TWI818633B - 包含具有可回縮蓋之檯架的粒子治療系統 - Google Patents

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Abstract

一種實例粒子治療系統包含具有一中心軸線之一環形形狀檯架。該環形形狀檯架具有一蓋。該蓋包含一或多個區段，該一或多個區段可至少部分地圍繞該環形形狀檯架之該中心軸線旋轉以在該環形形狀檯架中形成一無障礙開口。該粒子治療系統包含：一病床，其經組態以相對於該環形形狀檯架中之一孔移動；一成像系統，其耦合至該環形形狀檯架之一內部且經組態用於圍繞該環形形狀檯架中之該孔旋轉，其中該成像系統經組態以擷取該病床上之一患者之影像；及一噴嘴，其耦合至該環形形狀檯架之該內部且經組態用於圍繞該環形形狀檯架中之該孔旋轉。該噴嘴經組態以基於該等影像中之一或多者將輻射遞送至該患者體內之一標靶。

Description

包含具有可回縮蓋之檯架的粒子治療系統
本說明書闡述粒子治療系統及供在其中使用之檯架之實例，該等檯架包含具有可回縮蓋之檯架。
粒子治療系統使用一粒子加速器來產生一粒子射束以用於醫療諸如腫瘤等病痛。粒子治療系統可使用一檯架來引導粒子射束朝向一患者。在某些實例中，一檯架包含在醫療期間支撐一輻射遞送設備之一裝置。
一種實例粒子治療系統包含具有一中心軸線之一環形形狀檯架。該環形形狀檯架具有一蓋。該蓋包含一或多個區段，該一或多個區段可至少部分地圍繞該環形形狀檯架之該中心軸線旋轉以在該環形形狀檯架中形成一無障礙開口。該粒子治療系統包含：一病床，其經組態以相對於該環形形狀檯架中之一孔移動；一成像系統，其耦合至該環形形狀檯架之一內部且經組態用於圍繞該環形形狀檯架中之該孔旋轉，其中該成像系統經組態以擷取該病床上之一患者之影像；及一噴嘴，其耦合至該環形形狀檯架之該內部且經組態用於圍繞該環形形狀檯架中之該孔旋轉。該噴嘴經組態以基於該等影像中之一或多者將輻射遞送至該患者體內之一標靶。 該實例粒子治療系統可單獨地或以組合形式包含以下特徵中之一或多者。
該噴嘴可經由一射束導管連接至經組態以輸出該輻射之一遠端粒子加速器。該遠端粒子加速器可與該環形形狀檯架位於同一室中但不安裝至該環形形狀檯架。該射束導管可包含磁性件，該磁性件經組態且經配置以將一粒子射束自該粒子加速器之一輸出引導至該噴嘴。
該實例粒子治療系統可包含一臂，該病床安裝至該臂。該臂可包含一第一區段、一第二區段及第三區段。該第一區段可以可旋轉方式耦合至該第二區段，且該第二區段可以可旋轉方式耦合至該第三區段。該病床可位於該第三區段上。該臂可經控制以在該蓋被回縮時將該病床移動至該無障礙開口中使得該病床位於一頂點場位置中。該噴嘴可經控制以引導輻射朝向位於一頂點場位置中之該病床上該患者之一頭部之一頂部。
在另一實例中，該粒子治療系統可包含一臂，該病床安裝至該臂。該臂可包含以可旋轉方式連接之至少兩個區段。該臂可係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該噴嘴可將輻射引導至位於一頂點場位置中之該患者(例如，該患者之頭部之頂部)。該臂可係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該病床位於該孔及該無障礙開口兩者內。該臂可係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該病床自該孔之一內部延伸至該無障礙開口中。該臂可係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該病床沿著該環形形狀檯架之一半徑延伸至少部分路程。該臂可係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該噴嘴可將輻射引導至該患者之一頭部之一頂部。
該成像系統可經組態以擷取該患者之三維(3D)影像。該粒子治療系統可包含一控制系統，該控制系統用以處理該等影像且基於該等 影像控制該輻射向該患者之輸出。該控制系統可經組態以亦基於針對該患者之一醫療計劃控制該輻射之遞送。該無障礙開口可包含該環形形狀檯架之一象限。
另一實例粒子治療系統包含具有一蓋之一環形形狀檯架。該蓋包含一或多個區段，該一或多個區段可至少部分地圍繞該環形形狀檯架之一中心軸線旋轉或可以其他方式移動以在該環形形狀檯架中形成一無障礙開口。該粒子治療系統亦包含：一噴嘴，其用以將輻射遞送至一患者；一病床，其係可控的以相對於該環形形狀檯架移動，其中該病床係用於支撐該患者；及一控制系統，其用以控制該病床向該無障礙開口中之移動，使得該患者位於一頂點場位置中且使得該噴嘴可將輻射引導至位於該頂點場位置中之該患者。該粒子治療系統可單獨地或以組合形式包含以下特徵中之一或多者。
該病床可安裝至一可移動臂。該臂可包含一第一區段、一第二區段及第三區段。該第一區段可以可旋轉方式耦合至該第二區段，且該第二區段可以可旋轉方式耦合至該第三區段。該病床可連接至該第三區段。該噴嘴可經由一射束導管連接至經組態以輸出該輻射之一遠端粒子加速器。該射束導管可包含磁性件，該磁性件經組態且經配置以將一粒子射束自該粒子加速器之一輸出引導至該噴嘴。該粒子加速器可係一同步迴旋加速器。該同步迴旋加速器可包含一主動返回系統。該主動返回系統可包含導電線圈，該等導電線圈在與該同步迴旋加速器中之主超導線圈相反之一方向上傳導電流。該等導電線圈可包含超導線圈。該遠端粒子加速器可與該環形形狀檯架位於同一室中但不安裝至該環形形狀檯架。
該粒子治療系統可包含安裝至該環形形狀檯架之一成像系 統。該成像系統可經組態以擷取該患者之影像。該控制系統可經組態以基於該等影像控制該輻射之輸出。該等影像可包含3D影像。該成像系統可經組態以在醫療之前擷取該患者之影像。該成像系統可經組態以在醫療期間擷取該患者之影像。
本說明書中(包含本發明內容部分中)所闡述之特徵中之任何兩者或更多者可經組合以形成本說明書中未經具體闡述之實施方案。
可經由一電腦程式產品來實施對本文中所闡述之各種系統或其部分之控制，該電腦程式產品包含儲存在一或多個非暫時性機器可讀儲存媒體上且可在一或多個處理裝置(例如，微處理器、特殊應用積體電路、諸如場可程式化閘陣列等程式化邏輯或者諸如此類)上執行之指令。本文中所闡述之系統或其部分可被實施為一裝備、方法或者可包含一或多個處理裝置及儲存可執行指令以實施對所陳述功能之控制之電腦記憶體的電子系統。本文中所闡述之裝置、系統及/或組件可例如經由設計、構造、配置、放置、程式化、操作、啟動、解除啟動及/或控制來進行組態。
在附圖及以下說明中陳述了一或多項實施方案之細節。依據說明及圖式且依據申請專利範圍，其他特徵及優點將變得顯而易見。
10:粒子治療系統
12:區段
12a:區段
12b:區段
12c:區段
14:環形形狀檯架/檯架
16:蓋
18:分段或區段
19:醫療位置
20:中心軸線
21:醫療位置
23:背側
25:壁
26:圓形軌道或環/軌道或環
27:內部表面
42:結構
51:醫療床/床
53:孔
54:機器人臂/臂
55:第一區段
56:第二區段
57:第三區段
60:鐵磁磁軛/磁軛
61:鐵磁磁軛/磁軛
64:腔
65:粒子源
72:二維(2D)及/或三維(3D)成像裝置/成像裝置或系統
78:噴嘴
84:無障礙開口或內部/開口
92:控制器/控制系統
95:組件
97:超導磁體
98:超導線圈
99:超導線圈
100:半徑
圖1係展示包含本文中所闡述之類型之一實例環形形狀檯架的一實例粒子治療系統之一透視圖之一圖式。
圖2係展示包含實例環形形狀檯架的圖1中所展示之粒子治療系統之一透視圖之一圖式，其中該實例環形形狀檯架之蓋之一部分被回縮以產生 一無障礙開口。
圖3係展示圖1及圖2中所展示之實例環形形狀檯架中之組件之一部分透明透視圖的一圖式。
圖4係一實例能量降級器之一透視圖。
圖5係可與粒子治療系統一起使用之一粒子加速器中之組件之一剖開側視圖。
不同圖中之相似元件符號指示相似元件。
本文中闡述包含一粒子加速器及一環形形狀檯架之實例粒子治療系統。該環形形狀檯架包含可回縮或可以其他方式打開以實現各種不同患者醫療及成像位置之一蓋。該實例粒子治療系統包含可係但不限於一同步迴旋加速器之一粒子加速器。該環形形狀檯架可經組態以遞送自該粒子加速器輸出之一帶電粒子射束(諸如質子或離子)來醫療腫瘤或一患者體內之其他疾病。
該環形形狀檯架包含一蓋，該蓋之至少一部分可至少部分地圍繞該環形形狀檯架之一中心軸線旋轉。該蓋在一或多個方向之旋轉在該環形形狀檯架中形成一無障礙開口。在一實例中，該蓋係由若干區段構成。該蓋之一第一區段可圍繞該環形形狀檯架旋轉以與該蓋之一第二區段部分地或完全地重合，藉此暴露該環形形狀檯架之內部且形成該無障礙開口。該粒子治療系統亦包含一醫療床，該醫療床經組態以在該無障礙開口內移動以定位一患者以便接收頂點場輻射治療。在此方面，頂點場包含覆蓋一患者之頭部之頂部且因此使得能夠將醫療遞送至一患者之頭部之頂部之一輻射場。該醫療床亦經組態以在該環形形狀檯架中及圍繞該環形形狀 檯架移動以定位一患者以便接收共面場輻射治療。在此方面，共面輻射治療包含可能自不同角度將一粒子射束施加至一輻照標靶之同一平面或層。
該環形形狀檯架亦包含一或多個成像系統，該一或多個成像系統經組態且可控制以擷取一患者之影像。舉例而言，該環形形狀檯架可使得能夠進行三維(3D)成像且使用所產生影像來使用分次醫療進行適應性輻射治療。在此方面，分次法包含將輻射劑量劃分成若干分率且在不同時間將該等劑量分率施加至同一醫療區域。
圖1展示前述段落中所闡述之類型之一粒子治療系統10之一實施方案之組件。粒子治療系統10包含一粒子加速器(未展示)，本文中闡述該粒子加速器之實例。粒子加速器可係具有產生3特斯拉(T)或更大之一最大磁場強度之一超導電磁結構之一同步迴旋加速器。一導管(未展示)將來自粒子加速器之粒子射束遞送至安裝至檯架14之一輻射輸出裝置，諸如本文中所闡述之噴嘴。可使用之導管之實例闡述於標題為「Gantry For A Particle Therapy System」之美國臨時申請案第63/151,281號中，該臨時申請案以引用方式併入本文中。更具體而言，可使用之導管之實例包含但不限於美國臨時申請案第63/151,281號中所闡述之射束線結構(展示於圖1、圖2、圖3、圖4、圖6、圖9、圖10中)及其變體。
檯架14具有基於一環形形狀之一形狀。一環形包含由一閉合平面曲線圍繞與該閉合平面曲線位於同一平面中之一線旋轉而產生之表面形成之一甜甜圈形狀。舉例而言，一環形可由以下或類似方程式組以參數方式定義：x(u,v)=(cos u)(a cos(v)+c) (1)
y(u,v)=(sin u)(a cos(v)+c) (2)
z(u,v)=a sin v (3)
針對中心在一原點處之一圓環，一對稱旋轉軸係圍繞一z軸，自一孔之中心至一圓環管或開口之一中心之一半徑係c，且該管或開口之半徑係a。在此實例中，檯架14具有一大體環形形狀，如圖1中所展示，但不必嚴格符合一環形之數學定義。
如圖1中所展示，檯架14包含本文中稱為蓋16之一外殼體。蓋16界定檯架14之一表面。蓋16實現一封圍架構，其中檯架14封圍其內部內之一體積。蓋16亦可界定自檯架14之一前面一直延伸至檯架14之一背側23之一孔53，該背側在圖中不可見但延伸至且穿過壁25。
蓋16可係電磁屏蔽式的。屏蔽有效性(亦即，蓋16反射、吸收或抑制電磁輻射之程度)受蓋16包含之材料之物理性質影響。在某些實施方案中，蓋16包含金屬，諸如高導磁率剛或不銹鋼。在某些實施方案中，蓋16包含銅、黃銅、鎳、銀、錫、鉛、硼酸聚乙烯或者此等材料中之兩者或更多者之一組合。
蓋16可係多扇區的，因為蓋16可包含一或多個分段或區段18。區段18可係可獨立移動的，例如可圍繞一中心軸線20旋轉，如本文中所闡述。在某些實施方案中，蓋16可包含四個區段18(其包含區段12、12a、12b、12c)，如圖1中所展示。在某些實施方案中，蓋16可包含較多或較少區段，例如，兩個、三個、五個、六個、七個、八個、九個、十個、十六個或三十二個或者更多個區段。區段18可圍繞蓋16對稱或不對稱地配置。舉例而言，個別區段可具有相同大小及形狀(如所展示)或不同大小及形狀。
亦參考圖2及圖3，可藉由回縮或以其他方式移動區段18中 之一或多者而進入檯架14之一無障礙開口或內部84。舉例而言，圖1中以一閉合組態展示區段12。區段12可經組態且可控制以移動至圖2及圖3中所展示之一打開組態，其中，在此實例中，區段12係在區段12b下方移動。因此，區段12可移動回至一閉合組態。
在此方面，檯架14可在其內部84上包含導軌或軌道(未展示)，或者在其外部上包含導軌或軌道(未展示)。舉例而言，導軌或軌道可位於區段18中之一或多者或者每一者之內側表面上。在某些實施方案中，導軌或軌道可位於壁25上或並非係檯架之一部分之另一結構上。通常，導軌或軌道經組態且經配置使得在一區段被移動時(例如，如圖2中所展示)，導軌或軌道不會阻礙病床向先前由彼區段封圍之一區域中之移動。
在一實例中，區段12可經組態且可控制以圍繞中心軸線20在一順時針方向或一逆時針方向上沿著壁25上或者一毗鄰區段12b或12c上之導軌或軌道滑動。在一特定實例中，區段12b可在其內側表面或其外側表面上包含導軌或軌道，區段12連接至該等導軌或軌道且區段12係可控的以沿著該等導軌或軌道移動。在此移動期間及/或之後，區段12可部分地或完全地在毗鄰區段12b上方或下方移動以在檯架中形成無障礙開口84，如圖2及圖3中所展示。在某些實施方案中，檯架14可在其內部上包含鉸鏈(未展示)或在其外部上(例如，在蓋16上)包含鉸鏈(未展示)。鉸鏈可使得區段12能夠翻動打開或閉合而非如所展示滑動。
區段18中之一或多者(例如，全部)可係電腦控制或可由控制器92控制來打開、閉合、滑動或者以其他方式回縮或移動以形成一無障礙開口，諸如圖2中所展示之無障礙開口84。如所述，一個別區段可在一 毗鄰區段上方或下方旋轉部分路程或全路程。為此，檯架14可包含一或多個馬達來以本文中所闡述之方式移動且控制不同區段18。在某些實施方案中，蓋16之不同區段18可同時或幾乎同時移動，使得檯架之內部84藉由移動兩個或更多個區段18而暴露。在此方面，在某些實施方案中，多個毗鄰區段可移動以形成一較大開口，或者相對配置的區段可移動以形成兩個無障礙開口。舉例而言，可形成兩個無障礙開口：藉由移動區段12而形成一個無障礙開口，標記為84，如圖2及圖3中所展示；及藉由在區段12b或12c上方或下方移動區段12a(在圖中展示為閉合)而形成一個無障礙開口(未展示)。在某些實施方案中，三個區段可移動以打開檯架之270°。舉例而言，區段12、12a及12b可全部在區段12c上方或下方移動。在其中存在多於四個區段之實施方案中，使用此類移動，可暴露檯架內部之多於270°。在其中存在少於四個扇區之實施方案中，使用此類移動，可暴露檯架內部之少於270°。
區段18中之一或多者(例如，全部)可係手動控制或可控的以打開、閉合、滑動或者以其他方式回縮或移動以形成一無障礙開口，諸如圖2中所展示之無障礙開口84。舉例而言，個別區段可被鎖定且手動解鎖以進行移動。在某些實施方案中，檯架14可包含夾子、緊固件或一類似耦合機構以使區段18彼此附接或附接至另一結構。在此類實施方案中，區段18可被手動鬆開、解開或以其他方式解耦合且自檯架14移除以產生無障礙開口84。任一經移除區段或多個經移除區段18可在此後被夾住、緊固或以其他方式手動耦合回一起以封圍開口84。
在某些實施方案中，一或多個機器人臂可經組態且可電腦控制以使一或多個區段18鬆開、解開或以其他方式解耦合或者自檯架14 移動以產生無障礙開口84。該一或多個機器人臂可經組態且可控制以重新附接各區段。
在某些實施方案中，檯架14之內部容納輻射遞送設備及一或多個成像裝置或系統兩者，如圖3中所展示。檯架14之內部表面27可由一透明材料(諸如塑膠或強化玻璃)製成，該透明材料准許輻射及可見光透射以使得能夠使用各種模態進行輻射遞送及成像兩者。檯架14之內部表面27可係打開的，不具有任何覆蓋材料。
在某些實施方案中，成像裝置或系統72中之一或多者可安裝至壁25上之一圓形軌道(未展示)或環且可係可控的以圍繞中心軸線20旋轉。在某些實施方案中，成像裝置或系統72中之一或多者可安裝至檯架14之內部上之一圓形軌道或環26且可係可控的以圍繞中心軸線20旋轉。在某些實施方案中，圓形軌道或環係固定的且成像裝置圍繞其旋轉，並且在某些實施方案中，圓形軌道或環係可旋轉的且成像裝置在圓形軌道或環上固定並隨著圓形軌道或環一起旋轉。在某些實施方案中，圓形軌道或環旋轉且成像裝置亦圍繞圓形軌道或環旋轉。在任一情形中，軌道或環之一部分可係可連同每一區段一起回縮。舉例而言，若區段12如圖2及圖3中所展示回縮，則區段12中所含之軌道部分亦回縮以便不會堵塞開口84，如本文中所闡述。舉例而言，該軌道部分可在一毗鄰區段12b下方回縮。
可在醫療之前及/或期間執行成像以識別患者體內之一標靶位置且控制檯架14之操作及掃描以便將一粒子射束引導至患者體內之輻照標靶。在此方面，影像導引輻射治療(IGRT)包含在輻射醫療期間使用成像來提高醫療遞送之精確性及準確度。IGRT可用於醫療身體移動區域(諸如肺部)中之腫瘤。本文中所闡述之環形檯架使得能夠進行IGRT以及其他 成像技術。
一實例成像裝置72可包含但不限於一或多個電腦斷層掃描攝影(CT)系統、一或多個扇形射束CT系統、一或多個放射攝影系統，及諸如此類。成像裝置72可經組態及控制以回應於來自一控制系統(諸如控制器92)之命令而圍繞檯架14旋轉至少部分路程。各種二維(2D)及/或三維(3D)成像裝置72亦可安裝於軌道或環26上且可隨著其一起旋轉。在某些實施方案中，成像裝置72可安裝至環形形狀檯架14內之不同內部圓周軌道或環上。舉例而言，一第一成像裝置可係可以一第一半徑圍繞一圓周軌道旋轉且一第二成像裝置可係可以不同於該第一半徑之一第二半徑圍繞一不同圓周軌道旋轉。在某些實施方案中，檯架14可包含一或多個可旋轉內環，以安裝一成像裝置72或成像系統以進行旋轉。
在某些實施方案中，成像裝置72可包含安裝至檯架14之內部之兩個2D成像裝置。舉例而言，兩個正交2D成像平面可用於2D影像導引輻射治療(IGRT)且可經旋轉以用於包含同時獲取之雙能量成像之錐形射束電腦斷層掃描攝影系統(CBCT)獲取。成像裝置亦可或替代地包含用於CBCT獲取或一扇形射束診斷品質電腦斷層掃描攝影(CT)裝置之一X射線源及一影像面板。替代地，該兩個平面中之一者可包含一CBCT且該兩個平面中之另一者可包含扇形射束診斷品質CT。
在某些實施方案中，一或多個輻射輸出裝置可安裝至檯架14之內部。一輻射輸出裝置(諸如噴嘴78(圖3))位於一輻射源或遞送導管(未展示)之出口處。在圖3之實例中，噴嘴78經組態且可控制以沿著檯架14移動以便圍繞中心軸線20(圖1)且因此圍繞患者旋轉。噴嘴78接收粒子射束，且在某些實施方案中，調節粒子射束以供輸出至醫療位置19或21 處之一輻照標靶，諸如一患者體內之一腫瘤。
在此方面，噴嘴78可包含一或多個掃描磁體以使粒子射束移動跨越一射束場。在某些實例中，射束場係針對檯架14上之一給定角位置，粒子射束可移動跨越平行於一患者之醫療區域之一平面之最大範圍。在某些實施方案中，掃描磁體可容納於射束導管中，如美國臨時申請案第63/151,281號中所闡述，該臨時申請案以引用方式併入本文中。
噴嘴78亦可包含自掃描磁體接收一掃描或移動粒子射束之一能量降級器。能量降級器可在掃描磁體與醫療位置19、21處之輻照標靶之間安裝至檯架14(經由噴嘴78)。能量降級器經組態且可控制以在粒子射束到達輻照標靶之前改變粒子射束之一能量。舉例而言，能量降級器可包含可移入或移出粒子射束之一路徑之板。舉例而言，能量降級器可包含至少部分地重疊且可在粒子射束之一路徑內移動之楔形物。一實例楔形物係由兩個三角形面及三個梯形面界定之一多面體。在任一組態中，可變量之材料可移動至粒子射束之路徑中。該材料自粒子射束吸收能量，從而導致能量減少之射束輸出。粒子射束之路徑中之材料越多，粒子射束將具有之能量便越少。在某些實施方案中，能量吸收結構可移動跨越射束場之全部或僅跨越射束場之一部分。
參考圖4，在一實例中，能量降級器係一範圍調變器，其係可控的以將結構42移入及移出粒子射束之路徑來改變粒子射束之能量，且因此改變粒子射束之劑量將沈積在輻照標靶中之深度。此類結構之實例包含但不限於能量吸收板；諸如楔形物之多面體、四面體或環形多面體；以及彎曲之三維形狀，諸如圓柱體、球體或圓錐體。以此方式，能量降級器可致使粒子射束在一輻照標靶之內部中沈積輻射劑量，以醫療標靶之層 或柱。就此而言，當質子移動穿過組織時，質子使組織之原子離子化並沿著其路徑沈積一劑量。因此，能量降級器經組態以使粒子射束在笛卡爾Z維度上移動穿過標靶，藉此使得能夠在三個維度上進行掃描。在某些實施方案中，能量降級器可經組態以在粒子射束之移動期間進行移動，且在移動期間追蹤或尾隨粒子射束。追蹤或尾隨粒子射束移動之一實例能量降級器闡述於標題為「High-Speed Energy Switching」之美國專利第10,675,487(Zwart)中。美國專利第10,675,487號之內容(尤其與追蹤或尾隨粒子射束移動之能量降級器相關之內容(例如，美國專利第10,675,487號之圖36至圖46以及伴隨說明))以引用方式併入本文中。
布拉格峰係布拉格曲線上之一顯著峰，該曲線標繪了離子化輻射在其行進穿過組織期間之能量損失。布拉格峰表示大多數質子沈積在組織內之深度。對於質子而言，布拉格峰正好出現在粒子靜止下來之前。因此，可改變粒子射束之能量，以改變其布拉格峰之位置，且因此改變大部分質子劑量將沈積在組織中深處之位置。就此而言，在某些實施方案中，粒子加速器係一固定能量粒子加速器。在一固定能量粒子加速器中，粒子射束總是以相同或約相同之能量(例如，與一預期或標靶能量之一偏差在5%以內或更小)射出粒子加速器。在一固定能量粒子加速器中，能量降級器係用於使施加至患者體內之一輻照標靶之射束之能量變化之主要運載工具。在某些實施方案中，本文中所闡述之粒子加速器經組態以在約100MeV與約300MeV之間(例如，在115MeV與250MeV之間)的一範圍內之單一能量下或者在兩種或更多種能量下輸出粒子射束。固定能量輸出可在彼範圍內(例如，250MeV)，或者在某些實例中高於或低於彼範圍。
在某些實施方案中，粒子加速器係一個雙能量加速器。在一個雙能量粒子加速器中，粒子射束在兩種不同能階(一高能階及一低能階)中之一者下射出粒子加速器。術語「高」及「低」不具有具體數值含義，而是意欲傳達相對量值。在某些實施方案中，本文中所闡述之粒子加速器經組態以在約100MeV與約300MeV之間的一範圍內之兩種能量下輸出粒子射束。高能量輸出及低能量輸出可係彼範圍內或者在某些實例中高於或低於彼範圍之值。本文中所闡述之能量降級器可與雙能量粒子加速器搭配使用，以便將粒子射束之能量降低至兩個能階中之一者以下及/或精細地調整該兩個能階。
噴嘴78亦可包含相對於輻照標靶位於能量降級器下游(亦即，更接近於標靶)之一準直器。在一實例中，一準直器係可控制以允許某些輻射傳送至一患者並阻擋某些輻射傳送至該患者之一結構。通常，通過之輻射被引導至待醫療之一輻照標靶，而被阻擋之輻射會以其他方式擊中並潛在地損壞健康組織。在操作中，準直器被放置在能量降級器與輻照標靶之間的輻射路徑中，且經控制以產生一適當大小及形狀之一開口，從而允許某些輻射穿過該開口到達輻照標靶，而該結構之一剩餘部分阻擋某些輻射到達毗鄰組織。可使用之一可組態準直器之一實例闡述於標題為「Adaptive Aperture」之美國專利公開案第2017/0128746(Zwart)號中。美國專利公開案第2017/0128746號之內容(尤其與自適應孔隙之說明相關之內容(例如，美國專利公開案第2017/0128746號之圖1至圖7以及伴隨說明))以引用方式併入本文中。
關於成像裝置72，在某些實施方案中，噴嘴78可安裝於一圓形軌道或環26上或耦合至該圓形軌道或環且可在內部84內隨著該圓形 軌道或環一起旋轉。在某些實施方案中，成像裝置72及噴嘴78可安裝至同一圓形軌道或環，例如，安裝至彼圓形軌道或環之不同側。在某些實施方案中，噴嘴78可與成像裝置72安裝至一不同圓形軌道或環。如上文，圓形軌道或環可係固定的且噴嘴可圍繞其旋轉，並且在某些實施方案中，圓形軌道或環可係可旋轉的且噴嘴可在圓形軌道或環上固定並隨著圓形軌道或環一起旋轉。在某些實施方案中，圓形軌道或環旋轉且噴嘴亦圍繞圓形軌道或環旋轉。在任一情形中，軌道或環之一部分可係可連同每一區段一起回縮，如先前所解釋。舉例而言，若區段12如圖2及圖3中所展示回縮，則區段12中所含之軌道或環部分亦回縮以便不會堵塞開口84，如本文中所闡述。舉例而言，該環或軌道部分可在一毗鄰區段12b下方回縮。因此，噴嘴及成像裝置亦可移動遠離開口84。
在某些實施方案中，噴嘴78可不圍繞檯架14旋轉。而是，噴嘴78可保持固定，藉此提供固定在一個方向上之一粒子射束。此稱作一固定射束系統。在諸如此等之實施方案中，一醫療床51或固持患者之其他座椅在醫療期間相對於固定射束移動。在本文中所闡述之系統中，粒子射束之位置可設定為環形形狀檯架14上之一角位置，此後除了跨越輻照標靶之掃描移動，射束保持固定。醫療床51或其他座椅在醫療期間移動以相對於標靶定位粒子射束。在某些實施方案中，醫療可使用環形形狀檯架14移動與醫療床51(或其他座椅)移動之一組合來實施。舉例而言，可使成像裝置72或噴嘴78定位且可使射束暫時固定，在此時間期間，醫療床51移動以實施醫療。在此之後，可重新定位噴嘴以將射束暫時固定在一新位置處。可在新位置處透過床51移動而實施醫療。可如經起草以供與粒子治療系統一起使用之一醫療計劃所定義而重複此等操作。
檯架14可包含用於使成像裝置72及/或噴嘴78相對於一醫療位置移動之一或多個馬達(未展示)。舉例而言，馬達可使成像裝置72及/或噴嘴78沿著檯架14上之一軌道或環移動以使成像裝置72及/或噴嘴78相對於醫療位置19或醫療位置21旋轉。在某些實施方案中，藉由檯架14實現之旋轉允許成像裝置72及/或噴嘴78相對於醫療位置19或醫療位置21定位成任一角度。舉例而言，成像裝置72及/或噴嘴78可旋轉360°，且如此，成像裝置72及/或噴嘴78可定位成0°、90°、270°或此等旋轉位置之間的任一角度。
如圖1至圖3中所展示，粒子治療系統10包含醫療床51。醫療床51經組態以相對於位於檯架14中或穿過該檯架之孔53移動。醫療床51可安裝於如下文所闡述之一機器人臂54上，使得醫療床51可將患者移動至一醫療位置中。
在一實例醫療位置19中，一患者躺在醫療床51上且連同該病床一起部分或完全地行進至位於檯架14中或穿過該檯架之孔53中。噴嘴78經組態以如本文中所闡述且根據一醫療計劃圍繞檯架14移動以定位噴嘴78以進行醫療。噴嘴78將來自粒子加速器之一粒子射束遞送至患者體內之一輻照標靶。在一實例中，醫療可包含共面場輻射治療。舉例而言，可將粒子射束自噴嘴78朝向輻照標靶遞送以自一或多個角度醫療一輻照標靶中之一平面或層。
類似地，在醫療之前、期間或之後，成像裝置72可在醫療位置中擷取患者之影像。可由成像裝置72在醫療之前及/或期間執行成像以識別患者體內之一標靶位置且控制檯架14之操作及掃描以便將一粒子射束引導至患者體內之輻照標靶。如此，成像裝置72可移動或保持固定或者 沿著檯架14之內部內之軌道或環行進。
參考圖2及圖3，醫療床51亦經組態以相對於無障礙開口84移動、移動至該無障礙開口中及移動穿過該無障礙開口。在此實例中，區段12或者一或多個區段18之另一組合可自一閉合組態移動至一打開組態，如先前所解釋。醫療床51係可控的以移動至此無障礙開口84、移動穿過此無障礙開口及移動至此無障礙開口中。舉例而言，臂54係可控的以將病床移動至無障礙開口中且噴嘴78係可控的以圍繞檯架14移動以便將輻射引導至位於一頂點場位置中之患者。舉例而言，臂54係可控的以將病床移動至無障礙開口中，使得病床位於孔53及無障礙開口84兩者內，如圖2及圖3中所展示。舉例而言，臂54係可控的以將病床移動至無障礙開口中，使得病床自孔53之一內部延伸至無障礙開口84中，如圖2及圖3中所展示。舉例而言，臂54係可控的以將病床移動至無障礙開口84中，使得病床沿著環形形狀檯架14之一半徑100延伸至少部分路程。舉例而言，臂54係可控的以將病床移動至無障礙開口84中，使得噴嘴可將輻射引導至患者之頭部之一頂部(例如，頂點位置)。噴嘴78經組態以根據一醫療計劃連續地、週期性地移動或在檯架內之一位置處停止以定位噴嘴以便以一適當角度醫療患者。如所述，彼角度可用以將輻射朝向一患者之頭部之頂部遞送。彼角度可用以將輻射遞送至在患者至少部分地位於無障礙開口內時可進入的患者體內之任一標靶。舉例而言，可將輻射遞送至患者之肩部之頂部或在不移動至無障礙開口中之情況下不可進入的患者之頭部之其他部分。
如所述，醫療床51可安裝至一機器人臂54。臂54可由控制器92控制。臂54包含一第一區段55、一第二區段56及第三區段57。第一 區段55以可旋轉方式耦合至第二區段56且第二區段56以可旋轉方式耦合至第三區段57。醫療床51耦合至第三區段57，如圖中所展示。臂54係可控的以將醫療床51移入並穿過孔53，以定位躺在用於該床上之一患者以進行醫療；亦即，將患者移動至醫療位置中。類似地，臂54係可控的以將醫療床51移入並穿過環形形狀檯架14之孔53及無障礙開口84，以定位躺在該床上之一患者以進行醫療；亦即，將患者移動至醫療位置21中。在某些實施方案中，臂54可在兩個自由度上、在三個自由度上、在四個自由度上、在五個自由度上或在六個自由度上定位患者。兩個自由度之一實例係前後移動及左右移動；三個自由度之一實例係前後移動、左右移動及上下移動；四個自由度之一實例係前後移動、左右移動、上下移動以及縱傾移動、側傾移動或側滾移動中之一者；五個自由度之一實例係前後移動、左右移動、上下移動以及縱傾移動、側傾移動或側滾移動中之兩者；並且六個自由度之一實例係前後移動、左右移動、上下移動、縱傾移動、側傾移動及側滾移動。在某些實施方案中，醫療床可被至少部分地傾斜之一床或一椅替換，該床或該椅中之任一者皆可以兩個、三個、四個、五個或六個自由度進行控制以定位患者進行醫療。在某些實施方案中，臂54可具有與圖1中所展示的不同之一組態。舉例而言，臂54可具有兩個區段或多於三個區段。液壓件、機器人或兩者可控制或實施醫療床之非平面移動。
粒子治療系統10可係一經強度調變質子治療(IMPT)系統。IMPT系統使得能夠對可具有一可變能量及/或強度之受限制質子射束進行空間控制。IMPT利用帶電粒子布拉格峰(如所述，粒子之遞送範圍之端處之劑量特性峰)結合筆形射束變數之調變來建立標靶局部劑量調變，以達成一預定義醫療計劃中所陳述之目標。IMPT可涉及以不同角度且以不同 強度將粒子射束朝向輻照標靶引導以醫療標靶。在某些實施方案中，粒子射束可跨越輻照標靶之層進行掃描(例如，移動)，其中自相同或不同角度一或多次對每一層進行治療。可使用一射束導管中之掃描磁體來執行跨越輻照標靶之移動以實施掃描。
如本文中所闡述，一實例質子治療系統使一質子射束在三個維度上跨越一輻照標靶而進行掃描，以便破壞惡性組織。圖5展示可用於在質子治療系統中提供一粒子(例如，一質子)射束之一實例超導同步迴旋加速器之組件95之一剖面。在此實例中，組件95包含一超導磁體97。超導磁體包含超導線圈98及99。超導線圈由多個整合導體形成，該等整合導體中之每一者包含纏繞在一中心股線上之超導股線，例如四股線或六股線，該中心股線本身可係超導或非超導的。超導線圈98、99中之每一者用於傳導產生一磁場(B)之一電流。磁軛60、61或更小磁極片在粒子被加速之一腔64中對彼磁場進行整形。在一實例中，一低溫恒溫器(未展示)使用液氦(He)來將每一線圈傳導地冷卻至超導溫度，例如，大約4克耳文度(K)。
在某些實施方案中，粒子加速器包含一粒子源65，諸如一潘寧(Penning)離子計(PIG)源，以將一離子化電漿柱提供給腔64。氫氣或者氫氣與一稀有氣體之一組合經離子化以產生電漿柱。一電壓源將一變化之射頻(RF)電壓提供給腔64，以使腔內來自電漿柱之粒子加速。如所述，在一實例中，粒子加速器係一同步迴旋加速器。因此，當在加速腔內加速粒子時，RF電壓跨越一頻率範圍進行掃掠以計及對粒子之相對論效應，諸如增加粒子質量。RF電壓驅動含納於腔內之一D形極板，且具有在加速週期期間降頻掃掠之一頻率，以計及質子之相對論質量增加及磁場減小。 一虛設D形極板充當D形極板之一接地參考。藉由使電流運行通過超導線圈所產生之磁場與掃掠RF電壓一起致使來自電漿柱之粒子在腔內沿軌道加速，並隨著一匝數增加而增加能量。
腔中之磁場經整形以致使粒子在腔內沿軌道移動。實例同步迴旋加速器採用旋轉角度均勻且強度隨半徑增加而下降之一磁場。在某些實施方案中，由超導(主)線圈產生之最大磁場在腔之一中心處可在3特斯拉(T)至20T之範圍內，該磁場隨半徑增加而下降。舉例而言，超導線圈可用於產生處於或超過以下量值中之一或多者之磁場：3.0T、3.1T、3.2T、3.3T、3.4T、3.5T、3.6T、3.7T、3.8T、3.9T、4.0T、4.1T、4.2T、4.3T、4.4T、4.5T、4.6T、4.7T、4.8T、4.9T、5.0T、5.1T、5.2T、5.3T、5.4T、5.5T、5.6T、5.7T、5.8T、5.9T、6.0T、6.1T、6.2T、6.3T、6.4T、6.5T、6.6T、6.7T、6.8T、6.9T、7.0T、7.1T、7.2T、7.3T、7.4T、7.5T、7.6T、7.7T、7.8T、7.9T、8.0T、8.1T、8.2T、8.3T、8.4T、8.5T、8.6T、8.7T、8.8T、8.9T、9.0T、9.1T、9.2T、9.3T、9.4T、9.5T、9.6T、9.7T、9.8T、9.9T、10.0T、10.1T、10.2T、10.3T、10.4T、10.5T、10.6T、10.7T、10.8T、10.9T、11.0T、11.1T、11.2T、11.3T、11.4T、11.5T、11.6T、11.7T、11.8T、11.9T、12.0T、12.1T、12.2T、12.3T、12.4T、12.5T、12.6T、12.7T、12.8T、12.9T、13.0T、13.1T、13.2T、13.3T、13.4T、13.5T、13.6T、13.7T、13.8T、13.9T、14.0T、14.1T、14.2T、14.3T、14.4T、14.5T、14.6T、14.7T、14.8T、14.9T、15.0T、15.1T、15.2T、15.3T、15.4T、15.5T、15.6T、15.7T、15.8T、15.9T、16.0T、16.1T、16.2T、16.3T、16.4T、16.5T、16.6T、16.7T、16.8T、16.9T、17.0T、17.1T、17.2T、17.3T、 17.4T、17.5T、17.6T、17.7T、17.8T、17.9T、18.0T、18.1T、18.2T、18.3T、18.4T、18.5T、18.6T、18.7T、18.8T、18.9T、19.0T、19.1T、19.2T、19.3T、19.4T、19.5T、19.6T、19.7T、19.8T、19.9T、20.0T、20.1T、20.2T、20.3T、20.4T、20.5T、20.6T、20.7T、20.8T、20.9T或更大。此外，超導線圈可用於產生在3T至20T之範圍之外或者在3T至20T範圍內但本文中未具體列出之磁場。
在某些實施方案(諸如圖5中所展示之實施方案)中，相對大之鐵磁磁軛60、61充當由超導線圈產生之雜散磁場之磁返回。在某些系統中，一磁屏蔽件(未展示)環繞軛。返回軛與屏蔽件一起用於減少雜散磁場，藉此減少雜散磁場對粒子加速器之操作產生不利影響之可能性。
在某些實施方案中，返回軛及屏蔽件可被一主動返回系統替換或擴增。一實例主動返回系統包含在與通過主超導線圈之電流相反之一方向上傳導電流的一或多個主動返回線圈。在某些實例實施方案中，對於每一超導主線圈，存在一主動返回線圈，例如，兩個主動返回線圈，每一主超導線圈一個。每一主動返回線圈亦可係同心地環繞一對應主超導線圈外部之一超導線圈。藉由使用一主動返回系統，相對大之鐵磁磁軛60、61可用更小且更輕之磁極片替換。因此，可在不犧牲效能的情況下進一步減小同步迴旋加速器之大小及重量。可使用之一主動返回系統之一實例闡述於標題為「Active Return System」之美國專利第8,791,656(Zwart)號中。美國專利第8,791,656號之內容(尤其與返回線圈組態相關之內容(例如，美國專利第8,791,656號之圖2、圖4及圖5以及伴隨說明))以引用方式併入本文中。
可用於本文中之粒子治療系統之一粒子加速器之另一實例 闡述於標題為「Ultra-Light Magnetically Shielded High-Current,Compact Cyclotron」之美國專利第8,975,836(Bromberg)號中。美國專利第8,975,836號之內容(尤其與美國專利第8,975,836號之圖4、圖17及圖18中之「迴旋加速器11」或「無鐵迴旋加速器11」相關之內容以及伴隨說明)以引用方式併入本文中。
在某些實施方案中，本文中所闡述之質子治療系統中所使用之同步迴旋加速器可係一可變能量同步迴旋加速器。在某些實施方案中，一可變能量同步迴旋加速器經組態以藉由使粒子射束在其中被加速之磁場變化來使輸出粒子射束之能量變化。舉例而言，可將電流設定為多個值中之任一者來產生一對應磁場。舉例而言，可將電流設定為兩個值中之一者來產生先前所闡述之雙能量粒子加速器。在一實例實施方案中，一組或多組超導線圈接收可變電流，以在腔中產生一可變磁場。在某些實例中，一組線圈接收一固定電流，而一組或多組其他線圈接收一可變電流，使得線圈組所接收之總電流變化。在某些實施方案中，所有組線圈皆係超導的。在某些實施方案中，某些組線圈(諸如用於固定電流之一組線圈)係超導的，而其他組線圈(諸如用於可變電流之一組或多組線圈)係非超導(例如，銅)線圈。
一般而言，在一可變能量同步迴旋加速器中，磁場之量值可隨電流之量值而按比例縮放。在一預定範圍中調整線圈之總電流可產生在一對應預定範圍中變化之一磁場。在某些實例中，電流之一連續調整可導致磁場之一連續變化以及輸出射束能量之一連續變化。另一選擇係，當以一不連續逐步方式調整施加至線圈之電流時，磁場及輸出射束能量亦相應地以一不連續(逐步)方式變化。逐步調整可產生先前所闡述之雙能量。 在某些實施方案中，每一步長係在10MeV與80MeV之間。磁場按電流之縮放可允許相對精確地實行束能量之變化，因此減少對一能量降級器之需要。可用於本文中所闡述之粒子治療系統之一可變能量同步迴旋加速器之一實例闡述於標題為「Particle Accelerator That Produces Charged Particles Having Variable Energies」之美國專利第9,730,308號中。美國專利第9,730,308號之內容(尤其使得一同步迴旋加速器能夠在可變能量下操作之內容(包含美國專利第9,730,308號之第5列至第7列中及圖13所闡述之內容以及其伴隨說明))以引用方式併入本文中。
在使用一可變能量同步迴旋加速器之粒子治療系統之實施方案中，藉由改變由同步迴旋加速器輸出之粒子射束之能量，可根據醫療計劃來執行控制粒子射束之能量來醫療輻照標靶之一部分。在此類實施方案中，可使用或可不使用一範圍調變器。舉例而言，控制粒子射束之能量可包含將同步迴旋加速器主線圈中之電流設定為多個值中之一者，每一值對應於粒子射束自同步迴旋加速器輸出之一不同能量。一範圍調變器可連同一可變能量同步迴旋加速器一起使用，以例如在由同步迴旋加速器提供之離散能階之間提供額外能量改變。
本文中所闡述之粒子治療系統及其變化形式可用於將超高劑量率之輻射(所謂「FLASH」劑量率之輻射)施加至一患者體內之一輻照標靶。就此而言，輻射治療之實驗結果已展示，當在超高(FLASH)劑量率下遞送醫療劑量時，經受輻射之健康組織之狀況得到改良。在一實例中，當以小於500毫秒(ms)之脈衝遞送在10戈(Gy)至20戈之輻射劑量達到20戈每秒(Gy/S)至100戈每秒(Gy/S)之有效劑量率時，健康組織比在一更長時間尺度上用相同劑量輻照時經受更少損傷，而腫瘤以類似有效性得到醫 療。一種可解釋此「FLASH效應」之理論係基於以下事實，亦即組織之輻射損傷與組織中之氧供應成比例。在健康組織中，超高劑量率僅使氧自由基化一次，此與在一更長時間尺度內多次使氧自由基化之劑量施加相反。此可使用超高劑量率來導致健康組織之損傷更小。
在某些實例中，如上文所述，超高劑量率之輻射可包含在小於500ms之一持續時間內超過1戈每秒之輻射劑量。在某些實例中，超高劑量率之輻射可包含在10ms與5s之間的一持續時間內超過1戈每秒之輻射劑量。在某些實例中，超高劑量率之輻射可包含在小於5s之一持續時間內超過1戈每秒之輻射劑量。
在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在小於500ms之一持續時間內超過以下劑量中之一者之輻射劑量：2戈每秒、3戈每秒、4戈每秒、5戈每秒、6戈每秒、7戈每秒、8戈每秒、9戈每秒、10戈每秒、11戈每秒、12戈每秒、13戈每秒、14戈每秒、15戈每秒、16戈每秒、17戈每秒、18戈每秒、19戈每秒、20戈每秒、30戈每秒、40戈每秒、50戈每秒、60戈每秒、70戈每秒、80戈每秒、90戈每秒或100戈每秒。在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在10ms與5s之間的一持續時間內超過以下劑量中之一者之輻射劑量：2戈每秒、3戈每秒、4戈每秒、5戈每秒、6戈每秒、7戈每秒、8戈每秒、9戈每秒、10戈每秒、11戈每秒、12戈每秒、13戈每秒、14戈每秒、15戈每秒、16戈每秒、17戈每秒、18戈每秒、19戈每秒、20戈每秒、30戈每秒、40戈每秒、50戈每秒、60戈每秒、70戈每秒、80戈每秒、90戈每秒或100戈每秒。在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在小於5s之一持續時間內超過以下劑量中之一者之輻射劑量：2戈每秒、3戈每秒、4戈每秒、5戈每秒、6戈每秒、7戈每秒、8戈每秒、9 戈每秒、10戈每秒、11戈每秒、12戈每秒、13戈每秒、14戈每秒、15戈每秒、16戈每秒、17戈每秒、18戈每秒、19戈每秒、20戈每秒、30戈每秒、40戈每秒、50戈每秒、60戈每秒、70戈每秒、80戈每秒、90戈每秒或100戈每秒。
在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在小於500ms之一持續時間內、在10ms與5s之間的一持續時間內或者在小於5s之一持續時間內超過以下劑量中之一或多者之輻射劑量：100戈每秒、200戈每秒、300戈每秒、400戈每秒或500戈每秒。
在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在小於500ms之一持續時間內介於20戈每秒與100戈每秒之間的輻射劑量。在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在10ms與5s之間的一持續時間內介於20戈每秒與100戈每秒之間的輻射劑量。在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在小於5s之一持續時間內介於20戈每秒與100戈每秒之間的輻射劑量。在某些實例中，超高劑量率之輻射包含在諸如小於5s之一時間週期內介於40戈每秒與120戈每秒之間的輻射劑量。時間週期之其他實例係上文所提供之彼等實例。
在某些實施方案中，粒子治療系統可使用超高劑量率輻射(FLASH輻射劑量)來醫療標靶之三維柱。此等系統使用筆形射束掃描來縮放至標靶之超高劑量率遞送。在某些實例中，筆形射束掃描包含遞送可各自具有一唯一方向、能量及電荷之一系列小粒子輻射射束。藉由組合來自此等個別射束之劑量，可利用輻射來醫療一個三維標靶醫療體積。此外，系統不是以恆定能量將醫療組織至層中，而是將醫療組織至由一固定射束之方向界定之柱中。射束之方向可朝向標靶之表面。
在某些實施方案中，在粒子射束沿著另一路徑被引導穿過輻照標靶之前，對一柱之全部或部分進行醫療。在某些實施方案中，穿過標靶之一路徑係穿過標靶之全部或部分路程。在一實例中，粒子射束可沿著穿過一標靶之一路徑引導，且不偏離彼路徑。當沿著彼路徑被引導時，粒子射束之能量發生改變。粒子射束在其能量改變時不會移動，且因此，粒子射束醫療沿著粒子射束之一長度並沿著射束斑之一寬度延伸的標靶之一內部部分之全部或一部分。因此，醫療係沿著射束之一縱向方向在深度方向上進行的。舉例而言，所醫療之標靶之一部分可自標靶之表面處射束之一斑向下延伸穿過標靶之一內部之全部或一部分。結果係粒子射束使用超高劑量率之輻射來醫療標靶之一個三維柱狀部分。在某些實例中，粒子射束可能不再沿著同一三維柱狀部分被引導一次以上。
在某些實施方案中，一輻照標靶可被分裂成微體積。儘管可使用立方體微體積，但微體積可具有任何適當形狀，諸如三維棱正交的多胞形、規則彎曲之形狀或者無定形形狀。在此實例中，藉由以本文中所闡述之方式按柱遞送FLASH輻射來醫療每一微體積。舉例而言，可藉由使用能量降級板來改變射束能量或者藉由控制一可變能量同步迴旋加速器來改變射束能量，利用輻射來醫療一微體積之柱深度。在一個別微體積得到醫療之後，下一微體積被醫療，以此類推，直至整個輻照標靶得到醫療為止。可以任何適當次序或序列進行對微體積之醫療。
本文中所闡述之粒子治療系統可以標題為「Delivery Of Radiation By Column And Generating A Treatment Plan Therefor」之美國專利公開案第2020/0298025號中所闡述之方式按柱來遞送FLASH輻射，該美國公開案之內容(尤其與其圖2、圖11、圖12至圖19、圖33至圖 43B相關之內容及其伴隨說明)以引用方式併入本文中。
本文中所闡述之粒子治療系統可裝配在一LINAC拱頂內。LINAC拱頂可使用鉛或其他適當材料(諸如混凝土、硼化聚乙烯及/或鋼)來屏蔽。就此而言，由粒子加速器形成但未到達輻照標靶之粒子(諸如質子)透過產生高能量中子來形成二次輻射。在某些實施方案中，本文中所闡述之檯架經組態以即使在低能量下亦能傳輸超過70%之質子射束，該檯架包含使用位於射束線下游之一能量降級器之能量選擇。就此而言，在某些實施方案中，粒子射束處於加速器之最大能量及固定能量下，直至正好位於等中心之上游(環形之內徑處)為止，其中粒子射束被一動態範圍移位器降低能量。亦即，當粒子射束進入噴嘴時，粒子射束處於加速器之最大能量下。由於此系統架構之高射束遞送效率(例如，70%至100%)維持來自加速器之一低雜散輻射及能量調變，因此加速器可位於如圖8中所展示之醫療室拱頂內。
相比而言，某些粒子治療系統所採用之能量選擇系統導致高能量中子之顯著產生，且在較低能量下摒棄超過99%之質子射束。射束線效率可實現一「單一室」解決方案，該解決方案將粒子加速器、射束線及患者全部放在單一拱頂內部。在此拱頂內，粒子加速器可包含屏蔽件，但分別含納患者及粒子加速器的拱頂中之分隔隔間無需彼此屏蔽。換言之，在某些實施方案中，在粒子加速器及檯架之外部不存在將粒子加速器與患者分隔之屏蔽件。
在某些實施方案中，為了能夠在一現有拱頂中安裝一質子治療系統，拱頂能夠提供必要屏蔽件，可能需要添加彼屏蔽件。在一環形檯架不旋轉之情形中，可沿著射束平面在環形之局部添加屏蔽件。屏蔽件 可由諸如混凝土、硼化聚乙烯及鋼之典型屏蔽材料製成。
在某些實施方案中，除了一同步迴旋加速器之外的一粒子加速器可用於本文中所闡述之粒子治療系統中。舉例而言，一迴旋加速器、一同步加速器、一線性加速器或諸如此類可替代本文中所闡述之粒子治療系統中之同步迴旋加速器。
在某些實施方案中，檯架14係固定的。亦即，蓋及外殼體不相對於患者移動，而內部內容物確實移動，如本文中所闡述。在某些實施方案中，蓋及外殼體可相對於患者移動，例如以將區段定位於所要位置處。
使用經組態以執行一或多個電腦程式產品(例如，有形地體現在一或多個非暫時性機器可讀媒體中之一或多個電腦程式)之一控制系統或控制器92可至少部分地控制本文中所闡述之實例質子治療系統之操作及其所有或某些組件之操作，用於由一或多個資料處理裝備執行或控制其操作，該資料處理裝備例如係一可程式化處理器、一電腦、多個電腦及/或可程式化邏輯組件。
本說明書中所闡述之系統之全部或部分及其各種修改可至少部分地由一或多個電腦(諸如控制系統)使用有形地體現在一或多個資訊載體中(諸如一或多個非暫時性機器可讀儲存媒體中)之一或多個電腦程式來組態或控制。可以任何形式之程式設計語言(包含編譯語言或解譯語言)寫入一電腦程式，且可以任何形式部署該電腦程式，包含部署為一獨立式程式或部署為一模組、部分、子常式或適合在一運算環境中使用之其他單元。一電腦程式可經部署以在一個電腦上或在位於一個位點處或跨越多個位點分佈且由一網路互連之多個電腦執行。
與組態或控制本文中所闡述之系統相關聯之動作可由執行一或多個電腦程式之一或多個可程式化處理器執行，以控制或執行本文中所闡述之所有或某些操作。系統及程序之全部或部分可由諸如一FPGA(場可程式化閘陣列)及/或一ASIC(特殊應用積體電路)或者儀器硬體本端之嵌入式微處理器等專用邏輯電路系統組態或控制。
藉由實例方式，適合於執行一電腦程式之處理器包含通用微處理器及專用微處理器二者，以及任一種類之數位電腦之任何一或多個處理器。一般而言，一處理器將自一唯讀儲存區域或一隨機存取儲存區域或兩者接收指令及資料。一電腦之元件包含用於執行指令之一或多個處理器以及用於儲存指令及資料之一或多個儲存區域裝置。一般而言，一電腦亦將包含一或多個機器可讀儲存媒體，或者可操作地耦合至一或多個機器可讀儲存媒體，以自一或多個機器可讀儲存媒體接收資料，或者將資料傳送給一或多個機器可讀儲存媒體，或者進行兩者，該機器可讀儲存媒體諸如係用於儲存資料之大容量儲存裝置，諸如磁碟、磁光碟或光碟。適合於體現電腦程式指令及資料之非暫時性機器可讀儲存媒體包含所有形式之非揮發性儲存區域，藉由實例方式包含半導體儲存區域裝置，諸如EPROM(可抹除可程式化唯讀記憶體)、EEPROM(電可抹除可程式化唯讀記憶體)及快閃儲存區域裝置；磁碟，諸如內部硬碟或可抽換磁碟；磁光碟；以及CD-ROM(壓縮碟片唯讀記憶體)及DVD-ROM(數位通用碟片唯讀記憶體)。
所闡述之不同實施方案之元件可經組合以形成先前未具體陳述之其他實施方案。元件可自先前所闡述之系統省去，而不會對其操作或系統之總體操作產生不利影響。此外，各種單獨元件可組合成一或多個 個別元件，以執行本說明書中所闡述之功能。
本說明書中未具體闡述之其他實施方案亦在以下申請專利範圍之範疇內。
10:粒子治療系統
12:區段
14:環形形狀檯架/檯架
16:蓋
21:醫療位置
25:壁
26:圓形軌道或環/軌道或環
51:醫療床/床
53:孔
54:機器人臂/臂
55:第一區段
56:第二區段
57:第三區段
72:二維(2D)及/或三維(3D)成像裝置/成像裝置或系統
78:噴嘴
84:無障礙開口或內部/開口
92:控制器/控制系統
100:半徑

Claims (27)

  1. 一種粒子治療系統，其包括：一環形形狀檯架，其具有一中心軸線，該環形形狀檯架包括一蓋，該蓋包括一或多個區段，該一或多個區段可至少部分地圍繞該環形形狀檯架之該中心軸線旋轉以在該環形形狀檯架中形成一無障礙開口；一病床，其經組態以相對於該環形形狀檯架中之一孔移動；一成像系統，其耦合至該環形形狀檯架之一內部且經組態用於圍繞該環形形狀檯架中之該孔旋轉，該成像系統經組態以擷取該病床上之一患者之影像；及一噴嘴，其耦合至該環形形狀檯架之該內部且經組態用於圍繞該環形形狀檯架中之該孔旋轉，該噴嘴經組態以基於該等影像中之一或多者將輻射遞送至該患者體內之一標靶。
  2. 如請求項1之粒子治療系統，其中該噴嘴經由一射束導管連接至經組態以輸出該輻射之一遠端粒子加速器。
  3. 如請求項2之粒子治療系統，其中該遠端粒子加速器與該環形形狀檯架位於同一室中但不安裝至該環形形狀檯架。
  4. 如請求項2之粒子治療系統，其中該射束導管包括磁性件，該磁性件經組態且經配置以將一粒子射束自該粒子加速器之一輸出引導至該噴嘴。
  5. 如請求項1之粒子治療系統，其進一步包括：一臂，該病床安裝至該臂，該臂包括一第一區段、一第二區段及第三區段，該第一區段以可旋轉方式耦合至該第二區段，且該第二區段以可旋轉方式耦合至該第三區段，該病床連接至該第三區段。
  6. 如請求項5之粒子治療系統，其中該臂經控制以在該蓋被回縮時將該病床移動至該無障礙開口中使得該病床位於一頂點場位置中；且其中該噴嘴經控制以引導輻射朝向該病床上之該患者之一頭部之一頂部。
  7. 如請求項1之粒子治療系統，其進一步包括：一臂，該病床安裝至該臂，該臂包括以可旋轉方式連接之至少兩個區段。
  8. 如請求項7之粒子治療系統，其中該臂係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該噴嘴可將輻射引導至位於一頂點場位置中之該患者。
  9. 如請求項7之粒子治療系統，其中該臂係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該病床位於該孔及該無障礙開口兩者內。
  10. 如請求項7之粒子治療系統，其中該臂係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該病床自該孔之一內部延伸至該無障礙開口中。
  11. 如請求項7之粒子治療系統，其中該臂係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該病床沿著該環形形狀檯架之一半徑延伸至少部分路程。
  12. 如請求項7之粒子治療系統，其中該臂係可控的以將該病床移動至該無障礙開口中，使得該噴嘴可將輻射引導至該患者之一頭部之一頂部。
  13. 如請求項1之粒子治療系統，其中該成像系統經組態以擷取三維(3D)影像；且其中該粒子治療系統進一步包括：一控制系統，其用以處理該等影像且基於該等影像控制該輻射之輸出。
  14. 如請求項13之粒子治療系統，其中該控制系統經組態以亦基於針對該患者之一醫療計劃控制該輻射之遞送。
  15. 如請求項1之粒子治療系統，其中該無障礙開口包括該環形形狀檯架之一象限。
  16. 一種粒子治療系統，其包括：一環形形狀檯架，其包括一蓋，該蓋包括一或多個區段，該一或多個區段可至少部分地圍繞該環形形狀檯架之一中心軸線旋轉或可以其他方 式移動以在該環形形狀檯架中形成一無障礙開口；一噴嘴，其用以將輻射遞送至一患者；一病床，其係可控的以相對於該環形形狀檯架移動，該病床支撐該患者；及一控制系統，其用以控制該病床向該無障礙開口中之移動，使得該患者位於一頂點場位置中且使得該噴嘴可將輻射引導至位於該頂點場位置中之該患者。
  17. 如請求項16之粒子治療系統，其中該病床安裝至一可移動臂，該臂包括一第一區段、一第二區段及第三區段，該第一區段以可旋轉方式耦合至該第二區段，且該第二區段以可旋轉方式耦合至該第三區段，該病床連接至該第三區段。
  18. 如請求項16之粒子治療系統，其中該噴嘴經由一射束導管連接至經組態以輸出該輻射之一遠端粒子加速器。
  19. 如請求項18之粒子治療系統，其中該射束導管包括磁性件，該磁性件經組態且經配置以將一粒子射束自該粒子加速器之一輸出引導至該噴嘴。
  20. 如請求項18之粒子治療系統，其中該粒子加速器包括一同步迴旋加速器。
  21. 如請求項20之粒子治療系統，其中該同步迴旋加速器包括一主動返回系統，該主動返回系統包括導電線圈，該等導電線圈在與該同步迴旋加速器中之主超導線圈相反之一方向上傳導電流。
  22. 如請求項21之粒子治療系統，其中該等導電線圈包括超導線圈。
  23. 如請求項18之粒子治療系統，其中該遠端粒子加速器與該環形形狀檯架位於同一室中但不安裝至該環形形狀檯架。
  24. 如請求項16之粒子治療系統，其進一步包括：一成像系統，其安裝至該環形形狀檯架，該成像系統經組態以擷取該患者之影像；其中該控制系統經組態以基於該等影像控制該輻射之輸出。
  25. 如請求項24之粒子治療系統，其中該等影像包括三維(3D)影像。
  26. 如請求項24之粒子治療系統，其中該成像系統經組態以在醫療之前擷取該患者之影像。
  27. 如請求項24之粒子治療系統，其中該成像系統經組態以在醫療期間擷取該患者之影像。
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