CN112870560A - 一种基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置 - Google Patents

一种基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置 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立体角分配装置，包括：功率源系统、与之连接的射频结构系统、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，使质子束流偏转一立体角；低电平系统独立控制功率源系统的功率水平，使质子束流以不同的立体角发射。本发明的装置通过具有彼此正交的极化方向的射频偏转结构，实现任意立体角度偏转；且射频偏转结构和低电平系统相结合，使得偏转效果的响应时间与低电平系统相关，可利用低电平系统快速改变脉冲微波功率的输出功率，经过两个正交横向偏转力的矢量叠加，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立体角分配装置
技术领域
本发明涉及质子束团分配技术领域，尤其涉及一种质子束流立体角分配装置。
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照射剂量照射到肿瘤上，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，闪疗是质子治疗技术的最新发展方向。
质子束团分配技术是质子闪疗装置的关键技术，决定着剂量率目标是否可以实现。在质子治疗装置中，目前常用弯转磁铁进行束流分配，但是目前的质子束团分配装置无法满足不同能量的质子束团所对应的不同磁场的需求，且只能在二维空间实现固定角度的偏转，当质子能量切换时，弯转磁铁通常无法快速切换磁场状态，需要秒级的切换响应时间，无法达到闪疗的技术要求。同时束流导入后续旋转支架后，不同照野的治疗需要通过旋转支架的机械旋转完成，所需时间为分钟级别，更加无法达到闪疗的技术目标。
发明内容
本发明旨在提供一种射频偏转腔技术的质子束流超快立体角分配装置，以在超短时间内完成质子束流立体角分配。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置，其设置于治疗支架的上游，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所述治疗支架；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输出功率，从而通过不同的脉冲微波功率的输出功率，使得质子束流以不同的立体角发射至所述治疗支架。
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。
所述立体角由俯仰角和方位角表示；所述俯仰角由质子束流的能量来决定，不同能量的质子束流以相同的方位角和不同的俯仰角发射至所述治疗支架，以在治疗支架的出口处汇聚在同一处束流轨道上；且质子束流还以不同的方向角发射至所述治疗支架，以在治疗支架的出口处汇聚在对应于不同照野的多个束流轨道上。
本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置通过采用具备两个独立且彼此正交的极化方向的射频偏转结构，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；同时，本发明通过具备两个独立且彼此正交的极化方向的射频偏转结构和低电平系统相结合，使得偏转效果的响应时间与低电平系统相关，可以利用低电平系统快速改变脉冲微波功率的功率水平，实现质子束流任意角度的快速变换，响应时间超快，质子束流的分配比传统磁铁方案更快速，将质子束流分配到下一系统的时间也将大大缩短。
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立体角分配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立体角分配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立体角分配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极化可变射频偏转腔技术的超快质子束流立体角分配装置的系统结构示意图。
图6是沿图5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立体角分配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超快立体角分配装置，其设置于治疗支架的上游，具体包括：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。治疗支架基于超导线圈单元。
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，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所述治疗支架；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具备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，并通过不同的脉冲微波功率的输出功率，使得质子束流以不同的立体角发射至所述治疗支架。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输出一功率控制信号，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，通过不同的脉冲微波功率的功率水平来使得不同时刻的质子束流以不同的立体角发射至所述治疗支架。
如图4所示为本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流超快立体角分配装置的分配效果。假设射频偏转结构22的下游存在束流分配面板41，则质子束流打到束流分配面板41上的效果如图4所示。需要说明的是，束流分配面板41为假设存在的虚拟结构，实际上，下游仅仅设置了治疗装置，而不存在束流分配面板41。
如图5-图6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超快立体角分配装置，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超快立体角分配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6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，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6说明本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流超快立体角分配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和垂直方向偏转力的射频结构组成，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在水平和垂直方向的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，通过两根水平和垂直方向的射频偏转结构或极化可变射频结构的质子束流按照低电平系统31输出的信号进行束流角度分配，最终完成超快立体角分配，使得质子束流以不同的立体角发射至所述治疗支架。其中，所述立体角由俯仰角和方位角表示；所述俯仰角由质子束流的能量来决定，不同能量的质子束流以相同的方位角和不同的俯仰角发射至所述治疗支架，以在治疗支架的出口处汇聚在同一处束流轨道上；且质子束流还以不同的方向角发射至所述治疗支架，以在治疗支架的出口处汇聚在对应于不同照野的多个束流轨道上，以满足后续的不同扫描层(Layer)和不同照野(Field)的治疗需求。
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来控制在两个功率源系统的输出的功率水平使射频偏转结构22在两个独立且正交的极化方向上的微波电磁场改变，根据质子束流通过射频偏转结构22后的角度，由低电平系统31反馈到功率源系统提供对应功率，从而实现质子束流超快立体角分配，大大提高了质子治疗装置治疗时间，以及对质子超快治疗，降低质子束流对正常细胞的副作用。质子束流的立体角分配非常迅速，对应于同一立体角(即同一俯仰角且同一方位角)的质子束流的分配时间不低于10微秒，且质子束团能量相同，分配角度一致；不同时刻且对应于不同立体角的质子束流通过本发明的基于射频偏转腔技术的质子束流超快立体角分配装置来快速完成立体角的切换和准备，低电平系统31使得整个切换、准备和分配的总体时间不超过1毫秒。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过具有彼此正交的极化方向的射频偏转结构和低电平系统相结合，使得偏转效果的响应时间与低电平系统相关，可以利用低电平系统快速改变脉冲微波功率的功率水平，实现质子束流任意角度的快速变换，响应时间超快，从而实现质子束流超快立体角分配功能。
2、本发明中采用具有彼此正交的极化方向的射频偏转结构，是一种同时存在水平和垂直方向都存在踢力的射频结构，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，本发明的上述实施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立体角分配装置，其设置于治疗支架的上游，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所述治疗支架；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输出功率，从而通过不同的脉冲微波功率的输出功率，使得质子束流以不同的立体角发射至所述治疗支架。
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立体角分配装置，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立体角分配装置，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1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置，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立体角分配装置，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立体角分配装置，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。
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立体角分配装置，其特征在于，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。
8.根据权利要求7所述的基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置，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。
9.根据权利要求1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置，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。
10.根据权利要求1所述的基于射频偏转腔技术的质子束流立体角分配装置，其特征在于，所述立体角由俯仰角和方位角表示；所述俯仰角由质子束流的能量来决定，不同能量的质子束流以相同的方位角和不同的俯仰角发射至所述治疗支架，以在治疗支架的出口处汇聚在同一处束流轨道上；且质子束流还以不同的方向角发射至所述治疗支架，以在治疗支架的出口处汇聚在对应于不同照野的多个束流轨道上。
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