专利名称：加速器和用于照射目标体积的方法
技术领域：
本发明涉及一种提供用于照射目标体积的粒子束的加速器以及一种利用粒子束来照射目标体积的方法。这样的装置和方法特别被用在粒子治疗的范围中，该粒子治疗同时是为治疗肿瘤等而建立的方法。
背景技术：
粒子治疗是为了治疗组织尤其是肿瘤病症而建立的方法。然而，如其在粒子治疗中采用的那样，照射方法也被应用在非治疗领域中。属于此的例如有研究工作(例如用于产品发展)、在非生命的模体或身体上执行粒子治疗的范围中、照射材料，等等。在此，将诸如质子或碳离子或其它离子的带电粒子加速到高能，成形为粒子束并且通过高能束传输系统输送到一个或多个照射空间。在这些照射空间之一中利用粒子束照射具有目标体积的待照射的对象。在此可能出现，待照射目标体积发生运动。例如在照射患者时由于呼吸运动可以引起待照射肿瘤运动。例如也可以根据被称为模体的、用于研究目的模型对象来模拟这样的运动。一种用来应对目标体积运动的公知的可能性是，以概念“门控(Gating) ”而公知的照射方法。这里被理解为，监视目标体积的运动，并且根据该监视(以及由此根据目标体积的状态)接通或断开对目标体积进行照射的射束。通过这种方式可以实现，只有目标体积位于合适的区域，才为了照射而激活射束。Tsunashima Y.等人的论文"Efficiency of respiratory-gated delivery of synchrotron-based pulsed proton irradiation， 2008Phy. Med. Biol. 531947 公开了这禾中门控方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于提供粒子束的加速器，利用该粒子束可以快速并且有效地对运动着的目标体积进行照射。本发明要解决的另一个技术问题是， 提供一种用于照射目标体积的方法，该方法允许快速并且有效的照射。为了照射目标体积而将粒子束加速到至少用于照射目标体积所设置的能量的根据本发明的加速器，是按照阶段工作的粒子加速器。加速器的工作阶段可以交替。在运行时将粒子通过加速器在第一工作阶段中加速到至少为了照射所设置的能量。此前可以用粒子填满加速器。在第一工作阶段之后的第二工作阶段中，将加速到所需能量的粒子提供用于照射，也就是说，这些粒子例如可以被存储(通过在加速器中循环)并且在需要时为了照射而被提取。加速器具有用于在照射目标体积时控制加速器的控制装置，其中这样构造该控制
装置，-如果待照射的目标体积呈现预定的状态，则在照射目标体积时中断照射，
-在照射中断之后将存储在加速器中的剩余粒子数量与参考值进行比较并且-依据该比较来执行加速器的控制。因此在根据本发明的加速器中以门控方法来照射目标体积。这意味着，如果目标体积呈现预先定义的状态，则中断照射。例如，如果确认目标体积的位置已经改变到照射将导致错误剂量的程度，则可以中断照射。可以通过公知的方法来执行如下地确认，即目标体积已经呈现预先定义的状态， 例如目标体积已经运动了一定的量。如下的方法是公知的在这些方法中记录外部等效运动信号，该等效运动信号给出关于目标体积的运动状态的信息。例如可以测量腹壁的运动并且借此推断出位于内部的目标体积的位置。此外，如下的方法也是公知的在这些方法中直接监视目标体积实际上的运动，例如通过X射线拍摄、通过透视拍摄、超声波成像、或者主动的植入的转发器。S卩，如果目标体积位于定义的空间区域之外和/或在目标体积的准周期运动时目标体积位于运动循环的特定的阶段，则可以中断照射。只有目标体积再次位于其它的、预先定义的状态，在门控方法中才允许重新照射目标体积。这例如可以是这种情况，当目标体积再次位于特定的位置上或目标体积再次达到了运动循环的特定的阶段时。概括来说，只有所谓的开门阶段(Gate-On-Phase)存在，才允许使用粒子束。本发明还基于如下的认知在粒子治疗的范围内采用的加速器常常是具有不同的交替的工作阶段的加速器。在这种加速器中必须存在已经将粒子加速到用于照射所需的能量的阶段，由此可以提供具有所需规格的射束用于照射，并且由此原则上可供照射使用。因此加速器必须如上面所解释的位于第二工作阶段。只有当两个条件同时存在时，才可以进行对目标体积的照射。本发明基于如下考虑尤其如果粒子加速器必须在开门阶段期间从第二工作阶段转换到第一工作阶段，则不再能从加速器提取粒子并且因此不能进行照射，因为所有具有所需的能量的粒子已经耗尽了。在这种情况下必须一直中断照射，直到两个条件(即开门阶段和加速器的第二工作阶段)再次同时存在。开门阶段的原则上可以进行照射的剩余的时间由于缺乏粒子而损失。已经确认，通过不利的协调所损失的时间可以在目标体积如肺的典型运动的情况下照射例如延长整个照射持续时间的5%至10%。本发明对于该问题提供可简单实现的、但却十分有效的解决方案。在目标体积的照射中断(因为目标体积呈现预先定义的状态)了之后，将在加速器中剩下的并且还存在的剩余粒子数量与参考值进行比较。也就是，在开门阶段之后(尤其是在其后直接)进行该比较。然后，根据比较结果对加速器进行不同地控制。在射束中断的时刻(该射束中断是由于目标体积呈现一个预先定义的状态而引起的)和随后的目标体积呈现第二预先定义的状态的时刻(该状态的特征是，照射原则上再次是可能的)之间的时间间隔，表征了关门阶段(fete-Off-Phase)。在关门阶段期间绝对不可能进行照射。在所有的情况下时间间隔的长度取决于目标体积实际出现的运动。通过根据本发明的加速器控制可以有利地将在开门阶段之后的关门时间间隔用于，对于一个随后的开门阶段有利地准备加速器。剩余粒子数量与参考值的比较优选地从关门阶段的开始进行，特别有利地在关门阶段的前半部分进行。可以这样执行加速器的控制，S卩，如果剩余粒子数量小于参考值，则将粒子加速器从第二工作阶段转换到第一工作阶段。通过加速器再次位于第一工作阶段，可以重新将粒子导入加速器并且加速，从而使得在加速器的第二工作阶段还可以提供足够多的粒子用于照射。这通过根据本发明的方法以有利的方式至少部分地在关门阶段期间进行。如果需要，可以舍弃此前存储在加速器中的剩余粒子数量。用于比较的参考值尤其可以由用于照射目标体积的局部区域所需的剩余粒子数
量来确定。通过该实施方式可以保证，在一个随后的开门阶段的情况下存在足够多的粒子， 以便原则上可以完全地照射目标体积的局部区域。目标体积的局部区域尤其可以是设置为利用相同的粒子能量来照射的区域，例如等能量层(Iso-Energieschicht)。在这种情况下必须仅提取用于照射局部区域的存储在加速器中的粒子。如下地执行为了照射目标体积利用加速器将粒子束加速到至少用于照射目标体积所设置的能量的根据本发明的方法-如果待照射的目标体积呈现预定的状态，则中断目标体积的照射，-在照射中断之后将存储在加速器中的、残留的剩余粒子数量与参考值相比较，并且-依据该比较来控制加速器。在此，加速器是以阶段工作的粒子加速器，该粒子加速器在第一工作阶段中运行时将粒子加速到所需的能量，并且在第二工作阶段中存储为了照射所加速的粒子并且提供给提取。可以这样控制加速器，S卩，如果剩余粒子数量小于参考值，则将加速器转换到第一工作阶段。依据该比较可以舍弃存储在加速器中的剩余粒子数量。用于比较的参考值可以由用于照射目标体积的局部区域所需的剩余粒子数量来确定。目标体积的局部区域可以是设置为利用相同的粒子能量来照射的区域。各个特征、其优点和其作用的上述和以下的描述，既涉及装置类别也涉及方法类别，而无需在每种情况下个别地明确指出这点；在此，所公开的各个特征还可以与所示出的组合不同地为本发明所必须。
具有有利扩展的本发明的实施方式借助下面的附图作进一步说明，但不限制于此。附图中图1示出了带有用于监视待照射目标体积运动的不同部件的粒子治疗设备的示意图，图2示出了构成为同步加速器的加速器的不同工作阶段的时间序列的示意图，图3示出了具有开门阶段和关门阶段的目标体积的准周期运动的示意图，并且
图4示出了根据本发明方法的实施方式的流程图。
具体实施例方式图1按照强烈示意性的表示示出了粒子治疗设备10的结构。为了利用由带电粒子形成的粒子束12来照射布置在定位装置上的身体，采用粒子治疗设备10。作为粒子尤其采用带电微粒，例如质子、介子、氦离子、碳离子或其它元素的离子。尤其可以利用粒子束12来照射作为目标体积14的患者的肿瘤病症组织。同样， 粒子束设备10被用于照射非生命体(例如水模体或其它模体)，或者细胞培养(例如为了研究或维护的目的)。在所有情况中可以是运动的身体。目标体积通常不可见地位于目标对象18内，并且大多准周期地在目标对象18内运动。粒子治疗设备10典型地具有加速器单元16，例如同步加速器，该同步加速器提供具有用于照射所需能量的粒子束12。在待照射的目标体积14中示意性的表示了等能量层和目标点，其在照射时以光栅扫描方法被依次地扫描。优选采用如下光栅扫描方法作为扫描方法在该光栅扫描方法中从目标点向目标点引导粒子束12，而在从一个目标点向下一个目标点过渡时不是必须断开。还可以采用其它扫描方法。借助扫描磁铁30影响在此示出的粒子束12向其旁边偏转， 也就是向其位置垂直于射束变化方向(也称为χ方向和y方向)偏转。但是，本发明的实施方式也可以应用在其它照射方法中，如可以应用在被动的射束使用中。照射设备10还具有控制装置36和用于监视射束参数的探测器34。控制装置36， 即设备的控制系统，控制设备的各个部件，例如加速器16、扫描磁铁30，并且收集测量数据、例如用于监视射束参数的探测器34的数据。通常基于借助照射规划装置38确定和提供的照射规划40来进行控制。控制装置36尤其为此构成为，接通或断开粒子束12。为了探测目标体积14的运动可以设置探测装置32，利用该探测装置可以记录外部等效运动信号。例如这可以是腹带，由腹带的伸展可以记录信号变化，其允许得出关于患者的呼吸周期的变化的结论并且由此间接得出关于与呼吸一起运动的肿瘤的位置的结论。 于是还可以将分析装置46集成在控制装置36中，利用该分析装置46可以分析利用探测装置32所记录的等效运动信号。分析装置46例如可以借助等效运动信号确定门控窗。为了探测目标体积14的运动M还可以设置包括射束源20和射束探测器22的透视装置，该透视装置可以对目标体积14完成连续或单个的X射线拍摄。在这种情况下可以将图像分析装置42集成在控制装置36中，利用该图像分析装置42分析透视装置的图像数据并且可以与其它图像数据相比较。在这里示出的粒子治疗设备10可以实现本发明的实施方式。借助下面的附图进一步说明可能的实施方式。图2示出了同步加速器的不同工作阶段。图中示出了相对于时间t在同步加速器中粒子的粒子能量E。同步加速器是具有简单来说两个不同工作阶段的加速器。在第一工作阶段(条框 51)中，在第一步骤55中，将粒子传输到同步加速器，即填满同步加速器。在第一工作阶段的第二步骤57中，将传输到同步加速器中的粒子加速到用于照射所需的粒子能量。第一工作阶段的特征在于，还不存在以期望的能量用于目标体积照射的粒子或者还完全不能被提取。在加速结束之后发生至第二工作阶段(条框53)的过渡。在该工作阶段中原则上可以进行目标体积的照射。粒子在同步加速器中以其已经被加速到的能量旋转，即粒子被 “存储”在同步加速器中(第三步骤59)。在需要时粒子则可以从加速器被提取并且被引导至目标体积用于对其照射。一旦粒子耗尽了或应当调节新的能量，就可以再次发生至工作阶段1的过渡。图3示出了运动的目标体积的周期的或准周期的运动61。目标体积的运动例如可以是通过呼吸引起的，该呼吸抬高和降低待照射的目标体积。目标体积的运动可以被分为开门阶段63和关门阶段65。在开门阶段63期间目标体积的位置或地点是这样的，即原则上可以进行照射，而不会发生目标体积的值得提及的错误照射。在关门阶段65期间应当中断目标体积的照射，因为照射会导致错误的剂量沉积。开门阶段63的开始或关门阶段65的开始可以利用公知的装置来确定，例如利用上面提到的探测装置或透视装置。由此目标体积的照射现在可以如下实际地进行不仅加速器必须位于合适的工作阶段，即位于第二工作阶段，而且目标体积必须位于开门阶段。只有当两个条件同时存在时，才可以进行照射。开门阶段的存在通常独立于加速器循环。如下的情况是不利的，即，开门阶段存在，但由于没有填满同步加速器在开门阶段期间必须中断照射。即，不再可以进行提取，而同步加速器必须从工作阶段2转入工作阶段 1，尽管还存在开门阶段，因为同步加速器完全放电并且所有粒子“耗尽”了。由此不能充分地利用开门阶段，开门阶段剩余的时间没有被利用。为了避免这种情况，执行根据图4描述的方法。应当利用预先定义的剂量例如以扫描方法来照射目标体积的等能量层。为此，首先用粒子完全填满加速器，然后将粒子加速到预先定义的并且用于照射等能量层所需要的能量(步骤81)。然后在开门阶段期间进行等能量层的照射(步骤83)。在结束开门阶段(步骤8 之后执行比较。将在同步加速器中存在的剩余粒子数量N_存在与用于照射剩余的等能量层所需要的粒子数量N_需要相比较。如果确认用于照射剩余的等能量层的剩余粒子数量足够(N_需要< N_存在)，一旦下次的开门阶段开始(返回步骤83)，就继续照射。但是，如果比较得出，在同步加速器中存在的用于照射剩余的等能量层的剩余粒子数量不够(N_存在<N_需要)，则舍弃在同步加速器中还存在的剩余粒子数量(步骤 87)。将同步加速器重新用粒子填满，后者接着被加速(返回步骤81)。只要同步加速器不仅位于工作阶段2而且存在开门阶段(步骤83)，就继续照射。直到等能量层被完全照射，一直重复这些步骤。于是必要时可以照射其它等能量层。上面描述的对于照射的不利情况可以如下地避免在其控制的情况下，尤其在每次提取结束之后，考虑关于同步加速器的充电状态或填满的信息。
附图标记清单
10粒子治疗设备
12粒子束
14目标体积
16加速器
18目标对象
20射束源
22射束探测器
24运动
30扫描磁铁
32探测装置
34探测器
36过程控制
38照射规划装置
40照射规划
42图像分析装置
46分析装置
51第一工作阶段
53第二工作阶段
55第一步骤
57第二步骤
59第三步骤
61准周期运动
63开门阶段
65关门阶段
81步骤81
83步骤83
85步骤85
87步骤8权利要求
1.一种为了照射目标体积(14)将粒子束(12)加速到至少用于照射目标体积(14)所设置的能量的加速器(16)，其中，所述加速器(16)是按照阶段工作的粒子加速器，所述粒子加速器在第一工作阶段(51)中运行时将粒子加速到所述能量，并且所述粒子加速器在第二工作阶段(5 中运行时提供为了照射而加速的粒子，并且其中，所述加速器(16)具有用于控制加速器(16)对目标体积(14)进行照射的控制装置(36)，如下地构造所述控制装置-如果待照射的目标体积(14)呈现预定的状态，则在照射所述目标体积(14)时中断照射，-在照射中断之后将存储在所述加速器(16)中的剩余粒子数量与参考值进行比较，并且-依据该比较来执行对所述加速器(16)的控制。
2.根据权利要求1所述的加速器(16)，其中-如下地执行对所述加速器(16)的控制如果剩余粒子数量小于参考值，则将所述加速器(16)转换到第一工作阶段。
3.根据权利要求1或2所述的加速器(16)，其中，依据该比较舍弃存储在所述加速器 (16)中的剩余粒子数量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的加速器(16)，其中，用于比较而使用的参考值由用于照射所述目标体积(14)的局部区域所需的剩余粒子数量来确定。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的加速器(16)，其中，所述目标体积(14)的局部区域是应当利用相同的粒子能量来照射的区域。
6.一种为了照射目标体积(14)利用加速器(16)将粒子束(12)加速到至少用于照射目标体积(14)所设置的能量的方法，其中，所述加速器(16)是按照阶段工作的粒子加速器，该粒子加速器在第一工作阶段 (51)中运行时将粒子加速到能量，并且在第二工作阶段(53)中运行时提供为了照射而加速的粒子， 并且其中，-如果待照射的目标体积(14)呈现预定的状态，则中断对所述目标体积(14)的照射， -在照射中断之后将存储在所述加速器(16)中的残留的剩余粒子数量与参考值相比较，并且-依据该比较来控制所述加速器(16)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，-如下控制所述加速器(16)如果剩余粒子数量小于参考值，则将所述加速器(16)转换到第一工作阶段(51)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，依据所述比较舍弃存储在所述加速器(16) 中的剩余粒子数量。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述用于比较而使用的参考值由用于照射目标体积(14)的局部区域所需的剩余粒子数量来确定。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述目标体积(14)的局部区域是设置为利用相同的粒子能量来照射的区域。
全文摘要
本发明涉及一种为了照射目标体积(14)将粒子束(12)加速到至少用于照射目标体积(14)所设置的能量的加速器(16)，其中，所述加速器(16)是按照阶段工作的粒子加速器，在第一工作阶段(51)中运行时用粒子填满该加速器，然后加速这些粒子，并且在第二工作阶段(53)中运行时存储这些为了照射而加速的粒子并且在需要时提取，并且其中，所述加速器(16)具有用于控制加速器(16)对目标体积(14)进行照射的控制装置(36)，如下构造该控制装置如果待照射的目标体积(14)呈现预定的状态，则在照射目标体积(14)时中断照射，在照射中断之后将存储在加速器(16)中的剩余粒子数量与参考值进行比较并且依据比较来执行对加速器(16)的控制。本发明还涉及一种相应的方法。
文档编号A61N5/10GK102316661SQ20111018236
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者A.盖莫尔 申请人:西门子公司