專利名稱：多場帶電粒子癌癥治療方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及實(shí)體癌癥的治療。更具體來說，本發(fā)明涉及在癌癥療法中的帶電 粒子輻照束控制。
背景技術(shù)：
癌癥治療存在用于癌癥治療的若干截然不同形式的輻射療法，包括近距放射療法、傳統(tǒng)電 磁X射線療法和質(zhì)子療法。質(zhì)子療法系統(tǒng)通常包括束發(fā)生器、加速器和束傳輸系統(tǒng)，所述 束傳輸系統(tǒng)將所產(chǎn)生的加速質(zhì)子移動到數(shù)個(gè)治療室，在這些治療室中質(zhì)子得以輸送到患者 體內(nèi)的腫瘤中。質(zhì)子療法通過將諸如用粒子加速器加速的質(zhì)子的高能電離粒子瞄準(zhǔn)到靶標(biāo)腫瘤 來工作。這些粒子損害細(xì)胞DNA，最終導(dǎo)致其死亡。癌細(xì)胞因?yàn)槠涓咚俜至押推湫迯?fù)損壞 DNA的能力降低而尤其易受對其DNA的攻擊損害。帶電粒子癌癥療法在此概述本發(fā)明所涉及的專利。質(zhì)子束療法系統(tǒng)羅瑪琳達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心(LomaLinda University Medical Center)的 F. Cole 等 人的 “Multi-Mation Proton Beam Therapy System” 美國專利 4，870，沘7 號(1989 年 9 月沈日)描述一種質(zhì)子束療法系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于從單個(gè)質(zhì)子源選擇性地產(chǎn)生質(zhì)子束并經(jīng) 由加速器將其傳輸?shù)綌?shù)個(gè)患者治療室中的所選治療室。臺架T. Yamashita 等人的"Rotating Irradiation Apparatus，，美國專利 7，381，979 號 (2008年6月3日)描述一種具有前環(huán)和后環(huán)的旋轉(zhuǎn)臺架，每個(gè)環(huán)均具有徑向支撐設(shè)備，其 中所述徑向支撐設(shè)備具有直線式導(dǎo)架。所述系統(tǒng)具有推力支撐設(shè)備用于限制可旋轉(zhuǎn)體在所 述可旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)軸方向上的運(yùn)動。T· Yamashita 等人的"Rotating Gantry of Particle Beam Therapy System，，美 國專利7，372，053號(2008年5月13日)描述一種通過空氣制動系統(tǒng)支撐的旋轉(zhuǎn)臺架，所 述空氣制動系統(tǒng)使所述臺架在輻照治療期間快速運(yùn)動、制動和停止。M. Yanagisawa 等人的“Medical Charged Particle Irradiation Apparatus，， 美國專利 6，992，312 號(2006 年 1 月 31 日)；Μ· Yanagisawa 等人的 “Medical Charged Particle Irradiation Apparatus” 美國專利 6，979，832 號(2005 年 12 月 27 日)；和 M. Yanagisawa 等人的“Medical Charged Particle Irradiation Apparatus，，美國專利 6，953，943號(2005年10月11日)都描述一種能夠從向上方向和水平方向輻照的裝置。 臺架可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其中輻照場形成設(shè)備是偏心地布置，以使得輻照軸穿過與旋轉(zhuǎn)軸不 同的位置。H· Kaercher 等人的"Isokinetic Gantry Arrangement for the Isocentric Guidance of a Particle Beam And a Method for Constructing Same，，美國專利 6，897，451號(2005年5月M日)描述一種用于進(jìn)行粒子束的同心引導(dǎo)的等動力臺架布 置，以便所述粒子束可圍繞水平縱軸旋轉(zhuǎn)。
G. Kraft 等人的 “Ion Beam System for Irradiating Tumor Tissues” 美國專利 6，730，921號(2004年5月4日)描述一種相對于水平布置的患者躺椅在各種輻照角度輻 照腫瘤組織的離子束系統(tǒng)，其中所述患者躺椅可繞中心軸旋轉(zhuǎn)并且具有提升機(jī)構(gòu)。所述系 統(tǒng)具有相對于水平方向至多士 15度的中心離子束偏轉(zhuǎn)。M. Pavlovic ^AW "Gantry System and Method for Operating Same" ^
利6，635，882號(2003年10月21日)描述一種臺架系統(tǒng)，其用于從可自由決定的有效治 療角度來調(diào)整離子束并將離子束對準(zhǔn)到靶標(biāo)上。所述離子束是以環(huán)繞臺架旋轉(zhuǎn)軸0到360 度的可調(diào)整角度和以離開臺架旋轉(zhuǎn)軸45到90度的角度而對準(zhǔn)在靶標(biāo)上，從而當(dāng)離子束繞 臺架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到完全回轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生輻照圓錐體?？梢苿踊颊逳. Rigney等人的"Patient Alignment System with External Measurement and Object Coordination for Radiation Therapy System” 美國專利 7，199，382 號(2007 年 4月3日)描述一種用于輻射療法系統(tǒng)的患者對準(zhǔn)系統(tǒng)，所述患者對準(zhǔn)系統(tǒng)包括獲得所述輻 射療法系統(tǒng)的可移動部件的位置測量的多個(gè)外部測量設(shè)備。所述對準(zhǔn)系統(tǒng)使用外部測量來 提供校正的定位反饋，從而將患者更精確地配準(zhǔn)到輻射束。Y. Muramatsu ^AW "Medical Particle Irradiation Apparatus" ^ H
7，030，396 號(2006 年 4 月 18 日)；Y. Muramatsu 等人的“Medical Particle Irradiation Apparatus” 美國專利 6，903，356 號(2005 年 6 月 7 日)；和 Y. Muramatsu 等人的“Medical Particle Irradiation Apparatus”美國專利 6，803，591 號(10 月 12，2004)都描述一種醫(yī) 學(xué)粒子輻照裝置，其具有旋轉(zhuǎn)臺架；環(huán)形框架，其位于所述臺架內(nèi)以使得其可相對于旋轉(zhuǎn)臺 架旋轉(zhuǎn)；反關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)，其阻止所述框架與所述臺架一起旋轉(zhuǎn)；和可彎曲移動底板，其以在所 述臺架旋轉(zhuǎn)時(shí)隨大體上水平的底部一起自由移動的方式與所述框架嚙合。H. Nonaka ^AW "Rotating Radiation Chamber for Radiation Therapy" 專利5，993，373號(1999年11月30日)描述一種可水平移動的底板，其由一系列以自由 且可彎曲方式連接的多個(gè)平板構(gòu)成，其中所述可移動底板隨輻射束輻照區(qū)段的旋轉(zhuǎn)同步移 動?；颊叨ㄎ籝. Nagamine 等人的"Patient Positioning Device and Patient Positioning Method” 美國專禾Ij 7，212，609 號(2007 年 5 月 1 日)禾口 Y. Nagamine 等人的 “Patient Positioning Device and Patient Positioning Method”美國專利 7，212，608 號(2007 年 5月1日)描述一種患者定位系統(tǒng)，其使用模式匹配來比較參考X射線圖像和當(dāng)前患者位置 的當(dāng)前X射線圖像的比較區(qū)。D.Miller 等人的 “Modular Patient Support System” 美國專利 7，173，265 號 (2007年2月6日)描述一種具有患者支撐系統(tǒng)的輻射治療系統(tǒng)，所述患者支撐系統(tǒng)包括模 塊化的可擴(kuò)展患者囊(patien pod)和至少一個(gè)固定設(shè)備(諸如可模壓的泡沫托架)。K. Kato 等人 ^"Multi-Leaf Collimator and Medical System Including Accelerator” 美國專利 6，931，100 號(2005 年 8 月 16 日)；K. Kato 等人的 “Multi-Leaf Collimator and Medical System Including Accelerator”美國專利 6，823，045 號(2004 年 11 月 23 日)；K. Kato 等人的“Multi-Leaf Collimator and Medical System IncludingAccelerator”美國專利 6，819，743 號(2004 年 11 月 16 日)；和 K. Kato 等人的“Multi-Leaf Collimator and Medical System Including Accelerator”美國專利 6，792，078 號(2004 年9月14日)都描述一種用于輻照療法的具有葉板的系統(tǒng)，所述葉板用于縮短患者的定位 時(shí)間。電動機(jī)驅(qū)動力傳輸?shù)綌?shù)個(gè)葉板，同時(shí)傳過小齒輪。所述系統(tǒng)也使用上下氣缸和上下 導(dǎo)架來定位患者。問題在癌性腫瘤粒子束療法領(lǐng)域中，存在對于帶電粒子輻照束控制的需要。更具體來 說，在此領(lǐng)域中存在對于將帶電粒子有效輸送到腫瘤的需要，其中效率是相對于沉積在健 康組織中的能量部分而言的沉積在所述腫瘤中的能量部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包含用于癌性腫瘤的輻射療法的多場帶電粒子輻照束方法和裝置。


圖1圖示粒子束療法系統(tǒng)的部件連接；
圖2圖示帶電粒子療法系統(tǒng)；
圖3圖示離子束產(chǎn)生系統(tǒng)；
圖4圖示同步加速器的直區(qū)段和轉(zhuǎn)向區(qū)段；
圖5圖示同步加速器的彎曲磁體；
圖6提供彎曲磁體的透視圖7圖示彎曲磁體的截面圖8圖示彎曲磁體的截面圖9圖示同步加速器的磁性轉(zhuǎn)向區(qū)段；
圖IOA和圖IOB分別圖示RF加速器和RF加速器子系統(tǒng)；
圖11圖示磁場控制系統(tǒng)；
圖12圖示帶電粒子引出和強(qiáng)度控制系統(tǒng)；
圖13圖示質(zhì)子束位置驗(yàn)證系統(tǒng)；
圖14以(A)前視圖和(B)頂視示患者定位系統(tǒng)；
圖15提供X射線和質(zhì)子束劑量分布；
圖16A-E圖示聚焦輻照的控制深度；
圖17A-E圖示多場輻照；
圖18圖示經(jīng)由使用多場輻照的劑量效率增強(qiáng)；
圖19A-C和圖19E圖示自變化的旋轉(zhuǎn)方向的腫瘤遠(yuǎn)端輻照并且圖19D圖示由遠(yuǎn)端
輻射引起的集成輻射；圖20提供兩種多場輻照實(shí)施方法；圖21圖示對腫瘤的(A) 2D層片或(B) 3D體積操作的帶電粒子束點(diǎn)掃描系統(tǒng)的多 維掃描；圖22圖示用于產(chǎn)生X射線的電子槍源，其與粒子束療法系統(tǒng)耦聯(lián)；圖23圖示接近粒子束路徑的X射線源；
圖M圖示半垂直的患者定位系統(tǒng)；圖25圖示呼吸監(jiān)測；圖沈圖示患者定位、固定和重新定位系統(tǒng)；圖27示出對于患者的呼吸循環(huán)定時(shí)的粒子場加速；和圖28圖示可調(diào)整的粒子場加速定時(shí)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明包含用于癌性腫瘤的輻射療法的多場帶電粒子輻照束方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，描述了用于對腫瘤進(jìn)行有效輻射劑量輸送的方法和裝置。優(yōu)選 地，經(jīng)進(jìn)入點(diǎn)將輻射輸送到腫瘤中，并且將布拉格峰能量(Bragg peak energy)從入口點(diǎn)靶 向到腫瘤的遠(yuǎn)端或遠(yuǎn)側(cè)。從多個(gè)旋轉(zhuǎn)方向重復(fù)從入口點(diǎn)向腫瘤的遠(yuǎn)端側(cè)輸送布拉格峰能 量。束強(qiáng)度與輻射劑量輸送效率成比例。具有從各輻照方向靶向腫瘤遠(yuǎn)側(cè)的能級的多場輻 照方法提供對腫瘤的均勻且有效的帶電粒子輻射劑量輸送。優(yōu)選地，經(jīng)由對帶電粒子束注 入、加速、引出和/或靶向的方法和裝置的控制，將帶電粒子療法對于患者呼吸定時(shí)。舉例來說，經(jīng)進(jìn)入點(diǎn)將輻射輸送到腫瘤中，并且將布拉格峰能量從入口點(diǎn)靶向到 腫瘤的遠(yuǎn)端或遠(yuǎn)側(cè)。從多個(gè)旋轉(zhuǎn)方向重復(fù)從入口點(diǎn)向腫瘤的遠(yuǎn)端側(cè)輸送布拉格峰能量。優(yōu) 選地，束強(qiáng)度與輻射劑量輸送效率成比例。優(yōu)選地，經(jīng)由對帶電粒子束注入、加速、引出和/ 或靶向的方法和裝置的控制，將帶電粒子療法對于患者呼吸定時(shí)。任選地，帶電粒子束的多 軸控制是與多場輻照同時(shí)使用。所述系統(tǒng)允許腫瘤的多場和多軸帶電粒子輻照，從而在于 腫瘤周圍分配有害的入口能量的情況下對所述腫瘤產(chǎn)生精確且準(zhǔn)確的輻照劑量。在又一實(shí)施例中，所述系統(tǒng)涉及稱為多場帶電粒子癌癥療法的組合旋轉(zhuǎn)/光柵方 法和裝置。所述系統(tǒng)使用相對于旋轉(zhuǎn)患者而言固定定向的帶電粒子源(諸如質(zhì)子源)以從 多個(gè)方向產(chǎn)生腫瘤輻照。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)將來自許多方向的逐層腫瘤輻照與受控能量質(zhì) 子輻照組合，以在所選腫瘤體積或輻照層片內(nèi)輸送峰值質(zhì)子束能量。任選地，用于從給定角 度輻照的所選腫瘤體積是所述腫瘤的遠(yuǎn)端部分。以此方式，入口布拉格峰能量繞腫瘤圓周 地?cái)U(kuò)散，從而最小化對健康組織的損害，并且峰質(zhì)子能量有效、準(zhǔn)確且精確地輸送到所述腫 瘤。在又一實(shí)施例中，使用多場成像和多場帶電粒子癌癥治療方法和裝置，其經(jīng)由使用用于 監(jiān)測和/或控制患者呼吸的反饋傳感器來與患者呼吸協(xié)同。任選地，組合輸送至患者以通 知患者何時(shí)需要呼吸控制的反饋信號，呼吸監(jiān)測系統(tǒng)使用熱和/或力傳感器來確定患者處 于呼吸循環(huán)中的何處。優(yōu)選地，在局部固定并可復(fù)位的位置對患者執(zhí)行多場成像(諸如X 射線成像)和帶電粒子療法。經(jīng)由對帶電粒子束注入、加速、引出和/或靶向的方法和裝置 的控制，將X射線和/或質(zhì)子輸送對于患者呼吸定時(shí)。在又一實(shí)施例中，描述多軸帶電粒子輻照方法和裝置，其任選地與多場輻照組合 使用。多軸控制包括對以下中一或多個(gè)的分開控制帶電粒子輻照束的水平或X軸位置、垂 直或y軸位置、能量控制和強(qiáng)度控制。任選地，所述分開控制是獨(dú)立控制。任選地，依據(jù)定 時(shí)對所述帶電粒子束進(jìn)行額外控制。定時(shí)與患者呼吸和/或患者旋轉(zhuǎn)定位協(xié)同。所述系統(tǒng) 允許多軸和多場帶電粒子腫瘤輻照，從而在于腫瘤周圍分配有害健康組織體積的入口能量 的情況下對腫瘤產(chǎn)生精確且準(zhǔn)確的輻照劑量。在另一實(shí)施例中，該系統(tǒng)使用射頻(RF)腔系統(tǒng)來感應(yīng)帶電粒子流的電子感應(yīng)加速器振蕩。帶電粒子流的足夠振幅調(diào)制致使帶電粒子流擊中諸如箔片的材料。箔片降低帶 電粒子流的能量，從而將同步加速器中帶電粒子流的曲率半徑降低到足以允許從初始帶電 粒子流中物理分選能量降低的帶電粒子流。然后，通過使用外加的場和偏轉(zhuǎn)器，從系統(tǒng)中移 除物理分選的帶電粒子流。在另一實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包含對與癌性腫瘤的帶電粒子束輻射療法結(jié)合使用的 帶電粒子束加速、引出和/或靶向的方法和裝置的強(qiáng)度控制。具體來說，組合同步加速器的 轉(zhuǎn)向磁體、邊緣聚焦磁體、聚集磁場磁體、繞組和控制線圈和引出元件來描述所述同步加速 器的帶電粒子流的強(qiáng)度。所述系統(tǒng)減小同步加速器的整體大小，提供嚴(yán)格控制的質(zhì)子束，直 接減小所需磁場的大小，直接減小所需操作功率，并且即便在從同步加速器中引出質(zhì)子的 過程期間也允許在同步加速器中不斷加速質(zhì)子。組合本發(fā)明使用，描述了帶電粒子束癌癥療法系統(tǒng)的新穎設(shè)計(jì)特征。具體來說，描 述了在負(fù)離子源、離子源真空系統(tǒng)、離子束聚焦透鏡和串列式加速器方面具有新穎特征的 負(fù)離子束源。另外，描述了轉(zhuǎn)向磁體、邊緣聚焦磁體、磁場聚集磁體、繞組和校正線圈、平坦 磁場入射表面和引出元件，它們最小化同步加速器的整體大小，提供嚴(yán)格控制的質(zhì)子束，直 接減小所需磁場的大小，直接降低所需操作功率并且允許即便在從同步加速器中引出質(zhì)子 的過程期間也在同步加速器中不斷加速質(zhì)子。離子束源系統(tǒng)和同步加速器優(yōu)選與患者成像 系統(tǒng)和包括呼吸監(jiān)測傳感器和患者定位元件的患者接口計(jì)算機(jī)集成。此外，描述了對結(jié)合 癌性腫瘤的帶電粒子束輻射療法使用的帶電粒子束加速、引出和/或靶向的方法和裝置的 強(qiáng)度控制。更具體來說，描述了同步加速器的帶電粒子流的強(qiáng)度、能量和定時(shí)控制。同步加 速器控制元件允許對帶電粒子束的嚴(yán)格控制，這補(bǔ)償對患者定位的嚴(yán)格控制以在減少對周 圍健康組織的組織損害的情況下產(chǎn)生對實(shí)體腫瘤的有效治療。另外，該系統(tǒng)減小同步加速 器的整體大小，提供嚴(yán)格控制的質(zhì)子束，直接降低所需磁場的大小，直接降低所需操作功率 并且允許即便在從同步加速器中引出質(zhì)子的過程期間也在同步加速器中不斷加速質(zhì)子。所 有這些系統(tǒng)均優(yōu)選結(jié)合X射線系統(tǒng)使用，該X射線系統(tǒng)能夠(1)在用于質(zhì)子治療的定位系 統(tǒng)中和(2)在患者的呼吸循環(huán)的指定時(shí)刻收集患者的X射線。通過組合，該等系統(tǒng)在對周 圍健康組織最小損害的情況下提供有效、準(zhǔn)確且精確的非侵襲性腫瘤治療?；匦铀倨?同步加速器回旋加速器使用恒定磁場和恒定頻率外加電場。在同步回旋加速器中，這兩個(gè)場 中的一個(gè)存在變化。在同步加速器中，這兩個(gè)場均存在變化。從而，同步加速器是特定類型 的循環(huán)粒子加速器，其中磁場用于使粒子轉(zhuǎn)向以使其循環(huán)并且電場用于加速這些粒子。同 步加速器周密地使外加場與行進(jìn)粒子束同步。通過在粒子獲得能量時(shí)恰當(dāng)?shù)卦黾訄?，可在加速粒子時(shí)保持帶電粒子路徑恒定。 這允許用于粒子的真空容器是較大的細(xì)圓環(huán)。實(shí)際上，更容易的是在彎曲磁體與一些轉(zhuǎn)向 區(qū)段之間使用一些直區(qū)段，從而給出形狀為圓角多邊形的圓環(huán)。從而，使用簡單的直和彎曲 管段來構(gòu)造較大有效半徑的路徑，這不同于回旋加速器類型設(shè)備的圓盤狀腔室。該形狀還 允許且需要使用多個(gè)磁體來使粒子束彎曲。循環(huán)加速器可賦予的最大能量通常受到磁場強(qiáng)度和粒子路徑的最小半徑/最大 曲率的限制。在回旋加速器中，當(dāng)粒子在中心啟動并且向外螺旋形移動時(shí)，最大半徑十分受 限，因此，整個(gè)路徑必須是自支持的圓盤狀抽空腔室。由于該半徑受限，因此機(jī)器的功率受到磁場強(qiáng)度的限制。在普通電磁體的情況下，場強(qiáng)度受到芯飽和度的限制，因?yàn)楫?dāng)所有磁疇 對準(zhǔn)時(shí)，該場實(shí)際上根本不可能進(jìn)一步增加。單對磁體的布置還限制設(shè)備的經(jīng)濟(jì)大小。通過使用由更小且更嚴(yán)格聚焦的磁體圍繞的窄束管，同步加速器克服了這些限 制。該設(shè)備加速粒子的能力事實(shí)上受到限制，因?yàn)榱Ｗ颖仨殠щ娨员煌耆铀?，但處于加?的帶電粒子會發(fā)射光子，由此損失能量。當(dāng)維持圓圈中束路徑所需的橫側(cè)加速度的能量損 失等于各循環(huán)所加能量時(shí)，達(dá)到限束能量。通過使用大半徑路徑和通過使用更多且更大功 率微波腔體來在轉(zhuǎn)角之間加速粒子束，構(gòu)筑了更大功率的加速器。諸如電子的較輕粒子在 轉(zhuǎn)向時(shí)損失其更大部分的能量。實(shí)際地講，電子/正電子加速器的能量受到該輻射損失的 限制，雖然其在質(zhì)子或離子加速器的動力學(xué)中并不起顯著作用。這些的能量受到磁體強(qiáng)度 和成本的嚴(yán)格限制。帶電粒子束療法貫穿本文件，描述了諸如質(zhì)子束、氫離子束或碳離子束的帶電粒子束療法系統(tǒng)。本 文中使用質(zhì)子束來描述帶電粒子束療法系統(tǒng)。然而，依據(jù)質(zhì)子束指出并描述的方面并非旨 在限于質(zhì)子束的方面，而是說明帶電粒子束系統(tǒng)。任何帶電粒子束系統(tǒng)均同等地適用于本 文所述的技術(shù)。現(xiàn)參見圖1，圖示了帶電粒子束系統(tǒng)100。該帶電粒子束優(yōu)選包含若干子系統(tǒng)，該 等子系統(tǒng)包括以下任一主控制器或輻照控制模塊Iio ；注入系統(tǒng)120 ；同步加速器130，其 通常包括(1)加速器系統(tǒng)132和(2)引出系統(tǒng)134 ；掃描/靶向/輸送系統(tǒng)140 ；患者接口 模塊150 ；顯示系統(tǒng)160 ；和/或成像系統(tǒng)170。提供了使用帶電粒子束系統(tǒng)100的示例性方法。主控制器110控制子系統(tǒng)中的一 或多個(gè)以將質(zhì)子準(zhǔn)確且精確地輸送到患者的腫瘤。例如，主控制器Iio從成像系統(tǒng)170獲 得諸如身體一部分和/或腫瘤一部分的圖像。主控制器110還從患者接口模塊150獲得位 置和/或定時(shí)信息。主控制器110然后任選地控制注入系統(tǒng)120以將質(zhì)子注入同步加速器 130。同步加速器通常至少含有加速器系統(tǒng)132和引出系統(tǒng)134。主控制器優(yōu)選諸如通過 控制質(zhì)子束的速度、軌道和定時(shí)來在加速器系統(tǒng)內(nèi)控制質(zhì)子束。主控制器然后控制從加速 器經(jīng)引出系統(tǒng)134引出質(zhì)子束。例如，控制器控制引出束的定時(shí)、能量和/或強(qiáng)度?？刂破?110優(yōu)選還控制穿過掃描/靶向/輸送系統(tǒng)140到患者接口模塊150的質(zhì)子束的靶向?；?者接口模塊150的一或多個(gè)部件優(yōu)選由主控制器110控制。此外，顯示系統(tǒng)160的顯示元 件優(yōu)選經(jīng)由主控制器110來控制。通常向一或多個(gè)操作人員和/或一或多個(gè)患者提供諸如 顯示屏幕的顯示器。在一個(gè)實(shí)施例中，主控制器110定時(shí)來自所有系統(tǒng)的質(zhì)子束的輸送，以 使得質(zhì)子以最佳治療方式輸送到患者。本文中，主控制器110是指控制帶電粒子束系統(tǒng)100的單個(gè)系統(tǒng)、控制數(shù)個(gè)控制帶 電粒子束系統(tǒng)100的子系統(tǒng)的單個(gè)控制器或控制帶電粒子束系統(tǒng)100的一或多個(gè)子系統(tǒng)的 數(shù)個(gè)個(gè)別控制器。同步加速器本文中，術(shù)語同步加速器用來指維持帶電粒子束在循環(huán)路徑中的系統(tǒng)；然而，或者 使用回旋加速器，即使其存在對能量、強(qiáng)度和引出控制的固有限制。此外，帶電粒子束在本 文中稱為沿同步加速器的中心點(diǎn)周圍的循環(huán)路徑循環(huán)。循環(huán)路徑或者稱為軌道運(yùn)行路徑； 然而，軌道運(yùn)行路徑并不是指完美圓圈或橢圓，而是指質(zhì)子環(huán)繞中心點(diǎn)或區(qū)域的循環(huán)。
現(xiàn)參見圖2，提供了帶電粒子束系統(tǒng)100的一個(gè)變體的說明性示例性實(shí)施例。部件 的數(shù)量、位置和所述類型實(shí)際上是說明性和非限制性的。在所說明的實(shí)施例中，注入器系統(tǒng) 210或離子源或帶電粒子束源產(chǎn)生質(zhì)子。質(zhì)子經(jīng)輸送到延伸入、延伸穿過并延伸出同步加 速器的真空管中。所產(chǎn)生的質(zhì)子沿初始路徑262輸送。使用諸如四極磁體或注入四極磁體 的聚焦磁體230來聚焦質(zhì)子束路徑。四極磁體為聚焦磁體。注入器彎曲磁體232使質(zhì)子束 朝同步加速器130的平面彎曲。將具有初始能量的聚焦質(zhì)子引入注入器磁體MO中，注入 器磁體240優(yōu)選為注入蘭伯森磁體(Lamberson magnet) 0 一般而言，初始束路徑262是沿 離開同步加速器130的循環(huán)平面(諸如該循環(huán)平面上方)的軸。注入器彎曲磁體232和注 入器磁體240組合使質(zhì)子移動到同步加速器130中。使用主彎曲磁體250或偶極磁體或循 環(huán)磁體來使質(zhì)子沿循環(huán)束路徑264轉(zhuǎn)向。偶極磁體為彎曲磁體。主彎曲磁體250使初始束 路徑262彎曲到循環(huán)束路徑沈4中。在該實(shí)例中，主彎曲磁體250或循環(huán)磁體描繪成用于 維持循環(huán)束路徑264進(jìn)入穩(wěn)定循環(huán)束路徑的四個(gè)四磁體組。然而，任選使用任何數(shù)量的磁 體或磁體組來使質(zhì)子在循環(huán)過程中環(huán)繞單個(gè)軌道移動。質(zhì)子通過加速器270。加速器使質(zhì) 子在循環(huán)束路徑264中加速。在加速質(zhì)子時(shí)，增加了由磁體施加的場。具體來說，使由加速 器270實(shí)現(xiàn)的質(zhì)子速度與主彎曲磁體250或循環(huán)磁體的磁場同步來維持質(zhì)子在同步加速器 的中心點(diǎn)或區(qū)域280周圍的穩(wěn)定循環(huán)。在分開的時(shí)間點(diǎn)，使用加速器270/主彎曲磁體250 組合來使循環(huán)質(zhì)子加速和/或減速，同時(shí)維持質(zhì)子在循環(huán)路徑或軌道中。組合蘭伯森引出 磁體292使用彎曲器(inflector)/偏轉(zhuǎn)器系統(tǒng)四0的引出元件來從在同步加速器130內(nèi) 的質(zhì)子循環(huán)束路徑264中移除質(zhì)子。偏轉(zhuǎn)器部件的一個(gè)實(shí)例為蘭伯森磁體。一般而言，偏 轉(zhuǎn)器使質(zhì)子從循環(huán)平面移動到離開循環(huán)平面(諸如在該循環(huán)平面上方)的軸。優(yōu)選使用諸 如四極磁體的引出彎曲磁體237和引出聚焦磁體235將引出質(zhì)子沿傳輸路徑沈8引導(dǎo)和/ 或聚焦到掃描/靶向/輸送系統(tǒng)140中。掃描系統(tǒng)140或靶向系統(tǒng)的兩個(gè)部件通常包括諸 如垂直控制的第一軸控制142和諸如水平控制的第二軸控制144。在一個(gè)實(shí)施例中，第一 軸控制142允許質(zhì)子束268約IOOmm的垂直掃描，并且第二軸控制144允許質(zhì)子束268約 700mm的水平掃描。噴口系統(tǒng)146用于使質(zhì)子束成像和/或用作在同步加速器的低壓力束 路徑與大氣之間的真空障礙。通過控制將質(zhì)子輸送到患者接口模塊150和患者的腫瘤。所 有上文所列元件都是任選的，并且可以各種排列和組合來使用。離子束產(chǎn)生系統(tǒng)離子束產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)離子束，諸如負(fù)氫離子或IT束；優(yōu)選聚焦該負(fù)離子束；將 負(fù)離子束轉(zhuǎn)換為正離子束，諸如質(zhì)子或H+束；以及將該正離子束注入同步加速器130。部分 離子束路徑優(yōu)選處于部分真空下。以下進(jìn)一步描述這些系統(tǒng)中的每一個(gè)。現(xiàn)參見圖3，圖示了示例性離子束產(chǎn)生系統(tǒng)300。如所示，離子束產(chǎn)生系統(tǒng)300具 有四個(gè)主要元件負(fù)離子源310、第一部分真空系統(tǒng)330、任選的離子束聚焦系統(tǒng)350和串列 式加速器390。仍然參見圖3，負(fù)離子源310優(yōu)選包括用于將氫氣注入高溫等離子腔室314的進(jìn)入 口 312。在一個(gè)實(shí)施例中，等離子腔室包括磁性材料316，該磁性材料316提供處于高溫等 離子腔室314與磁場障礙相對側(cè)上的低溫等離子區(qū)域之間的磁場障礙317。將引出脈沖施 加于負(fù)離子引出電極318以使負(fù)離子束進(jìn)入負(fù)離子束路徑319中，該負(fù)離子束繼續(xù)行進(jìn)穿 過第一部分真空系統(tǒng)330，穿過離子束聚焦系統(tǒng)350，并且進(jìn)入串列式加速器390。
仍然參見圖3，第一部分真空系統(tǒng)330是從氫氣進(jìn)入口 312延伸到串列式加速器 390箔片395的封閉系統(tǒng)。箔片395直接或間接密封到真空管320的邊緣，提供將在箔片 395的第一部分真空系統(tǒng)330側(cè)上維持的諸如約10_5托的較高壓力和將在箔片390的同步 加速器側(cè)上維持的諸如約10_7托的較低壓力。通過僅抽吸第一部分真空系統(tǒng)330和通過僅 基于傳感器讀數(shù)半連續(xù)地操作離子束源真空，延長了半連續(xù)操作泵的壽命。以下進(jìn)一步描 述傳感器讀數(shù)。仍然參見圖3，第一部分真空系統(tǒng)330優(yōu)選包括第一泵332，諸如連續(xù)操作泵和/ 或渦輪分子泵；大容納體積334 ；和半連續(xù)操作泵336。優(yōu)選地，泵控制器340從監(jiān)測大容 納體積334中壓力的壓力傳感器342接收信號。依據(jù)表示大容納體積334中壓力足夠的信 號，泵控制器340指示執(zhí)行器345開啟在大容納體積與半連續(xù)操作泵336之間的閥門346 并且指示半連續(xù)操作泵開動并將大氣殘余氣體抽吸出帶電粒子流周圍的真空線路320。以 此方式，通過僅半連續(xù)地且根據(jù)需要操作延長了半連續(xù)操作泵的壽命。在一個(gè)實(shí)例中，半連 續(xù)操作泵336每幾小時(shí)操作幾分鐘，諸如每4小時(shí)操作5分鐘，從而使泵壽命從約2，000小 時(shí)延長至約96,000小時(shí)。此外，通過將進(jìn)氣與同步加速器真空系統(tǒng)隔離，諸如渦輪分子泵的同步加速器真 空泵可以在更長的壽命上操作，因?yàn)橥郊铀倨髡婵毡镁哂休^少氣體分子有待處理。例如， 進(jìn)氣主要是氫氣，但可含有雜質(zhì)，諸如氮?dú)夂投趸?。通過隔離在負(fù)離子源系統(tǒng)310、第一 部分真空系統(tǒng)330、離子束聚焦系統(tǒng)350和串列式加速器390的負(fù)離子束側(cè)中的進(jìn)氣，同步 加速器真空泵可在較低壓力下以更長的壽命操作，從而增加同步加速器130的效率。仍然參見圖3，離子束聚焦系統(tǒng)350包括兩個(gè)或兩個(gè)以上電極，其中各電極對中的 一個(gè)電極用諸如導(dǎo)電網(wǎng)格的導(dǎo)電路徑372部分阻礙離子束路徑。在所示實(shí)例中，圖示了三 個(gè)離子束聚焦系統(tǒng)區(qū)段兩電極離子聚焦區(qū)段360、第一三電極離子聚焦區(qū)段370和第二三 電極離子聚焦區(qū)段380。在給出電極對中，在第一電極與第二電極的導(dǎo)電網(wǎng)格之間延伸的電 場線提供聚焦負(fù)離子束的內(nèi)向力。多個(gè)此類電極對提供多個(gè)負(fù)離子束聚焦區(qū)域。優(yōu)選地， 兩電極離子聚焦區(qū)段360、第一三電極離子聚焦區(qū)段370和第二三電極離子聚焦區(qū)段380放 置在負(fù)離子源之后并在串列式加速器之前和/或沿離子束路徑覆蓋約0. 5米、1米或2米的 空間。以下進(jìn)一步描述離子束聚焦系統(tǒng)。仍然參見圖3，串列式加速器390優(yōu)選包括箔片395，諸如碳箔片。負(fù)離子束路徑 319中的負(fù)離子經(jīng)轉(zhuǎn)換為諸如質(zhì)子的正離子并且初始離子束路徑262產(chǎn)生。箔片395優(yōu)選 直接或間接地密封到真空管320的邊緣，提供將在具有負(fù)離子束路徑319的箔片395的側(cè) 面上維持的諸如約10_5托的較高壓力和將在具有質(zhì)子離子束路徑262的箔片390的側(cè)面上 維持的諸如約10_7托的較低壓力。讓箔片395將真空腔室320物理分隔為兩個(gè)壓力區(qū)域， 這在由第一部分真空系統(tǒng)330在分開包含并隔離的空間中引出進(jìn)口氫氣及其殘余時(shí)允許 具有較少和/或較小泵的系統(tǒng)在同步加速器130中維持較低壓力系統(tǒng)。再參見圖1，提供了使用帶電粒子束系統(tǒng)100的另一示例性方法。主控制器110或 一或多個(gè)子控制器控制子系統(tǒng)中的一或多個(gè)以將質(zhì)子準(zhǔn)確且精確地輸送到患者的腫瘤。例 如，主控制器將指示何時(shí)或如何進(jìn)行呼吸的消息發(fā)送給患者。主控制器110從諸如溫度呼 吸傳感器的患者接口模塊獲得傳感器讀數(shù)或獲得指示受驗(yàn)者處于呼吸循環(huán)中何處的力讀 數(shù)。主控制器從成像系統(tǒng)170中收集諸如身體一部分和/或腫瘤一部分的圖像。主控制器110還從患者接口模塊150獲得位置和/或定時(shí)信息。主控制器110然后任選地控制注入 系統(tǒng)120以將氫氣注入負(fù)離子束源310并控制從負(fù)離子束源310引出負(fù)離子的定時(shí)。任選 地，主控制器使用離子束聚焦透鏡系統(tǒng)350控制離子束聚焦；用串列式加速器390控制質(zhì)子 束的加速；和/或控制質(zhì)子注入同步加速器130中。同步加速器通常至少含有加速器系統(tǒng) 132和引出系統(tǒng)134。同步加速器優(yōu)選含有以下中的一或多個(gè)轉(zhuǎn)向磁體、邊緣聚焦磁體、 磁場聚集磁體、繞組和校正線圈和平坦磁場入射表面，它們中的一些含有處于主控制器110 控制之下的元件。主控制器優(yōu)選諸如通過控制質(zhì)子束的速度、軌道和/或定時(shí)來在加速器 系統(tǒng)內(nèi)控制質(zhì)子束。主控制器然后控制從加速器經(jīng)引出系統(tǒng)134引出質(zhì)子束。例如，控制 器控制引出束的定時(shí)、能量和/或強(qiáng)度?？刂破?10優(yōu)選還控制穿過靶向/輸送系統(tǒng)140 到患者接口模塊150的質(zhì)子束的靶向?；颊呓涌谀K150的一或多個(gè)部件優(yōu)選由主控制器 110控制，諸如患者的垂直位置、患者的旋轉(zhuǎn)位置和患者座位定位/穩(wěn)定/控制元件。此外， 顯示系統(tǒng)160的顯示元件優(yōu)選經(jīng)由主控制器110來控制。通常向一或多個(gè)操作人員和/或 一或多個(gè)患者提供諸如顯示屏幕的顯示器。在一個(gè)實(shí)施例中，主控制器110定時(shí)來自所有 系統(tǒng)的質(zhì)子束的輸送，以使得質(zhì)子以最佳治療方式輸送到患者。循環(huán)系統(tǒng)同步加速器130優(yōu)選包含直區(qū)段410和離子束轉(zhuǎn)向區(qū)段420的組合。因此，質(zhì)子 的循環(huán)路徑在同步加速器中不是圓形，而是具有圓角的多邊形。在一個(gè)說明性實(shí)施例中，同步加速器130(也稱為加速器系統(tǒng))具有四個(gè)直元件和 四個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段。直區(qū)段410的實(shí)例包括彎曲器M0、加速器270、引出系統(tǒng)290和偏轉(zhuǎn)器 2920連同四個(gè)直區(qū)段一起的是四個(gè)離子束轉(zhuǎn)向區(qū)段420，其也稱為磁體區(qū)段或轉(zhuǎn)向區(qū)段。 以下進(jìn)一步描述轉(zhuǎn)向區(qū)段?，F(xiàn)參見圖4，圖示了示例性同步加速器。在該實(shí)例中，沿初始質(zhì)子束路徑262輸送 的質(zhì)子經(jīng)彎曲器240彎曲進(jìn)入循環(huán)束路徑，并且在加速之后經(jīng)由偏轉(zhuǎn)器四2引出到束傳輸 路徑沈8。在該實(shí)例中，同步加速器130包含四個(gè)直區(qū)段410和四個(gè)彎曲或轉(zhuǎn)向區(qū)段420， 其中四個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段中的每一個(gè)均使用一或多個(gè)磁體來使質(zhì)子束轉(zhuǎn)向約九十度。如以下進(jìn)一 步描述，能夠緊密間隔轉(zhuǎn)向區(qū)段并使質(zhì)子束有效轉(zhuǎn)向使得直區(qū)段較短。較短的直區(qū)段允許 在同步加速器的循環(huán)束路徑中不使用聚焦四極的同步加速器設(shè)計(jì)。從循環(huán)質(zhì)子束路徑中移 除聚焦四極使得設(shè)計(jì)更緊湊。在該實(shí)例中，與在循環(huán)質(zhì)子束路徑中使用四極聚焦磁體的系 統(tǒng)的八米和更大截面直徑比較，所示同步加速器具有約五米的直徑?，F(xiàn)參見圖5，提供了第一彎曲或轉(zhuǎn)向區(qū)段420的額外描述。轉(zhuǎn)向區(qū)段中的每一個(gè) 優(yōu)選包含多個(gè)磁體，諸如約2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)、10個(gè)或12個(gè)磁體。在該實(shí)例中，在第一轉(zhuǎn) 向區(qū)段420中使用四個(gè)轉(zhuǎn)向磁體510、520、530、540來說明關(guān)鍵原理，該原理不論轉(zhuǎn)向區(qū)段 420中磁體的數(shù)量如何均相同。轉(zhuǎn)向磁體510是特定類型的主彎曲或循環(huán)磁體250。在物理上，洛倫茲(Lorentz)力是在點(diǎn)電荷上由電磁場引起的力。依據(jù)磁場(不 包括電子場術(shù)語)，通過方程式1給出洛倫茲力。F = q(v X B)方程式 1在方程式1中，F(xiàn)是力，以牛頓為單位；B是磁場，以特斯拉為單位；并且ν是粒子 的瞬時(shí)速度，以米/秒為單位?，F(xiàn)參見圖6，闡述單磁體彎曲或轉(zhuǎn)向區(qū)段510的實(shí)例。該轉(zhuǎn)向區(qū)段包括質(zhì)子通過其循環(huán)的間隙610。間隙610優(yōu)選為平坦間隙，從而允許橫跨間隙610的磁場更加一致、均 勻且強(qiáng)烈。磁場穿過磁場入射表面進(jìn)入間隙610，并且穿過磁場出射表面離開間隙610。間 隙610在兩個(gè)半磁體之間的真空管中延伸。間隙610通過至少以下兩個(gè)參數(shù)控制(1)使 間隙610盡可能地大，以最小化質(zhì)子損失和(2)使間隙610盡可能地小，以最小化磁體大小 和磁體電源的相關(guān)大小和功率需求。間隙610的平坦性質(zhì)允許橫跨間隙610的磁場壓縮且 更一致。間隙尺寸的一個(gè)實(shí)例是將容納約2cm的垂直質(zhì)子束大小和約5cm至6cm的水平束 大小。如上文描述，較大間隙大小需要較大電源。舉例而言，如果間隙610大小在垂直大 小上增加1倍，則電源需求增加約4倍。間隙610的平坦性也十分重要。例如，間隙610的 平坦性質(zhì)允許引出質(zhì)子的能量從約250MeV增加到約330MeV。更具體來說，如果間隙610具 有極度平坦的表面，則可達(dá)到鐵磁體的磁場極限。間隙610的平坦表面的示例性精確度是 小于約5微米的拋光，并且優(yōu)選約1微米至3微米的拋光。表面不均勻?qū)е峦饧哟艌龅娜?陷。拋光的平坦表面擴(kuò)散外加磁場的不均勻性。仍然參見圖6，帶電粒子束以瞬時(shí)速度ν移動穿過間隙610。第一磁性線圈620和 第二磁性線圈630分別在間隙610上方和下方延伸。穿過線圈620、630的電流產(chǎn)生穿過單 磁體轉(zhuǎn)向區(qū)段510的磁場B。在該實(shí)例中，磁場B向上延伸，其產(chǎn)生力F，該力將帶電粒子束 朝同步加速器的中心點(diǎn)向內(nèi)推送，從而使帶電粒子束以弧線轉(zhuǎn)向。仍然參見圖6，圖示任選的第二磁體彎曲或轉(zhuǎn)向區(qū)段520的一部分。線圈620、630 通常具有折回元件640、650或在一個(gè)磁體的末端轉(zhuǎn)向，諸如在第一磁體轉(zhuǎn)向區(qū)段510的末 端轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向件640、650具有間隔。該間隔降低由轉(zhuǎn)向磁體覆蓋的同步加速器的一個(gè)軌道 周圍的路徑的百分率。這導(dǎo)致部分循環(huán)路徑中質(zhì)子不轉(zhuǎn)向和/或聚焦并且允許部分循環(huán)路 徑中質(zhì)子路徑散焦。從而，間隔導(dǎo)致同步加速器變大。因此，優(yōu)選最小化磁體轉(zhuǎn)向區(qū)段660 之間的間隔。使用第二轉(zhuǎn)向磁體來說明線圈620、630任選沿諸如2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè) 或更多個(gè)磁體的數(shù)個(gè)磁體延伸。由于去除了轉(zhuǎn)向件的空間約束，橫跨多個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段磁體延 伸的線圈620、630允許兩個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段磁體在空間上彼此靠近定位，從而減小和/或最小化 兩個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段磁體之間的間隔660。現(xiàn)參見圖7和圖8，呈現(xiàn)單磁體彎曲或轉(zhuǎn)向區(qū)段510的兩個(gè)說明性90度旋轉(zhuǎn)截面。 現(xiàn)參見圖8，磁體組件具有第一磁體810和第二磁體820。以下描述的由線圈感應(yīng)的磁場橫 跨間隙610在第一磁體810與第二磁體820之間延伸。折回磁場穿過第一軛812和第二軛 822延伸。旁軛的組合截面面積大致近似于第一磁體810或第二磁體820的截面面積。帶 電粒子穿過間隙610中的真空管延伸。如所圖示，質(zhì)子穿過間隙610和磁場進(jìn)入圖8 (以矢 量B圖示)，向質(zhì)子施加力F，朝同步加速器的中心推送質(zhì)子，其向右離開圖8頁面。使用繞 組產(chǎn)生磁場。第一線圈組成第一繞組線圈850，并且第二線圈組成第二繞組線圈860。諸如 空氣間隙的隔離或聚集間隙830、840將鐵基軛與間隙610隔離。間隙610大致平坦以產(chǎn)生 橫跨間隙610的一致磁場，如上文描述。再參見圖7，單個(gè)彎曲或轉(zhuǎn)向磁體的末端優(yōu)選有斜面。由虛線774、784表示轉(zhuǎn)向磁 體510的接近垂直或直角的邊緣。虛線774、784在超過同步加速器中心觀0的點(diǎn)790處相 交。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)向磁體的邊緣以角度α和β傾斜，這些角度由出自轉(zhuǎn)向磁體510的邊緣和 中心280的第一線772、782和出自轉(zhuǎn)向磁體的相同邊緣和相交點(diǎn)790的第二線774、784形成。角度α用于描述該效應(yīng)，并且角度α的描述適用于角度β，但角度α任選不同于角 度β。角度α提供邊緣聚焦效應(yīng)。以角度α傾斜轉(zhuǎn)向磁體510的邊緣使質(zhì)子束聚焦。多個(gè)轉(zhuǎn)向磁體提供在同步加速器130中各自具有聚焦效應(yīng)的多個(gè)磁體邊緣。如果 僅使用一個(gè)轉(zhuǎn)向磁體，則該束僅對于角度α聚焦一次或?qū)τ诮嵌圈梁徒嵌圈戮劢箖纱巍?然而，通過使用較小的轉(zhuǎn)向磁體，更多個(gè)轉(zhuǎn)向磁體適合同步加速器130的轉(zhuǎn)向區(qū)段420。例 如，如果在同步加速器的轉(zhuǎn)向區(qū)段420中使用四個(gè)磁體，則對于單個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段，存在八個(gè)可 能的邊緣聚焦效應(yīng)表面，每個(gè)磁體兩個(gè)邊緣。八個(gè)聚焦表面產(chǎn)生截面較小的束大小。這允 許使用較小的間隙610。使用轉(zhuǎn)向磁體中的多個(gè)邊緣聚焦效應(yīng)不僅導(dǎo)致間隙610較小，而且導(dǎo)致使用較小 的磁體和較小的電源。對于具有四個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段420的同步加速器130(其中各轉(zhuǎn)向區(qū)段具 有四個(gè)轉(zhuǎn)向磁體并且各轉(zhuǎn)向磁體具有兩個(gè)聚焦邊緣)來說，對于同步加速器130的循環(huán)路 徑中質(zhì)子的各軌道存在總計(jì)三十二個(gè)聚焦邊緣。類似地，如果在給定轉(zhuǎn)向區(qū)段中使用2個(gè)、 6個(gè)或8個(gè)磁體，或如果使用2個(gè)、3個(gè)、5個(gè)或6個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)段，則邊緣聚焦表面的數(shù)量根據(jù)方 程式2擴(kuò)大或縮小。
權(quán)利要求
1.一種使用帶電粒子輻照患者的腫瘤的裝置，其包含帶電粒子療法系統(tǒng)，其包含同步加速器；帶電粒子束路徑；和可旋轉(zhuǎn)平臺，其中所述帶電粒子束路徑延伸穿過所述同步加速器并且終止在所述可旋轉(zhuǎn)平臺上方；其中在輻照周期期間所述可旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)至少九十度，其中在所述輻照周期期間所述可旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)到至少五個(gè)輻照位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述輻照周期期間所述可旋轉(zhuǎn)平臺保持所述患 者，其中所述帶電粒子束路徑圓周地圍繞所述帶電粒子，且其中所述帶電粒子在所述至少 五個(gè)輻照位置中的每一個(gè)期間輻照所述腫瘤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述輻照周期期間所述可旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)約 三百六十度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，所述帶電粒子療法系統(tǒng)進(jìn)一步包含 輻照控制模塊，其中所述腫瘤包含遠(yuǎn)端區(qū)域，所述遠(yuǎn)端區(qū)域離所述帶電粒子進(jìn)入所述 患者的進(jìn)入點(diǎn)最遠(yuǎn)，其中對于所述至少五個(gè)輻照位置中的每一個(gè)，所述輻照控制模塊在所 述腫瘤的所述遠(yuǎn)端區(qū)域中終止所述帶電粒子束路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述輻照控制模塊控制所述可旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)和 用所述帶電粒子的布拉格峰能量輻照所述腫瘤隨所述可旋轉(zhuǎn)平臺的位置而變的變化遠(yuǎn)端 位置的所述帶電粒子的能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述輻照控制模塊控制所述帶電粒子的能量以最 大化所述腫瘤的帶電粒子輸送的帶電粒子輸送效率，其中所述帶電粒子輸送效率構(gòu)成輸送 到所述腫瘤的帶電粒子能量相對于輸送到健康組織的帶電粒子能量的量度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述帶電粒子療法系統(tǒng)進(jìn)一步包含控制模塊，所述控制模塊將所述帶電粒子的遠(yuǎn)端能量分配在所述腫瘤的外周長周圍， 其中所述帶電粒子的入口能量構(gòu)成在所述腫瘤周圍的圓周分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包含控制算法，所述控制算法在從所述同步加 速器引出所述帶電粒子的引出階段期間控制所述帶電粒子的能量和強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述帶電粒子療法系統(tǒng)在帶電粒子輸送效率增加 時(shí)增加所述帶電粒子的強(qiáng)度，并且在所述帶電粒子輸送效率降低時(shí)降低所述強(qiáng)度，其中所 述帶電粒子輸送效率構(gòu)成輸送到所述腫瘤相比周圍健康組織的相對能量的量度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，進(jìn)一步包含引出箔片，所述引出箔片接近所述同步加速器中的所述帶電粒子束路徑，其中在引出 期間所述帶電粒子沖擊所述引出箔片以產(chǎn)生電流，所述電流用于控制所述強(qiáng)度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述至少五個(gè)輻照位置中的每一個(gè)期間，當(dāng) 所述帶電粒子的能級達(dá)到所述腫瘤的遠(yuǎn)端區(qū)域時(shí)，使用所述帶電粒子的第一強(qiáng)度，其中在 所述至少五個(gè)輻照位置中的每一個(gè)期間，當(dāng)所述帶電粒子的能級達(dá)到所述腫瘤的入口區(qū)域 時(shí)，使用所述帶電粒子的第二強(qiáng)度，其中所述第一強(qiáng)度大于所述第二強(qiáng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述帶電粒子的強(qiáng)度和所述帶電粒子的能量以 至少0. 5的相關(guān)因子相關(guān)聯(lián)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述帶電粒子療法系統(tǒng)進(jìn)一步包含控制模塊，其中對于所述至少五個(gè)輻照位置中的至少三個(gè)位置，所述控制模塊隨所述 帶電粒子的能量增加而增加所述帶電粒子的強(qiáng)度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述輻照周期期間所述可旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)約 三百六十度，其中在所述輻照周期期間在所述可旋轉(zhuǎn)平臺的至少三十個(gè)旋轉(zhuǎn)位置中用所述 帶電粒子發(fā)生所述腫瘤的輻照。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述帶電粒子療法系統(tǒng)進(jìn)一步包含有源掃描系統(tǒng)，其沿至少三個(gè)軸掃描所述帶電粒子，所述有源掃描系統(tǒng)包含直徑小于 三毫米的所述帶電粒子的焦點(diǎn)，其中所述三個(gè)軸包含水平軸、垂直軸和外加能量軸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中在源于所述有源掃描系統(tǒng)的所述焦點(diǎn)的運(yùn)動之 間所述可旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)到所述至少五個(gè)輻照位置中的新位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述有源掃描系統(tǒng)進(jìn)一步包含所述帶電粒子的 強(qiáng)度控制。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述有源掃描系統(tǒng)進(jìn)一步包含使用呼吸信號定時(shí)所述帶電粒子到所述腫瘤的輸送，所述呼吸信號由接近所述患者的 呼吸傳感器監(jiān)測。
19.一種使用帶電粒子輻照患者的腫瘤的方法，其包含用帶電粒子療法系統(tǒng)輸送所述帶電粒子，所述帶電粒子療法系統(tǒng)包含同步加速器；帶電粒子束路徑；和可旋轉(zhuǎn)平臺，其中所述帶電粒子束路徑延伸穿過所述同步加速器并且在所述可旋轉(zhuǎn)平 臺上方終止；在輻照周期期間旋轉(zhuǎn)所述可旋轉(zhuǎn)平臺到覆蓋旋轉(zhuǎn)所述可旋轉(zhuǎn)平臺的至少九十度的至 少五個(gè)輻照位置；和在所述至少五個(gè)輻照位置中的每一個(gè)期間使用所述帶電粒子輻照所述腫瘤。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟在所述輻照周期期間用所述可旋轉(zhuǎn)平臺保持所述患者；和輸送所述帶電粒子穿過所述帶電粒子束路徑，其中至少在所述同步加速器中所述帶電 粒子束路徑圓周地圍繞所述帶電粒子。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟在所述輻照周期期間旋轉(zhuǎn)所述可旋轉(zhuǎn)平臺約三百六十度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，所述帶電粒子療法系統(tǒng)進(jìn)一步包含輻照控制模塊， 其中所述腫瘤包含遠(yuǎn)端區(qū)域，其中所述輻照控制模塊進(jìn)一步包含以下步驟在所述至少五個(gè)輻照位置中的每一個(gè)中使用所述帶電粒子的能量的控制，在所述腫瘤 的所述遠(yuǎn)端區(qū)域中終止所述帶電粒子束路徑。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟所述輻照控制模塊控制所述可旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)和用所述帶電粒子的布拉格峰能量輻照所述腫瘤隨所述可旋轉(zhuǎn)平臺的位置而變的變化遠(yuǎn)端位置的所述帶電粒子的所述能量。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟所述輻照控制模塊控制所述帶電粒子的所述能量以最大化所述腫瘤的帶電粒子輸送 的帶電粒子輸送效率，其中所述帶電粒子輸送效率構(gòu)成輸送到所述腫瘤的帶電粒子能量相 對于輸送到健康組織的帶電粒子能量的量度。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，所述帶電粒子療法系統(tǒng)進(jìn)一步包含以下步驟在所述腫瘤的外周長周圍分配所述帶電粒子的輸送的遠(yuǎn)端能量，其中所述帶電粒子的 入口能量構(gòu)成在所述腫瘤周圍的圓周分布。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟在從所述同步加速器引出所述帶電粒子的引出階段期間控制所述帶電粒子的能量；和 在從所述同步加速器引出所述帶電粒子的所述引出階段期間控制所述帶電粒子的強(qiáng)度。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟所述帶電粒子療法系統(tǒng)在帶電粒子輸送效率增加時(shí)增加所述帶電粒子的強(qiáng)度；并且 在所述帶電粒子輸送效率降低時(shí)降低所述帶電粒子的所述強(qiáng)度，其中所述帶電粒子輸 送效率構(gòu)成輸送到所述腫瘤相比周圍健康組織的相對能量的量度。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中旋轉(zhuǎn)所述可旋轉(zhuǎn)平臺的所述步驟包含在所述輻 照周期期間旋轉(zhuǎn)所述可旋轉(zhuǎn)平臺約三百六十度，且其中輻照所述腫瘤的所述步驟是在所述輻照周期期間在所述可旋轉(zhuǎn)平臺的至少三十 個(gè)旋轉(zhuǎn)位置中使用所述帶電粒子發(fā)生。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述帶電粒子療法系統(tǒng)進(jìn)一步包含以下步驟 沿至少三個(gè)軸主動掃描所述帶電粒子，其中所述至少三個(gè)軸包含水平軸、垂直軸和外加能量軸。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中所述主動掃描的步驟在所述至少五個(gè)輻照位置 中的每一個(gè)位置處發(fā)生。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述有源掃描系統(tǒng)進(jìn)一步包含以下步驟 控制所述帶電粒子的強(qiáng)度。
32.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中所述有源掃描系統(tǒng)進(jìn)一步包含以下步驟使用呼吸信號定時(shí)所述帶電粒子到所述腫瘤的輸送，所述呼吸信號監(jiān)測所述患者的呼吸。
33.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟 在所述帶電粒子束路徑中維持第一真空；在所述帶電粒子束路徑中維持第二真空，所述第一真空和所述第二真空通過轉(zhuǎn)換箔片 分開，所述轉(zhuǎn)換箔片將負(fù)離子轉(zhuǎn)換成正離子。
34.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟使用在所述帶電粒子束路徑內(nèi)終止在金屬導(dǎo)電路徑處的電場線來聚焦離子；和 將所述離子作為所述帶電粒子注入所述同步加速器中。
35.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟使用一組約四個(gè)磁體將所述同步加速器中的所述帶電粒子轉(zhuǎn)向約九十度，所述磁體組由線圈纏繞，其中所述線圈不直接占據(jù)所述約四個(gè)磁體中的任何磁體之間的空間。
36.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟在所述同步加速器中在加速器系統(tǒng)中加速所述帶電粒子，所述加速器系統(tǒng)包含 一組至少十個(gè)線圈； 一組至少十個(gè)線回路；一組至少十個(gè)微電路，所述微電路中的每一個(gè)集成到所述回路之一中，其中所述回路 中的每一個(gè)繞所述線圈中的至少一個(gè)完成至少一圈；和使用將低電壓信號發(fā)送到所述微電路中的每一個(gè)的射頻合成器定時(shí)所述加速器系統(tǒng)， 所述微電路中的每一個(gè)放大所述低電壓信號從而產(chǎn)生加速電壓。
37.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟在所述同步加速器中將射頻場施加到所述帶電粒子以產(chǎn)生振蕩帶電粒子； 使用引出箔片通過使所述振蕩帶電粒子變慢來從所述同步加速器中引出所述振蕩帶 電粒子。
38.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟使用從箔片上的涂層發(fā)射的光子來監(jiān)測束傳輸路徑中所述帶電粒子的水平位置和所 述帶電粒子的垂直位置，所述光子是在受到所述帶電粒子沖擊時(shí)從所述涂層發(fā)射。
39.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟 使用X射線系統(tǒng)產(chǎn)生所述腫瘤的圖像；和所述帶電粒子療法系統(tǒng)使用所述圖像靶向所述腫瘤，其中所述X射線系統(tǒng)包含具有第 一直徑的負(fù)極和具有第二直徑的電子束路徑，所述第一直徑為所述第二直徑的至少兩倍， 其中在所述負(fù)極發(fā)射的電子在沖擊X射線產(chǎn)生源之前橫穿所述電子束路徑。
40.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟 使用呼吸傳感器監(jiān)測所述患者的呼吸；和控制所述呼吸，所述控制的步驟使用由所述呼吸傳感器產(chǎn)生的信號和提供在監(jiān)視器上 提供到所述患者的反饋呼吸指令。
41.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟動態(tài)地調(diào)整所述輸送所述帶電粒子的步驟的定時(shí)以與所述患者的變化呼吸速率同步 發(fā)生。
42.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟對于所述患者的至少三次連續(xù)呼吸中的設(shè)定點(diǎn)動態(tài)地定時(shí)所述輸送所述帶電粒子的 步驟，其中三次連續(xù)呼吸中的每一次包含分開的時(shí)間周期。
43.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟對于所述患者的呼吸速率定時(shí)所述輸送所述帶電粒子的步驟，其中所述定時(shí)步驟控制 以下中的三種的定時(shí)使用負(fù)離子源產(chǎn)生所述帶電粒子； 所述帶電粒子向所述同步加速器中的注入； 所述帶電粒子在所述同步加速器中的加速；使用基本上由每個(gè)原子具有六個(gè)或更少質(zhì)子的原子組成的引出箔片，所述帶電粒子從 所述同步加速器中的引出；在所述同步加速器的操作的引出階段期間，所述帶電粒子的能量控制； 在所述帶電粒子橫穿所述同步加速器的偏轉(zhuǎn)蘭伯森磁體之前，所述帶電粒子的強(qiáng)度控 制；和所述可旋轉(zhuǎn)平臺到所述至少五個(gè)輻照位置的所述旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明包含多場帶電粒子輻照方法和裝置。將輻射經(jīng)進(jìn)入點(diǎn)輸送到腫瘤中，并且將布拉格峰能量(Bragg peak energy)從入口點(diǎn)靶向到腫瘤的遠(yuǎn)端或遠(yuǎn)側(cè)。從多個(gè)旋轉(zhuǎn)方向重復(fù)從入口點(diǎn)向所述腫瘤的所述遠(yuǎn)端側(cè)輸送布拉格峰能量。優(yōu)選地，束強(qiáng)度與輻射劑量輸送效率成比例。優(yōu)選地，經(jīng)由對帶電粒子束注入、加速、引出和/或靶向的方法和裝置的控制，將所述帶電粒子療法對于患者呼吸定時(shí)。任選地，所述帶電粒子束的多軸控制與所述多場輻照同時(shí)使用。通過組合，所述系統(tǒng)允許腫瘤的多場和多軸帶電粒子輻照，從而在于腫瘤周圍分配有害輻照能量的情況下對所述腫瘤產(chǎn)生精確且準(zhǔn)確的輻照劑量。
文檔編號A61N5/10GK102119586SQ200980122399
公開日2011年7月6日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月22日
發(fā)明者弗拉迪米爾·葉戈羅維奇·巴拉金 申請人:弗拉迪米爾·葉戈羅維奇·巴拉金