具有布拉格峰特性的带电粒子的三维照射技术及其装置

摘要

本发明提供了一种剂量分布更好的，利用带电粒子的布拉格峰对靶区进行三维照射的技术及其装置。将带电粒子的布拉格峰区域选定为照射单元，使照射单元绕一定的回转轴旋转，形成旋转照射元。通过治疗计划系统，用旋转照射元去拟合靶区形状。本发明的装置包括加速器，束流传输线，对束斑进行放大缩小的磁铁系统，束流开关装置，治疗头，具有五个自由度的治疗床，治疗计划系统和电气控制系统。其中治疗头包括消色散的磁铁系统、束流能量调节系统、准直器系统和剂量监测系统等，治疗头可以绕平行于地面的中心轴摆动，并且可以停留在任一角度。

说明书

本发明涉及放射治疗领域，尤其是涉及具有布拉格峰特性的带电粒子的三维照射技术及其装置。

具有布拉格峰特性的带电粒子包括质子、轻离子、重离子和π介子等。所谓的布拉格峰是指，带电粒子进入人体后，其能量在人体组织表面损失缓慢，而集中损失在其轨迹终点附近，在人体内形成一个高电离吸收峰。具有布拉格峰特性的带电粒子治疗较常规的放疗，如电子线、X射线等具有较高的精确性，可以对健康的敏感组织附近的病灶进行治疗。在具有布拉格峰特性的带电粒子当中，目前国际上开展较为广泛的是质子治疗。质子治疗主要是利用其布拉格峰进行三维适形治疗。所谓质子的三维适形治疗是指，使束流的横截面的形状与病灶的形状相适合，同时对质子的布拉格峰进行调制，使布拉格峰在纵向的区域的形状也与病灶的形状相适合。Hans B1attmann在1992年出版的《Advanced Techniques for Radiotherapy》一书的文章《Therapy withMedium Energy Protons》中，总结了现有的质子三维适形技术，主要有两种：被动的散射式和主动的扫描式。散射式是，经加速器引出的束流在其横向垂直平面内通过散射体扩展成一均匀分布的束流，再经准直器准直；在纵向通过调节加速器能量或增加吸收体对布拉格峰进行展宽，从而达到对靶区的三维适形治疗。扫描式是，在横向垂直平面内，通过两个互相垂直的二极铁磁场，使束流对靶区进行扫描；在纵向，通过调节束流能量，改变布拉格峰的深度，这样一层一层照射，实际上也相当于对布拉格峰进行展宽，从而达到对靶区的三维适形治疗。如图1所示，横坐标表示质子在人体内的深度，纵坐标表示质子在人体组织内的相对剂量；单个的布拉格峰非常尖锐，将多个不同深度的布拉格峰进行叠加，则可以得到展宽的布拉格峰。虽然单个布拉格峰的剂量分布较好，但经过对布拉格峰的纵向展宽后，照射路径中的正常组织受到的剂量要多次叠加，其所受剂量也大大提高。因此，在使用这两种质子三维适形技术时，为避免对正常组织造成过大的剂量，不得不采用分次治疗。如图2所示，目前世界上较先进的质子治疗装置基本上都采用转台的方案。转台1围绕人体360°旋转，治疗床2水平360°旋转，两者组合就可以在4π空间从任何角度入射病灶。一般在治疗中采用3～4个入口进行照射。利用转台技术，虽然可以对靶区进行多入口的照射，但是在每个入口的照射中，仍需要对靶区进行较长时间的照射。由于转台中所需的器件较多，转台往往造得很大、很重，而且造价很高。

本发明的目的是提供一种剂量分布更好的，利用带电粒子的布拉格峰对靶区进行三维照射的技术；本发明的另一个目的是提供一种实现该三维照射技术的装置，该装置和现有的转台方案相比结构更简单。

为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：将带电粒子的有效的布拉格峰区域选定为照射单元，使照射单元绕一定的回转轴旋转，从而形成一个旋转照射元。通过治疗计划系统，用旋转照射元去拟合靶区形状，从而实现对靶区的三维照射。

本发明的装置包括能够产生具有布拉格峰特性的带电粒子的加速器，束流传输线，对束斑进行放大缩小的磁铁系统，束流开关装置，治疗头，治疗床，治疗计划系统和电气控制系统。其中治疗头包括消色散的磁铁系统、束流能量调节系统、调节光斑形状的准直器系统和剂量监测系统等，治疗头可以绕平行于地面的中心轴摆动，并且可以停留在任一角度。治疗床包括底座、床轴和床体。其中，底座包括X方向的导向机构，可以沿X方向运动；床轴包括Z向升降机构和转动机构，可以沿Z向升降，并且绕Z轴旋转；床体包括X和Y方向的导向机构，可以沿X和Y方向运动，床体平面与地面平行。

本发明的技术的优点是，由于利用带电粒子的布拉格峰对靶区进行旋转照射，改善了在靶区和正常组织的剂量分布，在理想的情况下，可大剂量，一次性地杀死病灶组织。由于本发明的装置中不需要适形技术所需的膜片系统或扫描磁铁系统，而且需要旋转的器件减少，因而治疗头的体积减小，结构简单，重量轻，成本降低。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是对布拉格峰进行纵向展宽的示意图；

图2是现有的质子治疗装置的示意图；

图3是本发明的三维照射技术的照射单元的一个实施例的示意图；

图4是图3所示的照射单元所形成的一种旋转照射元的示意图；

图5是图3所示的照射单元所形成的另一种旋转照射元的示意图；

图6是本发明的三维照射技术的照射单元的另一个实施例的示意图；

图7是图6所示的照射单元所形成的一种旋转照射元的示意图；

图8是图6所示的照射单元所形成的另一种旋转照射元的示意图；

图9a、图9b～图13a、图13b是五种不同形状的旋转照射元及其相应的照射单元的立体示意图；

图14是本发明的三维照射技术的对正常组织的照射路径的示意图；

图15是本发明的三维照射装置的一个实施例的示意图；

图16是图15所示的三维照射装置的剖面示意图。

参照图3、图4、图5可知，在本实施例中，束流为质子束，照射单元3是一个横截面为A₁B₁C₁D₁，其中A₁B₁＝x₁，B₁C₁＝y₁，厚度为z₁的立方体。x₁y₁一般取30×30mm²～3×3mm²。

照射单元3可以是不经展宽的布拉格峰区域，在这种情况下，只有单个的布拉格峰，则z₁一般取2.5mm。照射单元3也可以是根据需要进行展宽的布拉格峰区域。因为调节一次布拉格峰深度所需的时间大约是40毫秒，则进行4倍展宽，即完成4次调节所需的时间是160毫秒；当束流的旋转速度较慢，如1周/分钟，则束流在160毫秒内转过的度数约为1°，在这种情况下，可以认为是展宽的布拉格峰区域在绕回转轴旋转。以展宽的布拉格峰区域为照射单元3，则其厚度z₁大于2.5mm。回转轴O₁与治疗床平面平行，并且与A₁D₁重合，使束流绕O₁旋转，则可以得到一个横截面积为x₁²π，厚度为y₁的圆柱体照射元4。如果将O₁沿治疗床平面平移至O₁′，使O₁′距A₁D₁距离为R₁，距B₁C₁距离为(R₁+x₁)，使束流绕O₁′旋转，则可以得到一个横截面积为π(x₁²+2x₁R₁)，厚度为y₁的环状照射元。

参照图6、图7、图8可知，在本实施例中，束流是与治疗床平面成θ角的质子束，照射单元3′是一个横截面为A₂B₂C₂D₂，其中A₂B₂＝x₂，A₂D₂＝y₂，厚度为z₂的立方体，且z₂＝x₂tgθ。x₂y₂一般取30×30mm²～3×3mm²。照射单元3′可以是不经展宽的布拉格峰区域，则z₂一般取2.5mm；也可以是经过展宽的布拉格峰区域，则z₂大于2.5mm。回转轴O₂与治疗床平面垂直，并且过D₂C₂′，使治疗床绕O₂旋转，则可以得到一个横截面积为y₂²π，厚度为z₂sinθ的近似的圆柱体照射元4′。如果将O₂平移至O₂′，使O₂′距边D₂C₂′的距离为R₂，距另一个边A₂B₂′的距离为(R₂+y₂)，使治疗床绕O₂′旋转，则可以得到一个横截面积为π(y₂²+2y₂R₂)，厚度为z₂sinθ的环状照射元。

通过控制照射单元转过的度数；采用不同形状的照射单元进行旋转；在旋转过程中改变照射单元的形状；或通过将回转轴选在与照射单元不同的相对位置等手段可以得到各种不同形状的旋转照射元。如图9a、图9b～图13a、图13b所示是五种不同形状的旋转照射元及其相应的照射单元，其中，前两种情况中，照射单元是立方体，后三种情况中，照射单元是圆柱体。我们可以用这些基本的旋转照射元去拟合各种复杂形状的靶区。还可以在某个旋转角度关掉束流，以保护敏感器官。

如图14所示，带电粒子束进入人体，在体表形成照射路径6，在靶区5形成所需的旋转照射元。通过采用本发明的技术，使束流对正常组织的单方向，长时间的照射变成方向不断改变的瞬时的照射，从而大大改善了束流在人体内的剂量分布。

本发明的三维照射技术可以用现有技术的转台方案来实现。但本发明还要提供一种和现有的转台方案相比结构更简单、重量更轻、成本更低的三维照射装置。

参照图15、图16可知，在本实施例中，质子束由质子同步加速器引出，能量在250MeV～70MeV可调。质子束引出后经束流传输线7、束斑放大缩小磁铁系统8调节束斑大小，并设有束流开关装置9以保证治疗时的安全，然后进入治疗头10，进入治疗头10的束流的中心轴与地面平行。治疗头10包括由两个45°偏转磁铁12以及一个四极铁13组成的消色散节，束流能量调节系统14，调节光斑形状的准直器系统16和剂量监测系统15等。治疗头10采用双支撑机构17支撑，这样可以减少挠度。使从治疗头10引出的束流的中心轴与进入治疗头10的束流的中心轴垂直，并相交于O点。治疗头10可绕O点做不超过±45°的单摆运动，并且可以停留在任一角度。由于治疗头10内部的器件比现有技术中的转台大大减少，对治疗头10的摆动的控制比对转台的控制要简单，所需配重减少，从而减小了体积，简化了结构，减轻了重量，降低了成本。

治疗头10中也可以装备散射式三维适形照射所需的膜片系统或装备扫描式三维适形照射所需的扫描磁铁系统，以兼顾对病灶的适形照射。

治疗床11包括底座18、床轴和床体21。其中，底座包括X方向的导向机构，可以沿X方向运动；床轴包括Z向升降机构20和转动机构19，可以沿Z向升降，并且绕Z轴旋转；床体21包括X和Y方向的导向机构，可以沿X和Y方向运动，床体平面与地面平行。治疗床11还可以增加一个或两个自由度，即绕X向轴或Y向轴的旋转，以有利于照射时进行调节。

在治疗时，先根据靶区的形状将靶区分解为一个一个的照射元，做出治疗计划。然后根据治疗计划，在电气系统的控制下，使治疗头10摆动并停留在某个角度，调节治疗床11使带电粒子的布拉格峰落在靶区5。使治疗床绕Z轴旋转，转速较慢，如慢于1周/分钟，这样，相当于照射单元绕Z轴旋转，从而形成旋转照射元。在某个旋转角度可以通过束流开关装置关掉束流，以保护敏感器官。根据需要，使治疗头10摆动并停留在另一个角度，调节底座18的X向导向机构和升降机构20使治疗床11跟随运动，使靶区5始终保持在以O点为圆心的同一摆动圆周上。使治疗床11绕Z轴旋转，从而形成另一个旋转照射元。这样，就可以实现对整个靶区的三维照射。