用于质子放射系统的紧凑型旋转台架的制作方法

1.本发明实施例主要涉及粒子治疗领域。更具体地，本发明实施例涉及用于粒子疗法治疗系统的紧凑台架。


背景技术：

2.为了向患者提供质子或粒子疗法治疗，带电粒子以选定角度被引导至治疗台上的患者。包括束线和弯曲磁体的台架用于使带电粒子束相对于患者台成选定角度。带电粒子从加速器输出并发射至台架中。用于粒子治疗的台架通常包括用于使粒子束弯曲的常导磁体，这需要具有8米量级直径的台架。此外，弯曲磁体的大部分重量必须由台架的机械结构支撑。
3.此外，必须通过将可变厚度楔引入束路径中来调整粒子束的能量。这通常在束进入台架之前完成。由于多重散射效应，楔也会使粒子束扩散。对于由加速器(例如束)产生的任何多个粒子，各个粒子之间通常具有轻微的能量变化。在统计上，能量扩散是围绕该束的中间能量值正确导出的能量变化量。为了将降能束通过台架传输至患者，由于束发散且能量围绕中值能量分布，磁体内部需要具有横向大孔口(aperture)。大孔口进一步增加了磁体的尺寸和重量。
4.另外，当改变束能量时，导致束发散并且束能量在此过程中扩散，大部分束在到达台架之前停止，因而需要大磁体孔口。这导致束效率降低，并且这些大的高能束损失还要求使用大量混凝土屏蔽，从而还显著增加了建筑成本。现有质子束线的另一个主要缺点在于，粒子加速器与台架的等中心点之间的束传输较小。在低能量下，高达99.5％的束在降能器段停止，因而在加速器区和降能器区需要相对较高的加速器输出电流和显著的放射屏蔽墙。这再次导致建筑成本和尺寸的增加。
5.此外，现有粒子治疗的台架在患者的治疗深度之间改变能级。为了适应粒子束的这些快速能量变化，弯曲磁体必须快速改变其磁场振幅。弯曲磁体的这种快速斜坡变化在磁体导体和其它导电元件中产生各种电动力损耗，在超导磁体的情况下，这导致局部热点的风险，从而可以触发磁体到常导状态(“磁体失超”)的快速转变。为了减轻这些斜坡损耗，已经出现了对具有高冷却能力和低损耗的导体的需求，在超导体的情况下，这些导体具有小丝尺寸。一种备选方案是使用能够适应大范围粒子束能量的消色差弯曲磁体；然而，这种解决方案非常昂贵，并且需要大孔偶极或组合功能磁体与高四极磁场组合以重新聚焦粒子束。这些大部件导致大型台架设计和结构。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种旋转台架，该旋转台架被设计为使用单能质子束提供质子放射治疗。单能质子束由束线传输系统传输，束线传输系统具有两个或更多个弯曲磁体以及用于引导和聚焦质子束的多个四极和操纵器磁体。在束到达台架的等中心点之前，直接执行束的能量变化。
7.根据一个实施例，公开了一种旋转台架，用于质子放射系统。该台架包括：进入点，可操作为从加速器接收单能质子束；束线传输系统，包括两个或更多个弯曲磁体，包括至少第一弯曲磁体和最终弯曲磁体，其中最终弯曲磁体被布置在与台架的最终弯曲相对应的位置处；以及多个四极和操纵器磁体，可操作为引导和聚焦单能质子束。台架还包括：二维束扩散系统，被布置在最终弯曲磁体的下游；以及能量改变部件，被布置在束扩散系统的下游，能量改变部件可操作为接收单能质子束并且用于在单能质子束到达台架的等中心点之前改变单能质子束的能量。
8.根据另一实施例，公开了一种用于质子放射治疗系统的台架。该台架包括：物理容纳和支撑结构，包括接收器侧和发射器侧，其中接收器侧可操作为接收从加速器发射的质子束，其中质子束是紧凑、单能的；设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔固定场束弯曲磁体，其中多个小孔固定场弯曲磁体包括第一磁体和第二磁体，第一磁体设置为靠近接收器侧并且可操作为使质子束以第一度数弯曲，第二磁体设置为靠近发射器侧并且可操作为使质子束以第二度数弯曲穿过发射器侧并且朝向台架的等中心点，其中第二磁体包括超导磁体和设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔口束线磁体，多个小孔口束线磁体包括多个操纵器磁体，以及设置在第一和第二磁体之间或设置在(多个)第二磁体之后的多个四极磁体。
9.又一实施例公开了一种紧凑的质子放射治疗系统，包括:加速器，加速器可操作为发射紧凑的单能质子束；台架，台架耦接至加速器并且包括物理容纳和支撑结构，物理容纳和支撑结构包括接收器侧和发射器侧，其中接收器侧可操作为接收从加速器发射的质子束；设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔固定场束弯曲磁体，其中多个小孔固定场弯曲磁体包括第一磁体和第二磁体，第一磁体设置为靠近接收器侧并且可操作为使质子束以第一度数弯曲，第二磁体设置为靠近发射器侧并且可操作为使质子束以第二度数弯曲穿过发射器侧并且朝向台架的等中心点，其中第二磁体包括超导磁体和设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔口束线磁体，多个小孔口束线磁体包括多个操纵器磁体，以及设置在第一磁体和第二磁体之间或设置在(多个)第二磁体之后的多个四极磁体；以及降能器，降能器设置在台架上并且可操作为接收来自第二磁体的质子束并且改变质子束的能级；xy扫描仪，xy扫描仪被设置为接收来自降能器的输出质子束并生成到靶点的输出束。
附图说明
10.附图被并入本说明书中并且形成本说明书的一部分，并且在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
11.图1描绘了根据本发明实施例的示例性加速器和旋转台架，台架包括用于聚焦单能质子束的四极和用于瞄准等中心点的弯曲磁体。
12.图2描绘了根据本发明实施例的示例性加速器和旋转台架，台架包括用于聚焦单能质子束的四极和用于瞄准等中心点的弯曲磁体。
13.图3描绘了根据本发明实施例的示例性加速器和旋转台架，台架包括用于聚焦单能质子束的四极和用于瞄准等中心点的弯曲磁体。
14.图4描绘了根据本发明实施例的示例性质子放射系统，该系统具有多个旋转台架。
具体实施方式
15.现在将详细参考几个实施例。虽然将结合替代实施例描述本主题，但应当理解的是，其并非旨在将所要求保护的主题限于这些实施例。相反，所要求保护的主题旨在覆盖可能包含在如所附权利要求所定义的所要求保护主题的精神和范围内的替代、修改和等效方案。
16.此外，在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对所要求保护的主题透彻理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节或具有其等效物的情况下实践实施例。在其它实例中，未详细描述公知的方法、流程、部件和电路，以免不必要地混淆本主题的各个方面和特征。
17.具有超导弯曲磁体的固定能量旋转台架
18.本发明实施例提供了一种紧凑台架，该紧凑台架被设计为使用紧凑单能束提供粒子治疗。执行束能量变化的部件被移动至患者正前方的位置，并且不需要快速改变台架内的磁场。使用紧凑单能束允许台架有利地利用相对小孔的弯曲磁体(例如超导弯曲磁体)，并且与现有的传导方案相比，可以以较低成本生产弯曲磁体。以这种方式在患者之前(而不是在台架之前或之中)改变能量消除了大部分束损失，并且使得能够使用有限孔口的磁体。此外，通过使用小孔固定场超导弯曲磁体，台架可以使用具有较低重量且非常紧凑、简单的磁体设计，并且与台架的运输和现场安装相关的成本显著降低。磁体的孔是指束可以穿过的磁体的中心开口。该开口的尺寸与磁体的复杂性、重量和尺寸密切相关。孔的尺寸通常选择为尽可能小，以使束通过而不引起粒子损失，其基于束的发射率确定。
19.可以设置降能器或范围移位器，以使用在束路径中具有变化厚度的散射材料来改变质子束的能量。通过使用固定能量传输系统，本发明实施例可以避免在台架之前的分离降能器段之后发生大粒子束损失，从而使从加速器出来的更多粒子可以到达患者。这样，治疗系统只需要递送实际用于患者治疗的质子即可。此外，由于不存在具有高束损失的降能器段，因而能够显著地减少所需的屏蔽墙。例如，根据一些实施例，放射屏蔽仅用于屏蔽治疗产生的放射(例如停在患者体内的质子)。
20.本文描述的超导弯曲磁体可以具有例如小至20mm的可用开口孔口。根据一些实施例，台架的最后弯曲磁体可以是简单的偶极或组合功能磁体，并且当磁体以7.7t的偶极场超导时，对于在大约100mev至250mev质子之间的固定能量输出，弯曲半径可以是30cm。7.7t的磁场振幅可以使用传统的低温超导技术获得。使用具有显著温度裕度的高温超导体也可实现类似的磁场，从而简化冷却要求。也可以考虑组合功能磁体，以及磁体内常导和超导线圈段的组合。根据一些实施例，可以有源屏蔽磁体以减少杂散磁场，或者无源屏蔽。
21.此外，通过包括优化的扫描管嘴，包括超导弯曲磁体的台架的半径可以小至2.0m，而使用常导弯曲磁体可以实现大约3.0m的半径。扫描管嘴的尺寸直接影响台架的外径要求。例如，源轴距(sad)表示从扫描仪中间到等中心点的距离，并且可以减小至最小值1m。根据一些实施例，紧邻弯曲磁体之后的第一元件是长度为60cm的紧凑组合式xy扫描仪。xy扫描仪是一种电磁装置，其在垂直于束方向的两个正交方向(例如x和y)上弯曲束。xy扫描仪可以包括束通过的两个弯曲磁体(例如一个用于x方向，一个用于y方向)的序列，或者一个位置处的两个偶极或组合功能磁体的组合等。可以在扫描仪之后设置多条带剂量和位置电离室，用于监测实际输送的剂量和笔形束位置。
22.关于图1，图中根据本发明实施例描绘了示例性紧凑单能台架100，包括超导弯曲磁体125。超导磁体一般比可比较的传统磁体轻得多，并且由于用于弯曲粒子的可获得磁场可以更高，因此可以实现更小的半径。包含超导弯曲磁体还使得用于容纳粒子束治疗系统所需的物理空间更少。与使用传输变化能量束的传统磁体的现有台架相比，台架100的体积可以减少20％，台架100的长度大约是2.5m或更小，并且台架100的高度在超导最终弯曲磁体的情况下大约是1.9m或更小，在常导最终弯曲磁体的情况下大约是3.0m或更小。根据本发明各种实施例描述的弯曲磁体可以包括偶极(例如高场偶极)、组合功能磁体、超导磁体和常导磁体中的一个或其组合。根据各种实施例，这些磁体可以被有源或无源屏蔽。
23.在图1的示例中，台架100包括第一弯曲偶极或组合功能115，其具有大约60度的角度，用于弯曲由加速器105(例如回旋加速器)产生的单能束。本领域普通技术人员将认识到，在本文各实施例的范围内，可以使用传统加速器来产生单能束。
24.台架由物理容纳和支撑结构(未示出)支撑，该结构具有发射器侧和接收器侧，发射器侧用于发射带电粒子束，接收器侧可操作为接收由加速器产生的带电粒子束。一组组合操纵器110在一个方向移动束而不聚焦束。
25.束线的向上部分包括多个(例如三个)小四极磁体120，用于通过产生负弥散来聚焦束，以补偿自然束弥散和由超导弯曲磁体125引起的最后弯曲中的弥散。由于加速器产生的单能束尺寸较小，用于实现台架100的束线部件的尺寸也可以相对小。用于引导束的磁场可以在治疗期间保持不变，并且不需要多个斜坡阶段。然而，例如，或者如果，期望两个或更多个不同的单能束能级，则可能需要特定的斜坡速度用于初始斜坡上升、维护和恢复。离开加速器的质子的能量在100mev至250mev之间。
26.最后弯曲磁体包括弯曲角度为大约150度的超导弯曲磁体125。根据一些实施例，超导弯曲磁体125包括两个弯曲跑道线圈，两个弯曲跑道线圈之间生成偶极磁场。可以采用更先进和/或更有效的磁体设计。例如，可以使用能够在大约10k的工作温度下产生大约7.7t的高温超导体，其中用于冷却高温超导体的低温超导体(未示出)比在大约4k的温度下工作时的效率高一个数量级。根据一些实施例，150度磁体125和60度磁体115均包括超导磁体。此外，根据一些实施例，磁体115的角度在大约45度至60度之间，并且磁体125的角度在大约135度至150度之间。
27.弯曲磁体125的绕组内径从20mm的开口孔径开始并容纳线圈支撑结构和低温恒温器，并且可以是大约50mm直径，使得根据一些实施例，典型的300a/mm2下所需的外径为125mm。高温超导体额外的导体成本可以使用明显更简单的线圈制造和冷却来补偿。应当理解的是，可以使用低温或高温超导体，或者两者的组合。
28.关于图2，图中根据本发明实施例描绘了示例性台架200，包括超导弯曲磁体。虽然台架200与图1所示的台架100类似，但台架200包括：扫描管嘴205，扫描管嘴205被配置为使用一个或多个扫描磁体210将束引导至等中心点(例如靶点)；范围移位器215；剂量和位置监测器220；以及多叶准直器225。
29.在150度偶极或组合功能磁体125之后，扫描磁体210输出带电粒子束，该带电粒子束被引导至调制束能量的范围移位器215。例如，扫描磁体210可以被配置为在水平和竖直两个方向上扫描束并且形成特定形状和大小的照射野。范围移位器215可以是能量变化系统，并且包括止挡材料，用于减小粒子束的剩余范围，从而可以将治疗范围调节至目标深
度。根据一些实施例，包括由适当材料(例如聚碳酸酯、碳等)制成的多个板，以使质子的能量调整为指定水平。在一些实施例中，150度偶极可以是高场偶极。
30.范围移位器215的输出由剂量和位置监测器220接收，以监测实际递送的剂量和束位置。例如，根据一些实施例，剂量和位置监测器220包括多条带剂量和位置电离室。剂量和位置监测器220之后是多叶准直器，用于锐化外部轮廓。根据一些实施例，台架200的半径是3m或更小。根据一些实施例，台架200的长度是3m或更小。此外，根据一些实施例，磁体125的角度在大约135度至150度之间。本领域普通技术人员将认识到，在图2描绘的实施例范围内，传统扫描管嘴可以用于使用典型的扫描磁体、范围移位器、剂量和位置监测器、多叶准直器将束引导至等中心点。
31.关于图3，图中根据本发明实施例描绘了示例性台架300，包括超导弯曲磁体。虽然台架300与图1所示的台架100类似，但台架300包括：散射管嘴305，散射管嘴305被配置为使用散射和范围调节系统310、范围调制器315、剂量和位置监测器320以及多叶准直器325，将束引导至等中心点(例如靶点)。
32.在150度偶极或组合功能磁体125之后，散射和范围调节系统310输出带电粒子束，该带电粒子束被引导至范围调制器315。例如，散射和范围调节系统310可以被配置为使束在水平和竖直两个方向上扩散并形成特定形状和大小的照射野。范围调制器315的输出由剂量和位置监测器320接收，以监测实际递送的剂量和束位置。。例如，根据一些实施例，剂量和位置监测器320包括多条带剂量和位置电离室。剂量和位置监测器320之后是多叶准直器，用于在相对较低的能级下锐化粒子束的外部轮廓。根据一些实施例，磁体125的角度在大约135度至150度之间。本领域普通技术人员将认识到，在图3描绘的实施例范围内，传统扫描管嘴可以用于使用典型的散射和范围调节系统、范围调制器、剂量和位置监测器、和多叶准直器将束引导至等中心点。
33.关于图4，图中根据本发明实施例描绘了示例性多台架(例如质子放射)疗法治疗系统400。例如，各个台架410-430可以安装在粒子束疗法治疗中心的单独区域或房室内。加速器405生成具有低发射率的单能束。该束被引导通过由多个四极、弯曲和操纵器磁体组成的束线，进入包括四极和操纵器磁体(包括一个或多个偶极或组合功能磁体)的开关场，可以选择性地向这些磁体供电以使束向选定台架房室内弯曲。台架410-430的所有束线部件和磁体可以具有相对较小的尺寸。用于使台架中的束弯曲的磁场可以在治疗期间保持不变，并且不需要多个斜坡阶段。离开加速器405的质子的能量可以在100-250mev之间的范围内。
34.台架410-430可以包括超导弯曲磁体，超导弯曲磁体能够实现更高的磁场和更小的半径，并且使得用于容纳粒子束治疗系统所需的物理空间更少。与使用传统磁体的现有台架相比，台架410-430的体积可以减小20％，使得台架410-430的长度大约是2.5m或更小，并且台架410-430的高度在使用超导最终弯曲磁体时大约是1.9m或更小，在使用常导最终弯曲磁体时大约是3.0m或更小。根据本发明的任何实施例，可以使用多房室或单房室台架。
35.台架410-430可以具有：扫描管嘴，包括二维束扩散系统(例如横向束扩展系统)；并且可以包括范围移位器，包括由聚碳酸酯或碳制成的多个板。扫描管嘴还可以包括设置在xy扫描仪之后的多条带剂量和位置电离室，用于监测实际递送的粒子束剂量和束位置。由于束的能量变化是在束到达靶点之前直接进行的，所以台架410-430可以被设计为容纳
单能紧凑束。这样，台架410-430的直径对于普通传导弯曲磁体可以减小至约3m，对于超导弯曲磁体可以减小至约2m或更小。
36.根据一个实施例，公开了一种用于质子放射系统的旋转台架。该台架包括：进入点，进入点可操作为从加速器接收单能质子束；束线传输系统，束线传输系统包括两个或更多个弯曲磁体，包括至少第一弯曲磁体和最终弯曲磁体，其中最终弯曲磁体被布置在与台架的最终弯曲相对应的位置处，以及多个四极和操纵器磁体，多个四极和操纵器磁体可操作为引导和聚焦单能质子束。台架还包括：二维束扩散系统，二维束扩散系统被布置在最终弯曲磁体的下游；以及能量改变部件，能量改变部件被布置在束扩散系统的下游，能量改变部件可操作为接收单能质子束并用于在单能质子束到达台架的等中心点之前改变单能质子束的能量。
37.根据另一实施例，公开了一种用于质子放射治疗系统的台架。该台架包括：物理容纳和支撑结构，物理容纳和支撑结构包括接收器侧和发射器侧，其中接收器侧可操作为接收从加速器发射的质子束，其中质子束是紧凑、单能的；设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔固定场束弯曲磁体，其中多个小孔固定场弯曲磁体包括第一磁体和第二磁体，第一磁体设置为靠近接收器侧并且可操作为使质子束以第一度数弯曲，第二磁体设置为靠近发射器侧并且可操作为使质子束以第二度数弯曲穿过发射器侧并朝向台架的等中心点，其中第二磁体包括超导磁体和设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔口束线磁体，多个小孔口束线磁体包括多个操纵器磁体，以及设置在第一磁体和第二磁体之间或设置在(多个)第二磁体之后的多个四极磁体。
38.又一实施例公开了一种紧凑的质子放射治疗系统，包括:加速器，加速器可操作为发射紧凑的单能质子束；台架，台架耦接至加速器并且包括物理容纳和支撑结构，物理容纳和支撑结构包括接收器侧和发射器侧，其中接收器侧可操作为接收从加速器发射的质子束；设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔固定场束弯曲磁体，其中多个小孔固定场弯曲磁体包括第一磁体和第二磁体，第一磁体设置为靠近接收器侧并且可操作为使质子束以第一度数弯曲，第二磁体设置为靠近发射器侧并且可操作为使质子束以第二度数弯曲穿过发射器侧并且朝向台架的等中心点，其中第二磁体包括超导磁体和设置在物理容纳和支撑结构中的多个小孔口束线磁体，多个小孔口束线磁体包括多个操纵器磁体，以及设置在第一和第二磁体之间或设置在(多个)第二磁体之后的多个四极磁体；以及降能器，降能器设置在台架上并且可操作为接收来自第二磁体的质子束并改变质子束的能级；xy扫描仪，xy扫描仪被设置为接收来自降能器的输出质子束并生成到靶点的输出束。
39.根据一个实施例，两个或更多个弯曲磁体包括偶极、组合功能磁体、常导磁体、超导磁体中的一个或其组合。
40.根据一个实施例，第一度数在大约45度至60度之间，并且第二度数在大约135度至150度之间。
41.根据一个实施例，第一磁体的弯曲半径为0.3米，第二磁体的弯曲半径为大约0.3米，并且第二磁体是超导磁体。
42.根据一个实施例，台架的台架半径为大约1.9米或更小，台架长度为大约2.5米或更小。
43.根据一个实施例，多个四极磁体包括第一四极磁体、第二四极磁体和第三四极磁
体，其中第二操纵器磁体设置在第一四极磁体和第二四极磁体之间。
44.根据一个实施例，第一四极磁体、第二四极磁体和第三四极磁体分别具有20mm的开口孔径。
45.根据一个实施例，单能质子束在大约100mev和250mev之间。
46.根据一个实施例，第二磁体的弯曲半径为30cm，并产生7.7t的偶极场。
47.根据一个实施例，第二磁体的开口孔径为20mm，绕组内径为50mm，并且绕组外径为125mm。
48.根据一个实施例，放射治疗系统还包括被设置为接收来自xy扫描仪的输出束的多条带剂量和位置电离室、范围移位器，以及设置在范围移位器之后的多叶准直器。
49.根据一个实施例，第一磁体和第二磁体包括以下之一或其组合：偶极、组合功能磁体、常导磁体、和超导磁体。
50.因此描述了本发明的实施例。虽然已经在特定实施例中描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不应被理解为限于这些实施例，而应当根据所附权利要求来解释。