CN105920744B - 用于测量和控制带电粒子笔形射束的多分辨率检测器 - Google Patents

Abstract

一种多分辨率检测器包括高分辨率像素化电极和低分辨率像素化电极。高分辨率像素化电极包括第一像素的多个子阵列。每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接。低分辨率像素化电极包括多个第二像素。控制系统接收作为输入的来自每个像素化检测器的输出。控制系统使用这些输入来以高分辨率像素化电极的分辨率确定入射的带电粒子笔形射束的物理位置和横向强度分布。

Description

用于测量和控制带电粒子笔形射束的多分辨率检测器

技术领域

本发明一般地涉及带电粒子笔形射束治疗。具体地，公开了使用多分辨率检测器来提供带电粒子笔形射束的增强的监控、诊断和/或控制的系统和方法。

背景技术

辐射治疗系统可以被用来向患有各种病况的患者提供处置。辐射治疗可以被用来执行选择性细胞破坏，其对于通过处置肿瘤组织来控制癌症是有用的。粒子治疗是使用光离子来毁坏目标细胞的辐射治疗的一种形式。粒子治疗可以是选择性地毁坏目标细胞的灵验的方式，因为光离子与其他离子化辐射(诸如电子或高能光子)相比具有独特的剂量测定特性。光离子穿过组织在它们的路径的末端附近沉积它们的大部分能量。因为离子所提供的剂量集中在该离子停止的区域周围的“布拉格峰”处，所以对于邻近目标区域的健康组织的剂量也可以减小。离子的良好定义的最大范围确保目标的远侧的组织接收到可忽略的辐射剂量。

特定类型的粒子治疗是质子治疗，在质子治疗中，光离子种类是质子。质子是便于使用的粒子，因为它们是提供上述优点的最轻的离子种类。

用于递送粒子治疗的一种技术被称为笔形射束扫描。在该技术中，光离子射束保持很窄地准直成“笔形射束”，并且在角度上被转向(偏转)并且在范围(能量)上被调整以在患者内的精确体积处使剂量沉积为小斑点。因此，复杂的体积形状(例如，器官)可以用笔形射束来处置，而不照射周围的组织。

方法可能是非常准确的。然而，如果患者在曝光之间要移动，则小斑点大小可能造成不均匀的剂量放置或“冷斑点”的风险。另外，斑点的位置和剂量(例如，随着时间的过去的强度分布)的精确测量和控制对于患者的安全有效的处置是关键的。

现有的用于测量射束斑点的位置、横向强度分布和剂量的像素化离子化检测器通常具有多达大约1,000个的通道计数。这样的检测器要么在大的工作区域上具有低分辨率，要么在小的工作区域上具有高分辨率。虽然在大的区域处可以提高分辨率，但是只有以增加读出电子通道的数量为代价才可以这样做。这提高了装置的成本，并且需要昂贵的高容量数据链路来以高的更新速率将大量数据从像素发送到接收装置。

因此，需要一种可以使用不太昂贵的组件来准确地确定大的区域上的辐射剂量和射束位置、同时保持高的更新速率的高分辨率检测器。

发明内容

本文中所公开的示例性实施方案具有创新的特征，其中没有一个特征对于它们的期望属性是必不可少的或者独自负责它们的期望属性。下面的描述和附图详细地阐述了本公开的说明性实现，这些实现指示可以实现本公开的各种原理的几种示例性方式。然而，说明性示例并非穷举本公开的许多的可能的实施方案。不限制权利要求的范围，有利特征中的一些现在将被概述。本公开的其他的目的、优点和新颖特征将在本公开的结合附图考虑时的下面的详细描述中被阐述，附图意图图示说明、而非限制本发明。

在一方面，本发明包括一种设置在等中心平面处或附近(例如，近邻)的多分辨率检测器。该多分辨率检测器包括第一像素化电极和第二像素化电极。第一像素化电极包括第一像素的多个子阵列，其检测入射的带电粒子笔形射束创建的电流。每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接，以使得第一像素化电极动态地产生第一输出，其表示来自子阵列的分别的第一像素的组合的电输出。第一像素可以具有与第一分辨率对应的第一大小。

第二像素化电极包括多个第二像素。第二像素化电极被配置来动态地产生第二输出，其表示带电粒子笔形射束在基本上平行于等中心平面的平面中的大致物理位置。第二像素可以具有与第二分辨率对应的第二大小。第一像素可以具有比第二像素小的大小，从而导致分辨率较高的第一像素化电极和分辨率较低的第二像素化电极。

诊断控制系统包括存储器和处理器。诊断控制系统被配置来：接收作为输入的第一输出和第二输出，并且基于第一输出和第二输出来确定所述带电粒子射束的实际位置和实际横向强度分布。实际位置和实际强度分布具有第一像素化电极的分辨率(例如，高分辨率)。

在另一方面，本发明包括一种设置在等中心平面处或附近(例如，近邻)的多分辨率检测器系统。该多分辨率检测器系统包括第一像素化检测器和第二像素化检测器。第一像素化检测器包括第一像素化电极，其包括第一像素的多个子阵列，这些子阵列检测入射的带电粒子笔形射束创建的电流。每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接，以使得第一像素化电极动态地产生第一输出，其表示来自子阵列的分别的第一像素的组合的电输出。第一像素可以具有与第一分辨率对应的第一大小。

第二像素化检测器包括第二像素化电极，其包括多个第二像素。第二像素化电极被配置来动态地产生第二输出，其表示带电粒子笔形射束在基本上平行于等中心平面的平面中的大致物理位置。第二像素可以具有与第二分辨率对应的第二大小。第一像素可以具有比第二像素小的大小，从而导致分辨率较高的第一像素化电极和分辨率较低的第二像素化电极。

诊断控制系统包括存储器和处理器。诊断控制系统被配置来：接收作为输入的第一输出和第二输出，并且基于第一输出和第二输出来确定所述带电粒子射束的实际位置和实际横向强度分布。实际位置和实际强度分布具有第一像素化电极的分辨率(例如，高分辨率)。

在另一方面，本发明包括一种表征带电粒子笔形射束的方法。该方法包括用第一像素化电极接收带电粒子笔形射束产生的组合的电输出。第一像素化电极包括具有第一分辨率的第一像素的多个子阵列。每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接。

所述方法还包括用来自第二像素化电极的电输出数据来确定带电粒子笔形射束的大致物理位置。第二像素化电极包括多个具有第二分辨率的第二像素。第二分辨率(例如，较大的像素大小)低于第一分辨率(例如，较小的像素大小)。

所述方法还包括：使用从第一像素化电极输出的组合的电输出以及从第二像素化电极确定的大致物理位置来计算带电粒子笔形射束的实际物理位置和实际横向强度分布。在第一分辨率确定实际物理位置和实际横向强度分布，第一分辨率高于/细于第二分辨率。

在另一方面，本发明包括一种集成多分辨率检测器。该多分辨率检测包括第一像素化电极、第二像素化电极和高压平面。第一像素化电极设置在第一平面中。第一像素化电极包括第一像素的多个子阵列，其检测入射的带电粒子笔形射束创建的电流。每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接。第一像素化电极动态地产生第一输出，其表示来自子阵列的分别的第一像素的组合的电输出。

第二像素化电极设置在第二平面中。第二像素化电极包括多个第二像素。第二像素化电极被配置来动态地产生第二输出，其表示带电粒子笔形射束在第二平面中的物理位置。第二像素化电极具有小于第一像素化电极的第一分辨率(例如，较小的像素大小)的第二分辨率(例如，较大的像素大小)。

高压平面设置在第一像素化电极和第二像素化电极之间。第一平面、第二平面和高压平面基本上彼此平行。

附图说明

附图图示说明实施方案的设计和效用，在附图中，类似的元件用共同的标号指代。这些附图不一定按比例绘制。为了更好地领会如何获得以上记载的以及其他的优点和目的，将呈现实施方案的更具体的描述，这些实施方案将在附图中被图示说明。这些附图仅描绘典型的实施方案，因此不要被认为是其范围的限制。

图1图示说明笔形射束扫描(PBS)系统的框图。

图2图示说明被配置用于质量保证的PBS系统的框图。

图3图示说明多分辨率像素化检测器的截面图。

图4图示说明多分辨率像素化检测器的一部分的透视图。

图5图示说明由多个子阵列构成的高分辨率像素化读出电极平面的平面图。

图6图示说明低分辨率像素化读出电极平面的平面图。

图7图示说明投射到低分辨率像素化电极上的带电粒子笔形射束的示例性横向强度分布或“斑点”。

图8图示说明投射到高分辨率像素化电极上的带电粒子笔形射束的示例性斑点。

图9图示说明由高分辨率像素化电极的读出导致的电子数据阵列的表示。

图10图示说明将高分辨率电极数据阵列映射到高分辨率像素化电极的物理像素上的处理。

图11图示说明在图10中描述的叠加数据阵列。

图12图示说明重构的射束轮廓(beam profile)如何被安置在整个高分辨率读出平面上。

图13是图示说明收集质量保证数据并且控制带电粒子笔形射束系统的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及粒子射束治疗的应用中的系统和方法。具体地，方法包括位置感测电极的新颖制造。系统包括粒子射束的环境控制、互锁、接口和准确监控以及以良好的空间分辨率和良好的时间分辨率测量射束轮廓的手段。前面的讨论展示了质子治疗系统；然而，本发明不超出用于治疗目的的其他射束的范围，诸如，高能光子、正离子、中子或者其他强子或轻子。

本公开一般地描述了一种检测器系统，在该检测器系统中，读出电极沿着射束的传播方向紧密邻近，以使得两个读出电极对相同的横向强度分布大致同样地做出响应。本领域技术人员将意识到应用本文中描述的原理的替代配置和实施方案。例如，读出电极可以在它们自己的检测器系统中物理分离。可以对这样的替代配置执行附加处理以解决由于射束发散而导致的射束的轨迹角(一个或多个)和/或射束的放大。

笔形射束的位置和/或横向强度分布的改进分辨率可以通过高分辨率离子化腔室电极和低分辨率离子化腔室电极的组合来实现。高分辨率电极包括多个子阵列，每个子阵列包括具有导致第一分辨率的第一大小的像素。子阵列彼此并联电连接，以使得每个子阵列中的所有的第一像素都连接，每个子阵列中的所有的第二像素都连接，对于所有的子阵列像素，依此类推。高分辨率电极的输出信号包括表示所有子阵列的逐像素求和的电输出的数据。

低分辨率电极包括多个具有第二大小的像素。第二大小大于第一大小，以使得第一分辨率大于第二分辨率。低分辨率电极的输出信号包括表示笔形射束斑点的物理位置的数据。

控制系统接收高分辨率电极和低分辨率电极的输出信号。控制系统可以使用来自低分辨率电极的数据来确定笔形射束斑点的强度形心的大致位置。控制系统然后可以确定高分辨率电极中的与低分辨率电极测量的大致物理位置对应的特定子阵列(一个或多个)。控制系统然后可以重新映射来自高分辨率电极的数据以在物理空间中以高分辨率电极的全分辨率重构笔形射束斑点的强度分布。使用高分辨率物理位置数据，控制系统可以产生用于粒子射束性质的质量保证的数据和/或修改带电粒子射束的位置和/或强度的控制信号。

该系统的优点是，可以以高分辨率、在使用不太复杂的且不太昂贵的组件时确定带电粒子笔形射束的物理位置和/或横向强度分布。该优点对于使用与条形元件完全不同的像素化感测元件的检测器尤其明显。像素化元件是有益的，因为它们提供射束强度分布的真实的二维采样，而不是一维投影。这可以揭示强度分布中的通过条形采样不可检测的特征。然而，像素化元件与条形元件相比需要额外的读出电子器件来获得相同的空间分辨率，所以像素化元件一般比条形元件更复杂而且更昂贵。

通过将高分辨率电极的每个子阵列中的等效像素彼此并联连接，需要的电路和读出电子器件少于每个像素被个别地量测以供读出时。例如，为了确定射束在2mm的分辨率上在25cm×25cm的典型的射束扫描区域上的物理位置，将需要具有15,625个像素(在“x”方向上125个像素，在“y”方向上125个像素)和相同数量的电子读出通道的像素化检测器。由于灵敏读出电路的数量以及以用于粒子治疗系统的典型的操作频率(例如，100Hz至5kHz)(从大量像素和传感器)读取大量数据所需的高容量数据链路，这样的检测器的制造将更昂贵。

相反，本文中所描述的高分辨率像素化检测器可以以大幅降低的成本制造。如果上述具有15,625个像素的高分辨率像素化电极被配置成16个子阵列，子阵列由彼此并联电连接的像素组成，则相当于像素的数量的1/16(即，大约1,000个像素)。如果相关联的低分辨率电极在相同的射束扫描区域上也具有大约1,000个像素，则与具有等效的空间分辨率的现有技术系统相比，读出通道的数量的总体减少是减少到八分之一。由于读出通道的数量的减少，到控制系统的数据链路上的数据负荷对应地减小。

在下文中结合附图来描述一个或多个实施方案或实现，在附图中，相似的标号始终用于指代相似的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。

图1图示说明笔形射束扫描(PBS)系统10的框图。系统10包括笔形射束发生器110、磁场发生器130、检测器系统140以及控制系统170。笔形射束发生器110产生带电粒子笔形射束100，其在基本上平行于参考轴105的方向上从笔形射束发生器110行进到磁场发生器130。带电粒子笔形射束100可以是质子射束或另一带电粒子(诸如氦或碳的离子)的射束。带电粒子笔形射束100具有能量(通常以兆电子伏或MeV为单位测量)以及横向于其行进方向的强度分布。在一些实施方案中，笔形射束100具有30和250MeV之间的能量，这对于人体患者里的肿瘤和其他病况的治疗处置可以是有用的。对于给定时间间隔，带电粒子笔形射束100的能量可以是大体上恒定的。然而，能量可以在时间间隔之间变化。

带电粒子笔形射束100由磁场发生器130产生的一个或多个磁场引导。磁场发生器130可以引导和/或偏转带电粒子笔形射束100以形成以相对于参考轴105的角度朝向患者160里的目标体积165行进的偏转的带电粒子笔形射束100’。在一些实施方案中，偏转的带电粒子笔形射束100’和参考轴105之间的角度是小的，例如小于或等于10度。目标体积165可以对应于患者160里的肿瘤的作为处置目标的一部分。在一些实施方案中，磁场发生器130包括第一电磁体和第二电磁体，第一电磁体用于在平行于第一轴106的第一方向上引导带电粒子笔形射束100，第一轴106正交于参考轴105(例如，水平或“x”方向)，第二电磁体用于在平行于第二轴107的第二方向上引导带电粒子笔形射束100，第二轴107正交于参考轴105和第一方向两者(例如，垂直或“y”轴)。如上所述，第一磁体和第二磁体可以一起工作或者分开工作来将带电粒子笔形射束100引导到患者160里的模型目标位置165。另外或者在替代方案中，磁场发生器130可以包括具有极片的多极磁体，这些极片被布置成以带电粒子笔形射束100的未偏转轴为中心的对称图案。如以上所讨论的，这样的多极磁体或电磁体可以在第一方向和/或第二方向上将带电粒子笔形射束100引向模型目标位置165。磁场发生器130的其他变体和布置对于本领域技术人员将是清楚的。

检测器系统140被配置来在患者处置期间跟踪偏转的带电粒子笔形射束100’。检测器系统140可以是一个或多个离子化检测器，诸如条形离子化检测器或像素化离子化检测器。在一些实施方案中，检测器系统140是如下所述的集成多分辨率像素化检测器。在一些实施方案中，检测器系统140包括具有第一分辨率(例如，第一像素大小)的第一像素化检测器和具有第二分辨率(例如，第二像素大小)的第二像素化检测器。在一些实施方案中，检测器系统140对于偏转的带电粒子笔形射束100’中的带电粒子具有可忽略的能量损失和横向散射偏转。

控制系统170与笔形射束发生器110、磁场发生器130和检测器系统140进行通信。控制系统170接收表示来自笔形射束发生器110、磁场发生器130和检测器系统140的输出数据的信号，并且如本领域中已知的那样将反馈控制信号提供给笔形射束发生器110和磁场发生器130。控制信号可以调整PBS系统10的一个或多个参数，包括带电粒子笔形射束100的强度和/或偏转的带电粒子笔形射束100’的偏转角。

图2是被配置用于质量保证测量的PBS系统20的框图。PBS系统20包括笔形射束发生器210、磁场发生器230、检测器系统230、控制系统270以及诊断检测器系统280和检测器控制系统285。诊断检测器系统280位于等中心平面处或附近，患者将被放置在等中心平面以供处置(例如，上述患者160)。诊断检测器系统280包括具有第一分辨率(例如，像素大小)的第一像素化检测器和具有第二分辨率(例如，像素大小)的第二像素化检测器。第一分辨率不同于第二分辨率。在一些实施方案中，第一分辨率低于第二分辨率(例如，较大的像素大小)。在一些实施方案中，第一分辨率高于第二分辨率(例如，较小的像素大小)。在一些实施方案中，诊断检测器系统280包括测量射束的动能和/或总射束电流的射束阑(beamstop)。诊断检测器系统280可以收集数据以读出偏转射束200’的对于准确患者处置重要的参数。这样的射束参数可以包括横向强度分布的形心位置、射束轨迹角、射束的横向强度分布的形状、射束分布的包络的发散角、总射束电流以及射束动能。这样的参数可以被用于质量保证(例如，在系统设置和/或鉴定期间)。在一些实施方案中，这些参数从诊断系统280发送到控制系统270以修改和/或校准笔形射束发生器210和/或磁场发生器230。

如图3所示，诊断检测器系统280中的第一像素化检测器和第二像素化检测器可以被集成到多分辨率像素化检测器325中。多分辨率像素化检测器325包括第一像素化电极340、第一气隙342、高压平面350、第二气隙346以及第二像素化电极360，这些被设置在壳体370中。射束进入窗口设置在第一像素化电极340的近侧。壳体370和射束进入窗口380可以提供清洁的干燥的气体环境。可选的气隙385设置在射束进入窗口380和第一电极340之间。如所示，偏转的带电粒子射束300’穿过多分辨率像素化检测器325的大致正交于由每个像素化电极340、360限定的分别的平面的层。第一像素化电极340和第二像素化电极360分别具有第一分辨率和第二分辨率。第一分辨率可以大于第二分辨率(例如，较小的像素大小)，或者反过来。

图4图示说明没有检测器壳体370或射束入口380的多分辨率像素化检测器325的透视图。像素化电极340、360和高压平面350被布置为平行的平面，气隙被限定在这些平面之间。像素化电极340、360和高压平面350之间的距离可以被以高精度控制以提供准确的读出。像素化电极340、360上的分别的像素图案345、365被布置为面对高压平面350。如虚线所示的像素化电极340上的像素图案345因此在图4中所示的视图中在该平面的下侧。如所示，第一像素化电极340具有低于第二像素化电极360的分辨率。指出，如以上所讨论的，第一像素化电极340可以具有高于第二像素化电极360的分辨率。

以上所指出的相对小的射束轨迹角以及第一气隙342的中心和第二气隙346的中心之间的很小的距离意味着，偏转的带电粒子笔形射束300’的非零轨迹角的影响是可忽略的。换句话说，偏转的带电粒子笔形射束300’到电极340和360上的投影(包括横向射束强度分布的投影)可以被认为是相同的。气隙的中心之间的距离可以在5mm和25mm之间。

像素化离子化检测器腔室也在美国专利申请公开No.2014/0265823中被描述，该申请被转让给记录的相同的受让人，特此通过引用并入本文。指出，如本领域中已知的，每个像素化电极340、360可以在与它自己的离子化腔室(气隙和高压平面)分离的壳体中，而不是图3和图4中所示的集成配置。在这种情况下，轨迹角的影响可能是不可忽略的，取决于间隔。如果轨迹角是已知的，例如，从磁场发生器的设置知道，则可以应用数学校正来补偿在x轴和/或y轴上在投影到第一像素化电极和第二像素化电极上的横向射束强度形心之间造成的偏移。

第一像素化电极340具有像素尺寸较大(例如，分辨率较低)的像素的阵列。例如，第一像素化电极340可以具有大约5mm和大约10mm之间的像素中心间隔。来自第一分辨率像素化电极340的输出信号可以被用于使用本领域技术人员已知的计算来确定带电粒子笔形射束100’的横向射束强度分布的形心。在一些实施方案中，第一像素化电极340具有与分辨率较高的像素化检测器360的每个子阵列相同数量的像素。

如下所述，像素尺寸较小(例如，分辨率较高)的第二像素化电极360包括被划分为多个子阵列的像素的阵列，子阵列由在分别的像素位置处并联电连接的像素形成。每个这样的并联连接被连接到电子读出通道。像素由在基本上垂直于带电粒子笔形射束(例如，带电粒子笔形射束100)的平面(例如，x-y平面)中按矩形图案设置的电极元件限定。这些元件可以在x和y方向上按规律的或不规律的间隔分隔开以限定像素。在一些实施方案中，像素的中心相隔大约1.0mm-5.0mm。在一些实施方案中，电极元件之间的绝缘间隙被制成大约0.02mm至0.10mm宽。像素元件收集当偏转的带电粒子笔形射束100’通过电场在相邻的间隙(例如，第二间隙346)中创建离子-电子对时形成的电流，如在本技术领域中所知的那样。如下所述，第二像素化电极360被配置来产生第二输出信号数据阵列，其表示每个子阵列的逐像素组合的电输出。

图5图示说明高分辨率像素化电极560的平面图。高分辨率像素化电极560包括大小和位置准确知道的多个像素500。像素500可以具有相同的或基本上相同的尺寸。例如，像素500在平行于第一轴506(例如，x轴)的第一方向上约为2mm，在平行于第二轴507(例如，y轴)的第二方向上约为2mm，第二方向正交于第一方向。像素元件由检测器元件530限定。本领域技术人员将认识到，可以使用其他分辨率用于高分辨率像素化检测器560，诸如大约1mm、大约1.5mm、大约2.5mm、大约3mm等。

高分辨率像素化电极560被划分为子阵列560A、560B、…、560N(一般地，子阵列560n)。如所示，子阵列560n在第一方向506和第二方向507上大小相等。在一些实施方案中，子阵列560n具有不同的大小。子阵列560n可以大于或等于射束斑点的大小。例如，子阵列560n可以大于或等于射束斑点的这样的区域，所述区域表示总射束强度的大约95％至大于99％之间。

子阵列560n的分别的像素500彼此并联电连接。照此，子阵列560A中的给定列和行(i,j)处的像素500A分别在子阵列560B、500N中的等同位置(i,j)处电连接到像素500B、500N，并且一般地，在子阵列560n中的等同位置(i,j)处电连接到像素500n。像素500n可以使用印刷电路板上的内部迹线或类似配置电连接。可替代地，像素500n可以使用外部布线电连接。当来自射束斑点的电流从(i,j)处与像素500n(其包括并联连接的像素500A、500B、…、500N)的连接被检测到时，该电流来源于哪个子阵列560n是未知的。换句话说，在没有更多信息的情况下，不能从电读出确定整个电极560区域上的哪个像素560n检测到电流。

图6图示说明低分辨率像素化电极640的平面图。低分辨率像素化电极640包括多个像素600A、600B、…、600N(一般被称为像素600n)。像素600n可以具有准确知道的大小和位置。例如，像素600n可以在平行于第一轴606(例如，x轴)的第一方向上约为8mm，在平行于第二轴607(例如，y轴)的第二方向上约为8mm，第二方向正交于第一方向。本领域技术人员将认识到，可以使用其他分辨率用于低分辨率像素化电极340，诸如大约7mm、大约7.5mm、大约7.8mm、大约8mm等。在一些实施方案中，低分辨率像素化电极640具有与高分辨率电极的每个子阵列(例如，子阵列560n)相同数量的像素600n。

当电流从给定像素600n被检测到时，电极640的电读出可以被用来确定哪个像素600n没有歧义地检测到电流。带电粒子笔形射束的横向射束强度分布的临时形心可以使用本领域技术人员已知的计算从所有像素600n中的信号获得。

回头参照图2，检测器控制系统285接收作为输入的、来自检测器系统280的第一像素化电极(例如，第一像素化电极340)的第一输出信号以创建第一数据阵列，并且接收作为输入的、来自检测器系统280的第二像素化电极(例如，第二像素化电极360)的第二输出信号以创建第二数据阵列。因为第二输出信号表示每个子阵列(例如，子阵列360n)中的每个像素位置的组合的电输出，所以如上所述，存在关于检测到电流的像素的物理位置(因此，带电粒子笔形射束100’的物理位置)的不确定。这表现为两个效应。第一个效应是，射束强度分布形心位于N个子阵列中的哪个中是未知的。第二个效应是，如果射束强度分布在多于一个的子阵列上延伸，则由于并联连接的像素(例如，像素500n)，该分布在第一输出信号中将表现为“环绕(wrap around)”。检测器控制系统285可以通过使用来自分辨率较低的像素化电极的第一数据阵列来解决该不确定并且使得射束强度轮廓在分辨率较高的电极提供的分辨率上可以完美地重构。一般地，横向射束强度分布不应超过子阵列的尺寸。

图7示出投影到分辨率较低的电极740上的第一射束斑点710和第二射束斑点720(即，横向强度分布)。第一射束斑点710和第二射束斑点720表示来自不同时间段的射束的斑点。尽管未示出，指出，射束斑点可以具有不均匀的横向强度分布，并且它们可以具有可变的和/或不规则的形状。低分辨率电极信号被计算以使用本领域中已知的方法来分别给出物理空间中的形心位置715和725。由于像素大小相对较大，因此连续的射束强度分布的采样很粗略，计算的形心位置715、725可能不是完美的，但是足以将射束形心位置715、725分配给如上所述的高分辨率电极子阵列中的一个。在形心位置715、725正好落在两个或四个电极之间的划分线上的不太可能的情况下，子阵列的选择可以是任意的，而不失准确性。例如，在这样的情况下可以选择较低编号的子阵列。

如果偏转的带电粒子笔形射束具有很大的射束轨迹角，换句话说，射束不正交于电极340和360的平面，使得形心在低分辨率电极和高分辨率电极之间的物理空间中明显移位，那么如上所述，如果气隙342和346的中心之间的角度和间隔通过其他手段知道，则这可以通过简单的计算来补偿。如果这是不可能的，则所描述的方法仍将给出正确的结果，但是可以重构的射束强度分布的最大范围缩小。

图8图示说明射束斑点810、820，它们是叠加到高分辨率电极860的几何结构上的射束斑点710、720。形心位置815、825是从低分辨率电极740的输出确定、然后叠加到高分辨率电极860的几何结构上的形心位置715和725。分别的形心位置815、825均位于子阵列360n中，具体地说，对于图8中所示的情况，位于子阵列860A和860N中。

如果射束斑点大小整个被包含在一子阵列的范围中，诸如子阵列860N中的斑点820那样，则不需要重构射束强度轮廓。例如，如果近似的形心825位于子阵列860N的中心的一个像素内，则斑点820可以位于子阵列860N内。射束斑点(以及射束强度轮廓)的物理位置被没有歧义地知道，因为子阵列860N中的每个像素的绝对物理位置是已知的。可以通过将值零(或其他标称值)分配给不在子阵列860N中的所有的其他像素800来配置整个高分辨率数据阵列。可替代地，可以通过使用来自低分辨率像素化检测器的输出的信息来设置不在子阵列860N中的像素800的值。例如，可以使来自位置(x,y)处的不在子阵列860F中的像素的电流密度等于从具有最接近(x,y)的位置(x’,y’)的低分辨率阵列像素测量的电流密度。

现在可以从高分辨率电极的输出计算更准确的形心，并且可以进行射束强度分布的宽度和形状的更精确的计算。

如果射束强度分布位于两个、三个或四个邻接的子阵列上，则必须重新映射构成高分辨率电极信号的个别的电流信号以获得它们在物理空间中的正确的相对位置。例如，射束斑点810位于三个邻接的子阵列860A、860B和860D上。

图9图示说明射束强度分布由于高分辨率电极860的子阵列860n中的对应像素800的并联连接而如何表现为“环绕”高分辨率电极数据阵列965。如图9所示，第一射束斑点部分910A对应于射束斑点810的位于子阵列860A中的部分。第二射束斑点部分910B对应于射束斑点810的位于子阵列860B中的部分。第三射束斑点部分910C对应于射束斑点810的位于子阵列860C中的部分。

图10图示说明将高分辨率电极数据阵列965映射到高分辨率像素化电极1060的物理像素上的处理。在分析上，电子数据阵列1025以形心位置1015为中心，形心位置1015如上所述使用低分辨率电极的输出而被计算。电子数据阵列1025具有与子阵列1060n的尺寸相同的尺寸。高分辨率电极数据阵列965通过使分别的形心位置915、1015对齐而被叠加到电子数据阵列1025上。

图11图示说明图10中描述的叠加的数据阵列。如上所述，高分辨率电极数据阵列965通过使分别的形心位置915、1015(形心位置1015在图11中未示出)在高分辨率电极1060的表示上对齐而被叠加到电子数据阵列1025上。在对齐的位置上，高分辨率电极数据阵列965的子部分920、930落在电子数据阵列1025的边界的外部。子部分920、930中的射束斑点部分910B、910C分别是以上描述的“环绕”射束强度分布。通过重新映射或偏移射束斑点部分910B、910C，可以在高分辨率电极1160的高分辨率上重构射束斑点。指出，为了清晰起见，在图11中未示出像素网格线。

图12图示说明重新映射的电子数据阵列1200可以如何与高分辨率电极1260的像素相关联、以使得绝对物理位置被分配给每个数据阵列元素以生成重构的高分辨率数据阵列。现在可以从重构的高分辨率数据阵列计算更准确的形心1215，并且可以进行射束强度分布的宽度和形状的更精确的计算。不包括在重新映射的数据阵列1200中的重构的高分辨率数据阵列中的元素可以被分配值零。可替代地，可以通过使用来自低分辨率数据阵列的信息来设置不在重新映射的电子数据阵列1200中的像素的值。例如，可以使来自位置(x,y)的不在重新映射的数据阵列1100中的像素的电流密度等于从具有最接近(x,y)的位置(x’,y’)的低分辨率阵列像素测量的电流密度。

从检测器系统180和读出系统185测量的值可以用于粒子射束治疗系统的质量保证。

将清楚的是，所述技术也可以被应用于图1中所示的检测器(一个或多个)140和控制系统170。控制系统170可以使用从表示由偏转的带电粒子笔形射束100’创建的信号的形心、宽度、形状和总电流的高分辨率数据计算的值来更准确地控制偏转的带电粒子笔形射束100’。如图1所示，在控制系统170、带电粒子笔形射束发生器110和磁场发生器130之间提供反馈控制回路以控制带电粒子笔形射束的能量、剂量(强度和/或剂量时间)和/或偏转角。在一些实施方案中，控制系统170与射束控制单元进行通信。射束控制单元可以从控制系统170接收表示斑点的实际位置/地点、形状和电荷密度的信号。如以上所讨论的，射束控制单元可以产生对带电粒子笔形射束发生器110和/或磁场发生器130的反馈控制。

图13是图示说明测量带电粒子笔形射束系统的性能并且控制带电粒子笔形射束系统的示例性方法的流程图1300。在1310中，如上所述，从低分辨率像素化电极和高分辨率像素化电极接收信号。在1320中，用来自低分辨率电极的电输出数据确定带电粒子射束的近似形心横向强度分布。该形心被用于从从高分辨率电极接收的电输出数据去除不确定性。在1330中，装配射束强度轮廓的整个高分辨率数据阵列表示，其表示高分辨率像素化电极的整个区域，等同于将从具有每个像素的个别的读出的高分辨率电极接收的内容。在1340中，使用该分辨率数据来计算相关的射束参数，诸如位置和横向强度分布。在1350中，使用该信息作为用于粒子治疗设备的有效操作的质量保证信息。在1360中，使用该信息进行反馈控制以提高粒子射束的位置、强度分布和整合强度的精度。

虽然已经提及了像素化电极，但是指出，可以使用替代的检测器来代替像素化电极。例如，可以使用如本领域中已知的水平条形电极和垂直条形电极来代替高分辨率像素化检测器和/或低分辨率像素化检测器。条形检测器可以具有与分别的高分辨率或低分辨率像素化检测器的分辨率相同的分辨率。

本发明不应被认为限于上述特定实施方案，而是相反，应被理解为涵盖如在本权利要求书中公正地陈述的本发明的所有方面。可以应用本发明的各种修改、等同处理以及许多结构对于本发明涉及的领域的技术人员而言在审阅本公开后将是容易明白的。权利要求书意图涵盖这样的修改。

Claims (24)

1.一种用于检测带电粒子笔形射束的特性的系统，所述系统包括：

多分辨率检测器，所述多分辨率检测器被设置为邻近等中心平面，所述多分辨率检测器包括：

第一像素化电极，所述第一像素化电极包括第一像素的多个子阵列，其中每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接，以使得所述第一像素化电极动态地产生第一输出，所述第一输出表示来自所述子阵列的所述分别的第一像素的组合的电输出，所述第一像素检测由带电粒子笔形射束创建的电流；

第二像素化电极，所述第二像素化电极包括多个第二像素，所述第二像素化电极被配置来动态地产生第二输出，所述第二输出表示所述带电粒子笔形射束在基本上平行于所述等中心平面的平面中的物理位置，所述第二像素化电极具有小于所述第一像素化电极的第一分辨率的第二分辨率；以及

高压平面，所述高压平面被设置在所述第一像素化电极和所述第二像素化电极之间，

诊断控制系统，所述诊断控制系统包括存储器和处理器，所述诊断控制系统被配置来：接收作为输入的所述第一输出和所述第二输出，并且基于所述第一输出和所述第二输出来确定带电粒子射束的实际位置和实际横向强度分布，所述实际位置和所述实际横向强度分布具有所述第一分辨率。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述诊断控制系统被配置来将所述实际位置和所述实际横向强度分布发送到射束控制系统。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述射束控制系统基于所述实际位置和所述实际横向强度分布中的至少一个来更新校准参数。

4.如权利要求1所述的系统，其中在所述第一像素化电极和所述第二像素化电极之间限定第一气隙。

5.如权利要求4所述的系统，其中在所述高压平面和所述第二像素化电极之间限定第二气隙。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一像素具有第一大小，所述第二像素具有第二大小，所述第一大小小于所述第二大小。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述第一像素化电极设置在第一平面中，所述第二像素化电极设置在第二平面中，以使得所述第一平面、所述第二平面和所述高压平面基本上平行于所述等中心平面。

8.一种用于检测带电粒子笔形射束的特性的系统，所述系统包括：

多分辨率检测器系统，所述多分辨率检测器系统被设置为邻近等中心平面，所述多分辨率检测器包括：

第一像素化检测器，所述第一像素化检测器包括第一像素化电极，所述第一像素化电极具有第一像素的多个子阵列，其中每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接，以使得所述第一像素化检测器动态地产生第一输出，所述第一输出表示来自所述子阵列的所述分别的第一像素的组合的电输出，所述第一像素检测由带电粒子笔形射束创建的电流；以及

第二像素化检测器，所述第二像素化检测器包括第二像素化电极，所述第二像素化电极具有多个第二像素，所述第二像素化检测器被配置来动态地产生第二输出，所述第二输出表示所述带电粒子笔形射束在基本上平行于所述等中心平面的平面中的物理位置，所述第二像素化电极具有小于所述第一像素化电极的第一分辨率的第二分辨率；

诊断控制系统，所述诊断控制系统包括处理器，所述控制系统被配置来：接收作为输入的所述第一输出和所述第二输出，并且基于所述第一输出和所述第二输出来确定带电粒子射束的实际位置和实际横向强度分布，所述实际位置和所述实际横向强度分布具有所述第一分辨率。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述诊断控制系统被配置来将所述实际位置和所述实际横向强度分布发送到射束控制系统。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述射束控制系统基于所述实际位置和所述实际横向强度分布中的至少一个来更新校准参数。

11.如权利要求8所述的系统，其中在所述第一像素化电极和相关联的高压平面之间限定第一气隙。

12.如权利要求11所述的系统，其中在所述相关联的高压平面和所述第二像素化电极之间限定第二气隙。

13.如权利要求8所述的系统，其中所述第一像素具有第一大小，所述第二像素具有第二大小，所述第一大小小于所述第二大小。

14.如权利要求11所述的系统，其中所述第一像素化电极设置在第一平面中，所述第二像素化电极设置在第二平面中，以使得所述第一平面、所述第二平面和所述相关联的高压平面基本上平行于所述等中心平面。

15.一种表征带电粒子笔形射束的方法，所述方法包括：

用第一像素化电极接收带电粒子笔形射束产生的组合的电输出，所述第一像素化电极包括具有第一分辨率的第一像素的多个子阵列，其中每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接；

用来自第二像素化电极的电输出数据来确定带电粒子笔形射束的物理位置，所述第二像素化电极包括多个具有第二分辨率的第二像素，所述第二分辨率低于所述第一分辨率；以及

使用所述组合的电输出和所述物理位置来计算带电粒子笔形射束的实际物理位置和实际横向强度分布，所述实际物理位置和所述实际横向强度分布具有所述第一分辨率。

16.如权利要求15所述的方法，还包括邻近等中心平面设置多分辨率检测器，所述多分辨率检测器包括所述第一像素化电极和所述第二像素化电极。

17.如权利要求15所述的方法，还包括邻近等中心平面设置第一像素化检测器和第二像素化检测器，所述第一像素化检测器包括所述第一像素化电极，所述第二像素化检测器包括所述第二像素化电极。

18.如权利要求15所述的方法，还包括基于所述实际物理位置和所述实际横向强度分布中的至少一个来更新射束控制系统中的校准参数。

19.如权利要求15所述的方法，还包括在等中心平面和磁场发生器之间设置多分辨率检测器，所述多分辨率检测器包括所述第一像素化电极和所述第二像素化电极。

20.如权利要求19所述的方法，还包括将控制信号发送到带电粒子射束发生器，所述控制信号基于带电粒子笔形射束的所述实际物理位置和所述实际横向强度分布中的至少一个。

21.如权利要求19所述的方法，还包括基于所述实际位置将控制信号发送到磁场发生器，所述控制信号基于带电粒子笔形射束的所述实际物理位置和所述实际横向强度分布中的至少一个。

22.如权利要求19所述的方法，其中所述第一像素具有第一大小，所述第二像素具有第二大小，所述第一大小小于所述第二大小。

23.一种集成多分辨率检测器，所述集成多分辨率检测器包括：

设置在第一平面中的第一像素化电极，所述第一像素化电极包括第一像素的多个子阵列，其中每个子阵列中的每个相对位置处的每个分别的第一像素彼此并联电连接，以使得所述第一像素化电极动态地产生第一输出，所述第一输出表示来自所述子阵列的所述分别的第一像素的组合的电输出，所述第一像素检测由带电粒子笔形射束创建的电流；

设置在第二平面中的第二像素化电极，所述第二像素化电极包括多个第二像素，所述第二像素化电极被配置来动态地产生第二输出，所述第二输出表示带电粒子笔形射束在所述第二平面中的物理位置，所述第二像素化电极具有小于所述第一像素化电极的第一分辨率的第二分辨率；以及

高压平面，所述高压平面被设置在所述第一像素化电极和所述第二像素化电极之间，其中所述第一平面、所述第二平面和所述高压平面基本上彼此平行。

24.如权利要求23所述的检测器，其中所述第一像素具有第一大小，所述第二像素具有第二大小，所述第一大小小于所述第二大小。