CN108290052B - 具有能量降级器和消色差最终弯曲系统的粒子治疗机架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可移动机架(2’)，用于使用射束扫描技术传递粒子射束以便例如用于人体组织中的癌症治疗；可移动机架包括：a)入口部段(6)，其用于加速的粒子射束且包括多个四极磁体；b)第一弯曲部段(8)和可选的第二弯曲部段(12)，其包括多个双极磁体和四极磁体以及可选的用于射束校正的另外的磁体；c)传送部段，其包括多个四极磁体和可选的用于射束校正的另外的磁体以及降级器(D)；d)最后的射束弯曲部段(16)，其包括形成消色差部段的多个单独的和/或组合的双极/四极/高阶多极磁体，其中该消色差的最后的弯曲部段(16)的所有磁体均位于降级器(D)的下游；该消色差的最后的弯曲部段(16)中的任何色散被抑制，使得其将具有大于±5％的动量接受度；e)扫描部段(15)，其包括两个单独的或一个组合的快速偏转磁体(K1、K2)，快速偏转磁体使等中心点处的射束沿垂直于射束方向的方向偏转以执行横向扫描；以及f)射束喷嘴部段(18)，其包括射束喷嘴以及可选的射束处理设备，比如另外的射束降级或修改元件和/或与射束质量相关的射束验证元件。安装于机架上的降级器与动量接受度大的机架的射束传输磁体的设计的这种组合产生了增大机架中最后弯曲部段的能量接受度和实现新剂量应用技术的可能性，比如可以在不改变机架中最后弯曲部段的磁场的情况下快速改变患者处的质子能量。

Description

具有能量降级器和消色差最终弯曲系统的粒子治疗机架

技术领域

本发明涉及一种用于使用质子束或者碳离子束或氦离子束快速扫描传递粒子射束以便例如用于人体组织中的癌症治疗的机架。在此提出的用于质子束的情况也适用于任何其他离子束，如碳或氦离子束。

背景技术

在质子治疗中，在组织中就在质子范围结束之前出现的布拉格(Bragg)峰(高剂量峰)被用于在靶组织中沉积高剂量，同时防止健康组织中剂量过高。在扫描笔形射束技术中，在两个横向方向上扫描窄质子束，并且通过调整笔形射束的能量来设定布拉格峰的深度。

在垂直于射束方向的平面中的肿瘤投影的尺寸通常远大于射束直径。通过窄的“笔形射束”的偏转来进行两个横向方向的射束扫描，这项技术在NIRS(参见图2)和LBNL中首次演示，并且临床上在PSI(参见图4的上部)的机架上首次使用。射束在扫描磁体的作用下偏转，扫描磁体通常位于机架中的最终弯曲磁体之前(上游扫描)或之后(下游扫描)，但也存在其他可能性。

布拉格的深度位置通过选择射束能量(动量)来设定。考虑到布拉格峰的宽度，通过以大约5毫米的步长使布拉格峰在肿瘤厚度上移位来进行在肿瘤厚度上扩散剂量。相应的每层所需的动量变化为约1％的量级，大约对应于0.5％的能量变化。该步长尺寸取决于粒子类型，并且对于碳离子而言，该步长尺寸通常可能会减少到1/2。

目前，在许多供手术用的质子治疗设施中，射束由具有固定提取能量的回旋加速器来加速。在回旋加速器设施中，能量通过所谓的降级器——在射束传输系统中插入低Z材料——降低至所需的值。这种系统和下面的磁体应当设计成使得当在肿瘤厚度上全面扩散剂量时，尽可能快地进行能量变化。

为了限制治疗时间，有利的是，通过等待直到产生能量改变而使笔形射束的深度发生变化为止，不会浪费太多时间。本申请稍后将对此进行更详细的论述。

机架是在质子治疗设施射束路线的最后部段支承射束传输系统的机械式可旋转结构。机架的射束传输系统由多个双极磁体和四极磁体构成，这些磁体能够使最大能量约为230-250MeV的质子束或约450MeV/nucl的碳离子弯曲。例如在美国专利No.6,814,694和No.7,348,579中公开的，机架的旋转连同患者台的移动允许从不同方向辐射肿瘤组织。所谓的等中心点是指空间中的机架旋转轴线被来自所有机架方向的射束穿过的共同点。扫描系统使射束相对于瞄准等中心点的中心(未扫描)射束的方向在横向方向上偏转。

每个双极磁体中的射束轨迹的弯曲使具有非标称动量的粒子从射束的标称轴线偏离其轨迹。这种色差现象称为色散，并且通常用所谓的色散函数来描述，表明在通常1％的动量偏移量的情况下粒子从轨迹的光轴的偏离。机架磁体孔的组合以及粒子轨迹的最大振幅决定了机架可接受的最大动量偏差。由于所谓的色差校正，大多数现有机架接受大约±0.5％至1％的动量段。

在本文中，区分了两种所谓的消色差系统。

·全局消色差系统可抑制等中心点处的射束的横向色散和角色散。

·具有局部消色差的系统通过机架内的子磁体组执行色散抑制。

使用局部或全局消色差系统确保了穿过这种系统后的射束位置与能量无关。在现有的机架中，通常应用全局色差校正。

当射束的能量(动量)变化超过机架的动量接受度时，所有的机架磁体都必须进行相应地调整，否则射束将在机架中损失。因为需要进行大约2％的若干个能量步长以覆盖典型的肿瘤厚度，其通常是这种情况。

2011年，ProNova提出了用于质子治疗的超导机架的设计(参见图1)。这种设计由两个弯曲部段组成。每个弯曲部段的光学部分设计成使得该弯曲部段局部消色差。这种机架可以在商业上购得，但是在写的时候临床工作系统还没有实施。在2012年，基于这个机架，在PSI设计了350MeV质子的机架。这种机架设计表现出可通过局部消色差弯曲部段来实现的±3％的动量接受度。对于在机架之前应用线性加速器的计划而言，认为这种已经很大的动量接受度是一种优势。按照其计划被应用的方式，这将导致传统机架设计的动量扩散过大，但对于PSI的设计是可接受的。

发明内容

因此，具有大的动量接受度的用于粒子治疗的机架是本发明的目的之一。

根据本发明，该目的通过一种用于利用射束扫描技术传递粒子射束的可移动机架来实现，该可移动机架例如用于人体组织中的癌症治疗；该可移动机架包括：

a)入口部段，所述入口部段用于加速的粒子射束且包括多个四极磁体；

b)第一弯曲部段和可选的第二弯曲部段，所述第一弯曲部和所述可选的第二弯曲部包括多个双极磁体和四极磁体以及可选的用于射束校正的另外的磁体；

c)传送部段，所述传送部段包括多个四极磁体和可选的用于射束校正的另外的磁体以及降级器；

d)最后的射束弯曲部段，所述最后的射束弯曲部段包括形成消色差部段的多个单独的和/或组合的双极/四极/高阶多极磁体，其中，该消色差的最后的弯曲部段的所有磁体均位于所述降级器的下游；该消色差的最后的弯曲部段中的任何色散被抑制，使得该消色差的最后的弯曲部段将具有大于±5％的动量接受度；

e)扫描部段，所述扫描部段包括两个单独的或一个组合的快速偏转磁体，所述快速偏转磁体使等中心点处的射束沿垂直于射束方向的方向偏转以执行横向扫描；以及

f)射束喷嘴部段，所述射束喷嘴部段包括射束喷嘴以及可选的射束处理设备，所述射束处理设备比如为另外的射束降级或修改元件和/或与射束质量相关的射束验证元件。

假设机架的最后的弯曲系统具有有足够的动量接受度的局部消色差，本发明的第二部分是将该特征结合至安装在机架上的位于该最后的弯曲系统之前的位置处的降级器。进入患者体内的射束的能量由降级器设定。以下系统的包括磁体和准直系统的设置的射束光学被设计成使得下述项的组合不会导致弯曲系统中的射束损失：

·降级器之后的射束能量(在一定范围内)

·由降级器造成的动量分散

·在弯曲系统之前或弯曲系统中通过最终扫描磁体对射束的偏转

·降级器之后的准直器对发射度的限制。

降级器之前存在准直器来控制降级器入口处的射束尺寸和射束位置。降级器之后存在准直系统来将降级器之后的射束发射度控制为使射束与机架系统中后面的磁体的接受度相匹配的值，并调整机架出口处的笔形射束的横截面。

通过使用局部消色差弯曲部段，可以使根据本发明的机架的动量接受度比全局消色差系统大得多，例如为+/-15％。因此，本发明所实现的第二目的是根据本发明的机架中的磁体在射束能量改变时不必改变磁体的磁场。然后可以用一个磁场配置覆盖许多肿瘤厚度。使能量发生改变所需的时间于是取决于局部消色差弯曲之前的降级器系统的机制并且取决于聚焦磁体的一些小的能量相关的校正。

在机架的优选实施方式中，扫描部段可定位在最后的射束弯曲部段的上游或最后的射束弯曲部段内或最后的射束弯曲部段的下游。此外，准直器或准直器系统可定位在降级器的下游。

为了允许在粒子治疗的传递过程中也能访问定位在机架的等中心点的患者台，机架可以通过射束传输路线的最后部段的一个或多个部分的旋转或移位(或旋转和移位的组合)来定向。

本发明的其他优选实施方式在以下描述中列出。

在机架的优选实施方式中，第一弯曲部段可以形成另一消色差部段或若干消色差部段的组合。

在机架的优选实施方式中，机架能够绕纵向轴线旋转。

在机架的优选实施方式中，机架能够绕与粒子射束进入机架的方向垂直的水平轴线旋转。

在机架的优选实施方式中，可移动机架还可以包括第二弯曲部段，第二弯曲部段具有多个双极磁体和四极磁体；其中，第一弯曲部段和第二弯曲部段可以具有用于射束校正的另外的磁体；其中，传送部段具有用于射束校正的另外的磁体；并且其中，射束喷嘴部段还具有射束处理设备，射束处理设备选自包括另外的射束降级或修改元件和与射束质量相关的射束验证元件的组。

附图说明

在下文中参照如下描绘的附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示意了ProNova超导SC360机架的布局；

图2示意了NIRS超导碳离子机架的布局；

图3示意了扫描磁体位于最终弯曲磁体的上游(左侧)或下游(右侧)的布局；

图4示意性地示出了PSI机架2(上部)和根据本发明的每个弯曲部段中具有局部消色差且具有降级器的机架的示例(下部)以及它们的尺寸；

图5示出图4的下部部分中示出的机架的射束光学的传输模拟结果；以及

图6示出在以下三种情况下机架的在准直点Col2之后的射束光学：

上部：磁体设定为与射束动量对应的值，

中部：磁体设定为比与射束动量对应的值大10％，以及

下部：磁体设定为比与射束动量对应的值大10％并且Col2处的射束发散度为21mrad。

具体实施方式

基于以上具体说明的要求的机架的射束光学设计的可能选择已经被开发出来并在下文中进行更详细的描述。

PSI的机架2的布局已被用作在此讨论的这种类型的机架设计的模板。图4示出了与PSI“机架2”(上部)相比根据本发明的机架2’(下部)的布局。在图4中，关于PSI“机架2”，示出了三个双极磁体D1、D2和D3、七个四极磁体Q1至Q7以及两个冲击磁体K1，K2。在图4的下部中，关于机架2’的新设计，设置了四极磁体Q1至Q8、组合功能磁体(双极磁体和四极磁体)C1至C11以及扫描磁体K1和K2。在这两种设计中，均具有两个60°的弯曲部段8、12和最后一个90°的弯曲部段16。然而，在机架2’中，弯曲部段8、12、16包括具有重叠的双极场和四极场的若干个随后的组合功能磁体C1至C11。此外，该设计在弯曲部段(8、12)之前以及弯曲部段(8、12)之间包含八个四极磁体Q1至Q8。另外，增加了第一准直器Col1和第二准直器Col2以及布置在第二准直器Col2上游的降级器D。如图4的下部所示，机架2’整体可绕z轴旋转。

扫描在最后的弯曲部段16的上游实施，需要最后的弯曲磁体C7至C11具有相对较大的孔。根据磁体C1至C11，机架2的尺寸大约为半径3.0米，长度8.5米。

根据本发明，考虑在机架2’(参见下部)的设计中在最后的弯曲部段16之前安装降级器D。为了获得良好的射束传输，射束在进入降级器D时应该具有较小的直径。第一准直器Col1布置在耦接点6处。在机架2’的入口处的耦接点6处的所述第一准直器Col1的圆形准直器孔成像至第二准直器Col2，该第二准直器Col2布置在第二弯曲部段12和第三弯曲部段16之间的降级器D的下游。在该第二准直器Col2处的(1σ)射束尺寸是1.25mm×1.25mm。从该第二准直器Col2到等中心点点对点成像，使得等中心点处的一阶射束点尺寸为2.5mm×2.5mm(1σ)。

如上所述，大多数现有机架整体是消色差的，但通常在每个单独的弯曲部段内不会恢复消色差(全程消色差)。因此，机架内的色散可能变得非常大。这限制了全局消色差系统的动量接受度。在上面给出的机架设计的示例中，每个弯曲部段8、12、16本身是消色差的(“局部消色差”)。在这种情况下，色散函数永远不会达到很高的值。利用此特点，在此提出的机架设计具有大于±10％的动量接受度。这意味着，在超导磁体中的电流没有发生变化的情况下，具有高达±10％的动量偏差(对应于几乎±20％的能量偏差)的射束仍然可以穿过机架磁体的孔和真空管。

降级器D在此位置处的优点是射束尺寸小，使得将(例如碳)降级器板转移到射束轨迹中可以仅在几毫秒内完成。这将允许非常快的能量变化。

在此提出的设计中，射束在第二准直器Col2的位置处形成束腰，第二准直器Col2设计成在强聚焦的作用下射束发散度高，使得降级器D不会太强烈地增大射束发散度。

设计中的另一种可能性是扫描磁体的另一种定位。

扫描磁体可位于最后的弯曲部段16之内或之后。可能的优点可以是最后的弯曲部段16中可使用孔较小的磁体，而不会降低动量接受度。

机架2’以巧妙的方式结合现有的射束处理方法，从而为机架中的射束光学提供新的选择。这些包括在每单个弯曲部段内具有强色散抑制。局部色散抑制使沿着机架2’的整个射束路线保持低的色散最大值。在本发明中，这种特性被用于接受非常大的能量扩展，以便能够传输能量调制的射束而不用调整弯曲场。这样实现了非常快的射束能量调制，而这在质子治疗中是重要的优势。

Claims (7)

1.一种可移动机架(2’)，所述可移动机架(2’)用于使用射束扫描技术传递粒子射束，所述可移动机架(2’)包括：

a)入口部段(6)，所述入口部段(6)用于加速的粒子射束且具有多个四极磁体；

b)第一弯曲部段(8)，所述第一弯曲部(8)具有多个双极磁体和四极磁体用于射束校正；

c)传送部段，所述传送部段包括多个所述四极磁体用于射束校正以及降级器(D)；

d)最后的射束弯曲部段(16)，所述最后的射束弯曲部段(16)具有形成消色差部段的多个单独的和/或组合的双极/四极/高阶多极磁体，其中，所述消色差部段的所有所述磁体均位于所述降级器(D)的下游；所述消色差部段中的任何色散被抑制，使得散射具有大于±5％的动量接受度；

e)扫描部段(15)，所述扫描部段(15)包括两个单独的或一个组合的快速偏转磁体(K1、K2)，所述快速偏转磁体(K1、K2)使等中心点处的粒子射束沿垂直于射束方向的方向偏转以执行横向扫描；以及

f)射束喷嘴部段(18)，所述射束喷嘴部段(18)具有射束喷嘴。

2.根据权利要求1所述的机架(2’)，还包括设置在所述降级器(D)的下游的准直器或准直器系统(Col2)。

3.根据权利要求1所述的机架(2’)，其中，所述扫描部段(15)布置在所述最后的射束弯曲部段(16)的上游或布置在所述最后的射束弯曲部段(16)内或布置在所述最后的射束弯曲部段(16)的下游。

4.根据权利要求1所述的机架(2’)，其中：所述第一弯曲部段(8)形成另一消色差部段或若干消色差部段的组合。

5.根据权利要求1所述的机架(2’)，其中，所述机架(2’)能够绕纵向轴线(z轴)旋转。

6.根据权利要求1所述的机架(2’)，其中，所述机架(2')能够绕与所述粒子射束进入所述机架的方向垂直的水平轴线(x轴)旋转。

7.根据权利要求1所述的机架(2’)，还包括第二弯曲部段，所述第二弯曲部段具有多个所述双极磁体和四极磁体；

其中，所述第一弯曲部段和所述第二弯曲部段具有用于射束校正的另外的磁体；

其中，所述传送部段具有用于射束校正的另外的磁体；并且

其中，所述射束喷嘴部段还具有射束处理设备，所述射束处理设备选自包括另外的射束降级或修改元件和与射束质量相关的射束验证元件的组。

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