CN101203268B - 包括磁共振成像装置的粒子辐射治疗设备 - Google Patents

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Abstract

被布置用于将带电粒子射束沿预定方向施加于成像体积内的施加区域的粒子辐射治疗设备包括被布置用于沿预定方向引导带电粒子射束的带电粒子射束源，进一步包括用于在施加带电粒子射束的同时在施加区域中生成磁场的磁场生成装置，其中磁场生成装置被布置用于提供对带电粒子射束的施加区域的接近并且在带电粒子射束的施加区域中提供均匀磁场，所述磁场基本上沿预定方向定向。

Description

包括磁共振成像装置的粒子辐射治疗设备
技术领域
本发明描述粒子辐射治疗设备，该粒子辐射治疗设备包括磁体，由此在粒子辐射治疗期间允许磁共振成像(MRI)。
背景技术
用质子和碳离子射束进行辐射治疗已表明是有效的。另外它已表明与常规的伽马辐射治疗相比对组织造成更小的损伤。
然而，用于确定待给予的剂量的大小和位置的辐射计划基于MRI成像或CT成像，该MRI成像或CT成像可能在进行治疗之前的相当长的时段进行。在介入期间，待辐射的组织的位置可能已移动或改变形状。这可能导致对健康组织的辐射和/或遗漏患病组织，这可能导致疏忽(remission)。
在辐射治疗中，通常用在横向平面XY中沿横向方向110提供的射束对患者进行照射，如图13中示意性所示。
理想的是在进行MRI成像的同时将带电粒子射束施加于患者，因为预定目标的位置和形状于是可以在其当前位置中是精确已知的。
大多数当前的MRI扫描仪不适合于此，因为射束将被低温恒温器阻碍。另外，即使在例如那些使用C形或H形磁体的扫描仪的“开放式”扫描仪中，扫描仪的磁场也将垂直于带电粒子射束的横向方向110。这将使射束偏离预定方向。
图14A和14B示出两种现有技术的MRI扫描仪，其中根据磁通量线示出磁场B。图14A显示在常规的螺线管磁体布置中经历MRI成像的患者。如所示的那样，如果有可能在MRI成像期间沿横向方向110将带电粒子射束施加于患者，则该射束将垂直于MRI设备所产生的磁场B，因此磁场B将使该射束偏离其预定目标。在这样的常规的螺线管磁体布置中，由于围绕患者的感兴趣区域的螺线管的存在而不可能接近患者。图14B显示在常规的开放式C形磁体布置中经历MRI成像的患者。在这样的磁体布置中更易接近患者。然而，如所示的那样，如果有可能在MRI成像期间沿横向方向110将带电粒子射束施加于患者，则该射束将垂直于MRI设备所产生的磁场B，因此磁场B将使该射束偏离其预定目标。
US 2004/0199068描述了一种系统，其中MRI(磁共振成像)被用于跟踪患者的目标体积的位置并且控制对治疗体积的粒子射束供应，使得只有当治疗体积与患者的目标体积一致时才激活粒子射束。
US 6,198,957描述了一种组合式MRI和粒子射束治疗装置。当施加粒子射束治疗时MRI系统的磁场被关闭。
WO 02/065149描述了适合用于例如MRI装置的线圈布置，其中产生沿着平行于线圈的平面并且平行于位于线圈的平面中间的平面的方向的磁场。它提供包括四个磁线圈组的群组的磁体组件，每个磁线圈组包括导电材料的绕组；其中磁线圈组关于中平面和反射平面的相交轴对称布置，反射平面垂直于中平面，使得线圈具有相对于垂直于中平面和反射平面的另一平面的对称平面，每个线圈绕垂直于中平面的轴缠绕，并且其中绕组被配置成在操作中电流关于反射平面对称并且关于中平面反对称，从而在系统的中心产生垂直于反射平面的合成场。
发明内容
根据本发明，通过提供一种MRI系统来允许在粒子辐射治疗的同时进行MRI成像，所述MRI系统以沿着平行于施加带电粒子射束的预定方向的横向方向110的磁场工作，从而使磁场与带电粒子射束的干扰最小化，同时允许接近患者。
本发明还提供用于操作这样的设备以在施加区域进行MRI成像的同时将粒子辐射施加于相同区域的方法。
本发明因此提供如在所附的权利要求中所述的装置和方法。
附图说明
为了更好地理解本发明并且表明本发明可以如何被实现，现在将仅仅通过例子参考如附图页中所示的附图来描述根据本发明的特定实施例、方法和过程，其中：
图1显示根据本发明的一个实施例的四个磁线圈的布置的透视图；
图2和3显示两个香蕉线圈配置的比较；
图4显示根据本发明的另一实施例的四个磁线圈组件的布置的透视图；
图5显示根据本发明的另一实施例的布置的截面图；
图6显示根据本发明的另一实施例的带有凹槽的扇形线圈组的透视图；
图7显示本发明的一个实施例的XZ平面中的横截面，其显示例如图6中所示的线圈相对于MRI系统的其它部件的布置；
图8根据磁通量线显示图7中所示的线圈布置的XZ平面中的磁场的方向；
图8a-图8c显示如图7中所示的线圈布置所产生的磁场的场强等高线；
图9显示根据图7的系统的XZ平面中的5高斯线；
图10、图11和图12显示替代实施例；
图13显示将粒子射束施加于患者以执行粒子辐射治疗的预定方向；以及
图14A和图14B显示所示的常规MRI磁体所生成的磁场和将粒子射束施加于患者以执行粒子辐射治疗的预定方向。
具体实施方式
本发明将WO 02/065149中所述的磁线圈布置的施加作为在施加带电粒子射束期间监视辐射治疗的目标区域的装置提供。
有利地，根据本发明，这样的线圈布置被布置成它们产生的磁场位于施加用于粒子辐射治疗的粒子射束的预定方向110。由于带电粒子射束的施加将沿着磁场的方向，因此射束不会被偏转，并且粒子辐射剂量可以精确地被施加于预定目标。
现在将参考图1-图12描述这样的布置的例子。
图1显示由四个线圈111、112、114、116和将在以下描述中参考的XYZ坐标参考框架组成的布置。图1中所示的线圈111-116相对于平行于也被确定为横向平面的XY平面的中平面对称布置，并且也相对于被确定为反射平面的YZ平面对称布置。线圈也具有平行于ZX平面的对称平面。线圈上的箭头118被显示以表明线圈中的电流相对于彼此的方向。位于中平面(XY平面)之上的线圈111中的电流的方向与位于中平面XY之下的线圈114的电流的方向相反(反对称)。此外，正X空间中线圈112、116的电流的旋转指向与负X空间中各相应线圈111、114的电流的指向相反(反射对称)。有时被称为“香蕉线圈”的图1中所示的每个线圈的形状由于最靠近反射平面的线圈的一侧上的反向曲率半径(凹面)而不能直接通过常规的缠绕过程来制造。
由线圈111、112、114、116所产生的场的和用于粒子辐射治疗的带电粒子射束的施加的方向110用将在随后的附图中标示的粗箭头指示。
如图1中所示的线圈组所生成的场可能不产生质量足以进行MRI成像的场。以下描述提供可以产生质量提高的磁场的另外的实施例。
图2和3显示在与图1中所示的布置相对应的布置中适合用于本发明实施例中的香蕉线圈的两种另外的配置。图2-图3中每种配置所产生的磁场与图1的布置相同。图2显示一种嵌套香蕉线圈，其中沿第一方向携带100A电流的120°弧形香蕉线圈210具有嵌套在其中的60°弧形香蕉线圈。60°线圈沿着与第一方向相反的方向携带200A的电流，导致对于整个120°弧形配置的中心60°弧形来说沿第二方向的100A总电流。这等效于图3中所示的结构，其中具有沿第二方向携带100A电流的中心60°弧形香蕉线圈214，两个周边的30°弧形香蕉线圈216、218沿第一方向携带100A电流。
尽管这样的香蕉线圈的制造方法是众所周知的，但可能更容易通过叠加如图4中所示的D形线圈来产生基本上相同的磁场。这也在定位D的直边以便提高磁场的均匀性方面给予附加的自由度。D形线圈可以交错和/或重叠。线圈如参考图1所述对称布置。参考下面的线圈，由于图4也显示了每个D形线圈中的电流422的方向，可以看到线圈410、412和414具有在形状和各自的电流方向上的镜像线圈416、418、420。
每个D形线圈绕在操作中平行于Z轴定位的轴缠绕。尽管线圈是非圆形的，但绕组是顺向的，因为不存在绕组的曲率半径反向。每个线圈的外表面是凸面的或平面的。虽然常规地预期D形线圈在一侧具有直部，但实际上该侧不需要是完全直的，而是可以仅仅具有极大的曲率半径以帮助导线的缠绕。由于类似原因，在直部末端的拐角优选地是圆形的，而不是包括尖角。这样可以利用常规的绕线过程但是以可变的曲率半径而不是用于圆形线圈的固定半径容易地缠绕大体上D形的线圈。尽管每个单独的线圈的缠绕轴平行于Z轴，不同线圈中的电流的布置在系统的中心沿垂直于Z轴的方向110产生合成场。类似地，在系统外部的区域中单独的线圈的场用于彼此抵消，从而导致在系统外部的很小的杂散场，而不需要附加的屏蔽措施、例如额外的线圈。
图5显示理论上应当沿方向110产生高质量均匀场的平面线圈组的顶视图。当如参考图1所述的那样成组对称布置时，它们将产生均匀性，该均匀性在40cm的成像区域球体上具有6ppm的预测峰-峰值。线圈510和512是相同的，并且应在电流方向(未显示)在YZ平面中成镜像的情况下被使用。这些线圈在构造上类似于已知的平面或梯度线圈。与被配置用于在完整的MRI系统的中心提供零场的梯度线圈相比，在本申请中每个象限的线圈串联连接以便在MRI系统的中心提供高强度、高质量均匀场。然而，虽然该布置提供高强度、高质量均匀场，但它不允许容纳生成MRI图像所需的梯度线圈和RF线圈。
图6以极坐标网格方式显示扇形线圈610、612、614、616的布置的视图。扇形线圈被布置在平行平面中，其中对于从中心直到半径的圆中的线圈来说线圈之间的间隙618被增大，该半径对应于按照现有技术所制造的梯度线圈的半径。中心线圈610、614之间的中心的增大的间隙618提供用于RF线圈、梯度线圈和垫片的足够空间，而外面的线圈612、616之间的间隙620较小。这提高总合成场的均匀性并且减小生成给定中心场所需的导体数量。线圈可以如所示的那样是多个小的段形线圈。替代地，几个相邻段可以用较大的香蕉线圈代替。在另一实施例中，为了便于缠绕，段形线圈可以用梯形线圈代替。
图7显示具有与图6中所示的线圈布置类似的线圈布置的MRI扫描仪的ZX平面中的横截面。线圈被布置成两组710和712。组710对应于图6中具有增大的间隙618的线圈610、614。线圈可以被布置成以超导方式工作，如已知的那样。外面的线圈被标识为712，对应于图6的线圈612、616。目前的超导体需要在低温下工作并且该例子中的线圈被充当热辐射屏蔽的外壳714围绕。另外，该外壳也可以被用于包含冷冻剂。线圈710和712以及外壳714被气密外壳716围绕。
该外壳的内部被抽空以最小化热量通过对流从外壳716的内表面到线圈的传导。外壳具有容纳梯度线圈组件5和RF线圈4的凹进部分。对于35兆安培米线圈组来说中心场已被计算为1T，在直径为40cm的球体上均匀性为143ppm。导体的外径为1.9m，导体之间的间隙620为0.7m，并且内导体之间的间隙618为0.9m。
图8显示图7中所示的实施例的XZ平面中的通量线810。所述线显示例如磁共振成像所需的、由线圈产生的非常理想的均匀平行场。图8a-图8c分别显示在Y＝0、Y＝0.1m和Y＝0.2m时的XZ平面中描述磁场B的恒定磁场强度线。因此，所述线圈布置方便地提供一个实施例，该实施例能够实现足够均匀的半径为0.2m的诊断体积。
图9在ZX平面中显示针对如图7中所示的线圈组件所计算的5高斯曲线910。仅仅显示了在+X+Z象限中的5高斯线。这清楚地证明所述线圈布置的低杂散场特性。
图10以透视图显示一个实施例1000的所有主磁体。每个象限包括并排的三个线圈1010、1012、1014...1032，中心线圈1012、1018、1024、和1030位于XZ平面中。象限的每个线圈中的电流方向1034-1040是相同的。
图11显示除了在每个象限中有六个线圈1110-1120之外与图10类似的布置。应理解的是：可能理想的是具有用于某些应用的宽广的成像领域。替代地，多个小的子线圈的使用可以允许降低制造成本。
图12除了每个香蕉线圈1210、1214、1218、1222配备有位于香蕉内弧上的辅助的矩形线圈1212、1216、1220、1224以及象限的各线圈的电流方向相反之外对应于图1。图12的线圈布置在本发明的一个实施例中可以被提供作为主场生成装置。
用于放置适合于例如所述的磁共振成像组件的磁线圈的配置提供由于设计而产生的许多优点：通过开放式设计提供高的患者接近度；因为垂直于沿平行于中平面XY的方向110的配置生成总磁场。成像体积任一侧的相对线圈之间的磁吸引力被减小，从而允许线圈组之间的支架的构造与对于常规的开放式或C形磁体来说已知的构造相比不太坚固；患者可以从头到脚趾沿着磁场与磁场成任何角度被定位；伴随导线数量的减少的更小磁体的使用可以实现制造成本的有用节省。
已发现以上布置适合于结合到粒子辐射治疗设备中。
本发明提供上述磁线圈布置的施加以提供改进的粒子辐射治疗设备。根据本发明，带电粒子射束源被布置成沿预定方向将带电粒子射束引导到施加区域。此外，磁场生成装置被提供用于在施加带电粒子射束的同时在施加区域中生成磁场，其中磁场生成装置被布置用于提供对带电粒子射束的施加区域的接近并且在带电粒子射束的施加区域中提供均匀磁场，所述磁场基本上沿预定方向定向。
优选地，磁场生成装置包括上述线圈布置之一。在该情况下，磁场生成装置可以包括磁线圈，每个磁线圈包括导电材料的绕组；其中磁线圈关于中平面(XY)和反射平面(YZ)对称布置，反射平面垂直于中平面，使得线圈具有相对于垂直于中平面和反射平面的另一平面(XZ)的对称平面。每个线圈优选地绕垂直于中平面的轴缠绕。在操作中，电流优选地关于反射平面对称并且关于中平面反对称，从而在系统的中心产生合成场B，该合成场垂直于反射平面，并且基本上沿预定方向定向。
在某些实施例中，磁线圈被布置成四个线圈组的群组，并且磁线圈组如上所述对称布置。
磁场生成装置优选地适合用于磁共振成像系统中，使得可以在施加带电粒子射束的同时执行带电粒子射束的施加区域的磁共振成像。
粒子辐射治疗设备优选地也包括低温恒温器单元和梯度磁体组件，其中所述磁场生成装置位于低温恒温器中以提供能够实现超导性的工作温度，并且其中梯度磁体组件可操作用于提供横越预定平面的磁场以允许磁共振成像。
本发明也提供一种用于在对患者执行磁共振成像的同时对患者执行粒子辐射治疗的方法。沿预定方向将带电粒子射束施加于患者的施加区域。在带电粒子射束的施加区域中生成均匀磁场，所述磁场基本上沿预定方向定向。
优选地，均匀磁场由磁线圈生成，每个磁线圈包括导电材料的绕组；其中磁线圈关于中平面(XY)和反射平面(YZ)对称布置，反射平面垂直于中平面，使得线圈具有相对于垂直于中平面和反射平面的另一平面(XZ)的对称平面，每个线圈绕垂直于中平面的轴缠绕，并且其中绕组被配置成在操作中电流关于反射平面对称并且关于中平面反对称，从而在系统的中心产生合成场，该合成场垂直于反射平面，并且基本上沿预定方向定向。
在某些实施例中，磁线圈被布置成四个线圈组的群组，并且磁线圈组如上所述对称布置。
所述方法可以进一步包括将磁线圈冷却到能够实现超导性的温度并且使电流在磁线圈中流动，以便电流的方向关于反射平面对称并且关于中平面反对称。
尽管仅仅通过例子参考有限数量的特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应理解在所附的权利要求的范围内可以导出本发明的多种修改和变化。

Claims (13)

1.粒子辐射治疗设备，被布置用于将带电粒子射束沿预定方向(110)施加于施加区域，该粒子辐射治疗设备包括被布置用于沿预定方向引导带电粒子射束的带电粒子射束源，进一步包括用于在施加带电粒子射束的同时在包括施加区域的成像体积中生成磁场的磁场生成装置，其中磁场生成装置被布置用于提供对带电粒子射束的施加区域的接近并且在带电粒子射束的施加区域中提供均匀磁场，所述磁场基本上沿预定方向定向，其中磁场生成装置包括磁线圈，每个磁线圈包括导电材料的绕组；其中磁线圈关于中平面(XY)和反射平面(YZ)对称布置，反射平面(YZ)垂直于中平面(XY)，使得线圈具有相对于垂直于中平面(XY)和反射平面(YZ)的另一平面(XZ)的对称平面，
每个线圈绕垂直于中平面(XY)的轴(Z)缠绕，并且其中绕组被配置成在操作中电流关于反射平面(YZ)对称并且关于中平面(XY)反对称，从而在磁场生成装置的中心产生合成场，该合成场垂直于反射平面(YZ)，并行于中平面(XY)，并且基本上沿预定方向定向。
2.根据权利要求1所述的粒子辐射治疗设备，其中磁线圈被布置成四个线圈组的群组，并且磁线圈组关于中平面(XY)和反射平面(YZ)对称布置，反射平面垂直于中平面(XY)，使得线圈具有相对于垂直于中平面(XY)和反射平面(YZ)的另一平面(XZ)的对称平面，每个线圈绕垂直于中平面(XY)的轴(Z)缠绕，并且其中绕组被配置成在操作中电流关于反射平面(YZ)对称并且关于中平面(XY)反对称，从而在系统的中心产生合成场，该合成场垂直于反射平面(YZ)，并行于中平面(XY)，并且基本上沿预定方向(110)定向。
3.根据权利要求1或2所述的粒子辐射治疗设备，其中磁线圈包括D线圈。
4.根据权利要求1或2所述的粒子辐射治疗设备，其中磁线圈包括香蕉线圈。
5.根据权利要求1或2所述的粒子辐射治疗设备，其中磁线圈包括子线圈。
6.根据权利要求5所述的粒子辐射治疗设备，其中子线圈以嵌套和/或重叠的布置被提供。
7.根据权利要求1或2所述的粒子辐射治疗设备，其中线圈是非平面的。
8.根据权利要求1或2所述的粒子辐射治疗设备，其中磁场生成装置适合用于磁共振成像系统中。
9.根据权利要求1或2所述的粒子辐射治疗设备，进一步包括低温恒温器单元和梯度磁体组件，其中所述磁场生成装置位于低温恒温器内以提供能够实现超导性的工作温度，并且其中梯度磁体组件可操作用于提供横越预定平面的磁场，由此允许磁共振成像。
10.一种用于同时在成像体积中执行磁共振成像并且将带电粒子射束施加于成像体积内的施加区域的方法，包括将带电粒子射束沿预定方向(110)施加于成像体积内的施加区域的步骤，并且进一步包括在带电粒子射束的施加区域中施加均匀磁场，所述磁场基本上沿预定方向定向。
11.根据权利要求10所述的方法，其中均匀磁场由磁线圈生成，每个磁线圈包括导电材料的绕组；其中磁线圈关于中平面(XY)和反射平面(YZ)对称布置，反射平面(YZ)垂直于中平面(XY)，使得线圈具有相对于垂直于中平面(XY)和反射平面(YZ)的另一平面(XZ)的对称平面，每个线圈绕垂直于中平面(XY)的轴(Z)缠绕，并且其中绕组被配置成在操作中电流关于反射平面(YZ)对称并且关于中平面(XY)反对称，从而在系统的中心产生合成场，该合成场垂直于反射平面，并行于中平面(XY)，并且基本上沿预定方向(110)定向。
12.根据权利要求11所述的方法，其中磁线圈被布置成四个线圈组的群组，并且磁线圈组关于中平面(XY)和反射平面(YZ)对称布置，反射平面垂直于中平面(XY)，使得线圈具有相对于垂直于中平面(XY)和反射平面(YZ)的另一平面(XZ)的对称平面，每个线圈绕垂直于中平面(XY)的轴(Z)缠绕，并且其中绕组被配置成在操作中电流关于反射平面(YZ)对称并且关于中平面(XY)反对称，从而在系统的中心产生合成场，该合成场垂直于反射平面(YZ)，并行于中平面(XY)，并且基本上沿预定方向(110)定向。
13.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括以下步骤：将磁线圈冷却到能够实现超导性的温度，并且使电流在磁线圈中流动，使得电流方向关于反射平面(YZ)对称并且关于中平面(XY)反对称。
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