控制粒子治疗的制作方法
【专利说明】控制粒子治疗
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年9月28日提交的美国临时申请第61/707624号的优先权。美国临时申请第61/707624号的内容通过弓I用并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及控制粒子治疗。
【背景技术】
[0004]粒子治疗系统使用加速器来产生粒子束用于治疗病痛，比如肿瘤。在操作中，粒子束在粒子加速器的腔内得到加速，并通过提取通道从该腔移除。使用各种元件来聚焦粒子束，并且将其施加至患者的适当区域。
[0005]不同的患者可能需要不同的治疗计划。处方限定了可用来实施治疗计划的粒子治疗系统的各种操作特性。处方中的信息被翻译成用于配置到粒子治疗系统的各种机器指令，以实现由处方所需的操作特性。
【发明内容】
[0006]一种示例性粒子治疗系统包括以下:台架，其可相对于患者位置旋转；粒子加速器，其安装至所述台架，其中，所述粒子加速器用于将粒子束大致直接输出至患者位置；以及控制系统，以接收处方并且以产生用于配置所述粒子治疗系统的一个或多个操作特性的机器指令。所述操作特性中的至少一个与所述台架相对于患者位置的旋转角度相关或受其影响。该示例性粒子治疗系统可以或单独地或组合地包括一个或多个以下特征。
[0007]所述粒子治疗系统可以包括粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲。所述粒子源的脉冲可以具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生该脉冲的操作持续时间。所述操作特性中的至少一个可以是基于所述台架的旋转位置且被施加至所述脉冲宽度的乘数。
[0008]所述操作特性中的至少一个可以是由所述粒子加速器输出的粒子剂量。
[0009]所述操作特性中的至少一个可以是由所述粒子加速器输出的粒子剂量率。该示例性粒子治疗系统可以包括以下:粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，其中，所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间；以及调制器轮，其具有不同的厚度，其中，每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度。配置所述剂量率可以包括基于所述调制器轮的旋转位置来改变脉冲宽度。
[0010]所述操作特性中的至少一个可以是患者位置。该示例性粒子治疗系统可以包括结构，患者躺于其上，其中，所述结构对应于所述患者位置。配置所述患者位置可包括使所述结构相对于一个或多个坐标位置移动。
[0011 ] 所述操作特性中的至少一个可以是由所述粒子加速器输出的粒子束的场大小。该示例性粒子治疗系统可以包括散射器件，其具有不同配置用于改变所述粒子束的场大小。配置所述场大小可以包括选择要移动到所述粒子束的路径中的散射器件之一，并且将所选择的散射器件移动到所述粒子束的路径中。
[0012]所述操作特性中的至少一个可以是由所述粒子加速器输出的粒子束的深度(进入患者)。该示例性粒子治疗系统可以包括吸收器，其具有不同的厚度用于吸收粒子束。配置所述深度可以包括控制所述吸收器，以便将特定的厚度置于所述粒子束的路径中。
[0013]该示例性粒子治疗系统可以包括一个或多个调制器轮。每个调制器轮可以具有不同的厚度。每个厚度可以延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度。配置所述深度可以包括选择要移动到所述粒子束的路径中的调制器轮。
[0014]该示例性粒子治疗系统可以包括粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲。所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间。配置所述深度可以包括选择含有用于基于所选择的调制器轮的旋转位置来改变脉冲宽度的指令的文件。配置粒子束的深度的范围可以包括在所述调制器轮的特定旋转位置处关闭所述粒子源。
[0015]所述操作特性中的至少一个包括由所述粒子加速器输出的粒子束的形状。该示例性粒子治疗系统可以包括对应于不同形状的一个或多个孔。配置粒子束的形状可以包括选择所述孔之一并且将所选择的孔移动到所述粒子束的路径中。
[0016]所述操作特性中的至少一个包括由所述粒子加速器输出的粒子束的沿深度的形状。该示例性粒子治疗系统可以包括射程补偿团块。配置粒子束的沿深度的形状可以包括将所述射程补偿团块移动到所述粒子束的路径中。
[0017]前述的操作特性可以单独地或以任何适当组合地被配置。
[0018]所述控制系统可以包括一个或多个计算器件，对所述一个或多个计算器件进行编程以控制基于所述机器指令来控制所述操作特性的粒子治疗系统的元件。
[0019]所述粒子治疗系统可以包括扫描系统，并且所述操作特性中的一个或多个可以涉及所述扫描系统。配置所述粒子治疗系统的一个或多个操作特性可以通过使用开环控制或通过使用闭环控制来进行。
[0020]配置所述粒子治疗系统的一个或多个操作特性可以包括调整微吸收器轮的位置、调整所述粒子加速器中的超导磁体的磁流、以及改变从加速器输出的粒子脉冲的脉冲宽度。
[0021]在本发明中所阐述的两个或更多个特征(包括在此
【发明内容】
中所阐述的那些特征)可以组合来形成未在本文中具体阐述的实施方式。
[0022]可以通过计算机程序产品来实施本文中所述的各种系统或其部分的控制，所述计算机程序产品包括储存在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上并且可以在一个或多个处理器件上执行的指令。本文中所述的系统或其部分可以实施为可包括一个或多个处理器件及用于储存可执行指令的存储器以实施对所述功能的控制的装置、方法或电子系统。
[0023]下面参照附图以及说明书，对一个或多个实施方式的细节进行阐述。根据说明书、附图以及根据权利要求书，本发明的其它特征、目标及优点将是显而易见的。
【附图说明】
[0024]图1是示例性治疗系统的透视图。
[0025]图2是示例性同步回旋加速器的组件的分解透视图。
[0026]图3、4和5是示例性同步回旋加速器的剖视图。
[0027]图6是示例性同步回旋加速器的透视图。
[0028]图7是示例性反向线圈架及绕组的一部分的剖视图。
[0029]图8是示例性通道中电缆复合导体的剖视图。
[0030]图9是示例性离子源的剖视图。
[0031 ]图10是示例性D形板和示例性虚拟D形件的透视图。
[0032]图11是示例性穴室的透视图。
[0033]图12是带有穴室的示例性治疗室的透视图。
[0034]图13示出了患者紧挨着粒子加速器。
[0035]图14示出了患者定位在示例性治疗室中的示例性内台架内。
[0036]图15是示出了定位成从患者上方施加质子或离子束的示例性外台架和内台架的透视图。
[0037]图16示出了由示例性加速器提供的粒子束的形状。
[0038]图17是示出了定位成从患者下方施加质子或离子束的示例性外台架和内台架的透视图。
[0039]图18示出了示例性内台架的部件。
[0040]图19是示例性粒子源的侧视图。
[0041]图20是相对于虚拟D形件示出的示例性粒子源的剖视侧视图。
[0042]图21是加速腔和提取通道的俯视图。
[0043]图22是示出了磁场强度对距等离子体柱的径向距离的图表，连同超导磁体的低温恒温器的示例性部分的剖面。
[0044]图23是示例性加速腔和提取通道的俯视图，其示出了移动进入提取通道的轨道。
[0045]图24是用来改变提取通道中的粒子束的能量的示例性结构的透视图。
[0046]图25是图24的结构的侧视图。
[0047]图26是示出了各个布拉格峰以及产生延展的布拉格峰的累积效应的图表。
[0048]图27是用于产生不同深度及强度水平的布拉格峰的调制器轮的侧视图。
[0049]图28是图27的调制器轮的俯视图。
[0050]图29是示出了频率扫掠以及在频率扫掠的周期期间输出的离子源脉冲宽度的图表。
[0051]图30是示出了在患者内的不同深度的延展的布拉格峰的图表。
[0052]图31是示出了对于图30的延展的布拉格峰的离子源脉冲宽度相对于调制器轮的角度的图表。
[0053]图32是示出了包括调制器轮、散射体、吸收器以及电离室的束路径的侧视图。
[0054]图33是孔、射程补偿团块以及由粒子束治疗的肿瘤的侧视图。
[0055]图34是示例性扫描系统的侧视图。
[0056]图35是示例性扫描系统的透视图。
[0057]图36和37分别是可在示例性扫描系统中使用的示例性扫描磁体的前视图和透视图。
[0058]图38是可在示例性扫描系统中使用的示例性范围调制器的透视图。
[0059]图39是板从范围调制器进入/离开束路径的运动的透视图。
[0060]各图中的相同附图标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0061]概述
[0062]本文所述的是一种粒子治疗系统比如质子或离子治疗系统的示例。该粒子治疗系统包括安装在台架上的粒子加速器一一在该示例中是同步回旋加速器。台架使得加速器能够围绕患者位置旋转，如下文更详细地说明。在某些实施方式中，台架是钢制的，并且具有安装成用于在位于患者相对侧上的两个相应轴承上旋转的两个支腿。粒子加速器由钢桁架支撑，钢桁架足够长以跨越患者躺于其中的治疗区域并且在两端处稳定地连接至台架的旋转支腿。由于台架围绕患者旋转，所以粒子加速器也旋转。
[0063]在示例性实施方式中，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)包括低温恒温器，该低温恒温器保持用于传导产生磁场(B)的电流的超导线圈。在此示例中，低温恒温器使用液态氦(He)来将线圈维持在超导温度，例如4°开尔文(K)。磁轭相邻(例如，围绕)低温恒温器，并且限定粒子在其中得以加速的腔。低温恒温器通过条带等连接至磁轭。
[0064]在该示例性实施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如，潘宁离子真空计一PIG源)，以向腔提供等离子体柱。氢气被电离以产生等离子体柱。电压源向腔提供射频(RF)电压以加速来自等离子体柱的粒子。如所述，在该示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，RF电压跨越频率范围扫掠，以在从该柱提取粒子时考虑对粒子的相对论效应(例如，增加的粒子质量)。由线圈产生的磁场促使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道加速。磁场再生器定位在腔中，并且可用于调整腔内的现有磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道的位置，最终使得粒子输出至穿过轭的提取通道。提取通道接收从等离子体柱加速的粒子，并且输出来自该腔的所接收的粒子。提取通道内外的元件成形并聚焦粒子束用于应用。
[0065]根据特定治疗计划将粒子束施加至患者。处方限定用来实施治疗计划的粒子治疗系统的操作特性。控制系统(其可以是粒子治疗系统的一部分)将处方翻译成机器指令，包括但不限于命令、参数和/或其它机器可用的信息。
[0066]在这方面，控制系统可以包括一个或多个计算机、处理器件等，对它们进行编程来使用从处方翻译的指令，以控制粒子治疗系统的各种操作方面。在某些实施方式中，通过使用数学方法和/或查找表(LUT)来进行翻译，如下文所述。尽管在一实施方式中处方可以指定适于特定粒子治疗系统的任何数量的操作特性，但该处方指定以下各项中的一个或多个:粒子剂量、粒子剂量率、患者位置(如由患者所躺于其上的“床”限定)、患者床旋转角度、台架旋转角度、束场大小、束深度、束深度的范围、用来限制粒子束的区域的孔的配置、以及用来定制粒子束的穿透深度的射程补偿团块(或简称“团块”)的配置。下面将对这些操作特性中的每个进行更加详细地说明。
[0067]一旦控制系统已经获得机器指令，则控制系统就使用这些机器指令来配置粒子治疗系统，使得其具有适合用于治疗计划的操作特性。粒子治疗系统可以在逐案的基础上进行配置。
[0068]本文所述的用于控制粒子治疗的技术不限于与特定粒子治疗系统一起使用，而是可以用于任何适当的粒子治疗系统。前述技术还可以用于其它适当的治疗或诊断系统。
[0069]下文提供了其中可以使用本文所述的技术的粒子治疗系统的示例。
[0070]示例性粒子治疗系统
[0071]参照图1，带电粒子辐射治疗系统500包括产生束的粒子加速器502，其具有的重量及尺寸足够得小，以允许其安装在旋转台架504上，它的输出从加速器壳体被径直地(也就是说基本上直接地)引向患者506。
[0072]在某些实施方式中，钢台架具有两个支腿508、510，它们安装成用于在位于患者相对侧上的两个相应轴承512、514上旋转。加速器由钢桁架516支撑，该钢桁架足够长以跨越患者躺于其中的治疗区域518(例如，长达高个子人的两倍，以允许此人在空间内完全旋转，患者的任何所期望的目标区域保持在束的线路中)，并且在两个端部稳定地连接至台架的旋转支腿。
[0073]在某些示例中，台架的旋转被限制到小于360度例如约180度的范围520，以允许地板522从容纳治疗系统的穴室524的壁延伸到患者治疗区域中。台架的有限旋转范围还减小了一些壁的所需厚度，这些壁为治疗区域外的人提供辐射屏蔽。台架旋转的180度的范围足以涵盖所有的治疗接近角度，但提供更大范围的行程可能是有用的。例如，旋转范围可以在180度与330度之间，并且仍为治疗地板空间提供间隙。
[0074]台架的水平旋转轴线532位于其中患者和治疗师与治疗系统交互作用的地板之上标称一米处。该地板定位在治疗系统所屏蔽的穴室的底部地板之上约3米处。加速器可以在被抬高的地板下方摆动，用于从旋转轴线下方传送治疗束。患者床在平行于台架旋转轴线的大致水平平面中移动并旋转。该床可以在具有此配置的水平平面中旋转约270度的范围534。台架及患者旋转范围的此组合和自由度允许治疗师实际选择用于束的任何接近角度。如果需要的话，可以在相反的方向上将患者放置在床上，然后可以使用所有可能的角度。
[0075]在某些实施方式中，加速器使用具有非常高的磁场超导电磁结构的同步回旋加速器配置。由于给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加至其的磁场的增加成正比地减少，所以非常高的磁场超导磁结构允许将加速器制作得更小更轻。同步回旋加速器使用旋转角度均匀且强度随半径增加而下降的磁场。可以实现这种场形状，而无须考虑磁场的量值，因此理论上不存在可用于同步回旋加速器中的磁场强度(且因此在固定半径下的所得的粒子能量)的上限。
[0076]超导材料在