CN104001270A - 超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，包括激光驱动系统、激光等离子体加速器、电子束聚焦系统、光子束瞄准系统、机器人本体和激光束稳定系统，其中：激光驱动系统产生强激光脉冲并传播给安装于机器人本体末端的激光等离子体加速器，从而产生电子束；电子束聚焦系统把电子束导向到患者病患处；光子束瞄准系统把电子束产生高能光子束，从而进行超高能电子束或光子束放射治疗；机器人本体实现从多个方向向患者病患处传播电子束或光子束；激光束稳定系统监控激光束位置并纠正误差。本发明的超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统更紧凑、高效、廉价，操作更简单，比现有技术的外照射放疗系统具有更高性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型医疗器械技术领域的外放射治疗机器人系统，具体地，涉及一种使用超高能电子束或光子束放射治疗的机器人系统。
背景技术
放射治疗利用高能量辐射如X射线、γ射线、电子、质子、重离子和中子来破坏癌细胞的DNA以将其杀死。由于放射治疗在杀死癌细胞的同时也损害正常细胞，必须仔细规划治疗以尽量减少这种副作用。用于癌症治疗的辐射可以来自体外的装置，被称为外照射放疗，也可以来自植入体内靠近癌细胞的放射性物质，被称为内照射放疗或近距离放疗。外照射放疗通常使用光子束(X射线或γ射线)。电子束在有限距离之后剂量迅速下降，也因此影响不到较深的正常组织，电子束治疗通常用于浅层肿瘤如皮肤区域或全身皮肤、四肢等部位的癌症治疗。对于较深的区域，会采用手术电子放射治疗。众多类型的外照射放疗均使用称为医用直线加速器的设备，由射频(RF)功率放大器驱动，如磁控管或速调管，产生具有6-20MeV能量的电子束。
外照射放疗的技术优势可以通过图像验证提供有效的三维剂量分布形状和精确的空间剂量传递图。这些技术，包括三维适形放疗(3D-CRT)、调强放疗(IMRT)、影像引导放疗(IGRT)和强子治疗，加强对肿瘤区域的放射剂量并减少对周围正常组织的特定敏感区域的放射影响。凭借复杂的计算软件和先进的治疗设备(包括精密机械臂和紧凑型医用加速器)，体部立体定向放疗(SBRT)在绝大多数情况下比3D-CRT使用更小的辐射场和更高的剂量，但更精确地瞄准目标区域并缩短疗程。
如文献1、文献2中均公开了一种利用X射线的放射治疗装置，即把小型直线加速器安装到多关节机械臂或回转台上，控制机械臂或者回转台位置姿态，从而把产生于小型光栅的Ｘ射线集中到中心点进行照射。
然而，在目前的医用射频直线加速器所产生的上述电子束能级范围下，最大穿透深度和横向半影品质都制约了这种先进模式在实际癌症治疗中的应用。一旦电子能级高于50MeV，这些问题都可以克服，穿透深度更加深，横向半影也更加尖锐，尽管纵向半影也有所增加。Monte Carlo模拟研究中对比了光子，质子和超高能电子束在调强放疗前列腺癌症的效果，最吻合目标剂量的是质子束，而电子束的目标覆盖范围度是和光子束的效果相比拟的，有时好过光子束。此外，在避免剂量影响到敏感结构和正常组织方面，超高能电子束明显好过光子束。至于由轫致辐射和电子核反应相互作用产生的次级粒子的剂量影响，如超高能电子束施加于全身的中子剂量低于质子束治疗和光子调强放疗一到二个数量级。
所述的超高能电子束治疗使用的超高能电子束，可以由传统的基于射频的直线加速器产生，包括一个电子喷射装置，称作LINAC的主加速结构，电子束传播系统，以及最终的操作台。电子喷射装置通常由光阴极微波电子枪或热离子高压直流电枪和几个用于产生电子束的聚束腔组成。LINAC由一系列室温或者超导射频腔体组成，加速梯度为10MV/m。电子束传播系统包括电子束聚焦和散焦电四极磁铁。操作台装有真空电子束传播系统和一系列的电子束弯转和聚焦电磁铁。为实现基于射频直线加速器的外照射放疗，射频直线加速器整体尺寸估计要在50米长左右。加上能多方向引导电子束的回转台，总重量可达上百吨级。因此，这类设施的建设和运营成本大到难以置信，由此导致基于常规加速器的超高能电子束放疗系统很难普及到小规模医院。虽然文献3中公开了一种使用更加紧凑的LINAC加速器及龙门式转台的超高能电子束放射治疗系统，但由于其原理仍然基于直线加速器，因此结构上还是无法做到更加紧凑小巧。
文献1:Adler Jr Jr,Chang SD,Murphy MJ,Doty J,Geis P and Hancock SL,“TheCyberknife:a frameless robotic system for radiosurgery”,Stereotactic FunctionalNeurosurgery,pp.124-128,69(1-4Pt2),1997；
文献2:David H.Whittum,“Microwave Electron Linacs for Oncology”,Reviews ofAccelerator Science and Technology,pp.63-92,Vol.2,Iss.1,2009；
文献3:U.S.patent application No.13/765,017,filed on Feb.12,2013,entitledPLURIDIRECTIONAL VERY HIGH ELECTRON ENERGY RADIATION THERAPYSYSTEMS AND PROCESSES,Pub.No.US20130231516A1；
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种使用超高能电子束或光子束进行外放射治疗的机器人系统。
本发明所述的超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，包括以下部分：
激光驱动系统，形成强激光脉冲；
激光等离子体加速器，所述的强激光脉冲被引导并聚焦到此从而产生电子束；
电子束聚焦系统，用于将来自激光等离子体加速器的电子束导向到患者病患处，从而进行超高能电子束放疗；
光子束瞄准系统，将来自激光等离子体加速器的电子束产生治疗用的高能光子束；
机器人本体，其内设有真空光学系统，所述强激光脉冲在真空光学系统中被引导并聚焦到上述激光等离子体加速器；
激光束稳定系统，在真空光学系统中监控激光束位置并纠正它们的误差。
优选地，所述激光驱动系统，包括：
前端，能够产生低能激光脉冲；
放大器链，放大上述低能激光脉冲的能量形成高能激光脉冲；
脉冲压缩室，将所述高能激光脉冲转换为强激光脉冲；
真空泵系统，保持脉冲压缩室、机器人本体的内部以及加速器腔的真空压力。
优选地，所述激光等离子体加速器包括：
充有混合气体的第一气室，用来电离气体产生等离子体和电子；
充有纯净氢气或氦气的第二气室，用来加速电子；
气体流量控制系统；
激光驱动系统输出的强激光脉冲由球面反射镜或离轴抛物面反射镜聚焦后进入激光等离子体加速器，强激光脉冲在第一气室电离混合气体产生等离子体和电子、强激光脉冲在第二气室继续产生并加速电子，气体流量控制系统分别以不同的压力控制并输送气体进入第一气室和第二气室中。
这种激光等离子体加速器可以利用高加速电场高效的产生超高能高品质电子束。所述的激光等离子体加速器能够产生的电子束能量应在1-250MeV之间，50-250MeV之间更好。
优选地，所述激光等离子体加速器能调整第二气室长度以控制电子束能量。更优选地，可以由动力元件驱动波纹管结构来调整第二气室长度。
优选地，所述激光等离子体加速器连接有外部转接室，电子束聚焦系统安装在激光等离子体加速器的外部转接室中。
优选地，所述电子束聚焦系统具有提供薄层笔形波束输出的部件。更优选地，该部件可以采用四极永磁铁阵列结构。
优选地，所述电子束聚焦系统在不破坏激光等离子体加速器的真空情况下可进行伸缩。
优选地，所述光子束瞄准系统，包括常规的轫致辐射转换靶和准直器，激光等离子体加速器输出的电子束在光子束瞄准系统中产生治疗用的高能光子束。所述电子束聚焦系统和光子束瞄准系统为可拆卸安装方式，方便拆装和更换使用。
优选地，所述机器人本体，其具有多种形态，可以是多关节机械臂或并联机器人或机器人转台。所述机器人本体可以从多个方向向患者病患部位传播电子束或光子束，并能够结合治疗床和激光束稳定系统，提供笔形线束的光栅扫描。
优选地，所述机器人本体末端设有加速器腔，激光等离子体加速器安装于机器人本体末端的加速器腔内。
更优选地，所述机器人本体包括基座、回转台、回转驱动机构、第一转轴、第二转轴、臂架和第三转轴，其中：回转驱动机构安装在回转台上，从而实现回转台相对于基座即第一转轴的转动；第二转轴连接回转台与臂架实现相对转动，第三转轴连接臂架与加速器腔实现转动。
优选地，所述激光束稳定系统沿机器人本体内部臂架及轴线布置，用以监控激光束位置并纠正误差，使得强激光脉冲的传播方向始终与机器人各个关节的转动轴线重合。
优选地，所述的激光等离子体加速器、真空光学系统、激光束稳定系统均安装在真空环境中，并且所述的机器人本体内部为中空真空结构，由真空泵系统保持其一定的真空压力。
优选地，电子束或光子束放射照射的时长从单脉冲照射到连续照射可控，如果快于人体的呼吸间隔则比较好，如果小于心跳间隔则更好，如果小于激光驱动脉冲的单个脉冲脉宽则最好。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明激光驱动系统产生能量放大的高能激光脉冲并进一步形成强激光脉冲。该强激光脉冲沿具有中空真空结构的机器人本体内部被引导并聚焦到安装在机器人本体末端的加速器腔内的激光等离子体加速器中，从而产生电子束。电子束聚焦系统把电子束导向到患者病患处，或在光子束瞄准系统中产生高能光子束，从而进行超高能电子束或光子束放射治疗。机器人本体实现从多个方向向患者病患处传播电子束或光子束。激光束稳定系统监控激光束位置并纠正误差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.通过激光等离子体加速器而不是直线加速器LINAC产生超高能电子束，激光等离子体加速器的体积和质量优势使得设备整体小型化，价格和安装场地布置优势很明显；
2.通过机器人本体实现多角度照射和扫描，通过机器人本体实现强脉冲激光的真空传播；
3.可以简易更换为通过电子束或者光子束进行治疗；
本发明的超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统更紧凑、高效、廉价，操作更简单，比现有技术的外照射放疗系统具有更高性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a、1b为本发明一实施例系统结构示意图；
图2为图1a、1b所示的系统的激光等离子体加速器的第一气室和第二气室的示意图；
图3为基于激光尾波场的电子加速机制示意图；
图4a、4b为图1a、1b所示的超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统的激光等离子体加速器的示意图，包括图2中的第一气室和第二气室；
图5为微型四极永磁铁(PMQ)的示意图；
图6为本发明实施例的电子束聚焦系统的示意图，由三个图5所示的四极永磁铁(PMQ)组成；
图7a、7b为嵌入于图1a、1b所示的超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统的机器人本体中的真空光学系统的示意图；
图8为本发明一实施例的激光束稳定系统的示意图；
图9为本发明另一实施例通过并联机器人的实施例示意图。
上述图中：
1为前端，10为低能激光脉冲，11为高能激光脉冲，12为强激光脉冲，13、14为反射镜，15为离轴抛物面反射镜；
2为激光驱动系统，21为放大器链，22为脉冲压缩室，23为脉冲压缩光学器件，24为真空泵系统，25、26为衍射光栅，27为垂直发射器，28为固定反射镜，29为外壳；
3为激光等离子体加速器，30为气体流量控制系统，31为第一气室，32为第二气室，33为混合气体，34为纯净气体，35为接头，36为动力元件，37为波纹管结构，38为多自由度调整台，39为激光吸收器；
4为电子束聚焦系统，40为外壳，41为转接器，42为磁铁阵列，43、44为四极永磁铁(楔形永磁铁)，45为中心空腔，46为外空腔，47为支架，48为真空直线移动系统，49为直线导轨；
5为光子束瞄准系统，51为轫致辐射转换靶，52为准直器；
6为机器人本体，60为基座，61为回转台，62为回转驱动，63为第一转轴，64为第二转轴，65为臂架，66为第三转轴，67为导光臂，68为回转轴，69为并联驱动单元；
7为激光束稳定系统，70为激光源，71为校准光束，72为CCD摄像头，73为反射镜支架，74为精密电机；
8为加速器腔，80为真空窗，81为直线导轨，82为基座机构；
100为电子束，101为光子束，200为患者，201为治疗床，303为细点线，304为粗点线，305为粗实线，306为细虚线，307为电子空泡，308为强纵向电场，309为电子轨迹，310为轨迹。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1a所示，本实施例提供一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，包括：激光驱动系统2、激光等离子体加速器3、电子束聚焦系统4、光子束瞄准系统5、机器人本体6和激光束稳定系统7，激光驱动系统2产生能量放大的高能激光脉冲并进一步形成强激光脉冲。该强激光脉冲沿具有中空真空结构的机器人本体6内部被引导并聚焦到安装在机器人本体末端的加速器腔内的激光等离子体加速器3中，从而产生电子束。电子束聚焦系统4把电子束导向到患者病患处，光子束瞄准系统5通过电子束产生高能光子束，从而进行超高能电子束或光子束放射治疗。机器人本体6实现从多个方向向患者病患处传播电子束或光子束。激光束稳定系统7监控激光束位置并纠正误差。以下对涉及的各个部分进行详细说明。
激光驱动系统2
如图1所示，所述激光驱动系统2包括前端1，放大器链21，脉冲压缩室22，真空泵系统24。前端1用于产生并输出低能激光脉冲10。低能激光脉冲10进入并通过放大器链21从而被放大并形成高能激光脉冲11。脉冲压缩室22中安装有脉冲压缩光学器件23，放大的高能激光脉冲11在脉冲压缩光学器件23中在时域上压缩。脉冲压缩室22由真空泵系统24抽至真空，以保持为10-3-10-4Pa的压力。经过脉冲压缩室22压缩后形成的强激光脉冲12传播到安装在所述机器人本体6末端的所述激光等离子体加速器3里。外壳29用来保护整个激光驱动系统2。
所述脉冲压缩光学器件23包括一对衍射光栅25、26，一个垂直反射器27和一个固定反射镜28，在时域上把脉冲的各种频谱分量组合在一起。产生于脉冲压缩光学器件23的输出强激光脉冲12于是具有超高能量和超短脉宽，因此其能量和脉宽可以进一步优化来加速电子束100。
激光等离子体加速器3
如图1a、图2和图4a所示，所述激光等离子体加速器包括：充有混合气体的第一气室；充有纯净氢气或氦气的第二气室；气体流量控制系统。
在脉冲压缩室22压缩的强激光脉冲12在激光等离子体加速器3的入口由球面反射镜或离轴抛物面反射镜15聚焦。被称作注入级的第一气室31填充有混和气体33，例如由98％氦气和2％氮气组成的氦氮混合气体。被称作加速级的第二气室32填充有如氢气或氦气的纯净气体34。这些气体在气体流量控制系统30的控制下分别以不同的压力通过接头35传播到激光等离子体加速器3。第二气室32的长度可由动力元件36驱动波纹管结构37来调整。
如图4a所示，激光等离子体加速器3安装在多自由度调整台38上方，例如商品化的Hexapod六轴精密平台。激光等离子体加速器3与强激光脉冲12的位姿对准通过多自由度调整台38来完成。穿过激光等离子体加速器3的残余的强激光脉冲12最后被安装在多自由度调整台38底部的激光吸收器39吸收。
如图2和图4a所示，在第一气室31中，所述的强激光脉冲12激发大振幅等离子体尾波场，其中的加速电场可以捕获等离子体内层电子并用电离诱导注入加速电子。强激光脉冲12在第二气室32中产生100GV/m量级的等离子体尾波场。在第一气室31中预加速的电子束100在第二气室32中被进一步加速到1GeV级别。
图3说明了尾波场激发和在尾波场中捕获并加速电子的物理过程300。当强激光脉冲12在第一气室31的中性混合气体33中传播时该产生尾波场。图3中，等离子体电子密度变化曲线表示在上部的图301中，激发的纵向尾场表示在下部302中。
如图3中部的300所示，氦和直到N5+的外层电子在光强为1.5×1016W/cm2的强激光脉冲12前沿完全电离并在强激光脉冲12外围形成等离子体电子，强激光脉冲12的边界在图中用细点线303表示。由于N6+和N7+的两个内壳层(K壳层)电子需要用光强高于1×1019W/cm2的激光电离，因此内壳层电子仅在强激光脉冲12的峰值光强附近电离。具有归一化激光场(a0≈0.855×10-9I1/2[W/cm2]λL[μm]＝2，其中I[W/cm2]为光强，λL[μm]为激光波长)的强激光脉冲12的强度图用粗点线304表示。在图上部的301中，粗实线305表示沿传播轴的氮电离进展程度(已电离的氦原子的电子数量)。包括电离自N6+和N7+的内壳层电子的等离子区域的边界用细虚线306表示。
在细点线303边界内的等离子体电子被相对强度为a0>>1的强激光脉冲12的辐射压力(有质动力)推开，并在激光脉冲后面形成一个窄电子鞘包围着类球形的离子区，也经常被称作电子空泡307。这种电荷分离产生100GV/m量级的强纵向电场308，等离子体电子密度为1018cm-3，比常规的射频加速器的加速电场在幅值上高三个数量级。在电子空泡307中，电子同时承受着强聚焦力。因此，一旦电子束100被捕获到电子空泡307中，它们会被迅速的在1cm的长度内加速到1GeV级别的高能。
所述的电离自N6+和N7+的内壳层电子靠近电子空泡中心，在这里尾波势能具有最大值，激光脉冲的有质动力最小。预电离的自由电子的轨迹多是沿电子空泡外部的窄鞘运动，相反地，电离自内壳层的电子靠近电子空泡轴移动到电子空泡尾部，那里尾波势能最小，如果电子获得足够的动能，它们最后将被捕获进尾波场，如电子轨迹309所示。但是轨迹310所示的电子，偏离轴向并且电离较早，会滑离势阱不会被捕获。这个被称作电离诱导注入的机制在强度低至混和气体的内壳层电子的光场电离阈值时均可发生，并且极大的增加捕获电荷。由于捕获发生在靠近空泡轴附近，相比于源自电子鞘的自由注入，振荡的幅度在捕获后有所降低。参考电离诱导注入的理论分析，为了捕获在激光电场的峰值处电离的电子，最小的激光强度必须为其中为洛仑兹因子，βp为等离子体尾波的相速度。为使电子在激光包络前端被捕获，强度必须a0≥1.23，此时γp＝33。
电子束聚焦系统4和光子束瞄准系统5
如图1a和图4a所示，所述电子束聚焦系统4具有提供薄层笔形波束输出的部件，该部件采用四极永磁铁阵列。从激光等离子体加速器3输出的电子束100通过电子束聚焦系统4的四极永磁铁阵列准直后传播至患者200的病患处，形成薄层笔形波束。该电子束聚焦系统4安装在等离子体加速器3外部的转接器41中，电子束聚焦系统4在不破坏等离子体加速器3的真空情况下可进行伸缩。
图5展示四极永磁铁阵列结构，由12块对称布置的Halbach型四极永磁铁(PMQ)43、44组成磁铁阵列42，包括中心空腔45和外空腔46，以及支架47用于支撑和定位。
四极磁场是由四个具有高剩磁材料的径向楔形永磁铁43组成，其如Nd2Fe14B或SmCO等，其磁化方向由箭头表示。外磁场闭合由另外八个楔形永磁铁44形成。由于四个主要楔形块被强烈吸向四极中心，必须借由非磁材料精密空心圆柱插入磁铁阵列42的中心空腔45和外空腔46来获得机械位置精度和磁场准确性。
如图6所示，电子束聚焦系统4包括两或三组磁铁阵列42。如图5所示，二维Halbach型四极永磁铁(PMQ)的磁场梯度为B’＝2Br(ri -1-ro -1)，其中Br为尖端场强度，ri为内孔半径，ro为PMQ的外半径。对于PM为N50级的钕铁硼型稀土磁铁(Nd2Fe14B)，如果Br＝1.45T且ri＝2.5mm，可得磁场梯度为B’＝1160[T/m](1-2.5/ro[mm])。
如图6所示，安装在电子束聚焦系统4外壳40内的两或三组磁铁阵列42，组成双元组(FD)或三元组(FDF)结构。真空直线移动系统48与直线导轨49均与电子束100纵轴向平行且都固定在外壳40内部，所有磁铁阵列42均穿过并且可以沿直线导轨49直线移动。直线移动系统48的数量与磁铁阵列42的数量一致，并且每个直线移动系统48只控制一个且不同的磁铁阵列42沿电子束100纵轴向的位置，由计算机分别调整并优化。直线导轨49保证磁铁阵列42的结构对齐及刚度。
如图1b和图4b所示，光子束瞄准系统5包括安装在其内部的轫致辐射转换靶51和准直器52，由激光等离子体加速器3产生的电子束101入射到轫致辐射转换靶51和准直器52产生光子束101。光子束瞄准系统5与电子束聚焦系统4可以通过简易方式拆装并更换使用。
机器人本体6和加速器腔8
来自脉冲压缩室22的强激光脉冲12通过机器人本体6传播至安装在机器人本体6末端的加速器腔8中，进而聚焦到激光等离子体加速器3的入口，最终产生电子束100或光子束101。机器人本体6能够操控并调整电子束100或光子束101的位置及姿态实现对患者200的放射性治疗。同时，在治疗床201的运动配合下，机器人本体6也能够操控所述电子束100实现精细扫描治疗。
激光束稳定系统7沿机器人本体6内部臂架及轴线布置，使得强激光脉冲12的传播方向始终与机器人各个关节的转动轴线重合。机器人本体6的内部为中空真空结构，由真空泵系统24抽至真空，以保持为10-3-10-4Pa的压力。
机器人本体6具有多种形态。图1a是使用多关节机械臂实现机器人本体6的示意图。图9是通过并联机器人方式实现机器人本体6的示意图。
如图1a所示，所述的机器人本体6包括基座60，回转台61，回转驱动62，第一转轴63，第二转轴64，臂架65，第三转轴66。其中回转驱动62安装在回转台61上，实现回转台61相对于基座60也就是第一转轴63的转动。第二转轴64连接回转台61与臂架65实现相对转动，第三转轴66连接臂架65与加速器腔8实现转动。第二转轴64与第三转轴66都采取外置的类似62的驱动系统。根据具体实现，转轴的数量可以增加或减少，本发明内容并不局限于此。
图9显示另一种并联机器人方式实现的机器人本体6。通过多个臂架65和回转轴68的反复串联形成导光臂67，并在导光臂67两端分别与脉冲压缩室22和加速器腔8连接形成彼此连通的内部中空真空结构，由真空泵系统24抽至真空，以保持为10-3-10-4Pa的压力。多个并联驱动单元69安装在加速器腔8外部，可以通过商品化的电动推杆等动力元件进行实现。通过控制并联驱动单元69的相对长度实现对加速器腔8，也就是电子束100或光子数101，相对于患者200的位置及姿态调整。根据具体实现，臂架65，回转轴68，以及并联驱动单元69的数量可以不同，本发明内容并不局限于此。
如图1a和图4a所示，加速器腔8安装在机器人本体6的末端。加速器腔8内部主要有直线导轨81，基座结构82，真空窗80，反射镜14，离轴抛物面反射镜15，激光等离子体加速器3，多自由度调整台38和激光吸收器39。其中基座结构82固定在加速器腔8内部，直线导轨81安装在基座结构82上，由此防止直线导轨81在加速器腔8抽至真空时变形。反射镜14，离轴抛物面反射镜15，激光等离子体加速器3，多自由度调整台38和激光吸收器39均同轴方式安装在直线导轨81上，使得横向和纵向对齐容易调节并确保精度。其中反射镜14位于强脉冲激光12的入口对面，离轴抛物面反射镜15位于加速器腔8的顶部，激光等离子体加速器3安装在多自由度调整台38的上方，激光吸收器39安装在多自由度调整台38的底部，激光等离子体加速器3和多自由度调整台38以及激光吸收器39共同位于加速器腔8的底部，强脉冲激光12进入加速器腔8后由放射镜14反射到离轴抛物面反射镜15并在激光等离子体加速器3的入口处聚焦。真空窗80安装在加速器腔8底部出口，以把真空光学系统和激光等离子体加速器3相对于外部空气和患者200分隔开。因为角度的明显扩散将影响光束性能和临床准确度，真空窗80使用例如铍等低原子序数元素的薄箔。
激光束稳定系统7
由于机器人本体6的运动和弹性形变导致的真空光学系统的偏准可通过激光束稳定系统7进行纠正，如图1a和图8所示。强激光脉冲12在脉冲压缩室22内从固定反射镜28传输到由反射镜13、14和离轴抛物面反射镜15等组成的真空光学系统后到达激光等离子体加速器3的入口。反射镜13用于调整强脉冲激光12的传播方向，与强脉冲激光12的传播轴成45度角布置。例如氦氖激光的激光源70提供校准光束71。使用CCD摄像头72检测各个反射镜透射出来的校准光束71的位置。通常，一旦机器人本体6的运动或弹性形变导致校准光束71在某个反射镜处有位移，该反射镜将会通过集成在反射镜支架73上的两个或三个精密电机74，例如压电电机，来调整其自身的位置和姿态，以保证强脉冲激光12能够准确的对焦到激光等离子体加速器3的入口，如图7a和7b所示。这个检测激光束在每个反射镜上的位置然后校正相应反射镜的位置和姿态的过程将一直被重复直至激光束位置稳定。
在本发明的激光等离子体加速器驱动的超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统的具体实施例中，根据具体要求，提供了不同电子束能量，例如：50兆电子伏、100兆电子伏、150兆电子伏、200兆电子伏和250兆电子伏。电子束电量的要求是由放射治疗计划决定的，例如，10cc肺肿瘤的治疗需要100兆电子伏电子在1秒内10戈瑞的剂量。由此可以推算出包括强激光脉冲12的波长或能量，以及激光等离子体加速器3在内的各种具体参数要求。本发明内容并不局限于具体的技术参数配置。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (12)
1.一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，包括以下部分：
激光驱动系统，形成强激光脉冲；
激光等离子体加速器，激光驱动系统产生的强激光脉冲被引导并聚焦到激光等离子体加速器，从而产生电子束；
电子束聚焦系统，用于将来自激光等离子体加速器的电子束导向到患者病患处，从而进行超高能电子束放疗；
光子束瞄准系统，用于把来自激光等离子体加速器的电子束产生治疗用的高能光子束；
机器人本体，其内设有真空光学系统，所述强激光脉冲在真空光学系统中被引导并聚焦到上述激光等离子体加速器；
激光束稳定系统，在真空光学系统中监控激光束位置并纠正它们的误差。
2.根据权利要求1所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述激光等离子体加速器包括：
充有混合气体的第一气室，用来电离气体产生等离子体和电子；
充有纯净氢气或氦气的第二气室，用来加速电子；
气体流量控制系统；
激光驱动系统输出的强激光脉冲由球面反射镜或离轴抛物面反射镜聚焦后进入激光等离子体加速器，强激光脉冲在第一气室电离混合气体产生等离子体和电子、强激光脉冲在第二气室继续产生并加速电子，气体流量控制系统分别以不同的压力控制并输送气体进入第一气室和第二气室中。
3.根据权利要求2所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述激光等离子体加速器的第二气室长度由动力元件驱动波纹管结构来调整以控制电子束能量。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述激光等离子体加速器的位姿对准通过多自由度调整台来完成。
5.根据权利要求1所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述电子束聚焦系统具有提供薄层笔形波束输出的四极永磁铁阵列结构。
6.根据权利要求1或5所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述电子束聚焦系统在不破坏等离子体加速器的真空情况下可进行伸缩。
7.根据权利要求6所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述电子束聚焦系统和光子束瞄准系统为可拆卸安装方式，方便拆装和更换使用。
8.根据权利要求1所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述机器人本体末端设有加速器腔，激光等离子体加速器安装于加速器腔内，来自激光驱动系统的强激光脉冲通过机器人本体传播至加速器腔中，进而聚焦到激光等离子体加速器的入口，最终产生电子束或光子束。
9.根据权利要求1或8所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述机器人本体是多关节机械臂或并联机器人或机器人转台，所述机器人本体可以从多个方向向患者病患部位传播电子束或光子束，并能够结合治疗床和激光束稳定系统，提供笔形线束的光栅扫描。
10.根据权利要求1-3任一项所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述激光束稳定系统沿机器人本体内部臂架及轴线布置，用以监控激光束位置并纠正误差，使得强激光脉冲的传播方向始终与机器人各个关节的转动轴线重合。
11.根据权利要求1-3任一项所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，所述的激光等离子体加速器、真空光学系统、激光束稳定系统均安装在真空环境中，并且所述的机器人本体内部为中空真空结构，由真空泵系统保持其一定的真空压力。
12.根据权利要求1-3任一项所述的一种超高能电子束或光子束放射治疗机器人系统，其特征在于，电子束或光子束放射照射的时长从单脉冲照射到连续照射可控，该时长快于人体的呼吸间隔，或者小于心跳间隔，或者小于激光驱动脉冲的单个脉冲脉宽。
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