DE3805123A1

DE3805123A1 - Verfahren zur bestrahlung eines grossflaechigen feldes mit einem strahl aus geladenen teilchen und vorrichtung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens

Info

Publication number: DE3805123A1
Application number: DE3805123A
Authority: DE
Inventors: Volker Stieber; Franz Dr Krispel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1988-02-18
Publication date: 1988-10-13
Also published as: US4767930A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bestrahlungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vor richtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Man hat eine Reihe von Techniken entwickelt, um einen Elek tronenstrahl, der gewöhnlich einen Durchmesser von etwa 1 mm hat, derart aufzuspreizen, daß er Felder mit Durchmessern < 20 cm überstreichen kann.

So wird in "Electromedica" Nr. 3-4 (1977), S. 101-106, ein linearer Elektronenbeschleuniger (LINAC) beschrieben, bei dem ein Satz von aufeinanderfolgenden Streufolien dem Strahl einen aufgeweiteten Kreisquerschnitt mit einer gleichmäßigen Inten sitätsverteilung gibt. Die Folien haben eine Reihe von Nach teilen: Die mittlere Strahlenenergie ist reduziert; das Ener giespektrum ist verbreitert; das Energieniveau und/oder die Feldgröße können nicht ohne weiteres verändert werden; und in beiden Folien wird unerwünschte Röntgenstrahlung erzeugt.

Eine Möglichkeit zur Verhinderung von Röntgenstrahlen besteht darin, den Punktstrahl längs einer senkrecht zur Strahlachse orientierten Achse aufzuspreizen oder pendeln zu lassen, etwa mittels einer magnetischen oder elektrostatischen Linse, und das zu bestrahlende Gut quer zu dieser Achse zu führen. Dieses Verfahren, das ausführlicher in der US-Patentschrift 28 66 902 dargestellt ist, wird zum Sterilisieren und Haltbarmachen von Nahrungsmitteln verwendet; es ist allerdings noch nicht bei der radiotherapeutischen Behandlung des menschlichen Körpers ein gesetzt worden. Der Grund dafür liegt darin, daß man nicht ohne weiteres sicherstellen kann, daß ein vorgegebener Bereich eines quer zur Strahlrichtung bewegten Körpers mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung bestrahlt wird.

Der Patient kann in einer stationären Position verbleiben, wenn der Strahl transversal längs der beiden Hauptachsen ver breitert wird. Dies läßt sich, wie in der US-Patentschrift 31 20 609 beschrieben, dadurch erreichen, daß man den Strahl durch einen Quadropolmagneten schickt. Der Magnet ist so aus gelegt, daß der Strahl längs einer Achse defokussiert wird und längs der anderen Achse zunächst fokussiert und anschlies send, wenn sich die Bahnen der Strahlteilchen geschnitten haben, ausgeweitet wird. Bei einem solchen Konzept ist es allerdings schwierig, eine homogene Intensitätsverteilung und insbesondere eine exakte Feldbegrenzung zu erzielen.

In "Medical Physics 11" (1984), S. 105-127, Abschnitt "Scanned Pencil Beams", wird eine weitere Alternative erwähnt, bei der der Elektronenstrahl zwei senkrecht zueinander angeordnete Ab tastmagneten passiert. Durch eine Änderung ihrer Magnetfelder kann man rasterartige oder spiralförmige Strahlmuster bilden und damit gleichmäßige und beliebig variable Behandlungsfelder erzeugen. Nachteilig ist allerdings, daß der Strahl eine relativ lange Zeit zum Bestreichen der gesamten Fläche braucht und komplizierte Steuer- und Überwachungsschaltkreise zur Ver meidung "heißer Flecken" benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist daher, Mittel und Wege anzugeben, mit denen sich die Intensität eines Strahles aus geladenen Teilchen über eine relativ große Fläche verteilen läßt, und zwar derart, daß die Fläche mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Strom dichte bestrahlt wird, daß das ursprüngliche Energiespektrum der Strahlpartikel nicht nennenswert verändert wird und daß keine schädlichen Röntgenstrahlen entstehen. Darüber hinaus sollen das Bestrahlungsfeld und/oder die Strahlenenergie variabel sein, das Feld in relativ kurzer Zeit aufgebaut werden können und die gesamte Anordnung mechanisch und elektrisch einfach gestaltet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Im Rahmen dieses Verfahrens läßt sich eine gleichmäßige Bestrahlungsintensität besonders einfach realisieren, wenn man den Punktstrahl derart aufspreizt, daß seine Intensität mit zunehmendem Abstand von der Strahl achse ebenfalls zunimmt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Ver fahrens enthält zweckmäßigerweise folgende Bestandteile: eine Quelle, die einen Punktstrahl aus geladenen Teilchen erzeugt; ein Führungssystem, das einen Strahl längs einer Strahlachse führt; ein Linsensystem, das den längs der Strahlachse ge führten Strahl längs einer senkrecht zur Strahlachse verlaufen den Querachse aufweitet; und einen Rotator, der die Querachse um die Strahlachse dreht, derart, daß der aufgeweitete Strahl eine Kreisfläche überstreicht.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Linsensystem aus einem Satz von n divergenten Linsen besteht, die jeweils den Strahl längs einer bestimmten Querachse aufzuweiten suchen. Alle n Querachsen liegen in einer Ebene senkrecht zur Strahl achse; sie schneiden sich in der Strahlachse, und einander benachbarte Querachsen bilden einen Winkel von 360°/n mitein ander. Das Aufweitvermögen der einzelnen Linsen wird nach einer periodischen Funktion variiert, wobei die Funktionen bei auf einanderfolgenden Linsen um 360°/n gegeneinander phasenver schoben sind. Besonders einfach gestalten sich die Verhält nisse, wenn man drei Linsen nimmt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Linsensystem nicht-linear in dem Sinne, daß es geladene Teilchen, die sich näher am Strahlzentrum befinden, stärker ablenkt als Teilchen mit einem größeren Abstand vom Zentrum.

Die Erfindung sei nun anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die strahldefinierende Einheit eines LINAC, der ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält;

Fig. 2 von dem Ausführungsbeispiel Fig. 1 einen Querschnitt längs der Linie II-II;

Fig. 3 von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung das Linsensystem sowie den Rotator für die Querachse, in Strahlrichtung gesehen; und

Fig. 4 in einem Blockdiagramm die elektrische Schaltung des zweiten Ausführungsbeispiels.

Der Übersichtlichkeit halber sind die Ausführungsbeispiele, die lediglich Teile enthalten, die im wesentlichen an sich bekannt sind, vereinfacht dargestellt. Dabei sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt von einem LINAC einen Ablenkmagneten 1, der einen Elektronenstrahl 2 durch ein Fenster 3 längs einer Strahlachse 4 schickt. Der Strahl hat einen Durchmesser von etwa 1 mm und enthält Elektronen einer Energie von etwa 10 MeV. Die Strom intensität des Strahles ist in seinem Zentrum am höchsten und nimmt allmählich gegen den Strahlrand hin ab. Nachdem der Strahl 2 das Fenster 3 durchsetzt hat, passiert er ein strahl diffundierendes Linsensystem 5, einen Kanal 27 eines Abschirm blockes 28 sowie ein strahldefinierendes Backensystem aus zwei Paaren von gegenüberliegenden Backen 29, 30, 31.

Das Linsensystem 5 enthält, wie in Fig. 2 dargestellt, einen Quadropolmagneten, der aus zwei Hufeisenmagneten 6, 7 gebildet wird. Die beiden Hufeisenmagnete sind umwickelt von Spulen 8, 9, die - über einen variablen Widerstand 10 - an eine Strom quelle 11 angeschlossen sind. Beide Magneten 6, 7 sind in einer senkrecht zur Strahlachse erstreckten XY-Ebene angeordnet, und zwar so, daß jeweils der Nordpol des einen Magneten dem Südpol des anderen Magneten gegenüberliegt. Das Magnetfeld hat am Ort der Strahlachse den Wert 0, ist in der rechten Halbebene (X < 0) nach unten und in der linken Halbebene (X < 0) nach oben gerichtet, so daß alle Elektronen, die sich nicht auf der Y-Achse befinden, von der Strahlachse weg ab gelenkt werden. Das Ergebnis ist ein abgeflachter Strahl, der in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie 12 angedeutet wird. Der Abstand zwischen benachbarten Polen längs der X-Achse ist klein im Vergleich zum Abstand zwischen gegenüberliegenden Polen längs der Y-Achse, so daß das Magnetfeld praktisch keine Kom ponenten längs der X-Achse aufweist. Aus diesem Grund wird der Strahl längs der Y-Achse weder fokussiert noch defokussiert.

Durch Veränderung der Größe des Widerstandes 10 lassen sich der Strom durch die Spulen 8, 9 und damit die Stärke der strahlaufweitenden Magnetfelder variieren.

Der durch das Fenster 3 emittierte Strahl ist am Ort der Strahl achse 4 am intensivsten; die Intensität nimmt entsprechend einer Gaussverteilung zum Strahlrand hin ab. Diese Verteilung sollte durch das Linsensystem in der Weise abgeändert werden, daß der aufgeweitete Strahl mit zunehmendem Abstand von der Strahlachse intensiver wird. Nur dann kann nämlich die Kreis fläche, die durch Drehung der Querachse um die Strahlachse 4 überstrichen wird, ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Mittel eine gleichmäßige Strahlintensität empfangen. Um nun die ursprüng liche Intensitätsverteilung umzukehren, muß die Y-Komponente des Magnetfeldes mit zunehmendem X-Wert vermindert werden. Die genauen Werte dieser Funktion kann man experimentell er mitteln und durch geeignete Formung und Anordnung der vier Magnetpole darstellen.

Das Linsensystem läßt sich um die Strahlachse drehen; dies ist durch einen Pfeil 13 angedeutet. Bei einer solchen mechanischen Drehung rotiert die Querachse um den Strahl, so daß der aufgeweitete Strahl nach einer halben Periode die gesamte Kreisfläche überstrichen hat.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel ohne mechanisch bewegte Teile. In diesem Fall wird ein Linsensystem 14 aus drei Magnetlinsen gebildet. Jede Linse ist, ähnlich den Linsen des ersten Ausführungsbeispiels, aus zwei gegenüberliegenden Hufeisenmagneten 15, 16, 17, 18, 19, 20, die jeweils von einer Spule 21, 22, 23, 24, 25, 26 umwickelt sind, aufgebaut. Alle drei Linsen sind wiederum in einer X-Y-Ebene senkrecht zur Strahlachse angeordnet, wobei aufeinanderfolgende Linsen um 120° gegen einander versetzt sind. Die Enden der beiden Spulen jeder Linse sind, zueinander parallel, auf jeweils einen von drei An schlüssen U, V und W einer herkömmlichen Drei-Phasen-Stromquelle geführt (Fig. 4).

Im Betrieb der Anordnung erzeugt das Linsensystem im Bereich des Strahles eine Feldkonfiguration mit ausgeprägten Tangential komponenten senkrecht zur Strahlachse 4. Diese Komponenten weiten den Strahl hauptsächlich längs einer Querachse auf, und diese Achse bewegt sich um die Strahlachse mit einer Frequenz, die durch die Stromquelle festgelegt ist. Nach jedem Drittel einer Periode wird das gleiche Feldmuster, verdreht um 120° um die Strahlachse, aufgebaut.

Wenn man die Magnetpole in Abhängigkeit von der Energie, dem Profil und dem Durchmesser des Elektronenstrahles sowie der Frequenz des Wechselstromes gestaltet und anordnet, lassen sich sogar relativ große Kreisflächen gleichmäßig bestrahlen. Die Zeit zum Überstreichen des gesamten Feldes beträgt dabei weniger als eine Sekunde. Der Durchmesser des Behandlungsfeldes läßt sich durch Variation der Amplitude des Wechselstromes verändern. Darüber hinaus kann man sogar irreguläre Felder einfach dadurch erzeugen, daß man von der Seite strahlabsor bierende Platten in den Strahl einschiebt.

Die Erfindung ist nicht nur auf die dargestellten Ausführungs beispiele beschränkt. So könnte man beispielsweise den Flach strahl durch elektrische statt magnetische Felder erzeugen oder, falls das Linsensystem mit individuell nach einer be stimmten Funktion aktivierten Linsen betrieben wird, Aktivie rungsimpulse anlegen, die sich bei aufeinanderfolgenden Linsen nicht überlappen. Darüber hinaus ließe sich der Strahl derart aufweiten, daß er mit zunehmendem Abstand von der Strahlachse breiter statt intensiver wird. Schließlich wäre es in einigen Anwendungsfällen günstiger, den Punktstrahl in eine statt zwei Richtungen längs der Querachse aufzuweiten oder zunächst eine Hälfte des Strahles in eine Richtung und an schließend die andere Strahlhälfte in die entgegengesetzte Richtung aufzuspreizen.

Claims

1. Verfahren zur Bestrahlung einer relativ großen Fläche mit einem Strahl aus geladenen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zunächst der Teilchenstrahl mit einem relativ kleinen Durchmesser erzeugt wird;
b) dieser Strahl längs einer Strahlachse geführt wird;
c) dann der Teilchenstrahl längs einer Querachse, die senkrecht zur Strahlachse verläuft, aufgeweitet wird und
d) schließlich die Querachse um die Strahlachse mit einer vorgegebenen Kreisfrequenz gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Teilchenstrahl mit einer Inten sitätsverteilung erzeugt wird, die mit zunehmendem Abstand von der Strahlachse abnimmt, und dadurch aufgeweitet wird, daß auf die geladenen Teilchen eine Ablenkkraft ausgeübt wird, die mit zunehmendem Abstand von der Strahlachse abnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ablenkkraft derart abnimmt, daß die Intensität im aufgeweiteten Teilchenstrahl mit zunehmendem Ab stand von der Strahlachse zunimmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenstrahl in einer Vakuumkammer erzeugt und durch ein Fenster in der Vakuumkammer geführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

a) eine Quelle zur Erzeugung eines Strahles (2) aus geladenen Teilchen mit einem relativ kleinen Querschnitt;
b) ein Führungssystem, das den Teilchenstrahl längs einer Strahlachse (4) führt;
c) ein Linsensystem (5), das den Teilchenstrahl (2) längs einer zur Strahlachse (4) senkrecht verlaufenden Querachse (X) aufweitet; und
d) einen Rotator, der die Querachse (X) mit einer vorgegebenen Kreisfrequenz um die Strahlachse (4) dreht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Linsensystem (5) derart geformt ist, daß es auf die geladenen Teilchen eine Kraft ausübt, die mit zunehmendem Abstand der der Strahlachse (4) abnimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (5) wenigstens eine elektrische Linse enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (5) wenigstens eine magnetische Linse enthält.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß sie einen strahldefinierenden Kopf enthält, der den längs der Strahl achse (4) geführten Teilchenstrahl (2) aufnimmt, und daß der Rotator einen das Linsensystem (5) tragenden Rahmen aufweist und um die Strahlachse (4) drehbar am strahldefinierenden Kopf angebracht ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, ge kennzeichnet durch ein Linsensystem (5) enthaltend

e) drei Linsen (15 bis 20), die jeweils eine Kraft auf die geladenen Teilchen ausüben, welche den Teilchenstrahl (2) längs einer linsenspezifischen Achse aufzuweiten sucht, wo bei sich die linsenspezifischen Achsen in einer Ebene (XY) senkrecht zur Strahlachse (4) erstrecken und um 120° gegen einander versetzt sind, sowie
f) eine Einrichtung zur Modulation der Aufweitkraft einer Linse nach einer periodischen Funktion, die die vorgegebene Kreis frequenz hat und bei aufeinanderfolgenen Linsen um 120° phasenverschoben ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Linsen (15 bis 20) magnetische Quadropollinsen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß jede magnetische Quadropollinse jeweils aus zwei mit einer Spule (21 bis 26) umwickelten Huf eisenmagnete (15 bis 20) besteht, daß die Modulationseinrich tung eine Drei-Phasen-Stromquelle mit drei Anschlüssen (U, V, W) aufweist und daß die Spulen (21 bis 26) in einer Delta-Schal tung mit diesen Anschlüssen verbunden sind, wobei die beiden Spulen (21, 22; 23, 24; 25, 26) einer jeden magnetischen Quadro pollinse zueinander parallel geschaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, ge kennzeichnet durch eine Vakuumkammer, die die Teilchenstromquelle enthält sowie ein stromaufwärts vom Linsen system (5) angeordnetes Fenster (3) aufweist, das von dem Teilchenstrahl (2) durchsetzt wird.