用于监视用粒子对患者身体部位的治疗的装置和方法与流程

1.本发明涉及一种用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的装置和方法。根据本发明的装置和方法可以优选地用于离子射束疗法领域，特别是用于验证由射束提供到患者的身体部位尤其是到患者的肿瘤组织的粒子的范围和剂量递送。然而，其他种类的应用也是可能的。


背景技术：

2.具有强子射束的粒子疗法在功效和有效性方面具有很高的临床潜力，其中强子是离子，特别是选自质子或选自氦、碳或氧的离子，或者中子。在本文中，碳离子射束特别有前途，因为它们表现出减少的横向扩散和增加的生物效应。在本文中，同步加速器通常用作能量高于50mev的粒子的主加速器，其中对于临床使用，最大能量通常在230mev/u与250mev/u之间，但也可以采用高达515mev/u的值。随后，通过采用一系列真空管以及整形和聚焦磁铁，将加速的粒子射束传输到至少一个患者治疗室。在治疗室中，射束可以是相对于水平或竖直取向或者相对于特定角度具有固定方向的固定射束，或者可以通过应用旋转机架递送到任何期望方向。在本文中，机架是指适于完全旋转360
°
以用于以由治疗指定的角度递送射束的单元。此外，射束可以由递送喷嘴提供，所述递送喷嘴被设计用于对射束进行整形，其方式为使得射束适形于肿瘤的立体几何，优选地适形于肿瘤的横截面形状和远端表面的形状两者，为此，可以使用范围调制器、降能器、准直器和补偿器。主动磁扫描也是可能的。一般来说，患者可以被正确定位以接受治疗。为此目的，可以使用被指定为相对于六个移动或旋转方向准确定位患者的机器人仪器。优选地，疗法控制系统可以进一步用作用于控制和监视治疗的接口。
3.一般来说，期望防止患者的健康器官接收辐射，特别是由射束提供的粒子。为此目的，已知采用所谓的“布拉格峰”来显著减少对患者的副作用。如通常所用，术语“布拉格峰”是指所谓的“布拉格曲线”内的明显的峰值，所述布拉格曲线表示入射射束的能量损失相对于射束穿过物质(特别地穿过患者的组织)的行进距离的图形表示。强子射束表现出有利的效果：布拉格峰紧邻强子在物质内特别是在患者组织内静止之前出现。因此，为了解决防止健康器官接收辐射的上文所指示问题，关于布拉格峰在组织内的位置的改进范围是期望的。在本文中，特别地意图应用一种能够尽可能降低范围不确定性并因此降低安全裕度的范围验证。
4.在用于对患者组织中的离子强子射束进行范围验证的技术中，瞬发伽马成像已在临床环境中被证明是最有希望实现离子射束实时跟踪的技术。与其他范围验证技术诸如依赖于更长时间尺度上的光子发射的正电子发射体层成像相反，由于由强子射束与组织的核相互作用而导致的伽马辐射的近瞬时发射，瞬发伽马成像允许对发射的伽马辐射进行迅速检测。然而，已经描述，瞬发伽马辐射不是各向同性的，而是相对于后向峰值和前向峰值伽马辐射具有更高的产率。此外，期望范围验证由于在布拉格峰之后在射束方向上片段的出现而变得更加复杂。
5.j.krimmer,d.dauvergne,j.m.l
é
tang,andtesta,prompt-gamma monitoring in hadrontherapy:a review,nuclear instruments and methods in physics research section a:accelerators,spectrometers,detectors and associated equipment 878,2018，第58-73页对使用瞬发伽马辐射检测来提高强子疗法质量保证的所有技术提出概述并且讨论了现有技术。在本文中，由核反应引起的次级辐射发射与物质中的离子路径相互关联。因此，这种贯穿辐射可用于强子治疗的体内控制，对于强子疗法，初级射束在患者体内被吸收。在次级辐射发射中，提出瞬发伽马辐射来实时验证离子范围。这种验证是减少治疗计划不确定性的期望条件。此概述涵盖十多年来在全球范围内进行以促进基于瞬发伽马辐射的装置在临床条件下使用的努力。专用相机对于克服广泛和高能分布、大背景、高瞬时计数率以及与患者照射的兼容性约束挑战是必要的。已经提出了物理准直的或电子准直的若干类型的瞬发伽马成像装置。此外，还提出了除直接瞬发伽马成像之外的基于使用飞行时间或光子能量测量的具体的计算的其他方法。
6.fernando hueso-gonzalez,moritz rabe,thomas a ruggieri,thomas bortfeld and joost m verburg,a full-scale clinical prototype for proton range verification using prompt gamma-ray spectroscopy,phys.med.biol.63,2018,185019提出了全尺度临床原型系统，所述全尺度临床原型系统用于使用瞬发伽马射线光谱法对质子笔形射束进行体内范围验证。检测系统由安装在旋转框架上的八个labr3闪烁体和钨准直器组成。已经开发了定制的电子设备和校准算法，用于在质子照射期间以临床剂量率测量能量和时间分辨的伽马射线光谱。使用实验确定的核反应截面和gpu加速的蒙特卡罗模拟，为每个单独的笔形射束创建预期伽马射线发射的详细模型。质子笔形射束的绝对范围是通过使测量结果与此模型之间的差异最小化确定的，从而使射束的绝对范围和受照射物质的元素浓度作为自由参数。所述系统的特点在于，通过用扫描笔形射束照射不同的体模来模拟临床类似情况。将0.9gy的剂量递送到5
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10cm3的目标上，其中2na的射束电流入射在体模上。使用不同的范围偏移器和材料来测试验证方法的稳健性并计算检测范围的准确性。当在10mm半径和10mm深度的圆柱形区域内聚集笔形射束束斑时，以95％置信水平下1.1mm的平均统计精度和0.5mm的平均系统偏差确定了远端能量层的每个束斑的绝对质子范围。故意引入的小范围误差被成功检测到，并且甚至元素组成的较大差异也不影响范围验证准确性。因此，此系统适合于临床研究中患者治疗期间的范围验证。然而，此系统是为在回旋加速器处加速的质子射束设计的，其中可以观察到入射质子的到达时间与回旋加速器的射频的良好相关性。
7.yunhe xie,el hassane bentefour,guillaume janssens,julien smeets,francois vander stappen,lucian hotoiu,lingshu yin,derek dolney,stephen avery,fionnbarr o’grady,damien prieels,james mcdonough,timothy d.solberg,robert a.lustig,alexander lin,and boon-keng k.teo,prompt gamma imaging for in vivo range verification of pencil beam scanning proton therapy,radiation oncology,第99卷(2017)，第210-218页，报告了在专门设计用于在回旋加速器中使用的笔形射束扫描模式下用于体内质子范围验证的临床结果和瞬发伽马成像的价值评估。使用利用刀口狭缝准直器设计的独立的推车安装式原型瞬发伽马相机来记录在脑癌患者的质子疗法期间沿质子轨道发射的瞬发伽马信号。将单个笔形射束束斑的所记录瞬发伽马深度检测轮廓与根
据治疗计划模拟的预期轮廓进行比较。
8.chul hee min,han rim lee,chan hyeong kim,and se byeong lee,development of array-type prompt gamma measurement system for in vivo range verification in proton therapy,med.phys.39(4),2012，为了有效地测量瞬发伽马与本底伽马的关系，在优化测量系统的配置时采用了具有mcnpx代码的蒙特卡罗模拟，并且使用蒙特卡罗方法来了解本底伽马主要是中子俘获伽马在所测量伽马分布中的影响。为了减少本底伽马的影响，在测量瞬发伽马时采用了4mev-10mev的优化能量窗口。在优化研究中使用参数化源来使计算速度最大化。结合单个csl(ti)闪烁检测器、多狭缝准直系统和被指定用于仅将一个检测器从一个测量位置移动到下一个测量位置的运动系统的简化测试测量系统被构建并应用于80-220mev的治疗质子射束。为了准确确定远端剂量边缘，将s形曲线拟合方法应用于瞬发伽马的测量分布，然后将曲线拟合中最大值与最小值之间的半值位置确定为远端剂量边缘并且将其与通过质子剂量分布评估的射束范围进行比较。
9.christian richter,guntram pausch,steffen barczyk,marlen priegnitz,isabell keitz,julia thiele,julien smeets,francois vander stappen,luca bombelli,carlo fiorini,lucian hotoiu,irene perali,damien prieels,wolfgang enghardt,and michael baumann,first clinical application of a prompt gamma based in vivo proton range verification system,radiotherapy and oncology 118，第232-237页，2016，描述了使用刀口狭缝相机的原型来在质子治疗头颈部肿瘤期间测量七个连续小部分的瞬发伽马射线深度分布。评估了瞬发伽马轮廓的部分间变化。对于三个小部分，获取室内控制ct并且针对剂量相关变化进行评估。
10.k.rusiecka,a.wro
ń
ska,p.bednarczyk,d.a.bubak,s.feyen,l.kelleter,a.k.laihem,j.leidner,a.magiera,g.obrzud,a.stahl,m.determination of gamma angular distribution from the shape of spectral line for the first excited state of carbon nucleus,world journal of nuclear science and technology,2016，第6卷，第63-70页，以及k.rusiecka,a.wro
ń
ska,a.magiera,g.gazdowicz,g.obrzud,l.kelleter,k.laihem,j.leidner,a.stahl,a.chrobak,a.shape of the spectral line and gamma angular distribution of the 12c(p,p’γ
4.44
)12c reaction,acta physica polonica b，第49卷(第9期)，1637，2018提出了解释在初始射束能量为70.54mev和88.97mev的质子射束的瞬发伽马光谱学中使用的特定于核反应的谱线的形状的模型。这种伽马发射的角分布在50度和130度附近具有两个局部最大值。此外，j.kiener,shape and angular distribution of the 4.439-mevγ-ray line from proton inelastic scattering off 12
c,physical review c 99,014605,2019利用根据停止在人体组织内的68-mev质子射束的模拟证实了这些结果。
11.ep 2 977 083 a1公开了一种用于通过检测和/或量化在用带电强子射束照射目标时产生的瞬发伽马进行带电强子疗法验证的设备和方法。所述设备包括准直器，所述准直器设置有被配置为垂直于射束线布置并面向目标的狭缝形部分、适合于检测所述瞬发伽马的检测装置以及计算和表示装置。在本发明的设备和方法中，狭缝被配置为允许从所述
目标中的深度范围发射的瞬发伽马通过，所述深度是在带电强子射束的方向上测量的。此外，所述检测装置被配置为检测从所述范围内的每个位置发射的瞬发伽马，并且所述计算和表示装置被配置为从检测到的瞬发伽马得出代表在发射所述瞬发伽马的位置处的剂量的值，并且表示在所述范围内的多个位置的剂量相关分布。
12.us 2011/0057110 a1公开了一种用于实时测量在由至少产生瞬发伽马射线和中子的入射强子射束轰击目标时由目标区域接收的局部剂量的方法。通过准直目标区域并且通过将检测器放置在距待测量目标区域一定距离处来测量由目标发射的粒子。检测器链接到用于粒子能量和飞行时间测量的装置，诸如链接到包括闪烁纤维或多晶金刚石检测器的描迹仪。检测器接收到的瞬发伽马射线的数量通过选择记录的事件来确定，并且使用在入射强子射束中放置在目标之前的双向带电粒子检测系统以便获得入射强子的横向位置，以提供射束的空间信息。
13.us 2015/0321025 a1公开了一种用于带电强子疗法验证的设备和方法。所述设备包括准直器，所述准直器包括具有给定厚度的多个准直器板，所述多个准直器板间隔开以便形成共同狭缝形开口的阵列，被配置成与射束线成直角放置，以便允许来自目标的瞬发伽马通过，准直器至少由三个几何参数即狭缝形开口的宽度和深度以及填充因子限定。本公开还涉及一种用多狭缝相机进行带电强子治疗验证的方法。
14.wo 2015/040225 a1公开了一种用于监视回旋加速器的粒子辐射范围的装置和方法，作为用于放射疗法的辐射装置，所述辐射装置具有至少一个能够检测单个伽马粒子的检测器和至少一个分析器。当检测到伽马粒子(事件)时，在检测器中产生信号，由此所述信号在时间上与伽马粒子在检测器中的到达相关。分析检测器的信号的分析仪将检测时间分配给每个事件或分配给选定事件。辐射装置或单独的粒子检测器提供参考信号，所述参考信号以≤10ns的时间不确定性与单个粒子或粒子束从辐射装置的出现相关。也称为瞬发伽马定时(pgt)的技术将入射质子在目标入射平面的到达与在伽马检测器处检测到瞬发伽马的时间之间的时间差相关。来自在目标中行进得更远的质子的瞬发伽马晚于那些更早停止的质子被检测到，这导致可能与质子范围相关的时间分布偏移。
15.wo 2017/156113a1公开了用于对目标体积中的放射性发射进行成像的技术，所述技术包括接收指示与高能粒子源相关联的一组一个或多个已知发射能量的数据以及确定所述组中每个发射能量的康普顿线。康普顿相机从与来自对象的目标体积的单个源事件相关联的相互作用中收集位置和沉积能量。针对单个源事件，确定了最早的沉积能量e1和第一散射角θ1以及源事件的可能位置的锥体。如果e1对于已知发射能量中的至少一个不在康普顿线的预定区间内，则高能粒子源在目标体积内的特定位置不包括单个源事件。在显示装置上呈现解决方案。
16.wo 2012/011083 a1公开了一种用于监视光子放射疗法的装置，所述装置包括辐射检测器加上多孔准直器、读出电子装置和能够处理检测到的事件和射束位置的数据采集系统，所述装置由附接到linac支撑结构的固定臂或伸缩臂支撑，或者由独立支撑件支撑。在linac头部与所述准直器之间可以放置辐射吸收材料。此外，贴近所述装置，在所述装置与linac头部之间可以使用屏蔽材料。仅当从沙发上的目标/患者逃逸的光子大约垂直于射束方向的中心轴线发射时，多孔准直器材才允许收集光子。
17.ep 2 078 537 a1公开了一种放射疗法支持设备，所述放射疗法支持设备包括存
储表示吸收剂量在对象中的空间分布的吸收剂量体积数据的存储单元、生成与对象的形态体积数据以及吸收剂量体积数据相关联的融合数据以便与多个区段相关联的生成单元，以及使用融合数据显示具有叠加在对象的二维形态图像上的吸收剂量分布的图像的显示单元。
18.us 2006/0113482 a1公开了一种图像引导放射疗法设备和方法，其中放射疗法辐射源和伽马射线光子成像装置相对于患者区域定位，使得可以通过从放射疗法设备发射的射束对患者进行治疗并且可以通过伽马射线光子成像装置拍摄图像。在一些实施方案中，放射疗法治疗和成像可以基本上同时执行和/或可以在不移动患者的情况下执行。伽马射线光子成像装置可以相对于建筑物结构的任何部分联接并且可以能够移动，可以位于能够向和自放射疗法辐射源和患者移动的便携式框架上，或者可以采用其他形式。在一些实施方案中，伽马射线光子成像装置可用于结合其他类型的医疗干预进行成像。
19.ep 2 950 119 a1公开了一种用于将粒子或粒子束递送到目标的粒子射束系统，其中所述系统包括用于检测瞬发伽马的检测器。相对于目标在两个不同位置处并且与参考定时信号同步地检测瞬发伽马，以便获得瞬发伽马定时轮廓。两个定时轮廓的时间宽度差用于推断粒子射束在目标中的穿透深度。此外，它公开了一种用于通过将两个瞬发伽马定时轮廓的差异与检测器相对于目标的位置差异相关来验证高能粒子射束的穿透深度的方法。
20.wo 2012/152938 a2公开了一种用于验证用诸如质子射束的带电强子射束照射的目标中的射束范围的方法和设备。射束范围是布拉格峰在目标中的位置，即最大部分剂量被递送到的位置。所述方法利用设置有狭缝形开口以便能够产生剂量分布沿束线的一维轮廓的瞬发伽马相机。相机被安装成狭缝垂直于射束线取向。所述方法包括以下步骤：计算相机相对于目标的位置，以获得要照射的多个射束能量和束斑。所述方法还包括以下步骤：验证所述多个束斑的射束范围，并且递送代表估计射束范围与实际射束范围之间的差的值。所述设备设置有用于定位相机的定位模块。
21.jp 2010 032451 a公开了用于利用能够应用两种或更多种类型粒子射束的粒子射束照射系统中的一种装备来确认粒子射束的照射位置的装置。所述系统包括产生两种或更多种粒子射束的粒子射束发生器、将粒子射束发射到待照射物体上的照射装备、基于从照射装备发射的粒子射束检测从待照射的物体产生的伽马射线的伽马射线检测器、确定来自伽马射线检测器的伽马射线检测信号是来自瞬发伽马射线还是来自对湮灭伽马射线的信号处理器，以及照射场确认装置，所述照射场确认装置发现用来自由信号处理器确定为来自瞬发伽马射线的伽马射线检测信号的粒子射束照射的场并且获得用来自被确定为来自于对湮没伽马射线的伽马射线检测信号的粒子射束照射的场。
22.wo 2012/104416 a1公开了一种用于通过检测和/或量化在用带电强子射束照射目标时产生的瞬发伽马来进行带电强子疗法验证的设备和方法。所述设备包括准直器，所述准直器设置有被配置为垂直于射束线布置并面向目标的狭缝形部分、适合于检测所述瞬发伽马的检测装置以及计算和表示装置。在所述设备和方法中，狭缝被配置为允许从所述目标中的一定深度范围发射的瞬发伽马通过，所述深度是在带电强子射束的方向上测量的。此外，所述检测装置被配置为检测从所述范围内的每个位置发射的瞬发伽马，并且所述计算和表示装置被配置为从检测到的瞬发伽马得出代表在发射所述瞬发伽马的位置处的
剂量的值，并且表示在所述范围内的多个位置的剂量相关分布。
23.要解决的问题
24.因此，本发明的一个目标是提供一种用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的装置和方法，所述装置和方法至少部分地避免了已知装置和方法的缺点。
25.因此，本发明的特定目标是提供一种用于监视患者的身体部位的治疗的装置和方法，所述装置和方法在确定布拉格峰时实现更高的分辨率，以用于验证由射束提供到患者的身体部位的粒子的范围和剂量递送。
26.具体而言，期望所述装置和方法可以被设计用于在验证范围和剂量递送时考虑瞬发伽马辐射的非各向同性部分和在布拉格峰之后在射束方向上出现的片段。


技术实现要素：

27.此问题通过用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的装置和方法以及包括用于执行根据独立权利要求的主题的方法的可执行指令的计算机程序产品来解决。在从属权利要求中公开了可以孤立方式或以任何任意组合实现的本发明的优选实施方案。
28.如本说明书中所用，术语“包括(comprising)”或其语法变型将被用来指定所陈述特征、整数、步骤或部件或其群组的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其群组的存在或添加。这同样适用于术语用作术语“包括”的同义词的“具有(having)”或其语法变型。
29.在本发明的第一方面，公开了一种用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的装置，其中所述检测器包括：
[0030]-射束递送单元，所述射束递送单元被指定用于递送包括粒子的射束并且调整所述射束到患者的身体部位上的传播方向；以及
[0031]-验证单元，所述验证单元被指定用于通过确定关于瞬发伽马辐射的信息来验证由所述射束提供到所述患者的所述身体部位的所述粒子的范围和剂量递送，所述瞬发伽马辐射通过所述粒子与所述患者的所述身体部位在至少两个单独的相互作用点处的相互作用产生，
[0032]
其中所述验证单元包括对称轴，所述对称轴关于所述至少两个单独的相互作用点对称并且相对于所述射束的所述传播方向垂直定位。
[0033]
因此，用于监视对患者的身体部位的治疗的所述装置可以优选地用于监视对患者的身体部位的粒子疗法，其中所述患者的所述身体部位包括肿瘤组织。在本文中，所述肿瘤组织可以包括可能已经通过癌症引入患者组织中的肿瘤修饰。如通常所用，术语“癌症”是指动物的疾病，特别是哺乳动物并且尤其是人类的疾病，其特征在于一组身体细胞(通常表示为“癌细胞”)的不受控制的生长。这种不受控制的生长可能伴随着对周围组织的侵入和破坏(即“侵入”)以及癌细胞到身体的其他部位的可能扩散(即“转移”)。优选地，癌症可以选自由以下组成的列表：急性淋巴细胞白血病、急性髓细胞白血病、肾上腺皮质癌、艾滋病相关淋巴瘤、肛门癌、阑尾癌、星形细胞瘤、非典型畸胎样、基底细胞癌、胆管癌、膀胱癌、脑干胶质瘤、乳腺癌、伯基特淋巴瘤、类癌、小脑星形细胞瘤、宫颈癌、脊索瘤、慢性淋巴细胞白血病、慢性髓细胞性白血病、结肠癌、结直肠癌、颅咽管瘤、子宫内膜癌、室管膜母细胞瘤、室
管膜瘤、食管癌、颅外生殖细胞肿瘤、性腺外生殖细胞肿瘤、肝外胆管癌、胆癌、胃癌、胃肠道间质肿瘤、滋养细胞肿瘤、毛细胞白血病、头颈癌、肝细胞癌、霍奇金淋巴瘤、下咽癌、下丘脑和视觉通路神经胶质瘤、眼内黑色素瘤、卡波西肉瘤、喉癌、髓母细胞瘤、髓上皮瘤、黑色素瘤、梅克尔细胞癌、间皮瘤、口腔癌、多发性内分泌肿瘤综合征、多发性骨髓瘤、蕈样肉芽肿病、鼻腔和鼻窦癌、鼻咽癌、神经母细胞瘤、非霍奇金淋巴瘤、非小细胞肺癌、口腔癌症、口咽癌、骨肉瘤、卵巢癌、卵巢上皮癌、卵巢生殖细胞瘤、卵巢低恶性潜在肿瘤、胰腺癌、乳头状瘤、鼻旁窦和鼻腔癌、甲状旁腺癌、阴茎癌、咽喉癌、嗜铬细胞瘤、垂体瘤、胸膜肺母细胞瘤、原发中枢神经系统淋巴瘤、前列腺癌、直肠癌、肾细胞癌、视网膜母细胞瘤、横纹肌肉瘤、唾液腺癌、科尔萨科夫综合征、小细胞肺癌、小肠癌、软组织肉瘤、鳞状细胞癌、鳞状颈癌、睾丸癌、喉癌、胸腺癌、胸腺瘤、甲状腺癌、尿道癌、子宫肉瘤、阴道癌、外阴癌、华氏巨球蛋白血症和维尔姆斯瘤。
[0034]
替代地或此外，用于监视对患者的身体部位的治疗的装置也可以用于确定正被由射束提供的粒子照射的患者的身体部位内的存在和/或元素组成。因此，根据本发明，术语“患者的身体部位”一方面包括已经在患者体内发育的组织，特别是如上所述已经在特定身体部位内产生的肿瘤组织，但另一方面还包括有意或无意地引入患者的特定身体部位中的插入物。以举例的方式，研究患者的身体组成可能与作为评估营养状况的全身蛋白质的直接量度的全身氮有关。它还可用于检测某些污染地区肝脏和肾脏的镉中毒的早期病例。此外，还可以测量人体总氢量、人体总氯量和人体总钙量，为此可以采用彻底活体内活化分析(ivaa)。通过列举另一实例，确定受照射的目标的元素组成可以用于计算受照射的肿瘤组织的氧和/或碳浓度，由此可以通过它们的氧和/或碳浓度变化来检测不同类型的癌症。通过列举另一实例，插入物可以是或包括植入物，所述植入物主要出于医疗目的而通过手术被引入患者体内。作为另一实例，插入物可能由于意外或损伤而被引入患者体内。因此，根据本发明的装置还可用于确定插入物诸如金属植入物在患者体内的存在和/或元素组成，所述插入物特别地处于其中金属植入物可能接近用于照射的目标体积的布置。因此，术语“治疗”一方面是指放射疗法应用，特别是用于治疗肿瘤组织内的癌症的放射疗法应用，但另一方面，也可以是指通过用粒子射束治疗此特定身体部位来确定插入物诸如植入物在患者体内的存在和/或元素组成。此外，术语“患者”一方面是指经受涉及根据本发明的粒子射束的治疗的任何人，无论此人是否需要某种医学治疗，另一方面是指体模，特别是拟人体模。在本文中，中子、质子或轻离子可以激发来自人体的氮、碳和/或氧原子，这些原子可以通过发射瞬发伽马辐射而衰变。在本文中，与植入物相关联的低能量线可以用作调查金属或其他高z材料的存在的装置，由此可以非侵入性方式评估受照射目标的组成。以举例的方式，在前列腺癌中，可以将植入物插入直肠中，以便提供此器官是否可进行照射的信息。在本文中，直肠对辐射敏感但靠近前列腺，使得对于患者，期望使直肠免受辐射。
[0035]
如上文所指示，本装置用于患者的身体部位经受涉及包括粒子的射束的治疗的情况。如本文所用，术语“射束”是指向特定方向发射的多个粒子，所述多个粒子通过所述发射形成射束的传播的方向，也简称为射束的“传播方向”。此外，射束可以是包括粒子并且在垂直于传播方向的方向上具有预定延伸的束。
[0036]
根据本发明，所述装置包括射束递送单元。术语“射束递送单元”是指被指定用于递送射束并且调整射束到患者的身体部位上的传播方向的设备。为此目的，射束递送单元
可以优选地包括用于由辐射源提供的入射粒子射束的接收器以及可调整递送喷嘴，所述可调整递送喷嘴被指定用于对入射粒子射束进行整形，其方式为使得所述入射粒子射束可以优选地在身体部位的横截面形状和其远端表面的形状适形于所述立体几何方面尽可能地适形于待照射的患者的身体部位的立体几何。为此目的，射束递送单元还可以包括范围调制器、降能器、准直器或补偿器中的至少一者。然而，也可以想到射束递送单元的其他种类的实施方案。
[0037]
根据本发明，所述射束包括选自沿射束方向传播的中子或离子的强子粒子。具体而言，本文中优选使用的离子特别是选自质子1p，或选自氦4he的离子、碳
12
c的离子或氧
16
o的离子，因为这些种类或类型的离子中的每一者在功效和有效性方面表现出很高的临床潜力。因此，碳离子
12
c是特别优选的，因为它们表现出减少的横向扩散和增加的生物效应。用于本发明的离子可以优选地由选自其中粒子通过使用电场和磁场的组合来加速的回旋加速器或同步加速器的辐射源提供。在回旋加速器中的粒子由于恒定施加的磁场而以螺旋方式行进时，同步加速器中的磁场被连续调整，其方式为使得允许将加速粒子保持在圆形轨道上，从而产生粒子的固定闭环路径。然后，以这种方式提供的粒子的一部分用于产生期望离子射束，这些离子射束以一个或多个射束线传播。
[0038]
如上文已进一步指示，期望尽可能避免患者的健康器官接收由射束提供的粒子。为此目的，根据本发明的装置被指定用于监视用粒子射束对患者的身体部位的治疗。如通常所用，术语“监视”是指连续获取数据并从中得出期望信息的过程。为此目的，可以生成和评估可从其确定期望信息的多个测量信号。在本文中，可以在固定或可变时间间隔内或者替代地或此外在发生至少一个预定事件时记录多个测量信号。特别地，根据本发明的装置尤其可以被指定用于连续确定患者的身体部位中的粒子范围和进入患者的身体部位中的剂量递送。
[0039]
基于监视，可以执行对由粒子射束提供到患者的身体部位的粒子的范围和剂量递送的验证。如通常所用，术语“验证(verification/verif ying)”是指提供关于患者的身体部位中的粒子范围和进入患者的身体部位中的剂量递送、具体地关于所谓的“布拉格峰”在患者的身体部位内的位置的证据。如上文所指示，术语“布拉格峰”是指所称谓的“布拉格曲线”内的明显的峰值，所述明显的峰值表示入射射束的能量损失关于射束穿过患者的身体部位的行进距离的图形表示。有利地，布拉格峰紧邻由射束提供的粒子在患者的身体部位内静止之前出现。在本文中，术语“范围”是指粒子在患者的身体部位内的行进距离，所述行进距离主要由布拉格峰值决定，而术语“剂量递送”则涉及粒子辐射在布拉格峰值处的强度。因此，所述验证能够降低患者治疗期间的范围不确定性和安全裕度，以通过防止患者的健康器官接收辐射来显著减少对患者的副作用。
[0040]
此外，根据本发明的装置包括验证单元。如本文所用，术语“验证单元”涉及被指定用于验证由射束提供到患者的身体部位的粒子的范围和剂量递送的设备。为此目的，验证单元适于确定关于瞬发伽马辐射的信息，所述瞬发伽马辐射通过粒子与患者的受照射身体部位的相互作用产生。如通常所用，术语“相互作用”是指患者的身体部位在粒子照射时提供的响应。如进一步通常所用，术语“瞬发伽马辐射”是指由与物质中的粒子路径相关的核反应引起的次级辐射发射。为此目的，由入射射束提供的粒子能量在患者的身体部位内被吸收。因此，以这种方式产生的瞬发伽马辐射可以根据本发明用于验证，优选地用于对在临
床条件下患者的身体部位内的粒子范围和进入患者的身体部位中的剂量递送进行实时验证，优选地导致减少治疗计划中的不确定性。
[0041]
根据本发明，通过确定关于在至少两个单独的相互作用点处，优选地在两个、四个、六个、八个、十二个或更多不同的相互作用点处的瞬发伽马辐射的信息来监视用粒子射束对患者的身体部位的治疗，其中优选两个、四个、六个、八个或十二个相互作用点是优选的。一般来说，为了监视目的而选择的相互作用点的数量可以被调整，以便通过尽可能减少任何努力来获得具有高空间分辨率的足够信息。如本文所用，术语“相互作用点”是指患者的身体部位中的位置，在所述位置处，患者的身体部位在其被可以被验证单元观察到的粒子照射时发生特定反应。如上文所指示，瞬发伽马辐射不是各向同性的，而是相对于后向峰值和前向峰值伽马辐射具有更高的产率。此外，期望范围验证由于在布拉格峰之后在射束方向上片段的出现而变得更加复杂。因此，与根据现有技术的其他装置和方法相比，确定粒子与患者的身体部位的至少两个单独的相互作用点处的瞬发伽马辐射允许提高对布拉格峰内粒子范围的验证的准确性。
[0042]
根据本发明，验证单元包括对称轴，其中对称轴关于单独的相互作用点对称。如通常所用，术语“对称轴”涉及验证单元的设置和布置，其中验证单元的通过对称轴产生的两个半部特别是相对于彼此是相同的，其方式为使得一半看起来像另一半在镜子里的影像。在本文中，这两个半部可以在物理上以同时的方式诸如通过相应检测器元件的对称布置存在于验证单元中。如以下文更详细地描述的，在其中仅单个检测器元件可以物理地存在于验证单元中的替代实施方案中，单个检测器元件可以在验证单元内能够移动到关于各个相互作用点的对称位置。
[0043]
进一步根据本发明，验证单元的对称轴相对于射束的传播方向以垂直方式定位。如本文所用，术语“垂直”是指相对于射束的传播方向成90
°±
10
°
、优选地90
°±1°
、优选地90
°±
0.1
°
的角度。类似地，术语“平行”涉及相对于射束的传播方向成0
°±
10
°
、优选地0
°±1°
、优选地0
°±
0.1
°
的角度。因此，关于由验证单元确定的瞬发伽马辐射的信息仅包括垂直于射束的传播方向的分量。
[0044]
由于验证单元的对称轴相对于射束的传播方向的垂直布置，可以形成至少一个平面，其中验证单元的检测器元件中的至少两个可以对称方式定位，或者其中在如上所指示的替代实施方案中，验证单元的单个检测器元件可以对称方式能够移动。在验证单元可以包括四个、六个或更多个检测器元件的情况下，可以对称方式定位的检测器元件中的两个可以形成单独的平面。然而，无论平面内检测器元件的数量如何，每个平面都可以与射束的传播方向相交。换句话讲，所述平面包括沿射束方向的直线和来自检测器元件的多个可能点中的一个，使得所有检测到的瞬发伽马位于此平面内。
[0045]
此外，“发射角”可以由瞬发伽马射线在沿射束方向的特定相互作用点处的原点和相应检测器元件的检测点限定。由于所有检测到的瞬发伽马都位于上文限定的平面内，因此发射角可以在平面上围绕作为待检测瞬发伽马射线的原点的相互作用点旋转。患者的身体部位内和至少一个检测器元件的检测线的重建包括知道至少一个检测点的位置和由射束方向定义的直线的位置。换句话讲，将检测线与射束的传播方向相交，可以检测到相互作用点。作为根据本发明的布置的结果，若干发射角以共面方式定位在平面内。可能不与直线相交的不同平面与检测点无关。因此，对于通过射束与患者的身体部位的相互作用产生的
每个瞬发伽马辐射，瞬发伽马辐射的原点可能与发生相互作用的位置相关联。在此位置，射束可以表现出特定能量，所述特定能量随着射束在患者的身体部位中深度的增大而减少。作为另一结果，角截面可能取决于如rusiecka等人和kiener所示的发射角(参见上文)，其中某些发射角可能表现出比其他发射角更高的横截面，从而与其他发射角相比，导致预期针对某些发射角更高的瞬发伽马产率。
[0046]
作为验证单元的对称轴相对于射束的传播方向的垂直布置的另一结果，验证单元被指定用于垂直于射束的传播方向在由检测器元件和射束的传播方向形成的至少一个平面内移动，因此，所述检测器元件尤其被设计用于获取关于瞬发伽马辐射的信息，所述瞬发伽马辐射通过粒子与患者的身体部位在粒子撞击患者的身体部位的至少两个单独的相互作用点处的相互作用产生为次级辐射发射。
[0047]
作为使用至少两个单独的相互作用点来监视用粒子射束对患者的身体部位的治疗的一个特别重要的结果，根据本发明的装置和方法被设计用于确定患者的身体部位内的粒子范围的绝对值。在本文中，术语“绝对值”是指以数字和物理单位的形式提供的一条数据，其中物理单位具体是指患者的身体部位内的距离，诸如以μm为单位给出。此特征与仅能够以相对值的形式提供粒子范围的已知装置和方法形成对比，其中术语“相对值”是指患者的身体部位内部的仅以数字或者以数字和与物理单位没有关系的任意单位诸如距离的形式提供的另一条数据。作为确定粒子范围的绝对值的结果，可以高空间分辨率确定患者的身体部位内的距离，从而允许将由入射射束对患者的身体部位的治疗限制到期望粒子范围，特别地限制到包括由癌症引入的肿瘤修饰的肿瘤组织。
[0048]
根据本发明，可以各种实施方案的形式提供验证单元的对称轴相对于射束的传播方向的垂直布置。
[0049]
在优选实施方案中，所述装置还包括单个旋转机架和患者定位平台，其中机架和患者定位平台中的至少一者能够相对于另一者移动，其方式为使得射束的传播方向可调整到相对于患者的不同位置。如通常所用，术语“能够移动”是指部件的指示相应部件的位置并非固定使得可以将部件带到不同的位置的特征。这种配置可以允许已经通过仅移动装置的单个部件来修正机架与患者定位平台之间的距离和/或相对取向。
[0050]
如进一步通常所用，术语“患者定位平台”是指接收部，所述接收部被指定用于接收患者，用于将患者移动到指定用于接受治疗的适当位置，并且用于在治疗期间将患者保持在此位置。为此目的，可以优选地采用机器人仪器来相对于六个移动方向或旋转方向准确地定位患者。然而，其他种类的患者定位平台也可以是可行的。由于患者通常是表现出具有沿纵轴旋转对称的几何形状的人，因此患者定位平台可以被优选地设计以便反映患者的这种几何形状。作为这种配置的结果，患者定位平台可以包括具有细长形状的平台，所述细长形状可以优选地适应患者的纵向轴线。此外，患者定位平台的细长形状可以用于诸如通过采用调整功能诸如拟合功能限定患者定位平台的“平面”。
[0051]
如进一步通常所用，术语“旋转机架”或简称为“机架”指的是适于接收患者定位平台并相对于患者定位平台旋转，优选地旋转360
°
整圈以便将粒子射束以任何期望角度尤其以由治疗指定的角度递送到患者的身体部位。根据此实施方案，机架、患者定位平台或机架和患者定位平台两者可以被指定为移动以便根据需要调整粒子相对于患者的传播方向。
[0052]
在此优选实施方案中，机架可以包括可移动的侧壁和可移动的前壁，其中前壁可
以相对于侧壁垂直放置。如本文所用，术语“侧壁”是指机架的内表面的相对于患者的纵向轴线平行定位的第一部分，而术语“前壁”是指机架的内表面的相对于患者的纵轴垂直定位的另一部分。此外，机架的剩余部分可以是开放的，以供患者、医务人员或服务人员访问患者定位平台。作为这种实施方案的结果，前壁可以相对于侧壁采用垂直取向。然而，用于机架的其他种类的实施方案以及可涉及患者定位平台在机架内的不同方向和/或取向的其他布置也是可行的。
[0053]
在特定实施方案中，所述射束递送单元和所述验证单元都联接到所述侧壁并且能够随所述侧壁以同步方式相对于所述患者定位平台移动到不同位置。如本文所用，术语“同步”是指至少两个单独的部件的移动方式，其中单独的部件以相同的方向向量和相同的旋转向量移动，其中方向向量或旋转向量中的每一者可以是零向量。作为此实施方案的结果，在治疗期间可以保持验证单元的对称轴相对于射束的传播方向的垂直布置，尽管仅侧壁可以移动，而装置的其他部分诸如前壁或患者定位平台可以保持在适当位置。
[0054]
在替代实施方案中，射束递送单元可以联接到侧壁并且可以随侧壁相对于患者定位平台移动到不同位置，而验证单元可以联接到前壁并且可以随前壁以与射束递送单元同步的方式相对于患者定位平台移动到不同位置。如上文已指示，前壁可以优选地相对于侧壁采用垂直取向，使得在此配置中，可以在治疗期间以特别容易的方式保持验证单元相对于射束的传播方向的垂直布置。
[0055]
在另一替代实施方案中，射束递送单元可以相对于患者定位平台设置在固定位置中，其中射束递送单元可以被指定用于相对于患者定位平台以任何取向优选地以0
°
或90
°
的角度递送射束。替代地，射束递送单元可以被指定用于以45
°±
45
°
的角度递送射束。因此，设置射束递送单元可以相对于由患者定位平台限定的平面以竖直取向或近竖直取向设置，而验证单元可以与其垂直的取向设置以避免干扰患者定位平台优选地以45
°
的角度的移动，或者能够围绕患者定位平台移动到期望位置，以免与患者定位平台冲突。作为这种配置的结果，验证单元可以相对于射束的传播方向始终保持期望垂直取向，而不管射束递送单元的移动如何。
[0056]
在另一替代实施方案中，可以使用诸如wo 2019/224215 a1中所公开的环形机架，其中机架不旋转。在本文中，射束具有各种可能的方向并且在环面内的磁场为零。然而，根据本发明的装置可以通过独立于机架旋转但仍然垂直于射束的方向来使用。在本文中，可以通过使用与射束的方向相关的先验信息来提供装置的同步，其中至少一个检测器元件不与机架同步，而是与射束的方向同步。作为替代方案，可以将独立装置附接到射束的可能递送角度。
[0057]
在下文中，更详细地公开了可以孤立的方式或以任何任意组合实现的本发明的进一步优选实施方案。
[0058]
在特别优选的实施方案中，所述验证单元可以包括至少一个检测器元件，其中所述检测器元件被指定用于确定通过所述粒子与所述患者的所述身体部位的所述相互作用产生的所述瞬发伽马辐射。
[0059]
如本文所用，术语“检测器元件”是指被指定用于从入射的瞬发伽马辐射产生可测量信号的设备。为此目的，可测量信号可以优选地选自电信号，特别是电压或电流。特别地，检测器元件可以选自以下中的至少一者：光电倍增管(pmt)、固态单光子敏感装置(硅光电
倍增管；sipm)、电荷联接装置(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)或量子图像传感器(qis)芯片。然而，其他种类的检测器元件也可以是可行的。在验证单元可以包括多于单个单独的检测器元件的情况下，特别优选地，单独的检测器元件具有相同的类型和种类，以增加单独的检测器元件之间的所测量信号的可比性。
[0060]
在此特别优选的实施方案中，验证单元可以包括至少两个检测器元件，优选地两个、四个、六个、八个、十二个或更多个检测器元件。在本文中，两个检测器元件相对于彼此间隔开，并且因此能够优选地以同时的方式确定关于在至少两个单独的相互作用点处的瞬发伽马辐射的信息。然而，替代地或此外，连续确定关于瞬发伽马辐射的信息也可以是可行的。
[0061]
此外，优选地，每个检测器元件可以被指定用于以垂直于射束的传播方向的方式朝向或远离患者的身体部位移动，由此每个检测器元件与患者的身体部位之间的距离对于每个检测器元件保持相等。保持每个检测器元件与患者的身体部位之间的相同距离允许确定关于具有相同强度的瞬发伽马辐射的期望信息，从而提高每个检测器元件之间所测量信号的可比性。如本文所用，术语“朝向或远离身体部位”涉及减少或增大特定检测器元件与患者的身体部位之间的距离的运动。通过以这种方式移动特定的检测器元件，可以调整两个单独的相互作用点之间的距离。作为其结果，可以聚焦或散焦沿射束的传播方向的位置，由此可以这种方式设置用于检测瞬发伽马辐射的空间分辨率。为此目的，在特定实施方案中，每个检测器元件可以应用于支撑件的单独构件，其中支撑件可以直接联接到机架，诸如联接到机架的侧壁，并且其中至少一个单独构件可以能够在垂直于射束的传播方向的方向上相对于机架移动。在另一配置中，四个或更多个检测器元件可以阵列的形式布置。对于关于检测器元件、支撑件和支撑件的单独构件的进一步细节，可以参考下文描述中的实施例。然而，也可以想到检测器元件的其他种类的布置。
[0062]
在替代实施方案中，验证单元可以仅包括单个检测器元件。然而，无论如何，为了能够确定关于在至少两个单独的相互作用点处的瞬发伽马辐射的信息，单个检测器元件可以优选地被指定用于相对于患者的身体部位在验证单元内放置在至少两个不同位置处。在至少两个不同位置处的放置之间的移动期间，出于与上文所指示的相同的原因，优选地，针对每个不同位置保持检测器元件与患者的身体部位之间的距离。在此替代实施方案中，因此，单个检测器元件可以在第一时间尺度在至少两个不同位置之间移动，所述第一时间尺度与使检测器元件朝向或远离患者的身体部位垂直于射束的传播方向移动的第二时间尺度相比更快，由此可以如上所述调整单独的相互作用点之间的距离。在本文中，使检测器元件朝向或远离身体部位移动可以与等能切片(ies)相关联。对于每个切片，检测器元件可以移动到根据期望分辨率的位置。在本文中，最远端处的切片可能需要更集中的配置以获得更高的分辨率。以举例的方式，每个切片的传送时间可以是5秒，接着是两个后续切片之间的4秒暂停。在此实施例中，4秒的暂停可以构成如上定义的第二时间尺度，其中5秒的第一时间尺度可以是包括检测器元件的两个不同位置之间的移动的递送时间。然而，在为了提高递送速度而进行多次ies递送的情况下，此实施方案仍可用于聚焦于最远端切片。尽管仅使用单个检测器元件可以由于其简单性而有利于装置的质量保证的目的，但是对于患者的实际治疗，至少两个、优选地四个、六个、八个或十二个检测器元件可以是特别优选的，因为此配置可以允许增强验证单元的灵敏度，并因此增大用于确定患者的身体部位内的粒子范
围的空间分辨率。
[0063]
此外，验证单元还可以包括准直器单元。如通常所用，术语“准直器单元”是指被指定用于在瞬发伽马辐射已经通过粒子与患者的身体部位的相互作用产生之后但在进入至少一个器元件之前对其检测进行准直和整形的设备。在瞬发伽马辐射在对应的检测器元件中被检测到之前对其进行准直可以有利地导致用于在患者的身体部位内对瞬发伽马辐射的检测的空间分辨率的期望增大。然而，也可以想到不具有准直器单元的验证单元。
[0064]
此外，验证单元还可以包括评估装置。如通常所用，术语“评估装置”涉及一种被指定用于确定关于瞬发伽马辐射的信息的设备，所述伽马辐射已经由至少一个检测器元件获取，并且具体地是基于由至少一个检测器元件提供到评估装置的可测量信号。为此目的，可以提供有线连接，或者替代地或此外，可以提供在至少一个检测器元件与评估装置之间的无线连接。
[0065]
根据本发明的评估装置尤其可以被设计用于验证由射束提供到患者的身体部位的粒子的粒子范围和剂量递送，其中这种信息可以是基于由至少一个检测器元件提供到评估装置的可测量信号。为此目的，评估装置可以包括快速模数转换器，优选地具有10ns、更优选地4ns、更优选地1ns或更低的采样率。在本文中，快速模数转换器可以优选地选自以下中的至少一者：闪存模数转换器(fadc)、现场可编程门阵列(fpga)、维萨模块欧陆卡(vme))数字化仪、时间读出板(trb)或示波器。然而，也可以想到其他类型的快速模数转换器。
[0066]
在本发明的另一方面，公开了一种用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的方法。在本文中，根据本发明的方法至少包括以下步骤，然而，其中还可以执行另外的步骤。在优选的实施方案中，可以按顺序方法执行所指示步骤，然而，其中后续步骤可以至少部分地与前一步骤同时执行。在一个替代地优选实施方案中，所提到的步骤可特别是以综合方法或以将顺序方法和综合方法组合的混合方法来执行，以用于使执行本方法所需的时间和/或存储空间最小化。此外，还可以执行此处未指示的其他步骤。
[0067]
具体地，用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的方法包括以下步骤:
[0068]-提供如在本文别处所描述的用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的装置；
[0069]-递送包括粒子的射束并且调整射束到患者的身体部位上的传播方向；
[0070]-确定关于瞬发伽马辐射的信息，所述瞬发伽马辐射通过所述粒子与所述患者的所述身体部位在包括所述粒子的所述射束与所述患者的所述身体部位的至少两个单独的相互作用点处的相互作用产生；以及
[0071]-验证由所述射束提供到所述患者的所述身体部位的所述粒子的范围和剂量递送。
[0072]
在一个特别优选的实施方案中，确定关于瞬发伽马辐射的信息可以优选地包括
[0073]-通过垂直于所述射束的所述传播方向使所述验证单元所包括的至少一个检测器元件移动来指定沿所述射束的所述传播方向的至少两个位置；
[0074]-使所述验证单元还包括的支撑件的单独构件移动，其中所述至少一个检测器元件被施加到所述单独构件，其中所述单独构件朝向或远离所述患者的所述身体部位移动，其方式为使得沿所述射束的所述递送方向的所述位置被聚焦或散焦，由此设置用于检测所
述瞬发伽马辐射的的空间分辨率；以及
[0075]-检测通过所述瞬发伽马辐射与所述至少一个检测器元件的所述相互作用产生的所述信号。
[0076]
在此特别优选的实施方案中，确定关于瞬发伽马辐射的信息还可以优选地包括
[0077]-确定所述粒子与所述患者的所述身体部位之间的多个角截面，其中每个角截面针对30
°
至150
°
的不同发射角确定；以及
[0078]-针对每个相互作用点评估射束和通过粒子与患者的身体部位的相互作用产生的瞬发伽马辐射的能量。
[0079]
在此特别优选的实施方案中，针对每个相互作用点评估射束和瞬发伽马辐射的能量可以具体地包括
[0080]-重建所述患者的所述身体部位内的所述相互作用点与所述至少一个检测器元件之间的检测线；
[0081]-使所述检测线与所述射束的所述传播方向相交，从而检测所述相互作用点；以及
[0082]-确定相对于所述能量和所述角截面的多个相互作用点，由此验证由所述射束提供到所述患者的所述身体部位的所述粒子的所述范围和所述剂量递送。
[0083]
除了所指示方法步骤之外，还可以执行其他方法步骤，特别是“计划治疗”的步骤，其可以包括以下子步骤：
[0084]-限定射束的传播方向；
[0085]-限定要通过接受剂量治疗的至少一个身体部位；
[0086]-限定通过不接受剂量而免受伤害的至少一个另外的身体部位；以及
[0087]-限定射束的至少一种能量和待递送到要治疗的至少一个身体部位内的至少一个区域的多个粒子。
[0088]
在此优选实施方案中，如果可以根据以下其他子步骤在治疗计划与测量之间发现错误，则可以校正由射束到患者的身体部位的粒子的递送：
[0089]-测量治疗计划与在治疗期间用根据本发明的方法和装置获取的数据之间的范围差和剂量差；
[0090]-决定是否至少有一个差值可能导致偏差过大，使得应当采取任何进一步的措施；
[0091]-如果偏差太大，同样使用根据本发明的方法和装置获取的信息建立新的治疗计划；以及
[0092]-更新“递送包括粒子的射束并且调整射束到患者的身体部位上的传播方向”的上文所指示步骤。
[0093]
在本发明的另一优选实施方案中，可以针对每个射束能量和发射角建立用于确定具有一定能量的瞬发伽马产率的模型，其中所述模型可以优选地包括粒子与患者的身体部位之间的角截面、检测器元件的特性、射束、患者和验证单元之间的相对位置，以及任选的治疗计划。
[0094]
在另一方面中，本发明涉及一种如在本文别处所描述的用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的方法。此方法可以频繁地执行，特别是在装置的调试期间或在诸如每周、每两周或每月的定期质量评估期间。此方法可包括以下步骤：
[0095]-提供如在本文别处所描述的用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治
疗的装置；
[0096]-递送包括粒子的射束并且调整射束到患者的身体部位上的传播方向；
[0097]-计算患者体内一定深度处的射束的能量并且测量瞬发伽马辐射的能量和产率；
[0098]-针对每个射束能量、发射角和具有一定能量的瞬发伽马产率确定多个角截面；
[0099]-任选地，将替代体模内一定深度的射束的能量与瞬发伽马辐射的能量组合；
[0100]-针对每个射束能量和发射角建立用于确定具有一定能量的瞬发伽马产率的模型；
[0101]-确定相对于所述能量和所述角截面的多个相互作用点，由此验证由所述射束提供到所述患者的所述身体部位的所述粒子的所述范围和所述剂量递送；
[0102]-将模型的预测与根据瞬发伽马辐射的测量获得的结果进行比较；以及
[0103]-验证由所述射束提供到所述患者的所述身体部位的所述粒子的范围和剂量递送。
[0104]
对于关于所述方法的进一步细节，可以参考如在此文档别处所描述的根据本发明的用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的装置。
[0105]
在另一方面，本发明涉及计算机程序产品，其包括用于执行如在本文别处所描述的方法的可执行指令。对于关于所述计算机程序产品的进一步细节，可以参考如在此文档别处所描述的根据本发明的用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的方法和装置。
[0106]
根据本发明的装置和方法提供了优于已知装置和方法的显著优势。特别地，用于监视用包括粒子的射束对患者的身体部位的治疗的装置和方法能够以更高的分辨率监视患者的身体部位的治疗，以用于确定用于验证由射束提供到患者的身体部位的粒子的范围和剂量递送的布拉格峰。具体而言，装置和方法可以有利地用于在验证范围和剂量递送时考虑瞬发伽马辐射的非各向同性部分和在布拉格峰之后在射束方向上出现的片段。此外，它还可用于确定受照射目标的元素组成。此外，它还可用于跟踪射束路径内的高原子序数材料。此外，它还可用于治疗前的质量保证和计划验证。
[0107]
本发明特别地与us 2006/0113482 a1形成对比，us 2006/0113 482 a1公开了一种围绕患者旋转的联接且可移动的光子成像装置，其中便携式框架可以与hueso-等人所提出的类似的方式(参见上文)向和自放射疗法辐射源和患者移动。根据本发明，可以通过测量在沿射束方向的各个更近或更远的相互作用点处的瞬发伽马辐射来以实时方式控制射束的范围。因此，所涉及的几何问题不同，并且也是用于各自目的的变量。虽然它们的响应线是各向同性的并且由器官中的正电子湮没产生的信号取决于所述器官的摄取，但根据本发明的响应线与来自实际上正被射束穿过的患者的身体部位的发射有关。us 2006/0113482 a1试图在解剖学、形态学和/或功能视图中对患者进行跟踪或成像以适应患者的治疗，而根据本发明，执行射束的跟踪和/或成像是用于调整患者的身体部位内的射束定位。
[0108]
本发明还特别地与ep2 950 119 a1形成对比，后者公开了对光子行进偏移而非布拉格峰的确定。此光子行进偏移被限定为光子在等于第一时间宽度与第二时间宽度之间的差值的时间间隔内行进的距离。第一时间宽度和第二时间宽度由此通过来自扫描延长的特殊间隔而非单独的相互作用点的两个检测器的定时轮廓来获取。然后使用从光子行进偏移
中获得的信息来计算目标中的穿透深度，但不计算取决于另外的参数的递送剂量。
[0109]
本发明还特别地与分别在检测器布置和移动方面都未公开对称性的wo 2012/152938 a2形成对比。在其中提出的使用狭缝相机装置的概念更依赖于相互作用点的不对称检测。检测器还相对薄，并且不能吸收瞬发伽马辐射的全部能量，使得需要多个检测器来提高空间分辨率。狭缝相机在遵循相同基本概念的wo 2012/104416 a1中更详细地描述。同样，jp 2010 032451 a和richter等人未公开关于检测器设置的对应的空间对称性。他们还未公开用于从瞬发伽马分布中检索递送剂量的方法。在此上下文中，richter等人仅公开基于ct的剂量重建。
附图说明
[0110]
本发明的其他任选的细节和特征可以优选地结合从属权利要求从优选实施方案的后续描述中得出。在从属权利要求中，相应特征可以孤立的方式或以任意组合实现。本发明不限于优选实施方案。图中相同的附图标记是指相同的元件或是指具有相同或相似功能的元件或是指在其功能方面彼此对应的元件。
[0111]
图1以俯视图示出根据本发明的用于监视用粒子射束对患者的身体部位的治疗的装置的优选实施方案，其中所述装置包括处于侧面布置的射束递送单元和具有两个单独的检测器元件的验证单元；
[0112]
图2以透视图示出用于监视用粒子射束对患者的身体部位的治疗的装置的另一优选实施方案，其中所述装置包括处于侧面布置的射束递送单元和具有八个单个检测器元件的验证单元；
[0113]
图3以透视图示出用于监视用粒子射束对患者的身体部位的治疗的装置的另一优选实施方案，其中所述装置包括处于顶部布置的射束递送单元和具有两个单个检测器元件的验证单元；并且
[0114]
图4a和图4b以侧视图进一步示出用于监视用包括图3的粒子的射束对患者的身体部位的治疗的方法的优选实施方案，其中检测器元件在图4a与图4b之间移动以用于调整两个单独的相互作用点之间的距离，由此设置用于检测瞬发伽马辐射的空间分辨率。
具体实施方式
[0115]
图1以俯视图示出根据本发明的用于监视用包括粒子118的射束116对患者114的身体部位112的治疗的装置110的优选实施方案。如上文已指示，优选地，在本发明的上下文中使用的粒子118是选自中子0n、质子1p，或选自氦4he的离子、碳
12
c的离子或氧
16
o的离子的强子，因为这些粒子118在功效和有效性方面表现出很高的临床潜力。然而，本发明的装置110仍可使用其他种类的粒子118。
[0116]
如图1中示意性描绘的，装置110包括在此以可调整递送喷嘴122的形式提供的射束递送单元120。根据本发明，射束递送单元120被设计用于既递送包括粒子118的入射射束116，并且同时又用于调整射束116的传播方向124，其方式为使得射束116所包括的粒子118实际上可以撞击在患者114的已被选为粒子118的目标体积的期望身体部位112处，以便执行设想的治疗。因此，射束递送单元120特别是可调整递送喷嘴122可以对入射射束116进行整形，其方式为使得射束116可以具体地在待照射的身体部位112的横截面形状和身体部位
112的远端表面的形状方面尽可能地适形于身体部位112的立体几何。为此目的，射束递送单元120还可以包括扫描磁铁、范围调制器、降能器、准直器或补偿器中的至少一者(此处未描绘)。然而，也可以想到射束递送单元120的其他种类的布置。
[0117]
在这方面，图1进一步示意性地示出所谓的布拉格曲线126，其表示入射射束116的能量损失相对于射束116穿过患者114的受照射身体部位112的行进距离的图形表示。包括强子粒子118的射束116表现出有利的效应：布拉格曲线126中的也被表示为布拉格峰128的峰值紧邻在强子粒子118静止之前出现。因此，为了防止健康器官接收辐射，期望布拉格峰128采用位于患者114的受照射身体部位112内的位置。
[0118]
为了解决此问题，装置110包括被指定用于验证由射束116提供到患者116的受照射身体部位112的粒子118的范围和剂量递送的验证单元130。在图1a的优选实施方案中，验证单元130包括相对于彼此间隔开并且因此能够优选地同时确定信息的两个单独的检测器元件132。然而，替代地或此外，连续地确定信息也是可行的。在本文中，每个检测器元件132附接到具有单独构件136的支撑件134，所述单独构件136能够如箭头138所指示朝向或远离患者114的身体部位112移动，其中每个检测器元件132与患者114的身体部位112之间的距离保持相同。如下文在图4a和图4b的上下文中更详细地描述的，单独构件136因此可以朝向或远离患者的身体部位移动，以便为单独的检测器元件132设置空间分辨率。此处指示，支撑件134和对应的单独构件136可以如图所示或者以各种不同的布置或配置提供，只要附接检测器元件132并使检测器元件132以所指示的方式朝向或远离患者114的身体部位112移动是可能的即可。
[0119]
出于验证照射患者116的身体部位112的粒子118的范围和剂量递送的目的，验证单元130适于确定关于瞬发伽马辐射140的信息，其中瞬发伽马辐射140通过由入射射束116提供的粒子118与患者114的受照射身体部位112的相互作用产生。如上已描述，瞬发伽马辐射140是指由与粒子118的路径相关的核反应引起的次级辐射发射，所述粒子118的路径由入射射束116的能量提供，所述能量在患者114的身体部位112内部被吸收。因此，以这种方式产生的瞬发伽马辐射140构成了用于验证优选地用于实时验证在临床条件下患者114的身体部位112内的粒子范围和进入患者114的身体部位112中的剂量递送从而允许减少治疗计划中的不确定性的适当工具。
[0120]
因此，验证单元130所包括的每个检测器元件132被指定用于确定瞬发伽马辐射140通过粒子118与患者114的受照射身体部位112的相互作用产生。为此目的，检测器元件132被设计用于从入射瞬发伽马辐射140产生可测量信号，其中可测量信号可以优选地选自电信号，特别是电压或电流。特别地，检测器元件132因此可以选自以下中的至少一者：光电倍增管(pmt)、固态单光子敏感装置(硅光电倍增管；sipm)、电荷联接装置(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)或量子图像传感器(qis)芯片。
[0121]
然而，其他种类的检测器元件也可以是可行的。如果验证单元130可以如图1至图4b所示包括至少两个单独的检测器元件132，则特别优选地，单独的检测器元件132具有相同的类型和种类，以便增加单独的检测器元件132之间的所测量信号的可比性。
[0122]
如图1进一步所示，验证单元130可以优选地包括准直器单元142，所述准直器单元142被指定用于在瞬发伽马辐射140已经通过粒子118与患者112的身体部位112的相互作用产生之后但在进入对应的检测器元件132之前对其进行准直和整形。在瞬发伽马辐射140在
对应的检测器132元件中被检测到之前使用所示的准直器单元142来对其进行准直可以有利地导致在患者114的身体部位112内对瞬发伽马辐射140的检测的空间分辨率期望地增大。然而，也可以想到验证单元140可不设置有准直器单元142。
[0123]
此外，验证单元140还可以包括评估装置144，所述评估装置144被指定用于特别地通过评估由检测器元件132提供到评估装置144的可测量信号来确定由检测器元件132获取的关于瞬发伽马辐射140的信息。为了信息的交换，可以提供如图1中示意性地描绘的有线连接145，或者替代地或此外，可以提供检测器元件132与评估装置144之间的无线连接(在此处未描绘)。评估装置144可特别地被设计用于验证由射束116提供到患者114的身体部位112的粒子118的粒子范围和剂量递送。为此目的，评估装置144可以包括优选地具有10ns、更优选地4ns、更优选地1ns或更低的采样率的快速模数转换器。在本文中，快速模数转换器可以优选地选自以下中的至少一者：闪存模数转换器(fadc)、现场可编程门阵列(fpga)、维萨模块欧陆卡(vme))数字化仪、时间读出板(trb)或示波器。然而，也可以想到其他类型的快速模数转换器。
[0124]
此外，评估装置144可以连接到可以优选地位于装置110的外部的监视器146和键盘148。替代地或此外，处理装置(此处未描绘)也可以有线或无线方式连接到评估装置144，其中处理装置可以被设计用于诸如以主从关系控制评估装置144。然而，其他种类的处理装置也可以是可行的。
[0125]
根据本发明，验证单元130的对称轴149相对于射束116的传播方向124以垂直方式定位，从而产生验证单元130的布置，其中定位验证单元130，其方式为使得它以垂直于射束116的传播方向124的取向确定关于瞬发伽马辐射140的期望信息。因此，关于由验证单元130确定的瞬发伽马辐射140的信息仅包括垂直于射束116的传播方向124的分量。为此目的，验证单元130被指定用于垂直于射束116的传播方向124移动，从而允许验证单元130确定关于在粒子118撞击患者114的身体部位112的至少两个单独的相互作用点150处的瞬发伽马辐射140的信息。对于进一步细节，可以参考下面图4a和图4b的描述。
[0126]
如图1所示，验证单元130的对称轴149相对于射束116的传播方向124的垂直布置由装置110还包括的旋转机架152和患者定位平台154两者的相对布置提供中。如图1中示意性地描绘的，患者定位平台154包括接收部，所述接收部被指定用于接收患者114，用于将患者114移动到指定用于接受治疗的适当位置，并且用于在治疗持续时间期间将患者114保持在此位置。为此目的，可以优选地采用机器人仪器来相对于六个移动方向或旋转方向准确地定位患者114。
[0127]
此外，旋转机架152适于接收患者定位平台154并且相对于患者定位平台154以连续方式或以任意或预定义的步长优选地旋转360
°
的整圆，由此将射束116以任何期望角度特别地以可以由治疗计划指定的角度递送到患者114的身体部位112。根据此实施方案，可以移动旋转机架152和/或患者定位平台154，以用于相对于患者114以期望方式调整射束116的传播方向124。因此，旋转机架152与患者定位平台154之间的距离和/或相对取向可以通过移动装置110的单个部分来修正。
[0128]
根据装置110的此优选实施方案，旋转机架152可以包括可移动侧壁156和可移动前壁158，其中前壁158可以相对于侧壁156以垂直方式放置。如图1中示意性地描绘的，射束递送单元120可以联接到侧壁156并且能够随侧壁156相对于患者定位平台154移动到不同
位置，而验证单元130可以联接到前壁158并且可以随前壁158以与射束递送单元120同步的方式相对于患者定位平台154移动到不同位置。由于前壁158可以优选地相对于侧壁156采用垂直取向，因此可以在治疗患者114期间以特别容易的方式保持验证单元130的对称轴149相对于射束116的传播方向124的垂直布置。
[0129]
在本发明的另一实施方案中(此处未描绘)，射束递送单元120和验证单元130都可以联接到侧壁156并且能够随侧壁156以同步的方式相对于患者定位平台移动到不同位置154，从而在治疗期间保持验证单元130的对称轴149相对于射束116的传播方向124的垂直布置，但仅侧壁156可以移动，而装置的其他部分诸如前壁158或患者定位平台154可以保持在适当位置。
[0130]
在本发明的另一实施方案中(此处未描绘)，射束递送单元120可以相对于由患者定位平台154限定的平面以竖直取向或近竖直取向设置，其中近竖直取向是指与竖直方向
±
15
°
、优选地
±5°
的偏差，而验证单元130可以与其垂直的取向设置以避免干扰患者定位平台154优选地以45
°
的角度的移动。作为替代方案，验证单元130可以能够围绕患者定位平台154移动到期望位置，以避免与患者定位平台154冲突。
[0131]
图2示出了根据本发明的装置110的另一优选实施方案，其中验证单元包括八个单独的检测器元件132。在本文中，验证单元150的对称轴149正交于射束116的传播方向124，然而，检测器元件132可以旋转高达大约
±
140
°
。如示意性地描绘的，检测器元件132中的四个应用到单独的支撑件134，其方式为使得它们可以朝向或远离患者114的身体部位112共同移动。然而，另一数量的单独的检测器元件132或不同布置的单独的检测器元件132也可以是可行的。因此，用由射束116提供的粒子118对患者114的身体部位112的治疗可以优选地在两个或更多个不同的相互作用点处监视，由此与根据现有技术的已知装置相比，对布拉格峰138内的粒子范围的验证的准确性可得以增加。
[0132]
对于图2中所示的其他特征的详细描述，可以参考上文图1的描述。
[0133]
图3示出了根据本发明的装置110的另一优选实施方案，其中射束递送单元120可以相对于由患者定位平台154限定的平面以水平取向或近水平取向设置。如图3示意性地描绘的，此处再次以可调整递送喷嘴122的形式提供的射束递送单元120被设计用于相对于患者定位平台154以垂直取向递送射束116。然而，射束递送单元120可以替代地被设计用于以45
±
45
°
的角度递送射束。因此，验证单元130可以相对于射束116的传播方向124始终保持垂直取向，而不管射束递送单元120的移动如何。
[0134]
对于图3中所示的其他特征的详细描述，可以参考上文图1的描述。
[0135]
图4a和图4b进一步以侧视图示出根据图3的优选实施方案，其中检测器元件132通过使支撑件134的单独构件136远离患者114的身体部位112而在图4a与图4b之间移动。以这种方式，可以调整两个单独的相互作用点150之间的距离160，从而设置用于检测瞬发伽马辐射140的空间分辨率。作为使用至少两个单独的相互作用点150来确定关于瞬发伽马辐射140的信息的结果，装置110被设计用于确定患者114的身体部位112内的粒子范围的绝对值。作为确定粒子范围的绝对值的结果，可以高空间分辨率确定患者114的身体部位112内的距离，从而允许将由入射射束116的粒子118对身体部位112的治疗限制到期望粒子范围，特别地限制到包括由癌症引入的肿瘤修饰的肿瘤组织。
[0136]
在本发明的另一实施方案中，验证单元130可以仅包括单个检测器元件132，其中，
然而无论如何，为了能够确定关于在至少两个单独的相互作用点150处的瞬发伽马辐射140的信息，单个检测器元件132可以优选地被设计用于相对于患者114的身体部位112在验证单元130内放置在至少两个不同位置处。在至少两个不同位置处的放置之间的移动期间，可以针对每个位置保持单个检测器元件132与身体部位112之间的距离。在此实施方案中，单个检测器元件132因此可以在第一时间尺度下在至少两个不同位置之间移动，所述第一时间尺度与使单个检测器元件132朝向或远离身体部位112垂直于射束116的传播方向124移动的第二时间尺度相比更快，由此可以如上所述调整单独的相互作用点之间的距离。因此，图1、图3、图4a和图4b可以在同时在两个不同位置处显示单个检测器元件132时被视作示出此实施方案。
[0137]
尽管使用单个检测器元件132可以特别是由于其简单性而有利于装置的质量保证，然而，对于患者114的实际治疗，至少两个、优选地四个、六个、八个或十二个检测器元件132可以是优选的，因为至少两个单独的检测器元件132可以允许增加灵敏度并且因此增大对患者114的身体部位112内的粒子范围的确定的空间分辨率。
[0138]
参考数字列表
[0139]
110 装置
[0140]
112 身体
[0141]
114 患者
[0142]
116 射束
[0143]
118 粒子
[0144]
120 射束递送单元
[0145]
122 可调整递送喷嘴
[0146]
124 传播方向
[0147]
126 布拉格曲线
[0148]
128 布拉格峰
[0149]
130 验证单元
[0150]
132 检测器元件
[0151]
134 支撑件
[0152]
136 单独构件
[0153]
138 箭头
[0154]
140 瞬发伽马辐射
[0155]
142 准直器单元
[0156]
144 评估装置
[0157]
145 有线连接
[0158]
146 监视器
[0159]
148 键盘
[0160]
149 对称轴
[0161]
150 相互作用点
[0162]
152 旋转机架
[0163]
154 患者定位平台
[0164]
156 侧壁
[0165]
158 前壁
[0166]
160 距离