控制粒子治療的制作方法
【專利說明】控制粒子治療
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年9月28日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)第61/707624號(hào)的優(yōu)先權(quán)。美國臨時(shí)申請(qǐng)第61/707624號(hào)的內(nèi)容通過弓I用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及控制粒子治療。
【背景技術(shù)】
[0004]粒子治療系統(tǒng)使用加速器來產(chǎn)生粒子束用于治療病痛，比如腫瘤。在操作中，粒子束在粒子加速器的腔內(nèi)得到加速，并通過提取通道從該腔移除。使用各種元件來聚焦粒子束，并且將其施加至患者的適當(dāng)區(qū)域。
[0005]不同的患者可能需要不同的治療計(jì)劃。處方限定了可用來實(shí)施治療計(jì)劃的粒子治療系統(tǒng)的各種操作特性。處方中的信息被翻譯成用于配置到粒子治療系統(tǒng)的各種機(jī)器指令，以實(shí)現(xiàn)由處方所需的操作特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種示例性粒子治療系統(tǒng)包括以下:臺(tái)架，其可相對(duì)于患者位置旋轉(zhuǎn)；粒子加速器，其安裝至所述臺(tái)架，其中，所述粒子加速器用于將粒子束大致直接輸出至患者位置；以及控制系統(tǒng)，以接收處方并且以產(chǎn)生用于配置所述粒子治療系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)操作特性的機(jī)器指令。所述操作特性中的至少一個(gè)與所述臺(tái)架相對(duì)于患者位置的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)或受其影響。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以或單獨(dú)地或組合地包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。
[0007]所述粒子治療系統(tǒng)可以包括粒子源，以向腔提供電離等離子體的脈沖。所述粒子源的脈沖可以具有的脈沖寬度對(duì)應(yīng)于所述粒子源產(chǎn)生該脈沖的操作持續(xù)時(shí)間。所述操作特性中的至少一個(gè)可以是基于所述臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)位置且被施加至所述脈沖寬度的乘數(shù)。
[0008]所述操作特性中的至少一個(gè)可以是由所述粒子加速器輸出的粒子劑量。
[0009]所述操作特性中的至少一個(gè)可以是由所述粒子加速器輸出的粒子劑量率。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括以下:粒子源，以向腔提供電離等離子體的脈沖，其中，所述粒子源的每個(gè)脈沖具有的脈沖寬度對(duì)應(yīng)于所述粒子源產(chǎn)生相應(yīng)脈沖的操作持續(xù)時(shí)間；以及調(diào)制器輪，其具有不同的厚度，其中，每個(gè)厚度延伸跨越所述調(diào)制器輪的不同圓周長度。配置所述劑量率可以包括基于所述調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)位置來改變脈沖寬度。
[0010]所述操作特性中的至少一個(gè)可以是患者位置。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括結(jié)構(gòu)，患者躺于其上，其中，所述結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于所述患者位置。配置所述患者位置可包括使所述結(jié)構(gòu)相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)坐標(biāo)位置移動(dòng)。
[0011 ] 所述操作特性中的至少一個(gè)可以是由所述粒子加速器輸出的粒子束的場大小。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括散射器件，其具有不同配置用于改變所述粒子束的場大小。配置所述場大小可以包括選擇要移動(dòng)到所述粒子束的路徑中的散射器件之一，并且將所選擇的散射器件移動(dòng)到所述粒子束的路徑中。
[0012]所述操作特性中的至少一個(gè)可以是由所述粒子加速器輸出的粒子束的深度(進(jìn)入患者)。該示例性粒子治療系統(tǒng)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，以便將特定的厚度置于所述粒子束的路徑中。
[0013]該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)調(diào)制器輪。每個(gè)調(diào)制器輪可以具有不同的厚度。每個(gè)厚度可以延伸跨越所述調(diào)制器輪的不同圓周長度。配置所述深度可以包括選擇要移動(dòng)到所述粒子束的路徑中的調(diào)制器輪。
[0014]該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括粒子源，以向腔提供電離等離子體的脈沖。所述粒子源的每個(gè)脈沖具有的脈沖寬度對(duì)應(yīng)于所述粒子源產(chǎn)生相應(yīng)脈沖的操作持續(xù)時(shí)間。配置所述深度可以包括選擇含有用于基于所選擇的調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)位置來改變脈沖寬度的指令的文件。配置粒子束的深度的范圍可以包括在所述調(diào)制器輪的特定旋轉(zhuǎn)位置處關(guān)閉所述粒子源。
[0015]所述操作特性中的至少一個(gè)包括由所述粒子加速器輸出的粒子束的形狀。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括對(duì)應(yīng)于不同形狀的一個(gè)或多個(gè)孔。配置粒子束的形狀可以包括選擇所述孔之一并且將所選擇的孔移動(dòng)到所述粒子束的路徑中。
[0016]所述操作特性中的至少一個(gè)包括由所述粒子加速器輸出的粒子束的沿深度的形狀。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括射程補(bǔ)償團(tuán)塊。配置粒子束的沿深度的形狀可以包括將所述射程補(bǔ)償團(tuán)塊移動(dòng)到所述粒子束的路徑中。
[0017]前述的操作特性可以單獨(dú)地或以任何適當(dāng)組合地被配置。
[0018]所述控制系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)計(jì)算器件，對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)計(jì)算器件進(jìn)行編程以控制基于所述機(jī)器指令來控制所述操作特性的粒子治療系統(tǒng)的元件。
[0019]所述粒子治療系統(tǒng)可以包括掃描系統(tǒng)，并且所述操作特性中的一個(gè)或多個(gè)可以涉及所述掃描系統(tǒng)。配置所述粒子治療系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)操作特性可以通過使用開環(huán)控制或通過使用閉環(huán)控制來進(jìn)行。
[0020]配置所述粒子治療系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)操作特性可以包括調(diào)整微吸收器輪的位置、調(diào)整所述粒子加速器中的超導(dǎo)磁體的磁流、以及改變從加速器輸出的粒子脈沖的脈沖寬度。
[0021]在本發(fā)明中所闡述的兩個(gè)或更多個(gè)特征(包括在此
【發(fā)明內(nèi)容】
中所闡述的那些特征)可以組合來形成未在本文中具體闡述的實(shí)施方式。
[0022]可以通過計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品來實(shí)施本文中所述的各種系統(tǒng)或其部分的控制，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括儲(chǔ)存在一個(gè)或多個(gè)非暫時(shí)性機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上并且可以在一個(gè)或多個(gè)處理器件上執(zhí)行的指令。本文中所述的系統(tǒng)或其部分可以實(shí)施為可包括一個(gè)或多個(gè)處理器件及用于儲(chǔ)存可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器以實(shí)施對(duì)所述功能的控制的裝置、方法或電子系統(tǒng)。
[0023]下面參照附圖以及說明書，對(duì)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述。根據(jù)說明書、附圖以及根據(jù)權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它特征、目標(biāo)及優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0024]圖1是示例性治療系統(tǒng)的透視圖。
[0025]圖2是示例性同步回旋加速器的組件的分解透視圖。
[0026]圖3、4和5是示例性同步回旋加速器的剖視圖。
[0027]圖6是示例性同步回旋加速器的透視圖。
[0028]圖7是示例性反向線圈架及繞組的一部分的剖視圖。
[0029]圖8是示例性通道中電纜復(fù)合導(dǎo)體的剖視圖。
[0030]圖9是示例性離子源的剖視圖。
[0031 ]圖10是示例性D形板和示例性虛擬D形件的透視圖。
[0032]圖11是示例性穴室的透視圖。
[0033]圖12是帶有穴室的示例性治療室的透視圖。
[0034]圖13示出了患者緊挨著粒子加速器。
[0035]圖14示出了患者定位在示例性治療室中的示例性內(nèi)臺(tái)架內(nèi)。
[0036]圖15是示出了定位成從患者上方施加質(zhì)子或離子束的示例性外臺(tái)架和內(nèi)臺(tái)架的透視圖。
[0037]圖16示出了由示例性加速器提供的粒子束的形狀。
[0038]圖17是示出了定位成從患者下方施加質(zhì)子或離子束的示例性外臺(tái)架和內(nèi)臺(tái)架的透視圖。
[0039]圖18示出了示例性內(nèi)臺(tái)架的部件。
[0040]圖19是示例性粒子源的側(cè)視圖。
[0041]圖20是相對(duì)于虛擬D形件示出的示例性粒子源的剖視側(cè)視圖。
[0042]圖21是加速腔和提取通道的俯視圖。
[0043]圖22是示出了磁場強(qiáng)度對(duì)距等離子體柱的徑向距離的圖表，連同超導(dǎo)磁體的低溫恒溫器的示例性部分的剖面。
[0044]圖23是示例性加速腔和提取通道的俯視圖，其示出了移動(dòng)進(jìn)入提取通道的軌道。
[0045]圖24是用來改變提取通道中的粒子束的能量的示例性結(jié)構(gòu)的透視圖。
[0046]圖25是圖24的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0047]圖26是示出了各個(gè)布拉格峰以及產(chǎn)生延展的布拉格峰的累積效應(yīng)的圖表。
[0048]圖27是用于產(chǎn)生不同深度及強(qiáng)度水平的布拉格峰的調(diào)制器輪的側(cè)視圖。
[0049]圖28是圖27的調(diào)制器輪的俯視圖。
[0050]圖29是示出了頻率掃掠以及在頻率掃掠的周期期間輸出的離子源脈沖寬度的圖表。
[0051]圖30是示出了在患者內(nèi)的不同深度的延展的布拉格峰的圖表。
[0052]圖31是示出了對(duì)于圖30的延展的布拉格峰的離子源脈沖寬度相對(duì)于調(diào)制器輪的角度的圖表。
[0053]圖32是示出了包括調(diào)制器輪、散射體、吸收器以及電離室的束路徑的側(cè)視圖。
[0054]圖33是孔、射程補(bǔ)償團(tuán)塊以及由粒子束治療的腫瘤的側(cè)視圖。
[0055]圖34是示例性掃描系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0056]圖35是示例性掃描系統(tǒng)的透視圖。
[0057]圖36和37分別是可在示例性掃描系統(tǒng)中使用的示例性掃描磁體的前視圖和透視圖。
[0058]圖38是可在示例性掃描系統(tǒng)中使用的示例性范圍調(diào)制器的透視圖。
[0059]圖39是板從范圍調(diào)制器進(jìn)入/離開束路徑的運(yùn)動(dòng)的透視圖。
[0060]各圖中的相同附圖標(biāo)記表示相同的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0061]概述
[0062]本文所述的是一種粒子治療系統(tǒng)比如質(zhì)子或離子治療系統(tǒng)的示例。該粒子治療系統(tǒng)包括安裝在臺(tái)架上的粒子加速器一一在該示例中是同步回旋加速器。臺(tái)架使得加速器能夠圍繞患者位置旋轉(zhuǎn)，如下文更詳細(xì)地說明。在某些實(shí)施方式中，臺(tái)架是鋼制的，并且具有安裝成用于在位于患者相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)相應(yīng)軸承上旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)支腿。粒子加速器由鋼桁架支撐，鋼桁架足夠長以跨越患者躺于其中的治療區(qū)域并且在兩端處穩(wěn)定地連接至臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)支腿。由于臺(tái)架圍繞患者旋轉(zhuǎn)，所以粒子加速器也旋轉(zhuǎn)。
[0063]在示例性實(shí)施方式中，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)包括低溫恒溫器，該低溫恒溫器保持用于傳導(dǎo)產(chǎn)生磁場(B)的電流的超導(dǎo)線圈。在此示例中，低溫恒溫器使用液態(tài)氦(He)來將線圈維持在超導(dǎo)溫度，例如4°開爾文(K)。磁軛相鄰(例如，圍繞)低溫恒溫器，并且限定粒子在其中得以加速的腔。低溫恒溫器通過條帶等連接至磁軛。
[0064]在該示例性實(shí)施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如，潘寧離子真空計(jì)一PIG源)，以向腔提供等離子體柱。氫氣被電離以產(chǎn)生等離子體柱。電壓源向腔提供射頻(RF)電壓以加速來自等離子體柱的粒子。如所述，在該示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，RF電壓跨越頻率范圍掃掠，以在從該柱提取粒子時(shí)考慮對(duì)粒子的相對(duì)論效應(yīng)(例如，增加的粒子質(zhì)量)。由線圈產(chǎn)生的磁場促使從等離子體柱加速的粒子在腔內(nèi)沿軌道加速。磁場再生器定位在腔中，并且可用于調(diào)整腔內(nèi)的現(xiàn)有磁場，從而改變從等離子體柱加速的粒子的連續(xù)軌道的位置，最終使得粒子輸出至穿過軛的提取通道。提取通道接收從等離子體柱加速的粒子，并且輸出來自該腔的所接收的粒子。提取通道內(nèi)外的元件成形并聚焦粒子束用于應(yīng)用。
[0065]根據(jù)特定治療計(jì)劃將粒子束施加至患者。處方限定用來實(shí)施治療計(jì)劃的粒子治療系統(tǒng)的操作特性?？刂葡到y(tǒng)(其可以是粒子治療系統(tǒng)的一部分)將處方翻譯成機(jī)器指令，包括但不限于命令、參數(shù)和/或其它機(jī)器可用的信息。
[0066]在這方面，控制系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)、處理器件等，對(duì)它們進(jìn)行編程來使用從處方翻譯的指令，以控制粒子治療系統(tǒng)的各種操作方面。在某些實(shí)施方式中，通過使用數(shù)學(xué)方法和/或查找表(LUT)來進(jìn)行翻譯，如下文所述。盡管在一實(shí)施方式中處方可以指定適于特定粒子治療系統(tǒng)的任何數(shù)量的操作特性，但該處方指定以下各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):粒子劑量、粒子劑量率、患者位置(如由患者所躺于其上的“床”限定)、患者床旋轉(zhuǎn)角度、臺(tái)架旋轉(zhuǎn)角度、束場大小、束深度、束深度的范圍、用來限制粒子束的區(qū)域的孔的配置、以及用來定制粒子束的穿透深度的射程補(bǔ)償團(tuán)塊(或簡稱“團(tuán)塊”)的配置。下面將對(duì)這些操作特性中的每個(gè)進(jìn)行更加詳細(xì)地說明。
[0067]一旦控制系統(tǒng)已經(jīng)獲得機(jī)器指令，則控制系統(tǒng)就使用這些機(jī)器指令來配置粒子治療系統(tǒng)，使得其具有適合用于治療計(jì)劃的操作特性。粒子治療系統(tǒng)可以在逐案的基礎(chǔ)上進(jìn)行配置。
[0068]本文所述的用于控制粒子治療的技術(shù)不限于與特定粒子治療系統(tǒng)一起使用，而是可以用于任何適當(dāng)?shù)牧Ｗ又委熛到y(tǒng)。前述技術(shù)還可以用于其它適當(dāng)?shù)闹委熁蛟\斷系統(tǒng)。
[0069]下文提供了其中可以使用本文所述的技術(shù)的粒子治療系統(tǒng)的示例。
[0070]示例性粒子治療系統(tǒng)
[0071]參照?qǐng)D1，帶電粒子輻射治療系統(tǒng)500包括產(chǎn)生束的粒子加速器502，其具有的重量及尺寸足夠得小，以允許其安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)架504上，它的輸出從加速器殼體被徑直地(也就是說基本上直接地)引向患者506。
[0072]在某些實(shí)施方式中，鋼臺(tái)架具有兩個(gè)支腿508、510，它們安裝成用于在位于患者相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)相應(yīng)軸承512、514上旋轉(zhuǎn)。加速器由鋼桁架516支撐，該鋼桁架足夠長以跨越患者躺于其中的治療區(qū)域518(例如，長達(dá)高個(gè)子人的兩倍，以允許此人在空間內(nèi)完全旋轉(zhuǎn)，患者的任何所期望的目標(biāo)區(qū)域保持在束的線路中)，并且在兩個(gè)端部穩(wěn)定地連接至臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)支腿。
[0073]在某些示例中，臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)被限制到小于360度例如約180度的范圍520，以允許地板522從容納治療系統(tǒng)的穴室524的壁延伸到患者治療區(qū)域中。臺(tái)架的有限旋轉(zhuǎn)范圍還減小了一些壁的所需厚度，這些壁為治療區(qū)域外的人提供輻射屏蔽。臺(tái)架旋轉(zhuǎn)的180度的范圍足以涵蓋所有的治療接近角度，但提供更大范圍的行程可能是有用的。例如，旋轉(zhuǎn)范圍可以在180度與330度之間，并且仍為治療地板空間提供間隙。
[0074]臺(tái)架的水平旋轉(zhuǎn)軸線532位于其中患者和治療師與治療系統(tǒng)交互作用的地板之上標(biāo)稱一米處。該地板定位在治療系統(tǒng)所屏蔽的穴室的底部地板之上約3米處。加速器可以在被抬高的地板下方擺動(dòng)，用于從旋轉(zhuǎn)軸線下方傳送治療束。患者床在平行于臺(tái)架旋轉(zhuǎn)軸線的大致水平平面中移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)。該床可以在具有此配置的水平平面中旋轉(zhuǎn)約270度的范圍534。臺(tái)架及患者旋轉(zhuǎn)范圍的此組合和自由度允許治療師實(shí)際選擇用于束的任何接近角度。如果需要的話，可以在相反的方向上將患者放置在床上，然后可以使用所有可能的角度。
[0075]在某些實(shí)施方式中，加速器使用具有非常高的磁場超導(dǎo)電磁結(jié)構(gòu)的同步回旋加速器配置。由于給定動(dòng)能的帶電粒子的彎曲半徑與施加至其的磁場的增加成正比地減少，所以非常高的磁場超導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)允許將加速器制作得更小更輕。同步回旋加速器使用旋轉(zhuǎn)角度均勻且強(qiáng)度隨半徑增加而下降的磁場?？梢詫?shí)現(xiàn)這種場形狀，而無須考慮磁場的量值，因此理論上不存在可用于同步回旋加速器中的磁場強(qiáng)度(且因此在固定半徑下的所得的粒子能量)的上限。
[0076]超導(dǎo)材料在