Entwicklung eines magnetischen Strahlführungssystems zur tumorkonformen Strahlentherapie mit schweren geladenen Teilchen:
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1994
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Einleitung 8
1 Das Umfeld und die Problematik 9
1.1 Die physikalischen Vorteile schwerer geladener Teilchen 9
1.2 Die strahlenbiologischen Vorteile 11
1.3 Das Schwerionensynchrotron der GSI 13
1.4 Strahlführungsmethoden 14
1.4.1 Longitudinale Strahlführung 15
1.4.2 Laterale Strahlführung 19
1.5 Die Mikrosonde der GSI 24
2 Das Bestrahlungsverfahren 26
2.1 Prinzip der Bestrahlungstechnik 26
2.2 Vorbereitung 28
2.2.1 Konturausdehnung und Breite des Strahlprofils 30
2.2.2 Strahlführung innerhalb der ausgedehnten Kontur 32
2.2.3 Kontrollwerterzeugung 37
2.2.4 Einfluß der Dynamik der Magnetstromversorgungen 41
2.2.5 Strahlführungs- und Extraktionseinstellung 43
2.3 Intensitätskontrollierter Bestrahlungsablauf 44
1
2 INHALTSVERZEICHNIS
3 Die technische Realisierung des Scanners 47
3.1 Komponentenübersicht 47
3.2 Intensitätsmonitor 48
3.2.1 Vergleich SEETRAM/Ionisationskammer ... . . . . . . ... 49
3.3 Magnete und Netzteile 51
3.3.1 Spezifizierung der Magnete und Netzteile 51
3.3.2 Die Scanmagnete 54
3.3.3 Die Magnetstromversorgungen 58
3.4 Scannersteuerung 68
3.4.1 Konzept der Scannersteuerung 68
3.4.2 Speicherbedarf 68
3.4.3 Beschreibung der Steuerungshardware 69
4 Ein pragmatisches Strahltransportmodell 73
4.1 Wechselwirkungen beim Strahltransport 74
4.1.1 Atomare Wechselwirkungen 74
4.1.2 Nukleare Wechselwirkungen 77
4.2 Aufbau des Programms 83
4.2.1 Simulationsparameter 83
4.2.2 Transportcode 84
4.2.3 Ausgabedaten 85
4.3 Ergebnisse 85
4.3.1 Bragg-Kurven 86
4.3.2 Integrale Fluenzen 88
4.3.3 Energiespektren 89
4.3.4 LET-Spektren 90
i
INHALTSVERZEICHNIS 3
5 Simulationen und Rechnungen 93
5.1 Simulation der lateralen Strahlführungsverfahren 93
5.1.1 Homogenität 93
5.1.2 Randabfall 97
5.1.3 Konturanpassung 99
5.1.4 Einfluß der Soll-Istwert-Abweichung der Magnetnetzteile ... 99
5.2 Übertragungsfunktionen der Scannerkomponenten 101
6 Ergebnisse 107
6.1 Beschleuniger- und Strahlführungskontrolle 107
6.1.1 Extraktion 108
6.1.2 Achromatische Strahlführung 109
6.1.3 Schnelle Energievariation 109
6.2 Scannerspezifische Experimente 112
6.2.1 Flexibilität 112
6.2.2 Homogenität der Teilchenbelegung 116
6.2.3 Definiert inhomogene Belegungsdichte 120
6.2.4 Kombination der schnellen Energievariation mit dem Strahl¬
scannen 122
Zusammenfassung und Ausblick 125
Abbildungsverzeichnis
1.1 Mittlere seitliche Auslenkung geladener Teilchen 10
1.2 Überlebenskurven im Bragg-Maximum und im Plateau 12
1.3 Tiefendosisvergleich 60Co-7-Strahlung mit Kohlenstoff-Ionen 13
1.4 Passive Strahlführungsverfahren 16
1.5 Dosisverlagerung mittels Bolus 17
1.6 Dynamische Reichweitenfestlegung 18
1.7 Dynamische Strahlauslenkung 22
1.8 Strahlpositionsmuster der Pixelscantechnik 23
1.9 Prinzipieller Aufbau des Raster-Ionen-Mikroskops 25
2.1 Schematische Darstellung des Rasterscanverfahrens 27
2.2 Flußdiagramm zur Planung der Bestrahlung 28
2.3 Vorbestrahlung zentraler Schnittflächen 29
2.4 Größenverhältnis Zielfläche/Behandlungsfläche 31
2.5 Algorithmus zur Konturausdehnung 31
2.6 Original- und ausgedehnte Kontur 32
2.7 Das Basisscanlinienmuster 33
2.8 Skizze zur Berechnung des Rasterscanwegs 34
2.9 Strahlpositionen im Pixelscanmodus 35
2.10 Auftrennung der Zielkontur zur Strahlpositionsbestimmung 37
2.11 Berechnungsschema der kodierten Stromsollwerte 38
4
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5
2.12 Geometrie des Strahlscanners 39
2.13 Ablaufdiagramm einer Bestrahlung 46
3.1 Komponenetenübersicht 48
3.2 Überhöhte Spurdichte in der Startregion 50
3.3 Anstieg der Spurdichte an einem Belegungssprung 51
3.4 Strom-, Spannungs- und Flußdichtezusammenhang 55
3.5 Erregungskurve eines Scanmagneten 56
3.6 Effektive Länge des Scanmagneten 56
3.7 Homogenität der Flußdichte 57
3.8 Chopperschaltung 59
3.9 Schaltbild der getakteten Magnetstromversorgung 60
3.10 Toleranzbandregelung 62
3.11 Messung des Soll- und Istwertes des Stroms 63
3.12 Laststrommessung für einen rechteckförmigen Sollwert 65
3.13 Stromsoll-und Istwertverlauf für eine quadratische Zielfläche 66
3.14 Stromsoll-und Istwertverlauf für ein Tumorschnittmodell 67
3.15 Blockschaltbild der Steuereinheit 69
4.1 Spezifischer Energieverlust in Wasser 75
4.2 Berechnete Reichweiten in Wasser 75
4.3 Energieverluststreuung 77
4.4 Korrekturfaktor nach Kox 78
4.5 Geometrischer Wirkungsquerschnitt 79
4.6 Verlauf der Abschwächungslänge 79
4.7 Produktionsquerschnitte 81
4.8 Energieverlust bei der Projektilfragmentation 82
4.9 Energieverluststreuung bei der Projektilfragmentation 83
4.10 Prinzip der Transportrechnung 84
6 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.11 Bragg-Kurve für 400Mev/u Sauerstoff 86
4.12 Bragg-Kurve für 135Af ev/u Kohlenstoff 87
4.13 Bragg-Kurve für 135Mev/u Neon 88
4.14 Fragmentausbeuten eines Sauerstoffprojektils 89
4.15 Fragmentenergiespektren in verschiedenen Wassertiefen 91
4.16 LET-Spektren einiger Projektilfragmente 92
5.1 Strahlprofile unterschiedlicher Belegungsdichte 94
5.2 Teilchenbelegungsbeispiele variierender Spurdichte 95
5.3 Homogenitätsverlauf für die Rasterscantechnik 96
5.4 Homogenitätsverlauf für die Pixelscantechnik 96
5.5 Teilchenbelegungslinienprofile 98
5.6 Randabfall der Beleguügs«Kchte 98
5.7 Anpassung der Tetkhenbelegung an die Zielkontur 99
5.8, Ideale und gestörte Strahlpositionsmuster 100
5.9 Homogenitätsverlauf bei Strahlpositionsabweichongen 101
5.10 Sprungantwortfunktion des Scansystems 104
5.11 Typische Strahlpositionsabstände 105
6.1 Extraktionsabbruch 108
6.2 Achromasie der Strahlführung 110
6.3 Stabilität der Strahlführung bei schneller Energievariation 111
6.4 Nachbildung des GSI-Logos 113
6.5 Homogen bestrahltes Tumorschnittmodell 114
6.6 Kreisringförmige Belegungsverteilung 115
6.7 Histogramm der Homogenitätsvariationskoeffizienten 116
6.8 Rasterscan mit großem Abstandsparameter 118
6.9 Pixelscan mit großem Abstandsparameter 118
6.10 Raster-und Pixelscan mit geeignetem Abstandsparameter 119
6.11 Konzentrische Struktur mit Sprung der Belegungsdichte 121
6.12 Rasterscantechnik und schnelle Energievariation 123
6.13 Buchstabenscans bei Energievariation 124
Tabellenverzeichnis
3.1 Design-Daten des Scansystems 53
3.2 Erlaubte Schaltzustände der Transistorbrücke 61
7
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