治疗计划的制作方法

本申请享有2016年7月8日提交的美国临时申请no.62/360,227的优先权，其名为“治疗计划”。通过引用将美国临时申请no.62/360,227在此并入。

本公开大体上涉及粒子疗法系统中的治疗计划。

背景技术：

粒子疗法系统使用加速器来产生粒子束，用于治疗疾病，例如肿瘤。在操作中，在存在磁场的情况下，粒子在空腔内沿轨道加速，并通过引出通道从空腔中移除。磁场再生器在空腔外部附近产生磁场不均匀(bump)，以扭曲一些轨道的节距和角度，使得它们朝向引出通道进动并最终进入引出通道。由粒子组成的射束离开引出通道。

粒子束会损坏与辐照目标相邻的健康组织。一种结构可用于限制健康组织对粒子束的暴露。例如，该结构或其一部分可以放置在粒子束和健康组织之间，从而防止健康组织暴露于粒子束。

技术实现要素：

一种示例性方法包括：从治疗计划过程接收基于用于辐照目标的剂量分布的信息；并基于该信息配置自适应孔。该示例方法可以单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。

从治疗计划过程接收的信息可以识别自适应孔的结构；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以产生修整曲线。所述信息可以识别修整曲线的特征；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以产生该修整曲线。所述信息可以识别预先修整的斑的特征，所述特征存储在计算机存储器中的库中；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以修整粒子束的斑，使得粒子束的斑逼近预先修整的斑。所述信息可以指示斑将要在哪里形成在辐照目标上；并且配置自适应孔可以包括基于斑将要在哪里形成在辐照目标上来移动自适应孔的结构。所述信息可以识别斑的特征；并且配置自适应孔可以包括以逐个斑为基础移动自适应孔的结构。

配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构，使得至少两个相继的斑具有不同尺寸或不同形状中的至少一个。所述信息可以包括用于与辐照目标相关联的辐射场的修整曲线的规范；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以产生该修整曲线。所述规范可以识别修整曲线相对于已知点的形状或位置中的至少一个。所述信息可以包括用于辐照目标的不同层的不同修整曲线的规范；并且配置自适应孔可以包括基于用于辐照目标的每层的规范移动自适应孔的结构，以产生用于所述每层的修整曲线。

从治疗计划过程接收的所述信息可以包括用于与辐照目标相关联的辐射场的单个修整曲线的规范；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以产生所述单个修整曲线。所述单个修整曲线可用于修整用于辐照目标的多个层的辐射场。所述信息可以包括用于辐照目标的辐射场的自适应孔的配置的规范；并且配置自适应孔可以包括基于用于自适应孔的配置的规范来移动自适应孔的结构。所述信息可以包括用于所述辐照目标的不同层的自适应孔的配置的规范；并且配置自适应孔可以包括基于所述信息移动自适应孔的结构，用于辐照目标的不同层。

自适应孔可以包括：相对于辐照目标可移动的结构，以产生用于修整处理区域的一部分的形状；和主托架，其联接到所述结构，以沿相对于辐照目标的第一维度将所述结构相对于辐照目标移动。配置自适应孔可以包括移动所述结构中的一个结构或主托架中的至少一个。所述自适应孔可以包括副托架，所述副托架联接到所述主托架和所述结构，以将所述结构沿第二维度相对于辐照目标移动。配置自适应孔可以包括移动所述副托架中的至少一个副托架。所述第二维度可以包括进入和离开处理区域的移动。移动所述副托架中的至少一个副托架可以包括旋转所述至少一个副托架。所述结构可以包括相对于所述粒子束可伸出和可缩回的叶片。配置自适应孔可以包括旋转全部或部分自适应孔。

示例性方法包括从治疗计划过程接收基于用于辐照目标的剂量分布的信息；并且执行以下操作中的至少一个：基于所接收信息移动结构以修整粒子束的斑，使得粒子束的斑逼近获得特征的预先修整的光斑；基于所接收信息中包括的用于辐照目标的层的修整曲线的规范，移动结构以产生用于该层的修整曲线；基于所接收信息中包含的用于辐照目标的所有辐射场的单个修整曲线的规范，移动结构以产生该单个修整曲线；或者，基于在所接收信息中用于结构的配置信息，移动结构。所述结构可以是自适应孔的一部分并且可以包括叶片，所述叶片可移入或移出要由所述粒子束处理的区域。所述信息可以指定叶片和/或保持叶片的托架(一个或多个)的配置。

示例性粒子疗法系统包括：粒子加速器，用于输出用于施加到辐照目标的粒子束；自适应孔，其在粒子加速器和辐照目标之间，其中，自适应孔包括能移动移入和移出粒子束的路径的结构；和控制系统，其包括一个或多个处理设备，被配置为执行各种操作。所述各种操作可以包括：从治疗计划过程接收基于用于辐照目标的剂量分布的信息；并基于该信息配置自适应孔。该示例粒子疗法系统可以单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。

基于剂量分布的信息可以识别预先修整的斑的特征，所述特征存储在计算机存储器中的库中；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以修整粒子束的斑，使得粒子束的斑逼近预先修整的斑。所述信息可以指示预先修整的斑将要在哪里形成在辐照目标上；并且配置自适应孔可以包括基于预先修整的斑将要在哪里形成在辐照目标上来移动自适应孔的结构。所述特征可以包括一个或多个参数，所述一个或多个参数包括与斑相关联的半径或所述斑的旋转角中的至少一个。所述信息可以识别斑的特征；并且配置自适应孔可以包括以逐个斑为基础移动自适应孔的结构。

配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构，使得至少两个相继的斑具有不同尺寸或不同形状中的至少一个。配置自适应孔可以包括保持自适应孔的结构，使得至少两个相继的斑具有相同尺寸或相同形状中的至少一个。所述信息可以包括用于与辐照目标相关联的辐射场的修整曲线的规范；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以产生修整曲线。所述规范可以识别修整曲线相对于已知点的形状或位置中的至少一个。

基于剂量分布的信息可以包括用于辐照目标的不同层的修整曲线的规范；并且配置自适应孔可以包括基于用于辐照目标的每层的规范，移动自适应孔的结构，以产生用于所述每层的修整曲线。所述信息可以包括用于与辐照目标相关联的辐射场的单个修整曲线的规范；并且配置自适应孔可以包括移动自适应孔的结构以产生单个修整曲线，所述单个修整曲线用于修整用于辐照目标的多个层的辐射场。

所述信息可以包括用于辐照目标的辐射场的自适应孔的配置的规范；并且配置自适应孔可以包括基于用于自适应孔的配置的规范来移动自适应孔的结构。所述信息可以包括用于辐照目标的不同层的自适应孔的配置的规范；并且配置自适应孔可以包括基于所述信息移动自适应孔的结构用于辐照目标的不同层。自适应孔可以包括主托架，其联接到所述结构，以将所述结构相对于辐照目标沿相对于辐照目标的第一维度移动；并且配置自适应孔可以包括移动所述结构中的一个结构或主托架中的至少一个。所述自适应孔可以包括副托架，所述副托架联接到所述主托架和所述结构，以将所述结构沿第二维度相对于所述辐照目标移动；并且配置自适应孔可以包括移动副托架中的至少一个副托架。

所述第二维度可以包括进入和离开处理区域的移动。移动副托架中的至少一个副托架可以包括旋转所述至少一个副托架。所述结构可以包括相对于所述粒子束可伸出和可缩回的叶片。配置自适应孔可以包括旋转全部或部分自适应孔。

示例性粒子疗法系统包括：粒子加速器，用于输出施加到辐照目标的粒子束；以及控制系统，其包括一个或多个处理设备，被配置为执行各种操作。所述操作包括从治疗计划过程接收基于用于辐照目标的剂量分布的信息；并且执行以下操作中的至少一个：基于所接收的信息移动结构以修整粒子束的斑，使得粒子束的斑逼近获得特征的预先修整的斑；基于所接收信息中包括的用于辐照目标的层的修整曲线的规范，移动结构以产生用于该层的修整曲线；基于所接收信息中包含的用于辐照目标的所有辐射场的单个修整曲线的规范，移动结构以产生该单个修整曲线；或者，基于所接收信息中的用于结构的配置信息，移动结构。所述结构可以是自适应孔的一部分并且可以包括叶片，所述叶片能移入或移出要由所述粒子束处理的区域。

一种可以由粒子疗法系统执行的示例性方法包括：获得用于处理区域的目标剂量分布；从预先修整的斑的库中识别最逼近目标剂量分布的一个或多个点的一个或多个预先修整的斑；以及将识别所述一个或多个预先修整的斑的信息输出。该示例方法可以单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。

该示例方法可以包括获得逼近目标剂量分布的一组粗略斑；基于对于处理区域的一部分的最大可接受剂量改变粗略组中的一个或多个斑的强度；识别所述粗略斑中的在处理区域的过渡区域内的斑；并且用所述一个或多个预先修整的斑代替过渡区域内的所述斑。所述示例性方法可以包括：获得对于处理区域的一部分的最小可接受剂量；其中，基于最小可接受剂量选择所述一组粗略斑。所述信息可用于配置自适应孔以在治疗期间实现逼近所述目标剂量分布的剂量分布。

可由粒子疗法系统执行的示例方法包括：获得治疗计划信息；基于治疗计划信息，确定辐照目标自从前一辐照施加以来已经移动；基于辐照目标的移动，修改所述治疗计划信息以产生更新的治疗计划信息；和基于更新的治疗计划信息将辐射施加于辐照目标。该示例方法可以单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。

修改治疗计划信息可以由粒子疗法系统的计算系统执行。确定该辐照目标已经移动可以基于在两个时间点之间捕获的所述辐照目标的图像的比较。通过基于辐照目标移动后的位置改变辐射斑将要施加于辐照目标的位置而修改治疗计划信息。

可以组合本公开中描述的两个或更多个特征以形成未在这里具体描述的实施方式，所述特征包括在本发明内容部分中描述的那些特征。

可以经由计算机程序产品来实施对本文描述的各种系统或其部分的控制，该计算机程序产品包括存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上并且在一个或多个处理设备(例如，微处理器(一个或多个)、专用集成电路(一个或多个)，诸如现场可编程门阵列(一个或多个)的编程逻辑等)上可执行的指令。这里描述的系统或其部分可以实施为可以包括一个或多个处理设备和计算机存储器的设备、方法或电子系统，以存储可执行指令来实施对所述功能的控制。

在附图和下文描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。基于说明书和附图以及权利要求，其他特征、目的和优点将显现。

附图说明

图1示出可与本文所述的示例性自适应孔一起使用的示例性自适应孔叶片的透视图；

图2示出相对于辐照目标的处理区域定位的示例性自适应孔叶片的俯视图；

图3示出示例性自适应孔的透视图；

图4示出示例性自适应孔的前视图，其部件以透视图描绘以示出其内部；

图5示出示例性自适应孔的透视图，其部件以透视图描绘以示出其内部；

图6示出用于将叶片移入和移出辐照目标的处理区域的示例性控制结构的顶视图；

图7示出具有弯曲叶片的示例性自适应孔的透视图；

图8示出用于在粒子疗法系统中使用的示例性同步回旋加速器的横截面图；

图9示出用于在粒子疗法系统中使用的示例性同步回旋加速器的横截面图；

图10示出示例性扫描系统的侧视图；

图11示出示例性扫描系统的部件的透视图；

图12示出用于在图10和11所示类型的扫描系统中使用的示例性磁体的前视图；

图13示出用于在图10和11所示类型的扫描系统中使用的示例性磁体的透视图；

图14示出用于在图10和11所示类型的扫描系统中使用的示例性能量降级器(范围调节器)的透视图；

图15示出用于将能量降级器的叶片在粒子束的路径中移动的过程的透视图；

图16示出在粒子疗法治疗期间相对于患者定位的自适应孔的透视图；

图17示出用于执行光栅扫描的示例性过程的流程图，其可以使用图10至15的硬件执行；

图18示出辐照目标和辐射扫描路径的示例性横截面的俯视图；

图19示出示例性疗法系统的透视图；

图20示出用于在粒子疗法系统中使用的示例性同步回旋加速器的部件的分解透视图；

图21示出示例性同步回旋加速器的横截面俯视图；

图22示出示例性同步回旋加速器的透视图；

图23示出用于在同步回旋加速器中使用的示例性离子源的横截面图；

图24示出用于在同步回旋加速器中使用的示例性d形叶片和示例性虚设d形件的透视图；

图25示出可以使用可变能量粒子加速器的示例性粒子疗法系统的概念图；

图26示出可在可变能量粒子加速器中使用的示例性磁体系统的透视分解图；

图27是针对粒子加速器中的距离和磁场的变化示出能量和电流的示例曲线图；

图28示出用于对粒子束的每个能量水平在一频率范围上扫掠d形叶片上的电压并且用于在粒子束能量变化时改变该频率范围的示例性结构的侧视图；

图29示出安装在轨道上的托架上的示例性自适应孔叶片的俯视图，该轨道相对于粒子束的方向弯曲；

图30示出相对于辐照目标的处理区域定位的示例性自适应孔叶片的顶视图；

图31示出由示例性粒子疗法系统产生的斑的高斯分布的曲线图；

图32描绘了原始斑和通过修整原始斑产生的预先修整的斑；

图33示出辐照目标的透视图，其包括待通过粒子疗法处理的层；

图34示出包括待处理的层的辐照目标以及修整曲线对辐照目标的应用的透视图；

图35示出辐照目标的层和叠加在其上的修整曲线的透视图；

图36示出示例性扫描过程的流程图，其包括基于与目标剂量分布有关的信息配置修整曲线；

图37示出为了建模和获得治疗计划信息而执行的优化过程的示例的流程图；

图38示出示例性处理区域的侧视图，其识别待施加到处理区域的剂量；

图39示出待施加到处理区域的粗略斑组的侧视图；

图40示出图39的斑组的侧视图，其中，一斑已被强度调制；

图41示出图40的斑组的侧视图，其中，一斑已被预先修整的斑替换；

图42示出了库中的示例斑的侧视图；

图43示出响应于辐照目标的移动来配置自适应孔的示例性过程的流程图；

各附图中的相同附图标记表示相同元件。

具体实施方式

这里描述的是自适应孔(也称为“可配置准直器(configurablecollimator)”)的示例性实施方式，其可用于控制辐射施加到患者的程度，所述辐射例如质子或离子束。在一些实施方式中，自适应孔包括可控制以允许一些辐射传递给患者并阻挡一些辐射传递给患者的结构。通常，传递的辐射被定向到要治疗的辐照目标，而被阻挡的辐射若不阻挡的话将会击中健康组织并潜在地造成伤害。目标内部的辐射也可以被阻挡，以获得目标剂量分布。在示例性操作中，自适应孔被放置在辐射源和辐照目标之间的辐射路径中，并且被控制以产生适当尺寸和形状的修整曲线。修整曲线可以是开放式曲线或闭合曲线，例如允许一些辐射传递到辐照目标同时防止一些辐射到达相邻组织的开口。自适应孔可以用在任何适当的放射疗法系统中，并且不限于与任何特定类型的系统(包括本文所述的系统)一起使用。这里描述了可以与自适应孔一起使用的系统的示例。

在一些实施方式中，自适应孔包含大体上平坦的结构，其被称为“板”或“叶片”，并且是可控的以移入“射束”或“处理”区域中，以阻挡一些辐射并允许一些辐射通过。叶片是可控的，以产生适合当前处理的尺寸和形状的开口。在一些实施方式中，叶片保持在两个托架上，并且面对彼此及处理区域。叶片是可控的，以移入和移出处理区域，以便形成开口(或孔)，粒子束通过该开口来对患者的区域进行治疗。形成开口的叶片还阻挡辐射传递至与开口相邻的被叶片覆盖的组织(例如，健康组织)。在本文的背景下，覆盖包括叶片阻挡粒子束。叶片或其一部分可以放置在粒子束和目标组织之间以产生锐利的剂量梯度，当与其他粒子束组合时，其可以更好地优化剂量分布以满足目标功能。

在一些实施方式中，每组叶片可配置为限定可移动进入粒子束的路径中的边缘，使得粒子束的在边缘的第一侧的第一部分被叶片阻挡，并且使得粒子束的在边缘的第二侧的第二部分不会被叶片阻挡并被允许传递至处理区域。在一些实施方式中，叶片连接到马达、作为马达的一部分或包括马达，每个叶片一个马达，马达是可控的，以控制叶片朝向或远离处理区域移动，以限定边缘。在一些实施方式中，马达可以是线性马达。示例性线性马达包括可移动部件和静止部件。静止部件可以包括磁场发生器，例如磁极对准的两个磁体，以产生第一磁场。可移动部件可以夹置在所述两个磁体之间，并且可以包括一个或多个线圈以传导电流来产生第二磁场，该第二磁场与第一磁场相互作用以使可移动部件相对于静止部件移动。每个线性马达的可移动部件连接到叶片中的相应一个叶片或其一部分，使得相应叶片随着可移动部件的移动而移动。

图1示出了可以在自适应孔中使用的叶片40的示例，但是自适应孔不限于与这种类型的叶片一起使用。叶片的高度50沿着射束线(例如，粒子束的方向)。叶片的长度52沿着其进入和离开处理区域的致动方向，并且是基于系统可以处理的场或其部分的尺寸。场尺寸对应于射束可以影响的处理区域。叶片的宽度53是多个叶片在被致动时堆叠所沿的方向。通常，使用的叶片越多，可以产生的修整曲线(包括弯曲边界)的分辨率越高。

在图1中，叶片40包括沿其侧面的舌榫特征部55，其被配置为当多个这样的叶片堆叠时减少叶片间泄漏。在该示例中，叶片40的弯曲端部56被配置为保持在处理区域中的所有位置处与射束相切的表面。然而，在一些实施方式中，每个叶片的端部可以是平坦的，而不是弯曲的。

在一些实施方式中，自适应孔叶片具有的高度足以阻挡至少最大射束能量(例如，粒子疗法系统输出的粒子束的最大能量)。在一些实施方式中，自适应孔叶片的高度阻挡小于最大射束能量的能量，原因如下所述。在一些实施方式中，自适应孔叶片的长度不是由整个处理区域的面积决定，而是由单个射束斑或多个射束斑的面积决定。在本文的背景下，“射束斑”包括粒子束的横截面区域。在一些实施方式中，自适应孔是可控制的，以移入“射束”或“处理”区域中，来阻挡一些辐射并允许一些辐射从单个或多个射束斑通过。

在一个示例中，粒子疗法系统可以被配置为治疗具有可适于20cm×20cm方形区域的横截面的肿瘤。在该示例中，自适应孔中的每个叶片可以具有大约2cm的长度，其大约足以阻挡一个射束斑的一半中的粒子。如上所述，自适应孔可包括彼此面对的叶片的组。因此，如果需要，可以控制来自每组的叶片以覆盖整个单个射束斑，从而防止辐射通过。叶片也可以是可控制的，以产生一个或多个修整曲线，其限定来自单个射束斑的一些或全部辐射可以通过的开口。

在操作中，自适应孔被配置为，随着射束扫描扫过辐照目标而移动并在扫描期间跟踪射束的移动。在示例中，自适应孔可以被配置为移动大约20cm，以便能够覆盖整个20cm×20cm区域。如上所述，自适应孔可以被配置为使用足够的叶片来覆盖(或“修整”)一个射束斑，并且在一些情况下，覆盖少量的额外区域(例如，5％的额外区域、10％的额外区域、15％的额外区域、或20％的额外区域)。

图2示出了自适应孔700的示例性实施方式。在该示例中，自适应孔700包括叶片701，其具有高度并且由足以抑制或阻止给定能量的辐射通过的材料制成，所述材料诸如镍、黄铜、钨或其他金属。例如，在一些系统中，粒子加速器配置成产生最大能量为100mev至300mev的粒子束。因此，在这样的系统中，叶片可以构造成防止能量为100mev、150mev、200mev、250mev、300mev等的射束通过。

叶片701安装在托架上，以控制它们相对于辐照目标的处理区域的移动，例如相对于患者的肿瘤的横截面层的移动。控制该移动，以使叶片701覆盖处理区域704的一些部分，从而在处理期间防止辐射影响那些部分，同时使处理区域的其他部分暴露于辐射。在图2的示例实施方式中，总共有十四个叶片——左边七个右边七个。在一些实施方式中，可存在不同数量的叶片，例如总共十个叶片、左边五个右边五个，总共十二个叶片、左边六个右边六个，等等。

自适应孔可以与任何适当类型的放射疗法系统一起使用。在示例性实施方式中，放射疗法系统是质子疗法系统。如本文所述，示例性质子疗法系统使质子束扫描扫过辐照目标的处理区域，以便破坏恶性组织。在扫描期间，粒子束移动跨过处理区域以将辐射覆盖处理区域。在示例性实施方式中，粒子束是脉冲的。即使使用脉冲射束，也可以借助射束的单次通过而实现均匀的剂量覆盖。可以用多个脉冲击中每个斑以解决不可控制的每个脉冲的强度随机变化。粒子束可以在处理区域上多次通过，以减轻由于患者运动(例如，由于呼吸)引起的器官运动的影响。作为结果，不止一次地扫描同一处理区域可以是有益的。每个相继的扫描可以从一个或多个其他扫描偏移。这种类型的扫描的示例被称为笔形射束扫描，而重复扫描被称为绘制(paint)或重新绘制(repaint)处理区域。

辐照目标通常是三维结构。因此，如本文所述，辐照目标按横截面层(或简称“层”)逐层处理。即，处理辐照目标的一层，然后对另一层进行另一处理，等等，直到整个目标被处理。通过改变粒子束的能量水平来处理辐照目标的不同层。也就是说，粒子束的不同能量水平影响辐照目标的不同层，更高的能量水平影响辐照目标内相对于粒子束源更深的层。因此，在处理期间，改变粒子束的能量水平以便到达并因此处理辐照目标的不同层。

图2示出了叶片701，其被配置为允许辐射影响层的一部分(例如，处理区域)并且防止辐射影响层的其他部分(例如，健康组织)。在图2中，位置707表示在质子束扫描扫描扫过处理区域704期间要传递的射束斑的中心。圆圈708表示处理边界，超过该边界不会传递辐射。靠近该边界(例如，在粒子束的轮廓的一个标准偏差内)的射束斑接近健康组织。这些是通过在自适应孔上的叶片的适当配置和放置来修整(即，阻挡)的斑。要修整的射束斑的示例是射束斑711，其中心在位置706处。如图所示，叶片701中的一些被配置为阻挡射束斑711的延伸超过圆圈708的部分。

在示例性实施方式中，在两个单独的托架的每一个上，有五个宽度约为5mm的叶片和两个宽度约为20mm的叶片，每个托架总共七个叶片。因此，在一些实施方式中，在两个单独的托架的每一个上，存在七个叶片，其中两个叶片的每个的宽度是其他五个叶片的每个的宽度的三倍或更多。其他实施方式可以包含不同数量、尺寸和配置的叶片，以及不同数量和配置的托架。例如，一些实施方式可以包括每个托架有在五至五十个叶片内的任何数量的叶片，例如，每个托架有5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50个叶片(或更多)。

如本文所述，托架可水平地和垂直地移动。叶片也相对于每个托架可水平地移入和移出处理区域。以这种方式，叶片可配置成逼近待处理区域附近的区域中的处理边界的形状(例如，在该示例中为圆圈711或其一部分)。

叶片可以在粒子束的不同扫描之间垂直地和/或水平地移动，使得当射束被输送到特定区域时叶片处于适当的位置。不必为每次扫描通过移动叶片，而是可以移动到适合于一区域的位置。在一些情况下，例如，对于处理区域内部的斑，可以在没有由自适应孔提供修整的情况下进行辐射处理。

图30示出了叶片1400的另一示例，叶片1400是自适应孔的一部分，自适应孔被配置为修整以位置1402为中心的辐射斑1401。在该示例中，在自适应孔的两侧的每一侧有七个叶片(由相应的托架支撑)。每一侧的叶片包括两个比另外五个叶片更宽的叶片；然而，自适应孔不限于这种配置。在这种情况下，斑1401的半径为2.5西格玛，限定了8mm高斯辐射斑。

图3、4和5示出了自适应孔的示例性实施方式的部件的示例性实施方式，其包括托架713、714、715，其被构造成相对于治疗目标垂直地和水平地保持和移动上述叶片。如图所示，垂直移动包括沿笛卡尔z维度717的移动，并且水平移动包括沿笛卡尔x维度718的移动(笛卡尔y维度进入图4的页面或从其出来)。图4和图5示出了托架壳体的部分为透明，以便显示壳体内的部件；但是，壳体实际上并不透明。

托架713在本文中称为主托架，托架714和715在本文中称为副托架。如图3至5所示，副托架714、715联接到主托架713。在该示例中，副托架714、715每个包括壳体，该壳体经由相应的构件718、719固定到主托架715。在该示例中，主托架713可沿轨道720垂直地(z维度)移动。主托架713的垂直移动还使得副托架垂直地移动。在一些实施方式中，副托架一致地垂直移动。在一些实施方式中，每个副托架的垂直移动独立于另一副托架的垂直移动。

如图3至5所示，每个副托架714、715连接到相应的杆722、723，副托架沿着该杆722、723移动。更具体地，在该示例中，马达725驱动副托架714以沿着杆722朝向或远离副托架715移动。同样，在该示例中，马达726驱动副托架715以沿着杆723朝向或远离副托架714移动。如本文所述，执行对主托架和副托架的移动的控制以将叶片相对于辐照目标定位。此外，如本文所述，叶片本身也被配置成移入和移出托架。

如图5所示，马达730驱动主托架713的垂直移动。例如，如图4所示，导螺杆731联接到壳体732，壳体732保持驱动相应副托架714、715的马达725、726，并且该壳体安装在轨道720上。导螺杆731联接到马达730并且沿z维度由马达驱动。也就是说，马达730沿z维度驱动导螺杆731。因为导螺杆731固定到壳体732，所以这种移动还使壳体732和由此副托架714、715沿着轨道720沿z维度移动。

在该示例性实施方式中，如所指出的，七个叶片735、736安装在每个副托架714、715上。每个副托架可以配置成将其叶片水平地(沿x维度)移入或移出处理区域。每个副托架上的各个叶片可以相对于同一副托架上的其他叶片沿x维度独立地移动。在一些实施方式中，叶片还可以被配置为沿y维度移动。此外，一个副托架714上的叶片可以独立于另一个副托架715上的叶片移动。副托架上的叶片的这些独立移动以及由主托架实现的z维度移动允许叶片移动为各种配置。结果，叶片可以水平地和垂直地适应于在水平和垂直维度上任意成形的处理区域。叶片的尺寸和形状可以变化以产生不同的构形。

叶片可以由防止或抑制辐射传输的任何适当材料制成。使用的辐射类型可决定叶片中使用的材料(一个或多个)。例如，如果辐射是x射线，则叶片可以由铅制成。在本文所述的实施例中，辐射是质子或离子束。因此，叶片可以使用不同类型的金属或其他材料。例如，叶片可以由镍、钨、铅、黄铜、钢、铁或其任何适当的组合制成。每个叶片的高度可以决定叶片对辐射传输抑制得如何。

在一些实施方式中，叶片可以具有相同的高度，而在其他实施方式中，一些叶片可以具有与其他叶片的高度不同的高度。例如，在图2至5中，每个叶片的高度为5mm。但是，可以使用任何适当的高度。例如，叶片735、736可以具有以下任何一种(或其他高度)：1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm,28mm、29mm等。叶片可以具有前述高度的任何组合。另外，每个叶片可以具有与一个或多个其他叶片不同的高度。

在一些实施方式中，可堆叠相同宽度或不同宽度的叶片以抑制辐射传输。在一些实施方式中，较薄的叶片(例如，较小宽度的叶片)可以与较厚的叶片(例如，较大宽度的叶片)一起使用。在一些实施方式中，叶片具有足够的高度以完全阻挡最大射束能量的粒子束。可以堆叠相同高度或不同高度的叶片以抑制辐射传输。在一些实施方式中，较短的叶片(例如，较小高度的叶片)可以与较长的叶片一起使用。在一些实施方式中，叶片具有足够的高度以完全阻挡最大射束能量的粒子束。在一些实施方式中，叶片具有足够的高度以阻挡小于最大射束能量的粒子束(而不阻挡最大能量的粒子束)。例如，虽然质子疗法系统可具有输送能量为230mev的射束的能力，该射束可在患者中处理到32cm的深度，在一些实施方式中，自适应孔仅可阻挡至多175mev的质子，其可处理至不超过20cm的深度。在这样做时，可以使用较少的射束阻挡材料，例如2.1cm而不是3.3cm的钨，或3.3cm而不是5.2cm的镍。在该示例中，质子疗法系统仍然能够在超过20cm的深度进行处理，但是自适应孔将不用于这种处理。这可以被认为是可接受的，因为在一些情况下，越深的处理从自适应孔提供的粒子束准直中受益越少。也就是说，在一些治疗情景中，浅的低能量处理是自适应孔最有效的地方，并且可具有减少叶片中的材料量的工程优势。因此，在一些示例性实施方式中，使用较短的叶片并且自适应孔被限制为与浅的、低于最大能量的处理一起使用。

如图2至5所示，叶片是半矩形的形状，并且当从侧面观察时具有大致相同的表面积。在一些实施方式中，不需要是这种情况。例如，叶片可以具有与所示不同的形状。示例形状包括但不限于圆形、曲线形、椭圆形、方形和三角形。此外，单个叶片可以具有与包含在同一托架中或不同托架中的其他叶片不同的形状。例如，一个托架可包含矩形和曲线形叶片二者。

在一些实施方式中，叶片具有足够的高度，不仅足以完全阻挡最大预期质子能量的粒子束(例如，在230mev时，3.3cm的钨，或例如5.2cm的镍)，而且有足够的额外材料来防止叶片之间的质子传输。该材料可具有如图1所示的舌榫结构或类似的构造。叶片端部可以配置成包括弯曲或锥形表面，以增强各种发散质子束的传递半影(penumbra)。

在一些实施方式中，可以存在多于一个主托架和相应的马达和导轨。例如，第一主托架可以控制第一副托架的z维度移动，第二主托架可以控制第二副托架的z维度移动。因此，在这样的实施方式中，如果需要，两个副托架可以沿z维度独立地移动。在任何情况下，主托架可以是计算机控制的。例如，可执行指令存储在计算机存储器(例如，一个或多个非暂时性机器可读存储介质)中，并由一个或多个处理设备执行以控制移动。在治疗期间，可以使用或不使用用户输入来执行控制。

如所解释的，每个副托架714、715包括相应的马达以控制x托架移动，如上所述。在一些实施方式中，也可以每个叶片有一个马达，而在其他实施方式中，单个马达可以控制所有叶片。马达可以安装在相应的副托架上。结果，马达与相应的副托架一起移动。如上所述，马达控制每个托架中的叶片的移动。叶片可以安装在能够沿两个维度移动的致动器上。在图2至5的例子中，叶片是整体式叶片的每个部分。参照图6的示例，机构使得单个叶片能够移入和移出(x维度)整体式叶片，该整体式叶片包括进入或离开处理区域的每个托架。

在一些实施方式中，单个托架上的所有叶片可独立地移动。图6示出了叶片735a的移动机构，其是副托架的一部分。每个副托架中的每个叶片可以具有与图6的叶片和移动机构类似或相同的构造和移动机构。

在图6的示例中，移动机构包括叶片杆735b、导螺杆螺母735c、导螺杆735d、止推轴承组件735e、联轴器735f、马达735g、轴承座735h、套筒轴承销735i、套筒轴承735j和马达安装块735k。在操作中，马达轴通过联轴器旋转导螺杆。这使得导螺杆螺母根据螺杆旋转方向前进或后退。导螺杆螺母固定到叶片组件，因此随着电机旋转，叶片向前或向后移动(进入或离开射束路径)。套筒轴承销固定到叶片并沿套筒轴承滑动，套筒轴承保持在支撑整个组件的轴承座中。该轴承座容纳轴承，并为用于托架上的所有叶片的马达组件提供空间。

在一些实施方式中，关于图6描述的马达可以用线性马达代替。在一些实施方式中，线性马达是可控的，以配置一组叶片以限定第一边缘，并配置另一组叶片以限定面向第一边缘的第二边缘。每个线性马达可包括可移动部件和静止部件。静止部件可以包括磁场发生器，以产生第一磁场。磁场发生器的示例包括两个相邻并间隔开且磁极对准的静止磁体。可移动部件包括一个或多个线圈以传导电流，来产生第二磁场，该第二磁场与第一磁场相互作用以使可移动部件相对于静止部件移动。例如，可移动部件可以是构成静止部件的两个磁体之间的线圈承载板。当电流通过线圈时，该电流产生一磁场，该磁场与所述两个磁体产生的磁场相互作用并使可移动部件(例如载流板)相对于所述两个磁体移动。在一些实施方式中，单个线性马达可以控制单个叶片。因为叶片附接到可移动部件，所以叶片与可移动部件一起移动。可以控制不同叶片的线性马达以控制叶片的移动，从而限定本文所述的自适应孔的边缘。

如所描述的，自适应孔可采用不同孔形状用于修整扫描处理的每个层，从而允许三维场成形技术，诸如层堆叠。然而，自适应孔的实施方式可以被配置为，模拟被机加工的患者特异性结构(machinedpatient-specificstructure)或多叶准直器。

在这方面，一些现有的治疗计划系统(tps)执行治疗计划过程，该治疗计划过程计算固定黄铜孔的形状，其意图均匀地应用于整个治疗体积。tps还可以指示或包含用来配置用于目标的自适应孔形状的指令。计算机程序可以或者从连续孔曲线或者从一组固定的多叶准直器叶片位置解译孔形状，并将该形状转换成用于自适应孔的一系列动态叶片位置，所述位置与被输送的辐射处理斑相关。因此可以利用现有的tps功能，允许自适应孔与现有tps软件以相对较少的修改相兼容。

另一个示例技术可以改善边缘保形性(conformality)并且其通过自适应孔实现，其利用了对一层的同一处理区域的处理剂量将在多次通过或绘制中被输送的可能性。本文描述的重新绘制(repainting)是一种用于扫描质子疗法的技术，其中，使用若干次粒子束通过而将剂量分配到处理区域，以便在与患者运动(例如呼吸)相比较长的时间尺度内均匀地扩散所输送的辐射。还存在其他原因，其中，对给定斑的剂量可以不在一个脉冲中全部输送。一些示例性的原因包括：动态剂量控制可以调节每个脉冲中的电荷以输送准确的总剂量，对脉冲中的电荷有安全限制，以及所需的动态剂量范围可超过粒子加速器的能力。

如果在处理期间(例如，在多次扫描期间)被辐照的体积中的斑将被多次绘制，则可以通过在每次绘制之间(例如，在覆盖同一处理区域的粒子束的每次扫描通过之间)垂直地、水平地、或者垂直并水平地稍微移动叶片(例如，在亚毫米级别)来改善自适应孔与辐照目标的侧边缘的保形性。以这种方式，由于各个叶片的有限尺寸而可存在的轻微锯齿边缘可以被平滑，以获得预期孔曲线的更好逼似。

增加旋转自由度可以改善自适应孔顺应辐射目标的能力。例如，图3至5所示的整个组件可以被配置为，沿与射束方向垂直的平面、沿与射束方向平行的平面或者其组合而旋转。在一些实施方式中，各副托架714、715每个可以被配置为沿同一平面独立地旋转。以这种方式，自适应孔可以提供更大的灵活性以顺应非理想取向的复杂形状。在一些实施方式中，主托架和每个副托架都可以是可旋转的。

在上述示例实施方式中，每个叶片被独立地致动，使得可以用叶片配置跟踪任意形状。然而，可以不需要这种灵活性来实现可接受的边缘保形性。叶片可以被机械地约束，具有只能实现有限数量的配置的能力。例如，叶片可以被限于使它们处于垂直线、前向对角线形状、后向对角线形状、凹入形状、凸起形状或任何其他可实现形状的布置。通过这种方式，可以将灵活性与机械简化进行交换。可以使用凸轮正时齿轮通过一个远程马达而不是安装在副托架上的四个马达来致动叶片。在一些实施方式中，齿轮的离散形状可以根据需要从旋转到位的轮的部分加工。为了减少马达、反馈、控制器和相关联布线的数量，可以使用具有一个马达的组件，该马达实现离散的叶片配置。

图7示出了自适应孔的示例性实施方式，其具有相对于轴751可旋转的凸轮。在图7的示例中，所有叶片750由一个马达致动。该马达位于垂直轴751的顶部。选择叶片凸轮的形状和取向以获得用于主驱动轴的不同旋转角的不同叶片配置。

自适应孔的另一个可行优点是能够准直完全在场内部的边缘。如果治疗计划要求处理的体积完全包围要保护的体积——例如，完全包围脊髓的肿瘤——单个机加工的结构通常无法在不阻挡一些被处理体积的同时阻挡对受保护体积的辐射。自适应孔可以使用一系列叶片位置来处理这样的场。例如，自适应孔可以动态地重新配置，并且在治疗期间，保护需要保护的区域，同时允许在需要处理的区域上进行处理。

在一些情况下，当粒子束与叶片边缘的表面相切时，产生更好的射束性能(半影或边缘锐度)。然而，由于射束有效地源自单个点源，因此射束通过自适应孔平面的角度随着射束远离场的中心移动而变化。由于这个原因，如图1所示，叶片可有弯曲的边缘，使得该边缘总是可以被置于使它们与粒子束相切的位置。在自适应孔的示例性实施方式中，轨道——主托架和副托架在其上——是弯曲的，使得可以使用平坦的叶片边缘代替弯曲的叶片边缘，并且使得叶片是平坦的但是保持与粒子束相切。

图29示出了弯曲轨道1420的示例实施方式。在图29的示例中，粒子束1421源自源1422，源1422可以是粒子加速器，如本文所述的同步回旋加速器。粒子束1422可以扫描场1423，并且在一程度上可以在位置1425处，而在另一程度上可以在位置1426处。保持叶片1428和1429的托架安装在弯曲轨道1420上，使得叶片1428和1428可以朝向彼此或远离彼此移动。在该示例中，与图1的弯曲端部56相对地，叶片具有直的端部(或“前部”)1431、1431。通过采用弯曲的轨道，粒子束可以在整个扫描场1423中保持与直的端部相切或基本上相切。保持粒子束与端部相切可以是有利的，因为它使得自适应孔提供的修整能够贯穿射束场的范围保持一致。

总而言之，在一些实施方式中，自适应孔可以一次仅修整处理区域的一小部分，例如，小于整个处理区域且大约等于一个斑尺寸、两个斑尺寸、三个斑尺寸、四个斑尺寸、五个斑尺寸等等的区域。因此，在一些实施方式中，自适应孔可足够小以一次修整单个斑，并且可足够大以在不移动的情况下，在一个位置修整多个斑但不是整个场。自适应孔可以被配置为，随着射束扫描，围绕场并在场内移动。例如，在一些实施方式中，自适应孔随着射束扫描而跟踪射束，并且其配置和重新配置可以与扫描和射束提供的脉冲同步(例如，针对不同射束脉冲和/或位置的不同重新配置)。通过不使用大到足以修整整个处理区域的叶片，可以使自适应孔更小，因此自适应孔可以更靠近患者放置，而很少或没有来自其他设备的干涉。在一些实施方式中，甚至没有自适应孔的叶片具有一个跨越整个最大处理区域的尺寸。在一些实施方式中，各叶片每个可在处理区域内沿两个维度移动，并且该设备安装在机架上(例如，在诸如本文所述的粒子疗法系统的背景下)以在一个或多个轴上旋转，并且可以朝向和远离等中心点(isocenter)伸出。

在诸如本文所述的系统的背景下描述示例性治疗计划过程，该系统包含自适应孔。然而，下面描述的示例性治疗计划过程不限于与本文描述的系统一起使用，并且可以与将辐射应用于目标用于治疗的任何适当系统一起使用，所述目标诸如肿瘤。

由tps执行的示例性治疗计划过程(tpp)可以采用逆向计划。通常，逆向计划包括获得辐射的目标剂量分布，然后执行确定共同达到目标剂量分布的特征的过程，诸如优化过程。可以通过在一个或多个处理设备上执行一个或多个计算机程序来执行该过程，所述程序存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上并从中取出。所述特征可以包括但不限于斑尺寸、斑形状、斑位置、斑质量(每个斑的质子数)、斑取向等。在一些实施方式中，特征可以包括与自适应孔的构造有关的信息，例如，其叶片的数量和位置、利用自适应孔可实现的斑分辨率、托架可被移动的方式和程度，等等。在这样的示例中，tps利用其对自适应孔的结构的了解，来产生对自适应孔的指令以控制其配置。

如本文所述，图1至7、29和30的示例性自适应孔可用于修整单个斑、一组斑、处理层或处理场。处理场包括可以在特定层施加并可延伸超过该层本身的辐射程度。如图31的曲线图所示，示例性的斑可以具有高斯分布。也就是说，斑中质子的分布是高斯分布，其中斑的中心1500具有最高质子浓度，并且随着距斑中心的距离减小，浓度降低。这种高斯分布可对治疗计划具有影响。例如，在一些实施方式中，tpp可以在为辐射目标的给定位置确定适当剂量时考虑该分布，并且还可以在确定是否以及在何处使用自适应孔(或任何其他适当的斑修整机制)修整该斑时考虑该分布。例如，参考图2，自适应孔可用于修整由圆圈708(例如，肿瘤)限定的辐射目标和健康组织之间的边界处的斑。然而，修整不限于患病和健康组织之间的边界。例如，治疗计划可需要修整处理层内部的斑，例如，以便获得期望的剂量分布。因此，自适应孔也可以配置为执行内部斑修整。

示例性tpp由tps执行。示例性tpp参考包含信息的库，所述信息限定该过程可使用以获得目标剂量分布的预先修整的斑的特征。例如，库可以基于一个或多个参数限定修整的斑。例如，参考图32，可以根据其半径和旋转角来限定预先修整的斑1600(以俯视图示出)。在图32的示例中，通过在弦(chord)1602和1603处修整原始斑1601来产生预先修整的斑1600。在预先修整的斑1600中，半径是从非修整的斑的中心1606垂直于斑边缘的线1605。在图32的示例中，旋转角被限定为，该斑相对于其原始位置顺时针或逆时针旋转的量1607。在一些示例中，例如图32的斑1600，多个半径(在这种情况下为两个)可以限定斑。在一些实施方式中，单个半径可以部分地限定斑。并且，在其他实施方式中，多于两个半径可以部分地定义斑。库可以存储限定任何适当数量的预先修整的斑的特征的信息，其可以用于生成实际的斑。

预先修整的斑可以具有任何适当的形状，并且不限于图32中所示的形状。例如，如图2和30中修整的斑，预先修整的斑可以具有一个或多个阶梯状边缘。

在一些实施方式中，可以使用附加的或其他信息来限定库中的斑。例如，面积、形状或其他描述性信息可以限定每个斑。该信息可以是上面指出的半径和旋转的补充或替代，限定每个斑的信息(例如，半径和旋转)存储在计算机存储器中，例如，存储在一个或多个文件、查找表、或其他结构中，其使得信息能够按自适应孔的相应叶片移动被索引。

更具体地，在一些实施方式中，每个修整的斑可以从已被修整的辐射斑(例如，由本文所述的同步回旋加速器产生的辐射斑)产生。如本文所述，可以使用自适应孔来执行修整。用于产生每个修整斑的自适应孔的配置可以按照限定该斑的库中的信息索引，或者以其他方式与之相关联地存储。该配置可以包括但不限于自适应孔的叶片配置(例如，哪些叶片伸出，哪些叶片不伸出)、自适应孔的旋转角、主托架和副托架(一个或多个)的位置(一个或多个)等等。可以存储表征产生相应的修整斑的自适应孔的配置的任何适当信息。

在一些实施方式中，在治疗计划期间，tpp执行诸如优化过程的过程，其中，tpp从库中选择用于预先修整的斑的信息，以便获得用于治疗的目标剂量分布。例如，tpp可以使用该信息，以迭代地模拟用于修整的斑的剂量分布，直到达到目标剂量分布或达到可接受地接近目标剂量分布的剂量分布。产生最佳剂量分布的信息由控制自适应孔的计算系统接收，并且该信息被转换成叶片和/或托架位置。在一些实施方式中，tpp可采用蒙特卡罗优化过程以获得期望的剂量分布。通常，蒙特卡罗优化过程包括限定可能输入的域(例如，限定来自库的修整斑的信息)，从域上的概率分布随机生成输入，对输入执行确定性计算，以及聚合结果。在一些实施方式中，tpp可以采用基于笔形射束的优化过程或任何其他适当的优化过程，以便获得期望的剂量分布。

在一些实施方式中，在治疗计划期间，tpp执行诸如优化过程的过程，其中，tpp优化修整曲线以便获得用于治疗的目标剂量分布。例如，tpp可以获得限定要使用自适应孔产生的修整曲线的信息，并且使用该信息，以迭代地模拟用于修整的斑的剂量分布，直到达到目标剂量分布或达到可接受地接近目标剂量分布的剂量分布。限定修整曲线的信息可以包括例如长度、曲率、角、取向以及可以限定修整曲线的任何其他适当信息。在该示例中，该信息独立于库中的预先修整的斑，并且预先修整的斑不用于控制自适应孔。而是，产生最佳剂量分布的信息由控制自适应孔的计算系统接收，并且该信息被转换成叶片和/或托架位置。如上所述，在一些实施方式中，tpp可以采用蒙特卡罗优化过程，基于笔形射束的优化过程或任何其他适当的优化过程，以便获得期望的剂量分布。

在一些实施方式中，在治疗计划期间，tpp执行诸如优化过程的过程，其中，tpp基于诸如但不限于斑半径和取向的信息来限定通过修整产生的不同斑尺寸和/或形状。例如，tpp可以使用该信息，以迭代地模拟用于修整的斑的剂量分布，直到达到目标剂量分布或达到可接受地接近目标剂量分布的剂量分布。识别尺寸和形状的信息可包括识别如本文所述的斑半径和/或取向的信息，或任何其他适当的识别信息。在该示例中，信息独立于库中的预先修整的斑，并且预先修整的斑不用于控制自适应孔。而是，产生最佳剂量分布的信息由控制自适应孔的计算系统接收，并且该信息被转换成叶片和/或托架位置。如上所述，在一些实施方式中，tpp可以采用蒙特卡罗优化过程，基于笔形射束的优化过程或任何其他适当的优化过程，以便获得期望的剂量分布。

在一些实施方式中，在治疗计划期间，tpp执行诸如优化过程的过程，其中，tpp限定用于执行处理的自适应孔的叶片和/或托架移动。也就是说，tpp知道自适应孔的几何、结构和能力，并利用这些知识来优化治疗计划。例如，tpp可以使用该信息迭代地模拟用于修整的斑的剂量分布，直到达到目标剂量分布或达到可接受地接近目标剂量分布的剂量分布。tpp将最接近目标剂量分布的叶片和/或托架位置提供给控制自适应孔的配置的控制/计算系统。在该示例中，识别叶片和/或托架移动的信息独立于库中的预先修整的斑，并且预先修整的斑不用于控制自适应孔。而是，该信息由控制自适应孔的控制/计算系统接收，并且该信息用于定位自适应孔的叶片(一个或多个)和/或托架(一个或多个)。如上所述，在一些实施方式中，tpp可以采用蒙特卡罗优化过程，基于笔形射束的优化过程或任何其他适当的优化过程，以便获得期望的剂量分布。

通常，在tpp确定适当的剂量分布(包括控制自适应孔的信息)之后，tpp将该信息提供给用于粒子疗法(或其他放射疗法)系统的控制系统(例如，一个或多个计算机)。在一些实施方式中，从tpp提供的信息识别库中的将用于实施剂量分布的斑，并在每个斑被输送时指示那些斑要在哪里形成在辐照目标上/应用至该辐照目标。在一些实施方式中，从tpp提供的信息识别用于实施该剂量分布的斑尺寸和形状，并在每个斑被输送时指示那些斑要在哪里形成在辐照目标上/应用至该辐照目标。识别尺寸和形状的信息可包括识别如本文所述的斑半径和/或取向的信息，或任何其他适当的识别信息。在一些实施方式中，从tpp提供的信息识别要由自适应孔产生的修整曲线。在一些实施方式中，从tpp提供的信息包括专用于自适应孔的叶片和/或托架位置。

控制系统使用从tpp接收的信息来确定获得目标剂量分布或可接受地接近目标剂量分布的剂量分布所需的自适应孔的配置。在一个示例中，表征产生修整斑所需的自适应孔的配置的信息可以与限定相应的预先修整的斑的信息(例如，其半径和取向)相关联(例如，按其索引)。控制系统获得表征自适应孔的配置的信息，并且使用该信息以及在每个斑被输送时指示这些斑要在哪里应用的信息，以控制自适应孔和粒子加速器的操作。也就是说，在每个斑被输送时指示这些斑要在哪里应用的信息用于控制射束输出和方向；并且表征自适应孔的配置的信息用于在适当的时间配置自适应孔以便获得目标剂量分布。在示例中，表征产生修整曲线所需的自适应孔的配置的信息可以由从tpp接收的该曲线的形状导出。在示例中，表征自适应孔的配置的信息可以以叶片和/或托架位置的形式从tpp直接接收。

在操作中，对于每个修整的斑，自适应孔被配置为获得适当的斑尺寸和形状。例如，适当地伸出或缩回自适应孔的叶片，以产生与用于特定位置的斑相同或近似的修整斑。在一些实施方式中，自适应孔叶片的位置和因此其运动是相对于辐照目标的预限定等中心点确定的。叶片的移动由控制系统根据每个斑所需的配置来命令。适当地，作为叶片的移动的补充或替代，还可以命令主和/或副托架的移动。如所解释的，在一些实施方式中，每个斑的尺寸和形状可一个斑接着一个斑地变化(例如，以逐个斑为基础)，需要在斑扫描之间重新配置自适应孔。在一些实施方式中，自适应孔的配置在斑扫描之间保持，从而减少了在每次移动射束时重新配置的需要。在一些实施方式中，例如，在辐照目标的层的内部，不执行修整，例如，可以缩回自适应孔的所有叶片。在一些实施方式中，包括在辐照目标的层的内部，执行修整，例如，以限定一个或多个斑边缘以获得目标剂量分布。

如本文所述，可以逐层对辐照目标进行处理。可以通过改变粒子束的能量来访问层，越高能量的射束穿透以到达越深的层(相对于射束源)。如本文所述，通过将一个或多个板移入粒子束路径、通过使用可变能量加速器改变射束的能量、或通过其组合，可以改变粒子束的能量。

在一些实施方式中，自适应孔可修整单个斑、待处理层的一部分、待处理的整层或该层的整个辐射场。也就是说，自适应孔可以用于在场或层内修整多于单个斑或斑组。例如，对于每个层或该层的场，可以不同地配置自适应孔。在这方面，图33示出了具有多个待处理层的辐照目标1700的侧视图，其包括层1701和1702。还参考图1至7，自适应孔可以被配置为修整层1702；自适应孔可以被配置为修整层1701。在每种情况下，可以伸出或缩回适当的叶片，并且可以将一个或多个托架移动到适当的位置，以便将自适应孔的配置改变为适合于该层的配置。tpp可以执行适当的优化以限定要对每层执行的修整。

在一些实施方式中，自适应孔可修整由tpp针对辐照目标的所有层已经产生的曲线。更具体地，在一些实施方式中，优化的治疗计划可以不需要针对辐照目标的不同层(例如，深度)进行不同的修整。也就是说，单个修整曲线(孔可以是修整曲线)可以被配置为并用于辐照目标的所有层，即使这些层具有不同的横截面形状。例如，在图34中，层1801和层1802具有不同的宽度。tpp可以产生优化的修整曲线，其能够同时修整两层。例如，如图34所示，修整曲线1804可以修整辐照目标的较宽层(例如，1802)的边缘，并且仅修整在较窄的层(例如，1801)处产生的高斯斑1806(描绘为颠倒的高斯曲线)的尾部边缘1807。tpp可以通过将辐照目标划分为预定形状和体积的体素，并且通过迭代地调整体素的参数直到确定优化的修整曲线，来生成优化的修整曲线。例如，对于每个体素，tpp选择诸如斑质量、位置、尺寸、形状等参数，并通过这些参数迭代，直到在辐照目标上获得目标剂量分布，或直到在辐照目标上获得目标剂量分布的指定容差内的剂量分布。在确定该优化的剂量分布之后，tpp可以基于所确定的剂量分布确定最适合辐照目标的每层的修整曲线。

更具体地，在一个示例中，tpp检查用于每层的被确定的剂量分布，并且基于那些剂量分布，选择最适合所有层的单个修整曲线。例如，在一些实施方式中，修整曲线可以被配置以容纳辐照目标的不同层的不规则图案。修整曲线的尺寸和形状的选择还可以基于辐照目标内部或辐照目标外部的结构。例如，不同的外部结构可以比其他外部结构更能容忍对辐射的暴露。修整曲线可以被配置以容忍这种容差。

如所描述的，在一些实施方式中，tpp向控制系统提供图34的修整曲线的规范(specification)。规范可以包括例如修整曲线相对于已知点(例如辐照目标中的等中心点)的形状和位置。在示例中，控制系统配置自适应孔以产生满足tpp提供的规范的修整曲线。在该示例中，自适应孔不被重新配置以处理相继的层，因此其模仿预先配置的(并且不是自适应/可重新配置的)孔或其他适当的结构。

在前述示例中，相同的修整曲线用于每个待处理层。这可以是有利的，因为它允许自适应孔与遗留tpp一起使用。更具体地，一些遗留tpp被配置用于以预限定孔操作，其中，常规孔是静态(例如，非自适应的)结构或者产生孔洞的结构，辐射通过该孔洞无阻碍地通过。通过配置自适应孔使得其贯穿治疗过程保持相同的配置，自适应孔可以与上述类型的遗留tpp一起使用。

在上述示例性实施方式中，tpp选择诸如斑质量、位置、尺寸、形状等的参数，并通过这些参数迭代，直到在辐照目标上获得目标剂量分布。在一些示例实施方式中，tpp在获得目标剂量分布时不了解或不考虑自适应孔的配置。而是，由tpp提供的规范被控制系统解释以控制自适应孔的配置，例如，伸出或缩回叶片、移动托架(一个或多个)等，以便基于剂量分布获得适当的修整曲线。

如所描述的，在一些实施方式中，tpp在获得目标剂量分布时了解并考虑自适应孔的配置。例如，tpp可以知道自适应孔中的叶片数量、每个叶片的尺寸和形状、叶片的相对位置、托架的数量、托架如何移动等等。当确定用于辐照目标的优化剂量分布时，可以考虑该信息以及例如斑质量、斑位置、斑尺寸、斑取向和/或斑形状。tpp可以在确定与每个被输送斑相对应的适当叶片位置时使用该信息。也就是说，tpp知道自适应孔叶片的真实几何和运动约束，并且直接在其优化计算中包括该几何。然后tpp为每个斑生成叶片和/或托架的确切位置的指示。因此，在该示例中，tpp向控制系统提供的规范包括用于配置自适应孔的信息。例如，规范可以包括自适应孔的叶片和/或托架的配置。在一些实施方式中，可适当地为辐照目标的每一层或辐照目标上的每一斑提供自适应孔的一组不同配置。在该示例中，tpp不需要提供关于修整曲线本身的信息，因为由tpp提供的自适应孔的配置信息(包括，例如叶片配置信息)限定了要产生的修整。

在示例性实施方式中，tpp使用限定不同斑形状(例如，从库或其他地方获得)的信息并使用已知自适应孔(例如，叶片)配置来执行优化过程，例如蒙特卡罗(montecarlo)优化或者笔形射束(pencilbeam)优化。在示例性优化过程中，对于已知的粒子束，tpp可以通过射束形状和自适应孔配置的不同组合迭代以获得所得剂量，并将所得剂量与目标剂量(对于所考虑的区域)进行比较。如果所得剂量偏离目标剂量超过被限定量，则选择斑形状和自适应孔配置的不同组合，并且重复该过程直到实现优化(例如，所得剂量与该区域的目标剂量相匹配或在相对于目标剂量的限定的容忍范围内)。

在一些实施方式中，tpp基于逆向计划过程的剂量和剂量限制来选择射束斑形状。在一些实施方式中，斑形状和尺寸的选择可以基于本文所描述的库中限定的斑，该库包含限定预先修整的斑的特征的信息。在一些实施方式中，斑形状和尺寸的选择可以独立于本文所描述的库中限定的斑，该库包含限定预先修整的斑的特征的信息。例如，tpp可以配置自适应孔——包括叶片和/或托架——以产生具有任何适当形状的斑。换句话说，tpp可以用粒子疗法系统的能力编程，并且还可以用辐照目标(例如肿瘤)的治疗计划编程。给定该信息，通过以任何适当的方式修整粒子束，tpp可以指示自适应孔产生斑形状和尺寸，以实现期望的处理。由自适应孔产生的修整不限于在该示例中的从库产生预限定的斑。

在一些实施方式中，tpp基于逆向计划过程的剂量和剂量限制来选择射束斑形状。描述多个处理斑的定位和形状的辐射计划可以参考由医生准备的剂量图(dosemap)、使用计划软件将剂量图转换成辐射计划来开发。例如，可以使用图形终端来准备剂量图，其中医生查看患者的一个或多个ct图像以限定在患者体积内的不同区域中的目标(例如，期望的)剂量。可以执行优化过程以确定将哪些斑应用于处理区域以获得目标剂量。

图37示出了可以例如由tpp执行的优化过程2100的示例。该过程可以实现为存储在一个或多个非暂时性机器可读介质上的计算机程序。该指令可以在一个或多个处理设备(例如，微处理器)上执行，以实施图37所示的操作。在这方面，尽管图37的过程是根据物理实体(例如斑、强度、处理区域等)来限定的，但是图37的过程不是在那些物理实体上执行，而是使用代表那些物理实体并对那些物理实体及其交互进行建模的数据来执行。因此，尽管图37的描述和附图涉及实体本身(例如，斑、处理区域等)，但实体名称实际上是描述那些实体的数据的简写(因为建模和优化过程在计算机上执行，并输出稍后使用疗法系统实施的治疗计划，例如本文所述的那些)。

优化过程包括优化(2101)粗略射束组。参考图38，在该示例中，该操作(2101)包括获得最小目标剂量2202和最大目标剂量2201。在一个示例中，最小目标是应用于处理区域2204(例如肿瘤)的最小剂量(例如，在98％的处理区域上有98％的期望剂量)。最大目标是在处理区域外施用的最大剂量，例如施用到正常组织或关键结构，诸如器官。在一些实施方式中，剂量可以用于单次扫描(例如，目标累积剂量的一部分)，而在一些实施方式中，剂量可以是目标累积剂量。

最小剂量和最大剂量可以例如由医生基于各种因素以上述方式确定。限定一组高斯斑(在该示例中，图39的斑a、b、c、d和e)的数据用于对那些斑在处理区域上的辐射的效果进行建模。给定最小目标和最大目标的约束，斑a、b、c、d和e构成哪些斑将为处理区域提供处理的初始估计，例如，最接近获得最小目标但不超过最大目标的斑。但是，在这一点上，实际上可无法实现这些目标。如图39中图解所示，在这个阶段——粗略射束组——斑具有相同或大约相同的强度。在一些实施方式中，可以选择不同的粗略斑组并且对其应用的结果进行建模。最逼近目标剂量的组可以是选择为粗略组的组。例如，可以选择在目标剂量分布的限定百分比内的组，其中目标百分比是任何适当的百分比，例如5％、10％、15％、20％等。

优化过程包括执行(2102)斑强度优化，以进一步逼近目标剂量。在该示例中，斑强度优化包括在给定的约束条件，诸如最小目标和最大目标(例如，基于处理区域的位置、正常组织的位置、关键结构的位置和其他适当的准则)，识别对于哪些斑应当增加或降低。参照图39和40，在该示例中，优化过程识别出斑e位于处理区域2204的边缘并且大部分位于该处理区域之外。因此，优化过程降低斑e的强度(例如，降低至达到或低于最大目标的一定水平)。这在图40中以图形方式描绘，斑e相对于斑a、b、c和d的尺寸和/或形状减小。适当的话，可以对多个斑进行该优化，并使建模的剂量更接近于目标剂量。在一些实施方式中，可以选择不同的射束强度并且对其应用的结果进行建模。在适当位置最逼近目标剂量的射束强度可以是所选择的射束强度。

优化过程包括识别(2103)处理区域中的一个或多个过渡区域内的斑(例如，影响一个或多个过渡区域)。例如，过渡区域可以是处理区域的边缘2205，并且过渡区域处的斑可以包括斑d(如线2206所示)。值得注意的是，过渡区域不仅需要位于处理区域的边缘处。如本文所述，过渡区域可以位于处理区域内部的位置，并且可以取决于剂量分布、关键结构在处理区域中的位置、待治疗的肿瘤的形状以及其他适当的因素。

优化过程包括用一个或多个替换形状的斑代替(2104)过渡区域(一个或多个)处的斑(一个或多个)。在一些实施方式中，参考图41，该操作包括用来自库的最逼近目标剂量分布的预先修整的斑代替过渡区域处的斑d。例如，图42示出了库中预先修整的斑的示例的侧视图(侧视图示出了斑内质子的分布，例如高斯分布或由高斯分布修整)。选择适当的斑，例如斑2401，并替换斑d，得到的替换斑d’具有(在这种情况下)图41所示的形状。在一些实施例中，可以从库中选择不同形状的斑并且对其应用的结果进行建模。可以选择在适当位置处最接近地逼近目标剂量的预先修整的斑以供使用。在必要和适当的情况下，可以对不同的处理区域和单个处理区域内的不同位置，重复操作2101至2104。

在一些实施方式中，操作2104不包括使用来自库的预先修整的斑。替代地，操作2104可以包括基于信息来限定斑形状，所述信息包括但不限于要应用于辐照目标的期望处理以及自适应孔的叶片和托架可以移动以产生一条或多条修整曲线的方式。一个或多个斑的配置可以实时限定，并且在一些实施方式中，不是预限定的。可以单独地使用每个斑的半径和/或取向信息来限定斑，或者也可以结合任何其他可用于指定斑尺寸和形状的适当信息来限定斑。在这方面，在一些实施方式中，考虑到与处理、数据传输、硬件等相关联的延迟，实时可以包括在连续的基础上发生的动作或者及时彼此跟踪的动作。

优化过程输出(2105)信息，该信息限定哪个斑要应用于处理区域。一些斑(例如，斑a、b、c)可以不修整，在这种情况下，仅向疗法控制系统提供强度和其他适当的信息。对于修整的斑(例如，斑d)，那些斑与来自库的斑匹配，识别那些预先修整的斑的信息被输出到控制系统。对于不采用预先修整的斑的实施方式，可以使用表征斑尺寸和形状的信息。如本文所述，限定那些斑的形状的库中的信息被索引或以其他方式与自适应孔的配置相关联。因此，该信息由控制系统获得，并且适当的话用于控制自适应孔以形成那些斑。对于强度调制斑，还输出那些斑的信息并用于产生具有适当强度的斑。在一些实施方式中，强度调制斑也可以是已根据期望强度调制的预先修整斑。

如上所述，修整曲线可以限定孔，例如，一个或多个曲线或孔洞，其限制辐射传递到辐照目标的程度。在一些实施方式中，修整曲线可以简单地是限定辐照目标的斑或场的边缘的线或曲线。例如，参考图35，层1901可以包括多个内部修整曲线1902至1905，其没有一个是闭合曲线。

图36示出了自适应孔的配置如何配合到图17中的过程。除了操作2001和2002之外，图36的操作与图17的操作相同。在该示例中，作为层选择过程的一部分或在其之前，粒子疗法系统的控制系统从tpp接收(2001)基于辐照目标的剂量分布的信息；并通过执行以下操作中的至少一个来配置(2002)自适应孔：(a)基于所接收信息，移动结构，以修整粒子束的斑，使得粒子束的斑逼近获得特征的预先修整的斑；(b)基于所接收信息中包含的用于不同层的修整曲线的规范，移动结构，以为辐照目标的每一层生成修整曲线；(c)基于所接收信息中包含的用于辐照目标的所有辐射场的单个修整曲线的规范，移动结构，以产生该单个修整曲线；或者(d)基于所接收信息中用于结构的配置信息，移动结构，以为辐照目标的辐照场产生修整曲线。

如本文所述，在一些实施方式中，所述结构可以是移入或移出射束路径的叶片。在一些实施方式中，图36的过程2000可以用并非自适应孔的设备来实施。适当的话，前述操作(a)、(b)、(c)或(d)中的任何两个或更多个可以整体或部分地组合或一起使用。

本文还描述了粒子加速器系统的示例，例如质子或离子疗法系统，该系统可以采用图1至7、29和30的自适应孔，并且可如本文所述的根据来自tpp的信息配置那些自适应孔。示例性粒子疗法系统包括粒子加速器——在该示例中为同步回旋加速器——其安装在机架上。机架使得加速器能够围绕患者位置旋转，如下面更详细地解释的，以允许来自粒子加速器的粒子束击中患者中的任何任意处理区域。在一些实施方式中，机架是钢的，并具有两个腿部，安装为用于在位于患者的相对侧的两个相应轴承上旋转。粒子加速器由钢桁架支撑，钢桁架足够长以跨过患者所在的处理区域并且在其两个端部处附连到机架的旋转腿部。由于机架围绕患者旋转，粒子加速器也旋转。

在示例性实施方式中，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)包括保持一个或多个超导线圈的低温恒温器(cryostat)，每个超导线圈用于传导产生磁场(b)的电流。在一个示例中，低温恒温器使用液氦(he)将每个线圈保持在超导温度，例如4°开尔文(k)。磁轭或较小的磁极片位于低温恒温器内，并限定了空腔的形状，在该空腔中粒子被加速。磁垫片可以穿过磁轭或磁极片以改变空腔中磁场的形状和/或大小。

在该示例性实施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如，潘宁离子规——pig源)以向空腔提供电离的等离子体柱。氢气被电离以产生等离子体柱。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脉冲进入空腔。空腔中的磁场被成形为使得粒子在空腔内沿轨道移动。如本文所解释的，磁场可以是例如至少4特斯拉。

如上所述，在一个示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，当加速来自等离子体柱的粒子时，rf电压在一频率范围上被扫掠，以考虑对粒子的相对论效应(例如，增加的粒子质量)。由电流通过超导线圈而产生的磁场与空腔的形状一起使得来自等离子体柱的加速的粒子在空腔内沿轨道加速。在其他实施方式中，可以使用并非同步回旋加速器的粒子加速器。例如，回旋加速器、同步加速器、线性加速器等可以代替本文所述的同步回旋加速器。

在示例性的同步回旋加速器中，磁场再生器(“再生器”)定位在空腔的外侧附近(例如，在其内边缘处)以调整空腔内的现有磁场，从而改变来自等离子体柱的加速的粒子的相继轨道的位置(例如，节距和角度)，从而使粒子最终输出到通过低温恒温器的引出通道。再生器可以增加空腔中的一点处的磁场(例如，它可以在空腔的一区域处产生大约2特斯拉左右的磁场“不均匀”)，从而使该点处的粒子的每个相继轨道向外朝向引出通道的入口进动，直至到达引出通道。引出通道从空腔接收来自等离子体柱的加速的粒子，并将从空腔接收的粒子作为粒子束输出。

超导(“主”)线圈可以产生相对高的磁场。由主线圈产生的最大磁场可以在4t至20t或更大的范围内。例如，主线圈可用于产生以下的一个或多个大小的磁场或超过以下一个或多个大小的磁场:4.0t、4.1t、4.2t、4.3t、4.4t、4.5t、4.6t、4.7t、4.8t、4.9t、5.0t、5.1t、5.2t、5.3t、5.4t、5.5t、5.6t、5.7t、5.8t、5.9t、6.0t、6.1t、6.2t、6.3t、6.4t、6.5t、6.6t、6.7t、6.8t、6.9t、7.0t、7.1t、7.2t、7.3t、7.4t、7.5t、7.6t、7.7t、7.8t、7.9t、8.0t、8.1t、8.2t、8.3t、8.4t、8.5t、8.6t、8.7t、8.8t、8.9t、9.0t、9.1t、9.2t、9.3t、9.4t、9.5t、9.6t、9.7t、9.8t、9.9t、10.0t、10.1t、10.2t、10.3t、10.4t、10.5t、10.6t、10.7t、10.8t、10.9t、11.1t、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、t、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或更多。此外，主线圈可以用于产生在上面没有具体列出的4t到20t(或更多或更少)范围内的磁场。

在一些实施方式中，例如图8和9所示的实施方式，大型铁磁磁轭作为由超导线圈产生的杂散磁场的返回部。例如，在一些实施方式中，超导磁体可以产生相对高的磁场，例如4t或更大，导致相当大的杂散磁场。在一些系统中，例如图8和9所示的系统，相对较大的铁磁返回磁轭100用作由超导线圈产生的磁场的返回部。磁屏蔽件围绕磁轭。返回轭和屏蔽件一起耗散杂散磁场，从而降低杂散磁场将对加速器操作产生不利影响的可能性。

在一些实施方式中，返回轭和屏蔽件可以由主动返回系统替换或增强。一种示例性的主动返回系统包括一个或多个主动返回线圈，其沿与通过主超导线圈的电流相反的方向传导电流。在一些示例性实施方式中，每个超导线圈有一个主动返回线圈，例如，两个主动返回线圈——每个超导线圈(称为“主”线圈)有一个。每个主动返回线圈也可以是超导线圈，其同心地围绕相应的主超导线圈的外部。

电流沿与通过主线圈的电流方向相反的方向通过主动返回线圈。因此，通过主动返回线圈的电流产生的磁场的极性与主线圈产生的磁场极性相反。结果，由主动返回线圈产生的磁场能够耗散由相应的主线圈导致的至少一些相对强的杂散磁场。在一些实施方式中，每个主动返回部可用于产生2.5t至12t或更多的磁场。例如，磁场可以是2.5t、2.6t、2.7t、2.8t、2.9t、3.0t、3.1t、3.2t、3.3t、3.4t、3.5t、3.6t、3.7t、3.8t、3.9t、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或更多。此外，可以使用主动返回线圈来产生在上面没有具体列出的2.5t至12t(或更多或更少)范围内的磁场。

参考图10，在粒子加速器105(其可具有图8和9所示的配置)的引出通道102的输出部处是示例扫描系统106，其可用于将粒子束扫描扫过至少一部分辐照目标。图11还示出了扫描系统的部件的示例。这些包括但不限于扫描磁体108、离子室109和能量降级器110。未在图11中示出的其他部件可以结合到扫描系统中，例如包括用于改变射束斑尺寸的一个或多个散射器。该示例性扫描系统，包括其部件，可以安装到机架并且在机架移动期间与粒子加速器一起移动。

在示例性操作中，扫描磁体108是沿两个维度(例如，笛卡尔xy维度)可控制的，以将粒子束引导跨过辐照目标的处理区域(例如，横截面)。离子室109检测射束的剂量并将该信息反馈回控制系统以调整射束移动。能量降级器110是可控的，以将材料(例如，一个或多个单独的板)移入和移出粒子束的路径，以改变粒子束的能量，并因此改变粒子束将穿透辐照目标的深度。以这种方式，能量降级器选择辐照目标的深度层以沿二维扫描。

图12和13示出了示例性扫描磁体108的视图。在该示例性实施方式中，扫描磁体108包括两个线圈111和两个线圈112，两个线圈111控制x维度的粒子束移动，两个线圈112控制y维度的粒子束移动。在一些实施方式中，通过改变穿过一组或两组线圈的电流从而改变由此产生的磁场(一个或多个)来实现控制。通过适当地改变磁场(一个或多个)，粒子束可以沿x和/或y维度移动跨过辐照目标。在一些实施方式中，扫描磁体相对于粒子加速器不可物理地移动。在其他实施方式中，扫描磁体相对于粒子加速器可移动(例如，除了由机架提供的移动之外)。在一些实施方式中，扫描磁体可以是可控的，以连续地移动粒子束，使得粒子束在正被扫描的辐照目标的层或其一部分(例如，处理区域)的至少一部分或可行地全部上不间断地运动。在其他实施方式中，扫描磁体以间隔或在特定时间是可控的。在一些实施方式中，可存在不同的扫描磁体以控制粒子束沿x和/或y维度的全部或部分移动。

在一些实施方式中，扫描磁体108可具有空气芯。在其他实施方式中，扫描磁体108可以具有铁磁(例如，铁)芯。通常，具有空气芯的磁体包括围绕非铁磁材料芯的磁线圈，该非铁磁材料例如空气。例如，空气芯磁铁可包括围绕空气的自支撑线圈。在一些实施方式中，空气芯磁体可包括缠绕绝缘体(例如陶瓷或塑料)的线圈，其可以包括或不包括空气。

在一些情况下，空气芯可以具有优于铁磁芯的优点。例如，至少部分地基于施加到磁体的电流(称为“磁体电流”)的量来确定粒子束沿x和/或y维度移动(例如，被偏转)的量。扫描磁体通常具有移动(或偏转)范围，该范围是磁体移动射束的程度。在该范围的端点，例如在边缘处，较大量的电流被施加到扫描磁体，以便实现相对大量的射束偏转。一些类型的具有铁磁芯的扫描磁体可在这些端点处饱和，导致电流和磁体运动之间的非线性关系。也就是说，由磁体产生的偏转量可不与施加到磁体的电流量成线性比例。由于这种非线性，在一些情况下，可难以使用磁体电流确定和/或设置一些射束位置。因此，当使用具有铁磁芯的扫描磁体时，可需要执行一些校准和/或补偿以校正诸如上述的非线性。

相反，具有空气芯的扫描磁体可以不以与具有铁磁芯的扫描磁体相同的方式饱和。例如，空气芯磁体可以不饱和或者可以比具有铁磁芯的磁体饱和得更少。结果，特别是在范围端点处，电流和磁体运动之间的关系可以更线性，使得至少在一些情况下，射束位置基于磁体电流的确定更准确。特别是在范围端点处，这种增加的线性度还可以允许射束的更准确移动。也就是说，由于当使用空气芯扫描磁体时电流和射束移动之间的关系在较大范围内大体上更线性，因此使用空气芯扫描磁体可以更容易地再现射束移动。这可以是有利的，因为辐照目标的深度层可以需要多次扫描，每次扫描提供一定百分比的总累积辐射剂量。将多剂量输送至同一区域的精确度，例如可通过使用空气芯扫描磁体获得的精确度，可影响治疗功效。

尽管在空气芯磁体中，电流和磁体运动之间的关系可以更线性，但是在一些情况下，空气芯磁体比具有铁磁芯的磁体可以更容易受到杂散磁场的影响。这些杂散磁场可在由机架产生的扫描磁体运动期间影响扫描磁体。因此，在使用具有空气芯的扫描磁体的一些实施方式中，可以校准施加到扫描磁体以移动射束的电流，以考虑扫描磁体相对于患者的位置(或者相应地，考虑到机架的位置，因为机架的位置对应于扫描磁体相对于患者的位置)。例如，针对机架的不同旋转位置(角度)，可以确定扫描磁体的行为，并且如果需要，可以校正扫描磁体的行为，例如，通过基于旋转位置增加或减少一些被施加的电流。

在一些实施方式中，扫描磁体可具有包括空气和铁磁材料(例如，铁)的芯。在这样的实施方式中，可以考虑前述因素来确定芯中的空气和铁磁材料的量和配置。

在一些实施方式中，电流传感器118可连接到扫描磁体108或以其他方式与之相关联。例如，电流传感器可以与扫描磁体通信但不连接到其。在一些实施方式中，电流传感器对施加到磁体的电流进行采样，其可包括用于控制x维度射束扫描的线圈(一个或多个)的电流和/或用于控制y维度射束扫描的线圈(一个或多个)的电流。电流传感器可以在对应于粒子束中的脉冲的出现的时间或者以超过粒子束中的脉冲发生速率的速率对通过磁体的电流进行采样。在后一种情况下，识别磁体电流的样本与下述离子室对脉冲的检测相关。例如，使用离子室(下述)检测脉冲的时间可以与来自电流传感器的样本在时间上相关，从而识别在脉冲的时间时磁体线圈(一个或多个)中的电流。因此，使用磁体电流，可以确定每个脉冲以及由此粒子剂量被输送到的辐照目标上的位置(例如，在辐照目标的深度层上)。可以基于射束路径中的能量降级器的位置(例如，板的数量)来确定深度层的位置。

在操作期间，可以针对剂量被输送至的每个位置存储磁体电流(一个或多个)的大小(一个或多个)(例如，值(一个或多个))以及剂量的量(例如，强度)。计算机系统——其可以在加速器上或远离加速器且可以包括存储器和一个或多个处理设备——可以把磁体电流与辐照目标内的坐标关联起来，那些坐标可以与剂量的量一起储存。例如，可以通过深度层数和笛卡尔xy坐标或通过笛卡尔xyz坐标(具有对应于z坐标的层)来识别位置。在一些实施方式中，在每个位置处，磁体电流的大小和坐标位置都可以与剂量一起存储。该信息可以存储在存储器中，该存储器在加速器上或远离加速器。如本文更详细描述的，可以在扫描期间使用该信息以将多个剂量施加到相同位置以获得目标累积剂量。

在一些实施方式中，离子室109通过检测由入射辐射引起的气体内产生的离子对的数量来检测由粒子束施加到辐照目标上的位置的剂量(例如，一个或多个单独剂量)。离子对的数量对应于粒子束提供的剂量。该信息与提供剂量的时间一起被反馈到计算机系统并存储在存储器中。如上所述，该信息可以与提供剂量的位置和/或在该时间磁体电流的大小相关并与之相关联地被存储。

如下面更详细描述的，在一些实施方式中，扫描系统是开环运行的，在这种情况下，粒子束在辐照目标上自由且不间断地移动，以便用辐射基本上覆盖目标。随着辐射被输送，由粒子疗法控制系统实施的剂量测定(dosemetry)记录(例如，存储)每个位置的辐射量和对应于辐射被输送到的位置的信息。辐射被输送的位置可以记录为坐标或一个或多个磁体电流值，并且可以将输送的辐射量记录为灰度剂量。因为系统是开环运行的，所以辐射的输送与粒子加速器的操作(例如，与其rf循环)不同步。然而，剂量测定可以与粒子加速器的操作同步。更具体地，在输送剂量时，剂量测定记录每个被输送的剂量的量和位置(即，给定技术限制，尽可能在时间上接近输送)。由于剂量与加速器的操作(例如，每个rf循环输送一个脉冲)同步地输送，在一些实施方式中，记录剂量和位置的剂量测定与辐射剂量到目标的输送同步或基本上同步地操作，因此与粒子加速器的操作(例如与其rf周期)同步。

图14示出了范围调节器115，其是能量降级器110的示例性实施方式。在一些实施方式中，例如图14所示，范围调节器包括一系列板116。板可以由以下示例材料中的一种或多种制成：碳、铍或其他低原子序数的材料。然而，可以使用其他材料作为这些示例材料的代替或附加。

板中的一个或多个可移入或移出射束路径，从而影响粒子束的能量，并因此影响粒子束在辐照目标内的穿透深度。例如，移入粒子束路径的板越多，板吸收的能量将越多，而粒子束具有的能量将越少。相反，移入粒子束路径的板越少，板吸收的能量将越少，而粒子束具有的能量将越多。较高能量的粒子束通常比较低能量的粒子束更深地穿透到辐照目标中。在此背景下，“较高”和“较低”是指相对术语，并且没有任何特定的数字含义。

将板物理地移入和移出粒子束的路径。例如，如图15所示，板116a沿着箭头117的方向在粒子束路径中的位置和粒子束路径外的位置之间移动。板由计算机控制。通常，移入粒子束路径中的板的数量对应于要发生辐照目标的扫描的深度。例如，辐照目标可以分为横截面或深度层，其每个对应于一辐照深度。范围调节器的一个或多个板可以移入或移出到辐照目标的射束路径，以便获得适当的能量来辐照辐照目标的这些横截面或深度层中的每个。在扫描辐照目标的一部分(例如，横截面)期间，范围调节器可以相对于粒子束是静止的，除了其移入和移出粒子束路径的板。替代地，图14和15的范围调节器可以用一种范围调节器代替，该范围调节器至少在一些时间跟踪粒子束的移动，从而能够使用较小的板。

在使用上述类型的范围调节器的实施方式中，移入射束路径的板的数量确定/设置要扫描的辐照目标的深度层。例如，如果两个板移入射束路径，则该层将比一个或没有板移入射束路径时更浅。基于移入射束路径的板的数量，可以对层进行识别并将其存储在存储器中。在一些实施方式中，板可具有不同的高度。在这样的实施方式中，各种板的高度也影响哪个层要扫描(例如，粒子束将穿透目标多深)。

在一些实施方式中，粒子加速器可以是可变能量粒子加速器。在使用可变能量粒子加速器的示例系统中，可不太需要本文所述类型的能量降级器，因为粒子束的能量水平可以由粒子加速器控制。例如，在采用可变能量粒子加速器的一些系统中，可不需要能量降级器。在采用可变能量粒子加速器的一些系统中，仍然可以使用能量降级器来改变射束能量水平。

在一些实施方式中，在治疗辐照目标之前建立治疗计划。治疗计划可以存储在存储器中，该存储器是控制粒子疗法系统的操作的计算机系统可访问的。如所描述的，治疗计划可以从tps/tpp接收，并且可以包括关于如何由粒子疗法系统提供放射治疗的信息。例如，治疗计划可以指定针对特定辐照目标如何执行扫描。在一些实施方式中，治疗计划指定要执行光栅扫描。光栅扫描包括产生粒子束跨过辐照目标的不间断移动。例如，扫描磁体连续移动以将粒子束扫描(例如，移动)扫过辐照目标，以便在辐照目标的层的至少一部分上产生粒子束的不间断移动。该移动可以在辐照目标的整层上不间断或仅在层的一部分上不间断。在一些实施方式中，射束可以沿着辐照目标的层的全部或一部分以恒定速度移动。在一些实施方式中，射束沿着辐照目标的层的全部或一部分移动的速度可以变化。例如，粒子束可以在层的内部部分上比在层的边缘处更快地移动。可以在治疗计划中指定移动速度。

在一些实施方式中，治疗计划还可以指定要施加到辐照目标的层上的各个位置的辐射(粒子)的目标累积剂量。剂量是累积的，因为其可以通过施加一个或多个剂量的粒子来实现。例如，辐照目标上的同一位置(例如，在xyz空间中)可以被辐照十次，每次具有目标累积剂量的10％以实现目标累积剂量。在一些实施方式中，治疗计划不需要指定用于每个位置的剂量的量、位置或者位置要被辐照的次数。也就是说，在一些实施方式中，可以从治疗计划中省略该信息。相反，在一些实施方式中，可事先设定粒子束的强度以在每次辐照时提供特定剂量的辐射。然后可以将粒子束以开环方式在辐照目标的层上扫描，不需要反馈就移动到下一个位置。随着扫描粒子束，确定射束的位置并确定在该位置处的相对应剂量。该确定可以与扫描和输送大约同时进行(即，给定技术限制，尽可能在时间上接近输送)。将该位置的累积剂量——包括当前剂量以及当前处理期间先前输送的任何剂量——与来自治疗计划的目标累积剂量进行比较。如果两者不匹配，则可以在随后的扫描期间将额外剂量施加到该位置。由于并不总是准确地知道每次扫描将多少辐射输送到一位置，因此可不事先设置扫描一位置的次数。同样，因为实际上可存在每次扫描输送至一位置的辐射量的波动，每次扫描的辐射的精确量不是必须事先设定。因此，在一些实施方式中，这样的信息不需要包括在治疗计划中。

在一些实施方式中，治疗计划还可以包括一个或多个图案，粒子束在该图案上扫描每层。治疗计划还可以指定能量降级器的板的数量以实现特定的能量水平/层。其他实施方式可以包括除上述指定的信息之外的信息，或替代上述指定的信息。

在一些实施方式中，辐照目标的总体治疗计划可包括用于辐照目标的不同横截面(层)的不同治疗计划。用于不同横截面的治疗计划可包含相同的信息或不同的信息，例如上面提供的信息。

扫描系统可包括图1至7、29和30的自适应孔(或其变体)，其可相对于辐照目标放置以限制粒子束的范围，从而限制粒子束的范围。例如，自适应孔可以在射束路径中放置在能量降级器的射束下游并在粒子束击中辐照目标的处理区域之前。自适应孔是可控的，以允许至少部分粒子束通过其中，然后击中处理区域的一些部分，同时防止粒子束击中患者的其他部分。例如，可以控制自适应孔以防止粒子束击中健康组织或防止粒子束击中辐照目标的其他部分(例如，如果目标的一些部分将接收比其他部分更多的辐射)。如所描述的，可以控制自适应孔，以在辐照目标的层的内部或外部执行修整。图16描绘了本文描述的自适应孔的实施方式770相对于患者771的放置。还示出了射束771a的方向。

如上所述，在一些实施方式中，扫描以开环方式执行，例如，通过开环控制系统来执行，该开环控制系统可以使用一个或多个处理设备来实施，所述设备例如控制粒子疗法系统的计算设备。在该示例中，开环扫描包括使粒子束移动跨过辐照目标以用辐射基本上覆盖目标。在一些实施方式中，该移动与加速器的操作(例如与rf频率)不同步，而是在加速器操作时独立于加速器的操作而运行。例如，粒子束的移动可以是不间断的，并且不依赖于粒子加速器的rf循环。不间断的移动可以跨过辐照目标的层的全部或部分发生。然而，如本文所述，剂量测定可以与粒子束的脉冲到辐照目标的输送同步。在剂量测定与粒子束脉冲的输送同步的示例中，剂量测定也与加速器的操作(例如，用于从离子源等离子体柱抽取粒子束的脉冲的rf频率)同步。

可以事先设定单个剂量的粒子束(例如，来自加速器的单个脉冲)的辐射水平。例如，每个单个剂量可以用灰度指定。单个剂量可以是或对应于要施加到辐照目标中的一位置(例如，xyz坐标)的目标累积剂量的百分比。在一些实施方式中，单个剂量可为目标累积剂量的100％，且因此，可仅需要单次扫描以将每个位置的单个剂量辐射(例如，一个或多个粒子脉冲)输送至辐照目标。在一些实施方式中，单个剂量可小于目标累积剂量的100％，导致需要对同一位置进行多次扫描以向辐照目标输送多个剂量的辐射。单个剂量可以是目标累积剂量的任何适当百分比，例如：1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或这些值之间的任何百分比。

可以根据治疗计划控制扫描磁体电流，以扫描辐照目标的深度层。通过在粒子束的路径中适当地定位来自范围补偿器的一个或多个能量降级器和/或通过设定可变能量粒子加速器的能量水平来选择该层。随着层被扫描，电流传感器对施加到扫描磁体的电流进行采样。可以记录磁体电流的量，例如，将其存储在存储器中。如果使用多于一个磁体或磁体线圈，则可以将磁体电流的量与磁体或线圈的身份(identity)一起存储。另外，电流可以与辐照目标内的坐标(例如，笛卡尔xyz坐标)相关，并且那些坐标可以除了相应的磁体电流之外或者代替相应的磁体电流被存储。如上所述，电流传感器可以对磁体电流进行采样并将采样时间与辐照剂量(例如，脉冲)被输送的时间相关。

在这方面，当输送剂量时，离子室109可以检测输送到辐照目标的剂量的强度。每个剂量的强度与每个被输送剂量的位置一起被记录(例如，存储在存储器中)。如上所述，每个被输送剂量的位置可以通过坐标、磁体电流或使用一些其他适当的度量来存储。如上所述，剂量测定——剂量验证——可以与剂量的输送同步，并且因此与加速器的输出(如上所述，其对应于rf频率)同步。因此，在一些实施方式中，每次输送剂量时，几乎立即确定该剂量的强度，并且几乎立即确定施加该剂量的位置。该信息可以存储在一个或多个表(例如，每层一个表或每层多个表)或其他适当的计算机存储结构中。

在一些实施方式中，可以在输送额外剂量时更新表格。例如，表格可以保存在每个位置处输送的剂量的量的运行轨迹。因此，如果射束剂量为“x”灰度，则在第一次扫描通过时，该表可以记录用于一位置的x灰度。在第二次扫描通过时，该表可以记录2x灰度，依此类推，直到达到目标累积剂量。

在这方面，对于每个位置，与加速器相关联的处理设备(例如，控制粒子疗法系统的计算机系统)可以将来自表(诸如上述)的累积剂量与目标累积剂量进行比较。如果累积剂量与目标累积剂量匹配，则认为对于该位置(或层)的处理已完成。如果累积剂量与目标累积剂量不匹配，则进行另外的处理。例如，在从表中获得的相同位置处再次扫描该层或位置。通过使用空气芯磁体产生的射束移动和磁体电流之间的线性相关性，有助于在扫描期间在射束多次通过时在相同位置处的重复且相对准确地扫描。如上所述，本文描述的自适应孔的叶片可以在同一区域的每次扫描之间稍微移动(例如，几分之一毫米、一毫米或多个毫米)。

可以在相同位置处重复扫描任何适当的次数，直到在每个位置处达到目标累积剂量。在这方面，可以重新扫描整个层，或者可以仅重新扫描该层的被选择部分，这取决于用于层上的不同位置的目标累积剂量。在一些实施方式中，粒子束的强度在扫描之间不变化。在其他实施方式中，特别是如果需要小剂量来加满累积剂量以达到目标累积剂量时，粒子束的强度可以在扫描之间变化。剂量的强度可以增加或减少，例如，通过改变离子源的操作(例如，增加等离子体电离)、改变rf频率的扫掠，或通过任何其他适当的方法。

如上所述，可以对整个层或对层的仅一部分重复扫描。在一些实施方式中，可在处理另一层之前完全处理整个层或其一部分。也就是说，在处理另一层之前，可以重复扫描，直到一层上的每个位置达到总累积剂量。在一些实施方式中，可以按顺序部分地(例如，扫描一次)处理每个层，然后按顺序重新扫描。在一些实施方式中，可在处理其他层之前完全处理若干指定层。在一些实施方式中，可以扫描整个目标一次，然后相继地扫描整个目标，直到将适当的总累积剂量被输送到每个位置。可以对每次扫描重新配置自适应孔，或者其配置可以在扫描之间保持静态。

在层之间移动期间，可以关闭射束。例如，在层之间移动期间，离子源可以被关闭，从而干扰射束的输出。在层之间移动期间，可以关闭粒子加速器中的rf扫掠，从而干扰射束的引出(并因此干扰射束的输出)。在一些实施方式中，在层之间移动期间，可以停用离子源和产生rf扫掠的电路。在一些实施方式中，在层之间移动期间，并不关闭离子源和/或rf扫掠，而是可以使用冲击磁体(未示出)或扫描磁体将射束偏转到射束吸收材料。

可以根据不同的治疗计划扫描辐照目标的不同横截面。如上所述，能量降级器用于控制扫描深度。在一些实施方式中，在能量降级器的配置期间，粒子束可被中断或转向。在其他实施方式中，并不需要是这种情况。

本文描述了处理辐照目标的横截面的示例。这些可以是大致垂直于粒子束方向的横截面。然而，这里描述的概念同样适用于处理辐照目标的并非垂直于粒子束方向的横截面的其他部分。例如，可以将辐照目标分割成球形、立方形或其他形状体积，并且可以使用本文描述的示例性过程、系统和/或设备来处理那些体积。

图17示出在此所述扫描过程的示例性实施方式的流程图。尽管图17的过程200是在本文描述的硬件的上下文中描述的，但是可以使用任何适当的硬件来执行过程200。在适当之处，过程200所示的操作可以按照与所述相同的顺序或不同的顺序执行。

根据过程200，治疗计划被存储(201)。治疗计划可以是如上所述的治疗计划。例如，治疗计划可以指定扫描的类型(例如，不间断的光栅扫描)和要输送到辐照目标的每层中的每个位置的辐射的总累积剂量。在一些实施方式中，治疗计划可以省略例如在各个位置处每次扫描要输送的剂量及其强度，以及要输送到每个位置的剂量的数量和位置的身份。在一些实施方式中，治疗计划可以包括例如在各个位置处每次扫描要输送的剂量及其强度，以及要输送到每个位置的剂量的数量和位置的身份。

可以设置能量降级器以选择(202)层，并且电流可以被施加到磁体并且被控制，以将粒子束根据前述图案(例如，在治疗计划中的)移动(203)，来扫描该层。电流控制可以产生射束跨过辐照目标的至少一部分的不间断移动，以输送带电粒子的剂量。图18中示出了跨过辐照目标的层233的射束移动图案230的示例。随着射束移动，射束的每个脉冲向目标输送一定剂量的辐射。该剂量具有可以事先在加速器中或在扫描期间设定的强度，并且该剂量被输送到特定位置。不需要事先设定剂量要被输送的确切位置，而是可以通过射束移动和脉冲输出的组合来达到。

对于剂量要被输送的位置，存储(204)(或以其他方式记录)信息，其识别一位置及在该位置处被输送的剂量的量。该信息通常在剂量被输送后存储。如上所述，该信息的确定可尽可能地接近剂量的输送，使用离子室以确定粒子束强度(例如，剂量的量)并且使用扫描磁体上的电流传感器以确定该剂量被输送的位置。如上所述，在一些实施方式中，与输送同步，识别输送至辐照目标的粒子束的剂量的信息与以下中的至少一个一起存储：剂量被输送至的坐标或输送剂量的磁体电流。还如上所述，该信息可以存储在表格中，该表格可以用于存储在辐照目标的各个层上的位置处施加的辐射的累积剂量。

如上所述，可以扫描整个层并记录其信息，或者可以仅扫描该层的一部分并记录其信息。自适应孔安装在扫描系统的适当位置上，使得在扫描操作期间，自适应孔能够跟踪粒子束的移动。在扫描期间的某一点，将在每个位置处输送的累积剂量与用于该位置的目标累积剂量进行比较。例如，这可以在扫描包含该位置的层的一部分之后、在扫描整个层之后、在扫描一组层之后、或在扫描辐照目标中的所有层之后进行。确定(205)在特定位置处的当前累积剂量是否与目标累积剂量匹配。如果在特定位置处的当前累积剂量与目标累积剂量匹配，则对于那些位置扫描完成(207)。如果在特定位置处的当前累积剂量与目标累积剂量不匹配，则操作扫描系统以补偿那些位置的被记录(例如，当前累积)剂量相对于相应目标累积剂量的不足。例如，如果在特定位置处的当前累积剂量与目标累积剂量不匹配，则可以控制扫描磁体中的电流以移动(206)射束，以便将额外剂量输送到特定位置。

如上所述，在一些实施方式中，可在层的单次扫描(例如，粒子的单次输送)期间施加100％的剂量。在这种情况下，每层多于一次扫描可以并非必须的。在其他实施方式中，在单次扫描期间可施加小于100％的剂量。在这种情况下，每层多于一次扫描将是必要的。为此，根据扫描过程，对于施加剂量的位置，如果每个位置处的当前累积剂量与相应位置处的目标累积剂量不匹配，则控制磁体电流以便移动射束，从而将向需要更多剂量的位置输送额外剂量。换句话说，可以对层重新扫描任何适当的次数，直到对于该层的所有位置达到目标累积剂量。在一些实施方式中，在一次扫描或多次扫描中，实际被输送的剂量可超过目标累积剂量的100％。要输送的剂量可由适当的医务专业人员决定。

如上所述，可以在任何适当的点处重新扫描层，例如，在该层的一部分完成当前扫描之后、在该层整个完成当前扫描之后、在一组层完成扫描之后、或者在所有层完成扫描之后。在重新扫描期间，重复上述过程，直到辐照目标中的所有位置或一些位置子组达到目标累积剂量。在一些实施方式中，例如，对于最后一次扫描，可需要调整粒子束的强度。例如，如果强度设定为目标累积剂量的25％，但每次扫描仅输送20％，则第五次(也可以是第六次)剂量将需要低于25％的强度才能达到目标累积剂量。

在一些实施方式中，来自tpp的信息可用于配置用于初始斑或一系列斑的自适应孔。如本文所述，配置可包括例如定位托架713、714和/或715，和/或叶片735和/或736中的一个或多个。在一些实施方式中，可以基于治疗计划过程中包括的假设来进行初始配置，包括但不限于治疗期间的辐照目标和患者的位置。然而，在一些情况下，治疗期间的辐照目标和患者的位置可相对于tpp中包括的假设而改变。例如，患者可以移动，呼吸可以影响目标位置等等。针对由移动引起的这些变化，为了实施处理，可以相应地改变斑特征，其包括但不限于斑位置、斑尺寸、斑形状、斑质量或斑取向。在一些实施方式中，并非修改tpp的输入以便通过tpp进行这些改变，而是可以在线进行改变——例如，在加速器运行期间的处理期间——不需要来自tpp或tps的任何或一些额外输入。

例如，在一些实施方式中，可以在治疗室内直接跟踪辐照目标的位置。例如，治疗室可以包括一个或多个成像系统以对辐照目标的运动进行成像并由此对其进行跟踪。在2014年9月9日提交的题为“patientpositioningsystem”，公开号为2016/0067525的美国专利中描述了可用于跟踪辐照目标的运动的室内成像系统的示例。公开号为2016/0067525的美国专利通过引用并入，至少因为其对用于定位和跟踪治疗室中的辐照目标的运动的系统的公开。

在一些实施方式中，成像系统可以是三维(3d)成像系统。在一些实施方式中，成像系统可以是二维(2d)成像系统。在一些实施方式中，成像系统可以是或包括以下类型的成像系统中的一个或多个：ct系统、捕获射线照片图像的x射线设备、捕获mri图像的磁共振成像(mri)设备、捕获pet图像的正电子发射断层扫描(pet)设备、spect/ct设备(其中，spect是单光子发射计算机断层扫描)和/或视频表面成像设备，或这些成像设备的任意组合。在一些实施方式中，可以在不同的时间点捕获图像，以便能够跟踪辐照目标的移动。在一些实施方式中，与患者相关联并且接近辐照目标的基准点(fiducial)可以用于检测患者和/或辐照目标的运动。基准点相对于目标的位置可以是已知的，并且可以检测基准点的移动并将其与辐照目标的移动相关。在一些实施方式中，可在两个不同时间点直接对辐照目标成像。

在一些实施方式中，可以在单层上的各个斑的应用之间、在单层上的多组斑(例如，预定数量的斑)的应用之间、在层之间或在上述的一些适当组合之间跟踪移动。参考图43的示例性过程2500，辐照目标或患者的图像被捕获(2501)，以便确定辐照目标的位置。粒子疗法系统从tpp/tps接收(2502)信息，其用于基于该信息在辐照目标上在适当位置处产生(2503)斑或一组斑。此后，捕获(2504)辐照目标或患者的图像，以便确定(2505)自捕获先前图像以来辐照目标是否已经移动。在一些实施方式中，可使用x射线系统捕获图像；然而，可以使用任何适当的成像系统，包括但不限于本文所述的那些。例如相对于一些参考点(例如基准点)，如果辐照目标在图像之间不在相同位置，则认为辐照目标已经移动。如果辐照目标没有移动，则使用最新的治疗计划信息产生(2503)一个或多个斑。例如，最新的治疗计划信息可以是从tpp/tps接收(2502)的信息，或者最新的治疗计划信息可以是修改(2506)的信息，以考虑先前的移动。如果辐照目标已经移动，则修改(2506)治疗计划信息，以基于辐照目标的移动产生更新的治疗计划信息。此后，使用更新的治疗计划信息产生斑。该过程可以如图43所示进行，直到整个目标被处理。

因此，在一些实施方式中，tpp不需要使用新信息重新运行，例如新确定的辐照目标的位置。相反，在一些实施方式中，来自tpp/tps的用于产生斑的信息被修改或改变(2506)(例如实时地)，以考虑辐照目标的移动。例如，可以在用于提供治疗的粒子加速器(例如同步回旋加速器)在线时改变该信息。可以改变任何适当的信息，包括但不限于斑位置、斑尺寸、斑形状、斑质量或斑取向。例如，可以改变斑的位置，以考虑辐照目标的移动。在另一个示例中，可以改变粒子施加到辐照目标的方向，考虑辐照目标的移动。

本文所述的过程可与单个粒子加速器一起使用，并且本文所述的其任何两个或更多特征可与单个粒子加速器一起使用。粒子加速器可用于任何类型的医疗或非医疗应用。下面提供可被使用的粒子疗法系统的例子。值得注意的是，这里描述的概念可以用在未具体描述的其他系统中。

参照图19，带电粒子辐射疗法系统400的示例性实施方式包括产生射束的粒子加速器402(例如，图8和9的粒子加速器)，其具有足够小的重量和尺寸以允许其安装在旋转机架404上，其输出部直接(即，基本上直接)从加速器壳体朝向患者406指向。粒子加速器402还包括本文所述类型的扫描系统(例如，在图10至18中的扫描系统)。

在一些实施方式中，钢机架具有两个腿部408、410，其安装成在位于患者相对侧的两个相应轴承412、414上旋转。加速器由钢桁架416支撑，钢桁架416足够长以跨越患者位于其中的处理区域418(例如，是高个人的两倍长，以允许这个人在空间内充分旋转而患者的任何期望的目标区域都保持在射束线上)并且在两个端部处稳定地附连到机架的旋转腿部。

在一些示例中，机架的旋转被限制在小于360度的范围420，例如，其大约为180度，以允许地板422从容纳疗法系统的拱顶424的壁延伸到患者处理区域。机架的有限旋转范围还减小了一些壁(不与射束直接对准，例如壁430)所需的厚度，这些壁为处理区域之外的人提供了辐射屏蔽。180度的机架旋转范围足以覆盖所有处理接近角(approachangle)，但提供更大的行程范围可以是有用的。例如，旋转范围可以为180度至330度，并且仍然为治疗地板空间提供空隙。在其他实施方式中，旋转不限于如上所述。

机架的水平旋转轴线432名义上位于地板上方一米处，在那里，患者和治疗师与疗法系统相互作用。该地板位于疗法系统屏蔽拱顶底部地板上方约3米处。加速器可以在升高的地板下摆动，以从旋转轴线下方输送处理射束。患者的床在平行于机架的旋转轴线的基本水平的平面中移动和旋转。通过这种配置，床可以在水平面内旋转大约270度的范围434。机架和患者的旋转范围和自由度的这种组合允许治疗师为射束选择几乎任何的接近角。如果需要，可以将患者以相反的取向安置在床上，然后可以使用所有可行角度。

在一些实施方式中，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。由于具有给定动能的带电粒子的弯曲半径与施加到其的磁场的增加成正比地减小，因此高磁场超导磁结构允许加速器更小和更轻。同步回旋加速器使用的磁场旋转角均匀且强度随半径的增加而下降。无论磁场的大小如何，都可以实现这种场形状，因此理论上可以在同步回旋加速器中使用的磁场强度(并因此在固定半径处产生的粒子能量)没有上限。

同步回旋加速器支撑在机架上，从而直接产生与患者在同一直线上的射束。机架允许同步回旋加速器绕水平旋转轴线旋转，该水平旋转轴线包含在患者体内或附近的点(等中心点440)。与旋转轴线平行的分裂桁架在两侧支撑同步回旋加速器。

在一些示例性实施方式中，因为机架的旋转范围受到限制，所以患者支撑区域可以容纳在等中心点周围的宽区域中。因为地板可以在等中心点周围广泛地延伸，所以患者支撑台可以定位成，相对于通过等中心点的垂直轴线442移动及绕其旋转，使得通过机架旋转和工作台运动和旋转的组合，指向患者的任何部分的射束方向的任何角度都可以实现。在一些实施方式中，两个机架臂分开超过高个子患者身高的两倍的长度，允许具有患者的床在提升的地板上方的水平面内旋转和平移。

限制机架旋转角允许减小围绕治疗室的至少一个壁的厚度。厚壁通常由混凝土构成，为治疗室外的个人提供辐射防护。阻挡质子束下游的壁可以是房间相对端部处的壁的两倍厚，以提供相同水平的保护。限制机架旋转范围使得治疗室在三侧位于地面等级(earthgrade)以下，同时允许与最薄壁相邻的占用区域降低构建治疗室的成本。

在图19所示的示例性实施方式中，超导同步回旋加速器402利用8.8特斯拉的同步回旋加速器的极间隙中的峰值磁场进行操作。同步回旋加速器产生能量为250mev的质子束。在一些实施方式中，同步回旋加速器是可变能量机器，并且能够输出具有不同能量的质子束。在一些实施方式中，同步回旋加速器可以产生具有固定能量的射束。在一些实施方式中，场强度可以在4t至20t的范围内，并且质子能量可以在100至300mev的范围内。

本例中描述的放射疗法系统用于质子放射疗法，但是相同的原理和细节可以应用于类似系统中以用于在重离子(离子)治疗系统中使用。

如图8、9、20、21和22所示，示例性同步回旋加速器10(例如，图19中的402)包括磁体系统122，其包含粒子源190，射频驱动系统191和射束引出系统。在该示例中，由磁体系统建立的磁场具有的形状适于，使用一对分开的环形超导线圈140、142和一对成形的铁磁(例如，低碳钢)极面144、146的组合来保持所包含的质子束的焦点。

两个超导磁体线圈以公共轴线为中心并沿该轴线间隔开。线圈可以由基于nb3sn的超导线(最初包括由铜护套围绕的铌-锡芯)形成，所述超导线以扭转的缆线在通道中的(cable-in-channel)导体几何展开。在将各个线以缆线方式连接(cable)在一起之后，将它们加热以引起反应，该反应形成导线的最终(脆性)超导材料。在材料已经反应之后，将导线焊接到铜通道中并用绝缘层覆盖。然后将包含导线的铜通道缠绕成具有矩形横截面的线圈。然后将缠绕的线圈用环氧化合物真空浸渍。成品线圈安装在环形不锈钢反向线轴上。加热器毯可以间隔地放置在绕组的层中，以在磁体失超(magnetquench)的情况下保护组件。

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，然后将其包含在附加的环氧树脂层中。可以通过加热不锈钢反向线轴并将线圈装配在反向线轴内来提供线圈的预压缩。反向线轴内径被选择为使得，当整个物料冷却到4k时，反向线轴保持与线圈接触并提供一些压缩。将不锈钢反向线轴加热到大约50摄氏度并且在100开氏度的温度装配线圈可以实现这一点。

通过将线圈安装在“反向”矩形线轴中来维持线圈的几何，以施加恢复力，该恢复力抵抗线圈通电时产生的扭曲力。如图21所示，在一些实施方式中，使用一组暖-冷(warm-to-cold)支撑带402、404、406将线圈位置相对于相应的磁极片和低温恒温器保持。用薄带支撑冷物料减少了由刚性支撑系统赋予冷物料的热泄漏。随着磁体在机架上旋转，带被布置成承受线圈上的变化的重力。当从相对于磁轭的完美对称位置被摄动时，它们承受重力和线圈实现的大离心(de-centering)力的组合影响。另外，当机架位置改变，随着其加速和减速，连接件用于减小施加在线圈上的动态力。每个暖-冷支撑件可包括一个s2玻璃纤维连接件和一个碳纤维连接件。碳纤维连接件被支撑跨过热轭和中间温度部(50-70k)之间的销，s2玻璃纤维连接件408支撑跨过在中间温度销和附连到冷物料的销。每个销可以由高强度不锈钢制成。

参考图8，场强分布作为半径的函数，其很大程度上通过线圈几何和极面形状的选择而确定。可渗透轭材料的极面144、146可以成形为微调磁场的形状以确保粒子束在加速期间保持聚焦。

通过将线圈组件(线圈和线轴)包封在提供围绕线圈结构的自由空间的抽真空环形铝或不锈钢低温恒温室170(低温恒温器)内，超导线圈被保持在接近绝对零度(例如，约4开氏度)的温度，除了有限的一组支撑点171、173之外。在替换形式(例如，图9)中，低温恒温器的外壁可以由低碳钢制成，以向磁场提供额外的返回通量路径。

在一些实施方式中，使用一个单级麦克马洪(gifford-mcmahon)低温冷却器和三个两级麦克马洪低温冷却器来实现和维持接近绝对零度的温度。每个两级低温冷却器具有附连到冷凝器的第二级冷端，该冷凝器将氦蒸气再凝结成液态氦。在一些实施方式中，使用包含液氦的冷却通道(未示出)来实现和维持接近绝对零度的温度，所述冷却通道形成在超导线圈支撑结构(例如，反向线轴156)内，并且包含通道中液氦与相应超导线圈之间的热连接部。

在一些实施方式中，线圈组件和低温恒温室安装在药丸盒形磁轭100的两个半部181、183内并被其完全包封。磁轭100为返回磁场通量184提供路径，并磁屏蔽极面144、146之间的体积186，以防止外部磁影响摄动该体积内的磁场的形状。磁轭还用于减小加速器附近的杂散磁场。在其他实施方式中，线圈组件和低温恒温室安装在非磁性封壳内并且被其完全包封，用于返回磁场通量的路径使用主动返回系统实施，其示例如上所述。

如图8和23所示，同步回旋加速器包括位于磁体结构的几何中心192附近的潘宁(penning)离子规几何部的粒子源190。粒子源可以如下所述。

粒子源190由氢气供应部399通过气体管线393和输送气态氢气的管道394供给。电缆线294传输来自电流源的电流以从与磁场对准的阴极392、390激发电子放电。可以在加速平面处中断粒子源，例如，可以去除整个粒子源，从而暴露等离子体柱。

在该例子中，放电的电子使从管道394通过小孔离开的气体电离，以产生正离子(质子)供应，用于通过一个半圆形(d形)射频板以及一个虚设(dummy)d形件加速，该射频板跨过磁体结构包封的空间的一半。在间断的粒子源的情况下，在加速区域处除去全部(或大部分，例如大多数)含有等离子体的管道。

如图24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，所述两个半圆形表面包封空间507，在该空间中，质子在绕由磁体结构所包封的空间旋转的一半过程中被加速。通入空间507的导管509延伸穿过封壳(例如，轭或极片(一个或多个))到达外部位置，真空泵可从该外部位置附连以将加速发生的真空室中的其余空间和空间507抽真空。虚设d形件502包括矩形金属环，该金属环有间隔地靠近d形板的暴露边缘。虚设d形件接地到真空室和磁轭。d形板500由射频信号驱动，该射频信号施加在射频传输线的端部以在空间507中施加电场。随着加速粒子束距几何中心的距离增加，射频电场随时间变化。

为了从居中定位的粒子源发出的射束随着其开始向外螺旋而清除其粒子源结构，可以跨过射频板施加大的电压差。跨过射频板施加20,000伏特。在一些版本中，可以跨过射频板施加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。这可以通过穿过外磁轭和低温恒温器壳体形成距射频结构有足够空隙的孔洞和在磁体极面之间形成足够的空间来完成。

驱动d形件的高压交变电位在加速周期期间具有向下扫掠的频率，以考虑质子相对质量的增加和磁场的减小。虚设d形件不需要空心的半圆柱形结构，因为它与真空室壁一起处于地电位。可以使用其他的板布置，例如以不同的电相或基频的倍数驱动多于一对的加速电极。例如，通过使用具有相互啮合旋转和静止的板片的旋转电容器，可以调整rf结构以在所需频率扫掠期间保持q高。在板片每次啮合期间，电容增加，从而降低rf结构的谐振频率。板片可以成形为产生所需的精确频率扫掠。用于旋转冷凝器的驱动马达可以锁相到rf发生器以进行精确控制。在旋转冷凝器的板片每次啮合期间，可以加速粒子群。

发生加速的真空室是大致圆柱形的容器，其在中心较薄并且在边缘处较厚。真空室包封rf板和粒子源，并通过真空泵抽空。保持高真空降低加速离子不会与气体分子碰撞而损失的可能性，并使rf电压保持在较高水平而不会产生接地电弧。

质子(或其他离子)穿过从粒子源开始的大致螺旋轨道路径。在螺旋路径的每个环路的一半中，质子随着其通过rf电场而获得能量。随着质子获得能量，其螺旋路径的每个相继环的中心轨道的半径大于前一环，直到环半径达到极面的最大半径。在该位置处，磁场和电场的摄动将质子引导到磁场迅速减小的区域，质子离开高磁场区域，通过真空管(这里称为引出通道)引导而离开同步回旋加速器。磁再生器可用于改变磁场摄动以引导质子。随着质子进入同步回旋加速器周围的空间中存在的明显减弱磁场的区域，离开的质子将倾向于分散。引出通道138(图21)中的射束整形元件607、609重新引导质子，使得它们保持在具有有限空间范围的直射束中。

随着射束离开引出通道，它通过射束形成系统525(图21)，其可包括本文所述类型的扫描系统。射束形成系统525可以与控制射束应用的内部机架结合使用。

从同步回旋加速器离开的杂散磁场可受到磁轭(也用作屏蔽件)和单独的磁屏蔽件514(例如，图8)的限制。单独的磁屏蔽件包括铁磁材料(例如，钢或铁)的层517，其以空间516隔开地包封药丸盒轭。这种包括磁轭、空间和屏蔽件的夹层配置以较低重量对给定的泄露磁场实现足够的屏蔽。如上所述，在一些实施方式中，可以使用主动返回系统来代替或增强磁轭和屏蔽件的操作。

参照图19，机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具有两个大致平行的跨距部480、482。同步回旋加速器在腿部中间位于跨距部之间。使用安装在与桁架相对的腿部的端部上的配重622、624来平衡机架以绕轴承旋转。

通过安装至一个或两个机架腿部并经由驱动齿轮连接到轴承座的电马达驱动机架旋转。机架的旋转位置源自结合到机架驱动马达和驱动齿轮中的轴角编码器提供的信号。

在离子束离开同步回旋加速器的位置处，射束形成系统525作用在离子束上以赋予其适于患者治疗的特性。例如，射束可以被扩展并且其穿透深度可以变化以在给定目标体积上提供均匀的辐射。射束形成系统可包括如本文所述的主动扫描元件。

同步回旋加速器的所有主动系统(例如电流驱动的超导线圈、rf驱动板、用于真空加速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、rf板冷却器)可以由适当的同步回旋控制电子设备(未示出)控制，其可以包括例如一个或多个处理设备，其执行来自非暂时性存储器的指令以实现控制。

本文描述的示例性粒子疗法系统和示例性扫描系统中使用的粒子加速器可以是可变能量粒子加速器，下面描述其示例。

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)的能量在引出后没有增加。然而，在引出后和治疗前，可以基于治疗需要来减少能量。参照图25，示例性处理系统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以辐照主体922的目标体积924。可选地，沿着照射方向928放置一个或多个附加设备，例如扫描单元916或散射单元916、一个或多个监控单元918和能量降级器920。这些设备拦截所引出的射束914的横截面并改变所引出的射束的一个或多个特性用于治疗。自适应孔可以在能量降级器和患者之间位于能量降级器的射束下游(down-beam)。

通过粒子束被辐照用于治疗的目标体积(辐照目标)通常具有三维构造。在一些例子中，为了进行治疗，将目标体积沿着粒子束的辐照方向分成多个层，使得可以以逐层基础进行辐照。对于一些类型的粒子，例如质子，目标体积内的穿透深度(或射束到达的层)主要由粒子束的能量确定。具有给定能量的粒子束基本上不会超过对于该能量的相应穿透深度。改变粒子束的能量，以将射束辐照从目标体积的一层移动到另一层。

在图25所示的例子中，目标体积924沿着辐照方向928被分成九层926a-926i。在示例性过程中，辐照从最深层926i开始，一次一层，逐渐到较浅层并且以最浅层926a结束。在施加到主体922之前，粒子束914的能量被控制在允许粒子束停止在期望的层(例如，层926d)的水平，而基本上不进一步穿入到主体或目标体积中，例如，穿入到层926e-926i或更深入到主体中。在一些示例中，随着处理层相对于粒子加速度变浅，粒子束914的期望能量减小。在一些示例中，用于处理目标体积924的相邻层的射束能量差为约3mev至约100mev，例如，约10mev至约80mev，但是其他差也是可行的，这取决于例如层的厚度和射束的特性。

在一些实施方式中，用于处理目标体积924的不同层的能量变化可在加速器912处执行(例如，加速器可以改变能量)，使得在从加速器912中引出粒子束之后不需要额外的能量变化。因此，可以将治疗系统10中可选的能量降级器920从系统中去除。在一些实施方式中，加速器912可输出能量在约100mev至约300mev(例如，约115mev至约250mev)变化的粒子束。该变化可以是连续的或非连续的，例如，一次一步地。在一些实施方式中，连续或非连续的变化可以相对高的速率发生，例如，速率高达约每秒50mev或高达约每秒20mev。非连续变化可以一次一步地进行，步长为约为10mev至约90mev。

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用于辐照下一层，例如在几秒内或在少于一秒内。在一些实施方式中，目标体积924的处理可以继续而没有实质上的中断或甚至没有任何中断。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。例如，步长可以与能量差相同或者是能量差的一部分。

在一些实施方式中，加速器912和降级器920共同改变射束914的能量。例如，加速器912提供粗调，降级器920提供微调，或反之亦然。在该示例中，加速器912可输出以约10-80mev的变化步长改变能量的粒子束，并且降级器920以约2-10mev的变化步长调整(例如，降低)射束的能量。

能量降级器(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射束的特性和质量，例如射束强度。可以在加速器处执行粒子束的控制。例如，可以减少或消除来自当粒子束通过降级器920时产生的中子的副作用。

在目标体积924中完成处理之后，可以调整粒子束914的能量以处理另一个主体或主体部分922’中的另一个目标体积930。目标体积924、930可以在同一主体(或患者)中，或在不同患者中。来自主体922’的表面的目标体积930的深度d可以与目标体积924的不同。尽管可以由降级器920执行一些能量调整，但是降级器912仅能够减少射束能量而不能够增加射束能量。

在这方面，在一些情况下，处理目标体积930所需的射束能量大于处理目标体积924所需的射束能量。在这种情况下，在处理目标体积924之后并且在处理目标体积930之前，加速器912可以增加输出射束能量。在其他情况下，处理目标体积930所需的射束能量小于处理目标体积924所需的射束能量。尽管降级器920可以减少能量，但是可以调整加速器912来输出较低的射束能量，以减少或消除降级器920的使用。将目标体积924、930分为层的划分可以是不同的或相同的。可以以类似于处理目标体积924以以逐层为基础处理目标体积930。

对同一患者的不同目标体积924、930的处理可以是基本上连续的，例如，两个体积之间的停止时间不长于约30分钟或者更短，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、或者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机架上，并且机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，在完成目标体积924的处理之后且在开始处理目标体积930之前治疗系统进行调整(例如移动机架)的时间期间，加速器912可完成输出射束914的能量调整。在加速器和目标体积930对准之后，处理可以以调整的期望射束能量开始。不同患者的射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/或移动机架的所有调整在约30分钟内完成，例如，在约25分钟内、在约20分钟内、在约15分钟内、在约10分钟内或在约5分钟内。

在目标体积的同一层中，可以通过使用扫描单元916将射束移过层的二维表面(有时称为扫描射束)来施加辐照剂量。替换地，可以通过使引出的射束通过散射单元16的一个或多个散射器(有时称为散射射束)来辐照该层。

通过控制加速器912和/或其他设备，例如扫描单元/散射器(一个或多个)916、降级器920以及其他未在图中示出的设备，射束特性可以在处理之前被选择，或可以在处理期间被调整，所述射束特性诸如能量和强度。在示例性实施方式中，系统910包括与系统中的一个或多个设备通信的控制器932，例如计算机。控制可以基于由所述一个或多个监视器918执行的监视的结果，例如，射束强度、剂量、目标体积中的射束位置的监视等。尽管监视器918被示出在设备916和降级器920之间，一个或多个监视器可以放置在沿射束辐照路径的其他适当位置处。控制器932还可以存储用于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，例如目标体积的形状、辐照层的数量、每层的辐照剂量、每层辐照的次数等。基于治疗计划，可以执行系统910内的射束特性的调整。例如，当检测到与治疗计划的偏差时，可以在治疗期间进行额外的调整。

在一些实施方式中，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。在示例性实施方式中，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。在一些实施方式中，所有线圈组都是超导的。在其他的实施方式中，一些组线圈(例如用于固定电流的那组)是超导的，而其他组线圈(例如用于可变电流的所述一组或多组)是非超导的。在一些实施方式中，所有组线圈都是非超导的。

通常，磁场的大小是随电流的大小而可缩放的。在预定范围内调整线圈的总电流可以产生在相应的预定范围内变化的磁场。在一些示例中，电流的连续调整可导致磁场的连续变化和输出射束能量的连续变化。替换地，当以非连续的逐步方式调整施加到线圈的电流时，磁场和输出射束能量也相应地以非连续(逐步)方式变化。磁场按电流的缩放可以允许射束能量的变化相对精确地进行，但是有时可以进行并非输入电流的微小调整。

在一些实施方式中，为了输出具有可变能量的粒子束，加速器912被配置为施加在不同频率范围上扫掠的rf电压，每个范围对应于不同的输出射束能量。例如，如果加速器912被配置为产生三种不同的输出射束能量，则rf电压能够在三个不同的频率范围上扫掠。在另一个示例中，对应于连续的射束能量变化，rf电压在连续变化的频率范围上扫掠。不同的频率范围可以具有不同的下频率边界和/或上频率边界。

引出通道可以配置成适应由可变能量粒子加速器产生的不同能量范围。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。也就是说，引出通道被设置尺寸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。在其他实施方式中，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杆(磁垫片)以改变再生器提供的磁场不均匀性。更具体地，不同的粒子能量通常在空腔内的不同粒子轨道。通过移动再生器，可以拦截特定能量的粒子轨道，从而提供该轨道的正确摄动(perturbation)，使得处于该特定能量的粒子到达引出通道。在一些实施方式中，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。在其他实施方式中，以每个处理为基础调整粒子能量，并且在处理之前执行再生器的移动(和/或磁垫片的添加/移除)。在任一种情况下，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，计算机可以控制产生再生器和/或磁垫片移动的一个或多个电马达。

在一些实施方式中，使用一个或多个磁垫片来实现再生器，所述磁垫片是可控的，以移动到适当的位置(一个或多个)。

作为示例，表1示出了三个示例能量水平，示例性加速器912可以这三个能量水平输出粒子束。还列出了用于产生这三个能量水平的相应参数。在这方面，磁体电流是指施加到加速器912中的所述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”是一位置到粒子被加速的空腔的中心的径向距离。

表1.射束能量和各个参数的示例。

加速器可以是同步回旋加速器，并且粒子可以是质子。粒子可以作为脉冲射束被输出。从粒子加速器输出的射束的能量可以在患者的一个目标体积的治疗期间或者在相同患者或不同患者的不同目标体积的治疗之间变化。在一些实施方式中，当没有从加速器输出射束(或粒子)时，改变加速器的设置以改变射束能量。能量变化可以在期望范围上是连续的或不连续的。

参考图8所示的示例，粒子加速器(其可以是如上所述的可变能量粒子加速器，如加速器912)可以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约200mev至约300mev或更高的上边界，例如200mev、约205mev、约210mev、约215mev、约220mev、约225mev、约230mev、约235mev、约240mev、约245mev、约250mev、约255mev、约260mev、约265mev、约270mev、约275mev、约280mev、约285mev、约290mev、约295mev、或约300mev或更高。该范围还可具有约100mev或比约200mev更低的下边界，例如约100mev或更低，约105mev、约110mev、约115mev、约120mev、约125mev、约130mev、约135mev、约140mev、约145mev、约150mev、约155mev、约160mev、约165mev、约170mev、约175mev、约180mev、约185mev、约190mev、约195mev、约200mev。

在一些例子中，变化是非连续的并且变化步伐可具有如下大小：约10mev或更低、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、或者约80mev或更高。将能量改变一步的大小可花费不超过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、或者约30秒或更短。在其他示例中，变化是连续的并且加速器可以以相对高的速率调整粒子束的能量，例如，高达约每秒50mev、高达约每秒45mev、高达约每秒40mev、高达约每秒35mev、高达约每秒30mev、高达约每秒25mev、高达约每秒20mev、高达约每秒15mev、或高达约每秒10mev。加速器可以配置成连续和非连续地调整粒子能量。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不同目标体积的治疗。可以实现灵活的治疗计划和灵活的治疗。

输出具有可变能量的粒子束的粒子加速器可以提供辐照治疗的准确度并且减少用于治疗的附加设备(除了加速器之外)的数量。例如，对于全部或部分治疗，可以减少或消除用于改变输出粒子束的能量的降级器的使用。可以在粒子加速器处控制粒子束的特性，例如强度、焦点等，并且粒子束可以在没有来自附加设备的显著干扰的情况下到达目标体积。射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高效使用。

在一些实施方式中，加速器(例如图8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量水平，这可以通过改变施加到用于产生磁场的线圈的电流来实现。如上所述，示例的同步回旋加速器(例如，图8的同步回旋加速器)包括磁体系统，该磁体系统包含粒子源，射频驱动系统和射束引出系统。图26示出了可用于可变能量加速器的磁体系统的示例。在该示例性实施方式中，由磁体系统1012建立的磁场可以使两组线圈40a和40b以及42a和42b能够产生的磁场的最大值变化约5％至约35％。由磁体系统建立的磁场具有的形状适于，利用所述两组线圈和一对成形的铁磁性(如低碳钢)结构的组合来保持所含质子束的焦点，其示例如上提供。

每组线圈可以是一对分开的环形线圈，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的(也在下面进一步讨论)。两组线圈也可以都是非超导的。用于在线圈中使用的适当超导材料包括铌-3锡(nb3sn)和/或铌-钛。其他示例导电材料可包括铜。下面进一步描述线圈组构造的示例。

所述两组线圈可以串联或并联电连接。在一些实施方式中，由所述两组线圈接收的总电流可包括约2百万安培匝至约10百万安培匝，例如约2.5至约7.5百万安培匝或约3.75百万安培匝至约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。所述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可以变化。两组线圈中的可变总电流可以产生具有可变大小的磁场，该磁场又改变粒子的加速路径并产生具有可变能量的粒子。

通常，由线圈(一个或多个)产生的磁场的大小按施加到线圈(一个或多个)的总电流的大小可缩放(scalable)。基于可缩放性，在一些实施方式中，可以通过线性地改变线圈组的总电流来实现磁场强度的线性变化。可以以相对高的速率调整总电流，这导致磁场和射束能量的相对高速率的调整。

在上面表1中反映的示例中，在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(约228.7:1)；1920:8.4(约228.6:1)；1760:7.9(约222.8:1)。因此，调整施加到超导线圈(一个或多个)的总电流的大小可以成比例地(基于该比率)调整磁场的大小。

表1的示例中的磁场按总电流的可缩放性还在图27的曲线图中示出，其中，bz是沿着z维度的磁场；r是从线圈环的几何中心沿垂直于z维度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(分别为1760安培和1990安培)的相同线圈组产生的磁场。引出的粒子的相应能量分别为211mev和250mev。两条曲线1035、1037具有基本相同的形状，并且曲线1035、1037的不同部分基本上平行。结果，曲线1035或曲线1037可以线性移位以基本上匹配另一条曲线，表明磁场是按施加到线圈组的总电流可缩放的。

在一些实施方式中，磁场按总电流的可缩放性可以不是完美的。例如，基于表1所示的示例计算的磁场与电流之间的比率不是恒定的。而且，如图27所示，一条曲线的线性偏移可与另一条曲线不完全匹配。在一些实施方式中，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)可以通过另外改变线圈的特征(例如，几何)来抵消可缩放性的不完美而产生。作为一个例子，可以将铁磁(例如，铁)杆(磁垫片)插入一个或两个磁结构(例如，轭、极片等)或从其移除。线圈的特征能够以相对高的速率改变，使磁场调整的速率相对于可缩放性完美的情况不会受到很大的影响，且只需要调整电流即可。在铁杆的示例中，杆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、或小于1秒。

在一些实施方式中，可基于磁场对线圈组中的总电流的基本可缩放性来选择加速器的设定，例如施加到线圈组的电流。

通常，为了产生在期望范围内变化的总电流，可以使用施加到所述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，该可变电流具有上边界，该上边界对应于期望磁场范围的上边界和下边界之间的差。在表1所示的示例中，线圈组40a、40b被配置为接收在0安培至230安培变化的电流。

在另一个示例中，线圈组42a、42b可以被配置为接收对应于期望磁场范围的上边界的固定电流。在表1所示的示例中，固定电流为1990安培。另外，线圈组40a、40b可以被配置为接收可变电流，该可变电流具有上边界，该上边界对应于期望磁场范围的下边界和上边界之间的差。在表1所示的示例中，线圈组40a、40b被配置为接收在-230安培至0安培内变化的电流。

由用于加速粒子的可变总电流产生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、以及高达约20特斯拉或更高，例如，高达约18特斯拉、高达约15特斯拉、或高达约12特斯拉。在一些实施方式中，线圈组中的总电流的变化可使磁场改变约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比例。

图28示出了示例性rf结构，该rf结构用于在粒子束的每个能量水平的rf频率范围上扫掠d形板500上的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并容纳在外导体1302中。高电压从电源(未示出，例如，振荡电压输入)通过电源联接设备1304施加到d形板500，该电源联接设备1304将功率联接至内导体。在一些实施方式中，联接设备1304定位在内导体1300上以提供从电源到d形板500的电力传输。另外，d形板500联接到可变电抗元件1306、1308，以对每个粒子能量水平执行rf频率扫掠，并且针对不同粒子能量水平改变rf频率范围。

可变电抗元件1306可以是旋转电容器，其具有可由马达(未示出)旋转的多个板片1310。在rf扫掠的每个循环期间，通过啮合或不啮合板片1310，rf结构的电容改变，这继而改变rf结构的谐振频率。在一些实施方式中，在马达的每个四分之一周期期间，板片1310彼此啮合。rf结构的电容增加并且谐振频率降低。随着板片1310解除啮合，该过程反转。结果，产生施加到d形板103和加速射束所需的高电压的功率可以大幅减小。在一些实施方式中，板片1310的形状经机械加工以形成谐振频率对时间的所需依赖性。

通过感测谐振器中的rf电压的相位，rf频率产生与板片旋转同步，保持d形板上的交流电压接近rf空腔的谐振频率。(虚设d形件接地，未在图28中示出)。

可变电抗元件1308可以是由板1312和内导体1300的表面1316形成的电容器。板1312沿方向1314朝向或远离表面1316可移动。电容器的电容随着板1312和表面1316之间的距离d变化而变化。对于对一个粒子能量要被扫掠的每个频率范围，距离d为设定值，并且为了改变频率范围，板1312对应于输出射束的能量的变化而移动。

在一些实施方式中，内导体1300和外导体1302由金属材料形成，例如铜、铝或银。板片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。联接设备1304可以是电导体。可变电抗元件1306、1308可以具有其他形式，并且可以以其他方式联接到d形板100，以执行rf频率扫掠和频率范围改变。在一些实施方式中，单个可变电抗元件可被配置以执行可变电抗元件1306、1308二者的功能。在其他实施方式中，可以使用两个以上的可变电抗元件。

通过适当的疗法控制电子设备(未示出)，可实现对用于执行一段治疗的机架、患者支撑、主动射束整形元件和同步回旋加速器的控制。

可以使用硬件或硬件和软件的组合来实现对本文描述的粒子疗法系统及其各种特征的控制。例如，类似于本文描述的系统可以包括位于各个位点处的各种控制器和/或处理设备。中央计算机可以协调各种控制器或处理设备之间的操作。中央计算机、控制器和处理设备可以执行各种软件程序，以实现测试和校准的控制和协调。

可以使用一个或多个计算机程序产品来至少部分地控制系统操作，以由一个或多个数据处理设备(如可编程处理器、计算机、多个计算机和/或可编程逻辑部件)执行或控制该一个或多个数据处理设备的操作，所述计算机程序产品例如为在一个或多个非暂时性机器可读介质中有形地具体实施的一个或多个计算机程序。

计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适用于计算环境的其他单元。可以部署计算机程序以在一个计算机上，或者在一个站点的多个计算机上，或者分布在多个站点上并通过网络互连的多个计算机上执行。

通过一个或多个可编程处理器执行一个或多个计算机程序，可以执行与实现本文描述的粒子疗法系统的全部或部分操作相关联的动作，以执行本文描述的功能。可以使用专用逻辑电路——例如fpga(现场可编程门阵列)和/或asic(专用集成电路)——来执行全部或部分操作。

作为示例，适合于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何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其两者接收指令和数据。计算机(包括服务器)的元件包括用于执行指令的一个或多个处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储区域设备。通常，计算机还将包括或可操作地联接，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该一个或多个机器可读存储介质，或者两者兼而有之，所述机器可读存储介质例如用于存储数据的大容量pcb，例如磁盘、磁光盘或光盘。适用于实现计算机程序指令和数据的非暂时性机器可读存储介质包括所有形式的非易失性存储区域，作为例子包括半导体存储区域设备，例如eprom、eeprom和闪存存储区域设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及cd-rom和dvd-rom盘。

这里使用的任何“电连接”可以暗示直接物理连接或有线或无线连接，其包括中间部件但是仍然允许电信号在被连接的部件之间流动。除非另有说明，否则本文提及的涉及电路的任何“连接”不管是否使用“电”字来修饰“连接”，都可以是电连接且不是必须为直接物理连接。

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任何两个以上的前述实施方式。同样地，可以以适当的组合使用任何两个以上前述实施方式的各个特征。

可以组合这里描述的不同实施方式的元件以形成上面没有具体阐述的其他实施方式。没有不利地影响其运行的情况下，一些元件可以从本文所述的过程、系统、设备等省略。各种单独的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文所述的功能。

本文描述的示例性实施方式不限于与粒子疗法系统一起使用或与本文所述的示例性粒子疗法系统一起使用。而是，示例性实施方式可以用在将加速粒子引导到输出部的任何适当系统中。

本文未具体描述的其他实施方式也在所附权利要求的范围内。