具体实施方式

定义

除非另有定义，否则本文所用的所有科技术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。

在本公开的上下文中，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。

如本文所用的术语“包括”可以指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。

如本文所用的，术语“和/或”可以包括关联所列项中的一个或多个的任意和全部组合。

另外，尽管术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。由此，在不脱离本公开的示教的情况下，下面讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件。

如本文所用的，术语“能量”可用于表示通过波或粒子行进的辐射能量，尤其是电磁辐射(可见和/或不可见)。与光(一种电磁辐射)结合使用的能量可以被称为光能。如本文所用的“能量射束”、“电磁射束”、“光束”等可以指代由波或粒子行进并且在自由传播时保持基本上集中在中轴周围或者由诸如透镜或反射器的合适结构引导的辐射能量。

如本文所用的，术语“能量源”可以指代可以被配置为提供/生成能量射束的物质。在光能的情况下，能量源可以包括例如至少一个激光器和/或光源，并且可以被配置为允许能量射束的谱调节和/或谱调制。

如本文所用的，术语“能量射束”可以指代在一方向上发送的能量。能量射束可以是脉冲调制的和/或连续的。能量射束可以以形状(圆形、矩形、正方形、六边形、三角形等)和/或尺寸投射。另外，能量射束可以是准直的、发散的、会聚的或具有焦距。能量射束可以是任何射束分布类型。在一些情况下，能量射束可以具有高斯强度分布或者能量射束可以具有非高斯强度分布。

如本文所用的，术语“剂量”可指代传送至目标区域的总能量。向患者传送能量可能具有一定的剂量要求。在一些情况下，术语剂量可以包括用量(每单位面积的剂量)。

如本文所用的，术语“剂量分布”可以指代在治疗完成之后，在目标区域内的累积剂量的2D或3D图案。“剂量分布”还可以指代随着射束在目标区域内扫描，沿着或朝向射束的指定路径的侧面并且到指定的深度产生的剂量图案。

如本文所用的，术语“注量”可以指代穿过目标区域的表面积的能量。向患者传送能量可能具有一定的注量要求。

如本文所用的，术语“注量分布”可以指代在治疗完成之后，在目标区域内的累积注量的2D或3D图案。“注量分布”还可以指代随着射束在目标区域内扫描，沿着或朝向射束的指定路径的侧面并且到指定的深度产生的注量图案。

如本文所用的，术语“传送特性”可以指代能量射束的一个或多个特性。传送特性可以基于剂量分布和/或注量分布，并且可以沿着路径变化。例如，传送特性可以包括射束扫描速率、射束路径重复次数、路径面积的重复次数、射束功率调制图案和/或速率、射束尺寸、射束准直、发散、会聚或聚焦、射束强度分布、射束形状等。

如本文所用的，术语“目标区域”可以指代患者身体的任意形状和/或尺寸的要用能量治疗的部分。目标区域可以包括面积、表面积、体积等。在某些示例中，目标区域可以是大的和/或复杂的。

如本文所用的，术语“路径”可以指代能量射束平移所沿着的空间中的图案。路径可以是连续的或不连续的。不连续路径包括在空间上彼此分开的两个或更多个子路径。在一些情况下，路径可以包括用于能量射束的在患者中、上、附近或周围的一个或多个引导物。在一些情况下，路径可以包括在患者皮肤中、上或下的标志(例如，绘图、略图、基准标记等)。

如本文所用的，术语“持续时间”可以指代目标区域暴露于能量的时间。在一些情况下，目标区域的不同部分可以暴露于能量不同的时间。

如本文所用的，术语“受试者”和“患者”可以互换使用，并且指代任何温血生物体，包括但不限于人、猪、大鼠、小鼠、狗、猫、山羊、绵羊、马、猴、猿、兔、牛等。

综述

本公开描述了将能量传送到患者身体的治疗区域(任意形状或尺寸的线、曲线、面积、表面积和/或体积)，以精确地满足治疗剂量要求和/或注量要求。临床结果通常对剂量和注量都敏感(使得过高的注量水平可能是极其危险的，而过低的注量水平可能低于有效性阈值，如果存在这种阈值的话)。本公开使临床医生和其他医学专业人员能够在整个治疗区域(然而，该区域可能是大的或不规则形状的)上精确地实现所需的总剂量和/或所需的平均、最小或最大注量。有利地，能量可以被传送到患者身体的面积或体积，而不需要大且昂贵的能量源。本文所述的系统和方法采用比治疗区域本身小的维数的射束来在通过治疗区域的路径上扫描。影响功效和安全性的其它因素也可以在治疗区域内精确控制，诸如以下因素：剂量分布和/或注量分布；某些重要的动态参数，诸如扫描速率、路径重复率、功率调制速率和时间调制形状(CW、阶跃函数、锯齿曲线等)；射束的谱含量；以及治疗深度。换言之，可以精确地传送在时间、空间和波长上的能量分布。

系统

图1示出了将剂量分布和/或注量分布(对应于能量的传送)传送到患者身体的目标区域的系统20。目标区域可以是任何任意形状、任何复杂度和/或任何尺寸的线、曲线、面积、表面积或体积。能量传送可以精确地满足治疗剂量/注量要求，而不需要大且昂贵的能量源。通过扫描比治疗区域本身维数更小的投射射束，对剂量和/或注量以及影响功效和/或安全性的其它因素(例如，动态参数，诸如扫描速率、路径重复率、功率调制速率和时间调制形状(cw、阶跃函数、锯齿曲线等)；射束的谱含量；治疗深度等)进行精确控制，可以“涂覆”或“填充”治疗区域。换言之，可以向目标区域精确地传送在时间、空间和波长上的能量分布。

系统20可以通过在精确路径上扫描投射的能量射束而将脉冲光的优点与精确的大面积/表面积/体积照射相结合。由此可见，移动能量射束可以等同于：在患者身体的特定部分在一段时间(可以是短暂的)内看到该射束然后该射束移动到下一位置的意义上对静止的能量射束脉冲调制。沿着路径的各个照射位置经历启动和关闭时间。对于重复的扫描(在路径的至少一部分上)，重复的各个照射位置可以经历一系列的启动和关闭时间。剂量和/或注量可以通过调节一个或多个传送特性来控制，传送特性包括射束强度、射束维数、射束尺寸、射束形状、射束数量、射束调制、扫描速率、路径长度/形状、路径重叠、重复次数等。在一些情况下，传送特性可沿路径变化。

如图1所示，系统20包括射束路径确定单元22和能量传送系统24。射束路径确定单元22可以包括处理器和非暂时性存储器(未示出)，使得射束路径确定单元22作为计算机和图像处理器操作(或具有计算机和图像处理器的功能)。射束路径确定单元22可以被配置为定义能量射束遵循的路径以及它将一定剂量和/或注量的能量传送到患者身体的目标区域的持续时间。至少一部分路径可以是直的和/或弯曲的和开放的和/或闭合的和连续的和/或不连续的。例如，射束路径确定单元22可以跟踪在患者皮肤上描绘的(例如，在患者皮肤上绘制或标记的、由基准标记(在患者皮肤上、嵌入患者组织内、施加到患者附近的物体等)/纹身所指示的等等)路径。在这种情况下，射束路径确定单元22可以执行路径的自动跟踪。作为另一示例，射束路径确定单元22可用路径的至少一部分预编程。作为又一示例，射束路径确定单元22可以处理图像(由射线照相术、超声波检查法、计算机断层摄影术等生成)以基于由临床医生提供的准则来定义路径或治疗区域。

射束路径确定单元22可以指示能量传送系统24传送能量射束的路径和持续时间。例如，射束路径确定单元22可向能量传送系统24发送关于路径和/或持续时间的指令。能量传送系统24可包括至少能量源26和引导装置28。能量源26可传送具有投射形状(圆形、正方形、矩形、三角形、六边形等)和投射尺寸的能量射束(可具有可沿路径变化的焦距)。能量源26可以包括被配置为投射能量射束的至少一部分的一个或多个源(在一些情况下，能量射束的部分可以在波长、频率、谱含量等方面不同)。例如，一个或多个源可以是激光器、激光二极管、发光二极管和/或其他类型的光源。能量射束可以是连续的(cw)和/或脉冲调制的，并且可以经过谱调节和/或谱调制。引导装置28可以被配置为沿着由射束路径确定单元22定义的路径引导能量射束。

图2示出了沿着路径的射束投射的两个示例10、11。在示例10和11中，射束轴线可以改变取向，并且在相关联的剂量分布和/或注量分布的生成期间，路径可以在空间中采取任何形状。注意，剂量分布和/或注量分布将不总是垂直于射束轴线。

示例路径可以由图1的系统确定，其中特定波长的光能被传送到位于患者的肩胛骨、脊柱和髋骨内的骨髓。传统上，首先在一个肩胛骨上，然后在另一个肩胛骨上，然后沿着脊柱等连续地照射一片光。这是耗时、昂贵且不是特别精确的。使用系统20，不是在整个延伸治疗区域上“平铺”一片光，而是操纵和扫描光束以精确地、具体地和快速地寻址延伸目标区域内的每个单独位置。

因为射束被扫描(相对于目标区域移动)，所以功率和时间敏感的某些生物动态现象(诸如通过血液灌注的自冷、组织的光致漂白、神经元网络内的化学和电输运、内体运输中的蛋白质相互作用、亚细胞结构内和之间的瞬态吸收和能量输运等)可以被具体地寻址以提高手术的效率和/或功效。

射束被扫描的速率还可以用作精确选择的治疗参数：确保与一些生物特征的相互作用并保持对其它生物特征“不可见”。这是可能的，因为某些生物过程具有它们自己的“时间常数”：一些过程对能量刺激的响应非常快，而另一些过程则慢得多。使得在一些情况下，射束可以如此快速地通过治疗区域，以致于只有某些“快速”或“超快速”生物功能能够响应，而对于其它较慢的过程，它就像射束根本从未出现一样。这样，本发明提供了一种用于向大的和/或复杂的目标区域提供治疗特异性的手段。由此，本发明的扫描速率可以用于防止和/或避免某些较慢的生物和物理过程(诸如热传送和热损伤)，同时针对某些较快的过程(诸如线粒体吸收)。

例如，因为本发明的快速扫描射束的停留时间可以非常短，所以可以使用较高功率的激光器(在某些深部组织应用中，激光器具有比低功率能量源更大的穿透深度)来治疗内部组织而不损伤覆盖于其上的组织。如果太多的能量被输入到身体组织的区域中，则身体组织可能被加热和损伤。然而，在给定足够的时间的情况下，流经已被加热的活体组织的血液可在额外的热量被增加到损伤水平之前散热。因此，如果能量射束在治疗区域上快速平移以便实现治疗上显著但热安全的停留时间，则可以将强大的能量射束传送到组织中而不损伤组织。快速扫描的射束可以被认为等同于短暂地脉冲启动静止射束然后保持关闭足够长的时间以便血液灌注来散热。然而，注意，与静止射束不同，本发明的扫描射束移动到治疗区域内的另一位置，同时给予先前治疗的组织足够的时间来在其短暂照射之后归一化。此外，在治疗区域的各个目标部分已经被安全地和暂时地治疗之后，扫描射束可以被引导以反复地返回到相同的位置，以实现满足治疗终点的总累积剂量。这样，可以使用强大的射束快速治疗大的和复杂的目标区域，而在组织的任何部分中没有不利影响。

如上所述，本发明的扫描能量射束的平移导致对身体目标区域的间歇照射。由此，即使能量源可以以cw或连续波模式操作，目标区域也经历间歇或脉冲曝光。因此，即使当能量射束总是或大部分启动时，本发明也可用于将生物动态和光动态特异性用于治疗。除了上述临床优点之外，这可以提供经济上的优点，因为激光器、激光二极管、发光二极管、白炽光源等的CW操作可以是简单且成本有效的能量源。然而，脉冲能量源也完全与本发明兼容。当能量射束被平移时，它也可以是脉冲调制的或时间调制的。时间调制当与射束平移组合使用时给予治疗额外的自由度，否则这些自由度是不可用的，在时间调制中，重复地启动和关闭或者调制能量源或投射射束，使得射束功率遵循方波、正弦波、三角波等。例如，通过扫描和同时脉冲调制射束，目标组织可以以超短持续时间暴露于能量，这可能是单独扫描或脉冲调制所不能实现的。

方法

本公开的另一方面可以包括一种用于将剂量分布和/或注量分布传送到患者身体的具有一定形状或尺寸的目标区域的方法30(图3)。方法30可以使用(例如，图1所示的并且上文描述的系统20的)射束路径确定单元22和能量传送系统24来执行。

方法30被例示为具有流程图例示的过程流程图。为了简单起见，方法30被示出和描述为顺序地执行；然而，应当理解和领会，本公开不受所例示的顺序的限制，因为一些步骤可以按不同顺序进行和/或与本文中示出和描述的其他步骤同时进行。而且，并非所有例示的方面都是实施方法30所需的。

在32处，可以(例如，通过射束路径确定单元22)定义能量射束照射患者身体的目标区域的路径和持续时间(可以针对路径的不同部分而变化)，并且可以选择参数以将一定剂量/注量(或剂量分布/注量分布)的能量传送到患者身体的目标区域(可以是面积、表面积和/或体积)。路径和持续时间可以被定义为满足剂量分布和/或注量分布(可以在射束投射期间和/或之前被定义和/或在射束投射期间调节)。定义或调节可以基于与功效和/或安全性相关的至少一个可测量参数。在一些情况下，可以跟踪患者皮肤上的标记路径(例如，基准标记、在患者皮肤上绘制的标志等)以确定路径。在其它情况下，可以基于患者的内部解剖结构的二维(2D)或三维(3D)图像来定义射束路径。在另外的情况下，可以基于位于患者中、上或附近的标志或标记或应答器来定义或调节射束路径。

在34处，可以将能量射束投射(例如，通过能量传送系统24的能量源26)持续时间。可以通过调节扫描速率、重复次数等来控制剂量。例如，能量射束可以被投射为连续波(cw)射束、扫描射束和/或脉冲射束。能量射束可以具有投射形状(圆形、正方形、矩形、六边形、三角形等)和/或投射尺寸。能量射束的分布可以是准直的、发散的、会聚的、聚焦的、漫射的、基本上均匀的和/或高斯型的。在36处，可以沿着路径引导(例如，通过能量传送系统24的引导装置28)能量射束，以将剂量/注量(或剂量/注量分布)传送到患者身体的目标区域。换言之，能量射束可以沿着路径的部分被扫描(例如，作为光栅扫描)持续时间。

理论扫描能量射束

图4示出了归一化高斯射束分布。42处示出了直接观察射束的强度分布。44处示出了强度分布的3D图。46处示出了通过射束中心的2D轴向截面，示出了强度和射束尺寸的标准量度(其它标准量度包括FWHM、90％功率时的直径等)。术语高斯射束的“射束尺寸”和“斑尺寸”指代射束尺寸的任何标准量度。非高斯射束分布(例如，平顶分布、蝙蝠翼形分布、三角形分布等)具有类似的射束尺寸或斑尺寸的度量。应当理解，尽管本文中的许多示例使用高斯射束分布，但是示例可以扩展为包括非高斯射束。

图5示出了两个相邻高斯射束的和。52处示出了两个射束的归一化强度分布，直接观察射束，第一射束以点A为中心，第二射束以点B为中心。54处示出了两个射束的组合的归一化强度分布的3D曲线图。56处示出了通过射束中心的2D轴向截面。在该简单示例中，两个射束同时照射并且它们的强度加在一起，这将总剂量传送到目标区域，该总剂量将具有与图4中示出的相同的总体分布。本发明的首先在位置A照射然后被平移到位置B的单个射束可以将与同时照射的两个射束相同的总剂量传送到目标区域。注意，通过明智地选择射束尺寸、射束路径、其它射束特性(功率、谱含量等)和/或扫描速率，可以创建期望的并且由移动射束随着时间的推移传送的能量在目标组织内的总和产生的任何成形的剂量和/或注量分布。

图6示出了高斯射束从左到右的平移以及被传送到目标区域的相关联的累积剂量的2D剖视图。可以在同一目标区域上重复扫描平移的射束，以便进一步累积所传送的剂量。此外，射束路径可以被引导到2D或3D目标区域内的任何地方，并且可以遵循弯曲路径或连续改变方向的任何复杂路径。

图7示出了射束斑尺寸与累积剂量分布的锐度之间的关系。通常，随着射束斑尺寸的减小，治疗区域内的剂量和/或注量分布的边缘被锐化。换言之，射束斑尺寸决定了治疗的分辨率。在任何情况下，射束斑尺寸必须小于处理区域的最小侧向范围(以与涂刷必须小于待涂覆区域相同的方式)。

图8示出了相邻扫描路径的间隔与所累积剂量的均匀性之间的关系。在左边，示出了斑尺寸＝16个单位82的高斯射束的五个平行路径；各条路径与最后一条路径相隔12个单位的距离。注意，累积剂量在扫描之间呈现波谷。在右边，同样的高斯射束(斑尺寸＝16个单位)再次沿着5个平行扫描路径84平移，但是这次路径仅被隔开6个单位。注意，现在累积剂量基本上均匀地分布在扫描区域内，并且扫描区域小于图中左边的扫描区域。通常，累积剂量分布的均匀性随着斑尺寸与路径间隔的比率的增加而增加(在图9中进一步例示)。

图9示出了用于不同治疗应用的不同均匀度。一些治疗应用将比其它治疗应用更宽容。事实上，一些治疗应用可能需要特定的不均匀性。这种特定的不均匀性可以由图1的系统通过调节扫描速率、扫描间隔、射束功率、射束尺寸和形状以及重复扫描的次数来精确地传送。

理论-到各种目标区域的能量传送

用于能量传送的一些应用可以针对皮肤治疗，皮肤治疗主要涉及治疗剂量的能量的表面传送。在皮肤治疗的情况下，治疗区域是表面积。用于能量传送的其它应用可能需要将治疗剂量传送到皮肤表面下的器官，在这种情况下，治疗区域是体积。应当理解，当能量通过皮肤传送到下面的组织时，该能量的一些部分将被皮肤和其它中间组织散射、吸收和通常衰减。此外，如果增加射束功率以补偿衰减，则潜在的皮肤损伤对射束功率形成上限。

图10和图11示出了作为深度的函数的由于散射产生的能量衰减。图10表示剂量减少的蒙特卡罗模拟，该减少随着大斑尺寸的平顶光束穿透光散射组织。图11示出了两种射束尺寸的模拟结果的比较：相同强度的大斑尺寸射束和小斑尺寸射束。对于较大(较宽)的射束，深度处的剂量更高且更均匀。由此，大皮下治疗体积的最佳剂量需要照射大面积的皮肤表面。然而，足够尺寸和功率的光束通常不可用于该目的，或者太昂贵或复杂。在本发明中，通过扫描能量射束容易地实现大(宽)的照射面积。图10和图11同样适用于本发明的扫描射束，如同它们适用于所示例的单个静止射束那样：换言之，从随着射束穿透肉体导致的能量衰减的观点来看，本发明的大扫描面积等同于同样大的单个射束。由此，在本发明中实现了由大且均匀的表面照射区域给予的深度穿透的益处，而没有传送单个大且均匀的静止能量射束的成本和困难。此外，在本发明中，可以在不损伤皮肤的情况下传送穿透更深的更高的射束功率，因为扫描射束总是在移动。

射束以一定速度(距离/时间)和方向跨治疗区域平移。该平移速率与包括时间因子的任何治疗参数有直接关系，诸如辐照度(每单位时间通过目标区域的单位表面积的能量的量)。例如，如果以给定功率级操作的射束以速率A跨治疗表面平移，其中速率A快于速率B，那么对于速率A所得到的平均辐照度将小于速率B的平均辐照度。另外，因为平移射束在患者皮肤上的停留时间相对于静止射束的停留时间减少，所以可以防止治疗期间热量的过度积累。在平移的射束离开治疗区域的子区域之后，诸如血液灌注的自然热输运过程将在射束返回到该子区域以便进行任何附加扫描之前耗散任何过量的热。在光治疗期间，患者身体的散热是重要的安全考虑。因此，射束平移速度提供了一种在治疗期间在保护患者皮肤的同时传送高功率的手段。事实还在于：如果射束以功率级B的值的一半的功率级A跨治疗表面平移，那么以功率级A以速率A移动的射束的所得辐照度将是以功率级B以速率A移动的射束的辐照度的一半。

此外，平移射束可以相对于治疗区域是准直的、发散的、会聚的或具体聚焦的。这些参数不必是固定的；它们可以在射束平移时改变，例如对于深度变化的目标区域优化预期治疗可能需要的。随着平移射束沿着治疗路径平移，平移射束可以连续启动(cw)和/或调制(方波、正弦曲线等)。包括谱含量、射束数量、入射角等的射束控制的这些和其它参数都可以应用于射束，以便优化和调节治疗质量。

本公开使得能够将精确的剂量、注量和辐照度水平传送到临床上较大和/或复杂的区域。图12和图13示出了通过平移高斯射束实现的三角形治疗区。图12示出了累积剂量的归一化轴向(或顶部)视图。图13示出了作为治疗区内x和y位置的函数的归一化剂量的3D图。治疗区的界限清楚的边缘用8个单位的高斯射束斑尺寸(相对于沿着x和y轴所示的比例)来实现。

根据待治疗区域的形状和尺寸、要实现的期望剂量均匀度以及所传送剂量区域的期望分辨率或锐度来确定射束平移路径。作为示例，临床医生可能希望将光治疗应用于患者的甲状腺。使用标准实验室技术获取甲状腺的初步放射性核素扫描(图14)。临床医生结合(例如，射束路径确定单元12的)图像处理单元来定义要处置的区域(图15)。生成优选的路径(例如，通过射束路径确定单元12)，如图16中的白线表示。选择平行路径的间距和射束斑尺寸两者，以实现治疗甲状腺所需的剂量均匀度和所传送剂量区域的锐度。图17的3D图中示出的高度均匀的剂量分布由8个单位的高斯射束斑尺寸和4个单位的路径间隔(相对于沿着x和y轴所示的尺度)产生。例如，通过根据扫描位置调节射束功率以便根据需要向所选子区域传送更高或更低的剂量，可以实现该分布的进一步优化。

图18和图19示出了用于实现射束路径与预期表面治疗区或预期深部组织治疗区的精确配准的基准标记。可以在治疗之前或治疗期间识别待治疗区域。例如，x射线成像可以用于在治疗期间提供关于目标结构的2D或3D信息，并且该信息可以由临床医生结合射束路径确定单元22使用以生成例如调节患者运动的自适应路径。此外，可使用基准标记、皮肤表面标记、纹身等(例如，通过射束路径确定单元22)来实现射束路径与预期表面治疗区或预期深部组织治疗区的精确配准。图18示出了具有两个基准标记1601的患者左髂骨的x射线图像和临床医生预期治疗区1602的轮廓。图19中示出了治疗区、射束路径和基准标记信息的示例性表示。

应当注意，任何公知的或发展的方法可以用于能量射束的扫描(例如，检流计、声光、平板平移、动态透镜、多元件阵列的定相等)。由此，可以寻址跨越人体的任何部分并且聚焦到体内的任何深度的非常大的治疗区域。

从以上描述中，本领域技术人员将认识到改进、变更和修改。这种改进、变更和修改在本领域技术人员的技能范围内，并且旨在由所附权利要求覆盖。