CN110573213A - 粒子治疗中的自动治疗 - Google Patents

Abstract

一种示例性粒子治疗系统，包括：粒子束输出装置，用于引导粒子束的输出；治疗床，用于支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；可移动装置，粒子束输出装置安装在可移动装置上以相对于治疗床移动；以及控制系统，用于提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束治疗辐照目标，并且在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束附加治疗辐照目标。

Description

粒子治疗中的自动治疗

技术领域

本公开总体上涉及实现自动治疗的粒子治疗系统。

背景技术

传统上，粒子治疗是以同心方式递送的，其中患者的辐照目标的近似中心位于治疗空间中称为等中心的独特位置。布置辐射源使得辐射源的中心轴线指向该等中心。辐射源围绕等中心旋转，患者也围绕该相同的等中心旋转。通过以这种方式定位辐射源和患者，可以从多个投射方向辐照该目标，这些投射方向对应于不同的束野。结果，可以增加辐照目标的辐射剂量，同时可以减少对周围正常组织的辐射。

使用治疗计划系统(TPS)的剂量师可以选择投射方式。TPS使用关于患者的解剖结构、辐射源和其他可用信息的信息，来确定每个所选投射的计划剂量。通常选择投射的数量以便提高治疗质量，而不会过度增加辐射传递过程的负担。传统上，对于每个投射，通过在第一次施加辐射之前验证患者和/或辐射发射器的位置关系来进行治疗。辐射治疗师在第一次投射之前和每次连续投射之间进入治疗室，以按治疗计划的指定重新定位患者和/或辐射发射器。

辐射治疗师所需的人工干预使得实施大量投射变得困难且耗时。而且，在投射可能重叠的区域中，治疗质量会受到影响。

发明内容

示例性粒子治疗系统包括：粒子束输出装置，用于引导粒子束的输出；治疗床，用于支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；可移动装置，粒子束输出装置安装在该可移动装置上以相对于治疗床移动；以及控制系统，用于提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束治疗辐照目标，并且在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以用粒子束附加治所述疗辐照目标。示例粒子治疗系统可以单独或结合地包括一个或多个以下特征。

示例性粒子治疗系统可以包括扫描系统，该扫描系统包括使粒子束相对于辐照目标移动的部件。控制系统可以被配置成提供对一个或多个所述部件的自动控制，以定位粒子束以用粒子束治疗辐照目标，并且在用粒子束治疗辐照目标之后提供对一个或多个所述部件的自动控制以重新定位粒子束，以便用粒子束附加治疗辐照目标。所述一个或多个部件可以包括一个或多个扫描磁体。所述一个或多个部件可以包括降能器，所述降能器包括可移动进入和离开所述粒子束的路径的一个或多个结构。

控制系统可以被配置成提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以使用粒子束的第一束野治疗辐照目标的第一部分，并且在用粒子束治疗辐照目标的第一部分之后，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以使用粒子束的第二束野治疗目标的第二部分。

粒子束输出装置可以包括粒子加速器。在第一束野和第二束野之间的区域处，第一束野的粒子束和第二束野的粒子束可以至少部分重叠。控制系统可以被配置成提供对粒子加速器的自动控制，以控制第一束野的粒子束和第二束野的粒子束的强度，使得第一束野的粒子束和第二束野的粒子束之间的重叠点处的累积强度达到目标束强度。

粒子束输出装置可以包括粒子加速器。在第一束野和第二束野之间的区域处，第一束野的粒子束和第二束野的粒子束可以至少部分重叠。控制系统可以被配置成提供粒子加速器的自动控制，以控制第一束野的粒子束和第二束野的粒子束的强度，使得第一束野的粒子束和第二束野的粒子束之间的重叠点处的累积强度不偏离目标束强度指定的量。

控制系统可以被配置成控制治疗床以实施平移运动。控制系统可以被配置成控制治疗床以实施旋转运动。

示例粒子治疗系统可以包括成像系统，以在治疗期间拍摄辐照目标的图像。控制系统可以被配置成控制成像系统以在定位粒子束或辐照目标中的至少一个用于治疗之后，并且在用粒子束治疗辐照目标之前拍摄患者的一个或多个第一图像，并且控制系统可以被配置成控制成像系统以在重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个用于附加治疗之后，并且在附加治疗之前拍摄患者的一个或多个第二图像。控制系统可以被配置成使用第一图像来识别辐照目标在粒子治疗系统的治疗空间(例如，在质子中心)中的第一位置，并且，控制系统可以被配置成使用第二图像来识别辐照目标在治疗空间中的第二位置。

控制系统可以被配置成从治疗计划系统接收治疗计划，并且解析治疗计划，以实现对可移动装置或治疗床中的至少一个的控制。治疗计划可包含识别治疗期间可移动装置或治疗床中的至少一个的位置的信息。

控制系统可以被配置成独立于粒子治疗系统中限定的等中心提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制。在没有人为干预的情况下，可以实现可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制。

粒子束输出装置可以包括粒子加速器。控制系统可以配置成提供对粒子加速器的操作的自动控制，以定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束治疗辐照目标，在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对粒子加速器的操作的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以用粒子束附加治疗辐照目标。

粒子束输出装置包括具有超导电磁结构的同步回旋加速器。粒子束输出装置包括具有超导电磁结构的可变能量同步回旋加速器。粒子束输出装置可以包括束扩展器。束扩展器包括一个或多个扫描磁体或一个或多个散射箔。

示例粒子治疗系统可以包括在粒子束输出装置和患者之间的可配置准直器。

可配置准直器可以包括叶片，该叶片可控制以限定边缘，所述边缘用于阻挡到达患者的粒子束的第一部分，同时准直传递到患者的粒子束的第二部分。可配置准直器可以是可控制的，以修整与粒子束的单个斑尺寸一样小的区域。

控制系统可以被配置成提供对粒子束输出装置的移动的自动控制，以实现粒子束输出装置从第一位置到第二位置的平移运动，以定位粒子束从而利用粒子束治疗辐照目标，并且，在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对粒子束输出装置的进一步移动的自动控制，以实现粒子束输出装置从第二位置到第三位置的平移运动，以重新定位粒子束从而利用粒子束治疗辐照目标。

控制系统可以被配置成提供对粒子束输出装置的移动的自动控制，以使粒子束输出装置从第一方位枢转到第二方位，以定位粒子束以利用粒子束治疗辐照目标，并且，在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对粒子束输出装置的进一步移动的自动控制，以使粒子束输出装置从第二方位枢转到第三方位，以重新定位粒子束以利用粒子束治疗辐照目标。

示例粒子治疗系统可以包括扫描系统，扫描系统包括使粒子束相对于辐照目标移动的部件，所述部件的至少一些被安装成朝向和远离辐照目标移动的方式。控制系统可以被配置成提供对所述部件的至少一些的自动控制以定位粒子束以用粒子束治疗辐照目标，并且在用粒子束治疗辐照目标之后提供所述部件的至少一些的自动控制以重新定位粒子束，以便用粒子束附加治疗辐照目标。示例粒子治疗系统可以包括在其上安装所述部件的至少一些的托架，托架安装到至少一个轨道，以便能够沿着粒子束的路径移动。托架可以被控制为沿至少一个轨道移动，以控制由粒子束产生的斑的尺寸。托架可以被控制以与可移动装置或治疗床中的至少一个的运动协调地沿着至少一个轨道移动。

可移动装置可以包括可旋转的机架。可移动装置包括一个或多个机器手臂。

示例粒子治疗系统可以包括扫描系统，扫描系统包括使粒子束相对于辐照目标移动的部件，扫描部件安装在可沿粒子束的束线移动的托架上。控制系统可以被配置成提供对托架的自动控制，以定位粒子束以用粒子束治疗辐照目标，并且在用粒子束治疗辐照目标之后，提供对托架的自动控制以重新定位粒子束，以便用粒子束附加治疗辐照目标。

一种示例方法，包括：在治疗床上支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；将粒子束输出装置安装在可移动装置上，以相对于治疗床移动，粒子束输出装置用于引导粒子束的输出以治疗辐照目标；以及，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束治疗辐照目标，并且在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以用粒子束附加治疗辐照目标。粒子束可以是质子束。

一种示例粒子治疗系统，包括：治疗床，用于支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；粒子束输出装置，用于引导粒子束的输出，粒子束输出装置布置成相对于治疗床移动；以及控制系统，其使用超过粒子束输出装置和治疗床的等中心旋转的自由度来控制粒子束输出装置和治疗床的定位。示例粒子治疗系统可以单独或结合地包括一个或多个以下特征。

粒子束输出装置可以包括扫描部件以相对于辐照目标扫描粒子束，扫描部件包括一个或多个扫描磁体。控制系统可以被配置成通过控制所述一个或多个扫描部件的操作来控制粒子束的位置。控制系统可以被配置成在没有用户干预的情况下控制粒子束输出装置和治疗床的定位。控制系统可以被配置为对于多个束野自动地控制粒子束输出装置和治疗床的定位。粒子束输出装置可以是可控制的，以在第一位置和第二位置之间线性移动。粒子束输出装置可以是可控制的，以相对于治疗床枢转。粒子束输出装置可以是可控制的，以相对于治疗床旋转。粒子束输出装置可以包括粒子加速器。粒子束输出装置可以被配置成产生30cm乘30cm或更小的束野。

一种示例粒子治疗系统，包括：治疗床，用于支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；用于引导粒子束的输出的设备；可移动装置，所述设备安装在其上，以使设备相对于治疗床移动，所述设备相对于治疗床安装，以产生30cm乘30cm或更小的束野；和控制系统，用于提供对所述设备或治疗床中的至少一个的自动定位，以利用粒子束治疗辐照目标的第一部分，并且在利用粒子束治疗辐照目标的第一部分之后，提供所述设备或治疗床中的至少一个的自动重新定位，以利用粒子束治疗辐照目标的第二部分。示例粒子治疗系统可以单独或结合地包括一个或多个以下特征。

自动定位或自动重新定位中的至少一个可以包括平移运动。所述设备可以包括束扩展器，用于通过传输通道递送粒子束。所述设备可以包括粒子加速器，配置为产生粒子束。所述设备可以安装成产生20cm乘20cm或更小的束野。所述设备可以包括同步回旋加速器，其重量在5吨至30吨的范围内，并且占据小于4.5立方米的体积。

示例粒子治疗系统可以包括碰撞避免系统，用于检测粒子治疗系统的一个或多个部件的位置，并向控制系统提供关于位置的信息。控制系统可以被配置成基于该信息控制所述一个或多个部件的操作。控制系统可以被配置成提供粒子束的自动控制以控制粒子束的强度，使得第一束野的粒子束与第二束野的粒子束之间的重叠点处的累积强度保持在目标束强度的范围内。

可以组合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，以形成这里未具体描述的实施方式。

本文描述的各种系统或其部分的控制可以经由计算机程序产品来实现，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并且可在一个或多个处理设备(例如，微处理器、专用集成电路，诸如现场可编程门阵列的编程逻辑等)上执行的指令。本文描述的系统或其部分可以实现为可以包括一个或多个处理设备和计算机存储器的设备、方法或电子系统，以存储可执行指令以实现对所述功能的控制。

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。其他特征和优点将从说明书和附图以及权利要求书中变得显而易见。

附图说明

图1是可用于粒子治疗系统的示例性同步回旋加速器的部件的剖视侧视图。

图2是可用于在粒子治疗系统中实施扫描的示例性部件的侧视图。

图3是可用于在粒子治疗系统中实施扫描的示例性部件的透视图。

图4是可以是扫描部件的一部分的示例性扫描磁体的侧视图。

图5是可以是扫描部件的一部分的示例性扫描磁体的透视图。

图6是示例性范围调制器的透视图，其是一种降能器，其可以是扫描部件的一部分。

图7是示出可以在范围调制器中实现的板的移动的示例的透视图。

图8是从治疗空间的角度看的粒子治疗系统的示例性实施方式的部件的前视图。

图9是粒子治疗系统的另一示例性实施方式的部件的透视图。

图10是束野的概念化透视图。

图11是从治疗空间的角度看的图8的粒子治疗系统的部件的透视图。

图12是示出在强度调制质子治疗(IMPT)期间从不同角度撞击辐照目标的粒子束的图。

图13是示出使用粒子治疗系统自动治疗患者的示例过程的流程图。

图14是描绘控制系统、粒子治疗系统部件和治疗计划系统(TPS)的系统图。

图15是概念性地描绘了跨过粒子加速器的两个不同束野的治疗的框图。

图16是描绘在两个束野的重叠区域中的两个束野的粒子束的重叠的框图。

各附图中的相同附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

本文描述的是粒子治疗系统的示例，其被配置为组合顺序的束野实现自动治疗(例如，递送粒子束)。此外，治疗不限于相对于单个等中心的患者或加速器运动。而是，在一些实施方式中，系统的部件(包括影响束位置和患者位置的那些部件)可以是计算机控制的，以在辐照目标中的任何适当点处自动治疗，包括组合射束野而不参照等中心。自动化治疗的过程并减少对等中心治疗的依赖，可以提供更多的治疗灵活性，并支持粒子治疗系统尺寸的额外减小。

可配置成以上述方式自动治疗的粒子治疗系统的一个例子是质子或离子治疗系统。在一些实施方式中，实际提供治疗的质子治疗系统的部件(在一些情况下包括粒子加速器本身)位于称为质子中心的单个治疗室中。在一些实施方式中，质子中心的体积为30英尺(ft)×30英尺×30英尺(30ft³)或更小。在一些实施方式中，质子中心的体积为37英尺(ft)×32英尺×28英尺或更小。在一些实施方式中，安装束扩展器(也称为“扩展器”)以将质子递送给患者。束扩展器的示例包括但不限于一个或多个扫描磁体，其示例在本文中描述，或者一个或多个散射箔。散射箔散射粒子束以产生分散的束，用于施加到辐照目标。扫描磁体在至少两个维度上移动更集中的粒子束以覆盖辐照目标。

由束扩展器产生的束野至少部分地基于束扩展器与患者中的等中心之间的距离。在这方面，束野(也称为照射野)对应于来自扩展器的辐射投射-这里是粒子束。束野可以在概念上由平面表示，其限定粒子束的投射可以相对于辐照目标在X和Y方向上移动的最大程度或范围。束野的尺寸(例如，面积)可以基于束扩展器与患者中的等中心之间的距离。在束扩展器包括一个或多个扫描磁体的实施方式中，束野的尺寸也可以基于通过扫描磁体的电流量。也就是说，通过扫描磁体的电流越多，束可以越偏转，导致更大的束野。

由于质子中心的尺寸相对较小，因此束野的尺寸是有限的。也就是说，因为质子中心相对较小，所以束扩展器与治疗床上的患者之间的距离相对较短。在一些实施方式中，从束扩展器到患者中的等中心的距离可以是2米(m)或更小，1.7m或更小，1.5m或更小，1m或更小，等等。由于这种相对短的距离，束野的尺寸也相对较小。例如，在一些实施方式中，束野的尺寸可以是30厘米(cm)乘30cm或更小，20cm乘20cm或更小，等等。而且，通常不鼓励大的束偏旋转角度进行治疗，进一步限制了束野的尺寸。

如果辐照目标(例如，患者中的肿瘤)超过束野的尺寸，则相对小尺寸的束野可以影响治疗。出于这个原因，传统的质子治疗提供者试图尽可能地增加它们的场尺寸。相比之下，对于本文所述的示例性紧凑系统-特别是在单个质子中心中递送质子治疗的系统-由于物理限制，在一些示例中增加束野的尺寸超过特定限制可能是困难的。因此，本文描述的示例系统被配置为使用多个束野自动治疗辐照目标。在一些情况下，粒子束和目标的移动的自由度超过粒子加速器或扩展器和治疗床的等中心旋转，使得可以自动地以不同的束野治疗，并且在一些情况下，不需要用户干预。

示例性粒子治疗系统包括粒子加速器(在该示例中，同步回旋加速器)安装在可移动装置上。在一些示例中，可移动装置是机架，其使得加速器能够至少部分地旋转，并且在一些情况下一直围绕患者位置旋转，以允许来自同步回旋加速器的粒子束击中患者中的任何目标。包括机架的任何合适的装置可用于保持粒子加速器并使粒子加速器相对于患者以旋转、平移和/或枢转运动的方式移动。例如，粒子加速器可以安装到一个或多个轨道上以实现相对于患者的运动。在另一个示例中，粒子加速器可以安装到一个或多个机器人臂以使得能够相对于患者运动。在任何情况下，本文描述的粒子治疗系统不限于与机架一起使用，与旋转机架一起使用，或与本文所述的示例机架配置一起使用。在一些实施方式中，束扩展器安装到同步回旋加速器并且可随其移动。在一些实施方式中，束扩展器独立于同步回旋加速器安装到装置(例如，安装到机架)，并且可以以同步回旋加速器被描述为在此可移动的方式移动。扩展器是粒子束输出装置的一个例子，因为它将束引导到患者。本文描述了粒子束输出装置的其他示例，包括但不限于产生粒子束并引导其输出的粒子加速器本身(或其部件)。

在一些实施方式中，示例同步回旋加速器具有高磁场超导电磁结构。一般来说，超导体是当冷却到低于阈值温度时失去大部分(如果不是全部)电阻的元件或金属合金。结果，流过超导体的电流基本上不受阻碍。因此，超导线圈能够在超导状态下传导比相同尺寸的普通线更大的电流。由于超导线圈能够传导的大量电流，采用超导线圈的磁体能够产生用于粒子加速的高磁场(B)。此外，因为具有给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加到带电粒子的磁场的增加成正比地减小，所以高磁场超导电磁结构使得同步回旋加速器能够紧凑，例如，相对较小而且轻盈。更具体地，所使用的磁场越高，粒子转动半径可以越紧，从而在相对小的体积内(即，相对于更大的非超导同步回转器)允许更大的转数。结果，使用具有相对小的尺寸和重量的同步回旋加速器可以实现期望的粒子能量(其随着转数的增加而增加)。在一些实施方式中，同步回旋加速器配置成产生具有足够能量的粒子束，以从质子中心相对于患者的任何适当位置到达患者体内的任何任意目标。

举例来说，在一些实施方式中，在同步回旋加速器的加速腔中(例如，在腔的中心处)产生的最大磁场可在4特斯拉(T)和20T之间。在一些实施方式中，同步回旋加速器的重量小于40吨。例如，同步回旋加速器的重量可以在5吨至30吨的范围内。一些实施方式中，同步回旋加速器占用的体积小于4.5立方米。例如，同步回旋加速器可占据0.7立方米至4.5立方米范围内的体积。在一些实施方式中，同步回旋加速器产生具有至少150MeV能级的质子或离子束。例如，同步回旋加速器可以产生质子或离子束，其输出能级在150MeV至300MeV的范围内，例如230MeV。同步回旋加速器的不同实施方式可具有尺寸、体积和能级的不同值或值组合，包括未说明的值。有利地，本文所述的同步回旋加速器的紧凑性质允许在一个房间中，即在质子中心中进行治疗。

在这方面，传统上，粒子加速器，包括同步回旋加速器，比本文所述的示例紧凑型加速器大得多。通过使粒子加速器和束线(例如，光束整形)部件紧凑，在一些示例中，与一些传统系统可能的相比，可以使系统的操作更接近患者。例如，加速器的紧凑尺寸允许安装在机架(或其他适当的装置)上，从而降低整个系统的成本和复杂性。但是，在一些示例中，这种安装可能限制可用于束线(例如，治疗头)部件的空间，从而迫使配置相对紧凑的束线。在一些示例中，这是为什么如本文所述的降能器安装在相对靠近患者的治疗头中或上的一个原因，并且反过来，这是为什么如本文所述也安装在治疗头中或治疗头上的准直器(它本身是紧凑的)用于保持束野边缘清晰的原因。

在一些实施方式中，如本文所述，治疗头安装在内部机架上，该内部机架位于保持粒子加速器的“外部”机架的范围内，与外部机架的移动同步地移动，并且定位治疗头以接收外部机架上的加速器的输出。在一些实施方式中，治疗头被安装成相对于患者在内部机架上移动，例如，沿着C形轨道。在一些实施方式中，可以没有内部机架，并且本文描述为安装到内部机架或治疗头的所有部件都安装到外部机架。

在一些示例中，安装在最靠近患者的治疗头上的部件(例如，准直器和降能器)可能具有潜在干扰，所以这些部件可能会相对较小。但是，这些部件的尺寸与可治疗的场尺寸有关。也就是说，这些较小的部件也可以减小束野尺寸。在一些情况下，通过使粒子治疗系统能够使用多个束野进行治疗，可以使用更紧凑的束线元件。结果，可以使用可以定位在更靠近患者的较小治疗头。

图1示出了可用于粒子治疗系统的示例性超导同步回旋加速器的部件10的截面。在该示例中，部件10包括超导磁体11。超导磁体包括超导线圈12和13。超导线圈例如由围绕中心线缠绕的多个超导线(例如，四股或六股)形成，该中心线本身可以是超导或非超导的(例如，铜)。每一个超导线圈12、13用于传导产生磁场(B)的电流。产生的磁场由磁轭14、15成形。在一个例子中，低温恒温器(未示出)使用液氦(He)将每个线圈保持在超导温度，例如约4°开尔文(K)。磁轭14、15(或更小的磁极片)位于低温恒温器内部，并限定粒子在其中被加速的腔16的形状。磁垫片(未示出)可以穿过磁轭或磁极片以改变腔中磁场的形状和/或大小。

在一些实施方式中，粒子加速器包括粒子源17(例如，潘宁离子计-PIG源)以向腔16提供电离的等离子体柱。氢气或氢气与惰性气体的组合被电离以产生等离子体柱。电压源向腔16提供变化的射频(RF)电压，以加速来自腔内等离子体柱的粒子脉冲。腔中的磁场被均整使得粒子在腔内沿轨道移动。在一些实施方式中，由超导线圈产生的最大磁场可以在4特斯拉(T)至20T的范围内，如本文所解释的。示例同步回旋加速器采用旋转角度均匀的磁场，并强度随着半径的增加而下降。在一些实施方式中，无论磁场的大小如何，都可以实现这种场形状。

如上所述，在一个示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，当加速腔内的粒子加速时，RF电压在一定范围内切换频率以解决对粒子的相对论影响(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与腔的形状一起使得从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道加速并且随着转数的增加而增加能量。

在示例同步回旋加速器中，磁场再生器(未示出)定位在腔的外侧附近(例如，在其内边缘处)以调节腔内的现有磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道的位置，例如间距和角度，使得粒子最终输出到通过低温恒温器的提取通道。再生器可以增加腔中某点处的磁场(例如，它可以在腔的一个区域产生大约2特斯拉左右的磁场“凸起”)，从而在该点处产生每个连续的粒子轨道，以向外朝向提取通道的进入点行进，直到粒子到达提取通道。提取通道从腔接收已在腔内加速的粒子，并以脉冲粒子束从腔输出接收的粒子。提取通道可包含磁体和其他结构，以将粒子束引导出粒子加速器并朝向扫描或散射系统。

如上所述，超导线圈(称为主线圈)可以产生相对高的磁场。在示例性实施方式中，由主线圈(例如，在加速腔的中心处)产生的最大磁场可以在4T至20T或更大的范围内。例如，超导线圈可用于产生以下一个或多个大小或超过以下一个或多个大小的磁场：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，超导线圈可以用于产生4T至20T范围之外或4T至20T范围内的磁场，但是这里没有具体列出。

在一些实施方式中，例如图1中所示的实施方式，相对大的铁磁磁轭14、15用作由超导线圈产生的杂散磁场的返回。在一些系统中，磁屏蔽件(未示出)围绕轭。返回磁轭和屏蔽件在一起起到减少杂散磁场的作用，从而降低了杂散磁场对粒子加速器的操作产生不利影响的可能性。

在一些实施方式中，返回轭和屏蔽件可以由有源返回系统替换或增强。示例性有源返回系统包括一个或多个有源返回线圈，其在与通过主超导线圈的电流相反的方向上传导电流。在一些示例性实施方式中，每个超导主线圈有一个有源返回线圈，例如有两个有源返回线圈，每个主超导线圈一个。每个有源返回线圈也可以是超导线圈，其同心地围绕相应的主超导线圈的外部。

如上所述，电流在与通过主线圈的电流方向相反的方向上通过有源返回线圈。因此，通过有源返回线圈的电流产生的磁场的极性与主线圈产生的磁场极性相反。结果，由有源返回线圈产生的磁场能够减少由相应的主线圈产生的相对强的杂散磁场中的至少一些。

通过使用有源返回系统，相对大的铁磁磁轭14、15可以用更小和更轻的磁极片代替。因此，可以进一步减小同步回旋加速器的尺寸和重量而不牺牲性能。可以使用的有源返回系统的一个例子在题为“Active Return System”的美国专利No.8,791,656中有所描述，其内容通过引用结合于此。

在粒子加速器的提取通道的输出处或附近，可以存在一个或多个束整形元件，例如扫描系统和/或散射系统。这些系统的部件可以安装在治疗头上或以其他方式附接到治疗头上，以在治疗期间相对靠近患者定位。然而，在一些实施方式中，束扩展器可以更靠近加速器或外部机架本身(例如，在其上)安装(例如，在没有安装在外部机架的加速器的情况下安装到外部机架)。

参考图2，在示例实施方式中，在同步回旋加速器21的提取通道20的输出处(其可具有图1的配置)是示例性扫描部件22，其可用于扫描覆盖全部或部分辐照目标的粒子束。图3还示出了图2的部件的示例。这些包括但不限于扫描磁体24、离子室25、降能器26和可配置准直器28。可以是提取通道的束下游的其他部件未在图2和3中示出，包括例如用于改变束斑尺寸的一个或多个散射体。

在示例性操作中，扫描磁体24是示例性束扩展器，并且可在二维(例如，笛卡尔XY维度)中控制以将粒子束定位在这两个维度中，并且将粒子束移动穿过辐照目标的至少一部分(例如，横截面)。离子室25检测束的剂量并将该信息反馈给控制系统以调节束移动。降能器26是可控的，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，并因此改变粒子束穿透辐照目标的深度。以这种方式，降能器可以将粒子束定位在辐照目标的深度方向层，例如，定位到层。在一些实施方式中，代替板或除板之外，降能器使用楔形物或其他类型的结构。例如，降能器26可以是可控的，以将材料(例如，一个或多个单独的楔形物)移入和移出粒子束的路径，以改变粒子束的能量，并因此改变粒子束穿透辐照目标的深度。

在一些实施方式中，可能存在具有不同尺寸的不同降能器，例如具有不同面积的板或楔形物。在一些实施方式中，本文中所描述的控制系统可基于束野尺寸在束野内和外交换不同尺寸的降能器。

图4和5示出了示例性扫描磁体24的视图。在该示例性实施方式中，扫描磁体24包括控制粒子束在X方向上的移动的两个线圈41和控制粒子束在Y方向上的移动的两个线圈42。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磁场。通过适当地改变磁场，粒子束可以在X和/或Y方向上移动覆盖辐照目标。可以利用扫描磁体来控制本文所述的自动治疗过程中的粒子束的位置和/或方向。

在一些实施方式中，扫描磁体相对于粒子加速器不可物理移动。在一些实施方式中，扫描磁体可以相对于粒子加速器物理地移动(例如，除了由机架提供的移动之外)。在一些实施方式中，扫描磁体可以是可控制的，以连续地移动粒子束，使得粒子束在被扫描的辐照目标的层的至少一部分上，并且可能是所有上不间断地运动。在一些实施方式中，扫描磁体可以间隔或特定时间控制。在一些实施方式中，可以存在两个或更多个不同的扫描磁体来定位粒子束，并且在扫描期间控制粒子束在X和/或Y方向上的全部或部分移动。在一些实施方式中，扫描磁体24可以具有空气芯、铁磁(例如，铁)芯或者是空气和铁磁材料的组合的芯。

返回参考图2，电流传感器27可以连接到扫描磁体24，或者以其他方式与扫描磁体24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，电流传感器对施加到磁体的电流进行采样，其可以包括到用于控制X方向上的束扫描的线圈的电流，和/或到用于控制Y方向上的光束扫描的线圈的电流。电流传感器可以在对应于粒子束中的脉冲的发生的时间或者以超过粒子束中的脉冲发生速率的速率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下面描述的离子室对脉冲的检测相关。例如，使用离子室检测脉冲的时间可以在时间上与来自电流传感器的样本相关，从而在脉冲时识别磁体线圈中的电流。因此，使用磁体电流，可以确定辐照目标上的位置(例如，在辐照目标的深度方向层上)，其中每个脉冲以及基于每个脉冲的粒子剂量被递送。可以基于束路径中的降能器的配置(例如，板的数量)来确定深度方向层的位置。

在操作期间，可以针对递送剂量的每个位置存储磁体电流的大小(例如，值)以及剂量的量(例如，强度)。计算机系统(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设备)可以将磁体电流与辐照目标内的坐标相关联，并且那些坐标可以与剂量的量一起存储。例如，可以通过深度方向层数和笛卡尔XY坐标或通过笛卡尔XYZ坐标(具有对应于Z坐标的深度方向层)来标识位置。在一些实施方式中，磁体电流的大小和坐标位置都可以与每个位置处的剂量一起存储。上述信息可以存储在加速器上或远离加速器的存储器中。在扫描期间可以使用该信息以将相同或不同量的多个剂量施加到相同位置以实现目标累积剂量，包括在相邻/顺序束野之间的重叠区域，如本文所述。

在一些实施方式中，离子室25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大小相关联并与之相关联地存储。

在一些实施方式中，扫描系统是开环运行的，在这种情况下，通过控制扫描磁体，粒子束在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控制的剂量测定记录(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。递送辐射的位置可以记录为坐标或一个或多个磁体电流值，并且可以将递送的辐射量记录为灰色剂量。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，与其射频(RF)周期)。可以用任意适当次数的粒子束治疗辐照目标上剂量沉积不足的位置，直到达到所需的剂量。相同位置的不同治疗可以来自相同的束角度(例如，来自相同的投射/束野)或来自不同的束角度(投射/束野)，如本文所述的情况质子强度调制治疗(IMPT)。

可配置准直器28可以位于扫描磁体的束流方向下游和降能器的束流方向下游，如图2和3所示。可配置准直器可以在扫描期间在粒子束的移动期间逐点地修整粒子束。例如，可配置准直器可以包括彼此面对的叶片组，并且可以移入和移出托架以形成孔形状。粒子束的超出孔形状的部分被阻挡，并且不会递送给患者。递送给患者的束部分至少部分地准直，从而提供具有相对精确边缘的束。在示例中，可配置准直器中的每组叶片是可控制的，以限定可移动到粒子束的路径中的边缘，使得边缘的第一侧上的粒子束的第一部分被多个叶片阻挡，并且使得在边缘的第二侧上的粒子束的第二部分不被多个叶片阻挡。每组中的叶片在扫描期间可单独控制以修整小到单个点的区域，并且还可用于修整较大的多点区域。

图6示出了范围调制器60，其是降能器26的示例实施方式。在一些实施方式中，范围调制器60可位于可配置准直器与患者之间的扫描磁体的束下游。在一些实施方式中，例如图6中所示，范围调制器包括一系列板61。板可以由以下示例材料中的一种或多种制成：聚碳酸酯、碳、铍或其他低原子序数的材料。然而，可以使用其他材料代替这些示例材料或者除了这些示例材料之外还使用其他材料。

一个或多个板可移动到束路径中或从束路径移出，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。也就是说，每个板允许束通过，但是，由于穿过板，束的能量减少了基于板的几何形状(例如，厚度)和组成(例如，材料)的量。在一个示例中，移动到粒子束路径中的板越多，板将吸收的能量越多，并且粒子束将具有的能量越少。相反，移动到粒子束路径中的板越少，板将吸收的能量越少，并且粒子束将具有的能量越多。较高能量粒子束通常比较低能量粒子束更深地穿透到辐照目标中。在此上下文中，“更高”和“更低”是指相对术语，并且没有任何特定的数字含义。

将板物理地移入粒子束的路径中和从粒子束的路径移出。例如，如图7所示，板70沿着箭头72的方向在粒子束73的路径中和粒子束的路径外的位置之间移动。这些板是由计算机控制的。通常，移动到粒子束路径中的板的数量对应于发生辐照目标的扫描的深度。因此，通过适当控制板，可以将粒子束定位在目标的内部。

举例来说，辐照目标可以分成横截面或深度方向层，每个层对应于辐照深度。范围调制器的一个或多个板可以移动到辐照目标的束路径中或从束路径移出，以便获得适当的能量来辐照所述辐照目标的这些横截面或深度方向层中的每一个。在扫描辐照目标的一部分(例如，横截面)期间，范围调制器可以相对于粒子束静止，或者范围调制器的板可以在扫描期间移动。例如，粒子束可以在扫描过程中跟踪一个或多个板进入或离开束野(也称为照射野)的运动。

再参照图2，包括例如离子室、降能器和可配置准直器的部件30可以安装或以其他方式联接到托架23。在一些实施方式中，托架23安装到一个或多个轨道(在该示例中，安装到两个轨道29a，29b)以相对于辐照目标移动。在一些示例中，托架可以是治疗头的一部分或安装到治疗头，从而使扫描系统的一些部件能够朝向患者或远离患者移动。在一些实施方式中，托架23可使用不同机构或以不同配置安装以相对于辐照目标移动。移动可以沿着束线，例如沿着粒子束的路径。这种运动可以对粒子束的定位进行额外的控制(从而提供额外的自由度)以支持跨磁场和任何等中心的治疗。

运动还将允许这些部件远离治疗床上的患者移动，以允许治疗头和/或患者自动移动以进行下一个待治疗的投射/束野。然后，治疗头可以朝向患者移回以用于下一个束野。

使准直器和降能器朝向或远离辐照目标移动会影响粒子束穿过空气的距离，并因此影响辐照目标中粒子束的斑点的尺寸。也就是说，通过空气可以使束斑尺寸增加。因此，使托架远离辐照目标移动增加了粒子束穿过空气的距离，从而增加了斑尺寸。相反，将托架移向辐照目标减小了粒子束穿过空气的距离，从而减小了束斑尺寸。在一些实施方式中，托架23可控制以与如本文所述的机架和/或治疗床的移动协调地移动，以定位粒子束用于治疗，并实施紧邻患者的治疗。

扫描系统的一些部件(包括降能器和可配置准直器)可以安装在或联接到粒子治疗系统的内部机架80的治疗头81(参见图8)，并且可以由控制系统控制，例如一个或多个计算设备(参见例如图14)，其也控制粒子治疗系统的其他部件的操作。图9示出了粒子治疗系统的另一种实施方式，其具有带有治疗头91的内部机架90，扫描系统的一些部件(包括降能器和可配置准直器(但在某些情况下，不包括扫描磁体))可以安装在其上。在两个示例中，治疗头可相对于患者和粒子加速器沿着内部机架(80或90)的轨道移动，并且可朝向患者延伸并且可远离患者缩回，从而也可延伸和缩回安装在其上的部件。

范围调制器的操作可以与本文所述的其他扫描部件、粒子加速器和机架的操作协调和控制，以实现自动粒子治疗及其变型。例如，范围调制器可用于将粒子束相对于辐照目标在深度方向(例如，笛卡尔Z)维度上定位，并且其他扫描部件(例如束扩展器-例如扫描磁体)可以用于将粒子束相对于辐照目标在与深度方向尺寸正交的两个其他维度(例如，笛卡尔X，Y维度)上定位。使用扫描部件和系统的其他可移动部分进行定位支持自动化、多场治疗粒子治疗，其可以是或可以不是等中心的。在使用可变能量同步回旋加速器的情况下，可以在加速器本身中实现对束能量的控制，并因此控制束深度方向的位置。

如上所述，粒子束从范围调制器通过可配置准直器传递到患者。通过空气可以使束斑尺寸增加。束通过空气的时间越长，斑尺寸可能增加越大。因此，在一些实施方式中，减小束可以通过空气的最大距离是有利的。如上所述，在一些示例中，安装在最靠近患者的治疗头上的部件(例如，准直器和降能器)可以减少束穿过空气的量。然而，在一些示例中，由于它们与患者的靠近，这些部件可能被制造得相对较小。这些部件的尺寸与可治疗的场尺寸有关。也就是说，这些较小的部件可能导致相对较小的束野尺寸。

如所描述的，束野(也称为照射野)基于来自束扩展器的辐射投射。束野可以在概念上由平面表示，其限定投射粒子束可以相对于辐照目标在X和Y方向上移动的最大程度或范围。例如，图10示出了在辐照目标101前面的束野100。目标用虚线绘制，表示它在束野后面。尽管示出了矩形平面，但是束野可以具有任何适当的形状。由于物理系统的限制，由同步回旋加速器产生的粒子束可以在束野的边界上移动但不能超出。如上所述，减小的治疗头尺寸能够减小气隙，但是由于存在较小的部件，也可能使束野变小。

在一些情况下，束野可以小于待治疗的辐照目标(图10中不是这种情况，但是参见例如下面描述的图15和16)。因此，在一些示例中，本文描述的过程使粒子治疗系统的部件的移动自动化，以便使用多个束野来治疗整个辐照目标，而无需手动加速器重新配置、手动扩展器重新配置和/或手动患者重新定位。使用两个或更多个束野在边界附近进行的治疗可以基于使用边界附近的束野从TPS接收的指令进行计算机控制。这种治疗也可以独立于任何等中心位置。以下更详细地描述示例实施方式。

图8和11示出了包含安装在机架上的粒子加速器的粒子治疗系统82的一个示例-在该示例中，使用具有本文所述配置的超导同步回旋加速器。在一些实施方式中，机架是钢制的并且具有两个腿部(未示出)，腿部安装成在位于患者的相对侧上的两个相应轴承上旋转。机架可以包括连接到其每个腿部的钢桁架，其长度足以跨越患者躺在其中的治疗区域并且在两端附接到机架的旋转腿部。粒子加速器可以由钢桁架支撑。可以使用的机架配置的一个例子在题为“Charged Particle Radiation Therapy”的美国专利No.7,728,311中有所描述，其内容通过引用结合在此。

图9示出了美国专利No.7,728,311中描述的机架配置的示例，并且包括粒子治疗系统的替代实施方式的部件，其可以以本文所述的方式控制以产生自动化治疗。图9的示例性粒子治疗系统包括具有治疗头91的内部机架90，治疗床92和安装在外部机架94上用于围绕患者至少部分地旋转以将辐射递送给患者中的目标的粒子加速器93(例如，本文所述类型的同步回旋加速器)。治疗床92是可控制的并且配置成以本文所述的方式旋转并平移患者。

在图9的示例中，粒子加速器也安装到外部机架94，以使粒子加速器能够沿箭头95的方向沿着臂96线性移动(例如，平移运动)。因此，加速器可相对于治疗床并因此相对于患者从沿着臂96的第一位置移动到沿着臂96的第二位置，到沿着臂96的第三位置等等，以便定位加速器以及因此定位束，用于治疗。该平移运动可以由本文所述的控制系统控制，并且用作将粒子束定位在本文所述的自动粒子治疗系统中的附加自由度。尽管在图9中示出了单维平移运动(沿箭头95)，但是粒子治疗系统也可以被配置用于二维平移运动和/或三维平移运动(例如，沿着笛卡尔坐标系的X，Y和Z方向)。

还如图9所示，粒子加速器93可以连接到万向节99，用于相对于机架枢转运动。该枢转运动可用于定位加速器以及因此定位束，用于治疗。该枢转运动可以由本文所述的控制系统控制，并且可以用作将粒子束定位在本文所述的自动粒子治疗系统中的一个或多个附加的自由度。在一些实施方式中，枢转可以使加速器在自动治疗期间从第一方位移动到第二方位，到第三方位等等。可以安装粒子加速器以使得能够在一维，二维和/或三维中相对于患者枢转。

如本文所述，在一些实施方式中，不是将整个粒子加速器安装到外部机架(或其他装置)，而是代替加速器，或者除了加速器之外，可以单独安装扩展器，并且扩展器单独或者与加速器组合可以相对于辐照目标移动。在扩展器单独安装的情况下，扩展器可以以与本文所述的加速器相同的方式移动，例如，线性(平移)，旋转地和/或枢转地移动。通过以本文所述的方式控制安装在其上的扩展器的移动，可以如本文所述实现对束定位的控制。

图8和11中所示的示例性粒子治疗系统实施方式还可以安装粒子加速器，使得粒子加速器能够相对于患者在一维，二维和/或三维中进行平移运动。图8和11中所示的示例性粒子治疗系统实施方式还可以安装粒子加速器，使得粒子加速器能够相对于患者在一维、二维和/或三维中枢转。

在图8和11的示例中，患者位于治疗床84上。在该示例中，治疗床84包括支撑患者的平台。平台还可以包括一个或多个约束件(未示出)，用于将患者保持在适当位置并且用于在床的移动期间和治疗期间保持患者基本上不动。平台可以或可以不具有衬垫和/或具有与患者的一部分的形状相对应的形状(例如，凹痕)。例如，在治疗之前，可以将患者放置在符合患者后半部的轮廓的模具中，并且可以将得到的模制结构结合到治疗床的平台中。诸如此类的模具可以在治疗床的移动期间减少患者的运动，包括但不限于在治疗期间。

治疗床可以包括移动机构，以将治疗床自动地从治疗空间中的一个位置(例如，执行粒子治疗的质子中心)移动到治疗空间中的另一个位置。不同的位置可以是不同的旋转位置，不同的物理位置(例如，从一个物理位置到另一个物理位置的平移运动)，或者旋转位置和平移位置的组合。例如，移动机构可包括机械臂85，机械臂85可控制以在六个自由度上移动床。

治疗床的移动是自动化的，并且在患者保持在床上的适当位置时发生。例如，其上具有患者的治疗床可以在不同的治疗位置之间移动。在一些实施方式中，患者在治疗位置之间移动期间不会离开治疗床。例如，患者可以在治疗之前位于治疗床上；床可以移动到第一位置以治疗患者的第一部分；患者可在第一位置接受治疗；在患者保持在床上的同时，可以将床移动到第二不同位置以治疗患者的第二不同部分；患者可以在第二位置接受治疗；在患者保持在床上的同时，床可以移动到第三不同位置以治疗患者的第三不同部分；等等，直到治疗结束。可以实施任何适当数量的床移动和治疗，同时患者保持在治疗床上，并且在一些情况下，无需人为干预。待治疗患者的不同“部分”可以是，例如，不同肿瘤，一个肿瘤的不同区域，或一个肿瘤的相同区域，并且可以在质子调制强度治疗(“IMPT”)期间从不同角度进行治疗。

在这方面，在IMPT期间，粒子束从不同方向投射在辐照目标处，使得总剂量的百分比从每个方向传递。结果，可以减少递送到辐照目标外部的体积的剂量。例如，图12示出了从三个不同角度施加到辐照目标121的粒子束120。在这个例子中，剂量是累积的，因此总剂量的1/3可以从一个角度施加；总剂量的1/3可以从另一个角度施加；总剂量的1/3可以从又一个角度施加。也就是说，粒子束可以在相对于水平128成角度的平面中以角度123扫描覆盖束野的一部分，以施加1/3的剂量；粒子束可以在相对于水平128成角度的另一平面中以角度124扫描覆盖束野的一部分，以施加1/3的剂量；并且粒子束可以在相对于水平128成角度的又一平面中以角度125扫描覆盖束野的一部分，以施加1/3的剂量。结果，施加到周围组织127的辐射量以适当的角度展开，从而减少了周围组织暴露于有害量的辐射的机会。尽管只显示了三个，但可以采用任何适当数量的角度和每个角度的适当剂量。

参考图8、9和11，内部机架可以配置成相对于治疗床移动，以引导束朝向患者的输出。在这些例子中，内部机架是C形的，并且其运动与“外部”机架的运动一致，同步回旋加速器安装在该“外部”机架上。如所解释的，内部机架包括治疗头，在该治疗头上安装一个或多个束线部件(例如，范围调制器和可配置准直器)以成形并以其他方式调节束。在一些实施方式中，内部机架支持亚毫米束定位。在一些实施方式中，没有内部机架，并且本文描述为安装在内部机架上的所有部件可以安装到加速器或外部机架。

在一些实施方式中，在患者保持在床上的适当位置的同时，发生治疗床的一些或全部运动。如所解释的，其上具有患者的治疗床可以在治疗位置之间自动移动。在一些实施方式中，粒子治疗系统在治疗之间拍摄患者的图像，以便将治疗引导至患者体内的适当位置。在一些实施方式中，当患者在治疗床上的同时拍摄这些图像。例如，参考图13的过程，患者可以在治疗之前被定位在治疗床上(130)；可以将床移动到第一位置，用于利用第一束野治疗患者体内的辐照目标或辐照目标的一部分(131)；当患者在治疗床上的同时，可以拍摄患者在第一位置的图像(132)；并且可以基于图像在第一位置治疗患者(133)。如果要执行另外的治疗(134)，则当患者保持在床上的同时，可以将床移动到第二不同位置以用第二束野治疗辐照目标或其一部分；当患者在治疗床上的同时，可以拍摄患者在第二位置的图像；可以基于拍摄的图像在第二位置治疗患者；当患者保持在床上的同时，可以将床移动到第三不同位置，以用第三束野治疗辐照目标或其一部分；当患者在治疗床上的同时，可以拍摄患者在第三位置的图像；可以基于拍摄的图像在第三位置治疗患者；等等，直到治疗结束。在一些实施方式中，可以采用与上面给出的顺序不同的排序，或者可以使用与所描述的那些不同的患者位置跟踪技术。在一些实施方式中，不需要每次治疗后的成像。

在一些实施方式中，粒子治疗系统经配置为确定辐照目标(例如肿瘤)的位置。辐照目标(例如，肿瘤)的初始位置和映射可以在治疗前成像操作中获得，其可以发生在质子中心内部或外部。在一些实施方式中，患者可以从初始成像到治疗保持在床上，包括在治疗期间重新定位，如关于图13所解释的。此外，在一些实施方式中，从初始成像到最终治疗的整个过程是自动化的，消除或至少减少对人为干预的需要。

在一些实施方式中，可使用成像系统(例如，三维(3D)成像系统)来执行治疗前成像操作。在一些实施方式中，3D成像系统是计算的断层扫描(CT)系统；然而，在其他实施方式中，可以使用不同类型的成像系统来代替CT系统或者除CT系统之外还使用不同类型的成像系统。在操作中，可以在不同的时间点拍摄图像，以便能够跟踪由于例如患者运动(例如呼吸等)引起的基准点运动。在该上下文中，基准点包括在患者体内或体外的结构，其可以在由成像系统拍摄的图像中识别，并且可以用于确定患者体内的辐照目标的位置。

在CT示例中，图像可以包括内部解剖结构，例如器官、肿瘤和骨骼，其中任何一个可以是辐照目标(或基准点，如下所述)。成像系统拍摄患者的一个或多个图像，或患者的选定部分，通常是患者的施加质子治疗的一个或多个部分。在一些实施方式中，治疗床可包括布置在其上的一个或多个基准点。基准点的示例可以包括但不限于在图像上显示的金属或其他材料，例如CT图像。基准点可以布置在患者周围的区域，例如，在患者的要施加质子治疗的部分处和/或周围。在一些实施方式中，相对于患者布置至少三个基准点以使得能够使用三角测量过程来将辐照目标定位在CT图像和治疗空间中。在一些实施方式中，CT图像可以用于识别人的解剖结构的结构元件，例如牙齿，骨骼等，并将这些结构元件指定为基准点。在一些实施方式中，基准点可以是前述中的任何两个或更多个的组合，例如，固定到治疗床、患者、框架等的解剖结构和/或结构元件。

在CT示例中，图像是3D的，因此无论是单独还是组合，图像以3D形式提供关于基准点的位置和辐照目标(例如，肿瘤)的位置的信息。该信息指示基准点和辐照目标的相对位置，以及各个基准点之间以及各个基准点和辐照目标之间的角度和距离。在一些实施方式中，通过识别3D图像中的基准点和辐照目标，并通过分析图像以确定基准点的位置以及基准点的尺寸、形状和位置，并基于基准点的位置(并且在一些情况下，基于基准点的尺寸和/或形状)确定辐照目标的位置来获得位置信息。该信息可以存储在计算机存储器中并在治疗期间使用，以便识别治疗空间(“现实世界”)中的目标的位置。

在使用CT系统进行初始成像之后，可以将患者移动到治疗位置。当患者在床上的同时，治疗床可以自动移动，或者患者可以移动到新的治疗床。要施加治疗的位置部分地基于CT系统(在该示例中)拍摄的3D图像来确定。

参考图8，控制一个或多个治疗部位(质子中心)成像系统86，例如X射线系统，以在治疗空间中的治疗位置处拍摄一个或多个图像。该治疗部位成像系统可以单独使用，或与计算系统结合使用，以检测治疗空间中的基准点的位置，从而检测辐照目标的位置。相对于定义治疗空间的坐标系中的一个或多个参考点检测基准点的位置。换句话说，治疗空间(例如，质子中心)可以在3D坐标系内定义，并且基准点的位置可以通过该3D坐标系中的坐标来识别。

例如，可以分析来自治疗部位成像系统的图像(例如，X射线图像)以确定在定义治疗空间的3D XYZ笛卡尔坐标系中的基准点的位置。可以分析由成像系统拍摄的基准点的一个或多个图像，以识别在治疗空间的3D坐标系中基准点位于何处。所得到的坐标系中基准点的坐标可以存储在例如计算机系统(未示出)上的计算机存储器中。

治疗空间的3D坐标系中的基准点的位置与3D CT图像中的基准点的位置对齐。这可以由计算机系统使用治疗空间的虚拟模拟(例如，渲染)自动完成。例如，可以在模拟中识别基准点的实际位置，并且来自3D CT图像的基准点以及来自CT图像的其他结构可以放置在模拟中的对应点处。通过将来自CT图像的基准点和其他结构放置在治疗空间的3D坐标系中，可以在同一空间中识别辐照目标的位置。

更具体地，治疗空间中的基准点的位置(例如，治疗空间的3D坐标系)是已知的，并且来自3D CT图像的基准点和结构(包括辐照目标)被映射到模拟中的三维坐标系。作为映射的一部分，来自CT图像的基准点与治疗空间的3D坐标系中的基准点的位置对齐。此外，从3D CT图像中已知辐照目标相对于基准点的位置。例如，辐照目标相对于每个基准点的距离和角度是已知的。给定该信息，可以确定治疗空间的3D坐标系中的辐照目标的位置和方位。该信息用于将粒子束引导至辐照目标。

在治疗空间的3D坐标系中定位(例如，通过X射线)基准点并且将那些基准点与原始CT图像中找到的基准点相关联的上述过程可以是自动化的并且每次支撑患者的治疗床在治疗空间内移动时重复。在一些实施方式中，在拍摄图像以获取位置之后，因为该过程可以在计算机控制下并且将监视患者定位以确认患者未移动，所以可以不需要在患者移动到的每个新位置拍摄新图像。例如，可以依靠治疗床运动的准确性和患者的固定来确定新位置处的位置。

在这方面，治疗床可以在治疗位置之间自动移动，以便治疗患者的不同部位或者从不同角度治疗患者，如在IMPT中的情况。在一些实施方式中，对于每个新位置，例如通过X射线系统拍摄新图像，并且相对于原始CT图像分析新图像。得到的位置信息识别在现实世界空间中待治疗的位置，例如，在治疗空间(例如，质子中心)的3D坐标系中。知道目标的位置，可以控制质子治疗系统的各种部件以定位粒子束和/或患者以对适当的目标区域提供适当的治疗。在一些示例性实施方式中，可以控制各种部件以相对于目标的任何部分执行治疗，并且不限于相对于限定的等中心的治疗。

在一些实施方式中，单独的治疗部位成像系统可以在有或没有基准点的情况下用于识别辐照目标的位置，并且在重新定位或其他事件之后跟踪目标的移动。

参考图8，可以控制碰撞避免系统88以识别治疗系统的各种部件、患者和治疗空间中的其他结构的位置，并将该信息反馈给控制系统。更具体地，如所描述的，在一些实施方式中，系统是自动化的，因为控制束扩展器、粒子加速器及其部件和治疗床以自动地移动到粒子束的施加之间的不同位置。这种自动移动是有利的，因为它消除了人在每次粒子束的施加之前重新配置系统(例如，治疗头，加速器和/或床位置)的需要。然而，自动化通常需要系统的各种运动部件之间的协调，这可以通过这里描述的控制系统来实现。出于安全目的，碰撞避免系统88跟踪系统部件的运动，例如治疗床、粒子加速器、包含能量降低器和准直器的托架等，并且将关于该运动的信息传递给控制系统。如果控制系统基于该信息检测到两个部件之间或部件与患者或治疗空间中的其他结构/物体之间可能发生碰撞，则控制系统干预并改变一个或多个部件的轨迹或停止一个或多个部件的运动。

在一些实施方式中，可使用一个或多个传感器、3D成像系统、激光定位、声纳、超声或其任何适当组合来实施碰撞避免系统88。在一些实施方式中，可以使用其他类型的设备检测系统来代替或补充本文描述的那些以实现碰撞避免。

除了前述之外，治疗头(在一些实施方式位于内部机架上)可以从治疗空间中的患者或其他物体缩回以避免碰撞。在一些示例中，治疗头操作的这个方面可以由控制系统基于来自碰撞避免系统的反馈信息来控制。

参考图14，粒子治疗系统部件141的控制可以包括但不限于扩展器的操作和定位以及重新定位，例如，一个或多个扫描磁体或散射箔，外部和内部机架，治疗床，治疗头，束整形元件，例如，降能器和准直器，安装有束整形元件的托架，成像系统(包括但不限于用于束瞄准的系统)，碰撞避免系统，以及同步回旋加速器(平移定位和方位定位二者)。这种控制可以由控制系统140实现。控制系统140可包括如本文所述的一个或多个计算机系统和/或其他控制电子设备。例如，可以使用硬件或硬件和软件的组合来实现对粒子治疗系统及其各种部件的控制。例如，类似于这里描述的系统可以包括位于各个点的各种控制器和/或处理设备，例如，控制器或其他类型的处理设备可以嵌入在每个可控设备或系统中。中央计算机可以协调各种控制器或其他类型的处理设备之间的操作。中央计算机，控制器和/或处理设备可以执行各种软件程序以实现测试，校准和粒子治疗的控制和协调。

为了以所述方式自动化治疗，与粒子治疗系统通信的示例性TPS 142通过患者的位置和粒子(例如，质子)输出设备的部件的位置的组来定义治疗过程。在一个示例中，每组位置可以至少包括治疗床的位置和输出设备的位置的唯一组合，其中输出设备的位置至少部分地基于外部机架的位置定义(例如，[床位置，束位置])。对于该组中的每个元件，将辐照方式施加到辐照目标的至少一部分。患者的运动不限于旋转，还包括至少一个平移，使系统能够改善线性辐照目标的治疗效果。TPS可以在本文描述的类型的一个或多个计算机系统和/或其他控制电子设备上实现，并且可以配置为使用任何适当的有线或无线介质与控制系统140通信。在一些实施方式中，这允许具有小束野的粒子治疗系统有效且高效地治疗大辐照目标。

如上所述，粒子治疗系统可具有相对小的束野尺寸，其至少部分地由粒子/质子输出设备(例如，扩展器，加速器或一些其他能够束递送的设备)和患者之间的距离决定。在一些实施方式中，粒子治疗系统具有在1m至2m(例如，1.5m或小于2m)的范围内的扩展器到患者的等中心距离和大约20cm乘20cm或更小的束野面积。在一些实施方式中，粒子治疗系统具有1m至2m(例如，1.5m或小于2m)的源到轴的距离和约30cm乘30cm或更小的束野面积。也可以实现扩展器到患者的等中心距离和束野面积的其他值。

在本文所述的示例性实施方式中，斑尺寸由降能器与患者之间的距离决定，所述降能器支配束线对束发散的贡献。这是减小可能有利的距离，以及为什么减小安装到治疗头的部件的尺寸可能是有益的。在一些实施方式中，可以执行在限定的等中心的末端进行治疗。

图15示出了相对于辐照目标159的束野150的示例，该辐照目标159可以是患者体内的肿瘤。因此，在该示例中，同步回旋加速器151不具有足够大的束野来治疗整个辐照目标。传统上，粒子束155将扫描跨过该第一束野150用于第一治疗，然后，辐射治疗师将进入治疗室并重新定位治疗头或其他输出设备和/或患者以使粒子束155扫描跨过在下一个等中心处的第二束野152。如上所述，重复该过程以治疗整个目标。

然而，本文所述的粒子治疗系统至少在一些情况下不需要治疗师在治疗过程中重新定位患者或治疗头(即，如果需要，该系统不禁止治疗师干预)。例如，控制粒子治疗系统的计算机系统(例如，控制电子设备)接收辐照目标的治疗计划。治疗计划使用不同的束野(例如，150、152)自动化治疗。在一些示例中，治疗计划也不依赖于等中心位置用于患者或束定位，但是在其他示例中，可以使用等中心。

在一些实施方式中，可使用位于质子中心外部的按钮来控制粒子治疗系统的操作。例如，单次按下按钮可以开始治疗，并且在一些示例中，治疗可以继续不间断，并且不需要人为干预，跨过并使用多个束野直到整个治疗区域已被治疗。在一些示例性实施方式中，辐照目标的整个治疗可以在少于约五分钟内递送，这可以通过本文所述的自动化(例如，无人干预)束野序列来实现。在一些实施方式中，人为干预可包括在治疗过程中。例如，人可以按压位于质子中心内部或外部的按钮(或多个按钮)以开始施加辐射，并因此可实现在先前治疗之后每次自动定位粒子治疗系统的各种部件时开始新的治疗。

在操作中，计算机系统解析和/或执行来自TPS的指令以控制粒子治疗系统的一个或多个部件，以便将患者(以及因此目标)和粒子束定位在适当的位置以进行治疗。可以被自动控制以定位患者和粒子束以实现自动化治疗的粒子治疗系统的部件的示例可以包括但不必限于以下中的一个或多个：扩展器和/或同步回旋加速器(包括平移或枢转运动)，外部机架(用于同步回旋加速器和/或扩展器单独或组合旋转)，内部机架(用于定位治疗头，包括束整形元件)，治疗头，扫描磁铁或散射箔(例如束扩散器)，范围调制器，可配置准直器，治疗头的部件所联接到的托架，治疗床，治疗部位成像系统，和碰撞避免系统。

另外，同步回旋加速器的部件可以通过控制(例如通过改变)治疗期间粒子束的强度来支持治疗。可以通过控制粒子束的每个脉冲的粒子数来实现强度的变化。例如，可以改变RF电压扫描，或者可以控制离子源的操作，以选择所需的粒子束强度。在本文描述的用于控制输出粒子束的强度的同步回旋加速器可以使用的过程的示例在题为“ControllingIntensity of a Particle Beam”的美国专利公开No.2014/0094638中描述，其内容通过引用并入本文。

在一个示例中，使用适当的命令和控制协议，指导粒子治疗系统的操作的计算机系统140控制以下中的一个或多个的操作，包括定位：扩展器和/或同步回旋加速器(包括平移或枢转运动)，外部机架(同步回旋加速器和/或扩展器单独或组合地旋转)，治疗头，扫描磁体或散射箔(例如，束扩展器)，范围调制器，可配置准直器，以及治疗头的部件所联接到的托架，以将粒子束定位在治疗空间(例如，质子中心)中的适当位置，以将辐射剂量施加到目标。在一个示例中，使用适当的命令和控制协议，指导粒子治疗系统的操作的计算机系统控制治疗床的操作以将患者以及因此辐照目标定位在治疗空间中的适当位置以通过粒子束施加辐射剂量。在一个示例中，使用适当的命令和控制协议，指导粒子治疗系统的操作的计算机系统控制同步回旋加速器的操作以产生具有适于在治疗计划中定义的位置施加所需剂量的辐射的特征(例如，强度，能量等)的粒子束。TPS中的指令说明施加辐射的位置和时间，并定义提供适当辐射所需的各种系统部件的位置。在一个示例中，使用适当的命令和控制协议，计算机系统还指导部位成像系统和碰撞避免系统的操作以实现自动化治疗。

控制扩展器和/或同步回旋加速器的运动(包括平移或枢转运动)，外部机架的运动(同步回旋加速器和/或扩展器单独或组合地旋转)，治疗头的运动，扫描磁体或散射箔(例如，束扩展器)的运动，范围调制器的运动，可配置准直器的运动，治疗头的部件所联接到的托架的运动，和治疗床的操作(包括运动)使得能够以超过粒子加速器和治疗床的简单等中心旋转或者超过扩展器和治疗床的简单等中心旋转的多个自由度来定位患者和束。例如，在一些实施方式中，机架的旋转提供一个自由度；扫描磁体的运动或由扫描磁体产生的运动提供两个自由度；范围调制器的运动或由范围调制器产生的运动提供一个自由度；治疗床的运动提供六个自由度，从而产生十个自由度。在一些实施方式中，如本文所述，扩展器和/或粒子加速器(并且因此粒子束)可以在一维，二维和/或三维中可平移(例如，以线性运动方式移动)以获得额外的运动自由度。如本文所解释的，在一些实施方式中，扩展器和/或粒子加速器(并且因此粒子束)可以是可枢转的或安装到万向节(例如，允许物体围绕单个轴线旋转的枢转支撑件)，导致一个或多个额外的运动自由度。对托架运动的控制可以提供额外的自由度。

如上所述，计算机系统控制以下中的一个或多个的操作(包括运动)：扩展器和/或同步回旋加速器(包括平移或枢转运动)，外部机架(同步回旋加速器和/或扩展器单独或组合地旋转)，治疗头，扫描磁体或散射箔(例如，束扩展器)，范围调制器，可配置准直器，治疗头的部件所联接到的托架，和治疗床，以使粒子束和/或患者定位以进行治疗，并自动重新定位粒子束和/或患者以进行另外的连续治疗。当患者移动时，计算机系统可以自动地指示和控制部位成像系统以在新位置拍摄患者的图像(并且因此拍摄辐照目标)，并确定在新位置处的辐照目标的位置。运动可包括枢转、旋转和/或平移。例如，患者方位的变化可能与IMPT治疗有关。确定新位置处的辐照目标的位置可以如上所述或使用其他适当的方法来实现。此后，可以进行治疗。在运动期间，碰撞避免系统如上所述操作，以减少系统部件之间发生碰撞的可能性。碰撞避免系统用于降低治疗空间中作为系统的一部分和不是系统的一部分的物体之间碰撞的可能性。

在一些实施方式中，如果通过患者监测确定患者没有在治疗位置之间移动，则可能不需要执行再成像或其他过程以在每次移动之后定位辐照目标。

患者床的移动可以与跨过束野发生的治疗一致。例如，在一些实施方式中，TPS可以指示第一束野的自动治疗，然后第二束野的治疗，然后第三束野的治疗，等等。为了进一步概括，在一些实施方式中，系统的移动部件可以针对每个束斑配置，使得束不受场影响的递送，因为递送不受场限制。此外，如果需要，可以控制粒子治疗系统以在必要时多次在相同的两个束野之间来回移动粒子束，如果定义的话，独立于任何系统的等中心。在该示例中，如本文其他地方所述，所有部件的运动和对成像和传感器的控制是自动化的，允许在没有治疗师手动重新定位患者或扩展器和/或粒子加速器的情况下执行整个治疗过程。

参考图16，不同的相邻束野161、162可以在区域166处重叠。相邻的束野可以用于治疗目标170。该重叠区域可以经受来自不同束野的粒子束-在该示例中，用于束野162的粒子束164和用于束野161的粒子束165。因为粒子(特别是质子)辐射是累积的，如果不采取校正措施，束重叠会导致过多的辐射沉积在重叠区域。同样地，如果避免重叠区域，或者没有正确地施加束，则可能施加不充分的治疗辐射(例如，间隙)。因此，可控制示例性粒子治疗系统以在重叠区域中改变粒子束的强度，从而允许束重叠，同时仍确保将适当的剂量施加到相邻束野之间的重叠区域。

更具体地，在一些实施方式中，TPS可以在治疗计划中提供指定相邻束野之间的重叠区域处的束强度的指令。例如，在重叠区域中，来自不同束野的粒子束可以具有比束野中但是在重叠区域之外的粒子束更低的强度(例如，更低的质子浓度)。在羽化效应中，束的强度可以从束野的中心进一步减小。在该示例中，控制束强度，使得束在重叠区域(例如区域166)中产生跨过不同束野的均匀分布的粒子。在一些实施方式中，该均匀分布与一个或两个束野的非重叠区域中的分布相同；然而，因为即使在单个束野内分布也可能变化，所以不一定是这种情况。具体地，控制系统被配置为提供粒子加速器的自动控制以控制不同束野的粒子束的强度，使得两个或更多个粒子束之间的重叠区域处的累积强度达到目标束强度或者在目标强度的预定范围内，并且不会偏离(例如，超过或低于)目标强度超过预定量。

在一些示例中，如图16所示，一定量的重叠可以通过对粒子束的适当控制来考虑和解决，包括在相邻束野之间的重叠区域处或附近的束强度的变化。在图16的示例中，强度由表示束164和165的线的阴影表示。如图所示，线在非重叠区域处最暗，表示该束野的最大(或适当)强度。随着线移动到重叠区域中，线逐渐变得更亮，表示各个粒子束的强度(例如，粒子的浓度)的降低。例如，在粒子束165的情况下，当粒子束在扫描期间沿箭头167的方向移动时，粒子束165的强度在其进入重叠区域166时减小并且在距离束野162最远的重叠区域166的末端处继续减小到最小值。同样，在粒子束164的情况下，当粒子束在扫描期间沿箭头168的方向移动时，粒子束164的强度在其进入重叠区域166时减小并且在距离束野161最远的重叠区域166的末端处继续减小到最小值。在两种情况下，在重叠区域中控制粒子束的强度，使得来自重叠区域中的两个束的累积结果是粒子的均匀分布(或者期望的任何其他分布)。

因此，不需要避免重叠区域；在重叠区域施加适当剂量的辐射；并且，束野之间的重叠区域不需要妨碍治疗过程的自动操作。在适当的情况下，也可以采用上述可配置准直器，以在相邻束野之间的重叠区域处或其他地方对束进行整形。应注意，重叠区域中的强度变化实际上是由于束定位误差/不确定性的风险的减轻。如果在辐照目标的所有位置处精确地控制粒子束的自动定位，则可以不需要以关于图16描述的方式控制剂量分布。

如所提到的，治疗床和/或粒子束的运动的组合可以产生相对旋转运动、相对枢转运动和/或相对平移运动。例如，可以在IMPT治疗中使用旋转运动，而平移运动可以例如用于跨过束野的治疗。旋转运动和平移运动或其组合不限于这些环境，并且可以在IMPT和跨过束野的治疗之外具有适用性。在一些实施方式中，该系统可以实现5cm或更大，例如5cm至50cm或更大的有效平移运动，从而能够治疗可能跨过多个束野的相对长的区域，例如人体脊柱。

可以控制示例性粒子治疗系统以实现适合于给定治疗计划的任何数量的组合的患者和束位置。组合的患者和束位置可以包括治疗床(或患者)的单个位置和束的单个位置的任何独特组合。举例来说，在单个治疗期中，可以控制示例性粒子治疗系统以实现任何适当数量的组合的患者和束位置。示例包括但不限于两个或更多个组合的患者和束位置，五个或更多个组合的患者和束位置，十个或更多个组合的患者和束位置，100个或更多个组合的患者和束位置，以及10000个或更多个组合的患者和束位置。重申一下，每个组合的患者和束位置是通过计算机(例如，自动)控制粒子治疗系统的部件(治疗床、机架、扫描部件等)和计算机对成像系统(例如部位成像系统和碰撞避免系统)的控制来实现的。TPS可以提供适当的指令来实现控制。在一些实施方式中，TPS可以预先知道粒子治疗系统的能力，并且基于医学专业人员推荐的辐射剂量以及辐照目标(例如，肿瘤)的位置、形状和其他相关特征的知识自动确定治疗计划的指令。由于本文所述的能够进行束定位的各种部件，本文所述的粒子治疗系统能够精确控制粒子束定位，从而有效地增加束野的数量(例如，对于束和患者的每个位置增加一个)，以便提高粒子治疗的准确性，而不是限制束野的数量。

治疗期的时间将根据任何数量的因素而变化，包括但不限于目标的大小，要施加的剂量，要实施的组合的患者和束位置的数量等。在一些情况下，在一些示例中，平均治疗时间可小于15分钟或小于45分钟。

这里描述的示例粒子治疗系统的操作以及其全部或一些部件的操作可以至少部分地使用一个或多个计算机程序产品来控制(如果合适的话)，例如，有形地体现在一个或多个非暂时性机器可读介质的一个或多个计算机程序，用于执行或控制一个或多个数据处理设备(例如，可编程处理器，计算机，多个计算机和/或可编程逻辑组件)的操作。

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，组件，子程序或在计算环境中适合使用的其他单元。计算机程序可以部署以在一台计算机上或多台计算机上执行，这些计算机位于一个站点或跨多个站点分布并通过网络互连。

与实施本文描述的示例粒子治疗系统的所有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执行以执行本文描述的功能。可以使用专用逻辑电路来实现全部或部分操作，例如FPGA(现场可编程门阵列)和/或ASIC(专用集成电路)。

适用于执行计算机程序的处理器例如包括通用和专用微处理器以及任何种类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两者接收指令和数据。计算机的元件(包括服务器)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设备。通常，计算机还将包括或可操作地耦合以从一个或多个机器可读存储介质接收数据或将数据传输到一个或多个机器可读存储介质，例如用于存储数据的大规模PCB，例如磁性，磁光盘或光盘。适用于实现计算机程序指令和数据的非瞬时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设备，例如EPROM，EEPROM和闪存存储区域设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；和CD-ROM和DVD-ROM磁盘。

这里使用的任何“电连接”可以暗示直接物理连接或有线或无线连接，其包括中间部件但是仍然允许电信号在连接部件之间流动。除非另有说明，否则涉及允许信号流动的电路的任何“连接”是电连接，并且不管是否使用“电”字来修饰“连接”，都不一定是直接物理连接。

可以将任何两个以上的实施方式与粒子加速器(例如，同步回旋加速器)适当组合。同样地，可以以适当的组合使用任何两个以上实施方式的各个特征。

可以组合这里描述的不同实施方式的元素以形成上面没有具体阐述的其他实施方式。可以将元件排除在本文所述的过程，系统，装置等之外，而不会对其操作产生不利影响。各种分开的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文所述的功能。

在一些实施方式中，本文描述的粒子治疗系统中使用的同步回旋加速器可以是可变能量同步回旋加速器。在一些实施方式中，可变能量同步回旋加速器被配置为通过改变粒子束被加速的磁场来改变输出粒子束的能量。例如，可以将电流设置为多个值中的任何一个以产生相应的磁场。在示例实施方式中，一组或多组超导线圈接收可变电流以在腔中产生可变磁场。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，所有线圈组都是超导的。在一些实施方式中，一些线圈组，例如用于固定电流的组，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(例如铜)线圈。

通常，在可变能量同步回旋加速器中，磁场的大小可随电流的大小而缩放。将线圈的总电流调节在预定范围内可以产生在相应的预定范围内变化的磁场。在一些示例中，电流的连续调节可导致磁场的连续变化和输出束能量的连续变化。或者，当以非连续的逐步方式调节施加到线圈的电流时，磁场和输出束能量也相应地以非连续(逐步)方式变化。磁场与电流的按比例缩放可以允许相对精确地执行束能量的变化，从而减少对降能器的需要。可以在粒子治疗系统中使用的可变能量同步回旋加速器的示例在题为“ParticleAccelerator That Produces Charged Particles Having Variable Energies”的美国专利公开No.2014/0371511中描述，其内容通过引用并入本文。采用可变能量同步回旋加速器的实施方式

在一些实施方式中，除了同步回旋加速器之外的粒子加速器可用于本文所述的粒子治疗系统中。例如，回旋加速器、同步加速器、线性加速器等可以代替本文所述的同步回旋加速器。尽管已经描述了旋转机架(例如，外部机架)，但是本文描述的示例性粒子治疗系统不限于与旋转机架一起使用。相反，粒子加速器可以适当地安装在任何类型的机器人或其他可控机构上(本文也表示为机架的类型)以实现粒子加速器的运动。例如，粒子加速器和/或扩展器可以安装在一个或多个机器手臂上，以实现加速器和/或扩展器相对于患者的旋转、枢转和/或平移运动。在一些实施方式中，粒子加速器和/或扩展器可以安装在轨道上，并且沿轨道的运动可以是计算机控制的。在该配置中，加速器和/或扩展器相对于患者的旋转和/或平移和/或枢转运动也可以通过适当的计算机控制来实现。

在一些实施方式中，粒子加速器本身可以不相对于患者移动，如本文所述。例如，在一些实施方式中，粒子加速器可以是固定机器或至少不安装用于相对于患者的运动。在这样的示例中，粒子加速器可以将其粒子束从提取通道输出到传输通道。传输通道可以包括磁体等，用于控制包含在其中的磁场，以便将粒子束传输到一个或多个远程位置，例如一个或多个治疗室。在每个治疗室中，传输通道可以将光束引导到束扩展器或安装用于如本文所述的运动的其他装置(例如，到外部机架或其他装置)。因此，束扩展器可以代替本文其他地方描述的加速器。然而，在一些示例中，如果合适的话，除了加速器、扩展器和传输通道的定位之外，粒子加速器系统的该实施方式的配置和操作与所描述的粒子治疗系统的其他实施方式的配置和操作相同。

例如，在一个示例中，使用适当的命令和控制协议，指导粒子治疗系统的操作的计算机系统140控制以下中的一个或多个的操作，包括定位(包括平移、枢转运动和/或旋转运动)：机架安装的扩展器，束整形元件，范围调制器，可配置准直器，束整形元件所联接到的托架，治疗头和治疗床，以将粒子束定位在治疗空间中的适当位置以对目标施用辐射剂量。在一个示例中，使用适当的命令和控制协议，指导粒子治疗系统的操作的计算机系统控制治疗床的操作以将患者以及因此辐照目标定位在治疗空间中的适当位置以通过粒子束施加辐射剂量。在一个示例中，使用适当的命令和控制协议，指导粒子治疗系统的操作的计算机系统控制同步回旋加速器的操作以产生具有适于在治疗计划中定义的位置施加所需剂量的辐射的特征(例如，强度，能量等)的粒子束。TPS中的指令说明施加辐射的位置和时间，并定义提供适当辐射所需的各种系统部件的位置。粒子治疗系统的其他可能的操作如本文其他地方所述。

在题为“Charged Particle Radiation Therapy”的美国专利No.7,728,311中描述了可以实施本文所述的控制系统的粒子治疗系统的另一示例实施方式，其内容通过引用并入本文。通过引用并入的内容包括但不限于在美国专利No.7,728,311中公开的同步回旋加速器和保持同步回旋加速器的机架系统的描述。

本文未具体描述的其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims (48)

1.一种粒子治疗系统，包括：

粒子束输出装置，用于引导粒子束的输出；

治疗床，用于支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；

可移动装置，粒子束输出装置安装在可移动装置上，用于相对于治疗床移动；以及

控制系统，用于提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束治疗辐照目标，并且在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束附加治疗所述辐照目标。

2.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，还包括：

扫描系统，包括使粒子束相对于辐照目标移动的部件；

其中，控制系统被配置成提供对所述部件中的一个或多个的自动控制来定位粒子束，以利用粒子束治疗所述辐照目标，并且，在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对所述部件中的一个或多个的自动控制来重新定位粒子束，以利用粒子束附加治疗所述辐照目标。

3.根据权利要求2所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个部件包括一个或多个扫描磁体。

4.根据权利要求2所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个部件包括降能器，所述降能器包括可移动进入和离开所述粒子束的路径的一个或多个结构。

5.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，所述控制系统被配置成提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以使用粒子束的第一束野治疗所述辐照目标的第一部分，并且，在利用粒子束治疗所述辐照目标的第一部分之后，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以使用粒子束的第二束野治疗所述辐照目标的第二部分。

6.根据权利要求5所述的粒子治疗系统，其中，所述粒子束输出装置包括粒子加速器；

其中，在第一束野和第二束野之间的区域处，第一束野的粒子束和第二束野的粒子束至少部分地重叠；并且

其中，控制系统被配置成提供对粒子加速器的自动控制，以控制第一束野的粒子束和第二束野的粒子束的强度，使得第一束野的粒子束和第二束野的粒子束之间的重叠点处的累积强度达到目标束强度。

7.根据权利要求5所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置包括粒子加速器；

其中，在第一束野和第二束野之间的区域处，第一束野的粒子束和第二束野的粒子束至少部分地重叠；并且

其中，控制系统被配置成提供对粒子加速器的自动控制，以控制第一束野的粒子束和第二束野的粒子束的强度，使得第一束野的粒子束和第二束野的粒子束之间的重叠点处的累积强度不偏离目标束强度超过限定的量。

8.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，控制系统配置成控制治疗床以实现平移运动。

9.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，控制系统配置成控制治疗床以实现旋转运动。

10.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，还包括：

成像系统，用于在治疗期间拍摄辐照目标的图像；

其中，控制系统被配置成控制成像系统以在为治疗而定位粒子束或辐照目标中的至少一个之后并且在用粒子束治疗辐照目标之前拍摄患者的一个或多个第一图像，并且，控制系统被配置成控制成像系统以在为附加治疗而重新定位的粒子束或辐照目标中的至少一个之后并且在附加治疗之前拍摄患者的一个或多个第二图像。

11.根据权利要求10所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成使用第一图像识别辐照目标在粒子治疗系统的治疗空间中的第一位置，并且控制系统被配置成使用第二图像识别辐照目标在治疗空间中的第二位置。

12.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成从治疗计划系统接收治疗计划，并且解析治疗计划以实现对可移动装置或治疗床中的至少一个的控制，所述治疗计划包含在治疗期间识别可移动装置或治疗床中的至少一个的位置的信息。

13.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成独立于粒子治疗系统中限定的等中心提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制。

14.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，在没有人为干预的情况下，实现对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制。

15.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置包括粒子加速器；

其中，控制系统配置成提供对粒子加速器的操作的自动控制，以定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束治疗辐照目标，并且，在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对粒子加速器的操作的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束附加治疗辐照目标。

16.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置包括具有超导电磁结构的同步回旋加速器。

17.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置包括具有超导电磁结构的可变能量同步回旋加速器。

18.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置包括束扩展器。

19.根据权利要求18所述的粒子治疗系统，其中，束扩展器包括一个或多个扫描磁体或一个或多个散射箔。

20.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，还包括：

在粒子束输出装置和患者之间的可配置准直器，所述可配置准直器包括叶片，所述叶片可控制以限定边缘，用于阻挡到达患者的粒子束的第一部分同时准直传递到患者的粒子束的第二部分，所述可配置准直器是可控制的，以修整粒子束野使得束野可以和单个束斑尺寸一样小。

21.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成对粒子束输出装置的移动的自动控制，以实现粒子束输出装置从第一位置到第二位置的平移运动，以定位粒子束从而利用粒子束治疗辐照目标，并且，在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对粒子束输出装置的进一步移动的自动控制功能，以实现粒子束输出装置从第二位置到第三位置的平移运动，以重新定位粒子束从而利用粒子束治疗辐照目标。

22.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成对粒子束输出装置的移动的自动控制，以使粒子束输出装置从第一方位枢转到第二方位，以定位粒子束来利用粒子束治疗辐照目标，并且，在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对粒子束输出装置的进一步移动的自动控制，以使粒子束输出装置从第二方位枢转到第三方位，以重新定位粒子束从而利用粒子束治疗辐照目标。

23.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，还包括：

扫描系统，其包括使粒子束相对于辐照目标移动的部件，所述部件的至少一些被安装成朝向和远离辐照目标移动的方式；

其中，控制系统被配置成实现对所述部件的至少一部分的自动控制，以放置粒子束以利用粒子束治疗辐照目标，并且，在利用粒子束治疗辐照目标之后，实现对所述部件的至少一些的自动控制以重新定位粒子束，以利用粒子束附加治疗辐照目标。

24.根据权利要求23所述的粒子治疗系统，还包括：

托架，所述部件的至少一些安装在托架上，托架安装到至少一个轨道，以便能够沿着粒子束的路径移动。

25.根据权利要求24所述的粒子治疗系统，其中，所述托架能够被控制为沿至少一个轨道移动，以控制由粒子束产生的单个束斑的尺寸。

26.根据权利要求24所述的粒子治疗系统，其中，所述托架能够被控制以与可移动装置或治疗床中的至少一个的运动协调地沿着至少一个轨道移动。

27.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，可移动装置包括可旋转的机架。

28.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，其中，可移动装置包括一个或多个机器手臂。

29.根据权利要求1所述的粒子治疗系统，还包括：

扫描系统，其包括使粒子束相对于辐照目标移动的部件，扫描部件安装在可沿粒子束的束流方向移动的托架上；

其中，控制系统被配置成提供对托架的自动控制，以定位粒子束来利用粒子束治疗辐照目标，并且，在用粒子束治疗辐照目标之后，提供对托架的自动控制，以重新定位粒子束以利用粒子束附加治疗辐照目标。

30.一种方法，包括：

在治疗床上支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；

将粒子束输出装置安装在可移动装置上以相对于治疗床移动，所述粒子束输出装置用于引导粒子束的输出以治疗辐照目标；和

提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束治疗辐照目标，并且在利用粒子束治疗辐照目标之后，提供对可移动装置或治疗床中的至少一个的自动控制，以重新定位粒子束或辐照目标中的至少一个，以利用粒子束附加治疗辐照目标。

31.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粒子束是质子束。

32.一种粒子治疗系统，包括：

治疗床，用于支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；

粒子束输出装置，用于引导粒子束的输出，粒子束输出装置布置成相对于治疗床移动；以及

控制系统，其使用超过粒子束输出装置和治疗床的等中心旋转的自由度来控制粒子束输出装置和治疗床的定位。

33.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置包括扫描部件以相对于辐照目标扫描粒子束，所述扫描部件包括一个或多个扫描磁体；并且

其中，控制系统被配置成通过控制所述一个或多个扫描部件的操作来控制粒子束的位置。

34.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成在没有用户干预的情况下控制粒子束输出装置和治疗床的空间位置。

35.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成控制粒子束输出装置和治疗床针对多个束野自动定位。

36.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置能够被控制以在第一位置和第二位置之间线性移动。

37.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置能够被控制以相对于治疗床枢转。

38.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置能够被控制以相对于治疗床旋转。

39.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置包括粒子加速器。

40.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，粒子束输出装置被配置成产生30cm乘30cm或更小的束野。

41.一种粒子治疗系统，包括：

治疗床，用于支撑包含辐照目标的患者，治疗床被配置用于移动；

用于引导粒子束的输出的设备；

可移动装置，所述设备安装在其上，以使所述设备相对于治疗床移动，所述设备相对于治疗床安装，以产生30cm乘30cm或更小的束野；和

控制系统，用于提供对所述设备或治疗床中的至少一个的自动定位，以利用粒子束治疗辐照目标的第一部分，并且在利用粒子束治疗辐照目标的第一部分之后，提供对所述设备或治疗床中的至少一个的自动重新定位，以利用粒子束治疗辐照目标的第二部分。

42.根据权利要求41所述的粒子治疗系统，其中，自动定位或自动重新定位过程中的至少一个过程包括平移运动。

43.根据权利要求41所述的粒子治疗系统，其中，所述设备包括束扩展器，用于通过传输通道递送粒子束。

44.根据权利要求41所述的粒子治疗系统，其中，所述设备包括粒子加速器，其配置为产生粒子束。

45.根据权利要求41所述的粒子治疗系统，其中，所述设备安装成产生20cm乘20cm或更小的束野。

46.根据权利要求41所述的粒子治疗系统，其中，所述设备包括同步回旋加速器，其重量在5吨至30吨的范围内，并且占据小于4.5立方米的体积。

47.根据权利要求41所述的粒子治疗系统，还包括：

碰撞避免系统，用于检测粒子治疗系统的一个或多个部件的位置，并向控制系统提供关于位置的信息；

其中，控制系统被配置成基于该信息控制所述一个或多个部件的操作。

48.根据权利要求41所述的粒子治疗系统，其中，控制系统被配置成提供粒子束的自动控制以控制粒子束的强度，使得第一束野的粒子束与第二束野的粒子束之间的重叠点处的累积强度保持在目标束强度的范围内。