CN112439131A - X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及X‑射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其能够产生X‑射线扫描笔形束，包括具有栅控电子枪的驻波加速管、真空电磁偏转室、X‑射线平面分布靶，在真空电磁偏转室中具有彼此相互对应的Y‑Z平面电子偏转磁铁和X‑Y平面电子偏转磁铁，其分别用于Y‑Z平面电子束磁偏转和X‑Y平面电子束磁偏转。在驻波加速管中产生被加速到具有预定能量后的电子束离开驻波加速管后进入真空电磁偏转室中依次进行Y‑Z平面电磁偏转、X‑Y平面电磁偏转。进入真空电磁偏转室的电子束经偏转后按预定方向离开真空电磁偏转室，碰击相应的X‑射线平面分布靶的预定位置，产生X‑射线笔形束。X‑射线笔形束按预定方向进入设置在下端的蜂窝式准直器，形成调强治疗用的X‑射线笔形束。

Description

X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置
技术领域
本发明涉及一种X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其能够用于肿瘤放射治疗中的调强适形放射治疗。
背景技术
癌症已成为危害人类健康的主要杀手，是威胁我国国民健康的主要疾病之一。放射治疗仍是治疗恶性肿瘤的主要手段之一，约有65％至70％以上的肿瘤患者需要不同程度地接受放射治疗。
在上世纪80年代以前，肿瘤放射治疗技术以二维放射治疗为主。进入20世纪90年代后，中国的肿瘤放射治疗技术由2D放射治疗时代进入了3D放射治疗时代，出现了三维适形(3D-CRT)和调强适形放射治疗(IMRT)治疗技术；立体定向治疗如X刀(X-knife)、伽玛刀(γ-knife)治疗技术等，进入了以图像引导技术为保证的精确治疗时代，从而大幅度提高肿瘤靶区剂量，减少正常组织受量，更好保护要害器官，改善患者生存质量，受到肿瘤患者欢迎。
当前，远距离钴-60γ射线治疗机和6MV至18MV的X-射线的医用直线加速器己成为癌症放射治疗的主流设备。国内外市场上有两型或两代(即C-型臂和CT环形结构)医用直线加速器，以及以C-型臂医用直线加速器为基础的X-刀立体定向治疗用医用加速器。第一代C-型臂结构的加速器治疗机和第二代环形结构的第二代治疗机的优点主要体现在：可实现大野调强照射；可进行射野位置、形状和剂量验证，但也具有如下不足之处：较难实现非共面野照射；非共面野照射计划设计困难；靶区剂量率相对较低；较难利用时间剂量分次因子；治疗时间相对较长。此外，以C-型臂医用加速器为基础的X-刀立体定向治疗用医用加速器，采用治疗机架的旋转与治疗床转动的联合运动，实现X-刀立体放射治疗。除去上述医用直线加速器之外，市场上还有以多个钴-60源为基础的伽玛刀(γ-knife)治疗机，其采用多源空间集束聚焦原理，对位于焦点处的肿瘤实施伽玛刀式立体定向放射治疗。
目前，调强适形放射治疗(IMRT)主要使用多叶准直器(MLC)，并且MLC已成为医用直线加速器的标准配置。但MLC的制造成本很高(约占加速器总成本的1/4至1/3)，并且由于叶片间的装配需要紧配合，在调强时叶片需要不停的运动，因此驱动叶片运动的电机极易损坏，维修成本较高。
公开于本发明的背景部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提供一种X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，该X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置用X-射线笔形束调強替代MLC叶片运动调强，具有快速、准确、稳定、故障率较低的优点。
本发明提供一种X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其能够产生X-射线扫描笔形束，所述X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置包括：具有栅控电子枪的驻波加速管、以及真空电磁偏转室、和X-射线平面分布靶，其中在所述真空电磁偏转室中具有彼此相互对应的Y-Z平面电子偏转磁铁和X-Y平面电子偏转磁铁，所述Y-Z平面电子偏转磁铁和X-Y平面电子偏转磁铁分别用于进行Y-Z平面电子束磁偏转和X-Y平面电子束磁偏转；其中，在所述驻波加速管中产生被加速到具有预定能量后的电子束离开所述驻波加速管后进入所述真空电磁偏转室中依次进行Y-Z平面电磁偏转、X-Y平面电磁偏转，进入所述真空电磁偏转室的电子束经偏转后按预定的方向离开该真空电磁偏转室，然后碰击相应的所述X-射线平面分布靶的预定位置，产生X-射线笔形束。
优选地，所产生的X-射线的能量为6MV-X至25MV-X，其为经由所述驻波加速管产生的具有预定能量的电子束撞击所述X-射线平面分布靶产生，该电子束预定能量为6MeV-25MeV。
优选地，在电子束进入由Y-Z平面电子偏转磁铁和X-Y平面电子偏转磁铁组成的用以进行Y-Z平面电磁偏转、X-Y平面电磁偏转的所述真空电磁偏转室后，所述Y-Z平面电磁偏转将电子束的方向依次偏转60度、90度、120度，形成–30度，0度，+30度三组电子束；经Y-Z平面电磁偏转后的这三组电子束中的每一束分别进入对应的X-Y平面电磁偏转，从而形成X-Y扫描电子束，形成X-射线笔形束在-30度至+30度范围的扇面内的空间聚焦。
优选地，在依次经过Y-Z平面电磁偏转扫描和X-Y平面电磁偏转扫描后的电子束，进入对应的平面形X-射线靶形成X-射线笔形束，所述X-射线平面分布靶由靶材料和散热器叠加形成，所述散热器的冷却方式为水冷式。
优选地，所形成的X-射线笔形束按预定方向进入位于设置在下端的蜂窝式准直器，形成调强治疗用的X-射线笔形束。
优选地，所述蜂窝式准直器的开口大小根据X-射线笔形束在源轴距处的半高宽大小溯源预先设定，蜂窝式准直器的近源端和远源端的物理开口尺寸由其所处的几何位置、高度、和距离源的距离确定，从而形成四面锥形聚焦。
优选地，经由所述蜂窝式准直器进行准直后的治疗用的X-射线笔形束的中心轴线相交于所述X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置的机械等中心，从而使得X-射线笔形束形成为扇锥形束。
优选地，所述治疗用的X-射线笔形束的方向通过Y-Z平面电磁偏转和X-Y平面电磁偏转而预先设定，并且该治疗用的X-射线笔形束的束流强度由电子束的束流强度以及电子束碰击所述X-射线平面分布靶的时间确定，而所述电子束的束流强度由所述驻波加速管的栅控电子枪控制，所述电子束碰击所述X-射线平面分布靶的时间由X-Y平面电磁偏转时间预先确定。
优选地，所述X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置能够安装在C-形臂的旋转机架上，并随所述C-形臂的旋转机架旋转。
优选地，所述X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置能够以三组彼此以120度交角的形式安装在CT-环形的机架上，形成X-射线笔形束的三组扇锥形束空间聚焦，实现X-射线的输出剂量率大于等于50Gy/s的笔形束调强照射，安装在CT-环形机架上的三组扇锥形束能够根据需要在-60度至+60度的范围内集体旋转至任意一个角度。
本发明的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置能够实现超高剂量率的X-射线笔形束调强照射。
通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体描述，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。
附图说明
图1为根据本发明的示例性实施方式的X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置的结构示意图。
图2为在根据X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置中使用电子束消色差式磁偏转系统的结构示意图。
在这些附图中，相同的附图标记表示本发明的相同或等同的部分。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，显示了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
附图标记说明：
1.驻波加速管 2.电子束
3.Y-Z平面电子偏转磁铁 4.X-Y平面电子偏转磁铁
5.X-射线平面分布靶 6.散热器
7.蜂窝式准直器 8.二维电离室矩阵
9.真空电磁偏转室 10.机械等中心
11.治疗床。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。
下面将参考附图1和2对本发明的示例性实施方式进行详细的描述。
参考图1和图2，如图中立体坐标系所示，图1和图2为Y-Z平面图，而X轴垂直于该Y-Z平面延伸并与Y轴形成垂直于Y-Z平面的X-Y平面。根据本发明的X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置能够产生X-射线扫描笔形束，其包括：驻波加速管1，其具有栅控电子枪，并且能够产生电子束2；真空电磁偏转室9，电子束2在离开驻波加速管1的引出窗后进入该真空电磁偏转室9；Y-Z平面电子偏转磁铁3和X-Y平面电子偏转磁铁4其设置在真空电磁偏转室9中，对进入真空电磁偏转室9中的电子束进行电子束磁偏转；所述X-Y平面电子偏转磁铁4与Y-Z平面电子偏转磁铁3对应，所述Y-Z平面电子偏转磁铁3将电子束方向分别在Y-Z平面内偏转60度，90度，120度；所述X-Y平面电子偏转磁铁4分别将对应的Y-Z平面电子偏转磁铁3偏转的电子束依次沿Xj-Yj(其中j分别为60度，90度，120度)进行电子束2D偏转扫描；经过X-Y平面电子偏转磁铁4的电子束碰击所述X-射线平面分布靶5的预定位置，从而产生X-射线笔形束；然后X-笔形束进入蜂窝式准直器7(其具有如中国专利申请CN109481853的说明书公开文本第0032-0042段所描述的结构)，其用于将入射的X-射线笔形束变成治疗用的X-射线笔形束；治疗用的X-射线笔形束通过二维电离室矩阵8，其用于对从蜂窝式准直器7射出的每束X-射线笔形束的位置和强度进行检测和控制，经过二维电离室矩阵8后的所有X-射线笔形束的中心轴聚焦于加速器的机械等中心10。
加速器的机械等中心10为后述的C-形臂型或CT-环形型X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置的机架旋转中心,此中心10距X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置的旋转轴的距离称为源轴距(SAD),一般设定为100cm。
所述X-射线平面分布靶5由靶材料和散热器6叠加形成，所述散热器6优选为铜质材料制成，并且使用水冷却方式，用于移去X-射线平面分布靶5的热量。此外，所述散热器6的材料以及散热方式并不限于此。
所述蜂窝式准直器7的开口大小根据X-射线笔形束在源轴距处的半高宽大小溯源预先设定，蜂窝式准直器7的近源端和远源端的物理开口尺寸由其所处的几何位置、高度、和距离源的距离确定，从而形成四面锥形聚焦。
经由所述蜂窝式准直器7进行准直后的治疗用的X-射线笔形束的中心轴线相交于所述X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置的机械等中心10，从而使得X-射线笔形束形成为扇锥形束。
所述治疗用的X-射线笔形束的方向通过Y-Z平面电子束磁偏转和X-Y平面电子束磁偏转而预先设定，并且该治疗用的X-射线笔形束的束流强度由电子束的束流强度以及电子束碰击所述X-射线平面分布靶的时间确定，而所述电子束的束流强度由所述驻波加速管的栅控电子枪控制，所述电子束碰击所述X-射线平面分布靶的时间由X-Y平面电磁偏转时间预先确定。
根据本发明的X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置能够产生强度很高的束流，并且使用平面形钨靶来代替常规加速器的“点”状钨靶，并且配合平面形且为水冷式的散热器6，能够增加靶的使用寿命，并提高X-射线输出的稳定性。
根据本发明的的X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置既可安装在例如C-形臂的机架上，也可以单组形式或三组彼此成120度交角的形式安装在例如CT-环形的机架上。
X-射线笔形束经过蜂窝式准直器7准直后，形成沿患者纵向铅垂面内空间三组彼此交角±30度成四面锥形聚焦的锥形束(conical beam)，并且随旋转机架的旋转，形成空间聚焦式照射。三组锥形束中的每一组可以独立地进行3D调强(IMRT)或3D适形(3DCRT)照射，或根据临床治疗需要独立进行开启或关闭，从而可以满足更多医疗需要。
根据本发明的X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置能够在安装在C-形臂的旋转机架上，并随旋转机架旋转，也能够以三组彼此以120度交角形式安装在CT-环形的机架上，形成X-射线笔形束以三组扇锥形束的形式空间聚焦，实现X-射线超高剂量率(>＝50Gy/s)的调强照射(X-ray Flash IMRT)。当安装在CT-环形机架上时，所形成的三组扇锥形束能够根据临床治疗需要，在-60度至+60的范围内集体旋转至任意一个角度。此外，在将三组根据本发明的X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置彼此以120度交角形式安装在CT-环形的机架上并进行照射的过程中，可以关闭其中的一组或两组扇锥形束，使得操作更为灵活，从而满足不同的需求。
此外，由于从驻波加速管1引出的电子束2能量可达到6MeV-25MeV，具有较宽的能谱，因此采用附图2所示的消色差式电磁偏转系统可以将X-射线笔形束聚焦并偏转，从而进一步改善X-射线笔形束的能谱，进而提升X-射线笔形束的品质。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不旨在成为穷举的，也并不旨在把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (10)

1.一种X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其能够产生X-射线扫描笔形束，其特征在于：
所述X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置包括：具有栅控电子枪的驻波加速管、以及真空电磁偏转室、和X-射线平面分布靶，其中在所述真空电磁偏转室中具有彼此相互对应的Y-Z平面电子偏转磁铁和X-Y平面电子偏转磁铁，所述Y-Z平面电子偏转磁铁和X-Y平面电子偏转磁铁分别用于进行Y-Z平面电子束磁偏转和X-Y平面电子束磁偏转；
其中，在所述驻波加速管中产生被加速到具有预定能量后的电子束离开所述驻波加速管后进入所述真空电磁偏转室中依次进行Y-Z平面电磁偏转、X-Y平面电磁偏转，
进入所述真空电磁偏转室的电子束经偏转后按预定的方向离开该真空电磁偏转室，然后碰击相应的所述X-射线平面分布靶的预定位置，产生X-射线笔形束。
2.根据权利要求1所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，所产生的X-射线的能量为6MV-X至25MV-X，其为经由所述驻波加速管产生的具有预定能量的电子束撞击所述X-射线平面分布靶产生，该电子束预定能量为6MeV-25MeV。
3.根据权利要求1或2所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，在电子束进入由Y-Z平面电子偏转磁铁和X-Y平面电子偏转磁铁组成的用以进行Y-Z平面电磁偏转、X-Y平面电磁偏转的所述真空电磁偏转室后，所述Y-Z平面电磁偏转将电子束的方向依次偏转60度、90度、120度，形成–30度，0度，+30度三组电子束；经Y-Z平面电磁偏转后的这三组电子束中的每一束分别进入对应的X-Y平面电磁偏转，从而形成X-Y扫描电子束，形成X-射线笔形束在-30度至+30度范围的扇面内的空间聚焦。
4.根据权利要求3所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，在依次经过Y-Z平面电磁偏转扫描和X-Y平面电磁偏转扫描后的电子束，进入对应的平面形X-射线靶形成X-射线笔形束，所述X-射线平面分布靶由靶材料和散热器叠加形成，所述散热器的冷却方式为水冷式。
5.根据权利要求1所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，所形成的X-射线笔形束按预定方向进入位于设置在下端的蜂窝式准直器，形成调强治疗用的X-射线笔形束。
6.根据权利要求5所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，所述蜂窝式准直器的开口大小根据X-射线笔形束在源轴距处的半高宽大小溯源预先设定，蜂窝式准直器的近源端和远源端的物理开口尺寸由其所处的几何位置、高度、和距离源的距离确定，从而形成四面锥形聚焦。
7.根据权利要求5所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，经由所述蜂窝式准直器进行准直后的治疗用的X-射线笔形束的中心轴线相交于所述X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置的机械等中心，从而使得X-射线笔形束形成为扇锥形束。
8.根据权利要求3所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，所述治疗用的X-射线笔形束的方向通过Y-Z平面电磁偏转和X-Y平面电磁偏转而预先设定，并且该治疗用的X-射线笔形束的束流强度由电子束的束流强度以及电子束碰击所述X-射线平面分布靶的时间确定，而所述电子束的束流强度由所述驻波加速管的栅控电子枪控制，所述电子束碰击所述X-射线平面分布靶的时间由X-Y平面电磁偏转时间预先确定。
9.根据权利要求1所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，所述X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置能够安装在C-形臂的旋转机架上，并随所述C-形臂的旋转机架旋转。
10.根据权利要求1所述的X-射线笔形束扫描调强治疗直线加速器装置，其特征在于，所述X-射线笔形束调强治疗直线加速器装置能够以三组彼此以120度交角的形式安装在CT-环形的机架上，形成X-射线笔形束的三组扇锥形束空间聚焦，实现X-射线的剂量率大于等于50Gy/s的笔形束调强照射，安装在CT-环形机架上的三组扇锥形束能够根据需要在-60度至+60度的范围内集体旋转至任意一个角度。
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