重离子束对肿瘤靶区的三维适形照射装置

摘要

本发明涉及一种重离子束对肿瘤靶区实施三维适形照射治疗的装置，它含有扫描磁铁系统、束流监测系统、迷你型脊形过滤器、射程移位器、多叶准直器和患者体表补偿器，分别依序置于患者体表前，上述器件的中心与肿瘤靶区的中心处于束流轴线上。本发明克服了目前基于被动型束流配送系统重离子束二维适形照射治疗方法中适形程度不高、散射体降低束流品质等缺点，在不需要使用现有二维适形照射方法中的散射体条件下，通过三维适形照射提高了重离子束对肿瘤靶区治疗的适形程度，在不降低利用重离子束高剂量Bragg峰区高效杀灭靶区肿瘤细胞的前提下，可最大限度地保护肿瘤靶区周围的健康组织，减小正常组织并发症几率，从而提高重离子束的治疗疗效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种重离子束在生物医学领域辐照应用的装置，尤其是一种重离子束对肿瘤靶区实施三维适形照射治疗的装置。

背景技术

重离子束被誉为面向二十一世纪最理想的放射治疗用射线。利用本装置可实现重离子束对肿瘤靶区的三维适形照射。三维适形照射技术可充分地发挥重离子束用于治癌的优势，最大限度地杀灭靶区肿瘤细胞，同时最大程度地保护肿瘤靶区周围的健康组织免受损伤，减小正常组织并发症几率，提高重离子束治疗的适形程度，从而提高重离子束放射治疗的疗效。

重离子束以其倒转的深度剂量分布和高的相对生物学效应(RBE)的两大特点，使重离子束治癌成为当今国际上最先进，最有效的放射治疗方法。目前，只有美国、日本和德国三个发达国家相继实现了肿瘤患者的重离子束临床治疗试验，临床治疗结果显示重离子束治疗具有非常显著的疗效。美国和日本的重离子束治疗设备采用了被动型的束流配送系统，即通过摆动磁铁与散射体配合横向扩展治癌束流形成大的照射场，横向上通过多叶准直器截取该照射场，获得照射野的形状与肿瘤在束流方向上的最大投影形状一致，纵向上通过脊形过滤器展宽重离子束的Bragg峰，使得展宽后Bragg峰的宽度与肿瘤靶区在束流方向上的厚度一致，展宽Bragg峰高剂量区的后沿形状由置于患者体表的组织补偿器来调整，这样可避免高剂量区对肿瘤靶区后方紧要器官的照射，这样可实现重离子束对肿瘤靶区的两维适形照射。德国采用了主动型的束流配送系统，实现适形照射治疗的方法完全与被动型束流配送系统下的方法不同。在我国，中国科学院近代物理研究所基于兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的中能重离子束，开展了重离子束治癌技术的基础研究，进行了放射物理、放射生物学实验以及一些治癌技术的初步预研，为重离子束临床治疗积累了一些必要的基础数据，做了初步的技术准备，并在HIRFL上建成了配备有被动型束流配送系统的浅层肿瘤重离子束治疗装置。但从上述美国和日本的重离子束治疗设备采用了被动型的束流配送系统，可以看到，被动型束流配送系统下的重离子束治疗仅能实现两维适形照射，利用摆动磁铁横向扩展束流时还需使用散射体，降低了束流的品质，因而治疗的适形程度还不高，肿瘤靶区前方尚有大量的健康组织处于展宽Bragg峰的高剂量区域内，会对健康组织会带来较为严重的损伤，成为治疗后正常组织并发症几率较高的根源。

发明内容

为充分发挥重离子束用于放射治疗的优势，本发明的目的旨在克服目前二维适形照射治疗中适形程度不高、散射体降低束流品质等缺点，我们基于被动型束流配送系统提供一种重离子束对肿瘤靶区实施三维适形照射治疗的装置，使得重离子束高剂量的Bragg峰区完全落在肿瘤靶区之上，而受到高剂量区照射的健康组织的比例大大减小。其结果是提高了具有诸多优势重离子束治疗的适形程度和束流品质，最大限度地杀灭靶区肿瘤细胞，同时最大程度地保护肿瘤靶区周围的健康组织，减小正常组织并发症几率，提高重离子束治疗的疗效，为在我国发展重离子束治癌这项最先进、最有效得放射治疗技术奠定坚实的基础。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种重离子束对肿瘤靶区实施三维适形照射治疗的装置，包括扫描磁铁系统、束流监测系统、迷你型脊形过滤器、射程移位器、多叶准直器和患者体表补偿器，分别依序置于患者体表前，上述器件的中心与肿瘤靶区的中心处于束流轴线上，扫描磁铁系统由x和y方向两组相互垂直的二级磁铁组成，束流监测系统由电离室和位置灵敏探测器构成。扫描磁铁系统x方向扫描频率为50～150Hz，y方向扫描频率为15～50Hz，y方向扫描磁铁到患者的距离3～10m；位置灵敏探测器至少具有1mm的位置分辩率，电离室监测离子束强度为10⁶～10⁸pps；迷你型脊形过滤器是形状为山脊的有机玻璃PMMA、或聚苯乙烯、或铝的降能材料，降能材料脊峰间的距离≤1.5mm，离子束经过迷你型脊形过滤器后的展宽Bragg峰呈高斯型分布，展宽峰的半高宽为2～3mm，并且迷你型脊形过滤器置于束流轴线距肿瘤靶区中心为65～100cm处。

基于被动型束流配送系统，本发明实现重离子束治疗三维适形照射的原理如图1所示，即利用扫描磁铁横向扩展束流获得宽大的重离子束照射场，对肿瘤靶区沿束流方向分成不同的断层，利用迷你型脊形过滤器将束流Bragg峰展宽成与肿瘤断层厚度相适应的宽度，逐一对断层进行照射治疗。对某个断层的治疗时，利用多叶准直器截取照射场获得与该肿瘤断层在束流方向投影形状一致的照射野，同时通过射程移位器调节束流能量，使得展宽的Bragg峰落在该断层之上。

具体而言，治癌束流在进入扫描磁铁系统前被调节为横向直径相对较小的束斑，束斑横截面内束流强度呈高斯或近高斯型分布。束流输出后通过x和y方向两组相互垂直的二级磁铁在横向上对束流扫描获得宽大的重离子束照射场，使束流在横向上能均匀地照射整个肿瘤靶区。均匀照射场由锯齿光栅扫描方式实现，即x方向上的二级磁铁以频率较高的锯齿波磁场强度变化引导束流以较快的速度周期偏移，同时y方向上的二级磁铁以频率较低的锯齿波磁场强度变化引导束流以较慢的速度周期偏移，最终形成宽大的均匀照射场，图2是以锯齿光栅扫描方式得到均匀照射场的原理图。图中所示相互垂直的两组二级磁铁对束流进行扫描可形成满足治疗要求横向均匀的照射野。二级磁铁的锯齿波磁场强度的变化由对其输入锯齿波变化的电流来实现。在被动型束流配送系统下，得到横向上均匀的照射场是实现重离子束对肿瘤横向上适形照射的前提条件。

与二维适形照射方法中使用脊形过滤器将束流Bragg峰展宽为与肿瘤靶区在束流方向上厚度一致的做法不同的是，本发明在三维适形照射技术中，利用迷你型脊形过滤器仅将束流的Bragg峰做微小展宽，使展宽的Bragg峰呈高斯型分布，展宽峰的半高宽为2～3mm，与划分好的肿瘤断层厚度相一致。迷你型脊形过滤器由形状为山脊的降能材料(通常为有机玻璃PMMA、聚苯乙烯等组织等效材料或铝)组成，并且山脊状降能材料周期分布。贯穿山脊状降能材料不同部分的束流则有不同程度的能量降低，因而混合能量束流内各能量成分的比例由山脊的形状来确定，这样展宽Bragg峰的形状由山脊的形状来决定。图3是一个迷你型脊形过滤器的部分横截面示意图，该迷你型脊形过滤器是由铝材料制成，该铝材料厚度在离子束照射下的水等效长度系数为2.08，一个周期内山脊的形状由下面的函数来描述：

y＝0.16268+0.17224x+6.83184x²+129.20854x³-1413.52359x⁴+5520.70736x⁵-9669.93909x⁶+6402.03492x⁷-----------------x∈[0mm，0.5mm]

y＝975.65678-9145.53211x+36514.11121x²-80354.79601x³+105212.37231x⁴-81943.98216x⁵+35144.38156x⁶-6402.04891x⁷------x ∈[0.5mm，1.0mm]

它可将90MeV/u碳离子束的Bragg峰展宽成半高宽为2mm的高斯型分布，图4是迷你型脊形过滤器对90MeV/u碳离子束Bragg峰展宽效果的展示图，其中图中1是90MeV/u单能碳离子束的Bragg曲线，图中2是利用迷你型脊形过滤器展宽Bragg峰后的深度剂量分布。为保证束流在贯穿迷你型脊形过滤器中的多重散射效应使照射场在横向上达到剂量分布的均匀，要求周期分布的山脊状降能材料脊峰间的距离要小，并且迷你型脊形过滤器与治疗装置等中心的距离要较远。在治癌束流的能量范围内(碳离子束能量80～400MeV/u)，这一距离为65～100cm。

在对某一肿瘤断层照射治疗时，利用多叶准直器使得照射野的形状与肿瘤靶区需照射断层在束流方向上的投影形状一致，且调节射程移位器使得上述展宽的Bragg峰照射在该肿瘤靶区断层上。最后，根据患者体内肿瘤靶区在束流方向上后沿形状利用组织等效材料设计患者体表补偿器，使得展宽Bragg峰高剂量区的后沿形状与肿瘤靶区在束流方向上后沿形状一致。以这种方式实现重离子束对肿瘤靶区的三维适形照射治疗。

本发明的优点和产生的有益效果是：

三维适形照射提高了重离子束对肿瘤靶区治疗的适形程度，在不降低利用重离子束高剂量Bragg峰区高效杀灭靶区肿瘤细胞的前提下，可最大限度地保护肿瘤靶区周围的健康组织，减小正常组织并发症几率，从而提高重离子束的治疗疗效。另外，在本发明中采用锯齿光栅扫描的方法对束流进行横向扩展获得宽大的照射场，不需要使用现有二维实行照射方法中的散射体，束流品质得到了提高；肿瘤靶区分多层精细适形照射，照射治疗的适形程度更高，肿瘤靶区前方正常组织受到的损伤小，有利于减小正常组织并发症，提高重离子束治疗的疗效。

以一个具体的例子来说明发明的效果。假设患者体内有一个直径为4cm的球形肿瘤靶区，若采用现有的二维适形照射方法进行治疗，在肿瘤靶区前方将会有体积约为30.5cm³的健康组织位于100％处方剂量之内，几乎与肿瘤靶区本身的体积33.5cm³相当，这时的适形程度为52.3％。若采用本发明三维适形照射方法进行治疗，在肿瘤靶区前方将仅有不超过3cm³的健康组织处于100％处方剂量之内，这时的适形程度为91.8％。就放射治疗肿瘤而言，放射治疗时减小健康组织所受到的辐射剂量对最大限度地保护正常组织具有重要意义。本发明三维适形照射方法提高了重离子束治疗的适形程度，在不降低利用重离子束高剂量Bragg峰区高效杀灭靶区肿瘤细胞的前提下，可最大限度地保护正常组织。另外，在本发明中采用锯齿光栅扫描的方法对束流进行横向扩展获得宽大的照射场，不需要使用现有二维实行照射方法中的散射体，因而消除了因使用散射体而降低治癌束流品质这一不利因素。

附图说明

图1为本发明重离子束治疗三维适形照射方法原理图，其中1：扫描磁铁，2：束流及剂量监测系统，3：迷你型脊形过滤器，4：射程移位器，5：多叶准直器，6：患者体表补偿器，7：患者体表，8：肿瘤靶区。

图2为本发明锯齿光栅扫描的原理图，

图3为本发明迷你型脊形过滤器的部分横截面示意图

图4为本发明迷你型脊形过滤器对碳离子束Bragg峰展宽效果图

图5是由锯齿光栅扫描横向扩展束流经准直后获得的直径为5cm的圆形碳离子束均匀照射野

图6是本发明迷你型脊形过滤器对80.55MeV/u碳离子束Bragg峰展宽的理论设计(实线)和实验测量(空心圆符号)。

图7为本发明对肿瘤靶区实施三维适形照射治疗的模拟实验图(左侧)及肿瘤靶区不同断层上剂量分布的测量结果(右侧)。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明再作进一步的说明：

实施例1

本发明以辐照后经化学蚀刻的固体核径迹探测器CR39薄片为例来说明重离子束对由CR39薄片组成的靶区的三维适形照射。

利用中国科学院近代物理研究所兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的80.55MeV/u碳离子束，我们在装有被动型束流配送系统的HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端对本发明中的扫描磁铁系统形成的均匀照射野及迷你型脊形过滤器对束流Bragg的展宽进行了测试。

如图1所示，重离子束对肿瘤靶区实施三维适形照射治疗的装置，含有扫描磁铁系统1、束流监测系统2、迷你型脊形过滤器3、射程移位器4、多叶准直器5和患者体表补偿器6，分别依序置于患者体表7前，上述器件的中心与肿瘤靶区8的中心处于束流轴线上。扫描磁铁系1由x和y方向两组相互垂直的二级磁铁组成。束流监测系统2由电离室和位置灵敏探测器构成。

将固体核径迹探测器CR39薄片放置在靶区8的中心处，由扫描磁铁系统以锯齿光栅扫描方式横向扩展束流时，扫描磁铁系统1x方向扫描频率为75Hz，y方向扫描频率为45Hz，y方向扫描磁铁到CR39薄片的距离为3m；位置灵敏探测器具有1mm位置分辩率，离子束强度为10⁷pps；迷你型脊形过滤器3为铝材料，脊峰间的距离为1.0mm，束流经该迷你型脊形过滤器3后的Bragg峰呈高斯型分布，展宽峰的半高宽为2mm，与靶区中心的距离为65cm。

在上述条件下，经位置灵敏探测器多丝正比室测量获得了均匀性为93％的碳离子束照射场，满足肿瘤临床治疗的需要。图5为锯齿光栅扫描横向扩展束流经准直后获得的直径为5cm的圆形碳离子束均匀照射野，显示照射野的材料为固体核径迹探测器CR39薄片。

经过迷你型脊形过滤器后实验测量所得碳离子束展宽Bragg峰具有高斯型分布的特点，图6为迷你型脊形过滤器对80.55MeV/u碳离子束Bragg峰展宽的理论设计(实线)和实验测量(空心圆符号)曲线图。从图6可以看出，展宽峰的半高宽为1.94mm(实验测量(空心圆符号))与该迷你型脊形过滤器理论设计(实线)展宽Bragg峰具有2.0mm半高宽的高斯型分布符合得很好。通过该实验证实了迷你型脊形过滤器将80.55MeV/u碳离子束的Bragg尖锐峰被适当展宽成为了高斯型分布，满足三维适形照射的需要。

实施例2

利用实施例1所述的重离子束对肿瘤靶区实施三维适形照射治疗的装置，本发明再以组织等效材料CR39薄片(厚度0.66mm，水等效长度系数1.061)堆成的体模为例，来说明碳离子束对由CR39薄片组成的靶区的三维适形照射。

集成本发明中的所有器件对由组织等效材料CR39薄片堆成的体模进行了三维适形照射，肿瘤断层为其中的七个片层，如图7中左侧图所示，沿束流贯穿方向肿瘤断层依次为直径是10mm，20mm，30mm，40mm，30mm，20mm和10mm的圆形。在照射中，扫描磁铁系统1x方向扫描频率为75Hz，y方向扫描频率为45Hz，y方向扫描磁铁到CR39薄片堆中心的距离为3m；位置灵敏探测器具有1mm位置分辩率，离子束强度为10⁷pps；迷你型脊形过滤器3为铝材料，脊峰间的距离为1.0mm，束流经该迷你型脊形过滤器3后的Bragg峰呈高斯型分布，展宽峰的半高宽为2mm，与靶区中心的距离为65cm。利用迷你型脊形过滤器展宽束流的Bragg峰，通过调节射程移位器使束流的展宽Bragg峰落在相应肿瘤断层上，并且调节多叶准直器使照射野的形状与肿瘤相应断层的形状一致。照射后，对所有CR39薄片进行了化学蚀刻，肿瘤靶区的离子径迹和剂量分布得以显现，如图7右侧图所示。每一个CR39薄片反映每一个肿瘤靶区断层，经在显微镜下测量，每一个CR39薄片上反映出的剂量分布均匀性都好于93％，剂量分布区域的大小与肿瘤断层的直径一致。通过该实验，可以看到我们利用本发明三维适形照射方法对模拟的肿瘤靶区实施了很好的适形照射，证明了本发明的技术方案是可行的。