用于粒子加速器的控制系统的制作方法
【专利说明】用于粒子加速器的控制系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年9月28日提交的美国临时申请第61/707645号的优先权。美国临时申请第61/707645号的内容通过弓I用并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及一种用于粒子加速器的控制系统。
【背景技术】
[0004]粒子治疗系统使用粒子加速器来产生粒子束用于治疗病痛，比如肿瘤。控制系统管理粒子加速器的行为，以确保其如所期望操作。
【发明内容】
[0005]一种示例性粒子治疗系统可以包括粒子加速器，以输出粒子束，其中，所述粒子加速器包括:粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，其中所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间，并且其中所述粒子束基于电离等离子体的脉冲；以及调制器轮，其具有不同的厚度，其中每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度，并且其中所述调制器轮布置成接收所述粒子束的初级粒子，并且配置成创建用于粒子束的延展的布拉格峰。该示例性粒子治疗系统还包括一个或多个第一输入/输出(I/o)模块，其可以以第一速度操作，其中所述一个或多个第一 I/O模块配置成将机器指令发送至一个或多个电机控制器，其中的至少一个用于控制所述调制器轮；以及一个或多个第二 I/O模块，其可以以比所述第一速度更大的第二速度操作，其中的至少一个配置成将机器指令发送至所述粒子源，使得所述粒子源的脉冲宽度随所述调制器轮的旋转位置而变化。该示例性粒子治疗系统还可以包括一个或多个以下特征:
[0006]该示例性粒子治疗系统可以包括:治疗控制计算机，其被编程以从医院接收处方信息，将该处方信息翻译成机器信息，并且将治疗记录发送到医院；以及主控计算机，其具有实时操作系统，其中所述主控计算机被编程以从所述治疗控制计算机接收机器信息，将该机器信息翻译成机器指令，并且将所述机器指令发送至所述第一 I/o模块和所述第二 I/O模块中的一个或多个。
[0007]该示例性粒子治疗系统可以包括光纤，在其上监测所述调制器轮的旋转速度和位置。所述第一 I/o模块的速度可以是毫秒级，所述第二 I/O模块的速度可以是一百或几百纳秒级。
[0008]所述第一 I/O模块可以是可编程逻辑控制器(PLC)。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制场成形轮系统，以在输出之前使所述粒子束成形。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到电机控制器，用于控制散射系统，以在输出之前使所述粒子束准直。
[0009]该示例性粒子治疗系统可以包括射频(RF)系统，以扫掠RF频率通过所述腔来从由所述粒子源产生的等离子体柱提取粒子，其中所述RF系统包括旋转电容器。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到控制所述旋转电容器的电机控制器。所述PLC中的两个或更多个可以配置成彼此通信。
[0010]该示例性粒子治疗系统可以包括可旋转台架，其上安装有所述粒子加速器。所述PLC中的至少一个可以被编程以将机器指令发送到控制所述可旋转台架的电机控制器。
[0011]所述第二 I/O模块可以是现场可编程门阵列(FPGA)。该示例性粒子治疗系统可以包括电路板，其包括微处理器。所述FPGA中的至少一个可以在所述电路板上并且与所述微处理器通信。所述微处理器可以被编程以与控制计算机通信。
[0012]该示例性粒子治疗系统可以包括射频(RF)系统，以扫掠RF频率通过所述腔来从由所述粒子源产生的等离子体柱提取粒子。所述FPGA中的至少一个可以是RF控制模块。所述RF控制模块可以配置成接收关于所述调制器轮的旋转的信息，并且基于以上信息来协调所述粒子源与RF系统的操作方面。协调所述粒子源与RF系统的操作方面可以包括基于所述调制器轮的旋转位置来接通或关闭所述粒子源，并且基于所述调制器轮的旋转位置来接通或关闭所述RF系统。所述RF控制模块可以配置成将机器指令发送到所述粒子源，以在RF电压处于一定频率时接通且在RF电压处于一定频率时关闭。协调所述粒子源的操作方面可以包括在所述粒子源的接通时间期间确定脉冲宽度。
[0013]一种示例性粒子治疗系统可以包括粒子加速器，以输出由脉冲构成的粒子束；以及深度调制器，其在所述粒子束的路径中。该深度调制器具有可变的厚度并且是可移动的，使得所述粒子束在不同时间影响所述深度调制器的不同厚度。所述粒子治疗系统配置成控制影响所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量。该示例性粒子治疗系统可以单独地或组合地包括一个或多个以下特征。
[0014]所述深度调制器的运动是可控制的，使得不同数量的脉冲影响所述深度调制器的至少两个不同厚度。所述粒子治疗系统可以包括:控制系统，以提供控制信号；以及电机，以响应于所述控制信号来控制所述深度调制器的运动，其中该运动是可由所述控制信号控制的旋转。
[0015]从所述加速器输出脉冲可以被控制，使得不同数量的脉冲影响所述深度调制器的至少两个不同厚度。所述粒子加速器可以包括粒子源，其配置成产生所述脉冲从其中得以提取的等离子体流，其中所述等离子体流响应于施加到电离气体的电压而被产生，并且该电压是可控制的以接通和关闭所述粒子源来控制影响所述至少两个不同厚度的脉冲的数量。所述粒子加速器可以包括粒子源，其配置成产生所述脉冲从其中得以提取的等离子体流；以及射频(RF)源，以扫掠频率且从而在每次频率扫掠从所述等离子体流提取一个或多个脉冲。所述RF源是可控制的，以控制影响所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量。所述RF源是可控制的，以跳过一个或多个频率扫掠。所述粒子治疗系统可以通过包括一个或多个结构来偏转脉冲以便控制影响所述深度调制器的不同厚度的脉冲的数量而得以配置。
[0016]一种示例性粒子治疗系统可以包括粒子加速器，以输出粒子束，其中所述加速器包括:粒子源，以向腔提供电离等离子体的脉冲，其中所述粒子源的每个脉冲具有的脉冲宽度对应于所述粒子源产生相应脉冲的操作持续时间，并且其中所述粒子束基于电离等离子体的脉冲；以及调制器轮，其具有不同的厚度，其中每个厚度延伸跨越所述调制器轮的不同圆周长度，并且其中所述调制器轮布置成接收所述粒子束的初级粒子，并且配置成创建用于粒子束的延展的布拉格峰。所述粒子治疗系统可以配置成使得所述粒子源的脉冲宽度随所述调制器轮的旋转位置而变化。
[0017]在本发明中所阐述的两个或更多个特征(包括在此
【发明内容】
中所阐述的那些特征)可以组合来形成未在本文中具体阐述的实施方式。
[0018]可以通过计算机程序产品来实施本文中所述的各种系统或其部分的控制，所述计算机程序产品包括储存在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上并且可以在一个或多个处理器件上执行的指令。本文中所述的系统或其部分可以实施为可包括一个或多个处理器件及用于储存可执行指令的存储器以实施对所述功能的控制的装置、方法或电子系统。
[0019]下面参照附图以及说明书，对一个或多个实施方式的细节进行阐述。根据说明书、附图以及根据权利要求书，本发明的其它特征、目标及优点将是显而易见的。
【附图说明】
[0020]图1是示例性粒子治疗系统的透视图。
[0021]图2是示例性同步回旋加速器的组件的分解透视图。
[0022]图3、4和5是示例性同步回旋加速器的剖视图。
[0023]图6是示例性同步回旋加速器的透视图。
[0024]图7是示例性反向线圈架及绕组的一部分的剖视图。
[0025]图8是示例性通道中电缆复合导体的剖视图。
[0026]图9是示例性粒子源的剖视图。
[0027]图10是示例性D形板和虚拟D形件的透视图。
[0028]图11是示例性穴室的透视图。
[0029]图12是带有穴室的示例性治疗室的透视图。
[0030]图13示出了患者定位成紧挨着粒子加速器。
[0031]图14示出了患者定位在治疗室中的示例性内台架内。
[0032]图15是示出了用于粒子加速器的控制系统的示例的方块图。
[0033]图16示出了示例性场成形轮系统。
[0034]图17是示出了包括示例性调制器轮和示例性散射体的束路径的侧视图。
[0035]图18是示出了各个布拉格峰以及产生延展的布拉格峰的累积效应的图表。
[0036]图19是用于产生不同深度及强度水平的布拉格峰的示例性调制器轮的侧视图。
[0037]图20是图19的调制器轮的俯视图。
[0038]图21是示出了频率扫掠以及在频率扫掠的周期期间输出的粒子源脉冲宽度的图表。
[0039]图22是示出了在患者内的不同深度的延展的布拉格峰的图表。
[0040]图23是示出了对于图22的延展的布拉格峰的粒子源脉冲宽度相对于调制器轮的角度的图表。
[0041 ]各图中的相同附图标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0042] 概述
[0043]本文所述的是一种用于在系统比如质子或离子治疗系统中使用的示例性粒子接加速器的控制系统的示例。该示例性粒子治疗系统包括安装在台架上的粒子加速器——在该示例中是同步回旋加速器。台架使得粒子加速器能够围绕患者位置旋转，如下文更详细地说明。在某些实施方式中，台架是钢制的，并且具有安装成用于在位于患者相对侧上的两个相应轴承上旋转的两个支腿。粒子加速器由钢桁架支撑，钢桁架足够长以跨越患者躺于其中的治疗区域并且在两端处稳定地连接至台架的旋转支腿。由于台架围绕患者旋转，所以粒子加速器也旋转。
[0044]在示例性实施方式中，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)包括低温恒温器，该低温恒温器保持用于传导产生磁场(B)的电流的超导线圈。在此示例中，低温恒温器使用液态氦(He)来将线圈维持在超导温度，例如4°开尔文(K)。磁轭相邻(例如，围绕)低温恒温器，并且限定粒子在其中得以加速的腔。低温恒温器通过条带等连接至磁轭。
[0045]在该示例性实施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如，潘宁离子真空计一PIG源)，以向腔提供等离子体柱。氢气被电离以产生等离子体柱。电压源向腔提供射频(RF)电压以加速来自等离子体柱的粒子。如所述，在该示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，RF电压扫掠跨越频率范围，以在从该柱提取粒子时考虑对粒子的相对论效应(例如，增加的粒子质量)。由线圈产生的磁场促使从等离子体柱加速的粒子在腔内沿轨道加速。铁磁布置(例如磁场再生器)定位在腔中来调整腔内的现有磁场，从而改变从等离子体柱加速的粒子的连续轨道的位置，最终使得粒子输出至穿过轭的提取通道。提取通道接收从等离子体柱加速的粒子，并且输出来自该腔的所接收的粒子。提取通道内外的元件成形并聚焦粒子束用于应用。
[0046]控制系统可以控制粒子加速器的行为。在操作中，根据特定治疗计划将来自粒子加速器的粒子束施加至患者。处方限定用来实施治疗计划的粒子治疗系统的操作特性。尽管在一实施方式中处方可以指定适于特定粒子治疗系统的任何数量的操作特性，但该处方指定以下各项中的一个或多个:粒子剂量、粒子剂量率、患者位置(如由患者所躺于其上的“床”限定)、患者床旋转角度、台架旋转角度、束场大小、束深度、束深度的范围、用来限制粒子束的区域的孔的配置、以及用来定制粒子束的穿透深度的射程补偿团块(或简称“团块”)的配置。
[0047]控制系统可以包括治疗控制计算机(TCC)，其包括用户接