CN106132058A - 一种同源多能加速器及加速器治疗装置 - Google Patents

一种同源多能加速器及加速器治疗装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同源多能加速器及加速器治疗装置，本发明创造性的设置一个高低能射线输出控制器控制电子发射装置，由其作为电子发射装置的输出控制装置，只有当高低能射线输出控制器控制电子发射装置输出高电平(当然也可以是负向脉冲)时，电子发射装置才有输出，这样，通过宽度不等的束流脉冲控制，电子发射装置就可以输出时间长短不等的电子束，经加速装置加速后，获得不同能量等级的射线输出，以满足不同能量级别的需求，用于治疗或成像。

Description

一种同源多能加速器及加速器治疗装置
技术领域
本发明涉及加速器治疗装置，具体涉及一种同源多能加速器及加速器治疗装置。
背景技术
随着肿瘤放射学与材料科学的发展，作为治疗癌症的一种重要手段，放疗逐步迈入精确定位、精确计划、精确治疗的“三精”时代。设定主机架的旋转平面与水平面垂直时，该旋转平面为X平面，此时其转轴定义为Z轴，与Z轴垂直且相交的水平直线为X轴，与Z轴、X轴分别垂直且均相交的直线为Y轴。Z轴和Y轴确立Y平面，Y轴和X轴确立X平面，Z轴和X轴确立水平面(Z平面)。目前的医用直线加速器(放射治疗设备)通过主机架旋转带动加速器在X平面或与其平行的平面上旋转，所述加速器跟随主机架旋转，并且其发射的射线中轴线与主机架的旋转轴线垂直并相交于一点，即等中心点。一般来说，治疗时，将病患的病灶放置于等中心处，旋转主机架，使得加速器在X平面或其平行平面上围绕病灶旋转，从而使射线从不同的方向照射病灶，以更好的杀死患病细胞。
通常，由于病灶的位置会随病患的呼吸而发生位移，以及需要及时了解治疗情况，需要对病灶进行治疗前定位、治疗过程中的跟踪检测，以前是需要将病患置于不同的设备上进行，如在低能级的加速器设备上进行检测和定位，然后在高能级的加速器设备上进行治疗，最后再回到低能级的加速器设备上进行检测，观察治疗效果。为了克服上述技术方案的低效率及检测的及时性差等问题，目前有两种技术方案被公开，一种是同源双束方案，如公开号CN104188679A，该发明涉及一种同源双束医用加速器，包括电子枪，所述电子枪连接有加速管，加速管连接耦合器，耦合器通过波导窗连接有波导，波导连接有微波功率源，微波功率源连接有调制器，加速管上设置有三个能量开关，三个能量开关分别位于加速管内的三个加速腔之间，每个能量开关包括边耦合腔和位于边耦合腔内的失谐棒，加速器的出口端设置有可移动靶；通过调制器控制微波功率源的输出功率，同时调整三根失谐棒在边耦合腔内的长度，从而调整电子枪发射出的电子在加速管内获得的能量，从而获取KeV级射线和MeV级射线，保证了成像、治疗的同源共轴，提高对患者的治愈效果。但是该方案实质上加速管控制系统复杂，稳定性差，难以商业化应用。另一种是双源系统，即在现有的MV级加速器系统上再集成一个KV级加速器，使得系统同时具备两种不同量级的射线，该系统也存在造价高、结构笨重等问题。
本发明人在本案之前提出了另一种解决方案，一种同源多能加速器，包括：电子发射装置和加速装置，所述电子发射装置位于加速装置的输入端，其产生的电子经加速装置加速后从加速装置的输出端射出，所述同源多能加速器还包括至少一个分离偏转装置，设置于加速装置的输出端一侧，用于使经过加速装置加速后的电子中的部分电子运动轨迹发生改变。该发明的优点是，发明人发现电子经加速装置加速后，所有电子的速度及能量并不完全相同，发明人利用这一发现，使用分离偏转装置，设置于加速装置的输出端一侧，将经过加速装置加速后的粒子中的部分能量等级较低的电子运动轨迹强制改变，将同源电子束中不同能级的电子进行分离，从而获得两种能级的电子束，其中高能电子束继续原有路径，用于放射治疗，而另一路低能电子束则用于跟踪病灶，及检测治疗效果。虽然该方案和现有技术相比具有很多优势，但是其高低能射线束毕竟没有同轴，其中心轴是相互之间有一点距离的平行线，同时，额外的折射部件使得加速器的结构发生变化，同时可能增加了与其它部件如准直器之间的布局及协调问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠的同源多能加速器及加速器治疗装置，。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种同源多能加速器，包括：电子发射装置和加速装置，所述电子发射装置位于加速装置的输入端，其产生的电子经加速装置加速后从加速装置的输出端射出，所述同源多能加速器还包括高低能射线输出控制器，由所述高低能射线输出控制器控制电子发射装置产生不同脉宽的束流脉冲，对应于每一个脉宽的束流脉冲，经过加速装置分别产生不同能量的射线。
本发明创造性的设置一个高低能射线输出控制器控制电子发射装置，由其作为电子发射装置的输出控制装置，只有当高低能射线输出控制器控制电子发射装置输出高电平(当然也可以是负向脉冲)时，电子发射装置才有输出，这样，通过宽度不等的束流脉冲控制，电子发射装置就可以输出时间长短不等的电子束，经加速装置加速后，获得不同能量等级的射线输出，以满足不同能量级别的需求，用于治疗或成像。
进一步的，所述束流脉冲的脉宽包括2-5微秒和0.1-2微秒两种，经过加速装置加速后分别产生治疗用高能射线及成像用低能射线。
根据高标准医疗作业需要，最佳治疗效果的获得需要一边治疗一边进行验证，包括位置验证和效果验证，时长达到2-5微秒范围的脉冲对应产生用于治疗的MV级能量射线，0.1-2微秒范围的脉冲对应产生用于验证的KV级能量射线。
进一步的，所述高低能射线输出控制器设有高低能射线快速切换装置，用于根据设定快速切换不同脉宽的束流脉冲的输出。
进一步的，所述高低能射线快速切换装置包括：脉宽调制装置，脉宽调制装置根据设定输出不同脉宽的束流脉冲。
进一步的，所述高低能射线快速切换装置包括：多个输出不同设定脉宽束流脉冲的脉冲输出电路，和一个输出切换电路，输出切换电路决定接通其中某一个脉冲输出电路，而断开其他脉冲电路的输出。
进一步的，所述高低能射线输出控制器包括：
脉宽变化控制模块，其根据治疗计划或者实时命令生成脉宽变化的命令；
脉宽调节电路，接收脉宽变化控制模块发送过来的命令，输出设定宽度的脉冲；
定时器，为脉宽调节电路提供触发脉冲。
进一步的，所述高低能射线输出控制器还包括：
调制器，输入端接收来自脉宽调节电路的脉冲输出，转换为加速装置的控制信号，其输出端与加速装置连接；
脉冲同步装置，其输入端接收来自脉宽调节电路的脉冲输出，将该脉冲延时后再从输出端输出，其输出端与电子发射装置连接，使得电子发射装置的电子发射与加速装置的微波信号同步。
进一步的，所述高低能射线输出控制器与加速装置之间还设有调制器，所述调制器的输入端接收来自高低能射线输出控制器的脉冲输出，转换为加速装置的控制信号，其输出端与加速装置连接；使得电子发射装置的电子发射与加速装置的微波信号协调一致。
进一步的，所述高低能射线输出控制器还包括：
脉宽变换控制电路，其输入端接入开始脉宽变换的指令信号，其输出端连接脉宽调节电路，并向其输出开始或停止脉宽变换的使能信号；
定时器，其向脉宽调节电路输出触发脉冲，作为基准的定时装置。
本发明还提供一种加速器治疗装置，所述加速器治疗装置包括治疗控制装置、主机架，包括上述任一的同源多能加速器。
附图说明
图1，高低能X射线输出装置示意图，由脉冲宽度控制模块、电子枪电源、调制器和加速管装置(包含电子枪、靶及微波输入耦合系统)组成；
图2，脉冲宽度为正常治疗模式下，射线能量随脉冲时间变化的包络图。在脉冲前段和后端都有一个缓冲的过程，即微波建成过程。
图3，高低能射线控制的控制流程图，通过定时器控制触发脉冲重复周期，通过独立的脉冲宽度调节信号(由上层控制系统或者剂量控制系统发送)控制高低能射线切换。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示，激发脉冲宽度为正常治疗模式下，图2中采用5微秒宽度的脉冲，射线能量随时间变化的包络图。在脉冲前段和后端都有一个缓冲的过程，即微波建成过程。
由图2我们可以发现，射线能量在0-2微秒之间大约为峰值的0-90％之间，2-4微秒之间射线能量基本达到峰值，即对应于治疗所需的能量要求(MV级)，因此实际上，现有设备通常是利用2-5微秒之间的射线来进行治疗(这里之所以提及5微秒，是因为4-5微秒之间是射线能量逐步衰减的过程，是两个治疗周期之间必然需要的一个过程，因此将其也纳入治疗的周期范围)，0-2微秒期间，是射线能量的建立过程，在本发明之前，没有人想到其具有任何利用价值，其不过是现有设备能量建立不得不具有的一个固有缺陷或特征而已，但是本发明人却从中发现了它的重大价值，0-2微秒之间的能量建立过程中，其对应的平均能级，如果应用得当，刚好可以对应于KV级的能量值，将其用来进行影像验证，就可以实现同源双能甚至多能的治疗加验证交叉实时进行的功能，这将大大提高加速器的治疗精度和效率，对于医生和病患来说，都是革命性的福音。
基于上述发现，我们提出，一种同源多能加速器，包括：电子发射装置和加速装置，所述电子发射装置位于加速装置的输入端，其产生的电子经加速装置加速后从加速装置的输出端射出，所述同源多能加速器还包括高低能射线输出控制器，由所述高低能射线输出控制器控制电子发射装置产生不同脉宽的束流脉冲，对应于每一个脉宽的束流脉冲，经过加速装置分别产生不同能量的射线。
本发明创造性的设置一个高低能射线输出控制器控制电子发射装置，由其作为电子发射装置的输出控制装置，只有当高低能射线输出控制器控制电子发射装置输出高电平(当然也可以是负向脉冲)时，电子发射装置才有输出，这样，通过宽度不等的束流脉冲控制，电子发射装置就可以输出时间长短不等的电子束，经加速装置加速后，获得不同能量等级的射线输出，以满足不同能量级别的需求，用于治疗或成像。
在实际应用中，所述束流脉冲的脉宽包括2-5微秒和0.1-2微秒两种，经过加速装置加速后分别产生治疗用高能射线及成像用低能射线。
根据高标准医疗作业需要，最佳治疗效果的获得需要一边治疗一边进行验证，包括位置验证和效果验证，时长达到2-5微秒范围的脉冲对应产生用于治疗的MV级能量射线，0.1-2微秒范围的脉冲对应产生用于验证的KV级能量射线。
在一些实施例中，所述高低能射线输出控制器设有高低能射线快速切换装置，用于根据设定快速切换不同脉宽的束流脉冲的输出。
在一些实施例中，所述高低能射线快速切换装置包括：脉宽调制装置，脉宽调制装置根据设定输出不同脉宽的束流脉冲。
在一些实施例中，所述高低能射线快速切换装置包括：多个输出不同设定脉宽束流脉冲的脉冲输出电路，和一个输出切换电路，输出切换电路决定接通其中某一个脉冲输出电路，而断开其他脉冲电路的输出。
在一些实施例中，所述高低能射线输出控制器包括：
脉宽变化控制模块，其根据治疗计划或者实时命令生成脉宽变化的命令；
脉宽调节电路，接收脉宽变化控制模块发送过来的命令，输出设定宽度的脉冲；
定时器，为脉宽调节电路提供触发脉冲。
在一些实施例中，所述高低能射线输出控制器还包括：
调制器，输入端接收来自脉宽调节电路的脉冲输出，转换为加速装置的控制信号，其输出端与加速装置连接；
脉冲同步装置，其输入端接收来自脉宽调节电路的脉冲输出，将该脉冲延时后再从输出端输出，其输出端与电子发射装置连接，使得电子发射装置的电子发射与加速装置的微波信号同步。
在一些实施例中，所述高低能射线输出控制器与加速装置之间还设有调制器，所述调制器的输入端接收来自高低能射线输出控制器的脉冲输出，转换为加速装置的控制信号，其输出端与加速装置连接；使得电子发射装置的电子发射与加速装置的微波信号协调一致。
在一些实施例中，所述高低能射线输出控制器还包括：
脉宽变换控制电路，其输入端接入开始脉宽变换的指令信号，其输出端连接脉宽调节电路，并向其输出开始或停止脉宽变换的使能信号；
定时器，其向脉宽调节电路输出触发脉冲，作为基准的定时装置。
例如图1所示的装置示例，加速管和微波系统构成的加速装置、电子枪(电子发射装置)等是现有加速器中已有的主要部件，在此基础上，我们增设了高低能射线输出控制器，其一个输出端连接电子枪，并向其提供触发脉冲信号，当脉冲信号为正值(或负值)时，电子枪启动，发射出电子束，这个脉冲的长度是可以调节的，比如实际应用中，我们选择0.1-2微秒长度的脉冲作为低能射线触发脉冲，此时电子枪发射电子束，经微波系统加速，其能量从零开始逐步增加建立，如图2中对应的图形前沿部分，整个加速器相当于输出了一个不完整的能量建立波形，如果脉冲长度选择得当，对应的加速器平均能量输出和KV级相当，如果此时配合图形检测平板进行图形剂量验证、病灶位置验证等KV级对应的应用作业，就使得加速器具备了KV级的工作功能，脉冲长度可根据需要选择0.1微秒到2微秒之间的任一数值，例如0.1、0.5、0.8、1、1.2、1.5、1.8、2微秒等，根据作业需要的能量进行精确的选择，这也是本发明一大优势，实现同源多能，适应范围大大提高；当我们选择2-5微秒长度的脉冲作为高能射线触发脉冲时，此时电子枪发射电子束，经微波系统加速，其能量从零开始逐步增加建立，如图2中对应的图形中0开始到2秒以后的部分，整个加速器相当于输出了一个能量逐步达到峰值甚至完整的能量建立波形，根据治疗的剂量需要进行适当的脉冲长度选择，对应的加速器平均能量输出和MV级相当，用于治疗作业，此时加速器使用传统的资料的工作功能，不同点在于，本发明提供了更加细化的治疗剂量的选择，克服了传统加速器每一个治疗周期都是一个对应于5秒时长的完整能量辐射，如图2所示。例如对应于治疗的脉冲长度可根据需要选择2微秒到5微秒之间的任一数值，例如2、2.5、2.8、3、3.2、3.5、3.8、4、4.5、5微秒等，根据作业需要的能量进行精确的选择，这也是本发明一大优势，实现同源多能，适应范围大大提高。由此可见，应用本发明提供的技术，可以方便的实现同源多能，并且可以实现KV级和MV级实时转换，随时进行KV级图像验证及实现实时病灶的位置跟踪，可以大大提高治疗精度和效果，方便实现加速器的智能化。
图1中，高低能射线输出控制器的另一个输出端还连接有一个调制器，该调制器的输出端与微波系统(也可以说是加速装置的控制端)连接，调制器的作用是，根据高低能射线输出控制器的输出信号，向微波系统发出指令，使得加速装置和电子枪实现同步工作。
本发明创造性的设置一个高低能射线输出控制器控制电子发射装置，由其作为电子发射装置的输出控制装置，只有当高低能射线输出控制器控制电子发射装置输出高电平(当然也可以是负向脉冲)时，电子发射装置才有输出，这样，通过宽度不等的束流脉冲控制，电子发射装置就可以输出时间长短不等的电子束，经加速装置加速后，获得不同能量等级的射线输出，以满足不同能量级别的需求，用于治疗或成像。本发明使得一台加速器的应用范围大幅度扩展获得可能，例如能实现多种能级的自由调整，更小的治疗剂量控制精度，能方便的实现KV级和MV级同源间隔输出，快速交替切换，使得放射治疗和病灶跟踪及检测治疗效果能够方便的实现实时控制，使设备更加高效智能，并且提高了治疗效果及精度。
根据高标准医疗作业需要，最佳治疗效果的获得需要一边治疗一边进行验证，包括位置验证和效果验证，时长达到2-5微秒范围的脉冲对应产生用于治疗的MV级能量射线，0.1-2微秒范围的脉冲对应产生用于验证的KV级能量射线。
在一些实施例中，比较理想的参数是：4微秒脉冲对应产生用于治疗的MV级能量射线，2微秒脉冲对应产生用于验证的KV级能量射线。
如图3，是一些实施例中高低能射线控制的控制流程图，高低能射线输出控制器包括：脉宽变换控制电路、脉宽调节电路、定时器、调制器和脉冲同步装置，由剂量控制系统或者上层控制系统发出脉冲宽度转换信号，作用脉宽变换控制电路。脉宽变换控制电路输出使能信号，控制脉宽调节电路进行脉冲宽度调节。输出高低能射线所需脉冲，触发调制器及电子枪。电子枪前的脉冲同步装置实现脉冲延迟调节，配合控制加速装置的调制器，使得微波信号与电子束同步输入加速管。实现高低能X射线的快速切换。由于射线的能量切换仅通过硬件电路的信号触发实现，硬件的控制可以达到毫秒甚至微秒级。因此，整个转换可实现快速切换，并可用于治疗过程中的影像跟踪。定时器，其向脉宽调节电路输出触发脉冲，作为基准的定时装置。
治疗和验证之间，切换的频率在一定范围内时，越高的频率，其治疗的精确度越高，因为治疗获得了及时的位置及效果反馈，计算机可以对治疗方案进行快速的调整，保证达到最佳的治疗效果，这为设备的智能升级提供了无限可能。
因此，根据上述需求，可以在高低能射线输出控制器设有高低能射线快速切换装置，用于根据设定快速切换不同脉宽的束流脉冲的输出。
本发明还提供一种加速器治疗装置，所述加速器治疗装置包括治疗控制装置、主机架，包括上述任一的同源多能加速器。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (10)

1.一种同源多能加速器，包括：电子发射装置和加速装置，所述电子发射装置位于加速装置的输入端，其产生的电子经加速装置加速后从加速装置的输出端射出，其特征在于，所述同源多能加速器还包括高低能射线输出控制器，由所述高低能射线输出控制器控制电子发射装置产生不同脉宽的束流脉冲，对应于每一个脉宽的束流脉冲，经过加速装置分别产生不同能量的射线。
2.根据权利要求1所述的同源多能加速器，其特征在于，所述束流脉冲的脉宽包括2-5微秒和0.12微秒两种，经过加速装置加速后分别产生治疗用高能射线及成像用低能射线。
3.根据权利要求1所述的同源多能加速器，其特征在于，所述高低能射线输出控制器设有高低能射线快速切换装置，用于根据设定快速切换不同脉宽的束流脉冲的输出。
4.根据权利要求1或2或3所述的同源多能加速器，其特征在于，所述高低能射线快速切换装置包括：脉宽调制装置，脉宽调制装置根据设定输出不同脉宽的束流脉冲。
5.根据权利要求1或2或3所述的同源多能加速器，其特征在于，所述高低能射线快速切换装置包括：多个输出不同设定脉宽束流脉冲的脉冲输出电路，和一个输出切换电路，输出切换电路决定接通其中某一个脉冲输出电路，而断开其他脉冲电路的输出。
6.根据权利要求1或2或3所述的同源多能加速器，其特征在于，所述高低能射线输出控制器包括：
脉宽变化控制模块，其根据治疗计划或者实时命令生成脉宽变化的命令；
脉宽调节电路，接收脉宽变化控制模块发送过来的命令，输出设定宽度的脉冲；
定时器，为脉宽调节电路提供触发脉冲。
7.根据权利要求6所述的同源多能加速器，其特征在于，所述高低能射线输出控制器还包括：
调制器，输入端接收来自脉宽调节电路的脉冲输出，转换为加速装置的控制信号，其输出端与加速装置连接；
脉冲同步装置，其输入端接收来自脉宽调节电路的脉冲输出，将该脉冲延时后再从输出端输出，其输出端与电子发射装置连接，使得电子发射装置的电子发射与加速装置的微波信号同步。
8.根据权利要求4所述的同源多能加速器，其特征在于，所述高低能射线输出控制器与加速装置之间还设有调制器，所述调制器的输入端接收来自高低能射线输出控制器的脉冲输出，转换为加速装置的控制信号，其输出端与加速装置连接；使得电子发射装置的电子发射与加速装置的微波信号协调一致。
9.根据权利要求7所述的同源多能加速器，其特征在于，所述高低能射线输出控制器还包括：
脉宽变换控制电路，其输入端接入开始脉宽变换的指令信号，其输出端连接脉宽调节电路，并向其输出开始或停止脉宽变换的使能信号；
定时器，其向脉宽调节电路输出触发脉冲，作为基准的定时装置。
10.一种加速器治疗装置，所述加速器治疗装置包括治疗控制装置、主机架，其特征在于，还包括权利要求1到9任一的同源多能加速器。
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