CN108815720A - 基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统，包括240MeV超导回旋加速器、输运系统、真空系统，控制系统、患者摆位系统、旋转机架、治疗头系统及质子成像转换装置，质子成像精准定位技术主要由笔形束扫略治疗头及质子成像转换装置来实现。本发明应用超导磁体回旋加速器加速质子，可加速质子能量最大至240MeV，达到质子穿过人体成像的能量要求；采用质子CT成像代替X射线成像，改进了肿瘤定位的精度，同时获得了质子穿透人体后的剩余量程，为肿瘤治疗计划的修正提供参考，使治疗更加精准，提升了整个放射治疗的效果。

Description

基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统

技术领域

本发明涉及精密医疗器械应用领域，具体是一种基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统。

背景技术

质子放疗方法由于质子能量释放的Bragg peak效应，相对于传统射线放疗方法具有治疗周期短，精准杀伤，治愈率高，副作用小的优点。

在质子放疗系统中通常质子放疗的辐照方法有散射型和笔形束两种，其中散射型需要穿过多层偏转板和补偿器，才能得到合适的束流。与之相比，笔形束法束流路上的介质材料少，不改变束流的射程与方向，提高束流的利用率，减少照射在患者身上的辐照本底，照射野尺寸更大。

传统CT在实际工作时，不用吸收系数和密度，而是换算成CT值，在质子治疗中须将CT值再换算成离子特定的停止功率，而这种换算有很大的误差，从而难于准确的定出质子的实际射程，当医疗人员按CT结果做治疗计划时，给出的体内射程与实际需要的体内射程之间存在偏差，当误差比要求的大时肿瘤后方的正常组织受损，当误差小时，部分肿瘤细胞没有照射到，治疗不完全。而采用质子照相时，可以获得一个“患者特定的CT的Hu数换算到质子停止功率的校正曲线”，从而在治疗时给出一个准确的治疗粒子的能量。

尽管在质子放疗系统中，质子CT成像和笔形束扫略放疗法有诸多优点，但在质子CT成像中，如何跟踪束流的空间位置，及如何测得每个位置的束流的剩余量程仍需探讨。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统，用以完成对患者肿瘤的精准放疗，重点集中于解决实现患者肿瘤的CT成像来实现更加精准的质子放疗的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统，所述肿瘤放射治疗系统包括240MeV超导回旋加速器、输运系统、真空系统，控制系统、患者摆位系统、旋转机架、治疗头系统及质子成像转换装置，所述240MeV超导回旋加速器将离子源产生的质子加速至240MeV并引出，所述输运系统将质子束流引导至治疗头系统，且能根据控制系统给出的信号调节束流的能量强度，所述真空系统保证整个质子产生、加速及运输的真空环境，所述控制系统根据治疗头反馈的数据，调节束流的各种参数，保证治疗的顺利完成，所述治疗头系统用来定位肿瘤及完成既定的治疗计划。

所述240MeV超导回旋加速器将冷阴极离子源产生的质子在超导强磁场及加速电场的作用下，最大可将质子加速到240MeV，该能量强度能保证质子可以穿过人体，到达质子成像转换装置上，得到体内肿瘤的相关信息。

所述输运系统包括用于聚焦束流的四级磁铁，用于改变束流方向的偏转磁铁，及用于检测束流情况的检测设备。

所述真空系统为加速器及输运系统中束流经过的地方提供真空环境，防止束流的碰撞耗散。

所述控制系统接收各处的反馈的信号及给出相应的控制信号，保证整个系统的正常运行。

所述患者摆位系统由六自由度机械臂组成，能将患者的肿瘤准确的送达至旋转机架的对称中心，处于治疗头的扫略放射的输出端。

所述旋转机架作为治疗头系统的安转支架，保证治疗头能多角度输出质子束，以便得到肿瘤的3维成像和完成扫略放射。

所述治疗头系统用来控制束流的偏转和监测束流的关键参数，实现束流的输出，完成治疗。

所述质子成像转换装置用来精确的定位肿瘤的空间位置，以便完成扫略计划，同时验证治疗计划中预计束流量程的合理性，并据此修正治疗计划。

所述前置探测器放置在前段束流输运管道中间，两个相对的线圈组成快扫描磁铁，另两个相对的线圈组成慢扫描磁铁，与快扫描磁铁的放置方向垂直，位于快扫描磁铁的下方，两个扫描磁铁均固定在机架上，将束流输运管夹在中间，束流输运管的下端对接密封对接量程调制器，锥形的真空窗的上端也密封对接量程调制器；截面探测器、强度探测器依次放置在真空窗下方的空气环境中，所有的部件均通过外侧的支架固定；束流通过两个扫描磁铁的偏转可以落在平面极限扫略区域中的任一点，量程调制器用来微调束流的能量，真空窗保证束流在运动过程中不会与气体分子发生碰撞耗散，束流在真空窗末端才射出，截面和强度探测器测量束流的照射野和束流强度。

所述质子成像转换装置包括束流位置探测器及片状多层游离室。束流位置探测器在工作时分置在患者前后，用来跟踪束流的位置，片状多层游离室放置在位置探测器之后，承接穿过人体后的束流，用于测量束流的剩余量程。

位置探测器由前后两个屏蔽薄膜包覆，薄膜中间为两层垂直交叉排列的，多个并列的细小金属探丝组成，每个金属探丝都单独接一路信号线，当有束流打在探丝上时，探丝上的电流发生改变，通过横纵两个产生信号的探丝的位置，就可以确定束流在空间平面的位置分布。

片状多层游离室由多层紧密排列的多个游离室组成，当束流穿过一个游离室时就会引起该深度位置的游离室的电信号变化，束流最终会在某个游离室中停止下来，得到了电信号截止的游离室的位置信息，就能知道束流最终的停止位置，就可以得到其穿过人体后的剩余量程。

质子成像精准定位技术包括：应用置于人体前后的束流位置探测器，得到扫略束流在整个空间的坐标位置和方向信息，通过置于病人后方的片状多层游离室，用来截止束流，并得到束流在多层游离室中的停止位置，根据每层游离室对束流量程的固定损耗，可以计算得到每个扫略位置束流的剩余量程，从而可以计算出质子在人体组织不同位置扫略时的能量衰减量，从而得到物体的水当量径长分布情况，并转换成各个人体扫略位置的像素灰度值，通过旋转机架实现对患者不同角度的二维成像重建，就可以得到患者的3维CT图像。进一步的通过比对患者的质子剩余量程的量程校正图像和治疗计划中的预计量程，可以验证计划量程的合理性，作出调整，使治疗效果更好。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统，相较于传统射线放疗的方法，本系统采用质子精准定位放疗，副作用小，肿瘤杀伤效果好，特别的在此过程中应用一套质子成像转换装置实现了对患者肿瘤精准定位的功能，同时验证点扫略计划中的预计量程的合理性，由于质子CT成像较X射线CT成像的优势，使定位更精准，治疗更安全高效。

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是质子放疗系统的整体布局示意图；

图2是笔形束治疗头的结构示意图；

图3是质子成像转换装置应用时布局示意图；

图4是束流位置探测器的结构示意图；

图5是片状多层游离室的工作原理示意图；

图中：1、前置探测器；2、快扫描磁铁；3、慢扫描磁铁；4、量程调制器；5、真空窗；6、截面探测器；7、强度探测器；8、束流位置探测器；9、片状多层游离室。

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。

如图1所示，一种基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统，包括240MeV超导回旋加速器、输运系统、真空系统，控制系统、患者摆位系统、旋转机架、治疗头系统及质子成像转换装置；

所述240MeV超导回旋加速器将离子源产生的质子加速至240MeV并引出，所述输运系统将质子束流引导至治疗头系统，且能根据控制系统给出的信号调节束流的能量强度，所述真空系统保证整个质子产生、加速及运输的真空环境，所述控制系统根据治疗头反馈的数据，调节束流的各种参数，保证治疗的顺利完成，所述治疗头系统用来定位肿瘤及完成既定的治疗计划。

所述240MeV超导回旋加速器将冷阴极离子源产生的质子在超导强磁场及加速电场的作用下，最大可将质子加速到240MeV，该能量强度能保证质子可以穿过人体，到达质子成像转换装置上，得到体内肿瘤的相关信息。

所述输运系统包括用于聚焦束流的四级磁铁，用于改变束流方向的偏转磁铁，及用于检测束流情况的检测设备。

所述真空系统为加速器及输运系统中束流经过的地方提供真空环境，防止束流的碰撞耗散。

所述控制系统接收各处的反馈的信号及给出相应的控制信号，保证整个系统的正常运行。

所述患者摆位系统由六自由度机械臂组成，能将患者的肿瘤准确的送达至旋转机架的对称中心，处于治疗头的扫略放射的输出端。

所述旋转机架作为治疗头系统的安转支架，保证治疗头能多角度输出质子束，以便得到肿瘤的3维成像和完成扫略放射。

所述治疗头系统用来控制束流的偏转和监测束流的关键参数，实现束流的输出，完成治疗。

所述质子成像转换装置用来精确的定位肿瘤的空间位置，以便完成扫略计划，同时验证治疗计划中预计束流量程的合理性，并据此修正治疗计划。

如图2所示，所述笔形束扫略治疗头包括前置探测器1、快扫描磁铁2、慢扫描磁铁3、量程调制器4、真空窗5、截面探测器6、强度探测器7。前置探测器1放置在前段束流输运管道中间，两个相对的线圈组成快扫描磁铁2，另两个相对的线圈组成慢扫描磁铁3，与快扫描磁铁2的放置方向垂直，位于快扫描磁铁2的下方，两个扫描磁铁均固定在机架上，将束流输运管夹在中间，束流输运管的下端对接密封对接量程调制器4，锥形的真空窗5的上端也密封对接量程调制器4；截面探测器6、强度探测器7依次放置在真空窗5下方的空气环境中，所有的部件均通过外侧的支架固定；

束流通过两个扫描磁铁的偏转可以落在平面极限扫略区域中的任一点，量程调制器用来微调束流的能量，真空窗保证束流在运动过程中不会与气体分子发生碰撞耗散，束流在真空窗末端才射出，截面和强度探测器测量束流的照射野和束流强度。

如图3所示，所述质子成像转换装置包括束流位置探测器8及片状多层游离室9。束流位置探测器8在工作时分置在患者前后，用来跟踪束流的位置，片状多层游离室放置在位置探测器之后，承接穿过人体后的束流，用于测量束流的剩余量程。

如图4所示，束流位置探测器8由前后两个屏蔽薄膜包覆，薄膜中间为两层垂直交叉排列的，多个并列的细小金属探丝组成，每个金属探丝都单独接一路信号线，当有束流打在探丝上时，探丝上的电流发生改变，通过横纵两个产生信号的探丝的位置，就可以确定束流在空间平面的位置分布。

如图5所示，片状多层游离室9由多层紧密排列的多个游离室组成，当束流穿过一个游离室时就会引起该深度位置的游离室的电信号变化，束流最终会在某个游离室中停止下来，得到了电信号截止的游离室的位置信息，就能知道束流最终的停止位置，就可以得到其穿过人体后的剩余量程。

质子成像精准定位技术包括：应用置于人体前后的束流位置探测器，得到扫略束流在整个空间的坐标位置和方向信息，通过置于病人后方的片状多层游离室，用来截止束流，并得到束流在多层游离室中的停止位置，根据每层游离室对束流量程的固定损耗，可以计算得到每个扫略位置束流的剩余量程，从而可以计算出质子在人体组织不同位置扫略时的能量衰减量，从而得到物体的水当量径长分布情况，并转换成各个人体扫略位置的像素灰度值，通过旋转机架实现对患者不同角度的二维成像重建，就可以得到患者的3维CT图像。进一步的通过比对患者的质子剩余量程的量程校正图像和治疗计划中的预计量程，可以验证计划量程的合理性，作出调整，使治疗效果更好。

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 (8)

1.基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统，包括240MeV超导回旋加速器、输运系统、真空系统、控制系统、患者摆位系统、旋转机架、治疗头系统及质子成像转换装置，其特征在于：

所述治疗头系统用来控制束流的偏转和监测束流的参数，实现束流的输出，完成治疗；

所述质子成像转换装置用来精确的定位肿瘤的空间位置，以便完成扫略计划，同时验证治疗计划中预计束流量程的合理性，并据此修正治疗计划；

所述治疗头系统包括笔形束扫略治疗头，所述笔形束扫略治疗头包括前置探测器(1)、快扫描磁铁(2)、慢扫描磁铁(3)、量程调制器(4)、真空窗(5)、截面探测器(6)、强度探测器(7)；

所述质子成像转换装置包括束流位置探测器(8)及片状多层游离室(9)。

2.根据权利要求1所述的基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统,其特征在于：所述240MeV超导回旋加速器将离子源产生的质子加速至240MeV并引出，所述输运系统将质子束流引导至治疗头系统，且能根据控制系统给出的信号调节束流的能量强度，所述真空系统保证整个质子产生、加速及运输的真空环境，所述控制系统根据治疗头反馈的数据，调节束流的各种参数，保证治疗的顺利完成，所述治疗头系统用来定位肿瘤及完成既定的治疗计划。

3.根据权利要求1所述的基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统,其特征在于：所述240MeV超导回旋加速器将冷阴极离子源产生的质子在超导强磁场及加速电场的作用下，最大可将质子加速到240MeV，该能量强度能保证质子可以穿过人体，到达质子成像转换装置上，得到体内肿瘤的相关信息；

所述输运系统包括用于聚焦束流的四级磁铁，用于改变束流方向的偏转磁铁，及用于检测束流情况的检测设备；

所述真空系统为加速器及输运系统中束流经过的地方提供真空环境，防止束流的碰撞耗散；

所述控制系统接收各处的反馈的信号及给出相应的控制信号，保证整个系统的正常运行；

所述患者摆位系统由六自由度机械臂组成，能将患者的肿瘤准确的送达至旋转机架的对称中心，处于治疗头的扫略放射的输出端；

所述旋转机架作为治疗头系统的安转支架，保证治疗头能多角度输出质子束，以便得到肿瘤的3维成像和完成扫略放射。

4.根据权利要求1所述的基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统,其特征在于：前置探测器(1)放置在前段束流输运管道中间，两个相对的线圈组成快扫描磁铁(2)，另两个相对的线圈组成慢扫描磁铁(3)，与快扫描磁铁(2)的放置方向垂直，位于快扫描磁铁(2)的下方，两个扫描磁铁均固定在机架上，将束流输运管夹在中间，束流输运管的下端对接密封对接量程调制器(4)，锥形的真空窗(5)的上端也密封对接量程调制器(4)；截面探测器(6)、强度探测器(7)依次放置在真空窗(5)下方的空气环境中；束流通过两个扫描磁铁的偏转可以落在平面极限扫略区域中的任一点，量程调制器用来微调束流的能量，真空窗保证束流在运动过程中不会与气体分子发生碰撞耗散，束流在真空窗末端才射出，截面和强度探测器测量束流的照射野和束流强度。

5.根据权利要求1所述的基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统,其特征在于：所述束流位置探测器在工作时分置在患者前后，用来跟踪束流的位置，片状多层游离室放置在位置探测器之后，承接穿过人体后的束流，用于测量束流的剩余量程。

6.根据权利要求1所述的基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统,其特征在于：束流位置探测器由前后两个屏蔽薄膜包覆，薄膜中间为两层垂直交叉排列的，多个并列的细小金属探丝组成，每个金属探丝都单独接一路信号线，当有束流打在探丝上时，探丝上的电流发生改变，通过横纵两个产生信号的探丝的位置，确定束流在空间平面的位置分布。

7.根据权利要求1所述的基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统,其特征在于：片状多层游离室由多层紧密排列的多个游离室组成，当束流穿过一个游离室时就会引起该深度位置的游离室的电信号变化，束流最终会在某个游离室中停止下来，得到电信号截止的游离室的位置信息，就能知道束流最终的停止位置，就可以得到其穿过人体后的剩余量程。

8.根据权利要求1所述的基于质子成像精准定位技术的肿瘤放射治疗系统,其特征在于：应用置于人体前后的束流位置探测器，得到扫略束流在整个空间的坐标位置和方向信息，通过置于病人后方的片状多层游离室，用来截止束流，并得到束流在多层游离室中的停止位置，根据每层游离室对束流量程的固定损耗，得到每个扫略位置束流的剩余量程，计算出质子在人体组织不同位置扫略时的能量衰减量，从而得到物体的水当量径长分布情况，并转换成各个人体扫略位置的像素灰度值，通过旋转机架实现对患者不同角度的二维成像重建，得到患者的3维CT图像。