[发明专利]具有能量降级器和消色差最终弯曲系统的粒子治疗机架

说明书

本发明提供了一种可移动机架(2’)，用于使用射束扫描技术传递粒子射束以便例如用于人体组织中的癌症治疗；可移动机架包括：a)入口部段(6)，其用于加速的粒子射束且包括多个四极磁体；b)第一弯曲部段(8)和可选的第二弯曲部段(12)，其包括多个双极磁体和四极磁体以及可选的用于射束校正的另外的磁体；c)传送部段，其包括多个四极磁体和可选的用于射束校正的另外的磁体以及降级器(D)；d)最后的射束弯曲部段(16)，其包括形成消色差部段的多个单独的和/或组合的双极/四极/高阶多极磁体，其中该消色差的最后的弯曲部段(16)的所有磁体均位于降级器(D)的下游；该消色差的最后的弯曲部段(16)中的任何色散被抑制，使得其将具有大于±5％的动量接受度；e)扫描部段(15)，其包括两个单独的或一个组合的快速偏转磁体(K1、K2)，快速偏转磁体使等中心点处的射束沿垂直于射束方向的方向偏转以执行横向扫描；以及f)射束喷嘴部段(18)，其包括射束喷嘴以及可选的射束处理设备，比如另外的射束降级或修改元件和/或与射束质量相关的射束验证元件。安装于机架上的降级器与动量接受度大的机架的射束传输磁体的设计的这种组合产生了增大机架中最后弯曲部段的能量接受度和实现新剂量应用技术的可能性，比如可以在不改变机架中最后弯曲部段的磁场的情况下快速改变患者处的质子能量。

技术领域

本发明涉及一种用于使用质子束或者碳离子束或氦离子束快速扫描传递粒子射束以便例如用于人体组织中的癌症治疗的机架。在此提出的用于质子束的情况也适用于任何其他离子束，如碳或氦离子束。

背景技术

在质子治疗中，在组织中就在质子范围结束之前出现的布拉格(Bragg)峰(高剂量峰)被用于在靶组织中沉积高剂量，同时防止健康组织中剂量过高。在扫描笔形射束技术中，在两个横向方向上扫描窄质子束，并且通过调整笔形射束的能量来设定布拉格峰的深度。

在垂直于射束方向的平面中的肿瘤投影的尺寸通常远大于射束直径。通过窄的“笔形射束”的偏转来进行两个横向方向的射束扫描，这项技术在NIRS(参见图2)和LBNL中首次演示，并且临床上在PSI(参见图4的上部)的机架上首次使用。射束在扫描磁体的作用下偏转，扫描磁体通常位于机架中的最终弯曲磁体之前(上游扫描)或之后(下游扫描)，但也存在其他可能性。

布拉格的深度位置通过选择射束能量(动量)来设定。考虑到布拉格峰的宽度，通过以大约5毫米的步长使布拉格峰在肿瘤厚度上移位来进行在肿瘤厚度上扩散剂量。相应的每层所需的动量变化为约1％的量级，大约对应于0.5％的能量变化。该步长尺寸取决于粒子类型，并且对于碳离子而言，该步长尺寸通常可能会减少到1/2。

目前，在许多供手术用的质子治疗设施中，射束由具有固定提取能量的回旋加速器来加速。在回旋加速器设施中，能量通过所谓的降级器——在射束传输系统中插入低Z材料——降低至所需的值。这种系统和下面的磁体应当设计成使得当在肿瘤厚度上全面扩散剂量时，尽可能快地进行能量变化。

为了限制治疗时间，有利的是，通过等待直到产生能量改变而使笔形射束的深度发生变化为止，不会浪费太多时间。本申请稍后将对此进行更详细的论述。

机架是在质子治疗设施射束路线的最后部段支承射束传输系统的机械式可旋转结构。机架的射束传输系统由多个双极磁体和四极磁体构成，这些磁体能够使最大能量约为230-250MeV的质子束或约450MeV/nucl的碳离子弯曲。例如在美国专利No.6,814,694和No.7,348,579中公开的，机架的旋转连同患者台的移动允许从不同方向辐射肿瘤组织。所谓的等中心点是指空间中的机架旋转轴线被来自所有机架方向的射束穿过的共同点。扫描系统使射束相对于瞄准等中心点的中心(未扫描)射束的方向在横向方向上偏转。

每个双极磁体中的射束轨迹的弯曲使具有非标称动量的粒子从射束的标称轴线偏离其轨迹。这种色差现象称为色散，并且通常用所谓的色散函数来描述，表明在通常1％的动量偏移量的情况下粒子从轨迹的光轴的偏离。机架磁体孔的组合以及粒子轨迹的最大振幅决定了机架可接受的最大动量偏差。由于所谓的色差校正，大多数现有机架接受大约±0.5％至1％的动量段。