CN107007945B - 一种质子束流强调制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子束流强调制方法及系统，在基于回旋加速器的质子治疗装置中，能量选择模块使得不同能量下质子束的传输效率差异很大，而治疗端要求质子束保持较稳定的流强范围。本发明方法首先在质子束经过能量调制后，获取不同能量质子束在降能过程中的束流损失和传输效率，得到低能量至高能量的流强比值。根据临床要求的质子束流强动态比，对经过能量调制后的不同能量点进行扩束及准直后，完成设计比例范围内的流强调制，可将流强比值控制在一定值之内。本发明建立在蒙特卡洛计算方法及束流光学基础上，设计方法可靠，实现方案对空间要求小，对于保持质子治疗过程中束流稳定具有重要意义。

Description

一种质子束流强调制方法及系统
技术领域
本发明属于质子治疗装置研制技术领域，更具体地，涉及一种质子束流强调制方法及系统。
背景技术
质子治疗是目前癌症精准放射治疗方法。基于质子束独特的布拉格峰剂量分布特性，通过调节质子束能量可实现不同深度的布拉格峰剂量控制，从而实现精准的发射治疗。回旋加速器广泛用于质子治疗，其产生的质子束具有连续、稳定的优点。但由于回旋加速器引出束流能量固定，需要在输运线上通过降能器来调制能量，从而治疗不同深度肿瘤。
降能器通常采用密度高且原子序数低的材料(如碳)，通过束流与材料物质的相互作用(电离能损)实现能量的降低，但在该过程中由于散射导致束流品质恶化，需要通过束流准直器和能散狭缝抑制发射度和能散度，造成不同能量(70-230MeV)束流传输效率差异极大，其束流流强动态比值过高，不适合终端治疗。通常对于笔形束扫描治疗头，要求流强低于10nA，同时不同能量下流强动态比小于10。
在基于回旋加速器的质子流强治疗中，通常是在加速器中心区设计静电偏转板，通过剔除部分质子束改变加速器引出流强，从而控制高能段的治疗流强。该方法优点是灵活快速，可快速改变流强。但是该方法导致超导回旋加速器的设计和实现难度加大，对加速器引出束流稳定性要求极高，对于临床应用存在稳定性和安全性等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种质子束流强调制方法及系统，由此解决现有质子治疗装置中流强调制稳定性较差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种质子束流强调制方法，包括：
S1、在质子束经过能量调制后，获取不同能量点的束流传输效率，经过样条函数拟合后获得质子束传输效率-能量关系Tess(E)；
S2、对经过能量调制后的不同能量点进行散焦，然后对散焦后的束流进行准直，获得准直后的束流传输效率-能量关系Tco(E)；
S3、由所述质子束传输效率-能量关系Tess(E)与所述束流传输效率-能量关系Tco(E)得到每一个能量Ek的总体传输效率Ttotal(Ek)＝Tess(Ek)*Tco(Ek)；
S4、以最低能量点E0对应的总体传输效率Ttotal(E0)为基准，将不同能量下总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)控制在预设指标值R之内。
优选地，所述对散焦后的束流进行准直包括：
采用与散焦后的束流能量对应的可调准直器进行准直，其中，散焦后的束流能量所处的能量段范围越大，所述可调准直器的孔径越小。
优选地，在步骤S4中，对于能量Ek，若总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)超出预设指标值R，则跳转执行步骤S2对能量Ek处的流强进行散焦加准直，直至符合预设指标值R要求。
优选地，所述预设指标值R小于等于10。
按照本发明的另一方面，提供了一种质子束流强调制系统，包括：能量选择模块、四极铁、可调准直器以及控制模块；
所述控制模块，用于对质子束经过所述能量选择模块进行能量调制后，获取不同能量点的束流传输效率，经过样条函数拟合后获得质子束传输效率-能量关系Tess(E)；
所述四极铁，用于对经过所述能量选择模块进行能量调制后的不同能量点进行散焦；
所述可调准直器，用于对所述散焦后的束流进行准直；
所述控制模块，还用于获得准直后的束流传输效率-能量关系Tco(E)，由所述质子束传输效率-能量关系Tess(E)与所述束流传输效率-能量关系Tco(E)得到每一个能量Ek的总体传输效率Ttotal(Ek)＝Tess(Ek)*Tco(Ek)，并以最低能量点E0对应的总体传输效率Ttotal(E0)为基准，将不同能量下总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)控制在预设指标值R之内。
优选地，所述可调准直器，具体用于采用与散焦后的束流能量对应的可调准直器进行准直，其中，散焦后的束流能量所处的能量段范围越大，所述可调准直器的孔径越小。
优选地，对于能量Ek，若总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)超出预设指标值R，则继续对能量Ek处的流强进行散焦加准直，直至符合预设指标值R要求。
优选地，所述预设指标值R小于等于10。
总体而言，本发明方法与现有技术方案相比，能够取得下列有益效果：在输运线上通过动态聚焦扩束同可调准直器相结合的方法来抑制高能段的流强，从而保证不同能量下流强动态比小于一预设指标值。该方法属于被动式的流强调制，使得最终治疗时流强和能量的对应关系是确定的，确保治疗束流稳定性和安全性。同时，动态聚焦扩束后通过束流准直可降低束流光学匹配要求，并通过约束束流发射度减少真空管道内的束流损失。
附图说明
图1为本发明实施例公开的一种质子束流强调制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例公开的一种质子治疗装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示为本发明实施例公开的一种质子束流强调制方法的流程示意图，在图1所示的方法中，应用于采用回旋加速器作为质子源的质子治疗装置中，且加速器输出的能量和流强固定，该方法包括以下步骤：
S1、在质子束经过能量调制后，获取不同能量点的束流传输效率，经过样条函数拟合后获得质子束传输效率-能量关系Tess(E)；
其中，可以采用蒙特卡洛计算方法，对质子束经过能量选择系统后，不同的能量点的束流传输效率进行计算，经过样条函数拟合后获得质子束传输效率-能量关系Tess(E)。
S2、对经过能量调制后的不同能量点进行散焦，然后对散焦后的束流进行准直，获得准直后的束流传输效率-能量关系Tco(E)；
其中，可以在能量选择系统束流输运线后端，调整一组四极聚焦磁铁电流，对不同能量点散焦后，在一定距离L处设置一个可调准直器，对束流进行准直。其中，L值的确定取决于束流光学匹配过程中对束流包络大小控制的要求，L值的选取必须保证各能量下对应的束流包络均满足四极磁铁孔径的需求。并且，散焦后的束流能量所处的能量段范围越大，选用的可调准直器的孔径越小，例如，在中高能段，例如150-200MeV，可采取较大孔径的准直器，在高能段(调制能量>＝200MeV)时，采取较小孔径的准直器，上述仅是对本发明实施例中选用可调准直器的一种举例，不应理解为对本发明实施例的唯一性限定。
S3、由上述质子束传输效率-能量关系Tess(E)与上述束流传输效率-能量关系Tco(E)得到每一个能量Ek的总体传输效率Ttotal(Ek)＝Tess(Ek)*Tco(Ek)；
S4、以最低能量点E0对应的总体传输效率Ttotal(E0)为基准，将不同能量下总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)控制在预设指标值R之内。
对于能量Ek，若总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)超出预设指标值R，则跳转执行步骤S2对能量Ek处的流强进行散焦加准直，如此循环执行直至符合预设指标值R要求，预设指标值R小于等于10。
如图2所示为本发明实施例中的质子治疗装置的结构示意图。回旋加速器作为质子源产生固定能量固定流强的质子束，经过四极铁聚焦后进入能量选择模块中进行能量调制。能量选择模块包括：降能器、发射度准直器组和消色散DBA模块；其中，降能器用于能量调制，发射度准直器组用于限制发射度，消色散DBA模块中加上能量狭缝用于限制能散度。在能量选择模块后通过四极铁扩束，可调准直器准直的方式进行流强调制。
本发明中的流强调制方法适用于以回旋加速器提供质子束的质子治疗装置，加速器输出能量固定，通常在230-250MeV范围，稳定输出的流强固定。根据质子治疗需求，对输出的固定能量质子束通过降能器及束流准直系统进行能量选择，束流在此过程中的束流损失同所选择能量关系确定，在步骤S1中通过蒙特卡洛计算和样条函数拟合得出质子束传输效率-能量关系曲线Tess(E)。通过能量选择模块后，束流高低能量流强比值通常大于100，无法满足治疗过程中较小的流强比值(通常小于10)；因此在步骤S2中，于能量选择模块后端合适位置设置一组四极聚焦磁铁，通过调节该组磁铁聚焦特性，对不同能量点散焦后，在一定距离L处设置一个可调准直器，对束流进行准直。将能量调制分为两个阶段，在中高能段，例如150-200MeV，可采取较大孔径的准直器，在高能段(调制能量>＝200MeV)时，采取较小孔径的准直器。这样可以降低束流光学匹配计算的难度和减少束斑尺寸从而减少真空管道内的束流损失。通过束流跟踪程序计算可获得此部分束流传输效率-能量关系曲线Tco(E)。对于每一个能量Ek，总体传输效率Ttotal(Ek)＝Tess(Ek)*Tco(Ek)。以最低能量点E0对应的总体传输效率Ttotal(E0)为基准，将不同能量下总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)控制在设计指标值R之内。当超出此指标，则返回至步骤S2设计能量Ek处的流强调节聚焦磁铁聚焦特性，直至符合预设指标值R要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种质子束流强调制方法，其特征在于，包括：
S1、在质子束经过能量调制后，获取不同能量点的束流传输效率，经过样条函数拟合后获得质子束传输效率-能量关系Tess(E)；
S2、对经过能量调制后的不同能量点进行散焦，然后对散焦后的束流进行准直，获得准直后的束流传输效率-能量关系Tco(E)；
S3、由所述质子束传输效率-能量关系Tess(E)与所述束流传输效率-能量关系Tco(E)得到每一个能量Ek的总体传输效率Ttotal(Ek)＝Tess(Ek)*Tco(Ek)；
S4、以最低能量点E0对应的总体传输效率Ttotal(E0)为基准，将不同能量下总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)控制在预设指标值R之内；
其中，在步骤S4中，对于能量Ek，若总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)超出预设指标值R，则跳转执行步骤S2对能量Ek处的流强进行散焦加准直，直至符合预设指标值R要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对散焦后的束流进行准直包括：
采用与散焦后的束流能量对应的可调准直器进行准直，其中，散焦后的束流能量所处的能量段范围越大，所述可调准直器的孔径越小。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设指标值R小于等于10。
4.一种质子束流强调制系统，其特征在于，包括：能量选择模块、四极铁、可调准直器以及控制模块；
所述控制模块，用于对质子束经过所述能量选择模块进行能量调制后，获取不同能量点的束流传输效率，经过样条函数拟合后获得质子束传输效率-能量关系Tess(E)；
所述四极铁，用于对经过所述能量选择模块进行能量调制后的不同能量点进行散焦；
所述可调准直器，用于对所述散焦后的束流进行准直；
所述控制模块，还用于获得准直后的束流传输效率-能量关系Tco(E)，由所述质子束传输效率-能量关系Tess(E)与所述束流传输效率-能量关系Tco(E)得到每一个能量Ek的总体传输效率Ttotal(Ek)＝Tess(Ek)*Tco(Ek)，并以最低能量点E0对应的总体传输效率Ttotal(E0)为基准，将不同能量下总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)控制在预设指标值R之内；
其中，对于能量Ek，若总体传输效率比值Ttotal(Ek)/Ttotal(E0)超出预设指标值R，则继续对能量Ek处的流强进行散焦加准直，直至符合预设指标值R要求。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述可调准直器，具体用于采用与散焦后的束流能量对应的可调准直器进行准直，其中，散焦后的束流能量所处的能量段范围越大，所述可调准直器的孔径越小。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预设指标值R小于等于10。
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