用于控制离子射束脉冲提取的方法和系统与流程

本发明一般地涉及用于控制同步回旋加速器中离子射束脉冲的提取的方法和系统。

背景技术：

当癌细胞集中在患者身体的具体区域内时，带电粒子的射束在用于癌症治疗的医学应用中使用。最近的技术允许给定剂量的辐射在患者的目标体积中的精确提取。带电粒子治疗系统通常包括用于产生带电粒子的射束的粒子加速器以及射束提取装置。用于提取离子射束的装置可以包括射束偏转装置，诸如磁体、降能器等。

带电粒子治疗系统例如在文献ep2446718中描述。该文献一般地涉及可以用于粒子辐射治疗的脉冲射束粒子加速器。更特别地，提供设备和方法以控制射束脉冲内粒子的数量以照射目标体积中的照射点。粒子加速器包括作为射束控制参数的值的函数从最小值到最大值改变脉冲离子射束的每个射束脉冲内粒子数量的装置。对于每个粒子照射，每个射束脉冲的必需的粒子数量通过基于校准数据限定用于射束控制参数的值来控制。

为了照射目标体积中的具体照射点，通常使用诸如扫描磁体和/或降能器这样的射束控制元件。射束控制元件的设置可以在例如射束的随后粒子脉冲之间发生。然而，用于粒子辐射治疗的同步回旋加速器的操作在允许粒子束流(bunch)离开加速器之前也需要射束控制元件的状态的评估。该评估必须在束流之间可用的时间内进行，并且对于一些射束控制元件，评估优选地尽可能晚地进行，以便允许射束控制元件的设置具有最大时间。另一方面，评估必须结束得足够快，使得射束的取消仍然是可能的。由于与同步回旋加速器的理论频率周期的偏离，例如，由于用于生成周期的旋转电容器中的瑕疵，目前已知的系统不允许确保所有的评估步骤及时完结，因为射束控制元件没办法考虑周期偏离。这导致无效的系统操作，例如尽管许多射束控制元件的状态的否定评估，仍然涉及束流的提取。

技术实现要素：

本发明涉及如在随附的权利要求书中公开的方法和装置。本发明首先涉及用于控制由同步回旋加速器产生的离子射束脉冲的提取的方法，同步回旋加速器包括被配置为放置于磁场中的电极，其中交流电压施加在电极之间，并且其中交流电压的频率以循环方式调制，方法应用一个或多个射束控制元件，方法包括：

○开始同步回旋加速器的加速周期以提供离子射束脉冲，其中交流电压的调制频率的一个调制周期对应于同步回旋加速器的一个加速周期；

其特征在于方法还包括：

○基于在加速周期期间施加的交流电压的频率的测量生成基准信号，当频率达到预定的值时生成基准信号；

○将基准信号生成的时间传达到一个或多个射束控制元件，

○评估一个或多个射束控制元件的一个或多个状态参数，其中评估与基准信号的生成同步；

○取决于评估的结果，取消或者继续进行射束脉冲的提取。

根据实施例，方法还使用一个或多个射束监控元件，其中基准信号生成的时间传达到所述射束监控元件，并且其中读取一个或多个射束监控元件的输出与基准信号的生成同等地同步。

根据实施例，射束脉冲的取消包括降低同步回旋加速器的电极之间交流电压的幅度。

根据实施例，一个或多个射束控制元件在网络中互连，并且其中传达时间的步骤包括将时间戳经由网络发送到一个或多个射束控制元件，并且如果适用的话，发送到一个或多个射束监控元件。

作为后者实施例的替代方案，传达时间的步骤可以包括将基准信号经由一个或多个电缆传播到各自的一个或多个射束控制元件，并且如果适用的话，传播到一个或多个射束监控元件。

根据实施例，频率根据包括上升斜率和下降斜率的循环模式改变，并且其中基准信号的生成在频率处于上升斜率上时发生。

根据实施例，同步回旋加速器包括用于调制施加在电极之间的交流电压的频率的旋转电容器。

根据实施例，当施加在电极之间的交流电压的频率达到60mhz与92mhz之间的给定值时，生成基准信号。

基准信号可以在交流电压的频率的所选择周期生成。

根据实施例，一个或多个射束控制元件包括同步回旋加速器外部的至少一个射束控制元件。所述外部射束控制元件可以包括用于将射束指向目标的一个或多个特定部分的至少一组扫描磁体。

根据实施例，一个或多个射束控制元件，以及如果适用的话，一个或多个射束监控元件的操作根据共同的时间线被同步。

本发明同样地涉及离子射束照射系统，被配置为依照根据本发明的方法控制离子射束脉冲的提取，包括：

●同步回旋加速器，

●一个或多个射束控制元件，

●一个或多个射束监控元件，

●中央控制单元，

●天线，用于检测同步回旋加速器的电极之间交流电压的频率，

●基准信号生成器。

根据本发明的离子射束照射系统的实施例，基准信号生成器包括：

●数字采样器，用于采样由天线产生的信号，

●计算器，用于基于由采样器提供的样本计算交流电压的频率，并且被配置为在调制频率的频率周期期间重复地执行该计算，

●控制器，用于检测到计算的频率等于基准值，并且用于发射基准信号。

在根据本发明的系统中，所述一个或多个射束控制元件可以包括下面的一个或多个：扫描磁体、引导磁体、降能器。

附图说明

作为示例，现在将参考附随附图详细地描述本发明的非限制性实施例，其中：

图1：是根据本发明一方面的离子射束照射系统的简化表示；

图2：描绘在同步回旋加速器的一个加速周期期间交流电压的频率；

图3：描绘与根据本发明一方面的方法的工作流叠加的一个加速周期期间交流电压的频率；

图4：作为时间的函数描绘d字形电极之间交流电压的幅度。

具体实施方式

图1示出离子射束照射系统10，包括同步回旋加速器12、用于将射束从同步回旋加速器10传播到患者16的射束传送装置14、射束控制或者监控元件18、20、22以及中央控制单元24。离子射束照射系统10被配置为根据在中央控制单元24中编码的照射计划将照射剂量递送至患者身体内的目标16。中央控制单元24因此是在目前工艺水平已知如此的构件。然而，根据本发明的一些实施例，如将在该描述中进一步描述中，该中央控制单元可以另外地被配置为执行本发明的方法的具体步骤。在下文中将描述构成离子射束照射系统10的不同元件。

同步回旋加速器12使用施加在两个电极之间的交流电压加速位于真空室中的带电粒子(离子)。这可以是两个中空的“d”形电极28(d字形电极(dee)，仅一个d字形电极在图1中示出)。d字形电极28面向彼此并且以间隙分隔，在它们内造成柱形空间用于使得带电粒子移动。带电粒子由带电粒子的源(例如，质子)注射到该空间的中心。d字形电极28位于大的电磁体的磁极之间，电磁体施加与电极平面垂直(垂直于x-y平面，亦即，在z方向上)的静态磁场b。由于由磁场和电场施加到移动的带电粒子的力(洛伦兹力)，带电粒子的移动在x-y平面中描绘(半)圆形，由此在d字形电极28之间的区域中在交替的方向上经过几次。粒子由d字形电极28之间的交流电压加速，亦即，速度的绝对值增加。为了带电粒子的高效加速，应当选择交流电压的频率为同步回旋加速器12的谐振频率。带电粒子的谐振频率fr读取为fr＝q|b|/(2πmγ)，其中q是离子的电荷，m是离子的静止质量，γ≡γ(v)是洛伦兹力，v是带电粒子的速度，b是磁场并且|b|是它的幅度。因为谐振频率与带电粒子的增加的相对论性质量‘my’有关，当粒子接近光速时，谐振频率随着粒子获得质量而降低。为了维持粒子的加速，循环地，亦即，根据上升和下降斜率的序列调制交流电压的频率。在频率的下降斜率开始时，粒子束流被捕获并且在同步回旋加速器12内一系列回转上行进，同时在d字形电极28之间每次过渡时加速，根据交流电压的调制频率定时。在接近下降斜率的结束的点，粒子束流被提取并且指向目标16。这构成一个离子射束脉冲。随后的粒子束流以这种方式捕获、加速和提取，导致从同步回旋加速器12中发出的离子射束脉冲的序列，在下文称作脉冲离子射束。优选地，同步回旋加速器12的加速周期持续0.5ms与1.5ms之间，由此每0.5ms至1.5ms提供一个离子射束脉冲。

同步回旋加速器12所需要的用以在加速周期期间高效地加速离子的频率通过传输线路32提供并且由无线电频率系统30生成，无线电频率系统30包括旋转电容器(rotco)。无线电频率系统30与rlc电路(电阻器、电感器、电容器)可电气地可比拟－或者可以由其电气地模拟，其中电阻器r模拟电阻性损耗，电感器l模拟传输线路32并且电容器c模拟由无线电频率系统30与接地之间的空间导致的电容。通过在rlc电路中包括rotco，有可能通过循环地调制电容c而调谐等同的rlc电路的谐振频率，使得同步回旋加速器12的d字形电极28之间交流电压的频率如上所述根据上升和下降斜率高效地调制。关于rotco的细节和它的实现方式，参看专利申请us2014/0103839。

在患者的治疗开始之前，由医务人员现场或者远程地设计照射计划。计划包括一组高级命令，诸如，例如，在诸如肿瘤这样的3d目标区的特定单位体积26(“体素”)中的辐射量(剂量)。照射计划然后被现场处理成低级命令，包括用于射束控制元件20、22的命令设定点值(在下文“设定点”)。这些低级命令在中央控制单元24中编码。例如，设定点可以包括用于扫描磁体22的目标电流。设定点也可以从照射计划中独立地限定。

脉冲离子射束的一个离子束流的典型轨迹34在图1中示出。在同步回旋加速器12中，离子的轨迹描绘半圆形，随着时间具有增加的半径。此后，离子被提取并且传播通过射束传送装置14朝向在照射计划中限定的目标体素26。在它们传播通过射束传送装置14期间，射束控制元件在离子射束上起作用，射束控制元件包括用于调整离子射束的能量的降能器20以及用于偏转离子射束以便使得射束到达与离子射束的传播横向的平面中的期望位置的一组扫描磁体22。降能器20被配置用于调谐辐射的主要部分将被递送到的深度(纵向)。换言之，由于降能器调谐射束能量，允许调谐布拉格峰的深度(亦即，大多数辐射将由患者吸收的深度)。射束传送装置自身可以装配有引导磁体(未示出)，诸如，例如，用于弯曲离子射束的偶极磁体或者用于聚焦射束的四极磁体。引导磁体、降能器和扫描磁体是‘外部射束控制元件’，亦即，位于同步回旋加速器12外部的射束控制元件的示例。同步回旋加速器12内部的射束控制元件是例如用于调控离子源的电弧电流，或者用于调控施加在d字形电极28之间的电压的振幅的元件。

无源射束监控元件18也在图1中示出，其可以是电离室18，被配置为测量一个或多个离子射束脉冲的总电荷以便确定相关联的辐射剂量。降能器20和扫描磁体22被配置为精确地调谐离子射束脉冲的能量和末端轨迹以便照射目标体素26。外部和内部射束控制元件以及无源射束监控元件的每个包括它们自己的本地控制单元，本地控制单元包括内部时钟(在图1中由时钟示出)。射束控制元件的本地控制单元被配置为基于来自中央控制单元24的照射计划接收低级命令，并且根据所述低级命令设置射束控制元件。例如，降能器20的控制单元包括用于相对于目标16确定降能器元件的位置的致动器。而且，射束控制元件的本地控制单元被配置为将返回信号发送到中央控制单元24，该信号代表射束控制元件的状态参数。射束控制元件的状态由它的状态参数的值限定。例如，降能器元件的控制单元送出代表降能器元件的位置的信号(在该情况下，一个状态参数限定降能器元件的状态)。无源射束监控元件也提供被装配为发送与测量值(例如，测量的电荷)有关的信号的本地控制单元。然而，这些控制单元没有被装配来修改无源元件的设置。一个或多个射束控制元件的状态可以包括状态参数的一个或多个测量值以与低级命令或者优选地从照射计划中导出的设定点相比较。在本发明的一个实施例中，如果一个或多个射束控制元件的测量值等于直到预定的公差，那么它们符合低级命令或者设定点。在另一个实施例中，状态的符合可能复杂得多。例如，可以采用加权函数将具体的权重关联到特定的射束控制元件(例如，到扫描磁体)。应当领会，存在众多方法检查一个或多个射束控制元件的状态是否符合设定点。

离子射束照射系统10的所有构件(例如，同步回旋加速器12、射束控制元件20、22、无源射束监控元件18和中央控制单元24)必须在加速周期期间一致地工作，以便实现设定点的目标－并且不偏离设定点。所有构件的操作的精确同步因此是强制性的：图1中描绘的时钟被同步，使得所有构件，包括所有射束控制元件20、22以及无源射束监控元件18根据共同的时间线操作。如将在该说明书中进一步描述的，这可以以许多方法实现。根据本发明，基准信号38的生成添加到该同步。基准信号基于同步回旋加速器的电极之间交流电压的循环调制频率的测量而生成。换言之，当该频率达到预定的值时，优选地在周期的上升斜率期间，基准信号38生成。基准信号38生成的时间传输到射束控制元件20、22以及无源射束监控元件18，使得周期的明确限定的点对于所有射束控制元件以及无源射束监控元件已知。这允许这些元件的评估程序与频率周期完美地同步，即使当由于例如rotco中的瑕疵，该周期偏离于理论周期时。许多外部射束控制元件20、22，尤其是扫描磁体22的评估可以在周期期间非常接近提取离子束流的点的时间点执行。这样，给出最大的时间用于外部射束控制元件达到给定的设定点。同时，因为时序相对于基准信号准确地限定，当评估证明没有达到给定设定点时，射束的取消仍然可能。射束的取消实际上在同步回旋加速器的加速周期期间的任何时间是不可能的。取消程序将在下文更详细地描述。内部射束控制元件的评估可以以相同的方式执行，只要在加速周期期间可以进行该控制即可。

图2作为关于同步回旋加速器的一个加速周期的时间的函数，示出施加到d字形电极的交流电压的频率。一个加速周期对应于交流电压的调制频率的一个调制周期。在图2的示例性情况下，加速周期持续大约1ms并且包括d字形电极之间电压的频率的快速增加40。在快速增加40之后，频率较缓慢地降低44。在频率开始降低之后不久，离子束流在捕获窗口46期间捕获(亦即，施加到d字形电极的频率是同步回旋加速器的谐振频率，用于离子以低速v<<c移动)。如前面说明的，交流电压的频率继续降低，以便使得在离子射束的捕获与它的提取之间满足谐振条件。朝向加速周期的结束，离子射束脉冲在提取窗口48期间从同步回旋加速器中提取。加速周期以循环模式重复，以便提供多个离子射束脉冲。当频率在频率周期的上升或者下降斜率上(不是在二者上)达到预定的值时，基准信号生成。优选地，信号在具有最高变化率的斜率上生成。在图2的实施例中，这是上升斜率40：当频率在频率周期的该上升斜率上达到值42时，基准信号生成。

使用在(同步)回旋加速器领域中本身已知的rf天线测量频率。根据优选实施例，从天线接收的电信号然后供给到数字采样单元并且以充分高于由rotco系统生成的最高rf频率的采样频率采样，使得可以遍及加速周期监控频率。rf信号可以例如被采样，导致在rf信号的一个或几个时间段期间获得的许多样本值y0至yn。根据这些值，可以使用适当的拟合算法求解rf信号的频率和振幅。在同步回旋加速器的加速周期期间连续地应用该算法，产生频率的接连确定。当频率达到基准值42时，这触发基准信号的生成。以上面的方式生成基准信号38的装置在这里称作基准信号生成器，其可以包括数字采样器和需要执行拟合算法的计算器，以及需要评估何时达到基准频率并且发射基准信号的控制器。基准信号生成器可以以信号处理和处理控制技术领域中已知的任何适当方式付诸实践。

离子射束脉冲的取消必须遵循严格的规则，以便确保当发出取消指令时，患者不会接收在同步回旋加速器中准备中的辐射剂量。本领域技术人员可以确定在离子射束脉冲的提取时结束的时间间隔50(“禁用时间间隔”)的长度，在此期间离子射束脉冲的取消指令将导致不需要的和/或不受控的患者照射。在一个实施例中，禁用时间间隔可以持续近似80μs。离子射束脉冲的取消指令因此必须在该时间间隔50之前发出。为了实现准备中的脉冲的“洁净”取消或者停止(亦即，防止患者接收离子射束脉冲)，来自射束控制系统的取消指令必须在禁用时间间隔50之前发出。根据本发明生成的基准信号确保总是精确地知道该基准信号的生成与禁用区的开始之间的时间。这允许以这种方式设计和编程射束控制元件的各种评估程序，即它们在禁用区开始之前完结。由此避免由于不合时宜的验证过程而导致的不需要的射束提取和到患者的递送。

根据图1中例示的实施例，射束照射系统10的所有构件在网络36(优选地以太网网络)中互连。内部时钟的同步由精确时间协议(ptp，如本领域中已知)实现。ptp协议在局域网上实现亚微秒范围内的时钟准确度。换言之，离子射束照射系统10的所有构件共享相同并且唯一的时间线。当达到预定的频率值42时生成基准信号38时，指示信号已经生成的时间的时间戳经由网络传输到射束控制元件和无源监控元件的各种控制单元。

图3更详细地描绘根据图1的实施例用于提取离子射束脉冲的工作流。虽然过程可以应用于其他外部或者内部射束控制元件，所描述的工作流特别地提及扫描磁体22的设置。当新的加速周期在52开始时，施加在d字形电极之间的交流电压的频率增加。同时，已经发起根据治疗计划的扫描磁体22的设置程序64，优选地在前一个脉冲提取之后不久的限定的时间点开始。当频率达到预定的值42时，基准信号在54处由基准信号生成器生成并且传输到中央控制单元24。在56，中央控制单元24将时间戳经由网络36发送到扫描磁体22的本地控制单元。时间戳包括基准信号已经生成的时间。在小的时间量之后，时间戳在58处由扫描磁体的本地控制单元接收。

在接收时间戳之后，扫描磁体的本地控制单元登记扫描磁体的状态并且将信号经由网络发送到中央控制单元24，该信号代表扫描磁体的登记状态。中央控制单元24验证磁体的由登记状态代表的设置是否符合设定点。该评估处理与基准信号的生成同步。在本发明的任何实施例中(不仅对应于图1和3并且包括网络36的实施例)，这意味着至少执行状态登记的时间相对于基准信号生成的时间明确限定。这是有可能的，因为该后者时间传达到射束控制元件的本地控制单元。这些单元可以被编程以在从基准信号生成开始预定的时间执行状态登记。作为替代，在网络上发送的消息(包括时间戳)也可以包括控制单元应当登记扫描磁体的状态的时间。执行状态登记的时间点以及同样可能地状态信号发送回到中央控制单元24的时间点可以被编程，以便确保评估在禁用时间区50的开始之前(例如，在图3中点59处)终止。这是可能的，因为从基准信号生成开始，禁用区50开始的时间点是已知的(假定基准信号生成限定了周期的明确限定的点)。优选地，考虑安全界限，确保评估在禁用区50之前很好地终止。

如果对于扫描磁体并且可能地对于其他外部或者内部控制元件，达到必需的设定点，射束提取继续进行。如果不是这样的情况，取消加速周期。取消指令由中央控制单元24在禁用时间区50开始之前生成。用于下一个离子射束脉冲的扫描磁体的设置66恰好在取消之后开始，或者如果评估是肯定的，在离子射束脉冲提取之后开始。射束强度和剂量由电离室18的测量62在射束脉冲提取之后，在点62处发生。可以应用该测量结果以在下一个脉冲提取之前更新同步回旋加速器内的射束控制元件。在本发明的任何实施例中，诸如电离室18这样的射束监控元件的输出的读取与基准信号同等地同步，亦即，该读取步骤在相对于基准信号生成的明确限定的时间点执行。

在附图中没有描绘的本发明的另一个实施例中，基准信号生成器由专用电缆(例如，由同轴电缆)连接到内部、外部射束控制元件以及射束监控元件的本地控制单元的每一个，以及连接到中央控制单元24。基准信号38生成并且通过电缆直接发送到射束控制和射束监控元件的控制单元以及到中央控制单元24。因为基准信号由所有射束控制和监控元件准瞬间地接收，基准信号自身服务于两个目的：控制单元的时钟的同步以及通信基准信号生成的时间。射束控制元件的控制单元由此知道频率周期中该明确限定的时刻，并且评估过程可以以如关于图1的实施例描述的相同方式与基准信号同步。

在本发明的作为替代的实施例中，射束控制元件的状态的评估由射束控制元件的本地控制单元实现。因此，取消指令的生成和发送被委派给射束控制元件的本地控制单元。在本地控制单元评估它的射束控制元件不符合它的设定点的情况下，加速周期的取消指令由本地控制单元生成并且由用于传输取消指令的任何适当装置(例如，由网络或者电缆)传输。中央控制单元24(图1)监控整个照射处理并且可以更新设定点以便符合照射计划。

本发明的方法可以应用于在同步回旋加速器中加速的每个离子脉冲。作为替代，方法可以不应用于每个脉冲，而是应用于选择的脉冲。例如，有可能照射计划需要在每个体素中大量的离子射束脉冲。对于第一组脉冲，控制是否必须取消射束因此不是强制性的，因为射束脉冲在任何情况下都是必需的。为了缓和网络负载，例如，基准信号生成器因此可以被编程为对于为了产生所述第一组脉冲而发起的周期不生成基准信号。当给定数量的脉冲已经指向体素时，基准信号然后可以对于随后的脉冲而生成，直到已经达到用于体素的必需剂量。

根据优选实施例，取消提取通过降低d字形电极电压而完成。图4具有两个面板结构并且作为时间的函数示出d字形电极之间交流电压的幅度。第一面板(a)描绘发出射束脉冲的取消指令的情况并且第二面板描绘没有发生射束脉冲的取消的情况。在频率周期的开始52，同步回旋加速器将d字形电极之间的电压的幅度增加到预定的值。在带电粒子已经在捕获窗口46期间捕获之后，射束脉冲可以被提取并且递送到患者(面板(b))或者在预定的时间间隔之前取消(面板(a))。取消指令72包括将d字形电极之间的电压的幅度降低至初始值(亦即，加速周期开始时的值)。电压下降可以持续近似30μs。必须注意，禁用时间间隔50考虑用于d字形电极之间的电压的幅度下降的时间。恰好在禁用时间间隔50开始之前发出的取消指令72将导致准备中的离子射束脉冲的“洁净”取消或者停止。

虽然这里已经详细地描述了具体的实施例，但是本领域那些技术人员将领会鉴于本公开的总体教导，可以开发对那些细节的各种修改和替代方案。因此，关于本发明的范围，所公开的特定布置仅打算是例示性的而不是限制性的，本发明的范围将由随附的权利要求书及其任何和所有等同物的完全广度给出。