阅读说明：本技术 放射治疗系统中的可旋转的悬臂式机架 (Rotatable cantilever open frame in radiotherapy system ) 是由 R·哈桑 J·舒尔特海斯 L·M·玛特 J-p·西尔 M·波尔 于 2018-03-14 设计创作，主要内容包括：一种具有悬臂式机架的质子束治疗系统。所述悬臂式机架具有一个端部(固定端部),所述端部附连到支撑所述机架的重量的外部结构。所述机架的其余部分处于悬置状态并且自由端部联接到射束喷嘴。主轴承联接到所述固定端部并且使得所述机架能够围绕等中心点在完整360°范围内旋转。大的配重可以设置在所述固定端部中以保持系统质心靠近于所述轴承。所述机架可以具有硬壳式壳体,所述硬壳式壳体包括悬臂区段,所述悬臂区段封闭机架射束线的磁体和其他部件；以及鼓区段,所述轴承放置在所述鼓区段上。(A kind of proton beam therapy system with cantilever open frame.The cantilever open frame has an end (fixed end), and the end is attached to the external structure for supporting the weight of the rack.The rest part of the rack is in suspended state and free end is connected to beam nozzle.Base bearing is connected to the fixed end and the rack is rotated within the scope of complete 360 ° around isocenter point.Big counterweight can be set in the fixed end to keep system mass center close to the bearing.The rack can have hard shell sandwich type element, and the hard shell sandwich type element includes cantilever section, the magnet and other component of the cantilever section sealing frame beamline；And drum section, the bearing are placed on the bulging section.)

放射治疗系统中的可旋转的悬臂式机架

技术领域

本公开总体涉及放射治疗系统领域，并且更确切地说涉及放射治疗系统中的机架。

发明背景

在用于例如肿瘤放疗的典型的质子治疗系统中，从具有某一初始能量的加速器，例如回旋加速器或同步加速器产生并输出质子束。初始能量决定了质子束的最大穿透深度并且典型地为250MeV。在质子束行进穿过射束输送系统或射束线时，射束能量通过能量选择机构，例如降能器或能量过滤器(energy slit)来精确地调节。射束输送系统包括用于射束重定向(弯转)、聚焦和转向的多个磁体。具有放射喷嘴的旋转机架位于射束输送系统的端部处。最终，射束被递送到治疗台并且以基于肿瘤体积、几何形状、位置等而规定用于特定疗程的能级辐照到患者身上。

由于购买和维护这种放射系统的极高成本，医疗设施通常将一个加速器用于多个治疗台，因此用于加速器设施的高花费被分摊。尽管使用多治疗台单回旋加速器系统对于大型医疗设施来说能有效分摊成本，但是这种多机架系统的总成本对于可能仅需要一个治疗台的较小的卫生保健设施来说是相当高的。另外，一些多治疗台系统并不支持多个治疗台中的同时治疗。这导致了另一缺点：一个治疗台处的延迟会引起其他治疗台的延迟。

随着全世界对质子束放射治疗的需求的增长，高度期望有更小且更便宜的质子治疗系统来提高患者接受治疗的机会。在质子放射系统中，机架系统的单独重量通常就超过200吨，这主要来源于安装在机架中的大量磁体。为了支持并精确地控制大部分重量的运动，现有的可旋转机架由前环结构和后环结构支撑，在其间悬挂有机架射束线中的部件。也就是说，机架以简支方式支撑。

图1示出了根据现有技术的质子束治疗系统中的简支式机架100的支撑机构。机架100包括联接到射束喷嘴110的射束光学器件(或射束线)。射束线中的一系列磁体(未示出)操作来引导质子束的输送，所述质子束最终从射束喷嘴110离开并且辐照到患者身上。机架100围绕等中心点101旋转，所述等中心点101限定操作期间治疗台和患者的定位。

机架100的重量以简支方式支撑在机架的两个端部处(如由虚线圆121和122所示)。更确切地说，前环120和后环150分别联接到机架100的前端和后端。前环120和后环150分别联接到可以随机架100旋转的前辊161和后辊162。环和辊通过由钢和混凝土制成的固定装置171和172附连到地面。

两个环130和150加上用于加固组件的其他结构构件使得机架系统在治疗台中看起来就像是一个相当庞大的圆锥形(如所示从右到左通常是锥形的)或圆柱形的鼓状结构。鼓状结构限定机架的总尺寸，诸如端到端机架长度102。这种鼓状机架不期望地限制了患者定位，并且使得很难对射束光学几何形状作出增量式改进，因为关键尺寸由机械结构决定，而不是由磁体定位决定。

更重要的是，由于完美地对准两个辊的固有难题，使用两个辊来进行支撑在旋转期间引入了随机挠度误差。因此，机架往往会晃动，从而使射束点位置以不可预知的方式移动。在实践中，为了试图修复随机误差并维持射束精度，大量时间和资源通常都花在了重新对准和重新定位辊上。

发明内容

因此，本文的公开内容提供了一种用于质子治疗系统的可旋转机架组件，所述可旋转机架组件具有结构支撑机构，所述结构支撑机构允许机架的紧凑而轻量的设计，并且还提供改进的机械可靠性和射束精度。

本公开的实施方案包括机架，所述机架被配置为开放式悬伸臂，所述悬伸臂具有附连到支撑机架的重量的外部结构的一个端部(固定端部)。所述机架的其余部分处于悬伸状态并且自由端部联接到射束喷嘴。主轴承联接到固定端部并且使得机架能够围绕等中心点在完整360°范围内旋转。大的配重可以设置在固定端部中以保持系统质心靠近于轴承。机架的壳体可以由一个或多个硬壳式区段构成，例如悬臂区段，所述悬臂区段封闭机架射束线的磁体和其他部件；以及鼓区段，轴承放置在所述鼓区段上。

根据本公开的实施方案，质子束机架的重量例如通过主轴承以悬臂方式支撑在一个位置处。与常规的质子束治疗系统中的简支机架相比较，悬臂式机架有利地消除了对围绕治疗区域的辊或轴承或其他支撑结构的需求，并且由此消除了随机挠度误差的主要来源。悬臂式设计脱离了机架旋转机构，从而有利地允许在不显著改变旋转轴承结构的情况下修改射束几何形状。另外，有了简化的支撑结构，可以将悬臂式机架制得既紧凑又轻量，从而允许在维持机架的全范围旋转能力的同时实现患者定位的明显提高的灵活性。此外，通过使用硬壳式壳体，根据本公开的机架可以作为完全组装好的经过预测试的装置运送到卫生保健设施。因此，可以大幅度地且有利地减少与制造、运输、安装、组装和维护相关联的花费。

附图说明

通过阅读以下结合附图进行的详细描述将更好地理解本发明的实施方案，其中相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：

图1示出了根据现有技术的质子束治疗系统中的简支式机架的支撑机构；

图2示出了根据本公开的实施方案的质子束治疗系统中的示例性悬臂式机架的支撑机构；

图3示出了根据本公开的实施方案的悬臂式机架中的示例性硬壳式壳体；

图4示出了根据本公开的实施方案的安装在治疗室中的示例性悬臂式机架的内部配置；

图5示出了根据本公开的实施方案的安装在治疗室中的示例性悬臂式机架的配置；

图6示出了根据本公开的实施方案的示例性悬臂式机架中的内部部件的配置；

图7示出了根据本公开的实施方案的示例性悬臂式机架的配置；

图8示出了根据本公开的实施方案的示例性悬臂式机架的配置。

具体实施方式

现将对在附图中示出其实例的本发明的优选实施方案进行详细参考。虽然将结合优选实施方案描述本发明，但是将理解，并不意图将本发明限于这些实施方案。相反，本发明意图覆盖可以被包括在如由随附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代方案、修改和等效物。另外，在以下对本发明的实施方案的详细描述中，阐述了众多特定细节以便于提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将认识到，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。在其他情况下，并未详细描述众所周知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊本发明的实施方案的各方面。

尽管为了清楚起见，可以将方法描绘成一系列的有编号的步骤，但是编号不一定指示步骤的顺序。应理解，步骤中的一些可以被跳过，并行地执行，或在不存在维持严格的序列顺序要求的情况下执行。示出本发明的实施方案的图是半图式的，而非按比例绘制的，并且特别地，一些尺寸是用于清楚呈现的目的并且被夸大地示出于附图中。类似地，尽管附图中的视图为了便于描述通常示出类似的定向，但是附图中的这种展示大部分是任意的。一般而言，本发明可以在任何定向上操作。

放射治疗系统中的可旋转的悬臂式机架

总体来说，本公开的实施方案提供一种放射治疗系统，所述放射治疗系统包括其重量以悬臂方式支撑的可旋转机架。悬臂式机架的固定端部具有主轴承，所述主轴承使得机架能够围绕等中心点在360°内旋转。悬臂式机架的开口端部处于悬置状态并联接到射束喷嘴，所述射束喷嘴用于将粒子束辐照到根据等中心点定位的患者身上。

图2示出了根据本公开的实施方案的可以用于质子束治疗系统中的示例性悬臂式机架200的支撑机构。悬臂式机架200包括机架射束线(未示出)，所述机架射束线用于将质子束输送到射束喷嘴210。机架射束线中的一系列磁体操作来引导射束输送。质子束最终通过射束喷嘴辐照到患者身上。悬臂式机架200可以围绕等中心点201旋转，所述等中心点201限定操作期间治疗台(未示出)以及因此患者的定位。

在一些实施方案中，机架射束线200配备有笔形射束扫描喷嘴，所述笔形射束扫描喷嘴使用扫描磁体来根据预定扫描位置(例如，在点扫描中)或扫描路径(例如，在光栅扫描中)而控制射束点的横向位置(X和Y)。机架射束线还包括作为弯转磁体的第一和第二(决定性)偶极磁体、作为聚焦磁体的四极磁体以及用于使射束线中的射束对中的转向和校正磁体。典型地，两个偶极磁体总共使质子束弯转90°。更确切地说，第一偶极磁体可操作来使质子束弯转锐角角度，例如50°，并且第二偶极磁体可操作来使质子束弯转钝角角度，例如140°。

根据本公开，悬臂式机架200被配置为悬伸臂，所述悬伸臂具有固定端部，所述固定端部安装到外部支撑结构271；以及开口端部，所述开口端部联接到射束喷嘴210。更确切地说，悬臂式机架200的重量如由虚线圆221所指示支撑在一个位置上。机架的其余部分处于悬置状态。自由端部联接到射束喷嘴210。因此，与如图1所示的常规的简支式机架相比较，根据本公开的悬臂式机架消除了对围绕治疗区域的轴承或辊或其他支撑结构的需求。因此消除了由两个支撑辊之间的失准而引起的随机挠度误差。另外，悬臂式机架的端到端机架长度202可以短得多。

大的配重240可以设置在固定端部中以保持系统质心靠近于机架200的支撑区域(如由虚线圆221所指示)。

在一些实施方案中，外部支撑结构271安装到地面或建筑墙体。然而，本公开不受外部支撑结构的构型的限制。也不受将机架联接到外部支撑结构所使用的附连技术或机构的限制。

主轴承220安装在固定端部220中，使得悬臂式机架200可以围绕轴线222，例如在完整360°范围内旋转。机架射束线延伸穿过轴承的内部。在这个实例中，主轴承联接到外部支撑结构271并且还用于支撑悬臂式机架的重量。然而，将了解，在不脱离本公开的范围的情况下，悬臂式机架可以支撑在沿着机架的一些其他合适的位置处。

在一些实例中，主轴承围绕第一弯转磁体或邻近于其一端设置。主轴承可以是回转轴承，所述回转轴承是足够大的以包围第一弯转磁体的扫摆区。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，也可以任何其他合适的技术和配置实施主轴承。另外，在一些其他实施方案中，除轴承之外的旋转机械部件也可以用于实现悬臂式机架的旋转运动。

因此，根据本公开的实施方案，质子束机架被配置为悬伸臂并且其重量以悬臂方式从一个位置，例如通过主轴承来支撑。悬臂式机架设计脱离了旋转机构，从而有利地允许在不显著改变旋转轴承结构的情况下修改射束光学几何形状。另外，有了简化的支撑结构，可以将悬臂式机架制得既紧凑又轻量，从而允许在维持全范围旋转能力的同时实现患者定位的相当大的灵活性。

在一些实施方案中，悬臂式机架可以被配置和制造为与射束递送系统(例如，射束喷嘴)和成像系统(例如，用于定位验证系统中)分开的系统。悬臂式机架配备有与外部射束递送系统和成像系统对接的接口结构。以此方式，可以在不改变旋转机械结构的情况下改变射束光学性质。然而，在一些其他实施方案中，射束递送系统和成像系统是悬臂式机架的整体部分。

大多数当前的360°机架都是现场组装，从而需要在构造机架时装配并对准射束线。大量电缆和设备都是现场装配，从而导致安装品质和持续时间的变化以及非常高的安装成本。根据本公开，悬臂式机架可以被制造并且作为完全组装好的经过预测试的装置运送到卫生保健设施，所述装置具有在工厂组装和对准的射束线，以及射束喷嘴、所有电缆、真空和管道系统、马达制动器、旋转驱动机构、介质链、成像装置等。将了解，根据本公开的悬臂式机架可以包括本领域熟知的广泛范围的部件，诸如具有降能器的能量选择系统(ESS)、用于监测射束位置和射束电流的原位射束诊断机构等。

在一些实施方案中，悬臂式机架包括用作框架或外壳的硬壳式或完全整合的箱型结构。本公开不受悬臂式机架的硬壳式壳体的材料组成、配置或几何形状的限制。图3示出了根据本公开的实施方案的悬臂式机架中的示例性硬壳式壳体300。

硬壳式壳体300可以是完全焊接的并且包括悬臂区段310和鼓区段320。可选地，两个区段可以是单独的硬壳式部件并且通过另一个联接机构联接在一起。主轴承可以设置在两个区段的交接区域处。硬壳式壳体的每个区段可以是完全焊接的钢质硬壳式或箱型结构。悬臂区段310可以包含在第一弯转磁体和相关联的部件之后开始的机架射束线。喷嘴可以联接到或封闭在悬臂区段310的在治疗室上方延伸的开口端中。成像系统也可以安装到悬臂区段310。鼓区段320基本上是圆柱形的并且可以封闭或以其他方式联接主轴承、信号和电力电缆、一直到第一弯转磁体的射束线、真空和管道部件、紧急马达制动器、旋转驱动机构、配重、介质链和/或成像装置。硬壳式壳体300包括被形成来装配机架的各种部件的突出部或其他特征。

悬臂区段310可以由形成承载外皮的焊接钢板构成。悬臂区段310可以被制得越朝向主轴承位置越刚硬以对抗这个区域中强加的相当大的力。在一些实施方案中，悬臂式机架的基座(固定端部)通过增加主轴承附近的板厚来加固。鼓区段320可以由厚壁钢管构成。

特别是对于机架旋转到±90°位置时由重的第二弯转偶极磁体产生的扭转负荷，机架中的硬壳式壳体有利地提供优异的刚度-重量比。悬臂区段310可以在各个方向上具有基本上为锥形的形状，其中其开口端远远窄于交接端。这可以有助于维持机架在所有旋转角度中的刚度。

此外，通过使用硬壳式壳体，根据本公开的机架可以作为完全组装好的经过预测试的装置运送到卫生保健设施。因此，可以大幅度地且有利地减少与制造、运输、安装、组装和维护相关联的花费。

图4示出了根据本公开的实施方案的安装在治疗室中的示例性悬臂式机架400的内部配置。悬臂式机架400包括硬壳式壳体410(部分地示出)、在其开口端部中的决定性弯转磁体401和在其固定端部中的主轴承。悬臂式机架400通过主轴承402附连到外部支撑结构405。机架的开口端联接到射束喷嘴440和机架罩430，这两者都能够随机架400旋转。机架罩430可用于阻断用户进入机架结构的视线。能量链403(或电缆链)和配重404安装在机架400的固定端部中。

图5示出了根据本公开的实施方案的安装在治疗室550中的示例性悬臂式机架500的配置。悬臂式机架500具有与图4中的悬臂式机架400相似的配置。悬臂式机架500包括在其开口端部中的决定性弯转磁体501、位于其固定端部中的主轴承502和硬壳式壳体(部分地示出)。主轴承502联接在硬壳式壳体的悬臂区段510与鼓区段520之间。悬臂式机架500的重量由从地面升高的外部支撑结构505支撑。鼓区段520的端部附连到治疗室550的外壁560。配重504在外壁560附近附接到鼓区段520。悬臂式机架500的开口端具有指向等中心点的射束喷嘴540。机架罩530联接到悬臂式机架500的端部。

图6示出了根据本公开的实施方案的示例性悬臂式机架600中的内部部件的配置。悬臂式机架600具有与图5中的悬臂式机架500相似的配置。机架射束线包括第一偶极磁体601和第二偶极磁体602，以及用作聚焦磁体的四极磁体604-606。在这个实例中，第一偶极磁体601可操作来使质子束弯转50°，并且第二偶极磁体602可操作来使质子束弯转140°。

图7示出了根据本公开的实施方案的示例性悬臂式机架700的配置。悬臂式机架700具有与图6中的悬臂式机架600相似的配置。主轴承702由主轴承壳体720覆盖，所述主轴承壳体720可以是或不是悬臂式机架700的硬壳式壳体的整体部分。介质链703设置在壳体的鼓区段上并且整合柔性线、电缆和其他介质。

在这个实例中，除了主轴承702之外，后轴承710任选地安装在鼓区段的另一端处。后轴承710可以远远小于主轴承，因为所述后轴承不需要包围大的弯转磁体的扫摆区。取决于机架的确切质心以及主轴承和主轴承壳体的力矩承载能力，在一些实施方案中可以省略后轴承710。

图8示出了根据本公开的实施方案的示例性悬臂式机架800的配置。悬臂式机架800具有与图6中的悬臂式机架600相似的配置。主轴承802由主轴承壳体820覆盖。此外，旋转驱动链804、旋转驱动马达805和紧急马达制动器803联接到主轴承802。这些装置可以本领域熟知的任何方式实施。悬臂式机架800的开口端与定位验证系统(PVS)X-射线管810和机架罩840联接。可伸缩的PVS成像板830从机架罩840延伸。

尽管本文已公开了某些优选的实施方案和方法，但是根据前述公开内容，本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对这类实施方案和方法进行变化和修改。本发明意图仅受限于随附权利要求所要求的范围和适用法律的条例和法则。