CN109224321A - 一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统 - Google Patents

一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，该治疗系统采用同步回旋加速器将质子或重离子加速到治疗所需的最高能量；对于质子，其最高能量为235MeV。束流从同步回旋加速器输出后进入高能输运线进行聚焦和偏转，送入能量选择器。能量选择器通过设置的石墨降能器，使得束流能量连续可调；束流进入单治疗室后被送至旋转机架系统，旋转机架可±185°旋转，使束流能在360°各个方向出射。本发明采用同步回旋加速器作为主加速器，相比于回旋加速器和同步加速器，可以使用最高大于5T的磁场，减小加速器的体积重量，从而制造的更加紧凑；且对加速电压要求较小，降低射频系统的成本和设计难度。

Description

一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统。
背景技术
质子和重离子治疗技术是放疗中的一种，是国际公认的放疗尖端技术。与传统的光子放疗不同，质子和重离子可以形成能量布拉格峰，将给药剂量局限于肿瘤区域，减少对健康组织的伤害。
以质子治疗为例，放疗所需的较高能量的质子，由高频谐振加速器获得。一般来说，为治疗深度为30cm到315cm的肿瘤，需要70-230MeV的质子束。
质子重离子加速器主要有等时性回旋加速器、同步加速器、同步回旋加速器和直线加速器四类。等时性回旋加速器其优点是操作方便，输出流强较高，但是不具备能量调节功能，需要配备额外的能量选择器；同步加速器其优点是输出能量可调，磁铁所占体积较小，束流品质较高，但是要求加速电场的频率和磁场强度随粒子能量同步增加，增加了操作的复杂性，需要配备额外的加速器作为前端注入器，而且加速器本身占地面积较大；直线加速器可以实现能量连续可调，且束流品质较好，但是加速器本身占地面积较大，而且成本高；同步回旋加速器不需要前端注入器，相比于等时性回旋加速器对加速电压的要求小，磁场较回旋加速器高，因而可以制造的更加紧凑。但是要求加速电场的频率随粒子能量同步降低，操作较复杂，本身不具备能量调节功能，且输出流强较低。
对于圆形加速器，加速器的体积尺寸主要取决于输出加速器能量和主磁铁或弯转磁铁的磁场强度。在相同的输出能量下，主磁铁或弯转磁铁的磁场强度越高，相应的加速器体积可以建造的越小。常规磁铁最高大约能提供1.5T的磁场，超导磁铁可以提供最高大于5T的磁场，采用超导磁铁可以有效减小加速器的尺寸。
对于等时性回旋加速器，太高的磁场会降低磁场调变度，削弱轴向聚焦效应。由于同步回旋加速器其轴向聚焦不由磁场调变度提供，因此其磁场可以比等时性回旋加速器更高，从而制造的更加紧凑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，以同步回旋加速器作为主加速器，其主磁铁采用超导磁体，提供大于5T的磁场强度，RF腔提供10-20kV的加速电压，将质子或重离子束流加速到治疗所需的最高能量；对于质子束，其最高能量为235MeV,引出后的束流通过输运线系统进行偏转和聚焦，送入能量选择器系统，调节束流能量为治疗所需能量，再输送到旋转机架上，旋转机架可以±185°度旋转，使束流能在360°各个方向出射，最终通过笔形束等设备照射到患者体内。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，该治疗系统采用同步回旋加速器将质子或重离子加速到治疗所需的最高能量；对于质子，其最高能量为235MeV。
束流从同步回旋加速器输出后进入高能输运线进行聚焦和偏转，送入能量选择器。
能量选择器通过设置的石墨降能器，使得束流能量连续可调，将同步回旋加速器引出的高能量束流降低为治疗所需能量；
对于质子束，其能量在70-235MeV之间可调，并将降能后的束流进一步通过一段高能输运线进行聚焦和偏转，送至单治疗室；
束流进入单治疗室后被送至旋转机架系统，旋转机架可±185°旋转，使束流能在360°各个方向出射。
所述的同步回旋加速器的主磁铁采用超导磁体，中心场强5.7T，引出场强5T；
在同步回旋加速器的前端设有PIG冷阴极离子源，由中心区吸极在10-20kV电压下将离子引出并进行加速；离子源末端的半径2.5mm。
中心区上下垂直间距6mm，中心区的磁场由一个锥形磁铁提供，用以产生沿半径逐渐下降的磁场，提供较大的磁场负梯度，增强轴向聚焦；
中心区在离子源口附近设有吸极，在离子源附近产生水平方向的电场，将束流从离子源内引出；中心区加速电压为10kV，第一圈的半径为3mm，旋转100圈后，半径增加到3cm。
中心区及离子源为可移动式设置；中心区设有由垂直偏转板和准直器构成的快速关断装置，用于在治疗过程中快速关断束流及流强调节；
中心区在粒子运动轨迹的前100圈设有产生垂直方向电场的一对电极，即垂直偏转板；以及在垂直方向设置的一组金属挡板，即准直器，用于阻挡轴向振幅较大的束流；
调节垂直偏转板上施加的电压，使其产生0-1kV/cm的轴向电场，使束流部分或全部打在金属挡板上，实现流强调节或快速关断。
所述的同步回旋加速器的RF系统工作频率从92-62MHz连续可调，RF电压为10-20kV；RF频率变化周期为1ms，重复频率为1kHz；
RF频率从92MHz开始降低，当降低到87.5MHz时，离子源送出束团被中心区吸极牵引开始进行加速，RF频率降低到63.3MHz时，束流中粒子能量达到预定值；
对于质子为235MeV，被引出系统引出，随后RF频率降低到62MHz,共用时600ms；再随后RF频率再次提升到92MHz,用时400us,至此RF系统完成一个运转周期；下一团束流从离子源引出并进行加速，开始一个新的加速周期。
所述的同步回旋加速器的引出区采用再生引出方式，引入bump场及二次谐波梯度场，使束流径向振动频率在引出半径处提升并维持在Qr＝1附近，增加束流的径向振幅，利用静电偏转板切割振幅较大的束流实现引出。
二次谐波梯度场由两个梯度场合成，一个为负梯度场，由切割器提供；另一个为正梯度场，由再生器提供，切割器和再生器之间间隔90度方位角；经过若干圈后，振幅足够大的束流就会被静电偏转板切削引出。
该治疗系统具体实施包括如下步骤：
步骤一：使用PIG冷阴极离子源，离子源在RF频率为87.5MHz时将束流送入同步回旋加速器进行加速；
步骤二：随着加速过程的进行，RF频率随束流能量的增加同步降低，当束流能量达到预期能量时，对质子为235MeV，RF频率降低为63.3MHz；
步骤三：通过再生引出的方式将束流从同步回旋加速器引出，经高能输运线和能量选择器，将束流能量限制在70-235MeV治疗所需的能量；再经过一段高能输运线输送到单治疗室；
步骤四：束流被送至单治疗室的旋转机架上，旋转机架可±185°旋转，从各个方向照射患者；
步骤五：当需要暂停照射时，通过在垂直偏转板上施加1kV/cm的垂直电场，对束流进行快速关断；当需要改变调节照射流强时，调节施加在垂直偏转板上的电场强度，从而进行流强调节。
本发明的有益效果：本发明采用同步回旋加速器作为主加速器，相比于回旋加速器和同步加速器，可以使用最高大于5T的磁场，减小加速器的体积重量，从而制造的更加紧凑；且对加速电压要求较小，降低射频系统的成本和设计难度；
本发明输出治疗所需的高能量质子或重离子；对于质子，其能量为235MeV,经能量选择器可以使质子束流能量在70-235MeV之间连续可调，适用于治疗深度为30-315cm的肿瘤；使用±185°旋转机架，使束流可以360度照射患者，有助于提升治疗效果。
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是本发明治疗系统布局的俯视图；
图2是本发明治疗系统布局的侧视图；
图3是本发明的中心区俯视图；
图中标号：1-同步回旋加速器主体，2-高能输运线，3-漂移段，4-四级磁铁，5-二级磁铁，6-能量选择器，7-单治疗室，8-旋转机架，9-准直器，10-垂直偏转板，11-中心区电极(中心区本体)。
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。
一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，如图1-3所示，包括有同步回旋加速器1，在同步回旋加速器1的前端设有PIG冷阴极离子源，离子源末端的半径约2.5mm，为了保持阴极的低温，选择脉冲持续时间约50微秒，脉冲频率为1kHz。离子源中的质子或重离子被中心区吸极电场牵引，进入中心区开始加速；对于重离子，例如碳离子，其最高能量约为430MeV。
中心区的磁场由一个锥形磁铁提供，锥形磁铁可以构造出较大的磁场负梯度，增强中心区的轴向聚焦。在中心区粒子运动轨迹的前几圈设有上下对称放置的一对电极，即垂直偏转板，用于产生垂直方向的电场；以及在垂直方向设置的一组金属挡板，即准直器，用于阻挡轴向振幅较大的束流。调节垂直偏转板上施加的电压可使束流全部或部分打在金属挡板上，实现流强调节或快速关断。中心区和离子源设计为可移动式，便于安装维护和重复定位。
具体地，中心区电极11上下垂直间距约6mm，中心区磁铁设计成锥形用以产生沿半径逐渐下降的磁场，提供较大的磁场负梯度，增强轴向聚焦。中心区在离子源口附近设有吸极，在离子源附近产生水平方向的电场，将束流从离子源内引出。中心区加速电压约为10kV，第一圈的半径约为3mm，旋转100圈后，半径增加到3cm。在粒子运动轨迹的前100圈设有产生垂直方向电场的一对电极，即垂直偏转板10，以及在垂直方向设置的一组金属挡板，即准直器9。调节垂直偏转板上施加的电压，使其产生大约0-1kV/cm的轴向电场，可使束流部分或全部打在金属挡板上，实现流强调节或快速关断。
RF系统的工作频率从92-62MHz连续可调，RF电压为10-20kV左右。RF频率变化周期为1ms，重复频率为1kHz。相应的离子源送出束流脉冲也为1kHz,脉冲时间为50us，和RF系统同步。
束流进入中心区时，相应的RF频率为87.5MHz,随着加速过程的进行，束流中粒子的能量逐渐升高，相应的RF频率随即同步降低，直到束流中粒子能量达到预定值。RF频率从92MHz开始降低，当降低到87.5MHz时，离子源送出束团被中心区吸极牵引开始进行加速，RF频率降低到63.3MHz时，束流中粒子能量达到预定值，对于质子为235MeV，被引出系统引出，随后RF频率降低到62MHz,共用时600ms。再随后RF频率再次提升到92MHz,用时400us,至此RF系统完成一个运转周期。下一团束流从离子源引出并进行加速，开始一个新的加速周期。
对于质子为235MeV，RF频率降低到63.3MHz，束流进而被引出，RF频率再次提升到87.5MHz,至此RF系统完成一个运转周期
引出系统采用再生引出方式，通过再生器在引出半径附近产生bump场，bump场的最大场强约为1T,用于提升引出半径处的平均场，将径向振动频率提升并固定在Qr＝1附近。通过选择合适的再生器磁场参数，生成一个可控制的二次谐波梯度场，使得径向运动不稳定，即束流振幅在二次谐波和的作用下逐渐增加。该二次谐波梯度场由两个梯度场合成，一个为负梯度场，由切割器提供；另一个为正梯度场，由再生器提供，切割器和再生器之间间隔90度方位角。经过若干圈后，振幅足够大的束流就会被静电偏转板切削引出。
引出后的束流被输送到高能输运线2，高能输运线2由依次排列的漂移段3，二级磁铁5，四级磁铁组成4，束流在高能输运线2内经过聚焦，偏转，被输运至能量选择器6，能量选择器6核心部件为石墨降能器，用于将同步回旋加速器引出的高能量束流降低为治疗所需能量，对于质子束，将235MeV的束流能量降低为70-235MeV，束流通过能量选择系统后进一步通过一段高能输运线，送至单治疗室7。单治疗室7内安装一台可±185°旋转的旋转机架8，使得束流能在360°各个方向出射，最终通过安装在旋转机架8末端的笔形扫描束等设备照射到患者体内。
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)

1.一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，该治疗系统采用同步回旋加速器将质子或重离子加速到治疗所需的最高能量；对于质子，其最高能量为235MeV。
2.根据权利要求1所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，束流从同步回旋加速器输出后进入高能输运线进行聚焦和偏转，送入能量选择器。
3.根据权利要求2所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，能量选择器通过设置的石墨降能器，使得束流能量连续可调，将同步回旋加速器引出的高能量束流降低为治疗所需能量；
对于质子束，其能量在70-235MeV之间可调，并将降能后的束流进一步通过一段高能输运线进行聚焦和偏转，送至单治疗室；
束流进入单治疗室后被送至旋转机架系统，旋转机架可±185°旋转，使束流能在360°各个方向出射。
4.根据权利要求1所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，所述的同步回旋加速器的主磁铁采用超导磁体，中心场强5.7T，引出场强5T；
在同步回旋加速器的前端设有PIG冷阴极离子源，由中心区吸极在10-20kV电压下将离子引出并进行加速；离子源末端的半径2.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，中心区上下垂直间距6mm，中心区的磁场由一个锥形磁铁提供，用以产生沿半径逐渐下降的磁场，提供较大的磁场负梯度，增强轴向聚焦；
中心区在离子源口附近设有吸极，在离子源附近产生水平方向的电场，将束流从离子源内引出；中心区加速电压为10kV，第一圈的半径为3mm，旋转100圈后，半径增加到3cm。
6.根据权利要求4所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，中心区及离子源为可移动式设置；中心区设有由垂直偏转板和准直器构成的快速关断装置，用于在治疗过程中快速关断束流及流强调节；
中心区在粒子运动轨迹的前100圈设有产生垂直方向电场的一对电极，即垂直偏转板；以及在垂直方向设置的一组金属挡板，即准直器，用于阻挡轴向振幅较大的束流；
调节垂直偏转板上施加的电压，使其产生0-1kV/cm的轴向电场，使束流部分或全部打在金属挡板上，实现流强调节或快速关断。
7.根据权利要求1所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，所述的同步回旋加速器的RF系统工作频率从92-62MHz连续可调，RF电压为10-20kV；RF频率变化周期为1ms，重复频率为1kHz；
RF频率从92MHz开始降低，当降低到87.5MHz时，离子源送出束团被中心区吸极牵引开始进行加速，RF频率降低到63.3MHz时，束流中粒子能量达到预定值；
对于质子为235MeV，被引出系统引出，随后RF频率降低到62MHz,共用时600ms；再随后RF频率再次提升到92MHz,用时400us,至此RF系统完成一个运转周期；下一团束流从离子源引出并进行加速，开始一个新的加速周期。
8.根据权利要求1所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，所述的同步回旋加速器的引出区采用再生引出方式，引入bump场及二次谐波梯度场，使束流径向振动频率在引出半径处提升并维持在Qr＝1附近，增加束流的径向振幅，利用静电偏转板切割振幅较大的束流实现引出。
9.根据权利要求8所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，二次谐波梯度场由两个梯度场合成，一个为负梯度场，由切割器提供；另一个为正梯度场，由再生器提供，切割器和再生器之间间隔90度方位角；经过若干圈后，振幅足够大的束流就会被静电偏转板切削引出。
10.根据权利要求1所述的一种基于同步回旋加速器的质子重离子治疗系统，其特征在于，该治疗系统具体实施包括如下步骤：
步骤一：使用PIG冷阴极离子源，离子源在RF频率为87.5MHz时将束流送入同步回旋加速器进行加速；
步骤二：随着加速过程的进行，RF频率随束流能量的增加同步降低，当束流能量达到预期能量时，对质子为235MeV，RF频率降低为63.3MHz；
步骤三：通过再生引出的方式将束流从同步回旋加速器引出，经高能输运线和能量选择器，将束流能量限制在70-235MeV治疗所需的能量；再经过一段高能输运线输送到单治疗室；
步骤四：束流被送至单治疗室的旋转机架上，旋转机架可±185°旋转，从各个方向照射患者；
步骤五：当需要暂停照射时，通过在垂直偏转板上施加1kV/cm的垂直电场，对束流进行快速关断；当需要改变调节照射流强时，调节施加在垂直偏转板上的电场强度，从而进行流强调节。
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