CN107306474B - 一种医用电子直线加速器 - Google Patents

Abstract

一种医用电子直线加速器，包括高压脉冲调制器、微波功率源、微波传输机构和加速管，所述高压脉冲调制器与所述微波功率源连接，所述微波传输机构分别与所述微波功率源和所述加速管连接，所述微波功率源固定安装在一机架上，所述微波传输机构包括：环流器或隔离器，与所述微波功率源连接；以及多个波导，所述多个波导之间分别通过多个波导旋转接头顺序连接，所述波导旋转接头能调整任意两个所述波导之间的夹角，所述环流器或隔离器与所述多个波导的第一波导连接，所述加速管与所述多个波导的最末波导连接，所述加速管在所述多个波导的带动下实现空间位置的调整和移动。

Description

一种医用电子直线加速器

技术领域

本发明涉及一种电子直线加速管，特别是以电子直线加速管为辐射源的医用电子直线加速器。

背景技术

现代医学越来越广泛地利用电子直线加速管进行对肿瘤的治疗，其加速的电子能量为4MeV到20MeV不等。电子直线加速管系统由高压脉冲调制器、微波功率源(磁控管或者速调管)、微波传输系统(通常包含环流器以及各类波导)以及加速管等组成。通过对整个系统的机械设计，实现对加速管空间位置的控制，进而控制治疗时所用射线的空间位置以及照射方向。

加速管通常安装在旋转机架上，射线照射方向可利用旋转机架的运动来调节。微波功率源可以和加速管一起安装在旋转机架上(在这种情况下通常是用磁控管作为微波功率源)；微波功率源系统(在这种情况下通常是速调管)也可以固定安装，加速管和微波功率源系统之间通过一个波导旋转接头连接。这种加速管装置通常都比较庞大，位置固定。

现有技术常用的旋转机架的方案只有一个维度的运动，这极大地限制了射线方向选择时的灵活性，对于治疗十分不利。一种如Cyberknife的装置，其整个加速管系统安装在机械臂上，位置和角度可随意运动。所以Cyberknife可以实现机头的多维度运动，也就是说可以对射线方向有很好的控制。但该装置中，其整个治疗机头包含了功率源和加速管装置，重量达150kg，这就使得机头十分的笨重，对机械支撑部分的要求很高，同时由于机头重量很大，所以控制精确度也有所降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种医用电子直线加速器，同时兼顾射线控制的灵活性和减轻机头的重量，实现加速管在多个维度上的运动。

为了实现上述目的，本发明提供了一种医用电子直线加速器，包括脉冲高压调制器、微波功率源、微波传输机构和加速管，所述脉冲高压调制器与所述微波功率源连接，所述微波传输机构分别与所述微波功率源和所述加速管连接，其中，所述微波功率源固定安装在一机架上，所述微波传输机构包括：

环流器或隔离器，与所述微波功率源连接；以及

多个波导，所述多个波导之间分别通过多个波导旋转接头顺序连接，所述环流器或隔离器与所述多个波导的第一波导连接，所述加速管与所述多个波导的最末波导连接，所述多个波导带动所述加速管实现空间位置的调整和移动。

上述的医用电子直线加速器，其中，所述波导旋转接头包括：

第一接头体，包括第一旋转体、第一连接部和第一调节端，所述第一连接部设置在所述第一旋转体的侧面，所述第一连接部的末端设置有微波接口，所述第一调节端同轴设置在所述第一旋转体的顶部；以及

第二接头体，与所述第一接头体枢接并同轴设置，所述第二接头体包括第二旋转体、第二连接部和第二调节端，所述第二连接部设置在所述第二旋转体的侧面，所述第二连接部的末端设置有微波接口，所述第二调节端同轴设置在所述第二旋转体的底部，所述第一接头体与所述第二接头体相对转动以调节所述第一连接部与所述第二连接部之间的夹角。

上述的医用电子直线加速器，其特征在于，所述第一连接部位于所述第一旋转体的上部，所述第二连接部位于所述第二旋转体的下部，所述第一旋转体、第一连接部和所述第一调节端为一体结构件，所述第二旋转体、第二连接部和所述第二调节端为一体结构件。

上述的医用电子直线加速器，其中，与所述第一波导连接的所述波导旋转接头的轴线垂直于与所述多个波导中其他所述波导连接的所述波导旋转接头的轴线。

上述的医用电子直线加速器，其中，所述多个波导包括第一波导、第二波导、第三波导、第四波导和第五波导，所述第一波导、第三波导和所述第四波导为直波导，所述第二波导和所述第五波导为扭波导。

上述的医用电子直线加速器，其中，还包括控制系统，所述控制系统包括微波控制机构和机械控制机构，所述机械控制机构与所述多个波导连接，所述机械控制机构调整所述多个波导之间的夹角实现所述加速管空间位置的调整和移动，所述微波控制机构控制所述脉冲高压调制器、微波功率源及所述加速管产生满足治疗要求的电子束或X射线。

上述的医用电子直线加速器，其中，所述微波功率源为磁控管或速调管。

上述的医用电子直线加速器，其中，所述脉冲高压调制器通过电缆与所述微波功率源连接。

上述的医用电子直线加速器，其中，所述加速管为驻波加速管，所述驻波加速管通过所述波导旋转接头与所述最末波导连接，且所述驻波加速管通过单一波导口与所述波导旋转接头连接。

上述的医用电子直线加速器，其中，还包括机械臂，所述机械臂的一端固定在所述机架上，所述加速管安装在所述机械臂的另一端，所述机械臂对应所述多个波导平行设置并同步运动。

本发明的技术效果在于：

本发明微波功率源固定不动，并与加速管分离安装，通过机械臂控制加速管的空间位置，加速管和功率源系统的连接采用多个微波旋转关节，实现加速管在多个维度上的运动。将功率源和波导系统与加速管分开，可以极大减少可移动部分机头的重量(估计由200kg减至50kg以下)，机械臂承重减轻后可提高定位精度，同时保持了灵活性，也提高了系统的可移动性以及稳定性。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的医用电子直线加速器结构示意图；

图2为本发明一实施例的波导旋转接头结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明一实施例的微波接口结构示意图。

其中，附图标记

1脉冲高压调制器

2微波功率源

3微波传输机构

31环流器

32波导

321第一波导

322第二波导

323第三波导

324第四波导

325第五波导

33波导旋转接头

331第一接头体

3311第一旋转体

3312第一连接部

3313第一调节端

332第二接头体

3321第二旋转体

3322第二连接部

3323第二调节端

333第一波导旋转接头

334第二波导旋转接头

335第三波导旋转接头

336第四波导旋转接头

34微波接口

341波导口

4加速管

5电子束或X射线

6机械臂

7电缆

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明一实施例的医用电子直线加速器结构示意图。本发明的医用电子直线加速器，包括脉冲高压调制器1、微波功率源2、微波传输机构3和加速管4，所述脉冲高压调制器1与所述微波功率源2连接，所述微波传输机构3分别与所述微波功率源2和所述加速管4连接，所述微波功率源2固定安装在一机架上(图未示)，所述微波传输机构3包括：环流器31或隔离器，与所述微波功率源2连接；以及多个波导32，所述多个波导32之间分别通过多个波导旋转接头33顺序连接，所述波导旋转接头33能调整任意两个所述波导32之间的夹角θ，所述环流器31或隔离器与所述多个波导32的第一波导321连接，所述加速管4与所述多个波导32的最末波导32连接，所述加速管4在所述多个波导32的带动下实现空间位置的调整和移动。

参见图2及图3，图2为本发明一实施例的波导旋转接头结构示意图，图3为图2的俯视图。本实施例中，所述波导旋转接头33包括：第一接头体331，包括第一旋转体3311、第一连接部3312和第一调节端3313，所述第一连接部3312设置在所述第一旋转体3311的侧面，所述第一连接部3312的末端设置有微波接口，所述第一调节端3313同轴设置在所述第一旋转体3311的顶部；以及第二接头体332，与所述第一接头体331枢接并同轴设置，所述第二接头体332包括第二旋转体3321、第二连接部3322和第二调节端3323，所述第二连接部3322设置在所述第二旋转体3321的侧面，所述第二连接部3322的末端设置有微波接口，所述第二调节端3323同轴设置在所述第二旋转体3321的底部，所述第一接头体331与所述第二接头体332相对转动以调节所述第一连接部3312与所述第二连接部3322之间的夹角，所述第一调节端3313与第二调节端3323用于微波匹配的调节。其中，优选所述第一连接部3312位于所述第一旋转体3311的上部，所述第二连接部3322位于所述第二旋转体3321的下部，所述第一旋转体3311、第一连接部3312和所述第一调节端3313为一体结构件，所述第二旋转体3321、第二连接部3322和所述第二调节端3323为一体结构件。本实施例中，优选与所述第一波导321连接的所述波导旋转接头33的轴线垂直于与所述多个波导32中其他所述波导32连接的所述波导旋转接头33的轴线。

本实施例中，所述多个波导32包括第一波导321、第二波导322、第三波导323、第四波导324和第五波导325，所述第一波导321、第三波导323和所述第四波导324为直波导，所述第二波导322和所述第五波导325为扭波导。其中两波导32之间的夹角θ可以根据需要调节，但并不影响微波的传输。本实施例共采用四个波导旋转接头33，其中与第一波导321直波导连接的第一波导旋转接头333运动的平面与其他三个波导旋转接头(依次分别为第二波导旋转接头334、第三波导旋转接头335和第四波导旋转接头336)运动的平面垂直。该第一波导旋转接头333前方(即图1中右侧)的部分固定，静止不动，该第一波导旋转接头333后方的部分(即图1中左侧)是可以控制运动的部分。控制第一波导旋转接头333连接的第一波导321和第二波导322之间的夹角θ，可以实现可移动部分水平方向的位移，通过控制后面三个波导旋转接头即第二波导旋转接头334、第三波导旋转接头335和第四波导旋转接头336，调整第二波导322、第三波导323、第四波导324及第五波导325之间的三个夹角θ就可以控制加速管4在垂直的一个面上前后上下运动，所以四个波导旋转接头33的配合可以实现加速管4空间位置的多维控制。

为了实现上述控制，本发明还可包括控制系统(图未示)，所述控制系统可包括微波控制机构和机械控制机构，所述机械控制机构与所述多个波导32连接，所述机械控制机构通过调整所述多个波导32之间的夹角θ实现所述加速管4空间位置的调整和移动，所述微波控制机构用于控制所述脉冲高压调制器1、微波功率源2及所述加速管4以产生满足治疗要求的电子束或X射线5。其中，所述微波功率源2优选为磁控管或速调管。所述脉冲高压调制器1通过电缆7与所述微波功率源2连接并提供高压电。所述加速管4优选为驻波加速管4，只有一个波导口。所述驻波加速管4通过所述波导旋转接头33与所述最末波导32连接，且所述驻波加速管4通过单一波导口341与所述波导旋转接头33连接。

本发明的一实施例中，还可包括机械臂6，所述机械臂6的一端固定在所述机架上，所述加速管4安装在所述机械臂6的另一端，所述机械臂6对应所述多个波导32平行设置并同步运动。机械臂6与波导32安装在一起，微波传输机构3中波导旋转接头33的第一连接部3312与第二连接部3322之间的夹角θ随着机械臂6改变。加速管4通过机械臂6控制，微波功率源2固定不动，加速管4和微波功率源2的连接采用包括多个波导旋转接头33的微波传输机构3。脉冲高压调制器1给出高压脉冲，并将高压加在微波功率源2(磁控管或速调管)上。微波功率源2得到高压开始工作输出微波脉冲。微波脉冲首先通过隔离器(或环流器31)，然后经过波导32传输到加速管4。

参见图4，图4为本发明一实施例的微波接口结构示意图。本发明中所有微波器件的连接都可通过相同的微波接口34进行连接。本发明利用多段波导32传输微波脉冲，多个波导32间由波导旋转接头33相连接，并和机械臂6整合。脉冲高压调制器1通过电缆7给微波功率源2提供高压电，微波功率源2工作后产生的微波通过微波接口34的波导口341(参见图4)出来。之后的环流器31(或隔离器)、扭波导32、直波导32、波导旋转接头33都是双口元件(即每一个器件都有两个波导口341，系统里所有微波接口34的波导口341都是同样规格)。从微波功率源2开始所有器件的连接都是波导口341对接。加速管4在多维度上的运动通过调整波导旋转接头33而实现。微波脉冲进入加速管4并在加速管4内建立电磁场，同时电子枪发射电子束。电子束被加速至所需能量后，可直接通过金属窗引出进行治疗，也可以通过电子束打靶产生X射线进行治疗。

本发明采用多个波导旋转接头33与多段波导32的配合使用，在不影响微波传输的情况下实现了加速管4的多维运动。可以实现射波刀(Cyberknife)的功能，但可以很大地减少机头的重量，从而可以提高射线控制的精度，改善治疗效果。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种医用电子直线加速器，包括脉冲高压调制器、微波功率源、微波传输机构和加速管，所述脉冲高压调制器与所述微波功率源连接，所述微波传输机构分别与所述微波功率源和所述加速管连接，其特征在于，所述微波功率源固定安装在一机架上，所述微波传输机构包括：

环流器或隔离器，与所述微波功率源连接；

多个波导，所述多个波导之间分别通过多个波导旋转接头顺序连接，所述环流器或隔离器与所述多个波导的第一波导连接，所述加速管与所述多个波导的最末波导连接，所述多个波导带动所述加速管实现空间位置的调整和移动；

机械臂，所述机械臂的一端固定在所述机架上，所述加速管安装在所述机械臂的另一端，所述机械臂对应所述多个波导平行设置并同步运动；以及

控制系统，所述控制系统包括微波控制机构和机械控制机构，所述机械控制机构与所述机械臂连接，以调整所述多个波导之间的夹角实现所述加速管空间位置的调整和移动，所述微波控制机构控制所述脉冲高压调制器、微波功率源及所述加速管产生满足治疗要求的电子束或X射线；

其中，所述多个波导包括第一波导、第二波导、第三波导、第四波导和第五波导，所述第一波导、第三波导和所述第四波导为直波导，所述第二波导和所述第五波导为扭波导；所述多个波导旋转接头包括第一波导旋转接头、第二波导旋转接头、第三波导旋转接头和第四波导旋转接头；与所述第一波导连接的所述第一波导旋转接头的运动平面与其他三个波导旋转接头的运动平面垂直；控制所述第一波导旋转接头连接的所述第一波导和第二波导之间的夹角θ，实现水平方向的位移；控制所述第二波导旋转接头、第三波导旋转接头和第四波导旋转接头，分别调整所述第二波导、第三波导、第四波导及第五波导之间的三个夹角θ控制所述加速管在垂直面的前后上下运动，四个所述波导旋转接头配合实现所述加速管空间位置的多维控制；

所述波导旋转接头包括：

第一接头体，包括第一旋转体、第一连接部和第一调节端，所述第一连接部设置在所述第一旋转体的侧面，所述第一连接部的末端设置有微波接口，所述第一调节端同轴设置在所述第一旋转体的顶部；以及

第二接头体，与所述第一接头体枢接并同轴设置，所述第二接头体包括第二旋转体、第二连接部和第二调节端，所述第二连接部设置在所述第二旋转体的侧面，所述第二连接部的末端设置有微波接口，所述第二调节端同轴设置在所述第二旋转体的底部，所述第一接头体与所述第二接头体相对转动以调节所述第一连接部与所述第二连接部之间的夹角；

其中，所述加速管为驻波加速管，所述驻波加速管通过所述波导旋转接头与所述最末波导连接，且所述驻波加速管通过单一波导口与所述波导旋转接头连接。

2.如权利要求1所述的医用电子直线加速器，其特征在于，所述第一连接部位于所述第一旋转体的上部，所述第二连接部位于所述第二旋转体的下部，所述第一旋转体、第一连接部和所述第一调节端为一体结构件，所述第二旋转体、第二连接部和所述第二调节端为一体结构件。

3.如权利要求1所述的医用电子直线加速器，其特征在于，与所述第一波导连接的所述波导旋转接头的轴线垂直于与所述多个波导中其他所述波导连接的所述波导旋转接头的轴线。

4.如权利要求1、2或3所述的医用电子直线加速器，其特征在于，所述微波功率源为磁控管或速调管。

5.如权利要求4所述的医用电子直线加速器，其特征在于，所述脉冲高压调制器通过电缆与所述微波功率源连接。