DE102004025502A1

DE102004025502A1 - Beschleunigeranlage für eine Strahlentherapie mit Ionenstrahlen

Info

Publication number: DE102004025502A1
Application number: DE200410025502
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Blasche; Bernhard Franczak
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-22
Also published as: DE102004025502B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschleunigeranlage (1) für eine Strahlentherapie mittels Ionenstrahlen (10) mit einer Ionenquelle, einem Linearbeschleuniger, einem Beschleunigerring, einer Transportstrecke und Ablenkmagneten (7) in der Transportstrecke, die einen hochbeschleunigten Ionenstrahl (10) mehreren Bestrahlungsräumen (8) mit Patientenliege zuführen. Dazu sind die Bestrahlungsräume (8) vertikal gestaffelt in einem Therapiegebäude (9) angeordnet. Die Bestrahlungsräume (8) weisen einen Ioneneintrittskanal (11) auf, durch den der Ionenstrahl (10) unter einem fixierten Winkel alpha gegenüber der Horizontalen (12) dem Bestrahlungsraum (8) zugeführt wird. Der Winkel alpha ist in gleichgroße Winkelstufen DELTAalpha von Bestrahlungsraum zu Bestrahlungsraum (8) eingeteilt. Ferner ist die Patientenliege gegenüber der Horizontalen mindestens in einem Winkelbereich +-DELTAalpha/2 um eine horizontale Achse feineinstellbar und um die Hochachse drehbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschleunigeranlage für eine Strahlentherapie mittels Ionenstrahlen, wobei die Beschleunigeranlage eine Ionenquelle, einen Linearbeschleuniger, einen Beschleunigerring und eine Transportstrecke für einen hochbeschleunigten Ionenstrahl aufweist. In der Transportstrecke sind Ablenkmagnete angeordnet, die den Ionenstrahl zu unterschiedlichen Strahltransportstrecken ablenken, wobei die Strahltransportstrecken unterschiedliche Bestrahlungsräume versorgen.
Aus der Druckschrift US 4,870,287 ist eine Protonenstrahlanlage zur selektiven Erzeugung und zum Transport von Protonenstrahlen von einer einzelnen Protonenquelle über einen Beschleuniger zu einer Mehrzahl von Patientenbehandlungsstationen bekannt. Jede der Behandlungsstationen weist ein drehbares Trommelgestell auf, das im folgenden Gantry genannt wird. Dieses Gantry liefert den Protonenstrahl in der bekannten Anlage unter unterschiedlichen Bestrahlungswinkeln zu einem Patienten, der auf einer Patientenliege fixiert ausgerichtet ist. Eine Zusammenstellung von Gantrysystemen ist von Pedroni bekannt aus "Beam Delivery" in Hadron Therapy in Oncology, Herausgeber U.A. Maldi und B. Larsson, Elsevier 1994, Seiten 434 bis 452.
So lange derartige Ionenstrahlanlagen zur Bestrahlung von Tumorgeweben mit dem leichtesten Ion des Periodensystems, nämlich dem Wasserstoffion oder -proton, arbeiten, sind Umlenkmagnete für ein Gantry und seine Massen relativ klein und beherrschbar. Sollten jedoch schwerere Ionen, wie das Ion des Kohlenstoffs oder andere eingesetzt werden, so müssten um ein mehrfaches größere Ablenkmagnete eingesetzt werden, um die hochbeschleunigten schweren Ionen von der Achse eines Gantry auf den Umfang eines Gantry und zurück zum Zentrum des Gantry, in dem der Patient positioniert ist, zu lenken. Gleichzeitig müssen entsprechend große Massen als Gegengewicht zu den Ablenkmagneten in einem Gantry vorgesehen werden, so dass das zu drehende und auf wenige Millimeter genau zu beherrschende Drehgestell eines Gantry mehrere hundert Tonnen wiegt. Mit zunehmender Ionenmassenzahl wird somit die propagierte Gantrylösung schwerer, unhandlicher und erfordert immer größere Gebäude zur Unterbringung der Behandlungsanlagen.
Ziel jeder Strahlentherapie ist es, eine möglichst hohe Strahlendosis in einem eng umgrenzten Gebiet in dem Tumorvolumen zu deponieren, und das gesunde umgebende Gewebe maximal zu schonen. In der herkömmlichen Röntgenstrahltherapie kann wegen des exponentiellen Abfalls der Protonendosis mit der Eindringtiefe in der konventionellen subcutanen Strahlentherapie von tieferliegenden Tumoren eine hohe Herddosis nur dadurch erreicht werden, wenn in einer kreuzenden Bestrahlungstechnik der Strahl von mehreren Richtungen auf den Tumor einstrahlt. Dadurch wird die Belastung des gesunden Gewebes vor und hinter dem Tumorvolumen verringert. In der klinischen Praxis sind zwei bis drei Eingangswinkel bei der Röntgenstrahltherapie üblich und mit einer inversen Dosisplanung intensitätsmodulierter Therapie mit Photonen werden oft bis zu neun oder zehn Eingangskanäle, d. h. Bestrahlungswinkelstellungen, geplant. Diese Mehrfeldbestrahlungen sind insbesondere mit den bekannten Gantrysystemen durchführbar.
In analoger Weise zu einer Photonenstrahltherapie sind auch in der Ionenstrahltherapie mehrere Eingangspforten wünschenswert, obwohl durch das invertierte Dosisprofil der Ionenstrahlen die Dosis im Eingangskanal kleiner ist, als die Dosis im Bereich des Tumorvolumens. Jedoch würde die Verteilung der nicht vermeidbaren Eingangsdosis auf mehrere Bestrahlungswinkel auch bei der Ionenstrahltherapie einen weiteren klinischen Vorteil bedeuten. Deshalb werden die bekannten Ionenstrahlanlagen für eine Protonenstrahlbehandlung mit einer Bestrahlungsapplikation aus allen Richtungen durch entsprechende Gantrysysteme ausgestattet.
Insoweit sind die aus der Patentschrift US 4,870,287 bekannten Gantrysysteme den Gantrysystemen aus der Protonen bzw. Röntgenstrahltherapie angepasst. Sie lenken den Strahl zunächst aus der Patientenachse ab, und biegen ihn dann unter 90° auf den Patienten zurück. Variable Bestrahlungswinkel werden dann dadurch erreicht, dass das ganze Ablenksystem längs der Strahlrichtung um 360° mit Hilfe des Gantrys gedreht wird. Die mechanische Drehung dient vor allen Dingen dazu, die Einstellung der Magnete nicht zu variieren, und nur eine mechanische Drehung ausführen zu müssen. Dieser Vorteil einer einfachen mechanischen Drehung, ohne Variation der Einstellung der Elektromagnetik gilt jedoch nur so lange, wie das Gantrysystem für die Behandlung einen divergenten Ionenstrahl anwendet. Bei der Implementierung eines konzentrierten, bleistiftdünnen Ionenstrahls, unter Einsatz eines aktiven Scansystems, wie dem Rasterscanverfahren, zum Abtasten des Tumorvolumens, ist jedoch die Konstanz und Invariabilität des Magnetfeldes nicht mehr gegeben, da die Strahlenergie, und damit die magnetische Steifigkeit gemäß den erforderlichen Energieschritten, die für diesen Bleistiftstrahl anzu wenden sind, verwendet werden müssen. Damit entfällt der Hauptgrund für ein Gantry mit festen Magneteinstellungen, zumal bereits für das Scansystem der Bleistiftstrahl orthogonal in x- und y-Richtung gegenüber dem zentralen Ionenstrahlablenkbereich abzulenken ist.
Darüber hinaus zeigt die Erfahrung, mit dem aus der Patentschrift US 4,877,287 bekannten Protonenstrahltherapiesystem, dass bei der Ionenstrahltherapie von tiefliegenden Tumoren nicht alle möglichen Einstrahlungswinkel eines Gantrys mit gleicher Häufigkeit eingesetzt werden. Vielmehr hat es sich gezeigt, dass es einen großen Bereich selten genutzter Bestrahlungswinkelzonen gibt, da häufig auftretende Tumorarten häufig wiederkehrende eingeschränkte Winkeleinstellungen des Gantry erfordern. Insoweit hat es sich gezeigt, dass herkömmliche Gantrysysteme für die Ionenstrahltherapie keine optimalen Lösungen darstellen, da ein großer Anteil der durch das Gantry möglichen Bestrahlungswinkel nicht, oder nur selten genutzt wird.
Charakteristisch für die bekannten und geplanten Ionentherapiesysteme ist, dass der Teilchenstrahl unter festem Winkel durch das Gantrysystem geleitet wird, und dass die Variation des Winkel nur mechanisch durch Drehung des Gesamtsystems erreicht werden kann. Auf Grund der hohen Energie der Teilchen von 200 MeV für Protonen und etwa 400 MeV für Kohlenstoffionen und auf Grund der für das Scannen der Ionenstrahlen notwendigen großflächigen Aperturen zumindest des letzten Ablenkmagneten, sind Ablenkmagnete von hoher Magnetfeldstärke mit großflächigen Aperturen erforderlich. Das bedeutet, dass die Elektromagnete ein erhebliches Ausmaß und Gewicht erreichen. Ein tonnenförmiges Gantry für Kohlenstoffionen ist deshalb für einen Radius von 7 m und eine Länge von 15 bis 20 m und einem Gewicht von 300 bis 400 t konzipiert, wobei ca. 50 t allein auf ein Betongewicht als Gegengewicht zu den Magneten entfällt. Bei diesen erheblichen Gewichten gewinnt die Toleranz der Lager und damit der Positionsgenauigkeit des Strahls eine zunehmende Bedeutung. Beim Patienten liegen die Toleranzgrenzen jedoch im Millimeterbereich. Derartige Toleranzgrenzen sind mit den bisher gebauten Gantrys jedoch schwer einzuhalten.
Beim Bau von Ionenstrahlanlagen für Kliniken ist der Bau von mehreren Gantrysystemen ein wesentlicher Kostenfaktor. Diese Kosten beziehen sich auf das eigentliche Gantry mit mehr als 10 Millionen Euro pro System, wie dem Bau geeigneter Betriebshallen mit mehr als 14 m Höhe und Breite und über 20 m Länge, das bedeutet, einen Umbautenraum von mehr als 4.000 m. Diese Räume sind dickwandig mit Beton abzuschirmen. Außerdem stellt der geplante Einsatz von Ionenrasterverfahren an die notwendige mechanische Präzision bisher noch ein ungelöstes Problem dar. Deshalb muss beim Ionenrasterverfahren die erforderliche Präzision von 1 mm nach jeder Einstellung und für jede Neubehandlung kontrolliert, verifiziert und korrigiert werden.
Aus der Druckschrift DE 100 10 523 C2 ist eine Ionenstrahlanlage zur Bestrahlung von Tumorgewebe bekannt, die kein Gantry aufweist, jedoch den Nachteil des Einsatzes mechanisch bewegter Ablenksysteme zur Verifizierung unterschiedlicher Bestrahlungswinkel nicht überwindet und zusätzlich von einem Ablenkglied abhängt, das einerseits seine Position mechanisch ändert und zusätzlich den Ablenkwinkel des Ionenstrahles durch entsprechend Ansteuerung kontinuierlich an unterschiedliche Behandlungspläne anpassen muss. Das hat den Nachteil, dass die Herstellung und der Betrieb derartig komplexer Ablenkglieder die Kosten der Ionenstrahlführung nicht gravierend reduzieren kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik für Beschleunigeranlagen für eine Strahlentherapie mittels Ionenstrahlen mit einer Ionenstrahlquelle, einem Li nearbeschleuniger, einem Beschleunigerring, einer Transportstrecke und Ablenkmagneten, in der Transportstrecke die einen hochbeschleunigten Ionenstrahl mehreren Bestrahlungsräumen zur Verfügung stellen, zu überwinden und eine Beschleunigeranlage anzugeben, die den Bedürfnissen nach Kostenminderung und Raumersparnis bei gleichzeitig erhöhter Präzision entgegenkommen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Gegenstandes des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Die Lösung dieser Aufgabe geht davon aus, dass in einem vorgegebenen Raum fest installierte Ablenkmagnete identischer Bauart wesentlich präziser angeordnet werden können, als Ablenkmagnete in einem drehbaren Gantrygestell mit den oben erwähnten Nachteilen. Ferner geht die Lösung davon aus, dass die Massen des letzten Ablenkmagneten vor dem Bestrahlungsraum wesentlich vermindert werden können, wenn ein Rasterscansystem erst nach dem letzten Ablenkmagneten in einen geraden Strahlrohrbereich integriert werden kann. Schließlich geht die Lösung der Aufgabe davon aus, dass dem Patienten auf der Patientenliege ohne große Probleme zugemutet wird, dass er in einem begrenzten Winkelbereich zur Horizontalen auf der Patientenliege präzise um eine horizontale Achse geschwenkt wird.
Ferner geht die Lösung der Probleme davon aus, dass es möglich ist, den Patienten mal in einer Rückenlage und ein anderes mal in einer Bauchlage auf der Patientenliege präzise zu positionieren und zu immobilisieren. Und weiterhin geht die Lösung davon aus, dass ein Schwenken der Patientenliege in einem begrenzten Winkelbereich um eine horizontale Achse präziser ausgeführt werden kann, als die mechanische Drehung des oben erwähnten, mehrere hundert Tonnen schweren Gantry gestells. Mit jeder Tonne Kupfer, die dabei eingespart wird, gehen die Kosten sowohl für die Beschleunigeranlage, als auch für den Betrieb und für die Wartung der Beschleunigeranlage gravierend zurück. Die Raumersparnis kann wiederum dazu für ein Gebäude genutzt werden, das mehr Komfort für die Bestrahlungsräume und eine höhere Anzahl von Bestrahlungsräumen zur Verfügung stellt. Dabei sind Bestrahlungsräume aus Beton und anderem Mauerwerk erheblich preiswerter, als ein viele Tonnen schwereres Gantrysystem.
Die obige Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Bestrahlungsräume vertikal gestaffelt in einem Therapiegebäude angeordnet sind. Die Bestrahlungsräume weisen einen Ionenstrahleintrittskanal auf, durch welchen der Ionenstrahl unter einem fixierten Winkel α gegenüber der Horizontalen dem Bestrahlungsraum zugeführt wird. Der Winkel α ändert sich in vorgegebenen gleichgroßen Winkelstufen Δα von Bestrahlungsraum zu Bestrahlungsraum. Somit ist eine Grobeinstellung des Bestrahlungswinkels α gegenüber einem Zielvolumen durch Wahl des geeigneten Bestrahlungsraumes, in dem das Zielvolumen auf einer Patientenliege angeordnet ist, vorgegeben.
Diese Grobeinstellung des Ionenstrahleintrittskanals bzw. des Winkels α kann jedoch äußerst präzise vorgenommen werden, da die Strahltransportstrecke mechanisch feststeht und in keiner Weise einer mechanischen Lagerung mit gleichzeitiger Drehung, oder linearer Verschiebung wie im Stand der Technik unterworfen werden muss. Um eine Feineinstellung innerhalb der Winkelstufen Δα zu erreichen, ist die Patientenliege gegenüber der Horizontalen mindestens in einem Winkelbereich von ± Δα/2 einstellbar. Ferner ist die Patentenliege um die Hochachse drehbar.
Der Vorteil dieser Beschleunigeranlage ist es, dass gegenüber dem letzten Ablenkmagneten eines Gantrys sowie gegenüber eines linear bewegten letzten Ablenkgliedes der mechanische Aufwand erheblich vermindert werden kann, und durch die fixierte Anordnung der unterschiedlichen Ablenkmagnete eine hohe Präzision in den Grobstufen und durch die geringe Masse einer Patientenliege eine hohe Präzision auch der Einstellung der feinen Winkelbereiche zwischen den Grobpositionen erreichbar ist. Gegenüber herkömmlichen Ionenstrahltherapiesystemen mit horizontaler Einstrahlung in einen Bestrahlungsraum unterscheidet sich der vorliegende Gesgenstand einer Beschleunigeranlage darin, dass Strahltransportstrecken vorgesehen werden, die unterschiedliche Bestrahlungsräume in einem entsprechenden vertikalen Winkel α zur Horizontalen erreichen. Damit haben diese Anlagen den Vorteil, dass für diese Beschleunigeranlage keine mechanisch bewegten Ablenksysteme erforderlich sind. Lediglich die Patientenliege ist ein in einem begrenzten Winkelbereich Δα um eine horizontale Achse präzise und für den Patienten geringfügig aus der horizontalen Lage abweichende ansteigende oder abfallende Lage zu verstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Stufen der Grobeinstellung ein Δα von 15° bis 30° auf. Die Patientenliege verfügt dabei über eine Feineinstellung im Bereich zwischen ± 7,5° und ± 20° gegenüber der Horizontalen. Diese Schwenkung um die Horizontale bei der Feineinstellung der Patientenliege belastet den Patienten nicht so sehr, wie ein Schwenken des Patienten in eine Sitzposition. Außerdem sind die Zielvolumina in dieser liegenden Position mit einer geringen Abweichung von der Horizontalen wesentlich präziser und reproduzierbarer in ihrer Position in einem Patientenkörper einzuhalten als in einer Sitzposition.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Stufen der Grobeinstellung 25° auf und die Patientenliege wird gegenüber der Horizontalen um eine Feineinstellung im Bereich von ± 15° geschwenkt. Mit dieser Grobeinstellung können einerseits mit 4 unterschiedlichen vertikal gestaffelten Bestrahlungsräumen, sämtliche Winkel zwischen 0° und 90° abgedeckt werden, grundsätzlich kann durch unterschiedliche Lagerung des Patienten, nämlich einmal in Bauchlage und ein anderes mal in Rückenlage eine Bestrahlungseinstellung –90° bis +90° mit 0° als Horizontale erfolgen, womit sämtliche Bestrahlungswinkel, wie sie auch ein Gantry zur Verfügung stellt, in vorteilhafter und kostengünstiger Weise darstellbar sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden deshalb für die Grobeinstellung vier Strahltransportstrecken unter den Winkeln 0°, 25°, 50° und 75° vorgesehen und entsprechend vier vertikal gestaffelte Bestrahlungsräume mit entsprechend gestaffelten Ionenstrahleintrittskanälen bereitgestellt. Dazu sind die Behandlungsräume vertikal in der Tiefe gestaffelt, da der Ionenstrahl nach unten abgelenkt wird. Eine derartige Beschleunigeranlage kann mit minimalsten Aufwand an Ablenkmagneten bereitgestellt werden. Dabei wird in vorteilhafter Weise sowohl die Rückenlage, als auch die Bauchlage eines Patienten bei der Bestrahlung ausgenutzt, um alle Bestrahlungswinkel in Bezug auf das Zielvolumen von –90° bis +90° bei 0° in der Horizontalen zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Grobeinstellungen mit vier Strahltransportstrecken unter den Winkeln 0°, –25°, –50°, –75° gegenüber der Horizontalen in unterschiedlichen Bestrahlungsräumen fest vorgegeben. Dazu sind die Behandlungsräume in dem Therapiegebäude vertikal in die Höhe gestaffelt.
Weiterhin ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Bestrahlungsräume horizontal versetzt anzuordnen, um Vakuumrohre, in denen der Ionenstrahl geführt wird, räumlich nebeneinander anzuordnen. In diesem Fall ist es möglich, sowohl Grobeinstellungen von negativen Winkeln, als auch Grobeinstellungen mit positiven Winkeln in dem glei chen Therapiegebäude vorzusehen, und dabei ein Kreuzen von Strahlrohren zur Raumersparnis bereitzustellen. Es ist damit ohne weiteres möglich, dass sich die Strahltransportstrecken zur Versorgung hochgelegener und tiefgelegener Bestrahlungsräume nun kreuzen.
Um die Grobeinstellung vorzugsweise für 0°, 25°, 50°, 75° oder für 0°, –25°, –50° und –75° zu ermöglichen ist es vorzugsweise vorgesehen, das Δα von 25°-Ablenkmagnete mit jeweils einem Ablenkvermögen von 25° auszuführen. Damit kann die Beschleunigeranlage kompakt hergestellt werden, zumal für vier Strahltransportstrecken lediglich vier Ablenkmagnete mit jeweils einem Ablenkungsvermögen von 25° erforderlich werden. Sollen mit der 25°-Stufung sowohl negative und positive Einstrahlwinkel α gegenüber der Horizontalen mit 0° realisiert werden, so sind bei einem Δα von 25° lediglich sieben Strahltransportstrecken mit sieben Ablenkmagnete für jeweils eine Ablenkung von 25° erforderlich. Ein derartiges Strahlungsführungssystem hat den Vorteil, dass Ablenkmagnete von gleicher Bauart eingesetzt werden können, was vorteilhafterweise die Investitions- und Wartungskosten erheblich senkt.
Um eine Strahlaufweitung und/oder Strahlfokussierung im Strahlverlauf durch die Ablenkmagnete zu erreichen, werden zwischen den Ablenkmagneten und vor den Ablenkmagneten, sowie nach den Ablenkmagneten Quadrupole vorgesehen. Erst nach dem letzten Ablenkmagneten der Beschleunigungsanlage werden in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Scannermagnete in einem Strahlrohr für ein Rasterscanverfahren mit vertikaler und horizontaler Ablenkung des Ionenstrahls zur Abtastung des Zielvolumens vorgesehen. Vorzugweise kann eine Position für die Scannermagneten noch vor dem Ionenstrahleintrittskanal jedes Behandlungsraumes bereitgestellt werden, oder die Scannermagnete werden, wenn es die Größe des Behandlungsraumes erlaubt, innerhalb von dem Raum angeordnet.
Ein Verfahren zur Durchführung von Ionenbestrahlungen einer Beschleunigeranlage weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird der Patient in einem Vorbereitungsraum auf einer Patientenliege immobilisiert. Dazu wird die Bestimmung des optimalen Bestrahlungswinkels α für die Bestrahlungstherapie anhand eines vorgegebenen Bestrahlungsplanes festgestellt. Nun kann die Auswahl des geeigneten Bestrahlungsraumes mit einem Ioneneintrittskanal und einer geeigneten Grobeinstellung in Bezug auf den Bestrahlungswinkel α festgelegt werden.
Anschließend wird die Patientenliege in den vorbestimmten Bestrahlungsraum eingefahren, eingerastet und dort, relativ zu dem vorbestimmten optimalen Bestrahlungswinkel α. Feineingestellt. Diese Feineinstellung in Bezug auf den Bestrahlungswinkel α wird durch ein Kippen der Patientenliege um eine horizontale Achse und durch ein Drehen um eine vertikale Achse durchgeführt. Schließlich kann die Bestrahlung mit eventuellen Unterbrechungen für Positionsänderungen des Patienten und der Patientenliege für eine mögliche Mehrfeldbestrahlung durchgeführt werden. Danach erfolgt der Rücktransport des Patienten in einen Nachsorgeraum und das Entfernen der Immobilisierung des Patienten auf der Patientenliege.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es eine Bestrahlungsanlage einsetzt, die mit höchster Präzision dem entsprechenden Bestrahlungsraum einen Ionenstrahl unter einem festeingestellten Bestrahlungswinkel α über den Ioneneintrittskanal des Bestrahlungsraumes zur Verfügung stellt. Mit ähnlich hoher Präzision kann in dem Bestrahlungsraum dann die Feineinstellung erfolgen, in dem die Liege des Patienten um eine horizontale Achse gekippt und um eine vertikale Achse gedreht wird.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage, einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage, einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage, einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage, einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage, einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage, einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt einen schematischen, horizontalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage;
8 zeigt eine schematische Strahlführung innerhalb eines Ionenstrahlrohres zur Ablenkung eines Ionenstrahls auf einen Ionenstrahleintrittskanal, eines Behandlungsraumes unter einem Winkel α = + 75°;
9 zeigt einen prinzipiellen Strahlungsverlauf, der in 8 abgebildeten Strahlführung.
1 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage 1.1, einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Strahlentherapieanlage ist in einem Therapiegebäude 9 angeordnet und weist in dieser Ausführungsform der Erfindung acht Bestrahlungsräume 8.1 bis 8.8 auf, die von einem hochbeschleunigten Ionenstrahl 10 versorgt werden. Dieser Ionenstrahl 10 weist mehrere Strahltransportstrecken 14 bis 20 auf, über welche die Bestrahlungsräume 8.1 bis 8.8 mit hochbeschleunigten Ionenpaketen versorgt werden. Dazu werden die Ionenstrahlen 10 in Vakuumrohren 21 geführt und unter unterschiedlichen Strahlungswinkeln α über Ioneneintrittskanäle 11.1 bis 11.8 in den jeweiligen Bestrahlungsraum 8.1 bis 8.8 geführt. Die Bestrahlungsräume 8.1. bis 8.8 sind vertikal gestaffelt im Therapiegebäude 9 angeordnet und werden über fest eingestellte Ablenkmagnete, die jeweils eine Ablenkung des Ionenstrahls 10 um 25° bewirken, mit einem Bestrahlungswinkel in einer Stufung von Δα = 25° versorgt.
Somit ergibt sich für den Bestrahlungsraum 8.1 ein Bestrahlungswinkel von +75°, zur Horizontalen 12 bzw. 3·Δα, wozu drei Ablenkmagnete à 25° erforderlich sind. Der Bestrahlungsraum 8.2 wird über den Ioneneintrittskanal 11.2 unter einem Winkel α = 50° bzw. 2·Δα gegenüber der Horizontalen 12 versorgt. Der Bestrahlungsraum 8.3 mit dem Ioneneintrittskanal 11.3 wird mit einem Ionenstrahl 10 unter einem Winkel α = +25° versorgt. Die Bestrahlungskammern 8.4 und 8.5 werden mit einem horizontalen Ionenstrahl unter dem Bestrahlungswinkel α = 0° versorgt. Demgemäss wird der Bestrahlungsraum 8.6 mit seinem Ionenstrahleintrittskanal 11.6 unter α = –25° bestrahlt, und der Bestrahlungsraum 8.7 empfängt über den Ionenstrahleintrittskanal 11.7 einen Ionenstrahl 10 unter einem Winkel von α = –50°, und schließlich wird der Bestrahlungs raum 8.8 über den Ionenstrahleintrittskanal 11.8 mit einem Strahlungswinkel unter α = –75° versorgt.
Wie 1 zeigt, werden zur Ablenkung und zur Einrichtung der unterschiedlichen Strahltransportstrecken 14 bis 20 fest installierte, mechanisch nach der Installation nicht mehr zu verschiebende Ablenkmagnete à 25° eingesetzt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der horizontal in das Verteilersystem eingestrahlte Ionenstrahl 10 zunächst um 25° vertikal abgelenkt und dann erneut durch einen weiteren 25° Magneten oberhalb des eingestrahlten Ionenstrahls in die Horizontale 12 gebracht, um dann die vier Transportstrecken 14 bis 17, die einen Strahlungswinkel von α = 75°, 50°, 25° und 0° liefern, zur Verfügung zustellen. Mit dieser Anordnung der Ablenkmagnete ist es möglich, dass zwei unterschiedliche, höhengestaffelte Positionen den Ionenstrahl einmal auf die Behandlungsräume 8.1 bis 8.4 mit positiver Ablenkung zu richten und unter Kreuzen der Vakuumrohre 21 dafür zu sorgen, dass die Bestrahlungswinkel α = 0 bis –75° für die Behandlungsräume 8.5 bis 8.8 raumsparend zur Verfügung gestellt werden können. Um ein derartiges Kreuzen von Vakuumrohren 21 zu ermöglichen, sind die Behandlungsräume 8.1 bis 8.8 nicht nur vertikal gestaffelt, sondern in der Horizontalen 12 geringfügig zueinander versetzt angeordnet, um störungsfrei das Kreuzen derartiger Strahltransportstrecken 14 bis 20 zu ermöglichen.
2 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage 1.2, einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung der Ablenkmagnete 7.1 bis 7.12 der 2 entspricht der Anordnung in 1. Jedoch sind in 2 die geraden Strahlrohrbereiche 25 der Strahltransportstrecken 14 bis 20 vor dem jeweiligen Bestrahlungsraum 8.1 bis 8.8 jeweils mit einem horizontalen und einem vertikalen Scannermagneten 23.1 bis 23.8 bzw. 24.1 bis 24.8 ausgestattet. Diese Scannermagnete 23 und 24 sind stromabwärts von dem letzten Ablenkmagneten 7.5 für den Behand lungsraum 8.1, 7.10 für den Behandlungsraum 8.2, 7.3 für den Behandlungsraum 8.3, 7.12 für den Bestrahlungsraum 8.4, 7.11 für den Bestrahlungsraum 8.5, 7.9 für den Bestrahlungsraum 8.7 und 7.8 für den Bestrahlungsraum 8.8 angeordnet.
Damit wird erreicht, dass die letzten in der Strahltransportstrecke 14 bis 20 angeordneten Ablenkmagnete die gleiche geringe Apertur aufweisen müssen, wie die übrigen Ablenkmagnete 7.1 bis 7.12, da die Scannermagnete erst nach der Ablenkung des Ionenstrahls für eine Rasterscanabtastung eines Zielvolumens 13.1 bis 13.8 in den jeweiligen Bestrahlungsräumen 8.1 bis 8.8 vorgesehen sind. Somit können sämtliche 25° Ablenkungsmagnete 7.1 bis 7.12 einheitlich entworfen und konzipiert werden, was die Kosten ebenfalls reduziert. Außerdem können für sämtliche 25° Ablenkmagneten 7.1 bis 7.12 vollkommen identische Aperturen aufweisen. Ferner zeigt die schematische Darstellung der 2, dass das Therapiegebäude 9 derart angeordnet ist, dass der einfallende hochbeschleunigte Ionenstrahl 10 unterhalb des Niveaus der Erdoberfläche 27 gehalten wird, so dass die Bestrahlungsräume 8.1. bis 8.4 im Prinzip in Kellerbereichen des Therapiegebäudes 9 untergebracht sind, während die Bestrahlungsräume 8.5. bis 8.8 oberhalb der Erdoberfläche 27 angeordnet sind.
3 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage 1.3, einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied dieser dritten Ausführungsform der Erfindung gegenüber der 1 liegt darin, dass diese Beschleunigungsanlage 1 mit einer geringeren Anzahl an Ablenkmagneten 7.1 bis 7.7 auskommt, und nur fünf Bestrahlungsräume 8.1 bis 8.5 aufweist, die von einem Ionenstrahl 10, mit einem unterschiedlichen Bestrahlungswinkel in einer Stufung von 25° gegenüber der Horizontalen 12 versorgt werden. Dabei ist die Bestrahlung unter dem Bestrahlungswinkel von 0° für zwei Bestrahlungsräume 8.4 und 8.5 vorgesehen.
In jedem der Bestrahlungsräume 8.1 bis 8.5 sind für die Zielvolumen 13.1 bis 13.5 entsprechende Patientenliegen vorgesehen, die um einen Winkelbereich Δα von ± 15° um eine horizontale Achse schwenkbar sind, so dass die Grobabstufungen in Form von 25° Ablenkungsmagneten 7.1 bis 7.7 nun noch über die Patientenliegeneinstellungen fein gestuft werden, wobei die Winkelgenauigkeit besser als 1° ist. Dazu werden die Patientenliegen um eine horizontale Achse geschwenkt, und um eine vertikale Achse gedreht, so dass unter Berücksichtigung der jeweiligen Bestrahlungsräume 8.1 bis 8.5 sämtliche Winkel zwischen und 0 und 90° in der Vertikalen und 0 bis 360° über die Drehung um eine vertikale Achse abgedeckt werden können. Statt der in der Ausführungsform nach 1 und 2 erforderlichen 12 Ablenkmagnete à 25° werden für diese Ausführungsform der Erfindung lediglich 7 Ablenkungsmagnete 7.1 bis 7.7 benötigt.
4 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage 1.4, einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Strahlentherapieanlage 1.4 entspricht der Strahlentherapieanlage 1.3 der 3 in der Anordnung der Bestrahlungsräume 8.1 bis 8.5 und in der Anordnung der Strahltransportstrecken 14 bis 17, sowie in der Ausrichtung der Ioneneintrittskanäle 11.1 bis 11.5. Zusätzlich ist im Bereich des ersten Ablenkmagneten 7.1 die Möglichkeit vorgesehen, den hochbeschleunigten Ionenstrahl 10 in einen Auffangraum 28 bei einem Notfall abzulenken, bevor eine Strahlenschädigung der Patienten eintreten kann.
5 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage 1.5, einer fünften Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform 1.5 wird der hochbeschleunigte Ionenstrahl 10 von der Haupttrans portstrecke 17 unter einem Bestrahlungswinkel α = 0 über die Ablenkenmagneten 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4 aus der α = 0° Richtung in die Richtungen α = –25°, α = –50° und α = –75° abgelenkt. Ferner ist ein Ablenkmagnet 7.5 vorgesehen, der den Ionenstrahl 10 im Winkel α = –25° auf α = 0° zurücklenkt, sodass die Bestrahlungsräume 8.4 und 8.5, wie in den vorhergehenden Figuren, mit einem horizontalen Ionenstrahl 10 versorgt werden können.
Trotz der begrenzten Anzahl von Ablenkmagneten sind die Ausführungsbeispiele in den 3 bis 5 für eine Strahlentherapieanlage 1.3 bis 1.5 für alle Bestrahlungswinkel α einsetzbar, wie es bereits die 1 zeigt, jedoch wird dann vorausgesetzt, dass der Patient auf der Patientenliege sowohl in Rückenlage, als auch in Bauchlage angeordnet werden kann, um die fehlenden Grobeinstellungen des Ionenstrahls, die durch die Beispiele 1 und 2 erfüllt werden, ebenfalls zu gewährleisten.
6 zeigt einen schematischen, vertikalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage 1.6, einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform 4 dadurch, dass die Bestrahlungsräume 8.1 und 8.3 nicht nur einen Ioneneintrittskanal 11.1 bzw. 11.3 unter einem vorgegebenen Winkel α aufweisen, sondern zusätzlich Ioneneintrittskanäle 11.6 bzw. 11.7 mit einem Strahlungswinkel α = 0 besitzen.
7 zeigt einen schematischen, horizontalen Querschnitt durch eine Strahlentherapieanlage 1.0 mit der gesamten Beschleunigungsanlage 1. Diese Beschleunigungsanlage 1 weist Ionenquellen 3 auf, die einen Ionenstrahl 2 abgeben, der über einen Linearbeschleuniger 4 vorbeschleunigt wird, und in einem Beschleunigerring 5 zu einem hochbeschleunigten Ionenstrahl 10 hochbeschleunigt werden. Danach wird der Ionenstrahl 10 in dem Beschleunigerring 5 ausgekoppelt und einer Transportstrecke 6 zugeführt. In diese Transportstrecke 6 können die Ausführungsformen der Erfindung gemäß 1 bis 6 eingreifen, und entsprechende Bestrahlungsräume 8 über einen Ioneneintrittskanal 11 für ein Zielvolumen 13 bereitstellen. Die Bestrahlungsräume 8 sind vertikal übereinander gestaffelt, und können von einem Vorbereitungsraum 26 mit einer Patientenliege versorgt werden.
Um einen Patienten zu bestrahlen, wird er zunächst im Vorbereitungsraum 26 auf der Patientenliege positioniert und immobilisiert. Aus einem Bestrahlungsplan wird der optimale Bestrahlungswinkel α für die Bestrahlungstherapie bestimmt und ein geeigneter Bestrahlungsraum 8 mit einem entsprechenden Ioneneintrittskanal, einer geeigneten Grobeinstellung des Bestrahlungswinkels α ausgewählt. Danach wird der Patient mit der Patientenliege eingefahren, die Patientenliege wird eingerastet und eingestellt, und zwar relativ zu dem vorbestimmten optimalen Bestrahlungswinkel α in dem geeigneten Bestrahlungsraum 8. Schließlich wird eine Feineinstellung des Bestrahlungswinkel α unter Kippen der Patientenliege um eine horizontale Achse und unter Drehen um eine vertikale Achse durchgeführt. Nach Durchführung der Bestrahlung wird schließlich der Patient auf der Patientenliege in einen Nachsorgeraum zurücktransportiert, und die Immobilisierung des Patienten auf der Patientenliege entfernt.
8 zeigt schematisch eine Strahlführung innerhalb eines Ionenstrahlrohres 21 zur Ablenkung des Ionenstrahls auf einen Ionenstrahleintrittskanal, eines Behandlungsraumes unter einem Winkel α = +75°. Dazu wird zunächst der hochbeschleunigte Ionenstrahl 10 über zwei Quadrupole 21.1 und 21.2 dem ersten Ablenkungsmagneten 7.1 zugeführt, der den Ionenstrahl um 25° von der Einfallsrichtung des Ionenstrahls 10 ablenkt und anschließend wird über zwei weitere Quadrupole 22.3 und 22.4 der Ionenstrahl soweit fokussiert, dass er in dem Vakuumionenrohr 21 bis zu den nächsten beiden Quadrupolen 22.5 und 22.6 frei begleitet werden kann. Nach einer weiteren Ablenkung des Ionestrahls mittels des Ablenkmagneten 7.2 in eine horizontale Richtung wird dafür gesorgt, dass von dort aus der Ionenstrahl nun an die einzelnen Bestrahlungsräume geführt werden kann. In diesem Fall sind nach den Quadrupolmagneten 22.7 und 22.8 am Ausgang des Ablenkmagnetens 7.2 drei weitere Ablenkmagneten 7.3, 7.4 und 7.5 mit dazwischen angeordneten Quadrupolen 22.9, 22.10 vorgesehen, die nun jeweils um 25° den Strahl ablenken, bis zu einer Endablenkung von α = +75° gegenüber der Horizontalen 12. Nach dem Ausgang des Ablenkmagneten 7.5 sind nochmals zwei Quadrupole 22.11 und 22.12 vorgesehen, die den Ionenstrahl in dem geraden Strahlrohrbereich 25 fokussieren.
9 zeigt einen prinzipiellen Strahlungsverlauf, der in 8 abgebildeten Strahlführung, wobei die Abfolge von Ablenkmagneten 7.1 bis 7.5 und dazugeschalteten Quadrupolen 22.1 bis 22.12 zur Defokussierung und Fokussierung des Ionenstrahls 10 auf seinem Wege von der Einstrahlposition des hochbeschleunigten Ionenstrahls 10 bis zu einem geraden Strahlrohrbereich 25 in dem vertikale und horizontale Scannermagneten eingerichtet werden können, zeigt.

1: Bestrahlungsanlage
1.0 bis 1.6: Strahlentherapieanlage
2: Ionenstrahl
3: Ionenquelle
4: Linearbeschleuniger
5: Beschleunigerring
6: Transportstrecke
7: Ablenkmagnet (7.1 bis 7.12)
8: Bestrahlungsraum (8.1 bis 8.8)
9: Therapiegebäude
10: hochbeschleunigter Ionenstrahl
11: Ioneneintrittskanal (11.1 bis 11.8)
12: Horizontale
13: Zielvolumen (13.1 bis 13.8)
14 bis 20: Strahltransportstrecke
21: Vakuumrohre
22: Quadrupole (22.1 bis 22.12)
23: Scannermagnet horizontal (23.1 bis 23.8)
24: Scannermagnet vertikal (24.1 bis 22.8)
25: gerader Strahlrohbereich
26: Vorbreitungsraum
27: Erdoberfläche
28: Auffangraum

Claims

Beschleunigeranlage für eine Strahlentherapie mittels Ionenstrahlen der (10) mit einer Ionenquelle (3), einem Linearbeschleuniger (4), einem Beschleunigerring (5), einer Transportstrecke (6) und Ablenkmagneten (7) in der Transportstrecke (6), die einen beschleunigten Ionenstrahl (10) mehreren Bestrahlungsräumen (8) mit Patientenliege zuführen, wobei – die Bestrahlungsräume (8) vertikal gestaffelt in einem Therapiegebäude (9) angeordnet sind, – die Bestrahlungsräume (8) einen Ionenstrahleintrittskanal (11) aufweisen, durch den der Ionenstrahl (10) unter einem fixierten Winkel α gegenüber der Horizontalen (12) dem Bestrahlungsraum (8) zugeführt wird, wobei der Winkel α sich in vorgegebenen gleichgroßen Winkelstufen Δα von Bestrahlungsraum (8) zu Bestrahlungsraum (8) unterscheidet, womit eine Grobeinstellung des Bestrahlungswinkels gegenüber einem Zielvolumen (13) auf der Patientenliege vorgegeben ist, – die Patientenliege gegenüber der Horizontalen mindestens in einem Winkelbereich ± Δα/2 um eine horizontale Achse feineinstellbar ist und um die Hochachse drehbar ist.
Beschleunigeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen der Grobeinstellung ein Δα 15° bis 30° aufweisen und die Patientenliege eine Feineinstellung im Bereich zwischen ± 7,5 und ± 20° gegenüber der Horizontalen (12) aufweist.
Beschleunigeranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen der Grobeinstellung 25° aufweisen und die Patientenliege eine Feineinstellung im Bereich von bis zu ± 15° gegenüber der Horizontalen (12) aufweist.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobeinstellung vier Strahltransportstrecken (14 bis 17) unter einem Winkel von 0°, 25°, 50° und 75° aufweist und entsprechende vertikal gestaffelte Bestrahlungsräume (8) mit entsprechend gestaffelten Ionenstrahleintrittskanälen (11) aufweist.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobeinstellung vier Strahltransportstrecken (17 bis 20) unter einem Winkel von 0°, –25°, –50° und –75° aufweist und entsprechende vertikal gestaffelte Bestrahlungsräume (8) mit entsprechend gestaffelten Ionenstrahleintrittskanälen aufweist.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsräume (8) horizontal versetzt angeordnet sind, um Vakuumrohre (21), in denen der Ionenstrahl (10) geführt wird, räumlich nebeneinander anzuordnen.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung für definierte Grobeinstellungen mit einem Δα von 25° Ablenkmagnete (7) mit jeweils einer Ablenkung von 25° aufweist.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung für eine definierte Grobeinstellung mit einem Δα von 25° für vier Strahltransportstrecken mindestens vier Ablenkmagnete (14 bis 17) mit jeweils einer Ablenkung von 25° aufweist.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung für eine definierte Grobeinstellung mit einem Δα von 25° für sieben Strahltransportstrecken (14 bis 20) mindestens sieben Ab lenkmagnete (7) mit jeweils einer Ablenkung von 25° aufweist.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ablenkmagneten (7) Quadrupole (22) zur Strahlaufweitung und/oder Strahlfokussierung angeordnet sind.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigeranlage Scannermagneten (23, 24) nach dem letzten Ablenkmagneten (7) in einem geraden Strahlrohrbereich (25) aufweist.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannermagneten (23, 24) 420) in der Strahlführung vor dem Ionenstrahleintrittskanal (11) in einen Behandlungsraum (8) angeordnet sind.
Beschleunigeranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannermagnete (23, 24) in dem Behandlungsraum (8) angeordnet sind.
Verfahren zur Durchführung von Ionenbestrahlungen einer Beschleunigungsanlage (1) mit den Merkmalen eines der vorhergehenden Ansprüche unter Durchführen der nachfolgenden Verfahrensschritte: – Immobilisieren eines Patienten auf einer Patientenliege in einem Vorbereitungsraum (26) der Bestrahlungsanlage 1. – Bestimmen des optimalen Bestrahlungswinkels α für die Bestrahlungstherapie an Hand eines Bestrahlungsplans, – Auswahl des geeigneten Bestrahlungsraumes (8) mit einem Ioneneintrittskanal (11) einer geeigneten Grobeinstellung des Bestrahlungswinkels α, – Einfahren, Einrasten und Einstellen der Patientenliege relativ zu dem vorbestimmten, optimalen Bestrahlungswinkel α, in dem geeigneten Bestrahlungsraum (8), – Feineinstellen des Bestrahlungswinkels α unter Kippen der Patientenliege um eine horizontale Achse und unter Drehen der Patientenliege um eine vertikale Achse, – Durchführen der Bestrahlung mit eventuellen Unterbrechungen für Positionsänderungen der Patientenliege für eine mögliche Mehrfeldbestrahlung, – Transport des Patienten in einen Nachsorgeraum und – Entfernen der Immobilisierung des Patienten auf der Patientenliege.