用于在辐射传输设备中稳定能量源的方法和装置

摘要

一种辐射传输设备和稳定微波能量源的方法。该设备包括微波能量源以及耦合到该能量源的微波利用设备。非相互传送设备将源耦合到利用设备，该传送设备接收来自所述设备的能量的未利用部分。传送设备调整未利用能量并将调整后的能量返回到源。传送设备包括第一部件，该第一部件操作以调节能量的第一属性，其中使得该调节不影响能量的任何其他属性。返回的调整后的能量起修改源的频率的作用，以使得系统中的未利用能量最小化，从而稳定由源输出的能量的频率。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2006年8月15日提交的临时专利申请No.60/837,901的优先权，此临时专利申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及辐射传输设备，诸如放疗治疗系统。更具体地，本发明涉及用于稳定微波能量源的操作频率的方法和装置以最优化来自系统内粒子加速器的输出，该微波能量源诸如磁控管振荡器。

背景技术

用于放疗的医疗仪器利用高能辐射来治疗肿瘤性组织。必须精确控制剂量和剂量的部位以确保肿瘤接收充分辐射以被破坏且最小化对于周围和邻近的非肿瘤性组织的损伤。调强放疗(IMRT)利用多条辐射线来治疗患者，其中能够独立地控制每条辐射线的强度和/或能量。在患者周围将射线取向来自不同的角度，并组合以提供期望的剂量图案。在外部源放疗中，利用患者外部的辐射源来治疗内部的肿瘤。通常使外部源准直以将束仅仅对准肿瘤性部位。典型地，辐射源由来自高度准直的放射性同位素的高能量X射线、电子或伽马射线组成。执行这类放疗的辐射源能够包括已知为磁控管的设备，该磁控管提供微波功率到线性加速器(“LINAC”)。

发明内容

为了使用磁控管驱动的线性加速器利用IMRT有效地治疗患者，要求从LINAC输出的剂量是稳定的。磁控管提供紧凑功率源，该紧凑功率源适于与尺寸合适的旋转放疗传输(delivery)系统一起使用，该尺寸合适的旋转放疗传输系统诸如下面将要详细描述的系统。然而，线性加速器通常需要比利用磁控管能够容易获得的针对恒定输出的更大频率稳定性。磁控管的机械振动能够导致足够频率变化，从而产生比连续传输IMRT系统中所期望的更大的输出变化。因此，本发明提供用于稳定磁控管频率以获得期望的恒定输出的装置。实际上，本发明的目的是采用具有广泛特征的诸如磁控管的源设备，并由于将该设备耦合到高度谐振的负载(例如LINAC)导致将该设备限制为在较窄的带宽内操作。为了防止系统中的不稳定性，磁控管的输出频率应该与LINAC的操作频率匹配。

在一个实施例中，本发明提供了一种辐射传输设备。该设备包括：微波能量源，诸如磁控管；以及耦合到该能量源的微波利用设备。非相互(non-reciprocal)传送装置将该源耦合到利用设备，以及接收来自该利用设备的能量的未利用部分。传送设备调整(condition)至少一部分未利用能量，并将调整后的能量返回到能量源。传送设备包括第一部件，该第一部件操作以调节能量的第一属性，其中使得该调节不影响能量的任何其他属性。返回的调整后的能量起修改能量源的频率的作用，以使得在辐射传输设备中的未利用能量最小化。

在这种情况下，利用设备，在所示实施例中为粒子加速器，具有比能量发生源中固有的操作带宽窄的操作带宽。该差异由下述所导致：需要磁控管收集来自它的高电流电子束的热扩散所占据的大部分相位空间的电子，以实现束能量到射频(RF)振荡的高效转换。加速器的窄带宽是下述目标的结果：获得最大化的内部电场，以对于给定的功率输入产生最短实际长度中的最高辐射能量。根据本发明的稳定系统的方法能够应用于任何基于RF-加速粒子/光子的形式(modality)。

将由磁控管产生的微波能量传递经过非相互传送设备，诸如波导，到达线性加速器，该线性加速器利用该能量来产生高能电子和/或X射线。使用传统自动频率控制反馈环将磁控管的输出频率机械调谐到LINAC的谐振操作频率，以跟踪热变化。当来自磁控管的能量的频率与LINAC的谐振操作频率不匹配时，微波能量被从LINAC反射。反射的能量路由通过循环器(circulator)到波导部件，这些波导部件分开地控制反射能量的幅度和相位。幅度和相位受控的能量然后返回到磁控管，在该磁控管处，受控的能量施加频率牵引效应。当以特定方式来应用反射能量的幅度和相位时，牵引效应与磁控管频率偏离LINAC的谐振频率的小偏移对立(in opposition to)。该效应在几分之一微秒内发生，与机械调谐系统的几毫秒响应时间形成对比。

本发明还提供稳定微波能量源的方法，该源被耦合到微波利用设备。该方法包括：将非相互传送设备耦合到该源，以及将来自源的能量经过传送设备导向到利用设备。对从利用设备返回的能量的至少一部分进行调整，其中，调整包括修改能量的第一特征而不影响该能量的任何其他特征。处理后的该部分能量被返回到能量源，并起稳定能量源的频率输出的作用。

通过考虑详细的描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1是放疗治疗系统的透视图。

图2是能够用在图1所示放疗治疗系统中的多叶准直器的透视图。

图3是用于与图1的系统一起使用的磁控管的主视图。

图4是用于与图1的系统一起使用的RF子系统的示意图。

图5是被示意性地表示为电路的图1的系统的辐射模块的框图。

图6是被示意性地表示为电路的利用3端口循环器的本发明的替代实施例的框图。

图7是示出图4系统的频率和功率输出对于负载阻抗的依赖性的里克(Rieke)图。

图8是在复阻抗平面内叠加的LINAC的输入阻抗和来自图7的磁控管里克图的频率线的图示。

图9是磁控管的调节如何在复阻抗平面内移动里克图频率线的图示。

图10是LINAC的阻抗轮廓线(contour)如何随着用于图4系统中的4端口循环器的端口3处的反射系数的大小而变化的图示。

图11是LINAC的阻抗轮廓线如何随着4端口循环器的端口4处的单元反射系数的相位而变化的图示。

图12是能够被返回到磁控管的反射功率的上限如何受到4端口循环器的端口3处的部分(fractional)反射系数的选择的限制的图示。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解本发明的应用不局限于以下描述中阐明或以下附图所示的结构细节和部件的布置。本发明能够实施为其他实施例，以及能够以多种方式实现或执行。并且，应理解，这里使用的措词和术语为了说明的目的，而不应认为是限制。这里使用“包括”、“包含”或“具有”及其变体意图涵盖此后列出的项及其等效以及另外的项。除非另外指出或限定，术语“安装”、“连接”、“支持”以及“耦合”及其变体以广泛意义使用，且涵盖直接和间接的安装、连接、支持以及耦合。进一步地，“连接”和“耦合”不局限于物理或机械的连接或耦合。

虽然在对附图进行说明时进行了诸如上、下、向下、向上、向后、底部、前、后等的方向参考，但是这些参考仅仅为了方便相对于附图(如正常所见)做出。这些方向不意图以字面意义或以任何方式限制本发明。此外，这里使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语是为了说明目的，而不意图指示或暗示相对的重要性或意义。

此外，应理解，本发明的实施例包括为了讨论目的可以被示出或描述为就像大多数部件仅仅以硬件实现的硬件、软件和电子部件或模块。然而，本领域技术人员基于阅读这里的详细描述，将认识到，在至少一个实施例中，本发明的基于电子的方面可以以软件实现。如此，应该注意，可以使用多个基于硬件和软件的设备，以及多个不同的结构部件，来实现本发明。此外，以及如在后续段落中描述的，附图中所示的特定机械配置意图例示本发明的实施例，以及其他可选机械配置也是可以的。

图1示出能够对患者14提供放疗的放疗治疗系统10。如下将描述的放疗治疗系统是根据本发明能够操作的辐射传输设备的一个示例。放疗治疗能够包括基于光子的放疗、短程放疗、电子束治疗、质子治疗、中子治疗或粒子治疗、或其他类型的治疗。放疗治疗系统10包括机架18。机架18能够支持辐射传输模块22，该辐射传输模块22能够包括可操作来产生辐射束30的辐射源24和线性加速器26。虽然图中所示机架18是环形机架，即它延伸通过完整的360°弧以创建完整的环或圆，但是也可以使用其他类型的安装布置。例如，能够使用C型、部分环形机架或机械手。也可以使用能够将辐射传输模块22定位在相对于患者14的多个旋转和/或轴向位置的任何其他框架(framework)。此外，辐射源24可以沿着不遵循机架18的形状的路径行进。例如，即使所示机架18是大体圆形的，辐射源24也可以沿着非圆形的路径行进。辐射源24能够包括能量发生源，诸如磁控管32(图3所示)，该磁控管32产生待传递到LINAC 26的能量(图4所示)。下面将更详细地讨论磁控管32和LINAC 26。

辐射模块22也能够包括调制设备34，该调制设备34能够操作地修改或调制辐射束30。调制设备34提供对辐射束30的调制，并将该辐射束30引向患者14。特别地，将辐射束30引向患者的一部分。广泛说来，该部分可以包括整个身体，但是通常小于整个身体，以及能够由二维面积和/或三维体积来限定。期望接收辐射的部分或区域，也可以称为靶或靶区(示为38)，是感兴趣区域的示例。另一类型的感兴趣区域是危险区域。如果一部分包括危险区域，则辐射束优选被从该危险区域转移开。这样的调制有时称为调强放疗(“IMRT”)。

调制设备34能够包括准直设备42，如图2所示。该准直设备42包括一套颚件46，该套颚件46限定并调节孔径50的尺寸，辐射束30可以通过该孔径50。颚件46包括上颚件54和下颚件58。上颚件54和下颚件58可移动以调节孔径50的尺寸。

在一个实施例中，如图2所示，调制设备34能够包括多叶准直器62，该多叶准直器62包括多个交错(interlaced)叶66，该多个交错叶66可操作来从一个位置移动到另一位置，以提供强度调制。还注意到，能够将叶66移动到最小和最大打开位置之间的任何处的位置。在辐射束30到达患者14上的区域38之前，该多个交错叶66调制辐射束30的强度、尺寸和形状。通过诸如电动机或空气阀的致动器70来独立地控制每个叶66，以使得叶66能够快速打开和关闭以允许或阻塞辐射的通过。能够通过计算机74和/或控制器来控制致动器70。

放疗治疗系统10还能够包括检测器78，例如千伏级或兆伏级检测器，可操作来接收辐射束30，如图1所示。LINAC 26和检测器78也能够操作作为计算机X射线断层摄影(CT)系统以产生患者14的CT图像。LINAC 26朝着患者14内的区域38发射辐射束30。区域38吸收一些辐射。检测器78检测或测量被区域38吸收的辐射量。随着LINAC 26围绕患者14旋转并朝着患者14发射辐射，检测器78收集来自不同角度的吸收数据。将收集的吸收数据传送到计算机74以处理该吸收数据并产生患者的身体组织和器官的图像。图像也能够示出骨、软组织和血管。

放疗治疗系统10也能够包括患者支持件，诸如治疗床82(图1所示)，其支持患者14。治疗床82沿着x、y或z方向上的至少一个轴84移动。在本发明的其他实施例中，患者支持件能够是适于支持患者身体的任何部分的任何设备。患者支持件不局限于必须支持患者整个身体。系统10还能够包括驱动系统86，该驱动系统86可操作来操纵治疗床82的位置。能够通过计算机74来控制驱动系统86。

图3所示的磁控管32，产生用于传递到LINAC 26的微波辐射。在最高水平(level)上，磁控管采用DC功率并将其转换为RF功率。功率转换是相互(reciprocal)的，也就是，磁控管以同等和相反(opposite)的方式将功率输出耦合到磁控管的功率输入。根据本发明能够使用的一个这样的磁控管是由英国e2v Technologies公司提供的型号MG-6493。磁控管32是高功率微波振荡器，其中，在一系列谐振腔88中，将从圆柱形阴极84发射的加速电子的能量转换为射频能量。谐振腔88由翼(vane)92限定。阴极84被同心阳极104围绕。磁控管32被浸入沿着阴极84的轴施加的磁场中。

随着阴极84被加热，产生电子，在阴极84与阳极104之间的径向电场的作用下，这些电子径向向外行进且被吸向阳极104。该磁场将电子偏转为阴极88与阳极104之间的弯曲轨迹，腔88内感应出RF电流。这导致以腔88的谐振频率将能量存储在腔88内。从而将电子的动能转换为RF能量，在所示实施例中，大约60％的电子动能被转换为微波能量。

所示实施例的磁控管32能够以多种频率模式振荡，该多种频率模式包括π模式。为了减少以除π模式之外的模式振荡的可能性，通过带108连接磁控管32的翼92。带108连接具有相等势能的交替翼92且忽略(pass over)处于π模式频率时180°异相的相邻翼92。经由耦合环120，将RF功率耦合出腔88到达圆形波导部分。该耦合是相互的，以及能够以与磁控管32输出相同的效率将RF功率耦合回到磁控管32中。强耦合增加输出功率和效率，但是也增加时间抖动和对于负载失配改变的敏感度。

应理解，虽然在上面关于图3详细讨论了一个特定的磁控管配置，但是其他磁控管配置也是可以的，且依然落在本发明的范围内。磁控管的基本操作和部件对于本领域技术人员是公知的，以及本领域技术人员将理解，能够做出相较上面讨论的磁控管配置的变化且依然落在本发明的范围内。

图4示出系统10中使用的LINAC 26。LINAC 26包括三个基本部件：电子枪128、加速器132和靶136。注入器140对电子枪128供电，并针对来自磁控管32的RF功率的每个脉冲注入电流脉冲。电子枪128包括被加热以产生电子的阴极。由电子枪128产生的电子被吸向枪阳极，并在所示实施例中以大约13KV注入到加速器132中。

然后，注入的电子被分组为束，以使得电子束能够作为一个整体被加速器132加速。加速器包括多个加速腔，每个加速腔包括施加场，在电子通过这些腔的同时该施加场对电子进行加速。耦合的谐振腔形成多腔加速结构。通过腔的数量(即谐振器的数量)来确定模式的数量(即具有特定谐振频率和特征场图案的操作条件的数量)。在所示实施例中利用的加速器132是驻波加速器，其中，电磁波在腔的端部处反射并来回反弹，形成驻波。然而，应理解在系统10中也能够使用其他类型的加速器并依然落在本发明的范围内。

然后，对着靶136轰击加速电子。轰击到靶136中导致轫致辐射效应。靶136对加速电子进行了减速，在发生电子减速的同时导致X射线的发射。发射的X射线的能量随着轰击电子的能量而变化。例如，当增加轰击电子的能量时，发射的X射线变得更有能量且向更高频率偏移。靶136由高原子序数金属形成，如钨，其能够承受由电子轰击所产生的高热。在一些情况下，LINAC使用冷却机制以协助冷却靶136。

虽然在上面描述了LINAC 26的一个特定配置，但是本领域技术人员将理解，其他LINAC 26配置也是可以的，并且依然落在本发明的范围内。上述的LINAC 26配置是与本发明一起使用的一个LINAC 26实施例的示例。本领域知道LINAC的基本操作和部件，以及本领域技术人员将理解其他LINAC配置也是可以的。

如下将更详细讨论的，磁控管32和LINAC 26被操作地耦合到一起，以使得磁控管32和LINAC 26在系统10中一起工作。通过反馈系统保持将磁控管32机械调谐到LINAC 26的操作频率，也已知为自动频率控制156(AFC)。AFC 156驱动电动塞(motorized plunger)(未示出)，该电动塞扰动(perturb)磁控管腔88中的一个。该塞用作磁控管调谐器158。为了最小化当磁控管32围绕水平轴旋转时的频偏，该轴应该平行于调谐器158的轴。AFC 156用作机械调谐器，并用于通过如下行为来调谐频率：查看各个RF脉冲的行为的平均，以及调节调谐器158以便最小化从LINAC 26反射的功率。AFC 156作用不够快从而不能校正各个RF脉冲。因此，如果磁控管32输出频率诸如由于机械振动导致快速变化，则各个脉冲能够交替着高和低，以便脉冲的平均依然在操作参数内，但是磁控管32依然在期望的输出频率之外操作。

图4和5是将系统10的辐射传输模块22示出为电路的框图。磁控管32接收来自调制器150的功率，其产生非常高电压和电流的短脉冲。磁控管32将微波传递经过4端口循环器160到达LINAC 26。该4端口循环器160是非相互波导设备，其在一系列端口之间单向地引导施加的功率。本质上，4端口循环器160将磁控管32耦合到LINAC 26，并用作隔离器。4端口循环器160允许从LINAC 26反射回的功率的幅度和相位的独立调节。本领域技术人员应理解，幅度和相位仅是能够控制的模块内的能量的两个特征。在其他实施例中，也能够调节频率和波长。

反射的功率由电路内的频率不稳定性所导致。先前系统使用3端口循环器，其中，使用影响幅度和相位两者的单个调节。本发明中相位和幅度调节的分离允许更精确和容易地调节该两个成分，导致系统控制更精确以及磁控管32的操作的更好预测性。分离幅度控制还允许对于到达磁控管32的反射功率的简单限制，以确保反射功率不超出磁控管32能够容许的最大值。

使用循环器160来将自LINAC 26反射的功率从磁控管32转移开，到达高功率负载164中，以避免不稳定性以及对于磁控管32的可能损坏。如图4所示，该电路包括与高功率负载164串联连接的部分(fractionally)反射元件(即反射换能器168)。相位可调的、完全反射元件(也就是相移器172)位于部分反射元件168与磁控管32之间的第四循环器端口上。

通过利用4端口循环器160和附着到其上的部件，能够分开且独立地调节反射功率(能量)的幅度和相位。当磁控管32不准确地在LINAC 26谐振频率上操作时，小量的反射功率到达磁控管32。反射功率的行为是以消除反射功率的方式来修改磁控管32的频率，创建反馈环路。在每个脉冲开始的几分之一微秒内发生调谐校正，所以实际上几乎没有反射功率到达磁控管32。因此，系统10被电子调谐以解决各个RF脉冲的变化。

虽然在所示本发明实施例中使用4端口循环器，但是应理解，能够使用其他类型的设备来代替所示循环器。例如，如图6所示，能够使用具有分离的相位和幅度控制的3端口循环器180。在所示3端口循环器180中，相移器184、部分反射元件188以及高功率负载192布置为串联连接到3端口循环器180的第三端口。将从LINAC 26反射的功率传递经过相移器184并且到达反射元件188，此处反射一部分功率。将大多数功率，一些情况下为大约98％的功率，传递经过反射元件188到达耗散功率的负载192。将反射的功率传递经过相移器184返回，并且将相移后的反射功率传递到磁控管32。3端口循环器180的功率循环(circulating)以及端口隔离功能基本上与上面讨论的4端口循环器160相同-波导的电长度被延长(以进行相移)并且能够独立地控制相位，虽然利用4端口循环器160作为耦合机构可能有其他益处。此外，根据本发明能够使用具有单向功率传输的非相互波导设备的任何其他配置，其允许系统中的反射功率的相位和幅度的独立控制。例如，能够使用5端口循环器，也能够使用具有任何其他数量的端口并且实现上面讨论功能的循环器。

在所示实施例中，以使得在磁控管32的里克图(见图7)中负载阻抗曲线垂直于等频率曲线的相位，将2％的反射功率施加到磁控管32，并朝向LINAC 26的谐振频率牵引磁控管32输出频率。当适当调谐电路时，实际反射是接近0的2％。实际的反射功率被选择为不大于磁控管32的设计所允许的最大值的4％，而最小反射功率大于0。

图8示出：复平面内的LINAC阻抗，谐振中心在f_ol处，且频率在顺时针方向上增加；以及在复阻抗平面内的等频率轮廓线，频率如所示增加并且具有磁控管中心频率f_om。当f_om＝f_ol时应该得到稳定操作。

图9是磁控管32的调节如何在复阻抗平面内移动里克图的频率线的图示。磁控管调谐器158在阻抗平面内将等频率曲线族正交地向其方向移动。这是AFC 156的目的，以及是关于阻抗和频率关系的第一可调节参数。根本上说，磁控管32需要在LINAC 26的1/2功率带宽内调谐，其是LINAC阻抗变得与等频率轮廓线相切的点(见图8中的*---*)。

图10是示出LINAC 26的阻抗轮廓线如何随着4端口循环器160的第3端口处的反射系数的大小而变化的图示。在高功率负载164之前增加的反射量的变化改变磁控管32见到的LINAC阻抗的大小，如在图10中所图示的。这是关于阻抗和频率关系的第二可调节参数。

图11是示出LINAC 26的阻抗轮廓线如何随着4端口循环器160的第4端口处的单元反射系数的相位而变化的图示。改变在通常低功率负载端口(即第4端口)上的100％反射的相位旋转在复阻抗平面内的阻抗曲线(见图11)。这是关于阻抗和频率关系的第三可调节参数。

在与高功率负载164串联连接地插入的λ_g/4谐振换能器168中通过阻抗步骤来控制第二可调节参数。这样的换能器的电压驻波比(VSWR)为：

VSWR＝[Z₀/Z₁]²。

以TE₁₀模式操作的矩形波导的阻抗的一般表示为：

$Z=\sqrt{\frac{\mu }{ϵ}\frac{{\lambda }_g}{{\lambda }_0}}\left(\frac{b}{a}\right)$

以及其中，真空传播的波导波长为

${\lambda }_g=\frac{{\lambda }_0}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\lambda }_0}{2a}\right)}^2}}$

因为λ_g不依赖于波导高度“b”，减少高度的部分将具有与折合标称阻抗处的主波导相同的频率依赖性：

Z₁＝(b₁/b₀)Z₀

由此，换能器中的VSWR为：

VSWR＝(b₀/b₁)²。

并且，电压反射系数Γ＝(VSWR-1)/(VSWR+1)，以及功率反射系数为Γ²。

参考图12，通常从谐振的一侧到另一侧的LINAC输入阻抗呈现为与界限(bounding)史密斯图的单位圆相切的圆。图12是能够返回到磁控管32的反射功率的上限如何受到4端口循环器160的第3端口处的部分反射系数的选择的约束的图示。谐振时阻抗接近原点，如图12所示。通过反射系数Γ来定标(scale)该阻抗轮廓图，以使得返回到磁控管32的功率的上限被限制为Γ²。对于磁控管32来说，VSWR的规定上限是1.5，其对应于4％的功率反射。当在LINAC 26的1/2功率带宽内操作时，实际上反射不到1/2的该功率，以及在谐振时，该反射由RF链中的其他缺陷(imperfection)支配。

通过在通常低功率负载处安装的滑动短路(sliding short)172(即相移器)来控制第三可调节参数。

能够根据反射到磁控管的功率量以及反射功率的相位来改变磁控管输出的频率，以及磁控管32输出中的不稳定性能够由来自LINAC 26的未控制的功率反射所导致。使用循环器基本上相对于由LINAC产生的反射功率将磁控管与LINAC隔离开。然而，上面所述的稳定方法被用来稳定具有完全不同原因的波动，诸如机械振动，以确保磁控管输出的控制。为了使用磁控管32作为LINAC 26的功率源，需要约束输出的频率。在优选实施例中，已知的、受控制的功率量被反射回磁控管32，以获得磁控管32输出的适当控制。

应理解，虽然上面的描述将本发明与其在放疗治疗系统中的使用相关地进行了说明，但是这里所述用于稳定微波能量源的方法和装置能够用在需要微波能量源的能量输出的稳定性的任何其他应用中。例如，本发明能够被应用于某些微波雷达应用。本领域技术人员将理解，这里详细讨论的特定放疗示例仅仅是本发明的一个可能使用，而且其他使用也是可以的且依然落在本发明的范围内。

本发明的各种特征能够在所附的权利要求中找到。