DE102008010958B4

DE102008010958B4 - Konformales Mehrschicht-Strahlentherapiesystem und dieses verwendende Teilchenstrahl-Therapievorrichtung

Info

Publication number: DE102008010958B4
Application number: DE102008010958A
Authority: DE
Inventors: Yuehu Pu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: US7947969B2; DE102008010958A1; US20090003524A1

Abstract

iesystem angegeben, das zum homogenen Ausbilden einer Strahlendosisverteilung in der Lage ist und das einen Bestrahlungskopf (4) und eine Bestrahlungssteuereinrichtung (5) beinhaltet. Der Bestrahlungskopf (4) projiziert einen durch einen Beschleuniger (2a) beschleunigten Teilchenstrahl in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt und beinhaltet Wobbler-Elektromagneten (42a und 42b) zum Ablenken des Teilchenstrahls und zum Veranlassen von diesem zum Ausführen eines Abtastvorgangs. Bei der Ausführung einer konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie unter Ablenken und Abtasten des Teilchenstrahls unterzieht die Bestrahlungssteuereinrichtung (5) die Wobbler-Elektromagneten (42a und 42b) einer derartigen Magnetisierungssteuerung, daß der Teilchenstrahl eine in einem Durchgang gebildete Umlaufbahn beschreiben kann, die an einem Startpunkt beginnt und zu dem Startpunkt zurückkehrt, und die Bestrahlungssteuereinrichtung (5) führt einen Steuervorgang derart aus, daß die Bestrahlungsperiode (Tb) des von dem Bestrahlungskopf (4) abzugebenden Teilchenstrahls zu einem ganzzahligen Vielfachen eines Wobbler-Zyklus (Tw) werden kann, den der Teilchenstrahl zum Ausführen von einem Umlauf um die Umlaufbahn benötigt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein konformales Mehrschicht-Strahlentherapiesystem, das einen erkrankten Bereich mit einem Teilchenstrahl aus Kohlenstoff, Neon oder dergleichen in drei Dimensionen bestrahlt, um eine Krebserkrankung, einen bösartigen Tumor oder dergleichen zu therapieren; ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Teilchenstrahl-Therapievorrichtung, die von dem konformalen Mehrschicht-Strahlentherapiesystem Gebrauch macht.
Zum Bestrahlen eines erkrankten Bereichs mit einem Teilchenstrahl mit einer angemessenen Dosis zum Zweck der Therapierung einer Krebserkrankung, eines bösartigen Tumors oder dergleichen muß die Konformität erhöht werden, indem eine sogenannte ”konformale Mehrschicht-Strahlentherapie” durchgeführt wird, bei der der Bestrahlungsbereich des Teilchenstrahls mit der Formgebung des in drei Dimensionen vorlegenden Erkrankungsbereichs in Übereinstimmung gebracht wird.
Zu diesem Zweck ist es wichtig, dass die Form (Lamellenpositionen) eines Lamellenkollimators passend eingestellt wird und dass die räumlichen Verteilungen sowohl einer Bestrahlungsdosis in einer horizontalen Richtung (in der Ebene eines Bestrahlungsfeldes) als auch einer Bestrahlungsdosis in einer vertikalen Richtung (Tiefenrichtung) weitestgehend homogenisiert werden, so dass dem gesamten erkrankten Bereich eine homogene Dosis verabreicht wird.
Als ein Verfahren zum Homogenisieren der Dosisverteilungen des planaren Bestrahlungsfeldes, mit denen der erkrankte Bereich bestrahlt wird, ist ein Wobbelverfahren bekannt (siehe zum Beispiel die Patentdokumente 1, 2, 3 und 4, bei denen es sich um die JP 2006-288875 A , die JP 2001-326098 A , die JP 2000-331799 A bzw. die JP 2005-103255 A handelt). Bei dem Wobbelverfahren ist ein Paar Wobbler-Elektromagneten derart angeordnet, dass die Richtungen ihrer Magnetfelder orthogonal zueinander ausgebildet werden können, wobei man Ströme, deren Zyklen gleich sind, und deren Phasen um 90° versetzt sind, durch die jeweiligen Wobbler-Elektromagneten hindurchfließen läßt, um dadurch die Wobbler-Elektromagneten zu magnetisieren.
Auf diese Weise wird der von einem Beschleuniger emittierte Teilchenstrahl durch die Magnetfelder der Wobbler-Elektromagneten umgelenkt und in orthogonalen Richtungen in einer zu seiner Laufrichtung rechtwinkligen Ebene verlagert. Wie in 16 gezeigt ist, beschreibt der Teilchenstrahl infolgedessen eine kreisförmige Umlaufbahn S für jeden feststehenden Zyklus Tw (im folgenden wird eine Zeitdauer, die zum Beschreiben der Umlaufbahn S für einen vollständigen Umlauf aufgewendet wird, als ”Wobbler-Zyklus Tw” bezeichnet).
Wenn in diesem Zusammenhang der Streuwinkel einer Streuung, die auf einen auf halbem Wege des Bestrahlungsweges des Teilchenstrahls angeordneten Streukörper zurückzuführen ist, und der Radius R der Umlaufbahn S optimal eingestellt sind, überlappen zwei Teilchenstrahlverteilungen P1 und P2, die einander auf der Umlaufbahn S gegenüberliegen, einander in der in 17 dargestellten Weise, so dass eine Dosisverteilung PO in einer Radialrichtung zu einer planen Verteilung innerhalb einer Ebene wird, die ein Umlauf- bzw. Rotationszentrum O aufweist. Wenn der Teilchenstrahl entlang der Umlaufbahn S projiziert wird, so dass er einen vollständigen Kreis für eine Umdrehung beschreibt, wird somit die Dosisverteilung in der Ebene des Bestrahlungsfeldes homogen.
Zum Homogenisieren der Dosisverteilung in der vertikalen Richtung (Tiefenrichtung) ist dagegen die Verarbeitung bisher in der in 18 dargestellten Weise erfolgt. Genauer gesagt, es wird die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls für jede Schicht in der Tiefenrichtung durch einen Bereichsumschalter entsprechend der Größe L des erkrankten Bereichs in der Tiefenrichtung verändert. Während erweiterte Bragg'sche Peaks D1, D2, ... entlang der Tiefenrichtung bewegt werden, wird somit die Bestrahlungsdosis in der Position der tieferen Schicht des erkrankten Bereichs verstärkt sowie in dem Maße, in dem die Tiefe geringer wird, allmählich vermindert.
Das heißt, während die erweiterten Bragg'schen Peaks D1, D2... entlang der Tiefenrichtung des erkrankten Bereichs bewegt werden, wird die Bestrahlungsdosis in Übereinstimmung mit der Bestrahlungshierarchie eingestellt, so dass die gesamte Dosisverteilung Dt, die man durch Kumulieren der erweiterten Bragg'schen Peaks D1, D2, ... der jeweiligen Schichten erhält, entsprechend der Größe L des erkrankten Bereichs in der Tiefenrichtung plan wird.
Da in diesem Fall die Bestrahlungsdosis des Teilchenstrahls an der Stelle der tieferen Schicht höher ist, ist die Bestrahlungszeitdauer des Teilchenstrahls proportional länger, wenn die Teilchenstrahlintensitäten in den jeweiligen Schichten gleich sind. In der tieferen Schicht des erkrankten Bereichs wird somit die Anzahl der Umläufe des Teilchenstrahls (wobei dies im folgenden als ”Anzahl der Wobbler-Umläufe” bezeichnet wird) größer. Mit anderen Worten, es wird mit fortschreitender Bestrahlungshierarchie (der Bestrahlungsbereich wird flacher bzw. weniger tief), die Anzahl der Wobbler-Umläufe pro Schicht geringer.
Ferner waren bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie gemäß den vorstehend genannten Patentdokumenten 1 bis 4 die Zeitpunkte der Emission sowie des Stoppens des Teilchenstrahls von dem Beschleuniger, wie zum Beispiel einem Synchrotron, d. h. die Bestrahlungsperiode des Teilchenstrahls, unabhängig von dem Wobbler-Zyklus Tw. Insbesondere haben die Magnetisierungssignale des Paares der Wobbler-Elektromagneten eine feststehende Relation, so dass sie die Phasendifferenz von 90° zueinander aufweisen, wobei jedoch ihr Wobbler-Zyklus Tw unabhängig von der zeitlich verteilten Bestrahlungsperiode Tb des Teilchenstrahls eingestellt ist, um eine vorbestimmte Bestrahlungsdosis zu erzielen.
Bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie dagegen wird die Teilchenstrahlbestrahlung beendet, wenn die für jede Schicht vorab eingestellte Bestrahlungsdosis erreicht ist. Wenn hierbei der Wobbler-Zyklus Tw unabhängig von der Bestrahlungsperiode Tb des Teilchenstrahls vorgegeben ist, wie dies vorstehend erwähnt wurde, wird die Emission des Teilchenstrahls von dem Beschleuniger gestoppt, bevor der Teilchenstrahl einen vollständigen Umlauf um die Umlaufbahn ausführt, und es kommt zum Auftreten eines unbestrahlten Bereichs, der nicht mit dem Teilchenstrahl bestrahlt ist, in einem Teil der Umlaufbahn.
Insbesondere bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie wird die Anzahl der Wobbler-Umläufe pro Schicht mit Fortschreiten der Hierarchie der Bestrahlung (der Bestrahlungsbereich wird flacher) allmählich geringer, wie dies vorstehend erwähnt worden ist. Daher kommt es in dem Fall, in dem die Bestrahlung mit dem Teilchenstrahl auf halbem Wege der Umlaufbahn gestoppt worden ist, zum Auftreten einer Stelle, an der Bereiche, in denen die Teilchenstrahl-Bestrahlungen nicht ausgeführt worden sind, mehrere Schichten überlappen, so dass die Dosisverteilung in der Tiefenrichtung in drastischer Weise inhomogen wird.
Aus dem Stand der Technik gemäß dem Patentdokument DE 10 2005 058 207 A1 ist eine therapeutische Teilchenstrahl-Vorrichtung bekannt, bei welcher eine Dosisverteilung möglichst gleichmäßig erfolgen soll. Dazu wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die Bestrahlung derart durchzuführen, dass ein Teilchenstrahl entlang sich überlappender Ortskurven geführt wird, wobei die Gesamtzahl von insgesamt durchzuführenden Zyklen möglichst gering zu wählen ist. Zu diesem Zweck wird gemäß der bekannten Teilchenstrahl-Vorrichtung der zum Bestrahlen eines zu behandelnden Bereiches anzuwendende Teilchenstrahl in zwei zueinander orthogonalen Richtungen senkrecht zu der Laufrichtung des Teilchenstrahls entsprechend abgelenkt. Der zu behandelnde Bereich wird mit dem Teilchenstrahl derart abgefahren, dass dieser nach einer Periode wieder zu der Bestrahlungsstelle zurückkehrt, bei welcher die Periode begonnen hat. Auf diese Weise überlappen sich die innerhalb einer Periode von dem Teilchenstrahl abgetasteten Ortskurven, sodass der zu behandelnde Bereich mit einer gewünschten Dosis bestrahlt wird.
Die vorliegende Erfindung dient dem Überwinden der vorstehend geschilderten Probleme, und die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Angabe eines konformalen Mehrschicht-Strahlentherapiesystems, bei dem ein bei der Bestrahlung ausgelassener Bereich bzw. ein unbestrahlter Bereich nur einmal auftritt oder bei dem das Auftreten eines bei der Bestrahlung ausgelassenen Bereichs bzw. unbestrahlten Bereichs auf jeder Hierarchie-Ebene stets verhindert wird, und zwar unabhängig von den Zeitpunkten der Emission und des Stopps eines Teilchenstrahls von einem Beschleuniger bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie, so dass sich eine Bestrahlungsdosis-Verteilung noch homogener ausführen läßt als beim Stand der Technik, sowie ferner in der Angabe einer Teilchenstrahl-Therapievorrichtung, die dieses konformale Mehrschicht-Strahlentherapiesystem verwendet.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit einem konformalen Mehrschicht-Strahlentherapiesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine erfindungsgemäße Teilchenstrahl-Therarpievorrichtung ist im Anspruch 7 angegeben.
Gemäß der Erfindung weist ein konformales Mehrschicht-Strahlentherapiesystem folgendes auf: einen Beschleuniger, der einen von einer Ionenquelle generierten Teilchenstrahl beschleunigt, einen Bestrahlungskopf, der den durch den Beschleuniger beschleunigten Teilchenstrahl in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt projiziert und der Wobbler-Elektromagneten zum Ablenken und Veranlassen des Teilchenstrahls zur Ausführung eines Abtastvorgangs beinhaltet, und eine Bestrahlungssteuerung zum Ausführen einer konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie durch Steuerung der Ionenquelle, des Beschleunigers und des Bestrahlungskopfes, wobei die Bestrahlungssteuereinrichtung den Teilchenstrahl dadurch ablenkt und zum Ausführen eines Abtastvorgangs veranlaßt, dass die Wobbler-Elektromagneten einer Magnetisierungssteuerung unterzogen werden, wobei die Bestrahlungssteuerung die Magnetisierungssteuerung der Wobbler-Elektromagneten derart vornimmt, dass der Teilchenstrahl eine in einem Durchgang gebildete Umlaufbahn beschreibt, die an einem Startpunkt beginnt und zu dem Startpunkt zurückkehrt, und dass sie vor der Bestrahlung eine Gesamt-Bestrahlungsperiode des von dem Beschleuniger abzugebenden Teilchenstrahls für jede Schicht der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie derart einstellt, dass die Gesamt-Bestrahlungsperiode ein ganzzahliges Vielfaches eines Wobbler-Zyklus ist, den der Teilchenstrahl zum Ausführen von einem Umlauf um die Umlaufbahn benötigt.
Mit dem erfindungsgemäßen Strahlentherapiesystem kann in zuverlässiger Weise vermieden werden, dass irgendein bei der Bestrahlung ausgelassener Bereich in der letzten Umlaufbahn jeder Schicht auftritt. Mit anderen Worten, es läßt sich die konformale Mehrschicht-Strahlentherapie in einer Weise realisieren, dass diese stets frei von einem unbestrahlten Bereich in einer jeweiligen Schicht ist und dass die Dosisverteilung homogen ist, und zwar unabhängig von den Zeitpunkten des Emissionsstarts/Emissionsstopps des Teilchenstrahls.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlentherapiesystems handelt es sich bei dem Beschleuniger um einen Beschleuniger, der den Teilchenstrahl mit einer Impulsbreite emittiert, die länger ist als der Wobbler-Zyklus, wobei die Bestrahlungssteuerung die Anzahl der Teilchenstrahlen für jede Schicht der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie ändert, um dadurch eine Bestrahlungsdosis für jede Schicht in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts zu steuern, sowie eine derartige Steuerung vornimmt, dass die Strahlungsperiode jedes Impulses des Teilchenstrahls ein ganzzahliges Vielfaches des Wobbler-Zyklus ist.
Bei einer anderen speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlentherapiesystems handelt es sich bei dem Beschleuniger um einen Beschleuniger, der den Teilchenstrahl in kontinuierlicher Weise emittiert, wobei die Bestrahlungssteuerung eine Bestrahlungsdosis für jede Schicht in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts durch Veränderung einer Teilchenstrahlintensität für jede Schicht steuert sowie die Teilchenstrahlintensität Schicht für Schicht derart steuert, dass die Gesamt-Strahlungsperiode des Teilchenstrahls in jeder Schicht ein ganzzahliges Vielfaches des Wobbler-Zyklus ist.
Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlentherapiesystems handelt es sich bei dem Beschleuniger um einen Beschleuniger, der den Teilchenstrahl mit einer kürzeren Impulsbreite als dem Wobbler-Zyklus emittiert, wobei die Bestrahlungssteuerung die Anzahl von Impulsen des Teilchenstrahls für jede Schicht der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie ändert, um eine Bestrahlungsdosis jeder Schicht in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts zu steuern, sowie eine derartige Steuerung ausführt, dass ein ganzzahliges Vielfaches eines Emissionszyklus der Impulse des Teilchenstrahls ein ganzzahliges Vielfaches des Wobbler-Zyklus ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dem erfindungsgemäßen Strahlentherapiesystem zusätzlich zu der Steuerung der Bestrahlungsdosis für jede Schicht in der Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts die Bestrahlungssteuerung die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls in jeder Schicht ändert, um dadurch eine derartige Steuerung auszuführen, dass die Dosisverteilung in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts plan ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlentherapiesystems handelt es sich bei der in einem Durchgang gebildeten Umlaufbahn um eine kreisförmige Umlaufbahn oder eine zickzackförmige Umlaufbahn.
Eine Teilchenstrahl-Therapievorrichtung gemäß der Erfindung weist ein Konformales-Mehrschicht-Strahlentherapiesystem der oben beschriebenen Art auf. Bei einer derartigen Teilchenstrahl-Therapievorrichtung wird die Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls vereinfacht, und die Möglichkeit einer fehlerhaften Bestrahlung lässt sich vermindern, sodass eine Teilchenstrahl-Therapie mit hoher Präzision ausgeführt werden kann.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert; in den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der allgemeinen Konfiguration einer Teilchenstrahl-Therapievorrichtung, bei der ein konformales Mehrschicht-Strahlentherapiesystem gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Bereiche eines Bestrahlungskopfes zum Projizieren des Teilchenstrahls der Vorrichtung in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt sowie einer Bestrahlungssteuereinrichtung zum Ausführen der Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls;
3 eine Draufsicht auf den Lamellenkollimator der Vorrichtung;
4 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Relationen der Wobbler-Elektromagnet-Magnetisierungsströme, des Emissions-Startsignals und des Emissions-Stoppsignals des Teilchenstrahls auf der Basis eines Synchrotron-Beschleunigers sowie der Bestrahlungsperiode des durch den Synchrotron-Beschleuniger emittierten Teilchenstrahls im Verlauf der Zeit bei der Vorrichtung;
5 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung von Bestrahlungsdosis-Verteilungen in einer Radialrichtung in dem Fall, in dem der Teilchenstrahl in der Vorrichtung durch die Magnetisierungen der Wobbler-Elektromagneten kreisförmig abgelenkt wird und einen Abtastvorgang in einer Ebene ausführt;
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestrahlungsmuster des Teilchenstrahls in dem Fall, in dem eine konformale Mehrschicht-Strahlentherapie in der Vorrichtung ausgeführt wird, sowie zur Erläuterung der Beziehungen zwischen den Teilchenstrahl-Intensitäten (in einer ersten Schicht bis zu einer i-ten Schicht) und der Zeit;
7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erweiterten Bragg'schen Peaks der einzelnen Schichten bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie sowie einer Verteilung der absorbierten Dosis nach den Bestrahlungen von allen Schichten bei der Vorrichtung;
8 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Bereiche eines Bestrahlungskopfes zum Projizieren eines Teilchenstrahls in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt sowie der Bestrahlungssteuereinrichtung zum Ausführen der Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls bei einer Teilchenstrahl-Therapievorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestrahlungsmuster des Teilchenstrahls in dem Fall, in dem in der Vorrichtung die konformale Mehrschicht-Strahlentherapie ausgeführt wird;
10 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen Wobbler-Elektromagnet-Magnetisierungsströmen, dem Emissions-Startsignal/Ausgangsänderungssignal einer Ionenquelle für einen Zyklotron-Beschleuniger sowie der Bestrahlungsperiode des Emissions-Teilchenstrahls der Ionenquelle für den Zyklotron-Beschleuniger bei der Vorrichtung;
11 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erweiterten Bragg'schen Peaks von einzelnen Schichten bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie sowie der Verteilung einer absorbierten Dosis nach den Bestrahlungen von allen Schichten bei der Vorrichtung;
12 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Bereiche eines Bestrahlungskopfes zum Projizieren eines Teilchenstrahls in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt sowie einer Bestrahlungssteuereinrichtung zum Ausführen der Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls bei einer Teilchenstrahl-Therapievorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung;
13 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen Wobbler-Elektromagnet-Magnetisierungsströmen, den Emissions-Start-/Stoppsignalen des Teilchenstrahls durch einen Hauptbeschleuniger sowie der Bestrahlungsperiode der Emissions-Teilchenstrahlimpulse des Hauptbeschleunigers bei der Vorrichtung;
14 eine Kennliniendarstellung (in bezug auf Positionskoordinaten) zur Erläuterung der Dosisverteilung eines Bestrahlungsbereichs, der jedem der in der Vorrichtung generieren Teilchenstrahlimpulse entspricht;
15 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Situation in dem Fall, in dem ein Teilchenstrahl durch die Magnetisierungen der Wobbler-Elektromagneten abgelenkt wird und in einer Ebene zickzackförmig abtastet;
16 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Situation in dem Fall, in dem ein Teilchenstrahl durch die Magnetisierungen der Wobbler-Elektromagneten kreisförmig abgelenkt wird und in einer Ebene zickzackförmig abtastet;
17 eine Kennliniendarstellung zur Erläuterung von Bestrahlungsdosis-Verteilungen in einer Radialrichtung in einem Fall, in dem der Teilchenstrahl durch die Magnetisierungen der Wobbler-Elektromagneten kreisförmig abgelenkt wird und einen Abtastvorgang auf der Ebene ausführt; und
18 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erweiterten Bragg'schen Peaks der einzelnen Schichten bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie sowie der Verteilung einer absorbierten Dosis nach den Bestrahlungen von allen Schichten.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
1 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der allgemeinen Konfiguration einer Teilchenstrahl-Therapievorrichtung, bei der ein konformales Mehrschicht-Strahlentherapiesystem gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung angewendet wird, während 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Bereiche eines Bestrahlungskopfes zum Projizieren des Teilchenstrahls der Vorrichtung in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt sowie einer Bestrahlungssteuereinrichtung zum Ausführen der Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls zeigt.
Die Teilchenstrahl-Therapievorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 besteht in erster Linie aus einer Ionenquelle 1, die einen Teilchenstrahl generiert, einem Synchrotron-Beschleuniger 2a, bei dem es sich um einen Hauptbeschleuniger handelt, der den von der Ionenquelle 1 generierten Teilchenstrahl beschleunigt, einem Bestrahlungskopf 4, der den von dem Synchrotron-Beschleuniger 2a beschleunigten Teilchenstrahl in Richtung auf einen Erkrankungsbereich 3a beschleunigt, bei dem es sich um das zu bestrahlende Objekt eines Patienten 3 handelt, sowie aus einer Bestrahlungssteuereinrichtung 5 zum Ausführen der Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls.
Weiterhin ist ein Vorstufenbeschleuniger 6, der eine Vorbeschleunigung des durch die Ionenquelle 1 generierten Teilchenstrahls vor dem Einführen des Teilchenstrahls in den Synchrotron-Beschleuniger 2a vornimmt, zwischen der Ionenquelle 1 und dem Synchrotron-Beschleuniger 2a angeordnet. Weiterhin ist ein Strahltransportsystem 7 zum Führen des Teilchenstrahls von dem Synchrotron-Beschleuniger 2a zu dem Bestrahlungskopf 4 zwischen dem Synchrotron-Beschleuniger 2a und dem Bestrahlungskopf 4 angeordnet.
Der Synchrotron-Beschleuniger 2a schaltet ein zu dem Strahltransportsystem 7 führendes Gate EIN/AUS, und zwar unter der Steuerung einer im folgenden noch zu erläuternden Beschleunigersystem-Steuereinheit 8, um dadurch den Teilchenstrahl mit einer Impulsbreite (Strahlspill-Länge) Tb zu emittieren, die länger ist als ein Wobbler-Zyklus Tw.
Andererseits ist der Bestrahlungskopf 4 derart konfiguriert, daß ein Ablenk-Elektromagnet 41, der den durch das Strahltransportsystem 7 transportierten Teilchenstrahl derart ablenkt, daß dieser in Richtung auf den Patienten weiterlauft, ein Paar Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b, durch die der Teilchenstrahl abgelenkt wird und einen Abtastvorgang ausführt, ein Streukörper 43, der den Teilchenstrahl derart streut, daß dieser einen vorbestimmten Divergenzwinkel aufweist, ein Stegfilter 44, durch das die Energiebreite des Teilchenstrahls erweitert wird, ein Bereichsumschalter 45, durch den die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls in Abhängigkeit von der Tiefenposition des Erkrankungsbereichs 3a verändert wird, eine Dosisüberwachungseinrichtung 46, die die Bestrahlungsdosis des Teilchenstrahls überwacht, ein Lamellenkollimator 47, durch den das Bestrahlungsfeld des Teilchenstrahls in Abhängigkeit von der Größe des Erkrankungsbereichs 3a vorgegeben wird, sowie ein Patientenkollimator für die Randverbesserung, der das Bestrahlungsfeld des Erkrankungsbereichs 3a weiter reguliert, nacheinander entlang einer Teilchenstrahl-Umlaufbahn angeordnet sind.
Hierbei ist das Paar aus den Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b derart angeordnet, daß sich ihre Magnetfelder orthogonal zueinander innerhalb einer Ebene kreuzen können, die zu der Teilchenstrahl-Umlaufbahn orthogonal ist. Wie ferner in 3 gezeigt ist, besitzt der Lamellenkollimator 47 Lamellen 47a, die derart eingestellt sind, daß sie mit der Form des Erkrankungsbereichs 3a übereinstimmen, so daß das planare Bestrahlungsfeld A des Teilchenstrahls vorgegeben ist.
Die Bestrahlungssteuereinrichtung 5 ist zum Beispiel durch einen Steuercomputer gebildet. Sie besteht aus der Beschleunigersystem-Steuereinheit 8, die den Betrieb der Ionenquelle 1, des Vorstufenbeschleunigers 6, des Synchrotron-Beschleunigers 2a und des Strahltransportsystems 7 steuert, aus einer Bestrahlungskopf-Steuereinheit 9, die den Bestrahlungskopf 4 steuert, sowie aus einer Bestrahlungssystem-Steuerung 10, die die Steuereinheiten 8 und 9 im allgemeinen sowie in zusammenwirkender Weise steuert.
Weiterhin beinhaltet die Bestrahlungskopf-Steuereinheit 9 einen Wobbler-Energiequellen-Steuerbereich 92, der Wobbler-Energiequellen 91a und 91b steuert, die für die jeweiligen Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b einzeln vorgesehen sind, um diese Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b einer Magnetisierung zu unterziehen und dadurch den Teilchenstrahl abzulenken und einen Abtastvorgang ausführen zu lassen, sowie einen Bereichsumschalter-Steuerbereich 93, der den Bereichsumschalter 45 derart steuert, daß die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls in Abhängigkeit von der Größe des Erkrankungsbereichs in dessen Tiefenrichtung geändert werden kann. Darüber hinaus wird der Überwachungswert der Bestrahlungsdosis, wie diese von der Dosisüberwachungseinrichtung 46 gemessen wird, in die Bestrahlungssystemsteuerung 10 eingespeist.
Im folgenden wird ein Steuervorgang in dem Fall erläutert, in dem der Teilchenstrahl in der Teilchenstrahl-Therapievorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration zum Ausführen einer konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie veranlaßt wird.
Informationen über die Teilchenstrahl-Charakteristika, die für die konformale Mehrschicht-Strahlentherapie erforderlich sind, wie zum Beispiel die Impulsbreite und die Impulshöhe des Teilchenstrahls, die Anzahl der Impulse (Bestrahlungsdosis) jeder Schicht, die Strahlspill-Länge Tb und der Wobbler-Zyklus Tw, werden vorab in die Bestrahlungssystemsteuerung 10 eingegeben und eingestellt. Die Bestrahlungssystemsteuerung 10 schickt Informationen hinsichtlich der Steuerung des Beschleunigersystems von den eingegebenen Informationen zu der Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 und Informationen hinsichtlich der Steuerung des Bestrahlungskopfes 4 zu der Bestrahlungskopf-Steuereinheit 9.
Hierbei erfährt der durch die Ionenquelle 1 generierte Teilchenstrahl eine Vorbeschleunigung durch den Vorstufenbeschleuniger 6, wobei er durch den Synchrotron-Beschleuniger 2a als Hauptbeschleuniger noch weiter beschleunigt wird, so daß er zu dem Teilchenstrahl für die therapeutische Bestrahlung wird und als solcher emittiert wird. Dieser Teilchenstrahl wird über das Strahltransportsystem 7 zu dem Bestrahlungskopf 4 geführt. Hierbei steuert die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 den Synchrotron-Beschleuniger 2a, so daß die Energieintensität des Teilchenstrahl im Prinzip eingestellt wird.
Der dem Bestrahlungskopf 4 zugeführte Teilchenstrahl wird durch den Ablenkelektromagneten 41 des Bestrahlungskopfes 4 in Richtung einer Bestrahlungsstelle abgelenkt und anschließend durch die Wobbler-Elektromagneten 42a und 42 abgelenkt und zum Ausführen eines Abtastvorgangs veranlaßt.
Darüber hinaus wird der Teilchenstrahl durch die Bestrahlung mittels des Streukörpers 43 gestreut, so daß er den vorbestimmten Divergenzwinkel aufweist, und die Energiebreite des Teilchenstrahls wird anschließend durch das Stegfilter 44 erweitert, woraufhin die kinetische Energieintensität des Teilchenstrahls durch den Bereichsumschalter 45 auf einen geringen Wert verlagert wird.
Ferner wird die Bestrahlungsdosis durch die Dosisüberwachungseinrichtung 46 überwacht, und der Bestrahlungsbereich des Teilchenstrahls wird durch den Lamellenkollimator 47 derart begrenzt, daß der Erkrankungsbereich 3a in drei Dimensionen bestrahlt wird.
Hierbei steuert der Wobbler-Energiequellen-Steuerbereich 92 die Magnetisierungsströme, die von den Wobbler-Energiequellen 91a und 91b zu den Wobbler-Elektromagneten 42a bzw. 42b zugeführt werden, so daß diese die Formgebung von Sinuswellen erhalten, deren Zyklen gleich sind und deren Phasen um 90° voneinander versetzt sind, wie dies in 4 gezeigt ist. Auf diese Weise wird der Teilchenstrahl derart abgelenkt und zum derartigen Abtasten veranlaßt, daß er eine kreisförmige Umlaufbahn S in einer Ebene beschreibt, die zu seiner Laufrichtung rechtwinklig ist.
Wenn hierbei ein Kreis für eine einzelne Umlaufbewegung durch optimales Einstellen eines auf den Streukörper 43 zurückzuführenden Streuwinkels sowie des Radius R der Umlaufbahn S beschrieben wird, kommt es somit zur Überlappung von zwei Teilchenstrahl-Verteilungen P1 und P2, die durch das Zentrum O des Kreises der Umlaufbahn S hindurchgehen und die einander gegenüberliegen, und eine Dosisverteilung P0 in Radialrichtung in der Ebene wird plan, wie dies in 5 zu sehen ist.
Darüber hinaus veranschaulicht 5 ein Prinzip zum Erzeugen einer planen Dosisverteilung mit Wobbel-Bewegungen durch Ersetzen eines zweidimensionalen Phänomens durch ein eindimensionales Phänomen. Im Fall der Betrachtung eines zweidimensionalen Systems wird jedoch eine zweidimensionale Dosisverteilung aufgrund der Summe der Strahlpunkte einer kreisförmigen Umlaufbahn in ähnlicher Weise plan.
Andererseits schaltet die Beschleunigersystem-Steuereinheit das Gate des Synchrotron-Beschleunigers 2a zum Führen des Teilchenstrahls zu dem Strahltransportsystem 7 EIN/AUS, so daß der Teilchenstrahl in zeitlich gestaffelter Weise mit der Impulsbreite (Strahlspill-Länge) Tb emittiert wird, die länger ist als der Wobbler-Zyklus Tw, der zum Ausführen von einem Umlauf um die kreisförmige Umlaufbahn S aufgewendet wird, wie dies in den 6a und 6b gezeigt ist.
Zu diesem Zeitpunkt steuert die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 die Zeitpunkte des Emissionsstarts/Emissionsstopps derart, daß die Bestrahlungsperiode (Strahlspill-Länge) Tb jedes Impulses des Teilchenstrahls zu einem ganzzahligen Vielfachen des Wobbler-Zyklus Tw werden kann, wie dies in 4 gezeigt ist, mit anderen Worten, daß sich Tb = n·Tw (wobei n eine ganze Zahl bezeichnet) erhalten läßt. In der Bestrahlungsperiode Tb jedes Impulses des Teilchenstrahls wird somit die Emission stets zu dem Zeitpunkt gestoppt, zu dem der Teilchenstrahl n Umläufe um die Umlaufbahn ausgehend von einem Bestrahlungs-Startpunkt und auch unter Rückkehr zu dem Bestrahlungs-Startpunkt ausgeführt hat.
Das heißt, mit Ausnahme der Bestrahlungsperiode des Teilchenstrahls, die einem abschließenden Impuls in jeder Schicht entspricht, erfolgt stets ein derartiges Ablenken und Abtasten des Teilchenstrahls, daß dieser einen vollständigen Kreis um die Umlaufbahn beschreibt, und zwar unabhängig von dem Zeitpunkt des Emissionsstopps des Teilchenstrahls, so daß es zu keiner Unterbrechung des Teilchenstrahls auf halben Wege kommt. Auf diese Weise kann zuverlässig vermieden werden, daß irgendein in der Bestrahlung ausgelassener Bereich auf der Umlaufbahn S in der Bestrahlungsperiode Tb jedes Impulses des Teilchenstrahls entsteht.
In der Periode des Teilchenstrahls, die einem abschließenden Impuls in jeder Schicht entspricht, wird dann, wenn der Teilchenstrahl-Strom (der in Relation zu der Anzahl der Teilchen pro Stundeneinheit steht) in Abhängigkeit von der Anzahl der in jeder Schicht aufgestrahlten Teilchen gesteuert wird, der Teilchenstrahl in der Tat stets abgelenkt und zum derartigen Abtasten veranlaßt, daß er einen nahezu vollständigen Kreis entlang der Umlaufbahn beschreibt, so daß der Teilchenstrahl unterwegs nicht unterbrochen wird. Infolgedessen läßt sich eine noch homogenere Dosisverteilung erzielen.
Weiterhin wird der Wert der Bestrahlungsdosis, wie er durch die Dosisüberwachungseinrichtung 46 gemessen wird, in die Bestrahlungssystemsteuerung 10 eingegeben. Wenn eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen (Bestrahlungsdosis) erreicht worden ist, die für jede Schicht vorab vorgegeben wird, ändert die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 die Anzahl der Impulse des Teilchenstrahls für die jeweiligen Schichten nacheinander und führt eine derartige Steuerung aus, daß mit weniger tief liegendem Strahlungsbereich die Anzahl der Impulse pro Schicht geringer werden kann. In dem Maße, in dem der Bestrahlungsbereich weniger tief liegt, wird somit die Bestrahlungsdosis pro Schicht geringer.
Weiterhin steuert der Bereichsumschalter-Steuerbereich 93 den Bereichsumschalter 45, um die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls für jede Schicht entsprechend der Tiefe L des erkrankten Bereichs zu ändern. Auf diese Weise werden die erweiterten Bragg'schen Peaks D1, D2, ... entlang der Tiefenrichtung bewegt. Auf diese Weise wird die Bestrahlungsdosis für jede Schicht in der Tiefenrichtung des erkrankten Bereichs gesteuert, und darüber hinaus werden die erweiterten Bragg'schen Peaks D1, D2, ... entlang der Tiefenrichtung des erkrankten Bereichs bewegt. Infolgedessen wird die gesamte Dosisverteilung Dt, die durch Kumulieren der erweiterten Bragg'schen Peaks D1, D2, ... der jeweiligen Schichten erzielt wird, über die Größe L des erkrankten Bereichs in der Tiefenrichtung von diesem homogen gemacht, wie dies in 7 gezeigt ist.
Bei der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie wird die Anzahl der Wobbler-Umläufe pro Schicht mit Fortschreiten der Hierarchie der Bestrahlung (der Bestrahlungsbereich liegt weniger tief) zunehmend geringer, wie dies vorstehend erläutert worden ist. Da jedoch die Bestrahlung des Teilchenstrahls nicht auf halbem Wege der Umlaufbahn in irgendeiner der Schichten gestoppt wird oder die Anzahl von Stopps bei der Bestrahlung des Teilchenstrahls nur einen Stopp beträgt, wird die Häufigkeit, mit der wie bei Stand der Technik eine Stelle auftritt, an der bei den Teilchenstrahl-Bestrahlungen ausgelassene Bereiche mehrere Schichten überlappen, sehr gering, und es läßt sich eine konformale Mehrschicht-Strahlentherapie realisieren, die zu allen Zeiten eine homogene Dosisverteilung aufweist.
Darüber hinaus ist es nicht notwendig, die Zeitpunkte der Magnetisierungsströme der Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b sowie die Zeitpunkte der Emission/des Stoppens des Teilchenstrahls durch den Synchrotron-Beschleuniger 2a miteinander in Übereinstimmung zu bringen, so daß die Teilchenstrahl-Bestrahlungssteuerung einfach wird.
Ausführungsbeispiel 2
8 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Bereiche eines Bestrahlungskopfes zum Projizieren eines Teilchenstrahls in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt sowie einer Bestrahlungssteuereinrichtung zum Ausführen der Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls bei einer Teilchenstrahl-Therapievorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung. Dabei werden für Bereiche und Einrichtungen, die denen des in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels 1 entsprechen oder zu diesen äquivalent sind, gleiche Bezeichnungen und Bezugszeichen verwendet.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 ist der Synchrotron-Beschleuniger 2a, der den Teilchenstrahl in Form von Impulsen emittiert, als Hauptbeschleuniger verwendet worden. Im Gegensatz dazu wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 2 die konformale Mehrschicht-Strahlentherapie unter Verwendung eines Zyklotron-Beschleunigers 2b ausgeführt, der einen Teilchenstrahl in kontinuierlicher Weise emittiert.
Wie in 9 gezeigt ist, wird in diesem Fall die Strahlstromintensität einer Ionenquelle 1 durch eine Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 geändert, so daß der Teilchenstrahl mit einer vorbestimmten Teilchenstrahlintensität, die vorab für jede Schicht vorgegeben wird, von dem Zyklotronbeschleuniger 2b abgegeben wird.
Die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 steuert dabei ferner die Ionenquelle 1 und gibt die Bestrahlungsperiode des Teilchenstrahls in jeder Schicht derart vor, daß diese zu einem ganzzahligen Vielfachen eines Wobbler-Zyklus wird. Das heißt, wenn man die Bestrahlungsperiode des Teilchenstrahls in einer bestimmten Schicht mit ”Tbi” bezeichnet und man den Wobbler-Zyklus mit ”Tw” bezeichnet, wird die Bestrahlungsperiode folgendermaßen vorgegeben: Tbi = ni·Tw (1). (Hierbei bezeichnet ”ni” eine ganze Zahl, die in der i^ten Schicht vorgegeben ist.)
Bei der Erfassung der i^ten Schicht eines Erkrankungsbereichs in der Tiefenrichtung von diesem, wobei ”Ni” die Anzahl der Teilchen des Teilchenstrahls bezeichnet, mit der die betreffende Schicht zu bestrahlen ist, ”Tbi” die Bestrahlungsperiode des Teilchenstrahls für die betreffende Schicht bezeichnet und ”Ii” die Strahlstromintensität in der Ionenquelle 1 bezeichnet, wie diese bei dieser Gelegenheit erforderlich ist, gilt ferner folgendes: Ni = Tbi·Ii/Q₀ (2). (Dabei bezeichnet ”Q₀” die Ladungsmenge eines Elektrons.)
Aus den vorstehenden Gleichungen (1) und (2) erhält man Ii = Ni·Q₀/(ni·Tw) (3).
Das heißt, wenn die Strahlstromintensität Ii der Ionenquelle 1 vorab für jede Schicht auf der Basis der Gleichung (3) vorgegeben wird, kann die Bestrahlungsperiode Tbi des Teilchenstrahls stets in Form von ganzzahligen Vielfachen ni des Wobbler-Zyklus Tw vorgegeben werden, wobei die Anzahl von Teilchen Ni des Teilchenstrahls für die Bestrahlung von jeder Schicht (mit anderen Worten eine Bestrahlungsdosis für jede Schicht) in angemessener Weise gewährleistet wird.
Hierbei wird die Anzahl von Partikeln Ni für jede Schicht vorab bestimmt, die Ladungsmenge Q₀ des Teilchenstrahls wird durch die Art des Teilchenstrahls bestimmt, und der Strahlstrom der Ionenquelle 1 beträgt üblicherweise 30 nA oder weniger. Die ganze Zahl ni jeder Schicht kann somit in Übereinstimmung mit der Gleichung (3) derart bestimmt werden, daß der Strahleinstellstrom Ii in einem Bereich von mehreren nA bis 30 nA fallen kann.
Als nächstes wird ein Steuervorgang in dem Fall beschrieben, in dem der Teilchenstrahl bei der Teilchenstrahl-Therapievorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration eine konformale Mehrschicht-Strahlentherapie vornimmt.
Informationen über die Teilchenstrahl-Charakteristika, die für die konformale Mehrschicht-Strahlentherapie erforderlich sind, wie zum Beispiel die Strahlstromintensität Ii der Ionenquelle 1, bei der die Teilchenstrahlintensität jeder Schicht berücksichtigt wird, die Zeitpunkte des Emissionsstarts/Stopps des Teilchenstrahls (die Bestrahlungsperiode Tbi) in jeder Schicht sowie der Wobbler-Zyklus Tw, werden in eine Bestrahlungssystemsteuerung 10 in einer derartigen Weise eingegeben, daß sie die vorstehend genannte Gleichung (3) erfüllen.
Die Bestrahlungssystemsteuerung 10 schickt Informationen hinsichtlich der Steuerung eines Beschleunigersystems von den eingegebenen Informationen zu der Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 und Informationen hinsichtlich der Steuerung eines Bestrahlungskopfes 4 zu der Bestrahlungskopf-Steuereinheit 9.
Da die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 den Strahlstrom der Ionenquelle 1 in Übereinstimmung mit jeder einzelnen Schicht steuert, wird der Teilchenstrahl, der die für jede Schicht geeignete Teilchenstrahlintensität aufweist, von dem Zyklotron-Beschleuniger 2b abgegeben. Darüber hinaus wird der in kontinuierlicher Weise von dem Zyklotron-Beschleuniger 2b emittierte Teilchenstrahl zu dem Bestrahlungskopf 4 geführt.
Hierbei magnetisieren Wobbler-Energiequellen 91a und 91b Wobbler-Elektromagneten 42a bzw. 42b unter der Steuerung eines Wobbler-Energiequellen-Steuerbereichs 92, so daß der Teilchenstrahl abgelenkt und zum Ausführen eines derartigen Abtastvorgangs veranlaßt wird, daß er eine kreisförmige Umlaufbahn in einer Ebene beschreibt, die rechtwinklig zu seiner Laufrichtung ist.
In diesem Fall wird die Strahlstromintensität Ii der Ionenquelle 1 vorab für jede Schicht vorgegeben, wie dies durch die vorstehend genannte Gleichung (3) angegeben worden ist, und somit entspricht die Bestrahlungsperiode Tbi der bestimmten i^ten Schicht genau dem ganzzahligen Vielfachen ni des Wobbler-Zyklus Tw der Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b. Bei der Teilchenstrahl-Bestrahlung der betreffenden i^ten Schicht erreicht somit eine Bestrahlungsdosis, die durch eine Dosisüberwachungseinrichtung 46 überwacht wird, einen vorgegebenen Wert zu dem Zeitpunkt, zu dem der Teilchenstrahl ni Umläufe auf der Kreisbahn ausgehend von einem Bestrahlungs-Startpunkt sowie unter Rückkehr zu dem Bestrahlungs-Startpunkt ausgeführt hat.
Die Bestrahlungssystemsteuerung 10 liefert dann eine diesbezügliche Meldung an die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8, so daß die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 die Teilchenstrahl-Bestrahlung der i^ten Schicht stoppt. Auch in dem Fall, in dem der kontinuierliche Strahl von dem Zyklotron-Beschleuniger 2b emittiert wird, kann somit eine homogenere Dosisverteilung in einem Bestrahlungsfeld gebildet werden.
In der gleichen Weise, wie im Fall des Ausführungsbeispiels 1, steuert ferner der Bereichsumschalter-Steuerbereich 93 den Bereichsumschalter 45, um dadurch die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls für jede Schicht entsprechend der Tiefe L des erkrankten Bereichs zu ändern. Somit werden erweiterte Bragg'sche Peaks D1, D2, ... entlang der Tiefenrichtung bewegt.
Auf diese Weise wird die Bestrahlungsdosis für jede Schicht in der Tiefenrichtung des Erkrankungsbereichs gesteuert, und darüber hinaus werden die erweiterten Bragg'schen Peaks D1, D2, ... entlang der Tiefenrichtung des Erkrankungsbereichs bewegt. Infolgedessen wird die gesamte Dosisverteilung Dt, die man durch Kumulieren der erweiterten Bragg'schen Peaks D1, D2, ... der jeweiligen Schichten erhält, über die Tiefe L des Erkrankungsbereichs homogen gemacht, wie dies in 11 gezeigt ist.
Wie bisher beschrieben worden ist, wird auch bei dem Ausführungsbeispiel 2 die Bestrahlungsperiode Tb jeder Schicht als ganzzahliges Vielfaches des Wobbler-Zyklus Tw vorgegeben. Somit erfolgt stets ein derartiges Ablenken und Abtasten des Teilchenstrahls, daß ein vollständiger Kreis um die Umlaufbahn S gebildet wird, und zwar unabhängig von dem Zeitpunkt des Emissionsstopps des Teilchenstrahls, wobei der Teilchenstrahl ferner nicht auf halbem Wege unterbrochen wird.
Somit kann in zuverlässiger Weise vermieden werden, daß irgendein in der Bestrahlung ausgelassener Bereich in der letzten Umlaufbahn S jeder Schicht auftritt, und es läßt sich eine konformale Mehrschicht-Strahlentherapie realisieren, die zu allen Zeiten eine homogene Dosisverteilung aufweist.
Darüber hinaus ist es nicht notwendig, die Zeitpunkte der Magnetisierungsströme der Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b sowie die Zeitpunkte der Emission/des Stopps des Teilchenstrahls der Ionenquelle 1 miteinander in Übereinstimmung zu bringen, so daß die Teilchenstrahl-Bestrahlungssteuerung einfach wird.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 2 wird die Deaktivierung des Teilchenstrahls bei Erreichen der Bestrahlungsdosis jeder Schicht unter Steuerung der Ionenquelle 1 ausgeführt. Die Teilchenstrahl-Deaktivierung kann jedoch auch durch Anordnen eines Kicker-Elektromagneten oder dergleichen auf halbem Wege des Strahltransportsystems 7 ausgeführt werden, das sich von dem Zyklotron-Beschleuniger 2b zu dem Bestrahlungskopf 4 erstreckt.
In der vorstehenden Beschreibung ist der Betrag ni in der Gleichung (3) genau als ganze Zahl beschrieben worden, wobei jedoch der Betrag ni in Wirklichkeit nicht streng ganzzahlig sein muß. Der Grund hierfür wird im folgenden erläutert. Der Teilchenstrahl, der durch die Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b abgelenkt wird und zum Ausführen eines Abtastvorgangs veranlaßt wird, besitzt aufgrund des Streukörpers 43 oder dergleichen eine ausreichend große Punktgröße.
Selbst wenn der Teilchenstrahl nicht den exakten vollständigen Kreis beschreibt, überlappen die Teilchenstrahlverteilungen einander, und aus diesem Grund wird die Dosisverteilung in einer Radialrichtung innerhalb der Ebene plan. Bei der Größe ni kann es sich somit auch um einen Wert handeln, der an eine ganze Zahl angenähert ist, so daß sich die gleichen Vorteile wie in der vorstehend beschriebenen Weise erzielen lassen.
Da die übrige Konfiguration und die übrigen Funktionswirkungen die gleichen sind wie im Fall des Ausführungsbeispiels 1, wird auf eine Wiederholung der Beschreibung von diesen an dieser Stelle verzichtet.
Ausführungsbeispiel 3
12 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Bereiche eines Bestrahlungskopfes zum Projizieren eines Teilchenstrahls in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt sowie einer Bestrahlungssteuereinrichtung zum Ausführen der Bestrahlungssteuerung des Teilchenstrahls bei einer Teilchenstrahl-Therapievorrichtung gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung. Hierbei sind Bereiche und Elemente, die denen des in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels 1 entsprechen oder zu diesen äquivalent sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder Bezeichnungen bezeichnet.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 ist der Synchrotron-Beschleuniger 2a verwendet worden, von dem der Teilchenstrahl mit der Impulsbreite (Strahlspill-Länge) Tb emittiert wird, die langer ist als der Wobbler-Zyklus Tw, und bei dem Ausführungsbeispiel 2 ist der Zyklotron-Beschleuniger 2b verwendet worden, bei dem der Teilchenstrahl in kontinuierlicher Weise emittiert wird.
Im Gegensatz dazu wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 3 ein Linearbeschleuniger 2c verwendet, von dem der Teilchenstrahl mit einer Impulsbreite Tq emittiert wird, die kürzer ist als der Wobbler-Zyklus Tw. Abgesehen von dem Linearbeschleuniger 2c kann hier auch der Synchrotron-Beschleuniger verwendet werden.
Hierbei kann die Anzahl der von dem Linearbeschleuniger 2c emittierten Impulse des Teilchenstrahls für jede Schicht durch eine Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 geändert werden, so daß jede Schicht eine geeignete Bestrahlungsdosis erhalten kann. Hinsichtlich einer Bestrahlungsperiode Tri in jeder Schicht ist hierbei ein ganzzahliges Vielfaches des Emissionszyklus Tp der Teilchenstrahlimpulse derart vorgegeben, daß dieses zu einem ganzzahligen Vielfachen des Wobbler-Zyklus Tw wird, wie dies in 13 gezeigt ist. Das heißt, es gilt folgendes: Tri = ki·Tp = ni·Tw (4). (Dabei bezeichnen ”ki” und ”ni” ganze Zahlen, die jeweils in der i^ten Schicht vorgegeben sind.)
Im folgenden wird ein Steuervorgang in dem Fall beschrieben, in dem der Teilchenstrahl der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie bei der Teilchenstrahl-Therapievorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration unterzogen wird.
Informationen über Teilchenstrahl-Charakteristika, die für die konformale Mehrschicht-Strahlentherapie erforderlich sind, wie zum Beispiel die Bestrahlungsperiode Tri jeder Schicht, die Anzahl von Impulsen ki der Teilchenstrahlimpulse, der Emissionszyklus Tp der Teilchenstrahlimpulse, die Impulsbreite Tq, eine Impulshöhe und der Wobbler-Zyklus Tw, werden in eine Bestrahlungssystemsteuerung 10 eingegeben und derart eingestellt, daß sie die vorstehend genannte Gleichung (4) erfüllen.
Die Bestrahlungssystemsteuerung 10 schickt Informationen hinsichtlich der Steuerung eines Beschleunigersystems von den eingegebenen Informationen zu der Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 und Informationen über die Steuerung des Bestrahlungskopfes 4 zu der Bestrahlungskopf-Steuereinheit 9.
Da die Beschleunigersystem-Steuereinheit 8 die Ionenquelle 1 und den Linearbeschleuniger 2c in Abhängigkeit von jeder einzelnen Schicht steuert, werden die Teilchenstrahlimpulse, die in ihrer Impulsbreite Tq um eine Periode kürzer sind als der Wobbler-Zyklus Tw, von dem Linearbeschleuniger 2c mit dem vorbestimmten Zyklus Tp emittiert. Darüber hinaus werden die von dem Linearbeschleuniger 2c emittierten Teilchenstrahlimpulse zu dem Bestrahlungskopf 4 geführt.
Hierbei magnetisieren die Wobbler-Energiequellen 91a und 91b die Wobbler-Elektromagneten 42a bzw. 42b unter der Steuerung des Wobbler-Energiequellen-Steuerbereichs 92, so daß die Teilchenstrahlimpulse derart abgelenkt und zum Ausführen eines derartigen Abtastvorgangs veranlaßt werden, daß sie eine kreisförmige Umlaufbahn S innerhalb einer Ebene beschreiben, die rechtwinklig zu ihrer Laufrichtung ist.
Hierbei ist die Impulsbreite Tq von jedem der von dem Linearbeschleuniger 2c emittierten Teilchenstrahlimpulse kürzer als der Wobbler-Zyklus Tw, und daher sind die zentralen Punkte der Bestrahlungsregionen P der jeweiligen Impulse entlang der Umlaufbahn S einzeln vorhanden. Jedoch wird der Teilchenstrahl durch den Streukörper 42 oder dergleichen zerstreut, und er besitzt eine ausreichend große Punktgröße, wie dies in 14 gezeigt ist.
Wenn ein Kreis für eine Umlaufbewegung dargstellt wird, kommt es somit zur Überlappung von zwei Teilchenstrahlverteilungen, die durch das Zentrum O des Kreises der Umlaufbahn S hindurchgehen und die einander gegenüberliegen, und eine Dosisverteilung in Radialrichtung innerhalb der Ebene wird plan.
Wie ferner in der vorstehend genannten Gleichung (4) gezeigt ist, ist das ganzzahlige Vielfache des Emissionszyklus Tb der Teilchenstrahlimpulse in jeder Schicht derart vorgegeben, daß es zu dem ganzzahligen Vielfachen des Wobbler-Zyklus Tw wird, so daß die Bestrahlungsperiode Tri beispielsweise der i^ten Schicht dem ganzzahligen Vielfachen ni des Wobbler-Zyklus Tw entspricht. Bei der Teilchenstrahl-Bestrahlung der i^ten Schicht sind somit die Teilchenstrahlimpulse zu dem Zeitpunkt, an dem der Teilchenstrahl ni Umläufe auf der Umlaufbahn ausgehend von einem Bestrahlungs-Startpunkt und unter Rückkehr zu dem Bestrahlungs-Startpunkt bis zum Stoppen der Bestrahlung ausgeführt hat (d. h. zu dem Zeitpunkt, an dem die Periode Tri verstrichen ist), ki Male projiziert worden. Selbst in dem Fall, in dem die Teilchenstrahlimpulse mit der kürzeren Impulsbreite Tq als der Wobbler-Zyklus Tw von dem Linearbeschleuniger 2c emittiert werden, kann somit eine homogene Dosisverteilung in einem Bestrahlungsfeld gebildet werden.
In der gleichen Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 steuert wiederum ein Bereichsumschalter-Steuerbereich 93 den Bereichsumschalter 45, um dadurch die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls für jede Schicht entsprechend der Tiefe L des erkrankten Bereichs zu ändern. Daher werden erweiterte Bragg'sche Peaks entlang der Tiefenrichtung bewegt. Infolgedessen ist die Dosisverteilung Dt, die man durch Kumulieren der erweiterten Bragg'schen Peaks der jeweiligen Schichten erhält, über die Länge L des Erkrankungsbereichs homogen ausgebildet, wie dies in 7 oder 11 gezeigt ist.
Wie bisher beschrieben worden ist, kann bei dem Ausführungsbeispiel 3 selbst bei Verwendung des Beschleunigers 2c, der den Teilchenstrahl mit einer kürzeren Impulsbreite Tq als dem Wobbler-Zyklus Tw emittiert, in zuverlässiger Weise vermieden werden, daß irgendein in der Bestrahlung ausgelassener Bereich in der letzten Umlaufbahn jeder Schicht entsteht, und es läßt sich eine konformale Mehrschicht-Strahlentherapie ausführen, die zu allen Zeiten eine homogene Dosisverteilung aufweist.
Darüber hinaus ist es nicht notwendig, die zeitliche Steuerung der Magnetisierungsströme der Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b sowie die zeitliche Steuerung der Emission/des Stopps des Teilchenstrahls der Ionenquelle 1 miteinander in Übereinstimmung zu bringen, so daß die Teilchenstrahl-Bestrahlungssteuerung einfach wird.
Da die übrige Konfiguration und die übrigen Funktionswirkungen die gleichen sind wie bei dem Ausführungsbeispiel 1, wird auf eine ausführliche Beschreibung von diesen an dieser Stelle verzichtet.
Die Ausführungsbeispiele 1 bis 3 sind im Hinblick auf eine homogene Ausbildung der Dosisverteilung in einer derartigen Weise beschrieben worden, daß der Teilchenstrahl abgelenkt wird und zur Ausführung eines derartigen Abtastvorgangs veranlaßt wird, daß er durch die Magnetisierungen der Wobbler-Elektromagneten 42a und 42b eine kreisförmige Umlaufbahn auf einer Ebene beschreibt.
Dieser Gesichtspunkt ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen, sondern die Dosisverteilung in der Ebene kann auch in dem Fall homogen gemacht werden, in dem zum Beispiel in der in 15 dargestellten Weise der Teilchenstrahl derart abgelenkt und zum derartigen Ausführen eines Abtastvorgangs veranlaßt wird, daß er eine zickzackförmige Umlaufbahn beschreibt, die mit einem Startpunkt beginnt und zu dem Startpunkt zurückkehrt.
Bezugszeichenliste

1: Ionenquelle
2a: Hauptbeschleuniger (Synchrotron)
2b: Hauptbeschleuniger (Zyklotron)
2c: Hauptbeschleuniger (Linearbeschleuniger)
3: Patient
3a: Erkrankungsbereich
4: Bestrahlungskopf
5: Bestrahlungssteuereinrichtung
6: Vorstufenbeschleuniger
7: Strahltransportsystem
8: Beschleunigersystem-Steuereinheit
9: Bestrahlungskopf-Steuereinheit
10: Bestrahlungssystemsteuerung
41: Ablenkelektromagnet
42a, 42b: Wobbler-Elektromagneten
43: Streukörper
44: Stegfilter
45: Bereichsumschalter
46: Dosisüberwachungseinrichtung
47: Lamellenkollimator
47a: Lamellen
91a, 91b: Wobbler-Energiequelle
92: Wobbler-Energiequellen-Steuerbereich
93: Bereichsumschalter-Steuerbereich

Claims

Konformales Mehrschicht-Strahlentherapiesystem, das folgendes aufweist: – einen Beschleuniger (2a), der einen von einer Ionenquelle (1) generierten Teilchenstrahl beschleunigt, – einen Bestrahlungskopf (4), der den durch den Beschleuniger beschleunigten Teilchenstrahl in Richtung auf ein zu bestrahlendes Objekt (3a) projiziert und der Wobbler-Elektromagneten (42a, 42b) zum Ablenken und Veranlassen des Teilchenstrahls zur Ausführung eines Abtastvorgangs beinhaltet, und – eine Bestrahlungssteuerung (5) zum Ausführen einer konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie durch Steuerung der Ionenquelle (1), des Beschleunigers (2a) und des Bestrahlungskopfes (4), wobei die Bestrahlungssteuereinrichtung den Teilchenstrahl dadurch ablenkt und zum Ausführen eines Abtastvorgangs veranlaßt, daß die Wobbler-Elektromagneten einer Magnetisierungssteuerung unterzogen werden, wobei die Bestrahlungssteuerung (5) die Magnetisierungssteuerung der Wobbler-Elektromagneten derart vornimmt, daß der Teilchenstrahl eine in einem Durchgang gebildete Umlaufbahn beschreibt, die an einem Startpunkt beginnt und zu dem Startpunkt zurückkehrt, und daß sie vor der Bestrahlung eine Gesamt-Bestrahlungsperiode (Tb) des von dem Beschleuniger (2a) abzugebenden Teilchenstrahls für jede Schicht der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie derart einstellt, daß die Gesamt-Bestrahlungsperiode (Tb) ein ganzzahliges Vielfaches eines Wobbler-Zyklus (Tw) ist, den der Teilchenstrahl zum Ausführen von einem Umlauf um die Umlaufbahn benötigt.
Strahlentherapiesystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Beschleuniger um einen Beschleuniger (2a) handelt, der den Teilchenstrahl mit einer Impulsbreite emittiert, die länger ist als der Wobbler-Zyklus, und wobei die Bestrahlungssteuerung (5) die Anzahl der Teilchenstrahlen für jede Schicht der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie ändert, um dadurch eine Bestrahlungsdosis für jede Schicht in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts zu steuern, sowie eine derartige Steuerung vornimmt, daß die Strahlungsperiode jedes Impulses des Teilchenstrahls ein ganzzahliges Vielfaches (n) des Wobbler-Zyklus ist.
Strahlentherapiesystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Beschleuniger um einen Beschleuniger (2b) handelt, der den Teilchenstrahl in kontinuierlicher Weise emittiert, und wobei die Bestrahlungssteuerung (5) eine Bestrahlungsdosis für jede Schicht in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts durch Veränderung einer Teilchenstrahlintensität für jede Schicht steuert sowie die Teilchenstrahlintensität Schicht für Schicht derart steuert, daß die Gesamt-Strahlungsperiode (Tbi) des Teilchenstrahls in jeder Schicht ein ganzzahliges Vielfaches (ni) des Wobbler-Zyklus (Tw) ist.
Strahlentherapiesystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Beschleuniger um einen Beschleuniger (2c) handelt, der den Teilchenstrahl mit einer kürzeren Impulsbreite (Tq) als dem Wobbler-Zyklus (Tw) emittiert, und wobei die Bestrahlungssteuerung (5) die Anzahl von Impulsen des Teilchenstrahls für jede Schicht der konformalen Mehrschicht-Strahlentherapie ändert, um eine Bestrahlungsdosis jeder Schicht in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts zu steuern, sowie eine derartige Steuerung ausführt, daß ein ganzzahliges Vielfaches (Ki) eines Emissionszyklus (Tp) der Impulse des Teilchenstrahls ein ganzzahliges Vielfaches des Wobbler-Zyklus (Tw) ist.
Strahlentherapiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zusätzlich zu der Steuerung der Bestrahlungsdosis für jede Schicht in der Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts die Bestrahlungssteuerung (5) die Bestrahlungsenergie des Teilchenstrahls in jeder Schicht ändert, um dadurch eine derartige Steuerung auszuführen, daß die Dosisverteilung in Tiefenrichtung des zu bestrahlenden Objekts plan ist.
Strahlentherapiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei der in einem Durchgang gebildeten Umlaufbahn um eine kreisförmige Umlaufbahn oder eine zickzackförmige Umlaufbahn handelt.
Teilchenstrahl-Therapievorrichtung mit einem konformalen Mehrschicht-Strahlentherapiesystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.