CN110493948A - 一种分层重离子/质子治疗装置及专用传输线路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分层重离子/质子治疗装置及专用传输线路。传输线路包括引出匹配段、转折段和展开段，引出匹配段的一端连接治疗装置的加速器出口，另一端连接转折段的入口，用于将加速器的重离子或质子引出束传输并匹配至转折段入口；转折段的出口连接展开段的入口，转折段用于将来自引出匹配段的束流折转至与加速器不同的层；展开段的出口连接治疗装置的治疗终端，用于将来自转折段的束流发送至治疗终端。本发明使加速器与治疗终端分层布置，实现了束流从一层平面往其它不同层面的偏转，最大限度地减小了重离子/质子治疗装置的占地面积，结构紧凑，功能稳定，有利于该类型装置的大力推广。

Description

一种分层重离子/质子治疗装置及专用传输线路
技术领域
本发明涉及重离子/质子治疗技术领域，具体涉及一种分层重离子/质子治疗装置及专用传输线路。
背景技术
肿瘤放射治疗中使用的放射线主要可分为光子束和粒子束。传统放疗使用X射线及Y射线等光子束，但由于其自身的物理剂量分布及生物效应性能，在使用光子束照射时将不可避免地损伤到肿瘤附近的正常组织，而且剂量的有效利用率也低。同时光子治疗的毒副作用会影响患者的生活质量。
重离子、质子具有非常适合于肿瘤治疗的深度剂量分布，尤其是碳离子等重离子射线的杀灭肿瘤细胞能力比常规的光子射线高出约3倍，对抗拒光子放疗的恶性肿瘤和治疗后复发的恶性肿瘤，具有较好的杀伤效果。重离子或质子经由加速器加速，当其速度接近光速的70％时，重离子/质子射线被引出加速器并射入人体。与常规的X射线、Y射线等光子束相比，重离子/质子射线拥有更大的、不可逆的杀死癌细胞的能量。
重离子/质子治癌的优势，主要体现为它在物质中的剂量损失少，集中于射程末端的物理学特性和高的相对生物学效应。因此，该重离子质子射线特别适合于外科手术、化疗、常规放疗无效或易复发的难治病例。相关数据显示，采用该技术治癌在肿瘤局部控制率、生存率方面疗效显著。
与常规放疗射线相比，重离子和质子，尤其是重离子对病灶周围健康组织的损伤最小，对癌细胞杀伤效果最佳，可在线精确监控照射位置和剂量，疗程短，无痛苦，几乎没有副作用，被国际上公认为21世纪最理想的放疗用射线。在实施重离子/质子放射治疗过程中，可根据不同的治疗需求，提供不同的治疗终端。
但是，重离子/质子治疗系统庞大，从粒子源产生的重离子/质子束被加速装置加速后经由束流传输装置传输到治疗终端用于肿瘤治疗的整个过程中，重离子/质子束需要经过很长的路程，其间各种设备庞杂繁多，占地面积大，在土地资源有限的城市医院建造重离子/质子治疗装置比较困难。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种结构紧凑、功能稳定、占地面积小的分层重离子/质子治疗装置及专用传输线路。本发明的分层重离子/质子治疗装置的专用传输线路，所述传输线路包括引出匹配段、转折段和展开段，其中，所述引出匹配段的一端连接所述治疗装置的加速器引出口，另一端连接所述转折段的入口，用于将所述加速器的重离子或质子引出束传输并匹配至所述转折段入口；所述转折段的出口连接所述展开段的入口，所述转折段用于将来自所述引出匹配段的束流折转至与所述加速器不同的层；所述展开段的出口连接所述治疗装置的治疗终端，用于将来自所述转折段的束流配送至所述治疗终端。
上述的专用传输线路，所述转折段包括偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元，所述偏转磁铁和聚焦磁铁依序连接布置。
上述的专用传输线路，所述偏转磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁。
上述的专用传输线路，所述二极磁铁为45度或30度或90度等角度的偏转磁铁。
上述的专用传输线路，所述转折段包括两个相连接的所述偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元，每个所述单元将所述束流偏转一定角度后可再由另一单元反向偏转同样的角度，例如90度。
上述的专用传输线路，每个所述组合单元包括依次设置的两个45度二极磁铁和两个四极磁铁，每两个磁铁之间通过束流管连接。
上述的专用传输线路，所述两个45度二极磁铁之间还可设有一个四极磁铁。
上述的专用传输线路，其特征在于，所述引出匹配段包括导向磁铁和聚焦磁铁，所述导向磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁，所述导向磁铁与所述聚焦磁铁相邻设置；所述展开段包括导向磁铁和聚焦磁铁，所述导向磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁，所述导向磁铁与所述聚焦磁铁相邻设置；所述转折段连接有一段或多段所述展开段，多段所述展开段各自分别用于连接治疗终端；所述引出匹配段与所述展开段在同一水平面上投影的夹角大于等于0度。多段所述展开段之间可有不同的夹角，水平或竖直的夹角都可以。
本发明还提供一种分层重离子/质子治疗装置，所述治疗装置包括加速器、治疗终端和上述的专用传输线路，所述专用传输线路连接所述加速器和所述治疗终端，所述加速器与所述治疗终端位于不同层。
上述的重离子/质子治疗装置，同一层上所述治疗终端为一个或多个，相应地所述同一层上所述展开段也为一段或多段；所述治疗终端处于所述加速器的上方或/和下方；所述治疗装置包括一组或多组所述转折段与展开段。
上述的分层重离子/质子治疗装置，所述加速器通常由注入装置、主加速装置组成。所述注入装置、所述主加速装置由束流管连接。
上述的分层重离子/质子治疗装置，所述注入装置通常可由粒子源和注入器组成。所述粒子源用来产生肿瘤治疗用的重离子或质子。所述注入器用来将从所述粒子源引出的低能重离子/质子束进行初级加速，使其能量达到所述主加速装置的束流的注入水平。所述粒子源、所述注入器由束流管连接。
上述的分层重离子/质子治疗装置，所述注入器通常选用回旋加速器或直线加速器。
上述的分层重离子/质子治疗装置，所述主加速装置主要用来将重离子/质子束加速到肿瘤治疗所需的能量水平。所述加速器通常选用同步加速器作为重离子的主加速装置，通常选用同步加速器或回旋加速器作为质子的主加速装置。
上述的分层重离子/质子治疗装置，所述治疗终端主要对从所述加速器引出的重离子/质子束进行横向扩展和纵向调制，形成可直接用于肿瘤治疗的重离子/质子束。
上述的分层重离子/质子治疗装置，被构造为多层，所述加速器为一层，所述加速器和部分治疗终端位于不同层，部分或所有治疗终端处于所述加速器的上层或/和下层。
本发明能够实现重离子/质子束从在加速器产生、被加速到配送终端的全过程，使得基于重离子/质子束优势的深度剂量分布对肿瘤进行精准治疗而尽可能降低对正常组织的损伤成为现实。本发明实现了束流从一层平面往其它不同层面的偏转，使得治疗终端与加速器可以位于不同层面，从而解决了装置占地面积较大的问题；本发明的专用传输线路简便易行，组装方便，可进行模块化设计，提高了整体系统的建设使用效率，缩短了建设工期；本发明整体结构紧凑，占地面积小，功能稳定，有利于该重离子/质子治疗装置的大力推广，对人类肿瘤的精确治疗、极大提高术后肿瘤局部控制率和生存率具有重要意义。
附图说明
图1为本发明现有技术重离子/质子治疗装置结构示意图；
图2为本发明一实施例重离子/质子治疗装置结构示意图；
附图标号说明：
10引出匹配段、20转折段、201偏转磁铁、202聚焦磁铁、30展开段、B加速器、 A治疗终端。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。因此本具体实施例将选用直线加速器作为注入器，选用同步加速器作为主加速装置进行说明。
如图1所示，通常情况下重离子/质子治疗装置的布局如图所示，治疗终端A与加速器B处于同一平面。在实施重离子/质子照射中，提供重离子束、质子束的加速器是最基本的装置。加速器可根据不同的实验和应用需要，提供不同能量的重离子束、质子束。在治疗终端，可根据靶体的不同形状，提供精确的离子束流位置扫描控制，同时可根据有效剂量的需求，提供不同的束流强度。因而本发明中治疗终端为具体向被治疗体发射束流的仪器或仪器集合。因该种发射束流的仪器已在本领域得到应用，因此具体结构本发明不再赘述。同样的，加速器也已在本领域得到应用，同时上述本发明专利内容部分也已经表述了所述加速器的基本组成，因此关于加速器更具体的结构组成本发明在此也不再赘述。
由于所有治疗终端和加速器位于同一平面，导致整个装置占地面积大。因此，我们考虑将平面布局立体化，使治疗终端位于主加速器平面的上方或下方，也就是将加速器与治疗终端分层设计。该方案通过以下措施实现：
本发明通过适当的束流引出、偏转及展开等步骤来实现加速器与治疗终端的分层。本方案采用合适的专用传输线路把常规情况下平展式(加速器和治疗终端在同一平面)的部分或者全部治疗终端转移至加速器所在层面的上方或下方的空间层面中重新展开。
通常同步加速器引出系统采用水平引出方式，束流引出后受机器水平色散影响，其经下游的具有垂直转向功能的磁铁导向后会受到垂直色散的影响，最后导入水平/ 垂直治疗终端的偏转磁铁后，会进一步产生垂直色散，而色散会对束流的传输、治疗终端的束斑控制和调节等均产生不利的影响。
为了消除色散对终端束流光学的影响，且考虑到整体消色散需要考虑磁铁压缩磁铁孔径带来的光学设计及机器调试的复杂性，本发明采用了局部消色散的技术思路，即在束流的偏转段中对机器局部出现的色散在该区域内完全消除，避免其向下游蔓延至其它区域。
具体的，如图2所示，本发明提供的分层重离子/质子治疗装置专用传输线路，所述传输线路包括引出匹配段10、转折段20和展开段30，其中，所述引出匹配段10 的一端连接所述治疗装置的加速器B的束流引出口，另一端连接所述转折段20的入口，用于将所述加速器B的重离子或质子引出束传输并匹配至所述转折段20的入口。色散及其导数在10段出口均为0。
所述转折段20的出口连接所述展开段30的入口，所述转折段20用于将来自所述引出匹配段10的束流折转至与所述加速器B不同的层。同理，色散只在20段内存在，20段的入口和出口色散及其导数均为0。
所述展开段30的出口连接所述治疗装置的治疗终端A，用于将来自所述转折段 20的束流发送至所述治疗终端A。同理，色散只在20段内存在，20段的入口和出口色散及其导数均为0。
为了将色散消除在局部区域，本发明所述转折段20包括偏转磁铁201和聚焦磁铁202的组合单元，所述偏转磁铁201和聚焦磁铁202依序连接布置。偏转磁铁201 和聚焦磁铁202之间通过束流管连接。偏转磁铁201实现了束流的方向改变，聚焦磁铁202实现了束流包络的控制，同时也实现了束流色散问题的解决。
具体的，本发明所述偏转磁铁201为二极磁铁，所述聚焦磁铁202为四极磁铁。离子束的偏转由二极磁铁负责实施，离子束的聚焦由四极磁铁负责实施。
上述的专用传输线路，所述二极磁铁可为45度或30度或90度等偏转角度的磁铁。
为了使束流实现从一个层向另一个层的转变，所述转折段包括两个相连接的所述偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元，每个所述单元将所述束流偏转一定角度，比如90 度。也就是说，第一个偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元将束流从水平方向转向斜向或垂直方向，第二个偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元将束流从斜向或垂直方向转为水平方向，只不过该水平方向与之前的水平方向位于不同层面。在两个组合单元之间还可根据需要设置一个或多个四极磁铁。
本发明的优选实施方式中，每个所述单元优选将所述束流偏转90度。
下面以优选实施方式进行说明。
每个所述组合单元的二极磁铁和四极磁铁可进行多种组合以达到偏转与聚焦的目的，比如可采用三个30度二极磁铁与四极磁铁连接，或是采用一个90度二极偏转磁铁与四极磁铁连接，既使束流实现偏转又能使束流聚焦。
优选地，每个所述组合单元可包括依次设置的两个45度二极磁铁和两个四极磁铁。两个45度二极磁铁依次相连，使得束流能够偏转90度，偏转后再使得束流通过两个聚焦磁铁进行束流整合聚焦。色散只在转折段存在，转折段外色散为0。
当然上述单元实现的方式还可采用其他偏转角度的二极磁铁实现，但根据研究试验，本发明优选采用两个45度二极磁铁实现偏转90度的方式进行组合来实现层的改变。
在本发明的一个实施方案中，整个转折段的功能主要由四个45度的偏转磁铁和至少四个四极磁铁的组合来实现。首先通过两个45度的二极磁铁使束流实现从水平面至垂直面的偏转，通过至少两个四极磁铁聚焦后，再次通过完全相同的两个45度的二极磁铁实现从垂直面回到水平面的偏转，再经过两个四极磁铁聚焦，于是一个或多个治疗终端被转换至加速器上方或下方，这种方式下，本发明使整个装置的占地面积仅为平展方式的二分之一。原则上，如果设置的层数更多，则占地面积节省得更可观。
为了有效消除传输过程中的色散，并将束流包络控制在合理范围内，可在上述的两个二极磁铁中间再设置1个四极磁铁。
为了组装应用方便，可将偏转磁铁和聚焦磁铁采用模块化光学设计模式，一个物理设计模块根据其性能和用途划分可以在不同区域重复利用。
将多个相邻磁铁进行模块化(此处以两个45°二极磁铁为例，因为两个45度的二极磁铁的方案为优选方案)设计，如将两个相邻的45°的偏转二极铁作为一个功能模块，同时，将分布在束流通道上两两相邻的四极磁铁作为一个功能模块。利用模块化设计，进行组合，便可得到转折段的设计方案。
也可将相邻的包含两个45°的偏转二极铁及中间的四极铁作为一个设计模块，色散只存在于该模块以内，模块外的色散为0。通过聚焦磁铁连接两个这样的模块，实现了束流从一层平面往另一层平面的偏转。
上述的专用传输线路，所述引出匹配段主要包括导向磁铁和聚焦磁铁，所述导向磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁，所述导向磁铁与所述聚焦磁铁相邻设置。二极磁铁和四极磁铁一般为一个二极磁铁后设置一个或多个四极磁铁的组合方式，具体数量可根据线路长度要求而定。
所述展开段包括导向磁铁和聚焦磁铁，所述导向磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁，所述导向磁铁与所述聚焦磁铁相邻设置。根据治疗终端的位置比如与引出匹配段不平行而呈一定水平或竖直方向夹角，可设置带偏转角度的磁铁。二极磁铁和四极磁铁一般为一个二极磁铁后设置一个或多个四极磁铁的设置方式，具体数量可根据线路长度要求而定。
所述引出匹配段与所述展开段在同一水平面上投影的夹角大于等于0度，也就是引出匹配段与所述展开段可平行设置或具有任意角度。同一引出匹配段对应的展开段可设置多个，各展开段之间可具有不同的水平或竖直夹角。
本发明还提供一种分层重离子/质子治疗装置，所述治疗装置包括加速器、治疗终端和上述的专用传输线路，所述专用传输线路连接所述加速器和所述治疗终端，所述加速器和所述治疗终端位于不同层。
同一层上所述治疗终端可为一个或多个，相应地所述同一层上所述展开段也为一段或多段，一段或多段展开段分别连接所述转折段的出口。
更进一步，所述治疗终端可处于所述加速器的上方或/和下方。也就是治疗终端可设置一层，或两层甚至更多层。当设置两层时，引出匹配段可连接上下两个方向的转折段，也就是设有两组转折段，每个转折段连接一个或多个展开段。
当设置更多层时，所述治疗装置可包括多组所述转折段与展开段。比如一个转折段连接一个展开段的同时，还可在使束流在偏转90度后连接另一个偏转90度的二极磁铁和四极磁铁的组合单元，如图2所示，依次类推，可使治疗终端设置在多层上。
本发明的分层重离子/质子治疗装置及专用传输线路，所述加速器由注入装置和主加速装置组成。所述粒子源和所述注入装置由束流管连接组成所述注入装置。所述主加速装置通常选用同步加速器或回旋加速器。
所述治疗终端数量从一个到多个可由需求合理配置。所述加速器为一层，所述加速器和至少一个所述治疗终端位于不同层，部分或全部所述治疗终端处于所述加速器的上层或/和下层。
本发明实现了束流从一层平面往其它层面的偏转，使得治疗终端与加速器可以位于不同层面，而且解决了装置占地面积较大的问题，治疗终端的类型可以为水平治疗终端、垂直治疗终端、45°治疗终端、Gantry(旋转机架)治疗终端等，以及他们的组合终端。
本发明的专用传输线路简便易行，加工制造及组装方便，可进行模块化设计，提高了整体系统的建设使用效率，缩短了建设工期。
本发明整体结构紧凑，占地面积小，功能稳定，有利于重离子/质子治疗装置的大力推广，对人类肿瘤的精确治疗、极大提高术后肿瘤局部控制率和生存率具有重要意义。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (14)

1.一种分层重离子/质子治疗装置的专用传输线路，其特征在于，所述传输线路包括引出匹配段、转折段和展开段，其中，
所述引出匹配段的一端连接所述治疗装置的加速器出口，另一端连接所述转折段的入口，用于将所述加速器的重离子或质子引出束传输并匹配至所述转折段入口；
所述转折段的出口连接所述展开段的入口，所述转折段用于将来自所述引出匹配段的束流折转至与所述加速器不同的层；
所述展开段的出口连接所述治疗装置的治疗终端，用于将来自所述转折段的束流发送至所述治疗终端。
2.根据权利要求1所述的专用传输线路，其特征在于，所述转折段包括偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元，所述偏转磁铁和聚焦磁铁依序连接布置。
3.根据权利要求2所述的专用传输线路，其特征在于，所述偏转磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁。
4.根据权利要求3所述的专用传输线路，其特征在于，所述二极磁铁为45度偏转磁铁或30度偏转磁铁或90度偏转磁铁。
5.根据权利要求2至4任一项所述的专用传输线路，其特征在于，所述转折段包括两个依序相连接的所述偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元，每个所述单元将所述束流偏转90度。
6.根据权利要求5所述的专用传输线路，其特征在于，每个所述组合单元包括依次设置的两个45度二极磁铁和两个四极磁铁，每两个磁铁之间通过束流管连接。
7.根据权利要求6所述的专用传输线路，其特征在于，所述两个45度二极磁铁之间还设有一个四极磁铁。
8.根据权利要求1至4、6、7任一项所述的专用传输线路，其特征在于，所述引出匹配段包括导向磁铁和聚焦磁铁，所述导向磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁，所述导向磁铁与所述聚焦磁铁相邻设置；所述展开段包括导向磁铁和聚焦磁铁，所述导向磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁，所述导向磁铁与所述聚焦磁铁相邻设置；所述转折段连接有一段或多段所述展开段，多段所述展开段各自分别用于连所述引出匹配段与所述展开段在同一水平面上投影的夹角大于等于0度。
9.一种分层重离子/质子治疗装置，所述治疗装置包括加速器、治疗终端和权利要求1至8任一项所述的专用传输线路，所述专用传输线路连接所述加速器和所述治疗终端，所述加速器和所述治疗终端位于不同层。
10.根据权利要求9所述的重离子/质子治疗装置，其特征在于，同一层上所述治疗终端为一个或多个，相应地所述同一层上所述展开段也为一段或多段；所述治疗终端处于所述加速器的上方或/和下方；所述治疗装置包括一组或多组所述转折段与展开段。
11.根据权利要求9或10所述的重离子/质子治疗装置，其特征在于，所述加速器包括注入装置和主加速装置，所述注入装置和主加速装置由束流管连接。
12.根据权利要求11所述的重离子/质子治疗装置，其特征在于，所述注入装置包括粒子源和注入器，所述粒子源和所述注入器由束流管连接。
13.根据权利要求12所述的重离子/质子治疗装置，其特征在于，所述注入器选用回旋加速器或直线加速器。
14.根据权利要求11所述的重离子/质子治疗装置，其特征在于，所述加速器选用同步加速器作为重离子的主加速装置，选用同步加速器或回旋加速器作为质子的主加速装置。
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