用於調節從粒子加速器中提取的電子束的強度的裝置和方法
2023-10-30 05:09:32 5
專利名稱：用於調節從粒子加速器中提取的電子束的強度的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及調節從粒子加速器中提取的電子束的強度的技術領域。
本發明涉及一種用來快速及準確地調節從粒子加速器中所抽取的電子束的強度的裝置，尤其涉及一種回旋加速器。
本發明也涉及一種調節從粒子加速器中所抽取的電子束的強度的方法。
本發明最後涉及該裝置或方法在質子療法中的使用，尤其是在「鉛筆形射束掃描」技術中的使用。
背景技術：
回旋加速器為圓形粒子加速器，其用於對正離子或負離子進行加速直到激發幾兆電子伏(Mev)或者更多。這種類型的設備應用於各種領域中，例如工業或醫學上，更明確地是應用於放射線療法中以產生放射性同位素，或為了治療癌瘤而用於質子療法中。
回旋加速器通常包括五個主要部件產生電離粒子的離子源，真空密封電離粒子的裝置，產生引導電離粒子的磁場的電磁石，用來對電離粒子進行加速的高頻加速器系統，以及提取裝置，該提取裝置能使電離粒子離開加速軌道，接著使其以高動能電子束的形式從該回旋加速器中移出。然後把該電子束指向目標體積(target volume)。
在回旋加速器的離子源中，離子是在一個密封間隔室獲得的，它是通過電離一種或多種氣體組成的氣體介質，依賴迴旋電子共振對其強有力的電子加速並且在高頻磁場的作用下注入該間隔室中的。
這種回旋加速器可以用於質子療法中。質子療法是用來將高劑量提供到一個明確的要被治療的目標體積(target volume)，且不損害所涉及的體積周邊的健康組織的方法。與傳統的X射線療法相比較，在精確深度方面，質子具有提供它們的劑量的優點，其依賴於能量(布喇格峰)。用於在該目標體積中分配所述劑量的幾種技術是已知的。
由Pedroni開發並且被記述在「200MeV proton therapyproject at the Paul Scherrer Instituteconceptual design and practicalrealization」(MEDICAL PHYSICS，JAN.1995，USA，Vol.22，No.1，pages37-53，Xp000505145 ISSN00942405)中的技術在於將目標體積劃分為被稱謂「三維象素(voxels)」的體積元。將該射束指向第一三維象素，並且當達到前述劑量時，依靠一個快速逆轉磁鐵使射束突然偏離來中止該照射。然後控制一個掃描磁鐵以便使該射束指向下一個三維象素，並且將該射束再導入以便照射接下來的三維象素。重複這個過程直到照射完整個目標體積為止。此方法的缺陷之一是治療時間長，這是由於在兩個三維象素之間存在的連續的中止以及重新啟動射束所導致的，啟動中止時間在典型應用中可能為幾分鐘差不多。
由本申請人提出的專利申請WO00/40064描述了一種稱為「鉛筆形射束掃描」的改進技術，其中在照射每一個三維象素之間不必中止射束。記述在此文獻中的方法在於不斷地移動射束以便一層接一層地「敷藥」於該目標體積。
通過同時移動射束和改變射束的強度，可精確地確定將要提供給該目標體積的劑量。可以通過改變離子源的源電流來間接地調節質子束的強度。為此目的，使用了一個調節器，其能夠調節該質子束的強度。然而，這種調節並不是最理想的。
用於質子療法中的另一項技術是稱為「雙散射」的技術。在此項技術中，藉助於一個被稱為「調製輪」的輪子來調製照射深度(也就是能量)，該調製輪以600轉/分的速度轉動。此調節器的吸收部分由吸收材料組成，例如石墨或熱塑聚碳酸酯。一旦製造出這些調製輪，所獲得的深度調節就相當接近於所預測的。但是，它的均勻度仍然保持在所期望的特性之外。為了實現關於均勻度的特性，而不是再加工調製輪，與能量調製輪的轉速同步地應用射束強度調節的花費較少。因此為每個能量調製器設立調製功能，並且用作一個軌道，該軌道作為一個設定點被提供給射束強度調節器。因此在使用這種調製輪的雙散射技術中仍然需要快速和準確地調節從粒子加速器中抽取的射束的強度。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種用於調節從粒子加速器中抽取的射束的強度的裝置和方法，它沒有先有技術的裝置和方法的缺陷。
本發明涉及一種用於調節從粒子加速器中抽取的射束的強度的裝置，例如從一個回旋加速器中抽取，該裝置例如用於質子療法中，所述的粒子產生於一個離子源，特徵在於至少包括比較器，確定在表示射束強度的數位訊號和該射束強度的設定點值之間的差異，該射束強度是在該加速器的出口測量的；施米特(Smith)預測器，基於所述的差異確定所述射束強度的一個修正值；反向對應表，基於所述的射束強度的修正值，為一個離子源的電弧電流的供應提供設定點值。
根據本發明的裝置可進一步的包括一個模數轉換器，其對在加速器的出口所測量到的直接表示射束強度的模擬信號進行轉換，並且提供一個數位訊號。
根據本發明的裝置可優選的進一步包括低通濾波器，過濾在加速器的出口所測量到的直接表示射束強度的模擬信號，並且提供一個已過濾模擬信號；相位超前控制器，對所述的已過濾模擬信號進行採樣，補償由低通濾波器引起的相位滯後，並且為比較器提供一個數位訊號。
本發明的裝置的有利地包括更新該反向對應表內容的裝置。
採樣頻率優選地在100KHZ到200KHZ之間，並且低通濾波器的截至頻率優選在2到6KHZ之間。
本發明還涉及一種用於調節從粒子加速器中抽取的射束的強度的方法，例如從一個回旋加速器中抽取，該方法例如用於質子療法中，所述的粒子產生於一個離子源，依靠一個以給定採樣頻率工作的數字調節裝置，特徵在於其至少包括下列階段將測量的表示射束強度的數位訊號與該射束強度的設定點值進行比較；利用Smith預測器確定射束強度的修正值；基於射束強度的修正值，利用一個反向對應表確定用來供應離子源的電弧電流的設定點值。
在根據本發明的方法中，在離子加速器的出口測量了射束強度之後，優選地利用一個模數轉換器對直接表示已測量射束強度的模擬信號進行轉換，以便獲得一個數位訊號。
根據本發明的方法的一個實施例，利用一個低通濾波器對直接表示已測量射束強度的模擬信號濾波，並給出一個已過濾模擬信號；對已過濾模擬信號採樣，並且藉助於一個相位超前控制器對濾波所引起的相位滯後進行補償，以便獲得一個數位訊號。
在調節之前有利地確定為供應離子源的電弧電流的數值和在加速器的出口所測量到的射束強度的數值之間的對應性。
在加速器的出口所測量到的射束強度的數值和為供應離子源的電弧電流的數值之間的對應性中，相應於高於一個極限值的為供應射束強度的電弧電流的數值將被相應於此極限值為供應電弧電流的數值替換。
本發明最後涉及本發明的裝置和方法在質子療法中的使用，尤其是在「鉛筆形掃描」和「雙散射」技術中的使用。
圖1是根據現有技術的調節從粒子加速器中抽取的射束的強度的裝置。
圖2是該系統的特性曲線，即在離子源的電弧電流的供應值IA和在加速器的出口所測量的射束強度的IM值之間的對應性。
圖3是根據本發明的調節從粒子加速器中抽取的射束的強度的裝置的一個實施例。
圖4是根據本發明的調節從粒子加速器中抽取的射束的強度的裝置的第二個實施例。
具體實施例方式
對於執行如申請人描述在出版物WO00/40064中的被稱為「鉛筆形射束掃描」技術，當使用常規調節時，將會遇到下面描述的問題，例如PID。
如圖1所示，射束強度的一個設定點值Ic被提供給一個常規PID調節器10，其確定離子源20的電弧電流的數值IA。利用一個電離室30測量該射束強度，並且藉助於比較器90將相應的信號IM與設定點值Ic比較，以便提供一個誤差信號ε。根據持續射束掃描技術，在移動射束的同時有必要改變射束的強度以獲得輸出對應的劑量。
這樣的系統具有下列問題顯著的完全停滯時間，這是由於從離子源20發射粒子到該粒子脫離該裝置之間的傳輸時間過長導致的；系統的特性如圖2所示的那樣是非常不線性的，該特性將從粒子加速器抽取的射束的強度IM與離子源的電弧電流值IA相聯繫。
如圖2中虛曲線所示的那樣，該特性可隨著時間的變化而進一步地改變。當使用離子源時，由於加熱或冷卻它的絲極(filament)，使得這種改變可快速的發生。這種改變也可能由該絲極老化引起的。對於完全不同的時間常量，這兩種現象導致了特性變化。
系統噪聲很嚴重。由離子源產生的射束具有顯著的噪聲，尤其在用於測量的採樣頻率時。
已經對這種使用常規調節方法的裝置的調節做出了評價，常規調節方法為諸如依據比例積分微分(PID)的前饋、反饋的技術以及級聯迴路的技術。由於顯著的停滯時間，所有這些技術的反應不是太慢就是不穩定。由於從一個反應到其它的反應之間的增益變化處於極其大的比率中，所以通過使用一個給定時期的特性的平均值，常規方法也不可能解決系統特性的問題，該特性作為時間的函數上下波動。
特性的變化依賴於被嚴重減弱的兩種現象對於一個短時間常量來說，第一現象相應於離子源的調節，也就是它的溫度。常規操作，是以高工作循環的方式持續地或間歇地快速加熱離子源的。這種快速溫度確立時間可允許在調節期間使用常規的方法開環操作，也就是不必考慮該系統的實際特性。然而，這種折衷處理極大地限制了以普通工作循環的方式來間歇工作的常規方法的使用，該普通工作循環常常相應於所用的工作模式。
對於一個長時間常量來說，第二種現象是由於絲極和離子源本身的老化所導致的。這減慢了特性的變化，並可能因此造成使用系統的平均特性。然而，使用平均特性會導致一個不是太慢就是不穩定的調節。
因此，常規的方法不能滿意地解決這樣一種系統的調節問題似乎是清楚的，也就是比系統的主時間常量長(大約4倍)的完全停滯時間的問題和需要一個自適應的調節方法的可變的非線性特性問題。
因此，想要快速及準確地調節從粒子加速器中抽取的射束的強度面臨著許多難題。但是，對於使用「鉛筆形掃描」技術來說，這種快速及準確地調節又是很重要的。
本發明因此打算根據本發明一個優選實施來解決這個問題，特別是通過使用如圖3所示的與供應電弧電流的離子源20一起使用的調節裝置10來解決這個問題。離子源產生一射束，在它穿過加速器期間對其加速並且從加速器中抽取出並且使其經過裝置30，該裝置30用於在加速器的出口測量射束強度。例如，這種測量裝置30可以是一個電離室。
根據本發明的調節器用於具有下列典型的和非限制的特性固定能量235MeV完全停滯時間60μsec。此完全停滯時間相應於離子穿過加速器所用的傳輸時間。因此，其直接相應於測量離子源的電弧電流的設定點值的更改對從該裝置抽取的離子束的強度的影響所需要的時間。
主時間常量15μs。此給出了一個時間指示，該時間為系統對以開環方式更改設定點做出反應所需的時間。
系統的完全非線性特性，其導致了一個開環特性，該開環特性充分相應於系統的合成動態反應(全部或無)。
隨時間變化的特性。
強噪聲測定信號。這是由於離子源不穩定，導致了在提取射束之後對該射束強度有很高的噪聲。所觀測到的噪聲/信號比為150％的等級。由於該調節器的數字具體化，使得採用的採樣頻率因此導致了一個低信號/噪聲比。
表示在圖3中的本發明的調節裝置中，將執行下述階段以0-10V模擬信號(10V相應於300nA的射束強度)的形式提供射束強度的設定點值Ic；使用電離室30測量射束強度，並且依靠一個0-15μA的模擬信號(15μA相應於300nA的射束強度)將測量結果IM提供給調節裝置10；由轉換器50將模擬信號IM轉換為一個數位訊號IR；由比較器將信號IR與設定點值IC比較，以提供一個誤差信號ε；將誤差信號ε提供給「Smith預測器」型的調節器80；然後將Smith預測器80的輸出IP提供給一個反向對應表40的輸入。該反向對應表40數位化的提供離子源的電弧電流值IA和從加速器抽取的射束強度IM之間的非線性關係。因此，這使得能夠確定系統的非線性特性。將反向對應表的輸出轉換成IA類型的4-20mA的模擬信號，調節裝置10將其作為用於供應離子源的電弧電流的設定點值輸出。
模擬示出了這樣一種裝置允許有效的調節。然而，其對低頻幹擾敏感。為了解決這個問題，已經研發了一個根據本發明的優選裝置變化，其表示在圖4中。在這個裝置10中，將一個低通濾波器60和一個相位超前控制器70引入了反饋。例如，濾波器60可為一個一級濾波器。截至頻率為4.5Khz。為了補償由濾波所引起的相位滯後，使用了相位超前控制器70(過濾微分器)補償這個相位變換。
圖3和圖4中的裝置都具有一個反向對應表40。這個反向對應表40的內容在每次使用該裝置之前，用隨後的方法確定-由於調節器處於開環方式，因此離子源20的電弧電流的設定點以100ms斜線(ramp)的形式漸進地從0mA增加到20mA；-對4000個採樣點中的每一個採樣點的射束強度進行測量；-使獲得的表反轉，以便提供一個作為射束強度IM的函數的離子源的電弧電流的相應值。
-將這個反向表載入該調節裝置10。
在實踐中，連續地執行大約12次這樣的操作。這使得能夠保證參數達到一個平穩狀態，該平穩狀態相應於絲極的不變的溫度。為了消除噪聲，計算至少4個表的平均值。這些自動執行的操作至多持續1.5s。在本發明的一個變體中，相應於高於一個給定極限值的IM值的IA被相應於該極限值的IA值替換。因此省略了圖2中的曲線。這是一個使得能夠保證加速器產生的射束的強度永不超過這個極限值。
根據本發明的裝置可依靠使用了DSP類型(數位訊號處理器)的數位技術的電子板來產生。
Smith預測器的合成在拉普拉斯域中執行，並且通過Z變換，使用極-零(pole-zero)對應的方法來提供離散化。上採樣已可足夠避免所有的與離散化相關的問題，但是目前的DSP技術不允許我們超越100kHZ。
根據本發明的調節方法具有幾個優點。首先，可允許控制調節，也就是同現代適應的控制方法比較，它需要一個非常短的計算時間，並且由於通過構建一個對應表來執行確定，因此它允許一個非常簡單改變結構，該對應表足夠數位化反轉以便線性化主調節器所了解的系統的特性。
其進一步的提供顯著的適應性，這是由於它可以準確地、可再生地、有力地和高性能地調節任何裝備有回旋加速器的離子源，並且特別是由於自適應型調節的優點，當系統的特性隨著時間的變化而變化時，該自適應型調節允許再次確定系統的特性。因此，除了為了這次調節而最初研製的C235回旋加速器，還允許其它的加速器的確定和調節。
權利要求
1.一種用於調節從諸如一個回旋加速器的粒子加速器中抽取的射束的強度的裝置(10)，該裝置用於例如質子療法中，所述的粒子產生於一個離子源，其特徵在於至少包括比較器(90)，其確定在表示射束強度的數位訊號IR和該射束強度的一個設定點值IC之間的差ε，該射束強度是在該加速器的出口測量的；一個施米特預測器(80)，其根據所述的差ε確定所述射束強度的一個修正值Ip；反向對應表(40)，其根據所述的射束強度的所述修正值Ip，為所述離子源(20)的電弧電流的供應提供設定點值IA。
2.根據權利要求1所述的裝置，特徵在於其進一步的包括一個模數轉換器(50)，其對在加速器的出口所測量到的直接表示射束強度的模擬信號IM進行轉換，並且提供一個數位訊號IR。
3.根據權利要求1所述的裝置，特徵在於其進一步地包括低通濾波器(60)，過濾在加速器的出口所測量到的直接表示射束強度的模擬信號IM，並且提供一個已過濾模擬信號IF；相位超前控制器(70)，對所述的已過濾模擬信號IF進行採樣，補償由低通濾波器(60)引起的相位滯後，並且為比較器(90)提供一個數位訊號IR。
4.根據前述任何一個權利要求所述的裝置，特徵在於其包括更新該反向對應表(40)內容的裝置。
5.根據前述任何一個權利要求所述的裝置，特徵在於採樣頻率位於100kHZ到200kHZ之間。
6.根據前述任何一個權利要求所述的裝置，特徵在於低通濾波器的截至頻率在2kHZ到6kHZ之間。
7.一種用於藉助一個以給定採樣頻率工作的數字調節裝置(10)，來調節從諸如一個回旋加速器的粒子加速器中抽取的射束的強度的方法，該方法例如用於質子療法中，所述的粒子產生於一個離子源(20)，其特徵在於該方法至少包括下列步驟在離子加速器的出口測量射束強度(IM)利用比較器(90)，將表示測量的射束強度(IM)的數位訊號IR與該射束強度的一個設定點值IC進行比較；利用一個施米特預測器(80)確定射束強度的一個修正值Ip；基於射束強度的修正值Ip，利用一個反向對應表(40)，確定用於所述離子源(20)的電弧電流供應的設定點值IA。
8.根據權利要求7所述的方法，特徵在於在離子加速器的出口測量了射束強度之後，利用一個模數轉換器(50)對直接表示已測量射束強度的模擬信號IM進行轉換，以便獲得一個數位訊號IR。
9.根據權利要求7所述的方法，特徵在於在離子加速器的出口測量了射束強度之後利用一個低通濾波器(60)對直接表示已測量射束強度的模擬信號IM濾波，並給出一個已過濾模擬信號IF；對已過濾模擬信號IF採樣，並且藉助於一個相位超前控制器(70)對濾波所引起的相位滯後進行補償，以便獲得一個數位訊號IR。
10.根據權利要求7-9中任何一個所描述的方法，特徵在於在調節之前，確定為供應所述離子源(20)的電弧電流的數值IA和在加速器的出口所測量到的射束強度的數值IM之間的對應性。
11.根據權利要求7-9中任何一個所描述的方法，特徵在於在加速器的出口所測量到的射束強度的數值IM和為供應離子源的電弧電流的數值IA之間的對應性中，相應於高於一個極限值的IM值的IA值將被相應於這個極限值的IA值代替。
12.權利要求1-6中任何一個所述的裝置在質子療法中的使用，尤其使在「鉛筆形掃描」和「雙散射」技術中的使用。
13.權利要求7-11中任何一個所述的方法在質子療法中的使用，尤其使在「鉛筆形掃描」和「雙散射」技術中的使用。
全文摘要
一種用於調節從諸如一個回旋加速器的粒子加速器中抽取的射束的強度的裝置(10)，該裝置用於例如質子療法中，所述的粒子產生於一個離子源，其特徵在於至少包括比較器(90)，其確定在表示射束強度的數位訊號I
文檔編號H05H13/04GK1515133SQ02811473
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月3日 優先權日2001年6月8日
發明者布魯諾·馬克漢德, 伯特蘭·保維爾, 保維爾, 布魯諾 馬克漢德 申請人:離子束應用股份有限公司