CN107648747A - 具有螺线管磁体的粒子束流治疗系统 - Google Patents

具有螺线管磁体的粒子束流治疗系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有用于产生带电粒子束流的束流产生单元且具有束流引导系统的粒子束流治疗系统及利用粒子束流治疗系统执行的方法，其中带电粒子尤其是离子，并且优选为质子。提出了一种通用的束流引导系统，其如此解决了占据较少空间但能够提供相当的甚至改善的束流性质的问题：沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统在束流产生单元的后面具有作为束流整形单元的至少一个螺线管磁体，并且束流引导系统的至少一个螺线管磁体是超导螺线管磁体。

Description

具有螺线管磁体的粒子束流治疗系统
技术领域
根据第一方面，本发明涉及一种具有用于产生带电粒子束流的束流产生单元且具有束流引导系统的粒子束流治疗系统，带电粒子尤其是离子，并且优选为质子。根据第二方面，本发明还涉及一种有利的方法。
背景技术
在现有技术状态下，上述粒子束流治疗系统用于利用带电粒子(例如质子形式的离子)的放射疗法。与迄今为止的常规放射疗法相比，利用离子，尤其是质子的放射疗法对于患有某些癌症的病人具有相当大的优点。用质子进行照射是尤为有利的，因为质子仅在其路径(该路径穿过所照射的组织)的末端处，以所谓的布拉格峰达到其最大电离强度，从而相对于例如肿瘤细胞达到其相应的破坏力。以这种方式，可以减小对在束流的路径中位于所治疗的组织的上游的健康组织的损伤。另外，几乎完全避免了对位于束流的下游的健康组织的损伤。
然而，利用粒子束流(例如采用光栅扫描治疗过程)对肿瘤进行成功的治疗需要粒子束流具有精确的束流性质，尤其是束流位置或束流动量的性质，以使得在治疗位置(被称为“等中心点”)处，精确地、无治疗误差地对组织进行治疗，从而尽可能不发生对健康组织(例如，相邻器官)的不期望的照射。
然而，现有技术的粒子束流治疗系统，也就是说，系统整体及具体的束流引导系统，均占据相对大的空间。另外，束流性质及粒子束流u向其可到达的治疗位置的传输需要改进。
例如，从WO2009/106603A1中已知一种粒子束流治疗系统，粒子束流从中产生并且经由束流引导系统被供给至若干个治疗室中的一个。已为了降低操作成本而提出：设置根据特定束流性质而定制的不同的束流引导系统。通过针对多个治疗位置使用单个束流产生单元，可以确实地节约空间。但是，这仅在提供了若干个治疗位置并且存在大量可用空间的情况下适用。另外，束流引导系统和用在束流引导系统中的开关需要相对大的空间。
从EP2 268 359B1中还已知一种粒子束流治疗系统，其中已为了保证精确的束流引导而提出：通过束流位置监视器在治疗期间监视粒子束流的晕圈区中的束流性质。虽然这允许对束流性质进行更好的检查，但束流性质仍然被装置技术所限制，这意味着仍然存在改善束流性质的需要。该系统同样需要相对大的空间。
发明内容
针对上述背景技术，本发明的目的是提供一种通用的束流引导系统，该束流引导系统虽占据较小的空间但是提供相当的甚至改善的束流性质。本发明所解决的另一个问题是提出一种有利的粒子束流治疗系统和一种有利的方法。
根据第一方面，在该通用的粒子束流治疗系统中如此地解决上述问题：沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统在束流产生单元的后面具有作为束流整形单元的至少一个螺线管磁体，并且束流引导系统的至少一个螺线管磁体是超导螺线管磁体。
已经表明，通过在束流引导系统中设置作为束流整形单元的至少一个或多个螺线管磁体且其中所述一个螺线管磁体或所述多个螺线管磁体是超导的，首先可以获得改善的束流性质，这例如提高了一直到治疗位置的传输；其次可以实现对粒子束流治疗系统所需的空间的减小。具体地，通过至少一个螺线管磁体，可以最佳地准备带电粒子束流的相空间以继续。所述至少一个螺线管磁体如同会聚透镜那样工作，并且减少了带电粒子束流的分散。还已经表明，带电粒子束流就旋转对称性而言也具有良好的束流性质。有利的束流性质与减小的空间的组合在本申请之前的现有技术的状态下未曾实现。已经表明，例如可以将粒子束流治疗系统的一直测量到治疗位置为止的长度减小到小于16m，尤其是小于14m。
束流引导系统尤其用于将具有特定性质的带电粒子束流传输到治疗位置。这意味着束流引导系统尤其可以用于对带电粒子束流进行整形以及偏转。类似地，如果例如在束流引导系统中设置束流监视器，则束流引导系统可用于检查带电粒子束流的性质。类似地，如果提供有允许在其中设置(例如混凝土壁形式的)屏蔽件(screen)的漂移距离(driftdistance)，则束流引导系统能够提供或允许(相对于束流产生单元的)对治疗位置进行屏蔽(screening)。
束流产生单元例如是加速器，如产生具有恒定能量的带电粒子的束流的加速器，且例如为回旋加速器。然而，同样可以设想的是，束流产生单元可以是产生具有能可变地调节的能量的带电粒子的束流的加速器，例如是同步加速器。优选地，采用发射具有大于200MeV的(平均)动能的带电粒子的束流产生单元，所述动能例如在200MeV与300MeV之间，尤其在210MeV与250MeV之间。优选地，采用直径小于4m的束流产生单元，以减小粒子束流治疗系统所需的空间。
粒子的束流优选为离子束流、尤其是质子束流。束流引导系统例如被设计成对具有60至210MeV的能量的带电粒子的束流进行有目标的引导。1MeV对应于大致1.6×10-13焦耳。这里，粒子能量尤其意味着粒子的平均动能或最大动能。
螺线管磁体尤其意味着用于产生磁场(尽量空间恒定)的圆筒形线圈。这里，带电粒子束流被引导通过螺线管磁体的内部。在此，磁场穿过螺线管磁体的内部，尤其是与带电粒子束流大致平行地穿过螺线管磁体的内部。例如，螺线管磁体的导体绕组(例如，导线绕组)位于圆筒形表面上，并且相对于圆筒直径而言是细的。
超导螺线管磁体尤其意味着：磁场至少部分地由在超导材料(也就是说，超导体)中流动的电流产生。超导体意味着这样的材料：一旦温度降到转变温度以下，该材料的电阻(突然)降到零。以这种方式，大的电流可穿过螺线管，从而允许强的磁场并且因此允许有效的束流整形。
这里可以使用的超导体的实例是NbTi或Nb3SN。
设置至少一个螺线管磁体作为束流整形单元的事实意味着：可通过至少一个螺线管磁体来影响带电粒子束流的性质。例如，可以减少带电粒子束流的分散。特别地，利用至少一个螺线管磁体，带电粒子束流不会被例如束流偏转单元所偏转，相反，带电粒子束流平均而言继续沿同一方向移动。
设置至少一个螺线管磁体的这一事实意味着还优选地可以设置多于一个的超导螺线管磁体。这里，多于一个的螺线管磁体可以被设计成彼此不同或彼此相同。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，束流引导系统的至少一个螺线管磁体直接设置在束流产生单元的后面。由于将至少一个螺线管磁体直接设置在束流产生单元的后面，因而可以相对早地影响束流性质并且可以实现将带电粒子束流聚焦在束流中的后续元件上。
将至少一个螺线管磁体直接设置在束流产生单元的后面这一事实尤其意味着：在束流产生单元与一个螺线管磁体之间没有设置其他束流整形单元和/或束流偏转单元。然而，可以设想的是，也可以将例如用于监视束流性质的束流监视器设置在束流产生单元与一个螺线管磁体之间。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，束流引导系统具有用于调节带电粒子束流的带电粒子的能量的能量校正单元。这里，沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统的至少一个螺线管磁体设置在束流产生单元与能量校正单元之间，和/或沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统的至少一个螺线管磁体设置在能量校正单元的后面。
由于设置有能量校正单元，因此能够对带电粒子束流中的带电粒子的能量进行灵活的调节。例如，可以使用束流产生单元(例如回旋加速器)来发射具有大致恒定的(平均)能量的带电粒子，而不会失去对带电粒子束流的带电粒子的能量进行灵活调节的能力。能量校正单元例如构造为减小带电粒子束流的带电粒子的能量。能量校正单元例如是降能器。结果，仅需要设置一个以足够的最大能量来发射粒子的束流产生单元。然后，通过能量校正单元，可以根据需要调节带电粒子束流的带电粒子的能量。
可例如通过减小带电粒子的(平均)动能来减小带电粒子束流的带电粒子的能量。由于设置有能量校正单元，因此例如能够将带电粒子减速至可选择的平均动能。
已经表明，本束流引导系统的设计可以是足够紧凑的，从而治疗位置例如可定位在与能量校正单元的末端相距小于10m，尤其是大致9m的位置处。
例如可以采用发射具有大于200MeV的动能的带电粒子的束流产生单元，所述动能例如在200MeV与300MeV之间，尤其在210MeV与250MeV之间。能量校正单元例如可以是能够将带电粒子的动能减小到例如低于200MeV和/或低于100MeV的能量校正单元。
如果沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统的至少一个螺线管磁体设置在束流产生单元与能量校正单元之间，则可以增强带电粒子束流的一直到治疗中心的传输。这是因为，由束流产生单元向(直接)设置在后面的能量校正单元发射的相空间的映射以下述方式进行：相空间的尽可能大的部分(在最佳情况下，全部相空间)容纳带电粒子。这有助于直到治疗位置的传输。换言之，带电粒子束流可有利地聚焦或映射到能量校正单元上。以这种方式，高比例的带电粒子可通过能量校正单元，并且有助于能量校正单元进行提高的传输。优选地，恰一个螺线管磁体设置在束流产生单元与能量校正单元之间。
尽管在束流产生单元与能量校正单元之间设置有一个螺线管磁体，但从束流产生单元到能量校正单元的末端的距离可以有利地小于2m。
如果沿带电粒子束流的方向看去束流引导系统的至少一个螺线管磁体设置在能量校正单元的后面，则可以抵消/逆转带电粒子束流在离开能量校正单元之后的分散，并且可以有利地将带电粒子束流聚焦或映射到设置在束流中的后续元件上。以这种方式，高比例的带电粒子可以通过束流引导系统以到达治疗中心，并且有助于能量校正单元进行提高的传输。优选地，在能量校正单元与所述一个螺线管磁体之间不设置其他束流整形单元、束流偏转单元和/或其它磁单元。然而，可以设想的是，例如将准直器设置在能量校正单元与所述一个螺线管磁体之间。优选地，沿带电粒子束流的方向看去，仅一个螺线管磁体设置在能量校正单元的后面。
尽管将束流引导系统的一个螺线管磁体设置在能量校正单元的后面，但从能量校正单元的末端到治疗位置之间的距离可优选为小于10m，尤其是大致9m。
能量校正单元优选地具有至少一个能够横向(正交)于带电粒子束流地移动的块状能量校正单元以及至少一个能够横向于带电粒子束流地移动的楔形能量校正元件。
块状能量校正元件例如包括用于带电粒子束流的进入侧部和离开侧部，进入侧部与离开侧部大致平行地延伸。块状能量校正元件例如可以是长方体。
楔形能量校正元件例如包括用于带电粒子束流的进入侧部和离开侧部，进入侧部与离开侧部倾斜地延伸，即彼此不平行。
特别地，通过至少一个块状能量校正元件和至少一个楔形能量校正元件的有利的组合，可以实现紧凑性以及对带电粒子束流的带电粒子的能量的精确减少。由于通过该能量校正单元而尤其实现的紧凑性(即，带电粒子束流的行程为短)，因此可以避免带电粒子束流的相空间的过度膨胀。块状能量校正元件例如提供了对带电粒子束流的带电粒子的能量的初步的粗调。带电粒子束流的带电粒子的能量例如可被调节成离散值。与初步调节相比，楔形能量校正元件例如提供了对带电粒子束流的带电粒子的能量的精细调节。带电粒子束流的带电粒子的能量例如可被连续地调节(例如，在一定范围内)。通过楔形能量校正元件横向于带电粒子束流地移动，例如，沿带电粒子束流的方向看去，楔形能量校正元件的宽度可在带电粒子束流的区域里变化。通过将块状能量校正元件设置在楔形能量校正元件的前面(沿带电粒子束流的方向看去)，由于仅需要在较小的区域里调节能量，因此可以将楔形能量校正元件设计得相对较短。
所述至少一个块状能量校正元件例如可沿横向于带电粒子束流的方向(例如，沿x方向)移动。所述至少一个楔形能量校正元件例如可沿横向于带电粒子束流的，与块状能量校正元件相同的方向和/或与该方向垂直的横向方向(例如，沿x方向和/或y方向)移动。
优选地，所述至少一个块状能量校正元件和所述至少一个楔形能量校正元件可大致垂直于带电粒子束流地移动。
优选地，能量校正单元具有多个能够横向于带电粒子束流地移动的块状能量校正单元，这允许对带电粒子束流的能量进行不同的调节。
多个(优选为不同的)块状能量校正元件允许在宽的能量范围内对带电粒子束流的带电粒子的能量进行灵活的调节。例如沿带电粒子束流的方向看去，块状能量校正元件可具有不同的宽度和/或包括不同的材料。
能量校正单元优选地具有若干个(尤其是两个)可横向于带电粒子束流地移动的横向楔形的能量校正元件。
能量校正单元例如构造成使得各楔形能量校正元件可同时地处于带电粒子束流中。例如，一个楔形能量校正元件可从第一方向进入带电粒子束流，并且另一楔形能量校正元件可从第二方向(例如与第一方向相反的方向)进入带电粒子束流。
以这种方式，可以拓宽可进行精细调节的范围。另外，以这种方式，可以避免能量在带电粒子束流的横截面中的非对称减小。为了这个目的，例如，将两个楔形能量校正元件以彼此镜面对称或点对称的方式设置。
优选地，能量校正单元至少部分地由碳化硼制成。与在现有技术中使用的材料不同，通过使用碳化硼(B4C)，可以提供更紧凑且可靠的能量校正单元。与以前使用的材料相比，碳化硼的高比例的硼(原子序数为5)以及碳化硼的高密度减小了相空间的膨胀。例如，使用碳化硼可提供与(唯一地)由石墨制成的能量校正单元相比紧凑多达30％以上的能量校正单元。沿带电粒子束流的方向看去，从束流产生单元(例如，加速器)的离开窗口到能量校正单元的末端的距离优选为小于2m，尤其小于1.5m。与此同时，沿带电粒子束流的方向看去，能量校正单元的较小宽度可使得带电粒子束流较小地膨胀。最后，这还允许改善束流性质以及改善粒子束流治疗系统的传输性质。此外，与含有铍的能量校正单元相比，可以提供具有较少毒性的能量校正单元。
类似地，可以提供由不同的材料(例如碳化硼和石墨)制成的能量校正单元。例如，块状能量校正元件和楔形能量校正元件可包括不同的材料。
例如，尤其通过使用这种能量校正单元与超导螺线管磁体的组合，可以将具有215MeV的能量的带电粒子的束流减速至70MeV，其中仍可实现到达治疗位置的传输多于3％。在使用例如至少一个超导螺线管磁体并且减速至90MeV的情况下，可以实现5倍于仅使用例如四极子的情况的传输。因此，与现有技术相比，可以获得显著提高的传输值。
优选地，沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统优选地在能量校正单元的后面具有准直器单元。这允许对能量校正单元之后的相空间进行限制以及对治疗位置处的束流质量进行改善。准直器单元优选地直接设置在能量校正单元之后。准直器单元例如被设计成屏蔽件。屏蔽件例如是具有一个或多个开口的材料块。每个屏蔽件例如具有圆形开口和/或当沿与带电粒子束流相反的方向看去时渐缩的开口。带电粒子束流优选地在真空下穿过准直器单元。
如上所述，准直器单元优选地设置在能量校正单元与直接设置在该能量校正单元后面的螺线管磁体之间。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统在束流产生单元的后面具有至少两个螺线管磁体。
通过设置至少两个螺线管磁体，可以进一步改善束流性质并且使粒子束流治疗系统更加紧凑。在束流引导系统中设置恰好两个螺线管磁体已被证实是尤为有利的。以这种方式，可以以小的空间需求和复杂程度更低的系统工程实现有利的束流性质。
如上所述，如果将第一螺线管磁体设置在束流产生单元与能量校正单元之间并且将第二螺线管磁体设置在能量校正单元的后面(尤其是设置在能量校正单元与框架之间)，这样是尤为有利的。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，至少一个螺线管磁体被设计成沿大致直线方向延伸的圆筒形线圈。如果设置多个螺线管磁体，则优选的是这些螺线管磁体中的每一个被设计成沿大致直线方向延伸的圆筒形线圈。以这种方式，可以提供可用作束流整形单元的构建简单的螺线管磁体。圆筒形线圈例如具有单层设计。具体地说，圆筒形线圈的导体(例如导线)可具有旋涡形或螺旋形的路径。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，至少一个螺线管磁体的绕组与带电粒子束流大致垂直地延伸。如果设置有若干个螺线管磁体，则优选地将该特征应用于全部螺线管磁体。这尤其意味着：各个螺线管磁体的导体的绕组均在与带电粒子束流垂直的平面中延伸。因此，绕组并不相对于带电粒子束流而倾斜。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，所述至少一个螺线管磁体至少局部地产生大致均匀的磁场。均匀的磁场意味着在螺线管磁体内的每个点处磁场强度相同，并且因此是空间均匀的。这里，在带电粒子束流所穿过的区域中产生大致均匀的磁场，而这对于形成带电粒子束流来说是重要的。如果设置有若干个螺线管磁体，则优选地将该特征应用于全部螺线管磁体。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，至少一个螺线管磁体的磁场在1特斯拉到10特斯拉的范围内且优选地在4特斯拉到8特斯拉的范围内，和/或至少一个螺线管磁体的磁场在5特斯拉到20特斯拉的范围内且优选地在8特斯拉到15特斯拉的范围内。这种磁场强度允许对带电粒子束流进行有效的整形并且允许一直到治疗中心的提高的传输。如果设置至少两个螺线管磁体并且各螺线管磁体的磁场不同，则这样是尤为有利的。一个螺线管磁体(例如沿束流方向看去的第一个螺线管磁体，例如设置在束流产生单元与能量校正单元之间的螺线管磁体)的磁场在5特斯拉到20特斯拉的范围内，优选地在8特斯拉到15特斯拉的范围内(例如大致11至11.5特斯拉)。并且，另一个螺线管磁体(例如沿束流方向看去的第二个螺线管磁体，例如设置在能量校正单元的后面的螺线管磁体)的磁场在1特斯拉到10特斯拉的范围内，优选地在4特斯拉到8特斯拉的范围内(例如大致6至6.5特斯拉)。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，粒子束流治疗系统构造成：在带电粒子束流的带电粒子具有不同能量的情况下，至少一个螺线管磁体产生大致恒定的磁场。这尤其可具有这样的优点：螺线管磁体(其不同于例如四极磁体)的磁场不需要被完全或部分地控制或调节为带电粒子的能量的函数，这简化了粒子束流治疗系统的设计。螺线管磁体例如与带电粒子的能量相独立地产生大致恒定的磁场。螺线管磁体例如针对全部或部分可调节的粒子能量(例如，从70MeV到200MeV)产生大致恒定的磁场。如果设置有若干个螺线管磁体，则在带电粒子束流的带电粒子具有不同能量的情况下，优选地使全部螺线管磁体产生大致恒定的磁场。这里，不同的螺线管磁体可产生不同尺寸的磁场。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，至少一个螺线管磁体具有尺寸在10mm与50mm之间且优选地在20mm与40mm之间的进入开口和/或离开开口，和/或至少一个螺线管磁体具有尺寸在30mm与70mm之间且优选地在40mm与60mm之间的进入开口和/或离开开口。已经表明，利用这种进入开口或离开开口，可以实现期望的束流整形。至少两个螺线管磁体例如设置为彼此具有不同的进入开口和不同的离开开口。例如，第一螺线管磁体(例如沿带电粒子束流的方向看去的第一个螺线管磁体，例如设置在束流产生单元与能量校正单元之间的螺线管磁体)具有尺寸在10mm与50mm之间且优选地在20mm与40mm之间(例如，大致30mm)的进入开口和/或离开开口，并且另一螺线管磁体(例如，沿带电粒子束流的方向看去的第二个螺线管磁体，例如设置在能量校正单元的后面的螺线管磁体)具有尺寸在30mm与70mm之间且优选地在40mm与60mm之间(例如，大致52mm)的进入开口和/或离开开口。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，束流引导系统具有不可动区段和可动区段，该可动区段尤其是可旋转区段。
已经表明，通过设置作为束流整形单元的至少一个超导螺线管磁体，可将高比例的带电粒子引导到可旋转区段内并且在束流进入可旋转区段时允许围绕束流轴线的大致旋转对称的轮廓。
为了构建可动区段，束流引导系统例如具有被称为机架(gantry)的可动支撑框架。以有利的方式，支撑框架可以尤其围绕水平轴线旋转多至360°，以便可以从尽可能多的角度照射治疗位置。支撑框架的旋转轴线尤其与带电粒子束流的初始轴线(即，尤其与在被第一束流偏转单元偏转之前的带电粒子束流的轴线)重合。
束流引导系统的不可动区段例如设置在束流产生装置与束流引导系统的可动区段之间。
可动区段(尤其是机架)尤其可以包括束流引导系统的其他元件，尤其是一个或多个(例如四个)束流偏转单元、一个或多个(例如七个)束流整形单元(例如具有四极磁体的形式)，一个或多个(例如两个)准直器单元、一个或多个扫描磁体和/或一个或多个束流监视器。
还可以设想到的是，将束流引导系统的可动区段设计为不具有准直器单元。以这种方式，束流引导系统可具有更紧凑的设计。
束流引导系统的可动区段例如可被设计成使得带电粒子束流被这样引导至治疗位置：带电粒子束流的行进最多偏离带电粒子束流的初始轴线(例如，束流沿之离开束流产生单元)3m远。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，至少一个螺线管磁体设置在束流引导系统的不可动区段中。如果设置有多于一个(例如两个)的螺线管磁体，则优选地，全部螺线管磁体都设置在束流引导系统的不可动区段中。
至少一个(优选为全部)螺线管磁体例如设置在束流产生单元与束流引导系统的可旋转区段之间。螺线管磁体例如设置在能量校正单元与束流引导系统的可动区段之间。束流引导系统的可动区段优选地不具有螺线管磁体。
能量校正单元(优选地，包括设置在其后面的准直器单元)优选地设置在束流引导系统的不可动区段中。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，束流引导系统具有至少一个磁束流偏转单元，尤其是在束流引导系统的可动区段中具有至少一个磁束流偏转单元。如果设置有若干个磁束流偏转单元，则优选地，全部磁束流偏转单元均设置在束流引导系统的可动区段中。通过设置至少一个束流偏转单元，可有利地且根据需要地将带电粒子束流从束流产生单元引导至治疗中心。这里，磁束流偏转单元可具有进入侧部和离开侧部，进入侧部用于带电粒子束流沿任意进入方向进入磁束流偏转单元，离开侧部用于带电粒子束流沿离开方向从磁束流偏转单元离开。
至少一个磁束流偏转单元优选为偶极磁体。由于将磁束流偏转单元设计成偶极磁体，因此可以以简单的方式提供用于偏转带电粒子束流的大致均匀的磁场。另外，偶极磁体相对容易制造。偶极磁体例如是电磁体。偶极磁体具有例如铁芯，该铁芯例如是轭铁。铁芯例如可具有铁板。铁芯例如由彼此上下堆叠的铁板制成。这允许以简单的方式制造偶极磁体。沿带电粒子束流的方向看去，偶极磁体在进入侧部与离开侧部之间例如可具有0.5m与2m之间的距离，优选地具有大致1m的距离。已经表明，在束流引导系统中使用偶极磁体允许良好的束流性质。
束流引导系统优选地具有若干个(例如两个、三个或者尤其是四个)磁束流偏转单元。如果设置有若干个磁束流偏转单元，则可以在紧凑的束流引导系统中获得路径更复杂的带电粒子束流。
若干个束流偏转单元优选地这样设置在束流引导系统中：带电粒子束流(在某个时间点)大致在一个平面中行进。例如通过使可动区段旋转，该平面可以旋转。
束流引导系统例如构造成使得带电粒子束流被第一束流偏转单元远离带电粒子束流的初始轴线地导向并且与初始轴线相倾斜地行进。带电粒子束流的初始轴线例如是带电粒子束流沿之从束流产生单元输出和/或带电粒子束流在进入第一束流偏转单元之前沿之移动的轴线。束流引导系统例如构造成使得带电粒子束流被另外的磁束流偏转单元(例如，第二、第三和第四磁束流偏转单元)朝向带电粒子束流的初始轴线向回导向。束流引导系统例如构造成使得带电粒子束流在离开第二束流偏转单元之后与带电粒子束流的初始轴线平行地行进。束流引导系统例如构造成使得带电粒子束流在离开最后一个(例如，第四个)束流偏转单元之后横向于(尤其是大致垂直于)带电粒子束流的初始轴线地行进，并且优选地穿过初始轴线。
所述若干个磁束流偏转单元中的至少一部分优选地具有相同的设计。以这种方式，可以降低磁束流偏转单元的制造成本。可以使除了一个磁束流偏转单元(例如，治疗位置之前的最后一个磁束流偏转单元)以外的全部磁束流偏转单元具有相同的设计。例如，第四束流偏转单元具有与其他束流偏转单元不同的设计。由于采用了不同的设计(尤其是对最后一个磁束流偏转单元采用不同的设计)，因此可以适应束流路径中的状态。例如，与其他磁束流偏转单元相比，第四束流偏转单元具有更大的进入开口和/或离开开口，以便为治疗位置处的足够体积提供照射。
沿带电粒子束流的方向看去的第二磁束流偏转单元与第三磁束流偏转单元例如间隔0.5m至2m，优选地间隔1m至1.5m。沿带电粒子束流的方向看去的最后一个磁束流偏转单元与治疗位置相距最多1.5m，优选地相距最多0.99m。两个磁束流偏转单元之间的距离应具体理解为从带电粒子束流离开一个磁束流偏转单元的离开点到带电粒子束流进入另一个磁束流偏转单元的进入点之间的距离。
利用束流引导系统，带电粒子束流例如可以在小于10m，尤其在小于8m的距离里，被朝向远离带电粒子束流的初始轴线的方向导向，该方向与带电粒子束流的初始轴线的方向垂直和交叉。
(至少一个)磁束流偏转单元的进入侧部优选地设计为至少局部地与离开侧部大致平行。
已经表明，如果要使带电粒子束流从进入方向沿偏离于进入方向的离开方向偏转，则由于诸如束流偏转单元的设计，可以进一步地改善束流性质和获得更紧凑的束流引导系统。这尤其归因于以下事实：这种磁束流偏转单元不仅能够实现带电粒子束流的偏转，还能够类似束流整形单元那样实现带电粒子束流的聚焦。这是因为，磁束流偏转单元(例如，偶极磁体)的磁-光性质主要由入射的带电粒子束流相对于进入边缘和离开边缘的角度所确定。因此，在整个束流引导系统中所需要的束流整形单元的数量减少了。另外，可以由束流引导系统实现带电粒子束流的提高的传输。这意味着，可以提供整体上更紧凑的粒子束流治疗系统以及改善的束流性质。此外，因进入侧部被设计成至少局部地与离开侧部大致平行，因此制造束流偏转单元的过程也变得更加容易，这意味着还降低了制造成本。
磁束流偏转单元的进入侧部和/或离开侧部例如至少在部分的区段中具有平坦的设计。在本实例中，尤其是进入侧部与离开侧部的平坦部分，至少局部地设计成大致彼此平行。特别地，进入侧部可以是端面，其例如是束流偏转单元的前侧面，该前侧面例如具有供带电粒子束流进入的进入开口。特别地，离开侧部可以是另一个端面，例如是与进入侧部相反的端面且例如是偏转单元的后侧面，该后侧面例如具有供带电粒子束流离开的离开开口。
优选地，整个进入侧部与整个离开侧部大致彼此平行。大致平行意味着进入侧部与离开侧部例如围成小于5°的角度，该角度优选为小于3°，尤其优选为小于1°。
在束流引导系统中设置磁束流偏转单元以使带电粒子束流偏转，例如使得束流从进入方向偏转到期望的离开方向。
磁束流单元优选地设计成用于带电粒子束流随时间进行恒定偏转。这意味着带电粒子束流例如连续地偏转45°。
束流偏转单元例如是可受控的，从而例如可以为带电粒子束流的带电粒子的不同能量实现期望的偏转。
磁束流偏转单元可设置在束流引导系统中，以将带电粒子束流偏转为使得进入侧部倾斜于带电粒子束流的进入方向，和/或离开侧部倾斜于带电粒子束流的离开方向。
在束流引导系统中，带电粒子束流尤其可从预定的进入方向进入束流偏转单元以及从预定的离开方向离开束流偏转单元。由于进入侧部倾斜于带电粒子束流的进入方向或者离开侧部倾斜于带电粒子束流的离开方向，因此束流偏转单元可尤其地在带电粒子束流中对称地设置，这进一步改善了束流性质。这里，倾斜布置尤其意味着一个侧部尤其地不垂直于和/或不平行于进入方向或离开方向。进入侧部和/或离开侧部例如与形成在带电粒子束流的进入方向与离开方向之间的角度的等分线大致平行地延伸。进入侧部和进入方向之间的夹角例如与离开侧部和离开方向之间的夹角相同。
磁束流偏转单元可设置在束流引导系统中以将带电粒子束流偏转为使得进入方向与离开方向彼此成30°至60°的角度，优选地成40°至50°的角度，尤其成45°角。
带电粒子束流因此被例如偏转了30°至60°，优选地被偏转了40°至50°，尤其是被偏转大致45°。已经表明，以该角度偏转带电粒子束流可伴随良好的束流性质，与此同时可以提供紧凑的束流引导系统。
如上所述，尤其可以设置若干个这种磁束流偏转单元。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，沿带电粒子束流的方向看去，至少一个螺线管磁体设置在至少一个磁束流偏转单元的前面。由于将螺线管磁体设置在磁束流偏转单元的前面，带电粒子束流在被偏转之前进行聚焦。这可有助于提高一直到治疗中心的传输。尤其地，至少一个螺线管磁体可设置在第一磁束流偏转单元的前面，使得束流性质可在带电粒子束流的初次偏转之前得到优化。
根据本发明的粒子束流治疗系统的优选实施例，束流引导系统具有至少一个附加的磁束流整形单元，该磁束流整形单元尤其具有四极磁体的形式且尤其位于束流引导系统的可动区段中。
由于除了至少一个螺线管磁体之外还设置有磁束流整形单元，磁束流整形单元尤其具有四极磁体的形式，因此可进一步改善束流性质并使带电粒子束流被有效地聚焦。已经表明，在束流引导系统中，为了获得良好的束流性质仅需要较少的附加束流整形单元，这允许紧凑的束流引导系统。然而，基本上，也可以设置其他类型的附加的束流整形单元。例如，可以设置六极磁体形式的束流整形单元。
附加的磁束流整形单元的磁场(例如在四极磁体的情况下)例如部分地作为带电粒子束流(在能量校正单元之后)的平均动量的函数而部分地比例缩放(例如，对于120MeV的最大能量而言)。为了更大的能量，可以考虑偏离比例缩放。
归因于四极磁体的设计，四极磁体可仅在横向于带电粒子束流的方向上聚焦带电粒子束流。就此而言，有利的是提供至少两个四极磁体以便在横向于带电粒子束流的两个方向上均(即，在与带电粒子束流正交的平面中)实现束流的整形。
在束流引导系统中可例如设置有最少五个和/或最多十个，优选七个附加的束流整形单元。在(沿带电粒子束流的方向看去的)第一磁束流偏转单元与第二磁束流偏转单元之间例如设置有最少四个和/或最多六个，优选五个附加的束流整形单元。两个附加的束流整形单元例如设置在第二磁束流偏转单元与第三磁束流偏转单元之间。然而，还可以额外地设置附加的束流整形单元。附加的束流整形单元中的一部分(优选为全部)例如具有相同的尺寸。这降低了束流引导系统的制造成本。
沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统优选地在磁束流偏转单元的前面具有准直器单元。
这允许在几乎不占据附加的空间的同时改善束流性质。由于设置有准直器单元，因此可以限制在经过准直器单元之后继续传输的带电粒子束流的相空间。
准直器单元例如被设计成屏蔽件，且例如是具有一个或多个开口的材料块。准直器单元例如具有带角的开口(例如矩形开口)。开口优选地在横向于带电粒子束流的两个方向上均是可变的。以这种方式，可以实现对束流性质的灵活定制。
束流引导系统优选地具有至少两个磁束流偏转单元以及位于所述至少两个磁束流偏转单元中的两个磁束流偏转单元之间的准直器单元。
已经表明，尤其在两个束流偏转单元之间，大的动量分布起支配作用。通过设置准直器单元，可以在几乎不占据附加的空间的同时进一步改善束流性质。已经表明，尤其在第二束流偏转单元与第三束流偏转单元之间，相对大的动量分布起支配作用，从而通过提供准直器单元，尤其可以改善束流性质。因此，准直器单元尤其可用于实现治疗位置的带电粒子束流的动量选择。具体地说，可进行治疗位置处的射束点的整形。还可使得从准直器之后一直到治疗位置的损失小于1％，尽管在束流引导系统中沿束流方向观察还额外设置有例如两个束流偏转单元。
沿带电粒子束流的方向看去，束流引导系统在第一磁束流偏转单元之前优选地具有漂移距离并且不具有磁束流偏转单元和/或磁束流整形单元。
由于漂移距离，有利的是，可以提供例如能容纳用于束流控制的一个或多个测量装置(尤其是束流监视器)的区域。类似地，该区域可用于屏蔽(例如，通过混凝土屏蔽物)治疗位置免受束流产生单元的影响。漂移距离的长度例如为最小1m和/或最大2m。漂移距离优选为至少部分地设置在真空中，例如优选地设置在直径为若干公分的真空管中。沿带电粒子束流的方向看去，漂移距离优选地设置在螺线管磁体的后面。漂移距离优选地不具有磁构件。漂移距离优选地设置在束流引导系统的不可动区段中。
粒子束流治疗系统，尤其是束流引导系统，还可以具有在本文中未涉及的其他单元。例如，可在束流引导系统中设置扫描磁体。扫描磁体例如设置在两个束流偏转单元之间。扫描磁体优选地设置在最后一个束流偏转单元与倒数第二个束流偏转单元之间(例如，第三束流偏转单元与第四束流偏转单元之间)，这是因为在该位置，扫描磁体有利地允许治疗位置处宽的扫描范围。
作为其他单元的另一实例，束流引导系统可具有一个或多个束流监视器。由于设置有束流监视器，可尤其在不同点处测量例如带电粒子束流的束流位置和粒子动量。
根据本发明的第二方面，还通过利用根据本发明的粒子束流治疗系统所执行的方法解决了上述问题，所述方法包括以下步骤：利用所述束流产生单元产生带电粒子束流，其中带电粒子尤其是离子，并且优选为质子；以及通过束流引导系统引导带电粒子束流。
对于该方法的优点和其他实施例，参照上述方面及其实施例。
特别地，上述及下述的对执行方法步骤的装置的描述用于披露相应的方法步骤。类似地，方法步骤的公开亦用于披露相应的用于执行方法步骤的装置或设备。
本发明的上述全部方面的实例和示例性实施例还应被理解为具有彼此组合的全部形式。
附图说明
此外，各个方面的有利的示例性实施例由这些方面的一定数量的示例性实施例的下述详细说明和所结合的附图来表示。然而，伴随应用的附图仅用于阐明，而不用于确定本发明的保护范围。附图不必按比例绘制，并且仅用于表示本发明的基本构思的实例。特别地，包含在附图中的特征不应被视为是对本发明必不可少的构成要素。在所示的附图中：
图1是具有根据本发明的束流引导系统的实施例的粒子束流治疗系统的实施例的示意性剖视图；
图2是束流引导系统的可动区段的另一实施例的示意性剖视图；
图3是能量校正单元的实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出了具有束流引导系统2的实施例的粒子束流治疗系统1的实施例的示意性剖视图。粒子束流治疗系统包括用于产生带电粒子(具体可为质子)的束流6的束流产生单元4。带电粒子束流6被束流引导系统2引导至治疗位置7。束流引导系统2具有可动区段8(在本实例中为可旋转360°)以及不可动区段10。可转动区段8例如可以构建为机架(未示出)形式的支撑框架。
在本实例中，束流产生单元4是回旋加速器，也就是说，是产生具有恒定能量的带电粒子的束流的加速装置。束流产生单元4发射具有恒定动能的带电粒子，该动能例如为210MeV、215MeV或250MeV。已经表明，利用具有大致207MeV的动能的带电粒子，大致95％的患者可以得到治疗；而利用具有大致198MeV的动能的带电粒子，大致90％的患者可以得到治疗。
带电粒子束流首先沿着带电粒子束流6的初始轴线14沿箭头12的方向行进。
沿带电粒子束流6的方向12看去，在束流产生单元4的后面设置有作为束流整形单元的第一螺线管磁体16a。在本实例中，螺线管磁体16a直接设置在束流产生单元的后面。类似地，螺线管磁体16a设置在束流产生单元4与能量校正单元18之间。在本实例中，螺线管16a的磁场大致为11.2特斯拉。在本实例中，螺线管磁体16a的进入开口和离开开口的尺寸大致为30mm。然而，根据粒子束流治疗系统和束流引导系统的构造，也可以或需要采用其他的磁场强度和开口尺寸。
由于设置有螺线管磁体16a，因此由束流产生单元向设置在后面的能量校正单元18发射的相空间可以获得改善的映射，从而可以提高带电粒子束流6的质量并增强带电粒子束流6的一直到治疗位置7的传输。
然后，带电粒子束流6被引导通过能量校正单元18。能量校正单元18能够对带电粒子束流6中的带电粒子的能量进行调节。将参考图3更详细地描述能量校正单元。
沿带电粒子束流6的方向12看去，束流引导系统2还具有直接位于能量校正单元18之后的准直器单元20，带电粒子束流6然后将穿过该准直器单元20。准直器单元包括屏蔽件，屏蔽件具有圆形材料块的形式，并且沿与带电粒子束流6的方向12相反的方向看去，屏蔽件具有渐缩的开口。
仍沿带电粒子束流6的方向12看去，在能量校正单元18和准直器单元20的后面设置有作为束流整形单元的第二超导螺线管磁体16b。螺线管磁体16b设置在能量校正单元18与束流引导系统2的可动区段8之间，并且具体地，设置在第一磁束流偏转单元30a的前面。在本实例中，螺线管磁体16b的磁场大致为6.16特斯拉。在本实例中，螺线管磁体16b的进入开口和离开开口的尺寸大致为52mm。然而，根据粒子束流治疗系统和束流引导系统的构造，也可以或需要采用其他的磁场强度和开口尺寸。
由于设置有螺线管磁体16b，因此由能量校正单元18向设置在后面(并且在束流引导系统2的可动区段8中)的准直器单元24发射的相空间可以获得改善的映射，从而可以提高带电粒子束流6的质量并增强带电粒子束流6的一直到治疗位置7的传输。
第一螺线管磁体16a和第二螺线管磁体16b两者例如可具有沿直线方向延伸的圆筒形线圈的形式，并且两者在带电粒子束流6的区域中产生大致均匀的磁场。粒子束流治疗系统1优选地构造成这样：螺线管磁体16a、16b与带电粒子束流6的带电粒子的能量相独立地产生大致恒定的磁场，从而可以省去对螺线管磁体16a、16b的复杂的基于能量的控制。
沿带电粒子束流6的方向12看去，束流引导系统2在第二螺线管磁体16b之后具有漂移距离22。在漂移距离22中不存在诸如磁束流偏转单元或磁束流整形单元等磁单元。在漂移距离22的区域中，可以设置屏蔽物(未示出)，例如混凝土屏蔽物。另外，在漂移距离22的区域中，可以设置诸如束流监视器(未示出)等测量装置。
带电粒子束流6可以在真空下穿过束流引导系统2的能量校正单元18、准直器单元20和/或漂移距离22所在的区段，这改善了该区段中的束流性质和束流传输。
上述束流引导系统2的元件设置在束流引导系统2的不可动区段10中。为了能够从尽可能多的角度照射治疗位置7，设置有可旋转区段8。支撑框架(未示出)的旋转轴线与带电粒子束流6的初始轴线14重合。
在束流引导系统的可旋转区段8中，首先设置有准直器单元24。由于设置有准直器单元24，因此可以限定带电粒子束流的相空间。准直器单元24在此设计成屏蔽件，在本实例中其为具有矩形开口26的材料块。开口26的几何形状在横向于(正交于)带电粒子束流6的两个方向上均是可变的，以允许灵活地定制束流性质。
接着，设置可选的束流监视器28，以检测束流性质。另外地或者作为选择地，束流监视器也可以设置在束流引导系统2的其他部位。
接着，为了引导带电粒子束流6，束流引导系统2具有若干个(在本示例中为4个)设计成磁偶极子的磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d。每个磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d分别具有用于使带电粒子束流6从进入方向进入相应磁束流偏转单元的进入侧部32a、32b、32c、32d。每个磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d还分别具有用于使带电粒子束流6沿离开方向从磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d离开的离开侧部34a、34b、34c、34d。在各种情况下，进入侧部32a、32b、32c、32d被设计成与相应的离开侧部34a、34b、34c、34d平行。这里，在束流引导系统2中，在各种情况下为偏转带电粒子束流6而设置磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d，使得各个进入侧部32a、32b、32c、32d与带电粒子束流6的相应的进入方向相倾斜地布置，并且各个离开侧部34a、34b、34c、34d与带电粒子束流6的相应的离开方向相倾斜地布置。这里，在束流引导系统2中，在各种情况下为偏转带电粒子束流6而设置磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d，使得在每个束流偏转单元30a、30b、30c、30d处，进入方向与离开方向相对于彼此成45°角。这里，束流偏转单元30a、30b、30c、30d在带电粒子束流中对称地定位，也就是说，对于各个束流偏转单元30a、30b、30c、30d而言，进入方向与进入侧部32a、32b、32c、32d之间的角度在每种情况下等于离开方向与离开侧部34a、34b、34c、34d之间的角度。
带电粒子束流6被第一束流偏转单元30a偏转为远离带电粒子束流的初始轴线14。带电粒子束流6被第二束流偏转单元30b偏转为朝向初始轴线14返回，然后与带电粒子束流6的初始轴线14平行地行进。然后，带电粒子束流6被第三束流偏转单元30c和第四束流偏转单元30d类似地偏转为朝向初始轴线14返回，使得离开最后一个束流偏转单元30d的带电粒子束流6沿与带电粒子束流6的初始轴线14垂直的方向行进并且穿过初始轴线14。
通过上述束流偏转单元30a、30b、30c、30d的设置，可以同时满足：用更紧凑的束流引导系统2获得改善的束流性质。这尤其归因于以下事实：磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d不仅能够实现带电粒子束流的偏转，还能够类似四极磁体那样实现带电粒子束流的聚焦。
这里所设置的磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d在横向上(这里，在投影平面中)散焦而在与横向垂直的方向上聚焦。在这方面，磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d具有与四极磁体类似的性质，四极磁体类似地在横向上聚焦且在与横向垂直的方向上散焦。因此，全部四个磁束流偏转单元30a、30b、30c、30d仅在一个方向(与投影平面垂直的方向)上聚焦。因此，在所设置的七个四极磁体36a至36g(见下文)中，五个四极磁体在投影平面中在横向上聚焦，并且仅两个四极磁体在与横向垂直的方向上聚焦。因此，在两个横向坐标方向上都获得了整体、充分的聚焦。其结果是，通过使偶极子在y方向上聚焦，仅需要两个额外的在相同方向上聚焦的四极子。
另外，束流偏转单元30a、30b、30c、30d的制造过程可因平行的进入侧部和离开侧部而得到简化，这是由于束流偏转单元30a、30b、30c、30d的铁芯可以由彼此层叠的平行板制成。
束流引导系统2还具有若干个(在本实例中为7个)附加的四极磁体形式的磁束流整形单元36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g。由于设置有束流整形单元36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g，因此可以进一步改善带电粒子束流6的束流性质。具体地说，由于除了螺线管磁体16a、16b和束流偏转单元30a、30b、30c、30d之外，仅需要相对较少数量的附加的束流整形单元36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g来获得好的束流性质，因此允许实现紧凑的束流引导系统2。
(沿带电粒子束流6的方向12看去)在第一磁束流偏转单元30a与第二磁束流偏转单元30b之间设置有五个附加的束流整形单元36a、36b、36c、36d、36e。在第二磁束流偏转单元30b与第三磁束流偏转单元30c之间还设置有两个附加的束流整形单元36f、36g。在本实例中，附加的束流整形单元36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g全部具有相同的尺寸。
束流引导系统2在两个磁束流偏转单元30b、30c之间还具有准直器单元38，该准直器单元38具有带矩形开口40的屏蔽件的形式。开口在横向于带电粒子束流6的两个方向上是可变的，因此，能够实现对治疗位置7处的射束点的整形。已经表明，在束流偏转单元30b、30c之间，相对大的动量分布起支配作用。可以通过设置准直器单元38来抵消/逆转这种情况，这是因为准直器单元38允许在治疗位置7处为带电粒子束流6进行动量选择。
在束流引导系统2中，还设置有束流监视器42和44。束流监视器42设置在附加的束流整形单元36b和36c之间。束流监视器44设置在第四束流偏转单元30d之后，治疗中心7之前。
束流引导系统在束流偏转单元30c与束流偏转单元30d之间还具有扫描磁体46。扫描磁体可有利地在该位置使用，这是因为以这种方式，在治疗位置处更大的扫描范围可以被覆盖。利用诸如由V.Anferov于2005年在先提出的系统，例如能够将束流移动为使得：在治疗位置处，210mm×175mm的面积被覆盖，并且在两个坐标方向上，偏转角度仅为±44mrad。扫描范围的进一步扩大是可行的。由于束流偏转单元30d必须接收由扫描磁体46所偏转的带电粒子6，因此束流偏转单元30d可具有比其他束流偏转单元30a、30b、30c更大的进入开口和/或离开开口。束流偏转单元30a、30b、30c可具有相同的结构。
由于扫描磁体46设置在最后一个束流偏转单元30d与倒数第二个束流偏转单元30c(即，第三束流偏转单元与第四束流偏转单元)之间，这允许治疗位置7处更大的扫描范围。
已经表明，可以提供相对紧凑的束流引导系统2。这里，从束流产生单元4到能量校正单元18的末端的距离50小于2m。这里，从能量校正单元18的末端到治疗位置7的距离52小于10m。这里，带电粒子可由束流引导系统2引导而横跨(在沿着带电粒子束流6的初始轴线14的方向12上)小于8m的距离54以到达治疗位置7。这里，从带电粒子束流6的初始轴线14算起，带电粒子束流6的最大距离56小于3m。这里，第二磁束流偏转单元30b与第三磁束流偏转单元30c之间的距离58小于1.5m。这里，从治疗位置到最后一个磁束流偏转单元30d的距离60小于1m，例如为0.991m。
值得注意的是，上述几何尺寸涉及具有大致210MeV的动能的带电粒子束流。如果使用更高的能量，则优选地将几何尺寸乘以一个系数。该几何比例系数例如是更高能量(例如245MeV)的质子的动量与能量为210MeV的质子的动量的精确比例。
图2是束流引导系统2’的可动区段的另一实施例的示意性剖视图。图2所示出的束流引导系统2’的可旋转区段8’与图1中的束流引导系统2的可旋转区段8类似。就此而言，为相同的元件采用相同的附图标记。同样地，参考对图1的束流引导系统2的说明。具体地说，可以设置可旋转区段8’以代替束流引导系统2的可旋转区段8。在下文中，仅考虑与图1中的束流引导系统2的不同之处。
束流引导系统2与束流引导系统2’之间的实质性差别在于，束流引导系统2’在可旋转区段8’中不具有任何准直器单元24、38。这具体地意味着，磁束流偏转单元30b与磁束流偏转单元30c之间的距离可以被缩短，从而该距离可以小于1.2m，尤其是小于1.1m。在本实例中，在带电粒子束流6进入可旋转区段8’之前，已经发生了相空间选择。
图3示出了例如能够用在束流引导系统2或2’中的降能器形式的能量校正单元18的实施例的示意性剖视图。能量校正单元18具有多个能够横向于带电粒子束流6地移动的块状能量校正单元62a、62b、62c、62d、62e以及两个能够横向于带电粒子束流6地移动的楔形能量校正元件64a、64b。
这里，块状能量校正元件62a、62b、62c、62d、62e能够与带电粒子束流6垂直地沿箭头66移动。这允许根据块状能量校正元件62a、62b、62c、62d、62e中的哪一个被推入带电粒子束流中来对带电粒子束流6的带电粒子的能量进行不同的调节。为此，沿带电粒子束流6的方向12看去，块状能量校正元件62a、62b、62c、62d、62e可具有不同的宽度。这里，由于可由块状能量校正元件62a、62b、62c、62d、62e将带电粒子束流6的带电粒子的能量调节成离散值，因此块状能量校正元件62a、62b、62c、62d、62e提供对带电粒子束流6的带电粒子的能量的粗调。
类似地，楔形能量校正单元64a、64b能够与带电粒子束流6垂直地沿箭头68移动。在带电粒子束流6已被引导穿过块状能量校正元件62a、62b、62c、62d、62e中的一个之后，楔形能量校正元件64a、64b提供对带电粒子束流6的带电粒子的能量的精细调节。楔形能量校正元件64a、64b可在一定范围内对带电粒子束流6的带电粒子的能量进行连续调节。通过楔形能量校正元件横向于带电粒子束流地移动，沿带电粒子束流6的方向看去，楔形能量校正元件64a、64b的宽度可在带电粒子束流的区域里变化。在本示例中，两个楔形能量校正元件64a、64b相对于彼此点对称地设置。楔形能量校正元件64a的斜面与楔形能量校正元件64b的斜面彼此朝向。这种布置意味着，可以避免能量在带电粒子束流6的横截面中的非对称减小。
能量校正单元18中的块状能量校正元件62a、62b、62c、62d、62e由石墨和/或碳化硼制成。然而，同样可以设想的是，以不同的材料提供块状能量校正单元。能量校正单元18中的楔形能量校正元件64a、64b也由石墨和/或碳化硼制成。同样可以设想的是，以不同的材料提供楔形能量校正单元。
由于能量校正单元18的紧凑性，可以避免带电粒子束流6的相空间的过度扩大。
沿带电粒子束流6的方向12看去，在能量校正单元18的后面设置有准直器20。该准直器例如可以是图1中所示的准直器。
概括地说，可以使用由扫描磁体46的磁场所引起的较小的偏转角度来实现治疗位置7处的大的扫描范围，并且与此同时减小从旋转轴线14到所有磁元件的距离。
可通过更精确的蒙特卡罗(Monte Carlo)计算来确定图1中的粒子束流治疗系统的效率。例如，在将回旋加速器所发射的能量从215MeV减速至70MeV时，治疗位置7处的传输效率仍有大致3.3％。这意味着，需要几十nA的回旋加速器以便在治疗中心获得1nA的电流。为了减速到90MeV，在使用超导螺线管磁体时的传输例如比在使用四极磁体时的传输高5倍。这里，射束点的宽度可以设定为3.6mm(1σ)并具有非常小的椭圆率(大致3％～5％)。到达治疗位置7的带电粒子的动量宽度可以在4‰与9‰之间变化。与此同时，治疗位置7处的射束点的尺寸得到保持。已表明，对于通过能量校正单元18而减速至90MeV而言，一直到治疗位置的传输效率甚至能够达到10％。
为了得到上述结果，假设螺线管磁体的磁场对于70MeV至200MeV的粒子能量是恒定的。第一螺线管16a以30mm的低温孔产生11.2特斯拉的磁场。第二螺线管16b以52mm的低温孔产生6.16特斯拉的磁场。假设能量校正单元18的材料是碳化硼。四极磁体的磁场使小于等于120MeV的能量与减速束流的平均动量成比例。
在下述科学报告中描述了质子与物质之间的相互作用的物理原理以及用于计算束流引导系统的性质的程序：
-粒子数据组W.-M.Yao等人，"粒子物理回顾(The Review of ParticlePhysics)”，Journal of Physics G33(2006)1以及2008年的更新。
-Karl L.Brown,Sam K.Howry,“传输，用于设计带电粒子束流传输系统的计算机程序(TRANSPORT,A Computer Program for Designing Charged Particle BeamTransport Systems)”,SLAC Report No.91(1970),SLAC Report 91,Rev.3(1983)以及之后由U.Rohrer等人更新的传输程序。
-U.Rohrer,"基于K.L.Brown等人的CERN-SLAC-FERMILAB版本的PSI图形TURTLE框架(PSI Graphic TURTLE Framework based on a CERN-SLAC-FERMILAB version byK.L.Brown et al.)”,http://aea.web.psi.ch/Urs_Rohrer/MyWeb/turtle.htm
-J.Drees,“质子对厚降能器的通过(Passage of Protons through ThickDegraders)”,2008年9月的Cryoelectra Report。
在下述科学报告中描述了x-y扫描磁体的原理：
-V.Anferov,“用于共形的质子放射治疗的结合式X-Y扫描磁体(Combined X-Yscanning magnet for conformal proton radiation therapy)”,Med.Phys.32(3),2005年3月。

Claims (16)

1.一种粒子束流治疗系统(1)，
-具有用于产生带电粒子束流(6)的束流产生单元(4)，所述带电粒子尤其是离子，并且优选为质子；并且
-具有束流引导系统(2、2)，
其特征在于，
沿所述带电粒子束流(6)的方向(12)看去，所述束流引导系统在所述束流产生单元(4)的后面具有作为束流整形单元的至少一个螺线管磁体(16a、16b)，并且所述束流引导系统(2、2’)的所述至少一个螺线管磁体(16a、16b)是超导螺线管磁体(16a、16b)。
2.根据权利要求1所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，所述束流引导系统(2、2’)的至少一个螺线管磁体(16a、16b)直接设置在所述束流产生单元(4)的后面。
3.根据权利要求1或2所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，所述束流引导系统(2、2’)具有用于调节所述带电粒子束流(6)的带电粒子的能量的能量校正单元(18)，并且沿所述带电粒子束流(6)的方向(12)看去，所述束流引导系统(2、2’)的至少一个螺线管磁体(16a、16b)设置在所述束流产生单元(4)与所述能量校正单元(18)之间，和/或沿所述带电粒子束流(6)的方向(12)看去，所述束流引导系统(2、2’)的至少一个螺线管磁体(16a、16b)设置在所述能量校正单元(18)的后面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，沿所述带电粒子束流(6)的方向(12)看去，所述束流引导系统(2、2’)在所述束流产生单元(4)的后面具有至少两个螺线管磁体(16a、16b)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，至少一个螺线管磁体(16a、16b)被设计成沿大致直线方向延伸的圆筒形线圈。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，至少一个螺线管磁体(16a、16b)的绕组与所述带电粒子束流(6)大致垂直地延伸。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，至少一个螺线管磁体(16a、16b)至少局部地产生大致均匀的磁场。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，至少一个螺线管磁体(16a、16b)的磁场在1特斯拉到10特斯拉的范围内且优选地在4特斯拉到8特斯拉的范围内，和/或至少一个螺线管磁体(16a、16b)的磁场在5特斯拉到20特斯拉的范围内且优选地在8特斯拉到15特斯拉的范围内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，所述粒子束流治疗系统(1)构造成：在所述带电粒子束流的带电粒子(6)具有不同能量的情况下，至少一个螺线管磁体(16a、16b)产生大致恒定的磁场。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，至少一个螺线管磁体(16a、16b)具有尺寸在10mm与50mm之间且优选地在20mm与40mm之间的进入开口和/或离开开口，和/或至少一个螺线管磁体(16a、16b)具有尺寸在30mm与70mm之间且优选地在40mm与60mm之间的进入开口和/或离开开口。
11.根据权利要求1至11中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，所述束流引导系统(2、2’)具有不可动区段(10)和可动、尤其是可转动的区段(8)。
12.根据权利要求11所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，所述至少一个螺线管磁体(16a、16b)设置在所述束流引导系统(2、2’)的所述不可动区段(10)中。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，所述束流引导系统(2、2’)具有至少一个磁束流偏转单元(30a、30b、30c、30d)，尤其是在所述束流引导系统(2、2’)的所述可动区段(8)中具有至少一个磁束流偏转单元(30a、30b、30c、30d)。
14.根据权利要求13所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，沿所述带电粒子束流(6)的方向(12)看去，至少一个螺线管磁体(16a、16b)设置在所述至少一个磁束流偏转单元(30a、30b、30c、30d)的前面。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的粒子束流治疗系统(1)，
其中，所述束流引导系统(2、2’)具有至少一个附加的磁束流整形单元(36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g)，尤其是具有四极磁体形式的至少一个附加的磁束流整形单元(36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g)，尤其是在所述束流引导系统(2、2’)的所述可动区段(8)中具有至少一个附加的磁束流整形单元(36a、36b、36c、36d、36e、36f、36g)。
16.一种利用根据权利要求1至15中任一项所述粒子束流治疗系统执行的方法，所述方法包括以下步骤：
-利用所述束流产生单元产生带电粒子束流，所述带电粒子尤其是离子，并且优选为质子，以及
-通过所述束流引导系统引导所述带电粒子束流。
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