用于粒子治疗的系统和方法技术方案

提供了用于医治患者的粒子治疗系统和方法。在一个实施方式中，粒子治疗系统可以包括用于包含目标的互作用腔室和配置为生成至少约100太瓦且重复率为至少约20Hz的脉冲电磁辐射束的电磁辐射源。粒子治疗系统还可以包括配置为将脉冲电磁辐射束沿路径引导向互作用腔室中的目标的光学器件。粒子治疗系统还可以包括执行器，其被配置为导致目标和电磁辐射束之间的速度与电磁辐射源的重复率关联的相对移动，从而改变脉冲电磁辐射束在目标表面上的互作用位置，并且导致目标的每脉冲至少约3x106个带电粒子的发射。个带电粒子的发射。个带电粒子的发射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于粒子治疗的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求获得于2020年3月11日提交的第62/988,172号美国临时专利申请的优先权的权益，该申请通过引用整体并入本文。


[0003]本公开一般涉及粒子治疗的技术，例如，涉及通过向目标施加能量来生成带电粒子束的系统和方法。

技术介绍

[0004]由于通过使用大型且昂贵的粒子加速器来生成粒子束的现有粒子治疗系统的缺点，目前商业化的粒子治疗中心很少。基于加速器的系统可能是巨大的，而且不可扩展。操作基于加速器的系统所固有的能量要求和维护成本也是巨大的。总的来说，这些缺点导致与粒子治疗关联的高昂的建设和维护成本。除了与基于加速器的粒子束生成关联的高昂成本之外，在这种系统中，调整粒子束的特定特性(例如，射束能量和射束通量(flux))可能是繁琐和耗时的。这导致较长的医治时间和较低的患者接待数量，进一步增加个人医治的成本，因为较少的患者分担成本负担。因此，目前存在很少的粒子治疗中心，并且患者往往接受较差的治疗，部分原因是无法获得粒子治疗。
[0005]本公开的系统和方法涉及改善粒子治疗系统的性能。尽管本文公开的实施粒考虑的是粒子束治疗的医疗应用，但是本领域普通技术人员将理解，下面描述的新型粒子束生成方法和系统可以用于需要这种粒子束的任何应用。

技术实现思路

[0006]符合本公开的实施例提供用于粒子治疗的系统、方法和设备。与所公开的实施例一致的示例性系统可以生成并引导电磁辐射束，以便照射目标来产生带电粒子束。示例性系统可以将带电粒子束递送到患者体内的肿瘤。
[0007]在一个实施例中，提供了粒子治疗系统。粒子治疗系统可以包括：互作用腔室(interaction chamber)，其用于包含目标；和电磁辐射源，其被配置为生成至少100太瓦且重复率为至少20Hz的脉冲电磁辐射束。粒子治疗系统可以包括：光学器件，其被配置为将脉冲电磁辐射束沿路径引导向互作用腔室中的目标。粒子治疗系统可以包括：至少一个执行器，其被配置为以与电磁辐射源的重复率关联的速度引起目标和电磁辐射束之间相对移动，从而改变脉冲电磁辐射束在目标表面上的互作用位置，并且引起目标的每脉冲至少3x106个带电粒子的结果发射(resultant emission)。
[0008]在另一实施例中，粒子治疗系统可以包括：互作用腔室，其被配置为包含响应于能量施加而发射带电粒子的目标(target)。粒子治疗系统可以包括：能量源，其用于向目标施加能量；和磁束线，其用于通过使带电粒子能够在不同的肿瘤位置处撞击肿瘤的方式，将带电粒子束从目标引导到患者的肿瘤。粒子治疗系统可以包括：至少一个处理器，其被配置为
选择性地将能量从能量源引导到目标上的不同位置。附加或可替换地，至少一个处理器可以选择性地控制带电粒子束和患者之间的相对移动，以在不同的肿瘤位置处用带电粒子撞击肿瘤。
[0009]在另一实施例中，粒子治疗系统可以包括：互作用腔室，其被配置为包含具有在其上有多个区域的表面的目标。粒子治疗系统还可以包括：至少一个能量源和至少一个处理器。至少一个处理器可以被配置成使至少一个能量源通过在多个区域中的至少一些的附近形成密度在10
15
cm
‑3和10
21
cm
‑3之间的电子云的方式，将能量递送到目标。至少一个处理器可以被配置为在电子云位于多个区域中的至少一些的附近的同时，使至少一个能量源照射目标，从而使多个带电粒子从目标放射。粒子治疗系统可以包括：束线，其被配置为向患者递送多个带电粒子。
[0010]在另一实施例中，粒子治疗系统可以包括：互作用腔室，其被配置为包含目标。粒子治疗系统可以包括：至少一个电磁辐射源和至少一个处理器。至少一个处理器可以被配置为通过调节至少一个电磁辐射源来用多个脉冲链照射目标，以使脉冲带电粒子束从目标发射，每个脉冲链包括初步(preliminary)脉冲和主脉冲，其中，初步脉冲可以超过能通量阈值(energy flux threshold)，并且在目标具有在0.1J/cm2和15J/cm2之间的能通量。主脉冲可以在目标具有至少为10
18
w/cm2的强度，并且初步脉冲和主脉冲之间的时间间隔可以在0.5ns和50ns之间，使得在时间间隔期间，目标不受到超过能通量阈值的照射。
[0011]在另一实施例中，粒子治疗系统可以包括：互作用腔室，其被配置为包含目标；和电磁辐射源，其被配置为生成用于照射目标的脉冲电磁辐射束，从而产生含有至少5MeV的多个能级的多能粒子束。粒子治疗系统可以包括：数据接口，其被配置为接收与肿瘤的医治计划关联的数据；和至少一个处理器，其被配置为允许选择多个能级中的符合肿瘤的医治计划的子集。粒子治疗系统可以包括：磁束线，其被配置为向肿瘤递送与多个能级的选择子集关联的多能粒子束的部分。
[0012]与其他所公开的实施例一致，非暂时性计算机可读存储介质可以存储程序指令，程序指令由至少一个处理器执行，并且执行本文描述的任何方法。
[0013]前面的一般描述和下面的详细描述仅是示例性和解释性的，并且不限制权利要求。
附图说明
[0014]并入且构成本公开的部分的附图示出各个所公开的实施例。在附图中：
[0015]图1是示出与所公开的实施例一致的示例性粒子治疗系统的图。
[0016]图2是示出根据本公开的一些实施例的电磁辐射源的示例配置的图。
[0017]图3是示出根据本公开的一些实施例的互作用腔室的示例配置的图。
[0018]图4A和4B是示出根据本公开的一些实施例的束线的两种配置的图。
[0019]图5是示出根据本公开的一些实施例的控制器的示例配置的图。
[0020]图6是根据本公开的一些实施例的示例性粒子治疗过程的流程图。
[0021]图7是示出根据本公开的一些实施例的生成脉冲粒子束的脉冲电磁辐射束的图。
[0022]图8A和8B是示出根据本公开的一些实施例的导致电磁辐射束和目标之间的相对移动的执行器的两种配置的图。
[0023]图9是根据本公开的一些实施例的示例性粒子治疗过程的流程图。
[0024]图10是示出根据本公开的一些实施例的生成命中肿瘤的两串(bunch)带电粒子的脉冲电磁辐射束的图。
[0025]图11A是示出根据本公开的一些实施例的作为深度函数的能量损失轮廓(profile)的多个原始布拉格峰的图。
[0026]图11B是示出根据本公开的一些实施例的示例性的一串带电粒子的能量轮廓的图。
[0027]图12是根据本公开的一些实施例的示例性粒子医治过程的流程图。
[0028]图13是根据本公开的一些实施例的用于使多个带电粒子从目标发放射的示例过程的图解说明。
[0029]图14A是示出根据本公开的一些实施例的在第一剂量的能量命中目标时生成的电子云的密度的图。
[0030]图14B是示出根据本公开的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种粒子治疗系统，包括：互作用腔室，其用于包含目标；电磁辐射源，其被配置为生成至少100太瓦且重复率为至少20Hz的脉冲电磁辐射束；光学器件，其被配置为将脉冲电磁辐射束沿路径引导向互作用腔室中的目标；和至少一个执行器，其被配置为以与电磁辐射源的重复率关联的速度引起目标和电磁辐射束之间的相对移动，从而改变脉冲电磁辐射束在目标表面上的互作用位置，并且从而引起来自目标的每脉冲至少3x106个带电粒子的结果发射。2.根据权利要求1所述的系统，其中，速度与等于或超过电磁辐射源的重复率的率关联。3.根据权利要求1所述的系统，其中，结果发射包括用于递送到患者的带负电粒子。4.根据权利要求1所述的系统，其中，结果发射包括用于递送到患者的带正电粒子。5.根据权利要求1所述的系统，其中，互作用腔室被配置为包含富含氢的目标，并且带电粒子是质子。6.根据权利要求1所述的系统，其中，互作用腔室被配置为包含富含碳的目标，并且带电粒子是碳离子。7.根据权利要求1所述的系统，其中，目标的大小实现与脉冲电磁辐射束的至少100个互作用位置。8.根据权利要求1所述的系统，其中，目标包括多个微结构元素，并且每个互作用位置包括至少一个微结构元素。9.根据权利要求8所述的系统，其中，电磁辐射源被配置为在每个不同互作用位置破坏微结构元素。10.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个执行器被配置为引起互作用腔室内的目标的移动。11.根据权利要求10所述的系统，其中，互作用腔室包括用于支撑目标的目标工作台，并且至少一个执行器被配置为以至少0.5RPM的速度旋转目标工作台。12.根据权利要求10所述的系统，其中，互作用腔室包括用于支撑目标的目标工作台，并且至少一个执行器被配置为以至少20mm/s线性移动目标工作台。13.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个执行器被配置为旋转目标。14.根据权利要求1所述的系统，还包括处理器，其被配置为引起电磁辐射束的路径的改变。15.根据权利要求14所述的系统，其中，光学器件包括可调镜，并且至少一个执行器被配置为改变可调镜。16.根据权利要求14所述的系统，其中，光学器件包括自适应光学器件。17.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个执行器包括第一执行器和第二执行器，其中，第一执行器被配置为引起互作用腔室内的目标的移动，并且第二执行器被配置为引起电磁辐射束的路径的改变。18.一种用于粒子治疗的方法，包括：生成至少100太瓦且重复率为至少20Hz的脉冲电磁辐射束；将脉冲电磁辐射束沿路径引导向互作用腔室中的目标；以及
以与电磁辐射源的重复率关联的速度引起目标和电磁辐射束之间的相对移动，从而改变脉冲电磁辐射束在目标表面上的互作用位置，并且从而引起来自目标的每脉冲至少3x106个带电粒子的结果发射。19.根据权利要求18所述的方法，其中：脉冲电磁辐射束包括多个脉冲链，每个脉冲链包括初步脉冲和主脉冲；初步脉冲超过能通量阈值，并且在目标处具有在0.1J/cm2和10J/cm2之间的能通量；以及主脉冲在目标处具有至少10
18
W/cm2的强度。20.根据权利要求19所述的方法，其中，初步脉冲和主脉冲之间的时间间隔在1ns和26ns之间，使得在时间间隔期间，目标不受到超过能通量阈值的照射。21.一种粒子治疗系统，包括：互作用腔室，其被配置为包含响应于能量施加而发射带电粒子的目标；能量源，其用于向目标施加能量；磁束线，其用于以使带电粒子能够在不同的肿瘤位置处照射患者的肿瘤的方式，将带电粒子束从目标引导到肿瘤；和至少一个处理器，其被配置为：选择性地将能量从能量源引导到目标上的不同位置；以及在医治疗程期间，当目标上的能量施加位置改变时，选择性地控制带电粒子束和患者之间的相对移动，以在不同的肿瘤位置处用带电粒子照射肿瘤。22.根据权利要求21所述的系统，其中，能量源包括激光器。23.根据权利要求22所述的系统，其中，目标包含多个微结构元素，并且激光器被配置为在目标上的不同位置中的每一个处破坏一个或多个微结构元素。24.根据权利要求21所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为选择性地将能量从能量源引导到目标上的非重叠位置。25.根据权利要求21所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为选择性地将能量从能量源引导到目标上的部分重叠位置。26.根据权利要求21所述的系统，其中，磁束线包括用于将束线相对于患者转向和用于将带电粒子引导在不同的肿瘤位置的可移动桥式台架。27.根据权利要求21所述的系统，还包括用于支撑患者的可移动平台和用于移动平台以将带电粒子引导在不同的肿瘤位置的电机。28.根据权利要求21所述的系统，还包括至少一个执行器，其被配置为移动互作用腔室中的目标，其中，至少一个处理器被配置为当目标移动时，选择性地将能量从能量源引导到不同的目标位置。29.根据权利要求28所述的系统，其中，至少一个执行器被配置为使目标旋转，并且至少一些不同的目标位置在径向上彼此隔开。30.根据权利要求21所述的系统，还包括至少一个执行器，其被配置为以与电磁辐射源的重复率关联的速度引起目标和从能量源辐射的脉冲能量束之间的相对移动。31.根据权利要求21所述的系统，其中，能量源被配置为当目标上的位置被照射时，引起多个能级的多个带电粒子的同时发射。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为使多个带电粒子能够用由扩散布拉格峰表征的剂量来医治肿瘤，所述剂量仅用响应于对目标的照射而同时生成的粒子来递送。33.根据权利要求31所述的系统，其中，多个能级跨越5MeV以上。34.根据权利要求31所述的系统，其中，至少一个处理器还被配置为实现多个能级中的符合肿瘤的医治计划的子集的选择。35.根据权利要求31所述的系统，其中，至少一个处理器还被配置为选择性地将能量从能量源引导到多个不同的目标位置，同时控制束线，使得带电粒子在相同的肿瘤位置照射肿瘤。36.根据权利要求31所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为在医治疗程期间，选择性地将能量从能量源引导到目标上的至少50个不同位置。37.根据权利要求31所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为选择性地将能量从能量源引导到目标上的多个不同位置，以生成带电粒子来医治单个肿瘤位置。38.一种带电粒子医治方法，包括：确定互作用腔室中的目标的取向，其中，目标被配置为响应于被施加到其的能量而发射脉冲带电粒子束；选择性地将能量从能量源引导到目标上的不同位置，从而生成脉冲带电粒子束；以及在医治疗程期间，当目标上的能量施加位置改变时，以使带电粒子能够在不同的肿瘤位置照射患者的肿瘤的方式，将脉冲带电粒子束引导到肿瘤。39.根据权利要求38所述的方法，其中，脉冲带电粒子束每秒包括至少3x106个带正电粒子。40.根据权利要求38所述的方法，其中，脉冲带电粒子束每秒包括至少3x106个带负电粒子。41.一种粒子治疗系统，包括：互作用腔室，其被配置为包含目标，目标具有多个区域；至少一个能量源；至少一个处理器，其被配置为：使至少一个能量源以导致在至少一个区域附近形成粒子密度在10
15
cm
‑3和10
21
cm
‑3之间的电子云的方式，将能量递送到目标；在电子云位于至少一个区域附近的同时，使至少一个能量源照射目标，从而使多个带电粒子从目标放射；和束线，其被配置为向患者递送多个带电粒子。42.根据权利要求41所述的系统，其中，目标的每个区域包括至少一个微结构元素。43.根据权利要求42所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为导致形成至少部分地围绕至少一个微结构元素的电子云。44.根据权利要求41所述的系统，其中，至少一个能量源包括电磁辐射源。45.根据权利要求41所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为调节至少一个能量源以递送用于导致形成电子云的第一剂量的能量，并且递送用于使多个带电粒子从目标放射的第二剂量的能量。
46.根据权利要求45所述的系统，其中，至少一个能量源包括配置用于生成第一剂量的能量和第二剂量的能量的单个源。47.根据权利要求45所述的系统，其中，至少一个能量源包括用于生成第一剂量的能量并导致形成电子云的第一源和用于生成第二剂量的能量并使多个带电粒子从目标放射的第二源。48.根据权利要求45所述的系统，其中，目标包括微结构元素，并且第一剂量的能量被配置为引起至少一些微结构元素的消融。49.根据权利要求45所述的系统，其中，目标包括微结构元素，并且第二剂量的能量被配置为导致至少一些微结构元素的破坏。50.根据权利要求45所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为调节至少一个能量源，以递送在目标处具有低于10J/cm2的能通量的第一剂量。51.根据权利要求45所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为调节至少一个能量源，以递送在目标处具有至少10
18
W/cm2的强度的第二剂量的能量。52.根据权利要求45所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为调节至少一个能量源，以递送量比第一剂量的能量至少大1000倍的第二剂量的能量。53.根据权利要求45所述的系统，其中，至少一个处理器被配置为使第二剂量的能量在第一剂量的能量被递送到目标后的1ns和26ns之间被递送到目标。54.根据权利要求53所述的系统，还包括过滤器，其被配置为防止目标在第一剂量和第二剂量之间的时间间隔期间暴露于在目标处具有大于0.1J/cm2的能通量的任何额外...

【专利技术属性】
技术研发人员：E帕皮尔，A贝斯帕利，S布林克达南，P科姆，R范罗尔蒙德，I戴伊，
申请(专利权)人：希尔应用医学有限公司，
类型：发明
国别省市：