DE102007050035B4

DE102007050035B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn

Info

Publication number: DE102007050035B4
Application number: DE102007050035.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Diehl Dirk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Varian Medical Systems Particle Therapy GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: DE102007050035A1; US20090101832A1; US7868301B2

Abstract

Vorrichtung zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn, umfassend – mindestens einen Strahlführungsmagneten mit einem Spulensystem, welches zumindest eine entlang der Teilchenbahn gekrümmte Spule aufweist zur Ablenkung des Strahls auf eine gekrümmte Teilchenbahn, und – mindestens einen Scannermagneten zur variablen Ablenkung des Strahls in einer y,z-Ebene senkrecht zur Teilchenbahn, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein Korrektursystem aufweist, welches ausgebildet ist, abhängig von der Position des Strahls in der y,z-Ebene die Teilchenbahn mit Hilfe von elektrischen und/oder magnetischen Feldern geregelt oder gesteuert zu beeinflussen, dass das Korrektursystem derart ausgebildet ist, eine Abweichung der Teilchenbahn von einem Sollwert in der y,z-Ebene zu korrigieren und/oder eine Abweichung der Teilchenbahn von einer gewünschten Strahlrichtung, insbesondere von einer Strahlrichtung parallel zu einer Hauptstrahlrichtung, zu korrigieren, dass das Korrektursystem wenigstens ein Elektrodenpaar in Form eines Kondensators, insbesondere in Form eines Plattenkondensators, oder wenigstens eine Korrekturspule umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn. Derartige Vorrichtungen oder Verfahren kommen insbesondere im Rahmen der Partikeltherapie zum Einsatz.
Bei der Partikeltherapie werden Ionen des Wasserstoffs (Protonen), des Kohlenstoffs (C12) oder anderer Elemente auf hohe Geschwindigkeiten (entsprechend Energien von 50–500 MeV/Nukleon) beschleunigt und auf zu behandelndes Tumorgewebe gelenkt. Durch Variation der Partikelenergie kann die Eindringtiefe ins Gewebe eingestellt werden. Erzeugung und Beschleunigung der Ionen erfolgen in einem Teil der Anlage, der aufgrund seiner Größe zwingend ortsfest, also unbeweglich ist. Soll aus medizinischer Sicht zweckmäßigerweise eine Bestrahlung des Tumors aus unterschiedlichen Richtungen erfolgen, ist zusätzlich ein bewegliches Magnetsystem zur Führung und Ablenkung des Ionenstrahls notwendig. Dieses Magnetsystem muss weiterhin in seiner Stärke einstellbar sein, um eine Anpassung an unterschiedliche Teilchenenergien zu ermöglichen, was gut durch Elektromagnete realisiert werden kann. Wird die Beweglichkeit durch Drehbarkeit des Magnetsystems um den Patienten herum realisiert, wird von einer Gantry gesprochen. Eine Gantry umfasst daher ein System von Magneten zur Ablenkung und Fokussierung von Ionen unterschiedlicher Energie sowie die zur Halterung und Drehung notwendige Mechanik. Der Ionenstrahl mit geringem Strahldurchmesser von wenigen Millimetern verlässt das ortsfeste Erzeugungs- und Beschleunigersystem und wird in das um diese Strahlachse drehbare Magnetsystem der Gantry eingeschossen. Im Magnetsystem der Gantry erfährt der Strahl eine Ablenkung aus der Drehachse, Fokussierungen und weitere Ablenkungen um letztlich unter einem stumpfen Winkel beispielsweise senkrecht zur Drehachse und damit zur ursprünglichen Strahlachse diese im so genannten Isozentrum zu kreuzen (vergleiche ). Dabei erfolgen die Ablenkungen durch Dipolfelder und die Fokussierungen durch aufeinander folgende gekreuzte Quadrupolfelder. Zur Bestrahlung eines räumlich ausgedehnten Tumors ist neben der Variation der Partikelenergie entsprechend seiner Tiefe im Gewebe eine Variation längs der beiden anderen Ortskoordinaten in der Schicht dieser Tiefe notwendig. Dies wird durch zwei Scanner-Magnete realisiert, die Bestandteil der Gantry sind und den Strahl in der horizontalen bzw. vertikalen Ebene um einen kleinen Winkel ablenken können, da sie im Gegensatz zu den anderen Magneten sehr schnell angesteuert werden können. Die Anpassung der Bestromung der übrigen Ablenk- und Fokussier-Magneten entsprechend der jeweiligen Teilchenenergie kann nur langsam erfolgen.
DE 199 07 771 A1 offenbart ein Verfahren zur Überprüfung einer Bestrahlungssteuereinheit eines Ionenstrahl-Therapiesystems, welches Betriebssicherheit und Betriebsstabilität des Ionenstrahl-Therapiesystems gewährleistet. Das dort beschriebene Ionenstrahl-Therapiesystem umfasst Strahlführungs- und Rasterscannermagnete.
DE 100 57 824 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anpassung einer Ionenstrahlfleckgröße in der Tumorbestrahlung. Dazu weist die Vorrichtung eine Rasterscaneinrichtung aus Rasterscanmagneten zur Rasterscannung eines Ionenstrahls auf. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung Ionenstrahlfleckgröße bestimmende Quadrupolmagnete, die unmittelbar vor den Rasterscanmagneten angeordnet sind, und schließlich zwei Magnetstromnetzgeräte für das Quadrupoldoublett der Ionenstrahlfleckgröße bestimmenden Quadrupolmagnete, wobei die Vorrichtung eine Regelschleife zur Gewinnung von Stromkorrekturwerten unter Vergleich von Soll- und Istwerten einer aktuellen Strahlenausdehnung für zwei Magnetstromnetzgeräte des unmittelbar vor dem Rasterscanmagneten angeordneten Quadrupoldoubletts zur definierten Homogenisierung und/oder zur definierten Variation der Ionenstrahlfleckgröße aufweist.
Zwei Strahlenoptiken können unterschieden werden:

a) Die Scanner-Magnete sind (anders als in dargestellt) die letzte ionenoptische Komponente der Gantry. In diesem Fall kann der Strahldurchmesser durch die gesamte Gantry gering gehalten werden, d. h. die Apertur und damit auch die Baugröße der zuvor durchlaufenen Ablenk- und Fokussier-Magnete kann klein gehalten werden. Allerdings treffen die Partikel wegen der Ablenkung durch die Scanner-Magnete unter verschiedenen Winkeln auf die zu behandelnde Fläche. Gewünscht ist dagegen ein paralleles Auftreffen der Partikelstrahlen.
b) Die Scanner-Magnete sind vor dem abschließenden Ablenk-Magneten platziert. Dies führt dazu, dass die Defokussierung, die durch die Scanner-Magnete hervorgerufen wird, durch den anschließenden Magneten kompensiert werden kann, die Partikel die Gantry also in nahezu parallelen Strahlen verlassen können.

Werden für die Gantry Magnete mit Eisenjoch verwendet, wie es üblicherweise bei ionenoptischen Systemen der Fall ist, ist die maximal erreichbare magnetische Flussdichte aufgrund von Sättigungseffekten im Eisen (bzw. dem hierbei verwendeten ferromagnetischen Material) auf etwa 2 Tesla limitiert. Da der erzielbare Ablenkradius umgekehrt proportional zur magnetischen Flussdichte ist, kann bei Verwendung von ferromagnetischem Jochmaterial der erforderliche Ablenkwinkel nur mit einer in Bezug auf das Gewicht und die Kosten nicht vertretbaren Größe des Magnetsystems erzielt werden. Eine Alternative stellt die Verwendung von supraleitenden Luftspulen dar. Hierdurch lassen sich wesentlich höhere Flussdichten realisieren, sodass sich der benötigte Ablenkradius um den entsprechenden Faktor verringert.
Betrachtet wird im Folgenden nur noch der letzte, abschließende 90°-Ablenkmagnet. Dieser kann durch Einzelspulen mit rechteckigem Querschnitt realisiert werden, die das Volumen des Partikelstrahls umschließen. Als Startanordnung kann beispielsweise ein aktiv geschirmtes Design aus zwei über die Außenseiten geschlossenen Spulen sowie Paaren von Haupt-, End- und Hauptkorrekturspulen verwendet werden, wie es in 2 dargestellt ist. Die Positionen und Querschnitte dieser Einzelspulen werden üblicherweise so gewählt, dass die ionenoptischen Anforderungen nach parallel austretenden Teilchenstrahlen und gleichmäßiger Ortsverteilung der Teilchen erfüllt werden.
Bei der Auslegung eines Ablenkmagneten tritt regelmäßig das Problem auf, dass die ionenoptischen Anforderungen bezüglich Parallelität bei gleichzeitig gleichmäßiger Ortsverteilung der Teilchen in der Ebene des Isozentrums (für linear angesteuerte Scanner-Magnete) prinzipiell nicht perfekt erfüllt werden können. In 3 ist ein Beispiel einer Orts- und Winkel-Abweichung für eine bereits sehr weit optimierte Spulenkonfiguration gegeben. Wenn ferromagnetische Bauteile beispielsweise zur Abschirmung einzelner Komponenten verwendet werden, sind die B-Felder nicht mehr linear zum Strom, wodurch die Abbildung nur noch für eine Ionenenergie optimal sein kann.
Die Möglichkeiten die ionenoptischen Anforderungen (Parallelität und gewünschte Ortsverteilung) zu erfüllen sind prinzipiell begrenzt. Limitierungen ergeben sich beispielsweise aus der begrenzten Stromtragfähigkeit realer Leiter. Dies gilt auch für Supraleiter, deren maximalen Stromdichten weiterhin noch stark von der magnetischen Flussdichte am Ort des Leiters abhängen.
Beliebig hohe Anforderungen bzgl. Parallelität bei gleichzeitiger gleichmäßiger Ortsverteilung lassen sich nur mit sehr großen Ablenkradien erzielen. Dies steht jedoch im Widerspruch zu Forderung einem möglichst kompakten und leichten Ablenkmagneten realisieren zu wollen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn anzugeben, die auch bei einem gescannten Teilchenstrahl eine möglichst genaue Strahlführung auf einfache Weise ermöglicht. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn anzugeben, das auch bei einem gescannten Strahl eine möglichst genaue Strahlführung auf einfache Weise ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Die Vorrichtung zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn umfasst:

– mindestens einen Strahlführungsmagneten mit einem Spulensystem, welches zumindest eine entlang der Teilchenbahn gekrümmte Spule aufweist zur Ablenkung des Strahls auf eine gekrümmte Teilchenbahn, und
– mindestens einen Scannermagneten zur variablen Ablenkung des Strahls in einer y,z-Ebene senkrecht zur Teilchenbahn, wobei die Vorrichtung mindestens ein Korrektursystem aufweist, welches ausgebildet ist, abhängig von der Position des Strahls in der y,z-Ebene die Teilchenbahn mit Hilfe von elektrischen und/oder magnetischen Feldern geregelt oder gesteuert zu beeinflussen.

Das Verfahren zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn, umfasst folgende Schritte:

– Ablenkung des Strahls auf eine gekrümmte Teilchenbahn unter Verwendung mindestens eines Strahlführungsmagneten mit einem Spulensystem, welches entlang der Teilchenbahn gekrümmte Spulen aufweist,
– variable Ablenkung des Strahls in einer y,z-Ebene senkrecht zur Teilchenbahn unter Verwendung mindestens eines Scannermagneten mit einem Spulensystem, wobei
– eine zusätzliche Ablenkung des Stahls erfolgt, abhängig von der Position der Teilchenbahn in der y,z-Ebene, durch Regelung oder Steuerung mindestens eines Korrektursystems mit einer Korrekturregel- oder Steuereinheit und mit einer Korrekturablenkeinheit.

Der Erfindung liegt folglich die Idee zu Grunde, Ungenauigkeiten in der Ablenkung des Strahls durch den Ablenkmagneten mit einem Korrektursystem auszugleichen, und zwar abhängig von der Position des Strahls in der Ebene senkrecht zur Teilchenbahn. Das Korrektursystem steuert bzw. regelt die Teilchenbahn je nach Position des Strahls in der y,z-Ebene unterschiedlich und korrigiert so die Position des Strahls und/oder die Abweichung der Richtung des Strahls z. B. von einer Hauptstrahlrichtung. Das Korrektursystem kann dabei zumindest eine Korrekturspule und/oder zumindest einen Korrekturkondensator umfassen, mit denen ein magnetisches bzw. elektrisches Feld eingestrahlt wird.
Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es zeigen:
1 eine Bestrahlungsanlage mit einem Gantry-System,
2 einen Strahlführungsmagneten in einer Seitenansicht,
3 ein Diagramm mit Austrittsorten und Winkelabweichungen in einer Ebene des Isozentrums senkrecht zur Hauptstrahlrichtung,
4 einen Strahlführungsmagneten in einer Perspektivansicht mit zwei Elektrodenpaaren,
5 einen Strahlführungsmagneten in einer weiteren Perspektivansicht mit zwei Elektrodenpaaren,
6 eine Skizze der Elektrodenpaare mit Steuerspannungen für horizontale und vertikale Ablenkung
7 einen Strahlführungsmagneten in einer Perspektivansicht mit zwei Korrekturspulenpaaren,
8 einen Strahlführungsmagneten in einer Seitenansicht mit zwei Korrekturspulenpaaren,
9 eine Diagramm gemäß 3, in dem der Scan-Verlauf in der Ebene des Isozentrums eingezeichnet ist.
1 zeigt eine Bestrahlungsanlage 100, mit welcher ein Strahl elektrisch geladener Teilchen (Teilchenstrahl) 102, ausgehend von einer Teilchenquelle bzw. -beschleuniger 101 mit Hilfe eines Gantry-Systems entlang einer gekrümmten Teilchenbahn abgelenkt wird. Bei dem Teilchenstrahl 102 kann es sich insbesondere um einen Strahl von C⁶⁺-Ionen handeln. Der Teilchenstrahl 102 wird innerhalb eines Strahlführungsrohres 103 geführt. Durch die gekrümmte Bahn des Teilchenstrahls 102 wird eine Strahlführungsebene 104 vorgegeben. Der Teilchenstrahl 102 wird aus einer durch die Teilchenquelle bzw. den -beschleuniger 101 vorgegebenen Richtung mit Hilfe mehrerer Ablenkmagnete 105 und/oder Quadrupolmagnete 107 aus seiner ursprünglichen Richtung mehrfach abgelenkt bzw. fokussiert. Ablenkmagnete 105 und/oder Quadrupolmagnete 107, sowie weitere Magnete, beispielsweise sogenannte Scanner-Magnete 106, sind Teil des Gantry-Systems, welches um eine festgelegte Rotationsachse A drehbar ist. Neben den Ablenkmagneten 105, Quadrupolmagneten 107 und Scanner-Magneten 106 weist ein Gantry-System ein Gestell zur Halterung der entsprechenden Magnete auf.
Mit Hilfe des Gantry-Systems ist es möglich, den Teilchenstrahl 102 in ein sogenanntes Isozentrum 109 zu lenken. Unter einem Isozentrum 109 ist in diesem Zusammenhang derjenige Bereich zu verstehen, in welchem der Teilchenstrahl 102 die Gantry-Rotationsachse A schneidet. Bei einer Rotation des Gantry-Systems verläuft der Teilchenstrahl 102 stets durch das Isozentrum 109. Das Isozentrum 109 befindet sich innerhalb eines Bestrahlungsraums 108. Wird eine Bestrahlungsanlage 100, beispielsweise zur Krebstherapie eingesetzt, so befindet sich im Bereich des Isozentrums 109 ein beispielsweise mit C⁶⁺-Ionen zu bestrahlender Tumor oder ein zu bestrahlendes Phantom.
2 zeigt einen Strahlführungsmagneten, d. h. einen 90°-Ablenkmagneten, in einer Seitenansicht. Mit einem derartigen Strahlführungsmagneten wird der Partikelstrahl beispielsweise um 90° abgelenkt. Der Strahlführungsmagnet umfasst mehrere Spulensysteme.
In 2 sind die einzelnen Spulen eines ersten und zweiten Spulenteilsystems dargestellt. Das erste Spulenteilsystem umfasst zwei Hauptspulen 201, wobei in 4 lediglich eine der beiden Hauptspulen dargestellt ist, wobei die entsprechende zweite Hauptspule, die spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene angeordnet ist, deckungsgleich mit der ersten zu liegen käme. Die ersten Hauptspulen 201 weisen jeweils aufgebogene Endteile 205, 206 auf. Zwischen den aufgebogenen Endteilen 205, 206 befinden sich die Nebenspulen 207. Die Hauptspulen 201 weisen jeweils entlang der Teilchenbahn langgestreckte Seitenteile 203 auf, die Nebenspulen 207 weisen jeweils weitgehend flache, langgestreckte Seitenteile 208 auf.
Die Endteile 205, 206 der Hauptspulen 201, 202 können derart aufgebogen sein, dass sie sich mit den bogenförmigen Endteilen 209, 210 der Nebenspulen 207 in der Projektion in die Strahlführungsebene überlappen.
Das zweite Spulenteilsystem umfasst zwei zweite Hauptspulen 302, 303, welche jeweils bananenförmig gekrümmt sind und im Bereich der Strahlführungsebene zwischen den ersten Hauptspulen 201 angeordnet sind. Die zwei zweiten Hauptspulen 302, 303 weisen jeweils ein der Teilchenbahn nahes Teilstück und ein der Teilchenbahn fernes Seitenteil auf.
Das in 2 dargestellte Spulensystem kann neben dem ersten und dem zweiten Spulenteilsystem im Innenbereich der Nebenspule angeordnete Hauptkorrekturspulen 301 aufweisen. Ein Strahl elektrisch geladener Teilchen 101 kann mit dem in 2 dargestellten Spulensystem in ein Isozentrum 109 abgelenkt werden.
3 zeigt ein Diagramm, das in der Ebene des Isozentrums die Austrittsorte (Kreuze) und Winkelabweichungen von einer idealen senkrechten Einfallsrichtung (Pfeile) zeigt, wenn ein unkorrigierter Ablenkmagnet, wie er beispielsweise in 2 dargestellt ist, zur Ablenkung des Teilchenstrahls eingesetzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, den Ablenkmagneten mit zusätzlichen Elektrodenpaaren vorzugsweise ausgangsseitig und innerhalb des Strahlrohres auszustatten, die unabhängig von der Bestromung des Magnetsystems des Ablenkmagneten paarweise einzeln für die horizontale und vertikale Ablenkung unter Spannung gesetzt werden können, um kleine Winkelkorrekturen durch ein elektrisches Feld zu ermöglichen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrodenpaare in Form von Kondensatoren, insbesondere in Form von Plattenkondensatoren, ausgebildet.
Derartige Elektrodenpaare 700, 702 sind in 4 und 5 gezeigt. Die die Elektrodenpaare 700, 702 umgebenden Spulen des Ablenkmagneten sind durchsichtig gezeigt, um einen Blick auf das Elektrodenpaar zu ermöglichen. Ein erstes Elektrodenpaar 700 ermöglicht die Ablenkung des Teilchenstrahls in y-Richtung (horizontale Richtung) während das zweite Elektrodenpaar 702 die Ablenkung des Teilchenstrahls in z-Richtung (vertikale Richtung) ermöglicht.
Die Ansteuerung beider Elektrodenpaare 700, 702 erfolgt gleichzeitig und nach Stärke entsprechend der notwendigen Korrektur für beide Richtungen für den jeweiligen Strahl. Damit kann zunächst eine vergrößerte Ortsabweichung verbunden sein. Diese kann jedoch durch angepasste Ansteuerung der Scanner-Magnete ebenfalls vollständig kompensiert werden (Winkelkorrektur beim Einschuss von typischerweise unter 1 mrad).
Folgendes Zahlenbeispiel soll die technische Realisierbarkeit der Ansteuerung der Elektrodenpaare verdeutlichen:
Für die Winkelkorrektur der Ablenkung eines C⁶⁺-Ions mit 430 MeV/u um 10 mrad – was mehr als doppelt so groß ist, wie für die in 3 dargestellte Verteilung zur Korrektur notwendig – wird eine elektrische Feldstärke von etwa 200 kV/m entlang der Hälfte der Bahnlänge innerhalb des Magneten erforderlich, d. h. wenn die Elektrodenpaare 45° auf der Innenseite des Strahlrohres abdecken, wie in 4 dargestellt.
Bei einem Elektrodenabstand von 0.2 m ist eine Spannung von 40 kV anzulegen (siehe auch 5 und 6).
Für C⁶⁺-Ionen geringerer Energie sind entsprechend geringere E-Felder und damit geringere Spannungen erforderlich.
Die Energieänderung der Ionen beim Durcheilen des elektrischen Korrekturfeldes ist vernachlässigbar gering, da zum einen das Feldstärke-Bahnlängen-Produkt gering ist und weiterhin die Richtung des elektrischen Feldes nahezu vollständig senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ionen steht, womit nur eine Richtungsänderung, jedoch keine Geschwindigkeitsänderung der Ionen verbunden ist.
Mittels des elektrischen Feldes, das zwischen den Elektrodenpaaren 700, 702 aufgebaut wird, kann die Winkelabweichung für jeden Strahl, der z. B. zu Therapiezwecken nur eine geringer Ausdehnung relativ zur Apertur des Magneten (z. B. 1 bis 5 mm Strahl-Durchmesser relativ zu 200 × 200 mm² Apertur) aufweist, für jeden Ort innerhalb der Apertur vollständig korrigiert werden. Mit Hilfe der einzeln angesteuerten Elektrodenpaare in Verbindung mit der geeigneten Ansteuerung der Scanner-Magnete ist es somit möglich, einen Strahl geringer Ausdehnung exakt an jedem Ort innerhalb der Apertur exakt parallel austreten zu lassen und damit die unvermeidlichen Abbildungsfehler des Magnetsystems zu korrigieren.
Das Magnetsystem des Hauptmagneten sollte jedoch bereits befriedigende Abbildungseigenschaften, wie z. B. die in gezeigten, aufweisen. In diesem Fall können verbleibenden Ungenauigkeiten umso einfacher korrigiert werden. Größere Abweichungen, z. B. Verzerrungen des Strahlflecks (ein Strahl mit rundem Querschnitt könnte den Ablenkmagneten beispielsweise mit leicht elliptischem Querschnitt verlassen) sind mit obiger Vorrichtung und Verfahren nicht korrigierbar. Die Anforderungen an die ionenoptischen Eigenschaften bezüglich der Strahlverzerrungen sind im Vergleich zu Winkel- und Orts-Abweichungen jedoch eher gering. Insbesondere ist das Korrekturverfahren und die Vorrichtung anwendbar für Magnetanordnungen, die nichtlineare Materialien wie ferromagnetische Abschirmungen enthalten, die prinzipiell nicht für alle Ionenenergien gleichzeitig optimale Abbildungseigenschaften aufweisen können.
In einer Weiterbildung zur Verringerung der betragsmäßig maximalen Ansteuerspannung, die zur Korrektur z. B. in horizontaler Richtung notwendig ist, kann die Bestromung des Magnetsystems und die Scanner-Ansteuerung für jede Scan-Zeile (wie in 9 angedeutet) derart eingestellt werden, dass die positiven und negativen Winkelabweichungen betragsmäßig gleich groß sind. Damit werden die erforderlichen Ansteuerspannungen für jede Zeile symmetrisch um Null und der Absolutwert der Spannung minimiert.
Eine entsprechende Korrektur für die vertikale Richtung ist üblicherweise nicht notwendig, solange das Magnetsystems spiegelsymmetrisch zur z = 0 Ebene ist, da dann aus Symmetriegründen auch die Winkelabweichungen symmetrisch sind.
Auf diese Weise reduziert sich die Verringerung des Absolutwerts der Elektrodenspannung und damit die Gefahr eines Überschlags. Die Verwendung eines elektrischen Feldes für kleine Winkelkorrekturen hat den Vorteil, dass sie schnell erfolgen kann, da nur geringe Kapazitäten umgeladen werden müssen, was die voxel- bzw. pixelweise Korrektur während des Scannens erlaubt. Weiterhin besteht keine Verkopplung des Magnetsystems mit einer Korrektureinrichtung, die auf elektrischen Feldern basiert, im Gegensatz zu einer solchen, die auf Magnetfelder basiert (also einem Korrekturspulensystem).
6 zeigt die Ansteuerung der Elektrodenpaare 700, 702 mit Steuerspannung jeweils für die horizontale und vertikale Ablenkung.
In einer anderen Ausführungsform wird vorgeschlagen, den Ablenkmagneten mit zusätzlichen Korrekturspulenpaaren (vorzugsweise am Ausgang des Magneten) auszustatten, die unabhängig von der Bestromung der Hauptmagneten paarweise einzeln für die horizontale und vertikale Ablenkung angesteuerten werden können. Damit kann zunächst eine vergrößerte Ortsabweichung verbunden sein, die jedoch durch geeignete Ansteuerung der Scanner-Magnete (Winkelkorrektur beim Einschuss von typisch unter 1 mrad) ebenfalls vollständig kompensiert werden kann.
Derartige Korrekturspulenpaare sind beispielsweise in 7 und 8 dargestellt. 7 zeigt ein erstes Korrekturspulenpaar 800 für die Ablenkung in y-Richtung (horizontale Richtung) und ein senkrecht dazu angeordnetes zweites Korrekturspulenpaar 802 für die Ablenkung in z-Richtung (vertikale Richtung).
Mittels der Korrekturspulen 800, 802 kann die Winkelabweichung für jeden Strahl, der z. B. zu Therapiezwecken nur eine geringer Ausdehnung relativ zur Apertur des Magneten (z. B. 1 bis 5 mm Strahl-Durchmesser relativ zu 200 × 200 mm² Apertur) aufweist, für jeden Ort innerhalb der Apertur vollständig unterdrückt werden. Mit Hilfe der einzeln angesteuerten Korrekturspulenpaaren 800, 802 in Verbindung mit der geeigneten Ansteuerung der Scanner-Magnete ist es somit möglich, einen Strahl geringer Ausdehnung exakt an jedem Ort innerhalb der Apertur exakt parallel austreten zu lassen und damit die unvermeidlichen Abbildungsfehler des Hauptmagneten zu korrigieren.
Das Magnetsystem des Hauptmagneten sollte jedoch bereits befriedigende Abbildungseigenschaften, wie z. B. die in gezeigten, aufweisen. In diesem Fall können verbleibenden Ungenauigkeiten umso einfacher korrigiert werden. Größere Abweichungen, z. B. Verzerrungen des Strahlflecks (ein Strahl mit rundem Querschnitt könnte den Ablenkmagneten beispielsweise mit leicht elliptischem Querschnitt verlassen) sind mit obiger Vorrichtung und Verfahren nicht korrigierbar. Die Anforderungen an die ionenoptischen Eigenschaften bezüglich der Strahlverzerrungen sind im Vergleich zu Winkel- und Orts-Abweichungen jedoch eher gering. Insbesondere ist das Korrekturverfahren und die Vorrichtung anwendbar für Magnetanordnungen, die nichtlineare Materialien wie ferromagnetische Abschirmungen enthalten, die prinzipiell nicht für alle Ionenenergien gleichzeitig optimale Abbildungseigenschaften aufweisen können. Insbesondere ist das Korrekturverfahren und die Vorrichtung anwendbar für Magnetanordnungen, die nichtlineare Materialien wie ferromagnetische Abschirmungen enthalten, die prinzipiell nicht für alle Ionenenergien gleichzeitig optimale Abbildungseigenschaften aufweisen können.
In einer ähnlichen Ausführungsvariante ergibt sich eine Vereinfachung, wenn auf das erste Korrekturspulenpaar 800 für horizontale Ablenkung verzichtet und stattdessen die Bestromung des Hauptmagneten korrigiert wird. Hierdurch wird ein Korrekturspulenpaar 800 und deren Stormquelle eingespart.
Die hohe Induktivität des Hauptmagneten erschwert schnelle Stromänderungen wegen der dafür erforderlichen hohen Spannungen und – falls ein supraleitender Magnet eingesetzt wird – den im Supraleiter auftretenden AC-Verlusten. Daher kann in einer Weiterbildung die Bestromung des Hauptmagneten auf den Mittelwert des für eine Scan-Zeile (vergleiche 9) benötigten Korrekturstroms eingestellt werden und die Korrektur von Voxel zu Voxel mit dem horizontalen ersten Korrekturspulenpaar 800 durchgeführt werden.
Damit wird vorteilhaft nur noch eine Stromänderung (relative Stromänderung in der Größenordnung von unter 1 Promille!) pro Zeile für den Hauptmagneten notwendig und der Mittelwert des Korrekturstroms über eine Zeile im ersten Korrekturspulenpaar 800 verschwindet, womit geringere Verluste in den beispielsweise normalleitenden Korrekturspulen auftreten.
Bei allen obigen Versionen mit Korrekturspulenpaaren 800, 802 kann üblicherweise eine starke induktive Verkopplung der Korrekturspulen und der Spulen des Hauptmagneten vorliegen. Schnelle Stromänderungen in den Korrekturspulen können dann hohe Spannungen in dem Hauptspulensystem induzieren, die dann von dessen Stromquelle ausgeregelt werden können.
In einer Weiterbildung kann dem begegnet werden, indem die Ansteuerungssignale für die Bestromung der Korrekturspulen entsprechend der Verkopplung mit dem Hauptspulensystem als Korrekturgröße in die Regelegung oder Steuerung der Stromquelle des Hauptspulensystems einbezogen werden. Alternativ dazu kann ebenso eine zusätzliche, gesteuerte Spannungsquelle in Serie mit dem Hauptspulensystem und der Hauptspulenstromquelle geschaltet werden, die die Induktionsspannung aufgrund der Korrekturspulen-Stromänderung entsprechend deren Ansteuerung kompensiert. Hierdurch verbessert sich bzw. erleichtert sich die Stromregelung im Hauptspulensystem.
Folgende Zahlenbeispiele sollen die technische Realisierbarkeit der Ansteuerung der Korrekturspulen unterstreichen:
Für die Winkelkorrektur der Ablenkung eines C⁶⁺-Ions mit 430 MeV/u um 10 mrad (was mehr als doppelt so groß ist, wie für die in 3 dargestellte Verteilung) wird eine Flussdichte von etwa 90 mT im Zentrum des ersten Korrekturspulenpaares 800 benötigt, wobei die Spulen 1 m Abstand und 0,5 m Radius haben. Diese Flussdichte wird für eine Durchflutung je Spule von etwa 100 kA·Windungen erreicht. Jede einzelne Korrekturspule des Paares für horizontale Ablenkung mit einem Radius von 0,5 m und Querschnitt von 5 × 10 cm² weist bei einer Windung eine Induktivität von etwa 1.6 μH auf. Wird die Durchflutung auf 500 Windungen verteilt (Leiterstrom 200 A, evtl. kann der Spulenquerschnitt erhöht werden, um die Stromdichte zu verringern) ergibt sich eine Einzelspuleninduktivität von 0,4 H. Werden 100 Voxel von 2 mm Größe entlang einer Zeile von 200 mm je 1 s bestrahlt, dauert eine Zeile 100 s. Wird daraus eine Frequenz von 1/100 s für die Änderung von –10...10 mrad abgeleitet, dann muss eine Spannung von nur 10 V an das in Serie geschaltete Korrekturspulenpaar angelegt werden, was technisch einfach möglich ist. (Zum Vergleich: Gradientenverstärker bei der MRI liefern Spannungen bis 2 kV bei Strömen bis 500 A und Anstiegszeiten von 200 μs.)
Für Kohlenstoff-Ionen geringerer Energie sind entsprechend geringere Flussdichten und Ströme erforderlich.
Ob die Korrekturspulenpaare 800, 802 vorteilhaft normal- oder supraleitend ausgeführt werden, kann anhand der verschiedenen Verlustbeiträge und des Kühlkonzepts der gesamten Magnetanordnung bewertet werden. Aus ionenoptischer Sicht ist beides möglich.
9 zeigt den Verlauf eines gescannten Teilchenstrahls entlang einer y,z-Ebene, die in y-Richtung angeordneten Zeilen abgescannt wird.

Claims

Vorrichtung zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn, umfassend – mindestens einen Strahlführungsmagneten mit einem Spulensystem, welches zumindest eine entlang der Teilchenbahn gekrümmte Spule aufweist zur Ablenkung des Strahls auf eine gekrümmte Teilchenbahn, und – mindestens einen Scannermagneten zur variablen Ablenkung des Strahls in einer y,z-Ebene senkrecht zur Teilchenbahn, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein Korrektursystem aufweist, welches ausgebildet ist, abhängig von der Position des Strahls in der y,z-Ebene die Teilchenbahn mit Hilfe von elektrischen und/oder magnetischen Feldern geregelt oder gesteuert zu beeinflussen, dass das Korrektursystem derart ausgebildet ist, eine Abweichung der Teilchenbahn von einem Sollwert in der y,z-Ebene zu korrigieren und/oder eine Abweichung der Teilchenbahn von einer gewünschten Strahlrichtung, insbesondere von einer Strahlrichtung parallel zu einer Hauptstrahlrichtung, zu korrigieren, dass das Korrektursystem wenigstens ein Elektrodenpaar in Form eines Kondensators, insbesondere in Form eines Plattenkondensators, oder wenigstens eine Korrekturspule umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrektursystem eine Korrekturregel- oder Steuereinheit zur Erzeugung eines Regel- bzw. Steuersignals und eine Korrekturablenkeinheit zur Veränderung der Teilchenbahn abhängig vom Regel- bzw. Steuersignal umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturablenkeinheit einen ersten Plattenkondensator, welcher ausgebildet ist, eine erste Ablenkung des Strahls in einer ersten Richtung in der y,z-Ebene zu erzeugen, und einen zweiten Plattenkondensator, welcher ausgebildet ist eine weitere Ablenkung des Strahls in einer zur ersten Richtung senkrechten Richtung in der y,z-Ebene zu erzeugen, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Korrekturablenkeinheit mindestens zwei Korrekturspulen paarweise, gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturablenkeinheit ein erstes Paar Korrekturspulen, welche ausgebildet sind, eine Ablenkung des Strahls in einer ersten Richtung in der y,z-Ebene zu erzeugen, und ein zweites Paar Korrekturspulen, welche ausgebildet sind eine weitere Ablenkung des Strahls in einer zur ersten Richtung senkrechten Richtung in der y,z-Ebene zu erzeugen, umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuerung des Korrektursystems mittels Korrekturstrom und/oder Korrekturspannung erfolgt, welche/welcher unabhängig von einem Steuerstrom des mindestens einen Strahlführungsmagneten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der mindestens eine Scannermagnet entlang der Bewegungsrichtung der Teilchen vor dem mindestens einen Strahlführungsmagneten angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Korrekturablenkeinheit in einem Bereich des Strahlaustritts des mindestens einen Strahlführungsmagneten angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einer rotierbaren Gantry angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturablenkeinheit innerhalb eines Strahlrohres der Gantry ausgebildet ist.
Verfahren zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen auf eine gekrümmte Teilchenbahn, mit den Schritten – Ablenkung des Strahls auf eine gekrümmte Teilchenbahn unter Verwendung mindestens eines Strahlführungsmagneten mit einem Spulensystem, welches entlang der Teilchenbahn gekrümmte Spulen aufweist, – variable Ablenkung des Strahls in einer y,z-Ebene senkrecht zur Teilchenbahn unter Verwendung mindestens eines Scannermagneten mit einem Spulensystem, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zusätzliche Ablenkung des Strahls erfolgt, abhängig von der Position der Teilchenbahn in der y,z-Ebene, durch Regelung oder Steuerung mindestens eines Korrektursystems mit einer Korrekturregel- oder Steuereinheit und mit einer Korrekturablenkeinheit, dass die Korrekturregel- oder Steuereinheit Kondensatoren und/oder Korrekturspulen, die in der Korrekturablenkeinheit angeordnet sind, regelt oder steuert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturablenkeinheit über Strom und/oder Spannung geregelt oder gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Korrekturspulen paarweise einzeln oder gemeinsam und/oder Korrekturkondensatoren einzeln oder gemeinsam für eine y-Ablenkung und/oder z-Ablenkung in der y,z-Ebene angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Korrekturablenkeinheit unabhängig von der Ansteuerung der Strahlführungsmagneten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturablenkeinheit für eine Ablenkrichtung in der y,z-Ebene angesteuert wird, und die Korrektur der Ablenkung in einer zur Ablenkrichtung senkrechten Ablenkrichtung in der y,z-Ebene über eine Regelung oder Steuerung des zumindest einen Strahlführungsmagneten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der die Ansteuerung der Scannermagnete zu einer Kompensation der Abweichung der Schnittpunkte der Teilchenbahn mit der y,z-Ebene von gewünschten Sollpositionen, hervorgerufen durch die Korrekturablenkeinheit, führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom des zumindest einen Strahlführungsmagneten auf einen Mittelwert eines für eine Scan-Zeile benötigten Korrekturstroms eingestellt wird, und die Korrektur, abhängig von der Position der Teilchenbahn in der y,z-Ebene, durch Steuerung oder Regelung der Korrekturablenkeinheit erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung oder Regelung des Strahlführungsmagneten abhängig von der Wechselwirkung zwischen Korrekturablenkeinheit und Strahlführungsmagneten und der Ansteuerung oder Regelung der Korrekturablenkeinheit erfolgt.
Verfahren einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass über eine zusätzliche, gesteuerte Spannungsquelle die Steuerung des Strahlführungsmagneten abhängig von der Ansteuerung oder Regelung der Korrekturablenkeinheit erfolgt.