CN109891525A - 用于辐射电子束的磁控制的装置和方法 - Google Patents

用于辐射电子束的磁控制的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于控制放射疗法电子束的装置和方法。示例性实施例提供通过更改多个磁体的参数使电子束在不同深度处聚焦。示例性实施例还能够提供使电子束在不同深度处聚焦，同时将电子束的能量水平维持在一致的水平。

Description

用于辐射电子束的磁控制的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月9日提交的并且标题为“APPARATUS AND METHODS FORMAGNETIC CONTROL OF RADIATION ELECTRON BEAM”的美国临时专利申请序列No.62/385,346的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
背景技术
电子束放射疗法利用电离辐射，通常作为癌症治疗的一部分来破坏恶性细胞。放射疗法可以在许多类型的癌症中是有疗效的，如果其被局限于身体的一个区域。它还可以用作预防手术后肿瘤复发的辅助疗法的一部分，以移除原发性恶性肿瘤。例如，电子束放射疗法可以在某些类型的癌症(诸如乳腺癌)的早期阶段被用作辅助疗法的一部分。
放射疗法因其控制细胞生长的能力而通常被应用于癌性肿瘤。电离辐射通过破坏癌组织的DNA而导致细胞死亡来起作用。为了减少健康组织(例如，辐射必须通过以***的组织)的暴露，可以从不同角度瞄准辐射束以在肿瘤处相交。
目前，电子束放射疗法被用于将辐射指引到目标区域(例如，包含肿瘤的区域)以破坏目标区域内的细胞。典型的电子***在可以被成功治疗的目标区域的深度方面受到限制。此外，典型的***不提供辐射深度的动态控制，并且可能将不想要的辐射指引到目标区域周围的健康组织。
例如，对于现有***，手动选择射束能量以控制辐射穿透的深度达到大致3cm的峰值剂量深度(由目前商业上可获得的20MeV的最大临床电子束能量确定)。在这样的***中，射束能量被增加以增加辐射穿透的深度。这为表面处或表面附近的组织提供了更高的辐射水平，并且可导致周围健康组织的不想要的过度辐射暴露。
因此，存在对新的放射疗法装置和方法的需要，其提供对在变化的深度处的辐射剂量水平的更好的控制，并使对周围健康组织的辐射暴露最小化。
发明内容
如下文更详细地解释的，与目前的装置和方法相比，本公开的示例性实施例使得能够改进电子束放射疗法的许多方面。
本公开的示例性实施例包括使用甚高能电子(very high energy electron)(VHEE)的电子束输送和控制***，以在目标体积内产生高辐射剂量的局部焦斑。示例性实施例能够通过在本文中被称为磁优化甚高能电子治疗(MOVHEET)的技术来控制焦斑的位置。
可以动态地控制结合MOVHEET技术的装置，以在目标区域(例如，肿瘤体积)内产生比周围正常组织更高的辐射剂量的分布。这种能力可以导致更大的正常组织保留(sparing)和肿瘤体积周围更大程度的辐射控制。示例性实施例包括使50兆电子伏-250兆电子伏(MeV)的电子束动态地聚焦到期望目标深度处的焦斑的能力。如本文所使用的，术语“深度”在关于焦斑使用时是指平行于电子束(例如，在进入磁控制装置之前平行于射束的主轴)测量的维度。期望的目标深度可以由放射治疗计划剂量分布确定，其中聚焦***的输出是具有优化的对称性和聚焦角度的射束，这导致目标表面处的低射束密度，从而产生低进入剂量。
用于动态地控制电子聚焦***的焦斑深度的方法可以包括使用目标体积外部的磁场来更改电子轨迹以产生期望的射束行为。
聚焦***的一个实施例利用四极磁场，所述四极磁场由具有四个向内指向的磁极的磁体产生，使得每个相邻的磁极承载相反极性的磁场。载流线圈可以以在铁磁磁体材料内部产生磁场的方式布置，其中可以通过改变线圈电流来调整磁四极磁场的强度。这种类型的磁体设计被称为铁支配的(iron-dominated)。
四极磁体的另一个实施例基于线圈支配的(coil-dominated)设计，其中载流线圈被设计成使得带电粒子束经历的多极磁场直接由线圈自身产生而不使用铁磁芯。改变线圈中的电流调整了磁场的强度。
四极磁场具有使带电粒子束在一个平面中散焦同时使射束在正交平面中聚焦的效果。这可以允许两个平面中的整体聚焦利用四极磁体的组合来实现，所述四极磁体的电流、位置和其它磁参数已经被选择以产生期望的射束。可以使用各种出射射束形状，并且可以使用四极子的某些配置来生成对称射束。
在一个这样的配置中，三个共线的四极磁体的组合可以对于平行的入射电子束产生对称聚焦的射束。这样的***还可以提供发散射束的消象散聚焦(stigmaticfocusing)，其中可以通过改变四极磁体强度(单独或结合其它参数更改)来调整射束焦斑。
在另一个这样的配置中，两个共线的四极磁体的组合可以被用于产生具有椭圆形形状的输出射束，这对于由于周围临界结构而具有严格空间容限的某些剂量分布可能是理想的。使用具有两个或三个四极子的四极***允许用户基于目标区域选择适当的聚焦分布。
例如，为了获得通常用于临床治疗的深度的范围(例如，0-35厘米)的期望深度剂量分布，可以改变四极分离距离和三联***置以实现最优治疗射束。在操作期间，当四极子在由支配电子在场区域内的轨迹的微分方程***的解确定的具体的条件的组下操作时，四极磁体***可以产生聚焦的射束。
在示例性实施例中，针对磁参数的控制***从治疗计划软件取得剂量分布并使用算法来计算产生期望的射束轨迹所必要的聚焦***参数。
还可以借助于正交偶极场横向地扫描射束，所述偶极场在其相应的方向上产生相对于射束的均匀偏移，以产生三维剂量分布。其它实施例可以机械地移动聚焦***以产生三维剂量分布。横向扫描参数可以被包括在射束控制***中并由治疗计划软件确定。
对于使用发散输入射束的聚焦***，射束发散和起始点也是可以由控制***算法确定的变量。作为示例，通过使用被设计为产生唯一发散图案的散射箔可以使笔形射束发散，其中所述发散射束然后通过准直器以限制输入到四极聚焦***中的发散角。散射箔、准直器和四极入口之间的相对位置对于特定的出射射束是唯一的，并且可以与四极设置一起被确定。
应当注意的是，磁场可具有固有的不一致性或误差，这可以转化为聚焦的电子束中的不均匀性。例如，使用六极和八极配置可以顾及对这种不一致性的仔细考虑，以补偿各种几何和色彩的不一致性。聚焦***的一个实施例可以使用与三个散布的八极磁体一致的四极磁体的四联体以产生具有几何像差校正的聚焦射束。
在某些实施例中，算法可被用于求解产生对称聚焦射束的磁参数，其中由四极子引入的不一致性已经由八极磁体补偿，从而在目标体积中产生更高质量的剂量分布。控制***可以动态调整参数以优化由治疗计划***确定的射束。要理解的是，本文公开的磁体配置仅仅是示例性的，并且磁体的其它组合可被用于校正其它磁体引起的不一致性。
某些实施例可以通过利用后部螺线管磁体来动态地控制射束深度，以在目标体积内产生磁场梯度，使得电子在由磁场强度确定的深度处反向。前部螺线管磁体可以与后部磁体结合使用，以修改目标体积中的磁场并增强剂量沉积。可以利用被设计为基于期望剂量分布来调整螺线管电流的控制***来控制局部高剂量区域深度。
示例性实施例包括用于控制放射疗法电子束的装置，其中所述装置包括：电子束发生器，被配置为生成电子束；产生多个磁场的多个磁体，被配置为将电子束聚焦到焦斑；以及控制***，被配置为更改所述多个磁体的一个或多个参数，以使焦斑从第一位置移动到第二位置，其中所述第一位置位于目标区域内的第一深度处，以及所述第二位置位于在目标区域内的第二深度处。
在某些实施例中，目标区域在受试者的表皮表面下方；第一位置或第二位置在距表皮表面0和50厘米之间的深度处。在特定实施例中，电子束具有在50兆电子伏特和250兆电子伏特(MeV)之间的能量。在一些实施例中，当焦斑从第一位置被移动到第二位置时，未调制射束的能量。在具体实施例中，多个磁体包括多个共线的多极磁体。在某些实施例中，多个共线的多极磁体包括至少两个共线的四极磁体。
在特定实施例中，多个磁体的一个或多个参数包括多个共线多极磁体之间的分隔距离；并且控制***被配置以更改多个共线多极磁体之间的分隔距离。在一些实施例中，多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体，以及多个径向聚焦磁体。在具体实施例中，多个磁体包括电磁体；多个磁体的一个或多个参数包括通过电磁体的电流；并且控制***被配置以更改通过电磁体的电流。在某些实施例中，电磁体是铁支配的或线圈支配的超导电磁体。
在特定实施例中，多个磁场被配置为使电子束以在50mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。在一些实施例中，多个磁场被配置为使电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。在具体实施例中，控制***包括计算多个磁体的一个或多个参数的算法。在某些实施例中，控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。在特定实施例中，焦斑包括最大电子剂量浓度。
示例性实施例包括控制放射疗法电子束的方法，其中该方法包括：生成电子束；指引电子束通过由多个磁体产生的多个磁场；利用多个磁场使电子束聚焦到焦斑；以及更改多个磁体的一个或多个参数，以将焦斑从第一位置移动到第二位置，其中所述第一位置位于目标区域内的第一深度处，以及所述第二位置位于目标区域内的第二深度处。
在某些实施例中，目标区域在受试者的表皮表面下方；并且第一位置或第二位置在距表皮表面0和50厘米之间的深度处。在特定实施例中，电子束具有在50兆电子伏特和250兆电子伏特之间的功率。在一些实施例中，当焦斑从第一位置被移动到第二位置时，未调制射束的功率。在具体实施例中，多个磁体包括多个共线的多极磁体。在某些实施例中，多个共线的多极磁体包括至少三个共线的四极磁体。
在特定实施例中，多个磁体的一个或多个参数包括多个共线的多极磁体之间的分隔距离；并且控制***被配置以更改多个共线的多极磁体之间的分隔距离。在一些实施例中，多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体，以及多个径向聚焦磁体。在具体实施例中，多个磁体包括电磁体；多个磁体的一个或多个参数包括通过电磁体的电流；并且控制***被配置以更改通过电磁体的电流。
在某些实施例中，多个磁场被配置为使电子束以在100mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。在特定实施例中，多个磁场被配置为使电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。在一些实施例中，控制***包括计算多个磁体的一个或多个参数的算法。在具体实施例中，控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。在某些实施例中，焦斑包括最大电子剂量浓度。
示例性实施例包括用于控制放射疗法电子束的装置，其中该装置包括：电子束发生器，被配置为生成具有在50兆电子伏特和250兆电子伏特之间的功率的电子束；多个磁体，被配置为使电子束在焦斑处聚焦；以及控制***，被配置为将焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置，其中当焦斑从第一位置被移动到第二位置时，电子束的功率维持在一致的水平。
在某些实施例中，第一位置和第二位置位于目标区域内。在特定实施例中，目标区域在受试者的表皮表面下方；并且第一位置或第二位置在距表皮表面10厘米和20厘米之间的深度处。在一些实施例中，控制***被配置以更改多个磁体的一个或多个参数，以将焦斑从第一位置移动到第二位置。在具体实施例中，控制***包括计算多个磁体的一个或多个参数的算法。
在某些实施例中，控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。在特定实施例中，多个磁体包括多个共线的多极磁体。在一些实施例中，多个共线的多极磁体包括至少三个共线的四极磁体。在具体实施例中，多个磁体的一个或多个参数包括多个共线的多极磁体之间的分隔距离；并且控制***被配置以更改多个共线的多极磁体之间的分隔距离。
在某些实施例中，多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体，以及多个径向聚焦磁体。在特定实施例中，多个磁体包括电磁体；并且控制***被配置以更改多个磁体的一个或多个参数，以将焦斑从第一位置移动到第二位置；多个磁体的一个或多个参数包括通过电磁体的电流；并且控制***被配置以更改通过电磁体的电流。
在特定实施例中，多个磁体被配置为使电子束以在100mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。在一些实施例中，多个磁体被配置为使电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。在具体实施例中，焦斑包括最大电子剂量浓度。
某些实施例包括控制放射疗法电子束的方法，其中该方法包括：生成具有在50兆电子伏特和250兆电子伏特之间的功率的电子束；利用多个磁体使电子束聚焦到焦斑；以及将焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置，同时将电子束的功率维持在一致的水平。
在特定实施例中，第一位置和第二位置位于目标区域内。在某些实施例中，目标区域在受试者的表皮表面下方；第一位置或第二位置在距表皮表面10厘米和20厘米之间的深度处。在一些实施例中，将焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置包括更改多个磁体的一个或多个参数。在具体实施例中，控制***包括计算多个磁体的一个或多个参数的算法。在特定实施例中，控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。在某些实施例中，多个磁体包括多个共线的多极磁体。在一些实施例中，多个共线的多极磁体包括至少三个共线的四极磁体。
在具体实施例中，多个磁体的一个或多个参数包括多个共线的多极磁体之间的分隔距离；并且更改多个磁体的一个或多个参数包括更改多个共线的多极磁体之间的分隔距离。在某些实施例中，多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体，以及多个径向聚焦磁体。在特定实施例中，多个磁体包括电磁体；并且将焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置包括更改通过电磁体的电流。
在某些实施例中，多个磁体被配置为使电子束以在100mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。在特定实施例中，多个磁体被配置为使电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。在一些实施例中，焦斑包括最大电子剂量浓度。
在下文中，术语“耦合”被定义为连接，但不一定是直接连接，并且不一定是机械连接。
当在权利要求和/或说明书中与术语“包括”结合使用时，词语“一”或“一个”的使用可以表示“一个”，但它也与“一个或多个”或“至少一个”的含义一致。术语“大约”、“基本上”和“大致”一般而言指所述值加或减5％。权利要求中术语“或”的使用用于指“和/或”，除非被明确指示仅指替代方案或替代方案是相互排斥的，然而本公开支持仅指替代方案以及指“和/或”的定义。
术语“包括”(以及任何形式的包括，诸如“包括了”和“包括的”)、“具有”(以及任何形式的具有，诸如“具有了”和“具有的”)和“包含”(以及任何形式的包含，诸如“包含了”和“包含的”)是开放式连系动词。因此，“包括”、“具有”或“包含”一个或多个步骤或元素的方法或设备拥有那一个或多个步骤或元素，但不限于仅拥有那一个或多个元素。同样地，“包含”、“具有”或“包括”一个或多个特征的方法的步骤或设备的元素拥有那一个或多个特征，但不限于仅拥有那一个或多个特征。此外，以某种方式配置的设备或结构至少以那种方式配置，但是也可以以未被列出的方式配置。
从以下详细描述中，本发明的其它目的、特征和优点将变得显而易见。但是，应当理解的是，详细描述和具体示例虽然指示本发明的具体实施例，但是仅以说明的方式给出，因为根据详细描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员将显而易见。
附图说明
以下附图构成本说明书的一部分，并且被包括以进一步证明本发明的某些方面。通过结合本文呈现的具体实施例的详细描述参考这些附图中的一个或多个，可以更好地理解本公开。
图1显示了根据本公开示例性实施例的用于控制放射疗法电子束的装置的示意图。
图2显示了图1的实施例中的磁体的布置的透视图。
图3显示了图1的实施例的X-Z平面中的模拟剂量分布图。
图4显示了图1的实施例的Y-Z平面中的模拟剂量分布图。
图5显示了与不聚焦的电子束相比的图1的实施例的模拟百分比剂量分布曲线的图。
图6显示了根据本公开的示例性实施例的用于控制放射疗法电子束的装置的示意图。
图7图示了针对图1的实施例的不同配置的模拟百分比深度剂量曲线的图。
图8图示了针对图6的实施例的根据在***CT(计算机断层扫描)图像上聚焦的多个电子束的复合剂量分布的Monte Carlo计算。
图9图示了针对图6的实施例的根据在***CT(计算机断层扫描)图像上聚焦的多个电子束的复合剂量分布的Monte Carlo计算。
图10图示了针对图6的实施例的不同配置的模拟百分比深度剂量曲线的图。
具体实施方式
先参考图1，示出了用于控制放射疗法电子束的装置100。在这个实施例中，装置100包括被配置为生成电子束155的电子束发生器150。装置100还包括多个磁体105，所述多个磁体105包括共线的多极磁体。
在这个实施例中，磁体105包括第一四极磁体101、第二四极磁体102和第三四极磁体103。第一四极磁体101包括第一极111、第二极112、第三极113和第四极114。要理解的是，第二四极磁体102和第三四极磁体103也包括四个极(为清楚起见，在图中未标记)。图2中示出了磁体105的顶部透视图。
在装置100的操作期间，磁体105产生多个磁场，所述磁场被配置为使电子束155聚焦并在目标区域中的焦斑处提供最大电子剂量浓度。具体参考图3和图4，示出了装置100在X-Z平面(图3)和Y-Z平面(图4)中的模拟剂量分布图。剂量分布是使用Monte Carlo计算代码计算的，是用于模拟物质中高能粒子的相互作用的通用代码。参见“The FLUKA Code:Developments and Challenges for High Energy and MedicalApplications”T.T.F.Cerutti,M.P.W.Chin,A.Fassò,A.Ferrari,P.G.Ortega,A.Mairani,P.R.Sala,G.Smirnov和V.Vlachoudis，Nuclear Data Sheets 120,211-214(2014)；另见“FLUKA:a multi-particle transport code”A.Ferrari,P.R.Sala,A.Fasso`和J.Ranft，CERN-2005-10(2005)，INFN/TC_05/11，SLAC-R-773。图3和图4是通过以0.05cm的最小步长、10keV的带电粒子截止能量以及1mm的剂量装仓(binning)网格尺寸跟踪2.5×105而产生的。在这个示例中，电子束155是100兆电子伏特(MeV)、5厘米半径的电子束。电子束155被示为穿过100厘米的空气并在水模上(在Z维度为0厘米，与受试者的表皮表面相对应)入射。在图示的实施例中，磁体105被配置为四极三联体并且用作对称均匀聚焦透镜。
如图3中示出的，第一四极磁体101使电子束155在X-Z平面中聚焦，而第二四极磁体102使电子束155散焦，并且第三四极磁体103使电子束155聚焦。如图4中示出的，磁体101、102和103对Y-Z平面中的电子束155执行相反的操作。特别地，第一四极磁体101使射束155在Y-Z平面中散焦，而第二四极磁体102使电子束155聚焦，并且第三四极磁体103使电子束155散焦。
如图3和图4中示出的，磁体105可以被配置为使电子束155聚焦并在焦点125处提供最大电子剂量浓度。如下文进一步解释的，在操作期间，控制***190(图1中示出的)可以更改磁体105的一个或多个参数，以将焦斑125移动到Z平面中目标区域内的不同深度。在示例性实施例中，当焦斑125被移动到目标区域内的不同深度时，未调制电子束155的功率。
例如，控制***190可以控制磁体105的组中的各个磁体的位置以更改磁体之间的分隔距离。特别地，控制***190可以更改第一四极磁体101和第二四极磁体102之间的分隔距离。控制***190还可以更改第二四极磁体102和第三四极磁体103之间的分隔距离。
磁体101、102和103之间的分隔距离可以通过任何一种合适的机构(包括例如一个或多个线性致动器)来更改。例如，如图1中示出的，控制***190可以分别经由线性致动器131、132和133来控制磁体101、102和103的位置。通过调整每个磁体101、102和103的位置，可以更改磁体之间的分隔距离。磁体105的组中的磁体之间的分隔距离的更改影响电子束155的聚焦和会聚角A，在图4中示出。
随着会聚角A增大，焦斑125被移动更靠近磁体105。相反，当控制磁体105之间的分隔距离以减小会聚角A时，焦斑125被移动更远离磁体105。在某些实施例中，装置100可以将会聚角A增大达到大致400毫弧度的值。这可以允许焦斑125在目标区域内通常距离表面0和35厘米之间移动。要理解的是，在图3的X-Z平面中存在类似的会聚角。为清楚起见，未标记图3中存在的会聚角。
在其它实施例中，控制***190可以控制不同的参数以控制电子束155和焦斑125。例如，在某些实施例中，磁体105可以包括电磁体，并且控制***190可以被配置为更改通过电磁体的电流。类似于磁体分隔距离，更改通过磁体101、102和103中的每一个的电流也可以影响会聚角A和焦斑125的位置。因而，通过允许焦斑125在轴向方向上(例如，与电子束155共线)被移动更靠近和更远离磁体105，磁体参数(例如，磁体分隔距离或电流)的更改可以改变焦斑125的深度。
通过磁参数控制会聚角A和焦斑125的位置的能力可以提供许多优点。例如，可以减少目标区域之外的区域中的辐射剂量。特别地，与焦斑125处的横截面相比，产生更大的会聚角的能力可以提供在皮肤表面处的波束155的更大的横截面。特定实施例可以能够产生低至焦斑125处的最大剂量的百分之十五的表面进入剂量，这与提供最大剂量的大致百分之八十或百分之九十的表面剂量的典型现有技术相反。控制焦斑的轴向深度位置并且最小化对目标区域之外的健康组织的辐射剂量水平的能力可以改善患者疗效并减少恢复时间。
此外，示例性实施例还提供了在不调制射束155的能量的情况下控制目标区域内焦斑125处的辐射剂量峰值的深度的能力。目前的电子疗法技术通常改变电子束的能量以调整穿透的深度，这是手动地完成的并且不适合用于剂量水平的动态控制。例如，改变射束的能量以调整穿透的深度不允许独立控制焦斑深度和辐射水平。
相反，本公开的示例性实施例被配置为穿透患者厚度的整个临床范围，并且然后使用磁***参数在目标中产生可以在整个目标深度移动的高剂量聚焦区域。目标深度可以由除电子束能量水平之外的参数(例如，磁体电流和/或位置)控制。
作为如本文所公开的剂量峰值深度控制的结果，可以叠加变化的剂量峰值深度的射束以在患者体内与肿瘤或治疗部位相对应的深度的区域上产生恒定剂量的区域。
图5图示了对于5厘米半径的圆形射束，140MeV电子束在水上的模拟百分比剂量分布的图。在图5的一条曲线中，电子束没有被聚焦，而在另一条曲线中，利用如图1和图2中示出的共线的四极磁体配置来使相同的射束聚焦。如图5中示出的，与不聚焦的射束相比，聚焦的射束的表面(例如，0cm的深度)处的百分比剂量显著减小。聚焦的射束在表面处提供的剂量在最大剂量的20％和30％之间，而不聚焦的射束提供在最大剂量的70％和80％之间的表面剂量。图5还图示了聚焦射束在略小于15cm的深度处提供最大剂量。
其它实施例可以包括与先前示出和描述的磁体不同的磁体配置。例如，现在参考图6，装置200包括多个磁体205，这些磁体不共线并且被配置以控制电子束255。在这个实施例中，磁体205被配置为螺线管电磁体并且包括前部透镜磁体201、后部反射磁体202以及多个径向聚焦磁体203、204、206和207。
在装置200的操作期间，控制***290可以控制磁体205的参数，以便以类似于先前描述的实施例的方式使射束255在不同的深度聚焦。例如，控制***290可以控制通过磁体201-204和206-207中的每一个的电流。控制***还可以被配置为控制磁体201-204和206-207的位置，使得每个磁体之间的分隔距离被更改以改变射束255的焦斑(为清楚起见，图6中未示出)。
在图6中示出的配置中，前部透镜磁体201是聚焦的主要源。径向聚焦磁体203、204、206和207产生目标内的磁场，该磁场修改前部透镜磁体201场并提供附加的聚焦。可以基于治疗深度来调整径向聚焦磁体203、204、206和207的平面。后部反射磁体202产生磁场梯度，使得电子在取决于磁体202的磁场强度的深度处被反射，从而导致辐射剂量被限定到期望的深度。
图7图示了在水模上入射的100MeV、5cm半径的电子束的模拟百分比深度剂量曲线的图，其中所述射束已经使用图6的配置来聚焦，其中磁平面的不同深度由平面内磁体203、204、206和207限定。如图7中示出的，磁平面的不同深度与到不同深度的剂量峰值的移位相对应。40cm磁平面在大致16cm处具有最大剂量峰值，35cm磁平面在大致13.5cm处具有最大剂量峰值，30cm磁平面在大致11.5cm处具有最大剂量峰值，以及25cm磁平面在大致8.5cm处具有最大剂量峰值。为了比较，示出了没有任何聚焦磁场的20MeV电子的5cm半径圆形射束的百分比深度剂量曲线。如图7中示出的，不聚焦的20MeV射束的表面剂量在80％和90％之间，而聚焦的射束的表面剂量在10％和20％之间。
图8图示了使用图6中示出的磁体配置的根据***CT(计算机断层扫描)图像上的具有变化的能量的五个聚焦的电子束的复合剂量分布的Monte Carlo计算。图9图示了利用“剂量涂抹”的形式(例如，更改每个射束的焦斑的深度)的根据具有变化的能量的10个聚焦的电子束的复合剂量分布的Monte Carlo计算。使用图6中示出的磁体配置，这个技术可以被用于增加整个***的高剂量覆盖。
图10图示了针对图6中示出的实施例的不同配置的百分比剂量相对深度的曲线图，所述实施例利用径向聚焦磁体以及前部透镜磁体和后部反射磁体。该曲线图包括25厘米磁平面配置、40厘米磁平面配置，其中每个分布的强度被优化以产生模拟的展开Bragg峰(“伪SOBP”)配置。图10中图示的曲线图包括针对具有5厘米半径的100MeV电子束的模拟数据。
*＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊*
根据本公开，无需过度实验就可以制造和执行本文所公开和要求保护的所有设备、装置、***和/或方法。虽然已经依据特定实施例描述了本发明的设备、装置、***和方法，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的概念、精神和范围的情况下，可以在本文描述的方法的步骤中或步骤的顺序中将变化应用到设备、装置、***和/或在方法。对于本领域技术人员显而易见的所有这些类似的替代和修改都被认为在由所附权利要求限定的本发明的精神、范围和概念内。
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Claims (57)

1.一种用于控制放射疗法电子束的装置，所述装置包括：
电子束发生器，被配置为生成电子束；
多个磁体，产生被配置为使所述电子束聚焦到焦斑的多个磁场；以及
控制***，被配置为更改所述多个磁体的一个或多个参数以将所述焦斑从第一位置移动到第二位置，其中所述第一位置位于目标区域内的第一深度处，以及所述第二位置位于所述目标区域内的第二深度处。
2.如权利要求1所述的装置，其中：
所述目标区域在受试者的表皮表面下方；以及
所述第一位置或所述第二位置在距所述表皮表面0和50厘米之间的深度处。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述电子束具有在50兆电子伏特(MeV)和250兆电子伏特之间的能量。
4.如权利要求3所述的装置，其中当所述焦斑从所述第一位置被移动到所述第二位置时，未调制射束的能量。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述多个磁体包括多个共线的多极磁体。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述多个共线的多极磁体包括至少两个共线的四极磁体。
7.如权利要求5所述的装置，其中：
所述多个磁体的所述一个或多个参数包括所述多个共线的多极磁体之间的分隔距离；以及
所述控制***被配置以更改所述多个共线的多极磁体之间的所述分隔距离。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体以及多个径向聚焦磁体。
9.如权利要求1所述的装置，其中：
所述多个磁体包括电磁体；
所述多个磁体的所述一个或多个参数包括通过所述电磁体的电流；以及
所述控制***被配置以更改通过所述电磁体的所述电流。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述电磁体是铁支配的或线圈支配的超导电磁体。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述多个磁场被配置为使电子束以在50mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述多个磁场被配置为使电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述控制***包括计算所述多个磁体的所述一个或多个参数的算法。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述焦斑包括最大电子剂量浓度。
16.一种控制放射疗法电子束的方法，所述方法包括：
生成电子束；
指引所述电子束通过由多个磁体产生的多个磁场；
利用所述多个磁场将所述电子束聚焦到焦斑；以及
更改所述多个磁体的一个或多个参数，以将所述焦斑从第一位置移动到第二位置，其中所述第一位置位于目标区域内的第一深度处，以及所述第二位置位于所述目标区域内的第二深度处。
17.如权利要求16所述的方法，其中：
所述目标区域在受试者的表皮表面下方；以及
所述第一位置或所述第二位置在距所述表皮表面0和50厘米之间的深度处。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述电子束具有在50兆电子伏特和250兆电子伏特之间的功率。
19.如权利要求18所述的方法，其中当所述焦斑从所述第一位置被移动到所述第二位置时，未调制射束的功率。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述多个磁体包括多个共线的多极磁体。
21.如权利要求于20所述的方法，其中所述多个共线的多极磁体包括至少三个共线的四极磁体。
22.如权利要求于20所述的方法，其中：
所述多个磁体的所述一个或多个参数包括所述多个共线的多极磁体之间的分隔距离；以及
所述控制***被配置以更改所述多个共线的多极磁体之间的所述分隔距离。
23.如权利要求16所述的方法，其中所述多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体以及多个径向聚焦磁体。
24.如权利要求16所述的方法，其中：
所述多个磁体包括电磁体；
所述多个磁体的所述一个或多个参数包括通过所述电磁体的电流；以及
所述控制***被配置以更改通过所述电磁体的所述电流。
25.如权利要求16所述的方法，其中所述多个磁场被配置为使所述电子束以在100mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。
26.如权利要求16所述的方法，其中所述多个磁场被配置为使所述电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。
27.如权利要求16所述的方法，其中所述控制***包括计算所述多个磁体的所述一个或多个参数的算法。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。
29.如权利要求16所述的方法，其中所述焦斑包括最大电子剂量浓度。
30.一种用于控制放射疗法电子束的装置，所述装置包括：
电子束发生器，被配置为生成具有在50兆电子伏特和250兆电子伏特之间的功率的电子束；
多个磁体，被配置为使所述电子束在焦斑处聚焦；以及
控制***，被配置为将所述焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置，其中当所述焦斑从所述第一位置被移动到所述第二位置时，所述电子束的功率被维持在一致的水平。
31.如权利要求30所述的装置，其中所述第一位置和所述第二位置位于目标区域内。
32.如权利要求31所述的装置，其中：
所述目标区域在受试者的表皮表面下方；以及
所述第一位置或所述第二位置在距所述表皮表面10厘米和20厘米之间的深度处。
33.如权利要求30所述的装置，其中所述控制***被配置以更改所述多个磁体的一个或多个参数，以将所述焦斑从所述第一位置移动到所述第二位置。
34.如权利要求33所述的装置，其中所述控制***包括计算所述多个磁体的所述一个或多个参数的算法。
35.如权利要求35所述的装置，其中所述控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。
36.如权利要求33所述的装置，其中所述多个磁体包括多个共线的多极磁体。
37.如权利要求36所述的装置，其中所述多个共线的多极磁体包括至少三个共线的四极磁体。
38.如权利要求36所述的装置，其中：
所述多个磁体的所述一个或多个参数包括所述多个共线的多极磁体之间的分隔距离；以及
所述控制***被配置以更改所述多个共线的多极磁体之间的所述分隔距离。
39.如权利要求30所述的装置，其中所述多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体以及多个径向聚焦磁体。
40.如权利要求30所述的装置，其中：
所述多个磁体包括电磁体；
所述控制***被配置以更改所述多个磁体的一个或多个参数，以将所述焦斑从所述第一位置移动到所述第二位置；
所述多个磁体的所述一个或多个参数包括通过所述电磁体的电流；以及
所述控制***被配置以更改通过所述电磁体的所述电流。
41.如权利要求30所述的装置，其中所述多个磁体被配置为使所述电子束以在100mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。
42.如权利要求30所述的装置，其中所述多个磁体被配置为使所述电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。
43.如权利要求30所述的装置，其中所述焦斑包括最大电子剂量浓度。
44.一种控制放射疗法电子束的方法，所述方法包括：
生成具有在50兆电子伏特和250兆电子伏特之间的功率的电子束；
利用多个磁体将所述电子束聚焦成焦斑；以及
将所述焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置，同时将所述电子束的功率维持在一致的水平。
45.如权利要求44所述的方法，其中所述第一位置和所述第二位置位于目标区域内。
46.如权利要求45所述的方法，其中：
所述目标区域在受试者的表皮表面下方；以及
所述第一位置或所述第二位置在距所述表皮表面10厘米和20厘米之间的深度处。
47.如权利要求44所述的方法，其中将所述焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置包括更改所述多个磁体的一个或多个参数。
48.如权利要求47所述的方法，其中所述控制***包括计算所述多个磁体的所述一个或多个参数的算法。
49.如权利要求48所述的方法，其中所述控制***从被配置为计算剂量分布的治疗计划软件程序接收输入。
50.如权利要求47所述的方法，其中所述多个磁体包括多个共线的多极磁体。
51.如权利要求50所述的方法，其中所述多个共线的多极磁体包括至少三个共线的四极磁体。
52.如权利要求50所述的方法，其中：
所述多个磁体的所述一个或多个参数包括所述多个共线的多极磁体之间的分隔距离；以及
更改所述多个磁体的一个或多个参数包括更改所述多个共线的多极磁体之间的所述分隔距离。
53.如权利要求44所述的方法，其中所述多个磁体包括前部透镜磁体、后部反射磁体以及多个径向聚焦磁体。
54.如权利要求44所述的方法，其中：
所述多个磁体包括电磁体；以及
将所述焦斑从第一深度处的第一位置移动到第二深度处的第二位置包括更改通过所述电磁体的电流。
55.如权利要求44所述的方法，其中所述多个磁体被配置为使所述电子束以在100mrad和500mrad之间的会聚角聚焦。
56.如权利要求44所述的方法，其中所述多个磁体被配置为使所述电子束以在200mrad和400mrad之间的会聚角聚焦。
57.如权利要求44所述的方法，其中所述焦斑包括最大电子剂量浓度。
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