CN105792893B - 在质子治疗系统中修正质子束的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了控制从质子治疗系统的喷嘴发射的质子束的特性的系统和方法，该系统包括：一个或多个束修正部件，其限定发射的质子束的特性；以及夹紧部件，其安装到喷嘴上，该夹紧部件在其中具有接纳一个或多个束修正部件的一个或多个接纳部。在一些实施例中，束修正部件包括板结构，并且接纳部包括在夹紧部件的相对表面上彼此间隔开以接纳板结构的相对端的多个槽。

Description

在质子治疗系统中修正质子束的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月20日递交的美国临时专利申请No.61/880,404的优先权，该申请的全部内容通过引用方式并入本文。

技术领域

本发明总构思涉及一种用于癌症治疗的质子疗法，尤其涉及一种对从质子治疗系统发射的质子束的特性进行修正的系统。

背景技术

质子疗法(PT)是一种癌症治疗技术，其使用高能质子来穿透患者的身体，并且将能量沉积到诸如癌性肿瘤等治疗区域中。PT利用诸如质子等带电粒子的布拉格峰性质，以将大部分粒子能量沉积到行程的最后几毫米内，这与常规的放射疗法不同，在常规放射疗法中大部分能量沉积到行程的前几毫米内，经常会对健康组织造成显著损伤。

PT系统通常配备有旋转台架轮，以在治疗过程中通过来自患者周围各位置的质子输送喷嘴将质子束引入到患者体内。引入到患者体内的质子束瞄准所需治疗区域的三维形状以将治疗放射线精确地输送到目标位置，同时不对周围的健康组织造成损伤。具有较小截面积的质子束提供了更大的靶向精度，但是与使用具有较大截面积的束相比需要更多时间以及台架轮的更多旋转，并且临床医生必须在改变截面积时更换PT系统的鼻状件。

束的特性可以包括形状、尺寸、截面、强度、能量等。因此，质子束的特性包括质子束的截面形状和尺寸，这是由质子输送喷嘴的孔口限定的。传统的孔口由屏蔽鼻状件支撑在位，屏蔽鼻状件引导带电粒子流通过孔口。为对质子束进行定形或调整，鼻状件可以包括限定和限制质子束扩散的准直器、限制质子束强度的降能器以及影响自质子输送喷嘴起带电粒子输送其大部分能量的距离的补偿器。为改变传统质子喷嘴中质子束的孔口尺寸或调整性质和聚焦性质，除了夹紧组件之外，通常需要替换整个鼻状件组件，这会因设备更换而增加使用PT治疗的时间。此外，由于鼻状件包含放射线屏蔽件，所以鼻状件重且在没有机械辅助的情况下不能进行更换。

发明内容

本发明总构思的示例性实施例能够通过提供如下的系统和方法来实现：该系统和方法允许在不更换鼻状件的情况下快速修正喷嘴孔口来实现各种束修正效果。示例性实施例包括控制从质子治疗系统的喷嘴发射的质子束的特性的系统，该系统包括：一个或多个束修正部件，其选择性地限定所发射的质子束的特性；以及夹紧部件，其安装到喷嘴上，该夹紧部件在其中具有分别接纳一个或多个束修正部件的一个或多个接纳部。

本发明总构思的示例性实施例还能够通过提供如下的系统来实现：该系统控制从质子治疗系统的喷嘴发射的质子的特性，并且包括：一个或多个束修正部件，其限定所发射的质子束的特性；以及夹紧部件，其安装到喷嘴上，该夹紧部件在其中具有接纳一个或多个束修正部件的一个或多个接纳部。

束修正部件可以构造为第一组板，并且接纳部可以包括在夹紧部件的相对表面上彼此间隔开以接纳每个第一板的相对端的多个槽。

夹紧部件可以包括用于检测修正部件在夹紧部件内的存在的一个或多个检测器单元。

至少一个束修正部件可以包括第二夹紧部件，该第二夹紧部件在其中具有比第一夹紧部件的接纳部小的至少一个接纳部，以分别接纳一个或多个其他束修正部件。

一个或多个其他束修正部件可以构造为比第一组板小的第二组板，并且第二夹紧部件的接纳部可以包括在第二夹紧部件的相对表面上彼此间隔开以接纳每个第二板的相对端的多个槽。

第二夹紧部件可以包括用于检测至少一个束修正部件在第二夹紧部件内的存在的一个或多个检测器单元。

夹紧部件可以布置成与质子治疗系统的质子输送喷嘴孔口相邻且位于喷嘴孔口的下游。

一个或多个其他束修正部件可以包括保持件放置板、孔口板、准直器板、补偿器板、降能器板或其组合中的一者或多者。保持件放置板可以不显著修正质子束。孔口板可以限定质子束的截面积。准直器板可以对准质子束。补偿器板可以影响质子束的布拉格峰距离。降能器板可以降低质子束的强度。

多个束修正部件可以并排一起堆叠在夹紧部件内。

一个或多个束修正部件可以包括环状屏蔽件。

该系统还可以包括补偿器，该补偿器与至少一个束修正部件成一体。

该系统可以还可以包括输出单元，该输出单元与一个或多个检测器单元通信，以输出束修正部件在夹紧部件和/或第二夹紧部件内的存在信息。

一个或多个束修正部件可以包括手柄部，该手柄部有助于质子治疗系统的操作者抓握束修正部件。

质子治疗系统可以包括鼻状件，并且一个或多个束修正单元能够在夹紧部件中互换，而无需从质子治疗系统移除鼻状件。

本发明总构思的示例性实施例还能够通过提供控制从质子治疗系统的喷嘴发射的质子束的特性的方法来实现，该方法包括：将夹紧部件安装到质子治疗系统的喷嘴上，该夹紧部件具有设置在其中的一个或多个接纳部；以及将一个或多个束修正部件可互换地滑入到相应的接纳部中，一个或多个束修正部件被选为限定从喷嘴发射的质子束的特性，其中，束修正部件构造为具有第一尺寸的第一组板，并且接纳部包括在夹紧部件的相对表面上彼此间隔开以接纳每个第一板的相对端的多个槽，并且至少一个束修正部件包括第二夹紧部件，该第二夹紧部件在其中具有比第一夹紧部件的接纳部小的至少一个接纳部，以分别接纳一个或多个其他束修正部件。

该方法还可以包括检测至少一个束修正部件在夹紧部件内的存在，以及将至少一个束修正单元的存在信息输出到质子治疗系统的输出单元。

本发明总构思的其他特征和实施例将在下面的说明书中部分地阐述，并且部分地将从说明书中变得显而易见，或者可通过实践本发明总构思而获知。

附图说明

下面的示例性实施例表示被设计成用以实施本发明总构思的目的的示例性技术和结构，但是本发明总构思不限于这些示例性实施例。在附图和图示中，为清晰起见，线、实体和区域的尺寸和相对尺寸、形状、数量和质量可能被夸大。参考附图，通过阅读示例性实施例的以下详细描述，将会更容易理解和领会各种各样的其他实施例，在附图中：

图1是将孔口板装载到夹具中的前视图；

图2是与带孔口板的夹具配合的束投射器的等距视图，详细了夹具的板保持件；

图3A是带大场域投射的自适应孔口夹具的一个实施例的分解等距视图；

图3B是带大场域投射的自适应孔口夹具的一个实施例的等距视图；

图4A是带小场域投射的组装后的自适应孔口夹具的一个实施例的分解等距视图；以及

图4B是带小场域投射的组装后的自适应孔口夹具的一个实施例的等距视图。

具体实施方式

现在参考本发明总构思的以下示例性实施例，附图图示出了这些实施例的例子。为了通过参考附图来解释本发明的总构思，本文描述了示例性实施例。

本发明总构思的示例性实施例使质子束操作者能够快速改变质子束形状和尺寸，例如通过将多个可互换束修正部件或板选择性地滑入到夹具机构中来实现准直、束定形、降能等目的，而无需耗时地更换鼻状件。患者可以在较大体积的目标位置接收大剂量的辐射，并且可以在较小体积的目标位置接收更精准剂量的辐射，尤其是来自具有目标位置的位于质子束附近的关键解剖结构的方向的治疗，这能够提高治疗的疗效和速度。值得注意的是，术语‘板’可在本文中用于指代各种组件，但是应当理解的是，该组件不限于板形形状或者任何特定形状。可通过合理的工程判断来选择除了板形形状之外的各种其他形状，以配置各种组件。可以由质子疗法系统的操作者来选择性地安装束修正部件，或者基于特定的治疗计划可以由诸如机器人等自动化系统来选择和安装这些束修正部件。

图1是示出将示例性实施例的诸如孔口板120等束修正部件装载到本发明总构思的夹具机构或夹紧部件110中的前视图。孔口板120限定了孔口121，诸如质子束等带电粒子束被传输穿过该孔口121，孔口带有屏蔽部122，屏蔽部122衰减和/或反射未被引导穿过孔口121的一部分粒子束。孔口板120能够可滑动地插入到夹具110的相应接纳部中。在图示的示例性实施例中，夹紧部件110为大致C型，在夹具的相对表面上布置有槽，以便从一侧将一个或多个束修正部件接纳在槽中。诸如孔口板120等束修正部件在一些实施例中定形为将被接纳在对应槽中的板的形式。在一些实施例中，夹紧部件110包括锁定部件111，锁定部件111将孔口板120相对于喷嘴孔口201紧固到夹紧部件110上。锁定部件可以采用这样的形状：其具有延伸到夹紧部件110的接纳槽中的突出部件111a，以经由接纳突出部件111a的配合接纳部111b(例如，切口)来紧固和定位束修正部件。突出部件可以是弹簧加载的和/或杠杆驱动的，使得当束修正部件安装到夹紧部件中时，突出部件延伸到接纳部中来将束修正部件120定位和/或驱动到位。在不脱离本发明总构思的宽泛的精神和范围的情况下，锁定部件可以采用各种构造，诸如杠杆致动的滑锁、弹簧加载的制动器等等。本领域技术人员将理解的是，虽然图1的实施例图示了大致C型的夹具机构设计，在不脱离本发明总构思的精神和范围的情况下，可以使用各种夹具设计和形状，诸如滑过式设计、类方形形状或其他形状设计。

图2是与夹具110和孔口板120配合的束投射器的等距视图，详细示出了夹具的示例性板保持件112。参考图2，夹紧部件110包括诸如板槽112a、112b、112c等板保持件112，孔口板120或其他板型件能够紧固到该板保持件中。在一些实施例中，图2所示的夹紧部件110附接到紧固于喷嘴孔口201上的质子输送喷嘴200上。锁定件111将一个或多个孔口板紧固在板槽112a-c内。紧固在板槽112a-c内的板能够影响束或者仅仅是占用板槽112而不影响束的保持件放置板。虽然图2的示例性实施例示出了三(3)个板槽，但是在不脱离本发明总构思的宽泛的精神和范围的情况下，也可以设置更多或更少的板槽。

如下文进一步详述的，各种形状的板可以包括但不限于调整束的截面积的孔口板、准直束中的粒子的束准直器板、影响束中粒子的主能量输送的布拉格峰效应距离的补偿器板、使其他板能够影响束的夹具板以及上述板的各种组合。特别地，本发明总构思的一些示例性实施例包括并入预准直器作为保持较小尺寸孔口板的装置的一部分、相对于质子输送喷嘴为患者提供充分的辐射屏蔽。

图3A和图3B示出了适于大场域投射的自适应孔口夹具100的示例性实施例。图示的实施例在其板槽112中使用两个孔口板120a、120b以及组合式孔口/补偿器板140a。孔口板120a、120b限定了截面积比质子输送喷嘴200的孔口210小的孔口121a、121b，这些孔口板调整投射的带电粒子束的场域尺寸。两个孔口板120a、120b被安置在靠近质子输送喷嘴200的夹具板槽112b、112c中，而补偿器板140a被放置在远侧的板槽112a中。在该布置中，补偿器板140a位于两个孔口板120a、120b的下游且影响束中带电粒子的布拉格峰距离。

图4A和图4B示出了适于小场域投射的自适应孔口夹具100的示例性实施例。图示的实施例在其板层叠件中以在该实例中从上游到下游布置的方式使用两个孔口板120b、120a、夹具板150a、两个准直器板130b、130a以及补偿器板140b。图示的实施例是通过增加夹具板150a替代补偿器板140a来在图3A和图3B的实施例的基础上构建的，从而使得其他板能够被添加到板层叠件上，以通过提供额外的板槽152来进一步限定和影响带电粒子束。夹具板150a具有截面积大致等于或大于上游孔口板120a、120b的孔口121a、121b(图3A)的孔口153a并且具有用于将板紧固到其夹具板板槽152a、152b、152c中的锁定件151a。在图4B中，预准直器板120a、120b设置有用于安装患者准直器130a、130b的机构以及充分保护患者所需的额外环状屏蔽件。

参考图3A和图4A，夹紧部件110可以包括用于检测较大场域尺寸中孔口板的存在的一个或多个检测单元1111(检测单元用于检测夹紧部件110内是否存在孔口板)，例如开关或检测器。当孔口板被安装在夹紧部件110中时，能够致动检测单元。检测单元可以是机械设备、电子设备、光学设备或其他类型的已知或以后开发的检测单元。

如图4A所示，检测单元1111可以安装在预准直器板120a、120b的夹紧部件1110中，以检测较小场域尺寸中孔口板130a、130b的存在。可替代地，预准直器板可以承载直接由患者准直器130a、130b触发的检测器机构。

检测器单元1111能够连接到输出单元1000，以输出束修正部件的存在和位置信息，从而监视患者孔口或其他束修正部件的存在。连接可以是有线连接或无线电气连接或光学连接，或者其他已知的或后来开发的连接方法。检测器单元能够用于确认孔口板或补偿器板在一个或多个夹紧部件内的存在。检测器单元阵列可用于读取孔口板和/或补偿器板上的二进制机器码。例如，可以实现对四位数字信息编码的四个开关或者对八位数字信息编码的八个开关，但是本发明总构思不限于这些。

用于集成功能的选择是将孔口与补偿器集成。补偿器材料是热塑性的，通常为丙烯酸塑料或聚乙烯。孔口坯件可以嵌件成型到补偿器坯件上。得到的复合坯件将具有以协同操作加工的孔口和补偿器部分，这样将少操纵一个设备。

孔口板通常非常重且难以操纵。操纵可通过添加操纵特征件来改善。附图示出了带有手柄123的孔口板，手柄123与孔口材料成一体，在制作坯件时或者在制作成品孔口时加工出手柄。手柄部能够利于质子疗法系统的操作者抓握孔口板，以使操作者能够快速地将板移除和/或安装到相应的夹紧部件中，从而根据特定治疗计划来改变质子束的特性。添加手柄的另一选择包括在加工孔口或带内螺纹孔的坯件期间添加额外的孔，以接纳用于保持可重用手柄的螺钉。手柄可以在使用期间附接，可以被移除和/或可以在另一孔口板上再使用，从而保持其成本相对较低。始终位于孔口周围的手柄可用作孔口载体，即另一可重用设备，该设备增加了限定可能不适于被加工孔口本身的定位特征件的能力。

虽然本文描述了实施例，但是本申请人无意将所附权利要求的范围限制或以任何方式限定到这些细节。其他修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，本发明总构思的更宽泛方面不限于所示和所述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性实例。因此，在不脱离申请人的总发明构思的精神或范围的情况下，可以对这些细节进行变更。

Claims (13)

1.一种控制质子治疗系统的质子束的特性的系统，所述系统包括：

一个或多个束修正部件，其限定所发射的质子束的特性；

第一夹紧部件，其构造为安装到所述质子治疗系统的输送喷嘴上，所述第一夹紧部件在其中具有构造为接纳所述一个或多个束修正部件的多个接纳部；以及

锁定部件，其具有设置在所述第一夹紧部件上的突出部和设置在所述一个或多个束修正部件上的配合接纳部，以将所述一个或多个束修正部件定位且紧固在所述第一夹紧部件内，

其中，所述束修正部件构造为具有第一尺寸的第一组板，并且所述接纳部包括在所述第一夹紧部件的相对表面上彼此间隔开以接纳每个板的相对端的多个槽，并且

至少一个束修正部件包括第二夹紧部件，所述第二夹紧部件在其中具有比所述第一夹紧部件的所述接纳部小且位于所述第一夹紧部件的所述接纳部下游的至少一个接纳部，以分别接纳具有比所述第一尺寸小的第二尺寸的一个或多个其他束修正部件。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一夹紧部件包括用于检测束修正部件在所述夹紧部件内的存在的一个或多个检测器单元。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二夹紧部件包括用于检测至少一个束修正部件在所述第二夹紧部件内的存在的一个或多个检测器单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个束修正部件和所述一个或多个其他束修正部件包括保持件放置板、孔口板、准直器板、补偿器板、降能器板或其组合中的一者或多者，并且所述孔口板构造为限定所述质子束的截面积，所述准直器板构造为对准所述质子束，所述补偿器板构造为影响所述质子束的布拉格峰距离，所述降能器板构造为降低所述质子束的强度。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，多个所述束修正部件构造为并排地一起堆叠在所述第一夹紧部件内。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括：

补偿器，其与至少一个所述束修正部件成一体。

7.根据权利要求2所述的系统，还包括：

输出单元，其与所述一个或多个检测器单元通信，以输出束修正部件在所述第二夹紧部件内的存在信息。

8.根据权利要求3所述的系统，还包括：

输出单元，其与所述一个或多个检测器单元通信，以输出束修正部件在所述第二夹紧部件内的存在信息。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个束修正部件包括手柄部，所述手柄部有助于所述质子治疗系统的操作者抓握所述束修正部件。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述质子治疗系统包括鼻状件，并且所述一个或多个束修正部件构造为在所述第一夹紧部件中互换，而无需从所述质子治疗系统移除所述鼻状件。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接纳部包括切口，所述切口构造为接纳相应的突出部，使得所述突出部延伸到配合接纳部中，以在所述束修正部件安装在所述夹紧部件中时定位且紧固所述一个或多个束修正部件。

12.一种控制质子治疗系统的质子束的特性的方法，包括：

将第一夹紧部件安装到质子治疗系统的喷嘴上，所述第一夹紧部件具有设置在其中的多个接纳部；以及

将一个或多个束修正部件可互换地滑入到相应的接纳部中，所述一个或多个束修正部件被选为限定从所述喷嘴发射的质子束的特性，

其中，所述束修正部件构造为具有第一尺寸的第一组板，并且所述接纳部包括在所述第一夹紧部件的相对表面上彼此间隔开以接纳每个第一板的相对端的多个槽，并且

至少一个所述板包括第二夹紧部件，所述第二夹紧部件在其中具有比所述第一夹紧部件的所述接纳部小且位于所述第一夹紧部件的所述接纳部下游的至少一个接纳部，以分别接纳具有比所述第一尺寸小的第二尺寸的一个或多个其他束修正部件。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

检测至少一个束修正部件在所述夹紧部件内的存在；以及

将所述至少一个束修正单元的存在信息输出到所述质子治疗系统的输出单元。

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