用于粒子加速器的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于粒子加速器的控制系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年9月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/707645號(hào)的優(yōu)先權(quán)。美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/707645號(hào)的內(nèi)容通過(guò)弓I用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及一種用于粒子加速器的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]粒子治療系統(tǒng)使用粒子加速器來(lái)產(chǎn)生粒子束用于治療病痛，比如腫瘤?？刂葡到y(tǒng)管理粒子加速器的行為，以確保其如所期望操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括粒子加速器，以輸出粒子束，其中，所述粒子加速器包括:粒子源，以向腔提供電離等離子體的脈沖，其中所述粒子源的每個(gè)脈沖具有的脈沖寬度對(duì)應(yīng)于所述粒子源產(chǎn)生相應(yīng)脈沖的操作持續(xù)時(shí)間，并且其中所述粒子束基于電離等離子體的脈沖；以及調(diào)制器輪，其具有不同的厚度，其中每個(gè)厚度延伸跨越所述調(diào)制器輪的不同圓周長(zhǎng)度，并且其中所述調(diào)制器輪布置成接收所述粒子束的初級(jí)粒子，并且配置成創(chuàng)建用于粒子束的延展的布拉格峰。該示例性粒子治療系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)第一輸入/輸出(I/o)模塊，其可以以第一速度操作，其中所述一個(gè)或多個(gè)第一 I/O模塊配置成將機(jī)器指令發(fā)送至一個(gè)或多個(gè)電機(jī)控制器，其中的至少一個(gè)用于控制所述調(diào)制器輪；以及一個(gè)或多個(gè)第二 I/O模塊，其可以以比所述第一速度更大的第二速度操作，其中的至少一個(gè)配置成將機(jī)器指令發(fā)送至所述粒子源，使得所述粒子源的脈沖寬度隨所述調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)位置而變化。該示例性粒子治療系統(tǒng)還可以包括一個(gè)或多個(gè)以下特征:
[0006]該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括:治療控制計(jì)算機(jī)，其被編程以從醫(yī)院接收處方信息，將該處方信息翻譯成機(jī)器信息，并且將治療記錄發(fā)送到醫(yī)院；以及主控計(jì)算機(jī)，其具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其中所述主控計(jì)算機(jī)被編程以從所述治療控制計(jì)算機(jī)接收機(jī)器信息，將該機(jī)器信息翻譯成機(jī)器指令，并且將所述機(jī)器指令發(fā)送至所述第一 I/o模塊和所述第二 I/O模塊中的一個(gè)或多個(gè)。
[0007]該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括光纖，在其上監(jiān)測(cè)所述調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)速度和位置。所述第一 I/o模塊的速度可以是毫秒級(jí)，所述第二 I/O模塊的速度可以是一百或幾百納秒級(jí)。
[0008]所述第一 I/O模塊可以是可編程邏輯控制器(PLC)。所述PLC中的至少一個(gè)可以被編程以將機(jī)器指令發(fā)送到電機(jī)控制器，用于控制場(chǎng)成形輪系統(tǒng)，以在輸出之前使所述粒子束成形。所述PLC中的至少一個(gè)可以被編程以將機(jī)器指令發(fā)送到電機(jī)控制器，用于控制散射系統(tǒng)，以在輸出之前使所述粒子束準(zhǔn)直。
[0009]該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括射頻(RF)系統(tǒng)，以掃掠RF頻率通過(guò)所述腔來(lái)從由所述粒子源產(chǎn)生的等離子體柱提取粒子，其中所述RF系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)電容器。所述PLC中的至少一個(gè)可以被編程以將機(jī)器指令發(fā)送到控制所述旋轉(zhuǎn)電容器的電機(jī)控制器。所述PLC中的兩個(gè)或更多個(gè)可以配置成彼此通信。
[0010]該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括可旋轉(zhuǎn)臺(tái)架，其上安裝有所述粒子加速器。所述PLC中的至少一個(gè)可以被編程以將機(jī)器指令發(fā)送到控制所述可旋轉(zhuǎn)臺(tái)架的電機(jī)控制器。
[0011]所述第二 I/O模塊可以是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括電路板，其包括微處理器。所述FPGA中的至少一個(gè)可以在所述電路板上并且與所述微處理器通信。所述微處理器可以被編程以與控制計(jì)算機(jī)通信。
[0012]該示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括射頻(RF)系統(tǒng)，以掃掠RF頻率通過(guò)所述腔來(lái)從由所述粒子源產(chǎn)生的等離子體柱提取粒子。所述FPGA中的至少一個(gè)可以是RF控制模塊。所述RF控制模塊可以配置成接收關(guān)于所述調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)的信息，并且基于以上信息來(lái)協(xié)調(diào)所述粒子源與RF系統(tǒng)的操作方面。協(xié)調(diào)所述粒子源與RF系統(tǒng)的操作方面可以包括基于所述調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)位置來(lái)接通或關(guān)閉所述粒子源，并且基于所述調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)位置來(lái)接通或關(guān)閉所述RF系統(tǒng)。所述RF控制模塊可以配置成將機(jī)器指令發(fā)送到所述粒子源，以在RF電壓處于一定頻率時(shí)接通且在RF電壓處于一定頻率時(shí)關(guān)閉。協(xié)調(diào)所述粒子源的操作方面可以包括在所述粒子源的接通時(shí)間期間確定脈沖寬度。
[0013]一種示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括粒子加速器，以輸出由脈沖構(gòu)成的粒子束；以及深度調(diào)制器，其在所述粒子束的路徑中。該深度調(diào)制器具有可變的厚度并且是可移動(dòng)的，使得所述粒子束在不同時(shí)間影響所述深度調(diào)制器的不同厚度。所述粒子治療系統(tǒng)配置成控制影響所述深度調(diào)制器的不同厚度的脈沖的數(shù)量。該示例性粒子治療系統(tǒng)可以單獨(dú)地或組合地包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。
[0014]所述深度調(diào)制器的運(yùn)動(dòng)是可控制的，使得不同數(shù)量的脈沖影響所述深度調(diào)制器的至少兩個(gè)不同厚度。所述粒子治療系統(tǒng)可以包括:控制系統(tǒng)，以提供控制信號(hào)；以及電機(jī)，以響應(yīng)于所述控制信號(hào)來(lái)控制所述深度調(diào)制器的運(yùn)動(dòng)，其中該運(yùn)動(dòng)是可由所述控制信號(hào)控制的旋轉(zhuǎn)。
[0015]從所述加速器輸出脈沖可以被控制，使得不同數(shù)量的脈沖影響所述深度調(diào)制器的至少兩個(gè)不同厚度。所述粒子加速器可以包括粒子源，其配置成產(chǎn)生所述脈沖從其中得以提取的等離子體流，其中所述等離子體流響應(yīng)于施加到電離氣體的電壓而被產(chǎn)生，并且該電壓是可控制的以接通和關(guān)閉所述粒子源來(lái)控制影響所述至少兩個(gè)不同厚度的脈沖的數(shù)量。所述粒子加速器可以包括粒子源，其配置成產(chǎn)生所述脈沖從其中得以提取的等離子體流；以及射頻(RF)源，以掃掠頻率且從而在每次頻率掃掠從所述等離子體流提取一個(gè)或多個(gè)脈沖。所述RF源是可控制的，以控制影響所述深度調(diào)制器的不同厚度的脈沖的數(shù)量。所述RF源是可控制的，以跳過(guò)一個(gè)或多個(gè)頻率掃掠。所述粒子治療系統(tǒng)可以通過(guò)包括一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)偏轉(zhuǎn)脈沖以便控制影響所述深度調(diào)制器的不同厚度的脈沖的數(shù)量而得以配置。
[0016]一種示例性粒子治療系統(tǒng)可以包括粒子加速器，以輸出粒子束，其中所述加速器包括:粒子源，以向腔提供電離等離子體的脈沖，其中所述粒子源的每個(gè)脈沖具有的脈沖寬度對(duì)應(yīng)于所述粒子源產(chǎn)生相應(yīng)脈沖的操作持續(xù)時(shí)間，并且其中所述粒子束基于電離等離子體的脈沖；以及調(diào)制器輪，其具有不同的厚度，其中每個(gè)厚度延伸跨越所述調(diào)制器輪的不同圓周長(zhǎng)度，并且其中所述調(diào)制器輪布置成接收所述粒子束的初級(jí)粒子，并且配置成創(chuàng)建用于粒子束的延展的布拉格峰。所述粒子治療系統(tǒng)可以配置成使得所述粒子源的脈沖寬度隨所述調(diào)制器輪的旋轉(zhuǎn)位置而變化。
[0017]在本發(fā)明中所闡述的兩個(gè)或更多個(gè)特征(包括在此
【發(fā)明內(nèi)容】
中所闡述的那些特征)可以組合來(lái)形成未在本文中具體闡述的實(shí)施方式。
[0018]可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品來(lái)實(shí)施本文中所述的各種系統(tǒng)或其部分的控制，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括儲(chǔ)存在一個(gè)或多個(gè)非暫時(shí)性機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上并且可以在一個(gè)或多個(gè)處理器件上執(zhí)行的指令。本文中所述的系統(tǒng)或其部分可以實(shí)施為可包括一個(gè)或多個(gè)處理器件及用于儲(chǔ)存可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器以實(shí)施對(duì)所述功能的控制的裝置、方法或電子系統(tǒng)。
[0019]下面參照附圖以及說(shuō)明書，對(duì)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述。根據(jù)說(shuō)明書、附圖以及根據(jù)權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它特征、目標(biāo)及優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是示例性粒子治療系統(tǒng)的透視圖。
[0021]圖2是示例性同步回旋加速器的組件的分解透視圖。
[0022]圖3、4和5是示例性同步回旋加速器的剖視圖。
[0023]圖6是示例性同步回旋加速器的透視圖。
[0024]圖7是示例性反向線圈架及繞組的一部分的剖視圖。
[0025]圖8是示例性通道中電纜復(fù)合導(dǎo)體的剖視圖。
[0026]圖9是示例性粒子源的剖視圖。
[0027]圖10是示例性D形板和虛擬D形件的透視圖。
[0028]圖11是示例性穴室的透視圖。
[0029]圖12是帶有穴室的示例性治療室的透視圖。
[0030]圖13示出了患者定位成緊挨著粒子加速器。
[0031]圖14示出了患者定位在治療室中的示例性內(nèi)臺(tái)架內(nèi)。
[0032]圖15是示出了用于粒子加速器的控制系統(tǒng)的示例的方塊圖。
[0033]圖16示出了示例性場(chǎng)成形輪系統(tǒng)。
[0034]圖17是示出了包括示例性調(diào)制器輪和示例性散射體的束路徑的側(cè)視圖。
[0035]圖18是示出了各個(gè)布拉格峰以及產(chǎn)生延展的布拉格峰的累積效應(yīng)的圖表。
[0036]圖19是用于產(chǎn)生不同深度及強(qiáng)度水平的布拉格峰的示例性調(diào)制器輪的側(cè)視圖。
[0037]圖20是圖19的調(diào)制器輪的俯視圖。
[0038]圖21是示出了頻率掃掠以及在頻率掃掠的周期期間輸出的粒子源脈沖寬度的圖表。
[0039]圖22是示出了在患者內(nèi)的不同深度的延展的布拉格峰的圖表。
[0040]圖23是示出了對(duì)于圖22的延展的布拉格峰的粒子源脈沖寬度相對(duì)于調(diào)制器輪的角度的圖表。
[0041 ]各圖中的相同附圖標(biāo)記表示相同的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 概述
[0043]本文所述的是一種用于在系統(tǒng)比如質(zhì)子或離子治療系統(tǒng)中使用的示例性粒子接加速器的控制系統(tǒng)的示例。該示例性粒子治療系統(tǒng)包括安裝在臺(tái)架上的粒子加速器——在該示例中是同步回旋加速器。臺(tái)架使得粒子加速器能夠圍繞患者位置旋轉(zhuǎn)，如下文更詳細(xì)地說(shuō)明。在某些實(shí)施方式中，臺(tái)架是鋼制的，并且具有安裝成用于在位于患者相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)相應(yīng)軸承上旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)支腿。粒子加速器由鋼桁架支撐，鋼桁架足夠長(zhǎng)以跨越患者躺于其中的治療區(qū)域并且在兩端處穩(wěn)定地連接至臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)支腿。由于臺(tái)架圍繞患者旋轉(zhuǎn)，所以粒子加速器也旋轉(zhuǎn)。
[0044]在示例性實(shí)施方式中，粒子加速器(例如，同步回旋加速器)包括低溫恒溫器，該低溫恒溫器保持用于傳導(dǎo)產(chǎn)生磁場(chǎng)(B)的電流的超導(dǎo)線圈。在此示例中，低溫恒溫器使用液態(tài)氦(He)來(lái)將線圈維持在超導(dǎo)溫度，例如4°開爾文(K)。磁軛相鄰(例如，圍繞)低溫恒溫器，并且限定粒子在其中得以加速的腔。低溫恒溫器通過(guò)條帶等連接至磁軛。
[0045]在該示例性實(shí)施方式中，粒子加速器包括粒子源(例如，潘寧離子真空計(jì)一PIG源)，以向腔提供等離子體柱。氫氣被電離以產(chǎn)生等離子體柱。電壓源向腔提供射頻(RF)電壓以加速來(lái)自等離子體柱的粒子。如所述，在該示例中，粒子加速器是同步回旋加速器。因此，RF電壓掃掠跨越頻率范圍，以在從該柱提取粒子時(shí)考慮對(duì)粒子的相對(duì)論效應(yīng)(例如，增加的粒子質(zhì)量)。由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)促使從等離子體柱加速的粒子在腔內(nèi)沿軌道加速。鐵磁布置(例如磁場(chǎng)再生器)定位在腔中來(lái)調(diào)整腔內(nèi)的現(xiàn)有磁場(chǎng)，從而改變從等離子體柱加速的粒子的連續(xù)軌道的位置，最終使得粒子輸出至穿過(guò)軛的提取通道。提取通道接收從等離子體柱加速的粒子，并且輸出來(lái)自該腔的所接收的粒子。提取通道內(nèi)外的元件成形并聚焦粒子束用于應(yīng)用。
[0046]控制系統(tǒng)可以控制粒子加速器的行為。在操作中，根據(jù)特定治療計(jì)劃將來(lái)自粒子加速器的粒子束施加至患者。處方限定用來(lái)實(shí)施治療計(jì)劃的粒子治療系統(tǒng)的操作特性。盡管在一實(shí)施方式中處方可以指定適于特定粒子治療系統(tǒng)的任何數(shù)量的操作特性，但該處方指定以下各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè):粒子劑量、粒子劑量率、患者位置(如由患者所躺于其上的“床”限定)、患者床旋轉(zhuǎn)角度、臺(tái)架旋轉(zhuǎn)角度、束場(chǎng)大小、束深度、束深度的范圍、用來(lái)限制粒子束的區(qū)域的孔的配置、以及用來(lái)定制粒子束的穿透深度的射程補(bǔ)償團(tuán)塊(或簡(jiǎn)稱“團(tuán)塊”)的配置。
[0047]控制系統(tǒng)可以包括治療控制計(jì)算機(jī)(TCC)，其包括用戶接