CN103608692A - 组合的核磁共振成像和辐射治疗设备 - Google Patents
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Abstract
一种组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，包括磁体结构(100)和辐射治疗设备(200)。该磁体结构(100)包括：单个大体柱形场线圈结构(104)，该场线圈结构(104)包括由支撑结构(110)连接的多个超导线圈(106，108)，并在中心区域(108)的两侧沿轴向延伸；外部真空室(OVC)(122)，将所述场线圈结构(104)包围在抽空的容积中；以及冷却装置，包括布置成与所述超导线圈热接触的冷却管(114)，并布置成接收流过所述冷却管的致冷剂。该辐射治疗设备(200)包括：伽马辐射源(202)，布置成在所述中心区域(108)中绕所述大体柱形场线圈结构(104)的轴线旋转(203)，以便引导辐射束(208)沿选定路径基本径向地穿过所述大体柱形场线圈结构(104)。
Description
技术领域
本发明涉及一种组合的核磁共振成像和辐射治疗系统。具体地，本发明涉及一种紧凑便宜的系统，其利用具有高磁通量的背景磁场用于核磁共振成像。
背景技术
近来，尤其在辐射治疗领域，已尝试将成像系统与治疗系统组合起来，这是因为这种组合的系统允许在施加治疗束时或在施加治疗束前立即定位肿瘤。这保证了该治疗束正确地对准目标，继而意味着该治疗更加有效，并且对健康组织的无意辐射被减至最小。
某些辐射治疗系统使用高穿透性的类似伽马辐射来杀死癌组织。伽马辐射通常指波长在10-10m和2×10-13m之间或者量子能量在10-4eV和5×10-6eV之间的电磁辐射。高能量的X射线也落入这个范围内，本说明书应被理解为，“伽马辐射”包括所有具有足够用于辐射治疗应用的能量的电磁辐射。
伽马辐射不会受磁场干扰，而且只能通过使用大量致密材料(例如铅或者混凝土)来屏蔽。这种类型的辐射通常由小型线性加速器产生，或者由发射伽马辐射的辐射源产生，例如钴-60。由于线性加速器会受到背景磁场的影响，所以本发明中优选第二个选择，因为核磁共振成像系统所需的磁场不会干扰辐射源产生伽马辐射。
先前，核磁共振成像和辐射治疗系统是分开使用的，但发现远远不够理想。器官运动和图像配准问题导致可用辐射剂量的利用率差以及活性组织的意外坏死。
近来，已经发展了一些超导磁体结构用于组合的核磁共振成像和辐射治疗应用，使用分离磁体，在磁体的两个部分之间的间隙中具有旋转的伽马源。由于磁体最中心线圈之间必要的大轴向距离，得到的复杂、笨重设计具有相对低的场和较差的均匀性。需要在间隙中容纳旋转的伽马源意味着相对彼此支撑两个致冷器半体的问题存在很多困难。与限制在两半磁体之间产生的力相关的机械困难导致更加笨重的装置。
发明内容
本发明相应地提供了如所附权利要求书限定的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统。
附图说明
通过结合附图对本发明的某些实施例的下面描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更容易理解，附图中：
图1示出本发明的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统的轴向横截面；
图2示出具有冷却和支撑结构的线圈装置的剖视图，该线圈装置适于包含在本发明的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统中；以及
图3示出与图2所示相似的具有冷却结构的线圈装置的轴向视图，该线圈装置适于包含在本发明的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统中。
具体实施方式
本发明尤其涉及大致柱形磁体。术语“轴向”在本文中用于表示平行于柱形磁体的轴线的方向，而术语“径向”用于表示垂直于轴向方向的方向。
本发明提供了一种紧密结合的核磁共振成像和辐射治疗系统，而没有损害超导磁体的功能，和/或尤其没有以超导磁体的性能、外观和费用为代价。
本发明提供了一种磁体构造，其能够实现组合的MRI和辐射治疗系统而无需依靠分离磁体。这允许使用具有1.5T或者3T或者更高磁通密度的超导磁体，从而实现比现存系统更好的空间图像分辨率和/或更快的成像，在现存系统中，分离磁体的部分之间的机械力限制了磁通密度，而该磁通密度可用在这种组合的核磁共振成像和辐射治疗系统中。
例如由于用于制造更常规线圈几何形状的更简单方法以及更简单的不分离致冷器设计，所以所提出系统的成本预期在本质上要低于已知的分离磁体设计的成本。
图1示出穿过本发明实施例的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统10的轴向横截面。
该核磁共振成像系统包括磁体结构100，该磁体结构包括屏蔽线圈102和场线圈104，所述场线圈104包括端线圈106和内部线圈108。场线圈104由场线圈支撑结构110保持在它们的相关位置。屏蔽线圈102具有大于场线圈的直径，并由场线圈支撑件112保持在它们的相关位置。冷却管114设置成与线圈102-108热接触。所述冷却管运输冷却剂并用于将线圈冷却至低于线圈材料的超导转变温度。例如，可将线圈冷却至大约4K。热辐射屏蔽件120环绕该磁体结构100，该屏蔽件通过合适装置(未示出)被冷却至处于线圈温度和环境温度之间的温度。环绕该热辐射屏蔽件120的是处于环境温度的外部真空容器(OVC)122。该OVC内的容积，包括热辐射屏蔽件与磁体结构100之间的容积，如常规的那样被抽成高真空以在磁体结构100、热辐射屏蔽件120和OVC122之间提供热绝缘。固体绝缘件124可设置在OVC122和热辐射屏蔽件120之间的容积中。本发明不要求存在热辐射屏蔽件120和固体绝缘件124，而如果提供足够的冷却将线圈104、102冷却至低于它们超导转变温度，那么可以省略该热辐射屏蔽件120和固体绝缘件124。
连接件126是一通道，允许冷却管114从OVC穿出而连接至远程致冷剂流体储箱。这样的布置将会在下文更详细地描述。连接件126的内部容积被抽空，通常敞向OVC的被抽空的内部容积。该核磁共振成像系统还包括梯度线圈组件130，如已知的，该梯度线圈组件130包括在彼此垂直的方向上产生振荡磁场梯度的电磁线圈。该核磁共振成像系统还包括常规控制系统、电源、用于产生和接收高频磁场以产生核磁共振成像图像的RF线圈以及其它设备(如本身是常规的)，但是这些部件并不直接与本发明相关，所以在本文中未详细说明或者描述。
辐射治疗设备200包括伽马源202，例如包含安装在万向装置203上的钴-60，该万向装置203允许源202绕轴线A-A旋转，并绕204所指示的万向轴枢转。该设备基本处于环境温度。
合适的辐射屏蔽件206可设置在任何可能的位置，足以接收从伽马源202发射的伽马辐射208即可。在所示装置中，伽马源202可以被限制成只在下部半圆弧中旋转，而辐射屏蔽件206设置在相应的上部半圆弧中。辐射屏蔽件可以是铅层或者混凝土层，铅层或者混凝土层具有足够的厚度以吸收由伽马源202发射的伽马辐射束208。
病患300在图1中示意性地示出，并定位在病床(未示出)上，使得能够在该病床上相对于磁体结构和辐射治疗设备沿轴向方向302移动病患。常规病床是已知的，由透过伽马辐射的材料制成。这种透过伽马辐射的材料包括具有低原子序数的材料，例如铍、碳和铝。可使用树脂浸渍碳纤维。这种透过伽马辐射的病床可用在本发明的系统中。
在所示实施例中，线圈102、104布置成OVC可成“腰状”的，也就是说，OVC的轴向中心部分的外直径d1小于OVC的轴向外部的外直径d2。这提供了环形腔210，万向装置203和伽马源202基本容纳在该环形腔210内。然而，本发明确实不需要这种腰状的OVC，并且可以包含柱状OVC，其中万向装置和伽马源沿径向布置成比OVC122的外表面更远离轴线A-A。
万向装置203包括保持辐射源202的枢转万向环212，该万向装置203能够绕万向轴204旋转有限量，如204所示，该万向轴204将该枢转万向环212连接至布置成绕轴线A-A旋转的旋转万向环214。相比OVC，外部固定万向环216位于相对固定位置，而轴承208(例如滚珠轴承或滚筒)设置在外部固定万向环216与旋转万向环214之间，以允许该旋转万向环214在外部固定万向环216内旋转。使用该万向装置，从伽马源的旋转范围内的任何角度以及在绕万向轴204旋转的范围内的任何角度，都可以使伽马束208到达病患300。结合现有技术已知的分离磁体核磁共振成像系统，这样的万向装置本身是已知的。
本发明提出了一种适用于实现组合的核磁共振成像和辐射治疗系统的最佳磁体结构。在这样的系统中，通常使病患成像以定位欲治疗的肿瘤。接着通过相对于病患合适地定位辐射源202使来自辐射源202的辐射以该肿瘤作为目标。通过该枢转万向环212绕万向轴204的旋转，该万向装置203提供了两个可用的维度：在X-Y平面中绕轴线A-A的旋转以及源202相对于XY平面的倾斜。通过移动病患桌而使病患在Z方向上运动302来提供病患与源202之间相对运动的第三维度。如常见的那样，可从不同角度对肿瘤执行多个辐射步骤，以在对健康组织的可承受的低辐射剂量情况下保证对肿瘤的高辐射剂量。在对肿瘤进行辐射之后，通过设备的核磁共振成像系统使病患再成像，以保证杀死了所有肿瘤。如果核磁共振成像显示为没有杀死所有肿瘤，那么可执行进一步的辐射步骤。核磁共振成像可以清楚的区分活性组织和死亡组织。
由于伽马辐射源和伽马辐射本身不受磁场存在的影响，所以当核磁共振成像系统中存在由线圈102-108产生的背景磁场时可以执行辐射治疗。可发现在梯度线圈组件130同时产生振荡磁场的情况下，在执行辐射治疗时执行成像是可行的。
本发明的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统允许在非常灵活的器官(例如肺)中准确地瞄准肿瘤。几乎可实时调整波辐射束的定位和准直(本身是常规的，不在此赘述)以补偿治疗期间器官的运动。这通过避免再次给已死亡的肿瘤部分施加剂量而允许有效地使用许可的病患剂量。本发明能够采用产生高磁通密度的磁体结构100，使得与使用分离磁体(分离磁体具有磁通密度相对较低的背景磁场)的常规的组合核磁共振成像和辐射治疗系统相比，改进了成像。
为了允许对病患施加辐射治疗的同时，使单个大体柱形的磁体结构100在磁体中就位，必须施加该辐射束208穿过包括OVC122的磁体结构100以及热辐射屏蔽件120。
根据本发明的一个特征，这通过从位于辐射束208路径中的磁体、OVC和热辐射屏蔽件的那些部分中去除几乎所有的致密结构而实现，该辐射束208路径可选择用在辐射治疗的辐射步骤中。那些部件可在传统上称为“中心区域”180。
常规地，通过将超导线的线圈缠绕在铝制形成件上而制成核磁共振成像磁体。本发明的磁体不采用铝制形成件，而是使用一种替代的组装工艺来保证磁体结构不会阻碍辐射束208的通过。在阐明的实施例中，以及如参考图2将要详细讨论的，这通过交替放置柱状环形部件组装磁体结构100来实现，柱状环形部分为浸渍线圈106、104和支撑管110。该支撑管可以是完整的柱形，或者可以具有部分地或者间歇地绕周边延伸的切口。可以采用其它的线圈支撑结构，例如安装柱形件，线圈的径向外表面安装在该柱形件的径向内表面上。
中心支撑管110(辐射束208必须能够穿过该中心支撑管)可包括透过辐射束208的伽马辐射的区域。这可以通过用合适的可透伽马辐射材料形成中心支撑管来实现，或者在该中心支撑管的适合部分内包含由合适材料制成的“窗口”来实现。用于形成这种窗口或者可透支撑管的合适的可透伽马辐射材料包括具有非常低的原子序数的材料，例如铍以及石墨/碳复合材料。
相似的结构可以应用于所使用的安装柱形件的相应部分。
通过使低温冷却剂穿过与超导线圈102、106、108热接触的冷却管114来实现对超导磁体线圈102-108的冷却。这些冷却管由歧管(图1中不可见)连接，该歧管由合适的可透伽马辐射材料(例如上文所述的材料)制成，至少在位于可能在辐射治疗的辐射步骤中被选用的辐射束208的路径上。从远程储箱给该冷却管114提供冷却剂，如参考附图2和3将讨论的。该储箱优选地远离可选择用在辐射治疗的辐射步骤中的任何辐射束208路径，并且优选地通过定位在通向OVC的抽空内部的容积内而被真空绝缘。
该OVC122包括可透伽马辐射的内部和外部管部分130，该管部分130由例如石墨复合材料或者CFRP的材料制造。这样的材料已经用于制造用在辐射治疗系统或者CT扫描器中的透X射线的病床。在阐明的实施例中，外部的可透伽马辐射的管部分130只占据OVC的外部柱形表面的中心“腰状”部分，而内部的可透伽马辐射的管部分130占据了OVC的整个内部柱形表面。在替代实施例，内部的可透伽马辐射的管部分130可只占据OVC的内部柱形表面的中心部分，或者外部的可透伽马辐射的管部分130可占据OVC的整个内部柱形表面，如与OVC的结构相称的那样。该可透伽马辐射的管部分130应该至少占据OVC的那些位于辐射束208路径(选择用在辐射治疗的辐射步骤中)内的全部部分。
相似地，至少对于热辐射屏蔽件120的那些位于可选择用在辐射治疗的辐射步骤中的辐射束208路径内的所有部分，可透伽马辐射的部分132应该设置在热辐射屏蔽件120中。选择用于热辐射屏蔽件的可透伽马辐射部分132的材料应该偏好于还具有热传导性并且相对地不透过红外辐射的材料，以使得热辐射屏蔽件能够防止红外辐射到达低温冷却的超导磁体线圈102、106、108。可供选择地(相对较不优选)，切口可设置在热辐射屏蔽件中，以便该热辐射屏蔽件不会位于选择用在辐射治疗的辐射步骤中的任何辐射束208路径中。
优选地，在根据本发明的完成的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统中，外观壳体(looks cover)可设置成将整个系统包围在美观的外壳中。OVC具有腰状部分以及辐射源202定位在由该腰状部分提供的环状腔210内意味着该系统的最终外观与常规的柱状磁体核磁共振成像系统的外观相似。这可减轻病患的焦虑，并且由于病患将比面对常规的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统的外观时更放松，这也将增加有效成像和治疗的机会。
图2示出了磁体结构100的剖面图，该磁体结构包括具有冷却和制成结构的线圈装置，适于包括在如图1所阐明的本发明的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统中。与图1阐明的特征相一致的特征具有一致的参考标识。示出伽马辐射208的示例波束作为参考，同时OVC122由虚线表示。
在该示例中，屏蔽线圈102在它们的径向外表面安装至径向外部支撑件142上，该支撑件可包括例如树脂浸渍玻璃纤维。该径向外部支撑件以合适的方式(未说明)安装在OVC中。场线圈104在它们的轴向端粘合至环形或柱形支撑结构110。如以上所讨论的，至少中心支撑结构由可透伽马辐射材料制成，至少那些位于选择用在辐射治疗的辐射步骤中的辐射束208路径中的部分是由可透伽马辐射材料制成的。该结构由位于OVC122内的支撑结构以合适的方式(未说明)支撑。
图2具体说明适合用在本发明中的冷却装置。该冷却装置是一个通常称为“冷却环路”的装置。提供了远程致冷剂储箱144，其通过包含在通向OVC122内部的真空区域146中而与环境温度真空绝缘。致冷剂储箱144包含布置成循环通过冷却管114的致冷剂148。在阐明的示例中，冷却剂流体因重力而供给通过供给管150，到达下部歧管152。该下部歧管152将该供给管150连接至第一冷却回路114a(与场线圈106、108热接触)以及第二冷却回路114b(与屏蔽线圈102热接触)。致冷剂穿过第一和第二冷却回路114a、114b，从线圈吸收热量。这将会引起致冷剂膨胀，并且可能沸腾。这种密度的降低将会使冷却回路内的冷却剂上升至上部歧管154，该上部歧管154将第一和第二冷却回路114a、114b的上部连接至致冷剂储箱144。致冷剂因重力而供应进供应管150中会使致冷剂穿过上部歧管154返回致冷剂储箱144中。优选地，主动冷却装置(例如低温致冷器)设置成再次冷却回到致冷剂储箱的致冷剂，准备用于再次循环通过第一和第二冷却回路。与图1的示例不同，冷却管144没有设置成与每个线圈热接触。确切地说，导热带156均设置成与至少一个冷却管114和至少一个线圈106、108热接触。线圈通过经由冷却带156至冷却管114的热传导而冷却，冷却管114通过如上所述的致冷剂循环而冷却。该导热带156可以是由传导材料(例如铝或者铜)制成的固体带，或者可以是由这种材料或任何其它合适的导热材料制成的细条或层压件(laminate)。相似地，该冷却管114可由铝或铜或者任何其它合适的导热材料制成。该冷却带156和冷却管的材料优选地是非磁性的。该冷却带没有延伸进磁体结构的轴向中心区域(该轴向中心区域位于选择用在辐射治疗的辐射步骤中的辐射束208路径中)。
供给管150以及上部和下部歧管152、154不需要由导热材料制成。如图2所示，冷却装置的上部和下部歧管152、154延伸越过磁体组件的轴向中心区域，即在辐射治疗期间辐射束208将被引导的区域。为了防止这些歧管妨碍辐射束208，歧管中那些位于选择用在辐射治疗的辐射步骤中的辐射束208路径中的部分158由可透伽马辐射材料制成，例如上文所描述的那些可透伽马辐射材料。陶瓷材料优选地用于歧管的可透伽马辐射部分。
因此，如果有，磁体结构、OVC和热辐射屏蔽件的位于中心区域180中的、位于选择用在辐射治疗的辐射步骤中的任何辐射束208路径内的所有部分可透过由辐射源202发射的伽马辐射，以便辐射束208可直接被引导穿过核磁共振成像磁体及其致冷器(cryostat)的结构而作用于病患300，而不受核磁共振成像磁体及其致冷器的结构的明显干扰。
图3示出了图2结构的轴向端视图。与图1或图2所示特征相一致的特征具有相应的参考标识。供给管和返回管在远程储箱144中的布置与图2的布置不同，并示出了可供选择的布置。可采用任一布置方式，或者可采用其它任何能够保证供给管150开口处的致冷剂压力高于返回管开口处的压力的布置方式。通过经由导热的冷却带或者绕每个屏蔽线圈延伸的导热元件的传导冷却，可实现对屏蔽线圈102的一定下部160以及屏蔽线圈102的相应一定上部的冷却。这简化了所需的管道，并且甚至能够从屏蔽线圈冷却回路的最高点通过重力供给返回。
在可供选择的实施例中，辐射源202和万向装置203可定位在OVC内，位于中心区域180中，在此情况下，没有必要提供OVC的可透伽马辐射部分131。
在某些实施例中，可能不需要屏蔽线圈102。在某些实施例中，该万向装置可能不包括使辐射源202倾斜的机构，以致该辐射源在中心区域108中被限制成绕大体柱形场线圈结构104的轴线旋转，以便引导辐射束大致沿径向穿过该大体柱形场线圈结构104。
因此，本发明提供一种组合的核磁共振成像和辐射治疗系统，其包括具有可透伽马辐射的中心区域的不分离的超导磁体。这通过在OVC、热屏蔽件和磁体支撑结构中使用可透伽马辐射材料实现，通常使用具有低原子序数的材料，优选的是碳或石墨复合材料。
通过使用冷却环路布置来提供对超导磁体的线圈的冷却，其中上部和下部收集器歧管由可透辐射的元件在中间平面处链接。
可选择地实现致冷器的“腰状”设计使得能够容纳承载辐射源且安装有准直仪的台架，以便占据与常规柱形核磁共振成像磁体相同的空间。
Claims (11)
1.一种组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，包括磁体结构(100)和辐射治疗设备(200)，
所述磁体结构(100)包括：
-单个大体柱形场线圈结构(104)，包括多个超导线圈(106，108)，所述多个超导线圈(106，108)由支撑结构(110)连接，并且在中心区域(108)的两侧沿轴向延伸；
-外部真空室(OVC)(122)，将所述场线圈结构(104)包围在抽空的容积中；以及
-冷却装置，包括布置成与所述超导线圈热接触的冷却管(114)，并布置成接收流过所述冷却管的致冷剂，
所述辐射治疗设备(200)包括：
-伽马辐射源(202)，布置成在所述中心区域(108)中绕所述大体柱形场线圈结构(104)的轴线旋转(203)，以引导辐射束(208)沿选定路径基本径向地穿过所述大体柱形场线圈结构(104)，
其特征在于，所述场线圈结构(104)和所述外部真空室(122)的位于选择的任何辐射束(208)路径内的、位于中心区域中的部分能够透过由所述伽马辐射源(202)发射的辐射，由此，辐射束(208)可以被引导穿过场线圈结构(104)和外部真空室(122)，而不受场线圈结构(104)和外部真空室(122)的明显干扰。
2.如权利要求1所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中所述伽马辐射源(202)还布置成能够倾斜，其中辐射束(208)可以沿与准确径向方向成选定角度的选定路径被引导。
3.如权利要求1或2所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，万向装置(203)设置成允许伽马辐射源(202)运动。
4.如上述权利要求任一项所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，热辐射屏蔽件(120)设置在所述场线圈结构(104)和外部真空室(122)之间，并且所述热辐射屏蔽件(120)的位于选择的任何辐射束(208)路径内的、位于中心区域中的部分能够透过由所述伽马辐射源(202)发射的辐射，其中辐射束(208)可被引导通过所述热辐射屏蔽件而不受所述热辐射屏蔽件的明显干扰。
5.如上述权利要求任一项所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，该磁体结构还包括屏蔽线圈(102)，所述屏蔽线圈具有比场线圈结构(104)大的直径，并朝着所述场线圈结构(104)的轴向端而处于远离中心区域(108)的位置。
6.如引用权利要求3时的权利要求5所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，外部真空室的轴向中心部分的外直径d1小于外部真空室的轴向外部的外部直径d2，从而限定出环形腔(210)，所述万向装置(203)和所述伽马源(202)基本容纳在所述环形腔(210)内。
7.如权利要求6所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，具有外观壳体，以将整个系统包围在美观的外壳中。
8.如上述权利要求任一项所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，能够透过由所述伽马辐射源(202)发射的辐射的那些部分包括铍、碳或铝。
9.如上述权利要求任一项所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，能够透过由所述伽马辐射源(202)发射的辐射的那些部分包括树脂浸渍碳纤维。
10.如上述权利要求任一项所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，所述冷却装置包括延伸穿过所述中心区域(180)的上部和下部歧管(154，152)，所述歧管的位于选择的任何辐射束(208)路径内的、位于中心区域中的部分能够透过由所述伽马辐射源(202)发射的辐射，由此，辐射束(208)可被引导通过所述歧管而不受所述歧管的明显干扰。
11.如权利要求10所述的组合的核磁共振成像和辐射治疗系统(10)，其中，能够透过由所述伽马辐射源(202)发射的辐射的那些部分包括陶瓷。
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