(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーハウジング（２）、ビーム入口ウィンドゥ（３）、計数ガスを充填したチャンバー容積（５）、高電圧陽極（６）および高電圧陰極（７）を有するイオンビーム（１）用イオン化チャンバーであって、
該イオン化チャンバー（８）はイオンビーム軸に対して直交して整列された上記（２）、（３）、（５）、（６）および（７）で表される要素を含む平らな大表面積構造からサンドイッチ状に組立てられ、その際、平らな計数陽極（９）に直交して整列され、中心に配置された大表面積は、その両側が２つの平行陰極表面（１０）からなる平らな大表面積高電圧陰極（７）で囲まれ、かつ、チャンバーハウジング（２）は実質的に四角なイオン化チャンバー容積（１２）を構成するハウジングフレーム（１１）からなるイオン化チャンバーにおいて、
ビーム入口ウィンドゥ（３）およびビーム出口ウィンドゥ（４）はイオンビーム（１）と直交して整列され、ハウジングフレーム（１１）上にガス不透過性でかつ電気導電性にて装備され、該ビーム入口ウィンドゥ（３）およびビーム出口ウィンドゥ（４）はイオン化チャンバー容積（１２）に面する側が金属被覆され、かつ、該計数陽極（９）および高電圧陰極（７）は金属被覆プラスチック繊維からなるメッシュからなり、かつ、該計数陽極（９）と高電圧陰極（７）間の空間である電気的絶縁空間要素（２１）を使用する電気的絶縁方法にて、ハウジングフレーム（１１）に支持されるフレーム（２０）中に装備されていることを特徴とするイオン化チャンバー。
【請求項２】
前記計数ガスは、好ましくはガスチャンバー容積混合比率が４：１であるアルゴンまたはクリプトンと二酸化炭素のガス混合物からなることを特徴とする、請求項１記載のイオン化チャンバー。
【請求項３】
前記ハウジングフレーム（１１）は、自ら開口部を密封する自己密封計数ガス入口開口部（１３）および自己密封計数ガス出口開口部（１４）を有することを特徴とする、請求項１または２記載のイオン化チャンバー。
【請求項４】
前記イオン化チャンバー（８）は、計数ガス圧力（１５）および／または計数ガス温度（１６）および／または高電圧（３９）のためのセンサ（１５、１６）を有し、該センサはガス不透過性密封開口部（１７）のハウジングフレーム（１１）内に装備されていることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項５】
前記ビーム入口ウィンドゥ（３）およびビーム出口ウィンドゥ（４）は放射線抵抗性非極性プラスチックフィルムからなり、金属板型フレーム（１８）に固定されていて、ハウジングフレーム（１１）内のＯ−リングシール（１９）を用いて、ビーム入口ウィンドゥ（３）から、およびビーム出口ウィンドゥ（４）からイオン化チャンバー容量をガス不透過性にて順に密封することを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項６】
前記ビーム入口ウィンドゥ（３）およびビーム出口ウィンドゥ（４）は、ポリイミドまたはポリエステルフィルムからなることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項７】
前記ビーム入口ウィンドゥ（３）およびビーム出口ウィンドゥ（４）は、イオン化チャンバー容積（１２）に面する側がアルミニウムまたはニッケルで被覆されていることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項８】
前記計数陽極（９）および高電圧陰極（７）は、ニッケル被覆プラスチックメッシュ、好ましくはニッケル被覆ポリエステルメッシュである、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項９】
前記計数ガスは、ハウジングフレームの開口部（１３、１４）を通って、重力に関して最下部であるイオン化チャンバー容積の領域中へ供給され、かつ最上部領域へ放出され得ることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項１０】
前記計数ガスの貫流をモニターするガス流センサは、イオン化チャンバー容積（１２）の外側に配置されることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項１１】
前記イオン化チャンバー（１）は、高電圧陰極（７）と中心計数陽極（９）間の空間５ｍｍにて、高電圧陰極（７）と中心計数陽極（９）間の空間および比率８０：２０％であるアルゴン／二酸化炭素またはクリプトン／二酸化炭素混合物の計数ガス組成物ゆえに、１５００Ｖ以上の高電圧でもって操作され得る、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバー。
【請求項１２】
先の請求項のいずれか１つに記載の複数のイオン化チャンバー（２２、２３、２４）からなるイオンビーム用イオン化チャンバーシステムであって、該システムは、容積要素における個々の線量およびイオンビームにより走査される走査層の層線量をモニターするために、かつ、個々の線量と層線量をモニターするイオンチャンバーの治療サイクルの全線量を独立してモニターするために、イオンビーム方向に互いに縦に一列に配置された少なくとも２つのイオン化チャンバー（２２、２４）を使用して、重イオンビーム強度をモニターするために使用されることを特徴とするイオン化チャンバーシステム。
【請求項１３】
下記方法の工程：
ａ）第１イオン化チャンバー（２２）を用いる照射層における照射が予定される計画照射ラスタの照射容積要素における強度線量の測定；
ｂ）第１イオン化チャンバーの後ろに一列に配置された第２イオン化チャンバー（２３）による、照射容積要素の強度線量の測定値のモニター；
ｃ）第１イオン化チャンバーの測定値と第２イオン化チャンバーのモニター値との対比、および２つの照射強度値が予定された所望値の範囲内に適合する場合、照射層における照射が予定される計画照射ラスタの次の照射容積要素における照射のためのクリアランス；
ｄ）予定された所望値を越えた場合の放射線治療の緊急スイッチオフ、および予定の所望値範囲に達しなかった場合の強度再調節；
ｅ）照射されるべき標的容積が完全に走査されるまで続く照射が予定される計画照射層における工程の繰り返し；
ｆ）標的容積が治療サイクル中に処される全放射線をモニターするために、第１および第２イオン化チャンバーの後ろに一列に配置される第３イオン化チャンバー（２４）でのモニター値からの測定放射線量の集積；
を特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のイオン化チャンバーを用いて、重イオンビーム強度をモニターする方法。
【請求項１４】
前記方法の工程が実施される順序は、当該計画照射サイクルにとって最適に適合されることを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第１イオン化チャンバー（２２）および第２イオン化チャンバー（２３）のモニター機能は、１つのイオン化チャンバーによってもたらされることを特徴とする、請求項１３または請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記方法は、陽子より重いイオンによるイオンビームのイオン強度をモニターするために使用されることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１および１６の前文に記載されるイオンビーム用イオン化チャンバーおよびイオンビーム強度をモニターする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなイオン化チャンバーは、先行技術ではイオン計数管としても公知である。チャンバーハウジングは、通例、管から製造され、この管の２つの端部のうち、一方端がビーム入口ウィンドゥとして、また管の他端がビーム出口ウィンドゥとして供される。この管は減圧下に計数ガスを充填し、管壁から絶縁されて、計数管と同軸方向にある円筒状高電圧陰極を有する。高電圧陰極と周囲の管とから隔絶された円筒状高電圧陽極が該管の中心に配置される。イオン化チャンバーを操作するために、高電圧陰極と高電圧陽極間に電圧が印加され、陰極と陽極間の電流が測定される。もしも、イオンなどの荷電粒子がイオン化チャンバーを通過するか、あるいはイオン化チャンバーで捕捉されるなら、陰極と陽極間の電流はイオン化チャンバーを通過するイオン数に応じて増加する。より複雑な円筒状イオン化チャンバーは、例えば、横断面上を軸方向に分配された陽極を使用して、管状イオン化チャンバーを通過した電荷粒子またはイオンの経路を測定するために、順に多数の軸方向に整列した陽極を有する。
【０００３】
このような円筒状イオン化チャンバーの欠点は、大きな軸方向の大きさと計数陽極の比較的複雑な構造にある。さらに、ビーム拡散方向において、このようなイオン化チャンバーに要求される空間はかなり大きい。しかしながら、患者を前にする治療室のビーム出口で得られる空間は非常に限られている。さらに、イオンビームを腫瘍組織の全範囲にわたって走査する治療システムでは、幅と長さにおいて、これまでに未知である大きさのイオン化チャンバーを入手しなければならない。一般的には、ビーム測定の全ては伝達（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）モードにて、患者の前で実施しなければならない。例えばビーム粒子の発射分解および角散乱の結果であるビーム品質の減損を避けることが必須である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、ペンシル状ビーム中へ高エネルギーを集中させた重イオンを使用する腫瘍治療という状況下に、患者への照射をモニターし、かつ、制御することに適し、ビーム方向の検出器の大きさが小さく、特にプラズマや火花生成の点で、高度の安全性が達成され、かつ、医療分野で使用され得る、既存のイオン化チャンバーの欠点を克服したイオンビーム用イオン化チャンバーおよびイオン治療ビームの強度をモニターする方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決しようとする手段】
本発明の課題は、請求項１および１６に記載される発明の主題によって解決される。
この目的のために、イオンビーム用イオン化チャンバーは、チャンバーハウジング、ビーム入口ウィンドゥおよびビーム出口ウィンドゥ、計数ガスで充填されたチャンバー容積、および高電圧陽極および高電圧陰極からなる。イオン化チャンバーはイオンビームの軸方向に直交して配列されている、これらの要素の板状大表面積構造から平らでかつサンドイッチ状に構築されている。板状計数陽極を直交して配列した中央に配置された大表面積は、その両側で２つの平行した陰極板からなる大表面積板状高電圧陰極に囲まれている。チャンバーハウジングは、実質的に四角なイオン化チャンバー容積を構成するハウジングフレームからなり、そのフレーム上にビーム入口ウィンドゥとビーム出口ウィンドゥをガス不透過性に装備している。板状構造はハウジングフレームから除去することができ、そして単純に取り外したり、または異なった板構造を除去することにより置換され得るから、このような装置は維持することが容易であるとの利点を有する。この板は容易に置換され、その適当な数はストックされ得る。板状構造はまた、予備品および完成したイオン化チャンバーの大量生産を可能とする。
【０００６】
本発明の好ましい態様では、計数ガスはアルゴンまたはクリプトンおよび二酸化炭素のガス混合物であり、好ましくはガス容量混合比率、４：１を有し、イオンビームのエネルギーおよび強度に適合して、イオン化チャンバー中に注入される。このような組成を有する計数ガスは、通例の空気充填円筒状イオン化チャンバーに比べて、この場合、空気中の湿度がイオン化チャンバーの感度に影響を与えないから、測定を再現することが容易であるとの有利な点を有する。このような計数ガスは良好なシグナル／ノイズ比を保証し、高い動的範囲の粒子比率を可能とする。好ましい計数ガスを使用すると、充分な誘電強度（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）もまた保証される。
【０００７】
このような計数ガスは、シグナル感度、特に、増幅と波形が不純物で損なわれるから、高純度であることが好ましい。さらに、チャンバー容積の内側には、好ましくは、個々の板状要素および他の支持および絶縁要素、ならびに補助ユニットおよびガスを放出しないセンサ材料が使用されるか、あるいはガスを放出する要素または成分がエポキシ樹脂で被覆されている。
【０００８】
別な好ましい態様では、イオン化チャンバーはガス不透過性に密封された開口部を通るハウジングフレームに装備されて、計数ガス圧および計数ガス温度を測定するセンサを有する。イオン化チャンバーは周囲の空気と比較してわずかに高い圧力で操作され、有利にも外部気体の浸透をより困難とする。この目的では、チャンバーからのガス還流の範囲を計数ガス出口領域またはその出口のセンサシステムによってモニターする。ガス圧およびガス温度を測定して、有利にもガス密度をモニターし、もし必要ならば、それを一定に保つことができる。ガス密度はイオンビーム粒子数の測定において直接に使用される。
【０００９】
ビーム入口ウィンドゥおよびビーム出口ウィンドゥは、実質的に四角であり、好ましくは放射線抵抗性非極性プラスチックフィルムからなる。これらは金属板状フレームに固定され、ハウジングフレームのＯ−リングによって、ビーム入口ウィンドゥおよびビーム出口ウィンドゥからイオン化チャンバー容積を順にガス不透過性にて密封する。そのガス不透過性構築物は、計数ガスから不純物を避け、イオン化チャンバーが作動中でなくても、拡散による周囲からのチャンバー容積のガス交換を減少させる。
【００１０】
ビーム入口ウィンドゥおよびビーム出口ウィンドゥは、好ましくはポリイミドまたはポリエステルフィルムからなり、これはもっぱら放射線抵抗性および非極性可能性材料がイオンビームに露呈される利点を有し、そのようにして、イオンビームおよびイオンビーム強度への影響を減少する。
【００１１】
本発明の別な好ましい態様では、ビーム入口ウィンドゥおよびビーム出口ウィンドゥはイオン化チャンバー容積に面する側面で金属化されている。そのようなビーム入口ウィンドゥおよびビーム出口ウィンドゥの金属化は、ウィンドゥが荷電されることを防ぎ、すなわち、測定値の誤りを防ぐ。何故なら、電荷はウィンドゥの金属化によって、またウィンドゥフレームによって直接にイオン化チャンバーハウジングへ導電されるから。したがって、イオン化チャンバーハウジングを接地することが好ましい。
【００１２】
このような金属化は、ビーム入口ウィンドゥおよびビーム出口ウィンドゥの側面の１つをアルミニウムまたはニッケルで被覆して達成され得る。このようなアルミニウム化フィルムは、ガス放電の引き金点として高電場密度を避けるために、導電性層を有し、そのため、ガス放電の発生が減少される。さらに、金属化フィルムはガス放電の引き金点となる高電場を阻止する役目を果たす滑らかな表面を形成する。
【００１３】
大表面積板状計数陽極および大表面積板状高電圧陰極は、好ましくは電気絶縁方法でハウジングフレームに支えられたフレームに装備されたメッシュからなる。この方法では、電気的絶縁空間要素が計数陽極と高電圧電極の間の空間となる。陽極および陰極のためのフィルムに代えて、メッシュを使用することは、メッシュ状材料の検出器平面に対して比較的大きな機械的圧縮応力でもって操作することが可能となる利点を有する。すなわち、イオン化チャンバーの検出器表面の部位および範囲を越えたシグナルの均一性が改良され、チャンバーの活性容積の縁領域において比較的大きなチャンバー横断面を有する場合には、特に有利な効果を示す。
【００１４】
計数陽極表面または陰極表面として、大表面積フィルムと比較すると、メッシュはそのより高い圧縮応力ゆえに、高電圧を負荷した場合、特に下垂が少ないという利点を有する。このような下垂は、互いに平行して装備されるフィルムまたはメッシュ電極の相互の静電引力によって生じる。しかしながら、メッシュを使用した場合、電極の互いの空間は、特に中心部が比較的一定なままであって、そのため、場密度が有利にも局所的に一定に保持され得る。
【００１５】
金属性繊維メッシュを使用する代わりに、金属被覆プラスチック繊維から作られたメッシュを大表面積板状計数陽極および大表面積板状高電圧陰極として使用することが好ましい。プラスチックの複合繊維および金属被覆から作られたこのようなメッシュは、より軽く、かつ比較的高い圧縮応力を負荷でき、また、キャリヤフィラメントとして低核電荷数を有するとの利点を有する。電極機能は金属被覆によってもたらされ、高い機械的負荷に耐える能力は繊維であるプラスチック核の結果として達成され、高い機械的負荷に耐える能力は高い高電圧板電極の機械的圧縮応力に対する必須条件である。
【００１６】
大表面積板状高電圧電極と大表面積板状計数陽極は、好ましくはニッケル被覆プラスチックメッシュまたはニッケル被覆ポリエステルメッシュである。この複合材料は、そのプラスチック部分が放射線抵抗性で非極性材料であるのみならず、平滑な表面をもち、ガス放電を引き起こさなくても高い電場密度を可能とするという利点を有する。
【００１７】
好ましい態様では、計数ガスは重力において最も低いイオン化チャンバー容積の領域中へ供給され、最も高い領域で放出される。この目的のためには、イオン化チャンバーのハウジングフレームは係数ガス入口開口部と計数ガス出口開口部を有する。その好ましい態様により、イオン化チャンバーを通る計数ガスの層流は、有利にも計数ガス入口開口部および計数ガス出口開口部を通ってもたされる。チャンバーの内側では、計数ガスは好ましくは可変性の出口孔と入口孔を有するステンレススチール管を通って導かれる。
【００１８】
ガス流センサは、好ましくは計数ガスの貫流をモニターするために、イオン化チャンバーの外側に配置され、チャンバー容積をできるだけ小さく保つ。計数ガス貫流を単にモニターすることに加えて、圧力および温度センサを組み合わせて、このようなガス流センサを用いて、計数ガスを調節することも可能である。
【００１９】
好ましくは、このような中心計数陽極および高電圧陰極は、３〜１３ｍｍ、特に５ｍｍの空間で互いに関連して配置され、１５００Ｖ以上の高電圧で操作し得る。この目的では、板状電極はフレーム、空間用片、および接着用およびキャスティング用組成物などの絶縁部品で互いに絶縁されなければならない。これらの絶縁部品は、それぞれ、１０１２〜１０１４Ω／ｃｍ３および１０１６〜１０１８Ω／ｃｍである高体積抵抗値および表面電気抵抗値を有する。これは、測定を歪曲し、全体としてシステムの感度を減じさせるであろう漏れ電流またはトラッキング電流を有利にも減少させる。
【００２０】
さらに好ましい態様では、イオン化チャンバーはイオンビーム用イオン化チャンバーシステムを形成するように展開される。この目的では、本発明の複数のイオン化チャンバーは、ビーム方向に互いの後ろに配置され、重イオン治療ビームの強度をモニターするシステムを作成するために使用される。治療ビームの場合に適合しなければならない高い安全性基準から、少なくとも２つのイオン化チャンバーは容積要素における個々の線量および走査層における層線量をモニターするために、イオン化ビーム方向において互いの後ろに一列に配置され、かつ、個々の線量と層線量をモニターするイオン化チャンバーの治療サイクルの全線量を独立してモニターするために使用される。
【００２１】
１つのイオン化チャンバーが平らな構造を有することから、そのイオン化チャンバーシステムはビーム方向において非常に小さな空間を必要とし、一方、ビームを横切る方向では、それは全走査表面に広がるとの利点を有する。ラスタスキャナを使用して、イオンビームは標的容積の容積および層を走査する。有利にも、容積要素当りの個々の線量はイオン化チャンバーシステムの第１イオン化チャンバーによってモニターされ、層線量は走査層の個々の線量全てを一緒にしてモニターされる。第１イオン化チャンバーとは別個に第２イオン化チャンバーは、有利にも治療サイクルの全線量をモニターすることができる。好ましい２つのイオン化チャンバーに代えて、３つのイオン化チャンバーを互いに後ろに接続することも可能である。これは次いで、容積要素の個々の線量、走査層の層線量、および治療サイクルの全線量をそれぞれモニターする。
【００２２】
別な好ましい態様では、第１および第２イオン化チャンバーは、画素線量および層線量を余分にモニターする。第２イオン化チャンバーは、すなわち、第１イオン化チャンバーをモニターする。第３イオン化チャンバーは異なったエレクトロニクスに接続され、線量が治療計画の最大線量に足りない場合などには、積分値をモニターする。
【００２３】
安全性を増すためには、容積要素の個々の線量は３つのイオン化チャンバーを含むイオン化チャンバーシステムの第１および第２イオン化チャンバーで測定され、また、第１および第２イオン化チャンバーの結果が対比され、その結果、もしも第１および第２イオン化チャンバーからの測定データが予定された許容範囲を逸脱するなら、イオンビーム治療システムのすばやいスイッチオフが誘起される。このような対比は第１および第２イオン化チャンバーの操作安全性を増加させる。同様に、照射されるべき層の層線量は（いわゆる照射層も）、３つのイオン化チャンバーを含むイオン化チャンバーシステムの第２および第３イオン化チャンバーによって測定され、かつ、対比され、その結果、もしも第２および第３イオン化チャンバーからの測定結果が予定の許容範囲を越えるなら、イオンビーム治療システムのすばやいスイッチオフが誘起され得る。
【００２４】
イオン化チャンバーを使用するか、あるいはイオン化チャンバーシステムを使用する重イオンビーム強度をモニターする方法は、下記工程を含む。
ａ）第１イオン化チャンバーを使用する照射層における計画照射ラスタの照射容積要素の強度線量測定、
ｂ）第１イオン化チャンバーの後ろに一列に配置された第２イオン化チャンバーによる照射容積要素の強度線量測定値のモニター、
ｃ）第１イオン化チャンバーの測定値と第２イオン化チャンバーのモニター値との対比、および２つの照射強度値が予定の所望値範囲内に合致する場合、照射層における計画照射ラスタの次の照射容積における照射のためのクリアランス、
ｄ）予定される所望値範囲を越える場合の放射線治療の緊急スイッチオフおよび予定される所望値範囲に足りない場合の強度再調整、
ｅ）照射されるべき組織の容積が完全に走査されるまで続く計画治療層における工程の繰り返し、
ｆ）治療サイクル中にある容積組織が受ける全放射線をモニターするために、第１および第２イオン化チャンバーの後ろに一列に配置された第３イオン化チャンバーでのモニター値の測定放射線量全ての積分。
【００２５】
この方法を用いて、有利にも、腫瘍治療のためのイオンビームとして使用される、加速器から１秒当り取出しされる粒子または重イオンの数が測定される。粒子数は大きく時間的変化を受けやすく、したがって、これらのイオン化チャンバーによる直接照射中に、リアルタイムで測定されなければならない。チャンバー出口で測定される電流は、粒子エネルギーが一定な状態である場合には、イオンビーム電流に比例する。加速器の通常のビーム電流では、イオン化チャンバーから出る電流は、μＡの範囲である。
【００２６】
イオン化チャンバーの応答速度は、イオン化チャンバーのイオン化計数ガス分子の浮動時間によって制限され、ほぼ約１０μｓ程度の大きさの遅滞定数を有する。測定エレクトロニクスはイオン化チャンバーからの電流を比例した周波数のパルスへ変換する。この目的のために、電圧シグナルが電流シグナルから生成され、かつ、パルスが増幅周波数変換を用いて電圧シグナルから生成され、そのパルスの周波数は電圧に比例する。したがって、パルスはイオン化チャンバーで生成された特定な電荷に対応し、次に、この電荷は特定の粒子数のイオンビームによって生成される。生成するパルス数は、すなわち、イオン化チャンバーを流れるイオン数に比例する。
【００２７】
従って、この方法を使用すると、有利にも照射容積要素の強度線量、全照射層の強度線量および最後に治療サイクル全体の強度線量をモニターすることが可能である。この方法はまた安全関連冗長性を有し、照射容量要素の強度線量と照射層の強度線量の双方が実際には２つのイオン化チャンバーで測定され、測定値は互いに直接的に対比され、その結果、万一容認できない逸脱がある場合には、システムの緊急スイッチオフを誘起し得る。３つのイオン化チャンバーのそれぞれに累積エレクトロニクスを加えることも可能であり、その結果、３つのイオン化チャンバー全ては同時にまたは並行して、照射容積の放射線サイクルの全線量をモニターすることができる。すなわち、本発明のイオン化チャンバーを使用して、かつ、特にイオンビーム方向に互いに後ろに配置された３つのイオン化チャンバーを含む本発明のイオン化チャンバーシステムを使用して、イオンビームによる腫瘍容積の照射中に可能な限り最大の安全性と信頼性を達成することができる。
【００２８】
この方法の好ましい態様では、該方法の工程を実施する順序は、当該計画治療サイクルに最適に適合させる。該方法の好ましい別な展開では、第１および第２イオン化チャンバーのモニター機能を１つのイオン化チャンバーがもたらす。これは該方法の冗長性を減少させ、一方、イオン化チャンバーの形をとる検出器システムが必要とする空間は有利にも減少される。
【００２９】
本発明のさらなる利点、態様および可能性ある用途は、実施態様を参考にして、また添付する図面を参照してより詳細に説明されるであろう。
【００３０】
図１は、本発明のイオン化チャンバー８の好ましい態様の基本的構造の透視図である。ここで示される平行板イオン化チャンバー８は、重イオンを使用する腫瘍治療という面において、患者への照射をモニターし、制御することに役立つ。それは、本質的にはチャンバーハウジング２、ビーム入口ウィンドゥ３およびビーム出口ウィンドゥ４、計数ガス充填チャンバー容積５、高電圧陽極６および該高電圧陽極６の両側に配置された高電圧陰極７からなる。イオン化チャンバーは医学分野のために意図され、イオンビーム１に関して直交して整列された個々の要素の板状大表面積構造からサンドイッチ状でかつ平らに構築される。該要素は２つの平行陰極板１０からなる大表面積板状高電圧陰極７で、その両側に包囲する板状計数陽極９を直交して整列して中心に配置された大表面積を含む。このチャンバーハウジング２は四角なイオン化チャンバー容積１２を構成するハウジングフレーム１１から実質的になり、かつ、そのフレーム上にビーム入口ウィンドゥ３およびビーム出口ウィンドゥ４がガス不透過性に装備されている。医薬分野では、このようなイオン化チャンバー８は高い安全性、高い信頼性を有し、かつ維持することが非常に容易でなければならない。この理由のために、この態様は下記概略条件と要件に合致し、下記照射パラメーターは、この実施態様にて測定される。
【００３１】
ビームのタイプ：      陽子、炭素、酸素        １２Ｃ６＋（好ましくは）
エネルギー：          ８０．．．４３０ＭｅＶ／ｕ        ２５３工程中
焦点：                ４．．．．．１０ｍｍ              ４〜７工程中
強度：          ２×１０６〜４×１０１０粒子／取出し    １０〜２０工程中
照射の幾何学：        ２００×２００ｍｍ２              イソセンタ平面中
特性時間：            １〜１０秒                  イオンビーム取出し時間
２〜４秒                      ビーム休止
≧１０００μｓ              容積要素の照射点当り
＜１０００μｓ              ビームの中断において
１００μｓ〜２５０μｓ      位置測定当り
１０μｓ〜１５μｓ          強度測定当り
【００３２】
約２秒間の抽出相中に、重イオンシンクロトロンなどのイオン加速器システムから取出しされた炭素イオンは、イオン化チャンバー中を飛行し、計数ガスに当った瞬間に、そのガスへ動的エネルギーのいくらかを放出する。そのエネルギーのいくらかは、電子−イオン対の生成となる。電子−イオン対の数は、貫流するイオン電流のイオン数に比例する。活性イオン化チャンバー容積１２でこのように生成された電荷は、応用電場で分離され、下流測定エレクトロニクスによって記録され評価される。この目的には、活性領域は電極間の空間のみからなる。そこで生成された電荷のみが検出され、測定される。電極とチャンバーウィンドゥ間の領域で生成された電荷は、高電圧平面７および／またはウィンドゥ３、４へ取り除かれ、すなわちシグナル形成に寄与しない。これらの領域で幾何学によって生じた場の不均一性は、代表的強度測定を可能としないから、これらは測定から排除される。
【００３３】
３つのイオン化チャンバー２２、２３および２４をもつイオン化チャンバーシステム３０では、これらチャンバーのうちの２つ、２２および２３にて１２μｓ毎に評価が行われる。これらの値を放射線計画という面から既に決定した所望値と対比して、その情報を使用して治療部位でラスタスキャナの走査速度を調整する。図５に示される第３のチャンバー２４は同じ型の構造をもち、等エネルギー工程において、すなわち、照射層において、および腫瘍容積における放射線サイクルの全放射線量において、全粒子数を測定するために使用される。これらの積分値、いわゆる照射層および照射容積をモニターすることによって、患者の腫瘍容積を走査するにあたって、さらに安全性がもたらされる。
【００３４】
イオン化チャンバー２２、２３および２４の部位で走査装置、スキャナは約１９０×１９０ｍｍ２の面積をカバーする。したがって、好ましい態様のイオン化チャンバー２２、２３および２４は、ビーム入口ウィンドゥ３およびビーム出口ウィンドゥ４において開口幅を有する大きな活性断面積、２１０×２１０ｍｍ２を有する。比較的高い弾性係数を有する材料を使用して、このような大きさ、特に計数器の構造における困難性を有利にも克服できる。
【００３５】
各イオン化チャンバー８、２２、２３および２４は、ファラデーケージの形態であり、それゆえに、有利にも電磁干渉を避ける。板状大表面積高電圧電極６および７をケーブルでつなぐ場合、電磁干渉を最小限にするためには、構造的にはイオン化チャンバーの外側のアースループを避ける。
【００３６】
この態様では、イオン化チャンバー８のハウジングフレーム１１は固形アルミニウム材料から製造され、ウィンドゥ１８のフレームはステンレススチールから製造され、ビーム入口ウィンドゥ３およびビーム出口ウィンドゥ４のウィンドゥフィルムは厚さ約２５μｍの金属被覆プラスチックフィルムから製造される。これらウィンドゥフィルムは電気的に導電性であるようにウィンドゥのフレーム１８に接着剤にて固着される。電位を運搬しない導電性部品の全ては、アース接続２５によって中心で接地される。イオンビーム１が活性イオン化チャンバー容積１２を通過しなければならない材料では、低核電荷数を有する材料、好ましくは水素と炭素を含むできるだけ薄いプラスチックを使用している。すなわち、イオンビームの実際の経路に存在するその大きさはできだけ小さい。これは、これらの材料がビーム粒子の射出分解および角散乱などによるビーム品質の欠陥を減少させるとの利点を有する。さらに、放射線抵抗性および非極性物質のみが、この態様ではこのような材料として使用される。
【００３７】
計数陽極６および高電圧陰極７のフレーム２０およびこれらのフレーム間の空間要素ならびに接着用およびキャスティング用組成物などのように、図２に示される絶縁部品は、体積抵抗値及び表面抵抗値がそれぞれ、１０１２〜１０１４Ω／ｃｍ３および１０１６〜１０１８Ω／ｃｍである。これらの高表面および体積抵抗は、測定を歪曲し、全体としてシステムの感度を弱める暗電流を低下させる利点を有する。
【００３８】
この態様では導電性部品は滑らかな表面を備えていて、そのようにして、ガス放電の引き金点として高電場密度を有利にも避ける。ビーム入口ウィンドゥ３およびビーム出口ウィンドゥ４のためのフィルムは、したがって、アルミニウム被覆され、高電圧陽極６または計数陽極９および高電圧陰極７または高電圧陰極板１０は、したがって、高い網目数を有するメッシュから製造され、ここでは比較的滑らかな表面を達成するためにニッケルで被覆される。
【００３９】
図２は、図１の好ましい態様の断面図である。平面照射幾何学によると、イオン化チャンバー８は、図１の透視図に示されるように平行板状イオン化チャンバー８、２２、２３、２４の形となる。図２に示されるように、イオン化チャンバー８は、ビーム方向においてそれぞれの場合、空間５ｍｍである２つの高電圧陰極板１０間にその計数陽極９を構成した対称形である。それは有利にも活性容積の正確な定義をもたらす。さらに、電子−イオン対の同じドリフトタイムでは、シグナルおよびシグナル／ノイズ比は、有利にも、例えば非対称構造の２つのフィルム中の２倍の大きさとなる。イオン化チャンバーの不活性なデッドゾーンはビーム方向に８〜２２ｍｍであり、その結果、この態様ではイオン化チャンバー８の全体の大きさは、ビーム方向に１８〜３２ｍｍとなる。
【００４０】
計数陽極９、空間要素２１および高電圧陰極平面１０は、活性容積１２の正確な定義を得るために互いに一列に並べられる。この目的のために、これらの平面は対応する空間部品を使用して、ビーム方向に平面の低許容共通吊り点（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ）によって互いに平行に、かつイオンビーム１に対して垂直に配列される。
【００４１】
陰極板１０と計数陽極９などの高電圧送電部品間の不可避な漏れ電流は、シグナル電極に近づけないで、接地された保護電極によって外ヘ導電される。
【００４２】
陰極板１０および計数陽極９などのチャンバー平面を製造するために、この態様ではニッケル被覆ポリエステルメッシュを使用した。チャンバー平面、特にチャンバー電極は、したがって、シンクロトロンから取出し中のイオンビーム１が高粒子密度と高粒子速度を有することから、大きなイオン化密度に対する高い抵抗性を有する。
【００４３】
電極のニッケル被覆ポリエステルメッシュは、好ましくは繊維厚さ３８μｍ、繊維空間５４μｍおよび開口表面積３４．４５％を有するスクリーン印刷用メッシュからなる。繊維厚さは、３６μｍ厚のポリエステル芯と１μｍ厚のニッケル被覆層から構成される。ニッケル被覆ポリエステルメッシュの平均厚さは、６２μｍであり、このメッシュでの炭素ビーム粒子の最大均等範囲は約１００μｍである。
【００４４】
メッシュ自体の使用および担体としてのポリエステルおよび被覆材料としてのニッケルの選択は、以下に記載する利点をもたらす。
【００４５】
一方、フィルムよりもメッシュ平面を使用することは、下記利点を有する。
ａ）メッシュ材料からのシグナル生成に関与する検出器平面の構築は、フィルム平面に比べて、１０Ｎｃｍ以上のより大きな機械的圧縮応力を可能とする。
ｂ）したがって、この部位を横切ったシグナルの均一性は改良され、イオン化チャンバー８の活性容積の縁領域において、比較的大きなチャンバー断面の場合には、特にはっきりした効果を示す。
【００４６】
図３は、Ｙ方向における本発明のイオン化チャンバー８の態様の局部応答反応の均一性を示し、図４は、Ｘ方向における本発明のイオン化チャンバー８の実施態様の局部応答反応の均一性を示す。
【００４７】
図３および４では、イオン化チャンバー８の中心からの空間が横軸にｍｍでプロットされ、得られた相対的シグナルの大きさが縦軸に％で示される。図３および４の上部領域の点線は、電極２６および２７のニッケル被覆メッシュを表し、これは２１０ｍｍの内部幅ｗを有するフレーム２０に装備される。１９０ｍｍの活性容積幅ｂを越えて、チャンバーの局部応答反応、すなわちシグナルは極めて均一であり、縁方向、すなわちメッシュ２６および２７の装備フレーム２０の方向へ急に減衰することが明かに示されている。このシグナルのその均一性および均質性は、特に、高電圧が大きく適用された場合には著しく、その電圧では、フィルムからなるイオン化チャンバーの平面は、すでに相互静電引力の結果として下垂する明かな傾向を有する。そのフレーム２０でのメッシュのより高い機械的圧縮応力の結果として、このような電極の下垂はフィルムから製造された電極の場合よりも小さい。フィルム電極に比べて、互いの電極の空間が中心でほとんど全く減少されず、したがってメッシュ電極では場密度が局部的に一定なままであるから、それは特に事実である。
【００４８】
イオン化チャンバー８の中心での最も大きな下垂点で、特に火花を引き起こすことは、より大きな電圧まで生じない。その電圧ではフィルムチャンバーの金属被覆が非常に短い時間内で破壊されるであろう。
【００４９】
比較すれば、これはフィルム電極から作製された同じ電極空間を有するメッシュチャンバーにおける約１０００Ｖに比べて、メッシュチャンバーにおけるより高い最大操作電圧、約１９００Ｖであるとの利点を有する。このような高い操作電圧は、イオン化チャンバー８の電荷集中挙動において有利な効果を示す。何故なら、ドリフトタイムが減少して、有利にも、全体としてシステムの減少した応答／反応時間を可能とする。その利点は、取出しの早急な中断がエラー事態には必要であるとの安全性の理由から特に重要である。
【００５０】
さらに、この好ましい態様ではメッシュ電極のより高い機械的圧縮応力およびより大きな体積の結果として、イオン化チャンバー８の自然周波数がより高い周波数へ変化する。この態様のメッシュ電極を有するイオン化チャンバーでは、周波数は約５００Ｈｚである。この高周波数は実質的に、フィルム電極を有するイオン化チャンバーにおけるよりも好ましい。フィルム電極を有するイオン化チャンバーにおいては、真空ポンプからの大きな騒音、あるいは不可避な構造が関係する騒音振動の結果である最も小さな振動ですら、ときにはかなり歪曲された測定シグナルを与え得る。
【００５１】
すなわち、本発明の好ましい態様のメッシュ電極の結果として、イオン化チャンバー８、２２、２３、２４で干渉を引き起こすであろうマイクロフォニック雑音効果が避けられる。
【００５２】
メッシュ電極の別な利点は、その構造のガス不透過性である。その結果として、高電圧とシグナル平面の間およびその中を通る計数ガスの層流はかなり改良され、長期安定性にも寄与する。これらの利点に加えて、固体金属メッシュよりも金属被覆ポリエステルメッシュを使用すると、ビームへより小さな衝撃を与えるとの利点をもたらす。なぜなら、複合材料のより小さな核電荷数および中心に存在するより小さな質量ゆえに、２次産物または断片は、イオンビームがメッシュを通過するときにほとんど生産されず、また角散乱もより少ない。これは腫瘍照射または腫瘍治療に処される健康な組織への照射量を減少させる。
【００５３】
ニッケル金属被覆の高融点および優れた接着性から、ニッケル被覆メッシュもまた大きな操作安全性の利点を有する。何故なら火花によって生じる損害がアルミニウム被覆の場合よりも効果が小さいから。すなわち、ニッケル被覆の良好な化学抵抗性もまたクラックされた計数ガスの結果として、ガス放電が引き起こされた場合に生じるエージング効果を低下させる。ニッケルまたはニッケル被覆の化学抵抗性は、使用されるメッシュ電極の使用または寿命期間の長さを増加させること、すなわちイオン化チャンバーの寿命を増加させることに寄与する。
【００５４】
この態様で使用されるスクリーン印刷用メッシュは、金属メッシュ、例えばチタニウム製メッシュに比べて極めて安価である。また、スクリーン印刷用メッシュは均一な品質を有し、イオン化チャンバー８、２２、２３、２４の製造において大きな利点となる。
【００５５】
図５は、イオン化チャンバーシステム３０の基本構造の断面である。このイオン化チャンバーシステム３０は３つのイオン化チャンバー２２、２３および２４から構成され、これらは図１および２で示されるイオン化チャンバー８に対応する。これらはイオンビーム１の方向において、互いに後ろに配置される。互いに独立しているこれらの３つのイオン化チャンバー２２、２３および２４では、安全操作を確実にするために必要であるビーム電流測定において冗長性をもたらす。
【００５６】
患者の前面にある放射線室のビーム出口で利用可能な空間は大きく制限される。したがって、これらのイオン化チャンバー２２、２３、２４はコンパクトな構造中でビーム方向にスリムに据え付けられる（それぞれの深さ３５ｍｍ）。イオン化チャンバーシステム３０は側面に装備した共通基板（図示せず）上に搭載され、その結果、該基板は検出器表面またはビーム入口ウィンドゥ３またはビーム出口ウンドウ４を覆わない。
【００５７】
イオン化チャンバー８、２２、２３、２４は共通基板上で個々に置換され得る。ビーム中心と一直線になって、当該ハウジングフレーム１１上およびイオン化チャンバー２２、２３、２４のウィンドゥ上で中心スクラッチは、医療用放射線室の研究システムが作る調整システムに登録される。全体としてイオン化チャンバーシステム３０は、絶縁位置調整スクリューを使用して基板上に置かれる。この方法で得られる精密さは、±１ｍｍである。
【００５８】
調整装置はそれぞれの絶縁チャンバー８、２２、２３、２４上に配置され、これは個々のイオン化チャンバー２２、２３、２４の展開後に、位置調整の再現を確実に行う。イオン化チャンバー２２、２３、２４はそれぞれ、導電性である２つの部位に接着剤で取り付けられた真鍮糸様要素を有し、３Ω以下の導電抵抗を有する。全体として、このシステムの良好な接地はこれらの真鍮糸様要素を使用して得られる。
【００５９】
対称的に配置した高電圧陰極７への高電圧供給は、ハウジングフレーム１１中の対応する高電圧フィードスルー３２を経由して、活性イオン化チャンバー容積１２の計数陽極９と対称的に陰極板１０として配置される高電圧陰極７へ供給される。以下に記載するセンサ要素３９による高電圧のモニターは、平面１０の接続部１１と分圧器（図示せず）との間の体積抵抗を測定して、チャンバー内側のケーブルの断線を検出することを含む。高電圧は図１、２および５に示されるように緩衝コンデンサ３３、３４を有するフィルター装置３１によって安定化され、フィルター装置３１はイオン化チャンバー８、２２、２３、２４に配置される。イオン化チャンバー８、２２、２３、２４のフィルター装置３１を使用して、高い測定電流で操作電圧を変化させて生じるシグナルの変化および測定値の歪曲が有利にも避けられる。
【００６０】
高電圧供給の初期抵抗値は、通常、１０ＭΩである。高電圧容器とケーブルプラスイオン化チャンバーを組み合わせた時定数は、ほぼ１ｍｓの大きさ程度であり、これは、例えばシンクロトロンの取出し基礎構造の典型的な時定数、数１００μｓより実質的に長い。約１０−８Ａｓが１ｍｓ中の集中電荷として発生する。緩衝コンデンサ３３、３４の１Ｖ以下の最大電圧低下では、最大可能出力１０ｎＦで充分である。図１、２および５の好ましい態様では、５０ｎＦの高電圧コンデンサが緩衝コンデンサ３３、３４として配置される。さらに、図１、２および５の態様のイオン化チャンバー８、２２、２３、２４は、チャンバー容積５中にＴフィルタ３５を有し、これはそれぞれが１ＭΩの２つの抵抗器３６、３７および例えば、１．２ｎＦであるコンデンサ３８からなる。このＴフィルタ３５は濾過によって高電圧電極からハム（ｈｕｍ）干渉を避けるという利点を有する。
【００６１】
高電圧を測定およびモニターするために、高電圧が図１、２および５の態様では、固定分割比率（例えば、１：１０００）を有する高電圧抵抗電圧分割器を経由して得られる。操作電圧の測定は、高電圧センサ３９を使用して、高電圧陰極７で直接に行われる。記録ビーム粒子数は操作電圧の大きさに依存するから、センサ３９を使用した高電圧のモニターは、好ましくはイオン化チャンバー８、２２、２３、２４の電荷集中効率をモニターするために使用される。
【００６２】
図１、２および５の態様では、イオン化チャンバー８、２２、２３、２４は均一な品質と組成を有する計数ガスを含む特定のガス供給器を有する。空気中の湿気ゆえに、イオン化チャンバーの感度に影響を与え、測定の再現性を低下させる空気充填に比べて、乾燥ガス混合物は、この場合、計数ガスとして使用される。図１、２および５の態様では、計数ガスまたはチャンバーガスとして、８０／２０％であるアルゴンまたはクリプトン／ＣＯ２の混合物が使用される。このガス混合物は計数ガスとして十分なＷ値をもつとの利点を有する。このガス混合物のＷ値は、粒子比率が低い（例えば、最低１秒当り１０６粒子）場合に充分なシグナルを得るため、および良好なシグナル／ノイズ比率のためには、充分に低く、、さらにまた、粒子比率の相対的に大きな動的範囲（例えば、係数１００、すなわち最大１秒当り１０８粒子）を包含するためには充分に高い。
【００６３】
チャンバー容積５は周囲から密封して封止され、計数ガスはそのシグナル感度ゆえに汚染に対して純粋に保たれ得る。したがって、チャンバーが運転されていない場合ですら、環境への拡散となってガス交換が生じないか、あるいは最小範囲で生じる。チャンバー容積５の密封した封鎖は、ハウジングフレーム１１に関連するビーム入口ウィンドゥ３およびビーム出口ウィンドゥ４のＯ−リングシール１９によって達成される。
【００６４】
さらに、ハウジングフレーム１１中には自己閉鎖性ガス導管が設けられ、これはハウジングフレーム１１中に導入されたセンサに対する計数ガス入口開口部１３および計数ガス出口開口部１４ならびにセンサに対するガス不透過性電気フィードスルー３２およびフィードスルー４５で互いに混乱しないようにしてある。ビーム入口ウィンドゥ３およびビーム出口ウィンドゥ４のウィンドゥフィルム４０はウィンドゥのフレーム１８に接着剤にてガス不透過性に固定されている。ガスを放出しない材料はチャンバー容積５に使用される全ての構造要素に使用されている。
【００６５】
計数ガス入口開口部１３は重力を考慮して底部に、かつ、計数ガス出口開口部１４はしたがって頂部に配置されている。さらに、イオン化チャンバー８、２２、２３、２４は異なった直径を有する孔をもつ管を有し、その結果、計数ガス入口開口部１３および計数ガス出口開口部１４の配置において、これらの孔が協同して、層状流が検出器平面間で達成され得る。イオン化チャンバーを通る１時間当り２リッター以上である計数ガスの充分な層流は、長期間、安定である再現可能な測定値を達成するという利点を有する。使用するガス混合物の密度は通常の空気の密度より高いから、計数ガス入口開口部１３と計数ガス出口開口部１４の特別な配置もまた、除去することが不可能である空気クッションが層流を妨げ、計数ガスの純度を低下させるであろうから、層流を得るには重要である。
【００６６】
計数ガスが異質ガス浸入によって汚染されることをより困難とするために、イオン化チャンバー８、２２、２３、２４は周囲の空気に対してわずかに高い圧力で操作される。イオン化チャンバー８、２２、２３、２４からのガス還流範囲は出口でセンサによってモニターされ、いかなるリークも検出され得る。
【００６７】
イオン化チャンバー８、２２、２３、２４では、ガス圧力センサ１５およびガス温度センサ１６がチャンバー容積５中に取りつけられる。これらの測定値から直接にガス密度を測定することが可能であり、これは次にビーム粒子数値の測定に使用される。すなわち、ガス圧力用センサ１５および温度用センサ１６を使用して、計数ガスによるイオン化チャンバー８、２２、２３、２４の充填をモニターし、それを一定に保つか、あるいは評価中にコンピュータ計算して考慮することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明のイオン化チャンバーの好ましい態様の基本的構造の透過視図である。
【図２】  図２は、図１の好ましい実施態様の断面図である。
【図３】  図３は、本発明のイオン化チャンバーの実施態様のＹ軸方向における特定応答反応の均一性を示す。
【図４】  図４は、本発明のイオン化チャンバーの実施態様のＸ軸方向における特定応答反応の均一性を示す。
【図５】  図５はイオン化チャンバーシステムの基本構造の断面である。
【符号の説明】
１    イオンビーム
２    チャンバーハウジング
３    ビーム入口ウィンドゥ
４    ビーム出口ウィンドゥ
５    チャンバー容積
６    高電圧陽極
７    高電圧陰極
８    イオン化チャンバー
９    計数陽極
１０    高電圧陰極板
１１    ハウジングフレーム
１２    活性イオン化チャンバー容積
１３    計数ガス入口開口部
１４    計数ガス出口開口部
１５    ガス圧力用センサ
１６    ガス温度用センサ
１７    ガス不透過性密封開口部
１８    金属板型フレーム
１９    Ｏ−リングシール
２０    フレーム
２１    電気的絶縁空間要素
２２    イオン化チャンバー
２３    イオン化チャンバー
２４    イオン化チャンバー
２５    アース接続
２６    電極
２７    電極
３０    イオン化チャンバーシステム
３１    フィルター装置
３２    高電圧フィードスルー
３３    緩衝コンデンサ
３４    緩衝コンデンサ
３５    Ｔフィルタ
３６    抵抗器
３７    抵抗器
３８    コンデンサ
３９    高電圧センサ
４０    ウィンドゥフィルム
４５    フィードスルー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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