CN101702883A

CN101702883A - 强子治疗中的在线质量保证装置及方法

Info

Publication number: CN101702883A
Application number: CN200880010139A
Authority: CN
Inventors: D·普芮里斯; V·布瑞维
Original assignee: Ion Beam Applications SA
Current assignee: Ion Beam Applications SA
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-29
Publication date: 2010-05-05
Also published as: ATE488273T1; WO2008119777A1; KR20100019413A; JP5270659B2; US20100108901A1; EP2136880A1; DE602008003553D1; EP1974770A1; US8859980B2; JP2010523955A; EP2136880B1

Abstract

公开一种用于对产生自辐射源且被传输到靶的强子束进行在线剂量测定监视的装置及方法，其中该装置包括面对面平行布置的，相互间由充满气体的间隙所隔开且垂直于所述强子束的中心轴的，并且形成了多个电离室的多个支撑板，其中每个支撑板在第一侧面上具有一个或更多个收集电极而在第二侧面上具有一个或更多个高压电极，并按以下的方式布置，即每个支撑板使其所述第一侧面基本上与另一个支撑板的所述第二侧面相对。每个支撑板都具有开口以便形成一个允许被传输到所述靶的强子束的中心部分不受干扰地通过的内腔以及用于通过所述多个电离室拦截和测量所述强子束的外围部分的外围区域。

Description

强子治疗中的在线质量保证装置及方法

技术领域

本发明涉及强子治疗领域，即使用强相互作用粒子的放射治疗。更具体地，本发明涉及用于测量与靶区的深度(被称为“布拉格峰”(Bragg Peak))相关的剂量的装置和方法。而且，本发明涉及用于在对布拉格峰的范围进行调制后测量扩展布拉格峰(SOBP)的装置和方法。

背景技术

众所周知，当今，强子(即中子、质子、介子、诸如碳离子的离子)在放射治疗领域中相对于X射线或伽马射线具有物理方面的优点。给定能量(即形成单能质子束)的质子具有确定的范围并且不会超出该范围。而且，它们将其辐射能量的最大值放置于所谓的布拉格峰内，其中该布拉格峰对应于靶区内的辐射的最大穿透度的点。既然，布拉格峰的位置取决于强子束的能量，那么很明显通过对其能量进行精确地控制和修改，我们能够将布拉格峰布置于肿瘤的适合深度以便使最大的辐射能量作用于该点，并且相对照地，不伤害所述肿瘤周围的健康组织。而且，为了与肿瘤的厚度相匹配以及在控制周围的健康组织及关键器官上的剂量负担的同时用均匀的剂量照射靶，通过结合几个不同能量(即进行范围调制)的单能质子束的方式来扩展布拉格峰是可能的。

明显地，需要专用设备(例如调制轮)来将不同能量的强子结合到一起。而且，还需要专用设备来使强子束按照某种方式成形以尽可能地匹配肿瘤的形状、大小及位置。

放射治疗的质量保证一般包括为确定医疗处方的一致性和正确性所需的具体方法。所述方法通常涉及要照射的靶区的处方剂量以及健康组织的剂量，其中该健康组织的剂量应当尽可能地小。这样的方法还涉及人员受辐射的最小照射量以及适当的传输监视。强子治疗的质量保证需要相对常规放射治疗更为严格的方法。事实上，常规的放射治疗的质量保证方法在强子治疗中不再满足需要，尤其是要求对强子束的强度及能量进行完全控制的强子治疗。为了这个目的，必须提供合适的剂量测定系统。因此，即使放射治疗中的剂量学已被广泛建立，但是强子治疗仍需要新的剂量测定系统，该剂量测定系统应当允许测量点的吸收的剂量和二维(2D)及三维(3D)的剂量分布两者。

这样的剂量测定系统应当具有以下主要特征：高灵敏度、小尺寸、快速动态响应、耐辐射性、不依赖于能量及剂量率、组织等效以及线性剂量响应。

典型地，传输电离室包括密封有可电离气体(例如空气)的外壳，其中在该外壳内两个隔开的电极(即高压电极和收集电极)平行地或以共轴圆柱的形式布置并且在它们之间施加电压以产生电场。典型地，高压电极连接到高压电源以及收集电极通过低阻抗的电流-电压变换器来接地。当电离辐射进入腔室时，气体的某些原子或分子被电离，并且电流在电极之间流动。由辐射所电离的离子或电子因此被释放并被吸引到收集电极以及该电流通过电流电压变换器变换成电压，然后被放大器放大以在显示器上得到给出的信号，以便该信号能够作为剂量进行监视。这种电离室的实例被描述于文献US4131799、US5326967或US5041730中。

从US5672878中还可以了解到适合于监视电子束或质子束的电离室。这种电离室主要包括具有主束通道及邻接于主束通道的次束单元的阵列的外壳。该外壳还包含束测量电极的第一阵列，该测量电极提供响应于一部分电子束或质子束的辐射强度的检测的输出。次束测量电极同样被包含于外壳内以便提供响应于第二部分所述束的辐射强度的输出。然而，这种装置只适合于监视辐射束的几何特征，例如方向和位置。而且，这种装置不能在向靶传输的过程中监视辐射特性。

文献EP0040589描述了另一种传输电离室系统。该系统适合于实施用于测量及校正辐射束的对称性及定心的方法。该传输系统被布置于准直器及要照射的靶之间，并且包括：由所述束完全穿过的4个内部收集电极；以及由该束穿过其表面的第一部分、而剩余部分位于所述准直器的荫蔽之下的外部电极。但是，该系统只适合于控制发散束以及校正其定心及对称性。此外，与前一种传输电离室相似，它不能在向靶传输的过程中监视辐射特性。

一种众所周知的适合于进行快速的常规三维剂量验证的剂量测定系统是INFN及Torino大学所开发的产品—幻立方(MagicCube)(“Verification of 3D dose distributions in heavy-ionradiotherapy”：C.Brusasco、R.Cirio、M.Donetti、F.Marchetto、C.Peroni、D.Schard、B.Voss，J.Jpn.Soc.Ther.Radiol.Oncol.9(1997)，suppl.2，p.59)。它包括12个与厚度可调整的组织等效厚板相交错的平行的25cm×25cm电离室板的层状结构。每个电离室由两块厚度为0.1mm的维特伦尼特(vetronite)板(电极)所限定，其中该维特伦尼特(vetronite)板的电导率由35μm厚的铜膜所保证。该产品的阴极是连续导体，而阳极则被分成4mm宽的条带。两个相邻的条带之间的间隙厚度为0.1mm并且充满着氩(Ar)或氮(N)。但是，这样的装置不能在向靶区传输的过程中保证在线剂量验证。它只能够在强子束传输到靶之前比较指定的与传输的三维(3D)剂量分布。

因此，需要用于保证在线验证以及在强子束向靶区传输的过程中不影响该强子束的传输的情况下监视强子束的装置和方法。

特别地，本发明的目的在于提供没有现有技术水平的缺点的装置和方法。

本发明的目的在于提供用于测量与靶区的深度(被称为“布拉格峰”(Bragg Peak))相关的剂量的装置和方法。

而且，本发明的目的在于提供用于在布拉格峰的范围进行调制后测量扩展布拉格峰(SOBP)的装置和方法。

本发明的目的还在于提供用于测量及监视强子束的位移或非对称性的装置和方法。

而且，本发明的目的在于提供容易制造及使用的，以及在需要时容易安装并容易去除的剂量监视装置。发明内容

本发明克服了常规技术的缺点并且可以获得常规装置所没有设想到的其他优点。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对产生自辐射源且被传输到靶的强子束进行在线剂量测定监视的装置，其中该装置包括面对面平行布置的多个支撑板，所述支撑板相互间由充满气体的间隙所隔开且垂直于所述强子束的中心轴放置，并且形成了多个电离室，其中每个支撑板在第一侧面上具有一个或更多个收集电极而在第二侧面上具有一个或更多个高压电极，并按以下的方式布置，即每个支撑板使其所述第一侧面基本上与另一个支撑板的所述第二侧面相对。每个支撑板都具有开口以形成内腔和外围区域，所述内腔允许被传输到所述靶的强子束的中心部分不受干扰地通过，所述外围区域用于利用所述多个电离室拦截和测量所述强子束的外围部分。

有利地，根据本发明的第一方面，每个支撑板在所述一个或更多个收集电极与所述至少一个高压电极之间具有绝缘材料。

更有利地，每个支撑板具有用于减小所述一个或更多个收集电极以及所述至少一个高压电极的泄漏电流的保护环元件。

优选地，所述一个或更多个收集电极以及所述至少一个高压电极由铜制成。

更优选地，所述支撑板利用标准的印制电路板技术来获得。

有利地，为了检查及测量所述束的定中心，至少有一个支撑板相对于其余所述多个支撑板旋转90°。

更有利地，当所述强子束正被传输到所述靶的时候，所述至少一个支撑板按顺序是第一个由所述强子束穿过的支撑板。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于对产生自辐射源且被传输到靶的强子束进行剂量验证的方法，该方法包括以下步骤：·在所述靶和所述辐射源之间设置根据本发明的第一方面的装置，使所述装置的中心轴与所述强子束的中心轴重叠；·向所述靶传输所述强子束；·在所述装置的外围区域利用所述多个电离室获得穿过所述装置的所述强子束的外围部分的剂量分布的测量值(或者更确切地，获得来自穿过所述装置的所述强子束的外围部分的电信号)；以及同时，·允许穿过所述装置的所述内腔的所述强子束的中心部分不受干扰地通过。

更有利地，该方法还包括以下步骤：·为了检验所述强子束的传输的正确性，将剂量分布的所述测量值与计划的剂量分布进行比较；·测量所述强子束的范围调制及SOBP的一致性；

根据第三方面，本发明还涉及用于对强子束进行在线剂量测定监视的根据本发明的第一方面的装置的或者根据本发明的第二方面的方法的使用。

附图说明

图1是根据本发明的装置的截面图。

图1a是图1的装置沿着箭头A的视图。

图2和图3分别是图1的装置的支撑板沿着箭头A方向的以及箭头A的反方向的视图。

图4是根据本发明的装置的分解图。

图5是显示由根据本发明的装置所测量的深度-剂量分布的原理的图表。

具体实施方式

典型地，强子治疗装置主要包括将束形式的强子(例如质子或碳离子)加速到期望能级并且通过束传输线将该强子束传输到靶的加速器。沿着束传输线且在所述靶之前的最末结构包括将强子束驱动及成形为朝着具体靶的同心点的喷嘴。

图1是根据本发明的一种优选实施例的装置的截面图。装置10典型地以使强子束的中心轴与装置10的中心轴对应的方式放置于辐射源和靶之间。装置10被嵌入在外壳20中并且包括35个平行堆叠的电离室的叠层30，其中该叠层30优选垂直于强子束方向，在其间具有气体并且由螺栓70和螺母71维持在一起。电离室包括相继相对的平行支撑板80，其中该支撑板80优选垂直于强子束的方向进行放置并且形状是具有直径为40mm的同心圆形开口的正方形，按照这种方式沿着装置10的整个长度形成了内部区域50及外围区域60。内部区域50基本上是空心的且成圆柱形的以及允许强子束的一部分不受干扰地穿过装置。外围区域60是内部区域50的径向外侧并且拦截强子束的另一部分。沿着装置10的箭头A方向的总长度约为10cm并且提供范围调制及SOBP一致性的测量值。

每个支撑板在一个侧面上具有两个收集电极，在另一个侧面上具有一个高压电极。叠层30的电离室通过使其间具有1.5mm厚的气体的两个支撑板按照一个支撑板设置有两个收集电极的侧面与另一个支撑板设置有高压电极的侧面相对的方式面对面而获得。

支撑板80，如图1a所示，在一个侧面上含有两个相同的半环状的独立的铜收集电极82、83，该收集电极82、83利用传导线路82’和83’通过电子采集系统100连接到地。支撑板80的另一个侧面设置有通过传导线路87’连接到高压电源的高压铜电极87(高压铜电极87和传导线路87’均由虚线示出)。外部区域85和内部区域86到由穿过间隙84的线路所连接的收集电极82和83形成了铜保护环以便减小收集电极82和83的泄漏电流。支撑板通过使用标准的印制电路板(以下称作“PCB”)技术来获得，其中厚度为0.5mm的FR4电镀板覆盖了厚度为35微米的铜箔。

由于水是治疗计划的参照材料，因而需要将装置10的总厚度转换为相应的水当量厚度(WET)。

一般地，材料i的WET被定义为：

{WET}_{i} = d_{i} ρ_{i} \frac{{(\frac{dE}{dx})}_{i}}{{(\frac{dE}{dx})}_{water}}

其中：d_i是材料厚度，单位为cm；ρ_i是材料密度，单位为g/cm³；

是质子(或其他强子)在材料中的阻止本领，单位为Mev*cm²/g；

是质子(或其他强子)在水中的阻止本领，单位为Mev*cm²/g。

WET通常被用作“共同标准”以便描述质子在不同材料中的能量损失的特性。降能材料(degrader)的水当量是具有相同能量损失的水的厚度。即，水当量是质子(或其他强子)在不同材料中的能量降低的共同量度。特别对本发明而言，根据优选的实施例，每个电离室的WET值是0.13g/cm³。该数值实际上是根据以上所讨论的公式分别针对每种材料(空气、铜、印制板材料)的电离室进行计算并将结果合计而得出的。因此，例如第19个通道的有效深度是19*0.13＝2.47g/cm²，或2.47cm(因为水密度是1g/cm³)。换句话说，WET允许在知道由装置(1)所测出的深度-剂量分布的情况下计算在水中(或在患者体内)的深度-剂量分布。因此，该装置可以提供靶区内达到4.55cm的剂量分布的测量值。

外壳20可以被密封，以便提供充满电离气体的密封容器。

当根据本发明的装置10由强子束穿过的时候，外围区域60通过所述电离室的叠层30拦截该束的外围部分并且提供关于离子束的信息。对由每个电离室测出的范围调制后的强子束的剂量进行的同步采集提供图5的柱状图，而内部区域50允许该束要传输到靶的中心部分不受干扰地通过。每个电离室对在测量期间所保存的剂量进行整合。

将装置10放置于患者的正上游的优点是其外围区域60能够捕获1.5％～15％的强子束，而该束的剩余部分则不受干扰地穿过内部区域50并被传输到靶。换句话说，这意味着，例如，装置由具有能量达到70MeV的90-900pA的所述强子束穿过。结果，在电离室内具有1.5mm的空气间隙的情况下，该装置可以提供4.5nA～45nA的读出电流。

电子采集系统同样被提供了并且允许装置10通过128个信道以1ms～10s的取样率提供强子束的测量值。特别地，该采集系统具有以下功能：·它将电流转换成数字值；·它测量压力及温度；·它通过以太网协议控制与控制系统的数据交换；·它给测量装置提供高压电源；

图2显示了图1的装置的支撑板沿着箭头A的方向的视图。支撑板80具有直径为40mm的开口81以及包括两个相同的半环状的独立的收集电极82和83，其中这两个收集电极提供冗余测量。实际上，它们应当测量相同的深度-剂量分布，并通过比较它们的读取值另外提供关于束的非对称性或位移的信息。收集电极82、83以隔开的端对端关系布置于共同的平面上以形成具有两个间隙84的环状圆盘并且通过电子采集系统连接到地。间隙84形成了在垂直于强子束方向的收集电极82、83之间的分隔线。间隙84可以被定向为相对于支撑板80的上下向或左右向。收集电极82、83提供关于强子束在垂直于分隔线的方向上的可能位移的信息。每个收集电极的内半径是2.6cm以及外半径是4.6cm。在收集电极80的径向外侧的间隙84、区域85以及在收集电极80的径向内侧的区域86形成了铜保护环，其中该保护环适合于限制规定区域内的激发电流以及消除由收集电极82及83的电流信号的横向扩展所引起的误差。该保护环通过绝缘材料与收集电极隔开，并且拦截泄漏电流以便使它们绕过收集电极流到地。

图3显示了图2的装置的支撑板沿着箭头A的反方向的视图。支撑板80包括由纵向的间隙88穿过的高压电极87以便，如上文所讨论的那样，给高压电极87的径向外侧的区域89以及径向内侧的区域86一起提供保护环。高压电极87连接到可供应高到足以使已电离的离子或电子向收集电极移动的达到300V的高电压的电源。高压电极的内半径是2.6cm，而高压电极的外半径大于收集电极的外半径以及大约为5.1cm。

即使上述支撑板80在沿着箭头A的方向所看到的侧面上具有收集电极82、83以及在沿着箭头A的反方向所看到的侧面上具有高压电极87，但是很明显，本领域技术人员应当很容易想到电极的反向布置。以干燥的空气或其他气体填充装置10(即叠层30的电离室)同样是很明显的。

图4显示了根据本发明的优选实施例的装置10的分解图。该装置10包括：·垂直于穿过其内部的强子束的35个电离室的叠层30；·密封的铝外壳20，其包括：密封法兰2、密封窗口3、入口法兰4、螺栓70、螺母71、框架6以及具有空腔8的出口法兰7。密封的外壳20给电离室的叠层30提供了电屏蔽和精确的感应电流，以及密封的支撑；·用于允许穿过其内的强子束的一部分不受干扰地通过的贯穿整个长度的装置10的40mm铝内管5。

根据本发明，按顺序由来自所述辐射源的入射强子束穿过的第一个支撑板相对其他支撑板旋转90°。通过将该支撑板旋转90°，我们能够检查并测量强子束在垂直于收集电极82、83之间的分隔线的方向上的位移。

在所述优选实施例的一种变体中，内管5能够由周围包裹着铝纸的塑料制成。在那种情况下，还可以提供铝箔与外壳20之间的电接触。

在所述优选实施例的另一种变体中，内管5被替换为总厚度为80微米的铝薄箔及镀铝聚酯薄膜。

上文公开的装置尺寸，例如高压电极和收集电极的内半径或外半径、开口81的直径等，使得装置10适用于眼部肿瘤治疗的实时测量。但是，很明显本领域技术人员应当很容易想到适合于装置10在其他放射治疗应用中使用的装置尺寸。

本发明的一种或多种实施例已经参照附图进行了详细的描述。很明显，由于所描述的附图只是示意性的以及因此是非限制性的，所以本发明仅由权利要求所限定。在附图中，某些元件的大小可以被放大以及为了直观起见没有按比例绘制。尺寸及相对尺寸没有必要与实施本发明的实际缩图一致。此外，本领域技术人员能够意识到本发明由其范围所包含的许多改变和修改。因此，优选实施例的描述不应该被认为是本发明的范围的限定。

特别地，本发明的优选实施例的描述涉及眼科应用，其中众所周知的是能量为70MeV的强子束足够用于眼部肿瘤的治疗。但是很明显，本领域技术人员可以很容易想到经过必要的修改本发明的其他实施例可用于其他应用，例如颅内肿瘤、泌尿生殖肿瘤、肠胃肿瘤等。例如，我们能够轻易实现将组织等效材料(例如塑料吸收器)添加于装置的电离室之间或者改变电离室的数量以便修改WET以及使用具有不同能量值(例如235MeV)的强子束。

而且，在描述及权利要求中的第一、第二等词语用于区分相似的元素而不一定用于说明序列上的或时间上的顺序。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的以及在此所描述的本发明的实施例能够按照不同于在此所描述的或所说明的其他顺序进行操作。

而且，在描述及权利要求书中的顶部、底部、之上、之下等词语可以为了描述而使用但不一定用于描述相对的位置。这样使用的词语在适当的情况下是可交换的以及在此所描述的本发明的实施例能够在不同于所描述的或所说明的其他取向上进行操作。例如，在一个元素的“下面”及“上面”指示了被布置于该元素的相对面。

应当注意，在权利要求中使用的词语“包括”不应该被理解为限定于其后所列的单元；它不排除其他元素或步骤。因而，词句“一种包括单元A和B的装置”的范围不应当被限定为仅由组分A及B组成。这意味着对于本发明，装置的相关组分只是A和B。

Claims

1.一种用于对产生自辐射源且被传输到靶的强子束进行在线剂量测定监视的装置(10)，其中该装置(10)包括平行布置的多个支撑板(80)，所述支撑板相互间由充满气体的间隙(40)所隔开且垂直于所述强子束的中心轴放置，并且形成了多个电离室(30)，其中每个支撑板在第一侧面上具有一个或更多个收集电极(82、83)而在第二侧面上具有一个或更多个电压电极(87)，并按以下的方式布置，即使每个支撑板的所述第一侧面基本上与另一个支撑板的所述第二侧面相对，

其特征在于：

每个支撑板(80)都具有开口(81)以形成内腔(50)和外围区域(60)，所述内腔允许被传输到所述靶的强子束的中心部分不受干扰地通过，所述外围区域用于利用所述多个电离室(30)拦截和测量所述强子束的外围部分。

2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于每个支撑板(80)在所述一个或更多个收集电极(82、83)与所述至少一个电压电极(87)之间具有绝缘材料。

3.根据权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于每个支撑板(80)都具有用于减小所述一个或更多个收集电极(82、83)以及所述至少一个高压电极(87)的泄漏电流的保护环元件(84、85、86、88、89)。

4.根据上述任意权利要求所述的装置(10)，其特征在于所述一个或更多个收集电极(82、83)以及所述至少一个电压电极(87)由铜制成。

5.根据上述任意权利要求所述的装置(10)，其特征在于所述支撑板(80)利用标准的印制电路板技术来获得。

6.根据上述任意权利要求所述的装置(10)，其特征在于为了检查及测量所述束的定中心，至少有一个支撑板(80)相对于其余所述多个支撑板旋转90°。

7.根据权利要求6所述的装置(10)，其特征在于当所述强子束正被传输到所述靶的时候，所述至少一个支撑板(80)按顺序是第一个由所述强子束穿过的支撑板。

8.一种用于对产生自辐射源且被传输到靶的强子束进行剂量验证的方法，该方法包括以下步骤：

·在所述靶和所述辐射源之间设置根据权利要求1到7之一所述的装置(10)，使所述装置(10)的中心轴与所述强子束的中心轴重叠；

·向所述靶传输所述强子束；

·在所述装置(10)的外围区域(60)利用所述多个电离室(30)获得穿过所述装置(10)的所述强子束的外围部分的剂量分布的测量值；

以及同时，

·允许穿过所述装置(10)的所述内腔(50)的所述强子束的中心部分不受干扰地通过。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

·为了检验所述强子束的传输的正确性，将剂量分布的所述测量值与计划的剂量分布进行比较；

·测量所述强子束的范围调制及SOBP的一致性；

10.一种用于对强子束进行在线剂量测定监视的根据权利要求1到7之一所述的装置或者根据权利要求8、9所述的方法的使用。