CN112843497A - 一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法 - Google Patents

一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，包括：功率源系统、射频结构系统、低电平系统；射频结构系统包括波导结构和射频偏转结构；射频偏转结构具备两个独立且正交的极化方向，对质子束流提供两个独立正交的横向偏转力；低电平系统独立控制两台功率源系统的功率水平，同时独立驱动两个正交极化方向的电磁场，经过所产生的两个正交横向偏转力的矢量叠加，使质子束流发射至待扫描物体的不同位置。本发明还提供相应扫描方法。本发明的装置通过具备两个独立正交的极化方向的射频偏转结构，实现任意立体角偏转；且其与低电平系统结合，可利用低电平系统快速改变脉冲微波功率的输出功率水平，实现质子束流任意角度的快速变换。

Description

一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法
技术领域
本发明属于质子治疗装置中的质子束团扫描技术领域，尤其涉及一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法。
背景技术
闪疗(FLASH)是当前放射治疗领域最为前沿的技术，要求在100毫秒时间内，将不低于30Gy剂量照射到肿瘤上，即产生不低于300Gy/s的超高剂量率，如此可以在不降低照射剂量对靶标治疗效果的前提下，极大降低照射剂量对正常组织的伤害。质子治疗技术在众多放射治疗手段中具有治疗效果显著和应用范围广特征，是欧美日和我国正在大范围推广的治疗手段，同时也正在积极推进质子闪疗技术的研发。
质子束团扫描技术在质子闪疗装置的关键技术，现有的质子束流扫描技术通过两个不同偏转方向的扫描磁铁实现质子束流不同方向的扫描，存在响应时间长，磁滞效应等问题，无法满足闪疗需求。同时，有一些质子治疗装置采用的方式是逐点笔形束扫描，那就意味着两个扫描点之间要停束，因此造成单层扫描时间需要达到秒级，更无法达到基于多层扫描的单个治疗计划的闪疗剂量率目标。
发明内容
本发明旨在提供一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置及扫描方法，以在100毫秒内完成100扫描层的照射，达到闪疗的剂量率目标。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其位于闪疗装置的最下游，包括：功率源系统，其数量为2套，设置为提供脉冲微波功率；射频结构系统，其与2套功率源系统连接，包括依次连接的波导结构和射频偏转结构；射频偏转结构具备两个独立且彼此正交的极化方向，设置为通过2套功率源系统的脉冲微波功率生成两个独立且正交的微波电磁场，并通过微波电磁场对质子束流提供两个独立且正交的横向偏转力，使得质子束流在横向偏转力的作用下偏转一立体角并发射至待扫描物体；以及低电平系统，其数量为2套并分别与2套功率源系统连接，设置为独立控制其对应的功率源系统的脉冲微波功率的功率水平，从而通过改变脉冲微波功率的功率水平来对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置。
所述射频结构系统的数量为2套，每一套射频结构系统分别包括一组波导结构和一个极化方向固定的射频偏转结构，每个射频偏转结构分别通过波导结构与一套功率源系统相连；2套射频结构系统中的2个射频偏转结构分别为一个水平极化方向的射频偏转结构和一个垂直极化方向的射频偏转结构。
所述水平极化方向的射频偏转结构和垂直极化方向的射频偏转结构位于同一轴线上。
所述射频结构系统的数量为1套，所述射频结构系统包括两组波导结构、与两组波导结构同时连接的一个极化方向可变的射频偏转结构；所述射频偏转结构为一个同时存在两个独立且彼此正交的极化方向的射频偏转结构。
所述功率源系统包括依次连接的微波信号源、固态放大器和速调管，所述低电平系统与所述固态放大器连接；所述微波信号源设置为提供一连续微波信号，所述固态放大器设置为将连续微波信号放大至脉冲微波信号；所述速调管设置为将所述脉冲微波信号转换为脉冲微波功率并输出。
所述功率源系统还包括与所述固态放大器直接连接且通过调制器与所述速调管的触发信号源，所述触发信号源设置为输出一时间控制信号，以控制固态放大器和调制器的工作时间。
所述微波信号源设置为提供一毫瓦级功率的连续微波信号；所述固态放大器设置为根据所述时间控制信号，将连续微波信号放大至百瓦级功率的脉冲微波信号；调制器设置为根据所述时间控制信号，产生相应的几十千伏的直流高压信号；速调管设置为根据所述直流高压信号将所述脉冲微波信号转换为兆瓦级的脉冲微波功率。
所述射频结构系统还包括与所述射频偏转结构连接的高功率负载，所述高功率负载设置为吸收剩余的脉冲微波功率。
另一方面，本发明提供一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描方法，包括：提供根据上文所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，利用其低电平系统按照预设规则来改变脉冲微波功率的功率水平，以对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置；所述功率源系统包括第一功率源系统和第二功率源系统，按照预设规则改变脉冲微波功率的功率水平，包括：
S1：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向连续切换第二功率源系统的功率水平；
S2：在控制第二功率源系统的功率水平不变的情况下使第一功率源系统的功率水平步进一次；
S3：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向的相反方向连续切换第二功率源系统的功率水平，随后重复步骤S2；
S4：重复步骤S1-步骤S3，直到完成单层扫描。
在步骤S1之前，还包括步骤S0：收到扫描开始指令，则在完成准备工作后进行步骤S1；且所述步骤S4还包括：完成单层扫描后，等待下一层的扫描开始指令。
本发明通过极化方向可变的射频偏转结构，使得作用在质子束团上的两个横向矢量作用力的独立可调；并采用基于射频偏转结构和低电平系统的扫描技术，使质子束扫描的响应时间与低电平系统的响应时间相关联，当需要水平方向偏转时，则由低电平系统独立控制水平方向的功率输出水平，当需要垂直方向偏转时，则由低电平系统独立控制垂直方向的功率输出水平，可以实现质子束超快扫描；低电平控制系统的响应时间由电子学技术实现，响应时间快，因此在该技术方案下单层扫描的时间将比传统扫描方式完成更快，同样完成单次治疗的时间也将大大缩短，能够实现闪疗(FLASH)的技术目标。
附图说明
图1是根据本发明的第一个实施例的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的系统结构示意图。
图2和图3分别为沿图1中的A-A线和B-B线的剖视图，其示出了基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的射频偏转结构的侧视效果，其中，图2示出了水平极化平面的射频偏转结构，图3示出了垂直极化平面的射频偏转结构。
图4是本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的分配效果示意图。
图5是根据本发明的第二个实施例的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的系统结构示意图。
图6是沿图4中的C-C线的剖视图，其示出了基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的射频偏转结构的侧视效果。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的实施例，并予以详细描述。
如图1所示为根据本发明的第一个实施例的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其位于一闪疗装置的最下游，包括：功率源系统，以及与所述功率源系统连接的射频结构系统和低电平系统31。其中，低电平系统31 通过电缆与所述功率源系统连接。
所述功率源系统的数量为2套，其设置为提供脉冲微波功率。每个功率源系统分别对应于一个极化方向，并具体包括：依次连接的微波信号源11、固态放大器12和速调管15，以及与所述固态放大器12直接连接且通过调制器14与所述速调管15的触发信号源13。其中，微波信号源11设置为提供一毫瓦级功率的连续微波信号；触发信号源13设置为输出一时间控制信号，以控制固态放大器12和调制器14的工作时间；固态放大器12设置为根据所述时间控制信号，将连续微波信号放大至百瓦级功率的脉冲微波信号；调制器14设置为根据所述时间控制信号，产生相应的几十千伏的直流高压信号；速调管15设置为根据所述直流高压信号将所述脉冲微波信号转换为兆瓦级的脉冲微波功率并输出。
射频结构系统与2套功率源系统连接，包括依次连接的波导结构21、射频偏转结构22以及高功率负载23。射频结构系统通过其波导结构21与所述功率源系统连接，波导结构21起到微波传输作用，将速调管15即功率源系统提供的脉冲微波功率传输至射频偏转结构22中。射频偏转结构22具备两个独立且彼此正交的极化方向，其可以由极化方向固定的双结构、或者由极化方向可变的单结构组成，设置为通过2套功率源系统的脉冲微波功率生成两个独立且正交的微波电磁场，并通过微波电磁场对质子束流提供两个独立且正交的横向偏转力(即踢力)，经过所产生的两个独立且正交的横向偏转力的矢量叠加，使得质子束流在横向偏转力的作用下偏转一立体角并发射至其下游的待扫描物体。高功率负载23设置为吸收剩余的脉冲微波功率。在本实施例中，所述射频结构系统的数量为2套且相互独立，每一套射频结构系统分别包括依次连接的一组波导结构21、一个极化方向固定的射频偏转结构 22以及一个高功率负载23，每个射频偏转结构22分别通过波导结构21与一套功率源系统相连。
如图2和图3所示，在本实施例中，2套射频结构系统中的2个射频偏转结构22分别为一个水平极化方向的射频偏转结构22和一个垂直极化方向的射频偏转结构22(图中标记了射频偏转结构22的极化方向)。由此，射频偏转结构22具有两个独立且彼此正交的极化方向。
再请参见图1，水平极化方向的射频偏转结构22和垂直极化方向的射频偏转结构22位于同一轴线上，以供质子束流通过。
低电平系统31的数量为2套并分别与2个功率源系统连接，设置为独立控制其对应的功率源系统的脉冲微波功率的功率水平，从而通过改变脉冲微波功率的功率水平来对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置。具体来说，低电平系统31与所述功率源系统的固态放大器12相连，设置为向其对应的固态放大器12输出功率控制信号，以控制固态放大器12的放大倍率，进而独立控制其对应的脉冲微波功率的功率水平，通过改变脉冲微波功率的功率水平来使对应的两个射频偏转结构22在两个独立且正交的极化方向上生成的微波电磁场改变，进而使得不同的质子束流随时间偏转不同的立体角，从而发射至所述待扫描物体的不同横向位置。
如图4-图5所示为根据本发明的第二个实施例的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其结构与第一个实施例中的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的结构大致相同，其区别仅仅在于：
所述射频结构系统的数量为1套，所述射频结构系统分别包括两组波导结构21、与两组波导结构21同时连接的一个极化方向可变的射频偏转结构22，以及与射频偏转结构22相连的两个高功率负载23。如图5所示，所述射频偏转结构22为一个同时存在水平和垂直的极化方向(即两个独立且彼此正交的极化方向)的射频偏转结构22，该可变射频偏转结构22通过两组波导结构21同时与2套功率源系统连接。由此，射频偏转结构22具备两个独立且彼此正交的极化方向。
下面结合图1-图5说明本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的主要工作原理。
首先，由微波信号源11产生连续微波信号(即激励信号)，激励信号馈入速调管15进行激励，产生高水平的脉冲微波功率，通过微波传输系统的波导结构21传输至射频偏转结构22的输入端口，从而在射频偏转结构22 中产生微波电磁场；射频偏转结构22由两根分别为水平和垂直极化方向的射频偏转结构组成，也可以由一根同时存在水平极化方向和垂直极化方向的射频偏转结构22组成，分别在水平和垂直方向对质子束流产生踢力，水平和垂直方向的踢力大小与速调管15输入到各自极化方向所对应的功率源系统的功率大小相关，通过低电平系统31向固态放大器12输出功率控制信号，进而调节速调管15在水平和垂直方向输出的脉冲微波功率的功率水平，从而控制水平和垂直方向的踢力，通过射频偏转结构22的质子束流按照低电平系统 31控制的脉冲微波功率的功率水平对上述的待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置，完成超快的单层扫描在100毫秒内完成100扫描层的照射。
基于上文所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，所实现的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描方法，包括以下步骤：
提供上文所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，利用其低电平系统31按照预设规则来改变脉冲微波功率的功率水平，以对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置；
其中，功率源系统包括第一功率源系统和第二功率源系统，按照预设规则改变脉冲微波功率的功率水平，具体包括以下步骤：
步骤S1：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向连续切换第二功率源系统的功率水平(第一方向为功率水平放大的方向或功率水平缩小的方向)，以使得质子束流在待扫描物体的扫描层上如图6中所示的从X 方向起点开始，连续扫描至另一端；
其中，图6为本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描方法所得到的扫描效果。假设射频偏转结构22的下游存在平面扫描面板41，则质子束流打到平面扫描面板41上的效果如图6所示。需要说明的是，平面扫描面板41为假设存在的示例性结构，其相当于待扫描物体的一个扫描层，实际上，本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的下游仅仅存在待扫描物体，而不存在平面扫描面板41。
步骤S2：在控制第二功率源系统的功率水平不变的情况下使第一功率源系统的功率水平步进一次，以使得质子束流在待扫描物体的扫描层上如图 6中所示的停止X方向扫描，Y方向步进一行；
步骤S3：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向的相反方向连续切换第二功率源系统的功率水平，以使得质子束流在待扫描物体的扫描层上如图6中所示的沿X方向进行逆向扫描；随后重复步骤S2，以使得质子束流在待扫描物体的扫描层上如图6中所示的停止X方向扫描，Y方向步进一行；
步骤S4：重复步骤S1-S3，直到完成单层扫描。本发明的装置最多可以完成1000个点扫描，满足典型治疗计划中的处方要求。
此外，在步骤S1之前，还可以包括步骤S0：收到扫描开始指令，则在完成准备工作后进行步骤S1，以开始扫描；且所述步骤S4还包括：完成单层扫描后，等待下一层的扫描开始指令。完整的单层扫描的周期时间(包括准备时间和扫描时间)不大于1毫秒。
在本发明中，利用两根不同极化方向的射频偏转结构22或者一根极化可变的射频偏转结构22，并结合低电平系统31来控制在两个正交极化方向上的功率源系统的功率水平，实现功率源系统的功率水平的超快响应，从而实现质子束流超快扫描，大大提高了质子治疗装置治疗时间，以及对质子超快治疗。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过具备两个正交的极化方向的射频偏转结构和低电平控制系统相结合，实现质子束流超快扫描功能。
2、本发明中采用的极化可变的射频偏转结构22，是一种在水平和垂直方向都存在偏转力的射频偏转结构22，使得作用在质子束流上的两个横向矢量作用力的独立可调，使质子束流在相互正交的偏转场作用下，可以实现任意立体角度偏转。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其位于闪疗装置的最下游，其特征在于，包括：
功率源系统，其数量为2套，设置为提供脉冲微波功率；
射频结构系统，其与2套功率源系统连接，包括依次连接的波导结构和射频偏转结构；射频偏转结构具备两个独立且彼此正交的极化方向，设置为通过2套功率源系统的脉冲微波功率生成两个独立且正交的微波电磁场，并通过微波电磁场对质子束流提供两个独立且正交的横向偏转力，使得质子束流在横向偏转力的作用下偏转一立体角并发射至待扫描物体；以及
低电平系统，其数量为2套并分别与2套功率源系统连接，设置为独立控制其对应的功率源系统的脉冲微波功率的功率水平，从而通过改变脉冲微波功率的功率水平来对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置。
2.根据权利要求1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述射频结构系统的数量为2套，每一套射频结构系统分别包括一组波导结构和一个极化方向固定的射频偏转结构，每个射频偏转结构分别通过波导结构与一套功率源系统相连；2套射频结构系统中的2个射频偏转结构分别为一个水平极化方向的射频偏转结构和一个垂直极化方向的射频偏转结构。
3.根据权利要求2所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述水平极化方向的射频偏转结构和垂直极化方向的射频偏转结构位于同一轴线上。
4.根据权利要求2所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述射频结构系统的数量为1套，所述射频结构系统包括两组波导结构、与两组波导结构同时连接的一个极化方向可变的射频偏转结构；所述射频偏转结构为一个同时存在两个独立且彼此正交的极化方向的射频偏转结构。
5.根据权利要求1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述功率源系统包括依次连接的微波信号源、固态放大器和速调管，所述低电平系统与所述固态放大器连接；所述微波信号源设置为提供一连续微波信号，所述固态放大器设置为将连续微波信号放大至脉冲微波信号；所述速调管设置为将所述脉冲微波信号转换为脉冲微波功率并输出。
6.根据权利要求5所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述功率源系统还包括与所述固态放大器直接连接且通过调制器与所述速调管的触发信号源，所述触发信号源设置为输出一时间控制信号，以控制固态放大器和调制器的工作时间。
7.根据权利要求6所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述微波信号源设置为提供一毫瓦级功率的连续微波信号；所述固态放大器设置为根据所述时间控制信号，将连续微波信号放大至百瓦级功率的脉冲微波信号；调制器设置为根据所述时间控制信号，产生相应的几十千伏的直流高压信号；速调管设置为根据所述直流高压信号将所述脉冲微波信号转换为兆瓦级的脉冲微波功率。
8.根据权利要求1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，其特征在于，所述射频结构系统还包括与所述射频偏转结构连接的高功率负载，所述高功率负载设置为吸收剩余的脉冲微波功率。
9.一种基于射频偏转腔技术的质子束流扫描方法，其特征在于，包括：
提供根据权利要求1-8之一所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置，利用其低电平系统按照预设规则来改变脉冲微波功率的功率水平，以对待扫描物体进行扫描，使得不同的质子束流随时间发射至待扫描物体的不同横向位置；所述基于射频偏转腔技术的质子束流扫描装置的功率源系统包括第一功率源系统和第二功率源系统，按照预设规则改变脉冲微波功率的功率水平，包括：
步骤S1：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向连续切换第二功率源系统的功率水平；
步骤S2：在控制第二功率源系统的功率水平不变的情况下使第一功率源系统的功率水平步进一次；
步骤S3：控制第一功率源系统的功率水平不变并沿第一方向的相反方向连续切换第二功率源系统的功率水平，随后重复步骤S2；
步骤S4：重复步骤S1-步骤S3，直到完成单层扫描。
10.根据权利要求9所述的基于射频偏转腔技术的质子束流扫描方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括步骤S0：收到扫描开始指令，则在完成准备工作后进行步骤S1；且所述步骤S4还包括：完成单层扫描后，等待下一层的扫描开始指令。
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