CN113950354B - 优化放射治疗的系统 - Google Patents

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Abstract

一种放射治疗系统和方法，用于在放射治疗过程中对目标器官进行X射线辐射成像。该系统包括：(a)可构造为向目标器官传递X射线束的X射线束源；(b)会聚所述射线束且将其成形为光子同时作用于目标器官上的锥形X射线光子束的光学装置；(c)可附于所述目标器官上的多种高Z纳米颗粒，该高Z纳米颗粒吸收所述X射线辐射，并发出X射线荧光(XRF)光子；(d)检测从患者体内射出的所述XRF光子的至少一个XRF检测器；(e)控制所述放射治疗过程的控制装置。所述X射线束可聚焦于所述目标器官内所述高Z纳米颗粒的浓度使得其以所需方式发出所述XRF光子的部分，当发出的所述XRF光子减少时，所述X射线束可通过移动而重新聚焦于所述目标器官内以所需方式发出所述XRF光子的部分上。

Description

优化放射治疗的系统
技术领域
本发明涉及放射治疗系统和方法。本发明尤其涉及增强和优化放射治疗效果的系统和方法。
背景技术
肿瘤的放射治疗，尤其癌性肿瘤的放射治疗利用X射线、伽马射线、电子束或质子等高能粒子或波破坏或损伤癌细胞。此类治疗在使用高辐射水平时，会对非肿瘤区域内的细胞造成损害，从而对患者造成长时间的负面影响。然而，当将辐照水平限制于低剂量时，又无法产生治疗效果。
目前，虽然已存在各种用于在降低对目标细胞周围健康组织造成损害的同时保持较高治疗剂量的辐射传递系统和方法，但是仍然需要能够在实现更大放射治疗作用的同时对患者具有更小负面作用的改良系统和方法。
因此，本发明的目的在于提供一种在提高和优化放射治疗效果的同时最大程度减小对目标器官周围健康组织的损害的系统和方法。
发明内容
根据本发明一些实施方式，提供一种放射治疗系统，用于在对目标器官进行放射治疗的过程中，对该目标器官进行X射线辐射成像。该放射治疗系统包括：
(i)可构造为向目标器官传递X射线束的X射线束源；
(ii)会聚所述射线束且将其成形为光子同时作用于目标器官上的锥形X射线光子束的光学装置；
(iii)可附于所述目标器官上的多种高Z纳米颗粒/至少一种高Z基准标记物，该高Z纳米颗粒/至少一种高Z基准标记物吸收所述X射线辐射，并发出X射线荧光(XRF)光子；
(iv)检测从患者体内射出的所述XRF光子的至少一个XRF检测器；以及
(v)通过控制部件(i)～(iv)当中的至少一者而控制所述放射治疗过程的控制装置，
其中，所述X射线束可聚焦于所述目标器官内所述高Z纳米颗粒的浓度使得其以所需方式发出所述XRF光子的部分，
当发出的所述XRF光子减少时，所述X射线束可通过移动而重新聚焦于所述目标器官内以所需方式发出所述XRF光子的部分上。
此外，根据一些实施方式，所述光学装置包括将所述X射线束会聚于所述目标器官上的至少一个会聚透镜。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一个XRF检测器可移动。
此外，根据本发明一些实施方式，该放射治疗系统还包括将从患者体内射出的所述XRF光子会聚至所述至少一个XRF检测器上的至少一个会聚透镜。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一个XRF检测器选自点状检测器、一维阵列检测器及二维阵列检测器。
此外，根据本发明一些实施方式，所述点状检测器选自电离室型检测器、闪烁检测器及半导体检测器。
此外，根据本发明一些实施方式，所述二维阵列检测器为伽玛相机。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒选自原子数至少为22个的金属元素。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒选自钛(Z＝22)，钒(Z＝23)，铬(Z＝24)，锰(Z＝25)，铁(Z＝26)，钴(Z＝27)，镍(Z＝28)，铜(Z＝29)，锌(Z＝30)，镓(Z＝31)，锗(Z＝32)，砷(Z＝33)，硒(Z＝34)，溴(Z＝35)，铷(Z＝37)，锶(Z＝38)，钇(Z＝39)，锆(Z＝40)，铌(Z＝41)，钼(Z＝42)，锝(Z＝43)，钌(Z＝44)，铑(Z＝45)，钯(Z＝46)，银(Z＝47)，镉(Z＝48)，铟(Z＝49)，锡(Z＝50)，锑(Z＝51)，碲(Z＝52)，碘(Z＝53)，铯(Z＝55)，钡(Z＝56)，镧(Z＝57)，铈(Z＝58)，镨(Z＝59)，钕(Z＝60)，钷(Z＝61)，钐(Z＝62)，铕(Z＝63)，钆(Z＝64)，铽(Z＝65)，镝(Z＝66)，钬(Z＝67)，铒(Z＝68)，铥(Z＝69)，镱(Z＝70)，镥(Z＝71)，铪(Z＝72)，钽(Z＝73)，钨(Z＝74)，铼(Z＝75)，锇(Z＝76)，铱(Z＝77)，铂(Z＝78)，金(Z＝79)，铊(Z＝81)，铅(Z＝82)，铋(Z＝83)，铀(Z＝92)。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒优选选自铥(Z＝69)和铒(Z＝68)。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒包括至少一种非金属元素。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一种非金属元素选自硅酮、碳、卤素、氧以及氢。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒具有纳米级金属有机骨架化合物(nMOF)的形式。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一种高Z纳米颗粒包括氧化铪(HfO2)。
此外，根据本发明一些实施方式，可至少使用高Z纳米颗粒A和高Z纳米颗粒B这两种不同的高Z纳米颗粒，所述高Z纳米颗粒A可附于对第一种细胞具有亲和力的分子上，所述高Z纳米颗粒B可附于对第二种细胞具有亲和力的分子上，其中，所述高Z纳米颗粒A可产生的XRF辐射可与所述高Z纳米颗粒B可产生的XRF辐射相区分。
此外，根据本发明一些实施方式，在所述放射治疗过程中，当所述高Z纳米颗粒B可产生的XRF辐射减小且/或所述高Z纳米颗粒A可产生的XRF辐射增大时，所述X射线束必须重新聚焦。
此外，根据本发明一些实施方式，所述第一种细胞为健康细胞，所述第二种细胞为非健康细胞。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一个X射线检测器通过实时监测所述放射治疗，在整个放射治疗过程中持续提供所述高Z纳米颗粒在所述目标器官内的分布。
此外，根据本发明一些实施方式，该放射治疗系统还包括通过对所述放射治疗过程进行模拟而最大程度提高治疗精确度的模拟系统，该模拟系统独立于所述放射治疗系统操作。
此外，根据本发明一些实施方式，所述模拟系统包括X射线源，至少一个X射线检测器以及可附于所述目标器官上的多种高Z纳米颗粒。
此外，根据本发明一些实施方式，该放射治疗系统通过产生所述目标器官的三维诊断图像而实现精确治疗。
此外，根据本发明一些实施方式，所述模拟系统与该放射治疗系统可在治疗过程中互换使用，以最大程度提高治疗精确度。
此外，根据本发明一些实施方式，提供一种在目标器官放射治疗过程中对目标器官进行X射线辐射成像且通过对所述放射治疗进行模拟而最大程度提高治疗精确度的混合式放射治疗系统。该混合式放射治疗系统包括：
(a)可构造为向目标器官传递X射线束的X射线束源；
(b)将所述射线束成形为光子同时作用于目标器官上的锥形X射线光子束的光学装置；
(c)可附于所述目标器官上的多种高Z纳米颗粒，该多种高Z纳米颗粒吸收所述X射线辐射，并发出X射线荧光(XRF)光子；
(d)检测从患者体内射出的所述XRF光子的至少一个XRF检测器；
(e)通过检测透过所述目标器官的所述X射线束而对所述放射治疗进行模拟的X射线检测器；以及
(f)通过控制部件(a)～(d)当中至少一者而控制所述模拟和放射治疗过程的控制装置，
其中，所述X射线束可聚焦于所述目标器官内所述高Z纳米颗粒的浓度使得其以所需方式发出所述XRF光子的部分，
当发出的所述XRF光子减少时，所述X射线束可通过移动而重新聚焦于所述目标器官内以所需方式发出所述XRF光子的部分上，
所述混合式放射治疗系统在模拟模式和放射治疗模式之间切换，无需将患者从一个姿势转换至另一姿势。
此外，根据本发明一些实施方式，所述光学装置包括至少一个透镜，该至少一个透镜包括可打开的开孔，该可打开的开孔在所述放射治疗过程中保持闭合，以将所述X射线束会聚至所述目标器官上，该开孔在所述放射治疗的模拟过程中保持打开，以允许所述射线束透过该开孔。
此外，根据本发明一些实施方式，该混合式放射治疗系统通过产生所述目标器官的三维诊断图像而实现精确治疗。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一个XRF检测器可移动。
此外，根据本发明一些实施方式，该混合式放射治疗系统还包括将从患者体内射出的所述XRF光子会聚至所述至少一个XRF检测器上的至少一个会聚透镜。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一个XRF检测器选自点状检测器、一维阵列检测器及二维阵列检测器。
此外，根据本发明一些实施方式，所述点状检测器选自电离室型检测器、闪烁检测器及半导体检测器。
此外，根据本发明一些实施方式，所述二维阵列检测器为伽玛相机。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒选自原子数至少为22个的金属元素。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒选自钛(Z＝22)，钒(Z＝23)，铬(Z＝24)，锰(Z＝25)，铁(Z＝26)，钴(Z＝27)，镍(Z＝28)，铜(Z＝29)，锌(Z＝30)，镓(Z＝31)，锗(Z＝32)，砷(Z＝33)，硒(Z＝34)，溴(Z＝35)，铷(Z＝37)，锶(Z＝38)，钇(Z＝39)，锆(Z＝40)，铌(Z＝41)，钼(Z＝42)，锝(Z＝43)，钌(Z＝44)，铑(Z＝45)，钯(Z＝46)，银(Z＝47)，镉(Z＝48)，铟(Z＝49)，锡(Z＝50)，锑(Z＝51)，碲(Z＝52)，碘(Z＝53)，铯(Z＝55)，钡(Z＝56)，镧(Z＝57)，铈(Z＝58)，镨(Z＝59)，钕(Z＝60)，钷(Z＝61)，钐(Z＝62)，铕(Z＝63)，钆(Z＝64)，铽(Z＝65)，镝(Z＝66)，钬(Z＝67)，铒(Z＝68)，铥(Z＝69)，镱(Z＝70)，镥(Z＝71)，铪(Z＝72)，钽(Z＝73)，钨(Z＝74)，铼(Z＝75)，锇(Z＝76)，铱(Z＝77)，铂(Z＝78)，金(Z＝79),铊(Z＝81)，铅(Z＝82)，铋(Z＝83)，铀(Z＝92)。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒优选选自铥(Z＝69)和铒(Z＝68)。
此外，根据本发明一些实施方式，所述高Z纳米颗粒包括至少一种非金属元素。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一种非金属元素选自硅酮、卤素、氧以及氢。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一种高Z纳米颗粒包括氧化铪(HfO2)。
此外，根据本发明一些实施方式，至少使用第一种和第二种这两种高Z纳米颗粒，所述第一种高Z纳米颗粒附于对一种细胞(如健康细胞)具有亲和力的分子上，所述第二种高Z纳米颗粒附于对另一种细胞(如非健康细胞)具有亲和力的分子上，从而使得所述第一种高Z纳米颗粒产生的XRF辐射与所述第二种高Z纳米颗粒产生的XRF辐射相互区别开来。
此外，根据本发明一些实施方式，所述至少一个X射线检测器通过实时监测所述放射治疗过程，在整个放射治疗过程中持续提供所述高Z纳米颗粒在所述目标器官内的分布。
此外，根据本发明一些实施方式，提供一种在放射治疗过程中对目标器官实时进行X射线辐射成像的放射治疗方法。该方法包括：
提供上述放射治疗系统；
向患者体内的目标器官施用至少一种高Z金属纳米颗粒；
通过X射线束向目标器官传递辐射；
由所述高Z纳米颗粒发出XRF光子；
检测所述XRF光子；
对所述X射线束的焦点进行引导；以及
当检测到所发出的XRF光子减少时，移动并重新聚焦所述X射线束。
此外，根据本发明一些实施方式，所述X射线束移动且重新聚焦至所述目标器官内所述高Z纳米颗粒具有所需浓度的部分。
此外，根据本发明一些实施方式，该方法进一步包括通过模拟所述放射治疗过程而获得所述高Z纳米颗粒的分布，从而最大程度提高治疗的精确度。
附图说明
图1所示为根据本发明一些实施方式用于在放射治疗过程中对目标器官进行X射线辐射成像的放射治疗系统。
图2所示为根据本发明一些实施方式同时具有模拟和治疗功能的混合式系统。
图3所示为根据本发明一些实施方式通过对放射治疗进行模拟而实现精确放射治疗的放疗模拟系统。
图4为根据本发明一些实施方式在放射治疗过程中对目标器官进行XRF成像的方法流程图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明一些实施方式用于在放射治疗过程中对目标器官进行X射线辐射成像的放射治疗系统100。
放射治疗系统100用于在治疗目标器官(可以是癌性肿瘤、非癌病灶或其他器官)的同时，实时监测放疗过程，并验证辐射“快照”(Snap)是否指向目标位点。
本发明放射治疗系统100包括X射线束源102，会聚透镜104，至少一个X射线检测器106，以及多种高Z纳米颗粒108或至少一种高Z基准标记物109。
放射治疗系统100还可包括用于将发出的XRF光子朝X射线检测器106会聚的另一会聚透镜。
根据本发明一些实施方式，高Z纳米颗粒108或至少一种高Z基准标记物109处于目标器官110内部以及/或者外表面上。
根据本发明一些实施方式，放射治疗系统100的所有部件均能够空间移动至体内的各个目标器官(例如，从头部移动至脚趾)。根据本发明一些实施方式，至少一个X射线检测器106可空间移动，以从患者周围的各种位置进行放疗监测。或者，所述至少一个X射线检测器106的多个单元可固定于患者附近的各个位置上，以从患者周围的各种位置进行放疗监测。
所述至少一个X射线检测器106可选自电离室型检测器、闪烁检测器或半导体检测器等点状检测器。或者，所述至少一个X射线检测器106可选自线性阵列检测器及伽玛相机等二维阵列检测器。
与必须在空间中移动才能进行标测的点状检测器不同，线性阵列检测器及二维检测器能够给出身体所发XRF的瞬时空间数据。此类数据对于放射治疗的指导和监测具有至关重要的作用。
根据本发明一些实施方式，X射线束源102朝第一会聚透镜104发出会聚式X射线束112，所述会聚透镜将射线束朝患者身体114内的目标器官110会聚。
在放疗之前，目标器官110提前施用选自原子数至少为22个的金属元素的至少一种高Z基准标记物109或高Z纳米颗粒108，所述金属元素包括但不限于钛(Z＝22)，钒(Z＝23)，铬(Z＝24)，锰(Z＝25)，铁(Z＝26)，钴(Z＝27)，镍(Z＝28)，铜(Z＝29)，锌(Z＝30)，镓(Z＝31)，锗(Z＝32)，砷(Z＝33)，硒(Z＝34)，溴(Z＝35)，铷(Z＝37)，锶(Z＝38)，钇(Z＝39)，锆(Z＝40)，铌(Z＝41)，钼(Z＝42)，锝(Z＝43)，钌(Z＝44)，铑(Z＝45)，钯(Z＝46)，银(Z＝47)，镉(Z＝48)，铟(Z＝49)，锡(Z＝50)，锑(Z＝51)，碲(Z＝52)，碘(Z＝53)，铯(Z＝55)，钡(Z＝56)，镧(Z＝57)，铈(Z＝58)，镨(Z＝59)，钕(Z＝60)，钷(Z＝61)，钐(Z＝62)，铕(Z＝63)，钆(Z＝64)，铽(Z＝65)，镝(Z＝66)，钬(Z＝67)，铒(Z＝68)，铥(Z＝69)，镱(Z＝70)，镥(Z＝71)，铪(Z＝72)，钽(Z＝73)，钨(Z＝74)，铼(Z＝75)，锇(Z＝76)，铱(Z＝77)，铂(Z＝78)，金(Z＝79)，铊(Z＝81)，铅(Z＝82)，铋(Z＝83)，铀(Z＝92)。
根据本发明一些实施方式，在一些情形中，优选使用毒性较低的无毒铥(Z＝69)或铒(Z＝68)的高Z纳米颗粒，这是因为这些材料的K边缘吸收共振能与钨的辐射特性具有良好的匹配。碲(Tm)的K边缘能量为59.3896keV，铒(Er)的K边缘能量为57.4855keV，作为医用X射线管最常用的阳极材料的钨的Ka辐射能量为59.3keV。
需要注意的是，化合物中可存在硅酮、碳、卤素(如碘)、氧、甚至氢等非金属成分，例如氧化铪(HfO2)。
还需注意的是，高Z纳米颗粒的形式可以为纳米级金属有机骨架化合物(nMOF)。
根据本发明一些实施方式，在放疗过程中，通过以所述至少一个X射线检测器106检测高Z纳米颗粒108发出的XRF光子的方式，获得这些纳米颗粒的分布。高Z纳米颗粒108/高Z基准标记物109吸收X射线辐射，并发出X射线荧光(XRF)光子，其中，从患者体内发出的部分能量足够高的光子被X射线检测器106检测得到。
XRF辐射强度取决于X射线辐射的能量和强度以及高Z纳米颗粒108的浓度。在最为简单的情形中，假设当会聚后的辐射焦点处于高Z纳米颗粒108的最高浓度处时，XRF辐射达到最大。
根据本发明一些实施方式，所述至少一个X射线检测器106提供与纳米颗粒真实分布相关的信息，即通过对放疗过程进行实时监测，在整个放疗过程中持续提供纳米颗粒在目标区域内的分布状况。此类信息对于验证辐射“快照”是否事实上确切指向目标位点(空间坐标)，即是否指向含有高密度高Z纳米颗粒108的目标器官，具有至关重要的作用。
当XRF辐射水平下降时，需要检验射线束的焦点是否处于正确位置。如果偏离焦点，则必须将其导向能够接受到所需XRF辐射值的部分。
根据本发明一些实施方式，通过使用会聚式X射线束113和高Z纳米颗粒108，可使得目标器官110能够接收大的辐射剂量，而前后方器官接收最低水平的辐射剂量。通过最大程度地减小健康组织的辐射剂量，可降低患者所承受的副作用的大小。因此，会聚式射线束113和高Z纳米颗粒108的使用使得长期副作用和短期副作用均发生下降。此外，通过向目标器官110施加更大的剂量，可提高治疗效率，并甚至可能会缩短治疗过程，从而使得该治疗对于患者而言更加能够承受。
根据本发明一些实施方式，目标器官110可施用各种元素的高Z纳米颗粒108。在施用前，可将某(些)种元素的高Z纳米颗粒108A附于对第一种细胞具有亲和力的分子上，并可将其他一(数)种元素的高Z纳米颗粒108B附于对第二种细胞具有亲和力的分子上。由于不同元素的高Z纳米颗粒108所产生的XRF辐射不同(能量不同)，因此这种设置方式能够确定上述两种细胞内的粒子分布，并将X射线束112聚焦于目标细胞上。
例如，某(些)种元素的高Z纳米颗粒108A可附于对健康细胞具有亲和力的分子上，而其他一(数)种元素的高Z纳米颗粒108B可附于对非健康细胞具有亲和力的分子上。只要射线束会聚，即可以高Z纳米颗粒108B发出的XRF为主。然而，如果治疗过程中不再以高Z纳米颗粒108B发出的XRF为主，也就是说，如果高Z纳米颗粒108B发出的XRF减少而且/或者高Z纳米颗粒108A发出的XRF增加，则最可能的原因在于射线束已偏离初始位点。相应地，必须通过重新聚焦，使射线束恢复其初始位点。根据本发明一些实施方式，放射治疗系统100可包括模拟单元，该模拟单元以辐射成像方式反映目标器官110内高Z纳米颗粒108的分布，以实现治疗方案的高精度验证。
图2所示为根据本发明一些实施方式同时具有模拟和治疗功能的混合式系统200。混合式系统200基本为图1放射治疗系统100通过改造而具有通过对目标器官110进行模拟而实现精确治疗过程的能力。
混合式系统200能够在辐射成像模拟模式和X射线放射治疗模式之间快速转换，无需将患者从实际治疗姿势转换为其他姿势，也就是说，能够在患者处于实际治疗姿势下进行成像。
混合式系统200包括会聚式X射线束源102，至少一个X射线检测器106，待由X射线检测器202检测的目标器官110，附于目标器官110内部和/或外表面上的高Z纳米颗粒108或至少一种高Z基准标记物109，透镜204，以及在模拟运行过程中检测传播透过透镜204的射线束112的第二检测器202。
根据本发明一些实施方式，透镜204包括开孔206，在模拟运行过程中，X射线束112透过该开孔向目标器官110传播，并由X射线检测器202检测。
根据本发明一些实施方式，在放射治疗之前，先进行模拟运行，以在无需将患者从实际治疗姿势转换至其他姿势的情况下实现X射线束112的聚焦。
为了防止对目标器官110或目标器官110附近的任何其他器官造成损害，X射线束112传播通过透镜204的开孔206。因此，在模拟过程中，X射线束112并不会聚于器官内。
根据本发明一些实施方式，混合式系统200通过生成目标器官110的三维诊断图像而实现精确治疗。在模拟过程完成后，系统200从用于射线束聚焦的辐射成像模拟模式转换至X射线放射治疗模式，无需将患者从实际治疗姿势转换至其他姿势。
根据本发明一些实施方式，混合式系统200可从辐射成像模拟模式快速转换至X射线放射治疗模式，以及从X射线放射治疗模式快速转换至辐射成像模拟模式，无需将患者从实际治疗姿势转换至其他姿势，也就是说，能够在患者处于实际治疗姿势下进行成像。
图3所示为根据本发明一些实施方式用于模拟放射治疗的放疗模拟系统300。
在该情形中，放疗模拟系统300为另外独立于放射治疗系统100操作的独立系统。
放疗模拟系统300包括：X射线束源302，该射线束源并非上述治疗目的射线束源的一部分，而是独立的射线束源302；至少一个X射线检测器304；以及附于目标器官110内部及外表面的高Z纳米颗粒108/至少一种高Z基准标记物109。
根据本发明一些实施方式，图1放射治疗系统100和放疗模拟系统300可在治疗过程中互换使用，以最大程度提高治疗精确度。
图4为根据本发明一些实施方式在放射治疗过程中对目标器官110进行XRF成像的方法400流程图。
在方法400的第一步骤402中，提供放射治疗系统。
在施用步骤404中，将有效量的高Z纳米颗粒108或至少一种高Z基准标记物109通过如下方式局部固定于目标器官110内：(a)以含或不含有助于局部固定的亲和剂的方式注射于血流中；(b)直接注射于目标器官110内；或者任何其他能够将有效量的高Z纳米颗粒108局部固定于目标器官110内的施用方法。
在步骤406中，向目标器官110传递X射线辐射。随着辐射施加于目标器官110上且由高Z纳米颗粒108吸收，部分辐射产生光电子、反冲电子等具有能量的电子，这些电子从纳米颗粒中射出，并将其能量传递至目标器官。
在步骤408中，进行另一过程，该过程为X射线荧光(XRF)过程，其中，高Z纳米颗粒108或所述至少一种高Z基准标记物109发出具有特定能量的光子。所发出的能量通过具有能量的电子和光子传递至周围环境(肿瘤)，从而提高传递至肿瘤的治疗剂量的效率——所述光子和电子被目标器官的组织吸收，使得细胞死亡或肿瘤减小或消除，从而减少癌细胞。
在步骤410中，部分能量足够高的XRF光子从患者体内114逸出，并被设于患者附近不同位置上的至少一个检测器106收集，以确定纳米颗粒108的确切分布。
在步骤412中，通过如下方式将X射线束112的焦点引导至目标区域：
-将X射线辐射传递至目标器官110；
-主(治疗目的)X射线束112通过与高Z纳米颗粒108相互作用而使得其发出XRF光子；
-在整个治疗过程中持续检测发出自患者体内114的光子，X射线束112聚焦于目标器官110上，且优选聚焦于目标器官110中高Z纳米颗粒108的浓度使得XRF光子以所需发射量发出的部分。
因此，根据本发明一些实施方式，在整个放射治疗过程中，对发出自人体的XRF光子进行持续检测，并且只要检测到XRF光子的发射量发生下降，即自动进行X射线束的重新聚焦。
当检测器106的读数低于预设值时，即认为X射线束112作用的目标器官110区域内的高Z纳米颗粒108的浓度不符合要求，或者患者体内114的吸收作用更大。这表示，聚焦位置不佳，因此在步骤414中，对X射线束112的方向进行相应校正。
根据本发明一些实施方式，使X射线束112恢复其初始位点包括：通过扫描目标器官110而确定能够获得所需XRF辐射的点的位置；以及使治疗目的辐射线返回至新的坐标。
根据本发明一些实施方式，方法400可进一步包括：在向目标器官传递治疗目的辐射线之前，通过模拟运行，获得高Z纳米颗粒108在目标器官110内的分布。或者，可对皮肤进行标记或纹身，以有助于将射线束112引导至目标位点。
根据本发明一些实施方式，在步骤410中，通过直接三角定位法确定射线束112的目标焦点。三角定位法为一种通过自已知点向待测点作三角的方式确定待测点位置的方法。相应结构基本上由用于观测目标物(即高Z纳米颗粒发出的XRF)的单个可移动传感器或多个传感器构成。其中，一个传感器一般为点状检测器、一维阵列检测器或二维阵列检测器，另一传感器可以为点状检测器、一维阵列检测器、二维阵列检测器或检测器新位置，第三传感器为XRF发射点。各传感器的投影中心与承载纳米颗粒的目标器官表面上的目标点形成三角形。在该三角形中，传感器之间的距离为底边b，而且必须为已知量。在测定传感器投影线和底边之间的角度后，根据三角形关系，计算相交点，从而获得三维坐标。

Claims (37)

1.一种放射治疗系统，用于对目标器官进行X射线放射治疗和对所述X射线放射治疗进行持续地实时监测，其特征在于，该放射治疗系统包括：
(i)X射线束源，能够构造为向目标器官传递X射线束；
(ii)至少一个会聚透镜，用于将所述X射线束会聚至所述目标器官上；
(iii)多种高Z纳米颗粒，能够附于所述目标器官上，在整个所述X射线放射治疗中，该高Z纳米颗粒持续吸收所述X射线辐射，并发出X射线荧光光子；
(iv)至少一个X射线荧光检测器，用于在整个所述X射线放射治疗中持续地实时检测从患者体内射出的所述X射线荧光光子，以实时提供所述纳米颗粒在所述目标器官的目标区域内的分布状况，从而实时验证所述X射线束聚焦在所述目标器官的所述目标区域上，所述目标区域中的所述高Z纳米颗粒的浓度使得所述X射线荧光光子以所需方式发出；和
(v)控制装置，用于通过控制部件(i)～(iv)当中的至少一者而控制所述X射线放射治疗，
其中，所述X射线束聚焦于所述目标器官内的所述目标区域上，所述目标区域中的所述高Z纳米颗粒的浓度使得所述X射线荧光光子以所需方式发出，
当所述X射线荧光检测器检测到发出的所述X射线荧光光子减少时，所述X射线束被实时重新定向而重新聚焦于所述目标器官内的所述目标区域上，从而所述高Z纳米颗粒的浓度使得所述X射线荧光光子以所需方式发出。
2.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，所述至少一个X射线荧光检测器可移动。
3.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，还包括至少一个会聚透镜，用于将从患者体内射出的所述X射线荧光光子会聚至所述至少一个X射线荧光检测器。
4.如权利要求1-3当中任何一项所述的放射治疗系统，其特征在于，所述至少一个X射线荧光检测器选自点状检测器、一维阵列检测器及二维阵列检测器。
5.如权利要求4所述的放射治疗系统，其特征在于，所述点状检测器选自电离室型检测器、闪烁检测器及半导体检测器。
6.如权利要求5所述的放射治疗系统，其特征在于，所述二维阵列检测器为伽玛相机。
7.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒选自原子数至少为22的金属元素。
8.如权利要求7所述的放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒选自原子数为22的钛，原子数为23的钒，原子数为24的铬，原子数为25的锰，原子数为26的铁，原子数为27的钴，原子数为28的镍，原子数为29的铜，原子数为30的锌，原子数为31的镓，原子数为32的锗，原子数为33的砷，原子数为34的硒，原子数为35的溴，原子数为37的铷，原子数为38的锶，原子数为39的钇，原子数为40的锆，原子数为41的铌，原子数为42的钼，原子数为43的锝，原子数为44的钌，原子数为45的铑，原子数为46的钯，原子数为47的银，原子数为48的镉，原子数为49的铟，原子数为50的锡，原子数为51的锑，原子数为52的碲，原子数为53的碘，原子数为55的铯，原子数为56的钡，原子数为57的镧，原子数为58的铈，原子数为59的镨，原子数为60的钕，原子数为61的钷，原子数为62的钐，原子数为63的铕，原子数为64的钆，原子数为65的铽，原子数为66的镝，原子数为67的钬，原子数为68的铒，原子数为69的铥，原子数为70的镱，原子数为71的镥，原子数为72的铪，原子数为73的钽，原子数为74的钨，原子数为75的铼，原子数为76的锇，原子数为77的铱，原子数为78的铂，原子数为79的金，原子数为81的铊，原子数为82的铅，原子数为83的铋，原子数为92的铀。
9.如权利要求8的放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒选自原子数为69的铥和原子数为68的铒。
10.如权利要求1、7-9当中任何一项所述的放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒包括至少一种非金属元素。
11.如权利要求10所述的放射治疗系统，其特征在于，所述至少一种非金属元素选自硅酮、碳、卤素、氧以及氢。
12.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒具有纳米级金属有机骨架化合物的形式。
13.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，所述至少一种高Z纳米颗粒包括氧化铪。
14.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，可至少使用高Z纳米颗粒A和高Z纳米颗粒B这两种不同的高Z纳米颗粒，所述高Z纳米颗粒A能够附于对第一种细胞具有亲和力的分子上，所述高Z纳米颗粒B能够附于对第二种细胞具有亲和力的分子上，所述高Z纳米颗粒A能够产生的X射线荧光辐射能够与所述高Z纳米颗粒B能够产生的X射线荧光辐射相区分。
15.如权利要求14所述的放射治疗系统，其特征在于，在所述X射线放射治疗中，当所述高Z纳米颗粒B能够产生的X射线荧光辐射减小且/或所述高Z纳米颗粒A能够产生的X射线荧光辐射增大时，所述X射线束必须重新聚焦。
16.如权利要求14所述的放射治疗系统，其特征在于，所述第一种细胞为健康细胞，所述第二种细胞为非健康细胞。
17.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，所述至少一个X射线检测器通过实时监测所述放射治疗，在整个所述X射线放射治疗中持续提供所述高Z纳米颗粒在所述目标器官内的分布。
18.如权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于，还包括模拟系统，用于通过对所述X射线放射治疗进行模拟而最大程度提高治疗精确度。
19.如权利要求18所述的放射治疗系统，其特征在于，所述模拟系统包括X射线源，至少一个X射线检测器以及能够附于所述目标器官上的多种高Z纳米颗粒。
20.如权利要求18所述的放射治疗系统，其特征在于，该放射治疗系统通过产生所述目标器官的三维诊断图像而实现精确治疗。
21.如权利要求18所述的放射治疗系统，其特征在于，所述模拟系统与该放射治疗系统可在治疗过程中互换使用，以最大程度提高治疗精确度。
22.一种混合式放射治疗系统，用于对目标器官进行X射线放射治疗，对所述X射线放射治疗进行持续地实时监测，且通过对所述放射治疗进行模拟而最大程度提高治疗精确度，该混合式放射治疗系统包括：
(a)X射线束源，能够构造为向目标器官传递X射线束；
(b)至少一个会聚透镜，用于将所述X射线束会聚至所述目标器官上；
(c)多种高Z纳米颗粒，能够附于所述目标器官上，在整个所述X射线放射治疗中，该高Z纳米颗粒持续吸收所述X射线辐射，并发出X射线荧光光子；
(d)至少一个X射线荧光检测器，用于在整个所述X射线放射治疗中持续地实时检测从患者体内射出的所述X射线荧光光子，以实时提供所述纳米颗粒在所述目标器官的目标区域内的分布状况，从而实时验证所述X射线束聚焦在所述目标器官的所述目标区域上，所述目标区域中的所述高Z纳米颗粒的浓度使得所述X射线荧光光子以所需方式发出；
(e)X射线检测器，通过检测透过所述目标器官的所述X射线束而对所述放射治疗进行模拟；和
(f)控制装置，通过控制部件(a)～(e)当中至少一者而控制模拟和放射治疗过程，
其中，所述X射线束聚焦于所述目标器官内的所述目标区域上，所述目标区域中的所述高Z纳米颗粒的浓度使得所述X射线荧光光子以所需方式发出，
当所述X射线荧光检测器检测到发出的所述X射线荧光光子减少时，所述X射线束被实时重新定向而重新聚焦于所述目标器官内的所述目标区域上，从而所述高Z纳米颗粒的浓度使得所述X射线荧光光子以所需方式发出，
所述混合式放射治疗系统通过所述至少一个会聚透镜在模拟模式和放射治疗模式之间切换，无需将患者和系统部件从一个位置转换至另一位置，在模拟运行过程中，所述至少一个会聚透镜被操作，以允许所述X射线束穿过所述至少一个会聚透镜，在治疗患者时，所述至少一个会聚透镜被操作，以将所述X射线束会聚和聚焦至所述目标器官内的所述目标区域。
23.如权利要求22所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述至少一个会聚透镜包括可打开的开孔，该可打开的开孔在所述放射治疗过程中保持闭合，以将所述X射线束会聚至所述目标器官上，该开孔在所述放射治疗的模拟过程中保持打开，以允许所述射线束透过该开孔。
24.如权利要求22所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，该混合式放射治疗系统通过产生所述目标器官的三维诊断图像而实现精确治疗。
25.如权利要求22所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述至少一个X射线荧光检测器可移动。
26.如权利要求22所述的混合式放射治疗系统，还包括至少一个会聚透镜，用于将从患者体内射出的所述X射线荧光光子会聚至所述至少一个X射线荧光检测器。
27.如权利要求22-25当中任何一项所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述至少一个X射线荧光检测器选自点状检测器、一维阵列检测器及二维阵列检测器。
28.如权利要求27所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述点状检测器选自电离室型检测器、闪烁检测器及半导体检测器。
29.如权利要求27所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述二维阵列检测器为伽玛相机。
30.如权利要求22所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒选自原子数至少为22的金属元素。
31.如权利要求30所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒选自原子数为22的钛，原子数为23的钒，原子数为24的铬，原子数为25的锰，原子数为26的铁，原子数为27的钴，原子数为28的镍，原子数为29的铜，原子数为30的锌，原子数为31的镓，原子数为32的锗，原子数为33的砷，原子数为34的硒，原子数为35的溴，原子数为37的铷，原子数为38的锶，原子数为39的钇，原子数为40的锆，原子数为41的铌，原子数为42的钼，原子数为43的锝，原子数为44的钌，原子数为45的铑，原子数为46的钯，原子数为47的银，原子数为48的镉，原子数为49的铟，原子数为50的锡，原子数为51的锑，原子数为52的碲，原子数为53的碘，原子数为55的铯，原子数为56的钡，原子数为57的镧，原子数为58的铈，原子数为59的镨，原子数为60的钕，原子数为61的钷，原子数为62的钐，原子数为63的铕，原子数为64的钆，原子数为65的铽，原子数为66的镝，原子数为67的钬，原子数为68的铒，原子数为69的铥，原子数为70的镱，原子数为71的镥，原子数为72的铪，原子数为73的钽，原子数为74的钨，原子数为75的铼，原子数为76的锇，原子数为77的铱，原子数为78的铂，原子数为79的金,原子数为81的铊，原子数为82的铅，原子数为83的铋，原子数为92的铀。
32.如权利要求31所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒选自原子数为69的铥和原子数为68的铒。
33.如权利要求22、31和32当中任何一项所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述高Z纳米颗粒包括至少一种非金属元素。
34.如权利要求33所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述至少一种非金属元素选自硅酮、卤素、氧以及氢。
35.如权利要求22、31-32当中任何一项所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述至少一种高Z纳米颗粒包括氧化铪。
36.如权利要求22所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，至少使用第一种和第二种这两种高Z纳米颗粒，所述第一种高Z纳米颗粒附于对一种细胞具有亲和力的分子上，所述第二种高Z纳米颗粒附于对另一种细胞具有亲和力的分子上，从而使得所述第一种高Z纳米颗粒产生的X射线荧光辐射与所述第二种高Z纳米颗粒产生的X射线荧光辐射相互区别开来。
37.如权利要求22所述的混合式放射治疗系统，其特征在于，所述至少一个X射线检测器通过实时监测所述放射治疗过程，在整个放射治疗过程中持续提供所述高Z纳米颗粒在所述目标器官内的分布。
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