DE69737270T2

DE69737270T2 - Vorrichtung zum Bestrahlen mit geladenen Teilchen

Info

Publication number: DE69737270T2
Application number: DE69737270T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hiramoto; Hiroshi Akiyama; Koji 2-chome Hitachi-shi Matsuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2017-08-22
Also published as: EP1378266A1; EP1378265A1; EP1378265B1; US6316776B1; DE69729151T2; EP0826394A2; US5969367A; DE69737270D1; EP0826394A3; DE69729151D1; EP0826394B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Eine Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach dem bisherigen Stand der Technik ist in JP-A-5-40479 (1993) beschrieben. Der Stand der Technik wird anhand von 1 erläutert.
In 1 verläuft der geladene Teilchenstrahl in der Richtung Z. Wenn ein Sinuswellenstrom mit einer um 90 Grad gegeneinander verschobenen Phase an den Scan-Elektromagnet 80 für die Ablenkung in X-Richtung bzw. den Scan-Elektromagnet 81 für die Ablenkung in Y-Richtung angelegt wird, wird der geladene Teilchenstrahl durch die von den jeweiligen Elektromagneten erzeugten Magnetfelder kreisförmig abgelenkt. Wird der kreisförmig abgelenkte geladene Teilchenstrahl auf einen Streuer 83 projiziert, vergrößert sich die Abmessung des geladenen Teilchenstrahls, und die Dosis in einem Bestrahlungsbereich hat die in 2 gezeigte Verteilung. Die Dosis wird gleichmäßig in dem Bereich innerhalb der Position von 2r, aber in dem Bereich außerhalb der Position von 2r nimmt die Dosis ab, wenn man sich von der mittleren Position entfernt, und wird ungleichmäßig. Daher wurde der ungleichmäßige Bestrahlungsbereich mit einem Kollimator abgeschnitten, und nur der Bestrahlungsbereich mit einer gleichmäßigen Dosis wurde zum Bestrahlen eines betroffenen Bereichs verwendet.
Das Patent JP-A-7-275381 beschreibt ein Verfahren, bei dem Elektromagnete so angesteuert werden, dass der Bestrahlungsbereich eine beliebige Form erhalten kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach dem bisherigen Stand der Technik ist jedoch der Verlust bzw. die Dämpfung des geladenen Teilchenstrahls signifikant, weil der ungleichmäßige Bestrahlungsbereich durch den Kollimator beseitigt wird. Außerdem muss, um ein großes Bestrahlungsfeld zu erhalten, die Dicke des Streuers 38 zur Vergrößerung der Abmessung des Strahls erhöht werden, und ein Problem hinsichtlich der Erhöhung des Energieverlusts des geladenen Teilchenstrahls tritt auf.
Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl, bei der der Verlust bzw. die Dämpfung des geladenen Teilchenstrahls verringert ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl zur Nutzung des geladenen Teilchenstrahls in der Krebstherapie, für die Diagnose betroffener Körperteile und für andere Zwecke.
Das Merkmal der Erfindung zur Erzielung des oben genannten Ziels besteht im Erweitern bzw. im Vergrößern der Abmessung des geladenen Teilchenstrahls mit einem Streuer, dem Schalten der Extraktion und Stoppen des geladenen Teilchenstrahls durch eine Extraktions-Schalteinrichtung, Festlegen einer Bestrahlungsposition für den geladenen Teilchenstrahl mit einem Elektromagnet und Ändern der Bestrahlungsposition oder des Bestrahlungsbereichs durch Ansteuern des Elektromagnets mit einer Steuereinheit, während der geladene Teilchenstrahl ausgeschaltet ist.
Entsprechend den vorstehend beschriebenen Merkmalen kann der ungleichmäßige Bestrahlungsbereich um ein Bestrahlungstarget herum minimiert werden, und der Verlust des geladenen Teilchenstrahls kann im Vergleich zu einer Situation, bei der der geladene Teilchenstrahl durch den Streuer vergrößert wird, um den gesamten Bereich des Bestrahlungstargets abzudecken, verringert werden, weil die Steuereinheit die Bestrahlungsposition oder den Bestrahlungsbereich ändert, während die Extraktion des geladenen Teil chenstrahls durch die Extraktions-Schalteinrichtung gestoppt ist, und danach wird das Bestrahlungstarget des geladenen Teilchenstrahls für jede der Bestrahlungspositionen oder den Bestrahlungsbereich bestrahlt.
Außerdem ist im Vergleich zu einer Situation, bei der der Streuer nicht benutzt wird, die Anzahl der Änderungen der Bestrahlungsposition gering, und die Steuerung ist einfach, weil die Abmessung des geladenen Teilchenstrahls groß ist.
Pedroni et al, Medical Physics, vol. 22, No. 1, 1995, S. 37 bis 53, offenbaren ein der vorliegenden Anmeldung ähnliches System zum Abtasten mit einem Strahlfleck („Spot"), das jedoch keinen Streuer verwendet und auch den Strahl nicht durch Unterbrechen der Extraktion abschaltet.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Änderung der Bestrahlungsposition auf der Grundlage der Abmessung des vergrößerten geladenen Teilchenstrahls mit der Steuereinheit. Ein gleichmäßiger Bestrahlungsbereich mit einer einheitlichen Bestrahlungsdosis kann durch Überlappen der geladenen Teilchenstrahlen erhalten werden, und das Bestrahlungstarget kann gleichmäßig mit dem geladenen Teilchenstrahl bestrahlt werden, weil die Bestrahlungsdosis des geladenen Teilchenstrahls, der durch den Streuer vergrößert ist, diametral mit einer in etwa Gaußschen Verteilung mit einem Zentrum an der Bestrahlungsposition verteilt ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das Festlegen eines Sollwertes für die Bestrahlungsdosis in dem Bestrahlungsbereich des Bestrahlungstargets mit einer Vorrichtung zum Festlegen des Sollwertes für die Bestrahlungsdosis, das Bestimmen der Bestrahlungsdosis des geladenen Teilchenstrahls in den jeweiligen Bestrahlungsbereichen mit einer Bestrahlungsdosis-Messeinrichtung und das Schalten der Extraktion und Stoppen des geladenen Teilchenstrahls durch eine Extraktions-Schalteinrichtung auf der Grundlage des Sollwertes für die Bestrahlungsdosis und der mit der Be strahlungsdosis-Messeinrichtung bestimmten gemessenen Bestrahlungsdosis.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Merkmal kann das Bestrahlungstarget mit einer gleichmäßigen Strahldichte bestrahlt werden, auch wenn die Strahlintensität mit der Zeit variiert, weil die Bestrahlung von der Extraktions-Schalteinrichtung fortgesetzt werden kann, bis die Bestrahlungsdosis in dem Bestrahlungsbereich den Sollwert für die Bestrahlungsdosis erreicht.
Wenn die Extraktions-Schalteinrichtung eine Hochfrequenz anlegende Vorrichtung zum Anlegen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds mit Betatron-Oszillationsfrequenzen des geladenen Teilchenstrahls, der in dem Beschleuniger für geladene Teilchen zirkuliert, an den geladenen Teilchenstrahl ist, wird die Betatron-Oszillationsamplitude des geladenen Teilchenstrahls durch das angelegte elektromagnetische Hochfrequenzfeld erhöht, wenn die Betatron-Oszillation des in dem Beschleuniger für geladene Teilchen zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls sich in einem Resonanzzustand befindet, und der geladene Teilchenstrahl wird durch Überschreiten einer Resonanzstabilitätsgrenze aus dem Beschleuniger für geladene Teilchen extrahiert. Weil der geladene Teilchenstrahl mit einer konstanten Rate extrahiert wird, wird dabei das Bestrahlungstarget mit einer einheitlichen Strahldichte mit dem geladenen Teilchenstrahl bestrahlt.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das Ändern der Energie des geladenen Teilchenstrahls mit einer Energieänderungseinrichtung, und der Bestrahlungsbereich des Bestrahlungstargets kann durch Variieren der Energie des geladenen Teilchenstrahls geändert werden, während die Bestrahlung ausgeschaltet ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Beschleuniger für geladene Teilchen mit einer Extraktions-Schalteinrichtung zum Schalten der Extraktion und Stoppen des geladenen Teilchenstrahls versehen ist, dass ein Transportsystem für einen geladenen Teilchenstrahl mit einer Transportschalteinrichtung zum Schalten des Transports und Stoppen des geladenen Teilchenstrahls versehen ist und dass die Bestrahlungsvorrichtung einen Streuer zum Vergrößern des geladenen Teilchenstrahls, einen Elektromagnet zum Festlegen der Bestrahlungsposition für den geladenen Teilchenstrahl und eine Steuereinheit zum Ändern der Bestrahlungsposition auf der Grundlage der Abmessung des vergrößerten geladenen Teilchenstrahls aufweist.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Merkmal wird das Bestrahlungstarget mit dem geladenen Teilchenstrahl durch Extrahieren des geladenen Teilchenstrahls, der in dem Beschleuniger für geladene Teilchen zirkuliert, zu der Bestrahlungsvorrichtung und durch Transportieren des geladenen Teilchenstrahls mit der Transportschalteinrichtung zu der Bestrahlungsvorrichtung bestrahlt. Die Bestrahlung des Bestrahlungstargets mit dem geladenen Teilchenstrahl wird durch Stoppen des Extrahierens des geladenen Teilchenstrahls aus dem Beschleuniger für geladene Teilchen zu der Bestrahlungsvorrichtung mit der Extraktions-Schalteinrichtung oder durch Stoppen des Transports des geladenen Teilchenstrahls durch die Transportschalteinrichtung gestoppt. Die wünschenswerte Sicherheit kann sichergestellt werden, weil das Schalten der Bestrahlung mit zwei unterschiedlichen Schalteinrichtungen erfolgen kann. Wenn die Extraktions-Schalteinrichtung oder die Transportschalteinrichtung das Extrahieren des Strahls beenden, ändert die Steuereinheit die Bestrahlungsposition auf den nächsten Punkt entsprechend der Abmessung des geladenen Teilchenstrahls, der durch den Streuer vergrößert ist, und die Bestrahlung erfolgt mit einer gleichen Dosis an jeder Bestrahlungsposition, der geladene Teilchenstrahl überlappt teilweise, um einen Bestrahlungsbereich mit einer einheitlichen Bestrahlungsdosis zu bilden, und das Bestrahlungstarget kann gleichmäßig mit dem geladenen Teilchenstrahl bestrahlt werden, weil die Bestrahlungsdosis des geladenen Teilchen strahls, der durch den Streuer vergrößert ist, eine Gaußsche Verteilung in radialer Richtung mit einem Zentrum an der Bestrahlungsposition aufweist.
Weil der ungleichmäßige Bestrahlungsbereich um den einheitlichen Bestrahlungsbereich verringert werden kann, kann außerdem der Verlust des geladenen Teilchenstrahls verringert werden. Im Vergleich zu einer Situation, bei der der Streuer nicht benutzt wird, kann die Anzahl der Änderungen der Bestrahlungsposition verringert werden, weil die Abmessung des geladenen Strahls größer ist als wenn kein Streuer benutzt wird, und die Steuerung kann vereinfacht werden.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in dem Vorsehen eines Bewegungsmonitors zum Erfassen einer Bewegung eines Patienten und dem Ansteuern der Extraktions-Schalteinrichtung auf der Grundlage der mit dem Bewegungsmonitor erfassten Bewegung des Patienten mit der Steuereinheit.
Entsprechend dem oben beschriebenen Merkmal kann das Bestrahlungstarget präzise bestrahlt werden, weil die Bestrahlung mit dem geladenen Teilchenstrahl dann erfolgt, wenn der Patient nahezu still liegt, was durch Erfassen von Körperbewegungen des Patienten aufgrund von Atmen und Husten mit dem Bewegungsmonitor festgestellt wird.
Im Falle einer Krebstherapie mit dem geladenen Teilchenstrahl muss die Energie des geladenen Teilchenstrahls in Abhängigkeit von der Tiefe des Bestrahlungstargets geändert werden. In diesem Fall wird die Energie des in dem Beschleuniger für geladene Teilchen zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls in einem Beschleunigungsschritt geändert, oder die Energie des extrahierten geladenen Teilchenstrahls wird geändert, indem ein plattenförmiges Material wie z.B. Graphit in einem Pfad des geladenen Teilchenstrahls in der Bestrahlungsvorrichtung angeordnet wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das Erweitern der Abmessung des geladenen Teilchenstrahls mit einem Streuer, das Extrahieren des geladenen Teilchenstrahls aus einem Beschleuniger für geladene Teilchen durch eine Extraktionseinrichtung, das Festlegen einer Bestrahlungsposition oder eines Bestrahlungsbereichs für den geladenen Teilchenstrahl mit einem Elektromagnet und das Ändern der Bestrahlungsposition oder des Bestrahlungsbereichs durch Ansteuern des Elektromagnets mit einer Steuereinheit während jedes der Vorgänge Injizieren, Beschleunigen und Abbremsen des Beschleunigers für geladene Teilchen.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Merkmal kann der ungleichmäßige Bestrahlungsbereich um ein Bestrahlungstarget herum minimiert werden, und der Verlust des geladenen Teilchenstrahls kann im Vergleich zu einer Situation, bei der der geladene Teilchenstrahl durch den Streuer vergrößert wird, um den gesamten Bereich des Bestrahlungstargets abzudecken, verringert werden, weil die Steuereinheit die Bestrahlungsposition oder den Bestrahlungsbereich während jedes der Vorgänge Injizieren, Beschleunigen und Abbremsen des Beschleunigers für geladene Teilchen nach der Extraktion durch die Extraktionseinrichtung ändert, und danach wird das Bestrahlungstarget des geladenen Teilchenstrahls für jede der Bestrahlungspositionen oder den Bestrahlungsbereich bestrahlt.
Im Vergleich zu einer Situation, bei der der Streuer nicht benutzt wird, ist außerdem die Anzahl der Änderungen der Bestrahlungsposition gering und die Steuerung ist einfach, weil die Abmessung des geladenen Teilchenstrahls groß ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das Verbreitern der Abmessung des geladenen Teilchenstrahls mit einem Streuer, das Bewegen des geladenen Teilchenstrahls aus einer umlaufenden Bahn in eine Extraktionsbahn mit einem Kicker-Elektromagnet, das Festlegen einer Bestrahlungsposition oder eines Bestrahlungsbereichs für den geladenen Teilchenstrahl mit einem Elektromagnet und das Ändern der Bestrahlungsposition oder des Bestrahlungsbereichs durch Ansteuern des Elektromagnets mit einer Steuereinheit während eines der Vorgänge Injizieren, Beschleunigen und Abbremsen des Beschleunigers für geladene Teilchen.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Merkmal kann der ungleichmäßige Bestrahlungsbereich um ein Bestrahlungstarget herum minimiert werden, und der Verlust des geladenen Teilchenstrahls kann im Vergleich zu einer Situation, bei der der geladene Teilchenstrahl mit dem Streuer vergrößert wird, um den gesamten Bereich des Bestrahlungstargets abzudecken, verringert werden, weil die Steuereinheit die Bestrahlungsposition oder den Bestrahlungsbereich ändert, während der Strahl während eines der Vorgänge Injizieren, Beschleunigen und Abbremsen des Beschleunigers für geladene Teilchen nicht extrahiert wird, nach dem Extrahieren aufgrund dessen, dass der Kicker-Elektromagnet den geladenen Teilchenstrahl aus einer umlaufenden Bahn in eine Extraktionsbahn bewegt, und danach wird das Bestrahlungstarget des geladenen Teilchenstrahls für jede der Bestrahlungspositionen oder den Bestrahlungsbereich bestrahlt.
Im Vergleich zu einer Situation, bei der der Streuer nicht benutzt wird, ist außerdem die Anzahl der Änderungen der Bestrahlungsposition gering und die Steuerung ist einfach, weil die Abmessung des geladenen Teilchenstrahls groß ist. Zusätzlich kann ein gleichmäßiger Bestrahlungsbereich mit einer einheitlichen Bestrahlungsdosis durch Überlappen der geladenen Teilchenstrahlen erhalten werden, und das Bestrahlungstarget kann gleichmäßig mit dem geladenen Teilchenstrahl bestrahlt werden, weil die Bestrahlungsdosis des geladenen Teilchenstrahls, der durch den Streuer vergrößert ist, diametral mit einer in etwa Gaußschen Verteilung mit einem Zentrum an der Bestrahlungsposition verteilt ist.
Der Strahl wird extrahiert, sobald der Kicker-Elektromagnet erregt wird, und das Extrahieren kann beinahe abgeschlossen werden, während der Strahl nur eine Runde in dem Beschleuniger zirkuliert, weil die Erregungszeit in etwa einer Umlaufzeit entspricht. Danach kann der geladene Teilchenstrahl, der in so kurzer Zeit wie etwa einer Umlaufzeit des Strahls extrahiert wird, kontinuierlich bzw. im Dauerbetrieb genutzt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schemadiagramm, das eine herkömmliche Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl zeigt.
2 ist ein Diagramm, das eine Intensitätsverteilung des mit der herkömmlichen Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl vergrößerten Strahls zeigt.
3 ist ein Schemadiagramm, das die erste Ausführungsform einer Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Diagramm, das eine Intensitätsverteilung des mit einem Streuer vergrößerten Strahls zeigt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen der Tiefe eines betroffenen Teils und der Bestrahlungsdosis eines Ionenstrahls zeigt.
6 ist eine Schemadiagramm, das den Bestrahlungskopf 111 nach der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Blockdiagramm einer Bedieneinheit 131 nach der ersten Ausführungsform.
8 ist eine Perspektivansicht, die Schichten und Bestrahlungsbereiche eines betroffenen Teils nach der ersten Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Ablaufdiagramm, das die erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl zeigt.
10 ist ein Schemadiagramm, das eine Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl mit einem Zyklotron 172 zeigt.
11 ist eine Perspektivansicht, die Schichten und Bestrahlungsbereiche eines betroffenen Teils nach der zweiten Ausführungsform zeigt.
12 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der zweiten Ausführungsform zeigt.
13 ist ein Schemadiagramm, das den Bestrahlungskopf 111 nach der dritten Ausführungsform zeigt.
14 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der dritten Ausführungsform zeigt.
15 ist ein Schemadiagramm, das die vierte Ausführungsform einer Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vierten Ausführungsform zeigt.
17 ist ein Schemadiagramm, das die fünfte Ausführungsform einer Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der fünften Ausführungsform zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Anhand von 3 wird im Folgenden die erste Ausführungsform einer Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Ausführungsform besteht im Wesentlichen aus einem Vorbeschleuniger 98, einem Synchrotron-Beschleuniger 100, einem drehbaren Ausleger 110, einer Bedieneinheit 131 und einer Steuereinheit 132. Ionen niedriger Energie aus dem Vorbeschleuniger 98 werden in den Beschleuniger 100 injiziert und durch den Beschleuniger 100 beschleunigt, ehe sie zu dem drehbaren Ausleger 110 in einem Behandlungsraum extrahiert werden, so dass ein Ionenstrahl für eine medizinische Therapie benutzt werden kann.
Die Hauptkomponenten des Beschleunigers 100 werden im Folgenden beschrieben. Der Beschleuniger 100 ist ein Beschleuniger, der nach der Diffusionsresonanzextraktionsme thode zur Strahlextraktion arbeitet, bei der die Betatron-Oszillation eines durch den Beschleuniger 100 zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls in einen Resonanzzustand gebracht wird und ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld an den zirkulierenden geladenen Teilchenstrahl angelegt wird, um dessen Betatron-Oszillation zu erhöhen und dadurch sicherzustellen, dass eine Resonanzstabilitätsgrenze übertroffen und der geladene Teilchenstrahl aus dem Beschleuniger extrahiert werden kann.
Der Beschleuniger 100 umfasst einen Ablenk-Elektromagnet 146 zum Ablenken des zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls, einen Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 147 zum Anlegen von Energie an den zirkulierenden geladenen Teilchenstrahl, einen Quadrupol-Elektromagnet 145 und einen Multipol-Elektromagnet 11 zum Anlegen von Magnetfeldern an den zirkulierenden geladenen Teilchenstrahl, um die Resonanzstabilitätsgrenze der Betatron-Oszillation zu erzeugen, und eine Hochfrequenz anlegende Extraktionsvorrichtung 120, die eine Hochfrequenz an den zirkulierenden geladenen Teilchenstrahl anlegt, um die Betatron-Oszillation zu erhöhen. Der Beschleuniger 100 umfasst weiter einen Beschleuniger-Stromgenerator 165, der den Ablenk-Elektromagnet 146, den Quadrupol-Elektromagnet 145 und den Multipol-Elektromagnet 11 mit Strom versorgt, der den Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 147 mit Strom versorgt, und einen Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren, der die Hochfrequenz anlegende Extraktionsvorrichtung 120 mit Strom versorgt.
Der Patient wird mit dem Strahl bestrahlt, der aus dem Beschleuniger 100 extrahiert und von dem Transportsystem 171 mit dem drehbaren Ausleger 110 zu dem Behandlungsraum transportiert wird.
Der drehbare Ausleger 110 wird nachstehend beschrieben. Der drehbare Ausleger 110 weist Quadrupol-Elektromagnete 150 und Ablenk-Elektromagnete 151 auf, die so ausgelegt sind, dass sie einen aus dem Beschleuniger 100 extrahierten Strahl zu einem Bestrahlungstarget transportieren, und einen Stromgenerator 170, um die Quadrupol-Elektromagnete 150 und die Ablenk-Elektromagnete 151 mit Strom zu versorgen.
Der drehbare Ausleger 110 weist außerdem einen Bestrahlungskopf auf. Der Bestrahlungskopf umfasst Elektromagnete 220 und 221, die hinter einem der Ablenk-Elektromagnete 151 angeordnet sind und dazu dienen, den extrahierten Strahl in der x- und y-Richtung abzulenken. Hierbei verläuft die x-Richtung parallel zu der Krümmungsebene des einen Ablenk-Elektromagneten 151 und die y-Richtung senkrecht zu der Krümmungsebene des einen Ablenk-Elektromagneten 151. Die Elektromagnete 220 und 221 sind an einen Stromgenerator 160 angeschlossen, der sie mit Strom versorgt. Ein Streuer 300 zum Vergrößern der Abmessung des Strahls ist den Elektromagneten 220 und 221 nachgeschaltet angeordnet. Ein Bestrahlungsdosis-Monitor 301 zur Bestimmung der Bestrahlungsdosisverteilung des Strahls ist weiter hinter dem Streuer 300 vorgesehen. Ein Kollimator 225 ist vor dem Patienten, einem Bestrahlungstarget, angeordnet, um eine Schädigung des gesunden Gewebes um den betroffenen Teil herum durch Strahlung zu verhindern.
Eine durch den Streuer 300 vergrößerte Strahlintensitätsverteilung 302 ist in 4 gezeigt. Der durch den Streuer vergrößerte Strahl hat in etwa eine Gaußsche Verteilung. Wenn daher die Bestrahlungsposition um etwa eine Hälfte der Abmessung des Strahls, der durch den Streuer 300 vergrößert ist, wie in 4 gezeigt, bei ausgeschalteter Extraktion des Strahls aus dem Beschleuniger verschoben wird und wenn eine gleichwertige Bestrahlung an jeder der verschobenen Positionen wieder fortgesetzt wird, kann durch Überlappen der Bestrahlung eine praktisch identische Bestrahlungsdosis 303 an allen Stellen erzielt werden, einschließlich anderer Stellen als dem Bestrahlungszentrum des Strahls. Daher kann ein betroffener Teil gleichmäßig bestrahlt werden, indem man die aufeinander folgenden Schritte wiederholt, d.h. die Bestätigung mit dem Bestrahlungsdo sis-Monitor 301, dass die im Therapieplan festgelegte Bestrahlungsdosis abgestrahlt worden ist, die Extraktion des Strahls aus dem Beschleuniger gestoppt wird, die Bestrahlungsposition verschoben wird und die Extraktion des Strahls wieder fortgesetzt wird.
Andererseits wird der Bereich außerhalb von 2r vom Zentrum der Bestrahlung ungleichmäßig bestrahlt. Die Fläche des ungleichmäßigen Bereichs ist jedoch kleiner im Vergleich zu einer Situation, bei der durch kreisförmiges Ablenken des geladenen Teilchenstrahls in dem Bestrahlungsbereich 2r ein Bestrahlungsbereich mit einer gleichmäßigen Bestrahlungsdosis realisiert wird.
Daher kann der Verlust des geladenen Teilchenstrahls verringert werden. Weil außerdem die Abmessung des mit dem Streuer 300 vergrößerten Strahls kleiner als die Abmessung des Strahls beim kreisförmigen Ablenken des geladenen Teilchenstrahls ist, kann die Dicke des Streuers 300 verringert werden. Daher kann der Energieverlust des geladenen Teilchenstrahls verringert werden.
Ein Beispiel für einen Zusammenhang zwischen der Tiefe in einem Körper und der Bestrahlungsdosis de Ionenstrahls ist in 5 gezeigt. Der Peak bzw. Spitzenwert der Bestrahlungsdosis in 5 wird als Bragg-Peak bezeichnet. Die Position des Bragg-Peaks variiert je nach Strahlenergie. Daher sind, wie in 6 gezeigt, ein Bereichsumschalter 222 und ein Stegfilter 223 zum Einstellen der Energie und der Energiebreite des Strahls sowie ein Patientenbolus 224 zum Ändern der Energie je nach Tiefe, Richtung und Form des betroffenen Teils vorgesehen. Das Stegfilter 223 hat einen sägezahnförmigen Aufbau in der x-Richtung in 6. Die Partikel, die durch den Spitzenteil der Sagezähne passieren, werden in ihrer Energie stärker reduziert, und die Partikel, die durch den unteren Teil der Sägezähne passieren, werden in ihrer Energie weniger reduziert.
Daher kann dem Strahl eine Energieverteilung auf der Grundlage der Höhe des Spitzenteils und der Tiefe des unte ren Teils gegeben werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Stegfilter benutzt, bei dem die Energiebreite des geladenen Teilchenstrahls mit einer Position zusammenfällt, an der der betroffene Teil am tiefsten ist.
Die Bedieneinheit 131 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der für die Steuereinheit 132 nötigen Daten, um die Bestrahlung des betroffenen Teils mit dem geladenen Teilchenstrahl zu steuern.
Die Steuereinheit 132 ist eine Einrichtung zur Steuerung der Extraktion des geladenen Teilchenstrahls aus dem Vorbeschleuniger 98 in den Beschleuniger 100, der Beschleunigung des durch den Beschleuniger 100 zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls, der Extraktion des geladenen Teilchenstrahls aus dem Beschleuniger 100 in den drehbaren Ausleger 110 und den Transport des geladenen Teilchenstrahls in dem drehbaren Ausleger 110.
Die Funktion der Bedieneinheit 131 wird nachstehend beschrieben. Danach wird ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl mit Hilfe der Steuereinheit 132 beschrieben.
Informationen zu dem betroffenen Teil wie z.B. Form und Tiefe des betroffenen Teils, die nötige Bestrahlungsdosis R und Informationen über den Streuer 300 wie z.B. Dicke, Materialien usw. werden von einem Bediener in die Bedieneinheit 131 eingegeben. Auf der Grundlage der eingegebenen Informationen zu dem betroffenen Teil und dem Streuer berechnet und bestimmt die Bedieneinheit 131 die Abmessung des Strahls, den Bestrahlungsbereich, die Energie des geladenen Teilchenstrahls, mit dem der betroffene Teil bestrahlt werden soll, und die Größenordnung des Versorgungsstroms für die Elektromagnete 220 und 221.
Die Bedieneinheit 131 ist in 7 gezeigt. Ein Bestrahlungsbereichsformer 133 der Bedieneinheit 131 unterteilt den betroffenen Teil in mehrere Schichten, im Allgemeinen mit Li (i = 1, 2, ... N) bezeichnet, in der Tiefenrichtung anhand der eingegebenen Informationen zu dem be troffenen Teil, wie in 8 gezeigt. Eine Energieberechnungseinrichtung 134 bestimmt die Strahlenergiepegel, im Allgemeinen mit Ei bezeichnet, die für eine Bestrahlung entsprechend den Tiefen der einzelnen Schichten geeignet ist.
Weiter bestimmt der Bestrahlungsbereichsformer 133 mehrere Bestrahlungsbereiche, im Allgemeinen mit Ai,j (i = 1, 2, ... N, j = 1, 2, ... N) bezeichnet, Mittelpunkte Pi,j der Bestrahlungsbereiche Ai,j und Koordinatenwerte (xij, yij) der Mittelpunkte entsprechend den Formen der einzelnen Schichten Li. Weil die Intensität des geladenen Teilchenstrahls räumlich in einer Gaußschen Verteilung verteilt ist, bestimmt die Bedieneinheit 131 die einzelnen Bestrahlungsbereiche Ai,j und deren Mittelpunkte Pi,j anhand der Abmessung des geladenen Teilchenstrahls, um Bestrahlungsbereiche zu bilden, in denen durch Überlappen des Bestrahlungsbereichs Ai,j mit benachbarten Bestrahlungsbereichen gleichmäßige Bestrahlungsdosisleistungen erhalten werden. Die Mittelpunkte Pi,j sind etwa eine halbe Abmessung des Strahls voneinander entfernt.
Eine Bestrahlungsdosis-Berechnungseinrichtung 135 bestimmt die Sollwerte der Bestrahlungsdosis an den einzelnen Mittelpunkten Pi,j anhand der benötigten Bestrahlungsdosis Ri,j.
Eine Elektromagnet-Stromberechnungseinrichtung 136 bestimmt den Strom IXij und IYij, mit dem die Elektromagnete 220 und 221 versorgt werden, damit das Zentrum des geladenen Teilchenstrahls mit den einzelnen Mittelpunkten Pi,j übereinstimmt.
Die Bedieneinheit 131 versorgt die Steuereinheit 130 mit folgenden Informationen: Strahlenergie Ei, einzelne Bestrahlungsbereiche Ai,j, Mittelpunkte Pi,j, Koordinatenwerte (xij, yij) der Mittelpunkte Pi,j, Sollwerte der Bestrahlungsdosis Ri,j und Strom IXij und IYij, die für die einzelnen Schichten Li bestimmt werden.
Ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Ausführungsform ist in 9 gezeigt.

(1) Die Steuereinheit 132 steuert den Stromgenerator 170 an, um ihn zu verlassen, die Quadrupol-Elektromagnete 150 und die Ablenk-Elektromagnete 151 mit Strom zu versorgen, damit der aus dem Beschleuniger 100 in den drehbaren Ausleger 110 extrahierte geladene Teilchenstrahl zu einem betroffenen Teil transportiert wird, der das Bestrahlungstarget darstellt.
(2) Die Beschleuniger-Steuereinheit 132 steuert den Vorbeschleuniger 98 an, um ihn zu veranlassen, einen geladenen Teilchenstrahl auszusenden.
(3) Die Steuereinheit 132 versorgt den Ablenk-Elektromagnet 146, den Quadrupol-Elektromagnet 145 und den Multipol-Elektromagnet 11 mit Strom, um den zirkulierenden geladenen Teilchenstrahl auf das Energieniveau Ei zu beschleunigen, und steuert den Beschleuniger-Stromgenerator 165 an, um ihn zu verlassen, den Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 147 mit Strom zu versorgen.
(4) Wenn der zirkulierende geladene Teilchenstrahl auf das Energieniveau Ei beschleunigt ist, steuert die Steuereinheit 132 den Beschleuniger-Stromgenerator 165 an, um ihn zu veranlassen, den Quadrupol-Elektromagnet 145 und den Multipol-Elektromagnet 11 mit Strom zu versorgen, um die Resonanzstabilitätsgrenze der Betatron-Oszillation zu erzeugen.

Wird Strom an die Hochfrequenz anlegende Extraktionsvorrichtung 120 angelegt, erhöht sich die Betatron-Oszillationsamplitude des zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls, was dazu führt, dass der Resonanzzustand der Betatron-Oszillation für den geladenen Teilchenstrahl die Stabilitätsgrenze überschreitet.

(5) Die Steuereinheit 132 steuert den Stromgenerator 160 an, um ihn zu verlassen, die Elektromagnete 220 und 221 mit dem Strom IXij und IYij zu versorgen, damit das Zentrum des geladenen Teilchenstrahls mit einem optionalen Mittelpunkt Pi,j übereinstimmt.
(6) Die Steuereinheit 132 vergleicht einen Sollwert der Bestrahlungsdosis Ri,j mit einer Bestrahlungsdosis an dem betreffenden Mittelpunkt Pi,j, die mit dem Bestrahlungsdosis-Monitor 301 gemessen wird.
(7) Wenn die Bestrahlungsdosis an dem betreffenden Mittelpunkt Pi,j den Sollwert der Bestrahlungsdosis Ri,j nicht erreicht, steuert die Steuereinheit 132 den Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren an, um ihn zu veranlassen, die Hochfrequenz anlegende Extraktionsvorrichtung 120 mit Strom zu versorgen, um die Extraktion aus dem Beschleuniger 100 zu dem drehbaren Ausleger 110 zu starten.

Wird die Hochfrequenz anlegende Extraktionsvorrichtung 120 mit Strom versorgt, wird ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld an den zirkulierenden geladenen Teilchenstrahl angelegt, um die Betatron-Oszillationsamplitude des zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls zu erhöhen. Wird die Betatron-Oszillationsamplitude erhöht, bis eine Resonanzstabilitätsgrenze der Betatron-Oszillation überschritten ist, wird der geladene Teilchenstrahl aus dem Beschleuniger 100 in den drehbaren Ausleger 110 extrahiert. In dem drehbaren Ausleger 110 wird ein optionaler Bestrahlungsbereich Ai,j mit dem geladenen Teilchenstrahl bestrahlt.

(8) Die Steuereinheit 132 vergleicht einen Sollwert der Bestrahlungsdosis Ri,j mit einer Bestrahlungsdosis an einem anderen Mittelpunkt Pi,j, die mit dem Bestrahlungsdosis-Monitor 301 gemessen wird. Wenn die Bestrahlungsdosis an dem Mittelpunkt Pi,j den Sollwert der Bestrahlungsdosis Ri,j nicht erreicht, wird die Extraktion fortgesetzt.
(9) Wenn die Bestrahlungsdosis an dem anderen Mittelpunkt Pi,j den Sollwert der Bestrahlungsdosis Ri,j erreicht, steuert die Steuereinheit 132 den Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren an, um ihn zu veranlassen, die Extraktion auszuschalten. Danach steuert die Bestrahlungssteuereinheit 130 den Stromgenerator 160 so an, dass das Zentrum des geladenen Teilchenstrahls mit einem Mittelpunkt Pi,j + 1 des nächsten Bestrahlungsbereichs Ai,j + 1 übereinstimmt.
(10) Wenn der durch den Beschleuniger 100 zirkulierende Strahl zum jeweiligen Zeitpunkt ausreicht, um die Bestrahlung des Bestrahlungsbereichs Ai,j auf die Bestrahlung des Bestrahlungsbereichs Ai,j + 1 zu verschieben, wird der Betriebsablauf ab Schritt (4) ausgeführt. Sind die Strahlintensität und die Extraktionszeit jedoch nicht ausreichend, wird der Betriebsablauf ab Schritt (1) ausgeführt, um den geladenen Teilchenstrahl zu regenerieren.
(11) Wenn die Bestrahlungsdosisleistungen die Sollwerte in allen Bestrahlungsbereichen Ai,j einer optionalen Schicht Li erreichen, wird der Betriebsablauf ab Schritt (1) für die nächste Schicht Li + 1 durchgeführt, und alle Bestrahlungsbereiche Ai,j + 1 werden in einer ähnlichen Weise wie die Schicht Li bestrahlt.
(12) Ist die Bestrahlung aller Schichten Li des betroffenen Teils abgeschlossen, endet der Betrieb der Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl.

Nach der vorliegenden Ausführungsform kann die Schicht Li des betroffenen Teils mit einer gleichmäßigen Bestrahlungsdosis bestrahlt werden. Weil der ungleichmäßige Bestrahlungsbereich, der außerhalb einer Grenze der Schicht Li des betroffenen Teils gebildet wird, durch den Kollimator 225 abgeschnitten wird, kann die Bestrahlung mit dem geladenen Teilchenstrahl entsprechend der Form des betroffenen Teils erfolgen. Weil der abgeschnittene Bereich kleiner als der abgeschnittene Bereich bei der herkömmlichen Situation ist, bei der ein kreisförmiges Ablenken des geladenen Teilchenstrahls erfolgt, kann die Bestrahlungstherapie mit einem geringeren Strahlenverlust durchgeführt werden. Obwohl die Bestrahlungsposition des geladenen Teilchenstrahls mit zwei Elektromagneten festgelegt worden ist, kann die Bestrahlungsposition auch eingestellt werden, in dem man der Patientenliege 112 einen beweglichen Aufbau gibt und sie mit der Steuereinheit 132 steuert.
Wird der Streuer 300 nicht benutzt, ist die Abmessung des abgestrahlten geladenen Teilchenstrahls klein. Daher müssen die Intervalle zwischen den einzelnen Bestrahlungspositionen sehr klein gewählt werden, um eine gleichmäßige Verteilung der Bestrahlungsintensität zu erhalten; gleichzeitig werden der Therapieplan und die Steuerung der Bestrahlung erheblich komplexer. Nach der vorliegenden Ausführungsform mit dem Streuer 300 hat der geladene Teilchenstrahl eine ungefähr Gaußsche Verteilung, und die Abmessung des Strahls kann auf eine geeignete Fläche vergrößert werden. Daher kann eine gleichmäßige Bestrahlungsdosisverteilung realisiert werden, ohne dass die Intervalle zwischen den einzelnen Bestrahlungspositionen sehr klein gewählt werden müssen.
Wie schon erwähnt, kann die Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Ausführungsform ein gleichmäßiges Bestrahlungsfeld ausbilden, wobei der Verlust des geladenen Teilchenstrahls geringer ist.
Auch wenn das Bestrahlungstarget eine komplizierte Form hat, kann der betroffene Teil nach der vorliegenden Ausführungsform mit einer hohen Genauigkeit bestrahlt werden. Weil außerdem die Bestrahlung fortgesetzt wird, bis die Bestrahlungsdosis einen Sollwert erreicht, kann der betroffene Teil mit einer gleichmäßigen Strahldichte bestrahlt werden, auch wenn die Strahlintensität mit der Zeit variiert.
Obwohl bei der vorstehenden Ausführungsform ein Synchrotron als Beschleuniger benutzt wurde, kann auch ein Zyklotron 172 als Beschleuniger benutzt werden, wie in 10 gezeigt. Das Extrahieren und das Abschalten des Strahls aus dem Zyklotron 172 erfolgen durch Steuern der Energiequelle des Deflektors 174 für den Deflektor 175 mit Signalen von der Steuereinheit 132 und durch Liefern und Abschalten des geladenen Teilchenstrahls aus einer Ionenquelle 173.
Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Aufbau der Komponenten bei der vorliegenden Ausführungsform ähnelt dem der ersten Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch die einzelnen Schichten Li eines betroffenen Teils nicht in der x-Richtung, sondern nur in der y-Richtung unterteilt, wie in 11 gezeigt. Mit anderen Worten, die Bestrahlungsbereiche Ai,j weisen in der x-Richtung dieselbe Breite auf. Ein anderer Bestrahlungsbereich Ai,j wird bestrahlt, indem man die Intensität eines Magnetfelds ändert, das von dem Elektromagnet 220 erzeugt wird, um den geladenen Teilchenstrahl in der x-Richtung abzulenken.
Die Bedieneinheit 131 bestimmt einen Mittelpunkt Pi,j für jede der Bestrahlungspositionen Ai,j anhand der Abmessung des geladenen Teilchenstrahls, um durch Überlappen des Bestrahlungsbereichs Ai,j mit benachbarten Bestrahlungsbereichen Bereiche mit einer gleichmäßigen Bestrahlungsdosis zu bilden. Die jeweiligen Mittelpunkte Pi,j sind fast eine halbe Abmessung des Strahls voneinander entfernt.
Die Bedieneinheit 131 bestimmt die Größenordnung von ΔIXij, die nötig ist, um die Intensität des Magnetfelds des Elektromagneten 220 zu ändern, anhand einer Ausdehnung jedes Bereichs Ai,j in der x-Richtung. Wie bei der ersten Ausführungsform bestimmt die Bedieneinheit die Strahlenergie Ei, die einzelnen Bestrahlungsbereiche Ai,j, deren Mittelpunkte Pi,j (xij, yij), die Sollwerte der Bestrahlungsdosis Ri,j und den Strom IXij and IYij für die einzelnen Schichten Li und gibt diese Daten zusammen mit ΔIXij an die Steuereinheit 132.
Ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Ausführungsform ist in 12 gezeigt. Bis auf Schritt (7) sind die Betriebsschritte dieselben wie bei der ersten Ausführungsform.
In Schritt (7) steuert die Steuereinheit 132 den Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren an, um ihn zu veranlassen, die Hochfrequenz anlegende Extraktionsvorrichtung 120 mit Strom zu versorgen, damit die Extraktion aus dem Beschleuniger 100 in den drehbaren Ausleger 110 gestartet wird; außerdem steuert sie den Stromgenerator 160 so an, dass der Strom IXij zu dem Elektromagnet 220 in einem Bereich von ΔIXij variiert, damit der geladene Teilchenstrahl abgestrahlt wird, während er in der x-Richtung abgelenkt wird.
Während bei der vorliegenden Ausführungsform die Intensität des mit dem Elektromagnet 220 erzeugten Magnetfelds variiert wird, um den geladenen Teilchenstrahl in der x-Richtung abzulenken und mit ihm den Bestrahlungsbereich Ai,j zu bestrahlen, kann der geladene Teilchenstrahl abgestrahlt werden, während er in der y-Richtung abgelenkt wird, indem man die Intensität des mit dem Elektromagnet 221 erzeugten Magnetfelds ändert.
Nach der vorliegenden Ausführungsform können dieselben Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden; außerdem kann die Bestrahlungszeit im Vergleich zur ersten Ausführungsform verkürzt werden, weil das Extrahieren und Stoppen des geladenen Teilchenstrahls nur in der y-Richtung (oder der x-Richtung) geschaltet werden kann.
Dritte Ausführungsform
Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Nach der vorliegenden Ausführungsform hat die Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl denselben Aufbau wie die in 3 gezeigte Vorrichtung, mit Ausnahme des Aufbaus des Bestrahlungskopfes 111 und der Steuereinheit 132 hierfür. Der Bestrahlungskopf 111 nach der vorliegenden Ausführungsform ist in 13 gezeigt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Streuer 300 dünner ausgeführt als bei der ersten Ausführungsform.
Weil die Abmessung des mit dem Streuer 300 vergrößerten geladenen Teilchenstrahls kleiner als bei der ersten Ausführungsform wird, erhöht sich die Anzahl der Bestrahlungsbereiche Ai,j. Weil andererseits die Abmessung des geladenen Teilchenstrahls klein ist, wird der Patientenkollimator, der bei der ersten Ausführungsform benutzt wurde, bei der vorliegenden Ausführungsform nicht benutzt. Weil die Abmessung des Strahls kleiner wird als bei der ersten Ausführungsform, werden in gleicher Weise das Stegfilter und der Bolus, die bei der ersten Ausführungsform benutzt wurden, nicht benutzt.
Nach der ersten Ausführungsform wird die Energie des geladenen Teilchenstrahls in Form von Ei durch den Beschleuniger 100 bestimmt. Nach der vorliegenden Ausführungsform jedoch wird die Energie des geladenen Teilchenstrahls Ei durch Variieren der Dicke des Bereichsumschalters 222 bestimmt, während das Extrahieren des Strahls aus dem Beschleuniger 100 durch die Steuereinheit 132 gestoppt wird.
Ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Ausführungsform ist in 14 gezeigt. Bis auf die Schritte (3) und (4) ist das Verfahren dasselbe wie bei der ersten Ausführungsform.

(3) Die Steuereinheit 132 steuert den Beschleuniger-Stromgenerator 165 an, um den Ablenk-Elektromagnet 146, den Quadrupol-Elektromagnet 145 und den Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 147 mit Strom zu versorgen, um den zirkulierenden geladenen Teilchenstrahl auf das Energieniveau E zu beschleunigen, das größer als das entsprechende Energieniveau Ei der Schichten ist.
(4) Wenn der zirkulierende geladene Teilchenstrahl auf das Energieniveau E beschleunigt ist, steuert die Steuereinheit 132 den Beschleuniger-Stromgenerator 165 an, um ihn zu veranlassen, den Quadrupol-Elektromagnet 145 und den Multipol-Elektromagnet 11 mit Strom zu versorgen, um die Betatron-Oszillation des zirkulierenden geladenen Teilchenstrahls in einen Resonanzzustand zu versetzen.

Wie vorstehend beschrieben, kann die Vorrichtung für einen geladenen Teilchenstrahl nach der vorliegenden Ausführungsform den Verlust des geladenen Teilchenstrahls verringern und ein gleichmäßiges Bestrahlungsfeld ausbilden. Der betroffene Teil kann präzise bestrahlt werden, ohne dass der Kollimator oder ein Bolus für den jeweiligen Patienten benutzt werden muss.
Nach der vorliegenden Ausführungsform erfolgt das Bestrahlen durch wiederholtes Ändern der Intensität der Elektromagnete 220 und 221 zum Einstellen der Bestrahlungsposition in einem Zustand einer bestimmten Bestrahlungstiefe durch Festlegen der Dicke des Bereichsumschalter auf eine bestimmte Länge. Nach dem Bestrahlen einer Schicht mit der bestimmten Tiefe wird die Dicke des Bereichsumschalter geändert, und die Bestrahlung wird mit denselben Schritten wie zuvor wiederholt. Die Bestrahlung kann jedoch auch nach einem anderen Verfahren erfolgen, bei dem das Target in Schichten parallel zu der Bewegungsrichtung des geladenen Teilchenstrahls unterteilt wird, wobei die Bestrahlung in einem Zustand mit einer bestimmten Intensität der Elektromagnete 220 und 221 erfolgt. Danach wird die Bestrahlung gestoppt, die Dicke des Bereichsumschalters geändert und die Bestrahlung wiederholt. Nach dem Bestrahlen einer Schicht wird die Intensität der Elektromagnete 220 und 221 geändert und die Bestrahlung mit denselben Schritten wie zuvor wiederholt.
Vierte Ausführungsform
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben. Der Aufbau der Komponenten für die vorliegende Ausführungsform ist in 15 gezeigt. Als Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform sind ein Bewegungsmonitor 250 zum Feststellen einer Bewegung des Körpers des Patienten und ein Elektromagnet 177 zum Schal ten des Transports und Stoppen des geladenen Teilchenstrahls sowie eine Energiequelle 176 hierfür in einem Strahltransportsystem 171 zum Transportieren des geladenen Teilchenstrahls zu der Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen. Die übrigen Komponenten des Aufbaus sind dieselben wie bei der ersten Ausführungsform. Die Energiequelle 176 ist so angeordnet, dass der der Patient nicht mit dem Strahl bestrahlt wird, wenn aufgrund eines Ausfalls der Energiequelle kein Strom fließt, und dass der Patient nur dann mit dem Strahl bestrahlt wird, wenn die Stromversorgung normal ansteht.
Der Bewegungsmonitor 250 kann ein auf der Körperoberfläche angebrachter Dehnungsmessstreifen oder eine Kamera zur Feststellung einer Bewegung des Patienten sein. In Abhängigkeit von einem Signal des Bewegungsmonitors 250 wird eine Bewegung des Körpers des Patienten erfasst, und ein Signal zum Bestrahlen des Körpers des Patienten mit dem Strahl wird nur dann an den Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren und die Energiequelle 176 für den Schaltelektromagnet 177 des Strahltransportsystems ausgesendet, wenn sich der Körper des Patienten nicht bewegt. Nur wenn dieses Signal für die Bestrahlung positiv ist, legt der Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren ein Hochfrequenzfeld an den geladenen Teilchenstrahl an und die Energiequelle 176 versorgt den Schaltelektromagnet 177 des Strahltransportsystems mit Strom, so dass der geladene Teilchenstrahl zu dem drehbarem Ausleger 110 transportiert wird. Das Betriebsverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform ist in 16 gezeigt. Bis auf die Schritte (7) und (9) ist das Verfahren dasselbe wie bei der ersten Ausführungsform.
In Schritt (7), wenn die Bestrahlungsdosis an dem betreffenden Mittelpunkt Pi,j den Sollwert der Bestrahlungsdosis Ri,j nicht erreicht und anhand des Signals von dem Bewegungsmonitor 250 festgestellt wird, dass der Patient still liegt, steuert die Steuereinheit 132 den Hochfre quenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren an, um ihn zu veranlassen, die Hochfrequenz anlegende Extraktionsvorrichtung 120 mit Strom zu versorgen, um das Extrahieren aus dem Beschleuniger 100 zu dem drehbaren Ausleger 110 zu starten. Gleichzeitig wird der Schaltelektromagnet 177 in dem Transportsystem für den geladenen Teilchenstrahl aus der Energiequelle 176 mit Strom versorgt. Wird jedoch festgestellt, dass der Patient nicht still liegt, werden der Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren und die Energiequelle 176 für den Schaltelektromagnet 177 in dem Transportsystem für den geladenen Teilchenstrahl so angesteuert, dass der Transport des geladenen Teilchenstrahls zu dem drehbaren Ausleger 110 gestoppt wird.
In Schritt (9), wenn die Bestrahlungsdosis an dem betreffenden Mittelpunkt Pi,j den Sollwert der Bestrahlungsdosis Ri,j erreicht, steuert die Steuereinheit 132 den Hochfrequenz-Stromgenerator 166 für das Extrahieren an, um das Extrahieren des geladenen Teilchenstrahls zu beenden, und die Energiequelle 176 wird angesteuert, um die Versorgung des Schaltelektromagneten 177 in dem Transportsystem für den geladenen Teilchenstrahl mit Strom zu stoppen, um den Transport des geladenen Teilchenstrahls zu dem drehbaren Ausleger 110 zu beenden. Danach wird die Energiequelle 160 so angesteuert, dass das Zentrum des geladenen Teilchenstrahls auf den Mittelpunkt Pi,j + 1 des nächsten Bestrahlungsbereichs Ai,j + 1 eingestellt wird.
Nach der vorliegenden Ausführungsform können dieselben Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden; zusätzlich kann eine höhere Sicherheit erreicht werden, weil das Schalten der Bestrahlung mit zwei Schalteinrichtungen erfolgt. Außerdem kann das Bestrahlungstarget präzise bestrahlt werden, weil der betreffende Teil mit dem geladenen Teilchenstrahl bestrahlt werden kann, wenn er nahezu still liegt.
Fünfte Ausführungsform
Eine fünfte Ausführungsform ist nachstehend beschrieben. Der Aufbau der Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform ist in 17 gezeigt. Der Unterschied im Aufbau der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform besteht in der Verwendung eines Kicker-Elektromagneten 121 zum Extrahieren des Strahls aus dem Beschleuniger. Der Kicker-Elektromagnet 121 extrahiert den zirkulierenden Strahl in das Transportsystem 171, indem er von der Energiequelle 167 des Kicker-Elektromagneten durch Signale von der Steuereinheit 132 impulsweise erregt wird. Daher wird der Strahl extrahiert, sobald der Kicker-Elektromagnet 121 erregt wird, und das Extrahieren des Strahls kann beinahe abgeschlossen werden, während der Strahl nur eine Runde in dem Beschleuniger zirkuliert. Das Unterteilen des betroffenen Teils erfolgt in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform, wie in 8 gezeigt.
Das Betriebsverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform ist in 18 gezeigt. In Schritt (1) wird eine Größenordnung der magnetischen Erregung des Elektromagneten für den drehbaren Ausleger 110 so festgelegt, dass der geladene Teilchenstrahl mit dem Energieniveau Ei entsprechend dem Signal von der Steuereinheit 132 transportiert werden kann. Danach werden das Injizieren des Strahls aus dem Vorbeschleuniger 98 in den Beschleuniger 100 und das Beschleunigen und Extrahieren des Strahls entsprechend den Schritten (2) bis (5) wiederholt. Der Strahl wird extrahiert, sobald der Kicker-Elektromagnet erregt wird, weil das Extrahieren bei der vorliegenden Ausführungsform mit dem Kicker-Elektromagnet 121 erfolgt. Wenn daher die Bestrahlungsdosis für den jeweiligen Teilbereich Ai,j in Schritt (6) als nicht ausreichend beurteilt wird, werden das Injizieren, Beschleunigen und Extrahieren des Strahls weiter wiederholt. Wird in Schritt (6) festgestellt, dass die Bestrahlungsdosis in dem Teilbereich Ai,j den Sollwert der Bestrahlungsdosis erreicht, wird der Strom IXi,j und IYi,j für die Elektromagnete 220 und 221 zum Einstellen der Bestrahlungsposition variiert, um die Bestrahlungsposition entsprechend dem Signal von der Steuereinheit 132 in Schritt (4) zu ändern. Wird die Bestrahlung einer Schicht Li in Schritt (7) als abgeschlossen beurteilt, werden das Injizieren, Beschleunigen und Extrahieren des Strahls nach Ändern der Bestrahlungsschicht wiederholt, bis die Bestrahlung aller Schichten in Schritt (8) als abgeschlossen beurteilt wird.

Claims

Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen mit einem Beschleuniger, (100, 172) für geladene Teilchen, um mit dem von diesem gelieferten Strahl geladener Teilchen ein Bestrahlungsziel zu bestrahlen, aufweisend: eine Streuvorrichtung (300) zum Aufweiten des Strahls geladener Teilchen, eine Extraktions-Schalteinrichtung (120, 121, 166, 167) zum Ein- und Ausschalten der Extraktion des Strahls geladener Teilchen, Elektromagnete (220, 221) zum Festlegen des Bestrahlungsorts oder -bereichs des Strahls geladener Teilchen und eine Steuereinheit (132) zum Ändern des Bestrahlungsorts oder -bereichs, indem die Elektromagnete während eines Injektions-, Beschleunigungs- oder Abbremsvorgangs des Beschleunigers für geladene Teilchen gesteuert werden, während die Extraktion des Strahls geladener Teilchen ausgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (132) den Bestrahlungsort oder -bereich im Hinblick auf die aufgeweitete Größe des Strahls geladener Teilchen ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Beschleuniger (100) für geladene Teilchen folgendes umfaßt: einen Kicker-Elektromagneten (121), um den Strahl geladener Teilchen aus einer Umlaufbahn in eine Extraktionsbahn zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Extraktions-Schalteinrichtung (120, 166) eine eine Hochfrequenz anlegende Vorrichtung (120) ist, um an den Strahl geladener Teilchen ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld anzulegen, das eine Betatron-Schwingungsfrequenz enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine Zielbestrahlungsdosis-Festlegungseinrichtung (135) zur Bezeichnung einer Zielbestrahlungsdosis an einem Bestrahlungsgebiet des Bestrahlungsziels, und eine Bestrahlungsdosis-Bestimmungseinrichtung (301) zum Messen der Bestrahlungsdosis des Strahls geladener Teilchen am Bestrahlungsgebiet, wobei die Extraktionsschalteinrichtung (120, 121, 166, 167) die Extraktion des Strahl geladener Teilchen aufgrund eines Vergleichs der Zielbestrahlungsdosis mit der von der Bestrahlungsdosis-Bestimmungseinrichtung gemessenen Bestrahlungsdosis ein- und ausschaltet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine Energieänderungseinrichtung (132, 222–224) zum Ändern der Energie des Strahls geladener Teilchen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Energieänderungseinrichtung (132, 222–224) an einem Ort zwischen dem Beschleuniger für geladene Teilchen und dem Bestrahlungsziel eingerichtet ist.