CN102387836A - 多场带电粒子癌症治疗方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明一般涉及实体癌症的治疗。更具体来说，本发明涉及一种多场带电粒子癌症治疗方法和设备，所述方法和设备与负离子束产生、离子束聚焦、带电粒子加速、患者旋转和/或患者呼吸相协调。优选地，在处于部分固定和可重定位位置的患者身上实施所述带电粒子疗法。质子递送优选地经由控制带电粒子束注入、加速和/或瞄准方法和设备与患者呼吸合拍。
Description
技术领域
本发明一般涉及实体癌症的治疗。更具体来说，本发明涉及一种多场带电粒子癌症治疗系统，所述多场带电粒子癌症治疗系统可选地与束注入、加速、引出、呼吸和/或瞄准方法和设备结合使用。
背景技术
癌症
肿瘤是异常的组织块。肿瘤可以是良性或恶性的。良性肿瘤局部生长，而不扩散到身体的其它部分。良性肿瘤由于良性肿瘤的扩散而引起问题，因为良性肿瘤挤压正常组织并且使正常组织移位。良性肿瘤在诸如颅骨的封闭部位中是具有危险性的。恶性肿瘤能够侵入身体的其它区域。转移是指癌症通过侵入正常组织扩散并且扩散到远处的组织。
癌症治疗
存在用于癌症治疗的若干形式的放射疗法，所述放射疗法包括：近距放射疗法、传统电磁X射线疗法和质子疗法。各疗法在下文中进一步描述。
近距放射疗法是使用植入体内的放射源的放射疗法。在这种治疗中，肿瘤学家将放射性物质直接植入肿瘤中或非常靠近肿瘤。也将放射源放置在体腔内，诸如子宫颈内。
使用电磁辐射的第二种形式的传统癌症治疗包括使用X射线和γ射线的治疗。X射线是高能、电离的电磁辐射，X射线以低剂量使用以诊断疾病或以高剂量使用以治疗癌症。X射线或伦琴
射线是一种形式的电磁辐射，所述形式的电磁辐射具有10至0.01纳米(nm)范围内的波长，对应于30PHz至30EHz范围内的频率。X射线比γ射线长并且比紫外线短。X射线基本上用于放射诊断。X射线是一种形式的电离辐射，并且X射线可具有危险性。γ射线也是一种形式的电磁辐射，并且γ射线的频率是以诸如电子正电子湮没或放射性衰变的亚原子粒子相互作用所产生的。在电磁频谱中，γ射线的特征一般在于：γ射线是具有最高频率(因为具有最高能量)并具有最短波长(诸如小于约10皮米)的电磁辐射。γ射线由高能光子组成，所述高能光子具有超过约100keV的能量。X射线通常用于治疗癌症肿瘤。然而，X射线用于治疗癌症的组织并不是最佳的，因为X射线将X射线辐射的最高剂量沉积在目标组织的表面附近，而当X射线穿入组织中时递送指数级减少的辐射。这导致在肿瘤外部递送大量辐射。γ射线具有类似的局限性。
第三种形式的癌症治疗使用质子。质子疗法系统通常包括：束产生器、加速器和束传输系统，所述束传输系统将所得的经加速质子移送至数个治疗室，在所述数个治疗室中，质子被递送至患者体内的肿瘤。
质子疗法通过将高能电离粒子瞄准至目标肿瘤来工作，所述高能电离粒子诸如经粒子加速器加速的质子。这些粒子损伤细胞的DNA，最终导致细胞死亡。由于癌细胞高速分裂，并且癌细胞修复损伤的DNA的能力降低，因此对癌细胞的DNA进行攻击，癌细胞特别容易受损。
由于质子的大小相对较大，因此质子不如X射线或γ射线容易在组织中扩散，并且几乎不存在横向分散。因此，质子束保持聚焦在肿瘤形状上，而不对周围组织造成很多横向损伤。给定能量的所有质子具有由布拉格峰(Braggpeak)限定的某一范围，并且递送至组织的剂量递送比在所述粒子范围的最后几毫米上最大。穿透深度取决于粒子的能量，粒子的能量与粒子被质子加速器加速所达到的速度直接相关。质子的速度可调整至加速器的最大额定值。由于质子束恰好处于肿瘤位于组织中的深度，因此有可能集中细胞损伤。位于布拉格峰之前的组织接收一些减少的剂量，并且位于所述峰之后的组织不接收任何剂量。
同步加速器
在此概述本发明所涉及的专利。
质子束疗法系统
洛玛连达大学医学中心(Loma Linda University Medical Center)的F.Cole等人的“Multi-Station Proton Beam Therapy System”，美国专利第4,870,287号(1989年9月26日)描述一种质子束疗法系统，所述系统用于从单个质子源选择性地产生质子束并且由加速器将质子束传输至数个患者治疗室中的选定治疗室。
束形成
C.Johnstone的“Method and Apparatus for Laser Controlled ProtonBeam Radiology”，美国专利第5,760,395号(1998年6月2日)描述一种质子束放射系统，所述质子束放射系统具有加速器，所述加速器产生H-束和激光。所述激光和H-束结合以形成中性束。光致分离模块进一步使用剥离箔片，所述剥离箔片由所述中性束形成质子束。
T.Ikeguchi等人的“synchrotron Radiation Source With BeamStabilizers”，美国专利第5,177,448号(1993年1月5日)描述一种同步加速放射源，所述同步加速放射源出于延长带电粒子束寿命的目的具有束吸收器，所述束吸收器由具有低光脱附产率的材料制成，所述束吸收器安置在弯曲区段/真空室内部。
注入
K.Hiramoto等人的“Accelerator System”，美国专利第4,870,287号(1989年9月26日)描述一种加速器系统，所述加速器系统具有选择器电磁铁，所述选择器电磁铁用于将被预加速器加速的离子束引入放射性同位素生产单元或同步加速器中。
K.Hiramoto等人的“Circular Accelerator，Method of Injection ofCharged Particle Thereof，and Apparatus for Injection of ChargedParticle Thereof”，美国专利第5,789,875号(1998年8月4日)和K.Hiramoto等人的“Circular Accelerator，Method of Injection of Charged ParticleThereof，and Apparatus for Injection of Charged Particle Thereof”，美国专利第5,600,213号(1997年2月4日)均描述一种方法和设备，所述方法和设备用于将大量带电粒子注入真空导管中，其中注入束具有相对于所述导管的几何中心的高度和宽度。
加速器/同步加速器
H.Tanaka等人的“Charged Particle Accelerator”，美国专利第7,259,529号(2007年8月21日)描述一种带电粒子加速器，所述带电粒子加速器具有两个阶段的加速过程，其中在第一阶段和定时第二加速阶段施加固定磁场，以提供带电粒子的紧密和高功率加速。
T.Haberer等人的“Ion Beam Therapy System and a Method for Operatingthe System”，美国专利第6,683,318号(2004年1月27日)描述一种离子束疗法系统和操作所述系统的方法。所述离子束系统使用台架，所属台架具有垂直偏转系统和水平偏转系统，所述垂直偏转系统和所述水平偏转系统设置于最后的弯曲磁铁之前，所述垂直偏转系统和所述水平偏转系统导致由边缘聚焦效应引起的平行扫描模式。
V.Kulish等人的“Inductional Undulative EH-Accelerator”，美国专利第6,433,494号(2002年8月13日)描述一种感应波动EH加速器，所述感应波动EH加速器用于加速带电粒子束。所述设备由电磁铁波动系统组成，用于电磁铁的所述设备的驱动系统以射频(radio-frequency；RF)振荡器的形式制造，所述RF振荡器在约100kHz至10GHz的频率范围中操作。
K.Saito等人的“Radio-Frequency Accelerating System and Ring TypeAccelerator Provided with the Same”，美国专利第5,917,293号(1999年6月29日)描述一种射频加速系统，所述射频加速系统具有回路天线和阻抗调整构件，所述回路天线耦接至磁芯组，所述阻抗调整构件连接至所述回路天线。相对低的电压施加于所述阻抗调整构件，从而允许所述调整构件的小型结构。
J.Hirota等人的“Ion Beam Accelerating Device Having SeparatelyExcited Magnetic Cores”，美国专利第5,661,366号(1997年8月26日)描述一种离子束加速设备，所述离子束加速设备具有数个高频磁场感应单元和磁芯。
J.Hirota等人的“Acceleration Device for Charged Particles”，美国专利第5,168,241号(1992年12月1日)描述一种加速空腔，所述加速空腔具有高频电源和回路导体，所述高频电源和回路导体在控制下操作，所述高频电源和回路导体联合控制耦合常数和/或去调整，从而允许电力更有效地传输给粒子。
真空室
T.Kobari等人的“Apparatus For Treating the Inner Surface of VacuumChamber”，美国专利第5,820,320号(1998年10月13日)和T.Kobari等人的“Process and Apparatus for Treating Inner Surface Treatment ofChamber and Vacuum Chamber”，美国专利第5,626,682号(1997年5月6日)均描述一种用于处理真空室的内表面的设备，所述设备包括用于利用钻孔来向真空室表面供应惰性气体或氮气的构件。替代地，所述钻孔用于向真空室供应低级醇，以用于溶解真空室表面上的污染物。
磁铁形状
M.Tadokoro等人的“Electromagnetic and Magnetic Field GeneratingApparatus”，美国专利第6,365,894号(2002年4月2日)和M.Tadokoro等人的“Electromagnetic and Magnetic Field Generating Apparatus”，美国专利第6,236,043号(2001年5月22日)各自描述一对磁极、一种回复轭和励磁线圈。所述磁极的内部各自具有数个气隙间隔物以增加磁场强度。
引出
T.Nakanishi等人的“Charged-Particle Beam Accelerator，ParticleBeam Radiation Therapy System Using the Charged-Particle BeamAccelerator，and Method of Operating the Particle Beam RadiationTherapy System”，美国专利第7,122,978号(2006年10月17日)描述一种带电粒子束加速器，所述带电粒子束加速器具有RF-KO单元和引出四极电磁铁单元，所述RF-KO单元用于增大带电粒子束在共振稳定区内的电子感应加速器振荡的振幅，所述引出四极电磁铁单元用于改变共振稳定区。所述RF-KO单元是在循环束不超过共振稳定区边界的频率范围内操作的，而所述引出四极电磁铁是利用束引出所需的定时来操作的。
T.Haberer等人的“Method and Device for Controlling a BeamExtract ion Raster Scan Irradiation Device for Heavy Ions or Protons”，美国专利第7,091,478号(2006年8月15日)描述一种根据每个加速器循环的束能量、束聚焦和束强度来控制束引出辐射的方法。
K.Hiramoto等人的“Accelerator and Medical System and OperatingMethod of the Same”，美国专利第6,472,834号(2002年10月29日)描述一种循环型加速器，所述循环型加速器具有偏转电磁铁和四极电磁铁、多极电磁铁和高频源，所述偏转电磁铁和四极电磁铁用于使带电粒子束循环，所述多极电磁铁用于产生电子感应加速器振荡的共振稳定限，所述高频源用于向束施加高频电磁场以将束移送至所述稳定限之外。所述高频源产生数个交流电(alternating current；AC)信号的和信号，其中瞬时频率相对于时间变化，并且其中所述瞬时频率相对于时间的平均值是不同的。所述系统将和信号经由电极施加于束。
K.Hiramoto等人的“Synchrotron Type Accelerator and MedicalTreatment System Employing the Same”，美国专利第6,087,670号(2000年7月11日)和K.Hiramoto等人的“Synchrotron Type Accelerator andMedical Treatment System Employing the Same”，美国专利第6,008,499号(1999年12月28日)描述一种同步加速器，所述同步加速器具有高频施加单元，所述高频施加单元布置在循环轨道上，所述高频施加单元用于向循环的带电粒子束施加高频电磁场，并且将粒子束的电子感应加速器振荡的振幅增加至超过共振稳定限的水平。另外，为了射出束，如下布置四极发散电磁铁：(1)相对于第一致偏器的下游；(2)相对于偏转电磁铁的上游；(3)相对于偏转电磁铁的下游；和(4)相对于第二致偏器的上游。
K.Hiramoto等人的“Circular Accelerator and Method and Apparatusfor Extracting Charged-Particle Beam in Circular Accelerator”，美国专利第5,363,008号(1994年11月8日)描述一种环形加速器，所述环形加速器用于引出带电粒子束，所述环形加速器经布置以：(1)通过电子感应加速器振荡共振的效应增加束的位移；(2)增加粒子的电子感应加速器振荡幅度，所述粒子具有共振稳定限内的初始电子感应加速器振荡；和(3)超出所述共振稳定限，从而引出超出所述共振稳定限的粒子。
K.Hiramoto等人的“Method of Extracting Charged Particles fromAccelerator，and Accelerator Capable Carrying Out the Method，byShifting Particle Orbit”，美国专利第5,285,166号(1994年2月8日)描述一种引出带电粒子束的方法。由弯曲磁铁和具有超过六倍分量的多极分量的磁铁维持的带电粒子平衡轨道由加速器的组成元件而不是这些磁铁变换，以改变带电粒子的调整。
传输/扫描控制
K.Matsuda等人的“Particle Beam Irradiation Apparatus，TreatmentPlanning Unit，and Particle Beam Irradiation Method”，美国专利第7,227,161号(2007年6月5日)；K.Matsuda等人的“Particle BeamIrradiation Treatment Planning Unit，and Particle Beam IrradiationMethod”，美国专利第7,122,811号(2006年10月17日)；以及K.Matsuda等人的“Particle Beam Irradiation Apparatus，Treatment Planning Unit，and Particle Beam Irradiation Method”(2006年9月5日)各自描述一种粒子束辐射设备，所述粒子束辐射设备具有扫描控制器，所述扫描控制器终止离子束的输出，经由控制扫描电磁铁改变辐射位置，并且基于治疗计划信息重新开始治疗。
T.Norimine等人的“Particle Therapy System Apparatus”，美国专利第7,060,997号(2006年6月13日)；T.Norimine等人的“Particle TherapySystem Apparatus”，6,936,832(2005年8月30日)；以及T.Norimine等人的“Particle Therapy System Apparatus”，第6,774,383号(2004年8月10日)各自描述一种粒子疗法系统，所述粒子疗法系统具有第一导向磁铁和第二导向磁铁，所述第一导向磁铁和第二导向磁铁安置于同步加速器之后的带电粒子束路径中，并且由第一和第二束位置监测器控制。
K.Moriyama等人的“Particle Beam Therapy System”，美国专利第7,012,267号(2006年3月14日)描述一种人工输入，所述人工输入成为指示将离子束传输至患者的准备已完成的就绪信号。
H.Harada等人的“Irradiation Apparatus and Irradiation Method”，美国专利第6,984,835号(2006年1月10日)描述一种辐射方法，所述辐射方法具有大型辐射野，所述大型辐射野能够使用位置控制器均匀分布剂量，而无需加强辐射野设备的性能，所述位置控制器具有重叠区，所述重叠区经由使用多叶准直仪由数个辐射形成。所述系统在目标的整个表面上方提供平坦和均匀的剂量分布。
H.Akiyama等人的“Charged Particle Beam Irradiation EquipmentHaving Scanning Electromagnet Power Supplies”，美国专利第6,903,351号(2005年6月7日)；H.Akiyama等人的“Charged Particle Beam IrradiationEquipment Having Scanning Electromagnet Power Supplies”，美国专利第6,900,436号(2005年5月31日)；以及H.Akiyama等人的“Charged ParticleBeam Irradiation Equipment Having Scanning Electromagnet PowerSupplies”，美国专利第6,881,970号(2005年4月19日)都描述一种电源和第二电源，所述电源用于施加电压至扫描电磁铁，以使带电粒子束偏转，所述第二电源没有搏动分量，以更精确地控制扫描电磁铁，从而允许对辐射对象进行均匀辐射。
K.Amemiya等人的“Accelerator System and Medical AcceleratorFacility”，美国专利第6,800,866号(2004年10月5日)描述一种加速器系统，所述加速器系统具有宽离子束控制电流范围和长的维护周期，所述宽离子束控制电流范围能够在低电耗下操作。
A.Dolinskii等人的“Gantry with an Ion-Optical System”，美国专利第6,476,403号(2002年11月5日)描述一种用于离子-光学系统的台架，所述离子-光学系统包含离子源和三个弯曲磁铁，所述三个弯曲磁铁用于使离子束环绕旋转轴偏转。还沿束路径提供数个四极，以建立充分消色差的束传输和离子束，所述离子束在水平和垂直面具有不同发射率。此外，在第二弯曲磁铁与第三弯曲磁铁之间提供两个扫描磁铁以引导束。
H.Akiyama等人的“Charged Particle Beam Irradiation Apparatus”，美国专利第6,218,675号(2001年4月17日)描述一种带电粒子束辐射设备，所述带电粒子束辐射设备用于以带电粒子束辐射目标，所述带电粒子束辐射设备包括数个扫描电磁铁和一个四极电磁铁，所述四极电磁铁处于所述数个扫描电磁铁中的两个之间。
K.Matsuda等人的“Charged Particle Beam Irradiation System andMethod Thereof”，美国专利第6,087,672号(2000年7月11日)描述一种带电粒子束辐射系统，所述带电粒子束辐射系统具有脊形过滤器(ridgefilter)，所述脊形过滤器包含屏蔽元件，以在一区域中屏蔽一部分带电粒子束，所述区域对应于目标中薄区域。
P.Young等人的“Raster Scan Control System for a Charged-ParticleBeam”，美国专利第5,017,789号(1991年5月21日)描述一种光栅扫描控制系统，所述光栅扫描控制系统供带电粒子束递送系统使用，所述光栅扫描控制系统包括喷嘴，带电粒子束通过所述喷嘴传递。所述喷嘴包括可编程光栅产生器和快扫描电磁铁及慢扫描电磁铁，所述快扫描电磁铁及慢扫描电磁铁协作以产生扫描磁场，所述扫描磁场沿目标处的所要光栅扫描图案操纵束。
束形状控制
M.Yanagisawa等人的“Particle Beam Irradiation System and Methodof Adjusting Irradiation Field Forming Apparatus”，美国专利第7,154,107号(2006年12月26日)和M.Yanagisawa等人的“Particle Beam IrradiationSystem and Method of Adjusting Irradiation Field Forming Apparatus”，美国专利第7,049,613号(2006年5月23日)各自描述一种粒子疗法系统，所述粒子疗法系统具有扩散补偿器和范围调制轮。所述扩散补偿器和所述范围调制轮的移动调整离子束的大小和扩散强度，从而导致半影控制和剂量更均匀地分布至患病的身体部分。
T.Haberer等人的“Device and Method for Adapting the Size of anIon Beam Spot in the Domain of Tumor Irradiat ion”，美国专利第6,859,741号(2005年2月22日)描述一种用于修改肿瘤辐射中的离子束大小的方法和设备。决定离子束斑点大小的四极磁铁直接布置在光栅扫描磁铁前面，以决定离子束斑点大小。所述设备包含控制回路，所述控制回路用于获得当前校正值，以进一步控制离子束斑点大小。
K.Matsuda等人的“Charged Particle Irradiation Apparatus and anOperating Method Thereof”，美国专利第5,986,274号(1999年11月16日)描述一种带电粒子辐射设备，所述带电粒子辐射设备能够通过控制四极电磁铁和偏转电磁铁的磁场来控制通过扩散器中心的带电粒子束的中心，而不管扫描电磁铁所产生磁场的方向和强度，从而减少带电粒子束的辐射野边界处的横向剂量下降。
K.Hiramoto等人的“Charged Particle Beam Apparatus and Method forOperating the Same”，美国专利第5,969,367号(1999年10月19日)描述一种带电粒子束设备，其中带电粒子束经扩散器放大从而导致高斯分布(Gaussian distribution)，所述高斯分布允许施加于变化的斑点位置的辐射剂量重叠。
M.Moyers等人的“Charged Particle Beam Scattering System”，美国专利第5,440,133号(1995年8月8日)描述一种放射治疗设备和一种扩散箔片，所述放射治疗设备用于产生粒子束，所述扩散箔片用于改变所述带电粒子束的直径。
C.Nunan的“Multileaf Collimator for Radiotherapy Machines”，美国专利第4,868,844号(1989年9月19日)描述一种放射疗法机，所述放射疗法机具有多叶准直仪，所述多叶准直仪由数个重金属叶条形成，所述数个重金属叶条可移动以形成矩形辐射野。
R.Maughan等人的“Variable Radiation Collimator”，美国专利第4,754,147号(1988年6月28日)描述一种可变准直仪，所述可变准直仪用于形成放射束横截面，所述横截面依赖于控制棒(rod)，所述控制棒围绕束轴设置。所述控制棒由成型构件加工成型，所述成型构件切成患者待辐射区域的形状。
治疗室的选择
J.Naumann等人的“Beam Allocation Apparatus and Beam AllocationMethod for Medical Particle Accelerators”，美国专利第7,351,988号(2008年4月1日)描述一种束分配设备，所述束分配设备用于医疗粒子加速器，所述束分配设备具有判优单元、切换逻辑、监测单元和利用安全溢出中断系统(safety spill abort system)的顺序控制。
K.Moriyama等人的“Particle Beam Therapy System”，美国专利第7,319,231号(2008年1月15日)描述一种具有辐射就绪信号的数个治疗室的束服务器系统，从而允许治疗束的先来先服务控制。
K.Moriyama等人的“Particle Beam Therapy System”，美国专利第7,262,424号(2007年8月28日)描述一种粒子束疗法系统，所述粒子束疗法系统使用来自治疗室的信息以控制离子束递送至数个治疗室中的一个治疗室。
I.Morgan等人的“Multiple Target，Multiple Energy RadioisotopeProduction”，美国专利第6,444,990号(2002年9月3日)描述一种粒子束传输路径，所述粒子束传输路径具有进入路径和多个冲击磁铁(kickermagnet)，其中开启给定的冲击磁铁导致粒子束被引导至相应的室。
M.Takanaka等人的“Beam Supply Device”，美国专利第5,349,198号(1994年9月20日)描述一种束供应设备，所述束供应设备用于将粒子束或放射束供应至治疗室，其中所述系统包括可旋转的束传输设备和数个束利用室，所述数个束利用室围绕可旋转偏转电磁铁的旋转轴安置。
束能量/强度
M.Yanagisawa等人的“Charged Particle Therapy System，RangeModulation Wheel Device，and Method of Installing Range ModulationWheel Device”，美国专利第7,355,189号(2008年4月8日)和Yanagisawa等人的“Charged Particle Therapy System，Range Modulation Wheel Device，and Method of Installing Range Modulation Wheel Device”，美国专利第7,053,389号(2008年5月30日)均描述一种粒子疗法系统，所述粒子疗法系统具有范围调制轮。离子束通过所述范围调制轮，从而产生数个能级，所述数个能级对应于所述范围调制轮的数个分级厚度。
M.Yanagisawa等人的“Particle Beam Irradiation System and Methodof Adjusting Irradiation Apparatus”，美国专利第7,297,967号(2007年11月20日)；M.Yanagisawa等人的“Particle Beam Irradiation Systemand Method of Adjusting Irradiation Apparatus”，美国专利第7,071,479号(2006年7月4日)；M.Yanagisawa等人的“Particle Beam IrradiationSystem and Method of Adjusting Irradiation Apparatus”，美国专利第7,026,636号(2006年4月11日)；以及M.Yanagisawa等人的“Particle BeamIrradiation System and Method of Adjusting Irradiation Apparatus”，美国专利第6,777,700号(2004年8月17日)都描述一种扩散设备、一种范围调整设备和一种峰扩散设备。所述扩散设备和范围调整设备结合在一起并且沿束轴移动。所述峰扩散设备沿轴独立移动以调整离子束扩散的程度。相结合地，所述设备增加放射剂量分布至患病组织的均匀程度。
A.Sliski等人的“Programmable Particle Scatterer for RadiationTherapy Beam Formation”，美国专利第7,208,748号(2007年4月24日)描述一种可编程的流体路径长度，所述流体路径长度安置至粒子束中，从而以预定方式调节散射角和束范围。所述带电粒子束扩散器/范围调制器包含流体储存器和驱动器，所述流体储存器在粒子束路径中具有相对壁，所述驱动器在可编程控制器控制之下调整所述流体储存器壁之间的距离，以在组织中的预定深度处建立预定的外扩布拉格峰。在肿瘤治疗期间连续和动态地调整束扩散和调制，以在目标预定三维体积中沉积剂量。
M.Tadokoro等人的“Particle Therapy System”，美国专利第7,247,869号(2007年7月24日)和美国专利第7,154,108号(2006年12月26日)各自描述一种粒子疗法系统，所述粒子疗法系统能够在辐射癌症组织期间测量带电粒子束的能量。所述系统包括一对准直仪之间的束通道、能量探测器和信号处理单元。
G.Kraft等人的“Ion Beam Scanner System and Operating Method”，美国专利第6,891,177号(2005年5月10日)描述一种离子束扫描系统，所述离子束扫描系统具有机械校准系统，所述机械校准系统用于待扫描的目标体积，所述机械校准系统考虑到借助于线性电动机的离子束深度调节，以及能量吸收构件的横向位移，从而深度交错扫描目标体积的体积单元。
G.Hartmann等人的“Method for Operating an Ion Beam Therapy Systemby Monitoring the Distribution of the Radiation Dose”，美国专利第6,736,831号(2004年5月18日)描述一种用于操作离子束疗法系统的方法，所述离子束疗法系统具有网格扫描仪，所述网格扫描仪辐射和扫描等中心周围区域。测量和评估处于等中心区域中不同位置的网格扫描仪设备的深度剂量分布和横向剂量分布二者。
Y.Jongen的“Method for Treating a Target Volume with a ParticleBeam and Device Implementing Same”，美国专利第6,717,162号(2004年4月6日)描述一种从粒子束产生指向目标体积的狭窄斑点的方法，其特征为斑点扫描速度和粒子束强度同时变化。
G.Kraft等人的“Device for Irradiating a Tumor Tissue”，美国专利第6,710,362号(2004年3月23日)描述一种辐射肿瘤组织的方法和设备，其中所述设备在用于质子束的深度方面的调适的质子束路径中具有电磁驱动离子制动设备，所述电磁驱动离子制动设备调整离子束方向和离子束范围二者。
K.Matsuda等人的“Charged Particle Beam Irradiation Apparatus”，美国专利第6,617,598号(2003年9月9日)描述一种带电粒子束辐射设备，所述带电粒子束辐射设备利用使布拉格峰通过放大设备增加布拉格峰沿深度方向的宽度，所述放大设备包含具有不同能量的三个离子束分量，所述不同能量根据滤波器元件中的每一个滤波器元件的通过位置之间的差异产生。
H.Stelzer等人的“Ionization Chamber for Ion Beams and Method forMonitoring the Intensity of an Ion Beam”，美国专利第6,437,513号(2002年8月20日)描述一种用于离子束的电离室和监测离子治疗束强度的方法。所述电离室包括室外壳、束入口窗、束出口窗和室容积，所述室容积充满计数气体。
H.Akiyama等人的“Charged-Particle Beam Irradiation Method andSystem”，美国专利第6,433,349号(2002年8月13日)和H.Akiyama等人的“Charged-Particle Beam Irradiation Method and System”，美国专利第6,265,837号(2001年7月24日)均描述一种带电粒子束辐射系统，所述带电粒子束辐射系统包括换能器和强度控制器，所述换能器用于改变粒子能量，所述强度控制器用于控制带电粒子束的强度。
Y.Pu的“Charged Particle Beam Irradiation Apparatus and Methodof Irradiation with Charged Particle Beam”，美国专利第6,034,377号(2000年3月7日)描述一种带电粒子束辐射设备，所述带电粒子束辐射设备具有降能器，所述降能器包含：(1)具有长度的圆柱形构件；和(2)壁厚度围绕旋转轴沿圆周方向的分布，其中壁的厚度决定辐射束的能量降级。
剂量
K.Matsuda等人的“Particle Beam Irradiation System”，美国专利第7,372,053号(2007年11月27日)描述一种粒子束辐射系统，所述粒子束辐射系统通过使用终止信号确保在辐射对象处更均匀的剂量分布，所述终止信号终止来自辐射设备的离子束输出。
H.Sakamoto等人的“Radiation Treatment Plan Making System andMethod”，美国专利第7,054,801号(2006年5月30日)描述一种放射暴露系统，所述放射暴露系统将暴露区域划分成数个暴露区域，并且使用放射模拟来设计放射治疗条件以获得对所要区域的平坦放射暴露。
G.Hartmann等人的“Method For Verifying the Calculated RadiationDose of an Ion Beam Therapy System”，美国专利第6,799,068号(2004年9月28日)描述一种用于验证离子束疗法系统的经计算剂量的方法，所述离子束疗法系统包含模体和经计算放射剂量与模体之间的偏差。
H.Brand等人的“Method for Monitoring the Irradiation Control ofan Ion Beam Therapy System”，美国专利第6,614,038号(2003年9月2日)描述一种检查离子束疗法系统的经计算辐射控制单元的方法，其中永久存储扫描数据集、控制计算机参数、测量传感参数和所要的扫描仪磁铁的当前值。
T.Kan等人的“Water Phantom Type Dose Distribution DeterminingApparatus”，美国专利第6,207,952号(2001年3月27日)描述一种水模体型剂量分布设备，所述水模体型剂量分布设备包括装满水的闭式水箱，所述闭式水箱具有插入的传感器，所述传感器用于在放射疗法之前测定实际的放射剂量分布。
安全性
K.Moriyama等人的“Particle Beam Therapy System”，美国专利第7,345,292号(2008年3月18日)描述一种安全设备，所述安全设备确认在加速器中产生离子束的准备完成和在束传输系统中传输离子束的准备完成。另外提供就绪状态显示单元，所述就绪状态显示单元用于显示就绪信息。
C.Cheng等人的“Path Planning and Collision Avoidance for Movementof Instruments in a Radiat ion Therapy Environment”，美国专利第7,280,633号(2007年10月9日)描述一种患者定位系统，所述患者定位系统包括外部测量设备，所述外部测量设备测量对象的位置和方向，包括放射疗法系统的组件。所述定位系统还监测由人员或外来物体造成的对所述疗法系统的工作区的侵入，以提高所述放射疗法系统的操作安全性。
K.Moriyama等人的“Particle Beam Therapy System”，美国专利第7,173,264号(2007年2月6日)描述一种粒子束疗法系统，所述粒子束疗法系统具有一组遮光器(shutter)，以防止错误地下游辐射非选定治疗室。
E.Badura等人的“Method for Checking Beam Generation and BeamAcceleration Means of an Ion Beam Therapy System”，美国专利第6,745,072号(2004年6月1日)描述一种检查离子束疗法系统的束产生构件和束加速构件的方法，其中检查离子类型、离子束能量、离子束强度、加速器阻塞和终止引出的构件。
E.Badura等人的“Method for Checking Beam Steering in an Ion BeamTherapy System”，美国专利第6,639,234号(2003年10月28日)描述一种检查离子束疗法系统的束制导的方法，其中冗余构件用于：(1)终止引出；和(2)验证终止。
E.Badura等人的“Method of Operating an Ion Beam Therapy Systemwith Monitoring of Beam Position”，美国专利第6,600,164号(2003年7月29日)描述一种操作离子束疗法系统的方法，所述离子束疗法系统包括束扫描器设备，所述束扫描器设备引导束至等中心，其中监测和评估等中心区域，其中在偏离基于束剖面的半值宽度的公差值之后进行干涉。
E.Badura等人的“Method for Monitoring an Emergency Switch-Off ofan Ion-Beam Therapy System”，美国专利第6,597,005号(2003年7月22日)描述一种检查离子束疗法系统的紧急关闭的方法。
B.Britton等人的“Beamline Control and Security System for aRadiation Treatment Facility”，美国专利第5,895,926号(1999年4月20日)描述一种用于放射束治疗设施中束线安全的方法和设备。在探测到错误之后，停用束线的电源。
T.Nakanishi等人的“Particle Beam Irradiation Apparatus”，美国专利第5,818,058号(1998年10月6日)描述一种粒子束辐射野，所述粒子束辐射野具有用于屏蔽放射的屏蔽物，所述粒子束辐射野相对于放射轴对称放置。
B.Britton等人的“Beamline Control and Security System for aRadiation Treatment Facility”，美国专利第5,585,642号(1996年12月17日)描述一种用于放射束治疗设施中的束线安全性的方法和设备，所述方法和设备利用问候冗余逻辑通讯路径比较对应于所请求束配置的束路径配置信号。在探测到错误之后，停用束线的电源。
D.Lesyna等人的“Method of Treatment Room Selection Verificationin a Radiation Beam Therapy System”，美国专利第5,260,581号(1993年11月9日)描述一种放射束疗法系统中的治疗室选择验证的方法，所述方法将治疗室请求信号与来自开关站的束路径配置信号相比较，所述开关站控制从加速器到治疗室的束行进的路径。
校准
V.Bashkirov等人的“Nanodosimeter Based on Single Ion Detection”，美国专利第7,081,619号(2006年7月25日)和V.Bashkirov等人的“Nanodosimeter Based on Single Ion Detection”，美国专利第6,787,771号(2004年9月7日)均描述一种用于探测正离子的纳米剂量计设备，所述正离子通过孔径开口、通过敏感气体体积并到达探测器。所述发明包括使用纳米剂量计来校准放射暴露以破坏样品内的核酸。
G.Hartmann等人的“Method of Checking an Isocentre and aPatient-Positioning Device of an Ion Beam Therapy System”，美国专利第6,670,618号(2003年12月30日)描述一种使用网格扫描仪设备和球面模体检查离子束等中心的方法。在空间中心点与预定阈值偏离之后，离子束系统需要维护。
M.Wofford等人的“System and Method for Automatic Calibration ofa Multileaf Collimator”，美国专利第6,322,249号(2001年11月27日)描述一种通过移动准直仪的叶、判定所述叶与线之间的距离是否近似等于预定测量值以及使预定测量值与准直仪特定计数相关联来校准放射疗法设备的系统和方法。
D.Legg等人的“Normalizing and Calibrating Therapeutic RadiationDelivery Systems”，美国专利第5,511,549号(1996年4月30日)描述一种用于放射疗法递送系统的标准化和剂量校准的方法。对包含数个递送系统的质子疗法设施来说，优点尤其显著。所述方法允许不仅在与初始治疗计划相关联的站，而且在任何可用的递送站精确地实施规定的治疗。
启动/终止辐射
K.Hiramoto等人的“Charged Particle Beam Apparatus and Method forOperating the Same”，美国专利第6,316,776号(2001年11月13日)描述一种带电粒子束设备，其中反复定位、启动、终止和重新定位带电粒子束。如果有充足的电荷可用，那么在加速器中使用剩余粒子而不供应新粒子。
K.Matsuda等人的“Method and Apparatus for Controlling CircularAccelerator”，美国专利第6,462,490号(2002年10月8日)描述一种用于调整所发射带电粒子的定时的环形加速器的控制方法和设备。时钟脉冲在递送带电粒子流之后中止并且根据待辐射对象的状况而恢复。
台架
T.Yamashita等人的“Rotating Irradiation Apparatus”，美国专利第7,381,979号(2008年6月3日)描述一种旋转台架，所述旋转台架具有前环和后环，每一环具有径向支撑设备，其中所述径向支撑设备具有线性导架。所述系统具有推力支撑设备，所述推力支撑设备用于限制可旋转体沿所述可旋转体的旋转轴方向移动。
T.Yamashita等人的“Rotating Gantry of Particle Beam TherapySystem”，美国专利第7,372,053号(2008年5月3日)描述一种旋转台架，所述旋转台架由空气制动系统支撑，所述空气制动系统允许所述台架在辐射治疗期间快移动、制动和停止。
M.Yanagisawa等人的“Medical Charged Particle IrradiationApparatus”，美国专利第6,992,312号(2006年1月31日)；M.Yanagisawa等人的“Medical Charged Particle Irradiation Apparatus”，美国专利第6,979,832号(2005年12月27日)；以及M.Yanagisawa等人的“MedicalCharged Particle Irradiation Apparatus”，美国专利第6,953,943号(2005年10月11日)都描述一种能够从向上方向和水平方向辐射的设备。所述台架可环绕旋转轴旋转，其中偏离中心布置辐射野成型设备，以使得辐射轴通过与旋转轴不同的位置。
H.Kaercher等人的“Isokinetic Gantry Arrangement for theIsocentric Guidance of a Particle Beam And a Method for ConstructingSame”，美国专利第6,897,451号(2005年5月24日)描述一种等动力台架布置，所述等动力台架布置用于粒子束的等中心制导，所述等动力台架布置可围绕水平纵轴旋转。
G.Kraft等人的“Ion Beam System for Irradiating Tumor Tissues”，美国专利第6,730,921号(2004年5月4日)描述一种离子束系统，所述离子束系统用于以相对于水平布置的患者卧榻的不同辐射角度辐射肿瘤组织，其中所述患者卧榻可环绕中心轴旋转并具有提升机构。所述系统具有相对于水平方向高达±15度的中心离子束偏转。
M.Pavlovic等人的“Gantry System and Method for Operating Same”，美国专利第6,635,882号(2003年10月21日)描述一种台架系统，所述台架系统用于从可自由决定的有效治疗角度调整离子束并将离子束对齐至目标上。所述离子束以围绕台架旋转轴0至360度的可调整角度并且以离开台架旋转轴45至90度的角度对齐至目标上，从而当离子束环绕台架旋转轴旋转完整的转数时产生辐射锥形。
探测器
E.Berdermann等人的“Detector for Detecting Particle Beams andMethod for the Production Thereof”，美国专利第7,274,025号(2007年9月25日)描述一种探测器和一种制造所述探测器的方法。所述探测器包含结晶半导体菱形板和铝金属镀层，所述结晶半导体菱形板和铝金属镀层布置在陶瓷板基材上。
可移动患者
N.Rigney等人的“Patient Alignment System with ExternalMeasurement and Object Coordination for Radiation Therapy System”，美国专利第7,199,382号(2007年4月3日)描述一种患者对齐系统，所述患者对齐系统用于放射疗法系统，所述患者对齐系统包括多个外部测量设备，所述多个外部测量设备获得所述放射疗法系统的可移动组件的位置测量。所述对齐系统使用外部测量提供校正的定位反馈，以将患者更精确地对准(register)辐射束。
Y.Muramatsu等人的“Medical Particle Irradiation Apparatus”，美国专利第7,030,396号(2006年4月18日)；Y.Muramatsu等人的“MedicalParticle Irradiation Apparatus”，美国专利第6,903,356号(2005年6月7日)；以及Y.Muramatsu等人的“Medical Particle IrradiationApparatus”，美国专利第6,803,591号(2004年10月12日)都描述一种医疗粒子辐射设备，所述医疗粒子辐射设备具有旋转台架、环形框架、反关联机构和柔性移动底板，所述环形框架位于所述台架内以使得环形框架能够相对于所述旋转台架旋转，所述反关联机构保持所述框架绕所述台架旋转，所述柔性移动底板与框架啮合以当所述台架旋转时随着大体上平坦的底部自由移动。
H.Nonaka等人的“Rotating Radiation Chamber for RadiationTherapy”，美国专利第5,993,373号(1999年11月30日)描述一种水平的可移动底板，所述可移动底板由一系列多个平板组成，所述多个平板以自由和柔性方式连接，其中所述可移动底板与放射束辐射区段的旋转同步移动。
呼吸
K.Matsuda的“Radioactive Beam Irradiation Method and ApparatusTaking Movement of the Irradiation Area Into Consideration”，美国专利第5,538,494号(1996年7月23日)描述一种方法和设备，所述方法和设备使辐射即使在患病部分由于诸如呼吸和心跳的身体活动而改变位置的情况下也能够实现。最初，同时测量患病身体部分的位置改变和患者的身体活动，并且所述二者之间的关系被定义为函数。根据所述函数执行放射疗法。
患者定位
Y.Nagamine等人的“Patient Positioning Device and PatientPositioning Method”，美国专利第7,212,609号(2007年5月1日)和Y.Nagamine等人的“Patient Positioning Device and Patient PositioningMethod”，美国专利第7,212,608号(2007年5月1日)描述一种患者定位系统，所述患者定位系统利用图案匹配来比较参考X射线图像和当前患者部位的当前X射线图像的比较区。
D.Miller等人的“Modular Patient Support System”，美国专利第7,173,265号(2007年2月6日)描述一种放射治疗系统，所述放射治疗系统具有患者支撑系统，所述放射治疗系统包括可模块化扩展的患者囊(patientpod)和至少一个固定设备，诸如可模压的泡沫托架。
K.Kato等人的“Multi-Leaf Collimator and Medical System IncludingAccelerator”，美国专利第6,931,100号(2005年8月16日)；K.Kato等人的“Multi-Leaf Collimator and Medical System IncludingAccelerator”，美国专利第6,823,045号(2004年11月23日)；K.Kato等人的“Multi-Leaf Collimator and Medical System IncludingAccelerator”，美国专利第6,819,743号(2004年11月16日)；以及K.Kato等人的“Multi-Leaf Collimator and Medical System IncludingAccelerator”，美国专利第6,792,078号(2004年9月14日)都描述一种用于缩短辐射疗法的患者定位时间的叶板系统。电动机驱动力经由小齿轮被同时输送到数个叶板。所述系统还使用上气缸和下气缸以及上导架和下导架来定位患者。
计算机控制
A.Beloussov等人的“Configuration Management and Retrieval Systemfor Proton Beam Therapy System”，美国专利第7,368,740号(2008年5月6日)；A.Beloussov等人的“Configuration Management and RetrievalSystem for Proton Beam Therapy System”，美国专利第7,084,410号(2006年8月1日)；以及A.Beloussov等人的“Configuration Management andRetrieval System for Proton Beam Therapy System”，美国专利第6,822,244号(2004年11月23日)都描述一种多处理器软件控制质子束系统，所述多处理器软件控制质子束系统具有治疗可配置参数，所述治疗可配置参数由经授权的用户轻而易举地修改，以准备所述软件控制系统用于不同操作模式，从而确保数据库中发生单点故障时数据和配置参数是可访问的。
J.Hirota等人的“Automatically Operated Accelerator Using ObtainedOperating Patterns”，美国专利第5,698,954号(1997年12月16日)描述一种主控制器，所述主控制器用于使用来自操作模式的控制来决定加速器主体的每个组件的控制量和控制定时。
成像
P.Adamee等人的“Charged Particle Beam Apparatus and Method forOperating the Same”，美国专利第7,274,018号(2007年9月25日)和P.Adamee等人的“Charged Particle Beam Apparatus and Method for Operatingthe Same”，美国专利第7,045,781号(2006年5月16日)描述一种带电粒子束设备，所述带电粒子束设备经配置用于物体的连续和/或平行成像。
K.Hiramoto等人的“Ion Beam Therapy System and its CouchPositioning System”，美国专利第7,193,227号(2007年3月20日)描述一种离子束疗法系统，所述离子束疗法系统具有X射线成像系统，所述X射线成像系统与旋转台架共同移动。
C.Maurer等人的“Apparatus and Method for Registration of Imagesto Physical Space Using a Weighted Combination of Points and Surfaces”，美国专利第6,560,354号(2003年5月6日)描述一种X射线计算断层摄影术对准患者身体上进行的物理测量的过程，其中不同的身体部分被给予不同的加权。加权用于重复的对准过程中，以决定刚体变换过程，其中变换函数用于协助外科或立体定向程序。
M.Blair等人的“Proton Beam Digital Imaging System”，美国专利第5,825,845号(1998年10月20日)描述一种质子束数字成像系统，所述质子束数字成像系统具有X射线源，所述X射线源可移动至治疗束线中，所述治疗束线能够产生穿过身体部位的X射线束。通过比较患者定向图像中的束中心和相对于选定界标的主要规定图像中的等中心的相对位置，决定使最佳束中心对应于目标等中心的患者的移动量和移动方向。
S.Nishihara等人的“Therapeutic Apparatus”，美国专利第5,039,867号(1991年8月13日)描述一种用于定位治疗束的方法和设备，其中，根据第一图像测定第一距离，根据第二图像测定第二距离，并且根据所述第一距离和第二距离将患者移动到疗法束辐射位置。
质子和中子治疗/粒子选择
L.Dahl等人的“Apparatus for Generating and Selecting Ions Usedin a Heavy Ion Cancer Therapy Facility”，美国专利第6,809,325号(2004年10月26日)描述一种用于产生、引出和选择用于重离子癌症疗法设施中的离子的设备，所述设备包括回旋共振离子源和选择构件，所述回旋共振离子源用于产生重离子和轻离子，所述选择构件用于选择每一离子源下游的一个同位素构型的重离子种类。
J.Slater等人的“System and Method for Multiple Particle Therapy”，美国专利第5,866,912号(1999年2月2日)描述一种质子束疗法系统，其中质子通过铍中子源，从而产生质子和中子的来源。
问题
本领域中需要准确和精确地递送辐射能量至肿瘤。更具体来说，需要有效产生负离子束、聚焦离子束、将离子束转换成带电粒子束、加速带电粒子束、相对于粒子疗法束固定和/或可再现地定位人员和/或使带电粒子束瞄准至肿瘤。
发明内容
本发明包含一种用于治疗实体癌症的方法和设备。在一个实施方式中，本发明涉及一种多场带电粒子癌症治疗方法和设备，所述方法和设备与负离子束产生、离子束聚焦、带电粒子加速、患者旋转和/或患者呼吸相协调。优选地，在处于部分固定和可重现位置的患者身上实施所述带电粒子治疗。质子递送优选经由控制带电粒子束注入、加速和/或瞄准方法和设备与患者呼吸合拍。
附图说明
图1示出带电粒子束疗法系统的组件连接；
图2示出带电粒子疗法系统；
图3示出离子束产生系统；
图4示出负离子束源；
图5示出离子束聚焦系统；
图6A至图6D示出环绕负离子束路径的聚焦电极；
图7A示出负离子束路径真空系统；图7B示出支撑结构；图7C示出箔片；
图8是粒子束疗法控制流程图；
图9示出同步加速器的直区段和转向区段；
图10示出同步加速器的弯曲磁铁；
图11提供弯曲磁铁的透视图；
图12示出弯曲磁铁的横截面图；
图13示出弯曲磁铁的横截面图；
图14A示出RF加速器并且图14B示出RF加速器子系统；
图15示出磁场控制系统；
图16示出患者定位系统的(A)前视图和(B)俯视图；
图17提供X射线和质子束剂量分布；
图18A至图18E示出受控扫描和聚焦辐射深度；
图19A至图19E示出多场辐射；
图20示出经由使用多场辐射的剂量效率提高；
图21提供实施多场辐射的两个方法；
图22示出半垂直患者定位系统；
图23提供坐式患者定位系统的实例；
图24示出躺式患者定位系统；
图25示出头部约束系统；
图26示出手部和头部支架。
具体实施方式
本发明一般涉及实体癌症的治疗。
在一个实施方式中，带电粒子束癌症疗法系统用于治疗患者的实体肿瘤。
在另一个实施方式中，本发明涉及一种多场带电粒子癌症治疗方法和设备。
在又一个实施方式中，患者定位方法和设备与癌症治疗多轴带电粒子束或质子束放射治疗方法和设备结合使用。所述患者定位系统用于将患者平移和/或旋转至质子束能够使用瞄准系统扫描肿瘤的区带中。所述患者定位系统可选地与用于约束患者移动的系统(诸如半垂直、坐式或躺式定位系统)结合使用。
在又一个实施方式中，带电粒子束加速和引出方法和设备与癌症肿瘤的带电粒子束放射疗法结合使用。特别地，新颖的同步加速器转向磁铁用于最小化同步加速器的总体尺寸、提供严密控制的质子束、直接减小所需磁场的规模、直接降低所需的操作功率和即使在从同步加速器引出质子的过程中，允许不断加速同步加速器中的质子。
在另一个实施方式中，描述一种带电粒子癌症疗法系统，所述带电粒子癌症疗法系统具有相结合的旋转/光栅方法和设备，所述旋转/光栅方法和设备被称作多场带电粒子癌症疗法。所述系统使用相对于旋转的患者的固定方向的质子源以从多个方向产生肿瘤辐射。所述系统将来自许多方向的逐层肿瘤辐射与受控能量质子辐射结合，以在选定的肿瘤体积或辐射切面内递送峰质子束能量。可选地，自给定角度辐射的选定肿瘤体积为肿瘤的远侧部。以此方式，进入的布拉格峰能量环绕肿瘤圆周式扩散，从而将对健康组织的损伤减至最小，并且峰质子能量被有效、准确和精确地递送至肿瘤。
在又一个实施方式中，使用带电粒子癌症疗法系统描述用于将放射剂量有效地递送至肿瘤的方法和设备。放射经过入口点递送至肿瘤中，并且布拉格峰能量从进入点瞄准肿瘤的远极或远端面。从多个旋转方向重复将布拉格峰能量从所述进入点递送至肿瘤的远极面。能级从每一辐射方向瞄准肿瘤的远端面的多场辐射过程将带电粒子放射剂量均匀和有效地递送至肿瘤。优选地，带电粒子疗法经由控制带电粒子束注入、加速、引出和/或瞄准方法和设备与患者呼吸合拍。
在又一个实施方式中，半垂直患者定位、对齐和/或控制方法和设备与癌症肿瘤的带电粒子或质子束放射疗法结合使用。患者定位约束用于维持患者处于治疗位置，所述患者定位约束包括以下机构中的一或更多个：座位支架、背部支架、头部支架、臂部支架、膝部支架和脚部支架。所述定位约束中的一或更多个定位约束是可移动的和/或在计算机控制之下，以用于快速定位和/或固定患者。所述系统可选地使用X射线束，所述X射线束位于与粒子束癌症疗法系统的质子束路径大体上相同的路径中。所产生的图像可用于：相对于所述质子束路径精调身体对齐，以控制所述质子束路径准确和精确地瞄准肿瘤，和/或可用于系统验证和确认中。
在又一实施方式中，半垂直或坐式患者定位、对齐和/或控制方法和设备与癌症肿瘤的多轴带电粒子或质子束放射疗法结合使用。患者定位约束用于维持患者处于治疗位置。患者定位约束包括以下机构中的一或更多个：座位支架、背部支架、头部支架、臂部支架、膝部支架和脚部支架。所述定位约束中的一或更多个定位约束是可移动的和/或在计算机控制之下，以用于快速定位和/或固定患者。
在另一个实施方式中，患者呼吸或呼吸监测和/或控制方法和设备与癌症肿瘤的多轴带电粒子或质子束放射疗法结合使用。所述呼吸监测系统使用热传感器和/或力传感器，以结合反馈信号控制来决定患者处于呼吸循环中的哪里，所述反馈信号控制被递送给患者以告知患者何时需要控制呼吸。所产生的呼吸控制与带电粒子递送至肿瘤合拍，以提高肿瘤治疗的准确度、精确度和/或效率。
在又一个实施方式中，一般涉及实体癌症的治疗。更具体来说，计算机控制的患者定位、固定和重新定位方法和设备与多场带电粒子癌症疗法结合使用，所述多场带电粒子癌症疗法与患者呼吸型协调并进一步与带电粒子束注入、加速、引出和/或瞄准方法和设备结合。
在另一实施方式中，负离子源方法和设备被用作离子束注入系统的一部分，所述离子束注入系统与癌症肿瘤的多轴带电粒子或质子束放射疗法结合使用。所述负离子源优选地包括入口，所述入口用于将氢气注入高温等离子室。在一种情况下，所述等离子室包括磁性材料，所述磁性材料在所述高温等离子室与低温等离子区之间提供磁场障壁，所述低温等离子区在所述磁场障壁的相对侧上。引出脉冲施加于负离子引出电极，以将负离子束拖入负离子束路径中，所述负离子束路径前进经过第一部分真空系统，经过离子束聚焦系统，进入串列式加速器中，并且进入同步加速器中。
在又一个实施方式中，负离子束源真空方法和设备被用作离子束注入系统的一部分，所述离子束注入系统与癌症肿瘤的多轴带电粒子或质子束放射疗法结合使用。所述负离子束源包含真空室，所述真空室通过真空障壁与同步加速器的真空管隔离。所述负离子束源真空系统优选地包括：第一抽吸涡轮分子泵、巨大容纳体积和半连续操作泵。通过仅抽吸离子束源真空室和通过基于所述容纳体积中或附近的传感器读数仅半连续地操作离子束源真空，延长所述半连续操作泵的使用寿命。
在又一个实施方式中，离子束聚焦方法和设备被用作离子束注入系统的一部分，所述离子束注入系统与癌症肿瘤的多轴带电粒子或质子束放射疗法结合使用。所述离子束聚焦系统包括二或更多个电极，其中每一电极对中的一个电极利用诸如导电网孔的导电路径部分地隔断离子束路径。在给定的电极对中，在第一电极的导电网孔与第二电极之间延伸的电场线提供聚焦负离子束的向内的力。多个此类电极对提供多个负离子束聚焦区域。
在另一实施方式中，作为离子束注入系统的一部分的串列式加速器方法和设备与癌症肿瘤的多轴带电粒子放射疗法结合使用。负离子束源优选地包括由箔片分隔的注入系统真空系统和同步加速器真空系统，其中负离子被转换成正离子。优选地将箔片直接或间接地密封至真空管的边缘，从而在注入系统真空室中提供较高的分压并在同步加速器真空系统中提供较低的压力。当注入部分真空系统在单独包含和隔离的空间中引出入口氢气时，使箔片将真空室物理分隔成两个压力区域允许较少和/或较小的泵在同步加速器中维持较低的压力系统。
在又一个实施方式中，射频(RF)加速器方法和设备与癌症肿瘤的多轴带电粒子放射疗法结合使用。RF合成器将低电压RF信号提供至一组集成微型电路、回路和线圈，其中所述线圈圆周式包围同步加速器中的质子束路径，所述低电压RF信号与质子束路径中的质子的循环周期同步。所述集成元件组合以压缩尺寸和降低价格的形式提供加速电压至质子束路径中的质子。集成RF放大器微型电路/加速线圈系统从约1MHz(用于低能量质子束)至约15MHz(用于高能量质子束)是可操作的。
在又一个实施方式中，多场成像和多场带电粒子癌症治疗方法和设备经由使用反馈传感器与患者呼吸协调，所述反馈传感器用于监测和/或控制患者呼吸。
与本发明的任何实施方式结合使用，描述带电粒子束癌症疗法系统的新颖设计特征中的一或更多个新颖设计特征。特别地，描述负离子束源、离子源真空系统、离子束聚焦透镜和串列式加速器，负离子束源中具有负离子源的新颖特征。另外，同步加速器包括：转向磁铁和边缘聚焦磁铁，所述转向磁铁和边缘聚焦磁铁最小化同步加速器的总体尺，提供严密控制的质子束，直接减小所需磁场的规模，直接降低所需的操作功率。离子束源系统和同步加速器优选为计算机与患者成像系统和患者接口集成，包括呼吸监测传感器和患者定位元件。又，所述系统与加速和/或瞄准方法和设备集成。更具体来说，同步加速器的带电粒子流的能量和定时控制与患者定位和肿瘤治疗协调。同步加速器控制元件允许严密控制带电粒子束，这样补充对患者定位的严密控制，以产生实体肿瘤的有效治疗，而减少对周围健康组织的组织损伤。另外，所述系统减小同步加速器的总体尺寸，提供严密控制的质子束，直接减小所需磁场的规模，直接降低所需的操作功率，并且即使在从同步加速器引出质子的过程中，允许不断加速同步加速器中的质子。相结合地，所述系统提供有效、准确和精确的非侵袭性肿瘤治疗，而对周围健康组织具有最小的损伤。
在各种实施方式中，所述带电粒子癌症疗法系统包括以下组件中的任何组件：
●注入系统，所述注入系统具有中心磁性构件和磁场分隔的高温和低温等离子区域；
●双重真空系统，所述双重真空系统在串列式加速器中箔片的等离子产生系统侧上产生第一分压区域，并且在箔片的同步加速器侧上产生第二较低分压区域；
●负离子束聚焦系统，所述负离子束聚焦系统具有导电网孔，所述导电网孔轴向穿过负离子束；
●同步加速器，所述同步加速器具有四个直区段和四个转向区段；
●没有六极磁铁的同步加速器；
●四个弯曲磁铁，所述四个弯曲磁铁在所述同步加速器的每一转向区段中；
●绕组线圈，所述绕组线圈包裹多个弯曲磁铁；
●数个弯曲磁铁和带电粒子，所述数个弯曲磁铁是倾斜的，所述带电粒子在每一转向区段中聚焦；
●集成RF放大器微型电路，所述集成RF放大器微型电路提供经过环绕加速线圈的回路的电流；
●可旋转平台，所述可旋转平台用于旋转目标，从而允许多场成像和/或多场质子疗法；
●放射设计，所述放射设计分散360度环绕肿瘤的进入布拉格峰能量；
●定位、固定和重新定位系统；
●呼吸传感器；
●对以下的同时和独立控制：
○质子束能量；
○x轴质子束控制；
○y轴质子束控制；
○患者平移；和
○患者旋转；和
●使带电粒子疗法与以下一或更多项合拍的系统：
○患者平移；
○患者旋转；和
○患者呼吸。
质子疗法
由于质子相对大的大小，质子不如X射线或γ射线容易在组织中扩散，并且几乎不存在横向分散。因此，质子束保持聚焦在肿瘤形状上，而不对周围组织造成很多横向损伤。给定能量的所有质子具有由布拉格峰限定的某一范围，并且递送至组织的剂量递送比在所述粒子范围的最后几毫米上最大。穿透深度取决于粒子的能量，粒子的能量与粒子被质子加速器加速达到的速度直接相关。质子的速度可调整至加速器的最大额定值。由于质子束恰好处于肿瘤位于组织中的深度，因此有可能集中细胞损伤。位于布拉格峰之前的组织接收一些减少的剂量，并且位于所述峰之后的组织不接收任何剂量。
回旋加速器/同步加速器
回旋加速器使用恒磁场和施加恒定频率的电场。在同步回旋加速器中改变所述两个场中的一个场。在同步加速器中改变这两个场。因此，同步加速器是特殊类型的循环粒子加速器，在同步加速器中，磁场用于使粒子转向以便粒子循环，而电场用于加速粒子。同步加速器仔细地将外加场与行进的粒子束同步化。
通过在粒子获得能量时适当增大外加磁场，带电粒子路径在加速带电粒子时保持恒定，从而允许用于粒子的真空容器是大型薄环面。实际上更容易使用弯曲磁铁之间的一些直区段和一些转向区段，所述一些转向区段赋予所述环面圆角多边形形状。因此使用简单的直管部分和弯管部分构建大型有效半径的路径，不同于回旋加速器型设备的扁圆形室。所述形状还允许和需要通过利用多个磁铁使粒子束弯曲。
循环加速器能够施予的最大能量通常由磁场强度和粒子路径的最小半径/最大曲率限制。在回旋加速器中，最大半径因粒子在中心出发并向外盘旋而相当受限，因此这整个路径必须是自立的扁圆形抽空室。因为半径受限，故机器的功率受到磁场强度的限制。在普通电磁铁的情况下，场强受到磁心饱和的限制，因为当所有磁畴对齐时，无法将场增加至任何实用的范围。单对磁铁的布置也限制设备的经济规模。
同步加速器利用窄束管克服这些局限性，所述窄束管由小得多并且更严密聚焦的磁铁围绕。粒子必须带上电荷以完全加速，但加速作用下的带电粒子发射光子，从而损失能量，这一事实限制同步加速器加速粒子的能力。当损失给维持束路径处于圆周中所需的横向加速度的能量等于每一循环增加的能量时，达到限制束能量。更强大的加速器通过使用大型半径路径和通过使用更多和更强大的微波空腔而制造，以加速拐角之间的粒子束。较轻的粒子，诸如电子，在转向时损失自身能量的较大部分。实际来说，电子/正电子加速器的能量受此放射损失限制，尽管放射损失在质子或离子加速器的动力学中并不起重要作用。那些加速器的能量严格受磁铁强度和成本限制。
带电粒子束疗法
在整个文件中，描述一种带电粒子束疗法系统，诸如质子束、氢离子束或碳离子束。在本文中，利用质子束描述带电粒子束疗法系统。然而，根据质子束教导和描述的方面并非旨在限于质子束的方面，而是说明带电粒子束系统。任何带电粒子束系统可等同地应用于本文所述技术。
现在参看图1，示出带电粒子束系统100。所述带电粒子束优选地包含大量子系统，所述子系统包括任何以下组件：主控制器110；注入系统120；同步加速器130；扫描/瞄准/递送系统140；患者接口模块150；显示系统160；和/或成像系统170，同步加速器130通常包括：(1)加速器系统132和(2)引出系统134。
提供使用带电粒子束系统100的示范性方法。主控制器110控制子系统中的一或更多个子系统，以将质子准确和精确地递送至患者的肿瘤。例如，主控制器110从成像系统170获得图像，诸如身体和/或肿瘤的一部分。主控制器110还从患者接口模块150获得位置和/或定时信息。然后主控制器110可选地控制注入系统120，以将质子注入同步加速器130中。所述同步加速器通常包含至少加速器系统132和引出系统134。所述主控制器优选地通过诸如控制质子束的速度、轨迹和定时来控制加速器系统内的质子束。然后所述主控制器通过引出系统134控制从加速器引出质子束。例如，所述控制器控制所引出束的定时和/或能量。控制器110还优选地控制质子束经过扫描/瞄准/递送系统140到达患者接口模块150。患者接口模块150的一或更多个组件，诸如患者的平移和旋转位置，优选地由主控制器110控制。另外，显示系统160的显示元件优选地经由主控制器110控制。显示器，诸如显示屏，通常被提供给一或更多个操作员和/或一或更多个患者。在一个实施方式中，主控制器110安排来自所有系统的质子束递送时间，以使得质子以最佳治疗方式递送至患者的肿瘤。
在本文中，主控制器110指的是控制带电粒子束系统100的单个系统，是控制控制带电粒子束系统100的数个子系统的单个控制器，或是控制带电粒子束系统100的一或更多个子系统的数个独立的控制器。
现在参看图2，提供一个版本的带电粒子束系统100的说明性示范实施方式。组件的数量、位置和所述类型本质上是说明性而非限制性的。在示出的实施方式中，注入系统120或离子源或带电粒子束源产生质子。质子被递送至真空管中，所述真空管延伸进入同步加速器，经过同步加速器并从同步加速器中出来。沿着初始路径262递送所产生的质子。聚焦磁铁230，诸如四极磁铁或注入四极磁铁，用于聚焦所述质子束路径。四极磁铁是聚焦磁铁。注入器弯曲磁铁232使质子束朝同步加速器130的平面弯曲。其有初始能量的经聚焦质子被引入注入器磁铁240，注入器磁铁240优选为注入兰伯森磁铁(Lambersonmagnet)。通常，初始束路径262沿着轴离开(如同上述)同步加速器130的循环平面。注入器弯曲磁铁232和注入器磁铁240组合将质子移送至同步加速器130中。主弯曲磁铁、偶极磁铁或循环磁铁250用于使质子沿着循环束路径264转向。偶极磁铁是弯曲磁铁。主弯曲磁铁250将初始束路径262弯曲成循环束路径264。在此实例中，主弯曲磁铁250或循环磁铁呈现为四组四个磁铁，以将循环束路径264维持成稳定的循环束路径。然而，任何数量的磁铁或磁铁组可选地用于在循环过程中围绕单个轨道移动质子。质子通过加速器270。所述加速器在循环束路径264中加速质子。当加速质子时，磁铁所施加的场增大。特别地，由加速器270实现的质子速度与主弯曲磁铁250或循环磁铁的磁场同步，以环绕同步加速器的中心点或区域280维持稳定的质子循环。在分隔的时间点上，加速器270/主弯曲磁铁250组合用于加速和/或减速循环质子，同时将质子维持在循环路径或轨道中。偏转器/致偏器系统290的引出元件与兰伯森引出磁铁292结合使用，以将质子从同步加速器130内的质子循环束路径264除去。致偏器组件的一个实例是兰伯森磁铁。通常致偏器将质子从循环平面移送至偏离循环平面的轴，诸如在循环平面上方。优选地利用引出弯曲磁铁237和引出聚焦磁铁235(诸如四极磁铁)将经引出质子沿着传输路径268引导和/或聚焦至扫描/瞄准/递送系统140中。扫描系统140或瞄准系统的两个组件通常包括诸如垂直控制件的第一轴控制件142和诸如水平控制件的第二轴控制件144。在一个实施方式中，第一轴控制件142允许质子束268的约100mm的垂直或y轴扫描，并且第二轴控制件144允许质子束268的约700mm的水平或x轴扫描。利用控制件将质子递送至患者接口模块150并递送至患者的肿瘤。以上所有列出的元件都是可选的，并且可以不同的排列和组合使用。下文进一步描述以上列出的元件中的每一个元件。
离子束产生系统
离子束产生系统产生负离子束，诸如氢负离子或H-束；优选地聚焦所述负离子束；将所述负离子束转换成正离子束，诸如质子或H+束；并且将正离子束262注入同步加速器130中。部分离子束路径优选地在部分真空下。下文进一步描述这些系统中的每一个系统。
现在参看图3，示出示范性离子束产生系统300。如图所示，离子束产生系统300具有四个主要分部：负离子源310、第一部分真空系统330、可选离子束聚焦系统350和串列式加速器390。
仍然参看图3，负离子源310优选地包括入口312，入口312用于将氢气注入高温等离子室314中。在一个实施方式中，所述等离子室包括磁性材料316，所述磁性材料在所述高温等离子室314与低温等离子区之间提供磁场317，所述低温等离子区在所述磁场障壁的相对侧上。引出脉冲施加于负离子引出电极318，以将负离子束拖入负离子束路径319中，负离子束路径319前进经过第一部分真空系统330，经过离子束聚焦系统350，并且进入串列式加速器390中。
仍然参看图3，第一部分真空系统330是封闭系统，所述封闭系统从氢气入口312延伸至串列式加速器390中的箔片395。优选地将箔片395直接或间接地密封至真空管320的边缘，从而提供要在箔片395的第一部分真空系统330侧上维持的较高压力(诸如约10-5托)和要在箔片390的同步加速器侧上维持的较低压力(诸如约10-7托)。通过仅抽吸第一部分真空系统330和基于传感器读数仅半连续地操作离子束源真空，延长半连续操作泵的使用寿命。下文进一步描述所述传感器读数。
仍然参看图3，第一部分真空系统330优选地包括：第一泵332，诸如连续操作泵和/或涡轮分子泵；巨大容纳体积334；以及半连续操作泵336。优选地，泵控制器340接收来自压力传感器342的信号，压力传感器342监测巨大容纳体积334中的压力。在信号表示巨大容纳体积334中的足够压力之后，泵控制器340指示致动器345开启所述巨大容纳体积与半连续操作泵336之间的阀346，并且泵控制器340指示所述半连续操作泵开动并且从环绕带电粒子流的真空管320中抽出残余气体至大气。用这种方式，通过仅半连续操作和按照需要来延长所述半连续操作泵的使用寿命。在一个实例中，半连续操作泵336每几个小时工作几分钟，诸如每4个小时5分钟，从而将泵的使用寿命由约2,000小时延长至约96,000小时。
又，通过将入口气体与同步加速器真空系统分离，同步加速器真空泵，诸如涡轮分子泵能够工作经历更长的使用寿命，因为所述同步加速器真空泵有更少的气体分子要处理。例如，入口气体基本上是氢气，但可含有杂质，诸如氮气和二氧化碳。通过分离负离子源系统310、第一部分真空系统330、离子束聚焦系统350和串列式加速器390的负离子束侧中的入口气体，所述同步加速器真空泵能够在较低的压力下工作并具有较长的使用寿命，这增加了同步加速器130的工作效率。
仍然参看图3，最佳的离子束聚焦系统350优选地包括二或更多个电极，其中每一电极对中的一个电极利用诸如导电网孔的导电路径372部分地隔断离子束路径。在示出的实例中，示出三个离子束聚焦系统区段，二电极离子束聚焦区段360、第一三电极离子束聚焦区段370和第二三电极离子束聚焦区段380。对于给定的电极对来说，在第一电极的导电网孔与第二电极之间延伸的电场线提供聚焦负离子束的向内的力。多个此类电极对提供多个负离子束聚焦区域。优选地，二电极离子聚焦区段360、第一三电极离子聚焦区段370和第二三电极离子聚焦区段380放置在负离子源之后和串列式加速器之前和/或沿着离子束路径覆盖约0.5、1或2米的空间。下文进一步描述离子束聚焦系统。
仍然参看图3，串列式加速器390优选地包括箔片395，诸如碳箔片。负离子束路径319中的负离子转换成正离子(诸如质子)且产生初始离子束路径262。优选地将箔片395直接或间接地密封至真空管320的边缘，从而提供要在具有负离子束路径319的箔片395侧上维持的较高压力(诸如约10-5托)和要在具有质子离子束路径262的箔片390侧上维持的较低压力(诸如约10-7托)。当由第一部分真空系统330在单独包含和隔离的空间中引出入口氢气和入口氢气的剩余物时，使箔片395将真空室320物理分隔成两个压力区域允许具有较少和/或较小的泵的系统在同步加速器130中维持较低的压力系统。
负离子源
本文进一步描述负离子源310的实例。现在参看图4，提供示范性负离子源系统400的横截面。负离子束319在多个阶段中产生。在第一阶段期间，将氢气注入室中。在第二阶段期间，通过施加第一高压脉冲产生负离子，所述第一高压脉冲环绕氢气产生等离子以产生负离子。在第三阶段期间，磁场过滤器施加于等离子的成分。在第四阶段期间，通过施加第二高压脉冲，从磁场障壁相对侧上的低温等离子区域引出负离子。下文进一步描述四个阶段中的每一个阶段。尽管室示出为汽缸的横截面，但汽缸仅仅是示范性的，并且任何几何形状都可用于磁性回路容器壁，下文将进行描述。
在第一阶段中，氢气440经由入口312注入高温等离子区域490中。注入口312短期开启，诸如小于约1、5或10微秒以最小化维持真空室320需求的真空泵需求。部分真空系统330维持高温等离子区域处于降低的压力下。氢气的注入可选地由主控制器110控制，主控制器110回应于成像系统170信息和患者接口模块150信息，诸如患者定位和呼吸循环中的阶段。
在第二阶段中，通过横跨第一电极422和第二电极424施加第一高压脉冲产生高温等离子区域。例如，施加5kV脉冲达约20微秒，其中5kV施加于第二电极424，并且约0kV施加于第一电极422。室中的氢气在高温等离子区域490中分裂成组成部分，诸如原子氢H0、质子H+、电子e-和氢负离子H-中的任一种。高压脉冲的实例为至少4千伏特，长达至少15微秒时段的脉冲。
在第三阶段中，磁场317或在这个特定实例中磁场障壁430将高温等离子区域490与低温等离子区域492至少部分地隔开。高能量电子被限制而不能通过磁场障壁430。以此方式，磁场障壁430充当负离子源中的区带A与区带B之间的过滤器。优选地，作为磁性材料316的实例的中心磁性材料410诸如沿着高温等离子区域490的中心轴放置在高温等离子区域490内。优选地，第一电极422和第二电极424由诸如铁的磁性材料组成。优选地，高温等离子区域的外壁450(诸如汽缸壁)由诸如永久磁铁、三价铁或铁基材料或铁氧体介电环形磁铁的磁性材料组成。以此方式，磁场回路由中心磁性材料410、第一电极422、外壁450、第二电极424和磁场障壁430建立。此外，磁场障壁430限制高能量电子通过磁场障壁430。低能量电子与原子氢H0相互作用，以在低温等离子区域492中产生氢负离子H-。
在第四阶段中，第二高压脉冲或引出脉冲施加于第三电极426。优先地在施加第一高压脉冲的后期过程中，施加第二高压脉冲。例如，施加约25kV的引出脉冲长达约20微秒的第一产生脉冲的最后5微秒。在第二实例中，引出脉冲的定时与第一高压脉冲的一段时间重叠，诸如达约1、3、5或10微秒。第三电极426与第二电极424之间约20kV的电势差从低温等离子区域492引出负离子H-并且将负离子束319从区带B引发到区带C。
可选以许多方法建立磁场障壁430。提供利用线圈建立磁场障壁430的实例。在此实例中，上文关于图4描述的元件仍有若干差异。首先，利用线圈产生磁场。优选地在第一电极422与汽缸壁450之间以及第二电极424与汽缸壁450之间提供隔离材料。中心材料410和/或汽缸壁450可选为金属的。以此方式，线圈通过第一电极422、隔离材料、外壁450、第二电极424、磁场障壁430和中心材料410建立磁场回路。本质上，线圈代替由磁性材料410产生磁场来形成磁场。磁场障壁430如上文所述工作。大体说来，在高温等离子区域490与低温等离子区域492之间建立磁场障壁430的任何方式功能上都可适用于本文所述的离子束引出系统400。
离子束聚焦系统
现在参看图5，进一步描述离子束聚焦系统350。在此实例中，使用三个电极。在此实例中，第一电极510和第三电极530均带负电荷，并且每一电极都是环形电极，所述环形电极圆周式封闭或至少部分封闭负离子束路径319。第二电极520带正电荷并且也是环形电极，所述环形电极至少部分并且优选地大体上圆周式封闭负离子束路径。另外，第二电极包括一或更多个导电路径372，导电路径372穿过负离子束路径319延伸。例如，所述导电路径是线网、导电网格或横越第二电极的一系列大体上平行的导电线。使用中，电场线从带正电荷的电极的导电路径延伸至带负电荷的电极。例如，使用中，电场线540从负离子束路径319中的导电路径372延伸至带负电荷的电极510、530。负离子束路径的两个射线轨迹线550、560用于示出聚焦力。在第一射线轨迹线550中，负离子束在点M处遇到第一电场线。负离子束550中的负电荷离子遇到沿电场线572向上延伸的力，所述力以x轴分矢量571示出。x轴分力矢量571将第一射线轨迹线的轨迹改变为向内聚焦矢量552，向内聚焦矢量552在点N处遇到第二电场线。此外，负离子束552遇到沿电场线574向上延伸的力，所述力示出为包含具有x轴分量573的向内力矢量，x轴分量573将向内聚焦矢量552改变为更加向内聚焦的矢量554。类似地，在第二射线轨迹线560中，负离子束在点O处遇到第一电场线。负离子束中的负电荷离子遇到沿电场线576向上延伸的力，所述力示出为包含具有x轴力575的力矢量。向内力矢量575将第二射线轨迹线560的轨迹改变为向内聚焦矢量562，向内聚焦矢量562在点P处遇到第二电场线。此外，负离子束遇到沿电场线578向上延伸的力，所述力示出为包含具有x轴分量577的力矢量，x轴分量577将向内聚焦矢量562改变为更加向内聚焦的矢量564。最终结果是负离子束上的聚焦效应。力矢量572、574、576、578中的每一力矢量可选地具有x和/或y轴力矢量分量，从而引起负离子束路径的三维聚焦。当然，所述力矢量本质上是说明性的，遇到许多电场线，并且在每一相遇处观察到聚焦效应，从而引起综合聚焦。所述实例用于示出聚焦效应。
仍然参看图5，可选地使用任何数量的电极，诸如2、3、4、5、6、7、8或9个电极，以聚焦负离子束路径，其中在给定的聚焦区段中，电极每隔一个就是带正电荷或带负电荷的。例如，可选地使用三个聚焦区段。在第一离子聚焦区段360中，使用一对电极，其中沿着负离子束路径遇到的第一电极带负电荷，并且第二电极带正电荷，从而引起负离子束路径的聚焦。在第二离子聚焦区段370中，使用两对电极，其中使用公用带正电荷的电极，所述公用带正电荷的电极具有导电网孔，所述导电网孔穿过负离子束路径319延伸。因此，在第二离子聚焦区段370中，沿着负离子束路径遇到的第一电极带负电荷，并且第二电极带正电荷，从而引起负离子束路径的聚焦。又，在所述第二离子聚焦区段中，沿着负离子束路径移动，在第二带正电荷的电极与第三带负电荷的电极之间观察到第二聚焦效应。在此实例中，使用再次具有三个电极的第三离子聚焦区段380，第三离子聚焦区段380以上文所述第二离子聚焦区段的方式起作用。
现在参看图6，进一步描述离子束聚焦系统350中的电极的中心区域。现在参看图6A，带负电荷的环形电极510的中心区域优选地不具有导电材料。现在参看图6B至图6D，带正电荷的电极环520的中心区域优选地含有导电路径372。优选地，带正电荷的电极环520内的导电路径372或导电材料封阻面积的约1％、2％、5％或10％，并且更优选地封阻负离子束路径319的横截面积的约5％。现在参看图6B，一个选择是导电网孔610。现在参看图6C，第二选择是一系列导电线620，一系列导电线620大体上平行地横穿带正电荷的电极环520，带正电荷的电极环520围绕负离子束路径319的一部分。现在参看图6D，第三选择是让箔片630或金属层覆盖负离子束路径的全部横截面积，其中有孔穿通所述材料，其中所述孔占箔片面积的约90％-99％，并且优选地约95％。更一般来说，一对电极510、520经设置以提供电场线，所述电场线在负离子束319中的离子平移经过所述电场线时向负离子束319提供聚焦力矢量，如上文所述。
在具有第一横截面直径d1的二电极负束离子聚焦系统的实例中，负离子聚焦成第二横截面直径d2，其中d1＞2。类似地，在具有第一离子束横截面直径d1的三电极负束离子聚焦系统的实例中，利用所述三电极系统将负离子聚焦成第三负离子束横截面直径d3，其中d1＞d3。对于电极上相似的电势来说，与所述二电极系统相比，所述三电极系统提供更紧密或更强烈的聚焦，d3＜d2。
在上文提供的多电极离子束聚焦系统的实例中，电极是环。更一般来说，电极具有足以提供电场线的任何几何形状，所述电场线在负离子束319中的离子平移经过所述电场线时向所述负离子束提供聚焦力矢量，如上文所述。例如，一个负环形电极可选地由若干带负电荷的电极替代，诸如由约2、3、4、6、8、10个或更多个电极替代，所述电极环绕负离子束探针的横截面积的外部区域放置。大体说来，需要更多电极以聚合或发散更快或更高的能量束。
在另一个实施方式中，通过逆转上述实例中的电极极性，使负离子束发散。因此，利用电极对的组合可选地聚焦和/或扩展负离子束路径319。例如，如果使具有横跨负离子束路径的网孔的电极为负电极，那么将使负离子束路径散焦。因此，电极对的组合用于诸如在第一对包括用于聚焦的带正电荷的网孔的情况下，并且在第二对包括用于散焦的带负电荷的网孔的情况下，聚焦和散焦负离子束路径。
串列式加速器
现在参看图7A，进一步描述串列式加速器390。所述串列式加速器利用一系列电极710、711、712、713、714、715来加速离子。例如，利用一系列电极加速负离子束路径中的诸如H-的负离子，所述一系列电极具有的电压相对于负离子束源310的引出电极426或第三电极426的电压逐渐升高。例如，串列式加速器390可选地具有电极，所述电极从引出电极426的25kV变化至串列式加速器390中的箔片395附近的约525kV。在通过箔片395之后，根据方程式1，负离子H-失去两个电子，从而产生质子H+。
H-→H++2e-(方程式1)
利用大量更多的电极713、714、715上的适当电压在串列式加速器中进一步加速质子。然后将所述质子注入如上文所述的同步加速器130中。
仍然参看图7，进一步描述串列式加速器390中的箔片395。箔片395优选为厚度约30至200埃的极薄碳膜。将箔片厚度设计成：(1)不封阻离子束和(2)允许转移电子从而产生质子，以形成质子束路径262。箔片395优选地大体上与诸如支撑栅板的支撑层720接触。支撑层720为箔片395提供机械强度以组合形成真空阻断元件。箔片395阻止氮气、二氧化碳、氢气和其它气体通过，并且箔片395因此充当真空障壁。在一个实施方式中，优选地将箔片395直接或间接地密封至真空管320的边缘，从而提供要在具有负离子束路径319的箔片395侧上维持的较高压力(诸如约10-5托)和要在具有质子离子束路径262的箔片395侧上维持的较低压力(诸如约10-7托)。当第一部分真空系统330在单独包含和隔离的空间中引出入口氢气和入口氢气的剩余物时，使箔片395将真空室320物理分隔成两个压力区域允许具有较少和/或较小的泵的系统在同步加速器130中维持较低的压力系统。使用诸如金属、塑料或陶瓷环730的任何机械构件，将箔片395和支撑层720优选地附接至串列式加速器390或真空管320的结构750，以形成压力障壁，所述机械构件用连接螺钉740压缩至壁。箔片395和用于分隔和密封两个真空室侧的任何机械构件可等同地应用于本系统。现在参看图7B和图7C，在x-y轴平面中单独察看支撑结构720和箔片395。
现在参看图8，提供使用带电粒子束系统100的另一示范性方法。主控制器110或一或更多个子控制器控制子系统中的一或更多个子系统，以将质子准确和精确地递送至患者的肿瘤。例如，主控制器给患者发送信息，指示何时或怎样呼吸。主控制器110从诸如温度呼吸传感器的患者接口模块获得传感器读数或力读数，所述读数指示目标在呼吸循环中的哪里。在呼吸循环中的特定和可再现点处协调，主控制器收集来自成像系统170的图像，诸如身体和/或肿瘤的一部分。主控制器110还从患者接口模块150获得位置和/或定时信息。然后主控制器110可选地控制注入系统120，以将氢气注入负离子束源310中，并且主控制器110控制从负离子束源310引出负离子的定时。可选地，所述主控制器使用离子束聚焦透镜系统350控制离子束聚焦；利用串列式加速器390控制质子束加速；和/或控制质子注入同步加速器130中。所述同步加速器通常包含至少加速器系统132和引出系统134。所述同步加速器优选地包含转向磁铁和边缘聚焦磁铁中的一或更多个，所述转向磁铁和边缘聚焦磁铁可选地由主控制器110控制。所述主控制器优选地诸如通过控制质子束的速度、轨迹和/或定时来控制加速器系统内的质子束。然后所述主控制器通过引出系统134控制从加速器引出质子束。例如，所述控制器控制经引出束的定时、能量和/或强度。主控制器110还优选地控制质子束通过瞄准/递送系统140瞄准患者接口模块150。优选地由主控制器110控制的患者接口模块150的一或更多个组件，诸如患者的垂直位置、患者的旋转位置和患者座椅定位/稳定/固定/控制元件。又，优选地经由主控制器110控制显示系统160的显示元件。显示器，诸如显示屏，通常提供给一或更多个操作员和/或一或更多个患者。在一个实施方式中，主控制器110安排来自所有系统的质子束递送时间，以使得质子以最佳治疗方式递送至患者的肿瘤。
同步加速器
在本文中，术语同步加速器用于指代维持带电粒子束处于循环路径中的系统；然而，替代地使用回旋加速器，即使回旋加速器具有能量、强度和引出控制的固有限制。又，带电粒子束在本文中指的是沿着环绕同步加速器中心点的循环路径的循环。循环路径替代地被称作轨道路径；然而，所述轨道路径不涉及理想的圆周或椭圆，而是指质子围绕中心点或区域280的循环。
循环系统
现在参看图9，同步加速器130优选地包含直区段910和离子束转向区段920的组合。因此，质子的循环路径在同步加速器中不是环形的，而是具有圆角的多边形。
在一个说明性实施方式中，同步加速器130(也被称作加速器系统)具有四个直边元件和四个转向区段。直区段910的实例包括：偏转器240、加速器270、引出系统290和致偏器292。连同所述四个直区段一起的是四个离子束转向区段920，离子束转向区段920也被称作磁铁区段或转向区段。下文进一步描述转向区段。
仍然参看图9，示出示范性同步加速器。在此实例中，利用偏转器240将沿着初始质子束路径262递送的质子偏转至循环束路径中，并且在加速之后将所述质子经由致偏器292引出至束传输路径268。在此实例中，同步加速器130包含四个直区段910和四个弯曲或转向区段920，其中所述四个转向区段中的每一个转向区段使用一或更多个磁铁让质子束转向约九十度。如下文进一步描述，密集地间隔转向区段和让质子束有效地转向的能力产生较短的直区段。较短的直区段允许不在同步加速器的循环束路径中使用聚焦四极的同步加速器设计。将聚焦四极从循环质子束路径移除导致更紧凑的设计。在此实例中，与在循环质子束路径中使用四极聚焦磁铁的系统的八米和更大的横截面直径对比，示出的同步加速器具有约五米的直径。
现在参看图10，提供第一弯曲或转向区段920的附加描述。所述转向区段中的每一个转向区段优选地包含多个磁铁，诸如约2、4、6、8、10或12个磁铁。在此实例中，第一转向区段920中的四个转向磁铁1010、1020、1030、1040用于示出关键原理，无论转向区段920中的磁铁数量是多少，所述关键原理都是相同的。转向磁铁1010、1020、1030、1040是特殊类型的主要弯曲或循环磁铁250。
在物理学中，洛伦兹力(Lorentz force)是电磁场引起的对点电荷的力。洛伦兹力在不包括电场的情况下根据磁场由方程式2给出。
F＝q(v×B)(方程式2)
在方程式2中，F是力，以牛顿为单位；q是电荷，以库仑为单位；B是磁场，以特斯拉为单位；并且v是粒子的瞬时速度，以米/秒为单位。
现在参看图11，展开单磁铁弯曲或转向区段1010的实例。所述转向区段包括缝隙1110，质子穿过缝隙1110循环。缝隙1110优选地为平坦缝隙，从而允许穿过缝隙1110的磁场更均匀、平坦和强烈。磁场经由磁场入射表面进入缝隙1110并且经由磁场出射表面退出缝隙1110。缝隙1110在两半磁铁之间的真空管中延伸。缝隙1110由至少两个参数控制：(1)保持缝隙1110尽可能的大，以最小化质子损失，和(2)保持缝隙1110尽可能的小，以最小化磁铁大小和磁铁电源的相关联的大小以及功率需求。缝隙1110的平坦性质允许经压缩和更均匀的磁场穿过缝隙1110。缝隙尺寸的一个实例是，使约2cm的垂直质子束大小适应约5至6cm的水平束大小。
如上文所述，较大的缝隙尺寸需要较大的磁铁电源。例如，如果缝隙1110大小的垂直尺寸加倍，那么磁铁电源需求增加约4倍。缝隙1110的平坦度也很重要。例如，缝隙1110的平坦性质允许经引出质子的能量增加约250至约330MeV。更具体来说，如果缝隙1110具有极其平坦的表面，那么可达到铁磁铁的磁场的极限。缝隙1110的平坦表面的示范性精确度为小于约5微米的抛光并且优选地为约1至3微米的抛光。表面的不平坦导致外加磁场的缺陷。抛光后的平坦表面抹平了外加磁场的不匀性。
仍然参看图11，带电粒子束以瞬时速度v穿过缝隙1110。第一磁性线圈1120和第二磁性线圈1130分别在缝隙1110的上方和下方延伸。穿过线圈1120、1130的电流产生磁场B，磁场B穿过单磁铁转向区段1010延伸。在此实例中，磁场B向上延伸，从而产生力F，力F朝同步加速器的中心点向内推动带电粒子束，从而使带电粒子束以弧形转向。
仍然参看图11，示出可选的第二磁铁弯曲或转向区段1020的一部分。线圈1120、1130通常在一个磁铁的末端(诸如在第一磁铁转向区段1010的末端)具有回复元件1140、1150或转向件。转向件1140、1150占据空间。所述空间降低环绕同步加速器的一个轨道的路径被转向磁铁覆盖的百分比。这导致部分循环路径中质子不转向和/或不聚焦并且允许部分循环路径中质子路径散焦。因此，所述空间导致更大的同步加速器。因此，优选地最小化磁铁转向区段1160之间的空间。第二转向磁铁用于示出：线圈1120、1130可选地沿着诸如2、3、4、5、6个或更多个磁铁的数个磁铁延伸。穿过多个转向区段磁铁延伸的线圈1120、1130允许两个转向区段磁铁因去除转向件的立体约束而在空间上更靠近彼此设置，从而降低和/或最小化两个转向区段磁铁之间的空间1160。
现在参看图12和图13，呈现单磁铁弯曲或转向区段1010的两个说明性的90度旋转横截面。所述磁铁组件具有第一磁铁1210和第二磁铁1220。由线圈感生的磁场(下文描述)穿过缝隙1110在第一磁铁1210与第二磁铁1220之间延伸。回复磁场穿过第一轭1212和第二轭1222延伸。所述回复轭的组合横截面积粗略接近第一磁铁1210或第二磁铁1220的横截面积。带电粒子穿过缝隙1110中的真空管。如图所示，质子进入图12穿过缝隙1110，并且磁场(示为矢量B)向质子施加力F，从而朝同步加速器的中心推动质子，所述力F在图12中向右离开页面。使用绕组产生磁场。构成第一绕组线圈1250的第一线圈在图12中示出为实心区域以象征性表现用于单独绕组的线的横截面并且在图13中示出为绕组线圈。类似地说明性表示构成第二绕组线圈1260的第二线圈。分离或集中缝隙1230、1240，诸如空气缝隙，将铁基轭从缝隙1110分离。缝隙1110大体上平坦以产生横跨缝隙1110的均匀磁场，如上文所述。
仍然参看图13，优选地倾斜单弯曲或转向磁铁的末端。转向磁铁1010的几乎垂直或成直角的边缘以虚线1374、1384表示。虚线1374、1384在同步加速器280中心以外的点1390处相交。优选地，转向磁铁的边缘以角度α和β倾斜，所述角度为由第一线1372、1382和第二线1374、1384形成的角度，第一线1372、1382从转向磁铁1010的边缘和中心280出发，第二线1374、1384从转向磁铁的同一边缘和交点1390出发。角度α用于描述效应，并且角度α的描述适用于角度β，但角度α可选地不同于角度β。角度α提供边缘聚焦效应。以角度α倾斜转向磁铁1010的边缘使质子束聚焦。
多个转向磁铁提供多个磁铁边缘，每一磁铁边缘在同步加速器130中具有边缘聚焦效应。如果仅使用一个转向磁铁，那么束仅聚焦一次成角度α或聚焦两次成角度α和角度β。然而，通过使用较小的转向磁铁，更多转向磁铁装配到同步加速器130的转向区段920中。例如，如果在同步加速器的转向区段920中使用四个磁铁，那么对单转向区段来说存在八个可能的边缘聚焦效应表面，每一磁铁两个边缘。所述八个聚焦表面产生较小的横截面束大小，所述较小的横截面束大小允许利用较小的缝隙。
在转向磁铁中利用多个边缘聚焦效应不仅导致缝隙1110较小，而且导致使用较小的磁铁和较小的磁铁电源。对具有四个转向区段920的同步加速器130来说，其中每一转向区段具有四个转向磁铁并且每一转向磁铁具有两个聚焦边缘，对同步加速器130的循环路径中的每一质子轨道来说，存在总共三十二个聚焦边缘。类似地，如果在给定转向区段中使用2、6或8个磁铁，或如果使用2、3、5或6个转向区段，那么边缘聚焦表面的数量根据方程式3扩大或缩小。
其中TFE是总聚焦边缘数，NTS是转向区段数，M是磁铁数，并且FE是聚焦边缘数。当然，不是所有磁铁都有必要倾斜，并且一些磁铁可选地仅在一个边缘上倾斜。
本发明人已测定，多个较小的磁铁具有超过较少较大的磁铁的益处。例如，使用16个小磁铁产生32个聚焦边缘，而使用4个较大的磁铁仅产生8个聚焦边缘。使用具有更多聚焦边缘的同步加速器导致建立同步加速器的循环路径而无需利用聚焦四极磁铁。所有现有技术的同步加速器在同步加速器的循环路径中使用四极。又，在循环路径中使用四极使同步加速器的循环路径中的附加直区段成为必需。因此，在同步加速器的循环路径中使用四极导致同步加速器具有较大的直径、较大的循环束路径长度和/或较大的周长。
在本文所述系统的各种实施方式中，同步加速器具有以下任何组合：
●在具有四个转向区段的同步加速器中，带电粒子束转向每90度至少4个并且优选地6、8、10个或更多个边缘聚焦边缘；
●在同步加速器中，带电粒子束每轨道至少约16个并且优选地约24、32个或更多个边缘聚焦边缘；
●仅4个转向区段，其中每一转向区段包括至少4个并且优选地8个边缘聚焦边缘；
●相等数量的直区段和转向区段；
●精确4个转向区段；
●每转向区段至少4个聚焦边缘；
●同步加速器的循环路径中没有四极；
●圆角矩形的多边形构型；
●小于60米的周长；
●小于60米的周长和32个边缘聚焦表面；和/或
●同步加速器的每循环路径约8、16、24或32个中任何数量的非四极磁铁，其中所述非四极磁铁包括边缘聚焦边缘。
平坦缝隙表面
尽管缝隙表面是根据第一转向磁铁1010描述的，但所述讨论适用于同步加速器中的每一转向磁铁。类似地，尽管缝隙1110表面是根据磁场入射表面670描述的，但所述讨论另外可选地适用于磁场出射表面680。
再次参看图12，进一步描述第一磁铁1210的入射磁场表面1270。图12不是按比例的，而本质上是说明性的。入射表面1270的光洁度质量的局部缺陷或不平导致施加于缝隙1110的磁场的不匀一性或缺陷。第一磁铁1210的磁场入射表面1270和/或出射表面1280优选地为大约平坦的，诸如达到约零至三微米以内的光洁度抛光或退一步为约十微米光洁度抛光。由于极其平坦，抛光表面抹平横跨缝隙1110施加的磁场的不平。所述极其平坦的表面(诸如约0、1、2、4、6、8、10、15或20微米光洁度)允许较小的缝隙尺寸、较小的外加磁场、较小的磁铁电源和对质子束横截面积较紧密的控制。
现在参看图14A和图14B，进一步描述加速器系统270，诸如射频(RF)加速器系统。所述加速器包括一系列线圈1410-1419，诸如铁或铁氧体线圈，每一线圈圆周式封闭真空系统320，质子束264在同步加速器130中通过真空系统320。现在参看图14B，进一步描述第一线圈1410。标准线回路1430环绕第一线圈1410完成至少一匝。所述回路附接至微型电路1420。再次参看图14A，优选地连接至主控制器110的RF合成器1440提供低电压RF信号，所述低电压RF信号与质子束路径264中的质子循环周期同步。RF合成器1440、微型电路1420、回路1430和线圈1410组合以向质子束路径264中的质子提供加速电压。例如，RF合成器1440向微型电路1420发送信号，微型电路1420放大所述低电压RF信号并且产生诸如约10伏特的加速电压。单个微型电路/回路/线圈组合的有效加速电压为约5、10、15或20伏特，但优选地约10伏特。优选地，将RF放大器微型电路和加速线圈集成。
仍然参看图14A，重复图14B中呈现的集成RF放大器微型电路和加速线圈，如围绕真空管320的线圈组1411-1419所示。例如，在主控制器130的指导下，RF合成器1440发送RF信号至微型电路1420-1429，微型电路1420-1429分别连接至线圈1410-1419。微型电路/回路/线圈组合中的每一组合各产生诸如约10伏特的质子加速电压。因此，一组五个线圈的组合产生约50伏特用于质子加速。优选地在加速器系统270中使用约5至20个微型电路/回路/线圈组合，并且更优选地约9或10个微型电路/回路/线圈组合。
如进一步阐明的实例，RF合成器1440发送RF信号至一组十个微型电路/回路/线圈的组合，所述一组组合产生约100伏特用于加速质子束路径264中的质子，所述RF信号的周期等于环绕同步加速器130的质子的循环周期。以一个范围的频率产生所述100伏特，诸如以用于低能量质子束的约1MHz至用于高能量质子束的约15MHz。可选地以环绕同步加速器循环路径的质子的循环周期的整数倍设定所述RF信号。可选地根据加速电压和频率独立控制微型电路/回路/线圈组合中的每一组合。
在每一微型电路/回路/线圈组合中，RF放大器微型电路和加速线圈的集成产生三个值得注意的优点。第一，对同步加速器来说，现有技术不使用与加速线圈集成的微型电路，而是使用一组长电缆来向相应的线圈组提供电力。所述长电缆具有阻抗/电阻，所述阻抗/电阻给高频RF控制造成问题。因此，现有技术的系统不可以诸如约超过10MHz的高频率操作。所述集成RF放大器微型电路/加速线圈系统可以约超过10MHz甚至15MHz的频率操作，在同一情况下，现有技术的系统中长电缆的阻抗和/或电阻导致质子加速的不良控制或失败。第二，所述以较低频率工作的长电缆系统，花费约$50,000，而所述集成微型电路系统花费约$1000，比前者廉价49倍。第三，所述结合RF放大器系统的微型电路/回路/线圈组合导致紧凑的的低电耗设计，所述设计允许在小型空间中(如上文所述)并且以成本有效方式制造和使用质子癌症疗法系统。
现在参看图15，实例用于阐明磁场控制，所述磁场控制使用反馈回路1500来改变质子脉冲递送的递送时间和/或周期。在一种情况下，呼吸传感器1510感测目标的呼吸循环。所述呼吸传感器通常经由患者接口模块150和/或经由主控制器110或主控制器110的子部件发送信息至磁场控制器1520中的算法。所述算法预计和/或测量目标何时处于呼吸循环中的特定点，诸如在呼吸底部。磁场传感器1530被用作磁场控制器的输入，所述磁场控制器控制用于诸如在同步加速器130的第一转向磁铁1010内的给定磁场1550的磁铁电源1540。因此控制反馈回路用于将同步加速器拨至选定的能级，并且在诸如呼吸底部的选定的时间点处递送具有所要能量的质子。更具体来说，主控制器将质子注入同步加速器中并且加速质子，以使得在呼吸循环中的选定点处与引出相结合递送质子至肿瘤。在这个阶段，质子束的强度也可由主控制器选择和控制。对校正线圈的反馈控制允许快速选择同步加速器的能级，所述能级取决于患者的呼吸循环。这个系统与以下系统形成明显对比：其中电流稳定并且同步加速器递送脉冲具有周期，诸如固定周期为10或20个循环/秒。可选地，所述反馈或所述磁场设计允许引出循环与患者变化的呼吸速率匹配。
传统的引出系统不允许这个控制，由于磁铁具有正弦波的大小和振幅方面的记忆。因此，在传统系统中，为了改变频率，必须利用电流的缓慢变化。然而，借助于使用所述磁场传感器的反馈回路，可快速调整同步加速器的频率和能级。进一步辅助这个过程的是使用新颖的引出系统，所述新颖的引出系统允许在引出过程期间加速质子。
患者定位
现在参看图16，优选地在患者接口模块150的患者平移和旋转定位系统1610上或在所述系统内定位患者。患者平移和旋转定位系统1610用于将患者平移和/或旋转至区带中，在所述区带中，质子束能够使用扫描系统140或质子瞄准系统扫描肿瘤，下文描述。本质上，患者定位系统1610对患者进行大的移动，以将肿瘤放置在质子束路径268的中心附近，并且质子扫描或瞄准系统140在瞄准肿瘤1620的过程中对瞬间束位置269进行微移动。为了说明，图16A示出使用质子扫描或瞄准系统140的瞬间质子束位置269和一个范围的可扫描位置1640，其中可扫描位置1640环绕患者1630的肿瘤1620。在此实例中，沿着x和y轴扫描所述可扫描位置；然而，可选地沿着如下文描述的z轴同时进行扫描。这说明性地表明，患者的y轴移动按身体比例尺发生，诸如约1、2、3或4英尺的调整，同时质子束268的可扫描区域覆盖身体的一部分，诸如约1、2、4、6、8、10或12英寸的区域。所述患者定位系统和所述患者定位系统对患者的旋转和/或平移与所述质子瞄准系统组合，以将质子精确地和/或准确地递送至肿瘤。
仍然参看图16，患者定位系统1610可选地包括底部单元1612和顶部单元1614，诸如圆盘或平台。现在参看图16A，患者定位单元1610优选地为y轴可调整的1616，以允许相对于质子疗法束268垂直移动患者。优选地，患者定位单元1610的垂直运动为约10、20、30或50厘米/分钟。现在参看图16B，患者定位单元1610也优选地为可环绕旋转轴旋转的1617，诸如环绕穿过底部单元1612的中心的y轴或环绕穿过肿瘤1620的y轴，以允许相对于质子束路径268旋转控制和定位患者。优选地，患者定位单元1610的旋转运动为约360度/分钟。可选地，所述患者定位单元旋转约45、90或180度。可选地，患者定位单元1610以约45、90、180、360、720或1080度/分钟的速率旋转。示出定位单元的旋转1617在两个不同的时间t1和t2处环绕旋转轴进行。质子可选地被n次递送至肿瘤1620，其中n次中的每一次表示撞击患者1630的入射质子束269因患者环绕旋转轴旋转1617引起的不同的相对方向。
下文所述半垂直、坐式或躺式患者定位实施方式中的任何实施方式可选地沿着y轴平移或环绕旋转或y轴旋转。
优选地，顶部单元1614和底部单元1612一起移动，以使得顶部单元1614和底部单元1612以相同的速率旋转和以相同的速率平移到位。可选地，顶部单元1614和底部单元1612可沿着y轴独立调整，以允许顶部单元1614与底部单元1612之间距离的差异。用于移动顶部单元1614和底部单元1612的电动机、磁铁电源和机械组件优选地位于质子束路径269外部，诸如底部单元1612下方和/或顶部单元1614上方。这样更优选是因为患者定位单元1610优选地可旋转约360度，并且如果定位在质子束路径269中，那么电动机、磁铁电源和机械组件妨碍质子。
质子递送效率
现在参看图17，呈现X射线和质子辐射二者的相对剂量的常见分布。如图所示，X射线靠近目标组织的表面沉积X射线的最高剂量并且随后所沉积的剂量随着组织深度的变化而指数减小。对位于身体内部深处的肿瘤(这是通常情况)来说，靠近所述表面的X射线能量沉积并不理想，因为对围绕肿瘤1620的软组织层造成过度损伤。质子的优点是，随着质子横切的吸收器的每单位路径的能量损失增加而粒子速度降低，因此质子在飞行轨迹末端附近沉积质子的大部分能量，从而在所述范围末端附近产生电离的锐最大值，所述锐最大值在本文中被称作布拉格峰。此外，由于质子的飞行轨迹可通过增加或减少质子的初始动能或初速度而变化，故对应于最大能量的所述峰值在组织内是可移动的。因此通过加速过程允许对质子穿透深度进行z轴控制。作为质子剂量分布特征的结果，放射肿瘤学家能够最优化针对肿瘤1620的剂量，同时最小化针对周围正常组织的剂量。
布拉格峰能量分布曲线表明，质子递送质子的能量穿过质子穿透身体的整个长度，并达到最大穿透深度。因此，在所述布拉格峰能量分布曲线的远侧部中，能量在质子束撞击肿瘤之前正在被递送至健康组织、骨骼和其它身体组成部分。随之而来的是，在肿瘤之前的体内路径长度越短，质子递送效率的效率越高，其中质子递送效率用来衡量相对于患者的健康部分有多少能量被递送至肿瘤。质子递送效率的实例包括：(1)被递送给肿瘤的质子能量与被递送给非肿瘤组织的质子能量的比率；(2)肿瘤中的质子路径长度与非肿瘤组织中的路径长度的比；和/或(3)与对健康身体部分的损伤相比，对肿瘤的损伤。这些测量中的任何一个测量可选地由对诸如神经系统成分、脊柱、脑、眼、心脏或其它器官的敏感组织的损伤来衡量。为了说明，对处于在治疗期间环绕y轴旋转患者的躺式位置的患者来说，心脏附近的肿瘤有时用延伸经过头至心路径、腿至心路径或臀至心路径的质子治疗，这些质子与处于坐式或半垂直位置的患者相比都是低效率的，在所述坐式或半垂直位置中，质子都经过更短的胸至心、体侧至心或背至心路径来递送。特别地，与躺式位置相比，利用患者的坐式或半垂直位置，向位于躯干或头部中的肿瘤提供经身体至肿瘤的更短路径长度，所述更短路径长度产生更高或更好的质子递送效率。
本文从时间效率或同步加速器使用效率单独描述质子递送效率，所述时间效率或同步加速器使用效率是带电粒子束设备处于肿瘤治疗工作模式的时间分数。
深度瞄准
现在参看图18A至图18E，示出质子束的x轴扫描，同时质子束的z轴能量经历受控变化1800以允许辐射肿瘤1620的切面。为了介绍的清晰性，未示出同时进行的y轴扫描。在图18A中，辐射从处于第一切面开始时的瞬间质子束位置269开始。现在参看图18B，瞬间质子束位置处于第一切面末端。重要地，在辐射给定切面期间，优选地根据肿瘤1620前方的组织肿块和密度连续控制和改变质子束能量。因此，说明组织密度的质子束能量变化允许束终点或布拉格峰保留在组织切面内部。在扫描期间或在x、y轴扫描期间的质子束能量变化是可能的。图18C、18D和18E分别示出在第二切面中间、经过第三切面的路线的三分之二和结束从给定方向辐射之后的瞬间质子束位置。使用这种方法，实现将质子辐射能量控制、准确和精确地递送至肿瘤1620、指定的肿瘤分部或肿瘤层。下文进一步描述质子能量沉积至肿瘤的效率，如被定义为被递送至肿瘤的质子辐射能量相对于被递送至健康组织的质子辐射能量的比率。
多场辐射
需要最大化质子沉积至肿瘤1620的效率，如被定义为最大化被递送至肿瘤1620的质子辐射能量相对于被递送至健康组织的质子辐射能量的比率。诸如通过在辐射子时期之间旋转身体约90度从一个、两个或三个方向辐射至身体中，导致来自布拉格峰远侧部的质子辐射分别集中至一个、两个或三个健康组织体积中。需要进一步经过肿瘤1620周围的健康体积组织均匀分布布拉格峰能量的远侧部。
多场辐射是从数个进入点到身体中的质子束辐射。例如，旋转患者1630并且保持放射源点不变。例如，患者1630旋转360度并且从众多角度施加质子疗法，从而导致远端放射环绕肿瘤圆周式扩展，从而产生提高的质子辐射效率。在一种情况下，将身体旋转至超过3、5、10、15、20、25、30或35个位置中，并且质子辐射在每一旋转位置发生。优选地使用患者定位系统1610和/或底部单元1612或圆盘执行患者的旋转，上文描述。旋转患者1630的同时保持递送质子束268处于相对固定的方向，允许从多个方向辐射肿瘤1620，而无需每一方向使用新的准直仪。又，因为患者1630的每一旋转位置不需要新的设置，所以所述系统允许从多个方向治疗肿瘤1620，而无需重新定位或定位患者，从而最小化肿瘤1620再生时间，提高同步加速器效率和增加患者处理量。
患者可选地居中于底部单元1612上，或肿瘤1620可选地居中于底部单元1612上。如果患者居中于底部单元1612上，那么第一轴控制元件142和第二轴控制元件144经编程以补偿肿瘤1620的旋转位置变化的偏离中心轴。
现在参看图19A至图19E，呈现多场辐射1900的实例。在此实例中，示出五个患者旋转位置；然而，所述五个旋转位置是约三十六个旋转位置的不连续旋转位置，其中对于每一位置旋转身体约十度。现在参看图19A，从第一身体旋转位置示出一个范围的辐射束位置269，所述第一身体旋转位置示出为患者1630面对质子辐射束，其中由布拉格峰能量辐射分布图的进入或远侧部辐射第一健康体积1911。现在参看图19B，旋转患者1630约四十度并且重复辐射。在第二位置中，肿瘤1620再次接收大部分辐射能量，并且第二健康组织体积1912接收较小的布拉格峰能量的进入或远侧部。现在参看图19C至图19E，分别旋转患者1630总共约90、130和180度。对第三、第四和第五旋转位置中的每一旋转位置来说，肿瘤1620接收大部分辐射能量，并且第三健康组织体积1913、第四健康组织体积1914和第五健康组织体积1915分别接收较小的布拉格峰能量的进入或远侧部。因此，在质子疗法期间旋转患者导致所递送质子能量的远端能量分布环绕肿瘤1620分布，诸如分布至区域一至五1911-1915，同时沿着给定轴，至少约75％、80％、85％、90％或95％的能量被递送至肿瘤1620。
对给定旋转位置来说，辐射肿瘤的全部或部分。例如，在一个实施方式中，对于每一旋转位置仅辐射肿瘤1620的远端区段或远端切面，其中所述远端区段是最远离进入患者1630中的质子束进入点的区段。例如，当患者1630面对质子束时，远端区段是肿瘤的背面，而当患者1630背离质子束时，远端区段是肿瘤的腹面。
现在参看图20，呈现多场辐射2000的第二实例，其中质子源静止，而患者1630旋转。为了便于呈现，将静止但正在扫描的质子束路径269示出为当旋转患者时在时间t1、t2、t3、……、tn、tn+1处从不同侧进入患者1630。在第一时间t1处，布拉格峰分布图的远心端撞击第一健康组织区域2010。在第二时间t2处旋转患者并且示出质子束路径，其中布拉格峰的远心端撞击第二健康组织区域2020。在第三时间处，布拉格峰分布图的远心端撞击第三健康组织区域2030。将此旋转和辐射过程重复n次，其中n为大于4并且优选地大于约10、20、30、100或300的正数。如图所示，在辐射第n健康组织区域2040的第n次时，如果进一步旋转患者1630，那么扫描质子束269会撞击诸如脊髓或眼的敏感的身体组成部分1650。优选地中止辐射，直到敏感的身体组成部分从扫描质子束269路径中旋转出来为止。在敏感的身体组成部分1650从质子束路径中旋转出来之后的时间tn+1处恢复辐射，并且辐射第n+1健康组织区域2050。以此方式，布拉格峰能量总是在肿瘤内，布拉格峰分布图的远端区域分布在环绕肿瘤1620的健康组织中，并且敏感的身体组成部分1650接收最小的质子束辐射或不接收质子束辐射。
在一个多场辐射实例中，具有小于六米的同步加速器环直径的粒子疗法系统包括以下能力：
●旋转患者约360度；
●在约0.1至10秒内引出放射；
●垂直扫描约100毫米；
●水平扫描约700毫米；
●在辐射期间将束能量从约30MeV/秒变化至330MeV/秒；
●不依赖于变化质子束能量来变化质子束强度；
●在肿瘤处聚焦约2至20毫米的质子束；和/或
●从开始递送质子至患者1630的时间起测量，在小于约1、2、4或6分钟内完成肿瘤的多场辐射。
现在参看图21，描述两种多场辐射方法2100。在第一种方法中，主控制器110旋转定位2110患者1630并且随后辐射2120肿瘤1620。重复所述过程直到完成多场辐射计划为止。在第二种方法中，主控制器110同时旋转和辐射2130患者1630内的肿瘤1620，直到完成多场辐射计划为止。更具体来说，质子束辐射在旋转患者1630的同时发生。
本文所述质子斑点焦点的三维扫描系统优选地与旋转/光栅方法相结合。所述方法包括来自许多方向的逐层肿瘤辐射。在给定的辐射切面期间，根据肿瘤前方的组织密度连续改变质子束能量，以导致由布拉格峰定义的束终点总是处于肿瘤内部和辐射切面内部。与现有方法相比，所述新颖方法允许从许多方向辐射(本文称作多场辐射)，以实现在肿瘤处的最大有效剂量，而同时显著降低对周围健康组织的潜在副作用。本质上，多场辐射系统在尚未到达肿瘤的组织深度处分布剂量分布。
质子束位置控制
目前，全世界放射疗法共同体使用利用尖向束(pencil beam)扫描系统形成剂量场的方法。形成明显对比的是，使用可选的点扫描系统或组织体积扫描系统。在组织体积扫描系统中，利用廉价和精确的扫描系统，通过传输和分布来控制质子束。所述扫描系统是有源系统，其中将束聚焦成斑点焦点，所述斑点焦点的直径为约0.5、1、2或3毫米。所述焦点沿着两个轴平移，同时改变质子束的施加能量，从而有效改变所述焦点的第三维。所述系统可与上述身体旋转结合应用，所述身体旋转优选地发生在质子递送至肿瘤的时刻或循环中或之间。可选地，由上述系统进行的身体旋转连续发生并且与质子递送至肿瘤同时发生。
例如，所述斑点水平平移，沿垂直的y轴向下移动，并且然后沿水平轴返回。在此实例中，电流用于控制垂直扫描系统，所述垂直扫描系统具有至少一个磁铁。外加电流改变所述垂直扫描系统的磁场，以控制质子束的垂直偏转。类似地，水平扫描磁铁系统控制质子束的水平偏转。沿着每一轴的传输程度经控制以符合在给定深度处的肿瘤横截面。通过改变质子束的能量来控制所述深度。例如，减小质子束能量，以便限定新的穿透深度，并且沿着水平轴和垂直轴重复扫描过程，进而覆盖新的肿瘤横截面积。相结合地，三个控制轴允许在癌症肿瘤的整个体积上方扫描或移动质子束焦点。控制每一斑点处的时间和每一斑点进入体内的方向，以在癌症体积的每一子体积处产生所要的放射剂量，同时分布撞击肿瘤外部的能量。
经聚焦的束斑点体积尺寸优选地严格控制为直径约0.5、1或2毫米，但直径替代地为若干厘米。优选的设计控制件允许沿两个方向扫描，其中：(1)约100mm振幅的垂直振幅和高达约200Hz的频率；(2)约700mm振幅的水平振幅和高达约1Hz的频率。
在此实例中，质子沿着z轴移动至组织中的距离由质子的动能控制。这个坐标系是任意的和示范性的。使用两个扫描磁铁系统并且通过控制质子束的动能，在三维空间中控制质子束的有效控制。特别地，所述系统允许在实体肿瘤的辐射中同时调整x轴、y轴和z轴。再次说明，所述系统允许沿着z轴移动的同时调整x轴或y轴，而不是诸如利用范围调制轮沿着x、y轴平面扫描并且随后调整质子能量。因此，可选地沿三个同时的维度辐射肿瘤，而非辐射肿瘤的切面。例如，围绕三维空间中的肿瘤外缘辐射肿瘤。然后围绕肿瘤内部区段的外缘辐射肿瘤。重复这个过程直到辐射整个肿瘤为止。所述外缘辐射优选地与诸如环绕垂直的y轴的目标的同时旋转联合。这个系统允许质子沉积至肿瘤的最高效率，如被定义为被递送至肿瘤的质子辐射能量相对于被递送至健康组织的质子辐射能量的比率。
相结合地，所述系统允许多轴控制在小型空间中具有低功率供应的带电粒子束系统。例如，所述系统使用多个磁铁，其中每一磁铁在同步加速器的每一转向区段中具有至少一个边缘聚焦效应。同步加速器的循环束路径中的多个边缘聚焦效应使得同步加速器具有：
●小周长系统，诸如周长小于约50米；
●约2cm的垂直质子束尺寸缝隙；
●相应降低的功率供应需求，所述相应降低的功率供应需求与所述减小的缝隙尺寸相关联；和
●z轴能量的控制。
结果是三维扫描系统、x轴、y轴和z轴控制，其中z轴控制存在于同步加速器中，并且其中z轴能量在同步加速器内部的引出过程中受到可变控制。
提供用于利用三维扫描控制将质子引导至肿瘤的质子扫描或瞄准系统140的实例，其中三维扫描控制沿着x轴、y轴和z轴，如上文描述。第四可控制轴是时间。第五可控制轴是患者旋转。与环绕垂直轴的目标旋转相结合，使用多场照明过程，其中优选地在与质子进入身体中的进入点相距较远的肿瘤处辐射肿瘤尚未被辐射的部分。这产生质子递送至肿瘤中的最大百分数(如布拉格峰所定义)，并且最小化对周围健康组织的损伤。
成像/X射线系统
在本文中，X射线系统用于说明成像系统。
定时
出于两个原因，优选地(1)刚好在利用质子疗法治疗目标之前或(2)在利用质子疗法治疗目标的同时收集X射线。第一，身体的移动(上文所述)改变肿瘤相对于其它身体组成部分在体内的局部位置。如果患者或目标1630拍摄了X射线并且然后身体移至质子治疗室，那么将质子束准确地对齐肿瘤是有问题的。使用一或更多个X射线将质子束对齐肿瘤1620最好在质子递送的时候或在刚好质子递送之前的数秒或数分钟内以及在将患者放置于治疗的身体位置中之后执行，所述身体位置通常是固定位置或部分固定位置。第二，在定位患者之后拍摄的X射线用于验证质子束对齐目标位置，诸如肿瘤和/或内脏器官位置。
患者固定
将质子束准确和精确地递送至患者的肿瘤需要：(1)质子束的定位控制和(2)患者的定位控制。如上文描述，使用算法和磁场将质子束控制成直径为约0.5、1或2毫米。本节解决部分固定、约束和/或对齐患者，以确保严密控制的质子束有效撞击目标肿瘤而不由于患者移动而撞击周围健康组织。
在本文中，x轴、y轴和z轴坐标系和旋转轴用于描述患者相对于质子束的定向。z轴代表质子束的行程，诸如质子束进入患者中的深度。当沿着质子束行进的z轴方向观察患者时，x轴指的是横跨患者左右移动，并且y轴指的是向患者上方或下方移动。第一旋转轴是患者环绕y轴的旋转，并且第一旋转轴在本文中被称作旋转轴、底部单元1612旋转轴或旋转y轴1617。另外，倾斜(tilt)是环绕x轴的旋转，侧转(yaw)是环绕y轴的旋转，并且辗滚(roll)是环绕z轴的旋转。在这个坐标系中，质子束路径269可选地沿任何方向延伸。作为说明性内容，延伸经过治疗室的质子束路径被描述为水平延伸经过治疗室。
在本节中，提供定位系统的三个实例：(1)半垂直部分固定系统2200；(2)坐式部分固定系统2300；和(3)躺式定位2400。为一个固定系统所描述的元件在进行较小改变的情况下应用于其它固定系统。例如，头垫、头部支架或头部约束器将沿着倾斜位置的一个轴、沿着坐式位置的第二轴和沿着躺式位置的第三轴调整。然而，对每一固定位置来说，头垫本身是相似的。
垂直患者定位/固定
现在参看图22，半垂直患者定位系统2200优选地与躯干中肿瘤的质子疗法结合使用。所述患者定位和/或固定系统在质子束疗法期间控制和/或限制患者的移动。在第一部分固定实施方式中，将患者定位于质子束疗法系统中的半垂直位置中。如图所示，患者以偏离y轴约45度的角度α倾斜，y轴如从患者的头部延伸至足部的轴所定义。更一般来说，患者可选地在偏离y轴零度的垂直位置中或在半垂直位置α中完全站立，半垂直位置α偏离y轴约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60或65度，朝z轴倾斜。
用于维持患者处于治疗位置的患者定位约束2215包括以下机构中的一或更多个：座位支架2220、背部支架2230、头部支架2240、臂部支架2250、膝部支架2260和脚部支架2270。所述约束可选地和独立地为刚性的或半刚性的。半刚性材料的实例包括高密度或低密度泡沫或粘弹性泡沫。例如，脚部支架优选地为刚性的，并且背部支架优选地为半刚性的，诸如高密度泡沫材料。所述定位约束2215中的一或更多个定位约束是可移动的和/或在计算机控制之下，以用于快速定位和/或固定患者。例如，座位支架2220可沿着座位调整轴2222调整，座位调整轴2222优选地为y轴；背部支架2230可沿着背部支架轴2232调整，背部支架轴2232优选地利用y轴元件通过z轴移动来支配；头部支架2240可沿着头部支架轴2242调整，头部支架轴2242优选地利用y轴元件通过z轴移动来支配；臂部支架2250可沿着臂部支架轴2252调整，臂部支架轴2252优选地利用y轴元件通过z轴移动来支配；膝部支架2260可沿着膝部支架轴2262调整，膝部支架轴2262优选地利用y轴元件通过z轴移动来支配；并且脚部支架2270可沿着脚部支架轴2272调整，脚部支架轴2272优选地利用z轴元件通过y轴移动来支配。
如果患者不面对进入的质子束，那么支架元件沿轴移动的描述改变，但固定元件是相同的。
可选的照相机2280与所述患者固定系统一起使用。所述照相机察看患者/目标1630，从而产生视频图像。所述图像被提供给带电粒子束系统的一或更多个操作员，并且所述图像为操作员提供安全机构，所述安全机构用于判定目标是否已移动或希望终止质子疗法治疗程序。基于所述视频图像，操作员可中止或终止质子疗法程序。例如，如果操作员经由视频图像观察到目标正在移动，那么操作员可以选择终止或中止质子疗法程序。
将可选的视频显示器或显示监测器2290提供给患者。所述视频显示器可选地向患者提供以下任一种：操作员指令、系统指令、治疗状态或娱乐。
用于定位患者定位约束2215的电动机、照相机2280和/或视频显示器2290优选地安装在质子传输路径268或瞬间质子扫描路径269的上方或下方。
通过使用所述视频显示器可选地执行呼吸控制。当患者呼吸时，身体的内部结构和外部结构均绝对地和相对地移动。例如，胸腔和内脏器官的外部均随着呼吸具有绝对移动。另外，内脏器官相对于另一身体部分(诸如身体的外部区域、骨骼、支撑结构或另一器官)的相对位置随着每一次呼吸移动。因此，为了更准确和精确地瞄准肿瘤，优选地在一时间点处递送质子束，在所述时间点处，内部结构或肿瘤的位置界限分明，诸如在每一次呼吸的底部或顶部。视频显示器用于帮助使质子束递送与患者的呼吸循环协调。例如，视频显示器可选地向患者显示命令，诸如屏息指令、呼吸指令、指示接下来要屏息到何时的倒数计秒或可恢复呼吸的倒数计秒。
坐式患者定位/固定
在第二部分固定实施方式中，患者被部分约束于坐式位置2300中。所述坐式约束系统使用的支撑结构类似于上文所述半垂直定位系统中的支撑结构，除了用座椅替代座位支架并且不需要膝部支架以外。所述坐式约束系统一般保留上文所述半垂直实施方式中描述的可调支架、环绕y轴的旋转、照相机、视频和宽度控制参数。
现在参看图23，提供坐式患者半固定系统2300的特定实例。所述坐式系统优选地用于治疗头部和/或颈部肿瘤。如图所示，患者被定位于座椅2310上的坐式位置中，以进行粒子疗法。使用以下任一者进一步固定患者：头部支架2240、背部支架2230、手部支架2250、膝部支架2260和脚部支架2270。支架2220、2230、2240、2250、2260、2270优选地具有各自如图所示的调整轴2222、2232、2242、2252、2262、2272。要么轻易拆除座椅2310以允许使用不同的患者约束系统，要么座椅2310在计算机控制之下适应新的患者位置，诸如半垂直系统。
躺式患者定位/固定
在第三部分固定实施方式中，患者被部分约束于躺式位置中。躺式约束系统2400具有的支撑结构类似于上文所述坐式定位系统2300和半垂直定位系统2200中使用的支撑结构。在躺式位置中，可选的约束器、支架或部分固定元件包括以下一或更多个：头部支架2240和背部支架、臀部和肩部2230支架。所述支架优选地具有各自的调整轴，视患者的躺式位置而酌情旋转所述调整轴。所述躺式位置约束系统一般保留上文所述半垂直实施方式中描述的可调支架、环绕y轴的旋转、照相机、视频和宽度控制参数。
现在参看图24，如果患者病情严重，诸如患者难以站立达治疗所需要的一到三分钟，那么处于部分支撑系统中可导致患者由肌肉劳损引起的一些移动。在这个情况和相似情况下，优先地使用处于支架桌台2420上的躺式位置的患者治疗。所述支架桌台具有水平平台以支撑患者的大部分体重。优选地，所述水平平台可与治疗平台分离。在躺式定位系统2400中，患者被定位于平台2410上，平台2410具有大体上水平的部分，以用于在水平位置中支撑身体重量。使用可选的手柄，下文描述。在一个实施方式中，平台2410使用机械停止或锁定元件2430和相配键元件2435相对于桌台2420固定，和/或患者1630相对于安置元件2460对齐或定位。
另外，可选地添加上腿支架2444、下腿支架2440和/或臂部支架2450元件，以分别将臂或腿从质子束路径269中升起以进行躯干中的肿瘤治疗，或者将臂或腿移动至质子束路径269中以进行臂或腿中的肿瘤治疗。这提高质子递送效率，如上文描述。腿支架2440、2444和臂部支架2450各自可选地可沿着支架轴或弧2442、2446、2452调整。一或更多个腿部支架元件可选地可沿着弧调整，以将腿定位至质子束路径269中或将腿从质子束路径269中移除，如下文描述。臂部支架元件优选地可沿着至少一个臂调整轴或沿着弧调整，以将臂定位至质子束路径269中或将臂从质子束路径269中移除，如下文描述。
优选地，将患者定位于质子束路径268外部的区域或室中的平台2410上，并且将患者滚动或滑动至治疗室或质子束路径区域中。例如，将患者滚动至轮床上的治疗室中，其中轮床的顶部(是平台)分离并且定位至桌台上。所述平台优选地滑动至桌台上，以便轮床或床无须升高至所述桌台上。
半垂直患者定位系统2200和坐式患者定位系统2300因效率而优先地用于治疗头部或躯干中的肿瘤。半垂直患者定位系统2200、坐式患者定位系统2300和躺式患者定位系统2400都可用于治疗患者四肢中的肿瘤。
支撑系统元件
定位约束2215包括用于定位患者的所有元件，诸如在半垂直定位系统2200、坐式定位系统2300和躺式定位系统2400中描述的那些元件。优选地，定位约束或支撑系统元件在不阻挡或重叠质子束路径269的位置中对齐。然而，在一些情况下，定位约束在治疗患者的至少部分时间内处于质子束路径269中。例如，在治疗期间环绕y轴旋转患者的部分时期内，定位约束元件可存在于质子束路径269中。在定位约束或支撑系统元件处于质子束路径中的情况下或时期中，则优选地施加质子束能量的向上调整，所述向上调整增加质子束能量以抵消质子束的定位约束元件阻抗。在一种情况下，通过单独测量定位约束元件阻抗来增加质子束能量，所述阻抗在定位约束系统元件的参考扫描或定位约束元件随环绕y轴的旋转而变化的参考扫描组期间测定。
为了清晰性，本文相对于半垂直定位系统2200描述定位约束2215或支撑系统元件；然而，对于坐式定位系统2300或躺式定位系统2400来说，定位元件和描述性的x轴、y轴和z轴可调整以适合任何坐标系。
描述头部支架系统的实例，所述头部支架系统用于支撑、对齐和/或限制人头部的移动。所述头部支架系统优选地具有若干头部支架元件，所述若干头部支架元件包括以下任一者：头部支架背部、头部对齐元件的右部和头部对齐元件的左部。头部支架元件背部优选地弯曲以适合头部，并且头部支架元件背部可选地可沿着头部支架轴调整，诸如可沿着z轴调整。又，类似其它患者定位约束，所述头部支架优选地由半刚性材料(诸如低密度或高密度泡沫)制成，并且具有可选的覆盖物，诸如塑料或皮革。头部对齐元件的右部和头部对齐元件的左部或头部对齐元件基本上用于半约束头部的移动或充分固定头部。所述头部对齐元件优选地为充填的和平坦的，但所述头部对齐元件可选地具有曲率半径以适合头部的侧面。头部对齐元件的左部和右部优选地分别可沿着平移轴移动，以接触头部的侧面。当瞄准和治疗头部或颈部中的肿瘤时，在质子疗法期间受限制的头部移动是重要的。所述头部对齐元件和头部支架元件背部组合限制头部在x轴、y轴、z轴坐标系中的倾斜、旋转或侧转、辗滚和/或位置。
现在参看图25，描述头部支架系统2500的另一实例，头部支架系统2500用于在质子疗法治疗头部或颈部中的实体肿瘤期间定位和/或限制人头部1602的移动。在这个系统中，使用1、2、3、4个或更多个布带(strap)或皮带(belt)约束头部，所述布带或皮带优选地连接或可更换地连接至头部支架元件2510的背部。在示出的实例中，第一布带2520诸如通过主要沿着z轴延伸将前额牵引或定位至头部支架元件2510。优选地，第二布带2530与第一布带2520结合起作用以防止头部通过x轴、y轴和z轴坐标系上的平移移动经受倾斜、侧转、辗滚或移动。第二布带2530优选地(1)在前额2532处或环绕前额2532；(2)在头部2534的一侧或两侧上；和/或(3)在支撑元件2510处或环绕支撑元件2510附接或可更换地附接至第一布带2520。第三布带2540优选地通过主要沿着z轴延伸使目标的下颌相对于支撑元件2510定向。第四布带2550优选地主要沿着y轴和z轴延伸，以相对于头部支架元件2510和/或质子束路径固持下颌。第三布带2540优选地在使用期间在患者的下颌2542处或环绕患者的下颌2542附接至或可更换地附接至第四布带2550。第二布带2530可选地在支撑元件2510处或环绕支撑元件2510连接2536至第四布带2550。四个布带2520、2530、2540、2550在途径和互连中是说明性的。所述布带中的任何布带可选地沿着围绕头部的不同路径固持头部，并且所述布带中的任何布带以单独的方式彼此连接。当然，给定布带优选地围绕头部延伸并且不仅仅在头部的一侧上。布带2520、2530、2540和2550中的任何布带可选地独立使用或与其它布带组合和排列使用。所述布带经由诸如头部支架元件2510的支撑元件可选地间接彼此连接。所述布带可选地使用钩和环技术、扣或紧固件来附接至头部支架元件2510。大体说来，布带组合控制头部的位置、头部的前后移动、头部的左右移动、头部的倾斜、侧转、辗滚和/或平移位置。
所述布带优选地具有已知对质子传输的阻抗，从而允许计算沿着z轴的峰值能量释放的计算。例如，基于布带对质子传输的减慢趋向，对布拉格峰能量进行调整。
现在参看图26，描述头部支架系统2240的又一实例。头部支架2240优选地弯曲，以适合标准尺寸的头部或儿童尺寸的头部。头部支架2240可选地可沿着头部支架轴2242调整。又，类似其它患者定位约束，所述头部支架优选地由半刚性材料(诸如低密度或高密度泡沫)制成，并且具有可选的覆盖物，诸如塑料或皮革。
上述头部支架、头部定位和头部固定系统的元件可选地单独使用或组合使用。
仍然参看图26，进一步描述臂部支架2250的实例。所述臂部支架优选地具有左手柄2610和右手柄2620，左手柄2610和右手柄2620用于通过患者1630用患者的手1634紧握左手柄2610和右手柄2620的动作来校直患者1630的上身。左手柄2610和右手柄2620优选地连接至臂部支架2250，臂部支架2250支撑患者的手臂的重量。优选地使用半刚性材料构建左手柄2610和右手柄2620。可选地将左手柄2610和右手柄2620按照患者的手注模，以辅助校直。左手柄和右手柄可选地具有电极，如上文描述。
进一步描述背部支架的实例。所述背部支架优选地弯曲，以支撑患者的背部并且包围至患者的躯干两侧上。所述背部支架优选地具有两个半刚性部分，左侧和右侧。又，所述背部支架具有顶端和底端。左侧的顶端与右侧的顶端之间的第一距离优选地可调整以适合患者的背部的上部。左侧的底部与右侧的底部之间的第二距离优选地可独立调整以适合患者的背部的下部。
进一步描述膝部支架的实例。所述膝部支架优选地具有左膝部支架和右膝部支架，所述左膝部支架和右膝部支架可选地连接或可分别移动。左膝部支架和右膝部支架均优选地弯曲以适合标准尺寸的膝。左膝部支架可选地可沿着左膝部支架轴调整，并且右膝部支架可选地可沿着右膝部支架轴调整。替代地，左膝部支架和右膝部支架连接并且可沿着膝部支架轴移动。类似其它患者定位约束，所述左膝部支架和右膝部支架优选地由半刚性材料(诸如低密度或高密度泡沫)制成，并且具有可选的覆盖物，诸如塑料或皮革。
患者呼吸监测
优选地，监测患者的呼吸型(breathing pattern)。当目标或患者1630呼吸时，身体的许多部分随着每一次呼吸移动。例如，当目标呼吸时，肺移动，诸如胃、肾、肝、胸肌、皮肤、心和肺的体内器官的相对位置也移动。大体说来，躯干的大多数或所有部分随着每一次呼吸移动。实际上，本发明人已发现，除躯干随着每一次呼吸运动之外，还存在头部和四肢随着每一次呼吸的各种运动。在质子剂量递送至身体的过程中，当质子优先地被递送至肿瘤而非被递送至周围组织时将考虑运动。因此运动导致相对于束路径肿瘤位于哪里的模糊性。为了部分解决这个顾虑，优先地在一系列呼吸循环中的每一个呼吸循环中的相同点处递送质子。
最初测定目标的呼吸的节律型。观察或测量循环。例如，X射线束操作员或质子束操作员能够观察目标什么时候呼吸或处于呼吸之间，并且能够使质子递送与每一次呼吸的给定周期合拍。替代地，告知目标吸气、呼气和/或屏息，并且在所命令的时期内递送质子。
优选地，一或更多个传感器用于测定个体的呼吸循环。提供呼吸监测系统的两个实例：(1)热监测系统和(2)力监测系统。
再次参看图25，提供热呼吸监测系统的第一实例。在热呼吸监测系统中，将传感器放置在患者的鼻和/或嘴旁边。由于可选地约束患者的颌(如上文描述)，所以优选地将热呼吸监测系统放置在患者的鼻呼气路径旁边。为了避免热传感器系统组件对于质子疗法的空间阻碍，优选地在治疗不位于头部或颈部中的肿瘤时使用热呼吸监测系统，诸如在治疗躯干或四肢中的肿瘤时。在热监测系统中，第一热敏电阻2570用于监测患者的呼吸循环和/或患者的呼吸循环中的定位。优选地，将第一热敏电阻2570放置在患者的鼻旁边，以使得经过患者的鼻到第一热敏电阻2570上的患者呼气温暖第一热敏电阻2570，从而指示呼气。优选地，第二热敏电阻2560作为环境温度传感器工作。优选地将第二热敏电阻2560放置在患者的呼气路径之外，但在与第一热敏电阻2570相同的局部室环境中。所产生的信号，诸如来自热敏电阻2570、2560的电流优选地转换为电压并且与主控制器110或所述主控制器的子控制器连通。优选地，第二热敏电阻2560用于诸如通过计算热敏电阻2570、2560的值之间的差异来调整环境温度波动，以产生患者呼吸循环的更准确读数，所述环境温度波动是第一热敏电阻2570的信号的一部分。
再次参看图23，提供监测系统的第二实例。在力呼吸监测系统的实例中，将传感器放置在躯干旁边。例如，测力计可更换地附接至患者的胸。为了避免力传感器系统组件对于质子疗法的空间阻碍，优选地在治疗位于头部、颈部或四肢中的肿瘤时使用所述力呼吸监测系统。在所述力监测系统中，围绕患者躯干的区域放置皮带或布带2350，所述区域随着患者的每一次呼吸循环扩大和缩小。皮带2350优选地紧紧环绕患者的胸并且是柔性的。测力计2352附接至所述皮带并且感测患者的呼吸型。施加于测力计2352的力与呼吸循环的周期有关。来自测力计2352的信号优选地与主控制器110或所述主控制器的子控制器连通。
呼吸控制
在一个实施方式中，将患者定位，并且一旦测定目标的呼吸或呼吸循环的节律型，信号可选地诸如经由显示监测器2290被递送至患者，以更精确地控制呼吸频率。例如，将显示屏2290放置在患者前方，并且将信息或信号输送到显示屏2290，从而指导目标何时屏息和何时呼吸。通常，呼吸控制模块使用来自呼吸传感器中的一或更多个呼吸传感器的输入。例如，所述输入用于测定何时将完成下次呼吸呼气。在呼吸底部，所述控制模块经由口头信号、数字化和自动产生的语音命令或经由可视控制信号诸如在监测器上对目标显示屏息信号。优选地，将显示监测器2290定位于目标前方，并且所述显示监测器对目标显示呼吸命令。通常，指导目标短时屏息，诸如约1/2、1、2、3、5或10秒。屏息时段优选地与质子束递送至肿瘤的时间同步，所述时间为约1/2、1、2或3秒。尽管优选地在呼吸底部递送质子，但可选地在呼吸循环中的任一点处递送质子，诸如在完全吸气之后。可选地在呼吸的顶点或由呼吸控制模块指导患者深吸气和屏息时执行递送，因为在呼吸的顶点胸腔是最大的，并且对一些肿瘤来说，肿瘤与周围组织之间的距离达到最大，或周围组织由于增加的体积而变稀薄。因此，撞击周围组织的质子减到最少。可选地，显示屏诸如利用3、2、1秒倒数计秒告诉目标何时将要求目标屏息，以便目标意识到目标即将被要求执行的任务。
质子束疗法与呼吸同步
在一个实施方式中，带电粒子疗法和优选多场质子疗法经由使用呼吸反馈传感器(上文描述)与患者呼吸协调并且同步，所述呼吸反馈传感器用于监测和/或控制患者呼吸。优选地，带电粒子疗法在处于部分固定和可重新定位的位置的患者上进行，并且经由控制带电粒子束注入、加速、引出和/或瞄准方法和设备使质子递送至肿瘤1620与患者呼吸合拍。同步作用通过由于身体组成部分在患者呼吸循环期间相对移动而消除位置模糊性来提高质子递送准确度。
在第二个实施方式中，X射线系统用于提供患者的X射线图像，患者所处的方位与通过质子疗法束观察的方位相同，并且X射线系统和质子疗法束均与患者呼吸同步。优选地，所述同步系统与负离子束源、同步加速器和/或瞄准方法和设备结合使用，以提供与患者呼吸合拍的X射线，其中所述X射线刚好在粒子束疗法辐射之前和/或在粒子束疗法辐射的同时聚集，以确保相对于患者位置经瞄准和受控的能量递送导致实体癌症肿瘤的有效、精确和/或准确的治疗，而使用质子束定位验证系统将对患者体内周围健康组织的损伤减到最小。
质子递送控制算法用于在每一次呼吸的给定周期内使质子递送至肿瘤同步化，诸如在呼吸的顶点、在呼吸的底部和/或在目标屏息时。质子递送控制算法优选地与呼吸控制模块集成。因此，质子递送控制算法知道目标何时在呼吸、目标处于呼吸循环中的哪里和/或目标何时在屏息。质子递送控制算法控制质子何时注入和/或偏转至同步加速器中、何时施加RF信号以感生振荡(如上文描述)以及何时施加直流电压以从同步加速器引出质子(如上文描述)。通常，在指导目标屏息以前或在识别经选择用于质子递送时间的呼吸循环的周期以前，质子递送控制算法启动质子偏转和后继的RF感生的振荡。以此方式，质子递送控制算法在呼吸循环的选定周期递送质子。可选地将质子递送控制算法设定成交流电RF信号，所述交流电RF信号与目标的呼吸循环或经指导的呼吸循环匹配。
上述带电粒子疗法元件在肿瘤治疗计划的研发和实施中以组合和/或排列相结合，下文描述。
计算机控制的患者重新定位
患者定位单元组件中的一或更多个患者定位单元组件和/或患者定位约束中的一或更多个患者定位约束优选地在计算机控制之下。例如，计算机诸如经由记录一系列电动机位置来记录或控制患者定位元件2215的位置，所述一系列电动机位置连接至移动患者定位元件2215的驱动器。例如，患者最初由患者定位约束2215定位和约束。患者定位约束中的每一个患者定位约束的位置由主控制器110、由主控制器110的子控制器或由单独的计算机控制器记录和保存。然后，成像系统用于在患者处于最终治疗的受控位置时定位患者1630中的肿瘤1620。优选地，当患者处于受控位置时，执行多场成像，如本文描述。成像系统170包括以下部分中的一或更多者：MRI、X射线、CT、质子束断层摄影术，及类似物。当分析来自成像系统170的图像和设计质子疗法治疗计划时，时间可选地在此刻过去。患者可选地在这个时期内退出所述约束系统，这个时期可以是分钟、小时或天。在患者返回并且初始患者安置至患者定位单元中之后，并且优选地在患者返回并且初始患者安置至患者定位单元中以后，计算机将所述患者定位约束返回至所记录的位置。这个系统允许将患者快速重新定位至在成像和研发多场带电粒子辐射治疗计划期间使用的位置，所述重新定位最小化患者定位的准备时间并且最大化带电粒子束系统100用于癌症治疗的时间。
再现患者定位和固定
在一个实施方式中，使用患者定位和固定系统，可再现地定位和固定环绕肿瘤1620的患者1630区域，诸如利用机动化患者平移和旋转定位系统1610和/或利用患者定位约束2215。例如，上述定位系统中的一个定位系统，诸如(1)半垂直部分固定系统2200；(2)坐式部分固定系统2300；或(3)躺式定位系统2400，与患者平移和旋转系统1610结合使用，以相对于质子束路径268定位患者1630的肿瘤1620。优选地，定位和固定系统控制肿瘤1620相对于质子束路径268的位置、固定肿瘤1620的位置并且在患者1630已从质子束路径268移开以后(诸如在研发辐射治疗计划期间)促进肿瘤1620相对于质子束路径268重新定位。
优选地，根据三维定位并且根据方位状态来定位患者1630的肿瘤1620。在本文中，三维定位根据x轴、y轴和z轴定义，并且方位状态是前倾(pitch)、侧转和辗滚的状况。辗滚是平面环绕z轴的旋转，前倾是平面环绕x轴的旋转，并且侧转是平面环绕y轴的旋转。倾斜用于描述辗滚和前倾二者。优选地，所述定位和固定系统根据以下状态中的至少三个并且优选地根据以下状态中的四个、五个或六个来控制肿瘤1620相对于质子束路径268的定位：前倾、侧转、辗滚、x轴定位、y轴定位和z轴定位。
座椅
进一步利用座椅定位实例描述患者定位和固定系统。为了清晰性，利用座椅定位描述定位和固定肩部中的肿瘤的情况。使用半垂直固定系统2200，患者通过利用座位支架2220、膝部支架2260和/或脚部支架2270大致定位。为了进一步定位肩部，背部支架2230中的电动机推抵患者的躯干。附加的臂部支架2250电动机诸如通过利用朝一个方向的第一力推抵患者的肘来对齐臂，并且利用朝反方向的第二力来定位患者的腕。这限制臂的移动，从而有助于定位肩部。可选地，头部支架经定位以通过向颈部施加张力进一步限制肩部的移动。相结合地，患者定位约束2215在至少三维空间中控制患者1630的肿瘤1620的位置，并且优选地根据侧转、辗滚和前倾移动以及根据x轴、y轴和z轴位置来控制肿瘤1620的位置。例如，所述患者定位约束定位肿瘤1620并且诸如通过防止患者猛然跌落(slump)来限制肿瘤的移动。可选地，患者定位约束2215中的一或更多个患者定位约束中的传感器记录外加力。在一种情况下，座位支架感测重量并且施加力以支撑患者体重的一部分，诸如患者体重的约50％、60％、70％或80％。在第二种情况下，记录施加于颈部、臂部和/或腿部的力。
大体说来，所述患者定位和固定系统消除来自患者1630的移动自由度，以准确和精确地定位并且控制肿瘤1620相对于X射线束路径、质子束路径268和/或成像束路径的位置。又，一旦消除自由度，则患者定位约束中的每一个患者定位约束的电动机位置被记录并且数字地传输至主控制器110。诸如当形成辐射治疗计划时，一旦患者从所述固定系统移动，则必须在实施所述辐射计划以前准确地重新定位患者1630。为了完成此举，患者1630通常坐在诸如座椅的定位设备中，并且主控制器将电动机位置信号并且可选地将外加力发送回到电动机，从而控制患者定位约束2215中的每一个患者定位约束，并且患者定位约束2215中的每一个患者定位约束自动返回各自的所记录位置。因此，在小于约10、30、60或120秒内完成从坐的时间到完全受控位置的重新定位和重新固定患者1630。
使用计算机控制和自动患者定位系统，患者通过利用再调用患者定位约束2215电动机位置在定位和固定系统中重新定位；患者1630通过利用患者平移和旋转系统1620相对于质子束268平移和旋转；并且质子束268由主控制器110扫描至质子束268的瞬间束位置269，主控制器110遵循形成的辐射治疗计划。
尽管本文已参考某些优选的实施方式描述本发明，但所属领域的技术人员将容易了解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，其它应用可代替本文阐述的应用。
Claims (74)
1.一种用于患者肿瘤的带电粒子癌症疗法的粒子束辐射设备，所述粒子束辐射设备包含：
同步加速器，所述同步加速器加速带电粒子束；
呼吸传感器，所述呼吸传感器产生呼吸信号，所述呼吸信号监测所述患者的呼吸循环；
可旋转平台，所述可旋转平台固持所述患者，
其中所述可旋转平台在所述患者的辐射周期内旋转约三百六十度，
其中所述同步加速器在所述呼吸循环中的设定点处使用所述呼吸信号将所述带电粒子束传递至所述肿瘤，
其中在所述呼吸循环的所述设定点处的所述带电粒子束的所述递送发生在所述可旋转平台的超过五个旋转位置中。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述呼吸传感器包含测力计，所述测力计可更换地附接至所述患者的胸部。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述呼吸传感器包含：
第一热敏电阻，所述第一热敏电阻设以贴近所述患者的鼻；
第二热敏电阻，所述第二热敏电阻既设于所述患者的呼气路径之外，又设于与所述可旋转平台相同的局部室环境中，
其中利用来自所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的读数之间的差异产生所述呼吸信号。
4.如权利要求1所述的设备，进一步包含：
显示屏，所述显示屏连接至所述可旋转平台的上部，所述显示屏向所述患者显示呼吸控制命令。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述呼吸信号用于产生所述呼吸控制命令，并且其中所述呼吸控制命令包含所述显示屏上的可视倒数计秒，以指示患者要屏息到何时。
6.如权利要求1所述的设备，其中在所述呼吸循环的所述设定点处的所述带电粒子束的所述递送发生在所述可旋转平台的超过二十个旋转位置中，其中所述带电粒子束的进入能量环绕所述肿瘤圆周式分布。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述带电粒子束的所述递送未将任何所述进入能量递送至所述患者的脊髓或眼。
8.如权利要求1所述的设备，进一步包含注入系统，所述注入系统将质子注入所述同步加速器，其中所述注入系统包含以下任一者：
负离子源，所述负离子源产生负离子；
离子束聚焦系统，所述离子束聚焦系统沿着真空管内部的负离子束路径聚焦所述负离子；
串列式加速器；以及
部分真空系统。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述负离子源包含：
高温等离子室；
磁性材料，所述磁性材料在所述高温等离子室内，其中所述磁性材料在所述高温等离子室与低温等离子区域之间提供磁场障壁。
10.如权利要求8所述的设备，其中所述离子束聚焦系统包含：
第一电极，所述第一电极圆周式围绕所述负离子束路径；以及
第二电极，所述第二电极利用导电网孔部分地隔断所述负离子束路径，
其中电场线在所述导电网孔与所述第一电极之间延伸，
其中所述电场线沿着所述负离子束路径聚焦所述负离子。
11.如权利要求8所述的设备，其中所述串列式加速器包含碳箔片，所述碳箔片在所述负离子束路径中，其中穿透所述碳箔片的所述负离子沿着质子束路径转换成质子，其中所述碳箔片机械地耦接至圆周式围绕所述负离子束的壁，以在所述碳箔片的负离子束侧与所述碳箔片的质子束侧之间产生真空障壁。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述部分真空系统包含：
涡轮分子泵，所述涡轮分子泵将空气从所述真空管中抽出至容纳体积中；
压力传感器，所述压力传感器感测所述容纳体积中的压力；
控制器，所述控制器接收来自所述压力传感器的所述压力，其中所述控制器指示致动器在所述压力越过阈值时开启阀；以及
半连续操作泵，所述半连续操作泵从所述容纳体积中消除压力，其中所述半连续工作泵与开启和关闭所述阀的所述致动器协调工作。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述同步加速器包含四个转向区段，其中所述转向区段中的每一个转向区段使所述带电粒子束转向约九十度。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述四个转向区段中的每一个转向区段包含四个主弯曲磁铁。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述主弯曲磁铁中的每一个主弯曲磁铁包含两个斜边，其中所述两个斜边中的每一个斜边聚焦所述带电粒子束。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述同步加速器不包含环绕所述同步加速器中的所述带电粒子束的循环路径的四极磁铁。
17.如权利要求1所述的设备，其中所述同步加速器包含小于六十米的周长和至少三十个边缘聚焦表面，其中边缘聚焦表面包含主弯曲磁铁的斜边。
18.如权利要求1所述的设备，其中所述同步加速器包含仅四个转向区段，其中每一转向区段包含至少四个弯曲磁铁，并且其中每一弯曲磁铁包含至少一个聚焦边缘。
19.如权利要求1所述的设备，其中所述同步加速器包含：
精确四个转向区段；以及
不存在环绕所述同步加速器中的所述带电粒子束的循环路径的四极。
20.一种用于患者肿瘤的带电粒子束辐射的方法，所述方法包含以下步骤：
利用同步加速器加速带电粒子束；
利用呼吸传感器监测呼吸循环，所述呼吸传感器产生呼吸信号，所述呼吸信号对应于所述患者的呼吸循环；
旋转固持所述患者的平台，
其中所述平台在所述患者的辐射周期内旋转约三百六十度，
利用所述呼吸信号，在所述呼吸循环中的设定点处将所述带电粒子束递送至所述肿瘤，
其中在所述呼吸循环的所述设定点处递送所述带电粒子束的所述步骤发生在所述可旋转平台的超过四个旋转位置中。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述监测步骤包含：使用测力计来产生所述呼吸信号，所述测力计绑扎至患者胸部。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述监测步骤包含：
利用第一热敏电阻感测患者呼吸，所述第一热敏电阻设以贴近所述患者的鼻；
利用第二热敏电阻感测室温，所述第二热敏电阻既设于所述患者的呼气路径之外，又设于与所述平台相同的局部室环境中，
其中利用来自所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的读数之间的差异产生所述呼吸信号。
23.如权利要求20所述的方法，进一步包含以下步骤：
在显示屏上显示呼吸控制命令，所述显示屏安装在所述平台的上部元件上。
24.如权利要求20所述的方法，进一步包含以下步骤：
在所述可旋转平台的超过二十个旋转位置中，在所述呼吸循环的所述设定点处递送所述带电粒子束，其中所述带电粒子束的进入能量环绕所述肿瘤圆周式分布。
25.如权利要求20所述的方法，其中递送所述带电粒子束的所述步骤未将任何所述进入能量递送至所述患者的脊髓或眼。
26.如权利要求20所述的方法，进一步包含以下步骤：
利用注入系统将质子注入所述同步加速器中，其中所述注入系统包含负离子源、离子束聚焦系统、串列式加速器和部分真空系统；
利用所述负离子源产生负离子；
利用所述离子束聚焦系统沿着真空管内部的负离子束路径聚焦所述负离子；以及
将所述负离子转换成所述串列式加速器内部的质子。
27.如权利要求26所述的方法，进一步包含以下步骤：
在所述负离子源中，利用设于所述高温等离子室内部的磁性材料在高温等离子室与低温等离子区域之间提供磁场障壁。
28.如权利要求27所述的方法，进一步包含以下步骤：
利用所述离子束聚焦系统内的电场线沿着所述负离子束路径聚焦所述负离子，
其中第一电极圆周式围绕所述负离子束路径；以及
其中，第二电极利用导电网孔部分地隔断所述负离子束路径，
其中所述电场线在所述导电网孔与所述第一电极之间延伸。
29.一种用于产生供带电粒子放射疗法使用的负离子束的设备，所述设备包含：
负离子源，所述负离子源包含：
磁性材料；以及
高温等离子室，所述高温等离子室大体上包围所述磁性材料；
其中所述高温等离子室包含：第一离子产生电极、第二离子产生电极，以及载磁场外壁，所述第一离子产生电极处于所述高温等离子室的第一末端，所述第二离子产生电极处于所述高温等离子室的第二末端；
其中横跨所述第一离子产生电极和所述第二离子产生电极施加第一高压脉冲将所述高温等离子室中的氢分裂成组成部分；
其中所述磁性材料产生磁场回路，所述磁场回路穿过所述第一离子产生电极、穿过所述载磁场外壁、穿过所述第二离子产生电极、横跨缝隙并且穿过所述磁性材料；
其中所述磁场回路产生磁性障壁，所述磁性障壁横跨所述高温等离子室与低温等离子区域之间的所述缝隙，所述磁性障壁让所述组成部分的子集通过；
其中低能量电子与原子氢相互作用以在所述低温等离子区域中产生氢负离子；
其中横跨所述第二离子产生电极和第三离子产生电极施加第二高压脉冲将负离子从所述负离子源引出至负离子束。
30.如权利要求29所述的设备，其中所述第一高压脉冲包含至少四千伏特、长达至少十五微秒时段的脉冲。
31.如权利要求30所述的设备，其中所述第二高压脉冲包含至少二十千伏特的脉冲，所述脉冲在与所述第一高压脉冲的最后五微秒重叠的时段内。
32.如权利要求30所述的设备，其中所述第二高压脉冲包含至少二十千伏特的脉冲，所述脉冲在与所述第一高压脉冲的至少三微秒重叠的时段内。
33.如权利要求29所述的设备，进一步包含负离子束聚焦系统，所述系统包含：
第一聚焦电极，所述第一聚焦电极圆周式围绕所述负离子束；
第二聚焦电极，所述第二聚焦电极包含导电路径，所述导电路径至少部分阻断所述负离子束；
其中电场线在所述第一聚焦电极与所述第二聚焦电极之间延伸，
其中所述负离子束中的所述负离子遇到力矢量，所述力矢量沿所述第一电场线向上延伸，所述第一电场线聚焦所述负离子束。
34.如权利要求33所述的设备，其中所述第一聚焦电极包含负电荷，其中所述第二聚焦电极包含正电荷。
35.如权利要求34所述的设备，其中所述导电路径包含以下任一者：
一系列导电线，所述导电线横跨所述负离子束大体上平行地延伸；
导电网格，所述导电网格横穿所述负离子束；以及
箔片，所述箔片横穿所述负离子束，所述箔片具有孔，所述孔具有所述负离子束的所述横截面积的至少90％的组合区域(combined areas)。
36.如权利要求35所述的设备，其中所述导电路径阻断所述负离子束的所述横截面积的小于10％。
37.如权利要求29所述的设备，进一步包含：
同步加速器，所述同步加速器包含：
四个转向区段，其中所述转向区段中的每一个转向区段使所述带电粒子束转向约九十度；
其中将所述负离子束转换成质子束；
其中将所述质子束注入所述同步加速器中；
其中所述同步加速器不包含环绕所述同步加速器中的所述带电粒子束的循环路径的四极磁铁。
38.一种用于产生供带电粒子放射疗法使用的负离子束的方法，所述方法包含以下步骤：
提供磁性材料；
提供高温等离子室，所述高温等离子室大体上包围所述磁性材料，其中所述高温等离子室包含：第一离子产生电极、第二离子产生电极，以及载磁场外壁，所述第一离子产生电极处于所述高温等离子室的第一末端，所述第二离子产生电极处于所述高温等离子室的第二末端，所述载磁场外壁圆周式围绕所述高温等离子室；
横跨所述第一离子产生电极和所述第二离子产生电极施加第一高压脉冲将所述高温等离子室中的氢分裂成组成部分；
其中所述磁性材料产生磁场回路，所述磁场回路穿过所述第一离子产生电极、穿过所述载磁场外壁、穿过所述第二离子产生电极、横跨缝隙并且穿过所述磁性材料；
其中所述磁场回路产生磁性障壁，所述磁性障壁横跨所述高温等离子室与低温等离子区域之间的所述缝隙，所述磁性障壁让所述组成部分的子集通过；
其中低能量电子与原子氢相互作用以在所述低温等离子区域中产生氢负离子；以及
横跨所述第二离子产生电极和第三离子产生电极施加第二高压脉冲，其中所述第二高压脉冲将负离子从所述负离子源引出至负离子束。
39.如权利要求38所述的方法，其中所述第一高压脉冲包含至少四千伏特、长达至少十五微秒时段的脉冲。
40.如权利要求38所述的方法，其中所述第二高压脉冲包含至少二十千伏特的脉冲，所述脉冲在与所述第一高压脉冲的最后五微秒重叠的时段内。
41.如权利要求38所述的方法，其中所述第二高压脉冲包含至少二十千伏特的脉冲，所述脉冲在与所述第一高压脉冲的至少三微秒重叠的时段内。
42.如权利要求38所述的方法，进一步包含以下步骤：
提供第一聚焦电极，所述第一聚焦电极圆周式围绕所述负离子束；
提供第二聚焦电极，所述第二聚焦电极包含导电路径，所述导电路径至少部分地阻断所述负离子束；
横跨所述第一聚焦电极和所述第二聚焦电极施加电场，其中电场线在所述第一聚焦电极与所述第二聚焦电极之间延伸，
其中所述负离子束遇到力矢量，所述力矢量沿所述电场线向上延伸，所述电场线聚焦所述负离子束。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述第一聚焦电极包含负电荷，其中所述第二聚焦电极包含正电荷。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述导电路径包含以下任一者：
一系列导电线，所述导电线横跨所述负离子束大体上平行地延伸；
导电网格，所述导电网格横穿所述负离子束；以及
箔片，所述箔片横穿所述负离子束，所述箔片具有孔，所述孔具有所述负离子束的所述横截面积的至少90％的组合区域。
45.如权利要求44所述的方法，其中所述导电路径阻断所述负离子束的所述横截面积的小于10％。
46.如权利要求45所述的方法，进一步包含以下步骤：
提供同步加速器；
在箔片处将所述负离子束转换成质子束；以及
将所述质子束注入所述同步加速器中；
其中所述同步加速器包含四个转向区段，其中所述转向区段中的每一个转向区段使所述带电粒子束转向约九十度；
其中所述同步加速器不包含环绕所述同步加速器中的所述带电粒子束的循环路径的四极磁铁。
47.一种用于聚焦负离子束中的负离子的设备，所述负离子束具有作为带电粒子辐射设备的一部分的横截面积，所述设备包含：
第一聚焦电极，所述第一聚焦电极圆周式围绕所述负离子束；
第二聚焦电极，所述第二聚焦电极包含导电路径，所述导电路径至少部分地阻断所述负离子束；
其中第一电场线在所述第一聚焦电极与所述第二聚焦电极之间延伸，
其中所述负离子遇到力矢量，所述力矢量沿所述第一电场线向上延伸，所述第一电场线聚焦所述负离子束。
48.如权利要求47所述的设备，其中所述第一聚焦电极包含负电荷，其中所述第二聚焦电极包含正电荷。
49.如权利要求48所述的设备，其中所述导电路径包含以下任一者：
一系列导电线，所述导电线横跨所述负离子束大体上平行地延伸；
导电网格，所述导电网格横穿所述负离子束；以及
箔片，所述箔片横穿所述负离子束，所述箔片具有孔，所述孔具有所述负离子束的所述横截面积的至少90％的组合区域。
50.如权利要求49所述的设备，其中所述导电路径阻断所述负离子束的所述横截面积的小于10％。
51.如权利要求50所述的设备，进一步包含：
第三聚焦电极，所述第三聚焦电极圆周式围绕所述负离子束，其中所述第二聚焦电极包含所述第一聚焦电极与所述第三聚焦电极之间的位置，
其中所述第三聚焦电极包含负电荷，
其中第二电场线在所述第三聚焦电极与所述第二聚焦电极之间延伸，
其中所述负离子遇到力矢量，所述力矢量沿所述第二电场线向上延伸，所述第二电场线聚焦所述负离子束。
52.如权利要求47所述的设备，进一步包含：
负离子源，所述负离子源包含：
磁性材料；以及
高温等离子室，所述高温等离子室大体上包围所述磁性材料；
其中所述高温等离子室包含：第一离子产生电极、第二离子产生电极，以及载磁场外壁，所述第一离子产生电极处于所述高温等离子室的第一末端，所述第二离子产生电极处于所述高温等离子室的第二末端；
其中横跨所述第一离子产生电极和所述第二离子产生电极施加第一高压脉冲将所述高温等离子室中的氢分裂成组成部分；
其中所述磁性材料产生磁场回路，所述磁场回路穿过所述第一离子产生电极、穿过所述载磁场外壁、穿过所述第二离子产生电极、横跨缝隙并且穿过所述磁性材料；
其中所述磁场回路产生磁性障壁，所述磁性障壁横跨所述高温等离子室与低温等离子区域之间的所述缝隙，所述磁性障壁让所述组成部分的子集通过；
其中低能量电子与原子氢相互作用以在所述低温等离子区域中产生氢负离子；
其中横跨所述第二离子产生电极和第三离子产生电极施加第二高压脉冲将负离子从所述负离子源引出至所述负离子束。
53.如权利要求52所述的设备，进一步包含：
同步加速器，其中使用铍碳膜将所述负离子束转换成质子束，其中所述碳膜包含约30至200微米厚的厚度；
其中将所述质子束注入所述同步加速器中；
其中所述同步加速器包含：
四个转向区段，其中所述转向区段中的每一个转向区段使所述质子束转向约九十度；
不存在环绕所述同步加速器中的所述质子束的循环路径的四极磁铁。
54.一种用于加速带电粒子的设备，所述设备包含：
同步加速器，所述同步加速器包含：
精确四个转向区段，其中所述转向区段中的每一个转向区段使所述带电粒子束转向约九十度；
其中所述同步加速器不包含环绕所述同步加速器中的所述带电粒子束的循环路径的四极磁铁。
55.如权利要求54所述的设备，其中所述四个转向区段中的每一个转向区段包含四个主弯曲磁铁。
56.如权利要求55所述的设备，其中所述主弯曲磁铁中的每一个主弯曲磁铁包含两个斜边，其中所述两个斜边中的每一个斜边聚焦所述带电粒子束。
57.如权利要求54所述的设备，其中所述同步加速器包含：
小于六十米的周长；以及
至少三十个边缘聚焦表面，其中边缘聚焦表面包含主弯曲磁铁的斜边。
58.如权利要求54所述的设备，其中所述同步加速器包含精确四个转向区段，其中每一转向区段包含至少四个弯曲磁铁，并且其中每一弯曲磁铁包含至少一个聚焦边缘。
59.如权利要求54所述的设备，进一步包含：
负离子源，所述负离子源包含：
磁性材料；以及
高温等离子室，所述高温等离子室大体上包围所述磁性材料；
其中所述高温等离子室包含：第一离子产生电极、第二离子产生电极，以及载磁场外壁，所述第一离子产生电极处于所述高温等离子室的第一末端，所述第二离子产生电极处于所述高温等离子室的第二末端；
其中横跨所述第一离子产生电极和所述第二离子产生电极施加第一高压脉冲将所述高温等离子室中的氢分裂成组成部分；
其中所述磁性材料产生磁场回路，所述磁场回路穿过所述第一离子产生电极、穿过所述载磁场外壁、穿过所述第二离子产生电极、横跨缝隙并且穿过所述磁性材料；
其中所述磁场回路产生磁性障壁，所述磁性障壁横跨所述高温等离子室与低温等离子区域之间的所述缝隙，所述磁性障壁让所述组成部分的子集通过；
其中低能量电子与原子氢相互作用以在所述低温等离子区域中产生氢负离子；
其中横跨所述第二离子产生电极和第三离子产生电极施加第二高压脉冲将负离子从所述负离子源引出至所述负离子束；
其中将所述负离子束转换成所述带电粒子束并且注入所述同步加速器中。
60.如权利要求59所述的设备，进一步包含聚焦系统，所述聚焦系统用于所述负离子束，所述聚焦系统包含：
第一聚焦电极，所述第一聚焦电极圆周式围绕所述负离子束；
第二聚焦电极，所述第二聚焦电极包含导电路径，所述导电路径至少部分地阻断所述负离子束；
其中电场线在所述第一聚焦电极与所述第二聚焦电极之间延伸，
其中所述负离子遇到力矢量，所述力矢量沿所述电场线向上延伸，所述电场线聚焦所述负离子束。
61.如权利要求54所述的设备，进一步包含负离子束聚焦系统，所述系统包含：
第一聚焦电极，所述第一聚焦电极圆周式围绕所述负离子束；
第二聚焦电极，所述第二聚焦电极包含导电路径，所述导电路径至少部分地阻断所述负离子束；
其中第一电场线在所述第一聚焦电极与所述第二聚焦电极之间延伸，
其中所述负离子遇到力矢量，所述力矢量沿所述电场线向上延伸，所述电场线聚焦所述负离子束。
其中使用铍碳膜将所述负离子束转换成质子束，其中所述碳膜包含约30至200微米厚的厚度；
其中所述带电粒子束包含所述质子束，其中将所述质子束注入所述同步加速器中。
62.如权利要求61所述的设备，其中所述第一聚焦电极包含负电荷，其中所述第二聚焦电极包含正电荷。
63.如权利要求62所述的设备，其中所述导电路径包含以下任一者：
一系列导电线，所述导电线横跨所述负离子束大体上平行地延伸；
导电网格，所述导电网格横穿所述负离子束；以及
箔片，所述箔片横穿所述负离子束，所述箔片具有孔，所述孔具有所述负离子束的所述横截面积的至少90％的组合区域。
64.如权利要求63所述的设备，其中所述导电路径阻断所述负离子束的所述横截面积的小于10％。
65.一种用于利用带电粒子束的患者肿瘤的癌症疗法的设备，所述设备包含：
同步加速器；
第一可旋转平台，所述可旋转平台在辐射周期内旋转；
固定系统，所述固定系统安装在所述第一可旋转平台上，其中所述固定系统在递送所述带电粒子束期间限制所述肿瘤的移动，
其中所述第一可旋转平台在所述带电粒子束由所述同步加速器递送至所述肿瘤期间旋转到至少十个辐射位置。
66.如权利要求65所述的设备，进一步包含垂直轴定位系统，其中所述垂直轴定位系统沿着与重力对齐的轴机械调整所述第一可旋转平台。
67.如权利要求66所述的设备，其中所述固定系统包含：
半垂直患者固定系统，所述半垂直患者固定系统维持所述患者的躯干处于偏离垂直约三十至六十度的角度，其中所述半垂直患者固定系统进一步包含：
电动机可调座位支架；
电动机可调背部支架；
电动机可调头部支架；以及
电动机可调臂部支架。
68.如权利要求67所述的设备，进一步包含电动机定位系统，所述电动机定位系统记录所述座位支架、所述背部支架、所述头部支架和所述臂部支架中的每一者的位置。
69.如权利要求66所述的设备，进一步包含呼吸传感器，其中所述呼吸传感器包含：
第一热敏电阻，所述第一热敏电阻设以贴近所述患者的鼻；
第二热敏电阻，所述第二热敏电阻既设于所述患者的呼气路径之外，又设于与所述第一可旋转平台相同的局部室环境中，
其中利用来自所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻的读数之间的差异产生所述呼吸信号，
其中所述同步加速器在处于所述至少十个辐射位置中的每一个辐射位置的所述呼吸信号的定时间隔期间递送所述带电粒子束。
70.如权利要求65所述的设备，进一步包含坐式患者固定系统，所述坐式位置固定系统包含：
电动机可调背部支架；
电动机可调头部支架；以及
电动机可调臂部支架。
71.如权利要求70所述的设备，进一步包含电动机定位系统，所述电动机定位系统记录所述背部支架、所述头部支架和所述臂部支架中的每一者的位置。
72.如权利要求70所述的设备，进一步包含呼吸传感器，其中所述呼吸传感器包含测力计，所述测力计可更换地附接至所述患者的胸部。
73.如权利要求65所述的设备，其中所述固定系统包含：
躺式患者固定系统，其中所述躺式患者固定系统包含：
桌台，所述桌台安装在所述第一可旋转平台上；以及
躺式平台，其中固持所述患者的所述躺式平台滑动至所述桌台上。
74.如权利要求73所述的设备，进一步包含：
第二可旋转平台，所述第二可旋转平台设于所述第一可旋转平台上方，其中所述第二可旋转平台随所述第一可旋转平台旋转；以及
显示屏，所述显示屏安装至所述第二可旋转平台，其中所述显示屏显示呼吸控制命令。
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