CN101203269A - 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至带电粒子射束的施加区域的通路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

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)。
在离子射束治疗中，通常用在横向平面ZX中沿横向方向110提供的射束对患者进行照射，如图6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7A和7B示出现有技术MRI设备的两个例子，其中根据磁通量线示出磁场B。图7A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7B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。
WO 02/065149描述了生成横向主磁场的MRI系统的线圈布置。该文献中所述的线圈布置产生相对大的结构。所述布置中的一些难以制造。本发明的某些实施例提供生成横向主磁场的MRI系统的替代布置，这些MRI系统是更小的总结构并且使用制造更简单的线圈布置。
US 2004/0199068描述了一种系统，其中MRI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成像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。
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MRI成像的同时执行粒子辐射治疗的方法。
本发明因此提供如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显示本发明的总示意图，示出具有用于粒子辐射治疗的通路的磁场生成设备；
图2A和2B示出圆柱形线圈架上的磁线圈的典型布置；
图3示出圆柱形线圈架上的磁线圈的另一典型布置；
图4显示圆柱形线圈架的有效表面的一个八分区上表面径向磁化强度的最佳计算布局；
图5显示从图4的表面径向磁化强度的最佳计算布局导出的、圆柱形线圈架的有效表面的四个八分区上电流分布的最佳计算布局；
图6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7A和7B显示所示的常规MRI磁体所生成的磁场和施加粒子射束以执行粒子辐射治疗的预定方向。
具体实施方式
本发明提供新颖的磁场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用于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至带电粒子射束的施加区域的通路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。
根据本发明的一个方面，在图1中示意性地显示了用于在MRI系统中生成主磁场的场磁体。所述磁体包括圆柱形线圈架2，在该圆柱形线圈架中制造了至少一个开口3。线圈架2典型地可以具有1.0m的内径。图中所示的开口3是矩形的，但是相关领域的技术人员将理解其它形状也可以是适合的。指示了轴框架XYZ。X轴与圆柱形线圈架2的轴重合。在操作中，患者10如所示的那样平行于X轴平躺。
场磁体自身包括作为线圈分布在圆柱形线圈架2上的多个导体(在图1中未显示)。在某些实施例中，已发现优选的是将导体中的电流布置成它关于XY平面反射对称地分布。电流分布也优选地关于ZX平面反对称。合成磁场沿横向方向110定向。在所示布置中，该横向方向平行于Z轴。
将复杂导体形状缠绕到圆柱形线圈架上的技术已被研发用于制造圆形高能加速器、例如偶极子、四极子、和六极子的磁体，并且制造高场强电磁体的领域中的那些技术人员将熟悉缠绕这样的导体形状的方法。
为了获得强度和均匀性足够的沿方向110的横向主磁场以进行MRI成像，必须谨慎地计划圆柱形线圈架2上的线圈的尺寸和布局。
图2A显示一个所建议的线圈布局。为了简化这样的线圈布局的设计和实现，利用对称最大化，使得导体图案关于XY、YZ和ZX平面具有反射对称。这又允许仅仅在一个八分区20中计划线圈布局。圆柱形线圈架2的表面的八分区20被定义为当圆柱形线圈架2的表面被XY、YZ和ZX平面横切时从所述表面切割的部分之一，其中每个平面穿过圆柱形线圈架的中心18。线圈布局是针对一个这样的八分区20设计的，并且以适当的对称被复制到圆柱形线圈架2的表面的剩余部分上。线圈布局优选地在XY、YZ和ZX平面中具有对称性，使得所得到的电流路径可以关于XY平面对称，并且关于ZX平面反对称。合适的电流方向的例子在图2B中示出。如图2A中所示，当然，不允许导体位于线圈架的被指定成为开口3的那部分中。可以提供诸如21的线圈，这些线圈完全被包含在一个八分区内。这样的线圈将被放置在线圈架的表面上的八个位置中。可以提供诸如22的线圈，这些线圈关于ZX平面对称地延伸到两个八分区中。这样的线圈将被放置在线圈架的表面上的四个位置中。
图3显示线圈的另一可能布局。如图3中所示，可以提供诸如23的线圈，这些线圈关于YZ平面对称地延伸到两个八分区中。这样的线圈也将被放置在线圈架的表面上的四个位置中。可以提供诸如24的线圈，这些线圈关于YZ和ZX平面对称地延伸到四个八分区中。这样的线圈将被放置在线圈架的表面上的两个位置中。可以提供诸如25的重叠线圈，其中每个线圈单独地非对称地布置，但是线圈25被布置成对称的重叠对。线圈不需要都具有相同的圆柱半径，使得线圈的多层可以彼此叠放以在完整的布置中提供所需的磁场强度和均匀性水平。
用于计划圆柱形线圈架2上的导体布局的一种可能方法将参考图4来进行描述。如上所述，为了简化该过程，假设八面对称，使得导体图案将在XY、YZ和ZX平面中具有对称性。然后，通过计划圆柱形线圈架20的表面的一个八分区20上的导体布局，可以应用适当的对称性以导出圆柱形线圈架的整个表面上的导体布局。相应地，仅需考虑成像体积球体的一个八分区以计算整个成像体积上的场强和均匀性。
典型地，如在本例子中那样，假设成像体积是以圆柱形线圈架的中心18为中心的球体。在本例子中，假设成像体积是半径为250mm的球体。计划导体布局的一种方法包括计算圆柱形线圈架的径向表面磁化强度分布，其中以Z轴为中心的一对开口3被切除。径向表面磁化强度分布必须使成像体积中的磁场满足所需的质量水平。例如，圆柱形线圈架的表面上的径向表面磁化强度可以使成像体积球体的表面上的磁场强度的RMS变化小于在成像体积球体的中心的5ppm的磁场强度。
可以借助于数字优化器来得到圆柱形线圈架2的有效表面上的径向磁化强度分布。线圈架的一个八分区20上的径向磁化强度分布的例子在图4中被显示，该例子实现上述成像体积的所需的均匀性水平。区域41具有沿第一径向方向的高幅值的磁化强度，而区域42具有沿相反的第二径向方向的高幅值的磁化强度。
一旦计算出圆柱形线圈架的有效表面上的所需的径向表面磁化强度分布，如图4中所示，则必须导出导体布局图案，以指示导体应当被放置在哪里以便产生所计算出的径向表面磁化强度分布或可接受地接近于所计算出的径向表面磁化强度分布的分布。这通过首先计算电流分布来进行，该电流分布在被施加于圆柱形线圈架的有效表面时将产生所需的径向表面磁化强度分布。
该电流分布可以通过在所计算出的表面磁化强度分布中找到恒定磁化强度的闭合等值线的位置来计算。在图5中针对圆柱形线圈架的正Z的一半显示了对应于图4的例子的解决方案，包括四个适当地对称布置的四个相同的八分区20，所述八分区关于YZ和ZX平面反射对称。图5的图的顶边51对应于图2中所示的磁体的顶部(+Y)。图5的图的底边52对应于图2中所示的磁体的底部(-Y)。左和右侧53、54对应于圆柱形线圈架的末端。
尽管从图5本身并不清楚，诸如以55所示的每条线在一个边缘具有高的正磁场强度等值线，而在另一个边缘具有高的负磁场强度等值线，线的宽度遵循这两个水平之间的过渡。所需的磁场强度的这种图案可以由流过沿着线55布置的一个导体或多个导体的电流提供。多个电流导体路径然后可以被选择以紧密地复制图5中所示的预期磁力线。被选择的线圈必须考虑产生预期均匀横向场所需的对称规则。这些规则是导体路径必须具有关于XY、YZ和ZX平面的反射对称性，并且电流路径应当具有关于XY平面的反射对称性，但是应当关于ZX平面反对称。
从如图4中所示的径向磁化强度等值线导出的图5中所示的图案可以证明在实践中难以实现。工程判断水平必须被运用以便识别一组导体绕组，该组导体绕组可以在实践中被实现并且将在成像体积中在磁场强度和均匀性方面提供可接受的主磁场质量。
本发明提供粒子辐射治疗设备，该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施加于施加区域，进一步包括被布置用于沿预定方向在施加区域中生成磁场的磁场生成装置。优选地，磁场生成装置包括上述线圈布置之一。
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线圈的超导性的工作温度，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。
磁场生成装置可以包括一组线圈，每个线圈包括导电材料的绕组；其中线圈关于中平面(XZ)和反射平面(XY)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(YZ)的对称平面，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，从而在该组磁线圈的中心产生合成场，该合成场垂直于反射平面(XY)，并且基本上沿预定方向定向。
优选地，均匀磁场由布置在圆柱形线圈架上的磁线圈生成，其中预定方向垂直于圆柱形线圈架的轴。线圈不应当存在于圆柱形线圈架的表面的通路区域中，所述通路区域以预定方向与圆柱形线圈架的表面的交叉点为中心。线圈可以被布置在线圈架的内或外表面上，或者可以被嵌入在线圈架内。
本发明的装置可以被布置成线圈架2和带电粒子源可以围绕轴X旋转，使得粒子射束、磁场和预定方向110都能接近施加区域，并且因此在使用中从多个方向接近患者。这在将粒子辐射治疗施加于沿一个方向比沿另一个方向更容易接近的某个区域时可能是有用的。
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。
电流可以被施加于磁线圈，使得电流方向关于反射平面(XY)对称并且关于中平面(ZX)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。
本文中对粒子辐射治疗或粒子射束治疗和类似术语的引用尤其包括离子射束治疗和相关概念。
上述实施例使用圆柱形线圈架、也就是具有均匀的圆形横截面的线圈架。然而，本发明可以被应用于被布置在不是圆柱形的线圈架表面上的线圈：线圈架是管状的，但是可以不具有均匀的横截面，并且其横截面可以不是圆形的。这样的线圈架和线圈的设计和制造在使用当前可用的设计工具的本领域技术人员的能力范围内。

Claims (11)

1.粒子辐射治疗设备，被布置用于将带电粒子射束沿预订方向(Z)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，其中所述磁场生成装置包括线圈，所述线圈被布置用于提供至带电粒子射束的施加区域的通路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，其中所述线圈是非平面的，所述线圈被布置在管状线圈架上，并且所述预定方向垂直于管状线圈架的轴(X)。
2.根据权利要求1所述的粒子辐射治疗设备，其中所述线圈关于中平面(XZ)和反射平面(XY)对称布置，反射平面垂直于中平面，中平面和反射平面都沿线圈架的轴的方向(X)延伸，使得所述线圈具有相对于垂直于线圈架的轴以及中平面和反射平面的另一平面(YZ)的对称平面，并且其中所述线圈被配置成在操作中电流关于反射平面(XY)对称并且关于中平面(XZ)和另一平面(YZ)反对称，从而在施加区域中产生合成场，该合成场垂直于反射平面(XY)，并且基本上沿预定方向(Z)定向。
3.根据权利要求1或2所述的粒子辐射治疗设备，其中没有线圈存在于管状线圈架的通路区域中，所述通路区域以所述预定方向(Z)与管状线圈架的交叉点为中心。
4.根据任一前述权利要求所述的粒子辐射治疗设备，其中所述磁场生成装置适合用于磁共振成像系统中。
5.根据任一前述权利要求所述的粒子辐射治疗设备，被布置成线圈架和带电粒子射束源能够围绕线圈架的轴X旋转，使得带电粒子射束、磁场和预定方向都能从多个方向接近施加区域。
6.根据任一前述权利要求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中以提供能够实现线圈的超导性的工作温度，并且其中所述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。
7.一种用于执行磁共振成像的方法，包括将带电粒子射束沿预定方向(Z)施加于施加区域的步骤，并且进一步包括在包括带电粒子射束的施加区域的成像体积中施加均匀磁场，所述磁场基本上沿预定方向定向，其中所述均匀磁场由布置在管状线圈架上的非平面线圈生成，并且其中所述预定方向(Z)垂直于管状线圈架的轴(X)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中磁线圈关于中平面(XZ)和反射平面(XY)对称布置，反射平面垂直于中平面，中平面和反射平面都沿线圈架的轴的方向(X)延伸，使得所述线圈具有相对于垂直于线圈架的轴以及中平面和反射平面的另一平面(YZ)的对称平面，并且其中绕组被配置成在操作中电流关于反射平面(XY)对称并且关于中平面(ZX)和另一平面(YZ)反对称，从而在施加区域中产生合成场，该合成场垂直于反射平面(XY)，并且基本上沿预定方向(Z)定向。
9.根据权利要求7或8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线圈的超导性的温度，并且使电流在线圈中流动。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中没有线圈存在于管状线圈架的表面的通路区域中，所述通路区域以所述预定方向(Z)与管状线圈架的交叉点为中心。
11.根据任一前述权利要求所述的设备或方法，被布置用于执行离子射束治疗。
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