高速能量切换
1.本技术是申请日为2017年12月20日、申请号为201780087400.2的发明专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术是2013年12月13日提交的题为“collimator and energy degrader”的美国专利申请no.14/137,854的继续申请，并要求其优先权。美国专利申请no.14/137,854通过引用并入本文。
技术领域
4.本公开总体上涉及一种能量降级器，其可配置为改变粒子束的能量。
背景技术：5.粒子治疗系统使用加速器来生成粒子束，以治疗病痛(affliction)，诸如肿瘤。在操作中，粒子在磁场的存在下在空腔内的轨道中被加速，并且通过引出通道被从空腔移出。磁场再生器在空腔外侧附近生成磁场不均匀性，以扭曲一些轨道的间距和角度，使得它们朝向引出通道进动，并且最终进入引出通道。由粒子构成的束从引出通道离开。
6.扫描系统是引出通道的束下游。在此上下文中，“束下游”是指更接近于辐照目标(此处，相对于引出通道)。扫描系统跨辐照目标的至少部分移动束，以将辐照目标的各部分暴露于束。例如，为治疗肿瘤，粒子束可以在肿瘤的不同截面之上“扫描”。能量降级器改变粒子束的能量，以到达肿瘤的不同截面。
技术实现要素：7.一种示例性粒子治疗系统，包括：粒子加速器，以输出粒子束；以及能量降级器，能量降级器是可控制的以使粒子束通过到辐照目标，能量降级器的至少部分可以是可控制的以在粒子束通过到辐照目标期间移动。示例性粒子治疗系统可以包含单独或组合的一个或多个以下特征。
8.能量降级器包括板(例如，多个板)，板是可移动的。多个板可以包括第一板和第二板，第一板和第二板是可控制的以在粒子束的通过期间移动。第二板是是可控制的以在移动期间跟随第一板，或第一板是可控制的以在移动期间跟随第二板。
9.示例性粒子治疗系统可以包括扫描器，扫描器是可控制的以相对于辐照目标在一个或多个维度上移动粒子束。能量降级器或扫描器中的至少一个可以是可控制的以使得在第一板和第二板的移动期间，粒子束穿过第一板但不穿过第二板，或者穿过第二板但不穿过第一板。能量降级器或扫描器中的至少一个是可控制的以使得在第一板和第二板移动期间，粒子束穿过第一板和第二板两者。粒子束跨多个板之中的板的移动被限制为在距板的边缘的预定距离之外的移动。
10.能量降级器可以包括多个板，多个板包括第一板和第二板，第一板和第二板是可控制的以在粒子束的通过期间移动。在第一板和第二板的移动期间，第一板和第二板可以
从起点位置移动到终点位置。粒子束可以是可控制的以从一位置朝向终点位置移动，使得粒子束穿过第一板和第二板两者，或者穿过第一板或第二板中的仅一者。粒子束可以是可控制的以从一位置朝向起点位置移动，使得粒子束穿过第一板和第二板两者，或者穿过第一板或第二板中的仅一者。
11.能量降级器的多个板可以包括一个或多个第一板和一个或多个第二板。一个或多个第一板和一个或多个第二板可以是可控制的以相对于粒子束移动。一个或多个第一板中的每一个的厚度可以小于一个或多个第二板的厚度。一个或多个第一板之中的第一板的厚度可以是一个或多个第二板中的每一个的厚度的一部分。例如，第一板的厚度可以是一个或多个第二板中的每一个的厚度的一半。
12.对能量降级器的多个板的移动的控制可以包括排序多个板的移动，使得辐照目标的多层中的每层经受粒子束。对多个板的移动的控制可以包括排序多个板的移动，使得辐照目标的多层被用粒子束不按顺序地处理。对多个板的移动的控制可以包括排序多个板的移动，使得粒子束的能量对应于辐照目标的多层中的每层的位置。
13.示例性粒子治疗系统可以包括孔口，孔口是可控制的以修整粒子束的斑点。孔口可以在辐照目标与能量降级器之间。能量降级器可以包括一个或多个板，一个或多个板在粒子束的通过期间相对于辐照目标可移动。一个或多个板中的每一个的尺寸可以小于辐照场的尺寸。
14.示例性粒子治疗系统，可以包括：同步回旋加速器，以产生粒子束；扫描器，以相对于辐照目标在一个或多个维度上移动粒子束；以及，能量降级器，能量降级器在扫描器与辐照目标之间。能量降级器可以包括多个板，多个板相对于粒子束的路径可移动。多个板各自可以是可控制的以在粒子束的路径中时且在粒子束的移动期间移动。孔口可以在能量降级器与辐照目标之间。孔口可以是可控制的以在粒子束到达辐照目标之前修整粒子束。示例性粒子治疗系统可以包括单独或者组合的一个或多个以下特征。
15.示例性粒子治疗系统可以包括外门架，同步回旋加速器安装在外门架上，外门架配置为至少部分地绕辐照目标移动同步回旋加速器；以及，内门架，内门架在外门架的扫掠内，内门架包括喷嘴，能量降级器安装在喷嘴上，内门架配置为基于外门架的移动来移动能量降级器。
16.多个板可以包括第一板和第二板，第一板和第二板是可控制的以在粒子束的通过期间在第一方向和第二方向上移动。第一方向可以为从起点位置到终点位置，并且第二方向可以为从终点位置到起点位置。扫描器或能量降级器中的至少一个可以是可控制的以使得在第一板和第二板在第一方向上的移动期间，粒子束或者仅穿过第一板，或者仅穿过第二板，或者穿过第一板和第二板两者。扫描器或能量降级器中的至少一个可以是可控制的以使得在第一板和第二板在第二方向上的移动期间，粒子束仅穿过第一板，或者仅穿过第二板，或者穿过第一板和第二板两者。
17.第一板和第二板可以是可控制的以在粒子束的施加期间分开地移动。第二板可以是可控制的以在移动期间跟随第一板，或第一板可以是可控制的以在移动期间跟随第二板。能量降级器或扫描器中的至少一个可以是可控制的以使得粒子束在第一板和第二板的移动期间的移动使得粒子束穿过第一板但不穿过第二板，或者穿过第二板但不穿过第一板。能量降级器或扫描器中的至少一个可以是可控制的以使得粒子束在第一板和第二板的
移动期间的移动使得粒子束穿过第一板和第二板两者。粒子束跨多个板之中的板的移动被限制为在距板的边缘一距离之外的移动。
18.在第一板和第二板的移动期间，第一板和第二板可以从起点位置移动到终点位置。扫描器可以是可控制的以从一位置朝向终点位置移动粒子束，使得粒子束穿过第一板和第二板两者，或者穿过第一板或第二板中的仅一者。扫描器可以是可控制的以从一位置朝向起点位置移动粒子束，使得粒子束穿过第一板和第二板两者，或穿过第一板或第二板中的仅一者。多个板可以包括一个或多个第一板和一个或多个第二板，一个或多个第一板和一个或多个第二板是可控制的以在粒子束的施加期间移动，并且一个或多个第一板中的每一个的厚度小于一个或多个第二板的厚度。多个板中的每一个的尺寸小于放射(或束)场的尺寸。
19.示例性粒子治疗系统可以配置为向辐照目标施加粒子束。示例性粒子治疗系统包括扫描器，以相对于辐照目标在一个或多个维度上移动粒子束；以及，能量降级器，能量降级器包括是可控制的以在粒子束的移动期间移动的元件。能量降级器用于在向辐照目标施加粒子束之前通过粒子束。示例性粒子治疗系统可以包含单独或组合的一个或多个以下特征。
20.元件可以包括板，板是可控制的以按序列移动以改变粒子束的能量，使得辐照目标的不同层经受粒子束。元件可以包括第一板和第二板，第一板和第二板两者是可控制的以在粒子束的移动期间移动。能量降级器或扫描器中的至少一个可以是可控制的以使得粒子束在第一板和第二板的至少部分移动期间穿过第一板但不穿过第二板，或者穿过第二板但不穿过第一板。能量降级器或扫描器中的至少一个可以是可控制的以使得粒子束在第一板和第二板的至少部分移动期间穿过第一板和第二板两者。能量降级器或扫描器中的至少一个可以是可控制的以使得粒子束不在距元件中的至少一个的边缘的至少一距离内通过。距离可以基于粒子在斑点中的分布，斑点表示粒子束在元件中的至少一个处的截面。
21.元件可以是可控制的以在粒子束的移动期间在第一方向或第二方向中的至少一个上移动，第一方向为从元件的起点位置到元件的终点位置，并且第二方向为从终点位置到起点位置。元件中的至少一些可以是可控制的以在粒子束的移动期间分开地移动。元件中的至少一些可以是可控制的以在粒子束的移动期间一起移动。多个元件中的每一个的尺寸可以小于辐照场的尺寸。
22.示例性粒子治疗系统包括粒子加速器，以输出粒子束；以及，粒子加速器的扫描系统，以跨辐照目标的至少部分扫描粒子束。扫描系统配置为在相对于粒子束的方向成角度的两个维度上扫描粒子束。结构限定边缘。结构是可控制的以相对于辐照目标在两个维度上移动，使得结构的至少部分在粒子束的至少部分与辐照目标之间。结构包括抑制粒子束的透射的材料。示例性粒子治疗系统可以包含单独或组合的一个或多个以下特征。
23.结构可以至少在两个维度上是可旋转的，使得边缘可以在辐照目标的不同部分与粒子束之间移动。边缘可以包括曲线，曲线具有在结构的至少一侧上变化的半径。曲线可以为云尺曲线(french curve)。结构可以限定孔口，并且边缘可以包括孔口的边缘。结构可以是可移动的，以追踪粒子束的方向。结构可以包括可调整的多个元件，以改变边缘的尺寸。多个元件可以包括相对于辐照目标独立可移动的指部(finger)。
24.结构可以是准直器系统的一部分。结构可以包括准直器系统中的第一结构，并且
边缘可以包括第一边缘。准直器系统可以包括第二结构，第二结构包括第二边缘。第一边缘和第二边缘可以是可控制的以沿着辐照目标的不同边缘移动。
25.扫描系统可以包括至少一个磁体，以控制粒子束的移动，从而扫描粒子束。至少一个磁体可以用于响应于施加电流而生成磁场。磁场可以影响移动。
26.扫描系统可以配置为在辐照目标的内部区域中比在辐照目标的边缘处更快地扫描粒子束。粒子束可以在结构的位置处的平面的面积内是可移动的。结构的面积可以小于平面的面积。结构的面积可以小于平面的一半面积。结构的面积可以小于平面的四分之一面积。结构的面积可以小于平面的八分之一面积。结构的面积可以小于粒子束的十倍截面积。
27.扫描系统可以配置为从不同入射角度扫描粒子束。随着粒子束从不同入射角度扫描，结构可以是可控制的以基于粒子束的移动而移动。扫描系统可以包括：磁体，以影响粒子束的方向，从而跨辐照目标的至少部分扫描粒子束；以及，降级器，以在将粒子束输出到辐照目标之前改变束的能量，其中降级器相对于粒子加速器在磁体的束下游。粒子加速器可以是能量可变的装置。
28.粒子加速器可以包括：电压源，以向空腔提供射频(rf)电压，从而加速来自等离子体柱粒子，其中空腔具有磁场，磁场使粒子从等离子体柱加速以在空腔内绕轨道地运动；引出通道，以接收从等离子体柱加速的粒子，并且从空腔输出接收的粒子；以及，再生器，以在空腔内提供磁场不均匀性，从而改变从等离子体柱加速的粒子的相继的轨道，使得最终粒子输出到引出通道。磁场可以在4特斯拉(t)与20t之间，并且磁场不均匀性至多2特斯拉。
29.示例性粒子治疗系统包括：粒子加速器，以输出粒子束；以及，扫描系统，以接收来自粒子加速器的粒子束，并用粒子束进行辐照目标的至少部分的扫描。扫描系统包括限定边缘的结构。结构是可控制的以在两个维度上移动，并且基于粒子束的移动而移动，使得边缘在粒子束的至少部分与辐照目标之间。结构包括抑制粒子束的透射的材料。示例性系统还包括门架，粒子加速器和扫描系统安装在门架上。门架可以配置为绕辐照目标移动粒子加速器和扫描系统。
30.示例性粒子治疗系统包括：同步回旋加速器，以输出粒子束；磁体，以影响粒子束的方向，从而跨辐照目标的截面移动粒子束；降级器，以在跨辐照目标的界面移动粒子束之前改变粒子束的能量，其中降级器相对于同步回旋加速器在磁体的束下游；以及，一个或多个处理装置，以控制降级器的移动，使得降级器至少部分地追踪粒子束在辐照平面处的移动。示例性粒子治疗系统可以包含单独或组合的一个或多个以下特征。
31.粒子束可以在降级器的位置处的平面的面积内是可移动的。降级器的面积可以小于平面的面积。降级器可以包括多个零件，每个零件由束能量吸收材料构成，并且每个零件可移动到粒子束的路径中。一个或多个处理装置可以编程为接收要施加到辐照目标的粒子束的能量，并且将束能量吸收材料的零件中的一个或多个移动到粒子束的路径中，使得粒子束的所得能量近似于要施加到辐照目标的粒子束的能量。一个或多个处理装置可以编程为控制束能量吸收材料的一个或多个零件的移动，以至少部分地追踪粒子束的移动。
32.降级器的面积可以小于平面的一半面积。降级器的面积可以小于平面的四分之一面积。粒子束在降级器的位置处具有斑点尺寸；并且降级器的面积可以小于斑点尺寸的十倍面积。降级器的面积可以小于斑点尺寸的两倍面积。
33.粒子治疗系统可以包括存储器以储存治疗计划。治疗计划可以包括信息，以定义辐照目标的扫描模式。扫描模式可以限定粒子束在两个维度上的移动和降级器的移动，使得降级器至少部分地追踪粒子束的移动。
34.同步回旋加速器可以包括：电压源，以向空腔提供射频(rf)电压，从而加速来自等离子体柱的粒子，其中空腔具有磁场，磁场使从等离子体柱加速的粒子在空腔内绕轨道地移动；引出通道，以接收从等离子体柱加速的粒子，并且从空腔输出接收的粒子作为粒子束的部分；以及，再生器，以在空腔内提供磁场不均匀性，从而改变从等离子体柱加速的粒子的相继的轨道，使得粒子最终输出到引出通道。磁场可以在4特斯拉(t)与20t之间，并且磁场不均匀性可以至多为2特斯拉，并且同步回旋加速器可以是能量可变的装置。
35.磁体和降级器可以是扫描系统的部分。粒子治疗系统可以包括门架，同步回旋加速器和扫描系统安装在门架上。门架可以配置为绕辐照目标移动同步回旋加速器和扫描系统。
36.扫描系统可以是光栅(raster)扫描系统、斑点扫描系统，或任意其他类型的扫描系统
37.示例性粒子治疗系统可以包括粒子加速器，以输出粒子束；以及，扫描系统，以接收来自同步回旋加速器的粒子束，并且用粒子束进行辐照目标的至少部分的扫描。扫描系统可以包括降级器，以在扫描辐照目标的至少部分之前改变粒子束的能量。降级器可以相对于同步回旋加速器在磁体的束下游。示例性粒子治疗系统可以包括一个或多个处理装置，以控制降级器的移动，使得降级器至少部分地追踪粒子束的移动；以及，门架，粒子加速器和扫描系统安装在门架上。门架可以配置为绕辐照目标移动同步回旋加速器和扫描系统。示例性粒子治疗系统可以包含单独或组合的一个或多个以下特征。
38.粒子束可以在降级器的位置处的平面的面积内是可移动的。降级器的面积可以小于平面的面积。降级器可以包括多个零件，每个零件由束能量吸收材料过程，并且每个零件可以可移动到粒子束的路径中。一个或多个处理装置可以编程为接收要施加到辐照目标的粒子束的能量，并且将束能量吸收材料的零件中的一个或多个移动到粒子束的路径中，使得所得粒子束的能量近似于要施加到辐照目标的粒子束的能量。一个或多个处理装置可以编程为束能量吸收材料的控制一个或多个零件的移动，以至少部分地追踪粒子束的移动。
39.降级器的面积可以小于平面的一半面积。降级器的面积可以小于平面的四分之一面积。粒子束在降级器的位置处具有斑点尺寸，并且降级器的面积可以小于斑点尺寸的十倍面积。降级器的面积可以小于斑点尺寸的两倍面积。粒子加速器可以是能量可变同步回旋加速器。
40.示例性质子治疗系统可以包含前述粒子加速器和扫描系统；以及，门架，粒子加速器和扫描系统安装在门架上。门架相对于患者定位可旋转。质子基本上直接从粒子加速器输出并通过扫描系统到辐照目标的位置，诸如患者。粒子加速器可以是同步回旋加速器。
41.本公开中描述的两个或更多个特征，包含本发明内容部分描述的特征，可以组合以形成本文中未具体描述的实施方案。
42.本文中所描述的各种系统或其部分的控制可以经由计算机程序产品实现，计算机程序产品包含指令，指令储存在一个或多个非瞬态机器可读储存介质上，并且在一个或多个处理装置上可执行。本文中所描述的系统或其部分可以实现为设备、方法，或电子系统，
其可以包含一个或多个处理装置和存储器，以储存可执行指令，从而实现所述功能的控制。
43.在附图和以下说明书中提出了一个或多个实施方案的细节。从说明书和附图以及权利要求，其他特征、目标和优点将变得清楚。
附图说明
44.图1和图2是用于粒子治疗系统中的示例性同步回旋加速器配置的截面图；
45.图3是示例性扫描系统的侧视图；
46.图4是示例性扫描系统的部件的透视图，除用于斑点尺寸变化的散射材料之外；
47.图5是用于图3和图4所示的类型的扫描系统中的示例性磁体的前视图；
48.图6是用于图3和图4中所示的类型的扫描系统中的示例性磁体的透视图；
49.图7是用于图3和图4中所示的类型的扫描系统中的示例性能量降级器(范围调节器)的透视图；
50.图8是在粒子束的路径中移动能量降级器的板的透视图；
51.图9是示例性粒子束和准直器的侧视图；
52.图10是一顶视图，其示出辐照目标的示例性截面、沿着截面的边缘可移动的示例性准直器，沿着辐照目标的内部扫描路径的示例性束；
53.图11是示例性准直器的顶视图；
54.图12是示例性准直器的部件的顶视图；
55.图13是示出组合以形成示例性准直器的图12的部件的顶视图；
56.图14是一顶视图，其示出辐照目标的示例性截面，以及在粒子束扫描期间沿着截面的边缘可移动的示例性多叶准直器；
57.图15是一顶视图，其示出辐照目标的示例性截面，以及在粒子束扫描期间沿着截面的边缘可移动和可旋转的示例性直边准直器；
58.图16是一顶视图，其示出辐照目标的示例性截面、在粒子束扫描期间沿着截面的边缘可移动的示例性多部件准直器，以及沿着辐照目标的内部的示例性束扫描路径；
59.图17是示例性弯曲准直器的顶视图；
60.图18是示出辐照目标的示例性截面，以及如何在辐照目标上进行强度调节质子治疗的示例的视图；
61.图19是粒子束扫描系统的示例性辐照场的透视图；
62.图20是到辐照目标的束路径中的示例性能量降级器的多个零件的透视图；
63.图21是图示了能量降级器的零件的移动以追踪粒子束的扫描的透视图；
64.图22是图示了追踪粒子束的扫描需要、不需要能量降级器的零件的移动的情况的透视图；
65.图23是示例性治疗系统的透视图；
66.图24是用于粒子治疗系统中的示例性同步回旋加速器的部件的分解透视图；
67.图25是示例性同步回旋加速器的截面图；
68.图26是示例性同步回旋加速器的透视图；
69.图27是用于同步回旋加速器中的示例性离子源的截面图；
70.图28是用于同步回旋加速器中的示例性d形板(dee plate)和示例性虚设d形的透
视图；
71.图29示出了定位在治疗室中的示例性粒子治疗系统的示例性内门架内的患者；
72.图30是可以使用能量可变粒子加速器的示例性粒子治疗系统的概念图；
73.图31是示出用于粒子加速器中的磁场和距离上的变化的能量和电流的示例曲线图；
74.图32是用于在d形板上在对粒子束的每个能级在频率范围上扫掠电压且用于在粒子束能量变化时变化频率范围的示例性结构的侧视图；
75.图33是可以用于能量可变粒子加速器中的示例性磁体系统的透视分解图；
76.图34是示出包含切换能量降级器的示例性粒子治疗系统的框图；
77.图35是示例性辐照目标的透视图，辐照目标包含其要由粒子治疗来治疗的多层；
78.图36是切换能量降级器的具有相同厚度的示例性板的透视图；
79.图37是切换能量降级器的具有不同厚度的示例性板的透视图；
80.图38是示出示例性能量降级器的板在前向方向上的扫描期间分开地移动的透视图；
81.图38a是示出在前向方向上的扫描期间在第一位置处的示例性能量降级器的板的透视图；
82.图38b是示出在前向方向上的扫描期间在第二位置处的示例性能量降级器的板的透视图；
83.图39是示出粒子束斑点的高斯分布的视图；
84.图40是示出在前向方向上的扫描期间分开地移动的示例性能量降级器的板的透视图；
85.图41是示出在反方向上的扫描期间一起移动的示例性能量降级器的板的透视图；
86.图42是示出在前向方向上的扫描期间一起移动的示例性能量降级器的板的透视图；
87.图43是示出在反方向上的扫描期间分开地移动的示例性能量降级器的板的透视图；
88.图44是示出在前向方向上的扫描期间一起移动的示例性能量降级器的板的透视图；
89.图45是示出在反方向上的扫描期间分开移动的示例性能量降级器的板的透视图；
90.图46是示出在前向方向上的扫描期间一起移动的示例性能量降级器的板的透视图；
91.图47是示出组合并在扫描期间移动以击中辐照目标内的层的板的透视图；
92.图48是含有传感器的板的顶视透视图；
93.图49是图示板的二维扫描的板的顶视透视图。
94.相同附图标记在各附图中指代相同元件。
具体实施方式
95.本文中所描述的是用于诸如质子或离子治疗系统的系统中的粒子加速器的示例。示例性粒子治疗系统包含安装在门架上的粒子加速器——在此示例中，同步回旋加速器。
门架使加速器能够绕患者定位旋转，如以下更详细解释的。在一些实施方案中，门架是钢的并且具有两个足，两个足安装以用于在位于患者的相对侧上的两个相应的轴承上旋转。粒子加速器由钢桁架支承，钢桁架足够长，以跨在患者躺卧其中的治疗区域上，并且附接在两端处以旋转门架的足。由于门架绕患者的旋转，粒子加速器也旋转。
96.在示例性实施方案中，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)包含保持一个或多个超导线圈的恒低温器，每个超导线圈用于传导生成磁场(b)的电流。在此示例中，恒低温器使用液氦(he)来将每个线圈维持在超导温度，例如，4
°
开尔文(k)。磁轭或更小的磁极零件位于恒低温器内，并且限定空腔，粒子在空腔中被加速。
97.在此示例性实施方案中，粒子加速器包含粒子源(例如，潘宁离子计(penning ion gauge)
–
pig源)，以向空腔提供等离子体柱。氢气被离子化以产生等离子体柱。电压源向空腔提供射频(rf)电压，以加速来自等离子体柱的粒子的脉冲。
98.如提到的，在示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。相应地，rf电压跨频率范围扫描，以解决当加速来自等离子体柱的粒子时粒子上的相对论效应(例如，增加的粒子质量)。通过将电流运行通过超导线圈产生的磁场使从等离子体柱加速的粒子在空腔内绕轨道地加速。在其他实施方案中，可以适于除同步回旋加速器之外的粒子加速器。例如，可以将回旋加速器、同步加速器、线性加速器等替换用于本文中所描述的同步回旋加速器。
99.在同步回旋加速器中，磁场再生器(“再生器”)定位在空腔外侧(例如，在其内部边缘处)，以调整空腔内的现有磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的相继的轨道的位置(例如，间距和角度)，使得粒子最终输出到穿过恒低温器的引出通道。再生器可以提高空腔中的点处的磁场(例如，其可以在空腔的区域处产生磁场“不均匀性(磁场)”)，从而使该点处的粒子的每个相继的轨道朝引出通道的入口点进动，直到其到达引出通道。引出通道接收从等离子体柱加速的粒子，并且输出接收来自空腔的粒子作为粒子束。
100.超导(“主”)线圈可以产生相对高的磁场。由主线圈生成的磁场可以在4t至20t或更高的范围内。例如，主线圈可以用于生成磁场，磁场为一个或多个以下强度，或超过一个或多个以下强度：4.0t、4.1t、4.2t、4.3t、4.4t、4.5t、4.6t、4.7t、4.8t、4.9t、5.0t、5.1t、5.2t、5.3t、5.4t、5.5t、5.6t、5.7t、5.8t、5.9t、6.0t、6.1t、6.2t、6.3t、6.4t、6.5t、6.6t、6.7t、6.8t、6.9t、7.0t、7.1t、7.2t、7.3t、7.4t、7.5t、7.6t、7.7t、7.8t、7.9t、8.0t、8.1t、8.2t、8.3t、8.4t、8.5t、8.6t、8.7t、8.8t、8.9t、9.0t、9.1t、9.2t、9.3t、9.4t、9.5t、9.6t、9.7t、9.8t、9.9t、10.0t、10.1t、10.2t、10.3t、10.4t、10.5t、10.6t、10.7t、10.8t、10.9t、11.0t、11.1t、11.2t、11.3t、11.4t、11.5t、11.6t、11.7t、11.8t、11.9t、12.0t、12.1t、12.2t、12.3t、12.4t、12.5t、12.6t、12.7t、12.8t、12.9t、13.0t、13.1t、13.2t、13.3t、13.4t、13.5t、13.6t、13.7t、13.8t、13.9t、14.0t、14.1t、14.2t、14.3t、14.4t、14.5t、14.6t、14.7t、14.8t、14.9t、15.0t、15.1t、15.2t、15.3t、15.4t、15.5t、15.6t、15.7t、15.8t、15.9t、16.0t、16.1t、16.2t、16.3t、16.4t、16.5t、16.6t、16.7t、16.8t、16.9t、17.0t、17.1t、17.2t、17.3t、17.4t、17.5t、17.6t、17.7t、17.8t、17.9t、18.0t、18.1t、18.2t、18.3t、18.4t、18.5t、18.6t、18.7t、18.8t、18.9t、19.0t、19.1t、19.2t、19.3t、19.4t、19.5t、19.6t、19.7t、19.8t、19.9t、20.0t、20.1t、20.2t、20.3t、20.4t、20.5t、20.6t、20.7t、20.8t、20.9t，或更高。此外，主线圈可以用于生成磁场，磁场在以上未具体列出的4t至20t(或更高，或更低)的范围内。
101.在一些实施方案中，诸如图1和图2中所示的示例，大铁磁磁轭充当超导线圈产生的杂散磁场的返回。例如，在一些实施方案中，超导磁体可以生成例如4t或更高的相对高的磁场，导致客观的杂散磁场。在一些系统中，图1和图2中所示的，相对大的铁磁返回轭100用作由超导线圈生成的磁场的返回。磁屏蔽件围绕轭。返回轭和屏蔽件一起耗散杂散磁场，从而降低杂散磁场将不利地影响加速器的操作的可能性。
102.在一些实施方案中，返回轭和屏蔽件可以由有源返回系统替换或放大。示例性有源返回系统包含一个或多个有源返回线圈，有源返回线圈在主超导线圈的电流相反的方向上传到电流。在一些示例性实施方案中，存在用于每个超导线圈的有源返回线圈，例如，两个有源返回线圈——每个超导线圈(称为“主”线圈)一个。每个有源返回线圈也可以是围绕对应的主超导线圈之外的超导线圈。
103.电流在与穿过主线圈的电流的方向相反的方向上穿过有源返回线圈。穿过有源返回线圈的电流从而生成与由主线圈生成的磁场极性上相反的磁场。因此，由有源返回线圈生成的磁场能够耗散对应的主线圈造成的至少一些相对强的杂散磁场。在一些实施方案中，每个有源返回可以用于生成2.5t与12t之间或更高的磁场。可以使用的有源返回系统的示例描述于提交于2013年5月31日的美国专利申请no.13/907,601(美国专利no.8,791,656)中，其内容通过引用并入本文。
104.参考图3，在粒子加速器105(其可以具有图1和图2中所示的配置)的引出通道102的输出处是示例性扫描系统106，扫描系统106可以用于跨辐照目标的至少部分扫描粒子束。图4示出了扫描系统的部件的示例。这些部件包含但不限于扫描磁体108、离子室109，以及能量降级器110。可以整合到扫描系统中的其他部件在图4中未示出，包含例如用于改变束斑点尺寸的一个或多个散射器。
105.在示例性操作中，扫描磁体108在两个维度上(例如，笛卡尔xy维度)可控制，以跨辐照目标的部分(例如，截面)导向粒子束。离子室109探测束的剂量，并且将该信息反馈到控制系统以调整束移动。能量降级器110是可控制的以将材料移动入和出粒子束的路径，以改变粒子束的能量，并且因此改变粒子束将穿透辐照目标的深处。
106.图5和图6示出了示例性扫描磁体108的图。扫描磁体108包含两个线圈111，其控制粒子束在x方向上的移动，以及两个线圈112，其控制粒子束在y方向上的移动。在一些实施方案中，通过改变通过线圈的一个或两个集合的电流以从而改变由之产生的(多个)磁场来实现控制。通过适当地改变(多个)磁场，粒子束可以跨辐照目标在x方向和/或y方向上移动。在一些实施方案中，扫描磁体相对于粒子加速器不可物理地移动。在其他实施方案中，扫描磁体可以相对于加速器可移动(例如，附加于由门架提供的移动)。在一些实施方案中，扫描磁体可以是可控制的以连续地移动粒子束。在其他实施方案中，扫描磁体在间隔或特定时间可控制。在一些实施方案中，可以存在不同扫描磁体以控制束在x方向和/或y方向上的移动。在一些实施方案中，可以存在不同扫描磁体以控制束在x方向和/或y方向上的部分移动。
107.在一些实施方案中，离子室109通过探测由入射放射造成的气体内产生的离子对的数目来探测由粒子束施加的剂量。离子对的数目对应于由粒子束提供的剂量。该信息被反馈到计算机系统，计算机系统控制粒子治疗系统的操作。可以包含存储器和一个或多个处理装置的计算机系统(未示出)确定由离子室探测的剂量是否是预期剂量。如果该剂量不
是所预期的，则计算机系统可以控制加速器以打断粒子束的产生和/或输出，和/或控制扫描磁体来防止粒子束输出到辐照目标。例如，为防止或修改粒子束的输出，计算机系统可以关闭/接通离子源，改变rf扫掠的频率，启动一个或多个机制(诸如快冲击磁体(fast kicker magnet，未示出))，以转移束到吸收剂材料，并且从而防止束输出等等。
108.图7示出了范围调节器115，是能量降级器110的示例性实施方案。在一些实施方案中，诸如图7中所示，范围调节器包含系列的板116。板可以由一个或多个以下示例性材料制成：聚碳酸酯、碳、铍或低原子序数的其他材料。然而，其他材料可以替代或附加于这些示例性材料使用。
109.板中的一个或多个可移动入或处束路径，从而影响粒子束的能量，并且从而影响粒子束在辐照目标内穿透的深度。例如，移动到粒子束的路径中的板越多，越多能量将被板吸收，并且粒子束将具有越少能量。相反，移动到粒子束的路径中的越少的板，越少能量将被板吸收，并且粒子束将具有更多能量。更高能量的粒子束比更低能量的粒子束穿透更深到辐照目标中。在此上下文中，“更高”和“更低”是相对术语，并且不具有任何具体数值含义。
110.板物理地移动入和出粒子束的路径。例如，如图8所示，板116a在粒子束的路径中的位置与粒子束的路径之外的位置之间沿着箭头117的方向移动。板是计算机控制的。总体上，移动到粒子束的路径中的板的数目对应于发生辐照目标的扫描的深度。例如，辐照目标可以划分为截面，每个截面对应于辐照深度。范围调节器的一个或多个板可以移动入或出去往辐照目标的束路径，以便实现适当的能量，来辐照辐照目标的这些截面中的每一个。传统地，范围调节器在辐照目标的部分(例如，截面)的扫描期间相对于粒子束是静止的，除了其板移动入和出粒子束的路径。
111.在一些实施方案中，图7和图8的范围调节器可以被that，至少一些时间追踪粒子束的移动的范围调节器替换。此类型的能量降级器在以下更详细描述。在一些实施方案中，范围调节器可以是能量切换范围调节器，相对于图35至49描述了其示例。
112.在一些实施方案中，粒子加速器可以是能量可变粒子加速器，诸如提交于2013年6月12日的美国专利申请no.13/916,401(美国专利公开no.2014/0371511)中描述的示例性粒子加速器，其内容通过引用并入本文。在使用能量可变粒子加速器的示例性系统中，可以存在对本文中所描述的类型的能量降级器较低的需求，因为粒子束的能级可以由粒子加速器控制。例如，在采用能量可变粒子加速器的一些系统中，可以不使用能量降级器。在采用能量可变粒子加速器的一些系统中，仍可以使用能量降级器来改变束能级。
113.在一些实施方案中，在治疗辐照目标之前建立治疗计划。治疗计划可以指定要如何对特定辐照目标进行扫描。在一些实施方案中，治疗计划指定以下信息：扫描的类型(例如，斑点扫描还是光栅扫描)；扫描位置(例如，要扫描的斑点的位置)；每个扫描位置的磁体电流；每个斑点的剂量、斑点尺寸；辐照目标截面的位置(例如，深度)；每个截面的粒子束能量；对于每个粒子束能量要移动到束路径中的板或其他类型的零件；等等。总体上，斑点扫描涉及在辐照目标上的离散斑点处施加辐照，并且光栅扫描涉及跨放射目标移动放射斑点。斑点尺寸的概念因此适用于光栅扫描和斑点扫描两者。
114.在一些实施方案中，辐照目标的总体治疗计划包含辐照目标的不同截面的不同治疗计划。不同截面的治疗计划可以含有相同信息或不同信息，诸如以上提供的信息。
115.在一些实施方案中，扫描系统可以包含准直器120(图3)，以准直粒子束，其可以包含孔口，孔口可相对于辐照目标设置，以限制粒子束的范围，并且从而改变施加到辐照目标的斑点的形状。例如，准直器可以设置在能量降级器的束路径束下游并在粒子束击中辐照目标之前。准直器可以含有粒子束穿过的区域(例如，孔或透射性材料)，以及孔周围的另一材料(例如，黄铜)，其抑制或防止粒子束的通过。
116.在一些实施方案中，准直器可以包含限定边缘的结构。结构可以包含抑制粒子束的透射的材料，诸如黄铜。结构可以是可控制的以相对于辐照目标在两个维度上移动，使得结构的至少部分在粒子束的至少部分与辐照目标之间。例如，结构可以是在平面的x方向和y方向上可移动的，该平面与粒子束交叉并且与辐照目标正被治疗的的截面平行或实质上平行。以此方式使用准直器可以是有利的，因为可以用其定制到达患者的粒子束的截面形状，从而限制延伸超出放射目标的粒子束的量。例如，如图9中所示，准直器中的结构220防止粒子束222的部分221到达目标224，从而限制去往辐照目标的束，并且降低健康的组织225对放射的曝露。通过将具有边缘的结构放置在粒子束的部分与患者之间，示例性准直器还为到达患者的粒子束部分提供受限的、或锐利的边缘，从而促进更精确的剂量施加。
117.准直器的定位和移动可以由控制计算机系统控制，计算机系统控制本文中所描述的粒子治疗系统的其他特征。例如，可以根据治疗计划控制准直器，以追踪(例如，跟踪)粒子束跨辐照目标的至少部分的移动。在一些实施方案中，控制准直器追踪，以追踪粒子束相对于辐照目标的全部移动。例如，在一些实施方案中，可以控制准直器，以追踪粒子束遍及辐照目标的整体的移动，例如，在辐照目标的边缘处和在辐照目标的内部两者。在一些实施方案中，控制准直器，以仅追踪粒子束相对于辐照目标的一些移动。例如，可以控制准直器，以相对于当粒子束到达辐照目标的边缘时仅追踪粒子束沿着辐照目标的边缘的移动。
118.参考图10，作为实例，粒子束可以跟踪辐照目标229中的路径，如箭头线230所示。准直器231可以不追踪粒子束在辐照目标229的内部233的移动。但是，准直器231可以仅追踪粒子束的沿着辐照目标的边缘(例如，粗略地沿着箭头232)移动。例如，每次粒子束到达辐照目标的边缘234，准直器可以移动，或可能之前已经移动，以在边缘处拦截粒子束，并且从而限制周围组织235对束的曝露。准直器何时移动以及移动多少可以取决于粒子束截面(斑点)的尺寸和粒子束扫描的速度。在此示例中，在辐照目标的内部不需要限制对粒子束的曝露；因此，准直器在内部不需要追踪束。
119.可以以各种方式控制准直器的移动。例如，通过磁体108的电流可以对应于粒子束由磁体的偏转，并且从而对应于粒子束斑点在辐照目标上的位置。因此，例如，已知通过磁体的电流和辐照目标相对于磁体的位置，控制扫描系统的操作的计算机系统可以确定辐照斑点的投射位置。并且，已知放射斑点的位置，计算机系统可以控制扫描系统，尤其是准直器，以追踪辐照斑点沿着其移动的全部或部分的移动，如本文中所描述的。在一些实施方案中，计算机系统可以控制扫描系统，尤其是准直器，使得在粒子束斑点到达位置之前准直器到达该位置，如以下更详细描述的。
120.使用准直器，诸如以上所述的，可以具有优点。例如，在一些情况下，粒子束扫描的目标可以包含实现边辐照目标的缘处的精度和剂量的均匀度或辐照目标的内部中的覆盖。使用准直器，通过允许使用相对大的粒子束斑点用于扫描，可以进一步帮助这些目标。在此上下文中，如果斑点尺寸的面积在辐照目标的面积的指定百分比内，则斑点尺寸可以认为
是"大"的。该百分比可以典型地为2.5％，但也可以使用例如0.25％与25％之间的值。使用相对大的斑点尺寸的扫描对每个束脉冲提高辐照目标的部分区域覆盖率。典型地，该斑点尺寸越大，由于目标(患者)移动造成的目标均匀度受不利影响越小。然而，在边缘处，通过缩小横向半影，准直器降低来自大斑点的放射影响放射目标之外的组织(例如，健康组织)的几率。传统地，较小的斑点尺寸是优选的，因为与较大的斑点尺寸相比，它们允许边缘处的更精确的剂量。但是，与准直的边缘相比，这些较小的斑点尺寸可能导致对于给定治疗量的较慢的治疗时间，并且由于降低的边缘分辨率和增大的半影而降低边缘保形性(conformality)。
121.准直器可以具有任意数目的不同形状或配置，并且可以或可以不包含一个或多个移动部分。在示例性实施方案中，准直器由黄铜和/或其他放射阻挡材料构成，并且具有若干厘米量级的厚度。然而，不同准直器可以具有不同成分和厚度。
122.在示例性实施方案中，准直器是具有一个或多个受限的边缘的结构。例如，准直器可以是含有孔口或孔的结构。图11示出了此类型的准直器239的示例。准直器239可以具有任意适当的形状，其具有其中的孔口。孔口的边缘可以用于限制粒子束的施加，例如如图9中所示，从而允许将束222施加到辐照目标224但不施加到被准直器220覆盖的组织，否则该组织在束路径中。如以上所解释的，孔口可以编辑扫描操作的全部或部分追踪(例如，跟踪)粒子束。例如，孔口可以仅在辐照目标的边缘处或遍及束的整个移动追踪粒子束的移动。即，准直器自身可以沿着辐照目标的边缘移动，以追踪粒子束的移动(例如，使得当粒子束到达辐照目标边缘时准直器的位置与粒子束重合)。
123.在一些实施方案中，准直器可以包含两个或更多个孔口，其受控以重叠并从而实现具体尺寸。例如，如图12中所示，孔口244和245是相应的结构246和247的部分。结构相对于彼此移动，如图13所示，从而使得孔口244、245重叠并改变尺寸，并且在一些情况下，改变所得的孔248的形状，允许粒子束穿过孔248。可以使用除所示的这些形状之外的形状。
124.在一些实施方案中，在粒子束在辐照目标的内部移动期间，准直器可以追踪粒子束的移动。例如，在一些实施方案中，孔口的直径可以小于粒子束斑点的直径。在一些系统中，可能期望在全部辐照位置(包含在辐照目标的内部上的位置)使用具有特定直径的斑点。因此，在这些系统中，孔口可以追踪粒子束斑点的全部移动，从而实现用于治疗的适当的粒子束斑点直径。在一些实施方案中，准直器的孔口可以在尺寸和/或形状上变化。例如，准直器可以具有一个或多个移动部分，以改变孔口的尺寸和形状(例如，缩小其直径、表面积等)。
125.在示例性实施方案中，准直器可以是具有一个或多个直的边缘的结构。例如，准直器可以包含正方形、长方形，或实质上线性的结构，其各自具有可以设置在粒子束的路径中的至少一个边缘。
126.在采用直的边缘的示例性实施方案中，准直器可以具有多叶结构，如图14中。在图14中，准直器250追踪沿着辐照目标251的边缘的移动。指部252向上或向下移动，或朝向或背离辐照目标移动，以便实现与辐照目标的边缘形状实质上匹配的边缘形状253，并且阻挡粒子束到达健康组织(或不应被辐照的组织)。例如，每个指部可以向上或向下移动，或伸展和缩回，或进行这样的移动的组合，以实质上匹配边缘形状。准直器250自身可以沿着辐照目标251的边缘(例如，粗略地在箭头255的方向上)边缘，以追踪粒子束的移动(例如，使得
当粒子束到达辐照目标边缘时准直器的位置与粒子束重合)。在一些实施方案中，在扫描操作期间，准直器250可以或可以不移动到辐照目标的内部。
127.传统多叶准直器是相对于辐照目标静止的，并且包含两组指部，其面向彼此，并且相对于彼此移动，以达到适当的准直。这样的准直器中可以存在使用的数十、数百或甚至数千个指部，并且它们的尺寸可以与辐照场自身一样大。在一些实施方案中，辐照场可以由平面限定，平面与束成角度，并且限定粒子束可以相对于辐照目标在x方向和y方向上移动的最大范围。然而，在本文中所描述的示例性实施方案中，准直器相对于辐照目标移动(例如，沿着辐照目标的边缘追踪或移动)，并且仅需要提供辐照目标的点处的受限的边缘，斑点在何处何时击中该点。相应地，多叶准直器可以制造为明显地小于其常规对应物。例如，本文中所描述的多叶准直器可以包含十个或更少的(例如，两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或九个)指部(或更多，如果期望的话)。
128.在采用直的边缘的示例性实施方案，如图15中所示，准直器260可以在形状上为长方形，并且沿着辐照目标261的边缘移动。准直器260可以沿着辐照目标的边缘移动，以追踪粒子束的移动(例如，使得当粒子束到达辐照目标边缘时准直器的位置与粒子束重合)。在沿着辐照目标的边缘移动期间，准直器260还可以在两个或三个维度上旋转，例如，在箭头262的xy维度上，并且在z维度上。该旋转允许准直器260的边缘的至少部分相对紧密地匹配辐照目标的边缘。因此，准直器260可以适当地定位，使得当粒子束到达辐照目标的边缘时，准直器阻挡延伸超出边缘的组织。因此，准直器提供相对于辐照目标受限的放射边缘，并且保护相邻组织免受粒子束影响。准直器到辐照目标的边缘上的适当的点的移动可以与粒子束移动重合，或在粒子束的移动之前。
129.在一些实施方案中，准直器可以包含具有一个或多个直的边缘的单个结构，如图15中所示。在其他实施方案中，准直器可以包含在辐照目标的不同(例如，相对的)边缘处的两个或更多个这样的结构，如图16中所示。此处，准直器包含两个结构265、266。结构265和结构266中的每一个追踪粒子束的移动。即，结构265移动，使得当粒子束到达辐照目标的边缘269时结构265的位置与粒子束重合，并且结构266移动，使得当粒子束到达辐照目标的边缘270时结构266的位置与粒子束重合。每个结构到辐照目标的边缘上的适当的点的移动可以与粒子束的移动重合，或在粒子束的移动之前。例如，结构266可以随着斑点在箭头271的方向上扫描而移动，使得当斑点返回到边缘270时结构266处于适当的位置；并且结构265可以随着斑点箭头272的方向上扫描而移动，使得当斑点返回到边缘269时结构265处于适当的位置。结构265和结构266可以同时移动，在不同时间移动，或可以在它们的移动时间上存在重叠。此类型的布置允许粒子束从辐照目标的边缘到边缘移动，且准直器允许两个边缘处的受限的辐照场。并且，因为准直器由多个结构构成，扫描不需要显著地减慢来等待准直器的移动。在一些实施方案中，准直器可以包含多于两个(例如，三个、四个等)具有图16中所示的类型和操作的结构。在一些实施方案中，构成准直器的两个或更多个结构可以是包含孔的结构，诸如图11所示。否则，双结构准直器的操作如上所述。
130.在一些实施方案中，准直器不需要具有直的边缘，而是其(多个)边缘可以是曲线的，如图17中所示。准直器可以包含仅一个这样的结构或两个或更多个这样的结构。在一些实施方案中，构成准直器的两个或更多个结构可以是包含曲线边缘的结构。例如，具有图17中所示的类型的两个结构可以替换图16的结构。否则，双结构准直器的操作如上所述。
131.就此而言，在示例性实施方案中，准直器可以是具有曲线形状的结构，曲线形状具有沿着其边缘连续变化的曲率半径，从而允许边缘的至少部分直接地或通过以适当角度旋转边缘而紧密地匹配辐照目标的边缘。在此示例中，准直器275为云尺曲线，其可以移动以部分或全部地追踪束，并且可以相对于辐照目标在两个或三个维度上旋转，以控制粒子束的施加。准直器中可以包含任意适当地曲线的结构。如以上情况，准直器275可以仅沿着辐照目标的边缘移动，以追踪粒子束的移动(例如，使得当粒子束到达辐照目标边缘时准直器的位置与粒子束重合)。如以上情况，准直器可以或可以不追踪粒子束在辐照目标的内部的移动。
132.准直器可以仅包含一个图17中所示类型的结构，或者准直器可以包含两个或更多个这样的结构。例如，图17中所示类型的两个结构可以替代图16的两个结构。否则，双结构准直器的操作如上所述。
133.在一些实施方案中，可以设计治疗计划系统可以，使得扫描速度(例如，粒子束斑点横穿辐照目标的速率)在辐照目标的内部与在辐照目标的边缘不同。例如，扫描速度可以在辐照目标的内部比在辐照目标的边缘更快。此布置允许在辐照目标的边缘比在辐照目标的内部更高精度的扫描。此类型的可变速度扫描可以使用任意适当的类型的准直器实现，包含本文中所描述的那些准直器，或此类型的可变速度扫描可以不使用任何准直器实现。任意情况下，辐照目标边缘处的较慢的速度可以允许此处更精确的扫描，可以降低粒子束将影响辐照目标之外的几率。
134.在一些实施方案中，本文中所描述的准直器可以用于强度调节质子治疗过程中。在这样的过程中，质子束从不同方向投射在放射目标处，使得从各方向递送总体剂量的一百分比。因此，可以降低递送到辐照目标之外的体积的剂量的量。例如，图18示出了从三个不同角度施加到辐照目标281的粒子束280。在此示例中，可以从一个角度施加总剂量的1/3；可以从另一角度施加总剂量的1/3；并且，可以从又另一个角度施加总剂量的1/3。即，粒子束可以相对于水平285以角度282扫描，以施加剂量的1/3；粒子束可以以角度283扫描，以施加剂量的1/3；并且，粒子束可以以角度284扫描，以施加剂量的1/3。因此，施加到周围组织287的放射的量以适当的角度分散，从而降低周围组织将曝露于有害量的放射的几率。可以采用任意适当数目的角度和每个角度的适当的剂量。
135.辐照目标，诸如肿瘤，典型地不是对称的。相应地，施加粒子束的不同角度典型地需要不同束准直。本文中所描述的示例性准直器可以定位在沿着辐照目标的边缘(如上所述)的适当的位置处，以在给定角度的辐照的情况下提供适当的准直。在一些实施方案中，示例性准直器可以追踪粒子束的移动，或者仅在辐照目标的边缘或以施加的全部角度遍及粒子束的移动的一些部分(例如，全部)。
136.在一些实施方案中，本文中所描述的示例性准直器通过阻挡粒子束而防止粒子束透射到周围组织。在一些实施方案中，示例性准直器可以允许粒子束的部分透射，从而导致比辐照目标更低水品的放射施加到周围组织。可以以此方式制造本文中所描述的任意示例性准直器。
137.本文中所描述的示例性准直器可以安装到一个或多个计算机控制的机器人臂或其他结构，以控制它们相对于辐照目标的移动。准直器也可以安装到扫描系统自身。典型地，准直器安装为相对于粒子束扫描系统的其他元件(例如，扫描系统的其他元件的束下
游)最接近于患者。在准直器包含多于一个零件的实施方案(例如，图16)中，可以存在多于一个机器人臂或其他结构，以根据治疗计划独立地控制准直器的不同零件。在一些实施方案中，单个机器人臂可以配置为独立地控制准直器的不同零件，或控制预组装的零件的组合。
138.在一些实施方案中，能量降级器还可以配置为追踪粒子束的移动。就此而言，在一些实施方案中，诸如相对于图7和图8所描述的示例性实施方案，能量降级器可以包含多个板，多个板可移动到粒子束的路径中，以控制束中的能量的量，并且从而控制粒子束穿透辐照目标的深度。以此方式，能量降级器用于进行辐照目标中的深度(粒子束的方向或z-方向)扫描。典型地，每个板吸收粒子束中的能量的一定量。相应地，放置在粒子束前的板越多，束具有的能量越少，并且束将穿透到辐照目标中越浅。相反，放置在粒子束前的板越少，束具有的能量越多(因为(多个)板吸收的能量越少)，并且束将穿透到辐照目标中越深。在一些实施方案中，每个板具有约相同的厚度，并且因此吸收约相同量的束能量。在其他实施方案中，不同板可以具有不同厚度，板的厚度对应于板吸收的能量的量。
139.在一些实施方案中，板各自具有约为辐照场的尺寸的表面积。在此上下文中，辐照场可以由限定粒子束可以相对于辐照目标在x方向和y方向上移动的最大范围的平面限定。例如，图19示出了辐照目标291前面的辐照场290(也称为束场或辐照场)。由于物理系统限制，粒子束可跨限定辐照场的平面移动，但不可超出限定辐照场的平面移动。相应地，为确保能量降级器可以施加于辐照场内的任何位置，在一些实施方案中，能量降级器中的板各自具有至少与辐照场的尺寸一样大(并且在一些情况下超出辐照场的尺寸)的表面积。然而，此配置可能导致板是大的(例如，可能一平方米或几平方米)，并且因此可能是沉重的，并且移动相对缓慢。板的缓慢移动可能导致较慢的治疗。
140.在一些实施方案中，能量降级器可以小于辐照场的尺寸，并且追踪粒子束的移动的至少部分。因此，能量降级器可以更轻，其可以减少将能量降级器板定位在粒子束的路径中所用的时间，并且因此减少治疗时间。能量降级器可以在两个方向(例如，xy)上或在三个方向(例如，xyz)上追踪粒子束。即，能量降级器可以在垂直于粒子束的平面中移动，或能量降级器可以在垂直于粒子束的平面中并且沿着粒子束的纵向方向移动。就此而言，本文中所描述的任意准直器还可以在垂直于粒子束的平面中移动，或本文中所描述的任意准直器还可以在垂直于粒子束的平面中且沿着粒子束的纵向方向移动。(多个)准直器和(多个)能量降级器的移动可以独立或协调。
141.例如，能量降级器可以由多个零件构成，其可以为板或构造为在治疗期间吸收粒子束能量的其他结构。每个零件可以具有相同的面积(xy)和厚度(z)，或者不同零件可以具有不同面积和厚度。参考图20，具有相同或不同厚度的两个或更多个零件294可以在粒子束293路径中放置在辐照目标295前面，以实现特定量的能量吸收。替代地，可以将具有特定厚度的单个零件放置在束前面，以实现特定量的能量吸收。例如，如果需要特定能量吸收，则控制计算机可以选择具有适当的厚度的零件，以实现该吸收。
142.在将两个或更多个零件放置在束前面的示例中，这些零件可以在放置之前组装或在放置期间动态地组装。例如，控制计算机可以选择两个零件，布置它们，并且然后将两个零件的组合移动到束路径中。替代地，控制计算机可以选择两个零件，并且然后同时但不处于组合地将两个零件的组合移动到束路径中(例如，可以用分开的机器人臂各自移动)。
143.能量降级器或其零件可以跨辐照场的至少部分追踪粒子束的移动，从而实现适当的能量吸收，并且因此在辐照目标上的各点处实现束深度穿透。治疗计划可以指定在治疗期间特定时间需要能量降级器在何处，并且来自离子室处的离子化的反馈可以用于定位和定位校正，如果必要的话。在一些实施方案中，能量降级器需要追踪粒子束的精度是基于降级器的尺寸和粒子束在粒子束与能量降级器交叉处的斑点尺寸。
144.更具体地，在一些示例中，能量降级器的表面积越小，能量降级器的移动应当越紧密地追踪粒子束的移动。相反，在其他示例中，能量降级器的表面积越大，能量降级器的移动需要追踪粒子束的移动越不紧密。例如，参考图21，如果能量降级器299的表面积接近于斑点300在粒子束与能量降级器交叉的点处的表面积，能量降级器应当相当紧密地追踪粒子束的移动，以便确保在治疗期间适当时间能量降级器相对于辐照目标301在粒子束前面。例如，粒子束304从位置302到位置303的的移动还将需要能量降级器299在箭头305的方向上移动，以保持在束路径中，因为斑点和降级器的面积在尺寸上相对接近。如指出的，粒子束的移动可以由治疗计划指定，并且通过使用离子室处的离子化探测，并且反馈给控制计算机。此信息还可以用于控制能量降级器的移动。
145.在一些实施方案中，可移动能量降级器可以显著大于粒子束斑点。在这些情况下，能量降级器不需要那么紧密地追踪粒子束的移动，以确保能量降级器在治疗期间适当时间在粒子束前面。实际上，取决于能量降级器的尺寸，能量降级器在粒子束移动的一些情况下完全不需要移动。即，对于一些粒子束的移动，能量降级器可以保持静止，但对于其他粒子束的移动，能量降级器也移动以拦截粒子束。例如，图22示出了能量降级器310显著大于粒子束与能量降级器交叉处的粒子束斑点311的情况。随着粒子束斑点从点314a移动到点314b，能量降级器保持在束路径中，即使能量降级器未曾移动。控制计算机系统，已知降级器的尺寸和两个斑点位置，在此情况下不移动能量降级器。相应地，在此情况下，能量降级器不需要追踪粒子束斑点的移动。然而，当斑点移动到点314c时，能量降级器(或其(多个)零件)将移动以追踪并拦截束，从而保持在束路径中。相应地，能量降级器相对于束斑点的尺寸是确定在扫描期间能量降级器何时移动和移动多少的因素。
146.在一些实施方案中，能量降级器可以包含多个部分或零件。例如，一个部分或零件可以用于跨辐照目标的部分追踪粒子束的移动(例如，从辐照目标的顶部施加的辐照)，并且其他部分或零件可以用于跨辐照目标的另一部分追踪粒子束的移动(例如，从目标的底部施加的辐照)。
147.能量降级器(或其零件)可以具有任意形状，例如，正方形、长方形、圆形、卵形、不规则的、规则的、多边形、球形、立方体、四面体等。能量降级器(或其零件)可以具有任意适当的尺寸。例如，能量降级器(或其零件)的表面积可以小于辐照场的面积，小于辐照场的3/4面积，小于辐照场的1/2面积，小于辐照场的1/3面积，小于辐照场的1/4面积，小于辐照场的1/5面积等。能量降级器(或其零件)的表面积可以小于辐照场处的粒子束斑点的二十倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的十五倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的十倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的九倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的八倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的七倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的六倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的五倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的四倍面积，小于辐照场处的粒子束斑点的三倍面积，或小于辐照场处的粒子束斑点的二倍面积。在一些实施方案中，能量降
级器(或其零件)的表面积可以是斑点尺寸的多倍，例如，两倍斑点尺寸、三倍斑点尺寸、五倍斑点尺寸、十倍斑点尺寸等。
148.在一些实施方案中，每个零件(例如，多层中的层)具有相同的尺寸、形状、厚度以及成分。在其他实施方案中，不同零件可以具有不同尺寸、形状、厚度以及成分。
149.本文中所描述的示例性能量降级器的移动可以以各种方式控制。例如，通过磁体108的电流可以对应于粒子束由磁体的的偏转，并且因此，对应于粒子束斑点在辐照目标上的位置。因此，例如，已知通过磁体的电流和辐照目标相对于磁体的位置，控制扫描系统的操作的计算机系统可以确定辐照斑点的投射位置。并且，已知放射斑点的位置，和能量降级器相对于斑点尺寸的尺寸，计算机系统可以控制能量降级器，以追踪(如果必要的话)辐照斑点沿着其移动的全部或部分的移动，如本文中所描述的。
150.示例性可移动能量降级器本文中所描述的可以安装到一个或多个计算机控制的机器人臂或也含有扫描系统的元件的其他结构，以控制相对于辐照目标的移动。在能量降级器包含多于一个零件(例如，多个零件或板)的实施方案中，可以存在多于一个机器人臂，以根据治疗计划独立地控制不同能量降级器的零件。在一些实施方案中，单个机器人臂可以配置为控制不同零件独立地。
151.可以根据不同治疗计划扫描辐照目标的不同截面。如上所述，能量降级器用于控制扫描深度。在一些实施方案中，粒子束可以在能量降级器的配置期间被打断或重导向。在其他实施方案中，不一定是这种情况。
152.本文中所描述的是辐照目标的治疗截面的示例。这些可以是粗略地垂直于粒子束的方向的截面。然而，本文中所描述的概念同样适用于处理辐照目标的不是垂直于粒子束的方向的截面的其他部分。例如，辐照目标可以划分为球形、立方体或其他形状的体积，并且这些体积可以使用本文中所描述的示例性过程、系统和/或装置治疗。
153.本文中所描述的过程可以与单个粒子加速器一起使用，并且其本文中所描述的任意两个或更多个特征可以与单个粒子加速器一起使用。粒子加速器可以可以用于任意类型的医疗或非医疗应用中。以下提供了可以使用的粒子治疗系统的示例。值得注意，本文中所描述的概念可以用于其他未具体描述的系统中。
154.参考图23，带电粒子放射治疗系统401的示例性实施方案包含产生束的粒子加速器402，粒子加速器402的重量和尺寸足够小，以允许其安装在旋转门架404上，且其输出从加速器壳体笔直地(即，基本上直接地)导向朝向患者406。粒子加速器402还包含本文中所描述的类型的扫描系统，其可以如相对于图3至图22和图34至图49所描述地运行。
155.在一些实施方案中，钢门架具有两个足408、410，足408、410安装在两个相应的轴承412、414上以旋转，轴承412、414位于患者的相对侧上。加速器由钢桁架416支承，钢桁架416足够长，以跨距患者躺卧其中的治疗区域418(例如，高的人员的两倍，以允许在患者的任何期望的目标区域保持与束对准的情况下，人员在空间内完全旋转)，并且在两端稳定地附接到门架的旋转足。
156.在一些示例中，门架的旋转被限制为小于360度的范围420，例如，约180度，以允许地面422从容纳治疗系统的拱室(vault)424的墙壁延伸到患者治疗区域中。门架的受限的旋转范围还降低一些墙壁(其不直接与束对准，例如，墙壁430)的所需厚度，其提供治疗区域之外的人的放射屏蔽。门架旋转的180度的范围足以覆盖全部治疗接近角度，但提供更大
范围的行程可能是有用的。例如旋转的范围可以在180至330度之间，并且仍提供治疗地面空间的间隙。在其他实施方案中，旋转不如上所述受限。
157.门架的水平旋转轴线432标称地位于地面之上一米，患者和治疗师与治疗系统交互。此地面定位在治疗系统屏蔽拱室的底部地面之上约3米。加速器可以在升高的地面之下摆动，以从旋转轴线之下递送治疗束。患者椅在在平行于门架的旋转轴线的实质上水平的平面中移动和旋转。以此配置，椅可以在水平平面中旋转通过约270度的范围434。门架和患者旋转范围的此组合和自由度允许治疗师选择束的几乎任何接近角度。如果需要，患者可以以相反取向置于椅上，并且然后可以施工全部可能的角度。
158.在一些实施方案中，加速器使用具有高磁场超导电磁结构的同步回旋加速器配置。因为给定动能的带电粒子的弯曲半径正比于对其施加的磁场上的增大而减小，高的磁场超导磁结构允许加速器制造得更小和更轻。同步回旋加速器使用磁场，该磁场在旋转角度上不均匀，并且随着半径增大强度下降。不论磁场的强度如何都可以实现这样的场形状，因此，理论上不存在同步回旋加速器中可以使用的磁场强度(并且因此固定半径所得的粒子能量)的上限。
159.同步回旋加速器支承在门架上，使得生成的束直接与患者对准。门架允许同步回旋加速器绕水平旋转轴线旋转，水平旋转轴线含有患者内或附近的点(等中心点440)。平行于旋转轴线的分裂桁架在两侧上支承同步回旋加速器。
160.因为在一些示例性实施方案中门架的旋转范围是受限的，患者支承区域可以被容纳在绕等中心点的宽的区域中。因为地面可以绕等中心点宽广地延伸，患者支承台可以相对于垂直轴线442定位以移动并绕之旋转，垂直轴线442穿过等中心点，使得通过门架旋转与台移动和旋转的组合，可以实现到患者的任意部分中的束方向的任意角度。在一些实施方案中，两个门架臂分开大于高的患者的两倍身高，允许带有患者的椅在升高的地面以上的水平平面中旋转和平移。
161.限制门架旋转角度允许围绕治疗室的墙壁中的至少一个的厚度上的减小。典型地由混凝土构建的厚的墙壁对治疗室之外的个体提供放射保护。停止的质子束的下游的墙壁的厚度可以约为在房间的相对端的墙壁的厚度的两倍，以提供等同水平的保护。门架旋转的限制范围允许治疗室在三侧位于地面以下，同时允许相邻于最薄墙壁的占据面积，降低构建治疗室的成本。
162.在图23中所示的示例性实施方案中，超导同步回旋加速器402以同步回旋加速器的极间隙中的8.8特斯拉的峰值磁场运行。同步回旋加速器产生具有250mev的能量的质子的束。在一些实施方案中，同步回旋加速器是能量可变的机器，并且能够输出具有不同能量的质子束。在一些实施方案中，同步回旋加速器可以产生具有固定能量的束。在一些实施方案中，场强度可以在4t至20t的范围内，并且质子能量可以在150至300mev的范围内。
163.此示例中描述的放射治疗系统用于质子放射治疗，但相同原理和细节可以应用在用于重离子(离子)治疗系统中的类似系统中。
164.如图1、图2、图24、图25和图26所示，示例性同步回旋加速器10(例如，图23中的402)包含磁体系统122，其含有粒子源190、射频驱动系统191，以及束引出系统138。在此示例中，由磁体系统建立的磁场具有适于使用环形超导线圈140、142的分裂对和一对造形的铁磁性(例如，低碳钢)极面144、146的组合保持含有的质子束的聚焦的形状。
165.两个超导磁体线圈居中在共同轴线147上，并且沿着轴线间隔开。线圈可以由部署为扭转通道中线缆导体几何的nb3sn基超导0.8mm直径绞线(其初始地包括由铜鞘围绕的铌-锡芯)形成。在将七个单独的绞线线缆连接在一起之后，将它们加热以产生反应，反应形成最终的(脆性)超导材料的线。在材料已经反应之后，线被焊接到铜通道(外尺寸3.18
×
2.54mm，且内尺寸2.08
×
2.08mm)，并且用绝缘(在此示例中，编织玻璃纤维材料)覆盖。然后将含有线的铜通道卷绕为具有长方形截面的线圈。然后将卷绕的线圈用环氧树脂化合物真空浸渍。完成的线圈安装在环形不锈钢反向绕线筒(reverse bobbin)上。加热毯可以放置在卷绕的层的间隔处，以在磁体淬火的情况下保护组件。
166.然后可以用铜片覆盖整个线圈，以提供导热性和机械稳定性，并且然后包含在附加层的环氧树脂中。可以通过加热不锈钢反向绕线筒并将线圈配合在反向绕线筒内提供线圈的预压缩。选择反向绕线筒内直径，使得当整个物质被冷却到4k时，反向绕线筒保持与线圈接触并提供一些压缩。将不锈钢反向绕线筒加热到近似50℃并且在100开尔文度下配合线圈可以实现此目的。
167.通过将线圈安装在“反向”长方形绕线筒156中，以施加对抗当线圈充能时产生的扭曲力的回复力，来保持线圈的几何。如图25所示，在一些实施方案中，使用一组暖到冷支承带402、404、406，相对于对应的磁体极零件和恒低温器保持线圈位置。将冷物质用薄带支承降低由硬性支承系统施加到冷物质的热量泄露。带布置为随着磁体在门架上旋转，承受线圈上的变化的重力。它们承受重力和当其从相对于磁体轭的完美对称位置受干扰时线圈产生的大的离心力的组合效应。另外，当门架在其位置改变时加速和减速时，连杆(link)起到减小施加在线圈上的动态力的作用。每个暖到冷支承件可包含一个s2玻璃纤维连杆和一个碳纤维连杆。碳纤维连杆跨暖轭和中间温度(50-70k)之间的销支承，s2玻璃纤维连杆409跨中间温度销和连接到冷质量的销支承。每个销可以由高强度不锈钢制成。
168.参考图1，大体上通过选择线圈几何和极面形状确定作为半径的函数的场强度分布；可渗透轭材料的极面144、146的轮廓可以微调磁场的形状，以确保粒子束在加速期间保持聚焦。
169.通过将线圈组件(线圈和绕线器)封闭在抽真空的环形铝或不锈钢恒低温室170(恒低温器)内，超导线圈保持在接近绝对零度的温度(例如，约4开尔文度)下，恒低温室170提供绕线圈结构的自由空间，除了受限的一组支承点171、173。在替代版本(例如，图2)中，恒低温器的外壁可以由低碳钢制成，以提供磁场的附加返回通量路径。
170.在一些实施方案中，使用一个单级gifford-mcmahon低温冷却器和三个二级gifford mcmahon低温冷却器来实现并保持接近绝对零度的温度。每个二级低温冷却器具有附接到冷凝器的第二级冷端，冷凝器将氦蒸气再凝结为液氦。在一些实施方案中，使用含有液氦的冷却通道(未示出)实现并保持接近绝对零度的温度，冷却通道形成在超导线圈支承结构(例如，反向绕线筒)内，并且含有通道中的液氦与对应的超导线圈之间的热连接。
171.在一些实施方案中，线圈组件和恒低温室安装在药盒形磁体轭100的两个半部181、183内并由之完全封闭。轭100提供返回磁场通量184的路径和极面144、146之间的磁屏蔽体积186，以防止外部磁影响干扰该体积内的磁场的形状。轭还起到降低加速器附近的杂散磁场的作用。在其他实施方案中，线圈组件和恒低温室安装在非磁外壳内并由之完全封闭，并且使用有源返回系统实现返回磁场通量的路径，其示例在以上描述。
172.如图1和图27所示，同步回旋加速器包含潘宁离子计的粒子源190，其几何位于接近磁体结构182的几何中心192。粒子源可以为如以下所述，或者粒子源可以为美国专利申请no.11/948,662(美国专利no.8,581,523)中所描述的类型，其通过引用并入本文。
173.粒子源190从氢的供给部399供应穿过递送气态氢的气体管线393和管394。电缆294载有来自电流源的电流，以激发从与磁场400对准的阴极392、390的电子放电。
174.在此示例中，放电的电子将从管394通过小孔离开的气体离子化，以产生阳离子(质子)的供给，以用于由一个半圆形(d形状)射频板和一个虚设d形板加速，半圆形射频板跨由磁体结构封闭的空间的一半。在打断的粒子源(其示例在美国专利申请no.11/948,662中描述)的情况下，含有等离子体的管的全部(或相当的部分，例如，大部分)在加速区域被移除。
175.如图28中所示，d形板500是中空金属结构，其具有两个半圆形表面503、505，其封闭空间507，质子在它们绕由磁体结构封闭的空间的旋转的一半期间在空间507中被加速。开放到空间507中的管道509延伸穿过外壳(例如，轭或(多个)极零件)，到外部位置，真空泵可以从该外部位置附接到真空空间507和真空室内的发生加速的其余空间。虚设d形502包括长方形金属环，其间隔为接近于d形板的曝露的缘边。虚设d形接地到真空室和磁体轭。d形板500由射频信号驱动，射频信号在射频传输线的端部处施加，以影响空间507中的电场。随着加速的粒子束从几何中心在距离上增大，使射频电场随时间变化。射频电场可以以题为“matching a resonant frequency of a resonant cavity to a frequency of an input voltage”的美国专利申请no.11/948,359(美国专利no.8,933,650)中所描述的方式控制，其内容通过引用并入本文。
176.对于从中心定位的粒子源出射的束，为在其开始向外螺旋时清除粒子源结构，可以射频板跨施加大的电压差。跨射频板施加20,000伏特。在一些版本中，可以跨射频板施加8,000至20,000伏特。为了减小驱动该大电压所需的功率，磁体结构被布置成减小射频板和地之间的电容。这可以通过从射频结构穿过外轭和低温恒温器壳体形成具有足够间隙的孔并在磁体极面之间形成足够的空间来完成。
177.驱动d形板的高压交流电位具有在加速循环期间向下扫掠的频率，以解决质子的相对论质量增加和磁场减小。虚设d形不需要中空半圆柱形结构，因为它与真空室墙壁一起处于地电位。可以使用其他板布置，诸如以不同的电相或基频的倍数驱动的多于一对的加速电极。通过使用例如具有相互啮合的旋转和静止叶片的旋转电容器，可以调谐rf结构以在所需频率扫掠期间保持q为高。在叶片的每次啮合期间，电容增加，从而降低rf结构的谐振频率。叶片可以造形为产生所需的精确频率扫掠。用于旋转冷凝器的驱动电机可以锁相到rf发生器以进行精确控制。在旋转冷凝器的叶片的每次啮合期间，可以加速一束粒子。
178.其中发生加速的真空室是总体上圆柱形的容器，其在中心处较薄并且在边缘处较厚。真空室封闭rf板和粒子源，并由真空泵抽真空。保持高真空可以降低加速离子不会与气体分子碰撞而损失的可能性，并允许rf电压保持在较高水平而不会对接地电弧放电。
179.质子(或其他离子)横穿从粒子源开始的总体上螺旋形的轨道路径。在螺旋路径的每个环路的一半中，质子在它们通过rf电场时获得能量。当质子获得能量时，它们的螺旋路径的每个相机的环路的中心轨道的半径大于先前的环路，直到环路半径达到极面的最大半径。在该位置处，磁场和电场扰动将质子导向到磁场快速减小的区域中，并且质子离开高磁
场的区域并被导向通过真空管(在此称为引出通道)，以离开同步回旋加速器。磁再生器可用于改变磁场扰动以导向质子。当质子进入同步回旋加速器周围房间中存在的明显减小的磁场区域时，离开的质子将倾向于分散。引出通道138(图25)中的束成形元件607、609重导向质子，使得它们保持在有限空间范围的直束中。
180.随着束离开引出通道，它通过束形成系统525(图25)，束形成系统525可包括本文中所述的类型的扫描系统。束形成系统525可以与控制束的施加的内门架结合使用。
181.从同步回旋加速器离开的杂散磁场可能受到磁体轭(也充当屏蔽件)和分开的磁屏蔽件514(例如图1)的限制。分开的磁屏蔽包括由铁磁材料(例如，钢或铁)构成的层517，其包围药盒状轭，由空间516隔开。包括轭、空间和屏蔽件的的夹层的配置实现了对于给定的较低重量的漏磁场的足够的屏蔽。如上所述，在一些实施方案中，可以使用有源返回系统来代替或增强磁轭和屏蔽件的操作。
182.参考图23，门架允许同步回旋加速器绕水平旋转轴线432旋转。桁架结构416具有两个总体上平行的跨距480、482。同步回旋加速器被托在跨越足中间的跨距之间。使用安装在与桁架相对的足的端部上的配重622,624来平衡门架以绕轴承旋转。
183.通过安装在一个或两个门架足上并通过驱动齿轮连接到轴承壳体的电机驱动门架旋转。门架的旋转位置源自整合到门架驱动电机和驱动齿轮中的轴角度编码器提供的信号。
184.在离子束离开同步回旋加速器的位置处，束形成系统525作用在离子束上，以赋予其适于患者治疗的性质。例如，束可以被扩展并且其穿透深度变化，以提供跨给定目标体积的均匀放射。束形成系统可包括如本文所述的有源扫描元件。
185.同步回旋加速器的全部有源系统(电流驱动的超导线圈、rf驱动的板、用于真空加速离子室和用于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，作为示例)可以由适当的同步回旋控制电子器件(未示出)控制，其可以包含例如一个或多个处理装置，其执行来自存储器的指令以实现控制。
186.如上所述，参考图29的系统602，产生束的粒子加速器，在这种情况下，同步回旋加速器604(其可包括本文所述的任何和全部特征)可以安装在旋转门架605上。旋转门架605是本文所述的类型，并且可以绕患者支承件606角度旋转。该特征使得同步回旋加速器604能够从各种角度基本上直接向患者提供粒子束。例如，如图29所示，如果同步回旋加速器604在患者支承件606上方，则粒子束可以向下朝患者导向。替代地，如果同步回旋加速器604位于患者支承件606下方，则粒子束可以向上朝患者导向。就不需要中间束路由机制而言，粒子束基本上直接施加到患者。在此上下文中，路由机制与造形或尺寸化机制的不同之处在于，造形或尺寸化机制不重新路由束，而是对束进行尺寸化和/或造形，同时使束保持相同的总体轨迹。
187.本文中所描述的示例性粒子治疗系统和示例性扫描系统中使用的粒子加速器可以是能量可变粒子加速器，其示例在以下描述。
188.引出的粒子束(从加速器输出的粒子束)的能量可以影响治疗期间粒子束的使用。在一些机器中，粒子束(或粒子束中的粒子)的能量在引出后不会增加。然而，可以基于引出后和治疗前的治疗需要来减少能量。参考图30，示例性治疗系统910包括加速器912，例如同步回旋加速器，从该加速器912引出具有可变能量的粒子(例如，质子)束914以辐照身体922
的目标体积924。可选地，一个或多个附加装置，例如扫描单元916或散射单元916，一个或多个监测单元918，以及能量降级器920沿着辐照方向928放置。装置拦截所引出的束914的截面，并且改变引出的束的一个或多个特性以用于处理。
189.由用于治疗的粒子束辐照的目标体积(辐照目标)典型地具有三维构造。在一些实例中，为了进行治疗，将目标体积沿着粒子束的辐照方向划分为多层，使得可以逐层进行辐照。对于某些类型的粒子(例如质子)，目标体积内的穿透深度(或束到达的层)主要由粒子束的能量决定。给定能量的粒子束实质上不会达到超过该能量对应的穿透深度。为了将束辐照从目标体积的一层移动到另一层，改变粒子束的能量。
190.在图30所示的示例中，目标体积924沿辐照方向928被划分为九层926a-926i。在示例性过程中，辐照从最深层926i开始，每次一层，逐渐到较浅的层并以最浅层926a结束。在施加到身体922之前，粒子束914的能量被控制在一定水平，以允许粒子束停止在期望的层(例如，层926d)，而实质上不进一步穿透到身体或目标体积中，例如，层926e-926i或更深入到身体中。在一些示例中，随着治疗层相对于粒子加速变浅，粒子束914的期望能量减小。在一些示例中，用于治疗目标体积924的相邻层的束能量差异为约3mev至约100mev，例如，约10mev至约80mev，尽管其他差异也是可能的，取决于例如层的厚度和束的性质。
191.用于处理目标体积924的不同层的能量变化可以在加速器912处进行(例如，加速器可以改变能量)，使得在一些实施方案中，在从加速器912引出粒子束之后不需要额外的能量变化。因此，可以从系统中消除治疗系统10中的可选的能量降级器920。在一些实施方案中，加速器912可输出具有在约100mev与约300mev之间(例如，在约115mev与约250mev之间)变化的能量的粒子束。变化可以是连续的或非连续的，例如，每次一步。在一些实施方案中，连续或非连续的变化可以以相对高的速率发生，例如，高达约50mev/秒或高达约20mev/秒。非连续变化可以每次一步地进行，步长为约10mev至约90mev。
192.当在一层中完成辐照时，加速器912可以改变粒子束的能量，以辐照下一层，例如在几秒内或在少于一秒内。在一些实施方案中，目标体积924的治疗可以继续，而不实质上打断或甚至没有任何打断。在一些情况下，选择非连续能量变化的步长以对应于辐照目标体积924的两个相邻层所需的能量差异。例如，步长可以是与能量差异相同的，或者是能量差异的一部分。
193.在一些实施方案中，加速器912和降级器920共同地改变束914的能量。例如，加速器912提供粗调，并且降级器920提供微调，反之亦然。在该示例中，加速器912可输出粒子束，粒子束以约10-80mev的变化步长改变能量，并且降级器920以约2-10mev的变化步长调整(例如，降低)束的能量。
194.能量降低器(例如范围调节器)的减少使用(或不存在)可有助于保持来自加速器的输出束的性质和质量，例如束强度。可以在加速器处进行粒子束的控制。例如，当粒子束通过降级器920时产生的中子的副作用可以减少或消除。
195.可以调整粒子束914的能量，以在完成目标体积924中的治疗之后治疗另一身体或身体部位922'中的另一个目标体积930。目标体积924、930可以在同一身体(或患者)中，或在不同的患者中。距身体922'的表面的目标体积930的深度d可能与目标体积924的深度不同。尽管可以由降级器920进行一些能量调整，但是降级器912仅可以减少束能量，而不能增加束能量。
196.就此而言，在一些情况下，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可在治疗目标924之后并在治疗目标体积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。虽然降级器920可以降低能量，但是可以调整加速器912以输出较低束能量，从而减少或消除降级器920的使用。将目标体积924、930划分为层可以是不同的或相同的。可以逐层地类似地治疗目标体积930以治疗目标体积924。
197.对同一患者的不同目标体积924、930的治疗可以是实质上连续的，例如，两个体积之间的停止时间不长于约30分钟或更短，例如25分钟或更短，20分钟或更短，15分钟或更短，10分钟或更短，5分钟或更短，或1分钟或更短。如本文所解释的，加速器912可以安装在可移动的门架上，并且门架的移动可以移动加速器以瞄准不同的目标体积。在一些情况下，加速器912可在完成目标体积924的治疗之后并且在开始治疗目标体积930之前治疗系统进行调整(例如移动门架)期间完成输出束914的能量调整。在加速器和目标体积930对准之后，治疗可以以调整的所需束能量开始。不同患者的束能量调整也可以相对高效地完成。在一些示例中，包括增加/减少射束能量和/或移动门架的所有调整在约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5分钟内。
198.在目标体积的相同层中，可以通过使用扫描单元916将跨层的二维表面移动束(有时称为扫描束)来施加辐照剂量。替代地，层可以通过使引出的束通过散射单元16的一个或多个散射器(有时称为散射束)来辐照。
199.可以在治疗之前选择诸如能量和强度的束性质，或者可以在治疗期间通过控制加速器912和/或其他装置(例如(多个)扫描单元/散射器916，降级器920和/或图中未示出的其他装置)来调整束性质。在示例实现中，系统910包括与系统中的一个或多个装置通信的控制器932，例如计算机。控制可以基于由一个或多个监视器918执行的监视的结果，例如，监视束强度、剂量、目标体积中的束位置等。尽管监视器918被示出在装置916和在降级器920之间，但一个或多个监视器可以沿着束辐照路径放置在其他适当的位置。控制器932还可以存储一个或多个目标体积(针对相同患者和/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，诸如目标体积的形状、辐照层的数目、每层的辐照剂量，每层辐照的次数等。可以基于治疗计划来在系统910内进行束特性的调整。可以在治疗期间进行额外的调整，例如，当探测到与治疗计划的偏差时。
200.在一些实施方案中，加速器912被配置为通过改变粒子束被加速的磁场来改变输出粒子束的能量。在示例实施方案中，一组或多组线圈接收可变电流，以在空腔中产生可变磁场。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。在一些实施方案中，所有线圈组都是超导的。在其他实施方案中，一些线圈组(例如用于固定电流的组)是超导的，而其他组线圈(例如用于可变电流的一组或多组)是非超导的。在一些示例中，所有线圈组都是非超导的。
201.总体上，磁场的强度可以随着电流的强度而缩放。将线圈的总电流在预定范围内调整可以产生在对应的预定范围内变化的磁场。在一些示例中，电流的连续调节可导致磁场的连续变化和输出束能量的连续变化。替代地，当以非连续的逐步方式调整施加到线圈的电流时，磁场和输出束能量也相应地以非连续(逐步)方式变化。将磁场对电流缩放可以允许相对精确地进行束能量的变化，尽管有时可以进行除输入电流之外的次要调整。
202.在一些实施方案中，为了输出具有可变能量的粒子束，加速器912被配置为施加扫掠不同频率范围的rf电压，每个范围对应于不同的输出束能量。例如，如果加速器912被配置为产生三种不同的输出束能量，则rf电压能够扫过三个不同的频率范围。在另一个示例中，对应于连续束能量变化，rf电压在连续变化的频率范围上扫过。不同的频率范围可以具有不同的较低频率和/或较高频率边界。
203.引出通道可以被配置为适应由能量可变粒子加速器产生的不同能量的范围。例如，引出通道可以足够大，以支持由粒子加速器产生的最高和最低能量。即，引出通道可以尺寸化或以其他方式配置为接收和传输该能量范围内的粒子。可以从加速器912引出具有不同能量的粒子束，而不改变用于引出具有单一能量的粒子束的再生器的特征。在其他实施方案中，为了适应可变粒子能量，可以移动再生器，来以上述方式干扰(例如，改变)不同的粒子轨道，和/或可以添加或移除铁棒(磁垫片)，以改变再生器提供的磁场不均匀性。更具体地，不同的粒子能量将典型地在空腔内的不同粒子轨道上。通过移动再生器，可以以指定的能量拦截粒子轨道，从而提供该轨道的正确扰动，使得指定能量的粒子到达引出通道。在一些实施方案中，实时执行再生器的移动(和/或磁垫片的添加/移除)，以匹配由加速器输出的粒子束能量的实时变化。在其他实施方案中，基于每次治疗调整粒子能量，并且在治疗之前进行再生器的移动(和/或磁垫片的添加/移除)。在任意情况下，再生器的移动(和/或磁垫片的添加/移除)可以是计算机控制的。例如，计算机可以控制实现再生器和/或磁垫片移动的一个或多个电机。
204.在一些实施方案中，使用一个或多个磁垫片来实现再生器，可控制磁垫片以移动到(多个)适当的位置。
205.作为示例，表1示出了示例性加速器912可以输出粒子束的三个示例能级。还列出了用于产生三个能级的相应参数。就此而言，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；最大和最小频率限定rf电压扫掠的范围；“r”是位置与离子在其中被加速的空腔的中心的径向距离。
[0206][0207]
表1.束能量和相应的参数的示例
[0208]
下面描述可以包含在产生具有可变能量的带电粒子的示例粒子加速器中的细节。加速器可以是同步回旋加速器，并且粒子可以是质子。粒子可以作为脉冲束输出。从粒子加速器输出的束的能量可以在患者的一个目标体积的治疗期间或者在同一患者或不同患者的不同目标体积的治疗之间变化。在一些实施方案中，当没有从加速器输出束(或粒子)时，改变加速器的设定以改变束能量。能量变化在所需范围内可以是连续的或不连续的。
[0209]
参考图1中所示的示例，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)，其可以是如上所述的可变能量粒子加速器，如加速器912，可被配置为输出具有可变能量的粒子束。可变能量
的范围可以具有大约200mev至大约300mev或更高的上边界，例如200mev、大约205mev、大约210mev、大约215mev、大约220mev、大约225mev、大约230mev。mev、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130。mev、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。
[0210]
在一些示例中，变化是非连续的，并且变化步长可具有约10mev或更小的尺寸，约15mev、约20mev、约25mev、约30mev、约35mev、约40mev、约45mev、约50mev、约55mev、约60mev、约65mev、约70mev、约75mev，或约80mev或更大。将能量改变一个步长的尺寸可以花费不超过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分钟或更少，或约30秒或更短。在其他示例中，变化是连续的并且加速器可以以相对高的速率调节粒子束的能量，例如，高达约50mev每秒，高达约45mev每秒、高达约40mev每秒、高达每秒约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。加速器可以配置成连续和非连续地调节粒子能量。例如，连续和非连续变化的组合可用于治疗一个目标体积或用于治疗不同目标体积。可以实现灵活的治疗计划和灵活的治疗。
[0211]
输出具有可变能量的粒子束的粒子加速器可以提供辐照处理的精度，并且减少用于治疗的附加装置(除了加速器之外)的数量。例如，对于全部或部分治疗，可以减少或消除使用降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性质(诸如强度、聚焦等)，并且粒子束可以在没有来自附加装置的实质性干扰的情况下到达目标体积。束能量的相对高的变化率可以减少治疗时间并且允许治疗系统的有效使用。
[0212]
在一些实施方案中，加速器(诸如图1的同步回旋加速器)通过改变加速器中的磁场将粒子或粒子束加速到可变能级，这可以通过改变施加到线圈的用于产生磁场的电流来实现。如以上所解释的，示例性同步回旋加速器(例如，图1)包含磁体系统，磁体系统含有粒子源、射频驱动系统以及束引出系统。图33示出了可以用在可变能量加速器中的磁体系统1010的示例。在该示例性实施方案中，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能够生成的磁场的最大值的约5％至约35％。由磁体系统建立的磁场具有适合于使用两组线圈和一对造形的铁磁性(例如，低碳钢)结构的组合来保持的质子束的聚焦的形状，其示例在上面提供。
[0213]
每组线圈可以是分开的环形线圈的分裂对，以接收电流。在一些情况下，两组线圈都是超导的。在其他情况下，仅一组线圈是超导的，而另一组是非超导或正常导电(也在下面进一步讨论)。两组线圈也可以是非超导的。适用于线圈的超导材料包括铌3锡(nb3sn)和/或铌钛。其他常规导电材料可包括铜。线圈组构造的示例在下面进一步描述。
[0214]
两组线圈可以串联或并联电连接。在一些实施方案中，由两组线圈接收的总电流可包含约200万安培匝至约1000万安培匝，例如约250万至约750万安培匝，或者约375万安培匝至约5百万安培匝。在一些示例中，一组线圈被配置为接收总可变电流的固定(或恒定)部分，而另一组线圈被配置为接收总电流的可变部分。两个线圈组的总电流随着一个线圈组中的电流变化而变化。在其他情况下，施加到两组线圈的电流都可以变化。两组线圈中的
可变总电流可以产生具有可变强度的磁场，可变强度的磁场进而改变粒子的加速路径，并且产生具有可变能量的粒子。
[0215]
总体上，由(多个)线圈产生的磁场的强度可缩放到施加到线圈的总电流的强度。基于可缩放性，在一些实施方案中，可以通过线性地改变线圈组的总电流来实现磁场强度的线性变化。可以以相对高的速率调整总电流，这导致磁场和束能量的相对高速率的调整。
[0216]
在上面的表1中反映的示例中，线圈环的几何中心处的电流和磁场的值之间的比率是：1990:8.7(大约228.7:1)；1920:8.4(约228.6:1)；1760:7.9(约222.8:1)。相应地，调整施加到(多个)超导线圈的总电流的强度可以成比例地(基于该比率)调整磁场的强度。
[0217]
在图31的绘图中还示出了磁场对总电流的可缩放性，其中bz是沿z方向的磁场；r是从线圈环的几何中心沿垂直于z方向的方向测量的径向距离。磁场在几何中心处具有最高值，并且随着距离r的增加而减小。曲线1035、1037表示由接收不同总电流的相同线圈组产生的磁场：分别为1760安培和1990安培。引出的粒子的对应的能量分别为211mev和250mev。两条曲线1035、1037具有实质上相同的形状，并且曲线1035、1037的不同部分实质上平行。因此，曲线1035或曲线1037可以线性移位以实质上匹配另一条曲线，表明磁场可缩放到施加到线圈组的总电流。
[0218]
在一些实施方案中，磁场对总电流的可缩放性可能不是完美的。例如，基于表1中所示的示例计算的磁场与电流之间的比率不是恒定的。此外，如图31所示，一条曲线的线性偏移可能与另一条曲线不完全匹配。在一些实施方案中，在完美可缩放性的假设下将总电流施加到线圈组。目标磁场(在完美可缩放性的假设下)可以通过附加地改变线圈的特征(例如几何)来产生，以抵消可缩放性的不完美。作为一个例子，可以从一个或两个磁结构(例如，轭、极片等)插入或移除铁磁性(例如，铁)棒(磁垫片)。线圈的特征可以以相对高的速率改变，使得与可缩放性完美且仅需要调节电流的情况相比，磁场调节的速率实质上不受影响。在铁棒的示例中，棒可以在几秒或几分钟的时间尺度上添加或移除，例如在5分钟内、在1分钟内、小于30秒内，或小于1秒。
[0219]
在一些实施方案中，可基于磁场对线圈组中的总电流的实质可缩放性来选择加速器的设定，例如施加到线圈组的电流。
[0220]
总体上，为了产生在期望范围内变化的总电流，可以使用施加到两个线圈组的任何适当的电流组合。在示例中，线圈组42a、42b可以被配置为接收对应于期望磁场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可以被配置为接收可变电流，该可变电流具有对应于期望磁场范围的上边界和下边界之间的差异的上边界。在表1所示的示例中，线圈组40a、40b被配置为接收在0安培和230安培之间变化的电流。
[0221]
在另一示例中，线圈组42a、42b可被配置为接收对应于期望磁场范围的上边界的固定电流。在表1所示的例子中，固定电流是1990安培。另外，线圈组40a、40b可以被配置为接收可变电流，该可变电流具有对应于期望磁场范围的下边界和上边界之间的差异的上边界。在表1所示的示例中，线圈组40a、40b被配置为接收在-230安培和0安培之间变化的电流。
[0222]
由用于加速粒子的可变总电流生成的总可变磁场可具有大于4特斯拉的最大幅度，例如，大于5特斯拉、大于6特斯拉、大于7特斯拉、大于8特斯拉、大于9特斯拉，或大于10
特斯拉，和高达约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。在一些实施方案中，线圈组中的总电流的变化可使磁场改变约0.2特斯拉至约4.2特斯拉或更高，例如约0.2特斯拉至约1.4特斯拉，或者约0.6特斯拉至约4.2特斯拉。在一些情况下，磁场的变化量可以与最大幅度成正比。
[0223]
图32示出了示例rf结构，示例rf结构用于在粒子束的每个能级的rf频率范围上在d形板500上扫掠电压，并且用于在粒子束能量变化时改变频率范围。d形板500的半圆形表面503、505连接到内导体1300并被容纳在外导体1302中。高压从电源(未示出，例如，振荡电压输入)通过将电源耦接到内导体的电源耦接装置1304施加到d形板500。在一些实施方案中，耦接装置1304定位在内导体1300上，以提供从电源到d形板500的功率传输。此外，d形板500耦接到可变电抗元件1306、1308以对每个粒子能级进行rf频率扫描，并改变不同粒子能级的rf频率范围。
[0224]
可变电抗元件1306可以是旋转电容器，其具有可由电机(未示出)旋转的多个叶片1310。通过在rf扫掠的每个周期期间使叶片1310啮合或解啮合，rf结构的电容改变，这进而改变rf结构的谐振频率。在一些实施方案中，在电机的每个四分之一周期期间，叶片1310彼此啮合。rf结构的电容增加并且谐振频率降低。当叶片1310解啮合时，该过程反转。因此，生成施加到d形板103的高电压并加速束所需的功率可以大幅减小。在一些实施方案中，叶片1310的形状经机械加工以形成谐振频率对时间的所需相关性。
[0225]
通过感测谐振器中的rf电压的相位，保持d形板上的交流电压接近rf空腔的谐振频率，使rf频率生成与叶片旋转同步。(虚设d形接地，并且未在图32中示出)。
[0226]
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。随着板1312和表面1316之间的距离d改变，电容器的电容改变。对于要对一个粒子能量扫掠的每个频率范围，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变化而移动。
[0227]
在一些实施方案中，内导体1300和外导体1302由金属材料形成，例如铜、铝或银。叶片1310和板1312也可以由与导体1300、1302相同或不同的金属材料形成。耦接装置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耦接到d形板，以进行rf频率扫掠和频率范围改变。在一些实施方案中，单个可变电抗元件可配置为进行可变电抗元件1306、1308两者的功能。在其它实施方案中，可使用两个以上可变电抗元件。
[0228]
返回参考图3并且还参考图34，在粒子加速器3401(其可具有图1、图2中所示的配置)的引出通道的输出处是由扫描部件3402构成的扫描器，诸如扫描磁体。如关于图3所描述的，在示例性操作中，扫描磁体在一个或多个(例如，至少两个)维度(例如，笛卡尔xy维度)上是可控制的以将粒子束跨辐照目标的部分(例如，截面)导向。离子室检测束的剂量并将该信息反馈给控制系统以调整束移动。能量降级器是可控制的以将一个或多个元件(例如板)移动入和出粒子束的路径，以改变粒子束的能量，并且因此改变粒子束的将穿透辐照目标的深度(z方向)。例如，能量降级器可以包含一个或多个计算机控制的电机，电机将一个或多个板依次驱动到束场中，并使一个或多个板从束场缩回。在一些实施方案中，束场对应于粒子束可以在指定方向上移动的最大横向范围，例如，在辐照目标上方的笛卡尔xy平面中，例如，如图19所示。
[0229]
如本文所述，粒子束的扫描不等待板移动到位，而是可以在板移动期间进行粒子束的扫描。尽管可以在板移动期间进行扫描，但是当板静止或不存在时也可以进行扫描。例如，在一些情况下，为了到达目标的最深层，不需要将板移动到粒子束的路径中。并且，在一些情况下，全部板可以在扫描发生时定位和静止。在一些实施方案中，能量降级器可以具有如关于图36至图49所描述的配置和操作，其在下面描述。
[0230]
参考图34，能量降级器3403，其可以具有图36至图49的配置和操作，位于粒子加速器3401和辐照目标3405(例如，患者的肿瘤)之间。例如，能量降级器3403可以位于内门架601(图29)的喷嘴610上，并且可以由计算机系统控制，该计算机系统还控制粒子治疗系统的其他部件的操作。能量降级器3403的操作可以与扫描部件、粒子加速器以及本文所述的内门架和外门架的操作协调并受之控制，以实现本文所述的粒子治疗处理及其变体。
[0231]
在一些实施方案中，束通过能量降级器可导致进一步的束发散。相应地，孔3404可以位于能量降级器和辐照目标之间。如本文所述，孔可以是可控的以进一步将束成形。
[0232]
在示例中，位于粒子束路径中的能量降级器的每个板吸收粒子束中的一定量的能量。相应的，放置在粒子束路径中的板越多，束具有的能量越少，并且束将穿透到辐照目标中越浅。相反，放置在粒子束前面的板越少，束具有的能量越多(因为(多个)板吸收的能量越少)，并且束将穿透到辐射目标中越深。因此，对于能量降能的给定的板，入射在该板上的粒子束的能量超过通过该板后的粒子束的能量。在一些实施方案中，板可以由以下示例性材料中的一种或多种制成：聚碳酸酯、碳、铍或具有低原子序数的其他材料。然而，可以使用其他材料代替这些示例材料或者附加于这些示例材料。如本文所述，治疗计划可以指定能量降级器在治疗期间的任何特定时间的配置，并且来自电离室的离子化的反馈可以用于粒子束的定位和定位校正。
[0233]
能量降级器可以是高速能量切换范围移位器(shifter)。在一个示例中，这种类型的能量降级器包含一个或多个元件(例如一个或多个板)，元件在扫描期间在粒子束移动期间移动。例如，(多个)板可以从起点位置朝终点位置移动，并且当(多个)板移动时，粒子束在一个或多个维度上跨(多个)板的表面移动。例如，粒子束可以在一个维度上、在两个维度上移动，或者在三个维度上跨(多个)板的表面移动，并且最终跨辐射目标移动。例如，图49示出了示例板4901的顶视透视图。在标记为4903a、4903b、4903c、4903d和4903e的示例性二维路径中扫描粒子束的斑点4902。扫描期间斑点4902的示例性未来位置标记为4902a、4902b、4902c、4902d和4902e，但是应注意斑点将出现在沿着二维路径的全部位置处。
[0234]
束在移动方向上的移动速度可以与(多个)板在移动方向上的移动速度相同、更慢或更快(只要束保持在板表面上)。在一些实施方案中，如果束比板移动得快，则束可以停止以等待板。如本文所述，相对于一些已知的能量降级器，板和粒子束的同时移动可以减少治疗时间。
[0235]
在一些实施方案中，每个板具有均匀的厚度，如图36所示。也就是说，在这样的实施方案中，每个板上的厚度变化很小或没有变化。在一些实施方案中，能量降级器的板可各自具有相同的厚度，定义为“步长”。在此上下文下，步长指的是待治疗目标的两层之间的距离。即，厚度可以对应于例如击中辐照目标的单独的层所需的束能量。在一些实施方案中，不使用板来到达辐照目标的最深层。例如，能量降级器可以配置成使得没有板位于粒子束的路径中，并且使得粒子束简单地通过而没有能量变化地到达辐照目标。然后，添加板以到
达其他较浅的层。即，为了到达辐照目标的更浅的层，将板移动到束场/治疗区域中并进入粒子束的路径。
[0236]
作为示例，参考图35，示例性辐照目标3500可以分为十层3499、3501、3502、3503、3504、3505、3506、3507、3508和3509(也称为步)，通过跨该层扫描粒子束来治疗每层。层3499位于目标的深端3510，并且需要最多的能量来击中，而层3509位于目标的浅端3511，并且需要最少的能量来击中。相应地，在该示例性实施方案中，没有板移动到粒子束的路径中，以击中层3499。即，粒子束在没有能量变化的情况下通过能量降级器。此后，在示例性操作中，使用具有对应于单步(例如，层的能级)的厚度的板，可以将单个板移动到束路径中以改变束的能量，使得束击中层3501，可以将两个板移动到束路径中以改变束的能量，使得束击中层3502，可以将三个板移动到束路径中以改变束的能量，使得束击中束层3503等，直到治疗全部层。如本文所述，随着(多个)板跨束场移动，粒子束跨(多个)板(并因此最终跨对应的层)移动，从而在迄今未用于治疗的时间内处理照射目标。
[0237]
在一些实施方案中，能量降级器内的不同板可具有不同的厚度。例如，在一些实施方案中，能量降级器可以含有具有第一厚度的第一板和多个附加板，每个附加板具有不同于第一厚度的第二厚度，如图37所示。在示例中，第一板可以具有对应于击中辐照目标的单独的层所需的束能量的厚度(例如，单步长)。附加板可以各自比第一板更厚。例如，每个附加板可以具有两步长的厚度或第一板两倍的厚度，以允许第一板和其他板的组合产生击中辐照目标内的每个层所需的束能量。参考图35，在示例实施方案中，可以使用第一板和附加板如下治疗目标3500。为了治疗层3499，可以将全部板移出束路径。为了治疗层3501，可以将第一板移动到束路径中。为了治疗层3502，第一板可以从束路径缩回，并且可以将附加板(具有两倍于第一板的厚度)移动到束路径中。为了治疗层3503，可以将具有单步的厚度的第一板和具有两步的厚度的附加板都移动到光路中。为了治疗层3504，可以从束路径移除第一板，并且可以将两个附加板(每个具有两步的厚度)放置在束路径中。该过程包含引入零个，一个或多个第二板和用于奇数层的第一板，不包含最深层3499(例如，在该示例中为层3501、3503、3505、3507和3509)，并且对于偶数层缩回第一板(例如，在该示例中为层3502、3504、3506和3508)，直到已经治疗了目标的全部层。如本文所述，随着(多个)板跨束场移动，粒子束跨(多个)板(并且最终跨辐照目标的对应的层)移动，从而在迄今未用于治疗的时间内处理照射目标。
[0238]
在一些实施方案中，各个板可具有与本文所述的厚度不同的厚度。例如，板可以具有多于两种不同的厚度，并且可以适当地排序以击中放射目标的全部层。例如，能量降级器可以包含具有单步长的第一板，以及比第一板厚的附加板。例如，一些附加板可以是两步长厚，而其他板是三个步长厚、四个步长厚、八个步长的厚，等等。例如，参考图35，可以使用第一板和附加板如下治疗目标3500。为了治疗层3499，可以将全部板移出束路径。为了治疗层3501，可以将第一板移动到束路径中。为了治疗层3502，可以从束路径移除第一板，并且可以将第二附加板(具有第一板的两倍厚度)移动到束路径中。为了治疗层3503，可以从束路径移除第一板和第二板，并且可以将第三附加板(具有第一板的厚度的三倍)移动到束路径中。为了治疗层3504，可以将第三附加板(具有三步厚度)留在束路径中，并且可以将第一板(具有一步厚度)移动到束路径中。为了治疗层3505，可以将第三附加板留在束路径中，可以从束路径移除第一板，并且可以将第二附加板(具有两步厚度)移动到束路径中。可以进行
包含在不同的时间基于期望的能级将不同的板移动到束路径中的该过程，直到已经治疗目标的全部层。如本文所述，当(多个)板跨束场移动时，粒子束跨(多个)板移动，从而在迄今未用于治疗的时间内处理照射目标。
[0239]
在一些实施方案中，可以但不必以深度顺序处理这些层。就此而言，参考图35，可以对能量降级器的板进行排序，使得首先治疗层3499，然后是层3501，然后是层3502，然后是层3503，依此类推，直到全部层都被按顺序治疗，或者使得首先治疗层3509，然后治疗层3508，然后是层3507，依此类推，直到按顺序治疗全部层。然而，在一些实施方案中，可以对能量降级器的板进行排序，使得不以深度顺序治疗层，例如，首先治疗层3503，然后是疗层3508，然后是层3501，然后是层3501，然后是其他层，直到治疗全部层。治疗层的顺序可以通过治疗计划确定，该治疗计划可以至少部分地基于能量降级器的配置。
[0240]
在一些实施方案中，使用较少的板可减少能量降级器中的移动部分的数目，从而使能量降级器不易于发生机械故障。较少的板还可以减小能量降级器的尺寸，从而允许能量降级器相对靠近正在接受治疗的患者定位。板移动入或出束路径可能是有噪声的。使用具有不同厚度的板可以减少需要移动到束路径中的板的数目，这在一些情况下可以降低治疗期间的噪声。
[0241]
图36示出了具有多个板的示例性能量降级器3600，每个板对应于单步。图37示出了也具有多个板的示例性能量降级器3700，其中一个板3701对应于单步，并且多个其他板3702各自对应于两步(换而言之，在该示例中，板3701是每个板3702的厚度的一半)。能量降级器3700可能需要比能量降级器3600移动更少的板来击中目标的全部层，并且因此在一些情况下可能噪声更低、更小并且更不易受机械故障的影响。在一些实施方案中，能量降级器3700可包含多个单步板(如板3701)和多个较厚的板(如板3702)。在一些实施方案中，能量降级器3700可包含单个较厚的板(如板3702)以及多个单步板(如板3701)。
[0242]
在本文所述的示例能量降级器中，单独的板可移动入和出粒子束的路径，并且可以在扫描期间随着粒子束的移动继续它们的移动。更具体地，在一些已知的能量降级器中，在扫描粒子束之前定位板。定位之后，进行扫描，并且然后随着重新定位板而停止。在诸如这些的系统中可能延长治疗时间。通过在其板移动期间移动粒子束，如本文所述，示例能量降级器可以相对于使用已知系统所得的治疗时间减少治疗时间。这是因为粒子束和板两者同时移动。因此，以前在患者治疗之前用于移动板的时间可用于实际治疗。
[0243]
在一些实施方案中，控制能量降级器的相同计算机系统还控制粒子束在扫描期间的移动。在一些实施方案中，不同的计算机系统控制能量降级器的操作和粒子束的移动。在任意情况下，能量降级器和/或扫描器的操作可以协调，使得粒子束穿过适当数目的(多个)板，以治疗期望的层，同时这些(多个)板跨束场的至少部分移动。在一些实施方案中，能量降级器的操作还包含使粒子束穿过移动已经停止的板，如本文中还描述的。
[0244]
参考图38，在示例性操作中，能量降级器的板3801、3802是可控制的以在相同方向上移动(在该示例中，箭头3803的方向)，并且同时在扫描期间在粒子束3804的移动期间。在图38的示例中，在板的移动期间粒子束3804的移动由箭头3806表示。在图38的示例和随后呈现的其他图中，在移动之后的未来位置处的粒子束用虚线表示。在图38的示例和随后呈现的其他图中，在移动之后的未来位置处的能量降级器的板以虚线表示。可以仅表示未来位置处的板的仅部分(如图38中的情况)，因为板的当前和未来位置可以重叠，并且当前板
位置以实线表示。
[0245]
在示例性操作中，粒子束3804穿过能量降级器的一个或多个板(例如，至少部分)，同时对应的板处于移动中。例如，图38示出了第一板3801和第二板3802，它们都是示例能量降级器的部分。第一板3801和第二板3802是可控制的以在箭头3803的方向移动。在该示例中，粒子束与板正交，但在一些实施方案中不一定是这种情况。例如，粒子束可以与板非正交，如关于图18描述的强度调整质子治疗的情况。粒子束由粒子束入射在之上的板(此处，板3802)上的斑点3807表示。
[0246]
在示例性操作中，板3802开始在箭头3803的方向上移动朝向/进入束场3809。可以在板3802处于束场内之后的任意适当时间开始扫描。扫描何时开始将由治疗计划确定，该治疗计划识别放射目标相对于能量降级器的板的位置。如本文所述，可以在任何板处于束场中之前在束场内开始扫描。例如，在一些实施方案中，为了扫描目标中的最深层，不需要束能量变化，因此，没有板位于束的路径中。然而，在扫描开始之前或之后的任何适当时间，板可以开始朝向和进入束场，包含随着正扫描最深层，板可以移动到束场中但是跟随束路径。
[0247]
在一些实施方案中，粒子束跨板3802的移动限于在距板3802的边缘3810预定距离之外。例如，可以控制能量降级器和/或扫描系统，使得粒子束不会通过边缘3810附近。这是因为，如图39所示，入射在板3802上的斑点具有粒子的高斯分布3900。相应地，在板3802的边缘3810附近(例如，在一定距离内)施加斑点可能导致一些颗粒无意地无阻碍地通过到达患者。相应地，可以控制扫描系统和/或能量降级器的操作，使得远离板的至少一个边缘并且在一些情况下全部边缘施加斑点。在一些实施方案中，斑点与板边缘之间的最小距离在2σ至2.5σ的范围内，其中σ是表示斑点中粒子分布的高斯曲线的一个标准差。然而，本文描述的实施方案不限于2σ至2.5σ范围内的距离。
[0248]
返回参考图38，粒子束跨板3802的移动产生能量降低的粒子束3799，其被施加到辐照目标3814。即，粒子束穿过板3802，从而改变(例如，降低)粒子束的能量，以使粒子束能够击中辐照目标的相应能量层(步)。在该示例中，在板3802的移动开始之后的某个时间点，并且当板3802处于移动且并且粒子束的移动继续时，在该示例中，板3801也开始在箭头3803的方向上移动。在其移动期间，板3801与板3802部分地重叠并跟随板3802，并且两个板继续同时移动至少一段时间。在一些实施方案中，在板3801开始移动之前，板3802的边缘3810可相对于板3801的边缘3812移动至少2σ至2.5σ的距离；然而，在其他实现中，可以使用不同的标准。在一些实施方案中，不存在跟随的板。例如，在图38中，板3801可以不开始移动，直到板3802已经到达其终点位置或者直到板3802已经移动到其终点位置并且然后缩回到其起点位置(例如，板3801可以不跟随板3802)。
[0249]
图38a和图38b描绘了在扫描辐照目标3814期间在不同点处没有虚线的图38的板。
[0250]
在某时，将完成跨板3802的粒子束移动——例如，可以扫描对应于板3802的步的整个层。此后，可以开始扫描辐照目标的下一层。在该上下文中，“下一个”不一定意味着如图35所示的深度序列中的下一层，而是根据治疗计划要扫描的下一层。如上所述，下一层不必是相对于先前扫描的层在深度上按顺序的层。在该示例中，可以通过跨板3801和3802两者并通过两者移动粒子束来到达下一层。因为板3801已经开始移动，所以板3801可以就位，或者比如果板3801尚未开始移动的其他情况将更接近就位，以开始下一层扫描操作。
[0251]
参考图40和图41的示例，粒子束接下来可以跨组合的板3801和板3802从一个点朝向起点位置(反向方向)，或从一个点朝向终点位置(前向方向)移动。就此而言，在示例性操作中，能量降级器的每个板从起点位置4000移动到终点位置4001。在一些实施方案中，扫描系统可以开始在靠近起点位置的位置处并朝靠近终点位置的点前进(相应的点基于治疗计划确定)扫描粒子束通过组合的板。这被称为前向扫描。在一些实施方案中，扫描系统可以在接近终点位置的点处开始扫描粒子束并且朝靠近起点位置的点前进(再次，基于治疗计划确定相应的点)。这被称为反向扫描。扫描方向可以在治疗计划中指定，并且可以基于任何适当的因素，例如板的位置，束的状态等。
[0252]
作为示例，如果板被适当地定位，则可以在前向方向(例如，朝向终点位置)然后在相反方向(例如，朝向起点位置)进行扫描。然而，在一些情况下，诸如图40中所示，在扫描板3802之后，例如，板已到达终点位置4001，跟随的板3801可能尚未处于适当的位置来在反向方向上扫描通过两个板。在一些情况下，等待跟随的板3801到达用于反向扫描的适当位置可能比将束重新定位为靠近起点位置以朝向终点位置扫描花费更多时间。相应地，在这种情况下，粒子束在适当的点4003处朝向起点位置4000重新定位，并且通过两个板的扫描在箭头3803的前向方向上进行，而板3801继续朝向终点位置4001移动(板3802此时已经停止移动)。再次地，因为板3801已经在束场上就位，所以不需要等待该板适当地定位，以开始通过两个板的扫描。此外，在进行扫描的同时，板3801继续在箭头3803的方向上朝终点位置4001移动。板3802在此时可以是静止的。
[0253]
在一些情况下，如图41所示，在扫描板3802之后，跟随的板3801可以处于适当的位置，或者这样的位置可以在适当的时间是可到达的，以在反向方向(箭头4100的方向)上扫描通过两个板。相应地，在这些情况下，扫描可以在反向方向上进行，并且板3801可以反转其移动方向。随着粒子束朝向起点位置扫描，板3801和/或3802中的一个或两个可以缩回，即，朝向起点位置移动，使得不同配置的板可以移动到束场中用于下一个扫描。在图41所示的示例中，两个板都缩回；然而，情况并非必须如此。
[0254]
在图40和图41的示例中，首先通过将单个板3802移动到束路径中来扫描目标中的较深层，然后通过将另一个板3801移动到束路径中，使得束穿过两个板，来接下来扫描目标较浅的层。在一些实施方案中，可以首先将两个或更多个板移动到束路径中(从而治疗较浅的(多个)层)，并且随后可以在扫描期间缩回(多个)板。例如，参考图42，在示例性操作中，两个(或更多个)板3801、3802可以在粒子束场中从它们的起点位置4000朝向它们的终点位置4001同时开始移动。在板移动期间，粒子束可以在前向方向上跨板移动(由箭头3803表示)，从而使粒子束穿过板3801和板3802两者，以产生具有适当能量的粒子束3805。参考图43，在板到达终点位置4001之后，可以在与板(诸如板3802)首先朝向起点位置4000缩回相反的方向(由箭头4301表示)上扫描粒子束。即，如图所示，板3802首先缩回，使得粒子束仅跨板3801移动。如图所示，随着粒子束跨板3801移动，板3801也可以缩回。可以控制扫描部件和能量降级器，使得粒子束在其在箭头4301的方向上移动期间跟随但不穿过板3802，从而使粒子束仅通过板3801，以产生具有适当的能量的粒子束3799。
[0255]
如本文所述，任何适当数目(例如，一个、两个或更多个)板可以跨束场移动，同时粒子束跨辐照目标在前向或反向上扫描。可以在治疗计划中适当地指定板的数目和顺序以及扫描方向。另外，如本文所述，不同的板可具有不同的厚度。板厚可能会影响板如何移动。
[0256]
可以对板的移动进行排序，使得在治疗期间粒子束不会关闭，或者使得粒子束关闭时间减少。例如，可以选择扫描粒子束的速度，板的厚度和板的移动，使得在治疗期间在前向方向扫描之后立即或快速地进行反向扫描。例如，参考图44至图46，示例性能量降级器包含单个厚度(“1x”)板4402和双厚度(“2x”)板4401，其可以在前向方向4404上同时移动到治疗场中，并且当板移动期间随着粒子束在前向方向4404上扫描，束4405可以一起穿过两者，以产生能量降低的粒子束4405a。参考图45，在两个板到达其终点位置4407之后，可以首先缩回2x板4401(在反向方向4409上移动)，同时在反向方向上扫描粒子束并且仅穿过1x板4402，以产生能量降低的粒子束4405b。当粒子束在反向方向上扫描时，1x板4402也可以在反向方向上移动，如图所示。如以上所解释的，粒子束将被跨束场扫描，并以距每个板的边缘适当的距离穿过一个或多个板。参考图46，在粒子束扫描到达起点位置且板4402完全缩回之后，另一个2x板4410可以移动到位，并且2x板4401和4410两者可以随着粒子束在前向方向上扫描而在箭头4404的前向方向上移动，以产生能量降低的粒子束4405c。适当时，可以继续对各种板进行测序，直到治疗目标的全部层。
[0257]
如上所述，能量降级器的示例性实施方案可以含有各自具有2x的厚度多个板，以及厚度为1x的单个或多个板。在诸如这些的实施方案中，对板进行测序以便治疗目标的每一层。例如，如图47所示，与零个、一个或多个2x板一起，1x板4701可以移动到束场中，以用于由束4700治疗的每个奇数层4702至4705，并对于要治疗的偶数层4706至4709被移出束场。如本文所解释的，取决于治疗计划，可以不按顺序治疗目标中的层。
[0258]
在一些实施方案中，如所指出的，全部板可具有相同的厚度。因此，例如初始地，单个板可以移动进入束场，并且通过束场以及在板的移动期间跨束场扫描的粒子束，以便产生具有足以达到适当的层的能级的粒子束。第二板可以在第一个板到达其终点位置之前或之后开始移动，并且粒子束可以跨束场扫描，并且通过第二板在其运动之后从接近其起点位置开始扫描，同时将第一板保留就位。在扫描期间，束穿过第一板和第二板，从而相应地改变其能量。第三板可以在第二板到达其终点位置之前或之后开始运动，并且粒子束可以跨束场扫描，并且在其运动之后从接近其起点位置开始通过第三板扫描，同时保留第一板和第二板就位(它们的终点位置)。在扫描粒子束期间，束穿过第一板、第二板和第三板，从而相应地改变其能量。可以使用所需数目的板重复该过程以扫描辐照目标的全部层。在该示例中，可以在前向方向上进行扫描。在一些实施方案中，可在反向方向上进行扫描过程。例如，全部板可以最初从起点位置移动到终点位置，并且在移动期间沿前向方向扫描。此后，可以缩回单独的板，且粒子束例如在反向方向上扫描通过其余的板，从而产生击中辐照目标的相继的更深层的粒子束。可以重复该过程，直到全部或适当数目的板已经缩回。
[0259]
如上所述，可以使用一个或多个计算系统来实现对扫描和能量降能的控制。在示例实施方案中，能量降级器的每个板包含一个或多个传感器，其配置成识别板相对于束场的位置。参考图48，在一些实施方案中，每个板4801包含两个传感器4802、4803。
[0260]
在一些实施方案中，如图48所示，传感器是位于每个板的相同侧上的条带传感器；然而，在其他实施方案中，传感器的数目、配置和布置可以与图48中所示的或本文所描述的不同。在示例操作中，传感器是独立的，例如，一个传感器的输出不依赖于其他传感器的输出。独立传感器提供冗余，并确认板的位置的确定是准确的。每个传感器探测其上设置传感器的板相对于束场的且在束场内的位置，并将该位置中继到控制扫描系统的操作的(多个)
计算系统。在板移动期间来自传感器的反馈可以是连续的。在一些实施方案中，传感器输出与板位置成正比的电压；然而，可以使用其他类型的传感器，例如，检测相对于板位置的电机运动的传感器。粒子治疗控制系统使用该信息来确定射束的放置位置，以及开始扫描的位置和时间。(多个)计算系统还可以控制板入和出束场的移动。控制可以基于治疗计划，并且可以与扫描系统的控制协调。
[0261]
在一些实施方案中，无论板厚度、移动方向(例如，起点到终点位置还是终点到起点位置)，还是相对于任何其他板的位置，板的移动速度可以是相同的。在一些实施方案中，可以控制并且可以改变板的移动速度。例如，在一些实施方案中，在移动期间，跟随的板的速度可以与被正扫描的板的速度不同(例如，更大)。这可以例如使跟随的板能够在设定的时间到达适当的位置。在一些实施方案中，可以基于板的速度、其初始位置以及其开始运动的时间的知识来确定或增加板位置。例如，可以基于板的速度、其初始位置及其开始运动的时间的知识来计算预期的板位置。在一些实施方案中，因为板在扫描期间与束的移动协调地移动，所以板仅需要与束移动一样快地移动。在一些情况下，相对尽可能快地移动板的已知降级器，束和板的这种协调运动可以降低能量降级器上的噪声和机械磨损。
[0262]
如上所述，束中的粒子具有高斯分布。在一些实施方案中，穿过一个或多个板可导致进一步的束发散。例如，参考图34，孔3404可以位于能量降级器和辐照目标(例如，患者)之间。孔口修整位于辐照目标的边缘附近的斑点，例如，阻挡粒子束的一部分，以为束提供锐利边缘并保护周围(未治疗的)组织免受粒子束的影响。例如，孔口的束阻挡材料可以放置在束的一部分和健康组织之间，以阻挡束施加到健康组织。在一些实施方案中，可动态地控制孔口，以改变形状，并且从而适应放射目标的形状。可以使用的孔口的示例描述于2015年11月10日提交的题为“adaptive aperture”的美国专利申请no.14/937,048中，其通过引用并入本文。可以用于阻挡粒子束的一部分以为束提供锐利边缘并保护周围(未治疗的)组织免受粒子束影响的结构的示例在本文中也被称为准直器，并且可以用于图34的实施方案中。
[0263]
本文描述的能量降级器及其操作中使用的元件不限于板。相反，可以使用任何适当的结构来影响粒子束的能量。在采用板或类似结构的实施方案中，每个板或结构不需要具有均匀的厚度，例如，在一个或多个单独的板上可以存在至少一些厚度变化。如果这样的板具有合适的尺寸(例如，足够小)，则这些板可以跨束场移动，使得束穿过一个或多个板并穿过具有不同厚度的那些板的不同部分，以便治疗目标的不同的层。
[0264]
通过适当的治疗控制电子装置(未示出)来实现对门架、患者支承件、有源束成形元件(包含例如孔口、能量降级器和扫描)以及同步回旋加速器，以进行治疗疗程。
[0265]
本文描述的粒子治疗系统的控制及其各种特征可以使用硬件或硬件和软件的组合来实现。例如，类似于这里描述的系统可以包含位于各点的各种控制器和/或处理装置。中央计算机可以协调各种控制器或处理装置之间的操作。中央计算机、控制器和处理装置可以执行各种软件例程以实现测试和校准的控制和协调。
[0266]
系统操作可以至少部分地使用一个或多个计算机程序产品来控制，例如，有形地实施在一个或多个非瞬态性机器可读介质中的一个或多个计算机程序，其用于由控制一个或多个数据处理设备(例如，可编程处理器、计算机、多个计算机和/或可编程逻辑组件)执行，或控制一个或多个数据处理设备的操作。
[0267]
计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，包含编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包含作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适用于计算环境中的其他单元。可以部署计算机程序，以在一个计算机上执行，或者在一个位置的或分布在多个位置并通过网络互连的多个计算机上执行。
[0268]
与实现本文描述的粒子治疗系统的全部或部分操作相关联的动作可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器进行，以进行本文描述的功能。可以使用专用目的逻辑电路(例如fpga(场可编程门阵列)和/或asic(应用专用集成电路))来实现全部或部分操作。
[0269]
作为示例，适合于进行计算机程序的处理器包含通用和专用目的微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储区域或随机存取存储区域或两者接收指令和数据。计算机(包含服务器)的元件包含用于执行指令的一个或多个处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储区域设备。总体上，计算机还将包含或可操作地耦接以从一个或多个机器可读存储介质接收数据或将数据传输到一个或多个机器可读存储介质，例如用于存储数据的大规模pcb，例如磁盘、磁光盘，或光盘。适用于实现计算机程序指令和数据的非瞬态性机器可读存储介质包含全部形式的非易失性存储区域，包含例如半导体存储区域设备，例如eprom、eeprom和闪速存储区域设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及，cd-rom和dvd-rom盘。
[0270]
本文中使用的任何“电连接”可以暗示直接物理连接，或包含中间组件但是仍然允许电信号在连接的部件之间流动的连接。除非另有说明，否则涉及允许(多个)信号通过的本文提及的电路的任何“连接”是电连接，并且不管是否使用“电”字来修饰“连接”，都不一定是直接物理连接。
[0271]
前述实施方案中的任何两个可以在适当的粒子加速器(例如，同步回旋加速器)中以适当的组合使用。同样地，可以以适当的组合使用任何两个以上前述实施方案的单独的特征。
[0272]
可以组合本文描述的不同实施方案的元件，以形成上面没有具体阐述的其他实施方案。可以将元件排除在本文所述的过程、系统、设备等之外，而不会对其操作产生不利影响。各种分开的元件可以组合成一个或多个单独的元件，以进行本文所述的功能。
[0273]
本文描述的示例性实施方案不限于与粒子治疗系统一起使用或与本文所述的示例性粒子治疗系统一起使用。相反，示例性实现可以用在将加速的粒子导向以输出的任何适当系统中。
[0274]
本文未具体描述的其他实施方案也在所附权利要求的范围内。
技术特征：1.一种粒子治疗系统，包括：粒子加速器，以输出粒子束；以及能量降级器，该能量降级器是可控制的以使所述粒子束通过到辐照目标，所述能量降级器的至少部分是可控制的以在所述粒子束通过到所述辐照目标期间移动。2.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括板，该板是可移动的。3.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括多个板；并且其中所述多个板包括第一板和第二板，该第一板和第二板是可控制的以在所述粒子束的通过期间移动。4.如权利要求3所述的粒子治疗系统，其中所述第二板是可控制的以在移动期间跟随所述第一板，或所述第一板是可控制的以在移动期间跟随所述第二板。5.如权利要求3所述的粒子治疗系统，还包括：扫描器，该扫描器是可控制的以相对于所述辐照目标在一个或多个维度上移动所述粒子束；其中所述能量降级器或所述扫描器中的至少一个是可控制的以使得在所述第一板和所述第二板的移动期间，所述粒子束穿过所述第一板但不穿过所述第二板，或者穿过所述第二板但不穿过所述第一板。6.如权利要求3所述的粒子治疗系统，还包括：扫描器，该扫描器是可控制的以控制所述粒子束相对于所述辐照目标在一个或多个维度上移动；其中所述能量降级器或所述扫描器中的至少一个是可控制的以使得在所述第一板和所述第二板移动期间，所述粒子束穿过第一板和所述第二板两者。7.如权利要求3所述的粒子治疗系统，还包括：扫描器，该扫描器是可控制的以相对于所述辐照目标在一个或多个维度上移动所述粒子束；其中所述粒子束跨所述多个板之中的板的移动被限制为在距所述板的边缘的预定距离之外的移动。8.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括多个板，该多个板包括第一板和第二板，该第一板和第二板是可控制的以在所述粒子束的通过期间移动；其中，在所述第一板和所述第二板的移动期间，所述第一板和所述第二板从起点位置移动到终点位置；并且其中所述粒子束是可控制的以从一位置朝向所述终点位置移动，使得所述粒子束穿过所述第一板和所述第二板两者，或者穿过所述第一板或所述第二板中的仅一者。9.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括多个板，该多个板包括第一板和第二板，该第一板和第二板是可控制的以在所述粒子束的通过期间移动；其中，在所述第一板和所述第二板的移动期间，所述第一板和所述第二板从起点位置移动到终点位置；并且其中所述粒子束是可控制的以从一位置朝向所述起点位置移动，使得所述粒子束穿过所述第一板和所述第二板两者，或者穿过所述第一板或所述第二板中的仅一者。10.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括多个板；并且
其中所述多个板包括一个或多个第一板和一个或多个第二板，该一个或多个第一板和该一个或多个第二板是可控制的以相对于所述粒子束移动，一个或多个第一板中的每一个的厚度小于所述一个或多个第二板的厚度。11.如权利要求10所述的粒子治疗系统，其中所述一个或多个第一板之中的第一板的厚度是所述一个或多个第二板中的每一个的厚度的一部分。12.如权利要求11所述的粒子治疗系统，其中所述第一板的厚度是所述一个或多个第二板中的每一个的厚度的一半。13.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括多个板；并且其中对所述多个板的移动的控制包括排序所述多个板的移动，使得所述辐照目标的多层中的每层经受所述粒子束。14.如权利要求13所述的粒子治疗系统，其中对所述多个板的移动的控制包括排序所述多个板的移动，使得所述辐照目标的多层被用所述粒子束不按顺序地处理。15.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括多个板；并且其中对所述多个板的移动的控制包括排序所述多个板的移动，使得所述粒子束的能量对应于所述辐照目标的多层中的每层的位置。16.如权利要求1所述的粒子治疗系统，还包括：孔口，该孔口是可控制的以修整所述粒子束的斑点，所述孔口在所述辐照目标与所述能量降级器之间。17.如权利要求1所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器包括一个或多个板，该一个或多个板在所述粒子束的通过期间相对于所述辐照目标是可移动的；并且其中所述一个或多个板中的每一个的尺寸小于辐照场的尺寸。18.一种粒子治疗系统，包括：同步回旋加速器，以产生粒子束；扫描器，以相对于辐照目标在一个或多个维度上移动所述粒子束；能量降级器，该能量降级器在所述扫描器与所述辐照目标之间，所述能量降级器包括多个板，该多个板相对于所述粒子束的路径是可移动的，所述多个板各自是可控制的以在所述粒子束的路径中时且在所述粒子束的移动期间移动；以及孔口，该孔口在所述能量降级器与所述辐照目标之间，所述孔口是可控制的以在所述粒子束到达所述辐照目标之前修整所述粒子束。19.如权利要求18所述的粒子治疗系统，还包括：外门架，所述同步回旋加速器安装在该外门架上，该外门架配置为至少部分地绕所述辐照目标移动所述同步回旋加速器；以及内门架，该内门架在所述外门架的扫掠内，所述内门架包括喷嘴，所述能量降级器安装在所述喷嘴上，所述内门架配置为基于所述外门架的移动来移动所述能量降级器。20.如权利要求18所述的粒子治疗系统，其中所述多个板包括第一板和第二板，该第一板和第二板是可控制的以在所述粒子束的通过期间在第一方向和第二方向上移动，所述第一方向为从起点位置到终点位置，并且所述第二方向为从所述终点位置到所述起点位置；其中所述扫描器或所述能量降级器中的至少一个是可控制的以使得在所述第一板和所述第二板在所述第一方向上的移动期间，所述粒子束或者仅穿过所述第一板，或者仅穿
过所述第二板，或者穿过所述第一板和所述第二板两者；并且其中所述扫描器或所述能量降级器中的至少一个是可控制的以使得在所述第一板和所述第二板在所述第二方向上的移动期间，所述粒子束仅穿过所述第一板，或者仅穿过所述第二板，或者穿过所述第一板和所述第二板两者。21.如权利要求18所述的粒子治疗系统，其中所述多个板包括第一板和第二板，该第一板和第二板是可控制的以在所述粒子束的施加期间分开地移动。22.如权利要求21所述的粒子治疗系统，其中所述第二板是可控制的以在移动期间跟随所述第一板，或所述第一板是可控制的以在移动期间跟随所述第二板。23.如权利要求21所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器或所述扫描器中的至少一个是可控制的以使得所述粒子束在所述第一板和所述第二板的移动期间的移动使得所述粒子束穿过所述第一板但不穿过所述第二板，或者穿过所述第二板但不穿过所述第一板。24.如权利要求21所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器或所述扫描器中的至少一个是可控制的以使得所述粒子束在所述第一板和所述第二板的移动期间的移动使得所述粒子束穿过所述第一板和所述第二板两者。25.如权利要求18所述的粒子治疗系统，其中所述粒子束跨所述多个板之中的板的移动被限制为在距所述板的边缘一距离之外的移动。26.如权利要求18所述的粒子治疗系统，其中所述多个板包括第一板和第二板，该第一板和第二板是可控制的以移动；其中，在所述第一板和所述第二板的移动期间，所述第一板和所述第二板从起点位置移动到终点位置；并且其中所述扫描器是可控制的以从一位置朝向所述终点位置移动所述粒子束，使得所述粒子束穿过所述第一板和所述第二板两者，或者穿过所述第一板或所述第二板中的仅一者。27.如权利要求18所述的粒子治疗系统，其中多个板包括第一板和第二板，该第一板和第二板是可控制的以移动；其中，在所述第一板和所述第二板的移动期间，所述第一板和所述第二板从起点位置移动到终点位置；并且其中所述扫描器是可控制的以从一位置朝向所述起点位置移动所述粒子束，使得所述粒子束穿过所述第一板和所述第二板两者，或穿过所述第一板或所述第二板中的仅一者。28.如权利要求18所述的粒子治疗系统，其中所述多个板包括一个或多个第一板和一个或多个第二板，该一个或多个第一板和一个或多个第二板是可控制的以在所述粒子束的施加期间移动，所述一个或多个第一板中的每一个的厚度小于所述一个或多个第二板的厚度。29.如权利要求18所述的粒子治疗系统，其中所述多个板中的每一个的尺寸小于辐照场的尺寸。30.一种粒子治疗系统，用于向辐照目标施加粒子束，所述粒子治疗系统包括：扫描器，以相对于所述辐照目标在一个或多个维度上移动所述粒子束；以及能量降级器，该能量降级器包括是可控制的以在所述粒子束的移动期间移动的元件，
所述能量降级器用于在向所述辐照目标施加所述粒子束之前使所述粒子束通过。31.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述元件包括板，该板是可控制的以按序列移动以改变所述粒子束的能量，使得所述辐照目标的不同层经受所述粒子束。32.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述元件包括第一板和第二板，该第一板和第二板两者是可控制的以在所述粒子束的移动期间移动；并且其中所述能量降级器或所述扫描器中的至少一个是可控制的以使得所述粒子束在所述第一板和所述第二板的至少部分移动期间穿过所述第一板但不穿过所述第二板，或者穿过所述第二板但不穿过所述第一板。33.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述元件包括第一板和第二板，该第一板和第二板两者是可控制的以在所述粒子束的移动期间移动；并且其中所述能量降级器或所述扫描器中的至少一个是可控制的以使得所述粒子束在所述第一板和所述第二板的至少部分移动期间穿过所述第一板和所述第二板两者。34.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述能量降级器或所述扫描器中的至少一个是可控制的以使得所述粒子束不在距所述元件中的至少一个的边缘的至少一距离内通过，所述距离基于粒子在斑点中的分布，所述斑点表示所述粒子束在所述元件中的至少一个处的截面。35.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述元件是可控制的以在所述粒子束的移动期间在第一方向或第二方向中的至少一个上移动，所述第一方向为从所述元件的起点位置到所述元件的终点位置，并且所述第二方向为从所述终点位置到所述起点位置。36.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述元件中的至少一些是可控制的以在所述粒子束的移动期间分开地移动。37.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述元件中的至少一些是可控制的以在所述粒子束的移动期间一起移动。38.如权利要求30所述的粒子治疗系统，其中所述多个元件中的每一个的尺寸小于辐照场的尺寸。39.一种能量降级器，包括：第一结构，该第一结构包括束能量吸收材料，该束能量吸收材料可由控制系统控制，以在辐射束入射到第一结构的表面上时并在辐射束移动穿过第一结构的该表面时在第一方向上移动穿过束场的至少一部分，其中辐射束穿过第一结构的该表面的移动至少部分地在第一方向上，和第二结构，该第二结构包括束能量吸收材料，该束能量吸收材料可由控制系统控制，以在辐射束入射到第一结构的该表面时移动穿过该束场的至少一部分，第二结构是可控制的以在第一方向上跟随和引导第一结构，使得辐射束在第一结构和第二结构的至少一部分移动期间不穿过第二结构。40.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，第一结构包括第一板并且第二结构包括第二板。41.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，所述能量降级器的尺寸小于所述束场。42.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，第一结构包括第一传感器，以检测第一结构相对于所述束场和在所述束场内的位置，并将第一结构的位置中继到所述控制系统。
43.根据权利要求42所述的能量降级器，其中，第二结构包括第二传感器，以检测第二结构相对于所述束场和在所述束场内的位置，并将第二结构的位置中继到所述控制系统。44.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，第一结构和第二结构的移动可由所述控制系统控制以便以不同的速度移动。45.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，第二结构可由所述控制系统控制以在移动期间跟随第一结构。46.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，第一结构和第二结构可由所述控制系统控制以在起点位置和终点位置之间移动，所述起点位置对应于所述辐射束至少部分地在第一方向上移动的点，以及所述终点位置对应于辐射束停止移动的点。47.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，第一结构包括具有第一厚度的板，第二结构包括具有第二厚度的板，并且第一厚度和第二厚度是不同的。48.根据权利要求39所述的能量降级器，还包括多个板，该多个板包括包括第一结构的一个或多个第一板以及包括第二结构的一个或多个第二板，所述一个或多个第一板和所述一个或多个第二板可由控制系统控制以相对于辐射束移动，一个或多个第一板中的每个具有的厚度小于一个或多个第二板的厚度。49.根据权利要求39所述的能量降级器，其中，通过所述控制系统对多个板的移动的控制包括对所述多个板的移动进行排序，使得辐照目标的多个层中的每层都受到所述粒子束的影响。50.根据权利要求49所述的能量降级器，其中，通过所述控制系统对多个板的移动的控制包括对所述多个板的移动进行排序，使得所述辐照目标的多个层被所述粒子束非顺序地处理。51.一种能量降级器，包括：用于改变粒子束的能量的第一吸收装置，第一吸收装置可由控制装置控制，以在粒子束入射到第一吸收装置上时并且在粒子束移动穿过第一吸收装置的该表面时在第一方向上移动穿过束场的至少一部分，其中粒子束穿过第一吸收装置的该表面的移动至少部分地在第一方向上，和第二吸收装置，该第二吸收装置可由控制装置控制，以在粒子束入射到第一结构的该表面上时移动穿过该束场的至少一部分，第二吸收装置是可控制的，以在第一方向上跟随或引导第一吸收装置，使得粒子束在第一吸收装置和第二吸收装置的至少一部分移动期间不穿过第二吸收装置。52.一种能量降级器，包括：第一结构，该第一结构包括束能量吸收材料，该束能量吸收材料可由控制系统控制，以移动穿过束场的至少一部分；和第二结构，该第二结构包括束能量吸收材料，该束能量吸收材料可由控制系统控制，以移动穿过该束场的至少一部分，其中第一结构和第二结构是可控制的，以在至少部分重叠时在同一时间和同一方向上移动，使得在第一时间，与所述束场相关联的辐照目标受到穿过第一结构或第二结构中的一个而不是两个的辐射，并且在第二时间，所述辐照目标受到穿过第一结构和第二结构两者的辐射。
53.根据权利要求52所述的能量降级器，其中，第一结构和第二结构的至少一部分重叠。54.根据权利要求52所述的能量降级器，其中，第一结构包括第一板并且第二结构包括第二板。55.根据权利要求52所述的能量降级器，其中，所述能量降级器的表面积小于所述束场的面积的1/4。56.根据权利要求52所述的能量降级器，其中，第一结构包括第一传感器，以检测第一结构相对于所述束场和在所述束场内的位置，并将第一结构的位置中继到所述控制系统，和其中第二结构包括第二传感器，以检测第二结构相对于束场和在束场内的位置，并将第二结构的位置中继到控制系统。57.根据权利要求52所述的能量降级器，其中，第一结构或第二结构中的至少一个可被所述控制系统控制，以与包括所述辐射的粒子束沿相同方向移动相同的速度沿相同方向移动。58.根据权利要求52所述的能量降级器，其中，第一结构包括第一板，第二结构包括第二板，并且当所述辐照目标受到穿过第一板而不是第二板的辐射时，第二板可由控制系统控制，以在至少部分时间内以大于第一板的速度移动。
技术总结一种示例性粒子治疗系统，可包括：同步回旋加速器，以产生粒子束；扫描器，以相对于辐照目标在一个或多个维度上移动粒子束；以及，能量降级器，其在扫描器与辐照目标之间。能量降级器可包括多个板，该多个板相对于粒子束的路径是可移动的，且多个板各自是可控制的以在粒子束的路径中时并在粒子束的移动期间移动。孔口可在能量降级器与辐照目标之间。孔口可以在粒子束到达辐照目标之前修整粒子束。粒子束到达辐照目标之前修整粒子束。粒子束到达辐照目标之前修整粒子束。
技术研发人员：G.T.兹瓦特 M.R.琼斯 J.库利 A.莫尔灿
受保护的技术使用者：梅维昂医疗系统股份有限公司
技术研发日：2017.12.20
技术公布日：2022/7/4
