CN103533988B - 使用光点扫描的质子辐射 - Google Patents

Abstract

在本发明的一个实施方案中，公开一种辐射目标的方法。使用回旋加速器生成质子束。第一信息被提供到能量选择系统。基于所述第一信息使用能量选择系统选择所述质子的能级。所述第一信息包括所述目标的深度。所述质子束通过束传送线从所述回旋加速器投送到扫描系统。第二信息被提供到所述扫描系统。所述第二信息包括一对横坐标。使用磁铁结构将所述质子束引导到所述目标上由所述第二信息确定的位置。所述目标用所述质子辐射。

Description

使用光点扫描的质子辐射

技术领域

本发明大致上涉及质子束生成和操作技术，且更具体来说涉及利用质子辐射的医疗过程。

发明背景

癌症中更令人不满的方面之一是癌症如何侵入生物体自身的细胞并且在保持与健康组织混合的同时如何快速扩散。出于这个原因，科学家和技师已经发现难以研制出可区别应被单独留下的健康组织和必须被破坏的癌细胞的癌症治疗法。例如，使用辐射疗法来抵抗癌症，这是因为快速生长的癌细胞分离更快且因此易受辐射影响。然而，患者身体内的全部活细胞持续分离，因此辐射也对健康组织造成损伤并且继而造成众所周知引起身体虚弱的辐射疗法副作用。假定癌症的这个方面是其作为全世界流行病的状态的主要促成者，那么癌症研究的广泛部分是针对可更精确地瞄准恶性肿瘤本身的治疗产品。

在20世纪中期，在粒子加速器实验室内工作的原子核科学家倡导使用加速质子来轰击癌细胞。从那时起，质子疗法的领域被发展成医疗职业武库中对抗癌症的成功武器。质子疗法的一般概念涉及使用加速质子束轰击肿瘤。如同其它类型的放射疗法，质子是对正在快速分离的细胞产生更强烈的影响的电离辐射的形式。此外，束可直接集中于肿瘤且因此将对周围健康组织造成最小损伤。在这个意义上，质子疗法类似于其它形式的束引导辐射治疗(诸如x射线辐射疗法)。然而，与光点扫描结合的质子疗法具有相较于市场上已知的治疗方法三维剂量一致性更佳的额外独特益处。在大多数情况下，不需要患者专用的准直器。

如图1所示，就其防止对周围健康组织造成损坏而言，质子疗法优于x射线疗法。X轴101示出粒子的深度且y轴102示出传送在给定深度处的成比例的辐射剂量。由x射线辐射疗法中的光子传送的成比例的辐射剂量由光子剂量分布线103示出。光子剂量分布线103在低深度处达到高峰且接着逐渐减弱。为了增加传送在所要深度处的辐射，对肿瘤上方的健康组织的破坏必然按比例增加。相比较而言，质子剂量分布线104使在目标之前和之后传送的辐射最小化并且在给定的窗口深度中几乎传送其全部能量。质子剂量分布线的峰称为布拉格峰。

质子的加速要求使用粒子加速器。两个相同类型的粒子加速器是回旋加速器和同步加速器。这两种类型的加速器取决于磁场和电场的相互作用。同步加速器通过具有恒定半径的路径加速粒子并且在粒子获得动量时调整磁场和电场。回旋加速器使用高频交流电压加速带电粒子。垂直磁场导致粒子呈扩大的螺旋移动，其中粒子与加速电压再次相遇。当粒子达到预定半径时，其以加速状态被引导到回旋加速器外。

发明概要

在本发明的一个实施方案中，提供一种用于辐射目标的方法。在一个步骤中，使用回旋加速器生成质子束。在另一步骤中，提供第一信息到能量选择系统。在另一步骤中，基于所述第一信息使用能量选择系统选择质子的能级。第一信息包括目标的深度。在另一步骤中，通过束传送线将质子束从回旋加速器投送到扫描系统。在另一步骤中，第二信息被提供到扫描系统。所述第二信息包括一对横坐标。在另一步骤中，使用磁铁结构，将质子束引导到目标上由第二信息所确定的位置。在另一步骤中，用质子辐射目标，质子的数量或质子达到与由第三信息确定的质子数量一致的给定数量。

附图简述

图1示出如现有技术中使用的光子和质子的剂量分布线。

图2示出根据本发明的用于辐射目标的设备的方框图。

图3示出可根据本发明使用的磁铁结构和电源的方框图。

图4示出可根据本发明使用的扫描系统的方框图。

图5示出可根据本发明使用的用于将质子束投送到多个位置的系统的方框图。

图6示出根据本发明的用于辐射目标的方法的流程图。

具体实施方式

现在详细参考本发明的实施方案，其实例示于附图中。尽管本发明将结合这些实施方案进行描述，但是应了解其不意在将本发明限于这些实施方案。相反地，本发明意在涵盖可包括在如随附权利要求书所定义的本发明的精神和范畴内的替代、修改和等效物。此外，在下列对本发明的实施方案所进行的详细描述中，阐述大量具体细节以提供对本发明的透彻了解。然而，本领域一般技术人员应认识到本发明可在不具有这些具体细节的情况下进行实施。在其它实例中，对众所周知的方法、程序、组件和电路不进行详细描述以免不必要地混淆本发明的实施方案的多个方面。

质子辐射疗法的主要优点是减轻伴随传送电离辐射到目标肿瘤的对健康组织造成的任何相当损伤。其它辐射传送方法可对健康组织造成明显损伤并引起有害副作用。然而，质子辐射疗法不具有其它涉及加速粒子的疗法(其中相关设备极其昂贵)的主要缺点之一。创建运转正常的质子疗法设施所必需的资本投资可能超出1亿美元。

本发明的实施方案是根据质子辐射疗法的优点而建立。在本发明的具体实施方案中，质子束的辐射剂量更特定地瞄准癌细胞。这在特定实施方案中通过使用三维瞄准的光点扫描方法的使用而达成。在本发明的具体实施方案中，当进行一轮特定治疗时，实时更新三维瞄准。实时更新瞄准的质子束有助于调整目标位置的变化。例如，当目标是肿瘤时，目标将因治疗本身以及患者身体的移动而移动。实时更新也有助于补偿传送系统的不精确性，不精确性会造成辐射被施加于不同于所要区域的区域。最后，实时更新可保持跟踪已经给予的实际剂量且根据需要变更疗程。本发明的具体实施方案通过施加更集中的辐射剂量到目标和调整这个施加以确保其最有效地施加到目标而增强了质子束辐射疗法的益处。

本发明的实施方案削弱了与粒子加速疗法相关的缺点。在本发明的具体实施方案中，使用单个粒子加速器来提供质子束到若干治疗室。这大幅减少了与每个治疗室具有一个加速器或具有必须由多个患者共用的单个治疗室的辐射疗法设施相关的每个患者的成本。在本发明的具体实施方案中，使用可调整的磁场通过束传送线投送加速质子，所述可调整磁场在如何以及在何处最终传送质子方面提供了更大的灵活性。

可参考图2描述本发明的具体实施方案。图2示出用于辐射目标的设备和系统。系统200包括被配置为生成质子束的回旋加速器201。在本发明的具体实施方案中，回旋加速器201是超导回旋加速器。使用能量选择系统202选择质子束中的质子的能级。能量选择系统202可将能级设定为持续高达由回旋加速器加速的质子的固定能量。在本发明的具体实施方案中，这个能量选择是基于可以是由治疗方案所提供或由获得这信息的系统所提供的确定性信息的第一信息。扫描系统203使用磁铁结构将质子束引导到目标204上的位置。在本发明的特定实施方案中，扫描系统203根据可以是可由治疗方案提供或由获得这信息的系统提供的确定性信息的第二信息引导质子束。在本发明的具体实施方案中，系统200能够进行三维光点扫描，这是因为质子束中的质子的能级是基于目标的深度而选择且束的横坐标可通过扫描系统而得到调整。调整束的能级允许控制加速质子的布拉格峰所处的深度。通过三维光点扫描实现的增大的灵活度大大地改进了传送到患者的剂量的精确度从而使到肿瘤的剂量传送最大化且使对健康组织的损坏最小化。

可根据若干不同的方法对目标204进行光点扫描。在本发明的具体实施方案中，目标204是肿瘤且基于有关正在经受质子辐射疗法的具体患者的患者位置数据选择质子束所引导的位置。患者位置数据可包括关于患者内的特定解剖结构的位置的信息且还可包括患者身体内的肿瘤的位置。目标204的光点扫描可在多个时间以相同或不同光点扫描样式进行。在本发明的具体实施方案中，扫描系统203和能量选择系统202两者在给定的质子施加期间将都对其值进行变更使得可达成三维光点扫描。在本发明的具体实施方案中，质子束的强度将与质子束的能量和/或横坐标一起变更以更精确地控制辐射到具体位置处的目标的传送。在本发明的具体实施方案中，在施加期间扫描系统203调整束传送的位置同时能级保持恒定使得在布拉格峰的深度保持恒定的同时以横向变动的方式施加质子。为了使肿瘤产生明显的治疗效果，单段质子辐射治疗时间在长度上不必太长。单段辐射时间可涉及在不到一秒内在100cm²空间内400个不同光点的辐射。

可参考图3描述本发明的特定实施方案。图3示出可代替图2中的扫描系统203使用扫描系统300。扫描系统300包括用来引导质子束302的磁铁结构301。磁铁结构301可变更其磁场以在‘x’和‘y’横向方向上引导磁铁。在本发明的具体实施方案中，通过磁铁电源303对磁铁结构301提供电力。在本发明的具体实施方案中，基于质子束的能量和目标上的目标束位置控制磁铁电源303。

可参考图4描述本发明的具体实施方案。图4示出可代替图2中的扫描系统203使用的扫描系统400。扫描系统400包括用来引导质子束的磁铁401。在本发明的第一具体实施方案中，磁铁结构401包括如由y方向磁铁402和x方向磁铁403所示的两个扫描磁铁。在本发明的具体实施方案中，由如由第一磁铁电源404和第二磁铁电源405所示的单独电源对磁铁进行供电。Y方向磁铁402能够在横向y方向上操纵质子束。X方向磁铁403能够在横向x方向上操作质子束。

在本发明的第二具体实施方案中，磁铁结构包括如由双向磁铁所示的一个扫描磁铁。在本发明的具体实施方案中，磁铁包括两对线圈，一对是x方向，另一对是y方向。在本发明的具体实施方案中，磁铁的线圈由如由第一磁铁电源和第二磁铁电源所示的单独电源供电。双向磁铁能够在横向y方向和x方向上操纵质子束。

在本发明的具体实施方案中，扫描系统此外将包括转移电离室,诸如转移电离室406。这个转移电离室沿着质子束路径408散置在磁铁结构401和目标407之间。转移电离室406被配置为测量被传送到目标407的剂量。在本发明的具体实施方案中，将对目标407上的特定位置跟踪所传送的剂量。在本发明的具体实施方案中，将对整个目标407跟踪所传送的剂量。在本发明的具体实施方案中，转移电离室406将为多条带电离室，其包括连接到电子传感器的若干毫米宽的导电箔条。多条带电离室406被配置为测量目标407上相对于目标位置的实际束位置。

在本发明的具体实施方案中，由转移电离室406收集的数据可被应用于各种用途。如图4所示，所收集的数据可被发送到实时处理单元409。在本发明的具体实施方案中，实时处理单元409将使用有关束位置、剂量、治疗持续时间和诸如肿瘤的深度的患者位置数据的信息来引导磁铁结构401从而最优化目标407的辐射。例如，实时处理单元409可确定束位置不匹配于所要位置且可补偿这个偏差以使束位置与所要位置更精确地匹配。举另一实例，实时处理单元409可实时接收有关肿瘤位置的患者特定数据并且调整质子束所指向的位置。在本发明的具体实施方案中，实时处理单元409将会将第一信息传送到能量选择系统202。例如，这第一信息可为正经受质子辐射疗法或质子束能量的患者中的肿瘤深度。在本发明的具体实施方案中，实时处理单元409将会将第二信息传送到扫描系统400中的其它组件。例如，这第二信息可为束位置和目标剂量或从束位置和目标剂量获得的数据。因此，实时处理单元409可允许基于患者特定信息对束位置、束强度和布拉格峰深度进行实时调整并对质子束的特性和位置进行实际测量。在本发明的具体实施方案中，转移电离室406所收集的数据可从系统输出以供外部使用。

可参考图5描述本发明的具体实施方案。图5示出系统500。系统500包括回旋加速器501和能量选择系统502。此外系统500包括束传送线503。在本发明的具体实施方案中，束传送线503将具有多个接头，所述多个接头具有用于通过不同路径引导束的磁铁或其它装置。在本发明的具体实施方案中，特定路径可以关闭，而其它保持打开。束传送线503导向具有扫描系统505和目标506的患者治疗室504。在本发明的具体实施方案中，目标506将为患者身体中的肿瘤或用于质子束辐射的某种其它目标。束传送线503此外导向可具有第二扫描系统508和第二目标509的第二患者治疗室507。在本发明的第二实施方案中，扫描系统505或扫描系统508可具有与扫描系统203的特性一致的特性。

在本发明的具体实施方案中，能量选择系统502可具有与能量选择系统202的特性一致的特性。在本发明的具体实施方案中，能量选择系统502能够从扫描系统505和扫描系统508中的处理单元以及从束传送线503所连接的其它扫描系统接收患者特定信息和质子束相关信息。在本发明的具体实施方案中，患者治疗室504和患者治疗室507是允许具成本效益地利用回旋加速器501的同一设施中的分离位置。

可参考图6描述本发明的具体实施方案。图6示出一种用于辐射目标的方法。在步骤600中，使用回旋加速器生成质子束。质子束由质子组组成。每次的质子量称为束强度。在本发明的具体实施方案中，回旋加速器是超导回旋加速器。在步骤601中，第一信息被提供到能量选择系统。在本发明的具体实施方案中，这第一信息是基于质子应该引导到的深度。在本发明的具体实施方案中，这信息由诸如扫描系统203的扫描系统中的处理单元提供。在步骤602中，基于第一信息使用所述能量选择系统选择质子束中的质子的能级。在步骤603中，通过束传送线将质子束从回旋加速器投送到扫描系统。在步骤604中，第二信息被提供到扫描系统。在本发明的具体实施方案中，第二信息可包括一对横坐标(束位置)和目标剂量或从这获得的数据。

在步骤605中，基于第二信息，质子束被引导到目标上的位置。在步骤606中，目标用质子辐射。在本发明的具体实施方案中，可使用具有与系统200一致的特性的设备执行所述方法。

在本发明的具体实施方案中，扫描系统可测量有关所传送的质子束的数据，所述数据接着可被用来实时调整质子束。在本发明的具体实施方案中，所述方法此外将包括下列步骤：使用转移电离室测量传送到目标的所要位置处的剂量。在本发明的具体实施方案中，转移电离室将为多条带电离室。这种方法还可包括下列步骤：使用转移电离室测量所述目标上相对于束的所要位置的束位置。电离室沿着质子束散置在磁铁结构和目标之间。可实时处理由扫描系统获得的信息。第二和第一量子信息可包括这个信息。

在本发明的具体实施方案中，质子束可被投送到多个扫描系统。在本发明的具体实施方案中，所述方法此外将包括下列步骤：通过束传送线将质子束从回旋加速器投送到第二扫描系统。在本发明的具体实施方案中，束所指向的目标是肿瘤。因此将束投送到可在多个患者治疗室中的多个扫描系统允许单个回旋加速器被用于以具成本效益的方式将质子疗法传送到多个患者。在本发明的具体实施方案中，可使用具有与系统500一致的特性的设备执行所述方法。

尽管已经主要关于本发明的具体实施方案论述了本发明的实施方案，但是其它变动是可行的。可替代本文所提出的构造或除所述构造以外使用所述系统的各种构造。本领域技术人员应明白上文描述仅是举例而言，且不意在限制本发明。本公开中没有内容应指示本发明限于辐射疗法，这是因为加速粒子的瞄准传送在许多其它领域中是有用的。本公开中没有内容应将本发明的范畴限于癌症治疗、解剖结构的辐射或质子束的任何特定源材料的使用。功能可根据需要由硬件或软件执行。一般来说，所呈现的任何图表仅意在指示一个可行构造，且许多变动是可行的。如在本说明书和随附权利要求书中所使用，术语“信息”指代可呈任何形式和大小，只要其包括可分辨连贯信息的信息单元。如在本说明书和随附权利要求书中所使用，术语“横向”被用来指代在垂直于由质子束的标称位置所定义的向量的平面中的移动。本领域技术人员还应明白与本发明一致的方法和系统适用于广泛应用，其大致涵盖任何有关质子加速或粒子物理学的应用。

尽管已经关于本发明的具体实施方案详细描述了本说明书，但是应明白本领域技术人员在实现对前述内容的理解后，可容易地构想出对这些实施方案的变更、变动和等效物。本领域技术人员可实施对本发明的这些和其它修改和变动，而不脱离在随附权利要求书中更特定阐述的本发明的精神和范畴。

Claims (12)

1.一种用于辐射目标的方法，其包括下列步骤：

使用回旋加速器生成质子束，所述质子束由质子组组成；

向能量选择系统提供第一信息；

使用所述能量选择系统基于所述第一信息选择所述质子组的能级，所述第一信息是基于所述目标的深度，所述第一信息包括所述目标的深度；

通过束传送线向扫描系统投送来自所述回旋加速器的所述质子束；其中所述扫描系统包括磁铁结构和电离室，所述电离室被配置为测量向所述目标传送的剂量；

向所述扫描系统提供第二信息，所述第二信息包括横坐标和目标剂量的对；

使用所述磁铁结构将所述质子束引导到所述目标上由所述第二信息所确定的位置，所述第二信息是基于所述质子束的位置和所述目标剂量，所述磁铁结构包括具有两对线圈的双向磁铁，其中一对线圈用于x方向以及另一对线圈用于y方向；以及

用所述质子组辐射所述目标；

其中所述质子束的位置和所述目标的深度两者能够基于所述目标剂量实时地进行更改。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括基于所述质子束的所述能量控制所述磁铁结构的电源的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述两对线圈分别由单独的电源供电。

4.根据权利要求1所述的方法，其还包括下列步骤：

从所述回旋加速器通过所述束传送线向第二扫描系统投送所述质子束。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述回旋加速器是超导回旋加速器。

6.根据权利要求1所述的方法，其还包括下列步骤：

使用转移电离室测量在所述辐射步骤期间传送到所述目标的剂量；以及

使用多条带电离室测量在所述辐射步骤期间相对于所述位置的束位置和束宽；

其中所述转移电离室沿着所述质子束安装在所述磁铁结构和所述目标之间。

7.一种用于辐射目标的设备，其包括：

回旋加速器，其被配置为生成质子束，所述质子束包括质子组；

能量选择系统，其被配置为从一组三个或更多能级中选择所述质子组的能级；

扫描系统，其被配置为将所述质子束引导到所述目标上的位置，其中所述扫描系统包括磁铁结构和电离室，所述电离室被配置为测量向所述目标传送的剂量；以及所述磁铁结构包括具有两对线圈的双向磁铁，其中一对线圈用于x方向以及另一对线圈用于y方向；以及

束传送线，其被配置为将所述质子束从所述回旋加速器投送到所述扫描系统；

其中所述能量选择系统基于第一信息选择所述能级，所述第一信息是基于所述目标的深度；以及

其中所述扫描系统基于第二信息将所述质子束引导到所述位置，所述第二信息是基于所述质子束的位置和所述目标剂量；

其中质子束的位置和所述目标的深度两者能够基于所述目标剂量实时地进行更改。

8.根据权利要求7所述的设备，其还包括磁铁电源，所述磁铁电源基于在所述质子束的所述目标处的能量和束位置而被控制。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述两对线圈分别由单独的电源供电。

10.根据权利要求7所述的设备，其还包括沿着所述质子束的路径散置在所述磁铁结构和所述目标之间的转移电离室，所述转移电离室被构造为测量被传送到所述位置处的所述目标的剂量。

11.根据权利要求10所述的设备，其还包括沿着所述质子束的所述路径散置在所述磁铁结构和所述目标之间的多条带电离室，所述多条带电离室被配置为测量相对于所述位置的束位置。

12.根据权利要求7所述的设备，其还包括：

位于第二患者治疗室中的第二扫描系统，所述第二扫描系统被配置为使用第二磁铁结构引导所述质子束；

其中所述扫描系统位于患者治疗室中；且

其中所述第二患者治疗室与所述患者治疗室分离。