提供离子束的系统和方法与流程
本申请是申请日为2017年10月11日、申请号为201780093793.8(国际申请号为pct/us2017/056121)、发明名称为“提供离子束的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
所公开的实施例总体上涉及离子束生成(包括质子束生成)的改进，并且尤其涉及经由电磁辐射束与离子生成靶之间的相互作用的离子束生成。
背景技术：
本公开的方面包括许多系统、子系统、组件和子组件。本文不再重复已知的背景细节。这样的背景信息可以包括以下材料中包含的信息：
·2012年7月24日授权cowan等人的美国专利8,229,075，标题为“targetsandprocessesforfabricatingsame”；
·2013年3月5日授权zigler等人的美国专利8,389,954，标题为“systemforfastionsgenerationandamethodthereof”；
·2013年9月10日授权legalloudec的美国专利8,530,852，标题为“micro-conetargetsforproducinghighenergyandlowdivergenceparticlebeams”；
·2014年6月10日授权cowan等人的美国专利8,750,459，标题为“targetsandprocessesforfabricatingsame”；
·2016年1月12日授权zigler等人的美国专利9,236,215，标题为“systemforfastionsgenerationandamethodthereof”；
·2016年5月17日授权adams等人的美国专利9,345,119，标题为“targetsandprocessesforfabricatingsame”；以及
·2016年12月27日授权nahum等人的美国专利9,530,605，标题为“laseractivatedmagneticfieldmanipulationoflaserdrivenionbeams”。
用离子进行的粒子放射疗法可用于治疗疾病。在一种称为质子疗法的粒子疗法的形式中，通过用质子(例如氢离子)照射来治疗肿瘤。质子疗法优于传统的基于光子的疗法(例如x射线和伽马射线疗法)，这部分由于质子和光子与患者组织相互作用的方式。
图1示出了对于光子疗法和质子疗法两者作为组织深度的函数的辐射剂量。在粒子可以照射由患者的治疗计划所定义的治疗体积106之前，其通常必须先穿过患者的皮肤和其他健康组织，然后才能到达患者的治疗体积106。这样，粒子会损害健康组织，由此导致不理想的治疗副作用。如图1的曲线102所示，光子(例如x射线)将其大部分能量传送到患者皮肤附近的部位。对于患者体内更深处的肿瘤来说，这种相互作用可能会损害健康组织。另外，一些光子穿过患者的身体并越过治疗体积106，在最终离开患者身体的另一侧之前照射肿瘤之后的更多健康组织。尽管对这些其他健康组织的辐射剂量低于患者皮肤附近的辐射剂量，但这仍然是不理想的。
与光子不同，质子与患者的组织展现出非常理想的相互作用。如图1中的曲线104所示，质子与患者组织的峰值相互作用发生在患者体内的更深处，并且在该峰值相互作用之后可能会突然终止。另外，质子与表面组织的相互作用比光子少得多，这意味着大部分质子束的能量可以传送到治疗体积106，并且可以减少对健康组织的照射。质子疗法因此可以利用这些优势向患者的不健康组织进行更精确的能量管理，同时避免对健康组织的损害。例如，与x射线疗法相比，质子疗法可将对周围健康组织的损害降低2至6倍，从而提高患者的生存率和生活质量。与x射线相比，质子可将儿童终生继发癌症的风险降低97％。
由于现有的质子疗法系统(该系统通过使用大型且昂贵的粒子加速器生成质子束)的缺陷，商业质子疗法中心目前是罕见的。基于加速器的系统可能非常庞大，并且无法扩展。作为示例，图2示出了基于加速器的质子疗法系统与足球场的近似大小比较。运行基于加速器的系统所固有的能源需求和维护成本也很大。综上，这些缺陷导致了与质子疗法相关联的高昂的建造和维护成本。除了与基于加速器的质子束生成相关联的昂贵成本之外，在这样的系统中，调节质子束的某些特性(例如，束能量和束通量)可能是麻烦且耗时的。这导致了更长的治疗时间和较低的患者周转量，进一步增加了个别治疗的成本，这是由于更少的患者分担了成本负担。因此，目前几乎不存在质子疗法中心，并且部分地由于不能获得质子疗法而使患者经常接受较差的治疗。
本公开涉及质子疗法的替代方法。尽管本文公开的实施例考虑了质子束疗法的医学应用，但是本领域普通技术人员将理解，以下描述的新颖的质子束生成方法和系统可以用于需要质子束的任何应用中。
技术实现要素：
本文公开的一些实施方式提供了用于改进质子束的生成的方法和系统。例如，所公开的实施例可以例如通过提供改进的速度、精度和可配置性来改善某些常规质子生成技术的缺点，从而允许更有效地并且以较低的成本执行质子束生成。公开的实施例可以进一步减小现有系统的尺寸和复杂性。
与本实施例一致，用于生成质子束的系统可包括：相互作用室，其被配置为支撑离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束；一个或多个光学组件，其被配置为将电磁辐射束引导到离子生成靶处，由此引起合成的质子束；检测器，其被配置为测量至少一个激光靶相互作用特性；以及至少一个处理器，其被配置为基于由检测器测量的至少一个激光靶相互作用特性来产生反馈信号，并通过调节以下中的至少一个来更改质子束：电磁辐射源、一个或多个光学组件，以及电磁辐射束到离子生成靶的相对位置和取向中的至少一个。
一些实施例可以包括一种方法，该方法包括：提供电磁辐射束；将电磁辐射束引导到相互作用室中的离子生成靶处，由此引起合成的质子束；测量至少一个激光靶相互作用特性；并基于至少一个测量的激光靶相互作用特性来产生反馈信号，以通过调节以下中的至少一个来更改质子束：电磁辐射源、一个或多个光学组件，以及电磁辐射束到离子生成靶的相对位置和取向中的至少一个。
举例来说，至少一个激光靶相互作用特性可以包括质子束特性(例如，质子束能量或质子束通量)。
激光靶相互作用特性可以包括二次电子发射特性，例如x射线发射特性。
电磁辐射源可以被配置为提供激光束或例如脉冲电磁辐射束中的一个或多个，以引起脉冲质子束。
相互作用室可以包括用于支撑离子生成靶的靶台，并且至少一个处理器可以进一步被配置为引起靶台和电磁辐射束之间的相对运动。
可以至少部分地例如基于根据测量的激光靶相互作用特性生成的产生的反馈信号来确定离子生成靶的结构。
此外，与本实施例一致，至少一个激光靶相互作用特性可以包括质子束能量。
此外，与本实施例一致，至少一个激光靶相互作用特性可以包括质子束通量。
此外，与本实施例一致，电磁辐射源可以被配置为响应于反馈信号而更改电磁辐射束的时间分布。
此外，与本实施例一致，电磁辐射源可以被配置为生成至少一个主脉冲和预脉冲，并且至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源响应于反馈信号而更改预脉冲与主脉冲的对比度。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源响应于反馈信号而更改电磁辐射束的能量。
此外，与本实施例一致，一个或多个处理器可以被配置为使得电磁辐射源响应于反馈信号而例如通过更改电磁辐射束的光斑大小来更改电磁辐射束的空间分布。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使一个或多个光学组件例如通过响应于反馈信号而更改电磁辐射束的光斑大小，来更改电磁辐射束的空间分布。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使电动机响应于反馈信号而更改电磁辐射束与离子生成靶之间的相对取向。
与本公开一致的另一实施例可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为支撑离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束；自适应镜，其被配置为将电磁辐射束引导到相互作用室中的离子生成靶处，由此生成质子束；以及至少一个处理器，其被配置为控制自适应镜，以便调节以下中的至少一个：电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束与离子生成靶之间的相对位置和取向中的至少之一。
一些实施例可以包括一种方法，该方法包括：提供电磁辐射束；使用自适应镜将电磁辐射束引导到相互作用室中的离子生成靶处，由此引起合成的质子束；利用至少一个处理器控制自适应镜，以便调节以下中的至少一个：电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束与离子生成靶之间的相对位置和取向中的至少之一。
举例来说，自适应镜可以被配置为通过以下中的至少一个来引导电磁辐射束：调节电磁辐射束的焦点、使电磁辐射束转向、以及扫描电磁辐射束。
此外，与本实施例一致，自适应镜可以被配置为在离子生成靶上光栅化电磁辐射束。
此外，与本实施例一致，自适应镜可包括多个小平面，多个小平面中的每一个小平面能够由数字逻辑电路独立控制。
此外，与本实施例一致，自适应镜可包括聚焦在抗反射涂层衬底上的激光脉冲，激光脉冲和抗反射涂层衬底中的一个或两者能够由数字逻辑电路控制。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使自适应镜响应于反馈信号将电磁辐射束引导到离子生成靶处。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使自适应镜将电磁辐射束引导到离子生成靶的表面上的预定位置处。
此外，与本实施例一致，离子生成靶的表面可以包括图案化阵列。
此外，与本实施例一致，离子生成靶的表面可包括实质上沿共同轴取向的多个离子生成结构。
此外，与本实施例一致，离子生成靶的表面可包括至少一个刀缘。
与本实施例一致，一种用于生成质子束的系统可以包括：相互作用室，其被配置为将离子生成靶支撑在靶位置处；电磁辐射源，其被配置为沿着轨迹提供电磁辐射束，电磁辐射束具有能量、偏振、空间分布和时间分布；一个或多个光学组件，其沿着在电磁辐射源与离子生成靶的表面之间的电磁辐射束的轨迹定位，一个或多个光学组件被配置为与电磁辐射束协作以使电磁辐射束照射离子生成靶，由此促进具有能量和通量的质子束的形成；以及至少一个处理器，其被配置为控制电磁辐射源和一个或多个光学组件中的至少一个，由此更改电磁辐射束的能量、电磁辐射束的偏振、电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束的时间分布中的至少一个，以便调节以下中的至少一个：在保持质子束能量实质上恒定时的质子束通量；以及在保持质子束通量实质上恒定时的质子束能量。
一些实施例可以包括一种用于生成质子束的方法，该方法包括：在相互作用室内将离子生成靶支撑在靶位置处；由电磁辐射源沿着轨迹提供电磁辐射束，电磁辐射束具有能量、偏振、空间分布和时间分布；通过沿着在电磁辐射源与离子生成靶的表面之间的电磁辐射束的轨迹定位的一个或多个光学组件，利用电磁辐射束照射离子生成靶，该一个或多个光学组件被配置为与电磁辐射束协作以促进形成具有能量和通量的质子束；以及由至少一个处理器控制电磁辐射源和一个或多个光学组件中的至少一个，由此更改电磁辐射束的能量、电磁辐射束的偏振、电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束的时间分布中的至少一个，以便调节以下中的至少一个：在保持质子束能量实质上恒定时的质子束通量；以及在保持质子束通量实质上恒定时的质子束能量。
此外，与本实施例一致，一种用于生成质子束的系统可以包括：相互作用室，其被配置为将离子生成靶支撑在靶位置处；电磁辐射源，其被配置为沿着轨迹提供电磁辐射束，电磁辐射束具有能量、偏振、空间分布和时间分布；一个或多个光学组件，其沿着在电磁辐射源与离子生成靶的表面之间的电磁辐射束的轨迹定位，一个或多个光学组件被配置为与电磁辐射束协作以使电磁辐射束照射离子生成靶，由此促进具有能量和通量的质子束的形成；以及至少一个处理器，其被配置为控制电磁辐射源和一个或多个光学组件中的至少一个，由此更改电磁辐射束的能量、电磁辐射束的偏振、电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束的时间分布中的至少一个，以便调节以下中的至少一个：在变化质子束能量时的质子束通量；以及在变化质子束通量时的质子束能量。
一些实施例可以包括一种用于生成质子束的方法，该方法包括：在相互作用室内将离子生成靶支撑在靶位置处；由电磁辐射源沿着轨迹提供电磁辐射束，电磁辐射束具有能量、偏振、空间分布和时间分布；通过沿着在电磁辐射源与离子生成靶的表面之间的电磁辐射束的轨迹定位的一个或多个光学组件，利用电磁辐射束照射离子生成靶，该一个或多个光学组件被配置为与电磁辐射束协作以促进形成具有能量和通量的质子束；以及由至少一个处理器控制电磁辐射源和一个或多个光学组件中的至少一个，以更改电磁辐射束的能量、电磁辐射束的偏振、电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束的时间分布中的至少一个，以便调节以下中的至少一个：在变化质子束能量时的质子束通量；以及在变化质子束通量时的质子束能量。
作为示例，至少一个处理器可以被配置为通过更改电磁辐射束的光斑大小来更改电磁辐射束的空间分布。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为通过更改电磁辐射束的啁啾来更改电磁辐射束的时间分布。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为通过更改一个或多个泵浦源的定时来更改电磁辐射束的时间分布。
此外，与本实施例一致，电磁辐射束的偏振可以使得电磁辐射束不被偏振。
此外，与本实施例一致，电磁辐射源可以被配置为提供脉冲电磁辐射束并由此引起脉冲质子束。
此外，与本实施例一致，所述至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源改变电磁辐射束的能量和电磁辐射束的时间分布。
此外，与本实施例一致，一个或多个处理器可以被配置为使电磁辐射源更改电磁辐射束的能量和电磁辐射束的空间分布。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源改变电磁辐射束的能量，并且至少一个处理器可以被配置为使一个或多个光学组件改变电磁辐射束的空间分布。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使一个或多个光学组件改变电磁辐射束的能量和电磁辐射束的空间分布。
与本实施例一致，一种用于生成质子束的系统可以包括：相互作用室，其被配置为支撑提供有多个图案化特征的离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束以照射多个图案化特征；以及至少一个处理器，其被配置为使电磁辐射束撞击多个图案化特征中的各个图案化特征并由此生成合成的质子束。
一些实施例可以包括一种方法，该方法包括：在相互作用室内支撑提供有多个图案化特征的离子生成靶；通过电磁辐射源提供电磁辐射束以照射多个图案化特征；以及利用电磁辐射束撞击多个图案化特征中的各个图案化特征并由此生成合成的质子束。
此外，与本实施例一致，一种用于生成质子束的系统可以包括：相互作用室，其被配置为支撑图案化有至少一个刀缘的离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束以照射离子生成靶的至少一个刀缘；以及至少一个处理器，其被配置为使电磁辐射束撞击至少一个刀缘并由此生成合成的质子束。
此外，一些实施例可以包括一种方法，该方法包括：在相互作用室内支撑图案化有至少一个刀缘的离子生成靶；通过电磁辐射源提供电磁辐射束以照射离子生成靶的至少一个刀缘；使电磁辐射束撞击至少一个刀缘并由此生成合成的质子束。
此外，与本实施例一致，电磁辐射源可以被配置为提供具有波长的激光束，并且多个图案化特征中的至少一个可以具有小于激光束的波长的尺寸。类似地，刀缘可以具有小于激光束的波长的尺寸。
此外，与本实施例一致，多个图案化特征包括远离离子生成靶的表面延伸的突起。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为光栅化离子生成靶。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射束连续或不连续地扫描离子生成靶的表面。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使自适应镜调节电磁辐射束以便连续或不连续地扫描至少一个刀缘。
此外，与本实施例一致，多个图案化特征或刀缘可包括冰。
此外，与本实施例一致，多个图案化特征或刀缘可包括硅。
此外，与本实施例一致，多个图案化特征或刀缘可包括碳。
此外，与本实施例一致，多个图案化特征或刀缘可包括塑料。
此外，与本实施例一致，多个图案化特征或刀缘可包括不锈钢。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为使自适应镜调节电磁辐射束，以便顺序或同时撞击多个图案化特征中的各个图案化特征，或者撞击刀缘。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为调节电动机，以便使电磁辐射束顺序地撞击图案化特征中的各个图案化特征。
此外，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为引起电磁辐射束在多个图案化特征中的相邻图案化特征上的顺序扫描。
此外，与本实施例一致，可以利用多个刀缘将靶图案化。
与本实施例一致，一种用于生成质子束的系统可以包括：离子源，其被配置为产生包括至少一个离子聚束的脉冲离子束；至少一个电磁体；邻近电磁体的地区，该地区取向成使脉冲束穿过其中；至少一个自动开关，其电连接到至少一个电磁体，用于选择性地激活至少一个电磁体；辐射触发源，其被配置为激活至少一个自动开关；以及至少一个处理器，其被配置为在离子聚束穿过地区时激活至少一个电磁体。
与本公开内容一致的另一实施例可以包括一种用于引导带电粒子的脉冲束的方法，该方法包括：产生包括至少一个离子聚束的脉冲离子束，该脉冲离子束被配置为穿过邻近至少一个电磁体的地区；通过辐射触发源激活至少一个自动开关，至少一个自动开关电连接到至少一个电磁体；以及通过至少一个处理器，基于自动开关的激活，在离子聚束穿过地区时选择性地激活至少一个电磁体。
作为示例，与本实施例一致，辐射触发源可以包括离子、x射线、电子和激光辐射中的一个或多个。
此外，与本实施例一致，电磁体可以被配置为生成电磁场，并且当激活电磁体时，地区取向为在电磁场内。与本实施例一致，该地区可以具有小于大约一英寸的尺寸。
此外，与本实施例一致，离子源可以包括辐射触发源和离子生成靶，并且辐射触发源可以被配置为激活自动开关并照射离子生成靶，由此生成脉冲离子束。
此外，与本实施例一致，可以通过受控延迟线来调节辐射触发源激活自动开关的时间。受控延迟线可以例如被配置为调节辐射触发源激活自动开关的时间与脉冲离子束同步。
此外，与本实施例一致，自动开关可以包括光电导半导体开关或火花开关。
此外，与本实施例一致，至少一个电磁体可以包括沿着脉冲离子束的轨迹串联的多个电磁体，并且至少一个自动开关可以包括多个自动开关，多个自动开关中的每一个与多个电磁体中的不同电磁体相关联。至少一个处理器可以被配置为在离子聚束穿过每个电磁体时顺序地激活多个自动开关。
此外，与本实施例一致，一个或多个串联的电磁体中的第一电磁体可以被配置为将脉冲离子束的一部分从原始轨迹转向到转向轨迹，并且一个或多个串联的电磁体中的第二电磁体可以被配置为使至少一部分转向后的脉冲离子束的该部分从转向轨迹重新转向到实质上平行于原始轨迹的路径。
与本实施例一致，一种用于生成质子束的系统可以包括：质子源，其被配置为提供具有质子能散度内的多个质子能量的质子束；和至少一个处理器，其被配置为：在三维坐标系的两个维度中控制质子束与治疗体积之间的相对运动；以及控制质子能散度以在三维坐标系的第三维度中调节治疗体积的深度，同时在其他两个维度中维持实质上固定的坐标。
与本公开一致的另一实施例可以包括一种用于利用质子处理治疗体积的方法，该方法包括：通过质子源提供具有质子能散度内的多个质子能量的质子束；通过至少一个处理器，在三维坐标系的两个维度中控制质子束与治疗体积之间的相对运动；以及通过至少一个处理器，控制质子能散度以在三维坐标系的第三维度中调节治疗体积的深度，同时在其他两个维度中维持实质上固定的坐标。
举例来说，与本实施例一致，至少一个处理器可以被配置为，通过例如旋转台架、利用电磁体引导质子束和/或移动患者支撑平台，来控制质子束与治疗体积之间的相对运动。
此外，与本实施例一致，一种用于利用质子处理治疗体积的系统可以被配置为使用磁分析仪、飞行时间控制单元和能量衰减器中的至少一个来控制质子能散度和质子能量分布。
与其他公开的实施例一致，一种非暂时性计算机可读存储介质可以存储由一个或多个处理器设备运行并执行本文描述的任何方法的程序指令。
前面的一般描述仅仅是对少量公开的实施例的简要概述，并且不旨在限制在以下附图、详细描述和权利要求中阐述的众多发明构思。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了所公开的实施例的某些方面，并且与说明书一起解释了所公开的实施例。在附图中：
图1是描绘与组织深度相关的辐射剂量的图。
图2是如上所述的一些常规的基于加速器的粒子疗法系统的大小的近似表示。
图3是与公开的实施例一致的用于提供质子疗法的系统的互连组件的示例的图。
图4a、4b、4c、4d和4e是与公开的实施例一致的用于质子束生成的离子生成靶。
图5是与公开的实施例一致的用于控制质子疗法系统的控制器的示例的示意图。
图6是与公开的实施例一致的电磁辐射源的示例的示意图。
图7是与公开的实施例一致的台架的示例的示意图。
图8是与公开的实施例一致的台架的另一示例的示意图。
图9是与公开的实施例一致的质子疗法过程的示例的流程图。
图10示出了与公开的实施例一致的相互作用室的示例的方面。
图11是与公开的实施例一致的用于利用质子生成反馈来控制质子疗法的过程的示例的流程图。
图12描绘了与公开的实施例一致的示例性质子束脉冲的能量。
图13a和13b描绘了与公开的实施例一致的质子能量选择系统的示例。
图14是与公开的实施例一致的基于质子生成反馈来控制三维空间中的质子疗法治疗的过程的示例的流程图。
图15a、15b、15c和15d描绘了基于图14的过程的示例性质子疗法治疗的方面。
具体实施方式
现在详细参考示例性实施例，其示例在附图中示出并且在本文中公开。在方便的位置处，在整个附图中使用相同的附图标记以指代相同或相似的部件。
本文提供用于提供离子束疗法的系统和方法。关于质子疗法描述了以下实施例。如在此所使用的，“质子疗法”是指粒子疗法医学过程，该过程使用质子束照射患病的组织，其最经常用于对癌症的治疗。尽管该说明书涉及该治疗过程，但是应当理解，本文的创新的预期范围不限于治疗或医学过程。而是，其可以在任何时候适用于出于任何目的来生成质子束。另外，本公开不限于质子束的生成，而是还适用于其他形式的离子束生成。
一种根据本公开的用于生成质子束的系统可以包括一个或多个电磁辐射源。如本公开中所使用的，“电磁辐射”可以指代具有任何波长、频率、能量、功率、偏振和/或空间或时间分布的任何形式的电磁辐射。在一些实施例中，电磁辐射可以以束的形式传播。例如，电磁辐射束可以是适合于照射期望位置的任何形式的电磁辐射。在一些实施例中，一种用于提供质子疗法系统的系统可以被配置为沿着轨迹提供电磁辐射束。电磁辐射束可以例如被配置为用于照射离子生成靶上的多个图案化特征(如下文进一步详细描述)，或者用于照射离子生成靶上的一个或多个刀缘(也在下文进一步详细描述)。
电磁辐射束可以包括定义的能量、波长、功率、能量、偏振(或者其可以不被偏振)、空间分布和/或时间分布。这些特征中的任何一个都可以是固定的，也可以变化。作为示例，电磁辐射源可以被配置为提供具有定制于离子生成靶特性的特点的激光束。电磁辐射束可以被脉冲化，由此引起脉冲质子束，或者电磁辐射束可以是连续的，由此引起连续质子束。
一种根据本公开的用于生成质子束的系统可以包括离子生成靶。如本公开中所使用的，离子生成靶可以指被配置为响应于电磁辐射而生成离子的任何材料、装置或元件的组合。如下所述，离子生成靶可以被配置为生成质子束；然而，质子束仅是示例。在一些实施例中，离子生成靶可以提供有多个图案化特征。例如，多个图案化特征可以包括远离离子生成靶的表面延伸的突起。在一些实施例中，可以用一个或多个刀缘将离子生成靶图案化。例如，离子生成靶的刀缘可包括一个或多个窄边缘，类似于刀脊或刀片边缘。
一种根据本公开的用于生成质子束的系统可以包括(一个或多个)光学组件。如本公开中所使用的，(一个或多个)光学组件可以是指用于以任何方式操纵和/或控制电磁辐射束的任何一个或多个组件，所述方式包括例如整形、引导、过滤、分裂、延迟、调制、吸收、放大、聚焦、斩波和/或反射电磁辐射束。作为示例，光学组件可以沿着电磁辐射束的轨迹定位，例如在电磁辐射源与离子生成靶的表面之间。在一些实施例中，光学组件可以被配置为将电磁辐射束引导到离子生成靶处，例如由此引起合成的质子束。此外，电磁辐射源可以包括一个或多个光学组件以促进电磁辐射束的形成。
与本公开一致，光学组件可以包括一个或多个自适应镜。如本公开中所使用的，自适应镜可以是指包括可以被适配的反射表面的元件。例如，自适应镜可以是包括多个小平面的可变形镜，所述多个小平面中的每一个可由数字逻辑电路独立控制。作为另一示例，自适应镜可以是等离子镜，其包括聚焦到抗反射涂层衬底上的激光脉冲，激光脉冲和抗反射涂层衬底中的一个或两者可以由数字逻辑电路控制。在一些实施例中，自适应镜可以被配置为将电磁辐射束引导到离子生成靶处，或者在某些情况下，可以被配置为与电磁辐射束协作以使电磁辐射束照射离子生成靶，由此促进质子束的形成。根据本公开的自适应镜可以被配置为调节或控制电磁辐射束的空间分布和/或调节或控制电磁束与离子生成靶之间的相对位置和取向中的至少一个。在一些情况下，自适应镜可以被配置为通过调节电磁辐射束的一个或多个特性来引导电磁辐射束。例如，可以通过调节电磁辐射束的焦点、使电磁辐射束转向和扫描电磁辐射束中的至少一个来实现调节。
与本公开一致，一种用于生成质子束的系统可以被配置为例如在离子生成靶上光栅化电磁辐射束。如本公开中所使用的，光栅化可以指代在具有任何形状的表面或体积上顺序扫描的模式。例如，可以通过被配置为引起电磁辐射束顺序地扫描表面或体积的一个或多个电动机来实现光栅化。在一些实施例中，可以在离子生成靶的各个图案化特征或离子生成靶的刀缘上光栅化电磁辐射束。在一些实施例中，自适应镜可以被配置为引导电磁辐射束以撞击离子生成靶的各个特征。
一种根据本公开的用于生成质子束的系统可包括(一个或多个)质子束调节组件。如本公开中所使用的，(一个或多个)质子束调节组件可以指代用于以任何方式操纵和/或控制质子束的任何一个或多个组件，所述方式包括例如加速、分析、引导、整形、过滤、分裂、延迟、调制、吸收、放大、聚焦、斩波和/或反射质子束。例如，质子束调节组件可以包括一个或多个四极透镜、柱面镜透镜/分析仪(“cma”)、球面镜透镜/分析仪(“sma”)、准直器、能量衰减器、飞行时间控制单元、磁偶极子或任何其他适合操纵带电离子的组件。
根据本公开的用于生成质子束的系统可以与用于利用质子来处理治疗体积的系统结合使用。在医学治疗的情况下，该体积可以是一组细胞或一个组织区域。如果在医学领域以外使用，则该体积可以是可以通过施加辐射而受益的任何区域或部位。
根据本公开，可以提供台架。台架可以指代被配置为辅助将辐射引导向靶的任何装置。要被辐射的靶可以是例如治疗体积，诸如患者体内的肿瘤。因为与本公开一致的用于利用质子来处理治疗体积的系统仅仅是所公开的用于生成质子束的系统的一个应用，所以应当理解，这仅仅是示例。台架还可用于将质子束或其他辐射束引导向要被辐射的任何靶。
根据本公开，可以提供患者支撑平台。患者支撑平台可以指代被配置为在放射疗法期间支撑患者的任何表面、基础或其他结构。患者支撑平台可以是固定的，也可以在任何尺寸上可调。
根据本公开的任何系统都可以包括至少一个处理器，该至少一个处理器被配置为监视、控制和/或促进系统中包括的任何组件的使用。与公开的实施例一致，处理器可以指代任何一个或多个处理设备，包括例如专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、可编程逻辑设备(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微处理器或其他类似的电子设备和/或其组合。处理器可包括控制系统的一个或多个模块。
在与本公开一致的一些实施例中，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射束撞击构成离子生成靶的多个图案化特征的各个图案化特征，并由此生成合成的质子束。在与本公开一致的一些实施例中，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射束撞击离子生成靶的一个或多个刀缘，并由此生成合成的质子束。
在一些实施例中，至少一个处理器可以控制电磁辐射源和/或光学组件中的至少一个。例如，一个处理器或一组处理器可以控制电磁辐射束的能量、电磁辐射束的通量、电磁辐射束的偏振、电磁能量束的空间分布、电磁辐射束的时间分布，或电磁辐射束的其他方面中的至少一个。更具体地，至少一个处理器可以生成指令，以使电磁辐射源通过更改电磁辐射束的光斑大小来更改电磁辐射束的空间分布。作为另一示例，至少一个处理器可以通过更改电磁辐射束的啁啾来更改电磁辐射束的时间分布。作为另一示例，至少一个处理器可以通过更改一个或多个激光泵浦源的定时来更改电磁辐射束的时间分布。
在与本公开一致的实施例中，至少一个处理器可以被配置为使自适应镜将电磁辐射束引导在离子生成靶的表面上的预定位置处。例如，一个或多个处理器可以被配置为使电磁辐射束光栅化离子生成靶。这样的光栅化可以包括在构成多个图案化特征的连续的图案化特征上顺序地扫描电磁辐射束。撞击各个图案化特征可以包括例如连续或不连续地扫描离子生成靶的表面。在一些实施例中，处理器可以被配置为使自适应镜调节电磁辐射束，以便单独地撞击图案化的特征，或者其可以被配置为同时撞击各个图案化特征。
根据本公开，至少一个处理器可以被配置为独立地或同时地控制系统的多个方面。例如，至少一个处理器可以被配置为在保持质子束能量实质上恒定的同时调整质子束通量，或者可以被配置为在保持质子束通量实质上恒定的同时调整质子束能量。可替代地，至少一个处理器可以被配置为同时调节质子束通量和质子束能量。
图3描绘了用于提供质子疗法的示例性系统300，其包括用于生成质子束的示例性系统。系统300还是用于利用质子来处理治疗体积的系统的一个示例。根据所公开的实施例，系统300可包括电磁辐射源302、离子生成靶304、(一个或多个)光学组件306、(一个或多个)质子束调节组件308、台架310、患者支撑平台312和控制系统314中的一个或多个，该控制系统314被配置为与上述任何一个或多个组件通信。
患者可以定位在患者支撑平台312上。患者支撑平台312可以是适合与系统300的其他组件一起使用并且有助于在治疗期间支撑患者的任何形状或形式。患者支撑平台312可以相对于台架310固定在一定位置，或者患者支撑平台312可以被配置为在治疗之前或治疗期间平移和/或旋转。在一些实施例中，可以调节患者支撑平台312以容纳不同大小的患者或将治疗体积定位在质子束的路径中。此外，在一些实施例中，可以在治疗期间调节患者支撑平台312以相对于质子束重新定位治疗体积。
台架310可以被配置为将质子束引导向患者体内的治疗体积，诸如肿瘤。台架310可以配置为以一种或多种方式进行操纵以影响质子束的路径，并且可以由多种材料组成，并包含许多组件。与本公开的实施例一致的台架310的示例在下面进一步详细讨论，其不旨在进行限制。
电磁辐射源302可以发射被引导向离子生成靶304的电磁辐射束316，例如激光束。在一些实施例中，电磁辐射源302可以包括一个或多个气体激光器(例如，co2激光器)、二极管泵浦固态(dpss)激光器(例如掺镱激光器、掺钕钇铝石榴石激光器(nd：yag)或掺钛蓝宝石激光器(ti：sapphire))和/或闪光灯泵浦固态激光器(例如nd：yag或钕玻璃)。从广义上讲，可以使用能够引起离子从靶中释放的任何辐射源。
可以基于电磁辐射源的强度(即能量除以脉冲的持续时间和离子生成靶304上的激光的光斑大小)来选择电磁辐射源302。可以使用空间分布(例如光斑大小)、波长、持续时间和能量的各种组合，同时仍提供相同的强度。例如，在一些实施例中，电磁辐射束316可以在1j至25,000j的能量范围内，并且在400nm至10,000nm的波长范围内。电磁辐射束316可以被脉冲化，例如具有10fs至100ns的脉冲宽度范围。电磁辐射束316可以具有各种光斑大小。在一些实施例中，可以使用1μm2至1cm2之间的光斑大小。尽管电磁辐射束316的空间分布可以具有任何束分布，但是在一些实施例中，空间分布可以包括高斯、超高斯、顶帽(tophat)、贝塞尔(bessel)或环形束分布。
在一些实施例中，电磁辐射源302可以被配置为在一个或多个预脉冲之后生成主脉冲。对比度(即主脉冲和预脉冲之间的比率，也称为在主脉冲之前到达的“消隐脉冲电平(pedestal)”)可能会影响质子生成。激光强度越高，则可以更具体地定义对比度。例如，在小于100ps的时间尺度上，对比度的范围可以从10-8到10-12。
作为更具体的例子，电磁辐射源302可以是掺钛蓝宝石激光器。在掺钛蓝宝石激光器的示例中，电磁辐射束316可以在大约1j至25j的能量范围内，并且具有大约800nm的波长。在该示例中，电磁辐射束316可具有约10fs至400fs的脉冲宽度范围，约2μm2与1mm2之间的光斑大小以及高斯或顶帽空间分布。这些特性仅是示例性的，并且可以采用其他配置。
可以通过例如沿着电磁辐射源302与离子生成靶304之间的轨迹设置的一个或多个光学组件306，将电磁辐射束316引导至离子生成靶304。一个或多个光学组件306可包括一个或多个光学和/或机械组件，这些组件被配置为更改电磁辐射束316的特性，包括光谱特性、空间特性、时间特性、能量、偏振、对比度或其他特性。(一个或多个)光学组件306可以例如参与生成、优化、操纵、对准、修改和/或测量电磁辐射束316，或者参与系统300的其他方面。(一个或多个)光学组件306可以包括各种光学元件，诸如透镜、镜、激光晶体和其他激光材料、压电激活镜、板、棱镜、分束器、滤光片、光导管、窗、板坯、光纤、移频器、光放大器、光栅、脉冲整形器、xpw、mazzler(或dazzler)滤光片、偏振器、普克尔斯盒(pockelscell)、光学调制器、光圈、可饱和吸收体和其他光学元件。
(一个或多个)光学组件306可以是固定的或自适应的。例如，(一个或多个)光学组件306可包括一个或多个有源、自适应或可重新配置的组件，诸如可变形镜、等离子镜、普克尔斯盒、移相器、光学调制器、可变光圈、遮光器(手动和计算机控制)，以及其他类似的组件。自适应特性可能会操纵光学组件本身，例如在可变形镜或等离子镜的情况下。(一个或多个)光学组件306的取向也可以是可调节的，诸如通过使(一个或多个)光学组件306平移或绕旋转轴旋转(一个或多个)光学组件306来调节。调节可以是手动的也可以是自动的。作为一个示例，控制系统314可以接收反馈信号，并且作为响应，向连接到位于电磁辐射束316和离子生成靶304之间的(一个或多个)光学组件306的电动机提供控制信号。电动机的运动进而可以调节(一个或多个)光学组件306以更改电磁辐射束316与离子生成靶304之间的相对取向(例如，通过重新定位激光靶相互作用的位置)。
可以在(一个或多个)光学组件306中采用的可变形镜的示例包括例如分段镜、连续面板镜、磁镜、mems镜、膜镜、双压电晶片镜和/或铁磁镜。也可以使用能够更改电磁辐射束的波阵面的任何数量的其他镜技术。
可以在(一个或多个)光学组件306中采用的等离子镜的示例包括聚焦在抗反射涂层衬底上的激光脉冲，该激光脉冲被电离以反射高强度峰并将高强度峰与低强度脉冲背景分离。作为示例，可以通过将激光脉冲引导向位于抗反射涂层衬底前面的抛物面镜来建立等离子镜。实现等离子体镜的其他方式也是本领域普通技术人员已知的，并且适用于本文所述的系统和方法的实施例。
(一个或多个)光学组件306可以定制于与预期光束有关的参数。例如，可以根据波长、强度、时间脉冲形状(例如，脉冲宽度)、空间大小和能量分布、偏振以及预期光束的其他特性来定制光学组件306。这样的光束参数可以涉及光学衬底材料、大小(例如，横向大小或厚度)、涂层材料(如果有的话)、形状(例如，平面、球形或其他)、相对于光束的取向或其他规格。
(一个或多个)光学组件306可以包括一个或多个对应的保持器，其被配置为将元件保持在一定位置，同时允许将元件定位到适当的精度，例如平移和旋转以及其他自由度。在一个实施例中，这样的保持器可以包括由光学平台或任何其他机械保持器保持在一定位置的光机械支架。这样的自由度可以手动地或经由诸如电动机之类的任何适当的自动方式来操纵。
(一个或多个)光学组件306可以设置在特定的环境条件下，诸如真空和/或被一种或多种气体吹扫的环境。此外，光学组件306可在电磁辐射源302与离子生成靶304之间沿着电磁辐射源302的路径设置在各个位置，或者设置在需要光学组件的系统300的任何其他系统中。(一个或多个)光学组件306可以被配置用于各种用途，诸如激光束操纵、激光束诊断、激光靶相互作用诊断和/或离子生成靶观察和定位。
在一些实施例中，(一个或多个)光学组件306的寿命可以变化。一些(一个或多个)光学组件306可以是长期设备，其可以重复使用多次。可替代地或附加地，一些(一个或多个)光学组件306可以是消耗性的，使用较少的次数并被更换。这种分类可以基于许多因素，诸如激光强度和碎屑/污染的存在。在一些实施例中，可以在昂贵或精密的光学器件附近安装碎屑防护罩，以减少频繁更换的需要。可以对怀疑会遭受损坏的光学器件进行定期检查。可以安装专用的光学系统以检查有风险的光学器件。
(一个或多个)光学组件306可以手动、自动或通过其任意组合来操纵。用于操纵光学组件306的输入类型可以包括高压信号、触发信号、光泵浦或任何其他形式的输入。此外，光学组件306可以由一个或多个相机(诸如ccd相机)来监视。例如，响应于由控制系统314提供的一个或多个信号，可以发生对(一个或多个)自适应镜的自动操纵。控制系统314可以例如控制一个或多个电动机、(一个或多个)压电元件、(一个或多个)微机电(mems)元件和/或与可变形镜相关联的类似物。可替代地或附加地，控制系统314可以例如控制一个或多个激光脉冲、抗反射涂层衬底和/或与等离子体镜相关联的类似物。
在一些实施例中，(一个或多个)光学组件306可以包括自适应可变形镜，诸如具有多个小平面的可变形镜，多个小平面中的每一个可独立控制。这些小平面可以由数字控制逻辑电路控制，诸如控制系统314中包含的数字控制逻辑电路。作为另一个示例，自适应镜可以是等离子镜，其使用聚焦的激光脉冲使防反射涂层衬底电离，由此反射高强度峰并将高强度峰与低强度激光脉冲背景分离。激光脉冲和/或抗反射涂层衬底可以由数字控制逻辑电路控制，诸如控制系统314中包含的数字控制逻辑电路。
自适应镜可以被配置为通过调节电磁辐射束的焦点、使电磁辐射束转向、以及扫描电磁辐射束中的一个或多个来引导电磁辐射束316。自适应镜可以被配置为以对于本领域技术人员显而易见的任何方式来调节电磁辐射束的焦点。例如，电磁辐射束316可以撞击可变形镜的多个小平面，或者电磁辐射束316可以撞击等离子镜。在一些配置中，可能需要调节引导电磁辐射束316的位置或调节电磁辐射束316的特性。可变形镜的多个小平面可以被控制为反射电磁辐射束316，使得其在期望位置处的光斑大小比其在撞击可变形镜之前的光斑大小更小、更大或形状不同。同样，可以控制等离子镜以反射电磁辐射束316，使得其在期望位置处的光斑大小比其在撞击可变形镜之前的光斑大小更小、更大或形状不同。
自适应镜也可以被配置为使电磁辐射束316转向。例如，系统300可以被配置为使得电磁辐射束316将顺序或同时撞击离子生成靶304上的多个位置或设置在系统300内的不同位置中的多个离子生成靶304上。在这样的配置中，自适应镜或其他(一个或多个)光学组件306可以更改电磁辐射束316的路径，以将光束引导到多个位置和/或多个离子生成靶上。例如，自适应镜或其他(一个或多个)光学组件306可以连续或不连续地(诸如以逐步方式)将电磁辐射束316从一个位置顺序地转向(例如，扫描)到图案中的相邻位置。在自动过程中，控制系统314可以配置为使自适应镜将电磁辐射束316引导到离子生成靶304的表面上的预定位置处。例如，在离子生成靶304的表面处提供的图案化离子生成特征阵列上扫描电磁辐射束316可能是有利的。在包括实质上沿共同的轴取向的多个离子生成结构的离子生成靶304上扫描电磁辐射束316也可能是有利，诸如实质上远离离子生成靶304的表面延伸的突起。在图案化有一个或多个刀缘的离子生成靶304上扫描电磁辐射束316也可能是有利的，诸如包括具有类似于刀脊或刀片边缘的窄边缘的一个或多个特征的离子生成靶。以自适应镜为例进行说明。本领域技术人员将认识到，其他(一个或多个)光学组件306可以执行与以上参考自适应镜所描述的那些组件相同或相似的功能。
根据本公开，离子生成靶可以被配置为促进离子生成。例如，离子生成靶可以包括具有一个或多个离子生成结构或特征的表面。这样的结构或特征可以由一种或多种合适的材料组成，包括冰(也称为雪)、塑料、硅、不锈钢或可以从其生成离子束的多种金属、碳和/或任何其他材料中的任何一种。这样的结构可以被随机地布置，如通过生长或沉积过程所限定地来布置，和/或以图案化阵列布置。此类结构可替代地或另外地包括一个或多个窄边缘，类似于刀脊或刀片边缘。可以基于电磁辐射束的一个或多个属性来配置结构。例如，这样的结构的可以具有小于诸如激光之类的电磁辐射束的波长的尺寸。
离子生成靶304在被电磁辐射束316撞击时，可以发射各种粒子，包括电子、质子、x射线和其他粒子。离子生成靶304可以由多种材料组成。离子生成靶304可以被配置为使得其包括被配置为与电磁辐射束316相互作用的一个或多个单独的特征。可替代地或附加地，离子生成靶304可以包括由有助于与电磁辐射束316相互作用的材料形成的连续表面或纹理。本领域技术人员将理解，在与电磁辐射束相互作用时，可以采用许多配置来发射粒子，并且所公开的实施例仅是示例性的。
在一些实施例中，可以预制离子生成靶304。在其他实施方式中，可以在系统300或附接的样品制备系统内就地产生离子生成靶304。例如，离子生成靶304可设置在相互作用室内，诸如下面描述的相互作用室1000。这可能涉及由合适的材料形成离子生成靶，包括在衬底上形成这种材料。这样的材料可以包括技术中通常已知的任何气体、固体或液体化学来源，诸如蒸发、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延、原子层沉积等。例如，在离子生成靶304包括冰的实施例中，用于形成离子生成靶的材料可以包括水蒸气(h2o)、氢气(h2)和/或氧气(o2)。此外，在其中离子生成靶304包括硅的实施例中，用于形成离子生成靶304的材料可以包括例如硅烷(sih4)、乙硅烷(si2h6)、三氯硅烷(sihcl3)或任何其他硅源。更进一步，在离子生成靶304包括塑料的实施例中，来源可以包括例如聚四氟乙烯(ptfe)聚合物源材料或任何其他ptfe源。如本领域普通技术人员将认识到的，这些仅仅是许多可用的靶材料和靶源材料中的少量说明性示例。另外，相互作用室可以在结构上变化以适合所采用的靶的形式。例如，当靶是冰时，相互作用室可以被具体地配置为保持适当的温度以支撑冰。每种靶材料可能具有不同的维持要求，因此，相互作用室的结构可以变化以适合靶材料。
图4描绘了可以用作离子生成靶304的说明性离子生成靶。例如，图4a示出了离子生成靶402，该离子生成靶402包括位于中空的沙漏形锥体406上的盖结构404。在一个实施例中，锥体的至少两个相对点之间的距离可以小于大约15pm。在特定示例中，该距离可以小于大约1pm。在一些实施例中，离子生成靶402的特征可以是独立的。这样的特征可以包括例如任何数量的形状，包括圆锥形、金字塔形、半球形和加盖的结构。图4所示的说明性离子生成靶402的结构(以及离子生成靶304的其他实施例)可以使用平版印刷技术(诸如光刻技术)来形成。在特定示例中，可以在硅晶片408上制造离子生成靶锥体406，然后用一种或多种金属410进行涂覆。在一些实施例中，可以从背侧开口412中喷射质子。图4b示出了另一种说明性离子生成靶，其适合作为离子生成靶304以与本发明一同使用。图4b描绘了在其表面上具有一个或多个微锥靶420的离子生成靶的一部分。每个微锥靶420可适合于产生高能量、低发散的粒子束。在一实施例中，微锥靶420可包括大致呈锥形的主体422，其具有外表面424、内表面426、大体上平坦且圆形的开口端基部428以及限定顶点的尖端430。锥形主体422可沿其长度从大体上平坦且圆形的开口端基部428到限定顶点的尖端430逐渐变窄。外表面424和内表面426可将基部428连接到尖端430。
图4c、4d和4e描绘了适合与本发明的实施例一起使用的其他说明性离子生成靶304。具体地，图4c、4d和4e描绘了雪靶的表面，其可以由冰晶形成。冰可能有利于用作离子生成靶，这是因为水富含氢。此外，如图4c所示，离子生成靶上的结构可以呈现出针状形状。这种形状可以增强由电磁辐射束316和离子生成靶304的相互作用生成的电场。在离子生成靶304上的各个针状结构可以与电磁辐射束316的波长大致相同。例如，结构可能约为1μm至10μm。
离子生成靶304的表面上的各个图案化特征可以物理地布置在离子生成靶304上，使得它们可以被顺序地扫描。例如，这样的结构可以以阵列布置在大体上平坦的表面上。如图4c所示，可以在整个表面上均匀地分布各个结构以形成图案。可替代地，结构可以以重复的图案来布置，其中在结构之间具有间隔，如图4d和4e所示。
再次参考图3，(一个或多个)质子束调节组件308可以包括一个或多个组件，该组件被配置为从由离子生成靶304生成的质子形成质子束318并将质子束引导到台架310和患者的治疗体积。质子束调节组件308可包括能够操纵带电粒子(诸如质子)的任何部件。例如，(一个或多个)质子束调节组件308可以包括电磁组件。更具体地，(一个或多个)质子束调节组件308可以包括一种或多种电磁组成，诸如四极透镜、柱面镜透镜/分析仪(“cma”)、球面镜透镜/分析仪(“sma”)、准直器、能量衰减器、飞行时间控制单元、磁偶极子或任何其他适合操纵带电离子的组件。(一个或多个)质子束调节组件308还可以调节质子束318的一个或多个特性。例如，束调节组件308可以操纵诸如通量或光斑大小之类的特性。(一个或多个)质子束调节组件308还可以过滤具有特定能量的粒子或减少各种粒子的能量。
可以在系统300内的各种位置中设置(一个或多个)质子束调节组件308，包括在相互作用室内部、沿着质子束线、在台架310内或其任何组合。例如，质子束调节组件可以沿着在离子生成靶304和台架310之间延伸的束线设置。束线可以被配置为维持各种条件，诸如温度、压力(例如，真空)或有益于传播和/或操纵质子束318的(一个或多个)其他条件。束线可以进一步包括用于容纳带电粒子束的其他组件，包括但不限于诸如束收集器、束衰减器和保护性屏蔽件之类的元件。
控制系统314可以监视和/或控制系统300的各个方面。例如，控制系统314可以监视与电磁辐射源302、(一个或多个)光学组件306、离子生成靶304、(一个或多个)质子束调节组件308、台架310和/或患者支撑平台312。控制系统314还可以接受系统300的用户(例如技术人员或其他操作员)的输入。控制系统314也可以接受、存储和运行与系统300有关的操作，包括例如发起和维护系统300的任何功能。控制系统314还可以被配置为实现一个或多个检测器与一个或多个系统300的各种组件之间的反馈。例如，这种反馈可以改善系统300或其操作的精度、效率、速度和/或其他方面。这种反馈的示例在下面更详细地描述。
图5是示例性计算系统500的图，其示出了可以与控制系统314相关联并且与公开的实施例一致的配置。如本领域技术人员将理解的，与控制系统314相关联的一些或全部功能可以由与计算系统500相关联的软件、硬件或其任意组合来运行或促进。在一个实施例中，计算系统500可以具有一个或多个处理器520、一个或多个存储器540以及一个或多个输入/输出(i/o)设备530。在一些实施例中，计算系统500可以采取服务器、通用计算机、定制专用计算机、大型机、笔记本电脑、移动设备或这些组件的任意组合。在某些实施例中，可以基于可以执行与公开的实施例一致的一个或多个操作的软件指令的存储、运行和/或实现，将计算系统500(或包括计算系统500的系统)配置为特定装置、系统等。计算系统500可以是独立的，或者其可以是子系统的一部分，该子系统可以是更大系统的一部分。
处理器520可以包括一个或多个已知的处理设备，诸如专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、可编程逻辑设备(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微处理器，其他电子单元及其组合。例如，处理器520可以包括来自由inteltm制造的pentiumtm或xeontm系列、由amdtm制造的turiontm系列的处理器，或由sunmicrosystems制造的各种处理器中的任何一个。处理器520可以构成同时运行并行处理的单核或多核处理器。例如，处理器520可以是配置有虚拟处理技术的单核处理器。在某些实施例中，处理器520可以使用逻辑处理器来同时运行和控制多个进程。处理器520可以实施虚拟机技术或其他已知技术，以提供执行、控制、运行、操纵、存储等多个软件进程、应用、程序等的能力。处理器520可以包括多核处理器布置(例如，双核、四核等)，其被配置为提供并行处理功能，以允许计算系统500同时允许多个进程。本领域普通技术人员将理解，可以实现提供本文公开的能力的其他类型的处理器布置。所公开的实施例不限于任何类型的(一个或多个)处理器。
存储器540可以包括一个或多个存储设备，其被配置为存储由处理器520用来执行与所公开的实施例有关的功能的指令。例如，存储器540可以配置有一个或多个软件指令，诸如当由处理器520运行时可以执行一个或多个操作的(一个或多个)程序550。所公开的实施例不限于被配置为执行专用任务的单独的程序或计算机。例如，存储器540可以包括执行计算系统500的功能的程序550，或者程序550可以包括多个程序。另外，处理器520可以运行位于远离计算系统500处的一个或多个程序。例如，控制器314可以经由计算系统500(或其变型)访问一个或多个远程程序，这些程序在被运行时执行与某些公开的实施例有关的功能。处理器520可以进一步运行位于数据库570中的一个或多个程序。在一些实施例中，程序550可以存储在外部存储设备中，诸如位于计算系统500外部的服务器，并且处理器520可以远程地执行程序550。
存储器540还可以存储数据，该数据可以以系统可以用来执行与所公开的实施例一致的操作的任何格式来反映任何类型的信息。存储器540可以存储指令以使处理器520能够执行一个或多个应用，诸如服务器应用、网络通信过程以及任何其他类型的应用或软件。可替代地，指令、应用程序等可以存储在外部存储(未示出)中，该外部存储经由包括局域网或以太网的合适网络与计算系统500通信。存储器540可以是易失性或非易失性、磁性、半导体、磁带、光学、可移动、不可移动或其他类型的存储设备或有形(即，非暂时性)计算机可读介质。
存储器540可以包括数据560。数据560可以包括由控制器314在经由系统300控制离子(例如，质子)疗法治疗中使用的任何形式的数据。例如，数据560可以包括与系统300的各个组件的操作有关的数据、与操作系统300的各个组件相关联的反馈参数、从与系统300相关联的一个或多个检测器收集的数据、针对特定患者或针对特定疾病的治疗计划、针对系统300的各个组件的校准数据等。
i/o设备530可以包括一个或多个设备，该设备被配置为允许计算系统500接收和/或发送数据。i/o设备530可以包括允许计算系统500与其他机器和设备通信的一个或多个数字和/或模拟通信设备，其他机器和设备诸如为图3所示的系统300的其他组件。例如，计算系统500可以包括接口组件，其可以提供到一个或多个输入设备的接口，输入设备诸如为一个或多个键盘、鼠标设备、显示器、触摸传感器、读卡器、生物特征读取器、照相机、扫描仪、麦克风、无线通信设备等，其可以使计算系统500能够接收来自控制器314的操作员的输入。此外，i/o设备可以包括一个或多个设备，该设备被配置为允许控制系统314与系统300的各个设备中的一个或多个设备通信，诸如通过有线或无线通信信道。
计算系统500还可包含一个或多个数据库570。可替代地，计算系统500可以通信地连接至一个或多个数据库570。计算系统500可以经由诸如有线或无线网络之类的网络而通信地连接至(一个或多个)数据库570。数据库570可以包括一个或多个存储设备，其存储信息并且通过计算系统500来访问和/或管理。
图6是示例性电磁辐射源302的总体示意图。如图6所示，电磁辐射源302可以包括一个或多个振荡器602、泵浦源604、光学器件606、诊断器件608、延伸器610、放大器612、压缩器614和控制器616。图6的配置仅是示例，并且可以与所公开的实施例一致地实现许多其他配置，并入电磁辐射源302、系统300的组件或其他组件中的一个或多个组件。
振荡器602可以包括一个或多个激光器，该激光器用于生成要被操纵(例如，成形和/或放大)的初始激光脉冲618，以达到电磁辐射束316的要求。可以使用各种激光器或激光系统作为振荡器602，包括市售的激光系统。
泵浦源604可以包括被配置为将能量传输到激光脉冲618中的独立激光器或(一个或多个)激光系统。在一些实施例中，泵浦源604可以通过并入了一个或多个光学组件306的束线来连接到振荡器602的输出。附加地或可替代地，泵浦源604可包括其他泵浦机构，诸如闪光灯、二极管激光器和二极管泵浦固态(dpss)激光器等。在一些实施例中，泵浦源604可以被配置为更改电磁辐射束316的时间分布。例如，控制系统314可以被配置为控制泵浦源604的定时，由此控制预脉冲的定时和电磁辐射束的消隐脉冲电平。
光学器件606可以包括关于光学组件306讨论的任何组件，并且可以执行关于光学组件306描述的任何角色和/或功能。
诊断器件608可以包括光学、光机械或电子组件，这些组件被设计为监视激光脉冲618，诸如其时间和空间特性、光谱特性、定时和/或其他特性。更具体地，诊断器件608可以包括一个或多个光电二极管、示波器、照相机、光谱仪、相位传感器、自相关器、互相关器、功率计或能量计、激光位置和/或方向传感器(例如，指向传感器)、眩目器(或mazzler)等。诊断器件608还可包括或并入以上关于光学器件606所识别的任何组件。
延伸器610可以被配置为啁啾(chirp)或延伸激光脉冲618。更具体地，延伸器610可以包括(一个或多个)衍射光栅或其他色散组件，诸如棱镜、啁啾镜等。
放大器612可包括诸如钛蓝宝石晶体、co2气体或nd：yag晶体之类的放大介质。放大器612还可包括用于放大介质的保持器。保持器可以被配置为与诸如定位、温度等的支撑环境条件兼容。放大器612可配置为从泵浦源604接收能量并将此能量传输到激光脉冲618。
压缩器614可以包括光学组件，该光学组件被配置为在时间上压缩激光脉冲618，例如压缩到最终的持续时间。压缩器614可以由位于保持器上以及位于真空室内的衍射光栅构成。可替代地，压缩器614可以例如由色散光纤或棱镜构成。另外，压缩器614可包括镜或其他光学组件306，以及电动机和其他电子控制的光机械。
控制器616可以包括控制和/或同步电磁辐射源302的各种组件的(一个或多个)电子系统。控制器616可以包括控制器、电源、计算机、处理器、脉冲发生器、高压电源和其他组件的任何组合。作为示例，控制器616可以包括一个或多个计算系统500，其可以专用于电磁辐射源302或与系统300的其他组件共享。在一些实施例中，控制器616的一些或全部功能可以由系统300的控制器314执行。
控制器616可以经由各种通信信道与电磁辐射源302的各种组件以及系统300的其他组件接口。通信信道可以被配置为发送电或其他信号以控制与辐射源302或系统300相关联的各种光学和光机械组件。通信信道可以包括与高压兼容的导体、电触发器、各种有线或无线通信协议、光通信和其他组件。控制器616可以沿着电磁辐射源302接收来自光学和机械诊断组件的输入，以及沿着系统300的其他部分接收来自诊断器件608的输入。此外，控制器616可以接收来自用户的信号或基于从用户输入的信号，例如基于由用户输入的患者治疗计划的信号。
图7描绘了与本公开的实施例一致的台架700的示例。在一些实施例中，台架310(图3)可以以台架700的形式布置，尽管这并不旨在是限制性的，并且可以采用其他台架设计。台架700可以将质子束318传送到等中心712。在一些实施例中，等中心712可以代表治疗体积的位置或治疗体积内的位置。台架700还可被配置用于光束调节和重新配置，以在治疗之前和期间适当地引导质子束318。台架700可包括螺线管704、连接器706、(一个或多个)束调节组件708、(一个或多个)准直器718和(一个或多个)扫描磁体710。高度714和宽度716可基于台架700的许多可能配置而广泛地变化。在一些实施例中，高度714和宽度716中的任一个或两者可以小至2.5米。
在一些实施例中，台架700可以通过壁702或其他屏障与系统300的其他组件分离。壁702可包括一个或多个开口(图中未示出)以允许质子束318和被配置为传送质子束318的任何束线或其他设备通过。壁702的位置可根据多种因素而变化，并且在一些实施例中，壁702可以不存在。
螺线管704可以被配置为捕获由离子生成靶304发射的质子。在一些实施例中，由离子生成靶304发射的质子可以呈现出大的发散。作为示例，从离子生成靶304发射的质子的光束大小可以在诸如1cm之类的短距离上扩大100倍。螺线管704可以被配置为减少质子束318的会聚。
螺线管704可以包括高场螺线管，例如9至15t的超导螺线管。场强可以与螺线管长度和所得的光束大小有关。较高的螺线管场强可以导致较小的光束大小和螺线管704所需的孔径。螺线管704的长度可以基于场强和其他因素而变化。在一些实施例中，螺线管704的长度可以在0.55m至0.85m之间，而孔径在4cm至20cm之间。在一些实施例中，螺线管704可以与一个或多个准直器结合使用。此外，在一些实施例中，除了螺线管704之外或作为其替代，可以采用一个或多个四极子。
连接器706可以是配置为促进台架700的物理运动(诸如，绕着诸如轴716之类的旋转轴的旋转)的任何机械和/或光学连接。台架可以被配置为通过电动机和/或致动器的任何适当布置而物理地移动，该电动机和/或致动器可以由控制系统314控制。连接器706可以包括一个或多个轴承或衬套，并且可以连接到和/或集成到承载质子束318的束线中。因此，连接器706可配置为维持密封或其他屏障，以防止射线束内丢失真空状态或其他环境条件。此外，连接器706可以包括旋转不变的光学器件，例如以减小作为台架位置的函数的调谐依赖性。
台架700可进一步包括束调节组件708。束调节组件708可包括上述束调节组件308中的任何一个，其被配置为引导质子射束318通过台架。在一些实施例中，束调节组件708可以包括电磁体，诸如偶极子和/或四极子，其被配置为使质子束318转向通过台架700。束调节组件708可以包括法向导电偶极子、超铁超导偶极子、带状线偶极子等。
在一些实施例中，束调节组件708可以包括偶极对(例如，每个偶极子弯曲质子束318大约45°)以形成矩形(或角度的任何其他组合以形成矩形或另一期望的形状)。偶极对可以工作在约为4.8t，长度约为0.6m。偶极对之间的直段可以独立调整，从而提供调谐范围、灵活性，并因此可以定制电磁光学器件。将90°的弯曲分成两个可以改善参考轨迹控制，因为每个偶极子都可以独立调节，例如经由单个电源上的分流器进行调节，从而提供至少10％的变化(考虑到两个偶极子，总的相对更改为20％)。因此，偶极对可以促进台架700的每个臂上的独立轨迹校正，从而减小公差和成本。
台架700还可以包括一个或多个准直器718。准直器718可以被配置为过滤质子束318，使得仅允许沿期望方向行进和/或具有期望动量的质子经过。准直器718可以设置在台架700内的各种位置。例如，如果束调节组件708具有消色性质，从而对下游的光束产生不期望的影响，则准直器718可以被配置为抵消这种影响。
台架700可以进一步包括(一个或多个)扫描磁体710。扫描磁体710可以包括束调节组件，诸如束调节组件308或708，其被配置为调节空间中的等中心712的位置。扫描磁体710可以由控制系统314控制，例如以调节提供给治疗体积的治疗位置。扫描磁体710可以设置在台架700内的多个位置中的任何一个位置中。例如，扫描磁体710可以在一个或多个束调节组件708的上游、在所有束调节组件的下游或这些上游和下游位置的组合，如图7所示。
系统300可以被配置为使得扫描磁体与其他组件协同操作，以便控制患者内的治疗位置。例如，控制系统314可以控制扫描磁体710、台架700的运动和患者支撑平台312的运动的任何组合。一个或多个组件可以被配置用于控制特定的维度和/或自由度。例如，患者支撑平台可以被配置为在一个维度上调节患者位置，而扫描磁体710在与第一维度正交的另一维度上进行调节。
可替代地或附加地，系统300可以被配置为使得给定维度的粗调可以由与微调不同的组件来执行。例如，可以通过被配置为操纵患者支撑平台312的电动机来执行特定维度的粗调，同时可以通过扫描磁体710来进行微调。对于本领域技术人员而言，这样的调节的多种组合是显而易见的。
图8描绘了台架800的另一示例。台架800可以包括与台架700相同的一些或全部组件，诸如螺线管704、连接器706、(一个或多个)束调节组件708、(一个或多个)准直器718和(一个或多个)扫描磁体710，并且还可以包括其他四极元件802。四极元件802是作为磁束线的一部分并帮助将质子束传送到治疗体积的磁性元件。四极元件802通常用于聚焦或散焦带电粒子束，这与一些较大的偶极子正相反，该偶极子通常用作弯曲磁体以弯曲质子束。四极元件802可以是永磁体(例如，由后接地元件和/或其他磁性材料制成)、常导电磁体、超导电磁体、脉冲磁体或其他能够提供适当的固定或可调磁场的设备。
图9是用于质子束形成的过程900的示例性流程图。在步骤902中，电磁辐射源(例如，源302)可以发射电磁辐射束(例如，光束316)。在步骤904，电磁辐射束可以撞击粒子生成靶(例如，靶304)。在步骤906中，电磁辐射束与离子生成靶的相互作用可以生成包括质子的粒子。在步骤908，(一个或多个)质子束调节组件(例如，组件308)可以从粒子形成质子束(例如，光束318)，并且将质子束引导到患者体内的治疗体积。过程900的步骤可以自动地执行，诸如通过控制系统314。过程900的步骤也可以响应于用户输入而执行，诸如通过控制系统314，或者通过各种组件的自动和手动操作的组合来执行。在一些实施例中，可以基于治疗计划中的规范来执行过程900，该治疗计划可以基于特定患者、治疗类型和/或治疗体积将其定制为不同程度。
在步骤902中，发射的电磁辐射束可以经由能够进行辐射束生成的任何组件来生成，例如，关于图6描述的组件的各种组合。
在步骤904中，电磁辐射束可以撞击离子生成靶。例如，可以将离子生成靶304布置在相互作用室内，以将离子生成靶与外部环境隔离。在撞击离子生成靶304时，电磁辐射束316和离子生成靶304的相互作用可以生成各种粒子，包括可以在质子束318中使用的质子。在一些实施例中，可以以约250mev的质子能量从离子生成靶304上被电磁辐射束316撞击的位置发射质子，该电磁辐射束316聚焦到大约10到100μm的光斑大小。从离子生成靶304发射的质子的二维发散角可以是大约0.2弧度(即，大约11度)。另外，质子能量角分布
根据本公开，离子生成靶可以由相互作用室支撑和/或容纳在相互作用室内。如本公开中所使用的，相互作用室可以指代被配置为将靶与环境条件隔离并为离子生成提供适当环境的任何结构。
根据本公开，相互作用室可以例如包括靶台。如本公开中所使用的，靶台可以指代被配置为支撑离子生成靶的任何结构。在一些实施例中，靶台可以由处理器控制，该处理器被配置为引起靶台和电磁辐射束之间的相对运动。
根据本公开，相互作用室可以包括一个或多个检测器。如本文所使用的，检测器可以指代检测样品室条件、电磁辐射源或束、质子束和/或激光靶相互作用的一个或多个特性的设备。检测器可以例如观察相互作用室内和/或附近的任何条件。在一些实施例中，用于生成质子束的系统可以包括与相互作用室分离的其他检测器。作为示例，检测器可以被配置为测量至少一个激光靶相互作用特性。
如本公开中所使用的，激光靶相互作用可以指代与电磁辐射束与离子生成靶的相互作用有关的可观察特性。激光靶相互作用特性可以包括例如质子束特性、二次电子发射特性、x射线发射特性、质子束能量、质子束通量和/或指示电磁辐射束和离子生成靶之间的相互作用的其他特性。
图10描绘了相互作用室1000的示例。相互作用室1000可以具有任何大小和形状，并且可以由任何合适的材料或能够在激光靶相互作用期间容纳靶的材料构成。不锈钢是可用于构造相互作用室1000的材料的一个示例。
相互作用室1000可包括一个或多个台1002，其被配置为支撑离子生成靶304和/或相互作用室1000内的其他设备，诸如(一个或多个)光学组件、(一个或多个)束调节组件、检测器等。(一个或多个)台1002可以是固定的或可调节的。可调节台可被配置为沿一个或多个轴平移和/或旋转。(一个或多个)台1002的调节可以是手动的或自动的。可以例如响应于由控制系统314提供的一个或多个信号来执行自动调节。(一个或多个)台1002可以可选地被配置为加热、冷却或维持离子生成靶304的温度。可以例如通过监视离子生成靶304的温度并响应于所测量的温度来升高、降低或维持离子生成靶304的温度来实现温度控制。例如，可以使用一个或多个热电偶、一个或多个红外温度传感器和/或任何其他用于测量温度的技术来实现温度监视。可以例如通过调节流过加热元件的电流量来进行温度调节。加热元件可以是例如难熔金属，诸如钨、铼、钽、铌钼和/或其合金。例如，也可以通过使冷却剂(诸如水或低温流体(例如，液态氧、液态氦、液态氮等))流过直接或间接地与离子生成靶304热连通放置的导管来进行温度调节。如本领域普通技术人员将理解的，这些示例性的调节温度的方式是兼容的并且可以组合。当然，这些温度调节方法不是限制性的，并且任何其他已知的用于加热、冷却和/或维持离子生成靶304的温度的方法可以与本文的公开内容一起使用。
相互作用室1000可以包括一个或多个相关联的真空泵1004。例如，样品制备和质子束形成中的一个或两者可能具有低于大气压的大气压力要求，或者可能在特定的低于大气压的压力范围内达到最佳性能。(一个或多个)真空泵1004可用于影响相互作用室1000和/或与相互作用室1000相关联的组件内的压力条件。例如，(一个或多个)真空泵1004可在相互作用室1000中维持真空条件或接近真空的条件。(一个或多个)真空泵1004的示例可以包括一个或多个涡轮分子泵、低温泵、离子泵或机械泵，诸如隔膜泵或罗茨泵。(一个或多个)真空泵1004可以结合一个或多个压力调节器(图中未示出)来操作。
相互作用室1000可以包括光学组件1006。以上关于(一个或多个)光学组件306所指出的任何组件都可以在相互作用室内使用以进一步引导电磁辐射束316。如图10所示，例如，相互作用室可以包括镜1006a，其被配置为将电磁辐射束316引导向离子生成靶304。在一个实施例中，相互作用室1000可以包括抛物面镜1006b，其被配置为将电磁辐射束316聚焦到离子生成靶304上。
相互作用室800可以包括任何数量的(一个或多个)质子束调节组件308。例如，如图8所示，相互作用室1000可以包括准直器1010。本领域技术人员将认识到，可替代地或附加地，(一个或多个)其他质子束调节组件308可以被包括在相互作用室800中。在各种实施例中，(一个或多个)任意束调节组件308都可以并入到相互作用室1000中。
相互作用室1000可包括束线1012或与束线1012接口，如以上结合(一个或多个)质子束调节组件308所述。束线1012可包括维持在低于大气压的压力以促进质子束318的传播的导管。束线812可以包括质子束调节组件，诸如以上相对于(一个或多个)质子束调节组件308提及的任何元件。束线812还可以包括真空泵，诸如关于(一个或多个)真空泵1004描述的任何泵，以达到和/或维持低于大气压的条件。
相互作用室1000可以包括一个或多个阀1014。可以使用任何合适的(一个或多个)阀，并且该阀可以位于例如相互作用室1000的各个部分之间，或者相互作用室1000与系统300的其他组件或其周围环境之间。(一个或多个)阀1014可以被配置为例如隔离(一个或多个)真空泵1004或束线1012。(一个或多个)阀1014可以是手动或自动的。例如，自动阀可以是气动和/或电子的。(一个或多个)阀1014可以是简单的打开/关闭阀(诸如二位闸阀)，或者(一个或多个)阀1014可以被配置为部分打开。与(一个或多个)真空泵1004相关联的(一个或多个)阀1014可以例如包括可以在打开状态和关闭状态之间连续变化的一个或多个蝶形阀。(一个或多个)阀1014可被配置为维持压力、保留或释放材料和/或允许访问相互作用室800以维护部件或更换离子生成靶。
相互作用室1000可以包括一个或多个遮光器1016。遮光器1016可以被配置为例如阻挡或允许电磁辐射束1016进入室1000。例如，(一个或多个)遮光器1016可以是简单的打开/关闭遮光器。如果需要的话，(一个或多个)遮光器1016也可以被配置为对电磁辐射束316进行斩波。(一个或多个)遮光器1016的操作可以是手动的或自动的。自动操作可以例如响应于由控制系统314提供的一个或多个信号而发生。
相互作用室1000可以包括一个或多个窗1018。窗1018可以由适合用于与相互作用室1000相关联的压力、温度和其他环境因素的任何材料构成。
如上所述，相互作用室1000可以被配置用于就地形成离子生成靶。系统300还可以包括连接到相互作用室1000并且被配置用于靶制备和/或调整的、分离的或基本分离的制备室(图6或10中未示出)。制备室可以包括用于制备离子生成靶的各种设备和仪器，诸如可以在用于执行蒸发、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延、原子层沉积等的系统中找到的设备。制备室还可以包括用于保持离子生成靶304或靶衬底的(一个或多个)平台，该靶衬底将用作形成离子生成靶304的模板。制备室还可以包括用于在制备后将离子生成靶转移到相互作用室中的地点的机构。可替代地或除了使用分离的或基本分离的制备室之外，可以类似地配备相互作用室1000，使得可以在相互作用室1000(图6或10中未示出)内进行样品制备或调整。
制备室还可以包括温度控制元件(如以上关于平台1002所述)、一个或多个样品转移机构，诸如转移臂或熟悉真空系统的人员所熟知的任何其他转移设备。系统300还可包括在样品制备室和相互作用室1000之间的负载锁。
相互作用室1000可以进一步包括加热和/或冷却元件(图10中未示出)。样品制备和粒子束形成中的一个或两者可能具有温度要求，或者可能在特定的温度范围内达到最佳性能。相互作用室可包括加热元件和/或冷却元件，其被配置为达到并维持这样的温度条件。加热和冷却元件可以包括关于(一个或多个)平台1002描述的但是被配置为大体上控制相互作用室1000的其他部分或相互作用室1000的温度条件的任何温度控制设备和/或方法。
相互作用室1000可以包括一个或多个检测器1020。检测器1020可以被配置为测量与相互作用室1000相关联的条件。在一些实施例中，可以基于单次发射(single-shot)进行测量。即，检测器1020可以被配置为测量与电磁辐射束316和离子生成靶304之间的单独相互作用相关联的特性。检测器1020还可以在更连续的基础上测量相同或不同的特性，例如，在处理之后提供结果。
检测器1020的放置可以基于许多因素而变化，包括空间限制和用于测量的最佳位置。如图10所示，检测器1020可以沿着相互作用室1000的外壁来定位(诸如检测器1020a)、邻近离子生成靶304定位(诸如检测器1020b和1020c)，或者与质子束318呈直线定位(诸如1020d)。
对于一些检测器1020来说，在邻近离子生成靶304的位置进行检测，并且因此在邻近电磁辐射束316与离子生成靶304之间的相互作用(激光靶相互作用)的位置进行检测可能是具有优势的。在一个实施例中，系统300可以随着时间而稳定，此后，这种邻近可能是不必要的。在一些实施例中，一个或多个检测器1020可被安装在相互作用室1000的外部。例如，图10描绘了在相互作用室1000的外部邻近窗1018的检测器1020e。可以将检测器1020设置为使得它们固有地经受计划要测量的特性，或者可以更改相互作用室1000内的条件以促进测量。例如，(一个或多个)光学组件1006可包括转向镜，该转向镜被配置为将信号从相互作用区域暂时或间歇地偏转到检测器，诸如通过窗1018到达检测器1020e。上述检测器放置仅仅是示例性的，并且许多其他放置对于本领域技术人员而言可以是显而易见的。
在一些实施例中，一个或多个检测器1020可以被配置为测量电磁辐射束316或质子束318的一个或多个激光靶相互作用特性。在一些实施例中，检测器1020可以包括四极分析仪、球面镜分析仪(“smas”)、圆柱镜分析仪(“cma”)、二次电子检测器、光电倍增器、闪烁体、固态检测器、飞行时间检测器、激光靶光学诊断检测器、x射线检测器、照相机、法拉第杯或其他检测器。检测器1020可以检测诸如吸收或反射之类的特性、二次电子发射特性、诸如电子温度和/或密度之类的等离子体特性和/或x射线发射特性。二次发射(诸如电子和/或x射线的发射)可以指示激光靶相互作用特性和/或质子束318的特性。例如，电子和/或x射线的能谱和/或通量可以指示质子束特性。然后，这些信号可以用作反馈回路中的输入以修改激光靶相互作用，例如，通过调节电磁辐射源302、(一个或多个)光学组件306、(一个或多个)质子束调节组件308、离子生成靶304的位置/取向中的一个或多个，如下面更详细描述的。
检测器1020可以被配置为检测质子束方向、空间扩散、强度、通量、能量、质子能量和/或能散度。例如，在一些实施例中，可以采用汤普森抛物线(thompsonparabola)。在这样的实施例中，质子束318可以被引导到磁场和电场将质子偏转到检测屏幕上的位置的区域中。质子接触屏幕的位置可以指示质子能量。对于这样的屏幕，可以使用任何质子敏感设备，诸如cr-39板、图像板和/或闪烁体(其耦合到成像设备，诸如ccd照相机)。作为另一个示例，可以利用对质子敏感的屏幕(诸如cr-39和图像板)来检测空间质子束分布，或者可以使用带有检测设备(诸如照相机)的闪烁体。
检测器1020还可包括飞行时间检测器。飞行时间检测器可以测量平均质子能量。在一些实施例中，飞行时间检测器可以包括质子闪烁体和具有足够的时间分辨率的检测器，诸如光电倍增管(pmt)。在pmt上检测到质子签名的时间可以指示质子速度，并因此指示质子能量。
检测器1020还可包括被配置用于等离子体诊断的仪器，诸如被配置用于检测电子温度和密度的x射线光谱仪或被配置用于检测等离子体密度的干涉仪。光学诊断可以包括反射激光束的成像以测量激光吸收效率。这些检测器可以在初始系统设计、校准和测试期间使用，并且可以被选择性地包含在最终系统中。
再次参考图9，在步骤906中，电磁辐射束(例如，316)与离子生成靶(例如，304)的相互作用可以生成包括质子的粒子。在一些实施例中，可以通过电磁辐射束316扫描离子生成靶304的表面。例如，可以通过连续或不连续的光栅化、逐步扫描或任何其他所需的扫描波形，在离子生成靶304的表面上顺序地扫描电磁束316。可替代地，可以在离子生成靶304的表面上非顺序地扫描电磁束316。可以通过手动或自动调节位于电磁辐射源302与电磁辐射源302之间的一个或多个光学组件306来实现电磁辐射束扫描。例如，可以响应于由控制系统314提供的一个或多个信号，来实现(一个或多个)光学组件306的自动调节。由控制系统314提供的一个或多个控制信号可以通过程序(诸如存储在计算系统500中的程序)来预先确定，或者可以响应于从系统300的各个元件(诸如一个或多个检测器)接收到的一个或多个反馈信号来提供它们。例如，来自系统300中的一个或多个检测器的信息可以指示期望更改激光靶相互作用部位的位置。将在下面更详细地讨论反馈的此示例和其他示例。
在步骤908中，系统300可以从粒子形成质子束318，并将质子束318引导至治疗体积。在步骤906中生成的质子可能起初不会以有用的配置或轨迹来设置。质子可以例如通过一个或多个束调节组件308来形成质子束。质子束的特性可以基于系统300的配置和使用的不同而变化。在一个实施例中，如上所述，质子能量可以为约250mev，并且可以在例如60至250mev的范围内。质子通量可以为约2gy/min，并且质子脉冲持续时间可以小于100psec(皮秒)。由系统300生成的质子还可以具有对称的相位空间分布，从而允许对基于加速器的质子生成系统上的质子束转向和过滤的改进，由此提高了质子束传送和治疗的准确性和效率。当然，以上范围仅是示例，并且具体的能量和通量可以基于配置的细节而变化。
根据本公开，反馈可用于调节质子束的一个或多个特性。如本公开中所使用的，反馈可以指代一种控制协议，其中一个或多个系统输出被路由回到系统中(即，被反馈回到系统中)作为因果关系链的一部分的一个或多个输入。例如，处理器(如上所述)可以被配置为产生反馈信号以控制电磁辐射束、质子束和/或激光靶相互作用的方面。这样的反馈信号可以例如基于电磁辐射束、质子束和/或激光靶相互作用的一个或多个特性。在一些实施例中，反馈信号可以通过调节电磁辐射源、一个或多个光学组件和/或电磁辐射束相对于离子生成靶的位置或取向中的至少一个来更改质子束。在某些情况下，反馈可用于确定离子生成靶的结构。
反馈信号可以被配置为更改电磁辐射束的方面。例如，处理器可以生成一个或多个反馈信号，该反馈信号被配置为调节电磁辐射源以更改电磁辐射束的时间分布。此外，电磁辐射源可以被配置为生成电磁辐射束的主脉冲和预脉冲，并且处理器可以被配置为使电磁辐射源响应反馈信号而更改预脉冲与主脉冲的对比度。
此外，处理器可以被配置为生成反馈信号以更改电磁辐射束的能量或电磁辐射束的空间或时间分布。例如，一个或多个光学组件可以响应于反馈信号而更改电磁辐射束的光斑大小。在一些实施例中，电动机可响应于反馈信号而更改电磁辐射束与离子生成靶之间的相对取向。并且在一些实施例中，自适应镜可以响应于反馈信号而将电磁辐射束引导到离子生成靶处。
在一些实施例中，反馈可用于调节质子束318的特性。图11描绘了用于采用这种反馈的示例性过程1100中的过程流程。在步骤1102，系统300可以确定或编程为激光靶相互作用特性的期望值。激光靶相互作用特性可以基于由上述检测器1020中的任何一个检测到的任何特性。期望值可以例如基于与质子束318中期望的质量有关的标称值、基于治疗计划中的期望特性的值、系统300的最佳操作状态等。
在步骤1104，系统300可以基于检测到的激光靶相互作用特性来生成一个或多个反馈信号。反馈可以由控制系统314接收和/或处理。例如，控制系统314可以通过将激光靶相互作用特性与在步骤1102中建立的激光靶相互作用特性的期望值进行比较，来计算对系统300的各个组件的调节。在一些实施例中，可以根据诸如pid(比例积分微分)控制回路之类的反馈控制算法来执行调节和比较。由(一个或多个)反馈信号定义的(一个或多个)关系可以是线性的(例如，脉冲持续时间的增加可能反比例地影响质子能量
在步骤1106，系统300可基于反馈信号来调节一个或多个系统组件。例如，在一些实施例中，控制系统314可以被配置为基于反馈信号来调节电磁辐射束316的特性。所生成的反馈可以使电动机调节电磁辐射束316的路径。电动机可以例如调节一个或多个光学组件306。这种调节可以例如使电磁辐射束316在更理想的一个或多个位置处撞击离子生成靶304，由此更改由电磁辐射束316撞击离子生成靶304而导致的质子束318的特性。这样的调节还可以使电磁辐射束顺序地撞击离子生成靶304的多个相邻特征，使得以期望的速率照射特征。附加地，(一个或多个)光学组件306可以被配置为在离子生成靶304的表面上扫描电磁辐射束316。作为另一个示例，可以由电动机基于反馈信号来操纵离子生成靶304，从而以六个自由度中的任何一个来移动离子生成靶304。
在一些实施例中，在步骤1108，控制系统314可以使电磁辐射源302响应于反馈信号而更改电磁辐射束316的能量、波长，或者时间或空间分布。控制系统314还可以使电磁辐射源302响应于反馈信号而更改预脉冲与主脉冲的对比度。经由电磁辐射源302对电磁辐射束316的这样的调节可以例如通过调节(一个或多个)振荡器602、(一个或多个)泵浦源604、光学器件606、(一个或多个)延伸器610、(一个或多个)放大器612和(一个或多个)压缩器614中的一个或多个来实现。在一些实施例中，电磁辐射源302的任何光学元件或其他组件或者(一个或多个)光学组件306可以根据反馈信号而改变、移动、取向或以其他方式配置，从而导致许多更改。上面的示例并非旨在进行限制。
在步骤1108，系统300可以引导电磁辐射束316以撞击离子生成靶304，例如，如以上关于过程900的步骤902和904所描述的，如图9所示。
在步骤1110，系统300可以检测激光靶相互作用特性。所检测的激光靶相互作用特性可以包括以上关于检测器1020所描述的任何一个或多个特性和/或关于电磁辐射束316、质子束318、激光靶相互作用、故障条件，或由系统的任何组件生成的任何其他信号检测到的任何特性。
在步骤1110处检测到的激光靶相互作用特性可以被传递回步骤1104，并且过程1100可以重复任何次数。例如，过程1100可以重复一个规范固定的次数、由控制系统314预设的次数、由治疗计划定义的次数，或者实时确定的可变次数。
在一些实施例中，可能期望选择特定能量和/或通量的质子。例如，如以上关于质子疗法的优势所描述的，可能期望治疗患者体内特定深度的治疗体积。可以通过选择性地发射特定能级或能级范围的质子来指定治疗深度。传送到治疗体积的辐射剂量部分取决于质子束通量。因此，可能需要调整由系统300产生的质子通量和质子能量。
根据本公开，用于引导带电粒子的脉冲束的系统可以包括离子源。如本公开中所使用的，离子源可以指代被配置为产生连续或脉冲离子束的任何结构或设备。脉冲离子束可以指代包括至少一个离子聚束(例如，离子簇)的任何离子组。在一些实施例中，离子源可至少包括如上所述的辐射束和离子生成靶；然而，该示例并非限制性的。例如，与本公开一致的用于引导带电粒子的脉冲束的系统可以与通过任何方法或设备(包括，例如，回旋加速器、同步加速器或其他粒子加速器)生成的任何带电粒子束一起使用。
此外，根据本公开，用于引导带电粒子的脉冲束的系统可以包括至少一个电磁体。如本文所使用的，电磁体可以指代可控制以生成电磁场的任何设备。在一些实施例中，至少一个电磁体可以包括沿着脉冲离子束的轨迹串联的多个电磁体。
此外，与本公开一致，用于引导带电粒子的脉冲束的系统可以包括邻近电磁体的至少一个地区。如本公开中所使用的，邻近电磁体的地区可以指代其中由电磁体生成的电磁场能够更改位于该地区内的带电粒子的轨迹的任何位置。例如，邻近电磁体的地区可以包括取向为使得离子束可以穿过其中的任何位置。在一些实施例中，该地区可以包括在通过电磁体的激活创建的电磁场内的位置。地区的大小可能会因多种因素而变化；然而，在一些实施例中，该地区可以具有小于大约一英寸的尺寸。
根据本公开，用于引导带电粒子的脉冲束的系统可以包括至少一个自动开关。如本公开中所使用的，自动开关可以指代被配置为电连接至电磁体并且被配置为当被信号触发时选择性地激活或停用至少一个电磁体的设备。自动开关可以是可以被选择性地激活或停用的任何开关。例如，自动开关可以包括光电导半导体开关或火花开关。在一些实施例中，至少一个自动开关可以包括多个自动开关。各个自动开关可以与不同的电磁体或同一电磁体相关联。在一些实施例中，第一电磁体可以被配置为将脉冲离子束的一部分从原始轨迹转向到转向轨迹。一些实施例可以进一步包括第二电磁体，该第二电磁体与第一电磁体串联，并且被配置为使至少一部分转向后的脉冲离子束的该部分从转向轨迹重新转向到实质上平行于原始轨迹的路径。
根据本公开，用于引导带电粒子的脉冲束的系统可以包括辐射触发源。如本公开中所使用的，辐射触发源可以包括能够产生辐射触发以激活或停用至少一个自动开关的任何结构。例如，辐射触发源可以包括离子源、x射线源、电子源和光源(例如激光器)中的一个或多个。在一些实施例中，通过辐射触发源制造的辐射触发器可以被配置为激活或停用自动开关并照射离子生成靶，由此生成脉冲离子束。
根据本公开，至少一个处理器可以被配置为，当离子聚束穿过邻近电磁体的地区时，激活至少一个电磁体。至少一个处理器可以包括上述处理器中的任何一个，并且可以被配置为在离子聚束穿过一系列电磁体时顺序地激活多个自动开关。
根据本公开，可以提供受控延迟线。如本公开中所使用的，受控延迟线可以指代被配置为延长辐射束或带电粒子束穿过其的时间的路径。例如，可使用受控延迟线来延迟离子聚束穿过邻近电磁体的地区的时间。作为另一个示例，可以使用受控的延迟线来延迟辐射束激活自动开关的时间。在一些实施例中，受控延迟线可以被配置为使辐射束激活电磁体的自动开关的时间与脉冲离子束穿过邻近电磁体的地区的时间同步。
图12是离子束(例如质子束318内的质子束)的质子能量分布的示例性图。可以如以上关于系统300和离子生成靶304所述的那样来生成图12中示出的脉冲(即，“聚束”)1202。然而，离子生成靶304的使用仅是示例，并且不旨在进行限制。也可以使用其他离子源和离子类型。
在质子疗法的背景下，为了照射位于患者体内特定深度的治疗体积，可能需要一定能量的质子。为了隔离期望能量的质子，系统300可以过滤质子束318以将具有期望能量的质子传送给患者，从质子束中消除具有其他能量的质子。例如，为了传送具有在能量1206和能量1208之间的能量的质子1204，系统300可以通过去除具有小于能量1206以及大于能量1208的能量的任何质子来过滤质子束1202。
可以通过组合某些质子束调节组件308来实现这种过滤。例如，质子束调节组件308可以操纵质子束318，使得具有一定能量的质子沿着与具有其他能量的质子不同的轨迹转向。这可以通过多种方式来实现。例如，质子束调整组件308可以被配置为带通滤波器，以隔离具有在能量1206和能量1208之间的能量的质子。在另一个实施例中，质子束调整组件308可以被配置为高通滤波器，以隔离具有高于能量截止(诸如能量1206或1208)的能量的质子。在另一个实施例中，质子束调整组件308可以被配置为低通滤波器，以隔离具有低于能量截止(诸如能量1206或1208)的能量的质子。
可以组合以上实施例，并且可以使用一个以上的滤波器。例如，低通滤波器和高通滤波器可以串联组合，以创建带通滤波器。在这样的实施例中，低通滤波器可以被配置为隔离具有小于能量1208的能量的质子，而高通滤波器可以被配置为隔离具有大于能量1206的能量的质子。这可能特别有利于选择窄的能带内的质子，特别是比独立带通滤波器可容纳的能带更窄的能带。
为了实现质子能量过滤，可以通过诸如火花开关或光电导开关之类的一个或多个自动开关来选择性地激活和/或控制一个或多个质子束调节组件308。选择性激活可以由控制器314来管理，该控制器314可以具有与自动开关和质子束调节组件308的接口。可以通过由控制器314生成的信号来激活或停用自动开关。该信号可以基于反馈来生成，诸如上述任何形式的反馈。
附加地或可替代地，在一些实施例中，自动开关可以被配置为通过电磁辐射(诸如激光器或另一光源)来进行激活或停用。例如，自动开关可以包括沿着电磁辐射束316的路径布置的光电导半导体开关。可替代地，电磁辐射束316可以由一个或多个光学组件306转向或由光学组件306分裂成多个光束，该多个光束中的一个或多个被传送到自动开关。在这样的实施例中，当电磁辐射束316撞击自动开关时，可以激活或停用该自动开关。因此，电磁辐射束可以被配置为激活自动开关并照射离子生成靶304以生成质子束318。
在其他实施例中，开关电磁辐射源可以不与电磁辐射源302或电磁辐射束316相关联。例如，控制系统314可以使单独的开关电磁辐射源照射一个或多个光电导半导体开关或火花开关，由此激活或停用(一个或多个)质子能量过滤器的质子束调节组件308。
与激活质子能量过滤器中的自动开关相关联的定时可以至少部分地受到飞行时间控制单元的影响，该飞行时间控制单元诸如被配置为调节辐射束激活自动开关的时间的受控延迟线。例如，受控延迟线可以被配置为使自动开关的定时与辐射束同步。附加地或可替代地，与激活质子能量过滤器中的自动开关相关联的定时可以由控制系统314控制，例如响应于用户命令、来自系统300的反馈信号或根据预定的程序。
尽管以上讨论考虑了在质子疗法系统中过滤质子的应用，但是本领域普通技术人员将理解，这些过滤系统和方法具有广泛的适用性。例如，在过滤质子的上下文中描述的这些方法和系统也可以用于过滤在任何各种其他系统和应用中使用的任何各种其他带电粒子。
图13描绘了被配置为实现如上所述的质子能量选择的质子束调节组件308的配置的示例。这样的配置可以包括一个或多个质子束调节组件1302和1306，以及束收集器1304。
在一些实施例中，束调节组件1302和1306可以包括沿着质子束318的轨迹串联设置的多个电磁体。多个自动开关可以与一个或多个不同的磁体或磁体组相关联。控制系统314可以被配置为以各种组合来激活这样的多个开关以操纵质子束318。例如，当质子束穿过多个电磁体中的磁体时，控制系统314可以顺序地激活自动开关。在一个实施例中，束调节组件1302可以被配置为将质子束318的一部分从原始轨迹转向到转向轨迹。束调节组件1302可以被配置为使至少一部分转向后的脉冲离子束的该部分从转向轨迹重新转向到实质上平行于原始轨迹的路径。
如图13所示，质子束318可以通过邻近质子束调节组件1302的地区。该地区可以具有任何大小，但在一些实施例中，其可以具有小于一英寸的尺寸。邻近质子束调节组件1302的地区可以被配置和/或取向为使质子束318(例如，连续束或包括诸如脉冲1202之类的脉冲的脉冲束)穿过该地区。质子束调节组件1302可包括任何质子束调节组件308，例如，诸如偶极子之类的电磁体、cma、sma或飞行时间分析仪。当质子束穿过邻近质子束调节组件1302的地区时，自动开关可以激活质子束调节组件1302，使得具有期望能量的质子沿着轨迹1310朝向束调节组件1306转向，如图13a所示。当具有要从质子束318中滤除的能量的质子穿过邻近质子束调节组件1302的地区时，自动开关可能不会被激活，或者替代开关可能会被激活，并且质子可以沿着轨迹1308朝着束收集器1304行进，如图13b所示。具有期望能量的质子可以通过束调节组件1306，在束调节组件1306处质子被重定向回沿着束线轨迹1312，并最终朝向治疗体积。
在一些实施例中(未示出)，质子能量过滤器可以仅包括单个束调节组件和束收集器。代替使具有期望能量的质子朝向第二电磁元件转向，可以允许具有期望能量的质子通过邻近质子束调节组件的地区而不会转向。当具有要从质子束中滤除的能量的质子通过邻近质子束调节组件的地区时，这些质子可以沿着朝向束收集器的轨迹转向。
在一些实施例中，质子能量过滤器可以包括能量衰减器。例如，能量衰减器可以被用作束收集器1304的一部分。附加地，能量衰减器可以被用于减小未转向到束流收集器的质子的能量和/或通量。为了使用能量衰减器过滤质子束，质子可以转向通过衰减器，在衰减器处质子与衰减器发生相互作用。然后，沿着质子束的轨迹通过衰减器透射的质子具有减小后的能量，由此降低质子束能量。其他质子可以被能量衰减器吸收或者从质子束的轨迹转向，而不再形成透射质子束的一部分，并由此降低了透射质子束通量。能量衰减器可包括例如碳、塑料、铍，诸如铜或铅之类的金属，或者可有效减小质子束能量或通量的任何材料。能量衰减器也可以由任何可有效减小质子束能量或通量的形状组成，包括楔形、被间隙隔开的双楔形(其可以填充有空气或其他材料)、圆柱体、矩形，或任何其他能够使光束降级的材料或配置。
本领域普通技术人员将认识到，上述质子束过滤器配置仅仅是说明性的，并且其他配置被认为是本文所述的一致实施例。
根据本公开，用于利用质子来处理治疗体积的系统可包括质子源。如本公开中所使用的，质子源可以指代具有可释放的质子或能够释放质子的任何材料、系统或子系统。质子源可以被配置为提供具有质子能散度内的多个质子能量的质子束。
此外，根据本公开，用于利用质子来处理治疗体积的系统可以包括至少一个处理器，该至少一个处理器被配置为在三维坐标系的两个维度中控制质子束与治疗体积之间的相对运动。至少一个处理器可以例如包括上述处理器中的任何一个。在一些实施例中，处理器可以被配置为控制质子能散度以在三维坐标系的第三维度中调节治疗体积的深度，同时在其他两个维度中维持实质上固定的坐标。例如，三维坐标系的第三维度可以指代质子束轨迹的近似方向，而其他两个维度指代与第三维度正交的平面。
可以以多种方式来实现在三维坐标系的两个维度中控制质子束与治疗体积之间的相对运动。例如，可以通过旋转台架来实现控制质子束与治疗体积之间的相对运动。可替代地或附加地，可以通过利用电磁体引导质子束和/或移动患者支撑平台来实现控制质子束与治疗体积之间的相对运动。
同样地，可以以多种方式来实现控制能散度和分布或质子。根据本公开，可以例如经由磁分析仪、飞行时间控制单元和能量衰减器中的一个或多个来实现控制能散度。
系统300可以被配置为更改质子束318的一个或多个性质，而其他特性保持实质上固定。在一些实施例中，可以经由反馈来实现这种变化，诸如以上关于过程1100所描述的。例如，控制系统314可以保持质子束318的通量实质上恒定，同时独立地调节质子束318的能量，或者保持质子束318的能量实质上恒定，同时独立地调节其通量。由于基于加速器的系统的较大的大小和较慢的响应时间，因此这种独立调节在该系统中可能是不可行的。然而，通过将反馈(如上所述)与系统300的可调节组件(也如上所述)耦合以重新配置电磁辐射束316和激光靶相互作用的特性，本文公开的系统和方法可实现独立的能量和通量控制，由此独立地调节质子束318的能量和通量。因此，可以比传统系统更快地传递精确治疗，从而减少了患者在治疗上花费的时间并提高了患者的周转量。此外，可以更准确地提供治疗并且对健康组织的损害较小。通过将反馈(如上所述)与系统300的可调节组件(也如上所述)耦合以重新配置电磁辐射束316和激光靶相互作用的特性，本文公开的系统和方法可以可替代地实现同步的能量和通量控制，由此同步调节质子束318的能量和通量。
在一个实施例中，可根据电磁辐射束316的强度、电磁辐射束在离子生成靶304上的位置、电磁辐射束316的时间分布、辐射束316的空间分布、(一个或多个)质子束调节组件308的设置和选择，来调节质子束318的能量和通量。作为一个示例，质子束318的能量可以与电磁辐射束316的强度成比例，而质子束318的通量可以与电磁辐射束316的能量成比例。这可以通过以下关系式来表示：
以及
其中，il是电磁辐射束316的强度，el是电磁辐射束316的强度，a表示电磁辐射束316的空间分布(例如，光斑大小)，δτ表示电磁辐射束316的时间分布(例如，脉冲持续时间)，ep是质子束318的能量，以及
可替代地或附加地，质子束318的能量和通量可以例如通过适当地选择或调节(一个或多个)质子束调节组件308而独立地变化。例如，这可以通过使用以上相对于图13描述的过滤系统和方法之一或通过使用一个或多个能量衰减器来实现。
当独立地调节质子束318的通量时，在起初形成质子束318的地方，质子束318的能量的可用变化可以大到±25％或更大，而系统300能够在束线的更下方将这种波动减小至大约±5％或更小。类似地，当独立地调节质子束318的能量时，在起初形成质子束318的地方，质子束318的通量的可用变化可以大到±25％或更大，而系统300能够在束线的更下方将这种波动减小至大约±5％或更小。
作为独立地调节质子束318的能量和通量的替代方式，质子束318的能量和通量可以例如通过适当地选择或调节(一个或多个)质子束调节组件308而同时地变化。例如，这可以通过使用以上相对于图13描述的过滤系统和方法之一或通过使用一个或多个能量衰减器来实现。
因为过程变量可能在操作期间波动，所以质子束318的能量和通量的独立方差显著地受益于以上参照图11描述的反馈调节。例如，当检测到的激光靶相互作用特性变化时，在操作期间的步骤1108中，控制系统314可以经由步骤1110中确定的反馈信号在步骤1104处相应地自动地调节系统300。
在用于治疗体积的系统治疗的过程中，系统300可以被配置为采用质子束318的一个或多个特性的这种变化，同时使质子束318的其他特性保持固定。图14描绘了用于这种系统治疗的过程1400的示例。在步骤1402，控制系统314可以在三维坐标系的两个维度中相对于治疗体积定位质子束(例如，束318)。例如，第三维度可以由质子束离开台架(例如，台架310)时的轨迹来定义，并且三维坐标系的两个维度可以由与质子束318离开台架310时的轨迹正交的平面来定义。在两个维度中的质子束318与治疗体积之间的相对运动可以由系统300的一个或多个组件控制。例如，相对运动可以由一个或多个电动机和/或与台架310相关联的磁体和/或与患者支撑平台312相关联的一个或多个电动机的任意组合来控制。更具体地，控制系统314可以配置为通过控制以下中的一个或多个来控制质子束318与治疗体积之间的相对运动：台架310的旋转、扫描磁体710的调节以及患者支撑平台312的重新定位。
在步骤1404中，控制系统(例如，系统314)可以配置为在三维坐标系的三个维度中控制质子束与治疗体积之间的相对运动。控制系统314可以被配置为在第三维度中控制这种相对运动，同时在其他两个维度中维持实质上固定的坐标。例如，控制系统314可以控制质子能量以调节治疗的深度，同时在其他两个维度中使质子束318的位置固定。可以经由上述一种或多种技术(在参考或不参考上述特定结构的情况下)实现在步骤1404处控制质子能量。例如，可以根据上面的等式1对电磁辐射束316的能量、时间分布和空间分布中的至少一个进行调整，可使用如图12和图13中的质子能量选择，和/或可使用磁分析仪、飞行时间控制单元和能量衰减器中的一个或多个。
步骤1404的示例在图15a、15b和15c中示出，其描绘了质子束318穿透患者1504的皮肤1502，以向治疗体积1506提供治疗。图15a、15b和15c可以表示与所公开的实施例一致的一系列治疗位置。系统300可以被配置为在如图15b所示的通过减小质子束318的能量来处理区域1510，并随后通过进一步减小质子束318的能量来处理如图15c所示的区域1512之前，对在第三维度上具有更远距离(即，远离患者1504的皮肤1502)的区域1508进行处理，如图15a所示。可替代地，可以颠倒顺序，处理图15c的区域1512，然后增加质子束318的能量以处理图15b的区域1510，然后进一步增加质子束318的能量以处理图15a的区域1508。
可以在图15a、15b和15c所示的区域1508、1510和1512之前、之后或之中在步骤1404包括另外的治疗位置。控制系统314还可被配置为优化治疗以考虑特定序列的影响。例如，旨在处理区域1508(即，如图15a所示)的通过治疗体积1506的质子可以在到达1508之前向区域1510和1512提供一些附带治疗。控制系统314可以通过对应地调节患者的治疗计划中的剂量来考虑施予区域1510和1512的附带剂量。例如，控制系统314可以被配置为在直接处理其他区域(诸如区域1508)的同时，将要传送到区域1510和1512的所有附带剂量进行整合，并从适合于处理区域1510和1512的直接剂量中减去那些附带剂量。因此，可以实现更精确的治疗。
在步骤1406，控制系统(例如，控制系统314)可以确定另一个位置是否需要治疗或治疗是否完成。如果治疗完成(步骤1006；是)，则过程1400可以结束。如果治疗未完成(步骤1006；否)，则过程1000可以返回到步骤1002，相对于两个维度重新定位质子束318，如图15d所示，并重复通过变化质子束318的能量而在第三维度中扫描深度的过程。
虽然本文已经描述了说明性实施例，但是如本领域技术人员基于本公开将认识到的那样，其范围包括具有等同元素、修改、省略、组合(例如，各个实施例的方面的组合)、适应和/或更改的任何和所有实施例。例如，可以修改示例性系统中所示的组件的数量和取向。此外，关于附图中示出的示例性方法，可以修改步骤的顺序和序列，并且可以添加或删除步骤。
本发明的方面可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为支撑离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束；一个或多个光学组件，其被配置为将电磁辐射束引导到离子生成靶处，由此引起合成的质子束；检测器，其被配置为测量至少一个激光靶相互作用特性；以及至少一个处理器，其被配置为基于由检测器测量的至少一个激光靶相互作用特性来产生反馈信号，并通过调节以下中的至少一个来更改质子束：电磁辐射源、一个或多个光学组件，以及电磁辐射束到离子生成靶的相对位置和取向中的至少一个。
激光靶相互作用特性可以包括质子束特性，例如，质子束能量、质子束通量，并且该特性可以包括二次电子发射特性。作为另一示例，激光靶相互作用特性可以包括x射线发射特性。
电磁辐射源可以被配置为提供脉冲电磁辐射束并由此引起脉冲质子束。
相互作用室可以包括用于支撑离子生成靶的靶台，并且处理器可以进一步被配置为引起靶台和电磁辐射束之间的相对运动。
可以至少部分地基于根据测量的激光靶相互作用特性生成的产生的反馈信号来确定离子生成靶的结构。
电磁辐射源可以被配置为响应于反馈信号而更改电磁辐射束的时间分布，和/或还可以被配置为生成主脉冲和预脉冲。至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源响应于反馈信号而更改预脉冲与主脉冲的对比度。
响应于反馈信号，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源更改一个或多个电磁辐射束的能量，或电磁辐射束的光斑大小。
至少一个处理器可以被配置为使一个或多个光学组件响应于反馈信号而更改电磁辐射束的光斑大小，和/或使电动机响应于反馈信号而更改电磁辐射束与离子生成靶之间的相对取向。
本发明的方面还可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为支撑离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束；自适应镜，其被配置为将电磁辐射束引导到相互作用室中的离子生成靶处，由此生成质子束；以及至少一个处理器，其被配置为控制自适应镜，以便调节以下中的至少一个：电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束与离子生成靶之间的相对位置和取向中的至少之一。
自适应镜可以被配置为通过以下中的至少一个来引导电磁辐射束：调节电磁辐射束的焦点、使电磁辐射束转向、以及扫描电磁辐射束。自适应镜还可以被配置为在离子生成靶上光栅化电磁辐射束。自适应镜可包括多个小平面，多个小平面中的每一个小平面能够由数字逻辑电路独立控制。自适应镜可包括聚焦在抗反射涂层衬底上的激光脉冲，激光脉冲和抗反射涂层衬底中的一个或两者能够由数字逻辑电路控制。
至少一个处理器可以被配置为使自适应镜响应于反馈信号将电磁辐射束引导到离子生成靶处，和/或使自适应镜将电磁辐射束引导到离子生成靶的表面上的预定位置处。离子生成靶的表面可以包括图案化阵列，和/或实质上沿共同轴取向的多个离子生成结构。可替代地或附加地，离子生成靶的表面可包括一个或多个刀缘。
本发明的方面可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为支撑离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束；一个或多个光学组件，其被配置为将电磁辐射束引导到离子生成靶处，由此引起合成的质子束；检测器，其被配置为测量至少一个激光靶相互作用特性；以及一个或多个处理器，其被配置为基于由检测器测量的至少一个激光靶相互作用特性来产生反馈信号，并通过调节以下中的至少一个来更改质子束：电磁辐射源、一个或多个光学组件，以及电磁辐射束到离子生成靶的相对位置和取向中的至少一个。
激光靶相互作用特性可以包括质子束特性，例如，质子束能量和/或质子束通量，其可以包括二次电子发射特性。作为另一示例，激光靶相互作用特性可以包括x射线发射特性。
电磁辐射源可以被配置为提供脉冲电磁辐射束并由此引起脉冲质子束。
相互作用室可以包括用于支撑离子生成靶的靶台，并且处理器可以进一步被配置为引起靶台和电磁辐射束之间的相对运动。
可以至少部分地基于根据测量的激光靶相互作用特性生成的产生的反馈信号来确定离子生成靶的结构。
激光靶相互作用特性可以包括质子束能量和/或质子束通量。
响应于反馈信号，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源更改电磁辐射束的能量、电磁辐射束的时间分布，和/或电磁辐射束的空间分布(例如，电磁辐射束的光斑大小)。
电磁辐射源可以被配置为响应于反馈信号而更改电磁辐射束的时间分布，和/或还可以被配置为生成主脉冲和预脉冲。至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源响应于反馈信号而更改预脉冲与主脉冲的对比度。
至少一个处理器可以被配置为使电动机响应于反馈信号而更改电磁辐射束与离子生成靶之间的相对取向。
本发明的方面还可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为支撑离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束；自适应镜，其被配置为将电磁辐射束引导到相互作用室中的离子生成靶处，由此生成质子束；以及至少一个处理器，其被配置为控制自适应镜，以便调节以下中的至少一个：电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束与离子生成靶之间的相对位置和取向中的至少之一。
自适应镜可以被配置为通过以下中的至少一个来引导电磁辐射束：调节电磁辐射束的焦点、使电磁辐射束转向、以及扫描电磁辐射束。自适应镜还可以被配置为在离子生成靶上光栅化电磁辐射束。自适应镜可包括多个小平面，多个小平面中的每一个小平面能够由数字逻辑电路独立控制。自适应镜可包括聚焦在抗反射涂层衬底上的激光脉冲，激光脉冲和抗反射涂层衬底中的一个或两者能够由数字逻辑电路控制。
至少一个处理器可以被配置为使自适应镜响应于反馈信号将电磁辐射束引导到离子生成靶处，和/或使自适应镜将电磁辐射束引导到离子生成靶的表面上的预定位置处。离子生成靶的表面可以包括图案化阵列，和/或实质上沿共同轴取向的多个离子生成结构。可替代地或附加地，离子生成靶的表面可包括一个或多个刀缘。
本发明的方面可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为将离子生成靶支撑在靶位置处；电磁辐射源，其被配置为沿着轨迹提供电磁辐射束，电磁辐射束具有能量、偏振、空间分布和时间分布；一个或多个光学组件，其沿着在电磁辐射源与离子生成靶的表面之间的电磁辐射束的轨迹定位，一个或多个光学组件被配置为与电磁辐射束协作以使电磁辐射束照射离子生成靶，由此促进具有能量和通量的质子束的形成；以及至少一个处理器，其被配置为控制电磁辐射源和一个或多个光学组件中的至少一个，由此更改电磁辐射束的能量、电磁辐射束的偏振、电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束的时间分布中的至少一个，以便调节以下中的至少一个：在保持质子束能量实质上恒定时的质子束通量；以及在保持质子束通量实质上恒定时的质子束能量。
此外，本发明的方面可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为将离子生成靶支撑在靶位置处；电磁辐射源，其被配置为沿着轨迹提供电磁辐射束，电磁辐射束具有能量、偏振、空间分布和时间分布；一个或多个光学组件，其沿着在电磁辐射源与离子生成靶的表面之间的电磁辐射束的轨迹定位，一个或多个光学组件被配置为与电磁辐射束协作以使电磁辐射束照射离子生成靶，由此促进具有能量和通量的质子束的形成；以及至少一个处理器，其被配置为控制电磁辐射源和一个或多个光学组件中的至少一个，由此更改电磁辐射束的能量、电磁辐射束的偏振、电磁辐射束的空间分布以及电磁辐射束的时间分布中的至少一个，以便调节以下中的至少一个：在变化质子束能量时的质子束通量；以及在变化质子束通量时的质子束能量。
至少一个处理器可以被配置为通过更改电磁辐射束的光斑大小来更改电磁辐射束的空间分布。
至少一个处理器可以被配置为通过更改电磁辐射束的啁啾来更改电磁辐射束的时间分布。
至少一个处理器可以被配置为通过更改一个或多个泵浦源的定时来更改电磁辐射束的时间分布。
电磁辐射束可以不被偏振。
电磁辐射源可以被配置为提供脉冲电磁辐射束并由此引起脉冲质子束。
至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射源改变电磁辐射束的能量和电磁辐射束的时间分布。至少一个处理器还可以被配置为使电磁辐射源改变电磁辐射束的能量和电磁辐射束的空间分布。至少一个处理器还可以被配置为使电磁辐射源改变电磁辐射束的能量，并且使一个或多个光学组件改变电磁辐射束的空间分布。至少一个处理器还可以被配置为使一个或多个光学组件改变电磁辐射束的能量和电磁辐射束的空间分布。
本发明的方面可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为支撑提供有多个图案化特征的离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束以照射多个图案化特征；以及至少一个处理器，其被配置为使电磁辐射束撞击多个图案化特征中的各个图案化特征并由此生成合成的质子束。
本发明的方面还可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：相互作用室，其被配置为支撑图案化有至少一个刀缘的离子生成靶；电磁辐射源，其被配置为提供电磁辐射束以照射离子生成靶的至少一个刀缘；以及至少一个处理器，其被配置为使电磁辐射束撞击至少一个刀缘并由此生成合成的质子束。
电磁辐射源可以被配置为提供具有波长的激光束，并且多个图案化特征中的至少一个可以具有小于激光束的波长的尺寸。类似地，刀缘可以具有小于激光束的波长的尺寸。多个图案化特征可以包括远离离子生成靶的表面延伸的突起。
至少一个处理器可以被配置为光栅化离子生成靶。此外，至少一个处理器可以被配置为使电磁辐射束连续或不连续地扫描离子生成靶的表面，例如，通过控制电动机和/或自适应镜。离子生成靶的表面可包括例如多个图案化特征和/或一个或多个刀缘，并且可包括例如冰、硅、碳、塑料或钢。至少一个处理器可以被配置为使电动机和/或自适应镜调节电磁辐射束，以便顺序或同时撞击多个图案化特征中的各个图案化特征，或者撞击刀缘。此外，至少一个处理器可以被配置为引起电磁辐射束在多个图案化特征中的相邻图案化特征上的顺序扫描。
本发明的方面可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：离子源，其被配置为产生包括至少一个离子聚束的脉冲离子束；至少一个电磁体；邻近电磁体的地区，该地区取向成使脉冲束穿过其中；至少一个自动开关，其电连接到至少一个电磁体，用于选择性地激活至少一个电磁体；辐射触发源，其被配置为激活至少一个自动开关；以及至少一个处理器，其被配置为在离子聚束穿过地区时激活至少一个电磁体。
辐射触发源可以包括离子、x射线、电子和激光辐射中的一个或多个。
电磁体可以被配置为生成电磁场，并且当激活电磁体时，地区可以取向为在电磁场内。地区可以具有小于大约一英寸的尺寸。
离子源可以包括辐射触发源和离子生成靶，并且辐射触发源可以被配置为激活自动开关并照射离子生成靶，由此生成脉冲离子束。
可以通过受控延迟线来调节辐射触发源激活自动开关的时间。受控延迟线可以例如被配置为调节辐射触发源激活自动开关的时间与脉冲离子束同步。
自动开关可以包括光电导半导体开关或火花开关。
至少一个电磁体可以包括沿着脉冲离子束的轨迹串联的多个电磁体，并且至少一个自动开关可以包括多个自动开关，多个自动开关中的每一个与多个电磁体中的不同电磁体相关联。至少一个处理器可以被配置为在离子聚束穿过每个电磁体时顺序地激活多个自动开关。
一个或多个串联的电磁体中的第一电磁体可以被配置为将脉冲离子束的一部分从原始轨迹转向到转向轨迹，并且一个或多个串联的电磁体中的第二电磁体可以被配置为使至少一部分转向后的脉冲离子束的该部分从转向轨迹重新转向到实质上平行于原始轨迹的路径。
本发明的方面可以包括一种用于生成质子束的系统，该系统包括：质子源，其被配置为提供具有质子能散度内的多个质子能量的质子束；和至少一个处理器，其被配置为：在三维坐标系的两个维度中控制质子束与治疗体积之间的相对运动；以及控制质子能散度以在三维坐标系的第三维度中调节治疗体积的深度，同时在其他两个维度中维持实质上固定的坐标。
至少一个处理器可以被配置为，通过例如旋转台架、利用电磁体引导质子束和/或移动患者支撑平台，来控制质子束与治疗体积之间的相对运动。
一种用于利用质子处理治疗体积的系统可以被配置为使用磁分析仪、飞行时间控制单元和能量衰减器中的至少一个来控制质子能散度和质子能量分布。
说明书和权利要求书可以指代单数形式的元件，诸如“处理器”或“检测器”。但应当理解，该语法旨在含有多个这样的元素。即，特定功能可以被划分在位于同一板或系统上的多个处理器上，或者远程地位于另一板或另一系统上的多个处理器上。应当理解，对处理器的引用将被解释为“至少一个处理器”，这意味着所列举的功能可以跨多个处理器发生，并且仍然被认为在本公开和权利要求的范围内。对于在整个说明书和权利要求书中以单数形式描述或引用的检测器和其他元件也是如此。
此外，出于说明的目的已经给出了前面的描述。其并非穷举性的，并且不限于所公开的精确形式或实施例。通过考虑所公开实施例的说明书和实践，修改和适应对于本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，在以上关于撞击离子生成靶的激光描述了质子的生成的情况下，可以使用其他质子生成过程，诸如射频耦合。此外，尽管上面的一些描述涉及质子在医学中作为放射疗法的用途，但是本文描述的系统和方法可以用于质子束的其他应用以及涉及除质子以外的其他离子的应用。
将基于权利要求书中使用的语言来广义地解释权利要求，并且不限于本说明书中描述的示例，这些示例应被解释为非排他性的。此外，可以以任何方式修改所公开的方法的步骤，包括通过重新排序步骤和/或插入或删除步骤。
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