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粒子束生成设备

阅读：756发布：2020-05-12

专利汇可以提供粒子束生成设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及粒子束生成设备（1），包括用于生成两条粒子束（12，13）的加速器单元（3，8，10）以及用于输出这两条粒子束（12，13）到工件（15）上的发射单元（20）。两条粒子束（12，13）是不同类型。本发明还涉及用于控制粒子束生成设备的方法。，下面是粒子束生成设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种粒子束生成设备(1)，包括用于生成粒子束(12，13)的至少一个加速器单元(3，
8，10)以及用于输出所述至少一条粒子束(12，13)到工件(15)上的至少一个发射单元(20)，其中至少部分地和/或至少有时释放包括具有不同质量和/或不同电荷的强子粒子的至少两条粒子束(12，13)，其中
所述至少两条粒子束(12，13)在被输出到所述工件(15)上时，其中的一条粒子束(12)停在所述工件(15)内并在所述工件(15)后面的下游侧不离开所述工件(15)，而其中另一条粒子束(13)穿透所述工件(15)并在所述工件(15)的下游侧离开所述工件(15)，并且其中，所述至少两条粒子束(12，13)沿着相同的路径到达所述工件(15)。
2.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，包括用于检测所述至少一条粒子束(13)的至少一个检测器设备(19，21)，其中所述至少一个检测器设备(19，21)安排在所述工件(15)的下风侧(21)，其中至少部分地和/或至少有时使用由所述至少一个检测器设备(19，21)获得的信息，以确定所述工件(15)的至少部分的当前位置。
3.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，其中至少一条所述粒子束(12，13)包含核子粒子和/或带电粒子。
4.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，其中至少两条所述粒子束(12，13)包含核子粒子和/或带电粒子。
5.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，其中多条所述粒子束(12，13)包含核子粒子和/或带电粒子。
6.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，其中所有所述粒子束(12，13)包含核子粒子和/或带电粒子。
7.如权利要求3-6中任一项所述的粒子束生成设备(1)，其中所述带电粒子是带正电粒子。
8.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，其中包括在至少两条所述粒子束(12，13)中的粒子包含不同能量。
9.如权利要求2所述的粒子束生成设备(1)，所述粒子束(12，13)的至少第一条是用于处理目的的处理粒子束(12)，而所述粒子束的至少第二条是用于监视目的的监视粒子束(13)。
10.如权利要求9所述的粒子束生成设备(1)，其中以此方式设计和安排所述至少一个检测器设备(19，21)，使得其用于检测至少一条所述监视粒子束(13)，其中所述至少一个检测器设备(19，21)安排在下风侧(21)。
11.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，包括从以下组采取的至少一个检测器设备(19，21)，所述组包括粒子能量检测器、粒子位置检测器、粒子类型检测器、粒子偏转检测器、粒子电荷检测器、粒子速度检测器、粒子方向检测器、粒子束宽度检测器和/或粒子束强度检测器。
12.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)包括至少一个反馈单元(25)，其中至少一条生成的粒子束(12，13)的至少一个特性用于控制至少一条生成的粒子束(12，13)。
13.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，包括至少一个反馈单元(25)，其中至少一条监视粒子束(13)的至少一个特性用于控制至少一条处理粒子束(12)。
14.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)其中所述粒子束生成设备(1)以这样的方式设计和安排，使得可以根据由至少一条所述粒子束(12，13)处理的所述工件(15)的至少一个部分(24)的运动，控制至少一条生成的粒子束(12，13)。
15.如权利要求12所述的粒子束生成设备(1)，其中所述反馈单元(25)以这样的方式设计和安排，使得可以根据由至少一条所述粒子束(12，13)处理的所述工件(15)的至少一个部分(24)的运动，控制至少一条生成的粒子束(12，13)。
16.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，其中以这样的方式设计和安排所述发射单元(20)，使得至少部分地和/或有时递送至少一条所述粒子束(12，13)到周围压力。
17.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，至少一个加速器单元的至少一部分至少有时用于加速不同类型的粒子束(12，13)。
18.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，其中至少部分地设计所述粒子束生成设备(1)作为粒子束处置设备和/或作为诊断设备。
19.如权利要求18所述的粒子束生成设备(1)，其中所述诊断设备用于医疗和/或兽医目的。
20.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，包括至少一个粒子混合设备(7)和/或至少一个粒子分裂设备。
21.如权利要求1所述的粒子束生成设备(1)，包括至少一个横向偏转单元(16)和/或至少一个能量变化单元(17)。
22.一种用于控制粒子束生成设备(1)的方法，其中至少部分地和/或有时生成不同类型的两条粒子束(12，13)，其中第一类型的粒子束(12)用于处理目的，特别用于处理要处理的工件(15)，而至少第二类型的粒子束(13)用于监视目的，特别用于监视所述工件(15)，其中所述两条粒子束(12，13)包括不同质量和/或不同电荷的强子粒子，其中所述两条粒子束(12，13)在被输出到所述工件(15)上时，其中所述第一类型的粒子束(12)停在所述工件(15)内并在所述工件(15)后面的下游侧不离开所述工件(15)，而所述第二类型的粒子束(13)穿透所述工件(15)并在所述工件(15)的下游侧离开所述工件(15)，并且
其中，所述两条粒子束(12，13)沿着相同的路径到达所述工件(15)。
23.如权利要求22所述的方法(38)，至少部分地和/或至少有时使用通过所述工件(15)之后至少一条粒子束(13)的剩余能量，以确定所述至少一个工件(15)的至少一部分的当前位置。

说明书全文

粒子束生成设备

技术领域

[0001] 本发明涉及粒子束生成设备，其包括用于生成粒子束的至少一个加速器单元，以及用于输出所述至少一条粒子束到工件上的一个至少发射单元。本发明还涉及用于控制粒子束设备的方法。

背景技术

[0002] 在现今技术中，各种不同材料以特定方式由用于处理所述材料的某种形式的辐射辐照。例如，通过辐照一些特殊材料，所述材料的特性可以以希望的方式改变。作为示例，通过辐照由合适材料制作的工件，可以修改或构造所述工件的表面。

[0003] 取决于要处置的材料和工件，可以使用多种不同类型的辐射。例如，可以使用来自电磁光谱的辐射。波长可以在宽范围中不同，并且作为示例可以从无线电磁光谱、红外光谱、可见光谱、紫外光谱直到X射线光谱甚至更高选择。辐照工件的另一可能形式是以粒子束的形式，特别是以加速粒子束的形式。粒子本身也可以从广泛的种类选择。作为示例，可以使用如电子或正电子的轻子。还可以使用强子粒子，如质子、轻离子（例如，质子、电离氦原子）以及重离子（例如，碳离子、氧离子和氖离子）。其它可能的强子粒子是介子、中微子等。这样的粒子的可能能量可以从如几千电子伏直到接近光速的速度的在几百万电子伏的范围或者甚至千兆电子伏范围的能量变化。

[0004] 然而，用于辐照材料的可能应用在于施加，其中要处置的工件必须以均匀方式辐照，例如当材料必须通过辐照修改时，存在其它施加，其中辐照必须以特定图案施加。其中需要这种图案化辐照的一个技术领域是微处理器的生产或纳米力学。在此，必须辐照要处置的工件的表面的特定部分，同时完全不应辐照其它部分。这通过使用图案化遮罩（patterned mask）来进行，通过均匀辐射源辐照该图案化遮罩。施加这种结构化辐射的另一可能方式是使用笔状束，并且以特别图案移动所述束的斑点跨越工件的表面。

[0005] 现今，不但执行工件的二维处置，而且执行工件的三维辐照。以此方式，甚至可能将特定辐射剂沉积在工件的内部而不用打开所述工件。因此，工件内的三维截面的处置是可能的。

[0006] 当必须处置移动工件或具有移动部分的工件时，另外的复杂性出现。在此，当辐照所述工件时，必须以考虑主体运动的方式执行辐照的施加。这经常称为辐射的四维施加（其中时间被视为第四维度）。工件的移动不但能够相对于外部参照框架出现，而且能够通过所述工件的各部分相对于所述工件的其它部分的相对移动出现。因此，必须考虑材料的旋转形变、纵向形变和淬火。

[0007] 当然，不仅仅无机材料可以通过施加辐射（特别是粒子束）处置。还可能处置有机物质以及甚至动物和人类的活体组织。三维或四维辐射施加的一种可能应用是癌症的处置。在此，人体的特定区域（特别是感染肿瘤细胞的组织）必须用特定辐照剂量处置，使得该体积内的细胞被摧毁或至少破坏。当然，如果可能，应该通过施加非常小辐射保护周围的健康组织。

[0008] 特别地，对于肿瘤的处置，已经证明粒子束，特别是强子粒子束（甚至更优选地重离子粒子束）是非常有用的。这是因为粒子束显示显著的所谓布拉格峰（Bragg-peak）。也就是说，运动通过组织的粒子的能量不是在粒子的路径上均匀沉积。替代地，在各个粒子卡住之前，粒子能量的大部分在路径的非常后的部分中传送。

[0009] 当处置三维结构（特别是具有个体特征的人类）时，明显的问题是必须首先确定必须要沉积辐射的区域。这应该通过不需要打开要处置的工件（特别是具有肿瘤的病人）的方法（所谓非侵入性方法）来完成，因为否则将失去三维构造的辐射的优点。

[0010] 为了执行该任务，通常使用三维成像技术（或者甚至考虑运动的思维成像技术）。这种技术的示例是超声成像技术或计算机断层扫描技术。然而，这些方法同样显示出缺点。
在计算机断层扫描的情况下，主要缺点在于施加额外的辐射剂量到人体。特别是，当必须取得四维图像和/或在处置本身期间需要连续成像时，这种额外辐射剂量可能是大量的。因此，存在尽可能减少额外的辐射水平的趋势。

[0011] 可以通过使用超声成像技术避免施加额外剂量的缺点。然而，图像质量有时完全不好。超声成像技术的另一主要缺点在于在利用强子粒子处置期间它们完全不能使用。

[0012] 一种可能出路是使用上述成像技术（乃至其它方法）并且将因此确定的运动链接到所谓的运动替代物。这可以通过将由计算机断层扫描或超声成像技术获得的三维画面与替代信号（如标准摄像机的画面或来自附接到病人胸部等的长度测量带的信号）相关联来实现。尽管这样的替代物在实践中工作相对良好，但是可获得的最大分辨率是受限的。

[0013] 还没有提到的另一缺点在于如由粒子看到的组织的密度（并且因此粒子的穿透长度）可能与如由轻子粒子、声子（超声成像技术）或光子（x射线成像技术）看到的组织的密度大大不同。实验已经显示这有时导致实质性错误。

[0014] 因此，仍然需要一种关于如何确定工件或主体内的区别特征和/或在工件或主体的处置期间所述工件或主体（特别是病人的身体）的不同区域的移动的方法。

发明内容

[0015] 因此，本发明的目的是教导一种粒子束生成设备，其优于现有粒子束生成设备。本发明的另一目的是教导一种用于控制粒子束生成设备的方法，其优于用于控制粒子束设备的现有方法。

[0016] 本发明解决这些目的。

[0017] 建议设计一种粒子束生成设备，包括用于生成至少一条粒子束的至少一个加速器单元以及以至少部分地和/或至少有时释放不同类型的至少两条粒子束的方式，用于输出所述至少一条粒子束到工件上的至少一个发射单元。作为加速器单元，原则上可以使用所有现有设计的粒子加速器。特别地，可以使用线性加速器（直线加速器）、回旋加速器、同步加速器等。粒子束不必持续发射。例如，使用同步加速器，将不可能生成连续束。因此，对于本发明也包含间断束等。此外，两条粒子束（或者甚至更多粒子束）它们的输出特性也可能不同。例如，第一粒子束可以是连续的，而第二粒子束可以是间断发射（反之亦然）。即使间断发射两条或多条粒子束，输出特性也可以不同（例如，发射间隔相对于非发射间隔的长度的片段可以改变）。通过用语“不同类型的粒子束”，特别地意味着形成各条粒子束的粒子的类型和/或特性。例如，第一粒子束可以包含电子，而第二粒子束可以包含强子粒子。此外，还可能两条或多条粒子束包含强子粒子，而两个粒子部分的质量、电荷、能量等可以不同。此外，核子粒子（特别是离子）和/或介子和/或π介子的混合也是可能的。

[0018] 此外，两条（或者甚至多条）粒子束可以（至少部分地和/或至少有时）从相同方向和/或从不同方向撞击到工件上。通过概念“工件”，不仅包含无机物质。替代地，也可以处置包括有机活体组织的有机材料。甚至，活体动物和/或人的处置甚至可以是粒子束生成设备的优选应用。特别地，可以由至少一个发射单元释放不同类型的至少两条粒子束。

[0019] 粒子束生成设备例如可以应用于电机的运动部分的调查，其中执行调查以检测电机内的摩擦改变（无损调查）。

[0020] 可替代地或此外，可能设计一种粒子束生成设备，包括用于生成至少一条粒子束的至少一个加速器单元、用于输出所述至少一条粒子束到工件上的至少一个发射单元以及用于检测所述至少一条粒子束的至少一个检测器设备，所述工件至少部分地随着时间运动，并且其中所述至少一个检测器设备优选地安排在所述工件的下风侧，以此方式，至少部分地和/或至少有时使用由所述至少一个检测器设备获得的信息，用于确定所述工件的至少部分的当前位置。在非常基本的层面上，这可以视为非常类似于上述粒子束生成设备的设备。然而，仅仅使用“监视粒子束”（“第二粒子束”），而“处理粒子束”（“第一粒子束”）不必存在。与现有技术相反，现有技术中类似的方法和/或设备仅用于（如果发生的话）验证工件的特定位置（例如，其已知为“质子射线照相”），设备目前用于监视（测量）运动工件和/或（可能运动）工件的运动部分的运动。当然，这必须相对快速的设备，这根据现有技术应该是技术上和/或经济上不可行。然而，使用建议的设备，可能提供相对简单、仍十分精确的方法用于确定工件（内的部分）的运动。特别地，可以以这样的方式选择粒子束的离子，使得用于测量的粒子以与可能稍后施加的处置粒子束（作为示例）相同的方式“看到”工件。尽管首先，进行这所需的设备看起来非常精密和昂贵，但是应该注意通常可能很大程度上使用已经存在的组件。因此，总体的额外努力通常非常低。特别地，得到的测量可以用作某种“运动替代”。优选地，设计至少一个使用的检测器（特别是至少一个工件下游的检测器）为能量检测设备。使用这样的设备，可能得到粒子束的粒子在工件内的能量损失，这通常是实际运动/位置状态的良好指示。

[0021] 优选地，可以以这样的方式设计粒子束生成设备，使得至少一条所述粒子束，优选地至少两条所述粒子束，更优选地多条所述粒子束，最优选地所有所述粒子束包含强子粒子和/或带电粒子，优选地为核子粒子和/或带正电粒子。上述类型的粒子是优选的，因为哪些粒子通常显示特别明显的布拉格峰。因此，可以非常尖锐施加和精确限定要施加到工件的内部体积部分的三维剂量。原则上这样的行为对于处理粒子束是特别优选的。然而，如果监视粒子束使用有些类似类型的粒子，如由各个粒子看到的要穿透的材料的密度可以非常接近。因此，不同粒子束的行为相互类似，尽管精确行为可以不同。

[0022] 优选地，包括在至少两条所述粒子束中的粒子包括不同质量和/或不同电荷和/或不同能量。以此方式，各条粒子束的主要行为可以相互类似，而精确行为是不同的。以此方式，例如可能一条粒子束在工件内具有其布拉格峰的最大值，并且“卡住”在工件内，而第二粒子束（尽管示出主要类似的行为）仍能够穿透并且离开工件到工件下游。以此方式，可以在通过工件之后测量第二粒子束。特别地，可能使用碳离子、氧离子和/或氖离子用于第一粒子束，而对于第二粒子束，可以使用质子和/或氦离子。

[0023] 更优选地，可以以这样的方式设计粒子束生成设备，使得所述粒子束的至少第一条是用于处理目的的处理粒子束，而所述粒子束的至少第二条是用于监视目的的监视粒子束。以此方式，处理粒子束可以基本用于沉积特定剂量在工件（或其部分）内。甚至通过使用扫描技术（特别是光栅扫描技术）完成复杂的三维图案。监视粒子束可以主要用于监视处理过程。特别地，监视粒子束可以用于获得关于工件内特定部分（例如，病人内的肿瘤）的精确位置的信息和/或用于监视工件或工件的部分的运动。该信息可以用于修改处理过程本身，因此通常导致处置的更好质量。

[0024] 更优选地，所述粒子束生成设备可以包括至少一个检测器设备，用于检测至少一条所述粒子束。优选地，所述粒子束生成设备可以包括一个检测器设备，用于检测至少一条所述监视粒子束。更优选地，所述至少一个检测器设备安排在下游。使用可以由这样的检测器设备获得的信息，可以增强至少一条粒子束的控制。此外和/或可替代地，可能提高设备的精度（特别是测量精度）。对此，可以使用通常的反馈算法。如果监视粒子束用于获得信息，那么通常可能获得关于工件内特定结构的实际位置的信息。如果工件或工件的部分正在移动，这特别可靠。优选地，检测器安排在工件的下游。以此方式，在各条粒子束（特别是监视粒子束）已经穿透工件之后进行测量。然而，在工件的上风侧的检测器可以证明也是非常有帮助的。对于此的突出示例是用于测量每单位时间的粒子数目（粒子流量）的检测器。

[0025] 特别地，可能从以下组采取至少一个检测器设备，所述组包括粒子能量检测器、粒子位置检测器、粒子类型检测器、粒子偏转检测器、粒子电荷检测器、粒子速度检测器、粒子方向检测器、粒子束宽度检测器和/或粒子束强度检测器。第一实验已经显示上述类型的特定检测器特别好地适于获得可用的信息。特别地，可能以此方式设计至少一些上述（甚至不同类型的）检测器，使得它们至少部分地和/或至少有时时间敏感和/或位置敏感（特别地，它们可以是一维位置敏感、二维位置敏感、三维位置敏感和/或四维位置敏感）。

[0026] 根据粒子束生成设备的优选实施例，提供至少一个反馈单元，其中至少一条生成的粒子束的至少一个特性，优选地至少一条监视粒子束的至少一个特性用于控制至少一条生成的粒子束，优选地用于控制至少一条处理粒子束。以此方式，可以显著提高处置的质量和/或精度（特别是测量精度）。特别地，可以提高引入工件的辐射剂量的精度。对于反馈单元，可以采用通常的方法和/或设备。例如，可以使用标准控制器或标准计算机。

[0027] 更优选地，可以以这样的方式设计粒子束生成设备，使得所述粒子束生成设备，优选地所述反馈单元以这样的方式设计和安排，使得可以根据由至少一条所述粒子束处理的所述工件的至少一个部分的运动，控制至少一条生成的粒子束。以此方式，可能以非常精确的方式对于运动目标施加辐射处置。特别地，该情况可能在像肺或心脏的运动器官中或接近运动器官出现。特别优点在于监视束以与处理束类似的方式看到穿透的材料的密度。以此方式，由相对生物功效和物理沉积的辐射剂量之间的非线性关系引入的复杂性（其由组织部分的拉长、压缩和旋转导致）可以以非常讲究的方式引入粒子束的控制。作为示例，即使（当前）不存在处置束，这样的反馈设备的使用也特别由测量质量的提高证明是有利的。

[0028] 如果以这样的方式设计和安排粒子束生成设备的发射单元，使得至少部分地和/或有时递送至少一条所述粒子束到周围压力，则实现粒子束生成设备的另一优选实施例。以此方式，机器商店和/或处置室可以在普通大气条件下。当然，这显著增强了可能应用的多样性。例如，可以通过使用这射门实现这样的发射单元。

[0029] 如果至少一个加速器单元的至少一部分至少有时用于加速不同类型的粒子束，则实现粒子束生成设备的另一优选实施例。以此方式，可以降低粒子束生成设备的总体复杂性。特别地，可能使用单个加速器用于执行到最高能量级的加速。通常，加速器设备的这部分是最复杂并且因此是最昂贵的。因此，可以显著降低涉及的成本。

[0030] 如果设计所述粒子束生成设备至少部分地用作粒子束处置设备和/或诊断设备，则是优选的，优选地用于医疗和/或兽医目的。近来，粒子束生成设备已经证明对于治疗癌症非常有用。以此方式，建议类型的粒子束生成设备可以用于执行这样的（并且甚至更多）处置。

[0031] 如果所述的粒子束生成设备包括至少一个粒子混合设备和/或至少一个粒子分裂设备，则可以实现粒子束生成设备的另一优选实施例。通过使用粒子混合设备，可以由不同源生成两个（或者更多）不同类型的粒子。例如，可以提供用于重离子的离子源以及用于质子或氦离子的（分立）离子源。由各个源产生的离子“组合”到单个轨迹中。该组合可以在任何点出现。优选地，该“混合”在加速之前出现，特别是在粒子的最终加速之前出现。还可能使用至少一个粒子分裂设备。这可以是中间目标，其中处理束的粒子的部分通过核子分裂分裂为更小的部分。

[0032] 如果粒子束生成设备包括至少一个横向偏转单元和/或至少一个能量变化单元，则可以实现粒子束生成设备的另一优选实施例。横向偏转单元可以是一对电磁线圈（其优选地垂直安排）。能量变化设备可以是可移动楔形物类型。由能量吸收材料制造的楔形物以这样的方式移动，使得粒子束必须对于不同长度通过楔形物，因此损失不同量的能量。以此方式，粒子束的能量可以变化，并且因此布拉格峰的位置可以在纵向方向改变。特别地，通过使用这样的设计，特别地结合笔形粒子束，可以应该扫描技术（特别是光栅扫描技术）。

[0033] 此外，建议一种用于控制粒子束生成设备的方法，其中至少部分地和/或有时生成不同类型的两条粒子束，其中第一类型的粒子束用于处理目的，特别用于处理要处理的工件，而至少第二类型的粒子束用于监视目的，特别用于监视所述工件。类似地，建议类型的方法将显示与之前描述相同的特征和优点。可能修改之前描述意义上的基本方法。因此，如已经描述的，也可以实现额外的特征和它们的优点和特性。

[0034] 因此，可以执行光栅扫描方法，其中跨越工件或病人的肿瘤三维扫描至少两条粒子束。特别地，可以执行强度受控的光栅扫描方法，以便照射工件或病人内的目标体积。可以通过使用至少两条粒子束的第二粒子束控制目标体积内至少一条粒子束的精确3D剂量施加，以便检测目标体积的移动或运动。在此，可以使用校正装置，以便根据检测到的移动或运动改变工件或病人内的粒子束的位置。优选地，校正装置是快速校正装置。第二粒子束可以用于与移动目标体积的照射同时实时控制目标体积的移动。优选地，用于检测目标体积的运动的第二粒子束具有如第一粒子束（处理束）的更低强度。与诸如CT检测和透视检查的其他检测方法相比，可以发现低剂量暴露的优点。

[0035] 此外或可替代地，建议一种用于测量至少一个工件的至少一部分的当前位置的方法，该至少一个工件至少部分地随着时间移动，其中至少部分地和/或至少有时使用通过所述工件之后至少一条粒子束的剩余能量，用于确定所述至少一个工件的至少一部分的当前位置。类似地，甚至这样的方法将显示与之前描述相同的特征和优点。因此，也可以实现额外特征和如已经描述的它们的优点和特性。

[0036] 该方法可以包括从测量的剩余能量或测量剩余范围并且从其计算剩余能量，计算通过工件或病人的粒子束的范围而不用停止。此外，该方法可以包括测量横向位置。该方法优选地组合通过工件或病人的粒子束的测量的剩余范围和测量的横向位置。从这些检测到和/或计算的数据，可以确定在每个照射位置的工具的材料或病人的组织的实际成分。可以确定由依赖于时间的目标体积的移动或运动导致的各层的厚度的改变。该方法还可以包括照射期间测量的层厚度与照射之前测量或确定的不同运动状态的层厚度的比较。由此，可以实时确定照射期间的实际运动状态，并且可以相应地调整粒子束（处理束）。附图说明

[0037] 当与附图一起考虑本发明实施例的以下描述时，本发明将变得更清楚。附图示出：

[0038] 图1：粒子束生成设备的示意性概述；

[0039] 图2：如图1所示的粒子束生成设备处置部分的示意性概述；

[0040] 图3：示意性概述中运动目标的效果；

[0041] 图4：用于将粒子能量耗散与工件的运动相位相关联的方法的第一实施例；

[0042] 图5：示意性流程图中用于控制粒子束生成设备的方法；

[0043] 图6：示意性流程图中用于测量运动目标的位置的方法。

具体实施方式

[0044] 在图1中，示意性示出粒子束生成设备1。粒子束生成设备1用于辐照工件，并且也可以称为粒子束生成设备1。粒子束生成设备1主要可以分为若干功能组。第一分为离子源组2，第二分为加速器组3并且第三分为束递送（beam delivery）组4。

[0045] 离子源组2存在于目前示出的离子源5、6的示例。离子源5、6可以是相同类型，例如ECR离子源。离子源5、6也可以是不同类型，其中第一离子源5（处理离子源5）用于递送如碳离子、氧离子或氖离子的重离子。由第一离子源5（处理离子源）产生的离子最终将形成处理粒子束12（处置粒子束），稍后将说明其功能。

[0046] 第二离子源6（监视离子源6）可以用于生成轻离子，特别是质子和氦离子。由第二离子源6产生的离子最终将形成监视粒子束13（如稍后说明的）。

[0047] 由两个离子源5、6生成的两个不同类型的离子将在混合腔7中结合在一起。以此方式，创建每条由不同粒子形成的两条离子束12、13。然而，两条离子束12、13将沿着本质上相同的路径运行。此外，在混合腔7之后，用于加速、弯曲和调制的相同组件将用于两条粒子束12、13。因此，在图1中仅仅为两条离子束12、13绘制单条线。

[0048] 第二束13也可以由其他装置产生。一种可能性是在分裂靶（未示出）分裂第一粒子束12。

[0049] 在已经在混合腔7中混合之后，两条粒子束12、13通过线性加速器（直线性加速器）8初始加速。在该线性加速器8中，粒子将加速到大约光束的10%（这是容易区分的典型值）。
在初始加速之后，粒子束12、13通过一些弯曲磁体9弯曲，并且引入同步加速器10，其将对于加速器组3中的粒子执行主要加速。在同步加速器10中，将在第一步骤中加速粒子。在第二步骤中，粒子存储在同步加速器10（此时用作存储环）中，并且通过提取隔板11缓慢提取。提取阶段（所谓粒子溢出）典型地为大约5到10秒长。

[0050] 在从同步加速器10提取之后，两条粒子束12、13将被导向处置室14，处置室14中安排工件或病人15。在病人15的情况下，病人15固定到病人台（图1中未示出）上。

[0051] 在粒子束12、13将进入处置室14之前，它们将首先通过弯曲磁体布置16，粒子束12、13可以利用弯曲磁体布置16横向弯曲。以此方式，可以由（横向弯曲的）粒子束12、13到达X-Y平面中的不同坐标。在弯曲磁体16（所谓的扫描器磁体16）之后，粒子束12、13将通过能量调制器17。如此的能量调制器17在本领域是已知的。作为示例，能量调制器17可以由能量吸收材料制造的两个楔形块18构成。使用快速致动器，楔形物18可以前后移动。取决于楔形物18相对于粒子束12、13的位置，粒子束12、13必须通过穿过楔形物18的能量吸收材料的不同长度。因此，粒子束12、13的能量可以在特定限度内衰减。这将在纵向方向（Z方向）改变粒子束12的布拉格峰的位置。

[0052] 在能量调制器17的下游，粒子束12、13将通过检测器19的第一布置。第一组的检测器19布置在病人15的上游。第一组的检测器19将例如验证粒子束12、13的当前位置、将验证离开能量调制器17的粒子能量（其确定病人15内纵向方向上布拉格峰的位置）、将测量粒子束12、13强度等。

[0053] 粒子束12、13将通过窗口20从粒子生成设备1的真空部分释放。优选地，也称为发射单元20的窗口20布置在检测器19的第一布置之前。其中，粒子束12、13预先在真空内按路径发送，它们现在按路径发送通过周围压力（在室温接近标准大气压）。

[0054] 将以这样的方式控制第一粒子束12，使得病人15内要处置的体积将在弯曲磁体16和能量调制器17的帮助下连续扫描（优选地使用扫描技术，更优选地光栅扫描技术）。以此方式，如由医师开出的特定辐射剂量将在病人15的组织的不同区域中沉积。因此，第一粒子束12可以称为处理粒子束12，即执行“真实”处置的粒子束。因为处理粒子束12将在布拉格峰的位置停止，并且“卡住”在病人15内，该束将典型地在病人15后面的下游侧（在束12的方向看）不离开病人15。

[0055] 情况对于由更轻离子（诸如质子或氦离子）组成的第二粒子束13不同。因为第二粒子束13的粒子与第一粒子束12的粒子相比具有更低质量和电荷，所以它们通常将不像第一粒子束12的粒子那么快地减速。因此，第二粒子束13的粒子通常将穿透病人15并且在下游侧15离开病人。这特别在图1和图2中可见。尽管以特定方式（特别地参照穿透长度）与第一粒子束12相比，第二粒子束13具有不同行为，第二粒子束13的粒子在其他方面仍然具有像第一粒子束12的粒子类似的行为。特别地，如由两条粒子束12、13的（强子）粒子看到的穿透组织的密度非常类似。因此，可以从第二粒子束13推得的成像和/或组织信息比在离子和/或重离子粒子治疗中使用的具有更高质量因此，第二粒子束13可以称为监视粒子束13。该监视粒子束13可以在病人15下游（即，在已经通过病人的身体15之后）测量。在利用在病人15下游的检测器21的阵列进行。如已经说明的，监视粒子束13现在包含关于病人的身体15的有价值的信息。这将在图3和图4中进一步阐明。

[0056] 为了完整，应该提及替代病人15，还可能使用虚拟设备或幻象目标。幻象的放射优选地可以用作质量保证测量。此外，作为示例，还可能用粒子束12、13照射像电子设备的工件，微处理器（一种毫微机械设备）等可以通过粒子束12、13修改或构造。

[0057] 此外，也可能使用束照射设备1的而没有“第一”粒子束12（处理粒子束12），即仅使用“第二”粒子束13（监视粒子束13）。这可以以这样的方式理解，束照射设备1用于仅仅具有监视（“第二”）粒子束13的相对延长的时段。仅使用这样的监视粒子束13，束照射设备1可以用于测量和/或控制病人15的运动。在采用这样的测量循环之后，可能“切换回”处理粒子束12（具有或不具有监视粒子束13）。然而，还可能使用修改的束照射设备1，其中完全不存在处理离子源5，并且因此仅仅监视离子源6存在（在后一情况下，还可能省略混合腔7）。

[0058] 在图2中，再一次示出粒子束生成设备1。然而，这次该图贯注于物理原理，并且因此图2是相对抽象的。如由两个离子源5、6产生的两条粒子束12、13在混合腔7中结合。此后，它们通过加速器组3。然后，由弯曲磁体16和能量调制器17适当地调整处置束12的处置区域的横向和纵向位置。在向病人15释放之前，两条粒子束12、13首先通过第一组检测器19，如之前描述的。然后，在已经通过病人15之后，监视粒子束13（并且典型地仅仅监视粒子束13）在下游的检测器阵列21中测量。

[0059] 在图2中，更详细地示出病人的身体15内的环境。病人的身体15包括健康组织22和不同特性的器官23。在示出的示例中，肿瘤24位于一个肺23a上。参考标号23b指示另一个肺。对应于病人15的呼吸运动，肿瘤24相应地运动。

[0060] 如图2中指示的，仅仅监视粒子束13将通过病人15。将以此方式控制第一粒子束12（即，处理粒子束12），使得其布拉格曲线的位置和最大值位于肿瘤24内。这主要通过弯曲磁体16和能量调制器17完成。通过两个单元16、17的适当控制，可以扫描整个肿瘤体24，并且因此通过扫描技术处置。

[0061] 如从图2（并且从之后的图3）清楚的，监视粒子束13包含关于被穿透组织的信息。因此，该信息馈送到控制单元25中，控制单元25例如可以是标准计算机。然而，不但来自下游检测器21的信息，而且来自第一组检测器19（即，上风检测器19）的信息可以馈送到控制单元25中。

[0062] 必须馈送到控制单元25中的另一类型的信息是处置计划26和关于病人15的信息。二者典型地是预先（即，在“真实”处置发生之前）确定。这串信息26还在处置之前馈送到控制单元25中。取决于接收到的信息，控制单元25将相应地控制弯曲磁体16和能量调制器17，使得在考虑肿瘤24的运动的同时，用粒子束12和13处置整个肿瘤24。

[0063] 在图3中，示出病人15的典型呼吸循环27。该呼吸循环27可以分解为若干阶段，如图3所示。在不同阶段，肿瘤24将随着肺23a运动。使得粒子束12、13跟随肿瘤24的运动，可能以这样的方式监视监视束13，使得测量其剩余能量和/或位置（等）的偏差，并且算法试图最小化这些偏差。即使通过该非常简单的测量，肿瘤24的跟踪质量也可以非常高，如已经说明的，因为两条粒子束12、13以类似的方式“看到”15、23、24的组织的密度。其中用语“看到”意味着粒子束12、13穿透病人15的组织，在其中根据各条粒子束12和13的各自能量损失减速，其中粒子束12接收比粒子束13更高的能量损失。因此，在病人15的下游可以检测到粒子束13，其中取决于组织的结构，粒子束13的剩余能量将稍稍不同。这是由于两条粒子束12、13涉及疾病相同的物理相互作用。

[0064] 在图4中，示意性示出用于在呼吸循环27期间使肿瘤24的实际运动阶段相关的方法36。这可以通过使用相关矩阵37来完成，其中对于束位置“b”和运动阶段“p”的所有可能组合，计算并存储范围Rbp。在图4所示的特定实施例中，示出若干阶段“p0”到“p9”以及若干束位置“b0”到“b9”。通过适当地控制粒子束生成设备1的各个组件，实验地确定范围Rbp。

[0065] 稍后，优选地用位于病人15的上风侧的检测器19测量实际束位置“b”。通过测量通过病人15之后粒子束的剩余能量，即通过使用下游检测器21，可以测量范围“R”。使用两个数目“b”和“R”，通过使用矩阵37作为查找表（LUT）可以得到阶段“p”。此外，如果若干合适的相关参数“R”应该存在，则可以执行似真性检查；具有最接近之前阶段号“p”的阶段号“p”的一个通常是最合适的。

[0066] 最后，在图5中，示意性示出用于控制粒子束生成设备1的方法28。首先，处置计划26和关于要处置的病人15的进一步信息在准备步骤29中加载到控制单元25中。与此平行，病人15可以置于病人台上。在该准备步骤29期间，可以采取其他额外的准备步骤。

[0067] 然后，生成并施加粒子束12、13（即，处理粒子束12和监视粒子束13）到病人15。

[0068] 在该束生成和施加阶段30期间，在测量步骤31中测量在病人15的上游侧和下游的粒子束12、13的特性。基于在该测量步骤31中获得的信息，在校正步骤32中计算校正信息（例如，用于控制弯曲磁体16和能量调节器17的校正数据）。

[0069] 现在，在步骤33中检查是否已经递送处置方案。如果情况不是这样的，那么处理步骤返回施加阶段30，特别地用线34示出校正信息。再一次，在步骤30中生成束，在步骤31中测量，在校正步骤32中校正并且施加到病人。

[0070] 然而，如果已经完全递送处置方案，那么完成处置并且处置过程在35停止。

[0071] 总之，在方法38期间，计算的范围Rbp以及束位置b和阶段p存储在相关矩阵37中，并且与特定束位置b的各个测量范围R相关。

[0072] 最后，在图6中，以示意性流程图示出用于确定病人15的运动阶段的方法38。

[0073] 在初始步骤39中，对于运动阶段“p”和束位置“b”的当前对，相关数Rbp例如存储在相关矩阵37中（与图4相比）。

[0074] 在已经存储实际的对应参数Rbp之后，在连续更新步骤40中首先检查是否已经测量运动阶段“p”和束位置“b”的所有可能对。如果情况不是这样的，则将运动阶段“p”和/或束位置“b”更新到下一个要测量的位置，并且程序跳回41。然而，如果完成测量循环，则方法38进入另一环路。现在，在“输入步骤”42中，程序“听取”对应的参数Rb（p 以粒子束能量阻尼的形式测量）以及当前束位置“b”（其可以通过位置检测器19、21，优选地通过病人15的上游检测器19测量）。如果获取这样的数据对，那么程序从相关矩阵37得到对应的阶段“p”，并且在随后的步骤43中输出各个值。已经完成此后，程序如由线44指示跳回并且在步骤42中“听取”另一数据输入。总之，本方法包括从相关矩阵37在LUT找到与测量范围R对应的阶段p和束位置b的步骤。

[0075] 参考列表：

[0076] 1粒子束生成或辐射设备

[0077] 2离子源组

[0078] 3加速器组

[0079] 4束递送组

[0080] 5离子源（处理）

[0081] 6离子源（监视）

[0082] 7混合腔

[0083] 8线性加速器

[0084] 9弯曲磁体

[0085] 10同步加速器

[0086] 11提取隔板

[0087] 12处理粒子束

[0088] 13监视粒子束

[0089] 14处置室

[0090] 15病人

[0091] 16弯曲磁体

[0092] 17能量调制器

[0093] 18楔形物

[0094] 19检测器的上游组

[0095] 20窗口

[0096] 21下游检测器

[0097] 22健康组织

[0098] 23器官

[0099] 24肿瘤

[0100] 25控制单元

[0101] 26处置计划

[0102] 27呼吸循环

[0103] 28用于粒子处置的方法

[0104] 29准备步骤

[0105] 30束生成步骤

[0106] 31测量步骤

[0107] 32校正步骤

[0108] 33检查状态

[0109] 34向后步骤

[0110] 35停止

[0111] 36相关方法

[0112] 37相关矩阵

[0113] 38运动确定方法

[0114] 39测量相关参数

[0115] 40更新

[0116] 41跳回

[0117] 42输入步骤

[0118] 43阶段获得步骤

[0119] 44跳回

标题	发布/更新时间	阅读量
粒子束系统	2020-05-11	268
一种粒子束加速器	2020-05-16	194
粒子束生成设备	2020-05-12	6
用于粒子束流的斩波器	2020-05-17	919
粒子束加工设备	2020-05-14	87
粒子束治疗装置	2020-05-14	118
粒子束治疗设备	2020-05-12	336
粒子束形成装置	2020-05-12	276
粒子束治疗装置	2020-05-13	395
粒子束监测系统和方法	2020-05-17	314

粒子束生成设备

粒子束生成设备

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