CN107596579A - 基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，包括超导回旋加速器系统、能量选择系统、束流输运系统、固定治疗室子系统和旋转机架治疗子系统；所述超导回旋加速器系统中的超导回旋加速器引出的固定能量质子束流，经能量选择系统实现70‑200MeV连续可调的质子束流，从而满足质子治疗肿瘤时射程的纵向调整；经束流输运系统分别传输给固定治疗室子系统和旋转机架治疗子系统；超导回旋加速器系统、能量选择系统、束流输运系统和治疗头协同控制，实现质子束流的横向扩展，完成对肿瘤的适形调强治疗。本发明的创新性好，实用性强，超导回旋加速器束流强度可调节，可以实现调强治疗；对患者肿瘤治疗的精准性、有效性、高效性有着极其重要的促进作用。

Description

基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统
技术领域
本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统。
背景技术
随着目前癌症治疗的需求上升，质子治疗成为一种有效治疗肿瘤的手段。质子治疗具有独特的“布拉格峰”生物学效应，在到达靶区前的路径上剂量损失极小，质子能够在体内某个预先设定的深度释放其大部分能量，形成名为“布拉格峰”的能量释放轨迹可对肿瘤区域精准治疗，有效杀伤病灶。同时减少对周围健康组织的破坏的目的，大大减少对正常细胞的损伤，提高患者治疗过程中的舒适性，提高患者术后生活质量。与普通放疗技术相比，质子治疗具有治疗范围广，治愈率和治疗后存活率高，正常组织遭受辐射剂量减少60％，治疗恶性肿瘤时间较短，有效降低健康组织辐射伤害风险。
虽然质子治疗的优越性已得到世界的认可，但目前我国正在使用的质子治疗系统主要从国外引进，核心技术主要依赖国外，采购和维护成本高，而且质子治疗系统的占地面积大，建造成本高。这些原因都导致质子治疗费用极高，大多数患者无法承担治疗质子治疗的费用。因此掌握质子治疗系统的核心技术，减少对国外的技术依赖，并且改进质子治疗系统布局、实现治疗设备的结构紧凑性，从而减少采购、维护和建造费用是降低质子治疗费用的必要途径。
申请号CN201480022491.8公开一种机载于可转动龙门架上的具有能量选择的紧凑的质子治疗系统，其说明书附图记载了根据现有技术的适应提供用于多个治疗台的质子射束的质子放射系统的医疗设施的配置；以及配备有单室质子治疗系统的医疗设施的示例性配置。
申请号CN201610616075.1一种基于回旋加速器的质子治疗系统，包括质子回旋加速器及用于输送质子回旋加速器内质子的主质子束流输运系统，主质子束流输运系统通过开关磁铁将所需能量的质子分别传输给三条不同路径的治疗室，三条不同路径上的治疗室分别为旋转机架治疗室及设置在旋转机架治疗室两侧的水平束及垂直束双固定束治疗室和水平束及倾斜束双固定束治疗室。
申请号CN201610617089.5一种错位布置的双固定室双束照射的质子治疗系统，所述质子治疗系统包括顺序连接的如下装置：质子回旋加速器、质子束流输运系统、双固定束治疗室。
上述公开技术主要有以下不足之处：体积、占地面积大，没有对人员、环境的辐射保护；对肿瘤患者的精准定位、治疗准备时间、治疗效率有待提高等。
发明内容
为解决目前质子治疗系统占地面积大，花费高，而且主要核心部件仍在依赖国外技术的问题，本发明提出一种基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，包括超导回旋加速器系统、能量选择系统、束流输运系统、固定治疗室子系统和旋转机架治疗子系统；所述超导回旋加速器系统的超导回旋加速器引出的固定能量质子束流，经能量选择系统后实现从70MeV到200MeV连续可调的质子束流，从而满足质子治疗肿瘤时射程的纵向调整，再经束流输运系统分别传输给固定治疗室子系统和旋转机架治疗子系统；超导回旋加速器系统、能量选择系统、束流输运系统和治疗头协同控制，实现质子束流的横向扩展，完成对肿瘤的适形调强治疗。
所述的超导回旋加速器，包括超导磁体系统、高频系统、离子源系统、中心区、引出区、磁铁单元和诊断单元组成；
所述的超导磁体系统包括：强磁场超导磁体、超导线圈终端箱、超导磁体调节结构；所述的强磁场超导磁体呈圆周型，布置于谐振腔的外围，可以提供质子加速过程中的磁场，所述的超导磁体线圈终端箱与超导磁体连接，为超导磁体提供工作所需的低温环境，所述的超导磁体调节结构包括十二根调节拉杆，分别均匀布置于超导磁体的上下表面和圆周侧面，可以调节线圈中平面位置。
所述的高频系统包括：高频谐振腔、高频谐振腔调谐杆。所述的高频谐振腔呈中心对称的螺旋扇形，布置于磁极之间，能够为粒子提供加速电压；所述的高频谐振腔调谐杆对称安装于高频谐振腔的上表面和下表面，上下表面各有两个调谐杆，能够对谐振频率进行微调。
所述的离子源系统由热阴极离子源、离子源支撑及导轨组成。热阴极离子源沿超导回旋加速器下铁轭中心轴深入中心区，借助离子源支撑及导轨进行导向和固定，为超导回旋加速器提供被加速的粒子。
所述的中心区采用的是一种流强可调式中心区结构(包括DEE板、假DEE、竖直挡板、偏转电极、竖直电极柱和离子源)，用于将粒子从内离子源中引出，选择其中运动状态较理想的一部分粒子进行加速，而且可以根据需要调节中心区束流流强的大小，结构简单，控制方便。
所述的引出区包括可调式束流偏转机构和磁通道系统。所述的可调式束流偏转机构包括径向调节机构、支撑机构、静电偏转板本体和真空高压馈入机构。所述的径向调节机构包括固定底座、丝杠和活动块。所述的支撑机构包括上下安装板和中间支柱。所述的静电偏转板本体包括壳体、高压电极和切割板等。所述的真空高压馈入机构包括高压电缆、陶瓷绝缘套管、弹性导电端子和导电销等。所述的磁通道系统包括MC1、MC2、MC3，MC4。所述的磁铁单元包括磁轭、举升液压缸和磁极。所述的磁轭包括上铁轭盖板、上铁轭腰、下铁轭腰和下铁轭盖板。所述的诊断单元包括中心区束流诊断、加速区束流诊断、引出区束流诊断和引出参考点束流诊断。
所述的流强可调式中心区结构能选择出运动状态较理想的一部分粒子进行加速，并可以根据需要调节中心区束流流强大小。所述的可调式束流偏转机构能使静电偏转板根据束流调整需要实现整体径向移动。
所述的引出区提供了一种可调式束流偏转机构和磁通道系统。可调式束流偏转机构能够将束流从超导回旋加速器回旋轨道偏离引出。磁通道系统能通过自身产生的磁场作用于质子，对质子进行角度偏转直到引出。
所述的诊断单元的发明能够测量中心区、加速区、引出区和引出参考点处的束流位置、流强等信息，并能在束流引出端末尾吸收阻挡束流。
所述的超导回旋加速器系统引出的质子束流能量为200MeV，在治疗肿瘤需要根据治疗深度，通过能量选择系统来调节束流能量，实现射程的调节；
所述的能量选择系统由不同厚度的石墨降能器、准直器、选择狭缝所组成，系统中还包括了粒子光学所需的各种磁铁与相应的束流检测设备、束流阻断器等设备。当质子通过石墨层时，石墨厚度大则降低的能量大，用不同的厚度就可以得到不同的降能。当超导回旋加速器引出的200MeV固定能量进入能量选择系统，通过调节降能器的不同厚度，就可以在输出得到从70MeV到200MeV连续可调的不同能量质子束流送入治疗头。此外，入射的质子束流在通过降能器时产生散射，造成束流能量、空间位置和运动方向的离散分布，能量的分布即能散度，空间位置和运动方向的分布即发散度。粒子在穿过材料的过程中，也会发生核反应，产生次级粒子，造成一定的粒子损失和辐射，需要考虑一定的辐射屏蔽措施。为了保证输出的质子束流满足所要求的发散度和能散度，在系统中有相应的束流光学设备，即准直约束设备，如准直器、选择狭缝等；所述的降能器用于降低束流能量，获得治疗所需能量的束流；所述的准直器通过降能器后的束流由于散射出现束流分散的现象，依靠准直器的物理限制手段，将束流的属性控制在可接受的范围内；所述的选择狭缝用于质子在通过降能器的时候出现能量离散，能量不同的粒子在通过二极磁铁偏转的过程中，在水平方向出现束流包络半径的增大，通过选择狭缝的物理限制手段，将与所需能量偏差过大的粒子屏蔽；所述的束流检测设备，采用多丝电离室(MWIC)的方式，对束流的中心位置、束流强度、束流发散度进行测量的设备，并反馈信号给输运线中的校正磁铁，保持束流位置的准确。
所述的束流输运系统用于传输与控制质子束流，质子束流经能连选择系统之后，采用独有的63度30度二极铁偏转组合，形成紧凑的输运线磁铁布局，将所需能量的质子束流分别传输给两条不同路径的治疗子系统，两条不同路径的治疗室分别为固定治疗室子系统和旋转机架治疗子系统；所述的质子束流传输路径中，根据需要布置有二极铁、四极铁和校正磁铁，分别用于质子束流的偏转、聚焦和轨道校正；束流阻断器作为束流输运线安全系统的一个重要部件，具有专用执行部件的管理敏感器，如限位开关，它会实时监测束流阻断器执行部件的工作状态；当上层控制系统接受到一个非正常的束流输入信号时，其能够做出及时响应，采用机械方法迅速断开束流。
所述的束流输运系统的二极铁、四极铁主要是根据不同的质子束流能量，切换不同的场强大小，实现束流的偏转和聚集，其中物理参数场强大小和均匀度是实现束流传输的关键。所述的二极铁包括为其供电的二极铁电源；所述的四极铁包括为其供电的四极铁电源；所述的二极铁电源、四极铁电源根据治疗端治疗需求，由输运线控制系统要求调整电源输出电流；所述的电源电流给二极铁和四极铁线圈励磁，由对应线圈产生励磁磁场，铁芯增大场强并改善好场区内部磁场均匀度分布，从而二极铁、四极铁分别产生二极场和四极梯度场；所述的二极磁场和四极磁场，在质子束流经过好场区时，会受到洛伦兹力的作用，从而分别产生偏转和聚焦的效果；根据治疗端控制需要，在质子束流的能量发生快速切换过程中，对应二极铁电源和四极铁电源需要快速响应，实现输出电流的快速切换；所述的二极铁和四极铁在励磁电流发生切换后，二极铁和四极磁场场强大小也实现快速切换，以满足不同的质子束流能量需求。
所述的旋转机架治疗子系统包括旋转治疗系统、患者定位系统、定位控制设备、成像控制设备、治疗信息显示系统；所述的旋转治疗系统包括旋转治疗头、成像设备；所述的患者定位系统包括柔性机械臂、碳纤维床；所述的旋转治疗头能够将束流输运系统中的能量通过控制系统精确地放射到病患的肿瘤区域；所述的成像设备能够将患者的肿瘤信息实时反馈到治疗系统，实时调整治疗的剂量和位置；所述的患者定位系统能够将患者精确运送至治疗位置；所述的碳纤维床能够实现高能射线的超低损失的穿透，能够最大精度的控制治疗过程。本发明工作时，肿瘤患者躺在碳纤维床上，柔性机械臂和碳纤维床组成的患者定位系统将患者精确运送到治疗区域，医生通过成像系统对患者肿瘤进行精确定位，360旋转的治疗头将肿瘤治疗所需的剂量从肿瘤的四周均匀射入，大大降低对正常组织的损伤；病患治疗完成后，患者定位系统能够将患者从治疗姿态运送至停靠姿态，使得患者能够轻松上下床。
本发明的有益效果在于：本发明超导回旋加速器束流强度可调节，可以实现调强治疗；紧凑型的内置离子源，减少了体积和费用；紧凑的占地面积，降低了结构成本并提高了服务性能；没有常温电磁铁所引起的高能耗和高散热问题；通过合理设计加速区DEE板和假DEE的几何形状使得束流能满足不滑相、快速中心化等要求。本发明能够筛选出运动状态理想的粒子，改善束流品质，可以根据需要调节流强大小，结构简单，控制方便；本发明能够根据束流调整需要实现静电偏转板的整体径向移动，方便灵活；本发明在束流引出端的末尾采用束流负载来吸收阻挡束流，避免对人员、环境的辐射损害。
本发明超导回旋加速器引出的200MeV固定能量进入能量选择系统，通过调节降能器的不同厚度，可以实现从70MeV到200MeV连续可调的质子束流；束流输运系统采用独有的63度30度二极铁偏转组合，形成紧凑的输运线磁铁布局；旋转机架主体结构采取变直径圆筒卷曲结构，整体结构紧凑；旋转机架驱动结构采取双主驱动齿轮、单从驱动齿轮，采用位置全闭环控制系统可实现高精度旋转定位；旋转机架安全控制系统采取多方位检测的方式，在治疗头、CBCT装置等关键设备处均设置相应的位置信号反馈装置，保证整体运行的安全可靠。
本发明旋转机架治疗子系统，能够通过柔性机械臂、碳纤维治疗床和成像系统的联合作用，快速对肿瘤患者进行精准定位，大大降低治疗准备时间，提高治疗效率；通过患者定位系统对患者进行初定位后，直接使用成像设备对患者肿瘤进行成像，将成像结果反馈到治疗系统中，治疗系统通过该结果直接精确定位和治疗，避免传统患者成像和治疗分开时的二次定位所带来的治疗不精确的问题，大大提高了肿瘤治疗的精准性；通过旋转治疗头将肿瘤治疗所需的剂量从肿瘤的四周的人体皮肤上均匀射入人体，将剂量分散开，避免传统放疗中集中一点进行放射所带来的对正常组织细胞的巨大损伤，大大降低了治疗所带来的副作用，能够极大提高患者术后生活质量。
本发明的创新性好，实用性强，能够有效地解决目前肿瘤治疗中肿瘤定位不精准、治疗过程长、患者术后生活质量差等问题，对患者肿瘤治疗的精准性、有效性、高效性有着极其重要的促进作用。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是提供用于双室的质子放射系统的医疗设施的布局示意图；
图2是本发明中超导回旋加速器结构示意图；
图3是本发明中超导回旋加速器局部结构放大示意图；
图4为超导回旋加速器磁铁单元结构示意图；
图5为超导回旋加速器加速区结构示意图；
图6是质子放射系统束流输运系统示意图；
图7是旋转机架治疗端示意图；
图8是用于质子治疗系统旋转机架治疗子系统示意图；
其中：10.超导回旋加速器；11.固定治疗室子系统；12.旋转机架治疗子系统；101.中心区；1011.DEE板；1012.假DEE；1014.竖直电极柱；1015.竖直挡板；1016.偏转电极；102.磁铁单元；1021.上铁轭盖板；1022.上铁轭腰；1023.下铁轭腰；1024.下铁轭盖板；1025.举升液压缸；1026.磁极；103.可调式束流偏转机构；1031.径向调节机构；10311.固定底座；10312.丝杠；10313.活动块；1032.支撑机构；10321.上下安装板；10322.中间支柱；1033.静电偏转板本体；10331.壳体；10332.高压电极；10333.切割板；1034.真空高压馈入机构；104.磁通道系统；1041.MC1；1042.MC2；1043.MC3；1044.MC4；105.诊断单元；1051.中心区束流诊断；1052.加速区束流诊断；1053.引出区束流诊断；1054.引出参考点束流诊断；1061.高频谐振腔；1062.高频谐振腔调谐杆；1071.热阴极离子源；1072.离子源支撑及导轨；1081.强磁场超导磁体；1082.超导线圈终端箱；1083.超导磁体调节结构；12101.第一聚焦四极铁；12111.第二聚焦四极铁；12102.第一63度偏转二极铁；12103.第二63度偏转二极铁；12104.第一30度偏转二极铁；12105.第二30度偏转二极铁；12106.第三30度偏转二极铁；12107.第四30度偏转二极铁；12108.第一60度偏转二极铁；12109.第二60度偏转二极铁；12110.90度偏转二极铁；122.降能器；1221.多丝电离室；1231第一准直器；1232第二准直器；124.限制狭缝；1251.第一束流阻断器；1252.第二束流阻断器；1253.第三束流阻断器；1254.第四束流阻断器；1255.第五束流阻断器；1261.第一真空窗；1262.第二真空窗；127.旋转机架；1271.双主驱动齿轮；1272.单从驱动齿轮；1273.位置编码器；1274.CBCT装置；1281.固定治疗头；1282.旋转治疗头；12901.校正磁铁；12902.相位探头；1312.平板接收器；1313.成像球管；1314.柔性机械臂；1315.碳纤维治疗床；1316.可移动式手柄；1317.治疗信息显示系统；1318.成像控制设备。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，包括超导回旋加速器系统、能量选择系统、束流输运系统、固定治疗室子系统11和旋转机架治疗子系统12；其中，超导回旋加速器系统经超导回旋加速器10引出的质子束流，经能量选择系统、束流输运系统，分别到达固定治疗室子系统11和旋转机架治疗子系统12；
具体地，在图1中，超导回旋加速器10引出的固定能量质子束流，经降能器122后实现从70MeV到200MeV连续可调的质子束流，从而满足质子治疗肿瘤时射程的纵向调整；之后质子束流经第一63度偏转二极铁12102、限制狭缝124，实现对质子束流的能散度进行调节；经第二63度偏转二极铁12103、第一30度偏转二极铁12104，将所需能量的质子束流分别传输给两条不同路径的治疗子系统，一路经第二30度偏转二极铁12105到达固定治疗室子系统11，另一路经第三30度偏转二极铁12106、第四30度偏转二极铁12107到达旋转机架治疗子系统12，再经第一60度偏转二极铁12108、第二60度偏转二极铁12109、90度偏转二极铁12110，到达旋转治疗头1282；所述的超导回旋加速器10出口至固定治疗室子系统11的第一真空窗1261之间采用真空传输，质子束流通过固定治疗头1281实现对肿瘤放射治疗；超导回旋加速器10出口至旋转机架治疗子系统12的第二真空窗1262之间采用真空传输，质子束流通过旋转治疗头1282实现对肿瘤放射治疗。
在超导回旋加速器10出口处安放一个第一束流阻断器1251，在发生事故时立即启动阻挡束流传输到输运线，且只作为快速离子源停束的二级安全保障；为确保百分之百安全，在固定治疗室子系统11布置第二束流阻断器1252、第三束流阻断器1253(第二束流阻断器1252、第三束流阻断器1253均在固定治疗室子系统11内)，在旋转机架治疗子系统12布置第四束流阻断器1254、第五束流阻断器1255(第四束流阻断器1254在旋转机架治疗子系统12外，第五束流阻断器1255在旋转机架治疗子系统12内)，在发生故障时进行多重切断保护或在治疗段维修时防止束流进入，保证患者在治疗或其他工作人员在工作时不会接收到错误剂量的伤害。
如图2所示，是超导回旋加速器10结构示意图。所述的超导回旋加速器10主要由以下各子系统组成：超导磁体系统、低温系统、高频系统、离子源系统、中心区、引出区、磁铁单元和诊断单元组成。所述的中心区的功能是用于将粒子从内离子源中引出，选择其中运动状态较理想的一部分粒子进行加速，并根据需要调节束流流强大小；所述的引出区功能是将加速到预定能量的束流偏转引出到加速器外，以便将束流传输到各个终端，并保证尽可能高的引出效率和尽可能好的引出束流品质；所述的磁铁单元功能是产生合适的磁场约束粒子做回旋运动，并保证粒子回旋频率满足等时性条件，束流的横向聚焦，工作点远离有害共振，或快速通过共振带；所述的诊断单元功能是诊断单元用于测量束流的位置、流强等信息。其中，超导磁体系统包括：强磁场超导磁体1081、超导线圈终端箱1082、超导磁体调节结构1083。强磁场超导磁体1081呈圆周型，布置于高频谐振腔1061的外围，可以提供质子加速过程中的磁场，超导线圈终端箱1082与强磁场超导磁体1081连接，为超导磁体提供工作所需的低温环境，超导磁体调节结构1083包括十二根调节拉杆，分别均匀布置于强磁场超导磁体的上下表面和圆周侧面，可以调节线圈中平面位置。
高频系统包括：高频谐振腔1061、高频谐振腔调谐杆1062。高频谐振腔1061呈中心对称的螺旋扇形，布置于磁极之间，能够为粒子提供加速电压。高频谐振腔调谐杆1062对称安装于高频谐振腔1061的上表面和下表面，上下表面各有两个调谐杆，能够对谐振频率进行微调。
所述的离子源系统由热阴极离子源1071、离子源支撑及导轨1072组成。热阴极离子源1071沿超导回旋加速器下铁轭中心轴深入中心区，借助离子源支撑及导轨1072进行导向和固定，为超导回旋加速器10提供被加速的粒子。
在图3、图4、图5中，所述的超导回旋加速器10包括中心区101、引出区(包括可调式束流偏转机构103和磁通道系统104)、磁铁单元102和诊断单元105。所述的中心区采用的是一种流强可调式中心区结构，包括DEE板1011、假DEE1012、竖直挡板1015、偏转电极1016、竖直电极柱1014。所述的用于偏转引出束流的可调式束流偏转机构103包括径向调节机构1031、用于支撑静电偏转板本体1033的支撑机构1032、静电偏转板本体1033和用于向静电偏转板本体1033馈入高压的真空高压馈入机构1034。所述的径向调节机构1031包括固定底座10311、丝杠10312和活动块10313。所述的支撑机构1032包括上下安装板10321和中间支柱10322。所述的静电偏转板本体1033包括壳体10331、高压电极10332和切割板10333等。所述的磁通道系统包括MC1 1041、MC2 1042、MC3 1043，MC4 1044。所述的磁铁单元102包括磁轭、举升液压缸1025和磁极1026。所述的磁轭包括上铁轭盖板1021、上铁轭腰1022、下铁轭腰1023和下铁轭盖板1024。所述的诊断单元105包括中心区束流诊断1051、加速区束流诊断1052、引出区束流诊断1053和引出参考点束流诊断1054。
所述的中心区101用于将粒子从热阴极离子源1071中引出，选择其中运动状态较理想的一部分粒子进行加速，而且可以根据需要调节中心区101束流流强的大小。
所述的中心区101设置有三组，共六块上下对称的金属板。所述的DEE板1011是中间的一组金属板，和主加速区的RF腔连接。所述的假DEE1012是两侧的两组金属板，固定在磁极1026上，相当于接地，电势为零。所述的DEE板1011和假DEE1012之间形成四个加速间隙。
所述的竖直电极柱1014设置在热阴极离子源1071正对的第一个加速间隙附近，固定在DEE板1011上，用于优化第一个加速间隙的电场分布，屏蔽杂散电场，使得粒子更有效地加速。
所述的竖直挡板1015设置在粒子做回旋运动的前几圈(一般为2至4圈)轨迹上，为上下对称的两组(共四块)，固定在假DEE1012上，用于阻挡掉轴向振幅较大的粒子，从而选择出运动状态较优的粒子，有利于最终的引出。
所述的偏转电极1016沿垂直方向设置在粒子前几圈(一般为2至4圈)的轨迹上，为上下对称的一组(共两块)。所述的偏转电极1016通过挖槽放置在DEE板1011上，通过在偏转电极1016上加电压，产生竖直方向的电场，使粒子偏转，打到竖直挡板1015上，改变偏转电极1016上的电压可以改变打到竖直挡板1015上的粒子数目，从而实现流强调节。所述的偏转电极1016不工作时和DEE板1011连接，上下两块偏转电极1016和DEE板1011等电势。所述的偏转电极1016工作时，在上下两块偏转电极1016上加不同电压，产生偏转电场。调整偏转电极1016摆放的位置和大小，使得粒子能在不超过5kV/cm的电场下完全偏转从而调节束流的流强。
所述的竖直电极柱1014可以产生垂直热阴极离子源1071口向外的电场，将粒子从热阴极离子源1071内拉出，进入中心区101进行加速。
改变所述的DEE板1011和假DEE1012在加速间隙处的轮廓形状，使加速间隙的位置分布和宽度的设计合理，使得粒子能够有效地加速，满足不滑相，快速中心化等要求。
所述的上铁轭盖板1021的上表面和下铁轭盖板1024的下表面上各90度对称分布有4个超导线圈拉杆孔，在上、下铁轭腰1022、1023的中平面90度分布也有4个拉杆孔。另外在上、下铁轭腰1022、1023的中平面有两个探针孔，一个束流引出孔，一个静电偏转板高压馈入孔。
所述的可调式束流偏转机构103用于将束流从超导回旋加速器10回旋轨道偏离引出，位于超导回旋加速器10谷区、近环形超导磁体内表面，与磁通道系统104共同组成超导回旋加速器10束流引出系统，其对超导回旋加速器10引出效率有很大的影响。
所述的径向调节机构1031可以使可调式束流偏转机构103根据束流调整需要实现整体径向移动。径向调节机构1031包括固定底座10311、丝杠10312和活动块10313。所述的支撑机构1032将径向调节机构1031和静电偏转板本体1033固定连接，支撑机构1032包括上下安装板10321和中间支柱10322，。支撑机构1032安装在径向调节机构1031的活动块10313上，转动丝杠10312，活动块10313及其上安装的其它部件可以根据束流调整需要实现相对于固定底座的整体径向移动。所述的静电偏转板本体1033是使束流发生偏转的部件，静电偏转板本体1033包括壳体10331、高压电极10332和切割板10333等，高压电极10332的位置可调，高压电极10332与切割板10333之间产生引出电场，在引出电场和超导回旋加速器10磁场的作用下，束流将在静电偏转板1033区域逐渐偏离回旋轨道，随后进入磁通道104区域。所述的真空高压馈入机构1034即为真空导电杆，为静电偏转板位置可调高压电极10332提供高压源，包括高压电缆、陶瓷绝缘套管、弹性导电端子和导电销等部件。因高压电极10332与静电偏转板束流切割板10333具有不同电位，它们之间的电场对束流产生电场力，使得束流轨迹发生偏转。
所述的磁通道系统104为引出质子的关键部件，其布局对超导回旋加速器10引出效率有很大的影响。所述的MC1 1041由两块沿束流轨迹线方向的铁块组成，两块铁块上下对称布置，束流从两铁块中间间隙通过。所述的MC2 1042、MC3 1043、MC4 1044分别由三块沿束流轨迹线方向设置的铁块组成，MC2 1042和MC4 1044的三块铁块的布置方式相同，都是上下对称的两块铁块位于束流的外侧，而侧表面积较大的铁块位于束流的内侧，MC31043则恰恰相反；束流同样从MC2 1042、MC3 1043、MC4 1043三块铁块的中间间隙通过；质子通过经过静电偏转板1033对其角度进行偏离，然后依次进入MC1 1041、MC2 1042、MC31043和MC4 1044间隙中，磁通道系统104通过自身产生的磁场作用对质子进行角度偏转直到引出，影响束流经过的磁场强度，对束流引出和引出效率有很大的影响。
所述的中心区束流诊断1051通过离线或在线手段测量中心区前几圈束流的位置(轴向和径向)信息。
所述的加速区束流诊断1052通过在线手段测量加速区不同半径处束流的位置(轴向和径向)和流强信息。为了精确地测量束流运动轨迹，在超导回旋加速器10的不同谷区都设计了探针进行多点同步测量。
所述的引出区束流诊断1053通过离线或在线手段分别测量引出区静电偏转板1033和磁通道104进出口位置的束流位置(轴向和径向)信息。
所述的引出参考点束流诊断1054通过在线手段测量超导回旋加速器10束流引出端距轴心1.8米以后束流的位置、剖面、流强和相位(相对于超导回旋加速器10RF系统基频)信息。超导回旋加速器10验收时，在束流引出端的末尾还采用束流负载来吸收阻挡束流，避免对人员、环境的辐射损害。由于所述的引出参考点束流诊断是成品，所以在示意图中为画出结构，只标出了位置。
在图6中，超导回旋加速器10引出固定能量的质子束流，到达能量选择及发散度控制段，在降能器122处形成一个双束腰，使降能器122工作在最佳工作点；所述的降能器122前设一个多丝电离室1221(用于检测质子束流的位置)，当束流位置偏离中心时，位置偏离信号自动反馈给上游的校正磁铁12901，从而使束流位置自动稳定在中心点；所述的降能器122前装有一个相位探头12902，测量引出束流的高频相位，用于磁场和高频相锁控制，另装有第一束流阻断器1251，用于束流调试和运行安全。
所述的降能器122通过调节楔形石墨块在束流方向的厚度，将固定的引出束流能量调节为连续可调的能量，但随着这个降能的过程，束流品质，尤其是发散度，出现明显增大的现象；为保证发散后的束流在进入下游输运线前可以降低到小于下游束流输运线接收度的范围内，在降能器122下游设置第一准直器1231将大于准直孔径、过大发射度的质子束流阻挡住。
质子束流经能量选择及发散度控制段之后到达能量及能散度控制段，在第二准直器1232下游设置两个第一聚焦四极铁12101，将降能后的发散束流导入第一63度偏转二极铁12102进行偏转。在第一63度偏转二极铁12102后设置两个第二聚焦四极铁12111，使得两个第二聚焦四极铁12111的中间点的束流性能稳定，即形成一个束腰，使得具有能散度的质子在该点偏离径向中心轨道的幅度最大；在该点处设置一个限制狭缝124，由上游第一63度偏转二极铁12102的电流确定一个通过束流的绝对能量值，作为通过限制狭缝124中心的束流能量中点，通过调节限制狭缝124之间的间隙值，可以达到对质子束流的能散度进行调节的目的。
在图7中，所述的旋转机架127采取变直径圆筒卷曲主体结构，根据旋转机架127束流线的走向进行旋转机架的设计，保证整体结构紧凑，并保证治疗室的空间满足治疗要求；所述的旋转机架127驱动系统采取双主驱动齿轮1271配合单从驱动齿轮1272，当旋转机架127接收到运动指令，驱动双主驱动齿轮1271，带动单从驱动齿轮1272，实现旋转机架127精准定位；旋转治疗头1282和CBCT1274固接在旋转机架127上，所述的旋转机架127采取多方位检测的方式，当旋转机架127转动过程中，碳纤维治疗床1315与旋转治疗头1282、CBCT装置1274产生碰撞时，位置编码器1273发出紧急信号，旋转机架127驱动系统立即动作，完成急停，保证旋转治疗头1282和CBCT装置1274安全运行。
在图8中，旋转机架治疗子系统12包括有位于治疗室内的旋转治疗系统、患者定位系统、可移动式手柄1316、治疗信息显示系统1317。所述的旋转治疗系统包括旋转治疗头1282和成像设备。所述的成像设备包括平板接收器1312、成像球管1313和成像控制设备1318。所述的成像设备1318包括成像控制服务器、显示屏和操作键盘等设备。所述的患者定位系统包括柔性机械臂1314和碳纤维治疗床1315。
所述的旋转治疗头1282和成像设备的平板接收器1312安装在旋转机架127上，所述的旋转机架127能够围绕治疗中心进行大于360度的旋转，从而使得旋转治疗头1282实现大于360度旋转治疗。
所述的柔性机械臂1314能够承载碳纤维治疗床1315进行多种姿态的切换，能够实现肿瘤患者从停靠模式到特定的治疗模式的快速、精准的切换。所述的碳纤维治疗床1315能够实现极高的射线穿透，使得旋转治疗头1282能够从碳纤维治疗床1315底部对躺在碳纤维治疗床1315上的肿瘤病患进行穿透式治疗。
所述的患者定位系统由可移动式手柄1316进行控制，能够方便医生从各个角度对患者定位系统进行操作。
所述的治疗信息显示系统1317位于靠近旋转机架127的墙壁上，能够实时显示患者治疗过程中各种治疗信息，方便医生进行查看。所述的治疗信息显示系统1317为医用显示器显示治疗过程中的重要的治疗信息。
所述的成像控制设备1318位于治疗室中远离旋转机架区域，能够在对患者进行肿瘤成像的同时最大限度的保护医生，使得医生所收到的辐射剂量控制在安全范围内。
本发明工作时，柔性机械臂1314和碳纤维治疗床1315组成的患者定位系统处于停靠模式，在该模式下，肿瘤患者能够轻松的上床进行平躺，进入治疗准备阶段。医生等操作人员通过定位控制设备1316使用患者定位系统将患者运送到治疗所需的初步姿态，并通过成像控制设备1318对成像球管1313和平板接收器1312进行操作，获取患者肿瘤影像，并发送给治疗系统。该过程中的一些治疗信息由治疗信息显示系统1317进行显示。治疗系统根据肿瘤影响对患者进行精确定位，治疗系统控制旋转治疗头1282对患者肿瘤适形调强治疗。
本发明利用超导回旋加速器系统中的超导回旋加速器引出的固定能量质子束流，经能量选择系统实现70-200MeV连续可调的质子束流，从而满足质子治疗肿瘤时射程的纵向调整；经束流输运系统的偏转二极铁分别传输给固定治疗室子系统和旋转机架治疗子系统；超导回旋加速器系统、能量选择系统、束流输运系统和治疗头协同控制，实现质子束流的横向扩展，完成对肿瘤的适形调强治疗。本发明的创新性好，实用性强，超导回旋加速器束流强度可调节，可以实现调强治疗；紧凑型的内置离子源，减少了体积和费用；紧凑的占地面积，降低了结构成本并提高了服务性能；没有常温电磁铁所引起的高能耗和高散热问题。此外，能够有效地解决目前肿瘤治疗中肿瘤定位不精准、治疗过程长、患者术后生活质量差等问题，对患者肿瘤治疗的精准性、有效性、高效性有着极其重要的促进作用。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，包括超导回旋加速器系统、能量选择系统、束流输运系统、固定治疗室子系统(11)和旋转机架治疗子系统(12)；
所述超导回旋加速器系统的超导回旋加速器(10)引出的固定能量质子束流，经能量选择系统后实现从70MeV到200MeV连续可调的质子束流，从而满足质子治疗肿瘤时射程的纵向调整，再经束流输运系统分别传输给固定治疗室子系统(11)和旋转机架治疗子系统(12)。
2.根据权利要求1所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述质子束流经第一63度偏转二极铁(12102)、限制狭缝(124)，实现对质子束流的能散度进行调节；经第二63度偏转二极铁(12103)，第一30度偏转二极铁(12104)，将所需能量的质子束流分别传输给两条不同路径的治疗子系统，一路经第二30度偏转二极铁(12105)到达固定治疗室子系统(11)，一路经第三30度偏转二极铁(12106)、第四30度偏转二极铁(12107)到达旋转机架治疗子系统(12)，再经第一60度偏转二极铁(12108)、第二60度偏转二极铁(12109)、90度偏转二极铁(12110)，到达旋转治疗头(1282)。
3.根据权利要求1所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述超导回旋加速器(10)出口至固定治疗室子系统(11)的第一真空窗(1261)之间采用真空传输，质子束流通过固定治疗头(1281)实现对肿瘤放射治疗；超导回旋加速器(10)出口至旋转机架治疗子系统(12)的第二真空窗(1262)之间采用真空传输，质子束流通过旋转治疗头(1282)实现对肿瘤放射治疗；
所述超导回旋加速器(10)出口处安放一个第一束流阻断器(1251)；在固定治疗室子系统(11)布置第二束流阻断器(1252)、第三束流阻断器(1253)，在旋转机架治疗子系统(12)布置第四束流阻断器(1254)、第五束流阻断器(1255)。
4.根据权利要求1所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述超导回旋加速器(10)包括超导磁体系统、高频系统、离子源系统、中心区、引出区、磁铁单元和诊断单元组成；
所述的超导磁体系统包括强磁场超导磁体(1081)、超导线圈终端箱(1082)、超导磁体调节结构(1083)；
所述的高频系统包括高频谐振腔(1061)、高频谐振腔调谐杆(1062)，高频谐振腔能够为粒子提供加速电压，并且能够对谐振频率进行微调；
所述的离子源系统由热阴极离子源(1071)、离子源支撑及导轨(1072)组成；
所述的中心区采用的是一种流强可调式中心区结构，包括DEE板(1011)、假DEE(1012)、竖直挡板(1015)、偏转电极(1016)、竖直电极柱(1014)；
所述的引出区包括可调式束流偏转机构(103)和磁通道系统(104)；所述的可调式束流偏转机构(103)包括径向调节机构(1031)、支撑机构(1032)、静电偏转板本体(1033)和真空高压馈入机构(1034)；所述的磁通道系统(104)包括MC1(1041)、MC2(1042)、MC3(1043)，MC4(1044)；所述的磁铁单元(102)包括磁轭、举升液压缸(1025)和磁极(1026)；所述的磁轭包括上铁轭盖板(1021)、上铁轭腰(1022)、下铁轭腰(1023)和下铁轭盖板(1024)，所述的诊断单元(105)包括中心区束流诊断(1051)、加速区束流诊断(1052)、引出区束流诊断(1053)和引出参考点束流诊断(1054)。
5.根据权利要求4所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述中心区(101)设置有三组，共六块上下对称的金属板，所述的DEE板(1011)是中间的一组金属板，所述的假DEE(1012)是两侧的两组金属板，固定在磁极(1026)上，所述的DEE板(1011)和假DEE(1012)之间形成四个加速间隙；
所述的竖直电极柱(1014)设置在热阴极离子源(1071)正对的第一个加速间隙附近，固定在DEE板(1011)上；
所述的竖直挡板(1015)设置在粒子做回旋运动的前几圈轨迹上，为上下对称的两组，固定在假DEE(1012)上；
所述的偏转电极(1016)沿垂直方向设置在粒子前几圈的轨迹上，为上下对称的一组；所述的偏转电极(1016)通过挖槽放置在DEE板(1011)上，通过在偏转电极(1016)上加电压，产生竖直方向的电场，使粒子偏转，打到竖直挡板(1015)上；所述的偏转电极(1016)不工作时和DEE板(1011)连接，上下两块偏转电极(1016)和DEE板(1011)等电势；所述的偏转电极(1016)工作时，在上下两块偏转电极(1016)上加不同电压，产生偏转电场；
所述的竖直电极柱(1014)产生垂直热阴极离子源(1071)口向外的电场，将粒子从热阴极离子源(1071)内拉出，进入中心区(101)进行加速。
6.根据权利要求4所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述上铁轭盖板(1021)的上表面和下铁轭盖板(1024)的下表面上各90度对称分布有四个超导线圈拉杆孔，在上、下铁轭腰(1022、1023)的中平面90度分布也有四个拉杆孔，另外在上、下铁轭腰(1022、1023)的中平面有两个探针孔，一个束流引出孔，一个静电偏转板高压馈入孔；
所述的支撑机构(1032)将径向调节机构(1031)和静电偏转板本体(1033)固定连接；所述的真空高压馈入机构(1034)为静电偏转板本体(1033)位置可调电极提供高压源；
所述的中心区束流诊断(1051)通过离线或在线手段测量中心区前几圈束流的位置信息；所述的加速区束流诊断(1052)通过在线手段测量加速区不同半径处束流的位置和流强信息；所述的引出区束流诊断(1053)通过离线或在线手段分别测量引出区静电偏转板本体(1033)和磁通道系统(104)进出口位置的束流位置信息；所述的引出参考点束流诊断(1054)通过在线手段测量超导回旋加速器(10)束流引出端距轴心1.8米以后束流的位置、剖面、流强和相位信息。
7.根据权利要求1所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述超导回旋加速器(10)引出固定能量的质子束流，到达能量选择及发散度控制段，在降能器(122)处形成一个双束腰，使降能器(122)工作在最佳工作点；所述的降能器(122)前设一个多丝电离室(1221)，当束流位置偏离中心时，位置偏离信号经过控制系统处理后，自动反馈给上游的校正磁铁(12901)，从而使束流位置自动稳定在中心点；所述的降能器(122)前装有一个相位探头(12902)，测量引出束流的高频相位，用于磁场和高频相锁控制，另装有一个束流阻断器(125)，用于束流调试和运行安全。
8.根据权利要求7所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述降能器(122)通过调节楔形石墨块在束流方向的厚度，将固定的引出束流能量调节为连续可调的能量；在降能器(122)下游设置第一准直器(1231)将大于准直孔径、过大发射度的质子束流阻挡住；
质子束流经能量选择及发散度控制段之后到达能量及能散度控制段，在第二准直器(1232)下游设置两个第一聚焦四极铁(12101)，将降能后的发散束流导入第一63度偏转二极铁(12102)进行偏转，在第一63度偏转二极铁(12102)后设置两个第二聚焦四极铁(12111)，使得两个第二聚焦四极铁(12111)的中间点的束流性能稳定，即形成一个束腰，使得具有能散度的质子在该点偏离径向中心轨道的幅度最大；在该点处设置一个限制狭缝(124)，由上游二极磁铁(12102)的电流确定一个通过束流的绝对能量值，作为通过限制狭缝(124)中心的束流能量中点，通过调节限制狭缝(124)之间的间隙值。
9.根据权利要求1所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述旋转机架治疗子系统12包括旋转机架(127)、旋转治疗头(1282)、平板接收器(1312)、成像球管(1313)、柔性机械臂(1314)、碳纤维治疗床(1315)、定位控制设备(1316)、治疗信息显示系统(1317)、成像控制设备(1318)；
所述的旋转机架(127)采取变直径圆筒卷曲主体结构，根据旋转机架(127)束流线的走向进行旋转机架(127)设计，保证整体结构紧凑，并保证治疗室的空间满足治疗要求；所述的旋转机架(127)驱动系统采取双主驱动齿轮(1271)配合单从驱动齿轮(1272)，当旋转机架(127)接收到运动指令，运动指令传输到位置全闭环控制系统，驱动双主驱动齿轮(1271)，带动单从驱动齿轮(1272)，实现旋转机架(127)精准定位；旋转治疗头(1282)和CBCT装置(1274)固接在旋转机架(127)上，所述的旋转机架(127)采取多方位检测的方式，当旋转机架(127)转动过程中，碳纤维治疗床(1315)与旋转治疗头(1282)、CBCT装置(1274)产生碰撞时，位置编码器(1273)发出紧急信号，旋转机架(127)驱动系统立即动作，完成急停，保证旋转治疗头(1282)和CBCT装置(1274)安全运行。
10.根据权利要求9所述的基于紧凑型超导回旋加速器的质子治疗系统，其特征在于，所述的旋转治疗头(1282)能够将束流输运系统中的能量通过控制系统精确地放射到病患的肿瘤区域；所述的成像控制设备(1318)能够将患者的肿瘤信息实时反馈到治疗系统，实时调整治疗的剂量和位置；所述的患者定位控制设备(1316)能够将患者精确运送至治疗位置；所述的碳纤维治疗床(1315)能够实现高能射线的超低损失的穿透，能够最大精度的控制治疗过程。
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