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1、(10)授权公告号 CN 101421006 B (45)授权公告日 2012.09.05 CN 101421006 B *CN101421006B* (21)申请号 200780006088.6 (22)申请日 2007.02.20 60/775,677 2006.02.21 US A61N 5/10(2006.01) (73)专利权人 托莱多大学 地址 美国俄亥俄州 (72)发明人 EI帕塞 JJ费尔德迈尔 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 王岳 张志醒 US 2004071261 A1,2004.04.15, 说明书第 0010 段、 第 0016。
2、 段， 第 0019 段， 第 0025 段到第 0034 段， 图 4. US 2003086527 A1,2003.05.08, 说明书第 0006 段， 第 0042 段， 第 0048 段， 第 0067 段 . (54) 发明名称 未滤波的放射治疗 (57) 摘要 这是使用不具有平坦滤波器的直线加速器在 IMRT 和 3D 适形 辐射剂量输送中的一种新技 术。该技术通过减少分散到周围的正常组织的辐 射和减少电子污染提高了病人的放射治疗。其增 加了剂量率以缩短治疗时间。几十年来， 直线加 速器与光子平坦滤波器一起使得剂量分布更加均 匀， 其中光子平坦滤波器用于产生平面注量的光 子分布。。
3、 然而， 这些滤波器都导致注量衰减和光束 污染。现在， 在如强度调制放射治疗 (IMRT) 的技 术时期， 平坦滤波器的功能变得多余。 现在平坦滤 波器由于减少了注量并增加了散射而仅仅降低了 光束的效率。我们的技术涉及用于复杂治疗的平 坦滤波器的移除。其利用逆向计划与多叶准直器 形成剂量分布。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2008.08.21 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2007/004403 2007.02.20 (87)PCT申请的公布数据 WO2007/098164 EN 2007.08.30 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 张行。
4、素 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 8 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 8 页 1/1 页 2 1. 一种不具有平坦滤波器的放射治疗设备， 包括 ： 辐射源， 其沿光束路径将光束引导到治疗区域 ； 其中， 辐射源为线性加速器 ； 光束成形装置， 其可控制来选择性地准直光束， 包括多叶准直器来用逆向计划成形剂 量分布 ； 以及 治疗计划系统， 其接口到光束成形装置， 用于将成形的光束输送到治疗区域。 2. 根据权利要求 1 所述的放射治疗设备， 其中辐射源包括电子辐射源。 3. 根据权利要求 1 所述的放射治疗设备，。
5、 其中辐射源包括 IMRT 能力辐射加速器。 4. 根据权利要求 1 所述的放射治疗设备， 其中光束成形装置为 MLC。 5.根据权利要求1所述的放射治疗设备， 其中辐射源为能够产生高能量X射线(从4MV 到 25MV 范围内 ) 的任何线性加速器， 并且能够提供 IMRT 治疗。 权 利 要 求 书 CN 101421006 B 2 1/6 页 3 未滤波的放射治疗 0001 相关申请的交叉参考 0002 本申请要求 2006 年 2 月 21 日提交的第 60/775,677 号美国临时专利申请的权利。 技术领域 0003 本发明涉及一种执行放射治疗的方法。更具体地， 本发明涉及一种新的强。
6、度调制 放射治疗 (IMRT) 技术， 使用没有平坦滤波器的线性加速器传输适形 辐射剂量。这种没 有滤波器的新技术通过减少散射到周围的正常组织的辐射来提高病人的放射治疗。 背景技术 0004 强度调制放射治疗 (IMRT) 是一种用于需要放射治疗的癌症病人的治疗方法。 IMRT是一种提供符合靶的辐射剂量并且避免周围的重要组织的非常精确的治疗方法。 使用 IMRT 治疗是从不同的角度进行的并且是通过改变治疗区域的辐射束的强度， 而不是将单独 的大型辐射光束通过人体。 0005 辐射被有效地分成数以千计的细小的细束的辐射光束。具有毫米精度， 这些光束 从多个角度进入人体， 并相交于毒瘤上。 导致以。
7、高辐射剂量作用于肿瘤， 以更低的辐射剂量 作用于周围的健康组织。 0006 一种用于调制辐射光束的强度的方法是基于将多叶准直器 (MLC) 移进和移出来 自辐射治疗机的辐射束的方法。 MLC包括多个窄机械刀片或叶片， 它们通过微型电动机和机 械传动联接被单独地控制。计算机控制微型电动机驱动各个刀片进出以对辐射束成形。基 于 IMRT 治疗机的 MLC 的一个优点是相同的 MLC 能被自动地控制以支持接受放疗的每个病 人的各自的需求。换句话说， MLC 为每一个新病人而被改装。 0007 与光子平坦滤波器一起使用了几十年的线性加速器， 使光子平面注量分布和剂 量分布更加均匀。这些滤波器， 都导致。
8、注量衰减和光束污染。现在， 如强度调制放射治疗 (IMRT) 技术的时期， 平坦滤波器的作用变得多余， 并且平坦滤波器现在仅通过减少注量和 增强散射的辐射来减少光束的效率。 0008 对于本领域技术人员来说， 本发明的其他目的和优点通过后面的优选实施例和附 图的详细说明将变成显而易见。 发明内容 0009 我们的技术涉及用于复杂治疗的平坦滤波器的移除以及与多叶准直器一起使用 的逆向设计来成形剂量分布。 0010 通过取消平坦滤波器， 剂量率增加并且横向散射减少。通过减少靶周围正常组织 的剂量提高了病人的治疗， 并且也减少了治疗时间。光束轮廓的平坦在像 IMRT 的技术种是 多余的， 因为平面注。
9、量是由多叶准直器 (MLC) 控制。对于许多现代的线性加速器， 由于平 坦滤波器能简单地从光路中被机械移除， 因此取消平坦滤波器不需要对该单元进行物理改 变。 说 明 书 CN 101421006 B 3 2/6 页 4 0011 这种新技术在于 IMRT， 并且 3D 适形 辐射剂量使用不具有平坦滤波器的线性加 速器来传送。 这种技术通过减少散射到周围的正常组织的辐射以及减少电子污染来提高了 病人的放射治疗。它增加了剂量率， 以缩短治疗时间。 0012 为了使平面注量的光子分布和剂量分布更一致， 线性加速器已经与光子平坦滤波 器一起使用了几十年。然而， 这些滤波器已经导致了注量衰减以及光束污。
10、染。 0013 现在在如强度调制放射治疗 (IMRT) 的技术时代， 平坦滤波器的功能变得多余。通 过减少注量并增加散射的辐射， 平坦滤波器现在仅减少了光束的效率。 附图说明 0014 图 1(a) 和 1(b) 显示了对于 6MV 和 10MV 的 CAX 百分深度剂量的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 和水体模测量。 0015 图 2(a) 和 2(b) 显示了对于 6MV 和 10MV 的 dMAX和 10cm 横向分布深度的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 和水体模测量。 0016 图 3 显示了对于 6MV1010cm2光束的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 和测量数据之。
11、间 的比较。 0017 图4显示了对于从22到3030cm2的场尺寸的6MV无滤波器光子束在1.6cm深 度的蒙特卡罗计算的横向相交平面分布。 0018 图 5(a) 和 5(b) 显示了对于标准的、 平坦的和不平坦的 6MV 和 10MV1010cm2光 束在 dmax的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模拟之间的比较。所有的分布都被标准化为标准光束 的中心轴剂量以显示移除了平坦滤波器的 CAX 剂量的效应。 0019 图 6(a) 和 6(b) 通过比较标准平坦的 6MV 和 10MV 光束与相同的无滤波器光束， 来 显示蒙特卡罗 (Monte Carlo) 百分深度剂量曲线。 002。
12、0 图 7(a) 和 7(b) 显示了对于 6MV 光束和 10MV 光束的光子注量谱， 其显示了移除光 子平坦滤波器的效果。 0021 图 8 显示了从 22， 1010 和 3030cm2场模拟获得的绝对剂量的比较。在这里 显示的模拟用于在 1.6cm 深度的 6MV 光束。 具体实施方式 0022 IMRT( 强度调制放射治疗 ) 正迅速成为一种通用的治疗方式， 最近进行的一项研 究声称， 美国三分之一的辐射肿瘤学家在使用这项技术。现代治疗机被设计成将动态 MLC 和备有 IMRT 系统集成进去， 但目前许多仍在使用的线性加速器具有作为加载项的 MLC。在 这两种情况下直线加速器被设计以。
13、使得 IMRT 治疗和标准治疗可以在相同的单元上执行。 传统的 3D 适形治疗需要扁平光束， 因为通常为每个单独的光束在靶体积内达到均匀的剂 量补偿是不能实现的。然而， 在产生 IMRT 治疗计划中， 计划者以给靶体积提供所需剂量并 且不伤害周围的正常的或重要的组织的非均匀密度矩阵而告终。为了达到这个目标， 不需 要扁平光束。在 IMRT 计划期间， 光束的调制和传送通过许多在传送端口的子束以及分割的 场来执行， 并且事实上考虑了传统的方面， 你将看到它的优点在于具有不需要通过大块厚 金属 ( 即平坦滤波器 ) 的所有散射的更清洁的光束。因此， 期望移除平坦滤波器会由于横 向光子散射的减少和中。
14、心轴光子注量的增加而导致更好的 IMRT 治疗。更具体地， 通过从光 说 明 书 CN 101421006 B 4 3/6 页 5 束路径中移除平坦滤波器仅仅是为了 IMRT 治疗， 可以期望更高剂量率以及更加锐利、 以几 何学定义的场， 因此导致更好的 IMRT 计划和治疗。平坦滤波器的有害特性是由增加横向散 射和减少该滤波器产生的中心轴注量所造成的。在 IMRT 的特殊情况下， 由于在病人平面光 束调制和 MLC 移动组合， 注量被改变， 因此滤波器不再需要。这已经显示了用于特殊的断层 治疗的情况的专用的 IMRT 系统。这里， 我们显示了用于更一般的线性加速器情况的辐射特 性的蒙特卡罗 。
15、(Monte Carlo) 模拟。 0023 材料与方法 0024 ElektraSL-25 的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模拟 0025 使用 BEAMnrc 代码执行蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模拟。使用 Elekta 精确模型 SL-25， 通过该模拟与使用 Welhofer(Scanditronix Wellhofer) 扫描水体模测量的数据进 行比较， 6MV 和 10MV 能量的光子束被最初建模和启用。在模型中加速器的头部被分为结构 模块 ( 也就是靶 )、 初级准直器、 平坦滤波器、 监视器室、 镜、 MLC 以及 X 和 Y 口 (jaw)。使用 附加的部件。
16、模拟加速器的出口和水体模表面之间的空气间隙， 在该空气间隙中形成相空间 平面。用于传输的能量界限 (cutoff) 被设置为 ECUT 0.7MeV， PCUT 0.01MeV 和球电子 (global electron) 界限 2.0MeV。具有 SBS 参数 Nmin 10 和 Nmax 100 的电子区域排斥 和选择性轫致辐射(Bremsstahlung)分裂被使用。 不使用俄式轮盘和光子加压(forcing)。 然而在距离源 100cm 的平面处创建相空间文件， 其用于使用 DOSXYZarc 代码模拟的体模 (phantom) 的输入。400106的记录被用于加速器的模拟。对于 DO。
17、SXYZ 体模， 200106的 记录被用于所有场尺寸， 从而为更大场尺寸提供足够统计数据。 0026 深度剂量和横向分布在很大程度上取决于电子束撞击到光子靶时的性质。 该重要 的参数是指电子能量、 能量的扩散以及光束的空间分布。对于 6MV 和 10MV 光束， 使用的电 子能量分别为 6.50Mev 和 9.50MeV， 能量的扩散分别为 1.0MeV 和 0.8MeVFWHM， 并且径向分 布分别为 0.11cm 和 0.10cm FWHM。当与水体模测量比较时， 从这些模拟中获得的深度剂量 曲线在最大剂量范围内偏离不到 1， 在所有其他深度偏离不到 5。 0027 一旦符合足够水平的测。
18、量数据的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模拟被建立， 就从 6MV 和 10MV 光束模型中移除平坦滤波器。所有其他参数保持不变。 0028 水中的测量 0029 在 Wellhofer 扫描水体模里所有的测量被设置在 100cm SSD， 以及 0.1cc 电离室。 6MV 和 10MV 光束用蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模拟作比较研究。在蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模型的试运行数据获得后， 6MV 和 10MV 平坦滤波器从在加速器的头部的初级旋转带上被 移除。在旋转带中留下了光子束可以通过的孔。深度电离分布、 横向主测线 (transverse inline)(。
19、 枪靶方向 ) 和横切面分布在 dmax和 10cm 处被测量。深度剂量分布在深度 30cm 处 被测量和被标准化为在中心轴的最大室读数 (muximum chamber reading)。横向分布在主 测线和横切面方向从 55 到 3030cm2的场范围内被测量。这些分布也被标准化为中心 轴的最大室读数。 0030 结论 0031 蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模型试运行 0032 如上所述， 标准的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 模拟， 被传送的 6MV 和 10MV 平坦光束 与通过扫描水体模获得的测量数据匹配较好。 这些测量的目的是为了表明蒙特卡罗(Monte 说 明 书。
20、 CN 101421006 B 5 4/6 页 6 Carlo) 模型与在水体模里执行的剂量测量的精确匹配。 0033 图 1(a) 和 1(b) 显示对于 6MV 和 10MV 的 CAX 百分深度剂量的水体模测量和蒙特 卡罗 (Monte Carlo)。对于在 100cm SSD 上 1010cm2场内中心轴百分深度剂量分布显示 为 6MV 和 10MV， 实心点显示实验测量， 空心点显示蒙特卡罗模型。关于测量数据， 也得到 3030cm2的场内的蒙特卡罗模型的平坦度和对称性的横向分布作为比较。 0034 图 2(a) 和 2(b) 显示了对于在 dmax和 10cm 的深度的主测线方向的。
21、 6MV 和 10MV 计 算的蒙特卡罗的横向分布与测量数据的比较。在所有情况下， 在测量数据和蒙特卡罗模拟 数据之间建立了好的一致性。 0035 图 3 显示了对于 6MV1010cm2光束的蒙特卡罗和测量数据之间的比较。顶部的 两条曲线对应于 1.6cm(dmax) 深度， 底部的两条曲线对应于 10cm 深度。非扁平光束的蒙特 卡罗模型 0036 在平坦滤波器从 Elekta 加速器的初级滤波器带被移除后， 在没有滤波器的情况 下执行模拟并与测量数据进行比较。 这些测量的目的是要验证没有平坦滤波器的蒙特卡罗 模型的精确度以精确地模拟光束。对于相交平面分布比较显示在图 3 中。 0037 。
22、未显示测量的主测线 ( 枪靶 ) 方向和蒙特卡罗分布之间的比较。这些测量的横向 分布具有较差的对称性， 由于去除平坦滤波器后控制光束被认为是困难的。从图 3 可以得 出这样的结论 ： 去除滤波器的蒙特卡罗模型 6MV 和 10MV 光束显示与测量数据精确匹配。然 后对从 22cm2至 3030cm2范围内的各种场的尺寸执行模拟。下面的图表显示了没有平 坦滤波器的情况下对于6MV光束在1.6cm深度的横向分布。 图4中的曲线是所有1010cm2 场的 CAX 剂量的标准化。 0038 图 4 显示了对于从 22 到 3030cm2范围内场尺寸的 6MV 无滤波器的光子束在 深度 1.6cm 的蒙。
23、特卡罗计算的横向相交平面分布。 0039 下一步是比较平坦光束和非平坦光束的蒙特卡罗模型。图 5 显示了蒙特卡罗计算 横向分布和去除平坦滤波器对中心轴 (CAX) 剂量的效应。发现， 对于 1010cm2场尺寸的 6MV 光子束， 在滤波器被去除的情况下， CAX 剂量与标准平坦光束比较增加到 2.35 倍。这个 数字也显示了在有和没有平坦滤波器的情况下对于 1010cm210MV 光束的 CAX 剂量。在这 种情况下， 由于对于 Elekta10MV 平坦滤波器更重要， 根据大量被使用的材料没有滤波器的 CAX 剂量比标准平坦光束高 4.18 倍。 0040 图 5(a) 和 5(b) 显示。
24、了对于标准的、 平坦的和不平坦的 6MV 和 10MV1010cm2光 束在 dmax的蒙特卡罗模拟之间的比较。所有的分布都被标准化为标准光束的中心轴剂量以 显示移除了平坦滤波器的对 CAX 剂量的影响。 0041 C、 束平坦度的量化 0042 使用平均超过场尺寸的 80的变换来计算每个横向分布的平坦度， 公式为 ： 0043 0044 对于 1010cm2光束的 6MV 模拟， 平坦光束和非平坦光束在 dmax的平坦度分别为 2.37和 6.21。同样， 在 10cm 深度相同的百分比的分别为 1.88和 5.77。 0045 对于 10MV 模拟， 在 2.3cm(dmax) 深度和 1。
25、0cm 深度的 3.96和 7.71的平坦度百 说 明 书 CN 101421006 B 6 5/6 页 7 分比， 分别对应于标准光束和非平坦光束。在 10cm 深度平坦度被计算， 对于平坦光束是 2.92， 对于非平坦光束是 8.39。 0046 D、 在中心轴的剂量 0047 图 6(a) 和 6(b) 通过比较标准平坦的 6MV 和 10MV 光束与相同的无滤波器光束来 显示蒙特卡罗百分深度剂量曲线。对于无滤波器光束， 剂量随着深度的快速下降与较柔软 的 (softer) 中心轴光束一致。 0048 从平坦的和非平坦的 1010cm26MV 和 10MV 光束的模拟也可以获得在中心轴上。
26、的 深度剂量曲线。发现在深度比 dmax大的剂量沉积随着滤波器的移除更迅速地下降。正是由 于这一事实， 随着滤波器的移除， 在中心轴的区域中的光束不再被滤波器变硬。 剂量随着深 度的迅速降低与柔软的中心轴光束一致。为了研究平坦滤波器对光子能量谱的影响， 执行 具有 BEAMDP 程序的各相空间文件的分析。作为光子能量函数的光子注量形成无滤波器光 束对标准光束的图形。 如所期待的， 每单位能量的光子注量对于无滤波器光束是足够大的， 特别是在峰值光子能量的区域内。 0049 图 7(a) 和 7(b) 显示了对于 6MV 光束和 10MV 光束的光子注量谱， 其显示了移除光 子平坦滤波器的效果。图。
27、 7 显示了对于 6MV 光束和 10MV 光束跨越 1010cm2场的光子注量 谱。 在这两种情况下， 通过去除平坦滤波器来增加峰值光子能量， 显示出平坦滤波器有硬化 光束的效果。对于 6MV 光束在有和没有平坦滤波器的峰值能量分别是 0.48MV 和 0.33MeV。 同样地， 对于 10MV 光束的例子中， 其中平坦滤波器的设计导致更大的光束硬化效果， 对于 标准光束和无滤波器光束峰值光子能量是 1.13MeV 和 0.33MeV。 0050 E、 场外剂量 0051 随着平坦滤波器的移除， 人们会期望横向光子散射的量减少， 其效果是在场以外 的点的剂量将有所减少。为了研究此效果， 在有。
28、平坦滤波器和没有平坦滤波器的 6MV 光束 的模拟之间比较在辐射场边缘和超出辐射场边缘的相对剂量。对于 6MV 束从 22cm2至 3030cm2范围内的各种尺寸的场运行模拟。在所有情况中， 对于无滤波器光束， 场边缘 剂量更大。下面在图 8 中， 显示了对于平坦的无滤波器的 6MV 光束 22cm2、 1010cm2和 3030cm2场。可以看出， 在任何情况下， 在该分布的两翼无滤波器光束的相对剂量都比标 准场的相对剂量大。该分布的底部在 1.6cm 深度。在 10cm 深度的相同的分布显示了相同 的效果 ； 对于无滤波器光束场外的剂量更高。 0052 图 8 是从 22、 1010 和 。
29、3030cm2场的模拟得到的绝对剂量的比较。在这里显 示的为6MV光束在深度1.6cm的模拟。 对于各场尺寸显示了平坦光束和非平坦光束的分布， 以使得能够比较辐射场边缘的剂量。 可以看出， 对于无滤波器光束的所有场尺寸， 在场边缘 的剂量更大。 0053 为了量化场外的剂量， 我们认为场外 2cm 处的点 ( 如在 22cm2场离轴距离 3cm 处 ) 并且对于到中央轴的右侧和左侧的体素 (voxel) 取相对剂量的均值。下表显示了对于 平坦和非平坦的 6MV 光束在辐射场外 2cm 的点的相对剂量 ( 标准化关于该场尺寸的标准、 平坦光束的 CAX 剂量 )。在此考虑的所有分布是位于最大剂量。
30、的深度。 0054 表 1 0055 说 明 书 CN 101421006 B 7 6/6 页 8 0056 表 1 显示了对于各场尺寸场外相对剂量的比较。给出了每个场尺寸在辐射场边缘 外或辐射场边缘的点的相对剂量。 0057 结论 ： 0058 随着平坦滤波器的移除， 光子束将不会发生显着的散射， 否则他们将通过， 结果导 致到病人平面的更清洁的光束。对于 IMRT 治疗， 需要扁平光子束的传统治疗对于光束被调 制以达到在靶体积内剂量的均匀是没有必要的。事实上， 对于 IMRT 的情况， 从光束产生的 注量图最终很变得不均匀。 从无平坦滤波器的加速器显著增加的剂量率在短时间内提供污 染较少的。
31、光束有重要意义。6 和 10MV 光子束的深度剂量的计算图表明通过从光束中去除 平坦滤波器， 可以实现超过最大剂量深度的更好的剂量衰退。 另一方面， 由于更少的硬化光 束， 最大剂量率深度的点将更接近表面 ( 对于 6X 为 1-2mm， 对于 10X 为 2-3mm)。场外剂量 是一个需要进一步研究的现象， 并会在未来的工作中进行详细的讨论， 但在治疗场剂量分 布的测量和计算显示较少散射、 显著高的光子注量， 并且全部成为更清洁光束被用于 IMRT 治疗。 在无滤波器的加速器中超出最大剂量深度的剂量的更好的衰减也再次表明去除滤波 器时光束更清洁。散射和贡献给深度剂量的较低能量光子的量与光束能。
32、量成正比， 并且相 当值得用于临床光子射束。 0059 变形 0060 本说明书中所讨论的特殊的结构、 方法或具体实施例仅仅是为了例证性地说明被 披露的本发明。这些基于本说明书的教导的结构、 方法或具体实施例的变形对本领域的技 术人员来说是显而易见， 因此其被包含作为在此披露的本发明的部分。 0061 上述给出的本发明的详细描述用于解释性目的。 在不脱离本发明的范围的情况下 作出多种改变和变形是显而易见的。因此， 前面的整个描述是为了例证性而不是限制性意 义的说明， 本发明的范围完全由所附的权利要求所定义。 说 明 书 CN 101421006 B 8 1/8 页 9 图 1a 图 1b 说 。
33、明 书 附 图 CN 101421006 B 9 2/8 页 10 图 2a 图 2b 说 明 书 附 图 CN 101421006 B 10 3/8 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 101421006 B 11 4/8 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 101421006 B 12 5/8 页 13 图 5a 图 5b 说 明 书 附 图 CN 101421006 B 13 6/8 页 14 图 6a 图 6b 说 明 书 附 图 CN 101421006 B 14 7/8 页 15 图 7a 图 7b 说 明 书 附 图 CN 101421006 B 15 8/8 页 16 图 8 说 明 书 附 图 CN 101421006 B 16 。