CN105359223B - 用于离子疗法的动态修整点扫描的方法和系统 - Google Patents

用于离子疗法的动态修整点扫描的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种点扫描(SS)离子疗法系统，其被配置用于对离子粒子笔形波束进行动态修整以减少靶标边界外的辐射剂量的量。

Description

用于离子疗法的动态修整点扫描的方法和系统
优先权要求
本申请要求2013年7月5日提交的美国临时专利申请No.61/843,092、2013年11月6日提交的美国临时专利申请No.61/900,455以及2014年2月28日提交的美国临时申请No.61/946,074的优先权，本文基于这些申请并且这些申请是以其全文引用的方式并入本文中。
发明背景
技术领域
本发明涉及带电粒子放射疗法领域。更具体来说，本发明涉及点扫描离子疗法领域。更具体来说，本发明涉及用于照射可为癌性的组织靶标的带电粒子系统。本发明也涉及一种利用粒子笔形波束照射靶标的方法。
相关领域
在带电粒子放射疗法中，现今已知多种照射技术。目前最常见的放射疗法形式为光子疗法。然而，光子疗法伴随若干并发症。就一种来说，当使用光子疗法时，所施加的光子束穿过靶标肿瘤且通过肿瘤远端的健康组织离开患者。光子束或剂量通过健康组织离开会增加预防对健康组织的辐射损伤方面的难度。由剂量通过健康组织离开所造成的辐射损伤也是设计有效肿瘤治疗规划时的限制因素。
离子疗法，其尤其包括质子疗法以及氩、碳、氦和铁离子疗法，提供一些优于光子疗法的优点。其一，相对于光子疗法，离子疗法可以产生对于给定肿瘤剂量患者中沉积的较低总辐射能，称为累积剂量。累积剂量减少是重要的，因为其降低随机效应，即，患者在非肿瘤组织照射后发展出继发性恶性赘瘤的可能性。具有高长期存活率可能性的年轻患者具有比年老患者更高的发展出继发性恶性赘瘤的可能性，因为发展的可能性是与治疗后所经过的时间相关。因此，减少儿童中非肿瘤组织的放射治疗剂量是离子疗法的特别重要的优点。质子疗法相对于光子疗法的累积剂量降低已经在患有成神经管细胞瘤的儿童的脑膜外眼框周横纹肌肉瘤和脊髓神经轴中得到量化，从而导致辐射诱发的继发性恶性肿瘤可能性分别降低≥2和8-15倍。预期质子疗法也可降低成人继发性恶性赘瘤发生的可能性。例如，相对于接受强度调制的光子疗法，接受质子疗法的前列腺患者的继发性恶性赘瘤的可能性降低26％至39％。
离子疗法优于光子疗法的第二个临床优点在于对健康组织的辐射剂量充分减低使得确定性效应(即，大小与所递送的辐射剂量相关的并发症)可以相对于光子疗法减低。确定性效应的实例为皮肤红斑和口干症。确定性效应减低已经在多个研究中得到证实，其中肿瘤剂量一致性已经显示为与光子疗法的肿瘤剂量一致性相当，但质子疗法所保留的健康组织更优。与多个肿瘤位点相关联的健康组织已经显示，质子疗法可比光子疗法避免更多的剂量，包括脊柱外肉瘤、头部和颈部恶性肿瘤、脑膜瘤、子宫颈、成神经管细胞瘤、副鼻腔和前列腺。
点扫描(SS)，一种离子疗法递送的先进形式，具有一些优于传统离子疗法的优点。用于治疗患者的常规质子疗法波束通常是使用被动散射或均匀动态扫描生成。利用被动散射，一个或多个射程补偿器和一个射程调制器被用来将质子笔形波束展开成产生横向以及深度方面空间均匀剂量分布的波束。射程调制器可以为自旋螺旋桨、楔形或脊形滤波器，且产生展开的布拉格峰(Bragg peak)(SOBP)。使场横向成形为具有定制设计的孔、区块或多叶准直器(MLC)的中心波束轴，且成形的深度以使用患者特异性补偿器来匹配治疗体积的远端边缘。单一或双重散射系统存在，后者通常提供比前者更大的均匀剂量区域。均匀动态扫描使用磁扫描的笔形波束和动态能量调控以生成当随时间取平均时具有均匀空间强度的质子场。场形状是由孔或区块以如同被动散射的类似方式限定。
在SS离子疗法中，治疗是用通常由波束生成器(例如，回旋加速器)产生的笔形波束来递送，其为磁扫描的以在靶标中递送剂量。SS中笔形波束的尺寸一般比均匀动态扫描小得多。使用笔形波束允许波束形状使用扫描磁体而非孔被限定。这种笔形波束点扫描技术代表优于单一或双重散射技术的进步，其中散射的宽波束是由患者特异性准直器或孔所成形，使得其对应于待治疗的靶标形状。因此，无需孔而利用点扫描递送的剂量分布的横向衰减取决于入射笔形波束的尺寸和患者中波束的交互。
据此，在SS中，当随时间取平均时，波束强度无需为均匀。这允许递送强度调制型质子疗法(IMPT)。利用IMPT，多个场可以同时优化使得所有场的总和将产生到靶标的均匀剂量，同时使到周围正常结构的剂量最小化。
然而，质子SS系统具有比光子疗法系统的横向波束强度分布更不尖锐的低能量(≤160MeV)横向波束强度分布，由此对于低能量处理通常更多的辐射剂量沉积到肿瘤外侧(即，笔形波束的横向半影大于经过准直的宽波束的半影)。因此，质子SS在所递送的累积剂量方面优于光子疗法而在针对低能量处理递送到肿瘤外侧的剂量方面劣于常规质子疗法。由后者性质所赋予的劣性程度取决于离子束的能量，因为低能量波束趋于比更高能量波束更宽，这是由于用于从加速器传输离子束到患者的系统的物理性质。
由此，已尝试减小半影的尺寸。例如，一种减小笔形波束点扫描的半影的装置公开于美国专利申请公开No.US 2013/0043408中。然而，该装置由待插入到波束线中的患者特异性准直器或孔组成。患者特异性准直器意指针对每名患者必须构造个别准直器，这增加治疗的总成本。MLC已经与笔形波束点扫描一起使用，但是MLC的开发是复杂的且需要很多空间使得防止MLC定位于紧密邻近患者。此外，此类MLC的重量需要强大的机械结构来支撑它。
由此，需要一种应用SS离子疗法的系统和方法，其减少递送到靶标边界外的健康组织的辐射剂量。此外，需要一种允许在难以接近的患者区域(例如，由于患者肩膀位置的颈部和头部周围区域)处应用SS离子疗法的系统。也需要一种用于减小来自SS系统的波束的横向半影的简化和有成本效益的装置。
发明概述
本发明的一个目标是提供一种用于通过点扫描照射靶标的粒子辐射疗法系统，其减少在靶标边界以外的剂量递送。另一目标是提供一种用于递送点扫描(SS)疗法到患者的困难区域的紧凑型系统。
本发明是一种通过减少SS离子疗法剂量在靶标边界以外的递送来改良SS离子疗法的系统和方法。在一个示例性方面，本发明通过减少递送到靶标外侧的健康组织的辐射剂量来改良癌性肿瘤的SS离子疗法。
在一个方面，SS离子疗法是通过离子疗法源递送。在一个示例性方面，离子疗法源产生粒子笔形波束。在一个方面，粒子笔形波束可以由相空间表征。在一个方面，系统的离子疗法源包括用于生成笔形波束的波束生成器。在一个方面，系统的离子疗法源还包括点扫描系统，其被配置用于通过依序将所述笔形波束引导和递送至所述靶标中的多个点位置来执行多次点照射。在这些方面中，点扫描系统可以包括一个或多个扫描磁体。
在一个方面，系统递送动态修整点扫描(DTSS)。在这些方面，系统包括用于在所述点照射期间控制剂量递送的照射控制器以及波束拦截系统，其用于在多个点照射的一个或多个期间拦截一部分笔形波束以便改变笔形波束的相空间。DTSS系统的波束拦截系统可以包括动态修整准直器(DTC)，其被配置为拦截使粒子笔形波束成形的一部分笔形波束。在这些方面中，DTC位于点扫描系统的一个或多个扫描磁体的下游。
在一个方面，DTC可以包括至少一个配置为拦截波束的修整器。在一个方面，波束拦截元件可以包括调适为改变笔形波束的相空间的厚度和形状。取决于至少一个修整器的厚度和形状，横向波束相形状和/或纵向波束形状可以被改变。在一个方面，至少一个修整器的厚度和形状被配置为阻断一部分笔形波束以改变笔形波束的横向波束尺寸。在另一个方面，至少一个修整器的厚度和形状可以被配置为改变笔形波束的能量和/或能量散布。在另一个方面，至少一个修整器的厚度和形状被配置为改变笔形波束的能量和/或能量散布。在一个示例性方面，至少一个修整器的厚度和形状被配置为改变笔形波束的横向波束尺寸以及能量和/或能量散布。
在一个方面，至少一个修整器可以被配置为沿着第一运动轴和第二运动轴移动以拦截一部分笔形波束。在一个方面，修整器可以被配置为与垂直于笔形波束的中心轴相交的轴移动。在一个方面，修整器可以被配置为沿平行于笔形波束的中心轴的轴移动。在一个方面，修整器的移动可以通过被配置为支撑至少一个修整器的驱动机构来完成。
在一个方面，至少一个修整器可以包括多个修整器。在一个方面，修整器的每个被安装至驱动机构。在离子疗法期间，修整器可以与扫描的离子波束同步移动。在一个方面，DTC可以利用多个修整器，其等被配置为沿着垂直于笔形波束的轴的路径快速移动。在一个方面，DTC可以包括驱动控制器，其用于控制每个修整器的驱动机构以将修整器放置在预定位置来拦截笔形波束。预定位置可以对应于用于在执行点照射的同时拦截波束的位置。在一个方面，驱动控制器可以包括控制界面，其用于接收用于将修整器沿着第一运动轴和第二运动轴定位的参数。在一个示例性方面，参数可以至少包括第一和第二轴的第一和第二参数。在一个方面，DTSS可以包括位置规划控制器，所述位置规划控制器被配置用于针对点照射中的一个或多个来限定用于定位至少一个修整器的对应预定位置。
在一个方面，第一轴和第二轴可以对应于两个非平行平移轴。在这些方面，第一参数和第二参数可以对应于沿着平移轴的坐标位置。在另一个方面，第一轴和第二轴可以对应于平移轴和旋转轴。在这样的一个方面，旋转轴优选基本上垂直于平移轴。另外，在这样的一个方面，第一参数对应于沿着平移轴的坐标位置且第二参数对应于就旋转轴而言的旋转角度。
本发明实施方案的一个优点在于，通过使用第一和第二运动轴允许相同的至少一个修整器被移动到各个预定位置来拦截笔形波束。笔形波束的拦截可以由以下限定：限定修整器在笔形波束内的精确位置。
在一个方面，DTC可以被配置为足够小以将修整器定位在患者皮肤的几厘米内，甚至在治疗诸如头颈的部位时。在一个方面，能够在各个位置多次定位修整器的能力允许使用最小数量的修整器，从而减小DTC的总体尺寸。
在另一个方面，修整器杆可以被配置为部分阻断离子束，其可增加波束的锐度。波束锐度的增加导致从靶组织侧向溢出且进入相邻正常组织的辐射剂量并行下降。此类改良在放射肿瘤学领域中有用，因为DTSS是浅浅地穿透离子束，尤其质子束的熟知问题的一种解决方案，递送少于光子疗法的侧向辐射剂量的侧向辐射剂量。
在一个方面，驱动控制器可以被配置为与照射控制器交界，用于接收指示波束开/波束关状态信息的信号，且由此驱动控制器被配置为允许修整器仅当波束处于关闭状态时运动。换句话说，修整器仅在点照射之间移动且不在点照射期间移动。在这样的方面，可以利用简化的照射控制系统。
本发明的这些和其它目标和优点将从以下本发明优选实施方案的详细描述中变得显而易见。前述一般描述和以下详细描述都只是示例性和解释性的，且旨在提供如所要求保护的本发明的进一步解释。
附图包括在内以提供本发明的进一步了解且并入并构成本说明书的一部分，阐述本发明的若干实施方案，且连同描述一起有助于解释本发明的原理。
附图简述
图1是根据本发明的一个方面的点扫描(SS)离子疗法系统的示意图。
图2是图1的SS离子疗法系统的示意图。
图3是使用根据本发明的一个方面的拦截笔形波束的修整器的原理的示意图。
图4a-d是根据本发明的一个方面的动态修整准直器的组件的透视图。
图5a是密度相对于金属原子序数的图表。
图5b是根据本发明的一个方面的单一质子束点的剂量分布。
图5c是根据本发明的一个方面的高斯(Gaussian)横向剂量曲线的图形表示。
图6a-b是根据一个方面的动态修整准直器的透视图。
图7是根据一个方面的动态修整准直器的示意图。
图8是根据一个方面的动态修整准直器的示意图。
图9是根据一个方面的动态修整准直器的示意图。
图10是根据一个方面的动态修整准直器的示意图。
图11是根据一个方面的动态修整准直器的示意图。
图12a-b是根据一个方面的动态修整准直器的示意图。
图13是根据一个方面的动态修整准直器的示意图。
图14说明根据本发明的一个方面的辐射剂量分布。
图15是根据本发明的一个方面的不同西格玛的图的图形表示。
图16是根据本发明的一个方面的蒙特卡罗模拟的图形表示。
图17是来自图16中所定义的蒙特卡罗模拟的质子笔形波束的图形表示。
图18是根据本发明的一个方面的NTCP值的图形表示。
图19a和b是西门子ModuLeaf系统和Radionics MMLC的图像。
图20是西门子ModuLeaf的图像。
图21a是根据本发明的一个方面的质子横向剂量分布的射眼方向视图。
图21b是根据本发明的一个方面的具有修整器的质子横向剂量分布的射眼方向视图。
图21c是根据一个方面的使用高斯参数的不对称修整子束的横向分布的图形表示。
图22是未修整IDD和利用定位在离未修整子束中心轴[X1＝0，X2＝2]cm和[Y1+0，Y2＝2]cm处的修整器修整的IDD在128MeV的能量下比较的图形比较。1D伽马评估也以2％/1mm标准显示在图中。
图23是根据本发明的一个方面的修整笔形波束库的实例。
图24是根据本发明的一个方面的修整点峰追踪方案的示意图。
图25是根据本发明的一个方面在射眼方向观视的修整器位置的代表示意图。
图26是根据本发明的一个方面的修整器轨道模型。
图27是根据本发明的一个方面的电脑的框图。
发明详述
在以下优选实施方案的详细描述中，参考构成其一部分的附图，且其中以说明可以实践本发明的特定实施方案的方式显示。应了解，可在不脱离本发明范围下利用其它实施方案和进行结构改变。
如说明书和随附权利要求所用，单数形式“一个(a/an)”和“所述”包括复数对象，除非上下文另有明确说明。范围可以在本文表示为从“约”一个特定值，和/或到“约”另一个特定值。当表示这样的范围时，另一实施方案包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当数值通过使用先行词“约”表示为近似值时，应理解，该特定值形成另一个实施方案。应当进一步理解，每个范围的端点都相对于另一端点显著且独立于另一个端点。
如本文所用的“任选的”和“任选地”意指可以或可以不出现随后描述的事件或情况，并且该描述包括其中所述事件或情况发生的情况，以及事件或情况不发生的情况。
本说明书的描述和权利要求全篇中，词语“包括(comprise)”和该词语的变化形式(诸如，“包括(comprising和comprises)”)意指“包括(但不限于)”且不打算排除例如其它附加物、组分、整数或步骤。“示例性”意指优选或理想实施方案的一个实例且不打算表达其指示。“诸如”不是以严格意义使用，而是出于解释性目的。
所公开的是可以用于执行所公开的方法和系统的组件。这些和其它组件在本文中公开，且应理解，当公开这些组件的组合、子集、交互、组等等时，虽然对于所有方法和系统，这些组件的每个不同的个体和集体组合以及排列的特定参考可能没有被明确公开，但是每个都被具体考虑和描述在本文中。这适用于本申请的所有方面，包括(但不限于)所公开方法中的步骤。因此，如果有可以执行的各种附加步骤，应理解，每一个这些附加步骤可以以本公开方法的任何特定实施方案或实施方案的组合来执行。
正如相关领域的技术人员所了解，本发明的方面可以采用整体硬件实施方案、整体软件实施方案或组合软件和硬件方面的实施方案的形式。在一个方面，本发明可包括一种物理组件的组合，其被配置为执行某些步骤和功能(例如，产生离子束，移动被配置为使离子束成形的修整器等等)，其等由硬件和软件组件的组合控制。此外，所述方法和系统的组件可以采取具有包含在存储介质中的计算机可读程序指令(例如，计算机软件)的计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式。可以使用任何合适的计算机可读存储介质，包括硬盘、CD-ROM、光存储设备或磁存储设备。
此外，由如以下描述的本发明使用的组件和方法，可以在程序环境中执行，该环境可以并入通用计算机或专用装置，诸如硬件设备、控制器、或手持型计算机。此外，本文中描述的组件的技术可以使用多种本领域中已知的技术来实现。例如，所述方法可以在计算机系统上执行的软件中来实施，或者在利用微处理器的组合或其它专门设计的专用集成电路、可编程逻辑设备、或它们的各种组合的硬件中来实施。
所述方法和系统的某些方面在下文中参照方法、系统、装置和计算机程序产品的框图和流程图说明进行描述。应理解，框图和流程图图示的每个框，以及在框图和流程图图示中框的组合，分别可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以加载到通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置以产生机器，使得在计算机或其它可编程数据处理装置上执行的指令创建一个用于实现在一个或多个流程图方框中指定的功能的构件。
这些计算机程序指令也可以被存储在计算机可读存储器中，其可以指导计算机或其它可编程数据处理装置以特定方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生制品，其包括用于实现在一个或多个流程图方框中指定的功能的计算机可读指令。计算机程序指令还可以加载到计算机或其它可编程数据处理装置以使要在计算机或其它可编程装置上执行的一系列操作步骤产生计算机执行过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现在一个或多个流程图方框中指定的功能的步骤。
相应地，框图和流程图图示的方框支持用于执行指定功能的构件的组合、用于执行指定功能的步骤的组合和用于执行指定功能的程序指令构件。还应当理解，框图和流程图图示的各方框，以及在框图和流程图图示中方框的组合，可以由执行指定功能或步骤的专用的基于硬件的计算机系统，或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
如图1-27中所示，本发明的方面是针对一种带电粒子辐射系统10。在一个示例性方面，带电粒子辐射系统10包括点扫描(SS)离子疗法系统10，其被配置为在至少一个靶标30应用离子疗法20以减少靶标域外侧辐射。在一个示例性方面，SS离子疗法系统10被配置为在癌性靶标30上应用离子疗法20，同时减少递送到靶标外侧健康组织的剂量。在一个方面，SS离子疗法系统10被配置为递送动态修整点扫描(DTSS)。SS离子疗法系统10利用动态修整准直器(DTC)40以将来自离子疗法源50的离子束20以狭窄聚焦的方式应用。在DTSS递送期间，具有给定能量(其决定穿透深度)的狭窄离子束20由离子疗法源50的组件跨患者的靶标体积进行磁扫描。扫描模式经常是呈逐线的光栅模式，但是可以任意定义以偏离光栅模式。然而，由于离子疗法源50不能完全地在靶标30上聚焦波束20，因此当波束20放置在接近靶标边缘时，一些辐射剂量在靶标外侧溢出且进入正常组织。DTC 40通过限制此类辐射溢出来协助离子疗法源20。换句话说，DTC 40能够比由常规SS所生成的剂量分布更有效地递送接近肿瘤/靶标30的正常组织的DTSS辐射剂量分布。系统控制器60可以控制DTC 40和离子疗法源50的操作，如图1和2所示，在下文更详细地论述。
如图2所示，SS离子疗法系统10的离子疗法源50包括用于生成并与点扫描一起使用的离子束20的波束生成器52。在一个方面，波束生成器52被配置为生成质子粒子笔形波束20。离子粒子笔形波束20可以具有宽射程的能量。如所已知，粒子笔形波束20的能量可以决定波束20在靶标30内的穿透深度，下文详细论述。在一个方面，照射控制器62可以被配置为控制递送辐射剂量到靶标30的各个点位置。在一个方面，照射控制器62可以采用在SS离子疗法系统10的系统控制器60内的模块62的形式。
在一个方面，粒子笔形波束20可以由波束相空间表征。波束相空间可以在沿着波束行进路径的给定位置处定义。正如粒子波束光学中所熟知，高能粒子波束的波束相空间是通过波束内的粒子的位置分布和动量分布来定义。一般来说，相空间可以分成横向波束相空间和纵向波束相空间。横向相空间定义波束20相对于中心行进方向或波束中心轴22的横向延伸。例如可以进行测量的物理量是横向波束尺寸。在垂直于横向方向的纵向方向中，纵向相空间可以由在波束行进方向中的平均粒子能量或平均动量以及由相关联的能量散布或动量散布所定义。
在一个方面，离子疗法源50还包括点扫描系统54，其被配置用于通过依序将离子束20引导和递送至靶标30中的多个点位置来执行多次点照射。在一个方面，点扫描系统54包括用于扫描在靶标30上的笔形波束20的构件。在一个方面，点扫描系统54包括设计用于扫描在靶标30上的粒子波束20的一个或多个电磁体56。在一个方面，至少一个电磁体56包括分别在X和Y方向扫描的两个电磁体56。在另一个方面，可以使用配置为在X和Y方向扫描的单个扫描磁体56。在一个额外方面，扫描磁体可以为超导。点扫描(SS)系统控制器64可以用于控制点扫描系统54，其包括扫描磁体的定位。在一个方面，SS系统控制器64可以采用在系统控制器60内的模块的形式。在另一个方面，照射控制器62可以被配置为控制点扫描系统54和SS系统控制器64的操作。
如图1-2中所示，本发明的SS离子疗法系统10包括动态修整器准直器(DTC)40。DTC40被配置为在点照射期间拦截一部分笔形波束20以改变笔形波束20的相空间。在一个方面，DTC 40位于点扫描系统54的下游。在一个示例性方面，DTC 40位于点扫描系统54的扫描磁体56的下游。
在一个方面，DTC 40包括至少一个位于点扫描系统54的磁体56下游的修整器42。在一个方面，至少一个修整器42被配置为拦截一部分笔形波束20。在一个方面，修整器42具有用于改变笔形波束20的相空间的厚度和形状。在一个方面，修整器42的厚度将取决于由系统10所利用的笔形波束20的能量。在一个方面，在质子疗法中所使用的质子能量可在70MeV与250MeV间变化。可以选择修整器42的厚度来(例如)阻断具有低于160MeV能量的粒子。
在一个方面，修整器42可由驱动机构44支撑。在一个方面，驱动机构被配置为移动修整器42。在一个方面，驱动机构44被配置为具有至少两种自由度以在点照射期间将修整器42移动到预定位置来拦截一部分笔形波束20。在这样的方面，驱动机构包括第一运动轴和第二运动轴，其等被配置用于在点照射期间将修整器42移动到预定位置来拦截一部分笔形波束20。
在一个方面，修整器42可以改变横向波束相空间或修整器42可以改变纵向波束相空间，这取决于修整器42的几何形状。例如，如果修整器42具有大于笔形波束20的水等效射程的水等效厚度，那么，通过将修整器42部分插入笔形波束20，一部分笔形波束20将在修整器42中停止，使得波束20的剩余部分具有被改变的横向相空间。例如，通过侧向切割一部分波束20，可以改变笔形波束20的侧向波束形状。以此方式，可以改良侧向半影。
可替代地，在另一个方面，通过使用包括具有小于笔形波束20的水等效射程的水等效厚度的部分的修整器42，笔形波束20将不会在修整器42的此类部分中停止，但是剩余的笔形波束20将具有改变的纵向相空间。例如，剩余波束的能量可以偏移给定量或剩余波束的能量分布可以被改变。对于改变纵向相空间来说，修整器42可以具有固定恒定厚度(例如，具有矩形形状的修整器42)或它可具有可变厚度。例如，可以使用具有可变厚度的修整器42(例如，具有三角形形状的修整器42)以允许相对于笔形波束20和修整器42的位置来改变纵向相空间。在一个方面，修整器42可被配置为仅拦截一部分笔形波束20。在另一个方面，修整器42可被配置为拦截整个笔形波束20。
在一个方面，驱动机构44的运动轴可为平移轴。在另一个方面，运动轴可为旋转轴。使用多个平移轴或使用平移轴、旋转轴或其它的组合的详细实施方案将在下文中描述。驱动机构44可以包括(但不限于)电动马达、液压马达等等。在一个示例性方面，驱动机构44被配置为沿至少两个运动轴移动，以在基本上垂直于笔形波束20的中心波束轴22的平面内移动修整器42。在另一个方面，驱动机构44可以被配置为在与笔形波束20的中心波束轴22相交的弯曲表面上移动修整器42。
在一个方面，DTC 40可以包括驱动控制器46，其被配置为控制驱动机构44。在一个示例性方面，驱动控制器46可以包括控制界面(未显示)，其被配置为接收定义修整器42的位置的第一运动轴的第一参数和第二运动轴的第二参数。系统10可以具有针对每个所用驱动机构44的驱动控制器46或可以有一个驱动控制器46来控制所有驱动机构44。
在一个方面，SS离子疗法系统10包括位置规划控制器66，其被配置用于针对点照射中的一个或多个来限定用于在点照射期间定位修整器42以拦截笔形波束20的对应预定位置。在一个方面，位置规划控制器66可被配置为与驱动控制器46的界面交互。在一个方面，位置规划控制器66可以为系统控制器60内的模块。在其它方面，位置规划控制器66可以为独立的控制器/电脑。在其它方面，位置规划控制器66可以为可为治疗规划系统的一部分的控制器。在一个方面，驱动控制器46可以被配置为与照射控制器62交界以接收指示波束开/波束关状态的信号。在这样的一个方面，驱动控制器46可以被配置为仅当波束20处于如由照射控制器62所指示的关闭状态时允许修整器42运动。
使用根据本发明的修整器42阐明于图3中，其显示靶标30的两个点照射。如图所阐明，矩形修整器42定位在预定位置以避免波束20撞击定位在靶标30附近的处在风险中的器官70。在粒子笔形波束20具有高斯侧向形状时的方面，在靶标30上的波束点位置由显示两个相邻波束点的一个西格玛波束半径24、25可视化。此外，显示两个波束的两个西格玛半径26、27和三个西格玛半径28、29。当两个示例性点位置被照射时，修整器42将阻断两个西格玛26、27和三个西格玛28、29侧向波束延伸的一部分且因此阻止照射处在风险中的器官70。在本实例中，两个波束点位置的修整器42的预定位置是相同的。换句话说，在本实例中，当照射两个波束点位置时，修整器42维持在相同位置。在另一个方面，修整器42可以在两个点位置之间移动到不同的预定位置以优化拦截效应和保留靶标边界外的健康组织，如下文更详细地论述。
根据一个方面，如图4a-d所阐明，SS离子疗法系统利用DTC 100以使离子束尖锐(未显示)。根据一个方面，DTC 100被配置为协助离子疗法源(即，离子源；未显示)来递送聚焦的狭窄离子束。在一个方面，离子疗法源可以基于产生相对低能量离子束的能力来选择。在一个示例性方面，离子疗法源能够在患者表面产生质子束的≤160MeV的能量。此类能级是治疗浅层靶标所必需的，但是由于离子束递送技术导致波束尺寸增加。虽然能够产生大于160MeV能量的质子疗法源可以与DTC 100一起使用，但是在较高的能量下，质子束的侧向散布很大取决于患者中的散射而不取决于离子束递送技术。因此，DTC 100可最适用于＜160MeV的质子能量，其中入射波束的侧向散布的减少将对患者中的剂量分布产生影响。
通过在这些能级下操作，修整器112的放射学厚度(下文论述)可以稍大于低能量质子束的射程的放射学厚度，从而允许修整器112相比于用于光子和离子疗法中的传统准直器(诸如多叶准直器(MLC))重量较轻。然而，在其它实施方案中，可以使用其它射程的能量产生，其可需要使用更大厚度的修整器112，其需要更大功率的驱动机构，在下文中更详细地论述。
在一个方面，DTC 100包括多个修整器112。修整器112可以描述为杆状装置，其由DTC 100利用以使由离子疗法源所采用的离子束成形。在一个示例性方面，DTC 100包括四个修整器112。在示例性方面中，四个修整器112具有矩形形状。在其它实施方案中，修整器112的形状可以包括(但不限于)圆柱形、三角形、六边形等等。然而，期望修整器112具有比宽度或高度大许多的长度。更长的长度是所需的，使得修整器112不需要沿着长度方向移动，而仅需要在一个方向移动。矩形形状是所需的，因为容易精确控制矩形修整器112以修整在所需位置处的离子斑。修整器112的高度可由离子束的能量决定(修整器112应具有足够的厚度来完全阻断离子束和停止不想要的离子到达患者)。修整器112的宽度可由离子束的侧向尺寸决定(宽度应足以完全阻断离子束的不想要部分)。修整器112的长度用来限定可用场尺寸，其中长度为长得多，使得可限定可用场尺寸来治疗大靶标。在一个示例性方面，每个修整器112的横截面可以为2cm×2cm。由于每个修整器112的质量高度取决于横截面和驱动修整器足够快速地递送DTSS的能力，因此期望具有较小的横截面。
此外，在本发明的其它实施方案中，由DTC 100所使用的修整器112的数量也可以变化。然而，修整器112的数量应使得DTC 100协助使离子疗法源的波束有效成形，同时保持DTC 100的重量足够低以使得DTC 100可以安装到离子疗法源。如图4a-4d中所阐明的示例性方面中，四个修整器112是逻辑编号，因为波束以光栅模式扫描且可以随着它到达靶标的每一侧时被修整器112拦截。越多的修整器112可以使得DTC 100体积更大且不会改良剂量分布。
返回参照图4a-d，修整器112是与驱动机构114相关联。在一个方面，驱动机构114可包括线性马达114。修整器112可以通过连接杆116与驱动机构114耦合。DTC 100可由四个具有矩形横截面的金属修整器112组成，每个可以快速地沿着垂直于狭窄扫描离子束的轴的路径移动。在一个方面，DTC 100可以具有凸鼻102，其足够小以在患者皮肤的几厘米内定位修整器112(参见图4d)，甚至当处理诸如头部和颈部的部位时。此类部位由于患者肩部的存在可能难以接近。每个修整器112安装到驱动机构114，且在离子疗法递送过程期间，修整器112与扫描离子束同步移动。修整器112部分地阻断在空间位置处的离子束，其中患者将从波束锐化中获益，诸如在肿瘤边缘。波束锐度的增加导致从靶组织侧向溢出且进入相邻正常组织的辐射剂量并行下降。
在一个方面，修整器112包括金属修整器112。修整器112可以包括多种金属。在一个方面，修整器112可以包括黄铜和其它合金，其可包括金属混合物，所述金属包括(但不限于)Co、Ni、Cu、Zn等等。在一个方面，金属修整器112可以包括如图5a所示的其它材料，图5a中绘制密度相对于原子序数的曲线。在一个方面，可以使用Ti，因为它具有22的原子序数和4.5/cm3的密度。在一个方面，可以使用钛合金。虽然修整器的组成和尺寸是相对于图4a-b中所示的实施方案，但是此类组成和尺寸也可以适用于下文论述的其它实施方案的修整器。
在一个实施方案中，驱动机构114可以包括高性能驱动机构114，其被配置为快速移动每个修整器112。在一个示例性方面，驱动机构114被配置为具有2g′s的加速度。驱动机构114可以包括(但不限于)线性马达或皮带驱动的致动器。在一个方面，可以使用由Automation，Inc.提供的马达作为驱动机构114。驱动机构114的数量可对应于由DTC 100所利用的修整器112的数量。例如，在一示例性实施方案中，四个线性马达114与四个修整器112相关联，其中每个马达114被配置为移动一个修整器112，从而允许独立控制每个修整器112。驱动机构114的末端(或驱动机构支撑结构或托架)可以彼此连接，如图4a-d所示。
驱动机构114是通过连接杆116与修整器112连接，以使连接杆116在修整器112的末端处进行连接。在一个方面，DTC 100包括导轨系统118，其支撑修整器112。导轨系统118可以与支撑框130连接。在一个方面，导轨系统118提供修整器112可以在上面移动的轨道/导轨119。在一个示例性方面，修整器112可以包括导轨轮113，其接合导轨系统118的导轨119。在一个示例性方面，导轨119可以是弯曲的，其允许修整器112沿悬垂弧线移动以匹配离子疗法源(未显示)的发散。
在一个方面，DTC 100也可包括射程移位器120(参见图4b-4d)。射程移位器120被配置为放置在患者上游以减低离子束的能量，及因此减小穿透深度。例如，射程移位器120可以放置在上文所述的离子疗法源下游和点扫描系统下游。在一个方面，射程移位器120可以提供7.5g/cm2的位于驱动机构114和修整器112之间的水等效厚度，使得射程移位器120尽可能地靠近患者。在一个方面，累积的射程移位器120被定位使得射程移位器120的下游面尽可能靠近患者而不是为修整器112下游。在另一个方面，累积的射程移位器120被定位使得射程移位器120的下游面尽可能靠近患者以及也靠近修整器112下游。通过将射程移位器120安装在此类位置，使在修整器112的平面处的空气中半影最小化，减少阻断扩展波束所需的修整器112的所要求的宽度和质量。使修整器112的质量最小化是设计用于确保修整器112的快速动态运动的重要方面。射程移位器120也可在不需要时移除，降低了DTC 100的总重量，且便于安装DTC 100到离子疗法系统150的喷嘴上。射程移位器120可以通过托架122支撑。修整器112可以在射程移位器120和托架122，连同支撑导轨118下方相关联。可以利用支撑框130以包含DTC 100的其它所述元件。尽管参考图4a-d所讨论的DTC 100的实施方案包括射程移位器120，但是DTC 100不需要有射程移位器120。
在另一个方面，DTC 100可以以多个可能的脊形滤波器(未显示)中的一个来补充或替换射程移位器。脊形滤波器使用于治疗的布拉格峰加宽，减少治疗靶标所必需的波束能量数量。不同的脊形滤波器在不同程度上使布拉格峰加宽，且适合于不同患者。使用不同的脊形滤波器可降低处理时间，并降低了递送剂量分布到剂量不足和过剂量的易感性，造成波束扫描图案、修整器运动图形和内部患者运动之间的交互效应。脊形滤波器可以通过以脊形滤波器代替射程移位器或以较小的射程移位器和脊形滤波器的组合来代替射程移位器来放置。
在一个方面，修整器112、驱动机构114、连接杆116、导轨系统118、射程移位器120以及支撑框130的组合，形成用于DTC 100的凸鼻102，其足够小以便在患者皮肤的几个cm内定位修整器112(参照图4d)。该配置允许使用DTC 100，甚至当处理诸如头部和颈部的部位时，甚至在由于患者肩部的存在而难以接近的情况下。
返回参照图4a-d，DTC 100被安装在离子疗法源和点扫描系统下游，刚好患者的上游。在一个示例性方面，DTC 100可以安装在点扫描系统的喷嘴上。驱动机构114被用于在治疗过程中快速定位修整器112，使得修整器112跟踪靶标的边缘，而来自离子疗法源的SS波束扫过患者体积。DTC 100被设计为使得修整器112可以足够迅速地移动以改变位置，同时离子束磁性扫过靶标，其中修整器112形成快速变化的帧，其定义取决于离子束的位置的锐波束边缘。示例性方面的配置通过尽可能靠近患者来使波束的侧向散布最小化。
在本发明的另一实施方案中，如图6a-b所阐明，DTC 300可以包含射程调制系统350。射程调制系统350能使离子束能量快速改变，减少处理靶标所必需的时间而无需射程移位器。
在本实施方案的一个示例性实例中，DTC 300包括多个修整器312，其通过连接杆316与马达314连接。DTC 300可以包括导轨系统318来以如上所述类似的方式支撑修整器312。在一个方面，射程调制系统350可以包括两个彼此面对的直线行进楔形件352。在一个方面，楔形件352可以包括低原子序数材料，其包括(但不限于)具有小质子散射横截面的有机玻璃、石墨、铍和类似物。
通过楔形件连接器354连接到楔形件352的驱动机构360可以控制楔形件352，且可以位于控制修整器312的驱动机构314之间的空间中。当楔形件352被分开或更靠近在一起，离子束通过到达靶标的射程调制材料的量被改变。驱动机构360能够平移射程调制系统350的楔形件352的距离指示可以改变离子束射程所跨(穿透)的范围。
在一个方面，为了确保DTC 300足够小以在临床实践中靠近患者移动，DTC 300可以使得将避免与患者碰撞的方式定向。在一个方面，DTC 300的最长部分可以定向成使得DTC 300的轴向平面垂直于患者的脊髓，而DTC 300的较短部分被定向在平行于患者脊髓的纵向方向中。当处理头部和颈部癌时，这种策略尤其重要。
虽然未显示，可以在SS离子疗法系统中利用类似于那些在上文中相对于图1-2所述的系统控制器的系统控制器，SS离子疗法系统包括如上所述的图4a-4d和图6a-b中所阐明的DTC 100和300。在一个方面，可以利用照射、SS系统和位置规划控制器(或模块)来进一步控制此类DTC 100、300，包括图6a-b的射程调制系统350的操作。
图7阐明根据一个方面的DTC 430的另一实施方案。图7阐明驱动机构434将修整器432移动到预定位置。驱动机构434的第一运动轴(X轴)和第二运动轴(Y轴)对应于配置为双轴平台平移机构434的两个正交叠加的平移轴438、439。在这个方面，修整器432是安装在驱动机构434的第一平移轴438上且被配置为进行沿着第一轴(即，平行于第一平移轴438的长度，由双箭头所示)的平移运动。第一平移轴438与第二平移轴439连接且被配置为沿着第二轴方向(平行于第二平移轴439，由双箭头所示)与第一轴438相交平移。通过这种配置，修整器432可以被定位在由两个平移轴438、439所限定的平面内的任何预定位置，其中箭头指示修整器432的运动方向。在另一个方面，修整器432可被安装在第二平移轴439上。
如图7中所阐明的方面中，预定位置可以通过限定对应于沿着两个平移轴的坐标位置的第一参数和第二参数来定义。在这样的方面，位置规划控制器(未显示)被配置用于针对所述点照射中的一个或多个来限定用于定位修整器432的对应预定位置。对于包括两个平移轴的DTC的其它实施方案也可以这么说。在一个方面，位置规划控制器可以利用显示装置以使修整器432连同靶标区域的图像(例如二维x射线图像)可视化。在这个图像中，待被照射的点位置也可以可视化。然后，用户可以使用用户输入装置(例如，鼠标)在屏幕上移动修整器432且将修整器定位在各个位置，包括点位置以及移动点位置本身。修整器432的位置可以通过已知方法与待被照射的点位置相关联(例如，利用鼠标选择修整器432和点位置)。在一个方面，然后规划位置控制器可以计算由用户通过显示装置和用户装置所选择的每个预定位置的两个轴的坐标。
虽然图7阐明仅利用一个修整器432的DTC 430，但图8阐明利用两个修整器432、432′的类似DTC 430，每个修整器安装在其各自的驱动机构434、434′上。如图所示，第一驱动机构434包括为两个平移轴X、Y的两个运动轴438、439，其等被配置用于移动第一修整器432。本实施方案还包括具有也为两个平移轴K、L的两个运动轴438′、439′的第二驱动机构434′，其被配置用于移动第二修整器432′。在本实施方案中，驱动机构434、434′被配置用于在平行平面中移动两个修整器432、432′。
图9阐明根据本发明的方面的DTC 530的另一个实施方案。驱动机构534被配置为将环状修整器532移动到预定位置，其中第一和第二运动轴(X、Y)对应于被配置为双轴平台平移机构534的两个正交叠加的平移轴538、539。修整器532安装在第一平移轴538上且被配置为沿着第一轴X(即，平行于第一平移轴538的长度，由双箭头所示)进行平移运动。第一平移轴538与第二平移轴539连接且被配置为沿着第二轴方向Y(平行于第二平移轴539，由双箭头所示)与第一轴538相交平移。通过这种配置，修整器532(和平移轴538、539)可以被定位到由两个平移轴538、539所限定的平面中的任何预定位置，以虚线示出。在一个方面，x参数和y参数可以用来在平移轴X、Y上的某一位置处放置修整器532。
如上所述，本实施方案的修整器532被配置为具有圆形的形状。在一个示例性方面，修整器532具有四个圆形侧面。圆形外部形状限定用于切断笔形波束(未显示)的一部分的切割边缘，以及内侧的圆形形状。然而，笔形波束的一部分可以通过修整器532的内部圆形的内部行进。通过不具有修整器532的内部部分，修整器532的重量减小。此外，照射可以进行到落入修整器532的内部圆形的直径内的点。
图10示出了根据本发明的一个方面的DTC 630的另一个实施方案，其中，驱动机构634包括为用于平移修整器632的平移轴638的第一运动轴和为用于旋转修整器632的旋转轴639的第二运动轴。旋转轴639基本上垂直于平移轴638且修整器632的位置是在第一参数和第二参数内定义，第一参数对应于沿平移轴的坐标位置，第二参数对应于相对于旋转轴639的旋转角。利用这样的实施方案，修整器632可在点照射期间在一个表面上移动到任何位置来拦截笔形波束。在图10的实施方案中，可提供附加的旋转轴用于相对于与修整器632交叉的旋转轴637来旋转修整器632。
图11阐明根据本发明的一个方面的DTC 730的另一实施方案。驱动机构734的第一运动轴和第二运动轴(X、Y)对应于配置为双轴平台平移机构734的两个正交叠加的平移轴738、739。此外，修整器732包括旋转轴737。在这个方面，修整器732被配置用于沿着第一轴738和第二平移轴739进行平移运动，以及沿横过修整器732的旋转轴737的旋转运动。通过这种配置，修整器732(和平移轴738、739以及旋转轴737)可以被定位到在由旋转轴737所限定的平面的位置处由两个平移轴738，739所限定的平面中的任何预定位置，以虚线示出。
图12a-b阐明根据本发明的另一个方面的DTC 830的另一实施方案。修整器832是由包括两个可旋转同心环835、836的可旋转驱动机构834移动。如图所示的修整器832被配置成具有矩形形状和被配置为在各附接到环835、836中的一个的两个点837、838上滑动。当环835、836旋转时，两个点837、838也将旋转，造成修整器832的运动。图11a阐明修整器的初始位置，而图11b显示随着可旋转同心环835、836已经旋转的修整器832的另一位置。
图13示出DTC 930的实施方案，其中不仅横向相波束可以通过修整器932被改变，而且纵向波束相也是可调节的。修整器932被安装到驱动机构934，其具有对应于两个正交叠加的平移轴938、939的第一和第二运动轴(X，Y)。如图所示，修整器932被安装在驱动机构934的第一平移轴938上，并且被配置用于使沿着第一轴进行平移运动。第一平移轴938与第二平移轴939连接且被配置为沿着第二轴方向与第一轴938相交平移。通过这种配置，修整器932可以被定位在由两个平移轴938、939所限定的平面内的任何预定位置，其中箭头指示修整器932的运动方向。
如图13所示，修整器932的厚度和形状可被配置用于改变笔形波束920的能量。为此，修整器932具有相对于笔形波束920是倾斜的表面933，使得取决于修整器932相对于波束920的相对位置，波束920的能量被或多或少降低。换句话说，修整器932包括相对于修整器932的X、Y运动平面是倾斜的平面。另外，修整器932还包括垂直于X、Y移动平面的平面(由虚线表示)。取决于笔形波束920和这个平面的相对位置，笔形波束920可以或多或少被拦截，以便改变波束920的侧向形状，且因此改变横向波束相空间。换句话说，取决于由运动轴938、939上的坐标所限定的修整器932的预定位置，可以改变纵向波束相空间或横向波束相空间。
在其它实施方案中，DTC可以利用其它射程调制系统。举例来说，在一个方面中，DTC可以使用阶梯调制器，类似于EP20080730864中公开的那种调制器。在另一个实施方案中，射程调制系统可包括大水柱，类似于美国专利No.8,129,701 B2中的图3中所示的大水柱。然而，在另一个实施方案中，可以利用单一水柱代替美国专利No.8,129,701的图3所示的多个水柱。
测试结果
控制使用磁扫描的离子束的位置的能力是离子的一个有利属性，而利用光子是不可能的。这是因为光子不带电荷，所以光子束是以机械准直系统，而不是磁场控制。在一个方面中，SS方法需要离子束的磁和/或机械扫描过覆盖治疗体积的3-D笛卡尔网格(Cartesian grid)。在一个示例性方面中，波束点深度的位置由通过在波束中插入材料，通过以质子加速器控制波束能量，或这两种方法的组合改变质子笔形波束的能量来控制。在一个方面中，该材料可以放置在加速器和门形架之间的束线的某处。常见的材料可以包括铍和碳。停止于靶标中的每个位置处的离子数量可以通过离子加速器和波束输送系统(即，如以上所述的离子疗法源和其组件)控制，并且在治疗规划的过程中可以最初由计算机优化(经由系统控制器)确定，在下文更详细地讨论。
离子束的侧向宽度的一个常见量度是西格玛(σ)，这是波束的辐射剂量曲线在垂直于质子行进方向的一行上的标准偏差。根据一个方面，σ参数的描述提供在图5c中。图5b示出了在头部和颈部癌症患者中的单个质子束点的剂量分布。正方形表示在所示轴向CAT扫描切片中的所有点的布拉格峰的位置。在空气、σair中笔形波束西格玛的值取决于质子递送技术，且σ在患者体内的生长是由于多次库伦散射(Coulomb scattering)，这是一种不能被改变的物理过程。图图5c示出了在空气中的质子笔形波束的高斯侧向剂量曲线，其呈现出σ的定义和80％-20％的半影。
靶标侧向的辐射剂量大幅下降是特别重要的一种情况是颅内(脑)立体定向放射手术(SRS)。在SRS中，高辐射剂量在单一高剂量辐照期中被递送到良性病灶，如听神经瘤和恶性病灶，如脑转移。当小体积的健康组织暴露于高辐射剂量时，大脑对坏死是高度敏感的。然后，可以递送到病灶的剂量由围绕着它的健康组织壳的体积限制，这取决于病灶的体积。脑部病灶的离子SS放射手术可以递送较低的剂量到病灶周围的组织壳，相对于基于光子的放射外科技术减轻健康脑坏死的风险。如果用于SS的笔形波束的σ低于某一阈值时，才会发生离子放射外科的此类优点。在一个方面中，σ可以是约5mm。然而，σ在其它方面可以有所不同。
用于由临床靶体积(CTV)表示的外围脑瘤的光子和质子SS放射外科治疗规划的实例示于图14中。显示具有各种辐射剂量分布的几种不同的光子和质子SS规划。示出的光子照射技术是体积调制弧疗法(VMAT)和基于锥形的放射外科，且质子技术是点扫描(SS)。
治疗规划的质量随着波束西格玛增大而下降，如对于每名患者在图14中所示。由于图14中所示的放射外科规划是用于颅内脑肿瘤，为此并发症的最大危险存在的组织是健康脑组织。脑组织坏死的正常组织并发症概率(NTCP)可以针对图14中的每个规划计算出。对于质子疗法规划，NTCP随着波束西格玛增加而增加且更大的剂量被递送到周围的正常组织。因为存在对应于质子规划的NTCP值范围，我们定义“西格玛-交叉(sigma-cross)”为质子笔形波束西格玛，其产生具有与两个(VMAT或基于锥形的放射外科)光子规划中更好的NTCP相等的NTCP的质子规划。这个值，连同西格玛50％降低，代表了降低NTCP 50％所需的波束西格玛，绘制在图15中。
为了估计DTSS在颅内放射外科治疗的患者中降低质子笔形波束西格玛的有效性，对于使用和不使用DTC在适当位置的情况，采用具有MCNPX代码的蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟来模拟体膜(phantom)的那个表面处的质子束，如图16中所示。对于具有127MeV的能量、5mm的初始西格玛、7.5g/cm2的射程移位器厚度以及下游射程移位器面和体膜(左侧)之间的临床现实5cm空气间隙的质子束的常规情况，在空气中在体膜表面处的西格玛为5.9mm。利用DTC在适当位置和下游修整器和体膜之间的5cm空气间隙，在空气中体膜表面处的西格玛为2.3mm。这些结果总结在图17中。
光子和质子的SS治疗规划组(如在图14中的那些规划)是针对11名患者产生，并且确定(图18)11名患者中有8名(73％)患者具有当使用市售质子SS系统时可相对于光子规划加以改进的NTCP值，其对于所考虑的肿瘤深度将具有约5.9mm的西格玛值。如果临床上使用具有2.3mm的σair值的质子笔形波束，那么如图18所示，11名患者(100％)认为将具有相对于光子放射外科治疗技术减低的健康脑NTCP。
虽然可以使用现有技术来获得由DTC所提供的相对于常规SS的σair的改良，但是现有技术由患者特异性黄铜孔(即切掉开口以匹配肿瘤形状的黄铜件)或者多叶准直器组成。因为仅使给定的黄铜孔成形到针对肿瘤单一平面匹配肿瘤的程度，所以孔是不能够锐化3维剂量分布到多叶准直器或DTC可能的程度。此外，黄铜孔需要针对每名患者，且针对待治疗患者所利用的每个波束制造，加入约＄500/定制孔的大量成本到递送过程。黄铜孔还需要构造时间，强加规划、准备、并递送患者的治疗所需时间的下限。这对于SRS是一个特别重要的限制，因为典型的是患者治疗的同一天他们的规划利用光子SRS生成。去除这个好处对广泛采用离子SRS强加阻碍。
MLC已经提出改良SS半影的装置。Bues等人(2005)证明，MLC对于低能量质子束在锐化SS半影处可以是有效的，但发现，随着质子束能量增加收益递减发生。如表1所示，MLC大致减低72MeV和118MeV的波束能量在布拉格峰的深度处的80％-20％半影，但增加174MeV波束的半影。这是因为，174MeV质子束的20.5cm射程足够高，介质内部的多次库伦散射交互主导由MLC所提供的σair的任何改良。对于较浅的深度，多次库伦散射交互并没有占据主导地位，从而使用MLC实质改良半影。表1中的有效σair值是通过将MLC之前的σair值乘以利用对不利用MLC的半影比率缩放进行计算。因为无法防止多次库伦散射交互在离子束和患者组织之间发生(图5b)，所以DTC相对于无准直器情况下的优点类似于MLC就使剂量分布成形的能力而言的优点。
表1：在不利用和利用MLC下质子束的布拉格峰位置处的半影。1半影值是采自相等加权的波束点的7×7图案。MLC叶片的远端假定离患者表面为5cm。半影值表示80％至20％等剂量线之间的距离。
利用DTC优于MLC的优点是，DTC的可用波束面积与面部的总面积之比远高于MLC的比。由于半影随着到患者表面的距离几何增长，因此关键的是DTC或MLC尽可能地靠近患者。当从辐射场回缩，MLC叶片必须去某个地方，且围绕MLC的壳体趋于庞大。这使得治疗头部和颈部区域时MLC难以移动到患者表面的10cm内。
两个最小可用的MLC是西门子ModuLeaf和Radionic MMLC，分别在图19a-b显示，其分别具有7.8cm×6.5cm和6.9cm×5.4cm的物理场大小。ModuLeaf也示于图20中。如图19a所示，质子束可通过的喷嘴区域的百分比对于具有15cm×15cm的物理场大小的DTC为约46％，而对于西门子ModuLeaf仅为7％。因此，即使现有MLC可以放在靠近患者表面，来自MLC的四个联结场(即，多个小场相组合以形成一个较大的场)将需要覆盖同一区域作为单一的DTC场。虽然联结场对于利用ModuLeaf处理的颅内病变通常没有必要，如图20所示，将要求联结的更大的场预计用于许多头部和颈部、食管、肺、脑脊髓瘤、肉瘤和肝癌患者。此外，市售的MLC是针对光子疗法，而不是质子疗法优化，这是一个重要的考虑，因为对于质子疗法的波束改性装置经受比在光子疗法中使用的中子剂量实质上更高的中子剂量。高剂量的中子必需使用对中子损伤较不敏感的电子设备。
基于DTC的DTSS后面存在两大可能的原理。首先，当使用相对低能量离子束(对于质子束其在患者表面具有≤160MeV的能量)时，点扫描剂量分布仅由准直系统改良。这是因为，在患者中来自较高能量束的较深深度处的半影很大程度上是由散射主导。此事实允许修整器的放射学厚度要略微大于低能量质子束的射程，且相比传统准直器，如在光子和离子疗法中使用的多叶准直器(MLC)重量较轻。第二，利用SS，准直器在波束接近靶标边缘时仅在靶标边缘处是必需的，并且当波束在别处时修整器可在运动中，只要修整器运动不会干扰扫描波束运动。
子束剂量分布的建模
在一个方面，与修整器叶片交互后，入射对称质子子束(示于图21a)可以变为非对称且在射眼方向观视横向移动，如图21b所示。在一个示例性方面，非对称修整子束的横向分布仍然可以使用高斯参数进行描述，类似于未修整子束。这是通过沿修整子束的四个主要横向轴中的每个轴，即X1、X2、Y1和Y2拟合高斯函数来完成，如图21c所示。用这种方法，横向曲线可以被建模为如下：
其中和是在所关注平面中最大剂量的位置，且 是沿每个主坐标轴的四个半高斯的西格玛值，在深度z处中心在海维赛德(Heaviside)阶跃函数H(...)限制每个指数项为中心在处的对应半轴。乘以数值上确定的归一化因子A(z)确保对所有z，此类方法可以适用于任何非对称子束，不仅那些从准直所得的子束。
在一个方面，与修整器叶片交互后，修整子束的累积深度剂量(IDD)曲线从未修整子束变化，如图22中所示。通过应用深度依赖性校正函数，修整子束IDD曲线可以从未修整子束IDD生成。一个此类校正函数采用下面方程的形式：
D+(z，R)＝D+(0)·(C·z+1)
其中D+(z，R)代表应用到未修整IDD来生成修整IDD的深度依赖性校正，D+(0)是修整IDD相比于未修整IDD在表面处入射剂量的增量(％)，且C是常数参数，其为确定校正的深度依赖性的能量的函数。下面的方程描述，如何可以通过加入未修整累积深度剂量曲线和上述校正来获得由表示的修整IDD：
确定DTSS递送的时间依赖性修整器位置
在一个方面，分布在整个靶标体积的网格或六边形图案中的点，然后限定修整器的位置以后，可以用于放置波束点。任何DTSS点放置技术仍然会产生优于那些可用常规SS递送的剂量分布的剂量分布。
在另一个方面，修整点峰值跟踪(TSPT)产生比那些可利用网格或六角形点布局图实现的剂量分布更优的剂量分布。TSPT是基于以下逻辑猜想：使剂量到靶标体积的一致性最大化要求修整点的剂量最大值定位在靶标体积的边缘上。由于质子散射离开修整器且进入靶标介质，因此在修整点的射眼方向观视的最大剂量点不会发生在扫描磁体引导修整器的笔形波束上游所沿着的射线上。定位修整波束点的最大剂量点从而要求扫描磁体和修整器一起工作。
下文是根据一个方面的TSPT方法的实现的描述。根据一个示例性方面，如图16-17所示，单个修整器可以将质子笔形波束点的修整器一侧上的σair值从5.9mm减少到2.3mm。波束点的最大剂量点的位置也移动远离修整器。图21a-b示出一组正交修整器可以减少质子笔形波束点的两个维度上的σair值作为二维高斯。同样地，在笔形波束的三个或四个侧面上的修整器可以降低放置修整器的每侧上的σair的值，并移位点峰值的位置。通过在离入射光点中心不同的距离定位修整器，最大剂量点的位置和2-Dσair值可以变化。根据一个方面，修整笔形波束(即，已通过拦截修整器成形的波束)(TPB)库可以针对改变的修整器位置的组合进行计算，如图23中所示。这些TPB表示在离离子的笔形波束的中心轴各种距离处的各种修整器位置，以获得所需的剂量分布。
一旦TPB库存在，可以定义一种在靶标体积的给定点选择适当的TPB最大剂量位置，并且因此，修整器配置的方法。图24示出在射眼方向观视的处于任意能量层处的靶标边界。所需TPB最大剂量点可以定位在靶标边界上的等距点，其可以例如为5mm间隔。在靶标边界上放置TBP剂量最大值之后，剩余的波束点可以呈格网形(诸如图24中所示的图案)被放置在整个靶标体积。可替代地，点位置的固定点网格可以使用矩形、六角形或其它图案，可以将最近邻点分配给靶标边界。在这种情况下，如果扫描磁体总是被配置以将最接近点定位到靶标以外的靶标边界，修整器配置将存在，可以将TPB的最大剂量点定位在更靠近或在靶标边界上。所需TPB最大剂量点位置是在靶标边界上。
在每个所需TPB最大剂量位置，TSPT算法搜索笔形波束能量的i＝1，...，NTPB修整点内核的库，并且选择满足诸如以下搜索标准的TPB修整器配置：
其中
另一可能的TPB搜索标准是
其中
可替代地，可以使用搜索TPB标准的加权组合作为加权总和：
Ci＝(1-ω)TEi+ω·MDi， (5)
其中w是值在0和1之间的标量加权因子。
根据另一个方面的TPB放置策略是通过优化与离子的数量成正比的点加权来分配具有非常小的光点间距离的大量初始光点，并产生一个递送给每个点的治疗方案。在迭代过程中，然后具有低权重的点的某些部分可以被除去，从而减少递送所需的点的数量。如果靶标边界上的任何修整点无法由现实修整位置创建，则它将被替换为一个具有最接近的光点形状的点。
根据一个方面，确定四个修整器每一个的位置，如图4a-d所示，必需一个算法，导致光点位置、光点大小、靶标形状和总光点能量的分数ε，用户愿意接受被递送到被治疗平面中靶标外的正常组织。在一个方面，此类算法可以通过DTSS软件来实现，如下面所讨论。
如果ε＝0，则修整器将不允许任何点的能量沉积在靶标外。这不会是具有弯曲边缘(非矩形)的靶标所期望的，因为修整器可能必须改变每个点之间的位置，大幅提高相对于没有修整器的情况的递送时间。此外，不允许任何光点能量落在靶标外可能会导致修整器定位图案过于保守而无法允许在靶标某些区域接收剂量，从而导致靶标的剂量不足。为了避免这些问题，可以提供允许来自给定波束点的非零比例的能量落在靶标外的选项。具体地讲，该算法在ENT(沉积在正常组织中的能量)应该是小于或等于ε倍Etot(由光点所沉积的总能量)的约束条件下使ET(沉积在靶标中的光点能量)最大化。
在一个方面，该方法将确定x和y作为给定能量的光点在射眼方向观视(BEV)平面在DTC系统的出射窗口处的正交空间坐标，如图25所示。在平面上的组织类型由函数AT(x，y)和ANT(x，y)定义，其分别为在靶组织和正常组织内部的单位的值且另外为零。设D(x，y，xs，ys)为由中心在(xs，ys)的波束点在BEV平面递送的剂量分布，对于此简化的实施例，它被假定为一个2-D高斯函数：
其中σx和σy分别定义在x和y方向的点宽度。
如果x和y修整器的位置分别为[X1，X2]和[Y1，Y2]，则ET和ENT在给定BEV平面上是计算为：
且Etot＝ET+ENT。每个光点的修整器位置可以由解决以下优化问题来决定：
使ET最大化
{X1，X2，Y1，Y2}
服从：
(a)ENT≤ε·Etot， (8)
(b)X1≤xs≤X2，Y1≤ys≤Y2
(c)ΔXmin≤X2-X1，ΔYmin≤Y2-Y1，
其中约束条件(a)确保沉积在正常组织中的光点能量没有超过用户指定的容差，约束条件(b)确保不超过一半波束点被任何一个修整器叶片阻塞，且约束条件(c)确保由修整器定义的孔不低于一定的最小面积，ΔXminΔYmin。如果靶标是如此小，使得不违反约束条件(c)下不能满足约束条件(a)，则修整器位置被定义为使得满足约束条件(b)和(c)。
在方程(8)中定义的优化问题可以利用使用以下导数的基于梯度的优化技术来解决：
(9)
修整器需要在适当位置来拦截波束，当波束到达其预定位置。这是使用在本节所述的轨道模型来实现。修整器轨道模型的图示于图26中。如图所示，修整器轨道模型显示时间、修整器位置和加速度，但不显示速度。Xn是在Tn时刻的修整器位置，其中n是修整器行进间隔指数。每个行进间隔被分成M个子间隔，并且tm，n是行进间隔n的子间隔m开始的时间。加速度均匀地施加在给定的子间隔，并且a0，n为时间t0，n和t1，n之间的加速度。
假设需要由给定的修整器边缘访问的位置是由Xn给定，其中n∈[0，N-1]是位置指数。设Tn，Vn和An分别是修整器处于位置n时的时间、速度和加速度。定义ΔXn＝Xn+1-Xn和ΔTn＝Tn+1-Tn分别为在位置n和n+1之间的修整器行进间隔和行进时间，并定义ΔXN-1＝ΔTN-1＝0。当修整器边缘处于位置n时，时间Tn和边缘位置Xn可以计算为：和
和
且所有N个位置的总修整器行进时间为TN-1。
将行进时间ΔTn除以整数M个等长子间隔，并定义精细分辨率时间tm，n为：
其中n∈[0，M-1]且定义am，n为在时间tm，n和tm+1，n之间的常数修整器加速度。因此，在时间tm，n的修整器速度和位置分别为：
和
因此：
Tn+1＝tM，n＝t0，n+1，Vn+1＝vM，n＝v0，n+1，和Xn+1＝xM，n＝x0，n+1， (13)
修整器行进距离可表示为加速度、速度和行进时间的函数，通过将vm，n代入方程(12)中的Xm，n，然后使用方程(13)设xm，n到xM，n＝Xn+1，得到：
其中
对于其中加速度在间隔n期间为常数An的情况，对于m′∈[0，M-1]，am′，n＝An，γn＝1/2An，并将方程(14)还原到熟悉的运动学方程。可以使用二次公式针对ΔTn来解析方程(14)，得到：
使利用方程(10)能直接计算Tn。
修整器运动的优化问题是找到加速度矩阵a的元素，am，n，即使总修整器行进时间TN-1最小化。这个问题可以用公式表达如下：
使TN-1最小化
α
服从：
(a)V0＝VN-1＝0
(b)Vn＝0如果sgn(ΔXn-1)＝-sgn(ΔXn)对于n＝1，……，N-2 (17)
(c)0≤ΔTn对于n＝0，……，N-1
(d)|am，n|≤Amax对于m＝0，……M-1和n＝0，……，N-1
(e)|vmn|≤Vmax对于m＝0，……M-1和n＝0，……，N-1
约束条件(a)强制第一个和最后一个修整器位置的速度为零，并且约束条件(b)强制修整器运动方向变化处的位置的速度为零。sgn(x)函数返回符号x，且如果x＜0则为-1，如果x＝0则为0，且如果x＞0则为1。约束条件(c)确保所有行进时间为非负。约束条件(d)和(e)确保修整器加速度和速度量值仍分别低于其机械指定的Amax和Vmax的最大值。约束条件(f)确保ΔTn就γn和Vn的导数不发散，并且ΔTn是真实的。
一种对于a的初始猜测在于，满足方程(17)的所有约束条件可以如下计算。设M＝2，Vn＝0，且a0，n＝-a1，n，对于所有的n。然后γn＝a0，nΔTn/2且ΔXn＝a0，nΔT2 n/4＝v1，nΔTn/2。如果赋值a0，n＝sgn(ΔXn)Amax，，则ΔTn＝√4ΔXn/a0，n，且如果Vmax＜v1，n，则可以赋值v1，n＝Vmax，计算新的ΔTn＝|2ΔXn/Vmax|且重新赋值初始猜测可以扩展到任何M(通过重采样的倍数)的情况。
在目前的部分，提供TN-1就α的梯度的表达，然后将表达的每个分量求导。TN-1就αm，n的导数计算为如下：
其中
方程(19)的分量为以下：
和
其中
是在间隔n期间的平均加速度。方程(19)的计算是一个递归过程，因为n′＝n+1的情况下方程(22)取决于n′＝n的情况下的方程(19)，且n′＞n+1的情况下方程(22)取决于n′-1的情况下的方程(22)。
约束条件(a)和(b)具有下列导数：
其中
约束条件(e)可以改写为：
|vm，n|＝vm，nsgn(vm，n)≤Vmax， (26)
因此，约束条件(e)相对于am，n的导数为：
约束条件(f)的导数为：
方程(29)中的第二偏导数可以通过改写方程(15)中的γn来揭示其中am，n位于求和中来计算：
方程(30)的右手侧中的第一项独立于am，n，且括号内的第一和第三项(求和)也是如此，从而相对于am，n的它们的导数为零且可得到：
方程(19)是通过应用如下的链式法则得到：
方程(29)中的第二偏导数可以通过改写方程(15)中的γn来揭示其中am，n位于求和中来计算：
方程(30)的右手侧中的第一项独立于am，n，且括号内的第一和第三项(求和)也是如此，从而相对于am，n的导数为零且可得到：
对于非零γn的情况，相对于γn和Vn对方程(16)求微分分别产生方程(20)和方程(21)。对于当γn为零的情况，对那些结果应用洛必达法则(rule)，当“±”为负时，得到方程(20)和方程(21)。n′＝n+1的情况下方程(22)是通过在方程(12)中设m＝M，从而Vm，n＝VM，n＝Vn+1＝Vn′和在认识到ΔTn依赖于am，n下，相对于am，n对结果求微分而得到。n′＞n+1的情况下方程(22)是使用链式法则得到：
方程右手侧的第一偏导数是通过设方程(12)中Vm，n＝vM，n′-1＝Vn′，然后相对于Vn′-1对结果求微分获得。方程(32)的第二偏导数(如方程(22))是由方程(22)从先前的n′值的评估而递归地获得。
图27是一个框图，示出用于执行根据本发明实施方案所公开的方法的一部分的示例性操作环境。本示例性操作环境仅是操作环境的一个实例，并且不旨在暗示任何限制的使用或操作环境体系结构的功能性的范围。也不应将操作环境解释为具有与在示例性操作环境中所示组件的任何一个或组合有关的任何依赖性或要求。
此外，本领域的技术人员将理解，本文公开的系统和方法可以利用以计算机1401的形式的通用计算设备。上面讨论的方法可以由计算机1401来进行。例如，计算机1401可以执行在上面图1-2中讨论的控制器60的职责和责任。此外，计算机1401可以执行和控制上面讨论的照射控制器62、SS系统控制器64及位置规划控制器66的责任。
计算机1401的组件可以包括(但不限于)一个或多个处理器或处理单元1403、系统存储器1412、以及系统总线1413，其将各种系统组件，包括处理器1403耦合到系统存储器1412。在多个处理单元1403的情况下，该系统可以利用并行计算。
系统总线1413表示一个或多个几种可能类型的总线结构，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、加速图形端口、以及使用任何各种总线体系结构的处理器或局部总线。以举例的方式，此类体系结构可以包括工业标准体系结构(ISA)总线、微通道体系结构(MCA)总线、增强型ISA(EISA)总线、视频电子标准协会(VESA)局部总线、加速图形端口(AGP)总线、以及外围组件互连(PCI)、PCI-Express总线、个人计算机存储卡行业协会(PCMCIA)、通用串行总线(USB)等。在本说明书中指定的总线1413和所有总线也可以通过有线或无线网络连接实现，并且包括处理器1403、大容量存储装置1404、操作系统1405、DTSS软件1406、DTSS数据1407、网络适配器1408、系统存储器1412、输入/输出接口1410、显示适配器1409、显示装置1411和人机接口1402的每个子系统可被包含在一个或多个远程计算设备1414a，b，c的物理上独立的位置处，通过这种形式的总线连接，实际上实现完全的分布式系统。
计算机1401通常包括各种计算机可读介质。示例性可读介质可以是可以由计算机1401访问的任何可用的介质，并且包括(例如但不意味着限制性)易失性和非易失性介质，可移动和不可移动介质。系统存储器1412包括以易失性存储器形式的计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)、和/或非易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)。系统存储器1412通常包括数据如DTSS数据1407和/或程序模块，诸如操作系统1405和DTSS软件1406(即，控制上述所讨论的各种控制器60和模块62，64，66)，其可立即访问和/或目前由处理单元1403操作。
在另一个方面，计算机1401也可包括其它可移动/不可移动，易失性/非易失性计算机存储介质。以举例的方式，图27示出大容量存储装置1404，其可以为计算机1401提供非易失性存储的计算机代码、计算机可读指令、数据结构、程序模块及其它数据。例如且不意味着是限制性，大容量存储设备1404可以是硬盘、可移动磁盘、可移动光盘、磁带盒或其它磁存储设备、闪存卡、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)或其它光存储、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等等。
任选地，任何数量的程序模块可以存储在大容量存储设备1404上，包括以举例的方式，操作系统1405和DTSS软件1406。每一个操作系统1405和DTSS软件1406(或它们的一些组合)可以包括编程的元件和DTSS软件1406。DTSS数据1407也可以存储在大容量存储装置1404上。DTSS数据1407可以被存储在本领域中已知的一个或多个数据库的任一个中。此类数据库的实例包括Access、SQL Server、mySQL、PostgreSQL等。数据库可以是集中式的或分布在多个系统中。
在另一个方面，用户可以通过输入设备(未显示)输入命令和信息到计算机1401。此类输入设备的实例包括(但不限于)，键盘、指示设备(例如，“鼠标”)、麦克风、操纵杆、扫描仪、触觉输入设备如手套和其它身体覆盖物等等。这些和其它输入设备可以通过耦合至系统总线1413的人机接口1402连接到处理单元1403，但可以通过其它接口和总线结构，诸如并行端口、游戏端口、IEEE 1394端口(也称为火线端口)、串行端口或通用串行总线（USB)连接。
在又一个方面，显示装置1411也可以经由接口诸如显示适配器1409连接到系统总线1413。可以预期的是，计算机1401可以有一个以上的显示适配器1409并且计算机1401可以有一个以上的显示装置1411。例如，显示装置可以是监视器、LCD(液晶显示器)或投影仪。除了显示装置1411以外，其它输出外围设备可以包括组件，诸如扬声器(未显示)和打印机(未显示)，它们可以通过输入/输出接口1410连接到计算机1401。所述方法的任何步骤和/或结果可以任何形式被输出到输出设备。此类输出可以是任何可视表示形式，其包括(但不限于)，文本、图形、动画、音频、触觉等等。
计算机1401可以在网络环境中使用到一个或多个远程计算设备1414a，b，c的逻辑连接进行操作。以举例的方式，远程计算设备可以是个人计算机、膝上型计算机、便携式计算机、服务器、路由器、网络计算机、对等设备或其它公共网络节点等等。计算机1401和远程计算设备1414a，b，c之间的逻辑连接可以经由局域网(LAN)和一般广域网(WAN)进行。此类网络连接可以通过网络适配器1408。网络适配器1408可以在有线和无线两种环境中实现。此类网络环境是常规的并且常见于办公室、企业范围计算机网络、内联网和因特网1415。
根据一个方面，计算机1401经由DTSS软件1406和DTSS数据1407，可以控制根据一个方面的SS离子疗法系统10的操作。在另一个方面中，计算机1401可包括本发明的控制器60，以及各种控制器(如参考图2所讨论的照射控制器62、SS系统控制器64和位置规划控制器66)。
为了说明起见，应用程序和其它可执行程序组件如操作系统1405在本文中示为离散的框，尽管可以认识到，此类程序和组件在不同时间驻留在计算设备1401的不同存储组件中，并且由计算机的数据处理器执行。DTSS软件1406的实施可以存储在某种形式的计算机可读介质或跨其传输。任何所公开的方法可以通过体现在计算机可读介质的计算机可读指令来执行。计算机可读介质可以是能够由计算机访问的任何可用介质。以举例的方式，而不是意在限制，计算机可读介质可以包括“计算机存储介质”和“通信介质”。“计算机存储介质”包括以用于存储信息如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。示例性计算机存储介质包括(但不限于)，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)或其它光存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或可以用来存储所需信息并且可以由计算机访问的任何其它介质。
尽管本发明的前述书面说明使得普通技术人员能够制造和使用目前被认为是其最佳方式的方式，本领域普通技术人员将了解和明白存在本文中具体实施方案、方法和实施例的变化、组合和等效物。本发明因此不应由上述实施方案、方法和实施例限制，而是由本发明的范围和精神之内的所有实施方案和方法限制。到必要理解或完成了本发明的公开内容的程度，本文提及的所有出版物、专利和专利申请均明确地以引用的方式并入在其中，并入的程度如同每个单独地如此并入一般。
因此，已经描述本发明示例性的实施方案，本领域的技术人员将理解，公开的内容中只是示范性且可以在本发明的范围内作出各种其它的替代、修改和变型。因此，本发明并不限定于如本文所示的具体实施方案，而是仅由下文的权利要求书限制。
参考文献
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Claims (33)

1.一种紧凑型点扫描(SS)离子疗法系统，其被配置为减少在靶标边界以外的辐射剂量递送，所述紧凑型点扫描离子疗法系统包括：
a.离子疗法源，其包括：至少一个扫描磁体，所述离子疗法源被配置为依序将粒子笔形波束引导至靶标中的多个点位置，所述至少一个扫描磁体被配置为可移动地定位以扫描在靶标上的所述粒子笔形波束；
b.动态修整准直器，其被安装在所述离子疗法源的所述至少一个扫描磁体的下游，所述动态修整准直器包括：
i.至少一个修整器，其位于所述至少一个扫描磁体的下游且被配置为拦截所述笔形波束的一部分，以防止从所述靶标边界以外的所述粒子笔形波束的辐射溢出；和
ii.至少一个驱动机构，其被配置用于移动所述至少一个修整器；和
c.系统控制器，其被配置为通过依序将所述粒子笔形波束引导和递送至所述靶标中的所述多个点位置来控制所述离子疗法源以执行点照射的顺序且根据所述多个点位置中的每一个来控制所述至少一个修整器的位置，所述系统控制器被配置为快速移动所述至少一个修整器，其中所述紧凑型点扫描离子疗法系统被配置为紧密邻近所述靶标。
2.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其中所述至少一个驱动机构被配置用于沿着第一运动轴移动所述至少一个修整器。
3.根据权利要求2所述的点扫描离子疗法系统，其中所述第一轴大致垂直于所述笔形波束。
4.根据权利要求3所述的点扫描离子疗法系统，其中所述至少一个修整器被进一步配置为沿第二运动轴移动，其中所述第二运动轴大致平行于所述笔形波束。
5.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其中所述至少一个驱动机构包括第一运动轴和第二运动轴以移动所述至少一个修整器。
6.根据权利要求5所述的点扫描离子疗法系统，其中所述第一轴和所述第二轴大致垂直于所述笔形波束。
7.根据权利要求5所述的点扫描离子疗法系统，其中所述第一运动轴和所述第二运动轴是用于平移所述至少一个修整器的平移轴，所述平移轴是非平行轴。
8.根据权利要求5所述的点扫描离子疗法系统，其中第一运动轴是平移轴且第二运动轴是旋转轴。
9.根据权利要求5所述的点扫描离子疗法系统，其中所述至少一个修整器进一步被配置为沿第三运动轴移动，其中所述第三运动轴大致平行于所述笔形波束。
10.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其中所述至少一个修整器具有适合改变所述笔形波束的相空间的厚度和形状。
11.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其中所述控制器被进一步配置用于接收指示波束开/关状态信息的信号以允许所述至少一个修整器只有当所述波束处于关闭状态时运动。
12.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其中所述系统控制器被配置用于与执行所述点照射顺序同步地动态移动所述至少一个修整器。
13.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其还包括位置规划控制器，所述位置规划控制器被配置用于限定所述点照射中的一个或多个，所述点照射中的一个或多个对应于用于定位所述至少一个修整器的预定位置。
14.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其中所述至少一个修整器还包括多个修整器，且其中所述至少一个驱动机构包括对应于所述多个修整器的多个驱动机构，其中所述控制器被配置用于根据所述点位置来独立地控制所述多个修整器中的每一个的位置。
15.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其被进一步配置用于二维递送。
16.根据权利要求1所述的点扫描离子疗法系统，其中所述控制器被配置为接收针对所述多个点位置中的每一个来限定所述修整器位置的数据。
17.一种动态修整准直器，其包括：
a.至少一个修整器，其被配置为限制来自二维扫描离子束的辐射的溢出；和
b.至少一个驱动机构，其被配置用于移动所述至少一个修整器，
其中所述动态修整准直器被安装在离子疗法源的下游并且至少一个扫描磁体被配置为可移动地定位以扫描在靶标上的所述二维扫描离子束，所述动态修整准直器还被配置为按顺序产生所述二维扫描离子束到靶标中的多个点位置，且其中所述动态修整准直器能够根据所述多个点位置中的每一个来控制所述至少一个修整器的位置，以限制所述二维扫描离子束在所述靶标处的辐射的溢出，所述动态修整准直器被配置为紧密邻近所述靶标定位。
18.根据权利要求17所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器被配置为通过部分阻断所述二维扫描离子束来限制辐射溢出。
19.根据权利要求14所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器被配置为沿着大致垂直于所述二维扫描离子束的轴的第一路径移动。
20.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器被进一步配置为沿着大致平行于所述二维扫描离子束的轴的第二路径移动。
21.根据权利要求20所述的动态修整准直器，其中所述第一轴和所述第二轴是彼此不平行的。
22.根据权利要求17所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器被进一步配置为沿着大致平行于所述二维扫描离子束的轴的第三路径移动。
23.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述至少一个驱动机构包括线性马达。
24.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器被配置为沿基本上悬垂的弧线移动。
25.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器具有矩形形状。
26.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器被配置为具有大于所述二维扫描离子束的射程的放射学厚度。
27.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述装置被配置为接近患者皮肤定位所述至少一个修整器。
28.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器被配置为与所述二维扫描离子束同步移动。
29.根据权利要求19所述的动态修整准直器，其中所述至少一个修整器包括多个修整器且所述至少一个驱动机构包括多个驱动机构，其中所述多个修整器中的至少每一个与所述多个驱动机构中的至少一个相关联。
30.根据权利要求29所述的动态修整准直器，其中所述多个修整器中的至少一个与至少两个驱动机构相关联。
31.根据权利要求17所述的动态修整准直器，其还包括射程移位器。
32.根据权利要求17所述的动态修整准直器，其还包括脊形滤波器。
33.根据权利要求17所述的动态修整准直器，其中所述动态修整准直器被进一步配置为附接到所述离子疗法源的喷嘴。
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