紧凑型轻量级高性能质子治疗束线路制造技术

一种用于质子治疗系统的紧凑型轻量级机架，其具有小于2m的源‑轴距离(SAD)并且可以递送优质的质子束。减小的SAD导致对可以由机架束线路中的弯曲磁体生成的最大磁场的要求降低。对应地，可以使用轻量级弯曲磁体。机架束线路中的各种部件被优化，以实现通过设置在最终弯曲磁体的下游的笔形束扫描喷嘴约4mm标准差或更小的束斑尺寸。另外，质子治疗系统被配置成在220MeV‑230MeV范围内的最大束能量下操作。

Compact lightweight high performance proton therapy beam circuit

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】紧凑型轻量级高性能质子治疗束线路
本公开一般涉及放射治疗系统领域，并且更具体地涉及质子治疗系统领域。
技术介绍
例如，在用于肿瘤放射治疗的通常的质子治疗系统中，生成质子束，并且从加速器(例如，回旋加速器或同步加速器)输出具有特定初始能量的质子束。初始能量确定质子束的最大穿透深度，并且通常为235MeV或更高。当质子束穿过束传输系统或束线路时，通过能量选择机构(例如，能量降低器或能量切口)精确调整束能量。传输系统包括多个磁体，以用于束重定向(弯曲)、聚焦和转向。配备有辐射喷嘴的旋转机架位于束传输系统的端部。最后，基于肿瘤体积、几何形状、位置等将束递送到治疗站并且以特定治疗期规定的能量水平辐射到患者上。由于购买和维护这种辐射系统的成本极高，医疗机构通常使用一个加速器用于多个治疗站，因此分散了加速器设施的高成本。尽管使用多站单回旋加速器系统对于分散大型医疗机构的成本是有效的，但对于可能仅需要一个治疗站的较小机构而言，这种多机架系统的总成本可能过高。另外，一些多站系统不支持在多个站中同时治疗。这导致了另外的缺点，即在一个治疗站处的延迟可能导致在另一个站处的延迟。随着全世界对质子束辐射治疗的需求的增加，非常需要更小和更便宜的质子治疗系统来增加患者使用这种治疗方式的机会。在质子辐射系统(包括单站系统和多站系统)中，机架束线路中的偶极磁体(或弯曲磁体)消耗与制造、安装、控制、维护和(在医疗机构中有限且宝贵的)空间相关联的显著花费。在机架系统中，源-轴距离(SAD)是指从质子束的等中心到有效源位置的距离。通常，等中心对应于辐射体积的中心。如果在扫描磁体和等中心之间没有束聚焦元件，则有效源位置是束改变角度的点，即扫描磁体的位置。通常，认为大于2m的SAD对于在患者表面实现平行束平移是必要的，尤其是在基于散射的质子束递送系统中。大的SAD决定了对应的大的机架半径，同时增加了磁体的数目及其复杂性。因此，SAD是驱动机架束线路中的组件的整体尺寸和重量的主要因素，这些都导致制造、运输、组装、安装、维护和操作这种质子治疗系统的近乎难以承受的成本。图1图示了根据现有技术的具有大于2m的SAD的质子辐射系统中的机架束线路100的配置。机架能够围绕等中心141旋转360°。机架束线路100包括：具有45°的轨道弯曲角度的第一弯曲磁体101、以及具有135°的轨道弯曲角度的第二弯曲磁体102。因此，两个弯曲磁体操作以使质子束总共弯曲90°，例如，如图所示从水平到竖直。笔形束扫描喷嘴(未显式示出)可以被耦合到第二弯曲磁体102的端部，以用于将一定剂量的质子辐射递送给患者。沿着束线路100有七个四极磁体或聚焦磁体111-117，其中五个113-117被设置在两个弯曲磁体101和102之间。另外，在聚焦磁体111-117之间安装多个转向和校正磁体，例如121-123。每个弯曲磁体101或102具有约1.35m的轨道弯曲半径。第二弯曲磁体102具有约1.26m的外半径。第二弯曲磁体可以生成大约1.8特斯拉的最大磁场。该质子辐射系统的SAD131从扫描系统的中心到等中心141大约为2.1m。通常，在等中心处可以实现约3mm-4mm的束斑尺寸。端到端机架长度132测量约为9m。第二弯曲磁体102重约22吨，每个四极磁体重约475kg，并且每个扫描磁体重约1000kg。这种机架系统的总重量超过200吨，包括支撑机架束线路所需的极重结构。已经开发或提出了许多方法来实现轻量级和紧凑的机架组件。在市场上的一种领先设计中，扫描系统被移动到最后一个机架弯曲磁体的上游。这种机架系统可以提供相当小的占地面积，遗憾的是，其具有束精度、递送准确度以及系统性能和治疗质量的许多其他方面的相当大的损失。在另一种设计中，通过牺牲机架的全范围旋转来实现机架尺寸的减小。例如，机架只能旋转220°而不是治疗通常所需的360°。
技术实现思路
因此，本文公开的内容提供了一种用于质子治疗系统的紧凑型轻量级机架，其提供优异的束递送性能并且仍保持全范围旋转的能力。本公开的实施例提供了一种质子治疗系统，其包括优化的机架束线路，该机架束线路具有小于2m的源-轴距离(SAD)并且优选地在1.1m-1.8m的范围内。机架束线路使用比它们的常规对应物(包括弯曲磁体、四极磁体和扫描磁体)更轻更小的磁体。特别地，最终弯曲磁体被配置成生成在1.45特斯拉-1.55特斯拉范围内的最大磁场。机架束线路中的各种部件及其空间关系被优化，以实现通过设置在最终弯曲(第二)磁体下游的笔形束扫描喷嘴的大约4mm或更小的束斑尺寸。而且，质子治疗系统可以被配置成以降低的最大束能量操作，优选地在220MeV-230MeV的范围内。根据本公开的实施例，利用减小的SAD、定位在最终弯曲磁体的下游的剂量递送喷嘴以及机架的优化，可以在维持高治疗质量的同时，显著地减小机架长度和直径。优化的束线路设计还可以导致更小更轻的磁体，并且改善束到等中心的传输，这可以减少对治疗室的重度屏蔽的需求。这些改进可以显著降低设备和设施成本。利用轻量级磁体，机架可以被配置成360°旋转并维持治疗精度，从而提供与具有大于2m的SAD的更大、更昂贵的常规质子系统相同的治疗质量和工作流程效率。附图说明根据阅读结合附图的以下详细描述，将更好地理解本专利技术的实施例，其中相同的附图标记指定相同的元件，其中图1图示了根据现有技术的机架束线路的配置；图2图示了根据本公开的实施例的示例性机架束线路的配置；图3示出了可以使用图2中图示的示例性机架束线路获得的样本竖直(上部)束包络和水平(下部)束包络。图4示出了可以使用图2中图示的示例性机架束线路获得的在水平平面和竖直平面中的样本正弦基本轨迹和余弦基本轨迹。图5A示出了在图2中的示例性机架束线路中给定理想输入条件的情况下，在第一弯曲磁体的出口处(左)和在等中心处(右)的模拟束轮廓。图5B示出了在图2中的示例性机架束线路中给定束降级到80.1MeV的情况下，在第一弯曲磁体的出口处(左)和在等中心处(右)的模拟束轮廓。具体实施方式现在将详细参考本专利技术的优选实施例，本专利技术的示例在附图中示出。虽然将结合优选实施例描述本专利技术，但是应当理解，它们并不旨在将本专利技术限制于这些实施例。相反，本专利技术旨在覆盖可以包括在由所附权利要求限定的本专利技术的精神和范围内的替代、修改和等同物。另外，在以下对本专利技术实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本专利技术的透彻理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节的情况下实践本专利技术。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、步骤、部件和电路，以免不必要地模糊本专利技术实施例的各方面。尽管为了清楚起见，可以将方法描绘为编号步骤的序列，但是编号不一定指示步骤的顺序。应当理解，步骤中的一些可以被跳过、并行执行或在不需要维持序列的严格顺序的情况下执行。示出本专利技术的实施例的附图是半图解的，并且不是按比例绘制的，并且特别地，一些尺寸是为了清楚呈现并且在附图中被放大地示出。类似地，尽管为了便于描述，附图中的视图通常示出了类似的定向，但是对于大多数部件，附图中的这种描绘是任意的。通常，本专利技术可以以任何定向进行操作。紧凑型轻量级高性能质子治疗束线路总的来说，本公开的实施例提供用于质子治疗系统的紧凑型轻量级机架，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种质子治疗系统，包括：加速器，被配置成生成具有初始能量的质子束；以及机架组件，被耦合到所述加速器并且包括扫描喷嘴，其中所述扫描喷嘴被配置成将所述质子束辐射到位于所述质子治疗系统的等中心附近的对象，其中所述机架组件的源‑轴距离(SAD)对应于从所述扫描喷嘴到所述等中心的距离，并且其中所述质子治疗系统被配置成递送所述质子束，其中在所述等中心处的束斑小于4mm标准差，并且其中所述SAD小于或等于1.9m。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.28 US 15/392,9991.一种质子治疗系统，包括：加速器，被配置成生成具有初始能量的质子束；以及机架组件，被耦合到所述加速器并且包括扫描喷嘴，其中所述扫描喷嘴被配置成将所述质子束辐射到位于所述质子治疗系统的等中心附近的对象，其中所述机架组件的源-轴距离(SAD)对应于从所述扫描喷嘴到所述等中心的距离，并且其中所述质子治疗系统被配置成递送所述质子束，其中在所述等中心处的束斑小于4mm标准差，并且其中所述SAD小于或等于1.9m。2.根据权利要求1所述的质子治疗系统，其中所述机架组件包括第一偶极磁体和第二偶极磁体，其中由所述第二偶极磁体产生的最大磁场在1.45特斯拉至1.55特斯拉的范围内。3.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述扫描喷嘴包括笔形束扫描喷嘴，所述笔形束扫描喷嘴被设置在所述第二偶极磁体的下游。4.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第二偶极磁体的重量小于10吨。5.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第二偶极磁体可操作以使所述质子束以约1.5m的弯曲半径弯曲。6.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第一偶极磁体可操作以使所述质子束弯曲50°，并且其中所述第二偶极磁体可操作以使所述质子束弯曲140°。7.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述第二偶极磁体的横截面的外半径约为0.36m。8.根据权利要求2所述的质子治疗系统，其中所述机架组件还包括5个四极磁体，其中三个四极磁体被设置在所述第一偶极磁体和所述第二偶极磁体之间。9.根据权利要求2所述的质子治疗系统，所述机架组件还包括少于五个的转向磁体。10.根据权利要求1所述的质子治疗系统，其中所述束斑尺寸为3mm标准...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·安菲洛夫，A·温内贝克，
申请(专利权)人：瓦里安医疗系统粒子疗法有限责任公司，瓦里安医疗系统公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE