CN113474040A - 紧凑型质子治疗系统和方法 - Google Patents

Abstract

系统质子治疗系统包括：质子加速器，其构造为产生质子束；多个束线路径，其构造成将质子束从质子加速器引导至对应的多个治疗室；可旋转弯转磁体，其位于质子加速器与多个治疗室之间，该可旋转弯转磁体构造为在多个治疗室之间选择性旋转；以及竖立患者定位机构，其布置在治疗室中的每个中，该竖立患者定位机构构造为将患者支撑在特定治疗室内并且构造为使患者在固定成像源与成像面板之间旋转。

Description

紧凑型质子治疗系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年1月10日提交的美国临时专利申请No.62/790,856的优先权，该美国临时专利的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体构思涉及质子治疗系统，并且更具体地涉及具有改进的患者定位、质子输送和成像的紧凑型束线质子治疗系统。

背景技术

质子治疗(PT)是一种使用高能质子来穿透患者的身体并且将能量沉积至诸如癌性肿瘤等治疗区域中的癌症治疗技术。传统PT系统通常采用将质子束从零度和360度之间的任何角度引导至患者的旋转机架轮。这允许医生设计从不同角度攻击癌性肿瘤并且减少对重要器官和/或健康组织的辐射损伤的治疗计划。然而，目前质子疗法所面临的挑战之一是这种系统的高成本和尺寸要求，这阻碍了这种有效的治疗类型变得广泛使用和被接受。因此，期望提供一种能够更紧凑实施以降低项目和装备成本的质子治疗系统。

发明内容

根据本发明总体构思的各种示例性实施例，本文描述的质子治疗系统的新颖方面可以提供改进的患者固定和定位系统，以及紧凑型束线输送、高级成像和改进的工作流程。

本发明总体构思的附加特征和实施例将在以下描述中进行部分阐述，并且部分将从描述中变得显而易见，或者可以通过本发明总体构思的实践而进行了解。

本发明总体构思的前述和/或其它方面和优点可以通过提供质子治疗系统来实现，该质子治疗系统包括：质子加速器，其构造为产生质子束；多个束线路径，其构造成将质子束从质子加速器引导至相对应的多个治疗室；可旋转弯转磁体，其位于质子加速器和多个治疗室之间，该可旋转弯转磁体构造为在第一位置和第二位置之间选择性旋转，使得当可旋转弯转磁体旋转至第一位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第一治疗室，并且当可旋转弯转磁体旋转至第二位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第二治疗室；多个质子输送喷嘴，其在每个治疗室内位于可旋转弯转磁体的下游，并且构造为将质子束分别引导至每个治疗室内的固定位置；以及竖立患者定位机构，其布置在治疗室的每一个中，该竖立患者定位机构构造为支撑特定治疗室内的患者，使得当将质子束输送至特定治疗室时，特定治疗室的固定位置位于患者的目标区域的等中心点处。

本发明总体构思的前述和/或其它方面和优点还可通过提供用于质子治疗系统中的旋转弯转磁体组件来实现，该旋转弯转磁体组件包括：消色差超导磁体，其构造成将质子束的方向改变约90度；以及移动机构，其构造为使消色差超导磁体旋转，以便沿第一方向或第二方向选择性引导质子束，其中，第一方向与第二方向相反。

本发明总体构思的前述和/或其它方面和优点还可以通过提供质子治疗系统来实现，该质子治疗系统包括：质子加速器，其构造为产生质子束；多个束线路径，其构造成将质子束从质子加速器引导至对应的多个治疗室；可旋转弯转磁体，其位于质子加速器和多个治疗室之间，该可旋转弯转磁体构造为在第一位置和第二位置之间选择性旋转，使得当可旋转弯转磁体旋转至第一位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第一治疗室，并且当可旋转弯转磁体旋转至第二位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第二治疗室；以及多个质子输送喷嘴，其在每个治疗室内位于可旋转弯转磁体的下游，并且构造为将质子束分别引导至每个治疗室内的固定位置。

本发明总体构思的前述和/或其它方面和优点还可以通过提供用于质子治疗系统的竖立定位机构来实现，该竖立定位机构包括：基部构件，其构造为绕患者的目标区域的等中心点旋转；以及患者支撑杆，其构造成从基部构件向上延伸，并且可以相对于基部构件枢转，其中，竖立患者定位机构构造为支撑患者并且在治疗室内提供六个运动自由度，使得固定的线质子束输送至患者的目标区域的等中心点。

本发明总体构思的前述和/或其它方面和优点还可以通过提供在患者的质子治疗期间执行三维图像重建的方法来实现，该方法包括：使患者在固定成像源和成像面板之间旋转；产生患者的目标区域的一系列图像；以及将图像重建为三维体积表示。

从以下详细描述、附图和权利要求中，其它特征和实施例可以是显而易见的。

附图说明

以下示例性实施例是设计为实施本发明总体构思的目标的示例性技术和结构的代表，但是本发明总体构思不局限于这些示例性实施例。为了清晰起见，附图和图示中的线条、实体和区域的尺寸和相对尺寸、形状以及质量可能被夸大。通过以下示例性实施例的详细描述并且参考附图将更易于理解和领会各种附加实施例，其中：

图1示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的质子治疗系统；

图2示出了根据本发明总体构思的另一示例性实施例的质子治疗系统；

图3示出了根据本发明总体构思的又一示例性实施例的质子治疗系统；

图4示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的竖立患者定位机构；

图5示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的质子治疗过程中的图4的竖立患者定位机构；

图6示出了根据本发明总体构思的另一示例性实施例的构造成用于质子治疗过程的图4的竖立患者定位机构；

图7A至图7C示出了根据本发明总体构思的又一示例性实施例的构造成用于质子治疗过程并且在质子治疗过程期间使用的图4的竖立患者定位机构的另一视图；

图8A至图8C示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的竖立患者定位机构的各种定位构造；

图9示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的竖立患者定位机构的患者支撑杆的一些铰接运动能力；

图10A至图10B示出了根据本发明总体构思的两个示例性实施例的患者支撑杆的不同表面构造；并且

图11示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的具有共同壳体的可旋转弯转磁体。

具体实施方式

现在将参考本发明总体构思的示例性实施例，该示例性实施例的示例在附图和图示中示出。在本文中对示例性实施例进行描述，以便通过参考附图来解释本发明总体构思。

提供以下详细描述以帮助读者对本文所述的结构和制造技术得到全面理解。因此，本领域的普通技术人员将提出本文所述的结构和制造技术的各种变化、修改和等效物。然而，所描述的制造操作的进展仅是示例，并且操作的顺序类型不局限于本文所阐述的顺序类型，并且除了必须以特定顺序发生的操作之外，可以按照本领域已知的方式对顺序类型进行改变。此外，为了增加清晰性和简洁性，对众所周知的功能和结构的描述可以进行简化和/或省略。

注意的是，为了便于描述，本文可以使用诸如“上”、“下”、“右”、“左”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等的空间相对术语来描述如附图中所示的一个元件或特征与其它一个或多个元件或特征的关系。除图中所描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的设备的不同取向。例如，如果图中的设备翻转或旋转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将取向为在其它元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“下方”可以同时涵盖上方和下方的取向。该设备可以具有其它取向(以90度或其它取向旋转)并且本文所使用的空间相对描述语被相应地解释。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以通过提供在竖立患者治疗的情况下的紧凑型超导加速器和固定束线来显著降低项目和装备成本。这种实施例可以减少建筑物占地面积、提高临床准确度并且减少装备成本。

根据本发明总体构思的各种示例性实施例，紧凑型超导回旋加速器和90度弯转磁体可以构造成替代当前系统的长束线。通过对回旋加速器和弯转磁体“下游”的多个固定束线之间的弯转磁体进行旋转，90度(直角)输送允许将束线引导至一个或多个治疗室中。例如，90度旋转弯转磁体可以构造成将水平取向的束线选择性引导至两个可用的治疗室(例如，室1或室2)。在各种示例性实施例中，还能够将射束发生器进行取向以产生进入治疗室中的竖直束线，使得90度弯转磁体可以构造成将束线弯转成水平取向并且将束线选择性引导至多个治疗室中的一个(例如，中心辐射构造)。

本发明总体构思的各种示例性实施例还可以提供患者定位系统，该患者定位系统构造成以竖立姿势(upright position)支撑患者并且相对于质子束移动患者，而不是利用机架系统围绕患者旋转束线。竖立治疗显著提高了每小时可以治疗的数量(the number offractions)，简化了成像，并且减小了治疗室的占地面积。患者可以例如以坐姿或者栖坐(perched)姿势的竖立姿势就位，并且绕等中心点旋转。另外，这种精确旋转允许通过旋转患者而不是旋转成像仪来产生3D CBCT图像。可以将成像面板和成像源固定在空间中，从而提高精度并且极大降低成本，以及简化定位机构。已经表明，由于当患者从卧姿移动至竖立姿势时器官位移，所以以与扫描患者时的相同体位来治疗患者可能是有利的。本领域中的一些学者已经系统阐述了以坐姿或者竖立姿势对患者进行治疗的优点。已经表明，以坐姿或者竖立姿势对患者进行治疗可以提高的患者舒适度和安全性、减少目标运动以及减少肺部受辐射的体积。本发明总体构思的示例性实施例可以提供构造成适应竖立患者的可视化的规划系统。软件功能性可以与质子装备的开发相配合以提高处理效率。

在本发明总体构思的各种示例性实施例中提供的90度弯转磁体可以用于形成紧凑型质子治疗系统，以便于使该系统的占地面积较小，允许相应的建筑物和地段由垂直构建元件构成。在没有用于沿束线的长度方向的弯曲件扫描的不必要空间的情况下，紧凑型直角弯曲件可以紧邻壁和结构元件放置。旋转90度弯转磁体可以延伸至2个以上的治疗室或治疗位置。例如，在中心辐射构造中，回旋加速器可以指向上方或下方，并且弯转磁体可以将射束置于水平面中并且将射束旋转输送至绕弯转磁体以放射状方式布置的多个室中。

图1示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的质子治疗系统。如图1所示，本示例性实施例的质子治疗系统10包括构造成产生将用于质子治疗的质子束的质子加速器14，以及布置成将质子束从质子加速器14引导至对应的多个治疗室的多个束线路径18。在本示例性实施例中，两个束线路径18布置成将质子束输送至相应的第一治疗室22和第二治疗室24。可旋转弯转磁体26设置在加速器14和治疗室22、24之间，以将来自质子加速器14的质子束弯转九十度，以便将质子束按束线路径18中的选定一个传输而输送至治疗室22、24中的选定一个。可旋转弯转磁体26构造为在第一位置30和第二位置34之间选择性旋转，使得当可旋转弯转磁体26旋转至第一位置30时，可旋转弯转磁体26将质子束引导至第一治疗室22，并且当可旋转弯转磁体26旋转至第二位置34时，可旋转弯转磁体26将质子束引导至第二治疗室24。可以设置移动机构28以旋转可旋转弯转磁体26用于在治疗室之间切换。移动机构28还可以构造成将弯转磁体26旋转至不同角度，例如正向下或正向上，以在质子束输送至治疗室之前将质子束引导至诊断单元48以用于分析质子束。在对质子束进行分析之后，移动机构28可以随后旋转弯转磁体26以将质子束引导至治疗室中的一个来输送给患者。根据合理的工程判断，各种已知的或者以后开发的机械或机电结构可以用于移动机构28。例如，可以将齿轮驱动的环状结构安装至弯转磁体以便于弯转磁体的旋转。移动机构28可以由电子伺服机构控制，以驱动齿轮驱动结构并且使弯转磁体26在治疗室之间旋转，或者将质子束引导至诊断单元48。在各个治疗室22、24中的每一个内，将多个质子输送喷嘴38设置在可旋转弯转磁体26的下游，以将质子束引导至治疗室22、24中的每一个内的固定位置。将竖立患者定位机构42布置在治疗室22、24中的每一个中，该竖立患者定位机构42构造成在特定治疗室内支撑患者，使得当质子束输送至特定治疗室时，特定治疗室的固定位置位于患者的目标区域的等中心点。本文将对竖立患者定位机构42的各种示例性实施例进行更详细描述。如图1所示，根据本发明总体构思的各种示例性实施例的质子治疗系统可以以更小并且更简单的建筑布局来实现，并且质子束可以在不同的治疗室之间便利并且快速地按路线传输。因此，通过在第一治疗室22中治疗第一患者，同时在第二治疗室24中定位第二患者以用于治疗，并且在第一患者的治疗完成后立即将质子束切换至第二治疗室24以治疗第二患者等等，可以提高治疗效率。在各种示例性实施例中，可旋转弯转磁体26构造成容纳在共同壳体中以提高可旋转弯转磁体26的稳定性和性能。这种共同壳体可以被认为提供“盒中的束线”，并且提供诸如节省调节和保持对准所花费的时间、刚性可旋转弯转磁体支撑、较低功耗、减小占地面积等的益处。根据合理的工程判断，共同壳体可以采用各种结构。示例性结构在申请人的美国专利9,283,408中进行了说明和描述，该美国专利的内容通过引用整体并入本文。在这些附图中，束线路径18通常是指可旋转弯转磁体26下游的束线路径的部分。如图1所示，除了对弯转磁体26进行旋转以将质子束引导至诊断单元48之外，还能够设置具有进入窗口46的可旋转弯转磁体26，当弯转磁体以其他方式定位成将质子束引导至治疗室的一个中时，在不改变质子束的方向的情况下，可旋转弯转磁体26的该进入窗口46可以选择性被激活以允许质子束选择性穿过进入窗口46。当进入窗口46被激活时，质子束可以输送至诊断单元48，诊断单元48构造成测量穿过进入窗口46的质子束的一个或多个特性。因此，质子束可以输送至诊断单元48而不是治疗室22、24中的一个，使得在将质子束引导至患者之前可以对质子束的各种特性进行分析。在不会干扰治疗室中的程序和/或布置的情况下，各种不同的诊断单元或部件可以在接近进入窗口46的便利位置处互换。在各种示例性实施例中，可选的进入窗口46可以以诸如选择性打开面板、选择性致动窗口或孔等许多不同方式构造。例如，如图11所示，在可旋转弯转磁体26的共同壳体164内的一个或多个束转向电磁体162可以被选择性激励，以引导质子束132通过进入窗口46而不是进入治疗室中的一个。

在图1所示的示例性实施例中，质子加速器14构造成在相对于第一治疗室22的地板和第二治疗室24的地板的基本水平面中引导质子束，并且可旋转弯转磁体26构造为能够在第一位置30和第二位置34之间选择性旋转，以在基本水平面上将质子束弯转约90度，从而将质子束选择性引导至第一治疗室22和第二治疗室24中的一个中。然而，各种示例性实施例可以提供许多不同构造。例如，图2示出了根据本发明总体构思的另一示例性实施例的质子治疗系统，其中该质子治疗系统50以中心辐射构造布置，使得可旋转弯转转磁体54将质子束弯转90度，并且与由质子加速器(在该图中未示出)输送的质子束的方向垂直。质子加速器构造成在相对于绕可旋转弯转磁体54布置的多个治疗室62的地板的基本竖直方向上引导质子束，该可旋转弯转磁体构造为相对于竖直方向将质子束弯转约90度，以便将质子束引导至多个治疗室62中的选定一个。在这种构造中，可旋转弯转磁体54可以包括构造成以期望增量将可旋转弯转磁体54旋转高达360度的移动机构56(例如，类似于上述移动机构28)，使可旋转弯转磁体54能够将质子束引导至绕可旋转弯转磁体54布置的任何数量的治疗室中和/或引导至诊断单元48。在图2所示的示例性实施例中，可旋转弯转磁体54构造成能够在多个位置之间旋转，但应当注意的是，本发明总体构思不局限于任何特定数量的室和/或方向(角度)的取向。此处，可以将移动机构56提供至可旋转弯转磁体54以用于在治疗室中的任何一个之间切换和/或可选提供给诊断单元。根据合理的工程判断，可以利用各种已知的或以后开发的机械或机电结构来执行可旋转弯转磁体54的增量旋转。在一些实施例中，移动机构56可以是安装至弯转磁体54的齿轮驱动的环状结构以便于弯转磁体54的旋转。移动机构28可以由电子伺服机构控制以驱动齿轮驱动结构，并且将弯转磁体54旋转至治疗室62中的任何一个和/或将质子束引导至诊断单元48。虽然质子加速器未在图2中示出，但是质子加速器可以设置在可旋转弯转磁体54的下方或上方的位置处，以将质子束竖直引导至可旋转弯转磁体54。在图2中示出的示例性实施例中，可旋转弯转磁体54构造成选择性旋转以将质子束沿八个不同束线58在八个不同的方向上输送至八个相应的治疗室62。四个治疗室62设置有相应的质子束输送喷嘴66和竖立患者定位机构70，但是应当理解的是，在不脱离本发明总体构思的范围的情况下，可以实现许多不同构造。

图3示出了根据本发明总体构思的另一示例性实施例的质子治疗系统。在图3所示的示例性质子治疗系统80中，质子加速器82布置在可旋转弯转磁体84的下方，可旋转弯转磁体84构造成能在第一位置86和第二位置88之间选择性旋转。当可旋转弯转磁体84处于第一位置86时，来自质子加速器82的质子束被输送至布置有竖立患者定位机构42的第一治疗室90，并且当可旋转弯转磁体84旋转至第二位置88时，来自质子加速器82的质子束被输送至设置有机架型质子治疗组件94的第二治疗室92。因此，在本发明总体构思的各种示例性实施例中，可旋转弯转磁体84可以用于将质子束选择性输送至具有机架系统94的治疗室，质子治疗系统80的至少一部分可以加装至该治疗室，或者将质子束选择性输送至具有如本文所述的竖立患者定位机构或组件的治疗室。应当注意的是，质子加速器82被示出为位于可旋转弯转磁体84的下方仅作为示例性构造，并且还可以位于可旋转弯转磁体84的上方，或者位于可旋转弯转磁体的一侧使得质子束在基本水平面上输送至可旋转弯转磁体84。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供允许对患者进行定位和旋转的竖立患者定位组件、机构或系统，使得在固定质子束喷嘴的同时，患者围绕患者的治疗目标区域的等中心点旋转，这与质子束喷嘴围绕患者的常规旋转相反。另外，由于质子束喷嘴是固定的并且治疗目标被保持在特定位置处，所以各种成像部件也可以设置在固定位置处或者部署至固定位置以方便提供对患者的目标区域的成像以及提供质子束的各种性质。本发明总体构思的各种示例性实施例提供了允许三维(3D)体积成像的成像部件或设备的阵列。当与围绕固定的患者来旋转源和收集器的常规实践相比时，通过旋转患者来实现三维体积可以是有利的，因此解决了外部射束治疗中的主要挑战之一，即在治疗之前、期间和之后围绕患者保持间隙。迄今为止，患者周围的空间不足已经对改进的成像技术的应用和发展造成阻碍。通过使患者旋转，单个自动部件可以替代现有成像器和机架的功能。

竖立患者定位机构的示例性实施例可以构造为在患者的治疗期间用于将患者支撑在各种期望位置的机械装置。定位机构可以构造成在水平面上平移并且沿竖直轴线平移，使得被治疗的区域以等中心点为中心。由于竖立患者治疗和绕患者的轴线旋转，定位器具有紧凑的占地面积。定位器可以包括从同样保持成像面板的一对竖直柱呈悬臂伸出的平台。整个平台可以构造成当竖直平移时沿柱移动，并且定位器可以包括附接有患者支撑件和固定设备的从平台的中心延伸的竖直杆。

图4示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的竖立患者定位机构。图4所示的竖立患者定位机构42包括构造成绕患者44的治疗目标区域的等中心点旋转的基部构件100。通过这种方式，一旦布置患者以便支撑成使得目标区域的等中心点以来自固定喷嘴的束线和基部构件100的旋转轴线为中心，基部构件100就可以旋转，使得在喷嘴和成像部件可以保持在相同位置处的同时，可以从相对于患者的多个不同方向(旋转度)对目标区域进行治疗。竖立患者定位机构42包括构造为在基部构件100的上方向上延伸并且可以相对于基部构件100枢转的患者支撑杆104。因此，患者支撑杆104可以在接近基部构件100的点处沿多个方向枢转，以允许患者44支撑在对于患者44感到舒适的位置，并且该位置具有与质子束喷嘴和相关联的成像部件适当对准的目标区域。定位机构42包括滑动构件108，滑动构件108构造在基部构件100上并且构造为相对于基部构件100可往复滑动或移动。竖立患者支撑杆104联结至滑动构件108，并且因此患者支撑杆104的基部可以沿滑动构件108的运动范围定位在期望点处。滑动构件108可以设置有联接有患者支撑杆104的底部的联结构件110，患者支撑杆因此在沿滑动构件108的运动范围的期望点处可以相对于基部构件100枢转。竖立患者支撑杆104构造为使得许多各种支撑构件112或患者固定附件可以附接至支撑杆104以支撑患者44的各个身体部分。在各种示例性实施例中，竖立患者支撑杆104可以形成有辅助支撑构件112的联结的表面结构，诸如接纳安装杆等的孔、构造成接纳并且固定一个或多个支撑构件112的部分的脊部和/或凹口等。在各种示例性实施例中，竖立患者支撑杆104可以形成有沿外表面形成的一系列脊部，以支撑可附装至支撑杆104的一个或多个支撑构件112。这种支撑构件112可以包括座椅、膝盖支撑件、扶手、把手、头枕等，或上述任意组合。在各种示例性实施例中，竖立患者支撑杆104可以易于与联结构件110附接和拆卸，使得形成在竖立患者支承杆上的患者支撑组件可以被储存和维护，以易于日常治疗的模块化利用。这种模块化的患者支撑件和支撑杆有助于患者治疗和治疗的准备。利用各种附接件将患者支撑在共同杆上可以实现精心设计和附接件之间的共同固定方法，以增强工作流程和系统采用。因此，可以提供极坐标患者定位器，并且已经示出了具有用于质子治疗而建造的载台的简单机构显著减小了治疗室尺寸。本发明总体构思的各种示例性实施例包括紧凑基部中的构造成接纳可互换的端部执行器的部件，因此提供模块化患者固定接口。具有用于各种端部执行器的可互换接口使得临床医师能够扩展质子领域的知识主体。常规系统中的患者固定和设备提供的灵活性并不理想。包括具有专用床和附装的成像装备的机械臂的系统阻碍了新型患者设置的设计和实施。

图4中所示的竖立患者定位机构42包括可移动平台116，可移动平台116构造成支撑基部构件100并且相对于输送有质子束的固定位置选择性升高和降低。可移动平台116可以构造成为护理人员提供行走/站立表面。图4中的竖立患者定位机构42的可移动平台116可移动安装在构造为支撑可移动平台116的一对竖直柱120上，可移动平台116可以可滑动安装以沿竖直柱120的纵轴线上下移动。本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供不同数量的竖直杆或者其它这种支撑结构，并且在不脱离本发明总体构思的范围的情况下，可以利用将可移动平台上下移动的多个方法。因此，患者44可以通过竖立患者定位机构42的许多可移动部件定位，包括可旋转基部构件100、滑动构件108、可以将许多支撑构件112在多个位置处附接的可枢转患者支撑杆104、可移动平台116等，使得提供六个运动自由度，从而在将患者的治疗目标区域保持在来自固定质子束喷嘴的质子束上的同时，患者44可以绕等中心点旋转。

在各种示例性实施例中，定位器42的可移动平台116的尺寸可以为约1600mm宽、1800mm长和330mm厚。当定位器42完全降低时，可移动平台116可以与周围地板齐平。当这种实施例的可移动平台116升高时，可以在平台116的基部周围设置伸缩罩以防止进入平台116下方的区域并且阻挡患者和治疗师看到机械基托，以获得美观的外观。在各种示例性实施例中，可以附接有患者支撑件和固定设备的竖直杆可以设置在平台的中心，并且该竖直杆可以约300mm长并且直径为约75mm。可以理解的是，本发明总体构思不局限于任何特定尺寸。定位器42可以构造成提供六个自由度而允许患者移动至以下位置：(1)肿瘤以等中心点为中心的位置以及(2)旋转患者使得射束以期望角度进入的位置。用于竖直平移的驱动机构可以位于一对竖直柱120的顶部处并且隐藏在吊顶上方。在平台116和驱动机构之间运行的电缆系统可以用于传输动力以提升和降低平台116。

绕竖直方向的旋转(偏航)可以以质子束等中心点为中心，并且该旋转可以构造成使用轴承系统以高精度进行旋转。绕质子束等中心点的高精度旋转具有两个主要益处：(1)质子束和成像装备不必围绕患者移动，因为由于不需要旋转运动的缘故而可以简化该质子束和成像装备的设计。(2)因为治疗体积保持在以质子束等中心点的中心，所以无需治疗领域之间的成像。紧凑型设计对于TROF是有利的。例如，当定位器完全降低时，仅椅子和柱可以设计成从地板突出。竖直平移将利用柱，但是当定位器完全降低时，用于其它DOF(水平平移、俯仰、滚转以及偏航)的机构可以隐藏在地板水平下方。紧凑型PP不具有像机械臂的大运动半径。治疗师将不必知道绕治疗室移动的庞大物体。与传统治疗室中间的陌生工业机械臂相反，患者定位器具有如沙龙店或理发店中的椅子那样的熟悉外观。竖立旋转患者消除了对现有类型的机器人患者定位器的大“摆动”半径的需要。治疗室中的这种空间节省减少了整体混凝土和屏蔽需求。

图4的竖立患者定位机构42包括构造为扫描患者44的目标区域的多个成像源(在图7A至图7C中示出并且于本文描述)以及构造成与成像源配合以形成目标区域的图像的多个成像面板124。成像源可以固定至治疗室中质子束所穿过的壁，或者可以以其他方式固定在治疗室中。成像面板124可以联结至竖直柱120，并且可以相对于成像源能选择性移动，使得成像面板124可以储存在患者的初始定位期间给予患者区域间隙的位置(对接位置)，并且然后在治疗和图像扫描期间成像面板124部署在更接近患者的位置。如图4和图5所示，其示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的质子治疗过程中的图4的竖立患者定位机构，瞬发伽马(prompt gamma)检测器128附接至可移动臂支撑件130，以便能选择性移动至患者44附近的部署位置并且从该部署位置移动，并且瞬发伽马检测器128与质子束132垂直、基本以等中心点136为中心。本示例性实施例的可移动臂支撑件130构造成摆动至瞬发伽玛检测器128的部署位置，并且摆动离开以提供瞬发伽玛检测器128和一般患者定位区域之间的间隙。

图6示出了根据本发明总体构思的另一示例性实施例的构造成用于质子治疗过程的图4的竖立患者定位机构。如图6所示，竖立患者定位机构42设置有相对于患者44可以选择性定位在质子束132的上游的第一质子射线照相面板140，以及相对于患者可以选择性定位在质子束132的下游的第二质子射线照相面板144。在本发明总体构思的各种示例性实施例中，成像面板124、瞬发伽马检测器128和/或第一质子射线照相面板140和第二质子射线照相面板144中的一者或多者可以与多个竖直柱120中的一个或多个连接。

在本发明总体构思的各种示例性实施例中，患者可以以竖立体位就座接受治疗。在一些实施例中，患者可以在坐姿(头部和颈部)和“栖坐”体位之间进行调整以进行前列腺和下骨盆治疗。竖立体位利用重力的恒定方向和摩擦力将患者保持在舒适位置。坐姿的旋转可以需要很小的间隙(在一些情况下小于1m)，而当前的病床通常需要接近2m的半径才能执行移动。这种“摆动空间”会对治疗室的整体尺寸和成本造成负面影响。在同样设置用于三维体积成像的机构的同时，坐姿旋转可以减少传统机架的复杂性和成本。例如，可以通过对患者进行旋转以通过2个x射线源的场来实现三维体积成像。与旋转源和面板相反，旋转患者可以提供更大的成像稳定性、患者间隙和视场。该方法允许诸如质子射线照相等成像模式和瞬发伽马范围验证方法。为了实现增强的工作流程，已经发现的是，曾经串行执行的若干步骤可以并行运行以提高接待量(throughput)。在各种示例性实施例中，成像装置可以包含用于范围验证设备的临时或永久附接件的装置，范围验证设备包括瞬发伽马检测器和质子射线照相面板、超声、光学跟踪、表面扫描等。附接件可以模块化并且因此在安装支撑结构之后易于移除和附接。与束线设计的当前状态相比，切换磁体和紧凑型束线允许非常紧凑的束线输送系统。切换磁体可以为旋转或者非旋转的，包括用于射束进入的端口和用于射束离开的多个端口。尽管可以使用各种角度构造，但是已经发现的是，在无需长束线的情况下，90度机械切换磁体或90度电切换磁体是在患者和/或治疗室之间传输质子束的有效手段。较小的束线等同于较小的建筑物占地面积和较少的项目总成本。

图7A至图7C示出了根据本发明总体构思的又一示例性实施例的图4的构造成用于质子治疗过程并且在质子治疗过程期间使用的竖立患者定位机构的另一视图。如图7A所示，已经对基部构件100、滑动构件108、移动平台116以及各种患者支撑构件112进行操纵和布置，使得等中心点136相对于患者44和射束喷嘴38位于期望位置，从而在将治疗目标区域保持在来自固定喷嘴38的质子束中的同时，患者可以绕等中心点136旋转。可移动臂支撑件130已经放置就位以部署瞬发伽马检测器128，并且成像面板124已经从靠近竖直柱120的成像面板124的储存位置移动至更靠近患者的成像面板124的部署位置，以便从成像源148接收例如x射线。在图7B中，质子束138输送至患者，同时成像源148将x射线传输至各个相对应的成像面板124，并且对瞬发伽马检测器进行操作以检测由质子束与患者44的生物组织之间的相互作用产生的瞬发伽马。在图7C中，患者已旋转至另一个位置，对目标区域和质子束132至等中心点136的相对位置进行保持，同时再次同时执行治疗、成像和瞬发伽马检测程序。

如图所示，部件设计可以构造成允许用于诊断成像器的间隙。当患者位于射束等中心点处或者附近时，一体设计允许所有模式来扫描患者。为了允许易于接近患者，每个部件可以在初始患者设置期间独立缩回至对接位置，然后当需要成像时部署每个部件。如本文所述，这种系统可以构造成将患者旋转成通过一个或多个固定x射线源和检测器面板。这消除或减少了需要执行复杂几何校正以解决由于重力造成的源/面板的下垂，因此导致重建体积的更高准确度和精度。

各种示例性实施例可以构造成利用安装在治疗壁上或者附近的两个“固定”x射线源以及定位在患者后面的两个面板。在这种实施例中，在不旋转患者的情况下，两个源/面板对可以用于获得用于2D/3D图像配准的立体射线照片。在旋转患者进行CBCT采集之后，横向FOV直径和最大额面FOV可以为33cm，其中面板处于标准取向(即，X射线锥以治疗等中心点为中心)。在面板偏移至70度的最大角度的情况下，在患者绕等中心旋转360度之后，横向面中的FOV直径可以增加至约64cm。为了将x射线从源引导至这些面板位置中的每一个，系统可以结合具有可移动爪的准直器组件。

本发明总体构思的示例性实施例的成像系统的关键特征是，这些成像模式(2D相对于3D)和协议(SFOV、FOV、全扫描、短扫描)中的每一个都可以在患者处于治疗位置时执行，这与如下的其他3D成像系统相反，该其他3D成像系统或者利用独立扫描仪(即，诊断CT)扫描在治疗室中的固定位置处的患者，或者采用床上安装系统，该床上安装系统可以在治疗室中的多个位置处成像但是由于当x射线源/面板围绕患者旋转时与喷嘴碰撞，所以通常不在治疗位置处成像。该关键特征不仅由于减少了配准校正的调整而提高了定位准确性，而且由于患者不必首先移动至安全成像位置并且然后移动至治疗位置而节省了治疗工作流程中的宝贵时间。

X射线图像可以显示患者体内光子的不同阻止能力。质子的阻止能力与光子的阻止能力通过Hounsfield单位相关。这种相关性具有误差(范围不确定性)，导致医学物理学家在肿瘤范围周围实施余量。减少这种不确定性是提高系统整体性能的关键，并且可以支配其他精确系统的准确性。

当质子与生物组织相互作用时，间接产生瞬发伽马，并且可以利用不同几何形状的瞬发伽马相机来测量瞬发伽马。当利用相机前面的狭缝时，系统可以捕获质子束如何将辐射沉积在患者体内的直线轮廓。因此，瞬发伽马系统可以构造成与射束路径垂直。瞬发伽马系统的其它变型使用没有狭缝的检测器阵列。光谱有助于确定质子束遇到的组织的类型。这改进了典型床基系统，其中瞬发伽马检测器是安装在床上或位于与喷嘴垂直的机架上。由于检测器通常随喷嘴和患者移动是复杂机械问题，所以可能不令人满意。所提出的瞬发伽马检测器可以构造成在患者已经放置就位之后枢转就位并且在整个成像和治疗过程中保持就位。通过这种方式，检测器不会干扰患者旋转进行CBCT成像和治疗。

质子射线照相类似于光子射线照相之处在于：粒子(质子)穿过患者从而产生图像。质子经历核散射、小角度库仑散射和能量损失的组合过程，每个过程都与材料性质有独特的相关性。这些效果使同时确定材料量和材料识别两者成为可能。这使详细表征患者中的质子行为成为可能，并且因此对质子束阻止能力进行十分准确估计。在本发明总体构思的各种示例性实施例中，质子射线照相面板可以在患者固定之后部署在射束的直接路径中，并且在治疗之前移除。两个面板可以定位在在等中心处的患者附近。致动是直线的，通过患者的可预测竖直位置和射束路径的固定位置而被简化。喷嘴致动上游面板，并且下游面板由成像环致动。用于通过患者旋转获得原始X射线图像的本发明总体构思的构思和方法可以在紧凑框架中结合2D立体成像、3DCBCT、质子射线照相和瞬发伽马光谱。

图8A至图8C示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的竖立患者定位机构的各种定位构造。图8A示出了可以对患者进行定位以治疗例如前列腺肿瘤的一种类型的取向。图8B示出了可以对患者进行定位以治疗例如肺部或肝脏肿瘤的一种类型的取向。图8C示出了可以对患者进行定位以治疗例如颈部肿瘤的一种类型的取向。如图8A至图8C所示，质子束喷嘴38和成像面板位置相对于治疗室的地板保持在恒定高度，而可移动平台116的高度可以上下调节，滑动构件108可以在水平方向上移动，并且患者支撑杆104可以相对于基部构件100枢转以将患者44定位在期望位置。图9示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的竖立患者定位机构42的患者支撑杆104的一些铰接运动能力的示例。如图8A至图8C所示，诸如前头枕、后头枕、臂部支撑件、座椅、手柄、膝盖支撑件等的各种患者支撑构件112可以附接至患者支撑杆104，以便于患者44处于舒适并且持续的期望定位。

图10A至图10B示出了根据本发明总体构思的两个示例性实施例的患者支撑杆的不同表面构造。如图10A所示，患者支撑杆104设置有构造为接纳和支撑患者支撑构件112的相对应的凸形部的一系列凹口152。如图10B所示，患者支撑杆104设置有围绕支撑杆104的至少一部分并且构造为接纳和支撑患者支撑构件112的相对应部分的一系列脊部156。这种脊部可以构造为在脊部之间具有相对较宽空间的突出构件，或者构造为在脊部之间具有相对较窄的凹入部分，等等。应当注意的是，在不脱离本发明总体构思的范围的情况下，许多其它表面构造可以形成在患者支撑杆104上。

竖立患者定位机构的各种示例性实施例可以为患者的支撑和固定提供许多体位，例如：(1)就座，利用手臂和头部支撑向前倾斜，脚放在地板上；(2)就座，利用手臂和头部支撑向后倾斜，脚放在地板上；(3)就座，手臂举过头顶并且向后倾斜，没有头部支撑，脚放在地板上；(4)竖立，利用头部、臂部和胫部支撑向后倾斜，脚放在地板上；等等。可以使用上述体位#1或#2来治疗头部和颈部。第一体位可以使患者的脚放在地板上并且向前倾斜20度就座。患者的面部可以通过具有定制网状物的头枕支撑以固定体位。臂部可以向前缠绕在支撑杆周围并且搁置在托盘上。除了患者取向可以是向后20度，臂部支撑在扶手上之外，第二体位可以是相同的。体位#1和#2对于身高约为185cm(6'1")的男性可以具有约63cm至69cm的治疗/扫描区域。从头顶的扫描将在离地板约66cm处结束。这些体位可以用于头部、颈部、脊柱、乳房、胸部、肺部、肝脏和骨盆的治疗。乳腺癌可以利用体位#3治疗，其中患者坐下，脚放在地板上并且向后倾斜20度。扶手可以向上旋转使臂部举过头顶。可以通过使用热成形支撑件来对乳房进行定位。该体位在身高约为185cm(6'1")的患者身上可以具有约63cm至69cm的治疗/扫描区域。从头顶的扫描将在离地板约66cm处结束。这个体位还可以用于胸部和骨盆的治疗。体位#1可以用于治疗肺部和肝部。再一次，患者可以坐下，脚放在地板上，向前倾斜20度。患者的面部可以通过头枕以及定制并且固定位置的网状物进行支撑。臂部可以向前缠绕在支撑杆周围并且搁置在托盘上。体位#1对于身高约为185cm(6'1")的男性可以具有约63cm至69cm的治疗/扫描区域。从头顶的扫描将在离地板约66cm处结束。体位#4可以治疗前列腺和骨盆肿瘤，在体位#4中，患者的脚放在地板上并且对胫部进行机械支撑。可以对臂部进行支撑，头部亦然。患者的膝盖可以稍微弯曲，并且背部可以为20度，暴露骨盆。身高约为185cm(6'1")的男性的治疗/扫描区域可以为18cm至20cm，并且将达到离地板约71cm的下限。

技术人员可以使用独特的、易于调节的部件来安全并且舒适地定位患者以进行扫描和治疗。在各种实施例中，固定模块的设计连同位于支撑杆和其它部件上的可读刻度将确保可重复性。还可以使用衬垫和真空袋连同定制网状物和热成形件来完成定位过程并且增加患者舒适度。在各种示例性实施例中，可以将患者定位在竖立位置，并且倾斜至20度斜角。包括易于调节和移除的固定部件使得护理人员的准备工作简单并且方便，并且患者可以积极参与治疗，这有助于减少恐惧和焦虑。患者固定快速并且可重复。竖立定位的多个益处包括更好的舒适度和呼吸、重力作用有利于治疗、降低窒息风险等。具有共同接口的模块化固定设备、支撑构件、患者固定附件等使组装和拆卸变得简单并且快速。

图11示出了根据本发明总体构思的示例性实施例的具有共同壳体164的可旋转弯转磁体26。可旋转弯转磁体26可以包括布置在共同壳体164中以对质子束132进行弯转和操纵的多个电磁体162。一个或多个超导四极体166可以设置在可旋转弯转磁体26的上游。可旋转弯转磁体26可以包括进入窗口46，进入窗口46构造为在将质子束132引导至患者治疗室之前将质子束132引导至诊断单元48以进行各种分析。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供具有较小占地面积和成本、改进的成像精度、以及成像和患者固定的灵活方法的改进的质子治疗系统。完整质子治疗系统的各种实施例可以包括两个主要系统：束线系统，其包括超导加速器、超导室切换磁体、降能器和紧凑型喷嘴；以及成像和定位系统，其包括成像阵列、患者固定组件、患者运动机构和诸如范围验证、预测等可选系统。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供质子治疗系统，该质子治疗系统具有包括紧凑型束线和加速器、患者定位器、患者固定附件、90度弯转磁体、二重态/三重态超导(superconducting doublet/triplet)、CBCT成像软件、瞬发伽马和质子射线照相以及控制和规划软件的组件。特征可以包括竖立质子治疗、用于治疗室切换的旋转弯转磁体、用于3D成像的患者旋转、模块化患者固定和支撑杆、极向患者定位器以及3D体积成像(CBCT)。示例性实施例可以构造成操作并且连接可选模块以执行例如质子放射治疗、瞬发伽马检测等，并且可以构造成与诸如床和成像仪、替代患者固定设备等其他患者机构交互。许多组件可以组合并且构造为最小化建筑物的占地面积、降低成本并且扩展临床能力。

根据本发明总体构思的各种示例性实施例，紧凑型束线可以以超导技术为中心，减少加速器的总占地面积。加速器可以构造成具有优异的射束特性以最小化聚焦和射束操纵长度。治疗系统的束线可以包括三个部分：提取束线(EXTBL)、SC消色差束线(SCABL)和法向传导束线(NCBL)。在一些实施例中，EXTBL能够以230MeV的固定能量将质子束从SCIC输送至降能器上；SCABL可以是由SC双极和四极磁体组成的90度消色差器；并且NCBL可以包括4个正常传导四极和扫描磁体。SCIC可以提取固定能量为230MeV的质子束，并且降能器可以将射束能量调节至例如4cm至32cm的期望范围。EXTBL可以将射束聚焦并且集中至降能器上，并且向下游束线提供最大射束传输。90度消色差器SCABL可以选择合适能量和发射度的质子束并且将质子束传输至NCBL以进行最终的射束聚焦和宽场扫描；这对于精确治疗是至关重要的。因为降能器中产生的中子通量与下游束线垂直，所以将最小化对患者的不期望中子辐射。为了减少屏蔽量，系统可以包括布置在切换磁体下游的每个治疗室中的独立降能器，但是能够使用布置在切换磁体上游的加速器出口附近的单个降能器。该系统的形状和尺寸可以构造成配合在现有的两个LINAC拱顶内。

关于本发明总体构思的质子治疗系统的设施，紧凑型质子系统可以构造成配合在现有的迷宫(mazed)双室LINAC拱顶(例如，80'×36')的占地面积(覆盖区)和高度内。新的安装可以接纳相同或相似的占地面积，并且对屏蔽细节进行修改。高密度块可以堆叠在现有的拱顶占地面积内以用于额外的屏蔽。根据现场条件，舱口可能不是必需的或者为不实用。回旋加速器和主束线可以通过南侧外壁安装，并且安装高密度屏蔽块。患者固定件和成像仪可以通过现有的建筑物壳体进行运输和安装。可以使用滑动屏蔽门以实现较小占地面积并且维持工作流程。可以提供内部幕墙以将电气柜壳与临床空间分开。这种幕墙可以具有锁定的门并为所有电气柜壳提供空间，并且在大多数情况下预计不会有额外的电源室。紧凑型系统可以构造成配合迷宫双室LINAC拱顶的占地面积。紧凑型束线和加速器可以配合在为迷宫保留的空间中，并且紧凑型旋转90度弯转磁体可以在治疗室1和治疗室2之间转移射束。弯转用于使患者的中子剂量最小化。紧凑的90度弯转非常适合建筑物的直角。

屏蔽估计显示可以指示各种示例性实施例的三个关键区域。由于在降能器处的能量减少，大部分辐射在降能器下游暴露。紧凑的90度布局确保该辐射不会朝向患者引导，而是进入6'+厚的局部屏蔽壁。该屏蔽壁可以具有额外的空间分配以用于现场的特定屏蔽需求。患者在其下游接收辐射，并且下游的中子可以通过安装高密度堆叠块来管理。在不减少患者周围工作空间的情况下，在该区域中可以容纳额外的厚度。可以提供可移动的屏蔽门，并且围绕屏蔽门的重叠区域可以构造有块以确保对偏离射束进行管理。重叠可以在高占用区域的方向上，可能是控制室或患者设置室。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供质子治疗系统，该质子治疗系统包括：质子加速器，其构造为产生质子束；多个束线路径，其构造为将质子束从质子加速器引导至相对应的多个治疗室；可旋转弯转磁体，其位于质子加速器和多个治疗室之间，该可旋转弯转磁体构造为在第一位置和第二位置之间选择性旋转，使得当可旋转弯转磁体旋转至第一位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第一治疗室，并且当可旋转弯转磁体旋转至第二位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第二治疗室；多个质子输送喷嘴，其在每个治疗室内位于可旋转弯转磁体的下游，并且构造为将质子束分别引导至每个治疗室内的固定位置；以及竖立患者定位机构，其布置在每个治疗室中，该竖立患者定位机构构造为支撑特定治疗室内的患者，使得当将质子束输送至特定治疗室时，特定治疗室的固定位置位于患者的目标区域的等中心点处。质子加速器可以构造成相对于多个治疗室的地板沿基本竖直方向引导质子束，并且可旋转弯转磁体可以布置成使质子束相对于竖直方向弯转约90度，以便将质子束引导至多个治疗室中的选定一个。质子加速器可以构造成在相对于多个治疗室的地板的基本水平面中引导质子束，并且可旋转弯转磁体可以构造为在基本水平面上将质子束选择性弯转约90度，以将质子束选择性引导至第一治疗室和第二治疗室中的一个中。可旋转弯转磁体可以包括进入窗口，该进入窗口构造为在不改变质子束方向的情况下选择性允许质子束穿过可旋转弯转磁体。该系统还可以包括诊断单元，诊断单元构造为当质子束穿过进入窗口时测量质子束的一个或更多个特性。竖立患者定位机构可以包括：基部构件，其构造成绕目标区域的等中心点旋转；以及患者支撑杆，其构造成从基部构件向上延伸并且相对于基部构件能枢转。竖立患者定位机构还包括定位在基部构件上并且构造为可以相对于基部构件往复运动的滑动构件，其中，竖立患者支撑杆能够可移除地附接至滑动构件。竖立患者支撑杆可以构造成接纳一个或多个支撑构件，一个或多个支撑构件构造为支撑患者各个身体部位。竖立患者支撑杆可以在外表面上形成脊部和/或凹口，该脊部和/或凹口构造为对接纳在脊部和/或凹口中的一个或多个支撑构件的部分进行固定。竖立患者支撑杆可以形成有沿外表面形成的一系列脊部，以支撑附装至竖立患者支撑杆的一个或多个支撑构件的部分。一个或多个支撑构件可以包括座椅、膝盖支撑件、扶手、把手、头枕或其任何组合。竖立患者定位机构还可以包括构造为支撑基部构件并且相对于固定位置选择性升高和降低的可移动平台。竖立患者定位机构还可以包括构造为支撑可移动平台的至少两个竖直柱，该可移动平台构造为可以沿竖直柱能选择性上下移动。该系统还可以包括构造成扫描患者的目标区域的多个成像源，以及构造成与成像源配合以形成目标区域的图像的多个成像面板。成像源可以固定至质子束所穿过的治疗室中的壁。成像面板可以相对于成像源能选择性移动。该系统还可以包括瞬发伽马检测器，瞬发伽马检测器可以选择性能移动至患者定位机构附近的部署位置并且从该部署位置移动并且与质子束垂直。该系统还可以包括相对于患者可以选择性定位在质子束上游的第一质子射线照相面板，以及相对于患者可以选择性定位在质子束下游的第二质子射线照相面板。该系统还可以包括构造成支撑竖立患者定位机构的选择性可移动平台，以及构造为支撑可移动平台的多个竖直柱，可移动平台构造为沿竖直柱能选择性上下滑动，其中一个或多个成像面板、瞬发伽马探测器和质子射线照相面板可以连接至多个竖直柱中的一个或多个。可旋转弯转磁体可以包括移动机构以选择性旋转可旋转弯转磁体，以将质子束引导至诊断单元而不是治疗室中的一个。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供用于质子治疗系统中的旋转弯转磁体组件，包括构造成将质子束的方向改变约90度的消色差超导磁体，以及构造为旋转消色差超导磁体以便在第一方向或第二方向上选择性引导质子束的移动机构，其中，第一方向与第二方向相反。消色差超导磁体可以容纳在共同壳体内。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供质子治疗系统，该质子治疗系统包括：构造为产生质子束的质子加速器；构造成将质子束从质子加速器引导至相对应的多个治疗室的多个束线路径；位于质子加速器和多个治疗室之间的可旋转弯转磁体，该可旋转弯转磁体构造为在第一位置和第二位置之间选择性旋转，使得当可旋转弯转磁体旋转至第一位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第一治疗室，并且当可旋转弯转磁体旋转至第二位置时，可旋转弯转磁体将质子束引导至第二治疗室；以及多个质子输送喷嘴，其在每个治疗室内位于可旋转弯转磁体的下游，并且构造为将质子束分别引导至每个治疗室内的固定位置。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供用于质子治疗系统的竖立定位机构，该竖立定位机构包括：构造为绕患者的目标区域的等中心点旋转的基部构件；以及构造成从基部构件向上延伸并且可以相对于基部构件枢转的患者支撑杆，其中，竖立患者定位机构构造为支撑患者并且在治疗室内提供六个运动自由度，使得固定的线质子束输送至患者的目标区域的等中心点。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供用于在患者的质子治疗期间执行三维图像重建的方法和/或装置，该方法和/或装置通过：使患者在固定成像源和成像面板之间旋转；生成患者的目标区域的一系列图像；以及将图像重建为三维体积表示。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供质子放射治疗系统，该质子放射治疗系统包括：质子加速器、布置在一个或多个束线下游的切换磁体、竖立患者定位器、附接至中心支撑件的一个或多个患者固定设备、患者定位机构、固定成像阵列以及用于使患者绕等中心点旋转的装置。切换磁体可以是包括消色差超导磁体和使磁体组件绕射束轴线旋转的机构的旋转弯转磁体。旋转弯转磁体可以包括电阻式消色差器。两个或多个束线可以以相对于彼此共线方式布置或者以相对于质子加速器的放射状方式布置。两个或多个束线可以相对于彼此和相对于质子加速器以预定角度布置。本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供一种使用权利要求1的这种系统的方法，该方法包括紧凑布置至少一个加速器束线和至少两个患者输送束线，使得至少一个加速器束线取向为与至少两个患者输送束线垂直，并且至少两个患者输送束线取向为彼此共线并且方向相反。质子加速器束线和至少两个患者输送束线可以以形成T型的直角布置。切换磁体可以是位于至少两个患者输送束线之间的中心的旋转超导磁体，使得旋转超导磁体的旋转选择性地将质子束从至少两个患者输送束线中的一个转向至另一个。使用这种系统的方法可以包括相对于质子加速器布置两个或多个束线，并且该两个或多个束线可以相对于彼此和相对于质子加速器以预定角度布置。使用这种系统的方法可以包括对切换磁体进行切换以经由多个束线将质子束选择性输送至多个治疗位置。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供质子放射治疗系统，该质子放射治疗系统包括多个固定束线、竖立患者支撑件、以及机械化基架、静态X射线源和面板，其中患者支撑件中的患者相对于射束轴线旋转以构建三维图像，并且其中机械化基架用于使患者绕等中心点精确旋转，并且提供对射束轴线中的目标的定位。目标可以是患者中需要放射疗法治疗的肿瘤或者任何病变。竖立患者支撑件可以构造为具有竖立和中心患者支撑件的患者固定和定位设备，并且该系统还可以包括竖立定位设备；以及各种患者支撑设备，其中所述机械化基架通过快速释放机构接收竖立定位设备，并且其中各种患者支撑设备通过共同接口易于附接至竖立患者支撑件，以允许对患者以向前或者向后倾斜的姿势进行定位。患者固定和定位设备可以包括具有嵌入的销或齿的中心杆，其中患者支撑设备可以通过重力固定至销或齿。机械化基架可以包括患者行走平台、旋转转盘、直线滑轨、旋转万向节以及用于各种患者支撑件的接口附件，其中直线滑轨、旋转万向节以及接口附件可以容纳在旋转转盘的封套内。机械化基架可以包括竖立支撑结构和托架机构，其中机械化基架可以附接至托架机构和竖直支撑结构以便允许患者的竖直运动，并且竖直支撑结构和主旋转轴线可以为偏心的。竖直支撑结构可以构造成支撑患者周围的成像模式并且以静态方式将成像模式与旋转主等轴对准。成像模式可以包括但不限于平面x射线、锥束CT、质子射线照相术、瞬发伽马、光学跟踪和PET面板。目标区域的成像可以与目标区域的治疗同时发生，并且不会中断或干扰质子治疗束。

本发明总体构思的各种示例性实施例可以提供产生用于锥束CT的三维图像的方法，该方法包括使患者在固定的x射线源和面板之间旋转，产生一系列图像，并且将图像重建为体积表示。该方法可以包括使用光学跟踪、表面跟踪、超声或者其他成像工具。该方法还可以包括在治疗期间使用图像来实时监测患者和/或目标位置。该系统可以包括对于每个治疗室在切换磁体下游布置独立降能器。该系统可以包括布置在切换磁体上游的加速器的出口附近的单个降能器。该系统可以构造成配合在现有的两个LINAC拱顶内。

如本文所示和所述，质子治疗布置可以包括具有单个切换磁体的紧凑束线，该单个切换磁体将射束转向至2个以上的治疗室中。可以为紧凑的治疗室容纳有患者定位器，该患者定位器将患者躯干置于接近竖立的位置并且绕竖直轴线旋转以获得各种射束角度。使用旋转的能力，诸如x射线面板和x射线源等静态成像设备或许多其他成像部件可以用于生成后续用于重建三维图像的一系列图像。患者运动可以通过附接至竖直支撑框架的基座来完成。整个基座可以在框架上竖直平移。定位机构可以具有将患者置于剩余的5个自由度中的能力。运动元件可以容纳在基部的封套内，并且可以由可以附接有一系列模块化患者支撑件的连接接口终止。患者支撑件可以包括通过连接接口附接至基板的中心杆或肋。在一些示例性实施例中，患者可以跨骑(面向前方)在杆上或者向后倾斜抵靠在杆上以用于支撑。患者固定附件可以通过共同接口安装至中心杆。

如上所述，用于实现本发明总体构思的示例性实施例的系统、装置、方法、过程、功能和/或操作可以全部或部分以包括处理元件和可执行指令集的装置的形式实现。可执行指令可以是一个或多个软件应用的一部分并且布置在软件架构中。通常，本发明总体构思的实施例可以使用软件指令集来实现，该软件指令集设计为由适当编程的处理元件(诸如CPU、GPU(图形处理单元)、微处理器、处理器、控制器、计算设备等)来执行。在复杂的应用或系统中，这种指令通常布置在“模块”中，其中每个这种模块通常执行特定的任务、处理、功能或操作。整个模块集可以在操作中由操作系统(OS)或其他形式的组织平台来进行控制或协调。

应用模块可以包括任何合适的计算机可执行代码或指令集(例如，将由适合编程的处理器、微处理器或CPU来执行)，诸如对应于编程语言的计算机可执行代码。例如，编程语言源代码可以编译为计算机可执行代码。可替代地或另外地，编程语言可以是诸如脚本语言的解释编程语言。计算机可执行代码或指令集可以存储在任何适合的非暂时性计算机可读介质中(或上)。通常，关于本文描述的实施例，非暂时性计算机可读介质可以包括除了暂时波形或类似介质之外的几乎任何结构、技术或方法。

如上所述，用于实现本发明总体构思的示例性实施例的系统、装置、方法、过程、功能和/或操作可以全部或部分以由一个或多个编程的计算机处理器(诸如，中央处理单元(CPU)或微处理器)执行的指令集的形式实现。这种处理器可以并入由系统的其他组件操作或与系统的其他组件通信的装置、服务器、客户端或其他计算或数据处理设备的电路和组件中。

应当理解的是，如上所述的本发明可以以模块化或者集成方式使用计算机软件以控制逻辑的形式来实现。基于本文提供的公开和教导，本领域普通技术人员将知晓并且理解使用硬件以及硬件和软件的组合来实现本发明的其他方式和/或方法。

本申请中描述的任何软件组件、过程或功能可以实现为使用任何适合的计算机语言由处理器来执行的软件代码，计算机语言诸如为使用例如常规或者面向对象的技术的Java、JavaScript、C++或Perl。软件代码可以作为一系列指令或命令存储在非暂时性计算机可读介质中(或上)，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、诸如硬盘驱动器或软盘等磁介质、或者诸如CD-ROM等光介质。在本上下文中，非暂时性计算机可读介质是除暂时性波形之外的几乎任何适合于存储数据或指令集的介质。任何这种计算机可读介质可以驻留在单个计算装置上或内，并且可以存在于系统或网络内的不同计算装置上或内。

根据一些示例性实施方案，如本文所使用的术语处理元件或处理器可以是中央处理单元(CPU)，或者概念化为CPU(诸如虚拟机)。在这种示例性实施方案中，CPU或结合有CPU的设备可以与诸如移动机构以及一个或多个显示器等一个或多个外围设备联接、连接和/或通信。在其他示例性实施方案中，处理元件或处理器可以并入至诸如智能电话或平板计算机等移动计算设备中。

本文提及的非暂时性计算机可读存储介质可以包括多个物理驱动单元，诸如独立磁盘冗余阵列(RAID)、软盘驱动器、闪存、USB闪存驱动器、外部硬盘驱动器、拇指驱动器、笔驱动器、钥匙驱动器、高密度数字多功能盘(HD-DVD)光盘驱动器、内部硬盘驱动器、蓝光光盘驱动器或全息数字数据存储(HDDS)光盘驱动器、同步动态随机存取存储器(SDRAM)或类似设备或基于类似技术的其他形式的存储器。这种计算机可读存储介质允许处理元件或处理器访问存储在可移动和不可移动存储介质上的计算机可执行处理步骤、应用程序等，以将数据从设备下载或将数据上传至设备。如上所述，关于本文所述的实施例，非暂时性计算机可读介质可以包括除了暂时波形或类似介质之外的几乎任何结构、技术或方法。

本文参考系统的框图和/或配置、功能、过程或方法来对所公开的技术的某些实施方案进行描述。将理解的是，可以通过计算机可执行程序指令来实现配置、方法、过程和功能中的一个或多个。注意的是，在一些实施例中，配置、方法、过程和功能中的一个或多个可能不一定需要以特定顺序执行，或者可能根本不一定需要执行。

这些计算机可执行程序指令可以加载至通用计算机、专用计算机、处理器或其他可编程数据处理装置上以产生机器的特定示例，使得由计算机、处理器或其他可编程数据处理装置执行的指令创建出实现本文描述的功能、操作、过程或方法中的一个或多个的装置(means)。这些计算机程序指令还可以存储在可以引导计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式运行的计算机可读存储器中，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括实现本文描述的功能、操作、过程或方法中的一个或多个的指令装置的制品。

许多变化、变型和附加实施例是可能的，并且因此所有这种变化、变型和实施例都认为是在本发明总体构思的要旨和范围内。例如，不管本申请的任何部分的内容如何，除非有明确相反规定，否则不要求在本文的任何权利要求或要求其优先权的任何申请中包括任何具体描述或示出的活动或元件、这种活动的任何具体顺序、或者这种元件的任何具体相互关系。此外，可以重复任何活动，可以由多个实体执行任何活动，和/或可以复制任何元件。

注意的是，本申请中包括的简化图和附图没有示出各种部件的所有各种连接和装配，然而，本领域技术人员将理解如何基于本文提供的示出的部件、附图和描述，使用合理的工程判断来实现这种连接和装配。许多变化、变型和附加实施例是可能的，并且因此所有这种变化、变型和实施例都认为是在本发明总体构思的要旨和范围内。

虽然已经通过几个示例性实施例的描述示出了本发明总体构思，并且已经对示例性实施例进行详细描述，但是申请人并不旨在对本发明总体构思的范围进行限制或以任何方式将本发明总体构思的范围局限在这种描述和图示。相反，本文的说明书、附图和权利要求应视为说明性而非限制性，并且在阅读以上说明书和附图之后，其它实施例对于本领域技术人员是显而易见的。其它变型例对于本领域技术人员是显而易见的。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的要旨或范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims (25)

1.一种质子治疗系统，包括：

质子加速器，其构造为产生质子束；

多个束线路径，其构造成将所述质子束从所述质子加速器引导至对应的多个治疗室；

可旋转弯转磁体，其位于所述质子加速器与所述多个治疗室之间，所述可旋转弯转磁体构造为在第一位置与第二位置之间选择性旋转，使得当所述可旋转弯转磁体旋转至所述第一位置时，所述可旋转弯转磁体将所述质子束引导至第一治疗室，并且当所述可旋转弯转磁体旋转至所述第二位置时，所述可旋转弯转磁体将所述质子束引导至第二治疗室；

多个质子输送喷嘴，其在每个治疗室内位于所述可旋转弯转磁体的下游，并且构造为将所述质子束分别引导至每个治疗室内的固定位置；以及

竖立患者定位机构，其布置在所述治疗室的每一个中，所述竖立患者定位机构构造为支撑特定治疗室内的患者，使得当所述质子束输送至所述特定治疗室时，所述特定治疗室的所述固定位置位于所述患者的目标区域的等中心点处。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述质子加速器构造成沿相对于所述多个治疗室的地板的基本竖直方向引导所述质子束；并且

其中，所述可旋转弯转磁体布置成使所述质子束相对于所述竖直方向弯转约90度，以便将所述质子束引导至所述多个治疗室中的选定一个。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述质子加速器构造成在相对于所述多个治疗室的地板的基本水平面中引导所述质子束；并且

其中，所述可旋转弯转磁体构造成在所述基本水平面上将所述质子束选择性弯转约90度，以将所述质子束选择性引导至所述第一治疗室和所述第二治疗室中的一个中。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可旋转弯转磁体包括进入窗口，所述进入窗口构造为在不改变所述质子束的方向的情况下选择性允许所述质子束穿过所述可旋转弯转磁体。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括诊断单元，所述诊断单元构造为当所述质子束穿过所述进入窗口时测量所述质子束的一个或多个特性。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述竖立患者定位机构包括：

基部构件，其构造为绕所述目标区域的所述等中心点旋转；以及

患者支撑杆，其构造为从所述基部构件向上延伸，并且构造为能够相对于所述基部构件枢转。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述竖立患者定位机构还包括：

滑动构件，其定位在所述基部构件上并且构造为能够相对于所述基部构件往复运动，其中，所述竖立患者支撑杆能够可移除地附接至所述滑动构件。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述竖立患者支撑杆构造成接纳一个或多个支撑构件，所述一个或多个支撑构件构造为支撑所述患者的各个身体部位。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述竖立患者支撑杆在外表面上形成有脊部和/或凹口，所述脊部和/或凹口构造为固定其中所接纳的所述一个或多个支撑构件的部分。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述竖立患者支撑杆形成有沿外表面形成的一系列脊部，以支撑附装至所述竖立患者支撑杆的所述一个或多个支撑构件的部分。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述一个或多个支撑构件包括座椅、膝盖支撑件、扶手、把手、头枕或其任何组合。

12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述竖立患者定位机构还包括可移动平台，所述可移动平台构造为支撑所述基部构件并且相对于所述固定位置选择性升高和降低。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述竖立患者定位机构还包括至少两个竖直柱，所述竖直柱构造为支撑所述可移动平台，所述可移动平台构造为能够沿所述竖直柱选择性上下移动。

14.根据权利要求1所述的系统，还包括：

多个成像源，其构造为扫描所述患者的所述目标区域；以及

多个成像面板，其构造为与所述成像源配合以形成所述目标区域的图像。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述成像源固定至所述治疗室中的所述质子束所穿过的壁。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述成像面板相对于所述成像源能够选择性移动。

17.根据权利要求14所述的系统，还包括瞬发伽马检测器，所述瞬发伽马检测器能够选择性移动至所述患者定位机构附近的部署位置并且能够从所述部署位置选择性移动，并且所述瞬发伽马检测器与所述质子束垂直。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括：

第一质子射线照相面板，其能够相对于所述患者选择性定位在所述质子束上游；以及

第二质子射线照相面板，其能够相对于所述患者选择性定位在所述质子束下游。

19.根据权利要求18所述的系统，还包括：

选择性可移动平台，其构造为支撑所述竖立患者定位机构；以及

多个竖直柱，其构造为支撑所述可移动平台，所述可移动平台构造为能够沿所述竖直柱选择性上下滑动；

其中，所述成像面板、瞬发伽马探测器和质子射线照相面板中的一个或多个与所述多个竖直柱中的一个或多个连接。

20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可旋转弯转磁体包括移动机构，以选择性旋转所述可旋转弯转磁体，以将所述质子束引导至诊断单元而不是引导至所述治疗室中的一个。

21.一种用于质子治疗系统中的旋转弯转磁体组件，包括：

消色差超导磁体，其构造成将质子束的方向改变约90度；以及

移动机构，其构造为旋转所述消色差超导磁体，以便选择性沿第一方向或第二方向引导所述质子束，其中所述第一方向与所述第二方向相反。

22.根据权利要求21所述的组件，其中，所述消色差超导磁体容纳在共同壳体内。

23.一种质子治疗系统，包括：

质子加速器，其构造为产生质子束；

多个束线路径，其构造成将所述质子束从所述质子加速器引导至对应的多个治疗室；

可旋转弯转磁体，其位于所述质子加速器与所述多个治疗室之间，所述可旋转弯转磁体构造为在第一位置与第二位置之间选择性旋转，使得当所述可旋转弯转磁体旋转至所述第一位置时，所述可旋转弯转磁体将所述质子束引导至第一治疗室，并且当所述可旋转弯转磁体旋转至所述第二位置时，所述可旋转弯转磁体将所述质子束引导至第二治疗室；以及

多个质子输送喷嘴，其在每个治疗室内位于所述可旋转弯转磁体的下游，并且构造为将所述质子束分别引导至每个治疗室内的固定位置。

24.一种用于质子治疗系统的竖立定位机构，所述竖立定位机构包括：

基部构件，其构造为绕患者的目标区域的等中心点旋转；以及

患者支撑杆，其构造为从所述基部构件向上延伸，并且能够相对于所述基部构件枢转；

其中，所述竖立患者定位机构构造为支撑所述患者并且在治疗室内提供六个运动自由度，使得固定的线质子束输送至所述患者的所述目标区域的所述等中心点。

25.一种在患者的质子治疗期间执行三维图像重建的方法，所述方法包括：

使患者在固定成像源和成像面板之间旋转；

产生所述患者的目标区域的一系列图像；以及

将所述图像重建为三维体积表示。

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