Strahlführungsmagnet mit Spulensystemen zur Erzeugung entgegengesetzter Dipolmomente und Bestrahlungsanlage mit einem solchen Magneten

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Strahlführungsmagneten (200) zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen (102). Der Strahlführungsmagnet (200) weist ein erstes Spulensystem mit gekrümmten Einzelspulen auf, die paarweise spiegelbildlich angeordnet sind. Das erste Spulensystem umfasst zwei sattelförmige erste Hauptspulen (201,202) mit Seitenteilen und stirnseitig aufgebogenen Endteilen sowie zwei flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen (203,204), die jeweils einen Innenbereich umschließen und darin angeordnete bananenförmig gekrümmte flache Korrekturspulen (205,206). Der Strahlführungsmagnet (200) weist weiterhin ein zweites Spulensystem mit zwei, seitlich der Teilchenbahn ausgedehnten, bananenförmig gekrümmten zweiten Hauptspulen (207,208) auf, welche zwischen den ersten Hauptspulen (201,202) angeordnet sind und jeweils ein der Teilchenbahn nahes, langgestrecktes, flaches erstes Seitenteil (207a,208a) und ein der Teilchenbahn fernes zweites Seitenteil (207b,208b) aufweisen. Mit dem ersten und zweiten Spulensystem sind entgegengesetzte Dipolmomente (209,210) zu erzeugen.

Beschreibung

[0001] Strahlführungsmagnet zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn und Bestrahlungsanlage mit einem solchen Magneten

[0002] Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlführungsmagneten zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer Teilchenbahn in ein Isozentrum. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bestrahlungsanlage mit einem solchen Strahlführungsmagneten. Ein solcher Strahlführungsmagnet und eine Bestrahlungsanlage mit einem derartigen Strahlführungsmagneten gehen beispielsweise aus der DE 199 04 675 A1 hervor.

[0003] Gekrümmte Strahlführungsmagnete kommen verbreitet in Teilchenbeschleunigeranlagen zu einer Ablenkung und/oder Fokussierung eines Strahls geladener Teilchen, wie beispielsweise Elektronen oder Ionen zum Einsatz. Die in einer solchen Teilchenbeschleunigeranlage auf hohe kinetische Energien beschleunigten Teilchen werden zunehmend in der medizinischen Therapie, beispielsweise der Krebstherapie, eingesetzt. Eine Bestrahlungsanlage zur medizinischen Therapie geht beispielsweise aus der vorgenannten DE 199 04 675 A1 oder auch aus der US 4,870,287 hervor. Derartige Bestrahlungsanlagen umfassen eine Teilchenquelle und einen Beschleuniger zur Erzeugung eines hochenergetischen Teilchenstrahls. Der hochenergetische Teilchenstrahl soll nun auf einen zu bestrahlenden Bereich eines Probanden, beispielsweise eine Geschwulst, gerichtet werden.

[0004] Da es sich bei dem zu bestrahlenden Bereich typischerweise um einen räumlich ausgedehnten Bereich handelt, wird dieser Bereich von dem Teilchenstrahl abgerastert. Um eine entsprechende Rasterbewegung am zu bestrahlenden Ort zu erreichen, wird der Teilchenstrahl um kleine Winkel aus seiner Bahn abgelenkt. Diese Ablenkung wird von den in Strahlrichtung folgenden Ablenkmagneten wieder derart kompensiert, dass der Strahl jeweils parallel versetzt am zu bestrahlenden Ort auftrifft.

[0005] Weiterhin soll die Strahlendosis im umliegenden Bereich, also dem nicht zu therapierenden Bereich, des Körpers eines Probanden möglichst gering gehalten werden. Um die Strahlendosis in dem nicht zu therapierenden Bereich gering zu halten, bietet es sich an, den zu therapierenden Bereich aus verschiedenen Richtungen zu bestrahlen, um die Strahlenbelastung im umliegenden Gewebe auf ein möglichst großes Volumen zu verteilen. Je nach Lage des zu bestrahlenden Bereiches im Körper des Probanden kann weiterhin die Richtung aus der der Teilchenstrahl auf den zu bestrahlenden Bereich trifft so gewählt werden, dass der Teilchenstrahl auf seinem Weg durch den Körper des Probanden zu dem zu bestrahlenden Bereich einen möglichst kurzen Weg zurücklegt.

[0006] Um eine Bestrahlung eines Probanden aus verschiedenen Richtungen zu ermöglichen, wird der Teilchenstrahl entlang einer durch den Beschleuniger vorgegebenen Achse in eine sogenannte "Gantry" eingeschossen, welche um die durch den Teilchenstrahl vorgegebene Achse drehbar ist.

[0007] Unter einer Gantry ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung aus verschiedenen Strahlführungsmagneten zu verstehen, mit denen der Teilchenstrahl mehrfach aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt werden kann, so dass er nach verlassen der Gantry unter einem bestimmten Winkel auf den zu bestrahlenden Bereich trifft. Typischerweise trifft der Teilchenstrahl unter einem Winkel von 45 bis 90°, bezüglich der Rotationsachse der Gantry, auf den zu bestrahlenden Bereich.

[0008] Damit eine Bestrahlung eines zu therapierenden Bereiches von mehreren Seiten erfolgen kann, sind die Strahlführungsmagnete auf einem Gestell, welches Teil der Gantry ist, derart angeordnet, dass der aus der Gantry austretende Teilchenstrahl stets durch einen festen zu bestrahlenden Bereich, das sogenannte "Isozentrum" verläuft. Auf diese Weise kann die Strahlendosis im umliegenden Bereich des Isozentrums auf ein großes Volumen verteilt werden, so dass die Strahlenbelastung außerhalb des Isozentrums verhältnismäßig gering gehalten werden kann. Wird die Gantry während der Bestrahlung nicht gedreht, so kann diese derart eingestellt werden, dass der Strahl so auf den Patienten gerichtet wird, dass dieser auf dem Weg, beispielsweise zu der Geschwulst, einen möglichst kurzen Weg durch den Körper des Patienten nimmt.

[0009] Zur Bestrahlung einer räumlich ausgedehnten Geschwulst oder eines räumlich ausgedehnten Tumors ist neben einer Variation des Winkels unter dem der Teilchenstrahl auf den zu bestrahlenden Bereich trifft, sowohl eine Variation der kinetischen Energie der Teilchen, wie auch eine Variation der lateralen Ortskoordinaten am Auftreffpunkt des Teilchenstrahls wünschenswert. Zu einer Variation der lateralen Ortskoordinaten des Teilchenstrahls werden typischerweise Scannermagnete in die Gantry integriert. Mit Hilfe dieser Scannermagnete kann der Teilchenstrahl in einer horizontalen bzw. vertikalen Ebene um jeweils kleine Winkel abgelenkt werden. Die durch die Scannermagnete hervorgerufenen Ablenkungen des Teilchenstrahls müssen typischerweise von den in Strahlrichtung folgenden Magneten derart kompensiert werden, dass der Teilchenstrahl die Gantry in nahezu parallelen Strahlen verlässt.

[0010] Aus den vorgenannten an die Magnete einer Gantry gestellten Bedingungen, ergeben sich ionenoptische Anforderungen an die Konstruktion der Strahlführungsmagnete. Aus dem Stand der Technik bekannte Spulendesigns sind hinsichtlich dieser Kriterien im Allgemeinen optimiert.

[0011] Derartige Strahlführungsmagnete weisen ein nicht zu vernachlässigendes Magnetfeld in ihrem Außenraum auf. Unter dem Außenraum des Strahlführungsmagneten ist in diesem Zusammenhang derjenige Bereich zu verstehen, der nicht von den einzelnen Magnetspulen des Strahlführungsmagneten umschlossen ist.

[0012] Die magnetischen Flussdichten eines Strahlführungsmagneten betragen weiterhin im Bereich des Isozentrums typischerweise zwischen 20 mT und 50 mT. Diese magnetischen Felder am Ort des Isozentrums sind aus verschiedenen Gründen nicht wünschenswert. Insbesondere ist zur Behandlung von Patienten mit Herzschrittmachern lediglich eine magnetische Flussdichte von 0,5 mT im Bereich des Patienten (Patientenraum) und insbesondere im Bereich des Isozentrums, also im Bereich eines gegebenenfalls vorhandenen Tumors zulässig.

[0013] Prinzipiell ist eine passive magnetische Abschirmung des Patientenraumes möglich.

[0014] Zum einen weist eine passive ferromagnetische Abschirmung ein hohes Gewicht auf. Zum anderen zeigt eine passive ferromagnetische Abschirmung ein nicht lineares Verhalten bzgl. ihrer Wechselwirkung mit dem elektrisch geladenen, durch den Strahlführungsmagneten abgelenkten Teilchenstrahl.

[0015] Abhängig von der Energie der durch den Strahlführungsmagneten abgelenkten elektrisch geladenen Teilchen des Teilchenstrahls werden typischerweise die Spulen des Strahlführungsmagneten mit an die Teilchenenergie angepassten Strömen zur Ablenkung des Teilchenstrahls beaufschlagt. Abhängig von der Bestromung der Spulen des Strahlführungsmagneten erzeugen diese Spulen ein sich änderndes Magnetfeld zur Ablenkung des Teilchenstrahls, und folglich auch ein sich änderndes Fernfeld. Das Fernfeld des Strahlführungsmagneten wird durch eine gegebenenfalls vorhandene passive magnetische Abschirmung von dem Patientenraum ferngehalten. In dem Material der passiven magnetischen Abschirmung werden abhängig von den auf sie einwirkenden magnetischen Feldern entsprechende elektrische Ströme induziert, welche zum Aufbau von magnetischen Gegenfeldern führen. Ändern sich die von dem Strahlführungsmagneten bzw. den Spulen des Strahlführungsmagneten ausgehenden magnetischen Felder, so ändern sich auch die in der passiven magnetischen Abschirmung induzierten Ströme.

[0016] Damit eine Bestrahlung eines Patienten innerhalb eines Patientenraumes möglich ist, muss die passive magnetische Abschirmung eine Apertur zum Durchtritt des Strahls elektrisch geladener Teilchen aufweisen. Insbesondere im Bereich dieser Apertur verändern sich die magnetischen Verhältnisse in dem Fall, dass sich die in der passiven magnetischen Schirmung induzierten Ströme verändern. Dies hat zur Folge, dass bei jeder Änderung eines Spulenstroms einer Einzelspule des Ablenkmagneten sich die magnetischen Verhältnisse im Bereich der Apertur der passiven magnetischen Abschirmung verändern. Dies hat zur Folge, dass bei jeder Änderung des Spulenstroms einer Einzelspule des Ablenkmagneten eine Neujustierung des Strahls elektrisch geladener Teilchen notwendig werden kann.

[0017] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strahlführungsmagneten anzugeben, der gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Strahlführungsmagneten, in seinem Außenbereich ein Magnetfeld mit verringerter Feldstärke aufweist. Weiterhin soll eine Bestrahlungsanlage mit einem solchen Strahlführungsmagneten angegeben werden.

[0018] Die sich auf den Strahlführungsmagneten beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

[0019] Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, einen Strahlführungsmagneten derart auszugestalten, dass dieser ein erstes und ein zweites Spulensystem aufweist, welche derart ausgestaltet sind, dass die Dipolmomente des ersten und des zweiten Spulensystems in entgegengesetzte Richtungen weisen. Da die Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems in entgegengesetzte Richtungen weisen, werden sich die beiden Dipolmomente zumindest teilweise kompensieren. Auf diese Weise kann das resultierende Dipolmoment des Strahlführungsmagneten verringert werden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Strahlführungsmagneten berücksichtigt dabei weiterhin die Überlegung, dass das Fernfeld eines Strahlführungsmagneten durch eine Verringerung des Dipolmomentes des Strahlführungsmagneten deshalb gesenkt werden kann, da ein Dipolmoment mit der dritten Potenz der Entfernung abfällt, wo hingegen ein Quadrupolmoment, welches bei Schwächung des Dipolmomentes die nächst stärkere Feldkomponente darstellt, mit der fünften Potenz der Entfernung von dem Strahlführungsmagneten abfällt.

[0020] Erfindungsgemäß wird ein besonderer Strahlführungsmagnet zur Ablenkung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn, die eine Strahlführungsebene festlegt, angegeben. Der Strahl elektrisch geladener Teilchen soll längs der gekrümmten Teilchenbahn in ein Isozentrum abgelenkt werden. Der Strahlführungsmagnet weist zumindest ein erstes Spulensystem mit entlang der Teilchenbahn ausgedehnten gekrümmten Einzelspulen auf, die jeweils paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene angeordnet sind. Das erste Spulensystem umfasst zumindest zwei sattelförmige erste Hauptspulen mit in Richtung der Teilchenbahn langgestreckten Seitenteilen und stirnseitig aufgebogenen Endteilen, zwei zumindest weitgehend flache bananenförmig gekrümmte Nebenspulen, die jeweils einen Innenbereich umschließen, und zwei zumindest weitgehend flache in dem jeweiligen Innenbereich der Nebenspulen angeordnete bananenförmig gekrümmte Korrekturspulen. Der erfindungsgemäße Strahlführungsmagnet umfasst weiterhin ein zweites Spulensystem mit zwei, seitlich der Teilchenbahn ausgedehnten bananenförmig gekrümmten zweiten Hauptspulen, die zwischen den ersten Hauptspulen angeordnet sind. Die zweiten Hauptspulen weisen jeweils ein erstes der Teilchenbahn nahes und ein zweites der Teilchenbahn fernes langgestrecktes, im Wesentlichen flaches zweites Seitenteil auf. Erfindungsgemäß sind mit dem ersten und zweiten Spulensystem Dipolmomente zu erzeugen, die in entgegengesetzte Richtungen weisen.

[0021] Vorteilhaft kann aufgrund der in entgegengesetzte Richtungen weisenden Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems das Feld im Außenraum des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagnetes verringert werden.

[0022] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines, vorzugsweise mit denen mehrerer Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann der Strahlführungsmagnet noch die folgenden Merkmale aufweisen:

• Das erste und zweite Spulensystem können derart erregt sein, dass im Außenbereich des Strahlführungsmagneten die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist. Eine Ausgestaltung des Strahlführungsmagneten, so dass im Außenbereich des Strahlführungsmagneten die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist, führt zu einem raschen Abfall des Streufeldes des Strahlführungsmagneten mit dem Abstand von dem Strahlführungsmagneten. Auf diese Weise kann die elektromagnetische Verträglichkeit des Strahlführungsmagneten verbessert werden.
• Das erste und zweite Spulensystem des Strahlführungsmagneten kann derart erregt sein, dass die Summe der von dem ersten und dem zweiten Spulensystem erzeugten Magnetfelder zumindest am Ort des Isozentrums minimiert ist. Durch eine Minimierung des Magnetfeldes des Strahlführungsmagneten zumindest am Ort des Isozentrums kann eine Wechselwirkung mit weiteren medizinischen Instrumenten, welche im Bereich des Patienten vorliegen, verringert werden. Weiterhin kann insbesondere die Wechselwirkung mit innerhalb des Körpers des Patienten vorliegenden medizinischen Instrumenten, wie beispielsweise einem Herzschrittmacher, verringert werden.
• Die Einzelspulen des ersten und des zweiten Spulensystems können elektrisch in Reihe geschaltet sein. Weiterhin können das erste und das zweite Spulensystem konstruktiv derart ausgelegt sein, dass ein einem Außenbereich des Strahlführungsmagneten die Summe der Dipolmomente des ersten und des zweiten Spulensystems minimiert ist. Die vorgenannte Ausführungsform stellt eine besonders einfache Ausgestaltungsform eines Strahlführungsmagneten mit verringertem Streufeld dar.
• Die Einzelspulen des ersten und zweiten Spulensystems können elektrisch in Reihe geschaltet sein. Das erste und zweite Spulensystem kann weiterhin konstruktiv derart ausgelegt sein, dass zumindest am Ort des Isozentrums die Summe der von dem ersten und dem zweiten Spulensystem erzeugten Magnetfelder minimiert ist. Die vorgenannte Ausführungsform stellt eine besonders einfache Ausgestaltungsform eines Strahlführungsmagneten mit verringertem Streufeld dar.

[0023] Die Strahlführungsmagnete gemäß den vorstehenden Ausführungsformen sind insbesondere gegenüber einem Strahlführungsmagneten mit einer passiven ferromagnetischen Abschirmung des Patientenraumes vorteilhaft. Durch eine aktive Verringerung des Streufeldes des Strahlführungsmagneten gemäß den zuvor genannten Ausführungsformen kann das Magnetfeld im Patientenraum, insbesondere am Ort des Isozentrums minimiert werden, ohne dass die technischen Probleme einer passiven magnetischen Abschirmung, wie beispielsweise ein hohes Gewicht und der damit verbundene konstruktive Aufwand, in Kauf genommen werden muss.

• Die Einzelspulen des ersten und zweiten Spulensystems können elektrisch in Reihe geschaltet sein und die Windungszahlen der Einzelspulen können derart dimensioniert sein, dass die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist. Durch die elektrische Reihenschaltung der Einzelspulen des ersten und zweiten Spulensystems ist die Stromdichte in allen Einzelspulen des Strahlführungsmagneten im Wesentlichen gleich. Eine Anpassung der von dem ersten bzw. zweiten Spulensystem erzeugten, in entgegengesetzte Richtungen weisenden Dipolmomente derart, dass diese Anpassung über die Windungszahlen der Einzelspulen erfolgt, stellt eine einfache effektive und insbesondere für die Herstellung der Einzelspulen vorteilhafte Lösung dar.
• Die Einzelspulen des ersten und zweiten Spulensystems können elektrisch in Reihe geschaltet sein und die zweiten Hauptspulen können in der Strahlführungsebene eine derart bemessene Fläche einschließen, so dass die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist. Eine Anpassung der von dem ersten bzw. zweiten Spulensystem erzeugten Dipolmomente derart, dass das von dem zweiten Spulensystem erzeugte Dipolmoment über die von den zweiten Hauptspulen in der Strahlführungsebene eingeschlossenen Fläche eingestellt wird, stellt eine einfache konstruktive Maßnahme dar. Insbesondere kann die von den zweiten Hauptspulen in der Strahlführungsebene eingeschlossene Fläche durch eine nachträgliche Justage leicht verändert werden, da die zweiten Hauptspulen des Strahlführungsmagneten leicht zugänglich sind.
• Die Nebenspulen können sich zwischen den aufgebogenen Endteilen ihrer jeweils zugeordneten ersten Hauptspule erstrecken. Durch die vorgenannte Anordnung der Nebenspulen und der ersten Hauptspulen kann ein Strahlführungsmagnet mit einer kompakten Bauweise angegeben werden.
• Der Strahlführungsmagnet kann frei von ferromagnetischem die Strahlführung beeinflussende Material sein. Durch den Verzicht auf ferromagnetisches, die Strahlführung beeinflussendes Material kann ein Strahlführungsmagnet mit reduziertem Gewicht und den damit verbundenen Vorteilen angegeben werden. Ebenfalls vorteilhaft kann mit einem solchen Strahlführungsmagnet ein magnetisches Feld erzeugt werden, das eine Feldstärke aufweiset, die oberhalb der ferromagnetischen Sättigung des ferromagnetischen Materials liegt.
• Die Leiter der Einzelspulen können metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen. Metallisches LTC-Supraleitermaterial (Tieftemperatursupraleitermaterial) ist technisch ausgereift und gut zu verarbeiten. Im Hinblick auf die Fertigung eines Strahlführungsmagneten gemäß der vorgenannten Ausführungsform stellt dies einen Vorteil dar.
• Die Leiter der Einzelspulen können stattdessen oder auch metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial aufweisen. HTC-Supraleitermaterial (Hochtemperatursupraleitermaterial), vorzugsweise HTC-Supraleitermaterial welches in Bandform vorliegt, weist gegenüber Tieftemperatursupraleitermaterial höhere Betriebstemperaturen auf. Für den Betrieb einer Einzelspule, welche HTC-Supraleitermaterial aufweist, ist folglich ein verringerter kühltechnischer Aufwand notwendig.
• Die Leiter der Einzelspulen, welche HTC-Supraleitermaterial aufweisen, können in einem Temperaturbereich zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 20 K und 30 K, betrieben werden. In den vorgenannten Temperaturbereichen weisen typische HTC-Supraleitermaterialien hinreichend hohe kritische Stromtragfähigkeiten bzw. Stromdichten auf.

[0024] Die sich auf eine Bestrahlungsanlage beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch 13 angegebenen Maßnahmen gelöst.

[0025] Demgemäß soll eine Bestrahlungsanlage nach der Erfindung eine feststehende Teilchenquelle zur Erzeugung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen (Teilchenstrahl) aufweisen. Weiterhin weist die Bestrahlungsanlage ein um eine Rotationsachse drehbares Gantry-System mit mehreren Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten zur Ablenkung und/oder Fokussierung des Teilchenstrahls in ein Isozentrum auf. Die erfindungsgemäße Bestrahlungsanlage weist weiterhin zumindest einen Ablenk-und/oder Fokussierungsmagneten auf, der ein Strahlführungsmagnet nach einer der vorgenannten Ausführungsformen ist.

[0026] Die erfindungsgemäße Bestrahlungsanlage weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Bestrahlungsanlagen ein verringertes Streufeld auf. Auf diese Weise kann die elektromagnetische Verträglichkeit der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage verbessert werden.

[0027] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Bestrahlungsanlage gehen aus den von Anspruch 13 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Bestrahlungsanlage nach Anspruch 13 mit den Merkmalen eines, vorzugsweise mit denen mehrerer Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann die Bestrahlungsanlage nach der Erfindung zusätzlich noch die folgenden Merkmale aufweise:

• Die Bestrahlungsanlage kann als Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten, welcher von dem Teilchenstrahl vor Erreichen des Isozentrums zuletzt durchlaufen wird, einen Strahlführungsmagneten nach einer der vorgenannten Ausführungsformen enthalten. Derjenige Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnet einer Bestrahlungsanlage, welche von dem Teilchenstrahl vor Erreichen des Isozentrums zuletzt durchlaufen wird, befindet sich in der Regel nahe am Patientenraum. Gemäß der vorgenannten Ausführungsform kann eine Bestrahlungsanlage angegeben werden, welche insbesondere im Hinblick auf eine geringere magnetische Belastung des Patientenraumes verbessert ist.
• Die Bestrahlungsanlage kann einen Strahlführungsmagneten aufweisen, dessen Magnetfeld zumindest im Patientenraum, vorzugsweise zumindest am Ort des Isozentrums, minimiert ist. Eine Minimierung des Magnetfeldes im Patientenraum, vorzugsweise am Ort des Isozentrums, stellt eine graduelle Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Bestrahlungsanlage dar. Insbesondere können mit einer Bestrahlungsanlage gemäß der vorgenannten Ausführungsform Patienten behandelt werden, welche inkorporal elektromagnetisch sensible Geräte, wie beispielsweise einen Herzschrittmacher tragen.
• Der Teilchenstrahl aus C⁶⁺-Teilchen bestehen. C⁶⁺-Teilchen werden zunehmend in der Krebstherapie eingesetzt. Mit einer Bestrahlungsanlage gemäß der vorgenannten Ausführungsform kann eine für die Krebstherapie geeignete Bestrahlungsanlage angegeben werden, welche ein vermindertes Fernfeld aufweist, und somit einen breiteren Anwendungsbereich erschließen kann. Beispielsweise können mit einer Bestrahlungsanlage gemäß der genannten Ausführungsform Krebspatienten behandelt werden, welche inkorporal ein elektromagnetisch sensibles Gerät, wie beispielsweise einen Herzschrittmacher tragen.

[0028] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten sowie der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strahlführungsmagneten sowie der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage in schematisierter Darstellung angedeutet. In der Zeichnung zeigen

Figur 1 eine Bestrahlungsanlage mit einem Gantry-System,

Figur 2 einen Strahlführungsmagneten im Querschnitt,

Figur 3 einen Strahlführungsmagneten im Längsschnitt und

Figur 4 einen Strahlführungsmagneten in Perspektivansicht.

[0029] Sich in der Zeichnung entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Weitere in der Zeichnung nicht explizit erläuterte Teile sind allgemeiner Stand der Technik.

[0030] Figur 1 zeigt eine Bestrahlungsanlage 100, mit welcher ein Strahl elektrisch geladener Teilchen (Teilchenstrahl) 102, ausgehend von einer Teilchenquelle 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 101 vorgegebenen Richtung mit Hilfe mehrerer Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete 105 aus seiner ursprünglichen Richtung mehrfach abgelenkt. Die Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnete 105, sowie weitere Magnete, beispielsweise sogenannte Scanner-Magnete 106, sind Teil des Gantry-Systems, welches um eine festgelegte Rotationsachse A drehbar ist. Die Rotationsachse A des Gantry-Systems fällt im Idealfall mit der durch die Teilchenquelle 101 vorgegebenen ursprünglichen Richtung des Teilchenstrahls 102 zusammen. Neben den Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten 105, sowie gegebenenfalls vorhandenen weiteren Magneten wie beispielsweise Scanner-Magneten 106, weist ein Gantry-System ein Gestell zur Halterung der entsprechenden Magnete auf.

[0031] Mit Hilfe des Gantry-Systems ist es möglich, den Teilchenstrahl 102 in ein sogenanntes Isozentrum 107 zu lenken. Unter einem Isozentrum 107 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 107. Das Isozentrum 107 befindet sich innerhalb eines Patientenraums 108. Wird eine Bestrahlungsanlage 100, beispielsweise zur Krebstherapie eingesetzt, so befindet sich im Bereich des Isozentrums 107 ein beispielsweise mit C⁶⁺-Ionen zu bestrahlender Tumor.

[0032] Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Strahlführungsmagneten 200. Bei dem in Figur 2 dargestellten Strahlführungsmagneten 200 kann es sich insbesondere um einen Ablenkmagneten eines Gantry-Systems handeln, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Weiterhin kann es sich um denjenigen Magneten des Gantry-Systems handeln, welcher von dem Teilchenstrahl 102 zuletzt durchlaufen wird, bevor der Teilchenstrahl 102 in das Isozentrum 107 trifft.

[0033] Der Teilchenstrahl 102 verläuft bei dem in Figur 2 dargestellten Querschnitt des Strahlführungsmagneten 200 mittig, innerhalb eines Strahlführungsrohres 103. Der Teilchenstrahl 102 folgt, wie bereits im Zusammenhang mit Figur 1 erwähnt, einer gekrümmten Bahn, welche eine Strahlführungsebene 104 festlegt. Der in Figur 2 dargestellte Strahlführungsmagnet 200 weist ein erstes und ein zweites Spulensystem auf.

[0034] Die Einzelspulen des ersten Spulensystems sind paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene 104 angeordnet. Das erste Spulensystem umfasst, gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, zumindest zwei erste sattelförmige Hauptspulen 201, 202 mit in Richtung der Teilchenbahn langgestreckten Seitenteilen und stirnseitig aufgebogenen Endteilen. Der Strahlführungsmagnet 200 weist weiterhin spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene 104 angeordnete weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen 203, 204 auf, die jeweils einen Innenbereich umschließen. In dem Innenbereich sind zwei spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene 104 angeordnete Korrekturspulen 205, 206 angeordnet, welche ebenfalls bananenförmig gekrümmt sind.

[0035] Das zweite Spulensystem, des in Figur 2 dargestellten Strahlführungsmagneten 200, weist zwei zweite, entlang der Teilchenbahn ausgedehnte, bananenförmig gekrümmte Hauptspulen 207, 208 auf, die zwischen den ersten Hauptspulen 201, 202 angeordnet sind. Die zweiten Hauptspulen 207, 208 weisen jeweils ein der Teilchenbahn nahes langgestrecktes, im Wesentlichen flaches erstes Seitenteil 207a, 208a sowie im Wesentlichen parallel dazu ein entsprechendes der Teilchenbahn fernes zweites Seitenteil 207b, 208b auf.

[0036] Die Einzelspulen des ersten Spulensystems erzeugen, sofern sie mit einem Strom mit der in Figur 2 in bekannter Weise angedeuteten Richtung beaufschlagt werden, ein Dipolmoment in eine mit 209 bezeichnete Richtung. Die Einzelspulen des zweiten Spulensystems erzeugen, sofern sie mit einem Strom in die in Figur 2 angedeutete Richtung beaufschlagt werden, ein Dipolmoment in eine mit 210 bezeichnete Richtung. Das von dem ersten Spulensystem erzeugte Dipolmoment weist mit seiner Richtung 209 zumindest näherungsweise in eine dem Dipolmoment entgegen gesetzte Richtung 210, welches von dem zweiten Spulensystem erzeugt wird. Das von dem ersten Spulensystem erzeugte Dipolmoment und das von dem zweiten Spulensystem erzeugte Dipolmoment werden sich im Außenbereich des Strahlführungsmagneten zumindest teilweise aufheben. Insbesondere können die Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems von den jeweiligen Einzelspulen des entsprechenden Spulensystems derart erzeugt werden, dass eine Verringerung oder gar eine Minimierung des gesamten Dipolmomentes im Außenbereich des Strahlführungsmagneten 200 erreicht wird. Auf diese Weise kann das Streufeld des Strahlführungsmagneten 200 verringert werden. Im Inneren des Strahlführungsmagneten 200, insbesondere im Bereich des Strahlrohres 103 addieren sich die Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems.

[0037] Allgemein fällt der Dipolanteil eines Magneten mit der dritten Potenz der Entfernung von dem jeweiligen Erzeuger im umgebenen Raum ab. Das Quadrupolmoment eines Magneten fällt mit der fünften Potenz der Entfernung von dem jeweiligen Erzeuger im Raum ab. Durch eine Verringerung des Dipolanteiles im Magnetfeld eines Strahlführungsmagneten 200 kann somit dessen Streufeld verringert werden.

[0038] Der in Figur 2 dargestellte Strahlungsführungsmagnet 200 kann ferner dahingehend ausgelegt sein, dass sein Streufeld an bestimmten Orten oder in bestimmten Bereichen, beispielsweise dem in Figur 1 dargestellten Patientenraum 108 oder dem Isozentrum 107 gering ausfällt oder minimiert ist. Eine derartige Minimierung des Streufeldes des Strahlführungsmagneten 200 kann dadurch erreicht werden, dass die Windungszahl der Einzelspulen des ersten und zweiten Spulensystems, insbesondere die Windungszahl der ersten Hauptspulen 201, 202 und der zweiten Hauptspulen 207, 208 nach dieser Maßgabe ausgelegt werden.

[0039] Das erste wie auch das zweite Spulensystem können unter Verwendung eines gemeinsamen Leiters hergestellt werden. Folglich wird die Stromdichte im Inneren der Einzelspulen des ersten und des zweiten Spulensystems in etwa einen gemeinsamen konstanten Wert annehmen. In diesem Fall können die jeweiligen Querschnitte, insbesondere die Querschnitte der ersten Hauptspulen 201, 202 und der zweiten Hauptspulen 207, 208 derart angepasst werden, dass das Gesamtdipolmoment des Strahlführungsmagneten 200 minimiert wird.

[0040] Werden wie in Figur 2 angedeutet die ersten Hauptspulen 201, 202 und die zweiten Hauptspulen 207, 208 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, so kann durch Verschieben der Trennebenen 211, 212 die Anzahl, respektive derjenige Querschnitt, welcher der ersten bzw. der zweiten Hauptspule zugeschlagen wird, verändert werden. Auf diese Weise kann ebenfalls eine Anpassung des ersten 209 und zweiten 210 Dipolmomentes erreicht werden.

[0041] Weiterhin kann insbesondere das Dipolmoment der zweiten Hauptspulen 207, 208 dadurch dem von dem ersten Spulensystem erzeugten Dipolmoment angepasst werden (so dass sich die Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems jeweils weitgehend aufheben), dass die von den zweiten Hauptspulen 207, 208 eingeschlossene Fläche in der Strahlführungsebene 104 durch Einstellen des Abstandes 213 verändert wird.

[0042] Die Einzelspulen des Strahlführungsmagneten 200 können metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen oder auch zumindest teilweise aus metalloxidischem HTC-Supraleitermaterial gefertigt sein. Vorzugsweise kann bei Verwendung von HTC-Supraleitermaterial der Strahlführungsmagnet 200, respektive dessen Einzelspulen bei Temperaturen zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 20 K und 30 K, betrieben werden. Die Einzelspulen des Strahlführungsmagneten 200 können von einer inneren Haltestruktur 214 gehalten werden. Sollte der Strahlführungsmagnet 200 Einzelspulen aufweisen, welche supraleitendes Material enthalten, so können die Einzelspulen vorzugsweise gemeinsam mit ihrer Haltestruktur 214 in einem Kryostaten 215 angeordnet sein. Der Kryostat 215 kann weiterhin mit Isolationsmaßnahmen, wie beispielsweise einer Vakuumisolation oder Superisolation 216 ausgestattet sein. Die Bauteile des Strahlführungsmagneten 200 können weiterhin innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 217 gehalten sein. Insbesondere kann der Strahlführungsmagnet 200 frei von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussenden Material sein.

[0043] Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch das Spulensystem eines Strahlführungsmagneten 200 wie er in Figur 2 im Querschnitt dargestellt ist. Der auf einer ersten Seite in das Spulensystem eintretende Teilchenstrahl 102 wird mit Hilfe der gekrümmten Einzelspulen derart abgelenkt, dass er in ein Isozentrum 107 trifft, welches sich innerhalb eines Patientenraumes 108 befindet. Der Abstand zwischen dem Strahlführungsmagneten 200 und dem Patientenraum 108 kann in diesem Zusammenhang ca. 1 m betragen. In Figur 3 dargestellt finden sich eine erste Hauptspule 201, eine Nebenspule 203 sowie eine im Innenbereich der Nebenspule 203 angeordnete Korrekturspule 205. Bezogen auf die gekrümmte Teilchenbahn findet sich am radial inneren Rand des Spulensystems eine zweite Hauptspule 208 sowie eine weitere zweite Hauptspule 207 am radial äußeren Rand des Spulensystems. Die zweiten Hauptspulen 207, 208 weisen dabei jeweils ein der Teilchenbahn nahes, langgestrecktes, im Wesentlichen flaches erstes Seitenteil 207a, 208a und im Wesentlichen parallel dazu ein der Teilchenbahn fernes, langgestrecktes, im Wesentlichen flaches zweites Seitenteil 207b, 208b auf. Bei dem in Figur 3 dargestellten Spulensystem kann es sich insbesondere um das Spulensystem eines Strahlführungsmagneten 200 handeln, welcher von einem Teilchenstrahl 102 zuletzt passiert wird, bevor der Teilchenstrahl 102 in ein Isozentrum 107 trifft.

[0044] Figur 4 zeigt eine Perspektivansicht des Spulensystems des in Figur 2 und 3 dargestellten Strahlführungsmagneten 200. Figur 4 zeigt ebenfalls eine erste Hauptspule 201, welche in ihren Endbereichen stirnseitig aufgebogen ist und dort gekröpfte Bereiche 401 aufweist. Ebenfalls dargestellt findet sich eine Nebenspule 203, sowie die im Innenbereich der Nebenspule 203 angeordnete Korrekturspule 205. Am radial inneren Rand des Spulensystems sowie am radial äußeren Rand des Spulensystems befindet sich jeweils eine zweite Hauptspule 207 bzw. 208.

Ansprüche

1. Strahlführungsmagnet (200) zur Ablenkung eines Strahls (102) elektrisch geladener Teilchen längs einer gekrümmten Teilchenbahn, die eine Strahlführungsebene (104) festlegt, in ein Isozentrum (107), mit

a) einem ersten Spulensystem mit entlang der Teilchenbahn ausgedehnten, gekrümmten Einzelspulen (201, 202, 203, 204, 205, 206), die jeweils paarweise spiegelbildlich zu der Strahlführungsebene (104) angeordnet sind, umfassend,

- zwei sattelförmige erste Hauptspulen (201, 202) mit in Richtung der Teilchenbahn lang gestreckten Seitenteilen und stirnseitig aufgebogenen Endteilen (401),

- zwei zumindest weitgehend flache, bananenförmig gekrümmte Nebenspulen (203, 204), die jeweils einen Innenbereich umschließen, und

- zwei zumindest weitgehend flache, in dem jeweiligen Innenbereich der Nebenspulen (203, 204) angeordnete, bananenförmig gekrümmte Korrekturspulen (205, 206),

und

b) einem zweiten Spulensystem (207, 208) mit zwei, seitlich der Teilchenbahn ausgedehnten, bananenförmig gekrümmten zweiten Hauptspulen (207, 208), die zwischen den ersten Hauptspulen (201, 202) angeordnet sind und jeweils ein erstes der Teilchenbahn nahes und ein zweites der Teilchenbahn fernes langgestrecktes, im Wesentlichen flaches Seitenteil (207a, 208a, 207b, 208b)aufweisen,

wobei
mit dem ersten und zweiten Spulensystem Dipolmomente zu erzeugen sind, die in entgegengesetzte Richtungen (209, 210) weisen.

2. Strahlführungsmagnet (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Spulensystem derart erregt ist, dass in einem Außenbereich des Strahlführungsmagneten (200) die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist.

3. Strahlführungsmagnet (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Spulensystem derart erregt ist, dass die Summe der von dem ersten und dem zweiten Spulensystem zu erzeugenden Magnetfeldern zumindest am Ort des Isozentrums minimiert ist.

4. Strahlführungsmagnet Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) des ersten und zweiten Spulensystems elektrisch in Reihe geschaltet sind, und das erste und zweite Spulensystem konstruktiv derart ausgelegt ist, dass in einem Außenbereich des Strahlführungsmagneten (200) die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist.

5. Strahlführungsmagnet (200) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) des ersten und zweiten Spulensystems elektrisch in Reihe geschaltet sind, und das erste und zweite Spulensystem konstruktiv derart ausgelegt ist, dass die Summe der von dem ersten und dem zweiten Spulensystem zu erzeugenden Magnetfelder zumindest am Ort des Isozentrums (107) minimiert ist.

6. Strahlführungsmagnet (200) nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahlen der Einzelspulen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) derart dimensioniert sind, dass in einem Außenbereich des Strahlführungsmagneten (200) die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist.

7. Strahlführungsmagnet (200) nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Hauptspulen (207, 208) in der Strahlführungsebene (104) eine derart bemessene Fläche (301, 302) einschließen, so dass in einem Außenbereich des Strahlführungsmagneten (200) die Summe der Dipolmomente des ersten und zweiten Spulensystems minimiert ist.

8. Strahlführungsmagnet (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nebenspulen (203, 204) zwischen den aufgebogenen Endteilen (401) ihrer jeweils zugeordneten ersten Hauptspule (201, 202) erstrecken.

9. Strahlführungsmagnet (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlführungsmagnet frei von ferromagnetischem, die Strahlführung beeinflussendem Material ist.

10. Strahlführungsmagnet (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) metallisches LTC-Supraleitermaterial aufweisen.

11. Strahlführungsmagnet (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Einzelspulen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) metalloxidisches HTC-Supraleitermaterial aufweisen.

12. Strahlführungsmagnet (200) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Betriebstemperatur der Leiter der Einzelspulen (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) zwischen 10 K und 40 K, vorzugsweise zwischen 20 K und 30 K.

13. Bestrahlungsanlage (100) mit

- einer feststehenden, einen Strahl elektrisch geladener Teilchen erzeugenden Teilchenquelle (101), und

- einem um eine Rotationsachse (A) drehbaren Gantry-System mit mehreren Ablenk- und/oder Fokussierungsmagneten (105, 106) zur Ablenkung und/oder Fokussierung des Teilchenstrahls (102) in ein Isozentrum (107),

dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Ablenk-und/oder Fokussierungsmagnete (105, 106) ein Strahlführungsmagnet (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche ist.

14. Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenk- und/oder Fokussierungsmagnet (105), den der Teilchenstrahl (102) vor Erreichen des Isozentrums (107) zuletzt durchläuft, eine Strahlführungsmagnet (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.

15. Bestrahlungsanlage (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld des Strahlführungsmagneten (200) zumindest im Patientenraum (108), vorzugsweise zumindest am Ort des Isozentrums (107) minimiert ist.

16. Bestrahlungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl (102) aus C⁶⁺-Teilchen besteht.

Zeichnung