CN105288871A - 一种粒子照射装置和粒子治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粒子照射装置及治疗系统，用于向肿瘤靶区照射粒子束，包括治疗头和照射控制系统，该治疗头包括波纹管、第一扫描磁铁、第一真空盒、第二扫描磁铁、第二真空盒、束斑尺寸调节器、真空窗束流监测模块，束流监测模块的下游设有可活动连接的脊型过滤器、射程补偿器及准直器等；脊型过滤器具有固定装置和本体以及与照射控制系统连接以在照射实施中带动本体沿其高度或厚度变化方向移动的位置调节装置。照射控制系统控制第一扫描磁铁和第二扫描磁铁将所述粒子束偏转至所述肿瘤靶区的对应位置，控制束流监测模块监测粒子束的剂量和位置信息。本发明使得医生可以根据临床需要，在同一装置上既可进行二维也可进行三维照射治疗。

Description

一种粒子照射装置和粒子治疗系统

技术领域

本发明涉及癌症的放射线治疗技术领域，尤其涉及一种粒子照射装置和粒子治疗系统。

背景技术

粒子放疗是目前世界上最先进的癌症治疗手段之一。与通常的光子放疗(X射线放疗)相比，粒子被照射到病人体内时，将在粒子射程终端形成最大剂量峰值，即，形成所谓的布拉格峰(BraggPeak)。因而通过精密控制粒子束流能量和粒子束照射位置，可以将高剂量粒子集中照射到目标肿瘤靶区内，同时将对目标肿瘤周围的正常组织和正常器官的不利照射剂量降低到最少，从而实现比X射线放疗更加适形的剂量分布，提高肿瘤的治疗效果，降低副作用。

通常，粒子治疗系统由粒子加速器、粒子输运系统、粒子照射系统、病人定位和验证系统、照射控制系统以及治疗计划系统构成。粒子加速器产生的粒子束流通常束斑大小为10毫米以下，因而当需要将粒子束均匀地照射到比如直径为10厘米的肿瘤靶区时，则需利用粒子照射装置，将束斑直径只有不到1厘米的粒子束扩大到10厘米范围，同时需要照射不同能量的粒子束流，以将原本只有数毫米宽的布拉格峰扩展到肿瘤靶区沿照射方向的厚度相当的宽度，从而在三维的肿瘤靶区形成均匀的三维适形的剂量分布。

实现上述三维适形的剂量分布通常有两种照射方法，分别为二维照射方法和三维照射方法。其中，二维照射方法也称散射体法，其主要形式是利用称为摇摆磁铁的一对偏转方向正交的二极电磁铁，使从粒子加速器输送过来的粒子束按计划的轨迹扫描，形成固定的轨迹(比如圆形或之字形(ZigZag形)等轨迹，或者形成按治疗计划给出的轨迹)；同时，在粒子照射系统内安装散射体，用以将粒子束斑扩大到直径为数厘米，这样可以在肿瘤靶区位置形成均匀的横向(假设沿照射方向为纵向或深度方向)剂量分布，但该分布并非只限于肿瘤的区域，因而还需要通过按治疗计划计算给出的二维形状制作的准直器(PatientCollimator)或多叶准直器(MLC)除去不需要的粒子束，最终形成与肿瘤对应的照野形状完全一致的二维横向分布。在二维照射方法中，关于肿瘤深度方向的剂量分布形成，一般使用称为脊型过滤器(RidgeFilter)的布拉格峰展宽装置，其安装在摇摆磁铁之后但距离病人较远的位置。此外，二维照射方法还需要设置射程补偿器(RangeCompensator)来调整照射到肿瘤靶区不同横向位置的各粒子束流的射程，以使它们都能停止在对应该照射位置的肿瘤靶区的最深部位，从而可以实现肿瘤底部适型。利用摇摆磁铁扫描固定轨迹以及过滤器和准直器或多叶光栅来形成照野的方法的基本原理在实用新型ZL200620164842.1“重离子束对肿瘤靶区的三维适型照射装置”中有描述。在非专利文献ReviewofScientificInstruments64(8)August1993，page2055-2122中也有详细描述。

三维照射方法也称为扫描照射方法，其主要利用扫描磁铁和扫描电源、真空盒以及真空窗、束流位置和剂量监测用电离室及信号处理电路、束流射程微调装置、以及照射控制系统等实现。三维照射方法的工作原理是将肿瘤靶区划分为很多小的区域，然后通过控制扫描电磁铁的电流来使各粒子束照射到指定的小区域，其中，每个粒子束形成一个三维的子剂量分布。通过控制每个照射区域(照射点)的照射粒子数即可得到一个总的三维剂量分布，以使总的三维剂量分布与三维肿瘤靶区适型，即可以减低对周围正常组织的不利剂量。三维照射方法在非专利文献ReviewofScientificInstruments64(8)August1993，page2055-2122中有详细描述。

在现有治疗照射技术中，三维照射方法具有剂量分布适形度高，无需为每个病人制作专用的射程补偿器和准直器等优点，但是，在治疗肺癌等随病人呼吸运动的器官上的肿瘤时，会带来照射时间较长的缺点。所以，对于头颈部和前列腺等不随呼吸运动的器官的治疗，三维扫描照射是较理想的方法。另一方面，二维照射方法具有照射时间短的优点，对于上述随呼吸运动的器官比较容易采用呼吸同步照射技术实现较好的治疗。但是，二维照射所形成的三维剂量分布对于靶区的适形度较三维扫描照射的剂量分布差一些；而且，二维照射需要针对每个病人(每个照野)制作射程补偿器等器件。然而，现有技术的粒子治疗装置只能提供二维或者三维照射方法中的一种，而且该治疗装置相当昂贵，一般医院很难做到同时配备适用二维和三维照射的装置，这样就限制了医生针对不同病人不同患部情况选择最佳照射方法的自由，达不到最佳治疗效果。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种能够既可以实现二维照射又可以实现三维照射的粒子照射装置，使得医生可以根据临床需要，利用一台设备可针对病人具体情况选用二维照射和三维照射方法中的一种进行治疗，以达到最佳治疗效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种粒子照射装置，用于向肿瘤靶区照射粒子束，其包括治疗头和照射控制系统，其中，所述治疗头包括：从粒子束上游到下游依次设置的波纹管、第一扫描磁铁和电源、第一真空盒、第二扫描磁铁和电源、第二真空盒、束斑尺寸调节器、真空窗，设置于第二真空盒下游的束流监测模块、设置于束流监测模块下游的拥有活动连接机构和连接状态传感装置的脊型过滤器、拥有活动连接机构和连接状态传感装置的射程补偿器，以及拥有活动连接机构和连接状态传感装置的准直器，所述照射控制系统与第一扫描磁铁及电源、第二扫描磁铁及电源、束斑尺寸调节器、束流监测模块、脊型过滤器和脊型过滤器的活动连接机构的连接状态传感装置、射程补偿器的活动连接机构的连接状态传感装置，以及准直器活动连接机构的连接状态传感装置相连接，其中，所述脊型过滤器包含脊型过滤器固定装置和脊型过滤器本体、以及与所述照射控制系统连接以在照射实施中带动所述脊型过滤器本体沿其高度或厚度变化方向移动的位置调节装置。

优选地，所述照射控制系统具有设置为接收外围输入的治疗指令，并根据所述治疗指令控制所述束斑尺寸调节器和控制所述第一扫描磁铁和第二扫描磁铁按照相应的二维或三维扫描方式将所述粒子束偏转至所述肿瘤靶区的对应位置。

更优地，所述照射控制系统具有设置为接收所述脊型过滤器的活动连接机构的连接状态传感装置的信号、射程补偿器的活动连接机构的连接状态传感装置的信号，以及准直器活动连接机构的连接状态传感装置的信号，所述照射控制系统根据所述连接状态传感装置信号的有无给出可执行治疗指令的种类(二维或三维照射治疗指令)。

其中，所述束斑尺寸调节器包含自第二真空盒的侧壁上径向向外延伸的突起部，该突起部具有与所述第二真空盒连通的容纳腔，一可伸缩进入束流路径的散射体。

此外，所述照射控制系统控制所述位置调节装置的运动包括根据外围输入的周期运动指令带动所述脊型过滤器本体在预定范围内做周期运动。

特别地，所述脊型过滤器本体在预定范围内做周期运动的周期大于所述粒子束的扫描周期且为所述粒子束的扫描周期的二分之一的非整数倍。

优选地，所述照射控制系统按所述束流剂量监测电离室在照射中所测到的剂量信息来控制所述脊型过滤器位置调节装置的运动。

特别地，所述活动连接结构为卡扣连接结构或螺纹连接结构。

优选地，所述位置调节装置包括一横向穿过所述脊型过滤器固定装置且一端与所述脊型过滤器本体螺纹连接的螺杆、以及一连接在所述螺杆的另一端的第一微型马达。

所述位置调节装置还可包括一横向穿过所述脊型过滤器固定装置且一端与所述脊型过滤器本体固定连接的第一连杆、一平行于所述第一连杆且一端与所述第一连杆的另一端铰接的第二连杆、一垂直于所述第二连杆且一端与所述第二连杆的另一端固定连接的第三连杆、以及一连接在所述第三连杆的另一端的第二微型马达。

优选地，所述脊形过滤器本体包括若干并排设置的锯齿形结构，该锯齿形结构可由塑料材料或者轻元素金属材料制成，所述塑料材料包括有机玻璃，所述轻元素金属材料包括铝。

进一步地，所述脊形过滤器本体还包括至少覆盖在若干所述锯齿形结构顶面的保护窗；或所述脊形过滤器本体还包括覆盖在若干所述锯齿形结构底面的保护窗。

本发明另一方面在于提供一种粒子治疗系统，其包括前述的粒子照射装置，还包括：

将粒子束加速至预定能量的粒子加速器；以及

连接在所述粒子加速器与所述粒子照射装置的波纹管之间的粒子输运系统。

通过上述技术方案，本发明具有如下优点：

(1)通过增设散射体进出束流机构以及在电离室支架下端增设活动连接结构，并通过对照射控制系统进行相应设置，从而可以通过调节散射体进出束流机构以及加装脊型过滤器、射程补偿器和准直器，使得基于实现三维照射模式的粒子照射装置进一步具有实现二维照射模式的功能，进而实现用同一个粒子照射装置实现两种照射模式的目的。因此医生可以根据肿瘤的情况，选择最佳治疗模式，提高治疗效果。

(2)由于本发明可以将真空窗的位置安装在距离患者体表较近的位置，因而在三维扫描照射模式时可以实现较小的束斑，实现高精度扫描照射。

(3)由于采用了具有位置调节装置的脊型过滤器，可以保证脊型过滤器在距离靶区较近的条件下，也能实现和横向位置关系不大的均匀展宽布拉格峰(SOBP:Spread-Out-Bragg-Peak)分布。

附图说明

图1为本发明的粒子照射装置在二维照射模式工作时其治疗头的结构示意图；

图2为按照本发明一个实施例的脊型过滤器与照射控制系统相配合的结构示意图；

图3为按照本发明一个实施例的粒子束穿过脊型过滤器的结构示意图，其中该脊型过滤器与图2中的区别在于脊型过滤器本体往右偏移；

图4为脊型过滤器与肿瘤靶区距离较远时的粒子束传输图；

图5为脊型过滤器与肿瘤靶区距离较近时的粒子束传输图；

图6为按照本发明另一个实施例的脊型过滤器与照射控制系统相配合的结构示意图；

图7为本发明另一个实施例的脊型过滤器的结构示意图，其中，该脊型过滤器与图6中的区别在于脊型过滤器本体往左偏移；

图8为图6和7中的脊型过滤器的立体结构示意图。

图9为本发明的粒子照射装置在三维照射模式工作时其治疗头的结构示意图。

图中：1、波纹管；2、第一扫描磁铁；3、第二扫描磁铁；4、第一真空盒；5、第二真空盒；51、突出部；6、真空窗；7、束斑尺寸调节器；8、散射体；9、扫描磁铁架；10、治疗头支架；111、电离室支架；112、活动连接结构；11、束流位置电离室；12、束流剂量电离室；13、脊型过滤器；14、射程补偿器；15、准直器；16、病人体表面；17、肿瘤靶区；18、输运磁铁；19、粒子束；20、螺杆；21、脊型过滤器本体；22、第一微型马达；23、第一微型马达驱动线；24、脊型过滤器固定装置；25、照射控制器；26、电离室控制器；27、螺孔；30、马达驱动控制器；31、第一连杆；32、第二连杆；33第三连杆；34、第二微型马达；35、第二微型马达驱动线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举优选实施例进行说明。图中同一附图标记所指示的部件具有相同或等同的意思，表示同一或等同的部件。

本发明的粒子照射装置包括治疗头和照射控制系统。图1示出了本发明的粒子照射装置在二维照射模式工作时，其治疗头的结构示意图。如图所示，该粒子照射装置的治疗头包括从上至下依次同轴设置的一波纹管1、一带有电源与电源控制器(图中未示)的第一扫描磁铁2、一第一真空盒4、一带有电源与电源控制器(图中未示)的第二扫描磁铁3、一第二真空盒5、一束斑尺寸调节器7、一真空窗6、以及一由束流位置电离室11和束流剂量电离室12构成的设置于第二真空盒下游的束流监测模块，该模块支撑在下端设有活动连接结构112的电离室支架111上。具有活动连接机构和连接状态传感装置(图未示)的脊型过滤器13、具有活动连接机构和连接状态传感装置(图未示)的射程补偿器14和具有活动连接机构和连接状态传感装置(图未示)的准直器15依次可拆卸地安装在束流监测模块下游。以上这些部件整体由一治疗头支架10支撑，该治疗头支架10内还设有用于支撑第一扫描磁铁2和第二扫描磁铁3的扫描磁铁架9。

而照射控制系统与第一扫描磁铁2及电源、第二扫描磁铁3及电源、束斑尺寸调节器7、束流监测模块、脊型过滤器13和脊型过滤器的活动连接机构的连接状态传感装置、射程补偿器14的活动连接机构的连接状态传感装置，以及准直器15活动连接机构的连接状态传感装置相连接。

其中，第二真空盒5设有径向向外延伸的突起部51，该突起部51具有与第二真空盒5连通的容纳腔，一可伸缩的束斑尺寸调节器7径向穿过容纳腔设置。如图1所示，该束斑尺寸调节器7包括一伸缩杆70，其一端伸入容纳腔，另一端伸出容纳腔外；在伸缩杆70一端连接一散射体8，在伸缩杆70的另一端连接一电机71，该电机71可带动伸缩杆70伸缩，以使散射体8在二维照射模式下位于第二真空盒5的中心位置，在三维照射模式下则位于容纳腔51内。

在本实施例中，束斑尺寸调节器7在电机71的带动下将散射体8伸入第二真空盒5进入束流，从而调节照射在肿瘤靶区的粒子束的横向分布。其中，用于容纳散射体而在第二真空盒5的侧壁上设置的径向向外延伸的突起部51也可采用其他替换方式，只要散射体8可在三维照射方式下退出束流即可。

如图1所示，通过安装在真空窗下方的束流监测模块，以及与该束流监测模块活动连接的脊型过滤器13、射程补偿器14和准直器15达到粒子束与肿瘤靶区的适形。当需要三维照射时，从电离室支架111上拆下脊型过滤器13、射程补偿器14和准直器15即可。其中脊型过滤器13与电离室支架111的活动连接结构112为卡扣连接结构，该卡扣连接结构也可以由螺纹连接结构或者其他任何一种可拆卸的机械连接结构替换。

如图2和图3所示，脊型过滤器包括脊型过滤器固定装置24、一设置在脊型过滤器固定装置24中的脊型过滤器本体21以及一带动脊型过滤器本体21沿其厚度(即高度)变化方向移动的位置调节装置。其中，脊型过滤器本体21包括若干连续设置的锯齿形结构，因而其高度随锯齿的形状而呈周期性变化，其一侧开设有螺孔27，用以与一穿过脊型过滤器固定装置24的螺杆20连接，该螺杆20的另一端连接一第一微型马达22。在本实施例中，位置调节装置包括螺杆20和第一微型马达22，通过第一微型马达22的正转或反转，可以带动螺杆20旋转，从而通过螺杆20的旋转来带动脊型过滤器本体21沿方向f平移。其中，该脊型过滤器本体21可以采用有机玻璃等塑料制成，因为有机玻璃材料具有透明和质量轻的特性，且不会产生电离辐射等危害，透明性还可以便于查看内部情况；此外还可以采用铝(Al)等金属材料制成，但是铝材料在束流照射时会被活化，从而有一定的电离辐射的危害。

应该理解，脊型过滤器13整体(包括脊型过滤器固定装置24，脊型过滤器本体21，位置调节装置中的螺杆20和微形马达22)可更换，其整体通过微形马达22上的接口与微型马达驱动线23连接。因而可以根据治疗肿瘤的需要选择合适的脊型过滤器13与微形马达22上的接口连接，一般来说，脊型过滤器的厚度选择是按照与肿瘤的厚度成正比来确定的。而其与马达22的插拔连接的方式便于医务人员更换和维护脊型过滤器13，节省治疗时间，提高医院治疗人数。

再次参阅图2，微型马达22通过微型马达驱动线23与一马达驱动控制器30相连，该马达驱动控制器30再与照射控制器25相连。该照射控制器25为整个粒子治疗装置的控制核心，其还通过电离室控制器26与束流剂量电离室12和束流位置电离室11相连，从而实现对束流剂量电离室12和束流位置电离室11的监控；同时照射控制器25还分别与第一扫描磁铁2的电源控制器以及第二扫描磁铁3的电源控制器相连，从而实现对第一和第二扫描磁铁2和3的控制，此外，如图1所示，照射控制器25还通过与束斑尺寸调节器7的电机71相连，而控制伸缩杆70的伸缩。上述机械部件构成了粒子照射装置的治疗头，照射控制器25、马达驱动控制器30和电离室控制器26构成了照射控制系统，治疗头与照射控制系统结合即构成完整的粒子照射装置。即，通过照射控制系统接收外围输入的治疗指令，并根据治疗指令控制束斑尺寸调节器7和控制第一扫描磁铁2和第二扫描磁铁3按照相应的扫描方式(如二维或三维扫描)将粒子束偏转至肿瘤靶区的对应位置。

由于脊型过滤器、射程补偿器以及准直器在其各自的活动连接结构上设置有传感器，照射控制系统根据传感器的信号，即可确定是否有连接部件，并且确定所连接的部件为治疗计划中所需的部件，并根据所述连接状态传感器信号的有无给出可执行的二维或三维治疗指令的种类。例如，在脊型过滤器与射程补偿器的连接处，设两个突起的感应器，当连接上射程补偿器时，该突起便被压平或射程补偿器对应位置便有相应的突起；或者，在脊型过滤器与射程补偿器的连接处，设有小型扫码装置，连接结构上有一个可被识别的条形码或二维码，感应信号或扫码信号连接到照射控制系统，照射控制系统根据传感器的信号，若确定有连接部件，并且所连接的部件为二维治疗计划中所需的部件，同时，外围输入的治疗计划也为二维照射计划时，则允许执行二维照射治疗；照射控制系统根据传感器的信号，若确定除射程微调器外，没有上述其他二维照射用的连接部件，同时，外围输入的治疗计划也为三维照射计划时，则允许执行三维照射治疗；否则，系统发出报警信号。

下面介绍上述实施例在二维照射模式时的工作原理：

首先，从粒子加速器(未示出)引出的粒子束19(此处粒子束19可以采用粒子放疗界使用最多的质子束，但本发明并不仅限于采用质子束，对其它比如碳离子束同样适用)通过粒子输运系统(未示出)运送到治疗头上游的输运磁铁18；然后经过波纹管1后依次进入第一扫描照射磁铁2、第一真空盒4和第二扫描磁铁3，该扫描磁铁2和3将按照照射控制器25的指令使粒子束19偏转到指定的位置。

粒子束19被第一、第二扫描磁铁2、3偏转后将通过束斑尺寸调节器7的散射体8，以使粒子束19在肿瘤靶区17位置附近的束斑变成比如直径约4厘米大小。粒子束19通过散射体8之后，再通过真空盒5下方的真空窗6进入束流剂量电离室12，其中束流剂量电离室12一般有两个，一个为主，一个为副，以确保监测的可靠性。束流剂量电离室12主要监测通过它的粒子束19的数目。然后，粒子束19通过束流位置电离室11，以测量被第一和第二扫描磁铁2和3偏转后的粒子束位置，并判断是否与照射控制器25事先设计好的位置有偏离。其中，照射控制器25用于控制第一、第二扫描磁铁2、3的动作，并接收束流剂量电离室12和束流位置电离室11的监测信号，从而使得粒子束19在肿瘤照射位置形成横向均匀的剂量分布。这只要预先计算好扫描点的位置以及每一点需要照射的粒子数即可实现。

然后，粒子束19进入脊型过滤器13，脊型过滤器13的作用是展宽粒子束19的能量分布，使其在肿瘤靶区17的区域形成一覆盖靶区深度方向的展宽布拉格峰，被扫描磁铁2、3偏转到不同照射位置的粒子束19会通过脊型过滤器本体21的锯齿形结构的不同位置。

应该理解，在通过脊型过滤器13之前，粒子束19直接来自粒子加速器，其能量基本上是单一的(一般能量分布范围在中心值的1％以下)，因而如果不经过脊型过滤器13，则形成的布拉格峰在相同射程深度上。当经过脊型过滤器13后，如图4所示，由于通过的锯齿结构部具有不同厚度部分，所以粒子束19有不同的能量，同时粒子束19中的粒子在经过脊型过滤器本体21出射具有一定的角度，所以在空气中经过足够的路程，即，脊型过滤器13距离肿瘤靶区17较远，比如像现有技术那样，安装在第二扫描磁铁3的近旁时，不同能量的粒子在肿瘤深度方向上交叠，则形成在肿瘤靶区深度方向的展宽布拉格峰(SOBP:Spread-Out-Bragg-Peak)。那么，当通过脊型过滤器本体21的不同厚度部分的粒子束19到达肿瘤靶区17时，它们在横向方向F已经可以充分混合，所以，在靶区17的不同横向位置，都有通过脊型过滤器本体21不同厚度位置的粒子束19，都能形成计划得到的SOBP，如图4和图5所示。

但是，如果在本发明中要实现脊型过滤器13距离肿瘤靶区17足够远，则需将脊型过滤器13放入真空盒5里，但这样非常不方便，因为这样会非常不利于根据不同靶区厚度更换不同大小的脊型过滤器13。所以本发明选择将本来设置在扫描磁铁3近旁的脊型过滤器13设在真空窗6下面，从而可以根据不同肿瘤靶区17厚度，更容易地更换脊形过滤器13。但是，由于脊型过滤器13距离肿瘤靶区17较近，如图5所示，通过脊型过滤器不同厚度位置的粒子束19在漂移到靶区17位置时，不能充分混合，因而无法形成均匀的三维剂量分布。

针对上述缺陷，本发明通过在脊型过滤器13上设置位置调节装置，并通过照射控制器25控制位置调节装置带动脊型过滤器本体21沿其厚度变化方向f(如图2和图3所示)运动，从而使得穿过同一位置的粒子在脊型过滤器本体21平移时，将会穿过锯齿结构的不同厚度。从加速器中出射的粒子束19能量基本上是单一的(一般能量分布范围在中心值的1％以下)，当粒子束19中的粒子经过脊型过滤器13后，出射具有一定的角度，形成不同能量的粒子，粒子在肿瘤深度方向上交叠，从而实现不同能量的粒子在靶区深度方向上的混合。具体在本实施例中，照射控制器25根据束流剂量电离室12的测量结果控制马达驱动控制器30，使得第一微型马达22在预先指定范围实施旋转，通过带动螺杆20旋转来驱动开设有螺孔27的脊型过滤器本体21，使其横向位置在其锯齿结构周期(比如3mm)的一半以上范围内平移。在此，马达22可以正转也可以反转。这样使得照射到肿瘤靶区17的粒子束19的能量调制结果不依赖于粒子束的横向位置，从而实现均匀照射。也就是说，通过沿脊型过滤器13厚度变化方向移动脊型过滤器本体21，并且将移动动作与束流剂量电离室12的测量值关联，使得在一个分次剂量的治疗照射中，脊型过滤器本体21的位置可以按束流剂量电离室12测到的照射剂量基本上均等分布进行调节。可将这种关联称作剂量驱动运动。举例1，束流照射肿瘤的某位置时，预定需要100个MU(机械跳数，count计数)，束流剂量电离室12在监测到50个MU时，照射控制器25根据该监测结果控制脊型过滤器本体21的位置移动到二分之一周期的位置上，照射剩下的50个MU，由此累计在该位置照射了100个MU；举例2，束流照射肿瘤的某位置，预定需要100个MU，束流剂量电离室12在监测已经照射了25个MU时，照射控制器25根据该监测结果控制脊型过滤器本体21移动到四分之一周期的位置上，继续照射25个MU，然后控制脊型过滤器本体21移动到二分之一周期的位置上，照射25个MU，最后控制脊型过滤器本体21移动到四分之三周期的位置上，照射25个MU，由此累计在该位置照射了100个MU，从而实现一个相关联的运动。据此，根据预先设计好的照射计划，实现目标靶区所必须受到的均匀的三维剂量照射。另外，在二维照射模式下，脊型过滤器本体21的运动也可以与束流剂量电离室12的测量结果无关联，具体来说，位置调节装置可以通过外围输入的周期运动指令直接带动脊型过滤器本体21沿其厚度变化方向在预定范围内反复移动，其运动周期大于粒子束19的扫描周期且为该扫描周期的二分之一的非整数倍，如果成整数倍，则会形成共振，而导致粒子束照射剂量的非均匀性，由此实现一个非关联运动。这种情况下，需要脊型过滤器本体21动的足够快，以实现不同能量的粒子在靶区深度方向上的混合，防止剂量出现周期性的非均匀情况。

实际上，图2和图3均为脊型过滤器13的结构示意图，只是脊型过滤器本体21的位置在微型马达22的驱动下有了改变。一般脊型过滤器的锯齿结构的高度变化周期由于加工精度限制，不能做的太小，一般在2mm到5mm左右。这个高度变化周期值越大越容易精密加工，但照射过程中脊型过滤器本体需要移动的范围也相应大一些。如图1所示，本发明的脊型过滤装置安装在电离室12和11的下方，并且可以容易地拆卸下来，以更换对应不同SOBP宽度的脊型过滤器，照射使用的SOBP宽度由治疗计划给出。

在如图6-8所示的另一个实施例中，脊型过滤器13的位置调节装置为另一种形式，包括第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33和第二微型马达34。第二微型马达34通过第二微型马达驱动线35与马达驱动控制器30连接，这时通过照射控制器25根据束流剂量电离室12的测量结果，控制马达驱动控制器，通过一种“曲柄滑块机构”的传动模式，使得第二微型马达34在预先指定范围实施旋转，通过第三连杆33的旋转来驱动第二连杆32和第一连杆31，从而使脊型过滤器本体21的横向位置在其位置调节范围(脊型过滤器厚度变化空间周期一半以上)内平移运动。图7和图8为相同内容的示意图，只是脊型过滤器本体21的位置在第二微型马达34的驱动下有了改变。

优选地，该脊型过滤器本体21还包括覆盖在其锯齿形结构顶面(即尖端一面)的采用有机玻璃或塑料薄膜等透明材质制成的保护窗(未示出)，还可以包括覆盖在其锯齿形结构底面的保护窗，以防止灰尘进入和意外碰撞，同时更易观察内部结构是否正常，确保性能。

再如图1所示，在脊型过滤器13下方安装有射程补偿器14，在射程补偿器下方安装有准直器15，射程补偿器14和准直器15都是根据治疗计划的计算结果加工制作后，在照射时安装到治疗头上使用。射程补偿器14的作用是将照射到肿瘤靶区17的不同横向位置的粒子束19的停止位置调整到正好是靶区17的最深位置。准直器15的作用是挡去照射到肿瘤靶区17范围外的粒子束19，并在肿瘤靶区17形成高剂量区。这样，本发明中的治疗头将形成SOBP的脊型过滤器13放在真空窗6下方，与现有技术的脊形过滤器位置相比，距离病人较近的位置，通过本发明对脊型过滤器13的改进，能够实现在靶区17位置的与粒子束19照射位置无关的展宽SOBP。由于真空窗5的位置可以设计得距离病人体表16较近，当需要选择三维扫描照射模式时，就可以得到小的束流束斑，实现精确扫描照射。现在将三维扫描照射模式具体动作描述如下：

利用本发明的装置实施三维扫描照射时，装置中治疗头的结构由图1的结构变成图9的结构。图9和图1的区别在于，束斑尺寸调节器7通过照射控制器25的控制将散射体8移到粒子束19的通过路径和范围外(即移动到突出部51的容纳腔内)，使得粒子束19不受散射体8的影响，从而得到小的束流束斑。此外，图1的治疗头中最下端的脊型过滤器13、射程补偿器14和准直器15被拆除。在照射控制器25的控制下，第一、第二扫描磁铁2、3将粒子束19偏转到治疗计划制定的靶区17中的对应位置，被偏转后的粒子束19通过真空窗6，通过束流剂量电离室12和束流位置电离室11，然后照射到肿瘤靶区17。对肿瘤靶区17中每一指定的照射点完成治疗计划指定的粒子数后，束流剂量电离室12发出剂量部分已满信号给照射控制器25，照射控制器25将照射位置切换到下一个照射点，重复上述过程，直到所有的计划照射点均得到计划的照射粒子束。这里每一个照射点除了具有由第一、第二扫描磁铁2、3控制的照射位置(x,y)参数以外，还具有粒子束19的能量参数，其通过调节粒子加速器的引出能量或者设置于粒子输运系统中的能量调节器(未示出)来切换。能量参数也是根据治疗计划的计算结果来设定和控制。由于某些加速器对粒子加速的机制，使得粒子能量不是连续的，在束流通过束流剂量电离室12和束流位置电离室11后，通过安装射程微调器(未示出)来弥补能量不连续的问题。并且根据肿瘤处于身体的部位不同，射程微调器距离肿瘤的距离可变，比如头颈部肿瘤，距离20cm，而胸腹部肿瘤，距离为40cm等。这样就可以将粒子束19的布拉格峰位置照射到由治疗计划指定的靶区内位置，形成适形于肿瘤靶区17的高剂量区。

以上所述为本发明的较佳实施方式，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均含于本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (16)

1.一种粒子照射装置，用于向肿瘤靶区照射粒子束，其包括治疗头和照射控制系统，其中，所述治疗头包括：从粒子束上游到下游依次设置的一波纹管、一第一扫描磁铁和电源、一第一真空盒、一第二扫描磁铁和电源、一第二真空盒、一束斑尺寸调节器、一真空窗，一设置于第二真空盒下游的束流监测模块、一设置于束流监测模块下游的，拥有活动连接机构和连接状态传感装置的脊型过滤器、一拥有活动连接机构和连接状态传感装置的射程补偿器，以及拥有活动连接机构和连接状态传感装置的准直器；

所述照射控制系统与第一扫描磁铁及电源、第二扫描磁铁及电源、束斑尺寸调节器、束流监测模块、脊型过滤器和脊型过滤器的活动连接机构的连接状态传感装置、射程补偿器的活动连接机构的连接状态传感装置，以及准直器活动连接机构的连接状态传感装置相连接；其特征在于，

所述脊型过滤器包含脊型过滤器固定装置和脊型过滤器本体、以及一与所述照射控制系统连接以在照射实施中带动所述脊型过滤器本体沿其高度或厚度变化方向移动的位置调节装置。

2.根据权利要求1所述的粒子照射装置，其特征在于：所述照射控制系统具有设置为接收外围输入的治疗指令，并根据所述治疗指令控制所述束斑尺寸调节器和控制所述第一扫描磁铁和第二扫描磁铁按照相应的扫描方式将所述粒子束偏转至所述肿瘤靶区的对应位置。

3.根据权利要求2所述的粒子照射装置，其特征在于：所述照射控制系统具有设置为接收所述脊型过滤器的活动连接机构的连接状态传感装置的信号、射程补偿器的活动连接机构的连接状态传感装置的信号，以及准直器活动连接机构的连接状态传感装置的信号，所述照射控制系统根据所述连接状态传感装置信号的有无给出可执行的治疗指令的种类。

4.根据权利要求1或2或3所述的粒子照射装置，其特征在于，所述束斑尺寸调节器包含自第二真空盒的侧壁上径向向外延伸的突起部，该突起部具有与所述第二真空盒连通的容纳腔，一可伸缩进入束流路径的散射体。

5.根据权利要求1或2或3所述的粒子照射装置，其特征在于，所述照射控制系统控制所述位置调节装置的运动包括根据外围输入的周期运动指令带动所述脊型过滤器本体在预定范围内做周期运动。

6.根据权利要求5所述的粒子照射装置，其特征在于，所述脊型过滤器本体在预定范围内做周期运动的周期大于所述粒子束的扫描周期且为所述粒子束的扫描周期的二分之一的非整数倍。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的粒子照射装置，其特征在于，所述照射控制系统按所述束流剂量监测电离室在照射中所测到的剂量信息来控制所述脊型过滤器位置调节装置的运动。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的粒子照射装置，其特征在于，所述活动连接结构为卡扣连接结构或螺纹连接结构。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的粒子照射装置，其特征在于，所述位置调节装置包括一横向穿过所述脊型过滤器固定装置且一端与所述脊型过滤器本体螺纹连接的螺杆、以及一连接在所述螺杆的另一端的第一微型马达。

10.根据前述权利要求之一所述的粒子照射装置，其特征在于，所述位置调节装置包括一横向穿过所述脊型过滤器固定装置且一端与所述脊型过滤器本体固定连接的第一连杆、一平行于所述第一连杆且一端与所述第一连杆的另一端铰接的第二连杆、一垂直于所述第二连杆且一端与所述第二连杆的另一端固定连接的第三连杆、以及一连接在所述第三连杆的另一端的第二微型马达。

11.根据前述权利要求之一所述的粒子照射装置，其特征在于，所述脊形过滤器本体包括若干并排设置的锯齿形结构。

12.根据前述权利要求之一所述的粒子照射装置，其特征在于，所述脊形过滤器本体还包括至少覆盖在若干所述锯齿形结构顶面的保护窗。

13.根据前述权利要求之一所述的粒子照射装置，其特征在于，所述脊形过滤器本体还包括覆盖在若干所述锯齿形结构底面的保护窗。

14.根据前述权利要求之一所述的粒子照射装置，其特征在于，所述锯齿形结构由塑料材料或者轻元素金属材料制成。

15.根据前述权利要求之一所述的粒子照射装置，其特征在于，所述塑料材料包括有机玻璃，所述轻元素金属材料包括铝。

16.一种粒子治疗系统，其特征在于，包括权利要求1-16中任何一项所述的粒子照射装置，还包括：

将粒子束加速至预定能量的粒子加速器；以及

连接在所述粒子加速器与所述粒子照射装置的波纹管之间的粒子输运系统。