專利名稱：帶電例子放射治療的制作方法
技術領域：
本描述涉及帶電粒子(例如，質(zhì)子或者離子)放射治療。
背景技術：
與用于傳統(tǒng)的放射療法的電子束的能量相比，用于治療的質(zhì)子或者離 子束的能量需要是高的。例如，具有在水中約32厘米的殘余射程(residual range)的質(zhì)子束被認為是足以治療人體中的任何腫瘤目標。當允許由于用于 擴散束的散射箔所致的殘余射程的降低時，需要250兆電子伏的初始質(zhì)子 束能量以獲得32厘米的殘余射程。
可以使用數(shù)種類型的粒子加速器以產(chǎn)生用于治療的足夠束電流(例 如，約10 nA)的250兆電子伏的質(zhì)子束，包括直線加速器、同步加速器和 回旋加速器。
用于臨床環(huán)境的質(zhì)子或者離子放射治療系統(tǒng)的設計應當考慮整體尺 寸、成本和復雜性。可用空間通常受限于擁擠的臨床環(huán)境。較低的成本允 許更多的系統(tǒng)得以應用到更多的患者人群。更低的復雜性降低操作成本并 使得系統(tǒng)更可靠以便常規(guī)臨床使用。
其它的考慮同樣與這樣的治療系統(tǒng)的設計有關。通過配置系統(tǒng)以施加 治療到保持在穩(wěn)定的可再現(xiàn)的位置(例如，仰臥在平臺上)的患者，醫(yī)生可以 在每一治療相對于患者的解剖結(jié)構(gòu)更加精確地再定位意在的目標。對于每
一治療，可靠地再現(xiàn)患者的位置還可以通過使用配合到患者的定制的模型 和支架而得以輔助。借助于患者在穩(wěn)定的固定位置，放射治療束可以從一 系列的角度指向患者，以使得在整個治療過程中在目標處的放射劑量得以 提高，同時外部放射劑量在非目標組織上散布開。
傳統(tǒng)地，等心臺架(isocentric gantry)圍繞仰臥的患者轉(zhuǎn)動以沿著位于7> 共的垂直面中的一定范圍的角度內(nèi)的相繼接連的路徑向著患者體內(nèi)的單一
點(稱作等心點)定向放射束。通過繞豎直軸轉(zhuǎn)動患者所躺的臺，束可以沿著
不同路徑定向到患者。其它技術已經(jīng)用于改變患者周圍的放射源的位置，
包括機器人操作。并且，其它移動或者再定位患者的方法已經(jīng)使用。 在高能量的x射線束治療中，x射線束可以向著等心點從安裝在臺架
或者機器人臂上的電子線性加速器定向。
在典型的質(zhì)子束治療中，產(chǎn)生束的環(huán)形粒子加速器太大而不能安裝在 臺架上。相反，加速器安裝在固定位置，而粒子束通過使用磁性波束控制
元件再定向通過轉(zhuǎn)動的臺架。Blosser已經(jīng)建議在水平轉(zhuǎn)動軸附近的臺架的 側(cè)面安裝加速器。

發(fā)明內(nèi)容
通常，在一方面，加速器安裝在臺架上以使得加速器能移動通過位于 患者支撐件上的患者周圍的一定的位置范圍。加速器配置的以產(chǎn)生具有足 以從所述范圍內(nèi)的位置到達患者中的任何的任意目標的能級的質(zhì)子或離子 束。質(zhì)子或者離子束實質(zhì)上直接從加速器殼體通過到達患者。
實施例可以包括一個或多個下面的特征。支撐臺架以1更在患者支撐件 兩側(cè)的軸承上轉(zhuǎn)動。臺架具有從轉(zhuǎn)動軸延伸兩條腿和上面安裝有加速器的 所述兩條腿之間的桁架。臺架被限制在小于360度，至少有180度大，并 且在一些實施例中為從約180度到約330度的位置范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。(180度的 轉(zhuǎn)動范圍足以提供接近仰臥的患者的所有角度)。輻射防護壁包括與在所述 范圍內(nèi)的任何位置中的來自加速器的質(zhì)子或者離子束不在一條直線的壁； 所述壁構(gòu)造的以用較小的質(zhì)量提供相同的輻射保護?；颊咧渭惭b在可 通過由臺架被限制得不能轉(zhuǎn)動的 一 定的位置范圍限定的空間接近的區(qū)域 中?；颊咧渭上鄬τ诎ɡ@豎直的患者轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的臺架移動。患者 轉(zhuǎn)動軸包含在患者支撐件上的患者周邊的等心點。臺架轉(zhuǎn)動軸是水平的并 包含等心點。加速器重量小于40噸，并且在典型的實施例中在5-30噸范圍 內(nèi)，占據(jù)小于4.5立方米，典型地在0.7-4.5立方米的體積，并產(chǎn)生具有至 少150兆電子伏，并且在150-300兆電子伏，例如250兆電子伏的能級的質(zhì)
子或者離子束。
加速器可以是具有磁體結(jié)構(gòu)的同步回旋加速器，其具有至少6特斯拉 的場強，并可以為6-20特斯拉。磁體結(jié)構(gòu)包括由低溫冷卻器冷卻的超導繞
組。質(zhì)子或者離子束直接從加速器通過達到患者臺的總體區(qū)域。防護室包 含患者支撐件、臺架和加速器，其包括比所述室的其它壁薄的該室的至少 一個壁。 一部分室可以嵌入在土內(nèi)。
通常，在一方面，加速器配置的以產(chǎn)生具有足以到達患者的任何的任 意目標的能級的質(zhì)子或者離子束。加速器足夠小并且重量足夠輕以安裝在 允許質(zhì)子或者離子束實質(zhì)上直接從加速器殼體通過到達患者的方位的旋轉(zhuǎn)
臺架上o
通常，在一方面，醫(yī)療同步回旋加速器具有超導電磁結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生至
少6特斯拉的場強，產(chǎn)生具有至少150兆電子伏的能級的粒子束例如質(zhì)子 束，具有不超過4.5立方米的體積，并具有小于30噸的重量。
通常，在一方面，患者支撐在治療空間內(nèi)，質(zhì)子或者離子束在直線方 向從加速器的輸出通過到患者體內(nèi)的任何的任意目標，并且使得該直線方 向得以在通過患者周圍的 一 定的方向范圍變化。
通常，在一方面， 一種結(jié)構(gòu)包括患者支撐件和臺架，加速器安裝在其 上以使得加速器能移動通過位于患者支撐件上的患者周圍的一定的位置范 圍。加速器配置的以產(chǎn)生具有足以從所述范圍內(nèi)的位置到達患者中的任何 的任意目標的能級的質(zhì)子或離子束。壁式包殼包含患者支撐、臺架和加速 器。在一些例子中，壁式包殼的表面的超過一半嵌入在土中。
其它的方面包括上述方面和特征以及表示為設備、系統(tǒng)、方法、軟件 產(chǎn)品、商業(yè)方法和其它方式的特征的組合。
通過產(chǎn)生大約IO特斯拉的磁場，加速器的尺寸接近1.5米，并且質(zhì)量 降低到大約15-20噸。重量將取決于在加速器附近允許的雜散磁場。甚至更 小的重量和大小是可能的。這使得回旋加速器能夠放置在臺架上，具有直 接指向等心點的輸出束，并圍繞患者轉(zhuǎn)動，這樣簡化質(zhì)子或者離子束放射 治療的實施。所有的引出束聚集和操縱元件結(jié)合到加速器中或者直接與其 鄰接。加速器在臺架上的直接安裝消除了否則需要將束從加速器傳遞到患 者的目標位置的束傳遞部件。質(zhì)子或者離子束治療系統(tǒng)的尺寸、復雜性和 成本降低并且其性能得以改善。在豎直平面內(nèi)降低臺架的轉(zhuǎn)動范圍到小于 360度降低必須設置在束決不會指向的位置的防護屏障的厚度。這還允許便 于才妄近患者治療空間。同步回^t加速器可以比例;改大到任意強的場而在加 速過程中不影響束聚集。低溫液體冷卻線圈的消除降低了如果在故障情況
例如磁體失超的情況下蒸發(fā)的液體冷凍劑釋放對操作者和患者的風險。 其它的優(yōu)點和特征將從下面的描述以及權(quán)利要求變得明顯。


圖1是治療系統(tǒng)的透視圖。
圖2是同步回旋加速器的部件的分解透視圖。
圖3、 4和5是同步回旋加速器的截面視圖。 圖6是同步回旋加速器的透視圖。 圖7是反向線圈架和繞組部分的截面視圖。 圖8是電纜在通道中的復合導體的截面視圖。 圖9是離子源的截面視圖。
圖10是D形板(dee plate)和偽D形件(dummy dee)的透視圖。
圖11是拱室的透視圖。
圖12是具有拱室的治療室的透視圖。
圖13示出極片(pole piece)和極面(pole face)的對稱剖面的一半的剖面。
具體實施例方式
如圖1所示，帶電粒子放射治療系統(tǒng)500包括束產(chǎn)生粒子加速器502, 其具有足夠小的重量和尺寸以允許其安裝在轉(zhuǎn)動臺架504上，其輸出直4妄 (也就是，實質(zhì)上直接)從加速器殼體向著患者506直著定向。治療系統(tǒng)的尺 寸和成本明顯降低，并且系統(tǒng)的可靠性精度可得以增加。
在一些實施例中，鋼制的臺架具有兩條腿508、 510,其安裝以z便在位 于患者的相對側(cè)上的兩個各自的軸壽(512、 514上轉(zhuǎn)動。加速器由鋼浙f架516 支撐，其足夠長以跨越患者所躺的治療區(qū)域518(例如，高個兒的兩倍長， 以允許人體在空間內(nèi)全方位轉(zhuǎn)動，患者的任何期望的目標區(qū)域保持與束成 一直線)并且其在兩端穩(wěn)定地附著到臺架的轉(zhuǎn)動腿的兩端。
在一些例子中，臺架的轉(zhuǎn)動限于小于360度，例如約180度的范圍520 以允許地板522從將治療系統(tǒng)罩在患者治療區(qū)域的拱室524的壁延伸。臺 架的限制的轉(zhuǎn)動范圍還降低提供給在治療區(qū)域外的人輻射屏蔽的一些壁(其 決不會直接接收束，例如壁530)的要求厚度。180度范圍的臺架轉(zhuǎn)動足以覆 蓋所有的治療接近角，但提供較大的移動范圍是有用的。例如，轉(zhuǎn)動范圍
可以有用地在180-330度之間，并仍4是供給治療地板空間間隙。當移動的范 圍是大的時，臺架可以擺動到對人體或定位在一部分治療空間內(nèi)的設備有 害的位置。
臺架的水平轉(zhuǎn)動軸532通常位于地板以上一米，那里患者和臨床醫(yī)學 家與治療系統(tǒng)交互。該地板定位在治療系統(tǒng)屏蔽拱室的底板以上約3米。 加速器可以在升高地板(mised floor)下面擺動以便治療束/人轉(zhuǎn)動軸下面?zhèn)?br> 型，床可以轉(zhuǎn)動通過水平平面內(nèi)的大約270度的范圍534。自由度和患者轉(zhuǎn) 動范圍以及臺架的結(jié)合允許臨床醫(yī)學家為束選擇實際上任何的接近角。如 果需要，患者可以位于相反方向的床上，然后所有可能的角度都可使用。
在一些實施例中，加速器使用具有非常高的磁場超導電磁結(jié)構(gòu)的同步 回旋加速器構(gòu)型。因為給定動能的帶電粒子的偏轉(zhuǎn)半徑與施加到其的磁場 的增加成正比地降低，所以非常高的磁場超導磁結(jié)構(gòu)允許加速器制造得較 小和較輕。
對于大于5特斯拉的平均磁場強度，同步回旋加速器(其中磁體構(gòu)造的 以使得圓周附近的磁場比中心處的強以補償質(zhì)量的增加并維持恒定的轉(zhuǎn)動 頻率)用以獲得250兆電子伏的質(zhì)子是不可行的。這是因為通過使用鐵極面 成形用于維持同步回旋加速器中的束聚焦的磁場中的角度變化不能足夠 大。
在此所述的加速器是同步回旋加速器。同步回旋加速器使用隨轉(zhuǎn)動角 度均勻并隨著半徑增加而強度降低的磁場。這樣的場的形狀可以實現(xiàn)，不 管磁場的大小如何，因此理論上不存在可用于同步回旋加速度的磁場強度 (以及因此所致的在固定半徑處的粒子能量)的上限。
某些超導材料在存在非常高的磁場情況下開始失去其超導性。高性能 的超導線纜繞組用于允許非常高的磁場得以實現(xiàn)。
超導材料典型地需要冷卻到低溫以便它們的超導性得以實現(xiàn)。在此所 述的一些例子中，低溫冷卻器用于將超導線圈繞組帶到絕對零度附近。使 用低溫冷卻器，而不是在液氦浴中冷卻繞組，降低了復雜性和成本。
同步回旋加速器支撐在臺架上以使得束直接產(chǎn)生為在與患者成一直
線。臺架允許回旋加速器繞關于位于患者內(nèi)或附近的點(等心點540)的水平 轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。平行于轉(zhuǎn)動軸的分開的軒架支撐在兩側(cè)的回旋加速器。
因為臺架的轉(zhuǎn)動范圍受到限制，患者支撐區(qū)域可以容納在等心點周圍 的寬的區(qū)域內(nèi)。因為地板可以繞等心點廣泛地延伸，所有患者支撐臺可以
定位的以相對于通過等心點的豎直軸542移動并關于其轉(zhuǎn)動，以使得通過
臺架轉(zhuǎn)動和臺的移動和轉(zhuǎn)動的組合，可以實現(xiàn)進入患者4壬4可部位的4壬^]"角 度的束方向。兩臺架臂被分隔開超過高的患者高度兩倍，>^人而允許床和患 者在升高地板之上的水平平面中轉(zhuǎn)動和平移。
限制臺架轉(zhuǎn)動角度允許圍繞治療室的至少一個壁的厚度降低。厚壁， 典型地由混凝土建造，提供給治療室外面的個體輻射防護。阻止質(zhì)子束的 下游壁需要為在室的相對端的壁的兩倍厚以提供等效水平的防護。限制臺 架轉(zhuǎn)動的范圍使得治療室在三個側(cè)面上能位于土地下面，同時允許占用的 區(qū)域與最薄的壁相鄰，從而降低治療室的建造成本。
在圖l所示的示例性的實施例中，超導同步回旋加速器502用8.8特斯 拉的同步回旋加速器的極隙中的峰值磁場操作。同步回旋加速器產(chǎn)生具有 250兆電子伏能量的質(zhì)子束。在其它實施例中，場強可以在6-20特斯拉范 圍內(nèi)，并且質(zhì)子能量可以在150-300兆電子伏范圍之內(nèi)。
在該例子中所述的放射治療系統(tǒng)用于質(zhì)子放射治療，但是相同的原理 和細節(jié)可以應用到用于重離子(離子)治療系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)中。
如圖2、 3、 4、 5和6所示，示例性同步回旋加速器IO(圖1中502)包 括磁體系統(tǒng)12，其包含離子源90、射頻驅(qū)動系統(tǒng)91和束引出系統(tǒng)38。通 過使用分開的一對環(huán)形超導線圏40、 42和一雙成形鐵》茲(例如低碳鋼)極面 44、 46，磁體系統(tǒng)建立的磁場具有適于維持所含質(zhì)子束聚焦的形狀。
二超導磁體線圈定心在7>共軸47上并沿著軸間隔開。如圖7和8所示， 線圈由布置在盧瑟福(Rutherford)電纜在通道中(cable-in-channel)的導體幾何 形狀中的基于Nb3Sn的超導0.6毫米直徑的絞線48(其最初包括由銅包皮圍 繞的鈮錫芯)形成。在六^f艮單獨的絞線;陂布置在銅通道50中后，其^C加熱以 導致形成繞組的最終(脆性的)材料的反應。在材料已經(jīng)反應后，線纜被焊接 到銅通道(外尺寸3.02 x 1.96毫米，內(nèi)尺寸2.05x1.27毫米)中，并用絕緣體 52(在該例子中，編織玻璃纖維材料)覆蓋。包含線纜53的銅通道然后繞在 具有6.0cmx 15.25cm的矩形截面的線圏中，具有30層，每層47叵。繞起 來的線圈然后用環(huán)氧化合物54真空浸漬。所得的線圈安裝在環(huán)形不銹鋼反 向線圈架56上。加熱毯55抵著線圈架和繞組的內(nèi)面保持以在磁體失超的
情況下保護組件。在替代的實施方式中，超導線圈可形成為0.8毫米直徑的
基于Nb3Sn的絞線。這些絞線可以布置為4絞線電纜，熱處理以形成超導 矩陣并焊接到外尺寸3.19x2.57毫米的銅通道中。通道導體中集成的電纜 可以用重疊編織玻璃纖維帶絕緣，并然后繞成49匝且26層深的線圈，其 具有79.79毫米x 180.5毫米的矩形截面，374.65毫米的內(nèi)徑。繞成的線圈 然后用環(huán)氧化合物真空浸漬。整個線圈然后可以用銅片覆蓋以提供導熱'除 和機械穩(wěn)定性，并然后包含在環(huán)氧附加層中。線圈的預壓縮可以通過加熱 不銹鋼反向線圈架和將線圈配合在反向線圈架內(nèi)而提供。選擇反向線圈架 內(nèi)徑以使得當整個塊冷卻到4K時，反向線圈架保持與線圈接觸并提供一些 壓縮。這可以通過加熱不銹鋼反向線圈架到約50攝氏度并在室溫(20攝氏 度)下將線圈配合而實現(xiàn)。
通過安裝線圈在"反向(reverse)"矩形線圈架56中并將預壓縮不銹鋼 嚢狀物(bladder)結(jié)合在每個線圈和線圏架的內(nèi)面57之間以施加逆著當線圈 被激勵時產(chǎn)生的變形力作用的恢復力60而維持線圈的幾何尺寸。嚢狀物在 線圈和加熱毯子組裝在線圈架上之后通過將環(huán)氧樹脂注入嚢狀物并允許其 硬化而被預壓縮。設置嚢狀物的預壓縮力以最小化冷卻和磁激勵的整個所 有階段在脆性的Nb3Sn超導矩陣中的應力。
如圖5所示，通過4吏用一組暖-冷支撐箍帶402、 404、 406,相對于f茲 輒和低溫恒溫器維持線圈位置。用細的箍帶支撐冷卻塊最小化剛性支撐系 統(tǒng)給予冷卻塊的熱漏失。箍帶安置的以承受當磁體在臺架上轉(zhuǎn)動時在線圈 上不斷變化的重力。它們承受當其從非常對稱的位置相對磁軛擾動時線圈 施加的大的離心力以及重力的綜合影響。此外，連桿用以最小化當位置變 化時臺架加速和減速在線圈上施加的動態(tài)力。每一個暖-冷支撐件包括3個 S2玻璃纖維連桿。兩連桿410、412支撐跨過在暖和的軛和中等溫度(50-70K) 之間的銷， 一個連桿408支撐跨過中等溫度銷，銷附著到冷卻塊。每一個 連桿為10.2厘米長(銷中心到銷中心)，20毫米寬。連桿厚度是1.59毫米。 每一個銷由不銹鋼制成，并且直徑為47.7毫米。
如圖13所示，作為半徑的函數(shù)的場強剖面主要由線圈幾何形狀的選取 確定；導磁軛材料的極面44 、 46可以輪廓適合以很好地調(diào)整磁場的形狀以 確保粒子束在加速過程中保持集中。
通過將線圈組件(線圈和線圈架)封裝在提供線圈結(jié)構(gòu)周圍自由空間的
抽真空的環(huán)形的鋁或者不銹鋼低溫室70內(nèi)部，超導線圈維持在絕對零度附
近的溫度(例如大約4開氏度)，除了在有限的一組支撐點71、 73處外。在 替代的實施方式中，低溫保持器的外壁可由低碳鋼制成以為磁場提供額外 的返回》茲通路徑。通過使用安置在線圈組件上的不同位置的兩個 Gifford-McMahon低溫冷卻器72、 74,絕對零度附近的溫度得以實現(xiàn)和維持。 每個低溫冷卻器具有與線圈組件接觸的冷卻端76。從壓縮器80供應壓縮氦 給低溫冷卻器頭78。另外兩個Gifford-McMahon低溫冷卻器77、 79安置的 以冷卻供應電流到超導繞組的高溫(例如60-80開)引線81。
線圈組件和低溫保持室安裝在碉堡形狀的磁軛82的兩個半體81、 83 內(nèi)并完全封閉在其中。在該例子中，線圈組件的內(nèi)徑為約140厘米。鐵軛 82提供返回磁場磁通84的路徑并磁性屏蔽極面44、 46之間的體積86以防 止外部^f茲影響擾亂該體積內(nèi)的^f茲場形狀。輒還用以降低加速器附近的雜散 磁場。
如圖3和9所示，同步回旋加速器包括位于磁體結(jié)構(gòu)82的幾何中心92 附近的Penning離子規(guī)幾何形狀的離子源90。離子源從氬源99通過遞送氣 態(tài)氫的導管194和氣體管線101饋給。電纜94從電流源95傳送電流以激 勵與磁場200對齊的陰極192、 194電子放電。
放電電子電離通過小孔從管194出來的氣體以產(chǎn)生一陽離子(質(zhì)子)供 給以便通過跨越磁體結(jié)構(gòu)包圍的空間的一半的一個半圓的(D形狀)的射頻 板IOO和一個偽D板102加速。如圖IO所示，D板是具有包圍其中在其圍 繞》茲體結(jié)構(gòu)包圍的空間轉(zhuǎn)動的一半的過程中質(zhì)子被加速的空間107的兩個 半圓表面103、 105的中空金屬結(jié)構(gòu)。通向空間107的管道109通過軛延伸 到外部位置，從那里真空泵111可以附著以抽空空間107以及真空室119 內(nèi)的剩余空間，其中發(fā)生加速。偽D形件102包括矩形金屬環(huán)，其間隔在 D形板的露出的邊緣附近。偽D形件接地到真空室和磁軛。D形板100由 在射頻傳輸線路末端施加的射頻信號驅(qū)動以給空間107施加電場。使得射 頻電場隨著加速離子束在離幾何中心的距離的增加而及時變化。在2005年 7月21日4是交的序列號為11/187,633,名稱為"A Programmable Radio Frequency Waveform Generator for a Synchrocyclotron" 的美國專利申"i青，以 及于2004年7月21日提交的序列號為60/590,089的相同名稱的美國臨時 專利申請描述了對該目的有用的射頻波形發(fā)生器的例子，二者都被全文引
用作為參考。
對于從中心定位的離子源出現(xiàn)以隨著其開始向外旋轉(zhuǎn)跳過(clear)離子 源結(jié)構(gòu)的束，需要跨過射頻板的大電壓差。20,000伏被施加跨過射頻板。 在一些實施方式中，可以^爭過射頻板施加8,000-20，000伏。為了降低驅(qū)動該 大電壓所需的能量，磁體結(jié)構(gòu)被安置的以減小射頻板和地之間的電容。這 是通過形成通過外軛和低溫保持器殼體的與射頻結(jié)構(gòu)具有足夠的間隙的孔 洞并使得磁體極面之間具有足夠的間距而完成的。
驅(qū)動D形板的高壓交變電勢具有在加速周期過程中向下掃描的頻率以 應對質(zhì)子不斷增加的相對質(zhì)量和不斷降低的^f茲場。因為偽D形件與真空室 壁都具有接地電勢，所以其并不需要中空半柱狀結(jié)構(gòu)。可以使用其它板狀 安置例如超過一對的用不同的電相位或者數(shù)倍基頻驅(qū)動的加速電極。通過 使用例如具有相互交叉的轉(zhuǎn)動和固定葉片的轉(zhuǎn)動電容器，可以調(diào)節(jié)RF結(jié)構(gòu) 以在需要的掃頻過程中保持高Q。在葉片的每次交叉(meshing)過程中，電 容增加，這樣降低RF結(jié)構(gòu)的諧振頻率。葉片可以為形狀適合以產(chǎn)生需要的 精確掃頻。用于轉(zhuǎn)動電容器(condenser)的驅(qū)動電機可以鎖相到RF發(fā)生器以 便精確控制。在轉(zhuǎn)動電容器的葉片的每一次交叉過程中， 一束粒子被加速。
其中發(fā)生加速的真空室119是大致圓柱形的容器，其在中央處較薄， 在邊緣處較厚。真空室圍繞RF板和離子源并通過真空泵lll抽真空。維持 高真空保證加速離子不會失控與氣體分子碰撞并使得RF電壓能夠保持在
較高水平而沒有對地電弧放電。
質(zhì)子穿過開始于離子源的大致螺旋形路徑。在螺旋形路徑的每一環(huán)的 一半中，質(zhì)子隨著其通過空間107中的RF電場而獲得能量。隨著離子獲得 能量，其螺旋形路徑的每個相繼的環(huán)的有心軌道的半徑比先前環(huán)的大直到 環(huán)半徑達到極面的最大半徑。在該位置，磁場和電場擾動導向離子到磁場 快速降低的區(qū)域，離子離開高磁場區(qū)域并導向通過引出通道38以離開回旋 加速器的軛。離開回旋加速器的離子在當其進入存在于回旋加速器周圍的 空間內(nèi)的明顯降低的磁場區(qū)域時將趨于分散。在引出通道38中的束成形元 件107、 109再導向離子以4吏得其位于限制的空間程度的直的束中。
在極隙內(nèi)的磁場需要具有某些屬性以隨著束的加速維持其在真空室 內(nèi)。萬茲場指凄丈
N=-(r/B)dB/dr
必須保持為正以維持該"弱的，，聚集。在此，r是束的半徑，B是磁場。 此外，場指數(shù)需要維持在0.2以下，因為在該值，束的徑向振蕩和豎直振蕩 的周期重合在vr=2vz諧振。電子感應加速器頻率由vr=(l-n)l/2和vz=nl/2 限定。鐵磁極面設計以整形線圈產(chǎn)生的磁場從而使得在與給定磁場中的250 兆電子伏束一致的最小直徑中場指數(shù)n維持為正并小于0.2。
隨著束離開引出通道，其通過可以程序控制以產(chǎn)生束的幅度調(diào)制(range modulation)和散射角的期望組合的束形成系統(tǒng)125。對該目的有用的束形成 系統(tǒng)的例子在2004年9月24日^^交的序列號為10/949,734的名稱為"A Programmable Particle Scatterer for Radiation Therapy Beam Formation"的美國 專利申請以及于2005年7月21日提交的序列號為60/590,088的美國臨時 專利申請中描述，其均被全文引用作為參考。
在操作過程中，板吸收來自施加的射頻場的能量，其是沿著板的表面 的傳導阻力的結(jié)果。該能量作為熱出現(xiàn)并通過使用在熱交換器113中釋放 熱的水冷線路108 /人^反去除。
從回旋加速器離開的雜散磁場由碉堡狀磁軛(其也作為防護)和分離開 的磁防護物114 二者限制。分離開的磁防護物包括圍繞碉堡狀軛的鐵磁材 料(例如，鋼或者鐵)的層117，其由空間116間隔開。該構(gòu)型包括軛、空間、 防護物的三層夾心結(jié)構(gòu)，對于給定的漏出磁場以較低重量實現(xiàn)適當?shù)钠帘巍?br> 如所提及的，臺架允許同步回旋加速器圍繞水平轉(zhuǎn)動軸532轉(zhuǎn)動。桁 架結(jié)構(gòu)516具有兩個大致平行的跨580、 582。同步回旋加速器托架在大致 位于腿之間的中間周圍的跨度之間。臺架通過使用安裝在與桁架相對的腿 的末端上的平^[軒物122、 124得以平^f以繞軸^c轉(zhuǎn)動。
臺架通過安裝到一個臺架腿的電機驅(qū)動而轉(zhuǎn)動并通過主動齒輪和帶或 者鏈連接到軸承座。臺架的轉(zhuǎn)動位置由結(jié)合到臺架驅(qū)動電機和主動齒輪中 的軸角編碼器提供的信號得出。
在離子束離開回旋加速器的位置，束形成系統(tǒng)125作用在離子束上以 給予其適于患者治療的屬性。例如，束可以展開并且其穿透深度改變以4是 供跨過給定目標體積的均一的放射。束形成系統(tǒng)可以包括無源(passive)散射 部件以及有源(active)掃描部件。
同步回旋加速器的所有有源系統(tǒng)(例如，電流驅(qū)動超導線圈、RF驅(qū)動板、 用于真空加速室和用于超導線圈冷卻室的真空泵、電流驅(qū)動離子源、氫氣
源和RF板冷卻器)由適當?shù)耐交匦铀倨骺刂齐娮釉骷?未示出)控制。
臺架、患者支撐件、有源束成形元件和同步回旋加速器的控制以執(zhí)4亍 治療環(huán)節(jié)是通過適當?shù)闹委熆刂齐娮釉骷?未示出)實現(xiàn)的。
如圖1、 11和12所示，臺架軸承由回旋加速器拱室524的壁支撐。臺 架使得回旋加速器能擺動通過包括上述位置的180度(或更大)的范圍520到 患者的側(cè)面和下面。拱室足夠高以在其運動的頂部和底部極限處與臺架有 間隙。兩側(cè)為壁148、 150的曲徑146為臨床醫(yī)學家和患者提供進入和離開 的路線。因為至少一個壁152決不會與直接來自回旋加速器的質(zhì)子束成一 直線，所以其可以被制造的相對薄并仍可執(zhí)行其防護功能。房間的另外三 個側(cè)壁154、 156、 150/148，其會需要更加重型的防護，可以埋設在土山(未 示出)內(nèi)。壁154、 156和158的要求厚度可以降低，因為土地自身可以提供 一些必要的防護。
出于安全和美學的原因，治療室160構(gòu)造在拱室內(nèi)。治療室由以與才吝 擺臺架具有間隙并且還最大化治療室的地板空間164的范圍的方式從包含 空間的底座162、壁154、 156和150到臺架腿之間的空間懸臂支撐。加速 器的周期性保養(yǎng)可以在升高地板下面的空間內(nèi)完成。當加速器轉(zhuǎn)動到臺架 上的下位置時，在與治療區(qū)域分隔開的空間內(nèi)可以實現(xiàn)全方位接近加速器。 電源、冷卻設備、真空泵以及其它支撐設備可以位于該分隔開的空間內(nèi)的 升高地板下面。
在治療室內(nèi)，患者支撐件170可以以多種方法安裝，其允許支撐件升 高和降低以及患者轉(zhuǎn)動和移動到多個位置和方向。
關于加速器設計的其它信息可以在于2006年8月9日提交的序列號為 No.60/760,788 ， 名稱為 "HIGH-FIELD SUPERCONDUCTING SYNCHROCYCLOTRON(T. Antaya)"的美國專利申請，于2006年8月9日 4是交的序列號為11/463,402 ,名稱為"MAGNET STRUCTURE FOR PARTICLE ACCELERATION(T. Antaya等人)"的美國專利申請，以及于2006 年10月10日沖是交的序列號為No.60/850,565,名稱為"CRYOGENIC
的美國臨時申請中找到，其全部在此全文引用作為參考。 其它實施例是在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種設備，包括患者支撐件，和臺架，加速器安裝在其上以使得所述加速器能移動通過在所述患者支撐件上的患者周圍的一定的位置范圍，所述加速器配置的以產(chǎn)生具有足以從所述范圍內(nèi)的位置到達患者內(nèi)的任意目標的能級的質(zhì)子或者離子束，所述質(zhì)子或者離子束實質(zhì)上直接從所述加速器殼體通過到達患者。
2. 如權(quán)利要求l所述的設備，其中， 支撐所述臺架以便在所述患者支持物的兩側(cè)轉(zhuǎn)動。
3. 如權(quán)利要求2所述的設備，其中，支撐所述臺架以便在所述患者支持物的兩側(cè)的軸承上轉(zhuǎn)動。
4. 如權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述臺架包括從所述臺架的轉(zhuǎn)動 軸延伸的兩個臂和所述加速器安裝在其上的所述兩個臂之間的桁架。
5. 如權(quán)利要求l所述的設備，其中，所述臺架限制在小于360度的位 置范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。
6. 如權(quán)利要求5所述的設備，其中，所述范圍為至少180度大。
7. 如權(quán)利要求5所述的設備，其中，所述范圍是從約180度到約330度。
8. 如權(quán)利要求5所述的設備，還包括輻射防護壁，其中至少一個壁在 所述范圍內(nèi)的任何位置與來自所述加速器的所述質(zhì)子或者離子束不在一條 直線上，所述一個壁構(gòu)造的比其它壁用較少的質(zhì)量提供相同的輻射防護。
9. 如權(quán)利要求5所述的設備，其中，所述患者支撐件安裝在患者支撐 區(qū)域，該區(qū)域可通過所述臺架限制轉(zhuǎn)動的位置范圍限定的空間接近。
10. 如權(quán)利要求l所述的設備，其中，所述患者支撐件可相對所述臺架 移動。
11. 如權(quán)利要求10所述的設備，其中，所述患者支撐件配置的以便關 于患者轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。
12. 如權(quán)利要求11所述的設備，其中，所述患者轉(zhuǎn)動軸是豎直的。
13. 如權(quán)利要求11所述的設備，其中，所述患者轉(zhuǎn)動軸包含在所述患 者支撐件上的患者中的等心點。
14. 如權(quán)利要求l所述的設備，其中，所述患者臺架配置的以便所述加 速器關于臺架轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。
15. 如權(quán)利要求14所述的設備，其中，所述臺架轉(zhuǎn)動軸是水平的。
16. 如權(quán)利要求14所述的設備，其中，所述轉(zhuǎn)動軸包含在所述患者支 撐件上的患者中的等心點。
17. 如權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述加速器重量小于40噸。
18. 如權(quán)利要求17所述的設備，其中，所述加速器重量在5-30噸范圍內(nèi)。
19. 如權(quán)利要求l所述的設備，其中，所述加速器占據(jù)小于4.5立方米 的體積。
20. 如權(quán)利要求19所述的設備，其中，所述體積是在0.7-4.5立方米范 圍內(nèi)。
21. 如權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述加速器產(chǎn)生具有至少150 兆電子伏能級的質(zhì)子或者離子束。
22. 如權(quán)利要求21所述的設備，其中，所述能級是在150-300兆電子 伏的范圍內(nèi)。
23. 如權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述加速器包括同步回旋加速器。
24. 如權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述加速器包括具有至少6特斯 拉的場強的》茲體結(jié)構(gòu)。
25. 如權(quán)利要求24所述的設備，其中，場強是在6-20特斯拉范圍內(nèi)。
26. 如權(quán)利要求24所述的設備，其中，所述磁體結(jié)構(gòu)包括超導繞組。
27. 如權(quán)利要求1所述的設備，其中，所述質(zhì)子或者離子束直接從所述 加速器通過到達所述患者臺的整個區(qū)域。
28. 如權(quán)利要求1所述的設備，還包括防護室，其包括所述患者支撐件、 所述臺架和所述加速器，所述室的至少一個壁比所述室的其它壁更薄。
29. 如權(quán)利要求28所述的設備，其中，所述室的至少一部分嵌入在土中。
30. —種設備，包括 患者支撐件，和臺架，加速器安裝在其上，所述臺架支撐在所述患者支撐件的兩側(cè)上 以便(a)繞包含患者中的等心點的水平臺架軸以及(b)通過小于360度的位置 范圍轉(zhuǎn)動，所述患者支撐件可關于包含所述等心點的豎直患者支撐軸轉(zhuǎn)動， 所述加速器包括同步回;^走加速器，其配置的以產(chǎn)生具有至少150兆電子伏的能級的質(zhì)子或者離子束以直接從所述范圍內(nèi)的位置到達患者內(nèi)的任何的任意目標，所述同步回旋加速器具有超導繞組。
31. —種方法，包括 支撐患者在治療空間內(nèi)，使得質(zhì)子或者離子束在直線方向從加速器的輸出通過到達患者的任何 的任意目標，和使得所述直線方向在通過患者周圍的一定的方向范圍變化。
32. —種設備，包括加速器，其配置的以產(chǎn)生粒子束并安裝在臺架上使得所述加速器能移 動通過在患者支撐件上的患者周圍的任何的位置范圍，所述加速器配置的以產(chǎn)生具有足以從所述范圍內(nèi)的位置到達患者內(nèi)的 任何的任意目標的能級的粒子束。
33. —種設備，包括臺架，其配置的以固持加速器并使得所述加速器能移動通過在患者支 撐件上的患者周圍的一定的位置范圍，所述加速器配置的以產(chǎn)生具有足以從所述范圍內(nèi)的位置到達患者內(nèi)的 任何的任意目標的能級的質(zhì)子或者離子束。
34. —種結(jié)構(gòu)，包括 患者支撐件，臺架，加速器安裝在其上以使得所述加速器能移動通過在所述患者支 撐件上的患者周圍的一定的位置范圍，所述加速器配置的以產(chǎn)生具有足以從所述范圍內(nèi)的位置到達患者的任 何的任意目標的能級的質(zhì)子或者離子束，和壁式包殼，其包含所述患者支撐件、所述臺架和所述加速器。
35. —種設備，包括加速器，其配置的以產(chǎn)生具有足以到達患者內(nèi)的任何的任意目標的能 級的質(zhì)子或者離子束，所述加速器足夠小并且重量足夠輕以安裝在一定方 向的可轉(zhuǎn)動的臺架上以允許所述質(zhì)子或者離子束實質(zhì)上直接從所述加速器 通過到達患者。
36. —種設備，包括醫(yī)療同步回旋加速器，其具有產(chǎn)生至少6特斯拉的場強的超導電磁結(jié) 構(gòu)，產(chǎn)生具有至少150兆電子伏的能級的粒子束，具有不大于4.5立方米的 體積，并具有小于30噸的重量。
37. 如權(quán)利要求35所述的設備，其中，所述加速器包括超導同步回旋 加速器。
38. 如權(quán)利要求37所述的設備，其中，所述超導同步回旋加速器的所 述磁場是在6-20特斯拉范圍。
39. 如權(quán)利要求34所述的設備，其中，所述壁式包殼的表面的超過一 半嵌入在土內(nèi)。
全文摘要
在其它物件之中，加速器(502)安裝在臺架(504)上以使得加速器能移動通過在患者支撐件上的患者(506)周圍的一定的位置范圍。加速器配置的以產(chǎn)生具有足以從所述范圍內(nèi)的位置到達患者的任何的任意目標的能級的質(zhì)子或離子束。質(zhì)子或者離子束實質(zhì)上直接從加速器通過到達患者。在一些例子中，同步回旋加速器具有產(chǎn)生至少6特斯拉的場強的超導電磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生具有至少150兆電子伏的能級的粒子束，具有不大于4.5立方米的體積，并具有小于30噸的重量。
文檔編號A61N5/00GK101361156SQ200680051421
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者肯尼思·高爾 申請人:斯蒂爾河系統(tǒng)股份有限公司