專利名稱：包括磁共振成像裝置的粒子輻射治療設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明描述粒子輻射治療設備，該粒子輻射治療設備包括磁體，
由此在粒子輻射治療期間允許磁共振成像(MRI)。
背景技術：
用質子和碳離子射束進行輻射治療已表明是有效的。另外它已表 明與常規(guī)的伽馬輻射治療相比對組織造成更小的損傷。
然而，用于確定待給予的劑量的大小和位置的輻射計劃基于MRI 成像或CT成像，該MRI成像或CT成像可能在進行治療之前的相當長 的時段進行。在介入期間，待輻射的組織的位置可能已移動或改變形 狀。這可能導致對健康組織的輻射和/或遺漏患病組織，這可能導致疏 忽(remi ss ion )。
在輻射治療中，通常用在橫向平面XY中沿橫向方向110提供的射 束對患者進行照射，如圖13中示意性所示。
理想的是在進行MRI成像的同時將帶電粒子射束施加于患者，因 為預定目標的位置和形狀于是可以在其當前位置中是精確已知的。
大多數(shù)當前的MRI掃描儀不適合于此，因為射束將被低溫恒溫器 阻礙。另外，即使在例如那些使用C形或H形磁體的掃描儀的"開放 式"掃描儀中，掃描儀的磁場也將垂直于帶電粒子射束的橫向方向 110。這將使射束偏離預定方向。
圖14A和14B示出兩種現(xiàn)有技術的MRI掃描儀，其中才艮據(jù)磁通量 線示出磁場B。圖14A顯示在常規(guī)的螺線管磁體布置中經(jīng)歷MRI成像的 患者。如所示的那樣，如果有可能在MRI成像期間沿橫向方向110將 帶電粒子射束施加于患者，則該射束將垂直于MRI設備所產(chǎn)生的磁場 B，因此磁場B將使該射束偏離其預定目標。在這樣的常規(guī)的螺線管磁 體布置中，由于圍繞患者的感興趣區(qū)域的螺線管的存在而不可能接近 患者。圖14B顯示在常規(guī)的開放式C形磁體布置中經(jīng)歷MRI成像的患 者。在這樣的磁體布置中更易接近患者。然而，如所示的那樣，如果 有可能在MRI成像期間沿橫向方向110將帶電粒子射束施加于患者，
則該射束將垂直于MRI設備所產(chǎn)生的磁場B，因此磁場B將使該射束偏 離其預定目標。
US 2004/0199068描述了一種系統(tǒng)，其中MRI (磁共振成像)祐_ 用于跟蹤患者的目標體積的位置并且控制對治療體積的粒子射束供 應，使得只有當治療體積與患者的目標體積一致時才激活粒子射束。
US 6， 198， 957描述了一種組合式MRI和粒子射束治療裝置。當施 加粒子射束治療時MRI系統(tǒng)的磁場被關閉。
WO 02/065149描述了適合用于例如MRI裝置的線圈布置，其中產(chǎn)
生沿著平行于線圏的平面并且平行于位于線圈的平面中間的平面的方 向的磁場。它提供包括四個磁線圈組的群組的磁體組件，每個磁線圈 組包括導電材料的繞組；其中磁線圈組關于中平面和反射平面的相交 軸對稱布置，反射平面垂直于中平面，使得線圏具有相對于垂直于中 平面和反射平面的另一平面的對稱平面，每個線圏繞垂直于中平面的 軸纏繞，并且其中繞組被配置成在操作中電流關于反射平面對稱并且 關于中平面反對稱，從而在系統(tǒng)的中心產(chǎn)生垂直于反射平面的合成 場。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，通過提供一種MRI系統(tǒng)來允許在粒子輻射治療的同 時進行MRI成〗象，所述MRI系統(tǒng)以沿著平行于施加帶電粒子射束的預 定方向的橫向方向110的磁場工作，從而使磁場與帶電粒子射束的干 擾最小化，同時允許接近患者。
本發(fā)明還提供用于操作這樣的設備以在施加區(qū)域進行MRI成像的 同時將粒子輻射施加于相同區(qū)域的方法。
本發(fā)明因此提供如在所附的權利要求中所述的裝置和方法。


為了更好地理解本發(fā)明并且表明本發(fā)明可以如何^皮實現(xiàn)，現(xiàn)在將 僅僅通過例子參考如附圖頁中所示的附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的特定實 施例、方法和過程，其中
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的四個磁線圏的布置的透視
圖2和3顯示兩個香蕉線團配置的比較；
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的四個磁線圏組件的布置的透 視圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的布置的截面圖； 圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的帶有凹槽的扇形線圏組的透 視圖7顯示本發(fā)明的一個實施例的XZ平面中的橫截面，其顯示例如 圖6中所示的線圈相對于MRI系統(tǒng)的其它部件的布置；
圖8根據(jù)磁通量線顯示圖7中所示的線圍布置的XZ平面中的磁場 的方向；
圖8a -圖8c顯示如圖7中所示的線圏布置所產(chǎn)生的磁場的場強等 高線；
圖9顯示根據(jù)圖7的系統(tǒng)的XZ平面中的5高斯線； 圖10、圖11和圖12顯示替代實施例；
圖13顯示將粒子射束施加于患者以執(zhí)行粒子輻射治療的預定方 向；以及
圖14A和圖14B顯示所示的常規(guī)MRI磁體所生成的磁場和將粒子 射束施加于患者以執(zhí)行粒子輻射治療的預定方向。
具體實施例方式
本發(fā)明將W0 02/065149中所述的磁線圏布置的施加作為在施加帶 電粒子射束期間監(jiān)視輻射治療的目標區(qū)域的裝置提供。
有利地，根據(jù)本發(fā)明，這樣的線團布置被布置成它們產(chǎn)生的磁場 位于施加用于粒子輻射治療的粒子射束的預定方向110。由于帶電粒子 射束的施加將沿著磁場的方向，因此射束不會被偏轉，并且粒子輻射 劑量可以精確地^皮施加于預定目標。
現(xiàn)在將參考圖1 -圖12描述這樣的布置的例子。
圖1顯示由四個線圏111、 112、 114、 116和將在以下描述中參考 的XYZ坐標參考框架組成的布置。圖1中所示的線圏111 - 116相對于 平行于也被確定為橫向平面的XY平面的中平面對稱布置，并且也相對 于被確定為反射平面的YZ平面對稱布置。線圏也具有平行于ZX平面 的對稱平面。線圈上的箭頭118被顯示以表明線圏中的電流相對于彼此的方向。位于中平面(XY平面)之上的線圏111中的電流的方向與 位于中平面XY之下的線圏114的電流的方向相反(反對稱)。此外， 正X空間中線圈112、 116的電流的旋轉指向與負X空間中各相應線圏 111、 114的電流的指向相反(反射對稱)。有時被稱為"香蕉線團，， 的圖1中所示的每個線圈的形狀由于最靠近反射平面的線圈的一側上 的反向曲率半徑(凹面)而不能直接通過常規(guī)的纏繞過程來制造。
由線圏111、 112、 114、 116所產(chǎn)生的場的和用于粒子輻射治療的 帶電粒子射束的施加的方向110用將在隨后的附圖中標示的粗箭頭指 示。
如圖1中所示的線圏組所生成的場可能不產(chǎn)生質量足以進行MRI 成像的場。以下描述提供可以產(chǎn)生質量提高的磁場的另外的實施例。
圖2和3顯示在與圖1中所示的布置相對應的布置中適合用于本 發(fā)明實施例中的香蕉線圈的兩種另外的配置。圖2 -圖3中每種配置所 產(chǎn)生的磁場與圖1的布置相同。圖2顯示一種嵌套香蕉線圏，其中沿 第一方向攜帶100A電流的120°弧形香蕉線圈210具有嵌套在其中的 60°弧形香蕉線圏。60。線圏沿著與第一方向相反的方向攜帶200A的 電流，導致對于整個120°弧形配置的中心60°弧形來說沿第二方向 的100A總電流。這等效于圖3中所示的結構，其中具有沿第二方向攜 帶100A電流的中心60°弧形香蕉線圏214，兩個周邊的30°弧形香 蕉線圈216、 218沿第一方向攜帶100A電流。
盡管這樣的香蕉線圈的制造方法是眾所周知的，但可能更容易通 過疊加如圖4中所示的D形線圏來產(chǎn)生基本上相同的磁場。這也在定 位D的直邊以便提高磁場的均勻性方面給予附加的自由度。D形線圍可 以交錯和/或重疊。線圏如參考圖1所迷對稱布置。參考下面的線圏， 由于圖4也顯示了每個D形線圏中的電流422的方向，可以看到線圏 410、412和414具有在形狀和各自的電流方向上的鏡像線圏416、418、 420。
每個D形線圏繞在操作中平行于Z軸定位的軸纏繞。盡管線圏是 非圓形的，但繞組是順向的，因為不存在繞組的曲率半徑反向。每個 線圏的外表面是凸面的或平面的。雖然常規(guī)地預期D形線圈在一側具 有直部，但實際上該側不需要是完全直的，而是可以僅僅具有極大的 曲率半徑以幫助導線的纏繞。由于類似原因，在直部末端的拐角優(yōu)選
地是圓形的，而不是包括尖角。這樣可以利用常規(guī)的繞線過程但是以
可變的曲率半徑而不是用于圓形線圏的固定半徑容易地纏繞大體上D 形的線圈。盡管每個單獨的線圏的纏繞軸平行于Z軸，不同線圏中的 電流的布置在系統(tǒng)的中心沿垂直于Z軸的方向110產(chǎn)生合成場。類似 地，在系統(tǒng)外部的區(qū)域中單獨的線圈的場用于彼此抵消，從而導致在 系統(tǒng)外部的很小的雜散場，而不需要附加的屏蔽措施、例如額外的線 圈。
圖5顯示理論上應當沿方向110產(chǎn)生高質量均勻場的平面線圈組 的頂視圖。當如參考圖1所述的那樣成組對稱布置時，它們將產(chǎn)生均 勻性，該均勻性在4 0cm的成像區(qū)域球體上具有6 ppm的預測峰-峰值。 線圈510和512是相同的，并且應在電流方向(未顯示)在YZ平面中 成鏡像的情況下被使用。這些線圏在構造上類似于已知的平面或梯度 線圏。與被配置用于在完整的MRI系統(tǒng)的中心提供零場的梯度線圏相 比，在本申請中每個象限的線圈串聯(lián)連接以便在MRI系統(tǒng)的中心提供
高強度、高質量均勻場。然而，雖然該布置提供高強度、高質量均勻 場，但它不允許容納生成MRI圖像所需的梯度線圈和RF線圈。
圖6以極坐標網(wǎng)格方式顯示扇形線圏610、 612、 614、 616的布置 的視圖。扇形線圏被布置在平行平面中，其中對于從中心直到半徑的 圓中的線圏來說線圈之間的間隙618被增大，該半徑對應于按照現(xiàn)有 技術所制造的梯度線圏的半徑。中心線圏610、 614之間的中心的增大 的間隙618提供用于RF線圏、梯度線圏和墊片的足夠空間，而外面的 線圏612、 616之間的間隙620較小。這提高總合成場的均勻性并且減 小生成給定中心場所需的導體數(shù)量。線圏可以如所示的那樣是多個小 的段形線團。替代地，幾個相鄰段可以用較大的香蕉線圏代替。在另 一實施例中，為了便于纏繞，段形線圏可以用梯形線圏代替。
圖7顯示具有與圖6中所示的線圏布置類似的線圈布置的MRI掃 描儀的ZX平面中的橫截面。線圏被布置成兩組710和712。組710對 應于圖6中具有增大的間隙618的線圏610、 614。線圏可以;陂布置成 以超導方式工作，如已知的那樣。外面的線圏被標識為712，對應于圖 6的線圏612、 616。目前的超導體需要在低溫下工作并且該例子中的 線圏被充當熱輻射屏蔽的外殼714圍繞。另外，該外殼也可以被用于 包含冷凍劑。線圈710和712以及外殼714凈皮氣密外殼716圍繞。
該外殼的內部被抽空以最小化熱量通過對流從外殼716的內表面 到線圈的傳導。外殼具有容納梯度線圈組件5和RF線圏4的凹進部分。 對于35兆安培米線圈組來說中心場已被計算為1T,在直徑為40cm的 球體上均勻性為143ppm。導體的外徑為1.9m，導體之間的間隙620為 0. 7m,并且內導體之間的間隙618為0. 9m。
圖8顯示圖7中所示的實施例的XZ平面中的通量線810。所述線 顯示例如磁共振成像所需的、由線圍產(chǎn)生的非常理想的均勻平行場。 圖8a -圖8c分別顯示在Y-O、 Y-O. lm和Y-O. 2m時的XZ平面中描述 磁場B的恒定磁場強度線。因此，所述線圈布置方便地提供一個實施 例，該實施例能夠實現(xiàn)足夠均勻的半徑為0. 2m的診斷體積。
圖9在ZX平面中顯示針對如圖7中所示的線圈組件所計算的5高 斯曲線910。僅僅顯示了在+X+Z象限中的5高斯線。這清楚地證明所 述線圏布置的低雜散場特性。
圖10以透—見圖顯示一個實施例1000的所有主磁體。每個象限包 括并排的三個線圏1010、 1012、 1014... 1032，中心線圏1012、 1018、 1024、和1030位于XZ平面中。象限的每個線圏中的電流方向1034 -1040是相同的。
圖11顯示除了在每個象限中有六個線圏1110- 112 0之外與圖10 類似的布置。應理解的是可能理想的是具有用于某些應用的寬廣的 成像領域。替代地，多個小的子線圏的使用可以允許降低制造成本。
圖12除了每個香蕉線圈1210、 1214、 1218、 1222配備有位于香 蕉內弧上的輔助的矩形線圏1212、 1216、 1220、 1224以及象限的各線 圏的電流方向相反之外對應于圖1。圖12的線圏布置在本發(fā)明的一個 實施例中可以被提供作為主場生成裝置。
用于放置適合于例如所述的磁共振成像組件的磁線圏的配置提供 由于設計而產(chǎn)生的許多優(yōu)點通過開放式設計提供高的患者接近度； 因為垂直于沿平行于中平面XY的方向110的配置生成總磁場。成像體 積任一側的相對線圏之間的磁吸引力被減小，從而允許線圏組之間的 支架的構造與對于常規(guī)的開放式或C形磁體來說已知的構造相比不太 堅固；患者可以從頭到腳趾沿著磁場與磁場成任何角度被定位；伴隨 導線數(shù)量的減少的更小磁體的使用可以實現(xiàn)制造成本的有用節(jié)省。
已發(fā)現(xiàn)以上布置適合于結合到粒子輻射治療設備中。
本發(fā)明提供上述磁線圏布置的施加以提供改進的粒子輻射治療設 備。根據(jù)本發(fā)明，帶電粒子射束源被布置成沿預定方向將帶電粒子射 束引導到施加區(qū)域。此外，磁場生成裝置被提供用于在施加帶電粒子 射束的同時在施加區(qū)域中生成磁場，其中磁場生成裝置被布置用于提 供對帶電粒子射束的施加區(qū)域的接近并且在帶電粒子射束的施加區(qū)域 中提供均勻磁場，所述磁場基本上沿預定方向定向。
優(yōu)選地，磁場生成裝置包括上述線圈布置之一。在該情況下，磁
場生成裝置可以包括磁線圏，每個磁線圈包括導電材料的繞組；其中 磁線團關于中平面(XY)和反射平面(YZ)對稱布置，反射平面垂直 于中平面，使得線團具有相對于垂直于中平面和反射平面的另一平面 (XZ)的對稱平面。每個線圏優(yōu)選地繞垂直于中平面的軸纏繞。在操 作中，電流優(yōu)選地關于反射平面對稱并且關于中平面反對稱，從而在 系統(tǒng)的中心產(chǎn)生合成場B，該合成場垂直于反射平面，并且基本上沿預 定方向定向。
在某些實施例中，磁線圏被布置成四個線圏組的群組，并且磁線 圏組如上所述對稱布置。
磁場生成裝置優(yōu)選地適合用于磁共振成像系統(tǒng)中，使得可以在施 加帶電粒子射束的同時執(zhí)行帶電粒子射束的施加區(qū)域的磁共振成像。
粒子輻射治療設備優(yōu)選地也包括低溫恒溫器單元和梯度磁體組 件，其中所述磁場生成裝置位于低溫恒溫器中以提供能夠實現(xiàn)超導性 的工作溫度，并且其中梯度磁體組件可操作用于提供橫越預定平面的 磁場以允i午磁共振成寸象。
本發(fā)明也提供一種用于在對患者執(zhí)行磁共振成像的同時對患者執(zhí) 行粒子輻射治療的方法。沿預定方向將帶電粒子射束施加于患者的施 加區(qū)域。在帶電粒子射束的施加區(qū)域中生成均勻磁場，所述磁場基本 上沿預定方向定向。
優(yōu)選地，均勻磁場由磁線圈生成，每個磁線圏包括導電材料的繞 組；其中磁線圏關于中平面(XY)和反射平面(YZ)對稱布置，反射 平面垂直于中平面，使得線團具有相對于垂直于中平面和反射平面的 另一平面(XZ)的對稱平面，每個線圏繞垂直于中平面的軸纏繞，并 且其中繞組被配置成在操作中電流關于反射平面對稱并且關于中平面 反對稱，從而在系統(tǒng)的中心產(chǎn)生合成場，該合成場垂直于反射平面，
并且基本上沿預定方向定向。
在某些實施例中，磁線圈被布置成四個線圈組的群組，并且磁線 圈組如上所述對稱布置。
所述方法可以進一步包括將磁線圈冷卻到能夠實現(xiàn)超導性的溫度 并且使電流在磁線圈中流動，以便電流的方向關于反射平面對稱并且 關于中平面反對稱。
盡管僅僅通過例子參考有限數(shù)量的特定實施例描述了本發(fā)明，但
的多種修改和變二j P 權利要求
1.粒子輻射治療設備，被布置用于將帶電粒子射束沿預定方向施加于施加區(qū)域，該粒子輻射治療設備包括被布置用于沿預定方向引導帶電粒子射束的帶電粒子射束源，進一步包括用于在施加帶電粒子射束的同時在包括施加區(qū)域的成像體積中生成磁場的磁場生成裝置，其中磁場生成裝置被布置用于提供對帶電粒子射束的施加區(qū)域的接近并且在帶電粒子射束的施加區(qū)域中提供均勻磁場，所述磁場基本上沿預定方向定向。
2. 根據(jù)權利要求1所述的粒子輻射治療設備，其中磁場生成裝置 包括磁線團，每個磁線圈包括導電材料的繞組；其中磁線圏關于中平 面(XY)和反射平面(YZ)對稱布置，反射平面垂直于中平面，使得 線圏具有相對于垂直于中平面和反射平面的另一平面(XZ)的對稱平 面，每個線圏繞垂直于中平面的軸纏繞，并且其中繞組被配置成在操 作中電流關于反射平面對稱并且關于中平面反對稱，從而在磁場生成 裝置的中心產(chǎn)生合成場，該合成場垂直于反射平面，并且基本上沿預 定方向定向。
3. 根據(jù)權利要求2所述的粒子輻射治療設備，其中磁線圏被布置 成四個線圈組的群組，并且磁線圏組如權利要求2中所述對稱布置。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的粒子輻射治療設備，其中磁線圏包 括D線圏。
5. 根據(jù)權利要求2或3所述的粒子輻射治療設備，其中磁線圏包 括香蕉線圏。
6. 根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的粒子輻射治療設備，其中 磁線圈包括子線圏。
7. 根據(jù)權利要求6所述的粒子輻射治療設備，其中子線圏以嵌套和/或重疊的布置被提供。
8. 根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的粒子輻射治療設備，其中 線圈是非平面的。
9. 根據(jù)任一前述權利要求所述的粒子輻射治療設備，其中磁場生 成裝置適合用于磁共振成像系統(tǒng)中。
10. 根據(jù)任一前述權利要求所述的粒子輻射治療設備，進一步包 括低溫恒溫器單元和梯度磁體組件，其中所述磁場生成裝置位于低溫 恒溫器內以提供能夠實現(xiàn)超導性的工作溫度，并且其中梯度磁體組件 可操作用于提供橫越預定平面的磁場，由此允許磁共振成像。
11. 一種用于同時在成像體積中執(zhí)行磁共振成像并且將帶電粒子 射束施加于成像體積內的施加區(qū)域的方法，包括將帶電粒子射束沿預 定方向施加于成像體積內的施加區(qū)域的步驟，并且進一步包括在帶電 粒子射束的施加區(qū)域中施加均勻磁場，所述磁場基本上沿預定方向定 向。
12. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中均勻磁場由磁線圏生成， 每個磁線圏包括導電材料的繞組；其中磁線團關于中平面(XY)和反 射平面(YZ)對稱布置，反射平面垂直于中平面，使得線圏具有相對 于垂直于中平面和反射平面的另一平面(XZ)的對稱平面，每個線圏 繞垂直于中平面的軸纏繞，并且其中繞組被配置成在操作中電流關于 反射平面對稱并且關于中平面反對稱，從而在系統(tǒng)的中心產(chǎn)生合成 場，該合成場垂直于反射平面。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中磁線圈被布置成四個線圈 組的群組，并且磁線圈組如權利要求12中所述對稱布置。
14. 根據(jù)權利要求12或13所述的方法，進一步包括以下步驟 將磁線圏冷卻到能夠實現(xiàn)超導性的溫度，并且使電流在磁線圏中流 動，使得電流方向關于反射平面對稱并且關于中平面反對稱。
全文摘要
被布置用于將帶電粒子射束沿預定方向施加于成像體積內的施加區(qū)域的粒子輻射治療設備包括被布置用于沿預定方向引導帶電粒子射束的帶電粒子射束源，進一步包括用于在施加帶電粒子射束的同時在施加區(qū)域中生成磁場的磁場生成裝置，其中磁場生成裝置被布置用于提供對帶電粒子射束的施加區(qū)域的接近并且在帶電粒子射束的施加區(qū)域中提供均勻磁場，所述磁場基本上沿預定方向定向。
文檔編號A61B5/055GK101203268SQ200680022106
公開日2008年6月18日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權日2005年6月22日
發(fā)明者M·J·M·克勒伊普, P·比斯利 申請人:西門子磁體技術有限公司