CN116135255A - 脊形过滤器和用于在pbs治疗系统中设计脊形过滤器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于设计用于带电粒子加速器的脊形过滤器的方法，该脊形过滤器用于根据预定治疗计划通过单层笔形束扫描来通过加速粒子束将特定剂量)沉积到包含肿瘤细胞的组织的治疗区内的特定位置中，该方法包括以下步骤：限定斑阵列，该斑阵列限定了限定治疗区的柱形子区的基底；子区被划分成N个细胞。脊形过滤器被设计成包括与斑相同数量的能量降级单元。每个能量降级单元由具有长度和面积的N个柱形子降级单元形成。每个子降级单元(11.ij)的长度(Lij)计算为Lij＝Wij/Wu，并且Wij＝W0‑dij，其中，Wij是所需子单元水等效厚度(Wij)，Wu是每单位长度子单元水等效厚度(Wu)，W0是最大束范围，并且dij是布拉格峰沿着辐照轴线(X)的所需位置。

Description

脊形过滤器和用于在PBS治疗系统中设计脊形过滤器的方法

发明领域

本发明涉及一种脊形过滤器，该脊形过滤器用于通过在单个绘图层中进行笔形束扫描(PBS)通过加速粒子(优选质子)束辐照整个治疗区(V)来在整个治疗区上沉积预定剂量(Dij)。特别地，本发明涉及一种用于设计这种脊形过滤器、优化其尺寸以根据预先建立的治疗计划准确地沉积剂量(Dij)的方法。本发明的脊形过滤器特别适于通过PBS以超高剂量沉积速率(HDR)对治疗区(V)或其一部分进行闪光辐照。

发明背景

用粒子或波(如电子束、质子束、重离子束、X射线、γ射线等)的辐射疗法已成为治疗肿瘤患者的必要工具。

由于包含在区中的肿瘤细胞和健康细胞都受到此类辐射的损害，因此癌症治疗中的第一个挑战是限定治疗计划，以确保将所限定的剂量沉积到肿瘤细胞中以有效地破坏或杀死肿瘤细胞，同时限制沉积到健康细胞中的剂量以尽可能不伤害健康细胞。第二个挑战是将所限定的剂量实际沉积到肿瘤细胞中，而将有限的剂量实际沉积到健康细胞、尤其是那些与肿瘤细胞相邻的健康细胞中。

治疗计划必须确保在治疗结束时，将足以杀死肿瘤细胞的总目标剂量递送到该区中，同时使与肿瘤细胞相邻的健康细胞的降解(degradation)最小化。不同的辐射以不同的模式沉积它们的能量。例如，X射线将其大部分能量沉积在皮肤水平附近，并且沉积的能量随着进入组织的穿透深度的增加而降低。因此，位于肿瘤细胞靶区上游的健康组织接受比靶区的肿瘤细胞更高的剂量。相比之下，如图2(a)和图2(b)所示，带电粒子束、特别是质子将其大部分能量沉积在其束路径末端附近，形成所谓的布拉格峰。

笔形束扫描(PBS)是包括将带电粒子束沿着对应束轴(Xi)朝向限定包括肿瘤细胞的靶区的斑网格(Sij)的各个斑转向的技术。因此，预定目标剂量沉积在与各个斑对准的细胞中。束沿着对应束轴(Xi)转向，并且剂量沉积根据治疗计划进行，该治疗计划限定了要沉积到与沿着束轴(Xi)的给定斑对准的每个细胞中的剂量(Dij)、以及斑辐照的扫描顺序。PBS通过对被治疗的区域成形以反映肿瘤的几何形状，减少对周围非癌细胞的不必要的辐射暴露。除了靶的几何形状外，PBS还允许根据靶内斑的位置对束的强度进行局部调整。

网格通常包括垂直于辐照轴线(X)的几个绘图层(Tj＝T1至TN)，束轴(Xi)以该辐照轴线为中心。斑(Sij,Si(j+1)…)以2D阵列的形式设置在每层(Tj)的对应上游平面上。每个绘图层限定了数个细胞(Cij,C(i+1)j…)，这些细胞被限定为广义柱体，以对应的斑(Sij)为基底，并且母线平行于对应束轴(Xi)。细胞(Cij)具有与对应层(Tj)相同的厚度。绘图层(Tj)的叠加限定了整个治疗区(V)。上游层(Tj)的斑(Sij)不一定沿着对应束轴(Xi)与下游层(T(j+1),T(j+2)…)的对应的斑(Si(j+1),Si(j+2)…)对准。

术语“上游”和“下游”是相对于带电粒子束(100.i)方向限定的。除非另有说明，否则术语“广义柱体”、“柱体”及其派生词在本文中是指由平行于母线且穿过基底的周边的所有线上的所有点组成的表面，该基底包含在不平行于母线的平面中。基底可以具有任何平面几何形状。在基底是圆形的特殊情况下，该基底限定了圆柱体。如果基底是多边形，则该基底形成棱柱。正柱体是其基底垂直于母线的柱体。

PBS是非常有利的，因为它优化了剂量沉积的几何分布以使其与包围肿瘤的治疗区(V)的几何形状相匹配。然而，PBS可能很长，因为束必须扫描每个斑(Sij)和每一层(Tj)。将束从一个束轴(Xi)移动到另一个束轴(X(i+1))需要几毫秒的时间。改变平行于给定束轴(Xi)的给定束的能量以将所需剂量(Dij)沉积到不同层(Tj)的细胞(Cij)中更耗时，大约需要500毫秒。因此，层(Tj)的数量对治疗持续时间影响很大。

在加速质子束的情况下，平行于给定束轴(Xi)的给定束可以通过沿着束轴(Xi)在每个绘图层处叠加在深度上交错的数个布拉格峰将预定电荷相继沉积到每个绘图层的沿着给定束轴(Xi)对准的对应细胞(Cij)中。这导致扩展布拉格峰(SOBP)在沿着给定束轴(Xi)对准的所有细胞(Cij、Ci(j+1)...)上延伸。然而，此操作需要相继改变给定束的能量，以使对应的布拉格峰以对应的细胞(Cij)为中心。此操作很耗时。就像绘图一样，施加几层或相继改变给定束的能量是耗时的，并且最好能够沿着以给定斑(Sij)为中心的轴束(Xi)将所有剂量(Dij)用一束恒定能量沉积在所有层上，即，施加单个绘图层。

节省治疗时间减少了每个患者对粒子加速器的占用时间。对患者来说也更舒适。也是有利的是，治疗计划包括FLASH辐照，其中剂量以至少1Gy/s的超高沉积速率(HDR)沉积到细胞中。与以较低沉积速率(CDR)沉积相同剂量相比，以HDR沉积给定剂量已显示可以不伤害健康细胞。FLASH辐照尤其要关注的是，无论是以HDR还是以CDR沉积，沉积到肿瘤细胞中的给定剂量具有相同的杀伤效果。然而，通过PBS将剂量(Dij)逐层沉积到治疗区(V)中会显著降低沉积到细胞中的速率，因为位于区(V)上游的细胞必须重复辐照几次，直到沿着给定的束轴(Xi)对准的所有细胞(Cij)都已接收到它们对应的剂量(Dij)。

通过使用脊形过滤器可以实现通过单层PBS将预定剂量(Dij)沉积到治疗区中。脊形过滤器要求每层(Tj)的斑(Sij,Si(j+1)…)沿着对应束轴(Xi)对准。在本领域中已经描述了包括呈平滑或阶梯金字塔或波峰形式的能量降级单元的脊形过滤器。例如，Simeonov等人在Phys.Med.Biol.62(2017)7075描述了一种脊形过滤器，该脊形过滤器包括呈沿着对应于每个斑(Sij)的束轴(Xi)延伸的平滑金字塔形式的多个能量降级单元。Sakae等人在Med.Phys.27,2,(2000)368描述了一种多层脊形过滤器，这些层彼此上下堆叠，并且每一层包括具有阶梯金字塔形截面的平行线性波峰。JP 2019136167描述了一种脊形过滤器，该脊形过滤器包括定位在布拉格峰扩展过滤器上游的呈板状的锥形或三棱锥形突起，该板包括多个通孔，用于增加SOBP沿着对应束轴(Xi)的宽度。

脊形过滤器的原理是沿着对应束轴(Xi)定向的具有给定能量的束(100.i)的部分穿过过滤器的不同材料厚度，产生具有不同范围的布拉格峰，这些布拉格峰的叠加导致均匀的SOBP，该SOBP在由第一层(T1)中的斑(Si1)限定的柱形区上沿着对应束轴(Xi)跨越治疗区(V)的整个深度延伸到第一层(T1)下游的最后一层(TN)中的对应斑(SiN)。

脊形过滤器的能量降级单元的设计和尺寸确定仍然是一个挑战。Simeonov等人描述了一种用于确定形成脊形过滤器的金字塔形突起的尺寸的复杂方法，该方法包括使函数(DSOBP-D(z))²最小化，其中DSOBP定义了均匀的剂量分布，并且

其中B(z)是测量的原始布拉格峰，Δz是相继的布拉格峰之间的步长，权重ωi确定每个峰i对SOBP的贡献，并且D(z)是得到的深度剂量分布。此等式的解需要经验拟合函数。Sakae等人除了使用蒙特卡洛(Monte Carlo)计算之外，不要提供有关如何设计其脊形过滤器的太多信息。

因此，需要一种用于确定脊形过滤器的能量降级单元的尺寸的简单、可靠且可重复的方法。提出了更容易生产的具有所需准确度的替代性脊形过滤器设计。这些和其他优点将在下文中更详细地描述。

发明概述

本发明涉及一种用于设计治疗系统的脊形过滤器的方法，该治疗系统包括带电粒子加速器(优选是质子加速器)、束线喷嘴、准直器等，本文统称为加速器，该脊形过滤器用于通过加速粒子束将特定剂量(Dij)沉积到包括肿瘤细胞的组织的治疗区内的特定位置。本发明涉及在限定整个治疗区的单个绘图层中根据预定治疗计划(TP)通过逐斑笔形束扫描(PBS)来沉积。束沿着与辐照轴线(X)大致平行的对应束轴(Xi)延伸，与辐照轴线(X)的平行度偏离包含在±5°内、优选在±3°内的角度。组织由最大束范围(W0)表征，该最大束范围被定义为束停止传播通过组织的水等效距离。该方法包括以下步骤。

表述“水等效厚度”(＝WET)在本领域中是公知的并且被定义为与粒子束穿过给定厚度的一种或多种材料引起该粒子束的相同能量降级的水厚度。

通过在具有厚度(dxj)的N个切片(Tj＝T1-TN)的上游平面(Y,Z)j上限定面积(Aj)来限定与治疗区内接的边界，其中平面(Y,Z)j垂直于辐照轴线(X)。到患者的皮肤的最短水等效厚度(d0)和最长水等效厚度(d1)分别被定义为边界的沿着辐照轴线(X)测量的最接近和最远离皮肤的点。

限定子区(Vi)阵列，每个子区平行于对应束轴(Xi)从患者的皮肤延伸到对应的最远水等效厚度，并且每个子区在垂直于辐照轴线(X)的平面(Y,Z)上的投影限定了覆盖该区在平面(Y,Z)上的投影的整个面积的斑阵列。

对于包含在子区(Vi)内的N个切片(T1-TN)中的每个切片(Tj)，细胞被限定为包含在对应切片(Tj)内的子区(Vi)的一部分。对于给定子区(Vi)的每个细胞，确定从皮肤到细胞的几何中心的细胞水等效厚度。束权重(ωij)归因于每个细胞根据TP需要沉积到细胞中的特定剂量(Dij)。束权重(ωij)与细胞水等效厚度下的带电粒子数成比例。

脊形过滤器可以设计成具有能量降级单元组，其中每个能量降级单元被配置用于降低与对应束轴(Xi)和子区(Vi)同轴的具有束直径的对应带电粒子束的初始能量(E0)，以降低能量(Eij)，从而根据TP将特定剂量(Dij)以细胞水等效厚度沉积到包含在子区(Vi)内的对应细胞中。给定子区(Vi)的能量降级单元设计如下。

对于子区(Vi)的每个细胞，子降级单元的尺寸被确定为具有广义柱形几何形状，其具有与对应束轴(Xi)垂直的具有面积(Aij)的基底和平行于对应束轴(Xi)的具有长度(Lij)的母线。子降级单元由具有沿着对应束轴(Xi)的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)的材料制成，并且其中，长度被确定为使得子降级单元的子单元水等效厚度(Wij＝WuxLij)等于每单位长度子单元水等效厚度(Wu)和长度(Lij)的乘积。子单元水等效厚度(Wij)和细胞水等效厚度(dij)之和等于最大束范围(W0)(即，W0＝Wij+dij)。

如上文所限定，术语“广义柱体”、“柱体”及其派生词在本文中是指由平行于母线且穿过基底的周边的所有线上的所有点组成的表面，该基底包含在不平行于母线的平面中。基底可以具有任何平面几何形状。在基底是圆形的特殊情况下，该基底限定了圆柱体。如果基底是多边形，则该基底形成棱柱。正柱体是其基底垂直于母线的柱体。

子降级单元的面积(Aij)通过使归一化束权重(ωij/∑_jω_ij)等于注量(F(y,z))在子单元基底面积(Aij)上的积分与该注量在降级单元(11.i)的基底面积(Abi)上的积分的比率来确定，

其中，注量F(y,z)是在束(100.i)的位置(y,z)处该束的每单位面积电荷数，并且其中，基底面积(Abi)等于子单元面积(Aij)的总和(即，Abi＝∑_jAij)。

N个子降级单元被组合以获得能量降级单元，该能量降级单元被设计用于使束的能量降级以便将所需剂量(Dij)沉积到子区(Vi)中。对应于所有其余子区(Vi)的能量降级单元可以如上文所限定地设计。

在优选实施例中，特定剂量(Dij)将根据治疗计划以超高剂量沉积速率(HDR)沉积到组织的区内的特定位置中的至少某个选定特定位置中。超高剂量沉积速率(HDR)被限定为HDR≥1Gy/s的剂量沉积速率。

斑阵列中的斑可以彼此分开距离(ds)，该距离小于或等于在一个单斑处束的注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.8倍(即，ds≤1.8σ)、优选地小于或等于1.5σ。在这些条件下，穿过基底面积(Abi)的束的注量(F(y,z))在限定与该区内接的边界的平面(Y,Z)j的所有值上近似为恒定。

替代性地，斑阵列中的斑可以彼此分开距离(ds)，该距离大于在单斑处束的注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.2倍、优选地大于1.5倍(即，ds>1.2σ)。在这些条件下，穿过基底面积(Abi)的束的注量(Fi(y,z))近似于高斯分布，

其中(yi,zi)是斑(Si)的注量的最大值(Ai)的位置在(Y,Z)平面上的坐标，并且其中，在圆形斑的情况下，则σ_y＝σ_z＝σ。

在本发明的优选配置中，能量降级单元呈根据支撑基底中的斑阵列并排布置的孔口的形式，该支撑基底具有沿着束轴(Xi)测量的厚度(Bi)。每个孔口从支撑基底的表面处的孔开口延伸并且穿透到沿着对应束轴(Xi)测量的给定深度。每个能量降级单元(11.i)由呈孔口形式的一个或多个子降级单元形成，这些孔口具有截面面积(Ai)的广义柱形几何形状并且从支撑块中的孔沿着对应束轴(Xi)延伸长度(Lsij)，使得Lij＝Bi-Lsij。如上文所限定的子降级单元布置在基底面积(Abi)内。

在这种配置的能量降级单元中，至少两个子单元可以以串联构造、并联构造和混合构造之一布置在基底面积(Abi)内。

在串联构造中，子降级单元沿着对应束轴(Xi)按长度(Lsij)递减顺序排列，优选同轴排列，并且具有最长长度(Lsi3)的孔口被定位在中心位置。给定子降级单元的子单元基底面积(Aij)等于给定降级单元的截面面积(Axij)与界定在给定降级单元内的降级单元的截面面积(Axi(j+1))之间的截面面积差(Axij-Axi(j+1))。

在并联构造中，子降级单元并排布置在基底面积(Abi)内，两个子降级单元之间没有间隔，或者两个相邻子降级单元之间具有间隔。

在并联和串联的混合构造中，三个或更多个子降级单元既串联又并联布置。由沿着对应束轴(Xi)串联排列的两个或更多个子降级单元形成的一个或多个结构、以及可选地一个或多个单独的子降级单元并排布置在基底面积(Abi)内。

在本发明的替代性优选配置中，能量降级单元呈根据斑阵列并排布置并支撑在支撑基底上的销的形式，该支撑基底具有沿着束轴(Xi)测量的厚度(Bi)。每个销从支撑基底沿着对应束轴(Xi)延伸。在该配置中，每个能量降级单元由一个或多个子降级单元形成，该一个或多个子降级单元具有截面面积(Aij)的广义柱形几何形状并且从支撑基底沿着对应的束轴(Xi)延伸长度(Lsij)，使得Lij＝Bi+Lsij。这些子降级单元布置在基底面积(Abi)内。

在这种配置的能量降级单元中，至少两个子单元可以以串联构造、并联构造和混合构造之一布置在基底面积(Abi)内。

在串联构造中，子降级单元沿着对应束轴(Xi)按长度(Lsij)递减顺序排列，优选同轴排列，并且具有最长长度(Lsi1)的销被定位在中心位置。给定子降级单元的子单元基底面积(Aij)等于给定子降级单元的截面面积(Axij)与界定在给定降级单元内的降级单元(Axi(j-1))的截面面积(Axi(j-1))之间的截面面积差(Axij-Axi(j-1))。

在并联和串联的混合构造中，三个或更多个子降级单元既串联又并联布置。由沿着对应束轴(Xi)串联排列的两个或更多个子降级单元形成的一个或多个结构、以及可选地一个或多个单独的子降级单元并排布置在基底面积(Abi)内。

在优选实施例中，第一能量降级单元的至少第一子降级单元可以由第一材料制成，该第一材料与第一能量降级单元或第二能量降级单元的第二子降级单元的第二材料不同。第一材料具有与第二材料不同的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)值，以便与由第二材料制成的对应第一能量子单元的长度相比改变、优选地减小第一子降级单元的长度值(L11＝W11/Wu)。通过使用具有不同每单位长度子单元水等效厚度(Wu)值的不同材料，第一子降级单元的长度(L11)可以保持在第二子降级单元长度(Lij)的±20％以内，以便使能量降级单元更紧凑。能量降级单元的所有子降级单元的长度(Lij)优选地在平均长度(Lm,ij)的±20％的变化范围内具有相同的长度(Lij)(即，

)。

附图说明

在这些图中，

图1(a)示意性地示出了治疗区(V)，该治疗区被划分成平行于对应束轴(Xi)延伸的子区(Vi)，每个子区(Vi)被划分成细胞(Cij)，其中预定剂量(Dij)要沉积在这些细胞中。对应的SOBP沿着穿过脊形过滤器的对应能量降级单元的不同束轴(Xi)进行展示。

图1(b)示出了图1(a)的治疗区(V)的侧视图，其中SOBP由三个束(100.i,100.k,100.m)在穿过根据本发明的脊形过滤器后获得。

图1(c)示出了用沿着与辐照轴线(X)同轴的束轴(Xi)延伸的束(100.i)获得的SOBP。

图1(d)示出了用沿着束轴(Xm)延伸的束(100.m)获得的SOBP。

图2(a)示出了给定能量的束的典型布拉格峰的深度剂量曲线。横轴代表水中深度。水中最大束范围(W0)被定义为超出布拉格峰最大值的深度并且对应的能量等于布拉格峰最大值的80％，其中W0必须至少等于或大于dij(dij<W0)。

图2(b)示出了图2(a)的束的布拉格峰的深度剂量曲线，其中能量降级单元与束的路径相交。

图3(a)示出了沿着彼此平行并平行于穿过脊形过滤器的辐照轴线(X)的相应束轴(Xi,X(i+1)…)延伸的束(100.i,100.(i+1)…)。

图3(b)示出了沿着围绕穿过脊形过滤器的辐照轴线(X)呈扇形散开的相应束轴(Xi,X(i+1)…)延伸的束(100.i,100.(i+1)…)。

图3(c)示意性地示出了脊形过滤器，该脊形过滤器包括呈销形式的能量降级单元。

图3(d)示出了两个能量降级单元，其中束(100.i,100.(i+1))沿着彼此不平行的束轴(Xi,X(i+1))延伸((Xi,X(i+1))-角度被夸大)。

图3(e)示出了治疗区(V)的区要素，包括平行于辐照轴线(X)延伸并划分成细胞(Cij)的数个子区(Vi)。展示了在子区(V5)中获得的SOBP。

图3(f)示出了治疗区(V)的区要素，包括平行于对应束轴(Xi)延伸的数个子区(Vi)。束轴(Xi)既不完全相互平行，也不完全平行于辐照轴线(X)。为了清楚起见，夸大了偏离角度。

图4(a)展示了脊形过滤器的实施例，该脊形过滤器包括由间隙形成的能量降级单元。

图4(b)示出了形成图4(a)的脊形过滤器的能量降级单元的间隙的侧剖视图，该能量降级单元由三个子降级单元构成。由降级单元产生的SOBP的深度剂量曲线被表示出。

图4(c)示出了图4(b)的能量降级单元的第一子降级单元的侧剖视图。示出了第一降级单元的可能截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di1处具有最大值。

图4(d)示出了图4(b)的能量降级单元的第二子降级单元的侧剖视图。示出了第一降级单元的可能截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di2处具有最大值。

图4(e)示出了图4(b)的能量降级单元的第二子降级单元的侧剖视图。示出了第一降级单元的可能截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di3处具有最大值。

图4(f)展示了脊形过滤器的替代实施例，该脊形过滤器示出了由间隙形成的两个能量降级单元。

图4(g)示出了形成图4(f)的脊形过滤器中所示的顶部能量降级单元的两个间隙的侧剖视图。由降级单元产生的SOBP的深度剂量曲线被表示出。

图4(h)示出了图4(g)的能量降级单元的第一子降级单元的侧剖视图。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di1处具有最大值。

图4(i)示出了图4(g)的能量降级单元的第二子降级单元的侧剖视图。示出了第二子降级单元的可能横截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di2处具有最大值。

图4(j)示出了图4(g)的能量降级单元的第三子降级单元的侧剖视图。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di3处具有最大值。

图5(a)展示了脊形过滤器的实施例，该脊形过滤器包括由突出销形成的能量降级单元。

图5(b)示出了形成图5(a)的脊形过滤器的能量降级单元的突出销的侧剖视图，该能量降级单元由三个子降级单元构成。由降级单元产生的SOBP的深度剂量曲线被表示出。

图5(c)示出了图5(b)的能量降级单元的第一子降级单元的侧剖视图。示出了第一降级单元的可能截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di3处具有最大值。

图5(d)示出了图5(b)的能量降级单元的第二子降级单元的侧剖视图。示出了第一降级单元的可能截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di2处具有最大值。

图5(e)示出了图5(b)的能量降级单元的第二子降级单元的侧剖视图。示出了第一降级单元的可能截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di1处具有最大值。

图5(f)示出了脊形过滤器的替代实施例，该脊形过滤器示出了由突出销形成的两个能量降级单元。

图5(g)示出了形成图5(f)的脊形过滤器的顶部能量降级单元的突出销的侧剖视图，该能量降级单元由三个子降级单元组成。由降级单元产生的SOBP的深度剂量曲线被表示出。

图5(h)示出了图5(g)的能量降级单元的第一子降级单元的侧剖视图。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di3处具有最大值。

图5(i)示出了图5(g)的能量降级单元的第二子降级单元的侧剖视图。示出了第一降级单元的可能截面的两个示例：圆形或多边形(六边形)。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di2处具有最大值。

图5(j)示出了图5(g)的能量降级单元的第三子降级单元的侧剖视图。由第一降级单元产生的布拉格峰在深度di1处具有最大值。

图6(a)示出了图4(b)的包括由相继间隙形成的N＝3个降级单元(11.ij)的能量降级单元(11.i)的侧剖视图和对应的SOBP。

图6(b)示出了图6(a)的包括N＝6个子降级单元(11.ij)的能量降级单元(11.i)的变体和对应的SOBP。

图6(c)示出了图6(a)和6(b)的包括形成连续的广义截头锥形间隙的N→∞个子降级单元(11.ij)的能量降级单元(11.i)的变体和对应的SOBP。

图6(d)示出了包括N＝6个子降级单元(11.ij)的呈阶梯销形式的能量降级单元(11.i)和对应的SOBP。

图6(e)示出了图6(d)的包括形成连续的广义截头锥形的N→∞个子降级单元(11.ij)的能量降级单元(11.i)的变体和对应的SOBP。

图7(a)示出了布拉格峰的转移，通过穿过呈突出销形式的能量降级单元的束来表征剂量沉积，该能量降级单元包括长度和截面面积不同且同轴布置的两个子降级单元。

图7(b)示出了布拉格峰的转移，通过穿过呈间隙形式的能量降级单元的束来表征剂量沉积，该能量降级单元包括长度和截面面积不同的两个子降级单元。

图7(c)示出了布拉格峰的转移，通过穿过呈同心元件形式的能量降级单元的束来表征剂量沉积，该能量降级单元包括密度和截面面积不同的两个子降级单元(内部元件的密度低于周缘元件的密度)。

图7(d)示出了布拉格峰的转移，通过穿过呈同心元件形式的能量降级单元的束来表征剂量沉积，该能量降级单元包括密度和截面面积不同的两个子降级单元(内部元件的密度大于周缘元件的密度)。

图7(e)示出了布拉格峰的转移，通过穿过呈突出销形式的能量降级单元的束来表征剂量沉积，该能量降级单元包括长度和截面面积不同且并排布置的两个子降级单元。

图7(f)示出了图7(a)所展示类型的能量降级单元(11.i)的立体图。

图7(g)示出了图7(e)所展示类型的能量降级单元(11.i)的立体图。

图7(h)示出了能量降级单元(11.i)的实施例的立体图，该能量降级单元包括以混合配置串联和并联布置的子降级单元。

图7(i)示出了能量降级单元(11.i)的替代性实施例的立体图，该能量降级单元包括以混合配置串联和并联布置的子降级单元。

具体实施方式

本发明涉及一种用于设计带电粒子加速器、优选质子加速器的脊形过滤器(11)的方法。本发明的脊形过滤器(11)被配置用于根据预定治疗计划(TP)通过对斑阵列逐斑(Si)笔形束扫描(PBS)来通过加速粒子束(100.i)将特定剂量(Dij)沉积到包括肿瘤细胞(3t)的组织的治疗区(V)内的特定位置。脊形过滤器允许PBS在限定整个治疗区(V)的单个绘图层中进行。在PBS中，狭窄的笔形束被偏转以扫描阵列的每个斑(Si)。尽管该笔形束是被偏转的单个束，但在后文中瞄准对应斑(Si)、沿着对应束轴(Xi)延伸的每个束(100.i)被视为不同于瞄准不同的斑(Sk,k≠i)并沿着第二束轴(Xk)延伸的束(100.k)的单独束。如图1(b)和图3(a)中所展示的，束轴(Xi)大致平行于辐照轴线(X)。在实践中，由于“单独”束(100.i)是从共同加速器出口朝向阵列中的单独斑(Si)偏转的单个束，因此束轴(Xi)与辐照轴线(X)的平行度偏离包含在±5°以内、优选±3°以内的角度，尤其取决于治疗区(V)的大小和加速器出口与治疗区(V)之间分开的距离。

束(100.i)横穿的组织吸收束的一部分能量，确定布拉格峰位置沿着束轴(Xi)的穿透深度。给定组织中布拉格峰值位置的穿透深度可以由水中最大束范围(W0)来表征，定义为“水等效厚度”(＝WET)，即限定束在水中停止传播的位置。表述“水等效厚度”(＝WET)被定义为与粒子束穿过给定厚度的一种或多种材料引起该粒子束的相同能量降级的水厚度。最大束范围(W0)可以与同一束穿过组织的穿透深度直接相关。由此可见，WET和穿过组织的布拉格峰位置的穿透深度可以互换使用，前者(WET)当然更容易通过实验测试和测量。

根据本发明的用于设计脊形过滤器(11)的方法包括以下步骤：

·限定治疗区(V)和指明要沉积到该治疗区中的位置和剂量的制图，以及

·相应地设计脊形过滤器并确定其尺寸。

如图1(a)、图1(b)、图3(a)和图3(b)中示意性地展示出的，治疗区的限定首先包括限定与治疗区(V)内接的边界。该操作包括在具有厚度(dxj)的N个切片(Tj＝T1-TN)的上游平面(Y,Z)j上限定面积，其中平面(Y,Z)j垂直于辐照轴线(X)。上游平面(Y,Z)j是首先被束(100.i)击中的切片(Tj)的平面(Y,Z)。沿着辐照轴线(X)测量的治疗区(V)的深度包含在距患者的皮肤(3s)测量的最短水等效厚度(d0)与最长水等效厚度(d1)之间，该最短水等效厚度和最长水等效厚度分别对应于边界的沿着辐照轴线(X)测量的最接近和最远离皮肤(3s)的点。

其次，如图1(a)、图1(b)、图3(e)和图3(f)中所展示的，内接在边界内的治疗区(V)通过限定子区(Vi)阵列来划分。每个子区(Vi)平行于对应束轴(Xi)从患者的皮肤延伸到对应的最远水等效厚度(d1)，并且每个子区在垂直于辐照轴线(X)的平面(Y,Z)上的投影限定了覆盖区(V)在平面(Y,Z)上的投影的整个面积的斑(Si)阵列(参见图1(a))。

第三，子区(Vi)本身如下划分成细胞(Cij)。对于包含在子区(Vi)内的N个切片(T1-TN)中的每个切片(Tj)，将细胞(Cij)限定为子区(Vi)的包含在对应切片(Tj)内的部分，这如图1(a)、图3(a)和图3(b)中所展示的。对于给定子区(Vi)的每个细胞(Cij)，从皮肤(3s)到细胞的几何中心(Cij)确定细胞水等效厚度(dij)。束权重(ωij)归因于每个细胞(Cij)根据TP需要沉积到细胞(Cij)中的特定剂量(Dij)。束权重(ωij)对应于要在斑(Cij)内递送的带电粒子(例如质子)的数量。因此，束权重(ωij)与细胞水等效厚度(dij)下的带电粒子数成比例。

一旦治疗区已被划分成子区(Vi)和细胞(Cij)，并且一旦已经确定根据治疗计划将剂量(Dij)沉积到每个细胞(Cij)中所需的束权重(ωij)，脊形过滤器(11)可以相应地如下设计和确定尺寸。

脊形过滤器(11)包括能量降级单元组(11.i)，该能量降级单元组被配置用于降低与对应束轴(Xi)和子区(Vi)同轴的具有束直径(D100.i)的带电粒子束(100.i)的初始能量(E0)，以降低能量(Eij)，从而根据TP将特定剂量(Dij)以细胞水等效厚度(dij)沉积到包含在子区(Vi)内的对应细胞(Cij)中。该原理在图2(a)和图2(b)中进行了展示。

图2(a)绘制了由给定能量(E0)的束(100.i)沿着束轴(Xi)沉积的剂量(Dij)作为WET的函数。如上文所讨论的，水中最大束范围(WET)被限定为W0，对应于超出布拉格峰的最大值的深度，并且对应于等于布拉格峰的最大值的80％的能量。这意味着给定能量的束(100.i)不能比对应的水等效厚度W0更深地穿透到组织中(即，d1≤W0)。如果d1>W0，即治疗区(V)比布拉格峰延伸得更深，则必须使用更高能量的束。图2(b)示出了在给定能量的相同束(100.i)的路径上插入子降级单元(11.ij)时布拉格峰的位移。可以看出，布拉格峰的WET现在位于距皮肤(3s)的深度(dij<W0)。这是因为束(100.i)的能量的一部分(E0-Eij)被束必须穿过的子降级单元(11.ij)吸收。图2(b)示出了如何通过插入子降级单元(11.ij)将一个布拉格峰从WET＝W0移位到所需WET＝dij。由于SOBP可以通过叠加沿着辐照轴线(X)分布在给定深度上的几个布拉格峰来形成，为了通过单个绘图层PBS将所需剂量(Dij)沉积到整个子区(Vi)中，几个子降级单元(11.ij)可以叠加形成能量降级单元(11i)，其中每个子降级单元(11.ij)的尺寸确定为将布拉格峰从WET＝W0转移到对应的细胞等效厚度(dij)，以确保所需的剂量(Dij)沉积在由束(100.i)辐照的子区(Vi)的每个细胞(Cij)中。这在图6(a)至图6(e)中进行了展示，示出了能量降级单元(11.i)和对应的SOBP，每个能量降级单元由N＝3、N＝6和N→∞个子降级单元(11.ij)构成。必须确定根据TP产生所需SOBP需要的布拉格峰的数量及其对应的细胞水等效厚度(dij)。给定束(100.i)中的布拉格峰的数量以及因此对应的能量降级单元(11.i)的子降级单元(11.ij)的数量等于切片(T1-TN)的数量N。给定束(100.i)的每个布拉格峰具有对应的能量降级单元(11.i)，该能量降级单元的子降级单元(11.ij)可以设计为产生所需的SOBP，并且因此将所需的剂量(Dij)沉积到对应的细胞(Cij)中。当存在如图6(c)和图6(e)中所展示的N→∞个子降级单元(11.ij)时，能量降级单元(11.i)的阶梯配置的步长变小，直到趋于零，从而产生图6(c)和图6(e)中所展示的广义截头锥形的平滑几何形状，其中广义锥形可以具有任何几何形状的基底，不限于圆形。

每个子降级单元(11.ij)具有广义柱形几何形状(即，不一定是圆柱)，其具有与对应束轴(Xi)垂直的具有面积(Aij)的基底和平行于对应束轴(Xi)的具有长度(Lij)的母线。图4(a)至图4(e)和图5(a)至图5(e)中所展示的子降级单元具有圆形或多边形截面。清楚的是，其他截面也是可能的。然而，截面具有某种程度的对称性是优选的，以便于计算面积(Aij)的尺寸。子降级单元由具有沿着对应束轴(Xi)的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)的材料制成。每个子降级单元(11.ij)的长度(Lij)和面积(Aij)的尺寸可以如下确定。

子降级单元(11.ij)的长度(Lij)被确定为使得子降级单元(11.i)具有等于每单位长度子单元水等效厚度(Wu)与长度(Lij)乘积的子单元水等效厚度(Wij＝Wu x Lij)。考虑到子单元水等效厚度(Wij)和细胞水等效厚度(dij)之和必须等于最大束范围(W0)(即，W0＝Wij+dij)，因此子降级单元(11.ij)的长度(Lij)被定义为

其中因子(W0-dij)在图2(b)中进行了图解展示。子降级单元的长度因此被完全定义。

子降级单元(11.ij)的面积(Aij)通过使归一化束权重(ωij/∑_jω_ij)等于注量(F(y,z))在子单元基底面积(Aij)上的积分与该注量在降级单元(11.i)的基底面积(Abi)上的积分的比率来确定，

其中，注量F(y,z)是在束(100.i)的位置(y,z)处该束的每单位面积电荷数，并且其中，基底面积(Abi)等于子单元面积(Aij)的总和(即，Abi＝∑_jAij)，如图4(a)和图5(a)中所展示的。如图7(a)至图7(e)中所展示的，带电粒子束的注量一般具有高斯分布。束的直径(D100)可以被限定为距离4σ，其中σ是表征束的注量的高斯分布的标准偏差。大约95％的质子斑位于这个4σ的直径内。

如图4(b)至图4(e)、图4(g)至图4(j)、图5(b)至图5(e)和图5(g)至图5(j)中所展示的，其中能量降级单元(11.i)的三个子降级单元(11.ij)被确定尺寸，这些子降级单元可以同轴组合以获得设计用于使束(100.i)的能量降级的能量降级单元(11.i)，以便将所需剂量(Dij)沉积到子区(Vi)中。

重复相同的练习以设计对应于如上文限定的所有其余子区(Vi)的能量降级单元(11.i)。

斑(Si)阵列

如图1(a)中所展示的，斑(Si)阵列被限定为覆盖与治疗区(V)的辐照轴线(X)平行地投影到垂直于辐照轴线(X)的投影平面(Y,Z)上的面积。

肿瘤学家基于通过计算机断层扫描(＝CT扫描)获得的肿瘤区域的图像来表征肿瘤区域的几何形状和形貌。如图1(b)所示，为了达到治疗区(V)，束(100.i)必须穿过将治疗区(V)与患者的皮肤(3s)分开的健康细胞，从而辐照健康细胞和肿瘤细胞两者。肿瘤学家限定治疗计划，该治疗计划限定要沉积到治疗区(V)中的剂量(Dij)以及在位于治疗区外部(特别是上游)的健康细胞中不要超过的剂量沉积。

斑具有垂直于辐照轴线(X)的尺寸，该尺寸可以等于上文所讨论的束直径。限定阵列密度的相邻斑之间的距离是重要的参数，因为阵列越密(即，相邻斑彼此距离越近)，由相邻斑跨越的细胞的重叠剂量效应就越大。在约1.5σ的相邻斑之间的距离处观察到导致均匀的侧向剂量分布的基本重叠。

在第一实施例中，斑阵列中的斑(Si)彼此分开距离(ds)，该距离小于或等于在一个单斑处束(100.i)的注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.8倍(即，ds≤1.8σ)、优选地小于或等于1.5σ。通过这种配置，给定子区(Vi)接收来自以对应束轴(Xi)为中心的束(100.i)的剂量(Dij)，但也接收来自以相邻束轴为中心且其注量延伸到该给定子区(Vi)上并还延伸到给定降级单元11.i上的相邻束的剂量。考虑到由相邻束沉积到子区(Vi)中的剂量，穿过基底面积(Abi)的束(100.i)的注量(F(y,z))(参见等式(1))在限定与区(V)内接的边界的切片(Tj)的平面(Y,Z)j的所有值上近似恒定。

在第二实施例中，斑阵列中的斑(Si)彼此分开距离(ds)，该距离大于在单斑(100.i)处束(100.i)的注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.2倍、优选地大于1.5倍(即，ds>1.2σ)。在这样的距离下，穿过给定降级单元(11.i)的相邻束的注量是可忽略不计的。因此，穿过基底面积(Abi)的束(100.i)的注量(Fi(y,z))近似于高斯分布，

其中(yi,zi)是斑(Si)的注量的最大值(Ai)的位置在(Y,Z)平面上的坐标，并且其中，在圆形斑的情况下，则σ_y＝σ_z＝σ。

增加斑(Si)阵列的密度似乎总是可以比低密度阵列有利。然而，辐照高密度阵列会延长覆盖整个治疗区(V)所需的扫描时间。此外，FLASH沉积(其中剂量(Dij)将以HDR沉积以产生FLASH效应而不伤害健康细胞)由于从相邻束沉积的剂量而更难以用高密度阵列产生，从而延长了沉积时间(并且相应地降低沉积速率)。因此，斑(Si)阵列的密度将逐案确定。

降级单元(11.i)

本发明的脊形过滤器(11)的原理是针对每个斑(Si)使束(100.i)的能量降级，以便在对应子区(Vi)中产生所需SOBP，其中扩展峰在距患者的皮肤(3s)测量的最短水等效厚度(d0)与最长水等效厚度(d1)之间延伸，界定了子区(Vi)的包含在治疗区内的部分。挑战在于仅使束(100.i)的一部分能量降级，以便将束(100.i)的整个权重(ωi)的预先确定的束权重分数(ωij)的布拉格峰移动到对应的细胞水等效厚度(dij)，从而将所需剂量(Dij)沉积到对应子区(Vi)的对应细胞(Cij)中。

在此提出了三种几何形状的能量降级单元(11i)来实现该目标，其中对应的方法用于确定形成能量降级单元(11i)的子降级单元(11.ij)的尺寸。一种几何形状可以与另一种几何形状组合以实现最方便的脊形过滤器。

·呈孔口形式的能量降级单元(11i)，

·呈销形式的能量降级单元(11i)，

·组合具有不同的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)的不同材料的能量降级单元(11i)。

降级单元(11.i)＝孔口

在该实施例中，如图4(a)至图4(e)、图4(f)至图4(j)和图6(a)至图6(c)中所展示的，能量降级单元(11.i)呈根据支撑基底(11b)中的斑(Si)阵列并排布置的孔口的形式，该支撑基底具有沿着束轴(Xi)测量的厚度(Bi)。每个孔口从支撑基底(11b)的表面处的孔开口延伸并且穿透到沿着对应束轴(Xi)测量的给定深度。每个能量降级单元(11.i)由呈孔口形式的一个或多个子降级单元(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)形成，这些孔口具有截面面积(Axij)的广义柱形几何形状并且从支撑块(11b)中的孔沿着对应束轴(Xi)延伸长度(Lsij)，使得Lij＝Bi-Lsij。子降级单元(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)布置在稍大于或等于束(100.i)的直径(D100)的直径内，并且使得子单元基底面积(Aij)的总和等于基底面积(Abi)(即，

)。

在图4(a)至图4(e)和图7(b)中所展示的优选实施例中，子降级单元以串联构造布置，其中子降级单元(11.ij)沿着对应束轴(Xi)按长度(Lsij)递减顺序排列。子降级单元(11.ij)优选同轴布置，并且具有最长长度(Lsi3)的孔口被定位在中心位置。这些子降级单元也可以以其他配置布置，例如，非同心地布置，并且最长长度(Li3)的孔口不一定居中。

在子降级单元(11.ij)同心布置的实施例中，每个子降级单元(11.ij)的子单元基底面积(Aij)除了最深孔口(11.i3)的子单元基底面积(Ai3)以外具有环形几何形状。因此，给定子降级单元(11.ij)的子单元基底面积(Aij)等于所述给定降级单元(11.ij)的截面面积(Axij)与界定在所述给定降级单元内的降级单元(Axi(j+1))的截面面积(Axi(j+1))之间的截面面积差(Axij-Axi(j+1))，其中，子降级单元(11.ij)的截面面积(Axij)是包括在子降级单元(11.ij)的截面的外周边内的、垂直于对应束轴(Xij)的孔口的截面面积。

在图4(f)至图4(j)中所展示的替代性实施例中，子降级单元可以以并联构造布置。在该实施例中，子降级单元并排布置在基底面积(Abi)内，如图7(e)和图7(g)中针对销所展示的，两个子降级单元之间没有间隔(容易想象具有孔口的对应设计)，或在两个相邻子降级单元之间具有间隔，如图4(f)和图4(g)中所展示的。

在又一个替代性实施例中，子降级单元可以以串联和并联混合构造布置。在这种构造中，如图7(h)和图7(i)中针对销所展示的(容易想象具有孔口的对应设计)，三个或更多个子降级单元(11.ij)既串联又并联布置，其中，由沿着对应束轴(Xi)串联排列的两个或更多个子降级单元形成的一个或多个结构、以及可选地一个或多个单独的子降级单元并排布置在所述基底面积(Abi)内。

该实施例特别容易通过机加工或蚀刻形成支撑基底(11b)的块或通过3D打印技术形成它来生产。考虑到束(100.i)的最大注量在束轴(Xi)处，在注量的高斯分布的最大值处与束轴(Xi)相交的子降级单元(11.ij)的制造误差因此比周缘位置更关键。使用孔口而不是销的优点是归因于布拉格峰的权重与斑的注量相匹配。事实上，具有较大范围的布拉格峰通常是治疗计划中权重(ωij)较大的布拉格峰。因此，最好将对应的子单元(即，具有最小长度Li)放置在束的注量最高的位置(即，中心)。此外，具有最大长度Li的子单元将对应于通常权重较小并因此截面较小的布拉格峰(具有最短范围)。因此，将具有最大长度的子单元定位在具有最小注量的斑区域是便利的。形成具有产生期望效果所需要的紧密公差的孔口比形成具有相同公差的、具有长度(Lij)的细销更容易。使最长长度(Lij)的子降级单元偏移也可以有助于减少制造中轻微偏差的权重。

为清楚起见，图4(a)至图4(e)示出了由三个子降级单元(11.ij)形成的能量降级单元(11.i)，并且图7(b)示出了仅由两个子降级单元(11.ij)形成的能量降级单元(11.i)。清楚的是，子降级单元的数量(N)实际上可以更高，以产生更平滑的SOBP平稳段。图6(a)至图6(c)示出了包括三个、六个、“无限个”子降级单元(11.ij)的类似能量降级单元(11.i)，“无限个”子降级单元形成截头锥形孔口。图6(a)至图6(c)中的所有孔口都具有开口面积(Axi1)和底部面积(Axi3)、以及长度(Lsi3)(符号的含义参见图4(a)至图4(e))。

在图4(c)至图4(e)中，每个子降级单元被单独展示、并且其整体形成广义中空柱体，它们彼此装配以形成图4(b)的子降级单元。在实践中，图4(b)的子降级单元(11.ij)可以通过机加工或蚀刻支撑基底(11b)以形成孔口或通过3D打印技术形成具有对应孔口的脊形过滤器来生产。

降级单元(11.i)＝销

在图5(a)至图5(e)、图7(a)、图7(e)和7(f)中所展示的替代性实施例中，能量降级单元(11.i)呈根据斑(Si)阵列并排布置并支撑在支撑基底(11b)上的销的形式，该支撑基底具有沿着束轴(Xi)测量的厚度(Bi)。每个销从支撑基底沿着对应束轴(Xi)延伸。每个能量降级单元(11.i)由一个或多个子降级单元(11.ij，11.i3，11.i2，11.i1)形成，该一个或多个子降级单元具有截面面积(Axij)的广义柱形几何形状并且从支撑基底沿着对应束轴(Xi)延伸长度(Lsij)，使得Lij＝Bi+Lsij。子降级单元(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)布置在稍大于或等于束(100.i)的直径(D100)的直径内，并且使得子单元基底面积(Aij)的总和等于基底面积(Abi)(即，

)。

在图5(a)至图5(e)和图7(a)中所展示的优选实施例中，子降级单元(11.ij)串联布置。在这种构造中，子降级单元沿着对应束轴(Xi)按长度(Lsij)递减顺序排列。这些子降级单元优选同轴布置，并且具有最长长度(Lsi1)的销被定位在中心位置。

在子降级单元(11.ij)同心布置的实施例中，给定子降级单元(11.ij)的子单元基底面积(Aij)等于所述给定降级单元(11.ij)的截面面积(Axij)与界定在所述给定降级单元内的降级单元(Axi(j-1))的截面面积(Axi(j-1))之间的截面面积差(Axij-Axi(j-1))。换言之，对于有限数量的N个子降级单元(11.ij)，销具有阶梯金字塔的形状(参见图4(b)至图4(e))。给定子降级单元(11.ij)的面积(Aij)是由给定子降级单元(11.ij)形成的台阶的围绕尺寸小于给定子降级单元(11.ij)的下一个子降级单元(11.i(j+1))的梯面(或凸缘)的面积。

在图5(f)至图5(j)、图7(e)和图7(g)中所展示的替代性实施例中，子降级单元可以以并联构造布置。在该实施例中，子降级单元并排布置在基底面积(Abi)内，如图7(e)和图7(g)中所展示的，两个子降级单元之间没有间隔，或在两个相邻子降级单元之间具有间隔，如图5(f)和图5(g)中所展示的。例如，在图7(e)和图7(g)中所展示的实施例中，子降级单元并排布置，其中最长子降级单元优选地相对于对应束轴(Xi)偏移。这样，最长降级单元面向权重较低的束(100.i)的一部分，并且因此截面面积(Aij)可以更大，从而有利于能量降级单元(11.i)的制造。相同的配置也可以应用于上文讨论的呈孔口形式的能量降级单元(11.i)。

在又一个替代性实施例中，三个或更多个子降级单元可以以串联和并联混合构造布置。在这种构造中，如图7(h)和图7(i)中所展示的，三个或更多个子降级单元(11.ij)既串联又并联布置，其中，由沿着对应束轴(Xi)串联排列的两个或更多个子降级单元形成的一个或多个结构、以及可选地一个或多个单独的子降级单元并排布置在所述基底面积(Abi)内。

为清楚起见，图5(a)至图5(e)和图7(f)示出了由三个子降级单元(11.ij)形成的能量降级单元(11.i)，并且图7(a)和图7(e)示出了仅由两个子降级单元(11.ij)形成的能量降级单元(11.i)。清楚的是，子降级单元的数量(N)实际上可以更高，以产生更平滑的SOBP平稳段。如图5(b)、图6(d)和图6(e)中所展示的，呈销形式的能量降级单元(11.i)可以包括任何数量(如三个、六个、“无限个”)的子降级单元(11.ij)，“无限个”子降级单元形成截头锥形(参见图6(e))。无论子降级单元(11.ij)的数量N是多少，所有销都具有基底面积(Ai1)和端头面积(Ai3)、以及长度(Lsi3)(符号的含义参见图5(a)至图5(e))。

在图5(c)至图5(e)中，每个子降级单元被单独展示、并且其整体彼此装配以形成图5(b)中的子降级单元。在实践中，图5(b)的子降级单元(11.ij)可以通过机加工、蚀刻或3D打印整体能量降级单元(11.i)来生产，优选使用支撑基底(11b)，或者每个子降级单元(11.ij)单独生产并且随后将它们组装以形成能量降级单元(和支撑基底(11b))。最优选地，整个脊形过滤器以整体方式生产(即，不需要组装步骤)。

由不同材料制成的降级单元(11.i)

在图7(c)和图7(d)中所展示的第三实施例中，该第三实施例可以与上文讨论的呈空腔或销形式的能量降级单元的前述实施例组合，至少第一能量降级单元(11.1)的第一子降级单元(11.11)由第一材料制成，该第一材料与第一能量降级单元或第二能量降级单元(11.1、11.2)的第二子降级单元(11.ij)的第二材料不同。第一材料具有与第二材料不同的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)值，以便与由第二材料制成的对应第一能量子单元(11.11)的长度相比改变、优选地减小第一子降级单元(11.11)的长度值(L11＝W11/Wu)。

图7(c)示出了包括同心布置的第一子降级单元和第二子降级单元(11.i1、11.i2)的实施例。第二子降级单元(11.i2)被封闭在环形的第一子降级单元(11.i1)中。第一子降级单元(11.i1)由具有比形成第二子降级单元(11.i2)的材料高的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)的第一材料制成。因此，对于沿着束轴(Xi)测量的相同长度(Li1＝Li2)，第一子降级单元(11.i1)从束中吸收更多能量并且导致布拉格峰转移到具有低于穿过第二子降级单元(11.i2)的细胞水等效厚度(di2)的较小细胞水等效厚度(di1<di2)的细胞。

图7(d)示出了类似的构造，但第一子降级单元(11.i1)由比制成第二子降级单元(11.i2)的第二材料具有更高的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)值的第一材料制成，该第一子降级单元被定位在中心、被第二子降级单元(11.i2)包围。因此，对于穿过位于能量降级单元(11.i)中心的第一子降级单元(11.i1)的束的部分，布拉格峰出现(di1<di2)的深度低于穿过第二子降级单元(11.i2)的部分，该第二子降级单元具有沿着束轴(Xi)测量的相同长度(Li1＝Li2)。图7(c)和图7(d)中的子降级单元(11.i1、11.i2)同心布置。清楚的是，其他配置也是可能的，例如它们并排布置。具有相同长度Li1＝Li2也是优化的情况。由于不可能选择连续跨越每单位长度子单元水等效厚度(Wu)的整个范围值的材料，因此很难选择产生所需细胞水等效厚度(dij)并同时具有相同长度(Lij)的材料。然而，改变材料允许减少子降级单元之间的高度差异，从而产生更紧凑和坚固的能量降级单元(11.i)。

组合具有不同每单位长度子单元水等效厚度(Wu)的不同材料的该实施例可以应用于空腔和销形能量降级单元(11.i)以减小最长子降级单元(11.ij)的长度(Lij)并增加最短子降级单元(11.ij)的长度，以产生更短的脊形过滤器(11)并有利于生产和尊守公差，选择最便于生产的尺寸。

例如，每个子降级单元的材料的选择可以由使第一子降级单元(11.11)的长度(L11)在第二子降级单元的长度(Lij)的±20％以内的目标驱动，等等。优选地，能量降级单元(11.i)的所有子降级单元(11.ij)的长度(Lij)优选地在平均长度(Lm,ij)的±20％的变化范围内具有相同的长度(Lij)(即，

)。这样，可以获得紧凑的脊形过滤器。

脊形过滤器(11)和包含脊形过滤器(11)的粒子加速器

如图3(c)中所展示的，脊形过滤器(11)由并排设置在支撑基底(11b)上的多个能量降级单元(11.i)形成。各个能量降级单元(11.i)的位置对应于对应斑(Si)的位置，并且各个能量降级单元的取向平行于对应束轴(Xi)。

在图1(a)、图1(b)、图3(a)和图3(e)中，所有束轴(Xi)都被表示为彼此平行。这并不完全正确，因为所有束轴(Xi)从喷嘴中扫描磁体的中心的同一点开始，并且偏离以扫描表征治疗区(V)的所有斑(Si)。这在图3(b)、图3(d)和图3(f)中表示出，其中为了清楚起见，夸大了偏离的角度。包围所有束轴(Xi)的锥体的孔径角取决于扫描磁体与治疗区(V)之间的距离以及治疗区(V)的大小。图3(b)示出了对应于图3(a)的视图的辐照系统的视图，其中考虑到束的扫描效果，束轴偏离平行度。孔径角在图3(b)中被夸大。图3(c)示出了一种对应的脊形过滤器(11)，其中销从支撑基底(11b)中伸出并且相对于彼此偏离平行度。图3(d)示出了由支撑基底(11b)中的两个对应孔口形成的两个能量降级单元。再次，为了清楚起见夸大了孔径角。

实际上，孔径角一般在距辐照轴线(X)的±5°以内，优选在±3°以内，更优选在±1°以内。由于这个原因，虽然不是严格正确的，但在图中表示彼此平行的束轴(Xi)是可接受的现实简化。

图3(e)和图3(f)示出了包括数个子区(Vi)的治疗区(V)的类似立方要素。子区(V1、V4和V5)在侧剖视图中可见，示出了对应细胞的位置(Cij，其中i＝1、4和5，并且j＝1到4)。在图3(e)中，子区(Vi)彼此(大致)平行并平行于辐照轴线(X)延伸，而在图3(f)中，子区沿着发散束轴(Xi)延伸(再次，为清楚起见夸大了孔径角)。

具有沿着对应束轴(Xi)测量的最长长度(Li1)的子降级单元(11.i1)比较短的子降级单元吸收束(100.i)的更多能量。因此，最长的子降级单元(11.i1)确定最短的细胞水等效厚度(di1)，该最短的细胞水等效厚度限定最接近患者的皮肤(3s)的布拉格峰的位置。随着子降级单元(11.ij)的长度(Lij)减小，对应的细胞水等效厚度(dij)增大，直到具有最短长度(LiN)的最短子降级单元(11.iN)确定距患者的皮肤(3s)最远的布拉格峰的细胞水等效厚度(diN)。所有布拉格峰的叠加形成必须根据治疗计划的SOBP(参见图4(a)至图4(e)和图5(a)至图5(e))。每个子降级单元(11.ij)的长度(Lij)可以如上文所讨论的容易地确定，如Lij＝Wij/Wu＝(W0-dij)/Wu(参见图2(b))。

每个子降级单元(11.ij)的面积(Aij)的尺寸必须确定成使得所需数量的带电粒子以相应的细胞水等效厚度(dij)将预定剂量(Dij)沉积到对应细胞中。等式(1)用于确定子降级单元(11.ij)的面积(Aij)的值，

在等式(1)中，归一化束权重(ω_ij)等于束注量(F(y,z))在要确定尺寸的面积(Aij)上的积分的归一化值。由于面积(Aij)限定了计算等式(1)分子处的积分的边界，因此可以确定每个子降级单元(11.ij)的面积(Aij)。如上文所讨论的，各个子降级单元(11.ij)的优选布置是将它们同轴组装以形成对应的能量降级单元(11.i)(参见图4(a)至图4(e)和图5(a)至图5(e))。在这种串联布置中，第一子降级单元(11.ij)的面积(Aij)具有环形几何形状，在同轴地内接在第一子降级单元内的子降级单元(11.i(j+1))周围形成环形台阶。在如图4(f)至图4(j)、图5(h)至图5(j))和图7(e)和图7(g)中所展示的并联布置中，子降级单元(11.ij)的面积(Aij)是每个子降级单元的基底处的面积。

在密集斑(Si)阵列的情况下，其中斑(Si)彼此分开的距离(ds)小于或等于束(100.i)的注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.8倍、优选1.5倍，穿过基底面积(Abi)的束的注量在限定与区(V)内接的边界的平面(Y,Z)j的所有值上近似为恒定。这种配置大大简化了等式(1)分子处的积分求解。

如果斑(Si)阵列较不密度，使得斑彼此分开的距离(ds)大于束(100.i)的注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.2倍、优选1.5倍(即，ds>1.2σ),则穿过基底面积(Abi)的束(100.i)的注量(Fi(y,z))近似为高斯分布，

其中(yi,zi)是所述斑(Si)的所述注量的最大值(Ai)的位置在所述(Y,Z)平面上的坐标，并且其中，在圆形斑的情况下，则σ_y＝σ_z＝σ。等式(1)的分子处积分的求解不像在密集斑(Si)阵列(即，ds<1.8v或<1.5σ)的情况下那样容易，但仍然至少在数字上可以求解。如果斑是圆形的并且σ_y＝σ_z＝σ，则简化了等式(1)的求解。

结束语

本文提出的用于设计脊形过滤器(11)并确定其尺寸以用于治疗区(V)的单层PBS绘图的方法简单、可靠且可再现。具有呈空腔形式的能量降级单元(11.i)的设计比由同心子降级单元(11.ij)形成的销对生产公差更稳健，因为中央子降级单元(11.i1)同时是整个能量降级单元(11.i)中最长和最细的，使其精确生产更加复杂。同心以外的配置是可能的，例如堆叠，以某种方式减少了这个问题。对于具有最长长度(Lij)的子降级单元(11.ij)，使用具有每单位长度子单元水等效厚度(Wu)更高的材料也是减少长细销的精确生产问题的解决方案。

从治疗计划开始，斑(Si)阵列可以如上文所讨论的限定，并且治疗区(V)可以被划分成子区(Vi)(每个斑一个)，并且子区(Vi)可以相应地被划分成N个细胞(Cij)。基于治疗计划来确定要沉积到细胞(Cij)中的剂量(Dij)。

脊形过滤器被设计成包括与斑(Si)相同数量的能量降级单元(11.i)。每个能量降级单元(11.i)由具有长度(Lij)和面积(Aij)的N个子降级单元(11.ij)形成。

每个子降级单元(11.ij)的长度(Lij)计算为所需子单元水等效厚度(Wij)与每单位长度子单元水等效厚度(Wu)之比(即，Lij＝Wij/Wu)。子单元水等效厚度被限定为Wij＝W0-dij，其中W0是最大束范围，并且dij是在对应细胞(Cij)的中心处布拉格峰的期望位置。长度(Lij)必须考虑到支撑所有能量降级单元(11.i)的支撑块(11b)的厚度(Bi)。

每个子降级单元(11.ij)的面积(Aij)是通过确定面积(Aij)来获得的，在该面积上计算等式(1)的分子处的积分。该操作可以以数字方式进行。

各个能量降级单元(11.i)布置在支撑块(11b)上，以便沿着对应束轴(Xi)同轴延伸。脊形过滤器可以通过对块进行机加工、通过将单独的销连接到支撑块(11b)、通过3D打印技术等来生产。如此生产的脊形过滤器(11)可以安装在带电粒子加速器的出口与治疗区(V)之间，使得每个子区(Vi)与对应束轴(Xi)同轴。可以开始单层PBS绘图的辐照。

通过本发明的方法设计的脊形过滤器(11)特别适用于包括对治疗区(V)的至少一部分进行FLASH辐照需要通过PBS已超高沉积速率(HDR)将剂量(Dij)沉积到细胞(Cij)中的治疗计划，因为该脊形过滤器允许整个治疗区被单个绘图层覆盖，因此大大减少了将剂量(Dij)沉积到每个切片(Tj)所需的扫描时间。

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Claims (10)

1.一种用于设计带电粒子加速器、优选质子加速器的脊形过滤器的方法，所述脊形过滤器用于通过加速粒子束(100.i)将特定剂量(Dij)沉积到包括肿瘤细胞(3t)的组织的治疗区(V)内的特定位置，所述沉积根据预定治疗计划(TP)通过逐斑(Si)笔形束扫描(PBS)在限定所述整个治疗区(V)的单个绘图层中进行，其中，所述束(100.i)沿着与辐照轴线(X)大致平行的对应束轴(Xi)延伸，与所述辐照轴线(X)的平行度偏离在±5°以内、优选在±3°以内的角度，并且其中，所述组织由最大束范围(W0)表征，该最大束范围被定义为在所述束停止传播通过所述组织处的水等效距离，所述方法包括以下步骤：

·通过在具有厚度(dxj)的N个切片(Tj＝T1-TN)的上游平面(Y,Z)j上限定面积(Aj)来限定与所述治疗区(V)内接的边界，其中，所述平面(Y,Z)j垂直于所述辐照轴线(X)，其中，到患者的皮肤的最短水等效厚度(d0)和最长水等效厚度(d1)分别被定义为所述边界的沿着所述辐照轴线(X)测量的最接近和最远离所述皮肤的点，

·限定子区(Vi)阵列，每个子区平行于对应束轴(Xi)从所述患者的所述皮肤延伸到对应的最远水等效厚度(d1)，并且每个子区在垂直于所述辐照轴线(X)的平面(Y,Z)上的投影限定了覆盖所述区(V)在所述平面(Y,Z)上的投影的整个面积的斑(Si)阵列，

·对于包含在子区(Vi)内的N个切片(T1-TN)中的每个切片(Tj)，将细胞(Cij)限定为所述子区(Vi)的包含在对应切片(Tj)内的部分，

·对于所述给定子区(Vi)的每个细胞(Cij)，确定从所述皮肤(3s)到所述细胞(Cij)的几何中心的细胞水等效厚度(dij)，并且赋予根据所述TP将所述特定剂量(Dij)沉积到所述细胞(Cij)中所需的束权重(ωij)，其中，所述束权重(ωij)与所述细胞水等效厚度(dij)下的带电粒子数成比例，

·将所述脊形过滤器(11)设计为具有能量降级单元组(11.i)，其中，每个能量降级单元(11.ij)被配置用于降低与对应束轴(Xi)和子区(Vi)同轴的具有对应束直径(D100.i)的带电粒子束(100.i)的初始能量(E0)，以降低能量(Eij)，从而根据所述TP将所述特定剂量(Dij)以所述细胞水等效厚度(dij)沉积到包含在所述子区(Vi)内的对应细胞(Cij)中，给定子区(Vi)的能量降级单元(11.i)设计如下：

ο对于所述子区(Vi)的每个细胞(Cij)，确定具有广义柱形几何形状的子降级单元(11.ij)的尺寸，所述广义柱形几何形状具有垂直于对应束轴(Xi)的具有面积底(Aij)的基底和平行于对应束轴(Xi)的具有长度(Lij)的母线，所述子降级单元由沿着对应束轴(Xi)具有每单位长度子单元水等效厚度(Wu)的材料制成，其中，所述长度(Lij)被确定为使得所述子降级单元(11.i)的子单元水等效厚度(Wij＝Wu x Lij)等于所述每单位长度子单元水等效厚度(Wu)与所述长度(Lij)的乘积，其中，所述子单元水等效厚度(Wij)和所述细胞水等效厚度(dij)之和等于所述最大束范围(W0)(即，W0＝Wij+dij)，以及

ο子降级单元(11.ij)的面积(Aij)通过使归一化束权重(ωij/∑_jω_ij)等于注量(F(y,z))在所述子单元基底面积(Aij)上的积分与所述注量在所述降级单元(11.i)的基底面积(Abi)上的积分的比率来确定，

其中，所述注量F(y,z)是在所述束(100.i)的位置(y,z)处所述束的每单位面积电荷数，并且其中，所述基底面积(Abi)等于所述子单元面积(Aij)的总和(即，Abi＝∑_jAij)，

ο将所述N个子降级单元(11.ij)组合以获得所述能量降级单元(11.i)，所述能量降级单元被设计用于使所述束(100.i)的能量降级以便将所需剂量(Dij)沉积到所述子区(Vi)中，

·如上所限定地设计对应于所有其余子区(Vi)的能量降级单元(11.i)，

其中，表述“水等效厚度”(＝WET)被定义为与粒子束穿过给定厚度的一种或多种材料引起所述粒子束的相同能量降级的水厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特定剂量(Dij)将根据所述治疗计划以超高剂量沉积速率(HDR)沉积到组织的所述区(V)内的特定位置中的至少某个选定特定位置中，其中，HDR被限定为HDR≥1Gy/s的剂量沉积速率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述斑阵列中的斑(Si)彼此分开的距离(ds)小于或等于在单斑处所述束(100.i)的所述注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.8倍(即，ds≤1.8σ)、优选小于或等于1.5σ，并且其中，穿过所述基底面积(Abi)的所述束(100.i)的所述注量(F(y,z))在限定与所述区(V)内接的所述边界的平面(Y,Z)j的所有值上近似为恒定。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述斑阵列中的斑(Si)彼此分开的距离(ds)大于在单斑(100.i)处所述束(100.i)的所述注量(Fi(y,z))的标准偏差(σ)的1.2倍、优选大于1.5倍(即，ds>1.2σ)，并且其中，穿过所述基底面积(Abi)的所述束(100.i)的所述注量(Fi(y,z))近似为高斯分布，

其中(yi,zi)是所述斑(Si)的所述注量的最大值(Ai)的位置在所述(Y,Z)平面上的坐标，并且其中，在圆形斑的情况下，则σ_y＝σ_z＝σ。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，

·所述能量降级单元(11.i)呈根据支撑基底(11b)中的所述斑(Si)阵列并排布置的孔口的形式，所述支撑基底具有沿着所述束轴(Xi)测量的厚度(Bi)，每个孔口从所述支撑基底(11b)的表面处的孔开口延伸并且穿透到沿着对应束轴(Xi)测量的给定深度，其中，

·每个能量降级单元(11.i)，

ο由呈孔口形式的一个或多个子降级单元(11.ij，11.i3，11.i2，11.i1)形成，所述孔口具有截面面积(Ai)的广义柱形几何形状并且从所述支撑块(11b)中的孔沿着对应束轴(Xi)延伸长度(Lsij)，使得Lij＝Bi-Lsij，并且其中，

ο所述子降级单元(11.ij，11.i3，11.i2，11.i1)布置在所述基底面积(Abi)内。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，能量降级单元(11.i)包括至少两个子单元(11.ij)，所述至少两个子单元按以下列配置之一布置在所述基底面积(Abi)内，

·在串联构造中，其中，

ο所述子降级单元沿着对应束轴(Xi)按长度(Lsij)递减顺序排列，优选同轴排列，并且具有最长长度(Lsi3)的孔口被定位在中心位置，并且其中，

ο给定子降级单元(11.ij)的子单元基底面积(Aij)等于所述给定降级单元(11.ij)的截面面积(Axij)与界定在所述给定降级单元内的降级单元(Axi(j+1))的截面面积(Axi(j+1))之间的截面面积差(Axij-Axi(j+1))，

·在并联构造中，其中，所述子降级单元并排布置在所述基底面积(Abi)内，两个子降级单元之间没有间隔，或者两个相邻子降级单元之间具有间隔，

·在并联和串联的混合构造中，其中，三个或更多个子降级单元(11.ij)既串联又并联布置，其中，由沿着对应束轴(Xi)串联排列的两个或更多个子降级单元形成的一个或多个结构、以及可选地一个或多个单独的子降级单元并排布置在所述基底面积(Abi)内。

7.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，

·所述能量降级单元(11.i)呈根据所述斑(Si)阵列并排布置并支撑在支撑基底(11b)上的销的形式，所述支撑基底具有沿着所述束轴(Xi)测量的厚度(Bi)，每个销从所述支撑基底沿着对应束轴(Xi)延伸，其中，

·每个能量降级单元(11.i)，

ο由一个或多个子降级单元(11.ij，11.i3，11.i2，11.i1)形成，所述一个或多个子降级单元具有截面面积(Aij)的广义柱形几何形状并且从所述支撑基底沿着对应束轴(Xi)延伸长度(Lsij)，使得Lij＝Bi+Lsij，并且其中，

ο所述子降级单元(11.ij，11.i3，11.i2，11.i1)布置在所述基底面积(Abi)内。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，能量降级单元(11.i)包括至少两个子单元(11.ij)，所述至少两个子单元按以下列配置之一布置在所述基底面积(Abi)内，

·在串联构造中，其中，

ο所述子降级单元沿着对应束轴(Xi)按长度(Lsij)递减顺序排列，优选同轴排列，并且具有最长长度(Lsi1)的销被定位在中心位置，并且其中，

ο给定子降级单元(11.ij)的子单元基底面积(Aij)等于所述给定降级单元(11.ij)的截面面积(Axij)与界定在所述给定降级单元内的降级单元(Axi(j-1))的截面面积(Axi(j-1))之间的截面面积差(Axij-Axi(j-1))，

·在并联和串联的混合构造中，其中，三个或更多个子降级单元(11.ij)既串联又并联布置，其中，由沿着对应束轴(Xi)串联排列的两个或更多个子降级单元形成的一个或多个结构、以及可选地一个或多个单独的子降级单元并排布置在所述基底面积(Abi)内。

9.根据前述权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，第一能量降级单元(11.1)的至少第一子降级单元(11.11)由第一材料制成，所述第一材料与所述第一能量降级单元或第二能量降级单元(11.1，11.2)的第二子降级单元(11.ij)的第二材料不同，所述第一材料具有与所述第二材料不同的每单位长度子单元水等效厚度(Wu)值，以便与由所述第二材料制成的对应第一能量子单元(11.11)的长度相比改变、优选地减小所述第一子降级单元(11.11)的长度值(L11＝W11/Wu)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一子降级单元(11.11)的长度(L11)在所述第二子降级单元的长度(Lij)的±20％以内，并且优选地，能量降级单元(11.i)的所有子降级单元(11.ij)在平均长度(Lm,ij)的±20％的变化范围内具有相同的长度(Lij)(即，Lij＝Lm,

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