掃描系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明通常設及一種用于例如與粒子治療系統一起使用的粒子束掃描系統。
【背景技術】
[0002] 粒子治療系統使用加速器產生粒子束來治療疾病，如腫瘤。在操作中，在存在磁場 時，粒子在空腔內部的軌道中被加速，并通過引出通道從空腔中移除。磁場再生器在空腔的 外部附近產生磁場不均勻性W扭曲一些軌道的間距和角度，從而它們朝引出通道進動并最 終進入。由粒子組成的束離開引出通道。
[0003] 掃描系統是引出通道的下行束。在本文中，"下行束"指代更加靠近福射祀標（運 里，相對于引出通道來說）。掃描系統使該波束移動越過至少部分福射祀標W將福射祀標的 各個部分暴露至波束。例如，為了治療腫瘤，粒子束可W在腫瘤的不同截面層上被"掃描"。
【發明內容】
[0004] 一種示例的粒子治療系統包括：粒子加速器，用于輸出帶電粒子束；W及掃描系 統，用于掃描越過至少部分福射祀標的波束。示例的掃描系統包括：掃描磁體，用于在掃描 期間移動波束，其中波束的位置對應于掃描磁體的電流；W及控制系統（i)用于控制電流， W產生越過至少部分福射祀標的波束的連續運動，從而輸送帶電粒子劑量，（ii)針對粒子 束輸送劑量的多個位置，用于存儲標識所輸送劑量的位置和量的信息，（iii)用于將每個位 置處所輸送的累積劑量與目標累積劑量相比較，W及（iv)如果各特定位置處的累積劑量 與目標累積劑量不匹配，則控制電流W移動波束，從而輸送額外的劑量至運些特定位置。示 例的粒子治療系統可單獨地或組合地包括一個或多個下面的特征。
[0005] 示例的粒子加速器包括加速器，其可配置為根據射頻（R巧周期輸出帶電粒子脈 沖。帶電粒子脈沖形成波束。越過至少部分福射祀標的波束運動可不基于RF周期。控制 系統可配置為測量每個位置處所輸送的累積劑量。測量可與RF周期基本同步。控制系統 可配置為測量每個位置處所輸送的累積劑量。測量可與每個位置處的劑量輸送基本同步。
[0006] 標識所輸送劑量的位置和量的信息可包括每個位置處所輸送劑量的量W及下面 中至少一個：福射祀標中每個方位的位置或對應福射祀標內每個位置的磁體電流。所述位 置可對應福射祀標內的=維坐標。
[0007] 所述粒子治療系統可包括：存儲器，用于存儲治療方案，其針對每個位置識別粒子 束的目標累積劑量。治療方案可W省略在掃描期間輸送至各個位置的個體劑量的信息。
[0008] 所述掃描系統可包括：降能器，用于在將波束輸出至福射祀標之前改變波束的能 量。降能器可W是相對于粒子加速器的掃描磁體下行波束。控制系統可配置為控制至少部 分降能器進入、或離開波束路徑的運動，從而影響波束能量并進而設置帶電粒子即將輸送 到達的福射祀標層。
[0009] 粒子加速器可包括用于提供等離子體的離子源，從中可W引出波束中的脈沖。在 降能器的至少部分運動期間，離子源可W不被激活。
[0010] 粒子加速器可包括：用于提供等離子體的離子源，從中可W引出波束中的脈沖； W及電壓源，用于提供射頻（RF)電壓至空腔W加速來自等離子體的粒子。空腔可具有磁 場，用于使得從等離子體柱加速的粒子在空腔內沿軌道運動。在降能器的至少部分運動期 間，電壓源可W不被激活。在降能器的至少部分運動期間，粒子源可W在電壓源不被激活的 完全或部分相同時間不被激活。
[0011] 粒子加速器可W是可變能量粒子加速器。控制系統可配置為在掃描之前設置粒子 加速器的能量級。控制系統可配置為在掃描期間設置粒子加速器的能量級。
[0012] 對于粒子束輸送劑量的位置，每個個體劑量輸送可W是總累積劑量的一定百分 比。該百分比可小于總累積劑量的100%。該百分比可W約是或精確地是總累積劑量的 100%。
[0013] 掃描磁體可具有空氣磁忍、鐵磁忍、或空氣與鐵磁材料組合的磁忍。
[0014] 另一示例的粒子治療系統包括：粒子加速器，用于輸出帶電粒子束；W及掃描系 統，用于掃描越過至少部分福射祀標的波束。示例的掃描系統包括：掃描磁體，用于在掃描 期間移動波束；W及控制系統（i)用于控制掃描磁體W產生越過至少部分福射祀標深度方 向分層的波束的連續運動，從而輸送帶電粒子劑量至福射祀標，W及（ii)與劑量輸送同步 地確定標識沿深度方向分層的不同位置處所實際輸送的劑量的信息。
[0015] 示例的粒子加速器可配置為根據射頻（R巧周期輸出帶電粒子脈沖。帶電粒子脈 沖形成波束。波束運動可不基于RF周期。
[0016] 另一種示例的粒子治療系統包括：粒子加速器，用于輸出帶電粒子束；W及掃描 系統，用于掃描越過至少部分福射祀標的波束。示例的掃描系統包括：掃描磁體，用于在掃 描期間移動波束，其中波束的位置對應于掃描磁體的電流；W及開環控制系統（i)用于控 制電流，W產生越過至少部分福射祀標層的粒子束的連續運動，（ii)與輸送同步地記錄輸 送至福射祀標的粒子束的劑量W及下述中至少一個：劑量輸送處的坐標或劑量輸送處的磁 體電流，W及（iii)相對于對應的目標累積劑量補償所記錄劑量的不足。示例的粒子治療 系統可單獨地或組合地包括一個或多個下面的特征。
[0017] 粒子加速器可包括：電壓源，用于提供射頻（RF)電壓至空腔W加速來自等離子體 柱的粒子，其中空腔具有磁場用于使得從等離子體柱加速的粒子在空腔內沿軌道運動；弓I 出通道，用于接收從等離子體柱加速的粒子并從空腔朝掃描系統輸出所接收的粒子；W及 再生器，用于提供空腔內磁場不均勻性，進而改變從等離子體柱加速的粒子的連續軌道，從 而最終粒子輸出至引出通道。磁場可介于4特斯拉（T)和20T之間并且磁場不均勻性可W 最多是2特斯拉。越過至少部分福射祀標層的粒子束的連續運動可W不基于RF頻率。
[0018] 掃描磁體可包括空氣磁忍。粒子治療系統可包括臺架，在其上安裝粒子加速器和 掃描系統。臺架可配置為繞福射祀標移動粒子加速器和掃描系統。掃描磁體的電流可基于 臺架的位置來調節。
[0019] 粒子加速器可包括同步回旋加速器。粒子束的連續運動可越過整個層上或越過少 于整個層上發生。
[0020] 粒子治療系統可包括與掃描磁體關聯的電流傳感器。記錄劑量輸送的坐標可包括 采樣電流傳感器的輸出W及將該輸出關聯至坐標。粒子治療系統可包括掃描磁體和福射祀 標之間的電離室。記錄輸送至福射祀標的粒子束的劑量可包括針對每個劑量采樣電離腔的 輸出。
[0021] 示例的質子治療系統可包括任意的前述粒子加速器和掃描系統；W及臺架，在其 上安裝粒子加速器和掃描系統。臺架可關于患者位置旋轉。質子可基本上直接從粒子加速 器輸出并穿過掃描系統到達諸如患者的福射祀標的位置。粒子加速器可W是同步回旋加速 器。
[0022] 本發明中所描述的兩個或更多的特征，包括那些在該
【發明內容】
部分描述的特征， 可W組合W形成在本文中沒有具體描述的實施方式。
[0023] 本文所描述的各種系統或其部分的控制，可W通過計算機程序產品來實現，該計 算機程序產品包括存儲在一個或多個非暫態機器可讀存儲介質上的指令，并且該指令可 在一個或多個處理設備（例如，微處理器、專用集成電路、諸如現場可編程口陣列的程控邏 輯，等）上執行。本文所描述的系統或者其部分可W作為一種裝置、方法、或電子系統來實 施，其可W包括一個或多個處理設備和用于存儲實施所述功能的控制的可執行指令的計算 機存儲器。
[0024] -個或多個實施方式的細節在下面的附圖和說明書中闡述。其它特征、目的和優 點將從說明書、附圖W及權利要求書中變得顯而易見。
【附圖說明】
[0025] 圖1和2是用于粒子治療系統中的示例同步回旋加速器的橫截面圖；
[0026] 圖3是示例掃描系統的側視圖；
[0027] 圖4是示例掃描系統的部件的透視圖；
[002引圖5是用于圖3和4中所示類型的掃描系統中的示例磁體的前視圖；
[0029] 圖6是用于圖3和4中所示類型的掃描系統中的示例磁體的透視圖；
[0030] 圖7是用于圖3和4中所示類型的掃描系統中的示例能量降能器（范圍調制器） 的透視圖；
[0031] 圖8是用于在粒子束路徑中移動能量降能器盤的過程的透視圖；
[0032] 圖9是示出用于執行光柵掃描的示例過程的流程圖，其可使用圖1至8的硬件來 執行；
[0033] 圖10是示出福射祀標和射線掃描路徑的示例截面的頂視圖；
[0034] 圖11是示例治療系統的透視圖；
[0035] 圖12是用于粒子治療系統中的示例同步回旋加速器的各部件的分解透視圖；
[0036] 圖13是示例同步回旋加速器的橫截面圖；
[0037] 圖14是示例同步回旋加速器的透視圖；
[003引圖15是用于同步回旋加速器中的示例離子源的橫截面圖；
[0039] 圖16是用于同步回旋加速器中的示例D形板和示例虛擬D形的透視圖；
[0040] 圖17示出了位于治療室中示例粒子治療系統的示例內部臺架中的患者；
[0041] 圖18是可使用可變能量粒子加速器的示例粒子治療系統的概念視圖；
[0042] 圖19是可用于可變能量粒子加速器中的示例磁體系統的透視、分解視圖；
[0043] 圖20是示出針對粒子加速器中磁場和距離的各變體的能量和電流的示例曲線 圖；
[0044] 圖21是下述示例結構的側視圖，該示例結構用于在D形板上在針對粒子束的每個 能量級的頻率范圍內掃頻電壓，W及用于當粒子束能量變化時改變頻率范圍；
[0045] 在各個附圖中相似參考標記指示相似元件。
【具體實施方式】
[0046] 本文描述的是在諸如質子或離子治療系統的系統中使用的粒子加速器的一個示 例。該示例的粒子治療系統包括粒子加速器-在該示例中為同步回旋加速器-其安裝在臺 架上。如下面更詳細的解釋，臺架使加速器能夠圍繞患者位置進行旋轉。在一些實施方式 中，臺架是鋼制的，并具有安裝用于在位于患者相對側的兩個相應軸承上旋轉的兩條腿。粒 子加速器由鋼巧架支撐，該鋼巧架足夠長W跨越患者所躺的治療區，并且兩端連接到臺架 的旋轉腿上。由于臺架圍繞患者旋轉，粒子加速器也旋轉。
[0047] 在示例性實施方式中，粒子加速器（例如，同步回旋加速器）包括低溫恒溫器，其 支撐一個或多個超導線圈，每個用于傳導產生磁場度）的電流。在此示例中，低溫恒溫器使 用液體氮化e)將每個線圈保持在超導溫度下，例如，4°開爾文化)。磁輛或更小的磁極片 定位在低溫恒溫器內，并且限定了腔室，其中粒子在該腔室中加速。
[0048] 在該示例的實施方式中，所述粒子加速器包括粒子源（例如，Penning電離壓力 計一一PIG源）W向腔室提供等離子體柱。氨氣被離子化W產生等離子體柱。電壓源向腔 室提供射頻（RF)電壓W加速來自于等離子體柱的粒子脈沖。
[004引如所提到的，在示例中，所述粒子加速器為同步回旋加速器。因此，RF電壓掃描過 一定范圍的頻率W解決當從等離子體柱加速粒子時作用在粒子上的相對論效應（例如，增 加了粒子質量）。由電流流經超導線圈產生的磁場使得從等離子體柱加速的粒子在腔室內 沿軌道加速。在其他實施方式中，可W使用不是同步回旋加速器的粒子加速器。例如，回旋 加速器、同步加速器、線性加速器、等可用于替代運里所描述的同步回旋加速器。
[0050] 在示例的同步回旋加速器中，磁場再生器r再生器"）定位為靠近腔室的外側（例 如，在其內邊緣處），W在腔室內調節現有磁場，從而改變從等離子體柱加速的粒子的連續 軌道的位置（例如，傾度和角度），從而最終，粒子輸出至穿過低溫恒溫器的引出通道。再生 器可增大腔室中某一點處的磁場（例如，其可在腔室的某區域處產生磁場"隆起"），從而導 致粒子的每個連續的軌道在那個點處朝向引出通道的進入點向外進動，直到其到達引出通 道。引出通道接收從等離子體柱加速的粒子并且將從腔室接收的粒子輸出為粒子束。
[0051] 超導（"主"）線圈可產生相對較高的磁場。由主線圈生成的磁場可W處于4T 至20T或更大的范圍內。例如，主線圈可用于生成下述或超過下述一個或多個量值的磁
[0052] 在一些實施方式中，諸如在圖I和2中示出的實施方式中，大的鐵磁輛作用為由超 導線圈產生的雜散磁場的返回。例如，在一些實施方式中，超導磁體能夠生成相對高的磁 場，例如4T或更高，導致相當大的雜散磁場。在一些系統中，諸如在圖1和2中示出的系統 中，相對大的鐵磁旁輛100用作由超導線圈產生的磁場的返回。磁場屏蔽件圍繞磁輛。旁 輛和屏蔽件一起消除了雜散磁場，從而減少了雜散磁場將不利地影響加速器的運行的可能 性。
[0053] 在一些實施方式中，旁輛和屏蔽件可更換為或增加主動返回系統。示例的主動返 回系統包括在與穿過主超導線圈的電流方向相反的方向上傳導電流的一個或多個主動返 回線圈。在一些示例的實施方式中，有用于每個超導線圈的主動返回線圈，例如，兩個主動 返回線圈一一每一個用于每個超導線圈（稱為"主"線圈）。每個主動返回線圈還可W是圍 繞對應主超導線圈的外部的超導線圈。
[0054] 電流在與流過主線圈的電流方向相反的方向上流過主動返回線圈。因而，流過主 動返回線圈的電流產生與由主線圈產生的磁場極性相反的磁場。因此，由主動返回線圈產 生的磁場能夠消除由對應的主線圈引起的至少一些相對較強的雜散磁場。在一些實施方式 中，每個主動返回可用于產生2. 5T至12T或更高之間的磁場。可使用的示例的主動返回系 統在2013年5月31日提交的美國專利申請號No. 13/907,601中描述，其內容通過引用結 合于此。
[0055] 參照圖3,粒子加速器105 (其可W具有圖1和2所示的配置）的引出通道102的 輸出是示例的掃描系統106,其可用于掃描越過至少部分福射祀標的粒子束。圖4還示出 了掃描系統的部件的示例。運些包括但不限于掃描磁體108、離子腔109、W及能量降能器 110。可結合在掃描系統中的其他部件未示于圖4中，例如包括一個或多個散射體，用于改 變束斑大小。
[0056] 在示例的操作中，掃描磁體108在兩個維度上可控（例如，笛卡爾坐標XY維度）， W將粒子束引導越過部分（例如，橫截面）福射祀標。離子腔109探測波束劑量并將該信 息反饋回控制系統，從而調節波束運動。能量降能器110可控制W將材料（例如，一個或多 個單個盤片）移動進入、和移出于粒子束的路徑，從而改變粒子束的能量并因此改變粒子 束將穿透福射祀標的深度。運樣，能量降能器選擇福射祀標的深度方向分層W進行二維掃 描。
[0057] 圖5和6示出了示例的掃描磁體108的視圖。在該示例的實施方式中，掃描磁體 108包括兩個線圈111，其控制X方向上的粒子束運動，W及兩個線圈112,其控制Y方向上 的粒子束運動。在一些實施方式中，通過改變穿過一組或兩組線圈的電流，W進而改變由此 生成的磁場來實現控制。通過合適地改變磁場，粒子束能夠越過福射祀標在X和/或Y方 向上運動。在一些實施方式中，掃描磁體相對于粒子加速器不可物理運動。在其它實施方 式中，掃描磁體可相對于粒子加速器運動（例如，除了由臺架提供的運動之外）。在一些實 施方式中，掃描磁體可控制W使粒子束連續地運動，從而使粒子束在正在掃描的福射祀標 層的至少一部分上、W及可能全部上連續運動。在其他實施方式中，掃描磁體在間斷時間上 或特定時間上可控。在一些實施方式中，具有不同掃描磁體W控制粒子束在X和/或Y方 向上的全部或部分運動。
[0058] 在一些實施方式中，掃描磁體108可具有空氣磁忍。在其他實施方式中，掃描磁體 108可具有鐵磁（例如，鐵）忍