[发明专利]用于强度调制离子射束治疗中的快速光栅射束扫描的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于辐射治疗处置的方法和系统。更具体地，本发明涉及基于小截面面积(所谓的“笔形”射束)并且可调节能量和强度的强烈加速度器射束的扫描的离子射束治疗的粒子射束递送，以共形地辐照任意形状的靶肿瘤的完全体积，同时将最小剂量提供至周围健康组织。

背景技术

与标准X射线治疗相比较，质子或更重的离子射束治疗能够通过增加递送至靶体积的剂量、同时使递送至周围组织的剂量最小化来显著地改善剂量定位。这些改善基于治疗离子射束在靶材料中的有限渗透范围。此外，对靶材料的能量沉积随着离子射束减速而增加并且在渗透范围的端部附近达到尖锐最大值。因此，离子射束治疗具有以较少的短期或长期中毒副作用提供针对控制和消除肿瘤的可能处置选项的潜力。

迄今已经使用传统被动散射系统递送了大多数离子射束治疗处置，其中，通过患者特异性孔径和范围补偿器来形成处置剂量场。然而，离子射束治疗的固有优点被备选方法最好地利用，应用剂量递送的笔形射束扫描(PBS)方法以在不使用孔径和补偿器的情况下实现对任意肿瘤体积的完全3D一致性。笔形射束扫描指代其中使用在两个横向维度上扫掠射束的扫描磁体在特定深度处跨肿瘤横向地散布小直径入射离子射束的方法。扫描磁体位于能够旋转以从多个方向辐照肿瘤的射束递送机架附近。射束强度针对每个3D斑点(体素)变化以实现确切地符合在该深度处的肿瘤面积的剂量分布。针对一定范围的减小的能量(能量堆积)重复该过程允许对具有任何任意形状的完全肿瘤体积的处置。射束强度针对每个3D斑点(体素)变化，以实现确切地符合肿瘤体积的剂量分布。在图1和图2中示意性地对比被动散射和PBS方法，并且实现针对图3中的给定肿瘤的处置计划。

能够利用PBS技术实现的射束强度调制允许离子射束治疗利用以X射线执行的强度调制辐射治疗(IMRT)有利地完成。PBS的优点是临床和财务两方面的。在下文中讨论了这些优点中的一些优点。

例如，能够利用单剂量场(机架角设置)来辐照任意形状的靶体积。PBS的该特征带来多个益处。双散射和一致(在没有强度调制的情况下)扫描系统使剂量分布的远侧边缘符合靶形状，但是不可避免地生成对近侧健康组织的过度剂量的区域，如在图1中和图3的左手侧框架中所指示的。因此，PBS改善了递送至靶的离子射束剂量的一致性。此外，单PBS场的经改善的一致性允许利用较少场来获得所要求的靶覆盖，其简化整个处置并且降低总处置成本。在复杂形状肿瘤的情况下，期望PBS以降低对于剂量场匹配和修补的需要。

降低了对患者的次级中子剂量。由于避免了第一和第二散射器、准直器和补偿器，射束具有对患者的材料剂量中的较少的核相互作用，这导致对患者的次级中子剂量的大的降低。尽管若干研究已经发现质子治疗中的中子剂量是小的，但是中子的高相对生物效应保证将中子剂量降低到尽可能低的水平，特别是针对儿科处置。

患者特异性设备的消除导致成本和处置时间方面的实质性节省。PBS消除产生以及去掉激活的患者特异性设备的需要，并且消除安装他们、验证其与处置场的匹配并且确保其相对于靶隔离器的正确定位所要求的时间。其还去除了改变剂量场之间的患者特异性设备的需要。那些改变要求进入到治疗室并且患者特异性设备对于一位治疗师或放射学技师而言常常太重以致于不能处理。

PBS的前景已经导致世界范围内的离子射束治疗诊所的数量以及将经由离子射束递送的放射处置的部分的近期快速增长的预测。这些预测假定启用PBS的技术将以合理的成本是可用的，并且将开发技术以克服对其适用性的剩余的限制。实际上，强度调制质子治疗(IMPT)处置在若干手术诊所处已经是可用的(范例是瑞士的保罗谢勒研究所和美国伊利诺伊州的沃伦维尔的节奏健康诊所)，其中，它们正被用于增加处置的部分。迄今PBS的特定实现方案已经基于所谓的斑点射束扫描(SBS)。