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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 201810506922.8 (22)申请日 2018.05.24 (71)申请人 中国科学院近代物理研究所 地址 730000 甘肃省兰州市城关区南昌路 509号 (72)发明人 贺鹏博陈卫强李强肖国青 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 喻颖 (51)Int.Cl. A61N 5/10(2006.01) (54)发明名称 用于离子束放射治疗的磁共振图像引导装 置 (57)摘要 一种用于离子束放射治疗的磁共振图像引 导装置， 包括： 磁场产。
2、生装置， 产生均匀的磁场； C 型臂， 用于固定安装所述磁场产生装置； 传动机 构， 其包括一个旋转轨道， 所述C型臂能够在所述 旋转轨道中绕中心点进行180度旋转， 从而能够 改变所述磁场产生装置的磁场方向； 平移轨道， 设置于所述传动机构的底部， 供所述传动机构沿 所述平移轨道在治疗位和空闲位之间切换。 本发 明的磁共振图像引导装置具有高的软组织分辨 能力， 成像不会产生骨性伪影， 不会对人体产生 电离辐射， 可以应用在固定机架和旋转机架离子 束放射治疗设备上， 可以始终保持磁场方向和束 流方向一致， 因而不会影响束流的品质。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 108671418。
3、 A 2018.10.19 CN 108671418 A 1.一种用于离子束放射治疗的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 包括： 磁场产生装置， 用于产生均匀的磁场； C型臂， 用于固定安装所述磁场产生装置； 传动机构， 其包括一个旋转轨道， 所述C型臂能够在所述旋转轨道中绕中心点进行180 度旋转， 从而能够改变所述磁场产生装置的磁场方向； 平移轨道， 设置于所述传动机构的底部， 供所述传动机构沿所述平移轨道在治疗位和 空闲位之间切换。 2.根据权利要求1所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 所述磁场产生装置为两块平行的永磁铁。 3.根据权利要求2所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于，。
4、 所述永磁铁为圆饼状， 中间开孔， 直径为8001500mm， 厚度为80150mm， 孔径为80 100mm。 4.根据权利要求2所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 所述两块永磁铁的内表面间距为400650mm， 产生的磁场强度为0.251.0T。 5.根据权利要求2所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 在磁场产生装置中的一个永磁铁的中间孔内设置有治疗头， 所述磁共振图像引导装置 与所述治疗头同步旋转， 且所述磁场产生装置产生的磁场方向始终与所述治疗头产生的离 子束流方向平行。 6.根据权利要求2所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 在离子束放射治疗中， 治疗床的一部分位于所述。
5、两块永磁铁之间， 位于所述C型臂内 部， 所述传动机构沿所述平移轨道运动， 使所述磁共振图像引导装置在治疗位和空闲位之 间切换。 7.根据权利要求1所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 所述磁共振图像引导装置中包括控制装置， 其中存储有程序， 用于执行以下步骤： S1： 治疗开始前在治疗室对患者进行摆位验证； S2： 治疗过程中实时监测靶区及正常组织的位置及运动； S3： 治疗过程中靶区运动到设定范围内对其实施照射。 8.根据利要求7所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 步骤S1包括以下子步骤： S11： 进行患者的初始摆位， 使激光灯和患者体表标记点对齐； S12： 将所述磁共振图像。
6、引导装置运动至治疗位， 并将所述治疗床恢复到初始摆位的位 置； S13： 对患者进行磁共振成像， 对比计划设计时采集的磁共振影像和当前采集的磁共振 影像， 并计算六维偏移量； S14： 根据六维偏移量移动治疗床， 并再次采集患者磁共振影像， 对比差异， 直到偏差在 可接受范围内， 完成摆位验证。 9.根据利要求7所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 步骤S2包括以下步骤： 对于固定机架， 所述磁共振图像引导装置在治疗开始前将所述永磁铁产生的磁场始终 与所述治疗头产生的离子束流方向调节一致， 在治疗过程中不需要再次调节磁场方向； 对于旋转机架， 在做调强放射治疗时需要在不同角度对靶区实施照射。
7、， 因而所述磁共 权利要求书 1/2 页 2 CN 108671418 A 2 振图像引导装置随着所述治疗头同步旋转， 在治疗过程中当监测到患者体位有较大移动 时， 应立即停止照射， 并对患者重新摆位； 另一方面， 监测靶区以及正常组织的运动， 根据运 动位置及时调整束流扫描参数。 10.根据利要求7所述的磁共振图像引导装置， 其特征在于， 步骤S3包括以下步骤其中 之一： 根据所述磁共振图像引导装置实时监测到的靶区运动位置， 设定一个阈值， 当靶区运 动到阈值以内时开启束流照射， 否则关闭束流； 或 根据靶区运动位置， 实时调整束流扫描参数， 使束流照射位置和靶区运动位置始终保 持一致； 或。
8、 根据监测到的靶区运动曲线生成一个患者特异的呼吸引导曲线， 所述引导曲线和加速 器磁激励周期同步， 患者通过调整自己的呼吸运动使其和呼吸引导曲线一致， 保证靶区运 动到设定范围内对其实施照射。 权利要求书 2/2 页 3 CN 108671418 A 3 用于离子束放射治疗的磁共振图像引导装置 技术领域 0001 本发明具体涉及一种用于离子束放射治疗的磁共振图像引导装置。 背景技术 0002 离子束放射治疗相比传统光子放射治疗的主要优势在于倒转的深度剂量分布特 性， 即离子束贯穿靶物质时在入射通道前段能量损失很小， 形成一个相对低的剂量坪区， 而 在接近射程末端离子束能量迅速减少形成一个剂量沉。
9、积峰， 即Bragg峰。 该特性使离子束能 够精确地将剂量沉积在肿瘤靶区， 同时减小对危及器官的辐射损害。 然而， 充分发挥离子束 剂量分布优势的前提是知道靶区精确的位置， 几毫米的错位可能会导致靶区内80的剂 量偏差， 同时周围正常组织受到高剂量照射。 一方面， 在治疗计划设计阶段由于剂量计算模 型、 CT图像分辨率以及CT值到组织水等效系数转换关系的误差都会导致离子束射程的不确 定性， 需要对靶区进行外放。 另一方面， 在治疗过程中要监测和校正靶区以及正常组织的位 置和运动， 及时修正扫描参数。 因此， 在离子束放射治疗前和治疗中对靶区和危及器官精确 成像显的至关重要。 0003 图像引导。
10、放射治疗在三维放射治疗的基础上加入时间序的概念， 在患者治疗前、 治疗中利用各种影像设备监测靶区及正常组织的位置和运动， 为靶区和危及器官精确成像 提供有力手段。 目前广泛应用的图像引导系统有： 电子射野影像系统、 kV级锥形束CT、 kV级X 线摄片和透视、 MV级锥形束CT以及磁共振图像引导系统。 其中， 电子射野影像系统具有体积 小、 灵敏度高、 操作简单等优点， 既可以用来校正射野形状、 患者摆位， 也可以直接测量射野 内剂量分布， 缺点是软组织显像不清晰； kV级锥形束CT具有体积小、 重量轻、 可以直接集成 到直线加速器上的优势， 缺点是密度分辨率低， 和临床诊断CT相比还有很大差。
11、距； kV级X线 摄片和透视具有骨和空气对比度高、 软组织显像清晰等优势， 通常和治疗设备结合在一起； MV级锥形束CT最大优势就是治疗和图像引导是同源， 在探测影像时可以测量出射剂量， 缺 点是图像空间分辨率低， 在低对比度时分辨率更低。 以上这些图像引导系统全部采用X射线 对人体进行照射， 因此不能用于实时图像引导， 那么在治疗过程中不能实时反映靶区和正 常组织的位置及运动。 发明内容 0004 针对现有技术的不足， 本发明的目的在于提供一种用于离子束放射治疗的磁共振 图像引导装置， 以便解决上述问题的至少之一。 0005 本发明是通过如下技术方案实现的： 0006 一种用于离子束放射治疗。
12、的磁共振图像引导装置， 包括： 磁场产生装置， 产生均匀 的磁场； C型臂， 用于固定安装所述磁场产生装置； 传动机构， 其包括一个旋转轨道， 所述C型 臂能够在所述旋转轨道中绕中心点进行180度旋转， 从而能够改变所述磁场产生装置的磁 场方向； 平移轨道， 设置于所述传动机构的底部， 供所述传动机构沿所述平移轨道在治疗位 和空闲位之间切换。 说明书 1/5 页 4 CN 108671418 A 4 0007 优选地， 所述磁场产生装置为两块平行的永磁铁。 0008 优选地， 所述永磁铁为圆饼状， 中间开孔， 直径为8001500mm， 厚度为80150mm， 孔径为80100mm。 0009。
13、 优选地， 所述两块永磁铁的内表面间距为400650mm， 产生的磁场强度为0.25 1.0T。 0010 优选地， 在磁场产生装置中的一个永磁铁的中间孔内设置有治疗头， 所述磁共振 图像引导装置与所述治疗头同步旋转， 且所述磁场产生装置产生的磁场方向始终与所述治 疗头产生的离子束流方向平行。 0011 优选地， 在离子束放射治疗中， 治疗床的一部分位于所述两块永磁铁之间， 位于所 述C型臂内部， 所述传动机构沿所述平移轨道运动， 使所述磁共振图像引导装置在治疗位和 空闲位之间切换。 0012 优选地， 所述磁共振图像引导装置中包括控制装置， 其中存储有程序， 用于执行以 下步骤： S1： 治。
14、疗开始前在治疗室对患者进行摆位验证； S2： 治疗过程中实时监测靶区及正 常组织的位置及运动； S3： 治疗过程中靶区运动到设定范围内对其实施照射。 0013 优选地， 步骤S1包括以下子步骤： S11： 进行患者的初始摆位， 使激光灯和患者体表 标记点对齐； S12： 将所述磁共振图像引导装置运动至治疗位， 并将所述治疗床恢复到初始 摆位的位置； S13： 对患者进行磁共振成像， 对比计划设计时采集的磁共振影像和当前采集 的磁共振影像， 并计算六维偏移量； S14： 根据六维偏移量移动治疗床， 并再次采集患者磁共 振影像， 对比差异， 直到偏差在可接受范围内， 完成摆位验证。 0014 优选。
15、地， 步骤S2包括以下步骤： 对于固定机架， 所述磁共振图像引导装置在治疗开 始前将所述永磁铁产生的磁场始终与所述治疗头产生的离子束流方向调节一致， 在治疗过 程中不需要再次调节磁场方向； 对于旋转机架， 在做调强放射治疗时需要在不同角度对靶 区实施照射， 因而所述磁共振图像引导装置随着所述治疗头同步旋转， 在治疗过程中当监 测到患者体位有较大移动时， 应立即停止照射， 并对患者重新摆位； 另一方面， 监测靶区以 及正常组织的运动， 根据运动位置及时调整束流扫描参数。 0015 优选地， 步骤S3包括以下步骤其中之一： 根据所述磁共振图像引导装置实时监测 到的靶区运动位置， 设定一个阈值， 当。
16、靶区运动到阈值以内时开启束流照射， 否则关闭束 流； 根据靶区运动位置， 实时调整束流扫描参数， 使束流照射位置和靶区运动位置始终保持 一致； 根据监测到的靶区运动曲线生成一个患者特异的呼吸引导曲线， 所述引导曲线和加 速器磁激励周期同步， 患者通过调整自己的呼吸运动使其和呼吸引导曲线一致， 保证靶区 运动到设定范围内对其实施照射。 0016 从上述技术方案可以看出， 本发明的用于离子束放射治疗的磁共振图像引导装置 具有以下有益效果： 0017 (1)磁共振成像具有高的软组织分辨能力， 成像不会产生像CT扫描中的骨性伪影， 不会对人体产生电离辐射； 0018 (2)本发明磁共振成像设备可以应用。
17、在固定机架和旋转机架离子束放射治疗设备 上， 可以始终保持磁场方向和束流方向一致， 因而不会影响束流的品质； 0019 (3)磁共振属于无创成像， 通过在治疗过程中可实时监测靶区和正常组织的位置 及形状， 若患者体位变化过大可停止束流照射， 并根据靶区运动位置及时调整束流扫描参 说明书 2/5 页 5 CN 108671418 A 5 数， 达到同步照射的目的， 消除由靶区运动和动态束流配送过程相互作用对剂量分布带来 的影响， 实现精确放射治疗； 0020 (4)磁共振成像高的组织分辨率使其在患者摆位验证过程中精度更高。 附图说明 0021 图1为本发明实施例中离子束放射治疗中的磁共振图像引导。
18、装置结构图； 0022 图2为本发明实施例中磁场作用下碳离子束运动轨迹图； 0023 图3为不同磁场强度作用下， 不同能量碳离子束Bragg峰位处束斑横向分布曲线 图； 0024 【附图元件说明】 0025 1-永磁铁极板； 2-极板开孔； 0026 3-永磁铁极板； 4-极板开孔； 0027 5-C型臂； 6-传动机构； 0028 7-旋转轨道； 8-平移轨道； 0029 9-平移轨道； 10-治疗床； 0030 11-治疗头。 具体实施方式 0031 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 以下结合具体实施例， 并参照 附图， 对本发明作进一步的详细说明。 0032 本发明提供一。
19、种用于离子束放射治疗的磁共振图像引导装置， 包括： 磁场产生装 置， 产生均匀的磁场； C型臂， 用于固定安装所述磁场产生装置； 传动机构， 其包括一个旋转 轨道， 所述C型臂能够在所述旋转轨道中绕中心点进行180度旋转， 从而能够改变所述磁场 产生装置的磁场方向； 平移轨道， 设置于所述传动机构的底部， 供所述传动机构沿所述平移 轨道在治疗位和空闲位之间切换。 本发明的磁共振图像引导装置具有高的软组织分辨能 力， 成像不会产生骨性伪影， 不会对人体产生电离辐射， 可以应用在固定机架和旋转机架离 子束放射治疗设备上， 可以始终保持磁场方向和束流方向一致， 因而不会影响束流的品质。 0033 具。
20、体地， 本发明提供一种用于离子束放射治疗的磁共振图像引导装置， 图1为本发 明实施例中离子束放射治疗中的磁共振图像引导装置结构图。 如图1所示， 包括： 磁场产生 装置， 产生均匀的磁场； C型臂5， 用于固定安装所述磁场产生装置； 传动机构6， 其包括一个 旋转轨道7， 所述C型臂在所述旋转轨道7中绕中心点进行180度旋转； 平移轨道8， 连接所述 传动机构的底部， 使所述传动机构沿所述平移轨道8在治疗位和空闲位之间切换。 0034 所述磁场产生装置为两块平行的永磁铁1。 0035 所述永磁铁1为圆饼状， 中间开孔， 直径为8001500mm， 厚度为80150mm， 孔径为 80100mm。
21、。 0036 所述两块永磁铁的内表面间距为400650mm， 产生的磁场强度为0.251.0T。 0037 在磁场产生装置中的一个永磁铁的中间孔内设置有治疗头9， 所述磁共振图像引 导装置与所述治疗头同步旋转， 且所述磁场产生装置产生的磁场方向始终与所述治疗头产 生的离子束流方向平行。 说明书 3/5 页 6 CN 108671418 A 6 0038 在离子束放射治疗中， 治疗床10的一部分位于所述两块永磁铁之间， 位于所述C型 臂内部， 所述传动机构沿所述平移轨道运动， 使所述磁共振图像引导装置在治疗位和空闲 位之间切换。 0039 所述磁共振图像引导装置中包括控制装置， 其中存储有程序，。
22、 运行以下步骤： S1： 治疗开始前在治疗室对患者进行摆位验证； S2： 治疗过程中实时监测靶区及正常组织的位 置及运动； S3： 治疗过程中靶区运动到设定范围内对其实施照射。 0040 步骤S1包括以下子步骤： S11： 进行患者的初始摆位， 使激光灯和患者体表标记点 对齐； S12： 将所述磁共振图像引导装置运动至治疗位， 并将所述治疗床恢复到初始摆位的 位置； S13： 对患者进行磁共振成像， 对比计划设计时采集的磁共振影像和当前采集的磁共 振影像， 并计算六维偏移量； S14： 根据六维偏移量移动治疗床， 并再次采集患者磁共振影 像， 对比差异， 直到偏差在可接受范围内， 完成摆位验证。
23、。 0041 步骤S2包括以下步骤： 对于固定机架， 所述磁共振图像引导装置在治疗开始前将 所述永磁铁产生的磁场始终与所述治疗头产生的离子束流方向调节一致， 在治疗过程中不 需要再次调节磁场方向； 对于旋转机架， 在做调强放射治疗时需要在不同角度对靶区实施 照射， 因而所述磁共振图像引导装置随着所述治疗头同步旋转， 在治疗过程中当监测到患 者体位有较大移动时， 应立即停止照射， 并对患者重新摆位； 另一方面， 监测靶区以及正常 组织的运动， 根据运动位置及时调整束流扫描参数。 0042 步骤S3包括以下步骤其中之一： 根据所述磁共振图像引导装置实时监测到的靶区 运动位置， 设定一个阈值， 当靶。
24、区运动到阈值以内时开启束流照射， 否则关闭束流； 根据靶 区运动位置， 实时调整束流扫描参数， 使束流照射位置和靶区运动位置始终保持一致； 根据 监测到的靶区运动曲线生成一个患者特异的呼吸引导曲线， 所述引导曲线和加速器磁激励 周期同步， 患者通过调整自己的呼吸运动使其和呼吸引导曲线一致， 保证靶区运动到设定 范围内对其实施照射。 0043 以下结合具体实施例和附图， 对本发明的用于离子束放射治疗的磁共振图像引导 装置作进一步的详细说明。 0044 实施例 0045 磁共振图像引导会产生一个磁场， 离子束在磁场作用下运动轨迹会发生偏移， 本 发明中磁场方向和束流方向始终保持一致， 为了验证磁场。
25、对束流的作用影响， 我们根据重 离子治癌专用装置(HIMM)上束流配送系统以及离子束能量， 利用蒙特卡洛方法模拟了磁场 作用下离子束的射程以及束斑大小的变化。 碳离子束能量为120MeV/u、 260MeV/u以及 400MeV/u， 磁场强度为0T、 0.35T、 0.5T以及1.5T， 结果如图2所示。 从分析结果来看， 在没有 磁场作用下， 120MeV/u、 260MeV/u和400MeV/u能量碳离子束的射程分别为35.6mm、 135mm和 267.6mm； 在不同强度磁场的作用下， 离子束的射程没有变化， 说明平行于束流方向的磁场 不会对离子束射程带来影响。 如图3所示为不同磁场。
26、强度作用下， 不同能量碳离子束Bragg 峰位处束斑横向分布。 通过高斯拟合可以得到束斑大小( )和位置， 从结果分析来看， 在没 有磁场作用下， 120MeV/u、 260MeV/u和400MeV/u能量碳离子束的在Bragg峰位处的束斑大小 为2.84mm、 3.04mm和3.47mm， 束斑中心在零点； 在不同强度磁场的作用下， 不同能量离子束 的束斑大小没有变化， 中心位置保持不变， 说明平行于束流方向的磁场不会对离子束的束 斑尺寸和位置产生影响。 以上实施例说明本发明方法是可行的， 在离子束放射治疗过程中 说明书 4/5 页 7 CN 108671418 A 7 通过磁共振图像实时监。
27、测靶区及正常组织的位置及运动， 而不会对束流的品质造成影响。 0046 综上所述， 本发明的磁共振图像引导装置具有高的软组织分辨能力， 成像不会产 生骨性伪影， 不会对人体产生电离辐射， 可以应用在固定机架和旋转机架离子束放射治疗 设备上， 可以始终保持磁场方向和束流方向一致， 因而不会影响束流的品质。 0047 以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明， 应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明， 凡在 本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护 范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 108671418 A 8 图1 说明书附图 1/3 页 9 CN 108671418 A 9 图2 说明书附图 2/3 页 10 CN 108671418 A 10 图3 说明书附图 3/3 页 11 CN 108671418 A 11 。