CN112004576B - 粒子束引导系统和方法以及相关的放射治疗系统 - Google Patents

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Abstract

一种粒子束引导系统(1a、1b、1c)，用于接收沿着入射轨迹(T1)的入射粒子束(6a、6b、6c)，并控制粒子束的出射能级和出射轨迹(T3)，其中，粒子束引导系统包括：衰减器(22)，用于调整粒子束的能级；第一束引导器(26)，位于衰减器下游，包括第一引导偶极子和第二引导偶极子，该第一引导偶极子和第二引导偶极子均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将粒子束从入射轨迹偏转到中间轨迹(T2)，其中，第一束引导器的第一偶极子被设置成使粒子束在第一平面中偏转，并且第一束引导器的第二偶极子被设置成使粒子束在与第一平面正交的第二平面中偏转；以及第二束引导器(28)，位于第一束引导器下游，包括第一引导偶极子和第二引导偶极子，该第一引导偶极子和第二引导偶极子均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将粒子束从中间轨迹偏转到出射轨迹，其中，第二束引导器的第一偶极子被设置成使粒子束在第一平面中偏转，并且第二束引导器的第二偶极子被设置成使粒子束在与第一平面正交的第二平面中偏转。还公开了一种包括这种粒子束引导系统的放射治疗系统。

Description

粒子束引导系统和方法以及相关的放射治疗系统
技术领域
本发明涉及一种粒子束引导系统，用于接收沿着入射轨迹的入射粒子束，并控制粒子束的出射能级和出射轨迹。本发明还涉及一种在粒子束引导系统中控制粒子束的出射能级和出射轨迹的方法。
本发明还涉及放射疗法，并且更具体地，涉及如何提高放射效果以达到在对周围组织造成最小损害的情况下破坏肿瘤的细胞的DNA的目的。具体而言，本发明涉及一种放射治疗系统，该放射治疗系统包括多个粒子束引导系统，每个粒子束引导系统被布置成接收沿着入射轨迹的入射粒子束，并控制使粒子束朝向位于放射治疗患者体内的三维辐射目标的出射能级和出射轨迹。
背景技术
使用放射疗法的癌症治疗涉及向患者施加电离辐射，使得辐射能量沉积在患者的身体的恶性细胞中。如果沉积了足够的能量，就会导致DNA的破坏和辐射细胞的随后死亡。
质子和其他带电粒子显示出适合放射治疗的深度-剂量曲线。这种辐射产生一个所谓的布拉格峰(Bragg peak)——沉积能量在带电粒子轨迹的最后一个区域急剧增加——其中带电粒子失去其全部能量，并且沉积剂量降至零。
US 2016/0144201 A1公开了一种用于强度调节的质子治疗的系统，在该系统中，多个质子束从多个方向和角度输送至患者。该系统可以控制、配置或选择质子束的能量分布，并且还动态地改变束的位置和/或对准。
US 2016/0144201 A1还公开了一种创建质子治疗计划的方法，该方法包括以下步骤：将受关注的体积分成子体积、特别是基于患者运动来对子体积应用剂量约束、找到质子治疗系统的一个或多个可行配置、并且选择改善或优化质子治疗的一个或多个方面的质子束配置。
然而，与US 2016/0144201 A1的质子治疗系统和其他现有技术的放射治疗系统相关联的问题在于，治疗期间患者的运动使得该系统难以将放射剂量准确地输送到辐射目标内的预期位置。事实上，即使患者受到限制，患者体内的器官运动仍将使现有技术的放射治疗系统难以准确地输送放射剂量，由呼吸和无意识的肌肉活动(例如，心跳)引起的运动也是如此。
因此，当使用现有技术系统准备治疗计划时，剂量约束需要考虑与治疗期间的患者和/或器官运动相关联的不确定性。在实践中，这种不确定性可能导致系统的操作者将系统设定为输送较低的总剂量，以避免损伤健康组织。反过来，这可能导致治疗比不存在不确定性时更低效。
在粒子束放射治疗系统中，粒子以接近光速的速度行进，并且轨迹通常由磁体控制和弯曲。所需的磁力的结果使以快速和灵活的方式改变粒子束的方向具有挑战性。
本发明的目的是减轻这个问题，并提供一种粒子束引导系统和放射治疗系统，该粒子束引导系统和放射治疗系统允许有效地控制粒子束的能量和轨迹。
发明内容
根据一个方面，本发明提供了一种粒子束引导系统，包括：
-衰减器，用于调整粒子束的能级；
-第一束引导器，位于衰减器下游，包括第一引导偶极子和第二引导偶极子，该第一引导偶极子和第二引导偶极子均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将粒子束从入射轨迹偏转到中间轨迹，其中，第一束引导器的第一偶极子被布置成使粒子束在第一平面中偏转，并且第一束引导器的第二偶极子被布置成使粒子束在与第一平面正交的第二平面中偏转；
-第二束引导器，位于第一束引导器下游，包括第一引导偶极子和第二引导偶极子，该第一引导偶极子和第二引导偶极子均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将粒子束从中间轨迹偏转到出射轨迹，其中，第二束引导器的第一偶极子被布置成使粒子束在第三平面中偏转，并且第二束引导器的第二偶极子被布置成在与第三平面正交的第四平面中偏转粒子束；以及
-束轨迹监测和控制单元，位于第二束引导器下游，并且被设置成控制预期的出射轨迹，其中，束轨迹监测和控制单元包括粒子束衰减材料的第一束轨迹控制盘和第二束轨迹控制盘，该第一束轨迹控制盘和第二束轨迹控制盘均可在与入射轨迹正交的各个平行平面内单独移动，并且每个控制盘显示有开口，开口的对准限定预期的出射轨迹。
所述第三平面可以与所述第一平面相同，并且因此，所述第四平面可以与所述第二平面相同。
第一束引导器与第二束引导器之间的间隙可以在30至150cm的范围内。
粒子束引导系统可以包括位于衰减器下游与第一束引导器上游的聚焦单元，该聚焦单元包括一组磁体，该组磁体形成聚焦四极以用于聚焦粒子束。
根据另一方面，本发明提供了一种在粒子束引导系统中控制粒子束的出射能级和出射轨迹的方法，该方法包括以下步骤：
-在粒子束引导系统中，接收沿着入射轨迹的入射粒子束；
-在粒子束引导系统的衰减器中调整粒子束的能级；
-使用粒子束引导系统的位于衰减器的下游的第一束引导器，将粒子束从入射轨迹偏转到中间轨迹，该第一束引导器包括第一引导偶极子和第二引导偶极子，该第一引导偶极子和第二引导偶极子均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将粒子束从入射轨迹偏转到中间轨迹，其中，第一束引导器的第一偶极子被布置成使粒子束在第一平面中偏转，并且第一束引导器的第二偶极子被布置成使粒子束在与第一平面正交的第二平面中偏转；
-使用粒子束引导系统的位于第一束引导器的下游的第二束引导器，将粒子束从中间轨迹偏转到出射轨迹，第二束引导器包括第一引导偶极子和第二引导偶极子，该第一引导偶极子和第二引导偶极子均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将粒子束从中间轨迹偏转到出射轨迹，其中，第二束引导器的第一偶极子被布置成使粒子束在第三平面中偏转，而第二束引导器的第二偶极子被布置成使粒子束在与第三平面正交的第四平面中偏转；并且
-使用粒子束引导系统的位于第二束引导器的下游的束轨迹监测和控制单元，控制预期的出射轨迹，其中，束轨迹监测和控制单元包括粒子束衰减材料的第一束轨迹控制盘和第二束轨迹控制盘，该第一束轨迹控制盘和第二束轨迹控制盘均可在与入射轨迹正交的各个平行平面内单独移动，并且每个控制盘显示有开口，该开口的对准限定预期的出射轨迹。
该方法可以包括：使用粒子束引导系统的位于衰减器的下游与第一束引导器的上游的聚焦单元聚焦粒子束的步骤，其中，该聚焦单元包括一组磁体，该组磁体形成聚焦四极以用于聚焦粒子束。
在衰减器中调整粒子束的能级的步骤可以包括以下步骤：使一对滑动楔块朝向或远离彼此移动，以便增加或减少粒子束的路径中的衰减材料的量。
在操作中，第一束轨迹控制盘和第二束轨迹控制盘被定位成使开口限定粒子束引导系统的期望出射轨迹。如果第一束引导器和第二束引导器成功地实现了期望的或设定的出射轨迹，粒子束将穿过控制盘中的所对准的开口。然而，控制盘将捕获粒子束的未完全对准的杂散粒子。此外，如果束引导器未对准粒子束，则粒子束将撞击到第一控制盘或第二控制盘。
第一束轨迹控制盘和/或第二束轨迹控制盘可以有利地包括传感器，能够检测粒子束撞击在控制盘上的何处，从而允许关于未对准的信息反馈到粒子束引导系统，以允许该粒子束引导系统实时或几乎实时地调整衰减器和/或束引导器，从而减小期望的和检测的出射轨迹之间的偏差。
为了保证足够的准确度，平行的第一束轨迹控制盘与第二束轨迹控制盘之间的距离可以在40至150mm的范围内，并且在盘中显示的开口可以是圆形，并且直径在3至10mm的范围内。
衰减器可以包括可以朝向或远离彼此移动的一对滑动楔，以便增加或减少粒子束的路径中的衰减材料的量。然而，原则上，可以使用本领域已知的任何类型的粒子束衰减器。
第一束引导器和第二束引导器的磁体可以是超导磁体。
粒子束引导系统可以有利地包括腔室，粒子束引导系统的部件封闭在该腔室中。该腔室可以有利地提供大气控制(例如，真空封闭和/或温度控制)，以例如确保低温冷却。该腔室还可以提供磁屏蔽，以例如防止来自一个粒子束引导系统的磁场干扰另一粒子束引导系统的操作。
粒子束引导系统的腔室通常可以是管状，具有背离辐射目标的第一粒子束进口端和面向辐射目标的第二粒子束出射端。
根据另一方面，本发明进一步提供一种放射治疗系统，包括：
-多个粒子束引导系统，每个粒子束引导系统被布置成接收沿着入射轨迹的入射粒子束，并控制粒子束的出射能级和出射轨迹以朝向位于放射治疗的患者体内的三维辐射目标；
-成像系统，被布置成监测三维辐射目标在空间中的位置和方位，包括辐射目标的任何运动的方向和速度，并且还监测位于粒子束的辐射路径中的辐射目标周围的身体组织的组织特性；
-粒子束控制系统，在放射治疗过程中：
-从成像系统接收关于辐射目标的位置和方位以及关于所述组织特性的信息；
-基于所接收的关于所述组织特性的信息，识别不应暴露于粒子束的身体组织；并且
-响应于辐射目标的运动，控制粒子束引导系统，使得：
(i)使有布拉格峰的粒子束在辐射目标内部的预定的束相交区域中相交；并且
(ii)粒子束的辐射路径不行进穿过被识别为不应暴露于粒子束的所述身体组织。
因此，本发明的这一方面基于使用粒子束控制系统以同时且以协调的方式操作多个粒子束引导系统。粒子束控制系统被布置成控制粒子束的出射能级和出射轨迹，使得该粒子束在辐射目标(例如，癌症肿瘤)内的预定的束相交区域中相交并呈现该粒子束的布拉格峰，同时防止粒子束穿过已经被识别为不应暴露于粒子束的身体组织。
在治疗过程之前，制定治疗计划，以声明需要输送到辐射目标的每个部位或区域的辐射剂量、以及从不同方向待输送到辐射目标的辐射剂量。通常基于辐射目标和周围组织(例如，器官、骨骼和其他组织结构)的详细可视化来创建治疗计划。治疗计划通常还识别患者体内的不应暴露于粒子束的身体组织和/或区域。
在治疗过程期间，响应于辐射目标的移动和/或周围组织的移动，调整粒子束的出射能级和出射轨迹，以在每个时间点找到每个粒子束的辐射路径或轨迹，该辐射路径或轨迹在预期的束相交区域中呈现布拉格峰，同时避开例如根据治疗计划不应暴露于粒子束的患者体内的敏感区域或结构(例如，中枢和/或外周神经系统的结构、眼睛、被确定为不可辐射的器官等)和/或患者体内的可能对粒子束有不想要的效果的区域或结构(例如，骨骼)。如果无法为粒子束源找到合适的粒子束轨迹，则粒子束源可能会暂时关闭。
辐射目标的移动和/或周围组织的移动促使粒子束源的重新定位和重新对准，这通常可能由于患者移动或由于患者内部器官的移动。
如果辐射目标较大，则治疗计划可以要求束相交区域扫过辐射目标。因此，然后可以调整每个粒子束的粒子束的出射能级和出射轨迹，以实现这种扫过动作。
粒子束控制系统可以被设置为以例如在0.1到0.05秒的范围内的预定间隔，更新出射能级和出射轨迹的设定点值，并且向所述多个粒子束引导系统发送控制信号以实现设定点值。
成像系统可以包括X射线计算机断层摄影(X射线CT)成像系统、磁共振成像(MRI)系统、质子计算机断层摄影(PCT)成像系统、正电子发射断层摄影成像(PET)系统、超声成像系统或者能够为实时或几乎实时呈现位于粒子束的辐射路径中的预期目标和预期目标周围的组织提供基础的任何其他类型的成像系统或其组合。
对目标和周围组织的实时或几乎实时的呈现可以基于目标和周围组织的静态呈现、并基于关于运动的模式以及运动的跟踪的知识，以实时对准并更新呈现。运动的实时跟踪可以通过使用超声波或其他已知的(例如，在US 5,207,223和WO 02/19908 A1中所公开的)手段来实现。
基于由成像系统提供的所述呈现，可以调整粒子束引导系统的出射能级和出射轨迹，以动态地补偿辐射目标和周围组织的运动，使得有布拉格峰的粒子束在辐射目标内部的预定的束相交区域中保持相交，同时建立粒子束的辐射路径，该辐射路径不行进穿过被识别为不应暴露于粒子束的身体组织。通过这种方式，可以实现更有效的剂量输送，从而提高肿瘤内部的放射治疗处理的效果，并同时减少输送到周围健康组织的放射剂量。
由于粒子束引导系统调整粒子束的出射能级和出射轨迹的能力，根据本发明的系统可以用于通过使束相交区域扫过肿瘤来治疗较大肿瘤，同时补偿辐射目标和周围组织的运动。由于相同的能力，根据本发明的系统还可以用于在治疗过程中治疗多个肿瘤。
根据本发明的系统可以用于电子地且实时地记录完整的治疗过程，例如，记录一个或多个目标的每个部位中的累积辐射剂量以及在治疗过程中使用的系统设定。
根据本发明的放射治疗系统可以包括一个或多个粒子发生器或加速器，以用于产生粒子束并将它们提供至粒子束引导系统，每个加速器可以被配置为产生一个或多个粒子束或小波束。
粒子束可以是质子束。
在以下中，除非另有说明或从上下文有隐含理解，否则术语“粒子束”被理解为的意思是从一个或相同的粒子源射出并具有相同的束路径的一个或多个粒子束或小波束。例如，粒子束可以是在工业内被称为“铅笔束”的类型。可替代地，可以应用现有的实时调整粒子束轮廓的新技术。这项新技术被称为图像引导放射治疗(IGRT)或四维放射治疗。
如果粒子束是质子束，则粒子束的轨迹通常由永磁体或电磁体操纵，并且在这种致动器系统中通常对功率传输和冷却有很大的需求。例如，能量传输或为超导性提供条件可能需要冷却。
粒子束控制系统通过单独控制粒子束的出射能级和出射轨迹，确保布拉格峰聚焦在束相交区域。
粒子束控制系统可以被配置为控制各个粒子束的开始和停止并且还控制每个粒子束辐射束相交区域的时间长度。
粒子束控制系统可以以这样的方式控制粒子束，即在由束相交区域占据的空间体积相对较大的这种情况下(至少如果辐射目标较小)，束相交区域可以包围整个辐射目标。可替代地，粒子束控制系统可以被布置成聚焦粒子束，使得由束相交区域占据的体积变小，在这种情况下，所输送的辐射集中在该小体积。
如果辐射目标大于束相交区域所占据的体积，则可以使束相交区域扫过或扫描整个辐射目标，以向辐射目标的不同部位输送期望的辐射剂量。这种扫过或扫描可以是逐步的或连续的。
为了动态控制束相交区域，应该有利地动态控制每个粒子束的出射能级和出射轨迹。
调整粒子束的出射能级和出射轨迹的目的是：保证准确定位每个粒子束的布拉格峰的出现，使得该布拉格峰明确地出现在预设的束相交区域中(即，使得有布拉格峰的粒子束在束相交区域中相交)。束相交区域的范围通常由相交粒子束的横截面积及该粒子束的布拉格峰的轴向范围决定。如果布拉格峰被定义为沉积能量大于最大沉积能量的80％的区域，则束相交区域的体积根据粒子束的各个横截面积和粒子束之间的角度，通常可以设定在50至1000mm3的范围内。
在束相交区域中的各个粒子束的位置通常应该设定在+/-0.5mm的准确度内，并且为了提供足够的动态性质，对粒子束的出射轨迹的调整优选地应该足够快，以允许粒子束跟随以20mm/s的速度移动并以40mm/s2的加速度加速的束相交区域。
成像系统被设置成持续监测目标在空间中的位置和方位(即，姿态)，以及速度数据(即，关于目标的位置和姿态变化的数据)。成像系统还被设置成监测目标周围的组织，特别是关于位于粒子束的路径中的组织的信息。
成像系统可以基于该数据动态地映射肿瘤和周围组织，并构建表示患者身体的相关部位的数学模型。将映射不同类型的组织(骨骼、肉、器官、肿瘤等)，并且使用关于不同类型的组织如何与粒子束相互作用的信息，粒子束控制系统将能够持续地调整每个粒子束的出射能级和出射轨迹，使得束相交区域被锁定到预期位置。可以有利地使用相同的数学模型来映射期望的出射能级和期望的出射轨迹的设定，从而，(例如，以每立方mm(或根据选择的每更大的或更小的单位)为单位)登记实际的实时辐射以及身体不同部位中的累积效果。
由成像系统监测到的信息转发到束控制系统，该束控制系统处理该信息，并自动计算和动态实现束源位置、束源对准和束调节的优选组合，以将束聚焦并保持在束相交区域。
当束相交区域移动时(例如，当束相交区域旨在扫过目标时和/或当束相交区域在目标移动时跟随目标时)，例如，由于呼吸运动，有时需要动态地调整各个粒子束的出射能级和出射轨迹，以便束的轨迹避开骨骼(例如，肋骨)，因为骨骼对粒子束具有不同的且通常不想要的效果。
调整粒子束的出射能级，可以包括：应用范围移位器，使得布拉格峰的远端位置可以被控制以出现在束相交区域中，例如，如在PCT/US2008/055069中所描述的，其通过引用结合于此。
带电粒子束的能量损失根据其到达目标中的束相交区域之前待穿过的组织的种类而大体上变化(以每毫米为单位进行测量)。该离子束是否会穿过空气、肌肉、各种器官或骨骼组织、以及该离子束中的每个的路径距离，将对出现的布拉格峰与束源的距离产生深远影响。
考虑到粒子束中粒子的相关类型和其他相关的束特性，目标和周围组织的数学模型可以提供显示每种组织每mm的能量损失的数据。在这方面，可以应用3D剂量跟踪，例如，如US 9,199,093中所述，其通过引用结合于此。
下面，将参照附图更详细地讨论本发明。
附图说明
图1示出三种不同粒子束的布拉格峰；
图2和图3示出根据本发明的放射治疗系统的实施方式；
图4和图5示意性地示出根据本发明的粒子束引导系统；
图6示出粒子束弯曲；
图7a和图7b示出在粒子束引导子系统中的弯曲的角度相对于所施加的磁场的函数。
具体实施方式
当带电粒子穿过物质时，会电离物质的原子，并沿该带电粒子的路径沉积剂量。随着带电粒子的速度降低，沉积能量增加。对于质子、α射线和其他离子射线，沉积的能量在粒子静止之前立即达到峰值，并因此，如果将这种电离辐射的能量损失相对于穿过物质行进的距离绘制为函数，则所得曲线将在沉积能量变为零之前立即显示出明显的峰，即所谓的布拉格峰。
这在图1中示出，该图1公开了来自三个不同粒子束的布拉格峰。
图2和图3公开了根据本发明的放射治疗系统的实施方式。放射治疗系统包括多个粒子束引导系统1a-1c，该多个粒子束引导系统1a-1c被设置成将粒子束6a-6c辐射到位于放射治疗患者4的体内的三维辐射目标3上。
放射治疗系统还包括粒子束控制系统7，该粒子束控制系统7被设置成单独控制并调整离开粒子束引导系统1a-1c的粒子束6a-6c的能级和轨迹，使得有布拉格峰的粒子束6a-6c在放射治疗过程期间在辐射目标3内的预定的束相交区域8中相交。
出射轨迹控制包括控制定义每个粒子束源的位置的三个变量(例如由笛卡尔坐标x、y、y表示)以及定义源自束源的粒子束的俯仰和偏航的两个变量(例如由围绕正交的俯仰和偏航轴测量出的旋转角度表示)。
调整粒子束6a-6c的出射能级可以包括：在粒子束6a-6c的路径中动态地插入和移除一个或多个衰减器元件(见图4)。
放射治疗系统进一步包括成像系统2，该成像系统2被布置成监测三维辐射目标3在空间中的位置和方位，并且还监测位于粒子束6a-6c的放射路径中的辐射目标3周围的身体组织5的组织特性。基于监测到的数据，成像系统被布置成动态地映射目标3和周围的组织5，并构建表示患者身体的相关部位(即，目标3和位于目标3与粒子束源1a-1c之间的周围组织5)的数学模型。在该映射中，不同类型的周围组织(骨骼、肉、器官等)被映射，并且关于不同类型的组织如何与粒子束相互作用的已知信息，特别是关于不同类型的组织使粒子束衰减的程度的信息被用于产生数学模型。
在操作中，成像系统2监测目标3和周围的组织5在空间中的位置和方位，并且持续更新目标3和周围组织5的映射以及表示患者4的身体的相关部位的数学模型。更新后的映射和/或更新后的数学模型被转发到粒子束控制系统7。
粒子束控制系统7处理从成像系统2接收的信息，并基于该信息产生控制信号，这些控制信号被发送到粒子束引导系统1a-1c，以调整粒子束6a-6c的出射能级和出射轨迹，使得粒子束6a-6c的布拉格峰保持在预期的束相交区域8内，同时考虑目标3的位置和/或姿态的任何变化。
这在图3中示出，其中目标3在空间中的位置和/或方位的变化(例如，由于患者或患者的内部器官移动)促使粒子束控制系统7调整粒子束6a-6c的出射能级和出射轨迹。
根据从成像系统2接收的信息，粒子束控制系统7还识别身体组织，该身体组织根据治疗计划不应暴露于粒子束6a-6c。粒子束控制系统7在调整粒子束6a-6c的出射能级和出射轨迹时，确保这种身体组织不暴露于粒子束6a-6c。
对粒子束6a-6c的出射能级和出射轨迹的调整不一定由辐射目标的运动触发，而是可以由使将要暴露于粒子束1a-1c的身体组织不被带入到粒子束6a-6c的辐射路径中的运动触发。例如，如果旋转使身体组织在粒子束6a-6c的辐射路径中不被辐射，则使辐射目标基本留在空间中的相同位置的该旋转可能仍然需要调整一个或多个粒子束6a-6c的出射能级和出射轨迹。
如果粒子束控制系统7不能为粒子束6a-6c找到“安全”的辐射路径(即，使身体组织避免不暴露于粒子束的辐射路径)，则粒子束控制系统7可能不得不关闭粒子束，直到找到这样的辐射路径，例如，直到移位辐射目标和周围组织以使得这样的辐射路径变得再次可用。
如图2和图3所公开的，预期的束相交区域8可以锁定在目标3中的给定位置。可替代地，束相交区域8可以被布置成连续地或逐步地扫过目标3，在这种情况下，束控制系统7在调整粒子束6a-6c的出射能级和出射轨迹时，除了补偿目标在空间中的位置和/或方位的任何变化以及位于粒子束6a-6c的路径中的组织的成分的任何变化之外，还必须考虑束相交区域的新位置。
图4和图5示出用于重新定位并重新对准放射治疗系统的粒子束6a、6b、6c的粒子束引导系统1a、1b、1c的实施方式，其中，粒子束引导系统1a-1c被布置成接收沿着入射轨迹T1的入射粒子束6a-6c，并控制粒子束6a-6c的出射能级和出射轨迹T3。
粒子束引导系统1a-1c在该系统1a-1c背离辐射目标3的末端包括衰减器22，该衰减器22被布置成调整粒子束能级，使得布拉格峰出现在辐射目标3中的所确定的点处。在所公开的实施方式中，衰减器22包括一对滑动楔块22a、22b，该对滑动楔块22a、22b可以朝向或者远离彼此移动以便增加或减少在粒子束6的路径中的衰减材料的量。
粒子束引导系统1a-1c还包括设置在衰减器22下游(即，在衰减器22的辐射目标侧)的聚焦单元24。聚焦单元24包括一组磁体24a、24b，该组磁体24a、24b形成聚焦四极(focusing quadrupole)以用于在粒子束6a-6c通过衰减器22之后聚焦该粒子束6a-6c。
粒子束引导系统1a-1c进一步包括位于衰减器22下游的第一束引导器26。第一束引导器26包括第一引导偶极子26a和第二引导偶极子26b，并且每个引导偶极子26a、26b包括两个超导磁体，以用于产生磁场，从而将粒子束6a-6c从入射轨迹T1偏转到中间轨迹T2，其中，第一偶极子26a被布置成使粒子束6a-6c在第一平面中(例如，在水平面中)偏转，并且第二偶极子26b被布置成使粒子束6a-6c在与第一平面正交的第二平面中(例如，在垂直面中)偏转。
粒子束引导系统1a-1c进一步包括位于第一束引导器26下游的第二束引导器28。第二束引导器28包括第一引导偶极子28a和第二引导偶极子28b，每个该第一引导偶极子28a和第二引导偶极子28b包括两个超导磁体。引导偶极子28a、28b被布置成将粒子束6a-6c从中间轨迹T2偏转到出射轨迹T3。如同在第一束引导器26中一样，一个偶极子28a被布置成使粒子束6a-6c在第一平面中偏转，并且另一偶极子28b被布置成使粒子束6a-6c在与第一平面正交的第二平面中偏转。
第一束引导器26能够偏转入射束6a-6c，使得该入射束6a-6c在中心(即，沿着不平行于入射轨迹T1的轨迹)进入第二束引导器28。这将使粒子束6a-6c能够从平面圆形区域29内的任何地方离开第二束引导器28，该平面圆形区域29正交于入射轨迹T1并且具有与入射轨迹T1同轴的中心(见图5)。可能的最大偏转(即，限定的圆形区域29的半径)将由第一束引导器的磁体的强度和范围以及粒子束的能量决定。
第二束引导器28控制对准，粒子束6a-6c通过该对准离开第二束引导器28。换言之，第二束引导器28控制出射轨迹T3的俯仰和偏航。
因此，第一束引导器26控制出射轨迹T3的起始位置(在圆29内)，并且第二束引导器28控制出射轨迹T3的俯仰和偏航，从而允许粒子束引导系统1a-1c采用出射轨迹T3以到辐射目标和周围组织的位置。
图6示出带电粒子(例如，质子)如何在穿过磁场时获得新方向的一般原理，并且图7a和图7b示出对于不同长度的磁场l，特别是对于l＝200mm(曲线Da、Db)、l＝300mm(曲线Ea、Eb)、l＝400mm(曲线Fa、Fb)和l＝500mm(曲线Ga、Gb)，在第一束引导器26中实现的弯曲角度相对于所施加的磁场强度的函数。图7a示出了能量为150MeV的粒子束的弯曲角度，并且图7b示出了能量为250MeV的粒子束的弯曲角度。
在第二束引导器28的下游，粒子束引导系统1a-1c包括束轨迹监测和控制单元30。该单元30包括两个平行的束轨迹控制盘30a、30b，该控制盘30a、30b可在正交于入射轨迹的各个平面内单独移动。控制盘30a、30b之间的距离在40至150mm的范围内。每个控制盘30a、30b显示有供粒子束穿过的圆形开口31a、31b，开口31a、31b各自的直径略大于粒子束6a-6c的直径。开口31a、31的直径可以例如在3至10mm的范围内。
在操作中，第一束轨迹控制盘30a和第二束轨迹控制盘30b被定位成使开口31a、31b限定粒子束引导系统的期望出射轨迹。如果第一束引导器26和第二束引导器28已经成功地实现了由粒子束控制系统7设定的出射轨迹，则粒子束将穿过所对准的开口31a、31b。然而，如果束引导器26、28未对准粒子束，则粒子束将撞击到第一控制盘或第二控制盘。
因此，开口31a、31b将始终保持在允许具有期望出射轨迹的粒子束穿过开口31a、31b的位置，从而作为安全措施以确保粒子束不会击中除指定目标区域之外的任何其他位置。每个束轨迹控制盘30a、30b具有吸收任何杂散质子的表面，加上用于登记杂散质子的量的传感器，从而允许关于未对准的信息反馈到粒子束引导系统，以允许该粒子束引导系统实时或几乎实时地调整衰减器和/或束引导器，从而减小所期望的与检测到的出射轨迹之间的偏差。
随着时间的推移，可以通过计算学习改进该功能。在不干扰主粒子束的情况下获得该功能。
粒子束引导系统1a-1c包括腔室(未示出)，粒子束引导系统的部件封闭在该腔室中。该腔室提供大气控制(例如，真空封闭和/或温度控制)，以确保低温冷却。该腔室还提供磁屏蔽，以防止来自一个粒子束引导系统的磁场干扰另一粒子束引导系统的操作。
在前面的描述中，已经参考说明性实施方式描述了根据本发明的设备的各个方面。出于解释的目的，阐述了具体的数字、系统和配置，以便提供对该设备及其工作的全面理解。然而，该描述不旨在以限制性的意义来被解释。对于所公开主题所属领域的技术人员来说显而易见的是，说明性实施方式的各种修改和变化以及设备的其他实施方式被认为落在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种粒子束引导系统(1a、1b、1c)，用于接收沿着入射轨迹(T1)的入射粒子束(6a、6b、6c)，并控制所述粒子束(6a、6b、6c)的出射能级和出射轨迹(T3)，其中，所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)包括：
-衰减器(22)，用于调整粒子束(6a、6b、6c)的能级；
-第一束引导器(26)，位于所述衰减器(22)下游，包括第一引导偶极子(26a)和第二引导偶极子(26b)，所述第一引导偶极子(26a)和所述第二引导偶极子(26b)均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将所述粒子束(6a、6b、6c)从所述入射轨迹(T1)偏转到中间轨迹(T2)，其中，所述第一束引导器(26)的第一引导偶极子(26a)被设置成使所述粒子束(6a、6b、6c)在第一平面中偏转，并且所述第一束引导器(26)的第二引导偶极子(26b)被设置成使所述粒子束(6a、6b、6c)在与所述第一平面正交的第二平面中偏转；
-第二束引导器(28)，位于所述第一束引导器(26)下游，包括第一引导偶极子(28a)和第二引导偶极子(28b)，所述第一引导偶极子(28a)和所述第二引导偶极子(28b)均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将所述粒子束(6a、6b、6c)从所述中间轨迹(T2)偏转到所述出射轨迹(T3)，其中，所述第二束引导器(28)的第一引导偶极子(28a)被设置成使所述粒子束(6a、6b、6c)在第三平面中偏转，并且所述第二束引导器(28)的第二引导偶极子(28b)被设置成使所述粒子束(6a、6b、6c)在与所述第三平面正交的第四平面中偏转；以及
-束轨迹监测和控制单元(30)，位于所述第二束引导器(28)下游，并且被设置成控制预期的出射轨迹(T3)，其中，所述束轨迹监测和控制单元(30)包括粒子束衰减材料的第一束轨迹控制盘(30a) 和第二束轨迹控制盘(30b)，所述第一束轨迹控制盘(30a)和所述第二束轨迹控制盘(30b)均能够在与所述入射轨迹(T1)正交的各个平行平面内单独移动，并且所述第一束轨迹控制盘(30a)和所述第二束轨迹控制盘(30b)均显示有开口(31a、31b)，所述开口(31a、31b)的对准限定预期的出射轨迹(T3)。
2.根据权利要求1所述的粒子束引导系统(1a、1b、1c)，其中，所述第一束引导器(26)和所述第二束引导器(28)之间的间隙在30至150cm的范围内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的粒子束引导系统(1a、1b、1c)，其中，所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)包括：
-聚焦单元(24)，位于所述衰减器(22)的下游与所述第一束引导器(26)的上游，包括一组磁体(24a、24b)，所述一组磁体(24a、24b)形成聚焦四极以用于聚焦所述粒子束(6a、6b、6c)。
4.根据权利要求1所述的粒子束引导系统(1a、1b、1c)，其中，所述衰减器(22)包括：
-一对滑动楔块(22a、22b)，能够朝向或远离彼此移动，以便增加或减少在所述粒子束(6a、6b、6c)的路径中的衰减材料的量。
5.根据权利要求1所述的粒子束引导系统(1a、1b、1c)，其中，所述第一束引导器(26)和所述第二束引导器(28)的磁体是超导磁体。
6.一种放射治疗系统，包括：
-多个根据前述权利要求中任一项所述的粒子束引导系统(1a、1b、1c)，每个粒子束引导系统(1a、1b、1c)被设置成接收沿着入射轨迹(T1)的入射粒子束(6a、6b、6c)，并控制所述粒子束(6a、6b、6c)的出射能级和出射轨迹(T3)以朝向位于放射治疗患者(4)体内的三维辐射目标(3)；
-成像系统(2)，被布置成监测所述三维辐射目标(3)在空间中的位置和方位，包括所述辐射目标的任何运动的方向和速度，并且还监测位于所述粒子束(6a、6b、6c)的辐射路径中的所述辐射目标(3)周围的身体组织(5)的组织特性；
-粒子束控制系统(7)，在放射治疗过程期间：
-从所述成像系统(2)接收关于所述辐射目标(3)的所述位置和方位以及关于所述组织特性的信息；
-基于所接收的关于所述组织特性的信息，识别不应暴露于所述粒子束(6a、6b、6c)的身体组织(5)；并且
-响应于所述辐射目标(3)和/或所述辐射目标(3)周围的所述身体组织(5)的运动，控制所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)，使得：
(i)使有布拉格峰的所述粒子束(6a、6b、6c)在所述辐射目标(3)内部的预定的束相交区域(8)中相交；并且
(ii)所述粒子束(6a、6b、6c)的所述辐射路径不行进穿过被识别为不应暴露于所述粒子束(6a、6b、6c)的所述身体组织。
7.根据权利要求6所述的放射治疗系统，其中，所述粒子束控制系统(7)被设置为以0.1至0.05秒的范围内的间隔，更新所述出射能级和所述出射轨迹(T3)的设定点值，并且向多个所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)发送控制信号以实现所述设定点值。
8.根据权利要求6和7中任一项所述的放射治疗系统，其特征在于，所述成像系统包括X射线计算机断层摄影成像系统、磁共振成像系统、超声成像系统、质子计算机断层摄影成像系统和正电子发射断层摄影成像系统中的任一种。
9.根据权利要求6所述的放射治疗系统，其特征在于，所述粒子束控制系统(7)在放射治疗过程期间被布置成将所述束相交区域(8)锁定在所述辐射目标(3)内的预定位置。
10.根据权利要求6所述的放射治疗系统，其特征在于，所述粒子束控制系统(7)在放射治疗过程期间被布置成使所述束相交区域(8)沿着预定路径扫过所述辐射目标(3)。
11.根据权利要求6所述的放射治疗系统，其特征在于，所述粒子束控制系统(7)在放射治疗过程期间被布置成使所述束相交区域(8)逐步重新定位到所述辐射目标(3)内的预定位置。
12.根据权利要求6所述的放射治疗系统，其特征在于，所述粒子束是质子束。
13.一种在粒子束引导系统(1a、1b、1c)中控制粒子束(6a、6b、6c)的出射能级和出射轨迹(T3)的方法，所述方法包括以下步骤：
-在所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)中，接收沿着入射轨迹(T1)的入射粒子束(6a、6b、6c)；
-在所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)的衰减器(22)中调整所述粒子束(6a、6b、6c)的能级；
-使用所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)的位于所述衰减器(22)下游的第一束引导器(26)，将所述粒子束(6a、6b、6c)从所述入射轨迹(T1)偏转到中间轨迹(T2)，所述第一束引导器(26)包括第一引导偶极子(26a)和第二引导偶极子(26b)，所述第一引导偶极子(26a)和所述第二引导偶极子(26b)均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将所述粒子束(6a、6b、6c)从所述入射轨迹(T1)偏转到所述中间轨迹(T2)，其中，所述第一束引导器(26)的第一引导偶极子(26a)被布置成使所述粒子束(6a、6b、6c)在第一平面中偏转，并且所述第一束引导器(26)的第二引导偶极子(26b)被布置成使所述粒子束(6a、6b、6c)在与所述第一平面正交的第二平面中偏转；
-使用所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)的位于所述第一束引导器(26)下游的第二束引导器(28)，将所述粒子束(6a、6b、6c)从所述中间轨迹(T2)偏转到所述出射轨迹(T3)，所述第二束引导器(28)包括第一引导偶极子(28a)和第二引导偶极子(28b)，所述第一引导偶极子(28a)和所述第二引导偶极子(28b)均包括两个磁体，以用于产生磁场，从而将所述粒子束(6a、6b、6c)从所述中间轨迹(T2)偏转到所述出射轨迹(T3)，其中，所述第二束引导器(28)的第一引导偶极子(28a)被布置成使所述粒子束(6a、6b、6c)在第三平面中偏转，并且所述第二束引导器(28)的第二引导偶极子(28b)被布置成使粒子束(6a、6b、6c)在与所述第三平面正交的第四平面中偏转；并且
-使用所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)的位于所述第二束引导器(28)下游的束轨迹监测和控制单元(30)，控制预期的出射轨迹(T3)，其中，所述束轨迹监测和控制单元(30)包括粒子束衰减材料的第一束轨迹控制盘(30a)和第二束轨迹控制盘(30b)，所述第一束轨迹控制盘(30a)和所述第二束轨迹控制盘(30b)均能够在与所述入射轨迹(T1)正交的各个平行平面内单独移动，并且所述第一束轨迹控制盘(30a)和所述第二束轨迹控制盘(30b)均显示有开口(31a、31b)，所述开口(31a、31b)的对准限定预期的所述出射轨迹(T3)。
14.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：
-使用所述粒子束引导系统(1a、1b、1c)的位于所述衰减器(22)下游与所述第一束引导器(26)上游的聚焦单元(24)聚焦所述粒子束(6a、6b、6c)，其中，所述聚焦单元(24)包括一组磁体(24a、24b)，所述一组磁体(24a、24b)形成聚焦四极以用于聚焦所述粒子束(6a、6b、6c)。
15.根据权利要求13和14中任一项所述的方法，其中，在所述衰减器(22)中调整所述粒子束(6a、6b、6c)的能级的步骤包括：
-使所述衰减器(22)中的一对滑动楔块(22a、22b)朝向或远离彼此移动，以便增加或减少所述粒子束(6a、6b、6c)的路径中的衰减材料的量。
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