Bestrahlungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung eines Bestrahlungsobjektes mit schweren geladenen Teilchen, wobei das Bestrahlungsobjekt an einem Bestrahlungsplatz plaziert und dann mit einem dort auftreffenden Teilchenstrahl bestrahlt wird. Als schwere geladene Teilchen werden geladene Teilchen angesehen, die mindestens ein Nukleon (Proton oder Neutron) enthalten. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in der Krebstherapie zur Bestrahlung von Tumoren mit Protonen oder schwereren Ionen, z. B. He ²⁺ oder C ⁶⁺ , eingesetzt.

Ein vorbekanntes Protonentherapiesystem mit mehreren Behandlungsplätzen ist in der US 4,870,287 beschrieben. Derartige Mehrplatz-Systeme umfassen einen Protonenbeschleuniger, typischerweise ein isochrones Zyklotron oder ein Synchrotron zur Bereitstellung eines Protonenstrahls. Des weiteren umfassen die vorbekannten Mehrplatz-Systeme ein Strahlführungssystem um den Protonenstrahl vom Protonenbeschleuniger zu den verschiedenen Behandlungsplätzen zu führen. Außerdem weisen die bekannten Vorrichtungen sogenannte Gantries auf, die es ermöglichen, den Protonenstrahl aus unterschiedlichen Richtungen auf das am Bestrahlungsplatz isozentrisch plazierte Bestrahlungsobjekt treffen zu lassen. Bei einer solchen

Gantry handelt es sich um eine schwenkbare Vorrichtung, in die der entlang der Schwenkachse eintreffende Protonenstrahl eingekoppelt wird, und in der er durch entsprechende Strahloptik von der Schwenkachse weg und weiter so umgelenkt wird, daß er durch Rotation der Gantry aus unterschiedlichen Richtungen auf den Bestrahlungsplatz trifft, der sich zumeist auf der Schwenkachse der Gantry befindet.

Bei den vorbekannten Mehrplatz-Systemen wird für mehrere Behandlungsplätze nur ein Teilchenbeschleuniger benötigt, so daß sich der vergleichsweise hohe Kostenaufwand für große Beschleunigeranlagen auf mehrere Behandlungsplätze verteilt. Andererseits steigen durch die Mehrzahl von Behandlungsplätzen die Gesamtkosten für die Anlage. Außerdem werden für die Mehrplatz-Systeme vergleichsweise große Flächen und Gebäude benötigt, was insbesondere wegen der Strahlenschutzanforderungen hohe Kosten nach sich zieht. Zudem müssen bei Mehrplatz-Systemen die Behandlungspläne an den einzelnen Behandlungsplätzen aufeinander abgestimmt werden, da nicht an verschiedenen Behandlungsplätzen gleichzeitig bestrahlt werden kann. Dies führt zu dem weiteren Nachteil, daß eine Verzögerung an einem Behandlungsplatz eine Verzögerung an den anderen Behandlungsplätzen nach sich zieht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Bestrahlungsvorrichtung vorzuschlagen. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung kompakt ausgestaltet sein und weniger Platz benötigen, so daß die Investitionskosten gegenüber vorbekannten Anlagen gesenkt werden können. Außerdem soll die Erfindung ermöglichen, daß auf die Abstimmung der Behandlungspläne an verschiedenen Bestrahlungsplätzen verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Bestrahlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung umfaßt einen Teilchenbeschleuniger zur Bereitstellung eines Strahls schwerer geladener Teilchen (Teilchenstrahl). Erfindungsgemäß ist der Teilchenbeschleuniger auf einen um mindestens eine Achse schwenkbaren Träger montiert. Der Träger ist Bestandteil einer Schwenkvorrichtung, die derart ausgestaltet ist, daß der auf den Behandlungsplatz gerichtete Teilchenstrahl durch Drehen des Trägers geschwenkt werden kann. Zur Montage auf dem Träger sind insbesondere kompakte Beschleuniger geeignet. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Bestrahlungsvorrichtung kann ein besonders kompaktes Einplatz-Bestrahlungssystem realisiert werden. Die Montage auf dem schwenkbaren Träger erlaubt eine Vereinfachung der Strahlführung, da insbesondere auf die Einkopplung eines stationären Strahls in die Schwenkvorrichtung verzichtet werden kann.

Die Schwenkvorrichtung kann insbesondere nach Art der vorbekannten Gantries ausgestaltet sein. Der schwenkbare Träger ist dann vorteilhafterweise als schwenkbarer Gantry-Rahmen ausgebildet. Der Beschleuniger ist dann auf diesem Gantry-Rahmen montiert und wird mitgeschwenkt, so daß das Einkoppeln eines extern erzeugten, raumfesten Strahls in die bewegliche Gantry-Struktur entfällt.

In bevorzugter Ausgestaltung hat der schwenkbare Träger eine gebogene Struktur mit mindestens zwei Schenkeln, wobei die Schwenkachse durch mindestens zwei Schenkel verläuft. Mit einer solchen Struktur kann eine besonders stabile Schwenkvorrichtung realisiert werden.

Weiter bevorzugt hat der schwenkbare Träger eine U-förmige Struktur, also zwei im Wesentlichen parallele Seitenschenkel mit einem Verbindungsstück. Vorteilhafterweise verläuft die Schwenkachse im Wesentlichen senkrecht durch die beiden Schenkel der U-Struktur. Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Beschleuniger im Endabschnitt eines Schenkels der U-Struktur montiert ist. Die vorgenannten bevorzugten Ausgestaltungen ermöglichen eine besonders günstige Gewichtsverteilung, so daß die Schwenkvorrichtung leichter gedreht werden kann.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, einen Schenkel der U- Struktur im Bereich der Schwenkachse mit einer öffnung und/oder Aussparung auszubilden, so daß bei diesem Schenkel im Bereich der Schwenkachse ein Freiraum zur Plazierung des Bestrahlungsobjekts verbleibt. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, den Bestrahlungsplatz im Bereich dieses Schenkels im Bereich der Schwenkachse einzurichten, so daß ein dort plaziertes Bestrahlungsobjekt isozen- trisch bestrahlt werden kann.

Vorteilhafterweise sind auf dem Träger Einrichtungen zur Führung und/oder Formung des Teilchenstrahls montiert. Mit diesen Einrichtungen kann der Teilchenstrahl vom Beschleuniger zum Punkt der Abgabe geführt werden und dabei geformt, beispielsweise fokussiert oder aufgeweitet, werden.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist auf dem Träger eine Einrichtung zur Modifizierung bzw. Verminderung der Teilchenenergie, beispielsweise ein Ener- gy-Degrader, montiert. Mit dieser Einrichtung kann die Energie der auf das Bestrahlungsobjekt treffenden Teilchen verändert werden.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist an dem Träger ein Strahlerkopf bzw. eine Nozzle mit Komponenten zur gesteuerten Abgabe des Teilchenstrahls in Richtung des Bestrahlungsplatzes montiert. Vorteilhafterweise umfassen diese Komponenten eine oder mehrere Einrichtungen, die so ausgestaltet sind, daß eine Bestrahlung nach dem Pencil-Beam-Scanning-Verfahren möglich ist. Beim Pencil- Beam-Scanning-Verfahren wird ein zu bestrahlendes Volumen im Bestrahlungsobjekt in drei Dimensionen abgerastert. Dazu wird der Teilchenstrahl auf einen Strahlquerschnitt fokussiert, der deutlich unter der Größe typischer Bestrahlungsvolumina liegt. Aufgrund des Bragg-Peaks wird der überwiegende Teil der Strahlendosis in einer von der Teilchenenergie abhängigen Tiefe deponiert. So können durch die Verwendung eines geeignet fokussierten Pencil-Beams viele kleine Volumina, sogenannte Voxels, bestrahlt werden, so daß beliebig geformte Bestrahlungsvolumina - beispielsweise Tumore - mit dem Pencil-Beam in drei Dimensionen abgerastert werden können. Die Verschiebung in Strahlrichtung, d. h. die Tiefen-Abrasterung im

Bestrahlungsobjekt, wird durch änderung der Teilchenenergie erreicht, meist durch Verwendung eines Energy-Degraders. Die Verschiebung in den beiden Richtungen senkrecht zum Strahl, d. h. die Abrasterung in der zum Strahl senkrechten Ebene, wird durch Ablenkeinrichtungen, insbesondere Ablenkmagneten, erreicht. Für die Abrasterung nach dem Pencil-Beam-Scanning-Verfahren umfassen die Komponenten der Nozzle daher vorteilhafterweise eine oder mehrere Einrichtungen zur Ablenkung in senkrechter Richtung zum Teilchenstrahl und/oder eine Einrichtung zur Veränderung der Teilchenenergie und/oder eine Einrichtung zur überwachung der Strahlposition und/oder eine Einrichtung zur überwachung der Bestrahlungsdosis. Mit derartigen Einrichtungen kann ein in Pencil-Beam-Form gebrachter Teilchenstrahl besonders vorteilhaft zur Abrasterung des Bestrahlungsobjekts eingesetzt werden.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird als Teilchenbeschleuniger ein Zyklotron, insbesondere ein supraleitendes Synchro-Zyklotron, verwendet. Vorteilhafterweise wird ein Zyklotron mit einem starken Magnetfeld gewählt, was insbesondere mit einem supraleitenden Synchro-Zyklotron realisiert werden kann. Durch das starke Magnetfeld kann das Zyklotron besonders kompakt ausgestaltet werden. Es erleichtert die Montage auf der Schwenkvorrichtung und deren Bewegung.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung am Bestrahlungsplatz eine bewegliche Patientenliege zur Positionierung von Bestrahlungspatienten auf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Patientenliege in der horizontalen Ebene translatorisch bewegt und/oder rotiert werden kann. Dies ermöglicht es, einen Bestrahlungspatienten so zu positionieren, daß sich ein zu bestrahlender Tumor sich innerhalb des von der Bestrahlungsvorrichtung abgedeckten Bestrah- lungsbereichs befindet, und der Tumor aus unterschiedlichen Richtungen bestrahlt werden kann.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung stellt der Teilchenbeschleuniger als Strahl von schweren geladenen Teilchen einen Strahl von Protonen und/oder schwereren Ionen, insbesondere He ²⁺ oder C ⁶⁺ bereit. Mit den unterschiedlichen

Bestrahlungsteilchen können unterschiedliche Behandlungsergebnisse erzielt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachstehenden Figuren im Einzelnen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 : Eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung 1 mit U-förmigen Träger 40,

Fig. 2: eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , die einen Einblick in die Aussparung 44 mit dem Bestrahlungsplatz 90 gibt,

Fig. 3: eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , mit einer Sicht auf die Rückseite der Aussparung 44, und

Fig. 4: einen Schnitt durch eine Nozzle 50.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung 1 in einer Draufsicht. Der Träger 40 der Schwenkvorrichtung ist als Gantry-Rahmen 40 mit U-förmiger Struktur ausgestaltet. Der Träger bzw. der Gantry-Rahmen 40 ist um die horizontale Achse 30 schwenkbar. Die Schwenkachse 30 verläuft senkrecht durch die beiden Schenkel 42, 43 der U-Struktur, und zwar in etwa auf halber Länge der Schenkel. Auf dem Gantry-Rahmen 40 ist im Endbereich des linken Schenkels 42 der Teilchenbeschleuniger 20 montiert. Bei diesem Teilchenbeschleuniger handelt es sich um ein besonders kompaktes supraleitendes Synchro-Zyklotron mit starkem Magnetfeld. Der Teilchenbeschleuniger stellt einen Strahl 10 von beschleunigten schweren geladenen Teilchen, vorzugsweise Protonen, bereit. Der Teilchenstrahl 10 wird mit Einrichtungen 46 zur Strahlführung vom Teilchenbeschleuniger 20 entlang der U-Struktur des Gantry-Rahmens 40 zur Nozzle 50 geführt. Die Einrichtungen zur Strahlführung umfassen insbesondere Ablenkmagneten 46. Des weiteren sind im Strahlengang Fokussiermagneten 47 zur Fokussierung des Teilchenstrahls 10 montiert. Zusätzlich oder alternativ können Streuer zur Strahlaufweitung vorge-

sehen sein. Außerdem befindet sich im Strahlengang, ebenfalls am Gantry- Rahmen 40 montiert, ein Energy-Degrader 48 zur Modifizierung bzw. Verminderung der Teilchenenergie. über die Nozzle 50 wird der fokussierte Teilchenstrahl bzw. Pencil-Beam in Richtung des Bestrahlungsplatzes 90 abgegeben. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schenkel 43 im Bereich der Schwenkachse 30 als großer Ring 45 ausgestaltet, dessen Innenbereich eine große runde Aussparung 44 bildet, deren Mittelpunkt auf der Schwenkachse liegt. Der Bestrahlungsplatz 90 ist im Innenbereich 44 des Rings isozentrisch im Bereich der Schwenkachse angeordnet. In der Nozzle 50 befinden sich Komponenten 52, 54, 56, 58, mit denen die Abgabe des Teilchenstrahls in Richtung des Bestrahlungsplatzes 90 derart gesteuert werden kann, daß ein Bestrahlungsobjekt 80 nach dem Pencil- Beam-Scanning-Verfahren bestrahlt werden kann. Diese Komponenten in der Nozzle 50 umfassen Ablenkeinrichtungen 52, 54, um den Teilchenstrahl senkrecht zu seiner Richtung abzulenken. Bei den Ablenkeinrichtungen kann es sich insbesondere um zwei Ablenkmagnete 52 und 54 handeln, die den Teilchenstrahl in zueinander orthogonalen Richtungen ablenken. Des weiteren umfassen die Einrichtungen in der Nozzle 50 Einrichtungen 56 zur überwachung der Strahlposition und Einrichtungen 58 zur überwachung der Bestrahlungsdosis.

Fig. 2 zeigt eine Schrägansicht der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung, die einen Blick in die Aussparung 44 mit dem Bestrahlungsplatz 90 gewährt. Der Innenbereich 44 des Rings 45 bildet einen Freiraum bzw. eine Aussparung, in deren Zentrum die Schwenkachse liegt. Der Bestrahlungsplatz 90 ist im zentralen Bereich der Aussparung 44, also im Bereich der Schwenkachse angeordnet. In die Aussparung 44 ragt die Nozzle 50 hinein, von der aus der Teilchenstrahl in Richtung des Bestrahlungsplatzes 90 bzw. Bestrahlungsobjekts 80 abgegeben wird. In Fig. 2 sind die Schenkel 42, 43 der U-Struktur in etwa horizontal ausgerichtet. Durch Drehen der Schwenkvorrichtung dreht sich der Ring 45 und mit ihm die Nozzle 50 derart, daß der auf den Bestrahlungsplatz 90 gerichtete bzw. auf das Bestrahlungsobjekt 80 treffende Teilchenstrahl geschwenkt wird. So kann durch Drehen der Schwenkvorrichtung die Richtung verändert werden, aus der der Teilchenstrahl auf den isozentrisch angeordneten Bestrahlungsplatz 90 trifft.

Fig. 3 zeigt eine Schrägansicht der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung, die die Aussparung 44, in der sich der Bestrahlungsplatz 90 befindet, von der Rückseite zeigt. Die Aussparung 44 ist auf der Rückseite durch eine Rückwand 49 abgeschlossen.

Fig. 4 zeigt in einer Detailansicht einen Schnitt durch die Nozzle 50. Der Teilchenstrahl tritt an der Stelle A in die Nozzle ein und an der Stelle B in Richtung des Bestrahlungsplatzes 90 aus. Die Ablenkmagneten 52 und 54 dienen zur Ablenkung des Teilchenstrahls in zur Strahlrichtung und zueinander orthogonale Richtungen. Mit den Einrichtungen 56, 58 im Austrittsbereich der Nozzle werden die Strahlposition und die Strahldosis überwacht.

Wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt, befindet sich am Bestrahlungsplatz 90 eine bewegliche Patientenliege 92 auf der ein Bestrahlungspatient 80 zur Tumorbehandlung plaziert werden kann. Die Patientenliege 92 ist in der horizontalen Ebene drehbar und darüber hinaus translatorisch verschiebbar. Zusammen mit der Schwenkung des Gantry-Rahmens 40 um die Schwenkachse 30 kann daher erreicht werden, daß ein Tumor im Bestrahlungspatienten aus unterschiedlichsten Richtungen bestrahlt werden kann.

Mit der vorbeschriebenen Erfindung werden eine Reihe von Vorteilen erreicht. Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung kann besonders kompakt ausgebildet werden, indem alle für die Strahlerzeugung, -führung, -formung und -Steuerung erforderlichen Komponenten auf dem schwenkbaren Träger montiert werden, so daß sie einen vergleichsweise geringen Platzbedarf hat. Des weiteren muß bei der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung nicht die Behandlungspläne mehrerer Behandlungsplätze aufeinander abgestimmt werden.