專利名稱：:可旋轉多元輻射束成形裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明主要涉及輻射治療裝置，更具體而言，涉及用于輻射治療裝置的一種可旋轉多元輻射束成形裝置。腫瘤有三維的處理體積，通常包括正常的部分、健康的組織和器官。健康的組織和器官經(jīng)常處在輻射束的處理路徑上。這使處理變得復雜，因為當發(fā)送一定劑量的輻射給腫瘤時必須考慮健康的組織和器官。雖然要求使健康的組織和器官的損傷減到最小，同等重要的是確保腫瘤接受到足夠高的輻射劑量。對許多腫瘤來說，治愈率是它們所接受劑量的靈敏函數(shù)。因此，使輻射束的形狀和效果與接收處理的腫瘤的形狀和體積緊密匹配是重要的。在許多輻射治療裝置中，處理束通過一種病人前的準直裝置(一種“準直器”)射出，該準直裝置限定處理束的輪廓或處理區(qū)的處理體積。已經(jīng)開發(fā)出許多不同的準直器技術，在考慮附近的健康組織和器官的同時，試圖使劑量率和處理的體積與腫瘤的形狀相匹配。第一種技術是基于要處理的腫瘤形狀，采用一種沿處理束的路徑放置的實心鉗口阻擋(jawblock)的準直器產生一種場的形狀。通常情況下，提供兩套阻擋，包括通常布置成平行于Y軸的構成Y鉗口的兩個阻擋(Z軸平行于輻射束的路徑)，和通常布置成平行于X軸的構成X鉗口的兩個阻擋。一般情況下，X鉗口置于Y鉗口和病人之間。然而，這些實心鉗口阻擋不提供足夠的可變的場形狀。特別在腫瘤有一種形狀，要求場的邊沿相對地平行于鉗口阻擋的邊沿的情況下，鉗口阻擋的邊沿在形成場的邊沿時變得更加占有主導地位。結果增大了場的起伏和有效半陰影(penumbra)。在處理束是X射線束的情況下，這可能會特別困難。由于電子的衰減和散射，在處理束為電子束的情況下，它也難于調節(jié)場的形狀。多葉，或“多元”阻擋準直器的發(fā)展提供了更多的變化和對處理區(qū)上的場的形狀的控制。1997年1月7日授予Hughes的美國專利5,591,983描述了一個多元準直器的實例。Hughes準直器使用一種有兩個阻擋的X鉗口，每一個阻擋由許多單個的元件構成。X鉗口的每一個元件能夠縱向地移動跨越輻射束的路徑在處理點產生一種想要的輻射束形狀。輻射束形狀進一步控制是所希望的。現(xiàn)有的阻擋準直器相對于X鉗口固定Y鉗口的位置，也就是說，Y阻擋不能獨立于X阻擋移動。結果，許多處理涉及這樣一些腫瘤，腫瘤的形狀相對地平行于X鉗口或Y鉗口的一個或多個邊。由于輻射的散射、起伏、和半陰影效應，發(fā)送一個恰當治療劑量的輻射到腫瘤可能是困難的。所以，希望提供一種系統(tǒng)和方法，允許進一步控制多元準直器中的每一個阻擋、每一個鉗口、和每一個元件來增加對輻射束形狀的控制，包括控制當處理場邊沿變得相對地平行于鉗口阻擋、鉗口、和/或準直器元件的邊沿時可能出現(xiàn)的半陰影和起伏效應。也希望提供對輻射束形狀控制來提供更加精確的控制以便在處理時調節(jié)輻射束的衰減和散射。在一種實施方案中，通過第二組件中多個單獨控制元件的使用，進一步加強了輻射束的成形?？梢钥刂泼恳粋€元件單獨移動跨越中心軸以使輻射束成形。在一種實施方案中，元件用舌榫(tongue)和凹槽(groovo)裝配在一起，用定位在交替元件上的軸承移動。在一種實施方案中，將元件成形以便以跨越軸的弧移動，與輻射束源保持一個元件端的距離。在一種實施方案中，處理時可以操縱第一和第二組件的位置來提供一個動態(tài)的輻射治療方法。本發(fā)明不限于已公開的優(yōu)選實施方案，然而，作為本領域的熟練人員能夠容易地將本發(fā)明的描述進行修改使其適合產生其他的實施方案和應用。首先參照圖1，展示出一種輻射治療裝置10，該裝置可以采用本發(fā)明的實施方案。輻射治療裝置10包括臺架(gantry)12，在治療處理期間該臺架能夠繞著水平旋轉軸14旋轉。臺架12的處理頭16沿軸18引導輻射束指向病人20。輻射束通常由放置在臺架12內的直線加速器產生。輻射束可以是電子或光子輻射。輻射束對準病人20的處理區(qū)22。處理區(qū)22是包括待處理的腫瘤的區(qū)域。本發(fā)明的實施方案允許生成和控制與處理區(qū)22的形狀和大小緊密匹配的輻射束。現(xiàn)在參照圖2，它是一個方框圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案的輻射治療裝置10的一部分。特別展示了輻射治療裝置的處理發(fā)送單元。該單元可以配置成圖1描述的輻射治療裝置10。這種處理發(fā)送單元包括一個計算機40，有效地連接到一個操作控制臺42以便接收操作者的控制輸入和將處理數(shù)據(jù)顯示給操作者。操作控制臺42通常由輻射臨床醫(yī)生操作，輻射臨床醫(yī)生負責發(fā)送由腫瘤專家規(guī)定的處理輻射。使用操作控制臺42，輻射臨床醫(yī)生輸入數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)限定發(fā)送給病人的輻射。海量存儲裝置46儲存輻射治療裝置運行期間產生和用到的數(shù)據(jù)，例如，包括腫瘤專家為一個具體病人規(guī)定的處理數(shù)據(jù)。例如，這種處理數(shù)據(jù)由一種預先計劃系統(tǒng)60產生，該系統(tǒng)可以包括手動的和計算機化的輸入以便在處理病人前確定輻射束的形狀。預先計劃系統(tǒng)60通常用來定義和模擬輻射束的形狀，該形狀是處理區(qū)22合適的輻射治療劑量所需要的。定義輻射束形狀和處理的數(shù)據(jù)儲存在海量存儲裝置46中以便計算機40在發(fā)送處理時使用。盡管圖2描述了單個計算機，本
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：的熟練人員將會注意到這里所描述的功能可以用一個或更多的計算裝置一起或獨立運行的來完成。本
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：的熟練人員也將意識到任何適合一般目的或特別可編程的計算機可以用于實現(xiàn)這里所描述的功能性。計算機40也有效地連接到包括臺架控制器44和工作臺(table)控制器48的控制單元。在運行時，計算機40通過臺架控制器44引導臺架12的移動和通過工作臺控制器48引導工作臺24的移動。這些裝置由計算機40控制，將病人安置在一個合適的位置以便接收來自輻射治療裝置的處理。在一些實施方案中，在發(fā)送一個指定的輻射劑量的處理期間，臺架12和/或工作臺24可以重新設定位置。計算機40也有效地連接到劑量控制單元50，該劑量控制單元包括劑量控制器并設計成控制輻射束52達到所需要的等劑量曲線。例如，輻射束52可以是X射線束或電子束。輻射束52可以用本
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：的熟練人員眾所周知的若干方式中的任何方式產生。例如，劑量控制單元50可以控制一種觸發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在直線加速器(未示出)中產生反饋到電子槍的注入器觸發(fā)信號，直線加速器產生電子束52作為輸出。通常把輻射束52沿著一個軸(如圖1中18項所展示的那樣)引導到病人20的處理區(qū)22。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案，引導輻射束52通過包括一個Y鉗口和一個X鉗口的準直器組件。計算機40，協(xié)同劑量控制單元50，利用驅動器56和58控制Y和X鉗口。如下文進一步詳細描述的那樣，X鉗口驅動器56和Y鉗口驅動器58獨立地運行，使得輻射束52以更高的精度和控制成形。X鉗口和Y鉗口驅動器56和58也用于控制單個的元件，這些元件構成X和Y鉗口并將在下文中作進一步詳細的討論。在一些實施方案中，X鉗口和Y鉗口驅動器56和58也有獨立的手動控制以便允許輻射治療裝置的操作者手動調節(jié)輻射束的形狀(例如，在處理預先計劃期間)。用驅動器56和58協(xié)同一個或多個傳感器57，59控制X和Y鉗口的位置。在一種實施方案中，在處理前，運行計算機40將X和Y鉗口放置在指定位置上。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，可以操縱X和Y二鉗口的位置以及構成X鉗口的單個元件的位置。結果是，系統(tǒng)允許在很大程度上控制輻射束在處理區(qū)的形狀。例如，在輻射束為X射線束的情況下，操縱X和Y兩種鉗口位置以及構成X鉗口的元件的位置能夠使元件和鉗口的表面相對地垂直于正在處理腫瘤的長軸。作為另一個實例，在輻射束為電子束的情況下，能夠以很大的精度操縱X和Y兩種鉗口以補償電子束在空氣中的衰減和散射。從而，可以發(fā)送一個更加精確的治療輻射束到處理區(qū)。在其他的實施方案中，在處理期間，可以用計算機40操縱X和Y鉗口(和X鉗口的單個元件)之一或兩者來改變輻射束的形狀以便發(fā)送一個規(guī)定的輻射劑量到處理區(qū)。另外，在使用混合輻射束形式(X射線和電子)的情況下，由本發(fā)明的實施方案提供的對X和Y鉗口(和X鉗口的單個元件)的強化控制也可以用來發(fā)送更加精確的處理。當使用一個混合輻射束的形式時，考慮到不同的衰減、散射、和兩種類型的輻射束的其他影響，本發(fā)明的實施方案允許精確控制輻射束的形狀?；诮o定的電子能量和衰減、散射效應、及橫向電子平衡的損失，將確定單個的元件的位置。現(xiàn)在參照圖3，它示出處理頭16的一個剖面圖。在一些輻射治療裝置10中，例如圖1中所示的裝置，處理頭16連接臺架12，且整個結構繞軸14是可旋轉的(如圖1所示)。處理頭16是一種組件，連同其他裝置一道，包括準直器結構，展示為X鉗口100a，100b和Y鉗口200a，200b。X鉗口100a，100b布置在Y鉗口200a，200b和病人之間。X鉗口100a，100b平行于X軸放置，Y鉗口200a，200b平行于Y軸放置(這里軸18為Z軸)。X鉗口和Y鉗口一般構成一個矩形開孔，輻射束沿軸18通過該開孔。本發(fā)明的實施方案允許更大程度地控制X鉗口(和X鉗口的單個元件)和Y鉗口，允許輻射束在X和Y鉗口之間通過處理頭16時更大程度地控制輻射束成形。X和Y鉗口100，200中的每一個由輻射衰減材料所制成。在一種實施方案中，鉗口由X射線透射特性小于1％的材料所組成。例如，目前，鎢是一種優(yōu)選材料，盡管其他有相似輻射衰減特性的材料也可以使用。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案，獨立控制X鉗口100a，100b和Y鉗口200a，200b(例如，通過電動機控制器54，X鉗口驅動器56，和Y鉗口驅動器58，如上面的圖2一起所描述的那樣)?？梢杂迷S多不同的方式控制鉗口。例如，在一種實施方案中，X鉗口100a，200b和Y鉗口200a，200b是繞軸18可獨立旋轉的(例如，從-180度到+180度)。進一步，如圖3中所描述的那樣，X鉗口100a，100b可以由多種單個元件102a-n，104a-n構成?？梢钥刂七@些單個元件102a-n，104a-n中的每一個沿著與軸18橫切的路徑移動(例如，通過電動機控制器54和X鉗口驅動器56)。根據(jù)本發(fā)明，這些項目中的每一種獨立移動允許在更大程度上控制和限定輻射束在處理區(qū)22上的形狀的靈活性。這允許更精確地發(fā)送一個合適的輻射劑量到處理區(qū)22，而不損傷周圍的組織和器官?，F(xiàn)在參照圖4，它展示出關于準直器的進一步的細節(jié)，該圖示出Y鉗口200a，200b放置在X鉗口100a，100b之上。軸18通過一個由Y鉗口200a，200b和X鉗口100a，100b所限定的開孔，引導輻射束沿著該軸朝向身體20上的處理區(qū)22。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，X鉗口100a，100b和Y鉗口200a，200b沿著旋轉方向80繞軸18可相互獨立旋轉。通過一個或多個連接到Y鉗口驅動器58的位置傳感器59，控制Y鉗口200a，200b的移動和定位。通過一個或多個連接到X鉗口驅動器56的位置傳感器57，控制X鉗口100a，100b的移動和定位。X鉗口100a，100b的每個由若干元件102a-n，104a-n構成，這些元件沿方向82跨過軸18是可移動的。每個元件102，104的移動可分別控制，使得產生多種多樣的輻射束形狀。在一種實施方案中，通過使用X鉗口驅動器56以及一個或多個位置傳感器57，控制每一個元件102a-n，104a-n的移動。在其他的實施方案中，提供一種單獨的控制機械裝置來控制元件102a-n，104a-n的移動和定位。在一些實施方案中，采用直接連接到每個元件上的雙冗余的位置傳感器57獨立地控制每個元件。如所描述的那樣，制造每個X鉗口100a和100b，和其每個元件，使得它們以所選擇弧形路徑移動，來保持元件末端與輻射束的邊沿距源的偏離的匹配。在一種實施方案中，控制每個元件的移動，使得元件移動速度在0.2毫米/秒至20毫米/秒之間是可變的，并具有最小限度的斜坡上升和斜坡下降速度，雖然本領域的熟練人員將認識到也可以選擇其他的速度和控制方案來提供各種各樣的處理和控制選項。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，能夠生成一種與處理區(qū)22的形狀緊密匹配的輻射束形狀，并且具體說來，該輻射束形狀使元件的數(shù)目或平行于處理區(qū)22邊沿的鉗口表面減到最小。結果，能夠減少有效半陰影和起伏，提供一種剪裁得體的輻射束形狀于處理區(qū)22。專利申請者發(fā)現(xiàn)每一個元件相對于處理區(qū)22形狀的取向是重要的，因為有效半陰影基本上隨場邊角(單位度)的增加而增加。例如，一個13毫米的有效半陰影來自于80度的場邊角，而一個0度的場邊角導致一個6毫米的有效半陰影(隨著場邊角的增加，場邊沿變得更加平行于準直器的邊沿)。相似地，專利申請者發(fā)現(xiàn)輻射束的起伏基本上隨場邊角的增加而增加。例如，當場邊角從0度增加到80度時，起伏從1毫米增加到8毫米。為了發(fā)送一種更加匹配的處理束(減少了有效半陰影和起伏值)，本發(fā)明的實施方案允許分別控制Y和X鉗口，以及X鉗口的單個元件來精密操縱入口的形狀以在處理區(qū)22產生一個所期望的輻射束形狀。現(xiàn)在參照圖5進一步描述關于X鉗口的細節(jié)，該圖示出X鉗口100a，100b的一個沿著輻射束方向的視圖。形成X鉗口100a，100b的兩個阻擋中的每一塊由許多的單個的元件102a-n，104a-n構成。在一種實施方案中，提供40個元件給每個阻擋100a，100b，總共80個元件，中心軸位于20號和21號元件之間。在一種實施方案中，每個元件有1厘米寬度分辨，并且如上面描述的那樣獨立地被控制。在一種實施方案中，每一個元件的最大行程從-10厘米到+20厘米。本
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：的熟練人員將會認識到也可以使用其他形狀、數(shù)目、和大小的元件。在一種實施方案中，初始化輻射治療裝置10以后，每個元件回到一個缺省的起點位置，并且進行內部標定以自動地標定和判斷每個元件的位置。例如在一種實施方案中，位置傳感器57，59包括探測x和y鉗口相對位置的紅外探測裝置，可以用紅外探測來標定每一個元件的相對位置。例如可以用紅外傳感器測量每一個元件102a-n和104a-n的起點位置，在處理期間允許精確地控制每一個元件的位置。本
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：的熟練人員將會認識到也可以用許多其它的技術和方法來標定元件和鉗口的位置。現(xiàn)在參照圖6A和6B，對單個元件的構成細節(jié)進行描述。圖6A描述單個元件102a的端視圖，它示出在一種實施方案中每個元件是7.5厘米長，有三部分(頂部分71，底部分73，舌榫和凹槽段72)，每段2.5厘米長，舌榫和凹槽段72用于使泄漏和輻射束邊沿半陰影減到最小。圖6B展示出元件102a的側視圖，展示兩個軸承軌道74a，74b。在一種實施方案中，在單個的元件之間使用交替的軸承使每個元件容易移動。圖6B也展示每個元件的弧形。如上所述，每個元件(因此X鉗口100a，100b)做成以弧形運動的形狀，保持元件末端與輻射束邊沿距源的偏離相匹配。其結果是提供一種更加適合處理區(qū)處理的系統(tǒng)和方法。本
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：的熟練人員將會意識到在不偏離本發(fā)明的構思與范圍情況下能使上述的優(yōu)選實施方案的各種不同改編和改進。例如本發(fā)明的實施方案可以用來支持具有混合束形式(例如，X射線和電子)的輻射束的使用。在一些實施方案中，處理期間，可以操縱X和Y鉗口，以及X鉗口的每一個單個元件，來提供一種使場邊沿光滑的動態(tài)途徑(此外，為本
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：的熟練人員所熟悉的“有效楔”的使用，產生跨越處理場的楔形劑量分布)。因此，可以理解的是，在附屬權利要求的范圍內，除了在這里特別描述以外，本發(fā)明可以被實施。權利要求1.一種用于沿中心軸引導輻射束成形的準直器，該準直器包括第一組件，繞所述的中心軸可旋轉，具有適合于跨越所述中心軸移動的第一和第二鉗口；和第二組件，位于所述第一組件之下，繞所述中心軸可旋轉，且具有適合于跨越所述中心軸移動的第三和第四鉗口；其中，該第一和第二組件被相互獨立地移動來成形所述的輻射束。2.權利要求1的裝置，其中所述鉗口中的每一個由一種輻射衰減材料構成。3.權利要求1的裝置，其中所述的鉗口中的每一個由一種材料構成，該材料具有的平均X射線透射特性小于或等于平均百分之一。4.權利要求1的裝置，其中所述的第一組件繞所述中心軸從-180度到+180度可旋轉。5.權利要求1的裝置，其中所述的第二組件繞所述中心軸從-180度到+180度可旋轉。6.權利要求1的裝置，其中所述第二組件的每個鉗口包括多個可獨立控制以跨越所述中心軸移動的元件。7.權利要求6的裝置，其中所述多個元件中的每一個包括一個舌榫和凹槽的部分用于與所述多個元件中的另一個嚙合。8.權利要求1的裝置，其中所述輻射束是X射線束。9.權利要求1的裝置，其中所述輻射束是電子束。10.權利要求1的裝置，其中所述輻射束有X射線和電子兩者的混合形式。11.一種輻射治療系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一種輻射束產生裝置，沿著一個軸引導一種輻射束；和一種準直器組件含有第一和第二輻射阻擋裝置，所述第一和第二輻射阻擋裝置繞所述軸獨立旋轉，有選擇性地對所述的輻射束成形。12.權利要求11的輻射治療系統(tǒng)，其中所述的第二輻射阻擋裝置位于所述輻射束產生裝置和處理臺之間。13.權利要求12的輻射治療系統(tǒng)，其中所述第二輻射阻擋裝置包括第一鉗口和第二鉗口，每個鉗口包括多個元件；和一種控制裝置，連接到所述多個元件中的每一個上，獨立地對所述跨越所述軸的多個元件中的每一個進行定位。14.一種輻射治療系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制裝置，儲存輻射處理數(shù)據(jù)，定義所要處理的計劃；輻射束產生裝置，該裝置是通過所述控制裝置可控制的，沿一個軸朝處理區(qū)發(fā)送一種輻射束；第一輻射阻擋裝置，通過所述的控制裝置繞所述軸可控旋轉；和第二輻射阻擋裝置，位于所述第一輻射阻擋裝置和所述處理區(qū)之間，通過所述控制裝置，獨立于第一輻射阻擋裝置繞所述軸可控旋轉；其中按照所述輻射處理數(shù)據(jù)，繞所述軸旋轉第一和第二輻射阻擋裝置以成形所述輻射束。15.權利要求14的輻射治療裝置，其中所述第二輻射阻擋裝置還包括多個元件，通過所述控制裝置可單個控制的，沿著一個垂直于所述軸的平面移動以進一步成形所述輻射束。16.一種輻射治療方法，該方法包括建立一種處理計劃；繞一個軸旋轉第一和第二輻射阻擋裝置來產生一種入口的形狀，所述第二輻射阻擋裝置獨立于所述第一輻射阻擋裝置旋轉，且含有跨越所述軸可單個移動的多個元件；根據(jù)所述處理計劃，至少調整所述多個元件中一個的位置來調整所述入口的形狀；和沿所述軸朝處理區(qū)引導一個輻射束，通過所述第一和第二輻射阻擋裝置和所述第二輻射阻擋裝置的多個元件成形所述輻射束。17.權利要求16的輻射治療方法，其中所述第一和第二輻射阻擋裝置被定向使所述入口的形狀與所述處理區(qū)的形狀一致。18.權利要求16的輻射治療方法，其中所述第一和第二輻射阻擋裝置被定向使所述輻射束通過該第一和第二輻射阻擋裝置時所產生的輻射束的有效半陰影減到最小。19.權利要求16的輻射治療方法，其中所述第一和第二輻射阻擋裝置被定向使所述輻射束通過所述第一和第二輻射阻擋裝置時所產生的輻射束的起伏減到最小。20.權利要求16的輻射治療方法，該方法還包括在引導所述輻射束之后，至少進一步調整所述第一和第二輻射阻擋裝置中的一個。專利摘要根據(jù)本發(fā)明的實施方案的一種可旋轉的多元成形裝置,它包括繞中心軸可旋轉的第一組件,輻射束通過該組件。第一組件含有第一和第二鉗口適應于跨越中心軸移動來成形輻射束。第二組件,位于第一組件之下,繞中心軸也是可旋轉的,并且含有第三和第四鉗口適應于跨越中心軸移動來進一步成形輻射束。根據(jù)本發(fā)明,可以分開控制第一和第二組件。文檔編號G21K5/04GKCN1381283SQ02107194公開日2002年11月27日申請日期2002年3月15日發(fā)明者T·H·斯泰恩博格申請人:美國西門子醫(yī)療解決公司導出引文BiBTeX,EndNote,RefMan