CN106669050A - 一种紧凑型旋转机架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型旋转机架，该紧凑型旋转机架具有带梯度的偏转磁铁，该偏转磁铁由第一偏转磁铁、第二偏转磁铁和第三偏转磁铁组成，第一偏转磁铁之前安装有用于光学匹配的两块四极铁，第一偏转磁铁和第二偏转磁铁之间安装有用于光学匹配的三块四极铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁之间安装有用于减少旋转部分的长度和力矩的至多一块四极铁。根据本发明的紧凑型旋转机架减小了旋转机架尺寸，降低了旋转机架重量，使得制造和安装更加简单，降低了生产成本和运行功耗。

Description

一种紧凑型旋转机架
技术领域
本发明涉及质子治疗，更具体地涉及一种紧凑型旋转机架。
背景技术
使用质子的放射疗法被证实是精确且适形的放射治疗技术，其能够将高剂量质子输送到靶区，同时使围绕健康组织的剂量最小化。
质子治疗设备包括加速器和输运线，其中，该加速器用于产生高能质子，该输运线用于将质子束从多个放射方向输送到靶。旋转机架是一种已知的旋转束输运线的支撑机构，靶被定位在由旋转机架的旋转轴线与最后一块偏转磁铁的出口中心轴的交叉限定的固定位置，该交叉位置也被称为等中心。
传统的旋转机架结构如图1a和1b所示，其包括若干偏转磁铁1和四极铁2。显然，该传统的旋转机架的纵向长度较长，从而导致重量很大。目前国际上通用的旋转机架重量高达100吨。从旋转机架重量组成上分析，磁铁的重量占约1/5左右，其余大部分重量是支架本身的结构重量和配重。因此，通过改变输运线结构，虽然可能会增加磁铁的数量或者改变弯转磁铁的数量，也就是可能会增加磁铁重量，但是，由于磁铁重量仅占旋转机架总重量的1/5，旋转机架的总重量有可能减少。为了保证在转动过程中的束流中心离上述的等中心的误差保持在很小的范围内，也就是减少旋转造成的束流在靶区内位置的变化，在转动过程中整个支架的变形要求控制在很小范围内，而最后一块偏转磁铁离支撑轴的距离和重量决定了变形最大的力矩，因此减少支架重量有两个途径，其一是减少支架的旋转半径，其二是减少支架的纵向长度。
CN104105527A公开了一种小型、轻量架台和使用该架台的粒子线治疗装置，其通过减少支架的旋转半径来达到轻量化的目的。但是，由于该方案采用扫描磁铁安装在最后一块偏转磁铁之前，造成了最后一块偏转磁铁间隙很大，重量极重，这也就导致了整个旋转机架的总重量的减少并不明显。
发明内容
本发明旨在提供一种紧凑型旋转机架，通过减少支架的纵向长度来减轻整体旋转机架的总重量。
本发明所述的一种紧凑型旋转机架，该紧凑型旋转机架具有带磁场梯度的偏转磁铁，该偏转磁铁由第一偏转磁铁、第二偏转磁铁和第三偏转磁铁组成，第一偏转磁铁之前安装有用于光学匹配的两块四极铁，第一偏转磁铁和第二偏转磁铁之间安装有用于光学匹配的三块四极铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁之间安装有用于减少旋转部分的长度和力矩的至多一块四极铁。
用于扫描或散射的治疗头安装在第三偏转磁铁之后的位置。
该第一偏转磁铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁之间具有梯度。
该第一偏转磁铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁分别采用三段式结构。
该第一偏转磁铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁各自具有梯度。
第二偏转磁铁和第三偏转磁铁之间不具有四极铁。
第一偏转磁铁和第二偏转磁铁分别采用90度偏转磁铁。
本发明通过带梯度的偏转磁铁来缩短旋转机架的纵向长度，减少四极铁的数目，此外，带梯度偏转磁铁的采用，可以大大减小传输过程中的包络函数，从而使得偏转磁铁的孔径减小，重量降低。虽然带梯度偏转磁铁具有梯度与偏转磁铁场强锁定且不能随意调节的调节，但是，本发明通过设计偏转磁铁的梯度和四极铁强度的组合使其形成1:1传输要求的旋转机架(即《基于Geant4模拟的质子治疗束配系统的束流光学设计》文中设计的机架，参见《核技术》，2013，36(7)，21-25页)，由于传输矩阵M为1：1，在不同角度时不需要对聚焦强度进行调节，只需要传输不同能量时和偏转磁铁同步调节，完美地避免了带梯度偏转磁铁的弱点。更进一步的，通过采用交变梯度偏转磁铁，还可以更进一步减少四极铁数目，从而缩短旋转机架长度，完美地避免带梯度的偏转磁铁的缺点，而完全发挥其优点。而且，第一偏转磁铁和第二偏转磁铁采用90度设置，可以减少旋转机架的纵向长度，同样可以降低旋转机架的重量。总之，根据本发明的紧凑型旋转机架减小了旋转机架尺寸，降低了旋转机架重量，使得制造和安装更加简单，降低了生产成本和运行功耗。
附图说明
图1a和图1b是现有技术中的旋转机架结构示意图；
图2是根据本发明的一个优选实施例的旋转机架结构图；
图3是图2的旋转机架的包络函数示意图；
图4是根据本发明的另一个优选实施例的旋转机架结构图；
图5是图4的旋转机架的包络函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
图2所示了处在垂直于水平面的角度的根据本发明的一个优选实施例的旋转机架，其具有第一偏转磁铁11，第二偏转磁铁12和第三偏转磁铁13，该偏转磁铁带有磁场梯度。第一偏转磁铁11之前有用于光学匹配的两块四极铁21，22，这两块四极铁21，22不占用旋转重量，且位于旋转轴心上，并不增加旋转机架纵向长度，可以增加匹配的灵活性。第一偏转磁铁11和第二偏转磁铁12之间安装有用于光学匹配的三块四极铁23，24，25。第二偏转磁铁12和第三偏转磁铁13之间安装一块四极铁26，用于减少旋转部分的长度和力矩。用于扫描或散射的治疗头(未示出)安装在第三偏转磁铁13之后的位置，保证SAD(等效源距，稍小于第三偏转磁铁出口距等中心的距离)大于3米来获得较好的治疗效果。该机架无论采用桶式、框架式还是梁式结构，都可以得到较短的纵向长度。
通过仔细优化偏转磁铁11，12，13的梯度和四极铁21，22，23，24，25，26的强度，获得了从旋转机架入口00到等中心01的传输矩阵为1:1的一套光学特性，并且满足等中心处消色散条件，整个传输过程中保证束流包络(3sigma)小于10mm，包络函数如图3所示，比《基于Geant4模拟的质子治疗束配系统的束流光学设计》文中的包络函数更小，从而大大减小了偏转磁铁11，12，13和四极铁21，22，23，24，25，26的孔径和重量。为了达到等中心01位置的束斑尺寸可调和在旋转机架各旋转角度保持不变，在旋转机架入口00处需要束斑尺寸为圆形，并根据治疗要求的形状和大小进行调节。这样排除旋转带来的水平和垂直的耦合后，且输运线上有更多的四极铁更容易匹配出治疗要求的束斑尺寸。相比于旧有的旋转机架需要满足水平和垂直的发射度相同、包络函数相同等条件极大放松。
图4给出了一种更优的布局，区别在于第二偏转磁铁120和第三偏转磁铁130之间不设置四极铁，在保持与图3中的包络函数大小相当的情况下，减少四极铁意味着机架纵向长度减小和重量的降低。其中，第一偏转磁铁110，第二偏转磁铁120和第三偏转磁铁130中的每个偏转磁铁均采用三段式结构，每段的磁场梯度不同(图2的设计中每块偏转磁铁梯度是相同的)，那么可以减少第二偏转磁铁120和第三偏转磁铁130之间减少了四极铁，从而缩短旋转机架纵向长度，同时还可以减小包络函数，减轻磁铁重量。
总之，根据本发明的紧凑型旋转机架主轨迹由三块偏转磁铁组成，它们依次排列在束流传输平面上，第一和第二偏转磁铁利用相反的磁场方向，将束流偏转到距离原束线一定高度的平行轨道上，第三偏转磁铁将束流从此平行轨道上偏转到与其垂直的轨道上。这三块偏转磁铁之间安装有四极铁辅助控制束流包络以便压缩磁铁间隙。该紧凑型旋转机架采用带梯度的超高场强偏转磁铁减少纵向尺寸；降低磁铁重量；于此同时满足从入口到出口的1:1传输，减少调节量。其中，采用90度偏转磁铁使得纵向尺寸减少。通过设计偏转磁铁的梯度和四极铁强度的组合既实现1:1传输又压缩束流的包络函数，使得偏转磁铁需要的间隙降低，从而降低偏转磁铁的重量。偏转磁铁重量的降低又进一步使得保持同样等中心误差所需的机架重量降低。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种紧凑型旋转机架，其特征在于，该紧凑型旋转机架具有带磁场梯度的偏转磁铁，该偏转磁铁由第一偏转磁铁、第二偏转磁铁和第三偏转磁铁组成，第一偏转磁铁之前安装有用于光学匹配的两块四极铁，第一偏转磁铁和第二偏转磁铁之间安装有用于光学匹配的三块四极铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁之间安装有用于减少旋转部分的长度和力矩的至多一块四极铁。
2.根据权利要求1所述的紧凑型旋转机架，其特征在于，用于扫描或散射的治疗头安装在第三偏转磁铁之后的位置。
3.根据权利要求1所述的紧凑型旋转机架，其特征在于，该第一偏转磁铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁之间具有梯度。
4.根据权利要求1所述的紧凑型旋转机架，其特征在于，该第一偏转磁铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁分别采用三段式结构。
5.根据权利要求4所述的紧凑型旋转机架，其特征在于，该第一偏转磁铁，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁各自具有梯度。
6.根据权利要求1所述的紧凑型旋转机架，其特征在于，第二偏转磁铁和第三偏转磁铁之间不具有四极铁。
7.根据权利要求1所述的紧凑型旋转机架，其特征在于，第一偏转磁铁和第二偏转磁铁分别采用90度偏转磁铁。
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