DE60023864T2

DE60023864T2 - Abtastung mit einem ionenoptiksystem

Info

Publication number: DE60023864T2
Application number: DE60023864T
Authority: DE
Inventors: Alexeiy Dolinskii; Bernhard Franczak; Marius Pavlovic
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-04-04
Also published as: EP1041579A1; EP1166280A1; ES2248060T3; JP4523723B2; ATE309609T1; WO2000060611A1; EP1166280B1; DE60023864D1; US6476403B1; JP2002541464A

Description

Die vorliegende Anmeldung und die damit in Beziehung stehende frühere Anmeldung EP 990106657 (EP-A-1041579), die dasselbe Prioritätsdatum 01.04.1999 aufweist, betrifft eine Gantry mit einem ionenoptischen System gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein solches ionenoptisches System für eine Gantry umfaßt einen ersten Biegemagneten mit einem Biegungswinkel, wie aus US-4,870,287 bekannt, von 90° zur Biegung eines Protonenstrahls von einer Rotationsachse des Gantrys weg. Ferner biegt ein zweiter Biegemagnet mit einem Biegungswinkel, der zum Biegungswinkel des ersten Biegemagneten identisch ist, den Ionenstrahl parallel zur Achse der Gantry. Schließlich biegt ein dritter Biegemagnet mit einem Biegungswinkel von 90° gemäß des oben erwähnten Stands der Technik den Ionenstrahl zum Schnittpunkt des Ionenstrahls mit der Rotationsachse der Gantry hin. Dieser Schnittpunkt wird als Isozentrum bezeichnet.
Aus US-4,870,287 ist ferner bekannt, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Biegemagneten zwei Quadrupolmagnete angeordnet sind. Außerdem sind zwischen den zweiten und den dritten Biegemagneten zwei andere Quadrupolmagnete angeordnet. Der Nachteil einer solchen Gantry ist jedoch, daß wenn ein unsymmetrischer Ionenstrahl in den Gantry-Eingang von einer festen Übertragungsstrecke eingeleitet wird, der Strahltransport in einer solchen Gantry, die nur vier Quadrupole aufweist, vom Gantry-Rotationswinkel abhängig wird, wobei unter dem unsymmetrischen Strahl ein Strahl verstanden wird, der in den vertikalen und horizontalen Ebenen unterschiedliche Emittanzen aufweist.
Theoretische Untersuchungen von medizinischen Synchrotronen als auch die Messungen an bestehenden Anlagen haben gezeigt, daß die langsam entnommenen Strahlen die oben erwähnten unterschiedlichen Emittanzen in den horizontalen und vertikalen Ebenen aufweisen. Dies kompliziert die Anpassungen der festen Übertragungsstrecke an die sich drehende Gantry. Die Eingangsstrahlparameter in den horizontalen und vertikalen Ebenen der Gantry werden eine Funktion des Gantry-Rotationswinkels, und diese Abhängigkeit wird, wenn nicht spezielle Vorkehrungen getroffen werden, auch in die Strahlparameter des Gantry-Ausgangs übertragen.
Um diese Nachteile zu überwinden, wurde ein spezieller Anpassungsabschnitt, der als „Rotator" bezeichnet wird, der zusätzlich zu den Quadrupolmagneten in der Gantry mehrere andere Quadrupolmagnete umfaßt, durch M. Benedikt und C. Carli, „Matching to gantries for medical synchrotrons", Particle Accelerator Conference PAC '97, Vancouver 1997 vorgeschlagen. Der Rotator ist strahlaufwärts des Gantrys innerhalb der festen Übertragungsstrecke angeordnet.
Der Rotator stellt ein universelles Verfahren bereit, das es ermöglicht, die sich drehenden Gantries an die festen Transportstrecken anzupassen, ohne irgendwelche spezifischen ionenoptischen Randbedingungen auf die Gantries anzuwenden. Andererseits nimmt er etwa 10 m zusätzliche Länge der Übertragungsstrecke ein, was ein Nachteil für die Gestaltung von äußerst kompakten medizinischen Beschleunigerkomplexen ist, die zu den Krankenhäusern passen.
Zusätzlich muß der gesamte Rotator synchron mit der Gantry gedreht werden, was eine zusätzliche Ausstattung für eine äußerste genaue mechanische Rotation erfordert.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Platz und Kosten zu sparen und einen solchen Rotator zu vermeiden, so daß ein von der Gantry-Rotation unabhängiger Transport von unsymmetrischen Ionenstrahlen möglich ist. Folglich sollten die ionenoptischen Einstellungen die Strahlparameter am Gantry-Ausgang vom Gantry-Rotationswinkel unabhängig machen, selbst wenn der Strahl in die Gantry in den horizontalen und vertikalen Ebenen mit einer unterschiedlichen Emittanz eintritt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind in die abhängigen Ansprüche eingeschlossen, die vom Anspruch 1 abhängen.
Daher weist die Gantry mit einem ionenoptischen System ferner auf:

– einen horizontalen Ablenkmagneten, der strahlaufwärts vom dritten Biegemagneten zur horizontalen Ablenkung des Ionenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung angeordnet ist;
– einen vertikalen Ablenkmagneten, der strahlaufwärts vom dritten Biegemagneten zur vertikalen Ablenkung des Ionenstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung angeordnet ist,
– mindestens sechs Quadrupolmagnete mit einstellbarer Erregung, die strahlabwärts vom ersten Biegemagneten und strahlaufwärts von den Ablenkmagneten angeordnet sind, wobei die Quadrupolmagnete bereitstellen:
– eine vollständig achromatischen Strahltransport vom Gantry-Eingang zum Isozentrum;
– eine Steuerung der Größe des Ionenstrahls im Isozentrum gemäß eines vordefinierten Strahlgrößenmusters; und
– die Größe des Ionenstrahls im Isozentrum und die Fleckform des Ionenstrahls im Isozentrum, die vom Gantry-Rotationswinkel unabhängig ist, wobei die Gantry auf jeden Winkel zwi schen 0° und 360° bezüglich einer festen Strahltransportstrecke gedreht werden kann, die einen Beschleuniger mit der Gantry verbindet, und wobei der Ionenstrahl, der von der festen Strahltransportstrecke kommt und in die Gantry eintritt, in den horizontalen und vertikalen Ebenen der festen Strahltransportstrecke unterschiedliche Emittanzen aufweist.

Es ist eine wohlbekannte Tatsache, daß Strahlen von Ionen (typischerweise 1 ð Z ð 8) günstige physikalische und biologische Eigenschaften für ihre Anwendung in der Krebstherapie aufweisen. Die geeignetste Strahlabgabetechnik insbesondere für Ionen, die schwerer als Protonen sind, ist eine sogenannte aktive Strahlablenkung, die eine Energievariation aus dem Beschleuniger und eine laterale, intensitätsgesteuerte Rasterablenkung gemäß des kennzeichnenden Abschnitts des Anspruchs 1 umfaßt. Im Gegensatz zu einer passiven Strahlabgabe bezwecken aktive Ablenksysteme, einen dünnen, stiftförmigen Strahl mit einer variablen Fleckgröße auf den Patienten abzugeben und ihn über den Behandlungsbereich abzulenken.
Die Bildung und Erhaltung des stiftförmigen Strahls durch das Strahltransportsystem ist in diesem Fall von ausschlaggebender Bedeutung für das ionenoptische System der Gantry. Die Dosis-Target-Konformität kann weiter optimiert werden, wenn der Strahl in den Patienten von jeder Richtung eintreten kann. Diese Aufgabe wird durch eine Gantry erfüllt, das bezüglich des Raumkoordinatensystems um die horizontale Achse gedreht wird. Die Kombination der Stiftstrahlablenkung mit einer rotierenden Gantry bringt spezielle zusätzliche ionenoptische Probleme mit sich.
Der Strahl wird am Ausgang der Übertragungsstrecke, am Eingang der Gantry und am Gantry-Isozentrum durch seine Sigma-Matrizen σ(0), σ(1) bzw. σ(2) beschrieben, wobei die Sigma-Matrizen im allgemeinen eine Form aufweisen:
wobei i = 0, 1, 2 und die einzelnen Matrix-Terme ihre übliche Bedeutung haben. Die Sigma-Matrix ist eine reelle, positiv definite und symmetrische Matrix. Die Quadratwurzeln der diagonalen Terme der Sigma-Matrix sind ein Maß der Strahlgröße in x-, x'-, y- und y'-Koordinaten, wobei [x, x', y, y'] ein vierdimensionaler Phasenraum ist, in dem der Strahl ein Volumen innerhalb eines vierdimensionalen Ellipsoids einnimmt, das durch die Sigma-Matrix gekennzeichnet ist. Die nichtdiagonalen Terme bestimmen die Orientierung des Ellipsoids im Phasenraum. Am Ausgang der Übertragungsstrecke wird ein sogenannter ungekoppelter Strahl erwartet, d.h. es gibt keine Korrelation zwischen den beiden transversalen Phasenräumen [x, x'] und [y, y']. In einem solchen Fall verschwinden die Elemente der Sigma-Matrixkopplung der horizontalen und vertikalen Phase. Berücksichtigt man diese Eigenschaften, kann die Sigma-Matrix des Strahls am Ausgang des Übertragungsstrecke in einer vereinfachten Form geschrieben werden:
Wenn die Gantry bezüglich der festen Übertragungsstrecke um einen Winkel α gedreht wird, wird die Sigma-Matrix des Strahls am Gantry-Eingang σ(1) durch die Transformation gegeben: σ(1) = Mα·σ(0)·Mα T (3)wobei M_αT eine transponierte Matrix von M_α ist, die die Rotation des Koordinatensystems um einen Winkel α beschreibt und eine Form aufweist
Das Strahltransportsystem der Gantry wird durch ihre Transfermatrix M_GAN gekennzeichnet:
Die Transfermatrix M_GAN muß eine Bedingung detM_GAN = 1 (6) erfüllen. Es wird in Gl. (5) schon vorausgesetzt, daß es keine Kopplung zwischen den horizontalen und vertikalen Ebenen in der Gantry-Optik selbst gibt. Die entsprechenden Terme sind auf null gesetzt worden. Zusätzlich wird vorausgesetzt, daß das Strahltransportsystem der Gantry im Gantry-Isozentrum achromatisch ist. (D_ISO = 0, D'_ISO = 0 (7,8), wobei D_ISO die Dispersionsfunktion am Gantry-Isozentrum ist), was es ermöglicht, die Transfermatrix M_GAN in einer 4 × 4-Form ohne die Terme zu schreiben, die die Dispersionsfunktion betreffen. Die Sigma-Matrix des Strahls am Gantry-Isozentrum σ(2) ist durch die Beziehung gegeben: σ(2) = MGAN·σ(1)·MGAN T (9)
Der achromatische Strahltransport in der Gantry muß auch vom Gantry-Rotationswinkel unabhängig sein. Dies kann erreicht werden, wenn die Dispersionsfunktion und ihre Ableitung am Gantry-Eingang auf null gesetzt werden. Dies überträgt sich auf die ionenoptischen Randbedingungen der Übertragungsstrecke, so daß ein dispersionsfreier Bereich an ihrem Ausgang gebildet wird.
Nicht alle Strahlparameter am Gantry-Isozentrum müssen vom Winkel der Gantry-Rotation unabhängig sein. Zur Tumorbestrahlung reicht es aus, eine Winkelunabhängigkeit für die Strahlgröße in beiden transversalen Ebenen und für die Form des Strahlflecks zu erzielen. Es wird ein runder Strahlfleck benötigt. In der Sigma-Matrix-Formalismussprache, können diese Anforderungen geschrieben werden als: σ(2)11 = σ(2)33|f(α) UND σ(2)13 = 0|f(α) (10)
Zusätzlich muß die Strahlgröße von 4 bis 10 mm Durchmesser einstellbar sein.
Nach der Auflistung der Grundvoraussetzungen können wir damit fortfahren, eine Abhängigkeit der Strahlparameter am Gantry-Isozentrum vom Gantry-Rotationswinkel zu untersuchen. Es ist praktisch, die Gleichungen (3) und (9) zu kombinieren, um die Gesamttransformation vom Ausgang der Übertragungsstrecke zum Gantry-Isozentrum auszudrücken. σ(2) = MGAN·σ(1)·MGAN T = MGAN·Mα·σ(0)·Mα T·MGAN T = MOVER·σ(0)·MOVERT (11) wobei M_OVER die Gesamttransfermatrix vom Ausgang der Übertragungsstrecke zum Gantry-Isozentrum ist, die gegeben ist durch eine Beziehung: MOVER = MGAN·Mα (12)
Da die Matrix M_α die Terme enthält, die vom Gantry-Rotationswinkel α abhängen (siehe Gl. (4)), „durchdringen" diese Terme auch die Sigma-Matrix des Strahls im Gantry-Isozentrum σ(2) durch die Transformation (11). Man erhält durch Ausführen der Matrixmultiplikation (11): σ(2)11 = r211·[σ(0)11cos2α + σ(0)33sin2α] + 2r11r12σ(0)12cos2α + r212[σ(0)22cos2α + σ(0)44sin2α] + 2r11r12σ(0)34sin2α (13)
Es ist von Interesse festzustellen, daß das Eliminieren der α-enthaltenden Terme in Gl. (13) möglich ist und daß es sogar mehrere Arten gibt, dies zu tun. Gleichung (13) wird: σ(2)11 = r212·σ(0)22|f(α), wenn r11 = 0 UND σ(0)22 = σ(0)44 (14)oder σ(2)11 = r211·σ(0)11|f(α), wenn r12 = 0 UND σ(0)11 = σ(0)33 (15)
Ein identischer Satz von Randbedingungen kann in der vertikalen Ebene der Gantry erhalten werden: {r33 = 0 UND σ(0)22 = σ(0)44} ODER {r34 = 0 UND σ(0)11 = σ(0)33} (16)
Der xy-Korrelationsterm σ(2)₁₃ wird: σ(2)13 = sinαcosα·[r11r33(σ(0)33 – σ(0)11) + r11r34(σ(0)34 – σ(0)12) + r12r34(σ(0)44 – σ(0)22) + r12r33(σ(0)34 – σ(0)12)] (17)
Die Bedingung σ(2)₁₃ = 0|f(α) ist erfüllt, wenn die folgenden Randbedingungen erfüllt sind:
r₁₁ = 0 UND r₃₃ = 0 UND σ(0)₂₂ = σ(0)₄₄} ODER
{r₁₂ = 0 UND r₃₄ = 0 UND σ(0)₁₁ = σ(0)₃₃}
Die logischen Beziehungen zwischen den obigen ionenoptischen Randbedingungen werden in Tab. 1 skiziert.
Bevorzugte Ausführungsformen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Layout einer Gantry.
2 ist ein Diagramm von Strahleinhüllenden in der Gantry für zwei wichtige Gantry-Positionen.
3 ist ein Diagramm von Strahleinhüllenden in der Gantry als Funktion des Winkels der Gantry-Rotation.
4 ist eine Darstellung der Wirkung der Ablenkmagnete. Der obigen Matrixanalyse folgten Computersimulationen. Die Randbedingungen wurden auf eine isozentrische normalleitende Gantry angewendet. Ihr Layout wird in 1 gezeigt, wobei die Bezugsziffern 20–27 Quadrupolmagnete bezeichnen, 1 und 2 42°- Biegemagnete als einen ersten bzw. zweiten Biegemagnet bezeichnen, 3 einen 90°-Biegemagnet als einen dritten Biegemagnet bezeichnet, 4 einen Ionenstrahl bezeichnet, 7 eine Rotationsachse der Gantry 5 bezeichnet, 10 ein Isozentrum bezeichnet, 30 den Gantry-Eingang bezeichnet, und 6 den Schnittpunkt des Ionenstrahls 4 und der Achse 7 am Isozentrum 10 bezeichnet, 11 einen horizontalen Ablenker bezeichnet, 12 einen vertikalen Ablenker bezeichnet, 13 eine Rotation der Eingangs polfläche 15 von 30° bezeichnet und 14 eine Rotation der Ausgangspolfläche 16 von 21° bezeichnet.
Die Eingangsstrahlemittanzen werden in den beiden transversalen Ebenen als ε_x = 5π mm·mrad und ε_y = 1π mm·mrad vorausgesetzt, Impulsstreuung Δp/p = 0,2%. Die Simulationen zeigen, daß sie die erforderlichen ionenoptischen Randbedingungen erfüllt und sie eine zufriedenstellende Strahlfokussierung für einen Eingangsstrahl mit einer kleinen Divergenz erzielt, wobei die Bedingung σ(0)₂₂ = σ(0)₄₄ erfüllt wird (die linke Spalte in Tab. 1). Die 2a und 2b zeigen die Strahleinhüllenden 40 und 41 in der Gantry 5 für zwei wichtige Gantry-Positionen, die sich durch den Gantry-Rotationswinkel von 90° unterscheiden.
2a) ist eine Situation, wenn die Gantry den Strahl mit der minimalen Emittanz in ihrer horizontalen Ebene transportiert. 2b) ist eine Situation, wenn die Gantry den Strahl mit der minimalen Emittanz in ihrer vertikalen Ebene transportiert. Die Bezugsziffern 20–27 bezeichnen Quadrupole, 1 und 2 bezeichnen 42°-Biegemagnete, 3 bezeichnet einen 90°-Biegemagneten, die obere Strahleinhüllende 40 bezeichnet eine horizontale Ebene der Gantry 5 und die untere Strahleinhüllende 41 bezeichnet eine vertikale Ebene der Gantry, und die gestrichelte Linie 42 bezeichnet eine Dispersionsfunktion.
In einer Position transportiert die horizontale Ebene der Gantry 5 den Strahl 4 mit der maximalen Emittanz, in der anderen Position transportiert die horizontale Ebene der Gantry 5 den Strahl 4 mit der minimalen Emittanz.
Um die Winkelunabhängigkeit des Strahltransports zu demonstrieren, zeigt die nächste 3 in einer graphischen Darstellung alle Strahleinhüllenden zwischen diesen beiden Gantry- Positionen bei einer 10°-Zunahme des Winkels der Gantry-Rotation. Die graphischen Darstellungen werden für einen Ausgangsstrahl von 4 mm (3a) und einen Ausgangsstrahl von 10 mm (3b) gezeigt, ε_x/ε_y = 5. Die ionenoptischen Einstellungen der Gantry, die 3 entsprechen, sind in Tab. 2 aufgelistet. Die Bezugszeichen bezeichnen dieselben Einzelheiten wie in 2a und 2b. Um die Auflösung der graphischen Darstellung zu erhöhen, ist die Apertur des dritten Biegemagneten 3 nicht maßstabsgerecht angegeben.
Die Strahlgrößensteuerung geschieht ausschließlich durch die Gantry-Optik, ohne die Übertragungsstrecke in diese Aufgabe einzubeziehen. Das bedeutet, daß die Übertragungsstrecke an ihrem Ausgang immer einen Strahl bildet, der dieselben Ausgangsparametern aufweist, unabhängig von der Strahlgröße, die am Gantry-Isozentrum 10 benötigt wird. Es werden unterschiedliche Einstellungen der Gantry-Quadrupole 22–27 angewendet, um die Strahlgröße am Isozentrum 10 zu steuern. Außer zwei Extrembeispielen, die in 3 gezeigt werden, wurden die Simulationen für alle Strahldurchmesser von 4 bis 10 mm in Schritten von 1 mm durchgeführt.
4 veranschaulicht die Wirkung der Ablenkmagnete 11 und 12. Die Ablenkmagnete 11 und 12 sind strahlaufwärts vom dritten Biegemagneten 3, jedoch strahlabwärts von der letzten Quadrupollinse 27 angeordnet. Es wurde festgestellt, daß diese Position vom ionenoptischen Standpunkt das Optimum ist. Die Kantenfokussierung der Eingangs- und Ausgangspolflächen 15, 16 des dritten Gantry-Magneten 3 wird verwendet, um nahezu die parallele Ablenkbetriebsart zu erzielen. Die Abweichung von der idealen parallelen Ablenkung beträgt 0,2° bei der maximalen Strahlverschiebung von 10 cm. Das Ablenkfeld beträgt 20 × 20 cm². Die Eingangs- und Ausgangspolflächen-Drehwinkel 13, 14 (die in 1 gezeigt werden) betragen 30° bzw. 21°. Der obere Teil der 4 stellt die horizontale Ebene 111 und die Strahlablenkung 50 dar, die durch die Horizontalablenkung 11 bewirkt wird, die im Biegebereich des dritten Biegemagneten 3 gezeigt wird. Der untere Teil der 4 stellt die vertikale Ebene 112 und die Strahlablenkung 60 dar, die durch die Vertikalablenkung 12 bewirkt wird, die im Biegebereich des dritten Biegemagneten 3 gezeigt wird.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung können nur mit einer Gantry verwendet werden, die imstande ist, die erforderlichen ionenoptischen Randbedingungen zu erfüllen, die in Tab. 1 aufgeführt sind. Eine solche Gantry muß eine geeignete Anzahl von variablen Elementen aufweisen, erfindungsgemäß mindestens sechs Quadrupolmagnete mit einer einstellbaren Erregung. Insgesamt unterstützt die vorliegende Erfindung sechs ionenoptische Randbedingungen: zwei für einen achromatischen Strahltransport, zwei zum Erhalten der Rotationsunabhängigkeit und zwei zur Steuerung der Strahlgröße. Das bedeutet, daß die minimale Anzahl der Quadrupole erfindungsgemäß sechs beträgt. Wie aus Tab. 2 zu entnehmen ist, weist eine bevorzugte Ausführungsform acht Quadrupole auf, die verglichen mit dem Minimum eine gewisse Redundanz mit sich bringen. Jedoch ist diese Redundanz für eine realistische Gestaltung eines Systems vorteilhaft, in denen die Variablen nicht auf beliebige Werte eingestellt werden können. Die magnetische Flußdichte an den Quadrupolpolspitzen ist physikalisch begrenzt (die Grenze wurde in der bevorzugten Ausführungsform auf 0,8 T festgelegt), ebenso wie die Strahleinhüllenden in der Gantry in einer solchen Weise gesteuert werden sollten, daß die Apertur der Strahltransportelemente so klein wie möglich bleibt. Ferner kann die Redundanz verwendet werden, um die Fehlerempfindlichkeit des Strahltransportsystems zu minimieren.
Man beachte, daß die Beseitigung der den Gantry-Drehwinkel enthaltenden Terme aus den Strahlparametern am Gantry-Isozentrum durch Setzen der richtigen Terme der Gantry- Transfermatrix für alle Emittanzdifferenzen in den beiden transversalen Ebenen gültig ist. Tatsächlich hängt sie überhaupt nicht vom ε_x/ε_y-Verhältnis ab. Die Berechnungen wurden für ε_x/ε_y = 5 und ε_x/ε_y = 10 durchgeführt, was mehr als die gemessenen Werte ist, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Jedoch kann man für extrem große Emittanzverhältnisse auf Probleme stoßen, die gleichen Strahlfleckgrößen im Isozentrum zu erhalten, die Strahleinhüllenden innerhalb der Gantry innerhalb einer vernünftigen Apertur zu halten oder einen geeigneten Strahl am Koppelpunkt zu formen. Diese Probleme treten bei ε_x/ε_y > 15 auf.
Es ist außerdem eine interessante Tatsache der vorliegenden Erfindung, daß nur zwei weitere ionenoptische Randbedingungen, nämlich r₁₁ = r₃₃ = 0 oder r₁₂ = r₃₄ = 0 zu dem Satz der Gantry-Randbedingungen hinzugefügt werden müssen, um den rotationsunabhängigen Strahltransport zu erzielen. Die anderen Randbedingungen zum achromatischen Strahltransport und zur Strahlgrößensteuerung müssen ohnehin erfüllt werden.
Es wird vorausgesetzt, daß die Biegemagnete ein Feld von bis zu 2 T verwenden. Jedoch könnte es machbar sein, das Feld auf 1,8 T hinab zu reduzieren, um einige mit der Sättigung in Beziehung stehende dynamische Effekte während des Hochfahrens der Magnete zu vermeiden. Jedoch hat diese Änderung keinen Einfluß auf das Konzept des rotationsunabhängigen Strahltransports der vorliegenden Erfindung.
Es ist sicher möglich, eine Gantry 5 in einer Betriebsart zu betreiben, wenn die Gantry-Einstellung eine Funktion des Winkels der Gantry-Rotation ist. Eine solche Betriebsart würde jedoch einen großen Datensatz erfordern, der alle Einstellungen als eine Funktion der Strahlgröße und zusätzlich dazu als eine Funktion des Winkels der Gantry-Rotation speichert. Es gibt außerdem eine Notwendigkeit, unterschiedliche Einstel lungen als Funktion der Strahlenergie und Teilchenart zu erhalten. Es ist daher ein bedeutender Vorteil, die Abhängigkeit vom Gantry-Rotationswinkel zu beseitigen, was die Datenmenge um ungefähr einen Faktor von 100 reduziert (90° – ein Quadrant der Gantry- Rotation, 1° Winkelauflösung der Gantry-Position)
Tabelle 1
Eine Zusammenfassung und logische Beziehungen zwischen den ionenoptischen Randbedingungen, die zum von der Gantry-Rotation unabhängigen Strahltransport von unsymmetrischen Strahlen führen, werden in Tab. 1 gezeigt. Es werden zwei mögliche Sätze von ionenoptischen Randbedingungen durch zwei Spalten in Tab. 1 dargestellt. Es wird ein logisches „ODER" zwischen diesen beiden Spalten angewendet, während zwischen den Randbedingungen innerhalb einer gegebenen Spalte ein logisches „UND" gilt.
Tabelle 2
Die Gantry-Einstellungen, die dem rotationsunabhängigen Strahltransport entsprechen, der in 3 gezeigt wird, werden in Tabelle 2 aufgelistet. Es werden die folgenden Abkürzungen verwendet: L_eff = effektive Länge des Quadrupols, Ap = Radius der Quadrupolapertur, B = magnetische Flußdichte an der Quadrupol-Polspitze („-" für die vertikalen Fokussierung), B_BEND = magnetische Flußdichte des Dipolmagnetes, IR = Eingangspolflächendrehwinkel, ER = Ausgangspolflächendrehwinkel, d = Driftlänge. Alle Biegemagnete werden ohne den Feldgradienten angegeben. d.h. N = 0.

Claims

Gantry mit einem ionenoptischen System mit folgenden Merkmalen: – einem ersten Ablenkmagnet (1) mit einem Ablenkwinkel im Bereich von 40° bis 45°, zum Auslenken eines Ionenstrahls (4) aus einer Rotationsachse (7) des Gantry; – einem zweiten Ablenkmagnet (2) mit einem Ablenkwinkel, der identisch zu dem Ablenkwinkel des ersten Ablenkmagnets (1) ist, zum Lenken des Ionenstrahls (4) in eine Richtung parallel zu der Rotationsachse (7) des Gantry (5); – einem dritten Ablenkmagnet (3) mit einem Ablenkwinkel im Bereich von 45° bis 90°, zum Lenken des Ionenstrahls (4) zu einem Schnittpunkt (6) des Ionenstrahls (4) mit der Rotationsachse (7) des Gantry (5), wobei der Schnittpunkt (6) als Isozentrum (10) bezeichnet wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Gantry ferner aufweist: – einen horizontalen Scannermagnet (11), der in Strahlrichtung vor dem dritten Ablenkmagnet (3) angeordnet ist, zum Schwenken des Ionenstrahls (4) horizontal in einer Ebene senkrecht zu der Strahlrichtung; – einen vertikalen Scannermagnet (12), der in Strahlrichtung vor dem dritten Ablenkmagnet (3) angeordnet ist, zum Schwenken des Ionenstrahls (4) vertikal in einer Ebene senkrecht zu der Strahlrichtung; – mindestens sechs Quadrupolmagnete (22–27) mit einstellbarer Erregung, die in Stahlrichtung nach dem ersten Ablenkmagnet (1) und vor den Scannermagneten (11, 12) angeordnet sind, wobei diese mindestens sechs Quadrupolmagnete zwei Quadrupolmagnete zur Erzielung einer Rotationsunabhängigkeit selbst bei einer unsymmetrischen Emittanz des Ionenstrahls zum Gantry-Eingang, zwei Quadrupolmagnete zur Steuerung der Strahlgröße und zwei Quadrupolmagnete für ei nen achromatischen Strahltransport umfassen, wobei die einstellbaren Quadrupolmagnete folgende Eigenschaften erzeugen: – einen vollständig achromatischen Strahltransport vom Gantry-Eingang (30) zum Isozentrum (10); – eine Steuerung der Größe des Ionenstrahls (4) im Isozentrum (10) entsprechend einem vorbestimmten Strahlgröße-Muster; und – eine Größe des Ionenstrahls (4) im Isozentrum (10) und eine Gestalt des Flecks des Ionenstrahls (4) im Isozentrum (10), die vom Rotationswinkel des Gantry (5) unabhängig sind, wobei das Gantry (5) mit Bezug zu einer feststehenden Strahlübertragungseinrichtung, die einen Beschleuniger mit dem Gantry (5) verbindet, um einen Winkel zwischen 0° und 360° rotiert werden kann, und wobei der Ionenstrahl (4), der aus der feststehenden Strahlübertragungseinrichtung kommt und in das Gantry (5) eintritt, in der horizontalen und in der vertikalen Ebene der feststehenden Strahlübertragungseinrichtung unterschiedliche Emittanzen aufweist.
Gantry nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Transport-Steifigkeit des Ionenstrahls (4) für die einstellbare Erregung mindestens von 1.1 Tm bis 6.6 Tm (Tesla·Meter) reicht.
Gantry nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei zusätzliche Quadrupolmagnete (20, 21) in Strahlrichtung vor dem ersten Ablenkmagnet (1) angeordnet sind, um die Fehlerempfindlichkeit des Strahltransportsystems zu minimieren.