CN102160913A - 放疗和成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及放疗和成像装置。一种放疗系统包括：患者支撑件，可沿着平移轴移动；成像装置，包括第一磁线圈和第二磁线圈，第一和第二磁线圈具有平行于平移轴的公共中心轴并且沿着中心轴彼此移位以在其间形成间隙，成像装置被配置成获得患者支撑件上的患者的图像；安装在机架上的辐射源，机架可围绕中心轴旋转并且所述源适于沿着与中心轴相交的束轴发射通过该间隙的辐射束；多叶准直器，包括多个细长叶，细长叶可在至少撤回位置和延伸位置之间移动，在撤回位置中叶位于束外部而在延伸位置中叶突出横跨该束；以及安装在机架上与该源相对的辐射探测器，所述辐射探测器具有当投影至等中心平面上时与细长叶对齐的多个探测器元件。

Description

放疗和成像装置

技术领域

本发明涉及放疗装置，并且特别地涉及包括磁共振成像(MRI)装置的放疗装置。

背景技术

已知的是，人类或动物组织暴露于电离辐射将杀死由此暴露的细胞。例如，这发现了在病理细胞的治疗中的应用。为了治疗患者体内深处的肿瘤，辐射然而必须穿透健康组织以便照射并摧毁病理细胞。在传统辐射治疗中，大量的健康组织由此可能暴露于有害的辐射剂量，导致患者的康复期延长。因此，期望的是，设计一种用于通过电离辐射和治疗方案(treatment protocol)来治疗患者的装置以便把病理组织暴露于将导致那些细胞死亡同时使健康组织的暴露保持最小量的辐射剂量。

之前采用了若干种方法来实现所期望的破坏病理细胞的暴露同时使健康细胞的暴露保持最小量。许多方法通过从众多方向(同时从多个源或者来自单源的多次暴露)将辐射指向肿瘤来工作。从每个方向发出的辐射强度因此小于为实际破坏细胞而将需要的辐射强度(尽管仍旧足以损坏细胞)，但是在来自多个方向的辐射束会聚的位置，辐射强度足以输送治疗剂量。通过从多个方向提供辐射，可以最小化输送至周围健康细胞的辐射量。

束的形状变化。对于单源设备，集中在等中心(isocentre)上的锥形束是常见的，而也采用扇形束(例如如US5317616中所示的)。

当然，辐射应当精确地对准需要治疗的区域也是重要的。因为这个原因，患者需要在治疗会诊(session)的持续时间内保持静止，以最小化对目标区域周围的健康组织的损坏风险。然而，一些移动是不可避免的，例如通过呼吸或其它无意移动。

为了克服这个问题，已知的是将图像获取系统和放疗装置集成以提供对区域的实时成像以及确保由放疗装置发射的辐射跟踪患者的任何移动。然而，成像系统的选择通常受它被安装在其中的放疗装置限制，且特别地受几何结构限制。例如，磁共振成像(MRI)系统需要磁线圈围绕患者放置。然而，这些线圈将会用来阻挡治疗辐射到达患者。

所需要的是一种集成的在对患者成像和治疗方面实现高质量的放疗系统。

发明内容

当前，众多不同装置与放疗机器一起用于质量保证(QA)以及体内剂量测定(in-vivo dosimetry)。

●电子射野成像装置(EPID)-这用于探测来自患者的出口剂量以及使用背投影方法来计算沉淀在患者中的剂量。

●断层放疗(Tomotherapy)上的CT探测器-用在断层放疗上的二元多叶准直器被整形为窄狭缝。来自该狭缝的辐射积分通量(fluence)可以使用定位在患者的出口侧的一维CT探测器来测量。沉淀在患者中的剂量可以使用背投影方法来计算。

●二极管-这些用于通过将它们直接附接至患者表面上来测量入口剂量或出口剂量。

然而，这些系统中没有一个理想地适合于与包括MRI成像装置的放疗系统一起使用。MRI系统具有窄窗口，辐射可以穿过所述窄窗口来到达目标。MRI系统具有窄孔，因此不可能调整患者的位置使得目标处于场的中心。而且，当台架(gantry)旋转时，偏移目标将需要使用准直器宽度的不同部分。

通过提供一种具有多叶准直器(MLC)和辐射探测器的放疗MRI系统，本发明的发明者克服了与传统集成的放疗和成像系统相关联的问题，其中所述辐射探测器具有当被投影至等中心平面上时与MLC的叶宽度对齐的多个探测器元件。辐射探测器不是射野成像器，因为MRI系统是成像系统。相反，辐射探测器提供QA和体内剂量测定，因此不需要具有高分辨率。

根据一方面，本发明因此提供一种放疗系统，其包括：患者支撑件，可沿着平移轴移动；成像装置，包括第一磁线圈和第二磁线圈，所述第一磁线圈和第二磁线圈具有平行于平移轴的公共中心轴并且沿着中心轴彼此移位以在其间形成间隙，所述成像装置被配置成获得患者支撑件上的患者的图像；安装在机架(chassis)上的辐射源，所述机架可围绕中心轴旋转并且所述源适于沿着与中心轴相交的束轴发射通过间隙的辐射束；多叶准直器，包括多个细长叶，所述细长叶可在至少撤回位置和延伸位置之间移动，在所述撤回位置中叶位于束外部而在所述延伸位置中叶突出横跨该束；以及安装在机架上与所述源相对的辐射探测器，所述辐射探测器具有当投影至等中心平面上时与细长叶对齐的多个探测器元件。

在实施例中，辐射探测器包括多个探测器元件，各列所述探测器元件可以与特定细长叶对齐。当投影至等中心平面上时，这些列可以间隔开大约2mm和大约10mm之间。辐射探测器可以安装在第一和第二磁线圈外部。

在实施例中，系统还包括多叶准直器，所述准直器包括多个细长叶，所述细长叶布置成它们的纵向与第一方向基本对齐并且可在该方向上在撤回位置、延伸位置以及其间的多个中间位置之间移动，在所述撤回位置中叶位于束外部而在所述延伸位置中叶突出到该束中。

上面公开的多叶准直器可以包括用于移动所述多个细长叶的相应的多个致动器。

在一个实施例中，机架可连续围绕中心轴旋转。在该实施例中，患者支撑件可以被配置成当机架围绕中心轴旋转时沿着平移轴移动，导致螺旋辐射输送模式。这样的模式已知产生高质量的剂量分布。

附图说明

现在将通过示例的方式，参照附图来描述本发明实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的放疗系统。

图2是根据本发明实施例的放疗系统的方面的示意图。

图3示出了根据本发明另一实施例的多叶准直器。

图4是在图3中所示出的多叶准直器沿着线II的横截面视图。

图5示出了其中叠加了根据本发明实施例的探测器元件的多叶准直器的视图。

图6示出了在多叶准直器中使用的传统叶的尖端。

图7示出了根据本发明实施例的叶的尖端。

具体实施例

图1示出了根据本发明实施例的包括放疗装置和磁共振成像(MRI)装置的系统。在图2中示意性地示出放疗装置6和MRI装置4。

该系统包括用于在装置中支撑患者的检查台(couch)10。检查台10可沿着水平的平移轴(标记“I”)移动，使得在检查台上停留的患者被移进放疗和MRI装置。在一个实施例中，检查台10可围绕横切于平移轴的中心垂直旋转轴旋转，尽管这没有示出。检查台10可以形成从支撑结构(未示出)突出的悬臂部。在一个实施例中，检查台10相对于支撑结构沿着平移轴移动，以便形成悬臂部，即随着检查台移动并且升降机保持静止，悬臂部的长度增加。在另一实施例中，支撑结构和检查台10两者沿着平移轴移动，使得悬臂部的长度保持基本恒定，如在2007年7月11日提交的我们的美国专利申请11/827320中所描述的。

如上面所提及的，系统2还包括用于产生对定位在检查台10上的患者的实时成像的MRI装置4。MRI装置包括主磁体16，该主磁体16用来生成用于磁共振成像的所谓的“主”磁场。即，通过操作磁体16而生成的磁场线基本平行于中心平移轴I延伸(run)。主磁体16由一个或多个具有平行于平移轴I延伸的轴的线圈组成。一个或多个线圈可以是单个线圈或多个不同直径的同轴线圈，如所示出的。在一个实施例中，主磁体16中的一个或多个线圈间隔成使得磁体16的中心窗口没有线圈。在其它实施例中，磁体16中的线圈可以仅仅薄得足以使它们对由放疗装置生成的波长的辐射是基本透明的。磁体16还可以包括一个或多个有源屏蔽线圈，其生成在磁体16外部的与外部主磁场近似相等幅度和相对极性的磁场。系统2的更敏感部分(诸如加速器)定位在磁体16外部的其中磁场被抵消至少到一阶的这个区域中。MRI装置4还包括两个梯度线圈18、20，其生成叠置在主磁场上的所谓的“梯度”磁场。这些线圈18、20在合成磁场中生成梯度，其允许对质子的空间编码，使得可以从发生共振所在的频率(Larmor频率)来确定它们的位置。梯度线圈18、20与主磁体16一起围绕公共中心轴定位，并且沿着该中心轴彼此移位。该移位在两个线圈18、20之间产生间隙或窗口。在其中主磁体16还包括线圈之间的中心窗口的实施例中，两个窗口彼此对齐。

RF系统22以变化的频率向患者发射无线电信号，并且探测在那些频率处的吸收，使得可以确定患者中质子的存在和位置。RF系统22可以例如包括发射无线电信号和接收反射信号的单个线圈、专用发射和接收线圈、或多元件相控阵列线圈。控制电路24控制各种线圈16、18、20和RF系统22的操作，并且信号处理电路26接收RF系统的输出，从中生成由检查台10支撑的患者的图像。

如上面所提及的，系统2还包括向由检查台10支撑的患者输送辐射剂量的放疗装置6。至少包括辐射源30(例如x射线源)和多叶准直器(MLC)32的放疗装置6的大部分安装在机架28上。当检查台10插入到治疗区域中时，机架28由一个或多个机架马达34供电，可连续围绕检查台10旋转。在所示出的实施例中，辐射探测器36也安装在机架28上与辐射源30相对且机架的旋转轴定位于它们之间。放疗装置6还包括可以集成在图1所示的系统2内或远离该系统的控制电路38，并且控制辐射源30的源、MLC 32和机架马达34。

将辐射源30定位成发射辐射通过由两个梯度线圈18、20限定的窗口以及还通过在主磁体16中限定的窗口。根据本发明实施例，源30发射所谓的“扇形束”辐射。辐射束在到达MLC 32之前通过合适的屏蔽来准直，在到达MLC32时其已经成为“邮筒形”以便穿过MLC壳体，如下面更详细描述的。即，辐射束在平行于机架28的旋转轴的一个维度上相对窄(诸如在60cm半径处为15cm)，并在横切于机架旋转轴的维度上相对宽。由此，束取得给予它名称的扇形。正是该扇形束理想地适合于系统2的几何结构，其中两个梯度线圈18、20彼此移位以便允许辐射进入患者。扇形束通过窄窗口给患者提供大量的辐射，意味着梯度线圈18、20可以放置得比传统集成放疗/成像系统的梯度线圈更靠近一起。这允许梯度线圈18、20生成比否则将出现的情形更强的梯度场，以增加由MRI装置4所获得的图像的质量。然而，本发明还预期具有不同形状(诸如锥形束等)的辐射束。

辐射探测器36针对图1所示的几何结构进行优化，并且可以用于QA和体内剂量测定。探测器36定位在机架28上磁体线圈16、18、20的外部，与辐射束出口对齐。因此它具有相对于辐射源30和MLC 32的固定位置。

由于它处于线圈16、18、20的外部的事实，因此散射辐射的效果将由磁体16中的材料支配，所述材料是常量并因此比较容易建模。这不像现有的电子射野成像装置(EPID)方案，所述电子射野成像装置(EPID)方案受由于不同的患者几何结构引起的来自患者的变化散射(这是难以预知的)的影响。

由于探测器36的大横向尺寸，其使用独立的探测器元件(未示出)。这些可以是二极管、离子腔或相似物。因为探测器36只用于质量保证(QA)以及体内剂量测定而不是患者成像(MRI装置4是主要的患者成像器)，所以探测元件的节距可以相对粗略，即当投影到等中心平面上时基本等于MLC 32的叶的宽度。叶的宽度由MLC的设计来限定并且当投影到等中心平面上时可以处于2mm和10mm之间。

探测器36还包括元件来对MLC 32执行一些机器QA，即探测MLC的叶被正确地定位。成列的这些探测器元件将典型地处于MLC的叶的节距处。存在众多列探测器元件以允许在离散的位置处探测这些叶。因为这些叶将总是与特定列的探测器元件对齐，所以这些列的探测器元件理想地适合于在其取向上固定的MLC。

在操作中，患者放置在检查台10上，并且检查台插入到由磁线圈16、18和机架28限定的治疗区域中。控制电路38控制辐射源30、MLC 32以及机架马达以通过在线圈16、18之间的窗口而将辐射输送至患者。控制电路38控制该源从而以通常的脉冲方式输送具有扇形束的辐射。控制机架马达34，使得机架28围绕患者旋转，意味着可以从不同方向来输送辐射。控制MLC 32以取得不同形状，从而改变束在其将到达患者时的形状。同时随着机架28围绕患者的旋转，检查台10可以沿着平移轴移进或移出治疗区域(即平行于机架旋转轴)。通过该同时运动，实现已知产生高质量的剂量分布的螺旋辐射输送模式。

MRI装置4，且具体地是信号处理电路26，将患者的实时(或在实践中为近实时，在大约毫秒的延迟后)图像输送至控制电路38。该信息允许控制电路适配源30、MLC 32和/或机架马达34的操作，使得输送至患者的辐射精确地跟踪例如由于呼吸引起的患者的运动。

图3示出了根据本发明实施例的MLC 32。在该实施例中，准直器32包括有效地整形为细长矩形孔径的壳体46。成对的叶(例如如用参考数字48a、48b指示的)沿着壳体46定位，并且通过多个致动器的动作而在基本连续数量的位置中可移进和移出该孔径。致动器可以由电磁马达来操作，所述电磁马达放置在线圈16、18、20的外部以最小化与存在于MRI装置4中的磁场的干扰。在一个极端，每个叶可以完全定位于孔径的外部；在另一极端，每个叶可以完全定位于孔径内。如所示出的，每个叶可以是单独可控制的以移进和移出壳体(即每对中的叶的移动是没有关联的)。该实施例允许更精确地跟踪目标区域，因为它没有假定目标处于视场中心。

MLC 32在其取向上固定并且具有由壳体46的形状限定的最大场尺寸，其在纵向上相对小(匹配于两个磁线圈18、20之间的间隙宽度，典型地在60cm半径处为15cm)而在横向上相对大。

在一个实施例中，MLC 32不旋转。这使得该构造更简单和更便宜。这也使得几何结构更稳固并且更易于校准，并且质量保证更易于实现。然而为了克服旋转的这种缺乏，叶48薄于传统MLC中的叶。为了防止这些薄叶在它们自身的重量下弯曲，它们可以横跨治疗场进行支撑。MLC 32包括横跨壳体伸展的多个支撑件50，如图4的横截面视图中最清楚示出的。每个叶48整形为使得相对窄部分放(slot)在一对相邻支撑件50之间。然后将两个肩部限定在每个叶的相对窄区域和相对宽区域之间，其位于支撑件50的顶部上。支撑件50的提供是可能的，因为不存在定场(field defining)光位于MRI直线加速器(linac)中或使用电子的可能性(由于磁体16阻止它)。通过使用支撑件50而引入的附加材料相比于已经在磁体中的材料可能无关紧要，因此不会进一步干扰输送至患者的治疗辐射。例如，这些叶典型地由具有相对高原子数的材料(例如钨)制造并且由于它们沿着束轴的相对厚横截面而代表对辐射的相当大的屏障。相比而言，支撑件50在该方向上相对薄，并且可以由具有相对低原子数的材料(例如铝)制成。这两个因素的组合意味着即使支撑件50横跨束路径固定，它们对辐射也呈现可忽略的屏障。在可替代实施例中，一片材料(例如铝)可以放置在MLC 32的出口上以便支撑叶。该片材又是足够薄使得其对辐射没有呈现明显的屏障。支撑件50可以是该片材中的凹槽或是从片材延伸的凸起突出部。

尽管在图4中没有示出，叶48在离辐射源30更远的部分中可能比在更接近辐射源的部分中厚。即，因为根据本发明，辐射束发散成扇形，因此叶在宽度上也增加，使得沿着叶48的整个长度有效地阻挡辐射束。

叶48仅在纵向上移动。这使得叶是短的，因为它们仅必须横越准直器32的小维度。当它们仅移动小距离时，每个叶的尖端可以具有大半径并且从而最小化辐射半影。此外，在该方向上的移动便于当目标一般由于呼吸而移动时的目标跟踪并且这主要在纵向上。

图5示出了辐射探测器36的探测器元件52叠加在其上的多叶准直器32的视图。为清楚起见，没有示出所有的叶48或探测器元件52。可以看出，探测器元件52布置成与多叶准直器的叶48对齐的列。具体地，单列探测器元件52与相应的单叶或单叶对48对齐。这允许探测器36对叶48的位置执行质量保证，但是一般不足以用作治疗所针对的区域的成像器。

图6示出了传统叶的尖端。可以看出，尖端是相对圆的。图7示出了根据本发明实施例的叶的尖端。由于叶横跨孔径的短行程，尖端具有更大得多的半径(即更平整且边缘更尖锐)。后者的尖端在其中允许辐射穿过MLC 32的区域和其中阻挡辐射的区域之间产生更尖锐的限定。这增加了辐射可以施加到患者上的精度。

因此，本发明提供了一种结合放疗装置和MRI装置两者的系统。多叶准直器用于在辐射束冲撞患者之前准直并且控制该辐射束。与辐射源相对安装的辐射探测器在辐射穿过了患者后探测该辐射，并且由此可以用于质量保证和体内剂量测定。探测器具有基本等于当投影到等中心平面上时多叶准直器中的叶宽度的分辨率，因为由于MRI装置而不需要高分辨率。

当然将理解的是，在不偏离本发明范围的情况下可以对上面描述的实施例进行许多变化。

Claims (11)

1.一种放疗系统，包括：

患者支撑件，可沿着平移轴移动；

成像装置，包括第一磁线圈和第二磁线圈，所述第一磁线圈和第二磁线圈具有平行于所述平移轴的公共中心轴，并且沿着该中心轴彼此移位以在其间形成间隙，所述成像装置被配置成获得该患者支撑件上的患者的图像；

安装在机架上的辐射源，所述机架可围绕所述中心轴旋转并且所述源适于沿着与该中心轴相交的束轴发射通过该间隙的辐射束；

多叶准直器，包括多个细长叶，所述细长叶可在至少撤回位置和延伸位置之间移动，在所述撤回位置中叶位于束外部而在所述延伸位置中叶突出横跨该束；以及

安装在机架上与该源相对的辐射探测器，所述辐射探测器具有当投影至等中心平面上时与细长叶对齐的多个探测器元件。

2.根据权利要求1所述的放疗系统，其中所述多个探测器元件布置成列。

3.根据权利要求2所述的放疗系统，其中每列探测器元件与相应的细长叶对齐。

4.根据权利要求2所述的放疗系统，其中当投影至等中心平面上时，探测器元件的列间隔开大约2mm和大约10mm之间。

5.根据权利要求1所述的放疗系统，其中所述辐射探测器安装在所述第一和第二磁线圈外部。

6.根据权利要求1所述的放疗系统，其中所述多叶准直器还包括：多个横跨束的支撑件，用于至少在细长叶的相应的延伸和中间位置中支撑所述细长叶。

7.根据权利要求1所述的放疗系统，其中所述多叶准直器还包括：相应的多个气动或液压致动器，用于移动所述多个细长叶。

8.根据权利要求1所述的放疗系统，其中所述多叶准直器的细长叶还可移动至它们的撤回位置和延伸位置之间的多个中间位置。

9.根据权利要求1所述的放疗系统，其中所述多叶准直器在其相对于所述辐射源的旋转方面是固定的。

10.根据权利要求1所述的放疗系统，还包括：用于所述源的控制部件，适于控制所述源以便将治疗辐射剂量输送至患者支撑件上的患者，所述控制部件适于在剂量输送期间接收来自成像装置的磁共振图像。

11.根据权利要求1所述的放疗系统，其中所述机架可连续围绕所述中心轴旋转。

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