CN108883295B - 适应性孔径 - Google Patents

Abstract

示例粒子治疗系统包括粒子加速器，以输出具有光斑大小的粒子束；用于所述粒子加速器的扫描系统，其跨越辐照目标的处理区域的至少一部分在两个维度上扫描所述粒子束；以及在所述扫描系统和所述辐照目标之间的适应性孔径。所述适应性孔径包括可相对于所述辐照目标移动成近似一形状来修剪所述处理区域的一部分的结构。所述处理区域的所述部分的大小基于所述光斑大小的面积。

Description

适应性孔径

技术领域

本公开总体上涉及适应性孔径(adaptive aperture)，例如用于粒子治疗系统。

背景技术

粒子治疗系统使用加速器产生用于治疗诸如肿瘤的病痛的粒子束。在操作中，粒子在存在磁场的情况下在腔室内的轨道中被加速，并且通过提取通道离开腔室中。磁场再生器在腔室外侧附近产生磁场变形，以扭曲一些轨道的节距和角度，使得它们前进并最终进入提取通道。由粒子组成的射束离开提取通道。

扫描系统在提取通道的射束下游。在该语境中，"射束下游"意味着更接近辐照目标(这里是相对于提取通道)。扫描系统跨越辐照目标的至少一部分移动粒子束，以将辐照目标的各个部分暴露至粒子束。例如，为了治疗肿瘤，可以在肿瘤的不同截面层上"扫描"粒子束。

粒子束可能损伤与辐照目标相邻的健康组织。包含孔径的结构可用于限制健康组织暴露于粒子束。例如，可以将结构或其一部分置于粒子束和健康组织之间，由此防止健康组织暴露于粒子束。

发明内容

一种示例粒子治疗系统包括：粒子加速器，输出具有光斑大小的粒子束；所述粒子加速器的扫描系统，跨越辐照目标的处理区域的至少一部分在两个维度上扫描所述粒子束；以及在所述扫描系统和所述辐照目标之间的适应性孔径。所述适应性孔径包括结构，所述结构可相对于所述辐照目标移动以近似一形状，来修剪所述处理区域的一部分。所述处理区域的该部分的大小是基于所述光斑大小的面积。所述示例粒子治疗系统可以包括单独或组合的一个或多个以下特征。

所述处理区域的该部分的大小可以与以下相同：所述光斑大小的面积、两个所述光斑大小的面积、三个所述光斑大小的面积、四个所述光斑大小的面积、或五个所述光斑大小的面积。所述处理区域的该部分可以小于整个所述处理区域。所述结构可相对于所述辐照目标移动以近似至少部分弯曲的形状。

所述适应性孔径可以包括主托架，其联接到所述结构以在相对于所述辐照目标的竖直维度上相对于所述辐照目标移动所述结构；第一电动机，其控制所述主托架的运动；副托架，其联接到所述主托架和所述结构，以相对于所述辐照目标水平地移动所述结构；以及一个或多个次级电动机，其水平地控制所述结构的运动。所述水平运动可以包括移入和移出所述处理区域。所述副托架可以包括第一副托架，其联接到所述主托架，以相对于所述辐照目标移动所述结构中的至少一些；以及第二副托架，其联接到所述主托架，以相对于所述辐照目标移动所述结构中的至少一些。所述副托架中的至少一个可以相对于主托架旋转，和/或所述整个适应性孔径可以相对于所述辐照目标旋转。

在所述粒子治疗系统中，可由所述第一副托架移动的至少一些结构具有平坦的边缘，且可由所述第二副托架移动的至少一些结构具有平坦的边缘。所述第一副托架可以安装在弯曲的轨道上并可沿着其移动；且所述第二副托架可以安装在弯曲的轨道上并可沿着其移动。

所述结构可以包括叶，所述叶中的至少一些的宽度与其他叶的高度？不同。所述叶中的至少一些的宽度可以是其他叶的高度的三倍或更多倍。所述叶可以包括金属，例如镍或钨。

所述粒子治疗系统可以包括存储可执行的指令的存储器，以及一个或多个处理装置，其执行所述指令以通过控制所述结构的运动来配置所述适应性孔径。

所述结构的运动可以基于所述扫描系统的操作来控制。中所述扫描系统可以是可控制的，以多次跨越所述处理区域扫描所述粒子束。所述结构的运动可以是可控制的，使得对于跨越所述处理区域的至少一部分对所述粒子束的不同扫描，所述结构的配置变化。对于跨越所述处理区域对所述粒子束的不同扫描，所述结构的配置可以相对于所述疗区域竖直位移。对于跨越所述处理区域对所述粒子束的不同扫描，所述结构的配置可以相对于所述疗区域水平位移。

所述结构可以包括五至五十个叶。所述适应性孔径可以包括所述叶所连接到的主托架，其在相对于所述辐照目标的竖直维度上相对于所述辐照目标移动所述叶；第一电动机，其控制所述主托架的运动；第一副托架，其联接到所述主托架，第一组叶安装在所述第一副托架上；第二副托架，其联接到所述主托架，第二组叶安装在所述第二副托架上；以及一个或多个第二电动机，其控制所述第一主托架和所述第二主托架的叶的运动。

所述粒子加速器可以是同步回旋加速器。所述粒子治疗系统可以包括门架，所述扫描系统和所述适应性孔径安装在所述门架上，所述门架可围绕患者旋转达到所述处理区域。所述同步回旋加速器可以包括电压源，其向腔室提供射频(RF)电压以加速来自粒子源的粒子，所述电压源配置为在频率范围内周期性地扫掠所述RF电压；线圈，其接收具有多个值中的一个的电流并产生对应于所述电流的磁场，所述磁场用于使所述粒子以对应于所述电流的能量在所述腔室内以轨道运动，所述磁场为至少4特斯拉；以及提取通道，其从所述腔室接收所述粒子并将从所述腔室接收的粒子输出到所述扫描系统，从所述腔室输出的粒子具有对应于所述电流的能量；所述同步回旋加速器可以配置为使得能够将所述电流设定为所述多个值中的一个，所述多个值中的每一个对应于从所述腔室输出粒子的不同的能量。从所述腔室输出的粒子的能量可在约100MeV和约300MeV之间的范围内变化。所述电压源可以配置为在不同的频率范围内扫掠所述RF电压，每个不同的频率范围对应于从所述腔室输出粒子的每个不同的能量。

所述同步回旋加速器可以包括用于保持电离等离子体的粒子源，所述粒子源在腔室中且包括在加速区域分离的两部分；电压源，其向所述腔室提供射频(RF)电压以加速来自所述粒子源的的分离区域的电离等离子体的粒子，所述电压源配置为在频率范围内周期性地扫掠所述RF电压；线圈，其接收电流并产生对应于所述电流的磁场，所述磁场用于使所述粒子以对应于所述电流的能量在所述腔室内以轨道运动，所述磁场为至少4特斯拉；至少一个磁极片，所述至少一个磁极片包括限定所述腔室的形状的铁磁材料；以及提取通道，其从所述腔室接收所述粒子并将接收的粒子输出到所述扫描系统；从所述腔室输出的粒子的能量可在约100MeV和约300MeV之间的范围内。所述电压源可以配置为在不同的频率范围内扫掠所述RF电压，每个不同的频率范围对应于从所述腔室输出粒子的每个不同的能量。所述扫描系统可以包括扫描磁体，其可基于通过所述扫描磁体的电流来控制，以影响所述粒子束的方向并从而在两个维度上跨越所述处理区域移动所述粒子束；降能器，其在跨越所述辐照目标的截面移动所述粒子束之前改变所述粒子束的能量，所述降能器相对于所述同步回旋加速器在所述磁体的射束下游；以及控制系统，其(i)控制通过所述扫描磁体的电流，以便跨越辐照目标的至少一部分产生所述射束的不间断运动，来传送一定剂量的带电粒子，(ii)针对所述粒子束传送剂量的位置，存储识别位置和传送的剂量的量的信息，(iii)将在每个位置传送的累积剂量与目标累积剂量进行比较，且(iv)如果所述累积剂量不匹配特定位置的所述目标累积剂量，则控制所述电流，以便移动所述射束来向所述特定位置传送附加的剂量。所述适应性孔径可以相对于所述同步回旋加速器在所述扫描系统的射束下游。

所述适应性孔径可以配置为模仿患者特异性孔径。所述结构可以包括叶，所述叶中的至少一些的形状与其他叶不同，所述叶中的至少一些具有弯曲形状。所述叶可以具有平坦的边缘。所述适应性孔径可以包括主托架；以及副托架，所述叶安装在所述副托架上以相对于所述辐照目标定位所述叶，所述副托架安装在所述主托架上，所述主托架用于定位所述副托架。所述粒子治疗系统可以包括弯曲的轨道，所述主托架和副托架沿着所述轨道移动。

还描述了一种适应性孔径，其包括结构，所述结构可相对于辐照目标移动，以近似一形状来修剪所述辐照目标的放射处理区域的一部分，所述放射处理区域的该部分的大小是基于所述光斑大小的面积。示例适应性孔径可以包括或者与本发明内容部分中阐述的任何适当的(多个)特征单独或组合地结合。示例适应性孔径可以包括相对少量的电动机、电缆、叶和其他硬件，所有这些都可以具有相对较小的尺寸。由此，该适应性孔径可以比用于粒子治疗的至少一些其他类型的适应性孔径更小。它的小尺寸使得适应性孔径能够安装在治疗喷嘴的末端上，并且因此靠近患者而基本上不干扰治疗。

此外，由于其靠近患者及其大小，撞击患者的粒子束的边缘可以比由远离患者放置的系统产生的边缘更锐利。例如，适应性孔径可以位于离患者4cm的位置。在实施方式中，适应性孔径可以占据深度为10cm的面积为36cm×50cm的空间。

本公开中描述的两个或更多个特征(包括在该发明内容部分中描述的那些特征)可以被组合以形成本文未具体描述的实施方式。

本文描述的各种系统或其一部分的控制可经由计算机程序产品来实现，所述计算机程序产品包括存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上的指令，并且所述指令可在一个或多个处理装置(例如，(多个)微处理器、(多个)专用集成电路、诸如(多个)现场可编程门阵列的编程逻辑，等等)上执行。本文描述的系统或其一部分可以实现为可包括一个或多个处理装置和计算机存储器(以存储可执行指令来实现对所述功能的控制)的设备、方法或电子系统。

在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。其他特征，目的和优点将从说明书和附图以及权利要求中显而易见。

附图说明

图1是可与本文所述的示例性适应性孔径一起使用的示例性适应性孔径叶的透视图。

图2是相对于辐照目标的处理区域定位的适应性孔径叶的俯视图。

图3是示例适应性孔径的透视图。

图4是示例适应性孔径的侧视图。

图5是示例适应性孔径的透视图，其具有以透视方式描绘的部件以示出其内部。

图6用于将叶移入和移出辐照目标的处理区域的示例控制结构的俯视图。

图7是具有弯曲的叶的示例适应性孔径的透视图。

图8和9是用于粒子治疗系统的示例同步回旋加速器的截面图。

图10是示例扫描系统的侧视图。

图11是示例扫描系统的部件的透视图。

图12是用于在图10和11中所示类型的扫描系统中使用的示例磁体的前视图。

图13是用于在图10和11中所示类型的扫描系统中使用的示例磁体的透视图。

图14是用于在图10和11中所示类型的扫描系统中使用的示例能量降能器(范围调节器)的透视图。

图15是用于在粒子束的路径中移动能量降能器的叶的过程的透视图。

图16是在粒子疗法治疗期间相对于患者定位的适应性孔径的透视图。

图17是示出用于执行可以使用图10至15的硬件执行的光栅扫描的示例过程的流程图。

图18是示出辐照目标和辐射扫描路径的示例截面的俯视图。

图19是示例治疗系统的透视图。

图20是用于粒子治疗系统的示例同步回旋加速器的部件的分解透视图。

图21是示例同步回旋加速器的截面图。

图22是示例同步回旋加速器的透视图。

图23是用于同步回旋加速器的示例离子源的截面图。

图24是用于同步回旋加速器的示例D叶和示例虚设D的透视图。

图25示出了位于治疗室中的示例粒子治疗系统的示例内门架内的患者。

图26是可以使用可变能量粒子加速器的示例粒子治疗系统的概念图。

图27是可用于可变能量粒子加速器中的示例磁体系统的分解透视图。

图28是示出粒子加速器中的磁场和距离变化的能量和电流的示例曲线图。

图29是用于在粒子束的每个能级的频率范围内扫掠D叶上的电压并且用于当粒子束能量变化时改变频率范围的示例结构的侧视图。

图30是安装在相对于粒子束的方向弯曲的轨道上的托架上的适应性孔径叶的俯视图。

图31是相对于辐照目标的处理区域定位的适应性孔径叶的俯视图。

各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

本文描述的是适应性孔径的示例实施方式，其可以用于控制施加于患者的辐射(例如质子或离子束)的程度。就此而言，适应性孔径是可控制的结构，以允许一些辐射递送给患者并阻止一些辐射递送给患者。通常，递送的辐射被引导至要治疗的辐照目标，并且被阻挡的辐射将以其他方式击中并且可能损害健康组织。在操作中，适应性孔径被放置在辐射源和辐照目标之间的辐射路径中，并被控制成产生适当大小和形状的开口，以允许一些辐射穿过开口到辐照目标，而该结构的其余部分阻止一些辐射到达相邻的组织。适应性孔径可用于任何适当的放射治疗系统，并不限于与任何特定类型的系统一起使用。本文描述了可以使用适应性孔径的系统的示例。

在一些实施方式中，适应性孔径通常包含被称为“板”或“叶”的平坦结构，并且其可控制成移动到“束”或“治疗”区域中以阻挡一些辐射并且允许一些辐射通过。叶是可控制的，以产生适合当前治疗的大小和形状的开口。在一些实施方式中，叶保持在托架中，且面向彼此和处理区域。叶是可控制的以移入和移出处理区域，以形成开口(或孔径)，粒子束穿过该开口以治疗患者的区域。形成开口的叶还阻挡辐射递送到与被叶覆盖的开口相邻的组织(例如健康组织)。在这种情况下，覆盖包括阻止粒子束的叶。

图1示出了可以在适应性孔径中使用的叶40的示例，但是适应性孔径不限于与这种类型的叶一起使用。叶的高度50沿着束线(例如，粒子束的方向)。叶的长度52沿着其进入和离开处理区域的方向，并且基于系统可以治疗的场大小或其部分。场大小对应于射束可以冲击的处理区域。叶的宽度53是多个叶在被致动时所沿之堆叠的方向。通常，使用的叶越多，可以产生的孔径的分辨率就越高，包括对于弯曲的边界。

在图1中，叶40包括沿着其侧面的舌和凹槽特征55，其配置为当多个这样的叶堆叠时减少叶间泄漏。在该示例中，叶40的弯曲端56配置为在处理区域中的所有位置处维持与射束相切的表面。然而，也如本文所述，每个叶的端部可以是平坦的，而不是弯曲的。

在一些实施方式中，适应性孔径叶具有足以至少阻挡最大束能量(例如系统输出的粒子束的最大能量)的高度。在一些实施方式中，由于下面描述的原因，适应性孔径叶具有阻挡小于最大束能量的高度。在一些实施方式中，适应性孔径叶的长度不是由整个处理区域的面积决定，而是由单个射束光斑或多个射束光斑的面积决定。在这种情况下，“射束光斑”是粒子束的截面积。

在示例中，粒子治疗系统可以配置为治疗具有可以适配在20cm×20cm正方形区域中的截面的肿瘤。在该示例中，适应性孔径中的每个叶可以具有大约2cm的长度，这足以阻挡一个射束光斑的一半中的粒子。如上所述，适应性孔径包括彼此面对的叶的组。因此，如果需要，可以控制来自每组的叶以覆盖整个单个射束光斑，从而防止辐射通过。叶也可以是可控制的，以形成开口，来自单个射束光斑的一些或全部辐射可以通过该开口。

在操作中，适应性孔径配置为随着射束扫描经过辐照目标而移动，并且在扫描期间跟踪射束的移动。在该示例中，适应性孔径可以配置成移动大约20cm以便覆盖整个20cm×20cm区域。如上所述，适应性孔径可以配置为使用足够的叶来覆盖(或“修剪”)一个射束光斑，并且在一些情况下，可以使用少量的额外面积(例如，5％额外面积，10％额外面积，15％额外面积，或20％额外面积)。

图2示出了适应性孔径700的示例实现方式。适应性孔径700包括具有一定高度并且由诸如镍、黄铜、钨或其他金属的材料制成的叶701，其足以抑制或防止给定能量的辐射通过。例如，在一些系统中，粒子加速器配置为产生具有100MeV至300MeV的最大能量的粒子束。相应地，在这样的系统中，叶可以配置为防止能量为100MeV、150MeV、200MeV、250Mev、300MeV等的射束通过。

叶701安装在滑架上以控制它们相对于辐照目标的处理区域的移动，例如患者体内的肿瘤的截面层。控制移动以使叶701覆盖处理区域704的一些部分，由此防止辐射在治疗期间冲击那些部分，同时使处理区域的其他部分暴露于辐射。在图2的示例实现方式中，总共有14个叶，左侧7个，右侧7个。在一些实施方式中，叶的数量可能不同，例如总共十个，左侧五个，右侧五个，总共十二个，左侧六个，右侧六个，等等。

适应性孔径可以与任何适当类型的放射治疗系统一起使用。在示例实施方式中，放射治疗系统是质子治疗系统。如本文所述，示例质子治疗系统跨越辐照目标的处理区域扫描质子束以破坏恶性组织。在扫描期间，粒子束移动经过处理区域以用辐射覆盖处理区域。在示例实施方式中，粒子束是脉冲的。由于粒子束是脉冲的，处理区域的受影响部分构成一系列光斑，击中处理区域的每个脉冲一个光斑。根据射束的大小，结果可能会留下一些未经治疗的区域。因此，为了确保整个区域得到治疗，多次扫描同一个处理区域可能是有利的。每次连续的扫描可能会与其他扫描相抵消，以击中所有区域。这种类型的扫描的一个示例被称为笔束扫描，且重复扫描被称为绘制或重新绘制处理区域。

辐照目标在结构上通常是三维的。

因此，如本文所述，辐照目标是按层治疗的截面层(或简称为“层”)。也就是说，对辐照目标的一层进行治疗，然后对另一层进行另一次治疗，等等，直到对整个目标进行治疗。通过改变粒子束的能级来治疗辐照目标的不同层。也就是说，粒子束的不同能级会影响辐照目标的不同层，其中较高的能级会影响辐照目标内相对于粒子束源的更深层。

因此，在治疗期间，粒子束的能级被改变以达到并因此治疗辐照目标的不同层。

图2示出了配置为允许辐射冲击层(例如，处理区域)的一部分并且防止辐射冲击该层的其他部分(例如健康组织)的叶701。在图1中，位置707表示在跨越处理区域704的质子束扫描期间要传送的射束光斑的中心。圆圈708表示治疗边界，旨在不超过该治疗边界的情况下进行辐射的递送。靠近该边界的射束光斑(例如，在粒子束的轮廓的一个标准偏差内)与健康组织接界。这些光斑通过在适应性孔径上适当地配置和放置叶来修剪(即阻挡)。射束光斑的一个示例是射束光斑711，其中心在位置706处。如图所示，叶701配置为阻挡延伸超过圆圈708的射束光斑711的部分。

在示例实施方式中，在两个分开的托架中的每一个上，有五个约5mm宽的叶和两个约20mm宽的叶。在一些实施方式中，在两个分开的托架中的每一个上，有七个叶，其中两个叶的宽度是另外五个叶中的每一个叶的宽度的三倍或更多。其他实施方式可以包含叶的不同的数量、大小和配置，以及托架的不同的数量和配置。例如，一些实施方式可以包括每个托架五至五十个叶之间的任何数量，例如5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39，40，41，42，43，44，45，46，47，48，49或50个叶(或更多)。

如本文所述，托架可以水平和竖直移动。叶也可相对于每个托架水平移动进入和离开处理区域。以这种方式，叶可配置为近似被治疗的区域(例如，在该示例中为圆圈711或其一部分)附近的区域中的治疗边界的形状。

叶可以在粒子束的不同扫描之间竖直移动和/或水平移动，以使得当射束被传送到特定区域时，叶处于适当的位置。叶不一定每次扫描通过都要移动，而是可以移动到适合某个区域的位置。在某些情况下，例如对于处理区域内的光斑，可以在没有由适应性孔径提供的修剪的情况下进行放射治疗。

图31示出了作为适应性孔径的一部分的叶1400的另一个示例，该适应性孔径配置为修剪以位置1402为中心的辐射光斑1401。在该示例中，适应性孔径的两侧各有7个叶(由对应的托架支撑)。每侧的叶包括宽于其他五个叶的两个叶；然而，适应性孔径不限于该配置。在这种情况下，光斑1401具有限定8mm高斯辐射光斑的2.5西格玛的半径。

图3、4和5示出托架713、714、715的示例实施方式，托架713、714、715配置为相对于治疗目标竖直和水平地保持和移动上述叶。如图所示，竖直运动包括在笛卡尔Z方向717上的运动，并且水平运动包括在笛卡尔X方向718上的运动(笛卡尔Y方向进入或离开图4中的页面)。图4和图5将托架外壳的部件显示为透明的，以便示出外壳内的部件；然而，外壳实际上并不透明。

托架713在本文称为主托架，且托架714和715在本文称为副托架。如图3至5所示，副托架714、715联接到主托架713。在该示例中，副托架714、715各自包括外壳，所述外壳经由对应的构件718、719固定到主托架715。在该示例中，主托架713可沿着轨道720相对于辐照目标且相对于粒子加速器竖直移动。主托架713的竖直运动也使副托架竖直移动。在一些实施方式中，副托架一致地竖直移动。在一些实施方式中，每个副托架的竖直运动与其他副托架的竖直运动无关。

如图3至图5所示，每个副托架714、715连接到对应的杆722、723，副托架沿着所述杆移动。更具体地说，在该示例中，电动机725驱动副托架714沿着杆722朝向或远离副托架715移动。同样地，在该示例中，电动机726驱动副托架715沿着杆723朝向或远离副托架714移动。如本文所述，实施对主托架和副托架的运动的控制以相对于辐照目标定位叶。此外，如本文所述，叶本身也被配置为移入和移出托架。

如图5所示，电动机730驱动主托架713的竖直运动。例如，如图3所示，导螺杆731联接到壳体732，该壳体732保持驱动对应的副托架714、715的电动机725、726，并且该电动机725、726安装在轨道720上。导螺杆731联接到电动机730并且被电动机730竖直驱动。也就是说，电动机730朝向或远离辐照目标竖直地驱动导螺杆731。因为导螺杆731被固定到外壳732，所以该运动还导致外壳732并且因此副托架714、715沿着轨道720朝向或远离辐照目标移动。

在该示例实施方式中，如提到的，七个叶735、736安装在每个副托架714、715上。每个副托架可以配置为将其叶水平地移入或移出处理区域。每个副托架上的单个叶可以相对于同一副托架上的其他叶在X方向上独立移动。在一些实施方式中，叶也可以配置为在Y方向上移动。此外，一个副托架714上的叶可独立于另一个副托架715上的叶移动。副托架上的叶的这些独立的运动，连同主托架所实现的竖直运动，都可以使叶移动成各种不同的配置。结果，叶可以水平和竖直地符合于在水平和竖直维度上随机成形的处理区域。叶的大小和形状可以变化以产生不同的构形。

叶可以由防止或抑制辐射传输的任何适当材料制成。使用的辐射类型可以决定叶中使用的材料。例如，如果辐射是X射线，则叶可以由铅制成。在本文所述的示例中，辐射是质子或离子束。相应地，叶可以使用不同类型的金属或其他材料。例如，叶可以由镍、钨、铅、黄铜、钢、铁或其任何适当的组合制成。每个叶的高度可以决定叶抑制辐射传输的程度。

在一些实施方式中，叶可以具有相同的高度，而在其他实施方式中，一些叶可以与其他叶的高度不同。例如，在图2至图5中，叶的高度均为5mm。然而，可以使用任何合适的高度。例如，叶735、736可以具有以下(或其他高度)中的任何一个：1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm，15mm，16mm，17mm，18mm，19mm，20mm，21mm，22mm，23mm，24mm，25mm，26mm，27mm，28mm，29mm等等。叶可以具有前述高度的任何组合。另外，每个叶可以具有与一个或多个其他叶不同的高度。

可以堆叠相同高度或不同高度的叶以抑制辐射传输。在一些实施方式中，较短的叶(例如较小高度的叶)可与较长的叶结合使用。在一些实施方式中，叶具有足够的高度以完全阻挡最大束能量的粒子束。在一些实施方式中，叶具有足够的高度以阻挡小于最大束能量的粒子束(且不阻挡最大能量的粒子束)。例如，尽管质子治疗系统有能力提供230MeV的能量束，可以治疗32cm患者的深度，但是在一些实施方式中，适应性孔径只能阻挡最多175MeV的质子，其可以治疗的深度不超过20cm。这样做时，可以使用较少的束截止材料，例如2.1cm的钨而不是3.3cm，或3.3cm的镍而不是5.2cm。在该示例中，质子治疗系统仍然能够以超过20厘米的深度进行治疗，但适应性孔径不能用于此类治疗。这可以被认为是可接受的，因为在某些情况下，深层治疗从适应性孔径提供的粒子束准直中受益较少。也就是说，在一些治疗情景中，浅的、低能量治疗是适应性光圈最有效的情况，并且减少叶材料的数量可能会有工程上的优势。因此，在一些示例实施方式中，使用较短的叶，并且适应性孔径限于用于浅的、低于最大能量的治疗。

在图2至图5的实施方式中，叶的形状为半矩形，并且从侧面看时具有大致相同的表面积。在一些实施方式中，情况并非如此。例如，叶可以具有与所示的不同的形状。示例形状包括但不限于圆形、曲线形、椭圆形、正方形和三角形。此外，各个叶可以具有与包含在相同托架中或不同托架中的其他叶不同的形状。例如，一个托架可以包含矩形和曲线形叶。

在一些实施方式中，叶的高度不仅足以完全阻止最大期望的质子能量的粒子束(例如，对于230MeV，3.3cm的钨，或例如5.2cm的镍)，还要有足够的额外材料来防止叶之间的质子传输。该材料可以具有如图1所示的舌和凹槽结构或类似的配置。叶端可以配置为包括弯曲或锥形表面以增强用于各种发散的质子束的递送半影(penumbra)。

在一些实施方式中，可以有多于一个的主托架和相应的电动机和轨道。例如，第一主托架可控制第一副托架的竖直运动，第二主托架可控制第二副托架的竖直运动。因此，在这种实施方式中，如果需要，两个副托架可以在竖直维度上独立移动。在任何情况下，主托架可以是计算机控制的。例如，可执行指令被存储在计算机存储器(例如，一个或多个非暂时性机器可读存储介质)中，并且由一个或多个处理装置执行以控制运动。控制可以在治疗期间由或不由用户输入来进行。

如所解释的，每个副托架714、715包括用于控制水平托架运动的对应的电动机，如上所述。在一些实施方式中，每个叶可以有一个电动机，而在其他实施方式中，单个电动机可以控制所有叶。电动机可以安装在对应的副托架上。结果，电动机与对应的副托架一起竖直移动。如上所述，电动机控制每个托架中的叶的运动。叶安装在实现两个方向上的运动的致动器上。在图2至图5的示例中，叶是整体叶的一部分。参考图6的示例，机构使得各个叶能够移入和移出整体叶(的X方向)，包括每个托架进入或离开处理区域。

在一些实施方式中，单个托架上的所有叶可独立移动。图6显示了作为副托架一部分的叶735a的运动机构。每个副托架中的每个叶可以具有与图6的叶和运动机构相似或相同的配置和运动机构。

在图6的示例中，运动机构包括叶杆735b、导螺杆螺母735c、导螺杆735d、推力轴承组件735e、联轴器735f、电动机735g、轴承座735h、套筒轴承销735i、套筒轴承735j和电动机安装块735k。在操作中，电动机轴通过联轴器旋转导螺杆。取决于螺杆的旋转方向，这导致导螺杆螺母前进或后退。导螺杆螺母固定至叶组件，因此当电动机旋转时，叶向前或向后移动(进入或离开射束路径)。套筒轴承销固定至叶，并沿套筒轴承滑动，套筒轴承俘获地保持在支撑整个组件的轴承块中。该轴承块容纳轴承，并为托架上的所有叶的电动机组件提供空间。

如上所述，可以使用适应性孔径来修剪具有不同孔径形状的扫描治疗的每一层，从而允许三维场成形技术，例如层堆叠。然而，适应性孔径的实施方式可以配置为模拟机加工的患者特异性结构或多叶准直器。

就此而言，现有的治疗计划系统(TPS)通常包括计算固定黄铜孔径的形状的能力，所述黄铜孔径旨在均匀地应用于整个治疗体积。TPS还可以指定或包含配置目标的适应性孔径形状的指令。计算机程序可以从连续孔径曲线或一组固定多叶准直器叶位置解释孔径形状，并将该形状转换为与递送的放射治疗光斑相关的适应性孔径的一系列动态叶位置。因此可以利用现有的TPS功能，允许适应性孔径与现有的TPS软件兼容，而且修改相对较少。

可以改善边缘共形性并且由适应性孔径实现的另一示例性技术利用了以几次通过或绘制递送层的相同处理区域的治疗剂量的可能性。本文所述的重绘是一种在扫描质子治疗中使用的技术，其中使用多个粒子束通过将剂量划分为处理区域，以便在与患者运动(例如呼吸)相比较长的时间尺度内均匀地散布递送的辐射。还存在其他原因，使得给定光斑的剂量可能不会全部以一个脉冲递送。一些示例原因包括：动态剂量控制可以调节每个脉冲中的电荷以提供精确的总剂量，脉冲中的电荷有安全限制，并且所需的剂量的动态范围可能超过粒子加速器的功能。

如果照射体积中的光斑在治疗期间(例如，在多次扫描期间)被多次绘制，则适应性孔径与辐照目标的侧边缘的共形性可通过将叶在每个绘制之间(例如，在覆盖相同处理区域的粒子束的每个扫描通过之间)略微(例如，以亚毫米级)竖直地、水平地或者竖直且水平地位移而改善。通过这种方式，可以使由于各个叶的有限尺寸而可能具有稍微锯齿状的边缘变平滑，以实现预期孔径曲线的更好的近似。

增加旋转自由度可以提高适应性孔径符合辐照目标的能力。例如，图3至图5的组件的整体可以配置成在与射束方向竖直的平面中、在平行于射束方向的平面中或以其组合旋转。在一些实施方式中，每个单独的副托架714、715可以配置为在同一平面内独立旋转。通过这种方式，适应性孔径可以提供更大的灵活性以适应不理想取向的复杂形状。在一些实施方式中，主托架和每个副托架都可以旋转。

在上述示例实施方式中，每个叶被独立地致动，使得任何形状都可以用叶配置来追踪。然而，可能不需要这种灵活性来实现可接受的边缘共形性。叶可以被机械约束，只能获得有限数量的配置。例如，叶可以被限制为将它们置于竖直线、前斜线形、后斜线形、凹形、凸形或任何其他可实现形状的布置。通过这种方式，灵活性可以换得机械简单性。可以通过一个远程电动机使用凸轮定时叶而不是安装在副托架上的四个电动机来致动叶。在一些实施方式中，叶的离散形状可以根据需要加工成旋转到位的轮的部分。为了减少电动机、反馈、控制器和相关布线的数量，可以使用具有一个电动机的组件，该电动机实现离散的叶配置。

图7示出了具有相对于轴751可旋转的弯曲叶750的适应性孔径的示例实施方式。在图7的示例中，所有的叶都由一个电动机致动。该电动机位于竖直轴751的顶部。选择叶凸轮的形状和取向以实现主驱动轴的不同旋转角度的不同的叶配置。

适应性孔径的另一个可能的优点是准直完全在场内的边缘的能力。如果治疗计划要求完全包围要保护的体积的待治疗体积(例如，完全包围脊髓的肿瘤)，则单个机械加工结构通常将无法在没有阻挡一些治疗体积的情况下阻挡对受保护体积的辐射。适应性孔径可以用一系列叶位置来治疗这样的场。例如，适应性孔径可以动态地重新配置，并在治疗期间保护需要保护的区域，同时允许在需要治疗的区域进行治疗。

在一些情况下，当粒子束与叶边缘的表面相切时，导致更好的射束性能(半影或边缘锐度)。然而，由于射束有效地源自单个点光源，当射束从场的中心移开时，它通过适应性孔径的平面的角度发生变化。由于这个原因，叶常常具有弯曲的边缘，如图1所示，所以边缘总是可以放置在使它们与粒子束相切的位置上。在适应性孔径的示例实施方式中，主托架和副托架在其上移动的轨道是弯曲的，从而可以使用平坦的叶边缘代替弯曲的叶边缘，并且使其为平坦的但与粒子束保持相切。

图30示出了弯曲轨道1420的示例实施方式。在图30的示例中，粒子束1421源自源1422，其可以是像本文所述的同步回旋加速器那样的粒子加速器。粒子束1422可以扫描通过场1423，并且在一定程度上可以在位置1425处，并且在另一程度上可以在位置1426处。保持叶1428和1429的托架安装在弯曲轨道1420上，使得叶1428和1428可以朝向或远离彼此移动。在该示例中，与图1的弯曲端部56相比，叶具有直的端部(或“前部”)1431、1431。通过采用弯曲轨道，粒子束可以保持与整个扫描场1423的直的端部相切或基本上相切。保持粒子束与端部相切可以是有利的，因为它使得由适应性孔径提供的修剪在射束场的整个范围内都是一致的。

总而言之，在一些实施方式中，适应性孔径一次仅修剪处理区域的一小部分，例如小于整个处理区域的区域，并且大约等于一个光斑大小、两个光斑大小、三个光斑大小、四个光斑大小、五个光斑大小，等等。因此，在一些实施方式中，适应性孔径可以足够小以便一次修剪单个光斑，并且可以足够大以在一个位置修剪若干光斑，而不移动整个场。因此，适应性孔径可以配置为在射束扫描时在场周围和场内移动。也就是说，在一些实施方式中，适应性孔径在扫描时跟踪射束，并且其配置和重新配置可以与扫描和由射束提供的脉冲同步(例如，针对不同射束脉冲/或位置的不同重新配置)。通过不使用足够大的叶来修剪整个处理区域，适应性孔径可以变得更小，因此适应性孔径可以放置得更靠近患者，而几乎不受其他装置的干扰。在一些实施方式中，甚至没有适应性孔径的叶具有跨越整个最大处理区域的一个维度。在一些实施方式中，每个单独的叶可以在处理区域内在两个维度上移动，并且该装置被安装在门架上(例如，在本文所述的粒子治疗系统的背景下)以在一个或更多的轴线上旋转，并且可以朝向和远离等角点(isocenter)延伸。

本文还描述了粒子加速器系统的示例，例如质子或离子治疗系统，其可采用图1至7、30和31的适应性孔径。粒子治疗系统包括粒子加速器-在该示例中为同步回旋加速器-其安装在门架上。门架使得加速器能够围绕患者位置旋转，如下面更详细地解释的，以允许来自粒子加速器的粒子束撞击患者中的任何处理区域。在一些实施方式中，门架是钢制的并且安装有两个支腿，用于在位于患者的相对侧上的两个相应的轴承上旋转。粒子加速器由钢桁架支撑，该桁架足够长以跨越患者所处的处理区域，并且其两端附接到门架的旋转支腿。由于门架围绕患者旋转，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)包括保持一个或多个超导线圈的低温恒温器，每个超导线圈用于传导产生磁场(B)的电流。在示例中，低温恒温器使用液氦(He)将每个线圈保持在超导温度，例如4°开尔文(K)。轭或较小的磁极片位于低温恒温器内部，并限定其中粒子被加速的腔室的形状。磁性垫片可穿过磁轭或磁极片以改变腔室中的磁场的形状和/或幅度。

在该示例实施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如Penning Ion Gauge-PIG源)以向腔室提供离子化等离子体柱。氢气被电离以产生等离子体柱。电压源向腔室提供射频(RF)电压，以加速从等离子体柱进入腔室的粒子的脉冲。腔室中的磁场成形为使得粒子在腔室内以轨道运动。如本文所解释的，磁场可以是例如至少4特斯拉。

如上所述，在一个示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。相应地，当加速来自等离子体柱的粒子时，RF电压扫掠经过一定范围的频率以导致对粒子的相对论效应(例如增加粒子质量)。通过使电流流过超导线圈而产生的磁场以及腔室的形状使得从等离子体柱加速的粒子在腔室内以轨道方式加速。在其他实施方式中，可以使用除同步回旋加速器之外的粒子加速器。例如，可以用回旋加速器、同步加速器、线性加速器等代替本文描述的同步回旋加速器。

在示例同步回旋加速器中，磁场再生器(“再生器”)位于腔室的外部附近(例如，在其内部边缘处)以调整腔室内的现有磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道的位置(例如，节距和角度)，使得最终将粒子输出到穿过低温恒温器的提取通道。再生器可以增加腔室中的某点处的磁场(例如，它可以在腔室的区域产生大约2特斯拉左右的磁场“不均匀”)，由此导致在该点处的粒子的每个连续轨道朝向提取通道的进入点向外进动，直到它到达提取通道。提取通道从腔室接收从等离子体柱加速的粒子并且将接收到的粒子作为粒子束从腔室输出。

超导(“主”)线圈可以产生相对较高的磁场。由主线圈产生的磁场可以在4T至20T以上的范围内。例如，主线圈可用于产生等于或超过以下一个或多个幅度的磁场：4.0T，4.1T，4.2T，4.3T，4.4T，4.5T，4.6T，4.7T，4.8T，4.9T，5.0T，5.1T，5.2T，5.3T，5.4T，5.5T，5.6T，5.7T，5.8T，5.9T，6.0T，6.1T，6.2T，6.3T，6.4T，6.5T，6.6T，6.7T，6.8T，6.9T，7.0T，7.1T，7.2T，7.3T，7.4T，7.5T，7.6T，7.7T，7.8T，7.9T，8.0T，8.1T，8.2T，8.3T，8.4T，8.5T，8.6T，8.7T，8.8T，8.9T，9.0T，9.1T，9.2T，9.3T，9.4T，9.5T，9.6T，9.7T，9.8T，9.9T，10.0T，10.1T，10.2T，10.3T，10.4T，10.5T，10.6T，10.7T，10.8T，10.9T，11.0T，11.1T，11.2T，11.3T，11.4T，11.5T，11.6T，11.7T，11.8T，11.9T，12.0T，12.1T，12.2T，12.3T，12.4T，12.5T，12.6T，12.7T，12.8T，12.9T，13.0T，13.1T，13.2T，13.3T，13.4T，13.5T，13.6T，13.7T，13.8T，13.9T，14.0T，14.1T，14.2T，14.3T，14.4T，14.5T，14.6T，14.7T，14.8T，14.9T，15.0T，15.1T，15.2T，15.3T，15.4T，15.5T，15.6T，15.7T，15.8T，15.9T，16.0T，16.1T，16.2T，16.3T，16.4T，16.5T，16.6T，16.7T，16.8T，16.9T，17.0T，17.1T，17.2T，17.3T，17.4T，17.5T，17.6T，17.7T，17.8T，17.9T，18.0T，18.1T，18.2T，18.3T，18.4T，18.5T，18.6T，18.7T，18.8T，18.9T，19.0T，19.1T，19.2T，19.3T，19.4T，19.5T，19.6T，19.7T，19.8T，19.9T，20.0T，20.1T，20.2T，20.3T，20.4T，20.5T，20.6T，20.7T，20.8T，20.9T，或更大.此外，可以使用主线圈来产生在上面未具体列出的4T至20T(或更多，或更少)范围内的磁场。

在一些实施方式中，例如图8和9所示的实施方式，大铁磁磁轭用作超导线圈产生的杂散磁场的返回。例如，在一些实施方式中，超导磁体可以产生例如4T或更大的相对较高的磁场，导致相当大的杂散磁场。在如图8和9所示的一些系统中，相对较大的铁磁返回磁轭100被用作超导线圈产生的磁场的返回。磁场围绕磁轭。返回磁轭和屏蔽体一起消散了杂散磁场，从而降低了杂散磁场对加速器操作产生不利影响的可能性。

在一些实施方式中，返回磁轭和屏蔽体可以由主动返回系统替换或增强。示例主动返回系统包括一个或多个主动返回线圈，其以与通过主超导线圈的电流相反的方向传导电流。在一些示例实施方式中，每个超导线圈都有主动返回线圈，例如两个主动返回线圈-每个超导线圈(称为“主”线圈)一个。每个主动返回线圈也可以是同心地围绕相应的主超导线圈的外部的超导线圈。

电流在与通过主线圈的电流的方向相反的方向上通过主动返回线圈。通过主动返回线圈的电流因此产生与主线圈产生的磁场极性相反的磁场。结果，由主动返回线圈产生的磁场能够消散由相应的主线圈产生的相对较强的杂散磁场中的至少一些。在一些实施方式中，每个主动返回可以用于产生2.5T至12T以上之间的磁场。例如，磁场可以是2.5T，2.6T，2.7T，2.8T，2.9T，3.0T，3.1T，3.2T，3.3T，3.4T，3.5T，3.6T，3.7T，3.8T，3.9T，4.0T，4.1T，4.2T，4.3T，4.4T，4.5T，4.6T，4.7T，4.8T，4.9T，5.0T，5.1T，5.2T，5.3T，5.4T，5.5T，5.6T，5.7T，5.8T，5.9T，6.0T，6.1T，6.2T，6.3T，6.4T，6.5T，6.6T，6.7T，6.8T，6.9T，7.0T，7.1T，7.2T，7.3T，7.4T，7.5T，7.6T，7.7T，7.8T，7.9T，8.0T，8.1T，8.2T，8.3T，8.4T，8.5T，8.6T，8.7T，8.8T，8.9T，9.0T，9.1T，9.2T，9.3T，9.4T，9.5T，9.6T，9.7T，9.8T，9.9T，10.0T，10.1T，10.2T，10.3T，10.4T，10.5T，10.6T，10.7T，10.8T，10.9T，11T，11.1T，11.2T，11.3T，11.4T，11.5T，11.6T，11.7T，11.8T，11.9T，12.0T或更多。此外，可以使用主动返回线圈来产生在上文未具体列出的2.5T至12T(或更多，或更少)范围内的磁场。

参照图10，在粒子加速器105(其可具有图8和图9中所示的配置)的提取通道102的输出处，是扫描系统106的示例，其可用于跨越辐照目标的至少一部分扫描粒子束。图11还示出了扫描系统的部件的示例。这些包括但不限于扫描磁体108，离子室109和能量降能器110。可以并入到扫描系统中的其他组部件未在图11中示出，包括例如用于改变射束光斑大小的一个或多个散射体。示例扫描系统，包括其部件，可以安装在门架上，并在门架移动期间与粒子加速器一起移动。

在示例性操作中，扫描磁体108在两个维度(例如，笛卡尔XY维度)上是可控的，以引导粒子束经过辐照目标的处理区域(例如，截面)。离子室109检测射束的剂量，并将该信息反馈给控制系统以调整射束移动。能量降能器110是可控制的，以将材料(例如，一个或多个单独的板)移入和移出粒子束的路径，以改变粒子束的能量，并因此改变粒子束将穿透辐照目标的深度。通过这种方式，能量降能器可以选择辐照目标的深度方向的层进行二维扫描。

图12和13示出了示例扫描磁体108的视图。在该示例实施例中，扫描磁体108包括两个线圈112(其控制粒子束在X方向上的运动)和两个线圈112(其控制粒子束在Y方向上的运动)。在一些实施方式中，通过改变通过一组或两组线圈的电流来实现控制，从而改变由此产生的(多个)磁场。通过适当地改变(多个)磁场，粒子束可以在X和/或Y方向上跨越辐照目标移动。在一些实施方式中，扫描磁体不可相对于粒子加速器物理移动。在其他实施方式中，扫描磁体可相对于粒子加速器移动(例如，作为由门架提供的运动的附加)。在一些实施方式中，扫描磁体可以是可控的，以连续地移动粒子束，使得粒子束在被扫描的辐照目标层或其一部分(例如处理区域)的至少一部分以及可能全部上不中断地运动。在其他实施方式中，扫描磁体可以间隔或特定的时间可控制。在一些实施方式中，可能存在不同的扫描磁体来控制粒子束在X和/或Y方向上的全部或部分运动。

在一些实施方式中，扫描磁体108可以具有空气芯。在其他实施方式中，扫描磁体108可以具有铁磁体(例如，铁)芯。通常，具有空气芯的磁体包括围绕作为非铁磁材料(例如空气)的芯的磁体线圈。例如，空气芯磁体可以包括围绕空气的自支持线圈。在一些实施方式中，空气芯磁体可以包括缠绕在绝缘体(例如陶瓷或塑料)上的线圈，所述绝缘体可以包括或不包括空气。

在一些情况下，空气芯可以具有优于铁磁芯的优点。例如，粒子束在X和/或Y方向上移动(例如偏转)的量至少部分地基于施加到磁体的电流(称为“磁体电流”)的量来确定。扫描磁体通常具有移动(或偏转)范围，该范围是磁体将移动射束的程度。在该范围的极限处，例如在边缘处，大量的电流被施加到扫描磁体，以实现相对较高的射束偏转量。具有铁磁芯的一些类型的扫描磁体可能在这些极限处饱和，导致电流和磁体运动之间的非线性关系。也就是说，由磁体产生的偏转量可能不与施加到磁体的电流量成线性比例。由于这种非线性，在某些情况下，可能难以使用磁体电流确定和/或设定某些射束位置。

因此，当使用具有铁磁芯的扫描磁体时，可能需要进行一些校准和/或补偿以校正如上所述的非线性。

与之相比，具有空气芯的扫描磁体可能不会以与具有铁磁芯的扫描磁体相同的方式饱和。例如，空气芯磁体可能不会饱和或可能比具有铁磁芯的磁体较少地饱和。结果，电流和磁体移动之间的关系可能更线性，特别是在范围极限处，至少在一些情况下，基于磁体电流确定射束位置更加精确。这种增加的线性还可以实现射束的更精确的移动，特别是在范围极限处。也就是说，由于当使用空气芯扫描磁体时，电流和射束移动之间的关系通常在更大的范围内更线性，所以使用空气芯扫描磁体可以更容易地重现射束移动。这可能是有利的，因为辐照目标的深度方向的层可能需要多次扫描，每次扫描提供总累积辐射剂量的百分比。向同一区域传送多个剂量的精度，例如可以通过使用空气芯扫描磁体获得的精度可能会影响治疗效果。

尽管电流和磁体移动之间的关系在空气心磁体中可以是更线性的，但是在一些情况下，空气心磁体可能比具有铁磁芯的磁体更容易受到杂散磁场的影响。这些杂散磁场可能在门架产生的扫描磁体运动期间冲击扫描磁体。因此，在使用具有空气芯的扫描磁体的一些实施方式中，施加到扫描磁体以移动射束的电流可以被校准以考虑扫描磁体相对于患者的位置(或者相应地，考虑门架的位置，因为门架的位置对应于扫描磁体相对于患者的位置)。例如，对于门架的不同旋转位置(角度)，例如通过基于旋转位置增加或减少一些施加的电流，可以确定扫描磁体的行为，并且如果需要的话，可以校正扫描磁体的行为。在一些实施方式中，扫描磁体可以具有由空气和铁磁材料(例如铁)构成的芯。在这种实施方式中，可以考虑上述因素来确定芯中的空气和铁磁材料的数量和配置。

在一些实施方式中，电流传感器118可以连接到扫描磁体108，或者以其他方式与扫描磁体108相关联。例如，电流传感器可以与扫描磁体通信但不连接到扫描磁体。在一些实施方式中，电流传感器采样施加到磁体的电流，其可以包括用于控制X方向上的射束扫描的(多个)线圈的电流和/或用于控制Y方向上的射束扫描的(多个)线圈的电流。电流传感器可以在对应于粒子束中脉冲的出现的时间或者以超过脉冲出现在粒子束中的速率的时间对通过磁体的电流进行采样。在后一种情况下，识别磁体电流的样本与通过下面描述的离子室对脉冲的检测相关。例如，使用离子室(下面描述)检测脉冲的时间可以与来自电流传感器的样本在时间上相关，从而在脉冲的时间识别(多个)电磁线圈中的电流。通过使用磁体电流，因此可以确定辐照目标上的位置(例如，在辐照目标的深度方向的层上)，其中每个脉冲以及因此一定剂量的粒子被递送。深度方向的层的位置可以基于射束路径中能量降能器的位置(例如，板的数量)来确定。

在操作期间，可以针对递送剂量的每个位置以及剂量的量(例如，强度)，来存储(多个)磁体电流的幅度(例如，(多个)值)。可以在加速器上或远离加速器并且可以包括存储器和一个或多个处理装置的计算机系统可以将磁体电流与辐照目标内的坐标相关联，并且这些坐标可以与剂量一起被存储。例如，可以通过深度方向的层数和笛卡尔XY坐标或通过笛卡尔XYZ坐标(具有对应于Z坐标的层)来识别位置。在一些实施方式中，磁体电流的幅度和坐标位置都可以与每个位置处的剂量一起存储。该信息可以存储在加速器上的或远离加速器的存储器中。如本文更详细描述的，可以在扫描期间使用该信息，以将多个剂量施加到相同的位置来实现目标累积剂量。

在一些实施方式中，离子室109通过检测由入射辐射引起的气体内产生的离子对的数量来检测由粒子束施加到辐照目标上的位置的剂量(例如，一个或多个单独的剂量)。离子对的数量对应于粒子束提供的剂量。该信息被反馈到计算机系统并与提供剂量的时间一起存储在存储器中。如上所述，该信息可以与提供剂量的位置和/或此时的磁体电流的幅度相关联，并与之相关联地存储。

如下面更详细描述的，在一些实施方式中，扫描系统是开环的，在这种情况下，粒子束跨越辐照目标上自由且不间断地移动，以便用辐射基本上覆盖目标。当辐射被递送时，由粒子治疗控制系统实施的剂量测定记录(例如，存储)每个位置的辐射量和对应于辐射被递送的位置的信息。辐射被递送的位置可以记录为坐标或者一个或多个磁体电流值，并且递送的辐射量可以记录为灰度(gray)剂量。因为系统是开环运行的，所以辐射的递送与粒子加速器的操作不同步(例如，与其RF循环)然而，剂量测定可以与粒子加速器的操作同步。更具体地说，剂量测定记录在递送剂量时递送的每个剂量的量和位置(即，在给定技术限制的情况下尽可能接近递送时间)。由于剂量的递送与加速器的操作同步(例如，每个RF循环递送一个脉冲)，在一些实施方式中，记录剂量和位置的剂量测定与向目标递送辐射剂量同步或基本上同步地操作，并因此与粒子加速器的操作同步，例如其RF周期。

图14示出了范围调节器115，其是能量降能器110的示例实施方式。在一些实施方式中，例如图14中所示，范围调机器包括一系列板116。板可以由以下示例材料中的一种或多种制成：碳、铍或其他低原子序数的材料。然而，可以使用其他材料替代这些示例材料或作为其附加。

一个或多个板可以移入或移出束路径，从而影响粒子束的能量，并因此影响粒子束在辐照目标内的穿透深度。例如，移动到粒子束的路径中的板越多，板将吸收的能量越多，并且粒子束将具有的能量越少。相反，移动到粒子束的路径中的板越少，板将吸收的能量越少，并且粒子束将具有越多的能量。较高能量粒子束通常比较低能量粒子束更深地穿透辐照目标。在此语境中，“较高”和“较低”是指相对术语，并且没有任何特定的数字含义。

板物理地移入和移出粒子束的路径。例如，如图15所示，板116a沿着箭头117的方向在粒子束的路径中的位置之间和粒子束的路径之外移动。板是由计算机控制的。通常，移动到粒子束的路径中的板的数量对应于进行辐照目标的扫描的深度。例如，辐照目标可以分为截面或深度方向的层，其每一个对应于辐照深度。范围调节器的一个或多个板可移入或移出辐照目标的射束路径，以便获得适当的能量以辐射辐照目标的这些截面或深度方向的层中的每一个。在扫描辐照目标的一部分(例如，截面)期间，范围调节器可以相对于粒子束是静止的，除了其板移入和移出粒子束的路径之外。或者，图14和15的范围调节器可以用以下范围调节器代替，该范围调节器至少在某些时间跟踪粒子束的移动，从而能够使用较小的板。

在使用上述类型的范围调节器的实施方式中，移动到射束路径中的板的数量确定/设定要扫描的辐照目标的深度方向的层。例如，如果两个板移动到射束路径中，则该层将比一个或没有板移动到射束路径中的情况更浅。基于移动到射束路径中的板的数量，该层可被识别并存储在存储器中。在一些实施方式中，板可以具有不同的高度。在这样的实施方式中，各个板的高度也影响要扫描的层(例如，粒子束将穿透目标的深度)。

在一些实施方式中，粒子加速器可以是可变能量粒子加速器。在使用可变能量粒子加速器的示例系统中，可能不太需要本文所述类型的能量降能器，因为粒子束的能级可由粒子加速器控制。例如，在采用可变能量粒子加速器的一些系统中，可能不需要能量降能器。在采用可变能量粒子加速器的一些系统中，仍然可以使用能量降能器来改变射束能级。

在一些实施方式中，在治疗辐照目标之前建立治疗计划。治疗计划可以存储在控制粒子治疗系统的操作的计算机系统可访问的存储器中。治疗计划可包括关于如何由粒子治疗系统提供放射治疗的信息。例如，治疗计划可以指定如何针对特定辐射目标执行扫描。在一些实施方式中，治疗计划指定要进行光栅扫描。光栅扫描包括跨越辐射目标产生粒子束的不间断移动。例如，扫描磁铁连续移动以跨越辐照目标扫描(例如，移动)粒子束，以便在辐射目标的层的至少一部分上产生粒子束的不间断移动。移动可以不间断地跨越辐照目标的整个层或仅跨越层的一部分在一些实施方式中，射束可以沿着辐照目标的层的全部或部分以恒定的速度移动。在一些实施方式中，射束沿着辐照目标的层的全部或部分移动的速度可以变化。例如，粒子束可以在层的内部比在层的边缘更快地移动。移动速度可以在治疗计划中指定。

在一些实施方式中，治疗计划还可以指定要施加到辐照目标的层上的各个位置的辐射(粒子)的目标累积剂量。剂量是累积的，意思是它可以通过施加一个或多个剂量的粒子来实现。例如，辐照目标上的相同位置(例如在XYZ空间中)可以被照射十次，每次用10％的目标累积剂量来实现目标累积剂量。在一些实施方式中，治疗计划不需要指定每个位置的剂量的量、位置、或者要照射位置的次数。也就是说，在某些实施方式中，该信息可以从治疗计划中省略。相反，在一些实施方式中，可预先设定粒子束的强度，以提供每次照射的特定剂量的辐射。粒子束然后可以以开环方式在辐照目标的层上被扫描，而不需要反馈以移动到下一个位置。当扫描粒子束时，确定射束的位置并确定该位置的相应剂量。可以在与扫描和递送大致同时进行确定(即，鉴于技术限制，尽可能在时间上接近递送)。将该位置处的累积剂量(其包括当前剂量以及在当前治疗期间之前递送的任何剂量)与来自治疗计划的目标累积剂量进行比较。

如果两者不匹配，则在随后的扫描期间可能会向该位置施加额外的剂量。由于并不总是准确地知道每次扫描将向某个位置递送多少辐射，因此可能不会事先设定扫描位置的次数。同样，由于实际每次扫描实际递送到某个位置的辐射量可能会有波动，因此不一定需要事先设定每次扫描的精确辐射量。因此，在一些实施方式中，这些信息不需要包括在治疗计划中。

在一些实施方式中，治疗计划还可以包括一个或多个图案，在该一个或多个图案上，粒子束可以每层被扫描。治疗计划还可以指定能量降能器的板的数量以实现特定的能级/层。其他实施方式可以包括作为上述指定的信息的附加或替代的信息。

在一些实施方式中，辐照目标的总体治疗计划可以包括针对辐照目标的不同截面(层)的不同治疗计划。不同截面的治疗计划可以包含相同的信息或不同的信息，例如上面提供的信息。

扫描系统包括图1至7、30和31(的适应性孔径或其变体)，其可相对于辐照目标放置，以限制粒子束的范围并由此限制粒子束的范围？。例如，适应性孔径可以放置在能量降能器的射束路径的射束下游，并且在粒子束击中辐照目标的处理区域之前。适应性孔径是可控制的，以允许粒子束通过，然后击中处理区域的某些部分，同时防止粒子束击中患者的其他部位。例如，适应性孔径可以是可控制的，以防止粒子束击中健康组织或防止粒子束击中辐照目标的其他部位(例如，如果目标的某些部要比其他部位接收更多的辐射)。图16描绘了本文所述的适应性孔径的实施方式770相对于患者771的放置。还示出了射束771a的方向。

如上所述，在一些实施方式中，例如通过开环控制系统以开环方式进行扫描，所述开环控制系统可以使用一个或多个处理装置来实现，例如控制粒子治疗系统的计算装置。在该示例中，开环扫描包括跨越辐照目标移动粒子束，以用辐射基本上覆盖目标。在一些实施方式中，移动不与加速器的操作同步，例如不与RF频率同步，而是在加速器操作时独立于加速器的操作而运行。例如，粒子束的移动可以是不间断的，并且不依赖于粒子加速器的RF周期。可能会跨越辐照目标的层的全部或部分发生不间断的移动。然而，如本文所述，剂量测定可以与将粒子束的脉冲递送至辐照目标同步。在剂量测定与粒子束的脉冲递送同步的示例中，剂量测定也与加速器的操作同步(例如，与用于从离子源等离子体柱中抽取粒子束的脉冲的RF频率同步)。

可以预先设定单个剂量的粒子束的辐射水平(例如，来自加速器的单个脉冲)的辐射水平。例如，每个单独的剂量可以用灰度指定。单独的剂量可以是或对应于将被施加到辐照目标中的位置(例如，XYZ坐标)的目标累积剂量的百分比。在一些实施方式中，单独的剂量可以是目标累积剂量的100％，因此，可能仅需要单次扫描以将每个位置的单剂量的辐射(例如，一个或多个粒子脉冲)递送至辐照目标。在一些实施方式中，单独的剂量可以小于目标累积剂量的100％，导致需要多次扫描相同的位置以向辐照目标递送多个剂量的辐射。单独的剂量可以是目标累积剂量的任何适当百分比，例如：1％，2％，3％，4％，5％，6％，7％，8％，9％，10％，11％，12％，13％，14％，15％，16％，17％，18％，19％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85％，90％，95％或这些值之间的任何百分比。

根据治疗计划，可以控制扫描磁体电流以扫描辐照目标的深度方向的层。通过在粒子束的路径中适当地定位距离范围补偿器的一个或多个能量降能器，或者通过设定可变能量粒子加速器的能级，来选择层。当层被扫描时，电流传感器采样施加到扫描磁体的电流。可以记录磁体电流的量，例如存储在存储器中。如果使用多于一个磁体或磁线圈，则可以将磁体电流的量与磁体或线圈的标识一起存储。另外，电流可以与辐照目标内的坐标相关联(例如，笛卡尔XYZ坐标)，并且作为对应的磁体电流的附加或替代，这些坐标可以被存储。如上文所解释的，电流传感器可以对磁体电流进行采样并且将采样时间与辐射剂量(例如，脉冲)被递送的时间相关联。

就此而言，当递送该剂量时，离子室109可以检测递送至辐照目标的剂量的强度。记录每个剂量的强度(例如，存储在存储器中)以及每个递送的剂量的位置。如上所述，每个递送剂量的位置可以通过坐标、磁体电流或使用一些其他适当的度量来存储。如上所述，剂量测定-剂量验证-可与递送剂量同步，并因此与加速器的输出(其对应于RF频率，如上所述)同步。因此，在一些实施方式中，每次递送剂量时，几乎立即确定该剂量的强度，并几乎立即确定施加剂量的位置。该信息可以存储在一个或多个表格中(例如，每层一个表格或每层多个表格)或其他适当的计算机存储结构中。

在一些实施方式中，表可以随着附加剂量的传送而更新。例如，表格可以保存每个位置递送的剂量的量的运行轨迹。因此，如果射束剂量是“X”灰度，则在第一次扫描通过中，表格可以记录位置的X灰度。在第二次扫描通过中，表格可以记录2X灰度，等等，直到达到目标累积剂量。

就此而言，对于每个位置，与加速器相关联的处理装置(例如，控制粒子治疗系统的计算机系统)可将来自诸如上述的表格的累积剂量与目标累积剂量进行比较。如果累积剂量与目标累积剂量相匹配，则认为该位置(或层)的治疗已完成。如果累积剂量与目标累积剂量不匹配，则进行额外的治疗。例如，再次在相同的位置扫描层或位置，这些位置是从表格中获取的。通过使用空气芯磁体产生的磁体电流和射束移动之间的线性相关性可以促进在扫描期间的在射束的多次通过期间在相同位置处的重复的、且相对准确的重复的扫描。如上所述，本文所述的适应性孔径的叶可以在同一区域的每次扫描之间略微移动(例如，几分之一毫米，毫米或几毫米)。

可以在相同位置处重复任何适当次数的扫描，直到在每个位置达到目标累积剂量。就此而言，取决于层上不同位置的目标累积剂量，整个层可以被重新扫描或者可以仅重新扫描层的选择部分。在一些实施方式中，扫描之间的粒子束的强度不变在其他实施方式中，粒子束的强度可以在扫描之间变化，特别是如果需要小剂量来补足累积剂量以达到目标累积剂量。例如，通过改变离子源的操作(例如，增加等离子体电离)，改变RF扫掠的频率，或通过任何其他适当的方法，可以增加或减少剂量的强度。

如上所述，可以针对整个层或仅针对层的一部分重复扫描。在一些实施方式中，可以在治疗处理另一层之前对整个层或其一部分进行完全治疗。也就是说，可以重复扫描，直到在另一层被治疗之前达到层上每个位置的总累积剂量。在一些实施方式中，每个层可以依次部分地治疗(例如扫描一次)，然后依次重新扫描。在一些实施方式中，可以在治疗其他层之前完全治疗若干指定层。在一些实施方式中，整个目标可以被扫描一次，然后连续扫描整个目标，直到适当的总累积剂量被递送到每个位置。

在多层之间的移动期间，射束可以被关闭。例如，在层之间的移动期间，离子源可以被关闭，从而中断射束的输出。在层之间的移动期间，粒子加速器中的RF扫掠可以被关闭，从而中断射束的提取(并且因此中断射束的输出)。在层之间的移动期间，在某些实施方式中，离子源和产生RF扫掠的电路可以被停用。在一些实施方式中，不是在层之间的移动期间关闭离子源和/或RF扫掠，可以使用冲击磁体(未示出)或扫描磁体将射束偏转到射束吸收材料。

可以根据不同的治疗计划扫描辐照目标的不同截面。如上所述，使用能量降能器来控制扫描深度。在一些实施方式中，在能量降能器的配置期间，粒子束可以被中断或重定向。在其他实施方式中，情况并非如此。

这里描述的是处理辐照目标的截面的示例。这些可能是大致垂直于粒子束的方向的截面。然而，本文所述的概念同样适用于治疗辐照目标的不是与粒子束的方向竖直的截面的其他部分。例如，可以将辐照目标分段成球形、立方体或其他形状的体积，并且可以使用本文描述的示例性过程、系统和/或装置来对这些体积进行治疗。

图17是示出本文描述的扫描过程的示例实施方式的流程图。尽管图17的过程200在本文描述的硬件的情景下描述，但是过程200可以使用任何适当的硬件来执行。在适当的情况下，过程200中所示的操作可以按照所描绘的相同顺序或以不同顺序执行。

根据过程200，存储治疗计划(201)。治疗计划可以是如上所述的治疗计划。例如，治疗计划可以指定扫描的类型(例如，不间断的光栅扫描)以及要递送到辐照目标的每个层中的每个位置的辐射的总累积剂量。治疗计划可以省略例如在各个位置的每次扫描要递送的剂量和它们的强度，以及要递送到每个位置的剂量的数量和位置的标识。

能量降能器(degrader)可以被设置为选择(202)层，并且电流可以被施加到磁体并且被控制为根据例如在治疗计划中阐明的模式来移动(203)粒子束，以扫描层。电流控制可以跨越辐照目标的至少一部分产生射束的不间断运动，以递送一定剂量的带电粒子。在图18中示出了跨越辐照目标的层233的射束运动230的图案的示例。当射束移动时，射束的每个脉冲都会向目标递送一定剂量的辐射。该剂量具有强度，其可以预先设定在加速器中或在扫描期间设定，并且被递送到特定位置。剂量要递送的确切位置不需要预先设定，而是可以通过射束运动和脉冲输出的组合来实现。

对于递送剂量的位置，存储(204)(或以其他方式记录)信息，其标识位置和在该位置递送的剂量的量。该信息通常在剂量递送后被存储。如上文所解释的，通过使用离子室来确定粒子束强度(例如剂量的量)和使用扫描磁体上的电流传感器来确定递送剂量的位置，信息可以尽可能接近剂量的递送被确定。如上所述，在一些实施方式中，与递送同步地，标识递送至辐照目标的粒子束的剂量的信息与以下中的至少一个一起存储：递送剂量的坐标，或递送剂量的磁体电流。还如上所述，该信息可以存储在表格中，其可以用于存储辐射目标的各个层上的位置处施加的累积辐射剂量。

如上所述，可以扫描整个层并记录其信息，或者可以仅扫描层的一部分并记录其信息。适应性孔径安装在扫描系统的适当位置上，以使适应性孔径能够在扫描操作期间跟踪粒子束的运动。在扫描期间的时刻，将每个位置输送递送的累积剂量与该位置的目标累积剂量进行比较。例如，可以在扫描包含该位置的层的一部分之后，在扫描整个层之后，在扫描一组层之后，或者在扫描辐照目标中的所有层之后，完成该操作。确定(205)当前累积剂量是否与特定位置处的目标累积剂量相匹配。如果当前累积剂量确实与特定位置处的目标累积剂量相匹配，那么对这些位置完成扫描(207)。如果当前累积剂量与特定位置处的目标累积剂量不匹配，则操作扫描系统以补偿相对于这些位置的对应的目标累积剂量的记录(例如，当前累积)剂量的不足。例如，如果当前累积剂量与特定位置处的目标累积剂量不匹配，则可以控制扫描磁体中的电流以便移动(206)射束来将额外剂量递送至特定位置。

如上文所解释的，在一些实施方式中，100％的剂量可在层的单次扫描(例如，粒子的单次递送)期间施加。在这种情况下，每层可能不需要多次扫描。在其他实施方式中，在单次扫描期间可以施加小于100％的剂量。在这种情况下，每层将需要多次扫描。为此，根据扫描过程，对于施加剂量的位置，如果每个位置处的当前累积剂量与相应位置处的目标累积剂量不匹配，则控制磁体电流以使射束移动，从而为需要更多剂量的位置提供额外的剂量。换句话说，该层可以被重新扫描任何适当的次数，直到该层的所有位置达到目标累积剂量。在一些实施方式中，在一次扫描或多次扫描中，实际递送的剂量可能超过目标累积剂量的100％。适当的医疗专业人员可以决定递送多少剂量。

如上所述，可以在任何适当的时间点处重新扫描层，例如，在用当前扫描完成层的一部分之后，在用当前扫描完成整个层之后，在用扫描完成一组层之后，或在用扫描完成所有层之后。在重新扫描期间，重复上述过程，直到达到辐照目标中所有或部分的位置的目标累积剂量。在一些实施方式中，可能需要调整粒子束的强度，例如，用于最后的扫描。例如，如果强度设定为目标累积剂量的25％，但每次扫描仅提供20％，则第五次(可能是第六次)剂量需要低于25％的强度才能达到目标累积剂量。

本文所述的过程可以与单个粒子加速器一起使用，并且本文所述的任何两个或更多个特征可以与单个粒子加速器一起使用。粒子加速器可用于任何类型的医疗或非医疗应用。下面提供了可以使用的粒子治疗系统的示例。值得注意的是，本文描述的概念可以用在没有具体描述的其他系统中。

参照图19，带电粒子放射治疗系统400的示例实施方式包括具有足够小的重量和大小尺寸的射束产生粒子加速器402(例如，图8和9的粒子加速器)，以允许它安装在旋转门架404上，其输出直线(即，基本上直接)从加速器外壳壳体指向患者406。粒子加速器402还包括本文所述类型的扫描系统(例如，图10至18)。

在一些实施方式中，钢门架具有两个支腿408、410，两个支腿408、410安装成在位于患者的相对侧上的两个相应的轴承412、414上旋转。加速器由钢桁架416支撑，该桁架416足够长以跨越患者所处的处理区域418(例如，是高个人员的两倍长，以允许人员在空间内完全旋转，而患者的任何期望的目标区域保留在射束的线中)，并且在两端稳定地附接到门架的旋转支腿。

在一些示例中，门架的旋转被限制在小于360度的范围420，例如约180度，以允许底板422从容纳治疗系统的穹顶424的壁延伸进入患者处理区域。门架的有限旋转范围还减小了一些壁(其不与梁直接对准，例如壁430)所需的厚度，该壁为处理区域外的人提供了辐射屏蔽。门架的180度的旋转范围足以覆盖所有治疗接近角度，但提供更大的行进范围可以是有用的。例如，旋转的范围可以在180和330度之间，并且仍然为治疗底板空间提供间隙。在其他实施方式中，旋转不限于上述。

门架的水平旋转轴线432名义上位于患者和治疗师与治疗系统相互作用的底部上方一米处。该底板位于治疗系统屏蔽穹顶的底部底板上方约3米处。加速器可以在升高的底板下摆动，以从旋转轴线下方递送治疗射束。患者卧榻在与门架的旋转轴线平行的基本上水平的平面内移动并旋转。采用这种配置，卧榻可以在水平面内旋转约270度的范围434。门架与患者旋转范围和自由度的这种组合允许治疗师实际选择射束的任何接近角度。如果需要，可以将患者以相反的方向放置在床上，然后可以使用所有可能的角度。

在一些实施方式中，加速器使用具有高磁场超导电磁结构的同步回旋加速器配置。因为给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加到其上的磁场的增加成正比地减小，所以高磁场超导磁结构允许加速器制造的更小和更轻。同步回旋加速器使用旋转角度均匀的磁场，并其随着半径的增加而强度下降。无论磁场的幅度如何，都可以实现这样的场形状，因此理论上可以在同步回旋加速器中使用的磁场强度(因此在固定半径处产生的粒子能量)没有上限。

同步回旋加速器支撑在门架上，使得射束直接与病人成直线产生。门架允许同步回旋加速器围绕水平旋转轴线旋转，该水平旋转轴线包含患者体内或附近的点(等角点440)。平行于旋转轴线的分体式桁架支撑两侧的同步回旋加速器。

由于门架的转动范围在某些示例性实施方式中受到限制，患者支撑区域可容纳在等角点周围的广阔区域中。因为底板可以围绕等角点广阔地延伸，所以患者支撑台可以被定位成相对于竖直轴线442移动并通过等角点围绕竖直轴线442旋转，从而通过门架旋转与台运动和旋转的组合，可以实现进入患者的任何部位的任何角度的射束方向。在一些实施方式中，两个门架臂分开超过高个患者身高的两倍，允许躺有患者的卧榻在升高的底板上方的水平面内旋转和平移。

限制门架旋转角度允许减小治疗室周围的至少一个壁的厚度。通常，由混凝土构成的厚壁为治疗室外的个人提供辐射防护。阻断质子束下游的壁可以是房间相对端的壁厚的两倍，以提供相同水平的保护。限制门架旋转的范围可以使治疗室的三侧位于地面等级(earth grade)以下，同时允许最薄壁附近的占用面积减少建造治疗室的成本。

在图19所示的示例实施方式中，超导同步回旋加速器402以8.8特斯拉的同步回旋加速器的极间隙中的峰值磁场运行。同步回旋加速器产生能量为250MeV的质子的射束。在一些实施方式中，同步回旋加速器是可变能量机器，并且能够输出具有不同能量的质子束。在一些实施方式中，同步回旋加速器可以产生具有固定能量的射束。在一些实施方式中，场强可以在4T至20T的范围内，并且质子能量可以在100至300MeV的范围内。

本实施例中描述的放射治疗系统用于质子放射治疗，但是相同的原理和细节可以应用于类似系统中以用于重离子(离子)治疗系统。

如图8、9、20、21和22所示，示例同步回旋加速器10(例如图19中的402)包括磁体系统122，其包含粒子源190、射频驱动系统191和射束提取系统。在该示例中，由磁体系统建立的磁场具有适合于使用一对分体的环形超导线圈140、142和一对成形的铁磁(例如低碳钢)极面144、146的组合保持所包含的质子束的焦点的形状。

两个超导磁体线圈以公共轴线为中心并且沿轴线间隔开。线圈可以由以Nb3Sn为基础的超导0.8mm直径股线(最初包括被铜护套包围的铌-锡芯)形成，其部署为绞合通道中电缆(cable-in-channel)导体几何形状。在将七根单独的股线电缆连接在一起后，它们被加热以引起形成导线的最终(脆性)超导材料的反应。在材料反应之后，将导线焊接到铜通道中(外部尺寸3.18×2.54mm，内部尺寸2.08×2.08mm)并用绝缘材料(在该示例为编织玻璃纤维材料)覆盖。然后将包含导线的铜通道缠绕成具有矩形截面的线圈。缠绕的线圈然后用环氧化合物真空浸渍。完成的线圈安装在环形不锈钢反向线筒上。加热器毯可以间隔地放置在绕组的层中，以在磁体淬火时保护组件。

然后可以用铜片覆盖整个线圈以提供导热性和机械稳定性，然后将其包含在附加的环氧树脂层中。线圈的预压缩力可以通过加热不锈钢反向线筒并将线圈装配在反向线筒内来提供。反向线筒的内径选择为，当整个物料冷却到4K时，反向线筒与线圈保持接触并提供一定的压缩力。将不锈钢反向线筒加热到大约50摄氏度，并在温度100开氏度下装配线圈可以实现这一点。

通过将线圈安装在“反向”矩形线筒中来维持线圈的几何形状，以施加恢复力，该恢复力抵抗线圈通电时产生的扭曲力。如图21所示，在一些实施方式中，使用一组热-冷支撑带402、404、406相对于相应的磁极片和低温恒温器保持线圈位置。用薄带支撑冷物料减少刚性支撑系统对冷物料的热泄漏。当磁体在门架上旋转时，带被布置成承受线圈上的变化的重力。当线圈从相对于磁轭的完美对称位置扰动时，它们承受重力和线圈实现的大偏心力的综合影响。另外，当门架的位置改变使门架加速和减速时，这些连接件起到减小施加在线圈上的动态力的作用。每个暖-冷支撑件可包括一个S2玻璃纤维连接件和一个碳纤维连接件。碳纤维连接件支撑在热轭和中间温度(50-70K)之间的销上，S2玻璃纤维连接件408支撑在中间温度销和附接到冷物料的销上。每个销可以由高强度不锈钢制成。

参考图8，作为半径的函数的场强分布主要通过选择线圈几何形状和极面形状来确定。可渗透轭材料的极面144、146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(线圈和线筒)封闭在抽真空的环形铝或不锈钢冷冻室170(低温恒温器)内，该低温室170在线圈结构周围提供自由空间，除了一组有限的支持点171、173，超导线圈维持在接近绝对零度的温度(例如约4开氏度)。在另一种版本(例如，图9)中，低温恒温器的外壁可以由低碳钢制成，从而为磁场提供额外的返回通量路径。

在一些实施方式中，使用一个单级Gifford-McMahon低温冷却器和三个两级Gifford-McMahon低温冷却器实现并维持接近绝对零度的温度。每个两级低温冷却器具有连接到冷凝器的第二级冷端，该冷凝器将氦蒸气重新凝结成液态氦。在一些实施方式中，使用包含液氦的冷却通道(未示出)实现并维持接近绝对零度的温度，所述冷却通道形成在超导线圈支撑结构(例如，反转线圈架线筒)内，并且其包含通道中的液氦与相应的超导线圈之间的热连接。

在一些实施方式中，线圈组件和低温恒温室安装在药丸盒形磁轭100的两个半部181、183内并完全封闭。磁轭100为返回磁场磁通量184提供路径，并磁屏蔽磁极面144、146之间的体积186，以防止外部磁场影响扰乱该体积内的磁场形状。磁轭还用于减小加速器附近的杂散磁场。在其它实施方式中，线圈组件和低温恒温室安装在非磁性外壳内并完全封闭，并且使用主动返回系统实现返回磁场通量的路径，其示例如上所述。

如图8和图23所示，同步回旋加速器包括位于磁体结构的几何中心192附近的Penning离子计几何形状的粒子源190。粒子源可以如下所述。

粒子源190通过递送气态氢的气体管线393和管道394从氢气的供给399来馈送。电缆294承载来自电流源的电流以刺激来自与磁场对准的阴极392、390的电子放电。

在该示例中，放电的电子使从管道394通过小孔离开的气体电离，以产生正离子(质子)供应，以通过一个半圆形(D形)射频板一个虚设的D板加速，该射频板跨越磁体结构所封闭的空间的一半。在间断的粒子源的情况下，包含等离子体的管道的全部(或主要部分，例如大部分)在加速区域被移除。

如图24所示，D板500是具有两个半圆形表面503、505的中空金属结构，所述半圆形表面封闭空间507，在该封闭空间中，质子在围绕由磁体结构封闭的空间旋转一半的过程中被加速。通向空间507的导管509延伸穿过外壳(例如，轭或(多个)极片)到外部位置，真空泵可从该外部位置附接以抽空进行加速的真空室内的空间507和其余空间。虚设D502包括矩形金属环，该金属环靠近D板的暴露边缘间隔开。虚设D接地到真空室和磁轭。D板500由射频信号驱动，该射频信号施加在射频传输线的端部以在空间507中施加电场。随着加速粒子束距离几何中心的距离增加，使得射频电场随时间变化。

对于从居中定位的粒子源出射的射束，为在其开始向外螺旋时越过(clear)粒子源结构，可以在射频板两端施加大的电压差。在射频板两端施加20,000伏特。在一些版本中，可以在射频板两端施加8,000到20,000伏特。为了降低驱动该大电压所需的功率，磁体结构被布置为减小射频板和接地之间的电容。这可以通过穿过外轭和低温恒温器外壳形成与射频结构具有足够间隙的孔并且在磁极面之间形成足够的空间来完成。

驱动D(Dee)板的高电压交变电位具有在加速周期期间向下扫掠的频率，以导致质子的增加的相对论质量和减小的磁场。虚设D不需要中空的半圆柱形结构，因为它与真空室壁一起处于接地电位。可以使用其他板布置，例如以不同的电相或基频的倍数驱动的多于一对的加速电极。可以通过使用例如具有互相啮合的旋转和静止板片的旋转电容器来调谐RF结构以在所需频率扫掠期间保持Q高。在板片的每次啮合期间，电容增加，因此降低了RF结构的谐振频率。板片可以成形为创建所需的精确频率扫掠。用于旋转电容器的驱动电动机可相锁定到RF发生器进行精确控制。在旋转电容器的板片的每次啮合期间，可能会加速一束粒子。

其中发生加速的真空室是大致圆柱形的容器，其在中央较薄且在边缘较厚。真空室封闭RF板和粒子源，并通过真空泵抽真空。保持高真空减少了加速离子不与气体分子碰撞而损失的可能性，并使射频电压保持在较高水平而不会电弧接地。

质子(或其他离子)穿过从粒子源开始的大致螺旋轨道路径。在螺旋路径的每个环路的一半中，质子在通过RF电场时获得能量。随着质子获得能量，其螺旋路径的每个连续环路的中心轨道的半径大于先前的环路，直到环路半径达到极面的最大半径。在该位置处，磁场和电场扰动将质子引导到磁场迅速减小的区域中，并且质子离开高磁场的区域并且被引导通过抽空管(在本文中被称为抽取提取通道)以离开同步回旋加速器。磁再生器可用于改变磁场扰动以引导质子。离开的质子在进入存在于同步回旋加速器周围的空间中的显著减小的磁场区域时倾向于分散。提取通道138(图21)中的束成形元件507、509重定向质子，使得它们保持在有限空间范围的直射束中。

当射束离开提取通道时，其通过射束形成系统525(图21)，其可包括本文所述类型的扫描系统。束形成系统525可以与控制束的施加的内门架结合使用。

离开同步回旋加速器的杂散磁场可能受磁轭(也用作屏蔽件)和分开的磁屏蔽件514(例如图8)两者的限制。分开的磁屏蔽包括铁磁材料层517(例如钢或铁)，其封闭由空间516隔开的药盒轭。包括磁轭、空间和屏蔽件三明治的这种配置对于较轻重量的给定泄漏磁场实现了足够的屏蔽。如上所述，在一些实施方式中，可以使用主动返回系统来代替或者增强磁轭和屏蔽件的操作。

参照图19，门架允许同步回旋加速器围绕水平旋转轴线432旋转。桁架结构416具有两个大致平行的跨度480、482。同步回旋加速器在大约在支腿之间的中间的跨度之间架设。使用安装在支架的与桁架相对的端部上的配重622、624，使门架平衡以围绕轴承旋转。

门架通过安装在门架支腿中的一个或两个上并通过传动齿轮连接到轴承外壳的电动机驱动以旋转。门架的旋转位置来源于并入门架驱动电动机和传动齿轮中的轴角度编码器提供的信号。

在离子束离开同步回旋加速器的位置处，束形成系统525作用在离子束上以赋予其适于患者治疗的性质。例如，射束可以被展开并且其穿透深度变化以跨给定目标体积提供均匀的辐射。射束形成系统可以包括如本文所述的主动扫描元件。

同步回旋加速器的所有主动系统(例如，电流驱动超导线圈、RF驱动板、用于真空加速室和用于超导线圈冷却室的真空泵、电流驱动粒子源、氢气源和RF板式冷却器)可以由合适的同步回旋加速器控制电子设备(未示出)控制，该控制电子设备可以包括例如执行来自非暂时存储器的指令以实现控制的一个或多个处理装置。

如上所述，参照图25的系统602，可以在旋转门架605上安装产生射束的粒子加速器，在这种情况下是同步回旋加速器604(其可以包括本文所述的任何和所有特征)。旋转门架605是本文描述的类型，并且可以围绕患者支撑件606成角度地旋转。该特征使得同步回旋加速器604能够从各个角度基本上直接向患者提供粒子束。例如，如图25所示，如果同步回旋加速器604在患者支撑件606上方，则可以将粒子束朝向患者向下引导。替代地，如果同步回旋加速器604低于患者支撑件606，则可将粒子束朝向患者向上引导。粒子束基本上直接施加到患者，因为不需要中间射束路由机构。在这种情况下，路由机构与成形或尺寸设定机构的不同之处在于，成形或尺寸设定机构不重新路由射束，而是在保持射束的相同的一般轨迹的同时对射束进行设定尺寸和/或成形。

本文所述的示例粒子治疗系统和示例扫描系统中使用的粒子加速器可以是可变能量粒子加速器，其示例在下面描述。

提取的粒子束的能量(来自加速器的粒子束输出)可影响治疗期间粒子束的使用。在一些机器中，粒子束(或粒子束中的粒子)的能量在提取后不会增加。但是，根据提取后和治疗前的治疗需要，可以降低能量。参照图26，示例治疗系统910包括加速器912，例如同步回旋加速器，从该加速器912提取具有可变能量的粒子(例如，质子)束914以照射身体922的目标体积924。可选地，沿照射方向928放置一个或多个附加装置，例如扫描单元916或散射单元916、一个或多个监测单元918和能量降能器920。装置截取所提取的射束914的截面并改变所提取射束的一个或多个性质以进行治疗。

通过用于治疗的粒子束照射的目标体积(辐照目标)通常具有三维配置。在一些示例中，为了执行治疗，将目标体积沿着粒子束的照射方向分成多层，从而可以逐层进行照射。对于某些类型的粒子，如质子，目标体积内的穿透深度(或射束到达的层)在很大程度上取决于粒子束的能量。给定能量的粒子束基本上不会达到该能量的对应的穿透深度之外。为了将射束照射从目标体积的一层移动到另一层，改变粒子束的能量。

在图26所示的示例中，目标体积924沿照射方向928被分成九层926a-926i。在示例过程中，辐照从最深层926i开始，一次一层，逐渐到达较浅层并且以最浅层926a结束。在施加到身体922之前，粒子束914的能量被控制为处于允许粒子束停止在期望层(例如层926d)处的水平，而基本上不会进一步穿透进入身体或目标体积，例如，层926e-926i或更深入到身体中。在一些示例中，随着治疗层相对于粒子加速变浅，粒子束914的期望能量减小。在一些示例中，用于治疗目标体积924的相邻层的射束能量差异为约3MeV至约100MeV，例如约10MeV至约80MeV，但是其他差异也是可能的，这取决于例如层的厚度和射束的性质。

可以在加速器912处执行用于治疗目标体积924的不同层的能量变化(例如，加速器可以改变能量)，使得在一些实施方式中，从加速器912提取后粒子束不需要额外的能量变化。因此，可以从系统中去除治疗系统10中的可选的能量降能器920。在一些实施方式中，加速器912可以输出具有在约100MeV和约300MeV之间变化的能量的粒子束，例如在约115MeV和约250MeV之间。变化可以是连续的或不连续的，例如，一次一步。在一些实施方式中，连续或不连续的变化可以以相对高的速率发生，例如高达约50MeV每秒或高达约20MeV每秒。非连续变化可以一次一步地进行，步长为约10MeV至约90MeV。

当一层中的辐照完成时，加速器912可以改变用于照射下一层的粒子束的能量，例如在数秒内或在少于1秒内。在一些实施方式中，可以继续对目标体积924的治疗，而没有实质上的中断或甚至没有任何中断。在一些情况下，选择非连续能量变化的步长以对应于照射目标体积924的两个相邻层所需的能量差。例如，步长可以与能量差相同或其一部分相同。

在一些实施方式中，加速器912和降能器920共同改变射束914的能量。例如，加速器912提供粗调，降能器920提供微调，反之亦然。在该示例中，加速器912可输出能量变化的粒子束，其具有大约10-80MeV的变化步长，并且降能器920以大约2-10MeV的变化步长调整(例如减小)射束的能量。

能量降能器(例如范围调节器)的减少使用(或不存在)，可以有助于保持来自加速器的输出射束的性质和质量，例如射束强度。对粒子束的控制可以在加速器上执行。例如，可以减少或消除粒子束通过降能器920时产生的来自中子的副作用。

可以调整粒子束914的能量，以在目标体积924中完成治疗之后，治疗另一个身体或身体部分922'中的另一个目标体积930。目标体积924、930可以在同一身体(或患者)中，或在不同的患者中。目标体积930距身体922'的表面的深度D可以与目标体积924的深度不同。尽管一些能量调整可以由降能器920执行，但降能器912可以仅降低射束能量而不增加射束能量。

就此而言，在一些情况下，治疗目标体积930所需的射束能量大于治疗目标体积924所需的射束能量。在这种情况下，加速器912可以在治疗目标体积924之后并且在治疗目标体积930之前增加输出射束能量。在其他情况下，治疗目标体积930所需的射束能量小于治疗目标体积924所需的射束能量。尽管降能器920可以减少能量，但是可以调节加速器912以输出较低的射束能量，以减少或消除降能器920的使用。将目标体积924、930分成多个层可以是不同的或相同的。目标体积930可以类似于目标体积924的治疗被逐层地治疗。

对同一患者上的不同目标体积924、930的处理可以是基本上连续的，例如，两个体积之间的停止时间不超过约30分钟或更短，例如，25分钟或更短，20分钟或更短，15分钟或更短，10分钟或更短，5分钟或更短，或1分钟或更短。如本文所解释的，加速器912可以安装在可移动的门架上，并且门架的移动可以移动加速器以瞄准不同的目标体积。在一些情况下，在完成目标体积924的治疗之后并且在开始治疗目标体积930之前，加速器912可以在治疗系统进行调整的时间期间(例如移动门架)完成输出射束914的能量调整。在加速器和目标体积930对准之后，治疗可以从调整的期望射束能量开始。对不同患者的射束能量调整也可以相对高效地完成。在一些示例中，包括增加/减少射束能量和/或移动门架的所有调整都在约30分钟内，例如约25分钟内，约20分钟内，约15分钟内，约10分钟内或约5分钟内。

在目标体积的同一层中，可以通过使用扫描单元916将射束移动经过该层的二维表面(这有时称为扫描射束)来施加照射剂量。替代地，可以通过使提取的射束通过散射单元16的一个或多个散射体来照射该层(这有时称为散射射束)。

通过控制加速器912和/或其他装置，例如扫描单元/(多个)散射器916、降能器920、以及未在附图中示出的其他装置，可以在治疗前选择或在治疗期间调整射束性质，例如能量和强度。在示例实施方式中，系统910包括与系统中的一个或多个装置通信的控制器932，例如计算机。控制可以基于由一个或多个监测器918执行的监测结果，例如监测目标体积中的射束强度、剂量、束位置等。虽然监测器918被示出为位于装置916和降能器920之间，但是一个或多个监测器可以沿着射束照射路径放置在其他合适的位置。控制器932还可以存储针对一个或多个目标体积(对于同一患者和/或不同患者)的治疗计划。治疗计划可以在治疗开始之前确定，并且可以包括参数，例如目标体积的形状、照射层的数量、每层的照射剂量、每层照射的次数等。可以基于治疗计划来执行系统910内的射束性质的调整。在治疗期间可以进行额外的调整，例如，当检测到与治疗计划的偏差时。

在一些实施方式中，加速器912配置为通过改变加速粒子束被磁场来改变输出粒子束的能量。在示例实施方式的中，一组或多组线圈接收可变电流以在腔室中产生可变磁场。在一些示例中，一组线圈接收固定电流，而一组或多组其他线圈接收可变电流，使得线圈组接收的总电流变化。在一些实施方式中，所有的线圈组都是超导的。在其他实施方式中，一些线圈组(例如用于固定电流的线圈组)是超导的，而其他线圈组(例如用于可变电流的一组或多组)是非超导的。在一些示例中，所有的线圈组都是非超导的。

一般而言，磁场的幅度可随着电流的大小而缩放。在预定范围内调整线圈的总电流可以产生在对应的预定范围内变化的磁场。在一些示例中，电流的连续调整可导致磁场的连续变化和输出射束能量的连续变化。替代地，当以非连续的逐步方式调整施加到线圈的电流时，磁场和输出射束能量也相应地以非连续(逐步)方式变化。磁场对电流的缩放可以允许相对精确地执行射束能量的变化，尽管有时可以执行除了输入电流以外的其他微小调整。

在一些实施方式中，为了输出具有可变能量的粒子束，加速器912配置为施加扫掠经过不同频率范围的RF电压，每个范围对应于不同的输出射束能量。例如，如果加速器912配置为产生三个不同的输出射束能量，则RF电压能够扫掠经过三个不同的频率范围。在另一个示例中，对应于连续的射束能量变化，RF电压扫掠经过持续变化的频率范围。不同的频率范围可以具有不同的低频和/或高频边界。

提取通道可以配置为适应由可变能量粒子加速器产生的不同能量的范围。例如，提取通道可以足够大以支持由粒子加速器产生的最高和最低能量。也就是说，提取通道可以设定尺寸或以其他方式配置为接收和发送该能量范围内的粒子。可以从加速器912提取具有不同能量的粒子束，而不改变用于提取具有单个能量的粒子束的再生器的特征。在其他实施方式中，为了适应可变粒子能量，可以移动再生器以按上述方式干扰(例如改变)不同的粒子轨道，和/或可以添加或移除铁棒(磁垫片)以改变由再生器提供的磁场不均匀。更具体地说，不同的粒子能量将典型地处于腔室内的不同粒子轨道处。通过移动再生器，可以在特定的能量拦截粒子轨道，从而提供该轨道的正确扰动，从而使指定能量的粒子到达提取通道。在一些实施方式中，实时执行再生器的移动(和/或添加/移除磁垫片)以匹配加速器输出的粒子束能量的实时变化。在其他实施方式中，以每次治疗(per-treatment)为基础调整粒子能量，并且在治疗之前执行再生器的移动(和/或添加/移除磁垫片)。在任何一种情况下，再生器的移动(和/或添加/移除磁垫片)可以由计算机控制。例如，计算机可以控制影响再生器和/或磁垫片运动的一个或多个电动机

在一些实施方式中，使用一个或多个磁垫片来实现再生器，所述磁垫片可控制以移动到适当的(多个)位置。

作为示例，表1示出了示例加速器912可输出粒子束的三个示例能级。还列出了产生三个能级的相应参数。就此而言，磁电流是指施加到加速器912中的一个或多个线圈组的总电流；最大和最小频率限定RF电压扫掠的范围；以及“r”是位置到粒子被加速的腔室的中心的径向距离。

表1.射束能量和相应的参数的示例

下面描述可以包含在产生具有可变能量的带电粒子的示例粒子加速器中的细节。加速器可以是同步回旋加速器，并且粒子可以是质子。粒子可以作为脉冲束输出。从粒子加速器输出的射束的能量可以在患者中的一个目标体积的治疗期间或者在同一患者或不同患者的不同目标体积的治疗之间变化。在一些实施方式中，当没有从加速器输出射束(或粒子)时，改变加速器的设定以改变射束能量。能量变化在所需范围内可以是连续的或不连续的。

参照图8中所示的示例，粒子加速器(可以是如上所述的加速器912那样的可变能量粒子加速器)可以配置为输出具有可变能量的粒子束。可变能量的范围可以具有的上边界为约200MeV至约300MeV或更高，例如200MeV，约205MeV，约210MeV，约215MeV，约220MeV，约225MeV，约230MeV，约235MeV，约240MeV，约245MeV，约250MeV，约255MeV，约260MeV，约265MeV，约270MeV，约275MeV，约280MeV，约285MeV，约290MeV，约295MeV，或约300MeV或更高。该范围还可以具有的下边界为约100MeV或更低至约200MeV，例如约100MeV或更低，约105MeV，约110MeV，约115MeV，约120MeV，约125MeV，约130MeV，约135MeV，约140MeV，约145MeV，约150MeV，约155MeV，约160MeV，约165MeV，约170MeV，约175MeV，约180MeV，约185MeV，约190MeV，约195MeV，约200MeV。

在一些示例中，变化是非连续的并且变化步长可为约10MeV或更低，约15MeV，约20MeV，约25MeV，约30MeV，约35MeV，约40MeV，约45MeV，约50MeV，约55MeV，约60MeV，约65MeV，约70MeV，约75MeV，或约80MeV或更高。由一个步长改变能量可花费不超过30分钟，例如约25分钟或更短，约20分钟或更短，约15分钟或更短，约10分钟或更短，约5分钟或更短，约1分钟或更短，或约30秒或更短。在其他示例中，变化是连续的并且加速器可以以相对高的速率调整粒子束的能量，例如，高达约50MeV每秒，高达约45MeV每秒，高达约40MeV每秒，高达约35MeV每秒，高达约30MeV每秒，高达约25MeV每秒，高达约20MeV每秒，高达约15MeV每秒，或高达约10MeV每秒。加速器可以配置为连续和非连续地调整粒子能量。例如，连续变化和非连续变化的组合可用于治疗一个目标体积或治疗不同的目标体积。可以实现灵活的治疗计划和灵活的治疗。

输出具有可变能量的粒子束的粒子加速器可以提供辐照治疗的准确性并减少用于治疗的附加装置(除了加速器之外)的数量。例如，对于全部或部分治疗，可以减少或消除使用降能器来改变输出粒子束的能量。粒子束的性质，如强度、焦点等，可以在粒子加速器上进行控制，并且粒子束可以达到目标体积，而不会受到附加装置的实质性干扰。射束能量的相对高的变化率可以减少治疗时间并且允许治疗系统的高效使用。

在一些实施方式中，加速器，例如图8的同步回旋加速器，通过改变加速器中的磁场将粒子或粒子束加速到可变能级，这可以通过改变施加到用于产生磁场的线圈的电流来实现。如上文所解释的，示例同步回旋加速器(例如，图8的同步回旋加速器)包括磁体系统，该磁体系统包含粒子源、射频驱动系统和射束提取系统。图27示出了可用于可变能量加速器的磁体系统的示例。在该示例实施方式中，由磁体系统1012建立的磁场可以在两组线圈40a和40b以及42a和42b能够产生的磁场最大值的约5％至约35％变化。由磁体系统建立的磁场具有适合于使用两组线圈和一对成形的铁磁(例如低碳钢)结构的组合保持所包含的质子束的焦点的形状。其示例在上文提供。

每组线圈可以是分体式的一对环形线圈以接收电流。在某些情况下，两组线圈都是超导的。在其他情况下，只有一组线圈是超导的，另一组是非超导或正常导通的(下面进一步讨论)。两组线圈也可以都是非超导的。用于线圈中的合适的超导材料包括铌-3锡(Nb3Sn)和/或铌-钛。其他常规导电材料可以包括铜。下面进一步描述线圈组构造的示例。

两组线圈可以串联或并联电连接。在一些实施方式中，由两组线圈接收的总电流可以包括大约200万安匝到大约1000万安匝，例如大约250万到大约750万安匝或大约375万安匝到大约500万安匝。在一些示例中，一组线圈配置成接收总可变电流的固定(或恒定)部分，而另一组线圈配置成接收总电流的可变部分。两个线圈组的总电流随着一个线圈组中的电流变化而变化。在其他情况下，施加到两组线圈的电流可以变化。两组线圈中的可变总电流可以产生具有可变幅度的磁场，该磁场进而改变粒子的加速路径并产生具有可变能量的粒子。

通常，由(多个)线圈产生的磁场的幅度可缩放到施加到(多个)线圈的总电流的幅度。基于该可缩放性，在一些实施方式中，可以通过线性地改变线圈组的总电流来实现磁场强度的线性变化。可以以相对高的速率调整总电流，这导致磁场和射束能量的相对高速率的调整。

在以上表1中反映的示例中，线圈环的几何中心处的电流和磁场的值之间的比率为：1990：8.7(大约228.7：1)；1920：8.4(大约228.6：1)；1760：7.9(大约222.8：1)。因此，调整施加到超导线圈的总电流的幅度可以按比例(基于比率)调整磁场的幅度。

在图28的曲线图中还示出了磁场对表1的示例中的总电流的可缩放性，其中BZ是沿Z方向的磁场；R是从线圈环的几何中心沿垂直于Z方向的方向测量的径向距离。磁场在几何中心处具有最高值，并且随着距离R的增加而减小。曲线1035、1037表示由接收不同总电流的相同线圈组产生的磁场：分别为1760安培和1990安培。提取颗粒的相应能量分别为211MeV和250MeV。两条曲线1035、1037具有基本相同的形状，并且曲线1035、1037的不同部分基本上平行。结果，曲线1035或曲线1037可以线性偏移以基本上与另一曲线匹配，从而指示磁场对施加到线圈组的总电流是可缩放的。

在一些实施方式中，磁场对总电流的可缩放性可能不完美。例如，基于表1中所示的示例计算的磁场与电流之间的比率不是恒定的。另外，如图28所示，一条曲线的线性偏移可能与另一条曲线不完美匹配。在一些实施方式中，在完美可缩放性的假设下，将总电流施加到线圈组。目标磁场(在完美可缩放性的假设下)可以通过附加地改变线圈的特征(例如几何形状)来抵消可缩放性中的缺陷而产生。作为一个示例，可以从一个或两个磁结构(例如，磁轭，极片等)插入或移除铁磁(例如，铁)杆(磁垫片)。线圈的特征可以以相对高的速率改变，使得与可缩放性完美且仅需要调整电流的情况相比，磁场调整的速率基本上不受影响。在铁杆的例子中，杆可以在几秒或几分钟的时间尺度上添加或移除，例如在5分钟内，在1分钟内，小于30秒，或小于1秒。

在一些实施方式中，可以基于磁场对线圈组中的总电流的实质可缩放性来选择加速器的设定，诸如施加到线圈组的电流。

通常，为了产生在期望范围内变化的总电流，可以使用施加到两个线圈组的任何适当的电流组合。在示例中，线圈组42a、42b可以配置为接收对应于磁场的期望范围的下边界的固定电流。在表1所示的示例中，固定电流为1760安培。另外，线圈组40a、40b可以配置为接收可变电流，该可变电流具有对应于磁场的期望范围的上边界和下边界之间的差异的上边界。在表1所示的示例中，线圈组40a、40b配置为接收在0安培和230安培之间变化的电流。

在另一个示例中，线圈组42a、42b可以配置为接收对应于磁场的期望范围的上边界的固定电流。在表1所示的示例中，固定电流是1990安培。另外，线圈组40a、40b可以配置为接收可变电流，该可变电流具有对应于磁场的期望范围的下边界和上边界之间的差异的上边界。在表1所示的示例中，线圈组40a、40b配置为接收在-230安培和0安培之间变化的电流。

由用于加速粒子的可变总电流产生的总可变磁场可具有大于4特斯拉的最大幅度，例如，大于5特斯拉，大于6特斯拉，大于7特斯拉，大于8特斯拉，大于9特斯拉，或大于10特斯拉，高达约20特斯拉以上，例如，高达约18特斯拉，高达约15特斯拉，或高达约12特斯拉。在一些实施方式中，线圈组中的总电流的变化可以将磁场改变大约0.2特斯拉至大约4.2特斯拉或更大，例如，大约0.2特斯拉到大约1.4特斯拉，或大约0.6特斯拉到大约4.2特斯拉。在一些情况下，磁场的变化量可以与最大幅度成比例。

图29示出了用于在粒子束的每个能级的RF频率范围内扫掠D板500上的电压并且用于在粒子束能量变化时改变频率范围的示例RF结构。D板500的半圆形表面503、505连接到内部导体1300并容纳在外部导体1302中。高电压从电源(未示出，例如振荡电压输入)通过将电源耦合到内部导体的电力耦合装置1304施加到D板500。在一些实施方式中，耦合装置1304位于内部导体1300上，以提供从电源到D板500的电力传输。另外，D板500耦合到可变反应性元件1306、1308以对每个粒子能级执行RF频率扫掠，并针对不同粒子能级改变RF频率范围。

可变反应性元件1306可以是旋转电容器，其具有可由电动机(未示出)旋转的多个板片1310。通过在RF扫掠的每个循环期间啮合或不啮合板片1310，RF结构的电容改变，这进而改变RF结构的谐振频率。在一些实施方式中，在电动机的每个四分之一周期期间，板片1310彼此啮合。RF结构的电容增加并且谐振频率降低。该过程在板片1310不啮合时反转。结果，产生施加到D板103的高电压所需的电力并且加速射束所需的功率可以大大降低。在一些实施方式中，板片1310的形状被加工以形成谐振频率对时间的所需依赖性。

通过感测谐振器中的RF电压的相位使RF频率产生与板片旋转同步，从而保持D板上的交流电压接近RF腔室的谐振频率。(虚设D接地，未在图29中示出)。

可变反应性元件1308可以是由板1312和内部导体1300的表面1316形成的电容器。板1312可沿着方向1314朝向或远离表面1316移动。电容器的电容随着板1312和表面1316之间的距离D变化而变化。对于要扫描一个粒子能量的每个频率范围，距离D处于设定值，并且为了改变频率范围，板1312对应于输出射束的能量的变化而移动。

在一些实施方式中，内部导体1300和外部导体1302由金属材料形成，例如铜、铝或银。板片1310和板1312也可以由与导体1300、1302相同或不同的金属材料形成。耦合装置1304可以是电导体。可变反应性元件1306、1308可以具有其他形式，并且可以以其他方式耦合到D板100以执行RF频率扫掠和频率范围改变。在一些实施方式中，单个可变反应性元件可以配置为执行可变反应性元件1306、1308的功能。在其他实施方式中，可以使用两个以上的可变反应性元件。

通过适当的治疗控制电子设备(未示出)实现门架、患者支撑件、主动射束成形元件和同步回旋加速器的控制以执行治疗会话。

本文所述的粒子治疗系统及其各种特征的控制可以使用硬件或者硬件和软件的组合来实现。例如，类似于本文描述的系统可以包括位于各个点处的各种控制器和/或处理装置。中央计算机可以协调各种控制器或处理装置之间的操作。中央计算机、控制器和处理装置可以执行各种软件例程来实现测试和校准的控制和协调。

可以至少部分地使用一个或多个计算机程序产品来控制系统操作，例如，有形地体现在一个或多个非暂时性机器可读介质中的一个或多个计算机程序，用于由一个或多个数据处理设备执行或控制一个或多个数据处理设备的操作，一个或多个数据处理设备例如是可编程处理器、计算机、多个计算机、和/或可编程逻辑部件。

计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以部署为在一台计算机上或在多台计算机上运行，所述多台计算机位于一个站点，或跨多个站点分布并通过通信网络互连。

与实施本文所述的粒子治疗系统的全部或部分操作相关联的动作可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以执行本文所述的功能。可以使用专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)和/或ASIC(专用集成电路)来实现全部或部分操作。

适用于执行计算机程序的处理器包括例如通用和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储区域或随机存取存储区域或者两者接收指令和数据。计算机(包括服务器)的元件包括用于执行指令的一个或多个处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储区域装置。通常，计算机还将包括或可操作地联接以从和/或向一个或多个机器可读存储介质接收和/或传输数据，例如用于存储数据的大规模PCB，例如磁盘、磁光盘、或光盘。适用于实现计算机程序指令和数据的非暂时性机器可读存储介质包括所有形式的非易失性存储区域，包括例如半导体存储区域装置，例如EPROM、EEPROM和闪存存储区域装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。

本文使用的任何“电连接”可以意味着直接物理连接或有线或无线连接，其包括中间组件但是仍然允许电信号在连接的部件之间流动。除非另有说明，否则本文提及的涉及电路的任何“连接”是电连接，并且无论是否使用“电”字来修饰“连接”，都不一定是直接物理连接。可以在适当的粒子加速器(例如，同步回旋加速器)中以适当的组合使用前述实施方式中的任何两个以上。同样地，可以以适当的组合使用前述实施方式中的任何两个以上的单独特征。

本文所述的不同实施方式的元件可以组合以形成上面没有具体阐述的其他实施方式。本文描述的过程、系统、设备等可以省略元件而不会不利地影响它们的操作。各种单独的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文描述的功能。

本文描述的示例实施方式不限于与粒子治疗系统一起使用或与本文描述的示例粒子治疗系统一起使用。相反，示例实施方式可以用于将加速粒子引导至输出的任何适当系统中。

本文未具体描述的其他实施方式也在以下权利要求的范围内。

Claims (53)

1.一种粒子治疗系统，包括：

粒子加速器，其输出粒子束；

用于粒子加速器的扫描系统，所述扫描系统包括磁体，用于在磁体的射束场内相对于辐照目标移动所述粒子束；和

校正装置，其在所述扫描系统和所述辐照目标之间，所述校正装置包括：

第一托架，其能够沿第一维度移动，每个所述第一托架包括结构，该结构在所述粒子束在所述磁体的射束场内移动期间能够相对于所述辐照目标移动并且能够被可控地重新配置，以产生形状用于在所述粒子束抵达所述辐照目标之前修剪所述粒子束的至少部分，可产生的形状包括修剪粒子束的单个光斑的部分的形状，或修剪包括粒子束的多个光斑的面积的形状；和

第二托架，第一托架联接至第二托架，第二托架能够在不同于第一维度的第二维度上移动；

其中，第一托架和第二托架能够被控制为引导所述粒子束的移动，以修剪所述单个光斑的部分或所述包括多个光斑的面积。

2.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述包括多个光斑的面积等于两个光斑大小的面积。

3.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述包括多个光斑的面积等于三个光斑大小的面积。

4.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述包括多个光斑的面积等于四个光斑大小的面积。

5.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述包括多个光斑的面积等于五个光斑大小的面积。

6.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述包括多个光斑的面积小于整个所述射束场。

7.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述结构能够移动以形成一至少部分弯曲的形状。

8.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述校正装置包括：

第一电动机，其控制所述第二托架的移动。

9.如权利要求8所述的粒子治疗系统，其中，所述校正装置包括：

一个或多个第二电动机，其控制所述结构在第一维度上的移动。

10.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，在所述第一维度上的移动包括朝向或远离将由所述粒子束处理的区域移动。

11.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述第一托架包括：

第一第一托架，其联接到所述第二托架，以相对于所述辐照目标移动所述结构中的至少一些；以及

第二第一托架，其联接到所述第二托架，以相对于所述辐照目标移动所述结构中的至少一些。

12.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述第一托架中的至少一个能够相对于所述第二托架旋转。

13.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述校正装置能够相对于所述辐照目标旋转。

14.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中：

至少一些所述结构具有平坦的边缘；并且

所述第一托架安装在弯曲的轨道上且可沿着其移动。

15.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述结构包括叶，所述叶中的至少一些的宽度与其他叶的宽度不同。

16.如权利要求15所述的粒子治疗系统，其中，所述叶中的至少一些的宽度是其他叶的宽度的三倍或更多倍。

17.如权利要求15所述的粒子治疗系统，其中，所述叶包括金属。

18.如权利要求17所述的粒子治疗系统，其中，所述金属包括镍。

19.如权利要求15所述的粒子治疗系统，其中，所述叶包括钨。

20.如权利要求15所述的粒子治疗系统，还包括：

存储可执行指令的存储器；以及

一个或多个处理装置，其执行所述指令以通过控制所述结构的运动来配置所述校正装置。

21.如权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述结构的运动能够基于所述扫描系统的操作来控制。

22.如权利要求21所述的粒子治疗系统，其中，所述扫描系统能够被控制为多次地跨越所述辐照目标的处理区域移动所述粒子束，所述处理区域包括辐照目标的层；且

其中，所述结构的移动是可控制的，使得对于跨越所述处理区域的至少一部分的所述粒子束的不同扫描，所述结构产生的形状不同。

23.如权利要求22所述的粒子治疗系统，其中，对于跨越所述处理区域的所述粒子束的不同扫描，所述结构能够相对于所述处理区域在第二维度上移位。

24.如权利要求22所述的粒子治疗系统，其中，对于跨越所述处理区域对所述粒子束的不同移动，所述结构能够相对于所述处理区域在第一维度上移位。

25.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述结构包括五至五十个叶。

26.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述粒子加速器是同步回旋加速器；且

其中，所述粒子治疗系统还包括门架，至少所述同步回旋加速器安装在所述门架上以定位所述粒子束。

27.如权利要求26所述的粒子治疗系统，其中，所述同步回旋加速器包括：

电压源，其向腔室提供射频RF电压以加速来自粒子源的粒子，所述电压源配置为在频率范围内周期性地扫掠所述RF电压；

线圈，其通过具有多个值中的一个的电流并产生对应于所述电流的磁场，所述磁场用于使所述粒子以对应于所述电流的能量在所述腔室内在轨道中运动；以及

提取通道，其从所述腔室接收所述粒子并将从所述腔室接收的粒子输出到所述扫描系统，从所述腔室输出的粒子具有对应于所述电流的能量；

其中，所述同步回旋加速器配置为使得能够将所述电流设定为所述多个值中的一个，所述多个值中的每一个对应于从所述腔室输出粒子的不同的能量；且

其中，所述电压源配置为在不同的频率范围内扫掠所述RF电压，每个不同的频率范围对应于从所述腔室输出粒子的每个不同的能量。

28.如权利要求26所述的粒子治疗系统，其中所述同步回旋加速器包括：

粒子源，用于保持电离的等离子体，所述粒子源在腔室中且包括在加速区域处分离的两部分；

电压源，其向所述腔室提供射频RF电压以加速来自加速区域的电离等离子体的粒子，所述电压源配置为在频率范围内周期性地扫掠所述RF电压；

线圈，其通过电流并产生对应于所述电流的磁场，所述磁场用于使所述粒子以对应于所述电流的能量在所述腔室内在轨道中运动，所述磁场在所述腔室的中心处为至少4特斯拉；

磁极件，所述磁极件包括在所述腔室的边界上的铁磁材料；以及

提取通道，其从所述腔室接收所述粒子并将接收的粒子输出到所述扫描系统；

其中，从所述腔室输出的粒子的能量在100MeV和300MeV之间的范围内。

29.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述扫描系统包括：

扫描磁体，其能够基于通过所述扫描磁体的电流来控制，以影响所述粒子束的方向，并从而在至少两个维度上移动所述粒子束；

降能器，其改变所述粒子束的能量，所述降能器相对于所述粒子加速器在所述扫描磁体的射束下游；以及

控制系统，其：

(i)控制通过所述扫描磁体的电流，以便产生跨越所述辐照目标的至少一部分的所述粒子束的不间断运动，

(ii)针对所述粒子束传送剂量的位置，存储识别位置和传送的剂量的量的信息，

(iii)将在每个位置传送的累积剂量与目标累积剂量进行比较，且

(iv)如果所述累积剂量不匹配特定位置的所述目标累积剂量，则控制所述电流，以便移动所述粒子束向所述特定位置传送附加的剂量。

30.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述校正装置能够被配置为模仿患者特异性孔径。

31.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述结构包括叶，所述叶中的至少一些的形状与其他叶不同，所述叶中的至少一些具有弯曲形状。

32.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述结构包括具有平坦的边缘的叶。

33.如权利要求32所述的粒子治疗系统，还包括：

轨道，所述第一托架沿着所述轨道移动，所述轨道是弯曲的。

34.一种校正装置，包括：

第一托架，其保持结构，所述结构能够在粒子束在扫描磁体的射束场内移动期间相对于辐照目标移动并且能够被可控地重新配置，以产生形状用于在粒子束抵达所述辐照目标之前修剪所述粒子束的至少部分，可产生的形状包括修剪粒子束的单个光斑的部分的形状或修剪包括粒子束的多个光斑的面积的形状；以及

第二托架，第一托架联接至第二托架，第二托架用于控制第一托架相对于辐照目标的移动；

其中，第一托架和第二托架能够被控制为引导所述粒子束的移动，以修剪所述单个光斑的部分或所述包括多个光斑的面积。

35.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述包括多个光斑的面积等于两个所述光斑大小的面积。

36.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述包括多个光斑的面积等于三个所述光斑大小的面积。

37.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述包括多个光斑的面积等于四个所述光斑大小的面积。

38.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述包括多个光斑的面积等于五个所述光斑大小的面积。

39.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述包括多个光斑的面积小于整个所述射束场。

40.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述结构能够相对于所述辐照目标移动以形成一至少部分弯曲的形状。

41.如权利要求34所述的校正装置，还包括：

一个或多个电动机，其控制所述结构的移动。

42.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述结构能够沿第一维度移动，第二托架能够沿第二维度移动，且第一维度和第二维度是不同的。

43.如权利要求34所述的校正装置，还包括：

第三托架，其保持另外的结构，所述结构能够在所述粒子束移动期间相对于所述辐照目标移动以产生形状，用于在所述粒子束抵达所述辐照目标之前修剪所述粒子束的至少部分，经由第三托架可产生的形状包括修剪粒子束的单个光斑的部分的形状、或修剪包括粒子束的多个光斑的面积的形状；

其中，第三托架联接至第二托架，第二托架用于控制第三托架相对于辐照目标的移动。

44.如权利要求43所述的校正装置，其中，所述第一托架或第三托架中的至少一个能够相对于所述第二托架旋转。

45.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述校正装置能够相对于所述辐照目标旋转。

46.如权利要求34所述的校正装置，其中：

至少一些所述结构具有平坦的边缘；并且

所述第一托架安装到弯曲的轨道上且可沿着其移动。

47.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述结构包括叶，所述叶中的至少一些的宽度与其他叶的宽度不同。

48.如权利要求47所述的校正装置，其中，所述叶中的至少一些的宽度是其他叶的宽度的三倍或更多倍。

49.如权利要求47所述的校正装置，其中，所述叶包括金属。

50.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述结构的运动是可控制的，使得对于粒子束的不同移动，能够产生不同的形状。

51.如权利要求34所述的校正装置，其中，对于所述粒子束的不同移动，所述结构能够在第一维度上移动。

52.如权利要求51所述的校正装置，其中，对于所述粒子束的不同移动，所述第二托架能够在不同于第一维度的第二维度上移动。

53.如权利要求34所述的校正装置，其中，所述结构包括五至五十个叶；且

其中，所述校正装置还包括：

第一电动机，其控制所述第二托架的移动；以及

一个或多个第二电动机，其控制所述结构的移动。

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