使用粒子提供旋转放射疗法的方法与流程

使用粒子提供旋转放射疗法的方法
1.优先权要求
2.本专利申请要求于2019年3月1日提交的美国申请序列号16/290,372的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

3.放射疗法或“放射治疗”可以用于治疗哺乳动物(例如，人和动物)组织中的癌症或其他疾病。一种这样的放射治疗技术被称为“伽马刀”，通过伽马刀，患者受到大量较低强度的伽马射线的辐照，伽马射线以较高强度和高精度会聚在靶区(例如，肿瘤)处。在另一示例中，使用线性加速器(“linac”)提供放射治疗，由此靶区受到高能粒子(例如，电子、高能光子等)的辐照。在另一示例中，使用重带电粒子加速器(例如质子、碳离子等)提供辐射疗法，放射束的定位和剂量被精确地控制以向靶区提供处方剂量的辐射。放射束通常也被控制以减少或最小化对周围健康组织——例如可以被称为“处于危及器官”(oar)——的损伤。辐射可以被称为“处方的”，原因是通常医师开了要递送到诸如肿瘤的靶区的预定剂量的辐射。
4.通常，准直束形式的电离辐射从外部辐射源指向患者。放射束的调制可以由一个或更多个衰减器或准直器(例如，多叶准直器)提供。可以通过准直来调节放射束的强度和形状，以通过使投射的束与靶向组织的轮廓共形来避免损伤与靶向组织相邻的健康组织(例如，oar)。
5.治疗计划过程可以包括使用患者的三维图像来识别靶区(例如，肿瘤)以及诸如识别肿瘤附近的关键器官。治疗计划的创建可能是耗时的过程，在此过程中，计划者试图例如在将各个约束的重要性(例如，权重)考虑在内的情况下遵从各种治疗目标或约束(例如，剂量体积直方图(dvh)目标或其他约束)，以产生临床上可接受的治疗计划。该任务可能是耗时的试错过程，该过程由各种危及器官(oar)而复杂化，原因是随着oar的数目的增加(例如，对于头颈部治疗约13个oar)，该过程的复杂性也增加。远离肿瘤的oar可以更容易地免受辐射，而接近靶向肿瘤或者与靶向肿瘤交叠的oar在治疗期间可能更难以免受辐射暴露。
6.通常，对于每个患者，可以以“离线”方式生成初始治疗计划。例如使用一种或更多种医学成像技术，可以在实施放射疗法之前很好地开发治疗计划。成像信息可以包括例如来自x射线、计算机断层扫描(ct)、核磁共振(mr)、正电子发射断层扫描(pet)、单光子发射计算机断层扫描(spect)或超声的图像。医疗服务人员如医师，可以使用指示患者解剖结构的三维成像信息来识别一个或更多个靶向肿瘤以及肿瘤附近的危及器官。医疗服务人员可以使用手动技术来描绘要接收处方放射剂量的靶向肿瘤，并且医疗服务人员可以类似地描绘存在受放射治疗损伤的风险的附近组织如器官。
7.替选地或另外地，可以使用自动化工具(例如，由瑞典elekta ab提供的)来辅助识别或描绘靶向肿瘤和危及器官。然后可以基于临床和剂量测定的目标和约束(例如，对肿瘤和关键器官的最大放射剂量、最小放射剂量和平均放射剂量)使用优化技术来创建放射疗法治疗计划(“治疗计划”)。
8.治疗计划过程可以包括使用患者的三维图像来识别靶区(例如，肿瘤)以及识别肿瘤附近的关键器官。图像采集可以仅在指定放射疗法部分的递送开始之前进行。这种成像可以提供有助于识别靶区的位置或有助于识别靶区的运动的信息。这种同期成像通常可以被称为“实时”，但通常在图像的采集与放射疗法的递送之间存在延迟或延时。
9.创建治疗计划可能是耗时的过程，在该过程中计划者试图在将它们各自的重要性(例如，权重)考虑在内的情况下遵从各种治疗目标或约束(例如，剂量体积直方图(dvh)目标)，以产生临床上可接受的治疗计划。该任务可能是耗时的试错过程，该过程由各种危及器官(oar)而复杂化，原因是随着oar的数目的增加(例如，对于头颈部治疗高达13个oar)，该过程的复杂性也增加。远离肿瘤的oar可以更容易地免受辐射，而接近靶向肿瘤或者与靶向肿瘤交叠的oar可能难以幸免。
10.然后可以通过定位患者并递送处方的放射疗法来稍后执行治疗计划。放射疗法治疗计划可以包括剂量“分级”，由此在预定时间段内提供一系列放射疗法递送(例如，45个部分或某些其他部分的总计数)，例如其中每个疗法递送包括总处方剂量的指定部分。在治疗期间，相对于治疗束的患者的位置或靶区的位置是重要的，原因是这样的定位部分地确定是靶区还是健康组织被辐照。
11.在一种方法中，可以通过使用粒子例如质子代替电子来提供放射疗法。这通常可以被称为质子疗法。质子疗法的一个显著已知优点是与其他形式的放射疗法例如x射线疗法相比，它以最小的出口剂量提供了优异的剂量分布。由于最小的出口剂量，对危及器官(oar)的剂量显著减少。进一步的优点包括每次治疗的剂量较低，这降低了副作用的风险，并且可以改善在质子疗法治疗期间和之后的生活质量。
12.提供质子疗法的一种方法是使用宽质子束，例如提供具有多种能量的均匀束的布拉格峰展宽。如果要使用各种能量场来治疗患者，则可能无法使用宽束来完成。例如，宽束需要为每个患者定制的每个治疗场的离子束补偿器。这意味着每个角度都需要一个补偿器，因此，将必须使用多个补偿器来治疗一名患者。例如，对于至少每4度，将必须使用不同的补偿器。必须使用90个不同的离子补偿器来停止以及开始治疗以提供360度旋转质子放射疗法。使用宽光束的另一个问题是在靶向肿瘤的近端边缘处的剂量有不期望的形状。
13.定义
14.光点是被配置为小束的直径的位置，该小束要被递送到该位置。
15.小束包括以预定速率递送到起点和终点的具有标称直径的粒子流。
16.线段被配置成在起始位置与结束位置之间均匀地递送多个粒子。


技术实现要素：

17.在一种方法中，一种方法为从连续地旋转的机架向目标递送粒子束，其中粒子束由多个小束组成。这种方法的说明性示例包括：确定目标上的多个预定义光点，将预定义光点配置为在目标的外部的至少一组较小的光点，以及在目标的内部的一组较大的光点；以旋转模式将粒子束从目标的内部递送到目标的外部，然后从目标的外部返回到目标的内部，其中粒子束具有它所对的弧的内边缘，它所对的弧的外边缘和中心分量。最后，该方法优化了旋转粒子束的递送，使得当粒子束被递送到位于目标的中心的光点时出现旋转束的弧的内边缘和外边缘，以及当粒子束被递送到位于目标的外部的光点时，出现束的弧的中
心分量。
18.该概述旨在提供对本专利申请的主题的概述。不旨在提供对本发明的排他性或详尽的说明。包括具体实施方式以提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
19.图1大体上示出了根据实施方式的系统例如可以包括离子疗法系统控制器的示例。
20.图2大体上示出了根据实施方式的例如可以包括离子治疗系统和成像采集装置的放射疗法系统的示例。
21.图3大体上示出了根据实施方式的可以包括被配置成提供质子疗法束的放射疗法输出的离子治疗系统。
22.图4大体上示出了根据实施方式的各种类型的粒子在人体组织中的辐射剂量深度。
23.图5大体上示出了根据实施方式的布拉格峰展宽。
24.图6大体上示出了根据实施方式的从远端边缘到近端边缘的不规则形状体积的笔形束扫描。
25.图7大体上示出了根据实施方式的主动扫描质子束递送系统的图。
26.图8a至图8c大体上示出了根据实施方式的作为静止光点的小束递送系统。
27.图9大体上示出了根据实施方式的作为线段的小束递送系统。
28.图10a大体上示出了根据实施方式的网格上的线性光点递送路径。
29.图10b至图10c大体上示出了根据实施方式的网格上的螺旋递送路径。
30.图11a示出了根据实施方式的具有不同光点尺寸和光栅图案的线性光点递送路径。
31.图11b示出了根据实施方式的具有不同光点尺寸的螺旋光点递送路径。
32.图12a至图12b示出了根据实施方式的当使用螺旋光点递送时的定位误差。
33.图13a示出了根据实施方式的针对各种角度的弧角目标位置强度和布拉格峰。
34.图13b示出了根据实施方式的复合目标位置强度。
35.图14至图15示出了示出根据实施方式的用于从旋转机架向目标递送多个粒子束的技术的流程图。
36.在附图中，附图不一定按比例绘制，在不同的视图中，相同的附图标记可以描述相似的部件。具有不同字母后缀的相同的附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图通过示例的方式而非通过限制的方式大体上示出了本文件中讨论的各种实施方式。
具体实施方式
37.本文中描述的系统和方法向患者提供放射疗法。放射疗法设置有旋转机架，例如通过固定至机架的粒子束。当粒子束施加多个小束时，机架可以连续地旋转。小束可以以螺旋图案施加在目标(例如，肿瘤或肿瘤的一部分或其他光点)上。在示例中，在递送粒子束的同时旋转机架可能效率低下(例如，如果计划了针对每度或每半度的剂量和穿透信息)。在另一示例中，旋转该机架可能引入误差(例如，如果计划每隔几度，例如每五度或十度)。提
供旋转质子放射疗法有许多优点。首先，代替在少数角度处的不期望的进入剂量，可以从多个角度递送剂量。
38.本文中描述的系统和方法通过引入用于递送小束的螺旋图案来解决这两个问题。螺旋图案可以以一定范围的度数(例如，五度、十度、十五度等)与计划角度一起使用。在示例中，螺旋图案可以包括当处于最高误差时将粒子束递送到目标的中央部分并且在处于最低误差时将粒子束递送到目标的外部部分。误差的量可以取决于实际机架角度与计划角度之间的角度差，例如，其中较高的误差对应于较大的角度之间的差，并且较低的误差对应于较小的角度之间的差。
39.在示例中，用于将粒子束施加到目标的螺旋图案可以减少完成放射疗法治疗所需的时间。例如，在治疗期间递送的小束的小束尺寸可以变化。为了改变小束的尺寸可能导致治疗的中断，例如通过花费时间或使用能量。使用光栅类型图案可能需要多次更改小束尺寸。使用螺旋图案可以允许小束尺寸仅仅单一变化。例如，较小的小束可以用于目标的外边缘上，而较大的小束可以用于目标的内部部分。
40.图1大体上示出了根据实施方式的系统100的例如可以包括离子疗法系统控制器的示例。系统100可以包括数据库或医院数据库。离子疗法系统控制器可以包括处理器、通信接口或存储器。存储器可以包括治疗计划软件、操作系统或递送控制器。递送控制器可以包括用于确定或计划光点递送(例如，使用光点递送模块)或线段递送(例如，使用线段递送模块)的小束模块。
41.在示例中，光点递送模块或小束模块可以被配置成计划小束的尺寸、目标或光点的位置等。小束模块可以用于确定小束的递送顺序，例如以如本文中描述的螺旋图案。递送顺序模块可以与用于计划小束的递送的治疗计划软件通信。例如，治疗计划软件可以用于确定或计划机架角度、机架速度、小束尺寸、螺旋图案(例如，顺时针或逆时针)、针对特定螺旋图案的角度范围(例如，机架旋转的每十度)等。
42.处理器可以例如通过经由通信接口或其他方式与用于实现该计划的部件进行通信(例如，以控制装置或部件，例如以下参照图3描述的那些)来实现该计划。在示例中，通信接口可以用于从数据库或医院数据库中检索所存储的信息(例如，患者信息、患者或其他患者的过去程序信息、程序指令、关于特定装置或部件的信息等)。
43.图2大体上示出了根据实施方式的放射疗法系统200的例如可以包括离子治疗系统和成像采集装置的示例。粒子治疗系统包括离子源、加速器和扫描磁体，下面关于图3更详细地描述其中的每一个。粒子治疗系统包括机架和工作台，其中机架可以安装在工作台上、固定至工作台或相对于工作台稳定。工作台可以保持病人。机架可以是旋转机架，并且可以相对于工作台(例如，围绕工作台)或相对于患者旋转(并且工作台或工作台的一部分可以随机架旋转)。
44.粒子治疗系统可以与治疗控制系统进行通信，治疗控制系统可以用于控制粒子治疗系统的动作。治疗控制系统可以与成像采集装置进行通信(例如，以接收由成像采集装置或成像数据库拍摄的图像)或者与肿瘤学信息系统进行通信。肿瘤学信息系统可以向治疗控制系统提供例如从治疗计划系统接收的治疗计划细节。治疗控制系统可以使用治疗计划来控制粒子治疗系统(例如，激活机架、离子源、加速器、扫描磁体、粒子束等)。治疗控制系统例如可以包括小束强度控制、小束能量控制、扫描磁体控制、工作台控制、机架控制等。在
示例中，小束强度控制和小束能量控制可以用于激活特定尺寸的小束或瞄准特定位置。扫描磁体控制可以用于根据治疗计划例如以螺旋图案递送小束。机架控制或工作台控制可以用于旋转机架。
45.治疗计划软件可以包括诸如小束递送和排序模块的部件，其中例如用于针对光点的小束排序或线段的小束排序的单独控制。上面关于图1更详细地描述了治疗计划软件。治疗计划软件可以访问成像数据库以检索图像或存储信息。当治疗计划完成时，治疗计划软件可以将计划发送到肿瘤学信息系统用于与治疗控制系统的通信。
46.图3示出了可以包括被配置成提供质子疗法束的放射疗法输出的粒子治疗系统300的实施方式。粒子治疗系统300包括离子源301、注射器303、加速器305、能量选择器307、多个弯转磁体309、多个扫描磁体311和喷嘴313。
47.离子源301例如同步加速器(未示出)可以被配置成提供诸如质子的粒子流。粒子流被传输到注射器303，该注射器303使用库仑力为带电粒子提供初始加速度。粒子被加速器305进一步加速到光速的约10％。加速度向粒子提供能量，这决定了粒子在组织内可以行进的深度。能量选择器307(例如，范围散射)可以用于选择要递送到患者的质子的能量。在称为被动散射的实施方式中，可选的范围调制器308(例如，也称为脊过滤器或范围调制轮)可以用于加宽光束以适应肿瘤。在选择能量之后，可以使用一组弯转磁体309来将质子流传输到医院的放射疗法治疗室。此外，使用扫描磁体311(例如，x
‑
y磁体)以将质子束扩散到肿瘤形状的精确图像或追踪肿瘤形状的精确图像。喷嘴313用于进一步对质子束进行塑形。在各种实施方式中，粒子流可以包括碳离子、π介子或带正电荷的离子。
48.图4提供了针对人体组织中各种类型的粒子的辐射剂量深度的比较的图示。如所示，提供了光子(例如，x射线)相对于质子、相对于碳离子对人体组织的相对穿透深度(例如，包括在表面下方一定距离处提供的任何辐射剂量，包括二次辐射或散射)。每个辐射剂量是相对于具有单一能量的质子束的已设置为100％的峰值剂量示出的。
49.单能(例如，单一能量)质子束指示在约25％处开始的平坦区，逐渐增加，直到组织中约10cm的深度，在那里它迅速增加到15cm处的布拉格峰，然后在短距离内有利地下降到零。在布拉格峰的末端处没有递送附加剂量。
50.光子束(例如，标记为x射线)指示由于电子散射引起的初始积累(例如，x射线向组织递送剂量的主要手段是通过将能量转移到组织中的电子)。随后是指数式下降，在目标的远端边缘之后继续下降，在图中约15cm的深度处。x射线束具有设置成与质子束相匹配的入口(皮肤)剂量。在15cm深度处进行归一化(例如，缩放)时，由于x射线引起的剂量为由质子束提供的剂量的40％，而x射线束在约3cm深度处具有大于95％(“接近”100％)的峰值剂量。如果将x射线数据重新归一化以在15cm处实现100％剂量，则在不需要剂量的位置(例如，在目标之前)，在约3cm深度处的峰值剂量将是约240％。因此，对于x射线，在目标之前递送相当量的剂量，并且在目标之后递送可感知量的剂量。
51.单能碳束示出在入口剂量处低于质子束的平坦区。碳束具有比质子束更陡峭地下降的更尖锐的布拉格峰，但碳束在期望目标之后若干厘米之后具有尾部(例如，称为“溅射尾部”，其中一些碳核分裂成氦离子)，该尾部具有约10％的附加剂量或更少。与质子束相比，碳离子束具有不期望的入口和皮肤剂量，但碳离子束具有在目标之后递送的非平凡剂量。
52.图5提供了布拉格峰展宽(sobp)的图示。sobp显示针对一组各种初始能量的质子束的组合的相对深度剂量曲线图，质子束中的每一个具有一定的能量扩散(例如，组织中能量的可变吸收)。对特定厚度的目标具有均匀剂量的期望结果。如所示，目标显示为具有约10cm的近端深度、约13cm的远端深度和约3cm的目标厚度。在目标范围内，剂量是相当均匀的(其中平均归一化为100％)。该图不是从0cm深度开始，并且也没有明确显示入口(皮肤)剂量，但质子束的入口区域的性质是相对平坦的深度剂量曲线。通常，入口(皮肤)剂量将为目标剂量的约70％(例如，在x轴线的最右侧边缘示出)。sobp可以使用各种方法获得，包括使用散射的质子束，其中利用各种装置(例如，静态脊过滤器或动态范围调制轮)对能量进行调制(可变吸收)，或者通过选择许多不发生散射的单能质子束。
53.图6提供了对从远端边缘(例如，底部)到近端(例如，顶部)边缘的不规则形状体积的笔形束扫描的图示。如所示，不规则形状的肿瘤体积是被辐照的质子层。例如，第一时间快照602示出第一质子层被递送，并且稍后的时间快照604示出大部分层已被递送。每层都有自己的截面区域，具有相同能量的质子被递送到这些截面区域。总辐射剂量是作为一组逐层的小束提供的。每层可能具有不同的能量。指定一组小束并将其递送到截面区域的最常用方法是限定具有恒定直径(“光点尺寸”)的小束并将其递送到每一层上选择的网格点。虽然来自小束的大部分剂量被递送到目标层，但是显著量剂量是沿路径递送到目标层的。在为近端层限定的小束的规格中考虑到为远端层限定的小束对近端层的剂量。单独地指定针对给定小束的粒子数(例如，米组(meterset))的能力确保被辐照的体积的每个部分都接收到所需剂量。
54.图7提供了典型的主动扫描质子小束递送系统的图形表示的图示。如所示，正在递送单层笔形束扫描，其中在患者身上描绘了光点的网格，结合粒子将被递送到的截面区域的轮廓。传入的单能质子束具有被范围移位器(例如，在图7中，它是范围移位器板)吸收的指定量的能量，从而产生具有所需能量的小束以在患者体内实现布拉格峰的特定深度以治疗指定层。磁性扫描仪具有沿垂直方向和水平方向两者偏转粒子的能力。可以调节磁场的强度以控制沿垂直于磁场和传入小束的方向的偏转。可以调节磁场强度的速率决定了可以进行扫描的速率。例如，质子小束的强度与扫描速率的结合决定了在特定的时间量(例如，粒子/单位面积)内可以向指定区域(例如，在图7中，“光点”)递送多少剂量。理论上，磁场强度可以相互独立地调节(以类似于由加拿大多伦多的spin mastertm提供的儿童玩具“etch a”的方式；其中笔形小束强度是该儿童玩具中没有的变量)。最常见的用于扫描的方案是沿一个方向快速地扫描，并且以光栅方式沿垂直方向更慢地扫描，类似于早期电视的控制方式(例如，阴极射线管(crt)，它使用电子而不是质子)，但可以扫描任意图案(类似于前面提到的玩具)。通过递增扫描磁场强度和节流递增量之间的笔形束强度来实现不同光点的递送。
55.图8a至图8c大体上示出了根据实施方式的作为静止光点的小束递送系统。出于说明目的，当将小束递送到静止光点时，这些光点在笛卡尔网格上彼此相邻。这些光点在形状上标称是圆形的，其尺寸参数(例如标称直径)大致等于网格间距。在实践中，光点在网格布局中紧挨着定位，使得每个光点的边缘彼此邻接。用户可以基于机器能力选择光点尺寸直径。在实施方式中，小光点的直径范围是2毫米至4毫米，并且大光点的直径范围是8毫米至12毫米。在实施方式中，小光点的直径可以是3毫米，并且大光点的直径可以是10毫米。如图
8a所示，光点可以被布置为具有近似约2毫米的短半轴和约5毫米的长半轴的椭圆体形状。对于该特定示例，可以沿x
‑
y方向两者以5mm的不同间距提供一组小束的递送。
56.图8b示出了具有四个相邻光点的网格，每个光点(例如光点802)具有相同的直径d和半径1/2d。在实践中，光点处的强度模式(例如，每单位体积递送的粒子)可以近似为高斯函数，如图8c所示，图8c示出了辐射剂量的高斯分布、半峰全宽。光点的尺寸参数(例如，直径)限定了两个相邻光点的中心处的峰值强度的“半峰全宽”。
57.在尺寸参数等于网格间距的情况下，递送到相邻光点的小束交叠。例如，在光点a与光点b之间等距的点804具有由每个光点(或者，当考虑所有三个xyz维度时的体积)贡献的高斯分布的一半的总强度(例如，每单位面积的粒子数)。如果光点具有相等的米组(例如，相同数目的粒子被递送到每个光点)，则光点a与光点b之间的等距的点804由于总强度而具有与相邻光点的中心相同的强度。这导致了高度均匀的剂量递送平面。
58.图9提供了作为线段的小束的图示。有时称为线扫描的粒子小束的线段的递送模式是一种为线性的扫描模式。递送到目标的每个小束具有起点和终点。如所示，小束从右侧的光点连续扫描到左侧的光点。线段的尺寸和间距允许均匀的剂量递送。扫描可以以连续和/或递增方式的任何组合进行控制，并且独立地控制粒子小束强度，生成任意图案。
59.质子宽束，例如使用散射并利用布拉格峰展宽产生的质子宽束，向整个目标体积提供递送相对均匀剂量的束。如果要使用许多场来治疗患者，则可能无法使用质子宽束来完成。例如，宽束需要为每个患者定制的每个治疗场的离子块和一个离子束补偿器。这意味着对于每个角度都需要一个块和一个补偿器，因此，必须使用多个块和补偿器来治疗患者。例如，对于至少每4度，必须使用不同的块和不同的补偿器。系统必须使用90个不同的离子块和90个不同的离子补偿器来停止和开始治疗，以提供360度旋转质子放射疗法。即使系统使用多叶准直器代替离子块，该系统仍然需要使用离子补偿器。使用宽束的另一问题是，由于离子补偿器的使用，在靶向肿瘤近端边缘处的剂量有不期望的形状。
60.图10a大体上示出了根据实施方式的网格上的线性光点递送路径。粒子疗法的一种形式是光点扫描。光点扫描允许递送复杂的剂量分布。对于旋转机架，存在粒子束的光点放置的问题，这是因为光点不是立即递送的，并且随着机架移动，光点以不完全是计划的标称机架角度的角度递送。该系统必须以特定的机架角度递送多个小束，使用一定的粒子能量来递送，同时机架以标称的固定速率不断旋转(以避免振动和弯曲)。如果该计划假设对各个角度进行采样，则必须完成此操作以准确反映放射疗法治疗计划中所计划的内容。图10a所示的使用光栅图案的线性光点递送路径示出了随着机架旋转可能导致误差的方法。
61.用于治疗计划的光栅图案方法假设将从构成静态束的单一角度递送多个小束。多于一个的静态束可以被限定为治疗计划的一部分。为了利用现有的治疗计划系统，必须将质子弧疗法建模为从一组角度而不是从一系列角度进行递送。虽然系统可以尝试在旋转期间从不同角度对每个小束的递送进行建模，但是增加的复杂性，包括可能每天变化的机器特定行为，使这种方法不切实际。在实践中，与计划角度相关联的多个小束的递送是从当前计划角度与先前计划角度之间的中点开始通过当前计划角度递送，直到当前计划角度与下一计划角度之间的中点(可能从弧的开始的第一/初始计划角度环绕到360度角度)。
62.图10b至图10c大体上示出了根据实施方式的网格上的螺旋递送路径。图10b至图10c所示的螺旋图案使旋转机架造成的误差最小化。与图10a所示的光栅图案相比，所示的
螺旋图案提高了目标精度并且在机架旋转时减少了目标外部的辐射。
63.本文中描述的系统和方法使用质子弧疗法来优化在将质子递送至特定光点时的辐射剂量。当递送到特定光点时，可以使计划内容与使用本文中描述的螺旋图案扫描实际递送的内容的差异最小化。除非在机架最接近当前计划的角度时递送离等心轴较远的光点，否则产生的实际光点位置可能远离预期光点位置，并且小束的整体轨迹将与预期轨迹显著不同。使用螺旋扫描能够使实际光点位置的误差最小化，并且使小束的预期轨迹与实际轨迹之间的差异最小化。
64.图11a示出了根据实施方式的具有不同光点尺寸和光栅图案的线性光点递送路径。图11b示出了根据实施方式的具有不同光点尺寸的螺旋光点递送路径。
65.小光点与大光点之间的权衡在于，仅将小的小束递送到小光点需要过多的时间来递送放射治疗。因此，为了减少时间，最好将小的小束递送到肿瘤的外边缘/外部，并且将较大光点递送到肿瘤的内部。在递送期间更改光点尺寸是耗时的活动。当使用图11a的光栅图案用于光点的递送时，当在肿瘤的外边缘处时改变光点尺寸的任何尝试都会导致转变。如图11a所示，网格上的每条线都涉及光点尺寸的两次变化，导致整个束的光点尺寸之间有几十个转变。通过使用图11b所示的螺旋递送模式，当从治疗肿瘤的外边缘的一组较小的光点到治疗肿瘤的内部区域的一组较大光点时，光点尺寸可能仅仅有单一转变。类似地，当从治疗肿瘤的内部区域的一组较大光点到治疗肿瘤的外边缘的一组较小光点时，光点尺寸可能仅仅有单一转变，导致整个束的光点尺寸的仅仅两次变化。在示例中，螺旋图案可以是二维螺旋图案，在目标的每一层处递送剂量。
66.在示例中，小束可以在弧范围的边缘处被递送，而螺旋可以在目标的中心被递送。例如，在从0度到10度的弧中，目标可能被计划为好像机架静止在5度处那样。在此示例中，随着机架接近5度和离开5度出现螺旋的外侧，而随着机架离开0度和随着机架接近10度出现螺旋的中心。例如，从0度开始，螺旋可以从目标的中心开始并且向外螺旋直到约5度结束(在螺旋的向外点)。然后，在示例中，随着机架从5度移动到10度，在回到目标中心的路上，螺旋可以逆转(例如，从0度顺时针移动到5度，然后从5度逆时针移动到10度，或者从0度逆时针移动到5度，然后从5度顺时针移动到10度)。该过程可以在目标的不同层上以另一弧重复，例如从10度到20度等，直到完成剂量。
67.图12a至图12b示出了根据实施方式的当使用螺旋光点递送时的定位误差。图12a示出了根据误差角度1202的定位误差1204，定位误差1204可以等于相对于计划机架角度的机架角度旋转。例如，对于5度的计划角度，随着机架旋转到十度，定位误差1204可能处于最大。当机架旋转到5度时，误差可能处于最小(或不存在)。机架可以以恒定的旋转速度和恒定的角速度连续地旋转。位置的变化(误差)可能等于角速度除以机架角度的余弦。由于难以确定每条路径的能量吸收，因此可以忽略由于能量吸收(可能很小)引起的路径差异。为了消除这些误差，当误差最高(例如，在定位误差1204处)时，粒子束可以被指向目标的中心部分以使误差最小化，并且当定位误差1204较低(例如，当较接近中心弧角)时，粒子束可以被指向目标的外部部分。
68.图12b示出了辐照层的例如在0度的机架角度处的截面，其可以是圆形。在其他机架角度处，截面可以是椭圆形的(例如，如果以图12a所示的定位误差1204的较高误差示出)。
69.误差随着与中央计划机架角度的距离的增加而增加。在与中央计划机架角度零距离处，发生零误差。对于十度的弧度，例如，从中央计划机架角度前五度到中央计划机架角度后五度，最大误差发生在前五度和后五度。当使用光栅扫描方法时，这个误差会复合。例如与光栅扫描方法相比，当使用螺旋图案方法时，这个误差降低了。
70.图13a示出了根据实施方式的针对各种角度的弧角目标位置强度和布拉格峰。角度示出了粒子束的穿透力如何根据机架的角度具有不同的强度和距离。
71.增加可以向靶向肿瘤提供多个剂量的角度的数目允许身体的非靶向肿瘤的任何给定区域接收较小的剂量。通过使用大量的角度，可以减少停止功率的统计误差以及患者定位中的任何误差，这是因为可以通过对交叠剂量的平均化来使这些误差相互抵消。因此，通过提供良好的剂量分布，甚至在面对定位或停止功率的误差时，质子疗法更加稳健。
72.旋转机架可以通过使用诸如计划螺旋为“结束”并且在该平面上目标的中心以外的某处重新开始的技术来补偿在目标的中心处增加的剂量。如图13a所示，不同的角度产生不同的穿透深度，并且通过使它们在不完全是目标的中心处结束，可以避免对患者的过量剂量。沿垂直于等中心线的线和沿机架的运动方向降低更接近中心的小束的强度可以提供类似且更精确的补偿。
73.图13b示出了根据实施方式的复合目标位置强度。复合图像示出了不同角度之间如何发生一些交叠，但是由于没有使所有角度都穿透到目标中的相同深度，因此可以使交叠最小化。
74.使用笔形束扫描递送的质子弧疗法提供了递送不同能量的能力，其中能量的变化可能发生在不到一秒钟内。笔形束扫描实现了强度调制质子疗法(impt)。能量的选择非常重要，原因是能量的选择控制了放射疗法治疗的深度。粒子疗法固有地在特定能量的一定深度处停止。这允许对组织区域的治疗深度分层进行。对于每一层，治疗的轮廓可以符合特定的组织区域；从而允许肿瘤的轮廓逐层地变化，这对于靠近危及器官的不规则形状的肿瘤是理想的。当从旋转机架递送时，使用多种能量递送到不同层的时间是有限的。在给定角度选择能量是重要的，原因是它控制了大部分剂量递送到肿瘤的深度。系统能够实现对肿瘤的期望总剂量，并且通过为每个角度明智地选择非常有限的数目的能量来以及时的方式实现。该系统能够确保通过选择从给定角度递送超过肿瘤中线的能量来对肿瘤进行完全辐照。具有临床意义的是来自所有角度的对肿瘤的总剂量。
75.图14至图15示出了示出根据实施方式的用于从旋转机架向目标递送多个粒子束的技术的流程图。
76.图14示出了技术1400，包括用于随着机架旋转连续地递送多个粒子束的操作1402。在示例中，连续粒子束中的每个粒子束具有相关联的弧，例如其中相关联的弧的中心对应于针对每个粒子束的特定机架角度。可以针对相关联的弧的中心(例如，中心角)开发治疗计划，其中相关联的弧占据一组角度(例如，5度、10度、15度等)。粒子束可以包括多个质子、碳离子、离子、π介子或带正电粒子中的至少一种。
77.技术1400包括用于将多个小束从相应弧的开始递送到相应弧的结束的操作1404。可以将小束从相应弧的开始递送到相应弧的结束。例如，对于从零度开始的十度弧，可以将小束从零度递送到十度。在该示例中，相应弧的中心可以是五度。
78.技术1400包括用于确定目标中的针对相应机架角度的多个预定义光点的操作
1406。多个预定义光点可以被配置为螺旋图案。多个光点可以(例如，在尺寸上)等同于小束。光点(例如，在目标内，在层上)可以是连续定位的。在示例中，位于目标的外边缘的光点与位于目标内部的位置(例如，不在外边缘上或位于目标更中央的位置)的光点相比可以具有较小的直径。与较大直径光点相关联的小束和与较小直径光点相关联的小束相比可以具有较大的剂量。在示例中，与较小直径光点相比，较大直径光点的强度调制较大。光点可以包括(例如，在目标层内的)位置。光点可以包括递送到该位置的小束的直径。在示例中，用户可以选择针对该位置的光点尺寸。
79.技术1400包括用于将螺旋图案中的多个预定义光点从最接近相应机架角度的等心轴的那些光点到最远离等心轴的那些光点进行排序的操作1408。
80.技术1400包括用于递送连续粒子束的操作1410，包括根据多个预定义光点的螺旋图案递送针对相应粒子束的多个小束。在示例中，多个小束可以以顺时针配置随后以逆时针配置进行递送，或者可以以逆时针配置随后以顺时针配置进行递送。
81.递送多个小束可以包括将小束从目标内部的位置递送到目标的外边缘上的位置。例如在螺旋图案期间，递送多个小束可以包括不同尺寸的光点之间的单一转变。在该示例中，扫描磁体可以被配置成确定束递送的位置。这种配置可能是使用螺旋图案比使用光栅图案或其他方式更节能。
82.图15示出了技术1500，包括用于确定目标中针对机架角度的多个光点的操作1402，其中，多个光点被配置为螺旋图案。多个光点可以(例如，在尺寸上)等同于小束。光点(例如，在目标内，在层上)可以是连续定位的。在示例中，位于目标的外边缘的光点与位于目标内部的位置(例如，不在外边缘上或位于目标更中央的位置)的光点相比可以具有较小的直径。与较大直径光点相关联的小束和与较小直径光点相关联的小束相比可以具有较大的剂量。在示例中，与较小直径光点相比，较大直径光点的强度调制较大。光点可以包括(例如，在目标层内的)位置。光点可以包括递送到该位置的小束的直径。在示例中，用户可以选择针对该位置的光点尺寸。
83.技术1400包括用于将螺旋图案中的多个光点从最接近机架角度的等心轴的那些光点到最远离等心轴的那些光点进行排序的操作1404。
84.技术1400包括用于通过根据多个光点的螺旋图案将针对多个粒子束中的每个粒子束的多个小束从相应弧的开始递送到相应弧的结束，来随着机架旋转连续地递送多个粒子束的操作1406。
85.可以针对相应弧的中心(例如，中心角)开发治疗计划，其中相关联的弧占据一组角度(例如，5度、10度、15度等)。粒子束可以包括多个质子、碳离子、离子、π介子或带正电粒子中的至少一种。可以将小束从相应弧的开始递送到相应弧的结束。例如，对于从零度开始的十度弧，可以将小束从零度递送到十度。在该示例中，相应弧的中心可以是五度。
86.在示例中，多个小束可以以顺时针配置随后以逆时针配置进行递送或者可以以逆时针配置随后以顺时针配置进行递送。递送多个小束可以包括将小束从目标内部的位置递送到目标的外边缘上的位置。例如在螺旋图案期间，递送多个小束可以包括不同尺寸的光点之间的单一转变。在该示例中，扫描磁体可以被配置成确定束递送的位置。这种配置可能是使用螺旋图案比使用光栅图案或其他方式更节能。
87.本文件中描述的非限制性示例中的每一个可以独立存在，或者可以与其他示例中
的一个或更多个以各种置换或组合进行组合。
88.示例1是一种从连续地旋转的机架向目标递送多个粒子束的方法，所述方法包括：随着机架旋转，连续地递送多个粒子束中的连续粒子束，其中，所述连续粒子束中的每个粒子束具有相关联的弧，其中所述相关联的弧的中心对应于针对每个粒子束的特定机架角度；对于所述连续粒子束中的相应粒子束，将多个小束从相应弧的开始递送到相应弧的结束；对于相应机架角度，确定目标中的针对相应机架角度的多个预定义光点，其中，所述多个预定义光点被配置为螺旋图案；将所述螺旋图案中的所述多个预定义光点从最接近相应机架角度的等心轴的那些光点到最远离等心轴的那些光点进行排序；并且其中，递送所述连续粒子束包括根据所述多个预定义光点的所述螺旋图案递送针对相应粒子束的多个小束。
89.在示例2中，示例1的主题包括，其中，所述多个小束以顺时针配置随后以逆时针配置进行递送。
90.在示例3中，示例1至2的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的光点和所述多个小束中的小束是等同的。
91.在示例4中，示例1至3的主题包括，其中，所述多个预定义光点是连续定位的。
92.在示例5中，示例1至4的主题包括，其中，递送所述多个小束包括将所述多个小束从所述目标内部的位置递送到所述目标的外边缘上的位置。
93.在示例6中，示例1至5的主题包括，其中，递送所述多个小束还包括将所述多个小束从所述目标的外边缘上的位置递送到所述目标内部的位置。
94.在示例7中，示例1至6的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的位于所述目标的外边缘处的光点与所述多个预定义光点中的位于所述目标内部位置的光点相比具有较小的直径。
95.在示例8中，示例7的主题包括，其中，与较大直径光点相关联的小束和与较小直径光点相关联的小束相比具有较大的剂量。
96.在示例9中，示例8的主题包括，其中，与较小直径光点相比，较大直径光点的强度调制较大。
97.在示例10中，示例1至9的主题包括，其中，递送所述多个小束还包括不同尺寸的光点之间的单一转变。
98.在示例11中，示例10的主题包括，其中，将扫描磁体配置成使用所述螺旋图案来确定束递送的位置是更节能的。
99.在示例12中，示例1至11的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的光点包括位置。
100.在示例13中，示例12的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的光点被配置成包括递送到所述位置的小束的直径。
101.在示例14中，示例12至13的主题包括，其中，用户选择针对所述位置的光点尺寸。
102.在示例15中，示例1至14的主题包括，其中，所述粒子束包括多个质子、碳离子、离子、π介子或带正电粒子中的至少一种。
103.示例16是一种非暂态机器可读介质，包括：用于从连续地旋转的机架向目标递送多个粒子束的指令，所述指令在由处理器执行时使所述处理器：确定目标中的针对机架角
度的多个光点，其中，所述多个光点被配置为螺旋图案；将所述螺旋图案中的所述多个光点从最接近所述机架角度的等心轴的那些光点到最远离等心轴的那些光点进行排序；以及通过根据所述多个光点的所述螺旋图案将针对所述多个粒子束中的每个粒子束的多个小束从相应弧的开始递送到相应弧的结束，来随着所述机架旋转连续地递送多个粒子束，其中，相应弧的中心对应于针对相应粒子束的特定机架角度。
104.在示例17中，示例16的主题包括，其中，所述多个小束以顺时针配置随后以逆时针配置进行递送。
105.在示例18中，示例16至17的主题包括，其中，所述多个光点是连续定位的。
106.在示例19中，示例16至18的主题包括，其中，所述多个光点中的位于所述目标的外边缘的光点与所述多个预定义光点中的位于所述目标内部的位置的光点相比具有较小的直径，其中，与较大直径光点相关联的小束和与较小直径光点相关联的小束相比具有较大的剂量，并且其中，与较小直径光点相比，较大直径光点的强度调制较大。
107.在示例20中，示例16至19的主题包括，其中，递送所述多个小束还包括不同尺寸的光点之间的单一转变。
108.在示例21中，示例16至20的主题包括，其中，所述粒子束包括多个质子、碳离子、离子、π介子或带正电粒子中的至少一种。
109.示例22是一种用于从连续地旋转的机架向目标递送多个粒子束的系统，所述系统包括：离子源，其被配置成向注射器提供粒子流，所述注射器被配置成使所述粒子流加速；加速器，其被配置成使粒子流进一步加速并且向所述粒子流提供能量，所述能量对应于组织内的递送深度；能量选择器，其被配置成选择待递送的粒子流的能量；多个弯转磁体，其被配置成将所述粒子流传输到放射疗法递送室；多个扫描磁体，其被配置成根据目标对所述粒子流进行塑形；喷嘴，其被配置成：随着机架旋转，连续地递送所述粒子流中的连续粒子束，其中，所述连续粒子束中的每个粒子束具有相关联的弧，所述相关联的弧的中心对应于针对每个粒子束的特定机架角度；对于所述连续粒子束中的相应粒子束，从相应弧的开始到相应弧的结束递送多个小束；以及处理器，其被配置成：对于相应机架角度，确定目标中的针对相应机架角度的多个预定义光点，其中，所述多个预定义光点被配置为螺旋图案；将所述螺旋图案中的所述多个预定义光点从最接近相应机架角度的等心轴的那些光点到最远离等心轴的那些光点进行排序；并且其中，所述连续粒子束的递送包括根据所述多个预定义光点的所述螺旋图案递送针对相应粒子束的多个小束。
110.在示例23中，示例22的主题包括，其中，所述粒子束包括多个质子、碳离子、离子、π介子或带正电粒子中的至少一种。
111.在示例24中，示例22至23的主题包括，其中，所述多个小束以顺时针配置随后以逆时针配置进行递送。
112.在示例25中，示例22至24的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的光点和所述多个小束中的小束是等同的。
113.在示例26中，示例22至25的主题包括，其中，所述多个预定义光点是连续定位的。
114.在示例27中，示例22至26的主题包括，其中，为了递送所述多个小束，所述喷嘴还被配置成将所述多个小束从所述目标内部的位置递送到所述目标的外边缘上的位置。
115.在示例28中，示例22至27的主题包括，其中，为了递送所述多个小束，所述喷嘴还
被配置成将所述多个小束从所述目标的外边缘上的位置递送到所述目标内部的位置。
116.在示例29中，示例22至28的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的位于所述目标的外边缘的光点与所述多个预定义光点中的位于所述目标内部的位置的光点相比具有较小的直径。
117.在示例30中，示例29的主题包括，其中，与较大直径光点相关联的小束与与较小直径光点相关联的小束相比具有较大的剂量。
118.在示例31中，示例30的主题包括，其中，与较小直径光点相比，较大直径光点的强度调制较大。
119.在示例32中，示例22至31的主题包括，其中，为了递送所述多个小束，所述喷嘴还被配置成以不同尺寸的光点之间的单一转变递送所述多个小束。
120.在示例33中，示例32的主题包括，其中，将扫描磁体配置成使用螺旋图案来确定束递送的位置是更节能的。
121.在示例34中，示例22至33的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的光点包括位置。
122.在示例35中，示例34的主题包括，其中，所述多个预定义光点中的光点被配置成包括递送到所述位置的小束的直径。
123.在示例36中，示例34至35的主题包括，其中，用户选择针对该位置的光点尺寸。
124.示例37是至少一个机器可读介质，所述至少一个机器可读介质包括指令，所述指令在由处理电路执行时使处理电路执行用于实现示例1至36中任一项的操作。
125.示例38是一种设备，该设备包括用于实现示例1至36中任一项的装置。
126.示例39是用于实现示例1至36中任一项的系统。
127.示例40是用于实现示例1至36中任一项的方法。
128.以上的具体实施方式包括对附图的参照，这些附图形成具体实施方式的一部分。附图通过说明的方式示出了具体实施方式，在所述具体实施方式中可以实践本发明。这些实施方式在本文中也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了示出的或描述的元素之外的元素。然而，本发明人还预期了其中仅提供了示出的或描述的那些元素的示例。此外，本发明人还预期了使用关于特定示例(或者特定示例的一个或更多个方面)或关于在本文中示出或描述的其他示例(或者其他示例的一个或更多个方面)示出的或描述的那些元素(或者那些元素的一个或更多个方面)的任何组合或置换的示例。
129.如果本文件与通过引用并入的任何文献之间存在不一致的用法，则以本文件中的用法为准。
130.在本文件中，如专利文献中常见的那样，使用术语“一种”或“一个”来包括一个或多于一个，独立于“至少一个”或者“一个或更多个”的任何其他实例或用法。”在本文件中，术语“或”被用于表示非排他性，或者，使得除非另有说明，否则“a或b”包括“a但不是b”、“b但不是a”以及“a和b”。在本文件中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”被用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的普通英语等同物。此外，在所附权利要求中，术语“包含(comprising)”和“包括(including)”是开放性的，即包括除了权利要求中的这样的术语之后所列元素之外的元素的系统、装置、制品、组合物、制剂或过程仍被认为落入该权利要求的范围。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”、和“第三”等仅用作标
记，并不旨在对其对象施加数值要求。
131.本文中描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令能够操作成配置电子装置来执行如在以上示例中所述的方法。这样的方法的实现可以包括代码例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在示例中，可以例如在执行期间或在其他时间将代码有形地存储在一个或更多个易失性、非暂态或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，压缩光盘和数字视频磁盘)、磁带盒、存储卡或记忆棒、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)等。
132.以上描述旨在是说明性的，而非限制性的。例如，以上描述的示例(或示例的一个或更多个方面)可以彼此结合使用。在回顾以上描述之后，例如本领域的普通技术人员可以使用其他实施方式。提供摘要以允许读者快速确定技术公开的实质。提交了摘要并理解：摘要将不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开内容。这不应当被解释成意为：对于任何权利要求而言，未要求保护的公开特征是必要的。而是，本发明的主题可能在于少于特定公开的实施方式的所有特征。因此，所附权利要求作为示例或实施方式在此并入详细说明中，其中每项权利要求自身作为单独的实施方式存在，并且预期这些实施方式可以以各种结合或置换彼此结合。本发明的范围应当参考所附权利要求以及这样的权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。