CN1247052C - 用于调节从粒子加速器中提取的电子束的强度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于调节从诸如一个回旋加速器的粒子加速器中抽取的射束的强度的装置(10)，该装置用于例如质子疗法中，所述的粒子产生于一个离子源，其特征在于至少包括：比较器(90)，其确定在表示射束强度的数字信号I_R和该射束强度的一个设定点值I_C之间的差ε，该射束强度是在该加速器的出口测量的；一个施米特预测器(80)，其根据所述的差ε确定所述射束强度的一个修正值I_p；反向对应表(40)，其根据所述的射束强度的所述修正值I_p，为一个离子源(20)的电弧电流的供应提供设定点值I_A。

Description

用于调节从粒子加速器中提取 的电子束的强度的装置和方法

技术领域

本发明涉及调节从粒子加速器中提取的电子束的强度的技术领域。

本发明涉及一种用来快速及准确地调节从粒子加速器中所抽取的电子束的强度的装置，尤其涉及一种回旋加速器。

本发明也涉及一种调节从粒子加速器中所抽取的电子束的强度的方法。

本发明最后涉及该装置或方法在质子疗法中的使用，尤其是在“铅笔形射束扫描”技术中的使用。

背景技术

回旋加速器为圆形粒子加速器，其用于对正离子或负离子进行加速直到激发几兆电子伏(Mev)或者更多。这种类型的设备应用于各种领域中，例如工业或医学上，更明确地是应用于放射线疗法中以产生放射性同位素，或为了治疗癌瘤而用于质子疗法中。

回旋加速器通常包括五个主要部件：产生电离粒子的离子源，真空密封电离粒子的装置，产生引导电离粒子的磁场的电磁石，用来对电离粒子进行加速的高频加速器系统，以及提取装置，该提取装置能使电离粒子离开加速轨道，接着使其以高动能电子束的形式从该回旋加速器中移出。然后把该电子束指向目标体积(target volume)。

在回旋加速器的离子源中，离子是在一个密封间隔室获得的，它是通过电离一种或多种气体组成的气体介质，依赖回旋电子共振对其强有力的电子加速并且在高频磁场的作用下注入该间隔室中的。

这种回旋加速器可以用于质子疗法中。质子疗法是用来将高剂量提供到一个明确的要被治疗的目标体积(target volume)，且不损害所涉及的体积周边的健康组织的方法。与传统的X射线疗法相比较，在精确深度方面，质子具有提供它们的剂量的优点，其依赖于能量(布喇格峰)。用于在该目标体积中分配所述剂量的几种技术是已知的。

由Pedroni开发并且被记述在“200MeV proton therapyproject at the Paul Scherrer Institute：conceptual design and practicalrealization”(MEDICAL PHYSICS，JAN.1995，USA，Vol.22，No.1，pages37-53，Xp000505145 ISSN：00942405)中的技术在于将目标体积划分为被称谓“三维象素(voxels)”的体积元。将该射束指向第一三维象素，并且当达到前述剂量时，依靠一个快速逆转磁铁使射束突然偏离来中止该照射。然后控制一个扫描磁铁以便使该射束指向下一个三维象素，并且将该射束再导入以便照射接下来的三维象素。重复这个过程直到照射完整个目标体积为止。此方法的缺陷之一是治疗时间长，这是由于在两个三维象素之间存在的连续的中止以及重新启动射束所导致的，启动中止时间在典型应用中可能为几分钟差不多。

由本申请人提出的专利申请：WO00/40064描述了一种称为“铅笔形射束扫描”的改进技术，其中在照射每一个三维象素之间不必中止射束。记述在此文献中的方法在于不断地移动射束以便一层接一层地“敷药”于该目标体积。

通过同时移动射束和改变射束的强度，可精确地确定将要提供给该目标体积的剂量。可以通过改变离子源的源电流来间接地调节质子束的强度。为此目的，使用了一个调节器，其能够调节该质子束的强度。然而，这种调节并不是最理想的。

用于质子疗法中的另一项技术是称为“双散射”的技术。在此项技术中，借助于一个被称为“调制轮”的轮子来调制照射深度(也就是能量)，该调制轮以600转/分的速度转动。此调节器的吸收部分由吸收材料组成，例如石墨或热塑聚碳酸酯。一旦制造出这些调制轮，所获得的深度调节就相当接近于所预测的。但是，它的均匀度仍然保持在所期望的特性之外。为了实现关于均匀度的特性，而不是再加工调制轮，与能量调制轮的转速同步地应用射束强度调节的花费较少。因此为每个能量调制器设立调制功能，并且用作一个轨道，该轨道作为一个设定点被提供给射束强度调节器。因此在使用这种调制轮的双散射技术中仍然需要快速和准确地调节从粒子加速器中抽取的射束的强度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的装置和方法，它没有先有技术的装置和方法的缺陷。

本发明涉及一种用于调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的装置，例如从一个回旋加速器中抽取，该装置例如用于质子疗法中，所述的粒子产生于一个离子源，特征在于至少包括：

比较器，确定在表示射束强度的数字信号和该射束强度的设定点值之间的差异，该射束强度是在该加速器的出口测量的；

施米特(Smith)预测器，基于所述的差异确定所述射束强度的一个修正值；

反向对应表，基于所述的射束强度的修正值，为一个离子源的电弧电流的供应提供设定点值。

根据本发明的装置可进一步的包括一个模数转换器，其对在加速器的出口所测量到的直接表示射束强度的模拟信号进行转换，并且提供一个数字信号。

根据本发明的装置可优选的进一步包括：

低通滤波器，过滤在加速器的出口所测量到的直接表示射束强度的模拟信号，并且提供一个已过滤模拟信号；

相位超前控制器，对所述的已过滤模拟信号进行采样，补偿由低通滤波器引起的相位滞后，并且为比较器提供一个数字信号。

本发明的装置的有利地包括更新该反向对应表内容的装置。

采样频率优选地在100KHZ到200KHZ之间，并且低通滤波器的截至频率优选在2到6KHZ之间。

本发明还涉及一种用于调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的方法，例如从一个回旋加速器中抽取，该方法例如用于质子疗法中，所述的粒子产生于一个离子源，依靠一个以给定采样频率工作的数字调节装置，特征在于其至少包括下列阶段：

将测量的表示射束强度的数字信号与该射束强度的设定点值进行比较；

利用Smith预测器确定射束强度的修正值；

基于射束强度的修正值，利用一个反向对应表确定用来供应离子源的电弧电流的设定点值。

在根据本发明的方法中，在离子加速器的出口测量了射束强度之后，优选地利用一个模数转换器对直接表示已测量射束强度的模拟信号进行转换，以便获得一个数字信号。

根据本发明的方法的一个实施例，

利用一个低通滤波器对直接表示已测量射束强度的模拟信号滤波，并给出一个已过滤模拟信号；

对已过滤模拟信号采样，并且借助于一个相位超前控制器对滤波所引起的相位滞后进行补偿，以便获得一个数字信号。

在调节之前有利地确定为供应离子源的电弧电流的数值和在加速器的出口所测量到的射束强度的数值之间的对应性。

在加速器的出口所测量到的射束强度的数值和为供应离子源的电弧电流的数值之间的对应性中，相应于高于一个极限值的为供应射束强度的电弧电流的数值将被相应于此极限值为供应电弧电流的数值替换。

本发明最后涉及本发明的装置和方法在质子疗法中的使用，尤其是在“铅笔形扫描”和“双散射”技术中的使用。

附图说明

图1是根据现有技术的调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的装置。

图2是该系统的特性曲线，即在离子源的电弧电流的供应值I_A和在加速器的出口所测量的射束强度的I_M值之间的对应性。

图3是根据本发明的调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的装置的一个实施例。

图4是根据本发明的调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的装置的第二个实施例。

具体实施方式

对于执行如申请人描述在出版物WO00/40064中的被称为“铅笔形射束扫描”技术，当使用常规调节时，将会遇到下面描述的问题，例如PID。

如图1所示，射束强度的一个设定点值Ic被提供给一个常规PID调节器10，其确定离子源20的电弧电流的数值I_A。利用一个电离室30测量该射束强度，并且借助于比较器90将相应的信号I_M与设定点值Ic比较，以便提供一个误差信号ε。根据持续射束扫描技术，在移动射束的同时有必要改变射束的强度以获得输出对应的剂量。

这样的系统具有下列问题：

显著的完全停滞时间，这是由于从离子源20发射粒子到该粒子脱离该装置之间的传输时间过长导致的；

系统的特性如图2所示的那样是非常不线性的，该特性将从粒子加速器抽取的射束的强度I_M与离子源的电弧电流值I_A相联系。

如图2中虚曲线所示的那样，该特性可随着时间的变化而进一步地改变。当使用离子源时，由于加热或冷却它的丝极(filament)，使得这种改变可快速的发生。这种改变也可能由该丝极老化引起的。对于完全不同的时间常量，这两种现象导致了特性变化。

系统噪声很严重。由离子源产生的射束具有显著的噪声，尤其在用于测量的采样频率时。

已经对这种使用常规调节方法的装置的调节做出了评价，常规调节方法为诸如依据比例积分微分(PID)的前馈、反馈的技术以及级联回路的技术。由于显著的停滞时间，所有这些技术的反应不是太慢就是不稳定。由于从一个反应到其它的反应之间的增益变化处于极其大的比率中，所以通过使用一个给定时期的特性的平均值，常规方法也不可能解决系统特性的问题，该特性作为时间的函数上下波动。

特性的变化依赖于被严重减弱的两种现象：对于一个短时间常量来说，第一现象相应于离子源的调节，也就是它的温度。常规操作，是以高工作循环的方式持续地或间歇地快速加热离子源的。这种快速温度确立时间可允许在调节期间使用常规的方法开环操作，也就是不必考虑该系统的实际特性。然而，这种折衷处理极大地限制了以普通工作循环的方式来间歇工作的常规方法的使用，该普通工作循环常常相应于所用的工作模式。

对于一个长时间常量来说，第二种现象是由于丝极和离子源本身的老化所导致的。这减慢了特性的变化，并可能因此造成使用系统的平均特性。然而，使用平均特性会导致一个不是太慢就是不稳定的调节。

因此，常规的方法不能满意地解决这样一种系统的调节问题似乎是清楚的，也就是比系统的主时间常量长(大约4倍)的完全停滞时间的问题和需要一个自适应的调节方法的可变的非线性特性问题。

因此，想要快速及准确地调节从粒子加速器中抽取的射束的强度面临着许多难题。但是，对于使用“铅笔形扫描”技术来说，这种快速及准确地调节又是很重要的。

本发明因此打算根据本发明一个优选实施来解决这个问题，特别是通过使用如图3所示的与供应电弧电流的离子源20一起使用的调节装置10来解决这个问题。离子源产生一射束，在它穿过加速器期间对其加速并且从加速器中抽取出并且使其经过装置30，该装置30用于在加速器的出口测量射束强度。例如，这种测量装置30可以是一个电离室。

根据本发明的调节器用于具有下列典型的和非限制的特性：

固定能量：235MeV

完全停滞时间：60μsec。此完全停滞时间相应于离子穿过加速器所用的传输时间。因此，其直接相应于测量离子源的电弧电流的设定点值的更改对从该装置抽取的离子束的强度的影响所需要的时间。

主时间常量：15μs。此给出了一个时间指示，该时间为系统对以开环方式更改设定点做出反应所需的时间。

系统的完全非线性特性，其导致了一个开环特性，该开环特性充分相应于系统的合成动态反应(全部或无)。

随时间变化的特性。

强噪声测定信号。这是由于离子源不稳定，导致了在提取射束之后对该射束强度有很高的噪声。所观测到的噪声/信号比为150％的等级。由于该调节器的数字具体化，使得采用的采样频率因此导致了一个低信号/噪声比。

表示在图3中的本发明的调节装置中，将执行下述阶段：

以0-10V模拟信号(10V相应于300nA的射束强度)的形式提供射束强度的设定点值Ic；

使用电离室30测量射束强度，并且依靠一个0-15μA的模拟信号(15μA相应于300nA的射束强度)将测量结果I_M提供给调节装置10；

由转换器50将模拟信号I_M转换为一个数字信号I_R；

由比较器将信号I_R与设定点值I_C比较，以提供一个误差信号ε；

将误差信号ε提供给“Smith预测器”型的调节器80；

然后将Smith预测器80的输出I_P提供给一个反向对应表40的输入。该反向对应表40数字化的提供离子源的电弧电流值I_A和从加速器抽取的射束强度I_M之间的非线性关系。因此，这使得能够确定系统的非线性特性。将反向对应表的输出转换成I_A类型的4-20mA的模拟信号，调节装置10将其作为用于供应离子源的电弧电流的设定点值输出。

模拟示出了这样一种装置允许有效的调节。然而，其对低频干扰敏感。为了解决这个问题，已经研发了一个根据本发明的优选装置变化，其表示在图4中。在这个装置10中，将一个低通滤波器60和一个相位超前控制器70引入了反馈。例如，滤波器60可为一个一级滤波器。截至频率为4.5Khz.为了补偿由滤波所引起的相位滞后，使用了相位超前控制器70(过滤微分器)补偿这个相位变换。

图3和图4中的装置都具有一个反向对应表40。这个反向对应表40的内容在每次使用该装置之前，用随后的方法确定：

-由于调节器处于开环方式，因此离子源20的电弧电流的设定点以100ms斜线(ramp)的形式渐进地从0mA增加到20mA；

-对4000个采样点中的每一个采样点的射束强度进行测量；

-使获得的表反转，以便提供一个作为射束强度I_M的函数的离子源的电弧电流的相应值。

-将这个反向表载入该调节装置10。

在实践中，连续地执行大约12次这样的操作。这使得能够保证参数达到一个平稳状态，该平稳状态相应于丝极的不变的温度。为了消除噪声，计算至少4个表的平均值。这些自动执行的操作至多持续1.5s。在本发明的一个变体中，相应于高于一个给定极限值的I_M值的I_A被相应于该极限值的I_A值替换。因此省略了图2中的曲线。这是一个使得能够保证加速器产生的射束的强度永不超过这个极限值。

根据本发明的装置可依靠使用了DSP类型(数字信号处理器)的数字技术的电子板来产生。

Smith预测器的合成在拉普拉斯域中执行，并且通过Z变换，使用极-零(pole-zero)对应的方法来提供离散化。上采样已可足够避免所有的与离散化相关的问题，但是目前的DSP技术不允许我们超越100kHZ。

根据本发明的调节方法具有几个优点。首先，可允许控制调节，也就是同现代适应的控制方法比较，它需要一个非常短的计算时间，并且由于通过构建一个对应表来执行确定，因此它允许一个非常简单改变结构，该对应表足够数字化反转以便线性化主调节器所了解的系统的特性。

其进一步的提供显著的适应性，这是由于它可以准确地、可再生地、有力地和高性能地调节任何装备有回旋加速器的离子源，并且特别是由于自适应型调节的优点，当系统的特性随着时间的变化而变化时，该自适应型调节允许再次确定系统的特性。因此，除了为了这次调节而最初研制的C235回旋加速器，还允许其它的加速器的确定和调节。

Claims (18)

1、一种用于调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的装置(10)，所述的粒子产生于一个离子源，其特征在于至少包括：

比较器(90)，确定在表示射束强度的数字信号I_R和该射束强度的一个设定点值I_C之间的差ε，该射束强度是在该加速器的出口测量的；

施米特预测器(80)，根据所述的差ε确定所述射束强度的一个修正值I_p；

反向对应表(40)，根据所述的射束强度的所述修正值I_p，提供用于所述离子源(20)的电弧电流供应的设定点值I_A。

2、根据权利要求1所述的装置，特征在于其进一步包括一个模数转换器(50)，对直接表示在加速器的出口所测量到的射束强度的模拟信号I_M进行转换，并且提供数字信号I_R。

3、根据权利要求1所述的装置，特征在于其进一步包括：

低通滤波器(60)，对直接表示在加速器的出口所测量到的射束强度的模拟信号I_M进行滤波，并且提供已滤过模拟信号I_F；

相位超前控制器(70)，对所述的已滤过模拟信号I_F进行采样，补偿由低通滤波器(60)引入的相位滞后，并且为比较器(90)提供数字信号I_R。

4、根据前述任何一个权利要求所述的装置，特征在于其包括更新该反向对应表(40)内容的装置。

5、根据权利要求3所述的装置，特征在于能够工作于100kHZ到200kHZ之间的采样频率。

6、根据权利要求3所述的装置，特征在于低通滤波器(60)的截至频率在2kHZ到6kHZ之间。

7、根据权利要求1、2、3、5、6任何一个所述的装置，特征在于粒子加速器是回旋加速器。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于回旋加速器是用于质子疗法的回旋加速器。

9、一种用于借助以给定采样频率工作的数字调节装置(10)，来调节从粒子加速器中抽取的射束的强度的方法，所述的粒子产生于一个离子源(20)，其特征在于该方法至少包括下列步骤：

在粒子加速器的出口测量射束强度(I_M)；

利用比较器(90)，将表示射束强度(I_M)的测量值的数字信号I_R与该射束强度的一个设定点值I_C进行比较；

利用施米特预测器(80)确定射束强度的一个修正值I_p；

基于射束强度的修正值I_p，利用反向对应表(40)，确定用于所述离子源(20)的电弧电流供应的设定点值I_A。

10、根据权利要求9所述的方法，特征在于在粒子加速器的出口测量射束强度之后，利用模数转换器(50)对直接表示已测量的射束强度的模拟信号I_M进行转换，以便获得数字信号I_R。

11、根据权利要求9所述的方法，特征在于在粒子加速器的出口测量了射束强度之后：

利用低通滤波器(60)对直接表示已测量的射束强度的模拟信号I_M滤波，以给出一个已滤过模拟信号I_F；

对已滤过模拟信号I_F采样，并且借助于相位超前控制器(70)对滤波所引入的相位滞后进行补偿，以便获得数字信号I_R。

12、根据权利要求9-11中任何一个所述的方法，特征在于在调节之前，确定用于供应所述离子源(20)的电弧电流的数值I_A和在加速器的出口所测量到的射束强度的数值I_M之间的对应性。

13、根据权利要求9-11中任何一个所述的方法，特征在于在加速器的出口所测量的射束强度的数值I_M和用于供应离子源的电弧电流的数值I_A之间的对应性中，对应于高于一个给定极限值的I_M值的I_A值被对应于I_M的该给定极限值的I_A值代替。

14、根据权利要求9-11任何一个所述的方法，其特征在于粒子加速器是回旋加速器。

15、根据权利要求1-7中任何一个所述的装置在“铅笔形射束扫描”和“双散射”技术中的使用。

16、根据权利要求15所述的装置在“铅笔形射束扫描”和“双散射”技术中的使用，应用于质子疗法中。

17、根据权利要求9-13中任何一个所述的方法在“铅笔形射束扫描”和“双散射”技术中的使用。

18、根据权利要求17所述的方法在“铅笔形射束扫描”和“双散射”技术中的使用，应用于质子疗法中。

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