專利名稱：集成質(zhì)子束和治療性磁共振療法的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用核磁或電磁共振信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子或X射線放射療法對(duì)惡性組織進(jìn) 行同時(shí)治療。 本發(fā)明的目的是提高X射線和質(zhì)子束療法的療效同時(shí)降低其毒性。
本發(fā)明的另一 目的是提高伽馬刀手術(shù)的可用性和有效性。 通過下文的


具體實(shí)施方式
和所附的權(quán)利要求書，本發(fā)明的上述和其他 目的和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。

圖1是雙散射型質(zhì)子束提供系統(tǒng)的示意圖； 圖2是示出組合了治療性磁共振(TMR)和圖1所示類型的系統(tǒng)的質(zhì)子束療法的發(fā) 明方法的示意圖； 圖3是圖1的系統(tǒng)的劑量控制組件的流程圖以及示出了施加的TMR信號(hào)與質(zhì)子束 的相位偏移； 圖4是圖1-圖3所示系統(tǒng)的放射控制的流程圖； 圖5是圖2的替代實(shí)施方式的示意圖，其中在活體外施加TMR以將其磁場(chǎng)模式賦 予電能并且將磁偶極旋轉(zhuǎn)賦予質(zhì)子束，從而產(chǎn)生對(duì)質(zhì)子源的質(zhì)子的合成磁偶極矩；
圖6是發(fā)明方法的另一個(gè)實(shí)施方式，其中TMR施加至同軸波導(dǎo)，其中通過其軸波導(dǎo) 來提供質(zhì)子束由此向提供到治療的等深點(diǎn)的質(zhì)子賦予磁自旋； 圖7是示出包括系統(tǒng)中用于產(chǎn)生圖3的左下方所示的波的電磁共振(EMR)部分的 TMR的框圖; 圖8是示出能夠在治療性治療的等深點(diǎn)處應(yīng)用的模塊的框圖；
圖9和圖10是健康組織的相應(yīng)波形和共振峰波形； 圖11和12是諸如這里接受治療的異常組織的相應(yīng)信號(hào)波形和譜波形； 圖13和14是示出了傳遞到治療目標(biāo)的治療波的相應(yīng)信號(hào)和EMR峰譜圖； 圖15是EMR的組織阻抗測(cè)量組件的框圖； 圖16是具有RF接口的EMR患者治療組件的框圖； 圖17是PC到EMR組件的RF接口的圖； 圖18是本發(fā)明的另一實(shí)施方式的示意圖，其中靜電充電的錐形波導(dǎo)用于減緩從 質(zhì)子源發(fā)射的質(zhì)子的速度或改變從質(zhì)子源發(fā)射的質(zhì)子的路徑； 圖19是利用與圖18的實(shí)施方式相同原理的一個(gè)實(shí)施方式，其中采用同軸波導(dǎo)以 電地減緩所發(fā)射質(zhì)子的速度或改變所發(fā)射質(zhì)子的路徑； 圖20是本發(fā)明的另一實(shí)施方式的示意圖，其中與源波束成角度地提供電子束，以 提供具有反映電子束的頻率、方向和能量的螺旋形狀的ExB向量，以減緩質(zhì)子束的速度并 且調(diào)整其磁屬性； 圖21是采用縱向電容器以調(diào)整質(zhì)子束的速度和路徑的一個(gè)實(shí)施方式；以及
圖22是將EMR和質(zhì)子束組件從相反方向引導(dǎo)到目標(biāo)的另一實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1的示意圖，示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)的散射方法類型的質(zhì)子束提供系統(tǒng) 21。該類型的系統(tǒng)至少自從2001年就是已知的，該系統(tǒng)包括質(zhì)子源20 (見本發(fā)明的背景技 術(shù))、精確輪廓監(jiān)視器22、二進(jìn)制型第一散射面24、第二散射元件26、第一劑量監(jiān)視器28、隆 起濾過板30、范圍移動(dòng)器32。虛線示出了第二元件26、第一劑量監(jiān)視器28和隆起濾過板30 的空間可調(diào)性。質(zhì)子束散射的目的是使波束20在橫平面內(nèi)擴(kuò)展以使治療性目標(biāo)區(qū)域(即， 等深點(diǎn)34)變寬。整個(gè)系統(tǒng)的軸是照射軸36。第一散射面24的厚度和第二元件26的材料 控制由系統(tǒng)提供的相應(yīng)能量，通常在125到250MeV范圍內(nèi)。范圍移動(dòng)器32之后是平坦度 監(jiān)視器38，該平坦度監(jiān)視器38監(jiān)視波束平坦度以在目標(biāo)50的等深點(diǎn)34獲得同質(zhì)的能量。 參見圖2。通常，最大可用照射場(chǎng)是直徑20cm的圓形區(qū)域，具有約30g/cm2的最大深度。為 了實(shí)現(xiàn)能量的這種調(diào)節(jié)，使用隆起濾過板30以實(shí)現(xiàn)以每次lmm的步長在0到約125mm水當(dāng) 量的范圍內(nèi)的治療深度的移動(dòng)。隆起濾過板30采用金屬條的陣列，使得質(zhì)子通過不同厚度 的條，在不同治療深度產(chǎn)生布拉格峰(Bragg peak)。 平坦度監(jiān)視器38之后是準(zhǔn)直器40、能量監(jiān)視器42、散射體44、(范圍補(bǔ)償器)和 患者準(zhǔn)直器46。準(zhǔn)直器40和46的功能是引導(dǎo)側(cè)平面中的最大質(zhì)子能量以最佳地符合要治 療的腫瘤或組織的構(gòu)造。 圖2示意地示出了圖1的整個(gè)組件21，其包括質(zhì)子束源20、照射軸36、等深點(diǎn)34、 以及治療目標(biāo)50。圖2的左下方側(cè)向地示出了被引導(dǎo)到治療目標(biāo)50的治療性磁共振(TMR) 信號(hào)組件53。應(yīng)理解該輸入可以包含申請(qǐng)人的所述美國專利申請(qǐng)No. 10/856， 652中教導(dǎo)的 電磁共振(EMR)或更傳統(tǒng)類型的核磁共振(NMR) 二者。在圖2的示意圖中示出了環(huán)形線圈 52，電子以時(shí)域通過該環(huán)形線圈52 (如在下文更完整闡述)，由此沿著環(huán)形線圈的軸生成時(shí) 域和空間磁信號(hào)，在目標(biāo)50產(chǎn)生輸出B(f (t))。在圖3的框圖中示出了系統(tǒng)21的質(zhì)子輸 出20A和線圈52的EMR信號(hào)輸出54之間的時(shí)域關(guān)系。由此，可以看到本發(fā)明的重要方面 是在與TMR線圈52產(chǎn)生的磁信號(hào)54的時(shí)域相位偏離的時(shí)域相位提供能量降低了的質(zhì)子束 20A。這可以通過圖3的各個(gè)正弦圖案看出，其中質(zhì)子束20A的能量峰與TMR組件53的磁 信號(hào)輸出54的能量峰成180度異相，其結(jié)果是由于TMR的固有的治療效果，在TRM組件53 的負(fù)的或關(guān)閉時(shí)間段可以采用減少的質(zhì)子束能量，反之亦然(在下文以及申請(qǐng)人的未決申 請(qǐng)中更完整地闡述)。質(zhì)子以及X射線(如果處于治療模式)的減少程度，由此要求能量能 夠?qū)崿F(xiàn)可比較的或改善的治療結(jié)果，其額外優(yōu)點(diǎn)是減少對(duì)目標(biāo)區(qū)域中健康組織的損傷。
可理解的是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言通過實(shí)驗(yàn)，質(zhì)子或X射線束20A的多個(gè)其他波 形及其組合，或一個(gè)治療方式的信號(hào)相于其他治療方式的信號(hào)之間的間歇周期將變得明顯。
圖3是圖1的劑量控制組件的流程圖。 圖4示出了參照?qǐng)Dl-3示出并描述的系統(tǒng)的典型照射控制中心。由此，可以理解在 治療之前，根據(jù)圖4所示的處理流程來設(shè)置設(shè)備的照射參數(shù)。更具體地，醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)庫包 括來自之前或同時(shí)期存在的磁成像(MRI)、計(jì)算機(jī)層析(TC)、X射線成像、實(shí)時(shí)數(shù)字射線照 相術(shù)(DR)的圖像，以及治療計(jì)劃功能。還可以包括伽馬刀和立體靜態(tài)成像。放射數(shù)據(jù)庫控 制計(jì)劃數(shù)據(jù)和供加速器的放射使用的參數(shù)。從圖4的流程圖，可立即理解，為了將本發(fā)明集 成到現(xiàn)有技術(shù)而需要的控制在現(xiàn)代電子和控制技術(shù)方面是相對(duì)簡單的。在圖7示出了 TMR 組件51的框圖，將在下面進(jìn)行描述。通過在組織中創(chuàng)建更多的離子運(yùn)動(dòng)，組織能夠以更少的功率吸收更多的波束能量。伽馬刀應(yīng)用使得能夠進(jìn)行無刀腦手術(shù)，并且包括具有144個(gè) 聚焦孔的頭盔，其中X射線或質(zhì)子束匯聚在由3D立體定位成像確定的中心點(diǎn)。每個(gè)波束自 身很弱，但在匯聚處足夠熱以殺死腫瘤。3D成像允許熱匯聚點(diǎn)跟隨腫瘤的包絡(luò)(contour)。 能夠?qū)@些波束應(yīng)用TMR或使用立體定位3D成像以引導(dǎo)TMR波束，以及利用對(duì)X射線或質(zhì) 子束的各種角度，如現(xiàn)有技術(shù)中所描述的那樣。 圖5中示出了本發(fā)明(方法，代替圖2所示的方法)的另一實(shí)施方式55，其中示出 了 TMR發(fā)生器53B產(chǎn)生的TMR波56。在此，TMR波56在活體外與質(zhì)子束20相互作用以通 過質(zhì)子束20的電屬性和TMR波56的磁屬性之間的ExB向量相互作用而將波束調(diào)整為其中 感應(yīng)出的具有TMR波56的特征的波束20B。由于電磁和核磁共振療法的固有的治療優(yōu)點(diǎn)， 相信該處理將允許使用減少能量的質(zhì)子或X射線輸入20同時(shí)在組織51的目標(biāo)50處實(shí)現(xiàn) 可比較的或改善的治療結(jié)果。 在圖6中示出了本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的另一實(shí)施方式60，其中TMR發(fā)生器53C向 外部同軸波導(dǎo)64提供磁北極或正輸出62，以及向內(nèi)部同軸波導(dǎo)68提供負(fù)的或磁南極輸出 66。其結(jié)果是分別在外部同軸波導(dǎo)64和內(nèi)部同軸波導(dǎo)68之間的環(huán)形空間69中的振蕩徑 向磁場(chǎng)，再次其結(jié)果如在圖5的實(shí)施方式的情況下是區(qū)域69中的TMR場(chǎng)的磁屬性和質(zhì)子束 20的電屬性之間的交叉向量相互作用，以產(chǎn)生不同的波束20C。結(jié)果，質(zhì)子的固有的磁偶極 矩將受到在內(nèi)部和外部同軸波導(dǎo)之間的環(huán)形區(qū)域69中產(chǎn)生的場(chǎng)的影B向，由此將EMR或NMR 療法的一些治療屬性賦予質(zhì)子束，以及減少所要求的源20的輸入能量。
在圖7中示出了 EMR系統(tǒng)124的主要組成子系統(tǒng)，其包括具有局部治療控制132、 顯示器134、狀態(tài)LED 135、用于記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器150、以及DC到DC轉(zhuǎn)換器152的微控制 器149。如可以注意的，轉(zhuǎn)換器152的輸出饋入包括電流和電壓限制裝置的脈沖發(fā)生器及 電平移動(dòng)裝置154。所述裝置154的輸出提供到用于同時(shí)感測(cè)與皮膚和組織測(cè)量相關(guān)的電 壓和電流的裝置156。其輸出被提供到所述微控制器149，微控制器149通過無線接口單元 124與PC 112—起操作。系統(tǒng)124還包括電池組158及其充電器160。
到探針(或感應(yīng)線圈)53和55的輸入通過所述雙電壓和電流傳感裝置156提供。 應(yīng)注意存在測(cè)量磁共振通量的兩個(gè)區(qū)域。第一個(gè)是通過感應(yīng)線圈52，第二個(gè)是通過治療測(cè) 量探針53。相移(電子能量的混亂或損耗)越大，所測(cè)得的幅度越低，通過的電磁通越大。 見圖11/12。 在圖8中示出了激勵(lì)模塊104，更具體地示出了，過電壓和過電流軟件監(jiān)視裝置 162、附帶的電極或感應(yīng)線圈監(jiān)視裝置164、以及附帶的用于處理從無線接口單元124接收 的數(shù)據(jù)的RF裝置166、以及用于處理來自局部治療控制132的數(shù)據(jù)的裝置168。
應(yīng)理解使用與探針53/55和墊116相關(guān)聯(lián)的電極(即經(jīng)過導(dǎo)線而連接的兩個(gè)電 極，其中一個(gè)電極具有線性電位計(jì))，來調(diào)節(jié)或選擇向被治療組織50提供的能量的強(qiáng)度。 在示例系統(tǒng)中包括多個(gè)安全部件，包括可視和/或音頻警告裝置、幅度限制裝置(每個(gè)塊 156)、幅度超馳(override)裝置、幅度斜坡返回裝置、以及患者控制裝置。其中從功能管理 單元101向系統(tǒng)51發(fā)送的數(shù)據(jù)包括激勵(lì)頻率、激勵(lì)占空比、以及其他患者閾值信息(基于 患者歷史)以由此優(yōu)化患者側(cè)強(qiáng)度設(shè)置。PTU和FMU之間發(fā)送的數(shù)據(jù)包括皮膚電壓、皮膚和 電壓電流之間的電磁通量和電流相位(見圖15)、組織電壓和電流、以及在組織電壓、電磁 通量和電流之間的相位、以及激勵(lì)開/關(guān)狀態(tài)(見圖16)。應(yīng)理解TMR系統(tǒng)51可以在EMR或NMR系統(tǒng)中。 重要地是，如果使用EMR系統(tǒng)，則局部控制器(見圖17)采用各種AI算法，即EMR
系統(tǒng)的LC調(diào)諧采用各種算法，從作為治療的第一順序基礎(chǔ)的受傷組織的所謂的反向波形
開始，之后是魯棒隨機(jī)模型以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募?lì)輪廓，以使得FMU 101能夠提供完善的治療
或矯正信號(hào)。在此關(guān)注至少三個(gè)模型或算法，這些模型或算法包括以下-序貫自適應(yīng)自學(xué)習(xí)方法及實(shí)現(xiàn)(針對(duì)單一電極對(duì))； _塊自適應(yīng)自學(xué)習(xí)方法及實(shí)現(xiàn)(針對(duì)電極陣列)； _基于一維和多維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器算法；-序貫數(shù)據(jù)自回歸方法及實(shí)現(xiàn)(針對(duì)單一電極對(duì))；以及-塊數(shù)據(jù)自回歸方法及實(shí)現(xiàn)(針對(duì)電極陣列)。 另外，F(xiàn)MU的測(cè)量模塊的濾波消除了通常以波形紋波出現(xiàn)的誤差信號(hào)，由此使得能 夠從自學(xué)習(xí)多電極PTU產(chǎn)生矯正或治療信號(hào)，由此在消除痛苦方面具有增強(qiáng)效果，最終在 關(guān)注的疾病的長期治療方面具有增強(qiáng)效果。 可以采用這些算法的組合以產(chǎn)生通道間波形相關(guān)以確保模型分析的收斂性并促 進(jìn)針對(duì)關(guān)聯(lián)的受傷組織、治療方案(treatment prof ile)、以及峰共振的模型化的學(xué)習(xí)曲 線。 總而言之，EMR技術(shù)采用1赫茲到1G赫茲的頻率、且0. 1到IO特斯拉的治療信號(hào)，
以增加、減少、平坦化或抵消被治療組織的測(cè)量波形的異相共振峰。類似地，通過自學(xué)習(xí)多
電極PTU智能地開發(fā)了通過測(cè)量模塊獲得的為了治療異常組織而施加的矯正或治療信號(hào)，
該自學(xué)習(xí)多電極PTU中使用多個(gè)啟發(fā)式算法，以確保為了優(yōu)化組織輪廓、峰共振代碼以及
該信息在醫(yī)學(xué)癥狀的陣列中的有效治療的用途而必須的模型的收斂性和有效開發(fā)。 在開發(fā)針對(duì)每個(gè)患者的組織輪廓和EMR共振代碼的單獨(dú)庫中，可以在系統(tǒng)中采用
組織輪廓和峰值共振代碼的庫，以及組織輪廓和峰值共振代碼的庫還可以作為多種類型的
健康組織的基準(zhǔn)/或電磁結(jié)構(gòu)，出于生成反向波形(見下面對(duì)圖13-14的討論)或治療的
目的，可以采用該基準(zhǔn)/或電磁結(jié)構(gòu)。因此，組織輪廓和峰共振代碼的歷史庫可以被逐漸融
合到隨機(jī)模型中，如以上所闡述的，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募?lì)輪廓以啟用完善的治療或矯正信號(hào)。
在此，用于消除信號(hào)波紋的簡單的低階低通濾波處理構(gòu)成了起點(diǎn)。 下一步驟通常是生成反向波形或反向EMR譜，即生成與圖11和12所示的磁信號(hào) 圖案相反的磁信號(hào)圖案。圖13示出了施加反向圖案，其具有根據(jù)異常組織的"患病"信號(hào)而 施加的脈寬調(diào)制(P麗)處理。由此，系統(tǒng)對(duì)該組織產(chǎn)生并施加與所述組織信號(hào)的異相共振 的波形大致相反的EMR峰譜的波形，以由此增加或抵消與異常相關(guān)聯(lián)的信號(hào)的EMR峰。參 見圖14。 TMR系統(tǒng)的元件可以被總結(jié)為以下(a)用于在約1Hz到lGHz之間的RF譜上調(diào)制 具有約0. 1高斯到約10特斯拉之間的強(qiáng)度的磁場(chǎng)的裝置；(b)用于使所述組織承受所述調(diào) 制磁場(chǎng)的裝置；(c)用于測(cè)量由所述組織發(fā)射的信號(hào)的合成電磁共振(EMR)峰的裝置，其中 所述EMR峰的每個(gè)峰代表同相EMR或異相EMR;以及(d)用于產(chǎn)生并向所述組織施加與所 述EMR組織信號(hào)的所述異相共振的波形大致相反的波形由此增加、減少或抵消與所述組織 的所述異常相關(guān)聯(lián)的所述信號(hào)的異常EMR峰的裝置。 圖18示出本發(fā)明的另一實(shí)施方式70，其中采用靜電充電的錐形波導(dǎo)72，其作用是減緩質(zhì)子束20的速度。在其變形中，正弦、交替或間歇的電信號(hào)可以被施加到波導(dǎo)72以影 響質(zhì)子或X射線20的電偶極矩，產(chǎn)生調(diào)整后的治療波20D。 在圖19中示出了圖18的實(shí)施方式的變形，其中在內(nèi)部和外部波導(dǎo)82和84之間 分別施加電場(chǎng)或波形，以在相應(yīng)波導(dǎo)之間的環(huán)形通道86內(nèi)產(chǎn)生振蕩電場(chǎng)，結(jié)果導(dǎo)致調(diào)整放 射束20的質(zhì)子的電偶極矩，產(chǎn)生通過準(zhǔn)直器46E施加到目標(biāo)50的電地調(diào)整的波束20E。
在圖20的實(shí)施方式90中示出了改變波束20的電偶極矩的另一方案。其中電信 號(hào)92相對(duì)于系統(tǒng)的放射軸36橫向或成角度地通過。 在圖21的實(shí)施方式中示出了圖19和20的實(shí)施方式的另一變型，其中振蕩信號(hào) 102施加到圓柱形波導(dǎo)104，或在其代替實(shí)施方式中，圖21可以被認(rèn)為是AC電容器的縱向 截面圖，其中相對(duì)的板105和107之間的電場(chǎng)強(qiáng)度作為時(shí)間和空間的函數(shù)而變化，如可根據(jù) 患者的治療需要而要求的，以產(chǎn)生調(diào)整后的波束20G。 在圖22中示出實(shí)施方式200，其將使用彼此成180度的兩個(gè)同軸波導(dǎo)，一個(gè)是質(zhì)子 而另一個(gè)是TMR，彼此瞄準(zhǔn)且病變位于中間。 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式(圖2)，應(yīng)理解本發(fā)明可以與此處 所具體示出和描述不同地實(shí)現(xiàn)，在所述實(shí)施方式中，在部件的形式和排列中可進(jìn)行一些改 變，而不背離此處闡述的本發(fā)明的基根思想或原理。
8
權(quán)利要求
一種治療性治療方法，該方法包括以下步驟(a)對(duì)治療目標(biāo)調(diào)制地施加時(shí)域放射束；以及(b)在與所述放射束的能量峰異相的施加時(shí)間段中對(duì)所述治療目標(biāo)時(shí)域地施加調(diào)制的磁共振(MR)信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述放射束包括質(zhì)子束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述放射束包括X射線束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述磁MR信號(hào)包括電磁共振(EMR)信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述MR信號(hào)包括核磁共振信號(hào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟通過導(dǎo)電環(huán)狀線圈提供被 導(dǎo)向所述治療目標(biāo)的所述MR信號(hào)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述MR信號(hào)限定了與所述目標(biāo)組織的異相MR響 應(yīng)的波形大致相反的波形，由此增加、減少或抵消與組織異常有關(guān)的所述異相響應(yīng)的異常 MR峰。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述MR信號(hào)包括電磁共振(EMR)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述MR信號(hào)限定了與所述目標(biāo)組織的異相MR響 應(yīng)的波形大致相反的波形，由此增加、減少或抵消與組織異常有關(guān)的所述異相響應(yīng)的異常 MR峰。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述MR信號(hào)包括電磁共振(EMR)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種治療性治療方法，包括對(duì)治療目標(biāo)調(diào)制地施加時(shí)域放射束；以及在與所述放射束的能量峰異相的施加時(shí)間段中對(duì)所述治療目標(biāo)時(shí)域地施加調(diào)制的磁共振(MR)信號(hào)。
文檔編號(hào)A61N5/10GK101795726SQ200880105344
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者羅納德·溫斯托克 申請(qǐng)人:羅納德·溫斯托克