CN106861056B - 扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置及其调控方法。本发明的调控装置包括：激光器、靶、第一聚焦磁铁、扇形磁铁、多孔匹配挡片和第二聚焦磁铁；本发明采用多孔匹配挡片，多孔匹配挡片为曲面，曲面沿y轴平行，在xz平面的投影与不同能量的质子束的像点在xz平面构成的曲线重合；在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束进行选择，在像点处相同能量的不同散角的质子束在x轴上已汇聚到很小尺寸，因此能够精确地选择出来，并控制透过率，提高扇形磁铁的质子能量空间分辨能力，并且能够满足肿瘤医疗的剂量分布要求。

Description

扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置及其调控方法

技术领域

本发明涉及激光加速器肿瘤治疗技术，具体涉及一种扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置及其调控方法。

背景技术

根据世界卫生组织的统计全世界每年大约有上1000万病人死于癌症，预计20年后将达到2400万。传统X射线等光子放疗副作用大。质子和重离子在人体中的剂量沉积因为存在布拉格峰，进入人体后不会立即大量释放能量，只在离子停下的位置释放其大部分能量，从而杀死深层肿瘤而对浅层正常组织的损害最大限度降低。至2015年，质子和重离子肿瘤治疗全世界已超过154000病例，其中质子治疗病例超过130000。然而以射频加速器为主体的离子加速设备体积大、造价高、维护和运行费用不菲，很难利用这样的常规加速器设备来满足肿瘤医疗需求。

应用新原理的激光加速器加速梯度可以达到100GV/m以上(比射频加速器至少高3个数量级)，可以显著降低加速器的尺寸和造价，其加速得到的高能质子的医疗应用前景已引起越来越多的重视，世界范围内的研究也日趋成熟。

通常超强激光脉冲与靶作用后，产生质子束团。质子束通常有大散角和大能散范围，需要聚焦和能量分析选择。

质子束团产生后经过聚焦磁铁聚焦，到达扇形磁铁进行能量分析。能量分析后的质子束到达狭缝时，期望不同能量的质子在空间上已经分开，从而可以通过狭缝挡片的开合选择需要的能量。最后将选出的质子聚焦后在应用终端应用。

现有技术中的狭缝沿X方向，通过挡片开关控制特定X坐标的质子是否能通过，将狭缝设置在Z坐标为0处，选不同能量的质子，会导致大部分能量的质子束团尺寸较大，在X轴上能散较大的临近能量的质子不能完全分开，从而能量选择不理想，能量分辨能力低。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置及其调控方法。

本发明的一个目的在于提出一种扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置。

本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置包括：激光器、靶、第一聚焦磁铁、扇形磁铁、多孔匹配挡片和第二聚焦磁铁；其中，激光器发出超强激光脉冲与靶相互作用后，产生质子束团，沿z轴传播；经第一聚焦磁铁聚焦后，由扇形磁铁将不同能量的质子束在空间中分开，并且同时将相同能量的质子束汇聚，汇聚点称为像点；经过扇形磁铁后，不同能量的质子束在空间沿x轴分开，相同能量的质子在像点汇聚，不同能量的质子束的像点沿z轴的位置不同，从而不同能量的质子束的像点在xz平面构成曲线；多孔匹配挡片为曲面，曲面沿y轴平行，在xz平面的投影与不同能量的质子束的像点在xz平面构成的曲线重合；多孔匹配挡片包括多排能量匹配孔，每一排能量匹配孔上包括多个通孔，通孔的轴线与z轴平行；每一排能量匹配孔所在的位置与所对应透过的能量的质子束的像点位置重合；从每一排能量匹配孔透过的能量的质子束的透过率，由此排的通孔所占的面积比例决定；多孔匹配挡片在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束进行选择，在像点处相同能量的不同散角的质子束在x轴上已汇聚到最小尺寸，因此能够精确地选择出来，并控制透过率，提高扇形磁铁的质子能量空间分辨能力，并且能够满足肿瘤医疗的剂量分布要求；经过多孔匹配挡片精确选择后的各能量的质子经第二聚焦磁铁聚焦后，输送至应用终端。

多孔匹配挡片的材料采用铝、铅等导电导热材料。质子能谱中，所需要的一部分通过，不需要的必须完全挡住，质子的能量越高，厚度越大，根据所需要阻挡的最大能量的质子的能量确定多孔匹配挡片的厚度，使得不需要的质子完全被阻挡住。

每一排能量匹配孔中的多个通孔，采用周期性分布或不均匀分布；各个通孔在xy平面内投影为方孔，方孔沿x方向的长度与各能量像点处的质子束沿x方向的尺寸一致。方孔沿y方向的长度与相邻的通孔间y方向距离的比例，为对应能量的质子束的通过率。

本发明采用多孔匹配挡片，每一排能量匹配孔与所对应透过的能量的质子束的像点位置重合，根据能谱需要控制不同能量的质子束的通过率，可以将激光加速产生的质子能谱直接转变为医疗剂量平台需要的能谱。每一排能量匹配孔中，通孔的面积与本排面积的比值为所对应的能量的质子束的通过率。

本发明的另一个目的在于提供一种扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱的调控方法。

本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱的调控方法，包括以下步骤：

1)激光器发出超强激光脉冲与靶相互作用后，产生质子束团，沿z轴传播，经第一聚焦磁铁聚焦后，由扇形磁铁将不同能量的质子束在空间中分开，并且同时将相同能量的质子束汇聚，汇聚点称为像点；

2)不同能量的质子束经扇形磁铁后，在空间沿x轴分开，经扇形磁铁汇聚后，不同能量的质子束的像点沿z轴的位置不同，从而不同能量的质子束的像点在xz平面构成曲线；

3)多孔匹配挡片为曲面，曲面沿y轴平行，在xz平面的投影与不同能量的质子束的像点在xz平面构成的曲线重合；多孔匹配挡片包括多排能量匹配孔，每一排能量匹配孔上包括多个通孔，通孔的轴线与z轴平行；每一排能量匹配孔所在的位置与所对应透过的能量的质子束的像点位置重合；从每一排能量匹配孔透过的质子束的透过率，由通孔所占的面积比例决定；多孔匹配挡片在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束进行选择，在像点处相同能量的不同散角的质子束在x轴上已汇聚到最小尺寸，因此能够精确地选择出来，并控制透过率，提高扇形磁铁的质子能量空间分辨能力，并且能够满足肿瘤医疗的剂量分布要求；

4)经过多孔匹配挡片精确选择后的各能量的质子经第二聚焦磁铁聚焦后，输送至应用终端。

本发明的优点：

本发明采用多孔匹配挡片，在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束进行选择，在像点处相同能量的不同散角的质子束在x轴上已汇聚到很小尺寸，因此能够精确地选择出来，并控制透过率，提高扇形磁铁的质子能量空间分辨能力，并且能够满足肿瘤医疗的剂量分布要求。

附图说明

图1为本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置的示意图；

图2为不同能量的质子束的像点在xz平面构成的曲线图；

图3为本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置的多孔匹配挡片的摆放示意图；

图4为本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置采用多孔匹配挡片与现有技术的狭缝的分辨率对比示意图，其中，(a)为现有技术中的狭缝的分辨率，(b)为本发明的多空匹配挡板的分辨率；

图5为初始的质子能谱与根据本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置得到的医疗能谱对比曲线图；

图6为本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置采用多孔匹配挡片的三维示意图；

图7为本发明的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置的多孔匹配挡片的一个实施例在xy平面的投影图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置包括：激光器1、靶2、第一聚焦磁铁3、扇形磁铁4、多孔匹配挡片5和第二聚焦磁铁6；其中，激光器发出超强激光脉冲与靶相互作用后，产生质子束团，沿z轴传播，经第一聚焦磁铁聚焦后，由扇形磁铁将不同能量的质子束在空间中分开，并且同时将相同能量的质子束汇聚，汇聚点称为像点；经过扇形磁铁后，不同能量的质子束在空间沿x轴分开，相同能量质子束在像点汇聚；多孔匹配挡片在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束进行选择；经过多孔匹配挡片精确选择后的各能量的质子经第二聚焦磁铁聚焦后，输送至应用终端。

在本实施例中，多孔匹配挡片上设置有十一排有代表性的不同能量的质子束对应的通孔，在xy平面内投影的示意图如图7所示。

如图2所示，经扇形磁铁汇聚后，不同能量的质子束的像点沿z轴的位置不同，从而不同能量的质子束的像点在xz平面构成曲线。

如图3所示，多孔匹配挡片为曲面，曲面沿y轴平行，在xz平面的投影与不同能量的质子束的像点在xz平面构成的曲线重合。现有技术中的狭缝05沿X方向，通过挡片开关控制特定X坐标的质子是否能通过，将狭缝设置在Z坐标为0处。

因为相同能量不同散角的质子经过扇形磁铁后的汇聚位置(像点)在Z轴上不同，所以常见狭缝设置在Z坐标为0处选不同能量的质子，会导致大部分能量的质子束团尺寸较大，在X轴上不能完全分开，从而能量选择不理想，能量分辨能力低，如图4(a)所示。另外激光加速得到的初始质子能谱需要经过能量分析和改变才能满足肿瘤医疗的剂量分布要求，如图5所示。本发明采用多空匹配挡片，在像点处相同能量不同散角的质子束在X轴上已汇聚到很小尺寸，因此可以比较精确地选择出来，提高扇形磁铁质子能量空间分辨能力，如图4(b)所示。

当扇形磁铁偏转半径65cm，物距和像距相等时，图6给出不同能量(举例中能散范围从-5％～5％)质子束在xz平面内像点位置的曲线坐标。多孔匹配挡片在xz平面内与像点位置曲线重合匹配，在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束选择，可以将各能量的质子更准确高效地选出。

通过多孔匹配挡片后，激光加速产生的质子能谱，直接变为满足肿瘤治疗剂量平台要求的质子能谱。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱调控装置，其特征在于，所述调控装置包括：激光器、靶、第一聚焦磁铁、扇形磁铁、多孔匹配挡片和第二聚焦磁铁；其中，所述激光器发出超强激光脉冲与靶相互作用后，产生质子束团，沿z轴传播；经第一聚焦磁铁聚焦后，由扇形磁铁将不同能量的质子束在空间中分开，并且同时将相同能量的质子束汇聚，汇聚点称为像点；经过扇形磁铁后，不同能量的质子束在空间沿x轴分开，相同能量的质子在像点汇聚，不同能量的质子束的像点沿z轴的位置不同，从而不同能量的质子束的像点在xz平面构成曲线；所述多孔匹配挡片为曲面，曲面沿y轴平行，在xz平面的投影与不同能量的质子束的像点在xz平面构成的曲线重合；所述多孔匹配挡片包括多排能量匹配孔，每一排能量匹配孔上包括多个通孔，通孔的轴线与z轴平行；每一排能量匹配孔所在的位置与所对应透过的能量的质子束的像点位置重合；从每一排能量匹配孔透过的能量的质子束的透过率，由此排的通孔所占的面积比例决定；多孔匹配挡片在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束进行选择，在像点处相同能量的不同散角的质子束在x轴上已汇聚到最小尺寸，因此能够精确地选择出来，并控制透过率，提高扇形磁铁的质子能量空间分辨能力，并且能够满足肿瘤医疗的剂量分布要求；经过多孔匹配挡片精确选择后的各能量的质子经第二聚焦磁铁聚焦后，输送至应用终端。

2.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述多孔匹配挡片的材料采用铝或铅。

3.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，根据所需要阻挡的最大能量的质子的能量确定多孔匹配挡片的厚度，使得不需要的质子完全被阻挡住。

4.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，通孔在xy平面内投影为方孔，方孔沿x方向的长度与各能量像点处的质子束沿x方向的尺寸一致。

5.如权利要求1所述的调控装置，其特征在于，通孔在xy平面内投影为方孔，方孔沿y方向的长度与相邻的通孔间y方向距离的比例，为对应能量的质子束的通过率。

6.一种扇形磁铁选能优化与质子医疗能谱的调控方法，其特征在于，所述调控方法包括以下步骤：

1)激光器发出超强激光脉冲与靶相互作用后，产生质子束团，沿z轴传播，经第一聚焦磁铁聚焦后，由扇形磁铁将不同能量的质子束在空间中分开，并且同时将相同能量的质子束汇聚，汇聚点称为像点；

2)不同能量的质子束经扇形磁铁后，在空间沿x轴分开，经扇形磁铁汇聚后，不同能量的质子束的像点沿z轴的位置不同，从而不同能量的质子束的像点在xz平面构成曲线；

3)多孔匹配挡片为曲面，曲面沿y轴平行，在xz平面的投影与不同能量的质子束的像点在xz平面构成的曲线重合；多孔匹配挡片包括多排能量匹配孔，每一排能量匹配孔上包括多个通孔，通孔的轴线与z轴平行；每一排能量匹配孔所在的位置与所对应透过的能量的质子束的像点位置重合；从每一排能量匹配孔透过的质子束的透过率，由通孔所占的面积比例决定；多孔匹配挡片在各能量的质子束汇聚到最小处对质子束进行选择，在像点处相同能量的不同散角的质子束在x轴上已汇聚到最小尺寸，因此能够精确地选择出来，并控制透过率，提高扇形磁铁的质子能量空间分辨能力，并且能够满足肿瘤医疗的剂量分布要求；

4)经过多孔匹配挡片精确选择后的各能量的质子经第二聚焦磁铁聚焦后，输送至应用终端。