CN111481841A - 一种闪光放射治疗装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种闪光放射治疗装置，包括直流光阴极电子枪、超导直线加速器、X射线靶以及准直器，直流光阴极电子枪通过第一传输线将电子束传输至超导直线加速器，超导直线加速器通过第二传输线将电子束传输至X射线靶，电子束轰击到X射线靶上生成X射线，X射线经由准直器照射到目标靶上。根据本发明的闪光射线放射治疗装置，采用直流光阴极电子枪和超导直线加速器，可以提供长宏脉冲高剂量率X射线，可以在短时间内给予目标靶区非常高的照射剂量，满足闪光放射治疗的要求。并且可以通过调节电子束的能量来调节射线的能量，通过调节电子束脉冲的长度来调节射线的时间长度，通过调节电子束的流强来调节剂量率，以达到对目标靶更好的放射治疗效果。
Description
技术领域
本发明属于放射装置领域，具体地说涉及一种闪光放射治疗装置。
背景技术
目前我国的癌症发病率越来越高，已经成为危害我国人民健康的最大杀手之一，通常的治疗手段有手术、化疗、放射治疗等。
放射治疗的原理是通过一定能量的放射线作用于细胞产生电离效应，并在局部释放大量能量，破坏癌细胞的DNA链，从而达到抑制和杀伤肿瘤细胞的目的，其基本原则是在保证肿瘤组织接受足够致死剂量的同时最大限度保护危及器官少受或免受辐射损伤。在常规剂量率照射的条件下，通过改进放疗机器射野的适形程度，最终达到尽可能精准的照射肿瘤组织而减少正常组织的照射范围。但是由于人体器官结构的特殊性，放疗过程中正常组织必然会接受一定剂量的射线照射，尤其是与肿瘤组织紧邻的正常组织。正常组织受到照射之后的严重毒副反应也是患者治疗相关性死亡的重要原因之一。因此，正常组织的剂量限制性毒性仍是肿瘤放射治疗发展的主要阻力之一。
根据文献报道，通过提高X射线的放射剂量率至106Gy/s至108Gy/s时，可以使得正常组织的放射敏感性下降(出现射线抵抗，毒副反应减小)，但肿瘤组织仍然对射线敏感，这一现象叫做“闪光效应”，出现“闪光效应”的条件是在极短时间内(通常为纳秒至百毫秒量级)发放高剂量率射线，这一手段叫做“闪光放疗”。“闪光放疗”是目前有可能突破正常组织剂量限制性毒性的一种放射方法。但现有的基于医用常温直线加速器的放疗装置无法提供长脉冲高剂量率的X射线。
目前的医用加速器放射剂量率约0.1Gy/s，肿瘤患者完成全部放射共约7.5小时，约分布在1.5月进行。除了患者整体治疗时间长，耗费人力成本大之外，随着放射治疗的总剂量的累积，正常组织的放射毒性逐步显现。毒性反应中最常见的放射性肺损伤，放射性心脏毒性更是不少肿瘤已经治愈患者的一大致死原因。另一方面，肿瘤放疗科医生因担心正常组织的严重毒副反应，而被迫牺牲肿瘤靶区的治疗剂量，导致患者肿瘤不能长期控制，最终复发的案例也让人十分痛心。如何在治疗肿瘤同时控制治疗相关的毒副反应，成为目前肿瘤放射治疗学急需突破的瓶颈。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种闪光放射治疗装置。本发明提供如下技术方案：
一种闪光放射治疗装置，包括用于产生电子束的直流光阴极电子枪、用于给电子束加速的超导直线加速器、用于电子束轰击产生X射线的X射线靶、以及用于调整X射线照射区域的准直器，直流光阴极电子枪通过第一传输线将电子束传输至超导直线加速器，超导直线加速器通过第二传输线将电子束传输至X射线靶，电子束轰击到X射线靶上生成X射线，X射线经由准直器照射到需要放射治疗的目标靶上。
进一步的，所述直流光阴极电子枪产生电子束的时间长度可调，调节范围为10纳秒到100毫秒。
进一步的，所述直流光阴极电子枪包括用于发射激光的驱动激光器、阴极和阳极，所述阴极和阳极之间形成引出电场，驱动激光器发出的激光入射到阴极上产生电子，电子经引出电场运动到阳极，然后从阳极处引出得到电子束。
进一步的，所述驱动激光器发出的激光为宏脉冲长度可调节激光器,以实现直流光阴极电子枪产生电子束的宏脉冲时间长度可调，所述驱动激光器通过调节电压信号的长度来调节激光脉冲的长度。
进一步的，所述直流光阴极电子枪由直流高压电子枪形成，所述直流光阴极电子枪形成的引出电场为静态高压电场。
进一步的，所述电子束包括低能电子束和高能电子束，所述低能电子束为直流光阴极电子枪直接产生的电子束，所述高能电子束为低能电子束经过超导直线加速器加速后产生的电子束。
进一步的，所述超导直线加速器包括多个用于增益电子束能量的超导射频谐振腔、用于驱动超导射频谐振腔的射频功率源、以及用于给超导射频谐振腔提供低温环境的超导低温槽，超导射频谐振腔位于超导低温槽内部沿超导直线加速器轴线分布，射频功率源与超导射频谐振腔电气连接。
进一步的，所述超导射频谐振腔置于4K以下温度的超导低温槽内。
进一步的，所述X射线靶为高原子序数材料射线靶，电子束与高原子序数材料相互作用生成X射线，所述X射线靶上还设有散热组件，所述散热组件为自动旋转盘或冷却水管。
有益效果：
根据本发明的闪光放射治疗装置，采用直流光阴极电子枪和超导直线加速器，可以提供长宏脉冲高剂量率X射线，可以在短时间内给予目标靶区非常高的照射剂量，满足闪光放射治疗的要求。并且可以通过调节电子束的能量来调节射线的能量，通过调节电子束脉冲的长度来调节射线的时间长度，通过调节电子束的流强来调节剂量率，以达到对目标靶更好的放射治疗效果。
附图说明
图1是本发明具体实施例中放射治疗装置的主要结构示意图；
图2是本发明具体实施例中直流光阴极电子枪的主要结构示意图；
图3是本发明具体实施例中超导直线加速器的主要结构示意图；
图4为本发明专利具体实施例中驱动激光时间结构示意图。
附图中：1、直流光阴极电子枪；2、第一传输线；3、超导直线加速器；4、第二传输线；5、X射线靶；6、X射线；7、准直器；8、目标靶；9、阴极；10、阳极；11、驱动激光器；12、超导低温槽；13、超导射频谐振腔；14、射频功率源；A、微脉冲；T、宏脉冲时间长度。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
如图1所示，一种闪光放射治疗装置，包括用于产生电子束的直流光阴极电子枪1、用于给电子束加速的超导直线加速器3、用于电子束轰击产生X射线6的X射线靶5、以及用于调整X射线6照射区域的准直器7，直流光阴极电子枪1通过第一传输线2将电子束传输至超导直线加速器3，超导直线加速器3通过第二传输线4将电子束传输至X射线靶5，电子束轰击到X射线靶5上生成X射线6，X射线6经由准直器7照射到需要放射治疗的目标靶8上。直流光阴极电子枪1和超导直线加速器3一起操作能够产生相对论性电子束，直流光阴极电子枪1产生具有第一能量E1的低能电子束EB1，低能电子束EB1通过第一传输线2入射到超导直线加速器3上，并穿过超导直线加速器3获得能量增益ΔE，成为高能电子束EB2，高能电子束EB2沿第二传输线4轰击到X射线靶5上生成X射线6，X射线6经由准直器7照射到目标靶8，准直器7通过滤除目标靶8区域外的X射线6，对X射线6的分布进行调整。本实施例中，目标靶8为需要放射治疗的人体。
如图2所示，直流光阴极电子枪1包括用于发射激光的驱动激光器11、阴极9和阳极10，阴极9和阳极10之间形成引出电场，驱动激光器11发出的激光入射到阴极9上产生电子，电子经引出电场运动到阳极10，然后从阳极10处引出得到电子束，该电子束为低能电子束EB1。
驱动激光器11发出的激光穿过普克尔盒输出，输出激光时间结构如图4所示。在普克尔盒上施加电压信号相当于光开关，通过调节电压信号的长度来调节激光宏脉冲时间长度T。
驱动激光、低能电子束EB1、高能电子束EB2和X射线6有相同的时间结构，如图4所示，微脉冲A为激光脉冲、电子束脉冲或者X射线脉冲，多个微脉冲A序列组成一个宏脉冲。通过调节电压信号的长度来调节激光宏脉冲时间长度T，以此来调节低能电子束EB1的时间长度，和相应的高能电子束EB2、X射线6的长度。宏脉冲时间长度可调节，本实施例中，调节范围为10纳秒到100毫秒。
直流光阴极电子枪1由直流高压电子枪形成，直流光阴极电子枪1形成的引出电场为静态高压电场。本实施例采用直流高压电子枪，另一实施例中也可以使用微波光阴极电子枪，引出电场是由直流高压电源在阴极9和阳极10之间形成的静态高压电场。
电子束包括低能电子束和高能电子束，低能电子束为直流光阴极电子枪1直接产生的电子束，高能电子束为低能电子束经过超导直线加速器3加速后产生的电子束。
如图3所示，超导直线加速器3包括多个用于增益电子束能量的超导射频谐振腔13、用于驱动超导射频谐振腔13的射频功率源14、以及用于给超导射频谐振腔13提供低温环境的超导低温槽12，超导射频谐振腔13位于超导低温槽12内部沿超导直线加速器3轴线分布，射频功率源14与超导射频谐振腔13电气连接。低能电子束EB1穿过超导直线加速器3获得能量增益ΔE，成为高能电子束EB2，ΔE由超导直线加速器3的规模和性能决定，超导射频谐振腔13的数量越多，场梯度越大，能量增益ΔE也越大。理论上，ΔE可以从几MeV到几GeV甚至到无限大。本实施例中使用1.3GHz的2个4单元的TESLA腔型，能量增益ΔE为6-8MeV。针对放疗装置，能量增益ΔE不需要特别大，要在适宜进行人体放射治疗的能量区间，一般在4-18MeV。本实施例中，超导射频谐振腔13的型号和数量确定，能量增益ΔE可以通过调节射频场的强度来进行调节，以满足不同的放射治疗所需的X射线6能量需求。射频场的强度和功率源的馈入功率正相关，调节功率源的功率，超导腔中射频场的场梯度就相应改变。本实施例中，场梯度调节范围是0-10MV/m，有效加速长度为1m，相应的电子束能量增益调节区间为0-10MeV，一般设定为为6-8MeV。
超导直线加速器3的超导射频谐振腔13置于低温槽12中，低温槽12为超导射频谐振腔提供4K以下的低温环境，以确保射频谐振器的超导状态。实施例中，超导射频谐振腔13浸泡在低温槽12内气液两相的液氦中进行冷却，工作温度为液氦的沸点温度。一个大气压下的液氦沸点温度为4.2K，30mBar气压下的液氦沸点温度为2K。通过低温系统的泵组抽氦气，控制液氦表面气压，从而控制液氦温度。
X射线靶5为高原子序数材料射线靶，电子束与高原子序数材料相互作用生成X射线6，X射线靶5上还设有散热组件，散热组件为自动旋转盘或冷却水管。X射线靶5的核心部件是高原子序数材料，即高Z材料，通过电子束和高Z材料的相互作用，产生X射线6。X射线靶5一般使用质地硬、传热快、熔点高的钨或钽。本实施例中，X射线靶5选用钨靶。电子束的部分能量转换成X射线6的能量，另一部分以热能的形式沉积在X射线靶5上，因此X射线靶5要具有冷却功能，避免电子束沉积的能量烧坏X射线靶5。本实施例中，使用旋转靶，即靶体不停的旋转，这样电子束打在不同的部位，热量不会过于集中。另一实施例中，可以在靶体中铺设水管，通上冷却水来散热。
电子束的“寿命”可以总结如下：它在直流光阴极电子枪1中产生，经由第一传输线2传递到超导直线加速器3中获得能量增益，再经由第二传输线4传递到X射线靶5，通过电子束和X射线靶5的相互作用产生X射线6，电子束的部分能量转换成X射线6的能量，另一部分以热能的形式沉积在X射线靶5上。
以上已将本发明做一详细说明，以上，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (9)
1.一种闪光放射治疗装置，其特征在于：包括用于产生电子束的直流光阴极电子枪、用于给电子束加速的超导直线加速器、用于电子束轰击产生X射线的X射线靶、以及用于调整X射线照射区域的准直器，直流光阴极电子枪通过第一传输线将电子束传输至超导直线加速器，超导直线加速器通过第二传输线将电子束传输至X射线靶，电子束轰击到X射线靶上生成X射线，X射线经由准直器照射到需要放射治疗的目标靶上。
2.根据权利要求1所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述直流光阴极电子枪生电子束的宏脉冲时间长度可调，调节范围为10纳秒到100毫秒。
3.根据权利要求1或2所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述直流光阴极电子枪包括用于发射激光的驱动激光器、阴极和阳极，所述阴极和阳极之间形成引出电场，驱动激光器发出的激光入射到阴极上产生电子，电子经引出电场运动到阳极，然后从阳极处引出得到电子束。
4.根据权利要求3所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述驱动激光器发出的激光为宏脉冲长度可调节激光,以实现直流光阴极电子枪产生电子束的宏脉冲时间长度可调，所述驱动激光器通过调整电压信号的长度来调节激光宏脉冲的长度。
5.根据权利要求3所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述直流光阴极电子枪由直流高压电子枪形成，所述直流光阴极电子枪形成的引出电场为静态高压电场。
6.根据权利要求1所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述电子束包括低能电子束和高能电子束，所述低能电子束为直流光阴极电子枪直接产生的电子束，所述高能电子束为低能电子束经过超导直线加速器加速后产生的电子束。
7.根据权利要求1所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述超导直线加速器包括多个用于增益电子束能量的超导射频谐振腔、用于驱动超导射频谐振腔的射频功率源、以及用于给超导射频谐振腔提供低温环境的超导低温槽，超导射频谐振腔位于超导低温槽内部沿超导直线加速器轴线分布，射频功率源与超导射频谐振腔电气连接。
8.根据权利要求7所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述超导射频谐振腔置于4K以下温度的超导低温槽内。
9.根据权利要求1所述的一种闪光放射治疗装置，其特征在于：所述X射线靶为高原子序数材料射线靶，电子束与高原子序数材料相互作用生成X射线，所述X射线靶上还设有散热组件，所述散热组件为自动旋转盘或冷却水管。
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