CN105848714B - 使用电离辐射的辐照装置、尤其用于放射疗法和/或放射生物学 - Google Patents

使用电离辐射的辐照装置、尤其用于放射疗法和/或放射生物学 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用电离辐射的辐照装置，尤其用于放射疗法和/或放射生物学，其特征在于同时包括:‑至少一个电离辐射发射装置(MER)，‑至少一个剂量控制装置(MCD)，至少一个电离辐射剂量检测装置(MDD)，‑至少一个控制和操纵系统(SCC)，所述装置(MER，MDD，MCD)和所述系统(SCC)还以智能方式彼此互连，用于配合和形成智能的控制和调节环路，从而以受控且精确的方式并且以希望的方式，在至少0.1μs、优选地1ms的极短时间，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度，以包括于1和50MeV之间范围中的能量，以1000Gy/s以下的大剂量流量，释放至少0.01Gy的大剂量电离辐射。

Description

使用电离辐射的辐照装置、尤其用于放射疗法和/或放射生 物学
技术领域
本发明涉及一种使用电离辐射的辐照装置，尤其用于放射疗法和/或放射生物学，该辐照装置能以受控且精确的方式以及程控的方式，在例如至少0.1μs、优选地100μs、甚至1ms、还或者100ms的极短时间，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度，在包括在1MeV和50MeV能量范围之间，释放至少0.25Gy、优选地10Gy的大剂量电离辐射。
其同样还涉及一种使用电离辐射的辐照装置，其配备功率脉冲控制系统，该系统能够制造粒子束，粒子束的能量可在包括在1MeV和50MeV范围之间调节，且在至少1ns、优选地0.1μs的可调节脉冲时长(d)下以希望频率(f)被输送，且能够释放达250Gy/s、甚至达500Gy/s或甚至还达1000Gy/s的吸收剂量流量。
特别地，其还涉及一种使用电离辐射的辐照装置，尤其用于放射疗法和/或放射生物学，其中，构成该辐照装置的不同装置和系统彼此以智能方式互连，由此配合并形成尤其对功率的控制和调节环路，以便能以受控且精确的方式，在极短时间，也就是例如至少0.1μs、优选地100μs、甚至1ms或100ms的时间内，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度，在包括在1MeV和50MeV能量范围之间，释放至少0.25Gy的大剂量电离辐射。
可能地，其还涉及一种使用电离辐射的辐照装置，尤其用于放射疗法和/或放射生物学，其包括也被称为“超快速”的快速检测器，快速检测器能够在极其短的时间内，例如至少0.01ns中检测到剂量，该检测器与控制电子仪耦接，该控制电子仪能够控制在1秒的一部分(例如在至少0.1μs、优选地1μs或1ms、且优选地在小于1秒、甚至小于200ms)期间的释放的剂量。
背景技术
放射疗法是一种对癌症局部麻醉的治疗方法。它是外科中最常见的癌症疗法且能够就其本身带来明显的病痛暂时减轻。它可以被单独使用或与外科及化学疗法联合使用。其适应症与肿瘤类型、位置、病期以及靶器官的一般状况有关。在一些情况下，它因治疗期较短而具有不必卧床实施的优点，且副作用比化学疗法少。为此，放射疗法使用辐射通过影响癌细胞的再生能力来破坏癌细胞。辐照的目的在于破坏所有肿瘤细胞，并同时避免破坏周边的健康组织。
一般地，用于放射疗法和/或放射生物学的使用电离辐射的辐照装置包括：电子束或离子束的线性加速器以及在操作员所规定剂量达到时允许整体终止电离辐射发射的控制及操纵电子仪。
传统的放射疗法目前允许释放呈电子或X射线形式、具有从3MeV到25MeV能量的约1Gy剂量的电离辐射，且剂量流量约每分钟4Gy且精确度一般。
为了获得所释放辐射的剂量的约1％的精确度，已经提出解决方法。实际上，从此以后，辐照时间、所释放剂量以及准直，都由医学操作员借助信息工具与放射疗法医生配合来编程。可惜，用对剂量和/或所释放和/或所吸收剂量流量的传统检测与控制装置无法达到该精确度。实际上，这些装置的主要问题的特点在于，其不能以受控且精确的方法，以编程且智能的方式，在极短时间内，例如至少0.1μs、优选地100μs、甚至1ms、还或者100ms，以包括于1MeV和50MeV之间的能量中的能量，释放直到250Gy/s、甚至达500Gy/s、或甚至达1000Gy/s的大剂量电离辐射。
这些设备的另一主要技术问题在于，构成所述设备的不同构件不足够快速和/或彼此间不足够以智能方式互连，以致不能整体配合并构成足够快速的剂量调节与控制环路和/或足够高的剂量流量，从而以极短时间释放精确的电离辐射剂量。
特别地，这些设备的另一主要技术问题在于，所使用的检测器不够快速，这使得在极短时间标度，例如纳秒量级下，不可能检测剂量。
特别地，这些设备的另一主要技术问题在于，所使用的检测器从某个剂量流量，通常最好从10Gy/s开始饱和，这使得不可能检测极高的剂量流量，例如250Gy/s、甚至500Gy/s或者甚至1000Gy/s量级。
所面临的另一技术问题在于，剂量控制装置以及控制和操纵装置无法有效地以希望的方式和十分精确的方式在极短时间内实施规定剂量的释放。
为了在几毫秒或约一秒量级时长的辐射过程中获得良好的释放剂量的精确度，只需要使一方面把控制和操纵电子仪的检测开端与加速器的发射开端分隔开，以及另一方面把控制和操纵电子仪的检测时刻与加速器的发射停止的规定剂量的超出分隔开的时长，小于一毫秒，优选地小于几微秒。
上述提及的技术问题导致无法在极短的时长内精确释放和/或测量和/或控制大剂量离子辐射。对由靶吸收的剂量和/或剂量流量的不良控制的结果可能导致对健康细胞、组织或器官单纯而简单的破坏和副作用，可能在某些情况下对危险的器官造成有害结果。
已知现有技术的使用离子辐射的辐照设备能释放同样高达10kGy/s的剂量流量，但仅呈电子状且在能量小于或等于10MeV。
还已知现有技术的加速器包括控制系统，用于抑制在小于100μs的时间内的辐射，但其具有电离室的检测系统不足够快速，以致不能在小于100ms的时间内检测剂量流量，对剂量流量积分，对其比较并停止辐照。
如今，有必要设计尤其用于放射疗法和/或放射生物学的使用电离辐射的辐照设备的结构，其允许以受控且精确的方式，在极短时间内，也就是例如至少0.1μs、尤其是100μs、甚至1ms、甚至100ms的时间内，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度，以包括于1MeV和50MeV的范围内的能量，释放至少0.25Gy的大剂量电离辐射。
已知公开WO2007 017177提出一种放射疗法设备，其包括电子输送源，能在至少一分钟内以1Hz的重复频率提供全部照射，并以约30ns提供10Gy的单剂量。
已知公开US 2010 329413提出一种放射疗法设备，其包括一种系统和一种方法，能以可达大约10Gy/s(每秒戈瑞)甚至更大的剂量流量，释放X射线。
还已知公开US 6445766提出一种放射疗法设备，其包括用于制造电离辐射的装置。
已知公开US 7 567647和US 2008 144772提出一种放射疗法设备，其包括电离辐射的发射装置、靶、剂量检测器、剂量控制装置。
然而，所述任何文献都未公开一种特别的调节与控制环路，其智能地连接构成电离辐射发射设备的不同构件，从而以有效的方式，在极短时间，也就是至少0.1μs、优选地100μs、或者1ms甚至100ms的时间内，在包括于1MeV至25MeV之间、优选地至50MeV的能量范围中，释放至少1Gy、尤其至少10Gy的剂量。
同样，所述任何文献都未公开能在极短时间，优选地至少0.01ns内检测剂量的检测器，即超快速检测器。
此外，所述任何文献都不足以满足全部技术规范，从而在小于1秒、尤其1ms的时间内，以受控的方式在包括于1MeV至25MeV甚至50MeV的能量范围中，释放达250Gy/s，甚至达500Gy/s或进一步达1000Gy/s的电离辐射的剂量流量。
发明内容
本发明的目的在于提出一种使用电离辐射的辐照装置，尤其用于放射疗法和/或放射生物学，该装置解决了上述所提到的问题并改进了现有技术已知的使用电离辐射的辐照设备。
在以下说明中，下文所列的术语具有以下定义：
-吸收剂量：吸收剂量，或更简要地，电离辐射剂量或剂量，是指由承受电离辐射的单位质量物质所留下的能量。吸收剂量测量出由辐照沉淀的能量的单位质量密度。国际单位制中的剂量单位是戈瑞(Gy)；这是值是等于焦耳每千克的导出的单位：1Gy＝1J/kg。考虑电离辐射束辐射一个体积dV，密度p且质量dm＝pdV的元素。假设由辐射束在该元素上损失的能量为dE，吸收剂量D由以下确定：
-吸收剂量的流量：由承受电离辐射的物质在单位时间所吸收的剂量。在国际单位制中以Gy/s(每秒戈瑞)为单位。
-电子伏：符号为eV，是能量测量单位。其值被定义成一个电子经过1伏特的电位差加速后所获得的能量：1eV＝e·(1V)，其中，e是电子电荷的绝对值。
-兆-电子-伏，符号为MeV，1MeV＝106eV＝16022.10-13J。
-纳秒：国际单位制的时间测量单位，值为10-9秒，符号为ns。
-微秒：国际单位制的时间测量单位，值为10-6秒，符号为μs。
-毫秒：国际单位制的时间测量单位，值为10-3秒，符号为ms。
-秒：国际单位制的时间测量单位，符号为s。
-精确检测：量值的测度，其结果的相对不确定性十分小，最多0.01％。
-电离辐射：能够在其所穿透的物质上留下相当多能量，从而创造电离，即放出构成所述物质的原子和/分子。
-大剂量：电离辐射的剂量，按照电离辐射类型，该剂量在有生命或良好的机体上产生确定性效果，其大于靶在生命过程中所能接收的自然电离辐射剂量且大于由于人类活动的电离辐射剂量。无论电离辐射是何种类型，大剂量的特征是吸收剂量大于0.01Gy。
-智能互连：这是一种使用信息技术的互连，从而优化信息的传输和分配，且其目的在于优化电网整体链路，从而改进传输效率以及对给定要求的响应。
-希望值：一般地，这是一个选定值，由操作者通过人机界面定义和编程。
-智能控制：这是一种使用信息技术的控制，从而优化待控制的量的值、信息的传输与分配，且其目的在于优化电网整体链路的控制，从而改进传输效率以及对给定要求的响应。
本发明的目的在于提出一种使用电离辐射的辐照设备，尤其用于放射疗法和/或放射生物学，该辐照设备同时至少包括：
-电离辐射发射装置(MER)，包括：
●至少一个粒子源，至少包括：
■阴极和阳极，或等离子体，
■粒子发射启动装置，尤其是栅栏或电极或激光器，以及
■粒子束的加速装置，以及
●所述电离辐射发射装置(MER)还具有功率脉冲控制系统，被配置用于生成粒子束，也就是电离辐射，粒子束的可调整且希望的能量在包括于1MeV和50MeV之间的范围中，并且以包括于5Hz和1000Hz之间、甚至在5Hz和500Hz之间、甚至在5Hz和200Hz之间、且优选地为大约100Hz的频率(f)被输送，粒子束的可调整的脉冲时长(d)至少为1ns、优选地被包括于0.05μs和12μs之间、优选地为0.1μs；并且功率脉冲控制系统被配置用于释放至少大约0.01Gy/s的吸收剂量流量，例如包括于约0.01Gy/s和约250Gy/s之间，甚至500Gy/s，更甚至1000Gy/s的吸收剂量流量，
-电离辐射剂量检测装置(MDD)，包括检测器，检测器是与剂量控制装置(MCD)耦接的超快检测器，被配置用于极其精确地在极短时间内即至少0.01ns内并且以极高剂量流量检测电离辐射剂量，且剂量的流量允许释放至少为0.01Gy/s，例如25Gy/s，甚至50Gy/s，甚至优选地250Gy/s，更甚至500Gy/s或者更甚至1000Gy/s，
-剂量控制装置(MCD)，被配置用于控制电离辐射发射装置(MER)的启动和中止，包括：
●控制电子仪(EC)，被配置为在一秒的一部分期间即至少0.1μs、甚至100μs、甚至1ms、更甚至100ms的时间内，控制所释放的剂量，
●放大器和/或衰减器，用于放大和/或衰减由检测器发出的信号，
●积分器，在发射期间对所放大和/或衰减的信号进行积分，以及
●比较器，把所积分的信号与由操作者预设的规定剂量设定值(CDA)进行连续比较，
-控制和操纵系统(SCC)，包括：
●所述设备的不同构件的功能控制系统(SCF)，包括：
■人机界面(IHM)，
■可视化工具，以及
■实施装置，被配置用于使操作者以受控和希望的方式且以极其精确的方式一次性进行对辐射性质、电离辐射的吸收剂量流量、电离辐射发射时长、脉冲状态的编程，
所述装置(MER、MDD、MCD)和所述系统(SCC)，至少部分构成所述设备，且其还彼此以智能方式互连，用于配合并形成尤其对功率的智能控制和调节环路，被配置为以在极短时间，也就是至少0.1μs、甚至100μs、优选地1ms、甚至100ms、或例如包括于于0.1με和100ms、优选地100μs或1ms的时间内，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度，以包括于1MeV和50MeV之间的能量，释放和控制至少0.01Gy甚至0.25Gy的电离辐射剂量。
按照本发明的其它特征，电离辐射发射装置(MER)是粒子加速器，粒子加速器包括功率源和控制电子仪，即脉冲控制系统，所述控制电子仪(或脉冲控制系统)被直接连接到剂量控制装置(MCD)，从而在被吸收、检测和测得的剂量达到由操作者经由人机界面(IHM)规定且预设的值时自动停止功率源，所述人机界面(IHM)还包括操纵台(PC)和显示界面管理程序。
按照本发明的其它特征，加速装置是超高频波型，或者是感应型，或者是静电型。
有利地，辐射发射装置(MER)还包括多个加速装置，多个加速装置被串联安装并且/或者插入有使穿过一个或所述多个加速装置的粒子束偏向或循环的装置，各加速装置由至少一个功率源供电。
有利地，检测器是半导体，尤其例如是呈单晶或多晶、纯粹或掺杂形式的金刚石，或碳化硅，检测器被包括于两个极化电极之间，能经由人机界面按照检测器厚度调节的几伏电压被施加于所述极化电极的端子，检测器被配置用以在大流量剂量(至少0.01Gy/s)的情况下获得例如至少0.01ns的极短的响应时间。
传统地，半导电检测器被用于比本发明范围小的能量范围，通常在1MeV以下且已知不便于具有可变的灵敏度，从而使其特别难以适用于医疗领域。
然而，在本发明的范围中，检测器被粒子束通过并且被配置为允许监测在治疗期间向病人释放的剂量。其因此实时检测电离辐射量的整体。因此可以预计到已知的检测器一方面提供了难以翻译的信息，且尤其在所考虑的剂量范围内饱和，但令人意外地是，与本领域技术人员的偏见相反，该类型的检测器，允许在其被用于病人的电离辐射整体流量穿透的同时以既精确又快速的方式给出该流量的有效值。
在本发明范围的有效的金刚石检测器，例如由萨克莱CEA的LCD实验室(Laboratoire Capteur Diamant)开发。
对于碳化硅检测器，由专攻碳化硅的IM2NP(Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences De Provence，UMR CNRS 7334)研发者之一，提供第一批有利结果。
有利地，剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)包括：由电离辐射与检测器交互作用而产生的电流、尤其是电信号的测量装置；把所述电流转换成以吸收剂量流量为单位的转换装置；以及被配置为精确地测量在电离辐射发射过程中所累积的吸收剂量的对所述电流进行积分的积分装置。
有利地，电信号由检测器生成，所述电信号在电离辐射发射过程中由静电计测量和积分，所述电信号的积分值被直接与由操作者经由人机界面预设并且规定的剂量值比较，使得在该积分值大于或等于规定且预设的值的情况下，粒子发射启动系统的信号被终止，从而瞬间停止、阻止电离辐射发射，且在可能的情况下优选地在例如至少1ns的足够短的时间内停止高压源。
按照本发明的其它特征，检测器包括一个或多个象限或扇面或体元，所述象限或扇面或体元各自生成检测信号或吸收剂量信号(SDA)并且被智能地设置为，即被配置为：允许一方面从所述检测信号(SDA)中推断表征从中穿过的电离辐射束的位置、形状和/或能量的信息，另一方面控制并调节电离辐射束，尤其是位置、形状和/或能量。
附图说明
本发明其它单独或结合呈现的特征和优点，将在以下对详细说明的阅读中体现，为了理解该说明书，将参考附图，其中：
-图1是用于定义调节和控制环路的按照本发明的设备的不同装置和构件的总运行原理的示意图，
-图2示意性示出按照本发明的设备的实施例，
-图3示出剂量的一些主要参数，即发射时长(D)、脉冲时长(d)和脉冲频率(f)，以及
-图4是电离辐射发射装置(MER)的示例的示意图。
具体实施方式
图1示出不同构件的智能互连原理的总描述，所述不同构件构成本发明目标的用于放射疗法和/或放射生物学的使用电离辐射的辐照装置。该原理显示，构成按照本发明的设备的不同构件和/或子构件整体配合并组成控制和调节环路，尤其控制和调节功率，以便能以受控且精确的方式，在例如包括在0.1μs和100ms之间、优选地100μs或1ms的极短时段，以至少1μGy，优选地1纳戈瑞(nGy)的精确度，在包括在1MeV和50MeV能量范围之间，释放至少0.25Gy的大剂量电离辐射。这种配合与互连以及所构成的环路，主要为了获得本发明目标的技术功能。技术设定值的相关联，尤其是控制和调节环路各位置的电子技术设定值，显示这种互连对实施本发明的需要多少次并且其允许以精确且不模糊的方式控制装置的运转及所释放的剂量。
参考图1和图2，该设备包括彼此互连的四个部件：至少一个电离辐射发射装置(MER)、剂量检测装置(MDD)、控制和操纵系统(SCC)以及剂量控制装置(MCD)。
控制和操纵系统(SCC)由操作者经由界面软件编程，以便实时地向电离辐射发射装置(MER)发送发射设定值信号(CE)，实时地向电离辐射剂量检测装置(MDD)发送检测设定值信号(CD)，且实时地向电离辐射剂量控制装置(MCD)发送吸收剂量设定值信号(CDA)。
同样，电离辐射发射装置(MER)发射与电离辐射信号相对应的电离辐射(RI)，所述电离辐射(RI)与剂量检测装置(MDD)交互作用。
电离辐射(RI)与剂量检测装置(MDD)之间的交互作用引起吸收剂量信号(SDA)由剂量检测装置(MDD)向剂量控制装置(MCD)的发送。所述剂量控制装置(MCD)放大或衰减、积分吸收剂量信号(SDA)，把其与吸收剂量设定值信号(CDA)进行比较。如果吸收剂量信号(SDA)的放大或衰减以及积分结果，大于或等于吸收剂量设定值信号(CDA)，则吸收剂量控制装置(MCD)发送信号，该信号操控电离辐射发射装置(MER)的中止，否则，电离辐射(RI)的发射按照由操作者预设的规定继续进行。
构成控制与调节环路的不同设定值构件、控制构件及其互连的设置，使之可能以受控且精确的方式，智能地在例如包括在约0.1μs和100ms之间、优选地100μs或1ms的极短时间，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度，在包括在1MeV和50MeV能量范围之间，释放至少0.25Gy的大剂量电离辐射。
特别地，剂量检测装置(MDD)包括超快检测器，其能以十分精确的方式，在极短的时间内，例如至少0.01ns内检测剂量，该检测器与剂量控制装置(MCD)耦接，所述剂量控制装置包括控制电子仪(EC)。所述控制电子仪(EC)能在至少0.1μs、甚至100μs、甚至1ms、甚至100ms内，控制至少0.01Gy、甚至至少0.25Gy的释放剂量。
剂量检测装置(MDD)的超快检测器尤其以金刚石制成，且其包括于两个极化电极之间，两极化电极的端子上连接了剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)，该控制电子仪测量检测电信号(SDA)，尤其是由穿过金刚石的电离辐射产生的电流，并把检测电信号(SDA)转换成以吸收剂量流量监控为单位，且对其进行积分，从而在辐射发射过程中给出累积的吸收剂量测量值。对由金刚石与电离辐射交互作用产生的电信号进行转换的电子仪，在电离辐射发射期间，例如可借助累积吸收剂量的绝对测量工具被校准。
按照本发明特别有利的其它特征，超快检测器包括一个或多个所谓“初级”检测器，其各自包含多个小检测器，也就是分别生成检测信号(SDA)的一个或多个象限或扇面或体元，小检测器能作为次级检测器，且被设置为一方面从其检测信号(SDA)中推导表征穿过其的电离辐射束的位置、形状和/或能量的信息，另一方面控制并调节电离辐射束，尤其是其位置、其形状和/或其能量。例如，其包括设置成方形的四个象限或扇面或体元。
例如，能作为初级检测器的各检测器包括多个检测区或作为次级检测器的多个小检测器。超快检测器可以是以半导体材料盘形式的初级检测器的堆叠，初级检测器被分隔为多个次级检测器。
更好地，检测器是半导体，尤其是金刚石，包括于两个极化电极之间，经由人机界面可调节的几伏特电压被施加在所述极化电极的端子上，从而允许获得极短的响应时间，例如在至少0.01ns内释放大流量剂量，即至少0.01Gy/s。按照另一有利的实施例，所述检测器可由碳化硅制成。半导体，尤其是金刚石被包括于两个极化电极之间，几伏特的极化电压(TP)被施加在所述极化电极的端子上，例如在两电极之间的每一微米的金刚石厚度施加一伏特。
如上所述，极化电压(TP)可由控制和操纵系统(SCC)经由人机界面调节。极化电极的端子上连接有极化互连装置，该装置既允许提供由控制和操纵系统(SCC)操纵的极化电压(TP)，也允许把由金刚石通过与电离辐射交互作用生成的吸收剂量信号(SDA)传输至剂量控制装置(MCD)。
优选地，剂量控制装置(MCD)包括：电信号(SDA)的测量装置，尤其测量由所发射辐射透过检测器生成的电流，尤其是通过检测器与穿过其的电离辐射之间的交互作用生成的电流；所述检测电信号(SDA)的转换装置，所述检测电信号尤其是以吸收剂量流量为监测单位的电流；以及所述检测电信号(SDA)的积分装置，尤其电流的积分装置，以便精确地测量在电离辐射发射过程中累积的吸收剂量。
所选择的检测器提供的有利之处在于具有达到纳秒级别、或甚至低于纳秒级别的极短响应时间。其还为电离辐射提供了高电阻，即类似于水的与电离辐射的交互作用特性，也就是说，由电离辐射通过穿过检测器而损失的能量类似于同样辐射在水中损失的能量，从所述能量到检测电信号(SDA)的转换，使后者可代表电离辐射在通常如病人之类的活体物质上损失的剂量。相对于在大流量剂量大间隔上的剂量流量，和/或电离辐射的脉冲时长(d)，该检测器还提供了电信号的电流线性响应。该检测器还提供了相对于电离辐射能量的恒定电流响应。
这些不同的物理属性以及可能有的化学属性，尤其使金刚石成为以下材料：该材料适合测量大剂量流量的且以电离辐射脉冲形式的电离辐射，尤其是至少25Gy/s、甚至至少50Gy/s的剂量流量的电离辐射，且该电离辐射脉冲对于长使用寿命(也就是至少500小时)是极短的100ns量级。
控制和操纵系统(SCC)配有按照本发明所述设备的不同构件的功能控制系统。该控制和操纵系统(SCC)主要包括人机界面(IHM)，所述人机界面包括该设备的多个管理和编程构件和按钮，尤其涉及剂量或者吸收剂量的流量或者电离辐射所释放的剂量流量。此外，控制和操纵系统(SCC)还包括可视化工具和多个辅助操纵装置，尤其是对于实施该设备所需的触摸或非触摸装置，断路器等。这些装置允许操作者以受控且希望的方式以及极其精确的方式，智能地，一次性编程在理想的时长内的电离辐射的辐射性质、吸收剂量和/或吸收剂量的流量、和可能地所释放剂量的流量，以及脉冲状态。
选通脉冲、幅度、脉冲频率(f)和时长(d)、每组脉冲的脉冲数或一组脉冲的时长、脉冲组之间的时长、以及脉冲组的数目或发射总时长(D)等参数(例如图3示意)，由操作者经由人机界面以及合适的软件确定。这些参数被传输至被编程的电子仪上，用以生成加速器的高频(HF)脉冲和电子枪选通脉冲或粒子束源启动的同步信号。信号被低压电子仪放大，从而生成选通脉冲，并且被功率电子仪放大，从而生成高频(HF)脉冲。
此外，如前所述，检测器被放置在电离辐射束中，用以测量吸收剂量流量，该电离辐射可在与电离辐射交互作用的物质(通常为病人)中生成。由检测器生成的呈电流形式的信号(SDA)在电离辐射发射过程中由剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)、尤其是静电计测量和积分，并且积分的值被与由操作者经由人机界面(IHM)规定的吸收剂量值(CDA)进行比较。一旦积分的值大于或等于规定值，选通脉冲信号回落到相对于阴极的负极化电压，从而停止发射。电离辐射的发射时长因此可实时受控和停止，且所释放剂量被精确确定在接近由电离辐射的上一个脉冲生成的剂量的值处。
例如可在采样保持器之后由放大器或衰减器按照信号幅度确保测量检测信号的功能。剂量控制装置(MCD)是一种被配置用来控制电离辐射发射装置(MER)启动和停止的装置，其包括控制和操纵电子仪(EC)。在特别有利的实施例中，控制和操纵电子仪(EC)包括：用来按照幅度来放大或衰减由检测器所发射的信号的放大器或衰减器，在发射期间对所述被放大或衰减的信号进行积分的积分器，以及用来把所述积分信号与由操作者预设的规定剂量设定值(CDA)进行连续比较的比较器。
为了在极短的时间操纵电离辐射的发射，发射器(MER)由功率源构成，该功率源由控制和操纵系统(SCC)的电子仪启动和停止。操作者经由人机界面(IHM)操纵被编程的发射的启动。当被吸收、检测并测量的剂量达到由操作者预设且规定的值时，与剂量控制装置(MCD)耦接的控制和操纵系统(SCC)的电子仪停止功率源。
得益于剂量控制装置(MCD)的快速电子仪，当来自检测器(SDA)的被放大或衰减并积分的信号等于剂量设定值信号(CDA)时，自动地，比较器的输出端的信号回落到预设和预定值，并且在足够短的时间、也就是优选地小于100μs内启动电子束源的停止，尤其是电离辐射发射装置(MER)的电子束源，且启动加速器的高压源(HT)的停止，从而使检测到的剂量不超过规定剂量。
以上所述构成尤其对功率的控制和调节环路、构成本发明的目的设备的所有装置，如上所述彼此以智能方式互连，用以配合并形成尤其对功率的智能控制和调节环路，从而能在极短时间，也就是例如包括于0.1μs和100ms之间，优选地为100μs或1ms的时间内，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度以受控且精确的方式，在包括于1MeV和50MeV能量范围之间，释放优选地至少0.01Gy且优选地至少0.25Gy的大剂量电离辐射。
有利地，电离辐射发射装置(MER)主要由包含功率源的粒子加速器以及脉冲控制系统构成，所述脉冲控制系统例如被直接连接到剂量控制装置(MCD)，从而能在被吸收、检测和测量的剂量达到由操作者经由人机界面(IHM)预设且规定的值时，自动停止功率源。
此外，所述人机界面(IHM)还包括操纵台(PC)和显示界面管理程序。人机界面还包括按钮和发光指示灯，配备在机箱、外壳和/或电子机壳上，其包含控制和操纵系统(SCC)及剂量控制装置(MCD)的电子器件。
有利地，当设备运行时，由检测器生成呈电流形式的信号，所述信号在辐射发射过程中由静电计测量和积分，所述信号的积分值被直接与由操作者经由人机界面(IHM)预设且规定的剂量值进行比较，从而一旦当积分值大于或等于规定和预设值，选通脉冲信号自动回落到与相对于阴极的极化电压相对应的预设值，由此在例如至少1ns的足够短的时间内，瞬间地阻止和停止电离辐射的发射并且可能地，停止高压源。
图4是示出电离辐射发射装置(MER)的实施方式。该电离辐射发射装置(MER)包括至少一个粒子源，尤其是电子源。所述源包括例如至少一个阴极(1)、阳极(3)和栅栏(2)。此外，栅栏还包括控制从阴极所提取的粒子的提取和流量的低压偏置(6)。
此外，电离辐射发射装置(MER)还包括丝(7)，该丝被提供电压，尤其是低压，用以加热阴极并使之具有辐射性，也就是能够从中提取粒子。
栅栏被配置用来使从阴极提取的粒子穿过所述栅栏。阴极和阳极被连接在高压电源HT(5)上。因此，穿过栅栏的粒子向阳极加速，形成粒子束。
粒子束源例如可以是由激光束触发的源，或由极化栅栏或极化电极触发的源。在第一种情况下，源由光电阴极或等离子体、阳极以及激光束构成，该激光束照射光电阴极或等离子体，由此可通过光电阴极或等离子体启动电子发射。阳极具有开孔，允许提取粒子束且把粒子束(4)注入加速装置(8)中。
此外，电离辐射发射装置(MER)还包括真空壳体，即处于极低压下，例如最多10- 6mbar。
此外，电离辐射发射装置(MER)还包括传输窗或转换靶(9)，其通过从真空壳体向外部空气传输，把粒子束(4)转换成电离辐射(4乙)。正是以这种方式发射电离辐射。
通常，粒子或电离辐射发射的一般原理已为现有技术广泛已知。
电离辐射发射装置(MER)配有功率脉冲控制系统，该功率脉冲控制系统包括为粒子束加速装置供电的功率发电机以及开关电子仪。所述功率脉冲控制系统能生成粒子束，粒子束具有包括于1MeV和50MeV范围可调节和所希望的能量，以具有至少1ns、且优选地0.1μs的可调脉冲时长(d)的通常在5Hz和1k Hz之间的希望频率(f)输送，且能释放直到250Gy/s、甚至500Gy/s、更甚至1000Gy/s的吸收剂量流量。
以被调节和希望的能量，粒子流量，换言之粒子束流，受施加在栅栏上的偏置电压(6)控制。正是确定吸收剂量流量的粒子束流与能量的结合，能够给出电离辐射发射装置(MER)。
此外，电离辐射发射装置还配有由栅栏(2)启动的粒子束源。由带栅栏的源生成的粒子束流直接与所述栅栏(2)的偏置电压(6)相关，偏置电压(6)尤其呈以下信号的形式：该信号具有至少为1ns、优选地0.1μs的脉冲时长(d)、脉冲频率(f)和极化电压幅度。
为所述栅栏供电的开关电子仪可以在多种模式下运行：尤其在用于较长时长的辐照的循环模式，用于小于优选地1ms、甚至100μs的极短时长的辐照的单脉冲模式，用于由具有选定频率并根据选定延迟分隔的多组脉冲构成的辐照的半循环模式。
理想地，栅栏的极化信号的形式可以随意地用可变时长、可变频率、可变幅度的脉冲以及用脉冲之间和/或脉冲组之间至少一段预设延迟被编程。
辐射发射装置(MER)的功率脉冲控制系统的开关电子仪包括模拟输入和输出，其允许采集所有有用信息，既包括控制值，也包括测得值，涉及粒子束源的加热电压和电流，以及栅栏偏置电压的脉冲幅度。
电离辐射发射器是粒子加速器，尤其为线性的，例如电子线性加速器。来自加速器的电子束在穿过把加速器外壳真空和外部空气隔开的窗(9)后可被直接用作电离辐射，或者加速器可配备把电子束转换成X射线的功率转换靶，X射线因而构成有用的电离辐射。
加速器生成具有希望的能量和流的粒子束，尤其是在包括于1MeV和50MeV范围，优选地3MeV至25MeV范围内的能量。流和能量由操作者经由人机界面确定，用以获得预先选定范围内希望的电离辐射。
有利地，加速装置(8)或者为超高频波型，或者为感应型，或者为静电型。
按照本发明其它特征，加速装置(8)尤其是加速腔。
有利地，辐射发射装置(MER)还包括多个加速装置，尤其是一个或多个加速腔，其被串联安装且/或插入有使穿过所述一个或多个加速装置的粒子束偏向或再循环的装置，各加速装置由至少一个功率源供电，所述功率源可由至少一个调制器供电，所述调制器本身由高压电源HT供电。
在行进式或固定式高频波线性加速器的情况下，例如处于3千兆赫(GHz)的S波段上，能量在包括于1MeV和50MeV范围之间可调节且具有100μA的平均电流的电子束可被使用作为电离辐射。更高或更低频率，甚至DC、也就是静电型(即连续电压加速器)的任何其它类型的加速器，都可以被使用，只要能量范围和平均电流符合前面指示的值。例如，粒子束以包括于5Hz和200Hz之间的可调节频率(f)被输送，且具有在包括于0.05μs和4.5μs之间可调节的脉冲时长(d)和100mA的最小幅度。
对于X射线，加速器功率必须更大，能加速平均强度大于1mA的初级电子束。该加速器可以是铜制空腔线性加速器，或超导线性加速器，或符合本发明目的所期待结果要求的其它任何类型的加速器。
在线性加速器包括铜制空腔的情况下，其以大于200Hz的频率(f)被输送，脉冲时长(d)至少为5μs且峰值强度至少为1A。其可以由多个串联的加速腔构成，各加速腔由自身的高频(HF)功率源供电。功率源可以是放大装置，其包括真空室并且允许对带有超高频窄带的平均或大功率进行放大，如速调管，且这些放大装置本身由传统调制器或固态调制器供电。
为了提供在可调节频率(f)、可调节脉冲时长(d)和可调节峰值电流幅度下被输送的粒子束，加速器的粒子束源包括DC或静电电子枪(即处于连续电压下的电子枪)，所述电子枪为由激光启动的三极管型或光电阴极型，或为由电极或激光启动的等离子体型。其例如可涉及栅栏高压DC式热离子阴极枪。阴极达到十几到几十千伏的负电势。阳极保持地电势，尤其为0V(零伏)。栅栏因此充当断路装置，若其达负电势且比阴极小十或一百伏特时，便不发射，若其达负电势但大于阴极电势，便发射。由阴极发射的峰值电流的幅度取决于其相对于栅栏电势的电势差。具有可调节频率(f)、可调节时长(d)以及可调节电压幅度的脉冲，被与阴极电源的高压(HT)脉冲一起发送到栅栏上，从而生成所希望且被注入的输送粒子束，用于在加速器的高频(HF)空腔中加速粒子。
按照本发明的设备的优点在于，为操作者提供了编程电离辐射类型、辐射能量、所吸收和/或待释放电离辐射的剂量流量、以及辐照时长或待吸收和/或待释放的电离辐射剂量的可能性。
该装置允许以受控且精确的方式，并且以希望的方式，经由人机界面，智能地，在通常包括于0.1μs和100ms之间的范围中的、优选地100μs、甚至1ms的极短时间，以至少1μGy、优选地1nGy的精确度，以包括于1MeV和50MeV范围之间的能量，释放至少0.01Gy、甚至0.25Gy的大剂量电离辐射。
对于其它用途，该设备还允许以受控且精确的方式，并且以希望的方式，经由人机界面，在至少50ns的极短时间，以包括于1MeV和50MeV范围之间的能量，释放直到250Gy/S的大剂量流量电离辐射，从而用于放射疗法和/或放射生物学。
因此可见，可能在产业中实现一种可靠的放射疗法和/或放射生物学机器，能在极短时间、例如100ms内释放精确且规定的大剂量、例如10Gy的电离辐射。
与相信不可能设计出能提供上述性能的放射疗法机器的偏见相反，在此提出的本发明允许显示：通过使用本发明中描述的机器，可以解决前面所列举的问题。
本发明绝不局限于所描述与示出的实施方式，相反，本领域技术人员可给出任何符合其精神的变型。

Claims (32)

1.一种使用电离辐射的辐照设备，该辐照设备同时至少包括：
-电离辐射发射装置(MER)，包括：
●至少一个粒子源，至少包括：
■阴极和阳极，或等离子体，
■粒子发射启动装置，以及
■粒子束的加速装置，以及
●功率脉冲控制系统，
-电离辐射剂量检测装置(MDD)，包括检测器，
-剂量控制装置(MCD)，被配置用于控制电离辐射发射装置(MER)的启动和中止，包括：
●控制电子仪(EC)，
●放大器和/或衰减器，用于放大和/或衰减由检测器发出的信号，
●积分器，在发射期间对所放大和/或衰减的信号进行积分，以及
●比较器，把所积分的信号与由操作者预设的规定剂量设定值(CDA)进行连续比较，
-控制和操纵系统(SCC)，包括：
●所述设备的不同构件的功能控制系统(SCF)，包括：
■人机界面(IHM)，
■可视化工具，以及
■实施装置，被配置用于使操作者一次性进行对辐射性质、电离辐射的吸收剂量流量、电离辐射发射时长、脉冲状态的编程，
-所述设备的特征在于：所述装置(MER、MDD、MCD)和所述系统(SCC)被配置为：在包括于大约0.1μs和100ms之间的时间，以至少1μGy的精确度，以包括于1MeV和50MeV之间的能量，释放和控制至少0.01 Gy的电离辐射剂量，
-电离辐射发射装置(MER)的功率脉冲控制系统，被配置用于生成粒子束，也就是电离辐射，粒子束的能量在包括于1MeV和50MeV之间的范围中，并且以包括于5Hz和1000Hz之间的频率(f)被输送，粒子束的脉冲时长(d)至少为1ns；并且功率脉冲控制系统被配置用于释放至少大约0.01Gy/s的吸收剂量流量，
-剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)，被配置用于在至少0.1μs的时间内控制所释放的剂量，并且
-检测器是与剂量控制装置(MCD)耦接的超快检测器，被配置用于在至少0.01ns内检测电离辐射剂量，且剂量的流量至少为0.01Gy/s。
2.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其特征在于，电离辐射发射装置(MER)是粒子加速器，粒子加速器包括功率源和脉冲控制系统，所述脉冲控制系统被直接连接到剂量控制装置(MCD)，从而在被吸收、检测和测得的剂量达到由操作者经由人机界面(IHM)规定且预设的值时自动停止功率源，所述人机界面(IHM)还包括操纵台(PC)和显示界面管理程序。
3.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，其特征在于，加速装置是超高频波型，或者是感应型，或者是静电型。
4.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，其特征在于，辐射发射装置(MER)还包括多个加速装置，多个加速装置被串联安装并且/或者插入有使穿过一个或所述多个加速装置的粒子束偏向或循环的装置，各加速装置由至少一个功率源供电。
5.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，其特征在于，检测器是半导体，检测器被包括于两个极化电极之间，能经由人机界面按照检测器厚度调节的几伏电压被施加于所述极化电极的端子，检测器被配置用以在至少0.01Gy/s的大流量剂量的情况下获得至少0.01ns的极短的响应时间。
6.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，其特征在于，剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)包括：由电离辐射与检测器交互作用而产生的为电流的电信号的测量装置；把所述电流转换成以吸收剂量流量为单位的转换装置；以及被配置为精确地测量在电离辐射发射过程中所累积的吸收剂量的对所述电流进行积分的积分装置。
7.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，其中，电信号由检测器生成，所述电信号在电离辐射发射过程中由静电计测量和积分，所述电信号的积分值被直接与由操作者经由人机界面预设并且规定的剂量值比较，使得在该积分值大于或等于规定且预设的值的情况下，粒子发射启动装置的信号被终止，从而瞬间停止电离辐射发射。
8.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，其中，检测器包括一个或多个象限或扇面或体元，所述象限或扇面或体元各自生成检测信号(SDA)并且被配置为：一方面从检测信号(SDA)中推断表征从中穿过的电离辐射束的位置、形状和/或能量的信息，另一方面控制并调节电离辐射束。
9.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，用于放射疗法和/或放射生物学。
10.按照权利要求1或2所述的使用电离辐射的辐照设备，其中粒子发射启动装置是栅栏或电极或激光器。
11.按照权利要求5所述的使用电离辐射的辐照设备，其中检测器是呈单晶或多晶、纯粹或掺杂形式的金刚石半导体。
12.按照权利要求8所述的使用电离辐射的辐照设备，其中控制并调节电离辐射束包括控制并调节电离辐射束的位置、形状和/或能量。
13.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中所述大约0.1μs和100ms之间的时间为100μs或1ms。
14.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中所述至少1μGy的精确度为1nGy的精确度。
15.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中所述至少0.01 Gy的电离辐射剂量为0.25Gy的电离辐射剂量。
16.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中粒子束以包括于5Hz和500Hz之间的频率(f)被输送。
17.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中粒子束以包括于5Hz和200Hz之间的频率(f)被输送。
18.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中粒子束以大约100Hz的频率(f)被输送。
19.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中粒子束的脉冲时长(d)被包括于0.05μs和12μs之间。
20.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中粒子束的脉冲时长(d)为0.1μs。
21.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中功率脉冲控制系统被配置用于释放包括于约0.01 Gy/s和约250 Gy/s之间的吸收剂量流量。
22.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中功率脉冲控制系统被配置用于释放500Gy/s的吸收剂量流量。
23.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中功率脉冲控制系统被配置用于释放1000 Gy/s的吸收剂量流量。
24.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)被配置用于在100μs的时间内控制所释放的剂量。
25.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)被配置用于在1ms的时间内控制所释放的剂量。
26.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中剂量控制装置(MCD)的控制电子仪(EC)被配置用于在100ms的时间内控制所释放的剂量。
27.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中检测器检测的电离辐射剂量的流量为25 Gy/s。
28.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中检测器检测的电离辐射剂量的流量为50Gy/s。
29.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中检测器检测的电离辐射剂量的流量为250 Gy/s。
30.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中检测器检测的电离辐射剂量的流量为500 Gy/s。
31.按照权利要求1所述的使用电离辐射的辐照设备，其中检测器检测的电离辐射剂量的流量为1000 Gy/s。
32.按照权利要求7所述的使用电离辐射的辐照设备，其中在该积分值大于或等于规定且预设的值的情况下，粒子发射启动装置的信号被终止，从而瞬间停止电离辐射发射，并且在至少1ns内停止高压源。
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