CN107846771A - 一种调节旋转机架等中心点束斑大小的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调节旋转机架等中心点束斑大小的方法及系统。本发明方法中束流首先经由加速器(回旋或者同步加速器方式)产生和输运线束流匹配传输，获取旋转机架入口处的束流参数，如束斑大小，发射度等。根据临床要求的旋转机架等中心点束斑大小调节参数，在不改变输运线端在旋转机架入口处的匹配束流参数和保证输运线端磁铁参数不变的情况下，可通过传输矩阵方法匹配不同大小的镜像比例，动态地调节等中心点处的束斑大小。本发明建立在束流光学和束流传输矩阵理论基础上，设计方法可靠，实现方案对工程实现要求小，对于保持质子治疗过程中束流稳定具有重要意义。

Description

一种调节旋转机架等中心点束斑大小的方法及系统
技术领域
本发明属于粒子放疗(质子或重离子)装置研制领域，更具体地，涉及一种利用传输矩阵元素匹配，根据镜像比例动态地调节旋转机架等中心点束斑大小的方法及系统。
背景技术
粒子放疗是目前癌症精准放射治疗方法。基于质子或重离子束独特的布拉格峰剂量分布特性，通过调节束流能量可实现不同深度的布拉格峰剂量控制，从而实现精准的放射治疗。通常医用粒子加速器类型为回旋加速器或者同步加速器，经由加速器产生束流和输运线传输，最终通过旋转机架实现束流在人体内的精准定位。
对于质子治疗装置，旋转机架的定位精度和束流调节的稳定性是十分重要的指标。根据治疗需求，针对不同的肿瘤病灶，可能需要采取不同的束流参数，比如束斑大小，能量和流强等。
在旋转机架束流输运的常规设计中，通常是通过匹配束流包络和束斑形态来调节等中心点束斑尺寸。但是这种方法非常受限于系统的稳定性和取决于入口处的束斑形态，不仅仅是入口处的束斑大小。比如初始的束流发射角或者相空间形态有所变化，都会影响最终的束斑大小。该方法对加速器引出束流稳定性和系统稳定性要求极高，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，本发明提供了一种通过直接匹配传输矩阵元素，根据镜像比例动态地调节旋转机架等中心点束斑大小的方法及系统。由此解决现有旋转机架治疗装置中束斑大小调节时稳定性较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种调节旋转机架等中心点束斑大小的方法，包括：
对旋转机架入口处的束流进行准直，以确保入口处束斑大小稳定不变；
根据治疗需要的等中心点处的目标束斑大小，计算所述目标束斑大小与旋转机架入口处的束斑大小的镜像比例，由所述镜像比例得到传输矩阵中的元素R11和R33；
保持所述传输矩阵中的元素R12＝R34＝0以满足镜像调节要求，以及保持所述传输矩阵中的元素R16＝R26＝0以满足消色散要求；
由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的所述目标束斑大小。
优选地，治疗需要的等中心点处的不同束斑尺寸匹配对应的传输矩阵元素R11和R33。
优选地，所述传输矩阵为一阶6*6维的束流传输矩阵。
优选地，所述由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的所述目标束斑大小，包括：
通过改变所述旋转机架中的四极磁铁强度和所述旋转机架中的二极磁铁边缘角度来满足所述传输矩阵中的元素值和束流包络控制，以由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的所述目标束斑大小。
优选地，在所述旋转机架入口处的束流参数与所述旋转机架中的输运线段磁铁参数保持不变，且在所述旋转机架入口处的束流横向参数具有旋转对称性。
本发明还提供了一种实现上述任意一项所述的调节旋转机架等中心点束斑大小方法的旋转机架系统，包括：束流准直模块、四极磁铁、二极磁铁以及控制模块；
所述束流准直模块，用于对旋转机架入口处的束流进行准直，以确保入口处束斑大小稳定不变；
所述控制模块，用于根据治疗时所需的束斑大小，计算等中心点处与入口处的镜像比例，即为传输矩阵元素R11和R33，另镜像调节要求：R12＝R34＝0，消色散要求：R16＝R26＝0。通过匹配四极磁铁强度和二极磁铁边缘角度来满足传输矩阵元素条件和束流包络控制。期间还需要各类磁铁强度满足常温磁铁场强范围，束流包络保证较小的束流损失。
优选地，治疗需要的等中心点处的不同束斑尺寸匹配对应的传输矩阵元素R11和R33。
优选地，所述传输矩阵为一阶6*6维的束流传输矩阵。
优选地，在所述旋转机架入口处的束流参数与所述旋转机架中的输运线段磁铁参数保持不变，且在所述旋转机架入口处的束流横向参数具有旋转对称性。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
在旋转机架设计中，首先保证入口处束流横向参数满足旋转对称性，并且通过束流准直的方式来确保机架入口处的束斑大小一定，避免实际工程中由于安装误差或者其他原因导致入口处的束斑大小变化，影响最终治疗安全。根据治疗时所需的束斑大小，计算等中心点处与入口处的镜像比例，即为传输矩阵元素R11和R33。R12＝R34＝0可以保证等中心点的束斑大小只取决于入口处的束斑大小和R11。通过匹配一阶传输矩阵元素加束流准直的方法可以保证治疗时束斑尺寸不变，很好地避免由于系统不稳定带来的治疗安全问题。
附图说明
图1为本发明实施例公开的一种调节旋转机架等中心点束斑大小方法的流程示意图；
图2为本发明实施例公开的一种质子治疗旋转机架系统的方案示意图。
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。
在质子或重离子治疗装置中，束流由加速器产生，经由输运线传输，通过旋转机架最终精准地进入人体组织器官。而根据临床治疗端需求，束流不仅需要精准的定位和稳定的束流参数，有时还需要治疗不同部位时改变等中心点治疗束斑的大小。
以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明实施例公开的一种调节旋转机架等中心点束斑大小方法的流程示意图，在图1所示的方法中包括以下步骤：
(1)对旋转机架入口处的束流进行准直，以确保入口处束斑大小稳定不变；
其中，在旋转机架入口处的束流参数与旋转机架中的输运线段磁铁参数保持不变，且在旋转机架入口处的束流横向参数具有旋转对称性，可以得到束流发射度∈和束斑大小σ，相空间分布等相关参数。
(2)根据治疗需要的等中心点处的目标束斑大小，计算目标束斑大小与旋转机架入口处的束斑大小的镜像比例，由镜像比例得到传输矩阵中的元素R11和R33；
其中，治疗需要的等中心点处的不同束斑尺寸匹配对应不同的传输矩阵元素R11和R33。
(3)保持传输矩阵中的元素R12＝R34＝0以满足镜像调节要求，以及保持传输矩阵中的元素R16＝R26＝0以满足消色散要求；
其中，以上传输矩阵为束流光学传输理论中的一阶传输矩阵(6*6维矩阵)，匹配变量可以为旋转机架中的四极磁铁强度和二极磁铁边缘角度。
(4)根据束流光学传输理论，由旋转机架入口处的束斑大小乘以匹配后的传输矩阵元素R11和R33，得到治疗需要的等中心点处的目标束斑大小。
具体地，可以通过改变旋转机架中的四极磁铁强度和旋转机架中的二极磁铁边缘角度来满足传输矩阵中的元素值和束流包络控制，以由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的目标束斑大小。
在本发明实施例中，不同等中心点束斑尺寸要求匹配对应不同的传输矩阵元素，但旋转机架入口处的束流参数和输运线段磁铁参数保持不变。传输矩阵元素R11和R33取决于等中心点和入口处束斑大小比例。例如，机架入口处束斑大小为x1mm，若治疗需用x2mm大小束斑，则匹配R11＝R33＝x2/x1；并且始终保证满足镜像匹配和消色散条件。实施例中为常温旋转机架，所以期间还需要各类磁铁强度满足常温磁铁场强范围，束流包络保证较小的束流损失。
如图2所示为本发明实施例中的质子治疗装置旋转机架的系统示意图。质子束经由准直器模块进入旋转机架内，保证入口处初始的束斑大小一定。由二极磁铁进行束流偏转和四极磁铁对束流聚焦，最终由扫描磁铁实现铅笔束扫描。具体地：
四极磁铁和二极磁铁，用于作为束流光学计算中匹配变量满足传输矩阵元素匹配条件和包络控制要求；
束流准直器模块，用于在旋转机架入口处对束流进行准直，避免实际工程中由于安装误差或者其他原因导致入口处的束斑大小变化，最终影响治疗安全；
控制模块，用于根据治疗时所需的束斑大小，计算等中心点处与入口处的镜像比例，即为传输矩阵元素R11和R33，另镜像调节要求：R12＝R34＝0，消色散要求：R16＝R26＝0。通过匹配四极磁铁强度和二极磁铁边缘角度来满足传输矩阵元素条件和束流包络控制。期间还需要各类磁铁强度满足常温磁铁场强范围，束流包络保证较小的束流损失。
本发明中的旋转机架等中心点束斑大小的调节方法适用于粒子束放疗装置中的旋转机架。根据治疗需求，计算等中心点处与入口处的镜像比例，即为传输矩阵元素R11和R33。R12＝R34＝0可以保证等中心点的束斑大小只取决于入口处的束斑大小和R11。通过匹配一阶传输矩阵元素加束流准直的方法可以保证治疗时束斑尺寸不变，很好地避免由于系统不稳定带来的治疗安全问题。
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 (9)

1.一种调节旋转机架等中心点束斑大小的方法，其特征在于，包括：
S1、对旋转机架入口处的束流进行准直，以确保入口处束斑大小稳定不变；
S2、根据治疗需要的等中心点处的目标束斑大小，计算所述目标束斑大小与旋转机架入口处的束斑大小的镜像比例，由所述镜像比例得到传输矩阵中的元素R11和R33；
S3、保证所述传输矩阵中的元素R12＝R34＝0以满足镜像调节要求，保证所述传输矩阵中的元素R16＝R26＝0以满足消色散要求；
S4、由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的所述目标束斑大小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，治疗需要的等中心点处的不同束斑尺寸匹配对应的传输矩阵元素R11和R33。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述传输矩阵为一阶6*6维的束流传输矩阵。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的所述目标束斑大小，包括：
通过改变所述旋转机架中的四极磁铁强度和所述旋转机架中的二极磁铁边缘角度来满足所述传输矩阵中的元素值和束流包络控制，以由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的所述目标束斑大小。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，在所述旋转机架入口处的束流参数与所述旋转机架中的输运线段磁铁参数保持不变，且在所述旋转机架入口处的束流横向参数具有旋转对称性。
6.一种实现权利要求1至5任意一项所述的调节旋转机架等中心点束斑大小方法的系统，其特征在于，包括：束流准直模块、四极磁铁、二极磁铁以及控制模块；
所述束流准直模块，用于对旋转机架入口处的束流进行准直，以确保入口处束斑大小稳定不变；
所述控制模块，用于根据治疗需要的等中心点处的目标束斑大小，计算所述目标束斑大小与旋转机架入口处的束斑大小的镜像比例，由所述镜像比例得到传输矩阵中的元素R11和R33；
所述控制模块，还用于通过匹配所述四极磁铁强度和所述二极磁铁边缘角度来满足传输矩阵元素条件和束流包络控制，以由匹配后的传输矩阵得到治疗需要的等中心点处的所述目标束斑大小，其中，所述传输矩阵元素条件包括保持所述传输矩阵中的元素R12＝R34＝0以满足镜像调节要求，保持所述传输矩阵中的元素R16＝R26＝0以满足消色散要求以及改变R11和R33以满足所述镜像比例。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，治疗需要的等中心点处的不同束斑尺寸匹配对应的传输矩阵元素R11和R33。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述传输矩阵为一阶6*6维的束流传输矩阵。
9.根据权利要求6至8任意一项所述的系统，其特征在于，在所述旋转机架入口处的束流参数与所述旋转机架中的输运线段磁铁参数保持不变，且在所述旋转机架入口处的束流横向参数具有旋转对称性。
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