CN110140429A - 紧凑型轻量级高性能质子治疗束线路 - Google Patents

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Abstract

一种用于质子治疗系统的紧凑型轻量级机架，其具有小于2m的源‑轴距离(SAD)并且可以递送优质的质子束。减小的SAD导致对可以由机架束线路中的弯曲磁体生成的最大磁场的要求降低。对应地，可以使用轻量级弯曲磁体。机架束线路中的各种部件被优化，以实现通过设置在最终弯曲磁体的下游的笔形束扫描喷嘴约4mm标准差或更小的束斑尺寸。另外，质子治疗系统被配置成在220MeV‑230MeV范围内的最大束能量下操作。

Description

紧凑型轻量级高性能质子治疗束线路
技术领域
本公开一般涉及放射治疗系统领域，并且更具体地涉及质子治疗系统领域。
背景技术
例如，在用于肿瘤放射治疗的通常的质子治疗系统中，生成质子束，并且从加速器(例如，回旋加速器或同步加速器)输出具有特定初始能量的质子束。初始能量确定质子束的最大穿透深度，并且通常为235MeV或更高。当质子束穿过束传输系统或束线路时，通过能量选择机构(例如，能量降低器或能量切口)精确调整束能量。传输系统包括多个磁体，以用于束重定向(弯曲)、聚焦和转向。配备有辐射喷嘴的旋转机架位于束传输系统的端部。最后，基于肿瘤体积、几何形状、位置等将束递送到治疗站并且以特定治疗期规定的能量水平辐射到患者上。
由于购买和维护这种辐射系统的成本极高，医疗机构通常使用一个加速器用于多个治疗站，因此分散了加速器设施的高成本。尽管使用多站单回旋加速器系统对于分散大型医疗机构的成本是有效的，但对于可能仅需要一个治疗站的较小机构而言，这种多机架系统的总成本可能过高。另外，一些多站系统不支持在多个站中同时治疗。这导致了另外的缺点，即在一个治疗站处的延迟可能导致在另一个站处的延迟。随着全世界对质子束辐射治疗的需求的增加，非常需要更小和更便宜的质子治疗系统来增加患者使用这种治疗方式的机会。
在质子辐射系统(包括单站系统和多站系统)中，机架束线路中的偶极磁体(或弯曲磁体)消耗与制造、安装、控制、维护和(在医疗机构中有限且宝贵的)空间相关联的显著花费。
在机架系统中，源-轴距离(SAD)是指从质子束的等中心到有效源位置的距离。通常，等中心对应于辐射体积的中心。如果在扫描磁体和等中心之间没有束聚焦元件，则有效源位置是束改变角度的点，即扫描磁体的位置。通常，认为大于2m的SAD对于在患者表面实现平行束平移是必要的，尤其是在基于散射的质子束递送系统中。大的SAD决定了对应的大的机架半径，同时增加了磁体的数目及其复杂性。因此，SAD是驱动机架束线路中的组件的整体尺寸和重量的主要因素，这些都导致制造、运输、组装、安装、维护和操作这种质子治疗系统的近乎难以承受的成本。
图1图示了根据现有技术的具有大于2m的SAD的质子辐射系统中的机架束线路100的配置。机架能够围绕等中心141旋转360°。机架束线路100包括：具有45°的轨道弯曲角度的第一弯曲磁体101、以及具有135°的轨道弯曲角度的第二弯曲磁体102。因此，两个弯曲磁体操作以使质子束总共弯曲90°，例如，如图所示从水平到竖直。
笔形束扫描喷嘴(未显式示出)可以被耦合到第二弯曲磁体102的端部，以用于将一定剂量的质子辐射递送给患者。沿着束线路100有七个四极磁体或聚焦磁体111-117，其中五个113-117被设置在两个弯曲磁体101和102之间。另外，在聚焦磁体111-117之间安装多个转向和校正磁体，例如121-123。每个弯曲磁体101或102具有约1.35m的轨道弯曲半径。第二弯曲磁体102具有约1.26m的外半径。第二弯曲磁体可以生成大约1.8特斯拉的最大磁场。
该质子辐射系统的SAD 131从扫描系统的中心到等中心141大约为2.1m。通常，在等中心处可以实现约3mm-4mm的束斑尺寸。端到端机架长度132测量约为9m。
第二弯曲磁体102重约22吨，每个四极磁体重约475kg，并且每个扫描磁体重约1000kg。这种机架系统的总重量超过200吨，包括支撑机架束线路所需的极重结构。
已经开发或提出了许多方法来实现轻量级和紧凑的机架组件。在市场上的一种领先设计中，扫描系统被移动到最后一个机架弯曲磁体的上游。这种机架系统可以提供相当小的占地面积，遗憾的是，其具有束精度、递送准确度以及系统性能和治疗质量的许多其他方面的相当大的损失。在另一种设计中，通过牺牲机架的全范围旋转来实现机架尺寸的减小。例如，机架只能旋转220°而不是治疗通常所需的360°。
发明内容
因此，本文公开的内容提供了一种用于质子治疗系统的紧凑型轻量级机架，其提供优异的束递送性能并且仍保持全范围旋转的能力。
本公开的实施例提供了一种质子治疗系统，其包括优化的机架束线路，该机架束线路具有小于2m的源-轴距离(SAD)并且优选地在1.1m-1.8m的范围内。机架束线路使用比它们的常规对应物(包括弯曲磁体、四极磁体和扫描磁体)更轻更小的磁体。特别地，最终弯曲磁体被配置成生成在1.45特斯拉-1.55特斯拉范围内的最大磁场。
机架束线路中的各种部件及其空间关系被优化，以实现通过设置在最终弯曲(第二)磁体下游的笔形束扫描喷嘴的大约4mm或更小的束斑尺寸。而且，质子治疗系统可以被配置成以降低的最大束能量操作，优选地在220MeV-230MeV的范围内。
根据本公开的实施例，利用减小的SAD、定位在最终弯曲磁体的下游的剂量递送喷嘴以及机架的优化，可以在维持高治疗质量的同时，显著地减小机架长度和直径。优化的束线路设计还可以导致更小更轻的磁体，并且改善束到等中心的传输，这可以减少对治疗室的重度屏蔽的需求。这些改进可以显著降低设备和设施成本。利用轻量级磁体，机架可以被配置成360°旋转并维持治疗精度，从而提供与具有大于2m的SAD的更大、更昂贵的常规质子系统相同的治疗质量和工作流程效率。
附图说明
根据阅读结合附图的以下详细描述，将更好地理解本发明的实施例，其中相同的附图标记指定相同的元件，其中
图1图示了根据现有技术的机架束线路的配置；
图2图示了根据本公开的实施例的示例性机架束线路的配置；
图3示出了可以使用图2中图示的示例性机架束线路获得的样本竖直(上部)束包络和水平(下部)束包络。
图4示出了可以使用图2中图示的示例性机架束线路获得的在水平平面和竖直平面中的样本正弦基本轨迹和余弦基本轨迹。
图5A示出了在图2中的示例性机架束线路中给定理想输入条件的情况下，在第一弯曲磁体的出口处(左)和在等中心处(右)的模拟束轮廓。
图5B示出了在图2中的示例性机架束线路中给定束降级到80.1MeV的情况下，在第一弯曲磁体的出口处(左)和在等中心处(右)的模拟束轮廓。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施例，本发明的示例在附图中示出。虽然将结合优选实施例描述本发明，但是应当理解，它们并不旨在将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖可以包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。另外，在以下对本发明实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、步骤、部件和电路，以免不必要地模糊本发明实施例的各方面。
尽管为了清楚起见，可以将方法描绘为编号步骤的序列，但是编号不一定指示步骤的顺序。应当理解，步骤中的一些可以被跳过、并行执行或在不需要维持序列的严格顺序的情况下执行。示出本发明的实施例的附图是半图解的，并且不是按比例绘制的，并且特别地，一些尺寸是为了清楚呈现并且在附图中被放大地示出。类似地，尽管为了便于描述，附图中的视图通常示出了类似的定向，但是对于大多数部件，附图中的这种描绘是任意的。通常，本发明可以以任何定向进行操作。
紧凑型轻量级高性能质子治疗束线路
总的来说，本公开的实施例提供用于质子治疗系统的紧凑型轻量级机架，该紧凑型轻量级机架具有小于2m的源-轴距离(SAD)并且可以递送优质的质子束。减小的SAD导致对可以由机架束线路中的弯曲磁体生成的最大磁场的要求降低。因此，可以使用轻量级弯曲磁体。机架束线路中的各种部件被优化，以实现通过设置在最终弯曲磁体的下游的笔形束扫描喷嘴的约4mm标准差或更小的束斑尺寸。另外，质子治疗系统被配置成在220MeV-230MeV范围内的最大束能量下操作。
图2图示了根据本公开的实施例的质子治疗系统中的示例性机架束线路200的配置。机架束线路200通过主束线路耦合到加速器(未显式示出)。
机架束线路200配备有笔形束扫描喷嘴，笔形束扫描喷嘴被配置成将质子束辐射到患者体内的目标体积上。笔形束扫描喷嘴中的扫描磁体261和262可操作以根据预定扫描位置(例如，对于斑点扫描)或扫描路径(例如，对于栅格扫描)控制束斑的横向位置(X和Y)。机架束线路还包括：第一和第二(最终)弯曲磁体201和202、用作聚焦磁体的四极磁体211-215、以及用于使束在束线路中居中的转向和校正磁体(例如221和222)。
根据本公开，机架束线路200具有小于2m的源-轴距离(SAD)231，其对应于等中心241与扫描磁体261和262的有效中心242之间的距离。有效中心242可以位于束在笔形束扫描喷嘴中改变其角度的位置。SAD优选在1.1m-1.8m的范围内。在所图示的示例中，SAD约为1.5m。第二弯曲磁体202的端部与等中心241之间的距离为大约2.1m。在扫描磁体真空室与机架真空系统之间可以存在约0.1m的间隙。
通常，离开加速器(例如，回旋加速器或同步加速器)的质子束具有250MeV的初始能量，这可以导致在水中高达40cm的质子束穿透深度。然而，在绝大多数临床应用中，这种穿透能力过大，并且质子束能量通常在递送给患者之前衰减到远远更低的水平。因此，过高的初始能量不仅不必要地浪费电能，而且还对机架束线路中存在比必要磁体更重和更大的磁体提出要求。
根据本公开，离开加速器的质子束具有在220MeV-230MeV范围内的初始能量，该初始能量是可以用于剂量递送的质子束的最大束能量。因此，初始束能量显著低于在常规质子治疗系统中通常使用的水平。该能量范围仍允许在水中超过30cm的质子束穿透深度，这对于绝大多数临床应用是足够的。在质子束的初始能量降低的情况下，可以有利地减少用于引导质子束传输的磁场。因此，与在常规质子治疗系统中使用的磁体相比，机架束线路中的磁体可以更小和更轻。
机架束线路200中的各种磁体可以产生可变磁场。磁体被配置成支持200毫秒或更短的小能量改变。例如，磁体设置可以逐步改变，其中每个步骤对应于水中5mm范围的布拉格峰值回拉。
第一弯曲磁体201和第二弯曲磁体202操作以使质子束从束进入机架的方向(例如，基本水平的方向)总共弯曲90°。第一弯曲磁体201可以具有在40°-55°的范围内的轨道弯曲角度，第二弯曲磁体202可以具有在130°-145°的范围内的轨道弯曲角度。在另一个实施例中，第一弯曲磁体201具有50°的轨道弯曲角度，第二弯曲磁体202具有140°的轨道弯曲角度。笔形束扫描喷嘴被设置在第二弯曲磁体202的下游。
第二弯曲磁体202可操作以生成在1.45特斯拉-1.55特斯拉的范围内的最大磁场，该最大磁场低于在如图1中所示的常规机架束线路100中的最大磁场。弯曲磁体201和202中的每个弯曲磁体的弯曲半径约为1.5m。第二弯曲磁体202的横截面具有约0.36m的外半径。因此，第二弯曲磁体202具有比如图1中所示的常规机架束线路100中的对应物102更小的直径和体积。第二弯曲磁体202具有约7吨的重量，相比而言，在图1中的常规机架束线路100中使用的是20吨。
由于SAD的减小，机架束线路中所需的四极磁体和其他磁体的数目可以减少，这进一步有助于紧凑型轻量级机架设计。在所图示的示例中，与图1中的常规机架束线路100中使用的七个四极磁体相比，机架束线路200中仅使用五个四极磁体211-215。五个四极磁体中的三个四极磁体213-215被安装在第一和第二弯曲磁体之间。而且，仅使用两个转向磁体221和222，而不是常规机架束线路中使用的五个或六个。在一些实施例中，每个四极磁体221或222的重量约为250kg，相比而言，在图1中的常规机架束线路100中使用的是475kg。例如，四极磁体221或222可以具有78mm的内孔。
在操作期间，第一对四极磁体211和212在竖直平面中准备几乎平行的束，以用于通过第一弯曲磁体201进行光学传输。同时，束被水平地聚焦以匹配弯曲磁体201和202之间的色散区域。弯曲磁体201和202之间的四极磁体中的三个四极磁体213-215对色散进行补偿，并使束线路消色，同时在等中心241和点对点聚焦处提供所需的斑点尺寸。第二弯曲磁体202的边缘角度可以与四极磁体中的三个213-215一起变化，以实现期望的光学条件。
机架束线路200具有约7.4m的端对端机架长度232，相比而言，图1中的常规机架束线路100中使用的是9m。可以保留第一四极磁体前方约30cm的距离，以用于混凝土屏蔽墙251和机架旋转结构252之间的接口连接。
利用如上所述并在图2中图示的几何优化，可以在质子治疗系统中实现小于4mm标准差(sigma)的束斑尺寸和1mm的束位置精度。在一些实施例中，束斑尺寸可以是3mm标准差或更小。在一些实施例中，束斑尺寸可以是3.45mm标准差，如图3A和图3B所示的那样。利用图2中所示的配置，通过在入口处选择不同的源尺寸，机架束线路200还可以在等中心处实现可变的束斑尺寸。
机架束线路200还可以包括本领域公知的各种其他部件，诸如真空系统和具有能量降低器的能量选择系统(ESS)。另外，可以存在用于监测束位置和束电流的原位束诊断部件。
机架束线路200被配置成围绕等中心旋转360°。束斑可以在旋转期间维持其在等中心处的特性。
图3示出了沿着图2中的示例性机架束线路的样本竖直(上部)束包络和水平(下部)束包络。如所示的，束尺寸沿束线路变化，并且获得良好的消色解决方案，并且在喷嘴处补偿了色散。在等中心处，束斑尺寸为3.6mm标准差。
图4示出了沿着图2中的示例性机架束线路200的、在水平平面和竖直平面中的样本正弦和余弦基本轨迹。这些轨迹示出了机架束线路200产生令人满意的点对点聚焦。因此，可以使用对降级的束的近似准直来实现在等中心处的令人满意的束聚焦条件。
图5A示出了在图2中的示例性机架束线路200中给定的理想输入条件的情况下，在第一弯曲磁体的出口处(左)和在等中心处(右)的模拟束轮廓。束轮廓显示束被聚焦到在等中心处具有3.45mm标准差的圆形束斑，并且束在第一弯曲偶极子的出口附近水平地聚焦。
图5B示出了在图2中的示例性机架束线路200中给定束降级到80.1MeV的情况下，在第一弯曲磁体的出口处(左)和在等中心处(右)的模拟束轮廓。该轮廓显示，由于动量扩散，质子束在四极磁体213和215处填充束管道。该束还竖直地填充四极磁体214的孔径。尽管如此，由于点对点聚焦，在等中心处观察到聚焦良好的圆形束。
根据本公开的实施例，通过减小SAD，将喷嘴定位在最终弯曲磁体的下游，并优化机架束线路，可以显著减小机架长度和直径，同时保持高治疗质量。优化的束线路设计还导致更小更轻的磁体，并改进束到等中心的传输，这可以减少对治疗室的重度屏蔽的需求。这些改进可以显著降低设备和设施成本。利用轻量级磁体，机架可以被设计成在360°(例如，±180°或±190°)的全范围中旋转，并维持治疗精度，从而提供与具有大于2m的SAD的更大、更昂贵的常规质子系统相同的治疗质量和工作流程效率。
根据本公开的机架系统与质子束治疗系统的多室系统配置以及单室紧凑配置兼容。
尽管本文已经公开了某些优选的实施例和方法，但是根据前述公开内容，对本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对这些实施例和方法进行变型和修改。本发明旨在仅限于所附权利要求和适用法律的规则和原则所要求的范围。

Claims (20)

1.一种质子治疗系统，包括：
加速器，被配置成生成具有初始能量的质子束；以及
机架组件，被耦合到所述加速器并且包括扫描喷嘴，其中所述扫描喷嘴被配置成将所述质子束辐射到位于所述质子治疗系统的等中心附近的对象，其中所述机架组件的源-轴距离(SAD)对应于从所述扫描喷嘴到所述等中心的距离，并且其中所述质子治疗系统被配置成递送所述质子束，其中在所述等中心处的束斑小于4mm标准差，并且其中所述SAD小于或等于1.9m。
2.根据权利要求1所述的质子治疗系统，其中所述机架组件包括第一偶极磁体和第二偶极磁体，其中由所述第二偶极磁体产生的最大磁场在1.45特斯拉至1.55特斯拉的范围内。
3.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述扫描喷嘴包括笔形束扫描喷嘴，所述笔形束扫描喷嘴被设置在所述第二偶极磁体的下游。
4.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第二偶极磁体的重量小于10吨。
5.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第二偶极磁体可操作以使所述质子束以约1.5m的弯曲半径弯曲。
6.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第一偶极磁体可操作以使所述质子束弯曲50°，并且其中所述第二偶极磁体可操作以使所述质子束弯曲140°。
7.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第二偶极磁体的横截面的外半径约为0.36m。
8.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述机架组件还包括5个四极磁体，其中三个四极磁体被设置在所述第一偶极磁体和所述第二偶极磁体之间。
9.根据权利要求2所述的质子治疗系统，所述机架组件还包括少于五个的转向磁体。
10.根据权利要求1所述的质子治疗系统，其中所述束斑尺寸为3mm标准差或更大。
11.根据权利要求1所述的质子治疗系统，其中所述初始能量在220MeV和230MeV之间的范围内。
12.根据权利要求1所述的质子治疗系统，其中所述机架组件的机架长度小于8m。
13.根据权利要求1所述的质子治疗系统，其中所述机架组件被配置成旋转360°。
14.一种质子治疗系统，包括：
加速器，被配置成生成具有初始能量的质子束；
机架组件，被耦合到所述加速器，并且包括：第一弯曲磁体；被设置在所述第一弯曲磁体的下游的第二弯曲磁体；以及扫描喷嘴，
其中第二弯曲磁体可操作以生成小于或等于1.56特斯拉的最大磁场；
其中所述扫描喷嘴被设置在所述第一弯曲磁体和所述第二弯曲磁体的下游，
其中所述机架组件的源-轴距离(SAD)对应于从所述扫描喷嘴到所述质子治疗系统的等中心的距离，并且
其中所述质子治疗系统被配置成递送所述质子束，其中在所述等中心处的束斑小于4mm标准差，并且其中所述SAD小于或等于1.9m。
15.权利要求14的质子治疗系统，其中所述最大磁场在1.45特斯拉至1.55特斯拉的范围内。
16.根据权利要求14所述的质子治疗系统，其中所述第二弯曲磁体可操作以引起约1.5m的弯曲半径，并且其中所述第二弯曲磁体的横截面的外半径约为0.36m。
17.根据权利要求14所述的质子治疗系统，其中所述机架组件还包括少于5个的四极磁体，并且其中3个四极磁体被设置在所述第一弯曲磁体和所述第二弯曲磁体之间。
18.根据权利要求14所述的质子治疗系统，所述机架组件还包括少于5个的转向磁体。
19.根据权利要求14所述的质子治疗系统，其中所述初始能量在220MeV和230MeV之间的范围内。
20.根据权利要求14所述的质子治疗系统，其中所述机架组件的机架长度小于8m，并且其中所述机架组件被配置成旋转360°。
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