CN102687230A - 紧凑型等中心机架 - Google Patents

Abstract

一种用于管理质子束治疗的机架，具有的改善为减小了与当前可商购的质子束治疗系统相关的尺寸、重量、成本和放射束损失。所述机架利用消色差超导多功能电磁体系统，其中所述磁体可以包括双极磁体和四极磁体。可斜坡变化磁体系统的消色差特性允许在不改变磁场强度或双极磁体设置的情况下，容易传输其能量在大范围不同能量中快速变化的束。所述磁体可以由低温超导体或高温超导体制成。所述机架设计进一步集成束扫描，但同时保持所述机架保持等中心。与现有技术相比，可以通过所述机架传输更多的束部分，从而降低放射屏蔽要求以及施加给加速器的产生大量的质子束的要求。

Description

紧凑型等中心机架

相关申请的交叉引用

根据美国的U.S.C.119，本申请主张2009年11月2日提交的标题为“Compact Isocentric Gantry”的美国临时专利申请序号61/257,329中的优先利益。该申请的全部内容在此引用作为参考。

参考引用

本公开中提及的所有公开内容，其中包括专利及专利申请的全部内容在此引用作为参考，其程度相当于专门和单独引入每个单个公开作为参考。

技术领域

本发明一般地涉及质子治疗，更具地说，本发明涉及质子治疗中心中使用的紧凑型等中心机架（isocentric gantry）。

背景技术

在美国，超过一半癌症患者接受放射治疗。放射治疗是指借助离子辐射照射患者，更具体地说，照射患者的肿瘤。在特定质子放射治疗案例中，使用质子束执行放射。通过将放射剂量传输到肿瘤来破坏肿瘤。质子治疗是希望的放射治疗方式，因为与标准X光放射治疗相比，质子治疗可以加大对肿瘤的放射剂量，同时减少对肿瘤周围健康组织的放射量。

现代放射治疗的主要挑战是既要通过加大剂量增强局部肿瘤控制，又要最小化对正常组织的放射剂量，从而改善患者的生存和生活品质。放射物可能损害正常组织，因此会造成长期癌症存活者产生短期和晚期肿瘤。

三维适形（conformal）放射治疗和强度调制放射治疗实现的最新进展包括减少短期放射诱发的并发症，尤其是减少诸如脑、肺、肠之类的限剂量器官的并发症。但是，仍然会出现严重的短期并发症，这成为某些治疗的限制因素。对于年轻患者来说，存在更多潜在的恶化风险，可能在治疗之后的几年，甚至几十年内长期出现二次肿瘤。

从长期来看，使用质子替代x光治疗可使患者明显受益，这是因为长期和短期毒副作用极大减少。这种毒副作用要求在放疗后继续接受多年治疗，从而产生大量治疗费用。在质子治疗与X光治疗的初级费用大体相当的情况下，使用质子治疗导致对医疗服务提供者的大的长期节省。

质子治疗推广应用一个主要障碍是费用问题。质子治疗中心的主要费用很大，这归因于超大型设备的成本以及在其中安装该设备的强屏蔽拱顶（vault）的成本。但是，现在FDA核准质子系统中包括的技术始于大约20年前。它不反映研究人员针对研究实验室中使用技术所做出的发展，尤其不反映对高温超导体的使用。

传统质子治疗设施一般由粒子加速器、质子束引导控制设备以及治疗室构成。在多个治疗室共用加速的束的传统质子治疗设施布局中，粒子加速器并非支配部件。当俯视传统四治疗室设施时，很明显能看出整个质子束传输系统的最大部件是质子束引导控制设备，下文称为机架（gantry）。机架将质子束传送到治疗室，使质子束弯曲，直到垂直照射患者，然后绕着患者旋转束。典型的机架由大型磁体、排空管、喷嘴和配重组成。所有部件安装在大型钢梁“鼠笼”上以便于质子束绕患者旋转。

图1是传统治疗室二维场地布局的一个实施例。机架10安装在图中顶部所示的房间内。图1示出机架尺寸在现有质子治疗设施的整体布局中占具主导地位。图1所示的传统质子机架的近似重量约为120吨。如果从整个三维角度看去并考虑机架的直径超过13米，这更加明显。传统等中心机架的直径一般大于13米，最长可达15米。

使得现有机架的尺寸如此庞大的另一原因是需要提供很长的喷嘴，长度一般超过3米，这样能够执行被称为点束扫描（也称为铅笔束扫描）的高级扫描技术，同时最小化在皮肤处的入射剂量。（即使不执行扫描，也需要至少2.3米长的喷嘴）。点束扫描技术在患者体内的特定深度处的靶区上传播小直径入射质子束。喷嘴中安装的电磁体在靶区上二维（X-Y）地扫描质子束。此外，靶区内每个三维点（像素）的束强度被变化以实现完全适形精确深度处的靶区的剂量分布。使用一系列减少的能量（能量叠加）重复此过程可执行各种深度处的治疗，从而治疗具有任意形状的整个肿瘤体积。在一个现有系统中，沿机架的最后的90度弯曲磁体的上游的一个方向执行束扫描。尽管最后的机架双极磁体（dipole）上游的束扫描能够有效地减小治疗喷嘴，但是它还是导致机架非常大且非常重，同时包括重量约为90吨的昂贵90度弯曲磁体。

目前销售的能够执行高级束扫描技术（例如，点扫描）的传统机架的安装成本在一千万到一千五百万美元之间，多数直径超过40英尺。

之前曾针对离子治疗应用，特别是针对碳离子治疗提出过超导技术。但那时断定低温系统的复杂性及斜坡变化（ramping）超导磁体的困难令低温高场磁体的应用成为技术上的极度挑战。海德尔堡（Heidelberg）设施中的碳离子机架设计选择传统室温磁体，导致其庞大的630吨结构并且高16米。

保罗谢勒学会（Paul Scherrer Institute）开发出一种非传统设计，其中X-Y束扫描在机架最后的90度弯曲磁体上游的一个方向执行。但是，保罗谢勒学会的设计并非绕患者等中心，因此还需以同心圆旋转患者，有时使患者离地2米高。无论如何，对基于传统室温双极磁体的机架而言，最后的机架双极磁体上游的束扫描能够有效地将机架直径从12米缩短为5米。不幸地，这又导致非常庞大、沉重（约90吨）且昂贵的90度弯曲磁体。

最近针对离子治疗设施提出了超导机架设计。机架设计基于固定场交变梯度（FFAG）磁体，此设计可减少机架总重量。但此类机架仍非常大。该机架的旋转点到等中心距离长度为20米，并具有约为3.2米的高度。此外，该机架需要机架系统磁元件数目大幅增加。

因此，本领域需要开发能够极大减小剂量传输机架尺寸并降低相关成本的新理念。本发明的目标是将机架安装成本降为当前成本的约33%，将尺寸减小约50%以及将重量减少到原来的十分之一。

发明内容

在一个实施例中，一种等中心机架被配置为向患者提供粒子放射治疗，所述机架包括设置在粒子束线中并被配置为改变所述粒子束线方向的多个双极和四极电磁体，所述多个双极和四极电磁体包括至少一个超导磁体；以及支撑框架，在尺寸和配置上适于支撑所述多个双极和四极电磁体。

在某些实施例中，所述至少一个超导磁体具有可变磁强度（magneticstrength）。在另一实施例中，所述至少一个超导磁体是可斜坡变化的（rampable）并且所述等中心机架具有在约+/-2%到+/-10%的范围的动量接收度（acceptance）。

在一个实施例中，所述等中心机架进一步包括设置在所述粒子束线中并被配置为提供所述粒子束线的消色差束光学部件（optics）的至少一个双弯曲消色差器。在某些实施例中，所述至少一个双弯曲消色差系统包括至少一个双极磁体和至少一个四极磁体。

在某些实施例中，所述多个双极和四极磁体包括至少一个环境温度磁体。在一个实施例中，所述至少一个环境温度磁体包括环境温度四极磁体。

在一个实施例中，所述等中心机架进一步包括设置在所述粒子束线中的至少一个双弯曲消色差系统和至少一个环境温度磁体。

在某些实施例中，所述至少一个超导磁体包括低温超导材料。替代地，在另一实施例中，所述至少一个超导磁体包括高温超导材料。

在一个实施例中，所述多个双极和四极磁体被配置为在不改变磁场强度或双极磁体设置（dipole setting）的情况下，传输能量快速变化的粒子束线。

在另一实施例中，所述等中心机架进一步包括设置在粒子束线中被配置为帮助束扫描的扫描磁体。

在一个实施例中，所述框架被配置为绕等中心旋转。在某些实施例中，所述框架具有小于350立方米的工作体积（swept volume）。在其他实施例中，所述框架具有小于300立方米的工作体积。在某些实施例中，所述框架具有大于2.2米的源到等中心距离。在另一实施例中，所述机架被配置为在等中心处聚焦1到10毫米均方根点尺寸范围的所述粒子束线。

在某些实施例中，所述多个双极和四极电磁体进一步包括被设置为具有约60度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第一双弯曲消色差器，以及被设置为具有约150度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第二双弯曲消色差器。

在另一实施例中，所述多个双极和四极电磁体进一步包括被设置为具有约60度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第一双弯曲消色差器、被设置为具有约60度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第二双弯曲消色差器以及被设置为具有约90度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第三双弯曲消色差器。

在又一实施例中，所述多个双极和四极磁体进一步包括被配置为将所述粒子束线的方向改变约45度和90度之间的角的至少一个双弯曲消色差器。

还提供了使用等中心机架向患者提供粒子放射治疗的方法。在一个实施例中，所述方法包括在所述等中心机架设置在第一位置时向患者提供粒子束放射。所述等中心机架可以包括设置在粒子束线中并被配置为改变粒子束线方向的多个双极和四极电磁体，所述多个双极和四极电磁体包括至少一个超导磁体，以及在尺寸和配置上适于支撑所述多个双极和四极磁体的支撑框架。在某些实施例中，所述等中心机架包括多个双弯曲消色差器。

接下来，所述方法可以包括旋转所述等中心机架的支撑框架以将所述等中心机架设置在第二位置。所述等中心机架的框架可以被配置为旋转高至360度。在某些实施例中，所述方法包括旋转具有小于300立方米工作体积的所述等中心机架的支撑框架，以将所述等中心机架设置在第二位置。

所述方法可以进一步包括在所述等中心机架被设置在第二位置时向患者提供粒子束放射。

附图说明

图1是传统质子治疗中心的治疗室场地布局。

图2a示出通过机架的磁体传输的束中的像差。

图2b示出通过被设计为使用60度和90度双弯曲消色差器（doublebend achromats）的机架的束包线。

图3是一个紧凑型机架实施例中的束线部件的设置的侧视图。

图4是紧凑型机架的一部中的部件的设置的示意图。

图5是另一紧凑型机架实施例中的束线部件的设置的侧视图。

图6a包括紧凑型机架的端视图、侧视图和等距视图。

图6b包括另一紧凑型机架实施例的端视图、侧视图和等距视图。

图7a-7b是图6b中的紧凑型机架的紧凑型机架组件的侧视图和端视图。

图8a-8b是图5和图6a中的紧凑型机架的紧凑型机架组件的侧视图和端视图。

图9是另一紧凑型机架实施例中的束线部件的设置的侧视图。

具体实施方式

已提出通过在束传输系统中使用超导磁体技术来降低质子系统的主要成本的建议，如果以每次治疗部分使用为基础，这些质子系统的造价完全可与高级X光系统竞争。本文中用于粒子治疗的紧凑型等中心机架基于创新的超导磁体系统。

在此描述的等中心机架系统可以包括多个超导磁体以减小机架组件的总尺寸和工作体积。所述超导磁体上的线圈绕组一般由超导材料电线或条带制成。在操作中，磁体线圈必须冷却到临界温度以下；所述临界温度是指超导材料从正常电阻状态变为超导体的温度。可以使用制冷器达到多数一般超导材料所需的约5开氏度。存在用于快斜坡超导扇形磁体（fast-rampsuperconducting sector magnet）的两个选项：完全饱和铁带有低温下的低温超导体（LTS），或带有高温下的高温超导体（HTS）。NbTi（LTS导体）允许在最大范围的双极磁体工程解决方案，但是工作温度范围最小。高温下的HTS允许在不增加电力的情况下使用具有更大制冷能力的制冷器。

机架设计的一个新颖方面是使用消色差超导多功能磁体系统。消色差是指一种机架磁体的设置方式，使得系统的束光学部件是消色差的。

消色差系统被设计为补偿束中散布的有限能量所导致的发散，用于粒子治疗的实际离子束当中总是有这种发散。现代点束扫描技术要求束精确传输，以用于到患者的精确、可复制的剂量传输。但是，当带有稍微不同能量的带电粒子穿过同一磁场时，会产生不同的偏转。图2a示出通过机架磁体的射传输中的像差。当带有不同能量的粒子沿不同轨迹传输时，它们具有不同的聚焦位置。这种情况下，束点的不同部分在患者体内可能具有不同的穿透范围，这样可能导致剂量传输精确度（此精确度是带电粒子束的主要优点）的损失。此效应类似于光学系统中的像差。机架束传输系统的消色差特性消除了等中心处的束能量和束位置以及角度之间的关联。磁体机架系统的此类光学特性可使用双弯曲消色差器（DBA）产生，使得通过机架磁体的束传输更稳定并且对传入射束的微小能量变化更不敏感。（请参阅M.Pavlovic、L.Cincura、E.Griesmayer和T.Schreiner所著的“A studyof dispersion effects in transport of ion-therapy beams”发表于Journal ofElectr，Eng.，第58卷（1），33-38（2007））。

图2b示出通过基于两个DBA磁体系统的等中心机架的束的水平平面和垂直平面中的束传输包线（束尺寸）。垂直轴20表示束尺寸，水平轴22表示沿机架的位置。方块24表示双极磁体的位置和孔，而方块26表示四极磁体的位置和孔。迹线202指示沿束路径的水平束尺寸，其中动量分散（momentum spread）为0.1%，而迹线是204根据±3%的动量分散计算出的迹线。这证明出可通过在等中心机架中使用DBA磁体系统实现的大动量接收度。

如附图所示，各种磁体系统角度组合是可能的。图3-4示出机架中使用的每个系统中间可以具有一个或多个水平聚焦四极磁体以使每个系统实现双消色差。例如，在图3中，双极磁体402在中间可以具有超导四极磁体408，双极磁体404在中间可以具有超导四极磁体410，双极磁体406在中间可以具有超导四极磁体412。图4示出双极磁体402、超导四极磁体408和束线B的近距分解图。

在此描述的等中心机架可以被配置为将粒子束线方向改变90度（例如，将水平束线方向改变为垂直束线）或入射到患者体内所需的任何其他角度。在一些实施例中，机架包括一个框架并利用框架中的三个DBA磁体系统以改变粒子束的方向。图4示出包括双极-四极-四极-四极-双极（DQQQD）磁体系统的DBA磁体系统的一个实例，包括在三个超导四极磁体408两侧的双极磁体402。

在一个实施例中，机架包括两个60度DBA磁体系统和一个消色差90度DBA磁体系统。例如，图3示出紧凑型机架的一种磁体系统角度组合的设计。机架400可以使用超导DBA电磁体系统或双极磁体402、404和406。如图3所示，双极磁体402和404可以是60度消色差双极磁体，双极磁体406可以是消色差90度双极磁体，这样可使水平束线弯曲为垂直束线以传输到等中心414。此外，每个双极磁体组402、404和406可以包括分别位于每个双极磁体组中间的超导四极磁体408、410、412，从而减小机架的总尺寸和工作体积。在一些实施例中，90度双极磁体的弯曲半径可以约为60厘米，从最后的机架双极磁体406的出口到等中心414所保留的距离大约为2.0米，这导致约为7米的此类正交机架的直径。

除了在每个弯曲系统的中间使用超导四极磁体之外，在某些实施例中，可以将室温四极磁体416设置在双极磁体之间的束线中以用于传输能量快速变化的束线。参考图3，室温四极磁体416可以在双极磁体402之前，双极磁体402和404之间，以及双极磁体404和406之间的束线中使用。图3另外还示出扫描磁体418位于最后的双极磁体406之前，或者在替代实施例中，可以放现在虚线方块420表示的双极磁体406之后。当扫描磁体在位置420中时，便可以减少从双极磁体406到等中心414的距离。

图5示出与图3所示的设计类似的另一机架600的实施例。但是，在图5中，紧凑型机架的尺寸可利用不同的双极磁体角度进行调整并仅包括两个DBA电磁体组（例如，60度DQQQD组和150度DQQQD组），而非图3的实施例中的三个DBA组（例如，两个60度DQQQD组和一个90度DQQQD组）。在图5所示的实施例中，双极磁体602和超导四极磁体608形成60度弯曲，以及双极磁体604和606和超导四极磁体612组合以形成150度弯曲。在图5的实施例中，超导四极磁体608可设置在双极磁体602之间，以及超导四极磁体612可设置在双极磁体604和606之间。当双极磁体604以大于60度的角弯曲时（例如，当双极磁体604为70度，以及双极磁体606为80度，或者双极磁体604和606均为75度时），机架呈现更短的水平宽度。因此，图5中的机架600比图3中的机架400（利用60度弯曲）的长度更窄，但是，机架600的总高度大于机架400。

应该理解，可使用许多角度组合来设计束传输，从而最佳化机架的尺寸和成本。可以构想各种紧凑型机架构思，该构思通过在此描述的束线部件选择和组合调整直径、总高度、长度和其他尺寸。

特别需要指出，图5示出在机架之前使用附加室温磁体适应快速能量变化情况下的磁体部件的侧视图。除了在每个DBA磁体组的中间使用超导四极磁体608和602之外，在某些实施例中，可以将室温四极磁体616设置在DBA电磁体系统之间的束线中。机架系统还可以可选地包括多轴扫描磁体620以帮助束扫描，如上所述。

图6a-6b进一步示出当调整每个双极磁体的角度时，紧凑型机架的总尺寸和体积如何变化。可以参考工作体积来评估机架的体积。所述工作体积使用pi乘以旋转底座到等中心的长度再乘以机架半径的平方来测量。在一个实施例中，机架的框架的工作体积小于300立方米。图6a分别提供图5实施例中的束线部件的端视图、侧视图和等距视图。图6a可以表示上面在图5中描述的机架，具有60度双极磁体、之后的150度组（例如，60度和90度双极磁体、70度和80度双极磁体、两个75度双极磁体等）。从图6a中的侧视图可以看出，最终的机架尺寸的具有4.74米的长度和4.14米的半径，导致255.1立方米[(3.14＊(4.14)^2＊4.74)]的总工作体积。

图6b分别提供图3和7a、7b实施例中的束线部件的端视图、侧视图和等距视图。图6b可以表示上面在图3中描述的机架，具有60度双极磁体，之后的60度双极磁体，然后90度双极磁体。从图6b中的侧视图可以看出，最终的机架的长度为6.1米，半径为3.49米，最终的总工作体积为291.3立方米[(3.14＊(3.49)^2＊6.1)]。因此，可根据应用和使用机架的中心的可用空间，通过调节机架中使用的每个双极磁体的相对角度来调节机架的总尺寸和体积。图7a-7b分别示出可以为上面在图3和图6b中描述的紧凑型机架的机架组件的一个实施例的侧视图和端视图，其中包括在质子治疗中心安装使用机架时所需的代表性支撑结构或框架70。图7a-7b还示出其中机架可安装到旋转上部结构的机架组件的实施例，其中机架可在两个轴承72上径向环绕旋转。后轴承74可以位于第一双极磁体上或者附近并围绕束线旋转。在图7a中，位于后轴承74右侧的机架组件的部分可以是唯一可从治疗室看到的机架部分。机架组件的其余部分（例如，后轴承左侧的部分）可位于墙后并且不在患者的位置。根据向患者提供的治疗类型，整个机架组件可以使用前后轴承旋转以调节要传输给患者的质子束的角度。图7b是示出机架如何使用轴承72围绕等中心旋转喷嘴的机架端视图。

图8a-8b分别示出另一机架组件的实施例（可以是图5和图6中描述的紧凑型机架）的侧视图和端视图。将图7a-7b与图8a-8b进行比较，可以看出调节双极磁体的角度如何影响每个机架组件的尺寸。例如，图7a-7b中的组件具有26’-2.961”的从前轴承底部到上双极磁体测量的总高度。图8a-8b中的组件具有27’-2.77”的总高度。但是，图7a-7b中的组件具有22’-11.591”的总宽度（从后轴承到等中心）,而图8a-8b中的组件具有18’-4.47”的总宽度。

图9是一个紧凑型机架实施例中束线部件设置的侧视图，其中超导磁体可以将水平束线弯曲为垂直束线以传输到治疗中心的等中心。通过使最后的机架的出口的保留约3.0米的距离，这种正交机架的直径约为7米。所述机架还可以短至6米，从而与当前技术相比，使机架安装所需的总体积减小到原来的十分之一。

磁体系统可以由具有可变磁强度（magnetic strength）的双极和四极电磁体组成。所述磁体系统的磁强度可以连续改变或斜坡变化（rampe）。基于超导材料的可斜坡变化磁体适合于最符合粒子放射治疗临床需求的紧凑型机架设计。机架参数的优化使得双极磁体可以在30秒或更短时间内从大约2特斯拉斜坡变化到4.0特斯拉。

在难以通过超导磁体实现足够快速斜坡变化的情况下，可以将一些室温四极磁体纳入设计中以用于小的束光学部件修改。使用超导双极和四极磁体替换一些环境温度或室温磁体可使机架变得小得多、轻得多。

也可以考虑在机架设计优化中减小四极磁体数目，从而节省成本。例如，磁体系统可以包括诸如双极-四极-四极-双极（DQQD）磁体系统和双极-四极-双极（DQD）之类的双极磁体和四极磁体的设置。相反，还可以使用更多四极磁体，诸如双极-四极-四极-四极-四极-双极（DQQQQD），但是增加更多四极磁体会更多地增加机架的重量和成本。特别需要指出，改变机架设计中四极磁体的数目之后，还必须重新设计磁场系统的光学部件。

在某些实施例中，可使用低温超导体制作磁体，在其他实施例中，可使用高温超导体制作磁体。

在某些实施例中，机架的旋转可以从治疗室地面开始旋转+/-180或+/-90度。所述机架的主要优点是允许束治疗角度相对于一般躺在治疗台上的患者具有几何灵活性。

在其他实施例中，机架具有9米或更小的直径。这为机架提供了现在的典型商购机架的66%的直径。传统等中心机架的直径通常大于13米并且最多可达15米长。即使在不改变长度的情况下最适当地将机架直径缩短为9米也可将机架体积缩小二分之一，这样会大大节省屏蔽放射所需的建筑和混凝土成本。

有些机架喷嘴实施例可以包括紧凑型组合功能扫描磁体和控制系统以产生所需的射束分布。位于最后的机架双极磁体上游的束扫描可以显著缩小喷嘴尺寸，并且已经在传统系统中用于减小机架直径。但是，当在传统系统中执行此应用之后，最后的机架双极磁体通常在机架束线内部产生大的分散。结果是将其动量接收度(Δp/p)基本上限制到约1%。此类系统还很难在不进一步牺牲动量接收度的情况下将在等中心处的束点半径降为5毫米以下并且需要增加最有的双极磁体的孔径。本发明的机架设计能够解决此问题并且能够减小尺寸，无需在最后的双极磁体之前或上游的束扫描。

在一个实施例中，包括磁束传输系统的超导磁体的动量接收度可以介于±2%到±6%之间。超导DBA中的分散函数可以约为42厘米，对于典型的2英寸束管而言，这对应于6%的动量接收度。例如，具有60度弯曲的消色差双极磁体中的动量接收度将为约6%，这对应于200MeV上的+/-20MeV能量接收度。DBA系统中的这个增加的动量接收度减轻了超导磁体的斜坡变化率要求。因此，可使用这种双极磁体在不改变磁体设置的情况下，实现从180MeV到220MeV的质子束传输。换言之，这种DBA系统可以传输能量快速变化的束以照射肿瘤体积中的不同层，从而在不改变磁体设置的情况下实现所需的剂量深度分布。这是质子治疗的显著优点。在此描述的设计允许能量在机架之前（即，在束到达后轴承或第一机架固定的双极磁体之前）快速变化。

在另一实施例中，所述机架设计可匹配于高级束扫描技术。所述机架设计提供了：操作简单，使用点束扫描功能使包括强度调制质子治疗（IMPT）在内的治疗方案具有最大灵活性，在机架尽可能轻便和紧凑的情况下轻松到达治疗台上的患者。例如，该系统的束线光学部件能够将在等中心处的束聚焦到1到10毫米（mm）均方根（rms）点尺寸的范围。

在某些实施例中，治疗场尺寸可以为20x30厘米。

另外一些实施例可以包括一个使用能量叠加过程的计算机控制数字范围调制器，以及附加的多面离子室检测器系统（患者剂量监视器），用于在治疗期间测量质子的剂量、位置、对称性和均匀性。

在某些实施例中，源到等中心距离（SAD）大于2.2米。短的SAD距离导致增加的到患者的皮肤（入射）剂量。必须考虑对SAD的任何增加都会增加机架的半径的事实。因此，需要在SAD的任何增加与机架尺寸容量之间进行折衷。

机架磁体系统的消色差特性的另一优点还会改善从降能器到患者传送的束的百分比。目前在大多数质子治疗系统中使用的机架根据所需的最终能量，将接近1%到3%的束从加速器传输给患者。在此描述的某些机架实施例使得从降能器到患者的传输增加到约10%，甚至可达20%。其结果使得射束损失降低到原来的五分之一到七分之一，因此显著降低加速器和射束传输系统周围所需的混凝土屏蔽量。增加传输的另一优点是降低对加速器的要求。

此外，使用超导磁体系统降低了对整体电力和电源的要求。

在等中心机架中使用超导磁体的优点非常明显，其中包括：减小总临床空间，降低电源供应量，减轻总质量以及减少所需的电力。由于超导磁体不受热退化影响，因此可以在不增加风险或降低稳定性的情况下以更紧密的容限（margin）对其进行设计，这样将进一步降低总成本。对于在高温下使用高温导体的实施例，还可以实现更多节省。

通过使用超导磁体和消色差光学部件，可以减小机架的尺寸。将束传输机架直径降为7米以及长度降为约8米的能力展现了本发明的主要优点。因此，机架所占的体积最多减小到现今可商购的系统的十分之一。体积减小导致重量也减少类似的量。小型低成本质子治疗系统的出现使得质子治疗在放射治疗中扮演更重要的角色，并能将这个先进的治疗方式带给更多患者，使他们从中获取巨大益处。

还提供了使用等中心机架向患者提供粒子放射治疗的方法。在一个实施例中，所述方法包括在所述等中心机架设置在第一位置时向患者传递粒子束放射。所述等中心机架可以包括设置在粒子束线中并被配置为改变粒子束线方向的多个双极磁体和四极磁体，所述多个双极磁体和四极磁体包括至少一个超导磁体，以及在尺寸和配置上适于支撑所述多个双极磁体和四极磁体的支撑框架。在某些实施例中，所述等中心机架包括多个双弯曲消色差器以及被配置为将粒子束线方向改变约45度到90度。

接下来，所述方法可以包括旋转所述等中心机架的支撑框架以将所述等中心机架设置在第二位置。所述等中心机架的支撑框架可以被配置为旋转高至360度。在某些实施例中，所述方法包括旋转具有小于300立方米的工作体积的等中心机架的支撑框架，以将所述等中心机架设置在第二位置。

所述方法可以进一步包括在所述等中心机架被设置在第二位置时向患者传递粒子束放射。

对于有关本发明的其他详细说明，可以使用本领域的技术人员理解的材料和制造技术。这也适用于本发明方法方面中的其他经常采用或在逻辑上采用的附加操作。而且，还可以构想在此描述的发明变形的任何可选特征既可单独阐述和声明，也可以与在此描述的任何一种或多种特征结合阐述和声明。同样，对单数项的表述包括可能存在复数个相同项。更具体地说，如在此和在所附权利要求中使用的那样，单数形式“一”、“一个”、“所述”以及“该”包括复数个指代对象，除非上下文另外明确指出。进一步需要指出，权利要求书在撰写时可排除任何可选要素。因此，该声明旨在作为结合权利要求要素的详述使用诸如“唯一地”、“只有”以及类似词汇之类的排他性术语，或者使用“负面”限制的前提基础。除非在此另有定义，否则，在此使用的所有技术术语和科学术语的含义与本发明所属技术领域的一般技术人员通常理解的含义完全相同。本发明的范围并不受本说明书限制，而是仅由所使用的权利要求用语的显然意义限定。

Claims (19)

1.一种被配置为向患者提供粒子放射治疗的等中心机架，包括：

多个双极和四极电磁体，设置在粒子束线中并被配置为改变所述粒子束线方向，所述多个双极和四极电磁体包括至少一个超导磁体；以及

支撑框架，在尺寸和配置上适于支撑所述多个双极和四极电磁体。

2.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述至少一个超导磁体具有可变磁强度。

3.如权利要求1中所述的等中心机架，进一步包括设置在所述粒子束线中并被配置为提供所述粒子束线的消色差束光学部件的至少一个双弯曲消色差器。

4.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述至少一个超导磁体是可斜坡变化的并且所述等中心机架具有在约+/-2%到+/-10%的范围的动量接收度。

5.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述多个双极和四极电磁体包括至少一个环境温度磁体。

6.如权利要求3中所述的等中心机架，其中所述至少一个双弯曲消色差器包括至少一个双极磁体和至少一个四极磁体。

7.如权利要求1中所述的等中心机架，进一步包括设置在所述粒子束线中的至少一个双弯曲消色差器和至少一个环境温度磁体。

8.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述至少一个超导磁体包括低温超导材料。

9.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述至少一个超导磁体包括高温超导材料。

10.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述多个双极和四极电磁体被配置为在不改变磁场强度或双极磁体设置的情况下，传输能量快速变化的所述粒子束线。

11.如权利要求1中所述的等中心机架，进一步包括设置在所述粒子束线中被配置为帮助束扫描的扫描磁体。

12.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述框架被配置为绕等中心旋转。

13.如权利要求12中所述的等中心机架，其中所述框架具有小于300立方米的工作体积。

14.如权利要求13中所述的等中心机架，所述框架具有大于2.2米的源到等中心距离。

15.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述机架被配置为在等中心处聚焦1到10毫米均方根点尺寸范围的所述粒子束线。

16.如权利要求5中所述的等中心机架，其中所述至少一个环境温度磁体包括环境温度四极磁体。

17.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述多个双极和四极电磁体进一步包括被设置为具有约60度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第一双弯曲消色差器，以及被设置为具有约150度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第二双弯曲消色差器。

18.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述多个双极和四极电磁体进一步包括被设置为具有约60度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第一双弯曲消色差器、被设置为具有约60度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第二双弯曲消色差器以及被设置为具有约90度弯曲的双极-四极-四极-四极-双极磁体的第三双弯曲消色差器。

19.如权利要求1中所述的等中心机架，其中所述多个双极和四极电磁体进一步包括被配置为将所述粒子束线的方向改变约45度和90度之间的角的至少一个双弯曲消色差器。

Images