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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleuniger zum Beschleunigen
eines geladenen Partikelstrahls und zur Erzeugung des zu verwendenden
Strahls, ein Verfahren zur Erzeugung des Strahls und ein den Strahl
verwendendes medizinisches System.
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Ein
herkömmliches
Beschleunigersystem und ein herkömmliches
Verfahren zur Erzeugung des geladenen Partikelstrahls durch das
Beschleunigersystem sind in der JP Nr. 2,596,292 beschrieben.
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Wie
gemäß der Druckschrift
Nr. 2,596,292 wird veranlaßt,
daß der
geladene Partikelstrahl von einem Vorbeschleuniger auf den Beschleuniger
in der nachfolgenden Stufe auftrifft. Der Beschleuniger in der nachfolgenden
Stufe beschleunigt den geladenen Partikelstrahl auf die für eine Behandlung
erforderliche Energie und erzeugt den Strahl. Die geladenen Partikel
zirkulieren, wobei sie nach links und rechts oder nach oben und
unten schwingen. Dies wird als Betatronschwingungen bezeichnet.
Die Anzahl der Schwingungen der Betatronschwingung pro Umlauf wird
als Harmonie bezeichnet. Für
die Divergenz und die Konvergenz werden zwei vierpolige Elektroma gneten
verwendet, die die Harmonie nahe einer ganzen Zahl + 1/3, einer
ganzen Zahl + 2/3 oder einer ganzen Zahl + 1/2 einstellen. Gleichzeitig
wird ein auf der kreisförmigen
Umlaufbahn vorgesehener mehrpoliger Elektromagnet zur Erzeugung
einer Resonanz angeregt, wodurch die Amplitude der Betatronschwingungen
der geladenen Partikel mit mehr als einer bestimmten Betatronschwingungsamplitude unter
einer hohen Anzahl an umlaufenden geladenen Partikeln plötzlich erhöht wird.
Das Phänomen
dieser plötzlichen
Amplitudensteigerung wird als Resonanz der Betatronschwingung bezeichnet.
Der Schwellenwert der Amplitude der Betatronschwingungen, bei denen
die Resonanz auftritt, wird als Stabilitätsgrenze bezeichnet, wobei
der Wert dieser Veränderungen von
der Beziehung zwischen den Intensitäten des die Resonanz erzeugenden
mehrpoligen Magnetfelds und des vierpoligen Magnetfelds abhängt. Die
Resonanz, die erzeugt wird, wenn die Harmonie nahe einer ganzen
Zahl + 1/2 eingestellt ist, wird als Resonanz zweiter Ordnung bezeichnet,
und die Resonanz, die erzeugt wird, wenn die Harmonie nahe einer
natürlichen
Zahl + 1/3 oder + 2/3 eingestellt ist, wird als Resonanz dritter
Ordnung bezeichnet. Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines Falls,
in dem die Harmonie nahe einer ganzen Zahl + 1/3, also auf eine
Resonanz dritter Ordnung eingestellt ist. Der Wert der Stabilitätsgrenze
der Resonanz nimmt ab, wenn sich die Abweichung von der Harmonie
von einer ganzen Zahl + 1/3 verringert. Daher wird die Harmonie
beim Stand der Technik zunächst
an eine ganze Zahl + 1/3 angenähert
und konstant eingestellt, während
die Intensität
des die Resonanz erzeugenden mehrpoligen Elektromagneten konstant
gehalten wird, d.h. die Feldintensität des vierpoligen Magneten sowie
die Intensitäten
des Ablenkungselektromagneten und des die Resonanz erzeugenden mehrpoligen Elektromagne ten
werden konstant gehalten. Dann wird ein hochfrequentes elektromagnetisches
Feld mit mehreren verschiedenen Frequenzkomponenten oder einem Frequenzband
an den Strahl angelegt, das die Betatronschwingungsamplitude zur
Erzeugung einer Resonanz steigert. Der Strahl wird von dem Extraktionsdeflektor
unter Verwendung der Steigerung der Betatronschwingung aufgrund
der Resonanz extrahiert. Der extrahierte Ionenstrahl wird unter
Verwendung eines Elektromagneten eines Ionenstrahltransportsystems
zu einem Behandlungsraum transportiert.
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In
der JP-A-7-14,699 ist eine bei einem herkömmlichen Beschleuniger verwendete
Hochfrequenzextraktionsquelle beschrieben. Die Harmonie des geladenen
Partikelstrahls wird durch die Wirkung des die Resonanz erzeugenden
mehrpoligen Elektromagneten abhängig
von der Betatronschwingungsamplitude verändert. Daher muß die Hochfrequenz zur
Strahlenextraktion ein Frequenzband oder mehrere verschiedene Frequenzkomponenten
aufweisen. Beim Stand der Technik werden hohe Frequenzen an den
geladenen Partikelstrahl angelegt, die ein Frequenzband im zweistelligen
kHz-Bereich haben und
das Produkt des dezimalen Bruchs der Harmonie und der Umlauffrequenz
des aus dem zyklischen Beschleuniger extrahierten geladenen Partikelstrahls einschließen.
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Der
von dem Beschleuniger emittierte geladene Partikelstrahl wird, wie
in der JP-A-10-118,204 beschrieben, zu einem Behandlungsraum transportiert,
in dem eine Bestrahlungsvorrichtung für die Behandlung vorgesehen
ist. Die Bestrahlungsvorrichtung weist einen Streuer zur Steigerung
des Strahlendurchmessers und einen Strahlenabtastmagneten zum Veranlassen
einer kreisförmigen
Abtastung durch den Strahl mit gesteigertem Durchmesser auf. Die kreisförmige Abtastung
durch den Strahl mit durch den Streuer vergrößertem Durchmesser dient der
Abflachung der integrierten Strahlenintensität innerhalb der Position der
Mitte des Abtaststrahls. Der Strahl mit abgeflachter Intensitätsverteilung
wird durch einen Patientenkollimator so eingestellt, daß seine
Form mit dem erkrankten Körperteil übereinstimmt,
bevor er auf den Patienten abgestrahlt wird.
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Zudem
kann, obwohl dies von Vorstehendem abweicht, ein Strahl mit kleinem
Durchmesser verwendet werden und unter Verwendung des Strahlenabtastelektromagneten
so abtasten, daß seine Form
mit dem erkrankten Teil übereinstimmt.
Bei diesem Abtastverfahren mit einem Strahl mit kleinem Durchmesser
wird der an den Strahlenabtastelektromagneten angelegte Strom so
gesteuert, daß der Strahl
auf eine vorgegebene Position gestrahlt wird. Das Anlegen der hohen
Frequenzen an den Strahl wird nach der Bestätigung des Aufbringens einer
bestimmten Strahlungsmenge durch einen Strahlenintensitätsmonitor
eingestellt, wodurch die Emission des Strahls beendet wird. Nach
der Beendigung der Bestrahlung wird der an den Strahlenabtastelektromagneten
angelegte Strom verändert,
um die Bestrahlungsposition zu verändern, und der Strahl wird wiederholt
erneut abgestrahlt.
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So
wird bei einem herkömmlichen
medizinischen Beschleunigersystem der Durchmesser des Strahls vor
dessen Abstrahlung durch den Streuer gesteigert und kreisförmig abgelenkt,
so daß die
Abtastung dergestalt erfolgt, daß die integrierte Intensitätsverteilung
im Bereich innerhalb des Abtastkreises abgeflacht werden kann. Bei
dieser Bestrahlung durch Abtastung mit einem Strahl ist es zur Abflachung
der Intensitätsverteilung
wünschenswert,
die Veränderung der
Strahlenintensität
und insbesondere die Frequenzkomponenten im Bereich von etwa zweistelligen
Hz-Werten bis zu zweistelligen kHz-Werten zu verringern. Da bei
dem herkömmlichen
medizinischen Beschleunigersystem die für die Emission an den geladenen
Partikelstrahl anzulegenden hohen Frequenzen jedoch ein Frequenzband oder
mehrere verschiedene Frequenzen aufweisen, weist der von dem Beschleuniger
emittierte Strahl Frequenzkomponenten im Bereich von zweistelligen Hz-Werten
bis zu zweistelligen kHz-Werten
auf, und seine Intensität
verändert
sich mit der Zeit. Daher ist zum Erhalt einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung der
Bestrahlung eine geeignete Auswahl der Geschwindigkeit der kreisförmigen Abtastung
entsprechend der zeitbedingten Veränderung der Strahlenintensität oder eine
Abflachung der Intensitätsverteilung
der Bestrahlung durch die Auswahl einer von der Frequenz der Veränderung
der Strahlenintensität
abweichenden Abtastfrequenz erforderlich. Das Problem der Veränderung
der Strahlenintensität
kann durch eine starke Steigerung der Frequenz der kreisförmigen Abtastung
gelöst
werden, doch die Kosten der Abtastelektromagneten und der Energieversorgung
werden erheblich gesteigert. Überdies
sind bei einer großen
zeitbedingten Veränderung
der Strahlenintensität
die Bedingungen, wie die Reproduzierbarkeit und die Stabilität des an
den Abtastelektromagneten angelegten Stroms, die zur Unterdrückung der Veränderung
der Intensitätsverteilung
des Strahlungsfelds auf einen zulässigen Bereich erforderlich sind,
schwerwiegender als wenn die zeitbedingte Veränderung der Strahlenintensität klein
ist.
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Obwohl
beim Stand der Technik der Durchmesser des Abtaststrahls groß oder klein
ist, macht die zeitbedingte Veränderung
der Strahlenintensität überdies
eine Steigerung der Zeitauflösung
des Strahlenintensitätsmonitors
zur Bestätigung
einer vorgegebenen Bestrahlungsintensitätsverteilung erforderlich.
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Die
US 5 576 602 beschreibt
ein Verfahren zum Extrahieren eines Strahls geladener Partikel sowie
einen kleinen Beschleuniger für
einen Strahl geladener Partikel. Der Beschleuniger weist einen Hohlkörper zum
Beschleunigen eines Strahls geladener Partikel auf, eine Einheit
zum Anlegen von Hochfrequenz zur Erhöhung der Betatronoszillationsamplitude,
einen Mehrpolmagnet für
Resonanz mit der Betatronoszillation, wenn die geladenen Partikel
die Stabilitätsgrenze überschritten
haben, Umlenkmagneten zum horizontalen und vertikalen Fokussieren und
Defokussieren des Strahls geladener Partikel. Die Amplitude der
Betatronoszillation wird durch eine Hochfrequenz mit einer oder
mehreren Frequenzkomponenten so erhöht, daß Resonanz angeregt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen zur Unterdrückung der
Veränderung des
emittierten Strahlenstroms von insbesondere Frequenzen von etwa
zweistelligen Hz-Werten bis zu zweistelligen kHz-Werten geeigneten
Beschleuniger, ein diesen Beschleuniger verwendendes medizinisches
Beschleunigersystem und ein Verfahren zum Betreiben des Systems
zu schaffen.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird zur Lösung
der vorstehend genannten Aufgabe ein Zirkularbeschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und
vierpoligen Elektromagneten zum Herbeiführen einer Zirkulation eines
geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten zur
Erzeugung einer Stabilitätsgrenze
der Resonanz einer Betatronschwingung zur Erzeugung des geladenen
Partikelstrahls, einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten
elektromagnetischen Felds an den geladenen Partikelstrahl zum Bewegen
des geladenen Partikelstrahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze
und dadurch zur Anregung der Resonanz der Betatronschwingung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochfrequenzquelle ein Wechselstromsignal erzeugt, das mehrere verschiedene
Frequenzkomponenten enthält,
deren Mindestfrequenzdifferenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz liegt
und deren Phasen die Phasendifferenz zwischen diesen Frequenzkomponenten
und andere Werte als ein ganzzahliges Vielfaches von π enthalten.
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Zur
Steigerung der Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls
durch hohe Frequenzen zu seiner Verschiebung auf die Außenseite
der Stabilitätsgrenze
ist es wünschenswert,
daß die
hohen Frequenzen nahe am Produkt des Dezimalbruchs der Harmonie
(der Anzahl der Betatronschwingungen in der Zeitspanne, in der der
geladene Partikelstrahl einmal in dem zyklischen Beschleuniger umläuft) des
geladenen Partikelstrahls und der Umlauffrequenz oder am Produkt
des Dezimalbruchs der Harmonie und einem integralen Vielfachen der Umlauffrequenz
liegen. Die Harmonie wird abhängig von
der Amplitude der Betatronschwingung verändert. Daher ist zum Überschreiten
der Stabilitätsgrenze
für die
Bestrahlung und damit zur Steigerung der Amplitude der Betatronschwingung
die Verwendung von hohen Frequenzen mit mehreren verschiedenen Frequenzkomponenten
erforderlich.
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Da
gemäß dem vorstehend
genannten Aspekt der Erfindung von der Hochfrequenzquelle ein Wechselstromsignal
an den geladenen Partikelstrahl angelegt wird, das mehrere verschiedene
Frequenzkomponenten enthält,
deren Mindestfrequenzdifferenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz
liegt, liegt die niedrigste Frequenzkomponente der Veränderung der
Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls im Bereich
von 500 Hz bis 10 kHz, und daher ist es möglich, eine Veränderung
des Bestrahlungsstroms unter einige hundert Hz auszuschließen, die
insbesondere bei einem Bestrahlungsverfahren unterdrückt werden
muß, bei
dem ein Strahl mit kleinem Durchmesser zur Abtastung abgelenkt wird. Wenn
die Phasendifferenz zwischen den Frequenzkomponenten ein ganzzahliges
Vielfaches von π ist, wird
die Signalintensität
zudem aufgrund der Überlagerung
dieser unterschiedlichen Frequenzkomponenten erheblich gesteigert
oder verringert. Durch eine derartige Auswahl der Phasendifferenz
zwischen diesen Frequenzkomponenten, daß sie einen anderen Wert als
ein ganzzahliges Vielfaches von π aufweist,
ist es jedoch möglich,
eine Veränderung
der Intensität
des emittierten Strahls zu unterdrücken.
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Zur
Lösung
der vorstehend genannten Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ein zyklischer Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten
und vierpoligen Elektromagneten zur Veranlassung einer Zirkulation
eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen Elektromagneten
zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze
der Betatronschwingungsresonanz zur Erzeugung des geladenen Partikelstrahls
und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds
an den geladenen Partikelstrahl zu dessen Verschiebung auf die Außenseite
der Stabilitätsgrenze und
zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochfrequenzquelle die Summe mehrerer Wechselstromsignale erzeugt,
deren momentane Frequenzen sich mit der Zeit verändern und bei denen die Durchschnittswerte
der momentanen Frequenzen zeitbezogen unterschiedlich sind, und
das Summensignal an den geladenen Partikelstrahl anlegt.
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Wenn
ein hochfrequentes Signal mit mehreren Frequenzen an den geladenen
Partikelstrahl angelegt wird, unterliegt der geladene Partikelstrahl
einer Betatronschwingung mit einer von den Intensitäten der
Elektromagneten des Beschleunigers und den für die Emission angelegten Hochfrequenzkomponenten
abhängigen
Betatronschwingungsfrequenz (dem Produkt der Umlauffrequenz und
der Harmonie des geladenen Partikelstrahls), und die Amplitude der
Betatronschwingung wird mit der Summe und den Differenzen zwischen
der Betatronschwingungsfrequenz und den für die Emission angelegten Hochfrequenzkomponenten
und mit den Summen und Differenzen dieser Hochfrequenzkomponenten
selbst verändert.
Dadurch wird auch die Anzahl der Partikel des geladenen Partikelstrahls oder
die Intensität
des emittierten geladenen Partikelstrahls, der die Stabilitätsgrenze übersteigt,
bei den gleichen Frequenzen wie vorstehend beschrieben verändert. Die
Frequenzkomponenten mit zweistelligen kHz-Werten oder darunter,
die bei der Anwendung des geladenen Partikelstrahls für eine medizinische
Behandlung wesentlich sind, werden aufgrund der Differenzen zwischen
der Betatronschwingungsfrequenz und den für die Emission angelegten Hochfrequenzkomponenten
und den Differenzen zwischen diesen Hochfrequenzkomponenten für die Emission
erzeugt. Die Veränderung
des emittierten Strahls mit der Zeit im zweistelligen kHz-Bereich
oder darunter kann wie nachstehend beschrieben aufgrund des Prinzip
gemäß den vorstehend
beschriebenen Merkmalen der Erfindung verringert werden.
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Das
Wechselstromsignal wird durch Ai sin(2πfit + θi) ausgedrückt, wobei t die Zeit, Ai die Amplitude und θi die
Phase repräsentieren,
und die momentane Frequenz wird durch fi +
(dθi/dt)/(2π)
ausgedrückt.
Wenn sich die momentane Frequenz mit der Zeit verändert, gilt
dθi/dt ≠ 0.
Wenn vorab festgelegt wird, daß der
Durchschnittswert dθi/dt Null ist, ist der Durchschnittswert
der momentanen Frequenz in bezug auf die Zeit fi.
Die Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls wird
mit der Frequenzdifferenz zwischen der Betatronschwingungsfrequenz
und der angelegten Hochfrequenz verändert. Gemäß dem vorstehend genannten
Merkmal wird das Summensignal ΣAi sin(2πfit + θi(t)) der Wechselstromsignale mit unterschiedlichen
Frequenzen fi (i = 1, 2, ..., n, wobei n
2 oder mehr beträgt) und
Phasen θi, die sich mit der Zeit verändern, erzeugt
und an den geladenen Partikelstrahl angelegt.
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Die
Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls wird
mit der Differenzfrequenz zwischen der Betatronschwingungsfrequenz und
der angelegten Hochfrequenz verändert.
Die Betatronschwingungsamplitude verändert sich aufgrund der angelegten
Hochfrequenz fi mit einer Frequenz von fi – fβ.
Da sich die Phase θi des Wechselstromsignals mit der Frequenz
fi mit der Zeit verändert, hängt die Phase der Amplitudenveränderung
der Betatronschwingung bei der Frequenz fi – fβ auch
von der Umlaufposition des in dem Beschleuniger umlaufenden geladenen
Partikelstrahls, d.h. von der seitlichen Position des Strahls ab.
Dadurch hängt
es von der Umlaufposition des in dem Beschleuniger zirkulierenden Strahls
oder von der seitlichen Position ab, ob der Strahl abgestrahlt wird
oder nicht. Die Richtung und Position, von der aus der in dem Beschleuniger
umlaufende Strahl abgestrahlt wird, verändern sich bei jedem Umlauf.
Anders ausgedrückt
wird zu einem bestimmten Zeitpunkt das vordere Ende des geladenen
Partikelstrahls in der Drehrichtung abgestrahlt, doch die zweite
Hälfte
des Strahls von dessen Mitte in der Drehrichtung an wird nicht abgestrahlt.
Im Laufe der Zeit wird jedoch der mittlere Abschnitt des Strahls
in der Umlaufrichtung emittiert, aber die erste und zweite Hälfte des
Strahls in der Drehrichtung werden nicht abgestrahlt. Daher nimmt
die Betatronschwingungsamplitude abhängig von der Umlaufposition
mit einer anderen Phase zu, und der Strahl wird an einer Kreisposition
abgestrahlt, die sich mit der Zeit verändert. Beim Stand der Technik
wird der Strahl an sämtlichen
Umlaufpositionen abgestrahlt und ähnlich an sämtlichen Umlaufpositionen weniger abgestrahlt.
Daher ist erfindungsgemäß die Veränderung
sämtlicher
geladener Partikel des Strahls in bezug auf die Zeit extrem klein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zyklischer Beschleuniger
mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum
Ablenken des zu drehenden geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen
Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze der Resonanz der Betatronschwingung
für die
Emission des Strahls und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten
elektromagnetischen Felds an den Strahl zu seiner Verschiebung jenseits
der Stabilitätsgrenze
und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochfrequenzquelle ein näher bestimmtes
Summensignal aus mehreren verschiedenen Signalen erzeugt, und das
Summensignal an den Strahl anlegt.
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Das
Wechselstromsignal wird durch Ai sin(2πfit + θi) ausgedrückt, wobei t die Zeit, Ai die Amplitude und θi die
Phase repräsentieren,
und die gegenwärtige
Frequenz wird durch fi + (dθi/dt)/(2π)
ausgedrückt.
Wenn sich die momentane Frequenz mit der Zeit verändert, gilt
dθi/dt ≠ 0.
Wenn vorab festgelegt wird, daß der
Durch schnittswert dθi/dt 0 ist, ist der Durchschnittswert der
momentanen Frequenz in bezug auf die Zeit fi.
Gemäß dem vorstehend
genannten Merkmal wird das Summensignal ΣAi sin(2πfit + θi(t)) der Wechselstromsignale, deren (dθi/dt), (dθj/dt) (i ≠ j)
unterschiedlich sind oder bei denen die Veränderungsraten der Phasen θi und θj bei fi (i = 1,
2, ..., n, wobei n 2 oder mehr ist) unterschiedlich sind, erzeugt
und an den geladenen Partikelstrahl angelegt.
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Die
Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls wird
mit der Differenzfrequenz zwischen den angelegten hohen Frequenzen verändert. Anders
ausgedrückt
wird die Betatronschwingungsamplitude mit der Differenz fi – fj verändert,
wenn die angelegten Frequenzen durch fi und
fj repräsentiert
werden. Ebenso werden die Phasen θi und θj der Wechselstromsignale der Frequenzen
fi und fj in bezug
auf die Zeit mit verschiedenen Raten verändert, und daher hängt die
Veränderung
der Betatronschwingungsamplitude bei einer Frequenz fi – fj von der Umlaufposition oder der Phase des
in dem Beschleuniger umlaufenden Strahls oder von der Auf- und Ab-Position
des Strahls ab. Da die Phase der Steigerung der Betatronschwingungsamplitude von
der Umlaufposition des Strahls abhängt und da sich die Phasen
verändern,
wird daher die Anzahl sämtlicher
geladener Partikel des erzeugten Strahls zeitbezogen sehr viel weniger
als gemäß Anspruch
1 der Erfindung verändert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zyklischer Beschleuniger
mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum
Herbeiführen
einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen
Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer
Betatronschwingung zur Abstrahlung des Strahls und einer Hochfrequenzquelle
zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den
Strahl zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze
und damit zum Anregen einer Resonanz der Betatronschwingung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochfrequenzquelle ein Summensignal ΣAi sin(2πfit + θi) aus mehreren Wechselstromsignalen mit
verschiedenen Frequenzen fi und Phasen θi und einer den Frequenzen fi zugeordneten
Amplitude Ai erzeugt, wobei t die Zeit repräsentiert
und die Phasen θi mit einer vorgegebenen Periode verändert werden.
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Die
Wechselstromsignale werden durch Ai sin(2πfit + θi) repräsentiert,
wobei t die Zeit und Ai die Amplitude ist.
Die momentane Frequenz wird durch 2πfi +
dθi/dt ausgedrückt. Wenn die jeder fi zugeordnete θi in
einer vorgegebenen Periode verändert wird,
wird auch die Phase der Steigerung der Betatronschwingung für die Bestrahlung
ständig
verändert.
Daher wird die Intensität
des erzeugten Strahls gemittelt, wodurch der Strahl zeitbezogen
weniger verändert
wird.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zyklischer Beschleuniger
mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten zum
Herbeiführen
einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls, einem mehrpoligen
Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze einer Resonanz einer
Betatronschwingung zur Abstrahlung des Strahls und einer Hochfrequenz quelle
zum Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den
Strahl zum Bewegen des Strahls auf die Außenseite der Stabilitätsgrenze
und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochfrequenzquelle mehrere thermische Rauschgeneratoren und eine
an der Stufe neben den thermischen Rauschgeneratoren vorgesehene
Schalteinrichtung zum Auswählen
eines der Ausgänge
dieser Generatoren in vorgegebenen Zeitintervallen aufweist und basierend
auf dem Ausgang des ausgewählten
thermischen Rauschgenerator eine Hochfrequenz an den Strahl anlegt.
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Damit
wird die Phasendifferenz zwischen verschiedenen, an den Strahl anzulegenden
Hochfrequenzen mit einer vorgegebenen Periode verändert. Dadurch
wird die Phase der Veränderung
der Betatronschwingungsamplitude jede Sekunde verändert, und
damit wird ein Mittelwert der erzeugten Strahlenintensität erzeugt,
so daß die
Strahlenintensität
weniger verändert
wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein medizinisches Beschleunigersystem mit
einem zyklischen Beschleuniger, einem Transportsystem zum Transportieren
eines von dem zyklischen Beschleuniger erzeugten geladenen Partikelstrahls
und einer Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des Strahls auf
einen Patienten geschaffen, gekennzeichnet durch die Verwendung
des in Anspruch 1 beanspruchten zyklischen Beschleunigers als Beschleuniger.
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Damit
werden die niedrigen Frequenzkomponenten der Amplitudenänderung
der Betatronschwingung innerhalb des zyklischen Beschleunigers reduziert,
wodurch der erzeugte Strahl zeitbezogen weniger verändert wird.
Daher kann von der Bestrahlungs vorrichtung zur Behandlung ein Strahl
mit einer weniger veränderten
Amplitude abgestrahlt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein medizinisches Beschleunigersystem mit
einem zyklischen Beschleuniger, einem Transportsystem zum Transportieren
eines von dem Beschleuniger erzeugten, geladenen Partikelstrahls und
einer Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des Strahls auf einen
Patienten geschaffen, gekennzeichnet durch die Verwendung des in
Anspruch 2 beanspruchten zyklischen Beschleunigers als Beschleuniger.
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Damit
wird auch die Phase der Amplitudenveränderung der Betatronschwingung
innerhalb des zyklischen Beschleunigers jede Sekunde verändert, und
ein Mittelwert der erzeugten Strahlenintensität wird erzeugt, wodurch der
erzeugte Strahl zeitbezogen weniger verändert wird. Daher kann von
der Bestrahlungsvorrichtung zur Behandlung ein Strahl mit weniger
veränderter
Amplitude abgestrahlt werden.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein medizinisches Beschleunigersystem mit
einem zyklischen Beschleuniger, einem Transportsystem zum Transportieren
eines von dem Beschleuniger erzeugten geladenen Partikelstrahls
und einer Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des transportierten
Strahls auf einen Patienten geschaffen, gekennzeichnet durch die
Verwendung des in Anspruch 4 beanspruchten zyklischen Beschleunigers
als Beschleuniger.
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Damit
wird die Phase der Hochfrequenz, die an den Strahl angelegt wird,
damit der Strahl von dem Beschleuniger erzeugt werden kann, zeitbezogen
verändert.
Dementsprechend wird auch die Phase der Amplitudenveränderung
der Betatronschwingung jede Sekunde verändert, und ein Mittelwert der erzeugten
Strahlenintensität
wird erzeugt, wodurch die erzeugte Strahlenintensität zeitbezogen
weniger verändert
wird. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung zur Behandlung
ein Strahl mit weniger veränderter
Intensität
abgestrahlt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
medizinischen Beschleunigersystems geschaffen, das einen zyklischen
Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten
zur Veranlassung einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls,
einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze
einer Resonanz einer Betatronschwingung zur Abstrahlung des geladenen
Partikelstrahls und eine Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten
elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf
die Außenseite
der Stabilitätsgrenze
und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung;
ein Transportsystem zum Transportieren des von dem zyklischen Beschleuniger
erzeugten Strahls und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des
transportieren Strahls auf einen Patienten aufweist, wobei das Verfahren
die Schritte der Erzeugung eines mehrere Frequenzkomponenten, deren Mindestfrequenzdifferenz
im Bereich von 500 Hz bis einschließlich 10 kHz liegt und deren
Phasen Phasendifferenzen zwischen den Frequenzkomponenten und andere
Werte als ein ganzzahliges Vielfaches von π enthalten, enthaltenden Wechselstromsignals zum
Bewegen des Strahls auf die Außenseite
der Stabilitätsgrenze
durch die Hochfrequenzquelle, des Anlegens des Wechselstromsignals
an den Strahl, damit der Strahl durch den zyklischen Beschleuniger erzeugt
werden kann, und des Abstrahlens des Strahls durch die Bestrahlungseinrichtung
zur Behandlung umfaßt.
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Damit
werden die niederfrequenten Komponenten der Amplitudenveränderung
der Betatronschwingung in dem zyklischen Beschleuniger verringert,
und die erzeugte Strahlenintensität wird zeitbezogen weniger
verändert,
wodurch von dem Beschleuniger ein Strahl mit einer zeitbezogen weniger veränderten
Intensität
erzeugt werden kann. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung
für die
Behandlung ein Strahl mit einer weniger veränderten Amplitude abgestrahlt
werden. Insbesondere ist es möglich,
die Veränderung
des Bestrahlungsstrom unter einige hundert Hz zu verringern, die
bei einem Verfahren zur Bestrahlung durch Abtasten mit einem Strahl
mit kleinem Durchmesser unterdrückt
werden muß.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
medizinischen Beschleunigersystems geschaffen, das einen zyklischen
Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten
zum Veranlassen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls,
einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze
einer Resonanz einer Betatronschwingung zum Abstrahlen des geladenen
Partikelstrahls und eine Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten
elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf
die Außenseite
der Stabilitätsgrenze
und damit zum Anregen einer Resonanz in der Betatronschwingung,
ein Transportsystem zum Transportieren des von dem zyklischen Beschleuniger
erzeugten Strahls und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrah len des
transportierten Strahls auf einen Patienten aufweist, wobei das
Verfahren die Schritte der Erzeugung eines Summensignals aus Signalen
durch die Hochfrequenzquelle, deren momentane Frequenzen sich zeitbezogen
verändern
und bei denen die Durchschnittswerte der momentanen Frequenzen zeitbezogen
unterschiedlich sind, des Anlegens des Summensignals an den Strahl,
so daß der
Strahl durch den zyklischen Beschleuniger erzeugt werden kann, und
des Abstrahlens des Strahls für
eine Behandlung durch die Bestrahlungsvorrichtung umfaßt.
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Damit
werden die Phasen mehrerer Hochfrequenzkomponenten, die an den Strahl
anzulegen sind, damit der Strahl von dem Beschleuniger erzeugt werden
kann, zeitbezogen verändert.
Dementsprechend wird auch die Phase der Amplitudenveränderung
der Betatronschwingung jede Sekunde verändert, und ein Mittelwert der
erzeugten Strahlenintensität
wird erzeugt, so daß ein
Strahl mit einer weniger veränderten
Intensität
erzeugt werden kann. Daher kann von der Bestrahlungsvorrichtung
zur Behandlung ein Strahl mit einer weniger veränderten Intensität abgestrahlt
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
medizinischen Beschleunigersystems geschaffen, das einen zyklischen
Beschleuniger mit Ablenkungselektromagneten und vierpoligen Elektromagneten
zum Veranlassen einer Zirkulation eines geladenen Partikelstrahls,
einem mehrpoligen Elektromagneten zur Erzeugung einer Stabilitätsgrenze
einer Resonanz einer Betatronschwingung zum Abstrahlen des geladenen
Partikelstrahls und einer Hochfrequenzquelle zum Anlegen eines hochfrequenten
elektromagnetischen Felds an den Strahl zum Bewegen des Strahls auf
die Außenseite
der Stabilitätsgrenze
und damit zum Anregen einer Resonanz der Betatronschwingung, ein
Transportsystem zum Transportieren des von dem zyklischen Beschleuniger
erzeugten Strahls und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Abstrahlen des
transportierten Strahls auf einen Patienten aufweist, wobei das
Verfahren die Schritte des Anlegens eines Summensignals ΣAi sin(2πfit + θi), wobei t die Zeit repräsentiert, aus mehreren Wechselstromsignalen
mit verschiedenen Hochfrequenzen fi (i =
1, 2, ..., n), Phasen θi und zu den Frequenzen fi gehörigen Amplituden
Ai an den Strahl, wobei sich die Phasen θi zeitbezogen mit einer vorgegebenen Periode
verändern,
des Transports des von dem Beschleuniger erzeugten Strahls durch
Anlegen des Hochfrequenzsignals an den Strahl und des Abstrahlens
des Strahls durch die Bestrahlungsvorrichtung umfaßt.
-
Damit
werden die Phasen mehrerer Hochfrequenzen, die an den Strahl angelegt
werden, damit der Strahl durch den Beschleuniger erzeugt werden kann,
in vorgegebenen Zeitintervallen verändert. Dementsprechend wird
die Phase der Amplitudenveränderung
der Betatronschwingung jede Sekunde verändert, und der Mittelwert der
erzeugten Strahlenintensität
wird erzeugt, wodurch die erzeugte Strahlenintensität zeitbezogen
weniger verändert
wird. Daher kann für
eine Behandlung von der Bestrahlungsvorrichtung ein Strahl mit einer
weniger veränderten Intensität abgestrahlt
werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Diagramm eines medizinischen Beschleunigersystems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
-
2 ist
ein Diagramm einer Bestrahlungsdüse 200 gemäß 1;
-
3 ist
ein Diagramm einer Hochfrequenzquelle 24 gemäß 1;
-
4 ist
ein Diagramm, das die Veränderung
der Phase und der Signalintensität
eines an die Elektroden 25 angelegten Hochfrequenzsignals zeigt;
-
5 ist
ein Diagramm, das die Veränderung
der Phase eines an die Elektrode angelegten Hochfrequenzsignals
zeigt;
-
die 6A und 6B sind
Diagramme, die ein Bestrahlungsverfahren, bei dem ein Streuer verwendet
wird, und die Intensitätsverteilung
der Strahlung zeigen;
-
7 ist
ein Diagramm, das die Veränderung
der Phase eines Hochfrequenzsignals bei einem medizinischen Beschleunigersystem
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
8 ist
ein Diagramm, das die Veränderung
der Signalintensität
eines Hochfrequenzsignals bei einem medizinischen Beschleunigersystem
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
9 ist
ein Diagramm, das das Ergebnis einer numerischen Simulation der
Intensitätsveränderung
des geladenen Partikelstrahls bei den Ausführungsformen gemäß den 7 und 8 zeigt;
sprechend
diesen Informationen eine Energiezufuhr 113 sowohl für den Beschleuniger 111 als
auch für eine
Energieversorgung 112 für
Vorrichtungen eines Systems zum Transportieren eines emittierten Strahls
und eine Energieversorgung 201 für eine Bestrahlungsvorrichtung
eines Bestrahlungssystems für die
Behandlung.
-
Der
erfindungsgemäße Beschleuniger 111 umfaßt einen
Vorbeschleuniger 16, ein System 17 zum Transportieren
eines einfallenden Strahls zum Transportieren des Strahls zu dem
Beschleuniger 111, eine Eingangsvorrichtung 15,
einen Hochfrequenzbeschleunigungshohlraum 8 zur Versorgung des
einfallenden Strahls mit Energie, einen Ablenkungselektromagneten 2 zur
Biegung der Umlaufbahn des Strahls, vierpolige Elektromagneten 5, 6 zur
Steuerung der Betatronschwingung des Strahls, einen sechspoligen
Elektromagneten 9 zum Anregen der Resonanz zum Zeitpunkt
der Abstrahlung, Elektroden 25 zum Anlegen eines sich mit
der Zeit verändernden
hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zur Steigerung
der Betatronschwingungsamplitude der Partikel innerhalb einer Stabilitätsgrenze
der Resonanz und eine Vorrichtung 4 zum Abstrahlen des
Strahls zur Zufuhr der Partikel mit gesteigerter Amplitude zu einem
Strahlentransportsystem 102. Das Strahlentransportsystem 102 ist
aus Ablenkungselektromagneten 105 und vierpoligen Elektromagneten 104 ausgebildet.
Unter diesen Vorrichtungen werden der sechspolige Elektromagnet 9 zur
Resonanzerzeugung, die Elektroden 25 zum Anlegen eines
hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl, die Strahlenausgabevorrichtung 4 und
die vierpoligen Elektromagneten 104 und die Ablenkungselektromagneten 105 des
Strahlentransportsystems aus sprechend diesen Informationen eine
Energiezufuhr 113 sowohl für den Beschleuniger 111 als
auch für
eine Energieversorgung 112 für Vorrichtungen eines Systems
zum Transportieren eines emittierten Strahls und eine Energieversorgung 201 für eine Bestrahlungsvorrichtung
eines Bestrahlungssystems für
die Behandlung.
-
Der
erfindungsgemäße Beschleuniger 111 umfaßt einen
Vorbeschleuniger 16, ein System 17 zum Transportieren
eines einfallenden Strahls zum Transportieren des Strahls zu dem
Beschleuniger 111, eine Eingangsvorrichtung 15,
einen Hochfrequenzbeschleunigungshohlraum 8 zur Versorgung des
einfallenden Strahls mit Energie, einen Ablenkungselektromagneten 2 zur
Biegung der Umlaufbahn des Strahls, vierpolige Elektromagneten 5, 6 zur
Steuerung der Betatronschwingung des Strahls, einen sechspoligen
Elektromagneten 9 zum Anregen der Resonanz zum Zeitpunkt
der Abstrahlung, Elektroden 25 zum Anlegen eines sich mit
der Zeit verändernden
hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl zur Steigerung
der Betatronschwingungsamplitude der Partikel innerhalb einer Stabilitätsgrenze
der Resonanz und eine Vorrichtung 4 zum Abstrahlen des
Strahls zur Zufuhr der Partikel mit gesteigerter Amplitude zu einem
Strahlentransportsystem 102. Das Strahlentransportsystem 102 ist
aus Ablenkungselektromagneten 105 und vierpoligen Elektromagneten 104 ausgebildet.
Unter diesen Vorrichtungen werden der sechspolige Elektromagnet 9 zur
Resonanzerzeugung, die Elektroden 25 zum Anlegen eines
hochfrequenten elektromagnetischen Felds an den Strahl, die Strahlenausgabevorrichtung 4 und
die vierpoligen Elektromagneten 104 und die Ablenkungselektromagneten 105 des
Strahlentransportsystems aus schließlich für den Prozeß der Abstrahlung des beschleunigten
Strahls verwendet.
-
Die
Umlaufbahn des über
die Einlaßvorrichtung 15 auf
den Beschleuniger auftreffenden Strahls wird während des Umlaufs durch die
Ablenkungselektromagneten 2 gebogen. Zudem wird der Strahl durch
die Einwirkung des vierpoligen Elektromagneten längs der vorgegebenen Umlaufbahn
gedreht. Die Frequenz der Betatronschwingung kann durch Verändern der
Größe der Anregung
der vierpoligen Elektromagneten 5 für die Konvergenz und der vierpoligen
Elektromagneten 6 für
die Divergenz gesteuert werden. Um eine stabile Zirkulation des
einfallenden Strahls in dem Beschleuniger 111 zu veranlassen,
ist es erforderlich, daß die
Anzahl der Betatronschwingungen pro Vollkreis des Beschleunigers
bzw. die Betatronfrequenz (Harmonie) keine Resonanz verursacht.
Bei dieser Ausführungsform
werden die vierpoligen Elektromagneten 5, 6 so
eingestellt, daß die
horizontale Harmonie νx
und die vertikale Harmonie νy
an einen Wert von einer ganzen Zahl + 0,25 oder einer ganzen Zahl
+ 0,75 angenähert
werden können.
Unter diesen Umständen
kann der Strahl zum stabilen Zirkulieren in dem Beschleuniger gebracht
werden, und bei der Zirkulation kann Energie von dem Hochfrequenzbeschleunigungshohlraum
an ihn abgegeben werden. Der Strahl wird durch Steigern der Magnetfeldintensitäten des
Ablenkungselektromagneten 2 und der vierpoligen Elektromagneten 5, 6 weiter
beschleunigt, wobei das Feldintensitätenverhältnis der Magneten konstant
gehalten wird. Da das Verhältnis
der Feldintensitäten
konstant ist, kann die Anzahl der Betatronschwingungen pro Vollkreis
des Beschleunigers bzw. die Harmonie konstant gehalten werden.
-
Beim
Extraktionsprozeß werden
die Stromquelle der vierpoligen Elektromagneten 5 für die Konvergenz
und die Stromquelle der vierpoligen Elektromagneten 6 für die Divergenz
so eingestellt, daß die horizontale
Harmonie νx
einen Wert von einer ganzen Zahl + 1/3 + Δ oder einer ganzen Zahl + 2/3
+ Δ haben
kann (wobei Δ ein
kleiner Wert von ca. 0,01 ist). In der folgenden Beschreibung ist
die horizontale Harmonie νx
so ausgewählt,
daß sie
eine ganze Zahl + 1/3 + Δ ist.
Dann wird veranlaßt,
daß Strom
zur Resonanzanregung in den sechspoligen Elektromagneten 9 fließt. Die
Intensität
des in den sechspoligen Elektromagneten fließenden Stroms wird so bestimmt,
daß die
Partikel des zirkulierenden Strahls mit großen Betatronschwingungsamplituden
jenseits der Stabilitätsgrenze
fallen. Der Wert der Stromintensität wird vorab durch Berechnungen
oder über
wiederholte Bestrahlungsvorgänge
geschätzt.
-
Dann
wird das von der Hochfrequenzquelle 24 erzeugte Hochfrequenzsignal über die
Elektroden 25 an den Strahl angelegt. 3 ist
ein Blockdiagramm der Hochfrequenzquelle 24. Wie in 3 dargestellt,
sind die Elektroden 25 plattenförmige Elektroden, die einander
horizontal gegenüberliegen,
so daß ein
zeitbezogen veränderndes
Signal an den Strahl angelegt werden kann. Ströme mit entgegengesetzten Vorzeichen
werden von der Hochfrequenzquelle 24 an die Elektroden 25 angelegt,
wodurch elektrische Felder in den in 3 gezeigten
Richtungen erzeugt werden, durch die der geladene Partikelstrahl
beeinflußt
wird.
-
Die
in 3 gezeigte Hochfrequenzquelle 24 empfängt Signale
mit der Strahlenenergie E, der zyklischen Frequenz fr,
der Herausnahmezeit tex und der Sollbestrahlungsdosis,
die die Steuereinheit 132 entsprechend den Informationen
von der Behandlungsplanvorrichtung 131 zugeführt hat,
und legt das folgende, sich zeitbezogen verändernde Signal an die Elektroden 25 an.
Dies bedeutet, daß die
Hochfrequenzquelle 24 auf der Grundlage der Signale von der
Steuereinheit 132 ein Summensignal ΣAi sin(2πfit + θi), wobei t die Zeit bezeichnet, aus Wechselstromsignalen
mit unterschiedlichen Frequenzen f1, f2, ..., fn (f1 < f2 < ... < fn)
und Phasen θi (i = 1, 2, ..., n) und zu den Frequenzen
fi (i = 1, 2, ..., n) gehörigen Amplituden
Ai (i = 1, 2, ..., n) erzeugt, deren gegenwärtige Frequenzen
sich mit der Zeit verändern.
Anders ausgedrückt
werden die Phasen θi der Wechselstromsignale in vorgegebenen
Zeitintervallen wiederholt verändert,
und das Summensignal wird an die Elektroden 25 angelegt.
Die Veränderung
der Phase θi in bezug auf die Zeit wird so ausgewählt, daß die Phasen θi, θj, θi – θj von θi, θj (i ≠ j,
i, j = 1, 2, ..., n) mit einer bestimmten Periode verändert werden
können.
Mehrere Frequenzen fi, f2,
..., fn umfassen auf der Grundlage der zyklischen
Frequenz fr Werte von fr/3
bis (1/3 + δ)fr zwischen den Mindest- und Höchstwerten.
Die Frequenzen f1, f2,
..., fn werden so ausgewählt, daß die Differenz zwischen der
Frequenz fi+1 und der daneben liegenden
Frequenz fi im Bereich von 1 kHz bis 10
kHz liegt. Der Grund für
die Auswahl dieser Frequenzkomponenten basiert auf den folgenden Überlegungen.
- (a) Die Harmonie des Strahls mit extrem kleiner Betatronschwingungsamplitude
ist eine ganze Zahl + 1/3 + δ,
wie durch die vierpoligen Elektromagneten bestimmt. Die Harmonie
der Partikel, deren Betatronschwingungsamplitude so groß ist, daß sie nahe
an der Stabilitätsgrenze
liegt, wird um δ von
diesem Wert abgelenkt, so daß sie
nahe an einem Wert von einer ganzen Zahl + 1/3 liegt. Dadurch sind
die Harmonien der Strahlen partikel, deren Schwingungsamplituden
zwischen diesen Werten liegen, gleichmäßig zwischen den Werten einer
natürlichen
Zahl + 1/3 + δ und
einer natürlichen
Zahl + 1/3 verteilt.
- (b) Zur effektiven Steigerung der Betatronschwingungsamplitude
des geladenen Partikelstrahls ist es erforderlich, eine Hochfrequenz
nahe der Betatronschwingungsfrequenz an den geladenen Partikelstrahl
anzulegen.
- (c) Die Betatronschwingungsamplitude des geladenen Partikelstrahls
wird bei den Frequenzdifferenzen fi – fj (i, j = 1, 2, ..., n) zwischen den hohen Frequenzen
f1, f2, ..., fn verändert,
und daher wird der Strahlenstrom mit den gleichen Frequenzen verändert. Daher
wird die Frequenz fi (i = 1, 2, ..., n)
so bestimmt, daß die
Frequenzdifferenz fi+1 – fi 500
Hz beträgt
oder höher
ist, was bei einer Abtastung mit einem Strahl mit kleinem Durchmesser
wünschenswert
ist. Wenn die Frequenzdifferenz fi+1 – fi so gewählt
wird, daß sie
10 kHz oder mehr beträgt,
ist es schwierig, die Betatronschwingungsamplitude durch Hochfrequenzen mit
einer praktischen Energie effektiv zu steigern.
-
Wenn
eine sekundäre
Resonanz als Betatronschwingungsresonanz verwendet wird, wird die Harmonie
so ausgewählt,
daß sie
nahe bei einer ganzen Zahl + 1/2 liegt. Die Frequenzbandbreite ist
die gleiche wie vorstehend beschrieben.
-
Die
Phase θi (i = 1, 2, ..., n) des Signals Ai sin(2πfit + θi) bei der Frequenz fi wird
in Zeitintervallen Δt
m Mal (m: eine natürliche
Zahl) auf θ1, θ2, ..., θm verändert.
Nach einer m-maligen Veränderung
wird die gleiche Phasenänderung
mit einer Periode Texrf = mΔt wiederholt.
-
Obwohl
die Periode Texrf später beschrieben wird, wird
bei dieser Ausführungsform
die Periode Texrf, mit der die Phase verändert wird,
als zyklische Periode T (= 1/fr) des Strahlenbeschleunigers
verwendet, und die ausgewählte
Anzahl an Unterteilungen m ist m = 4. 4 zeigt
die Veränderungen
der Phase θi der Signalfrequenz fi und
die Signalintensität
der Frequenz fi (i = 1, 2, ..., n). Die
Periode T gemäß 4 entspricht
Texrf. Die Phase jeder Frequenz fi zum Zeitpunkt t0 +
kTexrf (k: eine ganze Zahl) beträgt θi1, und nach dem Verstreichen der Zeitspanne Δt bzw. zum
Zeitpunkt t = t0 + Δt + kTexrf wird
die Phase auf θi2 geändert.
Diese Phasenänderung
erfolgt für jede
Frequenz fi. Ähnlich wird die Phase zum Zeitpunkt
t = t0 + 2Δt + kTexrf auf
die ursprüngliche
Phase θi3 und zum Zeitpunkt t = t0 +
3Δt + kTexrf auf θi4 geändert.
Wenn m > 4 gilt, wird
die Phase in Intervallen Δt, ...
und bei t = t0 + Δt (m – 1) + kTexrf =
t0 + T – Δt + kTexrf auf θim geändert.
Nach dem Verstreichen der Periode Texrf,
mit der die Phase verändert
wird, wird die Phase θi jeder Frequenz fi erneut
auf θi zurückgesetzt,
und die vorstehend beschriebene Phasenveränderung wird wiederholt. Ähnlich wird
die Phase θi jeder Frequenz fi verändert, wie
in 5 gezeigt. Die zu verändernde Phase θj wird so gewählt, daß die Phasendifferenz θik – θjk (wobei i ≠ j gilt) zwischen den unterschiedlichen
Frequenzen fi und fj jede Δt verändert wird.
Dann wird die Summe ΣAi sin(2πfit + θi) der verschiedenen Frequenzsignale geschätzt und
an die Elektroden 25 angelegt.
-
Wenn
das Hochfrequenzsignal an die Elektroden 25 angelegt wird,
wird der Gradient des Strahls im Umlauf durch die Wirkung der elektrischen und
magnetischen Felder verändert
und beginnt, die Betatronschwingungsamplitude des Strahls zu steigern.
Die Betatronschwingungsamplitude der Partikel, die die Stabilitätsgrenze übersteigen,
wird durch die Resonanz rasch gesteigert. Die Partikel, die eine Resonanz
der Betatronschwingung verursacht haben, werden nach der Intensivierung
der Schwingung von der Strahlenausgabevorrichtung 4 abgestrahlt. Wenn
die Betatronschwingungsamplitude auf diese Weise verändert wird,
werden Differenzfrequenzkomponenten zwischen der Betatronschwingungsfrequenz
fβ und
den extern angelegten Hochfrequenzen und zwischen diesen extern
angelegten Hochfrequenzen verursacht. Anders ausgedrückt betragen, wenn
die an den geladenen Partikelstrahl angelegten Hochfrequenzen durch
f1, f2, ..., fn (f1 < f2 ... < fn)
ausgedrückt
werden, die Frequenzdifferenzen zwischen der Betatronschwingungsfrequenz
fβ und
den extern angelegten Hochfrequenzen f1 – fβ,
f2 – fβ,
..., fn – fβ. Zudem
beträgt
die maximale Frequenzdifferenz zwischen den angelegten Hochfrequenzen
fn – f1, und die minimale ist die niedrigste Frequenz
der Frequenzdifferenzen fi – fj (i, j: 1, 2, ..., n und i ≠ j) zwischen
den Frequenzen f1, f2,
..., fn. Diese Frequenzkomponenten treten
als die Betatronschwingungsamplitude verändernde Komponenten auf. Bei
medizinischen Beschleunigersystemen hat die maximale Frequenzdifferenz
fn – f1 in etwa zweistellige kHz-Werte.
-
Bei
dieser Ausführungsform
werden auch die Phasen der Frequenzkomponenten fi – fβ,
fi – fj (i, j = 1, 2, ..., n, i ≠ j) der Betatronschwingungsamplitude durch
Verändern
der Hochfrequenzen f1, f2,
..., fn alle Δt in Intervallen Δt verändert. Daher
unterscheiden sich beispielsweise die Phasen der Frequenzkomponenten
fi – fβ,
fi – fj (i, j = 1, 2, ..., n, i ≠ j) der Betatronschwingungsamplitudenveränderung
des geladenen Partikelstrahls, an den zum Zeitpunkt t0 +
kTexrf (k: 0, 1, 2, ..., m) die Hochfrequenz
mit der Phase θi1 angelegt wurde, von denen des geladenen
Partikelstrahls, an den zum Zeitpunkt t = t0 + Δt + kTexrf (k: 0, 2, 2, ..., m) die Hochfrequenz
mit der Phase θi1 angelegt wurde. Wenn der geladene Partikelstrahl,
dessen Betatronschwingungsamplitude geringfügig kleiner als die Stabilitätsgrenze
ist, zum Zeitpunkt t = t0 + kTexrf,
to = t0 + Δt + kTexrf,
t = t0 + 2Δt + kTexrf,
... t = t0 + (k – 1) Δt + kTexrf (k:
0, 1, 2, ..., m) die Hochfrequenzelektroden passiert, enthält er durch
die Wiederholung dieser Phasenveränderungen aufgrund der Phasendifferenz
zwischen den Hochfrequenzen einen Teil-Strahl, der die Stabilitätsgrenze übersteigt,
und einen Teil-Strahl, der die Stabilitätsgrenze nicht übersteigt.
Der Strahl, der die Hochfrequenzelektroden bei t = t0 + Δt + kTexrf passiert hat, ist beispielsweise in der
Phase, in der die Betatronschwingungsamplitude zunimmt, und wird
daher abgestrahlt, doch der Strahl, der die Elektroden bei t = to + (k – 1) Δt + kTexrf passiert hat, ist in der Phase, in der
die Amplitude abnimmt, und wird daher nicht abgestrahlt. Anders
ausgedrückt
wird der Strahl in Abhängigkeit
davon abgestrahlt oder nicht, ob er die Hochfrequenzelektroden in
bezug auf Δt
früh oder
spät passiert.
Wenn die Zeit weiter vergeht, tritt das umgekehrte Phänomen auf. Obwohl
der Strahl nur Δt
vorher abgestrahlt wird, wird er Δt
danach nicht abgestrahlt. Daher wird die Intensitätsveränderung
des abzustrahlenden Strahls innerhalb jedes der Zeitintervalle von
t = t0 + kTexrf bis
t = t0 + (k + 1) Texrf,
von t = t0 + (k + 1) Texrf bis
t = t0 + (k + 2) Texrf und
von t = t0 + (n + 2) Texrf bis
t = t0 + (n + 3) Texrf verringert.
Da die zeitbezogene Veränderung
der momentanen Frequenz bzw. die Veränderung der Phase für jede Frequenz
fi (i = 1, 2, ..., n) ausgeführt wird,
ist die Veränderung
der Frequenzkomponenten fi – fβ,
fi – fj (i, j = 1, 2, ..., n, i ≠ j) von zweistelligen kHz-Werten
oder darunter des Strahlenstroms sehr klein.
-
In 3 ist
ein Computer 133 der Hochfrequenzquelle 24 gezeigt.
Dieser Computer 133 berechnet auf der Grundlage der die
Strahlenenergie E betreffenden Informationen und der von der Steuereinheit 132 des
in 1 gezeigten Beschleunigers 111 zugeführten zyklischen
Frequenz fr die für eine Abstrahlung anzulegende
Hochfrequenz fi (i = 1, 2, ..., n). Gleichzeitig
empfängt
der Computer 133 von der Steuereinheit 132 die
Anzahl m der Unterteilungen, in die die für einen Umlauf des geladenen
Partikelstrahls in dem zyklischen Beschleuniger erforderliche Zeitspanne
T unterteilt ist. Daher kann die Phasenänderungszeit Δt anhand
des Ausdrucks Δt
= Texrf (= T)/m berechnet werden. Der Computer 133 erzeugt
auf der Grundlage der Anzahl n der Frequenzkomponenten und der Anzahl
m der Unterteilungen Daten der Phase θik (i
= 1, 2, ..., n; k = 1, 2, ..., m für die Frequenz fi (i
= 1, 2, ..., n). Bei dieser Ausführungsform
wird die Phase θik (i = 1, 2, ..., n; k = 1, 2, ..., m) anhand
von Zufallszahlen erzeugt, die π werden,
wenn von 0 bis 2π ein
Mittelwert erzeugt wird. Zudem wird das Summensignal ΣAi sin(2πfit + θi1) der Wechselstromsignale der verschiedenen
Frequenzen über
das Intervall von t = 0 bis Δt
berechnet, wobei Ai die Amplitude bei der
Frequenz fi (i = 1, 2, ..., n) ist, und
dann wird ΣAi sin(2πfit + θi2) über
das Intervall von t = Δt
bis 2Δt
berechnet. Diese Operationen werden wiederholt, um ΣAi sin(2πfit + θim) über
das Intervall von t = (m – 1) Δt bis mΔt zu erzeugen. Überdies werden ΣAi sin(2πfit + θi1) über
das Intervall von t = Texrf bis Δt + Texrf, ΣAi sin(2πfit + θi2) über
das Intervall von t = Texrf + Δt bis Texrf + 2Δt,
etc. berechnet. Die Ergebnisse der Berechnung werden in einem Speicher 30 für Schwingungsformdaten
gespeichert. Der Ausgang des Speichers 30 wird durch einen
D/A-Wandler 27 in ein analoges Signal umgewandelt, von
einem Verstärker 28 verstärkt und über Elektroden 25 an
den geladenen Partikelstrahl angelegt. Je kürzer die Phasenveränderungszeit Δt ist, desto
mehr kann die zeitbezogene Veränderung
des Bestrahlungsstroms verringert werden. Es wird jedoch nötig, die Größe des Speichers 30 für die Schwingungsformdaten
zu erhöhen,
die Abtastzeit des D/A-Wandlers zu verkürzen und ein breites Frequenzband
für den
Verstärker 28 und
die Elektroden 25 vorzusehen. Daher sollte die Phasenänderungszeit Δt unter Berücksichtigung
dieser Merkmale bestimmt werden.
-
Die
im Speicher 30 für
die Schwingungsformdaten zu speichernden Daten werden für jede abzustrahlende
Strahlenenergie erzeugt. Die für
die Emission anzulegenden Hochfrequenzen fi (i
= 1, 2, ..., n) im Bereich von der Frequenz f1 bis
fn sind basierend auf der Umkehrung der
Periode T oder der zyklischen Frequenz fr auf
den Bereich von ca. fr/3 bis (1/3 + δ) fr begrenzt. Der Wert δ wird so gewählt, daß er auch bei Berücksichtigung
des Umstands, daß die
Harmonie aufgrund der Impulsdifferenz des Strahls verändert wird,
groß genug
ist. Wenn der geladene Partikelstrahl von dem Beschleuniger beschleunigt
und erzeugt wird, werden entsprechend den Strahlenenergieinformationen
von der Steuereinheit 132 Schwingungsformdaten aus dem
Speicher 30 gelesen und an den D/A-Wandler 27 übertragen.
-
Das
analoge Hochfrequenzsignal von dem D/A-Wandler 27 wird
von dem Verstärker 28 verstärkt und über die
Elektroden 25 an den geladenen Partikelstrahl angelegt,
wie in 3 gezeigt. Wenn der Strahl aus dem Beschleuniger
entfernt wird, wird der Verstärkungsgrad
des Verstärkers 28 durch
den Ausgang eines durch das Signal von einer Steuereinheit 134 gesteuerten
Speichers 31 verändert.
Die Muster dieser Veränderung
in bezug auf die Zeit sind ebenfalls für jede Strahlenenergie E und
für jede
Abstrahlzeit Tex im Speicher 31 gespeichert.
Daher erfolgt die zeitbezogene Veränderung der an den Strahl anzulegenden
Hochfrequenzen, um die Anzahl der pro Zeiteinheit abgestrahlten
Partikel konstant zu halten. Unmittelbar nach dem Beginn der Emission
befinden sich viele Partikel innerhalb der Stabilitätsgrenze, und
wenn die Emission fortschreitet, nimmt die Anzahl der Partikel innerhalb
der Stabilitätsgrenze
ab. Da die Anzahl der pro Zeiteinheit abgestrahlten Partikel proportional
zum Produkt der Partikel innerhalb der Stabilitätsgrenze und der Geschwindigkeit
ist, mit der Betatronschwingung die Stabilitätsgrenze übersteigt, wird die an den
Strahl anzulegende Hochfrequenzspannung mit dem Fortschreiten der
Eimission gesteigert, wodurch es möglich wird, die Anzahl der pro
Zeiteinheit abgestrahlten Partikel konstant zu halten. Da die Strahlenenergie,
die Bestrahlungsdosis und die Bestrahlungszeit durch den Patienten
und das erkrankte Teil betreffende Informationen bestimmt wird,
wird das diesen Informationen entsprechende Signal von der Steuereinheit 132 an
die Steuereinheit 134 gesendet, und ein geeignetes Muster wird
aus dem Speicher 31, in dem vorab Verstärkungsmuster betreffende Daten
gespeichert werden, gelesen und dem Verstärker 28 zugeführt, so
daß der Strahl
abgestrahlt werden kann.
-
Bei
dieser Ausführungsform
ist die Periode Texrf, mit der die Phase
verändert
wird, die zyklische Periode T des geladenen Partikelstrahls, und Δt ist T geteilt
durch eine positive ganze Zahl. Daher enthält das von der Hochfrequenzquelle 24 an
den geladenen Partikelstrahl anzulegende Wechselstromsignal nicht
nur einen Frequenzbereich von f1 bis fn, sondern auch die Frequenzbereiche mit
gleicher Bandbreite von fr + f1 bis
fr + fn, von 2fr + f1 bis 2fr + fn, von 3fr + f1 bis 3fr + fn, ..., von
Band zu Band um fr verschoben. Diese Frequenzkomponenten
erstrecken sich bis maximal ca. 1/(2Δt). Daher entspricht der Bereich
der an den geladenen Partikelstrahl anzulegenden Frequenzkomponenten
im wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der zyklischen Frequenz
+ der Betatronschwingungsfrequenz, so daß die Betatronschwingungsamplitude
effektiv gesteigert werden kann. Dementsprechend müssen die
Verstärker 28 der
Hochfrequenzquelle 24 und die Elektroden 25 solche
Breitbandfrequenzcharakteristika aufweisen, daß diese Hochfrequenzen alle
ohne Dämpfung
an den geladenen Partikelstrahl angelegt werden können. Wenn
die Anzahl m der Unterteilungen und Δt jeweils groß und klein
eingestellt werden, werden höhere
Frequenzkomponenten verursacht, und daher ist es erforderlich, die
Merkmale des Verstärkers 28 und
der Elektroden 25 entsprechend den höheren Frequenzkomponenten zu
verbessern.
-
Die
Periode Texrf, mit der die Phase verändert wird,
sollte so ausgewählt
werden, daß sie
in etwa der zyklischen Periode T (= 1/fr)
des geladenen Partikelstrahls oder einer den bei der zeitbezogenen
Veränderung
des Strahlenemissions-stroms wesentlichen Frequenzkomponenten entsprechenden
Periode oder einem zweistelligen kHz-Wert, nämlich etwa einigen Duzend μs, entsprechen.
Der Grund dafür
ist, daß die
an den geladenen Partikelstrahl anzulegenden Hochfrequenzkomponenten
Komponenten enthalten, die die Betatronschwingungsamplitude nicht effektiv
steigern können,
wenn die Phase in den anderen Perioden verändert wird, wodurch eine effektive
Verwendung der Leistung der Hochfrequenzquelle verhindert wird.
Wenn Texrf = T (die zyklische Periode des
geladenen Partikelstrahls) gilt, erstreckt sich das von der Hochfrequenzquelle 24 erzeugte
Hochfrequenzspektrum aufgrund der zeitbezogenen Veränderung
der gegenwärtigen
Frequenz nicht nur über einen
Bereich von f1 bis fn,
sondern auch auf die Bereiche in etwa von fr +
f1 bis fr + fn, 2fr + f1 bis 2fr + fn, ..., von 6fr +
f1 bis 6fr + fn. Hier ist fr die
zyklische Frequenz des geladenen Partikelstrahls und die Umkehrung
der Periode T, mit der die momentane Frequenz verändert wird.
Der Verstärker 28 der
Hochfrequenzquelle 24 und der Elektroden 25 müssen Frequenzcharakteristika
aufweisen, die breit genug sind, um ein Anlegen dieser Hochfrequenzen
an den geladenen Partikelstrahl ohne eine Dämpfung zu ermöglichen.
Wenn die Anzahl m der Unterteilungen und Δt jeweils groß und klein
sind, werden höhere
Frequenzkomponenten verursacht, und daher ist die Verwendung eines
Verstärkers 28 und
von Elektroden 25 erforderlich, die zur Handhabung derartiger höherer Frequenzkomponenten
geeignet sind.
-
Wenn
die Periode Texrf, mit der die Phase verändert wird,
zur Unterdrückung
einer zeitbezogenen Veränderung
des abgestrahlten Strahlenstroms so gewählt wird, daß sie entsprechend
der Frequenz (zwölffachen
kHz-Werten) ca. 50 μs
beträgt,
wird die niedrigste Frequenz des von der Hochfrequenzquelle 24 erzeugten
Hochfrequenzspektrums in bezug auf die Frequenz f1 um
etwa einige Duzend kHz verringert, wogegen seine höchste Frequenz ähnlich in
bezug auf die Frequenz fn um einige Duzend
kHz erhöht wird.
Daher wird die Effizienz der Hochfrequenz-energie zur Veränderung
der Betatronschwingungsamplitude leicht verringert. Derartige höhere Frequenzkomponenten
wie die Bereiche von fr + f1 bis
fr + fn und von
2fr + f1 bis 2fr + fn, die verursacht
werden, wenn Texrf = T gilt, werden jedoch
nicht erzeugt. Daher benötigen
der Verstärker 28 der
Hochfrequenzquelle 24 und die Elektroden 25 kein
breites Frequenzband, wie es erforderlich ist, wenn die Phasenveränderungsperiode
Texrf so ausgewählt wird, daß sie die
zyklische Periode T des geladenen Partikelstrahls ist.
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Der
von dem Beschleuniger 111 erzeugte und über das Transportsystem 102 zum
Behandlungsraum 98 transportierte Strahl wird durch eine Rotationsbestrahlungsvorrichtung
auf einen Patienten abgestrahlt. Das Transportsystem 102 weist
einen zum Messen des Strahlenstroms oder der im wesentlichen zum
Strahlenstrom proportionalen Strahlungsmenge vorgesehenen Monitor 32 auf.
Eine in 3 gezeigte Vergleichseinrichtung 34 vergleicht den
Ausgang dieses Monitors 32 mit einem Sollwert 33 des
von der Steuereinheit 132 über den Computer 133 übertragenen
Strahlenstroms. Der Verstärker 28 der
Hochfrequenzquelle 24 wird auf der Grundlage der Differenz
von der Vergleichseinrichtung gesteuert, wodurch die an den geladenen
Partikelstrahl angelegte Hochfrequenzenergie so gesteuert wird,
daß ein
Sollstrahlenstrom erzeugt werden kann. Das von der Vergleichseinrichtung 34 erzeugte
Signal zur Steuerung des Verstärkers 28 dient
der Steigerung oder Verringerung des Verstärkungsgrads des Verstärkers 28 entsprechend
der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Sollwert des
Bestrahlungsstroms.
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Wenn
Fälle auftreten,
in denen sich die Strahlenenergie E selbst bei der gleichen Differenz zwischen
dem gemessenen Wert und dem Sollwert unterscheidet, wird die Größe der Steigerung
oder Verringerung des Verstärkungsgrads
entsprechend der vom Computer 133 zugeführten Strahlenenergie E verändert. Daher
wird erfindungsgemäß durch
Verändern
der Phasen der Hochfrequenzen oder der momentanen Frequenz mit der
Zeit die zeitbezogene Veränderung
des durch die Hochfrequenzen erzeugten Strahlenstroms für die Emission
verringert, und die Veränderung
des Stroms aufgrund der anderen Ursachen wird durch die vorstehend
erwähnte
Steuerung gelöst,
wodurch veranlaßt
wird, daß der
Strom konstant gehalten wird.
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Nachstehend
wird die im Behandlungsraum 98 vorgesehene Rotationsbestrahlungsvorrichtung 110 beschrieben.
Die Rotationsbestrahlungsvorrichtung 110 kann durch die
in 1 gezeigte Drehachse den Strahl aus jedem Winkel
auf den Patienten abstrahlen. Die Rotationsbestrahlungsvorrichtung
weist die vierpoligen Elektromagneten 104 und Ablenkungselektromagneten 105 zum
Transportieren des von dem Beschleuniger 111 erzeugten
Strahls zu dem zu bestrahlenden Objekt und die Stromzufuhr 112 zur
Zufuhr von Strom zu den vierpoligen Elektromagnten 104 und
den Ablenkungselektromagneten 105 auf.
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Die
Rotationsbestrahlungsvorrichtung 110 weist auch die Bestrahlungsdüse 200 auf.
Die Düse 200 weist
Elektromagneten 220, 221 zum Bewegen der Bestrahlungsdüse in der
x-Richtung und der y-Richtung auf. Hier ist die x-Richtung die zur
Ablenkungsebene des Ablenkungselektromagneten 105 parallele
Richtung und die y- Richtung
die zur Ablenkungsebene des Ablenkungselektromagneten 105 senkrechte
Richtung. Die Stromzufuhr 201 zur Zufuhr von Strom ist
mit den Elektromagneten 220, 221 verbunden. 2 zeigt
die Bestrahlungsdüse 200. Ein
Streuer 300 zur Steigerung des Strahlendurchmessers ist
unter den Elektromagneten 220, 221 vorgesehen.
Ein Bestrahlungsmengenmonitor 301 zum Messen der Bestrahlungsmengenverteilung
des Strahls ist ebenfalls unter dem Streuer 300 vorgesehen. Überdies
ist ein Kollimator 226 unmittelbar vor dem Patienten als
zu bestrahlendes Objekt vorgesehen, um eine Beschädigung der
gesunden Zellen um das betroffene Teil zu verhindern.
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Die 6A und 6B zeigen
den durch den Streuer 300 vergrößerten Strahl und seine Intensitätsverteilung.
Der durch den Streuer erweiterte Strahl nimmt eine im wesentlichen
Gauss'sche Verteilung
an und wird von den Elektromagneten 220, 221 so
abgelenkt, daß eine
kreisförmige
Abtastung erfolgt. Der Radius r des Abtastkreises wird so ausgewählt, daß er in
etwa 1,1 bis 1,2 Mal so groß wie der
Durchmesser des von dem Streuer erweiterten geladenen Partikelstrahls
ist. Das Ergebnis ist, daß der
innerhalb der kreisförmigen
Spur des Abtastzentrums abgestrahlte geladene Partikelstrahlabschnitt eine
flache Integrationsintensitätsverteilung
annimmt. Daher wird die Behandlungsplanvorrichtung 131 zum
vorherigen Festlegen der Bestrahlungsposition (Xi,
Yi) (i = 1, 2, ..., n) des Strahls und einer
erforderlichen Bestrahlungsdosis verwendet, und nach der Bestrahlung
wird die Tatsache, daß ein
Strahl mit der erforderlichen Dosis abgestrahlt wurde, von dem Bestrahlungsmengenmonitor 301 bestätigt. Dann wird
die Bestrahlungsposition verändert,
und die Bestrahlungsprozedur wird wiederholt, wodurch ei ne gleichmäßige Abstrahlung
des Strahls auf das erkrankte Teil ermöglicht wird.
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Wenn
sich der Körper
eines Patienten aufgrund seiner Atmung oder anderer Faktoren bewegt, wird
ein die Bewegung des Körpers
des Patienten angebendes Signal an die Steuerung gesendet, damit
die Abstrahlung des geladenen Partikelstrahls dringlich eingestellt
wird. In diesem Fall wird von dem Bestrahlungssystem ein Signal
für einen
dringlichen Abbruch gesendet, und ferner wird ein Dosisbeendigungssignal
gesendet, wenn der Dosimeter des Bestrahlungssystems erfaßt, daß ein Strahl
mit der Solldosis abgestrahlt wurde. Auf der Grundlage dieser Signale
sendet ein in der Hochfrequenzquelle 24 vorgesehener Unterbrechungsgenerator 35 ein
Steuersignal zum Stoppen der Hochfrequenzen an die Steuereinheit 134,
und ein in der Hochfrequenzquelle 24 vorgesehener Hochfrequenzschalter 36 beendet das
Anlegen der Hochfrequenzen an die Elektroden 25. Daher
wird durch Unterbrechen der Hochfrequenzen von der Hochfrequenzquelle 24 eine
Unterbrechung der Abstrahlung des geladenen Partikelstrahls in kurzer
Zeit ermöglicht.
Zudem können
mehrere Hochfrequenzunterbrechungseinrichtungen in der Hochfrequenzquelle 24 vorgesehen
sein, wodurch eine noch sicherere Beendigung der Abstrahlung des
Strahls ermöglicht
wird.
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Ausführungsform 2
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Die
zweite Ausführungsform
der Erfindung wird beschrieben.
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Das
System gemäß der zweiten
Ausführungsform
hat den gleichen Aufbau wie das gemäß der ersten Ausführungsform.
In der in
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3 gezeigten
Hochfre-quenzquelle erzeugt der Computer 33 das durch das
durch das Summensignal ΣAi sin(2πfit + Bi sin (2πt/Texrf + ϕi)) ausgedrückte Hochfrequenzsignal
aus verschiedenen Frequenzen fi, wobei t
die Zeit, fr die zyklische Frequenz des
Strahls, fi die Frequenzen der Signale (i
= 1, 2, ..., n), ϕi die Phase jeder
Frequenz fi, Ai die Amplitude
und Bi eine Konstante repräsentieren.
Die Daten dieses Hochfrequenzsignals sind in dem Speicher 30 gespeichert.
Bei diesem Hochfrequenzsignal wird die Phase mit der Periode Texrf verändert,
wodurch die momentane Frequenz des Signals wie bei der ersten Ausführungsform
verändert
wird. Wenn der Strahl abgestrahlt wird, werden die Daten aus dem
Speicher 30 gelesen und an den D/A-Wandler 27 gesendet,
wo sie in ein analoges Signal umgewandelt werden. Das analoge Signal
wird von dem Verstärker 28 verstärkt und über die
Elektroden 25 an den Strahl angelegt. Die Methode, nach
der mehrere Frequenzen fi (i = 1, 2, ...,
n) ausgewählt
werden, ist genau die gleiche wie bei der Ausführungsform 1. Die n Phasen ϕi (i = 1, 2, ..., n) werden aus Zufallszahlen mit
dem Mittelwert n im Bereich von 0 bis 2π ausgewählt. Die Konstante Bi sollte bei dieser Ausführungsform so ausgewählt werden,
daß sie
groß ist
oder 2π beträgt.
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Wenn
Texrf so gewählt wird, daß es die
Periode T ist, mit der der Strahl umläuft, hat das Signal Ai sin(2πfit + 2π sin(2πt/Texrf + ϕi))
das Frequenzspektrum L/Texrf ± fi = L·fr ± fi (L = 1, 2, ..., eine ganze Zahl nahe Bi). Anders ausgedrückt ist das Frequenzspektrum
durch ein ganzzahliges Vielfaches der zyklischen Frequenz fr von der ursprünglichen fi getrennt. Obwohl
die Geschwindigkeit, mit der die Betatronschwingungsamplitude des
Strahls gesteigert wird, nicht verringert wird, ist es erforderlich,
daß der
Verstärker 28 und
die Elektroden 25 derartige Frequenzcharakteristika aufweisen,
daß sie
diese Frequenzkomponenten, wie gemäß der Ausführungsform 1, nicht dämpfen.
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Wenn
Texrf so gewählt wird, daß sie ca.
50 μs beträgt oder
daß 1/Texrf ca. 20 kHz beträgt, hat das Signal Ai sin(2πfit + 2π sin(2πt/Texrf + ϕi))
das Frequenzspektrum L/Texrf ± fi = L·fr ± fi (L = 1, 2, ..., eine ganze Zahl nahe Bi). Anders ausgedrückt wird das Frequenzspektrum
gegenüber
der ursprünglichen
fi um ein ganzzahliges Vielfaches von 20
kHz erweitert, und die Geschwindigkeit der Steigerung der Betatronschwingungsamplitude
des Strahls wird verringert. Die Phasen 2π sin(2πfrt
+ ϕ1) und 2π sin(2πfrt
+ ϕ2), die die momentane Frequenz
des Signals sin(2πfit + 2π sin(2πfrt + ϕi))
(i = 1, 2, ..., n) verändern, wobei
Texrf = T gilt, sind in 7 als
Phase 1 und Phase 2 gezeigt. Zudem zeigt 8 die Intensitätsveränderungen
eines zur Phase 1 gehörigen
Signals 1 = sin(2πf1t + 2π sin(2πfrt + ϕi)
und eines zur Phase 2 gehörigen
Signals 2 = sin(2πf2t + 2π sin(2πfrt + ϕ2). Die
Abszissen in den 7 und 8 basieren
auf der zyklischen Periode T des Strahls. Aus diesen Figuren ist
ersichtlich, daß sich
die Phasen der an den Strahl anzulegenden Hochfrequenzsignale bei
einer Veränderung
der Umlaufposition des Strahls verändern und daß sich daher
die Phase der Veränderung der
Betatronschwingungsamplitude mit der Veränderung der Umlaufposition
verändert.
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9 zeigt
die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Intensitätsveränderung
des beim Anlegen der Hochfrequenzen gemäß dieser Ausführungsform
an den Strahl abgestrahlten geladenen Partikelstrahls. Überdies
zeigt 10 die Ergebnisse einer numerischen
Simulation der Intensitätsveränderung
des Strahls beim Stand der Technik, bei dem die Phasen der Hochfrequenzen
für die Emission
konstant gehalten werden. Die Abszissen in den 9 und 10 repräsentieren
die Anzahl der Umläufe
bzw. die Zeit, und die Ordinaten sind die relativen Werte der abgestrahlten
Partikelzahlen. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß die Anzahl
der abgestrahlten Partikel bei der Erfindung effektiver konstant
gehalten werden kann. Dies bedeutet, daß beim Stand der Technik die
Phase der Steigerung der Betatronschwingungsamplitude nicht von
der Umlaufposition abhängt,
da die momentane Frequenz des Wechselstromsignals mit der Frequenz
fi ohne Phasenänderung konstant ist. Wenn
der Strahl abgestrahlt wird, wird daher der Strahl in der Umlaufrichtung
von der Spitze bis zur hinteren Hälfte abgestrahlt. Wenn dagegen
kein Strahl abgestrahlt wird, wird der Strahl von der Spitze bis
zur hinteren Hälfte in
der Umlaufrichtung nicht abgestrahlt. Daher traten die Frequenzkomponenten
fi – fβ,
fi – fj bei der Intensitätsveränderung des abgestrahlten Strahls
in bezug auf die Zeit klar auf.
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Ausführungsform 3
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Die
dritte Ausführungsform
der Erfindung wird beschrieben.
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Der
Aufbau dieser Ausführungsform
stimmt mit Ausnahme des Aufbaus der Hochfrequenzquelle mit dem der
ersten und der zweiten Ausführungsform überein. 11 zeigt
die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform.
Die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform
verwendet n Oszillatoren 400 mit Frequenzen fi/k
(i = 1, 2, ..., n), wobei k eine hinreichend große ganze Zahl ist. Die Signale
von den Oszillatoren 400 mit den Frequenzen fi/k
werden durch Phasenverschiebungseinrichtungen 401 um 90 Grad
phasenverschoben. Wenn das Signal von dem Oszillator 400 mit
der Frequenz f1/k durch sin(2π(fi/k)t) repräsentiert wird, kann das um
90 Grad verschobene Signal durch cos(2π(fi/k)t) repräsentiert
werden. Ein Oszillator 402 wird zur Erzeugung eines Signals
2π sin(2πt/Texrf + ϕi)/k
zur Erzeugung eines Produktsignals verwendet, wobei Texrf der
gleiche Wert wie gemäß den Ausführungsformen 1,
2 bzw. die Periode ist, mit der die Phase verändert wird, und ϕi die Phase ist. Das Signal cos(2π(fi/k)t) wird mit dem Signal 2π sin(2πt/Texrf + ϕi)/k
multipliziert, um das Produktsignal 2π sin(2πt/Texrf + ϕi)·cos(2π(fi/k)t)/k zu erzeugen. Wenn das Produktsignal
zu sin(2π(fi/k)t) addiert wird, wird das Signal sin(2π(fi/k)t + 2π sin(2πt/Texrf + ϕi)·cos(2π(fi/k)t)/k erzeugt. Dieses addierte Produktsignal
kann durch sin(2π(fi/k)t + 2π sin(2πt/Texrf + ϕi)/k)
ausgedrückt werden,
wenn berücksichtigt
wird, daß 2π/k klein
genug ist. Wenn dieses Signal einer Multiplikationseinrichtung 403 zum
Multiplizieren der Frequenz mit k zugeführt wird, kann von der Multiplikationseinrichtung
der Ausgang sin(2πfit + 2π sin(2πt/Texrf + ϕi))
erzeugt werden. Die Ausgänge
der Oszillatoren 400 mit den Frequenzen fi/k
(k = 1, 2, ..., n) werden auf genau die gleiche Weise wie vorstehend
beschrieben verarbeitet, und die Ausgänge der Multiplikationseinrichtungen 403 werden
schließlich
durch eine Addiereinrichtung 404 addiert, um das Signal ΣAi sin(2πfit + 2π sin(2πt/Texrf + ϕi))
zu erzeugen, wobei Texrf als zyklische Periode
T des geladenen Partikelstrahls bezeichnet wird oder so ausgewählt werden
kann, daß sie,
wie bei den Ausführungsformen
1, 2, ca. 50 μs beträgt. Der
Ausgang der Addiereinrichtung 404 wird von dem Verstärker 28 verstärkt und
dann an die Elektroden 25 angelegt, wodurch die gleiche
Wirkung wie bei den Ausführungsformen
1, 2 erzielt wird. Diese Ausführungsform
kann aus analogen Schaltungselementen aufgebaut sein und hat daher
den Vorteil, daß sie
nicht die Bedingungen für
die Speichergröße und die
Abtastzeit des D/A-Wandlers erfüllen
muß, die
bei den Ausführungen
1, 2 aus digitalen Schaltungen benötigt werden. Die Frequenzcharakteristika des
Verstärkers 28 und
der Elektroden 25 müssen die
gleichen wie bei den Ausführungsformen
1, 2 sein.
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Ausführungsform 4
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Die
vierte Ausführungsform
der Erfindung wird beschrieben.
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Der
Aufbau dieser Ausführungsform
stimmt mit Ausnahme des Aufbaus der Hochfrequenzquelle mit dem der
Ausführungsformen
1, 2 überein. 12 zeigt
die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform.
Die Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform
verwendet m verschiedene weiße
Rauschquellen 40. Der Ausgang jeder der weißen Rauschquellen 40 wird
einem Bandpaßfilter 41 zugeführt, und
dieses Bandpaßfilter
erzeugt ein kontinuierliches Hochfrequenzspektrum im Bereich von der
niedrigsten Frequenz f1 zur höchsten Frequenz
fn. Die Ausgänge der m verschiedenen weißen Rauschquellen 40 weisen
das gleiche Frequenzspektrum, jedoch unterschiedliche Phasen in
ihren Frequenzbändern
auf. Bei dieser Ausführungsform
werden die Ausgänge
der m verschiedenen weißen
Rauschquellen 40 als Reaktion auf das Signal von der Steuereinheit 134 zu
jeder Zeitspanne Δt
(= T/m) von einem Schalter 42 umgeschaltet, und der ausgewählte Ausgang
wird von dem Verstärker 28 auf
eine erforderliche Spannung verstärkt und über die Elektroden 25 an
den geladenen Partikelstrahl ange legt. Da die gleichen Frequenzen
wie bei der Ausführungsform
1 an den Strahl angelegt werden müssen, weist das Bandpaßfilter 41 Paßbänder von
f1 bis fn, von fr + f1 bis fr + fn, von 2fr + f1 bis 2fr + fn, ..., 6fr + f1 bis 6fr + fn auf, die entsprechend
der Energie und der Harmonie des von der Steuereinheit 134 gesendeten,
geladenen Partikelstrahls verändert
werden.
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Bei
der Hochfrequenzquelle 24 gemäß dieser Ausführungsform
wird die Phase jeder an den Strahl anzulegenden Hochfrequenz durch
abwechselndes Auswählen
einer der verschiedenen weißen Rauschquellen 40 zeitbezogen
verändert.
Anders ausgedrückt
kann die gleiche Wirkung wie bei der Ausführungsform auf den Strahl ausgeübt werden. Bei
dieser Ausführungsform
kann ohne Verwendung eines Speichers und eines D/A-Wandlers eine
Hochfrequenzquelle mit der gleichen Wirkung wie bei der Ausführungsform
1 erzeugt werden.
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Daher
ist es möglich,
einen Beschleuniger zu schaffen, der einen geladenen Partikelstrahl
mit zeitbezogen weniger veränderter
Intensität
abstrahlen kann. Darüber
hinaus kann bei einem medizinische Beschleunigersystem, bei dem
der von einem Beschleuniger erzeugte geladene Partikelstrahl zu
einer Bestrahlungsvorrichtung transportiert und von dort zur Behandlung
abgestrahlt wird, das erkrankte Teil gleichmäßig bestrahlt werden. Zudem
kann dagegen die Strahlungsmenge leicht gesteuert werden, um sie relativ
zur Position zu verändern. Überdies
kann die Zeitauflösung
verringert werden, die der Monitor zur Steuerung der Strahlungsmenge
benötigt,
wodurch es möglich
wird, den Strahlenmonitor und sein Steuersystem zu vereinfachen.