CN113577580A - 放射治疗系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及放射治疗系统和方法，其中放射治疗系统包括生成粒子射束的加速器和射束传输系统。加速器和射束传输系统将射束引导到路径上并且引入喷嘴中，喷嘴可操作用于将射束对准对象。喷嘴包括可操作用于将射束朝着对象内的不同位置来导向的扫描磁体，并且还包括射束能量调节器，射束能量调节器被配置为：通过例如在射束的路径中放置不同厚度的材料以影响射束中的粒子的能量来调节射束。

Description

放射治疗系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请是国际申请号为PCT/US2017/025732、国际申请日为2017年04月03日、优先权日为2016年04月01日、进入中国国家阶段日期为2018年11月30日、中国国家申请号为201780034145.5、发明名称为“放射治疗系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开所描述的实施例总体涉及放射治疗系统和方法。
背景技术
使用放射治疗来治疗癌症是公知的。放射治疗(放射疗法)涉及将诸如电子、质子或重离子等高能粒子射束引导到患者体内的靶标体积(例如，肿瘤或病变)中。
在用辐射来治疗患者之前，开发了特定于该患者的治疗计划。该计划使用基于过去的经验的模拟和优化来定义放射治疗的各个方面。例如，对于强度调制粒子治疗(IMPT)，计划可以指定适当的射束类型和适当的射束能量。计划的其他部分可以指定例如射束相对于患者/靶标体积的角度、射束形状等。通常，治疗计划的目的是向靶标体积递送足够的辐射，同时最小化周围健康组织到辐射的暴露。
现有的IMPT剂量递送技术利用光栅扫描，光栅扫描利用单能量粒子(例如，质子)束的公知的布拉格峰特征。通过在X和Y方向上扫描射束，可以在靶标体积内“涂抹”剂量的“层”。使用具有不同能量的粒子、以交叠的光栅扫描图案涂抹后续层，这些粒子因此将停止在不同的范围(距离)。这种扫描图案通常从计划靶标体积的最远端边缘开始，并且在暂停以将射束能量改变到较小范围之后递送每个后续层，从而产生扩展布拉格峰(SOBP)，直到最后一层被递送到计划靶标体积的近端边缘。
放射治疗期间的基本关注点是靶标体积可能在剂量递送期间移动(例如，由于患者移动、呼吸等)。剂量递送期间的移动可能无意中将健康组织放置在旨在针对靶标体积的辐射路径中。虽然理论上光栅扫描图案可以通过将光栅扫描图案与对应于该运动的瞬时二维(XY)进行矢量叠加来跟踪靶标体积的平面内运动，但是任何平面外运动(尤其是靠近靶标的正常健康结构的那些运动)可能引入与运动相关的不确定性，这继而可能在靶标体积内产生剂量交叠(“热斑点”)或甚至更严重的间隙(“冷斑点”)。
最近的放射生物学研究已经证明了以下方式保护正常的健康组织免受损害的有利效果：通过在单个短时间段(例如，小于一秒)内递送整个相对较高的治疗辐射剂量。然而，在常规的光栅扫描IMPT中，因为沿着穿过患者的每条射线的剂量递送在扫描图案中的不同时间点连续发生，并且因此在时间上扩展，所以递送到正常健康结构的不可避免的剂量也在时间上扩展。因此，使用现有的IMPT技术未实现上述研究中所报告的放射生物性组织保护效果。
此外，现代的放射疗法递送系统包括偶极电磁体和扫描磁体。偶极磁体(通常称为“弯折磁体”)在朝向喷嘴的方向上引导(例如，弯折)粒子射束，并且扫描磁体在X和Y方向上对射束进行导向(偏转或扫描)。偶极磁体通常利用大量的铁磁返回路径，并且因此相对于扫描磁体具有慢得多的磁滞。也就是说，改变(增加或减少)偶极弯折磁体中的磁性水平比在IMPT递送期间使用扫描磁体来导向射束所花费的时间长得多。而且，改变偶极弯折磁体的磁场的相对缓慢是现有IMPT系统利用一次一层扫描剂量的方法的主要原因。改变偶极磁体的磁强度以改变入射射束能量所花费的时间构成了递送IMPT治疗剂量所需要的时间的重要部分。考虑到患者的舒适度，例如，更短的放射疗法是高度优选的。因此，依赖于磁体、特别是使用偶极弯折磁体用于调节粒子射束是实现以下动作的益处的障碍：在用于放射疗法中的剂量递送的非常短的时间内使用相对较高的治疗辐射剂量。
发明内容
在根据本公开的实施例中，一种放射治疗系统包括加速器和射束传输系统以及可以朝向对象瞄准的喷嘴。喷嘴包括至少一个扫描磁体，该扫描磁体引导(例如，导向、偏转或扫描)射束朝向对象内的靶标体积内的各个位置。喷嘴还包括射束能量调节器，该射束能量调节器被配置为通过例如在射束的路径中放置不同厚度的材料以影响束中的粒子的能量来调节射束。射束能量调节器可以包括范围移位器和范围调制器中的一个或两个。在一个实施例中，范围移位器被配置为：在射束的路径中放置不同厚度的材料，以影响粒子穿透到对象中的距离。在一个实施例中，范围调制器被配置为：在射束的路径中放置不同厚度的材料，以通过随时间改变出射射束粒子能量来减少至少一部分粒子的能量，以扩展布拉格峰。
重要的是，放置在如本公开所述的喷嘴中的范围移位器和/或范围调制器是“动态可变的”(例如，比射束传输系统中的偶极磁体更快地起作用)。因此，根据本公开的喷嘴能够快速调节射束中的粒子，以产生扫描射束(与散射射束相对)，扫描射束在靶标体积中递送整个相对较高的治疗辐射剂量。例如，可以在少于一秒内沿着指定的射束方向(例如，给定的光线)递送四戈瑞的剂量。
每条射线是扫描图案的一部分，并且沿着穿过靶标体积的不同线段(“靶标线段”)来照射组织。可以沿着靶标线段在短时间内被递送的高剂量在本文中可以称为“发射(shot)”。在一个实施例中，可以在能量(强度)或范围方面调节发射，并且在以下扩展布拉格峰(SOBP)的情况下将该发射递送至靶标体积，该SOBP向整个靶标线段提供均匀并以其他方式适当修改的剂量。
可以调节在发射中递送的剂量的强度，以匹配针对特定靶标线段所规定的剂量。可以使用例如预定义的扫描图案来递送发射，以照射不同的靶标线段：产生第一经调节的射束，第一经调节的射束可以沿着靶标体积中的第一靶标线段来递送具有SOBP的第一剂量，并且产生第二经调节的射束，第二经调节的射束可以沿着靶标体积中的第二靶标线段来递送具有第二SOBP的第二剂量，其中第二靶标线段从第一靶标线段位移。基于例如运动跟踪系统，每个发射可以被及时触发和/或被瞄准就位，以与患者体内的移动靶标的位置相一致。后续发射可以在强度方面、范围方面和在适当的SOBP情况下来独立调节，并且也可以被触发或被瞄准，以与扫描图案中每个靶标线段的4D(三维加时间)位置相一致，直到整个靶标体积已经被照射到规定的剂量。
在一个实施例中，范围移位器位于喷嘴中并且在(多个)扫描磁体下游。在另一实施例中，范围移位器位于喷嘴中并且在(多个)扫描磁体上游。范围移位器提供了一种快速改变布拉格峰的范围以匹配计划靶标体积的远端边缘的快速方式。
在一个实施例中，喷嘴包括范围调制器和范围移位器。范围调制器位于(多个)扫描磁体下游；范围移位器可以位于(多个)扫描磁体下游或上游。在一个实施例中，范围调制器包括从毂延伸的多个臂。在一个实施例中，每个臂具有不均匀的厚度和不均匀的宽度(并且因此相邻臂之间的空间量不均匀)。范围调制器可以围绕毂旋转，使得射束将穿过至少一个臂，并且还可以穿过相邻臂之间的空间。
在一个实施例中，范围调制器可以在第一方向上移动(例如，横向地，相对于射束的路径成横向)，使得它完全在射束的路径之外或者在射束的路径中。在一个实施例中，范围调制器也可以在不同于(例如，垂直于)第一方向并且相对于射束的路径成横向的第二方向上移动。
范围调制器提供了一种快速改变扫描射束中的能量，以便以动态可变的方式产生期望的SOBP广度的方式。通过调节范围调制器的位置并且旋转范围调制器，射束可以穿过其至少一个臂的不同部分，并且因此穿过不同厚度的材料，并且也穿过相邻臂之间的不同量的空间，并且因此SOBP的扩展广度可以在有用的范围内快速变化。
范围调制器和/或范围移位器使SOBP(远侧和近侧)与靶标体积(计划靶标体积)相匹配。因为范围调制器和范围移位器可以快速地实现这些效果，所以可以有利地将发射用于剂量递送。因此，通过使用发射，可以将整个靶标体积照射到治疗计划所规定的剂量，同时将健康组织暴露于仅一次非常短的辐射突发。而且，通过在短时间内递送整个剂量，靶标体积的移动变得不那么成问题。同样地，从单个射束方向快速地递送具有不同强度的发射图案引起经强度调制的放射治疗递送。此外，通过从多个射束方向递送发射图案，可以在较低剂量被递送到健康组织的情况下，来实现更精细的强度调节。重要的是，因为没有剂量递送到布拉格峰远端，所以以这种方式递送到在靶标体积之外的任何健康组织的剂量因此可以限于单个、非常短的低剂量辐射突发。
总结而言，根据本公开的实施例提供了对患者中的移动靶标的空间和时间上精确的经调节的照射，并且利用了上述研究的组织保护效果的优势。与使用上述常规光栅扫描技术相比，根据本公开的实施例提供了更直接的靶标体积扫描方法。通过使用(多个)扫描磁体，每个发射被直接瞄准，以与靶标的平面内运动相一致，而不是必须使光栅扫描图案失真。因此，瞄准后续发射避免了产生运动伪像，诸如由连续光栅扫描图案的靶标运动之间的相互作用引起的运动伪像。同样地，远端到近端方向上的靶标运动可以通过在发射之间相应地改变范围移位器而被补偿。由于跟踪和扫描过程彼此更加独立，因此质量保证也变得更加容易。重要的是，由于覆盖每个靶标线段的整个长度(从计划靶标体积的远端边缘到近端边缘)的SOBP以短突发形式被递送，因此运动引起的不确定性不会在靶标体积内产生间隙或交叠(冷斑点或热斑点)。
在阅读了以下对在各个附图中示出的实施例的“具体实施方式”之后，本领域普通技术人员将认识到本公开的各种实施例的这些和其他目的和优点。
提供本“发明内容”是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本“发明内容”不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
附图示出了本公开的实施例，并且与“具体实施方式”一起用于解释本公开的原理，附图被并入本说明书中并形成本说明书的一部分，在附图中相同标号描绘相同元件。
图1是示出可以在其上实现根据本公开的实施例的放射治疗系统的所选择的组件的框图。
图2A、图2B、图2C和图2D是示出在根据本公开的实施例中的喷嘴的所选择的组件的框图。
图3示出了在根据本公开的实施例中的在计划靶标体积中沿着靶标线段的剂量递送的示例。
图4A示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器的正视图。
图4B和图4C示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器的臂的横截面视图。
图4D示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器的定位。
图5示出了在根据本公开的实施例中的范围移位器。
图6示出了在根据本公开的实施例中的表示入射粒子射束与计划靶标体积层的相交的多个斑点。
图7是在根据本公开的实施例中的放射治疗方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，这些实施例的示例在附图中示出。虽然结合这些实施例进行描述，但是应当理解，它们并不旨在将本公开限制于这些实施例。相反，本公开旨在覆盖：可以被包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的备选、修改和等同物。此外，在本公开的以下详细描述中，阐述了很多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地模糊本公开的各方面。
“射线”是扫描图案的一部分，并且沿着通过靶标体积的不同的线段(“靶标线段”)来照射组织。可以沿着靶标线段在短时间内递送的高剂量在本文中可以称为“发射”。
图1是示出可以在其上实施根据本公开的实施例的放射治疗系统100的所选择的组件的框图。在图1的示例中，系统100包括加速器和射束传输系统104和喷嘴106。
加速器和射束传输系统104生成并且加速带电粒子射束，诸如电子、质子和重离子，并且将粒子包含在明确限定的射束中。在一个实施例中，加速器是能够进行连续波输出的等时回旋加速器。加速器(例如，回旋加速器)以指定的能量提取粒子。这针对每次发射的高剂量率提供了高的连续波束电流。可以使用其他类型的加速器，诸如脉冲质子加速器，诸如同步回旋加速器或同步加速器。加速器(例如，回旋加速器)可以是较低功率的输出回旋加速器，诸如将粒子加速到70MeV-300MeV范围的回旋加速器。
加速器和射束传输系统104包括以下组件(例如，偶极磁体，也称为弯折磁体)，该组件指引(例如，弯折、导向或引导)射束在朝向并且进入喷嘴106的方向上通过加速器和射束传输系统。加速器和射束传输系统104还可以包括以下组件，该组件用于调节进入喷嘴106的射束能量，使得它与从加速器提取的射束能量不同。在一个实施例中，四极磁体集沿着加速器和射束传输系统104中的射束路径而被定位。
喷嘴106用于瞄准射束朝向对象(例如，患者)内的各个位置，对象被支撑在治疗室中的支撑设备108(例如，椅子或桌子)上。喷嘴106可以安装在机架(未示出)上或是机架的一部分，使得它可以相对于支撑设备108移动；支撑设备也可以是可移动的。在一个实施例中，加速器和射束传输系统104也安装在机架上或是机架的一部分；在另一实施例中，加速器和射束传输系统与机架分离(但是与其连通)。
控制系统110接收并且实现规定的治疗计划。在一个实施例中，控制系统110包括计算机系统，该计算机系统以公知的方式具有处理器、存储器、输入设备(例如，键盘)并且可能具有显示器。控制系统110可以接收关于系统100的操作的数据。控制系统110可以根据其接收的数据，并且根据规定的治疗计划来控制加速器和射束传输系统104、喷嘴106和支撑设备108的参数，包括诸如射束的能量、强度、方向、尺寸和/或形状等参数。
如上所述，进入喷嘴106的粒子具有特定的能量。因此，在根据本公开的实施例中，喷嘴106包括影响(例如，减小、调节)射束中的粒子的能量的一个或多个组件。在一个实施例中，喷嘴106还包括在X和Y方向上导向(例如，引导、偏转或扫描)射束粒子，以扫描在支撑设备108上的患者中的靶标体积的组件(例如，XY扫描磁体)。
术语“射束能量调节器”在本文中用作针对影响射束中的粒子的能量的组件或多个组件的通用术语。在各种实施例中，射束能量调节器107包括范围调制器、范围移位器、或范围调制器和范围移位器两者。也就是说，当使用术语“射束能量调节器”时，所讨论的元件可以是范围调制器、范围移位器、或范围调制器和范围移位器两者。注意，在射束能量调节器包括范围调制器和范围移位器两者的实施例中，范围调制器和范围移位器可以通过其他喷嘴组件彼此分离。这在图2A、图2B、图2C和图2D中进一步详细说明。
图2A是示出在根据本公开的实施例中的喷嘴106A的所选择的组件的框图。喷嘴106A从加速器和射束传输系统104(图1)接收带电粒子射束101。在图2A的示例中，喷嘴106A包括引导射束101的一个或多个扫描磁体。在一个实施例中，XY扫描磁体包括用于竖直和水平射束偏转的第一(Y)磁体204和第二(X)磁体206，以跨对象(例如，患者)中的计划靶标体积来扫描射束。在喷嘴106A中，Y磁体204可以放置在X磁体206之前或之后。
在一个实施例中，喷嘴106A包括真空室208和监测室210。监测室210监测从真空室208排出的辐射。
在图2A的实施例中，喷嘴106A包括在XY扫描磁体204和206下游的范围调制器212。因此，范围调制器212作用于扫描粒子射束(与散射粒子射束相对)。在一个实施例中，范围调制器212位于真空室的末端(在其外部)，并且在监测室210之前；真空在范围调制器212处结束。
如上所述，射束101内的粒子的初始能量由加速器和射束传输系统104(图1)提供给粒子的加速度来确定。范围调制器212改变(调节)扫描射束中一部分粒子的能量。更具体地，范围调制器212降低一部分单个粒子的能量(例如，通过随时间改变出射的射束粒子能量)，从而增加扫描粒子射束的能量分布，并且沿着扫描粒子射束的行进方向来扩展剂量分布，以将具有扩展布拉格峰(SOBP)的剂量递送到对象(例如，患者)中的靶标体积中的靶标线段(图3)。
继续参考图2A，如上所述，范围调制器212位于XY扫描磁体204和206下游。这避免了在XY扫描磁体的固定或缓慢变化的磁场内产生快速变化的射束能量。这也避免使得射束扩展，因为较低能量的粒子比较高能量的粒子更紧密地弯折。
范围调制器212快速改变出射的射束粒子能量，以便以动态方式产生期望的SOPB广度。而且，范围调制器212是可移动的，因此它可以移入和移出射束路径，并且改变暴露于射束的材料的厚度，从而也改变SOBP广度。这将在下面结合图4A-图4D进一步讨论。从该讨论中可以看出，范围调制器212被配置为使得SOBP的扩展广度可以在射束的有用范围内快速变化，该有用范围在X和Y两个方向上被分开扫描。
在图2A的实施例中，喷嘴106A还包括范围移位器214。这与其中降级器(范围移位器)位于加速器之后和机架入口点之前的常规放射治疗(例如，质子)系统形成对比。在图2A的实施例中，范围移位器214位于喷嘴106A中，并且位于XY扫描磁体204和206下游以及范围调制器212上游。也就是说，范围移位器214位于喷嘴106A中，并且位于范围调制器212与XY扫描磁体204和206之间。
范围移位器214被配置为：改变(例如，降低)粒子射束中的粒子的能量，以影响粒子穿透到靶标体积中的距离；范围移位器影响射束的范围。更具体地，范围移位器214提供了一种改变布拉格峰的范围的快速方式，使得针对每次发射，布拉格峰出现在计划靶标体积的远端边缘处。下面结合图5进一步描述范围移位器214的实施例。
在图2A的实施例中，范围调制器212和范围移位器214构成射束能量调节器107(图1)。有效地，范围调制器212和范围移位器214各自影响或调节射束，但是以不同的方式：范围移位器用于改变(例如，减小)射束能量以控制射束的范围(穿透)，而范围调制器用于扩展布拉格峰。
图2B是示出在根据本公开的另一实施例中的喷嘴106B的所选择的组件的框图。与图2A的喷嘴106A相比，喷嘴106B中的范围移位器214位于XY扫描磁体204和206上游，并且位于XY扫描磁体与加速器和射束传输系统104(图1)之间。将范围移位器214定位在XY扫描磁体204和206上游表示：不必针对扫描磁体对射束的影响来补偿粒子射束。在图2B的实施例中，范围调制器212和范围移位器214构成射束能量调节器107(图1)。
图2C是示出在根据本公开的另一实施例中的喷嘴106C的所选择的组件的框图。与图2A和2B的喷嘴106A和106B分别形成对比，喷嘴106C包括：在XY扫描磁体204和206上游，并且位于XY扫描磁体与加速器和射束传输系统104(图1)之间的范围移位器214，但是不包括范围调制器。在图2C的实施例中，范围移位器214构成射束能量调节器107(图1)。
图2D是示出在根据本公开的另一实施例中的喷嘴106D的所选择的组件的框图。如同图2C的喷嘴106C，喷嘴106D包括范围移位器214但是不包括范围调制器。与图2C的实施例形成对比，范围移位器214位于XY扫描磁体204和206下游。在图2D的实施例中，范围移位器214构成射束能量调节器107(图1)。
图3示出了计划靶标体积304中的靶标线段302的示例。计划靶标体积是指待照射的体积的大小，并且包括临床靶标体积306，临床靶标体积306是指要治疗的实际肿瘤的大小。在图3的示例中，粒子射束(发射)308在从左到右的方向上行进。在图3的定向上，计划靶标体积304的右手侧的边缘(距离入射粒子射束308的方向最远的边缘)被称为远端边缘，而计划靶标体积的左手侧的边缘(最接近入射粒子射束的方向的边缘)被称为近端边缘。在根据本公开的实施例中，SOBP在沿着靶标线段302的方向上、从近端边缘向远端边缘递送均匀剂量。
图4A示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器212的正视图(从入射的粒子射束的角度来看)。在该实施例中，范围调制器212被配置为：在扫描射束的路径中放置不同厚度的材料(包括零厚度；即，没有材料)以改变粒子的能量，如上所述。更具体地，在一个实施例中，范围调制器212包括从毂402延伸的多个臂404或叶片。然而，范围调制器212可以使用单个臂来实现。在一个实施例中，范围调制器212的臂404均由相同的材料(例如，石墨)制成。在另一实施例中，臂404由不同的材料制成；也就是说，一个臂可以由一种材料或材料组合制成，而另一臂可以由不同的材料制成。
每个臂404具有不均匀的厚度。在一个实施例中，臂404的厚度随着距离毂的距离的增加而减小。
在一个实施例中，臂404的弦的长度随着距离毂402的距离的增加而减小；也就是说，臂的宽度随着距离毂的距离的增加而减小(其中宽度W是面向入射的粒子射束的尺寸)。因此，在一个实施例中，臂404之间的空间S的量随着距离毂402的距离的增加而增加。虽然臂404被示出为半椭圆形，但是本公开不限于此；例如，臂可以是具有圆角的更矩形的形状。一般而言，臂404的形状可以被优化，以实现关于例如选择和控制SOBP广度的设计目标。
范围调制器212可以围绕穿过毂402的中心的轴420、顺时针和/或逆时针旋转，以便将臂404(一次一个臂)放入扫描射束的路径中(放入射束线中)。范围调制器212还可以旋转到允许射束穿过两个相邻臂之间的空间的位置。范围调制器212可以连续旋转，以允许射束穿过至少一个臂和至少一个空间量的组合的变化的厚度/宽度；归因于该旋转的变化的材料厚度产生期望的SOBP。如下面将进一步描述的，范围调制器212可以在水平方向上移动，使得在范围调制器旋转时，入射粒子射束将穿过臂的不同部分，并且因此穿过不同厚度和宽度的材料，并且还穿过不同量的空间。范围调制器212也可以移动到使得它完全在射束之外的位置。在一个实施例中，范围调制器212也可以在竖直方向上移动，以允许范围调制器几乎放置在射束内或射束外的任何位置。
图4B示出了在根据本公开的实施例中的沿着图4A的切割线A-A的臂404的横截面视图。在图4B的实施例中，臂404的厚度随着距离毂402的距离的增加而减小。也就是说，臂404在其与毂402相遇处最厚，而在其尖端处最薄。
图4C示出了在根据本公开的实施例中的沿着图4A的切割线B-B的臂404的横截面图。在图4C的实施例中，臂404的厚度沿着其弦而改变。也就是说，臂404在其一个边缘处最厚，而在其另一边缘处最薄。
臂404的形状(轮廓和横截面)不限于图4B和图4C的示例。
参考图4D，在一个实施例中，范围调制器212可以在第一方向上(例如，相对于射束的路径成横向)移动，使得它完全在射束的路径之外或在射束的路径中。在一个实施例中，范围调制器212也可以在不同于(例如，垂直于)第一方向并且相对于射束的路径成横向的第二方向上移动。换言之，在一个实施例中，范围调制器212可以仅在一个方向上移动(例如，水平移动)；并且在另一实施例中，范围调制器可以水平和竖直地(并且因此对角地)移动。在范围调制器212可以仅在一个方向上移动的实施例中，毂402的直径大小可以被设定，使得它等于或几乎等于毂的高度处的最大横向射束扫描场宽度。
可以使用很多不同机制中的任何一种来水平和/或竖直地移动范围调制器212。例如，取决于实施例，范围调制器212可以安装在允许其在任一方向或两个方向上被移动的滑动台或组件上。
在图4D中，最大射束扫描场大小由框406表示，并且粒子射束(射束发射)的路径由框内的黑色圆圈408表示。范围调制器212可以与最大射束扫描场大小406内的粒子射束的扫描位置相对应地定位，如由扫描磁体204和205所偏转的。例如，如果范围调制器212处于由虚线圆圈410指示的位置，则射束将穿过其中一个臂404的特定厚度；如果范围调制器然后向右移动，则射束将穿过其中一个臂的较厚部分；如果范围调制器改为向左移动，则射束将穿过其中一个臂的较薄部分。例如，如果范围调制器212处于由虚线圆圈412指示的位置，则它不受任何射束路径的影响。如上所述，范围调制器212可以在其就位时连续旋转，以便产生期望的SOBP；通过将范围调制器横向(水平和/或垂直)移动到不同的位置，来选择和控制SOBP广度。
当范围调制器212在射束路径中旋转时，射束穿过至少一个臂404和相邻臂之间的至少一个空间。范围调制器212的旋转速度可以改变，使得射束发射穿过多于一个臂404和相邻臂之间的多于一个空间。还可以调节范围调制器212的旋转速度，使得其与加速器的操作同步。可以使用很多不同机制中的任何一种来旋转范围调制器212。例如，范围调制器212可以由连接到毂402的电机直接或间接驱动。
在一个实施例中，当范围调制器212在射束路径中旋转时，选择范围调制器在射束路径中的位置(并且将范围调制器移动到该位置)，使得归因于臂404的不同厚度/宽度的变化的材料厚度以及臂之间的空间量产生期望的SOBP。在任何时间点，布拉格峰是射束距离毂402的径向距离的函数。SOBP的范围可以连续变化，从当射束超出其中一个臂404的尖端(诸如由虚线圆圈412指示的位置)时，没有粒子射束撞击并且因此没有SOBP(原始布拉格峰)，到当射束穿过其中一个臂的最厚部分(例如，在毂402附近)时产生最大SOBP。通过移动范围调制器212可以实现期望的SOBP广度，使得射束在对应于期望SOBP的、距离毂402的径向距离处穿过范围调制器。通过旋转地和/或径向地(在水平和/或竖直方向上)移动范围调制器212，可以实现任何期望SOBP。
范围调制器212可以快速定位(旋转和径向)，并且因此可以用于快速改变SOBP，比使用磁体能够实现的速度要快得多。因此，可以在少于一秒内沿着靶标线段递送四戈瑞的剂量。此外，可以在小于500毫秒内沿着靶标线段递送至少20戈瑞的剂量。
图5示出了在根据本公开的实施例中的范围移位器214。在该实施例中，范围移位器214包括一对楔形物502和504。在一个实施例中，楔形物502和504由石墨制成。楔形物502和504可以在相反的方向上移动，以向穿过楔形物的粒子射束提供均匀但可变的横截面厚度。
在一个实施例中，可以快速调节楔形物502和504，以沿着所编程的运动轮廓移动。当放置在XY扫描磁体204和206(图6)下游时，楔形物502和504可以用作范围调制器，以便以动态可变的方式产生期望的SOBP广度。
范围移位器214不限于图5的实施例。范围移位器214可以以很多不同方式实现，以实现其产生期望和动态SOBP的功能。
例如，楔形物502和504可以由相同材料或材料组合制成，或者楔形物可以由不同材料或材料组合制成；也就是说，一个楔形物可以由一种材料或材料组合制成，而另一种楔形物可以由不同的材料制成。材料可以具有不同的密度。因此，范围移位器214可以由除了楔形之外的组件制成。例如，组件可以是块状的。每个块的密度可以是不均匀的，使得入射射束将穿过不同密度的材料，这取决于块放置在射束路径中的位置和方式，以及块相对于彼此放置的位置和方式。此外，可以使用不同密度和厚度的材料；例如，可以使用也具有不均匀密度的楔形组件。范围移位器214可以使用多于两个组件(例如，多于两个楔形物或块)来实现。
如上所述，在一个实施例中，可以使用能够实现连续波输出的等时回旋加速器，来生成粒子射束。在一个实施例中，范围调制器212的移动(例如，旋转、径向、横向)可以与射束源或发生器同步(例如，与等时回旋加速器同步)。例如，传感器可以用于监测范围调制器212的速度、位置和相位，并且该信息可以用于(例如，由控制系统110)同步范围调制器的移动，以补偿由等时回旋加速器输出的射束的强度的变化或者用于补偿XY扫描磁体204和206的影响。然后，范围移位器214用于“修整”计划靶标体积的远端边缘，从而减少散射。
图6示出了在根据本公开的实施例中的表示入射的粒子射束与靶标体积的层604的相交的多个斑点602。在一个实施例中，通过改变聚焦磁体(诸如沿着加速器和射束传输系统104(图1)中的射束路径而被定位的四极磁体集)中的电流(并且因此改变场强)，来并入可变斑点尺寸特征。通过改变斑点尺寸，可以改变沿着靶标线段暴露于辐射的靶标组织的圆柱体的体积，其中对于给定的射束电流，剂量率具有对应的反向变化。这种能力对于改善到各种靶标体积大小和形状的剂量递送的覆盖范围和速度是有用的。例如，较大的斑点尺寸对于在较大区域上涂抹剂量是有用的，特别是在期望剂量不是太高的情况下，而较小的斑点尺寸对于勾画复杂形状是有用的。扫描图案可以利用与六边形网格类似地布置的交错点，如图6所示。在SOBP中通常遇到的粒子散射自然会围绕在每个靶标线段周围的圆柱体来提供半影(penumbra)区域。这种不可避免的半影对于在发射之间维持到靶标组织的剂量的均匀性是有用的。可以使用相邻发射之间交叠的计划广度，来确保六边形网格的相邻斑点之间的“间隙”中足够的靶标覆盖。备选地，较大斑点图案可以与较小斑点交错在一起，以填充任何间隙。与沿着近端射束(穿过健康的正常组织)的区域相比，粒子散射广度以及因此显著辐射剂量覆盖的横截面直径在SOBP的区域(例如，在靶标体积内)中大大增加。因此，可以适应靶标体积内来自相邻发射的剂量的显著程度的交叠，而不会在射束穿过的正常组织中产生剂量交叠。因此，归因于使用如本文所述的发射，可以保持积极的放射生物学效果。
图7是在根据本公开的实施例中的放射治疗方法的流程图700。虽然图7中公开了描述该方法的操作的步骤和排序，但是这样的步骤和排序是示例。实施例非常适合于执行各种其他步骤或流程图700中所述的步骤的变型，并且是以不同于本文中描绘和描述的顺序。
在框702中，将粒子射束接收到喷嘴中。
在框704中，使用多个XY扫描磁体扫描(光栅扫描)射束。
在框706中，在一个实施例中，利用范围移位器调节粒子穿透到靶标体积中的距离，该范围移位器被配置为在射束的路径中放置不同厚度的材料。在一个实施例中，范围移位器位于喷嘴中并且位于扫描磁体下游，并且可以用作范围调制器；在另一实施例中，范围移位器位于喷嘴中并且位于扫描磁体上游。
在框708中，在一个实施例中，还利用位于喷嘴中并且位于扫描磁体下游的范围调制器来调节射束中的至少一部分粒子的能量(因此范围调制器暴露于扫描射束)。
因此，喷嘴可以用于产生经调节的射束，该经调节的射束沿着与喷嘴对准的靶标体积中的靶标线段来递送具有SOBP的剂量(发射)。可以调节在发射中递送的剂量的强度，以匹配针对特定靶标线段所规定的剂量。可以使用例如预定义的扫描图案来递送发射，以照射不同的靶标线段；可以产生第一经调节的射束，第一调节的射束沿着靶标体积中的第一靶标线段来递送具有SOBP的第一剂量，并且可以产生第二经调节的射束，第二经调节的射束沿着靶标体积中的第二靶标线段来递送具有第二SOBP的第二剂量，其中第二靶标线段从第一靶标线段位移。
如本公开中描述的放置在喷嘴中的范围移位器和/或范围调制器是动态可变的(例如，比射束传输系统中的偶极弯折磁体更快地起作用)。在一个实施例中，沿着靶标线段递送的剂量是至少四戈瑞并且在少于一秒内被递送。在另一实施例中，沿着靶标线段递送的剂量为至少20戈瑞并且在小于500毫秒内被递送。
在一个实施例中，使用来自不同方向和喷嘴的多个射束来执行治疗规划和剂量递送，而不是使用如上所述的单个喷嘴。每个射束可以在单独的时间递送，其中每个方向之间具有钝角或大的锐角。由于其中没有剂量被递送到布拉格峰远端的粒子射束的基本特性，沿着超过该点的射线的正常健康组织将不会接收不想要的剂量。而且，对于相对于彼此具有钝角的方向，从不同射束方向瞄准的任何光线的近端部分彼此不交叠。即使对于大锐角处的射束方向，交叠广度也很小。在靶标之外的任何这种交叠将减少可归因于使用如本文所述的发射的积极效果，因此期望最小化任何交叠。
由于至少两个原因，多个波束方向是有益的。首先，从多个方向扫描剂量通过靶标将大大减少任何剂量不均匀性的程度和幅度(该不均匀性由从任何一个方向的扫描图案或运动引起的范围不确定性而引起)，因为任何这些效应(如果存在)将从不同方向在靶标体积内交叠。其次，从多个方向扫描提供了大得多的独立自由度，其可以用于治疗计划优化，同时还显著降低对任何正常健康组织的剂量水平；入口剂量在更大体积的正常组织上扩展。
如上所述的两个喷嘴可以同轴地并且彼此相对地放置，两者都瞄准等中心。固定射束中的快速“踢者(kicker)”磁体将在馈送每个喷嘴的单独的机架安装路径之间来回引导射束。在每个喷嘴内扫描将使得来自两个喷嘴的射束都将按照实际时间顺序地或者在时间上彼此接近地(例如，在彼此的一秒内或在500毫秒内)撞击同一组织，从而利用可归因于使用如本文所述的发射的积极的放射生物学效果。因为计划靶标体积通常不在患者的精确中心，所以可以在每个喷嘴中采用诸如上述范围移位器214等范围移位器，以使来自两个喷嘴的SOBP变为空间一致。因为非常相似的SOBP从两个方向被递送到同一靶标线段，所以沿着同一线(从每个方向接近靶标)递送到任何正常的健康组织的剂量的大小减少一半。另一优点是，该喷嘴布置允许治疗计划人员独立地优化从每个方向递送的扫描图案的形状和强度，以有利地在规划期间权衡不同的剂量靶标或约束。例如，成对的喷嘴可以用于将剂量限制到与计划靶标体积部分交叠的特定的处于风险中的器官。在布拉格峰之外没有剂量递送到靶标远端，并且在治疗计划期间可以利用该特征，特别是当要使用质子束时。
如上所述，也可以采用固定射束而不是安装在机架上的射束，单独地或如上所述，作为相对的对。无法优选地将射束瞄准理想方向可以与显著降低资本支出来抵消。一些疾病部位可能不需要旋转机架，以便用IMPT进行有效治疗。例如，放置在竖直平面中的一对固定喷嘴可以被布置为：同时递送相对的射束的AP/PA(前后位/后前位)对，以治疗肺部肿瘤。类似地，在水平平面中具有相对喷嘴的双侧射束布置可以对于其他疾病部位有用，诸如头部和颈部中的部位。
可以使用多喷嘴系统中的其他相对射束定向(诸如正交)，或者可以添加附加的喷嘴射束线和喷嘴(例如，以同时实现三个或四个射束方向)。
总结而言，根据本公开的实施例提供了对患者中的移动靶标的空间和时间上精确的经调节的照射，并且利用了上述研究的组织保护效果的优势。与使用上述常规光栅扫描技术相比，根据本公开的实施例提供了更直接的靶标体积扫描方法。通过使用XY扫描磁体，每个发射被直接瞄准，以与靶标的平面内运动相一致，而不是必须使光栅扫描图案失真。由于跟踪和扫描过程彼此更加独立，因此质量保证也变得更加容易。重要的是，由于覆盖每个靶标线段的整个长度(从计划靶标体积的远端边缘到近端边缘)的SOBP以短突发形式被递送，因此运动引起的不确定性不会在靶标体积内产生间隙或交叠(冷斑点或热斑点)。
根据本发明的实施例可以用于除了IMPT之外的类型的外部射束放射疗法，诸如例如，强度调制放射疗法(IMRT)、图像引导放射疗法(IGRT)、RapidArcTM放射疗法、立体定向体放射疗法(SBRT)和立体定向烧蚀放射疗法(SABR)。根据本公开的实施例可以并入用于基于IMPT和其他类型的放射疗法来规划放射疗法治疗的方法和系统中。发射——可以在短时间内沿着靶标线段递送的高剂量——可以在能量(强度)或范围方面被调节，并且在以下扩展布拉格峰(SOBP)的情况下将该发射递送至靶标体积，该SOBP向整个靶标线段提供均匀并以其他方式适当修改的剂量。可以调节在发射中递送的剂量的强度，以匹配针对特定靶标线段所规定的剂量。后续发射可以在强度方面、范围方面和在适当的SOBP情况下来独立调节，并且也可以被触发或被瞄准，以与扫描图案中每个靶标线段的4D(三维加时间)位置相一致，直到整个靶标体积已经被照射到规定的剂量。通过利用这种能力在运行中(动态地)快速且准确地改变能量和范围，可以改善放射治疗。治疗规划也可以得到改善，因为计划人员具有精确控制剂量递送的能力。
尽管用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了本主题，但是应当理解，所附权利要求书中限定的主题不必限于上述具体特征或动作。而是，上述具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。

Claims (16)

1.一种放射治疗系统，包括：
加速器和射束传输系统，所述加速器和射束传输系统生成粒子的射束，其中所述加速器和射束传输系统包括沿着所述射束的路径的聚焦磁体；
喷嘴，可操作用于将所述射束对准对象，其中所述喷嘴包括：
扫描磁体，可操作用于将所述射束朝向所述对象内的不同位置导向；以及
射束能量调节器，被配置为通过影响所述射束中的所述粒子的能量来调节所述射束，其中所述射束能量调节器包括范围调制器，所述范围调制器包括从毂延伸的多个臂，所述臂多个具有不均匀的厚度，其中所述范围调制器可操作为围绕所述毂旋转，从而允许所述射束穿过所述多个臂中的至少一个臂，以在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料，来改变所述粒子的至少一部分的能量并且实现扩展布拉格峰。
2.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述射束能量调节器还包括范围移位器，所述范围移位器被配置为：在所述射束的路径中放置不同厚度的材料，以影响所述粒子穿透到所述对象中的距离并且将所述扩展布拉格峰定位在所述对象内。
3.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述范围调制器被配置为在第一方向上在以下位置之间移动：完全在所述射束的所述路径之外的位置、以及在所述射束的所述路径中的位置，其中所述第一方向横向于所述射束的所述路径，其中进一步地所述范围调制器还被配置为在第二方向上移动，所述第二方向与所述第一方向不同并且横向于所述射束的所述路径。
4.一种用于放射疗法治疗的方法，所述方法包括：
获取用于将来自第一喷嘴的第一辐射束引导到计划靶标体积中的第一扫描图案，其中所述第一扫描图案包括在所述计划靶标体积中的多个不同的靶标线段；以及
生成用于配置所述第一喷嘴的参数，其中所述参数影响所述辐射束中的带电粒子的能量以产生经调节的射束，所述经调节的射束沿着所述多个不同的靶标线段中的相应靶标线段，来递送具有扩展布拉格峰SOBP的剂量。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：针对所述不同的靶标线段中的每个靶标线段来指定所述第一喷嘴相对于所述计划靶标体积的角度。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：获取用于将来自第二喷嘴的第二辐射束引导到所述计划靶标体积中的第二扫描图案，其中所述第二扫描图案包括在所述计划靶标体积中的第二多个不同的靶标线段，其中所述第一喷嘴从第一方向递送所述第一辐射束，并且所述第二喷嘴从不同于所述第一方向的第二方向递送所述第二辐射束。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述参数包括控制所述第一喷嘴中的范围移位器的移动的参数，其中所述范围移位器被配置为：在所述辐射束的所述路径中放置不同厚度的材料，以影响所述带电粒子穿透到所述计划靶标体积中的距离，并且将所述SOBP定位在所述计划靶标体积内。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述参数还包括控制所述第一喷嘴中的范围调制器的移动的参数，其中所述范围调制器被配置为：在所述辐射束的所述路径中放置不同厚度的材料，以改变所述带电粒子的至少一部分的能量并且实现所述SOBP。
9.根据权利要求4所述的方法，其中所述参数包括控制所述第一喷嘴中的范围移位器的移动的参数，其中所述范围移位器被配置为：在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料，以改变所述粒子的至少一部分的能量并且实现所述SOBP。
10.一种放射治疗方法，包括：
跟踪靶标体积的运动；以及
沿着所述靶标体积中的靶标线段，递送与所述靶标体积的位置相一致的剂量，其中所述剂量在如下时间段内被递送，所述时间段足够短以抵消由于所述靶标体积的运动引起的所述位置的不确定性。
11.根据权利要求10所述的方法，所述递送还包括：沿着所述靶标线段，在小于一秒内递送至少四戈瑞的剂量。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在放射治疗系统射束的喷嘴中的粒子的射束的路径中放置材料，以影响所述射束中的所述粒子的能量并且产生经调节的射束；以及
重复所述跟踪、所述递送和所述放置，以沿着所述靶标体积中不同的靶标线段来递送剂量，直到所述靶标体积已被辐射至所规定的剂量，其中所述剂量在如下时间段内被各自递送，所述时间段足够短以抵消由于所述靶标体积的运动引起的不确定性。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述放置包括：
在第一方向上在以下位置之间移动所述喷嘴中的范围调制器：完全在所述射束的所述路径之外的位置、以及在所述喷嘴中的在所述射束的所述路径中的位置，其中所述范围调制器包括从毂延伸的多个臂，所述多个臂具有不均匀的厚度；以及
利用在所述射束的所述路径中的所述范围调制器，围绕所述毂旋转所述范围调制器，以将所述多个臂中的至少一个臂放置在所述射束的所述路径中，其中所述粒子的能量根据穿过所述射束的所述多个臂的所述厚度而改变，并且其中穿过所述射束的所述多个臂的所述厚度通过在所述第一方向上来回移动所述范围调制器而改变。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：利用范围移位器，改变所述粒子穿透到所述靶标体积中的距离，所述范围移位器在所述喷嘴中，并且被配置为根据所述靶标体积的所述运动在所述射束的所述路径中放置不同厚度的所述材料。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述放置包括：在所述喷嘴中的在所述射束的所述路径中移动范围移位器的组件，以根据所述靶标体积的所述运动向所述射束呈现不同厚度的所述材料。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括：
调节所述射束中的所述粒子的所述能量，以改变所述射束与所述靶标体积中的不同位置相交的斑点的大小。
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