DE2753397A1

DE2753397A1 - Neutronen-bestrahlungs-therapiemaschine

Info

Publication number: DE2753397A1
Application number: DE19772753397
Authority: DE
Inventors: Craig Spencer Nunan
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1978-06-08
Also published as: US4112306A; FR2386230A1; GB1575740A; JPS5372392A

Description

ist vorgesehen, um die Orientierung und die Querschnittsdimensionen des Neutronenstrahls zu variieren, wie er der Patientenbehandlungszone zugeführt wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschinen und insbesondere solche Maschinen, in denen ein Zyklotron zur Beschleunigung von geladenen Partikeln auf eine hohe Energie verwendet wird, um ein Neutronen erzeugendes Target zu bombardieren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine hohe Ausbeute an energiereichen Neutronen hat, wobei das Zyklotron von einer Struktur zur Drehung um eine Patientenbehandlungszone abgestützt wird.

Es sind bereits Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschinen bekannt, bei denen ein supraleitender Zyklotron-Deuteron-Beschleuniger von einem Gestell zur Drehung um die Patientenbehandlungszone getragen wurde, um den Patienten mit einem neutronenerzeugten Strahl durch eine Vielzahl von Behandlur.gsöffnungen zu behandeln (US-PS J> 925 676).

Bei dieser bekannter. Maschine wurde das Magnetfeld für das Zyklotron mittels eines supraleitenden Elektromagneten erzeugt, so daß das Gewicht des Zyklotronmagneten reduziert wurde, so daß er von einem Gestell zur Drehung um eine Fatientenbehandlungszone getragen werden konnte. Das Froblem bei der Verwendung eines supraleitenden Magneten liegt darin, daß eine Quelle für flüssiges .-lelium benötigt wird, um die supraleitenden Spulen auf Supraleitungstemperatur abzukühlen. Die Forderung, ein großes Einrichtungsteil für lange Zeitspannen in einem Krankenhaus auf der Temperatur flüssigen Heliums zu halten, hat Kachteile, die vermieden werden sollten.

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Venn jedoch von einem supraleitenden Magneten auf einen konventionellen Elektromagneten übergegangen wird, steigt das Gewicht des Magneten etwa um eine Größenordnung, d.h., von etwa 4 t auf 24 t, so daß die Konstruktion, des notwendigen Gerüstes und anderer Komponenten erheblich verkcT.pliziert vird.

In der bekannten iTeutronen-3estrahlungs-Therapieinaschine waren auch keine Einrichtungen vorgesehen, mit denen der Neutronenstrahl nach dem Durchtritt durch die Patientenbehandlungszone gestoppt werden konnte, so daß ernste Abschirmprobleme für den Patientenbehandlungsraum entstanden. Zusätzlich traten getrennte Vakuum-Auspumprohre durch das geschlossene Joch des Zyklotronmagneten, so daß Strahlung durch diese Auspumprohre streuen konnte. Ein weiteres Problem bei dem bekannten Target lag darin, daß es mit einem Protonenstrahl eine große Ausbeute an Neutronen mit relativ niedrigen Energien erzeugen würde, und daß es erwünscht ist, die Anzahl dieser erzeugten Neutronen zu reduzieren, die eine relativ hohe Etrahlungsdosis für die Haut und die oberflächennahen Gewebe des Patienten erzeugen können. Zusätzlich verwendet die bekannte Neutronen-Therapiemaschine eine feste Cffnung im Joch des Magneten zum Koilimieren des Neutronenstrahls. Das ist ein Verfahren zun Kollinieren des Gtrahls, aber es ist erwünscht, einen Kollimator verfügbar zu haben, der eine stufenlose Einstellung der Querschnittsabmessungen und der Orientierung des "eutror.enstrahls im Behnndlungsbereich erlaubt.

.". us η riT.er. fassung der Erfindung

Eie Erfindung verwendet ein Protonen-Zyklotron, das effizient konstruiert ist, um das Gesamtgewicht zu minimieren, während ein Neutronenfluß relativ hoher mittlerer Energie

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erzeugt wird. Beispielsweise wiegt ein supraleitendes 25 MeV Deuteron-Zyklotron bekannter Art 4,5 t und würde etwa 100 t für die gleiche Deuteron-Energie wiegen, wenn der Magnet wassergekühlt wäre. Bei der Erfindung werden 3C MeV-Protonen anstelle von 25 MeV-Deuteronen verwendet, und es ist möglich, einen Neutronenstrahl höherer mittlerer Energie zu erreichen, während gleichzeitig das Gewicht des wassergekühlten Zyklotrons auf etwa 24 t begrenzt wird, was noch leicht genug ist, um eine Drehgestellmontage zu erlauben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Keutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine verfügbar zu machen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird das Gewicht des Magnetjochs des Zyklotrons dadurch reduziert, daß einspringende Jochteile in der !Jachbarschaft der respektiven Polteile des Magneten vorgesehen werden, so daß das Gewicht des MagnetJoches reduziert wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Keutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine einen Zyklotron-Beschleuniger auf, der von einem Gestell zur Drehung um eine Tatientenbehandlungszone getragen wird, das ein Gegengewicht aufweist, das diametral und in Längsrichtung von dem Gestell in der Weise getragen wird, daß das Gericht des Zyklotrons ausgeglichen wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Patiententisch, mit dem der Patient in der iatientenbehandlungszone getragen wird, vom Retorteil des Gestells mittels einer Lageranordnung getragen, so daß der latientenbehandlungstisch stationär bleiben kann, während der Rotor des Gestells um den Patien^erA-icch rotiert.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung trägt das Gestell einen Neutronenstrahlstopper dem Zyklotron diametral gegenüber und mit dem Neutronenstrahl ausgefluchtet, um den Neutronenstrahl nach Durchtritt durch die Fatientenbehandlungszone zu absorbieren, so daß die erforderliche Abschirmung für den Patientenbehandlungsraun reduziert wird.

Gemäß einem v/eiteren Merkmal der Erfindung wird das Vakuuzgehäuse des Zyklotrons mit einer Vakuumpumpe auf einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck über eine rLr-Übertragungsleitung ausgepumpt, die durch das Gehäuse hindurchtritt, so daß die Anzahl der öffnungen durch das Magnetjoch des Zyklotrons reduziert wird, so daß störende Strahlung reduziert wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Target, das der Bombardierung mit energiereichen Partikeln unterworfen wird, um den Neutronenstrahl zu erzeugen, aus zwei Werkstoffen gebildet, von denen der erste eine relativ hohe Ausbeute energiereicher Neutronen bei Bombardierung mit energiereichen Protonen liefert, und der zweite Teil eine relativ geringe Neutronenausbeute bei Bombardierung mit Protonen mit Energien unter 15 KeV liefert, so daß energiearme Protonen absorbiert werden, ohne energiearme Neutronen zu erzeugen, um den Anteil des resultierenden Neutronenstrahls an Neutronen im energiearmen opektralbereich zu reduzieren.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Neutronen erzeugende Target von einem Neutronenschirm nit einem Singangskanal f-'ir einen Strahl aus geladenen !artikeln und einem Neutronenstrahl-Ausgangskanal umgeben, so daß eine Störstreuung vom Target abgeschirmt wird.

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3emäß einem weiteren flerkmal der Erfindung ist ein Keutronenstrahlkollimator mit der Keule des Neutronenflusses, der von dem Target ausgeht, ausgefluchtet angeordnet, und dieser Kollimator ist zur Veränderung der Querschnittsfläche und/oder Orientierung des Neutronenstrahls, wie er der Patientenbehandlungszone zugeführt wird, einstellbar.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Patientenbehandlungsraums mit einer Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemascaine mit !Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine der Anordnung nach Fig. 1 entsprechend dem Schnitt 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in ?ig. 2; Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3; Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3;

Fig. 6 einen Schnitt durch den in Fig. 5 mit der Linie 6-6 umschlossenen Teil;

Fig. 7 eine Stirnansicht des in Fig. 6 dargestellten Teils;

Fig. 8 einen Schnitt durch den in Fig. 3 mit der Linie 8-8 umschlossenen Teil;

Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 in Fig. 8; und

Fig.10. einen Fig. 9 entsprechenden Schnitt in einer anderen Stellung der Teile.

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In rig. 1 und 2 ist eine Keutronen-Bestrahlungs-Therapienaschine 11 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Die faschine 11 weist ein Gestell 12 mit einem zylindrischen Hauptlager 13 mit einer stationären ringförmigen Au2enschale oder einem Stator 14 und einer inneren, drehbaren Schale oder Rotor 15 zur Drehung um eine Drehachse 16 auf, die gerade oberhalb eines Patiententragtisches 17 liegt. Ler Tisch 17 weist eine Tragebene 18 axial parallel zur Drehachse 16 auf und ist einige Zentimeter unterhalb der Drehachse 16 angeordnet, so daß eine Patientenbehandlungszone 19 im Körper des Patienten in dem Bereich definiert wird, der durch die Drehachse 16 und einen Strahl von er.ergiereichen Keutronen 21 durchsetzt wird, der von einem Target innerhalb eines Zyklotrons 22 ausgeht, das vom Rotor 15 des Gestells IP. getragen wird.

In einem typischen Ausführungsbeispiel hat das Zyklotron ein Gewicht von etwa 24 t und ein Gegengewicht 23 ist nit dem Hotor 15 diametral dem Zyklotron 22 gegenüber gekuppelt, um das Gewicht des Zyklotrons 22 auszugleichen. Las Zyklotron wird von einer ersten Fläche des Rotors 15 getragen, während das Gegengewicht 23 von der entgegengesetzten Seite des Rotors 15 getragen wird, so daß der Schwerpunkt innerhalb der axialen Ausdehnung des Rotors liegt. Sine Lageranordnung 24 ist in der Querebene angeordnet, die den Schwerpunkt enthält, wie in Fig. 2 dargestellt.

Der Stator 14 ist mit zwei Böcken 26 fest am Fundament 25 befestigt, während das obere £nde des Stators 14 mit eir.em oberen Tragstück 27 fest mit der Decke oder einer oberen Abstützung verbunden ist. Das Gestell 12 und das Zyklotron 22 sind in einen abgeschirmten Kaum mit Wänden aus Beton angeordnet, mit dem Streustrahlung von der r.eutronen-Therapiemaschine 11 absorbiert und andere Bereiche

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gegen diese abgeschirmt werden. Der Boden ist bei 29 in der Drehebene des Zyklotrons 22 ausgespart, um einen freien Haum zu schaffen, in dem das Zyklotron 22 unter den Patienten gedreht werden kann.

Bei einer Ausführungsform wird der Patiententragtisch mit einer Tischtragstruktur 32 vom Boden 31 getragen, während in einer alternativen Ausführungsform der Patiententragtisch 17 vom Rotor 15 über ein ringförmiges oder scheibenförmiges Tragelement 33 abgestützt wird, das innerhalb des Rotors angeordnet ist und von diesem über Lageranordnungen 3^ getragen wird, so daß der Rotor 15 frei ist, um die stationäre Tischtragwand oder das Tragelenient 33 zu rotieren. Dieser alternative Support für den Patiententisch 17 hat den Vorteil, daß der Tisch 17 präzise mit dem Beschleuniger 22 in der Fabrik ausgefluchtet werden kann, ohne daß der Tisch 17 und der Tischsupport 32 im Krankenhaus ausgefluchtet werden müssen, wo die Behandlungsmaschine aufgebaut wird. Zusätzlich läßt der alternative Support den Boden des Behandlungsraumes für das Personal frei, um den Patienten einzustellen, und beseitigt eine Störung durch die Bodengrube 29·

In Fig. 3 und 4 ist das Zyklotron 22 näher dargestellt. Das Zyklotron ?2 weist zwei zylindrische Magnetpolschuhe 36, beispielsweise aus Weicheisen,auf, die axial voneinander entfernt sind, so daß ein Magnetspalt 37 definiert wird, in dem geladene Partikel, vorzugsweise Protonen, in einem Spiralenweg auf eine hohe Energie von beispielsweise 30 KeV beschleunigt werden. Die Polschuhe 36 werden mit zwei 3andspulen 38 auf entgegengesetzte Polaritäten erregt, die um die jeweiligen Polstücke 36 gewickelt sind und mit elektrischem Strom von einer geeigneten Stromversorgung erregt werden, die innerhalb eines Einrichtungsgehäuses 39 liegt, das am Gegengewicht 23 befestigt

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ist, oder, alternativ, in einem zylindrischen Raum innerhalb des Rotors 15 des Gestells 12 getragen wird.

Ein allgemein toroidförraiges Hagnetjoch 41, beispielsweise feus Weicheisen, umschließt die Polschuhe 36 und bildet eir.en uückflußweg niedriger Reluktanz für die Hagnetflußlir.ien, die extern zum Spalt 37 um die Spulen 38 herum zurückkehren. Die Sndteile des Magnetjochs 41 haben verringerte Dicke in einem einspringenden Teil 42 axial ausgefluchtet mit jedem der Pole 36, so daß das Gewicht der Jochstruktur 41 reduziert wird.

ras Zyklotron 22 ist konventionell aufgebaut und weist zwei sf>k r orf örmige iiF-Ulektroden 44 auf, die in der Mittelebene den ijpaltes Z 7 einander ^ep"c?r'Jbor' nnp;»iordnrct sind und mit Hf-L'nergie über zwei KF-Koaxialleitungen 45 gespeist v/erden, die axial durch cLen allgemein zylindrischen Teil 41' des Magnetjochs 41 hindurchtreter. Die axial gerichteten HF-Übertragungsleituiigen 45 weisen einen kurzen Abschnitt mit 90° Biegung auf, der allgemein in der Hittelebene des Jochs angeordnet ist, um die HF-Koaxialleitungen 45 mit der. jeweiligen Elektroder. 44 zu verbinden. Die HF-Übertragungsleitungen 45 weisen einen hohlen, rohrförmigen Außenleiter 4? und einen Innenleiter 48 auf und erfüllen eine zweite Funktion, indem sie Absaugrohre bilden, die eine nicht dargestellte Hochvakuumpumpe, beispielsweise eine Titan-Ku^el-Sublimations-Pumpe, die im zylindrischen Zinrichtungsteil des Rotors 15 des Gestells 12 getragen v.ird, und eine evakuierbare Kammer verbinden, die innerhalb des Inneren des "'agnetjochs 41 gebildet ist. Geeignete KF-übertragungsleitungen sorgen für einen Anschluß einer nicht dargestellten HF-Stromquelle, die in ähnlicher Weise innerhalb des Dinrichtungsabteils des Rotors 15 angeordnet

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ist. Die Vakuumpumpe und die HF-StroaiquelIe sind mit der HF-Ubertragungsleitung 45 über eine HF- und Vakuum-Verteilung 49 (vergl. Fig. 2) verbunden, die am Zyklotron-Joch 41 befestigt ist.

Eine Ionenquelle 51 wird durch die radial gerichtete Bohrung 52 in Joch 41 abgestützt und emittiert geeignete geladene Partikel, beispielsweise Irotonen, in den Zentralbereich der Elektroden 44. Die geladenen Partikel werden durch die elektrischen HF-Felder beschleunigt und durch das Magnetfeld zwischen den Magnetpolen 36 geführt und fokussiert. Die Magnetpolstruktur 36 des Zyklotrons ist konventionell aufgebaut, wobei die Pole 36 der Magnetstruktur in sektorförmige Berge und Täler geformt sind, wie in Fig. 3» 4 und 7 dargestellt, um eine Ketto-Fokussierung der Fartikelbahnen zu erhalten, während gleichzeitig Fhasensynchronität mit dem HF-Feld aufrechterhalten wird, wenn die Partikel während der Beschleunigung relativistisch Hasse gewinnen.

Die Ionen werden in einem spiralenförmigen Weg auf relativ hohe Energie beschleunigt, beispielsweise 30 HeV in der Nähe des Umfangs des Magnetspalts 37 und werden auf ein Target 53 gerichtet, um den Strahl 21 aus energiereichen Neutronen zu erzeugen, die dann durch einen variablen Kollimator 54- zur I-atientenbehandlungszone 19 gelangen.

Die Neutronen werden in einer allgemein vorwärtsgerichteten Keule erzeugt, mit etwa 5 % Intensität bei 180° und etwa 10 % Intensität bei 90° relativ zu 100 ..» Intensität bei 0° auf der Behandlungsstrahlachse. Der Neutronenfluß der in Teilen der Keule außerhalb des Behandlungsstrahlkegels erzeugt wird, wird mit einem Primärkollimator 55» einem zweiten Schirm 58, den Polen und dem Joch des Magneten und zusätzlichem borbelasteten Polyäthylen und Blei, das das Magnetjoch umgibt, abgeschirmt.

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Ein primärer Neutronenstrahlschirm oder Kollimator 55 ist um das Target 53 herum angeordnet und besteht aus einen Block aus Neutronen absorbierendem Material, beispielsv.eise Wolfram, mit einem radial gerichteten gebogenen Schlitz 5ό, der koplanar mit der Beschleunigungsebene der Partikel ist, die das Target 53 bombardieren sollen. Der Schlitz 56 hat einen tangentialen Pückwandteil 57, um eine Seitenkante des Neutronenstrahls zu kollimieren und zu definieren. Der Zweck des primären Strahlkollimators oder Schirms 55 ist es, unerwünschte wilde Neutronenstrahlung zu behindern, um die Neutronenbestrahlung soweit wie möglich auf den beabsichtigten Neutronenstrahlweg 21 einzuschränken. Ein zweiter Wolframschirm 53 ist am Umfang der inneren Zyliiiderwand des Eisenjochs 41' in einer Position koplanar mit dem i\agnetspalt 37 und koplanar mit der Beschleunigur.psebene der geladenen Partikel angeordnet, so daß eine Neu^ronenabschirmung in der Vorwärtsrichtung vom Target geschaffen wird. Der allgemein zylindrische Teil 41' des Kagnetjoches hat eine geringere radiale Wandstärke auf der dem Kollimator 5^ gegenüberliegenden Seite, so daß das Gewicht des Joches an der Seite reduziert ist, wo die Dicke des Joches nicht so stark dazu verwendet werden muß, Strahlung abzuschirmen.

In Fig. 5 bis 7 ist das Target 53 näher dargestellt. Genauer gesagt, das Target 53 weist ein zylindrisches Primärtargetelement 58 aus einem Werkstoff mit relativ hoher Neutronenausbeute aufgrund von Bombardierung mit Protonen mit Energien oberhalb von 15 ^eV auf, beispielsweise Beryllium, Lithium oder Kohlenstoff-13» die zur Vecase!wirkung mit den energiereichen Protonen dienen, da sie von 30 bis 15 "eV dämpfen, um energiereiche Neutronen in einer Vorwärts-Hauptkeule 21 mit einer Mittellinie zu erzeugen, die allgemein Tangente an die

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Protonen-Wege an ihrem Aufprallpunkt auf das Target 58 ist. Das zylindrische Target 58 weist einen nach außen sich erweiternden Lippenteil 59 mit einer Fläche senkrecht zu den Protonenlaufbahnen auf. Ein allgemein konisches Abstützelement 61 ist in eine konische Aussparung 62 im Target 58 eingesetzt. Das Abstützelement 61 besteht aus einem Material, das eine relativ niedrige Ausbeute für neutronen hat, beispielsweise Kohlenstoff, Graphit oder Gold, um die restlichen 15 HeV der Energie des Protonenstrahls zu absorbieren, ohne den reichlichen Fluß energiearmer ITeutronen zu erzeugen, die sonst in Beryllium, Lithium oder Kohlenstoff-13 erzeugt wurden. Damit wird die Hautdosis des Patienten reduziert. JO I'eV-Protonen liefern etwa 19 MeV mittlerer ITeutronenenergie von einem 15 HeV dicken Berylliumtarget, das mit einem Protonenstopwerkstoff auf der Pücltseite versehen ist, beispielsweise Graphit, und dem ein 6 cm dicker Polyäthylenfilter zur Dämpfung energiearmer ITeutronen folgt.

In einem Zyklotron gleicher Größe würde die maximale Deuteronenenergie von einen Berylliumtarget etwa 16 IfeV betragen und die mittlere Keutronenenergie etwa 8 KeV. Durch die Verwendung von Protonen anstelle von Deuteronen in einem kompakten, wassergekühlten Zyklotron, das klein genug für Gestellmontage ist, wird also ein recht energiereicher lieutronenstrahl erzeugt, der adäquat zur Radiotherapie-Behandlung des Brustkorbs des Patienten ist; mit Deuteronen im gleichen kompakten Zyklotron ist die Ileutrcnener.ergie nur ausreichend durchdringend zur Radiotherapie von Kopf, Hal3 und Extremitäten eines Patienten.

Das Target wird mittels einer Welle 63 rotiert, an der e. r.e Antriebscheibe 64- befestigt ist. Die Antriebscheibe wird mit einem F.iemen angetrieben, der an einer zweiten Geheibe befestigt ist, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Eine rotierende Ferrofluid-Vakuumdichteinheit

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dichtet die rotierende Targetwelle 63 nit der Vakuumwand des zylindrischen Joches 41' ab. Eine Lagereinheit 66 sorgt für eine Drehlagerverbindung zwischen der V.'elle 63 und der Innenbohrung eines zylindrischen Gehäuses 67, das in eine zylindrische Bohrung 68 im Joch 41' montiert ist. Die V.'elle 63 weist koaxial montierte innere und äußere hohle Wellenteile 69 und 71 auf, um einen Ringbereich zwischen den beiden Wellen zu schaffen, durch den ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, strömt. Das Kühlmittel strömt durch das Innere der inneren Hohlwelle zum Ende der V.'elle 63 und kehrt in Wärmeaustauschbeziehuiig mit den Targetteilen 58 und 61 zurück, so daß darin erzeugte Wärme abgeführt wird.

las Kühlmittel wird über eine rotierende Wasseranschlußverteilung 72 in die Hohlwelle 63 eingespeist, bzw. aus dieser abgelassen, die am äußeren Ende der drehbaren Welle befestigt ist. Ein zylindrisches Abschirmelement 73, beispielsweise aus Wolfram, ist in das innere Ende der Bohrung 66 montiert, um die rotierende Ferrofluid-Vakuumdichtung 65 und andere Teile gegen Strahlung abzuschirmen, die im Bereich des Targets 58 erzeugt wird. Die Targetteile 58 und 61 sind an einem Ende der Welle 63 über eine Endkappe 74- gefangen, die mit Kappenschrauben an der Welle 63 gehalten wird.

In Fig. 8 bis 10 ist der Keutronenstrahlkollimator 5^- dargestellt. Der Kollimator 5^ weist einen konischen Vakuumdom oder Neutronenfenster 81 auf, das in eine zylindrische Bohrung 82 im zylindrischen Jochteil A-I' in axialer Ausfluchtung mit dem Neutronenstrahlweg 21 eingelötet ist. Eine drehbare Neutronenstrahlkollimatorstruktur 83 ist innerhalb der Bohrung 82 angeordnet, um den Neutronenstrahl 21 zu kollimieren. Die drehbare Kollimator-

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struktur 83 weist einen zylindrischen Seitenwandteil 84 auf, der drehbar auf das Joch 4-1 mittels einer Kugellageranordnung 85 montiert ist.

Das zylindrische Gehäuse 84 weist einen oberen konischen Teil 86 auf, der am oberen Ende mittels eines primären Neutronenstrahlkoilimators 87, beispielsweise aus Wolfram, abgeschlossen ist, der eine konisch geformte öffnung 88 aufweist, die axial mit dem Neutronenstrahl 21 ausgefluchtet ist. Eine Anzahl mit Mittelöffnungen versehener Hilfskollimatorplatten 89» beispielsweise aus Wolfram, liegen quer im drehbaren Gehäuse 84. Jede Platte 89 weist eine rechteckige Mittelöffnung 91 auf, deren Abmessungen der maximalen Strahlbreite des zu kollimierenden Neutronenstrahls 21 entsprechen.

Eine Anzahl Backenplatten 92, beispielsweise vier Volframplatten, sind verschiebbar auf die Platten 89 montiert, zur Bewegung radial zur Längsachse des ITeutronenstrahls 21, um die maximale Querschnittsfläche des ITeutronenstrahls zu ändern. Die Platten 92 sind radial mitteis einer Anzahl axial gerichteter Wellen 93 verschiebbar, die auf Treibwellen 94 wirken, die mit den einzelnen Backenplatten 92 gekuppelt sind, um eine radiale Verschiebung der Backenplatten 92 relativ zur Mittellinie 21 des Neutronenstrahl zu bewirken. Ein Backentreibmotor 95 ist innerhalb des Gehäuses 84 angeordnet und betrieblich mit den Treibwellen 93 und 94 assoziiert, um eine synchrone Verschiebung der verschiedenen Backenplatten 92 zu bewirken.

Fig. 9 zeigt die Neutronenstrahlöffnung für maximalen querschnitt des Neutronenstrahls 21, wenn die Backenplatten sich in ihrer voll zurückgezogenen Position befinden, während Fig. 10 eine stark verengte Position

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der jeweiligen 3acker.platten 92 zeigt, wobei die Strahlquerschnittsflache nahezu minimal ist. Uer Kollimator ist deshalb so einstellbar, daß die Querschnittsfläche des Neutronenstrahl 21 eingestellt werden kann und ist mittels eines Kollimatordrehmotors 96 drehbar, der vom Joch 41' getragen wird und mit dem drehbaren Gehäuse über ein Vorgelege 97 gekuppelt ist, das einen Zahnkranz treibt, der am unteren Ende des zylindrischen Gehäuses 84-sitzt.

Ein Spiegel 99 ist auf die Achse des Kollimators 54 nahe dem oberer. Ende desselben montiert. Eine Lampe 101 ist auf der Mittellinie 21 des Neutronenstrahlweges angeordnet und projiziert ihr Licht auf den Spiegel 99, und dann wird das Licht durch den Kollimator 54 zurück zur Patientenbehandlungszone projiziert. Das projizierte Licht, wie es durch den Kollimator 54 hindurchtritt, entspricht dem Bestrahlungsfeld, das durch den Neutronenstrahl 21 erzeugt wird. Die Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine 11 kann also mit dem richtigen Bereich des Patienten ausgefluchtet werden, der mit dem Strahl behandelt werden soll. Eine Doppelionisationskammer 102 ist im Kollimator 54 angeordnet, um die Intensität des Neutronenstrahls 21 zu überwachen. Ein Neutronenfilter 103, beispielsweise aus Polyäthylen, mit dem energiearme Neutronen gefiltert werden, ist zwischen der Ionisationskammer 102 und der Wand des Vakuumdoms 81 positioniert, um die Hautdosis des Patienten zu reduzieren. Der Neutronenfilter 103 hat vorzugsweise eine höhere Dicke oder einen höheren Eämpfungskoeffizienten in der Nähe der Strahlachse und verringert sich radial von der Neutronenstrahlachse aus, um die Gleichförmigkeit der Neutronenintensität in Querrichtung, d.h., seitlich zum Feld der Neutronenbestrahlung in der Patientenbehandlungszone zu verbessern.

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Ξΐπ energiearme ICeutronen absorbierender Werkstoff, beispielsweise gepresste Holzpartikel oder Polyäthylen, ist in die die beweglichen 3acken 92 umgebenden Räume gebracht, um Neutronen zu absorbieren, die in die Bereiche zwischen der Innenwand des Gehäuses 84 und den verschiedenen bewegbaren Platten 92 reflektiert werden. Der drehbare Kollimator 54- erlaubt es, das Bestrahlungsfeld zu einem gewünschten Querschnitt zu wählen und zur Fatientenbehandlungszone zu orientieren, so daß nur die gewünschten Bereiche bestrahlt werden.

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Claims

Vl

Patentansprüche

ieutronen-Bestrahlungs-Therapieinaschine zur Behandlurig ^^^ von Patienten mit einem Neutronenstrahl, gekennzeichnet durch eine Zyklotroneinrichtung zur Beschleunigung von geladenen Partikeln auf hohe Energie und zur Bombardierung eines Targets zur Erzeugung eines Strahls aus energiereichen Neutronen, der dem Patienten zugeführt werden soll, die eine Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Wechselwirkung mit den geladenen Partikeln im Beschleunigungsbereich aufweist, zwei in Abstand voneinander befindliche Polteile, die einen Magnetspalt zwischen sich definieren, in dem das Magnetfeld eine Kraft auf die geladenen Partikel erzeugt,und die eine Jocheinrichtung aus ferromagnetischem Iiaterial aufweist, die die beiden Polteile verbindet, um einen Magnetflußweg relativ niedriger Reluktanz zur Rückführung des Magnetflusses zu den jeweiligen Polteilen zu bilden, wobei nicht-supraleitende, magnetomotorische Kraft erzeugende Einrichtungen in Magnetfluß-Austauschbeziehung mit den Polteilen angeordnet sind, um eine magnetomotorische Kraft zu erzeugen, und die Magnetpolteile auf entgegengesetzte magnetische Polarität zu erregen, und wobei die Jocheinrichtung allgemein die Polteile umgibt und einspringende Teile verringerter Dicke in der Nachbarschaft der jeweiligen Polteile aufweist, um das Gewicht der Jocheinrichtung verglichen mit dem eines Magnetjoches ohne einspringende Teile zu verringern.

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Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Jocheinrichtung einen ferromagnetischen Teil allgemein ringförmiger Konfiguration mit einer radialen Dicke auf der in Richtung des lieutronenstromlauf es weisenden Seite aufweist, die erheblich größer ist als die radiale Dicke auf der Seite, die von der Laufrichtung des Neutronenstrshls wegweist.

Keutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine zur Behandlung von Patienten mit einem Neutronenstrahl, gekennzeichnet durch eine Zyklotroneinrichtung zur Beschleunigung geladener Partikel auf eine hohe Energie und zur Bombardierung eines Targets zwecks Erzeugung eines Strahls aus energiereichen Neutronen, der dem P'atienten zuzuführen isc, die eine iiagneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Wechselwirkung mit den geladenen Partikeln aufweist, die zwei im Abstand voneinander befindliche Polteile aufweist, die einen Nagnetspalt zwischen sich definieren, in dem das Nagnet feld der Iiagneteinrichtung eine Kraft auf die geladenen Partikel erzeugt, wobei die Nagneteinrichtung eine Jocheinrichtung aus ferromagnetischem Material aufweist, die die beiden Polteile verbindet, um einen nagnetflußweg relativ niedriger Reluktanz zur Rückführung des Nagnetflusses zu den jeweiligen Polteilen zu bilden, wobei nicht-supraleitende, magnetomotorische Kraft erzeugende Einrichtungen in Nagnetfluß-Austauschbeziehung mit den Polteilen gekuppelt sind, um eine magnetomotorische Kraft zu erzeugen und die Nagnetpolteile auf entgegengesetzte magnetische Polaritäten zu erregen, wobei die Magnetlocheinrichtung die Polteile allgemein umgibt, ferner gekennzeichnet durch eine Gestelleinrichtung, mit der das Zyklotron um eine Drehachse geschwenkt werden kann und die eine Lagerstruktur aufweist, die einen festen

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Statorteil und einen mit der Zyklotroneinrichtung gekuppelten Rotorteil aufweist, um die Zyklotroneinrichtung drehbar abzustützen, wenn die Zyklotroneinrichtung sich um die Drehachse bewegt, und Supporteinrichtungen, mit denen der Statorteil fest von einer Plattform abgestützt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine C-egengewichtseinrichtung, die auf den Rotorteil diametral der Zyklotroneinrichtung gegenüber montiert ist, um lit dem Rotorteil zu rotieren und das Gewicht der Zyklotroneinrichtung auszugleichen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine Fatiententischeinrichtung, die stützend von dem Rotorteil montiert ist und sich allgemein parallel zur Drehachse erstreckt, und eine zweite Lagerstruktur, die die Fatiententischeinrichtung drehbar gegen den Rotor abstützt und eine Beyegung des Zyklotrons um den Patiententisch erlaubt, während die Position des Patiententisches festgehalten wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine Ctrahlstoppereinrichtung, die vom ftotorteil der Zyklotroneinrichtung diametral gegenüber und im neutronenstrahl getrapen wird, um !Neutronen des Strahls zu absorbieren, nachdem dieser durch die I-atientenbehandlur.Rszone hindurchgetreten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da: die Strahlstoppereinrichtung aus gepressten Holzpart ike In hergestellt ist.

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3. Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine zur Behandlung von Patienten mit einem Neutronenstrahl, gekennzeichnet durch eine Zvklotroneinrichtung zur Beschleunigung von geladenen Fartikeln auf eine hohe Energie und zur Bombardierung eines Targets zwecks Erzeugung eines Strahls aus energiereichen neutronen, der dem Patienten zuzuführen ist, die eine Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Hagnerfeldes zur Kechselwirkung mit den geladenen Partikeln in der Zyklotroneinrichtung aufweist, die ihrerseits zwei im Abstand befindliche Folteile aufweist, die zwischen sich einen Hagnetspalt definieren, in dem das Magnetfeld der Magneteinrichtung eine Kraft auf die geladenen Partikel erzeugt, wobei eine Jocheinrichtung aus ferromagnetischem Material die beiden Polteile verbindet, um einen Magnetflußweg relativ niedriger Reluktanz zur Rückführung des Magnetflusses zu den jeweiligen Polteilen zu schaffen, Einrichtungen zur Erzeugung einer magnetomotorischen Kraft in Magnetfluß-Austauschbeziehung mit den Polteilen gekoppelt sind, um eine magnetomotorische Kraft zu erzeugen und die Magnetpolteile zu entgegengesetzten magnetischen Polaritäten zu erregen, wobei die Jocheinrichtung die Polteile allgemein umgibt, und daß die Zyklotroneinrichtung eine Hülle aufweist, mit der ein evakuierbares Gehäuse definiert wird, in dem die geladenen Fartikel beschleunigt werden, Elektroneneinrichtungen innerhalb der Hülle, die mit hochfrequenter Energie erregt werden, um ein hochfrequentes elektrisches Feld innerhalb der Hülle zu erzeugen, das auf die geladenen Partikel wirkt, um diese auf hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, und dadurch gekennzeichnet, doß Hochfrequenz-'ubertragungsleitungen mit einem evakuierbaren Teil durch die Hülle hindurchtreten, um Hochfrequenzenergie von einer außerhalb der Magneteinrichtung angeordneten Quelle an die Elektroden zwecks deren Anregung

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zu übertragen, eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der eine Vakuumpumpe in Gasverbindung mit dem Inneren der Hülle über wenigstens einen Teil der evakuierbaren Kochfrequenz-übertragungsleitung gekuppelt werden kann, um die Hülle über wenigstens einen Teil der evakuierbaren Hochfrequenz-Übertragungsleitung zu evakuieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung aus einem Abschnitt Koaxialleitung besteht, die einen äußeren elektrisch leitenden rohrförmigen Teil und einen zentral angeordneten, longitudinal gerichteten inneren elektrisch leitenden Teil aufweist.

10. Neutronen-Sestrahlungs-Therapiemaschine zur Behandlung von Patienten mit einem Neutronenstrahl, gekennzeichnet durch eine 3eschleunigereinrichtung zur Beschleunigung geladener Partikel auf hohe Energie und zur Bombardierung eines Targets zur Erzeugung eines Strahls aus energiereichen Neutronen, der dem Patienten zuzuführen ist, eine Targeteinrichtung, die mit den geladenen Partikeln mit einer Energie erheblich größer als 15 MeV zu bombardieren ist, um einen resultierenden Strom energiereicher Neutronen zu erzeugen, und dadurch gekennzeichnet, daß das Target zwei Werkstoffbestandteile aufweist, von denen der erste aus einem Werkstoff mit relativ hoher Neutronenausbeute bei Bombardierung mit Protonen mit einer Energie größer als 15 NeV aufweist und der zweite Werkstoffbestandteil aus einem Material mit relativ niedriger Neutronenausbeute bei Bombardierung mit Protonen mit einer Energie unterhalb von 15 MeV besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Werkstoffbestandteil des Targets aus Beryllium, Lithium und/oder Kohlenstoff-13 besteht.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verkstoffbestandteil aus Kohlenstoff, Graphit und/oder Gold besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, da2 der erste Verkstoffbestandteil des Targets aus Beryllium, Lithium und/oder Xohlenstoff-13 besteht, und daß der zweite Werkstoffbestandteil des Targets aus Kohlenstoff, Graphit und/oder Gold besteht.

14-. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Drehung des Targets.

15· Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der ein Kühlmittel durch das drehbare Target in Wärmeaustauschbeziehung damit zur Kühlung des Targets im Betrieb geschickt werden kann.

16. Keutronen-aestrahlungs-Therapiemaschine zur Behandlung von Patienten mit einem Neutronenstrahl, gekennzeichnet durch eine Beschleunigereinrichtung zur Beschleunigung von geladenen Partikeln auf eine hohe Energie und zur Boxbardierung eines Targets zwecks Erzeugung eines Strahls aus energiereichen Neutronen, der dem Patienten zuzuführen ist, und eine Targeteinrichtung, die mit den energiereichen geladenen Partikeln bombardiert wird, um den resultierenden Strahl aus energiereichen Neutronen zu erzeugen, sowie eine Abschirmeinrichtung, die der Targeteinrichtung benachbart in NeutronenabschirmbeZiehung zu dieser angeordnet ist und einen Kanal für geladene Partikel auf v/eist, durch den die energiereichen geladenen Partikel durch die Abschirmung zum Target hindurchtreten können, und einen Neutronen-Fartikel-Austrittskanal zum Austritt von Neutronen, die vom Target ausgehen, durch die Abschirmeinrichtung in Richtung des Neutronenstrahls.

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17« Vorrichtung nach Anspruch 16_t dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung aus Wolfram besteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskanal für den Strahl aus geladenen Partikeln und der Neutronenstrahl-Ausgangskanal aus einem Schlitz in der Abschirmung besteht, wobei die Beschleunigereinrichtung eine Magneteinrichtung aufweist, mit der ein Nagnetfeld in einem Spalt zwischen zwei Hagnetpolteilen erzeugt wird, die von einem evakuierbaren ferromagnetischen Joch umschlossen sind, wobei der Schlitz in einer Ebene koplanar mit einer Ebene zwischen den beiden Folteilen liegt und eine zweite Neutronenabschinneinrichtung aufweist, die innerhalb des Joches der Hauptkeule des vom Target ausgehenden Neutronenflusses benachbart angeordnet ist und in einer Ebene koplanar mit dem Schlitz in der ersten Abschirmung zur Abschirmung von Neutronen, die durch den ersten Schlitz hindurchtreten und aus dem gewünschten Neutronenstrahl herausstreuen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abschirmeinrichtung aus Wolfram besteht.

2C. Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine zur Behandlung von Patienten mit einem Neutronenstrahl, gekennzeichnet durch eine Zyklotroneinrichtung zur Beschleunigung von geladenen Partikeln auf eine hohe Energie und zur Bombardierung eines Targets zwecks Erzeugung eines Strahls aus energiereichen Neutronen, der dem Patienten zuzuführen ist, die eine Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Wechselwirkung mit den geladenen Partikeln aufweist, die zwei Polteile im Abstand voneinander aufweist, die zwischen sich einen Magnetspalt definieren, in dem das Magnetfeld der Magneteinrichtung eine Kraft auf die geladenen !artikel erzeugt, wobei die Magneteinrichtung eine Jocheinrichtung aus ferromagnetischem

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Material aufweist, das die beiden Folteile verbindet, um einen magnetischen Flußweg relativ niedriger Reluktanz zur Rückführung des Magnetflusses an die jeweiligen Polteile zu schaffen, Einrichtungen zur Erzeugung einer magnetomotorischen Kraft in Magnetfluß-Austauschbeziehung mit den Polteilen gekoppelt sind, um eine magnetomotorische Kraft zu erzeugen und die Magnetpolteile auf entgegengesetzte magnetische Polaritäten zu erregen, wobei die Jocheinrichtung die Polteile allgemein umfängt, und durch eine Kollimatoreinrichtung, die in dem Neutronenstrahlweg strahlabwärts vom Target angeordnet ist, um den Neutronenstrahl, der der Patientenbehandlungszone zugeführt werden soll, zu kollimieren, wobei die Kollimatoreinrichtung eine Keutronenabsorptionseinrichtung mit einem Neutronenstrahl aufweist, und eine Einrichtung zur Veränderung der Größe des Neutronenstrahlkanals zwecks Veränderung der Querschnittsfläche des der Fatientenbehandlungszone zugeführten Neutronenstrahls.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Veränderung der Größe des Neutronenstrahlkanals einen Satz Neutronen absorbierende Backeneinrichtungen aufweist, die im Abstand um den Umfang des Neutronenstrahls angeordnet sind, um die Querschnittsgröße des Neutronenstrahlkanals zu definieren, und Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Backeneinrichtungen radial relativ zur Mittelachse des Neutronenstrahlweges bewegt werden können, um die Größe des Neutronenstrahlkanals zu variieren.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen absorbierenden Backeneinrichtungen aus Wolfram hergestellt sind.

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23. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Sätzen von Neutronen absorbierenden Backeneinrichtungen, die in Reihe längs des Neutronenstrahlweges angeordnet sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Absorption energiearmer Neutronen im Kollimator.

25· Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Absorption energiearmer Neutronen aus gepressten Holzpartikeln und/oder Polyäthylen besteht.

26. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Jocheinrichtung eine Keutronenstrahlbohrung aufweist, die mit dem Neutronenstrahl ausgefluchtet ist, und daß die Kollimatoreinrichtung innerhalb der Neutronenstrahlbohrung und der Jocheinrichtung montiert ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Drehung der Kollimatoreinrichtung um eine Drehachse, die die Kittelachse des Neutronenstrahls schneidet,

28. Neutronen-Bestrahlungs-Therapiemaschine zur Behandlung von Patienten mit einem Neutronenstrahl, gekennzeichnet durch eine Zyklotroneinrichtung zur Beschleunigung von Protonen auf eine hohe Energie und zur Bombardierung eines Targets zwecks Erzeugung eines Strahls aus energiereichen Neutronen, der dem Patienten zugeführt werden soll, wobei die Zyklotroneinrichtung eine Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Wechselwirkung mit den Protonen aufweist, die zwei im Abstand befindliche 1-olteile enthält, die zwischen sich einen Magnetspalt definieren, in dem das Magnetfeld der Kagneteinrichtung eine Kraft auf die Protonen erzeugt, wobei die Magneteinrichtung eine

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Jocheinrichtung aus ferronagnetischem Material aufweist, die die "beiden Polteile verbindet, um einen magnetischen Flußweg relativ niedriger Reluktanz zur Rückführung des Magnetflusses zu den jeweiligen Polteilen zu schaffen, Einrichtungen zur Erzeugung magnetomotorischer Kraft in Magnetfluß-Austauschbeziehung mit den Polteilen gekoppelt sind, um eine magnetomotorische Kraft zu erzeugen und die r'agnetpolteile auf entgegengesetzte magnetische Polaritäten zu erregen, eine Protonenquelle zur Lieferung von Protonen in den Bereich zwischen den Polteilen, die zu einer Energie größer als 15 MeV beschleunigt werden sollen, und eine Gestelleinrichtung, mit der das Zyklotron um eine Patientenbehandlungszone geschwenkt werden kann.

29· Vorrichtung nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch eine Neutronenfiltereinrichtung, die im Neutronenstrahl zwischen dem Target und der Patientenbehandlungszone angeordnet ist, um die relativ energiearmen Neutronen des Strahls zu dämpfen.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronenfiltereinrichtung einen Dämpfungskoeffizienten hat, der radial von der Mitte des Strahls aus abfällt, so daß die Gleichförmigkeit der Neutronenintensität in seitlicher Richtung des Feldes der Neutronenstrahlbestrahlung erhöht wird.

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