用于粒子治疗的紧凑机架
阅读：1026发布：2020-07-30
专利汇可以提供用于粒子治疗的紧凑机架专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于 放射 治疗 的粒子治疗设备。更具体地，本发明涉及一种紧凑等中心 机架 ，该机架用于以与所述机架的旋 转轴 线垂直的方式输送 粒子束 。该机架包括三个偶极磁体。最后偶极磁体的 角 度小于90°，并且该最后偶极磁体的最优选弯曲角度是60°。，下面是用于粒子治疗的紧凑机架专利的具体信息内容。
1.一种等中心机架，所述等中心机架被设计用于绕旋转轴线旋转并且用于输送粒子束以用于粒子治疗，所述等中心机架包括：
机架束线，所述机架束线具有用于使所述粒子束沿大致平行于所述旋转轴线的方向进入到所述机架中的机架入口点(25)；
第一偶极磁体(20)、第二偶极磁体(21)和第三偶极磁体(22)，这些偶极磁体顺序设置用于依次使得所述粒子束在单平面内弯曲并且还被设置用于沿大致垂直于所述旋转轴线的方向在等中心点(27)处输送所述粒子束，所述第三偶极磁体(22)具有小于80°的弯曲角度；
四极磁体(24)，所述四极磁体用于使所述粒子束聚集和散焦；
所述等中心机架的特征在于，
所述等中心机架还包括粒子束扫描装置(23)，所述粒子束扫描装置被安装在所述第二偶极磁体(21)与所述第三偶极磁体(22)之间并且构造成用于沿X方向和Y方向扫描在所述等中心点(27)处的靶区内的所述粒子束。
2.根据权利要求1所述的等中心机架，其特征在于，所述第三偶极磁体(22)具有60°的弯曲角度。
3.根据权利要求1或2所述的等中心机架，其特征在于，所述机架入口点(25)与所述第一偶极磁体(20)的入口之间的束线段是短漂移段。
4.根据权利要求1或2所述的等中心机架，其特征在于，所述第一偶极磁体(20)和所述第二偶极磁体(21)之间的束线段包括五个四极磁体(24)；并且，所述第二偶极磁体(21)和所述第三偶极磁体(22)之间的束线段不包括四极磁体(24)。
5.根据权利要求1或2所述的等中心机架，所述等中心机架还包括用于使所述机架在至少180°的角度范围内旋转的装置。
6.根据权利要求1或2所述的等中心机架，其特征在于，所述粒子束扫描装置(23)包括组合X-Y扫描磁体。
7.一种等中心机架，所述等中心机架被设计用于绕旋转轴线旋转并且用于输送粒子束以用于粒子治疗，所述等中心机架包括：
机架束线，所述机架束线具有用于使所述粒子束沿大致平行于所述旋转轴线的方向进入到所述机架中的机架入口点(25)；
第一偶极磁体(20)、第二偶极磁体(21)和第三偶极磁体(22)，这些偶极磁体顺序设置用于依次使得所述粒子束在单平面内弯曲并且还被设置用于沿大致垂直于所述旋转轴线的方向在等中心点(27)处输送所述粒子束，所述第三偶极磁体(22)具有小于80°的弯曲角度；
四极磁体(24)，所述四极磁体用于使所述粒子束聚集和散焦；
粒子束散射装置，所述粒子束散射装置适于在所述等中心点(27)处沿X方向和Y方向提供宽束；
所述等中心机架的特征在于，
所述粒子束散射装置包括安装在所述第二偶极磁体(21)与所述第三偶极磁体(22)之间的第一散射装置以及安装在所述第三偶极磁体(22)后面的第二散射装置。
8.一种粒子治疗设备，所述粒子治疗设备包括：粒子加速器；用于改变粒子能量的装置；束传输系统；以及根据权利要求1、2或7中任一项所述的等中心机架。
用于粒子治疗的紧凑机架
技术领域
背景技术
[0002] 使用带电粒子(例如，质子、碳离子等)的放射疗法被证实是精确且适形的放射治疗技术，其中能够将高剂量输送到靶区同时使围绕健康组织的剂量最小化。粒子治疗设备包括：加速器，该加速器产生高能带电粒子；束传输系统，该束传输系统用于将粒子束引导到一个或多个治疗室；以及用于每个治疗室的粒子束输送系统。人们能够区分两种类型的束输送系统，即能够区分将束从固定放射方向输送到靶的固定束输送系统以及能够将束从多个放射方向输送到靶的旋转束输送系统。这种旋转束输送系统还被称为机架。靶通常被定位在由机架的旋转轴线与中心束轴线的交叉限定的固定位置。该交点被称为等中心点，并且能够将束从各个方向输送到等中心点的这种类型的机架被称为等中心机架。
[0003] 机架束输送系统包括用于整形该束以匹配靶的装置。存在用于粒子束治疗以整形该束的两种主要技术：更常见的被动式散射技术以及更先进的动态辐射技术。动态辐射技术的示例是所谓的笔形束扫描(PBS)技术。在PBS中，窄笔形束被磁性扫描到与中心束方向正交的平面上。通过扫描磁体的适当控制来获得靶区的横向一致。通过改变粒子束的能量，靶区中以其固定粒子能量表征的不同层能够随后被照射。由此，粒子辐射剂量能够被输送到整个3D靶区。
[0004] 在患者身上具有足够穿透深度所需的粒子束能量取决于所使用的粒子类型。例如，对于质子治疗，束能量通常在70MeV和250MeV之间。申请人已经构造出结合高达235MeV的质子束能量使用的质子机架。这种机架在图1A中被示出并且该机架构造由J.B.Flanz在“Large Medical Gantries”，Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference，Volume 3，p 2007-2008中进行描述。在该机架中，束在借助45°偶极磁体12偏转之前由一系列四极第一次聚集，并且接着，该束在其借助135°偶极磁体15弯曲并且朝向等中心点(垂直于旋转轴线)之前由5个四极磁体19进一步聚焦。该机架还包括两个扫描磁体18，以沿两个正交方向扫描该束以供笔形束扫描使用。由于在135°的最后偏转磁体与等中心点之间3m的大距离，因此这些扫描磁体18被安装在最后偏转磁体下游。在最后偏转磁体15与扫描磁体18之间安装有两个附加的四极磁体19。这种机架的缺点在于其具有大尺寸：大约10m的直径以及超过10m的长度。该机架还具有高制造成本。
[0005] 用于质子和碳治疗的机架的更新概述由U Weinrich在“Gantry design for proton and carbon hadrontherapy facilities”，Proceedings of EPAC 2006(European Particle Accelerator Conference)，Edingburgh，Scotland中给出。如所示的，全部质子等中心机架具有在9m至12m之间的纵向尺寸以及束从机架旋转轴线的最大径向位移，该最大径向位移在32m与5m之间变化。
[0006] 旋转粒子机架包括：旋转束线，该旋转束线总体上包括用于在真空中传输粒子束的真空管；用于使粒子束聚焦和散焦的各个四极磁体；用于使粒子束弯曲的各个偶极磁体；以及用于监测该束的束监测器。本申请中提出的旋转机架类别是所谓的单平面旋转机架，该单平面旋转机架包括构造成使得在机架束线的每个偶极磁体中的弯曲发生在同一平面内的偶极磁体。该单平面机架类别不同于另一类别的机架(具有两个正交弯曲平面的所谓“螺旋拔塞器式(cork-screw)”机架)。在单平面机架类别中，当前存在两种主要构造，这些构造在图1B中示意性地示出，其中示出了由这些机架中的束跟随的中心束路径。该束大致平行于旋转轴线在耦合点或入口点11处进入该机架并且在进入第一偶极磁体12、13之前以第一直束线段开始。该耦合点或入口点被限定为束线的固定部与旋转机架的束线之间的过渡部。单平面机架的两种主要构造之间的差别与安装在机架中的偶极磁体的数量有关。单平面机架的偶极的弯曲平面还被称为“水平”平面并且非弯曲平面被称为“竖直”平面或Y平面。
[0007] 单平面机架类别的第一主要构造是所谓的锥形机架。示例是由申请人构造并且如图1A所示的质子机架。由这种机架中的质子束跟随的中心束路径在图1B中以虚线示出。第一45°偶极磁体12将该束远离机架的旋转轴线弯曲，并且该束接着在进入第二135°偶极磁体15之前跟随第二直束线段，该第二135°偶极磁体15使得束弯曲并且将其大致垂直于旋转轴线引导。束与机架的旋转轴线的交点被称为治疗等中心点17。待被照射的靶被定位在治疗等中心点处。在由申请人构造的锥形机架构造中(图1A)，耦合点11与第一45°偶极磁体12之间的直束线段包括四个四极磁体，并且第一偶极磁体12和第二偶极磁体15之间的第二直线段包括五个四极磁体(在图1B中未示出四极磁体)。由申请人构造的锥形机架构造还由Pavlovic在“Beam-optics study of the gantry beam delivery system for light-ion cancer therapy”，Nucl.Instr.Meth.In Phys.Res.A 399(1997)on page 440中讨论。
[0008] 单平面机架类别的第二主要构造是所谓的筒形机架，也称为桶形机架。在筒形机架中的束的中心束路径也在图1B中示出，其中用实线表示的束在耦合点11处进入机架，并且在进入使得束远离旋转轴线弯曲的第一偶极磁体13(例如，第一60°磁体)之前行进通过第一直束线段，并且在进入具有相同弯曲角度但具有相反方向的第二偶极磁体14之前由第二直束线段跟随，从而得到在与机架的旋转轴线平行的第三直束线段中传播的束。于是，第三90°偶极磁体16还被用于使得束沿与旋转轴线垂直的方向弯曲。这三条直束线段分别包括两个、两个和三个四极磁体(在图1B中未示出)。如图1B所示的该筒形机架构造与针对PSI质子机架2提出的几何尺寸对应，该PSI质子机架2由Weinrich(966-967页以及966页的图8)讨论。通过Weinrich所讨论的全部等中心机架构造，与机架的旋转轴线具有最小的最大径向束位移(这还被称为机架半径)的机架通过如上所述针对等中心PSI质子机架2所提出的设计来获得。在该几何尺寸下，获得32m的机架半径(第967页表2的最后一栏)。
[0009] 筒形机架的变形是由M.Pavlovic在“Oblique gantry-an alternative solution for a beam delivery system for heavy-ion cancer therapy”，Nucl.Instr.Meth.in Phys.Res.A 434(1999)on page 454-466中公开的所谓倾斜机架。正如标准筒形机架的那样，该倾斜机架也包括三个偶极磁体，其中前面两个偶极磁体具有相同的弯曲角度但是具有相反的符号，从而导致束沿与机架的旋转轴线平行的方向在第二偶极和第三偶极之间传播(见Pavlovic等人的，460页的图3)。第三偶极磁体具有小于90°(例如60°)的角度，并且因此最终束不垂直于机架的旋转轴线被输送，如同上述标准筒形机架那样。相反，该最终束以相对于机架轴线的不同于90°的角度在等中心点处被输送。例如，在第三偶极磁体的弯曲角度是60°的情况下，该束在60°的角度下被输送。这种倾斜机架的缺点在于，在不移动患者的情况下，一个机架不能覆盖全部治疗角度。例如，对于60°的倾斜机架，治疗角度被局限于-60°至+60°的扇区(见463页的部分4的第一句)。
[0010] 在EP1041579A1中，公开了筒形机架构造的附加示例。在该专利申请的图1中，筒形机架被示出并且在表2中被规定：第一偶极磁体和第二偶极磁体具有42°的弯曲角度，并且第三偶极磁体具有90°的弯曲角度。如在该专利申请的摘要中提及的，预期其他构造，即第一偶极磁体具有在40°至45°范围内的弯曲角度且第二偶极磁体具有与第一偶极磁体相同的弯曲角度，以使得该束平行于机架的旋转轴线弯曲。第三弯曲磁体具有在45°至90°范围内的弯曲角度，用于使该束朝向机架的旋转轴线弯曲并且使得该束与该旋转轴线相交。如上所述，如果最后弯曲磁体具有小于90°的弯曲角度(这是所谓的倾斜机架)，那么该束不会与机架的旋转轴线垂直地被输送。同样，这种倾斜机架构造的缺陷在于，不能覆盖全部的治疗角度。
[0011] 申请人开发并且如图1A所示的锥形机架以及PSI机架2(见Weinrich的966页的图8)的筒形机架构造被设计用于供笔形束扫描系统使用。在45°-135°锥形机架构造中，用于沿水平平面(也称为X方向)以及竖直平面(也称为Y方向)扫描该束的扫描磁体18被安装在135°偶极磁体的下游。这种机架构造的缺陷在于，需要在最后偏转磁体(在该示例中，135°磁体)的出口与机架等中心点之间提供大的间距，这导致大的机架半径R。该扫描磁体需要被安装得足够远离等中心点(例如，2m或更多)，以便具有足够大的SAD(源轴距)。SAD越大，皮肤剂量就越小。如图1B所示，对于该锥形机架，被限定为从该束到机架的旋转轴线的最大距离的机架半径是大约4.5m。
[0012] 在筒形PSI机架2构造中，扫描磁体18被安装在第二60°偶极磁体14与最后90°偶极磁体16之间。该机架构造的主要缺陷在于，最后90°偏转磁体16需要具有大间隙(竖直)和大极宽(水平)，以便能够在等中心点的大靶面积(例如，25cmx20cm或
40cmx30cm)内扫描该束。因此，这种90°偶极磁体的尺寸和重量是大的，并且此外功耗是高的。这种90°磁体能够重达20吨。第二缺陷在于，第二60°偶极磁体14与最后90°偏转磁体之间的直平行线段是相对长的，这导致长的轴向机架尺寸。该PSI机架2具有如Weinrich(966页的表2)中描述的11.6m的轴向长度，该轴向长度被限定为耦合点11与等中心点之间的轴向距离。具有90°最后偏转磁体的筒形机架构造同样在专利US7348579中被讨论。
40cmx30cm)内扫描该束。因此，这种90°偶极磁体的尺寸和重量是大的，并且此外功耗是高的。这种90°磁体能够重达20吨。第二缺陷在于，第二60°偶极磁体14与最后90°偏转磁体之间的直平行线段是相对长的，这导致长的轴向机架尺寸。该PSI机架2具有如Weinrich(966页的表2)中描述的11.6m的轴向长度，该轴向长度被限定为耦合点11与等中心点之间的轴向距离。具有90°最后偏转磁体的筒形机架构造同样在专利US7348579中被讨论。
[0013] 本发明旨在提供一种克服现有技术的问题的装置。本发明的目的在于设计一种机架，该机架与现有技术的机架相比能够以降低的成本构造并且其中最后偶极磁体的功耗降低。附加目的还在于降低机架的总尺寸，使得治疗室的容积能够减少，且因此建筑的成本也能够减少。
发明内容
[0015] 根据本发明的第一方面，提供一种等中心机架，所述等中心机架被设计用于绕旋转轴线旋转并且用于输送粒子束以用于粒子治疗。所述等中心机架包括：
[0016] 机架束线，所述机架束线具有用于使所述粒子束沿大致平行于所述旋转轴线的方向进入到所述机架中的机架入口点；
[0017] 第一偶极磁体、第二偶极磁体和第三偶极磁体，这些偶极磁体顺序设置用于依次使得所述粒子束在单平面内弯曲并且用于沿大致垂直于旋转轴线的方向在等中心点处输送所述粒子束；
[0018] 四极磁体，所述四极磁体用于使所述粒子束聚集和散焦；
[0019] 所述等中心机架的进一步特征在于，所述第三偶极磁体具有小于90°、优选地小于80°、更优选地小于70°的弯曲角度。
[0020] 最优选地，所述第三偶极磁体具有60°的弯曲角度。
[0021] 更优选地，所述机架入口点与所述第一偶极磁体的入口之间的束线段是短漂移段。这意味着在所述入口点与所述第一偶极磁体的所述入口之间不安装四极磁体。
[0022] 甚至更优选地，所述第一偶极磁体和所述第二偶极磁体之间的所述束线段包括五个四极磁体，并且所述第二偶极磁体和所述第三偶极磁体之间的束线段不包括四极磁体。
[0023] 甚至更优选地，所述等中心机架包括用于使所述机架在至少180°的角度范围内旋转的装置。
[0024] 根据本发明的机架还能够包括粒子束扫描装置或适于在所述等中心点处提供宽束的粒子束散射装置，所述粒子束扫描装置被安装在所述第二偶极磁体与所述第三偶极磁体之间并且构造用于在所述等中心点处的靶区内扫描所述粒子束。
[0026] 图1A示出了现有技术机架构造的示意图。
[0027] 图1B示出了由用于两种现有技术机架构造的粒子束跟随的迹线的示意图。
[0028] 图2示出了根据本发明的示例性机架的布局的示意图。
[0029] 图3示出了用于图2的机架的束光学计算的结果。
[0030] 图4是当扫描图2的机架中的束时的束光学计算的结果。
[0031] 图5示出了根据本发明的示例性机架机械结构的概念视图。
[0032] 图6示出了用于现有技术机架的治疗室布局连同用于根据本发明的机架的治疗室布局。
[0033] 图7示出了由用于根据本发明的各种机架构造的质子束跟随的中心束路径。
具体实施方式
[0034] 现将关于附图来详细地描述本发明。然而，显然，本领域技术人员能够构想到若干等同的实施方式或执行本发明的其他方式。
[0035] 首先，公开了包括笔形束扫描系统的示例性单平面机架，该单平面机架同时是紧凑的、具有降低的重量并且具有降低的生产成本以及具有较低的功率消耗。
[0036] 图2示出了这种机架的优选布局。机架被示出处于90°的角位置(即，当沿平行于机架轴线的方向从等中心点27朝向第一偶极磁体20看时，机架在三点钟处)。机架具有三个偶极磁体20、21、22并且具有用于在X和Y上扫描该束的被安装在第二偶极磁体21和第三偶极磁体22之间的装置23。在第一偶极磁体20和第二偶极磁体21之间，安装有许多四极磁体24。在机架入口点25与第一偶极磁体20的入口之间的束线段优选地是不包括四极磁体的短漂移段。如图2中用虚线所示的，该机架在旋转时绘制的总体形状能够被近似为对顶圆锥，第一圆锥具有处于耦合点25的水平的顶点以及垂直于机架旋转轴线的底部，并且该底部在该束实现等于第一偶极磁体的角度的第一角旋转的位置处与该第二偶极磁体21交叉。第二圆锥是截锥，该截锥具有与第一圆锥的底部重合的底部并且其顶点由平行于底平面的平面切断，如图2所示。
[0037] 在本发明的优选实施方式中，第三偶极磁体22具有60°的弯曲角度，第一偶极磁体20具有36°的弯曲角度。于是，第二磁体的弯曲角度被计算为36°+90°-60°＝66°。在第二偶极磁体21和第三偶极磁体22之间，能够提供用于在X和Y上扫描粒子束的装置。
该情况是，优选地将组合X-Y扫描磁体用于该端，因为这与用于X和Y方向的两个单独扫描磁体相比占用更少的空间。在机架入口点25与第一偶极磁体20之间的第一直束线段的长度是大约0.4m长并且是纯漂移段(即，在该段中未安装有四极磁体)。在本发明的优选实施方式中，在第一36°偶极磁体20与第二66°偶极磁体21之间安装有五个四极磁体。可用于安装这些四极磁体的空间，即第一偶极磁体和第二偶极磁体之间的直线段的长度是大约3.5m。第二66°偶极磁体21与第三60°偶极磁体之间的直束线段的长度是大约0.8m。
60°最后弯曲磁体22的出口与等中心点27之间的距离是大约1m，这允许足够的空间不仅用于安顿患者还用于例如在60°弯曲偶极22的出口与患者之间安装监测检测器(例如，剂量监测检测器和/或束定位监测检测器)。在表1中概述了设计用作根据本发明优选实施方式的机架的最后偶极磁体22的磁体的主要特征。给出的示例是用于为具有2.3Tm的磁刚度(例如，235MeV的质子)的粒子束而设计。为了限制功耗，该磁体使用大截面的鞍形线圈(也已知为床架线圈)。
该情况是，优选地将组合X-Y扫描磁体用于该端，因为这与用于X和Y方向的两个单独扫描磁体相比占用更少的空间。在机架入口点25与第一偶极磁体20之间的第一直束线段的长度是大约0.4m长并且是纯漂移段(即，在该段中未安装有四极磁体)。在本发明的优选实施方式中，在第一36°偶极磁体20与第二66°偶极磁体21之间安装有五个四极磁体。可用于安装这些四极磁体的空间，即第一偶极磁体和第二偶极磁体之间的直线段的长度是大约3.5m。第二66°偶极磁体21与第三60°偶极磁体之间的直束线段的长度是大约0.8m。
60°最后弯曲磁体22的出口与等中心点27之间的距离是大约1m，这允许足够的空间不仅用于安顿患者还用于例如在60°弯曲偶极22的出口与患者之间安装监测检测器(例如，剂量监测检测器和/或束定位监测检测器)。在表1中概述了设计用作根据本发明优选实施方式的机架的最后偶极磁体22的磁体的主要特征。给出的示例是用于为具有2.3Tm的磁刚度(例如，235MeV的质子)的粒子束而设计。为了限制功耗，该磁体使用大截面的鞍形线圈(也已知为床架线圈)。
[0038] 如表1所示，磁体的重量是大约9.17吨(包括线圈的2.05吨)并且在235MeV的束能量下的总磁体功率是226kW。该60°偶极磁体具有旋转17°的极面，以便提供附加的竖直聚焦，如将在下文讨论的。
[0039]一般特征 值 单位
偏转角 60 °
极面旋转 17 °
弯曲半径 120 cm
间隙(竖直) 20.00 cm
极宽(水平) 22.00 cm
线圈径向厚度 25.00 cm
磁通返回厚度 24 cm
平均场 1.92 T
总线圈高度 35.00 cm
极厚 7.50 cm
总磁体高度 83.00 cm
钢重量 6866.97 kg
一个线圈的重量 1024.4 kg
总重量 9.17 吨
总功率 225.3 kW
偏转角 60 °
极面旋转 17 °
弯曲半径 120 cm
间隙(竖直) 20.00 cm
极宽(水平) 22.00 cm
线圈径向厚度 25.00 cm
磁通返回厚度 24 cm
平均场 1.92 T
总线圈高度 35.00 cm
极厚 7.50 cm
总磁体高度 83.00 cm
钢重量 6866.97 kg
一个线圈的重量 1024.4 kg
总重量 9.17 吨
总功率 225.3 kW
[0040] 表1
[0041] 现将进一步讨论用于如图2所示的机架的优选机架束光学特性。在耦合点25的水平处，机架入口被限定在第一偶极磁体20的入口下游0.4m处。在机架入口处，该束必须具有沿X和Y相同的发射率，以便得到与机架旋转角无关的机架束光学方案。X和Y轴在此被定义为与中心束迹线的轴线垂直的平面分别与水平平面以及与竖直平面的交点。除了在X和Y上的相同发射率外，沿X和Y的相同尺寸的腰部被规定在入口点25处。从在机架入口处的这些束条件开始，需要满足一组附加条件：
[0042] 1.在等中心点27处，该束必须具有沿X和Y相同尺寸的小腰部。
[0043] 2.机架束光学系统必须是双消色差的，即，束成像特性必须与动量(无色散的)无关并且与位置无关。
[0044] 3.四极内部的束的最大尺寸(一个西格玛)应当不超过2cm，以便保持机架中的合理传输效率。
[0045] 为了满足这些各种光学条件，限定被安装在第一偶极磁体和第二偶极磁体之间的五个四极磁体中的磁场。能够用于找到最佳光学方案的其他参数是偶极磁体的极面的角度。针对170MeV的质子束进行束光学计算。第一偶极磁体和第二偶极磁体的弯曲半径被规定为1.5m。在机架入口点处，以圆形束开始，该圆形束具有12.5mm尺寸的双腰以及0.6毫弧度的散度。该尺寸和散度与7.5Pi mm毫弧度的发射度对应，这是利用由申请人开发的当前质子治疗系统获得的束发射度的典型值。对于36°第一偶极磁体，采用矩形磁极(极面旋转18°)；并且对于66°第二偶极磁体，分别将15°和21°的极面旋转用于入口和出口。在图3中示出了利用束光学TRANSPORT码计算出的沿X和Y的所得到束迹线。关于TRANSPORT码的信息能够从D.C.Carey、K.L.Brown和F.Rothacker的“Third-Order TRANSPORT-A Computer Program for Designing Charged Particle Beam Transport Systems，”SLAC-R-95-462(1995)中找到。在图3的上部和下部分别绘制关于X方向和Y方向的相对于中心束迹线的相对束位置。示出了沿四极磁体24和偶极磁体20、21、22的束路径的位置。在图3中，仅为信息目的示出了扫描磁体23的位置；在该计算中，该扫描磁体被关闭(扫描磁体的效果将在下文被讨论)。在等中心点27处，获得具有X腰和Y腰的圆形束点，该X腰和Y腰具有大约3.5mm的尺寸以及大约22毫弧度的散度，这是足够用于笔形束扫描的束尺寸。该束光学方案还满足双消色差透镜的条件。
[0046] 除了需要在等中心点处获得适用于笔形束扫描的束点尺寸外，还必须确保在所提出的束线几何尺寸的情况下，能够获得在等中心点处的大扫描面积。场尺寸的适合规格是，在等中心平面处需要覆盖25cm(X)x20cm(Y)的场并且优选地需要足够大的SAD(即，等于或大于2m)。如图2所示的束线几何尺寸以及在图3中示出的束光学方案满足关于场尺寸和SAD的这些要求。这在图4中示范，其中当束被在X和Y上以最大幅度扫描时，计算170MeV的质子束在扫描磁体与等中心点之间行进时的迹线。在该计算中，扫描磁体将该束分别在X上偏转66毫弧度以及在Y上偏转50毫弧度，这被认为是借助已知的扫描磁体技术能够容易地获得中等弯曲角度。在图4中，示出了扫描磁体23在X和Y上的位置以及60°最后偶极磁体22和等中心点27。表1中给出60°偶极的关于极边缘、弯曲半径、间隙和极宽的规格。扫描磁体的中心与60°偶极磁体的入口之间的距离是大约0.4m，60°偶极中的中心束行进长度是大约1.25m，并且60°偶极的出口与等中心点之间的进uli被设置成1.0m。计算示出，在垂直于中心束的等中心平面处，束尺寸是沿X的25cm以及沿Y的22cm，并且在60°偶极磁体的出口处的束尺寸分别是沿X的17.2cm以及沿Y的15.2cm。于是能够计算虚拟SAD，即就像该束会源自点源而在该点源与等中心点之间不存在任何磁性元件的情况下获得的SAD。在所提出的几何尺寸的情况下，这导致大于3m的沿X和Y的虚拟SAD。
[0047] 现讨论支持根据本发明的对顶圆锥式机架的示例性机架机械概念设计并且在图5上示意性地示出。例如由金属梁51制成的平面结构能够被用于与配重52一起夹设机架的全部磁体。两个标准市售自对齐球形滚柱轴承53被用作旋转装置。对于在患者侧的第二滚柱轴承，悬臂的固定结构54被用于支承主滚柱轴承并且同时允许机架结构来到轴承下方以达到极限机架角度，直至180°(束竖直向上)。在第一偶极磁体的水平处，滚筒结构55被安装用于支承线缆卷轴。此外，虽然在图5中未示出，但是机架还配置有机架驱动和制动系统，该机架驱动和制动系统包括借助链式驱动器连接到机架的单马达齿轮箱组件。根据本发明的机架结构的优势在于，最后偶极磁体的重心更靠近旋转轴线(当例如与基于最后90°偶极磁体的机架构造相比较时，见Weinrich的公布的图8)，这导致对涉及机械结构的降低的约束(例如，配重能够被设置成更靠近旋转轴线从而降低机架的尺寸)。该机架能优选地旋转190°，即，取决于建筑布局，采用从180°顺时针旋转至10°的构造或从350°顺时针旋转至180°的构造(根据IEC International Standard 61217，Radiotherapy equipment-Coordinates，movements and scales，1996限定的角度)。
[0048] 该机械概念旨在降低机架机械结构的成本，同时允许对于患者的良好可接近性。当前机架结构(例如，对于锥形45°至135°的构造)中的其中一个主要成本动因是需要在大型的十分精确的机架环上滚动机架，该机架环需要由高强度的耐磨钢定制并且由复杂的转向车支承。其他成本动因是借助机架转向车辊实现的驱动和制动机构，且其中扭矩受辊滑移严格地限制；并且其他成本动因最后是机架三维框架结构，
[0049] 粒子治疗设备包括：加速器，所述加速器产生高能带电粒子；用于改变粒子能量的机构；束传输系统，所述束传输系统用于将束引导到一个或多个治疗室；以及用于每个治疗室的粒子束输送系统。粒子束输送系统是机架或所谓的固定束输送系统。机架治疗室通常需要大的占地面积和建筑体积。在根据本发明的机架设计的情况下，当与例如锥形45°至135°的机架构造相比时能够使用更小的机架室。这在图6中被示出，其中以相同的比例示出了包括锥形机架的治疗室的占地面积61以及包括根据本发明的示例性对顶圆锥式紧凑机架的治疗室的占地面积62。在根据本发明的机架的情况下，如图6所示能够使用具有10.5m乘以6.4m的占地面积，而利用如由申请人所提供的锥形45°至135°的构造的当前机架治疗室则需要13.7m乘以10.7m的占地面积。
[0050] 现将讨论通过改变优选机架机构的一些参数如何能够影响几何尺寸(例如，机架半径和机架长度)。采用包括分别为36°(＝B1)、66°(＝B2)和60°(＝B3)的三个偶极的本发明的优选机架构造，被限定为耦合点25与等中心点27之间的轴向距离的机架长度是大约7.05m，并且被限定为中心束迹线到机架旋转轴线的最大距离的机架半径是大约2.64m。事实上，该半径一方面通过选择最后偶极磁体22的弯曲角度、并且另一方面通过最后偶极磁体22的出口与等中心点之间的间距(等中心点间隙)以及第二偶极磁体21与最后第三偶极磁体22之间的间距(B2-B3间距)来限定。在优选的几何尺寸中，这些间距等于大约1m(等中心点间隙)以及等于大约0.8m(B2-B3间距)。当以这种方式限定机架的半径时，还影响机架长度的唯一参数是第一偶极磁体的弯曲角度的选择。一旦第一偶极磁体的弯曲角度以及机架半径被指定，第一偶极磁体20和第二偶极磁体21之间的距离L1也被确定。在优选的几何尺寸中，该距离是大约3.5m。当然，通过调节限定机架几何尺寸的这些参数能够实现其他实施方式。例如，图7的上部示出了优选36°-66°-60°构造的几何尺寸。例如能够稍微增加或减小第一偶极磁体20的角度，这导致机架长度的分别减小和增加，如附图中所示的。在附图中提及距离L1的值的相应变化。在图7的中部，最后弯曲磁体的角度被设置成45°并且同时保持等中心点间隙和距离B2-B3与B3＝60°构造中的相同。由于最后偶极磁体22的弯曲角度降低，机架半径增加大约0.2m。在
38°(B1)-83°(B2)-45°(B3)的机架构造的情况下，机架的长度被维持在大约7m。在图
7的第三部分中，最后偶极磁体的角度被设置成70°。当保持等中心点间隙和B2-B3间距等于先前情况的值时，由于B3的更大弯曲角度，因此当与优选的方案相比时机架半径减小大约0.15m。在34°(B1)-54°(B2)-70°(B3)的构造的情况下，机架长度是大约7m。
38°(B1)-83°(B2)-45°(B3)的机架构造的情况下，机架的长度被维持在大约7m。在图
7的第三部分中，最后偶极磁体的角度被设置成70°。当保持等中心点间隙和B2-B3间距等于先前情况的值时，由于B3的更大弯曲角度，因此当与优选的方案相比时机架半径减小大约0.15m。在34°(B1)-54°(B2)-70°(B3)的构造的情况下，机架长度是大约7m。
[0051] 最优对顶圆锥式机架构造是一个方面在技术可行性和最后偶极磁体22的成本之间以及另一方面在可接受的最大尺寸(机架半径、机架长度)之间的折衷。良好的折衷例如是利用在表1中给出的规格对60°最后偶极磁体22的选择，60°最后偶极磁体22能够以合理的成本构造并且与例如如用于现有技术的90°最后偶极磁体相比时尺寸和重量显著减小。如上所述，该优选的方案适合如图6所述的6.4m乘以10.5m的治疗室占地面积。然而，本领域技术人员将认识到，只要最后偶极磁体22具有小于90°的弯曲角度，就将获得本发明的优势。优选地，最后偶极磁体22具有小于80°的弯曲角度。更优选地，最后偶极磁体22具有小于70°的弯曲角度。
[0052] 上述说明涉及包括粒子束扫描装置23的机架。另选地，根据本发明的机架还能够包括适于在等中心点27处提供宽束的粒子束散射装置。就“宽束”来说，其应当被理解为在X-Y平面内具有与X-Y平面的靶的尺寸大致对应的尺寸的束。用于提供这种宽束的散射装置已经被Chu等人在“Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams”，Rev.Sci.Instrum.64(8)August 1993，pages 2074to 2084中描述。宽束例如能够利用所谓的双散射束输送系统来获得并且通常包括下述部件：第一散射器(例如，箔组)、第二散射器、束调制器(例如，范围调制器轮或脊形滤波器)、孔和范围补偿器。在提供宽束的典型机架中，散射束输送系统的各种部件被安装在最后偶极磁体22的下游。
然而，为了将散射束输送系统整体形成到根据本发明的紧凑机架中，散射装置的一些部件优选地被安装在最后偶极磁体22的上游。例如，当采用双散射系统时，第一散射器优选地安装在第二偶极磁体21与第三(最后)偶极磁体22之间。例如脊形滤波器的其他部件优选地安装在第三偶极磁体22后面。
然而，为了将散射束输送系统整体形成到根据本发明的紧凑机架中，散射装置的一些部件优选地被安装在最后偶极磁体22的上游。例如，当采用双散射系统时，第一散射器优选地安装在第二偶极磁体21与第三(最后)偶极磁体22之间。例如脊形滤波器的其他部件优选地安装在第三偶极磁体22后面。
[0053] 虽然所述的实施方式致力于质子机架，但是本发明不局限于质子机架。本领域技术人员能够容易地将根据本发明的机架几何尺寸应用到结合任何类型的带电粒子使用的机架，例如用于碳离子或其他轻离子的机架。相同束光学构造能够独立于束的磁刚度被应用；只简单地需要在束线的各种磁体中缩放磁场。
[0054] 已设计出用于粒子治疗的机架，因为到现在为止许多年来未提出解决现有技术机架设计的问题的解决方案。根据本发明，提供一种新的机架设计，从而得到提供克服现有技术问题的方案的显著结果。根据本发明的新机架设计与当前的机架设计(例如，锥形机架、筒形机架……)相比具有主要优势。
[0055] 与锥形机架相比，能够区别出利用根据本发明的机架获得的下述主要优势：
[0056] 机架的直径和长度被显著地降低；
[0057] 沉重的机架元件被定位成更靠近旋转轴线；
[0058] 机械式机架构造更便宜。
[0059] 与筒形机架(例如，分别为Weinrich在第966页(图8)和第967至968页所讨论的PSI2机架或Heidelberg碳机架)相比，能够区别出利用根据本发明的机架获得的下述主要优势：
[0060] 具有大间隙和大极面的最后弯曲磁体更轻质并且具有更少的能耗；
[0061] 最后弯曲磁体的重心更接近旋转轴线，从而实现对于机架机械结构的更少机械约束；
[0062] 在扫描构造的情况下，需要更少的大功率扫描磁体来覆盖在等中心点处相同的给定扫描面积。
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