CN111247604A - 用于会聚x射线的x射线透镜的新构造 - Google Patents
用于会聚x射线的x射线透镜的新构造 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于提供会聚X射线的X射线系统包括：(a)X射线源，其具有光轴；以及b.X射线透镜装置，其包括至少一个第一环，至少一个第一环具有通过由单晶制成的多个贴砖形成的第一布拉格反射表面。至少一个环设置有沿所述光轴以同轴的方式安装为与其相邻的至少一个第二环，所述第二环的反射表面为第二布拉格反射表面。
Description
技术领域
会聚的X射线主要用于两个领域：放射治疗/放射外科和成像，但人们也可发现其他用途。
以下描述了会聚X射线的装置以及X射线会聚透镜的结构。本发明的主要思想在于描述附加技术，通过该附加技术可以以更容易的方式展示这种镜片，从而可以更好地控制治疗体积而不损害周围环境。
背景技术
现今用于放射治疗和放射外科的电离辐射设备主要是线性加速器(LINAC)、质子治疗和如伽马刀的放射源装置。这些装置正主要用于治疗癌症。现今现有的X射线设备使用产生发散光束的X射线源。在需要窄光束的情况下，通过准直来完成使光束变窄的技术，准直阻挡光束以形成期望的形状。结果，仅使用光束的薄弱部分与所产生强度中的小部分，该强度随着光束的前进而变得越来越弱。这是为何要产生有效治疗的原因，人们必须使这些仪器围绕主体从多个角度旋转。
在专利文献US2013/0170625、US6389100、US6625250、US 6606371、US6968035中已经建议和提及了会聚X射线装置。这些文献显示了用于会聚X射线的各种类型的透镜。PCT公布WO2014045273也示出了一种控制焦点体积(focal volume)的方式。在专利文献US7070327、US7468516和US2005/0175148中提到了用于医学用途的会聚X射线。
本发明示出了制造会聚X射线透镜的另外的方式，该会聚X射线透镜将X射线会聚到一个点或一个体积，其中源可以是点源或扩展源。这里介绍的构造利用了新的方法和原理，该新方法和原理在控制光束形状、大小和均匀性、光束质量、焦点区域(focal region)形状和大小以及简化制造的改进方法方面具有优势。
已知存在多种方法，并正使用所提到的布拉格定律(例如专利文献US2013/0170625、US6625250、US6968035等中提到的那些定律)利用该多种方法。已知的方法基于Johansson和Johan原理，在Johansson和Johan原理中，反射单元组装在Roland圆形构造上。
授权前的公布US2013/0170625还提到了通过使用贴砖(tile)来实现弯曲晶体表面的可能性。显示贴砖在单环结构的弯曲表面上平铺，该弯曲表面包含微小的贴砖元素，每个贴砖元素具有负半径的弯曲表面。
本发明通过使用一种新的简单容易的制造方式来改变这些想法，以从形状和大小上控制治疗体积，该新的简单容易的制造方式使用以如下方式布置的平坦贴砖：该方式允许由于用于控制焦点区域的体积和形状以及优化从源收集能量的效率的考虑和附加特征而可能偏离Roland形状以及Johansson和Johann理论。
发明内容
因此，本发明的一个目的是公开一种被布置为用于会聚X射线的X射线系统，该X射线系统包括X射线源和X射线透镜系统，该X射线透镜系统包括由如下单晶贴砖组装而成的反射表面：该单晶贴砖通过将至少2个环组装为同轴结构的扩展形式而以纵向截面平铺来布置。
本发明的另一目的在于公开一种被布置为用于提供会聚X射线的X射线系统，该X射线系统包括X射线源和X射线透镜系统，该X射线透镜系统包括由如下单晶贴砖组装而成的反射表面：该单晶贴砖以允许结构偏离Roland曲线和Johansson和Johan理论这样的方式来布置。本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括单晶贴砖，可在每个贴砖和/或一组贴砖上单独地调整单晶贴砖的贴砖反射表面。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括平面单晶贴砖，该平面单晶贴砖的大小在控制被辐射目标方面起作用。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括部分环、完整环、锥形环、桶形环及其任意组合。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括同心反射环、同轴反射环、非同心反射环、非同轴反射环及其任意组合。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括对称结构、非对称结构及其任意组合。关于对称结构，我们是指环的纵向中点位于源与焦点区域之间的一半。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括反射环，该反射环具有倾斜的纵向截面、非倾斜的纵向截面及其任意组合。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括反射环，该反射环具有反射表面与所期望的晶体学平面之间的切割角(off-cut angle)，该切割角为零度和/或不同于零度及其任意组合。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括反射环，该反射环的纵向中点位于Roland圆上，每个环中具有适当的倾斜角和切割角以匹配Johansson或Johan理论，其中，环安装为同轴环的扩展形式。
本发明的另一目的在于公开所述X射线系统，其中，透镜系统包括反射环，其中，环中的一些或全部可被布置为使得它们的纵向中点偏离Roland圆和/或贴砖倾斜偏离Johansson理论和/或Johan理论和/或切割角偏离Johansson理论和/或Johan理论及其任意组合。
附图说明
为了理解本发明并且领会如何在实践中实现本发明，现在适于参照附图、仅通过非限制性示例的方式来描述多个实施例，在附图中：
图1是具有同心环构造的示例的X射线透镜的三维示意图。
图2a是示出了以按照同轴结构布置的非同心的多个环的三维示意图。
图2b是示出了以非同心和非同轴结构的多个环的三维示意图。
图3示出了由小型单晶贴砖构造而成的环的三维示意图，且放大描述了单个贴砖。
图4a示出了通常的单晶贴砖的截面的示意图，该通常的单晶贴砖具有相对于贴砖反射表面的所期望的晶体学平面(crystallographic plane)的内部结构和取向，使得晶体学平面与贴砖的反射表面之间成角度。
图4b示出了单晶贴砖的截面的特殊情况的示意图，其中，所期望的晶体学平面的内部取向平行于贴砖反射表面。
图4c示出了展示形成环的贴砖的倾斜角度的示意图，该贴砖的纵向截面反射表面相对于光轴形成倾斜角度，并且晶体学平面相对于光轴和/或反射表面形成可与第一次提到的角度不同的角度。
图5a示出了单环的扩展的3D描述。
图5b示出了多个环的3D描述，且该多个环的扩展形成了完整的扩展结构。
图6a示出了来自4个环的贴砖的二维纵向切割的示意图，其中，3个环组装为扩展结构。该示例示出了将要位于Roland圆的近似结构上的环，根据Johansson或Johann理论研磨和抛光了该环的反射表面-使得焦点区域相对小。
图6b示出了来自4个环的贴砖的二维纵向切割的示意图，其中，3个环组装为扩展结构。该示例示出了将要位于偏离Roland圆和或Johansson和Johann理论的结构上的环-使得焦点区域相对大。
图7a示出了调整系统的3D图，该调整系统用于将单个贴砖安装到具有孔和螺钉组件的环，以保持各个贴砖粘到具有用于调整各个贴砖的3个螺纹的保持器，以按照布拉格角看得到源，并获得到期望位置的反射。
图7b示出了完全填充有贴砖的环的3D图，每个贴砖可由3个螺钉单独地调整。
图7c示出了2个放大的金属贴砖保持器的3D图，每个金属贴砖保持器具有3个螺纹，用于结合多个调整轴来调整贴砖。示出两个金属贴砖保持器以解释如何可将相邻的贴砖安装为它们之间不存在空间。
图8a示出了精确的理论原理的系统结构。
图8b示出了利用贴砖和扩展(贴砖相对于其晶体学平面的结构)对理论的最接近实现。
图9a示出了图8中所提到的最接近实现的一些缺点类型的一些结果。
图9b示出了具有偏离理论的样品的平铺扩展的不同用法的示例。
图10示出了具有扩展的偏离结构的示例的反射辐射的结果。
图11示出了非同轴类型的偏离结构的结果。该结果示出了目标体积的拉伸作为肿瘤的拉伸类型的示例。
具体实施方式
与本发明的所有章节一起提供以下描述，以使本领域技术人员能够利用所述发明，并且阐述了发明人所设想的实施本发明的最佳方式。然而，由于已经具体定义了本发明的一般原理以提供对被布置为用于将X射线会聚到焦点区域的X射线系统的体积和形状的控制，因此对本领域技术人员而言，各种修改仍然是显而易见的。
术语“对称结构”是指如下环：该环的旋转中心定位在光轴上并且该环的纵向中点位于从源至焦点区域的一半。
术语“纵向中点”是指贴砖和/或环的纵向中点。
术语“切割角”是指晶体反射表面(31)与所期望的晶体学平面(32)之间的角度-见图4中的δ。
术语“同心”是指位于彼此内部具有共同的中心的环。
术语“同轴”是指共享公共轴线但不一定位于彼此内部的环。
术语“倾斜角”是指反射表面(31)与光轴(100)之间的角–见图4c中的α。
术语“扩展”是指各个环作为扩展结构的一部分。
透镜的基本结构由一组同心环组成，该同心环包括具有各种不同晶体学平面的晶砖(crystal tile)。在使晶砖扩展的意义上，扩展涉及另一个环。最初通过使用与原始环类似但略有变化的反射材料、然后远离悬置的第一环将其同轴安装在同一轴线上来完成对特定环的扩展。反射材料的这种略有变化是由于因与源的距离不同，布拉格角度也略有不同而导致的。通常，它是具有相同的晶体学平面的相同材料，其反射表面被切割成不同的切割角并且以不同的倾斜度安装，因此，形成了具有圆锥形状的扩展环。
术语“扩展结构”是指如下一种基本结构(同心)：在该基本结构中，至少一个环具有被组装为同轴结构的至少一个扩展，从而将其悬置为如上所解释(主要如图2a中所示)以提供纵向平铺形式的环。
本发明还允许从精确的理论(即，形成罗兰圆(Rowland circle))和从精确的切割角和精确的倾斜角审慎地计算出偏差，以控制被辐射的体积和形状。
现在参照图1，其示意地示出了具有同心环的结构的示例的透镜系统。X射线源(13)发射发散的X射线(11)，X射线(11)进入由同心环(编号示例为外环15a和15b)制成的透镜(10)。环以会聚的方式(12)将X射线反射到焦点区域(14)。
现在参照图2a和图2b。透镜可由具有其他结构的环制成。图2a示出了相对于其旋转轴线(101)组装为同轴结构的环。图2b示出了组装为非同心和非同轴结构的环(20b)的结构的示例。环21以非同轴的方式定位，环21的旋转轴线(102)与其他环(101)的轴线不重合。环(22)是如下环的示例：该环的反射表面纵向轮廓相对于其旋转轴线(101)是倾斜的。在该示例中，环(22)表面形成圆锥结构。所有的旋转轴线可与光轴(100)平行和/或重合或者与光轴(100)不平行和/或不重合。
现在参照图3，其示意地示出了其环由贴砖制成的透镜系统(10)。还示出了贴砖(30)的放大图。L是可平行于光轴(100)的通常的纵向尺寸，t是贴砖厚度，w是贴砖宽度，贴砖宽度的方向通常垂直于光轴(100)。
现在参照图4。图4a示意性示出了沿单个贴砖的L方向的纵向截面。通常地，所期望的晶体学平面(32)的截面的方向相对于贴砖(31)的反射表面形成角δ。贴砖的纵向中点(18)位于贴砖的纵向中间(L/2)处。图4b示出了所期望的晶体学平面平行于贴砖的反射表面的特殊情况(δ＝0)。图4c示出了形成倾斜的纵向环轮廓的倾斜贴砖，倾斜的纵向环轮廓例如如在图2b中所提到的那种(环22)。在附图中，倾斜角相对于光轴(100)为α。
现在参照图5a，图5a示意性示出了具有其扩展的单个环的三维结构的示图。第一环58a用作以下的扩展58b、58c和58d的第一扩展。它们都是可由例如相同的晶体学平面以不同的半径、不同的倾斜角和不同的切割角制成的扩展。设计的出发点是围绕罗兰圆，利用所匹配的晶体学平面，根据Johansson和Johann理论调整周围的倾斜度和切割角。进一步考虑的是，在该设计中，可偏离罗兰半径、倾斜度和切割角，以获得具有受控的形状和大小的治疗体积。这些方法是会聚光束的其他方案中所描述的另外不同的方法。
现在参照图5b，图5b示意性示出了具有另外的多个环构造的三维结构的示图，其中，结构59、60、61和62形成同心结构的多个环，每个环具有其自己的扩展。
该结构的目的在于将反射从每个扩展标定到感兴趣体积的邻域。与罗兰半径、倾斜度和切割角的偏差决定了邻域的大小和形状，因此影响了被辐射体积的大小和形状。
现在参照图6a，图6a示意性示出了具有位于罗兰圆的近似结构上的4个环的示例的贴砖的2维纵向切割的示图。贴砖15a和贴砖15b以对称的结构同心，贴砖15a和贴砖15b的纵向中点(18)在源(13)与焦点区域(14a)之间的一半处。在该示例中，贴砖15a、贴砖16a和贴砖17a是同轴的，并且形成一组扩展。该结构是如下透镜的示例：该透镜被配置为利用特定的贴砖形成尽可能最小的焦点区域。来自所有环的出射反射光束(70)在焦点区域(14a)处被压缩在一起。这根据的是Johansson和Johann理论。仅贴砖的大小是目标体积变宽的主要原因。为了具有尽可能最小的焦点区域，环必须被组装以形成纵向中点位于适当的Roland圆上的结构。此外，将贴砖反射表面以角α平铺，以便在其纵向中点处与Roland圆相切，并且通过在Roland圆上的贴砖的纵向中点(18)位置处计算、根据Johansson或Johann理论对单晶贴砖进行研磨来获得其切割角δ。在该示例中，贴砖16a和贴砖17a的中点(18)的位置到目标位置(14a)的距离与到源(13)的距离不同，在该示例中，更靠近目标(14a)。然而，可将它们定位在靠近源(13)的位置。
现在参照图6b，图6b示意性示出了具有由贴砖制成的4个环的示例的贴砖的纵向切割的示图，其中，贴砖的结构偏离了Roland圆结构和Johansson和Johann理论。贴砖可仅具有切割角并且不倾斜。作为示例，对于此，在图6b中，环16b被绘制为平行于光轴(100)作为环15a的扩展(最初是平行的)，并且它们之间的唯一区别是切割角δ在15a中为0，并且在16b中不同于0。贴砖可仅倾斜而没有切割角。贴砖的纵向中点可位于与Roland圆相关的半径不同的半径处。扩展结构的偏差使反射光束(71)扩散，因此被辐射目标(14b)的体积变大。
可根据以下描述的考虑采用半径、倾斜角、切割角的任意组合。
1)焦点区域的大小和形状。
2)避免在环之间的辐射阻挡。
3)光束辐射截面填充。
4)均匀性考虑，以及
5)制造的简单性。
因此可能偏离Roland圆结构以及Johansson和Johan理论。贴砖的大小在设计中也起作用-它们还控制由源发出的光谱上的能量光谱宽度和值，例如在钨光谱的Kα位置的附近处，其可控制光谱的宽度来确定是否包括Kα1和Kα2或者甚至Kβ特征辐射，从而控制光束质量。
现在参照图7a，图7a示意性示出了各个贴砖(41)的调整系统。贴砖(41)将被粘在具有三个螺纹的小型金属保持器(42)上。3个螺钉的小转动的组合使贴砖能够沿多个轴线进行小的旋转和移动，以调整正确的角度，使贴砖沿着朝向所期望位置的反射方向看到源。保持器(42)通过穿过环体的孔安装到环(40)。小型弹簧将保持器(42)固定到位。
现在参照图7b，图7b示意性示出了完全填充有贴砖的完整的环(45)。在环的外表面上看得见螺钉头。螺钉允许单独地调整每个贴砖。
现在参照图7c，图7c示意性示出了一对贴砖保持器的放大图。为了通过三个螺钉调整的组合来实现围绕多个轴线并沿多个轴线进行小的调整的可能性，中间的螺纹必须在连接保持器的边缘附近的两个端螺纹的线的外部。通过转动两个端螺钉，贴砖发生俯仰移动。第三个中间螺钉给予贴砖滚转移动。转动所有的螺钉给予贴砖上下移动，例如来调整到环中心的径向距离。应用多于一个螺钉的组合增加了另外的移动，例如使贴砖面略偏斜，类似于偏摆调整或偏斜校正。仍然可将保持器彼此相邻地安装。为了示出该可能性，两个相邻的保持器被示出为彼此相邻地安装。
现在参照图8，图8示意性示出了本发明还允许偏离的理论基础。
图8a示出了理论上应如何构建精确的系统：源213是小尺寸类型(理论上接近点源)，并且目标214将被展示为小的理论体积。反射表面211是具有呈罗兰(Rowland)半径的形状的弯曲表面。晶体是大弯曲晶体，晶体的晶体学平面弯曲至两倍罗兰半径(R)-2R。因此，晶面弯曲到2R，因此反射表面被研磨成一个R的形式。这是理论上精确的几何形状，以利用布拉格原理聚焦X射线。
然而，实现这样的结构具有其技术难度，并且还存在如下情况：人们期望具有略较大的目标体积而不是小的目标体积。
为了实现上述情况，贴砖正被以两种主要的方式使用：
1)平铺环-环的贴砖横向地位于环的周向上。
2)人们可通过使用同轴安装的扩展环来使结构的纵向部分平铺，从而有可能偏离同轴组件。这是本发明的主要新颖性。启动原理如图8b所示。
图8a示出了尽可能接近理论的结构的实现。在图8b中，人们可看到利用三个扩展环实现的3折纵向平铺的示例。贴砖构成扩展环的纵向截面的一部分。
由于反射表面的曲率为R，而晶体学平面的曲率为2R，因此每个纵向环必须采用具有不同的切割角的晶体。纵向环的反射表面必须与R相切，而晶体学平面必须与2R相切。因此，在图8b的示例中，具有晶体学平面231的贴砖与其反射表面235具有零角度。平面232与其反射表面236具有角度，且平面233与反射表面237具有不同的角度。此外，平面232和平面233的倾斜角也不同。因此，更靠近目标的环呈具有较大的锥体角度的圆锥形状。通过使用贴砖和扩展，该实现尽可能地最接近理论。
然而，本发明的意图还在于辐射较大的体积，使得构造更容易且更简单，并且在于通过使用新的技术来控制体积的形状。
图9中示出了一个示例。一种可行的技术在于当制造贴砖时避免不同的切割角。简单的选择是选择0切割。
现在参照图9a，图9a示出了使用0切割的贴砖(310)。贴砖的中点的位置在罗兰圆(210)上，但由于贴砖具有0切割，因此贴砖必须取向为与该半径的两倍(即，2R)相切。因此，它们位于Rowland的位置上，但不与其相切，因为它们与2R相切。该结构形成具有开口的头皮屑状表面，因此并非所有的辐射都被捕获，且一些射线(330)可能逸出。
现在参照图9b，图9b示出了偏离理论的可能性的不同示例。人们可能希望以某个立体角捕获所有的辐射。该想法在于无视罗兰圆(210)但不距离其太远。该想法在于采用0切割角贴砖并且将贴砖布置为使扩展背对面(311)地接触彼此，从而封闭所有的空间，不允许任何射线逃离。现在确定该位置不在Rowland包络(Rowland envelope)上，但在使相邻的环彼此连接时将贴砖从前到后地放置。根据该位置，将倾斜度调整为如新位置中所看到的布拉格角。因此，反射偏离目标方向，以扩大并改变目标大小和形状。贴砖的倾斜度(即，扩展环的锥体角度)现在与理论不同。这样做的代价是聚焦不精确。因此，辐射体积较大。在某些情况下，这是可以接受的，甚至是期望的。根据所期望的与焦点的偏差，通过直接计算反射光束方向的变化以扩大焦点大小和形状，可与Rowland包络发生其他偏差。例如，可通过改变增加的环中心轴线相对于光轴的位置和角度来完成此操作。
现在参照图10，图10示出了背对面连接的先前示例的结果。贴砖的位置略远离Rowland位置，因此，以布拉格角度收集来自源(213)的射线的入射射线(430)被反射在理论焦点区域(214)的邻域，从而使214较大(如图所标示)。
现在参照图11，图11示出了不同偏差的结果。图11示出了非同轴地安装扩展环的另一示例。环421、422和423不安装在相同的轴线上，并且可以以它们的轴线的角度进行发散。出射的射线(531)到达略不同的位置。该组件示出了目标的各个图像彼此偏离，从而拉伸目标位置以形成拉伸的形状(514)。
这些仅是示例，并且可应用更多的偏差和技术。人们也可更接近理论的实现，从而使所治疗的体积小。
本发明的主要创新是使用形成扩展结构的平面贴砖将完整的环纵向平铺为具有环扩展的平铺部件，设计可偏离罗兰半径、倾斜角和切割角。这可以以比与给出的示例更多的方式来完成。
另外的创新是允许调整各个贴砖的结构。
Claims (4)
1.一种X射线系统，用于提供会聚X射线，包括：
a.X射线源，具有光轴；以及
b.X射线透镜装置，包括至少一个第一环，所述至少一个第一环具有通过由单晶制成的多个贴砖形成的第一布拉格反射表面，
其中，所述至少一个环上设置有至少一第二环，所述至少一第二环沿所述光轴以同轴的方式安装在所述至少一个环的附近，所述第二环具有第二布拉格反射表面的反射表面；所述第二反射表面通过由单晶制成的多个贴砖而形成，使得在所述第二反射表面处的布拉格角满足以下条件中的一个：
a.所述第二反射表面安装在罗兰圆包络位置内。
b.所述第二反射表面由根据Johansson和Johan理论相对于所述单晶的晶体学平面具有切割角的贴砖形成，其中，所述反射表面与罗兰圆半径R相切；以及
c.所述第二反射表面的所述单晶的晶体学平面根据Johansson和Johan理论相对于所述光轴平铺，并且所述晶体学平面与两倍罗兰圆半径2R相切。
2.根据权利要求1所述的X射线系统，其特征在于，所述第一反射表面和所述第二反射表面的所述单晶贴砖中的至少一个分别螺纹地连接到所述第一环和所述第二环的螺纹构件；所述单晶贴砖中的至少一个能够通过所述螺纹构件来单独地调整；所述螺纹构件配置为以下中的一个：
a.改变倾斜角；
b.通过改变距所述贴砖被保持在所述环上的位置的距离，来改变距所述环的中心的径向距离；
c.通过改变保持螺钉的组合，来改变所述贴砖相对于所述光轴的滚转角、偏摆角和俯仰角。
3.根据权利要求1所述的X射线系统，其特征在于，所述透镜系统包括部分环、完整环、锥形环、桶形环及其任意组合。
4.根据权利要求1所述的X射线系统，其特征在于，所述同轴扩展环能通过以下方法偏离Johansson和Johan理论的理论参数，以控制目标的大小和形状：
a.使所述第二环的中心轴线远离所述光轴移位；
b.使所述第二环的所述中心轴线相对于所述光轴倾斜预定角度；
c.使所述贴砖远离Rowland包络位置移位至与目标大小和形状相对应的预定位置；
d.使所述贴砖远离Rowland包络位置成角度地移位至与目标大小和形状相对应的预定位置；
e.使所述贴砖根据Johansson和Johan几何形状成角度地移位以与目标大小和形状相对应；以及
f.以上偏离方法的任意组合。
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