CN113082551A - 一种用于离子Flash治疗的装置及方法 - Google Patents

一种用于离子Flash治疗的装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113082551A
CN113082551A CN202110333478.6A CN202110333478A CN113082551A CN 113082551 A CN113082551 A CN 113082551A CN 202110333478 A CN202110333478 A CN 202110333478A CN 113082551 A CN113082551 A CN 113082551A
Authority
CN
China
Prior art keywords
synchrotron
scatterer
therapy
treatment
transmission line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110333478.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113082551B (zh
Inventor
石健
周利荣
马力祯
毛瑞士
王小虎
李朋
张秋宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzhou Kejin Taiji Corp ltd
Original Assignee
Lanzhou Kejin Taiji Corp ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzhou Kejin Taiji Corp ltd filed Critical Lanzhou Kejin Taiji Corp ltd
Priority to CN202110333478.6A priority Critical patent/CN113082551B/zh
Publication of CN113082551A publication Critical patent/CN113082551A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113082551B publication Critical patent/CN113082551B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/103—Treatment planning systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/103—Treatment planning systems
    • A61N5/1031—Treatment planning systems using a specific method of dose optimization
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1042—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy with spatial modulation of the radiation beam within the treatment head
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1042—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy with spatial modulation of the radiation beam within the treatment head
    • A61N5/1045—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy with spatial modulation of the radiation beam within the treatment head using a multi-leaf collimator, e.g. for intensity modulated radiation therapy or IMRT
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1064—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for adjusting radiation treatment in response to monitoring
    • A61N5/1065—Beam adjustment
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1071—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for verifying the dose delivered by the treatment plan
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1077—Beam delivery systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
    • A61N2005/1087—Ions; Protons

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于离子Flash治疗的装置及其应用方法，该装置包括同步加速器，所述同步加速器中还包括：快脉冲磁铁，被配置为使同步加速器束流轨道突然偏转到引出口引出到高能传输线，以达到超高的剂量率及快速的放射治疗，实现束流快引出；DCCT，被配置为实时测量同步加速器内束流强度，通过同步加速器流强计算得出同步加速器内的粒子数；束晕刮削器，被配置为用于调制同步加速器内的粒子数及粒子发射度。本发明通过控制同步加速器引出前的粒子数及粒子发射度来控制终端剂量的准确性及束流的品质，更好把控住QA环节，使治疗更安全有效。

Description

一种用于离子Flash治疗的装置及方法
技术领域
本发明是关于一种用于离子Flash治疗的装置及方法，涉及照射放疗技术领域。
背景技术
Flash治疗是一种新型无创外照射放疗技术，是以非侵入性方式在极短时间内给予单次的照射剂量，从而得到一个极高的照射剂量率(通常情况下是在50ms内给予平均剂量率超过100Gy/s的照射)，这种极高照射剂量率应用到生物细胞或组织的方法叫做Flash治疗(闪光放射治疗)。与常规剂量率(1-7cGy/s)放疗相比，Flash治疗在极短时间(＜0.1s)内输送高照射剂量。高剂量率的照射导致组织中的氧气耗竭，使健康组织产生辐射抵抗，从而能够在高缺氧条件下实施破坏肿瘤组织的剂量递增治疗。试验结果显示，Flash治疗在肿瘤控制率保持一致甚至更佳的情况下，极大地减少了对正常组织的损伤。与常规放射治疗相比，质子Flash治疗放射性皮炎发生率平均降低了35％。现有的Flash治疗相关研究及应用都是基于光子治疗或者是回旋/直线质子治疗，目前还没有基于同步加速器的Flash治疗或基于重离子装置的Flash治疗研究。主要原因是同步加速器装置的剂量率很难达到Flash治疗要求的高剂量率，同样重离子治疗装置基本都是以同步加速器作为主加速器，也很难达到所要求的高剂量率；其次，同步加速器快速引出束流时对剂量精度的控制也是一个难题。
重离子在穿透生物时的深度剂量分布非常适合于治疗肿瘤。研究表明重离子与质子相比，不仅具有生物学优势，而且剂量分布优势(Bragg峰)更为显著，如图1所示。重离子束穿越物质时其动能主要损失在射程的末端，会呈现急剧增强的Bragg峰，治疗时通过调节重离子能量和扫描角度使Bragg峰的位置准确落在病灶上(精度达毫米量级)，以保证对肿瘤杀伤作用最大，而对健康组织损伤小。重离子治疗一个疗程分次为15次左右，每个分次患者治疗包括患者摆位、定位验证、放射治疗等时间，耗时常常超过半小时，导致患者治疗效率很低。不管是调制扫描还是均匀扫描，都存在束流利用率低的情况。重离子治疗装置庞大复杂，建造及运行成本高，治疗费用昂贵。
如图2所示的现有重离子治疗装置，该装置包括离子源1+注入器2(回旋/直线)+中能传输线3+同步加速器4+高能传输线5+不同配置的终端。离子源用于产生肿瘤治疗用重离子束(主要为12C4+或12C5+束流)。通常采用电子回旋共振(Electron Cyclotron ResonanceSource，简称ECR)离子源，离子源产生的碳离子束经过一个分析磁铁后注入到注入器2(为初级加速器)内，注入器2将碳离子进行初级加速，加速到所需能量后引出到中能传输线3。中能传输线3是利用磁极性交替排列的四极磁铁在水平与垂直方向把束流限定在真空管道内，用分布于四极磁铁之间的二极磁铁把注入器引出的束流导向同步加速器的注入口的束流配送装置。同步加速器4是利用高频电场加速带电粒子的环形加速器装置。同步加速器4的磁场强度随被加速粒子能量的增加而增加，从而保持粒子的回旋轨道不变，并通过调节高频频率，保持粒子持续加速。为使同步加速器加速效率提高，在注入时用剥离膜把碳离子剥离剩余电子变为12C6+。12C6+离子束达到治疗所需能量(如80MeV/u-400MeV/u)后，再经过慢引出方式引出到高能传输线5。高能传输线5是利用磁极性交替排列的四极磁铁在水平与垂直方向把同步加速器引出的束流限定在真空管道内，用分布于四极磁铁之间的二极磁铁把束流导向各个治疗室1#、2#或3#的束流配送装置。现有装置同步加速器采用慢引出方式引出束流(引出时间在秒量级)，利用扫描铁6的磁场变化，采用调制扫描或均匀扫描方法获得照射野。
与常规质子/重离子放射治疗相比，Flash技术的治疗时间很短，在0.1秒的时间内可以完成极高剂量的照射，束流利用率高，而且总治疗次数只需1至3次。常规质子/重离子治疗装置目前一般每年只能治疗500-1000人。如果Flash技术投入临床，年治疗人数将可能提高到现有治疗人数的10倍以上。目前重离子Flash治疗的临床研究还未实质性开展，由于重离子治疗均采用同步加速器慢引出模式，难以达到Flash治疗所需要的超高剂量率和剂量精度控制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够准确保证终端束流品质及剂量精度的用于离子Flash治疗的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于离子Flash治疗的装置，包括同步加速器，所述同步加速器中还设置有：
快脉冲磁铁，被配置为使所述同步加速器束流轨道突然偏转到引出口引出到高能传输线，实现束流快引出；
DCCT，被配置为实时测量同步加速器内束流强度，通过同步加速器束流强度计算得出同步加速器内的粒子数；
束晕刮削器，被配置为用于调制同步加速器内的粒子数及粒子发射度。
进一步地，高能传输线上还设置有双散射体装置和束流调节装置；
所述双散射体被配置为对笔型束进行横向扩展，使其形成均匀射野；
所述束流调节装置，设置在所述双散射体装置与等中心之间，被配置为对扩展后的束流均匀射野进行调节和纵向展宽，达到靶体适形。
进一步地，所述双散射体装置包括初级散射体和次级散射体；
所述初级散射体采用厚度一致的高密度材料，将呈高斯分布的笔型束进行散射，使笔型束在到达次级散射体之前束斑尺寸增大；
所述次级散射体采用厚度分布不均匀的高密度材料，越靠近中心区域越厚，其散射越厉害，通过两次散射后束流在等中心平面处形成均匀射野。
进一步地，在所述次级散射体前配置低密度材质的补偿器，被配置为对束流射程进行调节，其对束流的散射作用微弱。
进一步地，所述高能传输线的出射段设置有若干不同治疗形式的治疗室，所述高能传输线为将束流导向各个治疗室的束流配送装置。
进一步地，所述高能传输线与治疗室之间通过设置扫描磁铁和束流调制装置实现常规重离子治疗；或者高能传输线与治疗室之间设置双散射体和束流调制装置实现重离子Flash治疗。
进一步地，所述束流调节装置包括射程移位器、脊型过滤器和多叶光栅；
所述射程移位器，被配置为对束流能量进行调节；
所述脊型过滤器，被配置为对束流进行展宽；
所述多叶光栅，被配置为将均匀的扫描照射野截取束流方向上肿瘤靶体一致外形的照射野，从而达到靶体横向适形的作用。
第二方面，本发明还提供一种用于离子Flash治疗的方法，包括内容为：
采用快引出方式使得同步加速器引出束流到高能传输线；
基于快引出模式终端粒子数与同步加速器粒子数呈线性关系，通过治疗计划所需剂量计算出所需终端粒子数，再反向计算出所需同步加速器粒子数，以此调节同步加速器横向高频电场参数使部分束流损失，仅保留束流品质达标且为终端所需的粒子数，从而控制剂量不超出治疗计划允许的偏差。
进一步地，高能传输线的出射段设置有若干不同治疗形式的治疗室，高能传输线将束流导向各个治疗室的束流配送装置。
进一步地，高能传输线与治疗室之间通过设置扫描磁铁和束流调制装置实现常规重离子治疗；或者，高能传输线与治疗室之间可以设置双散射体和束流调制装置实现重离子Flash治疗。
本发明由于采取以下技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过控制同步加速器引出前的粒子数及粒子发射度来控制终端剂量的准确性及束流的品质，更好把控住QA环节，使治疗更安全有效；
2、本发明采用的双散射体展宽形成均匀野的方法，双散射体结构为机械结构，受外部因素影响的概率小，稳定性及可靠性强，使设备更稳定更安全；
3、本发明的离子Flash治疗装置可灵活配置不同治疗方法，可实现同一装置具备Flash治疗+调制扫描治疗+均匀扫描治疗等多种治疗头配置方案；亦可实现同一个治疗头同时配置Flash治疗和常规治疗；同时通过技术改进可以在原有扫描方式的基础上，增加Flash治疗的功能，使用方便；
4、本发明可以采用独特的重离子治疗装置，即重离子Flash治疗装置，但是不局限于重离子装置，只要是采用同步加速器作为主加速器的粒子治疗装置，如质子、氦离子等轻离子，或碳、氧、氖等重离子依然适用。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于显示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是现有技术中的重离子治疗原理及剂量分布图；
图2是现有技术中的重离子治疗装置及结构组成图；
图3是本发明实施例的用于离子Flash治疗的装置结构图；
图4是本发明实施例中引用的快脉冲磁铁及电源示意图。
图5是本发明实施例中双散射体结构示意图；
图6是本发明实施例中笔型束经过双散射体的剂量分布示意图；
图7是本发明实施例中含不同治疗头配置的重离子Flash治疗装置，包括1个治疗头配置Flash治疗和常规治疗的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
为了便于理解和阐述，首先对本发明实施例中的一些技术用语和功效进行解释和定义。
快引出：短时间内(通常是一个粒子回旋周期)将同步加速器储存的粒子全部引出，本发明利用快脉冲磁铁快速改变束流轨道，使单圈束流偏转到引出口引出到高能传输线。
慢引出：长时间(秒量级)将同步加速器储存的粒子均匀引出，将同步加速器的工作点设置在1.66附近，然后增加六极磁铁的强度使束流横向相空间发生畸变，再利用横向高频电场作用于束流，使其发射度增大，部分粒子经过偏转板间隙被偏转板偏转到引出口从而引出；随着横向高频电场的改变，粒子均匀引出到高能传输线并配送到终端。
被动扫描：被动式束流配送系统是对加速器引出的笔形束通过扫描磁铁使用预定的模式进行连续横向扫描，从而获得均匀的照射野。经横向展宽的离子束通过脊形过滤器将单能的尖锐Bragg峰在纵向进行展宽获得一定展宽的Bragg峰(SOBP)。横向上利用多叶光栅将束流截取与BEV方向肿瘤的投影外轮廓一致的照射野。为了不伤害肿瘤靶区后方的正常组织，使离子束停止在靶区后沿，还需要在体表增加补偿器。
调制扫描：其特点体现在利用笔形束实现对肿瘤靶区的分层逐点照射，横向上束斑的位置可以由扫描磁铁来控制，纵向上可以通过加速器主动变能的方式实现离子束能量的调节，扫描点在横向上和纵向上相互累加达到计划的剂量分布。该束流配送模式不但提高了靶区的适形度，而且不需要专门为患者制作个体化的补偿器和准直器，仅需要一个微型脊型过滤器进行小的能量展宽即可。
需要说明的是，本发明可以采用独特的重离子治疗装置，即重离子Flash治疗装置，该装置可实现Flash治疗+调制扫描治疗+均匀扫描治疗等多种治疗头配置方案，但是不局限于重离子装置，只要是采用同步加速器作为主加速器的粒子治疗装置，如质子、氦离子等轻离子或碳、氧、氖等重离子依然适用，在此不做限定。为了使得内容和原理阐述更清楚，本发明实施例以重离子Flash治疗装置进行说明。
重离子Flash治疗装置中，实现重离子Flash治疗的重点及难点是高剂量率、高剂量率下精确的剂量控制及均匀野的获取。本发明提供的重离子Flash治疗装置，同步加速器使用快引出方式将所需要的束流快速引出，经过高能传输线配送到各终端，通过双散射体装置使笔型束扩展为均匀野，再通过束流调制装置调节为治疗所需的不同深度、不同展宽、不同形状的射野到达靶区进行放射治疗。由于本发明采用快引出方法，放射治疗所需的剂量控制至关重要，本发明通过控制同步加速器加速后的粒子发射度及粒子数，在同步加速器束流引出之前，采用横向高频电场将束流发射度保持在同一水平(例如50pi)，将多余的粒子踢出50pi的范围；根据终端剂量需求，通过横向高频电场调节使同步加速器内部分束流损失，确保同步加速器内的粒子数引出到终端后与所需粒子数一致。
本发明实施例提供一种用于离子Flash治疗的方法，包括内容为：
采用快引出方式使得同步加速器引出束流到高能传输线；
基于终端粒子数与同步加速器粒子数呈线性关系，通过治疗计划所需剂量计算出所需终端粒子数，再反向计算出所需同步加速器粒子数，以此调节同步加速器横向高频电场参数使部分束流损失，仅保留束流品质达标且为终端所需的粒子数，控制剂量不超出治疗计划允许的偏差。
基于上述方法实现原理，本发明实施例还提供用于离子Flash治疗的装置，如图3所示的非限制性实施例中是在现有的重离子治疗装置结构基础上，在同步加速器4中增加了快脉冲磁铁7、束晕刮削器8、DCCT(直流变压器)9和激励10。
同步加速器4中激励10的横向高频电场通过对同步加速器加速后的循环束流施加一个幅度和频率可以调节的横向电场，使束流发射度增长。
快脉冲磁铁7，被配置为使同步加速器4束流轨道突然偏转到引出口引出到高能传输线5，以达到超高的剂量率及快速的放射治疗，实现束流快引出。Flash治疗要求在一个循环周期内引出所有粒子，所以快脉冲磁铁电源的上升速度要求小于粒子的最小循环周期，现有装置最大循环频率为3.9MHz，所以在现有装置上要求快脉冲磁铁7上升时间为t≤250ns，如图3所示，本实施例在高能传输线引出口前设置有快脉冲磁铁7。
束晕刮削器8，被配置为用于测量并调制同步加速器4内的粒子数及粒子发射度的探测器。通过固定束晕刮削器8位置，调节激励10参数，在激励横向高频电场作用下，发射度超过预设限值的粒子被束晕刮削器8刮除。
DCCT9，被配置为实时测量同步加速器内束流强度，并通过同步加速器流强计算得出同步加速器内的粒子数。
综上所述，本发明采用快引出方式使得同步加速器4引出效率固定，高能传输线传输效率固定，终端粒子数与同步加速器粒子数呈线性关系，通过治疗计划所需剂量计算出所需终端粒子数，再反向计算出所需同步加速器粒子数(束流强度)，以此调节同步加速器横向高频电场参数可以使部分束流损失，仅保留束流品质达标且为终端所需的粒子数，以此控制剂量不超出治疗计划允许的偏差。例如：治疗计划给出了治疗所需的物理剂量，而治疗前物理师先进行剂量标定，得出物理剂量与粒子数的比例系数，通过物理剂量即可计算出终端所需粒子数。假设治疗需要1E9粒子数，同步加速器4引出束流到此治疗头的总效率为80％，则可以计算出同步加速器所需粒子数为1E9/80％＝1.25E9，利用同步加速器粒子数计算公式及可反推出同步加速器所需束流强度。
本发明的一些实施例中，快脉冲磁铁7设备的实现原理为：CSR注入引出采用快脉冲磁铁，其中快引出使用快脉冲的指标最高，采用C型磁铁，快脉冲磁铁材料采用CMD005铁氧体，可以采用高频谐振法测出其响应频率，以希望铁氧体有足够响应频率保证磁场迅速上升，快脉冲磁铁参数如表1所示。如图4所示，磁铁脉冲电源包括网络形成(PFN)、高压部分(HV)、四极管放电油箱和负载连接及整个电源控制部分。脉冲重复率(PRR)要求为1100Hz，由四极管触发电路而定，四极管必须为耐高压(大于110kV)、高电流变化(dI/dt>80k A/μs)。控制部分是由RS触发电路产生脉冲控制开关四极管，从而对PEN在给定时间内充电到一定电压大小，充电时间可以通过脉冲电位大小来控制，同样控制脉冲延时在PFN传输所用时间来控制PFN通过四极管放电油箱，放电形成磁铁所需脉冲电流，快脉冲磁铁设备的具体结构为现有技术，不做赘述。
表1
参数 长度 平台 电阻 电流安匝 脉冲上升时间 偏转角 纹波
指标 0.5m 1μs 7Ω 7643AN 100ns 0.00564 0.005
参数 缝宽 磁场 脉冲下降时间 缝高 电压 电感
指标 20cm 1100Gs 100ns 8cm 100KV 1μH
本发明的一些实施例中，束晕刮削器8包括刮削板、运动控制装置及信号探测电子学，上述装置为现有技术，在此对其结构不做赘述。束晕刮削器的刮削板由一个机械驱动装置和带水冷的刮削板组成。对于刮削板,其测量范围为束流发射度一定宽度外的束晕部分，粒子密度很小，超出刮削器发射度运行范围内的部分均被刮削板挡住。调节控制同步环内粒子数时，通过调节激励的横向高频电场，逐步增大同步环内束流发射度，随着发射度增大，部分束流被刮束板挡住损失在同步环内，当束流损失到剩余粒子数为所需粒子数时，联锁信号切断激励输出，剩余粒子正常在同步加速器内循环，等待引出系统快速引出用于治疗。
本发明一些实施例中，DCCT9通过测量同步加速器4内束流的电流强度，计算出束流总电荷数，从而得出同步加速器内粒子数，计算公式如下所示：
DCCT测到电流I＝Q/t＝nZe/t
Figure BDA0002997251410000081
Figure BDA0002997251410000082
Figure BDA0002997251410000083
其中：L为同步加速器周长，m0c2为粒子静止能量，Ek为粒子动能，c为光速，Ze为粒子带电量。
本发明一些实施例中，高能传输线5上还可以设置有双散射体装置11和束流调节装置12。由于本发明采用快引出方式，使用双散射体装置11对笔型束进行横向扩展，使其形成均匀射野，再通过束流调制装置12调节为治疗所需的不同深度、不同展宽、不同靶区的射野进行放射治疗。
如图5和图6所示的非限制性实施例，双散射体装置11包括初级散射体111、补偿器112和次级散射体113。
初级散射体111采用厚度一致的高密度材料(例如铅或铜)，将呈高斯分布的笔型束进行散射，使笔型束在到达次级散射体之前束斑尺寸(半高宽)增大。
次级散射体113采用厚度分布不均匀的高密度材料，越靠近中心区域越厚，其散射也就越厉害，通过两次散射后束流在等中心平面处形成均匀射野。
由于次级散射体厚度不一致，导致到达等中心平面的束流能量不一致，所以在次级散射体113前增加低密度材质(例如铍或塑料)的补偿器112，补偿器112对束流散射作用微弱，补偿器112的水等效厚度与次级散射体113的水等效厚度相互补偿，使束流经过次级散射体后能量一致。经高端传输线出射的束流通过双散射体作用在等中心平面形成了能量相同的均匀射野。
在双散射体装置11与等中心之间安装束流调制装置12，对扩展后的束流进行能量调节和展宽，达到靶体横向适形。束流调制装置12包括射程移位器、脊型过滤器和多叶光栅。
射程移位器，被配置为对束流能量进行调节，射程移位器为被动降能装置，主要负责被动式治疗方式下(2D及2DLS治疗方式)降低束流能量、减少碳离子束在患者体内的射程，与补偿器配合使用实现对肿瘤靶体后沿的适形照射。
脊型过滤器，被配置为对束流进行展宽；脊形过滤器负责将加速器提供的单能碳离子束尖锐的Bragg峰进行深度方向的展宽，在2D治疗方式中，单能碳离子束Bragg峰展宽成与肿瘤厚度接近的，生物剂量均匀分布的展宽Bragg峰(SOBP)，在2DLS及3DSS治疗方式中，单能碳离子束Bragg峰展宽成峰区近高斯分布的微小展宽峰(mini-SOBP)。
多叶光栅，被配置为将均匀的扫描照射野截取束流方向上肿瘤靶体一致外形的照射野，从而达到靶体横向适形的作用，多叶光栅为横向适形设备，在2D及2DLS治疗方式中将均匀的扫描照射野截取束流方向(BEV)上肿瘤靶体一致外形的照射野，从而达到靶体横向适形的作用。
本发明一些实施例中，高能传输线5为将束流导向各个治疗室的束流配送装置，高能传输线的出射段可以设置有若干不同治疗形式的治疗室，例如高能传输线与治疗室之间通过设置常规扫描铁和束流调制装置实现重离子治疗，如图7所示的2#治疗室，或者高能传输线与治疗室之间设置双散射体和束流调制装置实现重离子Flash治疗等，可以根据实际需要进行设置，在此不做限定。由于重离子治疗装置的主体设备并无改变，慢引出设备及快引出设备相对独立工作，原有的用于慢引出的设备还继续保留，所以原则上常规重离子治疗和重离子Flash治疗在同一装置上是可以实现的。如图7所示为不同终端配置的重离子Flash治疗装置，其中1#治疗室为重离子Flash治疗头，2#治疗室为重离子Flash+常规治疗治疗头，3#治疗室为常规重离子治疗头，其他甚至更多治疗室可根据具体需求配备不同治疗头，只需使用不同治疗头治疗时设置不同工种模式即可。
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 (10)

1.一种用于离子Flash治疗的装置，包括同步加速器，其特征在于，所述同步加速器中还设置有：
快脉冲磁铁，被配置为使所述同步加速器束流轨道突然偏转到引出口引出到高能传输线，实现束流快引出；
DCCT，被配置为实时测量同步加速器内束流强度，通过同步加速器束流强度计算得出同步加速器内的粒子数；
束晕刮削器，被配置为用于调制同步加速器内的粒子数及粒子发射度。
2.根据权利要求1所述的用于离子Flash治疗的装置，其特征在于，高能传输线上还设置有双散射体装置和束流调节装置；
所述双散射体被配置为对笔型束进行横向扩展，使其形成均匀射野；
所述束流调节装置，设置在所述双散射体装置与等中心之间，被配置为对扩展后的束流均匀射野进行调节和纵向展宽，达到靶体适形。
3.根据权利要求2所述的用于离子Flash治疗的装置，其特征在于，所述双散射体装置包括初级散射体和次级散射体；
所述初级散射体采用厚度一致的高密度材料，将呈高斯分布的笔型束进行散射，使笔型束在到达次级散射体之前束斑尺寸增大；
所述次级散射体采用厚度分布不均匀的高密度材料，越靠近中心区域越厚，其散射越厉害，通过两次散射后束流在等中心平面处形成均匀射野。
4.根据权利要求3所述的用于离子Flash治疗的装置，其特征在于，在所述次级散射体前配置低密度材质的补偿器，被配置为对束流射程进行调节，其对束流的散射作用微弱。
5.根据权利要求1到4任一项所述的用于离子Flash治疗的装置，其特征在于，所述高能传输线的出射段设置有若干不同治疗形式的治疗室，所述高能传输线为将束流导向各个治疗室的束流配送装置。
6.根据权利要求5所述的用于离子Flash治疗的装置，其特征在于，所述高能传输线与治疗室之间通过设置扫描磁铁和束流调制装置实现常规重离子治疗，和/或高能传输线与治疗室之间设置双散射体和束流调制装置实现重离子Flash治疗。
7.根据权利要求2所述的用于离子Flash治疗的装置，其特征在于，所述束流调节装置包括射程移位器、脊型过滤器和多叶光栅；
所述射程移位器，被配置为对束流能量进行调节；
所述脊型过滤器，被配置为对束流进行展宽；
所述多叶光栅，被配置为将均匀的扫描照射野截取束流方向上肿瘤靶体一致外形的照射野，从而达到靶体横向适形的作用。
8.一种用于离子Flash治疗的方法，其特征在于包括内容为：
采用快引出方式使得同步加速器引出束流到高能传输线；
基于终端粒子数与同步加速器粒子数呈线性关系，通过治疗计划所需剂量计算出所需终端粒子数，再反向计算出所需同步加速器粒子数，以此调节同步加速器横向高频电场参数使部分束流损失，仅保留束流品质达标且为终端所需的粒子数，从而控制剂量不超出治疗计划允许的偏差。
9.根据权利要求8所述的用于离子Flash治疗的装置的应用方法，其特征在于，高能传输线的出射段设置有若干不同治疗形式的治疗室，高能传输线将束流导向各个治疗室的束流配送装置。
10.根据权利要求9所述的用于离子Flash治疗的装置的应用方法，其特征在于，高能传输线与治疗室之间通过设置扫描磁铁和束流调制装置实现重离子治疗；或者，高能传输线与治疗室之间可以设置双散射体和束流调制装置实现重离子Flash治疗。
CN202110333478.6A 2021-03-29 2021-03-29 一种用于离子Flash治疗的装置及方法 Active CN113082551B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110333478.6A CN113082551B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种用于离子Flash治疗的装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110333478.6A CN113082551B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种用于离子Flash治疗的装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113082551A true CN113082551A (zh) 2021-07-09
CN113082551B CN113082551B (zh) 2023-03-24

Family

ID=76670409

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110333478.6A Active CN113082551B (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种用于离子Flash治疗的装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113082551B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114452550A (zh) * 2022-01-27 2022-05-10 兰州科近泰基新技术有限责任公司 一种用于离子Flash治疗的束流配送系统及方法
CN115220080A (zh) * 2022-06-29 2022-10-21 华中科技大学 一种粒子治疗中在线剂量监测方法及系统
CN115999077A (zh) * 2022-12-16 2023-04-25 北京核力同创科技有限公司 一种用于多室的Flash质子治疗的辐射安全联锁方法和系统

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005014241A (ja) * 2003-06-23 2005-01-20 Yyl:Kk サンプルの劈開を利用した加工方法と装置
CN101199425A (zh) * 2006-12-12 2008-06-18 中国科学院近代物理研究所 重离子束对肿瘤靶区的三维适形照射装置
US20090184263A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-23 Kunio Moriyama Charged Particle Beam Irradiation System
US20090195194A1 (en) * 2005-04-27 2009-08-06 Inter-University Research Institute Corporation High Energy Accelerator Research Organization All-ion accelerator and control method of the same
US20090309040A1 (en) * 2008-05-22 2009-12-17 Dr. Vladmir Balakin Charged particle beam acceleration and extraction method and apparatus used in conjunction with a charged particle cancer therapy system
US20090314961A1 (en) * 2008-05-22 2009-12-24 Dr. Vladimir Balakin Method and apparatus for intensity control of a charged particle beam extracted from a synchrotron
US20100213394A1 (en) * 2009-02-24 2010-08-26 Johannes Fieres Optimization of control parameters for a particle irradiation system
CN104812443A (zh) * 2012-09-28 2015-07-29 梅维昂医疗系统股份有限公司 控制粒子治疗
CN105288871A (zh) * 2015-11-06 2016-02-03 上海艾普强粒子设备有限公司 一种粒子照射装置和粒子治疗系统
US20160193482A1 (en) * 2013-09-11 2016-07-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Arrays of accelerating structures and rapid imaging for facilitating rapid radiation therapies
CN106669048A (zh) * 2015-11-11 2017-05-17 三菱电机株式会社 粒子射线照射装置
CN108939317A (zh) * 2018-05-22 2018-12-07 惠州离子科学研究中心 同步加速器单周期多步主动变能慢引出方法
CN112367758A (zh) * 2020-12-15 2021-02-12 兰州科近泰基新技术有限责任公司 强流重离子加速器装置快脉冲磁铁叠压方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005014241A (ja) * 2003-06-23 2005-01-20 Yyl:Kk サンプルの劈開を利用した加工方法と装置
US20090195194A1 (en) * 2005-04-27 2009-08-06 Inter-University Research Institute Corporation High Energy Accelerator Research Organization All-ion accelerator and control method of the same
CN101199425A (zh) * 2006-12-12 2008-06-18 中国科学院近代物理研究所 重离子束对肿瘤靶区的三维适形照射装置
US20090184263A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-23 Kunio Moriyama Charged Particle Beam Irradiation System
US20090309040A1 (en) * 2008-05-22 2009-12-17 Dr. Vladmir Balakin Charged particle beam acceleration and extraction method and apparatus used in conjunction with a charged particle cancer therapy system
US20090314961A1 (en) * 2008-05-22 2009-12-24 Dr. Vladimir Balakin Method and apparatus for intensity control of a charged particle beam extracted from a synchrotron
US20100213394A1 (en) * 2009-02-24 2010-08-26 Johannes Fieres Optimization of control parameters for a particle irradiation system
CN104812443A (zh) * 2012-09-28 2015-07-29 梅维昂医疗系统股份有限公司 控制粒子治疗
US20160193482A1 (en) * 2013-09-11 2016-07-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Arrays of accelerating structures and rapid imaging for facilitating rapid radiation therapies
CN105288871A (zh) * 2015-11-06 2016-02-03 上海艾普强粒子设备有限公司 一种粒子照射装置和粒子治疗系统
CN106669048A (zh) * 2015-11-11 2017-05-17 三菱电机株式会社 粒子射线照射装置
CN108939317A (zh) * 2018-05-22 2018-12-07 惠州离子科学研究中心 同步加速器单周期多步主动变能慢引出方法
CN112367758A (zh) * 2020-12-15 2021-02-12 兰州科近泰基新技术有限责任公司 强流重离子加速器装置快脉冲磁铁叠压方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114452550A (zh) * 2022-01-27 2022-05-10 兰州科近泰基新技术有限责任公司 一种用于离子Flash治疗的束流配送系统及方法
CN114452550B (zh) * 2022-01-27 2022-11-15 兰州科近泰基新技术有限责任公司 一种用于离子Flash治疗的束流配送系统
CN115220080A (zh) * 2022-06-29 2022-10-21 华中科技大学 一种粒子治疗中在线剂量监测方法及系统
CN115999077A (zh) * 2022-12-16 2023-04-25 北京核力同创科技有限公司 一种用于多室的Flash质子治疗的辐射安全联锁方法和系统
CN115999077B (zh) * 2022-12-16 2023-09-19 北京核力同创科技有限公司 一种用于多室的Flash质子治疗的辐射安全联锁方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113082551B (zh) 2023-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110582326B (zh) 粒子束枪控制
CN113082551B (zh) 一种用于离子Flash治疗的装置及方法
US10576303B2 (en) Methods and systems for beam intensity-modulation to facilitate rapid radiation therapies
US11260246B2 (en) Apparatus and methods for magnetic control of radiation electron beam
US8154001B2 (en) Ion radiation therapy system with variable beam resolution
EP2823501B1 (en) Pluridirectional very high electron energy radiation therapy systems
JP6256974B2 (ja) 荷電粒子ビームシステム
US20080290299A1 (en) Particle therapy system
US10076675B2 (en) Beam delivery system for proton therapy for laser-accelerated protons
WO2015102681A2 (en) Methods and systems for rf power generation and distribution to facilitate rapid radiation therapies
Arduini et al. Physical specifications of clinical proton beams from a synchrotron
US20220331610A1 (en) System for radiation therapy
CN114452550B (zh) 一种用于离子Flash治疗的束流配送系统
US20200246633A1 (en) Deuteron therapy
US20220387824A1 (en) Device For Ultra-High Dose Rate Radiation Treatment
CN116407777A (zh) 闪光放疗装置及闪光放疗设备
Schippers et al. Fast scanning techniques for cancer therapy with hadrons–a domain of cyclotrons
Noda et al. HIMAC and new facility design for wide spread use of carbon cancer therapy
EP2852435A1 (en) A radiation dose control device for controlling an electron beam pulse delivered during iort
Schippers et al. Beam intensity stability of a 250 MeV SC cyclotron equipped with an internal cold-cathode ion source
Klimpki et al. A real-time beam monitoring system for highly dynamic irradiations in scanned proton therapy: Derivation of safety tolerances
Ilić et al. The way to improve conformity of proton therapy
Mallick Proton Therapy
Flinton et al. MEGAVOLTAGE EQUIPMENT
Minnaar The first two electron linear accelerators in South Africa

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant