CN108969907A - 获得小束斑的粒子束治疗头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种获得小束斑的粒子束治疗头装置的设计方案，该粒子束治疗头装置包括：用于扫描扩展粒子束的扫描铁、用于传输扫描后的粒子束的真空管道以及安装在真空管道上的辐射防护设备，该设计方案还包括一些必要的束流测量设备和调制设备。根据本发明的粒子束治疗头装置将真空管道从扫描铁延伸至靶体的附近，并将一些必不可少的束流探测设备后移。该装置维持粒子束流在低真空环境中传输，有效地减小了束流与空气的散射作用，并显著降低了束流与探测设备的散射角对束斑尺寸的影响，从而维持较小的束斑尺寸。

Description

获得小束斑的粒子束治疗头装置

技术领域

本发明属于医疗领域，尤其涉及一种粒子束治疗头装置。

背景技术

粒子束在医疗领域常常用来治疗癌症，粒子束可以最大限度地杀灭靶区肿瘤细胞，同时尽可能减少对肿瘤靶区周围的健康组织进行伤害，减少正常组织并发症的几率，提高治疗的效果。对于粒子束治癌而言，一般需要将束流转换成均匀的扩展束。得到均匀的扩展束一般有两种方法，均匀扫描和点扫描。对于均匀扫描，为了得到均匀的照射野，通常希望束流在等中心点(即肿瘤位置的中心参考点)具有较大的束斑。而采用点扫描方式时，为了达到良好的治疗效果，希望束斑越小越好。在现有的装置中，束流会与空气以及设备发生散射，导致束斑增大，无法维持小束斑，因此难以用于点扫描。

发明内容

为了在点扫描模式下，获得较小的束斑尺寸，本发明的实施例提供一种粒子束治疗头装置，该粒子束治疗头装置包括：用于扫描粒子束的扫描铁以及用于传输扫描后的粒子束的真空管道，真空管道从扫描铁延伸至粒子束靶体附近，粒子束治疗头装置还包括安装在真空管道上的辐射防护设备。

根据一些实施例，辐射防护设备包括对束流进行阻挡的束流阻挡器和对由被阻挡的束流所产生的中子进行阻挡和/或散射的中子快门。

根据一些实施例，辐射防护设备安装在粒子束的传输路径上，辐射防护设备在粒子束治疗头装置正常工作时允许粒子束通过，并且在粒子束治疗头装置存在异常时阻止粒子束通过。

根据一些实施例，真空管道包括多段真空管道，多段真空管道通过法兰连接。

根据一些实施例，真空管道的靠近粒子束靶体的端部为真空膜窗，粒子束通过真空膜窗穿出。

根据一些实施例，多段真空管道具有不同的横截面积，越靠近真空膜窗的真空管道的横截面积越大。

根据一些实施例，粒子束治疗头装置进一步包括设置在真空管道和粒子束的靶体之间的束流测量设备和束流调制设备。

根据一些实施例，束流测量设备安装在真空管道与束流调制设备之间。

根据一些实施例，束流测量设备包括多个剂量电离室和两个分条电离室，多个剂量电离室设置在两个分条电离室之间。

根据一些实施例，束流调制设备包括脊形过滤器和降能器，脊形过滤器和/或降能器采用卡扣拔插式安装，在脊形过滤器和/或降能器的安装支架上设置能够指示脊形过滤器和/或降能器的属性的传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：将真空管道从扫描铁延伸至靶体的附近，维持束流在低真空环境中传输，有效降低束流与空气的散射作用，并且将必不可少的散射设备(如束流测量设备)安装在靶体附近，降低束流与设备的散射作用对束斑的影响，从而维持较小的束斑尺寸。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1A是根据本发明的一个实施例的能够获得小束斑的粒子束治疗头装置的结构示意图；

图1B是根据本发明的一个实施例的能够获得小束斑的粒子束治疗头装置的立体示意图；

图2A是根据本发明的粒子束治疗头装置的辐射防护设备处于待机状态的结构示意图；

图2B是根据本发明的粒子束治疗头装置的辐射防护设备处于工作状态的结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的能够获得小束斑的粒子束治疗头装置的真空管道的结构示意图；

图4是根据本发明的粒子束治疗头装置的束流测量设备和束流调制设备的结构示意图；

图5是根据本发明的粒子束治疗头装置的脊形过滤器安装支架的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种可获得小束斑的粒子束治疗头装置，通过延长真空管道，并调整部分设备的布局，可以维持束流在低真空环境中传输，有效降低束流与空气的散射作用，这里的“束流”指的是一束粒子，并且对一些必须与束流发生散射作用的设备，使其尽可能靠近等中心点，这里的“等中心点”指的是设备参考点，是用于设备尺寸和剂量学测量参考的空间中的点，在本实施例中，将靶体的中心置于等中心点。

图1A是根据本发明的一个实施例的可获得小束斑的粒子束治疗头装置100的结构示意图。图1B是粒子束治疗头装置100的立体示意图。如图1A和图1B所示，可获得小束斑的粒子束治疗头装置100包括用于扫描扩展粒子束的扫描铁120以及用于传输扫描扩展后的粒子束的真空管道130。真空管道130从扫描铁120延伸至粒子束的靶体150的附近，在本实施例中“靶体”是指肿瘤，这里的“附近”是指真空管道130的末端与靶体150的距离足够小，其距离只要能够满足一些必要束流测量设备和束流调制设备的安装并且不影响治疗床的正常运动以及正常治疗时不与病人发生触碰即可。粒子束治疗头装置100还包括安装在真空管道130上的辐射防护设备140。图中水平箭头所指的方向是粒子束传输的方向，图中110表示由加速器传输来的粒子束流。

肿瘤在横向上具有一定的大小，所以需要利用扫描铁对束流进行横向上的偏转，使得束流至少覆盖肿瘤所在区域。束流经过加速器加速后，会经过扫描铁120。扫描铁120对粒子束进行扫描扩展，会将粒子束扫描成较为宽阔的束流。粒子束会继续在真空管道130中传输，再从真空管道130中穿出，直到靶体150，也即是肿瘤区域，实现对靶体150的照射。根据辐射防护要求，粒子束治疗头装置100还包括辐射防护设备140，用于防止粒子束异常溢出，从而保护人体以及环境。通常情况下，需要将治疗室和辐射防护设备用辐射防护墙进行隔断，为了提高病人的治疗体验，并且适当减小设备的噪声，可以在治疗室的治疗床160处安装屏风。治疗时，病人会被固定在治疗床160上，通过移动治疗床160将病人的肿瘤中心置于等中心点。为了充分利用辐射防护墙的辐射屏蔽效果，通常需将防护设备安装在防护墙的上游。为了避免束流从真空环境进入大气环境，再由大气环境进入真空环境而与空气产生散射作用，可以将所有的防护设备安装在真空环境中，在本实施例中将辐射防护设备140安装在真空管道130上。

辐射防护设备140包括对粒子束流进行阻挡的束流阻挡器和对由被阻挡的束流所产生的中子进行阻挡和散射的中子快门。图2A是辐射防护设备140处于待机状态的结构示意图，图2B是辐射防护设备140处于工作状态的结构示意图。请同时参见图2A和图2B，辐射防护设备140包括束流阻挡器141和中子快门142，图中箭头I所指方向为粒子束流的方向。

辐射防护设备140安装在粒子束流的传输路径上，辐射防护设备140在粒子束治疗头装置100正常工作时允许粒子束流通过，并且在粒子束治疗头装置100存在异常时阻止粒子束流通过。正常工作情况下，辐射防护设备140处于待机状态，也即是离线状态。当辐射防护设备140处于待机状态时，束流阻挡器141和中子快门142位于辐射防护墙143的上游，且位于真空管道130的一侧，不对粒子束流产生任何作用。当粒子束治疗头装置100出现停束，也即是不产生粒子束，或者其他设备出现异常情况时，辐射防护设备140立即启动，也即是立即处于在线状态，阻止粒子束流进入治疗室。当辐射防护设备140处于工作状态时，束流阻挡器141和中子快门142移动到真空管道130的中间，堵住辐射防护墙143中的粒子束流通道，阻止粒子束流通过。在本实施例中，束流阻挡器141可以由铜块制成，可以阻挡碳离子束。碳离子束与束流阻挡器141碰撞后会产生中子，部分中子会被中子快门142阻挡，另一部中子经过中子快门142散射后进入辐射防护墙143内，具有较大厚度的辐射防护墙143则阻挡这部分中子，从而对治疗室内的人体和设备进行保护。在本实施例中，将束流阻挡器141和中子快门142设置于较大的真空室内，通过波纹管与传动装置和外部电机相连，即对于辐射防护设备140而言，本实施例中采用的是电机驱动方案，当然，在其他的实施例中也可以采用压缩气体驱动方案。在本实施例中，辐射防护设备140从水平方向进入工作状态或待机状态，在其他的实施例中，也可以从其他方向，例如竖直方向进入工作状态或待机状态。

真空管道130可包括多段真空管道，多段真空管道通过法兰连接。由于真空管道较长，一体成型的制作难度比较高，且难以运输，将真空管道分为多段，可以有效降低制作的难度和成本，并且易于运输和安装。

真空管道130的靠近靶体150的端部为真空膜窗134，粒子束通过真空膜窗134穿出。真空膜窗134的厚度小于100um，设置真空膜窗134可以有效降低束流从真空管道130穿出时的散射和损失，从而增强对肿瘤的治疗效果。

多段真空管道具有不同的横截面积，越靠近真空膜窗134的真空管道的横截面积越大。由于扫描铁120对束流的扩展作用，使得束流在横向上发生偏转，偏转距离随着传输距离的增大而增大。因此，为了不阻挡束流，越靠近真空膜窗134的真空管道的横截面积越大。图3是根据本发明的一个实施例的真空管道130的结构示意图。如图3所示，真空管道130由三段组成，分别是第一真空管道131、第二真空管道132和第三真空管道133，第三真空管道133的末端为真空膜窗134，第一真空管道131和第二真空管道132之间为辐射防护设备140的大型真空室144。束流经过扫描铁120之后，通过第一真空管道131进入辐射防护设备140的大型真空室144内，第一真空管道131与大型真空室144通过法兰连接。粒子束流从大型真空室144的另一侧传出后进入第二真空管道132，第二真空管道132与大型真空室144之间也是通过法兰连接。第二真空管道132的另一侧与第三真空管道133通过法兰连接。第二真空管道132设置为穿越辐射防护墙的墙体。为便于第二真空管道132的安装，第二真空管道132的长度比防护墙的墙体厚度略长即可，例如可以长200mm-300mm。第一真空管道131、第二真空管道132和第三真空管道133的横向截面以不阻挡束流为准。第三真空管道133的横向截面大于第二真空管道132，第二真空管道132的横向截面大于第一真空管道131。

根据本发明的粒子束治疗头装置100进一步包括设置在真空管道130和粒子束流的靶体150之间的束流测量设备170和束流调制设备180。束流测量设备170用于对束流的横向位置、分布以及剂量进行测量。束流调制设备180用于调节束流剂量的纵向分布。为了降低对束流的散射作用，可以将束流测量设备和束流调制设备尽量靠近靶体150，其距离应该以不影响治疗床160的正常运动以及正常治疗时不与病人发生触碰即可。

束流测量设备170安装在真空管道130与束流调制设备180之间。这样，粒子束流会依次通过真空管道130、束流测量设备170和束流调制设备180。将束流调制设备180安装在粒子束流的下游可以最大化地减小对束斑的影响，并且满足各种照射深度的靶体150的需要。当然，在其他的实施例中，束流测量设备170还可以设置在其他的位置，例如，设置在真空管道130内部的靠近真空膜窗134的位置处。

束流测量设备170包括多个剂量电离室171和两个分条电离室172，剂量电离室171设置在两个分条电离室172之间，如图4所示。分条电离室172用于测量束流的横向位置和分布。分条电离室172的数量没有具体限制，一般可以是两个，当然，在其他的实施例中也可以是其他数量，例如可以是3个。剂量电离室171用于监测到达病灶区的剂量大小，对于安装位置并没有十分严格的要求，因此，可以将剂量电离室171安装在分条电离室172的中间。当然，在其他的实施例中，也可以将剂量电离室171安装得比分条电离室172更靠近或远离靶体。剂量电离室171的数量一般为2-3个，当然，也可以是其他数量。

束流调制设备180包括脊形过滤器181和降能器182，脊形过滤器181和/或降能器182采用卡扣拔插式安装，在脊形过滤器181和/或降能器182的安装支架上设置能够指示脊形过滤器181和/或降能器182的属性的传感器。脊形过滤器181的作用是使得束流在纵向的展宽更加均匀。降能器182的作用是降低束流的能量，从而改变束流在人体内的深度。

图5是根据本发明的一个实施例的脊形过滤器安装支架的结构示意图。如图5所示，脊形过滤器安装支架400包括脊形过滤器外框把手410、脊形过滤器支架430、脊形过滤器外框440和限位开关450。脊形过滤器181安装在脊形过滤器外框440中。脊形过滤器181采用卡扣拔插式安装，在需要使用脊形过滤器181时将其安装到脊形过滤器支架430上，不需要时拆下。在脊形过滤器外框440的侧面(与脊形过滤器外框把手410相对的侧面)上设置多个凹槽460，在对应的固定在束流线上的脊形过滤器支架430上分别设置多个限位开关450，限位开关450可以检测到脊形过滤器是否安装到位以及安装在束流线上的脊形过滤器的型号。具体地，当脊形过滤器181未安装时，限位开关450是保持打开的，一旦安装了脊形过滤器181，至少会有一个限位开关450闭合，并且，限位开关450具有编程功能，可在远程根据脊形过滤器181与限位开关450的接触方式，获取所安装的脊形过滤器181的型号。限位开关450可以将安装信息传递到治疗室中，供医生进行参考。在另外的实施例中，可以在脊形过滤器安装支架400上设置指示信号的装置，例如LED灯，当限位开关450打开时，LED不亮，当至少一个限位开关450闭合时，LED灯发光，从而指示脊形过滤器支架430上是否安装脊形过滤器181。在某些实施例中，还可以通过设置LED灯的颜色来确定是否安装脊形过滤器181，例如，未安装时LED灯显示红色，安装到位时显示绿色。

降能器182可以降低束流的能量，因而为了满足照射深度较浅的靶体的需要，需要在粒子束流的末端设置降能器182。降能器182中可以包括多个降能片，降能片的外框和安装支架与脊形过滤器外框与安装支架原理相同，也可以检测降能片是否安装到位或安装在束流线上的降能片的型号。降能器182属于不常用的附属设备，因此为了减少降能器182对束斑大小的影响，降能器182安装在束流线的最下游，也即是最靠近靶体的位置。当然，脊形过滤器181和降能器182的位置可以相互交换。

在本实施例中，粒子束流经过扫描铁120后，并不立即到达靶体150，而是通过设置延伸至靶体150附近的真空管道130，使得粒子束流可以在真空管道130内一直传输到靶体150的附近，最大程度地减小空气的散射作用。粒子束流从真空管道130的真空膜窗134穿出后，进入大气，再分别穿过分条电离室、剂量电离室和分条电离室，最后到达等中心点，或者穿过脊形过滤器或降能器后到达等中心点。然后，利用粒子束流根据肿瘤的横向截面对整个肿瘤的截面进行扫描，以使粒子束流覆盖整个肿瘤区域。因此，光束越细，就越能根据肿瘤的横向截面描绘出肿瘤的形状。将束流的半高宽控制在合理的范围内，例如2mm-10mm，可以有效增强扫描的准确性。

本发明通过延长真空管道，减小了与空气的散射作用，并且粒子束流仅在靠近等中心点的位置与束流测量设备和束流调制设备发生散射作用，降低了粒子束流与设备的散射角的影响，可有效减小束斑尺寸，可以将粒子束流的半高宽控制在4mm-10mm的范围内；本发明没有采用喇叭口形状的真空管道设计，而采用多段式真空管道的设计，管道之间采用法兰连接，有效降低了管道的加工和安装难度，降低了设备的制造和安装成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种能够获得小束斑的粒子束治疗头装置，包括：

扫描铁，用于扫描粒子束；以及

真空管道，用于传输扫描后的所述粒子束，

其特征在于，所述真空管道从所述扫描铁延伸至所述粒子束靶体的附近，所述粒子束治疗头装置还包括安装在所述真空管道上的辐射防护设备。

2.根据权利要求1所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述辐射防护设备包括对束流进行阻挡的束流阻挡器和对由被阻挡的束流所产生的中子进行阻挡和/或散射的中子快门。

3.根据权利要求2所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述辐射防护设备安装在所述粒子束的传输路径上，所述辐射防护设备在所述粒子束治疗头装置正常工作时允许所述粒子束通过，并且在所述粒子束治疗头装置存在异常时阻止所述粒子束通过。

4.根据权利要求1所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述真空管道包括多段真空管道，所述多段真空管道通过法兰连接。

5.根据权利要求4所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述真空管道的靠近所述粒子束靶体的端部为真空膜窗，所述粒子束通过所述真空膜窗穿出。

6.根据权利要求5所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述多段真空管道具有不同的横截面积，越靠近所述真空膜窗的真空管道的横截面积越大。

7.根据权利要求1所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述粒子束治疗头装置进一步包括设置在所述真空管道和所述粒子束的靶体之间的束流测量设备和束流调制设备。

8.根据权利要求7所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述束流测量设备安装在所述真空管道与所述束流调制设备之间。

9.根据权利要求7或8所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述束流测量设备包括多个剂量电离室和两个分条电离室，所述多个剂量电离室设置在所述两个分条电离室之间。

10.根据权利要求7或8所述的粒子束治疗头装置，其特征在于，所述束流调制设备包括脊形过滤器和降能器，所述脊形过滤器和/或所述降能器采用卡扣拔插式安装，在所述脊形过滤器和/或所述降能器的安装支架上设置能够指示所述脊形过滤器和/或所述降能器的属性的传感器。