放射治疗系统和方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201780034145.5 (22)申请日 2017.04.03 (30)优先权数据 15/089,330 2016.04.01 US (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2018.11.30 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2017/025732 2017.04.03 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2017/173443 EN 2017.10.05 (71)申请人 瓦里安医疗系统公司 地址 美国加利福尼亚州 (72)发明人 S曼斯菲尔德 (74)专利代

2、理机构 北京市金杜律师事务所 11256 代理人 王茂华 (51)Int.Cl. A61N 5/10(2006.01) (54)发明名称 放射治疗系统和方法 (57)摘要 一种放射治疗系统包括生成粒子射束的加 速器和射束传输系统。 加速器和射束传输系统将 射束引导到路径上并且引入喷嘴中， 喷嘴可操作 用于将射束对准对象。 喷嘴包括可操作用于将射 束朝着对象内的不同位置来导向的扫描磁体， 并 且还包括射束能量调节器， 射束能量调节器被配 置为： 通过例如在射束的路径中放置不同厚度的 材料以影响射束中的粒子的能量来调节射束。 权利要求书4页 说明书11页 附图6页 CN 109195664 A 2

3、019.01.11 CN 109195664 A 1.一种放射治疗系统， 包括： 加速器和射束传输系统， 所述加速器和射束传输系统生成粒子的射束； 以及 喷嘴， 可操作用于将所述射束对准对象， 其中所述喷嘴包括： 扫描磁体， 可操作用于将所述射束导向为朝向所述对象内的不同位置； 以及 射束能量调节器， 被配置为通过影响所述射束中的所述粒子的能量来调节所述射束。 2.根据权利要求1所述的放射治疗系统， 其中所述射束能量调节器包括范围移位器， 所 述范围移位器被配置为： 在所述射束的路径中放置不同厚度的材料， 以影响所述粒子穿透 到所述对象中的距离。 3.根据权利要求2所述的放射治疗系统， 其中所

4、述射束能量调节器还包括范围调制器， 所述范围调制器被配置为： 在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料， 以改变所述粒 子的至少一部分的能量并且实现扩展布拉格峰。 4.根据权利要求3所述的放射治疗系统， 其中所述范围调制器包括从毂延伸的多个臂， 所述臂具有不均匀的厚度， 其中所述范围调制器可操作以围绕所述毂旋转， 从而允许所述 射束穿过所述臂中的至少一个臂。 5.根据权利要求4所述的放射治疗系统， 其中所述范围调制器被配置为： 在完全在所述 射束的所述路径之外的位置和在所述射束的所述路径中的位置之间， 在第一方向上移动。 6.根据权利要求5所述的放射治疗系统， 其中所述第一方向相对于所述射束的

5、所述路 径成横向， 其中进一步， 所述范围调制器还被配置为： 在不同于所述第一方向、 并且相对于 所述射束的所述路径成横向的第二方向上移动。 7.根据权利要求1所述的放射治疗系统， 其中所述射束能量调节器包括范围移位器， 所 述范围移位器被配置为： 在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料， 以改变所述粒子 的至少一部分的能量并且实现扩展布拉格峰。 8.一种放射治疗系统， 包括： 对射束中的粒子进行加速的加速器； 以及 在所述加速器下游接收粒子的所述射束的喷嘴， 所述喷嘴被配置为： 产生第一射束并 且产生第二射束， 所述第一射束沿着靶标体积中的第一靶标线段来递送具有第一扩展布拉 格峰(SOBP

6、)的第一剂量， 所述第二射束沿着所述靶标体积中的第二靶标线段来递送具有第 二SOBP的第二剂量， 其中所述第二靶标线段从所述第一靶标线段位移。 9.根据权利要求8所述的放射治疗系统， 其中所述喷嘴包括： 扫描磁体； 以及 范围移位器， 被配置为： 在所述射束的路径中放置不同厚度的材料， 以在所述第一剂量 的递送期间和在所述第二剂量的递送期间， 影响所述粒子穿透到所述靶标体积中的距离。 10.根据权利要求9所述的放射治疗系统， 其中所述喷嘴还包括范围调制器， 所述范围 调制器被配置为： 在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料， 以在所述第一剂量的递 送期间和在所述第二剂量的递送期间， 改变所述

7、粒子的至少一部分的能量， 以实现所述第 一SOBP并且实现所述第二SOBP。 11.根据权利要求10所述的放射治疗系统， 其中所述范围调制器包括从毂延伸的多个 臂， 所述臂具有不均匀的厚度， 其中所述范围调制器可操作以围绕所述毂旋转， 从而允许所 述射束穿过所述臂中的至少一个臂。 权利要求书 1/4 页 2 CN 109195664 A 2 12.根据权利要求10所述的放射治疗系统， 其中所述范围调制器被配置为： 在完全在所 述射束的所述路径之外的位置和在所述射束的所述路径中的位置之间， 在第一方向上移 动。 13.根据权利要求10所述的放射治疗系统， 其中所述第一方向相对于所述射束的所述 路

8、径成横向， 其中进一步， 所述范围调制器还被配置为： 在不同于所述第一方向、 并且相对 于所述射束的所述路径成横向的第二方向上移动。 14.根据权利要求8所述的放射治疗系统， 其中沿着所述第一靶标线段递送的所述第一 剂量是至少四戈瑞、 并且在少于一秒内被递送， 并且其中沿着所述第二靶标线段递送的所 述第二剂量是至少四戈瑞、 并且在少于一秒内被递送。 15.根据权利要求8所述的放射治疗系统， 还包括： 沿着所述射束的所述路径的聚焦磁 体， 所述聚焦磁体调节所述射束中的所述粒子的能量， 以改变所述射束与所述靶标体积的 层相交的斑点的大小。 16.一种放射治疗方法， 包括： 接收粒子的射束； 使用喷

9、嘴中的多个磁体来沿着路径对所述射束进行导向； 以及 在所述喷嘴中， 在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料， 以影响所述射束中的 粒子的能量并且产生经调节的射束， 所述经调节的射束沿着靶标体积中的靶标线段来递送 具有扩展布拉格峰的剂量。 17.根据权利要求16所述的方法， 其中沿着所述靶标线段递送的所述剂量是至少四戈 瑞、 并且在少于一秒内被递送。 18.根据权利要求16所述的方法， 其中所述放置包括： 在完全在所述射束的所述路径之外的位置和在所述喷嘴中在所述射束的所述路径中 的位置之间， 在第一方向上移动所述喷嘴中的范围调制器， 其中所述范围调制器包括从毂 延伸的多个臂， 所述臂具有不均匀

10、的厚度； 以及 利用在所述射束的所述路径中的范围调制器， 围绕所述毂旋转所述范围调制器， 以将 所述臂中的至少一个臂放置在所述射束的所述路径中， 其中所述粒子的能量根据穿过所述 射束的所述臂的所述厚度而改变， 并且其中穿过所述射束的所述臂的所述厚度通过沿所述 第一方向来移动所述范围调制器而被改变。 19.根据权利要求18所述的方法， 其中所述第一方向相对于所述射束的所述路径成横 向， 其中穿过所述射束的所述臂的所述厚度还通过在第二方向上来移动所述范围调制器而 被改变， 所述第二方向不同于所述第一方向、 并且相对于所述射束的所述路径成横向。 20.根据权利要求18所述的方法， 还包括： 使所述范

11、围调制器的移动与所述射束的源同 步， 以补偿粒子的所述射束的变化。 21.根据权利要求16所述的方法， 还包括： 利用范围移位器来改变所述粒子穿透到靶标 体积中的距离， 所述范围移位器在所述喷嘴中， 并且被配置为： 在所述射束的所述路径中放 置所述不同厚度的材料。 22.根据权利要求16所述的方法， 其中所述放置包括： 在所述喷嘴中， 在所述射束的所 述路径中移动范围移位器的组件， 以向所述射束呈现所述不同厚度的材料。 23.根据权利要求16所述的方法， 还包括： 权利要求书 2/4 页 3 CN 109195664 A 3 跟踪所述靶标体积的运动； 以及 沿着所述靶标线段递送所述剂量， 以与

12、所述靶标体积的位置相一致， 其中所述剂量在 一个时间段内被递送， 所述时间段足够短以抵消由于所述靶标体积的运动引起的所述位置 的不确定性。 24.一种用于规划放射疗法治疗的方法， 所述方法包括： 限定用于将来自第一喷嘴的第一辐射束引导到计划靶标体积中的第一扫描图案， 其中 所述第一扫描图案包括在所述计划靶标体积中的多个不同的靶标线段； 以及 生成用于配置所述第一喷嘴的参数， 其中所述参数影响所述辐射束中的带电粒子的能 量以产生经调节的射束， 所述经调节的射束沿着所述多个不同的靶标线段中的相应靶标线 段来递送具有扩展布拉格峰(SOBP)的剂量。 25.根据权利要求24所述的方法， 还包括： 针对

13、所述不同的靶标线段中的每个靶标线段 来指定所述第一喷嘴相对于所述计划靶标体积的角度。 26.根据权利要求24所述的方法， 还包括： 限定用于将来自第二喷嘴的第二辐射束引导 到所述计划靶标体积中的第二扫描图案， 其中所述第二扫描图案包括在所述计划靶标体积 中的第二多个不同的靶标线段， 其中所述第一喷嘴从第一方向递送所述第一辐射束， 并且 所述第二喷嘴从不同于所述第一方向的第二方向递送所述第二辐射束。 27.根据权利要求24所述的方法， 其中所述参数包括： 控制所述第一喷嘴中的范围移位 器的移动的参数， 其中所述范围移位器被配置为： 在所述辐射束的所述路径中放置不同厚 度的材料， 以影响所述带电粒

14、子穿透到所述计划靶标体积中的距离。 28.根据权利要求27所述的方法， 其中所述参数还包括： 控制所述第一喷嘴中的范围调 制器的移动的参数， 其中所述范围调制器被配置为： 在所述辐射束的所述路径中放置不同 厚度的材料， 以改变所述带电粒子的至少一部分的能量并且实现所述SOBP。 29.根据权利要求24所述的方法， 其中所述剂量在一秒内被递送。 30.根据权利要求24所述的方法， 还包括： 调节用于配置所述第一喷嘴的所述参数， 以 影响所述带电粒子的能量， 使得所述剂量沿着所述靶标线段的长度、 从所述计划靶标体积 的近端边缘到所述计划靶标体积的远端边缘而被均匀地递送。 31.一种放射治疗系统，

15、包括： 喷嘴， 可操作用于在朝向靶标体积的方向上递送射束； 以及 控制系统， 耦合到所述喷嘴， 并且包括可操作用于确定所述靶标体积的位置的运动跟 踪系统； 其中所述喷嘴递送剂量， 以与所述靶标体积的位置相一致， 其中所述剂量在一个时间 段内被递送， 所述时间段足够短以抵消由于所述靶标体积的运动引起的所述位置的不确定 性。 32.根据权利要求31所述的放射治疗系统， 其中所述剂量是至少四戈瑞、 并且所述时间 段小于一秒。 33.根据权利要求31所述的放射治疗系统， 其中所述喷嘴可操作用于沿着扫描图案中 的靶标线段来递送所述剂量， 并且其中当所述靶标体积被定位在所述射束与所述靶标线段 相一致处时，

16、 所述控制系统发起所述剂量的递送。 34.根据权利要求31所述的放射治疗系统， 其中所述喷嘴可操作用于沿着扫描图案中 权利要求书 3/4 页 4 CN 109195664 A 4 的靶标线段来递送所述剂量， 其中所述控制系统还可操作用于瞄准所述喷嘴， 并且其中所 述控制系统在所述射束被瞄准以与所述靶标线段相一致的时间发起所述剂量的递送。 35.根据权利要求34所述的放射治疗系统， 其中所述喷嘴包括可操作用于瞄准所述射 束的扫描磁体。 36.根据权利要求31所述的放射治疗系统， 其中所述喷嘴包括范围移位器， 所述范围移 位器被配置为： 在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料， 以影响所述射束中

17、的粒子 穿透到所述靶标体积中的距离， 并且其中所述范围移位器被配置为： 补偿所述靶标体积在 所述射束的方向上的运动。 37.根据权利要求36所述的放射治疗系统， 其中所述范围移位器被配置为： 将扩展布拉 格峰定位在所述靶标体积内。 38.根据权利要求36所述的放射治疗系统， 其中所述喷嘴还包括范围调制器， 所述范围 调制器被配置为： 在所述射束的所述路径中放置不同厚度的材料， 以改变所述粒子的至少 一部分的能量并且实现扩展布拉格峰。 权利要求书 4/4 页 5 CN 109195664 A 5 放射治疗系统和方法 背景技术 0001 使用放射治疗来治疗癌症是公知的。 放射治疗(放射疗法)涉及将

18、诸如电子、 质子 或重离子等高能粒子射束引导到患者体内的靶标体积(例如， 肿瘤或病变)中。 0002 在用辐射来治疗患者之前， 开发了特定于该患者的治疗计划。 该计划使用基于过 去的经验的模拟和优化来定义放射治疗的各个方面。 例如， 对于强度调制粒子治疗(IMPT)， 计划可以指定适当的射束类型和适当的射束能量。 计划的其他部分可以指定例如射束相对 于患者/靶标体积的角度、 射束形状等。 通常， 治疗计划的目的是向靶标体积递送足够的辐 射， 同时最小化周围健康组织到辐射的暴露。 0003 现有的IMPT剂量递送技术利用光栅扫描， 光栅扫描利用单能量粒子(例如， 质子) 束的公知的布拉格峰特征。

19、 通过在X和Y方向上扫描射束， 可以在靶标体积内 “涂抹” 剂量的 “层” 。 使用具有不同能量的粒子、 以交叠的光栅扫描图案涂抹后续层， 这些粒子因此将停止 在不同的范围(距离)。 这种扫描图案通常从计划靶标体积的最远端边缘开始， 并且在暂停 以将射束能量改变到较小范围之后递送每个后续层， 从而产生扩展布拉格峰(SOBP)， 直到 最后一层被递送到计划靶标体积的近端边缘。 0004 放射治疗期间的基本关注点是靶标体积可能在剂量递送期间移动(例如， 由于患 者移动、 呼吸等)。 剂量递送期间的移动可能无意中将健康组织放置在旨在针对靶标体积的 辐射路径中。 虽然理论上光栅扫描图案可以通过将光栅扫

20、描图案与对应于该运动的瞬时二 维(XY)进行矢量叠加来跟踪靶标体积的平面内运动， 但是任何平面外运动(尤其是靠近靶 标的正常健康结构的那些运动)可能引入与运动相关的不确定性， 这继而可能在靶标体积 内产生剂量交叠( “热斑点” )或甚至更严重的间隙( “冷斑点” )。 0005 最近的放射生物学研究已经证明了以下方式保护正常的健康组织免受损害的有 利效果： 通过在单个短时间段(例如， 小于一秒)内递送整个相对较高的治疗辐射剂量。 然 而， 在常规的光栅扫描IMPT中， 因为沿着穿过患者的每条射线的剂量递送在扫描图案中的 不同时间点连续发生， 并且因此在时间上扩展， 所以递送到正常健康结构的不可

21、避免的剂 量也在时间上扩展。 因此， 使用现有的IMPT技术未实现上述研究中所报告的放射生物性组 织保护效果。 0006 此外， 现代的放射疗法递送系统包括偶极电磁体和扫描磁体。 偶极磁体(通常称为 “弯折磁体” )在朝向喷嘴的方向上引导(例如， 弯折)粒子射束， 并且扫描磁体在X和Y方向上 对射束进行导向(偏转或扫描)。 偶极磁体通常利用大量的铁磁返回路径， 并且因此相对于 扫描磁体具有慢得多的磁滞。 也就是说， 改变(增加或减少)偶极弯折磁体中的磁性水平比 在IMPT递送期间使用扫描磁体来导向射束所花费的时间长得多。 而且， 改变偶极弯折磁体 的磁场的相对缓慢是现有IMPT系统利用一次一层

22、扫描剂量的方法的主要原因。 改变偶极磁 体的磁强度以改变入射射束能量所花费的时间构成了递送IMPT治疗剂量所需要的时间的 重要部分。 考虑到患者的舒适度， 例如， 更短的放射疗法是高度优选的。 因此， 依赖于磁体、 特别是使用偶极弯折磁体用于调节粒子射束是实现以下动作的益处的障碍： 在用于放射疗 法中的剂量递送的非常短的时间内使用相对较高的治疗辐射剂量。 说明书 1/11 页 6 CN 109195664 A 6 发明内容 0007 在根据本公开的实施例中， 一种放射治疗系统包括加速器和射束传输系统以及可 以朝向对象瞄准的喷嘴。 喷嘴包括至少一个扫描磁体， 该扫描磁体引导(例如， 导向、 偏转

23、或 扫描)射束朝向对象内的靶标体积内的各个位置。 喷嘴还包括射束能量调节器， 该射束能量 调节器被配置为通过例如在射束的路径中放置不同厚度的材料以影响束中的粒子的能量 来调节射束。 射束能量调节器可以包括范围移位器和范围调制器中的一个或两个。 在一个 实施例中， 范围移位器被配置为： 在射束的路径中放置不同厚度的材料， 以影响粒子穿透到 对象中的距离。 在一个实施例中， 范围调制器被配置为： 在射束的路径中放置不同厚度的材 料， 以通过随时间改变出射射束粒子能量来减少至少一部分粒子的能量， 以扩展布拉格峰。 0008 重要的是， 放置在如本公开所述的喷嘴中的范围移位器和/或范围调制器是 “动态

24、 可变的” (例如， 比射束传输系统中的偶极磁体更快地起作用)。 因此， 根据本公开的喷嘴能 够快速调节射束中的粒子， 以产生扫描射束(与散射射束相对)， 扫描射束在靶标体积中递 送整个相对较高的治疗辐射剂量。 例如， 可以在少于一秒内沿着指定的射束方向(例如， 给 定的光线)递送四戈瑞的剂量。 0009 每条射线是扫描图案的一部分， 并且沿着穿过靶标体积的不同线段( “靶标线段” ) 来照射组织。 可以沿着靶标线段在短时间内被递送的高剂量在本文中可以称为 “发射 (shot)” 。 在一个实施例中， 可以在能量(强度)或范围方面调节发射， 并且在以下扩展布拉 格峰(SOBP)的情况下将该发射

25、递送至靶标体积， 该SOBP向整个靶标线段提供均匀并以其他 方式适当修改的剂量。 0010 可以调节在发射中递送的剂量的强度， 以匹配针对特定靶标线段所规定的剂量。 可以使用例如预定义的扫描图案来递送发射， 以照射不同的靶标线段： 产生第一经调节的 射束， 第一经调节的射束可以沿着靶标体积中的第一靶标线段来递送具有SOBP的第一剂 量， 并且产生第二经调节的射束， 第二经调节的射束可以沿着靶标体积中的第二靶标线段 来递送具有第二SOBP的第二剂量， 其中第二靶标线段从第一靶标线段位移。 基于例如运动 跟踪系统， 每个发射可以被及时触发和/或被瞄准就位， 以与患者体内的移动靶标的位置相 一致。

26、后续发射可以在强度方面、 范围方面和在适当的SOBP情况下来独立调节， 并且也可以 被触发或被瞄准， 以与扫描图案中每个靶标线段的4D(三维加时间)位置相一致， 直到整个 靶标体积已经被照射到规定的剂量。 0011 在一个实施例中， 范围移位器位于喷嘴中并且在(多个)扫描磁体下游。 在另一实 施例中， 范围移位器位于喷嘴中并且在(多个)扫描磁体上游。 范围移位器提供了一种快速 改变布拉格峰的范围以匹配计划靶标体积的远端边缘的快速方式。 0012 在一个实施例中， 喷嘴包括范围调制器和范围移位器。 范围调制器位于(多个)扫 描磁体下游； 范围移位器可以位于(多个)扫描磁体下游或上游。 在一个实施

27、例中， 范围调制 器包括从毂延伸的多个臂。 在一个实施例中， 每个臂具有不均匀的厚度和不均匀的宽度(并 且因此相邻臂之间的空间量不均匀)。 范围调制器可以围绕毂旋转， 使得射束将穿过至少一 个臂， 并且还可以穿过相邻臂之间的空间。 0013 在一个实施例中， 范围调制器可以在第一方向上移动(例如， 横向地， 相对于射束 的路径成横向)， 使得它完全在射束的路径之外或者在射束的路径中。 在一个实施例中， 范 围调制器也可以在不同于(例如， 垂直于)第一方向并且相对于射束的路径成横向的第二方 说明书 2/11 页 7 CN 109195664 A 7 向上移动。 0014 范围调制器提供了一种快速

28、改变扫描射束中的能量， 以便以动态可变的方式产生 期望的SOBP广度的方式。 通过调节范围调制器的位置并且旋转范围调制器， 射束可以穿过 其至少一个臂的不同部分， 并且因此穿过不同厚度的材料， 并且也穿过相邻臂之间的不同 量的空间， 并且因此SOBP的扩展广度可以在有用的范围内快速变化。 0015 范围调制器和/或范围移位器使SOBP(远侧和近侧)与靶标体积(计划靶标体积)相 匹配。 因为范围调制器和范围移位器可以快速地实现这些效果， 所以可以有利地将发射用 于剂量递送。 因此， 通过使用发射， 可以将整个靶标体积照射到治疗计划所规定的剂量， 同 时将健康组织暴露于仅一次非常短的辐射突发。 而

29、且， 通过在短时间内递送整个剂量， 靶标 体积的移动变得不那么成问题。 同样地， 从单个射束方向快速地递送具有不同强度的发射 图案引起经强度调制的放射治疗递送。 此外， 通过从多个射束方向递送发射图案， 可以在较 低剂量被递送到健康组织的情况下， 来实现更精细的强度调节。 重要的是， 因为没有剂量递 送到布拉格峰远端， 所以以这种方式递送到在靶标体积之外的任何健康组织的剂量因此可 以限于单个、 非常短的低剂量辐射突发。 0016 总结而言， 根据本公开的实施例提供了对患者中的移动靶标的空间和时间上精确 的经调节的照射， 并且利用了上述研究的组织保护效果的优势。 与使用上述常规光栅扫描 技术相比

30、， 根据本公开的实施例提供了更直接的靶标体积扫描方法。 通过使用(多个)扫描 磁体， 每个发射被直接瞄准， 以与靶标的平面内运动相一致， 而不是必须使光栅扫描图案失 真。 因此， 瞄准后续发射避免了产生运动伪像， 诸如由连续光栅扫描图案的靶标运动之间的 相互作用引起的运动伪像。 同样地， 远端到近端方向上的靶标运动可以通过在发射之间相 应地改变范围移位器而被补偿。 由于跟踪和扫描过程彼此更加独立， 因此质量保证也变得 更加容易。 重要的是， 由于覆盖每个靶标线段的整个长度(从计划靶标体积的远端边缘到近 端边缘)的SOBP以短突发形式被递送， 因此运动引起的不确定性不会在靶标体积内产生间 隙或交

31、叠(冷斑点或热斑点)。 0017 在阅读了以下对在各个附图中示出的实施例的 “具体实施方式” 之后， 本领域普通 技术人员将认识到本公开的各种实施例的这些和其他目的和优点。 0018 提供本 “发明内容” 是为了以简化的形式介绍一些概念， 这些概念将在下面的详细 描述中进一步描述。 本 “发明内容” 不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征， 也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。 附图说明 0019 附图示出了本公开的实施例， 并且与 “具体实施方式” 一起用于解释本公开的原 理， 附图被并入本说明书中并形成本说明书的一部分， 在附图中相同标号描绘相同元件。 0020 图1是示出可以

32、在其上实现根据本公开的实施例的放射治疗系统的所选择的组件 的框图。 0021 图2A、 图2B、 图2C和图2D是示出在根据本公开的实施例中的喷嘴的所选择的组件 的框图。 0022 图3示出了在根据本公开的实施例中的在计划靶标体积中沿着靶标线段的剂量递 送的示例。 说明书 3/11 页 8 CN 109195664 A 8 0023 图4A示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器的正视图。 0024 图4B和图4C示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器的臂的横截面视图。 0025 图4D示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器的定位。 0026 图5示出了在根据本公开的实施例中的范围移位器。

33、 0027 图6示出了在根据本公开的实施例中的表示入射粒子射束与计划靶标体积层的相 交的多个斑点。 0028 图7是在根据本公开的实施例中的放射治疗方法的流程图。 具体实施方式 0029 现在将详细参考本公开的各种实施例， 这些实施例的示例在附图中示出。 虽然结 合这些实施例进行描述， 但是应当理解， 它们并不旨在将本公开限制于这些实施例。 相反， 本公开旨在覆盖： 可以被包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的备选、 修 改和等同物。 此外， 在本公开的以下详细描述中， 阐述了很多具体细节以便提供对本公开的 透彻理解。 然而， 应当理解， 可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。

34、在其他情况下， 没有详细描述公知的方法、 过程、 组件和电路， 以免不必要地模糊本公开的各方面。 0030 “射线” 是扫描图案的一部分， 并且沿着通过靶标体积的不同的线段( “靶标线段” ) 来照射组织。 可以沿着靶标线段在短时间内递送的高剂量在本文中可以称为 “发射” 。 0031 图1是示出可以在其上实施根据本公开的实施例的放射治疗系统100的所选择的 组件的框图。 在图1的示例中， 系统100包括加速器和射束传输系统104和喷嘴106。 0032 加速器和射束传输系统104生成并且加速带电粒子射束， 诸如电子、 质子和重离 子， 并且将粒子包含在明确限定的射束中。 在一个实施例中， 加

35、速器是能够进行连续波输出 的等时回旋加速器。 加速器(例如， 回旋加速器)以指定的能量提取粒子。 这针对每次发射的 高剂量率提供了高的连续波束电流。 可以使用其他类型的加速器， 诸如脉冲质子加速器， 诸 如同步回旋加速器或同步加速器。 加速器(例如， 回旋加速器)可以是较低功率的输出回旋 加速器， 诸如将粒子加速到70MeV-300MeV范围的回旋加速器。 0033 加速器和射束传输系统104包括以下组件(例如， 偶极磁体， 也称为弯折磁体)， 该 组件指引(例如， 弯折、 导向或引导)射束在朝向并且进入喷嘴106的方向上通过加速器和射 束传输系统。 加速器和射束传输系统104还可以包括以下组

36、件， 该组件用于调节进入喷嘴 106的射束能量， 使得它与从加速器提取的射束能量不同。 在一个实施例中， 四极磁体集沿 着加速器和射束传输系统104中的射束路径而被定位。 0034 喷嘴106用于瞄准射束朝向对象(例如， 患者)内的各个位置， 对象被支撑在治疗室 中的支撑设备108(例如， 椅子或桌子)上。 喷嘴106可以安装在机架(未示出)上或是机架的 一部分， 使得它可以相对于支撑设备108移动； 支撑设备也可以是可移动的。 在一个实施例 中， 加速器和射束传输系统104也安装在机架上或是机架的一部分； 在另一实施例中， 加速 器和射束传输系统与机架分离(但是与其连通)。 0035 控制系

37、统110接收并且实现规定的治疗计划。 在一个实施例中， 控制系统110包括 计算机系统， 该计算机系统以公知的方式具有处理器、 存储器、 输入设备(例如， 键盘)并且 可能具有显示器。 控制系统110可以接收关于系统100的操作的数据。 控制系统110可以根据 其接收的数据， 并且根据规定的治疗计划来控制加速器和射束传输系统104、 喷嘴106和支 说明书 4/11 页 9 CN 109195664 A 9 撑设备108的参数， 包括诸如射束的能量、 强度、 方向、 尺寸和/或形状等参数。 0036 如上所述， 进入喷嘴106的粒子具有特定的能量。 因此， 在根据本公开的实施例中， 喷嘴106

38、包括影响(例如， 减小、 调节)射束中的粒子的能量的一个或多个组件。 在一个实施 例中， 喷嘴106还包括在X和Y方向上导向(例如， 引导、 偏转或扫描)射束粒子， 以扫描在支撑 设备108上的患者中的靶标体积的组件(例如， XY扫描磁体)。 0037 术语 “射束能量调节器” 在本文中用作针对影响射束中的粒子的能量的组件或多 个组件的通用术语。 在各种实施例中， 射束能量调节器107包括范围调制器、 范围移位器、 或 范围调制器和范围移位器两者。 也就是说， 当使用术语 “射束能量调节器” 时， 所讨论的元件 可以是范围调制器、 范围移位器、 或范围调制器和范围移位器两者。 注意， 在射束能

39、量调节 器包括范围调制器和范围移位器两者的实施例中， 范围调制器和范围移位器可以通过其他 喷嘴组件彼此分离。 这在图2A、 图2B、 图2C和图2D中进一步详细说明。 0038 图2A是示出在根据本公开的实施例中的喷嘴106A的所选择的组件的框图。 喷嘴 106A从加速器和射束传输系统104(图1)接收带电粒子射束101。 在图2A的示例中， 喷嘴106A 包括引导射束101的一个或多个扫描磁体。 在一个实施例中， XY扫描磁体包括用于竖直和水 平射束偏转的第一(Y)磁体204和第二(X)磁体206， 以跨对象(例如， 患者)中的计划靶标体 积来扫描射束。 在喷嘴106A中， Y磁体204可以

40、放置在X磁体206之前或之后。 0039 在一个实施例中， 喷嘴106A包括真空室208和监测室210。 监测室210监测从真空室 208排出的辐射。 0040 在图2A的实施例中， 喷嘴106A包括在XY扫描磁体204和206下游的范围调制器212。 因此， 范围调制器212作用于扫描粒子射束(与散射粒子射束相对)。 在一个实施例中， 范围 调制器212位于真空室的末端(在其外部)， 并且在监测室210之前； 真空在范围调制器212处 结束。 0041 如上所述， 射束101内的粒子的初始能量由加速器和射束传输系统104(图1)提供 给粒子的加速度来确定。 范围调制器212改变(调节)扫描射

41、束中一部分粒子的能量。 更具体 地， 范围调制器212降低一部分单个粒子的能量(例如， 通过随时间改变出射的射束粒子能 量)， 从而增加扫描粒子射束的能量分布， 并且沿着扫描粒子射束的行进方向来扩展剂量分 布， 以将具有扩展布拉格峰(SOBP)的剂量递送到对象(例如， 患者)中的靶标体积中的靶标 线段(图3)。 0042 继续参考图2A， 如上所述， 范围调制器212位于XY扫描磁体204和206下游。 这避免 了在XY扫描磁体的固定或缓慢变化的磁场内产生快速变化的射束能量。 这也避免使得射束 扩展， 因为较低能量的粒子比较高能量的粒子更紧密地弯折。 0043 范围调制器212快速改变出射的射

42、束粒子能量， 以便以动态方式产生期望的SOPB 广度。 而且， 范围调制器212是可移动的， 因此它可以移入和移出射束路径， 并且改变暴露于 射束的材料的厚度， 从而也改变SOBP广度。 这将在下面结合图4A-图4D进一步讨论。 从该讨 论中可以看出， 范围调制器212被配置为使得SOBP的扩展广度可以在射束的有用范围内快 速变化， 该有用范围在X和Y两个方向上被分开扫描。 0044 在图2A的实施例中， 喷嘴106A还包括范围移位器214。 这与其中降级器(范围移位 器)位于加速器之后和机架入口点之前的常规放射治疗(例如， 质子)系统形成对比。 在图2A 的实施例中， 范围移位器214位于喷

43、嘴106A中， 并且位于XY扫描磁体204和206下游以及范围 说明书 5/11 页 10 CN 109195664 A 10 调制器212上游。 也就是说， 范围移位器214位于喷嘴106A中， 并且位于范围调制器212与XY 扫描磁体204和206之间。 0045 范围移位器214被配置为： 改变(例如， 降低)粒子射束中的粒子的能量， 以影响粒 子穿透到靶标体积中的距离； 范围移位器影响射束的范围。 更具体地， 范围移位器214提供 了一种改变布拉格峰的范围的快速方式， 使得针对每次发射， 布拉格峰出现在计划靶标体 积的远端边缘处。 下面结合图5进一步描述范围移位器214的实施例。 00

44、46 在图2A的实施例中， 范围调制器212和范围移位器214构成射束能量调节器107(图 1)。 有效地， 范围调制器212和范围移位器214各自影响或调节射束， 但是以不同的方式： 范 围移位器用于改变(例如， 减小)射束能量以控制射束的范围(穿透)， 而范围调制器用于扩 展布拉格峰。 0047 图2B是示出在根据本公开的另一实施例中的喷嘴106B的所选择的组件的框图。 与 图2A的喷嘴106A相比， 喷嘴106B中的范围移位器214位于XY扫描磁体204和206上游， 并且位 于XY扫描磁体与加速器和射束传输系统104(图1)之间。 将范围移位器214定位在XY扫描磁 体204和206上

45、游表示： 不必针对扫描磁体对射束的影响来补偿粒子射束。 在图2B的实施例 中， 范围调制器212和范围移位器214构成射束能量调节器107(图1)。 0048 图2C是示出在根据本公开的另一实施例中的喷嘴106C的所选择的组件的框图。 与 图2A和2B的喷嘴106A和106B分别形成对比， 喷嘴106C包括： 在XY扫描磁体204和206上游， 并 且位于XY扫描磁体与加速器和射束传输系统104(图1)之间的范围移位器214， 但是不包括 范围调制器。 在图2C的实施例中， 范围移位器214构成射束能量调节器107(图1)。 0049 图2D是示出在根据本公开的另一实施例中的喷嘴106D的所选

46、择的组件的框图。 如 同图2C的喷嘴106C， 喷嘴106D包括范围移位器214但是不包括范围调制器。 与图2C的实施例 形成对比， 范围移位器214位于XY扫描磁体204和206下游。 在图2D的实施例中， 范围移位器 214构成射束能量调节器107(图1)。 0050 图3示出了计划靶标体积304中的靶标线段302的示例。 计划靶标体积是指待照射 的体积的大小， 并且包括临床靶标体积306， 临床靶标体积306是指要治疗的实际肿瘤的大 小。 在图3的示例中， 粒子射束(发射)308在从左到右的方向上行进。 在图3的定向上， 计划靶 标体积304的右手侧的边缘(距离入射粒子射束308的方向最

47、远的边缘)被称为远端边缘， 而 计划靶标体积的左手侧的边缘(最接近入射粒子射束的方向的边缘)被称为近端边缘。 在根 据本公开的实施例中， SOBP在沿着靶标线段302的方向上、 从近端边缘向远端边缘递送均匀 剂量。 0051 图4A示出了在根据本公开的实施例中的范围调制器212的正视图(从入射的粒子 射束的角度来看)。 在该实施例中， 范围调制器212被配置为： 在扫描射束的路径中放置不同 厚度的材料(包括零厚度； 即， 没有材料)以改变粒子的能量， 如上所述。 更具体地， 在一个实 施例中， 范围调制器212包括从毂402延伸的多个臂404或叶片。 然而， 范围调制器212可以使 用单个臂来

48、实现。 在一个实施例中， 范围调制器212的臂404均由相同的材料(例如， 石墨)制 成。 在另一实施例中， 臂404由不同的材料制成； 也就是说， 一个臂可以由一种材料或材料组 合制成， 而另一臂可以由不同的材料制成。 0052 每个臂404具有不均匀的厚度。 在一个实施例中， 臂404的厚度随着距离毂的距离 的增加而减小。 说明书 6/11 页 11 CN 109195664 A 11 0053 在一个实施例中， 臂404的弦的长度随着距离毂402的距离的增加而减小； 也就是 说， 臂的宽度随着距离毂的距离的增加而减小(其中宽度W是面向入射的粒子射束的尺寸)。 因此， 在一个实施例中， 臂

49、404之间的空间S的量随着距离毂402的距离的增加而增加。 虽然 臂404被示出为半椭圆形， 但是本公开不限于此； 例如， 臂可以是具有圆角的更矩形的形状。 一般而言， 臂404的形状可以被优化， 以实现关于例如选择和控制SOBP广度的设计目标。 0054 范围调制器212可以围绕穿过毂402的中心的轴420、 顺时针和/或逆时针旋转， 以 便将臂404(一次一个臂)放入扫描射束的路径中(放入射束线中)。 范围调制器212还可以旋 转到允许射束穿过两个相邻臂之间的空间的位置。 范围调制器212可以连续旋转， 以允许射 束穿过至少一个臂和至少一个空间量的组合的变化的厚度/宽度； 归因于该旋转的变化的 材料厚度产生期望的SOBP。 如下面将进一步描述的， 范围调制器212可以在水平方向上移 动， 使得在范围调制器旋转时， 入射粒子射束将穿过臂的不同部分， 并且因此穿过不同厚度 和宽度的材料， 并且还穿过不同量的空间。 范围调制器212也可以移动到使得它完全在射束 之外的位置。 在一个实施例中， 范围调制器212也可以在竖直方向上移动， 以允许范围调制 器几乎放置在射束内或射束外的任何位置。 0055 图4B示出了在根据本公开的实施例中的沿着图4A的切割线A-A的臂404的横截面 视图。 在图4B的实施例中， 臂404的厚度随着距离毂402的距离的增加而减小