CN116761655A - 用于中子束生成的目标表面上的离子束路径 - Google Patents

用于中子束生成的目标表面上的离子束路径 Download PDF

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Abstract

系统、设备和方法的实施例涉及选择用于跨目标上扫描质子束的光栅轮廓。基于品质因数的值从多个多个可能光栅轮廓当中选择光栅轮廓。跨目标表面上引导射束以形成图案，该图案在不同的径向取向上重复一次或多次以形成扫描轮廓。在根据扫描轮廓跨目标表面上扫描射束的同时，监测目标温度。扫描参数是可变的，以避免目标损坏，改进热性能和优化粒子负荷。

Description

用于中子束生成的目标表面上的离子束路径
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年8月26日提交的美国临时申请第63/070，789号的权益，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的主题总地涉及用于确定和引导目标表面上的离子束路径的系统、设备和方法，并且更具体地，涉及确定和引导目标表面上的离子束路径以用于中子束生成。
背景技术
硼中子俘获疗法(BNCT)是多种类型的癌症(包括一些最困难的类型)的治疗疗法。BNCT是一种使用硼化合物选择性瞄准以治疗肿瘤细胞同时放过正常细胞的技术。硼化合物允许多种细胞类型的高效摄取和在目标位点(诸如肿瘤细胞)处的选择性药物累积。可以用中子(例如，以中子束的形式)照射含硼的细胞。中子与硼反应，以消灭肿瘤细胞。
用于BNCT的中子束可以通过用离子束(诸如质子束)照射合适的目标来生成。离子与目标中的原子核反应，以发射出一束可以用于BNCT的中子。将目标暴露给离子束达延长时段可能导致目标和所得中子束的退化。目标可以被替换，但是可能是昂贵的，并且导致系统停机时间。因此，存在改进的质子束输送的需要，以将目标的功能性延长到温度极限以下，并减少系统停机时间。
发明内容
本文描述的系统、设备和方法的示例实施例涉及选择用于跨目标表面上扫描离子束(例如，质子束)的轮廓。在一些实现中，跨目标表面上的射束路径形成第一图案。该图案——也称为基本图案或循环——从图案的第一实例开始在不同的径向取向上重复一次或多次，以形成扫描轮廓。这里，“径向”取向指代圆柱坐标系中的方位角方向，或者替代地圆周方向。实施例包括彼此径向偏移的第一射束图案的至少两个实例。射束图案的各种实例可以偏移恒定的量，使得扫描轮廓包括以规则的径向间隔针摆的图案实例。除了其他优点之外，实施例基于被配置为改进热性能和粒子负荷的计算建模。例如，计算建模可以允许选择改进目标上粒子负荷均匀性的射束扫描(或光栅)轮廓，和/或可以允许选择降低(例如，最小化)目标峰值瞬时温度的扫描轮廓。计算模型指示几个射束参数(诸如射束的大小和形状)对目标的热效应。计算模型可以包括涵盖目标的网格空间。网格由三维栅格组成，其中对目标上的热负荷进行建模。温度值是通过在栅格的每个“像素”(元素)处求解一维热量传输方程而获得的。考虑到像素之间的串扰或像素之间的横向热量传导被假设为可忽略不计，一维热量传输方程被求解用于通过像素深度的热传输。用于求解一维热量传输微分方程的数值方法包括有限元和有限差分方法。对于有限元和有限差分技术中的任何一种，目标在平面图中被表示为栅格的一部分。栅格在每个维度上可以具有相同的晶胞大小，或者每个维度上的大小可以不同。可以选择分辨率来提供对不同大小和结构的射束建模的能力，以符合所研究的系统的物理能力。该计算模型使得能够选择扫描轮廓，该扫描轮廓限定质子束的路径，该路径在目标的单个位置接续暴露给质子束之间具有超过阈值时段的最小延迟。所选轮廓可以基于包括多个波瓣的次摆线形状来限定路径。计算模型使得能够选择在次摆线形状的不同波瓣之间具有变化的质子束角频率的轮廓。计算模型使得能够选择跨目标表面上具有变化的质子束角速度的轮廓。计算模型使得能够选择跨目标表面上具有变化的质子束线速度的扫描轮廓。
在一个方面，该文档描述了一种沿着第一路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，并且沿着第二路径跨目标的可扫描表面上扫描射束的方法，其中第一路径在第一径向取向上形成第一图案，并且第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上大体上形成第一图案。当沿着第一和第二路径扫描时，射束可以是脉冲式的。射束在沿着第一和第二路径扫描时连续传播。在第一图案中，射束从可扫描表面的内部区域移动到外部区域，并回到内部区域。在第一图案中，射束从可扫描表面的外部区域移动到内部区域，并回到外部区域。第一图案可以包括螺旋和螺旋的镜像。第一图案具有第一半和第二半，其中第一半和第二半是对称的。第一图案可以是连续弯曲的。第一图案具有开始位置和停止位置，其中开始位置可以在停止位置处或其附近。第一径向取向与第二径向取向相差180度。该操作可以进一步包括：沿着第三路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第三路径在不同于第一和第二径向取向的第三径向取向上形成第一图案。第一、第二和第三径向取向相差120度。操作可以进一步包括：沿着第四路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第四路径在不同于第一、第二和第三径向取向的第四径向取向上形成第一图案。第一、第二、第三和第四径向取向相差90度。操作可以进一步包括：沿着第五路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第五路径在不同于第一、第二、第三和第四径向取向的第五径向取向上形成第一图案。第一、第二、第三、第四和第五径向取向相差72度。第一路径对应于循环的第一实例，并且第二路径对应于循环的第二实例。在一些实现中，对循环的第一实例和循环的第二实例的扫描形成闭环。该射束可以是质子束。可扫描表面可以是锂或铍表面。目标在被扫描时生成中子。射束具有圆形横截面轮廓。射束具有椭圆形横截面轮廓。射束具有环形横截面轮廓。射束具有中空的横截面轮廓。操作执行硼中子俘获疗法(BNCT)。射束可以由射束系统生成，该射束系统包括：离子源、与离子源耦合的第一束线、与第一束线耦合的串列加速器、与串列加速器耦合的第二束线以及与第二束线耦合的目标。图案将可扫描表面的大部分暴露给射束。第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第一图案。
在另一个方面，该文档描述了一种操作射束的方法，包括：沿着第一路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，以及沿着第二路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第一路径在第一径向取向上形成第一图案，并且第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第二图案，其中第一和第二图案大体上相同，但是径向取向不同。第一和第二图案是相同的，但是径向取向不同。
在另一方面，本文档描述了一种射束系统，包括：包括与存储器通信耦合的处理器的计算设备，其中存储器存储多个指令，当由处理器执行时，所述多个指令使得处理器：控制射束沿着第一路径跨目标的可扫描表面上的移动，以及控制射束沿着第二路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第一路径可以包括在第一径向取向上的第一图案，并且第二路径可以大体上包括在不同于第一径向取向的第二径向取向上的第一图案。第一路径在第一图案中从可扫描表面的内部区域横穿到外部区域，并回到内部区域。第一路径在第一图案中从可扫描表面的外部区域横穿到内部区域，并回到外部区域。第一图案可以包括螺旋和螺旋的镜像。第一图案可以包括第一半和第二半，其中第一半和第二半是对称的。第一图案可以是连续弯曲的。第一图案可以包括开始位置和停止位置，其中开始位置可以在停止位置处或其附近。第一径向取向与第二径向取向相差180度。当由处理器执行时，所述多个指令进一步使得处理器：控制射束沿着第三路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第三路径可以包括在不同于第一和第二径向取向的第三径向取向上的第一图案。第一、第二和第三径向取向相差120度。当由处理器执行时，所述多个指令进一步使得处理器：控制射束沿着第四路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第四路径可以包括在不同于第一、第二和第三径向取向的第四径向取向上的第一图案。第一、第二、第三和第四径向取向相差90度。当由处理器执行时，该系统多个指令进一步使得处理器：控制射束沿着第五路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第五路径可以包括在不同于第一、第二、第三和第四径向取向的第五径向取向上的第一图案。第一、第二、第三、第四和第五径向取向相差72度。当由处理器执行时，所述多个指令进一步使得处理器：控制射束沿着第六路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第六路径可以包括在不同于第一、第二、第三、第四和第五径向取向的第六径向取向上的第一图案。第一、第二、第三、第四、第五和第六径向取向相差60度。射束可以是质子束。可扫描表面可以是锂层或铍层的表面。目标在被扫描时生成中子。射束可以包括圆形轮廓。射束可以包括椭圆形轮廓。射束可以包括环形轮廓。射束可以包括中空轮廓。操作在硼中子俘获疗法(BNCT)中执行。射束可以由射束系统生成，该射束系统包括：离子源、与离子源耦合的第一束线、与第一束线耦合的串列加速器、与串列加速器耦合的第二束线以及与第二束线耦合的目标。第一图案将可扫描表面的大部分暴露给射束。第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第一图案。
在另一个方面，该文档描述了一种用于选择跨目标上扫描质子束的光栅轮廓的计算机实现的方法，所述方法包括：使用计算机处理系统建立用于跨目标上扫描质子束的多个可能光栅轮廓，所述多个可能光栅轮廓中的每一个包括一个或多个射束参数，所述一个或多个射束参数中的每一个表征质子束的属性，以及表征质子束跨目标上的路径的一个或多个路径参数；使用计算机处理系统建立表征目标的一个或多个目标参数；使用计算机处理系统计算每个可能的射束光栅轮廓的品质因数的值，其中品质因数可以基于对应的可能光栅轮廓的质子束对目标的热负荷；使用计算机处理系统，基于品质因数的值从多个多个可能光栅轮廓当中选择光栅轮廓；以及根据所选光栅轮廓跨目标上引导质子束。计算品质因数的值可以包括，对于每个可能光栅轮廓，基于对应光栅轮廓的每个离散部分处的热负荷和质子通量之间的线性关系，计算目标的多个离散部分中的每个处的热负荷。每个离散部分对应于质子束路径中的目标表面区域，该区域可以小于质子束的尺寸。可以基于远离质子束可以入射在其上的目标表面通过目标深度的热量转移来计算每个离散部分处的热负荷。品质因数可以从由以下各项组成的组中选择：目标的峰值温度、目标的温度改变、目标的平均温度和目标的使用效率。所述一个或多个射束参数从由以下各项组成的组中选择：射束尺寸、射束形状和射束结构。射束尺寸可以在从10mm至30mm的范围内。射束形状可以是圆形或椭圆形。射束的结构可以是圆形或环形的。一个或多个路径参数可以从由以下各项组成的组中选择：与质子束路径相关联的频率、质子束跨目标表面上的线速度、质子束路径的超级循环中的径向扫描层数、以及质子束路径的超级循环数。一个或多个目标参数从由以下各项组成的组中选择：目标表面积、目标厚度和目标成分。目标可以包括锂层或铍层。目标可以包括支撑锂层或铍层的金属层。选择可以包括向质子束的操作者呈现可能光栅轮廓的列表，并且经由计算机系统接收操作者从列表中的选择。操作可以进一步包括测量目标的一个或多个属性，并基于测量的目标属性选择光栅轮廓。目标的一个或多个属性包括目标上一个或多个位置处的目标温度。操作可以进一步包括测量射束的一个或多个属性，并基于测量的射束属性选择光栅轮廓。从目标的上游测量射束的一个或多个属性。所选光栅轮廓限定质子束的路径，所述路径在目标的单个位置接续暴露给质子束之间具有超过阈值时段的最小延迟。所选光栅轮廓基于次摆线形状限定路径。次摆线形状可以包括多个波瓣。质子束的角频率因次摆线形状的不同波瓣而异。所选光栅轮廓可以包括质子束跨目标表面上的变化角速度。所选光栅轮廓可以包括质子束跨目标表面上的变化线速度。
在另一个方面，该文档描述了一种计算机实现的方法，包括：在根据第一光栅轮廓跨目标表面上扫描质子束的同时监测目标的温度，以及基于所监测的温度，将扫描从第一光栅轮廓改变为第二光栅轮廓，其中第二光栅轮廓和第一光栅轮廓根据第一和第二光栅轮廓对目标的热负荷的计算机模型结果产生不同的目标加热轮廓。可以响应于质子束的人类操作者从多个光栅轮廓当中选择第二光栅轮廓来改变扫描。扫描可以根据反馈或前馈算法自动改变。可以在目标的多个离散位置处监测温度。可以通过获得目标的热图像来监测温度。
在另一个方面，该文档描述了一种操作射束的方法，包括在超级循环中跨目标的可扫描表面上扫描带电粒子束，其中超级循环可以包括多个循环，所述多个循环中的每个循环具有相同的形状和不同的方位角取向，其中所述多个循环级联在一起，使得带电粒子束的路径在闭环中横穿多个循环。所述多个循环可以包括彼此方位角偏移180度的两个循环。所述多个循环可以包括彼此方位角偏移120度的三个循环。所述多个循环可以包括彼此方位角偏移90度的四个循环。
在对以下各图和详细描述的研究后，本文所述主题的其他系统、设备、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是或将变得清楚。意图所有这样的附加系统、方法、特征和优点被包含在本描述中，在本文所述主题的范围内，并受所附权利要求的保护。在权利要求中没有明确记载那些特征的情况下，示例实施例的特征决不应当被解释为限制所附权利要求。
附图说明
通过研究附图，本文阐述的主题的细节(关于其结构和操作两者)可以是清楚的，在附图中，相同的附图标记指代相同的部件。各图中的组件不一定是按比例的，相反把重点放在说明主题的原理上。此外，所有图示都意图传达概念，其中相对大小、形状和其他详细属性可以示意性地而不是字面上或精确地图示。
图1A是根据本公开的中子束系统的示例实施例的示意图。
图1B是用于硼中子俘获疗法(BNCT)的中子束系统的示例实施例的示意图。
图2A是目标的示例实施例的透视图。
图2B是沿着图2A的线2B-2B截取的横截面图。
图2C是目标的另一示例实施例的横截面图。
图3A是根据本主题的形成第一图案的射束路径的示例的示意图。
图3B-3C分别是具有椭圆形和圆形射束横截面轮廓的示例射束路径的示意图。
图4A-4G是具有在不同径向取向上重复的射束图案的多个实例的扫描轮廓的示例实施例。
图5A和5B是根据本公开的包括目标的计算机模型的示例。
图6A-6D是根据本公开的建模热图的示例。
图7A-7F是最近路径回避(RPA)图案的示例。
图8A和8B是模拟的边界温度和使用图的示例。
图9A-9J是根据本公开的实现的模拟结果的示例。
图10是描绘可以根据本公开的实现来执行的示例过程的流程图。
图11是可以根据本公开实现的示例系统。
图12是可以用于执行本公开的实现的示例计算机系统的示意图示。
各种附图中相同的参考符号指示相同的元件。
具体实施方式
在详细描述本主题之前，应理解，本公开不限于所描述的特定实施例，因为这些实施例当然可以变化。还应理解，本文使用的术语仅仅是为了描述特定实施例而不是为了限制的目的，因为本公开的范围将仅由所附权利要求来限定。
术语“粒子”在本文中广泛使用，并且除非另有限制，否则可以用于描述电子、质子(或H+离子)或中子，以及具有多于一个电子、质子和/或中子的物质(例如，其他离子、原子和分子)。
本文针对沿着射束系统(例如，包括粒子加速器)的目标表面的射束的射束路径，或者结合射束系统使用的射束路径，描述了系统、设备和方法的示例实施例。本文描述的实施例可以与任何类型的粒子加速器一起使用，或者用于任何涉及在指定能量下产生带电粒子束以供应给粒子加速器的粒子加速器应用中。本文的实施例可以用于许多应用中，其中的一个示例是作为用于生成在硼中子俘获疗法(BNCT)中使用的中子束的中子束系统。BNCT使用超热中子束(例如，能谱在3-30千电子伏内)用于癌症治疗。在一些实现中，超热中子(例如超热中子束)基于质子(例如质子束)与铍目标或锂目标的核反应而生成。
质子束可以由诸如串列加速器的粒子加速器生成。例如，串列加速器可以是静电加速器，其使用单个高电压端子对带电粒子采用两步加速。高电压可以用于生成电场，该电场被施加到带负电的离子的传入射束，以将其朝向加速器的中心加速。串列加速器的中心可以被配置为在电荷交换过程中将带负电的离子束转换成质子束。可以变化质子束的参数，诸如射束尺寸、射束形状和射束结构，以相对于目标的局部加热优化目标的使用。
为了易于描述，本文描述的许多实施例将在跨目标上扫描质子束以生成用于BNCT的中子束的上下文中进行，尽管实施例不限于此，并且可以应用于扫描其他带电粒子束、生成除中子束之外的射束以及在BNCT应用之外的使用。当跨目标表面上扫描质子束时，目标可以维持在固定的(不变的)位置中。替代地，当跨目标表面上扫描质子束时，可以移动(例如旋转)目标。本文描述了这两种方法。关于带电粒子束的扫描(光栅化)的实施例主要在固定目标的上下文中描述；然而，所有这样的实施例可以被配置用于目标正在移动的方法中。
图1A图示了根据本公开的用于BNCT的系统100的示例实施例的示意图。系统100包括配置为生成质子束104的射束系统102和被质子束104扫描以生成引导到患者108的中子束106的目标196。射束系统102包括带电粒子源122、低能束线(LEBL)190、加速器140和高能束线(HEBL)150。加速器140耦合到低能束线(LEBL)190，并被配置为加速带电粒子(质子)束。高能束线(HEBL)150从加速器140延伸到容纳目标196的目标组装件110，带电粒子束可以被引导到目标196上。LEBL 190被配置为将来自源122的射束传输到加速器140。加速器140被配置为加速射束。HEBL 150将射束104从加速器140的输出转移到目标196。在一些实现中，HEBL 150通过目标组装件110的目标室将射束104转移到目标196。射束104可以是负电荷粒子束或正电荷粒子束。目标196可以是将带电粒子束104转换成另一种类型的粒子束106(诸如中性束)的设备，可以是工件或带电粒子束被引导到其上以用于有用目的的其他主体，诸如患者108的照射目标。
图1B是图示了配置成用于BNCT的中子束系统的射束系统102的示例实施例的示意图。射束系统102包括形成LEBL的至少一部分的预加速器系统120，其中预加速器系统120用作带电粒子束注入器，耦合到预加速器系统120的高电压(HV)串列加速器140，以及从HV串列加速器140延伸到容纳中子产生目标196的中子目标组装件110的高能束线150，如参考图1A所述。射束系统102以及预加速器系统120也可以用于其他应用，诸如货物检查和应用，并且不限于BNCT。
预加速器系统120(本文也称为带电粒子束注入器或离子束注入器)可以被配置为将离子束从离子源122转移到HV串列加速器140的输入(例如，输入孔)。预加速器系统120可以包括离子源122(例如，负离子源)、涡轮分子泵124(例如，用于去除气体的离子源真空室)、预加速管126和泵室128。在一些实现中，射束源122可以包括负离子源。预加速器系统120可以被配置为提供射束粒子到HV串列加速器140所需的能量水平的加速，并提供负离子束的整体会聚，以匹配HV串列加速器140的输入孔或入口处的输入孔面积。预加速器系统120可以被配置为当回流从HV串列加速器140通过预加速器系统120传递时最小化或散焦回流，以便减少对离子源122的损坏和/或回流到达离子源122的灯丝的可能性。
HV串列如速器140由与其耦合的高电压电源142供电。HV串列加速器140包括真空罐、电荷交换目标、加速电极和高电压馈通。在一些实现中，HV串列加速器140可以利用能量使氢束加速以产生质子束，该能量一般等于施加到位于HV串列加速器140内的加速电极的电压的两倍。质子束的能量水平可以通过如下来实现：将负氢离子束从HV串列加速器140的输入加速到最内部的高电势电极，从每个离子中剥离两个电子，并且然后通过以相反顺序遇到的相同电压向下游加速所得质子。
高能束线150可以将质子束从HV串列加速器140的输出转移到中子目标组装件110中的中子生成目标196，中子目标组装件110位于延伸到患者治疗室中的束线的分支170的末端处。
射束系统102可以被配置为将质子束引导到一个或多个目标196和相关联的目标区域。在一些实现中，高能束线150包括多个(例如，三个)分支170、180和190，这些分支被配置为延伸到多个不同的患者治疗室。分支180和190可以包含类似于分支170的目标组装件。高能束线150包括泵室151、用于防止束散焦的四极磁体152和172、用于将射束操纵到一个或多个目标的偶极或弯曲磁体156和158、射束校正器153、诸如电流监测器154和176的诊断装置、快速射束位置监测器155部分以及扫描磁体174。
射束系统102可以采用一个或多个控制系统1101，一个或多个计算设备1102可以与控制系统1101通信，以便与射束系统102的系统和组件(例如，中子束系统102)相互作用。在一些实现中，计算设备1102被配置为执行计算模型，该计算模型使得能够选择光栅轮廓，如参考图5A和5B所描述的。计算设备1102被配置为接收用户输入，该用户输入包括对目标扫描过程的一个或多个参数的选择。参数可以限定光栅轮廓，包括射束路径、成形射束相对于目标的可扫描表面的取向、射束横截面轮廓和射束速度。参数可以限定目标特性，诸如目标196的旋转(例如，目标的角速度)。如本文使用的光栅路径并不意味着任何特定的射束路径(例如，诸如仅在正交方向上移动)。在一些实现中，计算设备1102被配置为接收由传感器121或热感相机123测量的实时信号，传感器121或热感相机123用于使用适应性扫描程序实时调整光栅轮廓，以避免目标196的局部过热(例如，保持局部温度低于180℃的锂熔化温度)。一个或多个热传感器121可以检测对应于目标的一部分的局部温度。热感相机123可以被配置为生成信号，该信号可以被处理以生成目标196的温度图。计算设备1102可以被配置为处理接收到的输入并生成一组扫描参数，该组扫描参数被传输到一个或多个控制系统1101以控制目标扫描过程。
高能束线150的设计取决于治疗设施的配置(例如，治疗设施的单层配置、治疗设施的双层配置等)。可以利用弯曲磁体156将射束输送到目标组装件110(例如，位于具有患者108的治疗室附近)。可以包括四极磁体172，然后将射束聚焦到目标处的特定大小。射束可以穿过一个或多个扫描磁体174，扫描磁体174以期望的图案(例如，螺旋、弯曲、成行和成列的阶梯、其组合等)提供射束到目标表面上的横向移动。射束横向移动可以使得能够在目标196上生成平滑且均匀的时间平均分布的质子束，从而防止目标196过热，并使粒子(例如中子)在目标层201(例如锂层)内尽可能均匀地生成。
扫描磁体174可以被配置为将射束引导到测量射束电流的电流监测器176。由电流监测器176测量的射束电流值可以用于操作安全联锁。目标组装件110可以利用闸门阀177与高能束线体积物理分离。闸门阀177的功能是在目标交换/装载期间将束线的真空体积与目标196分离。在一些实现中，射束不是被弯曲磁体156弯曲90度，而是可以被直接引导向右进入位于水平束线中的四极磁体152。取决于设置要求(例如，患者的位置或房间配置)，可以通过另一个弯曲磁体158将射束弯曲到预设角度。在一些实现中，弯曲磁体158可以被布置在束线中的裂口处，并且可以被配置为针对位于医疗设施的同一楼层上的两个不同治疗室在两个方向中的一个方向上引导射束。
图2A是目标196的透视图，并且图2B是目标196的横截面图，其图示了冷却通道。在该实施例中，目标196是具有大致圆形外部轮廓的盘形。目标196一般包括由衬底203支撑的一个或多个目标层201。衬底203的侧面包括冷却剂的通道204。可扫描表面210存在于目标层201上，它是可以被质子束扫描以产生中子的目标层201的表面。目标层201包括中子源层，诸如锂、铍或其他与质子束104相互作用以产生中子通量的合适材料的层。一个或多个目标层201的厚度和成分可以取决于质子束的属性和期望的中子通量而变化。例如，锂基目标层可以具有从大约10微米(μm)到大约400μm范围内的厚度。目标层201可以经由热接合粘附到衬底203。
衬底203可以包括一层或多层铜、铝、不锈钢、钛和/或钼。包括活性金属的目标层201可以与衬底203形成汞合金。目标196的特性(例如，层厚、成分和接合类型)与每目标表面特定水平的粒子剂量下起泡的开始相关联。
通道204可以用于在系统100的操作期间使冷却剂跨衬底203的背面循环，以便消散由衬底203中未参与反应的质子减速吸收动能所产生的热量。替代地或附加地，冷却剂可以作为与至少一部分衬底203接触的流体室来提供。例如，冷却剂通道可以形成为带帽的通孔，该通孔穿过衬底203并限定具有各种不同几何形状(例如，圆形或矩形横截面)和尺寸(例如，横截面直径范围从大约0.5毫米(mm)到大约3mm)的闭合流体通道。
目标196可以由支撑结构(例如，轴111或基座112)支撑。支撑结构可以被配置为将目标196维持在固定位置中，或者在包括名义上垂直于射束轴的垂直轴116的垂直平面中顺时针114或逆时针(CCW)旋转目标196。粒子束104可以根据可以随时间改变的特定图案(例如，螺旋、弯曲、成行和成列的阶梯、其组合等)被动态地引导到目标196。该图案可以以给定的频率重复。在一些实现中，目标196和射束104两者在操作期间都相对于射束轴移动，使得射束104可以依次接触可旋转目标196的节段，以形成扫描图案，如参考图3A-3C、4A-4G和7A-7F详细描述的。作为射束104与目标层201(例如，中子源层)相互作用的结果，生成射束106(例如，中子束)并将其引导到(例如，经由准直器或其他射束成形结构)患者108的治疗区域。
图2C是另一示例实施例的横截面图，其中目标196包括位于目标层201和目标衬底203之间的中间层202。中间层202可以减少由于射束的撞击而在目标196内起泡形成的可能性。中间层202可以由抗起泡的导热材料(诸如钽)组成。
在射束系统102的操作期间，质子束104被导向目标196的可扫描表面210。为了避免过热，质子束104跨表面210上在两个或更多个方向(例如，X和Y)上以快速速率移动，这是被称为扫描的过程。射束跨表面210所取的路径确定跨表面210上的不同位置处出现的热量以及目标196上粒子负荷的相对差异。射束路径可以符合系统冷却目标196的能力和目标196承受粒子负荷变化的能力。
图3A是描绘由射束跨表面210所取的路径301形成的示例图案300的示意图。射束横截面的外边界由横截面轮廓320指示，在该示例中是圆形的。路径301的图案300是弯曲的，具有多个环或轨道，当射束从表面210的外部区域前进到内部区域并且然后再次回到外部区域时创建。射束路径301包括开始位置A和停止位置O。位置A、O可以是相同的单个位置或不同的位置。在一些实施例中，开始和停止位置A、O可以是相同的位置或者彼此紧密接近(例如，相邻的位置，或者彼此在一个射束直径内的位置)。
路径301开始于位置A处，并以箭头B所指示的CCW方式前进。路径301如箭头C、D、E、F、G和H所指示以向内指向的螺旋方式(例如，半径连续减小)继续。箭头H指示射束路径301进入到最小半径轨道中，直到到达位置I，位置I标记了射束路径半径从连续减小的半径转变到连续增大的半径的位置。换句话说，在位置I处，射束路径301开始从表面210的内部区域转变回到外部区域。箭头J指示射束301从位置I以逆时针方式以向外指向的螺旋方式(例如，半径连续增加)的路径，如箭头K、L、M和N所指示的，直到到达停止位置O。此时，路径301已经完成从表面210的外部区域到内部区域并回到外部区域的转变。具有至少一个围绕中心点的轨道的路径——其具有距中心点相同距离(或半径)的开始和停止位置，并且在距中心点的最小距离(或半径)和距中心点的最大距离(或半径)之间横穿——称为循环。开始和停止位置可以处于最小距离和最大距离之间的任何距离。在这种情况下，单个循环形成闭环，使得停止位置O大体上处于或邻近于开始位置A。
图案300可以覆盖目标的可扫描表面210的大部分表面区域。在该示例中，射束轮廓320足够大，使得当射束通过每个轨道转变时，射束撞击在其上的表面210的区域将重叠。换句话说，垂直于射束行进方向测量的射束轮廓320的宽度大于相邻轨道之间的距离。图案300沿轴330对称，使得图案300的第一半332是图案300的第二半334的镜像。从位置A到位置I的路径301的从外向内部分是从位置I到位置O的路径301的从内向外部分的镜像。
虽然路径301被描述为以CCW方式从外部区域转变到内部区域并返回，但是本文描述的实施例不限于此。例如，在一些实现中，射束可以利用遵循在内部区域开始、转变到外部区域、并且然后回到内部区域的顺时针(CW)旋转的路径(一个循环)。路径301可以完成整个循环或仅部分循环，例如，涉及从内部区域到外部区域或相反的转变。
图3B和3C是描绘不同射束横截面轮廓所采用的不同路径的示例的示意图。在图3B中，具有大于Y尺寸的X尺寸的椭圆形(例如卵形)射束轮廓342遵循路径341，路径341被定大小使得相邻轨道的射束横截面轮廓在沿中心X轴对齐时接触但不重叠。在轨道之间的间距恒定的情况下，射束将留下间隙，这在沿Y轴对齐时最为明显。为了以最小的暴露水平覆盖整个区域，整个路径将需要被制成椭圆形，其纵横比类似于轮廓342，其中总Y尺寸小于X尺寸。图3C示出了采取路径351的圆形横截面轮廓352的示例。虽然在图3C中不存在间隙，但是轨道的量更大(刚好超过4，相比之下，图3B为3.75)。
图4A-4B是描绘了由循环405形成的扫描(或光栅)轮廓400的示例实施例的示意图，该循环405在不同的径向取向上扫描多次，以形成该循环的一组径向移位的实例。在该实施例中，循环405的每个实例具有相同的图案和不同于循环405的开始位置实例的停止位置。图4A描绘了由射束路径406形成的循环405，其中开始位置A和停止位置O处于不同的位置中，在该示例中，这些位置偏移180度。循环405是可旋转的或可针摆的，用于在不同的径向取向上重复以形成闭环。
图4B中描绘了扫描轮廓400。这里，扫描轮廓400包括循环405的两个实例，它们之间的径向取向相差180度。循环405的第一实例由路径401示出，其被描绘为开始位置A1、中点I1和停止位置O1处于与图4A中相同的位置。循环405的第二实例由路径402示出，其具有开始位置A2、中点I2和停止位置O2。路径402具有与路径401相同的形状，但是被旋转(针摆)了180度。例如，向前针摆可以通过在A1到O1的循环内均匀地推进变换的西塔坐标来实现，使得O1结束于偏离A1180度。路径401上每个位置从序列中下一个路径402上的该相同或对应位置径向偏移相同的径向量。位置A2、I2和O2中的每一个分别被示出在距A1、I1和O1180度的位置中。在本文描述的这个和其他实施例中，循环的针摆可以在CW或CCW方向上执行。
第一循环(例如，O1)的停止位置处于或邻近于紧接相继的移位循环(例如，A2)的开始位置，使得射束可以以不间断的方式从循环405的实例移动到下一个实例。第一循环(例如，路径401)的开始位置A1和该组的最后循环(例如，路径402)的停止位置O2大体上相同或彼此相邻。因此，由两个或更多个径向移位循环的组形成的轮廓具有相同(或相邻)的开始和停止位置，并且形成闭环。两个或更多个循环的组——每个循环具有相同的图案，其中每个循环具有距中心点相同距离(或半径)的开始位置和停止位置，并且每个循环在取向上是可旋转的，使得相邻循环可以级联在一起以形成该组的闭环——在本文称为超级循环。扫描目标196可以涉及在第一径向取向上移动射束通过第一循环(例如，路径401)，然后至少再一次移动射束通过相同的循环(例如，路径402)，但是相继的循环在不同于第一循环的径向取向的径向取向上。这个过程重复，直到超级循环完成，此时扫描过程重复自身。扫描过程可以连续重复，直到整个过程(例如BNCT治疗)完成。
术语径向取向、径向移位和径向偏移在本文用来描述一个循环，该循环作为一个整体可以围绕中心点旋转(或针摆)，而不改变该循环的基本形状。例如，在图4A中，循环405具有由路径401指示的第一径向取向。然后，循环405径向(周向)移位180度至路径402所指示的第二径向取向。循环405的两个实例401、402之间的径向偏移是180度。可以通过用术语方位角代替径向(例如，方位角取向、方位角移位和方位角偏移)来类似地表达该表征。例如，西塔的值可以限定围绕可扫描表面上的中心点的方位角的位置(类似于时钟的时针，其中在三点钟位置的方位角对应于90度的西塔，在六点钟是180度的西塔，在九点钟是270度的西塔，等等)，并且循环的位置可以参考西塔和方位角来表达。
图4C和4D是描绘循环415的示意图，循环415重复四次，相邻实例之间的径向取向相差90度，以形成扫描轮廓400的另一个示例。在图4C中，循环415由射束路径411形成，射束路径411在位置A1处开始，并且以CCW方式前进到表面210的内部区域中的中点I1，并且然后在停止位置O1处回到外部区域。停止位置O1从开始位置A1径向偏移CCW 90度，这与该轮廓400的循环415之间存在的径向偏移量相同。图4D描绘了由路径412指示的循环415的第二实例，其具有开始位置A2、中点I2和停止位置O2。图4E与图4D相同，但是添加了循环415的第三实例，如路径413所指示，其具有开始位置A3、中点I3和停止位置O3。图4F与图4E相同，但是添加了循环415的第四实例，如路径414所指示，其具有开始位置A4、中点I4和停止位置O4，以形成扫描轮廓400的完整超级循环。当使用扫描轮廓400的该实施例时，射束通过路径411、然后路径412、然后路径413、以及然后路径414转变，以完成超级循环，并且然后该超级循环可以贯穿整个过程连续重复。
在图4G所图示的示例中，扫描轮廓400是超级循环，其包括相同循环的三个实例421、422、423，但是相邻实例之间的径向取向相差120度。图4G的循环是从图4A的循环修改而来的，以准许用一个闭环进行三次迭代。第二实例422从第一实例421径向移位CCW 120度，并且第三实例423从实例422径向移位CCW 120度(从实例421径向移位CCW 240度)。位置A2、I2和O2中的每一个分别被示出在距A1、I1和O1CCW 120度的位置中，并且位置A3、I3和O3中的每一个分别被示出在距A2、I2和O5CCW 120度的位置中。射束通过实例421、然后实例422、以及然后实例423转变，以完成超级循环。超级循环可以贯穿整个过程连续重复多次。
也可以实现扫描轮廓400的附加示例实施例。重复图案301之间的径向偏移量可以通过将360度除以图案实例的数量来确定。例如，具有五个循环实例的轮廓400在相邻循环之间可以具有72度的径向偏移，具有六个循环实例的轮廓400在相邻循环之间可以具有60度的径向偏移，具有七个循环实例的轮廓400在相邻循环之间可以具有近似51.4度的径向偏移，具有八个循环实例的轮廓400在相邻循环之间具有45度的径向偏移，具有九个循环实例的轮廓400在相邻循环之间具有40度的径向偏移，具有10个循环实例的轮廓400在相邻循环之间具有36度的径向偏移，具有十一个循环实例的轮廓400在相邻循环之间具有近似32.7度的径向偏移，具有十二个循环实例的轮廓400可以在相邻循环之间具有30度的径向偏移，以此类推。
在一些实现中，循环的第一实例的停止位置可能与循环的下一个实例的开始位置不同，或者甚至不接近。例如，射束可以以相对快速的方式桥接间隙，这对整体热性能和粒子负荷具有可忽略不计的影响。如果射束是脉冲式的，当射束关闭时，径向移位可能发生在脉冲之间。
虽然本文描述的实施例被示出为在超级循环内重复多次同一循环，但是应注意，循环图案不需要等同，并且仅在径向取向方面不同。在实践中，给定系统内的误差容限和过程期间操作条件的变化，小的变化将固有地存在。实际上，本主题的范围涵盖其中重复的循环图案不等同而是在如下差异的情况下大体上相同的实施例，所述误差由误差容限、操作条件变化、以及甚至图案中编程的或以其他方式预期的非等同性产生。
一般而言，可以使用计算模型以计算方式来研究射束对目标的热影响。计算建模可以允许选择改进目标上粒子负荷均匀性的射束光栅轮廓，和/或可以允许选择降低(例如，最小化)目标峰值瞬时温度的光栅轮廓。光栅轮廓可以由射束路径和射束轮廓(例如，具有特定尺寸的圆形或椭圆形射束)来表征，如参考图8和9所述。在一些实现中，光栅轮廓可以限定射束扫描速度。
计算模型可以允许研究变化几个射束参数(例如射束的大小和形状)中的一个或多个对目标的影响。此外，可以通过计算一个或多个品质因数(例如，峰值温度、温度改变、平均温度)来评估射束的热影响，并将数值分析应用于品质因数可以允许计算模型用于优化射束的光栅轮廓。
一般地，计算模型可以涉及生成包围目标的网格空间。计算模型在图5A和5B中图示，图5A和5B图示了由三维栅格组成的网格，其中可以对目标196的加热(温度图)进行建模。通过在每个“像素”(例如，图5A中所示的栅格的每个x-y正方形)处求解一维热量传输方程来对温度值建模。针对通过像素深度在Z方向上的热传输来求解一维热量传输方程(ut＝c2uxx，使用常数c作为热扩散率来限定像素中的温度)，如图5B中所示。假设像素之间的串扰或像素之间的横向热量传导是可忽略不计的，使得热量仅在Z方向上水平移动，从而允许使用1D方法。对应于入射射束，该射束被认为生成进入每个像素中特定深度的热量传播(例如，近似25％的射束能量均匀地通过锂层沉积，并且剩余的能量沉积到铜的第一元素中)。成分改变通过像素深度来计及。可以使用任何合适的计算方法来求解一维热量传输微分方程。例如，数值方法可以包括有限元和有限差分方法。对于有限元和有限差分技术中的任一种，目标196可以在平面图220中表示为栅格226的一部分(如图5A中所图示)。栅格的大小可以变化，并且可以基于目标的大小、射束大小以及期望的计算效率和结果准确度来选择。一般地，较小的大小可以给出更准确的答案，但以计算成本为代价。在图5A中所示的当前示例中，栅格226包括36×36个像素(晶胞)，但是一般地，像素的数量可以在103-105或更多的范围内。
一般地，栅格在每个维度上可以具有相同的晶胞大小，或者每个维度上的大小可以不同。可以选择分辨率来提供对不同大小和结构的射束建模的能力，以符合所研究的系统的物理能力。
图5B是图2A中所图示的目标196的目标侧视图230的模型的示例。目标侧视图220的模型包括多个层，这些层可以对应于参考图1B和2C描述的层201、202、203。在一些实现中，这些层可以具有由数值网格226的像素限定的厚度。在一些实现中，目标层201的边界被建模为对应于真空，并且目标衬底203的边界被建模为对应于冷却剂流体(例如水)，从而限定一维热量传输方程的边界条件。
图6A-6D示出了使用参考图5A和5B描述的模型的模拟热图的示例。图6A和6B示出了分别针对10mm和20mm的射束大小使用如上所述的计算模型确定的模拟热图610、620的示例。图6C和6D示出了分别针对10mm和20mm射束大小使用工程模拟软件确定的模拟热图630、640的示例。用于生成模拟热图610、620的模型基于瞬态代码，该瞬态代码基于任何给定的射束轮廓结合任何光栅轮廓来跟踪表面粒子负荷。该模型是针对用三维热量转移代码/>计算的瞬态模型作为验证进行衡量。
基于120Hz扫描频率的假设计算的模拟热图610、620、630、640的总体轮廓一般针对10mm和20mm射束大小两者匹配。例如，图6A和6C都示出了具有对应于10mm质子束中心的独特热量最大值的表面温度分布。由该模型确定的最高平均锂表面温度为284℃，并且由模型确定的为299℃。从10mm质子束的中心到10mm质子束的边缘的温度下降记录为由模型确定的162.7℃和由/>模型确定的177.7℃。图6B和6D都示出了对应于20mm质子束的分散表面温度分布。由模型所确定的最高平均锂表面温度为177℃，并且由模型确定的为184℃。从20mm质子束的中心到20mm质子束的边缘的温度下降记录为由模型确定的55.7℃和由/>模型确定的63.3℃。一些计算的温度值高于锂的可接受极限的事实不应破坏模型的有效性。
表1示出了加热图模拟结果，该结果使得能够在使用参考图5A和5B描述的模型和使用工程模拟软件确定的预测温度变化(T)和峰值温度(Tmax)之间进行比较。一般对数据进行分析，以确定建模值相对于使用计算昂贵的/>工程模拟软件确定的值之间的相关性，从而确定所开发模型的可靠性。热结果的差异反映了模型的可靠性。发现两组结果之间的温升差异约为10％，这指示该模型与瞬态/>模型之间的共识。
表1
如从图3A-5G中所示的光栅图案明显的，在每个图案中存在射束路径自身交叉的许多点。每个交叉点是这样一个位置，在该位置，目标表面暴露给比其中目标表面对于每个超级循环仅暴露一次的位置显著更高的粒子通量(例如，两倍)。在交叉点上的连续通过之间的时间相对长并且来自第一次通过的热量可以在第二次暴露之前充分消散的情况下，与第二次暴露相关联的增加的剂量不会导致交叉点处的过度加热。然而，在交叉点在相对短的时段内暴露两次的情况下，这些交叉点可能是不可接受的高热负荷的位置。因此，在一些实现中，上述计算模型可以用于通过确定路径来减少目标上的热负荷，所述路径减少了快速接续经历多次射束通过的交叉点的数量。
例如，可以使用计算模型来变化光栅轮廓的参数，以避免穿过在阈值时间段内最近横穿的射束路径，在该阈值时间段之下，可能发生该目标位置的过度加热。图7A-7F是描绘了在演示这样的最近路径回避(RPA)策略时有指导意义的光栅图案的示例的示意图。在一些实现中，RPA图案可以基于迭代过程来确定。迭代过程可以从次摆线形状开始，该次摆线形状针对给定时间(t)限定为(x(t)，y(t))位置。对于半径r1、r2和频率ω1、ω2，基本次摆线在时间t内遵循以下等式：
x(t)＝r1cos(ω1·t)+r2cos(ω2·t)
y(t)＝r1sin(ω1·t)+r2sin(ω2·t).
对于具有外半径rmax和内半径rmin的L瓣次摆线，半径和频率的值为：
r1＝-(rmax+rmin)/2
r2＝(rmax rmin)/2
ω1＝L+1
ω2＝1
具有大体上等于射束宽度的最大半径值rmax和大体上等于射束宽度一半的最小半径值rmin的半径可以为均匀强度的射束提供良好的结果。rmax和rmin的最佳值可以通过优化算法和热量模拟代码找到。
将t设置为时间决定了光栅移动的速度，该速度可以基于操纵磁体的能力和目标燃烧风险而变化。例如，高光栅速度可能超过操纵磁体的能力，或者低光栅速度可能导致目标燃烧(如果暴露给特定辐射剂量太久)。对于所有修改的次摆线光栅轮廓，计算下一个射束位置，使得速度保持近似恒定。基于射束位置变化速度可以提供另一种改进途径。如参考图8A、8B、9A和9B所述，可以通过在热量模拟代码生成的结果之上训练机器学习算法来找到最佳速度轮廓。
等速次摆线图案可以在目标使用中给出良好的结果，但可能导致过热。例如，次摆线图案以相当高的频率访问目标的中心，因为次摆线路径连续地遵循每个波瓣。为了解决发热问题，可以修改光栅图案，使得使用ω＝(L-1)th波瓣顺序，而不是连续沿着每个波瓣遵循路径。以这种顺序访问波瓣给予中心附加的时间在波瓣之间冷却下来。这就是最近路径回避(RPA)光栅这一名称的由来，因为最近访问的路径被避开，从而延长了射束与其最近路径交叉所花费的时间。对于L的某些值，比每个ω＝(L-1)th波瓣更频繁地取波瓣可能是最佳的。与波瓣总数L互质的任何波瓣频率ω都可以起作用，这取决于系统的物理参数(射束轮廓、目标形状、目标材料等)。波瓣频率ω的选择可以通过计算技术来优化，例如使用机器学习算法。
在一些实现中，光栅路径包括对r1和r2的修改，以创建仅允许光栅路径遵循每第(L-1)个波瓣的滤波器，并且否则遵循rmax值以允许目标的中心有时间冷却。
例如，初始RPA光栅(RPA One)可以包括以下半径和频率：
r2＝Taax
ω1＝L+1
ω2＝1
指数E可以大于10并且小于1000(10＜E＜1000)。指数E的精确值可以取决于多个因素。例如，可以将E设置得足够大，从而为滤波器提供良好限定的窗口，以避免光栅在周界周围振荡——这可能引起射束错过目标。E必须设置为小于阈值，该阈值限定非常小的窗口，该窗口将使得波瓣变得太窄，从而使目标过热。在一些实现中，E可以设置为使得E＝100·(L-3)，其中L大于或等于4且小于或等于8(4≤L≤8)。
RPA-One对最小化加热很好地起作用，但是可能使目标的一个区域未被充分利用。RPA-One可以用于开发RPA-Two，RPA-Two向r1添加另一项以限定另一组L波瓣，其可以填充未充分利用的区域。RPATwo使用以下半径和频率：
T2＝Tmax
ω1＝2L+1
ω2＝1
系数r可以大于rmin并且小于半径极限rmax和rmin之差(rmin＜r＜rmax-rmin)。指数E可以大于100并且小于10000。可以使用热量模拟和优化算法来优化系数r和指数E的精确值。在一些实现中，可以通过向r1添加项来确定一个或多个附加光栅(RPA-N)，每个新项可以被优化以最小化目标加热和目标使用变化。
图7A图示了次摆线光栅图案700的示例，其可以通过将射束引导到(静态或旋转)目标而生成。次摆线光栅图案700可以用作迭代过程的初始光栅图案，如参考图10所述。次摆线光栅图案700可以包括多个波瓣702、704、706、708(例如，如图7A中所图示的四个波瓣)。在一些实现中，内半径701和外半径703的值可以通过优化算法并通过使用以上参考图5A和5B描述的热量模拟代码来找到。次摆线光栅图案700包括射束路径自身交叉的多个射束交叉点705a、705b、705c、705d、705e、705f、705g、705h、705i、705j、705k、7051、705m、705n。例如，考虑次摆线光栅图案700的开始点705，第一射束交叉点是705a，第二射束交叉点是705b，第三射束交叉点是705c，第四交叉点是705d，并且第五交叉点是705e。
图7B图示了经修改的光栅图案710的示例，其中波瓣702、708、706、704的顺序被修改以延长射束路径自身交叉的点的冷却时段，从而生成最近路径回避(RPA)图案。相继射束交叉点之间的持续时间与射束在各个连续交叉点之间横穿的弧长成正比。例如，考虑经修改的光栅图案710的开始点705，第一交叉点是705g，其与比对应于次摆线光栅图案700的第一交叉点705a的弧长更长的弧长相关联。
在一些实现中，RPA图案可以被进一步修改以填充目标的未充分利用的区域，如参考图7C-7F所述。
图7C-7F是描绘了最近路径回避(RPA)图案720的示例的示意图，其被重复多次(例如，四次)以形成扫描轮廓的完整超级循环。图7C图示了RPA图案的第一循环722。RPA图案720的第一循环722开始于722A并停止于722O，包括多个射束交叉点725a、725b、725c、725d，在这些交叉点处射束路径自身交叉。例如，考虑RPA图案720的第一循环722的开始点722A，第一射束交叉点是725a，第二射束交叉点是725b，第三射束交叉点是725c，并且第四交叉点是725d。
图7D图示了RPA图案720的第二循环724，其可以在RPA图案的第一循环完成之后执行。RPA图案720的第二循环724——开始于724A并停止于724O——包括多个射束交叉点735a、735b、735c、735d，在这些交叉点处射束路径自身交叉。例如，考虑RPA图案720的第二循环724的开始点724A，第一射束交叉点是735a，第二射束交叉点是735b，第三射束交叉点是735c，并且第四交叉点是735d。
图7E图示了RPA图案720的前两个循环726。RPA图案720的前两个循环726包括第一循环722的射束交叉点725a、725b、725c、725d，第二循环724的射束交叉点735a、735b、735c、735d，以及射束交叉点745a、745b、745c、745d、745e、745f、745g、745h、745i、745j、745k、7451、745m，其中第二循环724的路径与第一循环722的路径交叉。
图7F图示了RPA图案720的完整超级循环728。RPA图案720的完整超级循环728包括每个循环的射束交叉点(例如，第一循环722的射束交叉点725a、725b、725c、725d，第二循环724的射束交叉点735a、735b、735c、735d)以及其中一个循环的路径与另一个循环的路径相交的射束交叉点。
RPA图案720的每个循环包括与对应循环722A、724A的开始位置相距一定距离的停止位置722O、724O。循环的停止位置(例如，第一循环的停止位置722O)对应于相继循环的开始位置(例如，第二循环的开始位置724A)。如图7F中所图示，RPA图案720由射束路径728形成，射束路径728开始于位置722A并以CCW方式沿着四个循环(包括图7E中所图示的前两个循环726)前进，并且然后回到开始位置722A。图7F中图示的示例RPA图案720形成具有四个循环的光栅轮廓，这四个循环基于单个完整超级循环形成闭合图案以闭合环路。
图8A和8B示出了对应于使用参考图7B描述的RPA图案的目标扫描的模拟边界温度图802和模拟目标使用图804的示例，用于以恒定速度遵循RPA图案的连续路径。边界温度图802限定了目标的锂层和铜层之间的边界，考虑了中子模型，该中子模型将边界标识为具有最热的测量或建模温度的最高能量沉积层。目标使用图804指示响应于使用RPA图案指向目标的质子束的照射，目标的每个部分(像素)消耗了多少锂。
如图8A所图示，模拟边界温度图802包括对应于最多使用的晶胞的圆形分散的热量最大值，如图8B的模拟目标使用图804所图示。模拟边界温度图802内的最高峰值温度小于150℃。跨模拟边界温度图802内的目标表面上的温度变化约为40℃。模拟边界温度图802和模拟目标使用图804指示，使用RPA图案扫描目标在防止因起泡或冒泡而损坏目标方面是高效的。
使用瞬态代码的附加建模为评估目标性能提供了几个品质因数。品质因数包括：峰值温度、温度改变、平均温度、使用效率、标称频率和射束形状。峰值温度包括在任何时间在目标中发现的最大温度。温度改变包括在任何时间在目标中发现的最大温度减去初始目标温度。平均温度是目标中所有晶胞的平均温度。使用效率包括总目标射束通量除以最大使用晶胞的使用量，其被标准化为目标内的晶胞总数。响应于一个超级循环或重复多次(例如4次)的超级循环，使用用于评估目标性能的瞬态代码的建模结果包括在表2中。
表2
品质因数 1个超级循环 4个超级循环
峰值温度 140 140
温度改变 18.8 18.5
平均温度 133 133
使用效率 66.4％ 73.5％
标称OD频率 240Hz 240Hz
射束OD/形状 20mm圆形 20mm圆形
图9A-9J示出了用于比较目标加热和目标使用的多个射束轮廓的模拟结果的示例。每个模拟使用光栅图案300来突显由不同射束轮廓本身引起的变化。图9A和9B分别示出了具有120Hz频率的20mm圆形(非中空)射束的模拟热图902和模拟使用图904。图9C和9D分别示出了具有120Hz频率的10mm圆形(非中空)射束的模拟热图906和模拟使用图908。图9E和9F分别示出了具有120Hz频率的15mm×25mm椭圆形(非中空)射束的模拟热图910和模拟使用图912。图9G和9H分别示出了具有120Hz频率的具有10mm孔的20mm环形(中空)射束的模拟热图914和模拟使用图916。图9I和9G分别示出了具有240Hz频率的10mm圆形(非中空)射束的模拟热图918和模拟使用图920。
表3示出了多个射束轮廓和光栅图案的模拟结果，其使得能够在使用参考图5A和5B描述的模型确定的使用百分比和峰值温度(Tmax)之间进行比较。一般对数据进行分析，以确定最佳射束轮廓和光栅图案。例如，如图9A和9C中所图示的模拟结果指示，20mm的射束总体上展现出均匀的温度分布。如图9B和9D中所图示的模拟结果指示，10mm的射束展现出更均匀的使用，特别是在边缘附近。如图9E和9F中所图示，对应于椭圆形射束的模拟热图910和使用图912分别示出了沿着椭圆形射束的主轴取向的增加的覆盖范围。将图9E和9F中所图示的模拟结果与图9A和9B中所图示的模拟结果进行比较指示，与圆形射束具有近似相同面积的椭圆形射束比圆形射束产生更不均匀的温度和使用分布。如图9G和9H中所图示，对应于环形射束的模拟热图914和使用图916分别示出了具有不均匀径向分布的减小的外围覆盖范围。将图9G和9H中所图示的模拟结果与图9A和9B中所图示的模拟结果进行比较指示，使用任何种类的具有孔的射束都降低效率，并贯穿目标而产生更不均匀的温度分布。将如图9I和9J中所图示的模拟结果与如图9A和9B中所图示的模拟结果进行比较指示，使用240Hz的射束贯穿目标产生更均匀的温度分布以及类似的目标使用。
表3
图10是描绘了可以根据本公开的实现来执行的示例过程1000的流程图。使用计算机处理系统(1002)建立用于跨目标上扫描质子束的各种可能光栅轮廓。每个光栅轮廓限定了目标的不同扫描图案。每个扫描图案包括多个超级循环，这些超级循环基于一个或多个循环在目标表面上形成闭合路径以闭合环路。扫描图案可以包括参考图7A-7D所述的RPA图案(例如，包括多个波瓣的次摆线形状)或上述的其他扫描图案。扫描图案可以由一个或多个路径参数来表征。在一些实现中，参数包括以下参数中的一个或多个：与质子束路径的每个波瓣相关联的角频率、质子束跨目标表面上的线速度、质子束路径的超级循环中的径向扫描层的数量、波瓣的遍历顺序以及质子束路径的超级循环的数量。质子束的角频率和角速度可以因RPA图案的不同波瓣而异。波瓣的遍历顺序可以是正向顺序、反向顺序或互质顺序。路径参数表征了质子束跨目标上的路径。所选光栅轮廓的路径参数为质子束限定了在目标的单个位置接续暴露给质子束之间具有最小延迟(超过阈值时段)的路径，以最小化目标损坏。在一些实现中，可能光栅轮廓包括可以基于以成像数据(例如，目标的热图)为基础的实时测量形成的掩蔽轮廓。掩蔽轮廓可以限定扫描轮廓，该扫描轮廓被配置为避免目标的部分包括薄弱区域(例如，接近熔点加热的区域)或目标的可扫描区域的受损区域。
除了扫描图案之外，每个光栅轮廓包括一个或多个射束参数的设置。每个射束参数表征了质子束的属性。射束参数可以包括以下参数中的一个或多个：射束尺寸(例如圆形射束的直径)、射束形状和射束结构。在一些实现中，射束尺寸在从10mm到30mm的范围内。光栅轮廓可以取决于射束形状用X和Y方向上的归一化系数来修改。射束形状可以是圆形或椭圆形。如果射束形状是椭圆形的，则可以通过在射束最大的方向上降低扫描半径来修改扫描以有效地改变，使得射束不会扫描到外部边界之外。射束的结构指代跨其横截面的射束强度分布。在一些实现中，该分布可以是大体上恒定的或高斯的。在某些实现中，分布可以具有多于一个峰值，诸如对于环形射束结构。
还使用计算机处理系统建立表征目标的一个或多个目标参数(1004)。例如，目标参数可以包括：目标表面积、目标厚度和/或目标成分。
针对每个可能的射束光栅轮廓计算品质因数的值(1006)。一般地，品质因数是基于对应的可能光栅轮廓的质子束对目标的热负荷。在一些实现中，计算品质因数的值包括，对于每个可能光栅轮廓，基于对应光栅轮廓的每个离散部分处的热负荷和质子通量之间的线性关系，计算目标的多个离散部分中的每个处的热负荷。在一些实现中，每个离散部分对应于质子束路径中的目标表面区域，该区域小于质子束的尺寸。在一些实现中，基于远离质子束入射在其上的目标表面的通过目标深度的热量转移，计算每个离散部分处的热负荷。在一些实现中，品质因数从由以下各项组成的组中选择：目标的峰值温度、目标的温度改变、目标的平均温度和目标的使用效率。
基于品质因数的值和基于测量的目标属性，从可能光栅轮廓当中选择光栅轮廓(1008)。在一些实现中，光栅轮廓的选择包括向质子束的操作者呈现可能光栅轮廓的列表，并且经由计算机系统的用户接口接收用户输入，该用户输入包括操作者从列表中的选择。在一些情况下，光栅轮廓选择可以自动发生，例如，基于射束属性、目标属性中任一个或两者的测量。例如，在目标上检测到加热的阈值水平的情况下，系统可以切换到不同的光栅轮廓，该光栅轮廓对其中检测到阈值负荷的位置上施加更小的压力。在一些实现中，系统使用主动反馈或前馈过程，并且周期性地调整光栅轮廓以延长目标的使用寿命。
在一些实现中，可以选择多个光栅轮廓作为候选轮廓Fk(t)，并且可以应用过渡函数sk(t)来在轮廓之间切换。输出轮廓F(t)可以由下式限定：
/>
其中用于输出轮廓域中的每个值t。
例如，开始于t1并且结束于t2的两个轮廓F1(t)和F2(t)之间的简单线性交叉可以通过如下式限定s1(t)和s2(t)来描述：
在选择了特定的光栅轮廓之后，根据所选光栅轮廓跨目标上扫描质子束(1010)。
作为过程1000的一部分，测量射束的一个或多个属性(1012)。在一些实现中，从目标的上游测量射束的属性。可以测量的射束属性包括例如射束大小、射束结构和射束轮廓，如参考图9A-9J所述。可以使用被配置为确定目标位置处的射束形状的红外相机来测量射束轮廓。
作为过程1000的一部分，测量目标的一个或多个属性(1014)。在一些实现中，目标的一个或多个属性包括跨目标上一个或多个位置处的目标温度。例如，一个或多个热传感器(例如，红外相机)可以检测目标在对应位置处的温度。在一些实现中，目标的温度图可以由热感相机获取。测量的温度可以用作输入，以在扫描过程期间动态调整或改变光栅轮廓，从而避免目标的局部过热。在一些情况下，系统可以完全暂停射束操作以避免目标过热，并且一旦目标冷却到可接受的水平就恢复操作。
因此，本公开的实现可以包括许多优点。在一些示例中，所描述的技术以最小化的计算资源要求提供了目标加热和使用的准确估计。本文所述的设计说明了特定光栅轮廓和射束轮廓的优点，所述优点通过将峰值温度维持在目标的损坏(例如起泡)温度之下，可以延长目标的寿命。通过在目标上提供粒子负荷的均匀分布，所描述的实现可以还使得能够改进BNCT的性能，这积极地影响了照射患者的粒子束的轮廓。
在一个方面…[一旦权利要求最终确定，律师将在这里包括权利要求组]
图11是示出了可以根据本公开实现的示例系统的框图。例如，所图示的示例系统1100包括射束系统102、一个或多个计算设备1102和一个或多个服务器1110。在一些实现中，射束系统102可以是示例中子束系统(例如，参考图1A和1B描述的系统102)的一部分。射束系统102可以采用一个或多个控制系统1101，一个或多个计算设备1102可以与控制系统1101通信，以便与射束系统102(例如，中子束系统102)的系统和组件相互作用。控制系统1101可以被编程以控制HEBL 50中的操纵设备(例如，磁体、X-Y移位器)，所述操纵设备确定入射到目标196的可扫描表面210上的质子束的X-Y位置。射束系统102、一个或多个计算设备1102和一个或多个服务器1110被配置为彼此直接通信或经由本地网络(例如网络1104)通信。
控制系统1101可以用振幅和偏移控制的参数编程，这些参数允许射束的固定位移来控制总体扫描图案的位置。在一些实施例中，参数在控制磁体电源的数字信号处理器(DSP)中编程或针对其编程。振幅和偏移参数可以在操作期间(即在运行中)实时输入到DSP，以校正射束行为或能量的改变。实时参数可以形成用于离子粒子束控制的主动反馈的通用方法。
计算设备1102可以由各种用户设备、系统、计算装置、控制器等来体现。例如，第一计算设备1102可以是与特定用户相关联的台式计算机，而另一计算设备1102可以是与特定用户相关联的膝上型计算机，并且在又一计算设备1102中可以是移动设备(例如，平板计算机或智能设备)。每个计算设备1102可以被配置为例如通过可经由计算设备访问的用户接口与射束系统102通信。例如，用户可以在计算设备1102上执行桌面应用，计算设备1102被配置为与射束系统102通信。
根据本文所述的实施例，通过使用计算设备1102与射束系统102通信，用户可以为束线组件3005提供操作参数(例如，操作电压等)。
控制系统1101可以被配置为从射束系统102的组件1105和监测设备1103接收测量、信号或其他数据。例如，控制系统1101可以从一个或多个监测设备1103接收信号，该信号指示操作条件和/或穿过射束系统102的射束的位置。取决于操作条件和/或穿过射束系统102的射束的位置，控制系统1101可以根据本文所述的方法对一个或多个束线组件1105的输入提供调整。控制系统1101还可以直接或经由通信网络1104向计算设备1102提供从包括监测设备1103在内的射束系统102的任何组件收集的信息。控制系统1101可以被编程以实现如参考图4、5和7-10所述的扫描轮廓的实施例。
通信网络1104可以包括任何有线或无线通信网络，包括例如有线或无线局域网(LAN)、个人区域网(PAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)等，以及实现它所需的任何硬件、软件和/或固件(诸如例如网络路由器等)。例如，通信网络1104可以包括802.11、802.16、802.20和/或WiMax网络。通信网络1104可以包括诸如因特网的公共网络、诸如内联网的专用网络或其组合，并且可以利用现在可用的或以后开发的各种联网协议，包括但不限于基于TCP/IP的联网协议。计算设备1102和控制系统1101可以由一个或多个计算系统体现，诸如参考图12描述的系统1200。
计算设备1102和控制系统1101可以被配置为执行包括以下的操作：沿着第一路径跨目标的可扫描表面上扫描射束；以及沿着第二路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第一路径在第一径向取向上形成第一图案，并且第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上大体上形成第一图案。当沿着第一和第二路径扫描时，射束是脉冲式的。射束在沿着第一和第二路径扫描时连续传播。在第一图案中，射束从可扫描表面的内部区域移动到外部区域，并回到内部区域。在第一图案中，射束从可扫描表面的外部区域移动到内部区域，并回到外部区域。第一图案包括螺旋和螺旋的镜像。第一图案具有第一半和第二半，其中第一半和第二半是对称的。第一图案是连续弯曲的。第一图案具有开始位置和停止位置，其中开始位置在停止位置处或其附近。第一径向取向与第二径向取向相差180度。操作进一步包括：沿着第三路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第三路径在不同于第一和第二径向取向的第三径向取向上形成第一图案。第一、第二和第三径向取向相差120度。操作进一步包括：沿着第四路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第四路径在不同于第一、第二和第三径向取向的第四径向取向上形成第一图案。第一、第二、第三和第四径向取向相差90度。操作进一步包括：沿着第五路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第五路径在不同于第一、第二、第三和第四径向取向的第五径向取向上形成第一图案。第一、第二、第三、第四和第五径向取向相差72度。第一路径对应于循环的第一实例，并且第二路径对应于循环的第二实例。在一些实现中，对循环的第一实例和循环的第二实例的扫描形成闭环。射束是质子束。可扫描表面是锂或铍表面。目标在被扫描时生成中子。射束具有圆形横截面轮廓。射束具有椭圆形横截面轮廓。射束具有环形横截面轮廓。射束具有中空的横截面轮廓。操作执行硼中子俘获疗法(BNCT)。射束由射束系统生成，射束系统包括：离子源；与离子源耦合的第一束线；与第一束线耦合的串列加速器；与串列加速器耦合的第二束线；以及与第二束线耦合的目标。图案将可扫描表面的大部分暴露给射束。第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第一图案。
计算设备1102和控制系统1101可以被配置为执行包括以下的操作：沿着第一路径跨目标的可扫描表面上扫描射束；以及沿着第二路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第一路径在第一径向取向上形成第一图案，并且第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第二图案，其中第一和第二图案大体上相同，但是径向取向不同。第一和第二图案是相同的，但是径向取向不同。
计算设备1102和控制系统1101可以被配置为执行操作，操作包括：使用计算机处理系统建立用于跨目标上扫描质子束的多个可能光栅轮廓，所述多个可能光栅轮廓中的每一个包括一个或多个射束参数，所述一个或多个射束参数中的每一个表征质子束的属性，以及表征质子束跨目标上的路径的一个或多个路径参数；使用计算机处理系统建立表征目标的一个或多个目标参数；使用计算机处理系统计算每个可能的射束光栅轮廓的品质因数的值，其中品质因数基于对应的可能光栅轮廓的质子束对目标的热负荷；使用计算机处理系统，基于品质因数的值从多个多个可能光栅轮廓当中选择光栅轮廓；以及根据所选光栅轮廓跨目标上引导质子束。计算品质因数的值包括，对于每个可能光栅轮廓，基于对应光栅轮廓的每个离散部分处的热负荷和质子通量之间的线性关系，计算目标的多个离散部分中的每个处的热负荷。每个离散部分对应于质子束路径中的目标表面区域，该区域小于质子束的尺寸。基于远离质子束入射在其上的目标表面的通过目标深度的热量转移，计算每个离散部分处的热负荷。品质因数从由以下各项组成的组中选择：目标的峰值温度、目标的温度改变、目标的平均温度和目标的使用效率。一个或多个射束参数从由以下各项组成的组中选择：射束尺寸、射束形状和射束结构。射束尺寸在从10mm至30mm的范围内。射束形状是圆形或椭圆形。射束的结构是圆形或环形的。一个或多个路径参数从由以下各项组成的组中选择：与质子束路径相关联的频率、质子束跨目标表面上的线速度、质子束路径的超级循环中的径向扫描层数、以及质子束路径的超级循环数。一个或多个目标参数从由以下各项组成的组中选择：目标表面积、目标厚度和目标成分。目标包括锂层或铍层。目标包括支撑锂层或铍层的金属层。选择包括向质子束的操作者呈现可能光栅轮廓的列表，并且经由计算机系统接收操作者从列表中的选择。操作进一步包括测量目标的一个或多个属性，并基于测量的目标属性选择光栅轮廓。目标的一个或多个属性包括目标上一个或多个位置处的目标温度。操作进一步包括测量射束的一个或多个属性，并基于测量的射束属性选择光栅轮廓。从目标的上游测量射束的一个或多个属性。所选光栅轮廓限定质子束的路径，所述路径在目标的单个位置接续暴露给质子束之间具有超过阈值时段的最小延迟。所选栅格轮廓基于次摆线形状限定路径。次摆线形状包括多个波瓣。质子束的角频率因次摆线形状的不同波瓣而异。所选光栅轮廓包括质子束跨目标表面上的变化角速度。所选光栅轮廓包括质子束跨目标表面上的变化线速度。
计算设备1102和控制系统1101可以被配置为执行包括以下的操作：在根据第一光栅轮廓跨目标表面上扫描质子束的同时监测目标的温度，以及基于所监测的温度，将扫描从第一光栅轮廓改变为第二光栅轮廓，其中第二光栅轮廓和第一光栅轮廓根据第一和第二光栅轮廓对目标的热负荷的计算机模型结果产生不同的目标加热轮廓。响应于质子束的人类操作者从多个光栅轮廓当中选择第二光栅轮廓来改变扫描。根据反馈或前馈算法自动改变扫描。在目标的多个离散位置处监测温度。通过获得目标的热图像来监测温度。
计算设备1102和控制系统1101可以被配置为执行包括以下的操作：在超级循环中跨目标的可扫描表面上扫描带电粒子束，其中超级循环包括多个循环，所述多个循环中的每个循环具有相同的形状和不同的方位角取向，其中所述多个循环级联在一起，使得带电粒子束的路径在闭环中横穿所述多个循环。所述多个循环包括彼此方位角偏移180度的两个循环。所述多个循环包括彼此方位角偏移120度的三个循环。所述多个循环包括彼此方位角偏移90度的四个循环。
现在参考图12，提供了示例计算系统1200的示意图。系统1200可以用于关联于本文描述的实现描述的操作。例如，系统1200可以包括在本文讨论的任何或所有服务器组件中。系统1200包括处理器1210、存储器1220、存储设备1230和输入/输出设备1240。组件1210、1220、1230和1240中的每一个使用系统总线1250互连。处理器1210能够处理在系统1200内执行的指令。在一个实现中，处理器1210是单线程处理器。在另一实现中，处理器1210是多线程处理器。处理器1210能够处理存储在存储器1220中或存储设备1230上的指令，以在输入/输出设备1240上为用户接口显示图形信息。
存储器1220存储系统1200内的信息。在一个实现中，存储器1220是计算机可读介质。在一个实现中，存储器1220是易失性存储器单元。在另一实现中，存储器1220是非易失性存储器单元。存储设备1230能够为系统1200提供大容量存储。在一个实现中，存储设备1230是计算机可读介质。在各种不同的实现中，存储设备1230可以是软盘设备、硬盘设备、光盘设备或磁带设备。输入/输出设备1240为系统1200提供输入/输出操作。在一个实现中，输入/输出设备1240包括键盘和/或定点设备。在另一实现中，输入/输出设备1240包括用于显示图形用户接口的显示单元。
在一些实现中，两个组件都可以利用相同的处理器、网络接口、存储介质等来执行它们相关联的功能，使得对于每个设备不要求重复的硬件。因此，如本文所使用的关于装置的组件的术语“设备”和/或“电路”的使用可以涵盖用软件配置的特定硬件，以执行与该特定设备相关联的功能，如本文所述。
术语“设备”和/或“电路”应当广义地理解为包括硬件，在一些实施例中，设备和/或电路还可以包括用于配置硬件的软件。例如，在一些实施例中，设备和/或电路可以包括处理电路、存储介质、网络接口、输入/输出设备等。在一些实现中，系统1200的其他元件可以提供或补充(一个或多个)特定组件的功能性。
在一些实施例中，处理器1210(和/或协处理器或辅助处理器或以其他方式与处理器相关联的任何其他处理电路)可以经由总线与存储器1220通信，用于在装置的组件之间传递信息。存储器1220可以是非暂时性的，并且可以包括例如一个或多个易失性和/或非易失性存储器。换句话说，例如，存储器1220可以是电子存储设备(例如，计算机可读存储介质)。存储器1220可以被配置为存储信息、数据、内容、应用、指令等，用于使得系统1200能够实行根据本公开的示例实施例的各种功能，如参考图1-11所描述的。
处理器1210可以以多种不同的方式体现，并且可以例如包括被配置为独立执行的一个或多个处理设备。附加地或替代地，处理器1210可以包括经由总线串列配置的一个或多个处理器，以实现指令、流水线和/或多线程的独立执行。术语“处理设备”和/或“处理电路”的使用可以理解为包括单核处理器、多核处理器、装置内部的多个处理器和/或远程或“云”处理器。
在一些实现中，处理器1210可以被配置为执行存储在存储器1220中或者以其他方式对于处理器可访问的指令。替代地或附加地，处理器1210可以被配置为执行硬编码的功能性。这样，无论是通过硬件或软件方法配置，还是通过硬件与软件的组合配置，处理器都可以表示能够根据本公开的实施例执行操作同时被相应配置的实体(例如，物理地包含在电路中)。替代地，作为另一个示例，当处理器1210被体现为软件指令的执行器时，指令可以具体地配置处理器1210，以在指令被执行时执行本文描述的算法和/或操作。指令可以包括确定扫描轮廓和扫描目标所必需的那些指令，如参考图1-11所述。
在一些实现中，系统1200可以包括输入/输出设备1260，输入/输出设备1260又可以与处理器1210通信以向用户提供输出，并且在一些实现中，接收来自用户的输入。输入/输出设备1260可以包括用户接口，并且可以包括设备显示器(诸如用户设备显示器)，其可以包括web用户接口、移动应用、客户端设备等。在一些实施例中，输入/输出设备1260还可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏、触摸区域、软键、麦克风、扬声器或其他输入/输出机制。处理器和/或包括处理器的用户接口电路可以被配置为通过存储在处理器可访问的存储器(例如，存储器1220等)上的计算机程序指令(例如，软件和/或固件)来控制一个或多个用户接口元件的一个或多个功能。
通信设备或电路1240可以是被配置为从/向网络和/或与系统1200通信的任何其他设备或电路接收和/或传输数据的任何构件，诸如以硬件或硬件和软件的组合体现的设备或电路。通信设备或电路1240可以包括例如网络接口，用于实现与有线或无线通信网络的通信。例如，通信设备或电路1240可以包括一个或多个网络接口卡、天线、总线、交换机、路由器、调制解调器和支持硬件和/或软件，或者适于实现经由网络的通信的任何其他设备。附加地或替代地，通信接口可以包括用于与(一个或多个)天线相互作用的电路，以引起经由(一个或多个)天线的信号传输或处理经由(一个或多个)天线接收的信号的接收。信号可以由系统1200使用多种无线个人区域网(PAN)技术中的任何一种来传输，诸如当前和未来的蓝牙标准(包括蓝牙和蓝牙低能耗(BLE))、红外无线(例如，IrDA)、FREC、超宽带(UWB)、感应无线传输等。此外，应当理解，可以使用Wi-Fi、近场通信(NFC)、微波接入全球互通(WiMAX)或其他基于邻近的通信协议来传输信号。
任何这样的计算机程序指令和/或其他类型的代码可以被加载到计算机、处理器或其他可编程装置的电路上以产生机器，使得在机器上执行代码的计算机、处理器或其他可编程电路创建用于实现各种功能的构件，包括本文描述的那些。
本公开的实施例可以被配置成系统、方法、移动设备、后端网络设备等。因此，实施例可以包括各种构件，包括完全硬件或软件和硬件的任何组合。此外，实施例可以采取至少一个非暂时性计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，该存储介质中体现有计算机可读程序指令(例如，计算机软件)。可以利用任何合适的计算机可读存储介质，包括非暂时性硬盘、CD-ROM、闪速存储器、光存储设备或磁存储设备。
根据本公开的处理电路可以包括一个或多个处理器、微处理器、控制器和/或微控制器，它们中的每一个都可以是分立的芯片或者分布在多个不同的芯片(和其中的一部分)当中。根据本公开的处理电路可以包括数字信号处理器，其可以在根据本公开的处理电路的硬件和/或软件中实现。根据本公开的处理电路可以与本文附图的其他组件通信耦合。根据本公开的处理电路可以执行存储在存储器上的软件指令，该软件指令使得处理电路采取多种不同的动作并控制本文附图中的其他组件。
根据本公开的存储器可以由各种功能单元中的一个或多个共享，或者可以分布在它们中的两个或更多个之间(例如，作为存在于不同芯片中的独立存储器)。存储器也可以是自己独立的芯片。存储器可以是非暂时性的，并且可以是易失性的(例如，RAM等)和/或非易失性存储器(例如，ROM、闪速存储器、F-RAM等)。
用于实行根据所述主题的操作的计算机程序指令可以用一种或多种编程语言和软件平台的任何组合来编写，所述编程语言和软件平台诸如但不限于Python、NationalInstruments的Labview平台、Java、JavaScript、Smalltalk、C++、C#、Transact-SQL、XML、PHP等以及常规的过程编程语言，诸如“C”编程语言或类似的编程语言。
在回顾和/或补充所描述的实施例时，以下阐述了本主题的各个方面，这里将重点放在以下实施例的相互关系和可互换性上。换句话说，重点在于如下事实上，即实施例的每个特征可以与每个和所有其他特征相组合，除非另外明确声明或者逻辑上不合理。
应当注意，关于本文提供的任何实施例描述的所有特征、元件、组件、功能和步骤旨在与来自任何其他实施例的那些可自由组合和替换。如果仅针对一个实施例描述了某一特征、元件、组件、功能或步骤，则应当理解，除非另有明确说明，否则该特征、元件，组件，功能或步骤可以与本文描述的每个其他实施例一起使用。因此，本段作为在任何时候引入权利要求的前提基础和书面支持，该权利要求组合了来自不同实施例的特征、元件、组件、功能和步骤，或者将来自一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤替换为另一个实施方案的那些，在特定情况下，即使以下描述未明确说明，这种组合或替换是可能的。应明确的是，对每一种可能的组合和替换都明确记载是过于累赘的，特别是考虑到每一种和所有此类组合和替换的可容许性是本领域普通技术人员将容易认识到的。
在本文所公开的实施例包括存储器、存储设备和/或计算机可读介质或与之相关联地操作的范围内，那么存储器、存储设备和/或计算可读介质是非暂时性的。因此，在存储器、存储设备和/或计算机可读介质被一项或多项权利要求所涵盖的范围内，则存储器、存储设备和/或计算可读介质仅为非暂时性的。
如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。
虽然实施例容易有各种修改和替代形式，但其具体示例已在附图中示出并在本文中详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，相反，这些实施方式要涵盖落入本公开精神范围内的所有修改、等同和替代。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元件可以在权利要求以及反面限制中陈述或添加，所述反面限制通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元件限定权利要求的发明范围。

Claims (93)

1.一种操作射束的方法，包括：
沿着第一路径跨目标的可扫描表面上扫描射束；和
沿着第二路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第一路径在第一径向取向上形成第一图案，并且第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上大体上形成第一图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中当沿着第一和第二路径扫描时，射束是脉冲式的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中射束在沿着第一和第二路径扫描时连续传播。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在第一图案中，射束从可扫描表面的内部区域移动到外部区域，并回到内部区域。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在第一图案中，射束从可扫描表面的外部区域移动到内部区域，并回到外部区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中第一图案包括螺旋和螺旋的镜像。
7.根据权利要求1所述的方法，其中第一图案具有第一半和第二半，其中第一半和第二半是对称的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中第一图案是连续弯曲的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中第一图案具有开始位置和停止位置，其中开始位置在停止位置处或其附近。
10.根据权利要求1所述的方法，其中第一径向取向与第二径向取向相差180度。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
沿着第三路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第三路径在不同于第一和第二径向取向的第三径向取向上形成第一图案。
12.根据权利要求1所述的方法，其中第一、第二和第三径向取向相差120度。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
沿着第四路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第四路径在不同于第一、第二和第三径向取向的第四径向取向上形成第一图案。
14.根据权利要求13所述的方法，其中第一、第二、第三和第四径向取向相差90度。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
沿着第五路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第五路径在不同于第一、第二、第三和第四径向取向的第五径向取向上形成第一图案。
16.根据权利要求15所述的方法，其中第一、第二、第三、第四和第五径向取向相差72度。
17.根据权利要求1所述的方法，其中第一路径对应于循环的第一实例，并且第二路径对应于循环的第二实例。
18.根据权利要求17所述的方法，其中对循环的第一实例和循环的第二实例的扫描形成闭环。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的方法，其中射束是质子束。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的方法，其中可扫描表面是锂或铍表面。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的方法，其中目标在被扫描时生成中子。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其中沿着多个路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中所述多个路径包括第一和第二路径，其中所述多个路径中的路径数量(N)是两个或更多个，其中N个路径一起形成闭环，并且其中所述N个路径中的每一个路径大体上形成与路径中的相邻路径径向偏移360/N度的第一图案。
23.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其中射束具有圆形或椭圆形横截面轮廓。
24.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其中射束具有环形横截面轮廓。
25.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其中射束具有中空的横截面轮廓。
26.根据权利要求1-25中任一项所述的方法，在硼中子俘获疗法(BNCT)中执行。
27.根据权利要求1-26中任一项所述的方法，其中射束由射束系统生成，所述射束系统包括：
离子源；
与离子源耦合的第一束线；
与第一束线耦合的串列加速器；
与串列加速器耦合的第二束线；以及
与第二束线耦合的目标。
28.根据权利要求1-27所述的方法，其中第一图案将可扫描表面的大部分暴露给射束。
29.根据权利要求1-28所述的方法，其中第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第一图案。
30.一种操作射束的方法，包括：
沿着第一路径跨目标的可扫描表面上扫描射束；和
沿着第二路径跨目标的可扫描表面上扫描射束，其中第一路径在第一径向取向上形成第一图案，并且第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第二图案，其中第一和第二图案大体上相同，但是径向取向不同。
31.根据权利要求30所述的方法，其中第一和第二图案是相同的，但是径向取向不同。
32.根据权利要求30和31的方法，其根据权利要求2-29中任一项。
33.一种射束系统，包括：
计算设备，包括与存储器通信耦合的处理器，其中存储器存储多个指令，当由处理器执行时，所述指令使得处理器：
控制射束沿着第一路径跨目标的可扫描表面上的移动；和
控制射束沿着第二路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第一路径包括在第一径向取向上的第一图案，并且第二路径大体上包括在不同于第一径向取向的第二径向取向上的第一图案。
34.根据权利要求33所述的系统，其中第一路径在第一图案中从可扫描表面的内部区域横穿到外部区域，并回到内部区域。
35.根据权利要求33所述的系统，其中第一路径在第一图案中从可扫描表面的外部区域横穿到内部区域，并回到外部区域。
36.根据权利要求33所述的系统，其中第一图案包括螺旋和螺旋的镜像。
37.根据权利要求33所述的系统，其中第一图案具有第一半和第二半，其中第一半和第二半是对称的。
38.根据权利要求33所述的系统，其中第一图案是连续弯曲的。
39.根据权利要求33所述的系统，其中第一图案具有开始位置和停止位置，其中开始位置在停止位置处或其附近。
40.根据权利要求33所述的系统，其中第一径向取向与第二径向取向相差180度。
41.根据权利要求33所述的系统，其中所述多个指令在由处理器执行时，进一步使得处理器：
控制射束沿着第三路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第三路径包括不同于第一和第二径向取向的第三径向取向上的第一图案。
42.根据权利要求41所述的系统，其中第一、第二和第三径向取向相差120度。
43.根据权利要求41所述的系统，其中所述多个指令在由处理器执行时，进一步使得处理器：
控制射束沿着第四路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第四路径包括不同于第一、第二和第三径向取向的第四径向取向上的第一图案。
44.根据权利要求43所述的系统，其中第一、第二、第三和第四径向取向相差90度。
45.根据权利要求43所述的系统，其中所述多个指令在由处理器执行时，进一步使得处理器：
控制射束沿着第五路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第五路径包括不同于第一、第二、第三和第四径向取向的第五径向取向上的第一图案。
46.根据权利要求45所述的系统，其中第一、第二、第三、第四和第五径向取向相差72度。
47.根据权利要求45所述的系统，其中所述多个指令在由处理器执行时，进一步使得处理器：
控制射束沿着第六路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中第六路径包括不同于第一、第二、第三、第四和第五径向取向的第六径向取向上的第一图案。
48.根据权利要求47所述的系统，其中第一、第二、第三、第四、第五和第六径向取向相差60度。
49.根据权利要求33-48中任一项所述的系统，其中射束是质子束。
50.根据权利要求33-49中任一项所述的系统，其中可扫描表面是锂层或铍层的表面。
51.根据权利要求33-50中任一项所述的系统，其中目标在被扫描时生成中子。
52.根据权利要求33-51中任一项所述的系统，其中所述多个指令在由处理器执行时使得处理器：
控制射束沿着多个路径跨目标的可扫描表面上的移动，其中所述多个路径包括第一和第二路径，其中所述多个路径中的路径数量(N)是两个或更多个，其中N个路径一起形成闭环，并且其中所述N个路径中的每一个路径大体上形成与路径中的相邻路径径向偏移360/N度的第一图案。
53.根据权利要求33-51中任一项所述的系统，其中射束具有圆形轮廓或椭圆形轮廓。
54.根据权利要求33-51中任一项所述的系统，其中射束具有环形轮廓。
55.根据权利要求33-51中任一项所述的系统，其中射束具有中空轮廓。
56.根据权利要求33-55中任一项所述的系统，在硼中子俘获疗法(BNCT)中执行。
57.根据权利要求33-56中任一项所述的系统，其中射束由射束系统生成，所述射束系统包括：
离子源；
与离子源耦合的第一束线；
与第一束线耦合的串列加速器；
与串列加速器耦合的第二束线；以及
与第二束线耦合的目标。
58.根据权利要求33-57所述的系统，其中第一图案将可扫描表面的大部分暴露给射束。
59.根据权利要求33-58所述的系统，其中第二路径在不同于第一径向取向的第二径向取向上形成第一图案。
60.一种用于选择光栅轮廓的计算机实现的方法，所述光栅轮廓用于跨目标上扫描质子束，所述方法包括：
使用计算机处理系统建立用于跨目标上扫描质子束的多个可能光栅轮廓，所述多个可能光栅轮廓中的每一个包括一个或多个射束参数，所述一个或多个射束参数中的每一个表征质子束的属性，以及表征质子束跨目标上的路径的一个或多个路径参数；
使用计算机处理系统建立表征目标的一个或多个目标参数；
使用计算机处理系统计算每个可能的射束光栅轮廓的品质因数的值，其中品质因数基于对应的可能光栅轮廓的质子束对目标的热负荷；
使用计算机处理系统，基于品质因数的值从多个多个可能光栅轮廓当中选择光栅轮廓；以及
根据所选光栅轮廓跨目标上引导质子束。
61.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中计算品质因数的值包括，对于每个可能光栅轮廓，基于对应光栅轮廓的每个离散部分处的热负荷和质子通量之间的线性关系，计算目标的多个离散部分中的每个处的热负荷。
62.根据权利要求61所述的计算机实现的方法，其中每个离散部分对应于质子束路径中的目标表面区域，所述区域小于质子束的尺寸。
63.根据权利要求62所述的计算机实现的方法，其中基于远离质子束入射在其上的目标表面的通过目标深度的热量转移，计算每个离散部分处的热负荷。
64.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中品质因数从由以下各项组成的组中选择：目标的峰值温度、目标的温度改变、目标的平均温度和目标的使用效率。
65.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中所述一个或多个射束参数从由以下各项组成的组中选择：射束尺寸、射束形状和射束结构。
66.根据权利要求65所述的计算机实现的方法，其中基于品质因数的值从多个多个可能光栅轮廓当中选择光栅轮廓包括选择被配置为避开目标的一个或多个部分的掩蔽轮廓。
67.根据权利要求65所述的计算机实现的方法，其中射束尺寸在从10mm至30mm的范围内。
68.根据权利要求65所述的计算机实现的方法，其中射束形状是圆形或椭圆形，并且射束的结构是圆形或环形。
69.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中所述一个或多个路径参数从由以下各项组成的组中选择：与质子束路径相关联的频率、质子束跨目标表面上的线速度、质子束路径的超级循环中的径向扫描层数、以及质子束路径的超级循环数。
70.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中所述一个或多个目标参数从由以下各项组成的组中选择：目标表面积、目标厚度和目标成分。
71.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中目标包括锂层或铍层。
72.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中目标包括支撑锂层或铍层的金属层。
73.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中选择包括向质子束的操作者呈现可能光栅轮廓的列表，并且经由计算机系统接收操作者从列表中的选择。
74.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，进一步包括测量目标的一个或多个属性，并基于测量的目标属性选择光栅轮廓。
75.根据权利要求74所述的计算机实现的方法，其中目标的一个或多个属性包括目标上一个或多个位置处的目标温度。
76.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，进一步包括测量射束的一个或多个属性，并基于测量的射束属性选择光栅轮廓。
77.根据权利要求76所述的计算机实现的方法，其中从目标的上游测量射束的一个或多个属性。
78.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中所选光栅轮廓限定质子束的路径，所述路径在目标的单个位置接续暴露给质子束之间具有超过阈值时段的最小延迟。
79.根据权利要求78所述的计算机实现的方法，其中所选光栅轮廓基于次摆线形状来限定路径。
80.根据权利要求79所述的计算机实现的方法，其中次摆线形状包括多个波瓣。
81.根据权利要求80所述的计算机实现的方法，其中质子束的角频率因次摆线形状的不同波瓣而异。
82.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中所选光栅轮廓包括质子束跨目标表面上的变化角速度。
83.根据权利要求60所述的计算机实现的方法，其中所选光栅轮廓包括质子束跨目标表面上的变化线速度。
84.一种计算机实现的方法，包括：
在根据第一光栅轮廓跨目标表面上扫描质子束的同时监测目标的温度；和
基于所监测的温度，将扫描从第一光栅轮廓改变为第二光栅轮廓，
其中第二光栅轮廓和第一光栅轮廓根据第一和第二光栅轮廓对目标的热负荷的计算机模型结果产生不同的目标加热轮廓。
85.根据权利要求84所述的计算机实现的方法，其中响应于质子束的人类操作者从多个光栅轮廓当中选择第二光栅轮廓来改变扫描。
86.根据权利要求84所述的计算机实现的方法，其中根据反馈或前馈算法自动改变扫描。
87.根据权利要求84所述的计算机实现的方法，其中在目标的多个离散位置处监测温度。
88.根据权利要求84所述的计算机实现的方法，其中通过获得目标的热图像来监测温度。
89.一种用于选择光栅轮廓的系统，所述系统包括被配置为执行如权利要求60至88中任一项所述的计算机实现的方法的多个模块。
90.一种操作射束的方法，包括：
在超级循环中跨目标的可扫描表面上扫描带电粒子束，其中超级循环包括多个循环，所述多个循环中的每个循环具有相同的形状和不同的方位角取向，其中所述多个循环级联在一起，使得带电粒子束的路径在闭环中横穿所述多个循环。
91.根据权利要求90所述的方法，其中所述多个循环包括彼此方位角偏移180度的两个循环。
92.根据权利要求90所述的方法，其中所述多个循环包括彼此方位角偏移120度的三个循环。
93.根据权利要求90所述的方法，其中所述多个循环包括彼此方位角偏移90度的四个循环。
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