专利名称：用于粒子治疗的紧凑机架的制作方法使用带电粒子(例如，质子、碳离子等)的放射疗法被证实是精确且适形的放射治疗技木，其中能够将高剂量输送到靶区同时使围绕健康组织的剂量最小化。粒子治疗设备包括加速器，该加速器产生高能带电粒子；束传输系统，该束传输系统用于将粒子束引导到一个或多个治疗室；以及用于每个治疗室的粒子束输送系统。人们能够区分两种类型的束输送系统，即能够区分将束从固定放射方向输送到靶的固定束输送系统以及能够将束从多个放射方向输送到靶的旋转束输送系统。这种旋转束输送系统还被称为机架。靶通常被定位在由机架的旋转轴线与中心束轴线的交叉限定的固定位置。该交点被称为等中心点， 并且能够将束从各个方向输送到等中心点的这种类型的机架被称为等中心机架。机架束输送系统包括用于整形该束以匹配靶的装置。存在用于粒子束治疗以整形该束的两种主要技术更常见的被动式散射技术以及更先进的动态辐射技木。动态辐射技术的示例是所谓的笔形束扫描(PBQ技木。在PBS中，窄笔形束被磁性扫描到与中心束方向正交的平面上。通过扫描磁体的适当控制来获得靶区的横向一致。通过改变粒子束的能量，靶区中以其固定粒子能量表征的不同层能够随后被照射。由此，粒子辐射剂量能够被输送到整个3D靶区。在患者身上具有足够穿透深度所需的粒子束能量取决于所使用的粒子类型。例如，对于质子治疗，束能量通常在70MeV和250MeV之间。申请人已经构造出结合高达235MeV 的质子束能量使用的质子机架。这种机架在图IA中被示出并且该机架构造由J. B. Flanz 在“Large Medical Gantries，，，Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference,Volume 3，p 2007-2008中进行描述。在该机架中，束在借助45°偶极磁体12 偏转之前由一系列四极第一次聚集，并且接着，该束在其借助135°偶极磁体15弯曲并且朝向等中心点(垂直于旋转轴线)之前由5个四极磁体19进ー步聚焦。该机架还包括两个扫描磁体18，以沿两个正交方向扫描该束以供笔形束扫描使用。由于在135°的最后偏转磁体与等中心点之间加的大距离，因此这些扫描磁体18被安装在最后偏转磁体下游。在最后偏转磁体15与扫描磁体18之间安装有两个附加的四极磁体19。这种机架的缺点在于其具有大尺寸大约IOm的直径以及超过IOm的长度。该机架还具有高制造成本。用于质子和碳治疗的机架的更新概述由U Wfeinrich在“Gantry design for proton and carbon nadrontherapy facilities", Proceedings of EPAC 2006 (European Particle Accelerator Conference) ，Edingburgh，Scotland中给出。如所不的，全部质子等中心机架具有在9m至Urn之间的纵向尺寸以及束从机架旋转轴线的最大径向位移，该最大径向位移在3 !与5m之间变化。旋转粒子机架包括旋转束线，该旋转束线总体上包括用于在真空中传输粒子束的真空管；用于使粒子束聚焦和散焦的各个四极磁体；用于使粒子束弯曲的各个偶极磁体；以及用于监测该束的束监测器。本申请中提出的旋转机架类别是所谓的单平面旋转机架，该单平面旋转机架包括构造成使得在机架束线的每个偶极磁体中的弯曲发生在同一平面内的偶极磁体。该单平面机架类别不同于另ー类别的机架(具有两个正交弯曲平面的所谓“螺旋拔塞器式(cork-screw)”机架)。在单平面机架类别中，当前存在两种主要构造， 这些构造在图IB中示意性地示出，其中示出了由这些机架中的束跟随的中心束路径。该束大致平行于旋转轴线在耦合点或入口点11处进入该机架并且在进入第一偶极磁体12、13 之前以第一直束线段开始。该耦合点或入口点被限定为束线的固定部与旋转机架的束线之间的过渡部。单平面机架的两种主要构造之间的差別与安装在机架中的偶极磁体的数量有关。单平面机架的偶极的弯曲平面还被称为“水平”平面并且非弯曲平面被称为“竖直”平面或Y平面。单平面机架类别的第一主要构造是所谓的锥形机架。示例是由申请人构造并且如图IA所示的质子机架。由这种机架中的质子束跟随的中心束路径在图IB中以虚线示出。 第一 45°偶极磁体12将该束远离机架的旋转轴线弯曲，并且该束接着在进入第二 135° 偶极磁体15之前跟随第二直束线段，该第二 135°偶极磁体15使得束弯曲并且将其大致垂直于旋转轴线引导。束与机架的旋转轴线的交点被称为治疗等中心点17。待被照射的靶被定位在治疗等中心点处。在由申请人构造的锥形机架构造中(图1A)，耦合点11与第一 45°偶极磁体12之间的直束线段包括四个四极磁体，并且第一偶极磁体12和第二偶极磁体15之间的第二直线段包括五个四极磁体(在图IB中未示出四极磁体)。由申请人构适的锥形机架构适还由 Pavlovic 在‘‘Beam-optics study of the gantry beam delivery system for light-ion cancer therapy",Nuc1. Instr. Meth. In Phys. Res. A 399 (1997)on page 440中讨论。单平面机架类别的第二主要构造是所谓的筒形机架，也称为桶形机架。在筒形机架中的束的中心束路径也在图IB中示出，其中用实线表示的束在耦合点11处进入机架，并且在进入使得束远离旋转轴线弯曲的第一偶极磁体13(例如，第一 60°磁体)之前行进通过第一直束线段，并且在进入具有相同弯曲角度但具有相反方向的第二偶极磁体14之前由第二直束线段跟随，从而得到在与机架的旋转轴线平行的第三直束线段中传播的束。于是，第三90°偶极磁体16还被用于使得束沿与旋转轴线垂直的方向弯曲。这三条直束线段分別包括两个、两个和三个四极磁体(在图IB中未示出)。如图IB所示的该筒形机架构造与针对PSI质子机架2提出的几何尺寸对应，该PSI质子机架2由Wfeinrich (966-967页以及966页的图8)讨论。通过Weinrich所讨论的全部等中心机架构造，与机架的旋转轴线具有最小的最大径向束位移(这还被称为机架半径)的机架通过如上所述针对等中心PSI 质子机架2所提出的设计来获得。在该几何尺寸下，获得32m的机架半径(第967页表2 的最后ー栏)。筒形机架的变形是由M· Pavlovic在“Oblique gantry-an alternative solution ior a beam delivery system ior heavy-ion cancer therapy，.，Nucl.丄nstr. Metn. in Phys. Res. A 434 (1999) on page 4M-466中公开的所谓倾斜机架。正如标准筒形机架的那样，该倾斜机架也包括三个偶极磁体，其中前面两个偶极磁体具有相同的弯曲角度但是具有相反的符号，从而导致束沿与机架的旋转轴线平行的方向在第二偶极和第三偶极之间传播(见I^avlovic等人的，460页的图3)。第三偶极磁体具有小于90° (例如60° )的角度，并且因此最终束不垂直于机架的旋转轴线被输送，如同上述标准筒形机架那样。相反， 该最终束以相对于机架轴线的不同于90°的角度在等中心点处被输送。例如，在第三偶极磁体的弯曲角度是60°的情况下，该束在60°的角度下被输送。这种倾斜机架的缺点在干，在不移动患者的情况下，一个机架不能覆盖全部治疗角度。例如，对于60°的倾斜机架， 治疗角度被局限于-60°至+60°的扇区(见463页的部分4的第一句)。在EP1041579A1中，公开了筒形机架构造的附加示例。在该专利申请的图1中，筒形机架被示出并且在表2中被规定第一偶极磁体和第二偶极磁体具有42°的弯曲角度， 并且第三偶极磁体具有90°的弯曲角度。如在该专利申请的摘要中提及的，预期其他构造， 即第一偶极磁体具有在40°至45°范围内的弯曲角度且第二偶极磁体具有与第一偶极磁体相同的弯曲角度，以使得该束平行于机架的旋转轴线弯曲。第三弯曲磁体具有在45°至 90°范围内的弯曲角度，用于使该束朝向机架的旋转轴线弯曲并且使得该束与该旋转轴线相交。如上所述，如果最后弯曲磁体具有小于90°的弯曲角度(这是所谓的倾斜机架)，那么该束不会与机架的旋转轴线垂直地被输送。同样，这种倾斜机架构造的缺陷在干，不能覆盖全部的治疗角度。申请人:开发并且如图IA所示的锥形机架以及PSI机架2(见Weinrich的966页的图8)的筒形机架构造被设计用于供笔形束扫描系统使用。在45° -135°锥形机架构造中，用于沿水平平面(也称为X方向)以及竖直平面(也称为Y方向)扫描该束的扫描磁体18被安装在135°偶极磁体的下游。这种机架构造的缺陷在干，需要在最后偏转磁体 (在该示例中，135°磁体)的出口与机架等中心点之间提供大的间距，这导致大的机架半径R。该扫描磁体需要被安装得足够远离等中心点(例如，加或更多)，以便具有足够大的 SAD(源轴距)。SAD越大，皮肤剂量就越小。如图IB所示，对于该锥形机架，被限定为从该束到机架的旋转轴线的最大距离的机架半径是大约4. 5m。在筒形PSI机架2构造中，扫描磁体18被安装在第二 60°偶极磁体14与最后 90°偶极磁体16之间。该机架构造的主要缺陷在于，最后90°偏转磁体16需要具有大间隙(竖直)和大极宽(水平)，以便能够在等中心点的大靶面积(例如，25cmX20cm或 40cmx30cm)内扫描该束。因此，这种90°偶极磁体的尺寸和重量是大的，并且此外功耗是高的。这种90°磁体能够重达20吨。第二缺陷在干，第二 60°偶极磁体14与最后90° 偏转磁体之间的直平行线段是相对长的，这导致长的轴向机架尺寸。该PSI机架2具有如 Weinrich (966页的表2)中描述的11. 6m的轴向长度，该轴向长度被限定为耦合点11与等中心点之间的轴向距离。具有90°最后偏转磁体的筒形机架构造同样在专利US7348579中被讨论。本发明旨在提供ー种克服现有技术的问题的装置。本发明的目的在于设计ー种机架，该机架与现有技术的机架相比能够以降低的成本构造并且其中最后偶极磁体的功耗降低。附加目的还在于降低机架的总尺寸，使得治疗室的容积能够減少，且因此建筑的成本也能够減少。
本发明由所附权利要求书阐述并表征。根据本发明的第一方面，提供ー种等中心机架，所述等中心机架被设计用于绕旋转轴线旋转并且用于输送粒子束以用于粒子治疗。所述等中心机架包括机架束线，所述机架束线具有用于使所述粒子束沿大致平行于所述旋转轴线的方向进入到所述机架中的机架入口点；第一偶极磁体、第二偶极磁体和第三偶极磁体，这些偶极磁体顺序设置用于依次使得所述粒子束在单平面内弯曲并且用于沿大致垂直于旋转轴线的方向在等中心点处输送所述粒子束；四极磁体，所述四极磁体用于使所述粒子束聚集和散焦；所述等中心机架的进ー步特征在干，所述第三偶极磁体具有小于90°、优选地小于80°、更优选地小于70°的弯曲角度。最优选地，所述第三偶极磁体具有60°的弯曲角度。更优选地，所述机架入口点与所述第一偶极磁体的入口之间的束线段是短漂移段。这意味着在所述入口点与所述第一偶极磁体的所述入口之间不安装四极磁体。甚至更优选地，所述第一偶极磁体和所述第二偶极磁体之间的所述束线段包括五个四极磁体，并且所述第二偶极磁体和所述第三偶极磁体之间的束线段不包括四极磁体。甚至更优选地，所述等中心机架包括用于使所述机架在至少180°的角度范围内旋转的装置。根据本发明的机架还能够包括粒子束扫描装置或适于在所述等中心点处提供宽束的粒子束散射装置，所述粒子束扫描装置被安装在所述第二偶极磁体与所述第三偶极磁体之间并且构造用于在所述等中心点处的靶区内扫描所述粒子束。根据本发明的第二方面，提供ー种粒子治疗设备，所述粒子治疗设备包括粒子加速器；用于改变粒子能量的装置；束传输系统；以及根据本发明第一方面的等中心机架。图IA示出了现有技术机架构造的示意图。图IB示出了由用于两种现有技术机架构造的粒子束跟随的迹线的示意图。图2示出了根据本发明的示例性机架的布局的示意图。图3示出了用于图2的机架的束光学计算的結果。图4是当扫描图2的机架中的束时的束光学计算的結果。图5示出了根据本发明的示例性机架机械结构的概念视图。图6示出了用于现有技术机架的治疗室布局连同用于根据本发明的机架的治疗至局。图7示出了由用于根据本发明的各种机架构造的质子束跟随的中心束路径。
图2示出了这种机架的优选布局。机架被示出处于90°的角位置(即，当沿平行于机架轴线的方向从等中心点27朝向第一偶极磁体20看吋，机架在三点钟处)。机架具有三个偶极磁体20、21、22并且具有用于在X和Y上扫描该束的被安装在第二偶极磁体21和第三偶极磁体22之间的装置23。在第一偶极磁体20和第二偶极磁体21之间，安装有许多四极磁体24。在机架入口点25与第一偶极磁体20的入口之间的束线段优选地是不包括四极磁体的短漂移段。如图2中用虚线所示的，该机架在旋转时绘制的总体形状能够被近似为对顶圆锥，第一圆锥具有处于耦合点25的水平的顶点以及垂直于机架旋转轴线的底部， 并且该底部在该束实现等于第一偶极磁体的角度的第一角旋转的位置处与该第二偶极磁体21交叉。第二圆锥是截锥，该截锥具有与第一圆锥的底部重合的底部并且其顶点由平行于底平面的平面切断，如图2所示。在本发明的优选实施方式中，第三偶极磁体22具有60°的弯曲角度，第一偶极磁体20具有36°的弯曲角度。于是，第二磁体的弯曲角度被计算为36° +90° -60° =66°。 在第二偶极磁体21和第三偶极磁体22之间，能够提供用于在X和Y上扫描粒子束的装置。 该情况是，优选地将组合X-Y扫描磁体用于该端，因为这与用于X和Y方向的两个单独扫描磁体相比占用更少的空间。在机架入口点25与第一偶极磁体20之间的第一直束线段的长度是大约0.細长并且是纯漂移段(即，在该段中未安装有四极磁体)。在本发明的优选实施方式中，在第一 36°偶极磁体20与第二 66°偶极磁体21之间安装有五个四极磁体。可用于安装这些四极磁体的空间，即第一偶极磁体和第二偶极磁体之间的直线段的长度是大约3.5m。第二 66°偶极磁体21与第三60°偶极磁体之间的直束线段的长度是大约0. Sm。 60°最后弯曲磁体22的出口与等中心点27之间的距离是大约lm，这允许足够的空间不仅用于安顿患者还用于例如在60°弯曲偶极22的出口与患者之间安装监测检测器(例如，剂量监测检测器和/或束定位监测检测器)。在表1中概述了设计用作根据本发明优选实施方式的机架的最后偶极磁体22的磁体的主要特征。给出的示例是用于为具有2. 3Tm的磁刚度(例如，235MeV的质子)的粒子束而设计。为了限制功耗，该磁体使用大截面的鞍形线圈(也已知为床架线圈)。如表1所示，磁体的重量是大约9. 17吨(包括线圈的2. 05吨)并且在235MeV的束能量下的总磁体功率是226kW。该60°偶极磁体具有旋转17°的极面，以便提供附加的竖直聚焦，如将在下文讨论的。


本发明涉及一种用于放射治疗的粒子治疗设备。更具体地，本发明涉及一种紧凑等中心机架，该机架用于以与所述机架的旋转轴线垂直的方式输送粒子束。该机架包括三个偶极磁体。最后偶极磁体的角度小于90°，并且该最后偶极磁体的最优选弯曲角度是60°。