ТЕРАПИЯ ПУЧКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ Российский патент 2019 года по МПК A61N5/10 G01R33/3875 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области направления заряженных частиц в целевую зону в пределах исследуемого субъекта, причем частицы наводят с использованием магнитно-резонансной томографии.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В терапии пучками заряженных частиц энергетический пучок заряженных частиц направляют в целевую зону субъекта. Основным механизмом взаимодействия пучка, содержащего заряженные частицы, с веществом является кулоновская сила. Сечение кулоновских столкновений возрастает с уменьшением относительной скорости двух частиц. Когда пучок заряженных частиц проходит через субъект, он теряет энергию все быстрее и быстрее. Это приводит к тому, что большая часть энергии пучка частиц поглощается вблизи конца траектории пучка. Поэтому вблизи конца траектории пучка поглощается большой пик энергии, который называется брэгговским пиком.

Соответственно, терапия пучками заряженных частиц делает возможной очень точную доставку высокой дозы в целевую зону, например в область целевой опухоли, при этом сводя к минимуму общую дозу для исследуемого субъекта. Однако даже небольшие движения исследуемого субъекта, например анатомических структур, на траектории пучка или смещение целевой зоны могут приводить к значительным отклонениям доставленной дозы от первоначального плана дозы. Поэтому желательно использовать визуализацию в режиме реального времени для отслеживания исследуемого субъекта и для адаптации пучка к движению исследуемого субъекта, включая движение органов исследуемого субъекта. Точность терапии пучками заряженных частиц может быть значительно улучшена с помощью наведения в режиме реального времени, основанного на магнитно-резонансной (МР) томографии.

В области терапии пучками заряженных частиц для лечения исследуемого субъекта, например для лечения рака, могут быть использованы различные типы заряженных частиц. Соответственно, требуется источник заряженных частиц и траектория пучка для направления пучка заряженных частиц в исследуемый субъект. Одним примером терапии пучками заряженных частиц является протонная терапия (ПТ), когда в исследуемый субъект направляют протоны. Пример комбинированного аппарата для МР-протонной терапии описан в EP 2379172 B1.

Для терапии пучками заряженных частиц магнитно-резонансная томография (МРТ) в режиме реального времени во время доставки пучка заряженных частиц является сложной задачей из-за сильных магнитных полей, связанных с МРТ, и сильных магнитных полей, используемых для направления пучка частиц в целевую зону. Следовательно, наложение и взаимодействие магнитных полей может приводить к серьезным проблемам, в частности для МРТ.

Статическое магнитное поле используется магнитно-резонансными томографическими (МРТ) сканерами для выставления ядерных спинов атомов в качестве части процедуры получения изображений внутри тела исследуемого субъекта. Во время МРТ-сканирования радиочастотные (РЧ) импульсы, генерируемые передающей катушкой, вызывают возмущения локального магнитного поля, а РЧ сигналы, испускаемые ядерными спинами, обнаруживаются принимающей катушкой. Эти РЧ сигналы используют для построения изображений МРТ. Передающая и принимающая катушки могут также быть интегрированы в одну приемопередающую катушку. Следует понимать, что использование термина приемопередающая катушка также относится к системам, где используются отдельные передающая и принимающая катушки.

Соответственно, исследуемый субъект расположен в пределах системы магнитно-резонансной томографии (МРТ), а протонный источник обеспечен вместе с гентри, который направляет протоны в исследуемый субъект. Гентри может вращаться вокруг оси z системы МРТ, то есть вокруг оси z главного магнита системы МРТ, чтобы направлять излучение к исследуемому субъекту в практически перпендикулярном направлении к оси z, что достигается с помощью по меньшей мере одного отклоняющего магнита, также называемого дипольным магнитом, в гентри.

Данная установка приводит упомянутый по меньшей мере один отклоняющий магнит системы протонной терапии в непосредственную близость к главному магниту системы МРТ. Отклоняющий магнит генерирует сильное дипольное поле, которое может иметь напряженность поля, составляющую, например, ~1,5 Тл, в большой апертуре и потенциально вызывает сильное поле рассеяния в направлении, перпендикулярном плоскости изгиба. Поскольку данное поле рассеяния быстро спадает с увеличением расстояния от дипольного магнита, оно также имеет компоненты в других направлениях, особенно вдоль направления основного поля магнита МРТ, то есть в направлении оси z. Данное поле будет вызывать искажения изображения и другие артефакты. Статическая компенсация поля ПТ в системе МРТ, например, с использованием шиммирования, невозможна из-за вращения отклоняющих магнитов вокруг оси z системы МРТ. Кроме того, напряженность поля дипольного магнита нужно модулировать вместе с модуляцией энергии заряженных частиц. Энергию заряженных частиц адаптируют, чтобы перемещать брэгговскую зону вдоль направления пучка, например заряженные частицы с повышенной энергией проходят дальше в исследуемый субъект, чем заряженные частицы с более низкой энергией. В зависимости от энергии заряженных частиц напряженность внешнего поля отклоняющего магнита, следовательно, также будет изменяться.

В данном контексте известен способ из документа WO 2012/164527 A1 для корректирования магнитного поля радиотерапевтического аппарата МРТ, содержащего систему магнитно-резонансной томографии и систему лучевой терапии. Система МРТ включает в себя магнит для генерирования магнитного поля в пределах зоны визуализации. Магнит генерирует магнитное поле с пересечением нуля за пределами зоны визуализации. Медицинский аппарат дополнительно содержит гентри, выполненный с возможностью вращения ферромагнитного компонента вокруг оси вращения. Способ содержит этап установки магнитного корректирующего элемента, расположенного на радиальной траектории, перпендикулярной оси вращения. Магнитный корректирующий элемент расположен на радиальной траектории, так что изменение магнитного поля в зоне визуализации благодаря ферромагнитному компоненту уменьшается. Способ дополнительно содержит циклически: измерение магнитного поля в зоне визуализации; определение изменения магнитного поля в зоне визуализации; и регулировку положения магнитного корректирующего элемента вдоль радиальной траектории, если изменение магнитного поля выше заранее заданного порога.

Кроме того, опубликованный позже документ WO 2014/121991 A1 относится к медицинскому аппарату, содержащему систему магнитно-резонансной томографии; магнитные компенсационные катушки для компенсации магнитных неоднородностей в зоне визуализации; гентри, выполненный с возможностью вращения вокруг зоны визуализации; датчик положения для измерения углового положения и угловой скорости гентри; по меньшей мере один искажающий магнитное поле компонент в гентри, память, хранящую исполняемые машиной инструкции и данные коррекции поля. Инструкции заставляют процессор: принимать данные о положении и угловой скорости от датчика положения; определять команды управления катушками для управления магнитными компенсационными катушками с использованием данных коррекции поля, данных о положении и данных об угловой скорости; управлять магнитными компенсационными катушками для компенсации магнитных неоднородностей в зоне визуализации с использованием команд управления катушками; и получать магнитно-резонансные данные.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение надежной магнитно-резонансной томографии при осуществлении магнитно-резонансной томографии. Другим аспектом настоящего изобретения является улучшение процедур лечения пучками частиц для подведения пучка частиц заряженных частиц к исследуемому субъекту посредством улучшения наведения с использованием улучшенной магнитно-резонансной томографии. Конкретной задачей настоящего изобретения является обеспечения медицинского аппарата, содержащего систему магнитно-резонансной томографии для получения магнитно-резонансных данных от объема визуализации исследуемого субъекта и линию передачи пучка частиц для обеспечения пучка частиц заряженных частиц, и способа экранирования, который делает возможной надежную компенсацию магнитного поля отклоняющих магнитов для направления пучка частиц в облучаемый объем в пределах объема визуализации во время работы аппарата для получения пучка частиц в пределах объема визуализации.

Эта задача достигается с помощью медицинского аппарата, содержащего систему магнитно-резонансной томографии для получения магнитно-резонансных данных от объема визуализации, захватывающего по меньшей мере частично исследуемый субъект, причем система магнитно-резонансной томографии содержит главный магнит для генерирования магнитного поля в пределах объема визуализации, аппарат для получения пучка частиц, имеющий линию передачи пучка частиц для подведения пучка частиц заряженных частиц, включающую в себя гентри, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения, которая расположена в продольном направлении главного магнита, причем гентри содержит по меньшей мере один отклоняющий магнит для направления пучка частиц в облучаемый объем в пределах объема визуализации, активную компенсационную катушку, которая расположена так, чтобы практически окружать по меньшей мере объем визуализации, и которая предусмотрена поблизости от внешней поверхности главного магнита, и блок управления для управления активной компенсационной катушкой для подавления поля рассеяния, вызванного упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом в пределах объема визуализации, по меньшей мере в продольном направлении главного магнита.

Эта цель достигается также с помощью способа экранирования для применения в медицинском аппарате, содержащего этапы обеспечения системы магнитно-резонансной томографии для получения магнитно-резонансных данных от объема визуализации, захватывающего по меньшей мере частично исследуемый субъект, причем система магнитно-резонансной томографии содержит главный магнит для генерирования магнитного поля в пределах объема визуализации, обеспечения аппарата для получения пучка частиц, имеющего линию передачи пучка частиц для пучка заряженных частиц, включающую в себя гентри, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения, которая расположена в продольном направлении главного магнита, причем гентри содержит по меньшей мере один отклоняющий магнит для направления пучка частиц в облучаемый объем в пределах объема визуализации, обеспечения активной компенсационной катушки, которая расположена так, чтобы практически окружать по меньшей мере объем визуализации, и которая предусмотрена поблизости от внешней поверхности главного магнита, и управления активной компенсационной катушкой для подавления поля рассеяния, вызванного упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом в пределах объема визуализации, по меньшей мере в продольном направлении главного магнита.

Соответственно, активная компенсационная катушка активно подавляет z-компоненту поля рассеяния упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита в поле сканирования или объеме визуализации МР-магнита. Следовательно, поле рассеяния упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита аппарата для получения пучка частиц активно компенсируется так, что его компонента вдоль направления основного поля МР-магнита, то есть продольного направления или оси z МР-магнита, является или однородным или нулевым по всему объему визуализации МР-системы. Это, предпочтительно, применяется для всех вращательных положений гантри аппарата для получения пучка частиц и для всех напряженностей магнитного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита. Таким образом, возмущающее действие аппарата для получения пучка частиц, в частности, упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита аппарата для получения пучка частиц, на качество МР-томографии уменьшается или устраняется. Отклоняющий магнит также называют дипольным магнитом.

Экранирование самого упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита, то есть экранирование магнитного поля у источника, не является легким из-за большой напряженности этого магнитного поля. Пассивное экранирование с помощью ферромагнитного материала было бы проблематичным, поскольку этот экранирующий материал также будет подвергаться воздействию поля рассеяния магнита МРТ и, тем самым, вызывать дополнительную неоднородность поля в объеме визуализации. Кроме того, напряженность магнитного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита и, следовательно, также его поля рассеяния не постоянна во времени, но изменяется с энергией заряженных частиц. Поскольку в большинстве лечебных процедур используется модуляция энергии заряженных частиц, для того чтобы перемещать брэгговский пик в направлении пучка, статическая компенсация не подходит для подавления воздействия магнитного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита. Эти недостатки могут быть преодолены с помощью предлагаемого активного экранирования с использованием активной компенсационной катушки.

Активная компенсация магнитного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита является наиболее эффективной, когда активная компенсационная катушка расположена как можно ближе к объему, в котором требуется компенсирующее поле. Следовательно, предпочтительным является обеспечения активной компенсационной катушки насколько возможно далеко от упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита. Поэтому, предпочтительно, чтобы витки активной компенсационной катушки были распределены по цилиндрической поверхности, расположенной непосредственно снаружи цилиндрической внешней поверхности магнита, или снаружи цилиндрической внешней поверхности криостата главного магнита. Предпочтительно, магнит МРТ не имеет никаких выступов, так что активная компенсационная катушка может быть расположена в непосредственной близости от главного магнита и настолько далеко от упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита, насколько это возможно. У некоторых магнитов уровня техники предусмотрены такие выступы, например для криогенных или вакуумных портов, приспособлений для поддержки магнита, подножия магнита или других компонентов.

Предпочтительно, обеспечивают гентри для направления пучка заряженных частиц на исследуемый субъект под углом, перпендикулярным оси z главного магнита. Соответственно, прохождение заряженных частиц через исследуемый субъект может быть сведено к минимуму, что снижает дозу для исследуемого субъекта.

Магнитное поле по меньшей мере одного из отклоняющих магнитов, то есть отклоняющего магнита, ближайшего к выходному участку гентри, направлено перпендикулярно оси z магнита и быстро спадает с увеличением расстояния от выходного участка гентри. Благодаря этому градиенту поле упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита в объеме визуализации МР-магнита также имеет z-компоненту, которая равна нулю в плоскости z=0 и возрастает по величине от этой срединной плоскости МР-магнита. Для пробного конструктивного исполнения такого дипольного магнита градиент поля по объему визуализации составляет порядка 100 ppm. Для правильной работы системы МРТ является наиболее важным и обычно достаточным подавление этой z-компоненты поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита.

Предпочтительно, активная компенсационная катушка снабжена подходящей формой и распределением тока, так что она генерирует практически такую же картину магнитного поля, что и упомянутый по меньшей мере один отклоняющий магнит, но с противоположной полярностью. Это достигается за счет соответствующего конструктивного исполнения активной компенсационной катушки.

Предпочтительно, активная компенсационная катушка имеет такое распределение витков, что при управлении током активной компенсирующей катушки итоговое магнитное поле, то есть магнитное поле упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита вместе с магнитным полем активной компенсационной катушки, имеет однородную z-компоненту по всему полю сканирования МР-магнита, то есть объему визуализации. Поперечные компоненты общего поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита и активной компенсационной катушки не должны быть равны нулю. До тех пор пока общее поперечное поле достаточно мало для того, чтобы векторная сумма поперечного поля и поля основного магнита МРТ не отличалась значительно от магнитного поля МР-магнита, процесс визуализации системы МРТ не будет затронут поперечным полем.

Предпочтительным выбором для напряженности итоговой z-компоненты магнитного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита аппарата для получения пучка частиц и активной компенсационной катушки является нуль. Даже при этом ограничении конструктивного исполнения может быть получено большое число решений для распределения тока в активной компенсирующей катушке, то есть конструктивное исполнение активных компенсационных катушек практически не ограничено данным описанием изобретения. Особый случай, когда также поперечные компоненты суммарного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита и компенсационной катушки равны нулю, является привлекательным, поскольку он подавил бы другие возможные взаимодействия между системой магнитно-резонансной томографии и аппаратом для получения пучка частиц. Тем не менее, это воплощение требует мощной конструкции активной компенсационной катушки, что привело бы к сложному конструктивному исполнению по сравнению с активной компенсационной катушкой для подавления практически общей z-компоненты магнитного поля.

Предпочтительно, распределение тока для активной компенсационной катушки должно быть разработано посредством первичного вычисления или измерения карты поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита в местоположении объема визуализации МР-магнита. Эти значения поля затем могут быть использованы в качестве целевых полей для программы оптимизации катушки с использованием метода функции потока. Это аналогично тому, что обычно используют для разработки градиентных МР-катушек. Функция стоимости в оптимизации может в таком случае представлять собой общую диссипацию в активной компенсационной катушке. Итоговое распределение тока, предпочтительно, дискретизируют на витки, каждый из которых проводит одинаковый рабочий ток.

Кроме того, предпочтительно, активная компенсационная катушка также компенсирует поля других источников магнитных полей аппарата для получения пучка частиц. Предпочтительно, активная компенсационная катушка также компенсирует поля других источников магнитных полей, которые масштабируют с увеличением рабочего тока в упомянутом по меньшей мере одном отклоняющем магните.

Предпочтительно, аппарат для получения пучка частиц представляет собой аппарат для протонной терапии (ПТ) для направления пучка протонов на исследуемый субъект. Аппараты для ПТ известны в данной области техники, и нет необходимости рассматривать их подробно.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активная компенсационная катушка прикреплена к гентри и может вращаться вместе с гентри вокруг оси вращения. Когда активная компенсационная катушка прикреплена к гентри, активная компенсационная катушка может легко вращаться с гентри и упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом, так что магнитные поля, генерируемые упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом, и магнитные поля для их компенсации, которые генерируются активной компенсационной катушкой, вращаются вместе. Это облегчает компенсацию вращающихся магнитных полей.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления активная компенсационная катушка может вращаться вокруг оси вращения гентри, но вращением активной компенсационной катушки управляют независимо от вращения гентри. Соответственно, активная компенсационная катушка легко может быть добавлена к существующему медицинскому аппарату. Она также легко может быть добавлена к существующему аппарату для получения пучка частиц. Конструктивное исполнение существующего аппарата не требует изменений.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активная компенсационная катушка прикреплена к выходному участку гентри. Выходной участок гентри относится к части гентри, где пучок частиц покидает гентри для входа в исследуемый субъект. Активная компенсация магнитного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита наиболее эффективна, когда активная компенсационная катушка расположена как можно ближе к объему, в котором требуется компенсирующее поле. Следовательно, предпочтительным является обеспечение активной компенсационной катушки насколько возможно далеко от упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита, то есть активная компенсационная катушка прикреплена к выходному участку, который расположен рядом с главным магнитом.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активная компенсационная катушка содержит цилиндрическую поддерживающую конструкцию и набор витков, расположенных на поддерживающей конструкции, для проведения компенсационного тока. Поддерживающая конструкция и витки, предпочтительно, изготовлены из нежелезных материалов, для того чтобы избежать воздействий на магнитное поле внутри главного магнита, в частности в объеме визуализации. Предпочтительно, витки изготовлены из меди. Витки активной компенсационной катушки могут быть помещены на внешней или внутренней поверхности поддерживающей конструкции. Витки, предпочтительно, обеспечены на поддерживающей конструкции в соответствии с разработанной схемой распределения тока активной компенсационной катушки, как рассмотрено выше.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активная компенсационная катушка содержит металлический лист, причем в металлическом листе прорезаны электрические каналы, и металлический лист обернут вокруг цилиндрической поддерживающей конструкции. Поддерживающая конструкция и металлический лист, предпочтительно, изготовлены из нежелезных материалов, для того чтобы избежать воздействия на магнитное поле внутри главного магнита, в частности в объеме визуализации. Предпочтительно, металлический лист изготовлен из меди. Металлический лист активной компенсационной катушки может быть помещен на внешней или внутренней поверхности поддерживающей конструкции. Электрические каналы, предпочтительно, обеспечены в металлическом листе в соответствии с разработанной схемой распределения тока активной компенсационной катушки, как рассмотрено выше.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активная компенсационная катушка снабжена по меньшей мере одним отверстием для прохождения пучка частиц. Упомянутое по меньшей мере одно отверстие относится к участку активной компенсационной катушки без проводящих элементов. Следовательно, упомянутое по меньшей мере одно отверстие служит в качестве окна для пучка заряженных частиц для достижения исследуемого субъекта. Может быть предусмотрено множество отверстий, например, в случае невращающейся активной катушки, так что пучок заряженных частиц может быть направлен на исследуемый субъект с множества направлений через множество отверстий.

Предпочтительно, активная компенсационная катушка имеет зеркальную симметрию относительно плоскости, содержащей ось z главного магнита. Кроме того, предпочтительно, проводники активной компенсационной катушки не пересекают эту плоскость симметрии. Соответственно, может быть предусмотрено механическое разделение в цилиндрической конструкции активной компенсационной катушки и ее поддерживающей конструкции для обеспечения установки активной компенсационной катушки вокруг магнита МРТ в виде двух половин, которые соединяют вместе посредством болтов или других средств после помещения катушки вокруг главного магнита МРТ. Витки двух половин активной компенсационной катушки, предпочтительно, соединяют последовательно.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активную компенсационную катушку охлаждают с помощью воздуха посредством принудительной или естественной конвекции или с помощью воды, протекающей через каналы охлаждения, смонтированные на поверхности активной компенсационной катушки, или через сами витки активной компенсационной катушки, если они изготовлены из полого проводника. Поскольку активная компенсационная катушка, предпочтительно, вращается вместе с отклоняющим диполем, можно использовать систему водяного охлаждения дипольного магнита также и для охлаждения активной компенсационной катушки.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления блок управления выполнен с возможностью управления активной компенсационной катушкой для подачи на нее тока, пропорционального току в упомянутом по меньшей мере одном отклоняющем магните. Следовательно, может быть облегчена компенсация магнитных полей упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита, поскольку изменение напряженности поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита, которое влияет на напряженность поля рассеяния, также непосредственно применяется к активной компенсационной катушке. При правильном конструктивном исполнении активной компенсационной катушки, как рассмотрено выше, компенсация полей рассеяния может выполняться автоматически посредством приведения в действие активной компенсационной катушки с помощью пропорционального тока.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутый по меньшей мере один отклоняющий магнит и активная компенсационная катушка предусмотрены имеющими одинаковый рабочий ток для приведения в соответствие полей, и активная компенсационная катушка и упомянутый по меньшей мере один отклоняющий магнит последовательно электрически соединены для приведения в действие одинаковым рабочим током. Следовательно, может быть дополнительно облегчена компенсация магнитных полей упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита, поскольку изменения напряженности поля по меньшей мере одного отклоняющего магнита, которые влияют на напряженность поля рассеяния, непосредственно компенсируются активной компенсационной катушкой. При правильном конструктивном исполнении активной компенсационной катушки, как рассмотрено выше, компенсация полей рассеяния может выполняться автоматически.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления медицинский аппарат содержит приводное устройство для запитывания активной компенсационной катушки, а блок управления выполнен с возможностью управления приводным устройством с использованием информации о рабочей точке магнита от аппарата для получения пучка частиц. Следовательно, активная компенсационная катушка может быть приведена в действие независимо от тока через упомянутый по меньшей мере один отклоняющий магнит, то есть активная компенсационная катушка приводится в действие независимым образом. В этом независимом режиме работы удобно создать и использовать таблицу соответствия соответствующих значений токов компенсации в зависимости от тока в отклоняющем магните. Таблица соответствия может быть создана посредством магнитного моделирования или посредством измерения полей дипольного магнита и активной компенсационной катушки. Если в ферромагнитных частях дипольного магнита на внешнее поле в зависимости от тока воздействует магнитный гистерезис, целесообразно предусмотреть отдельные таблицы соответствия для случаев, когда дипольный ток увеличивается или уменьшается.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активная компенсационная катушка содержит многослойную структуру катушек с по меньшей мере двумя коаксиальными слоями катушки. Многослойная структура может быть достигнута, например, посредством обеспечения цилиндрической поддерживающей конструкции, у которой набор витков предусмотрен на ее внутренней цилиндрической поверхности, а другой набор витков предусмотрен на ее внешней цилиндрической поверхности, что образует в данном варианте осуществления два слоя катушки. Предпочтительно, слои катушки могут приводиться в действие независимо. К активной компенсационной катушке могут быть добавлены дополнительные слои катушки для компенсации магнитных полей, генерируемых любым дополнительным источником магнитных полей, например, когда используют множество отклоняющих и/или сканирующих магнитов. Многослойная структура катушки делает возможной компенсацию нелинейностей внешнего поля дипольного магнита, которые могут быть вызваны насыщением железного возвратного ярма отклоняющего магнита. Кроме того, в случае, когда аппарат для получения пучка частиц содержит множество магнитов, которые приводятся в действие с помощью токов с разной временной зависимостью, многослойную структуру, предпочтительно, используют для компенсации магнитных полей, генерируемых этими источниками магнитных полей рассеяния.

В качестве альтернативы, активная компенсационная катушка может быть обеспечена в виде узла активной компенсационной катушки, содержащего по меньшей мере две независимые катушки. Принципы, рассмотренные выше в отношении многослойной структуры катушек, также применимы к узлу активной компенсационной катушке, содержащему по меньшей мере две независимые катушки.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления активная компенсационная катушка содержит по меньшей мере один коррекционный виток. Как правило, по меньшей мере один коррекционный виток мал по сравнению с размером активной компенсационной катушки. Упомянутой по меньшей мере один коррекционный виток делает возможной тонкую регулировку компенсационного воздействия, что может быть желательным для компенсации ошибок поля, обусловленных изготовлением или точностью выставления.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способ содержит выставление активной компенсационной катушки с упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом. В частности, когда активная компенсационная катушка прикреплена к гентри, который вращается вокруг центральной линии МР-магнита, компенсационная катушка должна быть точно выставлена с упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом. При выставлении упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита и активной компенсационной катушки картины полей упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита и активной компенсационной катушки могут соответствовать друг другу, что облегчает компенсацию магнитного поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита.

Принципы, рассмотренные выше в отношении медицинского аппарата, применимы также, когда активную компенсационную катушку используют только вместе с аппаратом для получения пучка частиц, то есть без системы МРТ. Следовательно, может быть обеспечено цилиндрическое пространство внутри активной компенсационной катушки, где магнитные поля рассеяния могут быть надежно скомпенсированы по меньшей мере в направлении оси вращения гентри.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны и объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже в данном документе. При этом такой вариант осуществления не обязательно представляет полный объем настоящего изобретения, и поэтому в настоящем документе дается ссылка на формулу изобретения для интерпретации объема настоящего изобретения.

На чертежах:

фиг. 1 показывает обобщенный вид в поперечном разрезе варианта осуществления медицинского аппарата в соответствии с первым вариантом осуществления с активной компенсационной катушкой,

фиг. 2 показывает медицинский аппарат в соответствии с первым вариантом осуществления с фиг. 1 на виде в перспективе, на котором опущена активная компенсационная катушка,

фиг. 3 показывает схематическое расположение отклоняющего магнита и МР-магнита в соответствии с фиг. 2 на виде в перспективе,

фиг. 4 показывает распределение магнитного поля в МР-магните МР-системы медицинского аппарата с фиг. 1 без активного экранирования, известного из уровня техники, на виде в поперечном разрезе в перспективе,

фиг. 5 показывает распределение магнитного поля в МР-магните МР-системы медицинского аппарата с фиг. 1 с активной компенсационной катушкой на виде в поперечном разрезе в перспективе,

фиг. 6 показывает витки одной половины активной компенсационной катушки на виде в поперечном разрезе в перспективе вместе с МР-магнитом МР-системы медицинского аппарата с фиг. 5 с плоскостью разреза чертежа, расположенной в плоскости симметрии компенсационной катушки,

фиг. 7 показывает витки одной половины активной компенсационной катушки, как показано на фиг. 5 и 6, на виде в поперечном разрезе в перспективе без МР-магнита с плоскостью разреза чертежа, расположенной в плоскости симметрии компенсационной катушки, и

фиг. 8 показывает витки одной половины активной компенсационной катушки активной компенсационной катушки в плоскостном виде в соответствии с фиг. 7, где половина витков опущена для ясности.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 1 и 2 показывают медицинский аппарат 100 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления.

Медицинский аппарат 100 содержит систему 110 магнитно-резонансной томографии (МРТ), которая содержит магнитно-резонансный (МР) магнит 112, также называемый главным магнитом, который обеспечен в виде разделенного магнита с двумя субмагнитами 114. Как можно видеть подробно на фиг. 2, каждый субмагнит 114 содержит криогенную камеру 136, которая снабжена экраном 138 излучения. В криогенной камере 136 расположены внутренние сверхпроводящие катушки 140, выполненные с возможностью генерирования основного магнитного поля, и внешняя сверхпроводящая экранирующая катушка 142. Сверхпроводящая экранирующая катушка 142 выполнена так, что существует область нулевого магнитного поля, окружающая субмагнит 114.

В канале 116 субмагнитов 114 предусмотрена опора 118, выполненная с возможностью приема исследуемого субъекта 120. Между двумя субмагнитами 114 находится объем 122 визуализации, где магнитное поле является достаточно однородным для того, чтобы были получены данные магнитно-резонансной томографии. В пределах объема 122 визуализации находится зона 124 облучения, также называемая целевой зоной 124, которая далее рассмотрена подробно. Данные магнитно-резонансной томографии в данном варианте осуществления получают с использованием разделенной приемопередающей катушки 126. Пространственное кодирование информации осуществляют с помощью разделенной градиентной катушки 128. В данном варианте осуществления градиентная катушка 128 расположена в канале 116 главного магнита 112.

В данном варианте осуществления разделенную приемопередающую катушку 126 устанавливают непосредственно на исследуемый субъект 120. В других вариантах осуществления катушки, используемые для получения данных магнитно-резонансной томографии, могут быть установлены в канале 116 МР-магнита 112, они могут быть установлены на опорах, или они могут быть прикреплены к градиентной катушке 128.

Приемопередающая катушка 126 соединена с приемопередатчиком 130. Приемопередатчик 130 способен испускать, а также принимать радиочастотные сигналы. Приемопередатчик 130 взаимодействует с блоком 132 управления. Разделенная градиентная катушка 128 запитывается градиентным усилителем 134, который управляется блоком 132 управления. Градиентный усилитель 134 представляет собой усилитель мощности, способный подавать ток на градиентные катушки 128. Блок 132 управления представляет собой устройство обработки данных, которое выполнено с возможностью построения изображений по магнитно-резонансным данным, полученным приемопередатчиком 126.

Медицинский аппарат 100 дополнительно содержит аппарат 150 для получения пучка частиц, который в данном варианте осуществления представляет собой аппарат для протонной терапии (ПТ). Аппарат 150 для ПТ имеет линию 152 передачи пучка частиц для пучка 154 частиц заряженных частиц, включающую в себя гентри 156, выполненный с возможностью вращения вокруг оси R вращения, которая расположена в продольном направлении главного магнита 112. Гентри содержит один отклоняющий магнит 158 для направления пучка 154 частиц в облучаемый объем 124 в пределах объема 122 визуализации. В данном варианте осуществления пучок 154 частиц направляют на исследуемый субъект 120 под углом, перпендикулярным оси z главного магнита 112. Дополнительные отклоняющие магниты, которые предусмотрены в гентри 156, не видны, а также не рассмотрены подробно. Фиг. 3 схематически изображает расположение отклоняющего магнита 158 и МР-магнита 112. МР-магнит 112 изображен в виде одного магнита. Тем не менее, конкретное конструктивное исполнение МР-магнита 112 описано выше.

Аппарат 150 для ПТ содержит средство 160 наведения, которое предназначено для управления отклоняющим магнитом 158. Блок 132 управления выполнен с возможностью управления наводящим средством 160. Средство 160 наведения выполнено с возможностью направления пучка 154 частиц на облучаемый объем 124. Как можно видеть на фиг. 1 и 2, из-за разделенной конструкции главного магнита 112, приемопередающей катушки 126 и градиентной катушки 128 пучок 154 частиц не пересекает главный магнит 112, приемопередающую катушку 126 и градиентную катушку 128.

Аппарат 150 для ПТ дополнительно содержит вращаемую опору 162 для поддержки гентри 156. Как можно видеть на фиг. 2, вращаемая опора 162 поддерживает систему МРТ 110. Вращаемая опора 162 поддерживает гентри 156 в области выходного участка 164, где пучок 154 частиц покидает гентри 156.

Импульсные электромагниты, используемые для сканирования пучком 154 частиц, предпочтительно, расположены внутри кольца 166 низкого поля; это позволяет использовать эффективные сканирующие магниты с ферромагнитным возвратным ярмом.

Как можно видеть на фиг. 4, при совместной работе системы МРТ 110 и аппарата 150 для ПТ отклоняющий магнит 158 вызывает неоднородности в магнитном поле внутри главного магнита 112, что можно видеть по сфере 170 распределения поля.

Аппарат 150 для ПТ дополнительно содержит активную компенсационную катушку 200 для обеспечения однородного магнитного поля внутри МР-магнита 112. Активная компенсационная катушка 200 расположена так, чтобы практически окружать по меньшей мере объем 122 визуализации. Активная компенсационная катушка 200 дополнительно обеспечена вблизи от внешней поверхности главного магнита 112. В данном положении активная компенсационная катушка 200 прикреплена к выходному участку 164 гентри 156 и может вращаться вместе с гентри 156 вокруг оси R вращения.

Активная компенсационная катушка 200 приводится в действие посредством приводного блока 202. Блок 132 управления управляет активной компенсационной катушкой 200 посредством приводного блока 202. Кроме того, блок 132 управления управляет активной компенсационной катушкой 200 для подавления поля рассеяния, вызванного отклоняющим магнитом 158 в пределах объема 122 визуализации в продольном направлении главного магнита 112. В данном варианте осуществления блок 132 управления управляет активной компенсационной катушкой 200 так, что подает на нее с использованием приводного блока 202 ток, пропорциональный току в отклоняющем магните 158.

Следовательно, блок 132 управления управляет активной компенсационной катушкой 200 для активного подавления z-компоненты поля рассеяния отклоняющего магнита 158 в объеме 122 визуализации МР-магнита 112, так что его компонента вдоль продольного направления МР-магнита 112 является или однородной, или нулевой в пределах объема 122 визуализации. Это управление применяется для всех вращательных положений гентри 158 аппарата 150 для получения пучка частиц и для всех напряженностей магнитного поля отклоняющего магнита 158.

В данном варианте осуществления активная компенсационная катушка 200 выполнена с подходящей формой и распределением тока, так что она генерирует практически такую же картину магнитного поля, что и отклоняющий магнит 158, но с противоположной полярностью. Кроме того, активная компенсационная катушка 200 выставлена с отклоняющим магнитом 158, так что картины полей отклоняющего магнита 158 и активной компенсационной катушки 200 соответствуют друг другу. Кроме того, активная компенсационная катушка 200 имеет такое распределение витков, что при управлении током активной компенсационной катушки 200 итоговое магнитное поле, то есть магнитное поле упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита вместе с магнитным полем активной компенсационной катушки, имеет однородную z-компоненту по всему объему визуализации МР-магнита 112.

Активная компенсационная катушка 200 содержит цилиндрическую поддерживающую конструкцию, которая не показана на фигурах, и набор витков 204, расположенных на поддерживающей конструкции, для проведения компенсационного тока, как можно видеть на фиг. 5-7. Поддерживающая конструкция и витки 204 изготовлены из нежелезных материалов. Витки 204 выполнены из медной проволоки. В данном варианте осуществления витки 204 активной компенсационной катушки 200 помещены на внешней поверхности поддерживающей конструкции. В альтернативном варианте осуществления витки 204 активной компенсационной катушки 200 помещены на внутренней поверхности поддерживающей конструкции. Витки 204 обеспечены на поддерживающей конструкции в соответствии с разработанной схемой распределения тока активной компенсационной катушки 200, как описано ниже.

В альтернативном варианте осуществления активная компенсационная катушка 200 содержит металлический лист, причем в металлическом листе прорезаны электрические каналы, и металлический лист обернут вокруг цилиндрической поддерживающей конструкции. Поддерживающая конструкция и металлический лист изготовлены из нежелезных материалов. Металлический лист изготовлен из меди. Металлический лист активной компенсационной катушки 200 помещают или на внешней, или на внутренней поверхности поддерживающей конструкции.

Как лучше всего можно видеть на фиг. 7 и 8, активная компенсационная катушка 200 содержит две симметричные половины 210 катушки, одна из которых показана на фиг. 7 и 8. На фиг. 8 для ясности изображена только половина витков 204 активной компенсационной катушки 200 по сравнению с фиг. 7. Тем не менее, в альтернативном варианте осуществления активная компенсационная катушка 200 снабжена половиной витков 204 по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг. 7. В этом случае для достижения такой же активной компенсации активная компенсационная катушка 200 может быть приведена в действие с помощью двойного питания по сравнению с активной компенсационной катушкой 200, показанной на фиг. 7.

С двумя половинами 210 катушки активная компенсационная катушка 200 снабжена зеркальной симметрией по отношению к плоскости, содержащей ось z главного магнита 112. Каждая половина 210 катушки снабжена своими витками 204, отделенными от витков 204 другой соответствующей половины 210 катушки, так что никакие витки 204 активной компенсационной катушки 200 не пересекают данную плоскость симметрии. Витки 204 двух половин 210 катушки соединены последовательно, даже если на фигурах они выглядят как отдельные витки 204. Следовательно, к виткам 204, показанным, например, на фиг. 8, подается одинаковый ток. Направление тока указано на фиг. 8 с помощью стрелок, добавленных к виткам 204.

В данном варианте осуществления активную компенсационную катушку 200 охлаждают с помощью воздуха посредством принудительной или естественной конвекции. В альтернативном варианте осуществления витки обеспечивают в виде полых проводников для циркуляции воды в качестве охлаждающей жидкости. В еще одном варианте осуществления на поверхности активной компенсационной катушки 200 смонтированы каналы охлаждения для обеспечения циркуляции воды для охлаждения.

Как можно видеть на фиг. 1, активная компенсационная катушка 200 снабжена отверстием 206 для прохождения пучка 154 частиц. Отверстие 206 относится к области активной компенсационной катушки 200 без проводящих элементов, то есть без витков 204. Как можно видеть на фиг. 1, предусмотрено соединительное окно 208 для соединения разделенной приемопередающей катушки 126 и приемопередатчика 130.

Распределение тока для витков 204 активной компенсационной катушки 200 должно быть разработано посредством вычисления или измерения вначале карты поля упомянутого по меньшей мере одного отклоняющего магнита 158 в местоположении объема 122 визуализации МР-магнита 112. Эти значения поля используют в качестве целевых полей для программы оптимизации катушки с использованием метода функции потока аналогично тому, что обычно используют для разработки градиентных МР-катушек. Функция потерь в оптимизации представляет собой общую диссипацию в активной компенсационной катушке 200. Итоговое распределение тока, предпочтительно, дискретизируют на витки 204, каждый из которых проводит одинаковый рабочий ток. Активная компенсационная катушка 200 в альтернативном варианте осуществления также компенсирует поля других источников магнитных полей аппарата 150 для получения пучка частиц, в частности активная компенсационная катушка 200 компенсирует поля других источников магнитных полей, которые возрастают с увеличением рабочего тока в отклоняющем магните 158. Активная компенсационная катушка 200 также содержит коррекционные витки.

Притом, что настоящее изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрации и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области техники при осуществлении заявляемого изобретения на практике могут быть на основании изучения чертежей, настоящего раскрытия и прилагаемой формулы изобретения придуманы и реализованы другие варианты раскрытых вариантов осуществления. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественного. Сам по себе факт, что некоторые величины приведены в попарно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация данных величин не может применяться для получения преимущества. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не должны интерпретироваться как ограничивающие объем.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

100 медицинский аппарат

110 система магнитно-резонансной томографии (МРТ)

112 магнитно-резонансный (МР) магнит, главный магнит

114 субмагнит

116 канал

118 опора

120 исследуемый субъект

122 объем визуализации

124 облучаемый объем, целевая зона

126 разделенная приемопередающая катушка

128 разделенная градиентная катушка

130 приемопередатчик

132 блок управления

134 градиентный усилитель

136 криогенная камера

138 экран излучения

140 внутренняя сверхпроводящая катушка

142 внешняя сверхпроводящая катушка

150 аппарат для получения пучка частиц, аппарат для протонной терапии

152 линия передачи пучка частиц

154 пучок частиц

156 гентри

158 отклоняющий магнит

160 средство наведения

162 вращаемая опора

164 выходной участок

166 кольцо низкого поля

170 сфера распределения поля

200 активная компенсационная катушка

202 приводной блок

204 виток

206 отверстие

208 соединительное окно

210 половина катушки

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к области направления заряженных частиц в целевую зону в пределах исследуемого субъекта, причем частицы наводят с использованием магнитно-резонансной томографии. Медицинский аппарат содержит систему магнитно-резонансной томографии для получения магнитно-резонансных данных от объема визуализации, захватывающего по меньшей мере частично исследуемый субъект, причем система магнитно-резонансной томографии содержит главный магнит для генерирования магнитного поля в пределах объема визуализации, аппарат для получения пучка частиц, имеющий линию передачи пучка частиц для пучка заряженных частиц, включающую в себя гентри, выполненный с возможностью вращения вокруг оси (R) вращения, которая расположена в продольном направлении главного магнита, причем гентри содержит по меньшей мере один отклоняющий магнит для направления пучка частиц в облучаемый объем в пределах объема визуализации, активную компенсационную катушку, которая расположена практически окружающей по меньшей мере объем визуализации и которая предусмотрена поблизости от внешней поверхности главного магнита и снаружи внешней поверхности главного магнита, и блок управления для управления активной компенсационной катушкой для подавления поля рассеяния, вызванного упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом в пределах объема визуализации, по меньшей мере в продольном направлении главного магнита. Использование изобретения позволяет повысить надежность проведения магнитно-резонансной томографии. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Медицинский аппарат (100), содержащий

систему (110) магнитно-резонансной томографии для получения магнитно-резонансных данных от объема (122) визуализации, захватывающего по меньшей мере частично исследуемый субъект (120), причем система (110) магнитно-резонансной томографии содержит главный магнит (112) для генерирования магнитного поля в пределах объема (122) визуализации,

аппарат (150) для получения пучка частиц, имеющий линию (152) передачи пучка частиц для пучка (154) заряженных частиц, включающую в себя гентри (156), выполненный с возможностью вращения вокруг оси (R) вращения, которая расположена в продольном направлении главного магнита (112), причем гентри (156) содержит по меньшей мере один отклоняющий магнит (158) для направления пучка (154) частиц в облучаемый объем (124) в пределах объема (122) визуализации,

активную компенсационную катушку (200), которая расположена практически окружающей по меньшей мере объем (122) визуализации и которая предусмотрена поблизости от внешней поверхности главного магнита (112) и снаружи внешней поверхности главного магнита, и

блок управления (132) для управления активной компенсационной катушкой (200) для подавления поля рассеяния, вызванного упомянутым по меньшей мере одним отклоняющим магнитом (158) в пределах объема (122) визуализации, по меньшей мере, в продольном направлении главного магнита (112).

2. Медицинский аппарат (100) по п. 1, причем

активная компенсационная катушка (200) прикреплена к гентри (156) и может вращаться вместе с гентри (156) вокруг оси (R) вращения.

3. Медицинский аппарат (100) по п. 2, причем

активная компенсационная катушка (200) прикреплена к выходному участку (164) гентри (156).

4. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-3, причем

активная компенсационная катушка (200) содержит цилиндрическую поддерживающую конструкцию и набор витков (204), расположенных на поддерживающей конструкции, для проведения компенсационного тока.

5. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-4, причем

активная компенсационная катушка (200) содержит металлический лист, причем в металлическом листе прорезаны электрические каналы и металлический лист обернут вокруг цилиндрической поддерживающей конструкции.

6. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-5, причем

активная компенсационная катушка (200) снабжена по меньшей мере одним отверстием (206) для прохождения пучка (154) частиц.

7. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-6, причем

блок управления (132) выполнен с возможностью управления активной компенсационной катушкой (200) для подачи на нее тока, пропорционального току в упомянутом по меньшей мере одном отклоняющем магните (158).

8. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-7, причем

упомянутый по меньшей мере один отклоняющий магнит (158) и активная компенсационная катушка (200) предусмотрены имеющими одинаковый рабочий ток для приведения в соответствие полей, и

активная компенсационная катушка (200) и упомянутый по меньшей мере один отклоняющий магнит (158) последовательно электрически соединены для приведения в действие одинаковым рабочим током.

9. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-7, причем

медицинский аппарат (100) содержит приводное устройство (202) для запитывания активной компенсационной катушки (200), а

блок управления (132) выполнен с возможностью управления приводным устройством (202) с использованием информации о рабочей точке магнита от аппарата (150) для получения пучка частиц.

10. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-9, причем

активная компенсационная катушка (200) содержит многослойную структуру катушек с по меньшей мере двумя коаксиальными слоями катушки.

11. Медицинский аппарат (100) по любому из предшествующих пп. 1-10, причем

активная компенсационная катушка (200) содержит по меньшей мере один коррекционный виток.