旋转式放射准直器的制作方法

本申请要求2017年5月5日提交的美国临时申请no.62/502,472的优先权的权益，所述临时申请的全部内容通过参考并入本文。

本发明涉及放射治疗领域，且更具体地涉及在放射治疗期间控制放射治疗束的大小和形状的准直器系统及相关方法。

背景技术：

准直器系统的总体目标是将源(例如，linac)所产生的放射束递送到目标(例如，患者大脑中的肿瘤)。由于虽然希望照射肿瘤，但通常不希望照射周围的健康组织，所以每个束的大小和形状是至关重要的。为了控制放射束的形状(例如，直径或2d横截面面积)，准直器被使用。准直器一般是成片致密的不透射线的金属，除了被形成的或被加工的孔允许放射线传送穿过的地方之外基本上阻挡放射束。可由放射源(例如，linac或钴)产生较大的放射覆盖面积，但只有那些被对准而经过准直器的粒子会被允许穿过从而到达目标，额外的那些被内部地吸收或散射。除了被加工或被形成的准直器的管状通道外，另一现有类型称为多叶式准直器。这些常规设计是非常复杂、笨重且昂贵的。一个示例是使用多个薄钨板的“多叶式准直器”，所述多个薄钨板移动进出束路径从而在治疗期间产生希望的束暴露形状。这种复杂的机构易于出现机械故障。

不同大小和形状的放射治疗目标需要不同大小和形状的放射束。存在对允许以快速且可预测的方式改变放射束的系统和方法的需求。还有对此类系统保持小、可靠和低成本的需求。

技术实现要素：

本发明涉及放射治疗领域，且更具体地涉及在放射治疗期间控制放射治疗束的大小和形状的准直器系统及相关方法。

在第一方面中，本发明关于放射准直器组件，所述放射准直器组件包括具有限定于其中的多个准直器通道的可旋转准直器主体或准直器轮。在一些实施例中，准直器通道垂直于准直器轮的旋转轴纵向延伸，从所述轮的周界延伸，经过所述轮的中心并到所述轮的对面周界外面。准直器轮由准直器罩至少部分地围绕，至少除了具有选定的准直器通道的部分，选定的准直器通道与放射源及患者目标对准从而允许放射束经过其中。在一些实施例中，准直器轮的后部的、面对linac的部分被包鞘(ensheath)在罩中从而防止杂散放射经过非选定的准直器通道。准直器罩由合适的放射吸收材料(典型地，钨或钨合金)制造，以便阻挡和吸收从非对准通道的孔口发射的任何散射放射线。

在另一方面中，准直器主体被电机化并精确索引以用于所选定的准直器通道几何形状与所述放射源的快速且准确的计算机控制的定位，从而将希望的束形状递送成目标处所需的精确尺寸。通过使用旋转式准直器轮，可在一次治疗期间使用多种大小的束，在两个或更多个选定的准直器之间快速且自动地切换。

这些准直器组件具有以下优点：可通过计算机控制快速改变的，同时在它们的简单性上保持小、可靠并在成本上保持低。此外，此类组件可利用单个电机来在选择一个或多个准直器通道之间切换。本文所描述的本发明的诸方面允许更可靠的放射准直器，该放射准直器能够以等中心从1mm到30mm直径快速并精确地改变x射线暴露，并且能够比许多现有技术的准直器更可靠地工作。此类准直器组件实现了在治疗性放射递送(例如以治疗脑肿瘤)的服务中束孔的快速、自动(电机化且计算机控制)的改变。

本文所述的准直器系统允许束准直却不需要使用常规的阻挡准直器和/或多叶准直器系统，诸如常规放射治疗系统中所通常使用的那些准直器系统，那些准直器系统笨重且随着时间推移容易出现机械故障。

在一个方面中，一种示例性放射准直器组件包括放射源和准直器轮，所述准直器轮围绕其旋转轴是可旋转的。所述准直器轮具有多个准直器通道，所述多个准直器通道包括：在所述准直器轮内限定的第一和第二准直器通道，所述第一和第二准直器通道被布置为基本上垂直于所述准直器轮的所述旋转轴。所述准直器可包括额外的通道，例如三个或更多个通道。所述准直器可包括任何数量的希望的通道(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10个通道或更多)。在一些实施例中，所述第一和第二准直器通道中的每一个经过所述准直器轮的中心，所述旋转轴延伸穿过所述准直器轮的所述中心。优选地，所述准直器通道中的至少一些具有不同的大小和/或形状。在一些实施例中，所述多个准直器通道沿着所述准直器轮以有规律的间隔来分布。

在另一方面中，所述第一和第二准直器通道可通过旋转地移动所述准直器轮来选择，从而将所述第一和第二准直器通道中的一个与所述放射源对准。可通过操作性地耦接到所述轮的电机和控制单元来促进所述准直器轮的选择性旋转。在一些实施例中，所述准直器组件包括：电机，所述电机与所述准直器轮操作性地耦接以围绕所述旋转轴旋转所述准直器轮；以及控制单元，所述控制单元与所述电机操作性地耦接以控制所述准直器轮到与选定的准直器通道和所述放射源的对准相对应的准直器位置的旋转。在一些实施例中，所述控制单元与配置成检测所述准直器位置的一个或多个传感器通信地耦接。所述一个或多个传感器可包括一个或多个编码器读取器，而所述准直器轮包括多个标记，所述多个标记定位在所述准直器轮上使得标记的检测与相应准直器通道的对准相对应。

在另一方面中，本文提供了一种利用此类准直器组件的放射治疗系统。一种示例性治疗系统可包括：诸如上面所述的放射准直器组件，所述准直器组件被配置成将放射束从放射源穿过所述准直器轮的一个或多个选定的准直器通道递送到患者体内的目标。这样的系统可包括：电机，所述电机与所述准直器轮操作性地耦接以围绕所述旋转轴旋转所述准直器轮；控制单元，所述控制单元与所述电机操作性地耦接以控制所述准直器轮到与一个或多个选定的准直器通道和所述放射源的对准相对应的位置的旋转。所述控制单元被配置成旋转所述准直器轮以将一个或多个选定的准直器通道与所述放射源对准，所述一个或多个选定的准直器通道与一个或多个所希望的治疗束相对应。

在另一方面中，所述治疗系统包括准直器罩。所述准直器罩可被配置成在治疗的递送期间围绕所述准直器主体的至少一部分，以便阻挡来自未对准的准直器通道的放射线，同时允许来自选定的、对准的准直器通道的治疗束穿过。在一些实施例中，所述准直器罩基本上围绕所述准直器轮面对所述放射源的部分，除了选定的、对准的准直器通道的进入孔口。在一些实施例中，所述准直器罩基本上围绕所述准直器主体，除了所述罩的顶部处的孔，通过该孔包括暴露的所述选定的、对准的准直器通道的出口孔口，以及在所述对准的通道的入口孔口处的通道以允许放射束通过所述选定的通道进入。虽然本文呈现的实施例中描绘了锥形罩，但要知道的是，准直器罩可被形成为不同的形状，只要罩允许放射线经过选定的、对准的通道，同时阻挡从非选定通道发射的放射线。

在又另一方面中，所述治疗系统可包括对准验证机构。这样的验证特征可包括光学对准特征，诸如引导激光束穿过选定的准直器通道并检测从出口孔口发出的激光束的光学激光机构。在一些实施例中，所述治疗系统进一步包括用于在治疗期间监测患者的一个或多个成像设备。

在一些实施例中，准直器包括：准直器主体，所述准直器主体具有枢转特征，所述准直器主体围绕所述枢转特征围绕枢转轴是可旋转的；以及多个准直器通道，所述多个准直器通道延伸穿过所述准直器主体，所述多个准直器通道中的每一个基本上垂直于所述枢转轴，所述准直器主体围绕所述枢转轴旋转。在一些实施例中，所述多个准直器通道中的每一个与所述枢转轴相交。

在另一方面中，本文提供了在治疗期间递送不同大小和/或形状的治疗束到患者体内的目标的方法。一种示例性方法包括：从准直器主体中的多个准直器通道选择第一准直器通道，选定的第一准直器通道与希望的第一治疗束相应对。所述准直器主体在所述治疗系统内沿着所述准直器主体的旋转轴是可旋转的并且所述多个准直器通道在大小和/或形状上不同并且基本上垂直于所述旋转轴延伸。接着，沿着所述准直器主体的所述旋转轴旋转所述准直器主体直到所述选定的第一准直器通道与所述放射源对准，然后，从所述放射源发射第一粒子束穿过所述选定的第一准直器通道以便将所述希望的第一治疗束引导到所述患者体内的所述目标。此类方法可进一步包括：在所述准直器主体中选择第二准直器通道，选定的第二准直器通道与希望的第二治疗束相对应，所述第二治疗束在大小和/或形状上不同于所述第一治疗束。接着，沿着所述旋转轴旋转所述准直器主体直到所述选定的第二准直器通道与所述放射源对准，然后，从所述放射源发射第二粒子束穿过所述选定的第二准直器通道以便将所述希望的第二治疗束引导到所述患者体内的所述目标。在一些实施例中，旋转所述准直器主体直到所述选定的第一准直器通道被对准包括：旋转所述准直器主体直到所述系统的控制单元的传感器检测到设置在所述准直器主体上、指示与所述第一准直器通道的对准相对应的准直器位置的标记。此类方法可进一步包括：通过发射激光束穿过所述准直器通道并检测从所述第一准直器通道的出口孔发射的所述激光束来验证所述第一准直器通道与所述放射源的对准。

通过参考附图中所描绘的示例性实施例以及下面所提供的描述可以进一步理解本发明的各个方面和细节。

附图说明

图1示出了示例旋转式准直器轮的横截面，所述旋转式准直器轮具有穿过其中的准直器通道。

图2示出了安装在锥形罩上的示例旋转式准直器轮，所述准直器轮具有磁性编码器跟踪器，所述磁性编码器跟踪器感测所述轮何时已到希望的准直器位置。

图3示出了示例锥形罩的顶部，包括准直器轮的准直器通道的出口以及用于监测患者的相机。

图4示出了示例准直器轮及配置成在诸位置之间驱动的相关电机，以及使放射线经过准直器轮及相关特征的线性加速器。

图5示出了另一示例锥形罩，所述锥形罩围绕准直器轮的外围从而覆盖未对准的通道的孔口。

具体实施方式

本发明总体上涉及放射治疗系统及使用方法，特别是准直器系统提供对准直放射束的选择性控制和递送。

图1示出了旋转式准直器轮100的横截面视图，所述旋转式准直器轮100具有穿过其中的准直器通道140。准直器轮100具有限定于其中(例如被加工成穿过准直器轮100的主体)的纵向延伸的通道或准直器通道105、115和125。该图示出了多个其他通道，为了附图的清楚起见，该多个其他通道未被标记。准直器通道可以有各种大小、直径或形状。在一些实施例中，每个准直器通道有不同直径。例如，如图1中所示，准直器通道105具有比准直器通道115大的钻孔，准直器通道115具有比准直器通道125大的钻孔。每个准直器通道从放射进口孔106延伸到出口孔107。在一些实施例中，进口孔106的大小比出口孔107的大小要小以促进在放射最终击打的目标的边缘处的最大放射剂量的递送。准直器轮100被旋转使得选定的准直器通道与放射源110对准以允许粒子放射束111经过该选定通道，从而提供希望的治疗束到患者体内的目标112。在图1的底部所示的准直器轮100的侧面剖视图中，进口和出口孔150围绕周界是可见的，准直器轮100在轴101上转动。在该示例中，准直器轮100与50:1减速齿轮箱及电机耦接。在一些实施例中，通道105和出口孔107是圆的。要知道的是，在替代实施例中，所述通道可以具有任意大小或形状，例如正方形。准直器轮100可由任何合适的材料形成，例如由钛合金加工而成。虽然准直器轮100被示出为相对于患者所在的表面是竖直取向的，但要知道的是，可按任何取向配置准直器轮100，只要经过准直器通道的治疗束被引导到目标。此外，虽然准直器轮被示出为具有8个准直器通道，但要知道的是，此类准直器轮可包括更多或更少的准直器通道。

图2示出了旋转式准直器轮200的横截面，旋转式准直器轮200被安装在准直器罩210上，并且在轴205上在各准直器位置之间旋转。在该实施例中，准直器罩210基本上包鞘了准直器轮面对放射源的部分以便防止放射线进入未对准的准直器通道。可由控制系统通过使用监测准直器轮200的位置的一个或多个传感器或编码器来精确控制准直器轮的旋转位置，例如通过检测设置在准直器轮的外围上的标记。在该实施例中，由编码器读取器头215和216来精确监测准直器轮的位置，编码器读取器头215和216跟踪固定到准直器轮100的内缘214的、邻近读取器头215和216的路径的薄的带状编码器条。控制系统检测通过在编码器和编码器条之间的电磁相互作用方面的精确放置的改变而产生的信号。利用编码器读取器头和固定到内缘214的编码器条的这种结合，控制系统感测所述轮何时已到希望的准直器位置。在准直器罩210的横截面中示出的还有linac头230，linac头230是递送给选定准直器的进口孔的放射的源。在一些实施例中，离子室被包括在准直器罩中、在linac头230和准直器轮200之间。替代的位置编码器方案可包括机械停止件，诸如齿轮的齿和齿条，和/或光学感测位置标记。

在一个方面中，上述的准直器组件和控制系统被并入到治疗系统中。控制系统包括处理器，所述处理器被配置成促进准直器轮的受控旋转以选择与选定准直器通道和放射源的对准相对应的位置，选定的准直器通道与希望的治疗束相对应。在一些实施例中，治疗系统包括用户界面，所述用户界面允许治疗医师选择与一个或多个准直器通道相关联的一个或多个治疗束。在其他实施例中，控制系统自动确定与选定治疗进程相应对的一个或多个准直器通道。

图3示出了锥形罩的顶部，包括准直器通道的出口以及用于监测患者的相机。准直器轮300是侧向可见的，包括选定的通道出口孔305以及未被标识且因此未与linac(在底下且不可见)对准的其他孔。电机315将准直器轮305转动到选定位置，在该选定位置，希望的孔与linac对准。在一些实施例中，该系统包括一个或多个相机，例如相机310，所述一个或多个相机被定位来允许患者在经受放射治疗的同时被监测。编码器解译计算机子系统320从编码器读取器头(参见图2)接收信号以计算准直器轮300的精确旋转位置，并从而计算可选择的准直器通道中的任何一个准直器通道的位置。例如，在反馈回路中，电机控制计算机子系统330作用来激活电机315直到编码器指示选定的准直器与linac对准。在一个方面中，该系统被配置成在治疗期间在与选择准直器通道相关联的多个位置之间改变准直器轮位置以便使到达目标的治疗束的大小不同。

图4示出了准直器轮的横截面视图，其中具有在诸位置之间驱动的电机、以及使放射线经过对准的准直器通道及相关特征的线性加速器。

如图所示，准直器轮449具有选定并与出口孔452和进口孔450对准的通道451。准直器罩410沿着面对放射源的部分围绕准直器轮449以允许粒子束经过通道451的入口和出口孔口，同时防止放射线进入未对准的通道。在该实施例中，准直器轮449经由具有衬套434的轴件453被选择性地转动到希望的位置，轴件453经由联轴器支架和底座420与齿轮箱444连接。齿轮箱444耦接到电机445并由电机445驱动，并以预定义比率提供旋转的减少，从而允许对准直器轮转动并与放射源、linac头460及linac主体461的远端边缘对准的程度的非常精细的控制。预定义比率可以是10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1或任何适用于准直器轮的给定几何形状以及治疗系统和希望的调整分辨率的比率。在该实施例中，离开linac头460的能量进入密封的离子腔室403，凭借进入离子腔室的放射线将产生可测量的与x射线束强度成比例的电离电流的事实，离子腔室403允许对剂量、剂量率和场对称性的监测。

在该实施例中，使用光束技术来优化机械对准。这具有以下优点：使从离子腔室403到进口孔450中的放射线的传送最大化。为此，该系统包括激光罩安装保持激光器416，来自激光器416的束通过镜415以直角弯曲并且被引导到光圈虹膜透镜419中，在此之后，激光经过被限定于罩410中的罩钻孔421而到达束路径直角光学镜422。由于束路径直角光学镜422对光有反射性但对放射线有透射性，所以可通过从准直器451的出口孔452发射的激光束来检测恰当对准的准直器，同时维持主要放射递送对准的功能性(这是在每台机器的初始验证和校验中有用的功能)。

图5示出了另一示例系统，该系统具有如图1所示相同或类似的准直器轮及相关部件、以及锥形准直器罩510，锥形准直器罩510基本上围绕准直器轮的外围以便阻挡和吸收从未对准的准直器通道的孔口发射的放射线，同时允许粒子束111从放射源110经过选定的、对准的准直器通道以提供希望的治疗束到目标112。在该实施例中，准直器罩510覆盖未对准通道的任何孔口。在一些实施例中，该罩可覆盖未对准通道的少于全部的孔口。要知道的是，在本文的任何实施例中，该罩可包括多个罩部件以覆盖未对准通道的孔口，并且不要求是单式部件。可根据本文所述的构思实现罩的各种构造。

虽然在该示例中以特定布置示出这些部件，但要知道的是，如本领域技术人员将会理解的，可利用旋转准直器轮的各种其他装置来实现替代的构造。另外，要知道的是，某些要素(诸如相机、离子腔室和光束对准特征)可被忽略，同时仍然保持本发明的上述的某些优势方面。

在前述说明书中，参考本发明的具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到本发明并不受限于此。上述本发明的各种特征和方面可被单独地或结合地使用。进一步地，可在本文所描述的那些之外的任何数量的环境和应用中使用本发明而不背离本说明书的较广泛的精神和范围。因此，本说明书及附图被视为说明性的而非限制性的。将认识到，本文所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”特别意欲被解读为本领域的开放式术语。