專利名稱：保形輻射治療方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用具有一個(gè)預(yù)定的不變強(qiáng)度的輻射束對(duì)腫瘤進(jìn)行保形輻射治療的方法和裝置。
當(dāng)今輻射治療腫瘤有兩個(gè)目標(biāo)根除腫瘤和防止對(duì)腫瘤附近的健康組織和器官的損害，眾所周知，如果使足夠劑量的輻射照射到腫瘤塊上，可以完全根除大多數(shù)腫瘤。然而由于對(duì)腫瘤周圍的健康組織或位于腫瘤附近的健康器官的損害，和由于必需使用的必要有效劑量輻射可能導(dǎo)致各種并發(fā)癥。保形輻射治療的目的是應(yīng)使傳輸?shù)妮椛鋭┝恐幌拗票荒[瘤的外表面所包圍的腫瘤體積上，而使周圍的健康組織和相鄰近器官的輻射吸收劑量限制成最小。
傳統(tǒng)的處理保形治療的方案是通過一組技術(shù)完成的，通常是用一個(gè)直線加速器作為治療腫瘤的輻射源。這個(gè)直線加速器通常具有一個(gè)圍繞病人轉(zhuǎn)動(dòng)的輻射束源，并將輻射束朝向待治療腫瘤照射。輻射束的強(qiáng)度是預(yù)定的和不變的。
為了在輻射束穿過腫瘤時(shí)跟縱被輻射探測(cè)到的腫瘤的輪廓，或者當(dāng)輻射束源轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)跟縱腫瘤的“束眼視野”，可以采用一個(gè)安裝在直線加速器臺(tái)架上的多葉式準(zhǔn)直儀。它有很多可動(dòng)葉片或凸板，能夠按編程要求分別在輻射束的路徑中作伸進(jìn)或退出的調(diào)整。
多葉式準(zhǔn)直器的各個(gè)葉片根據(jù)輻射束相對(duì)于腫瘤體積的特定的徑向取向構(gòu)成了由輻射束經(jīng)過的路徑方向上的腫瘤體積所呈現(xiàn)的腫瘤形狀的輪廓，并且阻擋輻射傳輸?shù)街赶蜉椛涫奈挥谀[瘤的空間輪廓之外的組織。
另一種保形輻射治療的方案包括采用可單獨(dú)控制的準(zhǔn)直器的滑塊，這些滑塊在直線加速器的機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)可以在一分開的準(zhǔn)直器組跟蹤目標(biāo)體積的同時(shí)掃描一個(gè)掠過病人的窄條形視場(chǎng)。另一個(gè)方案是采用直線加速器的附件，這些附件允許一個(gè)狹縫掃過病人掃描，當(dāng)狹縫掃描時(shí)整個(gè)狹縫內(nèi)的輻射束強(qiáng)度被調(diào)制。
保形輻射治療處理還有一個(gè)方案是利用一個(gè)高能光子的窄輻射鉛筆狀光束，其能量可以改變，輻射束掃過腫瘤目標(biāo)體積，從而使固定有光子輻射源的機(jī)架的每個(gè)方位上傳送出最優(yōu)劑量的輻射分布。
這些已有技術(shù)的保形治療方法中的主要問題是如果腫瘤的個(gè)體具有凹陷的表面時(shí)，那末采用改變輻射束的空間輪廓的方式僅僅在個(gè)別情況下才可能是成功的。尤其是當(dāng)沿著平行于輻射束路徑而包卷腫瘤輪廓的外表面內(nèi)還存在有凹腔，而該凹腔內(nèi)還存在著健康的組織或器官時(shí)更是如此，何況沿著輻射束路徑上腫瘤的厚度還有變化。
為了能夠治療具有凹邊緣的腫瘤，必需改變?cè)谀[瘤表面上輻射束的強(qiáng)度，以及改變輻射束的輪廓以便與腫瘤呈現(xiàn)在輻射前面的形狀相吻合。輻射束的強(qiáng)度應(yīng)正比于輻射束所經(jīng)過的腫瘤的厚度。例如通過腫瘤厚截面的輻射束的強(qiáng)度要比通過腫瘤薄截面的輻射強(qiáng)度要強(qiáng)。
上述掃描輻射束治療裝置已經(jīng)有了改進(jìn)，即在其中采用高能光子掃描輻射錐束完成對(duì)輻射束強(qiáng)度的調(diào)制，這個(gè)裝置的輻射束強(qiáng)度是通過增加產(chǎn)生輻射束的電子槍的功率進(jìn)行調(diào)制的。當(dāng)電子槍借助于移動(dòng)固定電子槍的機(jī)架和躺有病人的平臺(tái)環(huán)繞腫瘤作取向運(yùn)動(dòng)時(shí)，該功率的增量是在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行的。其效果是逐漸地對(duì)具有厚度的目標(biāo)“著色”，即通過加在刷子上的著色量改變著色的強(qiáng)度即輻射束的強(qiáng)度，即當(dāng)電子槍在腫瘤上方移動(dòng)時(shí)使用多少功率供給電子槍。上述的采用發(fā)射能量調(diào)制的掃描輻射束治療裝置是昂貴的，使用和操作所需時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，以及這些裝置使病人感到明顯的不適，這是由于計(jì)算機(jī)只忙于對(duì)輻射束本身處理的緣故。
因此，在本發(fā)明的改進(jìn)之前，還沒有采用具有預(yù)先確定的不變的治療腫瘤的輻射束強(qiáng)度的保形輻射治療法和裝置，這個(gè)方法和裝置在使用時(shí)是簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的，被認(rèn)為是為病人提供一個(gè)具有高安全系數(shù)的治療，以及使穿過量呈現(xiàn)在輻射束中腫瘤的輻射束強(qiáng)度在空間上進(jìn)行調(diào)制，即使穿過輻射束的橫截面圖形的輻射束強(qiáng)度在空間上進(jìn)行調(diào)制。
因此，本發(fā)明找到了一種用于保形輻射治療的方法和裝置，它采用了一個(gè)具有一個(gè)預(yù)先確定的強(qiáng)度不變的治療腫瘤的輻射，使用簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)，被認(rèn)為是為病人治療提供一個(gè)高安全系數(shù)的治療;以及對(duì)穿過腫瘤的輻射束的強(qiáng)度或通過輻射束的橫截面的輻射束強(qiáng)度在空間上進(jìn)行調(diào)制。
根據(jù)本發(fā)明，通過本發(fā)明的保形輻射治療方法，將具有一個(gè)預(yù)先確定的不變強(qiáng)度的輻射束用于治療病人的組織體積獲得了上述優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)組織的體積內(nèi)含有一個(gè)具有待治療的完整的腫瘤體，本發(fā)明包括下列步驟使輻射束沿著組織體的若干個(gè)成片狀的第一部分的方向，而不涉及片狀第一部分周圍的徑向與之相隔開的其他部分，射向并治療組織體的若干個(gè)成片狀的第一部分，組織體若干個(gè)片狀第一部分中的每一片是在同一平面上的，輻射束就射在組織體的若干個(gè)成片狀的第一部分中的各片所處的平面上;使穿過組織體的成片狀的第一部分中的各片的輻射束的強(qiáng)度根據(jù)成片狀的腫瘤體的第一部分的厚度的變化而調(diào)制輻射束的強(qiáng)度，該厚度由測(cè)量輻射束通過腫瘤第一部分的路得出;使輻射束沿著組織體的若干個(gè)成片狀的第二部分的方向，而不涉及片狀第二部分周圍的徑向與之相隔開的其他部分，射向并治療組織體的至少若干個(gè)成片狀的第二部分，至少第二批若干個(gè)成片狀的組織體中每一片是都處在與第一批成片狀的部分相平行的另一平面內(nèi)，而且是與之相互鄰接的;使穿過組織體的成片狀的第一部分中各片的輻射束的強(qiáng)度根據(jù)成片狀的腫瘤體的第二部分的厚度的變化而調(diào)制輻射束的強(qiáng)度，該厚度由測(cè)量輻射束通過腫瘤第二部分的路程得出;本發(fā)明的另一個(gè)特征是可以包括重復(fù)上述步驟直到整個(gè)腫瘤體被輻射束處理完畢。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，通過利用具有一個(gè)預(yù)定的不變輻射束強(qiáng)度治療在病人體內(nèi)的具有一個(gè)完整的腫瘤體的腫瘤的保形輻射治療方法也獲得了上述的優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)腫瘤位于病人健康組織附近。本發(fā)明的方案可以包括下列步驟從同腫瘤隔開的第一位置向腫瘤的第一分立部分發(fā)射輻射束，這個(gè)分立部分的腫瘤體積小于腫瘤的總腫瘤體積;以及對(duì)第一分立腫瘤部分的輻射束強(qiáng)度在空間上進(jìn)行調(diào)制，借此使該第一分立部分腫瘤接收到一輻射劑量以便治療第一分立部分腫瘤，以及同時(shí)使該腫瘤周圍的健康組織受到的輻射降低到最低限度。本發(fā)明的另一個(gè)特征是可以包括下列步驟從同該第一位置徑向隔開的至少一個(gè)第二位置上向腫瘤的第一分立部分發(fā)射輻射束;以及使腫瘤的第一分立部分的輻射束強(qiáng)度產(chǎn)生空間改變，借此使腫瘤的第一分立部分接收另一劑量的輻射，以便治療腫瘤的第一分立部分，同時(shí)，使該腫瘤周圍的健康組織受到的輻射限制到最低程度。本發(fā)明的另一個(gè)附加特征是可以包括下列步驟，從同腫瘤有間隔的第一位置向腫瘤的至少一個(gè)另一分立部分發(fā)射輻射束，該另一腫瘤分立部分的腫瘤體積小于總的腫瘤體積，該一另外的分立部分同第一分立部分相毗連;使腫瘤的對(duì)該至少一個(gè)另外的分立部分的輻射束的強(qiáng)度在空間上進(jìn)行調(diào)制。
本發(fā)明還可以包括下列步驟從至少一個(gè)同第一位置徑向離開一間距的第二位置向腫瘤的那個(gè)至少一個(gè)另外分立部分發(fā)射輻射束;使腫瘤的該至少一個(gè)另外分立部分上的輻射束強(qiáng)度產(chǎn)生空間調(diào)制。可以重復(fù)上述步驟直到整個(gè)的腫瘤體積被輻射束治療完畢為止。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，利用具有一束強(qiáng)度預(yù)定的、不變的輻射束來治療在病人體內(nèi)的一組織體積中所含的一個(gè)待治療的具有一個(gè)總腫瘤體積的腫瘤。通過本發(fā)明的保形治療方法已經(jīng)獲得了上述優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的方案可以包括下列步驟把輻射束整形成至少一個(gè)具有一個(gè)沿輻射束通過路徑延伸的縱軸和具有一個(gè)在位于垂直于輻射束的縱軸的平面內(nèi)、整形為矩形橫截面圖形的輻射治療束;向該組織體積的第一成片狀部分發(fā)射至少一個(gè)輻射治療束，該成片狀的第一部分具有一個(gè)縱軸和一個(gè)整形為矩形的橫截面圖形，該圖形相應(yīng)為輻射治療束的橫截面的圖形。輻射治療束的縱軸同成片狀的第一部分彼此共面;將至少一個(gè)輻射治療束的成矩形截面圖形分成若干分輻射束截面，以及分別調(diào)制這若干部分輻射束的強(qiáng)度，從而使穿過輻射治療束的矩形截面上的輻射治療束的強(qiáng)度改變，借此，通過上述的若干分輻射束對(duì)位于在沿成片狀的第一部分的縱軸方向具有可變厚度并位于組織體的成片狀的第一部分內(nèi)部的腫瘤進(jìn)行治療，根據(jù)每分輻射束通過的腫瘤的第一部分的厚度，每個(gè)輻射束具有一個(gè)束強(qiáng)度。
本發(fā)明這一方案的另一個(gè)特征是可以包括下到步驟圍繞病人旋轉(zhuǎn)輻射束使之連續(xù)地指向組織體積的另外成片狀的若干個(gè)部分，該另外的成片狀的各個(gè)部分彼此共面并同組織體積的第一成片狀的若干個(gè)部分共面;彼此獨(dú)立地調(diào)制所述的若干個(gè)分輻射束的束強(qiáng)度，以便當(dāng)所述的若干分輻射束射向組織體積另外的成片狀的若干個(gè)第一部分時(shí)，對(duì)橫截輻射束的矩形截面的輻射治療束強(qiáng)度在空間上進(jìn)行調(diào)制。
本發(fā)明方案另一個(gè)特征是可以包括下列步驟使輻射束同腫瘤之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，向組織體積的一個(gè)成片狀的第二部分發(fā)射上述的若干個(gè)分輻射束，所述成片狀的第二部分同成片狀的第一部分彼此相毗連并同第一成片狀的第一部分平行。使輻射束圍繞病人旋轉(zhuǎn)以便連續(xù)地向組織體積的另外成片狀的第二部分發(fā)射所述若干部分輻射束;所述的另外的若干個(gè)成片狀的第二部分彼此共面并同組織體積的第二成片狀的第二部分共面，彼此獨(dú)立地調(diào)制所述若干分輻射束截面上的束強(qiáng)度，以便當(dāng)所述的若干個(gè)分輻射束通向組織體積的另外的若干個(gè)成片狀的第二部分時(shí)，對(duì)穿過輻射束矩形截面圖形的輻射治療束強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明的另一特征相繼重復(fù)這個(gè)操作過程中各個(gè)步驟直到整個(gè)腫瘤體積被治療完畢。
本發(fā)明這個(gè)方案的特征是包括下列步驟通過一些布置在至少一輻射治療束的路徑上可獨(dú)立移動(dòng)的金屬片使至少一個(gè)輻射束分成若干個(gè)分輻射束，這些金屬片的數(shù)目同分輻射束的數(shù)目相等，每個(gè)金屬部件可以從某個(gè)金屬片擋住一個(gè)分輻射束的第一關(guān)閉位置移動(dòng)到那個(gè)金屬片允許那個(gè)分輻射束射向組織體積，而不被那個(gè)金屬片擋住的一個(gè)第二打開位置。本發(fā)明這個(gè)方案的另一特征是包括下列步驟通過獨(dú)立地改變每個(gè)金屬片處在第一關(guān)閉位置的時(shí)間來調(diào)制所述若干個(gè)分輻射束的束強(qiáng)度，因此一個(gè)金屬片處于第一關(guān)閉位置較長(zhǎng)的時(shí)間，將使與其相應(yīng)分輻射的束強(qiáng)度降低。
本發(fā)明這個(gè)方案的另一特征是包括下列步驟利用若干個(gè)相同的形狀的金屬片，每個(gè)金屬片有相同的橫截面圖形和一個(gè)在沿著至少一個(gè)輻射治療束路徑方向上具有基本均勻的厚度。本發(fā)明這個(gè)方案的另一個(gè)特征是可以包括下列步驟使輻射光束整形為兩個(gè)輻射治療束，每一個(gè)輻射治療束具有一個(gè)沿輻射治療束通過的路徑延伸的縱軸和一個(gè)在位于垂直于輻射治療束的縱軸的平面上的成矩形截面的圖形。
本發(fā)明這個(gè)方案的另一個(gè)特征是可以包括下列步驟使輻射束整形為兩個(gè)輻射束，使每一個(gè)輻射治療束具有一個(gè)沿輻射束通過的路徑延伸的縱軸和一個(gè)在位于垂直于軸射治療束的縱軸的平面上的一個(gè)成矩形的橫截面圖形;以及同時(shí)用其中的一個(gè)輻射治療束治療第一成片狀的第一部分和用另一個(gè)輻射治療束治療組織體積的那些第二成片狀的若干個(gè)第二部分;所述的第二成片狀的若干個(gè)第二部分彼此并同成片狀的第一部分相毗連并都處在與之平行的另一平面上。本發(fā)明這個(gè)方案的另一個(gè)特征是可以包括下列步驟使輻射光束沿半徑園弧旋轉(zhuǎn)5度弧，以便在輻射束每旋轉(zhuǎn)5°之后治療組織體積的其它成片狀的第一部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案，利用一個(gè)來自輻射源的具有一預(yù)定的不變的輻射強(qiáng)度的輻射不，對(duì)腫瘤進(jìn)行保形輻射治療的裝置，已經(jīng)獲得了上述的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的這個(gè)方案可以包括用于使輻射束整形為至少一個(gè)輻射治療束的組件，該輻射治療束具有一個(gè)沿輻射束通過的路徑延伸的縱軸和在一個(gè)位于垂直于輻射束縱軸的平面上的成矩形橫截面的圖形;用于將至少一個(gè)矩形截面輻射治療束分成若干部分輻射束的組件;以及用于獨(dú)立地調(diào)制所述的若干個(gè)分輻射束的束強(qiáng)度的組件以便調(diào)制穿過輻射治療束的矩形截面圖形上的輻射強(qiáng)度。本發(fā)明這個(gè)方案的另一個(gè)特征是用于整形輻射束的組件可以包括兩個(gè)輻射屏蔽材料塊，這兩個(gè)材料塊限定一個(gè)使輻射束通過的一個(gè)成矩形的窗口，該成矩形的窗口具有一個(gè)長(zhǎng)度尺寸和一個(gè)寬度尺寸。本發(fā)明這個(gè)方案的另一個(gè)特征是上述的兩個(gè)材料塊是可以彼此相對(duì)移動(dòng)的，借此上述成矩形窗口的寬度是可變的。
本發(fā)明這個(gè)方案的另一個(gè)特征是用于使至少一個(gè)輻射治療束的成矩形的橫截面圖形分成若干分輻射束的截面上的組件可以包括若干個(gè)獨(dú)立可移動(dòng)的金屬片，這些金屬片的數(shù)目等于上述部分輻射束的個(gè)數(shù)，每個(gè)金屬片可以從金屬片阻擋一個(gè)分輻射束的路徑的第一關(guān)閉位置向一個(gè)金屬片允許一個(gè)分輻射射向腫瘤的一部分的第二打開位置移動(dòng)。每個(gè)金屬片可以具有相同的形狀，和相同橫截面圖形和一個(gè)沿至少一個(gè)輻射治療束的路徑方向基本上均勻的厚度。
本發(fā)明這個(gè)方案的另一個(gè)特征是包括一個(gè)用于從所述的第一關(guān)閉位置向第二打開位置分別移動(dòng)每個(gè)金屬片的裝置，以及所述的用于分別移動(dòng)每個(gè)金屬片的裝置可以包括一個(gè)同每個(gè)金屬片相連接的傳動(dòng)裝置，每個(gè)傳動(dòng)裝置由空氣供給動(dòng)力并帶有一個(gè)同其相連接的電磁閥，每個(gè)電磁閥控制與其相連的促動(dòng)器的操作。
采用本發(fā)明的具有預(yù)定不變強(qiáng)度的輻射束的保形輻射治療方法和裝置，同先前提出的已有技術(shù)中的方法和裝置相比較具有下列優(yōu)點(diǎn)使用簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)，被認(rèn)為具有高的安全系數(shù);以便在治療時(shí)為病人提供高的安全性;可以使穿過腫瘤和跨過輻射束橫截面圖形上的輻射束的強(qiáng)度在空間上得到調(diào)制。


圖1是一個(gè)通用的直線加速器的透視圖，該直線加速器包括一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的床，準(zhǔn)直器和機(jī)架;
圖2A是一個(gè)沿線2A-2A剖開的里面有一個(gè)腫瘤的病人頭即頭顱的局部剖面前視圖。
圖2B是一個(gè)沿圖2A中的線2B-2B剖開的同一病人頭部的局部剖視側(cè)視圖;
圖2C是一個(gè)表示圖1的直線加速器1的機(jī)架移動(dòng)軌跡的示意圖;
圖2D-2F是在圖1中的直線性加速器使用的通用調(diào)整器塊的前視圖;
圖2G是與圖2B相同的視圖;示出了當(dāng)輻射束通過圖2D的調(diào)整器塊時(shí)被輻射束所觀察到的腫瘤的空間輪廓即腫瘤的“束眼視場(chǎng)”;
圖2H是一個(gè)沿圖2A的線2H-2H剖開的病人頭部局部剖視圖，示出了當(dāng)輻射束通過圖2E的調(diào)整器塊時(shí)被輻射束所觀察到的腫瘤的空間輪廓;
圖2I是一個(gè)沿圖2A的線2I-2I剖開的病人頭部局部剖視圖，示出了當(dāng)輻射束通過圖2F的調(diào)整器塊被輻射束所觀察到的腫瘤的空間輪廓;
圖3A是一個(gè)沿圖3B的線3A-3A剖開的，里面有腫瘤的病人頭部局部剖視的前視圖;
圖3B是一個(gè)沿圖3A的線3B-3B剖開的病人頭部局部剖視的側(cè)視圖;
圖3C是一個(gè)表示圖1的直線加速器機(jī)架旋轉(zhuǎn)的示意圖;
圖3D是一個(gè)圖3B病人頭局部剖視的側(cè)視圖，它說明了本發(fā)明保形輻射治療方法;
圖3E是一個(gè)沿圖3A的線3E-3E剖開的病人頭部局部剖視的頂視圖，它說明了本發(fā)明的保形輻射治療方法;
圖3F是沿圖3A的線3F-3F剖開的病人頭部的局部剖視的側(cè)視圖，它說明了本發(fā)明的保形輻射治療方法;
圖4是一個(gè)里面有一個(gè)類似于圖3E中腫瘤的腫瘤病人頭部的局部剖視圖，它說明了本發(fā)明中通過腫瘤一個(gè)部分的輻射路徑;
圖5是一個(gè)沿圖4的線5-5剖開的圖4中腫瘤的前視圖，它說明了本發(fā)明的輻射束所觀察到的腫瘤的空間輪廓;
圖6是一個(gè)沿圖7的線6-6剖開的用在保形輻射治療中的本發(fā)明裝置的局部剖視圖;
圖7是一個(gè)沿圖6的線7-7剖開的圖6中裝置局部剖視的側(cè)視圖;
圖8是一個(gè)沿圖7的線8-8剖開的根據(jù)本發(fā)明圖6的裝置局部剖視圖;
圖9是一個(gè)圖6裝置局部剖視圖，它同圖8類似，說明了根據(jù)本發(fā)明用于分別對(duì)若干分輻射束的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的裝置的操作;以及圖10是一個(gè)用于控制本發(fā)明裝置操作的輻射安排系統(tǒng)的流程圖;
以上，雖然是結(jié)合最佳實(shí)施例來描述本發(fā)明的，但是不難理解，這些實(shí)施例不是對(duì)本發(fā)明的限定，與此相反，本發(fā)明包括在本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)所有的變換方案，改進(jìn)和等同物。
參看圖1，圖1所示的通用的直線加速器300包括一個(gè)機(jī)架301，使病床303旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)302和一個(gè)通用的準(zhǔn)直器304。機(jī)架301、轉(zhuǎn)臺(tái)和病床302，303和準(zhǔn)直器304三者各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線，這三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線分別用字母G、T和C代表。如圖1所示，病人305由一個(gè)通用腦立體測(cè)定的固定裝置(未示出)使其身體固定在病床上?？梢岳玫囊环N類型的固定裝置是1990年4月27日由本發(fā)明人申請(qǐng)的名稱為“完成外科手術(shù)的方法和裝置”的美國(guó)07/515429號(hào)申請(qǐng)中所描述的那種裝置。如下所述，在進(jìn)行本發(fā)明的保形輻射治療之前必需進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層“CT”)掃描，因此重要的是使病人正確地定位在病床303上，病床303的位置在幾何上同病人在CT掃描儀成象平臺(tái)(未示出)上的定位位置相一致。在上述專利申請(qǐng)中所描述的那個(gè)裝置提供了使病人固定的必需部件和使病人精確地相對(duì)直線加速器300和CT掃描儀(未示出)的固定必需部件。目標(biāo)物、損傷部分或腫瘤306通常位于直線加速器300的等中心點(diǎn)307上，等中心點(diǎn)307被定義為加速器的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線C、G、T的交點(diǎn)。在此用的“腫瘤”一詞包含待接受本發(fā)明的保形輻射治療的任何目標(biāo)物，損傷部分或腫瘤。雖然在此描述的被治療的腫瘤306是在病人腦308內(nèi)部，但本發(fā)明的方法和裝置可以用于治療病人體內(nèi)的任何解剖學(xué)位置上的腫瘤。
直線加速器300產(chǎn)生一束由光子組成的輻射束311(圖4)，當(dāng)這些光子撞擊到人體組織上時(shí)產(chǎn)生γ射線，輻射束311被聚焦后射向腫瘤306，輻射束311從通用的加速器頭312射出，當(dāng)輻射束朝向腫瘤306發(fā)射時(shí)，可以采用通用的準(zhǔn)直器304，本發(fā)明的方法和裝置也可以利用通用的鈷治療裝置或任何其它的可以產(chǎn)生一個(gè)具有一預(yù)定不變的束強(qiáng)度的輻射束311的裝置，例如直線加速器300或鈷治療裝置(未示出)。
參看圖2A-2AI，圖中列舉出一個(gè)保形輻射治療的通用方法。如圖2A和2B所示，頭顱308內(nèi)有一個(gè)腫瘤306，腫瘤306具有一個(gè)被其外表面包圍的總的腫瘤體積，當(dāng)從圖2A的前面觀察時(shí)，腫瘤306有若干個(gè)凹表面314?？梢园涯[瘤306稱為“凹面形”的，因?yàn)樗旧戆枷禄蛴邪急砻?14。如圖2B所示，當(dāng)從病人的頭顱308側(cè)面觀察時(shí)，腫瘤306的圖形大致呈卵形。在提供對(duì)腫瘤306的通用的輻射治療之前要制作若干個(gè)調(diào)整器塊315、316并將它們放置在準(zhǔn)直器304和腫瘤306之間，以便限定通過調(diào)整塊315，316中的窗口317，318的輻射束的形狀，從而當(dāng)直線加速器300的準(zhǔn)直器繞病人旋轉(zhuǎn)時(shí)被通過腫瘤的輻射束所觀察的腫瘤的空間輪廓同輻射束的形狀相一致，通常也把被通過目標(biāo)物的輻射束所觀察到的腫瘤空間輪廓稱為“束眼視野”，即這個(gè)腫瘤形狀是在沿輻射束311的縱軸線320觀察到的，該縱軸線同準(zhǔn)直器304的縱軸線共面。調(diào)整器塊315，316由典型的屏蔽輻射材料制成，因此輻射束不能透過這個(gè)材料，而只能經(jīng)過在調(diào)整器塊315，316上形成的窗口317，318通過?？梢杂靡粋€(gè)通用的多葉式準(zhǔn)直器提供基本上同窗口317，318在形狀上相一致的窗口，以便代替調(diào)整塊315，316限定如圖2D-2F所示的所期望的輻射束空間圖形。
再參考圖2A-2I，利用調(diào)整塊315，316并按圖2C所示的按從一個(gè)耳朵到另一個(gè)耳朵的方向旋轉(zhuǎn)機(jī)架301，對(duì)腫瘤306進(jìn)行保形輻射治療。病床和轉(zhuǎn)臺(tái)303，302可以從其在圖1所示的位置旋轉(zhuǎn)90°，以便使其縱軸線同機(jī)架301的軸線G平行。三個(gè)輻射束322-324可以射向腫瘤306，輻射束322，324朝向病人的兩個(gè)耳朵，輻射束324向下通過病人頭顱的前面。當(dāng)輻射束322通過加速器頭312和準(zhǔn)直器304射向腦殼308時(shí)，輻射束322經(jīng)過調(diào)整塊315的窗口后朝向腫瘤行進(jìn)。當(dāng)輻射束322通過腫瘤306時(shí)被輻射束322觀察到的腫瘤306的空間輪廓如圖2G所示。當(dāng)機(jī)架301旋轉(zhuǎn)過一個(gè)90°弧時(shí)，加速器300產(chǎn)生輻射束323，輻射束323在穿過調(diào)整器塊306上的窗口318后經(jīng)過頭顱308的前面后撞擊到目標(biāo)物306上，作為被通過腫瘤306的輻射束所觀察的腫瘤306，或者輻射束觀察的腫瘤306的視圖的空間輪廓326示在圖2H中。當(dāng)沿箭頭321的方向使機(jī)架301旋轉(zhuǎn)過另一個(gè)90°弧后，輻射束穿過在圖2F中的調(diào)整器塊315上的窗口317進(jìn)入頭顱308后撞擊到目標(biāo)物306上。作為被輻射束324所觀察到的腫瘤306的空間輪廓示在圖2I中。
在圖2H中，由輻射束323對(duì)腫瘤306的照射對(duì)應(yīng)一個(gè)如圖2A所示的腫瘤的實(shí)際空間圖形。由于腫瘤306在一個(gè)平行于輻射束322，324的平面上凹下，而使由輻射束322，324所獲得的總的照射同腫瘤306的這個(gè)實(shí)際空間圖形不一致。輻射束322，324的強(qiáng)度不能為適應(yīng)腫瘤306的不同的厚度而變化，其中的腫瘤厚度是沿腫瘤的縱軸線331(圖2A)測(cè)量的。
例如腫瘤306具有兩個(gè)寬大的端部328，329(圖2A)和一個(gè)小直徑的中心部分330。當(dāng)輻射束322，324在其縱軸線331(圖2A)的方向通過腫瘤306時(shí)，輻射束322，324將沿其縱軸線331通過腫瘤306的不同厚度，這是由于寬大的端部328，329所引起的表面314凹下的結(jié)果。由于輻射束322，324的強(qiáng)度通常是保持不變的，或在某些情況下可能沿作為被輻射束觀察到的腫瘤的整個(gè)空間輪廓變化，所以使腫瘤306的不同部分接收到不準(zhǔn)確或不充足劑量的輻射。例如沿縱軸線331通過腫瘤306的中央部分輻射束322穿過腫瘤306的端部分328，329和中心部分330。輻射束322的上部只穿過腫瘤306的端部328，329而不穿過腫瘤306的中心部分330，于是輻射束322的上部穿過腫瘤組織的總的厚度小于輻射束322沿腫瘤306的縱軸線331穿過的腫瘤組織的厚度。有可能發(fā)生下面的情況腫瘤的較厚的部分接收的輻射劑量可能沒有大到有效的程度，而腫瘤組織的較薄部分接收的輻射劑量可能大于腫瘤306這部分治療所需的劑量，這又可能損壞周圍的健康組織335。
參看圖3A-3F和4-5，描述本發(fā)明的保形輻射治療方法。在病人頭顱308內(nèi)的同樣的腫瘤將由圖1中的直線加速器300治療。來自直線加速器300的加速器頭或輻射源312的輻射束具有一個(gè)預(yù)定的不變的束強(qiáng)度，該輻射用于治療組織體積(400)(圖3D和圖5)，該組織400的體積內(nèi)至少包括腫瘤的一部分401或一個(gè)分立部分407。可以按照結(jié)合圖2A-2A所描述的方式使病人的頭顱308和加速器312之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的保形輻射治療方法主要包括下列步驟按照朝向腫瘤306的第一分立部分的箭頭406(圖3A和3C)的方向，從第一位置405發(fā)射輻射束311，該分立部分407包括一個(gè)小于腫瘤306的總的腫瘤體積的腫瘤體積;以及對(duì)在腫瘤306的第一分立部分407上的輻射束的束強(qiáng)度在空間上進(jìn)行調(diào)節(jié)，借此腫瘤306的第一分立部分407接收一個(gè)劑量輻射，以便治療腫瘤306的第一分立部分407并同時(shí)使同腫瘤306相毗連和在組織體積400內(nèi)的健康組織335的輻射限制到最小限度。最好使腫瘤306的第一分立部分407位于組織體積400的一個(gè)成片狀部分411“成片狀”一詞在這里通常是指一個(gè)薄的扁片組織。
正如將在下面詳細(xì)描述的那樣，將含有腫瘤306的病人組織總體積450進(jìn)行劃分或分成若干個(gè)成片狀部分的組織體積，在圖3D中示出了四個(gè)成片狀的部分411，412，413和414，成片狀的部分412-414在圖3D中用虛線示出?？偟慕M織體積450的成片狀部分411-414中的每一個(gè)都具有一個(gè)成矩形橫截面的圖形，該圖形同位于箭頭406的方向并同輻射束311的縱軸線320相垂直的平面上，而組織體積400的成片狀部分411的縱軸線420同輻射束的縱軸線共面。如圖3D和圖5所示，成片狀部分411的縱軸線420垂直于這些圖的圖面并用420代表。
總的組織體積450的成片狀部分411-414中的每個(gè)部分同其相鄰的那些片狀部分互相毗連，每個(gè)片狀部分411-414彼此平行并且它們的輻射束311的縱軸線320共同位于箭頭406方向的一些平面上。通過繞病人旋轉(zhuǎn)輻射束311，可以使輻射束311從同第一位置405徑向隔開的一個(gè)第二位置425上發(fā)射，這樣使輻射束311沿箭頭426(圖3A和3C)的方向射向腫瘤306的第一分立部分407，分立部分407位于總的組織體積450′的另一成片形的第一部分411′之內(nèi)，成片形部分411也具有一個(gè)沿輻射束311的縱軸線320觀察的成矩形的橫截面，當(dāng)這個(gè)橫截面朝向箭頭426的方向時(shí)，如圖3A和3E所示。同樣，正如下面將描述的那樣，注意到另外的成片狀的部分412′-414′靠著它們相鄰的成片狀部分411-414′為毗鄰的關(guān)系，總的組織體積450′的這些成片狀部分位于彼此平行的一些平面上，當(dāng)輻射束311沿箭頭426的方向射向腫瘤306時(shí)，使輻射束在腫瘤306的分立部分407上重新在空間上進(jìn)行調(diào)制，借此，腫瘤306的第一分立部分接收到另一劑量的輻射，以便治療腫瘤306的第一分立部分407，同時(shí)使腫瘤的相鄰健康組織所受到的輻射限制到最低程度。
使輻射束311旋轉(zhuǎn)到同上述的位置425徑向隔開的另一位置，以便使在箭頭431方向的輻射束射向腫瘤306，另一成片狀部分411″使輻射束311射向它，如圖3F所示?？偟慕M織體積450″的成片狀部分411″也具有一個(gè)矩形截面圖形，該圖形位于同輻射束的縱軸線垂直的平面上，即在箭頭431的方向上。此外，如前所述，總的組織體積的成片狀部分412″-414″同總的組織體積450″成片狀的鄰近的成片狀部分相毗連，成片形部分411″-414″位于一些平行的平面內(nèi)。此外，這些成片部分411″-414″中的每一個(gè)的縱軸線同在箭頭431方向的作用在其上的輻射束311的縱軸線共面。當(dāng)在箭頭431方向的輻射束311射向總的組織體積450″的成片狀部分411″-414″時(shí)，使位于總組織體積400內(nèi)部腫瘤306的第一分立部分407上的輻射束強(qiáng)度在空間進(jìn)行調(diào)制，應(yīng)該指出的是，總的組織體積450，450′，450″的成片狀部分411，411′，411″，對(duì)于成片狀部分412，412′，412″;413，413′，413″;和414，414′，414″是分別相應(yīng)彼此共面的。
在腫瘤306的第一分立部分按上述方式治療完成之后，接著可以按上述方式對(duì)在其內(nèi)部的各個(gè)成片狀部分412，412′，412″;413，413′，413″;414，414′，414″進(jìn)行治療，通過從每個(gè)同輻射束311橫向隔開的位置上向腫瘤306發(fā)射輻射束，使在腫瘤306的待治療的分立部分上的輻射束311的束強(qiáng)度進(jìn)行空間調(diào)制。通過使病人相對(duì)輻射源311或加速器頭312移動(dòng)一個(gè)等于待治療組織體積成片狀部分的厚度，相繼完成對(duì)其它成片狀的部分412-414，412′-414′，412″-414″的治療。按照上述的方式使輻射源311繞病人相繼旋轉(zhuǎn)并相繼使病人相對(duì)輻射源移動(dòng)之后，可以用輻射治療方法正確地治療整個(gè)腫瘤306，或其包含在整個(gè)總的組織體積450，450′，450″內(nèi)部的整個(gè)腫瘤體積。如下所描述的那樣，待治療總的組織體積的成片狀部分的數(shù)目是可以改變的，組織體積的每個(gè)成片狀部分的厚度也是可以改變的。在圖3D-3F中示出了組織體積的四個(gè)待治療的成片狀部分，這個(gè)組織成片狀部分的數(shù)目只是為了說明的目的而選擇的。還應(yīng)指出，正如下面將詳細(xì)描述的那樣，輻射束只從三個(gè)位置405，425，430上發(fā)射，也只是為了說明的目的。
下面參考圖4和5進(jìn)一步描述本發(fā)明的保形輻射治療方法。腫瘤306的圖形同前面圖中所示的腫瘤306的圖形不同;它也呈凹面形，具有如圖4所示凹面314，從圖5觀察為凹面314′，將輻射束311開始整形成至少一個(gè)輻射治療束500的形狀，輻射治療束500具有一個(gè)同軸射束311的縱軸線320相重合的縱軸線501，縱軸線501沿著同輻射束311進(jìn)行的路徑相同的路徑延伸。輻射治療束500有一個(gè)成矩形的橫截面圖形502，圖形502位于垂直于輻射束311縱軸線501的一個(gè)平面上。如圖5所示，輻射治療束500的成矩形的橫截面圖形502同組織體積400的成片狀的部分411的成矩形的橫截面圖形相一致，輻射處理束500同組織體積400的成片狀的部分411的縱軸線420共面，最好是按下述方式使至少一個(gè)輻射處理束500的成矩形橫截面的圖形502分成若干個(gè)分輻射束510-514。輻射治療束500的若干分輻射束在截面510-514上穿過，輻射治療束500的成矩形橫截面圖形502上的束強(qiáng)度被分別調(diào)制。因此，利用若干束分輻射束510-514對(duì)在沿組織體積400的成片狀部分411的縱軸線420方向上的厚度是可變的腫瘤306′的第一部分401進(jìn)行治療。輻射治療束500的每個(gè)分輻射束510-514具有同每個(gè)分輻射束510-514所通過的腫瘤306′的這部分401的厚度401相適合的束強(qiáng)度。例如，如圖4所示，箭頭530指示輻射治療束500的分輻射束截面510的通過的腫瘤306′的這部分401的一部分或部分531的厚度T。箭頭532指示分輻射束514所通過的腫瘤306′的部分401的一部分533的厚度T。因?yàn)槟[瘤部分531的厚度T比腫瘤部分533的厚度T′厚，所以分輻射束截面510的輻射束強(qiáng)度必須大于分輻射束截面514的束強(qiáng)度，從而使輻射治療束500正確地治療腫瘤部分531，533。
在圖4中示出了一個(gè)用于獨(dú)立調(diào)整若干分輻射510-514上的束強(qiáng)度的組件600，以便在空間上調(diào)制穿過輻射束的成矩形橫截面圖形502上的輻射治療束500的束強(qiáng)度。下面結(jié)合圖6-9描述獨(dú)立調(diào)制輻射束強(qiáng)度組件的構(gòu)成。為了說明本發(fā)明方案，如圖4所示的那樣，若干個(gè)分輻射束510-514的束強(qiáng)度的獨(dú)立調(diào)制是通過采用在輻射束311和輻射治療束500之間放置不同厚度的衷減輻射材料來實(shí)現(xiàn)的。例如腫瘤306′的部分401的531部分的厚度T是組織體積400內(nèi)的待治療的腫瘤306′的部分401中的最厚部分，輻射束311的通路通過輻射束調(diào)制組件600被打開，因此治療腫瘤分部分531的分輻射束510上的強(qiáng)度等同于預(yù)定的穩(wěn)定的輻射束311的束強(qiáng)度。類似地，因?yàn)槟[瘤306′的分部分533比腫瘤306′的部分401的其它分部分薄，所以把一個(gè)輻射衷減(或阻擋)材料相對(duì)較厚的部分540，或材料540放置在輻射束311的路徑上。因此，分輻射束514的強(qiáng)度相應(yīng)減少了以便按同正確治療腫瘤306′的分部分533所必需的輻射劑量相匹配。應(yīng)該指出，正如下面將詳細(xì)描述的那樣，示出5個(gè)另外的分輻射束510-514只是作為舉例。還應(yīng)指出，可以把任何一個(gè)用于獨(dú)立調(diào)制各個(gè)分輻射束510-514上的束強(qiáng)度的組件用于完成本發(fā)明的方法，以便在空間調(diào)制把輻射治療束500變成矩形的橫截面圖形502的輻射束500的束強(qiáng)度。
如下所述，如果需要，可以把輻射束311整形成如圖5所示的兩個(gè)輻射治療束500，500′。輻射束500包括分輻射束510-514，而輻射治療束500′包括輻射治療分束510′-514′。每個(gè)輻射治療束500，500′具有一沿輻射治療束500，500′進(jìn)行路徑延伸的縱軸線，以及在位于同輻射治療束500，500′相垂直的一個(gè)平面上具有一個(gè)成矩形的橫截面圖形。圖5中的水平虛線表示兩個(gè)輻射治療束500，500′的成矩形橫截面圖形的相毗鄰的平行面;而垂直的虛線551表示相鄰的分輻射束510-514，510′-514′的相毗鄰的平行面。如果只有一個(gè)輻射治療束被整形，則分輻射治療束510-514將從輻射治療束500的成矩形的橫截面502的底部到頂部的整個(gè)距離中。
如果只對(duì)一個(gè)輻射治療束500進(jìn)行整形，則當(dāng)輻射束311繞病人頭顱308旋轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)輻射治療束500同其若干個(gè)分輻射束510-514將射向組織體積400的第一成片狀部分411-411′中的腫瘤306的第一獨(dú)立部分407，這正如上面的結(jié)合圖3D-3F描述的那樣。然后使病人相對(duì)輻射束311移動(dòng)一個(gè)等于待治療的成片狀部分411的厚度的距離，然后這個(gè)過程對(duì)治療相鄰的那些成片狀的部分412-412″重復(fù)進(jìn)行。每次使輻射治療束500從例如位置405，425，430射向組織的一個(gè)成片狀部分，按照上述方法，對(duì)分輻射束510-514上的強(qiáng)度根據(jù)分輻射束所跨過的腫瘤部分的厚度單獨(dú)進(jìn)行調(diào)制。最好是使輻射束311在箭頭321(圖3C)的方向沿約為160°的園弧旋轉(zhuǎn)，而使輻射束311轉(zhuǎn)向腫瘤后射向腫瘤，并在每繞頭顱旋轉(zhuǎn)5°之后即在160°的園弧的5°弧位置上調(diào)制輻射束311的強(qiáng)度。
如果將輻射束311整形為兩個(gè)輻射治療束500，500′則可以按上述方式同時(shí)治療組織的兩個(gè)相鄰的片狀部分，例如成片狀部分411-411′和412-412′。然后需要使病人相對(duì)輻射束311或輻射束312移動(dòng)一個(gè)等于組織的兩個(gè)成片狀部分厚度的距離，借此，可以治療組織的另外一對(duì)相鄰的片狀部分，例如413-413″和414，414″;如下所述，對(duì)獨(dú)立地調(diào)制若干分輻射束510-514上的束強(qiáng)度的組件600的控制或?qū)υ诳臻g調(diào)制通過組織體積的若干個(gè)成片狀的部分中的輻射束的束強(qiáng)度的控制最好是在一個(gè)適合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下進(jìn)行。
參考圖6-9，圖中示出一個(gè)利用來自輻射薄或直線加速器300的輻射束311對(duì)腫瘤進(jìn)行保形輻射治療的裝置700，輻射束311具有一個(gè)預(yù)定的不變的束強(qiáng)度，根據(jù)本發(fā)明的裝置700主要包括一個(gè)用于將輻射束311整形為至少一個(gè)輻射治療束500(圖4)的整形裝置701;一個(gè)用于將至少一個(gè)輻射治療束500分成若干個(gè)分輻射束510-514(圖4)的裝置702;和一個(gè)用于獨(dú)立調(diào)整若干分輻射束510-514束強(qiáng)度的裝置600。裝置700最好是安裝在一個(gè)使裝置700連接到一個(gè)外殼705上，該外殼705可使裝置700作為附件加在一個(gè)通用直線加速器300或鈷治療裝置(未示出)的通用楔形槽狹縫(未示出)上。參看圖6和7，整形組件701最好包括由兩個(gè)由屏蔽塊限定一個(gè)分輻射束311通過的矩形窗口713，該矩形窗口的長(zhǎng)度為L(zhǎng)(圖6)，寬度為W(圖7)，屏蔽塊710，716最好是可以彼此相對(duì)移動(dòng)，借此可以改變矩形窗口的寬度W。如圖7所示，通過任何適合的連接件715可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)714同屏蔽塊710，711相連，借此，可以改變矩形窗口713的寬度W，窗口713的寬度同輻射治療束500的成矩形截面的圖形502(圖5)的厚度相等，這個(gè)寬度W也同在圖5中所示的組織體積400的成片狀部分的寬度相等。成片狀部分的厚度或?qū)挾萕最好是在5mm至2cm范圍內(nèi)選取;屏蔽塊710，711的同每個(gè)成片狀部分相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度L最好是20cm。
再參考圖6-9，用于將至少一個(gè)輻射治療束的成矩形橫截面圖形分成若干個(gè)分輻射治療束的裝置最好包括若干個(gè)可獨(dú)立移動(dòng)的金屬件或金屬葉片720，金屬片720的數(shù)目同所期望形成的分輻束的數(shù)目相符合。最好是安裝20個(gè)金屬片720，使第一組即720的10個(gè)金屬片721布置在一行723中，而將第二組即720的10個(gè)金屬片722安排在一行724中。在行723中的第一組721中的前四個(gè)金屬片720。認(rèn)為是對(duì)應(yīng)于或構(gòu)成圖5的四個(gè)分輻射束510-514，而在行724中的第二組722中的前四個(gè)金屬片720構(gòu)成圖5的分輻射束510′-514′。由在第一行723的金屬片片720和第二行724的金屬片720之間相毗連表面所構(gòu)成的平面726同圖5的水平虛線550相對(duì)應(yīng)，屏蔽塊710，711用于形成兩個(gè)輻射治療束500，500′，其中，窗口713的寬度W相應(yīng)于兩個(gè)成層狀部分，例如片狀部分410，411(圖3D)的厚度，各個(gè)金屬片720在正常情況下是處在一個(gè)第一封閉位置730上，在這個(gè)位置上，各個(gè)金屬片720是處在緊密配合的鄰接關(guān)系中，為清楚起見，在圖中的各金屬片720之間留有一很小的間隔。每個(gè)金屬片720可以從第一封閉位置730移動(dòng)到第二打開位置731(圖9)。當(dāng)一個(gè)特定的金屬片處在其第二打開位置時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)窗口732并可以使一個(gè)分輻射束(例如圖4的發(fā)輻射束510)通過窗口732射向腫瘤的一部分。當(dāng)每個(gè)金屬片處在它們的第1封閉位置730時(shí)，各個(gè)金屬片720擋住了同那個(gè)金屬片720有關(guān)的輻射束的通道，從而是不允許同那個(gè)封閉金屬片720有關(guān)的輻射束通過并射向腫瘤。通過裝置700采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)輻射束311的通道可以治療兩個(gè)具有長(zhǎng)度20厘米的厚度在0.5到2厘米之間變化的兩個(gè)成片狀部分的腫瘤體積。這樣，由金屬片720提供了20個(gè)獨(dú)立調(diào)整的分輻射束。
每個(gè)金屬片720裝有一個(gè)單獨(dú)使每個(gè)金屬片720從第一關(guān)閉位置730移動(dòng)到第二打開位置731的裝置740。這個(gè)用于單獨(dú)移動(dòng)每個(gè)金屬片720的裝置740最好是一個(gè)促動(dòng)器741，促動(dòng)器最好是用空氣作動(dòng)力并且?guī)в幸粋€(gè)與每個(gè)促動(dòng)器741相連的電磁閥742。每個(gè)電磁閥742響應(yīng)如下所述的控制信號(hào)控制同其連接的促動(dòng)器741的操作轉(zhuǎn)而又控制與其相連的金屬片720。如果采用每個(gè)促動(dòng)器741相連的通用活塞743，則每個(gè)金屬片720可以連接到其各個(gè)的促動(dòng)器741上。適合的空氣管路744從電磁閥744伸到促動(dòng)器741。在治療處置室中裝有一個(gè)通用的壓縮空氣源(未示出)，按照通用的方式將空氣供給電磁閥742。每個(gè)促動(dòng)器741最好是一種空氣壓縮彈簧伸出型的，借此，同每個(gè)促動(dòng)器741相連的彈簧(未示出)在正常時(shí)使同其相連的金屬片720推到第一閉合位置730。當(dāng)然，如果裝置700為操作閥742提供控制信號(hào)所需要的電動(dòng)率的電源停止供電或空氣源中斷，則每個(gè)金屬片將彈回到其第一閉合位置上而阻擋住與其有關(guān)的分輻射束。關(guān)于這點(diǎn)，還應(yīng)提出，電磁閥(未示出)的供電使每個(gè)屏蔽塊710，711維持在打開的位置上。一旦裝置700的電子線路電源出現(xiàn)故障或由控金屬片720的操作系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，則電磁閥線圈將立即使屏蔽塊710，711關(guān)閉成如圖中所示的封閉位置上，因此使輻射不能通過病人的身體。
如圖6和7所示，由于空間上的考慮，使閥705彼此沿外殼705的外表面疊放安裝，而使促動(dòng)器741分三排交錯(cuò)布置。最好使每個(gè)金屬片720具有相同的形狀，同樣的橫截面圖形和在輻射治療束500的路徑方向具有基本上相同的厚度D(圖7)。金屬片或葉片720最好是由鎢制作，或用其它任何具有必要的阻止輻射特性的金屬材料制作。如圖6所示，由于輻射治療束500的發(fā)散作用，如本專業(yè)技術(shù)人員所熟知的那樣，金屬片720的縱軸線也從中心的大多數(shù)金屬片稍向外發(fā)散，以便解決輻射治療束的發(fā)散問題。
關(guān)于用于單獨(dú)調(diào)制若干分輻射束的束強(qiáng)度的組件600，該單獨(dú)調(diào)制是通過電磁閥，促動(dòng)器742、741和金屬片720完成的，同每個(gè)金屬片720有關(guān)的分輻射束截面上的每個(gè)束強(qiáng)度通過單獨(dú)改變每個(gè)金屬片處在第一關(guān)閉位置730的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)制，因此，金屬片720在第一封閉位置上的時(shí)間越長(zhǎng)就越引起其相關(guān)的分輻射束的束強(qiáng)度降低。例如，在一個(gè)使輻射束311旋轉(zhuǎn)并形成至少一個(gè)繼而又被金屬片720分成若干個(gè)分輻射束截面的輻射處理束500的給定時(shí)間內(nèi)一個(gè)分輻射束截面上的束強(qiáng)度可以在從0至1的范圍內(nèi)改變，輻射束強(qiáng)度為0同在輻射束311啟動(dòng)并通過朝向金屬片720的成矩形橫截面的窗口713的整個(gè)時(shí)間內(nèi)始終保持在第一封閉位置上的金屬片720相對(duì)應(yīng)。如果在輻射束311開啟的整個(gè)時(shí)間內(nèi)，同一個(gè)分輻射束截面相應(yīng)的一個(gè)金屬片720始終保持在其打開位置713，則該分輻射束的束強(qiáng)度為1。通過在輻射束311開啟時(shí)間內(nèi)改變一個(gè)金屬片處在其第一關(guān)閉位置的時(shí)間長(zhǎng)度，確定這個(gè)分輻射束截面上束強(qiáng)度，其束強(qiáng)度可以為1至0范圍內(nèi)的任何一個(gè)值。一個(gè)帶有裝在外殼705中的電子電路760的裝置700的控制系統(tǒng)確定在輻射治療期間一個(gè)金屬片保持在第一封閉位置的給定的時(shí)間長(zhǎng)度，這將在下面詳細(xì)描述。應(yīng)該指出的是，通過改變金屬片720保持在第一封閉位置730的時(shí)間可以和前面結(jié)合圖4所描述的改變吸收輻射材料540的厚度的表示法相聯(lián)系。
為了有效地操作本發(fā)明的裝置和保形治療方法，必需向裝置700的電子電路760提供一些適合控制的信號(hào)，以便操作裝置700，裝置700包括用于獨(dú)立地調(diào)制用在裝置700中的輻射治療束分輻射束截面上的束強(qiáng)度的裝置。例如根據(jù)病人體內(nèi)具體的腫瘤位置和尺寸，以及根據(jù)治療組織的個(gè)別成片狀部分輻射源的徑向位置確定射向位于待治療組織體積的各個(gè)成片狀部分內(nèi)的腫瘤部分的輻射劑量，可以購(gòu)買到提供裝置700和完成本發(fā)明保形輻射治療方法所必需的控制信息的通用輻射設(shè)計(jì)系統(tǒng)。下面參看圖10，描述一個(gè)為獲得被裝置700所用信息和完成本發(fā)明方法所用信息的最佳輻射設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
第一個(gè)操作步驟通常被稱為校準(zhǔn)步驟800，這是一個(gè)對(duì)將本發(fā)明保形輻射治療病人的部位和一組通用的軸向薄片象進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的步驟。這些象是首先已用通用的計(jì)算機(jī)斷層(“CT”)掃描或核磁共振象(MRI)技術(shù)獲得的，通過這些技術(shù)可以產(chǎn)生一個(gè)具有解剖學(xué)精度顯示的“薄片”組織的表象。用全套CT掃描和MRI的圖象構(gòu)成一系列“薄片”表示出病人的某一特定部位的三維圖片，以便作為一個(gè)有效的三維數(shù)據(jù)組進(jìn)行顯示。通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)采樣，確定已知幾何圖形的共同特征和使這些待校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)扭曲，可獲得結(jié)果數(shù)據(jù)，解出上述的結(jié)果數(shù)據(jù)加以設(shè)定，以便根據(jù)上述的病人固定裝置進(jìn)行幾何修正。如果象已被從底片上掃描過，那么就根據(jù)包括在該象中的參考灰度線對(duì)象的灰進(jìn)行歸一化處理。通常是利用通用的三維象扭曲技術(shù)和通過特種采樣和根據(jù)分辨率鑒別的需要進(jìn)行濾波。象薄片的間隔由設(shè)計(jì)系統(tǒng)的操作者輸入并由已知的病人固定裝置的幾何特征進(jìn)行校準(zhǔn)。
該系統(tǒng)的下一步驟通常被稱為解剖學(xué)工具步驟801，醫(yī)生是用輻射制圖的方法來識(shí)別這個(gè)具有明顯三維結(jié)構(gòu)體積的，因此，通常醫(yī)生是用一片一片的象作為基礎(chǔ)來識(shí)別解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的。
處方板步驟802允許醫(yī)生根據(jù)所期望要求的目標(biāo)劑量，敏感結(jié)構(gòu)極限，傳輸?shù)膹?fù)雜程度和射傷性將輻射治療處理所期望的目標(biāo)數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，射傷性是涉及對(duì)目標(biāo)物或腫瘤的最大限度的治療在同對(duì)不明顯傷害鄰近的組織結(jié)構(gòu)相比的一個(gè)相當(dāng)重要的參數(shù)。這些參數(shù)在方案優(yōu)化步驟中使用。
在方案優(yōu)化步驟803中，輻射方案優(yōu)化是相反問題的一個(gè)特殊情況，其目的是要確定達(dá)到這個(gè)劑量配方的最好方式。通過把輻射傳輸分成一系列窄條或成片狀部分或弧治療束，并使這些弧形束中的每一個(gè)分別最優(yōu)化的方法，以便把一個(gè)模擬退火技術(shù)用于這個(gè)優(yōu)化步驟。所采用的退火冷卻方案是與快速模擬退火(FSA)技術(shù)的級(jí)別相適應(yīng)的。上述的模擬退火技術(shù)的細(xì)節(jié)是本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)公知的技術(shù)，并在例如下述的出版物中有描述，這些出版物是“OptimizationofConformalRadiotherapyDoseDistributionsbySimulatedAnnealing”[S.WebbPhysicsandMedicalBiology，Vol34，pp.1349-1370(1989)]“OptimizationofConformalRadiotherapyDoseDistributionsbySimulatedAnnealing2.InclusionofScatterintheIdTechnique”[S.Webb，PhysicsandMedicalbiology，Vol.36，pp.1227-1237(1991)]這兩篇文章被用作本發(fā)明的參考文件。在完成這個(gè)方案優(yōu)化步驟以及輻射設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其它步驟中要用一臺(tái)合適的計(jì)算機(jī)。
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的下一個(gè)步驟是儀器調(diào)整步驟804使獲得的輻射束的定位和束的分量(即用于分輻射束表面上的束強(qiáng)度)的優(yōu)化組在優(yōu)化后適合于裝置700的傳輸能力。為了計(jì)算OF(輸出因子)的調(diào)整，金屬片720的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和模擬運(yùn)動(dòng)，到達(dá)控制裝置700的數(shù)據(jù)的極限，運(yùn)用了一個(gè)疊代計(jì)算步驟代表了，可以在裝置700的操作極限范圍內(nèi)傳輸?shù)膬?yōu)化方案。
強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化步驟805進(jìn)一步使輻射源在其上運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)弧標(biāo)準(zhǔn)化，以便保證腫瘤從每個(gè)選定位置上接收一個(gè)不變劑量的輻射，這個(gè)劑量可以防止在待治療組織體積內(nèi)出現(xiàn)所謂的“熱區(qū)”或“冷區(qū)”，這個(gè)步驟可以通過改變輻射源的輻射率進(jìn)行，并且可以通過采用通用的、簡(jiǎn)單的直線定標(biāo)技術(shù)完成。
在劑量模擬步驟806中，照射病人的輻射劑量根據(jù)裝置700的控制數(shù)據(jù)模擬。在這個(gè)步驟中所用算法的根據(jù)是專業(yè)人員熟知的三維修改軌跡長(zhǎng)度技術(shù)。這個(gè)算法的例子在下列出版物中有描述，這些出版物是“AlgorithmforDosimetryofMultiarclinearAcceleratorStereotacticRadiosurgery”[G.Luxtohetal，MedicalPhysics，Vol，18.pp.1211-1221(1991)]，“DosageCalculationsinRadiationTherapy”，[W.L.Saylor，PublishedbyUrban&Schwarzenberg(1979)]，這兩篇文件被作為本申請(qǐng)的參考文件。
輸出操作步驟807允許醫(yī)生審查模擬輻射劑量和批準(zhǔn)病人輻射傳輸方案。在這個(gè)審查被批準(zhǔn)后，就得到一個(gè)軟盤其中包含在特定輻射傳輸情況下的控制裝置700的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括金屬片定時(shí)和運(yùn)動(dòng)指令，輻射源的調(diào)整數(shù)據(jù)和一般的病人數(shù)據(jù)。在上述的那些步驟完成后，完成傳輸系統(tǒng)步驟808，其中，如上所述，本發(fā)明完成保形輻射治療方法的各個(gè)步驟，對(duì)病人的腫瘤進(jìn)行了治療。
本發(fā)明的方法和裝置700可以根據(jù)一些旋轉(zhuǎn)輻射治療的方案進(jìn)行，為此，最好采用不多于10個(gè)非共面的約210°的弧，當(dāng)然，根據(jù)需要可以采用任何數(shù)目的弧，這些弧的角度可以從0°到360°之間改變，這些弧相對(duì)病人的定位和位置、所用弧的數(shù)目、根據(jù)上述的設(shè)計(jì)系統(tǒng)確定。最好使射向腫瘤的分輻射的束的強(qiáng)度為每次旋轉(zhuǎn)5°，因此將得到一個(gè)優(yōu)化的腫瘤劑量分布。也可以把傳統(tǒng)的固定點(diǎn)輻射治療方案同本發(fā)明的裝置700結(jié)合起來使用，這些固定點(diǎn)不必是共面的，由醫(yī)生把這些點(diǎn)的位置輸入到裝置700中，或被上述的輻射設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化。上述的旋轉(zhuǎn)輻射治療方案或固定點(diǎn)輻射方案可以利用本發(fā)明的方法和裝置治療發(fā)生在人體任何位置上的腫瘤。因?yàn)閷⑤椛涫某删匦蔚臋M截面的長(zhǎng)度整形為20cm，在長(zhǎng)度上是最佳的，所以操作輻射的輻射模式被限定治療長(zhǎng)度為20cm或小于20cm的橫截面，固定點(diǎn)方案可以適用任何尺寸的腫瘤。
本發(fā)明的裝置700還可以裝有若干個(gè)指示金屬片720運(yùn)動(dòng)的傳感器，借此可以間接地監(jiān)測(cè)射入病人的輻射場(chǎng)強(qiáng)度。來自這組狹縫傳感器(未示出)的數(shù)據(jù)可以是同輸入輻射束強(qiáng)度或治療束強(qiáng)度共用的，以便測(cè)定分輻射束的強(qiáng)度是否同規(guī)定的劑量相一致。如果分輻射束強(qiáng)度的期望束強(qiáng)度同被輻射設(shè)計(jì)系統(tǒng)所規(guī)定的劑量不一致，則提供一個(gè)信號(hào)，使屏蔽塊710，711和金屬片720封閉，從而防止病人受到不適當(dāng)?shù)妮椛湔丈洹?br> 不難理解，本發(fā)明的內(nèi)容不限于示出的或描述結(jié)構(gòu)，操作的精確細(xì)節(jié)，精確的材料或?qū)嵤├?duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以作出各種顯而易見的改型和等同物，都屬于由本發(fā)明的權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種利用來自輻射源的輻射束對(duì)腫瘤進(jìn)行保形輻射治療的裝置，所述的輻射束具有預(yù)定的和不變的輻射束強(qiáng)度，其特征在于，所述的裝置包括(a)用于將所述的輻射束整形為至少一個(gè)輻射治療束的組件該輻射治療束具有一個(gè)通過其路徑延伸的縱軸線和在一個(gè)同輻射治療束的縱軸線垂直的平面上成為矩形的橫截面；(b)用于將至少一個(gè)輻射治療束的成矩形橫截面圖形分成若干個(gè)分輻束截面的裝置；以及(c)用于單獨(dú)調(diào)制所述的若干個(gè)分輻射束的強(qiáng)度以便在空間上調(diào)制穿過輻射束的矩形橫截面的輻射治療束強(qiáng)度的組件。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其中用于整形輻射束的組件包括兩個(gè)屏蔽輻射的材料塊，該塊限定一個(gè)允許輻射通過的成矩形的窗口，該成矩形的窗口具有一個(gè)長(zhǎng)度和一個(gè)寬度。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于其中所述的塊是彼此可相對(duì)移動(dòng)的，從而使成矩形的窗口的寬度是可變的。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其中的將至少一個(gè)輻射治療束的成矩形橫截面分成若干個(gè)分輻射束的組件包括若干個(gè)可單獨(dú)移動(dòng)的金屬片，該金屬片的數(shù)目同分輻射束的束的數(shù)目相一致，每個(gè)金屬片可以從一個(gè)第一關(guān)閉位置移動(dòng)到一個(gè)第二打開位置，在所述的第一關(guān)閉位置上那個(gè)金屬片擋住一個(gè)分輻射束的通路，在所述的第二打開位置上那個(gè)金屬片允許一個(gè)分輻射束通向腫瘤的一部分。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于其中的每個(gè)金屬片在至少一個(gè)輻射治療束的路徑方向上具有相同的形狀一致的橫截面圖形和一致的厚度。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于還包括用于使每個(gè)金屬片從所述的第一關(guān)閉位置可單獨(dú)的向所述的第二打開位置移動(dòng)的組件。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于其中的用于使每個(gè)金屬片單獨(dú)移動(dòng)的組件包括一個(gè)同每個(gè)金屬片相連的促動(dòng)器。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于其中的每個(gè)促動(dòng)器由空氣提供動(dòng)力。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于其中的每個(gè)促動(dòng)器有一個(gè)同其相連的電磁閥，每個(gè)電磁閥控制與其相連的促動(dòng)器。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括用于將整形組件，分束組件和單獨(dú)調(diào)制組件安裝到輻射源上的組件。
11.一種對(duì)腫瘤進(jìn)行保形治療的裝置，其特征在于包括(a)一種用于產(chǎn)生一個(gè)具有預(yù)定的不變束強(qiáng)度的輻射束的輻射源;(b)一種用于將輻射束整形成至少一個(gè)輻射治療束的組件，該輻射治療束具有一個(gè)沿輻射治療束通過的路徑延伸的縱軸線和在一個(gè)垂直于該輻射束縱軸線的平面上具有一個(gè)成矩形的橫截面;(c)用于至少一個(gè)輻射束的成矩形橫截面圖形分成若干個(gè)分輻射束的組件;以及(d)用于單獨(dú)調(diào)制所述的若干個(gè)分輻射束截面上的強(qiáng)度，以便在空間上調(diào)制穿過輻射治療束的矩形橫截面圖形上的輻射治療束強(qiáng)度的組件。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于其中的用于整形輻射束的組件包括兩個(gè)由屏蔽輻射材料制成的屏蔽塊，該塊限定一個(gè)允許輻射束通過的成矩形的窗口，該成矩形的窗口具有一個(gè)長(zhǎng)度和一個(gè)寬度。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于其中的兩個(gè)材料塊彼此之間可相對(duì)移動(dòng)，借此使該成矩形的窗口的寬度是可變的。
14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于其中的用于將至少一個(gè)輻射治療束的成矩形圖形的橫截面分成若干分輻射束的組件包括若干個(gè)可單獨(dú)移動(dòng)的金屬片，金屬片的數(shù)目同分輻束的數(shù)目相一致，每個(gè)金屬片可以從一個(gè)第一關(guān)閉位置移動(dòng)到一個(gè)第二打開位置，在所述的第一關(guān)閉位置上那個(gè)金屬片擋住一個(gè)分輻射的束截面的通路，在所述的第二打開位置上那個(gè)金屬片允許分輻射束通向腫瘤的一部分。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于其中的每個(gè)金屬片在至少一個(gè)輻射治療束的路徑上具有相同一致的橫截面和一致的厚度。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于還包括一個(gè)用于使每個(gè)金屬片單獨(dú)地從第一關(guān)閉位置移動(dòng)到第二打開位置的組件。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于其中的用作單獨(dú)移動(dòng)每個(gè)金屬片的組件包括一個(gè)同每個(gè)金屬片相連的促動(dòng)器。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于其中的每個(gè)促動(dòng)器是由空氣提供動(dòng)力。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于其中的促動(dòng)器有一個(gè)同其相連的電磁閥，每個(gè)電磁閥控制與其連接的促動(dòng)器。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于還包括用于將整形組件，分離組件和單獨(dú)調(diào)制分輻射束截面上的束強(qiáng)度的組件安裝到輻射源上去的組件。
全文摘要
一種采用具有預(yù)定不變的輻射束強(qiáng)度的輻射束進(jìn)行的保形輻射治療的方法和裝置，可以對(duì)病人的腫瘤以一個(gè)薄片接另一個(gè)薄片的方式進(jìn)行治療，直到位于若干組織薄片內(nèi)的整個(gè)腫瘤體積被治療完畢。穿過待治療薄片的輻射束的束強(qiáng)度是在空間受到調(diào)制的。
文檔編號(hào)A61N5/10GK1090515SQ9311831
公開日1994年8月10日 申請(qǐng)日期1993年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月21日
發(fā)明者M·P·卡羅 申請(qǐng)人:諾摩斯公司