CN107851474B - 粒子束控制电磁体及配备有这种电磁体的照射治疗设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够缩短粒子束的输送路径的粒子束控制电磁体，并且提供一种有助于支撑该控制电磁体的旋转台架的小型化和轻型化的照射治疗设备。电磁体10包括第一超导线圈组11、第二超导线圈组12及真空容器18，第一超导线圈组11形成弯曲磁场15和聚焦/散焦磁场16中的至少一个，第二超导线圈组12被围绕粒子束14的轨迹放置于第一超导线圈组11的端部处并形成用于校正粒子束14的轨迹的校正磁场17，真空容器18气密地容置第一超导线圈组11、第二超导线圈组12及冷却介质，并与外部空气隔离开。

Description

粒子束控制电磁体及配备有这种电磁体的照射治疗设备
技术领域
本发明的实施例涉及一种粒子束控制电磁体及配备有这种电磁体的照射治疗设备。
背景技术
在粒子束疗法中，利用诸如碳离子之类的粒子束来照射患者的病变组织(肿瘤)，并且该粒子束疗法技术受到关注。
在粒子束治疗技术中，能够在具有高度精确性的情况下仅杀死病变组织而并不破坏正常组织。因此，与手术、药物疗法等相比，粒子束治疗技术对患者造成的负担较小，并且有望在治疗后尽早重返社会。
在早期的照射治疗设备中，粒子束的照射部分被固定住，并且仅能相对于目标从一个方向进行照射的固定方法是主流。
近年来，出于提供更有效的治疗的目的，已将注意力转向旋转方法。在旋转方法中，使粒子束的照射部分旋转，以便根据病变组织的形状和身体深度给予病变组织最佳剂量值和最佳剂量分布。
引用列表
专利文献
日本待审专利申请公开文献No.2011-72717
发明内容
技术问题
在旋转方法的照射治疗设备中，为了精确地照射病变组织，需要高精度地控制支撑粒子束的照射部分的旋转台架的旋转。
另外，沿着旋转轴线从旋转台架的外部对粒子束的轨迹进行，随后，粒子束一旦从旋转轴线离开到达旋转台架的外周侧，则随后沿着径向方向朝向旋转台架的内部引导该粒子束。
用于控制粒子束的这种轨迹的输送路径通过顺序地放置用于控制粒子束的聚焦/散焦的四极电磁体(聚焦/散焦电磁体)、用于弯曲粒子束轨迹的弯曲电磁体、用于校正粒子束轨迹的转向电磁体等形成。
支撑这种过长的输送路径的旋转台架不可避免地是尺寸庞大的，并且大型旋转台架存在旋转可控制性恶化以及粒子束的照射精度降低的担忧。
鉴于上述问题，本发明的实施例的目的是提供一种能够缩短粒子束的输送路径的粒子束控制电磁体，并且提供一种有助于支撑该控制电磁体的旋转台架的小型化和轻型化的照射治疗设备。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的粒子束控制电磁体的大纲视图。
图2是沿着图1中的线A-A截取的第一超导线圈组的截面图。
图3是沿着图1中的线C-C截取的第二超导线圈组(转向磁体)的截面图。
图4是示出了构成一个实施例的粒子束控制电磁体的第一超导线圈组和第二超导线圈组的线性展开状态的分解图。
图5是示出了构成另一实施例的粒子束控制电磁体的第一超导线圈组和第二超导线圈组的线性展开状态的分解图。
图6是示出了真空容器的线性展开状态的分解图。
图7是根据本发明的一个实施例的照射治疗设备的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述根据本发明的每个实施例的粒子束控制电磁体。在附图中，将粒子束的行进方向定义为s方向，并且将正交于s方向且彼此正交的相应的两个方向定义为x方向和y方向。
如图1中所示，粒子束控制电磁体10(在下文中，被简称为电磁体10)包括第一超导线圈组11、第二超导线圈组12及真空容器18。第一超导线圈组11形成弯曲磁场15(图2)和聚焦/散焦磁场16中的至少一个，弯曲磁场15用于使通过真空管道13内部的粒子束14的行进方向弯曲，而聚焦/散焦磁场16用于控制粒子束14的外径。第二超导线圈组12被围绕粒子束14的轨迹放置于第一超导线圈组11的端部处并形成用于校正粒子束14的轨迹的校正磁场17(图3中所示的17x和17y)。真空容器18气密地容置第一超导线圈组11、第二超导线圈组12及冷却介质(未示出)以便与外部空气隔离开。
真空管道13构成了离子发生源(未示出)、加速器(未示出)以及输送系统(未示出)。离子发生源用于生成被用于治疗的粒子束14，例如碳离子、负介子、质子、氦离子、氖离子、硅离子或氩离子。诸如线性加速器、同步加速器、回旋加速器和FFAG加速器之类的加速器被用于加速粒子束14。输送系统用于将从加速器发射的粒子束14输送到目标(图7中的患者53)。
因此，真空管道13是具有足够大的真空度的密封的连续空间，用于使粒子束14从离子发生源行进至该目标。
冷却介质将超导线圈冷却至等于或低于产生超导性的临界温度。该冷却介质的示例包括固体介质和液体介质。固体介质将由致冷器产成的冷熔(cold heat)热传导至超导线圈。作为液体介质，例示出液氮和液氦。
图2是沿着图1中的线A-A所截取的图1中所示的第一超导线圈组11的截面图。
第一超导线圈组11由被设置成被同轴地堆叠的弯曲线圈31(31a和31b)和聚焦/散焦线圈32(32a、32b、32c和32d)构成。弯曲线圈31(31a和31b)被用于形成弯曲磁场15，并且聚焦/散焦线圈32(32a、32b、32c和32d)被用于形成该聚焦/散焦磁场16。
虽然在附图中并未示出，但是在第一超导线圈组11(图1)的截面B-B上，聚焦/散焦线圈32被与放置在A-A截面上的上述聚焦/散焦线圈32进一步分开放置。在截面B-B(图1)中，聚焦/散焦线圈32被放置成使得图2中所示的聚焦/散焦线圈32围绕轴线旋转90°。换言之，电流的方向相反，但是放置在截面A-A上的聚焦/散焦线圈32与放置在截面B-B上的聚焦/散焦线圈32之间的结构是相同的。
弯曲线圈31(31a和31b)由彼此面对的两个励磁线圈组成，并且可以通过弯曲磁场15的作用而使经过两个励磁线圈之间的粒子束的行进方向弯曲，以使粒子束的轨迹呈弧形。通过弯曲线圈31的粒子束在切线方向上笔直地行进。
尽管在本实施例中弯曲线圈31由彼此面对的两个励磁线圈例示出，但是也存在弯曲线圈31由除两个以外的数目的励磁线圈组成的情况。
聚焦/散焦线圈32(32a、32b、32c和32d)由轴向对称放置的四个激励线圈组成，并且形成由图2中的内部间隙中的实线箭头所表示的聚焦/散焦磁场16。
尽管在本实施例中聚焦/散焦线圈32由四个激励线圈例示出，但是也存在聚焦/散焦线圈32由除两个以外的数目的激励线圈组成的情况。特别地，聚焦/散焦线圈32可以由彼此面对的偶数个(例如，六个)励磁线圈组成。
在通过聚焦/散焦线圈32的粒子束中，位于x轴上的q1处的带电粒子受到沿中心方向的洛伦兹力，而位于y轴上的q2处的带电粒子受到向外的洛伦兹力。换言之，位于截面A-A上的聚焦/散焦线圈32使粒子束沿x轴方向会聚并使粒子束沿y轴方向发散。在截面B-B的聚焦/散焦线圈32中，该粒子束会聚和发散所沿的方向是相反的，使得粒子束沿y轴方向会聚并沿x轴方向发散。
使粒子束会聚/发散的强度可通过施加到相应聚焦/散焦线圈32的直流电的强度进行控制。
通过放置具有相反极性的多个聚焦/散焦线圈32并如上所述控制施加到相应聚焦/散焦线圈32的直流电，能够防止粒子束的束径的发散并且将该束径控制为所需尺寸。
尽管在本实施例中已经给出了对于聚焦/散焦线圈32由具有相反极性的两个四极线圈32组成的情况的描述，但是聚焦/散焦线圈32可以由一个、三个或更多个四极线圈32组成。
图3是沿着图1中的线C-C截取的第二超导线圈组12(转向磁体)的截面图。
第二超导线圈组12包括第一校正线圈21(21a和21b)以及第二校正线圈22(22a和22b)。第一校正线圈21沿正交于粒子束的行进方向的x轴方向形成第一校正磁场17x。第二校正线圈22沿y线方向形成第二校正磁场17y，该y轴方向正交于第一校正磁场17x的方向和粒子束的行进方向。
类似于弯曲线圈31，第一校正线圈21具有将两个励磁线圈设置为彼此面对的构造。第二校正线圈22同样具有将两个励磁线圈设置为彼此面对的构造。
第二超导线圈组12的作用是校正由第一超导线圈组11的安装误差所产生的误差磁场或由例如第一超导线圈组11和/或其它励磁线圈之间的个体差异所产生的另一误差磁场所导致的粒子束的轨迹。
由第一校正线圈21所形成的第一校正磁场17x和由第二校正线圈22所形成的第二校正磁场17y分别校正粒子束的轨迹的偏移的x分量和y分量。
图4是示出了构成电磁体10的第一超导线圈组11和第二超导线圈组12的线性展开状态的分解图。
实际上，第一超导线圈组11沿着粒子束的轨迹呈曲线形状，或者被划分成被沿着粒子束的轨迹呈曲线形状放置的多个线圈。
如图4中所示，构成第一超导线圈组11和第二超导线圈组12的励磁线圈通过将超导线圈缠绕为椭圆螺旋形而形成，并且那些励磁线圈中的每一个的主表面均面对真空管道13(图1)的外周表面。
在电磁体10中，第一超导线圈组11的聚焦/散焦线圈32(32a、32b、32c和32d)以及第二超导线圈组12的第一校正线圈21(21a和21b)形成面对真空管道13(图1)的第一层。此外，弯曲线圈31(31a和31b)和第二校正线圈22(22a和22b)形成第二层以便被堆叠在第一层上。
尽管图4示出了将第一校正线圈21(21a和21b)和第二校正线圈22(22a和22b)设置为被同轴地堆叠的一个方面，但是如图5中所示，在一些情况下，第一校正线圈21和第二校正线圈22被分开地放置于电磁体100的两端。
虽然在本实施例中已经给出了对于第一超导线圈组11包括弯曲线圈31和聚焦/散焦线圈32两者的情况的描述，但是在一些情况下，第一超导线圈组11包括弯曲线圈31或聚焦/散焦线圈32。
虽然已经给出了对于第二超导线圈组12包括第一校正线圈21和第二校正线圈22两者的情况的描述，但是在一些情况下，第二超导线圈组12包括第一校正线圈21或第二校正线圈22。
基于布置在真空管道13中的电磁体10所需的长度缩短和性能的角度来确定选择图4、图5和其它方面中的哪一个。
图6是示出了真空容器18的线性展开状态的分解图。实际上，真实的真空容器18具有如图1中所示的曲率。
真空容器18包括内筒41、外筒42和端板43(43a和43b)。内筒41被相对于真空管道13(图1)的外周表面以下列方式同轴地设置，使得在内筒41和真空管道13的外周表面之间存在间隔。外筒42被同轴地设置在内筒41的外部。端板43(43a和43b)中的每个在其中央处具有直径与内筒41相同的孔，并且具有与外筒42的外径相同的外径。
内筒41的两端的相应周缘与两个端板43(43a和43b)的孔的周界紧密接触，并且外筒42的两端的相应周界与两个端板43(43a和43b)的外周紧密接触。结果，形成了封闭空间，以便被内筒41的外周面、外筒42的内周面和两个端板43(43a和43b)的表面所环绕住。
构成第一超导线圈组11和第二超导线圈组12的励磁线圈中的每个均由内筒41、外筒42和端板43(43a和43b)中的至少一个的表面支撑。
容置这些励磁线圈的真空容器18的封闭空间填充有液体制冷剂或被保持处于真空状态。
当真空容器18的封闭空间被保持处于真空状态时，将致冷器中产生的冷熔传导至经由固体介质热连接的励磁线圈。
以这种方式，第一超导线圈组11和第二超导线圈组12通过被一同容纳在真空容器18的封闭空间中的冷却介质冷却至产生超导性的温度。
图7是根据本发明的一个实施例的照射治疗设备50的截面图。
粒子束14由于在通过患者53的身体时失去动能而降低速度，并且在由于受到与速度的平方大致成反比的阻力而下降至一定速度时突然停止。在粒子束的停止点附近，发射出被称为布拉格峰的高能量。
照射治疗设备50对发射到患者53的病变组织的该布拉格峰进行调整，以便杀死该病变组织，同时抑制住对于正常组织的损害。
照射治疗设备50包括电磁体10(10a、10b和10c)、旋转台架52及床54。旋转台架52支撑控制电磁体10、围绕中心轴线51旋转、并且沿着正交于中心轴线51的方向来照射该粒子束14。床54执行位于该床上的患者53相对于待照射的粒子束14的移动和定位。
在设置在旋转台架52内的照射单元55中，放置有用于使粒子束14沿着x轴方向偏转并对其进行扫描的x轴偏转扫描磁体(未示出)、用于使粒子束14沿着y轴方向偏转并对其进行扫描的y轴偏转扫描磁体(未示出)以及用于控制粒子束14在s轴方向上的穿透深度的范围转换器(未示出)。
通过如图7中所示放置控制电磁体10(10a、10b和10c)，能够使粒子束14的轨迹弯曲90°以沿着台架52的旋转轴线51引导并且利用来自正交于旋转轴线51的任意方向的粒子束14来照射患者53。
由于控制电磁体10中的每个均被通过在一个真空容器中容置用于产生弯曲磁场、聚焦/散焦磁场和校正磁场的一组超导线圈构成，因此能够减小支撑这些线圈的旋转台架的尺寸和重量。
根据上述至少一个实施例所述的粒子束控制电磁体，可以通过将第二超导线圈组与第一超导线圈组一同容置在该真空容器中来缩短粒子束的输送路径，在该真空容器中，第一超导线圈组形成弯曲磁场和/或聚焦/散焦磁场并且第二超导线圈组形成用于校正粒子束的轨迹的校正磁场。
尽管上文已经描述了本发明的一些实施例，但是这些实施例仅仅作为示例给出且并不意在限制本发明的范围。这些实施例可被以多种其它模式实施，并且在不背离本发明的主旨的前提下可以不同的方式进行省略、替换、改变和组合。这些实施例及其改型被包括在本发明的范围和主旨中，并且也被包括在权利要求书中所描述的本发明及其等同范围中。

Claims (6)

1.一种粒子束控制电磁体，包括：
第一超导线圈组，所述第一超导线圈组被配置成形成弯曲磁场和聚焦/散焦磁场，所述弯曲磁场用于使通过真空管道内部的粒子束的行进方向弯曲，并且所述聚焦/散焦磁场用于控制所述粒子束的外径；
第二超导线圈组，所述第二超导线圈组被配置成被围绕所述粒子束的轨迹放置于所述第一超导线圈组的端部部分处并形成用于校正所述粒子束的所述轨迹的校正磁场；以及
真空容器，所述真空容器被配置成气密地容置所述第一超导线圈组、所述第二超导线圈组及冷却介质，以便与外部空气隔离开，
所述第一超导线圈组包括沿着所述粒子束的所述轨迹并排排列的第一聚焦/散焦线圈组和第二聚焦/散焦线圈组，每个聚焦/散焦线圈组用于形成聚焦/散焦磁场，并且包括相对于所述粒子束的所述轨迹轴向对称放置的偶数个激励线圈，所述第二聚焦/散焦线圈组的所述激励线圈中的电流与所述第一聚焦/散焦线圈组的所述激励线圈中的电流方向相反。
2.根据权利要求1所述的粒子束控制电磁体，
其中，所述第一超导线圈组由被以同轴地堆叠的方式设置的弯曲线圈和所述聚焦/散焦线圈组构成，所述弯曲线圈用于形成所述弯曲磁场。
3.根据权利要求2所述的粒子束控制电磁体，
其中，所述聚焦/散焦线圈组和所述第二超导线圈组被配置成形成面对所述真空管道的第一层；并且
所述弯曲线圈被配置成形成被堆叠在所述第一层上的第二层。
4.根据权利要求1所述的粒子束控制电磁体，
其中，所述第二超导线圈组包括：
第一校正线圈，所述第一校正线圈被配置成沿着正交于所述粒子束的行进方向的方向形成第一校正磁场；以及
第二校正线圈，所述第二校正线圈被配置成形成第二校正磁场，所述第二校正磁场正交于所述粒子束的所述行进方向和所述第一校正磁场的方向。
5.根据权利要求4所述的粒子束控制电磁体，
其中，所述第一校正线圈和所述第二校正线圈被设置成被同轴地堆叠。
6.一种照射治疗设备，包括：
根据权利要求1所述的粒子束控制电磁体；
旋转台架，所述旋转台架被配置成支撑所述控制电磁体，围绕中心轴线旋转，并且沿着正交于所述中心轴线的方向照射所述粒子束；以及
床，所述床被配置成执行位于所述床上的患者相对于待照射的所述粒子束的移动和定位。
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