CN104822417B - 用于粒子加速器的控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种示例性粒子治疗系统包括粒子加速器，以输出粒子束，其中，所述粒子加速器包括：粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，其中所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间，并且其中所述粒子束基于电离等离子体的脉冲；以及调制器轮，其具有不同的厚度，其中每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度，并且其中所述调制器轮布置成接收所述粒子束的初级粒子，并且配置成创建用于粒子束的延展的布拉格峰。

Description

用于粒子加速器的控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年9月28日提交的美国临时申请第61/707645号的优先权。美国临时申请第61/707645号的内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于粒子加速器的控制系统。
背景技术
粒子治疗系统使用粒子加速器来产生粒子束用于治疗病痛，比如肿瘤。控制系统管理粒子加速器的行为，以确保其如所期望操作。
发明内容
一种示例性粒子治疗系统可以包括粒子加速器，以输出粒子束，其中，所述粒子加速器包括：粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，其中所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间，并且其中所述粒子束基于电离等离子体的脉冲；以及调制器轮，其具有不同的厚度，其中每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度，并且其中所述调制器轮布置成接收所述粒子束的初级粒子，并且配置成创建用于粒子束的延展的布拉格峰。该示例性粒子治疗系统还包括一个或多个第一输入/输出(I/O)模块，其可以以第一速度操作，其中所述一个或多个第一I/O模块配置成将机器指令发送至一个或多个电机控制器，其中的至少一个用于控制所述调制器轮；以及一个或多个第二I/O模块，其可以以比所述第一速度更大的第二速度操作，其中的至少一个配置成将机器指令发送至所述粒子源，使得所述粒子源的脉冲宽度随所述调制器轮的旋转位置而变化。该示例性粒子治疗系统还可以包括一个或多个以下特征：
该示例性粒子治疗系统可以包括：治疗控制计算机，其被编程以从医院接收处方信息，将该处方信息翻译成机器信息，并且将治疗记录发送到医院；以及主控计算机，其具有实时操作系统，其中所述主控计算机被编程以从所述治疗控制计算机接收机器信息，将该机器信息翻译成机器指令，并且将所述机器指令发送至所述第一I/O模块和所述第二I/O模块中的一个或多个。
该示例性粒子治疗系统可以包括光纤，在其上监测所述调制器轮的旋转速度和位置。所述第一I/O模块的速度可以是毫秒级，所述第二I/O模块的速度可以是一百或几百纳秒级。
所述第一I/O模块可以是可编程逻辑控制器(PLC)。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制场成形轮系统，以在输出之前使所述粒子束成形。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制散射系统，以在输出之前使所述粒子束准直。
该示例性粒子治疗系统可以包括射频(RF)系统，以扫掠RF频率通过所述腔来从由所述粒子源产生的等离子体柱提取粒子，其中所述RF系统包括旋转电容器。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到控制所述旋转电容器的电机控制器。所述PLC中的两个或更多个可以配置成彼此通信。
该示例性粒子治疗系统可以包括可旋转台架，其上安装有所述粒子加速器。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到控制所述可旋转台架的电机控制器。
所述第二I/O模块可以是现场可编程门阵列(FPGA)。该示例性粒子治疗系统可以包括电路板，其包括微处理器。所述FPGA中的至少一个可以在所述电路板上并且与所述微处理器通信。所述微处理器可以被编程以与控制计算机通信。
该示例性粒子治疗系统可以包括射频(RF)系统，以扫掠RF频率通过所述腔来从由所述粒子源产生的等离子体柱提取粒子。所述FPGA中的至少一个可以是RF控制模块。所述RF控制模块可以配置成接收关于所述调制器轮的旋转的信息，并且基于以上信息来协调所述粒子源与RF系统的操作方面。协调所述粒子源与RF系统的操作方面可以包括基于所述调制器轮的旋转位置来接通或关闭所述粒子源，并且基于所述调制器轮的旋转位置来接通或关闭所述RF系统。所述RF控制模块可以配置成将机器指令发送到所述粒子源，以在RF电压处于一定频率时接通且在RF电压处于一定频率时关闭。协调所述粒子源的操作方面可以包括在所述粒子源的接通时间期间确定脉冲宽度。
一种示例性粒子治疗系统可以包括粒子加速器，以输出由脉冲构成的粒子束；以及深度调制器，其在所述粒子束的路径中。该深度调制器具有可变的厚度并且是可移动的，使得所述粒子束在不同时间撞击所述深度调制器的不同厚度。所述粒子治疗系统配置成控制撞击所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量。该示例性粒子治疗系统可以单独地或组合地包括一个或多个以下特征。
所述深度调制器的运动是可控制的，使得不同数量的脉冲撞击所述深度调制器的至少两个不同厚度。所述粒子治疗系统可以包括：控制系统，以提供控制信号；以及电机，以响应于所述控制信号来控制所述深度调制器的运动，其中该运动是可由所述控制信号控制的旋转。
从所述加速器输出脉冲可以被控制，使得不同数量的脉冲撞击所述深度调制器的至少两个不同厚度。所述粒子加速器可以包括粒子源，其配置成产生所述脉冲从其中得以提取的等离子体流，其中所述等离子体流响应于施加到电离气体的电压而被产生，并且该电压是可控制的以接通和关闭所述粒子源来控制撞击所述至少两个不同厚度的脉冲的数量。所述粒子加速器可以包括粒子源，其配置成产生所述脉冲从其中得以提取的等离子体流；以及射频(RF)源，以扫掠频率且从而在每次频率扫掠从所述等离子体流提取一个或多个脉冲。所述RF源是可控制的，以控制撞击所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量。所述RF源是可控制的，以跳过一个或多个频率扫掠。所述粒子治疗系统可以通过包括一个或多个结构来偏转脉冲以便控制撞击所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量而得以配置。
一种示例性粒子治疗系统可以包括粒子加速器，以输出粒子束，其中所述加速器包括：粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，其中所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间，并且其中所述粒子束基于电离等离子体的脉冲；以及调制器轮，其具有不同的厚度，其中每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度，并且其中所述调制器轮布置成接收所述粒子束的初级粒子，并且配置成创建用于粒子束的延展的布拉格峰。所述粒子治疗系统可以配置成使得所述粒子源的脉冲宽度随所述调制器轮的旋转位置而变化。
在本发明中所阐述的两个或更多个特征(包括在此发明内容中所阐述的那些特征)可以组合来形成未在本文中具体阐述的实施方式。
可以通过计算机程序产品来实施本文中所述的各种系统或其部分的控制，所述计算机程序产品包括储存在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上并且可以在一个或多个处理器件上执行的指令。本文中所述的系统或其部分可以实施为可包括一个或多个处理器件及用于储存可执行指令的存储器以实施对所述功能的控制的装置、方法或电子系统。
下面参照附图以及说明书，对一个或多个实施方式的细节进行阐述。根据说明书、附图以及根据权利要求书，本发明的其它特征、目标及优点将是显而易见的。
附图说明
图1是示例性粒子治疗系统的透视图。
图2是示例性同步回旋加速器的组件的分解透视图。
图3、4和5是示例性同步回旋加速器的剖视图。
图6是示例性同步回旋加速器的透视图。
图7是示例性反向线圈架及绕组的一部分的剖视图。
图8是示例性通道中电缆复合导体的剖视图。
图9是示例性粒子源的剖视图。
图10是示例性D形板和虚拟D形件的透视图。
图11是示例性穴室的透视图。
图12是带有穴室的示例性治疗室的透视图。
图13示出了患者定位成紧挨着粒子加速器。
图14示出了患者定位在治疗室中的示例性内台架内。
图15是示出了用于粒子加速器的控制系统的示例的方块图。
图16示出了示例性场成形轮系统。
图17是示出了包括示例性调制器轮和示例性散射体的束路径的侧视图。
图18是示出了各个布拉格峰以及产生延展的布拉格峰的累积效应的图表。
图19是用于产生不同深度及强度水平的布拉格峰的示例性调制器轮的侧视图。
图20是图19的调制器轮的俯视图。
图21是示出了频率扫掠以及在频率扫掠的周期期间输出的粒子源脉冲宽度的图表。
图22是示出了在患者内的不同深度的延展的布拉格峰的图表。
图23是示出了对于图22的延展的布拉格峰的粒子源脉冲宽度相对于调制器轮的角度的图表。
各图中的相同附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
概述
本文所述的是一种用于在系统比如质子或离子治疗系统中使用的示例性粒子接加速器的控制系统的示例。该示例性粒子治疗系统包括安装在台架上的粒子加速器——在该示例中是同步回旋加速器。台架使得粒子加速器能够围绕患者位置旋转，如下文更详细地说明。在某些实施方式中，台架是钢制的，并且具有安装成用于在位于患者相对侧上的两个相应轴承上旋转的两个支腿。粒子加速器由钢桁架支撑，钢桁架足够长以跨越患者躺于其中的治疗区域并且在两端处稳定地连接至台架的旋转支腿。由于台架围绕患者旋转，所以粒子加速器也旋转。
在示例性实施方式中，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)包括低温恒温器，该低温恒温器保持用于传导产生磁场(B)的电流的超导线圈。在此示例中，低温恒温器使用液态氦(He)来将线圈维持在超导温度，例如4°开尔文(K)。磁轭相邻(例如，围绕)低温恒温器，并且限定粒子在其中得以加速的腔。低温恒温器通过条带等连接至磁轭。
在该示例性实施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如，潘宁离子真空计—PIG源)，以向腔提供等离子体柱。氢气被电离以产生等离子体柱。电压源向腔提供射频(RF)电压以加速来自等离子体柱的粒子。如所述，在该示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，RF电压扫掠跨越频率范围，以在从该柱提取粒子时考虑对粒子的相对论效应(例如，增加的粒子质量)。由线圈产生的磁场促使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道加速。铁磁布置(例如磁场再生器)定位在腔中来调整腔内的现有磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道的位置，最终使得粒子输出至穿过轭的提取通道。提取通道接收从等离子体柱加速的粒子，并且输出来自该腔的所接收的粒子。提取通道内外的元件成形并聚焦粒子束用于应用。
控制系统可以控制粒子加速器的行为。在操作中，根据特定治疗计划将来自粒子加速器的粒子束施加至患者。处方限定用来实施治疗计划的粒子治疗系统的操作特性。尽管在一实施方式中处方可以指定适于特定粒子治疗系统的任何数量的操作特性，但该处方指定以下各项中的一个或多个：粒子剂量、粒子剂量率、患者位置(如由患者所躺于其上的“床”限定)、患者床旋转角度、台架旋转角度、束场大小、束深度、束深度的范围、用来限制粒子束的区域的孔的配置、以及用来定制粒子束的穿透深度的射程补偿团块(或简称“团块”)的配置。
控制系统可以包括治疗控制计算机(TCC)，其包括用户接口。在示例中，对TCC进行编程，以从医院接收处方并将治疗记录发送到医院。TCC还可以将处方翻译成机器指令(包括但不限于命令、参数和/或其它机器可用的信息)。
TCC可以将翻译的机器指令发送至主控计算机(MCC)。MCC可以包括实时操作系统，从而以精确的次序在精确的时间执行指令。在示例中，对MCC进行编程，以将机器指令发送至慢速及快速输入/输出模块。
在示例性实施方式中，慢速I/O模块用于将指令发送至电机控制器。电机控制器可以控制粒子加速器的任何可动部件(例如，场成形轮、散射箔片、旋转电容器、深度调制器轮、台架等)。
在示例性实施方式中，快速I/O模块用于更多的时间敏感控制。例如，可能适当的是使用快速I/O模块来控制RF电压源和/或粒子源(因为在精确的时间将一个相对于另一个转变可能很重要)。快速I/O模块还可以用来接收对调制器轮的位置进行取样的数据(因为非常高的取样率可能是适当的)。
慢速及快速I/O模块使用机器指令来配置粒子治疗系统，使得其具有适合用于治疗计划的操作特性。粒子治疗系统可以在逐案的基础上进行配置。
本文所述的用于控制粒子治疗系统的技术不限于与特定粒子治疗系统一起使用，而是可以用于任何适当的粒子治疗系统。前述技术还可以用于其它适当的医学治疗或诊断系统。
下文提供了其中可以使用前述技术的粒子治疗系统的示例。
示例性粒子治疗系统
参照图1，带电粒子辐射治疗系统500包括产生束的粒子加速器502，其具有的重量及尺寸足够得小，以允许其安装在旋转台架504上，其中其输出从加速器壳体被径直地(也就是说基本上直接地)引向患者506。
在某些实施方式中，钢台架具有两个支腿508、510，它们安装成用于在位于患者相对侧上的两个相应轴承512、5l4上旋转。加速器由钢桁架516支撑，该钢桁架足够长以跨越患者躺于其中的治疗区域518(例如，长达高个子人的两倍，以允许此人在空间内完全旋转，其中患者的任何所期望的目标区域保持在束的线路中)，并且在两个端部稳定地连接至台架的旋转支腿。
在某些示例中，台架的旋转被限制到小于360度例如约180度的范围520，以允许地板522从容纳治疗系统的穴室524的壁延伸到患者治疗区域中。台架的有限旋转范围还减小了一些壁的所需厚度，这些壁为治疗区域外的人提供辐射屏蔽。台架旋转的180度的范围足以涵盖所有的治疗接近角度，但提供更大范围的行程可能是有用的。例如，旋转范围可以在180度与330度之间，并且仍为治疗地板空间提供间隙。
台架的水平旋转轴线532位于其中患者和治疗师与治疗系统交互的地板之上标称一米处。该地板定位在治疗系统所屏蔽的穴室的底部地板之上约3米处。加速器可以在被抬高的地板下方摆动，用于从旋转轴线下方传送治疗束。患者床在平行于台架旋转轴线的大致水平平面中移动并旋转。该床可以在具有此配置的水平平面中旋转约270度的范围534。台架及患者旋转范围的此组合和自由度允许治疗师实际选择用于束的任何接近角度。如果需要的话，可以在相反的方向上将患者放置在床上，然后可以使用所有可能的角度。
在某些实施方式中，加速器使用具有非常高的磁场超导电磁结构的同步回旋加速器配置。由于给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加至其的磁场的增加成正比地减少，所以非常的高磁场超导磁结构允许将加速器制作得更小更轻。同步回旋加速器使用旋转角度均匀且强度随半径增加而下降的磁场。可以实现这种场形状，而无须考虑磁场的量值，因此理论上不存在可用于同步回旋加速器中的磁场强度(且因此在固定半径下的所得的粒子能量)的上限。
超导材料在存在非常高的磁场的情况下失去其超导性能。高性能的超导导线绕组用来允许实现非常高的磁场。超导材料通常需要冷却至低温以实现其超导性能。在本文所述的某些示例中，低温冷却器用来使超导线圈绕组达到接近绝对零度的温度。使用低温冷却器可以降低复杂性和成本。
同步回旋加速器支撑在台架上，使得束与患者并排地直接产生。台架允许回旋加速器围绕含有在患者内或在患者附近的点(等角点540)的水平旋转轴线旋转。平行于旋转轴线的分裂桁架在两侧上支撑回旋加速器。
由于台架的旋转范围是有限的，所以患者支撑区域可以容纳在围绕等角点的宽广区域中。由于地板可以大致围绕等角点延伸，所以患者支撑台可以定位成相对于穿过等角点的垂直轴线542移动并绕其旋转，使得通过台架旋转与台运动及旋转的组合，可以实现到患者的任何部分中的束引导的任何角度。两个台架臂隔开了高个子患者身高的两倍以上，从而允许带有患者的床在被抬高的地板上方的水平平面中旋转及平移。
限制台架旋转角度允许减小环绕治疗室的至少一个壁的厚度。通常由混凝土构成的厚壁向治疗室外的个人提供辐射保护。停止质子束下游的壁可以是在该室的相对端部的壁的约两倍厚，以提供等同水平的保护。限制台架旋转的范围使得治疗室能够在三侧上位于地平面之下，同时允许所占用的区域相邻于最薄壁，从而降低构造治疗室的成本。
在图1所示的示例性实施方式中，超导同步回旋加速器502在8.8特斯拉的同步回旋加速器的极隙中以峰值磁场操作。同步回旋加速器产生具有250MeV的能量的质子束。在其它实施方式中，场强度可以在6至20特斯拉或4至20特斯拉的范围内，且质子能量可以在l50至300MeV的范围内。
在此示例中所述的辐射治疗系统用于质子辐射治疗，但相同的原理和细节可应用于在重离子(离子)治疗系统中使用的类似系统中。
如图2、3、4、5和6所示，示例性同步回旋加速器10(例如图1中的502)包括磁体系统12，该磁体系统包含粒子源90、射频驱动系统91、以及束提取系统38。由磁体系统建立的磁场具有的形状适于通过使用一对分裂环形超导线圈40、42与一对成形的铁磁(例如，低碳钢)极面44、46的组合来维持所含的质子束的聚焦。
两个超导磁体线圈定心于共同轴线47上，并且沿着该轴线间隔开。如图7和8所示，线圈由以绞合的通道中电缆的导体几何形状布置的基于Nb3Sn的超导0.8mm直径股线48(其最初包括由铜包皮围绕的铌锡芯)形成。在七个单独股线在一起拧成电缆之后，它们被加热以促使发生形成导线的最终(脆性)超导材料的反应。在材料已经发生反应之后，将导线焊接到铜通道(外尺寸3.18×2.54mm，内尺寸2.08×2.08mm)中并且覆盖有绝缘物52(在该示例中是编织的玻璃纤维材料)。然后，将包括导线53的铜通道卷绕在线圈中，该线圈具有8.55cm×19.02cm的矩形横截面，具有26层以及每层49转。然后，卷绕的线圈采用环氧化合物真空浸渍。将成品线圈安装在环形不锈钢反向线圈架56上。将加热器毯55间隔地放置在绕组层中，以在磁体淬火的情况下保护组件。
然后，可用铜片覆盖整个线圈，以提供热导率及机械稳定性，且然后包含在额外的环氧层中。可以通过加热不锈钢反向线圈架并且将线圈装配在该反向线圈架内来提供线圈的预压缩。反向线圈架内径被选择成使得当整个物块冷却到4K时，反向线圈架保持与线圈接触并且提供一些压缩。将不锈钢反向线圈架加热至约50摄氏度并且在100开氏度的温度下装配线圈可实现此。
通过将线圈安装在反向矩形线圈架56中以施加对抗在线圈通电时所产生的扭曲力的恢复力60来维持线圈的几何形状。如图5所示，通过使用一组暖至冷的支撑条带402、404、406来相对于磁轭及低温恒温器维持线圈位置。采用薄条带支撑冷物块减少由刚性支撑系统传递至冷物块的热泄漏。所述条带布置成随着磁体在台架上旋转而承受线圈上变化的重力。它们承受重力与在线圈相对于磁轭从完全对称的位置被扰动时由该线圈所实现的大的离心力的联合作用。另外，链路用于减小随着台架在其位置改变时加速和减速而赋予在线圈上的动态力。每个暖至冷的支撑件包括一个S2玻璃纤维链路和一个碳纤维链路。碳纤维链路支撑跨越在暖轭与中间温度(50至70K)之间的销，并且S2玻璃纤维链路408支撑跨越中间温度销以及连接至冷物块的销。每个链路是5cm长(销中心至销中心)、17mm宽。链路厚度是9mm。每个销由高强度不锈钢制成，直径是40mm。
参照图3，作为半径函数的场强度曲线很大程度上是通过选择线圈几何形状和极面形状来确定的；可渗透轭材料的极面44、46可以被成形为微调磁场的形状，以确保粒子束在加速期间保持聚焦。
通过将线圈组件(线圈和线圈架)包围在抽空的环形铝或不锈钢低温恒温室70内来将超导线圈维持在接近绝对零度(例如约4开氏度)的温度，该低温恒温室提供围绕线圈结构的自由空间，除了在一组有限支撑点71、73之外。在替代版本(图4)中，低温恒温器的外壁可以由低碳钢制成，以向磁场提供额外的返回磁通路径。
在某些实施方式中，通过使用一个单级Gifford-McMahon低温冷却器和三个双级Gifford-McMahon低温冷却器来实现并维持接近绝对零度的温度。每个双级低温冷却器具有连接至将氦蒸汽再冷凝成液态氦的冷凝器的第二级冷端。采用来自压缩器的经压缩的氦供给低温冷却器头部。单级Gifford-McMahon低温冷却器布置成冷却将电流供给至超导绕组的高温(例如50-70开氏度)引线。
在某些实施方式中，通过使用布置在线圈组件上不同位置的两个Gifford-McMahon低温冷却器72、74来实现并维持接近绝对零度的温度。每个低温冷却器具有与线圈组件接触的冷端76。采用来自压缩器80的经压缩的氦供给低温冷却器头部78。两个其它Gifford-McMahon低温冷却器77、79布置成冷却将电流供给至超导绕组的高温(例如60-80开氏度)引线。
线圈组件和低温恒温室安装在药盒形状的磁轭82的两个半体81、83内并且由它们完全包围。在该示例中，线圈组件的内径是约74.6cm。铁轭82为返回磁场通量84提供路径，并且磁屏蔽极面44、46之间的体积86，以防止外部磁影响扰动该体积内的磁场的形状。轭还用于减小加速器附近的杂散磁场。
如图3和9所示，同步回旋加速器包括位于磁体结构82的几何中心92附近的潘宁离子真空计几何形状的粒子源90。粒子源可以如下文所述，或者粒子源可以是在通过引用并入本文的美国专利申请第11/948662号中所述的类型。
粒子源90透过传送气态氢的气体管路l0l和管194从氢供给99被提供。电缆94携载来自电流源95的电流，以刺激从与磁场200对准的阴极192、190电子放电。
在一些实施方式中，气体管101中的气体可以包括氢和一种或多种其它气体的混合物。例如，该混合物可以包含氢和一种或多种惰性气体，例如氦、氖、氩、氪、氙和/或氡(虽然混合物并不限于与惰性气体一起使用)。在一些实施方式中，混合物可以是氢和氦的混合物。例如，混合物可以包含约75％或更多的氢和约25％或更少的氦(包括可能的微量气体)。在另一示例中，混合物可以包含约90％或更多的氢和约10％或更少的氦(包括可能的微量气体)。在示例中，氢/氦混合物可以是以下任何一种：>95％/<5％、>90％/<10％、>85％/<15％、>80％/<20％、>75％/<20％等。
在粒子源中使用惰性(或其他)气体与氢的组合的可能的优点可以包括：增加的束强度、增加的阴极寿命、以及增加的束输出的一致性。
在该示例中，放电电子电离通过小孔从管194排出的气体，以创建正离子(质子)的供给，用于由跨越由磁体结构所包围的空间的一半的一个半圆形(D形状的)射频板100和一个虚拟D形板102加速。在中断粒子源(该示例描述在美国专利申请第11/948662号中)的情况下，含有等离子体的管的全部(或大致一部分)在加速区域移除，从而允许离子在相对高的磁场中得到更迅速地加速。
如图10所示，D形板100是具有包围空间l07的两个半圆形表面103、105的空心金属结构，其中质子在围绕由磁体结构所包围的空间的旋转的一半过程中得到加速。打开到空间107中的导管109延伸穿过轭至外部位置，真空泵11l可从该外部位置连接来抽空空间107以及其中发生加速的真空室119内的其余空间。虚拟D形件102包括在D形板的曝露边附近间隔开的矩形金属环。将虚拟D形件接地至真空室和磁轭。通过在射频传输线的端部施加的射频信号驱动D形板l00，以在空间107中赋予电场。随着加速的粒子束距几何中心的距离增加，射频电场适时地变化。可以以在标题为“Matching A Resonant Frequency Of AResonant Cavity To A Frequency Of An Input Voltage”的美国专利申请第1l/948359号中所述的方式控制射频电场，其内容通过引用并入本文。
对于产生自位于中央的粒子源以在其开始向外螺旋形上升时清除粒子源结构的束来说，在整个射频板上需要大的电压差。在整个射频板上施加20000伏特。在某些版本中，可以在整个射频板上施加从8000至20000伏特。为了减少驱动该大电压所需的电力，磁体结构布置成减少射频板与接地之间的电容。这是通过穿过外轭和低温恒温器壳体形成具有与射频结构存在足够间隙的孔以及在磁体极面之间产生足够空间来完成的。
驱动D形板的高压交流电位具有在加速循环期间向下扫掠来考虑质子的增加的相对质量以及减小的磁场的频率。虚拟D形件不需要空心半圆柱形结构，因为其连同真空室壁一起处于接地电位。还可以使用其它板布置，比如以不同电相位或多倍基频驱动的一对以上的加速电极。可以调谐RF结构，以在所需频率扫掠期间例如通过使用具有互相啮合的旋转及固定叶片的旋转电容器来保持Q很高。在叶片的每个啮合期间，电容增加，因此降低了RF结构的谐振频率。叶片可以成形为创建所需的精确频率扫掠。用于旋转冷凝器的驱动电机可以被相位锁定到RF发生器，用于进行精确控制。一个粒子集束在旋转冷凝器的叶片的每个啮合期间得以加速。
其中发生加速的真空室119是中心较薄、边沿较厚的大体圆柱形容器。真空室包围RF板和粒子源，并且由真空泵111抽空。维持高真空确保加速离子不丧失与气体分子的碰撞，并且使得RF电压能够保持在较高的水平，而不产生电弧接地。
质子穿越在粒子源处开始的大体螺旋形轨道路径。在螺旋形路径的每个回路的一半中，质子随着它们穿过空间107中的RF电场而获得能量。随着离子获得能量，其螺旋形路径的每个连续回路的中心轨道的半径大于先前回路，直至回路半径达到极面的最大半径。在该位置，磁场及电场扰动将离子引导到其中磁场快速减小的区域中，且离子离开高磁场的区域并被引导穿过抽空的管38(在本文中称为提取通道)，以退出回旋加速器的轭。可以使用磁再生器来改变磁场扰动以引导离子。退出回旋加速器的离子将会随着它们进入存在于围绕回旋加速器的室中的显著减小的磁场的区域而趋于分散。提取通道38中的束成形元件107、l09重新引导离子，使得它们停留在有限空间范围的直束中。
极隙内的磁场需要具有特定性能来将束随着加速而维持在抽空的室内。下面所示的磁场指数n，
n＝-(r/B)dB/dr，
应保持为正，以维持此“弱”聚焦。这里的r是束的半径，B是磁场。另外，在某些实施方式中，场指数需要维持在0.2以下，因为在该值，束的径向振荡和垂直振荡的周期性以νr＝2νz谐振。电子感应加速器频率由νr＝(1-n)1/2和νz＝n1/2限定。铁磁极面设计成将由线圈产生的磁场成形为使得场指数n维持为正，并且在与给定磁场中的250MeV束一致的最小直径中小于0.2。
随着束退出提取通道，其穿过束形成系统125(图5)，该系统可被编程地控制以创建用于束的散射角度和范围调制的所期望的组合。可以将束形成系统125与内台架601(图14)相结合，以将束引导至患者。
在操作期间，由于沿着板的表面的导电电阻，板从所施加的射频场吸收能量。该能量表现为热量，并且通过使用将热量释放在热交换器113(图3)中的水冷却管路108而从板移除。
从回旋加速器退出的杂散磁场受到药盒磁轭(其还用作屏蔽)和单独磁屏蔽114限制。单独磁屏蔽包括包围药盒轭的一层117铁磁材料(例如，钢或铁)，由空间116分离。包括轭、空间以及屏蔽的夹层结构的这种配置以较低重量为给定的泄漏磁场实现足够的屏蔽。在一些实施方式中，同步回旋加速器可以具有主动返回系统来减少杂散磁场。主动返回系统的示例描述在2013年5月31日提交的美国专利申请第13/907601号中，其内容在此通过引用并入本文。
如所提及，台架允许同步回旋加速器围绕水平旋转轴线532旋转。桁架结构516具有两个大体平行的跨件580、582。同步回旋加速器架在跨件之间约支腿之间的中途。通过使用安装在与桁架相对的支腿的端部上的配重122、124来平衡台架，用于绕轴承旋转。
通过安装至台架支腿中的一个或二者并且由驱动齿轮而连接至轴承壳体的电动机来驱动台架旋转。台架的旋转位置源自于由并入到台架驱动电机及驱动齿轮中的轴角编码器提供的信号。
在离子束退出回旋加速器的位置，束形成系统125作用于离子束上，以给予其适于患者治疗的性能。例如，束可以得到扩散，其穿透深度可以变化，以在给定的目标体积上提供均匀的辐射。束形成系统可以包括被动散射元件以及主动扫描元件。
可以通过适当的未示出的同步回旋加速器控制电子器件(例如其可包括采用适当程序来进行编程以实现控制的一个或多个计算机)来控制同步回旋加速器的所有主动系统(例如，电流驱动的超导线圈、RF驱动的板、用于真空加速室及用于超导线圈冷却室的真空泵、电流驱动的粒子源、氢气源以及RF板冷却器)。
通过适当的治疗控制电子器件(未示出)来实现控制台架、患者支撑、主动束成形元件以及同步回旋加速器以执行疗程。
如图1、11和12所示，台架轴承由回旋加速器穴室524的壁支撑。台架使得回旋加速器能够摆动通过包括在患者上方、侧面以及下方的位置的180度(或更多)的范围520。穴室足够高以在台架运动的顶部及底部极限处给台架空隙。由壁l48、l50作为侧面的曲径l46为治疗师和患者提供进入及退出路线。因为至少一个壁152不直接从回旋加速器与质子束并排，所以其可制得相对薄，并且仍执行其屏蔽功能。可能需更注重屏蔽的该室的其它三个侧壁l54、156、150/l48可能掩埋在土山(未示出)内。壁154、l56以及l58的所需厚度可能得到减小，因为陆地本身可以提供某些所需的屏蔽。
参照图12和13，出于安全和美学的原因，治疗室l60可构造于穴室内。以给摇摆的台架空隙并且还尽量增大治疗室的地板空间164的范围的方式，将治疗室从容纳室的壁154、l56、150以及底座162悬伸到台架支腿之间的空间中。可以在抬高的地板下方的空间中完成加速器的定期检修。当加速器旋转到台架上的向下位置时，可以在与治疗区域分离的空间中完全接近加速器。电源、冷却设备、真空泵及其它支撑设备可以在此分离的空间中位于抬高的地板之下。在治疗室内，可以以允许支撑被抬高和降低并且允许患者旋转和移动至各个位置及定向的各种方式来安装患者支撑170。
在图14的系统602中，本文所述类型的产生束的粒子加速器(在此情况下为同步回旋加速器604)安装在旋转台架605上。旋转台架605是本文所述的类型，并且可围绕患者支撑606成角度地旋转。该特征使得同步回旋加速器604能够从各个角度将粒子束直接提供给患者。例如，如在图14中，如果同步回旋加速器604在患者支撑606上方，则可以向下引导粒子束朝向患者。可替代地，如果同步回旋加速器604在患者支撑606下方，则可以向上引导粒子束朝向患者。在不需要中间束定路线机构的意义上将粒子束直接施加至患者。在此上下文中，定路线机构与成形或定大小机构的不同之处在于成形或定大小机构不会重新确定束路线，而是定大小和/或成形束，同时维持束的相同大体轨迹。
关于前述系统的示例性实施方式的其它细节可参见2006年11月16日提交的标题为“Charged Particle Radiation Therapy”的美国专利第7728311号以及2008年11月20日提交的标题为“Inner Gantry”的美国专利申请第12/275103号。美国专利第7728311号和美国专利申请第12/275103号的内容在此通过引用并入本文。在一些实施方式中，同步回旋加速器可以是可变能量的装置，比如在2013年6月12日提交的美国专利申请第13/916401号中所述，其内容通过引用并入本文。
示例性实施方式
参照图15，示例性控制系统l500可用来控制上述(例如关于图1-14)的示例性粒子治疗系统。控制系统l55可以包含治疗控制计算机(TCC)l502(其可包括用户接口)、用于实时处理机器指令的主控计算机(MCC)1508、以及可将机器指令发送至粒子加速器部件的I/O模块1510、1522。
在某些示例中，TCC l502被网络连接到医院，所以TCC1502可以在治疗之前从医院接收患者处方l504，并且在治疗之后将治疗记录l506发送到医院。TCC 1502还可以将所接收的患者处方l504翻译成可被主控计算机(MCC)l508所理解的机器参数。
MCC l508可以包括实时操作系统l508a。实时操作系统l508a是服务实时请求的操作系统。例如，如果非实时操作系统忙于做别的事情，则其可延迟服务请求。
MCC l508可以配置成从TCC 1502接收机器参数。MCC l508可以将机器参数翻译成可被一个或多个慢速输入/输出模块1510和一个或多个快速输入/输出模块1522所理解的特定机器指令，下文将进行更详细地说明。在实时操作系统1508a的帮助下，MCC l508可以以特定的次序在特定的时间将机器指令发送到慢速I/O模块1510和快速I/O模块1522。
慢速I/O模块1510可以用来将机器指令发送至不需要相对快速传输的粒子加速器的各方面。在本上下文中，“慢速”所指的操作速度小于“快速”所指的操作速度，“快速”所指的操作速度大于“慢速”所指的操作速度。术语“慢速”和“快速”并非旨在是指或暗示任何特定的操作速度，并且是相对术语而非绝对值。
在某些示例中，慢速I/O模块1510是可编程逻辑控制器，其中速度是毫秒数量级。例如，机器指令可以花费lms以上到达特定部件。慢速I/O模块1510可以配置成将机器指令发送到一个或多个电机控制器1530。
在某些示例中，慢速I/O模块1510将机器指令发送至一个或多个电机控制器1530。在示例中，电机控制器1530可以控制电机，其是场成形轮系统1512、散射体系统1514、旋转电容器系统1516、调制器轮控制系统1518或台架控制系统1520的一部分，尽管该电机控制器可以是使用电机的任何系统的一部分。
参照图16，示例性场成形轮系统l512可以用来使粒子束成形为所期望的形状。场成形轮系统1512可以包括轮架1608、轮室1612、轮1610、以及轮电机1606a-c。每个轮1610以不同的方式更改磁场的形状。示例性慢速I/O模块1510a可以将机器指令发送至电机控制器1530a-c，这取决于哪个轮1610是适当的(例如，基于所翻译的处方)。每个电机控制器1530a-c可以控制一个轮电机1606a-c。轮电机1606a可以使轮架1608边对边地移动，直到所选择的轮1610位于轮室1612下方。一旦水平地对准所选择的轮1610，则轮电机1606b就可以使轮向上移动到轮室1612中。一旦所选择的轮1610位于轮室1612中，则轮电机1606c就可以使其旋转。不同的旋转位置可能对粒子束经历的磁场的形状具有不同的影响。
如上文所解释，束形成系统(图5中的125)可以创建粒子束的散射角度与范围调制的所期望的组合。参照图17，输出粒子束1704可以在其穿过提取通道(以及下文所述的调制器轮)之后具有高斯分布(其中在束的中心具有大部分粒子)。散射体1702a可以重新成形粒子束，使得粒子束具有大致恒定的宽度(w)。例如，粒子束可以具有圆形剖面。在此实施方式中，散射体1702a是散射箔片，其中的全部或部分可以由金属比如铅制成。如图所示，散射体1702a具有形状凸起的侧面，在其边缘比在其中心包括更多的铅。为了实现较大的场束大小，可以使用较厚的铅，反之亦然。在这方面，粒子治疗系统可以包括多个散射体1702a-e，它们可以切入或切出粒子束的路径以便实现粒子束场大小(剖面区域)。
不同的治疗需要不同的散射角度和范围调制。散射体系统l5l4可以用来将适当的散射体1702a-e置于粒子束路径中。在示例中，散射体系统15l4可以包括一个或多个电机1706，它们配置成以类似于场成形轮系统1512的方式将不同的散射体l702a-e置于粒子束路径中。示例性慢速I/O模块1510b可以将机器指令发送到电机控制器1530b，这取决于哪个散射体1702a-e是适当的(例如，基于所翻译的处方)。电机控制器1530d可以控制电机l706，使得电机l706将适当的散射体l702a-e置于束形成系统l25中。
如上文所解释，旋转电容器可用于在频率扫掠期间调谐RF结构。在示例中，旋转电容器系统15l6可以配置成使旋转电容器的某些叶片旋转至适当位置。旋转电容器系统1516可以包括一个或多个电机，它们可以以类似于场成形轮系统1512的方式控制旋转电容器。示例性慢速I/O模块1510可以将机器指令发送至电机控制器来使电容器以固定速度旋转。相关的快速I/O系统可以将调制器轮的旋转速度与电容器的旋转速度协调，以确保来自同步回旋加速器的束脉冲在方位角上均匀地分布在调制器轮上。
如上文所解释，台架使得粒子加速器能够围绕患者位置旋转。台架控制系统1520可用于使台架旋转至适当的位置中(例如，以所期望的角度施加治疗)。在示例中，台架控制系统l520可以包括一个或多个电机，它们配置成以类似于系统l512、1514以及1516的方式使台架旋转至适当的位置。示例性慢速I/O模块1510可以将机器指令发送到电机控制器1530，这取决于什么台架位置是适当的(例如，基于所翻译的处方)。电机控制器1530可以控制电机，使得电机将台架旋转到正确的位置中。
在提取通道的下游(例如在其之后)，使用各种装置来影响粒子束输出。一个这种装置配置成延展粒子束的布拉格峰，以在患者内的深度范围处实现基本均匀的粒子束剂量。如在维基百科全书中所述：“当快速带电粒子移动穿过物质时，其电离材料的原子并且沿其路径沉积剂量。因为相互作用剖面随着带电粒子的能量减少而增加，所以出现峰值”。“布拉格峰是绘制在其行进穿过物质期间电离辐射的能量损耗的布拉格曲线上的显著峰。对于质子…峰紧接在粒子停下来之前出现”。图18是对于特定剂量的质子治疗及深度而示出布拉格峰900的示例性布拉格曲线。
为了在深度范围实现相对均匀剂量的粒子治疗，调制器装置配置成沿着图18的图表移动粒子束的布拉格峰，并且在所移动的位置改变布拉格峰的强度。因为粒子治疗是累积的，所以所得的剂量可以相加以获取大致均匀的剂量。例如，参照图18，在点901处的剂量是布拉格曲线903上的点902处的剂量、布拉格曲线905上的点904处的剂量以及布拉格曲线907上的点906处的剂量的总和。理想地，结果是从深度908a至深度908b的大致均匀的剂量。这被称为“延展的布拉格峰”，其沿深度延伸到患者中。
在某些实施方式中，用来延展布拉格峰的调制器装置是沿着其圆周在不同位置具有不同厚度的结构，比如调制器轮。因此，调制器轮可在粒子束的路径中并且相对于其旋转，以便向特定的深度和区域提供适量的粒子治疗。
图19示出了示例性调制器轮910的透视图，图20示出了调制器轮910的俯视图。如在这些图中所示，调制器轮910具有许多台阶911，每个台阶具有不同的厚度(例如，从零或大致为零厚度变化至厘米数量级或以上的厚度)。这些厚度用来改变相应布拉格峰的深度。例如，最小量的厚度产生具有最大深度的布拉格峰，最大量的厚度产生具有最小深度的布拉格峰等等。如图20所示，各个台阶的角度(例如，9l2、913等)也变化，导致这些台阶中的至少一些(在某些情况下是所有台阶)的圆周长度不同。每个台阶的角度调整相应的布拉格峰在患者内对向(subtend)的程度。例如，具有最大强度的布拉格峰(例如，图18的布拉格峰900)是对向最多的那个布拉格峰。因此，其相应的台阶914具有最大的角度范围。具有其次最大强度的布拉格峰(例如，图18的布拉格峰904)是对向其次最多的布拉格峰。因此，其相应的台阶915具有其次最大的角度范围；等等。
调制器轮可以具有恒定、基本恒定或可变的旋转，以便为处方提供适当的布拉格峰延展。这些调制器轮可以由调制器轮控制系统(图15中的1518)切入或切出束路径，以便在特定患者深度处实现所期望的粒子束剂量。例如，第一调制器轮可用于第一深度或深度范围(例如，l 0cm至l5cm)；第二调制器轮可用于第二深度或深度范围(例如，l5cm至20cm)；第三调制器轮可用于第三深度或深度范围(例如，20cm至25cm)；等等。在某些实施方式中，可能有十二个调制器轮，其中的每个可被校准用于不同的深度范围；然而，在其它实施方式中，可以使用多于或少于十二个调制器轮。治疗深度还取决于粒子束强度，其是离子(或粒子)源脉冲宽度的函数，如下文所述。
调制器轮可被设计成从最大深度至患者的表面(例如，至患者皮肤的外层)提供均匀延展的布拉格峰。为了定制剂量深度，可以“关断”不期望位置中(例如，图18中的区域917中)的布拉格峰。这可以通过在调制器轮的每个旋转期间的适当时间关断RF源、关断粒子源或关断这两者而完成。
粒子源脉冲宽度还对延展的布拉格峰均匀性具有影响。作为背景，粒子源被间歇地(例如周期性地)激活的时间的量是变化的，从而为不同的时间周期提供等离子体柱，并且使得能够提取不同数量的粒子。例如，如果脉冲宽度增加，则所提取的粒子的数量增加，如果脉冲宽度减小，则所提取的粒子的数量减小。在某些实施方式中，在粒子源接通的时间与粒子束的强度之间存在线性关系。例如，该关系可以是一对一加偏移。在示例性实施方式中，粒子源可以在约135MHz的最大频率与约95MHz或90MHz的最小频率之间的频率扫掠期间发生的频率窗内加脉冲。例如，粒子源可以在l32MHz与13lMHz之间加脉冲达一时间周期。在实施方式中，该时间周期是约40μs；然而，这些值在其它实施方式中可以变化或者是不同的。没有在频率窗外对粒子源加脉冲可能抑制从等离子体柱提取粒子。
图21是表示从最大频率(例如，135MHz)至最小频率(例如，90MHz或95MHz)随时间变化的谐振腔中的电压扫掠的图表。在该示例中，提取窗920出现在l32MHz与l3lMHz之间。可以改变(例如，通过控制粒子源的“开通”时间)脉冲921的宽度(粒子源脉冲宽度)来控制由粒子加速器输出的粒子束的强度。
可以调整粒子源脉冲宽度，以便实现延展的布拉格峰的大致均匀性。在这方面，各种因素(比如粒子束强度)可能有助于布拉格峰穿透患者的深度。所选择的调制器轮可以对于不同深度产生不同的布拉格曲线。例如，图22示出了对于三个不同深度的布拉格曲线。布拉格曲线950是用于调制器轮的标称(或预定义)深度；布拉格曲线951是用于调制器轮的最大深度；布拉格曲线952是用于调制器轮的最小深度。理想地，不管深度如何，延展的布拉格峰都应大约处于标称水平。
如图22所示，布拉格曲线95l和952具有倾斜的延展的布拉格峰。对于布拉格曲线952来说，斜率为正；对于布拉格曲线951来说，斜率为负。为了更紧密地接近在点b的标称布拉格峰水平，在点a增加粒子束的强度(以将点a的布拉格峰抬高至点b的水平)，并且在点c减小粒子束的强度(以将点c的布拉格峰降低至点b的水平)。还在a和c之前的点调整粒子束的强度，以或抬高或降低在这些点的布拉格峰，使得它们至少在某种程度上与标称布拉格峰的相应水平一致。可以通过改变粒子源脉冲宽度来改变粒子束的强度。然而，沿着布拉格曲线95l、952的不同点需要不同的调整量，以便接近曲线950的标称延展的布拉格曲线。因此，在每个例子中，脉冲宽度可以基于调制器轮的旋转而变化。例如，在点a处，当调制器轮撞击粒子束时，脉冲宽度可能增加得比沿着布拉格曲线951在a之前的点处更多。类似地，在点c处，当调制器轮撞击粒子束时，脉冲宽度可能减小得比沿着布拉格曲线952在c之前的点处更多。例如，图23是针对布拉格曲线950、951以及952示出调制器轮的脉冲宽度与旋转角度之间的关系的曲线图。各个值已被省略，因为它们是情况特定的。
可以通过在布拉格峰的开始及结束获得适当的脉冲宽度并且线性插入它们两个之间以获得其间的变化来确定脉冲宽度的变化。还可以使用其它方法，如下文所述。为了增加或减少总体剂量，可以通过特定因子来增加或减少所有的脉冲宽度。
如上文所述，调制器轮可以切入或切出束路径。在示例中，调制器轮控制系统(图15中的l518)可以包括一个或多个电机以及调制器轮架。示例性慢速I/O模块1510可以将机器指令发送到电机控制器1530，这取决于哪个调制器轮是适当的(例如，基于所翻译的处方)。每个电机控制器1530可以控制电机。例如，一电机可以使调制器轮架边对边地移动直至所选择的调制器轮处于适当位置，且另一电机可使调制器轮移入或移出束路径。在其它实施方式中，调制器轮架可以在束路径下方，适当的调制器轮可以定位成接近束路径，并且此后由另一电机移动到束路径中。
返回参照图15，快速I/O模块l522可以用来控制粒子加速器的需要相对快速传输的部件(例如，粒子源1524和RF电压源)。快速I/O模块可以包括用于与MCC 1508的实时操作系统l508a通信的微处理器1522a和用于将信息发送至/接收自粒子加速器部件的现场可编程门阵列(FPGA)1522b。调制器轮通信线还可以将信息发送至与调制器轮有关的FPGA(1522b)。在示例中，调制器轮通信线1528是包括配置成监测调制器轮的传感器的光纤1528。
如上文所解释，调制器轮可以配置成从最大深度至患者的表面(例如，至患者皮肤的外层)提供均匀延展的布拉格峰。为了影响剂量，可以在调制器轮的每个旋转期间的适当时间打开和关闭粒子源。这个过程被称为“脉冲消隐”。
在一些实施方案中，粒子源具有的脉冲频率约为每秒500个脉冲，其中每个脉冲的电流约为10毫微安(nA)。在其它实施方式中，每秒脉冲的数量和每个脉冲的电流可能与这些数字不同。在一些实施方式中，调制器轮旋转，使得调制器轮的每个台阶(对应多个不同厚度中的一个)在旋转过程中接收每个台阶上的多个脉冲。每个台阶的剂量对应于由该步骤所接收的脉冲的数量。
施加到目标的脉冲的数量对应于在该目标的辐射剂量，并且可以对延展的布拉格峰均匀性具有影响。更具体地，可以对调制器轮进行校准，以在特定的组织深度提供剂量。例如，可以基于预期的剂量对轮台阶的厚度进行校准，以在深度的范围内提供延展的布拉格峰，理想的是导致接近与图18所示相类似的均匀的剂量。然而，实际上，组织和材料(例如)的变化可能会导致非均匀或倾斜的布拉格曲线(即深度剂量分布)。如上文所述，图22示出了倾斜的布拉格曲线的示例，它们可能源于这种调制器轮。
更具体地，如上文所解释，所选择的调制器轮可以对于不同组织深度产生不同的布拉格曲线。例如，图22示出了对于三个不同深度的布拉格曲线。布拉格曲线950是用于调制器轮的标称(或预定义)深度；布拉格曲线951是用于调制器轮的最大深度；布拉格曲线952是用于调制器轮的最小深度。理想地，不管深度如何，延展的布拉格峰都应大约处于标称水平。
如图22所示，布拉格曲线95l和952具有倾斜的延展的布拉格峰。对于布拉格曲线952来说，斜率为正；对于布拉格曲线951来说，斜率为负。为了更紧密地接近在点b的标称布拉格峰水平，可以在点a增加粒子束的相对剂量(例如脉冲的数量)(以将点a的布拉格峰抬高至点b的水平)，并且可以在点c减小粒子束的相对剂量(例如脉冲的数量)(以将点c的布拉格峰降低至点b的水平)。还可以在a和c之前的点调整粒子束的相对剂量，以或抬高或降低在这些点的布拉格峰，使得它们至少在某种程度上与标称布拉格峰的相应水平一致。在这方面，沿着布拉格曲线95l、952的不同点需要不同的调整量，以便近似曲线950的标称延展的布拉格曲线。因此，在每个例子中，相对剂量(例如脉冲的数量)可以基于且对应于调制器轮的旋转而变化。例如，在点a处，当调制器轮撞击粒子束时，相对剂量(例如脉冲的数量)可能增加得比沿着布拉格曲线951在a之前的点处更多。类似地，在点c处，当调制器轮撞击粒子束时，相对剂量(例如脉冲的数量)可能减小得比沿着布拉格曲线952在c之前的点处更多。剂量应用类似于图23，其在上文针对脉冲宽度变化得以说明。
可以通过在布拉格峰的开始及结束获得剂量并且线性插入它们两个之间以获得其间的变化来确定为获得均匀布拉格曲线的剂量的变化。此信息可被获得作为校准过程的一部分。还可以使用其它过程，如下文所述。
为了增加或减少总剂量，粒子源和/或粒子治疗系统的其它特征可用来控制输出脉冲的数量。例如，可以关断粒子源来减少输出到调制器轮的脉冲的数量，可以打开粒子源来增加输出到调制轮的粒子束的脉冲的数量。该控制可以在调制器轮的某个台阶(例如扇区)进行，以获得所需的结果，例如增加的或减少的剂量且因此相应布拉格曲线的斜率的增加或减少。剂量还可以被施加或扣留，以校正布拉格曲线中孔或尖峰。针对系统各个方面的控制可以由上文所述的慢速和快速I/O模块来执行。在其它实施方式中，还可以使用不同的控制系统。
如上所述，在一些实施方式中，可以通过在调制器轮的旋转期间的适当时间接通或关断粒子源来改变脉冲的数量。在一些实施方式中，其他的特征用来控制施加到调制器轮的特定扇区的脉冲的数量。例如，可以间歇性地中断RF电压扫掠，从而减少脉冲的数量(因为脉冲通常每个扫掠被输出)。为了增加脉冲的数量，可以增加扫掠的速率。在另一示例中，可以使用附加的硬件来控制脉冲的数量。例如，可以使用转向机构比如冲击磁体来减少对于调制器轮特定旋转的脉冲的输出。在一些实施方式中，冲击磁体(或其它结构)可以将一组(例如每隔一个、每隔两个等等)脉冲引导到吸收材料，从而防止其输出到照射目标。
为了获得平坦的或大致平坦的布拉格曲线，如本文所解释，可能有必要增加或减少施加到调制器轮特定扇区的脉冲的相对数量。该增加或减少可以相对于施加到调制器轮其他扇区的脉冲的数量。例如，施加到调制器轮的所有扇区但不是一个扇区的脉冲数量的减少与施加到调制器轮的那一个扇区的脉冲数量的增加具有相似的效果。所施加的脉冲数量的这种相对改变可以用来获得改变布拉格曲线的适当增加和减少。在脉冲数量已经减少来获得一个扇区中相对增加的情况下，可以减少所施加的总剂量。在这些情况下，粒子治疗系统可能需要更长的照射时间，以实现特定目标所需的总剂量。
在一些实施方式中，粒子治疗系统可以包括扫描系统来扫描在照射目标整个横截面上的粒子束。这在不同深度得以完成来处理整个照射目标。在涉及扫描的实施方式中，本文所述类型的脉冲消隐可以用在点逐点的基础上。也就是说，在扫描期间，粒子束被施加在一个点，然后粒子束移动(通常由磁体)到照射目标上的下一个点。脉冲消隐可以用来控制施加到每个点的脉冲数量。通常，点扫描涉及将在离散点的照射施加在照射目标上，光栅扫描涉及移动辐射点穿过辐射目标。因此，点大小的概念适用于光栅扫描和点扫描。
返回参照图19，示例性调制器轮910可以具有围绕其边缘的多个标记916。标记916可以是任何形状，并且可以具有任何配置。特定标记9l6可以表示特定的调制器轮910位置。在示例中，可以通过识别标记916来确定调制器轮9l0的精确位置。在另一示例中，标记9l6配置成使得可以通过仅查看标记916来确定调制器轮910的旋转速度。
光纤1528的第一端(例如包括传感器的那端)可位于其可以检测调制器轮910上的标记916的位置。光纤1528的第二端可连接至FPGA 1522b，并且可以配置成传送与调制器轮910有关的信息(例如其位置及旋转速度)。
FPGA 1522b还可以配置成发送并接收来自粒子源l524及RF电压源l526的信息。如上文所解释，可以通过“关断”所期望位置中(例如，在图18的区域917中)的布拉格峰来定制剂量的深度(例如，基于翻译的处方)。这可以通过在调制器轮910的每个旋转期间的适当时间关断RF源、关断粒子源或关断这两者来完成。FPGA 1522b可以将FPGA l522b从光纤1528接收的信息传送至微处理器l522a(其又与MCC 1508的实时操作系统1508a通信)，并且接收关于粒子源1524及RF电压源1526控制的来自微处理器1522a的指令。例如，FPGA 1522b可以在调制器轮910处于特定位置时告知粒子源1524和/或RF电压源1526接通/关断。FPGA1522b还可以基于调制器轮的旋转位置来告知粒子源l524使粒子源脉冲宽度为多长。
如上文所提及，快速I/O模块1522还可以从粒子源l524及RF电压源l526接收信息。快速I/O模块1522期望控制这些部件，因为它们的操作非常时间敏感。返回参照图21，通过在特定的频率范围内对粒子源加脉冲来创建提取窗920。在某些示例中，该频率范围非常小(例如小于1MHz窗)。快速I/O模块l522还可以从RF电压源1526及粒子源1524接收除其接收关于调制器轮910的信息之外的信息。RF电压源l526可以将其频率连续地传送至快速I/O模块l522。然后，快速I/O模块可以告知粒子源1524在其得知RF电压源处于特定的频率或调制器轮处于特定的位置时接通，并且在其得知RF电压源处于特定的频率或调制器轮处于特定的位置时关断。快速I/O模块l522还可以使用所接收的信息(例如，调制器轮的旋转位置)来告知粒子源1524使粒子源脉冲宽度为多长。
控制系统的各方面是系统特定的，并且可以根据治疗的类型(例如，处方)变化。
可以组合本文所述的不同实施方式的元件来形成上文并未具体阐述的其它实施方式。各元件可能会从本文所述的程序、系统、设备等中遗漏，而并不会不利地影响其操作。各个单独的元件可以组合成一个或多个单个元件来执行本文所述的功能。
本文所述的示例性实施方式并不限于与粒子治疗系统一起使用或者与本文所述的示例性粒子治疗系统一起使用。相反，示例性实施方式可用于将加速的粒子引导至输出的任何适当的系统中。
关于可以用于如在本文所述的系统中的粒子加速器的示例性实施方式的设计的额外信息可参见以下各项：2006年1月20日提交的标题为“High-Field SuperconductingSynchrocyclotron”的美国临时申请第60/760788号；2006年8月9日提交的标题为“MagnetStructure For Particle Acceleration”的美国专利申请第11/463402号；以及2006年10月10日提交的标题为“Cryogenic Vacuum Break Pneumatic Thermal Coupler”的美国临时申请第60/850565号，所有这些申请通过引用并入本文。
以下申请(它们全都是与本申请(标题为“CONTROL SYSTEM FOR A PARTICLEACCELERATOR”(申请号61/707645))同一天提交的)通过引用并入本申请：标题为“CONTROLLING INTENSITY OF A PARTICLE BEAM”(申请号61/707466，2012年9月29日提交)的美国临时申请；标题为“ADJUSTING ENERGY OF A PARTICLE BEAM”(申请号61/707515，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“ADJUSTING COIL POSITION”(申请号61/707548，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“FOCUSING A PARTICLE BEAM USINGMAGNETIC FIELD FLUTTER”(申请号61/707572，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“MAGNETIC FIELD REGENERATOR”(申请号61/707590，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“FOCUSING A PARTICLE BEAM”(申请号61/707704，2012年9月28日提交)的美国临时申请；以及标题为“CONTROLLING PARTICLE THERAPY”(申请号61/707624，2012年9月28日提交)的美国临时申请。
以下各项同样通过引用并入到本申请中：2010年6月1日颁布的美国专利第7728311号；2007年11月30日提交的美国专利申请第11/948359号；2008年11月20日提交的美国专利申请第12/275103号；2007年11月30日提交的美国专利申请第11/948662号；2007年11月30日提交的美国临时申请第60/991454号；2011年8月23日颁布的美国专利第8003964号；2007年4月24日颁布的美国专利第7208748号；2008年7月22日颁布的美国专利第7402963号；2010年2月9日提交的美国专利申请第13/148000号；2007年11月9日提交的美国专利申请第11/937573号；2005年7月21日提交的标题为“A Programmable RadioFrequency Waveform Generator for a Synchrocyclotron”的美国专利申请第11/187633号；2004年7月21日提交的美国临时申请第60/590089号；2004年9月24日提交的标题为“AProgrammable Particle Scatterer for Radiation Therapy Beam Formation”的美国专利申请第10/949734号；以及2005年7月21日提交的美国临时申请第60/590088号。
本申请的任何特征可以与下面各项中的一个或多个适当的特征组合：标题为“CONTROLLING INTENSITY OF A PARTICLE BEAM”(申请号61/707466，2012年9月29日提交)的美国临时申请；标题为“ADJUSTING ENERGY OF A PARTICLE BEAM”(申请号61/707515，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“ADJUSTING COIL POSITION”(申请号61/707548，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“FOCUSING A PARTICLE BEAM USINGMAGNETIC FIELD FLUTTER”(申请号61/707572，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“MAGNETIC FIELD REGENERATOR”(申请号61/707590，2012年9月28日提交)的美国临时申请；标题为“FOCUSING A PARTICLE BEAM”(申请号61/707704，2012年9月28日提交)的美国临时申请；以及标题为“CONTROLLING PARTICLE THERAPY”(申请号61/707624，2012年9月28日提交)的美国临时申请；2010年6月1日颁布的美国专利第7728311号；2007年11月30日提交的美国专利申请第11/948359号；2008年11月20日提交的美国专利申请第12/275103号；2007年11月30日提交的美国专利申请第11/948662号；2007年11月30日提交的美国临时申请第60/991454号；2011年8月23日颁布的美国专利第8003964号；2007年4月24日颁布的美国专利第7208748号；2008年7月22日颁布的美国专利第7402963号；2010年2月9日提交的美国专利申请第13/148000号；2007年11月9日提交的美国专利申请第11/937573号；2005年7月21日提交的标题为“A Programmable Radio Frequency Waveform Generator for aSynchrocyclotron”的美国专利申请第11/187633号；2004年7月21日提交的美国临时申请第60/590089号；2004年9月24日提交的标题为“A Programmable Particle Scatterer forRadiation Therapy Beam Formation”的美国专利申请第10/949734号；以及2005年7月21日提交的美国临时申请第60/590088号。
除了本专利申请要求优先权的临时申请和上文通过引用所并入的文献之外，没有其他文献通过引用结合到本专利申请中。
本文中未具体描述的其它实施方式也在以下权利要求的范围之内。

Claims (33)

1.一种粒子治疗系统，包括：
粒子加速器，以输出粒子束，所述粒子加速器包括：
粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间，所述粒子束基于电离等离子体的脉冲；以及
调制器轮，其具有多个台阶，每个台阶具有不同的厚度，每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度，所述调制器轮布置成接收所述粒子束，并且配置成创建用于粒子束的延展的布拉格峰；
一个或多个第一输入/输出(I/O)模块，其可以以第一速度操作，所述一个或多个第一输入/输出(I/O)模块配置成将机器指令发送至一个或多个电机控制器，至少一个电机控制器用于控制所述调制器轮；
一个或多个第二输入/输出(I/O)模块，其可以以比所述第一速度更大的第二速度操作，所述第二输入/输出(I/O)模块中的至少一个配置成将机器指令发送至所述粒子源，使得所述粒子源的脉冲宽度随所述调制器轮的旋转位置而变化。
2.根据权利要求l所述的粒子治疗系统，还包括：
治疗控制计算机，其被编程以从医院接收处方信息，将该处方信息翻译成机器信息，并且将治疗记录发送到医院；以及
主控计算机，其具有实时操作系统，所述主控计算机被编程以从所述治疗控制计算机接收机器信息，将该机器信息翻译成机器指令，并且将所述机器指令发送至所述第一输入/输出(I/O)模块和所述第二输入/输出(I/O)模块中的一个或多个。
3.根据权利要求2所述的粒子治疗系统，还包括光纤，在其上监测所述调制器轮的旋转速度和位置。
4.根据权利要求l所述的粒子治疗系统，其中，所述第一输入/输出(I/O)模块包括可编程逻辑控制器(PLC)。
5.根据权利要求4所述的粒子治疗系统，其中，所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制场成形轮系统，以在输出之前使所述粒子束成形。
6.根据权利要求4所述的粒子治疗系统，其中，所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制散射系统，以在输出之前使所述粒子束散射。
7.根据权利要求4所述的粒子治疗系统，还包括：
射频(RF)系统，以扫掠RF频率通过所述腔来从由所述粒子源产生的等离子体柱提取粒子，所述射频(RF)系统包括旋转电容器；
其中，所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个被编程以将机器指令发送到控制所述旋转电容器的电机控制器。
8.根据权利要求l所述的粒子治疗系统，其中，所述第一输入/输出(I/O)模块的速度是毫秒级，所述第二输入/输出(I/O)模块的速度是一百或几百纳秒级。
9.根据权利要求4所述的粒子治疗系统，还包括：
可旋转台架，其上安装有所述粒子加速器；
其中，所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个被编程以将机器指令发送到控制所述可旋转台架的电机控制器。
10.根据权利要求4所述的粒子治疗系统，其中，所述可编程逻辑控制器(PLC)中的两个或更多个配置成彼此通信。
11.根据权利要求l所述的粒子治疗系统，其中，所述第二输入/输出(I/O)模块包括现场可编程门阵列(FPGA)。
12.根据权利要求11所述的粒子治疗系统，还包括：
电路板，其包括微处理器；
所述现场可编程门阵列(FPGA)中的至少一个，其在所述电路板上并且与所述微处理器通信；
其中，所述微处理器被编程以与控制计算机通信。
13.根据权利要求11所述的粒子治疗系统，还包括：
射频(RF)系统，以扫掠RF频率通过所述腔来从由所述粒子源产生的等离子体柱提取粒子；
其中，所述现场可编程门阵列(FPGA)中的至少一个包括射频(RF)控制模块，所述射频(RF)控制模块配置成接收关于所述调制器轮的旋转的信息，并且基于以上信息来协调所述粒子源与射频(RF)系统的操作方面。
14.根据权利要求13所述的粒子治疗系统，其中，协调所述粒子源与射频(RF)系统的操作方面包括基于所述调制器轮的旋转位置来接通或关闭所述粒子源，并且基于所述调制器轮的旋转位置来接通或关闭所述射频(RF)系统。
15.根据权利要求14所述的粒子治疗系统，其中，所述射频(RF)控制模块进一步配置成将机器指令发送到所述粒子源，以在射频(RF)电压处于一定频率时接通或关闭。
16.根据权利要求14所述的控制系统，其中，协调所述粒子源的操作方面包括在所述粒子源的接通时间期间确定脉冲宽度。
17.一种粒子治疗系统，包括：
粒子加速器，以输出由脉冲构成的粒子束；以及
深度调制器，其在所述粒子束的路径中，该深度调制器具有可变的厚度并且是可移动的，使得所述粒子束在不同时间撞击所述深度调制器的不同厚度；
其中，所述粒子治疗系统配置成控制撞击所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量，从而使用深度调制器校正患者内所产生的布拉格峰的斜率。
18.根据权利要求17所述的粒子治疗系统，其中，所述深度调制器的运动是可控制的，使得不同数量的脉冲撞击所述深度调制器的至少两个不同厚度。
19.根据权利要求18所述的粒子治疗系统，还包括：
控制系统，以提供控制信号；以及
电机，以响应于所述控制信号来控制所述深度调制器的运动，该运动是可由所述控制信号控制的旋转。
20.根据权利要求17所述的粒子治疗系统，其中，从所述加速器输出脉冲被控制，使得不同数量的脉冲撞击所述深度调制器的至少两个不同厚度。
21.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述粒子加速器包括：
粒子源，其配置成产生所述脉冲从其中得以提取的等离子体流，所述等离子体流响应于施加到电离气体的电压而被产生，该电压是可控制的以接通和关闭所述粒子源来控制撞击所述至少两个不同厚度的脉冲的数量。
22.根据权利要求17所述的粒子治疗系统，其中，所述粒子加速器包括：
粒子源，其配置成产生所述脉冲从其中得以提取的等离子体流；以及
射频(RF)源，以扫掠频率且从而在每次频率扫掠从所述等离子体流提取一个或多个脉冲；
其中，所述射频(RF)源是可控制的，以控制撞击所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量。
23.根据权利要求22所述的粒子治疗系统，其中，所述射频(RF)源是可控制的，以跳过一个或多个频率扫掠。
24.根据权利要求17所述的粒子治疗系统，其中，所述粒子治疗系统是通过包括一个或多个结构来偏转脉冲以便控制撞击所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量而得以配置的。
25.一种粒子治疗系统，包括：
粒子加速器，以输出粒子束，所述粒子加速器包括：
粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间，所述粒子束基于电离等离子体的脉冲；以及
调制器轮，其具有多个台阶，每个台阶具有不同的厚度，每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度，所述调制器轮布置成接收所述粒子束，并且配置成创建用于粒子束的延展的布拉格峰；
其中，如所构造的调制器轮在患者内的不同深度处产生不同的延展的布拉格峰，对于患者中给定深度的应用，不同的延展的布拉格峰偏离于调制器轮的预定义的布拉格峰；以及
其中，所述粒子治疗系统配置成使得对于患者内的不同深度应用，所述粒子源的脉冲宽度随所述调制器轮的旋转位置而变化，从而产生接近预定义的延展的布拉格峰的延展的布拉格峰。
26.根据权利要求25所述的粒子治疗系统，还包括：
治疗控制计算机，其被编程以从医院接收处方信息，将该处方信息翻译成机器信息，并且将治疗记录发送到医院；以及
主控计算机，其被编程以从所述治疗控制计算机接收机器信息，将该机器信息翻译成机器指令，并且输出所述机器指令以控制粒子治疗系统的至少一些操作。
27.根据权利要求25所述的粒子治疗系统，还包括光纤，在其上监测所述调制器轮的旋转速度和位置。
28.根据权利要求25所述的粒子治疗系统，还包括可编程逻辑控制器(PLC)。
29.根据权利要求28所述的粒子治疗系统，其中所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制场成形轮系统，以在输出之前使所述粒子束成形。
30.根据权利要求28所述的粒子治疗系统，其中所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制散射系统，以在输出之前使所述粒子束准直。
31.根据权利要求28所述的粒子治疗系统，还包括：
射频(RF)系统，以扫掠射频(RF)频率通过所述腔，所述射频(RF)系统包括旋转电容器，
其中所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到控制所述旋转电容器的电机控制器。
32.根据权利要求28所述的粒子治疗系统，还包括：
其上安装有所述粒子加速器用于移动的装置；
其中所述可编程逻辑控制器(PLC)中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到控制所述装置的操作的电机控制器以控制粒子加速器的移动。
33.根据权利要求25所述的粒子治疗系统，还包括：
射频(RF)系统，以扫掠射频(RF)频率通过所述腔；所述射频系统包括射频(RF)控制模块，所述射频(RF)控制模块配置成接收关于所述调制器轮的旋转的信息，并且基于以上信息来协调所述粒子源与射频(RF)系统的操作方面。
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