CN108369265B - 用于质子治疗的可旋转磁体 - Google Patents
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Abstract
下文总体涉及使用磁共振(MR)成像作为辐射治疗中的引导，并且更具体涉及使用MR成像作为质子治疗中的引导。在一些实施例中，低温杜瓦瓶被提供有允许来自质子射束源的质子射束穿过的多个通道。所述质子射束可以首先与第一通道对齐，并且所述杜瓦瓶然后可以连同所述质子射束被旋转。所述杜瓦瓶然后可以被旋转以将第二通道与所述质子射束对齐。
Description
背景技术
下文总体涉及使用磁共振(MR)成像作为辐射治疗中的引导、使用MR成像作为质子治疗中的引导，等等。
在断层摄影X射线辐射治疗中，磁共振(MR)成像有时被用于提供针对治疗流程的图像引导。插入MR成像设备产生了X射线束强度的大(例如，～40％)的损耗以及一些X射线散射的可能。
当前，质子治疗通常是在没有通过任何模态的成像进行监测的情况下执行的。质子治疗的实时图像监测可以用于各种目的，诸如辅助将肿瘤定位在治疗系统中、检测并且可能地校正归因于呼吸的患者运动、执行会话特异性治疗计划调节、对治疗会话归档等。MR成像特别适用于这一点，因为其能够提供实现对肿瘤和相邻临界结构进行成像的软组织对比度。然而，质子射束甚至比X射线束更受插入的MR设备强的影响，因为质子射束不能够穿透超导MR磁体的冷护罩并且还被磁场偏转。
下文提供了克服上文所提到的问题和其他问题的新的并且经改进的系统和方法。
发明内容
在一个方面中，一种具有圆柱轴的水平孔膛磁体，包括：低温杜瓦瓶，其具有外圆柱壁和内圆柱壁以及低温流体室(plenum)，所述外圆柱壁和所述内圆柱壁被相对于所述圆柱轴同轴地布置，所述低温流体室被定义在所述外圆柱壁与所述内圆柱壁之间，所述内圆柱壁围绕磁体孔膛；环形磁体绕组，其被设置在所述低温流体室中；以及至少一个径向通道，其具有利用所述低温杜瓦瓶的所述外圆柱壁密封的外端以及利用所述低温杜瓦瓶的所述内圆柱壁密封的内端，所述至少一个通道径向地穿过所述杜瓦瓶。所述至少一个径向通道可以包括径向地穿过所述杜瓦瓶的多个径向通道。所述径向通道可以是弯曲的以考虑
力使穿过所述通道的质子射束偏转。所述低温杜瓦瓶可以是液氦杜瓦瓶，所述低温流体室可以是液氦室，并且所述环形磁体绕组可以是超导磁体绕组。所述通道可以被填充空气。所述通道可以被排空空气。所述通道可以被填充有具有小于空气的密度的气体，并且所述通道可以被密封。所述水平孔膛磁体还可以包括机械旋转系统，所述机械旋转系统包括电机，所述电机被布置成使所述杜瓦瓶在至少360°/N的角度上关于所述圆柱轴旋转，其中，N是通道的数量。所述环形磁体绕组可以与所述低温杜瓦瓶被固定作为一单元，并且所述机械旋转系统使所述环形磁体绕组和所述低温杜瓦瓶作为一单元来旋转；备选地，所述环形磁体绕组可以与所述低温杜瓦瓶被分离地支撑，并且所述机械旋转系统使所述低温杜瓦瓶旋转，同时所述环形磁体绕组保持静止。余弦函数可以被用于使所述杜瓦瓶的旋转的停止平稳。
在另一方面中，一种磁共振(MR)成像系统，包括：水平孔膛磁体，其包括低温杜瓦瓶，所述低温杜瓦瓶具有朝向所述低温杜瓦瓶的圆柱轴穿过所述杜瓦瓶的多个通道。所述MR成像系统还可以包括机械旋转系统，所述机械旋转系统被配置为使所述杜瓦瓶旋转。所述机械旋转系统可以被编程为控制所述杜瓦瓶的旋转，使得所述杜瓦瓶与围绕所述圆柱轴以断层摄影的方式转动的质子射束同步地旋转。所述通道可以根据质子上的
力而弯曲。所述通道可以是填充空气的通道。所述通道可以填充有具有小于空气的密度的气体，并且所述通道可以被密封。
在另一方面中，一种磁共振(MR)成像的方法可以结合MR设备来执行，所述MR设备包括：磁体绕组，其生成用于MR成像的磁场；以及低温杜瓦瓶，其包含所述磁体绕组，所述低温杜瓦瓶包括径向地穿过所述低温杜瓦瓶的至少一个通道；所述方法包括：在第一旋转期间，在第一方向上使所述低温杜瓦瓶旋转，同时质子射束朝向所述杜瓦瓶的中心轴穿过所述低温杜瓦瓶的第一通道。所述方法还可以包括在完成所述第一旋转之后执行的第二旋转期间，在与所述第一方向相反的第二方向上使所述低温杜瓦瓶旋转以将所述杜瓦瓶的第二通道与所述质子射束对齐。所述方法还可以包括所述磁性绕组与所述低温杜瓦瓶被固定，使得所述旋转使所述低温杜瓦瓶和所述磁性绕组一起作为一单元来旋转。所述方法还可以包括所述第一旋转在静态调强(step-and-shoot)操作中被执行，在所述静态调强操作中，所述质子射束随着在每个增量角位置处执行的辐照扫描而以增量来步进。
一个优点在于辐射治疗的更好的靶向。
另一优点在于具有更好均匀性的磁场的MRI系统。
在阅读和理解了本公开之后，其他优点对于本领域普通技术人员而言将变得明显。将理解，特定实施例可以不实现这些优点中的任意优点，可以实现这些优点中的一个、两个、两个以上或全部优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤安排的形式。附图仅仅是出于图示优选实施例的目的，而不应当被解释为对本发明的限制。
图1图示了具有八个通道的实施例；
图2图示了机架的截面的实施例；并且
图3图示了在本文中所描述的方法的实施例。
具体实施方式
为了解决被用于监测辐射治疗的MR成像设备中的辐射吸收的问题，所公开的方法通过提供对磁体进行冷却的低温(例如，液氦，LHe)杜瓦瓶来提供若干通道。在本文中该方法利用以下认识：磁体绕组要么在磁体的中心平面处不包括中心绕组分段，要么在存在中心绕组分段的情况下利用相对大的间隙围绕孔膛将其间隔开，例如，通常在相邻分段之间为至少10cm。在本文中所公开的实施例中，添加穿过低温杜瓦瓶的通道。在未修改磁性线圈布局设计的情况下、或者在仅最小修改(诸如添加匀场以补偿由穿过低温冷却介质的填充空气的通道所引入的任何磁场失真)的情况下，能够添加这些通道。
在本文中所公开的说明性实施例中，质子治疗被认为是辐射治疗模态。然而，将意识到，所公开的方法能够与其他类型的辐射治疗一起使用，诸如X射线辐射治疗或重离子治疗，其中，所公开的通道能够减少或消除介入MR成像设备中的辐射损耗和/或散射。在说明性实施例中，所述磁体是由液氦(LHe)杜瓦瓶冷却的水平孔膛超导磁体，但是在其他实施例中，低温流体可以是另一种类型的冷却剂。
在一个实施例中，所述通道具有小截面，其对于消除或最小化对磁体性能的影响是有利的。在这样的实施例中，为了获得针对质子射束的360°角覆盖，LHe杜瓦瓶关于其水平轴被旋转。例如，如果存在以围绕孔膛的360°/8＝45°间隔被间隔开的八个通道，那么质子治疗可以被如下地执行：将质子射束与第一通道对齐，执行45°弧的辐射治疗角幅，同时在每个角幅之间使LHe杜瓦瓶与角射束移动同步的旋转，然后遮蔽质子射束并且使杜瓦瓶旋转回到其开始位置，由此将射束与第二通道对齐，并且重复以便连续地覆盖45°×8＝360°。
图1和图2图示了根据该说明性八通道方法的水平孔膛磁体设计的中心部分。参考其，所述磁体的水平孔膛连同所述磁体的中心面101(仅在图2中指示)被指示为圆柱轴100。所述水平孔膛磁体通常关于圆柱轴100旋转对称并且关于中心面101两侧对称。在图1中，示出了环形磁性绕组分段102、103，通道104，以及LHe杜瓦瓶106。在图1中仅示出了两个最中心的磁体绕组分段102，但是如在图2中所示的，所述磁体可以包括更远离所述磁体的中心面101定位的额外的绕组分段103。低温杜瓦瓶106包括通过端壁113在其末端处被密封的外圆柱壁110和内圆柱壁112(在图2中看到的一个)。在这些壁110、112、113之间定义圆柱形LHe室114。超导磁体绕组102、103被设置在LHe室114中，LHe室114(几乎)被充满液氦，使得超导磁体绕组102、103被浸在液氦中以在操作电流处将绕组102、103维持在低于针对绕组材料的超导转变温度的温度处。尽管在图解性的图1中未示出，但是圆柱壁110、112可以包括额外的热隔离结构，诸如限定液氮的一个或多个圆柱室和/或与常规低温杜瓦瓶设计相一致的真空套，并且同样适用于端壁113。
径向地定向的通道104在内部包含空气，并且通道104的外壁被浸在低温杜瓦瓶106中所包含的液氦中。每个通道104的外端和内端各自被密封(例如，熔焊)到低温杜瓦瓶106的外圆柱壁110和内圆柱壁112，以便防止在这些接口处的液氦的泄露。如再次在图解性的图1中未示出的，将理解，通道104的壁包括任意额外的热隔离结构，诸如限定液氮和/或真空套的已经提到的一个或多个室。
所述磁体的内圆柱壁112围绕检查区域116，有时被称为水平孔膛设计中的孔膛116。在图1和图2中未示出典型MR成像设备的其他部件，诸如圆柱形磁场x、y和z梯度线圈。在典型的水平孔膛设计中，所述磁场梯度线圈是圆柱形部件，其以圆柱轴100为中心，被布置为同轴地定位于内圆柱壁112内部并且在一些实施例中被固定到内圆柱壁112。(注意，对于水平孔膛MR成像设备而言，z方向常规地被指定为与圆柱孔膛100相符合，并且x和y方向相对于彼此并且相对于z轴横向)。全身射频(RF)线圈也可以被同轴地被布置在磁体的内壁112内部，和/或一个或多个局部线圈(例如，头部线圈、肢体线圈、躯干线圈)可以被用于生成和/或接收磁共振信号。
如仅在图2中图解性地指示的，机械旋转系统(诸如说明性电机118和齿轮(未示出)以及圆柱轴承布置119)被提供用于至少在足以实现针对每个通道104的期望的辐射治疗角覆盖的范围上能控制地旋转所述磁体。在具有八个通道104的说明性实施例中，机械旋转系统118、119应当提供关于圆柱轴110要被旋转至少360°/8＝45°的磁体。将意识到，适当的最小旋转将取决于通道的数量，例如，如果存在仅六个通道，那么所述机械旋转系统应当提供关于圆柱轴100要被旋转至少360°/6＝60°的磁体；然而，如果存在十个通道，那么所述机械旋转系统应当提供关于圆柱轴100要被旋转至少360°/10＝36°的磁体。在一些实施例中，所述磁体的旋转角是由角位置编码器(现在未示出)来监测的，所述角位置编码器诸如是被布置为读取被印制在磁体孔膛上的基准标记的光学编码器。尽管未示出，但是将意识到，机械旋转系统118、119以及可选的位置编码器与辐射治疗控制器能操作地通信，所述辐射治疗控制器例如是被编程为控制辐射治疗射束递送装置以及还有电机118的计算机，以提供质子射束的定位与当前最接近于射束的通道104的位置之间的同步。
在一个实施例中，环形磁体绕组102、103与低温杜瓦瓶106被固定作为一单元，并且机械旋转系统118、119使杜瓦瓶106和磁体绕组102、103作为一单元旋转。尽管该布置是优选的，但是备选地设想到了与杜瓦瓶106分离地支撑环形磁体绕组102、103，在该情况下，机械旋转系统118、119旋转杜瓦瓶106，同时磁体绕组102、103保持静止。
在另一实施例中，所述通道具有足够大的角跨度，使得各通道之间的闭合区域具有忽略的宽度。在这种情况下，没有杜瓦瓶106的旋转是必要的，即便具有角覆盖的一些损耗。在这些实施例中，N个通道被加宽到各通道之间的N个区域(包括辐射吸收杜瓦瓶部分)足够小以也不是太辐射限制的，使得能够一起避免磁体的旋转。还设想到了各种“混合”设计，其中，通道104具有足够的角跨度以减少而不是消除使磁体旋转的需要。
在一个实施例中，存在仅单个通道，但是在这种情况下，为了提供针对辐射治疗的全360°角覆盖，杜瓦瓶106可能需要被旋转几乎全360°。两个通道可以将这减少到更容易实现的180°，并且添加更多通道进一步减少必要的角旋转跨度(例如，在说明性范例中的8个通道将角旋转减少到45°)。如果辐射治疗要在较小的角范围(例如，180°)上施加，则较少的通道或者甚至单个通道可以是适当的。
应当注意，减少或消除对磁体的旋转是有利的，因为低温系统(例如，流体力学系统)中的机制可以依赖于重力而不相对于其本地坐标系改变。因此，在本文中所公开的技术的一个优点是减少或消除了旋转。期望减少或消除旋转的另一原因是由于关于在旋转时维持均匀磁场的问题。
所公开的技术对于质子治疗是最有用的，并且也适用于其他形式的辐射治疗，诸如X射线辐射治疗或重离子治疗。由于质子是带电粒子，因而将存在归因于由MR磁体产生的磁场的一些射束偏转，尤其是在质子能量在治疗范围的下端处的情况下。偏转力能够被表达为
其中，q是质子电荷，
是质子速度，并且
是由MR磁体所生成的磁场。在一些实施例中，通道被设想为圆弧的或弯曲的，如根据由质子上的
力所引入的射束曲率针对图2中的一个通道图解性地指示的。通道直径也可以被控制为容纳归因于该力的射束偏转。
在质子治疗中，质子停止的位置是其沉积其大多数能量的位置。并且，质子在患者体内行进的深度(例如，其中，质子递送其用于处置的大多数能量)至少部分地由射束能量来控制。例如，较高能量的质子射束将比较低能量的射束在患者体内的更大深度处递送治疗，并且这可以被用于帮助靶向处置。另外，可能需要在靶向处置时考虑患者移动。例如，患者的呼吸和肋骨的位置可能需要被考虑。这样的患者移动可以由MR成像来监测。
如先前所提到的，通道104被填充空气。在这种情况下，将存在归因于质子-空气相互作用的一些射束强度损耗和/或散射。变型实施例包括排空所述通道104(其然后被密封以保持真空)以减少归因于质子-空气相互作用的能量损耗/散射。在相似的变型中，经密封的通道104被反填充氦气或者具有小于空气的密度的另一种气体。如先前所提到的，可以任选地添加针对可以由旋转的磁体的不同角位置所引入的任何磁场不均匀性而经验地校准的有源磁体匀场线圈。设计变型的另一源是否是梯度线圈和全身RF线圈(如果存在)被安装以与LHe杜瓦瓶106一起旋转。如果这些部件旋转，则可以添加额外的有源B1和/或RF匀场以补偿这些部件的旋转。还将意识到，任何这样的部件应当相对于通道104来布置，以便避免使这些部件干扰质子射束。
存在关于磁体和机架的相对旋转的许多自由度。最大磁体旋转角能够取决于通道的数量和大小而变化。同样地，旋转部件的角速度函数能够被设计为通过选取平稳来消除突发的运动，例如使用停止位置周围的(凸起的)类似余弦的函数。
磁性绕组分段102之间的范例距离是10cm。尽管设想到了其他材料，但是被用于制造低温恒温器壁的材料的范例是不锈钢和铝。质子源的范例是回旋加速器。
图3图示了使用在本文中所公开的MR成像设备适合地执行的质子治疗方法的实施例。参考其，在步骤310中，在第一旋转期间，低温杜瓦瓶(106)在第一方向上旋转，同时质子射束穿过第一通道(104)。这能够在静态调强模式中完成，例如，射束可以随着在每个增量角位置处执行的辐照扫描以5°增量步进。在步骤320中，质子射束的快门被关闭。在步骤330中，在第二旋转期间，低温杜瓦瓶(106)在与第一方向相反的第二方向上旋转以将第二通道(104)与质子射束对齐。在步骤340中，质子射束快门被打开，使得质子射束可以穿过第二通道(104)。应当注意，可以重复步骤310-340，使得质子射束具有对靶的全360°访问。
当然，在阅读并理解来前述描述之后，他人将设想到修改和变型。本发明旨在被理解为包括所有这样的修改和变型，只要其落入权利要求书或其等价方案的范围之内。
Claims (16)
1.一种具有圆柱轴(100)的水平孔膛磁体，所述水平孔膛磁体包括：
低温杜瓦瓶(106)，其具有外圆柱壁(110)和内圆柱壁(112)以及低温流体室(114)，所述外圆柱壁和所述内圆柱壁被相对于所述圆柱轴(100)同轴地布置，所述低温流体室被定义在所述外圆柱壁(110)与所述内圆柱壁(112)之间，所述内圆柱壁围绕磁体孔膛(116)；
环形磁体绕组(102、103)，其被设置在所述低温流体室中；以及
至少一个径向通道(104)，其具有利用所述低温杜瓦瓶的所述外圆柱壁密封的外端以及利用所述低温杜瓦瓶的所述内圆柱壁密封的内端，所述至少一个通道径向地穿过所述杜瓦瓶(106)并被布置为减少MR成像设备中的辐射损耗和/或散射。
2.根据权利要求1所述的水平孔膛磁体，其中，所述至少一个径向通道(104)包括多个径向通道并被弯曲以考虑
力使穿过所述通道的质子射束偏转，其中q是质子电荷，
是质子速度，并且
是由磁体生成的磁场。
3.根据权利要求1或2所述的水平孔膛磁体，其中，所述至少一个径向通道(104)被填充空气。
4.根据权利要求1或2所述的水平孔膛磁体，其中，所述至少一个径向通道(104)被排空空气。
5.根据权利要求1或2所述的水平孔膛磁体，其中，所述至少一个径向通道(104)被填充有具有小于空气的密度的气体，并且所述至少一个径向通道(104)被密封。
6.根据权利要求1或2所述的水平孔膛磁体，还包括机械旋转系统(118、119)，所述机械旋转系统包括电机(118)，所述电机被布置为使所述杜瓦瓶(106)在至少360°/N的角上关于所述圆柱轴(100)旋转，其中，N是通道(104)的数量。
7.根据权利要求6所述的水平孔膛磁体，其中，以下中的一项：
所述环形磁体绕组(102、103)与所述低温杜瓦瓶(106)被固定作为一单元，并且所述机械旋转系统(118、119)使所述环形磁体绕组和所述低温杜瓦瓶(106)作为一单元旋转；和
所述环形磁体绕组(102、103)与所述低温杜瓦瓶(106)被分离地支撑，并且所述机械旋转系统(118、119)使所述低温杜瓦瓶旋转，同时所述环形磁体绕组保持静止。
8.根据权利要求1或2所述的水平孔膛磁体，其中，余弦函数被用于使所述杜瓦瓶(106)的旋转的停止平稳。
9.一种磁共振MR成像系统，包括：
水平孔膛磁体，其包括低温杜瓦瓶(106)，所述低温杜瓦瓶具有朝向所述低温杜瓦瓶(106)的圆柱轴(100)穿过所述杜瓦瓶(106)的并被布置为减少所述MR成像系统中的辐射损耗和/或散射的多个通道(104)；以及
机械旋转系统(118、119)，其被配置为使所述杜瓦瓶(106)旋转。
10.根据权利要求9所述的MR成像系统，其中，所述机械旋转系统(118、119)被编程为控制所述杜瓦瓶(106)的旋转，使得所述杜瓦瓶(106)与围绕所述圆柱轴(100)以断层摄影的方式转动的质子射束同步地旋转。
11.根据权利要求10所述的MR成像系统，其中，所述通道(104)根据质子上的
力被弯曲，其中q是质子电荷，
是质子速度，并且
是由磁体生成的磁场。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的MR成像系统，其中，所述通道(104)被填充有具有小于空气的密度的气体，并且所述通道(104)被密封。
13.一种结合MR设备执行的磁共振MR成像的方法，所述MR设备包括：磁体绕组(102、103)，其生成用于MR成像的磁场；以及低温杜瓦瓶(106)，其包含所述磁体绕组，所述低温杜瓦瓶包括径向地穿过所述低温杜瓦瓶的并被布置为减少所述MR设备中的辐射损耗和/或散射的至少一个通道(104)，所述方法包括：
在第一旋转期间，在第一方向上使所述低温杜瓦瓶(106)旋转，同时质子射束朝向所述杜瓦瓶(106)的中心轴(100)穿过所述低温杜瓦瓶(106)的第一通道(104)。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在完成所述第一旋转之后执行的第二旋转期间，在与所述第一方向相反的第二方向上使所述低温杜瓦瓶(106)旋转以将所述杜瓦瓶(106)的第二通道(104)与所述质子射束对齐。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述磁体绕组(102、103)与所述低温杜瓦瓶(106)被固定，使得所述旋转使所述低温杜瓦瓶和所述磁体绕组一起作为一单元而旋转。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述第一旋转是在静态调强操作中执行的，在所述静态调强操作中，所述质子射束随着在每个增量角位置处执行的辐照扫描而以增量步进。
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