本公开的实施例一般涉及辐射系统和方法。具体地，描述了机架系统和包括这种机架系统的粒子疗法系统的各种实施例。
用于治疗患者的粒子疗法系统是已知的。在粒子疗法中，带电粒子(诸如质子或重离子)被用来照射感兴趣区域(诸如肿瘤)。因为“布拉格峰”效应，带电粒子在其停止的区域周围释放大部分能量。因此，通过控制带电粒子的能量，远离带电粒子源的健康组织或关键器官基本上不接收辐射，而靠近源的健康组织接收显著减少量的辐射。更进一步地，通过选择用于照射肿瘤体积的不同“层”或“深度”的带电粒子的能量，辐射剂量分布可以针对所有三维中的肿瘤形状进行定制。
粒子疗法系统包括用于产生粒子射束的加速器、用于输送粒子射束的射束输送线、以及位于治疗房间中的射束递送系统。射束递送系统包括由机架本体支撑的射束递送线，其可以围绕患者转动以允许粒子射束从各种角度瞄准肿瘤。用于粒子疗法系统的常规转动机架包括定制环形机架。虽然常规环形机架可以提供360度或更多度数的转动角度，但是其中的大部分都很庞大且建立起来相当昂贵。环形机架也很难对齐，并且在转动期间经常示出轴向移动。进一步地，常规环形机架为患者和医务人员在等中心点周围限定非常有限的空间。
用于质子疗法系统的臂机架目前是可用的。图1a和图1b图示了常规质子射束递送系统1，其包括大体呈l形的机架本体2(其支撑射束递送线3)和用于弯曲和聚焦射束的一系列磁体4。如以虚线由转动机架本体2所示，由前支撑轴承5和后支撑轴承6支撑的机架本体2操作以使射束递送线3围绕水平轴线7转动，从而允许粒子射束从各种角度瞄准肿瘤。常规质子射束递送系统设计的缺点中的一个缺点是机架本体2的转动角度受到限制。因为支撑前轴承5的支撑结构8固定安装在地板和墙壁上，所以机架本体2不能以完全360°进行转动。机架转动角度(θ，图1b)低于360°，通常在200°和220°之间。
技术实现要素：
本公开提供了一种新型粒子射束递送系统，其克服常规射束递送系统的这些缺点和其他缺点。
本公开的粒子射束递送系统包括带电粒子射束递送线和支撑射束递送线的机架本体。机架本体由第一支撑件件和第二支撑件件可转动地支撑。机架本体用于围绕穿过第一支撑件元件和第二支撑件元件的水平轴线转动射束递送线。该机架本体包括悬臂部分，其被配置为以延伸超出第一支撑件元件和第二支撑件元件的悬臂方式支撑射束递送线的至少一段。第二支撑件由可围绕穿过第二支撑件的竖直轴线转动的结构来支撑，从而当机架本体围绕水平轴线转动时为机架本体的悬臂部分提供间隙。机架本体可以顺时针和/或逆时针围绕水平轴线以360度或更多度数转动。
该结构可以与机架本体围绕水平轴线的转动同步地围绕竖直轴线转动。例如，当机架本体围绕水平轴线顺时针转动时，该结构可以围绕竖直轴线顺时针转动，和/或当机架本体围绕水平轴线逆时针转动时，该结构可以围绕竖直轴线逆时针转动。
在示例性实施例中，支撑第二支撑件的结构包括竖直臂和水平臂，其中第二支撑件被支撑在水平臂的悬臂端部处，从而当机架本体转动到一位置时，允许机架本体的悬臂部分容纳在竖直臂和水平臂之间的空间内。该结构通常为c形或u形。在一些实施例中，从结构的竖直臂到竖直轴线的距离小于从机架本体的悬臂部分的外边缘到竖直轴线的距离。
本公开的辐射系统包括：加速器，其可操作以产生粒子射束；射束输送线，其耦合到加速器，被配置为输送粒子射束；以及射束递送系统，其可操作以将粒子射束递送到目标体积。加速器可以操作以产生质子或重离子。射束递送系统包括：射束递送线，其可转动地耦合到射束输送线；以及机架本体，其承载射束递送线。机架本体由第一支撑件和第二支撑件可转动地支撑。机架本体用于使射束递送线围绕穿过第一支撑件和第二支撑件的水平轴线转动。该机架本体包括悬臂部分，其被配置为以延伸超出第一支撑件元件和第二支撑件元件的悬臂方式来支撑射束递送线的至少一段。第二支撑件件由可围绕穿过第二支撑件的竖直轴线转动的结构来支撑，从而当机架本体围绕水平轴线转动时，为机架本体的悬臂部分提供间隙。机架本体可以顺时针和/或逆时针围绕水平轴线以360度或更多度数转动。
在一些实施例中，机架本体可以顺时针和/或逆时针围绕水平轴线以360度或更多度数转动。该结构可与机架本体围绕水平轴线的转动同时地或同步地围绕竖直轴线转动。
在示例性实施例中，该结构可以包括竖直臂和水平臂，其中第二支撑件可以被支撑在水平臂的悬臂端部处，从而当机架转动到一位置时，允许机架本体的悬臂部分容纳在竖直臂和水平臂之间的空间中。该结构通常可以为c形或u形。
当机架本体顺时针围绕水平轴线转动时，该结构可以顺时针围绕竖直轴线转动，和/或当机架本体逆时针围绕水平轴线转动时，该结构可以逆时针围绕竖直轴线转动。
提供了一种用于支撑辐射源的机架组件。机架组件包括第一支撑件、第二支撑件、以及由第一支撑件和第二支撑件可转动地支撑的机架本体。机架本体被配置为承载辐射源并且包括悬臂部分，该悬臂部分被配置为以延伸超过第一支撑件和第二支撑件的悬臂方式来支撑辐射源。机架可操作以围绕穿过第一支撑件和第二支撑件的水平轴线转动辐射源。机架组件还包括支撑第二支撑件的结构。该结构可围绕穿过第二支撑件的竖直轴线转动，从而当机架本体围绕水平轴线转动时，为机架本体的悬臂部分提供间隙。机架本体可以顺时针和/或逆时针围绕水平轴线360度或更多度数转动。
该结构可以与机架本体围绕水平轴线的转动同时地或同步地围绕竖直轴线转动。例如，当机架本体顺时针围绕水平轴线转动时，该结构可以顺时针围绕竖直轴线转动，和/或当机架体逆时针围绕水平轴线转动时，该结构可以逆时针围绕竖直轴线转动。
该结构可以包括竖直臂和水平臂。第二支撑件元件可以被支撑在水平臂的悬臂端部处，从而当机架本体转动到一位置时，允许机架本体的悬臂部分容纳在竖直臂和水平臂之间的空间中。该结构可以为c形或u形。在实施例中，该结构的竖直臂与竖直轴线之间的距离可以小于机架的悬臂部分的外边缘与竖直轴线之间的距离。
提供本发明内容是为了以简化形式介绍所选实施例，并且不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作帮助确定所要求保护的主题的范围。呈现选定实施例仅仅是为了向读者提供本发明可能采取的某些形式的简要概述，而不是为了限制本发明的范围。在具体实施方式的部分中对本公开的其他方面和实施例进行了描述。
附图说明
结合附图和下文所提供的权利要求，通过阅读具体实施方式，这些和各种其他特征和优点将变得更好理解，其中：
图1a和图1b图示了常规质子射束递送系统；
图2是图示了根据本公开的实施例的粒子疗法系统的框图；
图3a和图3b图示了根据本公开的实施例的粒子射束递送系统；
图4a和图4b图示了图3a至图3b的粒子射束递送系统的大约180度至190度的转动，其从0度的机架角度逆时针转动到大约-180度至-190度的机架角度；以及
图5a至图5b、图6a至图6b和图7a至图7b图示了图3a至图3b的粒子射束递送系统的大约360度转动，其从约-180至-190度的机架角度顺时针转动至大约+180至+190度的机架角度。
具体实施方式
描述辐射系统的各种实施例。应当理解，本公开不限于所描述的特定实施例。结合特定实施例描述的方面不一定限于该实施例，并且可以在任何其他实施例中实施。比如，虽然结合粒子疗法系统对各种实施例进行了描述，但是应当领会，本发明还可以在其他辐射装置和模态中实践，诸如使用x射线的放射疗法和/或成像系统。
参考附图对各种实施例进行了描述。应当指出，一些附图不一定按比例绘制。附图仅旨在便于对特定实施例的描述，而不旨在作为穷尽描述或作为对本公开的范围的限制。进一步地，在附图和描述中，可以阐述具体细节以便提供对本公开的透彻理解。对于本领域的普通技术人员来说清楚的是，这些具体细节中的一些具体细节可以不被用来实践本公开的实施例。在其他实例中，可能未示出或详细描述公知的部件或过程步骤，以避免不必要地模糊本公开的实施例。
除非另外具体定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有本领域普通技术人员通常理解的含义。如在说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数指代。术语“或”是指非排他性的“或”，除非上下文另有明确规定。术语“第一”或“第二”等可以被用来区分一个元件与另一个元件。除非上下文另有明确规定，否则术语“第一”或“第二”的使用不应被解释为以任何特定顺序。进一步地，除非上下文另有明确说明，否则“第一”和“第二”的单数形式包括复数形式指代。
如本文中所使用的，术语“粒子射束”是指带电粒子射束，诸如质子或重离子(诸如氦离子、碳离子、氖离子、氩离子或其他带电元素粒子)。
如本文中所使用的，术语“辐射源”是指诸如电子、x射线或带电粒子(诸如质子或重离子(诸如氦离子、碳离子、氖离子、氩离子或其他带电元素粒子))之类的辐射源。辐射源可以是适合于成像的治疗辐射源或辐射源。
参考图2，现在对根据本公开的实施例的辐射系统10进行了描述。如所示出的，示例性辐射系统10包括加速器12、射束输送线14、以及射束递送系统16。对象18(例如，待治疗的患者)位于患者支撑件20上。控制器22控制加速器12、射束输送线14、射束递送系统16和患者支撑件20的操作。
加速器12可以包括带电粒子(诸如质子或重离子(诸如氦离子、碳离子、氖离子、氩离子或其他带电元素粒子))的源。加速器12可以包括回旋加速器、同步加速器、线性加速器、或被配置为加速带电粒子的任何其他加速器。依据具体应用，带电粒子的能量可以大于20mev，50mev，70mev，100mev，250mev或500mev。
射束输送线14将带电粒子射束从加速器12输送至通常位于与加速器12的治疗房间不同的治疗房间中的射束递送系统16。为了说明和描述清楚，示出了单个射束递送系统14。应当指出，辐射系统10可以包括位于不同治疗房间中的两个或更多个射束递送系统，并且因此包括用于将带电粒子从加速器12输送到两个或更多个治疗房间的两个或更多个射束输送线。弯曲磁体(未示出)可以被用来将粒子射束从加速器12引导至射束递送系统16。射束输送线14可以包括能量改变部件(未示出)，诸如用于修改从加速器12提取的粒子的能量的降能器、用于调整来自加速器12的粒子的强度的狭缝。射束输送线14可以是固定的或静止的。
射束递送系统16操作以将粒子射束递送到患者18中的目标体积。射束递送系统16可围绕轴线(例如，水平轴线19)转动，以允许粒子射束从各种角度递送到目标体积。射束递送系统16可以包括射束递送线22、以及承载或支撑射束递送线22的机架本体24。射束递送线22的一端耦合到射束输送线14以接收粒子射束。射束递送线22可以经由接头15相对于射束输送线14转动。机架本体24承载或支撑射束递送线22，并且可以围绕水平轴线19转动以允许粒子射束从各个角度瞄准患者18体内的目标体积。
射束递送系统16可以包括耦合到射束递送线22的喷嘴(未示出)，其内部可以包括用于调制和监测粒子射束的各种设备或部件。依据应用，喷嘴可以包括能量修改器、射束散射介质、扫描磁体、射束监测器、准直器、补偿器、或被配置为调制粒子射束的其他部件。通过示例，喷嘴可以包括扫描磁体，例如，竖直扫描磁体和/或水平扫描磁体，其用于快速扫描目标体积上的笔形射束。笔形射束可以沿着预先确定的扫描线连续地在目标上方移动(光栅扫描)。可替代地，当从一个点移动到另一个点(点扫描)时，笔形射束可以在预先确定的时间间隔内被关断和开启。可以控制射束的强度以确保每个目标点接收到期望剂量。在光栅扫描的情况下，笔形射束的速度可以被调整到期望剂量。在点扫描的情况下，点停留时间可以被调整到期望剂量。通过控制粒子加速器和/或沿着射束路径设置的狭缝，可以控制或调整笔形射束的强度。粒子射束可以在目标体积的切片的整个区域上方进行扫描(光栅扫描或点扫描)。射束的能量可以被选择为使得扫描的布拉格峰被沉积在切片上。通过调制射束的能量，目标的整个体积可以被逐层均匀地照射。在一些应用中，喷嘴可以包括单个散射体或双重散射体，其与其他部件的组合以提供宽均匀的调制粒子射束。在一些应用中，喷嘴可以包括摇摆磁体，以提供宽而均匀的粒子射束轮廓。
使用射束递送系统16，用于治疗部分的带电粒子可以通过一次转动或多次转动而被递送到目标体积。转动可以是大约360度的完整转动，或者小于360度的任何度数(诸如例如，45度、90度、180度、270度或330度)的部分转动。射束递送系统16的转动可以是连续的，在这期间，带电粒子被递送到目标。可替代地，转动可以是不连续的，或者可以在转动、停止和转动的交替模式下进行操作。当射束递送系统16转动时或者当射束递送系统16静止时，带电粒子可以被递送到目标。例如，用于治疗部分的带电粒子的递送可以在部分转动或完全转动期间以离散角度或选定角度来执行。包括能量、强度、射束方向或射束形状的带电粒子的参数中的一个或多个参数可以在射束递送系统16的转动或暂停期间被调制或被并行调制。
图3a和图3b图示了根据本公开的实施例的示例性射束递送系统100。如所示出的，射束递送系统100包括带电粒子的射束递送线102、以及承载或支撑射束递送线102的机架本体104。机架本体104由第一支撑件106和第二支撑件108可转动地支撑。机架本体104可围绕穿过第一支撑件106和第二支撑件108的水平轴线112转动，从而允许由机架本体104支撑的射束递送线102围绕水平轴线112转动。柱或结构114支撑第二支撑件108。根据本公开的实施例，结构114可围绕穿过第二支撑件108的竖直轴线116转动，从而当机架本体104围绕水平轴线112转动时，为机架本体104提供间隙。
机架本体104用于支撑射束递送线102，其可能很重并且通常重量为数吨。机架本体104在围绕患者转动期间将射束递送线102保持就位。机架本体104可以根据射束递送线102的配置或布置来配置或成形。通过示例，射束递送线102可以包括耦合到射束输送线的第一端段，因此可以包括与射束输送线一致的大致水平段。射束递送线102可以包括耦合到喷嘴设备的第二端段(未示出)，其允许射束以大致竖直于水平线112的角度瞄准目标体积。射束递送线102可以包括连接第一端段和第二端段的第三弯曲段。机架本体104可以被构造或被配置为具有大致与射束递送线102的各段的布置或配置一致的段。各种磁体103可以被用来将粒子射束从第一端段弯曲和/或聚焦到射束递送线102的第二端段。
按照本公开的实施例，机架本体104可以包括悬臂部分105，其被配置为以延伸超出第二支撑件元件108的悬臂方式来支撑射束递送线102的至少一段。支架本体104的悬臂部分105允许以悬臂方式来支撑射束递送线102的一段并且因此支撑喷嘴设备，从而围绕转动轴线112提供自由或开放的空间用于患者定位并且用于医护人员接近患者。通过示例，射束递送系统100的等中心点101与第二支撑件元件108之间的距离可以是大约1000mm。
机架本体104的转动可以通过电机(未示出，诸如电动机、液压电机和/或其他合适机构)来致动。第一支撑件106和第二支撑件108可以各自包括轴承，从而允许机架本体104围绕水平轴线112转动。为了补偿射束递送线102和各种磁体103的重量，配重(未示出)可以被包括在机架本体104中，并且相对于转动轴线112大致与射束递送线102相对地设置。
第二支撑件108可以由柱或结构114支撑。按照本公开的实施例，结构114可以围绕穿过第二支撑件件108的竖直轴线116转动，从而为机架本体104和/或机架本体104的悬臂部分107提供间隙，否则，如果当机架本体104围绕水平轴线124转动时结构114不可转动或固定124，则机架本体104和/或机架本体104的悬臂部分107会受阻。
结构114可以与机架本体104围绕水平轴线112的转动同时地或同步地围绕竖直轴线116转动。例如，当机架本体104顺时针围绕水平轴线112转动时，结构114可以顺时针围绕竖直轴线116转动。可替代地或附加地，当机架本体104逆时针围绕水平轴线112转动时，结构114可以逆时针围绕竖直轴线116转动。
结构114可以被构造成足够坚硬并且坚固以承载或支撑机架本体104和射束递送线102的重量。结构114可以使用工字梁、箱形梁或任何其他合适的框架或梁来构造。在图3a至图3b中示出的示例性结构114包括竖直臂118和水平臂120。在水平臂120的悬臂端部处，可以支撑第二支撑件元件108。当机架本体104转动到一位置时，水平臂120和竖直臂118之间的空间允许容纳机架本体104的悬臂部分105。如所示出的，结构114可以为u形或c形。应当指出，结构114可以采用任何其他合适的形状，只要当转动到一位置时能够提供空间以容纳机架本体104的悬臂部分105。
结构114可以安装到转动基座构件122。基座构件122可以由驱动系统(未示出)驱动，以允许其如箭头124所示顺时针和/或逆时针转动，从而允许结构114顺时针和/或逆时针围绕竖直轴线116转动。轴承(诸如回转轴承109)可以被用来使结构114围绕竖直轴线116的转动与机架本体104围绕水平轴线112的转动解耦合。
当机架本体104转动时，结构114的构造和结构114的转动能力提供间隙和/或容纳机架本体104的悬臂部分105，从而允许机架本体104顺时针和/或逆时针围绕水平轴线112以360度或更多度数转动，而不受阻碍。进一步地，结构114的转动能力允许结构114的竖直臂118更靠近转动机架104。如此，由于水平臂120的变形而导致射束递送系统100未对准的可能性被减少或最小化。根据本公开的实施例，结构114的竖直臂118和竖直轴线116之间的距离可以等于或小于机架本体104的悬臂部分105的外边缘与竖直轴线之间的距离。可替代地，结构114的竖直臂118与竖直轴线116之间的距离可以等于或小于等中心点101与竖直轴线116之间的距离。
图4a和图4b图示了其中结构114在操作中与机架本体104的转动同时或同步地转动的实施例。如图4a至图4b所示的箭头128所指示的，从0度的机架角度(图3a至图3b)，机架本体104可以例如逆时针围绕水平轴线112转动。如图4a和图4b所示的箭头130所指示的，与机架本体104的转动同时或同步地，结构114可以例如逆时针围绕竖直轴线116转动。在结构114围绕竖直轴线116转动时，水平臂120相对于水平轴线112的角度改变，或者竖直臂118改变其位置。例如，如图4a至图4b所示，当机架本体104逆时针转动到接近-180度的位置时，结构114转动到结构114的水平臂120相对于水平轴线112接近90度的位置。机架本体104的悬臂部分105现在可以被容纳在结构114的竖直臂118和水平臂120之间的空间中，否则如果结构114不移动则机架本体104的悬臂部分105会受到竖直臂118的阻碍。
图5a至图5b至图7a至图7b图示了本公开的结构114允许机架本体104转动360度或更多度数。从图5a至图5b所示的大约-180或-190度的机架角度，机架本体104可以如箭头132所示顺时针围绕水平轴线112转动。与机架本体104的转动同时或同步地，结构114也如箭头134所示顺时针围绕竖直轴线116转动。如图6a至图6b所示，机架本体104和结构114的同时转动允许机架本体104和结构114返回到以下位置：机架本体104具有0度的机架角度，并且结构114的水平臂120与水平转动轴线112成直线。
参照图6a至图6b，机架本体104可以继续如箭头132所示的顺时针围绕水平轴线112转动至如图7a至图7b所示的接近+180或+190度的机架角度。与机架本体104的转动同时或同步地，结构114还可以如箭头134所示继续顺时针围绕竖直轴线116转动，从而将结构114的水平臂120的角度改变为相对于水平轴线112的大约90度、或改变结构114的竖直臂118的位置。如图7a至图7b所示，机架本体104的悬臂部分105现在可以在新位置被容纳在结构114的竖直臂118和水平臂120之间的空间中，否则如果结构114不移动则机架本体104的悬臂部分105会受到竖直臂118的阻碍。
已经对辐射系统的实施例进行了描述。本领域技术人员将领会，可以在本发明的精神和范围内，进行各种其他修改。例如，虽然结合粒子疗法系统对机架本体的各种实施例进行了描述，但是将领会，机架本体可以被用来承载或支撑产生用于治疗或成像的x射线的辐射源。所有这些或其他变型和修改均由发明人预期并且在本发明的范围之内。