CN1298399C - 可旋转多元辐射束成形装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施方案的一种可旋转的多元成形装置，它包括绕中心轴可旋转的第一组件，辐射束通过该组件。第一组件含有第一和第二钳口适应于跨越中心轴移动来成形辐射束。第二组件，位于第一组件之下，绕中心轴也是可旋转的，并且含有第三和第四钳口适应于跨越中心轴移动来进一步成形辐射束。根据本发明，可以分开控制第一和第二组件。

Description

可旋转多元辐射束成形装置

技术领域

本发明主要涉及辐射治疗装置，更具体而言，涉及用于辐射治疗装置的一种可旋转多元辐射束成形装置。

背景技术

常规的辐射治疗通常包括根据已制订好的治疗方案，按照预定的要发送给肿瘤的辐射治疗剂量，将辐射束引导到病人的肿瘤上。这通常是利用一种辐射治疗装置来完成的，例如1997年9月16日颁给Hernandez的美国专利5,688,847中所描述的装置，为了通用目的，在此处加入其内容。

肿瘤有三维的处理体积，通常包括正常的部分、健康的组织和器官。健康的组织和器官经常处在辐射束的处理路径上。这使处理变得复杂，因为当发送一定剂量的辐射给肿瘤时必须考虑健康的组织和器官。虽然要求使健康的组织和器官的损伤减到最小，同等重要的是确保肿瘤接受到足够高的辐射剂量。对许多肿瘤来说，治愈率是它们所接受剂量的灵敏函数。因此，使辐射束的形状和效果与接收处理的肿瘤的形状和体积紧密匹配是重要的。

在许多辐射治疗装置中，处理束通过一种病人前的准直装置(一种“准直器”)射出，该准直装置限定处理束的轮廓或处理区的处理体积。已经开发出许多不同的准直器技术，在考虑附近的健康组织和器官的同时，试图使剂量率和处理的体积与肿瘤的形状相匹配。第一种技术是基于要处理的肿瘤形状，采用一种沿处理束的路径放置的实心钳口阻挡(jaw block)的准直器产生一种场的形状。通常情况下，提供两套阻挡，包括通常布置成平行于Y轴的构成Y钳口的两个阻挡(Z轴平行于辐射束的路径)，和通常布置成平行于X轴的构成X钳口的两个阻挡。一般情况下，X钳口置于Y钳口和病人之间。

然而，这些实心钳口阻挡不提供足够的可变的场形状。特别在肿瘤有一种形状，要求场的边沿相对地平行于钳口阻挡的边沿的情况下，钳口阻挡的边沿在形成场的边沿时变得更加占有主导地位。结果增大了场的起伏和有效半阴影(penumbra)。在处理束是X射线束的情况下，这可能会特别困难。由于电子的衰减和散射，在处理束为电子束的情况下，它也难于调节场的形状。

多叶，或“多元”阻挡准直器的发展提供了更多的变化和对处理区上的场的形状的控制。1997年1月7日授予Hughes的美国专利5,591,983描述了一个多元准直器的实例。Hughes准直器使用一种有两个阻挡的X钳口，每一个阻挡由许多单个的元件构成。X钳口的每一个元件能够纵向地移动跨越辐射束的路径在处理点产生一种想要的辐射束形状。

辐射束形状进一步控制是所希望的。现有的阻挡准直器相对于X钳口固定Y钳口的位置，也就是说，Y阻挡不能独立于X阻挡移动。结果，许多处理涉及这样一些肿瘤，肿瘤的形状相对地平行于X钳口或Y钳口的一个或多个边。由于辐射的散射、起伏、和半阴影效应，发送一个恰当治疗剂量的辐射到肿瘤可能是困难的。

所以，希望提供一种系统和方法，允许进一步控制多元准直器中的每一个阻挡、每一个钳口、和每一个元件来增加对辐射束形状的控制，包括控制当处理场边沿变得相对地平行于钳口阻挡、钳口、和/或准直器元件的边沿时可能出现的半阴影和起伏效应。也希望提供对辐射束形状控制来提供更加精确的控制以便在处理时调节辐射束的衰减和散射。

发明内容

根据本发明的实施方案，一种可旋转的多元辐射束成形装置包括一种绕中心轴可旋转的第一组件，辐射束通过中心轴。第一组件有适于移动跨越中心轴使辐射束成形的第一和第二钳口。放置在第一组件下的第二组件绕中心轴也是可旋转的，并且有第三和第四钳口适于移动跨越中心轴进一步使辐射束成形。根据本发明，第一和第二组件是可单独控制的。例如，上面的组件可以绕轴旋转，独立于下面的组件绕轴的旋转。结果是一种辐射束的成形装置，该装置允许产生一种与病人处理区形状相匹配的辐射束形状，特别是对这种辐射束形状，减少了半阴影和起伏值。

在一种实施方案中，通过第二组件中多个单独控制元件的使用，进一步加强了辐射束的成形。可以控制每一个元件单独移动跨越中心轴以使辐射束成形。在一种实施方案中，元件用舌榫(tongue)和凹槽(groove)装配在一起，用定位在交替元件上的轴承移动。在一种实施方案中，将元件成形以便以跨越轴的弧移动，与辐射束源保持一个元件端的距离。

在一种实施方案中，处理时可以操纵第一和第二组件的位置来提供一个动态的辐射治疗方法。

本发明不限于已公开的优选实施方案，然而，作为本领域的熟练人员能够容易地将本发明的描述进行修改使其适合产生其他的实施方案和应用。

附图说明

通过附图进行说明，使本发明确切的实质，及其目的和优点将变得十分明显，在附图中，相同的参考数字始终代表图形的相似部分，其中：

图1  是说明一种辐射治疗装置的简图；

图2  是一个方框图，它示出了根据本发明的一种实施方案的图1中的辐射治疗装置的部分；

图3  示出了根据本发明的一种实施方案的用于辐射治疗装置的处理头；

图4  示出了根据本发明的一种实施方案的用于辐射治疗装置的准直器；

图5  示出了图4中准直器的X钳口；和

图6A 示出了图5中X钳口的一个元件端视图；和

图6B 示出了图6A中元件侧视图。

具体实施方案

下面提供的描述陈述了经过发明者深思熟虑的实现本发明的最佳方式，使本技术领域的任何一个熟练人员能够利用本发明。然而，对本技术领域的熟练人员来说，各种各样的改进仍然是显而易见的。

首先参照图1，展示出一种辐射治疗装置10，该装置可以采用本发明的实施方案。辐射治疗装置10包括台架(gantry)12，在治疗处理期间该台架能够绕着水平旋转轴14旋转。台架12的处理头16沿轴18引导辐射束指向病人20。辐射束通常由放置在台架12内的直线加速器产生。辐射束可以是电子或光子辐射。辐射束对准病人20的处理区22。处理区22是包括待处理的肿瘤的区域。本发明的实施方案允许生成和控制与处理区22的形状和大小紧密匹配的辐射束。

现在参照图2，它是一个方框图，示出了根据本发明的一种实施方案的辐射治疗装置10的一部分。特别展示了辐射治疗装置的处理发送单元。该单元可以配置成图1描述的辐射治疗装置10。这种处理发送单元包括一个计算机40，有效地连接到一个操作控制台42以便接收操作者的控制输入和将处理数据显示给操作者。操作控制台42通常由辐射临床医生操作，辐射临床医生负责发送由肿瘤专家规定的处理辐射。使用操作控制台42，辐射临床医生输入数据，该数据限定发送给病人的辐射。

海量存储装置46储存辐射治疗装置运行期间产生和用到的数据，例如，包括肿瘤专家为一个具体病人规定的处理数据。例如，这种处理数据由一种预先计划系统60产生，该系统可以包括手动的和计算机化的输入以便在处理病人前确定辐射束的形状。预先计划系统60通常用来定义和模拟辐射束的形状，该形状是处理区22合适的辐射治疗剂量所需要的。定义辐射束形状和处理的数据储存在海量存储装置46中以便计算机40在发送处理时使用。

尽管图2描述了单个计算机，本技术领域的熟练人员将会注意到这里所描述的功能可以用一个或更多的计算装置一起或独立运行的来完成。本技术领域的熟练人员也将意识到任何适合一般目的或特别可编程的计算机可以用于实现这里所描述的功能性。

计算机40也有效地连接到包括台架控制器44和工作台(table)控制器48的控制单元。在运行时，计算机40通过台架控制器44引导台架12的移动和通过工作台控制器48引导工作台24的移动。这些装置由计算机40控制，将病人安置在一个合适的位置以便接收来自辐射治疗装置的处理。在一些实施方案中，在发送一个指定的辐射剂量的处理期间，台架12和/或工作台24可以重新设定位置。

计算机40也有效地连接到剂量控制单元50，该剂量控制单元包括剂量控制器并设计成控制辐射束52达到所需要的等剂量曲线。例如，辐射束52可以是X射线束或电子束。辐射束52可以用本技术领域的熟练人员众所周知的若干方式中的任何方式产生。例如，剂量控制单元50可以控制一种触发系统，该系统在直线加速器(未示出)中产生反馈到电子枪的注入器触发信号，直线加速器产生电子束52作为输出。通常把辐射束52沿着一个轴(如图1中18项所展示的那样)引导到病人20的处理区22。

根据本发明的一种实施方案，引导辐射束52通过包括一个Y钳口和一个X钳口的准直器组件。计算机40，协同剂量控制单元50，利用驱动器56和58控制Y和X钳口。如下文进一步详细描述的那样，X钳口驱动器56和Y钳口驱动器58独立地运行，使得辐射束52以更高的精度和控制成形。X钳口和Y钳口驱动器56和58也用于控制单个的元件，这些元件构成X和Y钳口并将在下文中作进一步详细的讨论。在一些实施方案中，X钳口和Y钳口驱动器56和58也有独立的手动控制以便允许辐射治疗装置的操作者手动调节辐射束的形状(例如，在处理预先计划期间)。用驱动器56和58协同一个或多个传感器57，59控制X和Y钳口的位置。

在一种实施方案中，在处理前，运行计算机40将X和Y钳口放置在指定位置上。根据本发明的实施方案，可以操纵X和Y二钳口的位置以及构成X钳口的单个元件的位置。结果是，系统允许在很大程度上控制辐射束在处理区的形状。例如，在辐射束为X射线束的情况下，操纵X和Y两种钳口位置以及构成X钳口的元件的位置能够使元件和钳口的表面相对地垂直于正在处理肿瘤的长轴。作为另一个实例，在辐射束为电子束的情况下，能够以很大的精度操纵X和Y两种钳口以补偿电子束在空气中的衰减和散射。从而，可以发送一个更加精确的治疗辐射束到处理区。

在其他的实施方案中，在处理期间，可以用计算机40操纵X和Y钳口(和X钳口的单个元件)之一或两者来改变辐射束的形状以便发送一个规定的辐射剂量到处理区。另外，在使用混合辐射束形式(X射线和电子)的情况下，由本发明的实施方案提供的对X和Y钳口(和X钳口的单个元件)的强化控制也可以用来发送更加精确的处理。当使用一个混合辐射束的形式时，考虑到不同的衰减、散射、和两种类型的辐射束的其他影响，本发明的实施方案允许精确控制辐射束的形状。基于给定的电子能量和衰减、散射效应、及横向电子平衡的损失，将确定单个的元件的位置。

现在参照图3，它示出处理头16的一个剖面图。在一些辐射治疗装置10中，例如图1中所示的装置，处理头16连接台架12，且整个结构绕轴14是可旋转的(如图1所示)。处理头16是一种组件，连同其他装置一道，包括准直器结构，展示为X钳口100a，100b和Y钳口200a，200b。X钳口100a，100b布置在Y钳口200a，200b和病人之间。X钳口100a，100b平行于X轴放置，Y钳口200a，200b平行于Y轴放置(这里轴18为Z轴)。X钳口和Y钳口一般构成一个矩形开孔，辐射束沿轴18通过该开孔。本发明的实施方案允许更大程度地控制X钳口(和X钳口的单个元件)和Y钳口，允许辐射束在X和Y钳口之间通过处理头16时更大程度地控制辐射束成形。

X和Y钳口100，200中的每一个由辐射衰减材料所制成。在一种实施方案中，钳口由X射线透射特性小于1％的材料所组成。例如，目前，钨是一种优选材料，尽管其他有相似辐射衰减特性的材料也可以使用。

根据本发明的一种实施方案，独立控制X钳口100a，100b和Y钳口200a，200b(例如，通过电动机控制器54，X钳口驱动器56，和Y钳口驱动器58，如上面的图2一起所描述的那样)。可以用许多不同的方式控制钳口。例如，在一种实施方案中，X钳口100a，200b和Y钳口200a，200b是绕轴18可独立旋转的(例如，从-180度到+180度)。进一步，如图3中所描述的那样，X钳口100a，100b可以由多种单个元件102a-n，104a-n构成。可以控制这些单个元件102a-n，104a～n中的每一个沿着与轴18横切的路径移动(例如，通过电动机控制器54和X钳口驱动器56)。根据本发明，这些项目中的每一种独立移动允许在更大程度上控制和限定辐射束在处理区22上的形状的灵活性。这允许更精确地发送一个合适的辐射剂量到处理区22，而不损伤周围的组织和器官。

现在参照图4，它展示出关于准直器的进一步的细节，该图示出Y钳口200a，200b放置在X钳口100a，100b之上。轴18通过一个由Y钳口200a，200b和X钳口100a，100b所限定的开孔，引导辐射束沿着该轴朝向身体20上的处理区22。根据本发明的实施方案，X钳口100a，100b和Y钳口200a，200b沿着旋转方向80绕轴18可相互独立旋转。通过一个或多个连接到Y钳口驱动器58的位置传感器59，控制Y钳口200a，200b的移动和定位。通过一个或多个连接到X钳口驱动器56的位置传感器57，控制X钳口100a，100b的移动和定位。

X钳口100a，100b的每个由若干元件102a-n，104a-n构成，这些元件沿方向82跨过轴18是可移动的。每个元件102，104的移动可分别控制，使得产生多种多样的辐射束形状。在一种实施方案中，通过使用X钳口驱动器56以及一个或多个位置传感器57，控制每一个元件102a-n，104a-n的移动。在其他的实施方案中，提供一种单独的控制机械装置来控制元件102a-n，104a-n的移动和定位。在一些实施方案中，采用直接连接到每个元件上的双冗余的位置传感器57独立地控制每个元件。

如所描述的那样，制造每个X钳口100a和100b，和其每个元件，使得它们以所选择弧形路径移动，来保持元件末端与辐射束的边沿距源的偏离的匹配。在一种实施方案中，控制每个元件的移动，使得元件移动速度在0.2毫米/秒至20毫米/秒之间是可变的，并具有最小限度的斜坡上升和斜坡下降速度，虽然本领域的熟练人员将认识到也可以选择其他的速度和控制方案来提供各种各样的处理和控制选项。

根据本发明的实施方案，能够生成一种与处理区22的形状紧密匹配的辐射束形状，并且具体说来，该辐射束形状使元件的数目或平行于处理区22边沿的钳口表面减到最小。结果，能够减少有效半阴影和起伏，提供一种剪裁得体的辐射束形状于处理区22。专利申请者发现每一个元件相对于处理区22形状的取向是重要的，因为有效半阴影基本上随场边角(单位度)的增加而增加。例如，一个13毫米的有效半阴影来自于80度的场边角，而一个0度的场边角导致一个6毫米的有效半阴影(随着场边角的增加，场边沿变得更加平行于准直器的边沿)。

相似地，专利申请者发现辐射束的起伏基本上随场边角的增加而增加。例如，当场边角从0度增加到80度时，起伏从1毫米增加到8毫米。为了发送一种更加匹配的处理束(减少了有效半阴影和起伏值)，本发明的实施方案允许分别控制Y和X钳口，以及X钳口的单个元件来精密操纵入口的形状以在处理区22产生一个所期望的辐射束形状。

现在参照图5进一步描述关于X钳口的细节，该图示出X钳口100a，100b的一个沿着辐射束方向的视图。形成X钳口100a，100b的两个阻挡中的每一块由许多的单个的元件102a-n，104a-n构成。在一种实施方案中，提供40个元件给每个阻挡100a，100b，总共80个元件，中心轴位于20号和21号元件之间。在一种实施方案中，每个元件有1厘米宽度分辨，并且如上面描述的那样独立地被控制。在一种实施方案中，每一个元件的最大行程从-10厘米到+20厘米。本技术领域的熟练人员将会认识到也可以使用其他形状、数目、和大小的元件。

在一种实施方案中，初始化辐射治疗装置10以后，每个元件回到一个缺省的起点位置，并且进行内部标定以自动地标定和判断每个元件的位置。例如：在一种实施方案中，位置传感器57，59包括探测x和y钳口相对位置的红外探测装置，可以用红外探测来标定每一个元件的相对位置。例如：可以用红外传感器测量每一个元件102a-n和104a-n的起点位置，在处理期间允许精确地控制每一个元件的位置。本技术领域的熟练人员将会认识到也可以用许多其它的技术和方法来标定元件和钳口的位置。

现在参照图6A和6B，对单个元件的构成细节进行描述。图6A描述单个元件102a的端视图，它示出在一种实施方案中每个元件是7.5厘米长，有三部分(顶部分71，底部分73，舌榫和凹槽段72)，每段2.5厘米长，舌榫和凹槽段72用于使泄漏和辐射束边沿半阴影减到最小。图6B展示出元件102a的侧视图，展示两个轴承轨道74a，74b。在一种实施方案中，在单个的元件之间使用交替的轴承使每个元件容易移动。图6B也展示每个元件的弧形。如上所述，每个元件(因此X钳口100a，100b)做成以弧形运动的形状，保持元件末端与辐射束边沿距源的偏离相匹配。其结果是提供一种更加适合处理区处理的系统和方法。

本技术领域的熟练人员将会意识到在不偏离本发明的构思与范围情况下能使上述的优选实施方案的各种不同改编和改进。例如：本发明的实施方案可以用来支持具有混合束形式(例如，X射线和电子)的辐射束的使用。在一些实施方案中，处理期间，可以操纵X和Y钳口，以及X钳口的每一个单个元件，来提供一种使场边沿光滑的动态途径(此外，为本技术领域的熟练人员所熟悉的“有效楔”的使用，产生跨越处理场的楔形剂量分布)。

因此，可以理解的是，在附属权利要求的范围内，除了在这里特别描述以外，本发明可以被实施。

Claims (14)

1.一种用于沿中心轴引导辐射束成形的准直器，该准直器包括：

第一辐射阻挡装置，该装置绕所述的中心轴可旋转，具有适合于跨越所述中心轴移动的第一和第二钳口；和

第二辐射阻挡装置，该装置位于所述第一辐射阻挡装置之下，绕所述中心轴可旋转，且具有适合于跨越所述中心轴移动的第三和第四钳口；

位置传感器，该位置传感器确定第一、第二、第三和第四钳口中的一或多个钳口的位置；和

钳口驱动器，该钳口驱动器至少根据所确定的位置来移动第一、第二、第三和第四钳口中的一或多个钳口，

其中，该第一和第二辐射阻挡装置被相互独立地移动来成形所述的辐射束。

2.权利要求1的装置，其中所述钳口中的每一个由一种辐射衰减材料构成。

3.权利要求1的装置，其中所述的钳口中的每一个由一种材料构成，该材料具有的平均X射线透射特性小于平均百分之一。

4.权利要求1的装置，其中所述的第一辐射阻挡装置绕所述中心轴从-180度到+180度可旋转。

5.权利要求1的装置，其中所述的第二辐射阻挡装置绕所述中心轴从-180度到+180度可旋转。

6.权利要求1的装置，其中所述第二辐射阻挡装置的每个钳口包括：

多个可独立控制的以跨越所述中心轴移动的元件。

7.权利要求6的装置，其中所述多个元件中的每一个包括一个舌榫和凹槽的部分用于与所述多个元件中的另一个啮合。

8.权利要求1的装置，其中所述辐射束是X射线束。

9.权利要求1的装置，其中所述辐射束是电子束。

10.权利要求1的装置，其中所述辐射束有X射线和电子两者的混合形式。

11.一种辐射治疗系统，该系统包括：

一种辐射束产生装置，沿着一个中心轴引导一种辐射束；和

一种准直器组件含有第一和第二辐射阻挡装置，

所述第一辐射阻挡装置可以绕所述中心轴旋转并具有适合于跨越所述中心轴移动的第一和第二钳口；

所述第二辐射阻挡装置位于所述第一辐射阻挡装置之下，可以绕所述中心轴旋转并具有适合于跨越所述中心轴移动的第三和第四钳口；

操作控制台，该控制台控制辐射治疗系统；和

海量存储装置，该装置存储数据或者由辐射治疗系统使用的应用程序，

其中，所述第一和第二辐射阻挡装置可以绕所述中心轴独立旋转，有选择性地对所述的辐射束成形。

12.权利要求11的辐射治疗系统，其中所述的第二辐射阻挡装置位于所述辐射束产生装置和处理台之间。

13.权利要求12的辐射治疗系统，进一步包括：

一种控制装置，该装置连接到所述多个元件中的每一个上，独立地对所述跨越所述中心轴的多个元件中的每一个进行定位。

14.一种辐射治疗系统，该系统包括：

海量存储装置，该装置储存数据或者由辐射治疗系统使用的应用程序以及定义所要处理的计划的辐射处理数据；

辐射束产生装置，该装置沿一个中心轴朝处理区发送一种辐射束；

第一辐射阻挡装置，该装置绕所述中心轴旋转并具有第一和第二钳口，可以由第一钳口驱动器跨越所述中心轴地移动该第一和第二钳口；和

第二辐射阻挡装置，该装置位于所述第一辐射阻挡装置和所述处理区之间并具有第三钳口和第四钳口，该第三钳口和第四钳口包括多个可由第二钳口驱动器控制以跨越所述中心轴移动的元件，所述第二辐射阻挡装置独立于第一辐射阻挡装置绕所述中心轴旋转；

其中按照所述辐射处理数据，绕所述中心轴旋转第一和第二辐射阻挡装置以成形所述中心辐射束。

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