CN111580030A - 用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构、设备及系统 - Google Patents

用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构、设备及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构、设备及系统，包括：通过超导体材料连接的两个螺线管，两个螺线管同心设置，所述螺线管由超导磁体构成；用于核磁共振与放疗相融合的加速度设备，包括直线加速器和磁体部分，所述磁体部分包括用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构；所述直线加速器中发射粒子通过磁场制备结构的两个螺线管之间的空间通行；能够有效的使核磁共振与放疗相融合，使病人进行核磁共振可以直接进行放疗，缩短了病人的等待时间。

Description

用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构、设备及系统
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种用于核磁共振与放疗相融合的加速器设备中高能量均匀磁场的制备结构、加速器设备及放疗系统。
背景技术
当前人类健康面临的主要威胁之一是恶性肿瘤，恶性肿瘤主要的治疗方式之一是放疗。当前放射治疗可以应用核磁共振的影像对肿瘤进行模拟定位后进行放射治疗，核磁共振仪中很重要的一部分便是高能均匀磁场的制备。目前核磁共振仪中高能磁场的制备设备是导线环绕成主磁体，通高压电产生电流制备磁场，通过控制电压大小控制产生磁场的大小。
但是当前肿瘤病人进行核磁共振模拟定位后需要等待制定放疗计划才能依靠核磁共振的影像对肿瘤进行定位后进行放射治疗，但是肿瘤患者在放疗实施周期(常为1月余)中可能发生较明显的体积形体变化，位置也容易发生变化，所以现在的放射治疗存在精度不够，定位不够准确的问题，该问题可以通过在线核磁共振实时监测调整放疗计划的技术解决。
核磁共振与放疗相融合技术中存在的难题之一是加速器设备中高能量均匀磁场的制备设备，该磁场需要达到1.5T且要避免对直线加速器中发射粒子的影响。
发明内容
本发明的目的是为解决上述现有技术面临的问题，提供一种用于核磁共振与放疗相融合的加速器设备中高能量均匀磁场的制备设备，产生磁场的为超导磁体，通电产生高能量均匀磁场，超导磁体被超导体铌钛合金分为两部分，中间无磁场区供放疗粒子通过，避免核磁共振高能均匀磁场对直线加速器发射粒子的影响。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构，包括：通过超导体材料连接的两个螺线管，两个螺线管同心设置，所述螺线管由超导磁体构成。
第二方面，本发明还提供了一种用于核磁共振与放疗相融合的加速度设备，包括直线加速器和磁体部分，所述磁体部分包括如第一方面所述的用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构；所述直线加速器中发射粒子通过磁场制备结构的两个螺线管之间的空间通行。
第三方面，本发明提供了一种用于核磁共振与放疗相融合的放疗系统，包括：如第二方面所述的核磁共振与放疗相融合的加速度设备。
与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
1、本发明的高能均匀磁场的制备结构，能够有效的使核磁共振与放疗相融合，使病人进行核磁共振可以直接进行放疗，缩短了病人的等待时间。
2、本发明中的超导体材料可以有效降低高能磁场对直线加速器发射粒子的影响，且超导体材料采用的铌钛合金的超导转变温度为8-10K，为使超导磁体过冷也需将温度降到10K左右，温度要求较容易达到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例1或实施例2的核磁共振与放疗相融合的加速器设备磁体部分结构示意图；
图2为本发明实施例1或实施例2磁场作用示意图；
图3为本发明实施例1或实施例2的磁场制备结构示意图；
图4为本发明实施例1或实施例2产生磁场情况示意图；
其中，1、超导磁体；2、铌钛合金。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
如附图1所示，本发明的目的是为解决上述现有技术面临的问题，提供一种用于核磁共振与放疗相融合的加速器设备中高能量均匀磁场的制备设备，产生磁场的为超导磁体，通电产生高能量均匀磁场，超导磁体被超导体铌钛合金分为两部分，中间无磁场区供放疗粒子通过，避免核磁共振高能均匀磁场对直线加速器发射粒子的影响。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构，包括：通过超导体材料连接的两个螺线管，两个螺线管同心设置，所述螺线管由超导磁体构成；还包括用于盛放冷却液的冷却槽，冷却液用于将螺线管和超导体材料的温度降低至设定温度，螺线管通电后产生均匀高能量磁场。
电流通过超导磁体产生的1.5T高能量均匀磁场被超导体材料分割成互不影响的两部分，使直线加速器中发射粒子能经过两磁场间的缝隙通行。
进一步的，所述两个螺线管分别第一螺线管和第二螺线管，第一螺线管和第二螺线管之间具有设定距离，第一螺线管与第二螺线管之间通过超导体材料连接。
进一步的，所述设定距离为直线加速器的粒子发出范围直径；超导样品磁化率受粒子的颗粒之间渗透的外场、谱线的不连续性以及外界参数的波动的影响，根据粒子的颗粒尺寸d、质量密度δ来计算抗磁磁化率χ；根据玻尔兹曼常数、单电子能级间距和误差函数来计算零度时的穿透深度。
进一步的，所述超导体材料为铌钛合金，铌钛合金中Ti的含量一般在46％-50％的质量分数范围内，超导转变温度为8-10K。
进一步的，所述超导磁体由多圈磁铁材料的空心线圈环绕成螺线管。
实施例2
本发明采用下述技术方案：一种用于核磁共振与放疗相融合的加速器设备中高能量均匀磁场的制备设备主要包括超导磁体，铌钛合金，液氦，超导磁体主要用于产生1.5T的均匀磁场，铌钛合金主要用于磁场的隔离，减少对直线加速器发射粒子的影响，液氦主要用于降温，为超导体提供物理环境，提高相应材料的性能。
进一步的超导磁体是由多圈磁铁材料的空心线圈环绕成螺线管组成的，磁铁在过冷时可以近似达到超导磁体的性能，有电流通过导线时，螺线管内部产生均匀磁场，通过外加电流产生1.5T的均匀磁场。
进一步的超导磁体被过冷时电阻几乎为零，即电流在线圈中流动而不产生电阻，使得超导磁体能够传导更大的电流，因此能够产生更强的磁场，以达到1.5T的要求。
进一步的为了防止高能量磁场对直线加速器中射出粒子产生影响，需要留出粒子通行的通道，应用迈斯纳效应，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外，将超导磁体与超导体材料结合，可以达到上述要求，形成磁场屏蔽。
具体地，为了防止高能量磁场对直线加速器中射出粒子产生影响，需要留出粒子通行的通道。超导样品磁化率受颗粒之间渗透的外场、谱线的不连续性以及外界参数的波动的影响，对于颗粒尺寸为d，质量密度为δ的超导样品，其抗磁磁化率χ可以表示为
Figure BDA0002490137650000051
其中，
Figure BDA0002490137650000052
Figure BDA0002490137650000053
是零度时的穿透深度，δ＝Δ/kBTC,kB是玻尔兹曼常数，Δ是单电子能级间距，b＝0.526，
Figure BDA0002490137650000061
t＝T/TC,Erf指误差函数。
对不同磁场下样品的迈斯纳效应的测定发现纳米颗粒的超导临界磁场要比块体材料高很多，这是由于外加磁场进入了颗粒内部引起的。在转变温度以下时超导电性与铁磁性共存，而在转变温度之上时，受其表面自旋影响，只表现出铁磁性。不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外，将超导磁体与超导体材料结合，可以达到上述要求，形成磁场屏蔽。
进一步的选用的超导体材料为铌钛合金，铌钛合金是由铌和钛两种元素组成的超导合金。合金中Ti的含量一般在46％-50％(质量分数)范围内，铌钛合金是重要的合金型超导材料，其超导转变温度为8-10K。
进一步的计算出直线加速器有粒子射出范围的直径和位置，在两块超导磁体中间嵌入宽度与粒子发出范围直径相适应的铌钛合金，用于隔离高能量均匀磁场。
进一步的为了达到所需的1.5T磁场强度，并且使铌钛合金转变为超导体，通过低温槽中的液氦进行温度控制，将超导磁体和铌钛合金冷却到10k左右。
进一步的根据要求构成超导磁体-铌钛合金-超导磁体的空心圆柱形结构，在现有高能量磁场制备设备的前提下改进材料，并与铌钛合金结合，以达到适应放疗技术的要求。
进一步的根据空间相似变换来判定磁体元件是否位置合格。在磁体的精确定位安装中，我们首先利用控制网点，在我们的三维控制网中，定位我们仪器。然后通过理论数据的坐标转换，依照磁体的理论中心和方向上，在控制网内建立一个元件位置坐标系。在这个坐标系下，测量被安装磁体上靶标的坐标值，它与该磁体的靶标理论坐标值作差，它们的在各方向上的差值就是该磁铁在各个方向上需要调节的尺寸。显而易见，当差值都是“0”值时，说明磁铁的磁中心完全吻合到了该磁体的理论位置上。
具体地根据空间相似变换来判定磁体元件是否位置合格，每个磁铁上有8个靶标，每个靶标有3个数据，磁铁上每个靶标的实测和理论三维坐标之间满足空间相似变换的公式：
Figure BDA0002490137650000071
其中,x′，y′,zw表示元件坐标系的点经过旋转变换后的坐标，为比例因子，R(θ)，R(φ)，R(Ψ)分别为绕x，y，z轴的旋转矩阵。
Figure BDA0002490137650000072
Figure BDA0002490137650000073
Figure BDA0002490137650000074
为了便于最小二乘法求解，对其采用多元函数的泰勒展开，并保留到一次小项，
Figure BDA0002490137650000075
式中λ为比例因子，θ，φ，ψ为分别绕x，y，z轴的旋转角度，Δx，Δy，Δz为x，y，z轴的偏移。
空间相似变换的解算采用迭代计算，逐渐趋近的方法。解为:
X＝[dx,dy,dz,dλ,dθ,dφ,dψ]T
是我们所求，它的值与物理设计所要求的允差比较，来判定磁铁元件是否位置合格。
具体案例如下：
正如背景技术所介绍的，现在核磁共振与放射治疗是分开进行的，分开进行既浪费病人的时间又可能使核磁共振确定的放疗位点产生偏差，因此产生了核磁共振与放疗相融合的技术，该技术的主要难题之一是如何制备加速器设备中的高能量均匀磁场，因此，为解决上述问题，本发明设计一种应用于核磁共振与放疗相融合的设备中的高能量均匀磁场的制备设备。
图1是本实施例涉及的核磁共振与放疗相融合的加速器设备的磁体部分的结构示意图。如图1所示，所述加速器设备的磁体部分包括：
超导磁场：主动屏蔽线圈+主线圈+低温槽等形成1.5T主磁场；
梯度线圈：产生X,Y,Z方向梯度变化进行选层定位；
体线圈：发射射频场激励人体质子自旋；
前向线圈+后向线圈：接收回波信号完成图像重建。
核磁共振与放疗结合的关键之一在于如何产生一个高能量均匀磁场并且该磁场不影响直线加速器中发射的粒子，图2为磁场作用示意图，核磁共振成像是利用电子计算机对人体断面进行图像分析诊断的检查方法,其基本原理是人体所含氢原子在强磁场下给予特定的高波后会发生共振现象,产生一种高波数的电磁波。
图3为本发明实施例2磁场发生装置示意图，即由超导磁体，铌钛合金和液氦组成，其中1为超导磁体，2为铌钛合金，电流通过超导磁体产生高能磁场，通电螺线管内部产生均匀磁场，磁场大小为1.5T。
图4为本发明实施例2产生磁场情况示意图，电流通过超导磁体产生的1.5T高能量均匀磁场被铌钛合金隔成互不影响的两部分，使直线加速器中发射粒子能经过两磁场间的缝隙通行。
在其他实施例中，本发明还提供了：
一种用于核磁共振与放疗相融合的加速度设备，包括：直线加速器和磁体部分，所述磁体部分包括如上述实施例所述的用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构；所述直线加速器中发射粒子通过磁场制备结构的两个螺线管之间的空间通行。
进一步的，所述磁体部分还包括梯度线圈，所述梯度线圈用于产生X,Y,Z方向梯度变化进行选层定位，根据空间相似变换来判定磁场制备结构的超导磁体是否位置合格；每个超导磁体上有8个靶标，每个靶标有3个数据，超导磁体上每个靶标的实测和理论三维坐标之间满足空间相似变换的公式，根据元件坐标系的点经过旋转变换后的坐标、绕x，y，z轴的旋转矩阵计算超导磁体的空间相似变换的公式，并采用多元函数的泰勒展开，空间相似变换的公式解算采用迭代计算，逐渐趋近的方法获取空间相似变换值，将空间相似变换值与与物理设计所要求的允差比较，来判定超导磁体是否位置合格。
进一步的，所述磁体部分还包括体线圈、前向线圈和后向线圈；所述体线圈用于发射射频场激励人体质子自旋；所述前向线圈和后向线圈用于接收回波信号完成图像重建。
进一步的，所述电流通过磁场制备结构的超导磁体产生的1.5T高能量均匀磁场被铌钛合金隔成互不影响的两部分，使直线加速器中发射粒子能经过两磁场间的空间通行。
一种用于核磁共振与放疗相融合的放疗系统，包括：如上述实施例所述的核磁共振与放疗相融合的加速度设备。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构，其特征在于，包括：通过超导体材料连接的两个螺线管，两个螺线管同心设置，所述螺线管由超导磁体构成。
2.如权利要求1所述的磁场制备结构，其特征在于，还包括用于盛放冷却液的冷却槽，通过冷却液将螺线管和超导体材料降低到设定温度。
3.如如权利要求1所述的磁场制备结构，其特征在于，所述两个螺线管分别第一螺线管和第二螺线管，第一螺线管和第二螺线管之间具有设定距离，第一螺线管与第二螺线管之间通过超导体材料连接。
4.如权利要求1所述的磁场制备结构，其特征在于，所述设定距离为直线加速器的粒子发出范围直径。
5.如权利要求1所述的磁场制备结构，其特征在于，所述超导体材料为铌钛合金，铌钛合金中Ti的含量在46％-50％的质量分数范围内，超导转变温度为8-10K。
6.如权利要求1所述的磁场制备结构，其特征在于，所述超导磁体由多圈磁铁材料的空心线圈环绕成螺线管。
7.一种用于核磁共振与放疗相融合的加速度设备，其特征在于，包括：直线加速器和磁体部分，所述磁体部分包括如权利要求1-6任一所述的用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构；所述直线加速器中发射粒子通过磁场制备结构的两个螺线管之间的空间通行。
8.如权利要求7所述的加速度设备，其特征在于，所述磁体部分还包括梯度线圈，所述梯度线圈用于产生X,Y,Z方向梯度变化进行选层定位，根据空间相似变换来判定磁场制备结构的超导磁体是否位置合格。
9.如权利要求7所述的加速度设备，其特征在于，所述磁体部分还包括体线圈、前向线圈和后向线圈；所述体线圈用于发射射频场激励人体质子自旋；所述前向线圈和后向线圈用于接收回波信号完成图像重建。
10.一种用于核磁共振与放疗相融合的放疗系统，其特征在于，包括：如权利要求7-9任一所述的核磁共振与放疗相融合的加速度设备。
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