CN109499019A - 机载于可转动龙门架上的具有能量选择的紧凑的质子治疗系统 - Google Patents

Abstract

用于提供用于放射治疗的粒子束的具有紧凑设计并且适合于单个治疗室的系统和装置。该放射系统包括通过束线组件耦合到旋转龙门架组件的固定回旋加速器。该系统配备有安装在旋转龙门架组件上并且承担射束能量选择和射束偏向的双重功能的双极磁体的单个集合。能量降能器可以暴露于气压。该束线组件包括通过暴露于环境压力的中间分段彼此分离的转动分段和固定分段。

Description

机载于可转动龙门架上的具有能量选择的紧凑的质子治疗 系统

本申请是于2014年3月7日提出的、申请号为201480022491.8、发明名称为“机载于可转动龙门架上的具有能量选择的紧凑的质子治疗系统”的中国发明专利申请的分案申请。

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

在典型的例如用于肿瘤放射(radiation)治疗的质子治疗系统中，在特定的能量水平中在回旋加速器或同步加速器中产生质子束，可以借助于能量选择将特定的能量水平调节为规定的能量水平，规定的能量水平然后经由射束(beam)传输系统被提供给治疗台。这样的治疗系统包括用于以特定的能量水平提供粒子束的粒子加速器，诸如回旋加速器或同步加速器。射束传输系统可以调节和向放射台提供粒子束。在射束传输系统的端部，与放射喷嘴(nozzle)相关联的转动(rotate)龙门架(gantry)将射束递送到在操作期间由照射(irradiation)台支承的固定位置的照射对象(例如患者的肿瘤)上。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离子射束。

通常，从加速器输出的射束具有固定能量，例如250MeV。取决于患者的情况的诊断，例如，要治疗的肿瘤的深度，不同患者规定有不同深度剂量的放射。能量选择系统(ESS)通常用于将固定能量调节为规定能量，例如170MeV。传统上，ESS包括用于粗略减弱(attenuate)射束能量的能量降能器(degrader)，其后是专用于通过对由于能量降能器而产生的不期望的横向发射度(emittance)、动量扩散和能量扩散进行滤波来实现精细能量选择的能量选择双极磁体的集合。传输系统还包括用于射束会聚和转向(steering)目的的多个其它磁体。

由于用于购买和维护这样的放射系统的高成本，医疗设施通常使用一个加速器用于多个治疗台，因此用于加速器设施的高的支出被分配。图1图示根据现有技术的适应提供用于多个治疗台的质子射束的质子放射系统100的医疗设施的配置。系统100包括位于专用室110中的单个固定回旋加速器101、布置在束线的真空部件中的碳楔形(wedge)能量降能器102、用于每个治疗室131和132的龙门架121和122、以及ESS、用于会聚(focus)射束(例如104)的四极磁体的若干集合以及从回旋加速器向相应治疗室(例如131和132)引导质子束的弯曲磁体的多个集合。如所示，这一系统的ESS包括碳楔形降能器102、以及具有位于其间的能量狭缝(slit，未明确示出)的两个双极磁体105和106。双极磁体105和106位于加速器101附近并且专用于选择性地传递具有目标能量的粒子。

为了向位于与加速器室110有关的各个地方的不同室供应粒子束，系统100配备有长的束线(例如111和112)，其中双极磁体用于沿着不同的路径改变射束方向。例如双极107和108用于将粒子束重引导到室110中。双极141在龙门架121的入口以45°弯曲射束。另一双极142以135°并且朝着等中心点(isocenter)弯曲射束。龙门架中的两个双极141和142共同以90°从束线111弯曲射束。

虽然使用多台单旋转加速器系统在分配用于大型医疗设施的成本方面很有效，然而用于这样的多龙门架系统的总体成本对于可以仅需要一个治疗台的更小的设施可以过分地高。另外，一些多台系统不支持多个台中的同时治疗。这产生另外的优点：一个治疗台的延迟可以引起另一台处的延迟。在传统的质子放射系统中的昂贵因素中，双极磁体消耗与医疗设施中受限且有价值的制造、安装、控制、维护和空间相关联的显著的支出。

另外，连接到固定回旋加速器和转动龙门架，束线管包括可以连同龙门架转动的转动部分以及产生回旋加速的固定或非转动部分，这两个部分通常在10E-05毫巴范围内的连续低压力(真空)下来维护。传统上，在束线的固定部分与束线的转动部分之间的束线连接处使用转动真空密封以在转动期间保持管子与外部空气密封隔离。

发明内容

因此，可以有利的是，提供具有减小的成本和尺寸并且可用于单室质子治疗设施的紧凑的质子放射系统。因此，本公开内容的实施例有利地提供放射系统，该放射系统使用龙门架上的双极磁体的集合用于能量选择和重引导粒子束这两个目的。通过将能量选择磁体集成到龙门架上，而非在束线的专用部分中，可以有利地减小成本和空间消耗，使得系统适合用于紧凑的单室设计。本公开内容的实施例还通过将能量降能器放置在大气中以及通过使用在束线的固定部分与转动部分之间的连结(joint)处的空气间隙代替真空密封来简化质子放射系统。

在本公开内容的一个实施例中，一种用于使用预定能量的粒子束照射照射对象的放射治疗系统包括：固定粒子加速器、束线组件、能量降能器和旋转(swivel)龙门架组件。束线组件可操作以沿着第一方向引导和聚焦(focalize)粒子束。能量降能器可操作以减弱粒子束的能量并且可以暴露于气压。旋转龙门架组件包括双极磁体的集合以及附加的四极磁体和转向磁体、连同可控磁场以及布置在双极磁体之间的准直仪。双极磁体的集合可操作以选择粒子束的具有预定能量的部分，并且向第二方向重引导射束的部分。双极磁体的集合可以包括依次布置的45°和135°双极磁体。旋转龙门架组件能够绕第一方向旋转360°并且可以包括具有由低Z材料制成的第一构件和由高Z材料制成的第二组件的壳体。束线组件可以包括耦合到相应的真空装置的转动分段和固定分段。转动分段和固定分段可以通过空气间隙分离。

以上是概述并且因此必然包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员应当理解，概述仅是说明性的，而非意在以任何方式限制。仅由权利要求限定的本发明的其它方面、发明特征和优点在下面给出的非限制详细描述中将变得很清楚。

附图说明

通过结合附图给出的下面的详细描述的阅读将很好地理解本发明的实施例，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：

图1图示根据现有技术的适合提供用于多个治疗台的质子束的质子放射系统的医疗设施的配置。

图2是根据本公开内容的一种实施例的配备有单室质子治疗系统的医疗设施的示例性配置。

图3是图示根据本公开内容的实施例的配备有偏向/能量选择磁体的集合的紧凑的放射系统的机械原理图的侧视图。

图4示根据本公开内容的实施例的配备有偏向/能量选择磁体的集合的紧凑的放射系统的外部机械原理图的3D视图。

图5A图示根据本公开内容的实施例的将粒子束从回旋加速器传输到龙门架的束线的侧视图。

图5B图示根据本公开内容的实施例的将粒子束从回旋加速器传输到龙门架的束线的俯视图。

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。虽然结合优选实施例描述本发明，然而应当理解，它们并非意在将本发明限于这些实施例。相反，本发明意在覆盖可以被包括在所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的替选、修改和等同方案。另外，在对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，本领域技术人员应当认识到，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它实例中，没有详细描述公知的方法、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。虽然为了清楚可以将方法描述为编号步骤的序列，然而编号不一定指定步骤的顺序。应当理解，可以跳过、并行执行或者在没有维持序列的严格顺序的要求的情况下执行其中一些步骤。示出本发明的实施例的附图是半示意性的而非按比例，并且特别地，其中一些尺寸是为了呈现的清楚并且在附图中被夸大示出。类似地，虽然附图中的视图为了描述方便通常示出类似的方位，然而附图中的这一描绘对于多数部分是任意的。通常，可以在任何方位操作本发明。

符号和命名：

然而，应当铭记，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应用于这些量的方便标记。除非另外清楚地指出，如根据下面的讨论清楚的，否则应当理解，贯穿本发明，使用诸如“处理”或“访问”或“执行”或“存储”、或“渲染”等术语的讨论指代计算机系统或者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的存储器或寄存器或者其它这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据的类似的电子计算设备的动作和处理。当某个部件出现在若干实施例中时，相同附图标记的使用表明该部件与在原始实施例中说明的部件相同。

发明的描述

图2是根据本公开内容的实施例的配备有单室质子治疗系统200的医疗设施的示例性配置。紧凑的放射系统200被设计成从固定回旋加速器201向相邻的单治疗室203递送质子束。质子放射系统200包括加速器201(例如所示的回旋加速器)、将粒子束沿着线性轴从回旋加速器201向单治疗室203传送的短的束线202、布置在束线202中的能量降能器204、双极磁体206和207的单个集合、以及可操作以在不同角度通过喷嘴向治疗台递送质子束的旋转龙门架205。在单室配置200中，回旋加速器可以实际上尽可能靠近地放置在治疗室附近，并且因此束线204可以是短的和线性的，以减小对于用于重定向(reorient)粒子束的双极磁体的需要。系统还可以包括安装在射束路径中以会聚粒子束的会聚磁体的多个集合。

与图1中的多台系统相比，单室系统200具有双极磁体的简化的布置以及完整的传输系统。特别地，安装在龙门架205上的双极磁体206和207承担能量选择以及从束线轴向治疗台的等中心点偏转粒子束这一双重功能。在所说明的实施例中，位于龙门架的进入点的45°双极磁体206以及下游的135°双极磁体207可以共同以90°从束线202轴弯曲粒子束。同时，当磁体206和207的线圈中的电流根据目标能量水平被控制为精确电流时，磁体206和207连同射束准直仪可操作以执行能量选择功能。

通过将ESS磁体集成在龙门架组件中，而非如现有技术中集成在束线的专用部分中，可以有利地且显著地减小系统的成本和空间消耗，使得系统适合用于单室设计并且更可取得相对较小的门诊。沿着射束路径在射束轮廓(profile)上的射束光学仿真证明，如图2图示的简化的磁体系统很容易提供基本上相同的临床规定，诸如射束大小和形状，例如起因于具有分离的专用ESS磁体和偏转磁体的对应的传统多室放射系统。

本公开内容不受双功能磁体的角度、配置或位置的限制。比如，磁体可以包括可以共同以90°弯曲射束的三个90°磁体。然而，使用最小数目(2个)的双极磁体以重定向磁体深化了成本高效和紧凑的设计的目的。扫描磁体的集合可以用于控制粒子束的栅格(raster)扫描。在一些实施例中，扫描磁体211可以放置在双功能磁体206和207的集合之间。在所说明的实施例中，扫描磁体可以放置在下游在磁体207之后并且在喷嘴附近，这有助于用于更小龙门架的又一设计。

由偏转/能量选择磁体206和207生成的磁场可以通过软件程序来控制以引导射束以及选择理想能量的射束。软件程序可以用任何已知的计算机实现的方法来实现。在一些其它实施例中，偏转磁体可以包括两个45°双极磁体并且可以共同以90°弯曲射束。在一些其它实施例中，偏转磁体可以共同以135°或者任何其它角度弯曲射束。偏转磁体的任何其它合适的配置可以用于实践本公开内容。偏转/能量选择磁体可以通过软件程序来控制以实现由每个特定治疗方案专用的特定粒子能量。

本公开内容可以用布置在下游在能量选择磁体之后的适合用于粒子束能量选择的任何类型的准直仪来实现。准直仪212可以包括布置在两个磁体206和207之间的能量狭缝、孔径(aperture)和/或孔口(orifice)。在一些实施例中，准直仪的位置和开口可以是可控的。在一些实施例中，准直仪表征紧凑的设计，诸如修长形式的能量选择，其可以有利地有助于系统的成本和空间消耗的进一步减小。

在一些其它实施例中，能量选择功能仅可以通过合适的磁体部件以及一个或多个能量降能器的组合来假定，其可以有利地消除对于能量选择系统中的准直仪的需要。例如，附加磁体的集合可以用于使离开能量降能器的射束的空间横截面和/或能谱变窄。

在所说明的实施例中，能量降能器204包括布置在位于束线202中的真空室下面并且靠近加速器201的碳楔形。任意其它合适的降能器可以用于实现本发明。在一些其它实施例中，能量降能器材料也可以集成在龙门架中并且布置在偏转/能量选择磁体附近。在一些另外的其它实施例中，能量降能器可以暴露于环境压力，这可以有利地节省与材料、制造和安装等相关的成本。在一些另外的其它实施例中，能量降能器连同系统上的其它磁场可以被配置成使得其出口点处的射束具有窄的空间横截面和能谱，以消除对于准直仪的需要。

龙门架组件205可以在加速器保持固定的同时可转动。系统可以配备有旋转设备，旋转设备渲染龙门架的转动使得粒子束可以在各个方向上撞击(impinge)等中心点地(isocentrically)布置的照射台。在一些实施例中，龙门架可以绕基本上平行于束线轴的轴旋转360°使得粒子束可以在完整的圆中撞击在等中心点上。

龙门架耦合到可操作以向放射对象上发出粒子束的喷嘴。喷嘴可以耦合到出于遍历扫描(例如X-Y扫描)的目的而在相互正交的方向上偏转射束的偏转磁体211的集合。喷嘴可以耦合到用于监测射束位置的装置以及用于监测放射剂量的装置。喷嘴和会聚磁体还可以集成在龙门架中。在一些实施例中，喷嘴是可转动的并且能够实现两个或三个维度上的栅格扫描。

在一些实施例中，喷嘴能够实现笔形射束扫描，其中粒子束可以会聚在明显位于典型的照射量的大小下面的射束横截面上。沿着放射路径的放射剂量的峰值沉积对应于由粒子能量确定的Bragg峰值位置。通过使用合适的会聚的笔形射束，因此可以照射所谓的体素(voxel)的很多小的体积，使得能够栅格扫描与肿瘤的特定形状共形(conformal)的任何形状的照射体积。可以通过改变粒子能量(例如通过ESS)来实现深度扫描。

龙门架可以包括减小患者附近的中子剂量危害的屏蔽塞210。束线周围可以有附加的屏蔽。屏蔽塞可以是柱状球体或者任何其它合适的配置。龙门架可以包括混合材料以平衡成本减小和保护免受不理想的中子剂量危害。在一些实施例中，沿着龙门架在放射/中子发射流行的地方使用高Z材料屏蔽，诸如铅(Pb)。可以在任何其它地方(例如龙门架的没有面对患者的部分)使用更便宜/更轻的材料，诸如C。

本公开内容不限于任何特定类型的加速器或者相关联的粒子源。在一些实施例中，加速器可以是回旋加速器，例如紧凑的设计中的超导同步回旋加速器。在一些实施例中，加速器可以能够提供质子、中子、电子或者重离子，诸如He2+或者C6+粒子。

图3是图示根据本公开内容的实施例的配备有偏转/能量选择磁体301和302的集合的紧凑的放射系统的机械原理图的侧视图。

在根据本公开内容的单室放射系统的一些实施例中，整个束线(包括引导到龙门架的转动部分以及引导到加速器的非转动部分)在真空下。转动部分和非转动部分通过真空密封连接。在所说明的实施例中，射束例如经由小的空气间隙303以及两个薄的聚酰亚胺薄膜(聚酰胺膜)窗从固定部分向转动部分传输。因此，每个部分具有其自己的真空设备并且独立于其它部分。这通过消除对于转动、机械真空连结的需要有利地进一步简化系统，并且减小了材料成本，简化了维护和减少了射束管上的真空泄露。

除了参考图2描述的部件，图3还图示其它相关部件，包括存储激活部分和PV控制凹室(alcove)，并且可以被本领域普通技术人员理解。

图4是图示根据本公开内容的实施例的配备有偏转/能量选择磁体401和402的集合的紧凑的放射系统的外部机械原理图的3D视图。

图5A和图5B图示根据本公开内容的实施例的从回旋加速器向龙门架传输粒子束的束线的侧视图和俯视图。

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应当很清楚，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对这样的实施例和方法做出变化和修改。其意在，本发明应当仅限于所附权利要求以及适用法律的规则和原理所要求的范围。

Claims (20)

1.一种用于使用预定能量的粒子束对照射对象进行照射的放射治疗系统，所述放射治疗系统包括：

粒子加速器，被配置成为单个治疗台提供粒子束；

束线组件，耦合到所述粒子加速器并且能够操作以沿着第一方向引导所述粒子束；

能量降能器，能够操作以减弱所述粒子束的能量；以及

龙门架组件，耦合到所述束线组件并且包括被配置成生成可变磁场的双极磁体；

其中所述可变磁场能够操作以选择所述粒子束的具有所述预定能量的部分以用于对所述照射对象进行照射，并且将所述粒子束的所述部分重定向至预定方向。

2.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述可变磁场由在围绕所述双极磁体的线圈中的电流外部地控制。

3.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述可变磁场由基于规定治疗方案的软件程序控制。

4.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被布置在所述龙门架组件内，并且其中所述龙门架组件包括旋转龙门架，所述旋转龙门架被配置成转动至大于180°并且小于270°的角度。

5.根据权利要求4所述的放射治疗系统，其中所述能量降能器包括出口开口，所述出口开口被配置成使得离开所述出口开口的所述粒子束具有窄的空间横截面。

6.根据权利要求4所述的放射治疗系统，其中所述能量降能器包括出口开口，所述出口开口被配置成使得离开所述出口开口的所述粒子束具有窄的能谱。

7.根据权利要求4所述的放射治疗系统，其中所述龙门架组件不包括准直仪。

8.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述预定方向从所述第一方向偏离135°。

9.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述粒子加速器包括超导同步回旋加速器。

10.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述粒子束包括选自由质子、中子、He离子和C离子组成的组中的粒子。

11.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述预定方向指向等中心点。

12.一种被配置成向单个治疗台提供质子束放射的质子放射治疗系统，所述质子放射治疗系统包括：

回旋加速器，耦合到质子源；

束线组件，耦合到所述回旋加速器并且能够操作以向龙门架组件引导质子束；

能量降能器，能够操作以减弱所述质子束的能量；

所述龙门架组件耦合到所述束线组件并且包括被配置成生成可变磁场的多个双极磁体；

其中所述可变磁场能够操作以选择所述质子束的具有预定能量的部分以用于对所述照射对象进行照射，并且将所述质子束的所述部分重定向至预定方向。

13.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中所述可变磁场由在围绕所述多个双极磁体的线圈中的电流外部地控制，并且其中所述电流由基于规定治疗方案的软件程序控制。

14.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中所述能量降能器被布置在所述龙门架组件内，并且其中所述龙门架组件包括被配置成在0°至270°的范围内转动的旋转龙门架。

15.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中所述能量降能器包括出口开口，所述出口开口被配置成使得离开所述出口开口的所述质子束具有窄的空间横截面。

16.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中所述能量降能器包括出口开口，所述出口开口被配置成使得离开所述出口开口的所述质子束具有窄的能谱。

17.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中所述龙门架组件不包括准直仪，并且其中所述回旋加速器是超导回旋加速器。

18.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中可变磁场被配置成将所述质子束弯曲90°。

19.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中所述能量降能器暴露于大气。

20.根据权利要求12所述的质子放射治疗系统，其中所述预定方向指向等中心点。