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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieüberprüfung eines Partikelstrahls.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Energieüberprüfung sowie
eine Anlage mit einer derartigen Vorrichtung. Ein derartiges Verfahren
bzw. eine derartige Vorrichtung finden insbesondere im Rahmen der
Partikeltherapie Einsatz, bei der beispielsweise bei routinemäßig wiederholt
durchzuführenden
Qualitätssicherungs-Maßnahmen
die Energie eines Partikelstrahls überprüft wird.
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Die
Partikeltherapie ist ein etabliertes Verfahren zur Behandlung von
Gewebe, insbesondere von Tumorerkrankungen. Bestrahlungsverfahren, wie
sie in der Partikeltherapie eingesetzt werden, finden jedoch auch
in nicht-therapeutischen Gebieten Anwendung. Hierzu gehören beispielsweise
Forschungsarbeiten im Rahmen der Partikeltherapie, die an nicht-lebenden
Phantomen oder Körpern
durchgeführt
werden, Bestrahlungen von Materialien, etc. Hierbei werden geladene
Partikel wie z. B. Protonen oder Kohlenstoffionen oder andere Ionensorten
auf hohe Energien beschleunigt, zu einem Partikelstrahl geformt
und über
ein Hochenergiestrahltransportsystem zu einem oder mehreren Bestrahlungsräumen geführt. In
einem dieser Bestrahlungsräume
wird das zu bestrahlende Objekt mit dem Partikelstrahl bestrahlt.
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Hierbei
ist es für
den Erfolg einer Bestrahlung wesentlich, dass die Anlage fehlerfrei
betrieben werden kann. Üblicherweise
wird dies dadurch gewährleistet,
dass im Rahmen von regelmäßigen Qualitätssicherungs-Maßnahmen
(auch QA-Maßnahmen genannt,
QA für
engl.: ”quality
assurance”)
das korrekte Funktionieren der Anlage überprüft wird. Insbesondere wird
hierbei überprüft, ob ein
Partikelstrahl, der mit bestimmten Spezifikationen angefordert wird, auch
tatsächlich
die geforderten Spezifikationen aufweist.
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Eine
Eigenschaft des Partikelstrahls, die korrekt eingestellt werden
muss, ist die Energie des Partikelstrahls, da die Energie der Partikel
die Eindringtiefe des Partikelstrahls in ein zu bestrahlendes Objekt
bestimmt.
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Zur Überprüfung der
Energie des Partikelstrahls ist die Verwendung einer so genannten ”Wassersäule” oder eines ”Wasserphantoms” bekannt. Hierbei
ist eine Ionisationskammer in dem Wasserphantom bzw. in der Wassersäule angeordnet,
auf die der Partikelstrahl gerichtet wird. Diese Ionisationskammer
wird in Strahlrichtung im Wasser bewegt und liefert unterschiedliche
Messwerte. Das (Messwert-)Maximum in der Tiefe korreliert mit der
Reichweite der Partikel. Dieses Verfahren wird unter anderem bei
QA-Maßnahmen
eingesetzt. Die Messungen eine Energie bzw. die Ermittlung eines
Bragg-Peak dauert jedoch circa 3 bis 5 Minuten pro Energie, evtl. auch
etwas weniger. Im Rahmen einer klinischen Konstanz Prüfung muss
zudem ein großer
Energiebereich geprüft
werden. Zudem addieren sich die Aufbauzeiten für die Messvorrichtung.
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Bisher
nur bei passiven Strahlapplikation, das heißt bei Aufweitung des Partikelstrahls
durch einen Streukörper,
wird zum Teil auch ein so genannter ”multi-layer Faraday cup” eingesetzt.
Dabei wird durch mehrere, hintereinander positionierte Faraday-Auffänger (”Faraday-Becher”) jeweils
die Ionisation in unterschiedlichen Tiefen gemessen, um die Reichweite
des aufgeweiteten Partikelstrahls grob zu bestimmen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Energieüberprüfung eines
Partikelstrahls anzugeben, das ohne Aufbauten einer aufwändigen Messvorrichtung
betrieben werden kann und das schnell durchführbar ist. Weiterhin ist es
die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Energieüberprüfung sowie
eine Anlage zum Beschleunigen von geladenen Partikeln anzugeben,
mit der bzw. bei der eine Überprüfung der
Energie eines Partikelstrahls ohne aufwändige Aufbauten schnell durchführbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1, durch eine Vorrichtung zur Energieüberprüfung gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Anlage
gemäß Anspruch
10. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der
abhängigen
Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Energieüberprüfung eines
Partikelstrahls weist folgende Schritte auf:
- – Beschleunigen
von geladenen Partikeln auf eine vordefinierte Energie in einer
Beschleunigungsvorrichtung,
- – Extrahieren
eines Partikelstrahls aus der Beschleunigungsvorrichtung und Führen des
Partikelstrahls zu einem Bestrahlungsraum durch eine Transportvorrichtung,
- – Umlenken
des Partikelstrahls mit zumindest einem Umlenkmagneten,
- – Messen
einer Position des Partikelstrahls in einer Richtung, die eine Komponente
senkrecht zur Strahlrichtung aufweist,
- – Überprüfen einer
tatsächlichen
Energie des Partikelstrahls unter Verwendung der gemessenen Position.
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Das
Verfahren beruht auf der Idee, dass eine Ablenkung des Partikelstrahls
in einem Magnetfeld energieabhängig
ist. Die Lorentzkraft, die eine Ablenkung eines geladenen Teilchens
im Magnetfeld bewirkt, hängt
von dem Magnetfeld und von der Geschwindigkeit des Teilchens ab.
Ist die Energie des Partikelstrahls und das Magnetfeld bekannt,
kann eine Sollposition des Partikelstrahls an einem beliebigen Messpunkt
entlang der Strahlrichtung ermittelt werden. Weicht aber die gemessene
Position des Partikelstrahls im Messpunkt von der Sollposition ab, so
deutet dies darauf hin, dass die tatsächliche Energie des Partikelstrahls
nicht der vordefinierten Energie entspricht.
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Die
gemessene Position und die Sollposition unterscheiden sich, da der
Partikelstrahl von einer Soll-Verlaufsrichtung abweicht. Diese Abweichung kann
in einer Richtung gemessen werden, die nicht parallel zur Strahlverlaufsrichtung
ist, die also eine Komponente aufweist, welche Komponente senkrecht
zur Verlaufsrichtung angeordnet ist. Idealerweise ist diese Richtung
im Wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung angeordnet, d. h. in
einem Winkelbereich von 90° ± 15°, 90° ± 10°, 90° ± 5° oder noch
weniger. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Es ist auch denkbar,
diese Richtung in einem spitzen bzw. stumpfen Winkel zur Strahlverlaufsrichtung
anzuordnen, der mehr als 15° von
der Strahlrichtung abweicht. Je mehr der Winkel von der Senkrechten
abweicht, desto aufwändiger
wird es, eine Messvorrichtung so auszubilden, dass auch kleine Abweichungen
des Strahlverlaufs von der Soll-Verlaufsrichtung detektiert werden
können.
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Insbesondere
in einer Anlage, in der die Partikel beschleunigt werden und über die
Transportvorrichtung in einen Bestrahlungsraum geführt werden, wie
beispielsweise in einer Partikeltherapieanlage, kann das Verfahren
zur Überprüfung der
Energie des Partikelstrahls eingesetzt werden.
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Insbesondere
wird die tatsächliche
Energie des Partikelstrahls auf eine Abweichung in Bezug auf die
vordefinierte Energie des Partikelstrahls überprüft.
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Verglichen
mit Verfahren, bei denen die Überprüfung der
Energie durch Ermittlung der Lage des Bragg-Peaks in einer Wassersäule oder
einem Wasserphantom durchgeführt
wird, ist das Verfahren wesentlich schneller und einfacher.
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Das Überprüfen, ob
der Partikelstrahl die gewünschte,
vordefinierte Energie tatsächlich
aufweist, kann z. B. dadurch erfolgen, dass aus der Position des
Partikelstrahls die tatsächliche
Energie des Partikelstrahls berechnet wird. Dies ist möglich, da
aus der Position des Partikelstrahls auf die Geschwindigkeit der
Partikel geschlossen werden kann und da die Magnetfeldstärke des
Umlenkmagneten – oder
die Magnetfeldstärken
der Umlenkmagnete, wenn mehrere Umlenkmagnete verwendet werden – und der geometrische
Verlauf des Partikel strahls bekannt ist. Zur Berechnung werden bekannte
physikalische Zusammenhänge
wie die Lorentzkraft, der Energie-Impuls-Zusammenhang bei einem
bewegten Teilchen, etc. verwendet. Die Magnetfeldstärke des
Umlenkmagneten bzw. der Umlenkmagnete und deren korrekte Einstellung
kann zusätzlich überprüft oder
sichergestellt werden, z. B. über
eine Magnetfeldmessung und/oder Feldstärkeregelung. Das Messen der Position
erfolgt an einem Ort, der sich – in
Strahlrichtung gesehen – nach
dem Ort befindet, an dem der Partikelstrahl umgelenkt worden ist.
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Die
quantitative Bestimmung kann dabei die absolute Energie des Partikelstrahls
oder die relative Energiedifferenz zu der voreingestellten Energie
oder die relative Energiedifferenz zwischen zwei voreingestellten
Energien ermitteln. Die Berechnung muss dabei nicht die exakte tatsächliche
Energie des Partikelstrahls erlauben, es kann je nach gewünschter Genauigkeit
ausreichen, lediglich eine näherungsweise
Berechnung der Energie durchzuführen.
Der Zusammenhang zwischen dem Ort des Partikelstrahls und der tatsächlichen
Energie des Partikelstrahls kann auch in einer Rechnereinheit, beispielsweise
in einer Tabelle, hinterlegt sein. Hierdurch ist eine explizite
Berechnung anhand von einer Formel nicht notwendig.
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Ebenso
muss die Überprüfung nicht
notwendigerweise mit einer quantitativen Bestimmung der Energie
des Partikelstrahls verbunden sein. Es ist sogar denkbar, eine qualitative Überprüfung durchzuführen. Beispielsweise
kann in letzterem Fall ein Signal erzeugt werden, wenn im Rahmen
des Verfahrens die gemessene Position des Partikelstrahls von einer
zu erwartenden Position zu sehr abweicht, wenn die Abweichung z.
B. über
einem Schwellenwert liegt. In diesem Falle ist durch die Positionsmessung
festgestellt worden, dass die tatsächliche Energie des Partikelstrahls
zu stark von der vordefinierten Energie abweicht. Dies kann z. B.
Anlass dafür
sein, die Anlage zu warten.
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Ein
derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass es schnell und einfach
implementiert und automatisiert werden kann. Es benötigt keinen
komplizierten Aufbau eigens dafür
vorgesehene Messvorrichtungen und kann insgesamt innerhalb weniger Sekunden
durchgeführt
werden.
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Ein
derartiges Verfahren kann auch mit anderen Verfahren kombiniert
werden, die zur Überprüfung der
Energie des Partikelstrahls eingesetzt werden. So kann z. B. ein
aufwändigeres
Verfahren, wie es im Stand der Technik bekannt ist und mit dem eine sehr
genaue Messung der Energie möglich
ist – z.
B. Messung der Energie des Partikelstrahls mit einem Prüfkörper wie
z. B. einem Wasserphantom – in
bestimmten Wartungsintervallen durchgeführt werden. Zwischen diesen
Wartungsintervallen kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden,
um die Energie des Partikelstrahls häufiger zu überprüfen.
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In
einer einfachen Ausführungsform
der Erfindung wird der Partikelstrahl isozentrisch ausgerichtet.
Dies bedeutet, dass eventuelle Steuer- oder Scan-Magnete in der
Transportvorrichtung derart eingestellt werden, dass der Partikelstrahl
das Isozentrum in einem Bestrahlungsraum treffen würde, sofern die
tatsächliche
Energie des Partikelstrahls der gewünschten, vordefinierten Energie
entspricht. In einer Partikeltherapieanlage ist diese Einstellung
besonders einfach zu erreichen, da eine derartige Anlage üblicherweise
so ausgelegt ist, dass der Partikelstrahl – ohne weitere Ablenkung durch
Scan-Magnete – das
Isozentrum treffen würde.
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In
einer Ausführungsvariante
wird der Partikelstrahl derart gesteuert, dass der Partikelstrahl sukzessive
in unterschiedlichen, voreingestellten Ausmaßen abgelenkt wird, wobei die
Position des Partikelstrahls mehrfach gemessen wird, und wobei die
tatsächliche
Energie des Partikelstrahls unter Verwendung der gemessenen Positionen überprüft wird.
Insbesondere kann die relative Lage der gemessenen Positionen zur
Ermittelung der Energie des Partikelstrahls verwendet werden.
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Mit
dieser Ausführungsform
kann das Verfahren besonders genau ausgestaltet werden. Indem ein
Punktmuster durch den Partikelstrahl angefahren wird, werden mehrere
Messpunkt der an verschiedenen Positionen gemessen. Die tatsächliche
Lage und/oder Anordnung der Messpunkte gibt Aufschluss über die
Energie des Strahls. Hierdurch kann z. B. die Energie des Strahls
redundant bestimmt werden, wodurch sich die Sicherheit des Verfahrens
erhöht.
Speziell die relative Lage der Punkte zueinander lässt einen
einfacheren Rückschluss
auf die Energie des Strahls zu, da nun nicht mehr die absolute Position eines
Messpunktes im Raum, die komplizierter zu ermitteln ist, notwendig
ist.
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Es
kann beispielsweise ein regelmäßiges Muster
mit definierten Abständen
zwischen den Positionen bestrahlt werden, in einem einfachen Fall
die Eckpunkte eines Quadrats. Wenn die Energie des Teilchenstrahls
der erwarteten bzw. geplanten Energie entspricht, werden die Abstände zwischen
den Punkten wie erwartet gemessen. Bei Abweichungen der gelieferten
Teilchenenergie verkürzen
bzw. verlängern
sich die Abstände
zwischen de n Eckpunkten entsprechend.
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Wenn
der Partikelstrahl sukzessive in unterschiedlichen Ausmaßen abgelenkt
wird, kann auch besser darauf geschlossen werden, ob eine Abweichung
auf eine fehlerhafte Energieeinstellung oder auf eine fehlerhafte
Strahlführung
zurückzuführen ist. Wenn
der Partikelstrahl z. B. mithilfe eines Scan-Magneten zweimal abgelenkt wird, und
zwar in entgegengesetzter Richtung zu einer Nulllage, ist bei einer fehlerhaften
Energieeinstellung die Abweichung in beiden Richtungen von den Sollpositionen
in etwa gleich groß.
Die Abweichungen korrelieren also in etwa miteinander. Wenn die
Abweichungen in beiden Richtungen von den Sollpositionen hingegen
unterschiedlich sind, ist dies eher darauf zurückzuführen, dass z. B. bei einem
Scan-Magneten Einstellungen nicht korrekt sind oder dass die Strahlführung nicht korrekt
ist, sodass der Strahl nicht an erwarteter Stelle in den Umlenkmagneten
ein tritt. In diesem Fall korrelieren die Abweichungen nicht miteinander.
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In
einer Ausführungsvariante
werden die Partikel in einer Anlage beschleunigt, in welcher der Partikelstrahl über die
Transportvorrichtung in einen Bestrahlungsraum geführt wird
und dort aus einem Austrittsfenster austritt. Zur Positionsmessung
wird eine erste Messvorrichtung verwendet, die in Strahlrichtung
nach dem Austrittsfenster angeordnet ist. Diese Messvorrichtung
kann beispielsweise im Isozentrum positioniert werden.
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In
einer anderen alternativen und/oder zusätzlichen Ausführungsvariante
wird zur Positionsmessung eine zweite Messvorrichtung verwendet, welche
zwischen dem Umlenkmagneten und dem Austrittsfenster angeordnet
ist. Eine derartige Messvorrichtung ist üblicherweise – z. B.
bei Partikeltherapieanlagen – bereits
vorhanden, um die Position des Partikelstrahls zu überprüfen. Die
Messvorrichtung ist z. B. in der so genannten BAMS (für engl.: ”beam application
and monitoring system”)
am Ende der Transportvorrichtung angeordnet und dient im regulären Betrieb
der Anlage dazu, die Position des Partikelstrahls bei der Durchführung einer
Bestrahlung zu messen und zu kontrollieren. In diesem Fall ist keine
zusätzliche
Messvorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens notwendig, es wird die bereits vorhandene Messvorrichtung
verwendet.
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Als
Messvorrichtung kann eine Draht- oder Streifenkammer wie z. B. eine
Vieldraht-Proportionalkammer (MWPC für engl: ”multi wire proportional chamber”) eingesetzt
werden, wie sie in bekannter Weise bei Partikeltherapieanlagen zur
Ortsmessung eingesetzt werden.
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Wenn
die Anlage derart ausgebildet ist, dass sie zumindest zusätzlich ein
Steuerelement zur Ablenkung des Partikelstrahls aufweist – beispielsweise einen
Scan-Magneten – kann
die zweite Messvorrichtung für
einen Regelmechanismus zur Ortskorrektur des Partikelstrahls verwendet
werden. Der Ort des Partikelstrahls wird hierbei gemessen, mit einer Sollposition
verglichen und das Steuerelement entsprechend eingestellt, so dass
die Sollposition auch bei einer Abweichung erreicht wird. In diesem
Fall wird bei der Durchführung
des Verfahrens die Anlage jedoch so betrieben, dass der Regelmechanismus zur
Ortskorrektur ausgeschaltet ist. Dies ist notwendig, da die Abweichung
der Position des Partikelstrahls von einer Sollposition gerade zur Überprüfung der
Energie des Partikelstrahls verwendet werden und nicht automatisch
korrigiert werden soll. Eine andere Ausführungsvariante wird weiter
unten näher
erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Energieüberprüfung eines
Partikelstrahls, der auf eine vordefinierte Energie beschleunigt
ist, durch eine Transportvorrichtung geführt ist und aus einer geraden
Verlaufsrichtung umgelenkt ist, weist auf:
- – eine Messvorrichtung
zum Messen einer Position des Partikelstrahls in einer Richtung,
die eine Komponente senkrecht zur Strahlrichtung aufweist,
- – eine
Auswertungsvorrichtung zum Überprüfen einer
tatsächlichen
Energie des Partikelstrahls unter Verwendung der von der Messvorrichtung gemessenen
Position.
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Die
erfindungsgemäße Partikeltherapieanlage
umfasst:
- – eine
Beschleunigungsvorrichtung zum Beschleunigen von geladenen Partikeln
auf eine vordefinierte Energie,
- – eine
Transportvorrichtung zum Führen
des beschleunigten Partikelstrahls zu einem Bestrahlungsraum durch
eine Transportvorrichtung,
- – einen
Magneten zum Umlenken des Partikelstrahls, und
- – eine
Vorrichtung zur Energieüberprüfung mit
einer Messvorrichtung zum Messen einer Position des Partikelstrahls
in einer Richtung, die eine Komponente senkrecht zur Strahlrichtung
aufweist, und mit einer Auswertungsvorrichtung zum Überprüfen einer
tatsächlichen
Energie des Partikelstrahls unter Verwendung der von der Messvorrichtung
gemessenen Position.
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Die
Vorrichtung zur Energieüberprüfung des Partikelstrahls
bzw. die Partikeltherapieanlage mit einer derartigen Vorrichtung
können
dabei so ausgebildet sein, dass die unterschiedlichen Ausgestaltungen des
Verfahrens mit der Vorrichtung zur Energieüberprüfung bzw. mit der Partikeltherapieanlage
durchgeführt
werden können.
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Ausführungsformen
der Erfindung sowie Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden
anhand der folgenden Zeichnung näher
erläutert,
ohne darauf beschränkt zu
sein. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Überblick über eine
Partikeltherapieanlage,
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2 eine
Darstellung zur Illustration der zu Grunde liegenden Idee anhand
eines isozentrisch umgelenkten Partikelstrahls,
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3 eine
Darstellung zur Illustration der zu Grunde liegenden Idee anhand
eines Partikelstrahls, der mit Hilfe von Scan-Magneten mehrfach
in unterschiedlicher Weise abgelenkt wird,
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4 eine
Darstellung einer Feed-back-Regelschleife zur Ortskorrektur des
Partikelstrahls, die bei Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgeschaltet ist,
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5 eine
schematische Darstellung der Verfahrensschritte.
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1 zeigt
einen schematischen Überblick über den
Aufbau einer Partikeltherapieanlage 10. In einer Partikeltherapieanlage 10 erfolgt
insbesondere eine Bestrahlung eines Körpers, insbesondere eines tumorerkrankten
Gewebes, mit einem Partikelstrahl.
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Als
Partikel werden vornehmlich Ionen wie beispielsweise Protonen, Pinnen,
Heliumionen, Kohlenstoffionen oder andere Innensorten eingesetzt. Üblicherweise
werden derartige Partikel in einer Partikelquelle 11 erzeugt.
Wenn, wie in 1 dargestellt, zwei Partikelquellen 11 vorhanden
sind, die zwei verschiedene Innensorten erzeugen, kann zwischen diesen
beiden Innensorten innerhalb eines kurzen Zeitintervalls umgeschaltet
werden. Dazu wird beispielsweise ein Schaltmagnet 12 verwendet,
der zwischen den Ionenquellen 11 einerseits und einem Vorbeschleuniger 13 andererseits
angeordnet ist. Z. B. kann hierdurch die Partikeltherapieanlage 10 mit
Protonen und mit Kohlenstoffionen gleichzeitig betrieben werden.
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Die
von der oder einer der Ionenquellen 11 erzeugten und gegebenenfalls
mit dem Schaltmagneten 12 ausgewählten Ionen werden in dem Vorbeschleuniger 13 auf
ein erstes Energieniveau beschleunigt. Der Vorbeschleuniger 13 ist
beispielsweise ein Linearbeschleuniger (LINAC für engl.: ”LINear ACcelerator”). Anschließend werden
die Partikel in einen Beschleuniger 15, beispielsweise
ein Synchrotron oder Zyklotron, eingespeist. In dem Beschleuniger 15 werden
sie auf hohe Energien, wie sie zur Bestrahlung nötig sind, beschleunigt. Nachdem
die Partikel den Beschleuniger 15 verlassen, führt ein
Hochenergiestrahl-Transportsystem 17 den Partikelstrahl zu
einem oder mehreren Bestrahlungsräumen 19. In einem
Bestrahlungsraum 19 werden die beschleunigten Partikel
auf einen zu bestrahlenden Körper
gerichtet. Je nach Ausgestaltung erfolgt dies von einer festen Richtung
(in so genannten ”fixed
beam”-Räumen) aus
oder aber über
eine um eine Achse 22 bewegliche rotierbare Gantry 21 von
verschiedenen Richtungen aus.
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Der
anhand der 1 dargestellte Grundaufbau einer
Partikeltherapieanlage 10 ist beispielhaft für eine Partikeltherapieanlage,
kann aber auch hiervon abweichen.
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Die
nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
sind sowohl im Zusammenhang mit der anhand von 1 dargestellten
Partikeltherapieanlage als auch mit anderen Partikeltherapie anlagen oder
allgemein in Anlagen anwendbar, in denen Partikel beschleunigt und
in denen die Energie der beschleunigten Partikel überprüft werden
soll.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Partikelstrahl über
das Hochenergiestrahl-Transportsystem 17 in einen Bestrahlungsraum 19 geführt wird
und dabei von einem Umlenkmagneten 31 abgelenkt wird. Am
Ende des Hochenergiestrahl-Transportsystems 17 tritt
der Partikelstrahl aus einem Austrittsfenster 43 aus. Der
Partikelstrahl ist dabei isozentrisch ausgerichtet, das heißt, dass
die vordefinierte Energie des Partikelstrahls und die Magnetstärke des
Umlenkmagneten 31 (und gegebenenfalls Einstellungen weitere
Elemente im Hochenergiestrahl-Transportsystem 17) derart
gewählt
werden, dass der Partikelstrahl das Isozentrum 35 des Bestrahlungsraums 19 trifft – eine korrekte Einstellung
der Betriebsparameter vorausgesetzt. Ein Partikelstrahl, bei dem
alle Betriebsparameter korrekt eingestellt sind, bei dem also die
tatsächliche Energie
der vordefinierten, gewünschten
Energie entspricht, ist mit einer gestrichelten Linie 33 dargestellt.
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Am
Isozentrum 35 ist ein Ortsdetektor 37 angeordnet,
mit dem es möglich
ist, die Position des Partikelstrahls in einer Richtung senkrecht
zur Verlaufsrichtung des Partikelstrahls zu detektieren. Als Ortsdetektor 37 wird
vorteilhafterweise eine Vieldraht-Proportionalkammer eingesetzt.
Die Vieldraht-Proportionalkammer
erlaubt die Erzeugung eines elektronischen Signals, das kennzeichnend
für den
Ort des Partikelstrahls ist und das auf einfache Weise in einer
nachgeschalteten Rechnereinheit 39 ausgewertet werden kann.
In der Rechnereinheit 39 erfolgt die Überprüfung der tatsächlichen
Energie des Partikelstrahls.
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Wenn
beispielsweise der gemessene Ort des Partikelstrahls von dem Isozentrum 35 abweicht, kann
daraus geschlossen werden, dass die tatsächliche Energie des Partikelstrahls
nicht der vordefinierten Energie des Partikelstrahls entspricht.
In
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2 ist
dies anhand des Partikelstrahls, der mit einer gepunkteten Linie 41 dargestellt
ist, symbolisiert. Dieser Partikelstrahl wird durch den Umlenkmagneten 31 stärker abgelenkt
und trifft daher nicht das Isozentrum 35. Durch Messung
mit dem Ortsdetektor 37 kann nun festgestellt werden, dass
dieser Partikelstrahl eine tatsächliche
Energie hat, die geringer ist als die vordefinierte, gewünschte Energie.
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Diese Überprüfung kann
qualitativ oder aber auch quantitativ erfolgen, da die Abweichung
des Partikelstrahls vom Isozentrum umso stärker ist, je mehr die tatsächliche
Energie des Partikelstrahls von der vordefinierten Energie des Partikelstrahls
abweicht.
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Ein
Umlenken des Partikelstrahls kann z. B. wie in 2 dargestellt
durch einen Umlenkmagneten 31 erfolgen.
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Ein
Umlenken des Partikelstrahls kann aber auch z. B. durch so genannte
Scan-Magnete erfolgen, mit denen der Partikelstrahl aus seiner Hauptachse
abgelenkt wird, um so über
ein Zielvolumen ”gescannt” zu werden.
Das durch Scan-Magnete erzeugte Magnetfeld ist üblicherweise kleiner als das Magnetfeld,
das durch Umlenkmagnete erzeugt wird, die den Partikelstrahl in
einen bestimmten Bestrahlungsraum leiten. Daher wird bei dem Verfahren
zur Überprüfung der
Energie der Ort des Partikelstrahls genauer gemessen werden, wenn
das Umlenken des Partikelstrahls lediglich durch das vergleichsweise schwache
Magnetfeld der Scan-Magnete erfolgt.
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3 zeigt
ein derartiges Ausführungsbeispiel.
Auch hier tritt der Partikelstrahl aus einem Austrittsfenster 43 aus
dem Hochenergiestrahl-Transportsystem 17 aus, um nach kurzer
Passage durch die Luft auf das zu bestrahlende Zielvolumen 45 zu treffen.
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Vor
dem Austrittsfenster 43 befindet sich üblicherweise eine Strahlapplikationsvorrichtung,
auch BAMS 47 genannt (für
engl.: ”beam
application and monitoring system”), mit der der Partikelstrahl
kurz vor dem Austritt nochmals modifiziert werden kann und/oder
mit der Parameter des Partikelstrahls kurz vor dem Austritt überprüft werden
können.
In einer BAMS 47 sind üblicherweise
Ortsdetektoren wie Vieldraht-Proportionalkammern angeordnet, mit
denen der Ort des Partikelstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlverlaufsrichtung
gemessen werden kann. Hier gezeigt ist ein Ortsdetektor 37 in
der BAMS 47.
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In
Strahlrichtung vor der BAMS 47 befindet sich ein Scan-Magnet 49,
mit dem die Verlaufsrichtung des Partikelstrahls während der
Bestrahlung eines Zielvolumens 45 in einem gewissen Bereich
verändert
werden kann, so dass der Partikelstrahl über das Zielvolumen 45 z.
B. gescannt wird. In einer Ausführungsform
des Verfahrens wird nun der Scan-Magnet 49 derart angesteuert,
dass der Partikelstrahl ein vordefiniertes Muster anfährt, bei
dem der Partikelstrahl nacheinander an unterschiedliche Orte gelenkt
wird. Die Position des Partikelstrahls wird dabei jeweils gemessen.
Aus der relativen Lage der Orte zueinander kann nun auf die Energie
des Partikelstrahls geschlossen werden.
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Wenn
der Abstand der einzelnen Positionen des Partikelstrahls zueinander
größer ist,
so ist die Energie des Partikelstrahls geringer, als bei einem Muster,
bei dem der Abstand der einzelnen Positionen zueinander geringer
ist – eine
gleich bleibende Ansteuerung des Scan-Magneten 49 vorausgesetzt. Dies
rührt daher,
dass der Partikelstrahl durch das Magnetfeld des Scan-Magneten 49 bei
geringerer Energie stärker
abgelenkt wird und dadurch ein insgesamt größeres Muster erzeugt.
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Anhand
der relativen Lage der gemessenen Positionen zueinander kann die
Energie des Partikelstrahls überprüft werden.
Die Energie des Partikelstrahls kann dabei quantitativ oder auch
lediglich qualitativ überprüft werden,
beispielsweise durch einen Vergleich des tatsächlich gescannten Musters mit
einem Soll-Muster. Wird eine zu große Abweichung festgestellt,
kann ein Signal ausgegeben werden, das auf eine unzu reichende Einstellung
einer vordefinierten Energie des Partikelstrahls hinweist.
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Der Übersichtlichkeit
halber ist in 3 lediglich ein Ortsdetektor 37 und
ein Scan-Magnet 49 gezeigt. Üblicherweise werden in einer
Partikeltherapieanlage mehrere Scan-Magnete eingesetzt, mit denen
der Partikelstrahl in unterschiedlichen Richtungen, beispielsweise
in x-Richtung und in y-Richtung, abgelenkt werden kann. Ebenso werden üblicherweise
mehrere Detektoren in einer Strahlapplikationsvorrichtung eingesetzt,
um den Ort des Partikelstrahls in unterschiedlichen Richtungen und/oder
redundant zu erfassen.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
das gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
in 3 um eine Feed-back-Regelschleife 51 erweitert
ist. Wenn der Partikelstrahl im regulären Betriebsmodus mithilfe der
Feed-back-Regelschleife 51 über ein Zielvolumen 45 gescannt
wird, werden kleine Abweichungen der tatsächlichen Position des Partikelstrahls
von einer Sollposition ausgeglichen. Hierzu wird der Ort des Partikelstrahls
nach Ablenkung durch den Scan-Magneten 49 mit dem Ortsdetektor 37 gemessen
und der Istwert mit einem Sollwert verglichen. Die Feed-back-Regelschleife 51 steuert
den Scan-Magnet 49 entsprechend an, um den Partikelstrahl
an die gewünschte
Sollposition zu führen.
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Bei
einer derartigen Ausgestaltung können der
oder die Ortsdetektoren 37, die in die Feed-back-Regelschleife 51 eingebunden
sind, auch zur Überprüfung der
Energie des Partikelstrahls entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden. Bei der Überprüfung der
Energie des Partikelstrahls wird allerdings die Feed-back-Regelschleife 51 nicht
verwendet. In diesem Fall wird nämlich
die Abweichung des Ortes des Partikelstrahls gerade dazu verwendet,
die Energie des Partikelstrahls zu überprüfen.
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Alternativ
könnte
auch die Feed-back-Regelschleife bei der Bestrahlung verwendet werden
und aus den in der Feed-back-Re gelschleife ermittelten Korrekturdaten
auf die Energie des Teilchenstrahls geschlossen werden. Damit wird
dann nicht direkt der Ort als Maß für die Energie verwendet, sondern
vielmehr aus der erforderliche Ortskorrektur des Partikelstrahls
auf die korrekte Energieeinstellung geschlossen werden.
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Die
Ausführungsformen
gemäß 1 bis 4 können auch
miteinander kombiniert werden, beispielsweise kann ein Umlenken
des Partikelstrahls sowohl an Umlenkmagneten erfolgen, mit denen
der Partikelstrahl in einen speziellen Bestrahlungsraum gelenkt
wird, als auch an Scan-Magneten, mit denen der Partikelstrahl über ein
Zielvolumen gescannt wird. Ebenso ist es möglich, ein Umlenken des Partikelstrahls
mithilfe der Strahlführung
in einer Gantry 21 durchzuführen. Außerdem können auch Kombinationen der
Positionsmessung, wie z. B. eine Positionsmessung in der BAMS und
eine Positionsmessung am Isozentrum, eingesetzt werden.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einzelner Verfahrensschritte.
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Anfangs
werden die geladenen Partikel auf eine vordefinierte Energie beschleunigt
(Schritt 61). Nach Beschleunigung der Partikel werden die
Partikel entlang einer Transportvorrichtung geführt (Schritt 63) und
mithilfe eines Magneten umgelenkt (Schritt 65). Nach Umlenken
des Partikelstrahls erfolgt eine Messung der Position des Partikelstrahls
in einer Richtung bzw. in einer Ebene, die senkrecht zur Verlaufsrichtung
des Partikelstrahls verläuft
(Schritt 67). Die gemessene Position des Partikelstrahls
wird dazu verwendet, die tatsächliche
Energie des Partikelstrahls insbesondere auf eine Abweichung von der
vordefinierten Energie hin zu überprüfen (Schritt 69).
Schritt 67 und Schritt 69 können insbesondere wiederholt
ausgeführt
werden, wobei bei jeder Wiederholung der Partikelstrahl in anderer
Weise abgelenkt wird, so dass der Partikelstrahl auf andere Punkte
im Raum gerichtet wird.