用于聚焦带电粒子束的台架和装置

背景技术

已知使用磁体来偏转或“弯曲”带电粒子，以便分离具有不同动量-电荷比的粒子。例如，质谱仪和粒子检测器的工作原理是：在存在磁场的情况下，具有不同动量-电荷比的粒子将偏转不同的量，从而允许对粒子进行分析。

使用磁场来偏转带电粒子的另一个示例是带电粒子疗法，这是放射疗法的一种。放射疗法通常是指使用电离辐射通过杀死或控制恶性组织以治疗癌症。电离辐射会损伤组织的DNA，而导致细胞死亡。常规的放射疗法使用由加速电子产生的高能光子(X射线)，而高能光子被导向人体所需的区域。为了最小化对健康组织的损伤，X射线通常在多个角度处引入，而且束在癌变区域相交。

当辐射束由带电粒子组成时，放射疗法被称为带电粒子疗法。带电粒子疗法的优点在于这些粒子独特的物理和放射生物学特性；粒子能几乎无扩散地穿透组织，并恰好在停止之前沉积最大能量。这允许对要照射的具体区域进行精确限定。这种带电粒子可包括强子(例如，质子、诸如碳离子的离子、介子)和轻子(例如，电子)。

束传输系统是带电粒子疗法系统的关键元件之一，无论是基于质子、离子束或是其它带电粒子。在很多情况下，束传输系统是相对简单和固定几何形状的传输线。这限制了能实现的立体定位程度，以及对健康组织的不必要的寄生剂量。这个问题在多种具有“台架”的装置中已得以解决：磁体组接收以可变能量从粒子加速器提取的束，并从任意方向将束导向患者身上，无论束方向如何，传送中心都可能没有变化(“等中心线”)，且在治疗期间无需移动患者。台架的一个关键优点在于，能够以改善的灵活性、精确性和最终大为减少的寄生剂量来“喷涂”受辐照区域。

本台架的束光学器件通常基于安装在旋转结构上的弯曲磁体，该旋转结构弯曲来自提取线的束，将束变直，并最终使束相对于患者以90度弯曲，使得所传送的束以最小路径在健康组织中行进。通常沿着传输线放置四极、转向器和校正器磁体，以控制束传输。

质子束的理想束刚度在1.2Tm至2.4Tm的范围内(对于在70MeV至250MeV范围内的质子能量)，而对于诸如碳的典型离子，所需束刚度为3.3Tm至6.6Tm(对于在120MeV/u至430MeV/u范围内的核子能量)。现有技术中的基于常规导电磁体的台架具有1T至2T范围内的偶极场强，以及上述刚度与几米长的电磁体对应。

现有技术要求这些磁体围绕患者旋转，从而导致具有高机械刚度的超大型结构结构，尤其是对于碳离子疗法而言。另外，由于单独的磁体孔尺寸不允许接受所期望的能量范围，因而由台架磁体产生的磁场需要在某种程度上可变。无论在重量、占地面积和成本方面，还是在初始投资和运营方面，现有技术中的台架及其旋转机械结构都是非常沉重的负担。

为了减小这种台架的尺寸，已经使用了超导磁体。然而，台架的旋转特性要求随附的低温系统具有基于柔性传输线或低温机械的旋转部件，低温机械诸如为与台架磁体一起旋转的低温冷却器。这增加了设计复杂性且是不期望的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于将具有不同动量-电荷比的带电粒子束聚焦到基本上共同点的台架，所述台架包括：具有中心孔的至少一个环形磁体，环形磁体的主轴线沿着中心孔延伸，环形磁体配置成根据带电粒子束的动量-电荷比，在不同的径向位置处接收带电粒子束；其中，环形磁体包括多个离散的、基本上为平面的线圈，线圈与主轴线间隔开并从主轴线径向延伸，以及线圈配置成产生磁场，使得在使用中，将第一带电粒子束导向主轴线上的第一点，第一带电粒子束具有沿着主轴线的运动分量，并在第一径向位置处进入环形磁体；以及将第二带电粒子束导向主轴线上的第一点，第二带电粒子束具有与第一带电粒子束不同的动量-电荷比，以及具有沿着主轴线的运动分量，并在第二径向位置处进入环形磁体，以及其中，平面线圈配置成产生关于主轴线周期性对称的磁场；以及该至少一个环形磁体在使用中基本上是静止的。

本发明人已经认识到，与环形磁体的常规使用相反，这种环形磁体配置可用于将具有不同动量-电荷比(p/q)的带电粒子束聚焦到沿着磁体主轴线的共同点。常规使用是用于分离具有不同p/q比的粒子的轨迹，这里与这种环形磁体的常规使用相反。

环形磁体配置成：根据束的动量-电荷比，在不同的径向位置处接收带电粒子束。束在相邻线圈之间的空间中进入磁体的第一端(其中，磁体在沿主轴线定位的第一端与第二端之间延伸)。由于不同的径向进入位置，具有不同动量-电荷比的带电粒子束在磁场内行进不同的距离，并因而由磁场偏转至主轴线上的共同点。通常，环形磁体配置成：与较低动量-电荷比(较低能量)的束相比，在更径向向外的位置处接收较高动量-电荷比(较高能量)的束，使得较高能量的束在磁场内行进更远的距离，以及束可偏转至主轴线上的共同点。环形磁体有利地具有大的接受度。

如本领域技术人员将理解的是，具体能量的束内的每个粒子均具有基本上相同的动量-电荷比，并因而可看出，这种束具有具体的动量-电荷比。特别是对于源自粒子加速器的束的情况。

优选地，由位于主轴线上的弯曲设备(诸如向量磁体、弯曲晶体或等离子体)将束提供至环形磁体，以及弯曲设备配置成以一定角度将束导向环形磁体，使得束在期望的径向位置处进入磁体。因而，尽管在其它配置中束可基本上平行于主轴线进入磁体，但这里束通常与主轴线成一定角度进入磁体。

优选地，在使用中，相对于主轴线以非零角度在环形磁体处接收带电粒子束。

特别有利地，本发明的台架在使用中是固定的，从而消除了现有技术中使用的用于束照射的旋转台架对大型结构和高精度机构的需求。这显著降低了台架的占地面积、重量和操作复杂性。

该至少一个环形磁体在使用中基本上是静止的，这允许台架在使用中基本上是静止的。

本发明的台架发现在带电粒子疗法中特别有利的应用。在这种应用中，在使用中，对象(可为人或动物)位于所述至少一个环形磁体的中心孔内，其中环形磁体产生的磁场能够将具有不同p/q并在不同的径向位置处进入磁体的束偏转至对象位置处的期望焦点。优选地，磁场配置成使得具有不同p/q的束在基本相同的方向(例如，与主轴线成90度)上被导向主轴线上的共同点。有利的是，与现有技术的旋转台架相比，该台架或对象都不需要移动。

换句话说，优选地，由多个离散的、基本上为平面的线圈产生的磁场还配置成：使得具有不同动量-电荷比的束沿着与主轴线成基本上90度的轨迹被导向主轴线上的基本上共同点。在使用一个以上环形磁体的实施方式中，粒子束的轨迹优选在穿过最下游的环形磁体(即，束穿过的最终环形磁体)之后，与主轴线基本上成90度。

这里使用的术语“带电粒子疗法”意味着使用照射带电粒子束的放射疗法。这种带电粒子可包括强子(例如，质子、诸如碳离子的离子、介子)和轻子(例如，电子)。

由环形磁体产生的磁场关于主轴线周期性地对称。这可称为环形周期性对称。该特性可由以周期性方式关于主轴线定位的多个平面线圈来实现。例如，在优选的配置中，线圈在环形方向上等距地间隔开。在其它配置中，线圈可在环形方向上不等距地间隔开，其中线圈对或线圈组彼此靠近，通过从一对线圈或一组线圈到下一对线圈或下一组线圈的间隙分开，以及总体在环形方向上周期性地定位，以便提供环形周期性对称的磁场。例如，在实施方式中，平面线圈可放置于两组或更多组中，而这些组以环形周期重复。由周期性对称的环形磁体产生的磁场允许将带电粒子束聚焦到主轴线上的共同点而不需旋转台架，其中带电粒子束在不同的位置处(径向和环形)进入磁体，并具有不同p/q比。

优选地，由环形磁体产生的磁场在使用中，例如，在对象的照射期间，基本上是静止的。(尽管如果需要，通常可改变磁场。)环形磁体本身和磁场的静止特性有利地意味着超导材料特别适用于基本上为平面的线圈。实际上，优选地，多个平面线圈是超导线圈。超导线圈可由诸如Nb-Ti和Nb

有利地，线圈使用超导材料意味着，与常规导电方案相比，可使用大得多的磁场，这又反过来导致台架尺寸的显著减小。本发明中使用的典型磁场强度的范围可在1T至10T的范围内，优选地在2T与8T之间。沿着基本上平行于主轴线的方向的机架的长度在1m至5m的范围内。台架的外部半径通常在1m至3m的范围内，优选为1.6m，其中台架的内部半径(即中心孔的半径)通常在0.4m至1m的范围内，优选为0.6m。用于台架的典型质量可在用于质子束的5吨至20吨和用于离子(例如，碳离子)束的10吨至30吨的范围内。与可远超100吨的常规台架相比，这表示重量大为减轻。

在本文中，术语“主轴线”和“主要轴线”可互换使用。

多个线圈中的每一个均基本上是平面的。这里，术语“平面”用于表示每个线圈在环形方向上的尺寸显著小于在其径向和纵向(即，与主轴线平行)方向上的尺寸。线圈的平面特性意味着相邻线圈之间的空间相对更大，从而增加了带电粒子束进入环形磁体的容易程度。

在优选实施方式中，环形磁体包括在环形方向上等距地间隔开的16个线圈。然而，可设想线圈的其它数量和布置，使得磁场关于主轴线呈现周期性对称。

通常，平面线圈具有不对称的几何形状。这里，当从环形方向观察时，线圈具有不对称的几何形状。通常，线圈关于基本上平行于主轴线的轴线是不对称的。这种不对称的几何形状有助于产生磁场，使得具有不同p/q比的粒子可在不同的径向点进入环形磁体，并通过磁场行进不同的距离，从而在主轴线上形成共同焦点。

优选地，平面线圈在基本上平行于主轴线的方向上为长型，以及具有使得线圈的径向尺寸沿着长型长度变化的几何形状。在优选实施方式中，每个平面线圈均在环形磁体的第一端处具有最小径向尺寸，以及在环形磁体的第二相对端处具有最大径向尺寸。通常，最小径向尺寸在带电粒子束进入磁体的端，其中最大径向尺寸在相对端。这种几何形状有助于将不同p/q比的粒子聚焦到主轴线上的共同焦点。

这是因为，由于平面线圈的几何形状，具有不同p/q比的束通过由平面线圈产生的磁场行进的距离不同。例如，与相对较低的p/q比的束相比，具有相对较高的p/q比的束通常将在距主轴线更远的径向位置处进入环形磁体。如上所述，线圈的径向尺寸沿主轴线的长度变化，意味着具有较高p/q比的束通过磁场行进得更远，并因而可偏转更大的角度，从而将束聚焦到主轴线上的共同点。

在优选实施方式中，每个平面线圈的径向外部均布置为(例如配置成)基本上平行于环形磁体的主轴线，以及线圈的径向内部在具有最大径向尺寸的部分与具有最小径向尺寸的部分之间延伸，使得径向尺寸沿着线圈的长型长度变化。尽管在其它实施方式中，该径向内部可为基本上线性的或包括多个线性和/或弯曲部分，但是每个线圈的径向内部均可为弯曲的(通常是凸起的)，使得每个线圈的径向尺寸均沿着长型长度变化。

在台架包括一个(例如单个)环形磁体的实施方式中，发现这种几何形状特别有利。

通常，环形磁体线圈的几何形状可成形为：使集成场长度适于束动量-电荷比的所需范围。

每个线圈均包括多个绕组(或“等级”)，电流通过这些绕组流动以产生期望的磁场。在一种配置中，绕组在径向方向上基本上彼此邻接，以及磁场分布具有1/R相关性。这种配置被称为具有非几何分级。有利地，绕组的几何配置可配置成将磁场分布改变为1/R

通过绕组的电流密度也可变化，以操纵磁场分布，且这被称为电流分级。

在环形磁体的径向外部处，线圈间空间中的磁场泄漏导致场线弯曲(称为“磁场收缩”)。这产生了场分量，场分量趋向于使最初偏离两个相邻线圈之间的对称平面的束朝着对称平面弯曲，以及增加了环形磁体的自然聚焦效应。(应注意，磁场仍然关于主轴线周期性地对称。)作用在线圈外部的几何形状和位置上的场曲率量是可控的。具体地，场的曲率(或“收缩”)的量可通过以下方式修改：

·将线圈在环形方向上分级；

·邻近主线圈增加次级“校正”线圈，以引入四极(空间中的线性场相关性)和更高阶校正场项，诸如六极(空间中的抛物线场相关性)；或

·使用包括铁磁材料的线圈以调节磁场。

环形磁体的线圈经受作用在线圈上的电磁力。这些力包括：作用在线圈绕组本身上的“平面内”力，该力在每个线圈的平面内作用，并指向径向向外的方向(即，趋向于将每个线圈向外推)；以及更大的(并因而产生的)径向向内力，该力趋向于将所有线圈向内推向主轴线。另外，在电流不平衡的情况下，线圈经受作用在环形方向上的“平面外”力，该力趋向于“折叠”磁体的线圈。

因此，台架优选地包括适于支承多个平面线圈的支承结构，其中支承结构配置成允许带电粒子束在使用中通过台架。支承结构抵抗作用在线圈上的电磁力来支承磁体的线圈，同时允许带电粒子通过台架。在使用中，带电粒子束通过环形磁体的端部之一进入环形磁体(其中，磁体在沿主轴线定位的两个相对端之间延伸)，并由磁场偏转，使得其离开磁体，朝向主轴线(优选地与主轴线成90度)进入中心孔。因此，优选地，支承结构包括在支承结构的径向内部的至少一个孔，使得带电粒子束能进入中心孔。优选地，支承结构包括以环形周期性方式定位的多个孔，所述多个孔与通过周期性对称磁场行进的束的轨迹相对应。

例如，支承结构可包括位于中心孔内的屈曲结构，抵靠屈曲结构支承线圈的径向内部，以抵抗(“屈曲”)径向向内的合力，其中这种屈曲结构包括用于带电粒子通过中心孔的至少一个孔或窗口。屈曲结构可沿着主轴线物理上连续(例如，以屈曲圆柱体的形式)，或由线圈结构中的楔形鼻部的组件形成。优选地，这种屈曲结构包括用于束通过中心孔的多个环形周期的孔或窗口。使用这种允许带电粒子束行进到中心孔中的支承结构是种创新的布置，这在环形磁体的常规使用中是不需要的，以及进一步强调了本发明中环形磁体的非常规使用。

需要注意的是，带电粒子束将在束真空管或真空室内通过台架行进，并因而支承结构将需要容纳所述真空管或真空室。优选地，束将通过安装在台架内的静止真空室行进。

台架优选地包括单个环形磁体，但是在实施方式中，根据期望的束轨迹和台架的配置，可包括两个或更多个这种磁体。

在台架包括两个或更多个环形磁体的实施方式中，每个环形磁体通常共享共同的主轴线。另外，在这种实施方式中，具有不同动量-电荷比的带电粒子束通常在已行进通过台架内的每个环形磁体之后，聚焦到主轴线上的共同点。换句话说，例如，在粒子疗法实施中，对象可位于最下游的环形磁体的中心孔内。在这种实施方式中，两个或更多个环形磁体中的每一个均优选地包括多个离散的、基本上为平面的线圈，这些线圈间隔开，并从主轴线径向延伸。两个或更多个环形磁体的几何形状通常是不同的，从而使得由于环形磁体的磁场而作用在粒子束上的合力允许将束聚焦到主轴线上的共同点。

通常，环形磁体(例如，台架)配置成：与具有较低动量-电荷比(较低的能量)的束相比，在更径向向外的位置处接收具有较高动量-电荷比(较高能量)的束。然而，如将在本文中更详细地讨论的是，并非必须是这种情况。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于聚焦带电粒子的装置，包括：弯曲设备，配置成接收带电粒子束；以及根据本发明第一方面的台架，其中，弯曲设备配置成：根据带电粒子束的动量-电荷比，将带电粒子束导向台架，使得将具有不同动量-电荷比的带电粒子束导向台架的主轴线上的共同点。

优选地，台架的主轴线与至少一个环形磁体的主轴线重合(即为同轴线线)。弯曲设备通常定位为沿着主轴线与台架(环形磁体)间隔开。

弯曲设备通常配置成：相对于主轴线，以非零角度，将带电粒子束导向台架(例如，至少一个环形磁体)。

弯曲设备配置成：通常从粒子加速器接收电荷粒子束，其中将从加速器提取的束提供至弯曲设备。弯曲设备配置成：根据束能量，使提取的束在任何方向上偏转一定角度。对于台架线圈的几何形状，为了将具有不同p/q比的束聚焦到主轴线上的共同点，由弯曲设备产生的偏转角(相对于主轴线)通常配置成随着束能量而增大。

在优选实施方式中，弯曲设备配置成：使具有动量p和电荷q的带电粒子束相对于主轴线朝向台架偏转α

其中

Z

因而，与具有较低p/q的束相比，具有较高p/q的束通常由弯曲设备偏转更大的角度，并在更大的径向位置(即，从主轴线径向更远)处进入台架(例如，环形磁体)。然而，并不总是这种情况，以及在其它实施方式中(例如，在台架包括两个或更多个环形磁体的情况下)，具有较高p/q的束可通过弯曲设备偏转比具有较低p/q的束更小的角度，从而使得具有较高p/q的束在比具有较低p/q的束更小的径向位置(即，径向更接近主轴线)处进入台架。一般而言，根据台架内的环形磁体的配置(例如几何形状)和数量，具有具体动量-电荷比的束由弯曲设备偏转一定角度，以允许将束聚焦到主轴线上的共同点。

弯曲设备可为适当偏转提取的带电粒子束的任何装置，诸如弯曲晶体或等离子体。然而，在优选实施方式中，弯曲设备是向量磁体，优选地是旋转单偶极磁体、双轴偶极磁体或四极磁体。在整个装置(即弯曲设备和台架)无移动部件的情况下，与现有技术特别是在带电粒子疗法中的配置有显著的不同，因而特别期望使用双轴(例如，水平的和竖直的)偶极磁体或四极。

通常，向量磁体包括一个或多个电阻磁体。向量磁体的功能可通过具有适配孔的单个磁体或磁体序列来实现，这些磁铁具有单个平面或组合平面的功能，以及可用作微调或扫描仪。

因而，本发明包括一种用于将具有不同动量-电荷比的带电粒子束聚焦到基本共同点的装置(例如系统)，该装置包括：弯曲设备，配置成接收带电粒子束；以及台架，包括具有中心孔的至少一个环形磁体，环形磁体的主轴线沿着中心孔延伸，环形磁体配置成：根据束的动量-电荷比，在不同径向位置处接收带电粒子束；其中，环形磁体包括多个离散的、基本上为平面的线圈，这些线圈间隔开并从主轴线径向延伸，以及线圈配置成产生磁场，使得在使用中，带电粒子束被导向主轴线上的共同点，其中，带电粒子束具有沿着主轴线的各自运动分量，并在不同的径向位置处进入环形磁体(例如，台架)，其中，平面线圈配置成产生关于主轴线周期性对称的磁场；以及所述至少一个环形磁体在使用中基本上是静止的；以及其中，弯曲设备配置成：根据束的动量-电荷比，将带电粒子束导向台架，使得具有不同动量-电荷比的带电粒子束在不同的径向位置进入台架，并被导向主轴线上的共同点。

本发明的台架或装置优选地用于带电粒子疗法，以及其中，在使用中，对象定位在所述至少一个环形磁体的中心孔内。有利地，台架在使用中通常是静止的。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1是概述本发明概念的示意图；

图2(a)示出了薄环形场透镜对具有相同能量的平行束的影响；

图2(b)示出了薄环形场透镜对具有相同能量并源于相同顶点但具有不同发散度的束的影响；

图3(a)示出了厚环形场透镜对具有相同能量的平行束的影响；

图3(b)示出了厚环形场透镜对具有相同能量并源于相同顶点但具有不同发散度的束的影响；

图4示出了厚环形场透镜对源于相同顶点、具有不同p/q并具有相同初始角度的束的影响；

图5示出了厚环形场透镜对源于相同顶点、具有不同p/q并具有不同角度的束的影响；

图6示出了用于计算带电粒子所经历的场梯度的几何形状，该带电粒子以任意角度进入环形场；

图7示出了环形场边界的理想场分布的构造，该环形场边界将不同p/q的束聚焦到单个焦点；

图8是由向量磁体给出的最佳角度的曲线图，以获得在70MeV至250MeV范围内的不同动能的质子束的等中心聚焦；

图9是示出环形场线圈的理想径向内部(“内侧”)分布的曲线图，以获得在70MeV至250MeV范围内的不同动能的质子束的等中心聚焦；

图10(a)和图10(b)示意性地示出了理想的环形场线圈形状，以及70MeV和250MeV的不同动能质子束的示例性等中心聚焦；

图11(a)示出了根据本发明实施方式的环形线圈；

图11(b)示出了根据本发明另一实施方式的环形线圈；

图12是根据本发明实施方式的用于带电粒子疗法的装置的示意性立体图；

图13是在正交于台架的主轴线的平面中计算出的场强的图，该图示出了环形磁体的四分之一；

图14示出了在图13的平面中的场向量；

图15和图16分别是在两个相邻线圈之间的对称平面上针对非分级线圈和分级线圈计算出的磁场强度的图；

图17(a)和图17(b)分别是在非分级线圈和分级线圈的情况计算出的沿着线的磁场强度的图，该线源自对象位于径向的位置处且属于两个线圈之间的对称平面；

图18示出了在本发明的实施方式中使用的屈曲缸；

图19示意性地示出了包括两个环形磁体的台架；

图20(a)至图20(c)示出了可用于本发明的向量磁体的第一优选示例；以及

图21(a)至图21(c)示出了可用于本发明的向量磁体的第二优选示例。

具体实施方式

系统概念

图1示出了根据本发明的用于带电粒子疗法的装置(1000)的概念。装置1000由两个主要部分组成：向量磁体20和台架100，台架100包括一个或多个环形磁体10。

向量磁体20配置成接收来自粒子加速器提取线的带电粒子束，以及根据束的能量和期望的传送方向向束提供偏转。

所述一个或多个环形磁体(图1描绘了两个磁体10a、10b作为示例，为清楚起见，仅示出了每个磁体的一个线圈)通过使用环形磁体的形状和场变量与半径和长度的结合来操纵偏转束30。在图1中，表示了对于两个不同束能量(E2>E1)的理想束轨迹，其中两个束都聚焦在共同点上。

该装置的关键方面是使用由台架的一个或多个环形磁体产生的轴对称场。

向量磁体20的功能是使提取的束在任何方向上偏转根据束能量的角度。对于给定的能量，这对应于产生源自向量磁体20的束轨迹锥的能力。对于实际的环形磁体形状和场分布(如下面将讨论的)，弯曲角度需要随着能量增加。因而，向量磁体20将束导入同心锥中。

向量磁体20可为单个偶极，该单个偶极绕其轴线旋转，具有扫描场强能力。在这种情况下，需要场强变化来操纵不同能量的束，以及频繁且快速的(几分之一秒量级的)场强变化是优选的。另一方面，旋转对应于照射方向的变化，以及旋转可为零星且慢得多的(几秒量级的)。可替代地，可使用双轴向量磁体，从而产生具有任意方向的水平偶极和竖直偶极的组合。如果选择这种选项，则两个偶极需要频繁、快速且同步地变化。

进入台架100的带电粒子束30的实际弯曲角度根据一个或多个磁体10的综合场强，综合场强可通过控制磁体的尺寸、形状和导体的位置来调节。在本讨论中，从由围绕环面的薄电流绕组产生的理想轴对称环形场开始。这产生了模数为B

其中，R是从环形的轴测量的半径，以及B

为了说明工作原理，下面说明环形磁体对可变化的动量-电荷比p/q的带电粒子的影响。为此我们定义了参考框架，参考框架由与环形磁体的中心对准的方向z、源于轴z的径向方向R、以及环形方向θ组成，环形方向θ限定了围绕z轴的角度(见图1)。

由方程(1)给出在空间z

对于面内束，我们可通过使用以下简单关系来追踪粒子轨迹：

其中，ρ是弯曲束在(R，z)平面内的曲率半径。动量使用相对论关系进行定义：

其中，E

由粒子的动能E

在图2a中示出了薄环形场磁体10(薄环形透镜)对具有相同动量和电荷但不同位置的平行粒子束30的影响、以及对源自顶点但具有不同发散度的束30的影响(图2b)。每个轨迹均对应于束30中的粒子。薄环形透镜10具有净聚焦效应，但理想环形场对半径的自然相关性会导致强象散，如图所示，束在穿过透镜后无法到达单个焦点。

另一方面，如果考虑具有环形磁体的区域的尺寸相对于束轨道(厚环形透镜)的变化是显著的，则注意到象散大为减小。图3a和图3b中示意性地示出这种效应，其中每个轨道均再次对应于束30中的单个粒子。象散减小是由于以下事实：以大轨道或大角度进入的粒子比以小轨道或小角度进入的粒子在磁场中行进的路径更长，因而导致附加的聚焦。对相同动量的平行束和发散束二者都有相同的效应，以及根据环形场区域的几何形状。

现在检查对厚环形透镜的聚焦效应的束动量(或更一般地，p/q比)的情况。这在图4中示意性地示出，其中现在的轨迹对应于源自相同顶点(22)、具有相同角度且p/q的变化约为15％的束。具有较高刚度的束弯曲更小，具有较高p/q比的束沿着z轴聚焦到更远距离。然而，考虑到上述对磁场区域中行进长度的聚焦效应的观察，可为选定范围内的每个束找到合适的初始角度，使得对于所有p/q值，z轴上的焦点都是相同的。这在图5中示出，其中不同p/q的三个束在顶点22处偏转不同的量，在不同点处进入厚环形透镜10，以及由于通过环形透镜的不同路径长度而最终聚焦到z轴上的相同焦点。

现在观察在(R-z)平面外具有动量分量的粒子的情况。考虑在与任意角度θ(参见图6)对应的位置(x，y)处进入环形磁场的粒子，粒子所见磁场将具有由下式给出的分量B

B

对于小角度，这与趋向于将粒子聚焦回到环形的轴的梯度对应。给出环形场对半径的理想依赖关系(见方程(1))，随着半径增大，聚焦四极的强度减小。

遵循本发明概念的简要(非详尽的)总结，现在将描述本发明的优选实施方式。

环形磁铁的设计

基于先前部分的考虑，现在将讨论用于本发明的环形磁体的设计。以能量范围为70MeV至250MeV的质子束作为相关示例，质子束可用于带电粒子疗法。设计原理直接适用于任何p/q比。

出于讨论的目的，假设台架100包括一个环形磁体10，环形磁体10包括多个离散的、基本为平面的线圈1，环形磁体10接收由向量磁体20偏转至任意角度的束30。假设磁体10具有优化的线圈形状，以产生磁场，用于对束30提供期望的弯曲效应。沿z轴的(0，0)取聚焦点，而向量磁体20置于(0，-z

对于场形状，假设线圈1进行分级，以便在线圈间空间中产生恒定场B＝B

做出的最终假设是磁场具有尖锐的边界，即在环形磁体的周界内部，B＝B

现在可重建理想环形磁体10的轮廓，该轮廓实现期望的聚焦特性。为了说明这点，使用图7所示的几何形状。从期望的聚焦束的原点位置(0，0)开始，可追溯束轨迹。束首先在径向方向上行进，直到束以半径R

对于场轮廓的最简单解是由方程(6)给出的圆的位置，与来自向量磁体20的直线相切(见图7)。与束相对于z轴的最佳方向对应的角度(α

事实上，如果向量磁体20的位置离台架100足够远，则上述表达式可作如下简化：

方程(8)是用于本发明的理想磁体轮廓的良好初始近似，从而限定了束在图7的阴影区域中的进入周界。图7示出了环形场边界的理想分布的构造，环形场边界通过在向量磁体20的位置处利用不同的偏转角度，将不同动量-电荷比p/q的束聚焦在单个焦点上。环形场区域在图中以阴影表示。虚线边界可使用公式方程(7)或方程(8)来计算。

以上关系式紧接着环形线圈的绕组的设计而应用。

在此示例中，对场强取值B

对于250MeV的束能量的弯曲半径是ρ

利用上述假设，图8和图9绘制了从方程(7)和近似方程(8)导出的束入口处的环形线圈支脚的最佳角度和理想轮廓。注意到的是，通过这种参数的选择，线圈轮廓几乎是直的，以及角度对束动能的相关性也近似是线性的。尽管不是必需的，但是这些特征给予了易于绕线和操作简单的好处。

通过将环形线圈扩展至内径0.4m以及增加返回支脚，完成计算对于束进入点的线圈轮廓。尽管设想返回支脚的形状可确定为实现最小容积包络，但为了简单起见，返回支脚是笔直的。

在图10中示出了得到的理想线圈形状，图10还示出了考虑的束能量范围的极端处的两个束的轨迹，其中在图10a中示出了具有较低能量的束(例如，70MeV)，以及在图10b中示出了具有较高能量的束(例如，250MeV)。带电粒子束通过环形磁体10的磁场弯曲，从而以90度角到达患者。

遵循以上考虑，图11(a)是根据本发明实施方式的可使用的线圈几何形状的立体图。如以上已经解释和说明的，一般来说，线圈1包括：第一径向延伸部分2a和第二径向延伸部分2b、以及第一长型部分3a和第二长型部分3b，其中，第一径向延伸部分2a和第二径向延伸部分2b从z轴(环形磁体10的主轴线)径向延伸，第一长型部分3a和第二长型部分3b在所述径向延伸部分之间延伸。第一长型部分3a处于线圈1的径向外部位置，并基本上平行于z轴。第二长型部分3b处于线圈1的径向内部位置。第一径向延伸部分2a远离向量磁体，以及第二径向延伸部分2b靠近向量磁体。第一径向延伸部分2a比第二径向延伸部分2b长。第二长型部分3b包括：基本上平行于z轴的第一部分3b’；以及第二部分3b”，第二部分3b”在第一部分3b’与第二径向延伸部分2b之间延伸，使得线圈1的径向尺寸沿着z轴变化。如图11(a)所示，线圈1基本上是平面的。

在图11a中，线圈1分成六个等级5a、5b、5c、5d、5e、5f。在该示例中，每个等级均具有100mm宽×20mm厚的尺寸，以及在200A/mm

图11(b)示出了根据替代实施方式的线圈几何形状的立体图。这里，线圈1仍然具有在相等的电流下操作的所有等级5a…5f，但在线圈的内部半径处还包括等级5a、5b、5c之间的径向间隔，目的是改变磁场的径向相关性。

尽管第二长型部分可以以方程(7)和方程(8)所要求的弯曲方式形成，但是为了简化制造，方程(7)和方程(8)所要求的弯曲区域已由笔直部分3b”代替。在图11(a)和图11(b)所示的示例中，外部线圈尺寸约为1m宽、2m长。

适用于线圈1的材料包括诸如Nb-Ti和Nb3Sn的低温超导体以及诸如稀土(REBCO)和铋(BiSCCO)铜氧化物的高温超导体。

图12是根据本发明实施方式的用于带电粒子疗法的装置1000的示意性立体图。该装置1000包括向量磁体20和台架100。台架100包括环形磁体10，环形磁体10包括16个相同的离散平面线圈1a、1b、…、1p，这些线圈等距地间隔开，并从环形磁体10的中心孔5径向延伸。每个线圈均如图11(b)所示。将环形磁体10的主轴线(图12中的z轴)限定为沿着磁体的中心孔5延伸。向量磁体20定位为沿着z轴与台架100间隔开。

在使用中，如图12所示，接受带电粒子疗法的对象位于环形磁体10的中心孔5内沿着z轴定向。从粒子加速器提取线(未示出)将带电粒子束30提供至矢量磁体。如上所述，向量磁体20根据束能量，以相对于z轴α

图13示出了在垂直于z轴的平面上并在沿z轴的对应于患者的位置处切割环形磁体10得到的场强图。图14中示出了相关联的场向量。除了环形场值(在该示例中约为3T)和一般的旋转对称性之外，还注意到与多个离散线圈相关联的收缩效应。特别地，接近磁体10的外半径，线圈间空间中的场泄漏导致场线弯曲(注意图14中200处的场向量方向)。这产生了场分量，该场分量趋向于将最初偏离两个线圈之间的对称平面的束朝向对称平面弯曲，以及增加了前面讨论的自然聚焦效应(见方程(5))。作用在线圈外臂的几何形状和位置上的场曲量是可控的。最后注意到的是，环形体的中心区域(在210处示出)是相当好的近似无场区域(几μT的泄漏场)，这是对于对象区域的强制性约束。特别有利的是，环形磁体外部的场泄漏是最小的(220)，其中在距离外部半径几十厘米处已有可接受的场水平。

图15和图16示出了在对称平面中相邻线圈之间的空间中的场强图。在这里对无分级紧凑绕组情况下的场(图15)与由几何分级产生的场(图16)进行了比较，即分别在图11(a)和图11(b)中所示的两个线圈选项。如图16所示，分级线圈的场明显更为均匀。这显示了可通过控制线圈几何形状来有利地控制场指数。图17(a)和17(b)中可看出场分布的进一步比较，图17(a)和17(b)比较沿着源自对象位置的线计算的磁场的模量，所述线径向定向，并属于相邻线圈之间的对称平面。有利地，这说明台架包括足够的自由度以适应具体要求。

给出的磁体配置，可评估施加在单个线圈1上和台架100中的电磁力。在该示例中，施加在绕组上、趋向于朝外部方向推动线圈1的力具有1MN/m的最大值。为了支承该力，每个线圈1均包括容纳整个线圈的壳体结构(未示出)，其中，由于不使用线圈空间，因而板连接线圈的部分(“分支”)。线圈依靠在壳体的外带上，以及线圈上的平均压力低于50MPa。

环形磁体中的主要净分量是定心力(即径向向内)。对于上述图11(b)的分级配置，每个线圈的力为1.5MN。尽管设想了其它解决方案，但是在本实施方式中，使用中央屈曲缸500(见图18)来反作用于该定心力。屈曲缸500包括多个孔510，用于使带电粒子束进入中心孔5，并随后到对象上。孔510以环形周期的方式定位，以便与通过周期对称磁场行进的束的轨迹相对应。在其它实施方式中，屈曲缸可包括围绕缸周向延伸的单个孔。

如图18所示，屈曲缸可沿着z轴物理地连续，或可替代地由线圈结构中的楔形鼻部的组件形成。

该设计所要求的屈曲缸的厚度适中；例如，1m长的100mm厚的结构将工作在30MPa下以反作用于以上定心力。有利的是，台架因而相对轻巧。

对于整个环形磁体10，用于分级线圈(图11(b))配置的标称条件下的存储能量达到40MJ。这是相对大的存储能量，以及要求考虑供电和保护系统的设计。例如，如果导体设计用于1kA的操作，且磁体具有2kV的标称转储电压，则总磁体能量的转储将耗时40s。这又需要大量的稳定器，从而导致低操作电流密度。在这种类型的磁体中，对电路进行细分更有利，以减少每个部分中存储的能量和转储时间。保持上述操作电流和转储电压，在单个线圈基础上进行细分(即16个线圈)，且每个线圈内均有两个等级，将使得转储的时间常数低于1.5s，这与相对高的操作电流密度兼容。

最后，考虑这种台架100的质量。采用上述的绕组几何形状，单个线圈的绕组组的体积为0.06m

使用一个以上环形磁体

以上详细描述主要涉及包括一个(即单个)环形磁体的台架。然而，如图1中已示意性地示出，本发明可利用包括两个或更多个环形磁体的台架。现在参考图19更详细地讨论这个概念。

图19示意性地示出了用于带电粒子疗法的装置1000。这里，该装置包括向量磁体20和台架100，台架100包括两个环形磁体10a和10b。为了清楚起见，只示出了每个磁体的一个线圈。环形磁体具有共同的主轴线，这里沿着z轴对准，且沿着主轴线间隔开距离D。向量磁体20从粒子加速器提取线接收带电粒子束35，以及根据动量-电荷比提供束的偏转，如以上已讨论的。

在包括单个环形磁体的台架的情况下(例如，如图12所示和参考图12所述)，具有较大p/q比的粒子束通常由向量磁体20偏转更大的角度，以使具有较大p/q比的粒子束以比具有较小p/q的粒子距主轴线更大的径向距离进入环形磁体。环形磁体的几何形状使得，具有较大p/q、以更大的径向距离进入的束通过磁场行进得更远，以将束聚焦到共同点。

在图19所示的该双磁体示例中，磁体10a和磁体10b组合的几何形状使得，需要矢量磁体20使较高p/q的束比较小p/q的束相对于主轴线偏转更小的角度。在当前示例中，示意性地示出了两个粒子束30a和30b，其中束30a具有比束30b更小的动量。向量磁体配置成：通过以比束30b更大的角度偏转束30a，使得束30a以比束30b距主轴线更大的径向距离进入第一环形磁体10a。

第一环形磁体10a的几何形状使得：在更大的径向位置处进入磁体的束30a通过磁场行进得更远，并因而比在更小的径向位置处进入第一环形磁体10a的束30b偏转更大的角度。因而，当束移动通过台架时，束30b(具有较高的p/q比)在比束30a更大的径向位置处进入第二环形磁体10b，并通过第二环形磁体10b的磁场行进得更远。这样，束聚焦到主轴线上的主P上的共同点。

在该示例中，第二环形磁体10b的线圈具有与以上参考图7讨论的磁体基本相同的几何形状。第一环形磁体10a的线圈具有几何形状，使得线圈的前缘12a(即，靠近向量磁体)定向为相对于主轴线成角度

将理解的是，这里讨论的环形磁体几何形状的示例仅是示例，以及设想了一个或多个环形磁体的其它几何形状和相对位置及其与由弯曲设备提供的偏转之间的关系，从而使得不同p/q的束聚焦到共同点。

向量磁体

向量磁体产生弯曲力，弯曲力使带电粒子束(例如，来自粒子加速器提取线)通过相对于主轴线的偏转角弯曲。对于具有在70MeV与250MeV之间的能量的质子束，典型的偏转角在与主轴线成约10度到20度的范围内。对于离子束，类似的偏转角是必需的。因而，可看出向量磁体对入射粒子束提供了170至350mrad“撞击力”。

向量磁体还可具有扫描功能，其中典型的弯曲角度为1度(17mrad“撞击力”)。

将参考图20和图21对可用于本发明的向量磁体的两个优选实施方式进行描述，图20示出了旋转向量磁体，图21示出了固定向量磁体。

图20(a)是围绕旋转轴25旋转的旋转向量磁体20的示意性侧视图。旋转向量磁体提供快速的能量切换和相对慢的方向改变。旋转轴25通常与环形磁体的主轴线重合。粒子束(在30处示出)在束入口点20a处进入向量磁体，以及在束出口点20b处离开。向量磁体的典型长型长度L在0.7m至1.0m的范围内，典型地是0.8m。这提供了IT的整体磁场(例如，适用于250MeV质子)。

图20(b)是向量磁体20在束入口点20a处的示意性截面图。向量磁体包括多个电阻磁体22，电阻磁体22限定了孔27(由非阴影区域示出)，孔27具有在A处示出的最小宽度。在旋转向量磁体的情况下，孔A具有几厘米量级的宽度。孔的优选最小尺寸A在3cm至5cm的范围内。

在束入口点20a处，垂直于主轴线的电阻磁体22之间的典型距离(可称为向量磁体的高度H)处于6cm到10cm的范围内。向量磁体的高度沿着其长度增加，其中向量磁体在其束入口点20a处的典型高度为20cm(见图20(c))。孔的最小尺寸A沿着向量磁体的长度保持基本恒定的尺寸。

图21(a)是固定向量磁体的示意性侧视图，固定向量磁体是使用电阻磁体22形成的组合双平面冲击磁体的形式。图21中仅示出了一个平面。这种固定向量磁体提供快速的能量和方向切换。图21(b)示出了磁体在束入口点20a处的横截面图，具有3cm至5cm范围内的典型孔径尺寸A。在束入口点20a处的H的典型值在3cm到5cm的范围内。

向量磁体20的横截面积和孔径尺寸A沿其长度增加，以容纳粒子束的出射角度的范围。在该示例中，向量磁体的横截面几何形状基本保持正方形。在该示例中，在束出射点处(图21(c))，孔径具有尺寸约为20cm的间隙A，在束出射点20b处的H的典型尺寸也约为20cm。