聚焦粒子束的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉參考
[0002]特此要求2012年9月28日提交的美國臨時申請編號61/707,704的優(yōu)先權。美 國臨時申請編號61/707, 704的內(nèi)容通過引用并入本公開。
技術領域
[0003] 本公開總體設及在粒子加速器的引出通道（extractionchannel)中聚焦粒子束。
【背景技術】
[0004] 粒子治療系統(tǒng)使用粒子加速器W產(chǎn)生用于治療諸如腫瘤的病痛的粒子束。在操作 中，粒子束在粒子加速器的空腔內(nèi)部加速，并通過引出通道從空腔中離開。所述引出通道包 含用于聚焦和彎曲粒子束的各種結構。在該種上下文中，聚焦包括整形粒子束W實現(xiàn)特定 的橫截面尺寸和/或面積。同樣在該種上下文中，彎曲束流包括偏轉束流W實現(xiàn)特定的出 射位置和出射角度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -種示例性粒子加速器可W包括下列各項：粒子在其中加速的諧振腔，其中，所述 諧振腔具有背景磁場，所述背景磁場具有第一形狀；W及，用于接收從諧振腔輸出的粒子的 引出通道，其中，背景磁場是至少4特斯拉或至少6特斯拉。所述引出通道包括一系列的聚 焦區(qū)域W聚焦所接收粒子的束流。至少一個所述聚焦區(qū)域是構造為在磁場梯度的存在下將 背景磁場的形狀改變到第二形狀的聚焦元件，所述第二形狀與第一形狀基本相反，所述磁 場梯度是由背景磁場從諧振腔到引出通道的減少產(chǎn)生的?；蛘邌为毜鼗蛘呓M合地，該種示 例性粒子加速器可W包括一個或多個W下特征。
[0006] 所述聚焦元件可W包括鐵磁四極（qua化upole)。每個鐵磁四極可具有大致直角梯 形的橫截面形狀，所述梯形具有傾斜表面。鐵磁四極可一個在另一個之上地相對布置，使得 鐵磁四極的傾斜表面部分地彼此面對。聚焦元件可W包括磁場消減器，其靠近鐵磁四極水 平地對準，使得鐵磁四極的傾斜表面對角地面對磁場消減器的寬表面。磁場消減器可W是 矩形板，其構造為吸入圍繞的磁場通量，W幫助鐵磁四極將背景磁場改變?yōu)榈诙螤睿ɡ?如，有助于將背景磁場改變?yōu)榈诙螤睿?br>[0007]引出通道可W包括一個或多個場增加元件，其包括兩個磁場添加器。磁場添加器 可W包括一個在另一個之上地垂直對準并彼此平行的矩形板，使得一個磁場添加器的寬表 面面對另一磁場添加器的寬表面。
[000引引出通道可W包括是例如磁場消減器的一個或多個場降低元件。所述磁場消減器 可W是彼此靠近地水平對準并彼此平形的矩形板，使得一個磁場消減器的寬表面面對另一 磁場消減器的寬表面。
[0009]聚焦區(qū)域被布置為使得每個聚焦區(qū)域在軸向或徑向平面上W完整聚焦的約1/6 壓縮所接收粒子的束流。至少一個所述聚焦區(qū)域是聚焦空間。聚焦空間具有與背景磁場的 第一形狀大致相似的磁場形狀。所述聚焦區(qū)域的序列可w布置為使得聚焦元件和聚焦空間 互相交替。
[0010] 一種示例性質(zhì)子治療系統(tǒng)包括前述粒子加速器，其中所述粒子包括質(zhì)子；W及，所 述粒子加速器安裝在其上的臺架。臺架相對于患者的位置是可旋轉的。質(zhì)子基本上直接地 從同步回旋加速器輸出到患者的位置。
[0011] 在一個例子中，所述粒子加速器是可變能量粒子加速器，并且從諧振腔輸出的粒 子可W具有在能量范圍內(nèi)的能量。聚焦元件可被構造為提供在所述能量范圍內(nèi)的聚焦。聚 焦元件可W被構造為提供特定于從諧振腔接收的一種粒子能量的聚焦。一個或多個磁性墊 片可W基于從諧振腔接收的粒子能量相對于聚焦元件可移動。聚焦元件可W包括一個或多 個線圈。所述一個或多個線圈可W被構造為通過基于從諧振腔接收的粒子能量的電流。
[0012] 一種示例性粒子加速器包括W下內(nèi)容；提供磁場到諧振腔的線圈，使得諧振腔具 有背景磁場，所述背景磁場具有第一形狀；提供等離子體柱到諧振腔的粒子源；提供射頻 (RF)電壓到諧振腔W加速來自等離子體柱的粒子的電壓源，其中，所述磁場使從等離子體 柱加速的粒子在諧振腔內(nèi)軌道上運動；包含用于接收從諧振腔輸出的粒子的引出通道的外 殼。所述引出通道包括一系列的聚焦區(qū)域W聚焦所接收粒子的束流。至少一個聚焦區(qū)域是 構造為在磁場梯度的存在下將背景磁場的形狀改變到第二形狀的聚焦元件，所述第二形狀 與第一形狀基本相反，所述磁場梯度是由背景磁場從諧振腔到引出通道的減少產(chǎn)生的。所 述聚焦元件包括鐵磁四極。每個鐵磁四極具有大致直角梯形的橫截面形狀，所述梯形具有 傾斜表面。鐵磁四極一個在另一個之上地相對布置，使得鐵磁四極的傾斜表面至少部分地 彼此面對。該種示例性粒子加速器可包括磁場消減器。所述磁場消減器靠近鐵磁四極水平 地對準，使得鐵磁四極的傾斜表面對角地面對磁場消減器的寬表面。
[0013] 在本公開中描述的兩個或更多的特征，包括在此概述部分中描述的那些，可W被 組合W形成本文沒有具體描述的實施方案。
[0014] 本文描述的各種系統(tǒng)或其部分的控制可經(jīng)由包括指令的計算機程序產(chǎn)品實現(xiàn)，所 述指令存儲在一個或多個非臨時性可機讀存儲介質(zhì)中，并且在一個或多個處理設備上可執(zhí) 行。本文所描述的系統(tǒng)或其部分可W被實施為一種裝置、方法或電子系統(tǒng)，所述電子系統(tǒng)可 W包括一個或多個處理設備和存儲可執(zhí)行指令W實施所述功能的控制的存儲器。
[0015] 一個或多個實施方案的細節(jié)闡述于附圖和W下說明中。其他特征、目的和優(yōu)點從 說明書和附圖中W及從權利要求書中將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0016] 圖1是一種示例性治療系統(tǒng)的透視圖。
[0017] 圖2是一種示例性同步回旋加速器的部件的分解透視圖。
[001引圖3、圖4和圖5是一種示例性同步回旋加速器的橫截面視圖。
[0019] 圖6是一種示例性同步回旋加速器的透視圖。
[0020] 圖7是一種示例性反向線圈架和繞組的一部分的橫截面視圖。
[0021] 圖8是一種示例性溝道內(nèi)電纜復合導體的橫截面視圖。
[0022] 圖9是一種示例性離子源的橫截面視圖。
[0023] 圖10是一種示例性D形板和示例性虛擬D形板的透視圖。
[0024] 圖11是一種示例性穴室的透視圖。
[0025] 圖12是一種有穴室的示例性治療室的透視圖。
[0026] 圖13示出了靠近示例性粒子加速器的患者。
[0027] 圖14示出了安置在治療室內(nèi)的示例性內(nèi)臺架內(nèi)的患者。
[002引圖15是一種示例性加速空腔和有多個聚焦區(qū)域的引出通道的頂視圖。
[0029] 圖16是連同超導磁體的低溫恒溫器的示例性部分的橫截面一起，示出磁場強度 與距等離子體柱的徑向距離的關系的曲線圖。
[0030] 圖17是一種示例性同步回旋加速器的一部分和由兩個超導線圈產(chǎn)生的背景磁場 的磁場線的橫截面視圖。
[0031] 圖18是在空腔內(nèi)的示例性粒子軌道的正視圖。
[0032] 圖19A是一種示例性聚焦元件的橫截面視圖。
[0033] 圖19B是一種示例性同步回旋加速器的一部分的橫截面視圖，其關于所述空腔和 引出通道示出了圖19A的示例性聚焦元件。
[0034] 圖20A是正在被聚焦空間軸向地聚焦的粒子束的側視圖。
[0035] 圖20B是正在被引出通道的示例性部分聚焦的粒子束的側視圖。
[0036] 圖21示出了正在被空腔和引出通道聚焦的粒子束。
[0037] 圖22是一種示例性場降低元件的橫截面視圖。
[003引圖23是一種示例性場增加元件的橫截面視圖。
[0039] 圖24是可使用可變能量粒子加速器的示例性粒子治療系統(tǒng)的概念性視圖。
[0040] 圖25是對于粒子加速器中的磁場和距離中的變化示出能量和電流的示例性曲線 圖。
[0041] 圖26是用于在D形板上在用于粒子束各能級的頻率范圍內(nèi)掃描電壓，并且用于在 粒子束能量變化時改變頻率范圍的示例性結構的側視圖。
[0042] 圖27是可W在可變能量粒子加速器中使用的示例性磁體系統(tǒng)的分解透視圖。
[0043] 在不同附圖中的相同參考標記指示相同的元件。
【具體實施方式】
[0044] 概述
[0045] 本文所描述的是用于在示例性系統(tǒng)中使用的粒子加速器的例子，所述系統(tǒng)諸如質(zhì) 子或離子治療系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括安裝在臺架上的粒子加速器-在該個例子中是同步回旋加 速器。如在下面更詳細地解釋的，所述臺架使得加速器能夠圍繞患者的位置旋轉。在一些 實施方案中，所述臺架是鋼的并且具有兩個腿部，所述腿部安裝用于在位于患者的相對側 上的兩個相應軸承上旋轉。粒子加速器由鋼巧架支撐，所述鋼巧架對于跨越患者所在的治 療區(qū)域是足夠長的，并且在兩端穩(wěn)定地附接到臺架的旋轉腿部。作為臺架圍繞患者旋轉的 結果，所述粒子加速器也旋轉。
[0046] 在一個示例性實施方案中，所述粒子加速器（例如，同步回旋加速器）包括低溫恒 溫器，其容納用于傳導產(chǎn)生磁場炬）的電流的超導線圈。在該個例子中，低溫恒溫器使用液 氮化e)W將線圈維持在超導溫度下，例如，4°開爾文化elvin，K)。磁輛鄰近（例如，圍繞） 低溫恒溫器，并限定粒子在其中加速的空腔。低溫恒溫器通過帶子或類似物附接到磁輛。
[0047] 在該種示例性實施方案中，所述粒子加速器包括粒子源（例如，潘寧離子規(guī) (PenningIonGauge)-PIG源）W提供等離子體柱到空腔中。氨氣被電離W產(chǎn)生等離子體 柱。電壓源提供射頻（R巧電壓到空腔中W加速來自等離子體柱的粒子。正如所指出的，在 該個例子中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，考慮到當從所述柱引出粒子時在粒子上 的相對論效應（例如，增加的粒子質(zhì)量），該RF電壓掃過一定的頻率范圍。由線圈產(chǎn)生的磁 場導致從等離子體柱加速的粒子在空腔內(nèi)軌道加速。鐵磁裝置（例如，磁再生器）被定位 靠近空腔的外部（例如，在空腔的邊緣處）W調(diào)整在空腔內(nèi)部存在的磁場，從而改變從等離 子體柱加速的粒子的連續(xù)軌道的位置，使得粒子最終輸出至穿過所述輛的引出通道。引出 通道接收從等離子體柱加速的粒子，并將所接收到的粒子從所述空腔輸出。
[0048] 在某些情況下，為了提供特定類型的治療，粒子束的橫截面應當具有特定的尺寸 和/或形狀。例如，粒子束橫截面可W是大致圓形的，并且可W具有在毫米到厘米的量級上 的直徑。如果粒子沒有被聚焦W提供特定的橫截面尺寸和/或形狀，束流中的一些粒子可 能擊中非祀組織，并且在祀上的照射劑量可能被減少。引出通道可W被構造為在束流施加 到患者之前至少部分地聚焦粒子束。
[0049] 聚焦可通過在一個區(qū)域中的磁場線彎曲產(chǎn)生。可W提供幾種類型的聚焦，包括軸 向聚焦和徑向聚焦。軸向聚焦可導致粒子束的橫截面形狀在徑向平面（例如，粒子軌道的 水平面）上膨脹而在軸向平面（例如，垂直于粒子軌道平面的垂直平面）上壓縮。相反地， 徑向聚焦可導致粒子束的橫截面形狀在徑向平面上壓縮而在軸向平面上膨脹。聚焦可通過 改變在一個區(qū)域中的磁場線形狀實現(xiàn)，所