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1. FACHGEBIET
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Teilchenstrahlbeschleuniger,
der einen durch Beschleunigung eines von einer Ionenquelle eingeführten Strahls
niedriger Energie entlang einer Umlaufkreisbahn erzeugten hochenergetischen
Teilchenstrahl ausgibt, sowie ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem,
welches solch einen Teilchenstrahlbeschleuniger verwendet, und ein
Verfahren zum Betreiben des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystems.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDES
DER TECHNIK
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Üblicherweise
werden für
physikalische Experimente und medizinische Anwendungen Strahlen aus
geladenen Teilchen bzw. Teilchenstrahlen verwendet, die mit ringförmigen Beschleunigern,
wie etwa mit einem Synchrotron erzeugt werden. Der ringförmige Beschleuniger
erzeugt einen Teilchenstrahl, indem entlang einer Kreisumlaufbahn
geladene Teilchen beschleunigt werden. Der Teilchenstrahl wird aus
der Kreisumlaufbahn entnommen und über eine Strahl-Transportleitung
zu einer Stelle geführt, an
der der Strahl für
ein physikalisches Experiment oder für eine medizinische Behandlung
verwendet wird.
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Bei
einer in dem ringförmigen
Beschleuniger verwendeten Strahl-Extraktionstechnik bzw. Strahl-Entnahmetechnik
wird ein elektrisches Hochfrequenzfeld an einen sich auf der Kreisbahn
bewegenden Strahl angelegt, um die Amplitude der Betatronschwingung
bis zu einem Punkt zu erhöhen,
bei dem die Betatronschwingung eine Stabilitätsgrenze überschreitet, und der Teilchenstrahl
wird nach außen
entnommen, wobei die Strahlentnahme durch Ein- und Ausschalten des
elektrischen Hochfrequenzfeldes beginnt und angehalten wird.
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Ein
Beispiel für
eine solche Vorgehensweise ist in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2 596 292 beschrieben. Obwohl in dieser Patentveröffentlichung
ein Strahl-Entnahmeverfahren zum Entnehmen eines Teilchenstrahls
von einem Beschleuniger vorgeschlagen wird, bei dem ein elektromagnetisches
Hochfrequenzfeld an den sich auf der Kreisbahn bewegenden Strahl
angelegt wird, um die Amplitude der Betatronschwingung zu erhöhen, wird
in der Veröffentlichung
kein geeignetes Verfahren der Frequenzsteuerung für eine Funkfrequenz-Ausblendung
(RF-KO) offenbart.
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Ein
anderes Beispiel einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise
wird in der geprüften
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2 833 602 gefunden, in welcher ein Teilchenbestrahlungssystem
offenbart ist, welches eine Strahlablenkeinrichtung aufweist, bei
dem durch Verwendung des Verfahrens gemäß der geprüften japanischen Patenveröffentlichung
Nr. 2 596 292 ein Teilchenstrahl entnommen wird.
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Die
Strahlablenkeinrichtung führt
den Strahl, um einen gewünschten
Punkt mit Teilchen zu bestrahlen, die mit dem zuvor erwähnten Strahl-Entnahmeverfahren
entnommen worden sind. Die Emission der geladenen Teilchen wird
mit der Strahlablenkeinrichtung einmal angehalten und unter Verwendung
des gleichen Entnahmeverfahrens mit dem auf einen nächsten Bestrahlungspunkt
gerichteten Strahl wieder aufgenommen. Dieser Prozeß wird so
oft wie nötig
wiederholt.
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Die
Druckschrift „PROGRESS
OF RF-KNOCKOUT EXTRACTION FOR ION THERAPY", Proceedings of the European Particle
Accelerator Conference (EPAC 2002), Seiten 2739 bis 2741, beschreibt
basierend auf dem Strahl-Entnahmeverfahren der geprüften japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 2 596 292 eine Technik zum Umsetzen einer Hochgeschwindigkeits-Strahlentnahmeoperation
sowie einer Unterbrechungsoperation, wobei der entnommene Strahl
hinsichtlich der Zeit eine gleichförmige Intensität aufweist.
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Eine
weitere Druckschrift mit dem Titel „Fast beam cut-off method
in RF-knockout extraction for spot-scanning", Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research Section A, Volume 489 (2002), Seiten 59 bis 67, liefert
eine detailliertere Beschreibung der in der zuvor erwähnten Druckschrift „PROGRESS
OF RF-KNOCKOUT EXTRACTION FOR ION THERAPY" eingeführten Technik.
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Eine
weitere Druckschrift mit dem Titel „Advanced FR-KO slow-extraction
method for the reduction of spill ripple", Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research Section A, Volume 492 (2002), Seiten 253 bis 263,
stellt eine detaillierte Beschreibung eines System-Steuerverfahrens
zur Verfügung.
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Gemäß den zuvor
erwähnten
Druckschriften, die keine Patentveröffentlichungen sind und die
ein geeignetes Verfahren zum realisieren des zuvor erwähnten Teilchenbestrahlungssystems
der geprüften japanischen
Patentveröffentlichungen
Nr. 2 833 602 und Nr. 2 596 292 beschreiben, werden drei Funktionsgeneratoren
zum Erzeugen elektrischer Hochfrequenzfelder benötigt, und es ist notwendig,
diese drei Funktionsgeneratoren sowie einen Hochfrequenz-Beschleuniger,
in welchem querlaufende und längslaufende
HF-Felder ein- und ausgeschaltet werden, zu steuern, um die Strahlentnahmeoperation und
Unterbrechungsoperation durchzuführen.
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Dieses
erfordert ein aufwendiges Steuersystem, das zu einem teuren Teilchenbestrahlungssystem
führt,
und außerdem
führt dies
zu einem Problem hinsichtlich der für medizinische Systeme äußerst wichtigen
Geräte-Funktionssicherheit.
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Ein
in dem Teilchenbestrahlungssystem verwendetes Synchrotron muß einen
Teilchenstrahl bei sich ändernden
Energiepegeln und Strahlintensitäten ausstrahlen.
Um den Teilchenstrahl bei einem gewünschten Energiepegel und einer
Strahlenintensität aus zustrahlen,
ist es notwendig, gemäß allen
möglichen
Konditionen verschiedene Strahlparameter optimal zu steuern. Daher
ist beim Aufbau und Einrichten des Teilchenbestrahlungssystems die
Optimierung der Parameter so zeitaufwendig, so daß das System
außerordentlich
kostenaufwendig wird.
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Die
zuvor erwähnten
Druckschriften, die keine Patentveröffentlichungen sind, schlagen
Anordnungen vor, die eine Stromversorgung für Elektromagnete mit einer äußerst hohen
Stabilität
verwenden, so daß diese
Anordnungen keine Probleme hinsichtlich der Stabilität bewirken.
Wenn zum Zwecke der Kostenreduzierung die Stabilität der Stromversorgung
herabgesetzt wird, werden jedoch die resultierenden Schwankungen
in der Spannung der Stromversorgung Grenzen eines Stabilitätsbereichs
für Schwankungen
bewirken. Selbst wenn daher das Teilchenbestrahlungssystem vollständig ausgeschaltet
ist, wird infolge der Spannungsschwankung in der Stromversorgung
ein Strahl nachträglich
emittiert, und dieses wirft ein ernsthaftes Problem auf.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Lösung für die zuvor
erwähnten
Probleme in dem Stand der Technik anzugeben. Demgemäß liegt
eine spezielle Aufgabe der Erfindung darin, einen Teilchenstrahl-Beschleuniger
anzugeben, der es ermöglicht,
die Strahl-Entnahmesteuerung zu vereinfachen, eine gesteigerte Funktionssicherheit
zu realisieren, die Anzahl der Hardware-Komponenten zu reduzieren,
daß Auftreten
eines hohen, in dem von Stromversorgungen für Elektromagnete zugeführten Strömen enthaltenen
Welligkeitsanteils zu gestatten, und letztendlich eine Kostenreduzierung
zu erzielen. Eine andere spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung
liegt darin, ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem anzugeben,
welches solch einen Teilchenbeschleuniger verwendet, sowie ein Verfahren
zum Betreiben des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem anzugeben.
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Gemäß der Erfindung
weist ein Teilchenstrahlbeschleuniger folgendes auf: eine Einrichtung zum
Beschleunigen eines Strahls aus geladenen Teilchen bzw. eines Teilchenstahls
und zum Umlaufenlassen des Teilchenstrahls entland einer Kreisbahn,
eine Einrichtung zum Erzeugen einer Betatron-Schwingung der geladenen
Teilchen in einem Resonanzzustand außerhalb eines stabilen Resonanzbereichs,
eine Einrichtung zum Erhöhen
der Amplitude der Betatron-Schwingung des Teilchenstrahls innerhalb
des stabilen Resonanzbereichs, sowie eine Einrichtung zum Verändern des
stabilen Resonanzbereichs.
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Bei
diesem Teilchenstrahlbeschleuniger wird die zuvor erwähnte Einrichtung
zum Erhöhen
der Amplitude der Betatron-Schwingung innerhalb eines Frequenzbereichs
steuerbar betrieben, in welchem der sich auf einer Kreisbahn bewegende
Strahl nicht über
eine Grenze des stabilen Resonanzbereichs hinausgeht, und die zuvor
erwähnte
Einrichtung zum Verändern
des stabilen Resonanzbereichs wird steuerbar mit einer geeigneten
zeitlichen Koordinierung gemäß einer
Strahl-Extraktion bzw. Strahl-Entnahme betrieben, so daß mit gewünschten
Zeitvorgaben der Teilchenstrahl entnommen wird.
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Der
Teilchenstrahlbeschleuniger der Erfindung weist eine begrenzte Anzahl
von Bauteilen auf, die gesteuert werden müssen, wenn der Teilchenstrahl
entnommen wird. Der Teilchenstrahlbeschleuniger ermöglicht es,
den Teilchenstrahl kontinuierlich zu entnehmen, und zwar mit der
Eigenschaft, die Strahlentnahme mit einer einfachen Steueroparation zu
beginnen und zu beenden. Selbst wenn eine Ausgabe von jeder Leistungsversorgung
für die
Elektromagnete einen hohen Welligkeitsanteil enthält, ist
es möglich,
bei unerwünschten
Zeitpunkten das Auftreten einer Strahlentnahme zu verhindern. Insgesamt ermöglicht der
Teilchenstrahlbeschleuniger der Erfindung eine Herabsetzung der
Systemgröße, eine
Verbesserung der Betriebssicherheit sowie eine Gesamtkostenreduzierung.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim
Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen besser verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung, die schematisch ein Teilchenbestrahlungssystem
zeigt, welches einen Teilchenbeschleuniger (Synchrotron) sowie ein
Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem gemäß der ersten bis siebten und
neunten bis fünfzehnten
Ausführungsform
der Erfindung kombiniert;
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2 ist
eine Darstellung, die die Akzeptanz eines Teilchenstrahls während der
Beschleunigung zeigt, wenn sich der Strahl in einem Zustand jenseits eines
Resonanzzustandes befindet;
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3 ist
eine Darstellung, die die Akzeptanz eines Teilchenstrahls während der
Beschleunigung zeigt, wenn sich der Strahl in einem Zustand nahe
eines Resonanzzustandes dritter Ordnung befindet;
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4A, 4B, 4C und 4D sind Darstellungen,
die zeigen, wie gemäß der ersten
bis fünfzehnten
Ausführungsform
ein Strahl entnommen wird;
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5 ist
eine Darstellung, die einen Teil einer Strahl-Zuführungseinheit
zeigt, welche einen Strahl mit einem Parallel-Abtastverfahren ausstrahlt;
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6A, 6B, 6C, 6D, 6E und 6F sind
Darstellungen, die ein Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems
gemäß der ersten
und dritten bis fünfzehnten
Ausführungsform
zeigen, das sich insbesondere auf den Betrieb des Bestrahlungs-Behandlungssystems
konzentriert;
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7A, 7B, 7C und 7D sind Darstellungen,
die ein Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der ersten
bis fünfzehnten
Ausführungsform
zeigen, das sich insbesondere auf den Betrieb des Synchrotrons konzentriert;
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8A, 8B, 8C, 8D, 8E und 8F sind
Darstellungen, die ein Betriebsmuster eines Teilchenbestrahlungssystems
in einer Abänderung
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigen;
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9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F und 9G sind
Darstellungen, die ein Betriebsmuster eines Teilchenbestrahlungssystems
bei einer anderen Abänderung
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigen;
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10A, 10B, 10C, 10D, 10E und 10F sind
Darstellungen, die ein Betriebsmuster eines Teilchenbestrahlungssystems
bei noch einer anderen Abänderung
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigen;
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11A, 11B, 11C, 11D, 11E, 11F und 11G sind Darstellungen, die ein Betriebsmuster
eines Teilchenbestrahlungssystems gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigen;
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12A, 12B, 12C, 12D, 12E und 12F sind
Darstellungen, die Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems
gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung zeigen, die insbesondere Operationsbeispiele einer Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit
darstellen;
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13A, 13B, 13C, 13D, 13E und 13F sind
Darstellungen, die Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems
gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung zeigen, welche insbesondere Beispiele der mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit
erzeugten Wellenformen des elektrischen Beschleunigungsfeldes darstellen;
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14 zeigt
Steinbach-Diagramme, die darstellen, wie ein Strahl gemäß der sechsten
Ausführungsform
der Erfindung entnommen wird;
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15 zeigt
Steinbach-Diagramme, die darstellen, wie ein Strahl gemäß der sechsten
Ausführungsform
der Erfindung entnommen wird;
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16 ist
ein Blockdiagramm eines Hochfrequenz-Beschleunigungssystems gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung;
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17 ist
eine Darstellung, die schematisch ein Teilchenstrahlungs-System
gemäß der achten Ausführungsform
der Erfindung zeigt, in welchem die Strahl-Entnahme in einer Strahl-Transportleitung
unterbrochen wird;
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18A, 18B, 18C, 18D, 18E, 18F, 18G und 18H sind
Darstellungen, die Betriebsmuster des Teilchenbestrahlungssystems
gemäß der achten
Ausführungsform der
Erfindung zeigen, in welchem die Strahl-Ausstrahlung mit einer in
der Strahl-Transportleitung vorgesehenen Elektromagneteinheit zum
Steuern der Ausstrahlung des Strahles unterbrochen wird;
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19 ist
eine Darstellung, die zeigt, wie sich die Größe der Separatrix ändert, wenn
gemäß der neunten
Ausführungsform
der Erfindung Welligkeitsanteile in der Stromversorgung berücksichtigt werden;
und
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20 ist
eine Darstellung, die gemäß der dreizehnten
Ausführungsform
der Erfindung eine für eine
Punkt-Abtastbestrahlung verwendete Strahl-Zuführungseinheit
sowie die Arbeitsweise hiervon zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS-FORMEN DER ERFINDUNG
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Erste Ausführunsgform
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Eine
erste Ausführungsform
der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Bezeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine Darstellung, die schematisch ein Teilchenbestrahlungssystem
zeigt, in welchem ein Teilchenstrahlbeschleuniger 200 sowie
ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem
kombiniert sind. Es wird auf diese Figur Bezug genommen, in der der
Teilchenstrahlbeschleuniger 200 folgendes aufweist: ein
Injektions-Septum 3; vier Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4;
vier Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5; eine Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6;
eine Sextupol-Elektromagneteinheit 7; eine HF-KO-Einheit 8, die
einen Hochfrequenzgenerator bildet; eine Extraktions-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 bzw.
Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 sowie ein Entnahme-Septum 10.
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Das
Teilchenbestrahlungssystem weist eine Strahl-Injektionseinrichtung 100 auf,
die zum Injizieren eines Strahles niedriger Energie in den Teilchenstrahlbeschleuniger
in einer stromaufwärtsliegenden bzw.
vorgelagerten Stufe des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 vorgesehen
ist. Die Strahl-Injektionseinrichtung 100 weist eine Ionenquelle 1 sowie
einen linearen Beschleuniger 2 auf.
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Ein
von dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 durch das Entnahme-Septum 10 des
Teilchenstrahlbeschleunigers 200 entnommener Teilchenstrahl
wird durch eine Strahl-Transportleitung 300 zu einer
in einem Behandlungsraum vorgesehenen Bestrahlungseinrichtung 400 geführt. Der
Teilchenstrahl wird von einer Strahl-Zuführungseinheit 17 der
Bestrahlungseinrichtung 400 in Richtung eines Bestrahlungsziels,
wie etwa in Richtung eines erkrankten Teils des Unterleibs eines
Patienten 30, ausgegeben.
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Die
Strahl-Transportleitung 300 weist eine Ablenk-Elektromagneteinheit 20,
einen Strahlmonitor 15, eine Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18,
einen Strahldämpfer 19 sowie
eine Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 auf. Während in
dieser Ausführungsform
die Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 einen Teil
der Strahl-Transportleitung 300 bildet,
kann die Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 in der
Bestrahlungseinrichtung 400 enthalten sein.
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Die
Bestrahlungseinrichtung 400 weist zusätzlich zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 einen Ziel-Verlagerungssensor 31 zum
Erfassen einer Verlagerung des Bestrahlungsziels infolge der Atmung des
Patienten 30 auf.
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Es
wird nun der Betrieb des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 der
ersten Ausführungsform
beschrieben.
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Der
mit dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 beschleunigter
Teilchenstrahl ist ein von der Ionenquelle 1 emittierter
Ionenstrahl. Der lineare Beschleuniger 2 beschleunigt den
von der Ionenquelle 1 emittierten Ionenstrahl bis zu einem
Injektions-Energiepegel, der für
den Betrieb eines Synchrotrons (d.h. für den Betrieb des Teilchenstrahlbeschleunigers 200)
notwendig ist. Der durch das Injektions-Septum 3 injizierte
Ionenstrahl wird mit den Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 geführt, um sich
entlang einer Kreisbahn des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 zu
bewegen.
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Wenn
jede der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 eine
Strahlfokussierkraft auf den Ionenstrahl anwendet, fährt der
Ionenstrahl ohne eine Zunahme der Strahlgröße (des Strahldurchmessers) fort,
entlang der Kreisbahn zu laufen. In dieser Ausführungsform sind die Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und
die Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 in
vier Kombinationen angeordnet (jede Kombination weist jeweils eine
Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheit 4 sowie eine Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheit 5 auf).
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Obwohl
normalerweise für
die horizontale und vertikale Fokussierung des Strahles zwei Arten von
Quadrupol-Elektromagneteinheiten mit verschiedenen Polaritäten in dem
Synchrotron verwendet werden, sind die Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 dieser
Ausführungsform
Ablenk-Elektromagneteinheiten, die dazu dienen, eine Strahlfokussierkraft
anzuwenden, welche in einer vertikalen Richtung angreift, sowie
indem magnetische Felder erzeugt werden, deren Intensitäten sich
in radialen Richtungen ändern,
oder indem sie Rand- bzw. Kantenwinkel aufweisen.
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Daher
sind die in dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 verwendeten
Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 von einem einzigen Typ.
Theoretisch übt
jede der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 gleichzeitig
eine Ablenkkraft sowie eine horizontale Fokussierkraft auf den Strahl aus.
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Während der
injizierte Strahl mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 beschleunigt
wird, werden die Intensitäten
der mit den Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und mit
den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 erzeugten
Magnetfelder mit einer Zunahme der Strahlenergie (Bewegungsenergie)
erhöht,
so daß eine
in dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 gebildete Kreisumlaufbahn
nicht schwanken wird.
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Bei
Beendigung der Beschleunigung werden die Intensitäten der
mit dem Haupt-Ablenk-Elektroeinheiten 4 und
mit den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 erzeugten
Magnetfeldern konstant gehalten, und die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 wird
deaktiviert, oder die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 wird,
wenn sie aktiviert bleibt, bei einer Phase betrieben, bei welcher
der Strahl nicht weiter beschleunigt oder abgebremst wird. Demzufolge
fährt der
Strahl fort, sich mit einer konstanten Energie auf der Kreisbahn
zu bewegen.
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Bevor
die Diskussion der Strahl-Entnahme beginnt, wird nun auf einfache
Weise das Verhalten von jedem einzelnen Teilchen (Ion) erläutert. Das Teilchen
läuft entlang
der Strahl-Kreisumlaufbahn, während
es mit Hilfe der mit den Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und
mit den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 ausgeübten Fokussierungskräften um
eine zentrale Kreisachse oszilliert. Diese Oszillation des Teilchens
wird als Betatron-Schwingung bzw. Betatron-Oszillation bezeichnet.
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Wenn
der Wert eines Bruchteils der Anzahl der Betatron-Schwingungen pro
Umkreisung entlang der Kreisumlaufbahn 0, 1/2 oder 1/3 (oder 1 – 1/3) beträgt, wird
das sich auf der Kreisbahn bewegende Teilchen infolge eines Magnetfeldfehlers
in einen Resonanzzustand gebracht. In diesem Zustand nimmt die Amplitude
der Betatron-Schwingung
zu, und das Teilchen in dem Resonanzzustand kollidiert beispielsweise
mit einer Innenwand einer Vakuumkammer und geht letztendlich verloren.
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Die
Resonanzen, die auftreten, wenn der Wert des Bruchteils der Anzahl
der Betatron-Schwingungen
pro Umkreisung 0, 1/2 und 1/3 beträgt, werden jeweils als Resonanz
erster Ordnung, als 1/2-Resonanz (Resonanz zweiter Ordnung) und
als 1/3-Resonanz (Resonanz dritter Ordnung) bezeichnet. Obwohl infolge
der Magnetfeldfehler Resonanzen auftreten, auch wenn der Bruchteil
der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung 1/4, 1/5 usw. beträgt, muß insbesondere
auf die 1/3-Resonanz (Resonanz dritter Ordnung) und Resonanzen niedriger
Ordnung geachtet werden.
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Wenn
der Bruchteil der Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung
von diesen Werten stark abweicht, bewegt sich jedes Teilchen innerhalb
einer in der 2 gezeigten Ellipse, wenn das Teilchen
in einem Phasenraum beobachtet wird, in welchem horizontale und
vertikale Achsen die X-Koordinaten und Y-Koordinaten zeigen, wobei
x' und y' Neigungen der Bewegungsrichtung
des Teilchens hinsichtlich jeweils der horizontalen und der vertikalen
Achse darstellen.
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Wenn
die Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung n,25 beträgt (wobei
n eine ganze Zahl ist), bewegt sich beispielsweise ein Teilchen, welches
eine maximale Amplitude der Betatron-Schwingung aufweist, entlang
der äußersten Peripherie
der in der 2 gezeigten Ellipse, und es kehrt
zu einer Anfangsposition zurück,
nachdem es vier Umkreisungen entlang der Kreisumlaufbahn des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 durchgeführt hat.
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Bei
der gleichen Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung (n,25)
bewegt sich ein Teilchen, welches eine kleine Amplitude der Betatron-Schwingung
aufweist, entlang der Peripherie einer kleineren Ellipse, die eine ähnliche
Formgebung aufweist, und das Teilchen kehr zu einer Anfangsposition
zurück,
nachdem es vier Umkreisungen durchgeführt hat. Wenn die Kreisumläufe von vielen
mit unterschiedlichen Anfangsphasen injizierten Teilchen verfolgt
werden, wird das Innere der in der 2 gezeigten
Ellipse vollständig
mit Kreisumlaufspuren gefüllt
sein, während
die Größe der Ellipse
konstant bleibt.
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Es
wird nun ein Prozeß der
Strahl-Entnahme bzw. Strahl-Extraktion diskutiert. Um die 1/3-Resonanz
anzunähern,
wird die Betatron-Schwingung in einer horizontalen Richtung gesteuert,
indem die mit den Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 erzeugten
Magnetfeldern variiert werden, und in typischer Weise wird die Sextupol-Elektro magneteinheit 7 angeregt,
um es einfacher zu machen, einen Resonanzzustand zu erzeugen. Ein
Bereich, in welchem ein Strahl in einer stabilen Art und Weise ohne
eine weitere Verbesserung der Betatron-Schwingung zirkulieren kann,
wird als „Akzeptanz" bezeichnet. Infolge
der Nichtlinearität
der Sextupol-Magnetfelder nimmt, wie es in der 3 gezeigt
ist, die Akzeptanz eine dreieckige Formgebung an.
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Diese
dreieckige Formgebung wird als „Separatrix" bezeichnet, deren äußerste Peripherie
eine Stabilitätsgrenze
der Resonanz oder einen Grenzbereich eines stabilen Resonanzbereichs
definiert. Teilchen, die aus der Separatrix herauslaufen, bewegen sich
außerhalb
entlang dreier Zweige, wobei jedes Teilchen bei jeder Umkreisung
entlang der Strahlumlaufbahn von einem Zweig zu dem nächsten Zweig verschoben
wird. Die Teilchen, die durch das Entnahme-Septum 10 hindurchgelaufen
sind, werden mit dem Entnahme-Septum 10 nach außen abgelenkt und
in den Außenbereich
des Teilchenstrahlbeschleunigers 200 extrahiert.
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Die
Anordnungen beim Stand der Technik der zuvor erwähnten Patentveröffentlichungen
und der Druckschriften, die keine Patentveröffentlichung darstellen, verwenden
zum Verschieben von Teilchen zu der Außenseite einer Separatrix ein
Verfahren, bei dem die Amplitude der Betatron-Schwingung mit Hilfe
eines elektrischen Hochfrequenzfeldes erhöht wird, während die Größe der Separatrix
konstant gehalten wird. Eine in diesen aus dem Stand der Technik
bekannten Anordnungen verwendete Vorrichtung zum Erzeugen des elektrischen
Hochfrequenzfeldes entspricht der HF-KO-Einheit 8 der in
der 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
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Der
zuvor beschriebene Strahl-Entnahmeprozeß ist von herkömmlicher
Art. Im nachfolgenden wird ein Strahl-Entnahmeprozeß dieser
Ausführungsform
beschrieben. Die in der 1 gezeigte Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 ist eine
Elektromagneteinheit, die mit hoher Geschwindigkeit ein Magnetfeld ändern kann.
Die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 kann auf
verschiedene Weisen konfiguriert sein. Im einzelnen kann die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 von
einem Typ sein, der Spulen und Eisenkerne oder geschichtete Kerne,
die beispielsweise durch Schichtung von Blechen aus Siliziumstahl
aufgebaut sind, aufweist.
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Wenn
ein Bautyp für
höchste
Geschwindigkeiten bevorzugt ist, sollte die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 als
Quadrupol-Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung konfiguriert sein, die
nur unter Verwendung von Spulen aufgebaut ist. Wenn die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in Erregung
versetzt ist, nähern
sich die sich auf der Kreisbahn bewegenden Teilchen dem Resonanzzustand
an, und die Separatrix wird kleiner.
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Dieses
wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die 4A bis 4D beschrieben.
Wenn die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in Erregung
versetzt ist (eingeschaltet), wird die Separatrix kleiner, und Teilchen,
die aus der Separatrix herauslaufen, werden aus dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 herausgenommen,
wie es in der 4A gezeigt ist.
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Wenn
als nächstes
die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 ausgeschaltet
wird, gehen die sich auf der Kreisbahn bewegenden Teilchen in einen
in der 4B gezeigten Zustand über, in welchem
kein Teilchenstrahl existiert, der sich in der Nähe des Grenzbereichs der Separatrix
auf einer Kreisbahn bewegt. In diesem Zustand kann, selbst wenn
die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 eingeschaltet
ist, der Teilchenstrahl nicht aus dem Teilchenstrahlbeschleuniger 200 herausgenommen
werden.
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Daher
wird die HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 eingeschaltet,
um ein elektrisches Hochfrequenzfeld an den sich auf der Kreisbahn
bewegenden Strahl anzulegen, um, wie es in der 4C gezeigt
ist, den Strahl aufzuspreizen und dadurch leere Bereiche an dem
Grenzbereich der Separatrix mit den sich auf der Kreisbahn bewegenden
Teilchen aufzufüllen.
Es ist möglich,
den Teilchenstrahl zu entnehmen, indem, wie es in der 4B zu
sehen ist, die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erneut
auf die gleiche Weise, wie es zuvor beschrieben worden ist (4A),
eingeschaltet wird.
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Wenn
das elektrische Hochfrequenzfeld lediglich für das Aufspreizen des Strahles
verwendet wird, ist nur eine HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 für die Strahlentnahme
erforderlich. Da sich die Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umkreisung
von Teilchen zu Teilchen und von Amplitude zu Amplitude unterscheidet,
gibt es viele sich auf der Kreisbahn bewegende Teilchen, die nicht mit
einem elektrischen Feld einer einzelnen Frequenz herausgenommen
werden können.
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Daher
ist es vorteilhaft, ein in herkömmlicher Weise
verwendetes Frequenz-moduliertes elektrisches Hochfrequenzfeld anzulegen,
wobei der Modulationsfaktor auf einen Wert festgelegt sein sollte, bei
welchem der Strahl nicht direkt entnommen wird, sondern bei welchem
die Teilchen, die sich in der Nähe
der Mitte der Separatrix auf einer Kreisbahn bewegen, nach außen gespreizt
werden. Das Anlegen eines in herkömmlicher Weise verwendeten
frequenz-modulierten elektrischen Hochfrequenzfeldes ist ebenso
effektiv. Die HF-KO-Einheit 8 der Ausführungsform erzeugt hinsichtlich
des magnetischen Hochfrequenzfeldes ebenso ähnlich vorteilhafte Wirkungen.
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Der
entnommene Teilchenstrahl wird durch die Strahl-Transportleitung 300 zu
dem Behandlungsraum geführt
und durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 auf
den Patienten 30 projiziert. Die Strahl-Zuführungseinheit 17 weist
Parallel-Abtast-Elektromagnete 21 zur Zielausrichtung des Strahls
auf gewünschte
Stellen, einen Dosis-Monitor, einen Strahlpositions-Monitor sowie
einen Bereichsschieber 22 zum Variieren der Strahlenergie
auf.
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Hier
wird unter Bezugnahme auf die 5 ein Beispiel
einer Behandlung mit einer punktförmigen Abtastbestrahlung beschrieben,
wobei die 5 einen Teil der anlageninternen
Bauteile der Strahl-Zuführungseinheit 17 darstellt.
Indem vorgeschaltete und nachgeschaltete Parallel-Abtast-Elektromagnete 21 zum
linearen Bewegen der Strahlposition verwendet werden, kann die Strahl-Zuführungseinheit 17 mit
einem Parallel-Abtast-Verfahren den Strahl auf gewünschte Bestrahlungspunkte
entlang einer radialen Richtung eines Zielbereichs richten. Die
Strahl-Zuführungseinheit 17 kann
den Strahl auf gewünschte
Bestrahlungspunkte in einer zweidimensionalen Ebene ausrichten,
indem die vorgelagerten und nachgelagerten Parallel-Abtast-Elektromagnete 21 um
den gleichen Winkel gedreht werden.
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Die
Anzahl der Bestrahlungspunkte in einer radialen Abtastrichtung beträgt bei praktischen
Anwendungen im Mittel etwa 3, und die Abtast-Elektromagnete 21 können mit
etwa 50 Schritten gedreht werden, um den Zielbereich mit einer gleichförmigen Dosisverteilung
zu bestrahlen. Der Strahl wird gesteuert, um auf verschiedenen Zieltiefen
hinzuzielen, indem die Dicke des Bereichsschiebers 22 verändert wird.
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Von
diesen drei Arten der Einstellungen, d.h. der Strahl-Orientierung
entlang der linearen (radialen) Abtastrichtung, der Drehung der
Abtast-Elektromagneten 21 und der Bestrahlungstiefensteuerung ist
die Drehung der Abtast-Elektromagnete 21 jene Art der Einstellung,
die am zeitaufwendigsten ist, und die bis etwa 500 ms dauert. Einige
10 ms werden benötigt,
um die mit den Abtast-Elektromagneten 21 erzeugten Magnetfelder
zu variieren, und der Bereichsschieber 22 benötigt eine
Schaltzeit von etwa 30 ms, um seine Dicke zu ändern. Demgemäß wird die Punktabtast-Bestrahlung
wie folgt ausgeführt.
Im einzelnen richten die Abtast-Elektromagnete 21 die Strahlachse
auf einen ersten Bestrahlungspunkt, indem die Strahlachse entlang
der radialen Abtastrichtung so weit wie nötig bewegt wird.
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Als
nächstes
stellt der Bereichsschieber 22 den Strahl ein, um auf eine
bestimmte Bestrahlungstiefe (Zieltiefe) abzuzielen. Dann richten
die Abtast-Elektromagnete 21 die Strahlachse auf einen nächsten Bestrahlungspunkt,
indem die Strahlachse entlang der radialen Abtastrichtung bewegt
wird, und der Bereichsschieber 22 schaltet seine Dicke
auf eine nächste
Bestrahlungstiefe. Diese Abfolge wird so oft wie nötig wiederholt
ausgeführt.
Wenn alle Bestrahlungspunkte, die entlang einer radialen Abtast-Richtung aufgenommen
werden, bei allen Zieltiefen mit dem Teilchenstrahl bestrahlt worden
sind, werden die Abtast-Elektromagnete 21 gedreht, um den
Strahl auf Bestrahlungspunkte zu emittieren, die entlang einer nächsten radialen
Abtastrichtung genommen werden. Die Bestrahlungszeit pro Lichtpunkt
reicht von wenigen Millisekunden bis einigen 10 ms.
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Der
Teilchenstrahl wird von dem Synchrotron 200 entnommen und
durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 ausgegeben,
wenn alle vorausgehenden Operationen zum Ausstrahlen des Strahls
auf jeden Bestrahlungspunkt abgeschlossen worden sind. Da die Gesamtzahl
der Bestrahlungspunkte einige Tausend oder mehr erreichen kann,
ist es notwendig, den Strahl aus dem Synchrotron 200 zu
entnehmen, sobald die vorausgehenden Operationen zum Bestrahlen
abgeschlossen worden sind.
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Die 6A bis 6F sind
Darstellungen, die ein Beispiel einer Operationsprozedur des Synchrotrons 200 zeigen.
Wenn die vorausgehenden Operationen für das Bestrahlen von einem
Ziel-Bestrahlungspunkt abgeschlossen worden sind (6A),
gibt eine Gesamtsteuerung ein Entnahme-Startsignal aus (6B).
Beim Empfang des Entnahme-Startsignals erzeugt die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 ein
Magnetfeld (6D). Dann wird der Teilchenstrahl
von dem Synchrotron 200 entnommen und durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 ausgegeben
(6E), und der Dosis-Monitor der Stahl-Zuführungseinheit 17 beginnt damit,
den Wert der Dosis zu messen.
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Der
Dosis-Monitor gibt ein Dosis-Vollständigkeitssignal zu einem Zeitpunkt
aus, in welchem die Bestrahlung eine zuvor festgeschriebene Dosis
erreicht hat (6C). Beim Empfang des Dosis-Vollständigkeitssignals
hält die
Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 das
Erzeugen des Magnetfeldes an. Nachfolgend erzeugt die HF-KO-Einheit 8 ein
elektrisches Hochfrequenzfeld (6F), um
den sich auf einer Kreisbahn bewegenden Strahl nach außen bis
zu der Nähe
des Grenzbereichs der Separatrix zu spreizen. Gleichzeitig führt die Strahl-Zuführungseinheit 17 die
vorausgehenden Operationen für
das Bestrahlen eines nächsten Ziel-Bestrahlungspunktes
aus. Wenn die vorausgehenden Operationen abgeschlossen worden sind, wird
der Teilchenstrahl von dem Synchrotron 200 entnommen und
durch die Strahl-Zuführungseinheit 17 erneut
mit der gleichen, wie zuvor beschriebenen Operationsprozedur ausgegeben.
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Wenn
ein Organ bestrahlt wird, das sich infolge der Atmung des Patienten 30 außerordentlich bewegt,
wie etwa eine Lunge oder eine Leber, wird der Strahl ausgegeben,
wenn das Organ während
einer Ausatmungsperiode relativ stabilisiert ist. Dieser Ansatz
hilft dabei, eine ungewollte Dosis auf normales (gesundes) Gewebe
zu reduzieren. Ein Verfahren zum Erzielen einer effektiven Bestrahlung
liegt darin, die Verlagerung des Zielbereichs von dem Unterleib des
Patienten 30 infolge der Atmung zu erfassen, und zwar indem
der Ziel-Verlagerungssensor 31 verwendet wird, der wiederholt
die Verlagerung eines Unterleibteiles erfassen kann, wo ein Bestrahlungsziel
existiert, und den Strahl auszugeben, wenn der Pegel einer Signalausgabe
von dem Ziel-Verlagerungssensor 31 innerhalb eines zuvor
festgelegten Bereiches fällt.
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Ein
in der 6A gezeigtes Bestrahlungs-Freigabesignal
ist ein Signal, welches ausgegeben wird, wenn der Ausgangs-Signalpegel
des Ziel-Verlagerungssensors 31 innerhalb des zuvor festgelegten
Bereiches fällt.
Obwohl das Bestrahlungs-Freigabesignal tatsächlich ein langes Pulssignal
ist, welches in typischer Weise etwa 1 bis 2 Sekunden andauert,
wird das Signal in der 6A als kurzes Pulssignal dargestellt,
um ein besseres Verständnis
einer Beziehung zu den anderen Signalen zuzulassen. Die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugt
das Magnetfeld nur dann, wenn sich das Bestrahlungs-Freigabesignal
in einem EIN-Zustand befindet, und wenn das Entnahme-Startsignal
erzeugt wird.
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Es
versteht sich von selbst, daß eine
Beziehung zwischen den Bewegungen des Unterleibes des Patienten 30 infolge
der Atmung und der Lage des Organs, welches behandelt werden muß, vorab durch
Messungen mit einer Kernspinresonanz-Tomographie (MRI) oder einer
Computertomographie (CT) bestimmt werden muß.
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Ein
Beispiel eines Operationsmusters des Synchrotrons 200 wird
nun unter Bezugnahme auf die 7A bis 7D beschrieben.
Wenn ein krankes Körperteil,
welches mit dem Teilchenstrahl behandelt werden muß, festgelegt
ist, oder wenn Bewegungen des Körperteils,
welches Behandelt werden muß,
im wesentlichen vernachlässigbar
sind, wird jeder Zielpunkt auf dem betroffenen Körperteil mit beschleunigten
Teilchen des Strahls ohne eine bestimmte Messung zur Berücksichtigung
der Bewegungen des Körperteils
bestrahlt.
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Zu
einem Zeitpunkt, wenn die beschleunigten Teilchen von einem Strahl
aufgebraucht worden ist, werden die mit dem Elektromagneteinheiten 4, 5 erzeugten
Magnetfelder sowie ein mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugtes
elektrisches Beschleunigungsfeld auf die Pegel herabgesetzt, die
zum Zeitpunkt einer Ionenstrahl injektion von der Strahlinjektionseinrichtung 100 verwendet werden
(Strahl-Abbremsung). Dann wird ein Ionenstrahl erneut injiziert
und bis auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die hoch genug ist,
um eine nachfolgende Bestrahlung durchzuführen.
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In
den 7A bis 7D ist
eine Operationsprozedur gezeigt, die zum Emittieren des Teilchenstrahls
verwendet wird, wobei die Bewegungen des betroffenen Körperteils
berücksichtigt
werden. In diesem Fall liegt, wie es in der 7B gezeigt
ist, eine lange flache Oberseiten-Periode von dem Beginn von jedem
Beschleunigungszyklus bis zur Abbremsung vor. Das betroffene Körperteil,
welches behandelt werden muß,
bewegt sich im allgemeinen in Synchronisation mit jedem aufeinanderfolgenden
Atmungszyklus, der in typischer Weise etwa 12 Sekunden anhält.
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Eine
Zeitperiode, während
welcher das zu behandelnde Körperteil
in jedem Atmungszyklus stabilisiert ist, beträgt in etwa 1 bis 2 Sekunden
(diese stabilisierte Zeitperiode ist in der 7A bis 7D länger als
ihre tatsächliche
Länge dargestellt).
Die Anzahl der Teilchen, die das Synchrotron 200 beschleunigen
kann, wenn die Punktabtast-Bestrahlung durchgeführt wird, kann größer als
die Anzahl der Teilchen gewählt
werden, die zur Bestrahlung des betroffenen Körperteils in einem Atmungszyklus
verwendet werden können.
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Im
günstigsten
Fall kann das Synchrotron 200 so viele Teilchen beschleunigen,
wie sie zur Bestrahlung während
zwei oder drei Atmungszyklen oder darüber hinaus verwendet werden
können.
Daher beginnt die Bestrahlungseinrichtung 400 die Punkt-Bestrahlung bei einem
Zeitpunkt, wenn es möglich
ist, einen speziellen Zielpunkt zu bestrahlen, und zwar nach dem
Beginn der Beschleunigung, wobei das betroffene Körperteil
bei einem Atmungszyklus stabilisiert ist, und die Bestrahlungseinrichtung 400 hält die Punkt-Bestrahlung
an, wenn die Bewegung des betroffenen Körperteils zunimmt.
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Die
Bestrahlungseinrichtung 400 nimmt die Punkt-Bestrahlung
wieder auf, wenn das betroffene Körperteil erneut bei einem nachfolgenden
Atmungszyklus stabilisiert ist.
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Zu
dem Zeitpunkt, wenn der sich auf einer Kreisbahn bewegende Strahl
einen Pegel erreicht hat, der gleich dem oder niedriger als ein
zuvor festgelegter Intensitätspegel
ist, bremst das Synchrotron 200 den sich auf der Kreisbahn
bewegenden Strahl ab. Nachfolgend wird ein Ionenstrahl erneut injiziert und
beschleunigt, und die Bestrahlungseinrichtung 400 nimmt
die Punkt-Bestrahlung unter den gleichen wie zuvor erwähnten Konditionen
wieder auf.
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Das
zuvor erwähnte
Entnahme- und Bestrahlungsverfahren kann in vorteilhafter Weise
nicht nur für
medizinische Anwendungen, sondern auch für physikalische Experimente
verwendet werden. Wenn das Entnahme- und Bestrahlungsverfahren bei einem
physikalischem Experiment verwendet wird, erzeugt das Synchrotron 200 beschleunigte
Teilchen, die gezwungen werden, auf ein Target zu stoßen. Eine
Kollision der Teilchen an dem Target erzeugt sekundäre und tertiäre Teilchen,
die mit einem Sensor erfaßt
werden. Wenn zu viele Teilchen auf einmal gegen das Target treffen,
wird der Sensor mit der Emission von sekundären und tertiären Teilchen
gesättigt.
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Das
Entnahme- und Bestrahlungsverfahren der Ausführungsform kann zur aufeinanderfolgenden Entnahme
und Emission von Teilchenstrahlen in gesteuerten Mengen verwendet
werden, so daß beispielsweise
solch ein Sättigungsproblem
verhindert wird. Gemäß diesem
Verfahren der Ausführungsform ist
es möglich,
Messungen in einer effizienten Art und Weise auszuführen, wenn
geeignete Zeitvorgaben für
ein Entnehmen und Emittieren der Teilchenstrahlen bestimmt worden
sind.
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Die
zuvor erwähnte
Anordnung der ersten Ausführungsform
ist dahingehend vorteilhaft, daß der Teilchenstrahlbeschleuniger 200 auf
einfache Weise mit einer geringen Anzahl von Einrichtungen gesteuert
werden kann, die zum Steuern der Strahl-Entnahme benötigt werden.
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Zweite Ausführungsform
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Eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. Während die HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 ausgeschaltet ist,
wenn, wie es anhand der 6D und 6F erkannt
werden kann, die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in der
vorherigen ersten Ausführungsform
aktiviert ist, können
die gleichen vorteilhaften Wirkungen, wie sie zuvor unter Bezugnahme
auf die erste Ausführungsform
beschrieben worden sind, selbst dann erzielt werden, wenn die Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 von
einer Bauart ist, die ein Frequenz-moduliertes (FM)-Signal erzeugt,
dessen Frequenz über
einen Bereich von f1 bis f2 variiert wird, und die kontinuierlich
betrieben wird, wie es in der 8F dargestellt
ist.
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Wenn
zwei solcher Funkfrequenz-Erzeugungseinheiten 8 wie bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Beispielen verwendet werden, um
FM-Signale zu erzeugen, dessen Phasen, wie es in den 9F und 9G gezeigt
ist, voneinander versetzt sind, wird es ebenso möglich, Teilchen auf eine effizientere
Art und Weise zu entnehmen.
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Die
gleichen vorteilhaften Wirkungen können ebenso erzielt werden,
selbst wenn die Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 von einer
Bauart ist, die kontinuierlich ein Signal erzeugt, welches Frequenzkomponenten
enthält,
die sich, wie es in der 10F dargestellt
ist, von f1 bis f2 erstrecken. Dieser Frequenzbereich f1 bis f2
ist ein Bereich von Frequenzen, bei welchen die Amplitude der Betatron-Schwingung
der sich auf einer Kreisbahn bewegenden geladenen Teilchen von 0
auf größere Werte
erhöht
wird, jedoch überschreitet
die Amplitude nicht den stabilen Grenz-Resonanzbereich.
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Während 6F die
Aktivierungszeit der Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 der
ersten Ausführungsform
zeigt, zeigen 8F, 9F, 9G und 10F den Frequenzbereich oder die Frequenzkomponenten
des mit der Frequenzerzeugungsvorrichtung 8 ausgegebenen
Signals.
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Es
ist vorteilhaft, die Amplitude des Ausgangssignals der Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 mit
der Zeit allmählich
bzw. fortschreitend zu erhöhen.
Der Grund hierfür
ist darin zu sehen, daß die Dichte
der Teilchenstrahlen in der Umgebung der Stabilitätsgrenze
der Resonanz nahezu konstant gemacht werden kann, indem dies so
getan wird. Obwohl diese Amplitudenvariation des Ausgangssignals (Amplitudenmodulation)
in typischer Weise sowohl einen ersten Modus der Amplitudenmodulation
enthält,
die in Synchronisation mit periodisch wiederkehrenden Zyklen der
Frequenzmodulation sich wiederholend durchgeführt wird, als auch einen zweiten
Modus der Amplitudenmodulation enthält, die über eine Zeitperiode durchgeführt wird,
während
welcher sämtliche
beschleunigte Teilchen entnommen sind, kann das Ausgangssignal der
Frequenzerzeugungsvorrichtung 8 hinsichtlich der Amplitude
mit nur dem zweiten Modus der Amplitudenmodulation moduliert werden.
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Während sich
die mit der in 8D, 9D und 10D gezeigten Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugten
Wellenformen des Magnetfeldes von einer Wellenform eines von der
in 6D gezeigten Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 der
ersten Ausführungsform
erzeugten Magnetfeldes unterscheiden, ist die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 der
zweiten Ausführungsform
mit einer Stromversorgung versehen, die den von dem Synchrotron 200 entnommenen
Teilchenstrahl bei einer konstanten Intensität halten kann, indem eine Rückkopplungssteuerung
durchgeführt
wird. Die Intensität
des entnommenen Strahles wird beispielsweise mit einem zwischen
dem Synchrotron 200 und der Bestrahlungseinrichtung 400 oder
innerhalb der Bestrahlungseinrichtung 400 vorgesehenen
Strahl-Monitor gemessen.
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Obwohl
eine Möglichkeit
besteht, daß sich
in der zweiten Ausführungsform
die entnommene Strahlintensität
infolge einer Beziehung zwischen der Phase des mit der Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 erzeugten
FM-Signals und dem Aktivierungszeitpunkt der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 variiert,
ist die zuvor erwähnte
Anordnung der zweiten Ausführungsform
dahingehend vorteilhaft, daß die
Anzahl der Vorrichtungen, deren Operationszeiten gesteuert werden
muß, abnimmt,
so daß es einfacher
gemacht wird, die Systemoperation zu steuern.
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Während die
Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 unabhängig von dem wie in den 8F, 9F, 9G und 10F gezeigten Bestrahlungs-Freigabesignal betrieben
wird, können
die gleichen vorteilhaften Wirkungen, wie sie zuvor beschrieben worden
sind, auch dann erzielt werden, wenn die Frequenz-Erzeugungsvorrichtung 8 während Zeitperioden
betrieben wird, wenn sich das Bestrahlungs-Freigabesignal in einem
EIN-Zustand befindet.
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Dritte Ausführungsform
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Eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. Es ist vorteilhaft, die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 zum
Erzeugen eines Magnetfeldes nur während einer Zeitperiode zwischen
dem Entnahme-Startsignal (6B) und
dem Dosis-Vollständigkeitssignal
(6C) in der wie in der 1 gezeigten
Strahl-Transportleitung 300 einzusetzen, so daß kein Teilchenstrahl
zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 transportiert
wird, selbst wenn der Strahl beispielsweise infolge des durch eine
der Stromversorgungen der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4,
der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 oder
der HF-KO-Einheit 8 erzeugten Rauschens zu einem Zeitpunkt
entnommen wird, der nicht zwischen dem Entnahme-Startsignal (6B)
und dem Dosis-Vollständigkeitssignal (6C)
liegt.
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11G zeigt ein Operationsmuster der Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18.
In dieser Ausführungsform
ist die in der Strahl-Transportleitung 300 vorgesehene
Ablenk-Elektromagneteinheit 20 dazu ausgelegt, den Strahl
um einen kleineren Winkel abzulenken, so daß der Strahl von einer zentralen
Achse eines normalen Strahlenganges abweicht und mit dem Strahldämpfer 19 kollidiert,
wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 ausgeschaltet
ist, während
der Strahl entlang der zentralen Achse des normalen Strahlenganges
bis zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 geführt wird,
wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 eingeschaltet
ist.
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Ein
anderes Verfahren, das anstelle der Reduzierung des Strahl-Ablenkwinkels
der Ablenk-Elektromagneteinheit 20 zum selektiven Durchlassen oder
Abblocken des entnommenen Teilchenstrahls verwendbar ist, liegt
darin, eine Lenkungs- bzw. Führungs-Elektromagneteinheit,
die eine Art einer Ablenk-Elektromagneteinheit ist, und die unmittelbar angrenzend
zu der Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 angeordnet
ist, zu verwenden.
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In
diesem Verfahren wird die Lenkungs-Elektromagneteinheit konstant
in einem EIN-Zustand gehalten, so daß der Strahl mit dem Strahldämpfer 19 kollidiert,
wenn sich die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 in
einem AUS-Zustand befindet, während
der Strahl zu der Strahl-Zuführungseinheit 17 geführt wird,
wenn sich die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 in
einem EIN-Zustand befindet. Eines der zuvor erwähnten Verfahren zum selektiven Durchlassen
oder Abblocken des entnommenen Teilchenstrahls kann derart modifiziert
werden, daß der Strahl
mit dem Strahl-Dämpfer 19 kollidiert,
wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 eingeschaltet
ist.
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In
diesem modifiziertem Verfahren der Ausführungsform ist es notwendig,
die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 während Zeitperioden,
die nicht zwischen dem Entnahme-Startsignal (6B) und
dem Dosis-Vollständigkeitssignal (6C)
liegen, in einem EIN-Zustand zu halten. Es versteht sich von selbst,
daß die
Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 nicht
absolut notwendig ist. Das charakteristische der dritten Ausführungsform
ist darin zu sehen, daß der
Teilchenstrahl nicht während
Zeitperioden emittiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht durchgeführt wird.
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Vierte Ausführungsform
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Eine
vierte Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. Während das mit der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugte
Magnetfeld in der ersten Ausführungsform
eine dreiecksförmige
Wellenform aufweist, wie in der 6D gezeigt,
ist das Magnetfeld nicht auf diese Wellenform beschränkt. Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, die Intensität
des entnommenen Strahles mit dem in der Strahl-Transportleitung 300 vorgesehenen
Strahlmonitor 15 zu messen, und eine Ausgabe der Stromversorgung
der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 einzustellen,
indem eine Rückkopplungssteuerung
durchgeführt
wird, so daß der
mit dem Strahlmonitor 15 gemessene Wert der Intensität des entnommenen
Strahles gleich einem zuvor festgelegten Wert wird.
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Dieses
Rückkopplungs-Steuerverfahren wäre vorteilhafter,
wenn für
die Ausgabe der Stromversorgung der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 eine
obere Grenze gesetzt ist. Dies liegt daran, daß der Teilchenstrahl nicht
korrekt auf jeden Bestrahlungspunkt gezielt werden kann, wenn sich als
ein Ergebnis einer außerordentlichen Änderung
in der Größe der Separatrix
die Richtung des Teilchenstrahls bei einem Einlaß des Entnahme-Septums 10 in
großem
Maße ändert. Das
Charakteristische der vierten Ausführungsform ist darin zu sehen,
daß der Teilchenstrahl über die
Zeit mit einer gleichförmigen Intensität entnommen
werden kann.
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Fünfte Ausführungsform
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Es
wird nun eine fünfte
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Obwohl die vorangehende Beschreibung
der ersten bis vierten Ausführungsform
nicht Details der Operation und Steuerung der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 während der
Bestrahlungsbehandlung erwähnt,
kann die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 in Synchronisation
mit der HF-KO-Einheit (Funkfrequenz-Erzeugungseinheit) 8 betrieben
werden.
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Ein
Vorteil der Synchronisation der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 mit
der Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 liegt darin, daß diese Operationsverfahren
es ermöglichen,
den Teilchenstrahl bei einer gleichförmigen Intensität über die
Zeit mit einem minimalen Umfang von Spitzenrauschen zu entnehmen.
Die 12A bis
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12F sind Darstellungen, die Beispiele der Operationsmuster
des Teilchenbestrahlungssystems gemäß der fünften Ausführungsform zeigen.
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Wie
bereits zuvor erwähnt,
unterscheidet sich die Anzahl der Betatron-Schwingungen pro Umlauf
von einem sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen zu einem
anderen sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen innerhalb eines
spezifischen Bereiches. Wenn die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 ein
elektrisches Hochfrequenzfeld erzeugt, das in einer Strahl-Ausbreitungsrichtung
orientiert ist, wird jedes der sich auf einer Kreisbahn bewegenden
Teilchen beschleunigt oder abgebremst und beginnt damit, eine Energie-Schwingung
(Synchrotron-Schwingung) zu erzeugen.
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Da
eine zentrale Phase auf 0 gesetzt ist, ist eine mittlere Energie
konstant. Das Synchrotron weist normalerweise eine endliche Chromatizität ξ (chromatische
Abberation) auf, und die Teilchen mit verschiedenen Energien (Bewegungsenergie
p) weisen verschiedene Frequenzen der Betatron-Schwingung v auf.
Es gibt eine durch Δv/v
= ξΔp/p ausgedrückte Beziehung
zwischen einem variablen Bereich Δp
der Bewegungsenergie p und einem variablen Bereich Δv der Frequenz
v der Betatron-Schwingung.
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Da
jedes Teilchen auf verschiedene Weisen die Betatron-Schwingung bei
sich verändernden
Bewegungsenergien p und Betatron-Schwingungsfrequenzen v erzeugen
kann, weisen die sich auf einer Kreisbahn bewegenden Teilchen eine
erhöhte
Wahrscheinlichkeit auf, in einen Resonanzzustand überzugehen.
Kombiniert mit dem mit der HF-KO-Einheit 8 erzeugten Frequenz-modulierten
elektrischen Hochfrequenzfeld ermöglicht es dies, den Strahl
in einer effizienteren Weise aufzuspreizen.
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Da
ein maximaler Wert des variablen Bereiches Δp der Bewegungsenergie p in
der Betatron-Schwingung durch die Stärke des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten
elektrischen Feldes bestimmt wird, wird die Stärke von diesem elektrischen
Feld auf einen Wert gesetzt, bei welchem die sich auf einer Kreisbahn
bewegenden Teilchen nicht zur Außenseite der Separatrix gehen werden.
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Es
wird nun ein spezifisches Beispiel eines Hochfrequenz-Beschleunigungssystems
beschrieben. Im allgemeinen ist es bei einem Teilchenstrahl-Synchrotron
notwendig, daß im
Operationsmuster die Stromversorgungen der Elektromagnete sowie
eine Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit präzise während der Beschleunigung synchronisiert sind,
und daß das
Operationsmuster der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit in einer
komplexen Art und Weise variiert wird.
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Zu
diesem Zweck weißt
das Teilchenstrahl-Synchrotron einen Speicher zum Speichern einer
Vielzahl von Operationsmustern auf, die nachfolgend ausgegeben und
mit einem Hochfrequenz-Verstärker
verstärkt
werden. Diese Operationsmuster werden beispielsweise mit Überprüfungen der Strahl-Emission
optimiert. Eine Alternative für
dieses speichergestützte
Verfahren würde
darin bestehen, zu einem Hochfrequenz-Signal generator sich ändernde
Operationsmuster, wie sie in den 12A bis 12F gezeigt sind, hinzuzufügen.
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Eine
andere Alternative würde
darin bestehen, ein ausgewähltes
Hochfrequenz-Beschleunigungssystem
zum separaten Ausführen
einer Funktion der Steuerung des Operationsmusters während der
Beschleunigung, wie es in der 16 gezeigt
ist, zu verwenden, bei welchem ein Hochfrequenz-Verstärker 40 sowie
ein Mustererzeuger bzw. Mustergenerator 41 jeweils dem
zuvor erwähnten
Hochfrequenz-Verstärker
und Hochfrequenz-Signalgenerator entsprechen, und ein Funktionsgenerator 42 wird bei
der Strahlentnahme verwendet. Nach der Beschleunigung des Strahls
unterbricht der Mustergenerator 41 seine Ausgabe.
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Da
der Speicher das Operationsmuster ausgibt, wenn er mit einem von
der Gesamtsteuerung zugeführten
Takt getriggert wird, wird in bevorzugter Weise eine Anordnung zum
Unterbrechen des Taktes nach der Beschleunigung des Strahles durchgeführt. Im
Hinblick auf den Zustand des Standes der Technik zum heutigen Zeitpunkt
gibt es im technischen Hinblick kein wesentliches Problem, den Funktionsgenerator 42 mit
einer Zeitvorgabe eines im Beispiel 1 der 12E gezeigten
Operationsmusters zu betreiben.
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Verschiedene
Abänderungen
des Operationsverfahrens sind möglich,
die die Verwendung einer Ausgabe eines elektrischen Feldes mit einer
einzelnen Frequenz sowie die Verwendung einer Auswahl der Frequenzmodulation
oder Amplitudenmodulation des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten
elektrischen Feldes einschließen.
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Die 13E und 13F sind
Darstellungen, die Beispiele dahingehend zeigen, wie die Intensität des mit
der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten elektrischen
Beschleunigungsfeldes variiert wird. Es ist vorteilhaft, die Intensität des elektrischen
Beschleunigungsfeldes allmählich
bzw. fortlaufend zu erhöhen,
wie es in den 13E und 13F gezeigt
ist.
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Dies
liegt daran, weil eine plötzliche
Zunahme in der Intensität
des elektrischen Beschleunigungsfeldes, die wiederholt auftritt,
möglicherweise eine
außerordentliche
Zunahme in dem variablen Bereich Δp
der Bewegungsenergie p bewirken wird, was in einer Abänderung
der Qualität
des entnommenen Strahles resultieren kann. Während die Zeitdauern der Operationszeit
der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 länger als
die Zeitdauern der Operationszeit der HF-KO-Einheit 8 in
den Beispielen der 12D bis 12F und
der 13D bis 13F gewählt sind,
ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
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Das
Charakteristische der fünften
Ausführungsform
ist darin zu sehen, daß die
Teilchen in dem Strahl gleichförmig
verteilt sind, da die Teilchen mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 innerhalb
des stabilen Grenzbereichs aufgespreizt werden, und daß der Teilchenstrahl
bei einer gleichförmigen
Intensität über der
Zeit entnommen werden kann.
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Sechste Ausführungsform
-
Es
wird nun eine sechste Ausführungsform der
Erfindung beschrieben. In der 12F ist
ein Beispiel 2 eines Operationsmusters gezeigt, bei welchem die
Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 betrieben
wird, wenn der Teilchenstrahl in der vorangehenden fünften Ausführungsform
entnommen wird. In der 14 sind Steinbach-Diagramme gezeigt,
die ebenso in der zuvor erwähnten
Druckschrift „Fast
beam cutoff method in RF-knockout extraction for spot-scanning" verwendet werden.
Die Steinbach-Diagramme werden als Repräsentanten für die graphischen Darstellungen
der 4A bis 4D verwendet,
welche zeigen, wie der Teilchenstrahl entnommen wird, was zuvor
unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben worden
ist.
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Anhand
der 14 kann erkannt werden, daß der Wert von Δp/p von jedem
Teilchen variiert wird, wenn die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 eingeschaltet
ist, und zwar selbst wenn sowohl die HF-KO-Einheit 8 als
auch die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 in
einem Ruhezustand ausgeschaltet sind, so daß sich die Teilchen innerhalb
eines linken und rechten Grenzbereichs der Steinbach-Diagramme verschieben,
und jene Teilchen, die in der Nähe
des stabilen Bereiches vorliegen, können in einen unstabilen Bereich
verschoben werden, der außerhalb
des stabilen Bereiches verläuft.
-
Daher
kann im Beispiel 1 beim in der 12E gezeigten
zeitlichen Verlauf der Aktivierung der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 der
Teilchenstrahl, der entnommen wird, wenn der Strahl aufgespreizt
wird, über
den stabilen Grenzbereich hinausgehen, und zwar in Abhängigkeit
von den Werten der Operationsparameter. Während solch ein Problem nicht
auftreten würde,
wenn die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 vorgesehen
ist, so ist es besonders bevorzugt, wenn diese Art von Umstand bzw.
Schwierigkeit vermieden werden kann. Solch ein Problem tritt nicht
bei dem in der 12F gezeigten Operationsmuster
des Beispiels 2 auf, da die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 eingeschaltet
ist, wenn der Teilchenstrahl während
des in der 12F gezeigten zeitlichen Verlaufes
der Aktivierung der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 entnommen
wird.
-
Die
Teilchen werden dann veranlaßt,
sich in einem Koordinatensystem der in der 14 in
der sechsten Ausführungsform
gezeigten Steinbach-Diagramme nach links oder rechts zu verschieben,
so daß die
Teilchen aufgespreizt werden, um eine gleichförmige Verteilung einer Teilchendichte
zu erzeugen. Demgemäß ist das
Charakteristische der sechsten Ausführungsform darin zu sehen,
daß der Teilchenstrahl über die
Zeit mit einer gleichförmigeren
Intensität
entnommen werden kann, und daß der Teilchenstrahl
nicht während
solcher Zeitperioden emittiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht
durchgeführt
wird.
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Siebente Ausführungsform
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Eine
siebte Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. In dieser Ausführungsform kann
der Teilchenstrahlbeschleuniger 200 bei einer Chromatizität betrieben
werden, die auf einen Wert nahe 0 festgelegt ist, und zwar indem
die Sextupol-Elektromagneteinheit 7 eingestellt
wird. In diesem Fall ist unabhängig
von dem Wert von Δp/p
von jedem Teilchen in den in der 15 gezeigten
Steinbach-Diagrammen die Stabilitätsgrenze der Resonanz nahezu
unverändert.
Daher ist die siebte Ausführungsform
dahingehend von Vorteil, daß das
in der vorangehenden Beschreibung der sechsten Ausführungsform
erwähnte
Problem nicht auftreten wird.
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Die
siebte Ausführungsform
ist ebenso dahingehend von Vorteil, daß die Funkfrequenz-Erzeugungseinheit 8 jene
Teilchen aufspreizen kann, die sich in der Nähe des stabilen Grenzbereichs
auf einer Kreisbahn bewegen, und zwar unabhängig ob oder ob nicht die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 ein-
oder ausgeschaltet ist, so daß der
Teilchenstrahl in einer effizienteren Art und Weise entnommen werden
kann.
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Achte Ausführungsform
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Es
wird nun ein Steuerverfahren zum Unterbrechen der Emission des Teilchenstrahls
in der Strahl-Transportleitung 300 gemäß einer achten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Wenn es für die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erforderlich
ist, ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, wird die Induktivität der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 so
groß,
daß es
schwierig wird, die Strahl-Ausstrahlung zu steuern, und als eine
Folge hiervon kann ein Fall auftreten, bei welchem keine für die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 hinreichende
Zeitperiode zur Verfügung
steht, wie es von Charakteristika der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erfordert
wird, um die Strahl-Ausstrahlung anzuhalten, nachdem das Dosis-Vollständigkeitssignal
empfangen worden ist.
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In
solch einem Fall wird es schwierig, schnell die Strahl-Ausstrahlung
zu stoppen, wenn in der Strahl-Transportleitung 300 eine
pulsgesteuerte Hochgeschwindigkeits-Elektromagneteinheit (Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit) 25 angeordnet
ist, wie es in der Darstellung des Gesamtsystems der 17 gezeigt
ist. Die 18F und 18G zeigen
ein Beispiel eines Operationsmusters für ein schnelles Unterbrechen
der Emission des Teilchenstrahls.
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Während die
Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 in
erster Linie die gleiche Funktion wie jene der unter Bezugnahme
auf die dritte Ausführungsform
diskutierten Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 ausführt, kann
die Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 die
gleichen Vorteile wie die Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit 18 hervorrufen.
Die Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 muß ein Magnetfeld
erzeugen, dessen Wellenform derart kurze ansteigende und abfallende
Kanten aufweist, daß diese
in der Größenordnung
von Mikrosekunden bis einige zehn Mikrosekunden liegen.
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Daher
ist die Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 aus
einem Elektromagneten hergestellt, der eine Hochfrequenz-Antwortcharakteristik
aufweist, und zwar indem beispielsweise ein Eisenkern verwendet
wird. Der Teilchenstrahl, der entnommen worden ist, nachdem das Dosis-Vollständigkeitssignal
(18C) erzeugt worden ist, wird derart gesteuert,
daß der
Strahl den Strahldämpfer 19 treffen
wird.
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Obwohl
der entnommene Teilchenstrahl bei der Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 mit
einer leichten zeitlichen Verzögerung zu
dem Entnahme-Start-Signal
eintrifft, kann der Teilchenstrahl mit einer geeigneten zeitlichen
Koordinierung emittiert werden, wenn die zeitliche Koordinierung
des EIN-Zustandes der Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit 25 von
dem Entnahme-Startsignal verzögert
wird.
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In
dieser Ausführungsform
werden die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 und die HF-KO-Einheit 8 auf
die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform betrieben. Die achte
Ausführungsform
ermöglicht
es, schnell die Ausstrahlung zu unterbrechen, und verhindert, daß der Teilchenstrahl zu
der Strahl-Zuführungseinheit 17 während Zeitperioden
transportiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht durchgeführt wird.
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Neunte Ausführungsform
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Nachfolgend
wird eine neunte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, die eine Anordnung zum Betreiben des
Synchrotrons 200 bereitstellt, wobei Welligkeitsanteile
berücksichtigt
werden, die beispielsweise in Strömen enthalten sind, welche
von den Stromversorgungen der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und
der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 zugeführt werden.
Welligkeitsanteile oder Fluktuationen in den Ausgabeströmen der
Stromversorgungen der Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheiten 4 und
der Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheiten 5 des Synchrotrons 200 können Fluktuationen
der Größe der Separatrix
bewirken.
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Beispielsweise
verändert
sich die Größe der Separatrix
bei gleichmäßigen Intervallen,
die in typischer Weise von einigen wenigen Millisekunden bis zu
zehn Millisekunden dauern, wie es mit den schattierten Bereichen
(a) und (b) in der 19 gezeigt ist. Falls der Strahl
bis zu dem Grenzbereich der Separatrix vollständig aufgespreizt ist, wenn
die Größe der Separatrix
auf ein Minimum reduziert ist, wird kein Problem auftreten.
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Falls
der Strahl vollständig
bis zu dem Grenzbereich der Separatrix aufgespreizt ist, wenn sich
die Größe der Separatrix
nicht bei einem Minimum befindet, wird jedoch der Strahl entnommen, wenn
die Separatrix ihre minimale Größe annimmt, so
daß der
Teilchenstrahl während
einer Zeitperiode emittiert wird, wenn eine Bestrahlung nicht durchgeführt wird.
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Um
diese Schwierigkeit zu verhindern, werden der FM-Modulationsfaktor
des mit der HF-KO-Einheit 8 erzeugten elektrischen Hochfrequenzfeldes
und die Stärke
des mit der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten
elektrischen Feldes unter Berücksichtigung
der durch die Welligkeitsanteile in der Stromversorgung hervorgerufenen
Fluktuationen der Größe der Separatrix
bestimmt. Dieser Ansatz ermöglicht
es, den Teilchenstrahl innerhalb von Grenzen aufzuspreizen, in welchen
die Separatrix bei der minimalen Größe bei dem Vorhandensein der
Welligkeitsanteile befindet.
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Es
sei angenommen, daß das
zuvor erwähnte
Problem hinsichtlich der Welligkeitsanteile in der Stromversorgung
normalerweise nicht in herkömmlichen
Synchrotrons auftritt, da hier äußerst stabile Stromversorgungen
verwendet werden. Die zuvor erwähnte
Anordnung der neunten Ausführungsform
ist dahingehend von Vorteil, daß das
Synchrotron 200 solche Stromversorgungen verwenden kann,
die eine relativ geringe Stabilität aufweisen, was zu einer Reduzierung
der Gesamtkosten führt.
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Zehnte Ausführungsform
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Ein
zehnte Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. Während die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 zum
Reduzieren der Größe der Separatrix
in den zuvor erwähnten
ersten bis neunten Ausführungsformen
verwendet wird, kann die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 die
gleichen Wirkungen wie die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugen.
In den in der 14 gezeigten Steinbach-Diagrammen
stellt die horizontale Achse die kinetische Energie bzw. Bewegungsenergie
(im einzelnen Δp/p)
dar.
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Wenn
Teilchenstrahlen beschleunigt werden, verschieben sich in einem
schattierten Bereich in jedem Steinbach-Diagramm die Strahlen insgesamt nach
rechts, so daß diese
Strahlen, die außerhalb des
stabilen Grenzwertbereichs vorliegen, entnommen werden. Wenn die
Beschleunigung der Teilchenstrahlen gestoppt wird, und wenn die
Strahlen abgebremst werden, kehren die Strahlen in ihre ursprünglichen
Positionen zurück,
und die Strahlentnahme endet.
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Die
Amplitude der Betatron-Schwingung wird auf die gleiche Weise wie
in den zuvor erwähnten Ausführungsformen
erhöht.
Die Strahlen werden beschleunigt, indem die Frequenz des angelegten
elektrischen Feldes verändert
wird (normalerweise erhöht).
Solche Konditionen können
ebenso in Abhängigkeit
von den Werten der Operationsparameter des Synchrotrons 200 durch
Abbremsung erzeugt werden.
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In
dieser Ausführungsform
ist es möglich,
die gleichen Wirkungen, wie jene, die mit der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erzeugt
werden, zu erzeugen, und zwar indem geeignet die Frequenz des mit
der Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 erzeugten elektrischen
Feldes gesteuert wird. Demgemäß ist die
zuvor erwähnte
Anordnung der zehnten Ausführungsform
dahingehend von Vorteil, daß die
Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 nicht
mehr notwendig ist, was letztendlich in einer Kostenreduzierung
resultiert.
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Elfte Ausführungsform
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Ein
Verfahren des Betriebes des Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystems
gemäß der elften Ausführungsform
gemäß der Erfindung
wird nun beschrieben. In der zuvor erwähnten Ausführungsform wird das Synchrotron 200 in
dem Operationsmuster betrieben, in welchem die sich auf einer Kreisbahn bewegende
Strahl bei einem Zeitpunkt abgebremst wird, wenn der Strahl einen
Pegel erreicht hat, der gleich dem oder kleiner als der zuvor festgelegte
Intensitätspegel
ist.
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Wenn
das Bestrahlungsziel ein menschlicher Körper ist, und wenn die Intensität des sich
auf einer Kreisbahn bewegenden Strahles in dem Synchrotron 200 nach
der Fertigstellung der Bestrahlung während eines Atmungszyklus nicht
hoch genug ist, um beispielsweise das Ziel nacheinander über eine
zulässige
Bestrahlungszeit in einem nachfolgenden Atmungszyklus zu bestrahlen,
sollte das Synchrotron 200 in bevorzugter Weise in einem
Operationsmuster betrieben werden, welches eine Abbremsung, erneute
Injektion und Beschleunigung enthält. Dieses Operationsmuster
ist dahingehend von Vorteil, daß der Zeitverlust
reduziert wird. Es können
verschiedene Fälle
auftreten, in welchen das Synchrotron 200 in dem Operationsmuster
betrieben werden muß,
welches eine Abbremsung, erneute Injektion und Beschleunigung enthält.
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Beispielsweise
kann dieses Operationsmuster in einem Fall verwendet werden, in
welchem die Intensität
des sich auf einer Kreisbahn bewegenden Strahles gerade hoch genug
ist, um einen beabsichtigten Zielpunkt für nur die Hälfte oder weniger eines Mittelwertes
von zuvor gemessenen zulässigen
Bestrahlungszeiten zu bestrahlen. Das Operationsmuster des Synchrotrons
der elften Ausführungsform
ermöglicht
es, den Zeitverlust zu reduzieren und eine Gesamt-Bestrahlungszeit
zu verkürzen.
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Zwölfte Ausführungsform
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Es
wird nun eine zwölfte
Ausführungsform der
Erfindung beschrieben. Die vorangehende Beschreibung der ersten
Ausführungsform
hat, basierend auf dem parallelen Abtastverfahren, welches die parallelen
Abtast-Elektromagnete 21 verwendet, die Punktabtast-Bestrahlung
unter Bezugnahme auf die 5 dargestellt. Die Punktabtast-Bestrahlung der ersten
Ausführungsform
erfordert etwa 500 Millisekunden, um die Abtast-Elektromagneten 21 von
einer radialen Abtastrichtung zu der nächsten Abtastrichtung zu drehen,
nachdem individuelle Zielpunkte, die entlang einer jeden radialen
Abtastrichtung genommen werden, bestrahlt worden sind.
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Wenn
das Synchrotron 200 in einem Operationsmuster betrieben
wird, welches eine Abbremsung, eine erneute Injektion und eine Beschleunigung
aufweist, welche mit der zeitlichen Koordinierung der Drehung der
parallelen Abtast-Elektromagneten 21 synchronisiert sind,
ist es möglich,
die individuellen Zielpunkte entlang aufeinanderfolgender radialer
Abtastrichtungen mit einem reduziertem Zeitverlust zu bestrahlen.
Wenn darüber
hinaus die Drehung der parallelen Abtast-Elektromagneten 21 mit der
Inhalierzeit des Patienten 30 synchronisiert ist, ist es
möglich,
die individuellen Zielpunkte mit weiter reduziertem Zeitverlust
zu bestrahlen, und die gesamte Bestrahlungszeit zu verkürzen.
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Dreizehnte
Ausführungsform
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Eine
dreizehnte Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. Während der zuvor erwähnte Synchronisationsansatz
der zwölften
Ausführungsform
für eine
Verwendung bei der Punktabtast-Bestrahlung basierend auf dem parallelen
Abtastverfahren beabsichtigt ist, kann dieser Ansatz der zwölften Ausführungsform
die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzeugen, wenn er ebenso bei
einem gewöhnlichen
Punktabtast-Bestrahlungsverfahren angewandt wird. Die 20 ist
eine Darstellung, die das Prinzip von diesem Ansatz zeigt. Eine
Anordnung der in der 20 gezeigten dreizehnten Ausführungsform
weist zwei Paare von Abtast-Elektromagneten auf (X-Achse, Y-Achse).
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Die
X-Achsen- und Y-Achsen-Abtast-Elektromagnetpaare lenken den emittierten
Teilchenstrahl in zwei Richtungen ab, die sich unter rechten Winkeln einander
schneiden, so daß die
Strahlen auf beliebige Bestrahlungspunkte in einer zweidimensionalen Ebene
gerichtet werden können.
Die Strahl-Eindringtiefe kann eingestellt werden, um auf verschiedene Zieltiefen
abzuzielen, und zwar indem die Dicke des Bereichsschiebers auf die
gleiche Art und Weise wie bei dem parallelen Abtastverfahren der
ersten Ausführungsform
variiert wird.
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In
der Anordnung der dreizehnten Ausführungsform werden die in einer
zweidimensionalen Ebene ausgewählten
Zielpunkte unter Verwendung des Bereichsschiebers, der eine geeignete
Dicke aufweist, bestrahlt. Dann werden die in einer anderen zweidimensionalen
Ebene ausgewählte
Zielpunkte bestrahlt, indem der Bereichsschieber durch einen Bereichsschieber
ersetzt wird, der eine unterschiedliche Dicke aufweist. In typischer
Weise wird dieser Auswechselprozeß des Bereichsschiebers so
oft wie nötig
wiederholt.
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Die
Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 und die HF-KO-Einheit 8 können aktiviert
werden, um elektromagnetische Hochfrequenzfelder mit der gleichen
zeitlichen Koordinierung zu erzeugen, und das Synchrotron 200 kann
in dem gleichen Operationsmuster wie bei der Punktabtast-Bestrahlung
basierend auf dem parallelen Abtastverfahren, das in der zwölften Ausführungsform
verwendet wird, betrieben werden.
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Der
zuvor erwähnte
Ansatz der dreizehnten Ausführungsform
ist bei einem Typ der Punktabtast-Bestrahlung anwendbar, der verschieden
von dem zuvor beschriebenen parallelen Abtastverfahren ist.
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Vierzehnte
Ausführungsform
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Es
wird nun die vierzehnte Ausführungsform der
Erfindung beschrieben. Während
der Teilchenstrahl kontinuierlich entnommen und während einer Bestrahlungszeit
von jedem Zielpunkt in den vorhergehenden Ausführungsformen ausgestrahlt wird,
ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Der Wert der erforderlichen
Dosis variiert von Bestrahlungspunkt zu Bestrahlungspunkt. In dieser
Ausführungsform werden
die HF-KO-Einheit 8 und die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 abwechselnd
betrieben, um einen Prüfstrahl
für eine
Zeitperiode auszugeben, die gleich wie oder kürzer als eine Bestrahlungszeit
ist, was eine minimale Dosis für
einen Bestrahlungspunkt liefert.
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Beispielsweise
wird zumindest eine Einheit der HF-KO-Einheit 8 und der
Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 deaktiviert,
wenn die erforderliche Dosis erfüllt
worden ist, und dann werden sowohl die HF-KO-Einheit 8 als
auch die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 erneut
aktiviert, wenn vorausgehende Operationen zum Bestrahlen eines nächsten Zielpunktes
abgeschlossen worden sind.
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Jedem
Bestrahlungspunkt wird eine zuvor festgelegte Dosis gegeben, indem
die zuvor erwähnte
EIN- und AUS-Sequenz wiederholt wird. Jede Strahl-Entnahmeperiode
wird als eine Zeitperiode verwendet, die für das Aufspreizen des Strahls
mit der HF-KO-Einheit 8 erforderlich
ist. Es ist ebenso vorteilhaft, die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 wie
in der zuvor erwähnten
fünften
Ausführungsform
zu verwenden.
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Die
vierzehnte Ausführungsform
ist dahingehend von Vorteil, daß sie
eine einfache Steuerung des Synchrotrons 200 gestattet,
und daß die
Entnahme des Strahles vollständig
während
Zeitperioden zwischen aufeinanderfolgenden Bestrahlungszyklen unterbrochen
werden kann, wenn alle Systemkomponenten hinsichtlich der Strahl-Entnahme während diesen
Zeitperioden deaktiviert sind.
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Fünfzehnte
Ausführungsform
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Eine
fünfzehnte
Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. Während die vorangehenden Ausführungsformen
so dargestellt worden sind, daß sie
bei dem Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem angewandt werden,
welches das Abtast-Bestrahlungsverfahren
verwendet, ist die Erfindung ebenso bei einem System anwendbar,
das ein gewöhnliches
Breitstrahl-Verfahren verwendet. Das Breitstrahl-Verfahren ist eine
Verfahren des Aufbreitens des Strahles unter Verwendung einer Streueinrichtung
oder eines Wobbler-Elektromagneten, was die Bestrahlung von jenen
Bereichen reduziert, die verschieden von dem betroffenen Körperteil
des Patienten 30 sind, das behandelt werden muß.
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Zu
einem Zeitpunkt, wenn es möglich
wird, den betroffenen Teil des Patienten 30 zu bestrahlen, beginnt
das Synchrotron 200 damit, abwechselnd die HF-KO-Einheit 8 und
die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 zu betreiben,
um mit Unterbrechungen den Teilchenstrahl auszugeben. Beim Empfang
eines Befehlssignals zum Unterbrechen des Strahles von einem Bestrahlungs-Steuersystem
beendet das Synchrotron 200 die Entnahme des Strahles,
indem zumindest die HF-KO-Einheit 8 oder die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 deaktiviert
wird.
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Wie
es in der vorhergehenden vierzehnten Ausführungsform beschrieben worden
ist, ist es ebenso vorteilhaft, die Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit 6 zu
verwenden. Im Prinzip kann bei der fünfzehnten Ausführungsform
das gleiche Operationsverfahren verwendet werden, wie es bei der
vierzehnten Ausführungsform
verwendet wird.
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Bei
dem Breitstrahl-Verfahren muß der Strahl
mit einem Bestrahlungs-Dosisfehler emittiert werden, der etwa gleich
dem Fehler bei der Punktabtast-Bestrahlung ist. Jedoch kann im Gegensatz
zu dem Fall bei der Punktabtast-Bestrahlung bei dem Breitstrahlverfahren
die Zeitdauer von jedem Bestrahlungszyklus in Form von Prozentzahlen
hinsichtlich der gesamten Bestrahlungszeit definiert werden.
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Daher
tritt kein Problem auf, wenn das Synchrotron 200 die Strahl-Entnahme
innerhalb etwa einer Millisekunde nach Empfang des Befehlssignals beenden
kann. Das Synchrotron 200 kann die Strahlentnahme beenden,
indem einfach die Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 innerhalb
dieser Zeitperiode ein- und ausgeschaltet wird, wenn die Zeit des
eingeschalteten Zustandes der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 pro
Entnahmezyklus in etwa eine Millisekunde beträgt.
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Wenn
die Zeit des eingeschalteten Zustandes der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 pro
Entnahmezyklus länger
als diese Zeit beträgt, kann
anstelle der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 die
Strahlengang-Ablenk-Elektromagneteinheit 16 oder die Strahlen-Abblock-Elektromagneteinheit 18 in
der Strahlen-Transportleitung 300 zum Beenden der Strahlentnahme
verwendet werden. Da es möglich
ist, die Strahlentnahme ohne irgendwelche Probleme zu beenden, indem
das Magnetfeld in etwa einer Millisekunde variiert wird, dient die
fünfzehnte
Ausführungsform
dazu, ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem geringer Kosten bereitzustellen.
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Wenn
die Zeit des eingeschalteten Zustandes der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 pro
Entnahmezyklus zu lang ist, nimmt der stabile Resonanzbereich zu
stark ab, und die Richtung des entnommenen Strahles variiert um
einen zu großen Betrag.
Wenn es daher notwendig ist, die Zeit des eingeschalteten Zustandes
der Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit 9 zu
erhöhen,
sollte die Zeit des eingeschalteten Zustandes auf einen Wert innerhalb
eines zulässigen
Bereiches gesetzt werden.
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Anhand
der vorangehenden Beschreibung kann erkannt werden, daß die Erfindung
die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie bei dem Punktabtast-Bestrahlungsverfahren
erzeugt, wenn sie gemäß der fünfzehnten
Ausführungsform
bei dem Breitstrahl-Verfahren angewandt wird. Im einzelnen ist die fünfzehnte
Ausführungsform
dahingehend von Vorteil, daß das
Synchrotron 200 den Teilchenstrahl nur während gewünschter
Zeitperioden ausgeben kann, und daß die fünfzehnte Ausführungsform
ein Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystem geringer Kosten bereitstellt.
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Die
soweit beschriebenen ersten bis fünfzehnten Ausführungsformen
sind bei Teilchenbestrahlungs-Behandlungssystemen zum Behandeln von
Krebs und anderen bösartigen
Tumoren sowie zur Sterilisation, Desinfektion, Verbesserung von
Eigenschaften von metallischen Materialien und für physikalische Experimente
mit der Verwendung eines Teilchenstrahls anwendbar.
-
- 1
- Ionenquelle
- 2
- linearer
Beschleuniger
- 3
- Injektions-Septum
- 4
- Haupt-Ablenk-Elektromagneteinheit
- 5
- Haupt-Quadrupol-Elektromagneteinheit
- 6
- Hochfrequenz-Beschleunigungseinheit
- 7
- Sextupol-Elektromagneteinheit
- 8
- HF-KO-Einheit,
Frequenz-Erzeugungsvorrichtung
- 9
- Extraktions-
bzw. Entnahme-Quadrupol-Elektromagneteinheit,
-
- Quadrupol-Magnetfeld-Erzeugungsvorrichtung
- 10
- Entnahme-Septum
- 15
- Strahlmonitor
- 16
- Strahlweg-Ablenk-Elektromagneteinheit
- 17
- Strahl-Zuführungseinheit
- 18
- Strahl-Abblock-Elektromagneteinheit
- 19
- Strahldämpfer
- 20
- Ablenk-Elektromagneteinheit,
Strahl-Ablenkvorrichtung
- 21
- Parallel-Abtast-Elektromagnet
- 22
- Bereichsschieber
- 25
- Ausstrahlungsstrahl-Steuerungs-Elektromagneteinheit
- 30
- Patient,
Bestrahlungsziel
- 31
- Ziel-Verlagerungssensor
- 100
- Strahl-Injektionseinrichtung
- 200
- Teilchenstrahlbeschleuniger
- 300
- Strahl-Transportleitung
- 400
- Bestrahlungseinrichtung