专利名称：确定粒子束在材料中的作用的方法使用离子束或粒子束对辐射体积中的目标体积进行辐射涉及对物质、特别是无机材料、有机材料和生物材料进行辐射，并且用于研究、工业和医学工程学等各个领域。目标体积特别包括将要沉积预定剂量从而使受辐射材料改性的区域；辐射体积特别还包括材料中被射线穿透从而在目标体积中实现所需剂量的那些区域。“粒子束”或“离子束”特别理解为由带电粒子如质子、碳离子或其他元素的离子、η介子或中性粒子(如氖)构成的高能束。在以下说明中，术语“离子束”和“粒子束”可以互换使用。“高能”特别理解为在数个MeV/amu至数个GeV/amu (amu 原子质量单位)范围内的粒子能量。适于实施辐射的辐射设备一般具有产生并形成离子束的加速装置，为了辐射，将该离子束经由射线传输系统引导到设置有辐射体积的区域中。辐射设备还包括射线调节装置，其可以调节离子束的参数使之适应目标体积的位置和大小。辐射体积例如可以是用来验证辐射区域的检测器系统。一般而言，辐射体积包括辐射区域，该辐射区域是在侧边方向上、一般为X和y方向最大伸展的区域，并垂直于离子束的方向。检测器系统可以包括检测器区域或所谓的“堆(Mack)”，其具有多层彼此先后设置的侧边伸展的检测器区域。在放射剂量确定领域中，为此目的，例如使用具有照相乳剂的胶片。也可使用核示踪检测物测量辐射区域的能流分布。在医学应用中，对生物组织进行辐射用于研究粒子辐射的作用，从而能够估计暴露于空间宇宙辐射的作用。最后，辐射体积也可以是患者中的肿瘤体积。在这种情况中，离子束用来破坏目标体积中的肿瘤体积。在肿瘤治疗中，离子束的特别性质使其能够破坏肿瘤组织并且对周围健康组织的破坏最小。这与离子束的有利的深度剂量分布有关。当高能离子束穿透至材料中时，它们首先沉积很少的能量。随着深度增加，能量沉积增加，在称为布拉格峰的分布曲线区域中达到其最大值，然后迅速降低。以这种方式，甚至在更深的肿瘤的情况中，在肿瘤组织中可以沉积比周围健康组织中更多的能量。离子束在辐射体积显示一种作用，该作用取决于待辐射材料的类型并取决于离子束的参数。一般而言，离子束具有不同于光子辐射的作用。这表示，使用离子束时，必须沉积与使用光子束时不同的剂量，从而实现预定的作用或预定的辐射效应。引起与离子剂量 D1相同辐射效应的光子剂量Dy称为“有效剂量”。对于无机材料、有机材料和生物材料都观察到了离子束的改变作用。在无机材料中，与光子束相比，倾向于观察到更小的离子束的作用。相反，当用离子辐照生物材料时，通常观察到比利用光子束更高的作用以及更大的效应。在实际辐射前，一般而言，生成了对目标体积(如模体(phantom)中的亚区域或肿瘤)进行辐射的辐射规划。在用离子束进行辐射的情况下，该辐射规划应当尽可能考虑离子束的作用。多种生成辐射规划的方法是已知的。例如，在文献Kramer和kho 1 ζ，2000， Physics in Medicine and Biology，Vol. 45，pp. 3319-3330 中记载了一种生成辐射规划的方法。离子束在材料中的作用以复杂的方式依赖于离子类型、离子能量、辐射剂量、受辐射的材料和各个所观察到的效应。以对于辐射规划的必要的精确性来实验地确定多重依赖性，实际上是不可实现的。因此，可以预测变化的作用的模型是实施辐射规划的重要工具。 这些模型通常基于简化处理和近似处理，这是因为它们所基于的破坏无机材料、有机材料和生物材料的机制还没有足够精确地被定量确定。相应地，这些模型的应用领域一般也受到限制。在文献 Scholz et al，Radiation Environmental Biophysics, Vol. 36, pp. 59-66(1997)中记载了这种模型的一个实例。该模型称为LEM，其为“局部效应模型”的缩写。到目前为止，已知的模型不能在轻离子到重离子的整个范围上提供辐射规划的足够精确的信息。因此，有必要使用在宽的质量范围上、特别是从质子到氖离子的模型，以所需的精确度可靠地描述并预测粒子束、特别是离子束的作用。
本发明的要解决的技术问题为提供一种相比于现有技术得到改善的方法，用于确定粒子束在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用。本发明的目的还在于提供一种用于目标体积的辐射规划和用于辐射目标体积的方法，以及提供一种改善的辐射设备。本发明要解决的技术问题通过独立权利要求的特征得以实现。所建议的方法和所建议的装置的扩展在从属权利要求中给出。在建议的方法中，确定粒子束在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用，其中，根据至少一个表征粒子束的参数和根据至少一个表征材料性质的参数，至少部分地基于显微破坏相关性，确定所述材料中的粒子束的作用。所述“显微破坏相关性”具体是指，在材料中、优选在长度尺度上发生的破坏或破坏事件的空间相互作用。所使用的长度尺度的大小优选按照对材料、已经发生的破坏和它们的空间相互作用有意义的数量级。根据待辐射的或受辐射的材料的不同，该长度尺度可以不同，特别是其尺寸不同。因此，无机材料的破坏的破坏相关性可以不同于在生物材料中的破坏。粒子束在材料中的作用通常受到离子束的特征的影响，所述特征例如能量、离子类型和/或离子束在材料中的线性能量转移(linear energy transfer :LET)。换言之，粒子束的作用取决于粒子束的能量、离子束中单个颗粒的质量和电荷状态和转移至材料的粒子束能量，等等。粒子束的典型能量在数百keV GeV/amu至数十GeV/amu的范围，其中“amu” 表示“原子质量单位”。一般而言，材料性质描述了材料的性质，并且涉及材料对涉及能量沉积并因此涉5及沉积在材料中的剂量的能量输入的敏感性。破坏事件可以通过能量输入而诱导，由此敏感性描述了对于诱导破坏事件所必需的能量沉积。这可以是聚合物材料的敏感性、X射线胶片的敏感性或生物组织的敏感性。材料的该敏感性一般针对用光子射线辐射材料来进行确定和测量，并由此是一种材料性质。在本发明的一个实施方案中，显微破坏相关性可以发生在亚微米范围。具体地， 在所述材料为生物材料的情况下，长度尺度在亚微米范围。亚微米范围包括数百纳米的长度范围，特别地大于约lOOnm。优选地，长度尺度包括约400至500nm之间的范围，特别优选440nm。原则上，破坏或破坏事件可以是由材料中的能量损失所引起的材料或材料组分的变化。这种变化可以为化合物的化学变化，例如无机分子或有机分子的分解、聚合物链的断裂、聚合物材料中的侧链或侧基团(kitengruppen)的消除和/或生物材料中的DNA的一个或多个链断裂或双链断裂。换言之，粒子束诱导的破坏或破坏事件可以按照空间上的关系彼此设置，优选地，所有发生的或预计的破坏或破坏事件都在约IOOnm或更大但是小于约IOOOnm的长度尺度上观察到。特别地，在生物材料中，例如，在细胞或细胞构成的组织中，发生的或预计的DNA双链断裂可以在约440nm的距离上被观察到，并且用作材料中粒子束的作用的特征性度量。在该情况中，长度尺度的分辨率可以优选小于长度尺度，特别在约 IOnm的范围。显微破坏相关性可以使用空间显微破坏分布进行测定。此外，空间显微破坏分布可以至少部分地由显微剂量分布来测定。由此可以测定粒子束产生的显微破坏分布，其中局部破坏诱导的可能性至少部分地由描述每剂量单位的破坏事件数量的第一光子剂量效应曲线所推导。此外，根据本发明的一个实施方案，在确定显微破坏相关性时，在对敏感体积适当选择的部分体积中的相关破坏数量期望值可以至少部分地由空间显微破坏分布确定，特别是由相关破坏的数量与通过粒子束沉积的剂量的以及由此总共诱导的、隔离的和相关的破坏的的比例所确定。此外，可以确定光子剂量，所述光子剂量为了实现与相应于粒子束的相关破坏数量期望值相同的相关破坏产量已经是必要的。在该情况下，相关破坏产率可以描述相关破坏数量和通过辐射所沉积的剂量的比例。或者，相关破坏产率也可以描述相关破坏数量和隔离的破坏数量的比例。根据本发明的一个实施方案，与该光子剂量对应的效应可以至少部分地由第二光子剂量效应曲线所确定。粒子束的作用可以至少部分地通过相应于所述光子剂量与通过粒子束在敏感体积中沉积的剂量的比例、标定与光子剂量对应的作用来确定。优选地，粒子束的作用可以至少部分地通过相应于所述相关破坏数量和通过离子辐射所诱导的相关破坏数量的比例、标定与光子剂量对应的效应来确定。在该方法步骤中为了确定粒子束对材料的作用而使用的术语将在下文中更详细地进行解释。空间显微破坏分布(rSv) —般可以通过破坏或破坏事件的空间分布来确定。空间显微破坏分布可以至少部分地由显微剂量分布(mDv)确定。显微剂量分布，特别是局部剂量分布，可以至少部分使用围绕单离子踪迹的径向剂量分布来确定。径向剂量分布描述了局部能量沉积作为离子踪迹轨道的距离的函数的期望值。使用该径向剂量分布的优势在于，由此可以直接参考光子辐射后的效应。径向剂量分布例如可以通过蒙特卡罗模拟法计算。另一可能性可以通过在无定形通道结构意义上的分析的剂量描述给出。光子剂量效应曲线本身是已知的，并且通常以实验方法确定。例如，破坏的平均数量常常可以通过线性-二次关系进行描述N·= Y Dx+ δ Dx (1)其中DxSX射线或光子剂量，并且Y和δ为特定于材料的常数，如描述 GafChromic胶片单体晶体中每剂量单位的聚合事件数的参数，或表示每剂量单位的双链断裂数的参数。光子束的作用的特征在于，所发生的破坏的空间分布通常基于光子能量沉积的物理性质而随机均勻分布。如果将敏感体积分成部分空间，也称为分部(Parzell)，可以假设各分部具有相同的破坏密度分布。这表示在各个分部中存在均勻破坏分布。相反，对于分成各个分部并用离子进行辐射的敏感体积，由于离子束的极端局域化的能量沉积，存在不均勻的破坏分布。如果将敏感体积分成尺寸小于或者小于等于 lxlxlnm3( ^ Ixlxlnm3)的分部，并且在各个分部中确定显微剂量、特别是局部显微剂量分布，那么由此可以确定显微的空间破坏分布rSv。在对敏感体积适当选择的部分体积中相关破坏数量(AkS)的期望值可以至少部分地根据空间显微破坏分布更加精确地得以确定。在这种情况中，术语“相关破坏事件”表示通过个体破坏事件的空间相互作用而发生的破坏。由此，空间相关性可以通过分析个体破坏事件之间的距离而限定。在生物材料的情况中，例如，相关破坏事件可以通过两个双链断裂的组合而给出，所述两个双链断裂引起对生物材料而言更难修复的破坏。使用相关破坏的优势在于，由此特别可以更好地考虑材料或细胞对辐射的非线性反应。可以确定为了实现与受离子辐射后相同的相关破坏产率，S卩，关于个体破坏事件的总数或孤立破坏事件的数量(AK)来说相同的相关破坏数量(AkS)，已经所需的光子剂量(PDl)。这表示对于在辐射区域中的宏观光子剂量，根据光子剂量效应曲线PEKl确定破坏事件的空间分布、它们的类型和它们的数量，从该光子剂量效应曲线中可以确定相关破坏数量的期望值。特别地，由此得到造成与受离子辐射后相同的相关破坏产率的光子剂量 PDl。例如，对于在规定距离内的双链断裂对的数目的期望值，可以假设这平方地取决于宏观光子剂量。具体地，这实现了可以基于在确定的光子剂量的情况下对相关破坏产率的模拟来快速确定PD1。为此目的，假设在使用足够小地选择的分部和使用相同的局部剂量的情况下，使用光子和离子辐射诱导相同的破坏。其原因也可以是，即使在离子束的情况中也使用足够小的分部体积，在该体积中的能量沉积期望值可以认为是均勻分布地，并且因此可以与光子束的辐射作用直接比较。在该情况中，有利的是由光子辐射已知的破坏事件数可以在该维度上转移至用离子辐射的材料中。从用于可观察效应(PEK2)的第二光子剂量效应曲线中，可以至少部分地确定与光子剂量(PDl)对应的效应(El)。光子剂量效应曲线(PEKl)描述了局部的、显微的或分子的破坏，与此相反，光子剂量效应曲线(PEK2)代表了宏观可观察的效应。例如，在细胞的情况中，PEK2可以描述细胞的失活，例如通过对于许多细胞和组织类型是已知的线性-二次方参数％和βχ表征，在组织和器官的情况中，PEK2可以描述组织破坏或器官衰竭的可能性。类似于PEKl，优势在于，通过参考实验光子数据，使用ΡΕΚ2对于离子辐射可以实现所确定的生物效应的高度精确性。此外，与其他方法相比，使用该方法可以显著减少计算时间。可观察效应(Ε》可以至少部分地由相应于光子剂量(PDl)与在敏感体积中沉积的离子剂量(ID)的比例、标定生物相对效应(El)而确定。具体地，可观察效应(E》可以如下计算本发明涉及一种确定粒子束(34a)在至少部分受辐射的材料或待辐射的材料中的作用的方法，其中，根据至少一个表征了粒子束(34a)的参数和根据材料的至少一个性质，至少部分地基于显微破坏相关性，确定所述材料中的粒子束的作用。本发明还涉及一种用于辐射目标体积(44)的相应规划方法以及通过粒子束(34a)辐射目标体积(44)的方法。此外，本发明还涉及具有至少一个射线调节装置(32，70)的辐射装置(30，66)，其具有安装用来实施根据本发明的方法(200)的单元，特别是主动型射线调节装置(32)和/或被动型射线调节装置(70)。