SE440600B - Anordning for bestralning av en materievolym med en strale av laddade partiklar - Google Patents

Description

7904360-0 2 djup. Två grundläggande problem förekommer beträffande dessa strålar. Det första problemet gäller hur man skall åstadkomma stora homogena (utjämnade) strålfält. Det andra problemet är hur man skall åstadkomma djup terapeutisk räckvidd.

Det vanligaste sättet att åstadkomma strålfältsutjämning är att utnyttja ett enda spridningsfoliunn Användning av spridnings- folium lämpar sig för energier under 10 MeV och för små strålfältsstorlekar. Skall högre energier utnyttjas blir spridningsfolierna tjockare men dylika tjocka spridningsfolier åstadkommer avsevärd försämring av elektronstrålens kvalitet.

Jämfört med materíalmängden i partikelstrålen är den kända' tekniken med dubbla spridningsfolier ca 10 gånger bättre i förhållande till tekniken med enkelt spridningsfolium och ger högkvalitativa elektronstrålar vid energier upp till 20 MeV. Vid ännu högre energier blir emellertid även här elektronstrålningen degraderad även om man använder folier, som är ca 10 gånger tunnare jämfört med de, vilka utnyttjas vid enkelfolietekniken.

För de allra högsta energierna från ca 25 MeV till ca 50 MeV är elektromagnetiska system, som utnyttjar defokuserande eller mekaniskt svepta magneter eller quadrupoler de hitintills enda kända för att åstadkomma högkvalitativa strålar. Jfr CH patentskriften 514 341 och US patentskriften 4 063 098. Dessa elektromagnetiska system är emellertid förknippade med olika tekniska problem vid den praktiska användningen därav.

Det.är känt att man kan åstadkomma djup terapeutisk räckvidd genom användning av mekaniskt förflyttade avböjningsmagneter med vars hjälp strålningsflödets kvadratiska avtagande med avståndet övergår till ett linjärt avtagande. Detta ökar strålens terapeutiska räckvidd i djupled eftersom dosavtagandet blir mindre hastigt.

Ett annat sätt, enligt vilket liknande teknik utnyttjas, är den s k pendlingstekniken, vilken utnyttjas i förening med platta eller solfjäderformade strålar från vissa betatroner.

Motsvarande resultat kan emellertid åstadkommas med de flesta konventionella behandlingsenheter genom att man helt enkelt 7904360-0 3 bestrålar volymen (tumören) med ett flertal parallella eller konvergenta strålar. I gränsövergången mot ett kontinuum av olika riktade fält (dynamisk strålterapi) kan den geometriska dosminskningen till och med omvandlas till en med djupet ökande dos.

Olika sätt har föreslagits för att åstadkomma breda likformiga fotonstrålar. För högenergetiska fotonstrålar är materialvalet för den så kallade targeten och för utjämningsfiltret av fundamental vikt. Två olika sätt har föreslagits för att alstra dylika högenergetiska fotonstrålar. Det ena sättet föreslår användning av en target och ett utjämningsfilter tillverkade av ett material med ett lågt atomnummer för generering av en stråle med högsta möjliga fotonenergi och största möjliga penetrering längs strålens centralaxel. Det andra sättet innebär användning av en target vars material har ett mellanhögt atomnummer och ett utjämningsfilter sammansatt av olika material, varvid genereras en högkvalitativ fotonstråle med.hög homogenitet på alla djup och fältstorlekar tack vare samtidig, homogen strålningsfluens och medelfotonenergi. Det första sättet innebär att man erhåller mycket penetrerande smala strålar på bekostnad av en variation i strålens homogenitet i djupled för breda strålar. Det andra sättet innebär alstring av likformiga strålar praktiskt taget oberoende av fältstorleken och djupet, men detta sker på bekostnad av reducerat penetreringsdjup för små fältstorlekar.

Föreliggande uppfinning syftar till att åstadkomma en enkel och tillförlitlig anordning för att bestråla en företrädesvis på stort djup befintlig begränsad materievolym med en stråle av högenergetiska laddade eller neutrala partiklar. Det för uppfinningen utmärkande är att det stråloptiska systemet vidare innefattar en andra svepmagnet anordnad efter avböjningsmagneten vilken första svepmagnet är anordnad att avlänka strålen i böjningsplanet för avböjningsmagneten så att den första svepmagnetens virtuella svepcentrum genom avböjningsmagneten avbildas i huvudsak i svepcentrum för den andra svepmagneten, varjämte den andra svepmagneten är anordnad att avlänka den i avböjningsmagnetens böjningsplan avlänkade strålen i ett plan V ....-..._..~ø~.--- av 7905560-0 4 som är i huvudsak vinkelrätt mot böjningsplanet, varigenom strålen är svepbar i två ortogonala riktningar.

För de flesta praktiska ändamål är det viktigt att strålkällan har liten utsträckning. En sådan strålkälla åstadkommes medelst det stråloptiska systemet i anordningen enligt uppfinningen.

Detta stråloptiska system innefattar dels två svepmagneter, vilka vardera medger svepning av partikelstrålen i det ena av två ortogonala plan, varvid den i ettdera planet svepta strålen lämnar tillhörande svepmagnet från ett effektivt svepnings- centrum. Vidare innefattar det stråloptiska systemet en mellan svepmagneterna anordnad avböjningsmagnet för avböjning av strålens bana i rummet. Genom att utnyttja avböjningsmagnetens stråloptiska egenskaper så, att avböjningsmagneten avbildar den i strålriktningen sett första svepmagnetens effektiva svepnings- centrum i en punkt, som sammanfaller med det effektiva svep- ningscentret för den i strålriktningen sett andra svepmagneten kommer den i två ortogonala plan svepta strålen att stråla isotropt från den andra svepmagnetens svepningscentrum. Genom användandet av avböjningsmagneten erhålles ett kompakt svepningssystem med litet avstånd mellan svepmagneternas svepningscentra.

Det stråloptiska systemet i anordningen enligt uppfinningen medför den fördelen att man erhåller ett väldefinierat avstånd mellan strålningskällan (dvs svepningscentret för den andra svepmagneten) och den yta under vilken nämnda begränsade materievolym befinner sig. Detta avstånd benämnas SSD-avstånd (source-to-surface distance). Den från det stråloptiska systemet utgående strålen kan beskrivas såsom en nära punktisotrop-stråle med samma intensitet- och energifördelning i alla riktningar.

Dessutom kommer distorderingen av den elementära (osvepta) strålen tack vare de använda svepmagneterna att bli avsevärt mindre jämfört med om quadrupoler utnyttjades för att svepa strålen 1 de båda planen.

Det stråloptiska systemet 1 anordningen enligt föreliggande uppfinning är av särskilt intresse, eftersom den i 7904360*0 5 strålriktningen sett andra (sista) svepmagneten kan göras kraftig och kort, varigenom en bromsstrålealstrande target kan placeras nära den sista svepmagnetens effektiva svepningscentrum och således omvandla elektronstrålen till en svept fotonstråle.

Motsvarande teknik används för att omvandla en protonstråle till en enligt uppfinningen svept, utjämnad neutronstråle.Även en deutronstråle kan omvandlas till en enligt uppfinningen svept utjämnad neutronstråle. Den här antydda tekniken är särskilt betydelsefull, inte minst på grund av att man kan framställa breda, likformiga fotonstrålar respektive neutronstrålar vid vilken energi som helst utan att behöva utnyttja tjocka utjämningsfilter. Vidare kommer fotonspektret att förbättras när det annars degraderade filtret nu utgår och det hårda framåtriktade fotonspektret fördelas isotropt över hela strålningsfältet.

Den på detta sätt genererade fotonstrålen kommer således att kombinera fördelarna med de inledningsvis omnämnda två konventionella förfarandena, dvs hög penetration och hög homogenitet, dock utan att övertaga dessa kända förfarandens nackdelar. Dessutom kommer den nu föreslagna svepta fotonstrålen att öka den tillgängliga dosen eftersom inga utjämningsfilter av konventionellt slag längre erfordras. Dylika utjämningsfilter absorberar nämligen så mycket som 50-80 % (beroende på strålningens energi) av fotonfluensen. Tack vare detta kommer strålningsavskärmningsproblem utanför fältet att minskas med en faktor på 2-5. Av ännu större vikt är att neutronbildningen i utjämningsfilter och i kollimatorer därmed även kommer att minska med samma faktor 2-5. Genom att således utnyttja den svepta fotonstrålen enligt uppfinningen kan neutronavskärm- ningarna göras i motsvarande grad smidiga.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka fig. 1 är en schematisk sidovy av ett stråloptiskt system enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, fig. 2 är en vy framifrån av det stråloptiska systemet enligt fig. l, fig. 3 och 4 är diagram visande djupdosfördelningen i den med elektroner (fig. 3) 7904360-o 6 respektive fotoner (fig.4) bestrålade materievolymen, fig.5 och 6 är ett diagram visande isodoskurvor för den med elektroner (fig. 5) respektive fotoner (fig. 6) bestrålade materievolymen, och fig. 7 visar fördelningen av den absorberade dosen tvärs den bestrålade volymen dels vid bestrålning med en (kurva l) respektive två (kurva 2) partikelskurar i strålfältets randområde.

Från en icke visad källa för högenergetisk elektronstrålning kommer en elektronstråle e'. Elektronernas energi är i storleksordningen 1-50 MeV. Elektronstrålen e- leds in i ett stråloptiskt system innefattande två svepmagneter la, b repektive Sa, b och en däremellan anbragt avböjningsmagnet 3a, b. Svepmagneten la, b innefattar två polytor la, lb av en icke visad elektromagnet. Genom att variera den elektriska strömmen till vardera elektromagneten och därmed således det magnetiska fältet i gapet mellan polytorna kan elektronstrålen avböjas i varierande grad i ritningens plan, t ex mellan de angivna med heldragna linjer visade ytterlägena. Strålen utgår från svepmagneten la, b som om den kom från ett effektivt svepningscentrum 2. Den i ritningsplanet svepta strålen avböjs därefter i en avböjningsmagnet 3a, b som i det åskådliggjorda fallet avböjer en central partikelstråle 900. Avböjningsmagneten är av konventionell typ med två inbördes vinkelräta polkanter, vilka skär varandra i den med hänvisningssiffran 4 betecknade Den från avböjningsmagneten utgående strålen går b likartad den punkten. därefter genom en andra svepmagnet la, förstnämnda svepmagneten la, b. Den andra svepmagnetens polytor Sa, 5b är orienterade vinkelrätt mot polytorna la, b. Det magnetiska fältet mellan polytorna 5a, b varieras genom att motsvarande elektromagnet matas med en annan varierande elektrisk ström. Den från svepmagneten 5a, b utgående strålen kommer således att lämna svepmagneten såsom om den utgick från ett effektivt svepningscentrum 6. Strålen som lämnar den andra svepmagneten 5a, b sveps 1 ett plan som är vinkelrätt mot ritningens plan.Avböjningsmagneten 3a,t>avbildar svepnings- centret 2 i en punkt, som sammanfaller med svepningscentret 6.

Detta åstadkommes genom att punkten 4 förläggs på den räta linje 790k360~0 7 7 som förbinder svepningscentren 2 och 6 med varandra. Genom detta arrangemang kommer den svepta strålen att stråla isotropt från svepningscentret 6. I vissa fall kan det vara lämpligt att avböjningsmagneten 3a, b avbildar spridningscentret 2 i en punkt, som är förskjuten i förhållande till svepningscentret 6.

Genom att anlägga lämpliga varierande svepspänningar över respektive elektromagneter kan elektronstrålen fås att vandra över inträdesytan till den volym, som skall bestrålas. Genom att göra polytorna Sa, b korta och kraftiga kan längden av den andra svepmagneten förkortas. Placeras en target 8, t ex av volfram med en tjocklek av ca 20 mm, i strålriktningen sett, bakom och i nära anslutning till svepningscentret 6 omvandlas elektron- strålen till en fotonstråle, vilken likaledes i det närmaste strålar isotropt från svepningscentret 6.

Det är även möjligt att utbyta nämnda target 8 mot en tunn target, så kallad transmissionstarget, varigenom strålen som lämnar svepningscentret 6 kommer att innehålla såväl fotoner som elektroner. Genom att inplacera en tillkommande, icke visad, avböjningsmagnet, t ex liknande den med 3a, b visade, i strålbanan från svepmagneten Sa, b kan icke önskad elektronstrålning avledas, varigenom en höggradigt ren fotonstråle bestrålar den svepta ytan. Fig. 3 och 4 visar djupdosfördelningen i den med elektroner respektive fotoner bestrålade materievolymen, i detta fall en vattenvolym. Den heldragna kurvan i fig. 3 visar djupdosfördelningen för en rå outjämnad elektronstråle med energin 45,6 MeV som från 100 cm avstånd träffar vattenytan. Strålens effektiva diameter är 9,1 cm. Den punktade kurvan i fig. 3 visar djupdosfördelningen för en stråle som svepte enligt föreliggande uppfinning och som således från spridningscentret 6 strålar isotropt mot en på 100 cm avstånd belägen vattenyta. I detta fall är således den effektiva diametern av strålen oändligt stor. Som framgår är dosen större på stora djup jämfört med den råa outjämnade strålen. Genom att anordna korrektionsmagneter mellan svepmagneten 5a, b och inträdesytan till den bestrålade volymen och medelst elektriska fält styra dessa korrektionsmagneter så att den svepta elektronstrålen alltid träffar den bestrålade 790R36Û-0 8 ytan vinkelrätt, erhålles en djupdosfördelning markerad med den streckade kurvan i fig. 3. Det är således möjligt att öka den terapeutiska räckvidden ytterligare genom att tillfoga dylika korrektionsmagneter.

Den med långa streck markerade kurvan i fig. 4 visar djupdos- fördelningen för fotoner med energin 50 MeV, vilka passerar ett konventionellt 4 cm tjockt utjämningsfilter av bly. Utan detta utjämningsfilter skulle djupdosfördelningen ha det utseende som framgår av den med heldragen linje visade kurvan. Utnyttjas ett utjämningsfilter av titan med en tjocklek på 4 cm erhålles en djupdosfördelning svarande mot den med korta streck markerade kurvan. Sveps elektronstrålen med anordningen enligt uppfinningen och utnyttjas en target 8 av 1 mm volfram erhålls en djupdosfördelning av det slag som markeras med den punktade kurvan. Det är tydligt att dosmaximum förläggs väsentligt djupare (ca 4 cm djupare) om sveptekniken enligt föreliggande uppfinning utnyttjas.

Normalt är strålen från den icke visade strålkällan inte kontinuerlig utan avges i form av partikelskurar, dvs pulser, med kort varaktighet. Med sveptekniken enligt föreliggande uppfinning är det möjligt att styra svepmönstret och de enskilda partikelskurarnas läge. Fig. 5 åskådliggör ett isodosdiagram för en enskild elektronpuls som kan svepas stegvis efter ett godtyckligt mönster. Elektronernas energi är 50 MeV. Som framgår av fig.5 är strålningsdosen'koncentrerad till en liten ytarea vid inträdesytan av det bestrålade objektet, i detta fall en vattenvolym, medan stråldosen breder ut sig päronformigt för tilltagande djup. Försöksresultat visar att den koncentrerade stråldosen i den lilla ytarean medför minskad hudreaktion på grund av närvaron av omgivande obestrålad vävnad.

Med apparaten enligt uppfinningen kan det mönster, enligt vilket strålen sveps, genomlöpas en gång och de enskilda partikel- .skurarnas tidslängder göres mycket korta så att hela den lokala stråldosen ges i en enda partíkelskur (puls) av mycket hög doshastighet. Genom att bestrålningstiden då blir kort erhålles 7904360-'0 9 . fördelaktiga biologiska reaktioner vid vävnadsbestrålning.

Fig. 6 visar mot fig. 5 svarande isodoskurvor upptagna för en fotonstråle med energin 50 MeV, vilken svepts över en vattenyta och avgett hela den lokala dosen i en enda puls.

Genom att svepa strålen stegvis i åtminstone det ena av de ortogonala planen och genom att styra längden av varje steg i proportion till dosbidraget av den närmast föregående partikel~ skuren kan man kompensera för tillfälliga intensitetsvariationer i den som strålkälla utgående strålningen. Genom att korrelera stegets längd mot intensiteten i den föregående partikelskuren blir medelvärdet av den dos, som ges den bestrålade volymen, konstant. Vid stegvis svepning kan en extra puls (partikelskur) ges till det yttersta randområdet för att förbättra dosfördelningen tvärs den bestrâlade volymen. Fig. 7 illustrerar detta. Figuren visar den ena kvadranten av strålfältet. Volymen bestrålas med 7 x 7 pulser var och en lagd på ett avstånd från 5 cm från sina närmaste grannar. Vardera en puls avges således i varje punkt O, 5, 10 respektive 15 femtio cm från kvadratens centrum. Som synes avtar dosen i kantområdet, dvs ca 15 cm från centrum. Genom att nu istället ge två pulser när strålen befinner sig i sitt yttersta läge räknat från centrum förbättras dosfördelningen avsevärt, vilket framgår av kurvan 2. Kurvan 1 visar dosfördelningen i det fall endast en puls ges i varje punkt.

Ehuru olika, väldefinierade sveptekniker beskrivits ovan kan givetvis bestrålningen ske genom att strålen får löpa fritt, t ex i ett meanderformat mönster, över den yta, som skall bestrålas. Strålen kan även svepas elektriskt i det ena planet, medan det objekt, som skall bestrålas, mekaniskt förflyttas i det därtill vinkelräta planet. Slutligen kan svepningen av strålen ske stegvis i de båda ortogonala planen på så sätt att den svepta strålen följer ett svepningsmönster, som radvis följer gitterpunkterna i ett rutnät, vilket medger så kallad grid- eller sieveterapi. Denna metod är av stort intresse särskilt för att minska hudreaktionen vid behandling av 7904360-0 10 djupliggande tumörer.

Trots att_fig. l och 2 visar användning av en avböjningsmagnet 3a, b som avböjer i 900 kan givetvis andra avböjningsvinklar användas. Avböjningsmagnetens polkanter skall skära varandra i en punkt, som förläggs till den räta linjen 7, som förbinder svepmagneternas svepningscentra 2 och 6 med varandra. I kliniskt användbara system för höga energier torde elektronstrålen behöva avböjas, varför en avböjningsmagnet normalt är erforderlig.

Samma strålningsoptiska funktion kan dock erhållas med ett quadrupolsystem eller någon annan stråloptisk komponent.

Avböjningsmagneten är dock inte ovillkorlig. ' De ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för uppfinningens grundtanke.

Claims (4)

790k360-0 ll PATENTKRAV

1. l. Anordning för bestrålning av en materievolym med en stråle av laddade partiklar, innefattande ett i banan för en från en strålkälla utgående stråle av laddade partiklar anordnat stråloptiskt system med en första svepmagnet (la, lb) och en avböjningsmagnet (3a), k ä n n e t e c k n a d av att det stråloptiska systemet vidare innefattar en andra svepmagnet (Sa, 5b) anordnad efter avböjningsmagneten (3a), vilken första svepmagnet (la, lb) är anordnad att avlänka strålen i böjnings- planet för avböjningsmagneten så att den första svepmagnetens virtuella svepcentrum genom avböjningsmagneten (3a) avbildas i huvudsak i svepcentrum (6) för den andra svepmagneten (5a, Sb), varjämte den andra svepmagneten (Sa, Sb) är anordnad att avlänka den i avböjningsmagnetens böjningsplan avlänkade strålen i ett plan som är i huvudsak vinkelrätt mot böjningsplanet, varigenom strålen är svepbar i två ortogonala riktningar.

2. Anordning enligt krav l, varvid källan avger en stråle med elektroner (eller protoner respektive deutroner), k ä n n e- t e c k n a d av att en target (8) placerad i strålningsrikt- ningen sett efter och på nära avstånd från det effektiva svepcentrum (6) för den andra svepmagneten (5a, b) varigenom den i targeten genererade neutrala strålningen i huvudsak följer den laddade strålens riktning och materievolymen bestrålas med en svept fotonstråle (eller neutronstråle), som strålar isotropt från det effektiva svepningscentret (6) för den andra svepmagne- ten (5a, Sb) oberoende av energin i den i det stråloptiska systemet infallande partikelstrålningen (e,p,t).

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att en transmissionstarget (8) placerad, sett i strålningsriktningen, efter och på nära avstånd från det effektiva svepningscentret (6) för den andra svepmagneten (5a, 5b), samt en tillkommande avböjningsmagnet placerad mellan den andra svepmagneten (Sa, Sb) och inträdesytan till den volym som skall bestrålas, vilken tillkommande avböjningsmagnet avböjer de transmitterade elektro- nerna (eller protonerna respektive deutronerna) så att den , i _ i- --.__ 7905360-0 12 fotonstråle (eller neutronstråle), som bildas genom partikel- strålens växelverkan med transmissionstargeten.(8) kan svepas och därvid den begränsade materievolymen bestrålas med en smal, svept fotonstråle (eller neutronstråle) varvid god dos- homogenitet erhålles.

4. Anordning enligt något eller några av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att korrektionsmagneter placerade mellan den andra svepmagneten (Sa, 5b) och inträdesytan för den volym som skall bestrålas, för att bringa den svepta strålen att träffa nämnda yta vinkelrätt. (v M