CN110710335B - 线圈定位系统 - Google Patents

Abstract

一种示例系统，包括：磁体，其包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场，其中磁场影响至目标的辐射输出；和一个或多个致动器，其中一个或多个致动器中的致动器是到一个或多个线圈的物理联接的至少一部分，并且其中致动器是可控制的，以基于磁体的运动经由物理联接来移动一个或多个线圈。

Description

线圈定位系统

相关申请的交叉引用

本申请是2016年3月18日提交的美国专利申请号15/074975的部分继续申请，美国专利申请号15/074975是2013年9月27日提交的美国专利申请号14/039342的继续申请(现在是美国专利号9301384)。美国专利申请号15/074975和14/039342的内容通过引用结合在本申请中。本申请还要求2012年9月28日提交的美国临时申请号61/707515的优先权。美国临时申请号61/707515的内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请总体上涉及用于物理地移动磁体的线圈以便调整其磁场分布的系统。

背景技术

磁体的运动会影响其操作。特别地，旋转会导致磁体的线圈以不希望或意外的方式运动。在某些情况下，即使很小的运动，例如在亚毫米级别，也会影响磁体产生的磁场的大小和/或形状。对于需要精确且可预测的磁场的应用(比如放射疗法)，由不希望或意外的线圈运动产生的磁场的变化可能是必然的。

发明内容

一种示例系统包括磁体，该磁体包括磁体，其包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场。磁场用于影响至目标的辐射输出。系统还包括一个或多个致动器。一个或多个致动器中的致动器是到一个或多个线圈的物理联接的至少一部分。致动器是可控制的，以基于磁体的运动经由物理联接来移动一个或多个线圈。示例系统可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

壳体可以至少部分地包围磁体。磁体的运动导致一个或多个线圈在第一方向上相对于壳体运动。一个或多个致动器是可控制的，以响应于一个或多个线圈在第一方向上的运动而使一个或多个线圈在与第一方向基本相反的第二方向上相对于壳体移动。

壳体可以与磁体接界。磁体的运动导致一个或多个线圈相对于壳体运动。一个或多个致动器是可控制的，以使一个或多个线圈相对于壳体运动，以至少部分地补偿由磁体的运动引起的一个或多个线圈相对于壳体的运动。

壳体可以保持磁体。磁体可从第一取向移动到第二取向，磁体的运动导致一个或多个线圈从相对于处于第一取向的壳体的第一位置移动到相对于处于第二取向的壳体的第二位置。一个或多个致动器是可控制的，以移动一个或多个线圈，使得当壳体处于第二取向时，一个或多个线圈处于相对于壳体的第一位置。

磁体可以包括支撑结构以保持一个或多个线圈。物理联接可以包括支撑结构，并且致动器可以配置为通过移动支撑结构来移动一个或多个线圈。真空外壳可以围绕磁体。物理联接可以包括连接在致动器和支撑结构之间的带。致动器可以连接到真空外壳以及带。致动器可配置成增加带上的张力以移动一个或多个线圈。致动器可包括连接至带的差动螺杆以及被连接以驱动差动螺杆来增加带上的张力的电动机。磁体可以是超导磁体。该系统可以包括低温恒温器，以将一个或多个线圈保持在使一个或多个线圈能够具有超导性的温度下。低温恒温器可以包括支撑结构。

一个或多个致动器可以包括一组致动器。该组中的每个致动器可以是到一个或多个线圈的单独物理联接的至少一部分。该组中的每个致动器可以是可控制的，以基于磁体的运动经由相应的物理联接来使一个或多个线圈移动。外壳可以容纳磁体。该组致动器可以在外壳的外周边内。每个致动器可以配置为朝向外周边的内部至少部分地向内拉动一个或多个线圈。该组致动器中的每个致动器可以配置为相对于外壳的外周边至少部分地向外拉动一个或多个线圈。该组致动器可以以对称布置安装在外壳上，并且是可控制的以协同作用。

外壳可以至少部分地围绕磁体。该系统还可以包括一个或多个传感器，以检测一个或多个线圈相对于外壳的运动。可以基于检测到一个或多个线圈相对于外壳的运动来控制致动器。一个或多个传感器可包括安装至外壳的一个或多个磁场传感器。一个或多个磁场传感器可以配置为检测由一个或多个线圈相对于一个或多个磁场传感器产生的磁场的变化。检测到的磁场变化可以指示一个或多个线圈相对于外壳的运动。一个或多个传感器可以包括安装到外壳上的一个或多个位移传感器，以基于一个或多个线圈的位置获得测量。该系统可以包括一个或多个处理装置，以基于测量来确定一个或多个线圈的运动。

该系统可以包括粒子加速器。磁体可以是粒子加速器的一部分。粒子加速器可以配置成用于至少部分地旋转、平移和/或枢转的运动。由于磁体是粒子加速器的一部分，因此磁体可以配置成用于运动。粒子加速器可以是同步回旋加速器，磁体可以是超导磁体，并且系统可以包括台架，粒子加速器安装在台架上，以产生粒子加速器和磁体的运动。

辐射可包括粒子束，并且一个或多个线圈中的电流是可控制的，以在施加至照射目标之前影响粒子束。电流可以是可控制的，以将粒子束引导至照射目标中的一个或多个点。电流可以是可控制的，以在输出到照射目标之前聚焦粒子束。

一种示例粒子治疗系统包括：磁体，其包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场，该磁场影响粒子束的输出；壳体，以保持所述磁体；安装座，壳体连接到该安装座，以使壳体能够运动，该运动引起一个或多个线圈相对于壳体的位移；以及一个或多个致动器，其是到一个或多个线圈的物理联接的一部分，一个或多个致动器是可控制的，以经由物理联接使一个或多个线圈相对于壳体运动来至少部分地校正位移。示例粒子治疗系统可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

两个或多个致动器可以是可控制的，以协同作用来移动一个或多个线圈。位移可以沿着第一方向发生，并且一个或多个致动器可以是可控制的，以使一个或多个线圈沿与第一方向基本相反的第二方向运动。一个或多个致动器可以是可控制的，以在壳体的运动期间实时地移动一个或多个线圈。一个或多个致动器可以是可控制的，以跟随引起位移的壳体的运动来移动一个或多个线圈。

磁体可包括支撑结构，以支撑一个或多个线圈。物理联接可以包括支撑结构。一个或多个致动器可以配置为通过物理地移动支撑结构来移动线圈。对于一个或多个致动器中的致动器，物理联接包括连接在致动器和支撑结构之间的带，并且致动器连接到壳体和带。致动器可配置成增加带上的张力以移动一个或多个线圈。

致动器可包括连接至带的差动螺杆，并且致动器可包括被连接以驱动差动螺杆来增加带上的张力的电动机或与之相关联。

磁体可以是超导磁体。该系统可以包括低温恒温器，以将一个或多个线圈保持在使一个或多个线圈能够具有超导性的温度下，低温恒温器包括支撑结构(例如反向绕线架)。一个或多个致动器可以包括一组致动器，其中该组中的每个致动器是到一个或多个线圈的单独物理联接的至少一部分，并且该组中的每个致动器是可控制的，以经由相应的物理联接来移动一个或多个线圈。

该组致动器可以安装在壳体的外周边内，每个致动器配置成朝向外周边的内部至少部分地向内拉动一个或多个线圈。该组致动器中的每个致动器可以配置成相对于壳体的外周边至少部分地向外拉动一个或多个线圈。该组致动器可以以对称布置安装在壳体上，并且是可控制的以协同作用。

示例系统可以包括一个或多个传感器，以检测一个或多个线圈相对于壳体的运动。一个或多个致动器可基于检测到一个或多个线圈相对于壳体的运动来控制。一个或多个传感器可包括安装至壳体的一个或多个磁场传感器，一个或多个磁场传感器配置为检测由一个或多个线圈相对于一个或多个磁场传感器产生的磁场的变化，并且检测到的磁场变化指示一个或多个线圈相对于壳体的运动。一个或多个传感器可包括安装到壳体的一个或多个位移传感器，以基于一个或多个线圈的位置获得测量。该系统可以包括一个或多个处理装置，以基于测量来确定一个或多个线圈的运动。

示例系统可以包括粒子加速器。磁体和壳体可以是粒子加速器的一部分。粒子加速器可以配置成用于至少部分地旋转的运动。由于磁体和壳体是粒子加速器的一部分，因此磁体和壳体可以配置成用于运动。粒子加速器可以是同步回旋加速器。磁体可以是超导磁体。安装座可以包括可旋转台架，在其上安装有粒子加速器。一个或多个线圈中的电流可以是可控制的，以在施加至照射目标之前影响粒子束。电流可以是可控制的，以将粒子束引导至照射目标中的一个或多个点。电流可以是可控制的，以在输出到照射目标之前聚焦粒子束。

一种示例系统包括用于旋转磁体的装置。磁体可包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场。磁体的运动可以引起一个或多个线圈远离预定位置的位移。示例系统可以包括用于物理地移动一个或多个线圈的装置，使得跟随磁体的运动，一个或多个线圈处于预定位置。

一种示例系统包括：磁体，其包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场；和一个或多个致动器，一个或多个致动器中的致动器是到一个或多个线圈的物理联接的至少一部分。致动器是可控制的，以经由物理联接来移动一个或多个线圈以达到磁场的目标分布。示例系统可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

该系统可以包括一个或多个传感器，以检测一个或多个线圈相对于参考的运动。可以基于检测到一个或多个线圈相对于外壳的运动来控制致动器。一个或多个传感器可以包括一个或多个磁场传感器。一个或多个磁场传感器可以配置为检测由一个或多个线圈相对于一个或多个磁场传感器产生的磁场的变化。检测到的磁场变化可以指示一个或多个线圈的运动。一个或多个传感器可包括一个或多个位移传感器，以基于一个或多个线圈的位置获得测量。该系统可以包括一个或多个处理装置，以基于测量来确定一个或多个线圈的运动。

该系统可以包括粒子加速器。磁体可以是粒子加速器的一部分。粒子加速器可以配置成用于运动。由于磁体是粒子加速器的一部分，因此磁体可以配置成用于运动。粒子加速器可以是同步回旋加速器。磁体是超导磁体，并且该系统可以包括台架，在其上安装有粒子加速器，以产生粒子加速器及磁体的运动。

磁体可以配置成使粒子加速器的腔中的粒子加速以产生粒子束。磁体可以配置为在从粒子加速器提取粒子束期间聚焦粒子。磁体可以配置为控制从粒子加速器输出的粒子束相对于粒子束的目标的运动。

一种示例粒子加速器包括：线圈，以向腔提供磁场；粒子源，向腔提供等离子体柱；电压源，向腔提供射频(RF)电压以使粒子从等离子体柱加速，其中磁场使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道运动；外壳，其包含提取通道，以接收从等离子体柱加速的粒子并从腔输出接收的粒子；以及布置在提取通道附近以改变接收的粒子的能量水平的结构。该示例粒子加速器可以单独地或组合地包括以下一个或多个特征。

结构可以具有多个厚度。结构可以具有从最大厚度到最小厚度的可变厚度。结构可以相对于提取通道移动，以将多个厚度之一放置在接收的粒子的路径中。结构可以是轮状的并且可以在提取通道内旋转。结构可以包括以下材料中的至少一种：铍、碳和塑料。

粒子加速器可以相对于固定位置旋转。粒子加速器可以包括控制系统，以基于粒子加速器的旋转位置来控制结构的运动。

粒子加速器可以包括再生器，以调整腔内的磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道，从而最终将粒子输出到提取通道。

一种示例质子治疗系统可以包括前述的粒子加速器，其中粒子包括质子；以及安装有粒子加速器的台架。台架可以相对于患者位置旋转。质子可基本上直接从粒子加速器输出到患者位置。

一种示例粒子加速器包括：线圈，以向腔提供磁场；粒子源，以向腔提供等离子体柱；电压源，以向腔提供射频(RF)电压以从等离子体柱加速粒子，其中磁场使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道运动；外壳，其包含提取通道，以接收从等离子体柱加速的粒子并从腔输出接收的粒子；以及再生器，以调整腔内的磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道，从而最终将粒子输出到提取通道。再生器可在腔内相对于粒子的轨道移动。该示例粒子加速器可以单独地或组合地包括以下一个或多个特征。

再生器可以配置为相对于腔的近似中心径向地移动。致动器可以配置为响应于控制信号而移动再生器。粒子加速器可以相对于固定位置旋转。粒子加速器可以包括控制系统，以基于粒子加速器的旋转位置来产生控制信号以控制再生器的运动。再生器可包括铁磁材料，比如铁。

一种示例质子治疗系统可包括前述粒子加速器，其中粒子包括质子；以及安装有粒子加速器的台架。台架可以相对于患者位置旋转。质子可基本上直接从粒子加速器输出到患者位置。

一种示例粒子加速器包括：线圈，以向腔提供磁场；粒子源，以向腔提供等离子体柱；电压源，以向腔提供射频(RF)电压以从等离子体柱加速粒子，其中磁场使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道运动；外壳，其包含提取通道，以接收从等离子体柱加速的粒子并从腔输出接收的粒子；以及再生器，以调整腔内的磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道，从而最终将粒子输出到提取通道。再生器可在腔内相对于粒子的轨道移动。外壳包括磁结构，其中磁结构中的至少一个在其中具有槽，其中槽包含铁磁性的并且可在槽内移动的磁垫片，其中磁垫片可相对于再生器移动以影响再生器调整磁场的量。该示例粒子加速器可以单独地或组合地包括以下一个或多个特征。

至少一个磁结构可在其中具有多个槽。每个槽可以包含铁磁性的并且可在槽内移动的磁垫片。每个磁垫片可以相对于再生器移动，以影响再生器调整磁场的量。

粒子加速器可以相对于固定位置旋转。粒子加速器可以包括控制系统，以基于粒子加速器的旋转位置来产生控制信号以控制磁垫片(或多个磁垫片)的运动。磁垫片(或多个磁垫片)可以是或包括电磁体。

一种示例质子治疗系统可包括前述的粒子加速器，其中粒子包括质子；以及安装有粒子加速器的台架。台架可以相对于患者位置旋转。质子可基本上直接从粒子加速器输出到患者位置。

一种示例粒子加速器可以包括：低温恒温器，其包括超导线圈，其中超导线圈传导产生磁场的电流；与低温恒温器相邻的磁结构，其中低温恒温器附接到磁结构，并且磁结构包含腔；粒子源，以向腔提供等离子体柱；电压源，以向腔提供射频(RF)电压以从等离子体柱加速粒子，其中磁场使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道运动；提取通道，以接收从等离子体柱加速的粒子并从腔输出接收的粒子；以及致动器，其可控制的以使低温恒温器相对于磁结构运动。该示例粒子加速器可以单独地或组合地包括以下一个或多个特征。

粒子加速器可以相对于固定位置旋转。粒子加速器可以包括控制系统，以基于粒子加速器的旋转位置来产生控制信号以控制致动器。致动器可被控制以控制低温恒温器的运动，从而补偿重力对超导线圈的影响。

一种示例质子治疗系统可包括前述的粒子加速器，其中粒子包括质子；以及安装有粒子加速器的台架。台架可以相对于患者位置旋转。质子可基本上直接从粒子加速器输出到患者位置。

一种示例可变能量粒子加速器包括：磁结构，其限定腔，粒子在该腔中被加速以作为粒子束输出，该粒子束具有从一系列能量中选择的能量；提取通道，以接收粒子束；以及结构，其靠近提取通道以在粒子束进入提取通道之前拦截粒子束，其中结构可基于选择的能量移动，并且其中结构用于在粒子束进入提取通道之前吸收粒子束的至少一些能量。示例可变能量粒子加速器可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

结构可以是具有变化厚度的轮，其中不同的厚度能够吸收不同量的能量。可变能量粒子加速器可以包括磁再生器，以在与所选能量相对应的粒子轨道处实现磁场凸点。磁再生器可以基于可变能量粒子加速器的运动而移动。磁再生器可以是可移动的以拦截具有所选能量的粒子轨道。

在本公开中描述的两个或更多个特征，包括在本发明内容部分中描述的那些，可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部分的控制可以通过计算机程序产品来实现，该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以在一个或多个处理装置上执行的指令。本文描述的系统或其部分可被实施为设备、方法或电子系统，其可以包括一个或多个处理装置和存储器以存储可执行指令来实施对所述功能的控制。

在附图和以下描述中阐述了一种或多种实施方式的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，其他特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是示例治疗系统的透视图。

图2是示例同步回旋加速器的部件的分解透视图。

图3、4和5是示例同步回旋加速器结构的截面图。

图6是示例同步回旋加速器的透视图。

图7是示例反向绕线架和绕组的一部分的截面图。

图8是示例通道中电缆复合导体的截面图。

图9是示例离子源的截面图。

图10是示例D形板和示例虚设D形件的透视图。

图11是示例拱顶的透视图。

图12是带有拱顶的示例治疗室的透视图。

图13示出了相对于加速器的患者的示例。

图14示出了位于治疗室中的示例内台架内的患者。

图15是示例加速腔和提取通道的俯视剖视图。

图16是示出磁场强度与距等离子体柱的径向距离以及超导磁体的低温恒温器的示例部分的截面的图。

图17是示例加速腔和提取通道的俯视图，其描绘了轨道运动以进入提取通道。

图18是用于改变提取通道中的粒子束的能量的示例结构的透视图。

图18A是图18的结构的侧视图。

图19、20和21是示例加速腔和提取通道的俯视图，其描绘了移动再生器以主要撞击腔中的某些粒子轨道。

图22是示例磁垫片的透视图。

图23是磁轭、加速腔以及包括磁垫片的冷块的剖视侧视图。

图24是低温恒温器的示例部分的剖视透视图。

图25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26是示出了用于粒子加速器中的磁场及距离的变化的能量和电流的示例图。

图27是用于针对粒子束的每个能量水平在一定频率范围内扫掠D形板上的电压并且在改变粒子束能量时改变频率范围的示例结构的侧视图。

图28是可以在可变能量粒子加速器中使用的示例磁体系统的分解透视图。

图29是示出安装在可移动磁体上的线圈定位系统的示例的框图。

图30是从治疗空间的角度看粒子治疗系统的示例实施方式的部件的前视图。

图31是从治疗空间的角度看图30的粒子治疗系统的部件的透视图。

图32是从治疗空间的角度看粒子治疗系统的另一示例实施方式的前透视图。

图33是描绘控制系统和示例粒子治疗系统部件的系统图。

图34是示例线圈定位致动器的透视图。

图35由图35A和35B构成，包括工程图，分别示出了图34的示例线圈定位致动器的侧视图和图34的示例线圈定位致动器的剖视侧视图。

图36是示例同步回旋加速器的部件的剖视侧视图，其可以在粒子治疗系统中使用，并且可以并入本文所述的线圈定位系统。

图37是示例同步回旋加速器的部件的透视图，包括冷块和真空外壳，其中真空外壳以轮廓线示出以使冷块可见。

图38是示例同步回旋加速器的部件的剖视透视图，包括被剖开以显示冷块和屏蔽的真空外壳的一部分。

图39是示例同步回旋加速器的部件的透视图，包括真空外壳、磁轭和冷却转塔，其中磁轭以轮廓线示出以使真空外壳可见。

图40是示例冷块的概念性透视图，示出了用于从真空外壳悬挂的带。

图41是粒子加速器的一部分的透视图，其示出了磁轭和连接到并穿过该磁轭的示例线圈定位致动器。

图42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43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44是可以是扫描部件的一部分的示例扫描磁体的侧视图。

图45是可以是扫描部件的一部分的示例扫描磁体的透视图。

在各个附图中，相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

在此描述的是用于系统比如质子或离子治疗系统的粒子加速器的示例。该系统包括安装在台架上的粒子加速器(在该示例中是同步回旋加速器)。台架使得加速器能够围绕患者位置旋转，如下面更详细地说明。在一些实施方式中，台架是钢的，并具有安装成用于在位于患者相对侧的两个相应轴承上旋转的两个腿部。粒子加速器由钢桁架支撑，该钢桁架足够长以跨越患者所在的治疗区域，并且在两端牢固地附接到台架的旋转腿部。由于台架围绕患者旋转，所以粒子加速器也旋转。

在示例性实施方式中，粒子加速器(例如同步回旋加速器)包括低温恒温器，其保持用于传导产生磁场(B)的电流的超导线圈。在该示例中，低温恒温器使用液氦(He)将线圈维持在超导温度下，例如4开氏度(K)。磁轭与低温恒温器相邻(例如在其周围)，并且限定了粒子其中被加速的腔。低温恒温器通过带等附接到磁轭。尽管这种附接以及超导线圈在低温恒温器内部的附接限制了超导线圈的运动，但是并未完全防止线圈运动。例如，在一些实施方式中，由于在台架旋转期间的重力牵拉，超导线圈可移动少量(例如在某些情况下为十分之一毫米)。如下所述，这种运动会影响在提取通道处接收的粒子束中的能量的量，从而影响粒子加速器的输出。

在该示例实施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如潘宁离子计—PIG源)，以向腔提供等离子体柱。氢气被离子化以产生等离子体柱。电压源向腔提供射频(RF)电压以加速来自等离子体柱的粒子。如上所述，在该示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，RF电压扫过一定范围的频率，以解决在从柱中提取粒子时对粒子的相对论效应(例如增加粒子质量)。线圈产生的磁场使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道加速。磁场再生器位于腔中，以调整腔内部现有的磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道的位置，使得最终粒子输出到穿过轭的提取通道。再生器可以增加腔中某个点处的磁场(例如它可以在腔的某个区域产生磁场“凸点”)，从而导致该点处每个连续的粒子轨道朝向提取通道的入口点向外旋进，最终到达提取通道。提取通道接收从等离子体柱加速的粒子，并从腔输出接收的粒子。

超导线圈的运动会影响腔内的轨道位置。例如，在一个方向上的运动会导致能量较低的轨道撞击再生器，而在另一个方向上的运动会导致能量较高的轨道撞击再生器(粒子轨道能量与距原始等离子体柱的径向距离成比例)。因此，在能量过低的轨道撞击再生器的情况下，粒子束可能会与提取通道的内边缘碰撞，如上所述。在能量过高的轨道撞击再生器的情况下，粒子束可能会与提取通道的外边缘碰撞，如上所述。本文描述的示例系统使用技术来补偿由于超导线圈的旋转(例如由于重力的影响)而引起的由超导线圈的运动造成的这些影响。下面提供这些技术的概述，随后是可以在其中实施它们的示例粒子治疗系统的描述以及对这些各种技术的更详细描述。

在示例技术中，在提取通道附近(例如在入口处或内部)并入结构。结构可以是具有轮状形状的可旋转的可变厚度楔形物。结构吸收粒子束的能量，从而允许较低能量(例如适当地通电)的束穿过提取通道。结构的较厚部分比结构的较薄部分吸收更多的能量。在一些实施方式中，结构在粒子束旨在通过而没有任何能量吸收的点处可以不包含任何材料。可替代地，结构可以移出光路。因此，结构使得能够可变地调整束中的能量的量。在一些实施方式中，基于粒子加速器的旋转位置来控制结构。例如，可以确定台架的位置，并且该位置可以用于控制能量吸收结构的旋转位置。理想地，该结构可最大程度地减少束的散射；然而实际上，可能存在并且可容忍一定量的散射。

在另一示例技术中，再生器在腔内的物理位置可以是可调整的，以补偿超导线圈的运动。例如，计算机控制的致动器可以用于例如基于粒子加速器的旋转位置来调整再生器在腔内的位置。通过如此调整再生器的位置，可以定位再生器，使得对由再生器产生的磁场的适当调整影响合适的粒子轨道，而与粒子加速器的旋转位置无关。

再生器通常由铁磁材料制成。因此，可以使用一个或多个磁垫片来调整再生器的磁强度。因此，在另一示例技术中，可以调整再生器的磁场(例如增加或减小由再生器产生的磁场凸点)或移动由再生器产生的磁场扰动的有效位置而无需实际移动再生器。例如，如果超导线圈的运动导致能量较低的轨道撞击再生器，则可以减小再生器的磁场，以便直到更高能量的轨道到达它之前才开始扰动束轨道。它也可以有效地径向向外移动，同时保持相同的总强度(峰值场)，从而使轨道在受到再生器影响之前获得更高能量。同样地，如果超导线圈的运动导致较高能量的轨道撞击再生器，则再生器的强度可以增加或径向向内定位以与较低能量的轨道相互作用。在示例实施方式中，通过在靠近再生器的磁轭中的槽/孔内移动磁垫片(例如金属柱塞)来调整磁场。磁垫片由铁磁材料制成，其靠近再生器会影响再生器的磁场。将磁垫片移动更靠近再生器(例如在槽内更深处)会增加由再生器产生的磁场；并且将磁垫片移动远离再生器(例如在槽内向上或外侧)会减小由再生器产生的磁场。在另一示例中，可以将磁垫片径向放置成与再生器的磁心相比更靠近回旋加速器的中心。当将垫片放置成更靠近加速平面时，它移动再生器磁扰动的有效中心，而不会明显改变峰值磁场强度。可以对磁垫片进行计算机控制，以例如基于粒子加速器的旋转位置来改变其位置。

在一些实施方式中，可以使用一个以上的磁垫片。在其他实施方式中，可以将微型电磁体用作磁垫片，并且例如基于粒子加速器的旋转位置来控制通过其中的电流。

在另一示例中，整个低温恒温器可以相对于轭运动，以补偿超导线圈的运动。例如，低温恒温器的运动会影响粒子的哪些轨道撞击再生器。因此，如果超导线圈的运动沿一个方向发生，则低温恒温器可以沿该方向运动以补偿该运动，并使超导线圈正确地重新定位。

用于在粒子加速器中调整粒子束的能量的前述技术可以在单个粒子加速器中单独使用，或者可以在单个粒子加速器中以任何适当的组合使用这些技术中的任意两个或更多个。下面提供了可以使用前述技术的粒子治疗系统的示例。

参照图1，带电粒子放射治疗系统500包括产生束的粒子加速器502，其的重量和尺寸小到足以允许将其安装在旋转台架504上，其输出从加速器壳体直地(即基本上直接地)指向患者506。

在一些实施方式中，钢台架具有两个腿部508、510，其安装成在位于患者相对侧的两个相应的轴承512、514上旋转。加速器由钢桁架516支撑，该钢桁架足够长以跨越患者所在的治疗区域518(例如是高个子的两倍长，以允许该人在空间内完全旋转，而患者的任何所需目标区域仍保持在束线内)，并且在两端稳定地附接到台架的旋转腿部上。

在一些示例中，台架的旋转被限制为小于360度的范围520，例如约180度，以允许地板522从容纳治疗系统的拱顶524的壁延伸到患者治疗区域中。台架的有限的旋转范围还减小了一些壁的所需厚度，这为治疗区域之外的人提供了辐射屏蔽。180度的台架旋转范围足以覆盖所有治疗接近角度，但提供更大的行程范围可能会有用。例如，旋转范围可以在180度和330度之间，并且仍为治疗地板空间提供间隙。

台架的水平旋转轴线532标称地位于患者和治疗师与治疗系统相互作用的地板上方一米处。该地板位于治疗系统带屏蔽拱顶的底地板上方约3米处。加速器可以在高架地板下摆动，以从旋转轴线下方传送治疗束。患者卧榻在平行于台架的旋转轴线的基本水平平面中移动和旋转。通过这种构造，卧榻可以在水平平面内旋转约270度的范围534。台架和患者旋转范围以及自由度的这种组合使治疗师可以为束选择几乎任何接近角度。如果需要，可以将患者以相反的取向放在卧榻上，然后可以使用所有可能的角度。

在一些实施方式中，加速器使用具有非常高的磁场超导电磁结构的同步回旋加速器配置。由于给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加在其上的磁场的增加成正比地减小，因此非常高的磁场超导磁结构允许加速器做得更小更轻。同步回旋加速器使用旋转角度均匀且强度随半径增加而降低的磁场。不管磁场的大小如何，都可以实现这种场形状，因此理论上对可用于同步回旋加速器的磁场强度(以及由此产生的固定半径的粒子能量)没有上限。

在非常高的磁场存在下，超导材料失去其超导性能。高性能超导线绕组用于允许实现非常高的磁场。

为了实现其超导性能，通常需要将超导材料冷却至低温。在这里描述的一些示例中，使用低温冷却器使超导线圈绕组的温度至绝对零附近。使用低温冷却器可以降低复杂性和成本。

同步回旋加速器支撑在台架上，使得束直接与患者成一直线地产生。台架允许回旋加速器绕包含患者体内或其附近的点(等中心点540)的水平旋转轴线旋转。平行于旋转轴线的分裂桁架在两侧均支撑回旋加速器。

由于台架的旋转范围受到限制，因此可以在围绕等中心点的宽区域中容纳患者支撑区域。因为地板可以围绕等中心点广泛地延伸，所以可以将患者支撑台定位成相对于通过等中心点的竖直轴线542移动并绕其旋转，以便通过台架旋转和台运动与旋转的组合，可以实现进入患者任何部位的任何角度束方向。两个台架臂之间的距离是一个高个子患者的高度的两倍以上，使带有患者的卧榻可以在高架地板上方的水平平面内旋转和平移。

限制台架旋转角度允许减小围绕治疗室的至少一个壁的厚度。通常由混凝土构造的厚壁为治疗室之外的个人提供辐射防护。停止质子束下游的壁的厚度可以是室的另一端处的壁的两倍，以提供同等的保护水平。限制台架旋转的范围使得治疗室能够位于三侧的地面以下，同时允许占用区域与最薄壁相邻，从而降低了建造治疗室的成本。

在图1所示的示例实施方式中，超导同步回旋加速器502在8.8特斯拉的同步回旋加速器的极隙中以峰值磁场工作。同步回旋加速器产生具有250MeV能量的质子束。在其他实施方式中，场强可以在4至20特斯拉或6至20特斯拉的范围内，并且质子能量可以在150至300MeV的范围内。

在该示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重离子(离子)治疗系统中使用的类似系统。

如图2、3、4、5和6所示，示例同步回旋加速器10(例如图1中的502)包括磁体系统12，该磁体系统12包含粒子源90、射频驱动系统91和束提取系统38。由磁体系统建立的磁场具有适于通过使用一对成对的环形超导线圈40、42和一对成形的铁磁(例如低碳钢)极面44、46的组合来保持所包含的质子束的聚焦的形状。

两个超导磁体线圈在公共轴线47上居中，并沿该轴线间隔开。如图7和8所示，线圈由基于Nb₃Sn的超导直径为0.8mm的股线48(其最初包括被铜护套包围的铌锡芯)形成，该股线以双绞通道中电缆导体几何形状布置。将七根独立的股线系连在一起后，将它们加热以引起反应，从而形成导线的最终(脆性)超导材料。材料反应后，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)并且用绝缘材料52(在此示例中为编织的玻璃纤维材料)覆盖。然后，将包含导线53的铜通道缠绕成矩形截面为8.55cm×19.02cm的线圈，该线圈具有26层并且每层49匝。然后将缠绕的线圈用环氧化合物真空浸渍。最终的线圈安装在环形不锈钢反向绕线架56上。加热器毡层55间隔放置在绕组层中，以在发生磁体淬火时保护组件。

然后整个线圈可以用铜片覆盖以提供导热性和机械稳定性，然后包含在附加的环氧树脂层中。可以通过加热不锈钢反向绕线架并将线圈安装在反向绕线架内来提供线圈的预压缩。选择反向绕线架内径，以便在将整个块冷却到4K时，反向绕线架保持与线圈接触并提供一定压缩。将不锈钢反向绕线架加热到约50摄氏度并且在100开氏度下安装线圈可实现此。

通过将线圈安装在反向矩形绕线架56中来保持线圈的几何形状，以施加回复力60，该回复力与在线圈通电时产生的变形力相反。如图5所示，使用一组暖到冷支撑带402、404、406保持线圈相对于磁轭和低温恒温器的位置。用薄带支撑冷块减少刚性支撑系统赋予冷块的热泄漏。当磁体在台架上旋转时，带布置成承受线圈上变化的重力。当线圈从相对于磁轭的完全对称位置受到扰动时，它们承受重力和线圈产生的较大偏心力的综合作用。另外，当台架位置改变时，随着台架的加速和减速，链节用于减小施加在线圈上的动态力。每个暖到冷支撑都包括一个S2玻璃纤维链节和一个碳纤维链节。在一些实施方式中，碳纤维链节被支撑跨过暖轭和中间温度(50-70K)之间的销，并且S2玻璃纤维链节408被支撑跨过中间温度销和附接到冷块的销。每个链接长5厘米(销中心到销中心)，宽17毫米。链节厚度为9毫米。每个销由高强度不锈钢制成，直径为40毫米。

参照图3，场强分布作为半径的函数很大程度上取决于线圈几何形状和极面形状的选择；可以将可渗透轭材料的极面44、46的轮廓定为微调磁场的形状，以确保在加速过程中粒子束保持聚焦。

通过将线圈组件(线圈和绕线架)封闭在抽空的环形铝或不锈钢低温室70内来将超导线圈保持在绝对零附近的温度(例如约4开氏度)，该环形铝或不锈钢低温室70在有限的一组支撑点71、73处以外提供围绕线圈结构的自由空间。在另一形式中(图4)，低温恒温器的外壁可以用低碳钢制成，从而为磁场提供附加的返回磁通路径。

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低温冷却器来实现并维持接近绝对零的温度。每个两级低温冷却器的第二级冷端附接到将氦蒸气重新冷凝成液态氦的冷凝器。向低温冷却器头供给来自压缩机的压缩氦气。单级Gifford-McMahon低温冷却器布置成冷却向超导绕组供给电流的高温(例如50-70开氏度)引线。

在一些实施方式中，使用布置在线圈组件上的不同位置处的两个Gifford-McMahon低温冷却器72、74来实现并维持接近绝对零的温度。每个低温冷却器具有与线圈组件接触的冷端76。向低温冷却器头78供给来自压缩机80的压缩氦气。另外两个Gifford-McMahon低温冷却器77、79布置成冷却向超导绕组供给电流的高温(例如60-80开氏度)引线。

线圈组件和低温恒温室安装在药盒形磁体轭82的两个半部81、83内并被其完全包围。在该示例中，线圈组件的内径约为74.6cm。铁轭82提供用于返回磁场通量84的路径，并且磁屏蔽极面44、46之间的体积86，以防止外部磁影响干扰该体积内的磁场的形状。轭还用于减小加速器附近的杂散磁场。在一些实施方式中，同步回旋加速器可以具有主动返回系统以减小杂散磁场。主动返回系统的示例在题为“主动返回系统”的美国专利号8791656中描述，其内容通过引用并入本文。在主动返回系统中，本文所述的相对较大的磁轭被较小的磁结构(称为极片)代替。超导线圈的电流与本文所述的主线圈相反，以提供磁返回并从而减少杂散磁场。

如图3和9所示，同步回旋加速器包括位于磁体结构82的几何中心92附近的潘宁离子计几何形状的粒子源90。该粒子源可以如下所述，或者该粒子源可以是在题为“间断粒子源”的美国专利号8581523中描述的类型，其内容通过引用并入本文。

粒子源90从氢供给99通过气体管线101和输送气态氢的管194进料。电缆94承载来自电流源95的电流，以激发电子从与磁场200对准的阴极192、190放电。

在一些实施方式中，气体管101中的气体可以包括氢和一种或多种其他气体的混合物。例如，混合物可包含氢和一种或多种稀有气体，例如氦、氖、氩、氪、氙和/或氡(尽管混合物不限于与稀有气体一起使用)。在一些实施方式中，混合物可以是氢和氦的混合物。例如，混合物可包含约75％或更多的氢和约25％或更少的氦(包括可能的痕量气体)。在另一示例中，混合物可包含约90％或更多的氢和约10％或更少的氦(包括可能的痕量气体)。在示例中，氢/氦混合物可以是以下任意一种：>95％/<5％、>90％/<10％、>85％/<15％、>80％/<20％、>75％/<20％等等。

在粒子源中使用稀有(或其他)气体与氢结合的可能的优点可以包括：增加的束强度、增加的阴极寿命以及增加的束输出一致性。

在该示例中，放电的电子电离从管194通过小孔离开的气体，从而产生正离子(质子)供给，以通过一个半圆形(D形)射频板100进行加速，该板跨越由磁体结构和一个虚设D形板102包围的空间的一半。在中断粒子源(其示例在美国专利号8581523中描述)的情况下，包含等离子体的管的全部(或大部分)在加速区域被移除，从而允许离子在相对高的磁场中被更快地加速。

如图10所示，D形板100是具有两个半圆形表面103、105的中空金属结构，两个半圆形表面包围空间107，其中质子在其围绕由磁体结构所包围的空间旋转一半期间被加速。通向空间107的导管109穿过轭延伸到外部位置，可以从该外部位置附接真空泵111，以抽空空间107和真空室119中发生加速的空间的其余部分。虚设D形件102包括矩形金属环，其在D形板的暴露边缘附近间隔开。虚设D形件接地到真空室和磁轭。D形板100由施加在射频传输线末端的射频信号驱动，以在空间107中施加电场。随着加速的粒子束距几何中心的距离增加，射频电场随时间变化。可以以题为“将谐振腔的谐振频率与输入电压的频率匹配”的美国专利号8933650中描述的方式来控制射频电场，其内容通过引用并入本文。

在一些实施方式中，为了使从位于中心的粒子源发出的束在粒子源结构开始向外螺旋时将其让开，在射频板上需要较大的电压差。20000伏施加在射频板上。在某些形式下，可以在射频板上施加8000至20000伏。为了减少驱动该大电压所需的功率，磁体结构布置成减小射频板与地面之间的电容。这是通过从穿过外轭和低温恒温器壳体的射频结构形成具有足够间隙的孔并在磁极面之间留出足够的空间来实现的。

驱动D形板的高压交流电势在加速周期期间具有向下扫掠的频率，以解决质子的相对论质量的增加和磁场的减小。虚设D形件不需要中空半圆柱形结构，因为它与真空室壁一起处于接地电势。可以使用其他板布置，比如以不同的电相位或基频的倍数驱动的多于一对加速电极。可以通过使用例如具有相互啮合的旋转叶片和固定叶片的旋转电容器来调整RF结构，以在所需的频率扫描期间将Q保持在较高水平。在叶片的每次啮合期间，电容增加，因此降低了RF结构的谐振频率。叶片可以成形为创建所需的精确频率扫描。旋转电容器的驱动电机可以锁相到RF发生器，以进行精确控制。在旋转电容器的叶片的每次啮合期间，一束粒子被加速。

在一些实施方式中，在其中发生加速的真空室119是大致圆柱形容器，其在中心处较薄而在边缘处较厚。真空室包围RF板和粒子源并由真空泵111抽空。保持高真空确保加速离子不会因与气体分子的碰撞而损失，并使RF电压保持较高水平而不会产生电弧接地。

质子横穿从粒子源开始的大致螺旋形轨道路径。在螺旋形路径的每个环的一半中，质子在穿过空间107中的RF电场时获得能量。随着离子获得能量，其螺旋形路径的每个相继环的中心轨道半径都大于前一个环，直到环半径达到极面的最大半径。在该位置，磁场和电场扰动将离子引导到磁场迅速减小的区域中，并且离子离开高磁场的区域并被引导通过真空管38(在此称为提取通道)以退出回旋加速器的轭。可以使用磁再生器来改变磁场扰动以引导离子。当离开回旋加速器的离子进入回旋加速器周围的室中存在的磁场明显减弱的区域时，它们将趋于分散。提取通道38中的束成形元件107、109改变离子的方向，使得它们停留在空间范围有限的直束中。

在一些实施方式中，极隙内的磁场需要具有某些特性以在束加速时将其保持在真空室内。如下所示，

n＝-(r/B)dB/dr

其中的磁场指数n应该保持正值，以保持这种“弱”聚焦。在此，r是束的半径，B是磁场。另外，在一些实施方式中，场指数需要保持在0.2以下，因为在该值处，束的径向振动和竖直振动的周期在vr＝2v_z共振中重合。电子感应加速器频率由v_r＝(1-n)^1/2和v_z＝n^1/2定义。铁磁极面设计为使线圈产生的磁场成形为使得磁场指数n保持正值并且在与给定磁场中250MeV束一致的最小直径下小于0.2。

随着束离开提取通道，它穿过束形成系统125(图5)，例如扫描系统或散射系统，其可以可编程地被控制，以产生束散射角和范围调制的期望组合。束形成系统125可以与内台架601(图14)结合使用以将束引导至患者。

在操作期间，由于沿板表面的导电电阻，板从所施加的射频场吸收能量。该能量表现为热量，并通过使用水冷却管线108而从板移除，该水冷却管线释放热交换器113中的热量(图3)。

从回旋加速器射出的杂散磁场受到药盒磁体轭(其也用作屏蔽)和单独的磁屏蔽114限制。单独的磁屏蔽包括铁磁材料(例如钢或铁)层117，其包围由空间116隔开的药盒轭。包括轭、空间和屏蔽的夹层结构的该配置以较低重量实现了用于给定的泄漏磁场的足够屏蔽。

如所提及，台架允许同步回旋加速器绕水平旋转轴线532旋转。桁架结构516具有两个大致平行的跨越件580、582。同步回旋加速器被架在跨越件之间约在腿部之间的中间。使用安装在与桁架相对的腿部末端上的配重122、124，使台架平衡以围绕轴承旋转。

台架由安装在台架腿部之一或两个上并通过驱动齿轮连接到轴承壳体的电动机驱动旋转。台架的旋转位置从并入台架驱动电机和驱动齿轮的轴角编码器提供的信号中得出。

在离子束离开回旋加速器的位置处，束形成系统125作用在离子束上，使其具有适合患者治疗的特性。例如，束可被扩散并且其穿透深度改变以在给定的目标体积上提供均匀的辐射。束形成系统可以包括被动散射元件以及主动扫描元件，如本文所述(例如参见图42至45)。

同步回旋加速器的所有主动系统(例如电流驱动的超导线圈、RF驱动的板、用于真空加速室和超导线圈冷却室的真空泵、电流驱动的粒子源、氢气源以及RF板冷却器)可以由适当的同步回旋加速器控制电子设备(未示出)控制，该电子设备可以包括例如用适当程序编程以实现控制的一台或多台计算机。

通过适当的治疗控制电子设备(未示出)实现对台架、患者支撑件、主动束成形元件和同步回旋加速器的控制以执行治疗过程。

如图1、11和12所示，台架轴承由回旋加速器拱顶524的壁支撑。台架使加速器能够摆动通过包括患者上方位置的180度(或更大)的范围520至患者的侧面以及下方。拱顶足够高以在其运动的最高和最低极限处让开台架。由壁148、150构成侧面的迷宫146为治疗师和患者提供了进入和离开的路线。因为至少一个壁152不与直接来自回旋加速器的质子束成一直线，所以可以将其制成相对较薄并且仍然执行其屏蔽功能。室的其他三个侧壁154、156、150/148(可能需要更严格地屏蔽)可以埋在土堆中(未示出)。壁154、156和158的所需厚度可以减小，因为大地本身可以提供一些所需的屏蔽。

参照图11、12和13，出于安全和美观的原因，可以在拱顶内构造治疗室160。治疗室从壁154、156、150和容纳室的底部162以让开摆动的台架并且还使治疗室的地板空间164的范围最大化的方式悬置到台架腿部之间的空间中。加速器的定期维护可以在高架地板下方的空间中完成。当加速器旋转到台架上的向下位置时，可以在与治疗区域分开的空间中完全访问加速器。电源、冷却设备、真空泵和其他支撑设备可位于该分开空间中的高架地板下方。在治疗室内，患者支撑件170可以以各种方式安装，以允许支撑件升高和降低以及患者旋转并移动到各种位置和取向。

在图14的系统602中，本文所述类型的束产生粒子加速器(在这种情况下是同步回旋加速器604)安装在旋转台架605上。旋转台架605是本文所述的类型，并且可以绕患者支撑件606成角度地旋转。该特征使同步回旋加速器604能够从各种角度直接向患者提供粒子束。例如，如图14所示，如果同步回旋加速器604在患者支撑件606上方，则粒子束可以向下指向患者。可替代地，如果同步回旋加速器604在患者支撑件606下方，则粒子束可以向上指向患者。在不需要中间束路由机构的意义上，粒子束直接施加到患者。在此上下文中，路由机构与成形或尺寸机构的不同之处在于，成形或尺寸机构不会重新路由束，而是在保持束的相同总体轨迹的同时对束确定尺寸和/或形状。

关于前述系统的示例实施方式的进一步细节可以在题为“带电粒子放射治疗”的美国专利号7728311和题为“内台架”的美国专利号8344340中找到。美国专利号7728311号和美国专利号8344340的内容通过引用并入本文。在一些实施方式中，同步回旋加速器可以是可变能量装置，比如在题为“产生具有可变能量的带电粒子的粒子加速器”的美国专利公开号2014/0371511中描述的装置，其内容通过引用并入本文。

图15示出了腔700的一部分的俯视图，其中粒子沿轨道(例如在向外的螺旋形轨道中)被加速。粒子源701(上面描述了其示例)设置在腔的中心附近。从由粒子源701产生的等离子体柱提取带电粒子(例如质子或离子)。带电粒子在轨道740中朝着磁再生器702向外加速，并最终到达磁再生器702。在该示例实施方式中，再生器702是铁磁结构，其例如由钢、铁或任何其他类型的铁磁材料制成。再生器702改变引起向外轨道加速度的背景磁场。在该示例中，再生器702增强了该磁场(例如其在场中提供凸点)。背景磁场中的凸点以使轨道向外移向提取通道703的方式影响粒子轨道。最终，轨道进入提取通道703，它们从中退出。

更详细地，粒子束轨道接近再生器702并与之相互作用。由于磁场的增加，粒子束在那里转动得更多，而不是圆形，其进入提取通道。图16示出了磁场(B)与相对于粒子源702的半径(r)的曲线。如图16所示，在该示例中，B从约9特斯拉(T)变化到约-2T。9T发生在腔700的中心699附近。磁场的极性在磁场穿过超导线圈后变化，从而在线圈的外部产生约-2T，最终衰减到约零。磁场凸点705发生在再生器的点处。图16还示出了相对于在两个超导线圈709、710之间具有提取通道703的反向绕线架706的横截面706的磁场图。

参照图17，再生器702促使改变轨道710的角度和间距，以使它们移向提取通道703。在提取通道的点处，磁场强度足够低，以使粒子束能够进入提取通道并通过其继续前进。再次参考图15，提取通道703包含各种磁结构711，用于增加和/或减少偶极子场以将进入的粒子束引导通过提取通道703至束成形元件。提取通道中的磁结构的其他示例包括但不限于图5的结构107、109。

为了到达出口点，粒子束应具有适当量的能量。达到该点所需的能量的量可以例如基于加速器的尺寸和提取通道的长度(在该示例中，提取通道的长度为约1.7或2米)而变化。在这方面，提取通道703的至少一部分在超导线圈上方。这样，响应于加速器旋转，提取通道中的磁场可以变化很小。因此，响应于粒子加速器的旋转，粒子束横穿提取通道所需的能量的量可能不会明显变化。

如上所述，随着超导线圈在旋转期间移动，受再生器702影响的轨道由于线圈的重力运动而改变。如前所述，该运动可以低至十分之一毫米。然而，结果，进入提取通道的粒子束的能量可能不同于横穿整个通道所需的能量。为了适应进入提取通道的粒子能量的这种变化，可以将结构715放置在提取通道703的内部或入口点处。该结构可以用于吸收粒子束中的多余能量。在该示例中，结构715是可旋转的可变厚度楔形物，其可具有轮状形状。结构715的示例在图18和18A中示出。如这些图所示，结构715可以具有连续变化的厚度。可替代地，厚度可以逐步变化。

可以移动(例如旋转)该结构以从在/进入提取通道的粒子束吸收适当量的能量。在该实施方式中，结构的较厚部分715a比较薄部分715b吸收更多的能量。因此，该结构可以移动(例如旋转)以吸收粒子束中的不同量的能量。在一些实施方式中，该结构可以具有不包含材料的部分(例如“零”厚度)，其允许粒子束不变地通过。可替代地，在这种情况下，该结构可以全部或部分地移出束路径。在一些实施方式中，最大厚度可以在厘米的量级上；然而，最大厚度将根据例如能量吸收要求而因系统而异。图18A还示出了电机716，其例如响应于检测到的台架位置而控制轴以旋转结构715。

该结构可以由能够吸收粒子束中的能量的任何适当的材料制成。如上所述，理想地，该结构使粒子束在提取通道中的散射最小；然而，实际上，可能存在且可容忍的一定量的散射。可以用于该结构的材料的示例包括但不限于铍、含氢的塑料以及碳。这些材料可以单独使用或与其他材料组合使用。

可以使用作为较宽的粒子治疗系统的一部分的控制系统来对结构的运动(例如旋转)进行计算机控制。计算机控制可以包括产生一个或多个控制信号以控制机械装置的运动，比如产生运动的致动器和电动机。结构715的旋转可以基于粒子加速器的旋转位置来控制，如通过其上安装有粒子加速器的台架的旋转位置(例如参见图1、11和12示出台架旋转)所测量的。可以凭经验测量用于设定结构的旋转位置相对于台架的位置的各种参数，并将这些参数编程到控制系统计算机中。

如上所述，在一些实施方式中，响应于加速器旋转，提取通道中的磁场可以变化(尽管很小)。变化量可以是例如百分之一的十分之几。在特定示例中，这反映为流过超导线圈的额定～2000安培电流中约有6安培(安)的变化。这会影响粒子束横穿提取通道所需的能量。可以通过控制通过超导线圈的电流或通过控制结构715的旋转来调整磁场的这种小变化。

在其他实施方式中，可以通过物理地移动再生器702来调整到达提取通道的粒子束的能量，使得在不同的旋转位置处，再生器影响不同的粒子轨道。如上所述，可以通过作为粒子治疗系统的一部分的控制系统来对再生器702的运动进行计算机控制。例如，再生器702的运动可以基于粒子加速器的旋转位置来控制，如通过其上安装有粒子加速器的台架的旋转位置所测量的。可以凭经验测量用于设定再生器的位置相对于台架的旋转位置的各种参数，并将这些参数编程到控制系统计算机中。一个或多个计算机控制的致动器可影响再生器的实际运动。

例如，参考图19，再生器702可以最初定位在位置717处，例如在加速器的预定初始位置处。在该位置，由再生器产生的磁场凸点对轨道719具有主要影响(以将在该轨道位置处的粒子引导到提取通道)。轨道720比轨道719离等离子体柱的位置721更远。因此，轨道720具有比轨道719更高的能量。轨道722比轨道719更靠近等离子体柱的位置721。因此，轨道722具有比轨道719更低的能量。如图20所示，超导线圈的因旋转而引起的运动会导致能量较低的轨道722移动到再生器702的路径中，从而使再生器702主要影响轨道722。然而，由于轨道722是更低能量，所以其可能无法横穿提取通道，并可能在退出之前撞击提取通道的内壁。因此，再生器702可以从位置717移动到位置723(如图21的箭头724所示)，使得再生器702再次主要撞击轨道719。相反也可以是正确的。也就是说，如果超导线圈移动使得过高能量的轨道720主要受到再生器702的影响，则再生器702可以沿另一方向(例如朝向位置721)移动，从而其主要影响能量更低的轨道719(其也已移动)。尽管附图描绘了再生器沿一维(径向)的运动，但是再生器可以沿二维或三维运动，例如其可以在笛卡尔X、Y和/或Z方向上移动。

在其他实施方式中，主要受再生器影响的轨道可以通过改变磁场(磁场凸点)而变化。例如，这可以通过改变再生器附近的铁磁材料的量来完成。在实施方式中，可以使用一个或多个磁垫片来改变由再生器产生的磁场的形状和/或强度。在这方面，再生器可以由铁磁材料比如铁制成(尽管可以使用其他材料代替钢或除钢之外)。磁垫片可以是与制造再生器的材料不同或相同的铁磁材料。

在该实施方式中，磁垫片包括一个或多个铁或钢磁垫片。一个示例是图22中示出的磁垫片730；然而还可以使用任何适当的形状。例如，磁垫片730可以是杆的形状或可以具有其他合适的形状。参照图23，可以将磁垫片730a、730b放置在相应轭731a、731b的靠近再生器702的槽中或者放置在再生器本身中。向下移动磁垫片，进一步使其在轭中的槽内，增加了靠近再生器的铁磁材料的量，从而改变了再生器产生的磁场凸点的位置和大小。相比之下，向上移动磁垫片并将其移出轭会减少靠近再生器的铁磁材料的数量，从而改变再生器产生的磁场凸点的位置和大小。增加铁磁材料的量导致磁场凸点向内(朝向等离子体柱，例如参见图19至21)移动，从而主要影响较低能量的粒子轨道。减少铁磁材料的量导致磁场凸点向外(远离等离子体柱)移动，从而主要影响较高能量的粒子轨道。

可以将磁垫片永久性地拧入轭并使用螺钉将其固定在适当位置，或者可以对其进行实时控制。在这方面，可以通过作为粒子治疗系统的一部分的控制系统来对磁垫片的运动进行计算机控制。例如，可以基于粒子加速器的旋转位置来控制每个磁垫片730a、730b的运动，如通过其上安装有粒子加速器的台架的旋转位置所测量的。可以凭经验测量用于设定磁垫片位置相对于加速器的旋转位置的各种参数，并将这些参数编程到控制系统计算机中。一个或多个计算机控制的致动器可能会影响磁垫片的实际运动。尽管仅示出了两个磁垫片，但是可以使用任何数量的磁垫片(例如一个或多个)。

在一些实施方式中，磁垫片(例如上述磁垫片)可以代替地是或包括一个或多个微型电磁体，通过其的电流被控制从而影响由再生器以上述方式产生的磁场。可以通过作为粒子治疗系统的一部分的控制系统来对通过一个或多个电磁体的电流进行计算机控制。例如，可以基于粒子加速器的旋转位置来控制电流，如通过其上安装有粒子加速器的台架的旋转位置所测量的。可以凭经验测量用于设定电流相对于加速器的旋转位置的各种参数，并将这些参数编程到控制系统计算机中。

在其他实施方式中，可以通过物理地移动低温恒温器以补偿由于旋转而引起的线圈的移动来调整到达提取通道的粒子束的能量。例如，低温恒温器可以在与线圈移动的方向相反的方向上移动。如上所述，可以通过作为粒子治疗系统的一部分的控制系统来对低温恒温器的移动进行计算机控制。例如，可以基于粒子加速器的旋转位置来控制低温恒温器的移动，如通过其上安装有粒子加速器的台架的旋转位置所测量的。可以凭经验测量用于设定低温恒温器的移动相对于台架的旋转位置的各种参数，并将这些参数编程到控制系统计算机中。一个或多个计算机控制的致动器可能会影响低温恒温器的实际运动。参照下面的图34和35描述了可用于移动低温恒温器的致动器及因此包含在其中的线圈的示例。

例如，参考图24，加速器的旋转可以使线圈709、710在它们各自的室内沿箭头735的方向运动。作为响应，可以改变低温恒温器736的位置，例如低温恒温器736可以例如沿箭头737的方向移动(例如沿相反的方向以相反的量)。该运动引起线圈709、710的相应运动，从而使线圈709、710相对于再生器适当对准地返回其原始位置。

在本文描述的示例性粒子治疗系统中使用的粒子加速器可以是可变能量粒子加速器。

所提取的粒子束(从加速器输出的粒子束)的能量会影响治疗期间粒子束的使用。在某些机器中，粒子束(或粒子束中的粒子)的能量在提取后不增加。然而，根据提取后和治疗前的治疗需要，可以减少能量。参照图25，示例治疗系统910包括加速器912，例如同步回旋加速器，从加速器912中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，沿着照射方向928放置一个或多个附加装置，比如扫描单元916或散射单元916、一个或多个监测单元918以及能量降级器920。这些装置拦截所提取的束914的横截面并改变所提取的束的一种或多种特性以进行治疗。

被用于治疗的粒子束照射的目标体积(照射目标)通常具有三维构造。在一些示例中，为了进行治疗，将目标体积沿粒子束的照射方向分成多层，以便可以逐层地进行照射。对于某些类型的粒子，比如质子，目标体积内的穿透深度(或束到达的层)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超过该能量的相应穿透深度。为了将束照射从目标体积的一层移动到另一层，粒子束的能量变化。

在图25所示的示例中，目标体积924沿照射方向928分为九层926a-926i。在示例过程中，照射从最深层926i开始，一次一层，逐渐至较浅层并以最浅层926a结束。在施加到身体922之前，将粒子束914的能量控制在一定水平，以允许粒子束停止在所需的层例如层926d，而基本上不进一步渗透到身体或目标体积中，例如层926e-926i或更深到身体中。在一些示例中，随着治疗层相对于粒子加速度变得更浅，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的相邻层的束能量差为约3MeV至约100MeV，例如约10MeV至约80MeV，但其他差也是可能的，这取决于例如层的厚度和束的特性。

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)，以便在某些实施方式中，从加速器912提取粒子束之后不需要额外的能量变化。因此，可以从系统消除治疗系统10中的可选能量降级器920。在一些实施方式中，加速器912可以输出具有在约100MeV至约300MeV之间例如在约115MeV至约250MeV之间变化的能量的粒子束。变化可以是连续的或不连续的，例如一次一个步长。在一些实施方式中，连续或不连续的变化可以以相对较高的速率发生，例如高达每秒约50MeV或高达每秒约20MeV。非连续变化可以一次发生一个步长，步长大小为约10MeV至约90MeV。

当在一层中完成照射时，加速器912可以例如在几秒钟内或小于一秒钟内改变粒子束的能量以进行照射下一层。在一些实施方式中，可以在没有实质性中断或甚至没有任何中断的情况下继续目标体积924的治疗。在一些情况下，选择非连续能量变化的步长大小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，步长大小可以与能量差相同或只是其一部分。

在一些实施方式中，加速器912和降级器920共同改变束914的能量。例如，加速器912提供粗调，而降级器920提供细调，反之亦然。在该示例中，加速器912可以输出以约10-80MeV的变化步长改变能量的粒子束，并且降级器920以约2-10MeV的变化步长调整(例如减小)束的能量。

可以包括范围移位器的能量降级器的减少使用(或不使用)有助于保持来自加速器的输出束的特性和质量，例如束强度。粒子束的控制可以在加速器处执行。可以减少或消除例如来自当粒子束通过降级器920时产生的中子的副作用。

在完成目标体积924中的治疗之后，可以调整粒子束914的能量以在另一身体或身体部分922'中治疗另一目标体积930。目标体积924、930可以在同一身体(或患者)中，或者可以属于不同的患者。目标体积930距主体922'的表面的深度D可能与目标体积924的深度不同。尽管降级器920可以执行一些能量调整，但是降级器920可能仅降低束能量，而不会增加束能量。

就这一点而言，在某些情况下，治疗目标体积930所需的束能量大于治疗目标体积924所需的束能量。在这种情况下，加速器912可以在治疗目标体积924之后且在治疗目标体积930之前增加输出束能量。在其他情况下，治疗目标体积930所需的束能量小于治疗目标体积924所需的束能量。尽管降级器920可以减少能量，但加速器912可以调整为输出较低的束能量以减少或消除降级器920的使用。将目标体积924、930划分为层可以相同或不同。并且目标体积930可以与目标体积924的治疗类似地逐层地治疗。

对相同患者的不同目标体积924、930的治疗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分钟以下，例如25分钟以下、20分钟以下、15分钟以下、10分钟以下、5分钟以下或1分钟以下。如本文所解释，加速器912可以安装在可移动的台架上，并且台架的运动可以移动加速器以瞄准不同的目标体积。在一些情况下，加速器912可以在完成目标体积924的治疗之后和开始治疗目标体积930之前的治疗系统进行调整(比如移动台架)的时间期间完成输出束914的能量调整。在完成加速器和目标体积930的对准之后，治疗可以从调整后的期望束能量开始。也可以相对有效地完成针对不同患者的束能量调整。在一些示例中，包括增加/减少束能量和/或移动台架的所有调整在约30分钟内完成，例如在约25分钟内、在约20分钟内、在约15分钟内、在约10分钟内或在约5分钟内。

在目标体积的同一层中，通过使用扫描单元916使束移动越过层的二维表面(有时称为扫描束)来施加照射剂量。可替代地，可以通过使所提取的束穿过散射单元16的一个或多个散射体(有时称为散射束)来照射该层。

可以通过控制加速器912和/或其他装置，比如扫描单元/散射体916、降级器920以及未在图中示出的其他装置，在治疗之前选择束特性，比如能量和强度，或者可以在治疗期间对其进行调整。在该示例实施方式中，如在上述示例实施方式中，系统910包括与系统中的一个或多个装置通信的控制器932，比如计算机。控制可以基于由一个或多个监测器918执行的监测结果，例如监测束强度、剂量、目标体积中的束位置等。尽管监测器918示出为在装置916与降级器920之间，但可以将一个或多个监测器沿着束照射路径放置在其他适当的位置处。控制器932还可以存储针对一个或多个目标体积(针对同一患者和/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，比如目标体积的形状、照射层的数量、每一层的照射剂量、每一层的照射次数等。可以基于治疗计划来执行系统910内的束特性的调整。可以在治疗过程中进行其他调整，例如当检测到偏离治疗计划时。

在一些实施方式中，加速器912配置为通过改变在其中加速粒子束的磁场来改变输出粒子束的能量。在示例实施方式中，一组或多组线圈接收可变电流以在腔中产生可变磁场。在一些示例中，一组线圈接收固定的电流，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，所有组线圈都是超导的。在其他实施方式中，一些线圈组(比如用于固定电流的一组)是超导的，而其他组线圈(比如用于可变电流的一组或多组)是非超导的。在一些示例中，所有组线圈都是非超导的。

通常，磁场的大小可随电流的大小缩放。将线圈的总电流在预定范围内调整可以产生在相应预定范围内变化的磁场。在一些示例中，电流的连续调整可以导致磁场的连续变化和输出束能量的连续变化。可替代地，当以不连续逐步的方式调整施加到线圈的电流时，磁场和输出束能量也以不连续(逐步)的方式相应地变化。磁场对电流的缩放可以允许相对精确地执行束能量的变化，尽管有时可以执行除输入电流以外的其他细微调整。

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配置为施加扫过不同频率范围的RF电压，其中每个范围对应于不同的输出束能量。例如，如果加速器912配置为产生三种不同的输出束能量，则RF电压能够扫过三种不同的频率范围。在另一示例中，对应于连续的束能量变化，RF电压扫过连续变化的频率范围。不同的频率范围可以具有不同的低频和/或高频边界。

提取通道可以配置成容纳由可变能量粒子加速器产生的不同能量的范围。可以从加速器912中提取具有不同能量的粒子束，而无需改变用于提取具有单一能量的粒子束的再生器的特征。在其他实施方式中，为了适应可变的粒子能量，可以使再生器以上述方式移动以扰动(例如改变)不同的粒子轨道和/或可以添加或去除铁杆(磁垫片)以改变由再生器提供的磁场凸点。更具体地，不同的粒子能量通常将在腔内的不同粒子轨道处。通过以本文描述的方式移动再生器，可以以指定的能量拦截粒子轨道，从而提供对该轨道的正确扰动，使得以指定能量的粒子到达提取通道。在一些实施方式中，再生器的运动(和/或磁垫片的添加/去除)被实时执行以匹配由加速器输出的粒子束能量的实时变化。在其他实施方式中，在每次治疗的基础上调整粒子能量，并且在治疗之前执行再生器的运动(和/或磁垫片的添加/去除)。在任一种情况下，再生器的运动(和/或磁垫片的添加/去除)都可以由计算机控制。例如，计算机可以控制实现再生器和/或磁垫片运动的一个或多个电机。

在一些实施方式中，使用可控制地移动到适当位置的一个或多个磁垫片来实现再生器。

在一些实施方式中，控制结构715(如上所述)以适应由粒子加速器产生的不同能量。例如，可以旋转结构715，使得适当的厚度拦截具有特定能量的粒子束。结构715因此吸收了粒子束中的至少一些能量，从而使粒子束能够横穿提取通道，如上所述。

作为示例，表1示出了示例加速器912可以输出粒子束的三个示例能量水平。还列出了用于产生三个能量水平的相应参数。在这一点上，磁体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；最高和最低频率定义了RF电压扫描的范围；“r”是位置到在其中粒子被加速的腔中心的径向距离。

表1：束能量和各个参数的示例

下面描述产生具有可变能量的带电粒子的示例粒子加速器中可包括的细节。加速器可以是同步回旋加速器，而粒子可以是质子。粒子可以作为脉冲束输出。从粒子加速器输出的束的能量可以在治疗患者体内的一个目标体积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改变。在一些实施方式中，当没有束(或粒子)从加速器输出时，改变加速器的设置以改变束能量。能量变化在期望范围内可以是连续的或不连续的。

参考图1所示的示例，可以将粒子加速器(同步回旋加速器502)配置为具有可变能量的粒子束，该粒子加速器可以是类似于上述加速器912的可变能量粒子加速器。可变能量的范围可具有约200MeV至约300MeV或更高的上边界，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。该范围还可以具有约100MeV或更低至约200MeV的下边界，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，变化是不连续的，并且变化步长的大小可以为约10MeV或更小、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或者更高。以一个步长大小改变能量可以花费不超过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分钟或更短或者约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较高的速率来调整粒子束的能量，例如高达每秒约50MeV、高达每秒约45MeV、高达每秒约40MeV、高达每秒约35MeV、高达每秒约30MeV、高达每秒约25MeV、高达每秒约20MeV、高达每秒约15MeV或高达每秒约10MeV。加速器可以配置为连续地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以用于一个目标体积的治疗或不同目标体积的治疗。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放射治疗的准确性，并减少用于治疗的附加装置(除加速器外)的数量。例如，可以减少或消除使用降级器来改变输出粒子束的能量。可以在粒子加速器处控制粒子束的特性，比如强度、聚焦等，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。束能量的相对较高的变化率可以减少治疗时间并允许有效使用治疗系统。

在一些实施方式中，加速器比如图1的同步回旋加速器502通过改变加速器中的磁场来将粒子或粒子束加速至可变能量水平，这可以通过改变施加至线圈用于产生磁场的电流来实现。如图3、4、5、6和7所示，示例同步回旋加速器10(图1中的502)包括磁体系统，其包含粒子源90、射频驱动系统91和束提取系统38。图28示出了可以在可变能量加速器中使用的磁体系统的示例。在该示例实施方式中，由磁体系统1012建立的磁场可以变化两组线圈40a和40b以及42a和42b能够产生的磁场的最大值的约5％至约35％。由磁体系统建立的磁场的形状适于使用两组线圈和一对成形的铁磁(例如低碳钢)结构(上面提供了其示例)的组合来保持所包含的质子束的聚焦。

每组线圈可以是一对成对的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，仅一组线圈是超导的，而另一组线圈是非超导的或普通导电的(也在下面进一步讨论)。两组线圈也可能都是非超导的。用于线圈的合适的超导材料包括铌3锡(Nb3Sn)和/或铌钛。其他普通导电材料可以包括铜。线圈组构造的示例在下面进一步描述。

两组线圈可以串联或并联电连接。在一些实施方式中，两组线圈接收的总电流可以包括约200万安培匝至约1000万安培匝，例如约250万至约750万安培匝或约375万安培匝至约500万安培匝。在一些示例中，一组线圈配置为接收总可变电流的固定(或恒定)部分，而另一组线圈配置为接收总电流的可变部分。两个线圈组的总电流随一个线圈组中电流的变化而变化。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大小可变的磁场，从而改变粒子的加速路径并产生具有可变能量的粒子。

通常，由线圈产生的磁场的大小可缩放至施加到线圈的总电流的大小。基于可缩放性，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。可以以较高的速率来调整总电流，这导致磁场和束能量的相对高速率调整。

在上面表1反映的示例中，电流和在线圈环的几何中心处的磁场的值之间的比率是：1990:8.7(约228.7:1)；1920:8.4(约228.6:1)；1760:7.9(约222.8:1)。因此，调整施加到超导线圈的总电流的大小可以成比例地(基于该比率)调整磁场的大小。

图26的曲线图还示出了在表1的示例中磁场对总电流的可缩放性，其中BZ是沿Z方向的磁场；R是沿垂直于Z方向的方向从线圈环的几何中心测量的径向距离。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代表由接收不同总电流：分别为1760安培和1990安培的相同线圈组产生的磁场。所提取的粒子的相应能量分别为211MeV和250MeV。两个曲线1035、1037具有基本相同的形状，并且曲线1035、1037的不同部分基本平行。结果，曲线1035或曲线1037可以线性偏移以基本匹配另一曲线，这表明磁场可缩放至施加到线圈组的总电流。

在一些实施方式中，磁场对总电流的可缩放性可能不是完美的。例如，基于表1所示的示例计算出的磁场与电流之间的比率不是恒定的。另外，如图26所示，一条曲线的线性偏移可能不完全匹配另一条曲线。在一些实施方式中，在理想的可缩放性的假设下将总电流施加到线圈组。可以通过另外改变线圈的特征例如几何形状)以抵消可缩放性的缺陷来产生目标磁场(在理想的可缩放性的假设下)。作为一个示例，可以从一个或两个磁性结构插入或移除铁磁(例如铁)杆(磁垫片)。可以以相对高速率改变线圈的特征，从而与可缩放性完美且仅需要调整电流的情况相比，基本上不影响磁场调整的速率。在铁杆的示例中，可以以秒或分钟的时间尺度来添加或移除杆，例如在5分钟内、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置，比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电流的任何组合。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可以配置成接收具有与磁场的期望范围的上边界和下边界之间的差相对应的上边界的可变电流。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。

在另一示例中，线圈组42a、42b可以配置为接收与磁场的期望范围的上边界相对应的固定电流。在表1所示的示例中，固定电流为1990安培。另外，线圈组40a、40b可以配置成接收具有与磁场的期望范围的下边界和上边界之间的差相对应的上边界的可变电流。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。

由可变总电流产生的用于加速粒子的总可变磁场的最大幅度可以大于4特斯拉，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，且高达约20特斯拉或更高，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使磁场变化约0.2特斯拉至约4.2特斯拉或更大，例如约0.2特斯拉至约1.4特斯拉或约0.6特斯拉至约4.2特斯拉。在某些情况下，磁场的变化量可能与最大幅度成比例。

图27示出了示例RF结构，用于针对粒子束的每个能量水平在RF频率范围内扫掠D形板100上的电压，并且在改变粒子束能量时改变频率范围。D形板100的半圆形表面103、105连接到内导体1300并容纳在外导体1302中。高电压从电源(未示出，例如振荡电压输入)通过将电源联接到内导体的功率联接装置1304施加到D形板100上。在一些实施方式中，联接装置1304位于内导体1300上，以提供从电源到D形板100的功率传输。此外，D形板100联接到可变电抗元件1306、1308以针对每个离子能量水平执行RF频率扫掠，并且针对不同离子能量水平改变RF频率范围。

可变电抗元件1306可以是旋转电容器，其具有可由电动机(未示出)旋转的多个叶片1310。通过在RF扫掠的每个循环期间使叶片1310啮合或脱离，RF结构的电容改变，这继而改变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循环期间，叶片1310彼此啮合。RF结构的电容增加，谐振频率减小。当叶片1310脱离时，该过程反向。结果，产生施加到D形板103的高电压所需的和加速束所必须的功率可以大大减小。在一些实施方式中，叶片1310的形状被加工为形成所需的共振频率对时间的依赖性。

通过感测谐振器中的RF电压的相位，使RF频率产生与叶片旋转同步，并使D形板上的交流电压保持接近RF腔的谐振频率。(虚设的D形件是接地的并且未在图27中示出)。

可变电抗元件1308可以是由板1312和内导体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。当板1312和表面1316之间的距离D改变时，电容器的电容改变。对于针对一个粒子能量要被扫过的每个频率范围，距离D处于设定值，并且为了改变频率范围，板1312对应于输出束的能量的改变而移动。

在一些实施方式中，内导体1300和外导体1302由金属材料比如铜、铝或银形成。叶片1310和板1312还可以由与导体1300、1302相同或不同的金属材料形成。联接装置1304可以是电导体。可变电抗元件1306、1308可以具有其他形式，并且可以以其他方式联接到D形板100以执行RF频率扫掠和频率范围改变。在一些实施方式中，单个可变电抗元件可以配置为执行可变电抗元件1306、1308的功能。在其他实施方式中，可以使用两个以上可变电抗元件。

在此还描述了用于控制磁体线圈的位置的系统的示例，该磁体线圈包括但不限于关于图1至28的系统描述的磁体线圈。通常，磁体可以包括传导电流以产生磁场的一个或多个线圈。运动(包括但不限于磁体的全部或部分旋转)可能导致线圈的意外位移。例如，运动过程中受到的重力可能会导致线圈以既不期望也不预测的方式运动。其他因素也可能导致不期望或不预测的线圈位移。例如，可以改变磁体结构，例如可以替换部件，或者部件可以变得松散或固定。线圈位移会以意外或不希望的方式改变磁体产生的磁场。在一些示例中，使用位移的线圈产生的磁场的形状和/或强度可能与预期的不同。磁场的改变会对使用磁体的系统的运行产生不利影响。如所指出的，在某些应用中，即使很小的位移(例如在亚毫米范围内)也会产生相应的影响。

因此，本文描述的示例系统可以用于补偿例如校正一个或多个磁体线圈的位移。本文所述的示例系统支持移动的磁体线圈以校正由重力引起的位移，该重力包括但不限于由磁体的全部或部分旋转引起的那些。然而，线圈定位系统不限于在此情况下使用，并且可以在任何适当的情况下用于重新定位磁体线圈或其他电磁结构。示例线圈定位系统可以配置为以任何合适的粒度产生线圈运动，例如从亚毫米运动到毫米、厘米、分米、米等量级的运动。

就这一点而言，补偿例如校正一个或多个磁体线圈的位移可以包括将线圈移回到其原始(例如预定)位置，或者可以包括将线圈移至任何适当的位置以产生期望的磁场形状和/或大小。例如，线圈可以移动到的最终位置可以是或可以不是它们相对于参考点的原始位置。相反，可以执行运动以调整线圈的磁场分布，使得磁场分布是特定应用所期望的。在一些实施方式中，可以移动线圈以达到磁场的目标分布(例如特定应用所期望的)。在一些实施方式中，目标分布包括与标称目标相差不超过或不小于可接受的预定量的分布。

在示例实施方式中，线圈定位系统包括与要移动的一个或多个线圈的物理联接。该物理联接可以是配置成移动线圈的装置之间的直接物理连接，或者是包括在线圈和配置成移动线圈的装置之间的一个或多个中间结构的间接物理连接。在任何情况下，示例物理联接配置和布置并且连接到线圈，从而施加到物理联接的适当力引起线圈的运动。在一些实施方式中，该力可以包括拉动物理联接以产生运动。例如，物理联接可以包括一个或多个带或其他构件，可以向其增加张力以产生线圈的运动。在一些实施方式中，力可以包括推动物理联接以产生运动。例如，物理联接可以包括一个或多个刚性构件，其响应于所施加的压力以通过推动线圈来产生线圈的运动。物理联接可以包括刚性、半刚性和非刚性联接的任何适当的组合。

线圈的经由物理联接的运动可以是计算机控制的。例如，一个或多个处理装置(称为“处理装置”)可以执行适当的指令以经由物理联接来控制线圈的运动。处理装置可以接收有关运动之前、之中以及之后线圈位置的信息，并控制线圈的物理定位，使得线圈最终位于正确位置。

关于线圈位置的信息可以包括或者可以是指示线圈位置的测量或可以从中确定或推断出线圈位置的其他信息。在一些实施方式中，线圈定位系统可以包括一个或多个位移传感器，其可以安装到保持磁体的壳体或另一合适的结构，以获得磁体运动(例如旋转)之前、之中和之后线圈位置的测量(例如相对于壳体)。位移传感器的示例包括但不限于光学传感器。由传感器获得的测量可被处理装置用来确定运动之前、之中以及之后线圈的位置，从而确定是否存在意外运动。线圈定位系统然后可以经由物理联接来控制线圈的位置，以将线圈移动到其预期位置。例如，可以将线圈移动到壳体内的预定或其他适当位置，以便调整(例如校正)线圈的磁场分布。

在一些实施方式中，线圈定位系统可以包括安装到壳体或另一适当结构的一个或多个磁场传感器。磁场传感器的示例包括但不限于霍尔效应传感器。磁场传感器可以配置为检测由线圈产生的磁场相对于磁场传感器的变化。该检测到的磁场变化可以指示线圈的运动(例如相对于壳体)或某些其他不希望或意外的原因，并且可以用于确定该运动的大小和方向。例如，处理装置可以访问表示磁体特定取向的磁场的期望大小和形状的数据。磁场传感器检测到的磁场也可以由处理装置可访问的数据表示。处理装置可以使用关于期望磁场的数据和关于由磁场传感器检测到的磁场变化的数据来确定如何重新定位线圈以产生期望的磁场。例如，线圈可能已经从期望的取向移动到不期望的取向。线圈定位系统可以经由物理联接来控制线圈的位置，以将线圈移回到期望的取向，例如通过沿与它们最初被移动的方向相反的方向移动来线圈。在一些实施方式中，线圈定位系统可以将线圈不移回到其原始位置，而是移至产生期望磁场分布的任何适当位置。

物理地控制线圈的定位(例如通过经由物理联接向线圈施加力)可具有优于其他线圈定位方法的优点。例如，物理定位提供了对线圈运动的直接控制，与控制线圈位置而不物理接触线圈的系统相比，这可以实现线圈的更精确定位。

本文描述的线圈定位系统可以在任何适当的情况下使用。图29是示出磁体1410的框图，该磁体1410支撑在安装座1411上以相对于地面1416旋转，例如沿箭头1412的方向。图29中仅示出了安装座1411的一部分。安装座能够进行的旋转可以是360°旋转或小于360°旋转；换句话说，是部分旋转。安装座的示例可包括但不限于可旋转台架、机械臂、可旋转轴或轴、加速器可沿其移动的轨道或者其他适当结构。磁体1410可包括传导电流以产生磁场的线圈1413、1414。尽管示出了两个线圈，但在一些实施方式中，磁体可以具有单个线圈或两个以上线圈。线圈可以是超导的或非超导的。在超导线圈的情况下，可以使用任何适当的超导材料。例如，超导材料可包括但不限于以下一种或多种材料，单独或组合使用：铌锡/3铌锡(Nb3Sn)、铌钛(NbTi)、钒镓(V3Ga)、铋锶钙铜氧化物(BSCCO)、钇钡铜氧化物(YBCO)或二硼化镁(MgB2)。对于非超导线圈，该材料可以是或包括铜或任何其他适当导体。

在图29的示例中，磁体1410可以包括一个或多个极靴(例如磁轭)，其对由线圈产生的磁场进行成形。在一些实施方式中，可以省略极靴。在图29的示例中，磁体1410包括壳体1415，该壳体在运动(比如相对于参考点比如地面1416的旋转)过程中保持磁体1410。壳体1415可以是或包括真空外壳、磁轭、极靴、其任何适当组合或者单独或与真空外壳、磁轭或极靴组合的任何其他适当结构。在包括壳体的实施方式中，支撑件可以将磁体保持(例如悬挂)在壳体内。可以使用任何适当数量的支撑件。在该示例中，以虚线轮廓形式示出壳体1415，以使得能够看到壳体内部的磁体，并且指示壳体在磁体外部。在该示例中，壳体基本上包围磁体；然而在其他示例中，壳体可以与磁体相邻、与磁体接界、围绕磁体或部分地包围磁体。壳体可以由导电或非导电材料制成，并且可以将磁屏蔽和/或热屏蔽结合到其结构中。在一些实施方式中，可以完全省略壳体，并且磁体可以直接联接至安装座1411，而不是经由壳体间接联接。

磁体1410可以是较大系统的部件，该较大系统包括但不限于医疗系统，比如患者治疗系统或成像系统。在一些实施方式中，磁体可以是放射治疗系统的一部分，比如粒子(例如质子)治疗系统，其示例相对于图1至28进行了描述。例如，磁体1410可以是粒子加速器的加速磁体，如本文所述。磁体1410可以是弯曲磁体。例如，磁体1410可以配置为将粒子束引向并穿过照射目标，如在粒子束扫描系统中的情况。磁体1410可以是聚焦磁体。例如，磁体1410可以配置为在输出之前聚焦粒子束。示例磁体应用的此列表是说明性的，而不是详尽无遗的。

由磁体的运动(包括但不限于磁体的取向变化)引起的力(例如重力)可能导致线圈的不期望位移。例如，线圈可相对于壳体或简单地相对于线圈的预期目标位置位移。该位移可能影响由磁体产生的磁场的大小和/或形状，从而影响磁体作为其一部分的系统的操作。例如，在粒子治疗系统的情况下，如果聚焦没有正确进行，则线圈的不期望位移会影响粒子加速器输出的粒子的能量、在肿瘤扫描期间粒子束的瞄准和/或粒子束的清晰度或完整性。

因此，磁体1410配备有本文描述的线圈定位系统的实施方式。在该示例中，线圈定位系统是计算机控制的；也就是说，线圈定位系统由执行适当指令(例如计算机程序)的一个或多个处理装置控制。在一些实施方式中，磁体、壳体或其他连接结构包括一个或多个嵌入式处理装置1418，其独立地或与计算系统1419协作地控制线圈定位系统的操作。在一些实施方式中，磁体不包括板载智能，线圈定位系统由计算系统1419直接提供给操作线圈定位系统的电子设备的命令和/或控制信号1407控制。在本说明书中，对“处理装置”的引用可以包括一个以上处理装置，对“计算系统”或“计算机系统”的引用可以包括一个或多个处理装置。

在该示例中，线圈定位系统包括一个或多个致动器1420a至1420d，其安装到磁体或相关结构(例如磁体壳体)上或者以其他方式连接至其。在图29的示例中，有四个致动器；然而如本文所述，可以使用任何适当数量的致动器。在一些实施方式中，每个致动器配置为再现通过测试确定的校准线圈位置，以便针对至少一些旋转角度改善束性能。在一些实施方式中，每个致动器可以是伺服控制的致动器，其配置为主动地维持控制参数，比如束方向或来自用于测量由线圈产生的随线圈位置而变化的磁场的传感器的读数。

每个致动器经由各自的物理联接1421a至1421d连接到线圈。每个物理联接可以是或包括使得能够在致动器和线圈之间传递力的任何适当的物理结构或物理结构的组合。因此，致动器和线圈之间的物理联接可以是直接的物理连接，或者可以是包括一个或多个中间部件的物理连接。尽管存在这些中间部件，但是在一些实施方式中，物理联接可以配置成使得可以将力从致动器引向线圈或远离线圈，以控制线圈的运动且因此是位置。线圈的定位和重新定位可以实时执行，或者线圈的定位可以在线圈移动之后执行。在一些示例中，实时控制包括渐进地定位和重新定位线圈，以在线圈仍在运动时校正不希望的线圈运动。

在一些实施方式中，单个致动器可以经由各自的物理联接连接到多个线圈。例如，在一些实施方式中，单个致动器可以配置为控制单个致动器所连接到的多个线圈中的所选择的一个或多个。在一些实施方式中，单个致动器可以配置为同时控制单个致动器所连接到的所有线圈。

在一些实施方式中，每个物理联接包括在一端直接或间接地连接到磁体线圈并且在另一端直接或间接地连接到致动器的一个或多个构件。物理联接可以是刚性联接、非刚性联接或半刚性联接。刚性的联接可以包括即使在数十吨重量的存在下也几乎没有或者没有弹性的联接。半刚性的联接可以包括在较高重量例如数十吨的存在下具有弹性的联接。非刚性的联接可以包括即使在示例重量小于所描述的重量的情况下具有弹性的联接。

刚性联接可以通过在朝向线圈的方向上施加力即通过经由刚性联接推动线圈来控制线圈位置。刚性联接还可以通过在远离线圈的方向上施加力即通过经由刚性联接拉动线圈来控制线圈位置。在某些情况下，取决于要移动的线圈及相关结构的重量，半刚性物理联接还可用于通过朝向或远离线圈施加力来控制线圈位置。半刚性或非刚性联接可以通过在远离线圈的方向上施加力即通过拉动线圈来实现对线圈位置的控制。换句话说，可以增加联接上的张力以拉动线圈来迫使运动。用于实现半刚性或非刚性物理联接的材料将具有足够的拉伸强度，以承受其所经受的负载下的断裂。例如，在以数十吨(例如30吨)测量的负载的情况下，可以使用相对于图5所描述的材料比如碳纤维和玻璃纤维来在拉伸应力下实现物理联接。物理联接的一部分的示例是相对于图5描述的带402、404、406。该带可用于图29的物理联接；然而，除了该带之外或代替该带，还可以在图29的系统中使用用于物理联接的其他配置。

图29示出了安装在磁体附近以控制线圈1413、1414的定位的四个致动器—每个线圈两个致动器。就这一点而言，在一些实施方式中，致动器可以安装在磁体的部件上，并且在一些实施方式中，致动器可以安装在其他地方(例如壳体)，但是具有到线圈的物理联接。尽管在图29中示出了四个致动器，但是可以使用任何适当数量的致动器。例如，可能只有一个致动器，或者可能有两个或多个致动器。在一些实施方式中，如下所述，在磁体的每一侧可以有四个致动器。例如，如本文所述，可以有八个对称布置的致动器—在磁体壳体的每一侧有四个。就这一点而言，在一些实施方式中，致动器可以相对于磁体对称布置，以均匀地平衡每个致动器上的负载和/或在确定如何定位线圈时提供更大的灵活性。在示例中，一个致动器可以位于每个磁极面上，两个致动器可以位于单个磁极面的相对侧等。所用的致动器的数量及其位置可能取决于许多因素，比如负载(磁体)的大小、预期的运动方向等。在操作中，致动器中的任何一个、两个或更多个可以是可控制的以协同作用来移动线圈，以便校正不希望的线圈位移。

在一些实施方式中，磁体包括支撑结构以保持线圈1413、1414。这种支撑结构的示例是或包括反向绕线架，比如图16和24所示的那些；然而，可以使用其他类型的支撑结构。在该示例中，到线圈1413、1414的物理联接可包括支撑结构/反向绕线架、一个或多个构件比如图5的带以及致动器1420a至1420d。在一些实施方式中，到每个线圈的物理联接可以包括支撑结构/反向绕线架和致动器，但是不包括带。在一些实施方式中，到每个线圈的物理联接可以包括带和致动器，但是不包括支撑结构/反向绕线架。致动器1420a至1420d可单独地或两个或更多个组合地控制，以通过在各个箭头1425a至1425d的任一方向上施加力来移动线圈。并非所有致动器都需要操作来移动磁体线圈。例如，任何一个、两个或其他适当的子集可以施加力，而其他致动器保持不活动。如本文所述，可基于一个或多个传感器1424的输出来对致动器进行计算机控制，以校正由磁体的运动(例如旋转)引起的线圈相对于参考的位移。

图34和35示出了可在线圈定位系统中使用的致动器1460的示例。图34是致动器的透视图；图35A示出了致动器的侧视图；图35B示出了沿线A-A的图35A的致动器的剖视侧视图。如所解释的，致动器1460连接至到线圈(例如图29的线圈1413或1414)的物理联接(例如图29的1421a、1421b、1421c或1421d)并且是其一部分。这样，致动器1460是可控制的，以物理方式而不是通过诸如磁场控制的间接手段来重新定位一个或多个线圈。在该示例中，致动器1460包括主体1461和称为差动螺杆1462的高齿轮速比致动器，其包括在穿过该主体的轴中并且通过和相对于该轴移动。

在图34和35的示例中，致动器1460的主体1461可安装到磁体或磁体壳体。例如，主体和壳体可焊接在一起或以任何其他合适的方式配合。在一些实施方式中，壳体是或包括真空外壳，其将磁体保持在真空环境中。在类似的示例中，致动器和磁体壳体(真空外壳)之间的连接是气密的。

穿过壳体的孔(未示出)与差动螺杆1462基本对准，并且使致动器能够连接至到线圈的物理联接并因此成为其一部分。在该示例中，差动螺杆1462连接到构件，该构件连接到保持线圈的支撑结构。通过控制差动螺杆穿过主体1461中的轴的运动，到相应线圈的物理联接使得可以移动线圈并对其定位/重新定位。在该示例中，差动螺杆1462可沿箭头1463的方向移动，从而增加了在到线圈的物理联接上的张力，以实现线圈的运动。差动螺杆1462可沿箭头1464的方向运动，以释放在到线圈的物理联接上的张力，从而使线圈能够沿不同的方向运动(例如以允许另一致动器控制运动)。在一些实施方式中，差动螺杆1462可以沿方向或箭头1464有效地移动以推动线圈。

在差动螺杆1462向物理联接施加拉伸负载以移动线圈的示例中，致动器的主体1461受到压缩抵靠着其所安装的结构(例如真空外壳壳体)。更具体地，在示例操作中，差动螺杆1462沿方向1463移动，增加了物理联接上的张力(例如通过拉动图5的带或其他适当结构)，从而移动支撑结构(例如图16和24反向绕线架)并因此移动由此支撑的线圈。该拉动动作迫使致动器主体1461抵靠着壳体。因此，壳体通常由足以抵抗显著力而不损坏的金属或其他材料制成。电动机(未示出)可以包括在线圈定位致动器1460的主体内或连接至其，以驱动差动螺杆朝向和远离磁体的运动。电动机(未示出)配置为响应于来自嵌入式或外部处理装置的命令来驱动螺杆。尽管在图29中示出了四个致动器，但是可以使用任何适当数量的致动器来定位线圈，并且可以将这些致动器布置在壳体上的任何适当位置处。

线圈定位系统可以适当地结合到关于图1至28描述的示例粒子治疗系统中。图30至33和36至45还描绘了示例粒子治疗系统的部件，该系统可以包括线圈定位系统的实施方式。

可以包括线圈定位系统的粒子治疗系统的示例是质子或离子治疗系统。示例粒子治疗系统包括安装在可移动装置上的粒子加速器，在此示例中为同步回旋加速器。在一些示例中，可移动装置是台架，其使得加速器能够至少部分地并且在某些情况下完全地绕患者位置旋转，以允许来自同步回旋加速器的粒子束撞击患者中的任何任意目标。包括台架的任何合适装置都可以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在一个或多个轨道上，以能够相对于患者运动。在另一示例中，粒子加速器可以安装到一个或多个机械臂上，以使得能够相对于患者运动。旋转、平移和/或枢转运动中的任何一个或多个可能导致不希望的线圈运动，其可被线圈定位系统校正。

值得注意的是，粒子治疗系统不限于与台架一起使用、与旋转台架一起使用或与本文描述的示例台架配置一起使用。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。通常，超导体是一种元素或金属合金，当其冷却到阈值温度以下时损耗的电阻最多(如果不是全部的话)。结果，电流基本上不受阻碍地流过超导体。因此，与相同尺寸的普通电线相比，超导线圈能够在其超导状态下传导大得多的电流。由于超导线圈能够传导的高电流，采用超导线圈的磁体能够产生高磁场(B)用于粒子加速。此外，由于具有给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加于该带电粒子的磁场的增加成正比地减小，因此高磁场超导电磁结构能够使同步回旋加速器紧凑，例如相对较小和轻便。更具体地，所使用的磁场越高，粒子匝数半径可以越紧，从而允许在相对较小的体积内(即相对于较大的非超导同步回旋加速器)进行较大数量的匝数。结果，使用具有相对较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，其随着匝数的增加而增加。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，以从质子中心中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。由于紧密的匝数半径，紧凑的加速器可能容易受到磁场的微小误差的影响，该误差可能例如由于亚毫米线圈运动而产生。

作为示例，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)产生的最大磁场可以在4特斯拉(T)与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。在一些实施方式中，同步回旋加速器占据的体积小于4.5立方米。例如，同步回旋加速器可以占据从0.7立方米到4.5立方米的范围内的体积。在一些实施方式中，同步回旋加速器产生具有至少150MeV的能量水平的质子或离子束。例如，同步回旋加速器可以产生具有在150MeV至300MeV的范围内例如230MeV的输出能量水平的质子或离子束。同步回旋加速器的不同实施方式可能具有大小、体积和能量水平的不同值或值组合，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室中例如在质子中心中进行治疗。

图36示出了可以在粒子治疗系统中使用的示例超导同步回旋加速器的部件1480的横截面。例如，部件1480可以代替关于图1至28描述的系统中的相应部件。在该示例中，部件1480包括超导磁体1481。超导磁体包括超导线圈1482和1483。每个超导线圈1482和1483安装在反向绕线架1488、1489内，该反向绕线架是本文所述的支撑结构的类型。

超导线圈可以由例如缠绕在中心股线上的多个超导股线(例如四股线或六股线)形成，该中心股线本身可以是超导或非超导的(例如铜)。每个超导线圈1482、1483用于传导产生磁场(B)的电流。产生的磁场由磁轭1484、1485成形。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，例如约4开氏度(K)。磁轭1484、1485(或更小的磁极靴)限定了在其中粒子被加速的腔1486的形状。在一些实施方式中，磁垫片(未示出)可以穿过磁轭或极靴，以改变腔中磁场的形状和/或大小。低温恒温器中线圈位置的变化会影响场形状，进而影响最终的粒子束。

在该示例中，超导磁体包括一个或多个支撑结构，该支撑结构包括反向绕线架1488、1489，该反向绕线架包括线圈室以保持超导线圈1482、1483(同样参见图16和24)。每个线圈室保持预缠绕的超导线圈。在一些实施方式中，超导线圈不固定在反向绕线架内，而是简单地相对自由浮动地放置在相应的线圈室中。在超导磁体的操作期间，环力可导致超导线圈向外膨胀，从而迫使超导线圈抵靠着线圈室的外内壁。该环力可以在运动过程中将线圈保持在反向绕线架中的适当位置。然而，自由浮动的安装可使线圈在加速器旋转期间更容易受到不希望的运动。包括反向绕线架和超导线圈的组件是称为冷块的结构的一部分，因为该组件的至少一部分在运行期间保持在低温例如超导温度(4°K)。冷块可通过支撑带悬挂在真空外壳内。这些支撑带可以处于恒定的张力下，并且如本文所述，可以是线圈和作为线圈定位系统的一部分的线圈定位致动器之间的物理联接(其在一些实施方式中还可以包括反向绕线架)的一部分。

图36所示的磁体组件的其他特征包括提取通道1490和RF(射频)端口1491。提取通道1490是粒子束穿过的路径。RF端口1491是通过其将RF能量施加到加速腔的路径。在该示例中，图36的支撑带1492a至1492d可以是磁体组件的一部分，并且用于将冷块组件连接至真空外壳，如下面更详细地描述。

在一些实施方式中，磁体的操作特别容易受到相对于RF端口1491的径向方向的线圈运动。线圈相对于该方向的运动会影响线圈相对于再生器所产生的磁场，如下所述。

参考图37、38和39，超导磁体组件1444例如冷块被包在真空外壳1493中。图37以轮廓形式示出了包围超导磁体组件的真空外壳1493。图38示出了被切开以暴露出超导磁体组件的一部分的真空外壳1493。还示出了围绕组件1444的热屏蔽1497。真空外壳1493包括用于将频率扫掠的RF电压引入到加速腔中的RF端口1491以及用于输出粒子束的提取通道1490。磁轭1484、1485在图39中以轮廓形式示出，并且相对于图36进行了描述，它们包住图37和38的真空外壳1493。例如，可能存在将真空外壳保持在轭中的物理连接。在该示例中，包括冷块的超导磁体组件1444通过八个支撑带1492a、1492b、1492c、1492d、1492e、1492f、1492g和1492h安装到真空外壳，尽管可以使用任何适当数量的支撑带。本文描述了带的示例。

图40示出了这些带1492a至1492h，它们被连接以使冷块(例如1444)冷却。在这些示例中，存在八个支撑带1492a至1492h。并非所有带都可以在每个图36至39中看到。在这些示例中，组件的每一侧1498、1499有四个带。带处于恒定的向外张力下，以从真空外壳支撑冷块。有效地，冷块通过带悬挂在真空外壳内。在这种情况下，支撑带的示例向外张力(即远离冷块)在图40中由从冷块指向真空外壳的力矢量1500a至1500h表示。

尽管带处于张力下以拉动冷块，但在图37至40的示例中，带相对于真空外壳1493的外周边1501向内拉动冷块(参见图40)。通过保持带上的向内张力，例如通过沿箭头1500a至1500h的方向拉动带，带的包含可能不会显著增加加速器的整体尺寸。在其他实施方式中(未示出)，带可以相对于真空外壳的外周边1501向外拉动冷块。

如所描述的，可能有多个带(例如八个带)支撑单个冷块于单个真空外壳内。如下面更详细地描述，图34和35所示类型的线圈定位致动器可以连接到一个或多个带，并且可以用于控制带上的张力，以便相对于真空外壳移动冷块，从而移动磁体线圈。可以这样做来校正或补偿在加速器运动期间如在患者治疗期间可能发生的冷块且因此磁体线圈的不希望的运动。在一些实施方式中，真空外壳连接到轭并且在轭内部；相应地，冷块且因此磁体线圈的该运动也可以构成磁体线圈相对于轭的运动。

在一些实施方式中，图34和35所示类型的线圈定位致动器可以连接到图5所示类型的一个或多个带402、404、406，并且可以用于控制带上的张力以便移动冷块且因此磁体线圈，出于本文所述的原因。

在真空外壳内支撑冷块的多个带中的一些或全部可以具有与本文所述的构造不同的构造。例如，支撑带可包括单个元件，其用作冷块与真空外壳之间的物理联接。通常，可以使用任何适当的物理联接来支撑真空外壳内的冷块，并且可以与本文所述类型的线圈定位致动器一起使用。

图41示出了本文所述类型的粒子加速器1530(例如同步回旋加速器)的一部分。在该示例中，磁轭(例如是磁轭1484)容纳真空外壳。线圈定位致动器1460通过轭1484中的孔连接至连接到真空外壳的带(未示出)。线圈定位致动器可以是图34和35所示的类型。参见这些附图，在该示例中，差动螺杆1462穿过并进入带的结构。例如，带的结构具有内轴，该内轴是带螺纹的，并且该内轴接收并配合/连接到线圈定位致动器的差动螺杆。差动螺杆在带结构的轴内的运动导致带移动，这又使冷块移动，进而又使由冷块支撑的线圈移动。例如，差动螺杆在带结构的轴内的运动导致带或多或少变得张紧，这取决于差动螺杆如何被致动。

在这方面，带保持在张力下，以从真空外壳支撑冷块。差动螺杆可被致动(例如响应于来自处理装置的指令)以增加该张力，从而沿第一方向将线圈移动到期望位置。如果带已经通过差动螺杆处于增加的张力下，则差动螺杆可被致动以减小张力，从而促进或使线圈沿第二方向(例如其与第一方向相反)运动。值得注意的是，在该示例中，没有使用线圈定位致动器来将带中的张力减小到将冷块保持在真空外壳内所需的自然张力以下。可以控制任何一个、两个、三个或更多个线圈定位致动器以协同作用来将冷块且因此超导线圈定位到合适位置。例如，线圈定位致动器可以用于将线圈放置在其相对于某个参考的原始位置。

如所解释的，线圈定位致动器可以是计算机控制的，并且可以实时操作以渐进地校正线圈运动，或者可以在线圈运动之后操作以将线圈重新定位到适当位置以实现预期的磁场分布，例如到线圈的预定期望位置。图41示出了有线连接1531，以将控制信号传输到线圈定位致动器以控制线圈运动，如本文所述。可替代地，无线信号可以用于控制线圈定位致动器。

返回参考图36，在一些实施方式中，粒子加速器包括粒子源1487(例如潘宁离子计—PIG源)，以将离子化的等离子体柱提供给腔1486。PIG源可以是上述类型的。例如，将氢气或氢气和稀有气体的组合离子化以产生等离子体柱。电压源向腔1486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的脉冲。腔中的磁场成形为使粒子在腔内沿轨道运动。线圈定位系统可用于确保腔内的磁场对于所有加速器取向保持适当的形状。在一些实施方式中，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。示例同步回旋加速器采用旋转角均匀且强度随半径增加而下降的磁场。在一些实施方式中，不管磁场的大小如何，都可以实现这种磁场形状。

如上所述，在示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，当在加速腔内加速粒子时，RF电压扫过一定范围的频率，以解决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的形状使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道加速并且随着匝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(相对于图15、17和19至21对其示例进行了描述)位于腔外部附近(例如在其内边缘处)以调整腔内现有的磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道的位置(比如间距和角度)，从而最终将粒子输出到穿过低温恒温器的提取通道。再生器可以增加腔中的点处的磁场(例如它可以在腔的区域产生约2特斯拉左右的磁场“凸点”)，从而使该点处的每个连续粒子轨道朝着提取通道的入口点向外行进，直到粒子到达提取通道。提取通道从腔接收已经在腔内加速的粒子，并以脉冲粒子束的形式从腔输出接收到的粒子。提取通道可包含磁体和其他结构，以将粒子束引出粒子加速器并引向扫描或散射系统。本文所述的线圈定位系统可用于在磁体移动之后重新定位磁体和提取通道的其他结构。

在一些实施方式中，相对于再生器例如沿径向方向的线圈运动可能对加速器的操作具有特别有害的影响。例如，线圈朝向或远离再生器的运动可以改变在接近再生器的位置处的磁场的大小。磁场的这种变化可以影响在那些位置处的粒子轨道的形状，并且可以影响将那些轨道引导到提取通道所需要的所需磁场凸点。即，可以基于期望的磁场来校准再生器。然而，如果再生器处或其附近的磁场与预期的不同，则再生器产生的磁场可能不足或可能过强，这可能导致粒子无法如预期那样被引入提取通道。这些类型的误差可能导致输出粒子束具有错误的能量。本文所述的示例线圈定位系统可以与粒子治疗系统一起使用以校正加速器线圈的位移，包括但不限于校正加速线圈相对于再生器的位移。可以与线圈定位系统一起使用的再生器的示例在题为“磁场再生器”的美国专利公开号2014/0094640中描述，其内容通过引用合并于此。

如上所述，超导线圈(称为主线圈)可以产生相对较高的磁场。在示例实施方式中，由主线圈产生的最大磁场(例如在加速腔的中心处)可以在4T至20T或更多的范围内。例如，超导线圈可用于产生以下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、19.4、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或更高。此外，超导线圈可用于产生在4T至20T范围之外或在4T至20T范围之内但此处未具体列出的磁场。

在一些实施方式中，比如在图3、4和36所示的实施方式中，相对较大的铁磁磁轭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(未示出)围绕轭。返回轭和屏蔽共同作用以减小杂散磁场，从而减小了杂散磁场将不利地影响粒子加速器的操作的可能性。

在一些实施方式中，返回轭和屏蔽可以由主动返回系统代替或增强。示例主动返回系统包括一个或多个主动返回线圈，其沿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，每个超导主线圈都有主动返回线圈，例如两个主动返回线圈—每个主超导线圈各一个。每个主动返回线圈也可以是同心围绕相应主超导线圈外部的超导线圈。在题为“主动返回系统”的美国专利号8791656中描述了可以使用的主动返回系统的示例，其内容通过引用合并于此。

在主动返回系统中，电流沿与穿过主线圈的电流的方向相反的方向穿过主动返回线圈。因此，穿过主动返回线圈的电流产生的磁场的极性与主线圈产生的磁场的极性相反。结果，由主动返回线圈产生的磁场能够减少由相应主线圈产生的至少一些相对较强的杂散磁场。如果主动返回线圈在加速器运动期间意外移动，则由此产生的磁场可能无法有效地减小或消散主线圈产生的场。示例线圈定位系统可以与具有主动返回系统的粒子治疗系统一起使用，以校正主动返回线圈的位移。

在粒子加速器的提取通道的输出处或其附近，可能存在一个或多个束成形元件，比如扫描系统和/或散射系统。扫描系统和散射系统是束扩展器的示例。这些系统的部件可以安装在喷嘴上或以其他方式附接到喷嘴，以在治疗期间定位成相对靠近患者。然而，在一些实施方式中，可以将部件安装成更靠近加速器(例如在其上)或台架本身(例如在没有安装加速器的情况下安装到台架)。台架被称为外台架，因为一些实施方式包括内台架，内台架跟踪外台架的运动并且包括用于输送束的喷嘴。

参照图42，在示例实施方式中，在同步回旋加速器1541(其可以具有如本文所述的配置—参见例如图3、4、36)的提取通道1540的输出处是示例扫描部件1542，其可以用来在整个或部分照射目标上扫描粒子束。图43还示出了图42的部件的示例。这些包括但不限于扫描磁体1544、离子室1545、能量降级器1546和可配置准直仪1548。

在示例操作中，扫描磁体1544在两个维度(例如笛卡尔XY维度)上是可控制的，以将粒子束定位在这两个维度上，并且使粒子束移动穿过照射目标的至少一部分(例如横截面)。离子室1545检测束的剂量并将该信息反馈回控制系统以调整束运动。能量降级器1546是可控制的，以使材料(例如一个或多个单独板)移入和移出粒子束的路径来改变粒子束的能量，从而改变粒子束将穿透照射目标的深度。可配置准直仪1548是可控制的，以在粒子束到达照射目标之前修整粒子束。

图44和45示出了示例扫描磁体1544的视图。在该示例实施方式中，扫描磁体1544包括：两个线圈1561，其控制粒子束在X方向上的运动；以及两个线圈1562，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从而改变由此产生的磁场来实现控制。通过适当地改变磁场，可以使粒子束在X方向和/或Y方向上移动穿过照射目标。在本文所述的治疗过程中，可以利用扫描磁体来控制粒子束的位置和/或方向。

在一些实施方式中，扫描磁体与粒子加速器一起旋转。在一些实施方式中，扫描磁体不能相对于粒子加速器物理地移动。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(例如除了由台架提供的运动之外)。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照射目标的至少一部分上并且可能在其全部上不间断地运动。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以定位粒子束，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运动。在一些实施方式中，扫描磁体1544可具有空气芯、铁磁(例如铁)芯或作为空气和铁磁材料的组合的芯。

在运动期间，扫描磁体经受与用于粒子加速的超导磁体相同的重力。即，扫描磁体的线圈可以移动，因此相对于它们的预期(预定)位置位移。本文描述的线圈定位系统可用于移动扫描磁体的线圈，以校正或补偿由于旋转导致的扫描磁体的不期望运动。例如，线圈定位系统可用于将线圈移动到其原始的预期位置，或移动到将实现预期的磁场分布的任何适当位置—其可能是或可能不是线圈的原始位置。

返回参考图42，电流传感器1547可以连接到扫描磁体1544或以其他方式与之相关。例如，电流传感器可以与扫描磁体通信但不连接。在一些实施方式中，电流传感器采样施加到磁体的电流，该电流可以包括到线圈的用于在X方向上控制束扫描的电流和/或到线圈的用于在Y方向上控制束扫描的电流。在操作期间，可以针对输送剂量的每个位置存储磁体电流的大小(例如值)以及该剂量的量(例如强度)。计算机系统(其可以在加速器上或远离加速器并且其可以包括存储器和一个或多个处理装置)可以将磁体电流与辐射目标内的坐标相关，并且可以将这些坐标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(其中深度方向层对应于Z坐标)来标识位置。在一些实施方式中，可以将磁体电流的大小和坐标位置以及在每个位置处的剂量一起存储。前述信息可以存储在加速器上或远离加速器的存储器中。如本文所述，可以在扫描期间使用该信息以将相同或不同量的多个剂量应用于相同位置以实现目标累积剂量，包括在相邻/顺序束场之间的重叠区域处。

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，粒子束自由移动并且不间断地穿过照射目标，从而基本上用辐射覆盖目标。当输送辐射时，由粒子治疗控制系统控制的剂量测定记录(例如存储)每个位置的辐射量以及与输送辐射所在的位置相对应的信息。可以将输送辐射所在的位置记录为坐标或者一个或多个磁体电流值，并且可以将输送的辐射量记录为灰色剂量。因为系统是开环运行的，所以辐射的输送与粒子加速器的操作(例如与其射频(RF)循环)不同步。可以用粒子束对目标上沉积剂量不足的位置进行任意适当次数的治疗，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(例如来自相同的投影/束场)或来自不同的束角(投影/束场)，如本文所述的案例强度调制质子疗法(IMPT)。

可配置准直仪1548可以位于扫描磁体的下束和能量降级器的下束，如图42和43所示。可配置准直仪可以在扫描期间粒子束的移动期间逐点地修整粒子束。例如，可配置准直仪可以包括彼此面对并且可移入和移出托架以形成孔径形状的叶片组。超过孔径形状的部分粒子束被阻挡，并且不会传递至患者。传递至患者的束的各部分至少部分地被准直，从而为束提供了相对精确的边缘。在示例中，可配置准直仪中的每组叶片是可控制的，以限定可移入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边缘的第二侧上的粒子束的第二部分不被多个叶片阻挡。在扫描过程中，每组中的叶片都是可单独控制的，以修整小至单个斑点的区域，也可用于修整较大的多斑点区域。

图30和31示出了粒子治疗系统1582的示例的一部分，该系统包括安装在台架上的粒子加速器(在该示例中为超导同步回旋加速器)，其可使用本文所述的线圈定位系统。在一些实施方式中，台架是钢的，并且具有两个腿部(未示出)，其安装成在位于患者相对侧的两个相应轴承上旋转。该台架可以是关于图1描述的类型。

在图30和31的实施方式中，将患者放置在治疗台1584上，该治疗台可通过臂1585控制。外台架(未示出)与内台架1580一起移动，该内台架定位喷嘴1581以治疗患者。喷嘴以及安装在其上的任何部件比如可配置准直仪将束配置用于输出。

图32示出了本文其他地方所描述的台架配置的示例，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实施治疗。图32的示例粒子治疗系统包括内台架1590，该内台架具有喷嘴1591、治疗卧榻1592以及粒子加速器1593(例如本文所述类型的同步回旋加速器)，其安装在外台架1594上，以至少部分地围绕患者旋转以将辐射输送至患者中的目标。治疗卧榻1592是可控制的并配置为以本文所述的方式旋转和平移患者。

在图32的示例中，粒子加速器也安装到外台架1594，也能够使粒子加速器沿着臂1596在箭头1595的方向上线性运动(例如平移运动)。因此，加速器可相对于治疗卧榻且因此患者从沿着手臂1596的第一位置移动到沿着手臂1596的第二位置，再到沿着手臂1596的第三位置等，以便定位加速器且因此束以进行治疗。该平移运动可以由本文所述的控制系统控制，并且用作在本文所述的粒子治疗系统中定位粒子束的附加自由度。尽管在图37中示出了单个维度平移运动(沿箭头1595)，但是粒子治疗系统可以配置为用于二维平移运动和/或以及用于三维平移运动(例如沿着笛卡尔坐标系的X、Y和Z方向)。

还如图32所示，粒子加速器1593可以连接到万向架1599，以相对于台架作枢转运动。该枢转运动可用于定位加速器且因此束以进行治疗。该枢转运动可以由本文所述的控制系统控制，并且可用作在本文所述的粒子治疗系统中定位粒子束的一个或多个附加自由度。在一些实施方式中，枢转可以使加速器在治疗期间从第一取向移动到第二取向、第三取向等。粒子加速器可以安装成能够相对于患者在一个、两个和/或三个维度上枢转。

通过图32的系统可实现的加速器运动的类型可导致磁体线圈位移。因此，本文所述的线圈定位系统可被并入图32的系统中，并用于移动磁体线圈以校正这种位移。

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台架(或其他装置)，代替加速器或除此之外，可以单独安装扫描或其他辐射导向磁体，并且可以相对于照射目标移动。本文所述的线圈定位系统可用于这样的实施方式中，以移动线圈来校正线圈位移。

参照图30、31和32，内台架可以配置为相对于治疗卧榻移动以将束的输出引向患者。在这些示例中，内台架为C形，其运动与安装有同步回旋加速器的外台架的运动一致。如所解释的，内台架包括喷嘴，在其上安装有一个或多个束线部件(例如能量降级器和可配置准直仪)以成形和以其他方式调整束。在一些实施方式中，内台架支持亚毫米束定位。在一些实施方式中，不存在内台架，并且本文中描述为安装在内台架上的所有部件都可以安装到加速器或外台架。

参照图33，本文描述的粒子治疗系统1551的控制可以包括但不限于对加速器运动的控制和对包括本文描述的致动器的线圈定位系统的操作的控制。这种控制可以由控制系统1550实现。控制系统1550可以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，类似于本文描述的系统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，例如可以将控制器或其他类型的处理装置嵌入每个可控装置或系统中。中央计算机可以协调各种控制器或其他类型的处理装置之间的操作。中央计算机、控制器和/或处理装置可以执行各种软件例程，以实现对测试、校准和粒子疗法的控制和协调。

可使用一个或多个计算机程序产品，例如一个或多个计算机程序，至少部分地(适当地)控制本文所述的示例粒子治疗系统的操作及其全部或某些部件的操作，所述计算机程序有形地体现在一个或多个非暂时性机器可读介质中，以由一个或多个数据处理设备(例如可编程处理器、计算机、多台计算机和/或可编程逻辑部件)执行或控制其操作。

计算机程序可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)编写，并且其可以以任何形式进行部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适用于计算环境的其他单元。可以将计算机程序部署为在一台计算机上或者在一个站点处或分布在多个站点处并通过网络互连的多台计算机上执行。

与实现本文描述的示例粒子治疗系统的全部或部分操作相关的动作可以由执行一个或多个计算机程序以执行本文描述的功能的一个或多个可编程处理器来执行。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。

例如，适于执行计算机程序的处理器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或随机访问存储区或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以及用于存储指令和数据的一个或多个存储区装置。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至其或者这两者，比如用于存储数据的大容量PCB，例如磁盘、磁光盘或光盘。适用于实施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，例如包括半导体存储区装置，例如EPROM、EEPROM和闪存存储区装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。

如本文中所使用的任何“电连接”可以暗示直接物理连接或者包括中间部件但仍允许电信号在所连接的部件之间流动的有线或无线连接。除非另有说明，否则涉及允许信号流动的电路的任何“连接”都是电连接，并且不一定是直接物理连接，无论是否使用单词“电”来修饰“连接”。

本文描述的不同实施方式的元件可以组合以形成上面未具体阐述的其他实施方式。可以将元件排除在这里描述的过程、系统、设备等之外，而不会不利地影响其操作。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。

在一些实施方式中，在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配置为通过改变在其中加速粒子束的磁场来改变输出粒子束的能量。关于图25至28描述了可以使用的可变能量同步回旋加速器的示例。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，所有组线圈都是超导的。在一些实施方式中，一些组线圈比如用于固定电流的那组线圈是超导的，而其他组线圈比如用于可变电流的一组或多组线圈是非超导(例如铜)线圈。本文所述的线圈定位系统(包括线圈定位致动器)可用于移动接收固定电流的线圈和接收可变电流的线圈。可在示例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“产生具有可变能量的带电粒子的粒子加速器”的美国专利公开号2014/0371511中描述，其内容通过引用合并于此。

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以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描述的同步回旋加速器。尽管已经描述了旋转台架(例如外台架)，但是本文描述的示例粒子治疗系统不限于与旋转台架一起使用。相反，可以将粒子加速器适当地安装在任何类型的机械或其他可控机构上(在本文中也以台架的类型为特征)，以实现粒子加速器的运动。例如，粒子加速器和/或束扩展器可以安装在一个或多个机械臂上，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。本文所述的线圈定位系统(包括线圈定位致动器)可以在适当的情况下用于移动这些其他示例粒子加速器的线圈。

在一些实施方式中，如本文所述，粒子加速器本身可能不会相对于患者移动。例如，在一些实施方式中，粒子加速器可以是静止机器或至少不被安装成相对于患者运动。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。传输通道可包括用于控制其中包含的磁场的磁体等，以便将粒子束传输到一个或多个远程位置，比如一个或多个治疗室。在每个治疗室中，传输通道可以将束引导到如本文所述被安装成用于运动(例如安装到外台架或其他装置)的束扩展器或其他设备。示例束扩展器可以是或包括关于图44和45描述的类型的扫描磁体。本文所述的线圈定位系统(包括线圈定位致动器)可用于移动束扩展器的一个或多个线圈，以解决旋转期间不希望或意外的运动。例如，线圈定位系统可用于将线圈移动到其原始的预期位置，或移动到将实现预期的磁场分布的任何适当位置—其可能是或可能不是线圈的原始位置。在一些实施方式中，线圈可以移动到其预期(例如预定)位置，从而减少源于扩展器的治疗错误的机会。

在一些实施方式中，除了磁体运动以外的因素可能导致意外或不期望的磁场分布。例如，温度可能会影响通过磁体的电流的电导率，这可能会影响磁体产生的磁场分布。例如，环境湿度可能会影响通过磁体的电流的电导率，这可能会影响磁体产生的磁场分布。例如，环境中存在的气体可能会影响通过磁体的电流的电导率，这可能会影响磁体产生的磁场分布。本文描述的线圈定位系统可用于补偿(例如校正)由诸如此类因素单独或与由线圈运动导致的意外或不期望的磁场组合所导致的意外或不期望的磁场分布。即，线圈定位系统可以如本文所述地移动磁体线圈，使得线圈产生期望的磁场分布或在这种情况下尽可能地或以可接受程度至少接近期望的磁场分布。线圈定位系统可以如本文所述地操作以感测磁场分布并适当地移动线圈。其他传感器比如温度、湿度和气体传感器可以通知磁场分布的确定(例如通过处理装置)。

在题为“带电粒子放射疗法”的美国专利号7728311中描述了可以在其中实现本文所述的线圈定位系统的粒子治疗系统的示例实施方式，其内容通过引用合并于此。通过引用合并的内容包括但不限于在美国专利号772831中找到的同步回旋加速器和保持同步回旋加速器的台架系统的描述。

本文未具体描述的其他实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (49)

1.一种线圈定位系统，包括：

磁体，其包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场，该磁场影响至目标的辐射输出；和

一个或多个致动器，所述一个或多个致动器中的致动器是到所述一个或多个线圈的物理联接的至少一部分，所述致动器是可控制的，以基于所述磁体的运动经由所述物理联接来移动所述一个或多个线圈；

所述磁体包括支撑结构，以保持所述一个或多个线圈；并且

其中，所述物理联接包括所述支撑结构，所述致动器配置成通过移动支撑结构来移动一个或多个线圈；

所述线圈定位系统还包括围绕所述磁体的真空外壳；

其中，所述物理联接包括连接在所述致动器和支撑结构之间的带；

所述致动器连接到所述真空外壳和带，致动器配置成增加带上的张力以移动一个或多个线圈。

2.根据权利要求1所述的线圈定位系统，还包括：

壳体，其至少部分地包围所述磁体；

其中，所述磁体的运动导致所述一个或多个线圈在第一方向上相对于所述壳体运动；并且

其中，所述一个或多个致动器是可控制的，以响应于一个或多个线圈在第一方向上的运动而使一个或多个线圈在与第一方向基本相反的第二方向上相对于壳体移动。

3.根据权利要求1所述的线圈定位系统，还包括：

壳体，其与所述磁体接界；

其中，所述磁体的运动导致所述一个或多个线圈相对于所述壳体运动；并且

其中，所述一个或多个致动器是可控制的，以使一个或多个线圈相对于壳体运动，以至少部分地补偿由磁体的运动引起的一个或多个线圈相对于壳体的运动。

4.根据权利要求1所述的线圈定位系统，还包括：

壳体，其保持所述磁体；

其中，所述磁体从第一取向移动到第二取向，磁体的运动导致所述一个或多个线圈从相对于处于第一取向的壳体的第一位置移动到相对于处于第二取向的壳体的第二位置；并且

其中，所述一个或多个致动器是可控制的，以移动一个或多个线圈，使得当壳体处于第二取向时，一个或多个线圈处于相对于壳体的第一位置。

5.根据权利要求1所述的线圈定位系统，其中，所述致动器包括连接至所述带的差动螺杆，并且所述致动器包括被连接以驱动所述差动螺杆来增加带上的张力的电动机。

6.根据权利要求1所述的线圈定位系统，其中，所述致动器是可控制的，以基于所述磁体的运动经由所述物理联接来移动所述一个或多个线圈，从而实现目标磁场分布。

7.根据权利要求1所述的线圈定位系统，其中，所述磁体是超导磁体；并且

其中，所述系统还包括低温恒温器，以将所述一个或多个线圈保持在使一个或多个线圈能够具有超导性的温度下，所述低温恒温器包括所述支撑结构。

8.根据权利要求1所述的线圈定位系统，其中，所述一个或多个致动器包括一组致动器，所述组中的每个致动器是到所述一个或多个线圈的单独物理联接的至少一部分，所述组中的每个致动器是可控制的，以基于所述磁体的运动经由相应的物理联接来移动一个或多个线圈。

9.根据权利要求8所述的线圈定位系统，还包括：

外壳，其容纳所述磁体；

其中，所述一组致动器安装在所述外壳的外周边内，每个致动器配置成朝向所述外周边的内部至少部分地向内拉动所述一个或多个线圈。

10.根据权利要求8所述的线圈定位系统，还包括：

外壳，其容纳所述磁体；

其中，所述一组致动器中的每个致动器配置成相对于所述外壳的外周边至少部分地向外拉动所述一个或多个线圈。

11.根据权利要求8所述的线圈定位系统，还包括：

外壳，其容纳所述磁体；

其中，所述一组致动器以对称布置安装在所述外壳上，并且是可控制的以协同作用。

12.根据权利要求1所述的线圈定位系统，还包括：

外壳，其至少部分地包围所述磁体；

其中，所述系统包括：

一个或多个传感器，以检测所述一个或多个线圈相对于所述外壳的运动，所述致动器基于检测到一个或多个线圈相对于外壳的运动来控制。

13.根据权利要求12所述的线圈定位系统，其中，所述一个或多个传感器包括安装至所述外壳的一个或多个磁场传感器，所述一个或多个磁场传感器配置为检测由一个或多个线圈相对于一个或多个磁场传感器产生的磁场的变化，检测到的磁场变化指示一个或多个线圈相对于外壳的运动。

14.根据权利要求12所述的线圈定位系统，其中，所述一个或多个传感器包括安装到所述外壳的一个或多个位移传感器，以基于所述一个或多个线圈的位置获得测量；并且

其中，所述系统包括一个或多个处理装置，以基于所述测量确定一个或多个线圈的运动。

15.根据权利要求1所述的线圈定位系统，还包括：

粒子加速器，所述磁体是所述粒子加速器的一部分，所述粒子加速器配置成用于运动，其中，由于所述磁体是所述粒子加速器的一部分，所述磁体配置成用于运动。

16.根据权利要求15所述的线圈定位系统，其中，所述粒子加速器是同步回旋加速器，所述磁体是超导磁体，并且所述系统还包括：

台架，在其上安装有所述粒子加速器，以产生粒子加速器及磁体的运动。

17.根据权利要求1所述的线圈定位系统，其中，所述辐射包括粒子束，并且其中，所述一个或多个线圈中的电流是可控制的，以在施加至照射目标之前影响所述粒子束。

18.根据权利要求17所述的线圈定位系统，其中，所述电流是可控制的，以将所述粒子束引导至所述照射目标中的一个或多个点。

19.根据权利要求17所述的线圈定位系统，其中，所述电流是可控制的，以在输出到所述照射目标之前聚焦所述粒子束。

20.一种粒子治疗系统，包括：

磁体，其包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场，该磁场影响粒子束的输出；

壳体，以保持所述磁体；

安装座，所述壳体连接到该安装座，以使壳体能够运动，该运动引起所述一个或多个线圈相对于壳体的位移；以及

一个或多个致动器，其是到一个或多个线圈的物理联接的一部分，所述一个或多个致动器是可控制的，以经由所述物理联接使一个或多个线圈相对于壳体运动来至少部分地校正所述位移；

所述磁体包括支撑结构，以支撑所述一个或多个线圈；并且

其中，所述物理联接包括所述支撑结构，所述一个或多个致动器配置为通过物理地移动支撑结构来移动线圈；

对于所述一个或多个致动器中的致动器，物理联接包括连接在所述致动器和支撑结构之间的带；并且

其中，所述致动器连接到所述壳体以及带，所述致动器配置成增加带上的张力以移动一个或多个线圈。

21.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述致动器中的两个或更多个是可控制的，以协同作用来移动所述一个或多个线圈。

22.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述位移沿第一方向发生，并且所述一个或多个致动器是可控制的，以使所述一个或多个线圈在与第一方向基本相反的第二方向上移动。

23.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个致动器是可控制的，以在所述壳体的运动期间实时地移动所述一个或多个线圈。

24.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个致动器是可控制的，以跟随引起所述位移的壳体的运动来移动一个或多个线圈。

25.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述致动器包括连接至所述带的差动螺杆，并且所述致动器包括被连接以驱动所述差动螺杆来增加带上的张力的电动机。

26.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个致动器是可控制的，以基于所述磁体的运动经由所述物理联接来移动所述一个或多个线圈，从而实现目标磁场分布。

27.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述磁体是超导磁体；并且

其中，所述系统还包括低温恒温器，以将所述一个或多个线圈保持在使一个或多个线圈能够具有超导性的温度下，所述低温恒温器包括所述支撑结构。

28.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个致动器包括一组致动器，所述组中的每个致动器是到所述一个或多个线圈的单独物理联接的至少一部分，所述组中的每个致动器是可控制的，以经由相应的物理联接来移动一个或多个线圈。

29.根据权利要求28所述的粒子治疗系统，其中，所述一组致动器安装在所述壳体的外周边内，每个致动器配置成朝向所述外周边的内部至少部分地向内拉动所述一个或多个线圈。

30.根据权利要求28所述的粒子治疗系统，其中，所述一组致动器中的每个致动器配置成相对于所述壳体的外周边至少部分地向外拉动所述一个或多个线圈。

31.根据权利要求28所述的粒子治疗系统，其中，所述一组致动器以对称布置安装在所述壳体上，并且是可控制的以协同作用。

32.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，还包括：

一个或多个传感器，以检测所述一个或多个线圈相对于所述壳体的运动，所述一个或多个致动器基于检测到一个或多个线圈相对于壳体的运动来控制。

33.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个传感器包括安装至所述壳体的一个或多个磁场传感器，所述一个或多个磁场传感器配置为检测由一个或多个线圈相对于一个或多个磁场传感器产生的磁场的变化，检测到的磁场变化指示一个或多个线圈相对于壳体的运动。

34.根据权利要求32所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个传感器包括安装到所述壳体的一个或多个位移传感器，以基于所述一个或多个线圈的位置获得测量；并且

其中，所述系统包括一个或多个处理装置，以基于所述测量确定一个或多个线圈的运动。

35.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，还包括：

粒子加速器，所述磁体是所述粒子加速器的一部分，所述粒子加速器配置成用于至少部分地旋转的运动，其中，由于所述磁体和壳体是所述粒子加速器的一部分，所述磁体和壳体配置成用于运动。

36.根据权利要求35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，所述磁体是超导磁体，并且所述安装座包括可旋转台架，在其上安装有所述粒子加速器。

37.根据权利要求20所述的粒子治疗系统，其中，所述一个或多个线圈中的电流是可控制的，以在施加至照射目标之前影响所述粒子束。

38.根据权利要求37所述的粒子治疗系统，其中，所述电流是可控制的，以将所述粒子束引导至所述照射目标中的一个或多个点。

39.根据权利要求37所述的粒子治疗系统，其中，所述电流是可控制的，以在输出到所述照射目标之前聚焦所述粒子束。

40.一种线圈定位系统，包括：

用于旋转磁体的装置，该磁体包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场，其中，所述磁体的运动引起所述一个或多个线圈远离预定位置的位移；和

用于物理地移动一个或多个线圈的装置，使得跟随磁体的运动，一个或多个线圈处于预定位置；

壳体，以保持所述磁体；

所述磁体包括支撑结构，以支撑所述一个或多个线圈；并且

其中，物理联接包括所述支撑结构，一个或多个致动器配置为通过物理地移动支撑结构来移动线圈；

对于所述一个或多个致动器中的致动器，物理联接包括连接在所述致动器和支撑结构之间的带；并且

其中，所述致动器连接到所述壳体以及带，所述致动器配置成增加带上的张力以移动一个或多个线圈。

41.一种线圈定位系统包括：

磁体，其包括一个或多个线圈以传导电流来产生磁场；和

一个或多个致动器，所述一个或多个致动器中的致动器是到所述一个或多个线圈的物理联接的至少一部分，所述致动器是可控制的，以经由所述物理联接来移动所述一个或多个线圈以达到磁场的目标分布；

壳体，以保持所述磁体；

所述磁体包括支撑结构，以支撑所述一个或多个线圈；并且

其中，物理联接包括所述支撑结构，一个或多个致动器配置为通过物理地移动支撑结构来移动线圈；

对于所述一个或多个致动器中的致动器，物理联接包括连接在所述致动器和支撑结构之间的带；并且

其中，所述致动器连接到所述壳体以及带，所述致动器配置成增加带上的张力以移动一个或多个线圈。

42.根据权利要求41所述的线圈定位系统，还包括：

一个或多个传感器，以检测所述一个或多个线圈相对于参考的运动，所述致动器可基于检测到一个或多个线圈相对于外壳的运动来控制。

43.根据权利要求42所述的线圈定位系统，其中，所述一个或多个传感器包括一个或多个磁场传感器，所述一个或多个磁场传感器配置为检测由一个或多个线圈相对于一个或多个磁场传感器产生的磁场的变化，检测到的磁场变化指示一个或多个线圈的运动。

44.根据权利要求42所述的线圈定位系统，其中，所述一个或多个传感器包括一个或多个位移传感器，以基于所述一个或多个线圈的位置来获得测量；并且

其中，所述系统包括一个或多个处理装置，以基于所述测量来确定一个或多个线圈的运动。

45.根据权利要求41所述的线圈定位系统，还包括：

粒子加速器，所述磁体是所述粒子加速器的一部分，所述粒子加速器配置成用于运动，其中，由于所述磁体是所述粒子加速器的一部分，所述磁体配置成用于运动。

46.根据权利要求45所述的线圈定位系统，其中，所述粒子加速器是同步回旋加速器，所述磁体是超导磁体，并且所述系统还包括：

台架，在其上安装有所述粒子加速器，以产生粒子加速器及磁体的运动。

47.根据权利要求45所述的线圈定位系统，其中，所述磁体配置成使所述粒子加速器的腔中的粒子加速以产生粒子束。

48.根据权利要求45所述的线圈定位系统，其中，所述磁体配置为在从所述粒子加速器提取粒子束期间聚焦粒子。

49.根据权利要求45所述的线圈定位系统，其中，所述磁体配置为控制从所述粒子加速器输出的粒子束相对于所述粒子束的目标的运动。

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