CN112822830B - 质子和轻离子同步加速器、含该加速器的治疗系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质子和轻离子同步加速器、含该加速器的治疗系统及应用，包括若干束流偏转单元和若干直线段，若干所述束流偏转单元间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转；若干直线段，依次形成于若干所述束流偏转单元之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、进出。本发明的加速器系统可以对质子和³He、⁴He等多种轻离子进行加速，不仅可以利用质子进行全身治疗，同时还可以使用轻离子束流进行浅层肿瘤治疗，如黑色素瘤、五官头颈肿瘤、前列腺肿瘤等，多种离子互为补充，拓宽了质子加速器肿瘤适应症的范围。

Description

质子和轻离子同步加速器、含该加速器的治疗系统及应用

技术领域

本发明涉及质子和轻离子同步加速器、含该加速器的治疗系统及应用，属于医疗设备技术领域。

背景技术

由于离子束对生物体的照射具有倒转的深度剂量分布和较高的相对生物学效应，在杀死肿瘤细胞的同时能够更好的避免对正常细胞的伤害，使得离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前离子治癌最常用的离子是质子和碳离子，两者在适应症和造价方面有较大的区别。

碳离子线性能量密度、相对生物效应、侧向散射优势更为显著，能够产生难以修复的DNA双链断裂（DSB），通常用作癌症治疗的最优选择，但是由于碳离子加速器的能量需要在430MeV/u以上，磁刚度较大，装置占地面积大，投资规模较高；质子治疗装置需要的磁刚度低，通常采用固定能量加速器，成本低，技术相对成熟，占地面积也较小，市场推广难度较低，但质子束传能线密度（LET）低，只能打断DNA单链，对肿瘤的治疗效果略差一些。

如果能够在质子加速器规模和加速能力范围内，同时提供生物学效应与碳离子接近的离子，如“³He”或“⁴He”，将不仅可以用于常规质子适应癌症种类的治疗，还可以有效覆盖浅层肿瘤，如黑色素瘤、五官头颈肿瘤、前列腺肿瘤、乳腺肿瘤等，达到一机多用的目的。

治癌装置的占地面积也是推广过程中的一个难题，现有技术中公开的同步加速器多采用正多边形周期性结构，例如采用六重同步环技术路线或八重同步环技术路线，周长大但是可用的直线节短，为了在直线段安装体积较大的注入引出装置，全对称结构会导致同步环周长和占地面积增加，造成投资增加。

发明内容

针对上述突出问题，本发明提供一种质子和轻离子同步加速器、含该加速器的治疗系统及应用，该加速器系统采用ECR离子源产生质子、³He或⁴He等多种轻离子，并采用直线加速器作为注入器、两折对称同步环作为主加速器的小型化医用质子和轻离子加速器系统，从供束种类和加速器结构两个方面进行改进，拓宽了癌症种类的治疗范围，大大降低了系统占地面积和造价。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明第一方面涉及一种质子和轻离子同步加速器，包括：

若干束流偏转单元和若干直线段，若干所述束流偏转单元间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转；

若干直线段，依次形成于若干所述束流偏转单元之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、引出；

若干所述直线段包括同步加速器短直线段和同步加速器长直线段，其中束流注入的所述同步加速器长直线段上设置有注入切割磁铁和注入静电偏转板，束流引出的所述同步加速器长直线段上设置有引出切割磁铁，沿束流方向与引出束流的所述同步加速器长直线段上游相邻的所述同步加速器长直线段上设置有引出静电偏转板，其中一个所述同步加速器长直线段上设置高频加速装置，所述同步加速器短直线段位于相邻两个所述同步加速器长直线段之间；该同步加速器能对多种轻离子和质子进行加速。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，所述束流偏转单元和所述直线段的数量均为6，分别为第一至第六束流偏转单元和第一至第六直线段；

其中，所述第一直线段中设置有所述引出静电偏转板，用于将引出离子从循环束中切割分离；所述第三直线段中设置有所述注入切割磁铁和所述注入静电偏转板，所述注入切割磁铁用于将束流偏转到靠近注入轨道，所述注入静电偏转板用于将经过所述注入切割磁铁传输的束流进一步偏转至束流接受度内；所述第四直线段中设置所述高频加速装置，用于对束流进行加速；所述第六直线段中设置有第一引出切割磁铁和第二引出切割磁铁，用于将经过引出静电偏转板切割分离的离子引出同步加速器。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，所述第一至第六束流偏转单元均为60°偏转二极磁铁，用于改变束流的运动方向，使束流在所述同步加速器内的运动轨迹构成一个闭合的圆形。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，所述第一直线段、所述第三直线段、所述第四直线段和所述第六直线段均为同步加速器长直线段，所述第二直线段和所述第五直线段均为同步加速器短直线段，且所述同步加速器短直线段和所述同步加速器长直线段的长度之比为1：2~1：5。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，在所述第四直线段中还设置有射频激励慢引出装置，用于增大稳定区中束流发射度，使束流进入非稳定区，接着被引出静电偏转板引出。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，在每个所述同步加速器长直线段的入口端和出口端均设置有一台聚焦四极磁铁和散焦四极磁铁，用于对束流进行聚焦和散焦。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，每一所述散焦四极磁铁的附近设置有一台校正磁铁，所述校正磁铁用于对束流轨道进行调整和优化；每一所述聚焦四极磁铁的附近设置有一台六极磁铁，所述六极磁铁包括共振六极磁铁和色品六极磁铁，其中所述第一直线段和所述第四直线段上为所述共振六极磁铁，用于在相空间中建立三阶共振慢引出所需的稳定区和非稳定区，所述第三直线段和所述第六直线段上为所述色品六极磁铁，用于调整同步加速器色品以满足Hardt条件。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，在所述第二直线段、所述第三直线段和所述第四直线段中均设置有一台注入凸轨（Bump）磁铁，用于将循环束流平衡轨道凸起，使经过所述注入静电偏转板偏转的束流可以进入环接受度，在注入过程中逐渐下降，避免返回束流打在所述注入静电偏转板上而损失，同时还完成束流在相空间的涂抹注入。

所述的质子和轻离子同步加速器，优选地，在所述第一直线段、所述第二直线段和所述第六直线段中均设置有一台引出凸轨（Bump）磁铁，引出凸轨磁铁用于引出阶段在引出静电板处建立局部凸轨，使束流更加靠近引出静电偏转板，减小引出最后三圈轨道的振荡幅度，减小同步加速器真空管道尺寸，同时引出凸轨磁铁也可以使束流更加靠近引出切割磁铁，减小引出静电偏转板所需的踢角和引出难度。

本发明第二方面提供一种含上述质子和轻离子同步加速器的治疗系统，还包括离子源、直线加速器、束线以及治疗终端，所述离子源的输出端与所述直线加速器的输入端连接，所述直线加速器的输出端与所述质子和轻离子同步加速器的输入端连接，所述质子和轻离子同步加速器的输出端通过所述束线与所述治疗终端连接。

本发明第三方面还提供一种上述治疗系统在癌症治疗中的应用。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的加速器系统可以对质子和³He、⁴He等多种轻离子进行加速，不仅可以利用质子进行全身治疗，同时还可以使用轻离子束流进行浅层肿瘤治疗，如黑色素瘤、五官头颈肿瘤、前列腺肿瘤、乳腺肿瘤等，多种离子互为补充，在利用质子治疗全身肿瘤的同时，还拓宽了质子加速器肿瘤适应症的范围。

2、本发明装置中的同步加速器采用两折对称的六边形结构，拥有四段较长的直线段，用于安装注入、引出装置以及高频加速装置等。相比全对称的多边形结构，这种同步加速器所采用的磁铁数量少、整体结构紧凑、周长短以及占地面积小，可以大幅降低同步加速器的造价以及土建成本，减少投资成本。

附图说明

图1为本发明同步加速器的整体结构示意图；

图2为本发明治疗系统的整体示意图；

图3为本发明同步加速器的光学图；

图中各标记如下：

1-1~1-6为第一至第六束流偏转单元；2-1~2-6为第一至第六直线段；3-1~3-4为六极磁铁；4-1~4-8为四极磁铁；5-1~5-3为注入凸轨磁铁；6为高频加速装置；7为射频激励慢引出装置；8为注入静电偏转板；9为引出静电偏转板；10-1~10-3为引出凸轨磁铁；11为注入切割磁铁；12-1~12-2为第一和第二引出切割磁铁；13-1~13-4为校正磁铁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种质子和轻离子同步加速器，包括如下部件：

第一至第六束流偏转单元1-1~1-6（仅以此为例，并不限于此），间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转；

第一至第六直线段2-1~2-6，依次形成于第一至第六束流偏转单元1-1~1-6之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、引出；

其中，第一直线段2-1中设置有引出静电偏转板9，用于将引出离子从循环束中切割分离；第三直线段2-3中设置有注入切割磁铁11和注入静电偏转板8，所述注入切割磁铁11用于将束流偏转到靠近注入轨道，所述注入静电偏转板8用于将经过所述注入切割磁铁11传输的束流进一步偏转至束流接受度内；第四直线段2-4中设置高频加速装置6，用于对束流进行加速；第六直线段2-6中设置有第一引出切割磁铁12-1和第二引出切割磁铁12-2，用于将经过引出静电偏转板切割分离的离子引出同步加速器。

本具体实施方式中，优选地，第一至第六束流偏转单元1-1~1-6均为60°偏转二极磁铁，用于改变束流的运动方向，使束流在所述同步加速器内的运动轨迹构成一个闭合的圆形。

本具体实施方式中，优选地，第一直线段2-1、第三直线段2-3、第四直线段2-4和第六直线段2-6均为同步加速器长直线段，第二直线段2-2和第五直线段2-5均为同步加速器短直线段，且同步加速器短直线段和同步加速器长直线段的长度之比为1：2~1：5。

本具体实施方式中，优选地，在第四直线段2-4中还设置有射频激励慢引出装置（Radio Frequency Knockout，RF-KO）7，用于增大稳定区中束流发射度，使束流进入非稳定区，接着被引出静电偏转板引出。

本具体实施方式中，优选地，在每个同步加速器长直线段的入口端和出口端均设置有一台聚焦四极磁铁和散焦四极磁铁，用于对束流进行聚焦和散焦。

本具体实施方式中，优选地，在每一聚焦四极磁铁的附近设置有一台六极磁铁，所述六极磁铁包括共振六极磁铁和色品六极磁铁，其中所述第一直线段和所述第四直线段上为所述共振六极磁铁，用于在相空间中建立三阶共振慢引出所需的稳定区和非稳定区，所述第三直线段和所述第六直线段上为所述色品六极磁铁，用于调整同步加速器色品以满足Hardt条件。每一散焦四极磁铁的附近设置有一台校正磁铁，校正磁铁用于对束流轨道进行调整和优化。

本具体实施方式中，六极磁铁3-1~3-4分为两类，其中3-1和3-3为共振六极磁铁，用于在相空间中建立三阶共振慢引出所需的稳定区和非稳定区，3-2和3-4为色品六极磁铁，用于调整同步加速器色品以满足Hardt条件。

六极磁铁3-1~3-4是三阶共振慢引出的核心部件，在慢引出过程中同步加速器水平工作点被调整至1/3共振线附近，在共振六极磁铁3-1和3-3的作用下，相空间被分割为稳定区和非稳定区，初始阶段束流储存在稳定区当中，在RF-KO的作用下束流振幅逐渐加大进入非稳定区，由于共振六极磁铁3-1和3-3的非线性作用，进入非稳定区中的离子沿界轨方向振幅迅速增大，之后进入引出静电偏转板9中被引出。三阶共振慢引出方法不仅提高了引出束流品质，而且较大的螺距使得引出效率较高。色品六极磁铁3-2和3-4用于调整同步加速器色品值，使得不同动量分散的束流的引出界轨在引出静电偏转板9的位置重合，避免动量分散对引出束流品质的影响，即满足Hardt条件。

本具体实施方式中，优选地，在第二直线段2-2、第三直线段2-3和第四直线段2-4中均设置有一台注入凸轨（Bump）磁铁，用于将循环束流平衡轨道凸起，使经过所述注入静电偏转板8偏转的束流可以进入环接受度，在注入过程中逐渐下降，避免返回束流打在所述注入静电偏转板8上而损失，同时还完成束流在相空间的涂抹注入。

本具体实施方式中，优选地，在第一直线段2-1、第二直线段2-2和第六直线段2-6中均设置有一台引出凸轨（Bump）磁铁，引出凸轨磁铁10-1~10-3用于引出阶段在引出静电偏转板9处建立局部凸轨，使束流更加靠近引出静电偏转板9，减小引出最后三圈轨道的振荡幅度，减小同步加速器真空管道尺寸，同时引出凸轨磁铁10-1~10-3也可以使束流更加靠近引出切割磁铁，减小引出静电偏转板9所需的踢角。

本发明的同步加速器需要注入质子和不同种类的轻离子束流，注入系统采用多圈注入方案。硬件包括凸轨（Bump）磁铁，静电偏转板以及切割磁铁。其中注入切割磁铁11用于将束流偏转到靠近注入轨道，注入静电偏转板8用于将经过注入切割磁铁11传输的束流进一步偏转至束流接受度内，注入凸轨（Bump）磁铁5-1~5-3用于将循环束流平衡轨道凸起，使经过注入静电偏转板8偏转的束流可以进入环接受度，同时在注入过程中逐渐下降，避免返回束流打在注入静电偏转板8上损失，同时完成束流在相空间的涂抹注入。多圈注入过程中注入束流没有电荷态的改变，因此可以轻易实现不同种类的束流的注入，而现有技术的剥离注入过程中注入束流电荷态需要改变，不同离子穿过剥离膜前后的电荷态比值很难完全相同，因此一般只能接受单一离子。

同步加速器中的磁铁元件摆放的位置以及强度的大小决定了该同步环的光学结构。离子在同步环中的运行规律和光类似，存在直线传播、聚焦、散焦等特征，四极磁铁4-1~4-8对束流的作用与凸透镜和凹透镜的作用类似，因此束流在同步加速器中的运动规律也被称为束流光学。同步加速器中决定光学的主要磁铁元件是偏转二极磁铁和四极磁铁4-1~4-8，其中偏转二极磁铁的作用是改变束流的运动方向，使束流在同步加速器内的运动轨迹构成一个闭合的圆，四极磁铁4-1~4-8的作用是对束流进行聚焦和散焦，和光学透镜不同的地方在于四极磁铁4-1~4-8对束流水平方向聚焦的同时对垂直方向散焦，而对垂直方向聚焦的同时对水平方向散焦，光学设计的一个重要内容是合理的设置四极磁铁4-1~4-8摆放的位置和强度，使水平方向和垂直方向均可以稳定的周期性聚散焦而没有不可控的发散。设计束流光学有一套完备的理论体系，可以从理论上得到束流稳定传输的聚散焦条件，指导光学设计，实际设计过程中通常使用MADX、Winagile等软件进行光学参数的计算和优化匹配。

如图3所示的光学图，图中横坐标代表磁铁元件在自然坐标系下在同步加速器上的位置，其中横坐标上下对称的黑色色块代表偏转二极磁铁，坐标轴之上的小黑色色块代表聚焦四极磁铁，坐标轴之下的小黑色色块代表散焦四极磁铁。上半部分虚曲线代表水平β函数，实曲线代表垂直β函数，分别表明了束流在同步环中稳定传输时水平和垂直尺寸的大小关系，下半部分的虚、实曲线分别代表了束流水平和垂直色散函数，表示束流受动量分散的影响而叠加的运动轨迹的波动，本发明实施例中同步加速器垂直方向色散函数恒为零。从光学图中首先可以判断出束流满足稳定性条件，可以在环内稳定储存；其次该光学具有周期对称性，周期数为2，对称位置的磁铁可以采用一台电源串联供电，以降低系统造价；最后该光学下束流包络较小，有利于较小磁铁孔径和装置规模。

离子源是离子的源头，分子或原子在电子的碰撞作用下丢失部分电子变为离子，从离子源中引出，经过低能传输线被送入直线加速器中，直线加速器中存在高频电场，将束流加速至几个MeV/u，速度接近光速的1/10，之后经过中能传输线到达同步加速器注入切割磁铁11的入口，同时匹配到满足同步加速器注入条件（包括能量、发射度、光学参数等）。采用多圈注入方法将束流注入到同步加速器中，并且累积到终端要求的束流强度。同样根据实验终端能量需求，高频腔产生频率变化的高频电压，将束流加速至对应能量，为了维持加速过程中束流光学稳定，磁铁也同步地增加强度。到达引出平台后，采用三阶共振慢引出的方式逐步将束流引出，具体流程为：加载共振六极磁铁3-1和3-3，稳定相空间变化为慢引出所需的三角形，加载色品六极磁铁3-2和3-4，改变同步加速器色品值以满足Hardt条件，在射频激励慢引出装置（Radio Frequency Knockout，RF-KO）7作用下束流发射度逐渐变大，超出稳定三角形的离子从界轨上溢出，振幅迅速增大，进入引出静电偏转板9中被偏转一定的角度，与循环束的分离距离迅速增加，之后进入引出切割磁铁12-1~12-2被引出同步加速器之外。慢引出的束流通过高能传输线到达治疗终端，在扫描磁铁等元件的配合下，将离子束照射至指定肿瘤位置，达到杀灭肿瘤细胞的目的。

本发明还涉及一种包含上述质子和轻离子同步加速器的系统，该系统还包括离子源、直线加速器、束线以及治疗终端，离子源的输出端与直线加速器的输入端连接，直线加速器的输出端与质子和轻离子同步加速器的输入端连接，质子和轻离子同步加速器的输出端通过束线与治疗终端连接。

本具体实施方式中，包含上述质子和轻离子同步加速器的系统可以使用水平终端和垂直终端的组合，运行分时供束模式，降低装置造价的同时还可以提高束流的利用率，也可以使用单一终端进一步降低造价，也可以使用更加高端的旋转治疗支架（GANTRY）对肿瘤进行更加精准的多角度照射。

本具体实施方式中，离子源为电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonanc,ECR）离子源或者激光离子源，用于产生离子束流，离子源出口处的束流能量范围为6-15keV/u，电子回旋共振离子源的工作频率优选为10-28GHz。

本发明还涉及一种上述包含上述质子和轻离子同步加速器的系统在癌症治疗中的应用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种质子和轻离子同步加速器，其特征在于，包括：

若干束流偏转单元和若干直线段，若干所述束流偏转单元间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转；

若干所述直线段，依次形成于若干所述束流偏转单元之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、引出；

若干所述直线段包括同步加速器短直线段和同步加速器长直线段，其中束流注入的所述同步加速器长直线段上设置有注入切割磁铁和注入静电偏转板，束流引出的所述同步加速器长直线段上设置有引出切割磁铁，沿束流方向与引出束流的所述同步加速器长直线段上游相邻的所述同步加速器长直线段上设置有引出静电偏转板，其中一个所述同步加速器长直线段上设置高频加速装置，所述同步加速器短直线段位于相邻两个所述同步加速器长直线段之间；该同步加速器能对多种轻离子和质子进行加速；

所述束流偏转单元和所述直线段的数量均为6，分别为第一至第六束流偏转单元和第一至第六直线段；

所述第一直线段、所述第三直线段、所述第四直线段和所述第六直线段均为所述同步加速器长直线段，所述第二直线段和所述第五直线段均为所述同步加速器短直线段，且所述同步加速器短直线段和所述同步加速器长直线段的长度之比为1：2~1：5。

2.根据权利要求1所述的质子和轻离子同步加速器，其特征在于，所述第一直线段中设置有所述引出静电偏转板，用于引出离子从循环束中切割分离；所述第三直线段中设置有所述注入切割磁铁和所述注入静电偏转板，所述注入切割磁铁用于将束流偏转到靠近注入轨道，所述注入静电偏转板用于将经过所述注入切割磁铁传输的束流进一步偏转至束流接受度内；所述第四直线段中设置所述高频加速装置，用于对束流进行加速；所述第六直线段中设置有第一引出切割磁铁和第二引出切割磁铁，用于将经过所述引出静电偏转板切割分离的离子引出同步加速器。

3.根据权利要求2所述的质子和轻离子同步加速器，其特征在于，所述第一至第六束流偏转单元均为60°偏转二极磁铁，用于改变束流的运动方向，使束流在所述同步加速器内的运动轨迹构成一个闭合的圆形。

4.根据权利要求2所述的质子和轻离子同步加速器，其特征在于，在所述第四直线段中还设置有射频激励慢引出装置，用于增大稳定区中束流发射度，使束流进入非稳定区，接着被引出静电偏转板引出。

5.根据权利要求2所述的质子和轻离子同步加速器，其特征在于，在每个所述同步加速器长直线段的入口端和出口端均设置有一台聚焦四极磁铁和散焦四极磁铁，用于对束流进行聚焦和散焦。

6.根据权利要求5所述的质子和轻离子同步加速器，其特征在于，每一所述聚焦四极磁铁的附近设置有一台六极磁铁，每一所述散焦四极磁铁的附近设置有一台校正磁铁，所述六极磁铁包括共振六极磁铁和色品六极磁铁，其中所述第一直线段和所述第四直线段上为所述共振六极磁铁，用于在相空间中建立三阶共振慢引出所需的稳定区和非稳定区，所述第三直线段和所述第六直线段上为所述色品六极磁铁，用于调整同步加速器色品以满足Hardt条件，所述校正磁铁用于对束流轨道进行调整和优化。

7.根据权利要求2所述的质子和轻离子同步加速器，其特征在于，在所述第二直线段、所述第三直线段和所述第四直线段中均设置有一台注入凸轨磁铁，用于将循环束流平衡轨道凸起，使经过所述注入静电偏转板偏转的束流可以进入环接受度内，在注入过程中逐渐下降，避免返回束流打在所述注入静电偏转板上而损失，同时还完成束流在相空间的涂抹注入。

8.根据权利要求2所述的质子和轻离子同步加速器，其特征在于，在所述第一直线段、所述第二直线段和所述第六直线段中均设置有一台引出凸轨磁铁，用于将循环束流平衡轨道凸起，使经过所述注入静电偏转板偏转的束流可以进入环接受度，在注入过程中逐渐下降，避免返回束流打在所述注入静电偏转板上而损失，同时还完成束流在相空间的涂抹注入。

9.一种包含权利要求1-8中任意一项所述的质子和轻离子同步加速器的系统，其特征在于，还包括离子源、直线加速器、束线以及治疗终端，所述离子源的输出端与所述直线加速器的输入端连接，所述直线加速器的输出端与所述质子和轻离子同步加速器的输入端连接，所述质子和轻离子同步加速器的输出端通过所述束线与所述治疗终端连接。