CN101443419A - 激光加速质子治疗单元以及用于该激光加速质子治疗单元的超导电磁体系统 - Google Patents

Abstract

公开了小型粒子选择及准直装置，用于以所需要的能谱传递离子束。这些装置使用激光加速离子治疗系统，其中，初始离子具有宽阔的能量和角分布。超导电磁体系统产生所需要的磁场构造，从而以不同的能量和发出角度散布粒子用于颗粒选择。在有磁场情况下，离子传送仿真显示出，所选择的离子在通过磁场之后成功地重新聚集在束轴上。还使用用于放射疗法应用的激光加速离子束的蒙特卡洛仿真，来提供剂量分布。

Description

激光加速质子治疗单元以及用于该激光加速质子治疗单元的超导电磁体系统

相关申请的交叉参考

本专利申请要求2004年12月22日提交的序列号为No.60/638,870的U.S.临时专利申请的权利，该临时专利申请全部通过参考包括在这里。

政府支持声明

这项工作部分地分别按照合同号NIH CA78331和DOD PC03800，得到了卫生与公共事业部、国家卫生协会以及国防部支持。因此，在这些发明中政府具有权利。

技术领域

本发明涉及用于操控带电粒子的超导电磁体系统。本发明还涉及提供用于放射疗法的高能量正离子。

背景技术

与通常使用的质子束相比，在放射疗法中，因为进入剂量较少、半影较尖锐并且快速降低超过治疗深度，这些是由剂量分布中的Bragg峰导致的，质子束的使用提供了与治疗对象相适应的更好剂量以及对于正常组织的保护的可行性。尽管具有剂量测定的优越性和对于良好局部化的耐辐射损害的一些令人鼓舞的临床结果，质子疗法的使用还是已经落在使用质子和电子的疗法之后，因为质子疗法的设备利用回旋加速器和同步加速器技术，价格昂贵且复杂。因而，在辐射疗法中质子疗法已经不是普及的方法。如果可以实现小型且经济的激光质子治疗单元，则可以改善这种情形。目前在宾夕法尼亚州费城的Fox ChaseCenter，本发明者们正在研发用于辐射疗法的激光质子系统。典型的激光质子系统设计包括三种类型的部件：(1)用于产生高能量质子的小型激光质子源，(2)用于加速束传送的小型粒子选择和束准直装置，以及(3)使用激光加速质子束来实现相适应的剂量分布的治疗最优化算法。

粒子的激光加速最初是在1979年提出用于电子的。由于啁啾脉冲放大器(CPA)和高能注量固态激光材料例如Ti：兰宝石的出现，二十世纪九十年代在激光电子加速方面取得快速进展。最近，已经进行了许多试验研究，观察到具有几十MeV能量的质子。在LawrenceLivermore National Laboratory进行的近期试验报告了具有最大能量为58MeV的粒子。用于激光质子加速的机构正处于研究之中。它已经与作为激光物质相互作用的结果而产生的纵向电场长时间地进行链接。最近的试验研究以及用于质子加速的激光等离子体相互作用的计算机仿真(特别是细胞中的粒子)已经显示出：激光加速的质子束具有宽阔的能量和角分布，并且不能直接用于治疗。

几个本发明人描述了分光计类粒子选择及束调制系统，其中根据质子的能量和发射角，使用作为阶跃函数分布的磁场来空间中散布质子。在2004年6月2日提交的名称为“High Energy Polyenergetic IonSelection Systems，Ion Beam Therapy Systems，and Ion Beam TreatmentCenters”的国际专利申请No.PCT/US2004/0178081中公开了一种粒子选择及束调制系统，在此结合其全文作为参考。随后，用合成能量重新恢复(retrieve)质子束，这可以用于产生经过调制的能量分布，该能量分布将传送散开的Bragg峰(SOBP)。因此，更早提出的粒子选择系统构成一种选择装置，这是基于理想的阶梯场分布构造的。因为阶跃场分布是难以实现的，所以现在需要进一步改进结合非理想阶梯场构造的离子选择系统。而且因为非阶梯场构造由于典型电磁体系统的使用而产生，所以目前正为了激光加速多能正离子的有效且致密的间隔而寻求电磁体系统的改进。

发明内容

本发明提供能够产生类阶梯形磁场分布的小型超导电磁体系统，其可以用于质子束选择。超导电磁体系统的一种设计可以从对于矩形线圈的磁场分析计算中获得，其提供了三维磁场分布，因而考虑到诸如因线圈边缘处的弥散场图案的影响所引起的边缘聚焦之类的边缘效应。可以利用质子轨道的仿真来测试磁场系统并且针对某一标准对设计进行最优化。

在一些实施例中，本发明的电磁能够产生用于在高能量多能正离子束选择机构中使用的类阶梯形磁场。

本发明还提供在矩形区域中产生类阶梯形场分布的超导电磁体系统。该场分布可用于粒子选择系统中的质子传输。计算质子剂量分布并且将该质子剂量分布与理想阶梯形场和所设计的超导电磁体系统产生的场的结果进行比较。

本发明提供一种用于由多个高能量多能正离子构成的高能量多能离子束的离子选择系统。这些系统由束准直仪、能够根据所述高能量多能正离子的能级来对它们进行空间分离的第一磁场源、能够调制该空间分离的高能量多能正离子的孔、以及能够将经过调制的高能量多能正离子重组的第二磁场源构成，其中第一和第二磁场源是能够提供大约0.1到大约30特斯拉的磁场的超导电磁体系统。

还提供形成高能量多能正离子束的方法，包括如下步骤：形成由多个高能量多能正离子构成的激光加速高能量多能离子束，这些高能量多能正离子的特征在于具有能级部分；使用准直装置对激光加速离子束进行准直；使用由具有大约0.1到大约30特斯拉的磁场的第一超导电磁体所提供的第一磁场，根据高能量多能正离子的能级，空间地分离这些高能量多能正离子；使用孔对被空间分离的高能量多能正离子束进行调制；然后使用由具有大约0.1到大约30特斯拉的磁场的第二超导电磁体所提供的第二磁场，将经过调制的高能量多能正离子束进行重组。

还提供激光加速的高能量多能正离子治疗系统。这些系统包括激光-导向靶系统，该激光-导向靶系统包括能够产生高能量多能离子束的激光和导向靶系统；能够由所述高能量多能正离子的部分产生适合治疗的高能量多能正离子束的离子选择系统，所述离子选择系统包括至少2个超导电磁体，每个电磁体能够提供大约0.1到大约30特斯拉的磁场；以及离子束监控系统。这些系统中的高能量多能正离子束可以由具有至少为大约50MeV的能级的高能量多能正离子构成，这些高能量多能正离子根据能级被空间地分离。

本发明还提供利用激光加速的高能量多能正离子治疗系统来对病人进行治疗的方法。这些治疗方法包括：识别病人中靶区的位置；确定该靶区的治疗策略，治疗策略包括确定用于对靶区辐射的多个适合治疗的高能量多能正离子束的剂量分布；由多个高能量多能正离子形成所述适合治疗的多个高能量多能正离子束，其中使用一个或者多个均能提供大约0.1到大约30特斯拉的磁场的超导电磁体，基于能级对这些高能量多能正离子进行空间地分离；以及根据治疗策略将该多个适合治疗的高能量多能正离子束传送到靶区。

还提供激光加速高能多能正离子束治疗中心。这些中心包括用于安置病人的地方、以及激光加速高能量多能正离子治疗系统，其能够将适合治疗的高能量多能正离子束传送给所述地方处的病人。这个离子治疗系统可以由以下系统构成：激光-导向靶系统，所述激光-导向靶系统包括能够产生高能量多能正离子束的激光和靶机构，包括具有至少大约50MeV的能级的高能量多能正离子；能够使用所述高能量多能正离子产生适合治疗的高能量多能正离子束的离子选择系统，其中，使用每个能提供大约0.1到大约30特斯拉的磁场的超导电磁体，根据能级，对这些高能量多能正离子进行空间地分离；以及用于适合治疗的高能量多能正离子束的监视和控制系统。

此外，提供用于磁性地分离高能量多能正离子束的小型超导电磁体系统。这些系统包括一系列两个或者多个流体流通的超导线圈。每个超导线圈均能够提供大约0.1到大约30特斯拉的磁场并且在彼此相对的方向上至少提供两个磁场。

由于下面的附图和详细说明，本发明的这些和其他方面对于本领域技术人员来说将变得显而易见。该概述和下面的详细说明都不认为如附带权利要求中所限定的那样对本发明的限制，而是仅仅用于提供本发明的实施例和解释。

附图说明

结合附图阅读，进一步理解上述概述以及下述详细说明。出于说明本发明的目的，图中示出本发明的示例性实施例；然而，本发明不局限于公开的具体的方法、构成和装置。图中：

图1是激光质子治疗单元的示意图；

图2是对本发明的质子选择系统的实施例的示意性说明。在初级准直仪之前产生质子，并且使得质子在由超导电磁体系统所产生的磁场中行进。需要的质子最初向着X轴移动、在场中偏转并在穿过磁场之后回到X轴。那些不需要的粒子不是被抑制器和准直仪阻塞，就是被周围屏蔽吸收。

图3描述用于粒子选择的理想阶梯形场；

图4描述了在z＝-c/2处的矩形回路。在x轴上的长度为a，而在y轴上的长度是b。

图5示出用于图4示出的单个回路的场分布，它的尺寸限定为a＝15cm(x轴)以及b＝30cm(y轴)：(a)在z＝0.1cm处y轴上不同位置的B_z；(b)在y＝0cm处z轴上不同位置的B_z；以及(c)在y＝1cm且z＝1cm处的B_x、B_z、B_z之间的比较。

图6是多线圈超导电磁体的示意性描述。2×10000匝NbTi线载有电流I＝85A，并且在4.2K处产生磁场B＝4.4T。L_x＝15cm，L_y＝30cm，L_z＝20cm以及T＝20cm。

图7描述了用于一对L_x＝15cm、L_y＝30cm和L_z＝30cm的超导电磁体的场分布。沿着z轴方向的电磁体之间的间隙为1cm：(a)在z＝0.2cm处不同y的B_z；(b)在y＝7.5cm处不同z的B_z；以及(c)在y＝7.5cm以及z＝0.2cm处B_x、B_z、B_z之间的比较。

图8通过4—电磁体系统来描述场分布：(a)在y＝7.5cm处不同z的B_z。该场在z方向上没有太大变化。(b)在z＝0.2cm处不同y的B_z。对于电磁体区域内小于15cm的y来说，该场在y方向上没有太大变化。(c)在y＝7.5cm，z＝0.2cm处B_x、B_z、B_z之间的比较。

图9描述了不同动能的质子的轨道。在粒子选择系统的中央，250-MeV质子和220-MeV质子之间的距离为大约0.46cm，而190-质子和160-MeV质子之间的距离为大约0.8cm。

图10描述了B＝0.8T的质子轨道。

图11描述了不同间隙d的质子轨道，其中中央电磁体的宽度为L_x＝16.3cm：(a)d＝0.5cm，(b)d＝1.0cm，(c)d＝2.0cm，(d)d＝4.0cm。

图12描述了不同宽度的中央电磁体的质子轨道：

(a)L_x＝15cm，(b)L_x＝17cm。

图13是理想场(与虚线相对应)和电磁体产生的场(与实线相对应)之间的质子轨道对比。较低能量质子轨道朝向顶部(较高的y值)，较高能量质子轨道朝向底部(较低的y值)。

图14描述了所选择的能量的能谱：(a)电磁体产生的场和阶梯形场的光谱。B＝4.4T。(b)仅为电磁体产生的场的光谱。B＝0.8T。

图15描述了在不同能量处选择的质子束的剂量分布。实线表示使用电磁体产生的场，以及虚线表示使用理想阶梯形场

具体实施方式

通过结合附图和实施例并参考下述详细描述可以更加容易地理解本发明，其中附图和实施例构成该公开内容一部分。应当理解本发明不局限于此处描述的和/或示出的具体装置、方法、条件或者参数，并且此处使用的术语仅仅是为了通过实施例来描述特定实施例的目的，并且不是要限制所要求的发明。而且，在包括所附权利要求的说明中使用时，单数形式“a”、“an”和“该”包括多个，涉及特定数值至少包括该数值，除非上下文另有明确规定。当表示数值范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当使用前面的“大约”表示数值为近似值时，应当理解该特定值构成另一个实施例。所有范围是包含在内的并且是可组合的。

还要理解，为了清楚，在各个实施例的上下文内描述的本发明的某些特征，还可以以组合的方式在单个实施例中提供。反之，为了简明，在单个实施例的上下文内描述的本发明的各种特征还可以单独地或者以任何子组合的方式提供。此外，涉及范围中描述的数值包括那个范围中的每一个数值。

用在此处时，术语“质子”是指带有+1的电荷的氢(H¹)原子核。

用在此处时，术语“正离子”是指带有净正电荷的原子和原子核。

用在此处时，术语“多能”是指物质的状态，该物质的状态的特征在于具有多于一个的能级。

用在此处时，术语“高能量”是指物质的状态，该物质的状态的特征在于具有大于1百万电子伏特(“MeV”)的能级。

用在此处时，术语“波束泄出”是指在空间上被分离的、或者在能量方面被分离的或者在空间上且在能量方面被分离的一部分高能量多能正离子束。

在此处，术语“初级准直仪”、“初级准直装置”、“初始级准直仪”和“初始准直装置”可以被互换地使用。

当很明显所表示的孔是能够调制空间上分离的高能量多能正离子束时，术语“能量调制系统”和“孔”可以互换地使用。

短语“流体流通”的意思是两个或者多个电磁线圈排列成，使得一个或者多个离子束能够通过每个如图2中说明的线圈内产生的磁场。

用于高能量多能离子束的离子选择系统由束准直仪、能够根据所述高能量多能正离子的能级来对它们进行空间地分离的第一磁场源、能够调制该空间分离的高能量多能正离子的孔、以及能够将经过调制的高能量多能正离子重组的第二磁场源构成，其中第一和第二磁场源是能够提供大约0.1到大约30特斯拉的磁场的超导电磁体系统。激光加速质子治疗系统使用高密度激光脉冲，以在高强度材料中产生等离子体，然后将该质子加速到高动能。可以适于在本发明中使用的激光加速质子治疗系统的例子在要求2003年6月2日提交的美国申请No.60/475,027的优先权的WO2004109717，美国申请序列号No.＿＿＿＿＿＿的“High Energy Polyenergetic Ion Selection Sytems，IonBeam Therapy Systems，and Ion Beam Treatment Centers”中进一步详细描述，在此结合关于激光加速质子治疗系统的部分作为参考。可以适于在本发明中使用的调制用于辐射治疗的激光加速质子的方法的例子在要求2003年6月2日提交的美国申请No.60/475,027和2003年12月2日提交的美国申请No.60/526,436的优先权的WO2005057738美国申请序列号No.＿＿＿＿＿＿的“Methods of ModulatingLaser-Accelerated Protons for Radiation Therapy”中进一步详细描述，在此结合其中关于调制用于辐射治疗的激光加速质子的方法的部分作为参考。

在某些实施例中用于磁性地分离多能正离子束的小型超导电磁体系统，包括一系列两个或者多个流体流通的超导线圈。每个超导线圈均能够提供大约0.1到大约30特斯拉的磁场，并且在彼此相对的方向上至少设置两个磁场。

在某些实施例中，小型超导电磁体系统包括两个外部电磁体，每个电磁体都能够在同一方向上提供磁场；以及两个内部电磁体，每个电磁体均能够提供方向相同上的磁场给彼此，且该磁场与外部磁场方向相反。在这些实施例中，内部电磁体的磁场可以强度不同，或者它们可以具有大约相同的强度。在相关实施例中，两个内部电磁体可以彼此相邻或者用间隙间隔开。当间隔开时，适合的间隙典型地在从大约0.2cm到大约5cm的范围内，并且更适合的在从大约0.5cm到大约2cm的范围内。在某些优选实施例中，这两个内部电磁体用大约1cm的间隙间隔开。在某些实施例中，一系列准直仪每个均具有在从大约0.02cm到大约2cm的范围内的孔径。

使用超导电磁体系统可以产生强磁场。小型超导电磁体系统可以包括形成为各种形状来控制磁场分布的电磁体。在某些实施例中，超导电磁线圈优选成形为产生均匀分布的场。合适的超导电磁体成形为矩形。与成形为圆形的电磁体所产生的磁场相比，矩形形状的超导电磁体能够陈胜空间分布更均匀的磁场。

对于本发明的这个或者多个实施例来说适合的磁场源包括具有在从大约0.1到大约30特斯拉的范围内的磁场强度的超导电磁体，更适合的在从大约0.2到大约20特斯拉的范围内，或者甚至在从大约0.5到大约10特斯拉的范围内，并且更适合的在从大约0.5到大约5特斯拉的范围内。在某些实施例中，每个电磁体的最大磁场可以小于大约5特斯拉。在某些实施例中，具有大约1,000到大约100,000匝、优选在大约5,000到大约20,000匝、并且甚至更优选为大约10,000匝的超导电磁体适用于本发明。

可以通过将长金属丝卷绕多匝而制成合适的超导电磁体。两个或者多个这种超导电磁体可以被连接在一起，可以在能够提供稍微均匀的磁场并且质子将通过的地方之间设置间隙d。单个超导电磁体的尺寸可以利用激光质子系统设计和该金属丝材料的选择而确定。小型激光质子系统可以包括小型电磁体系统。在某些实施例中，超导电磁体的尺寸在整体形状中可以为矩形，其具有在从大约5cm到大约100cm的范围内、更优选在从大约10cm到大约75cm的范围内、并且甚至更优选在从大约15到50cm的范围内的矩形尺寸。在本发明的一个实施例中，单个超导电磁体尺寸的上限可以设置成大约20×40×25cm³(Lx×L_y×L_z)。在此处使用时，在数字前面使用的数学符号代字号(“～”)是“大约”的意思。如果使用可以负荷密度为～10³A/cm的电流的传统铜线时，由铜线卷绕的电磁体线圈的横截面应当为～10³cm²，从而得到～10⁶A的总电流，从而实现～4.4T的磁感应强度(参考附录)。因而，对于具有大约25cm的长度(L_z)的常规非超导电磁体来说，可以使用大约40cm的厚度(T)来满足横截面，这使得在x-方向上的宽度(L_x)和y-方向上的宽度(L_y)大于大约80cm。虽然这种电磁体可以用在本发明中，但是希望使用甚至更小的电磁体。

因为超导线可以负荷非常高的电流密度，通过使用超导线来代替铜可以显著地降低电磁体的大小。使用超导线的另一个好处可以节约功率。超导电磁体的功率消耗仅仅为用于可比较的常规电磁体的大约1％到大约10％。超导线可以从市场上购买到并且已经广泛地用于高能量加速器中以产生强磁场。合适的超导线可以是NbTi，其对于～4.4T的场来说在4.2K处具有～4.25×10⁵A/cm²的临界电流密度。还可以使用能够从市场上购买到的另一种超导线Nb₃Sn。可以使用其他类型的超导线，包括由高温超导体制成的那些超导线。合适的高温超导线具有大约77K以上的临界温度，其例子包括YBCO(例如，YBa₂Cu₃O_7-x)和BSCCO(例如，Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀或Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O₈)材料。合适的高温超导线可以从American Superconductor，Westborough，MA，(http://www.ansuper.com/index.cfm)购买到。可以从JapanSuperconductor Technology，Inc.Tokyo，Japan(http://www.jasterc.org/eg/index.html)购买到宽度为从大约10微米到250微米直径的合适超导线，例如NbTi金属线。实际的电流可以低于临界电流，否则能够破坏超导状态并且金属线将在常规导电状态下起作用。

在一个实施例中，可以使用四个电磁体来获得类阶梯形的场分布。电磁体可以沿着x轴(束轴)平行放置，第一和第四电磁体场指向-z，第二和第三电磁体场指向z。第一电磁体产生具有向上推质子的洛伦兹力的磁场，然后第二和第三电磁体产生向下拉质子的场以及由来自最后一个电磁体的场将质子推回到最初方向。这种超导电磁体系统在沿着束轴方向上的尺寸可以短于100cm。

对于用在本发明中的超导电磁体来说合适的低温技术可以包括本领域技术人员已知的任何低温系统，其很容易由市场上购买到的用于超导电磁体的部件构成。合适的低温保持器可以与电磁系统一起设计和实施。

在各种实施例中，初级准直仪限定进入第一磁场的入射束的角展度。离开初级准直仪的束的束扩散角度的正切可以大约是束离开准直仪处的初级准直仪出口开口的一半距离与准直仪出口开口到质子束源(即等离子体靶)的距离的比率。这个角度可以小于1弧度。发射角是离开靶系统(即，靶和初级准直装置)的初级能量分布的角度。电子可以被第一磁场偏斜到与正离子相反的方向上，并且被适当的电子束抑制器吸收。合适的电子束抑制器包括钨、铅、铜或者厚度足以将它们产生的电子和任何粒子削弱到所希望级别的任何材料。孔可以用于选择所希望的能量分量，并且可以选择能够将所选择的质子重组成多能正离子束的匹配磁场设置(在一个实施例中，为第二磁场)。合适的孔可以由钨、铜或者厚度足以能够降低正离子能级的任何其他材料构成。这个能级降低可以实现到如下程度：可以使这些正离子与没有通过孔的哪些离子区分开。

在本发明的各种实施例中，孔几何形状可以是一块板或者板材上的圆形、矩形或者不规则形状的开口或者多个开口，当被放置在空间分离的多能离子束中时，能够使部分离子束流体地流过这些开口。在一个实施例中，孔可以由具有多个开口的板构成，这些开口是可操控地选择的，例如通过物理转换或者旋转成分离的离子束以空间地选择需要的能级或者多个能级，从而调制被分离的离子束。离子束的调制产生治疗上适合的高能量多能正离子束，如此处所描述的。适合的孔包括多叶式准直仪。除了可控制地选择使被空间分离的离子束流体流通的开口的空间位置之外，使用规则或者不规则的形状，孔开口还可以被可控制地形成形状的或者形成多种形状。因而，可以使用孔中开口的各种组合来调制被空间分离的离子束。随后使用第二磁场将被空间分离的正离子进行重组。

高和低能量正离子(例如质子束)抑制器能够除去不需要的低能量粒子和高能量粒子(未示出)。因为加速质子的宽角度分布(取决于给定的能量范围)，所以在它们通过第一磁场之后，可以存在不同能量的正离子的空间混合。例如，部分低能量质子可以进入高能量粒子存在的区域，并且反之亦然。降低质子的空间混合可以通过引入一级准直装置例如初级准直装置来实现。一级准直装置可以用来将质子准直到需要的角度分布。

为了减少不想要的质子，以及将它们准直到特定角度分布，可以设置一级准直装置。可以使它的几何大小和形状适应能量和角分布。例如，在本发明的一个实施例中，可以设置5cm长的钨准直仪，其吸收不需要的能量分量。因为钨的密度和对选择系统小型化的要求，对于准直目的来说，钨是有利的选择。合适的一级准直仪开口提供限定在100cm SSD的1×1cm²场大小。可以阻挡进入大于该角度的角度中的质子。根据多能质子的能量和角分布，磁场使多能质子分散进入到空间区域中。它们的空间分布可以使得低能量粒子在距离中心轴较远距离处偏斜，并且当质子能量增大时空间偏斜降低。因此，使用孔，磁场和一级准直仪(具有特定准直仪开口)二者的作用产生这样的质子分布，使得允许能量选择或者质子能谱再形成。孔的几何形状可以决定治疗质子的能量分布。

本发明的一个实施例提供离子选择系统，其中基于激光加速质子的能级和发射角度，利用磁场空间来空间地分散激光加速质子，并且使用不同形状的孔来在能量和角度的治疗窗内选择质子。这种小型装置排除了传统质子治疗系统中常用的大型束传输和准直设备的需求。本发明的激光质子源和离子选择及准直装置可以安装在治疗台(例如由传统临床加速器提供的)上，从而形成小型处理单元，这可以安装在传统放射线疗法治疗室中。

在本发明的某些实施例中，次级监控室测量每个能量分量的强度。还可以设置初级监控室。2001年1月8日提交的美国专利申请No.09/757,150及公开日为2002年7月11日的专利公开No.U.S.2002/0090194A1“Laser Driven Ion Accelerator”中公开了监控离子束的各种方法和控制系统，在此结合其中关于监控离子束和控制系统的内容作为参考。

合适的小型几何形状的一个实施例提供了长度小于50cm并且直径小于40cm的尺寸。因为不同的激光质子具有不同的角分布，准直仪可以用于限定场大小。当初级准直仪具有方形开口以及不同能级的被准直的多能质子通过电磁场时，被准直的质子将达到不同的横向位置。因为初始准直仪的有限尺寸，会存在质子能级的一些交迭，这些交迭可以取决于初级准直仪的尺寸、磁场强度和从能量平面到初级准直仪的距离。为了选择这个实施例所需的能量，可以使用第二准直仪，第二准直仪可以放置在对应的横向位置上。例如，可以使用方形孔来选择50、150或者250MeV场的质子。可以提供多个激光脉冲，以产生质子组合，从而提供所需要的频谱。可以使用所需要的质子能谱来产生治疗用高能量多能正离子束，其在所需要的深度范围上提供均匀的剂量分布。

本发明的粒子选择系统的另一个实施例是在能量空间(平面)上使用可变的孔尺寸，从而同时选择能量和那个能量(强度)的质子的总数。与前一个实施例相比，这个实施例使用了更少的激光脉冲来获得所需要的质子频谱。这个可变孔尺寸的实施例优选在能量空间上使用细长孔，其在不同的横向(能量)位置上具有可变的宽度。不受特殊操作理论的限制，这种设计考虑到从同一个激光脉冲中同时进行能量和强度选择。这样看起来，使用多能激光质子束以在用于辐射治疗的深度范围上获得均匀的剂量是非常有效的方法。可变的能量孔尺寸可以利用随后的不同磁场系统，将不同质子能级的场重组成相似的场大小。

在本发明的某些实施例中，可以设置二级准直装置来限定形成适合治疗的高能量多能正离子束的正离子的最终场大小和形状。可以通过调制各个波束泄出的强度来提供较小的形成形状的束(例如方形、圆形、矩形及其组合)，从而可以获得与靶区适形的剂量分布。

在这个实施例中，提供一种可调制的二级准直装置，其能够调制被空间分开的束。可调制的二级准直装置可以具有可变的形状，这可以使用之前描述的孔来实现，例如多叶式准直仪(MLC)。利用这个实施例可以提供许多激光脉冲，以对靶区进行治疗。虽然调制能级的孔可以沿着横向移动来选择所需要的能谱，从而覆盖整个靶区的至少一部分的深度范围，但是可调制的二级准直装置(例如，MLC)能够改变重组后束的场形状，从而将靶区横截面的至少一部分封闭在对应的深度。

此处描述的用于本发明的离子选择系统的方法可以使用此处描述的装置和工具适当地执行。因为质子束在横截面上是很小的，可以在小空间内建立高磁场。本发明的某些实施例不需要严格的B-场空间分布，而是磁场可以具有缓慢的梯度、可以被空间地交迭或者二者都有。本发明的适当实施例将包括至少两个具有相匹配的、相反的B-场磁场源。通过使用更高的磁场、更小的质子束抑制器或者二者，可以在束方向进一步减少几何形状。

本发明的各种备选的实施例包括如下实施例：由能够校准激光加速高能量多能正离子束的准直装置构成的离子选择系统；具有多个高能量多能正离子的激光加速高能量多能正离子束；能够根据这些高能量多能正离子的能级，空间地分离这些高能量多能正离子的第一磁场源；能够调制该被空间分离的高能量多能正离子的孔；能够将该调制过的高能量多能正离子重组的第二磁场源，其中设置第一和第二磁场源为能够提供大约0.1到大约30特斯拉之间的磁场的超导电磁体。

与上提供的相似的离子选择系统的另一个实施例，进一步包括第三磁场源，第三磁场源能够使被空间分离的高能量多能正离子的轨道朝向孔弯曲。优选地，第三磁场源为超导电磁体。另外的实施例包括离子选择系统，其与上述相似，但是在第三磁场源的磁场内部放置孔，或者可选择地在第三磁场源的磁场外部放置孔，其中第三磁场源被分成两部分。

在本发明的其他实施例中，第三磁场源的磁场能够使经过调制的高能量多能正离子的轨道朝向第二磁场源弯曲。在某些实施例中，第二磁场源的磁场能够使经过调制的高能量多能正离子的轨道朝向与激光加速高能量多能离子束的方向不平行的方向弯曲。其他实施例具有第二磁场源，该第二磁场源能够使经过调制的高能量多能正离子的轨道朝向与激光加速高能量多能离子束的方向平行的方向弯曲。

本发明的某些实施例具有二级准直装置，能够使部分重组的高能量多能正离子束流体地流过该二级准直装置。在某些实施例中，二级准直装置能够对重组的高能量多能正离子的束形进行调制。在某些实施例中，可以使用具有孔的可旋转轮形物，该孔具有多个开口，每个开口能够使高能量多能正离子束流体地流通过其中。另一个合适的孔是具有开口的多叶式准直仪，该开口能够分别地通过低能量离子、高能量离子或其组合。

根据本发明的某些实施例，使用准直装置对包括多个高能量多能正离子的激光加速高能量多能离子束进行校准，并且根据正离子的能级，利用第一磁场将这些正离子进行空间地分离。使用能量选择孔，对被空间分离的高能量多能正离子进行调制，以及使用第二磁场对经过调制的高能量多能正离子进行重组。在某些实施例中，一部分正离子传输穿过孔，例如具有在从大约50MeV到大约250MeV的范围内的能级的正离子，并且其他部分被能量选择孔阻挡。在这个实施例中，使用超导电磁体，提供在大约0.1特斯拉到大约30特斯拉之间的强度的磁场。在某些实施例中磁场在大约0.2到大约20特斯拉之间。

在某些实施例中，利用第一磁场使正离子的轨道沿着远离激光加速高能量多能离子束的束轴的方向进行弯曲。在其他实施例中，利用第三磁场，将被空间分离的正离子的轨道进一步沿着朝向孔的方向弯曲。在某些实施例中，第三磁场将被空间分离的高能量多能正离子的轨道朝向第二磁场弯曲。这个实施例还包括通过第二磁场将离子的轨道朝向与激光加速高能量多能离子束的方向平行的方向弯曲。优选地，第一、第二和第三磁场由超导电磁体提供。在某些实施例中，使用孔中位置可控制的开口，利用能级，对被空间分离的高能量多能正离子进行调制。在某些实施例中，当激光加速离子束进入第一磁场中时，高能量多能正离子的空间分离超过大约50cm的距离，这些距离是垂直于激光加速离子束的束轴来测量的。

本发明还提供通过使用重组的空间分离的高能量多能正离子来照射放射性同位素前驱体，使用此处提供的激光加速高能量多能离子束产生放射性同位素的方法。通过产生放射性同位素的化学前驱体的质子轰击，实现产生2-脱氧-2-18F氟-D-葡萄糖(“[18F]FDG”)。这些过程使用利用传统回旋加速器和同步加速器源所产生的质子束。例如，J.Medema，et al.[http://www.kvi.nl/～agorcalc/ecpm31/abstracts/medema2.htm已经报道了关于通过如下方法产生[18F]氟化物和[18F]FDG：首先通过在18O加浓水中的18O(p，n)[18F]核反应，来制备[18F]氟化物；然后通过树脂方法和穴状化合物干燥工序回收[18F]氟化物，从而制得[18F]FDG。本发明提供适合在制备放射性同位素的这个方法所使用的高能量多能离子束。因而，产生放射性同位素的方法包括如下步骤：如此处所述地形成高能量多能质子束，从而提供适当的粒子、靶和射束电流。靶前驱体填充有H218O。高能量多能质子束照射靶前驱体，直到达到预选的综合射束电流或者时间。通过压力传感器来监控靶压力。当达到综合射束电流或者时间时，[18F]氟化物被用于化学合成[18F]FDG。最终产物是等渗的、无色、无菌的并且无热原的，并且适于临床使用。

如所描述的在各种实施例中的离子选择系统可以用作激光加速高能量多能正离子治疗系统的组成部件。在本发明的一个实施例中，提供一种小型的、灵活且划算的质子治疗系统。该实施例依赖三项技术突破：(1)高能量多能质子的激光加速，(2)使用超导电磁体对于离子选择及束准直的小型系统设计，以及(3)治疗最优化软件以利用激光加速质子束。激光质子放射线疗法系统的重要的组成部分是小型离子选择及束准直装置，其与小型激光质子源耦合，以传送不同能级和强度的质子的小笔形波束。典型地，激光和治疗单元放置在同一个吊台上，从而确保激光束对齐(忽略因小距离而引起的能量损失)。这个还有助于保持整个系统紧凑。在这个实施例中，靶组件和离子选择装置被放置在旋转台上，并且激光束通过一系列的反射镜传递到最后一个聚焦镜。将反射镜之间的距离调整成分别沿着x轴和y轴扫描质子束，产生经平行扫描束。可选择的方法是绕着由反射镜限定的激光束轴，旋转靶和离子选择装置，从而获得扫描图案。这样产生了发散的扫描束。可以将治疗系统中的治疗躺椅调整成进行共面和非共面的、同中心的和SSD(源对表面的距离)治疗。

离子治疗系统的一个实施例包括激光-导向靶系统，激光-导向靶系统包括激光和导向靶系统，并且能够产生高能量多能离子束，该高能量多能离子束包括具有至少大约50MeV能级的高能量多能正离子束。在这个实施例中，基于能级，对高能量多能正离子束进行空间分离，并且提供离子选择系统，其能够由一部分高能量多能正离子产生适合治疗的高能量多能正离子束。还提供差速室和整合室。不同能量的正离子将典型地通过差速室的不同部分，测量离子的能量差异以及监控所选择的离子的能量。典型地，差速室并不控制能量选择孔。设置整合室以产生信号，对该信号进行分析(例如通过计算机或者适当的数据处理器)，从而确定孔和孔开口的位置。

治疗系统的一个实施例提供了一种离子选择系统，其中，基于激光加速质子的能级和发射角度，利用磁场来对激光加速质子进行空间发散，并且使用不同形状的孔从而在能量和角度的治疗窗内选择质子。为了减少离子选择系统的尺寸，利用超导电磁体提供磁场。磁场典型地在大约0.1到大约30特斯拉的范围内。此外的实施例使用大约0.2和大约20特斯拉之间、大约0.5和大约10特斯拉之间以及大约0.8和大约5特斯拉之间的磁场。使用超导电磁体得到这样的小型装置，这种小型装置排除了对于传统质子治疗系统中常用的大型光束传输和准直设备的需要。本发明的激光质子源和离子选择及准直装置可以被典型地安装在治疗台(例如由传统临床加速器提供的)上，从而形成小型处理单元，这可以被安装在传统放射线疗法治疗室中。

在上述各种实施例中的激光加速高能量多能正离子治疗系统可以被用在治疗病人的方法中。例如，本发明的各种实施例所提供的质子选择系统揭露了一种用于产生多能质子的小波束泄出的方法，其能够用于反向治疗计划。由于质子的剂量测定特性，能量和强度调制后的质子治疗可以显著地改进剂量与治疗容量的一致性。此外，与传统治疗相比，使用本发明的方法保护了健康组织。整体结果暗示：激光加速质子连同用于照射处理的离子选择系统一起将有助于治疗癌症。

辐射疗法是用于前列腺癌的最有效的治疗方法之一。在外部束辐射疗法中，作为Bragg峰效应的结果，质子束的使用提供了与治疗对象相适形的优良剂量以及正常组织防护的可能性。当中子和质子(X-射线)显示出高进入剂量以及随着深度的缓慢衰减的时候，作为恰好在通过组织传播停止之前的射束穿透的作用，单能质子具有非常尖锐的能量沉积的峰。结果，可以使得几乎所有的入射质子能量都沉积在3D肿瘤体积之内或者非常接近3D肿瘤体积，避免引入的辐射损害周围的正常组织。质子在它们的范围端部附近具有更高的线性能量传输分量，并且对于深部位肿瘤的放射线疗法来说，在生物学上比常规医学加速器束或者钴-60源更加有效。

尽管Bragg峰表现出的剂量测定优势，但是质子治疗的使用已经远远落后于对于前列腺治疗的质子的使用。这是因为用于质子加速器的运行方式在成本和复杂性方面至少高一个数量级，这导致它们在与电子/质子医用加速器相比，对于广泛的临床使用来太昂贵。传统质子加速器为回旋加速器和同步加速器，在美国仅有这两种医疗设备，也就是Massachusetts General Hospital(MGH)和Loma Linda UniversityMedical Center(LLUMC)的医疗设备。这两种设备都占据非常大的空间(整个楼层或者建筑物)。虽然它们的数量在增长，但是在世界上仅有几个这种临床设备。尽管这些设备的临床案例的数量略微有限，治疗记录已经显示出鼓舞人心的结果，特别是对良好局部化的抗辐射损害。对于种类繁多的恶性肿瘤的临床有效性程度因为有限的治疗经验而没有被量化。正如本发明提供的小型的、灵活的且划算的质子治疗系统将大大改善这个情况。本发明能够广泛使用该优异的射束治疗手段，因此在癌症例如脑癌、肺癌、乳癌和前列腺癌的治疗处理上带来显著的进步。

用激光加速高能量多能正离子治疗系统来治疗病人的方法包括在病人中确定靶区域的治疗方案的步骤。治疗方案包括确定用于靶区域的辐射的多个适合治疗的高能量多能正离子束的剂量分布。因为射束尺寸和不同的病人解剖结构对小质子波束泄出的剂量分布造成重大影响，所以在用于激光加速质子束治疗的治疗最优化期间进行剂量计算。使用GEANT3系统估计病人剂量计算。这个代码被设计成通用蒙特卡洛仿真。对于加速剂量计算，已经在传统质子和电子蒙特卡洛剂量计算算法的基础上开发了快速质子剂量计算算法。已经在代码中执行各种方差减缩技术以加速蒙特卡洛仿真。这些包括“确定性抽样”和“粒子轨迹重复”，这对带电荷的粒子的仿真非常有效。使用GEANT3代码来测试这种快速蒙特卡洛代码的执行。还执行源程序，从而在蒙特卡洛剂量计算期间为从激光质子治疗装置形成的质子笔形波束重建相位-空间参数(能量、电荷、方向和位置)。用激光加速高能量多能正离子来治疗病人时适用的适当软件是可以得到的。这种软件首先将病人CT数据转换成由空气、组织、肺和骨骼组成的仿真模型。基于靶区的轮廓和临界构造，软件计算用于不同谱的所有波束泄出的剂量分布、入射角(例如由计划者指定的台架角度)以及入射位置(例如在治疗端口/区中)。对治疗最优化算法提供用于所有波束泄出的最终剂量分布，如后面进一步所描述的。

在某些实施例中，还提供了用于EIMAP的改进的治疗最优化工具。在由典型的激光质子加速器产生的典型多能量质子束和实际病人解剖结构的基础上，开发了治疗最优化算法。通常使用的“反向计划”技术包括计算机模拟退火、迭代法、滤波反投影和直接傅里叶变换。考虑到使用质子束的计算时间和可能的复杂性，适合采用迭代最优化方法(基于梯度搜索)。这是基于用于质子和电子能量-调制和强度-调制的迭代最优化算法的。对用于能量-调制和强度-调制的改进算法进行测试。鉴于实际质子束的具体特征，完成算法的进一步改进。“优化程序”执行下述任务：(1)根据剂量计算算法得到波束泄出剂量分布(参见上面)，(2)基于靶/临界构成剂量处方，调节波束泄出权重(强度)，以形成最可能的治疗计划，以及(3)输出用于所有射束端口和台架角度的强度图(射束泄出权重因素)，用于射束传输次序研究。

根据本发明的实施例，治疗病人的方法包括在病人身中识别靶区域的位置；确定靶区域的治疗方案，该治疗方案包括如下步骤：确定用于辐射靶区域的适合治疗的多个高能量多能正离子束的剂量分布(例如，确定多个适合治疗的高能量多能正离子束的能量分布、强度和方向)；由多个高能量多能正离子形成该多个适合治疗的高能量多能正离子束，使用超导电磁体并基于能级，对该高能量多能正离子进行空间分离；以及根据治疗方案，将该多个适合治疗的多能正离子束传输给靶区域。

在与离子治疗系统相关的发明中，如上面在各种实施例中描述的激光加速高能量多能正离子治疗系统可以形成激光加速高能量多能正离子束治疗中心的基础。在激光加速高能量多能正离子束治疗中心中，提供一种主要激光束线，利用一系列的波束反射器例如反射镜，将该主要激光波束线反射地传送给靶及离子选择系统。靶及离子选择系统包括用于产生高能量多能离子的靶系统和离子分离系统。在一个实施例中，离开靶及离子选择系统的质子束包括如上所述产生的适合治疗的高能量多能正离子。在该实施例中，离开靶及离子选择系统的质子束被导向在与进入靶及离子选择系统的激光束的方向平行的方向上。在治疗中心中的离子束被导向放置病人和病人的靶的躺椅。在某些实施例中，使用台架能够将反射镜和靶及离子选择系统在主要激光束线的轴周围旋转，例如在z轴方向垂直于x-y平面的x-z平面中。在某些实施例中，将激光束从其反射到靶及离子选择系统的最后一个反射镜被固定在靶及离子选择系统上。示出最后一个反射镜子和靶及离子选择系统之间的距离是可以沿着y方向调节的，从而允许沿着y方向的离子束的扫描。

合适的靶及离子选择系统是小型的(即，总质量小于大约100到200kg，并且尺寸小于大约1米，并且包括超导电磁体)。靶及离子选择系统的小体积允许用自动化控制系统被进行定位，从而提供达到大约10/s的离子束快速扫描。

在一个实施例中，治疗中心可以使用质子离子束。但是使用其他正离子的治疗中心也可以预见的。针对使用其他光离子例如锂、铍、硼或碳或它们的任何组合的治疗中心的实施例也是可以预见的。高能量多能正离子典型地具有至少大约50MeV的能级。使用能够提供在大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场的超导电磁体，根据能级，对这些高能量多能正离子进行空间分离。在其他实施例中，磁场可以在大约0.2和大约20特斯拉之间、大约0.5和大约10特斯拉之间、或者大约0.8和大约5特斯拉之间。

在激光加速高能量多能正离子束治疗中心的其他实施例中，该中心包括上述离子治疗系统的至少一个和至少一个用于安置病人的区域，例如躺椅。例如，这种类型的合适治疗中心包括使用多个反射镜被反射地传送给靶组件的激光束。这个治疗中心还可以包括用于激光束的光学监视和控制系统。其他的实施例包括至少一个束分裂器或者反射镜，其被设置用于将激光束分裂成裂开的或者将激光束反射到至少两个靶组件的每一个上或者将激光束反射到其中的一个靶组件上。合适的治疗中心可以具有例如激光靶系统，该激光靶系统具有两个靶组件和两个离子选择系统，该两个离子选择系统均能由各个高能量多能正离子的每个单独地产生适合治疗的高能量多能正离子束。其他实施例可以包含其他靶组件和离子选择系统。还可以为每个适合治疗的高能量多能正离子束提供单独的多能离子束监视和控制系统。一个实施例可以包括反射镜，其能够被布置在主要激光束的内部或者外部，从而将该激光束导向一个离子治疗系统。可选择地，当提供的激光束的能量足以使分裂的束可以由两个或者多个离子治疗系统同时使用时，可以使用束分裂器。为了给病人提供独处而不受干扰，具有两个或多个离子治疗系统的典型离子治疗中心将具有用于每个离子治疗系统的单独治疗室。在这种实施例中，激光束源适当地位于单独的房间或者建筑物中。在具有光学监视系统的实施例中，操作者可以知道或控制正在启动的是哪个离子治疗系统。

本发明的高能量多能正离子束放射治疗中心的一个实施例还包括适当的激光和用于监视和控制适合治疗的高能量多能正离子的系统。适合的激光典型地被容纳在建筑物中，例如与正离子束治疗中心相同的建筑物中，或者可以在通过用于容纳激光束的导管连接的附近的建筑物中。主要激光束线典型地使用一系列反射镜在屏蔽真空导管中传输通过建筑物，从而将激光束导向靶及离子选择系统。靶及离子选择系统典型地安装在治疗室中放置的台上。在本发明的其他实施例中，使用束分裂器将主要激光束分裂成从单个激光放射出来的多个激光束。从束分裂器放射出来的每个激光束被导向到用于治疗病人的各个靶及离子选择系统。以这种方式，提供高能量多能正离子放射治疗中心，使用一个激光源和多个离子治疗系统来治疗多个病人。在本发明的高能量多能正离子放射治疗中心的某些实施例中，提供多个治疗室，每个治疗室具有各自的靶及离子选择系统、用于病人的位置以及质子束监视和控制系统。通过投入一个用于提供适合治疗的高能量多能正离子的高功率激光器，以这种方式配置的多个治疗室能够治疗更多数量的病人。

实施例和其他说明性实施例

用于激光质子加速器的粒子选择机构。激光加速质子治疗系统使用高强度激光脉冲以在高密度材料中产生等离子体，并且将质子加速到高动能。图1中示出了系统设计的一个实施例。将由桌面大小的激光系统(未示出)产生的激光束通过真空束管道传送到治疗单元。靶组件和粒子选择装置被放置在旋转台(未示出)上。如所示出的反射镜(a-e)系统来引导激光束。调节反射镜之间的距离从而沿着y-和z-轴扫描质子束，并且产生平行的扫描束。可选择地，关于激光束移动靶和粒子选择装置，从而获得平行的扫描图案。

小型粒子选择及束准直装置被用于传递不同能量以及强度的质子的小笔形波束，正如在图2中的一个实施例中示意性地描述的。激光产生的粒子不仅仅包括质子，还会包括各种不需要的种类例如光子、中子和电子。来自靶的光子被主要沿着x轴向前被加速，x轴可以是束轴。可以使用在四个分离区域中分布地阶梯形磁场(例如见图3)来偏转质子和电子。在第一区域(a)中，磁场指向平面内或者z方向，并且质子被推高。当它们进入第二(b)和第三(c)区域时，磁场翻转到z方向上，并且质子被拉下来。在最后区域(d)中的磁场将质子移动回到原始束轴上。如图2中所示，可以在束轴上放置束抑制器来阻挡质子和中子以及高能量质子。电子被磁场向下偏转并且被放置在装置下部中的电子抑制器吸收。其他抑制器遗漏的不需要的粒子可以被粒子选择装置周围的屏蔽吸收。

质子的偏移取决于质子能量。具有低能量的质子比具有高能量的质子被偏移地更多。因此，具有不同能量的粒子在y方向上被空间分离。准直仪孔被放置在y轴上某一位置处的系统的中心附近，给定能量的质子在那里通过该准直仪孔的开口；具有其他能量的粒子被准直器阻挡。在一个实施例中，使用又两个准直器来控制质子束尺寸；一个在磁场开始的位置(初级准直仪)上，另一个(次级准直仪)则在结束处。非阶梯形磁场可以被用于模拟本发明的这个实施例的性能。

矩形回路产生的磁场的计算。强磁场可以由传统金属线的圆柱绕组产生，并且该金属线优选超导线。所有场分布的计算是依赖电磁体的并且非常复杂。分析解法非常难获得，除了非常少的特殊点之外。超导电磁体可以被看作是电流回路的堆叠。可以使用毕奥-萨瓦(Biot-Savart)法则来进行单个矩形回路的磁场分布的分析计算。因而，通过将每个回路的场加起来可以得到超导电磁体的完整三维场分布。

图4中示出了负载有电流I的单个矩形回路，并且分析计算磁场强度的三个分量B_x、B_y、B_z并且在下面的附录中给出这三个分量。

多个回路的场是各个回路场的叠加。

$B_{x,y,z}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{x,y,z}((i-1)\mathrm{\Δz}+z_1),---\left(1\right)$

其中Δz是两个相邻回路之间的距离，z₁是第一回路的位置，n是回路的总数。电磁线圈可以被看作是多个电流回路，假定线圈中电流密度均匀。

基于计算结果，写入计算机代码来仿真矩形回路的磁场。图5中绘出单个回路的沿着x轴或者束轴的场分布。正如所看到的，B_z在x轴上分布不均匀。在回路的边缘处出现两个峰。而且，B_z在y或z方向上具有很大的变化，如图5(a)和(b)中所示。(c)中场的分量之间的对比示出，B_x在回路的边缘处影响B_z并且将在边缘周围显著地改变总磁场，同时可以忽略B_y。因此，可以使用多于一个的回路来产生均匀的磁场。

可以增加具有相同尺寸和沿着z轴平行的电流的另一个回路。这个与圆形Helmhotz线圈相似。该实施例中两个回路之间的距离为大约4cm。双回路的场分布与单个回路的分布相差不大。虽然Bx的峰已经稍微降低，但是仍然存在峰。这表示在z方向上增加的回路可以降低峰并且使得室场分布变平。

超导电磁体实施例。如上所述，使用更多的回路沿着z轴垂直堆叠，从而降低峰并且使场分布平滑。可以堆叠回路来制造电磁体；可以通过将长金属线卷绕多匝来制造超导电磁体，这在磁性上等价于回路的堆叠，如图6中所示。可以将两个这样的超导电磁体连在一起，其中设置提供稍微均匀的磁场的间隙d，并且质子将要通过该间隙d。单个超导电磁体的尺寸可以根据头脑中的激光质子系统设计和金属线材料的选择来确定。小型激光质子系统可以包括小型电磁体系统。在本发明的一个实施例中，单个超导电磁体的尺寸的上限被设定为大约20×40×25cm³(L_x×L_y×L_z)。用在此处时，用在数字前面的数学符号代字号(“～”)表示“大约”的意思。如果使用可以负载密度为～10³A/cm²的电流的传统铜线，由铜线缠绕的电磁铁线圈的横截面应当为～10³cm²，以得到总计～10⁶A的电流，从而获得～4.4T的磁感应强度。因而，对于长度(L_z)为大约25cm的常规非超导电磁体来说，可以使用大约为40cm的厚度(T)来满足横截面，这使得在x-方向(L_x)和y-方向(L_y)上的宽度大大大于大约80cm。虽然这种电磁体可以用在本发明中，但是希望使用甚至更小的电磁体。

因为超导线可以负载非常高的电流密度，通过利用超导线替代铜，可以显著降低电磁体的尺寸。使用超导线的另一个好处就是节约功率。超导电磁体的能耗仅仅是用于比较的传统电磁体的能耗的大约1％到大约10％。超导线可以从市场上购买到并且已经广泛用在高能量加速器中以产生强磁场。合适的超导线是NbTi，其对于～4.4T的场来说在4.2K处具有～4.25×10⁵A/cm²的临界电流密度。还可以使用能够从市场上购买到的另一种超导线Nb₃Sn。可以使用其他类型的超导线，包括由高温超导体制成的那些超导线。合适的高温超导线可以从AmericanSuperconductor，Westborough，MA，(http://www.amsuper.com/index.cfm)购买到。可以从JapanSuperconductor Technology，Inc.Tokyo，Japan(http://www.jastec.org/eg/index.html)购买到宽度为从大约10微米到250微米直径形式的合适超导线，例如NbTi金属线。实际的电流可以低于临界电流，否则会破坏超导状态并且金属线会在常规导电状态下起作用。在一个实施例中，为了产生～4.4T的磁场，将合适的超导线例如大约0.2mm直径的NbTi金属线，其负载大约85A的电流，卷绕10000匝，从而制成长度(L_z)为大约20cm并且厚度为大约0.2cm的矩形超导电磁体。因此，一对这种超导电磁体会是大约40cm的长度，包括大约1cm的间隙(d)。超导电磁体中的线圈横截面为大约20cm×0.2cm，因此电流密度仅为大约2×10⁵A/cm²，其小于临界电流密度，因此可以用于维持超导性。结果，使用超导线可以使电磁体尺寸减小～200倍。合适的超导线可以具有在从大约10纳米(“nm”)到大约5mm的范围内的厚度。在一个实施例中，合适的超导线可以具有大约0.2cm的厚度，并且以矩形的形式卷绕，从而其尺寸在x轴上提供大约15cm的宽度，以及在y轴上提供大约2cm的宽度。这种超导电磁体是适合的并且产生平滑磁场，如图7中所示。基本上除去了B_z的边缘峰并且B_x在边缘处仅有很小的峰。

在一个实施例中，使用四个磁场获得类阶梯形的磁场分布(参见图3)。电磁体沿着x轴(束轴)平行地放置，其中第一和第四磁场指向-z，并且第二和第三磁场指向z。第一电磁体产生具有将质子推高的洛仑兹力的磁场，然后第二和第三电磁体产生具有将质子拉低的洛仑兹力的磁场，并且来自最后一个电磁体的磁场将质子推回到原始方向。这个超导电磁体系统沿着束轴仅仅大约80cm，这在尺寸上可以与质子和电子加速器相比。产生平滑阶梯形场分布(见图8)，其中I＝85A以及B＝B_z～4.4T。B_x和B_y较小以及可以被忽略。在该实施流中B≈B_z。

下述描述关于质子的动力学，作为一个说明性实施例。还预见了关于除了质子之外的其他正离子的其他的实施例。还包括关于锂、铍、硼、碳或其他轻离子或它们组合的其他实施例。

电磁体系统的质子传输和最优化。可以通过研究本发明的超导电磁体系统产生的磁场中的质子传输，来测试本发明的超导电磁体系统的一个实施例。磁场可以将具有不同能量的质子在它们的轨道上进行分离，并且基本上将最初沿着束轴移动的所有需要质子返回到束轴上。质子的动力学可以由运动方程描述。

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{qv}\×B---\left(2\right)$

其中p是质子的动量，q是质子的电荷，并且v是质子的速度。根据辛算法，已经写入仿真代码，从而给出对于质子轨道的数值解。讨论多个能够影响场分布并且影响质子束的因数。可以很精细地调整这些参数以使电磁体系统最优化。

束准直。在这个实施例中，PIC仿真已经示出，对于给定激光等离子参数，质子可以具有比临床应用中需要更宽的能谱。可以引入准直仪来阻挡不需要的质子或使不需要的质子减速。在质子准直中，可以考虑束尺寸和它的能量扩散。可以利用治疗方案来选择束尺寸，并且由开始的初级准直仪和结束的次级准直仪来确定束尺寸。例如，对于强度调制质子治疗来说，可以使用在100cm的SSD处具有1×1cm²场的笔形波束。以及初级准直仪开口通常不是任意大的，因为它直接控制合成的束的能量散布。在本发明的多个实施例中可以选择处级准直仪孔，使得对着大约2*arctan(0.025/5.0)的角度的粒子可以通过，从而得到在大约100cm SSD处的大约1×1cm²的束尺寸。

在一个实施例中，使用中间准直仪使散布开的质子的能谱成形，从而获得临床上可用的束。图9中的结果示出，可以使用0.40-cm孔开口来基本上收集具有低于30MeV能量扩展度的所有250-Mev粒子，并没有说明角度分布。考虑到质子具有源自与固体结构的激光相互作用的固有角展度，对于上述给出的相似准直参数，每个束可以出现更发散的质子束和更宽的能量扩展度。因此，可以略微减少孔尺寸来控制束中的能量扩散度。在下述实施例中已经使用了大约0.3-cm孔。还在这个实施例中引入次级准直仪从而建立合适的束尺寸并且滤掉剩余的不需要的粒子。

场强度。在这个实施例中，质子束从中心轴y_m的最大偏移可以随着磁场强度B而增大。这个偏移可以确定选择系统的尺寸。对于具有相邻特性能量的两个质子束来说，它们在它们最大偏移y_m的点处的空间分离是和偏移自身相关的，如图9中所示。较低的y_m可以导致较小的空间分离，因此较大的合成能量在质子束中传播。通过使用较小值的y_m可以维持适当的小能量扩散度。磁场的绝对值通常不太大。图10示出磁场强度的影响。对于0.8T的小场来说，电磁体在y轴上的宽度可以被减少到小于2.5cm，但是对于具有高于160MeV的特征能量的质子来说，能量扩展度太大以致于不可接受，如图14(b)中所示。这些结果表示大约B＝4.4T的场强度以及在y方向上的电磁体宽度大约Ly＝20cm提供了在最后的质子束中具有可接受能量扩散度的适合的小型选择系统。

成对的电磁体之间的间隙。在某些实施例中，横过磁场的质子可以重新聚集在束轴上放置次级准直仪的地方。然而，由于磁场不总是阶梯形分布，因此在次级准直仪处的质子的y-位置y_s可以偏离0。在某些实施例中，y_s可以受到场强度和场形状的影响，而场强度和场形状都与两个成对的超导电磁体之间的间隙有关。通常，y_s随着不同的能量而变化。因此，次级准直仪可以沿着y轴移动，来收集具有不同能量的质子。然而，为了避免由于移动准直仪所引起的不精确性，通常使次次准直仪的位置对于所有的能量都是固定的。为了实现这个，可以调整间隙以这样的方式使场成形，使得需要的具有不同能量的质子能够被聚集在同一点y_s上，其可以在0附近。图11示出d＝0.5、1、2、4cm时质子的轨道。d＝1.0cm时，不同能量的y_s的差别最小并且最接近0，因此，在本发明的某些实施例中使用1.0cm间隙。

中间电磁体的宽度。在某些实施例中，质子的轨道可以对x方向(即，束方向)上的中间电磁体的宽度L_x非常敏感。在可选择的变化中，所有四个电磁体的宽度被设定为15cm，与阶梯形场分布一致。利用这个构造，质子通常不再返回到x轴并且对于不同能量在x＝80cm处发散，如图12(a)中所示。在不同的变化中使用17cm也导致质子不再返回到x轴，如图12(b)中所示。不限制于操作的具体理论，因为第二第三电磁体的场强度低于第一和第四电磁体的场强度，如图8中所述，所以认为质子没有返回到x轴。这些实例示出在该实施例中L_x＝16.3cm产生最佳的结果(参见图11(b))。

这些结果示出了合适的电磁体系统的设计参数对于在激光加速质子束治疗中所使用的多能量正离子束选择装置的重要性。电磁体系统的参数可以利用系统设计和质子传输的仿真来容易确定，正如在本发明的各种方面中提供的。

图13比较了电磁体产生场和理想的阶梯形场中的质子轨道。在前者情况中的轨道沿着y方向上移。这看起来是因为在第一和第四区域中的场强度大于中间的场强度而平衡了场分布的不对称所导致的，而在后一种情况中用于所有四个区域的场强度都相同。

能谱和剂量分布。不受任何操作的特定理论的限制，认为质子束的能量扩散度源自激光加速质子的宽阔能量和角分布。得到的多能量质子束在临床上对于辐射肿瘤是有用的。利用理想的阶梯形磁场，已经示出初步结果：虽然每个多能量激光加速质子束导致不太尖锐的深度-剂量衰减，但是可以将它合并调制成产生对靶具有很好的适形覆盖的展开的Bragg峰(SOBP)。在由本发明的超导电磁体系统产生的磁场存在的情况下，可以重新计算能谱和对应的剂量分布。

为了计算以特征能量E为中心在其周围扩散的能量，当质子到达x_m时，确定具有能量E的质子的y位置y_m(E)，x_m是放置粒子选择孔的x位置。然后，将孔中心移动到y_m(E)处并使得宽度为3mm，并且计算通过该孔的质子的数量。因此，得到具有在E周围形成峰的能量扩散度的质子束。图14中示出了三个束的能谱。低能量质子束在其分布中具有较小的能量扩散度，而高能量束具有较大的能量扩散度。不受特定操作理论的限制，这个结果看起来是因为能量高的质子被磁场偏转的小，因此比低能量质子偏移小。图14(b)示出能量扩散度随着场强度的降低而增大。对于B＝0.8T来说，能量扩散度大于100MeV，因为特征能量高于160MeV。对于本发明的某些实施例来说，这个能量扩散度不是期望最佳的。

可以利用GEANT3蒙特卡洛代码来计算多能质子束的剂量分布。由于能量扩散度意图展开Bragg峰，所以较宽的能量分布典型地引发更扁平的Bragg峰，如图15中所示。

图14和15比较使用理想的阶梯形磁场分布以及电磁体系统产生的磁场分布所计算的能谱和相关深度-剂量分布。电磁体产生场的质子能谱略微向低能量区域移动，这看起来与图13一致。

本发明的一个实施例提供了一种能够产生阶梯形磁场分布的小型超导电磁体系统，可用于质子束选择。根据对于矩形线圈的磁场的分析计算得到超导电磁体系统的一种设计，其中提供三维磁场分布，由此说明因为在线圈边缘处受到弥散场图案的影响而引起的边缘聚焦这种边缘效应。质子轨道的仿真被用于测试电磁体系统并且针对某些标准对设计进行最优化。

这些结果表示临床满意的质量的质子束可以使用下述参数利用合适的磁场选择系统的实施例产生：单个电磁体的尺寸可以是大约L_x＝15cm(外)，16cm(内)，L_y＝30cm和L_z＝20cm。使用大约I＝85A的回路电流、大约1000匝的合适超导线例如NbTi，来提供大约4到5T的平均磁感应强度。根据超导线的制作和电源的使用，电流可以在60A和600A之间变化。成对的电磁体之间的间隙可以为大约1cm。用于三个准直仪的孔尺寸可以被设置为：对于初级，尺寸是大约0.05cm；对于选择孔，尺寸是0.3cm；对于次级，尺寸是0.8cm。

使用该实施例的电磁体系统，可以获得不同选择特征能量的能谱。与利用理想阶梯形场分布得到的能谱相比较，它们向低能量区域具有很小的移动，但是它们都具有几乎相同的扩散。这个与利用那些能谱获得的剂量分布图案一致。

本发明的超导电磁体系统可用在2004年6月2日提交的名称为“High Energy Polyenergetic Ion Selection Systems，Ion Beam TherapySystems，and Ion Beam Treatment Centers”的国际专利申请No.PCT/US2004/017081这一我们相关发明的粒子选择机构中，在此该申请的全部内容被结合作为参考。因此，此处提供的超导电磁体系统可以用于产生临床可用的质子束。根据实际病人几何形状，可以使用剂量分布的蒙特卡洛计算来对这些系统进行建模。

附录

我们对图4中示出的矩形电流回流应用Biot-Savart法则

其中B为磁感应强度，μ₀为自由空间的磁导率，其等于4π×10^-7NA^-2。I为回路负载的电流，以及r_i为回路的第i侧的电流元件和位置(x，y，z)之间的距离，并且给出为：

ri＝((x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²)^1/2，i＝1，2，3，4

在回路上对等式(I)积分，我们得到磁场的三个分量：

$B_x=-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(y-b/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(x+a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x+a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(y-b/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(x-a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(y+b/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(x+a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x+a/2)}^2+{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(y+b/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(x-a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

                                   (II)

$B_y=-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x+a/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x+a/2)}^2+{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x+a/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x+a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}---\left(\mathrm{III}\right)$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x-a/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}---\left(\mathrm{III}\right)$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x-a/2)(z+c/2)}{4\mathrm{\π}[{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}---\left(\mathrm{III}\right)$

以及

$B_z=-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x+a/2)(y+b/2)}{4\mathrm{\π}[{(x+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x+a/2)}^2+{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x-a/2)(y-b/2)}{4\mathrm{\π}[{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x-a/2)(y+b/2)}{4\mathrm{\π}[{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x-a/2)(y-b/2)}{4\mathrm{\π}[{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x+a/2)(y-b/2)}{4\mathrm{\π}[{(x+a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x+a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x-a/2)(y-b/2)}{4\mathrm{\π}[{(x-a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}---\left(\mathrm{IV}\right)$

$-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x+a/2)(y-b/2)}{4\mathrm{\π}[{(x+a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x+a/2)}^2+{(y-b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I(x-a/2)(y+b/2)}{4\mathrm{\π}[{(x-a/2)}^2+{(z+c/2)}^2]{({(x-a/2)}^2+{(y+b/2)}^2+{(z+c/2)}^2)}^{1/2}}$

对于具体的点(0，0，-c/2)也就是回路的中间，磁场的z分量减少到已知表达式，(N.Ida和J.Baotos，Electromagnetics and Calculationof Fields，Springer-Verlag，1992)

$B_Z=-\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I}{\mathrm{\π}}\frac{\sqrt{a^2+b^2}}{\mathrm{ab}}---\left(V\right)$

等式(V)可以用于粗略地估计给定磁场强度需要什么电流。对于B_z＝4.4T，a＝0.15m以及b＝0.3m来说，需要的电流为：

$I=\frac{\mathrm{\π}{B}_z}{2{\mathrm{\μ}}_0}\frac{\mathrm{ab}}{\sqrt{a^2+b^2}}=\frac{\mathrm{\π}\×4.4\×0.15\×0.3}{2\×4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}\sqrt{{0.15}^2+{0.3}^2}}=7.4\×{10}^{5}A$

因此，为了在回路的平面附近产生～4.4T的场，电流I必须为～10⁶A。

Claims (95)

1.一种离子选择系统，包括：

准直装置，能对包括多个高能量多能正离子的激光加速高能量多能离子束进行校准；

第一磁场源，能够根据所述高能量多能正离子的能级，空间地分离所述高能量多能正离子；

孔，能够调制该空间分离的高能量多能正离子；以及

第二磁场源，能够将经过调制的高能量多能正离子重组；

其中，第一和第二磁场源是能够提供大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场的超导电磁体。

2.根据权利要求1的所述离子选择系统，其中所述磁场在大约0.2和大约20特斯拉之间。

3.根据权利要求1的所述离子选择系统，其中所述磁场在大约0.5和大约10特斯拉之间。

4.根据权利要求1的所述离子选择系统，其中所述磁场在大约0.8和大约5特斯拉之间。

5.根据权利要求1的所述离子选择系统，其中经过调制的高能量多能正离子具有在从大约50MeV到大约250MeV的范围内的能级。

6.根据权利要求1的所述离子选择系统，其中所述高能量多能正离子包括轻离子，包括质子、锂、硼、铍或碳或它们的组合物。

7.根据权利要求1的所述离子选择系统，其中所述第一磁场源能够将高能量多能正离子的轨道弯曲远离所述激光加速多能离子束的束轴。

8.根据权利要求7的所述离子选择系统，还包括第三磁场源，所述第三磁场源能够将被空间分离的高能量多能正离子的轨道朝向所述孔弯曲。

9.根据权利要求8的所述离子选择系统，其中在所述第三磁场源的磁场外部放置所述孔。

10.根据权利要求8的所述离子选择系统，其中所述第三磁场源的磁场能够将经过调制的高能量多能正离子的轨道朝向所述第二磁场源进行弯曲。

11.根据权利要求10的所述离子选择系统，其中所述第二磁场源能够将经过调制的高能量多能正离子的轨道朝向与激光加速高能量多能离子束的方向平行的方向进行弯曲。

12.根据权利要求1的所述离子选择系统，还包括次级准直装置，其能够使重组的高能量多能正离子的部分流体地流过其中。

13.根据权利要求12的所述离子选择系统，其中所述次级准直装置能够对重组的高能量多能正离子的束形状进行调制。

14.根据权利要求1的所述离子选择系统，其中所述孔包括多个开口，每个开口能够使高能量多能正离子流体地流过其中。

15.根据权利要求14的所述离子选择系统，其中所述孔是多叶式准直仪。

16.一种形成高能量多能正离子束的方法，包括如下步骤：

形成包括多个高能量多能正离子的激光加速高能量多能离子束，该多个高能量多能正离子的特征在于具有能级的分布；

使用准直装置将所述激光加速离子束校准；

使用由具有在大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场的第一超导电磁体提供的第一磁场，根据所述高能量正离子的能级，空间地分离所述高能量正离子；

使用所述孔对被空间分离的高能量多能正离子进行调制；以及

使用由具有在大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场的第二超导电磁体提供的第二磁场，将经过调制的高能量多能正离子进行重组。

17.根据权利要求16的所述形成高能量多能正离子束的方法，其中所述第一磁场或者第二磁场或者二者都在大约0.2和大约20特斯拉之间。

18.根据权利要求16的所述形成高能量多能正离子束的方法，其中所述第一磁场或者第二磁场或者二者都在大约0.5和大约10特斯拉之间。

19.根据权利要求16的所述形成高能量多能正离子束的方法，其中所述第一磁场或者第二磁场或者二者都在大约0.8和大约5特斯拉之间。

20.根据权利要求16的所述形成高能量多能正离子束的方法，其中调制被空间分离的高能量多能正离子的步骤引发部分正离子被传输穿过所述孔，所述部分正离子具有在从大约50MeV到大约250MeV的范围内的能级。

21.根据权利要求16的所述方法，其中利用所述第一磁场，将高能量多能正离子的所述轨道弯曲远离所述激光加速高能量多能离子束的束轴。

22.根据权利要求21的所述方法，其中利用所述第三磁场，进一步将被空间分离的高能量多能正离子的轨道朝向所述孔进行弯曲。

23.根据权利要求22的所述方法，其中利用所述孔中的多个可控制的开口，根据能级对被空间分离的高能量正离子进行调制。

24.根据权利要求22的所述方法，其中所述第三磁场还将所述轨道朝向第二磁场弯曲。

25.根据权利要求24的所述方法，其中所述第二磁场将所述轨道朝向与所述激光加速高能量多能离子束的方向平行的方向进行弯曲。

26.根据权利要求16的所述方法，其中重组的高能量多能正离子的部分被流体地流过次级准直装置。

27.根据权利要求16的所述方法，其中所述多个高能量多能正离子波束泄出被流体地流过所述孔中的多个可控制的开口，从而调制被空间分离的高能量正离子。

28.根据权利要求16的所述方法，其中根据所述高能量多能正离子的能量分布，在达到大约50cm的距离上将所述高能量多能正离子进行空间分离，所述距离是垂直于进入所述第一磁场的所述激光加速粒子束的束轴而测量的。

29.根据权利要求16的所述方法，还包括用重组的空间分离的高能量多能正离子来对放射性同位素前驱体进行辐射。

30.一种激光加速高能量多能正离子治疗系统，包括：

激光-导向靶系统，包括能够产生高能量多能离子束的激光和导向靶系统，该高能量多能离子束包括具有至少大约50MeV的能级的高能量多能正离子，基于能级对高能量多能正离子进行空间地分离；

离子选择系统，其能够由所述高能量多能正离子的部分产生适合治疗的高能量多能正离子束，所述离子选择系统包括至少两个超导电磁体，每个超导电磁体能够提供在大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场；以及

离子束监视和控制系统。

31.根据权利要求30的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述磁场在大约0.2和大约20特斯拉之间。

32.根据权利要求30的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述磁场在大约0.5和10特斯拉之间。

33.根据权利要求30的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述磁场在大约0.8和大约5特斯拉之间。

34.根据权利要求30的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中，所述高能量多能正离子包括轻离子，包括质子、锂、硼、铍或碳或它们的组合。

35.根据权利要求30的所述激光加速高能量多能正离子治疗系

统，其中所述离子选择系统包括：

准直装置，能够将所述激光加速高能量多能离子束进行校准；

第一磁场源，能够根据所述高能量多能正离子的能级，对所述高能量多能正离子进行空间分离，其中第一磁场源包括所述超导电磁体之一；

孔，能够对被空间分离的高能量多能正离子进行调制；以及

第二磁场源，能够对经过调制的高能量多能正离子进行重组，其中，第二磁场源包括与第一磁场源中使用的超导电磁体不同的所述超导电磁体之一。

36.根据权利要求35的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中经过调制的高能量多能正离子的特征在于具有在从大约50MeV到大约250MeV的范围内的能级。

37.根据权利要求35的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述第一磁场源提供第一磁场，其能够将所述高能量多能正离子的轨道弯曲，所述弯曲在远离所述激光加速高能量多能正离子束的束轴的方向上。

38.根据权利要求37的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述离子选择系统还包括第三磁场源，其能够将被空间分离的高能量多能正离子的轨道朝向所述孔进行弯曲。

39.根据权利要求38的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中在所述第三磁场源的磁场外部设置所述孔。

40.根据权利要求38的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述第三磁场源的磁场能够将被空间分离的高能量多能正离子的所述部分的轨道朝向所述第二磁场源进行弯曲。

41.根据权利要求40的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述第二磁场源的磁场能够将被空间分离的高能量多能正离子的所述部分的轨道朝向与所述激光加速高能量多能离子束的方向平行的方向进行弯曲。

42.根据权利要求35的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，还包括次级准直装置，其能够使重组的高能量多能正离子的部分流体地流过其中。

43.根据权利要求42的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述次级准直装置能够对重组的高能量多能正离子的束形状进行调制。

44.根据权利要求35的所述激光加速高能量多能正离子治疗系统，其中所述孔包括多个开口，每个开口能够使离子波束泄出流体地流过其中。

45.一种用激光加速高能量多能正离子治疗系统来治疗病人的方法，包括：

识别病人中靶区域的位置；

确定靶区域的治疗策略，所述治疗策略包括确定用于对所述靶区域进行辐射的多个适合治疗的高能量多能正离子束的剂量分布；

由多个高能量多能正离子形成所述多个适合治疗的高能量多能正离子束，其中，使用一个或者多个均能提供大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场的超导电磁体，根据能级，将所述多个高能量多能正离子进行空间地分离；以及

根据所述治疗策略，将该多个适合治疗的多能正离子束传送到所述靶区域。

46.根据权利要求45的所述用激光加速高能量多能正离子治疗系统来治疗病人的方法，其中所述磁场在大约0.2和大约20特斯拉之间。

47.根据权利要求45的所述用激光加速高能量多能正离子治疗系统来治疗病人的方法，其中所述磁场在大约0.5和大约10特斯拉之间。

48.根据权利要求45的所述用激光加速高能量多能正离子治疗系统来治疗病人的方法，其中所述磁场在大约0.8和大约5特斯拉之间。

49.根据权利要求45的所述治疗病人的方法，其中确定剂量分布包括确定多个适合治疗的高能量多能正离子束的能量分布、强度和方向。

50.根据权利要求45的所述治疗病人的方法，其中通过下述步骤来制备适合治疗的多能正离子束：

形成包括高能量多能正离子的激光加速高能量多能离子束；

使用至少一个准直装置，将所述激光加速高能量多能离子束进行校准；

使用由所述超导电磁体之一提供的第一磁场，根据所述高能量多能正离子的能级，空间分离所述高能量多能正离子；

利用孔对被空间分离的高能量多能正离子进行调制；以及

利用与用于提供第一磁场的一个超导电磁体不同的超导电磁体所提供的第二磁场，将经过调制的高能量多能正离子进行重组。

51.根据权利要求50的所述治疗病人的方法，其中经过调制的高能量多能正离子具有在从大约50MeV到大约250MeV的范围内的能级。

52.根据权利要求50的所述治疗病人的方法，其中所述高能量多能正离子包括轻离子，包括质子、锂、硼、铍或碳或它们的组合。

53.根据权利要求50的所述治疗病人的方法，其中利用所述第一磁场将所述高能量多能正离子的轨道弯曲偏离所述激光加速高能量多能正离子束的束轴。

54.根据权利要求53的所述治疗病人的方法，其中利用第三磁场将被空间分离的高能量多能正离子的轨道朝向所述孔进行弯曲

55.根据权利要求54的所述治疗病人的方法，其中利用所述孔中的多个可控制的开口，根据能级对被空间分离的高能量多能正离子进行调制。

56.根据权利要求55的所述治疗病人的方法，其中利用所述第三磁场，将经过调制的高能量多能正离子的轨道进一步朝向第二磁场进行弯曲。

57.根据权利要求56的所述治疗病人的方法，其中利用所述第二磁场，将经过调制的高能量多能正离子的轨道朝向与所述激光加速高能量多能正离子束的束轴的方向平行的方向进行弯曲。

58.根据权利要求50的所述治疗病人的方法，其中重组的高能量多能正离子的部分流体地流过所述次级准直装置。

59.根据权利要求58的所述治疗病人的方法，其中利用所述次级准直装置，将所述重组的高能量多能正离子的束形状进行调制。

60.一种激光加速高能量多能正离子束治疗中心，包括：

用于安置病人的地方；以及

激光加速高能量多能正离子治疗系统，其能够将适合治疗的高能量多能正离子束传送给在所述地方的病人，该离子治疗系统包括：

激光-导向靶系统，所述激光-导向靶系统包括能够产生高能量多能离子束的激光和靶组件，该高能量多能离子束包括具有至少大约50MeV的能级的高能量多能正离子；

离子选择系统，其能够使用所述高能量多能正离子来产生适合治疗的高能量多能正离子束，其中，使用均能提供在大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场的超导电磁体，根据能级，将该高能量多能正离子空间地分离；以及

监视和控制系统，用于所述适合治疗的高能量多能正离子束。

61.根据权利要求60的激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述磁场在大约0.2和大约20特斯拉之间。

62.根据权利要求60的激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述磁场在大约0.5和大约10特斯拉之间。

63.根据权利要求60的激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述磁场在大约0.8和大约5特斯拉之间。

64.根据权利要求60的激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述离子选择系统包括：

准直装置，能够对所述高能量多能离子束进行校准；

第一磁场源，能够根据所述高能量多能正离子的能级，空间地分离所述高能量多能正离子，其中所述第一磁场源由所述超导电磁体之一提供；

孔，能够对被空间分离的高能量多能正离子进行调制；以及

第二磁场源，能够将经过调制的高能量多能正离子重组为所述适合治疗的高能量多能正离子束，所述第二磁场源由一个与提供所述第一磁场源的超导电磁体不同的超导电磁体提供。

65.根据权利要求64的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中经过调制的高能量多能正离子的特征在于具有在从大约50MeV到大约250MeV的范围内的能级。

66.根据权利要求64的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述高能量多能正离子包括轻离子，包括质子、锂、硼、铍或碳或它们的组合。

67.根据权利要求64的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述第一磁场源能够将高能量多能正离子的轨道弯曲远离进入第一磁场的所述激光加速多能离子束的束轴。

68.根据权利要求67的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述离子选择系统还包括第三磁场源，所述第三磁场源能够将被空间分离的高能量多能正离子的轨道朝向所述孔进行弯曲。

69.根据权利要求68的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中在所述第三磁场源的磁场外部放置所述孔。

70.根据权利要求68的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述第三磁场源的磁场能够将经过调制的高能量正离子的轨道朝向所述第二磁场源进行弯曲。

71.根据权利要求70的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述第二磁场源能够将经过调制的高能量多能正离子的轨道朝向与激光加速高能量多能离子束的方向平行的方向进行弯曲。

72.根据权利要求67的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，还包括次级准直装置，其能够使重组的高能量多能正离子的部分流体地流过其中。

73.根据权利要求64的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述孔包括多个开口，每个开口能够使离子波束泄出流体地流过其中。

74.根据权利要求60的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中所述靶组件和离子选择系统被放置在旋转台上。

75.根据权利要求60的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中利用多个反射镜将所述激光的激光束反射地传送到所述靶组件。

76.根据权利要求75的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中自动地安装所述离子选择系统，从而允许适合治疗的高能量多能正离子束的扫描。

77.根据权利要求75的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中还包括至少一个束分裂器，以将所述激光束分裂到至少两个靶组件的每一个。

78.根据权利要求60的所述激光加速高能量多能正离子束治疗中心，其中激光-导向靶系统包括多个靶组件，每个所述靶组件能够产生高能量多能正离子束，所述高能量多能正离子束包括具有至少大约50MeV的能级的高能量多能正离子；

多个离子选择系统，每个均能单独地由所述各个高能量多能正离子束产生适合治疗的高能量多能正离子束；以及

各个多能离子束监视和控制系统，用于每个所述适合治疗的高能量多能正离子束。

79.一种用于磁性地分离多能正离子束的小型超导电磁体系统，包括：

一系列两个或者多个流体连通的超导线圈，其中每个超导线圈均能够单独地提供在大约0.1和大约30特斯拉之间的磁场，其中这些磁场中至少两个的方向彼此相反。

80.根据权利要求79的用于磁性地分离多能正离子束的小型超导电磁体系统，其中所述磁场在大约0.2和大约20特斯拉之间。

81.根据权利要求79的用于磁性地分离多能正离子束的小型超导电磁体系统，其中所述磁场在大约0.5和大约10特斯拉之间。

82.根据权利要求79的用于磁性地分离多能正离子束的小型超导电磁体系统，其中所述磁场在大约0.8和大约5特斯拉之间。

83.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈具有在从大约5cm到大约100cm的范围内的尺寸。

84.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中每个电磁体的最大磁场小于大约5特斯拉。

85.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈每个包括在大约1,000和大约100,000匝之间的一个或多个超导线。

86.根据权利要求85的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈包括在大约5,000和大约200,000匝之间的一个或多个超导线。

87.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈每个包括一个或者多个NbTi超导线。

88.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈每个包括一个或者多个Nb₃Sn超导线。

89.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈每个包括一个或者多个高温超导线。

90.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈每个能够负载从大约60到大约600A的范围内的电流。

91.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，包括：

两个外部电磁体，每个能够提供相同方向上的磁场，以及

两个内部电磁体，每个能够向彼此提供相同方向的磁场，并且该磁场与外部电磁体的磁场方向相反。

92.根据权利要求91的小型超导电磁体系统，其中所述两个内部电磁体的磁场具有大约相同的强度

93.根据权利要求92的小型超导电磁体系统，其中所述两个内部电磁体隔开大约0.2cm到大约5cm的范围内的间隙。

94.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，还包括一系列准直仪，每个准直仪具有在从大约0.02cm到大约2cm的范围内的孔尺寸。

95.根据权利要求79的小型超导电磁体系统，其中所述超导线圈具有矩形形状。

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