführungsbeispiel sind bei einem Austrittswinkel aus dem letzten Ablenkungsmagneten 9 im Punkt E die Behand lungswinkel γ auf 0° bis 55° begrenzt. Dabei verschiebt sich gegenüber einer 90°-Gantry das Isozentrum 5 vom Punkt I zum Punkt C um eine beträchtliche Länge b auf der Gantry- Rotationsachse 4 aus der Gantry heraus und gleichzeitig ist der letzte Ablenkungsmagnet in seiner Größe wesentlich vermindert, so daß entweder die gesamte Gantry im Volumen verkleinert wer den kann, oder der Radius, der für Targetträger 8 und für den zu behandelnden Patienten zur Verfügung steht, um die Länge 1 auf eine lichte Weite mit dem Radius r vergrößert werden kann. Tatsächlich wird der Raum, der durch Vermindern des Ablenkungs winkels des letzten Ablenkungsmagneten 9 gewonnen wird, zur Verminderung der Gesamtgröße des Gantry-Systems verwendet.

Fig. 3 zeigt dazu die Winkelverhältnisse und die Winkeldefini tionen einer Gantry, wie sie beim erfindungsgemäßen Gantry- System zum Einsatz kommen. Dazu symbolisiert die Linie 4 die Gantry-Rotationsachse, die zusammen mit der X-Achse eine hori zontale Ebene aufspannt. Die Gantry-Rotationsachse wird von dem im Punkt E austretenden Ionenstrahl im Punkt C dem Isozentrum 5 geschnitten.

In Fig. 3 werden drei Positionen der Gantry und des Austritts punktes E gezeigt, einmal, wenn das Ablenksystem für den Ionen strahl in seiner obersten Position ist, nämlich bei E (90), dann bei einem beliebigen Winkel α bei E (α) und schließlich in einer horizontalen Ebene bei E (0). Während der Winkel α durch die Drehung der Gantry um ihre Gantry-Rotationsachse ein gestellt werden kann, wird der Winkel β durch Drehen des Tar getträgers vertikal zur Gantry-Rotationsachse eingestellt, wo bei die Träger-Rotationsachse ebenfalls durch das Isozentrum 5 im Punkt C verläuft.

Der Winkel λ wird durch den letzten Ablenkungsmagneten vorgege ben und bleibt bei allen Drehbewegungen sowohl der Gantry- Rotationsachse als auch der Träger-Rotationsachse unverändert. Der Behandlungswinkel γ und der Eintrittskanal durch den der Strahl in den Patienten eindringt ergeben sich aus der Kombina tion der beiden Drehbewegungen der Gantry und des Targetträ gers. Der Behandlungswinkel γ ist immer kleiner oder gleich λ und der effektive Behandlungswinkel ist entsprechend auf eine der beiden Positionen des Targetträgers begrenzt. Nimmt jedoch der Targetträger die zweite um 90° in der vertikalen Ebene ver schobene Position ein, so kann der effektive Behandlungswinkel für das Target auf die in der ersten Position effektiven Be handlungswinkel eingestellt werden. Der Abstand d zwischen dem Austrittspunkt E und dem Isozentrum 5 im Punkt C bestimmt gleichzeitig in Verbindung mit dem oben beschriebenen Winkel λ die Länge a des Herausragens des Isozentrums aus der Gantry als auch die mögliche lichte Weite mit dem Radius r, die für die Gerätschaften zur Behandlung eines Patienten bei dem erfin dungsgemäßen Gantry-System zur Verfügung steht.

Fig. 4 zeigt die Führung des Ionenstrahls 1 der Gantry bei α = 90°, d. h. in der obersten Position der Ablenkungsmagnete. Diese Gantry würde für einen 55°-Austrittswinkel entworfen, wobei die Ausführungsspezifikationen derart gewählt wurden; daß eine iso zentrische Konstruktion ermöglicht wird und gleichzeitig ein Abtasten des Targetvolumens in zwei aktiven Richtungen, d. h. schichtweise, möglich wir, so daß diese Ausführungsform im we sentlichen folgende vorteilhafte Eigenschaften und Anordnungen aufweist:

1. achromatische Strahloptiken,
2. anpassbare Strahlgröße von 4 bis 16 mm in Schritten von 1 mm,
3. eine maximale Strahlenenergie von 400 MeV/u für einen Koh lenstoffionenstrahl mit einer Eindringtiefe in Wasser von 27 cm,
4. ein Abtastfeld von der Größe von 20 × 10 cm²,
5. ein Abtastmodus mit niedriger Winkelabweichung, d. h. der Winkel zwischen dem einfallenden Abtaststrahl und der Senk rechten zu der Abtastfläche ist kleiner als 1°,
6. eine Strahleinschnürung liegt im Isozentrum, d. h. die Strahleinschnürung im Isozentrum hat den Vorteil, daß sich der Strahlumfang nur geringfügig in der Nähe der Ein schnürung ändert, so daß folglich Variationen der Strahl breite innerhalb eines begrenzten Tumorvolumens vernachläs sigt werden können, und schließlich
7. einen minimalen Laufraum von dem Gantryaustritt zu dem Iso zentrum von 1,2 m.

Eine geeignete Anordnung eines derartigen Strahltransport- Systems, das die obigen Konstruktionsmerkmale aufweist, wird in Fig. 4 gezeigt. Diese Gantry 14 besteht aus einem geraden An passungsabschnitt, in dem der Ionenstrahl in die Gantry- Rotationsachse 4 eingeführt wird. Dieser Eingangs- Anpassungsabschnitt besteht aus drei Quadrupolen 27 bis 29. Weiterhin gibt es eine Biegeschulter aus zwei 38°- Ablenkungsmagneten 30 und 31 mit dazwischenliegenden zwei Qua drupolew 32, 33, einen oberen geraden Abschnitt, in dem der Io nenstrahl parallel zur Gantry-Rotationsachse 4 geführt wird, mit drei weiteren Quadrupolen 34 bis 36 und zwei Abtastmagneten mit horizontaler 25 und vertikaler 26 Ablenkung für ein Abta sten des Targetvolumens und einen letzten 55°-Ablenkungsmagnet 9 mit großer Apertur.

Der Freiraum für den Patienten hat einen Radius von ungefähr 1,2 m, der Außenradius der Gantry beträgt etwa 2,8 m. Im we sentlichen wird vorteilhaft die Strahlgröße hauptsächlich durch die ersten drei Quadrupole, die in dem beugungsfreien Bereich des Eingangsabschnitts angeordnet sind, bestimmt. Eine derarti ge Anordnung zeigt einen hohen Grad der ionenoptischen Flexibi lität. Der Strahl im Isozentrum kann von 2 bis 16 mm im Durch messer eingeschnürt werden und die Optiken der Gantry arbeiten immer in einem achromatischen Zustand.

Fig. 5 zeigt den gleichen Aufbau mit den gleichen Komponenten, wie Fig. 4 für eine Führung des Ionenstrahls bei einem Winkel α von 45°. Dazu sind in Fig. 5 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht von einer der beiden möglichen Positionen des Targetträgers 8. Der Targetträger 8 ist in Fig. 6 in einer horizontalen Ebene angeordnet und kann um eine ver tikale Achse 13 gedreht werden. Der Targetträger trägt einen Patienten 40 mit einem Tumorvolumen 20. Der Patient wird auf dem horizontalen Targetträger einer Patientencouch oder einem Patiententisch derart angeordnet, daß die vertikale Träger- Rotationsachse 13 durch das Tumorvolumen 20 geht, und der Tar getträger 8 wird mit Hilfe des Targetträger-Systems in das Iso zentrum 5 des Gantry-Systems verbracht, so daß das Tumorvolumen 20 im Isozentrum 5 liegt.

Fig. 6 zeigt als punktierte Flächen die Bereiche, die mit der Position 10 des Targetträgers als effektive Behandlungswinkel in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erreichbar sind, während Fig. 7 die zweite Position des Targetträgers 8 zeigt und die weiteren Bereiche durch punktierte Flächen eines möglichen effektiven Behandlungswinkels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gantry-Systems darstellt.

In den Fig. 6 und 7 wird deutlich zwischen dem zu durch strahlenden gesunden Gewebe 22, sowie dem nicht betroffenen um gebenden Gewebe 23 und dem zu bestrahlenden Tumorgewebe 24 schematisch unterschieden. Die punktierten Bereiche der Fig. 6 und 7 sind für einen Ablenkungswinkel von 45° gezeichnet und verdeutlichen, daß auch bei einem derart geringen Ablenkungs winkel von 45° des letzten Ablenkungsmagneten ein Ionenstrahl auf ein Target aus beliebig bestimmbarem effektiven Behand lungswinkel eingestellt und ausgerichtet werden kann.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung von Zuführschienen 17, 18 und 19 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Auf den beiden Zuführschienen 17 und 18 sind einander gegenüber jeweils ein Targetträger 8 in einer ersten Position 10, in der der Tar getträger horizontal ausgerichtet ist, und in einer weiteren Position 11, in der der Targetträger senkrecht ausgerichtet ist, angeordnet. Die Targetträger sind jeweils um ihre vertika len Achsen 13 drehbar.

Ein Patient kann, nachdem der günstigste effektive Behandlungs winkel zur Bestrahlung eines Tumorvolumens bestimmt ist, in ei ner notwendigen Position 10 oder 11 des Targetträgers 8 ange ordnet werden. Der Targetträger 8 mit der richtigen Position 10 oder 11 wird dann auf einer der beiden Zuführschienen 17 oder 18 zunächst bis zu einer zentralen Zuführschiene 19 verfahren und dann in Richtung auf das Isozentrum 5 des Gantry-Systems entlang der Zuführschiene 19 verschoben, so daß die Träger- Rotationsachse des geeigneten Targetträgers im dem Isozentrum des Gantry-Systems positioniert ist.

Das Ausrichten und Einstellen des Targetträgers 8 durch Drehen des Targetträgers 8 um seine Träger-Rotationsachse 13 in bezug auf den günstigsten Eintrittskanal kann vor oder nach dem Ver schieben in das Isozentrum 5 erfolgen. Auch das Ausrichten und Einstellen der Gantry durch Drehen der Gantry um ihre horizon tale Gantry-Rotationsachse in bezug auf den günstigsten Behand lungswinkel kann ebenfalls vor oder nach dem Verschieben des Patienten auf dem Targetträger in das Isozentrum erfolgen. Erst wenn die Einstellung des geeigneten Behandlungswinkels und Ein trittkanals durch Auswahl der richtigen Position eines Tar getträgers 8 und durch Drehen des Targetträgers um seine Trä ger-Rotationsachse 13 als auch durch Drehen der Gantry um ihre horizontale Gantry-Rotationsachse abgeschlossen ist, kann ein räumliches Abtasten des gesamten Tumorvolumens mit dem Ionen strahl erfolgen.

Claims

1. Gantry-System zum Einstellen und Ausrichten eines Ionen strahls (1) auf ein Target (2) aus einem beliebig bestimm baren effektiven Behandlungswinkel, wobei der Ionenstrahl (1) in der horizontal angeordneten Gantry-Rotationsachse (4) dem Gantry-System (6) zugeführt und mittels Magnetopti ken von der Gantry-Rotationsachse (4) zunächst abgelenkt wird und dann unter einstellbaren Winkeln von 0 bis 360° um die Gantry-Rotationsachse (4) auf ein Target (2) so aus richtbar ist, daß der Ionenstrahl (1) die Gantry- Rotationsachse (4) in dem Isozentrum (5) des Gantry-Systems (6) schneidet, wobei das Gantry-System (6) eine Gantry (14) und ein Targetträger-System (7) mit einem drehbaren Tar getträger (8), dessen Träger-Rotationsachse (13) vertikal zu der Gantry-Rotationsachse (4) in dem Isozentrum angeord net ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Ablenkungsmagnet (9) den Ionenstrahl (1) derart ablenkt, daß er unter einem Winkel zwischen größer gleich 45° und kleiner 90° die Gantry-Rotationsachse (4) im Isozentrum (5) schneidet, so daß der Ionenstrahl (1) beim Drehen der Gantry (14) um eine volle Umdrehung um die Gan try-Rotationsachse (4) einen Kegelmantel beschreibt und das Targetträger-System (7) zwei Positionen (10, 11), die in vertikaler Ebene senkrecht zueinander sind, für einen Tar getträger (8) aufweist, wobei dessen Träger-Rotationsachse (13) in das Isozentrum (5) des Gantry-Systems (6) bringbar ist.

2. Gantry-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Ablenkungsmagnet (9) den Ionenstrahl (1) derart ablenkt, daß der Ionenstrahl (1) die Gantry-Rotationsachse (4) unter einem Winkel größer gleich 45° und kleiner 90° schneidet.

3. Gantry-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Targetträger-System (7) eine Drehbühne (15), die um eine vertikale Drehbühnenachse (16) drehbar ist, aufweist, auf der zwei Targetträger (8) in zwei Positionen (10, 11), die in vertikaler Ebene senkrecht zueinander sind, angeordnet sind und die jeweils um eine vertikale Träger-Rotationsachse (13) drehbar sind.

4. Gantry-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die vertikalen Träger-Rotationsachsen (13) der zwei Positionen (10, 11) der Targetträger (8) wechselweise in das Isozentrum (5) des Gantry Systems (6) mittels einer Drehbühne (15) durch Drehen um eine Drehbüh nenachse (16) bringbar sind.

5. Gantry-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Targetträger-System (7) zwei getrennte Zuführ schienen (17, 18) aufweist, auf denen jeweils ein Tar getträger (8) der zwei Positionen (10, 11) angeordnet ist, wobei die Zuführschienen (17, 18) aus jeweils unterschied lichen Richtungen jeweils einen der Targetträger (8) mit seiner Träger-Rotationsachse (13) in das Isozentrum (5) wechselweise lateral verschieben können.

6. Gantry-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Träger-System (7) ein universales Roboter- System (19) aufweist, das den Targetträger (8) in den zwei Positionen (10, 11) und die vertikalen Träger-Rotations achsen (13) in dem Isozentrum (5) anordnet.

7. Verfahren zum Bestrahlen eines Tumors aus beliebig bestimm baren effektiven Behandlungswinkeln mittels eines Gantry Systems (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Bestimmen des günstigsten effektiven Behandlungswinkels und des günstigsten Eintrittkanals in bezug auf die Lage und Größe eines Tumors (21) in einem gesunden Gewebe (22) unter der Maßgabe einer minimalen Strahlenbelastung des umgebenden Gewebes (23) und einer optimalen Vertei lung einer Ionenstrahldosis für das zu bestrahlende Tumorgewebe (24),
- Auswahl der für den bestimmten effektiven Behandlungs winkel notwendigen Position des Targetträgers (8) aus zwei in einer vertikalen Ebene senkrecht aufeinander stehenden Position (10, 11) des Targetträgers,
- Verbringen der Träger-Rotationsachse (13) der ausgewähl ten Position (10,11) des Targetträgers (8) in das Iso zentrum (5) des Gantry-Systems (6),
- Ausrichten und Einstellen des Targetträgers (8) durch Drehen des Targetträgers (8) um seine vertikale Träger- Rotationsachse (13) in bezug auf den günstigsten Ein trittswinkel,
- Ausrichten und Einstellen der Gantry (14) durch Drehen der Gantry (14) um ihre horizontale Gantry- Rotationsachse (4) in bezug auf den günstigsten Behand lungswinkel,
- Räumliches Abtasten des gesamten Tumorvolumens (20) mit dem Ionenstrahl (1) aus dem eingestellten Behandlungs winkel für den Ionenstrahl (1) und durch den eingestell ten Eintrittskanal.