TWI503104B

TWI503104B - 聚焦裝置，聚焦的方法及放射線治療裝置

Info

Publication number: TWI503104B
Application number: TW098124979A
Authority: TW
Inventors: Yeu Kuang Hwu; Chi Jen Liu; Tsung Nan Lo
Original assignee: Yeu Kuang Hwu
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2015-10-11
Also published as: TW201103502A

Description

聚焦裝置，聚焦的方法及放射線治療裝置

本發明係有關於一種聚焦元件，且特別有關於一種具有複數個波帶片之聚焦元件，此波帶片陣列排列於一平面上。

目前醫學上用來治療腫瘤的方法，主要有手術切除、放射線治療以及化學藥物治療，前兩者偏重於腫瘤局部的控制，後者則是全身性的治療。所謂的放射線治療係指當利用高能量的放射線來治療癌症或其他疾病時，就稱為“放射線治療“，俗稱X光治療。

然而由於傳統放射治療的準確度不足，破壞了附近的正常組織，故利用此方法一直為人所詬病，相較於傳統的放射治療，在目前醫學上，發展出一種新的放射線治療，有效提高治療區域的精確度，其以X光攝影機輔助顯影定位腫瘤位置，利用不同放射線入射角度將射線集中在腫瘤位置，此可降低正常組織的傷害，此種治療方式稱為螺旋放射治療(Tomotherapy)。

在上述放射線治療方式上，腫瘤附近的正常組織勢必亦受到相當的放射線劑量而產生一些副作用。若縮小放射線光源面積以局部治療腫瘤並避免周圍正常組織受到傷害，則由於光源尺寸的限制，必須以多次掃描才能使腫瘤能完全被治療，此會增加治療的步驟及變數。

目前有研究指出利用微光束放射治療(microbeam radiation therapy，MRT)來進行癌症治療，其係利用極薄(25到90微米)之陣列式平面X射線束治療腫瘤，利用此種陣列式射源照射腫瘤，能有效控制惡性腫瘤，並有效降低了周圍正常組織的傷害，此種效應稱為微光束效應(microbeam effect)(H. Blattmann et al.,Nucl. Instru. Meth. Phys. Res. A 548(2005)30-37;F. Avraham Dilmanian et al.,PNAS 103(2006)9709-9714)。相較於傳統的放射線治療，微光束放射治療可提升10-20倍的能量以增加毒殺癌細胞的效果，且放射線所傷害的正常細胞可被修復，利用此種方式治療腫瘤可避免周圍正常組織之傷害，亦可大幅降低治療的步驟及變數。

然而目前所從事的相關研究皆為使用陣列式平面X射線束，若要再更進一步提高治療效率，發展點陣式微光束乃為必要之趨勢，目前並無方法或設備可同時產生陣列式微光束焦點，因此亟需一種可同時聚集高能光束及產生複數個微光束焦點之聚焦元件。

本發明係提供一種聚焦元件，包括複數個矩陣排列之波帶片。

本發明另提供一種聚焦的方法，包括提供一光束；提供本發明之聚焦裝置；使該光束通過該聚焦裝置，通過後之光束可被聚集成複數個焦點。

本發明更提供一種放射線治療裝置，包括一或複數個光源，以提供一或複數個光束，以及本發明之聚焦裝置，其中該光源置於該聚焦裝置之上，使該光束通過該聚焦元件，以形成複數個焦點。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：

在本發明一實施樣態中，本發明係提供一種聚焦裝置，包括複數個陣列排列之聚焦元件，其中該聚焦元件具有高深寬比。

本發明中所述之聚焦元件包括任何可將光束或放射線(如，X光、中子束、電子束或離子束等)聚集成一焦點的元件，並無特別限制。本發明之聚焦元件包括波帶片或電子透鏡等。在一實施例中，此聚焦元件可為一波帶片，較佳為菲涅耳波帶片。在另一實施例中，此聚焦元件可為一電子透鏡。在另一實施例中，此聚焦裝置同時具有複數個不同種類的聚焦元件。

在本發明聚焦裝置之一實施例中，本發明之聚焦裝置上具有複數個聚焦元件，聚焦元件以陣列的方式排列於聚焦裝置上。在聚焦裝置的上方具有一面光源或點光源，此光源可發射出光束(放射線)。光束的種類包括，但不限於，X光、中子束、電子束或離子束。光束的能量可為5keV以上，並無特別限制。光束在通過聚焦裝置的聚焦元件後，被會聚集於一點(焦點)上。

因本發明之聚焦裝置具有複數個聚焦元件，因此可同時於一平面上產生複數個焦點，各焦點的距離可為約100μm。

本發明聚焦元件的製備方法並無特別限制，一般可結合電子束微影、X光微影、電沉積等方法製備。聚焦裝置的材料也無特別限制，一般常使用微金、鎢或鎳等。

此外，本發明另提供一種聚焦的方法，包括提供一光束，以及本發明之聚焦裝置，當光束通過本發明之聚焦裝置後，通過後之光束可被聚集成複數個焦點，且焦點的面積可為約0.1μm² 至1mm² 之間，例如1-10μm² 等。

在本發明另一實施樣態中，本發明更提供一種放射線治療裝置，包括一或複數個光源，以提供一或複數個光束，以及本發明之聚焦裝置，其中此光源置於聚焦裝置之上，使光束可通過本發明之聚焦元件，以形成複數個焦點。

應注意的是，為了清楚描述本發明之特徵，本發明之放射線治療裝置僅揭示本發明之必要技術特徵，在實際應用時，此技藝人士可依不同的需求增加或修改本發明之放射線治療裝置。

一般的放射線治療係利用高能量的放射線來殺死體內癌細胞，並防止癌細胞繼續生長與分裂。然而，在傳統放射線治療時，癌細胞附近的正常組織勢必會受到相當的放射線劑量，因此常會使病患產生不良的副作用。對此，本發明係提供一種放射線治療裝置，可同時增加治療面積及治療效果。

本發明之放射線治療裝置，包括一或複數個光源，以提供一或複數個光束。此光源係可產生高劑量的游離輻射線來殺傷癌細胞，一般常用，X光、中子束、電子束、伽傌射線或離子束等，無特別限制。在實際應用時，應針對不同病患、癌症種類、腫瘤大小及腫瘤位置來選用適當的光源。同樣地，光束的能量大小也必須根據不同病患、癌症種類、腫瘤大小及腫瘤位置改變，一般為10keV以上，較佳為30-60keV以上，甚至100-150keV以上。

此光源位於於本發明聚焦元件之上，當光源發射出光束時，使光束通本發明之聚焦元件，以形成複數個焦點。焦點的大小(面積及體積)可藉由控制聚焦元件的深寬比或其他參數來改變，因此，此技術領域人士可依據癌症種類、腫瘤大小及腫瘤位置選用適合的焦點大小。一般來說，若用於治療癌症，焦點的面積可為約0.1μm² 以至1mm² ，例如1-10μm² 等。焦點的焦距可為大於1mm，例如約10mm至3m。

由上述可知，當高能量的放射線通過本發明之聚焦裝置後，放射線可被聚焦成複數個焦點，各焦點的距離為約為約100至300μm。在此情況下，可達到旁觀者效應及微光束效應。

在旁觀者效應中，癌細胞周圍的正常細胞可將自由基及毒殺因子藉由細胞間的通道釋放至癌細胞中，已加速癌細胞的死亡。

在微光束效應中，放射線的能量可聚集提升10-20倍以增加毒殺癌細胞的效果，且未被放射線照射的正常細胞可修復因放射線受損的正常細胞(癌細胞無法被修復)。

因此，藉由上述二效應，本發明之放射線治療裝置可減化傳統放射治療的步驟、增加治療效果，以及減少對正常細胞的傷害。

此外，由上述可知，其焦距可為約10mm至3m，較佳為大於1mm，因此可輕易地穿過皮膚、肌肉、脂肪或血液等，到達病患體內癌細胞(或腫瘤)存在的位置。

本發明中所述之癌細胞或腫瘤包含任何可藉放射線治療之癌症或腫瘤，通常為固體腫瘤，如乳腺癌、結腸癌、卵巢癌、橫紋肌肉瘤、黑色素瘤、神經細胞瘤或肉瘤等，並不限於此。

由於本發明之聚焦裝置同時具有複數個波帶片，因此可同時於一面積範圍中產生複數個焦點，進而可同時達到擴大治療範圍、增加治療效果，以及減少對正常細胞的傷害的優點。

【實施例】

在此實施例中，本發明以波帶片，較佳為菲涅耳波帶片為例進行說明。但事實上，任何可將光線或放射線聚集之聚焦元件皆在本發明之範疇之中，並不限於波帶片。

參照第1圖，菲涅耳波帶片由交替的同心環構成，用於調整光束波前，以在焦點產生建設性干涉，因此可將光束(microbeaam)聚焦。第1圖中的白色區域為金屬結構，兩金屬結構間之黑色區域為空隙，且其線寬由內往外遞減。

本發明之聚焦裝置中，包括複數個高深寬比之波帶片，且該些波帶片矩陣排列於一平面。

本發明聚焦元件的大小(面積)及波帶片的數量，可依照不同的應用而改變，並無特別的限制。波帶片的數目至少為2個以上，且可依照聚焦元件的大小而增加，例如，4至10000個以上，並無特別限制。

應注意的是，由於本發明之聚焦裝置可具有複數個波帶片。波帶片具有高深寬比，可有效地將光束聚集於一點(焦點)，焦點的面積可為約0.1μm² 以至1mm² ，較佳為1-10μm² 之間。

第2圖為本發明聚焦裝置20之一實施例。參照第2a圖，本發明之聚焦元件23上具有複數個波帶片231，波帶片231以陣列的方式排列於聚焦元件23上。在聚焦裝置23的上方具有一光源21(大面積光源)，此光源21可發射出光束(放射線)25。光束25的種類包括，但不限於，X光、中子束、電子束或離子束。光束25的能量可為5keV以上，較佳為30-60keV，並無特別限制。光束25在通過聚焦元件23的波帶片231後，被會聚集於一點(焦點)27上。

第2b圖為聚焦元件之剖面圖，其顯示單一波帶片的聚焦情況。參照第2b圖，光源21發射出光束25，當光束25通過波帶片231之同心環結構後，產生建設性干涉，並聚集於一點27。

因本發明之聚焦裝置23具有複數個波帶片231，因此可同時於一平面上產生複數個焦點27，各焦點27的距離可為約100μm至300μm。

本發明波帶片的製備方法並無特別限制，一般可利用電子束微影、X光微影及電沉積等方法。波帶片的材料也無特別限制，一般常使用金、鎢或鎳等。

在一實施例中，本發明可利用電子束在PMMA系列光阻上定義圖形，以形成網狀的光阻結構，接著對曝光後的光阻進行顯影，清洗顯影過後所形成的光阻圖案，之後進行電沉積以形成一波帶片。參照附件1、掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，此為高深寬比之波帶片，厚度為1μm。

在另一實施例中，本發明可先以上述方法形成一波帶片後，以X光微影定義出複數個波帶片圖案，並電沉積形成複數個陣列排列之波帶片，如附件2、掃描式電子顯微鏡(SEM)圖所示。

在另一實施例中，本發明提供一聚焦裝置，參數如表一所示，其波帶片的寬度為6μm，最外圍之線寬為400nm，且深寬比為15時，當X光通過此波帶片後，可獲得面積為1μm² 的焦點，X光被聚集於1μm² ×50mm的體積中，如第3圖所示。

在另一實施例中，聚焦元件的上方可具有複數個點光源。參照第4圖，聚焦元件23的上方具有複數個點光源21’，每一個點光源21’對準一個波帶片231。點光源21’彼此間可為相同或不同之光源。例如，可皆為X光光源，或同時具有X光及中子束光源。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

20‧‧‧本發明聚焦裝置

21‧‧‧光源；

21’‧‧‧點光源

23‧‧‧聚焦元件

231‧‧‧波帶片

25‧‧‧光束(放射線)

27‧‧‧焦點

第1圖顯示一菲涅耳波帶片，其由交替的同心環構成。

第2a圖顯示本發明聚焦裝置之一實施例。

第2b圖顯示第2a圖聚焦裝置之剖面圖示意圖。

第3圖顯示光束透過波帶片後所獲得之焦點體積。

第4圖顯示本發明聚焦元件之另一實施例。

20．．．本發明聚焦裝置

21．．．光源

23．．．聚焦元件

231．．．波帶片

25．．．光束

27．．．焦點

Claims

一種聚焦裝置，包括複數個陣列排列之聚焦元件，每一該聚焦元件包括複數個具有同樣深寬比的波帶片，該些波帶片彼此之間具有間隙並以陣列的方式排列於該些聚焦元件上，每一該聚焦元件係將一光束聚集成一焦點，其中該各焦點之間相隔約100至300μm。
如申請專利範圍第1項所述之聚焦裝置，其中該光束包括X光、中子束、電子束或離子束。
如申請專利範圍第1項所述之聚焦裝置，其中該複數個聚焦元件陣列地排列於一平面上。
如申請專利範圍第1項所述之聚焦裝置，其中該波帶片為菲涅耳波帶片。
如申請專利範圍第1項所述之聚焦裝置，其中該波帶片的材料包括金、鎢或鎳。
一種聚焦的方法，包括：提供一光束；提供如申請專利範圍第1項所述之聚焦裝置，以及使該光束通過該聚焦裝置，通過後之光束可被聚集成複數個焦點，其中該各焦點之間相隔約100至300μm。
如申請專利範圍第6項所述之聚焦的方法，其中該焦點的面積為0.1μm² 以至1mm² 之間。
如申請專利範圍第6項所述之聚焦的方法，其中該焦點的焦距為10mm至3m。
如申請專利範圍第6項所述之聚焦的方法，其中該光束包括X光、中子束、電子束或離子束。
如申請專利範圍第6項所述之聚焦的方法，其中該光束的能量為5keV以上。
一種放射線治療裝置，包括：一或複數個光源，以提供一或複數個光束，以及一如申請專利範圍第1項所述之聚焦裝置，其中該光源置於該聚焦裝置之上，使該光束通過該聚焦元件，以形成複數個焦點，其中該各焦點之間相隔約100至300μm。
如申請專利範圍第11項所述之放射線治療裝置，其中該焦點的面積為0.1μm² 以至1mm² 之間。
如申請專利範圍第11項所述之放射線治療裝置，其中該光源包括面光源或點光源。
如申請專利範圍第11項所述之放射線治療裝置，其中該光束包括X光、中子束、電子束或離子束。
如申請專利範圍第11項所述之放射線治療裝置，其中該光束的能量大於5keV。
如申請專利範圍第16項所述之放射線治療裝置，其中該些焦點照射至一腫瘤區域上。
如申請專利範圍第16項所述之放射線治療裝置，其中該腫瘤為固體腫瘤。
如申請專利範圍第16項所述之放射線治療裝置，其中該腫瘤包括乳腺癌、結腸癌、卵巢癌、橫紋肌肉瘤、黑色素瘤、神經細胞瘤或肉瘤。