CN105797282B - 一种粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粒子照射装置，包括：沿着中心轴线传输的粒子束流，其包括第二粒子束和第三粒子束；安装在第三粒子束的传输路径上的准直器，该第三粒子束通过准直器形成与肿瘤靶区对应的照野形状完全一致的二维分布；安装在第二粒子束的传输路径上的平坦化装置，该平坦化装置包括围绕中心轴线可旋转的遮挡件；所述遮挡件包括将所述第二粒子束平坦化形成第三粒子束的至少两个遮挡块，该遮挡件的旋转中心位于所述中心轴线上。本发明还提供一种包括粒子照射装置的粒子治疗系统。本发明通过平坦化装置实现剂量的均匀化分布，只需要简单的遮挡件即可获得期望的粒子照射装置以及包括装置的粒子治疗系统，从而提高照射装置和治疗系统的可靠性，同时降低成本。

Description

一种粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统

技术领域

本发明涉及一种利用放射线治疗癌症的装置和系统，更具体地涉及一种粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统。

背景技术

粒子放疗是目前世界上最先进的癌症治疗手段之一。与通常的光子放疗(X射线放疗)相比，粒子被照射到病人体内时，将在粒子射程终端形成最大剂量峰值，即，形成所谓的布拉格峰(Bragg Peak)。因而通过精密控制粒子束流能量和粒子束照射位置，可以将高剂量粒子集中照射到目标肿瘤靶区内，同时将对目标肿瘤周围的正常组织和正常器官的不利照射剂量降低到最少，从而实现比X射线放疗更加适形的剂量分布，提高肿瘤的治疗效果，降低副作用。

通常，使用二维照射方法的粒子治疗系统包括粒子加速器1、粒子输运装置2、粒子照射装置3、照射控制装置4和病人定位装置，如图1所示，其中，粒子加速器1产生的粒子束流通常束斑大小为10毫米以下，因而当需要将粒子束均匀地照射到比如直径为10厘米的肿瘤靶区5时，则需利用粒子照射装置3将束斑直径只有不到1厘米的粒子束扩大到10厘米范围。具体地，来自于粒子加速器1的起始粒子束11通过粒子输运装置2运送进入粒子照射装置3，摇摆磁铁31使该起始粒子束11按计划的轨迹扫描，形成具有固定轨迹(比如圆形或ZigZag形等轨迹)的第一粒子束32，该第一粒子束32通过散射体33散射后形成第二粒子束34，该第二粒子束34比第一粒子束32具有更大的发散角，该第二粒子束34通过准直器35除去不必要的粒子，最终照射肿瘤靶区5。其中，该摇摆磁铁31主要用于使起始粒子束11按计划的轨迹扫描，从而使得最终到达肿瘤靶区5的粒子在平面上均匀分布。显然，由于摇摆磁铁31和相应驱动电源的使用，现有的粒子治疗系统的结构往往比较复杂，成本较高。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的二维照射方法的粒子治疗系统结构复杂和成本高的问题，本发明旨在提供一种粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统。

本发明提供一种粒子照射装置，包括：沿着中心轴线传输的粒子束流，其包括第二粒子束和第三粒子束；安装在第三粒子束的传输路径上的准直器，该第三粒子束通过准直器形成与肿瘤靶区对应的照野形状完全一致的二维分布；安装在第二粒子束的传输路径上的平坦化装置，该平坦化装置包括围绕中心轴线可旋转的遮挡件；所述遮挡件包括将所述第二粒子束平坦化形成第三粒子束的至少两个遮挡块，该遮挡件的旋转中心位于所述中心轴线上。通过该平坦化，在垂直于中心轴线的平面上，该第三粒子束比第二粒子束具有更为均匀的粒子密度分布。

在与中心轴线的垂直距离为半径r处，该遮挡件的弧度角arc-angle(r)为360度与挡去比例attenuation(r)的乘积，其中，该挡去比例attenuation(r)是被遮挡件挡掉的粒子数与整个圆周上分布的粒子数的比值。

在与中心轴线的垂直距离为半径r处，第一遮挡件的第一弧度角arc-angle1(r)，第二遮挡件的第二弧度角arc-angle2(r)，遮挡件的弧度角arc-angle(r)为第一弧度角arc-angle1(r)和第二弧度角arc-angle2(r)的总和。

在与中心轴线的垂直距离为半径r处，第一遮挡件的第一弧度角arc-angle1(r)，第二遮挡件的第二弧度角arc-angle2(r)，第二遮挡件的第三弧度角arc-angle3(r)，……，第N遮挡件的第N弧度角arc-angleN(r)，遮挡件的弧度角arc-angle(r)为第一弧度角arc-angle1(r)，第二弧度角arc-angle2(r)，第三弧度角arc-angle 3(r)、……和第N弧度角arc-angle N(r)的总和。

在半径r的径向范围内形成平坦化范围，沿着远离中心轴线的方向，遮挡件的弧度角arc-angle(r)在平坦化范围内逐渐减小。

该平坦化装置还包括旋转件，旋转件为围绕中心轴线可旋转的圆环形部件，遮挡件的远离中心轴线的末端固定连接于该圆环形部件的内圈上。

该平坦化装置还包括驱动件和传动件，驱动件与旋转件通过传动件相连。

所述旋转件与所述传动件啮合。

所述传动件为皮带。

该粒子束流还包括第一粒子束，该粒子照射装置还包括安装在第一粒子束的传输路径上的散射体，第一粒子束通过散射体散射后形成第二粒子束，该第二粒子束比第一粒子束具有更大的发散角。

该粒子照射装置还包括有安装在第一粒子束或第二粒子束的传输路径上的监测器。

本发明还提供一种粒子治疗系统，包括上述的粒子照射装置。

该粒子治疗系统还包括粒子加速器和粒子输运装置，粒子加速器提供起始粒子束，其通过粒子输运装置运送进入粒子照射装置。

该粒子治疗系统还包括安装在第三粒子束的传输路径上的用于调节粒子束流在肿瘤深度方向的剂量分布的脊型过滤器。

该粒子治疗系统还包括安装在第三粒子束的传输路径上的用于使粒子束流停止在对应照射位置的肿瘤靶区的最深部位的射程补偿器。

本发明通过平坦化装置实现剂量的均匀化分布，省略了摇摆磁铁及其驱动电源的使用，只需要简单的遮挡件即可获得期望的粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统，从而提高照射装置和治疗系统的可靠性，同时降低成本。

附图说明

图1是根据现有技术的粒子治疗系统的示意图；

图2是根据本发明的第一实施例的粒子治疗系统的示意图；

图3是图2的粒子治疗系统的旋转件和遮挡件的透视图；

图4是图3的处于粒子束流中的遮挡件的示意图；

图5是图3的处于粒子束流中的遮挡件的遮挡原理示意图；

图6是遮挡件上游的粒子束流的曲线示意图；

图7是遮挡件下游的粒子束流的曲线示意图；

图8是准直器下游的粒子束流的曲线示意图；

图9是根据本发明的第二实施例的粒子治疗系统的旋转件和遮挡件的透视图；

图10是根据本发明的第三实施例的粒子治疗系统的平坦化装置的透视图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例1

图2是根据本发明的第一优选实施例的粒子治疗系统的示意图，该粒子治疗系统包括粒子加速器10、粒子输运装置20、粒子照射装置30、照射控制装置40和病人定位装置，肿瘤靶区50定位在该病人定位装置上。粒子加速器10、粒子输运装置20和粒子照射装置30分别与照射控制装置40通讯连接，以对粒子束流进行控制。粒子照射装置30的中心与肿瘤靶区50的中心处于粒子束流的中心轴线110a上。

为了叙述方便，该粒子束流可人为区分为起始粒子束110、第一粒子束320、第二粒子束340和第三粒子束370。其中，起始粒子束110来自于粒子加速器10，其通过粒子输运装置20运送进入粒子照射装置30，形成第一粒子束320；该第一粒子束320通过散射体330散射后形成第二粒子束340，该第二粒子束340比第一粒子束320具有更大的发散角；该第二粒子束340通过平坦化装置360后形成第三粒子束370，该第三粒子束370比第二粒子束340具有在平面上分布更为均匀的粒子密度；该第三粒子束370通过准直器350除去不必要的粒子，最终照射肿瘤靶区50。

沿着粒子束流的照射方向(以下简称为轴向)，平坦化装置360安装在第二粒子束340的传输路径上。在本实施例中，该平坦化装置360设置于散射体330的下游，并且设置于准直器350的上游。本发明通过平坦化装置360使得第二粒子束340在对应于肿瘤靶区50的垂直于轴向的平面区域(以下简称为横向)具有均匀的剂量分布，从而省略了现有技术中的摇摆磁铁31，结构简单地实现均匀化，极大地降低了粒子治疗系统的成本。

该平坦化装置360包括驱动件361，传动件362，旋转件363和遮挡件364。旋转件363为围绕中心轴线110a可旋转的圆环形部件，即中心轴线110a形成为旋转件363的旋转中心。遮挡件364固定连接于该旋转件363的内圈上，从而使得遮挡件364跟随旋转件363围绕着中心轴线110a旋转。旋转件363的外圈上设置有齿轮结构，该齿轮结构与传动件362上的齿轮啮合，从而使得该旋转件363在驱动件361的作用下旋转。在本实施例中，该驱动件361为马达。

图3是本实施例的平坦化装置360的旋转件363和遮挡件364的透视图，其中，遮挡件364的远离中心轴线110a的两端形成为连接端364a，该遮挡件364的旋转中心364b刚好位于中心轴线110a上，该遮挡件364通过连接端364a焊接于旋转件363的内圈上。在本实施例中，该遮挡件364由对称的两个遮挡块3641，3642形成，这两个遮挡块3641，3642关于旋转中心364b呈中心对称结构。应该理解，该连接端364a也可以例如通过粘合固定的方式连接于旋转件363的内圈上。除了连接端364a，遮挡件364并不具有其他支撑结构，从而使得粒子束流不会被其他的支撑结构所遮挡，即遮挡件364的整体轮廓构成为唯一对粒子束流(即第二粒子束340)进行遮挡的部件。该遮挡件364可以是形成有机玻璃的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等高分子材料，也可以是铝或铝合金等材料。该遮挡件364具有沿轴向的厚度d，该厚度只要能够有效地挡住粒子束流的传输即可，厚度的具体数值取决于粒子束在遮挡件364内的射程。例如，当用于癌症治疗的质子束能量为230MeV，而遮挡件364为有机玻璃时，厚度d超过约33cm即可；当用于癌症治疗的质子束能量为70MeV，而遮挡件364为有机玻璃时，厚度d超过约4cm即可；当用于癌症治疗的质子束能量为230MeV，而遮挡件364为铝时，厚度d超过16cm即可。

如图4所示，遮挡件364处于近乎高斯分布F1(r)的第二粒子束340中，即中心区域的粒子密度大，而周围区域的例子密度小。图5是遮挡件364的遮挡原理示意图，在垂直于中心轴线110a的平面上，以中心轴线110a为圆心，r为半径画圆，遮挡件364的遮挡块3641上的形成的相应圆弧被称为遮挡件3641(r)，遮挡件364的遮挡块3642上的形成的相应圆弧被称为遮挡件3642(r)，遮挡件364上的形成的相应圆弧被称为遮挡件364(r)，其等于3641(r)和3642(r)的总和。对于在某一半径r处的遮挡件364(r)而言，被挡掉的粒子数与整个圆周上分布的粒子数的比例被称为挡去比例attenuation(r)，其等于该遮挡件364(r)的弧度角arc-angle(r)与360度的比值，其中，arc-angle(r)＝arc-angle1(r)+arc-angle2(r)。为了实现均匀化的目的，例如在r＝0附近时，遮挡件364(0)的弧度角arc-angle(0)＝180度，使得在粒子束流的中心轴线110a附近的粒子被挡去一半；而随着r的增大，arc-angle(r)逐渐变小。如此，沿着远离中心轴线110a的方向，遮挡件364(r)的arc-angle(r)在平坦化范围内逐渐变小，第二粒子束340的粒子被挡掉的比例随之逐渐变小，从而趋向于均匀化。

该均匀化的过程如图6-图7所示，其中，图6是遮挡件上游的粒子束流(即第二粒子束340)的曲线示意图，而图7是遮挡件下游的粒子束流(即第三粒子束370)的曲线示意图。为了叙述方便，高斯分布F1(r)被人为划分为中心区域Q1和围绕着中心区域的周围区域Q2，应该理解，中心区域Q1和周围区域Q2之间的边界并不是确定的，只要确保最终到达肿瘤靶区50的所有粒子束均来自于中心区域Q1即可。遮挡件364的设置目的即削弱中心区域Q1的粒子密度(遮挡件364在中心区域Q1内的区域即为平坦化范围)，使其接近周围区域Q2的粒子密度，从而实现F1(r)的平坦化，获得图7所示的F2(r)。应该理解，遮挡件364的距离中心轴线110a最远的外缘可以通过中心区域Q1和周围区域Q2之间的边界进行限定，此时，遮挡件364仅削弱中心区域Q1的粒子密度，沿着远离中心轴线110a的方向，遮挡件364的弧度角arc-angle(r)(arc-angle(r)＝arc-angle1(r)+arc-angle2(r))逐渐减小；但是，遮挡件364的距离中心轴线110a最远的外缘也可以超出中心区域Q1和周围区域Q2之间的边界，此时，遮挡件364不仅削弱中心区域Q1的粒子密度，同时也削弱部分周围区域Q2的粒子密度，沿着远离中心轴线110a的方向，遮挡件364的弧度角arc-angle(r)(arc-angle(r)＝arc-angle1(r)+arc-angle2(r))在平坦化范围内逐渐减小。

照射肿瘤靶区50的总时间为T0，平坦化的要求在这个T0时间内实现，由于遮挡件364的遮挡，粒子束流中的某些粒子被遮挡件364挡去，在照射时间T0之后，与不存在遮挡件364的粒子束流横向分布F1(r)相比较，平坦化分布F2(r)＝attenuation(r)*F1(r)。为了确保第二粒子束340的平坦化的效果，遮挡件364在时间T0内的总转数N选择为足够大，其具体旋转的速度取决于分布误差。如果要求因遮挡件364处于不同位置带来分布的误差小于1％，那么总转数N就至少需要比50大很多，优选地，该总转数N大于100。当总转数N为100时，那么由于遮挡件364处于不同位置带来的误差大约是1％的程度。优选地，在实际照射时间T0内，遮挡件364共旋转500转，那么一转的误差只代表总剂量的1/500，在最后一转时的照射时间T0的时刻，遮挡件364停住的角度所带来的分布误差就可以忽略。此时，分布误差在2％以下，满足临床需要。另外，为了确保第二粒子束340的平坦化的效果，遮挡件364的半径r的梯度取决于分布精度。例如可以根据要求选择为0.1mm，1mm或2mm。优选地，遮挡件364的半径r的梯度不超过中心区域Q1的半径r的1/10即可。

回到图2，准直器(Patient Collimator)350可以为多叶光栅准直器(MLC：Multi-leaf-collimator)，用于将经过平坦化处理后的第三粒子束370局限在肿瘤靶区50。应该理解，该准直器也可以是用足够厚度的金属挡块等根据治疗计划给出的照野形状刨孔加工而成的病人准直器(Patient Collimator)。具体地，根据治疗计划计算给出的二维形状制作准直器以除去不需要的横向分布的粒子，只留下照射肿瘤靶区50所需要的粒子，形成由准直器的形状决定的照射野形状，即最终形成与肿瘤靶区50对应的照野形状完全一致的二维横向分布F3(r)，如图8所示。

为了对粒子束流进行监测，本发明的粒子照射装置30还包括有监测器380，如图2所示。在本实施例中，该监测器380安装在第二粒子束340的传输路径上，即设置于散射体330的下游。在另一实施例中，该监测器380也可安装在第一粒子束320的传输路径上，即设置于散射体330的上游。该监测器380用于监测粒子束流的与粒子束相关的物理量，例如通常说的粒子束的剂量。另外，该监测器380还用于监测粒子束的位置，以确保粒子束流的中心轴线110a基本上为遮挡件364的旋转中心，两者没有大的偏差。

为了在粒子照射装置30中应用不同能量的粒子束流，以将原本只有数毫米宽的布拉格峰扩展到肿瘤靶区50沿轴向的深度相当的宽度，本发明的粒子照射装置30还包括有脊型过滤器(Ridge Filter)。该脊型过滤器安装在第三粒子束370的传输路径上，用于调节粒子束流在肿瘤深度方向的剂量分布，从而在三维的肿瘤靶区50形成均匀的三维适形的剂量分布，

为了对照射到肿瘤靶区50的不同横向位置的各粒子束流的射程进行调整，本发明的粒子照射装置30还包括有射程补偿器(Range Compensator)。该射程补偿器安装在第三粒子束370的传输路径上，以使粒子束流都能停止在对应该照射位置的肿瘤靶区50的最深部位，从而实现肿瘤底部的适型。

在本实施例中，该粒子为质子。应该理解，本发明并不局限于采用质子束。由于质子束是粒子放疗界使用最多的粒子，因此质子束在此仅作为示例而非限制，其它粒子束，甚至光子同样适用于本发明，例如碳离子束。

实施例2

与实施例1相同，根据本发明的第二实施例的粒子治疗系统包括粒子加速器、粒子输运装置、粒子照射装置、照射控制装置和病人定位装置，肿瘤靶区定位与该病人定位装置上。如图9所示，粒子照射装置包括平坦化装置360’，该平坦化装置360’包括旋转件363’和遮挡件364’。与实施例1相同的部分在此不再赘述，与实施例1不同的是，遮挡件364’并不是呈现为条形，而是形成为三叶草的形状，其中，遮挡件364’的远离中心轴线的三个自由端形成为连接端364a’，该遮挡件364’的旋转中心364b’刚好位于中心轴线上，该遮挡件364’通过连接端364a’焊接于旋转件363’的内圈上。具体地，该遮挡件364’包括三个遮挡块3641’，3642’和3643’，这三个遮挡块围绕着旋转中心均匀分布，相邻的遮挡块之间的夹角相等。

实施例3

与实施例1相同，根据本发明的第三实施例的粒子治疗系统包括粒子加速器、粒子输运装置、粒子照射装置、照射控制装置和病人定位装置，肿瘤靶区定位与该病人定位装置上。如图10所示，粒子照射装置包括平坦化装置360”，该平坦化装置360”包括驱动件361”，传动件362”，旋转件363”和遮挡件364”。与实施例1相同的部分在此不再赘述，与实施例1不同的是，传动件362”为皮带，使得驱动件361”借助于该皮带带动旋转件363”的转动。

应该理解，更多遮挡块的设置同样可以用在本发明中，在与中心轴线的垂直距离为半径r处，第一遮挡件的第一弧度角arc-angle1(r)，第二遮挡件的第二弧度角arc-angle2(r)，第二遮挡件的第三弧度角arc-angle3(r)，……，第N遮挡件的第N弧度角arc-angleN(r)，遮挡件的弧度角arc-angle(r)为第一弧度角arc-angle1(r)，第二弧度角arc-angle2(r)，第三弧度角arc-angle3(r)、……和第N弧度角arc-angle N(r)的总和。优选地，多个遮挡块均匀分布，即相邻的各遮挡块之间所形成的圆心角相等。显然，在旋转过程中，设置有多个遮挡块的旋转结构更加稳定；在误差相同的情况下，遮挡件的总转数可以比仅设置一个遮挡块时更少，从而降低旋转驱动的性能要求。

另外，应该理解，虽然上述实施例中均包括有用于将粒子束斑扩大到直径为数厘米的散射体，但是该散射体是可以省略的，因为来自于粒子加速器的起始粒子束本身就具有一定的发散角，只要距离足够，同样可以借助于本发明的精神来实现平坦化的要求。而且，虽然上述实施例中的第二粒子束340的横向分布示出为高斯分布F1(r)，但是该高斯分布仅用作示例而非限制，在非高斯分布的情况下，第二粒子束340的横向分布无法直接通过曲线获得，此时可以通过测量实现，最终实现平坦化的要求。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，例如平坦化装置和旋转件之间还可采用公母扣卡接固定，旋转件还可通过其他任何机械或电动传动方式实现旋转等。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (11)

1.一种粒子照射装置，包括：

沿着中心轴线(110a)传输的粒子束流，其包括第二粒子束(340)和第三粒子束(370)；

安装在第三粒子束(370)的传输路径上的准直器(350)，该第三粒子束(370)通过准直器(350)形成与肿瘤靶区(50)对应的照野形状完全一致的二维分布；

其特征在于，

安装在第二粒子束(340)的传输路径上的平坦化装置(360)，该平坦化装置(360)包括围绕中心轴线(110a)可旋转的遮挡件(364)，所述遮挡件(364)包括将所述第二粒子束(340)平坦化形成第三粒子束(370)的N个遮挡块，该遮挡件(364)的旋转中心(364b)位于所述中心轴线(110a)上，其中，N≥2，而且相邻的遮挡块之间所形成的圆心角相等；

该平坦化装置(360)还包括旋转件(363)，旋转件(363)为围绕中心轴线(110a)可旋转的圆环形部件，各遮挡块关于旋转中心(364b)呈中心对称结构，各遮挡块的远离旋转中心(364b)的末端固定连接于该圆环形部件的内圈上；

在与中心轴线(110a)的垂直距离为半径r处，第一遮挡块(3641)具有第一弧度角arc-angle1(r)，第二遮挡块(3642)具有第二弧度角arc-angle2(r)，……，第N遮挡块具有第N弧度角arc-angleN(r)，遮挡件(364)的弧度角arc-angle(r)为第一弧度角arc-angle1(r)、第二弧度角arc-angle2(r)、……和第N弧度角arc-angle N(r)的总和，而且该遮挡件(364)的弧度角arc-angle(r)为360度与挡去比例attenuation(r)的乘积，其中，该挡去比例attenuation(r)是被遮挡件(364)挡掉的粒子数与整个圆周上分布的粒子数的比值。

2.根据权利要求1所述的粒子照射装置，其特征在于，在半径r的径向范围内形成平坦化范围，沿着远离中心轴线(110a)的方向，遮挡件(364)的弧度角arc-angle(r)在平坦化范围内逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的粒子照射装置，其特征在于，该平坦化装置(360)还包括驱动件(361)和传动件(362)，驱动件(361)与旋转件(363)通过传动件(362)相连。

4.根据权利要求3所述的粒子照射装置，其特征在于，所述旋转件(363)与所述传动件(362)啮合。

5.根据权利要求3所述的粒子照射装置，其特征在于，所述传动件为皮带。

6.根据权利要求1所述的粒子照射装置，其特征在于，该粒子束流还包括第一粒子束(320)，该粒子照射装置还包括安装在第一粒子束(320)的传输路径上的散射体(330)，第一粒子束(320)通过散射体(330)散射后形成第二粒子束(340)，该第二粒子束(340)比第一粒子束(320)具有更大的发散角。

7.根据权利要求6所述的粒子照射装置，其特征在于，该粒子照射装置还包括有安装在第一粒子束(320)或第二粒子束(340)的传输路径上的监测器(380)。

8.一种粒子治疗系统，其特征在于，该粒子治疗系统包括根据权利要求1-7中任一项所述的粒子照射装置。

9.根据权利要求8所述的粒子治疗系统，其特征在于，该粒子治疗系统还包括粒子加速器(10)和粒子输运装置(20)，粒子加速器(10)提供起始粒子束(110)，其通过粒子输运装置(20)运送进入粒子照射装置。

10.根据权利要求8所述的粒子治疗系统，其特征在于，该粒子治疗系统还包括安装在第三粒子束(370)的传输路径上的用于调节粒子束流在肿瘤深度方向的剂量分布的脊型过滤器。

11.根据权利要求8所述的粒子治疗系统，其特征在于，该粒子治疗系统还包括安装在第三粒子束(370)的传输路径上的用于使粒子束流停止在对应照射位置的肿瘤靶区(50)的最深部位的射程补偿器。