терапевтическое устройство

Формула изобретения

1. Терапевтическое устройство, содержащее:

- систему магнитно-резонансной томографии (100, 200), выполненную с возможностью получения набора данных магнитно-резонансной томографии в зоне визуализации (106, 460), при этом система магнитно-резонансной томографии содержит средство для генерации магнитного поля (134, 136, 234, 236),

- направляющее средство (108, 208), выполненное с возможностью направления пучка заряженных частиц (110, 210, 468, 470, 472, 474) в целевую зону (120, 220) внутри субъекта (116) так, чтобы пучок охватывал угол (118) с силовыми линиями магнитного поля (104) внутри зоны визуализации, угол составляет от 0 градусов до 30 градусов, при этом зона визуализации содержит целевую зону,

- средство определения зоны (130) для определения местоположения целевой зоны внутри субъекта, используя набор данных магнитно-резонансной томографии,

- средство вычисления траектории для вычисления траектории пучка, используя данные магнитного поля, которые описывают магнитное поле так, чтобы вычисленная траектория достигала целевой зоны,

- средство управления, выполненное с возможностью управления направляющим средством, используя вычисленную траекторию так, чтобы пучок придерживался вычисленной траектории.

2. Терапевтическое устройство по п.1, в котором средство вычисления траектории выполнено с возможностью вычисления энергетических потерь пучка внутри субъекта и при этом средство вычисления траектории корректирует вычисленную траекторию, используя энергетические потери.

3. Терапевтическое устройство по п.2, в котором направляющее средство выполнено с возможностью направления пучка заряженных частиц, который содержит заряженные частицы, которые обладают кинетической энергией, которая превышает или равна необходимой кинетической энергии с тем, чтобы брэгговский максимум пучка частиц располагался внутри целевой зоны, и при этом направляющее пучок средство дополнительно содержит регулируемый ослабитель для модулирования местоположения брэгговского максимума пучка с тем, чтобы брэгговский максимум находился внутри целевой зоны.

4. Терапевтическое устройство по п.1, в котором направляющее средство дополнительно выполнено с возможностью так, что пучок охватывает угол (118) между 5 градусами и 25 градусами с силовыми линиями магнитного поля внутри зоны визуализации, угол предпочтительно равен от 15 до 20 градусов, при этом средство вычисления траектории выполнено с возможностью вычисления более чем одной вычисленной траектории пучка, по которой направляют пучок в. целевую зону, при этом средство управления пучком выполнено с возможностью переключения между более чем одной вычисленной траекторией в процессе терапии для минимизации воздействия на части субъекта за пределами целевой зоны для пучка.

5. Терапевтическое устройство по п.1, в котором система магнитно-резонансной томографии выполнена с возможностью получения набора данных магнитно-резонансной томографии через периодические интервалы, при этом средство определения зоны дополнительно выполнено с возможностью мониторинга движения целевой зоны, используя набор данных магнитно-резонансной томографии, полученных через периодические интервалы, при этом средство определения зоны дополнительно адаптируют для мониторинга внутреннего движения субъекта вдоль траектории пучка, используя набор данных магнитно-резонансной томографии, полученных через периодические интервалы, при этом средство вычисления траектории выполнено с возможностью корректировки вычисления вычисленной траектории для компенсации движения целевой зоны, и при этом средство управления пучком выполнено с возможностью корректировки траектории пучка, используя корректировки вычисленной траектории.

6. Терапевтическое устройство по п.3, в котором направляющее средство содержит оптику заряженных частиц для корректировки траектории пучка и при этом направляющее средство дополнительно содержит регулируемый ослабитель для модулирования энергии заряженных частиц, составляющих пучок.

7. Терапевтическое устройство по п.1, в котором направляющее средство выполнено с возможностью перемещения относительно средства для генерации магнитного поля.

8. Терапевтическое устройство по п.1, в котором терапевтическое устройство дополнительно содержит опору субъекта (202, 302), выполненную с возможностью корректировки положения субъекта в процессе работы терапевтического устройства.

9. Терапевтическое устройство по п.8, в котором ориентация направляющего средства зафиксирована относительно средства для генерации магнитного поля и при этом опора субъекта дополнительно выполнена с возможностью вращательного движения в процессе работы терапевтического устройства.

10. Терапевтическое устройство по п.1, в котором средство определения зоны дополнительно выполнено с возможностью получения данных планирования для планирования терапии, используя терапевтическое устройство, при этом средство определения зоны выполнено с возможностью подтверждения соответствия данных планирования предварительно определенному критерию, используя набор данных магнитно-резонансной томографии, при этом определение зоны выполнено с возможностью выполнения по меньшей мере одного из следующего, если данные планирования не соответствуют предварительно определенному критерию: остановка генерации пучка заряженных частиц, оповещение оператора о том, что данные планирования не являются точными, корректировка данных планирования, получение исправлений для данных планирования от оператора.

11. Терапевтическое устройство по п.1, в котором система магнитно-резонансной томографии выполнена с возможностью измерения траектории заряженных частиц внутри зоны визуализации, при этом средство управления пучком выполнено с возможностью корректировки траектории пучка, используя измеренную траекторию.

12. Терапевтическое устройство по п.1, в котором направляющее средство выполнено с возможностью направления пучка заряженных частиц, который содержит по меньшей мере одно из следующего: протоны, ядра углерода или ядра атомов.

13. Терапевтическое устройство по п.1, в котором средство для генерации магнитного поля содержит по меньшей мере первый субмагнит (234) и второй субмагнит (236), при этом первый и второй субмагниты расположены таким образом, чтобы зона визуализации находилась между первым и вторым субмагнитами, при этом первый субмагнит окружает первую центральную область (238), при этом второй субмагнит окружает вторую центральную область (240) и при этом силовые линии магнитного поля средства для генерации магнитного поля проходят через первую центральную область и вторую центральную область.

14. Терапевтическое устройство по п.13, в котором первый субмагнит имеет внешнюю поверхность (250), обращенную в сторону от средства для генерации магнитного поля, которое пересекает первую центральную поверхность (252), которая окружает центральную область первого магнита, при этом поверхность со скошенной кромкой (254) расположена между внешней поверхностью и первой центральной поверхностью, которая позволяет пучку проходить.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к проведению заряженных частиц в целевую зону внутри субъекта.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В терапии пучок быстрых заряженных частиц направляют в целевую зону субъекта. Основной механизм взаимодействия такого пучка, содержащего заряженные частицы, с веществом опосредован кулоновской силой. Поперечное сечение для кулоновских столкновений увеличивается при снижении относительной скорости двух частиц. По мере прохождения пучка заряженных частиц через субъект, он теряет энергию все быстрее и быстрее. В результате этого наибольшая часть энергии пучка частиц рассеивается около конца пути пучка. Следовательно, в конце пути пучка возникает большой пик рассеянной энергии, который называют брэгговским максимумом.

По этой причине терапия пучком заряженных частиц позволяет очень точно доставлять высокую дозу в опухолевую мишень, при этом сводя суммарную дозу, получаемую субъектом, к минимуму. Однако даже небольшие движения анатомических структур на пути пучка может вести к значительным отклонениям доставленной дозы от исходного плана дозирования. Следовательно, желательно использовать визуализацию в реальном времени для слежения за мишенью и адаптировать пучок к движению органов и мишени. Использование МРТ в реальном времени для терапии пучком заряженных частиц в процессе доставки пучка было невозможно, поскольку сильные магнитные поля, связанные с МРТ, будут существенно влиять на путь заряженных частиц, направленных на мишень.

Статическое магнитное поле используют в сканерах магнитной резонансной томографии (МРТ) для выравнивания ядерных спинов атомов в качестве части процедуры получения изображений структур внутри организма субъекта. В процессе МРТ-сканирования радиочастотные (РЧ) импульсы, генерируемые возбуждающей катушкой, вызывают возмущения в локальном магнитном поле, а приемная катушка определяет РЧ сигналы, испускаемые ядерными спинами. Эти РЧ сигналы используют для создания МР-томограмм. Эти катушки также можно обозначить как антенны. Кроме того, возбуждающая и приемная катушки также можно объединить в одну приемо-передающую катушку, которая выполняет обе функции. Следует понимать, что использование термина приемо-передающая катушка также относится к системам, в которых используют отдельные возбуждающую и приемную катушки.

В патенте США № 6675078 и соответствующем европейском патенте EP 1121957 A2 описано терапевтическое устройство, в котором объединены терапия протонным пучком и МРТ. МРТ используют для нацеливания и пропускания терапии протонным пучком.

Патентная заявка PCT WO 99/32189 относится к комбинированной системе для МРТ и лучевой терапии. Описанная система содержит систему магнитной резонансной томографии, установленный на портале набор катушек для генерации магнитного поля, который вращается вместе с направляющей системой для радиотерапевтического пучка, и в ней используют МРТ для определения воздействия лучевой терапии на облученную область.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к терапевтическому устройству по п. 1 формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

По одному из вариантов осуществления изобретения, терапевтическое устройство содержит МРТ-сканер с вертикальным магнитным полем в сочетании с фиксированным направляющим средством для заряженных частиц, входящим через отверстие в верхней части магнита. МРТ-сканеры с вертикальным полем также известны как открытые высокопольные МРТ-сканеры. Эта компоновка снижает искривление пути заряженных частиц, обусловленное магнитным полем МРТ-магнита. В одном из вариантов осуществления пучок заряженных частиц ориентирован под углом приблизительно 20 градусов относительно вертикальной оси магнита. Это позволяет применять многопольную терапию посредством вращения опоры субъекта вокруг вертикальной оси, без необходимости иметь сложную систему вращения на линии пучка заряженных частиц.

Варианты осуществления изобретения предусматривают терапевтическое устройство, содержащее систему магнитной резонансной томографии, адаптированную для получения набора данных магнитной резонансной томографии в зоне визуализации, где система магнитной резонансной томографии содержит средство для генерации магнитного поля. Терапевтическое устройство дополнительно содержит направляющее средство, адаптированное для направления пучка заряженных частиц в целевую зону внутри субъекта так, чтобы пучок охватывал угол силовых линий магнитного поля внутри зоны визуализации, угол составляет от 0 градусов до 30 градусов, где зона визуализации содержит целевую зону. Терапевтическое устройство дополнительно содержит средство определения зоны для определения местоположения целевой зоны внутри субъекта, используя набор данных магнитной резонансной томографии.

Ограничивая угол, который пучок частиц образует относительно силовых линий магнитного поля в зоне визуализации, снижают влияние магнитного поля на траекторию пучка заряженных частиц. Это обусловлено тем, что магнитное поле не действует на компоненту скорости, параллельную силовым линиям магнитного поля. Компонента скорости, перпендикулярная силовым линиям магнитного поля, вызывает прецессию вокруг силовых линий магнитного поля и обусловливает спиралевидные орбиты вокруг силовых линий поля.

Направление и амплитуда магнитного поля в зоне визуализации и в других частях магнита, через которые проходит пучок, известны с высокой точностью, и траектории заряженных частиц можно предсказать с высокой точностью. Направляющее средство может направлять пучок заряженных частиц из ускорителя частиц. Примерами ускорителей заряженных частиц, которые можно использовать, являются циклотрон, синхротрон или линейный ускоритель. Направляющее средство может содержать систему для направления высокоэнергетических частиц в систему магнитной резонансной томографии; направляющее средство также может содержать оптику заряженных частиц для изменения траектории заряженных частиц, которые составляют пучок заряженных частиц. Средство определения зоны можно реализовать в виде компьютерного программного продукта, который может сегментировать данные магнитной резонансной томографии и определять местоположение целевой зоны, а также структур внутри субъекта, которые окружают целевую зону и лежат на пути пучка. Направляющее средство может содержать зеркала заряженных частиц, а также заряженные пластины и объекты для отклонения траектории пучка заряженных частиц.

Импульсные последовательности, используемые для получения данных магнитной резонансной томографии, можно приспособить для определения местоположения целевой зоны, а также для определения местоположения органов высокого риска, которые можно легко повредить пучком заряженных частиц.

В другом варианте осуществления заряженные частицы, составляющих пучок, имеют кинетическую энергию, превышающую или равную необходимой кинетической энергии для того, чтобы брэгговский максимум пучка частиц располагался внутри целевой зоны. Брэгговский максимум представляет собой местоположение, где рассеивается наибольшая часть энергии пучка заряженных частиц. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку заряженные частицы обладают достаточной энергией, чтобы достичь целевой зоны.

В другом варианте осуществления средство управления пучком дополнительно содержит регулируемый ослабитель для модуляции местоположения брэгговского максимума пучка с тем, чтобы брэгговский максимум находился внутри целевой зоны. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку ослабитель позволяет изменять энергию частиц, составляющих пучок заряженных частиц. Это оказывает влияние на то, как глубоко частицы могут проникнуть внутрь субъекта, и определяет, где будет рассеиваться наибольшая часть энергии. Использование ослабителя является полезным, поскольку энергию пучка заряженных частиц можно регулировать очень быстро, и его можно использовать для компенсации внешних и внутренних движений субъекта. Рассеивание наибольшей части энергии в целевой зоне является критичным, поскольку рассеивание энергии пучком частиц локализовано, и если пучок направляют в область за пределами целевой зоны, то субъекту можно нанести повреждение.

В другом варианте осуществления терапевтическое устройство дополнительно содержит средство вычисления траектории для такого вычисления траектории пучка, используя данные о магнитном поле, описывающие магнитное поле, чтобы вычисленные траектории достигали целевой зоны, и средство управления, адаптированное для управления направляющим средством, используя вычисленную траекторию так, что пучок придерживается вычисленной траектории.

Система магнитной резонансной томографии содержит средство для генерации магнитного поля. Оно может представлять собой сверхпроводящий магнит. Эффект большого магнитного поля, используемого для магнитной резонансной томографии, заключается в том, что магнитное поле отклоняет траекторию заряженных частиц в магнитном поле. Однако, используя данные о магнитном поле, можно точно вычислить траекторию пучка заряженных частиц в магнитном поле. Это позволяет направляющему средству направлять пучок заряженных частиц в целевую зону внутри субъекта.

Этот вариант осуществления является полезным, поскольку знания о данных о магнитном поле можно использовать для вычисления траектории заряженных частиц. Таким образом, пучки заряженных частиц можно направить точно в целевую зону. Это снижает вероятность того, что пучок частиц будет направлен в сторону области за пределами целевой зоны и нанесет субъекту повреждение.

Данные о магнитном поле могут представлять собой данные о магнитном поле, которые вычислены на основе знаний о конструкции средства для генерации магнитного поля, или их можно измерять прямым способом и хранить для дальнейшего повторного вызова, например, в справочной таблице. Это можно реализовать посредством использования данных о магнитном поле и последующего вычисления траектории заряженных частиц в пучке с малыми интервалами времени. По существу, уравнение движения частицы интегрируют во времени.

Средство управления можно реализовать в виде компьютера или в виде контроллера и можно адаптировать для управления направляющим средством так, что траектория пучка придерживается траектории, вычисленной средством вычисления.

В другом варианте осуществления средство вычисления траектории адаптируют для вычисления энергетических потерь заряженных частиц, составляющих пучок, внутри субъекта, и средство вычисления траектории корректирует вычисленную траекторию, используя энергетические потери. Это полезно, поскольку по мере прохождения пучка заряженных частиц через вещество, он постепенно теряет энергию. Измерение энергии будет влиять на траекторию заряженных частиц в магнитном поле. Чем ниже скорость частицы, тем большее искривление будет в постоянном магнитном поле, и учет этой зависимости позволяет точно вычислять траекторию.

В другом варианте осуществления направляющее средство дополнительно адаптируют так, что пучок охватывает угол от 5 градусов до 25 градусов с силовыми линиями магнитного поля внутри зоны визуализации, угол предпочтительно составляет от 15 до 20 градусов. Средство вычисления траектории адаптируют для вычисления более чем одной вычисленной траектории пучка, по которой направляют пучок в целевую зону, где средство управления пучком адаптируют для переключения между более чем одной вычисленной траекторией пучка, чтобы минимизировать воздействие пучка на части субъекта за пределами целевой зоны.

Этот вариант осуществления может быть полезным, поскольку когда пучок частиц образует небольшой угол с силовыми линиями поля, траектория закручивается спиралью вокруг силовых линий поля по кругу. Это обозначает, что если траектория и энергия пучка меняются, то можно найти более чем одну траекторию до целевой зоны. Это полезно, поскольку можно найти более чем один путь пучка частиц через субъект к целевой зоне. Это можно использовать для снижения дозы облучения, получаемой областями за пределами целевой зоны. Дозу облучения можно распространить по большей части субъекта и, таким образом, снизить вероятность непредусмотренного повреждения.

В другом варианте осуществления систему МРТ адаптируют для получения набора данных магнитной резонансной томографии через периодические интервалы. Это полезно, поскольку данные МРТ можно получать повторно и использовать для слежения за движением целевой зоны, за движением субъекта, а также за внутренними движениями внутри субъекта. В этом варианте осуществления средство определения зоны дополнительно адаптируют для мониторинга движения целевой зоны, используя набор данных магнитной резонансной томографии, полученных через периодические интервалы. Это можно реализовать посредством алгоритмов сегментации, которые позволяют определять местоположение средства определения зоны, а также окружающих органов, которые можно повредить пучком заряженных частиц.

Средство определения зоны дополнительно адаптируют для мониторинга внутреннего движения субъекта вдоль траектории пучка, используя набор данных магнитной резонансной томографии, полученных через периодические интервалы. Это включает внутреннее движение как перпендикулярно, так и параллельно траектории пучка. Это полезно, поскольку внутри субъекта может происходить внутреннее движение, которое может действовать на траекторию пучка частиц, например, ослабление пучка частиц будет различаться, если пучок частиц проходит через мягкие ткани или через костное вещество, такое как ребро. Затем средство вычисления траектории может использовать эту информацию для правильного вычисления траектории, по которой направляют пучок частиц в целевую зону. По этой причине средство вычисления траектории адаптируют для компенсации движения целевой зоны и субъекта вдоль траектории пучка, использованной в процессе вычисления траектории. Интервал, через который получают данные МРТ, определяют скоростью движения, которое нужно компенсировать. Например, чтобы компенсировать наполнение пузыря, данные МРТ получают с меньшей частотой, чем при компенсации дыхания.

В другом варианте осуществления направляющее средство содержит оптику заряженных частиц для корректирования траектории пучка и регулируемый ослабитель для модулирования энергии заряженных частиц, составляющих пучок. Оптика заряженных частиц может состоять из магнитов, электромагнитов, а также электродов и структур, которые могут быть собраны для высоких потенциалов. Они создают магнитные или электрические поля, которые можно использовать для отклонения или корректировки траектории пучка заряженных частиц.

Регулируемый ослабитель можно реализовать в виде объекта, который преграждает путь заряженным частицам, составляющим пучок. Заряженные частицы взаимодействуют преимущественно с веществом, через которое они проходят, посредством кулоновской силы. В результате по мере снижения скорости заряженных частиц вероятность их взаимодействия с окружающим веществом возрастает. Действие ослабителя заключается в снижении энергии заряженных частиц, составляющих пучок. Результатом этого является то, что уменьшается глубина проникновения пучка заряженных частиц внутрь субъекта. Ослабитель можно разместить в любом месте между источником пучка заряженных частиц и непосредственно тем местом, за которым пучок входит в субъект. Если ослабитель расположен перед или внутри направляющего средства, то энергия пучка заряженных частиц будет меняться, и это изменение энергии нужно учитывать, а направляющее средство должно быть выполнено с возможностью адаптации к изменению энергии, чтобы гарантировать, что пучок заряженных частиц имеет правильную траекторию через него.

Если разместить ослабитель ближе к субъекту, то это обладает преимуществом, которое заключается в том, что многие части направляющего средства не должны обладать способностью адаптироваться к изменению энергии пучка частиц. Недостаток заключается в том, что существует вероятность того, что заряженные частицы, такие как протоны, могут служить причиной ядерной реакции, что будет причиной радиоактивности ослабителя. Однако это зависит от используемого типа заряженных частиц, а также от вещества, которое используют в качестве ослабителя. В другом варианте осуществления направляющее средство адаптируют для перемещения относительно средства для генерации магнитного поля. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку направляющее средство можно перемещать в различные положения и, таким образом, можно найти различные траектории, ведущие к одной и той же целевой зоне. Это позволяет субъекту получать дозу облучения за пределами целевой зоны через площадь большего размера. Это снижает вероятность повреждения субъекта.

В другом варианте осуществления терапевтическое устройство дополнительно содержит опору субъекта, адаптированную для корректировки положения субъекта в ходе работы терапевтического устройства. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку опора субъекта позволяет менять положение субъекта относительно пучка частиц в процессе терапии.

В другом варианте осуществления ориентацию направляющего средства фиксируют относительно средства для генерации магнитного поля, а опору субъекта дополнительно адаптируют для вращательного движения в ходе работы терапевтического устройства. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку вращательное движение опоры субъекта позволяет перемещать субъект в различные положения в пределах пучка. Это позволяет пучку достигать любые области субъекта, а также предусматривает несколько путей пучка через субъект, чтобы достигнуть целевой зоны.

В другом варианте осуществления средство определения зоны дополнительно адаптируют для получения данных планирования для планирования терапии. Средство определения зоны также адаптируют для подтверждения того, что данные планирования соответствуют предварительно определенному критерию, используя набор данных магнитной резонансной томографии. Когда выполняют терапию пучком заряженных частиц, терапевт обычно получает трехмерные изображения субъекта, используя систему медицинской визуализации, такую как магнитная резонансная томография или компьютерная томография с рентгеном, и затем планирует лечение субъекта, основываясь на этих трехмерных данных. Этот вариант осуществления обладает преимуществом, которое заключается в том, что средство определения зоны подтверждает соответствие данных планирования предварительно определенному критерию и определяет, действительно ли близка анатомическая структура субъекта к анатомической структуре, которую использовали при генерации данных планирования.

Вследствие высокой стоимости ускорителей частиц возможна генерация данных планирования на месте, используя отличающуюся систему медицинской визуализации, которая является частью терапевтического устройства. Также внутренняя анатомическая структура могла измениться с того момента, как терапевт выполнил планирование. Например, человек мог растолстеть или, в случае лечения простаты, последняя могла содержать большее количество жидкости или меньшее количество жидкости, чем во время планирования. Данные планирования можно подтвердить посредством сравнения с предварительно определенным критерием. Если данные планирования не соответствуют предварительно определенному критерию, то можно выполнить по меньшей мере одно из следующих действий: остановка генерации пучка заряженных частиц, оповещение оператора о том, что данные планирования не точны, корректировка данных планирования или получение исправлений в данных планирования от оператора. Если данные планирования не точны, то полезно остановить генерацию пучка заряженных частиц, поскольку это не позволяет заряженным частицам пересекать непредусмотренную область субъекта. Оповещение оператора о том, что данные планирования не точны, является полезным, поскольку тогда оператор знает, что имеет место достаточное расхождение между анатомической структурой субъекта и анатомической структурой, которую использовали в процессе планирования, чтобы лечение не продолжалось должным образом. Средство определения зоны можно реализовать с использованием алгоритмов сегментации, а данные планирования можно корректировать, используя сегментированные МР-томограммы. Это полезно, поскольку небольшие изменения в анатомической структуре можно автоматически компенсировать с помощью системы. Кроме того, движение и дыхание можно компенсировать в плане лечения. Например, попадание ребер на путь пучка или удаление с пути пучка вследствие дыхания может служить причиной ошибок в процессе терапии. Однако можно учитывать это движение и корректировать план лечения, используя МР-томограммы.

Получение исправлений в данных планирования полезно, поскольку опытный оператор или терапевт может затем вручную внести изменения в данные планирования.

В другом варианте осуществления систему магнитной резонансной томографии адаптируют для измерения траектории заряженных частиц внутри зоны визуализации. Средство управления пучком адаптируют для корректировки траектории пучка, используя измеренную траекторию. Этот вариант осуществления является особенно полезным, поскольку система магнитной резонансной томографии может непосредственно измерять путь, который совершает пучок заряженных частиц. Затем средство управления пучком использует эту информацию для корректировки траектории пучка. Это обеспечивает подтверждение вычисленной траектории, а также снижает вероятность того, что области за пределами целевой зоны субъекта не будут облучаться пучком частиц. Траекторию пучка частиц можно измерить посредством магнитной резонансной томографии, используя несколько различных способов:

Способ 1: Использование терапевтического пучка заряженных частиц в качестве средства МР-возбуждения, используя пучок в импульсном режиме с ларморовой частотой МР или с субгармоникой ларморовой частоты.

Способ 2: Использование эффекта расфазировки среднеквадратического значения (СКЗ) тока пучка в сочетании с последовательностью МР, похожей на BOLD.

Способ 3: использование эффекта расфазировки вследствие парамагнитного поведения продуктов взаимодействия пучка.

Оценка, демонстрирующая жизненность определения протонного пучка, выполнена с использованием следующих допущений:

Протонный пучок очень узок, поперечные размеры не превышают брэгговскую зону менее 1 мм, предпочтительно менее 0,1 мм.

Пучок состоит из коротких импульсов с частотой повторения в диапазоне 50-100 МГц и пиковым током пучка порядка 100 микроампер.

СКЗ тока пучка может достигать уровня 0,1 микроампера (существующие уровни в клинических терапевтических системах составляют 0,01-0,02 микроампера).

Длительность серии протонных импульсов, необходимых для одного сеанса лечения, составляет порядка минут.

Используя эти допущения, ток пучка генерирует магнитное поле, циркулирующее вокруг его траектории. Поле ослабевает обратно пропорционально r (r обозначает расстояние до центра пучка). При радиусе 0,1 мм поле B при токе 0,1 микроампера составляет 1,3 нанотеслы. Для 100 микроампер поле на расстоянии 0,1 мм составляет 1,3 микротеслы.

Пример способа 1:

Импульсы, приходящие от ускорителя протонов, обладают высокой и очень стабильной частотой повторения порядка 100 МГц (это расчетный параметр циклотрона или синхротрона, генерирующего протоны). Систему МРТ и ускоритель протонов можно подобрать друг к другу таким образом, что частота повторения импульса пучка точно равна резонансной частоте МР. Затем поле вокруг протонного пучка действует на протоны ткани в качестве установившегося импульса МР-возбуждения. МР-эффект РЧ поля пучка можно включать и выключать или посредством небольшой модификации частоты повторения импульсов ускорителя или посредством наложения небольшого смещенного поля на поле фонового магнита МР (с использованием катушки B0, встроенной в систему градиентных катушек). Эффект МР-возбуждения поля пучка можно конвертировать в видимый эффект на изображениях множеством путей. Один путь заключается в использовании поля пучка в качестве единственного МР-возбуждения и создании изображения, используя полученный МР-сигнал. Такую визуализацию можно выполнять очень быстро, поскольку сигнал испускают только воксели, расположенные очень близко к пучку. В принципе, пучок можно реконструировать по трем проекциям. Альтернативно, эффект РЧ поля, связанного с пучком, можно использовать в качестве РЧ предварительного импульса (такого как в последовательности инверсия-восстановление), который модулирует сигнал, приходящий от вокселей, через которые проходит пучок. Также возможно использование РЧ поля пучка в качестве импульса насыщения, подавляющего образование РЧ сигналов от вокселей, через которые проходит пучок. Эффект МР-возбуждения также будет возникать, если частота повторения протонных импульсов соответствует субгармонике ларморовой частоты, синхронной по фазе. В основном, если частотный спектр серии протонных импульсов содержит частотную составляющую с ларморовой частотой, эта серия протонных импульсов будет вызывать МР-возбуждение.

Терапевтическое устройство, приспособленное к визуализации пучка, может обладать одной или несколькими следующими конструктивными особенностями:

Идентичные частоты для МР-резонанса и повторения импульсов протонного пучка.

Точный захват частоты между подсистемами.

Средство переключения между МР-резонансом и отсутствием резонанса или посредством модуляции частоты ускорителя, или посредством общего поля B0 МР-сканера.

Пример способа 2:

СКЗ ток пучка генерирует СКЗ магнитного поля вокруг пучка, который модулирует резонансную частоту в вокселях, через которые пучок проходит. При среднем токе пучка 0,1 микроампера сдвиг частоты на расстоянии 0,1 мм от центра пучка составляет приблизительно 0,05 Гц. Используя способ МР-определения, такой как функциональная визуализация контраста, зависящего от уровня кислорода в крови (BOLD), этот сдвиг частоты можно визуализировать. Визуализация пучка с использованием этого способа будет включать периодическое прерывание пропускания протонного пучка и сравнение МР-томограмм, полученных с пропусканием протонного пучка и без него. Для того чтобы повысить видимость протонного пучка, СКЗ тока пучка можно увеличить в течение времени, когда требуется МР эффект расфазировки. Например, средний ток можно сохранять на уровне 0,02 микроампера в течение большей части времени (существующий практический клинический уровень), но повышать до 0,2-1,0 микроампер в интервалах между РЧ возбуждающими импульсами и началом интервала получения МР-томограммы. В этом случае коэффициент заполнения части с увеличенной амплитудой тока пучка может составлять порядка 5%. Такая ограниченная высокоамплитудная работа системы доставки протонов возможно приемлема, если ток ограничен нагреванием компонентов.

Пример способа 3:

Протоны вызовут ионизацию ткани. Образованные таким образом свободные радикалы будут парамагнитными и будут вести к локальному снижению времени релаксации T2 ткани. Следовательно, этот эффект можно визуализировать с использованием последовательностей T2-чувствительных импульсов.

В другом варианте осуществления пучок заряженных частиц содержит по меньшей мере одно из следующих: протоны, ядра углерода или ядра атомов. Использование протонов, ядер углерода или ядер других атомов является полезным, поскольку при их большой массе они способны проникать внутрь субъекта, если пучок заряженных частиц обладает достаточной энергией.

В другом варианте осуществления средство для генерации магнитного поля содержит по меньшей мере первый субмагнит и второй субмагнит, где первый и второй субмагниты размещены с тем, чтобы зона визуализации находилась между первым и вторым субмагнитами, где первый субмагнит окружает первую центральную область, где второй субмагнит окружает вторую центральную область, где силовые линии магнитного поля средства для генерации магнитного поля проходят через первую центральную область и центральную область. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку между двумя субмагнитами можно расположить большую область, адаптированную для размещения субъекта.

В другом варианте осуществления первый субмагнит имеет внешнюю поверхность, обращенную в сторону от средства для генерации магнитного поля, которое пересекает первую центральную секцию, которая соответствует центральной области первого магнита, где поверхность со скошенной кромкой расположена между внешней поверхностью и первой центральной поверхностью, которая позволяет пучку проходить. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку он позволяет запускать пучок частиц под большим углом относительно силовых линий поля в зоне визуализации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны только в качестве примера со ссылками на чертежи, на которых:

На фиг. 1 показан идеализированный вид в поперечном сечении варианта осуществления терапевтического устройства согласно варианту осуществления изобретения,

На фиг. 2 показан перспективный вид в разрезе варианта осуществления терапевтического устройства согласно варианту осуществления изобретения,

На фиг. 3 показан перспективный вид в разрезе варианта осуществления терапевтического устройства согласно варианту осуществления изобретения,

На фиг. 4 показаны вычисленные траектории протонного пучка в системе магнитной резонансной томографии с полем в 1,0 тесла.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На этих фигурах элементы с одинаковой нумерацией представляют собой или идентичные элементы или выполняют одинаковые функции. Номер позиций с двумя одинаковыми последними цифрами также представляют элементы, которые или идентичны, или выполняют одинаковые функции. Элементы, рассмотренные ранее, не требуют рассмотрения на последующих фигурах, если функции идентичны.

На фиг. 1 показан идеализированный вид в поперечном сечении варианта осуществления терапевтического устройства согласно варианту осуществления изобретения. На этой фигуре показана система МРТ 100 и направляющее средство 108, адаптированное для направления пучка заряженных частиц 110. Система МРТ 100 содержит первый субмагнит 134 и второй субмагнит 136.

Эти два субмагнита 134, 136 имеют цилиндрическую форму, а силовые линии магнитного поля проходят через центр обоих субмагнитов 134, 136. Там присутствует зона визуализации 106, в которой силовые линии магнитного поля 104 для всех намерений и целей параллельны друг другу. В этой области можно получать МР-томограммы субъекта 116. Для получения МР-томограмм используют приемо-передающую катушку 112. Приемо-передающая катушка 112 соединена с РЧ приемопередатчиком 114, и приемопередатчик 114 сообщается с аппаратным интерфейсом 124 компьютера 122. Пространственное кодирование данных МРТ выполняют посредством градиентных катушек 148. В этом варианте осуществления градиентная катушка 148 расположена рядом с обоими субмагнитами 134, 136. Градиентная катушка 148 для первого субмагнита 134 имеет отверстие 158, адаптированное для размещения канала для вывода пучка направляющего средства 108. Это отверстие позволяет пучку заряженных частиц 110 проходить через градиентную катушку 148. В другом варианте осуществления РЧ катушка 112 установлена рядом с обеими градиентными катушками 148. В этом варианте осуществления в РЧ катушке 112 также может присутствовать отверстие. В других вариантах осуществления РЧ катушка 112 может покоиться на субъекте 116 или ее может держать держатель для размещения РЧ катушки 112.

Компьютер 122 дополнительно содержит микропроцессор 126 и пользовательский интерфейс 132. Пользовательский интерфейс 132 адаптируют для получения инструкций и отображения данных оператору. Микропроцессор 126 адаптируют для выполнения компьютерного программного продукта 128. Компьютерный программный продукт можно адаптировать для управления и эксплуатации системы МРТ 100, направляющего средства 108 и ускорителя частиц. Компьютерный программный продукт содержит средство определения зоны 130. Средство определения зоны 130 можно реализовать в виде модуля сегментации, который адаптируют для сегментации данных МРТ и определения местоположения целевой зоны 120 и внутренних органов и анатомических структур субъекта 116.

Направляющее средство 108 запускает пучок заряженных частиц 110 в целевую зону 120 внутри зоны визуализации 106. Внутри зоны визуализации 106 траектория пучка частиц 110 образует угол 118. Угол 118, который образует траектория пучка частиц 110 по отношению к силовым линиям поля 104, и напряженность магнитного поля определяют, насколько магнитное поле отклоняет пучок частиц. На этой фигуре видно, что силовые линии магнитного поля 104 проходят через первую центральную область 138 и вторую центральную область 140.

На фиг. 2 показан перспективный вид в разрезе варианта осуществления терапевтического устройства согласно варианту осуществления изобретения. Терапевтическое устройство содержит систему магнитной резонансной томографии 200. Система магнитной резонансной томографии содержит первый субмагнит 234 и второй субмагнит 236. Субмагниты 234, 236 имеют криогенную камеру 244 и сверхпроводящие катушки 246. Сверхпроводящие катушки 246 используют для генерации магнитного поля. Первый субмагнит 234 содержит первую центральную область 238, а второй субмагнит 236 содержит вторую центральную область 240. Силовые линии магнитного поля проходят через этих две центральные области 238, 240. Между двумя субмагнитами 234, 236 расположены две холодных опоры 242. Холодные опоры 242 адаптированы для обеспечения жесткого механического и сверхпроводящего электрического соединения между двумя субмагнитами 234, 236. Опора субъекта 202 адаптирована для поступательного и вращательного движения и адаптирована для движения субъекта с тем, чтобы пучок частиц 210 мог достигнуть любой части субъекта. Обладая сочетанием поступательного и вращательного движения пучок частиц имеет несколько траекторий, по которым он может достигнуть одной и той же целевой зоны. Это полезно, поскольку это позволяет распределить дозу облучения субъекта за пределами целевой зоны по большей части субъекта. Это снижает вероятность повреждения субъекта.

Для получения данных магнитной резонансной томографии система магнитной резонансной томографии 200 также содержит радиочастотные катушки 212 и градиентные катушки магнитного поля 248. Радиочастотные катушки 212 и градиентные катушки 248, смежные с первым субмагнитом 234, адаптированы так, что пучок частиц может проходить через них без столкновения с ними. В этом варианте осуществления направляющее средство выступает через градиентную катушку 248 и РЧ катушку 212. Направляющее средство адаптировано для корректировки траектории пучка частиц 210. Первый субмагнит 234 имеет первую центральную поверхность 242 и внешнюю поверхность, обращенную в сторону от средства для генерации магнитного поля 250. Между внешней поверхностью, обращенной в сторону от средства для генерации магнитного поля 250, и первой центральной поверхностью 252 расположена поверхность со скошенной кромкой 254. Эта поверхность со скошенной кромкой 254 позволяет направляющему средству 208 находиться под большим углом относительно силовых линий магнитного поля в зоне визуализации.

Вариант осуществления, представленный на фиг. 2, можно реализовать посредством сочетания системы высокопольной открытой МРТ, похожей на систему высокопольной открытой МРТ Philips Panorama, и направляющего средства 208 системы терапии пучком заряженных частиц. Магнит может представлять собой систему безжелезных осесимметричных сверхпроводящих катушек с активным экранированием; напряженность основного магнитного поля может составлять приблизительно 1 тесла, что делает возможной высококачественную быструю визуализацию. Центральное отверстие в криостате магнита 238 позволяет направляющему средству для заряженных частиц 208 выступать в пространство субъекта сканера. Для того чтобы позволить каналу для вывода пучка 208 пройти насквозь, как градиентную катушку 248, так и РЧ катушку 212 можно адаптировать так, чтобы они имели отверстие в центральной области. Если направляющее средство для заряженных частиц расположено под углом относительно вертикальной оси магнита, то облучение можно выполнять с использованием более чем одного поля посредством вращения стола для субъекта вокруг вертикальной оси. Фиксация положения линии пучка заряженных частиц относительно магнита значительно упрощает конструкцию системы по сравнению с вращением портала заряженных частиц. Фиксация системы пучка заряженных частиц и МРТ-магнита относительно друг друга обладает преимуществом, которое заключается в том, что она упрощает контроль траекторий пучка заряженных частиц и повышает надежность лечебной системы.

Магниты сканирования пучка заряженных частиц предпочтительно на некотором расстоянии от магнита для того, чтобы минимизировать магнитную интерференцию между системой МРТ и системой сканирования пучка заряженных частиц. Диапазон отклонений траекторий пучка между протонами с энергией 30 МэВ и 300 МэВ достаточно мал, чтобы компенсировать различия магнитами сканирования пучка. Таким образом, ни линию протонного пучка, ни опору субъекта 202 не нужно механически перемещать, чтобы облучать линию вокселей, лежащих на различной глубине в субъекте вдоль прямой линии, совпадающей с неискаженной траекторией пучка.

Верхнюю и нижнюю половины можно соединить посредством по меньшей мере одной жесткой холодной опоры 242. Одна опора позволяет вращать опору субъекта 202 почти в любой ориентации. В случае использования двух холодных опор 242, их угловые положения относительно направляющего протоны средства 208 можно выбрать такими, чтобы максимизировать количество положений опоры субъекта, которые не мешают холодным опорам 242.

Верхняя пластина 250 первого субмагнита 234 предпочтительно имеет углубление 254, которое может иметь коническую форму, минимизирующую длину центрального отверстия 238 в первом субмагните 234, через которое направляющее средство 208 входит в систему МРТ 200. Эту поверхность со скошенной кромкой 254 также можно использовать для расположения вспомогательного оборудования, относящегося или к системе МРТ 200, или к направляющему средству для заряженных частиц 208. Для того чтобы снизить поле рассеяния МРТ-магнитов 234, 236 в области над магнитом, простую активную экранирующую конструкцию стандартного магнита Panorama (состоящего из двух катушек большого диаметра) можно усовершенствовать, встроив дополнительные небольшие экранирующие катушки меньшего диаметра.

Относительное положение пучка заряженных частиц 210 и катушек сверхпроводящего магнита 246 предпочтительно выбирают так, чтобы сверхпроводящие обмотки не подвергались прямому воздействию заряженных частиц с высокой энергией. Это минимизирует риск того, что субмагниты 234, 236 могут быть ослаблены излучением заряженных частиц. Во избежание радиоактивации системы количество конструкционного материала на ближней к пучку заряженных частиц стороне следует минимизировать настолько, насколько возможно.

Облучение поражения включает модуляцию энергии заряженных частиц, которая контролирует глубину зоны облучения, небольшое латеральное смещение пучка заряженных частиц для латерального распределения заряженных частиц в малом радиусе, перемещение опоры субъекта 202 в двух направлениях в горизонтальной плоскости для латерального распределения энергии заряженных частиц в большом радиусе и вращение опоры субъекта 202 (в сочетании с латеральными смещениями и корректировкой энергии) для снижения рассеивания энергии в здоровой ткани между поверхностью субъекта и поражением, подлежащим лечению (многопольная терапия).

Варианты осуществления изобретения могут содержать один или несколько следующих признаков:

предсказание точных траекторий пучка, зависящих от энергии заряженных частиц и положения субъекта, с учетом магнитного поля сканера,

обновление управляющих параметров пучка в реальном времени на основании быстрых МР-томограмм субъекта во время приложения терапевтического воздействия. Предпочтительно, эти исправления пучка выполняют посредством магнитов сканирования пучка и модуляции энергии заряженных частиц,

визуализация пучка заряженных частиц с использованием влияния магнитного поля, генерируемого пучком заряженных частиц, на фазу спинов ЯМР-возбужденных протонов.

Пучок заряженных частиц генерируют посредством циклотрона или синхротрона, похожих на те, которые используют в существующих системах протонной терапии, или посредством ускорителей заряженных частиц других типов (например, посредством линейного ускорителя, высокоэнергетического импульсного лазера, линейного ускорителя). Пучок, сгенерированный ускорителем, доставляют на терапевтическую станцию посредством системы линии пучка, включающей фокусирование пучка и отклоняющие магниты и необязательно переключатели пучка, распределяющие пучок по нескольким терапевтическим станциям, которые необязательно можно оборудовать МРТ-сканерами. Ускоритель может обладать возможностью быстрой модуляции энергии заряженных частиц в качестве части компенсации влияния движения органов. Если энергию заряженных частиц, поступающих от ускорителя, нельзя быстро корректировать, то лечебная система может содержать быстрый модулятор в насадке, направляющей протоны на субъект. Такой модулятор может состоять из клиновидного бруска ослабляющего вещества, положение которого контролирует быстрый механический привод. Тогда толщина части бруска, расположенной на пути пучка заряженных частиц, определяет снижение энергии заряженных частиц между ускорителем и выходом из направляющего средства 208 со стороны субъекта.

На фиг. 3 показан перспективный вид в разрезе варианта осуществления терапевтического устройства согласно варианту осуществления изобретения. Этот вариант осуществления изобретения идентичен тому, что показан на фиг. 2. В результате для идентификации объектов на этой фигуре используют идентичные номера позиций. Единственное различие между этой фигурой и фиг. 2 состоит в том, что положение опоры субъекта 302 смещено относительно положения опоры субъекта 202 на фиг. 2. На этой фигуре показано, как можно перемещать опору субъекта, чтобы различные области субъекта можно было лечить, используя пучок заряженных частиц.

На фиг. 4 показаны вычисленные траектории протонного пучка в системе магнитной резонансной томографии с полем в 1 тесла. На этой фигуре представлена компоновка сверхпроводящих катушек 446 системы магнитной резонансной томографии. Компоновка сверхпроводящих катушек на этой фигуре аналогична компоновке сверхпроводящих катушек, представленной в вариантах осуществления на фиг. 2 и 3. На этой диаграмме показана область однородного магнитного поля 460. Внутри этой области можно получать данные магнитной резонансной томографии. Смещение относительно оси симметрии магнита и центра магнита показано в смещении вдоль оси x 462, смещении вдоль оси y 464 и смещении вдоль оси z 466. Показаны траектория протонного пучка 10 МэВ 468, протонного пучка 30 МэВ 470, протонного пучка 100 МэВ 472 и протонного пучка 300 МэВ 474.

СПИСОК НОМЕРОВ ПОЗИЦИЙ:

100 Система магнитной резонансной томографии

104 Силовые линии магнитного поля

106 Зона визуализации

108 Направляющее средство

110 Пучок заряженных частиц

112 Приемо-передающая катушка

114 РЧ приемопередатчик

116 Субъект

118 Угол между силовыми линиями магнитного поля и пучком частиц

120 Целевая зона

122 Компьютер

124 Аппаратный интерфейс

126 Микропроцессор

128 Компьютерный программный продукт

130 Средство определения зоны

132 Пользовательский интерфейс

134 Первый субмагнит

136 Второй субмагнит

138 Первая центральная область

140 Вторая центральная область

148 Градиентная катушка

156 Градиентный усилитель

158 Отверстие

200 Система магнитной резонансной томографии

202 Опора субъекта

208 Направляющее средство

210 Пучок заряженных частиц

212 РЧ приемо-передающая катушка

234 Первый субмагнит

236 Второй субмагнит

238 Первая центральная область

240 Вторая центральная область

242 Холодная опора

244 Криогенная камера

246 Сверхпроводящая катушка

248 Градиентная катушка

250 Внешняя поверхность, обращенная в сторону от средства для генерации магнитного поля

252 Первая центральная поверхность

254 Поверхность со скошенной кромкой

302 Опора субъекта

446 Сверхпроводящая катушка

460 Область однородного магнитного поля

462 Смещение вдоль оси x

464 Смещение вдоль оси y

466 Смещение вдоль оси z

468 Траектория протона 10 МэВ

470 Траектория протона 30 МэВ

472 Траектория протона 100 МэВ

474 Траектория протона 300 МэВ