本申請要求2017年5月5日提交的美國臨時申請no.62/502,472的優(yōu)先權的權益，所述臨時申請的全部內(nèi)容通過參考并入本文。

本發(fā)明涉及放射治療領域，且更具體地涉及在放射治療期間控制放射治療束的大小和形狀的準直器系統(tǒng)及相關方法。

背景技術：

準直器系統(tǒng)的總體目標是將源(例如，linac)所產(chǎn)生的放射束遞送到目標(例如，患者大腦中的腫瘤)。由于雖然希望照射腫瘤，但通常不希望照射周圍的健康組織，所以每個束的大小和形狀是至關重要的。為了控制放射束的形狀(例如，直徑或2d橫截面面積)，準直器被使用。準直器一般是成片致密的不透射線的金屬，除了被形成的或被加工的孔允許放射線傳送穿過的地方之外基本上阻擋放射束。可由放射源(例如，linac或鈷)產(chǎn)生較大的放射覆蓋面積，但只有那些被對準而經(jīng)過準直器的粒子會被允許穿過從而到達目標，額外的那些被內(nèi)部地吸收或散射。除了被加工或被形成的準直器的管狀通道外，另一現(xiàn)有類型稱為多葉式準直器。這些常規(guī)設計是非常復雜、笨重且昂貴的。一個示例是使用多個薄鎢板的“多葉式準直器”，所述多個薄鎢板移動進出束路徑從而在治療期間產(chǎn)生希望的束暴露形狀。這種復雜的機構易于出現(xiàn)機械故障。

不同大小和形狀的放射治療目標需要不同大小和形狀的放射束。存在對允許以快速且可預測的方式改變放射束的系統(tǒng)和方法的需求。還有對此類系統(tǒng)保持小、可靠和低成本的需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及放射治療領域，且更具體地涉及在放射治療期間控制放射治療束的大小和形狀的準直器系統(tǒng)及相關方法。

在第一方面中，本發(fā)明關于放射準直器組件，所述放射準直器組件包括具有限定于其中的多個準直器通道的可旋轉準直器主體或準直器輪。在一些實施例中，準直器通道垂直于準直器輪的旋轉軸縱向延伸，從所述輪的周界延伸，經(jīng)過所述輪的中心并到所述輪的對面周界外面。準直器輪由準直器罩至少部分地圍繞，至少除了具有選定的準直器通道的部分，選定的準直器通道與放射源及患者目標對準從而允許放射束經(jīng)過其中。在一些實施例中，準直器輪的后部的、面對linac的部分被包鞘(ensheath)在罩中從而防止雜散放射經(jīng)過非選定的準直器通道。準直器罩由合適的放射吸收材料(典型地，鎢或鎢合金)制造，以便阻擋和吸收從非對準通道的孔口發(fā)射的任何散射放射線。

在另一方面中，準直器主體被電機化并精確索引以用于所選定的準直器通道幾何形狀與所述放射源的快速且準確的計算機控制的定位，從而將希望的束形狀遞送成目標處所需的精確尺寸。通過使用旋轉式準直器輪，可在一次治療期間使用多種大小的束，在兩個或更多個選定的準直器之間快速且自動地切換。

這些準直器組件具有以下優(yōu)點：可通過計算機控制快速改變的，同時在它們的簡單性上保持小、可靠并在成本上保持低。此外，此類組件可利用單個電機來在選擇一個或多個準直器通道之間切換。本文所描述的本發(fā)明的諸方面允許更可靠的放射準直器，該放射準直器能夠以等中心從1mm到30mm直徑快速并精確地改變x射線暴露，并且能夠比許多現(xiàn)有技術的準直器更可靠地工作。此類準直器組件實現(xiàn)了在治療性放射遞送(例如以治療腦腫瘤)的服務中束孔的快速、自動(電機化且計算機控制)的改變。

本文所述的準直器系統(tǒng)允許束準直卻不需要使用常規(guī)的阻擋準直器和/或多葉準直器系統(tǒng)，諸如常規(guī)放射治療系統(tǒng)中所通常使用的那些準直器系統(tǒng)，那些準直器系統(tǒng)笨重且隨著時間推移容易出現(xiàn)機械故障。

在一個方面中，一種示例性放射準直器組件包括放射源和準直器輪，所述準直器輪圍繞其旋轉軸是可旋轉的。所述準直器輪具有多個準直器通道，所述多個準直器通道包括：在所述準直器輪內(nèi)限定的第一和第二準直器通道，所述第一和第二準直器通道被布置為基本上垂直于所述準直器輪的所述旋轉軸。所述準直器可包括額外的通道，例如三個或更多個通道。所述準直器可包括任何數(shù)量的希望的通道(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10個通道或更多)。在一些實施例中，所述第一和第二準直器通道中的每一個經(jīng)過所述準直器輪的中心，所述旋轉軸延伸穿過所述準直器輪的所述中心。優(yōu)選地，所述準直器通道中的至少一些具有不同的大小和/或形狀。在一些實施例中，所述多個準直器通道沿著所述準直器輪以有規(guī)律的間隔來分布。

在另一方面中，所述第一和第二準直器通道可通過旋轉地移動所述準直器輪來選擇，從而將所述第一和第二準直器通道中的一個與所述放射源對準?？赏ㄟ^操作性地耦接到所述輪的電機和控制單元來促進所述準直器輪的選擇性旋轉。在一些實施例中，所述準直器組件包括：電機，所述電機與所述準直器輪操作性地耦接以圍繞所述旋轉軸旋轉所述準直器輪；以及控制單元，所述控制單元與所述電機操作性地耦接以控制所述準直器輪到與選定的準直器通道和所述放射源的對準相對應的準直器位置的旋轉。在一些實施例中，所述控制單元與配置成檢測所述準直器位置的一個或多個傳感器通信地耦接。所述一個或多個傳感器可包括一個或多個編碼器讀取器，而所述準直器輪包括多個標記，所述多個標記定位在所述準直器輪上使得標記的檢測與相應準直器通道的對準相對應。

在另一方面中，本文提供了一種利用此類準直器組件的放射治療系統(tǒng)。一種示例性治療系統(tǒng)可包括：諸如上面所述的放射準直器組件，所述準直器組件被配置成將放射束從放射源穿過所述準直器輪的一個或多個選定的準直器通道遞送到患者體內(nèi)的目標。這樣的系統(tǒng)可包括：電機，所述電機與所述準直器輪操作性地耦接以圍繞所述旋轉軸旋轉所述準直器輪；控制單元，所述控制單元與所述電機操作性地耦接以控制所述準直器輪到與一個或多個選定的準直器通道和所述放射源的對準相對應的位置的旋轉。所述控制單元被配置成旋轉所述準直器輪以將一個或多個選定的準直器通道與所述放射源對準，所述一個或多個選定的準直器通道與一個或多個所希望的治療束相對應。

在另一方面中，所述治療系統(tǒng)包括準直器罩。所述準直器罩可被配置成在治療的遞送期間圍繞所述準直器主體的至少一部分，以便阻擋來自未對準的準直器通道的放射線，同時允許來自選定的、對準的準直器通道的治療束穿過。在一些實施例中，所述準直器罩基本上圍繞所述準直器輪面對所述放射源的部分，除了選定的、對準的準直器通道的進入孔口。在一些實施例中，所述準直器罩基本上圍繞所述準直器主體，除了所述罩的頂部處的孔，通過該孔包括暴露的所述選定的、對準的準直器通道的出口孔口，以及在所述對準的通道的入口孔口處的通道以允許放射束通過所述選定的通道進入。雖然本文呈現(xiàn)的實施例中描繪了錐形罩，但要知道的是，準直器罩可被形成為不同的形狀，只要罩允許放射線經(jīng)過選定的、對準的通道，同時阻擋從非選定通道發(fā)射的放射線。

在又另一方面中，所述治療系統(tǒng)可包括對準驗證機構。這樣的驗證特征可包括光學對準特征，諸如引導激光束穿過選定的準直器通道并檢測從出口孔口發(fā)出的激光束的光學激光機構。在一些實施例中，所述治療系統(tǒng)進一步包括用于在治療期間監(jiān)測患者的一個或多個成像設備。

在一些實施例中，準直器包括：準直器主體，所述準直器主體具有樞轉特征，所述準直器主體圍繞所述樞轉特征圍繞樞轉軸是可旋轉的；以及多個準直器通道，所述多個準直器通道延伸穿過所述準直器主體，所述多個準直器通道中的每一個基本上垂直于所述樞轉軸，所述準直器主體圍繞所述樞轉軸旋轉。在一些實施例中，所述多個準直器通道中的每一個與所述樞轉軸相交。

在另一方面中，本文提供了在治療期間遞送不同大小和/或形狀的治療束到患者體內(nèi)的目標的方法。一種示例性方法包括：從準直器主體中的多個準直器通道選擇第一準直器通道，選定的第一準直器通道與希望的第一治療束相應對。所述準直器主體在所述治療系統(tǒng)內(nèi)沿著所述準直器主體的旋轉軸是可旋轉的并且所述多個準直器通道在大小和/或形狀上不同并且基本上垂直于所述旋轉軸延伸。接著，沿著所述準直器主體的所述旋轉軸旋轉所述準直器主體直到所述選定的第一準直器通道與所述放射源對準，然后，從所述放射源發(fā)射第一粒子束穿過所述選定的第一準直器通道以便將所述希望的第一治療束引導到所述患者體內(nèi)的所述目標。此類方法可進一步包括：在所述準直器主體中選擇第二準直器通道，選定的第二準直器通道與希望的第二治療束相對應，所述第二治療束在大小和/或形狀上不同于所述第一治療束。接著，沿著所述旋轉軸旋轉所述準直器主體直到所述選定的第二準直器通道與所述放射源對準，然后，從所述放射源發(fā)射第二粒子束穿過所述選定的第二準直器通道以便將所述希望的第二治療束引導到所述患者體內(nèi)的所述目標。在一些實施例中，旋轉所述準直器主體直到所述選定的第一準直器通道被對準包括：旋轉所述準直器主體直到所述系統(tǒng)的控制單元的傳感器檢測到設置在所述準直器主體上、指示與所述第一準直器通道的對準相對應的準直器位置的標記。此類方法可進一步包括：通過發(fā)射激光束穿過所述準直器通道并檢測從所述第一準直器通道的出口孔發(fā)射的所述激光束來驗證所述第一準直器通道與所述放射源的對準。

通過參考附圖中所描繪的示例性實施例以及下面所提供的描述可以進一步理解本發(fā)明的各個方面和細節(jié)。

附圖說明

圖1示出了示例旋轉式準直器輪的橫截面，所述旋轉式準直器輪具有穿過其中的準直器通道。

圖2示出了安裝在錐形罩上的示例旋轉式準直器輪，所述準直器輪具有磁性編碼器跟蹤器，所述磁性編碼器跟蹤器感測所述輪何時已到希望的準直器位置。

圖3示出了示例錐形罩的頂部，包括準直器輪的準直器通道的出口以及用于監(jiān)測患者的相機。

圖4示出了示例準直器輪及配置成在諸位置之間驅動的相關電機，以及使放射線經(jīng)過準直器輪及相關特征的線性加速器。

圖5示出了另一示例錐形罩，所述錐形罩圍繞準直器輪的外圍從而覆蓋未對準的通道的孔口。

具體實施方式

本發(fā)明總體上涉及放射治療系統(tǒng)及使用方法，特別是準直器系統(tǒng)提供對準直放射束的選擇性控制和遞送。

圖1示出了旋轉式準直器輪100的橫截面視圖，所述旋轉式準直器輪100具有穿過其中的準直器通道140。準直器輪100具有限定于其中(例如被加工成穿過準直器輪100的主體)的縱向延伸的通道或準直器通道105、115和125。該圖示出了多個其他通道，為了附圖的清楚起見，該多個其他通道未被標記。準直器通道可以有各種大小、直徑或形狀。在一些實施例中，每個準直器通道有不同直徑。例如，如圖1中所示，準直器通道105具有比準直器通道115大的鉆孔，準直器通道115具有比準直器通道125大的鉆孔。每個準直器通道從放射進口孔106延伸到出口孔107。在一些實施例中，進口孔106的大小比出口孔107的大小要小以促進在放射最終擊打的目標的邊緣處的最大放射劑量的遞送。準直器輪100被旋轉使得選定的準直器通道與放射源110對準以允許粒子放射束111經(jīng)過該選定通道，從而提供希望的治療束到患者體內(nèi)的目標112。在圖1的底部所示的準直器輪100的側面剖視圖中，進口和出口孔150圍繞周界是可見的，準直器輪100在軸101上轉動。在該示例中，準直器輪100與50:1減速齒輪箱及電機耦接。在一些實施例中，通道105和出口孔107是圓的。要知道的是，在替代實施例中，所述通道可以具有任意大小或形狀，例如正方形。準直器輪100可由任何合適的材料形成，例如由鈦合金加工而成。雖然準直器輪100被示出為相對于患者所在的表面是豎直取向的，但要知道的是，可按任何取向配置準直器輪100，只要經(jīng)過準直器通道的治療束被引導到目標。此外，雖然準直器輪被示出為具有8個準直器通道，但要知道的是，此類準直器輪可包括更多或更少的準直器通道。

圖2示出了旋轉式準直器輪200的橫截面，旋轉式準直器輪200被安裝在準直器罩210上，并且在軸205上在各準直器位置之間旋轉。在該實施例中，準直器罩210基本上包鞘了準直器輪面對放射源的部分以便防止放射線進入未對準的準直器通道?？捎煽刂葡到y(tǒng)通過使用監(jiān)測準直器輪200的位置的一個或多個傳感器或編碼器來精確控制準直器輪的旋轉位置，例如通過檢測設置在準直器輪的外圍上的標記。在該實施例中，由編碼器讀取器頭215和216來精確監(jiān)測準直器輪的位置，編碼器讀取器頭215和216跟蹤固定到準直器輪100的內(nèi)緣214的、鄰近讀取器頭215和216的路徑的薄的帶狀編碼器條?？刂葡到y(tǒng)檢測通過在編碼器和編碼器條之間的電磁相互作用方面的精確放置的改變而產(chǎn)生的信號。利用編碼器讀取器頭和固定到內(nèi)緣214的編碼器條的這種結合，控制系統(tǒng)感測所述輪何時已到希望的準直器位置。在準直器罩210的橫截面中示出的還有l(wèi)inac頭230，linac頭230是遞送給選定準直器的進口孔的放射的源。在一些實施例中，離子室被包括在準直器罩中、在linac頭230和準直器輪200之間。替代的位置編碼器方案可包括機械停止件，諸如齒輪的齒和齒條，和/或光學感測位置標記。

在一個方面中，上述的準直器組件和控制系統(tǒng)被并入到治療系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)包括處理器，所述處理器被配置成促進準直器輪的受控旋轉以選擇與選定準直器通道和放射源的對準相對應的位置，選定的準直器通道與希望的治療束相對應。在一些實施例中，治療系統(tǒng)包括用戶界面，所述用戶界面允許治療醫(yī)師選擇與一個或多個準直器通道相關聯(lián)的一個或多個治療束。在其他實施例中，控制系統(tǒng)自動確定與選定治療進程相應對的一個或多個準直器通道。

圖3示出了錐形罩的頂部，包括準直器通道的出口以及用于監(jiān)測患者的相機。準直器輪300是側向可見的，包括選定的通道出口孔305以及未被標識且因此未與linac(在底下且不可見)對準的其他孔。電機315將準直器輪305轉動到選定位置，在該選定位置，希望的孔與linac對準。在一些實施例中，該系統(tǒng)包括一個或多個相機，例如相機310，所述一個或多個相機被定位來允許患者在經(jīng)受放射治療的同時被監(jiān)測。編碼器解譯計算機子系統(tǒng)320從編碼器讀取器頭(參見圖2)接收信號以計算準直器輪300的精確旋轉位置，并從而計算可選擇的準直器通道中的任何一個準直器通道的位置。例如，在反饋回路中，電機控制計算機子系統(tǒng)330作用來激活電機315直到編碼器指示選定的準直器與linac對準。在一個方面中，該系統(tǒng)被配置成在治療期間在與選擇準直器通道相關聯(lián)的多個位置之間改變準直器輪位置以便使到達目標的治療束的大小不同。

圖4示出了準直器輪的橫截面視圖，其中具有在諸位置之間驅動的電機、以及使放射線經(jīng)過對準的準直器通道及相關特征的線性加速器。

如圖所示，準直器輪449具有選定并與出口孔452和進口孔450對準的通道451。準直器罩410沿著面對放射源的部分圍繞準直器輪449以允許粒子束經(jīng)過通道451的入口和出口孔口，同時防止放射線進入未對準的通道。在該實施例中，準直器輪449經(jīng)由具有襯套434的軸件453被選擇性地轉動到希望的位置，軸件453經(jīng)由聯(lián)軸器支架和底座420與齒輪箱444連接。齒輪箱444耦接到電機445并由電機445驅動，并以預定義比率提供旋轉的減少，從而允許對準直器輪轉動并與放射源、linac頭460及l(fā)inac主體461的遠端邊緣對準的程度的非常精細的控制。預定義比率可以是10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1或任何適用于準直器輪的給定幾何形狀以及治療系統(tǒng)和希望的調(diào)整分辨率的比率。在該實施例中，離開linac頭460的能量進入密封的離子腔室403，憑借進入離子腔室的放射線將產(chǎn)生可測量的與x射線束強度成比例的電離電流的事實，離子腔室403允許對劑量、劑量率和場對稱性的監(jiān)測。

在該實施例中，使用光束技術來優(yōu)化機械對準。這具有以下優(yōu)點：使從離子腔室403到進口孔450中的放射線的傳送最大化。為此，該系統(tǒng)包括激光罩安裝保持激光器416，來自激光器416的束通過鏡415以直角彎曲并且被引導到光圈虹膜透鏡419中，在此之后，激光經(jīng)過被限定于罩410中的罩鉆孔421而到達束路徑直角光學鏡422。由于束路徑直角光學鏡422對光有反射性但對放射線有透射性，所以可通過從準直器451的出口孔452發(fā)射的激光束來檢測恰當對準的準直器，同時維持主要放射遞送對準的功能性(這是在每臺機器的初始驗證和校驗中有用的功能)。

圖5示出了另一示例系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如圖1所示相同或類似的準直器輪及相關部件、以及錐形準直器罩510，錐形準直器罩510基本上圍繞準直器輪的外圍以便阻擋和吸收從未對準的準直器通道的孔口發(fā)射的放射線，同時允許粒子束111從放射源110經(jīng)過選定的、對準的準直器通道以提供希望的治療束到目標112。在該實施例中，準直器罩510覆蓋未對準通道的任何孔口。在一些實施例中，該罩可覆蓋未對準通道的少于全部的孔口。要知道的是，在本文的任何實施例中，該罩可包括多個罩部件以覆蓋未對準通道的孔口，并且不要求是單式部件?？筛鶕?jù)本文所述的構思實現(xiàn)罩的各種構造。

雖然在該示例中以特定布置示出這些部件，但要知道的是，如本領域技術人員將會理解的，可利用旋轉準直器輪的各種其他裝置來實現(xiàn)替代的構造。另外，要知道的是，某些要素(諸如相機、離子腔室和光束對準特征)可被忽略，同時仍然保持本發(fā)明的上述的某些優(yōu)勢方面。

在前述說明書中，參考本發(fā)明的具體實施例描述了本發(fā)明，但本領域技術人員將認識到本發(fā)明并不受限于此。上述本發(fā)明的各種特征和方面可被單獨地或結合地使用。進一步地，可在本文所描述的那些之外的任何數(shù)量的環(huán)境和應用中使用本發(fā)明而不背離本說明書的較廣泛的精神和范圍。因此，本說明書及附圖被視為說明性的而非限制性的。將認識到，本文所使用的術語“包括”、“包含”、“具有”特別意欲被解讀為本領域的開放式術語。