CN105163805A - 用于放射治疗系统的能量降能器 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用减小的发射度增长来减弱粒子束的能量的降能设备。能量降能器包括可以优先地散射以浅角度在表面上入射的射束粒子的发射度控制材料。在一个方法中，能量降能器可以包括低Z和高Z材料的交替的层，其中低Z材料用于借助于散射来减弱射束粒子的能量，高Z材料用于通过朝着射束轴散射回射束粒子来抑制发射度增加。在另一方法中，能量降能器可以包括碳纳米管或具有基本上在粒子束的入射方向上取向的经取向的晶体结构的材料。碳纳米管可以用于优先地朝着中心射束轴散射射束粒子以及减弱其能量。

Description

用于放射治疗系统的能量降能器
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的题为“HIGHEFFICIENCYDEGRADERFORRADIATIONENERGYSELECTIONSYSTEM”的美国临时专利申请第61/793,857号的优先权。上述专利申请出于所有目的通过引用以其整体内容合并于此。
技术领域
本公开内容的实施例总体上涉及医疗设备，并且更特别地涉及放射治疗设备。
背景技术
在通常的用于例如肿瘤放射治疗的质子治疗系统中，可以以固定能量水平在加速器(例如回旋加速器或同步加速器)中产生质子束，固定能量水平然后可以通过能量降低和能量选择被调节为规定的能量水平。布置在加速器附近的能量降能器通常用于减小质子束的能量。比如，回旋加速器可以产生发射度大致为4Pi-mm-mRad的250MeV质子的质子束。能量降能器可以用于例如以0.1MeV为步长从250MeV向70MeV减小能量。
由于射束粒子与能量降能器材料之间的粒子散射，离开能量降能器的射束通常具有以期望的最终射束能量为中心扩散的能量以及减小最终治疗射束的量方向变化。换言之，能量降能器引起射束的发射度增加。
传统上，能量降能器包括具有低原子数目的材料。图1是图示根据现有技术的由能量降能器101内的粒子散射引起的粒子发射度增长(emittancegrowth)的示图。能量降能器可以由例如具有6个组成楔形(未明确示出)的石墨的块制成使得能够通过调节楔形的位置并且从而调节射束传输通过其的材料的厚度来改变出射射束能量。如所示，在入射质子束102穿过能量降能器101时，射束102的散射出现在石墨101中并且在射束103离开能量降能器时产生空间发射度的大的增加。换言之，射束102变为具有能量范围被平移并且在空间上被散射的更宽的射束103。
因为下游射束传送线路通常具有有限的发射度接受(emittanceacceptance)，所以散射的射束被准直并且由此仅从加速器提取的初始射束的部分能够被传送用于下游放射使用。由能量降能器引起的发射度增长以及由能量选择系统(ESS)引起的相关联的准直不利地导致ESS的非常低的射束传输效率，尤其是在能量降能器被配置成将射束减弱到例如1％的很低的水平时。
发明内容
因此，有利的是提供一种用于降低粒子束的能量而不引起明显的发射度增长的机制。
因此，本公开内容的实施例采用包括发射度控制材料的能量降能器，发射度控制材料能够优先地散射以浅角度(shadowangle)在材料表面上入射的射束粒子。在一个方法中，能量降能器可以包括低Z和高Z材料的交替的层，其中Z表示材料的原子量或分子量。低Z材料用于借助于散射来减弱射束粒子的能量，高Z材料用于通过朝着射束轴散射回射束粒子来抑制发射度增加。低Z材料可以选自透明合成树脂、石墨、碳、铝、锂、水等。高Z材料可以选自钨、铅、钽等。在另一方法中，能量降能器可以包括碳纳米管或具有基本上在粒子束的入射方向上取向的晶体结构的其它材料。碳纳米管可以用于优先地朝着中心射束轴散射射束粒子以及减弱其能量。因此，粒子束可以以减小的发射度增长离开能量降能器，这可以有利地改善能量选择系统的传输效率。
在本公开内容的一个实施例中，一种放射治疗系统包括能够操作以生成粒子束的加速器和能够操作以借助于粒子散射来减弱粒子束的能量的能量降能器，其中粒子散射引起粒子束的空间发射度增长，其中能量降能器包括能够操作以借助于粒子相互作用(interaction)来抑制空间发射度增长的第一材料。能量降能器可以包括能够操作以通过粒子散射来减弱粒子束的能量的第二材料，并且其中第一材料和第二材料具有基本上不同的原子量或分子量。能量降能器还可以包括大致在粒子束的入射方向上取向的碳纳米管。
上述内容是概述并且因此必然包含对细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员应当理解，本概述仅是说明性的而非意在以任何方式限制。如仅由权利要求定义的本发明的其它的方面、发明特征和优点在下面给出的非限制性详细描述中将变得很清楚。
附图说明
根据对结合附图给出的以下详细描述的阅读将能够更好地理解本发明的实施例，在附图中，相似的附图标记指代相似的元素，并且在附图中：
图1是图示根据现有技术的由能量降能器内的粒子散射引起的粒子发射度增长的示图。
图2图示根据本公开内容的实施例的以浅角度在发射度控制材料表面上入射的射束粒子的优先散射的效果。
图3图示用于在具有有限的发射度增长或者在没有发射度增长的情况下减弱粒子束的能量的由碳纳米管制成的能量降能器。
图4A图示根据本公开内容的一种实施例的使用高Z材料来增强射束的正向散射的能量降能器的示例性配置的侧视图。
图4B图示图4A中图示的能量降能器的示例性配置的横截面视图。
图5A图示包括由高Z材料和低Z材料制成的多个交替的层的能量降能器的示例性配置。
图5B图示根据本公开内容的一种实施例的包括多个分段(section)的能量降能器的示例性配置，其中每个分段具有由高Z材料和低Z材料制成的交替的层。
图6图示包括高Z材料和低Z材料的多个交替的层的圆柱形能量降能器的示例性配置。
图7图示根据本公开内容的一种实施例的配备有能量降能器的医疗设施的示例性配置。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中图示。虽然将结合优选实施例来描述本发明，然而应当理解，优选实施例并未将本发明限于这些实施例。相反，本发明意在覆盖能够被包括在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替选、修改和等同方案。另外，在本发明的实施例的以下详细描述中，给出大量具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域普通技术人员应当认识到，可以在没有这些具体细节的情况下来实践本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件和电路以避免不必要地模糊本发明的实施例的方面。虽然可以为了清楚而将方法描绘为编号的步骤的序列，然而编号不一定指定步骤的顺序。应当理解，其中一些步骤可以跳过、并行执行、或者在不需要维持严格的序列顺序的情况下来执行。示出本发明的实施例的附图是半图示性的而非按比例，并且特别地，其中一些尺度为了呈现的清楚并且在附图中放大示出。类似地，虽然附图中的视图为了容易描述通常示出相似的取向，然而附图中的这一描绘对于多数部件而言都是任意的。通常，可以在任何取向上操作本发明。
符号和术语：
然而，应当牢记，所有这些和相似的术语要与适当的物理量相关联并且仅是用于这些量的方便的标记。除非如根据以下讨论很清楚地另外具体地指出，否则应当理解，贯穿本发明，使用诸如“处理(processing)”或“访问(accessing)”或“执行(executing)”或“存储(storing)”或“渲染(rendering)”等术语的讨论是指计算机系统或者类似的电子计算设备的动作和处理，该类似的电子计算设备将被表示为计算机系统的寄存器和存储器以及其它计算机可读介质内的物理(电子)量的数据操纵和变换成类似地被表示为计算机系统存储器或寄存器或其它这样的信息存储装置、传输或显示设备内的物理量的其它数据。当部件出现在若干实施例中时，相同附图标记的使用表示该部件与在原始实施例中说明的是相同的部件。
用于放射治疗系统的能量降能器
实际上，已经观察到，当以浅角度在表面上入射时，粒子束可以优先地被散射。本公开内容的实施例采用包括发射度控制材料的能量降能器，发射度控制材料能够优先地朝着粒子束的中心线散射以浅角度在发射度控制材料的表面上入射的射束粒子，从而增强正向散射并且抑制粒子束在传输通过能量降能器时的发射度增长。
图2图示根据本公开内容的一种实施例的以浅角度在发射度控制材料表面上入射的射束粒子202的优先散射的效果。如将更详细地描述的，发射度控制材料的片(sheet)可以是能量降能器的部分，例如发射度控制材料与另一材料之间的界面。在进入能量降能器时，该片可以被定位成与粒子束的中心轴203平行。在能量降能器的入口处，射束粒子可以沿着中心轴203的方向行进。由于能量减弱材料(例如石墨材料)的粒子散射，粒子束偏离其原始行进方向并且以浅角度在表面201上撞击(impinge)，如所示。发射度控制材料表面201可以用于朝着其原始行进方向203散射回粒子。
在一个方法中，发射度控制材料可以是具有平行于射束中心轴取向的晶体结构的工程材料。图3图示用于在具有有限的发射度增长或者没有发射度增长的情况下减弱粒子束302的能量的由碳纳米管301制成的能量降能器300。在所说明的示例中，碳纳米管300大致平行于粒子束302的入射方向取向。比如，质子304进入碳纳米管，并且在被碳纳米管的原子散射时减速，如带箭头的轨迹线304所示。如所说明的，质子304以相对浅的角度在碳纳米管的内壁上撞击，并且由于优先散射(preferentialscattering)而通过纳米管壁朝着中心射束轴被反射回。质子因此可以以近轴角度传播通过并且离开碳纳米管或者能量降能器300。这一过程可以类似于在光纤线缆中行进的光。共同地，离开能量降能器的质子束303可以具有相对窄的空间发射度。这有利地减小了由准直器从射束去除的粒子的数目从而改善了粒子传输效率。
本公开内容不限于任何特定类型的碳纳米管或者任何特定的制造碳纳米管的方法。例如，在能量降能器中使用的碳纳米管可以是单壁纳米管、多壁纳米管、nanotori、纳米芽(nanobud)、graphenated碳纳米管、掺杂有氮的碳纳米管等。
碳纳米管可以具有任意合适的几何配置作为本领域公知的能量降能器。本公开内容不限于碳纳米管的任何特定的平均长度、材料类型、厚度、宽度或形状、或者能量降能器的任何特定的放置。这样的能量降能器可以结合合适的ESS准直器来使用或者在不需要ESS准直器的情况下来使用。
在一些实施例中，能量降能器可以是可变能量降能器并且包括多个可移动件(例如楔形)，多个可移动件的位置可以调节以改变粒子束的能量水平。在一些实施例中，能量降能器可以被配置成拉长的圆柱形形状。在一些实施例中，能量降能器可以是可旋转的。
在另一方法中，能量降能器可以开发高Z材料作为发射度控制材料以增强射束粒子的正向散射以便实现能量范围平移而没有发射度的明显增加。如本领域技术人员应当理解的，本公开内容不限于任何特定类型的高Z材料。例如，高Z材料可以是钨、铅、钽、其化合物等中的一项或多项。
图4A图示根据本公开内容的一种实施例的使用高Z材料来增强射束的正向散射的能量降能器400的示例性配置的侧视图。能量降能器400包括三层三明治结构，三层三明治结构包括主要用于减弱粒子束的能量的低Z材料层412、以及主要用于抑制由低Z材料引起的散射的两个高Z材料层411和413。低Z材料可以是锂、铍、碳、热塑聚碳酸酯(Lexan)、水、透明合成树脂(Lucite)、或者本领域已知的任何其它合适的材料中的至少一项。图4B图示图4A中图示的能量降能器400的示例性配置的横截面视图。
比如，如轨迹线所示，进入低Z材料层412的质子401通过与低Z材料中的原子或分子的相互作用而减速。在质子到达低Z和高Z材料的界面时，质子可以被高Z材料层411朝着射束轴方向反射回可能多次直到质子离开能量降能器400。因此，源自能量降能器的射束可以共同地呈现有限的空间发射度增长。
在一些实施例中，具有三明治结构的能量降能器可以是绕射束中心轴可旋转的以减小对于平行于三明治结构的方向(“X轴”)和垂直于三明治结构的方向(“Y轴”)的射束发射度中的差异。
在一些其它实施例中，能量降能器可以被配置为由高Z材料和低Z材料制成的多个交替的层。图5A图示包括由高Z材料(例如502、504和506)和低Z材料(例如501、503和505)制成的多个交替的层的能量降能器的示例性配置。每个层的横截面可以是矩形形状或者本领域公知的任何其它合适的形状。堆叠(stack)中的层501-506可以具有相等或者不同的厚度，例如，在大致1mm的数量级(scale)。在一些实施例中，能量降能器总共包括50个层，其中25个是低Z层，25个是高Z层。在一些实施例中，该堆叠室是绕粒子束的中心轴可旋转的。可以用本领域公知的任何过程来制造和处理层的堆叠。
图5B图示根据本公开内容的一种实施例的包括多个分段510、520和530的能量降能器的示例性配置，其中每个分段具有由高Z材料(例如512)和低Z材料(例如511)制成的交替的层。如所说明的，多个分段中的层堆叠在不同的取向上被定位。例如，分段510中的层与分段520中的层彼此垂直。本领域技术人员应当理解，多个分段可以被配置成任意合适的几何形状、尺度或取向。例如，每个分段沿着射束540的入射方向可以是1mm。
图6图示包括高Z材料(例如612)和低Z材料(例如611)的多个交替的层的圆柱形能量降能器600的示例性配置。多个层可以具有不同的或者相等的厚度。能量降能器600可以包括沿着入射射束方向拉长的多个可移动分段，其中可移动分段的位置可以取决于要向目标递送的规定的能量水平来变化。如本领域技术人员应当理解的，多个分段可以被配置成任意合适的几何形状、尺度或取向。
根据本公开内容的能量降能器可以应用于任何合适的设备(包括放射治疗设备)上的任何粒子束传输线路中。如本领域技术人员应当理解的，能量降能器中所使用的能量减弱材料和发射度控制材料可以随着粒子束中的粒子种类而变化。能量降能器可以位于真空中或者大气中。
图7图示根据本公开内容的一种实施例的配备有能量降能器704的医疗设施700的示例性配置。紧凑型放射系统700被设计成从固定回旋加速器701向相邻的单个治疗室703递送质子束。质子放射系统700包括加速器701(例如所示的回旋加速器)、沿着线性轴从回旋加速器701向单个治疗室703传送粒子束的短射束线702、布置在射束线702中的能量降能器704、双极磁体706和707的单个集合、以及能够操作以在不同角度上通过喷嘴(nozzle)向治疗台递送质子束的旋转龙门架(gantry)705。如以上所描述的，能量降能器包括发射度控制材料并且可以产生具有低的发射度并且从而具有高的传输效率的射束。
在单室配置700中，回旋加速器可以实际上尽可能接近地放置在治疗室附近，并且因此射束线704可以是短的并且是线性的，以减小对于用于重定向粒子束的双极磁体的需要。该系统还可以包括安装在射束路径中以聚焦粒子束的聚焦磁体的多个集合。在所说明的实施例中，安装在龙门架705上的双极磁体706和707承担能量选择以及从射束线轴向治疗台的等中心点(isocenter)偏转粒子束的双重功能。在所说明的实施例中，位于龙门架的进入点处的45°双极磁体706和下游的135°双极磁体707可以共同以90°从射束线702轴弯曲粒子束。同时，当磁体706和707的线圈中的电流根据目标能量水平被控制为精确的电流时，磁体706和707结合射束准直器能够操作以执行能量选择功能。
包括能量狭缝(slit)、弯曲磁体和聚焦磁体的能量选择系统(ESS)可以可选地用于消除具有过多能量的质子或者角度方向的偏离。质子束然后经由射束传输系统被提供给治疗台。射束传输系统可以调节和递送粒子束到放射台。在射束传输系统的端部，与放射喷嘴相关联的龙门架在操作期间在由照射台支撑的固定位置中向照射对象(例如患者的肿瘤)上递送射束。类似的系统可以用于其它重粒子放射治疗，诸如中子、He或C离子束。
虽然本文中已经公开了某些优选实施例和方法，然而本领域技术人员根据以上公开内容很清楚，可以在没有偏离本发明的精神和范围的情况下做出这样的实施例和方法的变化和修改。意图在于，本发明应当仅限于由所附权利要求以及适用法律的规则和原理所要求的程度。

Claims (20)

1.一种放射治疗系统，包括：
加速器，能够操作以生成粒子束；以及
能量降能器，耦合到所述加速器并且能够操作以借助于粒子散射来减弱所述粒子束的能量，其中所述粒子散射引起所述粒子束的空间发射度增长，其中所述能量降能器包括能够操作以借助于粒子相互作用抑制所述空间发射度增长的第一材料。
2.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述能量降能器还包括能够操作以通过所述粒子散射来减弱所述粒子束的能量的第二材料，并且其中所述第一材料和所述第二材料具有基本上不同的原子量或分子量。
3.根据权利要求2所述的放射治疗系统，其中所述第二材料选自由透明合成树脂、石墨、Al、C和Be组成的组，并且其中所述第一材料选自由W、Pb和Ta组成的组。
4.根据权利要求2所述的放射治疗系统，其中所述能量降能器包括由第二层和第三层夹在中间的第一层，其中所述第一层由所述第二材料制成，并且其中所述第二构件和所述第三构件由所述第一材料制成，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层平行于所述粒子束的入射方向，并且其中所述能量降能器是可旋转的。
5.根据权利要求2所述的放射治疗系统，其中所述能量降能器包括沿着所述粒子束的入射方向的若干分段，其中每个分段包括由所述第一材料和所述第二材料制成的多个交替的层，其中所述多个交替的层平行于所述入射方向，并且其中每两个连续的分段的层被布置成彼此垂直。
6.根据权利要求2所述的放射治疗系统，其中所述能量降能器具有沿着所述粒子束的入射方向拉长的基本上圆柱形的形状，其中所述能量降能器包括由所述第一材料和所述第二材料制成的多个同心且交替的层，并且其中另外，每个层的厚度大致为1mm。
7.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述第一材料包括大致在所述粒子束的入射方向上取向的碳纳米管。
8.根据权利要求7所述的放射治疗系统，其中所述粒子束包括选自由质子束、中子束、电子束、He2+束和C6+束组成的组中的射束。
9.根据权利要求1所述的放射治疗系统，还包括龙门架，其中所述能量降能器材料集成在所述龙门架中。
10.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述降能器材料布置在真空室中。
11.一种能量降能器，所述能量降能器被配置成借助于粒子散射来减弱粒子束的能量，其中所述粒子散射引起所述粒子束的射束直径扩展，其中所述能量降能器包括能够操作以借助于粒子相互作用来抑制所述射束直径扩展的第一材料。
12.根据权利要求11所述的能量降能器，包括多个可移动构件，其中每个可移动构件包括所述第一材料和所述第二材料。
13.根据权利要求11所述的能量降能器，还包括能够操作以减弱所述粒子束的能量的第二材料，其中所述第一材料和所述第二材料具有基本上不同的原子量或分子量，其中所述第二材料选自由透明合成树脂、石墨、Al、C和Be组成的组，并且其中所述第一材料选自由W、Pb和Ta组成的组。
14.根据权利要求13所述的能量降能器，其中所述能量降能器包括沿着所述粒子束的入射方向的一个或多个分段，其中每个分段包括由所述第一材料和所述第二材料制成的相应的多个交替的层，其中每两个相邻的分段中的层在不同的方向上取向。
15.根据权利要求11所述的能量降能器，其中所述第一材料包括大致在所述粒子束的入射方向上取向的碳纳米管。
16.根据权利要求10所述的能量降能器，其中所述粒子束包括选自由质子束、中子束、电子束、He2+束和C6+束组成的组中的射束。
17.一种被配置成生成受控能量中的粒子束的系统，所述系统包括：
回旋加速器，耦合到粒子源；
束线组件，耦合到所述回旋加速器并且能够操作以将所述粒子束引导到目标；以及
能量降能器，布置在所述束线组件中并且被配置成借助于粒子散射来减弱所述粒子束的能量，其中所述粒子散射引起所述粒子束的射束直径扩展，其中所述能量降能器包括能够操作以借助于粒子相互作用来抑制所述射束直径扩展的第一材料。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述能量降能器还包括能够操作以减弱所述粒子束的能量的第二材料，并且其中所述第一材料和所述第二材料具有基本上不同的原子量或分子量。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述能量降能器包括由所述第一材料和所述第二材料制成的多个交替的层，其中每个层被布置成平行于所述粒子束的入射方向。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述能量降能器包括大致在所述粒子束的入射方向上取向的碳纳米管。
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