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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines begrenzten Volumens im Innern eines Körpers mit einer Strahlungsquelle, die einen Strahl aus hochenergetischen elektrisch geladenen Teilchen erzeugt, und mit einer magnetooptischen Vorrichtung im Strahlengang des Teilchenstrahls, mit deren Hilfe der Strahl in zwei zueinander senkrechten Ebenen ablenkbar ist.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der CH-PS 5 14 341 bekannt. Mit zwei hintereinander angeordneten Ablenkmagneten ist es möglich, den Strahl in einer Ebene mehrfach abzulenken, so daß der Strahl letztendlich in dieser Ebene in einem Winkel von 90° gegenüber seiner Anfangsrichtung ausgelenkt wird. Um den Strahl in zwei zueinander senkrechten Ebenen abzulenken, wird die Verwendung eines Quadrupol-Magneten vorgeschlagen.
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Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der US-PS 40 43 098 bekannt, wobei jedoch der Strahl aus elektrisch geladenen Teilchen in nur einer Ebene abgelenkt wird. Der Strahl kann auf ein Target zum Erzeugen von Photonen, Neutronen oder anderen elektrisch neutralen Teilchen geleitet werden, wobei zusätzlich zu einem Umlenkmagneten ein Tastmagnet und ein asymmetrischer Quadrupol-Magnet eingesetzt wird. Die zu bestrahlenden Artikel werden mit Hilfe eines Transportbandes unter dem hin- und hergehenden Strahl bewegt, so daß man dieselbe Relativbewegung erhält, als wenn der zu bestrahlende Gegenstand stationär angeordnet wäre und der Strahl in zwei zueinander orthogonalen Richtungen pendeln würde. Ablenkmagnete sind bei dieser Vorrichtung nicht vorgesehen.
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Hochenergetische Elektronen und Photonen werden bereits seit den fünfziger Jahren in der Strahlentherapie verwendet. Die üblicherweise angewendeten Strahlungsmodalitäten bewegen sich vom Nieder- bis Mittelenergiebereich von einigen MeV bis zu etwa 20 MeV. Diese Strahlungen wurden auch für die Behandlung von tiefsitzenden Tumoren angewandt, obwohl mit beträchtlich höheren Strahlungsenergien bessere therapeutische Ergebnisse zu erwarten wären. Der Grund dafür, daß höhere Energien nicht benutzt wurden, ist darin zu sehen, daß mehrere verschiedene Faktoren die Erzeugung und Verwendung hochenergetischer Elektronen und Photonen mit Spitzenenergien von etwa 20 bis 50 MeV beeinträchtigen. Ein solcher Faktor ist darin zu sehen, daß kein billiger kompakter und leichtgewichtiger Beschleuniger auf dem Markt erhältlich ist, der eine ausreichend hohe Strahlungsenergie erzeugt. Andere begrenzte Faktoren sind technische Probleme, welche die Erzeugung therapeutischer Strahlen hoher Qualität bei diesen hohen Energien beeinträchtigen. Mit hoher Qualität ist gemeint, daß sich die Teilchen des Strahls woweit wie möglich in parallelen oder isotropen Bahnen bewegen, daß sich die Teilchen mit gleicher Geschwindigkeit bewegen und daß der Teilchenstrom über den Strahlenquerschnitt hinweg konstant ist. Diese letztgenannte Eigenschaft wird als Homogenität bezeichnet. Falls beispielsweise Elektronenstrahlen verwendet werden, verliert man bei diesen hohen Energien den steilen Dosisabfall, der bei niederen Energien unterhalb des therapeutischen Wirkungsbereichs auftritt, insbesondere, wenn übliche Streufolien zur Strahlenabschwächung verwendet werden. Bei Photonenstrahlen besteht das Problem darin, daß sehr dicke Abschwächfilter benötigt werden, welche die effektive Photonenenergie vermindern, so daß nur geringe Verbesserungen der Eindringtiefe des Strahls erreicht werden, wenn die Strahlungsenergie erhöht wird.
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Es gibt bereits eine ganze Anzahl verschiedener Vorschläge hochenergetischer Elektronenstrahlen hoher Qualität mit einem breiten therapeutischen Wirkungsbereich zu erzeugen.
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Dabei traten zwei grundlegende Probleme auf. Das erste besteht darin, große homogene Strahlungsfelder zu erzeugen und das zweite, einen bereiten therapeutischen Wirkungsbereich zu erzielen.
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Das meist verbreitete Verfahren, gleichmäßige Strahlenfelder zu erzeugen, besteht darin, eine Streufolie zu verwenden. Diese eignet sich aber nur für Energien unter 10 MeV und für beschränkte Strahlungsfeldgrößen. Falls höhere Energien verwendet werden sollen, müssen die Streufolien dicker werden. Diese bewirken aber einen beträchtlichen Qualitätsabfall des Elektronenstrahls. Verglichen mit der Menge der Materie im Teilchenstrahl ist die bekannte Technik, mit doppelten Streufolien zu arbeiten, etwa zehnfach besser als die Technik mit einfacher Streufolie, wobei sich Elektronenstrahlen hoher Qualität bei Energien bis zu 20 MeV ergeben. Bei noch höheren Energien jedoch wird die Elektronenstrahlung schlechter, selbst wenn Folien verwendet werden, die etwa zehnfach dünner sind, als bei der Einfolientechnik. Bei sehr hohen Energien von etwa 25 bis 50 MeV sind bis jetzt nur elektromagnetische Systeme mit defokusierenden oder mechanisch abtastenden oder Quadrupol-Magneten bekannt, um Strahlen hoher Qualität zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bestrahlungsvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die das Ablenken des Strahls aus hochenergetischen elektrisch geladenen Teilchen in zueinander orthogonalen Ebenen ohne die Verwendung eines Quadrupol- Magneten ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die magnetooptische Vorrichtung in Strahlrichtung gesehen in ein und derselben Ebene einen ersten Ablenkmagneten mit steuerbarer Magnetfeldstärke, einen Umlenkmagneten und einen zweiten Ablenkmagneten mit steuerbarer Magnetfeldstärke aufweist, daß der erste Ablenkmagnet ein effektives Ablenkzentrum hat, von dem aus der Teilchenstrahl in einer ersten Ebene abgelenkt wird, die der Umlenkebene des Umlenkmagneten entspricht, daß der zweite Ablenkmagnet ein effektives Ablenkzentrum hat, von dem aus der Teilchenstrahl in einer zweiten Ebene abgelenkt wird, die zu der ersten Ebene orthogonal ist, und daß der Umlenkmagnet so zu dem ersten und dem zweiten Ablenkmagneten angeordnet ist, daß er das effektive Ablenkzentrum des ersten Ablenkmagneten im effektiven Ablenkzentrum des zweiten Ablenkmagneten abbildet.
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Damit wird mit geringem Bauaufwand eine effektiv arbeitende Vorrichtung geschaffen, von der der Strahl isotrop austritt. Die Ablenkmagnete können relativ nahe beieinander angeordnet werden und die Strahlungsquelle kann vorteilhaft auch nur eine geringe Ausdehnung aufweisen. Damit wird ein wohldefinierter Abstand zwischen der Strahlungsquelle, d. h. dem effektiven Ablenkzentrum des zweiten Ablenkmagneten und der Oberfläche des zu bestrahlenden, begrenzten Volumens geschaffen. Der von der Vorrichtung abgegebene Strahl kann als fast punktisotrop bezeichnet werden mit gleicher Intensität und Energieverteilung in allen Richtungen. Zusätzlich ist infolge der verwendeten Ablenkmagnete die Verzerrung des Elementarstrahls beträchtlich geringer als wenn Quadrupol-Magnete zur Steuerung des Strahls verwendet würden.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Bei Verwendung eines Targets kann dieses sehr nahe zu dem effektiven Ablenkzentrum des zweiten Ablenkmagneten angeordnet werden. Es können breite, gleichförmige Photonen- oder Neutronenstrahlen beliebiger Energie erzeugt werden, ohne daß dicke Abschwächfilter benutzt werden müssen. Weiterhin wird das Photonenspektrum verbessert, weil auf verschlechternde Filter verzichtet wird und das nach vorwärts gerichtete Photonenspektrum über das gesamte Strahlenfeld isotrop verteilt ist. Ein auf diese Weise erzeugter Photonenstrahl vereinigt die Vorteile einer hohen Eindringtiefe und einer hohen Homogenität. Es erhöht sich die verfügbare Dosis, da Abschwächfilter herkömmlicher Art nicht mehr benötigt werden. Daher werden auch Strahlungsabschirmprobleme außerhalb des Behandlungsbereichs um den Faktor 2 bis 5 verringert. Noch wichtiger ist, daß die Neutronenerzeugung in den Abschwächfiltern und den Kollimatoren um den gleichen Faktor 2 bis 5 abnimmt. Bei Verwendung des erfindungsgemäß gesteuerten Photonenstrahls kann die Neutronenabschirmung vermindert werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, in welchen zeigt
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Fig. 1 eine Seitenansicht der wesentlichen Elemente der Vorrichtung,
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Fig. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
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Fig. 3 und 4 Diagramme über die Verteilung der Dosis über die Tiefe in einem mit Elektronen (Fig. 3) bzw. Photonen (Fig. 4) bestrahlten Materievolumen,
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Fig. 5 und 6 Diagramme über den Verlauf von Linien gleicher Dosis bei einem mit Elektronen (Fig. 5) bzw. Photonen (Fig. 6) bestrahlten Materievolumen, und
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Fig. 7 die Verteilung der absorbierten Dosis quer zum bestrahlten Volumen nach einer Bestrahlung (Kurve 1) und nach einer weiteren Bestrahlung (Kurve 2).
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Von einer nicht dargestellten Strahlungsquelle für hochenergetische Elektronen kommt ein Elektronenstrahl e -. Die Energie der Elektronen liegt etwa zwischen 1-50 MeV. Der Elektronenstrahl e - gelangt in die Vorrichtung mit den beiden Ablenkmagneten 1 a, b und 5 a, b und einen Umlenkmagneten 3 a, b, der dazwischen angeordnet ist. Der Ablenkmagnet 1 a, b umfaßt die beiden Polflächen 1 a, 1 b eines nicht dargestellten Elektromagneten. Durch Verändern des Stroms in jedem der beiden Elektromagnete und demgemäß des Magnetfelds im Spalt zwischen den Polflächen kann der Elektronenstrahl mehr oder weniger in der Zeichenebene abgelenkt werden, z. B. zwischen den in ausgezogenen Linien dargestellten Höchstwerten. Der Strahl tritt aus dem Ablenkmagnet 1 a, b aus, als käme er aus dem effektiven Ablenkzentrum 2. Der in der Zeichenebene abgelenkte Strahl gelangt dann in den Umlenkmagneten 3 a, 3 b, welcher den zentralen Teilchenstrahl um 90° umlenkt. Der Umlenkmagnet ist herkömmlicher Art mit zwei zueinander senkrechten Kappenrädern, welche sich in dem ideellen Schnittpunkt 4 schneiden. Der aus diesem Umlenkmagnet austretende Strahl läuft dann durch einen zweiten Ablenkmagneten 5 a, b, welcher an sich dem ersten Ablenkmagneten 1 a, b entspricht. Die Polflächen des zweiten Ablenkmagneten 5 a, b verlaufen jedoch im rechten Winkel zu den Polflächen des ersten Ablenkmagneten 1 a, 1 b. Das Magnetfeld zwischen den Polflächen läßt sich durch Veränderung des elektrischen Stromes des zugehörigen Elektromagneten variieren. Der aus dem Ablenkmagneten 5 a, b austretende Strahl verläßt diesen, als trete er aus dem effektiven Ablenkzentrum 6 aus. Er wird in eine Ebene gesteuert, die senkrecht zur Zeichenebene liegt. Der Umlenkmagnet 3 a, b bildet das Ablenkzentrum 2 in einem Punkt ab, welcher mit dem Ablenkzentrum 6 zusammenfällt. Dies wird erreicht, indem der Schnittpunkt 4 auf der die Ablenkzentren 2 und 6 verbindenden Geraden 7 angeordnet wird. Durch diese Anordnung wird der gesteuerte Strahl isotrop vom Steuerzentrum 6 ausstrahlen. In einigen Fällen ist es günstig, wenn der Umlenkmagnet 3 a, b das Bild des Ablenkzentrums 2 auf einen Punkt abbildet, der in Bezug auf das Ablenkzentrum 6 verschoben ist. Durch Anlegen einer geeigneten sich verändernden Steuerspannung kann der Elektronenstrahl über die Eintrittsfläche des zu bestrahlenden Volumens bewegt werden. Indem die Polflächen des Ablenkmagneten 5 a, 5 b kurz und die Feldstärke hoch gemacht wird, kann die Länge des zweiten Ablenkmagneten verkürzt werden. Wenn ein Target 8 beispielsweise aus Wolfram in einer Stärke von 2 mm, in Strahlrichtung gesehen, ausgeführt und dicht hinter dem Ablenkzentrum 6 angeordnet ist, wird der Elektronenstrahl in einen Photonenstrahl umgewandelt, der vom Ablenkzentrum 6 isotrop ausstrahlt.
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Es ist ebenso möglich, daß das Target 8 durch ein sogenanntes Transmissionstarget - ein dünnes Target - ersetzt wird, so daß der das Ablenkzentrum 6 verlassende Strahl sowohl Photonen als auch Elektronen enthält. Durch Einsetzen eines zusätzlichen nicht dargestellten Ablenkmagneten, der beispielsweise dem Umlenkmagneten 3 a, b entspricht, in den Strahlengang, der vom Ablenkmagneten 5 a, b ausgeht, können unerwünschte Elektronenstrahlen abgeschieden werden, so daß ein hochreiner Photonenstrahl die Patientenoberfläche bestrahlt. Fig. 3 und 4 zeigen die Dosisverteilung über die Tiefe in einem mit Elektronen und Photonen bestrahlten Materievolumen, welches in diesem Fall ein Wasservolumen ist. Die ausgezogene Kurve in Fig. 3 zeigt die Dosisverteilung eines rohen, unbeebneten Elektronenstrahls mit einer Energie von 45,6 MeV, der die Wasseroberfläche aus einer Entfernung von 100 cm trifft. Der wirksame Strahldurchmesser beträgt 9,1 cm. Die gepunktete Kurve in Fig. 3 zeigt die Dosisverteilung eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gesteuerten Strahls, welcher vom Ablenkzentrum 6 isotrop auf eine 100 cm entfernte Wasserfläche trifft. Demgemäß ist in diesem Fall der wirksame Strahldurchmesser unendlich groß. Wie ersichtlich, ist die Dosis in größerer Tiefe im Vergleich zum rohen, ungeebneten Strahl größer. Indem zwischen Ablenkmagnet 5 a, b und die Eintrittsfläche des zu bestrahlenden Volumens Steuermagnete eingeschaltet werden, die ihrerseits durch elektrische Felder so gesteuert werden, daß der Elektronenstrahl die zu bestrahlende Fläche immer im rechten Winkel trifft, wird eine Dosisverteilung gemäß der gestrichelt gezeichneten Kurve in Fig. 3 erreicht. Durch Einsatz zusätzlicher Korrekturmagnete kann der therapeutische Wirkungsbereich weiter vergrößert werden. Die durch lange Striche in Fig. 4 dargestellte Kurve zeigt die Dosisverteilung von Photonen mit einer Energie von 50 MeV, die durch ein herkömmliches, 4 cm starkes Abschwächfilter aus Blei laufen. Ohne dieses Filter ergäbe sich eine Dosisverteilung gemäß der voll ausgezogenen Linie in Fig. 4. Wenn ein 4 cm dickes Titan- Filter verwendet wird, ergibt sich eine Dosisverteilung nach der kleingestrichelten Kurve. Bei Anwendung des Elektronenstrahls gemäß der Erfindung mit einem Target 8 aus 1 mm dickem Wolfram ergibt sich die Dosisverteilung gemäß der gepunkteten Kurve. Es ist erkennbar, daß das Dosismaximum bei Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich tiefer (etwa 4 cm) liegt.
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Normalerweise wird der von der nicht dargestellten Strahlungsquelle ausgesandte Strahl nicht kontinuierlich, sondern unstetig in Form von Teilchenschauern, d. h. in Impulsen von kurzer Dauer abgegeben. Mit der erfindungsgemäßen Steuertechnik ist es möglich, das Ablenkmuster und die Position der einzelnen Teilchenschauer zu steuern. Fig. 5 stellt Kurven gleicher Dosis eines einzelnen Elektronenstoßes dar, welcher schrittweise nach einem willkürlichen Muster gesteuert werden kann. Die Elektronenenergie beträgt 50 MeV. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, konzentriert sich die Strahlendosis auf ein kleines Oberflächengebiet der Eingangsoberfläche des zu bestrahlenden Objekts, welches in diesem Fall ein Wasservolumen ist, wobei sich die Strahlendosis mit zunehmender Tiefe birnenförmig verteilt. Versuchsergebnisse zeigen, daß die konzentrierte Strahlungsdosis in dem kleinen Oberflächengebiet nur verringerte Hautreaktionen infolge des benachbarten unbestrahlten Gewebes ergibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zu durchlaufende, vom Strahl zu überstreichende Muster nur einmal durchlaufen, wobei die Zeitdauer der einzelnen Teilchenschauer nur sehr kurz ist, so daß die gesamte lokale Strahlungsdosis durch einen einzigen Teilchenschauer sehr hoher Dosis erzeugt wird. Durch die kurze Bestrahlungsdauer ergeben sich beim Bestrahlen des Gewebes vorteilhafte biologische Reaktionen.
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Fig. 6 zeigt die Kurven gleicher Dosis, ähnlich der Fig. 5 eines Photonenstrahls mit einer Energie von 50 MeV, der auf eine Wasseroberfläche gelenkt wurde und der die gesamte Dosis in einem einzigen Impuls liefert. Durch schrittweises Steuern des Strahls in zumindest einer der orthogonalen Ebenen und durch Steuern der Länge jeden Schrittes im Verhältnis zur Dosisverteilung des vorausgehenden Teilchenschauers lassen sich zeitweise auftretende Intensitätsschwankungen in jedem Impuls der abgegebenen Strahlung ausgleichen. Durch Anpassen jedes Schrittes an die Intensität des vorangegangenen Teilchenschauers kann der erzeugte Dosismittelwert, der auf das bestrahlte Volumen abgegeben wird, konstant gehalten werden. Bei schrittweiser Steuerung kann ein zusätzlicher Teilchenschauer am Außenrand der Fläche erzeugt werden, um die Dosisverteilung über das bestrahlte Volumen zu verbessern. In Fig. 7 ist diese Maßnahme dargestellt. Die Figur zeigt einen Quadranten des Strahlungsfelds. Das Objekt wird mit 7 × 7 Impulsen im Abstand von 5 cm bestrahlt. Jeder Impuls liegt dabei in den Punkten 0, 5, 10 und 15 cm vom Mittelpunkt eines Quadrats aus gesehen. Die Dosis fällt demgemäß am Rand, etwa bei 15 cm von der Mitte aus gesehen ab. Indem zwei Impulse erzeugt werden, wenn sich der Strahl in der Randzone befindet, wird die Dosisverteilung, wie aus der Kurve 2 (Fig. 7) ersichtlich, erheblich verbessert. Die Kurve 1 zeigt die Dosisverteilung, wenn nur ein Impuls gegeben wird.
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Obwohl verschiedene Ablenkmöglichkeiten beschrieben wurden, kann die Bestrahlung auch durchgeführt werden, indem der Strahl frei über die zu bestrahlende Fläche, z. B. in Mäanderform, geführt wird. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Strahl elektrisch in einer Ebene abgelenkt, während das zu bestrahlende Objekt rechtwinklig zu dieser Ebene bewegt wird. Schließlich kann auch das erfindungsgemäße Ablenken des Strahls in der Weise erfolgen, daß der Strahl in zwei orthogonalen Ebenen Zeile für Zeile, den Kreuzungspunkten eines Gittermusters folgend, geführt wird, was als sogenannte Gitter- oder Siebtherapie bezeichnet wird. Dieses Verfahren ist von besonderer Bedeutung, wenn es sich darum handelt, die Hautreaktion bei der Behandlung tiefsitzender Tumore herabzusetzen.