CN102210909B - 用于运行粒子治疗设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行粒子治疗装置(100)的方法。所述粒子治疗装置(100)包括粒子产生装置(101)、用于从产生的照射粒子的至少一部分中产生粒子束的射线产生装置(102)、用于自动采集粒子束的粒子束强度的采集装置(103‑105)和粒子束影响装置(110)，所述粒子束影响装置(110)构造为根据采集的粒子束强度和对于粒子束强度的预定的额定值影响所述粒子束强度。

Description

用于运行粒子治疗设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行粒子治疗设备的方法以及一种在其中使用所述方法的粒子治疗设备。

背景技术

使用粒子治疗设备利用重粒子(例如质子、碳离子)治疗肿瘤。在此利用重粒子例如按照所谓的光栅扫描方法照射肿瘤。除了患者的肿瘤，还可以例如为了研究或预警目的照射模体。光栅扫描方法的基础是，对于每个ISO能量层设置由粒子产生和加速装置提供的射线强度并且实时采集在每个光栅点应用的剂量并且对于每个光栅点维持直到达到了规划的目标剂量。例如可以借助快速磁铁通断辐射。因为在将辐射应用于光栅点期间每个光栅点需要一个最小时间，所以用于以最小的剂量照射光栅点的应用的该最小时间确定了可以使用的最大辐射强度。在此还必须考虑，用于从粒子产生和加速装置中提取粒子束的技术方案会导致具有大的波动的粒子流变化。用于提取粒子的典型方案例如是谐振提取或利用所谓的Knock-Out-Exciter(KO激励器)的提取。这样产生的粒子或微粒流变化由于快速波动而在几个微秒的范围内主导并且此外特别在提取的开始还附加地在几十毫秒直到几秒的时间范围中改变。

相反，值得期望的是，粒子束强度，即每单位时间粒子或微粒的数量，近似为如图1所示的方波，即，在预定的时刻非常陡地上升到期望的强度并且在例如5秒的预定的时间之后又非常陡地下降。相反，图2示出了按照现有技术的粒子束的强度变化。强度的采集以50μs的分辨率进行。可以看出长时间的波动以及非常短时的波动。

在此，从JP-11329800公知一种用于发出带电粒子束辐射的方法和一种加速装置。加速装置包括用于施加高频的装置、用于辐射(Ausstrahung)的偏转装置、流测量装置和计算机器。用于施加高频的装置基于高频信号产生高频电场、磁场或电磁场，以便将其施加到带电粒子流。偏转装置辐射带电粒子束，该粒子束通过用于施加高频的装置向着谐振稳定限制的外侧运动。流测量装置测量带电粒子束的流的值，该粒子束是由用于辐射的偏转装置辐射的。计算机器按照由流测量装置测量的流的值，确定高频信号的强度。

由于特别是在谐振提取时显示的粒子束强度的强烈波动，目前这样实施照射技术，使得接受具有非常高的可变性的照射强度。由此要接受通过最小剂量的光栅点的剂量主导的相对长的照射时间。此外为了仍能够获得可接受的照射时间，在规划时相对高地设置每个光栅点的最小剂量。由此可以避免辐射应用的持续时间由于限制到最小强度而变得非常大的极端情况。另一方面，由此在具有小的剂量需求的光栅点的情况下要接受可能不合比例地高的剂量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如下地改进粒子治疗装置的运行，即缩短照射时间并且在不同的光栅点既能够应用小的也能够应用大的辐射剂量。

按照本发明的第一方面提供一种用于运行粒子治疗装置的方法。在该方法中产生并加速照射粒子并且从产生的照射粒子的至少一部分中产生粒子束。此外自动采集粒子束的粒子束强度。此外按照预定的照射规划自动地利用粒子束顺序地照射多个光栅点。在照射规划中每个光栅点分别对应于一个用于在该光栅点上的粒子束强度的额定值。自动地根据采集的粒子束强度和分别预定的用于待照射的光栅点的粒子束强度的额定值来影响粒子束强度。

通过测量粒子束强度并且自动根据预定的额定值影响或调整粒子束强度，可以作为时间的函数实现粒子束强度变化，该粒子束强度变化非常近似于例如在图1中所示的具有非常陡的上升、然后是恒定的变化和快速下降的期望的变化。为了自动采集粒子束强度，例如可以使用在粒子治疗装置中为了测量每个光栅点应用的剂量而使用的探测器。由此不必将会影响辐射质量并且由此影响医疗治疗结果的附加的探测器引入粒子束中。由探测器测量的辐射强度例如可以实时地数字地传输到数字的调节器。为了传输数字化的测量信号，例如可以使用工业上常用的总线信号。调节器例如可以是使用比例调节、积分调节和微分调节的所谓的PID调节器。PID调节器特别适合于调节如图2所示的快的以及慢的波动。替换地还可以使用在现有技术中公知的其他调节器。除了数字地传输由探测器采集的粒子束强度，还可以设置模拟的传输。

此外辐射强度不再通过最低剂量的光栅点限制并且可以极大减小照射时间。此外在照射规划中明显更小地设置每个光栅点的最小剂量。由此可以实现改善的照射的均匀性和舒适性并且同时减小照射时间。这导致患者通过率的明显提高并且由此导致粒子治疗装置的更有效利用。

还可以在几个光栅点的情况下在多个光栅点的顺序照射期间设置额定值的改变。特别地在照射属于ISO能量层的光栅点期间可以发生额定值的改变。由此辐射强度不再通过ISO能量层中的最低剂量的光栅点限制并且可以极大减小照射时间。在照射规划时可以更灵活，因为能够明显更小地设置每个光栅点的最小剂量。

按照一种实施方式，将粒子束传输到治疗位置的粒子束输出端并且采集在治疗位置的粒子束输出端上的粒子束强度。由此可以这样调整对粒子束强度的自动影响，使得在治疗位置的粒子束输出端上提供期望的粒子束强度，由此可以相应地考虑在将粒子束传输到粒子束输出端时粒子束强度的影响。

按照另一种实施方式，利用同步加速器和/或线性加速器产生并加速照射粒子。替换地还可以利用粒子回旋加速器产生并加速照射粒子。在使用同步加速器和线性加速器的情况下为了影响粒子束强度可以借助所谓的Knock-Out-Exciter将照射粒子的一部分退耦。Knock-Out-Exciter例如借助控制设备来控制并且对加速器中的粒子束产生强度可调的高频。功率越高，则单位时间退耦越多粒子。为了获得期望的粒子束强度变化，在Knock-Out-Exciter的控制设备中自动地利用例如前面提到的PID调节器调整输出功率。由此取消了通常所需的对如下功能的参数的调整，该功能对于预控制调整Knock-Out-Exciter的输出功率的时间变化。此外通过粒子束强度的高的时间常数，粒子束的应用更精确和更均匀。由此也简化了对于粒子束应用的控制和监视系统，由此运行变得更可靠。通过这样实现的优化的和恒定的辐射强度可以减小辐射中断的频度，即所谓的互锁(Interlock)的频度，由此可以更快地进行治疗并且更有效利用粒子治疗装置。

可以可选地将粒子束传输到多个治疗位置中的一个。在每个治疗位置采集粒子束强度，特别是应用的粒子束强度，并且自动地将粒子束当前被传输到的那个治疗位置的采集的粒子束强度用来影响粒子束强度。通过在每个治疗位置采集粒子束强度并且将其用来影响粒子束强度，可以确保，在当前进行治疗的治疗位置上正好提供期望的辐射强度。

按照另一种实施方式，确定粒子产生装置(例如同步加速器、线性加速器或粒子回旋加速器)的品质信息。品质信息自动地根据采集的粒子束强度和粒子束强度的当前的影响来确定。当例如在加速器中存储的粒子数由于技术问题随时间改变时，则在具有线性加速器的同步加速器的情况下必须相应地再调整对退耦的照射粒子的部分的设置，以便保持对于粒子束强度的预定额定值。通过对退耦的照射粒子的部分的设置的合适记录(Protokollierung)和分析，由此可以导出粒子产生装置的品质信息。基于该品质信息可以导出例如对于粒子产生装置预防性的维护的措施。

按照本发明的另一方面，提供一种粒子治疗装置。粒子治疗装置包括用于产生并加速照射粒子的粒子产生装置、射线产生装置、采集装置、光栅控制装置和粒子束影响装置。这样构造射线产生装置，例如Knock-Out-Exciter，使得射线产生装置从粒子产生装置的照射粒子的至少一部分中产生粒子束。采集装置能够自动采集粒子束的粒子束强度。这样构造粒子束影响装置，使得其根据采集的粒子束强度和对于粒子束强度预定的额定值影响并且由此调整粒子束强度。构造光栅控制装置来利用粒子束按照预定的照射规划顺序地照射多个光栅点。照射规划为多个光栅点的每一个分别对应一个对于粒子束强度的额定值。光栅控制装置与粒子束影响装置耦合并且将待照射的光栅点的额定值传输到粒子束影响装置。粒子束影响装置使用额定值来调整对于待照射的光栅点的期望的粒子束强度。由此对于不同的光栅点可以实现并且在短的照射时间中提供既可以是小的也可以是大的照射剂量。由此可以改善粒子治疗装置的利用并且缩短对于患者的照射时间。

粒子治疗装置还可以包括将粒子束传输到治疗位置的粒子束输出端的粒子束传输单元。在这种情况下用于自动地采集粒子束强度的采集装置优选设置在粒子束输出端。由此可以确保在粒子束输出端上的精确和期望的辐射强度。

粒子治疗装置还可以包括将粒子束可选地传输到多个治疗位置中的一个的粒子束传输单元。在每个治疗位置设置用于自动采集导出的粒子束的粒子束强度(特别是用于采集应用的粒子束强度)的采集装置。粒子治疗装置还可以包括切换单元，该切换单元将粒子束当前被传输到的那个治疗位置的采集的粒子束强度传输到粒子束影响装置。由此可以按顺序利用粒子束顾及多个治疗位置，由此能够更有效地利用粒子治疗装置。借助切换单元确保在每个治疗位置上提供期望的粒子束强度。

按照另一种实施方式，粒子治疗装置包括用于确定粒子产生装置的品质信息的品质确定装置。品质信息由品质确定装置根据采集的粒子束强度和通过粒子束影响装置对粒子束强度的影响来确定。由此可以及时地识别并且消除在粒子治疗装置上的故障或将来所需的维护。

前面描述的粒子治疗装置还适合于执行前面描述的方法并且由此包括结合方法所描述的优点。

此外本发明还包括一种计算机程序产品，特别是软件，其可以被加载到粒子治疗装置的可编程控制装置(例如粒子束影响装置)的存储器中。当计算机程序产品在粒子治疗装置中被运行时，利用该计算机程序产品的程序装置可以执行按照本发明的方法的上述所有实施方式。

最后本发明还涉及一种电子可读的数据载体，例如CD或DVD，在其上存储了电子可读的控制信息，特别是软件。当该控制信息由数据载体读取并且存储在粒子治疗装置的控制装置，例如粒子束影响装置中时，可以利用粒子治疗装置执行前面描述的方法的所有按照本发明的实施方式。

附图说明

以下借助附图结合优选实施方式详细解释本发明。

各个特征、其优点和其作用的上述和以下描述既关于装置类别也关于方法类别，无需在每种情况下个别地明确指出；在此公开的各个特征还可以与示出的组合不同地组合。

图1示出了粒子束强度随时间的期望变化。

图2示出了按照现有技术的粒子束强度随时间的典型变化。

图3示出了按照本发明的实施方式的粒子治疗装置的示意图。

图4示出了按照本发明的实施方式的粒子束强度的时间变化。

图5示出了与按照现有技术的粒子束强度的变化相比，按照本发明的粒子束强度的变化。

图6示出了照射规划，该照射规划将照射规划的每个光栅点对应于一个照射剂量。

图7示出了按照本发明的另一个实施方式的粒子束强度的变化。

具体实施方式

图3示出了粒子治疗装置100。该粒子治疗装置100包括粒子产生装置101、射线产生装置102和未示出的粒子束传输单元。在粒子产生装置101中，例如在线性加速器和同步加速器或粒子回旋接收器中产生并加速照射粒子，例如质子或碳离子。在同步加速器和线性加速器的情况下，借助射线产生装置102将产生并加速的粒子或微粒的一部分从粒子产生装置101中退耦并且作为粒子束传输到未示出的粒子束传输单元。射线产生装置102例如可以是Knock-Out-Exciter，其对粒子产生装置101中的粒子束输出可调功率的高频。功率越高，则单位时间越多的粒子被退耦并且被传输到退耦的粒子束。粒子束传输单元将这样产生的粒子束可选地传输到例如在不同的治疗室中设置的多个治疗位置中的一个。粒子治疗装置还包括在每个治疗位置上的采集装置103-105，用于采集由粒子束传输单元传输到治疗位置的粒子束的粒子束强度。在图3中示例性示出了三个治疗位置，其中在第一治疗位置设置采集装置103，在第二治疗位置设置了采集装置104并且在第三治疗位置设置了采集装置105。采集装置103-105例如借助充气的电离室和其中设置的平板电容器采集辐射强度。这样采集的粒子束强度给出了每单位时间的粒子束剂量。每个采集装置103-105分别对应于一个剂量确定装置106-108，其分别将对应的采集装置的粒子束强度在时间上积分，以确定在治疗位置上的粒子束剂量。

粒子治疗装置100还包括切换单元109，其与采集装置103-105耦合。切换单元109还与粒子束影响装置110耦合。粒子束影响装置110例如可以包括电子控制装置，例如微处理器。粒子治疗装置100的上级设置的(未示出的)控制装置(该控制装置还控制粒子束传输单元)为切换单元109提供信息，即，哪个治疗位置当前由粒子束传输单元提供粒子束。相应地，切换单元109选择由采集装置103-105中采集的粒子束强度，以将其进一步传输到粒子束影响装置110。在采集装置103-105和切换单元109之间的连接通过例如分开的导线或总线系统例如可以传输数字信号。上级设置的控制装置为粒子束影响装置110提供对于粒子束强度的额定值并且粒子束影响装置110为射线产生装置102提供用于控制电路111的控制值。对于控制电路111的控制值由粒子束影响装置110根据由采集装置103-105中的一个采集的粒子束强度和预先给出的对于粒子束强度的额定值来确定。此外粒子束影响装置110例如包括PID调节器。PID调节器提供用于控制电路111的控制值，由此例如调整Knock-Out-Exciter的高频功率，以便这样以通过额定值规定的时间上恒定的速率调节在同步加速器中的粒子的退耦率或提取率。粒子束影响装置110例如可以以工业上通用的控制装置的形式(所谓的存储器可编程的控制装置)实现，并且由此作为标准组件集成到粒子治疗装置中。由粒子束影响装置110传输到射线产生装置102的控制电路111的控制值例如可以模拟地或优选数字地被传输。

替换地，切换单元109还可以不取决于上级设置的控制装置，将采集的粒子束强度从设置在报告一个不等于零的额定强度的治疗位置上的那个采集装置103-105传输到粒子束影响装置110，因为上级设置的系统由于患者安全些原因本来就要保证，在一个时间利用粒子束仅提供到刚好一个治疗位置。

粒子治疗装置100还可以包括(未示出的)品质确定装置，其例如集成在粒子治疗装置100的前面提到的上级设置的控制装置中。品质确定装置采集控制值，该控制值由粒子束影响装置110输出到控制电路111，并且随时间与对于粒子束强度的额定值一起记录控制值。例如当由粒子产生装置101产生并存储的粒子数例如由于技术原因随时间改变时，则在达到规划的照射时间结束之前，粒子束影响装置110的控制值取异样的值，例如高于或低于边界值。通过对达到边界值的时刻的合适记录和分析，可以导出对于粒子产生装置101的功能的品质参数。根据该品质参数可以导出用于预防性维护粒子产生装置101的措施。

当由粒子束影响装置110输出到控制电路111的控制值达到边界值时，这也可以发信号，在粒子产生装置101的加速器中不再存在粒子。可以利用该信息来一直进行粒子束的受调节的应用，直到通过控制值由粒子束影响装置110向控制电路111发信号，在加速器中不再存在粒子。由此可以实现，最佳地利用在加速器中存储的粒子数。这可以对减小环境负担作出贡献，因为否则必须消除存储的和加速的其余射线，这导致消除单元和/或设备部件的放射性污染。

因为粒子束强度的信息由采集装置或探测器103-105为了调节粒子束强度被实时传输到粒子束影响装置110，所以可以在治疗位置上提供极其精确的粒子束强度。图4示出了按照本发明调节的粒子束强度的变化。同样如图2中所示以50μs的间隔采集强度。在时刻t＝22.7s激活调节。与图2比较，可以明显看出，通过调节能够明显减小长时间的波动。

图5示出了具有调节和没有调节的粒子束强度的比较。图5中，对强度数据利用FIR滤波器通过在20ms上取平均来进行平滑。如从图5可以看出的，在近似22.7s至27.2s的时间范围中的被调节的粒子束中不仅明显减小慢的波动而且还减小了短时的波动。在近似31.4s至36.3s的未调节的强度变化中，除了明显更慢的波动之外还可以看出明显更短时的波动。

在粒子束治疗中典型地利用光栅扫描方法治疗肿瘤。在此将肿瘤逻辑地划分为多个光栅体积，即所谓的光栅点，并且在照射规划中为每个光栅点对应一个照射剂量。为了照射光栅点将粒子束对准光栅点并且将具有预定能量的粒子辐射到肿瘤中，所述预定能量确定粒子的入射深度。照射规划在此可以具有对于每个光栅点极其不同的粒子剂量。

图6示例性示出了对于照射规划的多个光栅点的期望的粒子剂量。通常在应用光栅点的照射期间每个光栅点需要一个最小时间。用于以最小剂量照射光栅点的该最小时间限制了能够使用的最大射线强度。在图6中利用箭头标出了具有最小剂量的光栅点。在按照现有技术的粒子治疗装置中，其中没有如前面所述地调节粒子束强度，对于具有明显更高的剂量的多个光栅点由此接受一个相对长照射时间，该照射时间通过较小剂量的光栅点的剂量主导。

相反，利用在图3中所示的具有受调节的粒子束强度的粒子治疗装置100，可以在不同的光栅点之间动态改变粒子束强度。对于粒子束强度的额定值例如可以从照射规划中自动被导出并且在照射不同的光栅点期间实时地同步传输到粒子束影响装置110。因为加速系统具有如下特性，即，对调节器的调节参数改变以几个毫秒的延迟时间响应，所以可以以“提前时间”输出对于粒子束影响装置110的额定值的规定。当在上级设置的控制系统中在开始照射之前存在具有光栅点的数据的在时间上归类的列表(照射规划)时，可以在准备阶段通过合适的算法确定额定值传输到粒子束影响装置110的最佳时刻。以这种方式，可以将射线强度总是最佳地与各个光栅点的要求匹配。

图7示出了射线强度根据预定的额定值改变的改变。

本发明的主要优点从如下得出：射线强度不再通过最低剂量的光栅点限制。通过改变粒子束强度可以在极其更短的时间以预定的剂量照射对于其设置了高的射线剂量的光栅点。由此可以极大减小整个照射时间。此外可以在治疗规划系统中将每个光栅点的最小剂量明显更低地设置。

由此实现了照射的改善的均匀性和舒适性。同时通过激活的粒子流强度调节避免了长的照射时间。由此明显提高了粒子治疗装置的患者通过量并且改善了治疗规划的质量。

附图标记列表

100 粒子治疗装置

101 粒子产生装置

102 射线产生装置

103 采集装置

104 采集装置

105 采集装置

106 剂量确定装置

107 剂量确定装置

108 剂量确定装置

109 切换单元

110 粒子束影响装置

111 控制电路

Claims (17)

1.一种用于运行粒子治疗装置的方法，包括：

－产生并加速照射粒子，

－从产生的照射粒子的至少一部分中产生粒子束，

－自动采集所述粒子束的粒子束强度，

－按照预定的照射规划利用粒子束自动地顺序地照射多个光栅点，其中，所述照射规划为多个光栅点的每个分别对应于一个用于所述粒子束强度的额定值，并且

－根据采集的粒子束强度和待照射的光栅点的各自的额定值来自动地影响所述粒子束强度。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括将粒子束传输到治疗位置的粒子束输出端，其中，采集在粒子束输出端上的粒子束强度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，为了产生粒子束借助KO激励器(102)将产生的照射粒子的一部分退耦，其中，为了影响粒子束强度自动调整所述KO激励器(102)的高频功率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粒子束强度的额定值具有时间上不恒定的变化。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，为了影响所述粒子束强度使用比例调节器、积分调节器、微分调节器或其组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，利用同步加速器(101)、线性加速器(101)和/或粒子回旋加速器产生并加速所述照射粒子。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，可选地将所述粒子束传输到多个治疗位置中的一个，其中，在每个治疗位置采集所述粒子束强度，并且其中自动地将粒子束当前被传输到的那个治疗位置的采集的粒子束强度用来影响所述粒子束强度。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括确定产生并加速所述照射粒子的粒子产生装置的品质信息，其中所述品质信息自动地根据采集的粒子束强度和退耦的照射粒子的部分的调整来确定。

9.一种粒子治疗装置，包括

－粒子产生装置(101)，用于产生并加速照射粒子，

－射线产生装置(102)，用于从产生的照射粒子的至少一部分中产生粒子束，

－采集装置(103-105)，用于自动采集粒子束的粒子束强度，

－光栅控制装置，所述光栅控制装置构造为利用粒子束按照预定的照射规划顺序地照射光栅点，其中，所述照射规划为所述光栅点的每一个分别对应一个对于粒子束强度的额定值，和

－粒子束影响装置(110)，其与所述光栅控制装置耦合并且构造为根据采集的粒子束强度和对于待照射的光栅点的粒子束强度的分别预定的额定值影响所述粒子束强度。

10.根据权利要求9所述的粒子治疗装置，还包括粒子束传输单元，用于将粒子束传输到治疗位置的粒子束输出端，其中所述采集装置(103-105)设置在所述粒子束输出端上。

11.根据权利要求9所述的粒子治疗装置，其中，所述射线产生装置(102)包括具有用于调整高频功率的控制输入端的KO激励器，利用该高频功率改变照射粒子的退耦的部分，其中，所述粒子束影响装置为了影响射线强度，根据采集的粒子束强度和对于粒子束强度的预定的额定值影响KO激励器的控制输入端。

12.根据权利要求9所述的粒子治疗装置，其中，所述粒子束强度的额定值具有时间上不恒定的变化。

13.根据权利要求9所述的粒子治疗装置，其中，所述粒子束影响装置(110)包括比例调节器、积分调节器、微分调节器或其组合。

14.根据权利要求9所述的粒子治疗装置，其中，所述粒子产生装置(101)包括同步加速器、线性加速器和/或粒子回旋加速器。

15.根据权利要求9所述的粒子治疗装置，其中，还包括：

－粒子束传输单元，用于可选地将所述粒子束传输到多个治疗位置中的一个，其中，在每个治疗位置设置用于自动地采集所述导出的粒子束的粒子束强度的采集装置(103-105)，和

－切换单元(109)，其构造为，将粒子束当前被传输到的那个治疗位置的采集的粒子束强度传输到所述粒子束影响装置(110)。

16.根据权利要求9所述的粒子治疗装置，还包括品质确定装置，用于根据采集的粒子束强度和对粒子束强度的影响确定所述粒子产生装置(101)的品质信息。

17.根据权利要求9至16中任一项所述的粒子治疗装置，其中，所述粒子治疗装置(100)构造为用于执行按照权利要求1至8中任一项所述的方法。