专利名称：用于乳癌的图像引导立体定位放射外科的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁共振成像(MRI)、放射线、立体定位放射外科和
乳癌。具体地说，本发明涉及利用y射线在乳房内癌变区域进行图 像引导立体定位的放射外科消融的方法和装置。
背景技术：
根据美国癌症协会统计，在美国，乳腺癌是女性群体中最易患 的恶性肿瘤，每年有二十多万的新诊断病例(Jemal等人，Cancer J. Clin.56:106-130(2006))。在过去几十年间，乳房X线照相术和其它
成像模式发生了重大改进。因此，更多患者在疾病早期得到诊断， 因此保乳疗法(BCT)成为治疗选择。
相比较于乳房切除手术，保乳疗法提供了 一个更加美观的结果 并且减轻了患者心理和情绪上的创伤(Fisher等人，N. Engl. 丄Med.347(16):1233-1241(2002); Veronesi等人，N. Engl. J. Med. 347 (16):1227-1232(2002); Liljegren等人,J. Clin. Oncol.17(8): 2326-2333 (2000);Clark等人，J. Natl. Cancer Inst.88(22): 1659-1664(1996);及 Gmy等人，Intl. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.21:347-354(1991))。但是 保乳疗法是一个复杂长期的治疗过程。诊断为早期乳癌的患者首先 通过乳房肿瘤切除手术切除肿瘤及其周围组织(也称为边缘区)。 理论上，可以切除足够大小的边缘区而全部切除肿瘤组织。4旦是乳 癌本身是多病灶的，并且因此通常有一些小的肿瘤病灶散布在主体 肺瘤周围(Holland等人，Cancer 56:979-990(1985))。此外，与外科 手术相比，由于乳房X线照片和磁共振图像是在不同的几何学条件 下获得的，所以乳房肿瘤切除手术操作时并没有任何直接图像引导， 造成外科手术的几何不确定度为大约一厘米左右。因此，实际上，尽管出现胂瘤病灶的可能性随着与主体肿瘤距离的增大而显著降
低，(Holli等人,Br. J. Cancer 84(2):164画169(2001); Liljegren等人， (2000)，出处同上;及Clark等人，(1996),出处同上)， 一个或多个微 小肿瘤病灶仍可能被遗留下来。这就是为什么在患者做了肿瘤切除 手术之后还需要放射治疗所述外科边缘区。如果手术后不进行放疗， 大约35%的乳房肿瘤切除手术患者会局部复发(Early Breast Cancer Trial's Collaborative Group, New Engl. J. Med. 333: 1444-1455 (1995 ))。
目前，标准的放疗包括大约5至7周的全乳放射治疗。近距离 放射疗法也已被应用于治疗手术边缘区(Baglan等人,Intl. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 50(4): 1003-1011(2001); King等人，Am. J. Surg. 180(4): 299-304(2000);及Wazer等人，Intl. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 53(4): 889-897(2002)),并且其包括把高或低强度的放射源引入乳房 的组织间隙。包括在大约一到两周的疗程中在外科手术台对乳房进 行照射的加速部分乳房照射(APBI)目前正处在临床实验阶段(Vicini 等人，J. Clin. Oncol, 19(7): 1993-2001(2001))。
遗憾的是，不论是一到两周还是五到七周的外部照射光束都会导 致肺部损伤(Lingos等人,Intl. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 21: 355-360 (1991);及Rothwell等人，Radiother. Oncol.4: 9-14 (1985));心血管损伤 (Corn等人,J. Clin. Oncol. 8: 741-750(1990);Dodwell等人，Australasian Radiol. 38: 154-156 (1994);及Rutqvist等人，Intl. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 22: 887-896(1992));皮肤和软组织纤维化((Johansen等人，British J. Radio. 67: 1238-1242(1994));手臂浮月中(Wallgren, Acta Oncologica 31(2): 237-242 (1992));并且增加继发癌症的危险(Inskip等人，J. Natl. Cancer Inst. 86(13): 983-988(1994);及wallgren (1992),出处同上)。这 些缺陷都对接受保乳疗法(BCT)的患者的生活质量产生负面影响。
在灵敏性和专用性上经过改进后的三维磁共振成像(3D MRI) 给外科医生们提出了挑战，要求提供一种侵入性更小、同样有效且 美观度也更高的方式以替代乳房切除手术。因此，人们已经更加努力地发展用于乳腺癌手术的微创技术(Dowlatshahi等人，The Amer, J， of Surgery 182:419-425(2001))。这些努力包括经皮热消融(Jeffrey 等人，Arch. surg. 134: 1064-1068 (1999);及Izzo等人，Proc. Am. Soc. Clin. Oncol, 19: 80A (2000))和经皮冷消融(Staren等人，Arch. Surg. 132: 28-33
(1997 ));使用自动针(Liberman等人，Am. J. Roentgenol. 173: 1315-1322 (1999);及Burak等人，Arch. Surg. 135: 700-703 (2000));插管
(D'Angelo等人，Am. J. Surg. 174: 297-302 (1997); Chesbrough等人， Radiology 209: 197 (1999);及Liebman等人，Am. J. Roentgenol. 172: 1409-1412 (1999));和激光(Harries等人,Br. J. Surg.81: 1617-1619 (1994); M腦taz等人，Radiology 200:651-658(1996); Milne等人，Lasers Surg. Med. 26: 67-75 (2000);及Dowlatshahi等人，Breast J.2: 304-311 ( 1996 ))。 射频消融(RFA)是被广泛试验的热消融技术之一 (Jeffrey等 人(1999),出处同上;及Izzo等人(2000),出处同上)。在全身麻醉之 后，在超声波图像的指导下把射频探头插入肿瘤。施加在电极上的 射频电流可以使靠近电极的温度在大约5到7分钟的时间段内逐渐 升到目标温度，例如95摄氏度。使温度稳定在目标温度大约15分 钟，之后可以冷却大约1分钟。冷消融技术(例如冷疗法)包括使 液态氮循环至探头末端形成 一 个冰球以破坏细胞。虽然这些〉'肖融方 法的初衷是微创，但是他们仍需要在全身麻醉下施行。另外，即便 可能，要使破坏区域精确地遵从肿瘤的形状从而使对周边正常组织 的不必要破坏被避免或最小化也是非常困难的。这些技术尚未通过 临床证明可以替代外科手术。
由于图像引导的针活检的精确性，外科医生已经开始使用 一 种 真空辅助活检技术来 一 个 一 个地移除主体肿瘤和微型肿瘤
(Liberman等人(1999)，出处同上；及Burak等人(2000 )，出处同 上)，或者与立体定位结合使用大芯插管来移除一单个整块的大芯 的样本(D'Angelo等人(1997)，出处同上；Chesbrough等人(1999)， 出处同上；及Liebman等人(1999),出处同上)。报导的结果显示， 利用这样的技术彻底切除小于大约0.7厘米的肿瘤比较好。但即便是小型胂瘤，仍然会有大约70%的患者体内将留有残余胂瘤。因此这 些图像引导的经皮技术尽管侵入性小，但仍然不能取代外科手术。
放射外科手术能使得肺瘤消融精确度达到毫米以下。它已被证 明在所有能够安全发送单一高剂量的位置都有效。多数立体定位放 射外科手术针对颅内胂瘤采用专用装置，像伽玛刀或线性加速器，
这些装置将多个弧形束聚焦在肺瘤部位。放射外科手术也已成功地 运用在颅外部位，例如肺部和脊柱。方文射外科手术对转移性癌症尤
其有效，例如，颅内的乳癌转移癌。对转移性肿瘤使用大约为16-24 戈瑞的单一剂量能够在85%的病例中根除肿瘤(Vesagas等人,J. Ne訓surg. 97( 5增刊.)507-510(2002);及Kondziolka等人，Cancer 104(12):2784-2791 ( 2005 ))，但是对姑息治疗通常使用小于20戈
瑞的剂量。
据发明人了解，到目前为止还没有任何人将立体定位放射外科 应用于乳房。在这一点上，据发明人了解，也没有任何装置能够安 全、准确(外科精确)地高剂量放射乳腺癌区。不像针对颅内肿瘤 的放射外科手术中放射束可以通过大于2兀的立体角照到颅内病变 区，乳房只能通过有限的不受阻的角度用外部放射束(例如，那些 由线性加速器产生的放射束)放射。而且，不像头骨可以可靠地固 定在坐标系统中从而不存在成像和治疗中的几何差别，这样的固定 从来没有在乳房上实现过。
发明内容
筌于以上几点，本发明的一个目标是提供一种使用立体定位放 射外科手术治疗乳房中癌变区域的方法。本发明的另 一个目标是提 供在所述方法中使用的设备。这些和其它的目标和优点以及另外的 创新特征将在下面的详细描述里面进一 步阐述。
本发明提供一种用于对患者乳房中的癌变区域进行治疗的方 法。此方法包括(i)在三维坐标系中对乳房进行成像；(ii)以立 体定位方式确定乳房中的癌变区域的位置；(iii)选择性地确定待
8治疗的整个或是部分癌变区域的体积；(iv)将乳房保持在与(i)
中使用的三维坐标系相同或者相应的三维坐标系中，以无创方式将 患者乳房中的癌变区域暴露于对癌症治疗有效剂量的辐射。
本发明还为乳房中的癌变区域的图像引导立体定位的放射外科
手术提供设备。此设备包括(i)用于固定包含癌变区域的乳房的 部件；(ii)包括通道或者左开口和右开口的床，其中患者的左或右 乳房放置在通道中、或分别放于左或右开口中，以便在患者俯卧在 所述床上时进行治疗，所述床可选地包括由自动模制介质形成的顶 层；(iii)位于所述床下面的立体定位框架，用于将乳房置于坐标 系中；(iv)—个或两个乳房护罩，所述护罩以可拆卸的方式连接到 所述床上，可滑动地安装到所述通道，或以可拆卸的方式连接到用 于固定乳房的部件；(v)放射单元，该放射单元包括(i，)源保持 架，源保持架包括具有内表面和外表面的壁以及与所述内表面连通 的通道，这些通道可以或不与所述外表面连通，并且每个通道可包 括一放射源，(ii，)准直仪保持架，其与所述源保持架的所述内表 面靠近，并包括不同尺寸的准直仪，这些准直仪与所述源保持架中 的通道以相同的方式布置，从而所述源保持架和所述准直仪保持架 之间的相对转动允许选择不同尺寸的放射束，由此发射不同尺寸的 辐射，以及(iii，)基座壳体，其位于所述源保持架的所述外表面之 下，支承所述源保持架和所述准直仪保持架，并容纳使所述准直仪
保持架和源保持架一起转动的另一马达；(vi)弧形的基础支承件； (vii)三个马达，他们可操作地连接到所述床，并且每个马达使所 述床在一个不同的运动轴线上运动；以及(viii)计算机控制系统， 其控制所述床的运动和放射单元。所述设备还包括、并且优选包括 治疗规划系统。所述放射单元和所述床的操作由所述计算机控制系 统控制，该计算机控制系统从所述治疗规划系统获取治疗参数，根 据治疗规划控制所述床和放射单元的运动，监测整个单元的安全和 操作，并且在需要时提供安全联锁和运动限制。
图1是伽玛放射单元的局部剖切视图。
图2是伽玛放射单元的纵剖视图。 图3是包括可能尺寸的伽玛放射单元的横剖视图。 图4a和图4b分别示出了彼此分开的源保持架和准直仪保持架。 图5a、图5b和图5c示出了通过源保持架和准直仪保持架之间 的相对转动(图5a和图5b)索引的准直仪。当放射单元未用于治疗 患者时，所述源与所述准直仪保持架上的实心块对准(图5c)。
具体实施例方式
本发明提供 一 种使用立体定位的放射外科手术治疗乳房中癌变 区域的方法。本发明还提供在所述方法中使用的设备。本发明的方 法和设备被认为是为目前包括保乳疗法在内的治疗方法提供了潜在 的优点。潜在优点包括但不限于本质无创，无痛，可以潜在地在如 果不是全部则在绝大多数早期乳癌治疗中取消放射治疗，(通过将 治疗时间由7到IO周缩短到数小时之内来)提升生活质量，无瘢痕， 通过取消侵入性外科手术和随后的放疗减小对非癌变组织的放射治 疗，易重复，并且节约成本。
立体定位技术被认为可以实现大约1毫米的精确度。采用乳腺 癌放射外科手术不可避免地会将大辐射剂量传递到靶标区之外；但 是离靶标的距离越远，剂量降低的越快。高剂量的梯度变化大体上 可以满足使主体肺瘤周围任何的残留肿瘤病灶的消亡的要求。在离 耙标边缘l厘米处，剂量下降至胂瘤内部病灶最大剂量的大约10-15 %。如果覆盖靶标的最小剂量是25戈瑞(通常是最大剂量的50%)， 在距耙标1厘米处的剂量是5到7.5戈瑞。该本质剂量梯度和近距放 疗法或MammoSite ( Proxima Therapeutics,Inc.,Alpharetta, GA)的冲弟度 相似。因此，与颅内病变的放射外科手术形成鲜明对比，靶标之外 的剂量也是有用的，并且期望用于消除高剂量靶标之外的潜在肿瘤病灶。正是这个特征使得能够取消术后放疗。
鉴于以上说明，本发明提供 一 种用于治疗患者乳房内癌变区域
的方法。此方法包括(i)在三维坐标系中对乳房进行成像；(ii) 以立体定位方式确定乳房中的癌变区域；(iii)选#^生地确定待治 疗的整个或是部分癌变区域的体积；(iv)将乳房保持在与(i)中 使用的三维坐标系相同或者相应的三维坐标系中，以无创方式将患 者乳房中的癌变区域暴露于对癌症治疗有效剂量的放射。
整个乳房必须放置在与成像和放射外科手术过程中使用的三维 坐标系相同或相应的坐标系中。此外，在成像和放射外科手术过程 中，乳房在所述三维坐标系中的形状和定位必须相同(或相应)。 本发明还提供固定乳房的部件(例如(如下所述的)乳房罩杯)和 围绕罩杯以建立相对于罩杯的坐标系的立体定位框架。
计算机治疗规划系统用于识别立体定位框架(其在乳房横切面 图像中以小圆点显示)的图像，计算图像截面的位置和方向，并且 在坐标系中精确规划图像上的每 一 点。轮廓绘制工具可以用来确定 待治疗的整个癌变区域或是部分癌变区域的体积。所述计算机治疗 规划系统还允许将不同尺寸准直仪的辐射中心手动设置在(即"发 射，，到)癌变区域上，并自动优化发射的尺寸和位置。在设计所述 治疗后，放射单元的控制系统读取的治疗参数被以电子方式传递给 放射单元的控制系统，以用于输送治疗。这种规划方法目前正在颅 内病变的治疗中使用(Shepard等人,Int，l J. of Radiat. Oncol. Biol. Physics 56 (5): 1488-1494(2003);及Yu等人，Tech. in Cancer Res. and Treatment 2(2):93-104 ( 2003 ))。
可以使用任何合适的放射源，例如在癌症治疗中具有适当半衰 期长度并且能将有效治疗放射剂量传递至IO厘米深度或更深的放射 性同位素，诸如Y射线。希望半衰期长于大约12个月，但是半衰期 相对较短却有其他理想特征的同位素也可以考虑。有效治疗剂量大 约在20戈瑞和大约60戈瑞之间。钻-60 (6QCo)是合适的放射性同 位素的例子，它具有大约5.3年的半衰期并且能够生成具有1.25MeV平均光子能量的有效治疗剂量的Y射线。替代的，可以使用来自X 射线管或X光频带的线性加速器的小型X射线源。可以在一个疗程 或者多个重复的疗程传递对癌症治疗有效的放射剂量。
鉴于上述情况，本发明还提供一种用于在患者乳房中的癌变区
域的治疗方法中使用的设备。所述设备包括(i)用于固定包含癌 变区域的乳房的部件；(ii)包括通道或者左开口和右开口的床，其 中患者的左或右乳房放置在通道中、或分别放于左或右开口中，以 便在患者俯卧在所述床上时进行治疗，所述床可选地包括由自动模 制介质形成的顶层；(iii)位于所述床下面的立体定位框架，用于 将乳房置于坐标系中；(iv)—个或两个乳房护罩，所述护罩以可拆 卸的方式连接到所述床上，可滑动地安装到所述通道，或以可拆卸 的方式连接到用于固定乳房的部件；(v)放射单元(诸如伽马射线 放射单元)，包括(i，)源保持架，源保持架包括具有内表面和外 表面的壁以及与所述内表面连通的通道，这些通道可以或不与所述 外表面连通，并且每个通道可包括一放射源，(ii，)准直仪保持架， 其与所述源保持架的所述内表面靠近，并包括不同尺寸的准直仪， 这些准直仪与所述源保持架中的通道以相同的方式布置，从而所述 源保持架和所述准直仪保持架之间的相对转动允许选择不同尺寸的 放射束，由此发射不同尺寸的辐射，以及(iii，)基座壳体，其位于 所述源保持架的所述外表面之下，支承所述源保持架和所述准直仪 保持架，并容纳使所述准直仪保持架和源保持架彼此相对转动的马 达以及使被锁定的所述准直仪保持架和源保持架一起转动的另 一 马 达；(vi)弧形的基础支承件；(vii)三个马达，他们可操作地连 接到所述床，并且每个马达使所述床在一个不同的运动轴线上运动 (见图1);以及(viii)计算机控制系统，其控制所述床的运动和 放射单元。所述设备还包括、并且优选包括治疗规划系统。
所述源保持架优选为碗状(参见图4b)。所述源保持架的下部 不必同上部一样保持相同的球面曲线(见图1)，由此可使治疗空间 更深。希望所述源保持架由诸如金属的材料制成并且其厚度足以能
12有效削减辐射和阻挡来自通道的侧面辐射(例如，1 0厘米到3 0厘米， 取决于材料)(下文详述)。例如，如果^Co用作放射源，所述源 保持架优选由铸铁制成。
通道被引入源保持架的壁中。每个通道具有独特的纬度。所述 通道可以在源保持架的内表面上打开，但是却不能在外表面上打开。 替代的，可以在源保持架的内表面和外表面上都能打开通道，并且 使用密封件密封通道的在源保持架的外表面上打开的外端，所述密 封件诸如单独的或者还与铅塞 一 起使用的不锈钢螺钉。放射源例如 放射性同位素被安置在通道里。希望的是，所述放射性同位素最初 置于容器诸如瓶中，然后将瓶置于通道中，所述容器(瓶)在面向
源保持架的内表面的末端有窗口。例如，可以从MDSNordion, Inc. (Ottawa, Canada)通过商业途径获得的钴-60是直径大约1.2毫米、 厚度大约1毫米的弹丸。多个弹丸可以堆叠在小瓶中，直到大约2 厘米的高度。优选的是，每一个放射源瓶都包含数百居里(Ci)的 6()Co，且每一个放射源瓶都在不锈钢外壳中双倍包裹。优选的是，在 源保持架的壁中设置至少大约30至40条通道。如果在所述源保持 架旋转时所述通道不同面，则可使用任何合适的布置，这些布置通 常位于源保持架的上部三分之一，诸如从大约-1度到大约35度。就 此而言，没有安放放射源瓶的源保持架的底部可以被切掉。从放射 源瓶中射出的束指到靠近源保持架的边缘的平面上的共同等角点并 位于源保持架的中心轴线上。当所述源保持架旋转时，来自所有存 在的放射源的束不共面并且始终聚焦在等角点上。优选的是，放射 源瓶在被安装时的初始总体放射性处于大约6000-10000Ci的范围， 由此初始剂量速率为3至4Gy/min。
包括不同准直仪孔的准直仪保持架用来选择辐射光束的尺寸 (见图4a)。准直仪保持架也优选为碗状但尺寸更小(例如，具有 可以容纳诸如大约30厘米左右罩杯的乳房的内部直径)，这样它可 以小于大约lmm的间隔同心地放置在源保持架的内部(见图1)。 如果源保持架的下部没有同其上部一样遵循相同的球面曲线，则准直仪保持架的下部需要加以调整(参见例如图1)。准直仪保持架和 源保持架同心设置并有相同的旋动轴线。他们通过单独的轴和轴承 保持在各自相应的位置处。希望准直仪保持架由如下材料制成并具 有如下厚度，该厚度(例如从大约IO厘米到大约30厘米，取决于
材料)足以阻挡准直仪保持架外大约98%以上的辐射。如果将"Co 作为束的放射源，准直仪保持架优选由铸铁或鴒制成。如果准直仪 保持架是由钨制成的，准直仪保持架可以薄一些。如果准直仪保持 架由铸铁制成，可以将鴒准直仪插入准直仪保持架中，这样的准直 仪保持架造价较低且较容易加工。准直仪保持架和源保持架都被定 向成面朝上。在准直仪保持架上有大约120到大约200个由高密度 材料如鴒制成的准直仪，这些准直仪投影到所述等角点的尺寸从大 约l厘米变化到大约4厘米。准直仪保持架的内表面可采用薄的可 更换的内衬(诸如塑料内衬)来保护。
当所述设备未被使用时，源保持架内的通道始终对准准直仪保 持架中的实心屏蔽块，以屏蔽从通道释放的辐射。当有癌变区域的 乳房通过床的移动放置于放射束的中心时，通过源保持架和准直仪 保持架的相对旋转使需要的准直仪尺寸与放射源对准。这使得放射 源与特定尺寸的准直仪对准。这个过程通常叫做准直仪索引 (indexing)(参见图5a至图5c)。在准直仪索引的过程中，放射 源可能要经过其他的准直仪孔以到达希望的准直仪尺寸。为了避免 辐射治疗靶标的外部，旋转顺序和准直仪尺寸被设置成，放射源瓶 以从最小到最大的顺序与准直仪对准，并且然后与准直仪保持架的 实心部分对准，该实心部分用做屏蔽件。当治疗结束时，顺序相反， 放射源与准直仪保持架上的实心屏蔽位置重新对准。如果像此文中 描述的这样使用所述设备，辐射泄漏水平小于国家委员会对辐射保 护和措施(NCRPM)推荐的水平(参见例如NCRPM Reports No.49 (1976 )和No.51 (1977 ))。
一旦源保持架中的放射源瓶与准直仪保持架中的孔对准，源保 持架和准直仪保持架将由锁定部件锁定到一起，所述锁定部件诸如由电磁线圈驱动的锥形的锁定销。在源保持架和准直仪被锁定在一 起后，他们围绕中心轴线一起旋转。来自放射源瓶的放射束形成聚 焦在等角点(即所有放射束的焦点)上的弧。由于容纳放射源瓶的 通道不共面，所有束也不同面。这些弧提供了比传递到乳房皮肤的 剂量高大约 一百多倍的病灶剂量。
本领域技术人员可以理解，不同结构的源保持架和准直仪保持 架也是可行的。就此而言，可使用大量的(例如大于大约100个) 放射源，在该情形中，源保持架和准直仪保持架不必相对彼此旋转 来实现在等角点(乳房癌变区域放置的位置)和乳房其他区域之间 的希望剂量比。源保持架和准直仪保持架也不必是碗状。而是，每 个通道具有经度和绵度的独特组合，并且来自所有放射源的束始终 聚焦于等角点。
在源保持架下面是基座壳体(参见图1 )。基座壳体支承源保持 架和准直仪保持架，减弱来自放射源瓶的辐射泄漏，并容纳使所述 准直仪保持架和源保持架彼此相对转动的马达以及使被锁定的所述 准直仪保持架和源保持架 一起转动的另 一 马达。另 一 个马达可以使 整个放射单元(包括基座壳体)绕辐射等角点侧向摆动，使得准直 仪的表面平面可以最好地遵循患者胸壁的轮廓。优选的是，当放射 源瓶刚刚安装时，基座壳体使从距单元任何方向1米远的任何辐射
泄漏小于大约2.0mR/hr。这要求屏蔽的厚度是十分之一值层(TVL ) 的五倍。优选的是，基座壳体的屏蔽层包括铅或铅合金。例如，18 厘米厚的铅层足以屏蔽6QCo的放射源瓶。所述基座壳体优选安装在 弧形的基座支承件(图3 )上，诸如包括弧形轨道并且旋转轴线通过 等角点的弧形的基座支承件，通过焦点的旋转轴线的弧形轨道上， 这样除了患者治疗床的x、 y和z向移动之外，放射碗可以在横向平 面中摆动(例如，+/-30度)，这将在下面详细叙述。基座的曲率中 心也是放射束的焦点。这使得乳房外侧象限中的癌变区域与等角点 对准。
所述床(参见图2)包括通道或者左开口和右开口 ，其中患者的左或右乳房放置在通道中、或分别放于左或右开口中，以便在患者
俯卧在所述床上时进行治疗。床的长度应该足以供身高4英尺10英 寸至6英尺6英寸的女性使用。床的宽度可以根据其长度而略有变 化。床的表面包括放射屏蔽件，例如夹在两层不锈钢或者其他材料 (如塑料和碳纤维)之间的铅层。如果需要，床的表面还可包括由 自动模制介质形成的顶层，以为患者提供用户定制，由此在治疗期 间稳定患者。例如，床可覆盖有真空袋，真空袋中填充有泡沫聚苯 乙烯珠。在内容物没有处于真空下时，患者可俯卧在真空袋上并采 取舒适的姿势。然后真空可被施加到内容物上，以便保持由患者身 体在所述泡沫聚苯乙烯珠中产生的轮廓。
当一个乳房在接受治疗时，另外一个乳房会被挡住以不受辐射 的伤害。因此如果床包括放置乳房的通道开口 ，则床还包括一个或 两个乳房护罩，所述护罩以可拆卸的方式连接到所述床上，或可滑 动地安装到所述床的通道。替代的，单独的乳房护罩可以可拆卸的 方式连接到乳房罩杯的每一个上，下面将进行描述。如果乳房护罩 连接到患者治疗床，则床还包括用于连接的部件，诸如锁定孔，其 与位于乳房护罩上的连接部件配合。如果一个或者两个乳房护罩可 滑动地安装在床的通道上，则床还包括接合护罩边缘而使护罩能够 从一个位置滑动到另一位置的部件。当设备未运行时，床上的通道 或者两个开口可以用乳房护罩挡住或者床的实心部分可以被驱动以 覆盖准直仪保持架的碗和源保持架的碗，以提供附加的放射屏蔽。
床的位置由三个马达驱动，例如模拟或数字马达，这样可以实 现在三个轴线上的运动。冗余位置传感器被用于确保位置的准确性。 优选的是，床被构造成减小患者腰部疲劳。例如，床的支承患者下 体的部分被降低，由此减小腰部的疲劳。优选的是，床还被构造成 允许手臂放在头部的两侧，并且优选肘部弯曲，以便最大化地暴露 乳房的外部象限并且避免手臂受到放射。床的下部还被设计成允许 对侧的腿处于缩回位置，以便减小对侧乳房的压力并提高患者舒适 度。鉴于上文，本发明提供 一 种使用这种设备治疗患者乳房中的癌 变区域的方法。如上所述，在成像和放射外科手中整个乳房必须安 置在相同或相应的三维坐标系中。另外，在成像和放射外科手术中 三维坐标系中乳房的形状和位置必须相同(或相应)。
首先，乳房优选是固定的。任何合适的固定方法都可以使用。 一种优选方法包括使用热塑性塑料，该热塑性塑料在受热后柔软并 可扩张，并且在冷却到室温时硬化。可以使用尺寸不同且厚度固定 的预制热塑性塑料乳房罩杯。在给患者使用预制罩杯前，患者要俯 卧在床上，并将乳房放进通道或开口中。受热后的热塑性塑料然后 会被模制以符合患者的乳房。 一旦罩杯冷却至室温而变硬后，与心 电图(EKG)探头条件下使用的类似，乳房罩杯将会通过粘合剂(诸
如蜡纸保护的胶带环)装配至舒适的边缘(rim),诸如平的橡胶边 缘，以便有效地固定到乳房壁的皮肤上。乳房罩杯还可通过带或条 带围绕患者乳房固定。在所述边缘的外侧上具有将乳房罩杯连接到 床上的部件。例如，锁定销可被连接到所述边缘的外侧上并与床上 的锁定孔接合。优选的是，乳房罩杯的内侧涂敷有粘性粘合剂层(诸 如一薄层的粘性胶或者美术用胶)，以便固定患者皮肤和乳房罩杯 的接触。由于乳房罩杯的边缘用带绰到患者乳房壁的皮肤上，皮肤 和胸腔之间的相对运动会导致罩杯内部的组织位置的微小变化。为 了防止这种变化发生，必须保持乳房罩杯相对于胸腔的位置。 一旦 抽真空，在床顶部的容纳泡沫聚苯乙烯珠的真空袋在成像和放射期 间将保持一致并且可靠地设置给患者。就此，真空袋和床的表面被 引导，使得真空袋在成像和放射期间同样配合到床的表面。如果乳 房不固定，可以植入标记物并且对其成像，或者乳房表面可^皮三维 成像并且记录变形的图像。
为了在三维坐标系中进行乳房成像，立体定位框架定位在床下 方并且例如可以在用于乳房的通道或开口周围附到床的底部，连接 到乳房罩杯上或是乳房罩杯的一部分。立体定位框架可以釆用任何 合适的形状，例如圆柱的或矩形的，并且带有填充有磁共振增强溶液的管的水平杆和斜杆，这些杆在磁共振图像中显示为亮线。在优 选的实施方式中，存在设置于乳房罩杯的基座处的管和放置成与基 座倾斜的附加管。定位框架具有与床的通道或开口以及乳房(或乳 房罩杯)固定的几何关系。在获得图像后，在每个图像截面上具有 至少三个亮点，表示在乳房罩杯的基座处的杆和倾斜杆的位置。这 样，图像可以在定位框架限定的坐标系中精确设置。替代地，在床 底侧或乳房罩杯上安装一个螺旋线，并且螺旋结构的直径不小于开 口的直径或者通道的宽度，这样螺旋结构可以环绕乳房。该螺旋线 内封闭着磁共振增强溶液。由于螺旋结构的几何结构是已知的，在 每一 个磁共振图像截面上显示的数据使截面在坐标系中被唯一 的确 定。
在识别立体定位框架的杆的横截面图像的位置过程中的误差 (在乳房横截面上以亮点显示)被转换为治疗的几何误差。为了使 这种几何误差最小化，由治疗规划计算机采用的最小二乘回归算法 使立体定位框架的图像和立体定位框架的已知几何形状最大程度地 一致。采用这种方法，在单独的点或者在一个图像截面上的误差不 会影响整体精度。
用于成像的床与用于放射的床在表面形状、位置、用于乳房的
通道或者开口的形状是相同的；但是，他们可以是由不同材料制成 并且以不同方式支撑的。成像床只是可以配合到乳房线圈上的壳， 乳房线圏可以是专用乳房成像床或者是治疗床单元(couch-top单元) 的一部分。成像床需要被调整以适合不同厂家的磁共振成像装置。 由成像定位框架确定的坐标要能够传递到患者治疗床。如果需要， 磁共振图像可用于确定待治疗的整个癌变区域或是癌变区域的 一部 分的体积。
放射单元和床的操作由计算机控制系统控制，该计算机控制系 统从治疗规划系统获得治疗参数，根据治疗规划控制所述床和放射 单元的运动，监测整个单元的安全和操作，并且在需要时提供安全 联锁和运动限制。
18一旦乳房的轮廓经过磁共振图像确定后，自动计算床的所有三 个轴线的运动范围，以形成运动包络线，从而可以避免罩杯与准直 仪保持架内表面的碰撞。放射束的等角点用作床运动的坐标轴的原 点。当乳房(诸如在乳房罩杯中的乳房)被固定后，乳房将被精确 的置放在坐标系中。然后使等角点与待放射的患者乳房癌变区域的 位置对准。通过使准直仪保持架相对于源保持架转动并且将正确尺 寸的准直仪孔与源保持架中容纳放射源的通道对准，来选定尺寸合 适的准直仪。 一旦获得期望的对准，就可以将准直仪保持架和源保 持架一起锁定。在一定的治疗时间之后，将源保持架和准直仪保持 架解锁，使得准直仪保持架和源保持架彼此相对转动直至放射源瓶 被屏蔽。
鉴于上述内容，需要一个专用治疗规划系统，其以三维磁共振 图像为基础设定病灶尺寸和位置。这个能够精确仿伽马射线的系统，
包括计算机，支持电路，和各种软件模块。所述软件模块包括但 不限于DICOM输入图像，立体定位(即使用线性回归运算最终将由 确定每一个定位框架的杆位的滑动中而产生几何误差最小化)，目 标描述((选择性的)即使用轮廓绘制工具勾画主体肿瘤形状和/ 或目标治疗体积优化辐射发射和剂量体积分析，优化发射设置以确 定发射的位置、尺寸和权重，以最佳适合癌变区域的形状)，实时 剂量计算并在磁共振成像图像上显示，显示最终剂量(单位戈瑞) 的剂量显示以及打印二维和三维剂量显示图和计划概要。治疗规划 系统能够使用在放射治疗领域普遍接受的度量标准(诸如体积柱状 图和适型指数)分析治疗规划。如果需要，可通过设备的操作者手 动进行发射。剂量显示可与治疗规划概要一起被打印，治疗失见划概 要包括例如每个病灶位置的治疗时间、床的用于每个病灶位置的坐 标以及放射单元的摆动角度。
在文中引用的所有参考资料，包含发表的文章、专利申请及专 利，通过引用在同样的程度上结合入本文中，如同每一参考资料均 单独地、明确的指出通过引用结合入入本文中一样，并且如同每一参考资料均被全面地在文中详细阐述了 一样。
在描述本发明的上下文中(尤其是下述的权利要求书的上下文 中)，术语"一个"、"这个"和相似的代词既可以指代单数也可以作为
复数，除非文中有明确指出或者明显与上下文矛盾。此文对数值范 围的列举仅仅是为分别指代 一 个单独落于该范围内的数值而采用的 省略写法，除非文中另有说明。在本文披露中涉及的范围之内的每 一个单独的数值可视为他们在此被个别引用。所有在此描述的方法 均可以按任何合适的顺序而采用，除非文中另有注明或明显与上下 文矛盾。所有的例子或文中提到的关于例子的语句(像"例如") 仅用于更好的阐述此项发明，除非明确说明，这些例子不应被视为 对此项发明的范围的限制。说明书中的任何语言都不应被理解为将
在此对本发明的优选实施方案给予描述，包括发明者所知的实 现这项发明的最好方式。值得注意的是，以上描述的实施方案仅起 示范作用，而不应限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种用于对患者乳房内癌变区域进行治疗的方法，该方法包括(i)在三维坐标系中对乳房进行成像；(ii)以立体定位方式确定乳房中的癌变区域的位置；(iii)选择性地确定待治疗的整个癌变区域或部分癌变区域的体积；(iv)将乳房保持在与(i)中使用的三维坐标系相同或者相应的三维坐标系中，同时以无创方式将患者乳房中的癌变区域暴露于对癌症治疗有效剂量的辐射，由此治疗患者乳房中的癌变区域。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，(i)包括将乳房固定在磁共 振成像兼容的立体定位框架内并使用磁共振成像方法对乳房进行磁共振成像。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，(i)包括将乳房固定在磁共 振成像兼容的立体定位框架内部的乳房罩杯中。
4. 如权利要求l所述的方法，其中，在一个疗程中或者在多个 重复的疗程中输送对癌症治疗有效剂量的辐射。
5. —种用于对患者乳房中癌变区域进行治疗的方法，该方法包 括将乳房保持在三维坐标系中，用于给乳房成像并且以立体定位 方式确定乳房中的癌变区域的位置；以无创方式将患者乳房中的癌 变区域暴露于对癌症治疗有效剂量的辐射，由此治疗患者乳房中的 癌变区i或。
6 —种用于乳房中的癌变区域的图像引导立体定位的放射外科 手术设备，该设备包括(i) 用于固定包含癌变区域的乳房的部件；(ii) 包括通道或者左开口和右开口的床，其中患者的左或右乳 房放置在通道中、或分别放于左或右开口中，以便在患者俯卧在所述床上时进行治疗，所述床可选地包括由自动模制介质形成的顶层；(iii) 位于所述床下面的立体定位框架，用于将乳房置于坐标系中；(iv) —个或两个乳房护罩，所述护罩以可拆卸的方式连接到所 述床上，能够滑动地安装到所述通道，或以可拆卸的方式连接到用 于固定乳房的部件；(v) 放射单元，该放射单元包括(i，)源保持架，源保持架 包括具有内表面和外表面的壁以及与所述内表面连通的通道，这些 通道与或不与所述外表面连通，并且每个通道包括一放射源；(ii，) 准直仪保持架，其与所述源保持架的所述内表面靠近，并包括不同 尺寸的准直仪，这些准直仪与所述源保持架中的通道以相同的方式 布置，从而所述源保持架和所述准直仪保持架之间的相对转动允许 选择不同尺寸的放射束，由此发射不同尺寸的辐射；以及(iii，)基 座壳体，其位于所述源保持架的所述外表面之下，支承所述源保持 架和所述准直仪保持架，并容纳使所述准直仪保持架和源保持架彼 此相对转动的马达以及使被锁定的所述准直仪保持架和源保持架一 起转动的另一马达；(vi) 弧形的基础支承件；(vii) 三个马达，他们能够操作地连接到所述床，并且每个马 达使所述床在一个不同的运动轴线上运动；以及(viii) 计算机控制系统，其控制所述床的运动和放射单元。
7. 如权利要求6所述的设备，其中，每个通道具有独特的纬度， 并且当所述源保持架旋转时，来自所有存在的放射源的束不共面并 且始终聚焦在等角点上。
8. 如权利要求6所述的设备，其中，所述源保持架包括大约100 多个通道，每个通道包括放射源并具有经度和纬度的独特组合，并 且来自所有放射源的束始终聚焦于等角点。
9. 如权利要求6所述的设备，其中，所述准直仪保持架还包括 实心屏蔽块，用于在设备未被使用时与所述通道对准，以屏蔽从通道释放的辐射。
10. 如权利要求6所述的设备，其中，(ii)中所述的床与在成 像过程中使用的床相同。
11. 如权利要求6所述的设备，还包括治疗规划系统。
12. 如权利要求11所述的设备，其中，最小二乘回归算法被用 于使立体定位框架的图像和立体定位框架的已知几何形状最大程度 地一致
13. 如权利要求11所述的设备，其中，所述治疗规划系统将乳 房图像置于坐标系统中，由此能够对乳房的癌变区域进行定位。
14. 如权利要求11所述的设备，其中，计算机自动地将适当尺 寸和强度的辐射发射置于乳房的癌变区域中的优化位置处。
15. 如权利要求11所述的设备，其中，所述设备的操作者将适 当尺寸和强度的辐射发射置于乳房的癌变区域中的优化位置处。
16. 如权利要求11所述的设备，其中，所述治疗规划系统显示 磁共振图像上的辐射剂量并分析治疗规划。
17. 如权利要求16所述的设备，其能够打印所述剂量显示和治 疗规划概要。
全文摘要
一种用于对患者乳房内癌变区域进行治疗的方法，该方法包括(i)在三维坐标系中对乳房进行成像；(ii)以立体定位方式确定乳房中的癌变区域的位置；(iii)选择性地确定待治疗的整个癌变区域的体积；(iv)将乳房保持在与(i)中使用的三维坐标系相同或者相应的三维坐标系中，以无创方式将患者乳房的癌变区域暴露于对癌症治疗有效剂量的辐射；和在此方法中使用的设备。
文档编号A61B5/055GK101541236SQ200880000317
公开日2009年9月23日 申请日期2008年2月26日 优先权日2007年2月28日
发明者W·雷吉尼, X·C·于, Y·S·于 申请人:马里兰大学巴尔的摩分校;克斯西昂医学系统有限责任公司