專利名稱：緊湊型等中心機架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及質(zhì)子治療，更具地說，本發(fā)明涉及質(zhì)子治療中心中使用的緊湊型等中心機架(isocentric gantry)。
背景技術(shù)：
在美國，超過一半癌癥患者接受放射治療。放射治療是指借助離子輻射照射患者，更具體地說，照射患者的腫瘤。在特定質(zhì)子放射治療案例中，使用質(zhì)子束執(zhí)行放射。通過將放射劑量傳輸?shù)侥[瘤來破壞腫瘤。質(zhì)子治療是希望的放射治療方式，因為與標(biāo)準(zhǔn)X光放射治療相比，質(zhì)子治療可以加大對腫瘤的放射劑量，同時減少對腫瘤周圍健康組織的放射量?，F(xiàn)代放射治療的主要挑戰(zhàn)是既要通過加大劑量增強局部腫瘤控制，又要最小化對正常組織的放射劑量，從而改善患者的生存和生活品質(zhì)。放射物可能損害正常組織，因此會造成長期癌癥存活者產(chǎn)生短期和晚期腫瘤。三維適形(conformal)放射治療和強度調(diào)制放射治療實現(xiàn)的最新進(jìn)展包括減少短期放射誘發(fā)的并發(fā)癥，尤其是減少諸如腦、肺、腸之類的限劑量器官的并發(fā)癥。但是，仍然會出現(xiàn)嚴(yán)重的短期并發(fā)癥，這成為某些治療的限制因素。對于年輕患者來說，存在更多潛在的惡化風(fēng)險，可能在治療之后的幾年，甚至幾十年內(nèi)長期出現(xiàn)二次腫瘤。從長期來看，使用質(zhì)子替代X光治療可使患者明顯受益，這是因為長期和短期毒副作用極大減少。這種毒副作用要求在放療后繼續(xù)接受多年治療，從而產(chǎn)生大量治療費用。在質(zhì)子治療與X光治療的初級費用大體相當(dāng)?shù)那闆r下，使用質(zhì)子治療導(dǎo)致對醫(yī)療服務(wù)提供者的大的長期節(jié)省。質(zhì)子治療推廣應(yīng)用一個主要障礙是費用問題。質(zhì)子治療中心的主要費用很大，這歸因于超大型設(shè)備的成本以及在其中安裝該設(shè)備的強屏蔽拱頂(vault)的成本。但是，現(xiàn)在FDA核準(zhǔn)質(zhì)子系統(tǒng)中包括的技術(shù)始于大約20年前。它不反映研究人員針對研究實驗室中使用技術(shù)所做出的發(fā)展，尤其不反映對高溫超導(dǎo)體的使用。傳統(tǒng)質(zhì)子治療設(shè)施一般由粒子加速器、質(zhì)子束引導(dǎo)控制設(shè)備以及治療室構(gòu)成。在多個治療室共用加速的束的傳統(tǒng)質(zhì)子治療設(shè)施布局中，粒子加速器并非支配部件。當(dāng)俯視傳統(tǒng)四治療室設(shè)施時，很明顯能看出整個質(zhì)子束傳輸系統(tǒng)的最大部件是質(zhì)子束引導(dǎo)控制設(shè)備，下文稱為機架(gantry)。機架將質(zhì)子束傳送到治療室，使質(zhì)子束彎曲，直到垂直照射患者，然后繞著患者旋轉(zhuǎn)束。典型的機架由大型磁體、排空管、噴嘴和配重組成。所有部件安裝在大型鋼梁“鼠籠”上以便于質(zhì)子束繞患者旋轉(zhuǎn)。圖I是傳統(tǒng)治療室二維場地布局的一個實施例。機架10安裝在圖中頂部所示的房間內(nèi)。圖I示出機架尺寸在現(xiàn)有質(zhì)子治療設(shè)施的整體布局中占具主導(dǎo)地位。圖I所示的傳統(tǒng)質(zhì)子機架的近似重量約為120噸。如果從整個三維角度看去并考慮機架的直徑超過13米，這更加明顯。傳統(tǒng)等中心機架的直徑一般大于13米，最長可達(dá)15米。使得現(xiàn)有機架的尺寸如此龐大的另一原因是需要提供很長的噴嘴，長度一般超過3米，這樣能夠執(zhí)行被稱為點束掃描(也稱為鉛筆束掃描)的高級掃描技術(shù)，同時最小化在皮膚處的入射劑量。(即使不執(zhí)行掃描，也需要至少2. 3米長的噴嘴)。點束掃描技術(shù)在患者 體內(nèi)的特定深度處的靶區(qū)上傳播小直徑入射質(zhì)子束。噴嘴中安裝的電磁體在靶區(qū)上二維(X-Y)地掃描質(zhì)子束。此外，靶區(qū)內(nèi)每個三維點(像素)的束強度被變化以實現(xiàn)完全適形精確深度處的靶區(qū)的劑量分布。使用一系列減少的能量(能量疊加)重復(fù)此過程可執(zhí)行各種深度處的治療，從而治療具有任意形狀的整個腫瘤體積。在一個現(xiàn)有系統(tǒng)中，沿機架的最后的90度彎曲磁體的上游的一個方向執(zhí)行束掃描。盡管最后的機架雙極磁體(dipole)上游的束掃描能夠有效地減小治療噴嘴，但是它還是導(dǎo)致機架非常大且非常重，同時包括重量約為90噸的昂貴90度彎曲磁體。目前銷售的能夠執(zhí)行高級束掃描技術(shù)(例如，點掃描)的傳統(tǒng)機架的安裝成本在一千萬到一千五百萬美元之間，多數(shù)直徑超過40英尺。之前曾針對離子治療應(yīng)用，特別是針對碳離子治療提出過超導(dǎo)技術(shù)。但那時斷定低溫系統(tǒng)的復(fù)雜性及斜坡變化(ramping)超導(dǎo)磁體的困難令低溫高場磁體的應(yīng)用成為技術(shù)上的極度挑戰(zhàn)。海德爾堡(Heidelberg)設(shè)施中的碳離子機架設(shè)計選擇傳統(tǒng)室溫磁體，導(dǎo)致其龐大的630噸結(jié)構(gòu)并且高16米。保羅謝勒學(xué)會(Paul Scherrer Institute)開發(fā)出一種非傳統(tǒng)設(shè)計,其中X_Y束掃描在機架最后的90度彎曲磁體上游的一個方向執(zhí)行。但是，保羅謝勒學(xué)會的設(shè)計并非繞患者等中心，因此還需以同心圓旋轉(zhuǎn)患者，有時使患者離地2米高。無論如何，對基于傳統(tǒng)室溫雙極磁體的機架而言，最后的機架雙極磁體上游的束掃描能夠有效地將機架直徑從12米縮短為5米。不幸地，這又導(dǎo)致非常龐大、沉重(約90噸)且昂貴的90度彎曲磁體。最近針對離子治療設(shè)施提出了超導(dǎo)機架設(shè)計。機架設(shè)計基于固定場交變梯度(FFAG)磁體，此設(shè)計可減少機架總重量。但此類機架仍非常大。該機架的旋轉(zhuǎn)點到等中心距離長度為20米，并具有約為3. 2米的高度。此外，該機架需要機架系統(tǒng)磁元件數(shù)目大幅增加。因此，本領(lǐng)域需要開發(fā)能夠極大減小劑量傳輸機架尺寸并降低相關(guān)成本的新理念。本發(fā)明的目標(biāo)是將機架安裝成本降為當(dāng)前成本的約33%，將尺寸減小約50%以及將重量減少到原來的十分之一。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，一種等中心機架被配置為向患者提供粒子放射治療，所述機架包括設(shè)置在粒子束線中并被配置為改變所述粒子束線方向的多個雙極和四極電磁體，所述多個雙極和四極電磁體包括至少一個超導(dǎo)磁體；以及支撐框架，在尺寸和配置上適于支撐所述多個雙極和四極電磁體。在某些實施例中，所述至少一個超導(dǎo)磁體具有可變磁強度(magnetic strength)。在另一實施例中，所述至少一個超導(dǎo)磁體是可斜坡變化的(rampable)并且所述等中心機架具有在約+/-2%到+/-10%的范圍的動量接收度(acceptance)。 在一個實施例中，所述等中心機架進(jìn)一步包括設(shè)置在所述粒子束線中并被配置為提供所述粒子束線的消色差束光學(xué)部件(optics)的至少一個雙彎曲消色差器。在某些實施例中，所述至少一個雙彎曲消色差系統(tǒng)包括至少一個雙極磁體和至少一個四極磁體。
在某些實施例中，所述多個雙極和四極磁體包括至少一個環(huán)境溫度磁體。在一個實施例中，所述至少一個環(huán)境溫度磁體包括環(huán)境溫度四極磁體。在一個實施例中，所述等中心機架進(jìn)一步包括設(shè)置在所述粒子束線中的至少一個雙彎曲消色差系統(tǒng)和至少一個環(huán)境溫度磁體。在某些實施例中，所述至少一個超導(dǎo)磁體包括低溫超導(dǎo)材料。替代地，在另一實施例中，所述至少一個超導(dǎo)磁體包括高溫超導(dǎo)材料。在一個實施例中，所述多個雙極和四極磁體被配置為在不改變磁場強度或雙極磁體設(shè)置(dipole setting)的情況下,傳輸能量快速變化的粒子束線。在另一實施例中，所述等中心機架進(jìn)一步包括設(shè)置在粒子束線中被配置為幫助束掃描的掃描磁體。在一個實施例中，所述框架被配置為繞等中心旋轉(zhuǎn)。在某些實施例中，所述框架具有小于350立方米的工作體積(swept volume)。在其他實施例中，所述框架具有小于300立方米的工作體積。在某些實施例中，所述框架具有大于2. 2米的源到等中心距離。在另一實施例中，所述機架被配置為在等中心處聚焦I到10毫米均方根點尺寸范圍的所述粒子束線。在某些實施例中，所述多個雙極和四極電磁體進(jìn)一步包括被設(shè)置為具有約60度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第一雙彎曲消色差器，以及被設(shè)置為具有約150度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第二雙彎曲消色差器。在另一實施例中，所述多個雙極和四極電磁體進(jìn)一步包括被設(shè)置為具有約60度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第一雙彎曲消色差器、被設(shè)置為具有約60度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第二雙彎曲消色差器以及被設(shè)置為具有約90度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第三雙彎曲消色差器。在又一實施例中，所述多個雙極和四極磁體進(jìn)一步包括被配置為將所述粒子束線的方向改變約45度和90度之間的角的至少一個雙彎曲消色差器。還提供了使用等中心機架向患者提供粒子放射治療的方法。在一個實施例中，所述方法包括在所述等中心機架設(shè)置在第一位置時向患者提供粒子束放射。所述等中心機架可以包括設(shè)置在粒子束線中并被配置為改變粒子束線方向的多個雙極和四極電磁體，所述多個雙極和四極電磁體包括至少一個超導(dǎo)磁體，以及在尺寸和配置上適于支撐所述多個雙極和四極磁體的支撐框架。在某些實施例中，所述等中心機架包括多個雙彎曲消色差器。接下來，所述方法可以包括旋轉(zhuǎn)所述等中心機架的支撐框架以將所述等中心機架設(shè)置在第二位置。所述等中心機架的框架可以被配置為旋轉(zhuǎn)高至360度。在某些實施例中，所述方法包括旋轉(zhuǎn)具有小于300立方米工作體積的所述等中心機架的支撐框架，以將所述等中心機架設(shè)置在第二位置。所述方法可以進(jìn)一步包括在所述等中心機架被設(shè)置在第二位置時向患者提供粒子束放射。


圖I是傳統(tǒng)質(zhì)子治療中心的治療室場地布局。圖2a示出通過機架的磁體傳輸?shù)氖械南癫?。圖2b示出通過被設(shè)計為使用60度和90度雙彎曲消色差器(double bendachromats)的機架的束包線。圖3是一個緊湊型機架實施例中的束線部件的設(shè)置的側(cè)視圖。 圖4是緊湊型機架的一部中的部件的設(shè)置的示意圖。圖5是另一緊湊型機架實施例中的束線部件的設(shè)置的側(cè)視圖。圖6a包括緊湊型機架的端視圖、側(cè)視圖和等距視圖。圖6b包括另一緊湊型機架實施例的端視圖、側(cè)視圖和等距視圖。圖7a_7b是圖6b中的緊湊型機架的緊湊型機架組件的側(cè)視圖和端視圖。圖8a_8b是圖5和圖6a中的緊湊型機架的緊湊型機架組件的側(cè)視圖和端視圖。圖9是另一緊湊型機架實施例中的束線部件的設(shè)置的側(cè)視圖。
具體實施例方式已提出通過在束傳輸系統(tǒng)中使用超導(dǎo)磁體技術(shù)來降低質(zhì)子系統(tǒng)的主要成本的建議，如果以每次治療部分使用為基礎(chǔ)，這些質(zhì)子系統(tǒng)的造價完全可與高級X光系統(tǒng)競爭。本文中用于粒子治療的緊湊型等中心機架基于創(chuàng)新的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。在此描述的等中心機架系統(tǒng)可以包括多個超導(dǎo)磁體以減小機架組件的總尺寸和工作體積。所述超導(dǎo)磁體上的線圈繞組一般由超導(dǎo)材料電線或條帶制成。在操作中，磁體線圈必須冷卻到臨界溫度以下；所述臨界溫度是指超導(dǎo)材料從正常電阻狀態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)體的溫度?？梢允褂弥评淦鬟_(dá)到多數(shù)一般超導(dǎo)材料所需的約5開氏度。存在用于快斜坡超導(dǎo)扇形磁體(fast-ramp superconducting sector magnet)的兩個選項完全飽和鐵帶有低溫下的低溫超導(dǎo)體(LTS)，或帶有高溫下的高溫超導(dǎo)體(HTS)。NbTi (LTS導(dǎo)體)允許在最大范圍的雙極磁體工程解決方案，但是工作溫度范圍最小。高溫下的HTS允許在不增加電力的情況下使用具有更大制冷能力的制冷器。機架設(shè)計的一個新穎方面是使用消色差超導(dǎo)多功能磁體系統(tǒng)。消色差是指一種機架磁體的設(shè)置方式，使得系統(tǒng)的束光學(xué)部件是消色差的。消色差系統(tǒng)被設(shè)計為補償束中散布的有限能量所導(dǎo)致的發(fā)散，用于粒子治療的實際離子束當(dāng)中總是有這種發(fā)散?，F(xiàn)代點束掃描技術(shù)要求束精確傳輸，以用于到患者的精確、可復(fù)制的劑量傳輸。但是，當(dāng)帶有稍微不同能量的帶電粒子穿過同一磁場時，會產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)。圖2a示出通過機架磁體的射傳輸中的像差。當(dāng)帶有不同能量的粒子沿不同軌跡傳輸時，它們具有不同的聚焦位置。這種情況下，束點的不同部分在患者體內(nèi)可能具有不同的穿透范圍，這樣可能導(dǎo)致劑量傳輸精確度(此精確度是帶電粒子束的主要優(yōu)點)的損失。此效應(yīng)類似于光學(xué)系統(tǒng)中的像差。機架束傳輸系統(tǒng)的消色差特性消除了等中心處的束能量和束位置以及角度之間的關(guān)聯(lián)。磁體機架系統(tǒng)的此類光學(xué)特性可使用雙彎曲消色差器(DBA)產(chǎn)生，使得通過機架磁體的束傳輸更穩(wěn)定并且對傳入射束的微小能量變化更不敏感。(請參閱 M. Pavlovic、L. Cincura、E. Griesmayer 和 T. Schreiner 所著的“A study of dispersioneffects in transport of ion-therapy beams，，發(fā)表于 Journal of Electr, Eng ,第 58卷(1),33-38 (2007))。圖2b示出通過基于兩個DBA磁體系統(tǒng)的等中心機架的束的水平平面和垂直平面中的束傳輸包線(束尺寸)。垂直軸20表示束尺寸，水平軸22表示沿機架的位置。方塊24表示雙極磁體的位置和孔，而方塊26表示四極磁體的位置和孔。跡線202指示沿束路徑的水平束尺寸，其中動量分散(momentum spread)為0. 1%,而跡線是204根據(jù)±3%的動量分散計算出的跡線。這證明出可通過在等中心機架中使用DBA磁體系統(tǒng)實現(xiàn)的大動量接收度。如附圖所示，各種磁體系統(tǒng)角度組合是可能的。圖3-4示出機架中使用的每個系統(tǒng)中間可以具有一個或多個水平聚焦四極磁體以使每個系統(tǒng)實現(xiàn)雙消色差。例如，在圖3中，雙極磁體402在中間可以具有超導(dǎo)四極磁體408，雙極磁體404在中間可以具有超導(dǎo)四極磁體410，雙極磁體406在中間可以具有超導(dǎo)四極磁體412。圖4示出雙極磁體402、超導(dǎo)四極磁體408和束線B的近距分解圖。在此描述的等中心機架可以被配置為將粒子束線方向改變90度(例如，將水平束線方向改變?yōu)榇怪笔€)或入射到患者體內(nèi)所需的任何其他角度。在一些實施例中，機架包括一個框架并利用框架中的三個DBA磁體系統(tǒng)以改變粒子束的方向。圖4示出包括雙極-四極-四極-四極-雙極(DQQQD)磁體系統(tǒng)的DBA磁體系統(tǒng)的一個實例，包括在三個超導(dǎo)四極磁體408兩側(cè)的雙極磁體402。在一個實施例中，機架包括兩個60度DBA磁體系統(tǒng)和一個消色差90度DBA磁體系統(tǒng)。例如，圖3示出緊湊型機架的一種磁體系統(tǒng)角度組合的設(shè)計。機架400可以使用超導(dǎo)DBA電磁體系統(tǒng)或雙極磁體402、404和406。如圖3所示，雙極磁體402和404可以是60度消色差雙極磁體，雙極磁體406可以是消色差90度雙極磁體，這樣可使水平束線彎曲為垂直束線以傳輸?shù)降戎行?14。此外，每個雙極磁體組402、404和406可以包括分別位于每個雙極磁體組中間的超導(dǎo)四極磁體408、410、412，從而減小機架的總尺寸和工作體積。在一些實施例中，90度雙極磁體的彎曲半徑可以約為60厘米，從最后的機架雙極磁體406 的出口到等中心414所保留的距離大約為2. 0米，這導(dǎo)致約為7米的此類正交機架的直徑。除了在每個彎曲系統(tǒng)的中間使用超導(dǎo)四極磁體之外，在某些實施例中，可以將室溫四極磁體416設(shè)置在雙極磁體之間的束線中以用于傳輸能量快速變化的束線。參考圖3，室溫四極磁體416可以在雙極磁體402之前，雙極磁體402和404之間，以及雙極磁體404和406之間的束線中使用。圖3另外還示出掃描磁體418位于最后的雙極磁體406之前，或者在替代實施例中，可以放現(xiàn)在虛線方塊420表示的雙極磁體406之后。當(dāng)掃描磁體在位置420中時，便可以減少從雙極磁體406到等中心414的距離。圖5示出與圖3所示的設(shè)計類似的另一機架600的實施例。但是，在圖5中，緊湊型機架的尺寸可利用不同的雙極磁體角度進(jìn)行調(diào)整并僅包括兩個DBA電磁體組(例如，60度DQQQD組和150度DQQQD組)，而非圖3的實施例中的三個DBA組(例如，兩個60度DQQQD組和一個90度DQQQD組)。在圖5所示的實施例中，雙極磁體602和超導(dǎo)四極磁體608形成60度彎曲，以及雙極磁體604和606和超導(dǎo)四極磁體612組合以形成150度彎曲。在圖5的實施例中，超導(dǎo)四極磁體608可設(shè)置在雙極磁體602之間，以及超導(dǎo)四極磁體612可設(shè)置在雙極磁體604和606之間。當(dāng)雙極磁體604以大于60度的角彎曲時(例如，當(dāng)雙極磁體604為70度，以及雙極磁體606為80度，或者雙極磁體604和606均為75度時)，機架呈現(xiàn)更短的水平寬度。因此，圖5中的機架600比圖3中的機架400 (利用60度彎曲)的長度更窄，但是，機架600的總高度大于機架400。應(yīng)該理解，可使用許多角度組合來設(shè)計束傳輸，從而最佳化機架的尺寸和成本?？梢詷?gòu)想各種緊湊型機架構(gòu)思，該構(gòu)思通過在此描述的束線部件選擇和組合調(diào)整直徑、總高度、長度和其他尺寸。特別需要指出，圖5示出在機架之前使用附加室溫磁體適應(yīng)快速能量變化情況下的磁體部件的側(cè)視圖。除了在每個DBA磁體組的中間使用超導(dǎo)四極磁體608和602之外，在某些實施例中，可以將室溫四極磁體616設(shè)置在DBA電磁體系統(tǒng)之間的束線中。機架系統(tǒng)還可以可選地包括多軸掃描磁體620以幫助束掃描，如上所述。圖6a_6b進(jìn)一步示出當(dāng)調(diào)整每個雙極磁體的角度時，緊湊型機架的總尺寸和體積 如何變化。可以參考工作體積來評估機架的體積。所述工作體積使用Pi乘以旋轉(zhuǎn)底座到等中心的長度再乘以機架半徑的平方來測量。在一個實施例中，機架的框架的工作體積小于300立方米。圖6a分別提供圖5實施例中的束線部件的端視圖、側(cè)視圖和等距視圖。圖6a可以表示上面在圖5中描述的機架，具有60度雙極磁體、之后的150度組(例如，60度和90度雙極磁體、70度和80度雙極磁體、兩個75度雙極磁體等)。從圖6a中的側(cè)視圖可以看出，最終的機架尺寸的具有4. 74米的長度和4. 14米的半徑，導(dǎo)致255. I立方米[(3. 14* (4. 14) ~2 * 4. 74)]的總工作體積。圖6b分別提供圖3和7a、7b實施例中的束線部件的端視圖、側(cè)視圖和等距視圖。圖6b可以表示上面在圖3中描述的機架，具有60度雙極磁體，之后的60度雙極磁體，然后90度雙極磁體。從圖6b中的側(cè)視圖可以看出，最終的機架的長度為6. I米，半徑為3. 49米，最終的總工作體積為291. 3立方米[(3. 14 * (3. 49) ~2 * 6. I)]。因此，可根據(jù)應(yīng)用和使用機架的中心的可用空間，通過調(diào)節(jié)機架中使用的每個雙極磁體的相對角度來調(diào)節(jié)機架的總尺寸和體積。圖7a-7b分別示出可以為上面在圖3和圖6b中描述的緊湊型機架的機架組件的一個實施例的側(cè)視圖和端視圖，其中包括在質(zhì)子治療中心安裝使用機架時所需的代表性支撐結(jié)構(gòu)或框架70。圖7a-7b還示出其中機架可安裝到旋轉(zhuǎn)上部結(jié)構(gòu)的機架組件的實施例，其中機架可在兩個軸承72上徑向環(huán)繞旋轉(zhuǎn)。后軸承74可以位于第一雙極磁體上或者附近并圍繞束線旋轉(zhuǎn)。在圖7a中，位于后軸承74右側(cè)的機架組件的部分可以是唯一可從治療室看到的機架部分。機架組件的其余部分(例如，后軸承左側(cè)的部分)可位于墻后并且不在患者的位置。根據(jù)向患者提供的治療類型，整個機架組件可以使用前后軸承旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)要傳輸給患者的質(zhì)子束的角度。圖7b是示出機架如何使用軸承72圍繞等中心旋轉(zhuǎn)噴嘴的機架端視圖。圖8a_8b分別示出另一機架組件的實施例(可以是圖5和圖6中描述的緊湊型機架)的側(cè)視圖和端視圖。將圖7a_7b與圖8a_8b進(jìn)行比較，可以看出調(diào)節(jié)雙極磁體的角度如何影響每個機架組件的尺寸。例如，圖7a-7b中的組件具有26’ -2. 961”的從前軸承底部到上雙極磁體測量的總高度。圖8a-8b中的組件具有27’ -2. 77”的總高度。但是，圖7a-7b中的組件具有22’ -11. 591”的總寬度(從后軸承到等中心)，而圖8a_8b中的組件具有18’ -4. 47”的總寬度。圖9是一個緊湊型機架實施例中束線部件設(shè)置的側(cè)視圖，其中超導(dǎo)磁體可以將水平束線彎曲為垂直束線以傳輸?shù)街委熤行牡牡戎行?。通過使最后的機架的出口的保留約3. 0米的距離，這種正交機架的直徑約為7米。所述機架還可以短至6米，從而與當(dāng)前技術(shù)相比，使機架安裝所需的總體積減小到原來的十分之一。磁體系統(tǒng)可以由具有可變磁強度(magnetic strength)的雙極和四極電磁體組成。所述磁體系統(tǒng)的磁強度可以連續(xù)改變或斜坡變化(rampe)。基于超導(dǎo)材料的可斜坡變化磁體適合于最符合粒子放射治療臨床需求的緊湊型機架設(shè)計。機架參數(shù)的優(yōu)化使得雙極磁體可以在30秒或更短時間內(nèi)從大約2特斯拉斜坡變化到4. 0特斯拉。在難以通過超導(dǎo)磁體實現(xiàn)足夠快速斜坡變化的情況下，可以將一些室溫四極磁體納入設(shè)計中以用于小的束光學(xué)部件修改。使用超導(dǎo)雙極和四極磁體替換一些環(huán)境溫度或室溫磁體可使機架變得小得多、輕得多。也可以考慮在機架設(shè)計優(yōu)化中減小四極磁體數(shù)目，從而節(jié)省成本。例如，磁體系統(tǒng)可以包括諸如雙極-四極-四極-雙極(DQQD)磁體系統(tǒng)和雙極-四極-雙極(DQD)之類的雙極磁體和四極磁體的設(shè)置。相反，還可以使用更多四極磁體，諸如雙極-四極-四極-四極-四極-雙極(DQQQQD)，但是增加更多四極磁體會更多地增加機架的重量和成本。特別需要指出，改變機架設(shè)計中四極磁體的數(shù)目之后，還必須重新設(shè)計磁場系統(tǒng)的光學(xué)部件。在某些實施例中，可使用低溫超導(dǎo)體制作磁體，在其他實施例中，可使用高溫超導(dǎo)體制作磁體。在某些實施例中，機架的旋轉(zhuǎn)可以從治療室地面開始旋轉(zhuǎn)+/-180或+/-90度。所述機架的主要優(yōu)點是允許束治療角度相對于一般躺在治療臺上的患者具有幾何靈活性。在其他實施例中，機架具有9米或更小的直徑。這為機架提供了現(xiàn)在的典型商購機架的66%的直徑。傳統(tǒng)等中心機架的直徑通常大于13米并且最多可達(dá)15米長。即使在不改變長度的情況下最適當(dāng)?shù)貙C架直徑縮短為9米也可將機架體積縮小二分之一，這樣會大大節(jié)省屏蔽放射所需的建筑和混凝土成本。有些機架噴嘴實施例可以包括緊湊型組合功能掃描磁體和控制系統(tǒng)以產(chǎn)生所需的射束分布。位于最后的機架雙極磁體上游的束掃描可以顯著縮小噴嘴尺寸，并且已經(jīng)在傳統(tǒng)系統(tǒng)中用于減小機架直徑。但是，當(dāng)在傳統(tǒng)系統(tǒng)中執(zhí)行此應(yīng)用之后，最后的機架雙極磁體通常在機架束線內(nèi)部產(chǎn)生大的分散。結(jié)果是將其動量接收度(Ap/p)基本上限制到約1%。此類系統(tǒng)還很難在不進(jìn)一步犧牲動量接收度的情況下將在等中心處的束點半徑降為5毫米以下并且需要增加最有的雙極磁體的孔徑。本發(fā)明的機架設(shè)計能夠解決此問題并且能夠減小尺寸，無需在最后的雙極磁體之前或上游的束掃描。在一個實施例中，包括磁束傳輸系統(tǒng)的超導(dǎo)磁體的動量接收度可以介于±2%到±6%之間。超導(dǎo)DBA中的分散函數(shù)可以約為42厘米，對于典型的2英寸束管而言，這對應(yīng)于6%的動量接收度。例如，具有60度彎曲的消色差雙極磁體中的動量接收度將為約6%，這對應(yīng)于200MeV上的+/-20MeV能量接收度。DBA系統(tǒng)中的這個增加的動量接收度減輕了超導(dǎo)磁體的斜坡變化率要求。因此，可使用這種雙極磁體在不改變磁體設(shè)置的情況下，實現(xiàn)從180MeV到220MeV的質(zhì)子束傳輸。換言之，這種DBA系統(tǒng)可以傳輸能量快速變化的束以照射腫瘤體積中的不同層，從而在不改變磁體設(shè)置的情況下實現(xiàn)所需的劑量深度分布。這、是質(zhì)子治療的顯著優(yōu)點。在此描述的設(shè)計允許能量在機架之前(即，在束到達(dá)后軸承或第一機架固定的雙極磁體之前)快速變化。在另一實施例中，所述機架設(shè)計可匹配于高級束掃描技術(shù)。所述機架設(shè)計提供了 操作簡單，使用點束掃描功能使包括強度調(diào)制質(zhì)子治療(IMPT)在內(nèi)的治療方案具有最大靈活性，在機架盡可能輕便和緊湊的情況下輕松到達(dá)治療臺上的患者。例如，該系統(tǒng)的束線光學(xué)部件能夠?qū)⒃诘戎行奶幍氖劢沟絀到10毫米(mm)均方根(rms)點尺寸的范圍。在某些實施例中，治療場尺寸可以為20x30厘米。另外一些實施例可以包括一個使用能量疊加過程的計算機控制數(shù)字范圍調(diào)制器，以及附加的多面離子室檢測器系統(tǒng)(患者劑量監(jiān)視器)，用于在治療期間測量質(zhì)子的劑量、位置、對稱性和均勻性。在某些實施例中，源到等中心距離(SAD)大于2. 2米。短的SAD距離導(dǎo)致增加的到患者的皮膚(入射)劑量。必須考慮對SAD的任何增加都會增加機架的半徑的事實。因此，需要在SAD的任何增加與機架尺寸容量之間進(jìn)行折衷。機架磁體系統(tǒng)的消色差特性的另一優(yōu)點還會改善從降能器到患者傳送的束的百分比。目前在大多數(shù)質(zhì)子治療系統(tǒng)中使用的機架根據(jù)所需的最終能量，將接近1%到3%的束從加速器傳輸給患者。在此描述的某些機架實施例使得從降能器到患者的傳輸增加到約10%，甚至可達(dá)20%。其結(jié)果使得射束損失降低到原來的五分之一到七分之一，因此顯著降低加速器和射束傳輸系統(tǒng)周圍所需的混凝土屏蔽量。增加傳輸?shù)牧硪粌?yōu)點是降低對加速器的要求。此外，使用超導(dǎo)磁體系統(tǒng)降低了對整體電力和電源的要求。 在等中心機架中使用超導(dǎo)磁體的優(yōu)點非常明顯，其中包括減小總臨床空間，降低電源供應(yīng)量，減輕總質(zhì)量以及減少所需的電力。由于超導(dǎo)磁體不受熱退化影響，因此可以在不增加風(fēng)險或降低穩(wěn)定性的情況下以更緊密的容限(margin)對其進(jìn)行設(shè)計，這樣將進(jìn)一步降低總成本。對于在高溫下使用高溫導(dǎo)體的實施例，還可以實現(xiàn)更多節(jié)省。通過使用超導(dǎo)磁體和消色差光學(xué)部件，可以減小機架的尺寸。將束傳輸機架直徑降為7米以及長度降為約8米的能力展現(xiàn)了本發(fā)明的主要優(yōu)點。因此，機架所占的體積最多減小到現(xiàn)今可商購的系統(tǒng)的十分之一。體積減小導(dǎo)致重量也減少類似的量。小型低成本質(zhì)子治療系統(tǒng)的出現(xiàn)使得質(zhì)子治療在放射治療中扮演更重要的角色，并能將這個先進(jìn)的治療方式帶給更多患者，使他們從中獲取巨大益處。還提供了使用等中心機架向患者提供粒子放射治療的方法。在一個實施例中，所述方法包括在所述等中心機架設(shè)置在第一位置時向患者傳遞粒子束放射。所述等中心機架可以包括設(shè)置在粒子束線中并被配置為改變粒子束線方向的多個雙極磁體和四極磁體，所述多個雙極磁體和四極磁體包括至少一個超導(dǎo)磁體，以及在尺寸和配置上適于支撐所述多個雙極磁體和四極磁體的支撐框架。在某些實施例中，所述等中心機架包括多個雙彎曲消色差器以及被配置為將粒子束線方向改變約45度到90度。接下來，所述方法可以包括旋轉(zhuǎn)所述等中心機架的支撐框架以將所述等中心機架設(shè)置在第二位置。所述等中心機架的支撐框架可以被配置為旋轉(zhuǎn)高至360度。在某些實施例中，所述方法包括旋轉(zhuǎn)具有小于300立方米的工作體積的等中心機架的支撐框架，以將所述等中心機架設(shè)置在第二位置。
所述方法可以進(jìn)一步包括在所述等中心機架被設(shè)置在第二位置時向患者傳遞粒子束放射。對于有關(guān)本發(fā)明的其他詳細(xì)說明，可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的材料和制造技術(shù)。這也適用于本發(fā)明方法方面中的其他經(jīng)常采用或在邏輯上采用的附加操作。而且，還可以構(gòu)想在此描述的發(fā)明變形的任何可選特征既可單獨闡述和聲明，也可以與在此描述的任何一種或多種特征結(jié)合闡述和聲明。同樣，對單數(shù)項的表述包括可能存在復(fù)數(shù)個相同項。更具體地說，如在此和在所附權(quán)利要求中使用的那樣，單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”以及“該”包括復(fù)數(shù)個指代對象，除非上下文另外明確指出。進(jìn)一步需要指出，權(quán)利要求書在撰寫時可排除任何可選要素。因此，該聲明旨在作為結(jié)合權(quán)利要求要素的詳述使用諸如“唯一地”、“只有”以及類似詞匯之類的排他性術(shù)語，或者使用“負(fù)面”限制的前提基礎(chǔ)。除非在此另有定義，否則，在此使用的所有技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語的含義與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的一般技術(shù)人員通常理解的含義完全相同。本發(fā)明的范圍并不受本說明書限制，而是僅由所使用的權(quán)利要求用語的顯然意義限定。
權(quán)利要求
1.一種被配置為向患者提供粒子放射治療的等中心機架，包括 多個雙極和四極電磁體，設(shè)置在粒子束線中并被配置為改變所述粒子束線方向，所述多個雙極和四極電磁體包括至少一個超導(dǎo)磁體；以及 支撐框架，在尺寸和配置上適于支撐所述多個雙極和四極電磁體。
2.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述至少一個超導(dǎo)磁體具有可變磁強度。
3.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述粒子束線中并被配置為提供所述粒子束線的消色差束光學(xué)部件的至少一個雙彎曲消色差器。
4.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述至少一個超導(dǎo)磁體是可斜坡變化的并且所述等中心機架具有在約+/-2%到+/-10%的范圍的動量接收度。
5.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架,其中所述多個雙極和四極電磁體包括至少一個環(huán)境溫度磁體。
6.如權(quán)利要求3中所述的等中心機架，其中所述至少一個雙彎曲消色差器包括至少一個雙極磁體和至少一個四極磁體。
7.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述粒子束線中的至少一個雙彎曲消色差器和至少一個環(huán)境溫度磁體。
8.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述至少一個超導(dǎo)磁體包括低溫超導(dǎo)材料。
9.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述至少一個超導(dǎo)磁體包括高溫超導(dǎo)材料。
10.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述多個雙極和四極電磁體被配置為在不改變磁場強度或雙極磁體設(shè)置的情況下，傳輸能量快速變化的所述粒子束線。
11.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述粒子束線中被配置為幫助束掃描的掃描磁體。
12.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述框架被配置為繞等中心旋轉(zhuǎn)。
13.如權(quán)利要求12中所述的等中心機架，其中所述框架具有小于300立方米的工作體積。
14.如權(quán)利要求13中所述的等中心機架，所述框架具有大于2.2米的源到等中心距離。
15.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述機架被配置為在等中心處聚焦I到10毫米均方根點尺寸范圍的所述粒子束線。
16.如權(quán)利要求5中所述的等中心機架，其中所述至少一個環(huán)境溫度磁體包括環(huán)境溫度四極磁體。
17.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述多個雙極和四極電磁體進(jìn)一步包括被設(shè)置為具有約60度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第一雙彎曲消色差器，以及被設(shè)置為具有約150度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第二雙彎曲消色差器。
18.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述多個雙極和四極電磁體進(jìn)一步包括被設(shè)置為具有約60度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第一雙彎曲消色差器、被設(shè)置為具有約60度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第二雙彎曲消色差器以及被設(shè)置為具有約90度彎曲的雙極-四極-四極-四極-雙極磁體的第三雙彎曲消色差器。
19.如權(quán)利要求I中所述的等中心機架，其中所述多個雙極和四極電磁體進(jìn)一步包括被配置為將所述粒子束線的方向改變約45度和90度之間的角的至少一個雙彎曲消色差器。
全文摘要
一種用于管理質(zhì)子束治療的機架，具有的改善為減小了與當(dāng)前可商購的質(zhì)子束治療系統(tǒng)相關(guān)的尺寸、重量、成本和放射束損失。所述機架利用消色差超導(dǎo)多功能電磁體系統(tǒng)，其中所述磁體可以包括雙極磁體和四極磁體?？尚逼伦兓朋w系統(tǒng)的消色差特性允許在不改變磁場強度或雙極磁體設(shè)置的情況下，容易傳輸其能量在大范圍不同能量中快速變化的束。所述磁體可以由低溫超導(dǎo)體或高溫超導(dǎo)體制成。所述機架設(shè)計進(jìn)一步集成束掃描，但同時保持所述機架保持等中心。與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以通過所述機架傳輸更多的束部分，從而降低放射屏蔽要求以及施加給加速器的產(chǎn)生大量的質(zhì)子束的要求。
文檔編號H01J1/50GK102687230SQ201080059528
公開日2012年9月19日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者J·M·卡梅隆, T·A·安塔亞, V·A·安弗羅夫 申請人:普羅丘爾治療中心有限公司