CN113144443A - 一种双源质子治疗系统及治疗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双源质子治疗系统及控制方法，属于生物（医疗）技术领域，该系统特点：在第一加速器10和第二加速器20之间设有一套用于实现消色差传输束流的公共束流线、以及相应的治疗控制系统，该公共束流线以及治疗控制系统用于将原有独立的两套质子治疗系统有机融合在一起。该方法特点：实现加速器和治疗室的组合配对；配对后，下载这一组束流线的磁铁电流参数、控制当前束流线的走向，同时，治疗室向其加速器提出流强控制请求；该磁铁电流参数为对应当前治疗室能量、且和当前降能器降能数值相匹配的电流参数；加速器对当前治疗室提供所需要的能量和流强。本发明将两套独立治疗系统，既能互为备份，又能交叉供束，为真正意义的有机融合。

Description

一种双源质子治疗系统及治疗控制方法

技术领域

本发明属于生物（医疗）技术领域，具体涉及一种双源质子治疗系统及治疗控制方法。

背景技术

目前我国的癌症发病率越来越高，已经成为危害我国人民健康的最大杀手之一，通常的治疗方式有手术、伽马刀、质子/重离子治疗等。

质子/重离子治疗主要利用加速器产生一定能量的质子/重离子束，通过各电磁元件将束流传输到靶区，轰击肿瘤细胞，达到治疗的效果。由于质子在物质中有尖锐的Bragg峰，即其能量将最大限度的损失在癌变位置，因此可以在杀死癌变细胞的同时最大程度的保护正常组织，这使得质子治疗成为目前国际上最先进的恶性肿瘤治疗手段之一，也是目前国际上流行的治疗手段之一。质子治疗系统通常由加速器、能量选择及束流传输系统、旋转或固定治疗舱等主要子系统构成。国际上目前常见的质子治疗系统多为一台加速器配备1~2个固定治疗室及3~4个旋转治疗舱以提高使用效率。

由于这种高端医疗设备非常复杂，一个设备要装在多个房间内，一个配套系统绝不是一个柜子可以装下的、而是要装在几个楼里面。由于是一个非常复杂的系统，免不了有损坏的时候，或者即便没有损坏但每年要有定期检修，假设一个单源质子治疗系统工作时（单源就是一个加速器只能为其自身服务的治疗室供束，而不能为其它治疗室供束），第一加速器10配置的11、12、13任何一个治疗设备损坏时，第一加速器10还可以继续为11、12、13中没有损坏的设备供束而不会影响治疗，因为11、12、13各个设备之间是互为备份的，但是，当检修第一加速器10时，由于第一加速器10是为所有治疗室提供束流的设备，检修第一加速器10时其它设备就必须停下来，那么整套质子治疗系统就不能工作了。尽管这种高端医疗设备损坏的情况无法控制，但因为设备坏了就停止给患者治病是绝对不允许的。作为医院，治疗设备的高可靠性是最重要、是第一要素、永远摆在第一位。

为了解决单源系统高可靠性不足的问题，可以采用双源质子治疗系统、将两套系统互为备份：当第一加速器10损坏时，可以用另外一套系统的第二加速器20继续为前一个系统的治疗室11、12、13供束。从而保证高可靠性。

但是，实现双源质子治疗系统的难度很大。难点在于：两个单源质子治疗系统合在一起，由原来独立运行时只需要满足自身一套系统的消色差约束条件，改为要满足两套系统的消色差制约条件。进一步地，难点在于：要满足匹配两套系统的消色差制约条件，就要设计一条兼顾独立系统和跨系统的公共束流线（新的公共束流线），而这条新的公共束流线，在前半段公共束流线和后面治疗室束流线已固定的情况下，要把两者连接起来，且达到整体上消色差的目的，由于约束条件太多，匹配比较难。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种双源质子治疗系统及治疗控制方法，目的在于解决现有技术单源质子治疗系统只能满足一种消色差约束条件、而不能满足两套消色差约束条件，以及两套单源质子治疗系统不能相互融合或迅速切换的问题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：

一种双源质子治疗系统 ，包括两套可独立使用的质子治疗单元，该两套可独立使用的质子治疗单元包括第一加速器10、以及第一加速器10配置的多个治疗室和相关配套设备，第二加速器20、以及第二加速器20配置的多个治疗室和相关配套设备，分别由质子束流线将第一加速器10、以及第一加速器10配置的多个治疗室连接起来，并且将第二加速器20、以及第二加速器20配置的多个治疗室连接起来；其特征在于：在第一加速器10和第二加速器20之间设有一套用于实现消色差传输束流的公共束流线、以及相应的治疗控制系统，该公共束流线以及治疗控制系统用于将原有独立的两套质子治疗系统有机融合在一起，每台加速器产生的质子束流，不仅能够传输到其自身所在的质子治疗单元中，也可以传输到另一台质子治疗单元中。

所述公共束流线由相向而设的两条消色差束流传输线交叉而成，这两条均为对称性消色差束流传输线，它们各自的一端连接到自身质子治疗单元加速器束流引出口，另一端连接到另一个质子治疗单元的束流线交叉点，该交叉点为另一个质子治疗单元多个治疗室束流线的汇聚点；

所述对称性消色差束流传输线，它们各自分为前半段和后半段，该前半段包括降能器、能量选择系统部分元件、磁铁及相关传输元件，该降能器用于在治疗室治疗前将加速器引出的束流能量降低到治疗室所需的能量；该后半段用于同时实现束流偏转和消色差，包括偏转磁铁及四极透镜等对称性消色差磁铁单元：后半段当第一加速器10或第二加速器20出现故障或正常维修时，需要第一加速器10为第二加速器20的治疗室供束，或第二加速器20为第一加速器10的治疗室供束，此时从第一加速器10到第二加速器20配置的多个治疗室实现消色差束流传输、或者从第二加速器20到第一加速器10配置的多个治疗室实现消色差束流传输，消色差束流传输的束流品质，要求和原有的从第一加速器10到第一加速器10配置的多个治疗室或第二加速器20到第二加速器20配置的多个治疗室的消色差束流传输的束流品质一致，所述束流品质包括束斑大小、发散角、能散度。

所述前半段为保证自身质子治疗单元从加速器向治疗室的供束，其束流传输线的磁铁及相关传输元件在后半段的消色差过程中是不能改变的、但磁场或电流通过所述治疗控制系统能够适当改变；所述后半段实现消色差，是在前半段硬件不变情况下，通过调整前半段各个磁铁的电流，辅助后半段实现消色差、束流包络控制及能量选择。

所述双源质子治疗系统由两台质子加速器： 所述第一加速器10配置的多个治疗室包括旋转治疗舱11、旋转治疗舱12、固定治疗室13；所述第二加速器20配置的多个治疗室包括旋转治疗舱21、旋转治疗舱22、固定治疗室33；所述相关配套设备包括各自的通用工程配套设备、以及各自的束流调试靶，该各自通用工程配套设备包括水冷设备、电源设备。

所述的治疗控制系统包括：两套独立的治疗控制子系统、两套独立的加速器控制子系统、两套独立的束流线控制子系统、共用一个加速器和治疗室配对模块、共用一个治疗室对加速器流强控制模块、共用一个公共端束流线仲裁模块， 所述两套独立的束流线控制子系统，既包含当前束流线控制子系统为其自身的质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，也包含当前束流线控制子系统通过新的公共束流线为另外一个质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，再通过公共模块，可使得原来独立的两个子系统实现融合，实现双源质子治疗系统加速器和束流线的组合控制；所述新的公共束流线是相对于另外一个质子治疗单元的新的公共束流线；所述通过新的公共束流线为另外一个质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，既包括新的公共束流线上的磁铁电源参数，也包括另外一个质子治疗单元的多个治疗室束流线交叉点开始的多个分支束流线上的磁铁电源参数。

所述两套独立的治疗控制子系统、两套独立的加速器控制子系统、两套独立的束流线控制子系统分别布设在控制室102、控制室202中；所述共用一个加速器和治疗室配对模块、共用一个治疗室对加速器流强控制模块、共用一个公共端束流线仲裁模块， 这三个模块均为公共模块，可以单独布设，也可以布设在控制室102中、或者布设在控制室202中；

该共用一个加速器和治疗室配对模块，向上分别连接两套独立的治疗控制子系统，向下连接共用的治疗室对加速器流强控制模块；该公共端束流线仲裁模块，向上连接共用的加速器和治疗室配对模块、向下分别连接两套独立的束流线控制子系统；该共用的治疗室对加速器流强控制模块，向上连接共用的加速器和治疗室配对模块、向下分别连接两套独立的加速器控制子系统；

所述的治疗控制子系统用于治疗时发出束流申请；所述的加速器控制子系统用于控制加速器的运行和束流的引出；所述束流线控制子系统用于控制束流线上磁铁电流、根据配对结果下载相应束流线的磁铁电流参数，还用于加载磁铁电流参数、根据参数值对束流线加载电流，启动降能器工作；所述共用一个的加速器和治疗室配对模块，用于将当前请求供束的治疗室和加速器配对；所述共用一个的治疗室对加速器流强控制模块，用于启动配对后的治疗室对加速器的流强请求以及加速器对治疗室的流强分配；所述共用一个的公共端束流线仲裁模块，用于第一加速器10、第二加速器20在同一时刻给同一个方向的不同治疗室供束时，对公共端束流线进行仲裁使用。

一种双源质子治疗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、实现加速器和治疗室的组合配对；

步骤二、配对完成后，下载这一组束流线的磁铁电流参数、用以控制当前束流线的走向，同时，配对完成后的治疗室向其加速器提出流强控制请求；该磁铁电流参数为对应当前治疗室能量、且和当前降能器降能数值相匹配的电流参数；

步骤三、加速器对当前治疗室提供所需要的能量和流强。

所述步骤一实现加速器和治疗室的组合配对，具体过程如下：

1）设定加速器和治疗室组合配对的四种方式：

2）根据四种方式进行相应的消色差磁铁单元设计；

3）判定请求供束的治疗室和哪个加速器配对；

所述组合配对的四种方式包括第一加速器10给第一加速器10配置的多个治疗室提供束流、第一加速器10给第二加速器20配置的多个治疗室提供束流、第二加速器20给第二加速器20配置的多个治疗室提供束流、第二加速器20给第一加速器10配置的多个治疗室提供束流。

所述过程3）的判定请求供束的治疗室和哪个加速器配对，具体过程如下：

、 某一时刻， 单向配对，第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗室供束、 或第二加速器20 向第一加速器10配置的多个治疗室供束；

、某一时刻，两器合用、交叉配对：第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗 室供束、同时第二加速器20也向第一加速器10配置的多个治疗室供束；

、某一时刻，两器并用、同方向配对：当两台加速器并用一条束流线、向同一个方 向的不同治疗室配对，采用公共端束流线仲裁方法，同一时刻只能让其中一台加速器供束。

所述步骤三的加速器对当前治疗室提供所需要的能量和流强，具体过程如下：

1）治疗控制系统启动当前束流线的降能器、和降能选择器工作；

2）治疗控制系统根据下载的磁铁电流参数值向当前束流线的消色差磁铁单元加载电流；

3）束流在当前消色差磁铁单元作用下，从加速器出口到达指定的消色差点，从而完成该阶段的消色差，所述指定的消色差点即：第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗室、或者第二加速器20向第一加速器10配置的多个治疗室供束时，以及第二加速器20配置的多个治疗室或者第一加速器10配置的多个治疗室分支束流线的汇集点。

所述过程

的具体环节如下：

a.第一加速器10配置的多个治疗室申请束流;

b.判断第一加速器10是否故障或者正常维修，如果第一加速器10发生故障，则判断第二加速器20是否空闲，如果不空闲，则第一加速器10配置的多个治疗室进入队列排队等待，如果空闲，则由第二加速器20为第一加速器10配置的多个治疗室供束；

c. 如果第一加速器10没有发生故障，则判断第一加速器10是否空闲，如果不空闲，则第一加速器10配置的多个治疗室进入队列排队等待，如果空闲，则由第一加速器10为第一加速器10配置的多个治疗室供束。

所述过程

的具体环节如下：

a. 第一加速器10配置的多个治疗室申请束流;

b. 判断第一加速器10是否故障或者正常维修，如果第一加速器10发生故障，则转入环节f;

c.如果第一加速器10没有发生故障，则判断第一加速器10是否空闲，如果不空闲，则转入环节e; 如果空闲，则继续过程d;

d.如果第一加速器10空闲，则进行公共端束流线仲裁，判断第一加速器10公共端资源是否被占用，如果被占用，则等待第二加速器20释放公共端资源，并返回环节b,如果第一加速器10公共端资源没被占用，则第一加速器10为第一加速器10配置的多个治疗室供束；

e.如果第一加速器10不空闲，则判断第一加速器10为10段供束还是为20段供束；如果第一加速器10为10段供束，则等待第一加速器10释放, 如果第一加速器10为20段供束，则继续环节f;

f.判断第二加速器20是否空闲，如果不空闲，则第一加速器10配置的多个治疗室进入20段队列排队等待，如果空闲，则由第二加速器20为第一加速器10配置的多个治疗室治疗室供束。

本发明的优点效果

1、本发明将前半段公共束流线和后半段消色差束流线进行有机组合，后半段消色差磁铁设计，既不能因为后半段消色差而影响前半段原有的束流系统供束，还要兼顾前半段硬件对后半段硬件的影响；前半段的设计既要保证原有束流线系统的正常供束，还要兼顾辅助后半段的消色差；由前半段和后半段组成的新的公共束流线，既实现了消色差束流传输、还达到了和原有的公共束流线的消色差束流传输的束流品质一致的效果。

2、本发明将跨系统公共束流线（新的束流线）和治疗控制系统有机结合，新的公共束流线作为治疗控制系统的基础、为治疗控制系统提供能量和流强组合配对的四种方式，治疗控制系统实现加速器到治疗室、治疗室到加速器随时随地的动态配对，并实现从当前独立系统束流线迅速切换到跨系统束流线、或从跨系统束流线迅速切换到独立系统束流线，并且控制降能器和线圈磁场能量的相互匹配、以及控制两套系统交叉供束时带来的公共束流线冲突的问题，通过跨系统公共束流线和治疗控制系统各个部分有机组合、相互支持和相互依赖，使得两套独立的治疗系统之间，既能够互为备份，又能够交叉供束，实现了真正意义的有机融合。解决了现有技术的单源质子治疗系统只能满足一种消色差约束条件、两套单源质子治疗系统不能互为备份或迅速切换的问题。

附图说明

图1为本发明双源质子治疗系统示意图；

图1-1为20段公共束流线和相对于20段的新的公共束流线示意图；

图1-2为10段公共束流线和相对于10段的新的公共束流线示意图；

图2为本发明双源质子治疗系统原理图一；

图2中：第一加速器10可单套自己独立使用，分别给治疗室11、12、13……供束，治疗病人；第二加速器20可单套自己独立使用，分别给治疗室21、22、23……供束，治疗病人；关键是中间这部分束流线和相应的治疗控制系统，使得两套原来独立的质子治疗系统，有机融合一起了。（所述治疗室11为旋转治疗舱11；所述治疗室12为旋转治疗舱12；所述治疗室13为固定治疗室13；所述治疗室21为旋转治疗舱21；所述治疗室22为旋转治疗舱22；所述治疗室23为固定治疗室23），

图3为本发明双源质子治疗系统原理图二；

图3中：单套独立使用时，图中从加速器到治疗室的3条通路（即束流线），要实现消色差的束流传输；

图4为本发明双源质子治疗系统原理图三；

图4中，通常说来，21、22、23各个治疗室的束流线是一致的、周期性重复的单元，消色差的匹配和相应的束流传输的控制都较易实现。就是说，前面从第二加速器20出来，有一段公共束流线，该公共束流线如图4右侧带箭头的曲线所示，后面所接的是治疗室束流线，治疗室束流线是一样的。

图5为本发明双源质子治疗系统原理图四；

图5中，当第二加速器20故障或正常的维修周期时，需要第一加速器10为21、22、23……供束，这时，假设要从第一加速器10到21实现消色差传输束流，即从新的公共束流线传输到交叉点的束流品质（束斑大小、发散角、能散度等），要求和原有的公共束流线一致。

图6为本发明双源质子治疗系统原理图五；

图6中，新的公共束流线的前半段，因为要保证从第一加速器10到11、12、13……的供束，其束流传输线的磁铁等传输元件，是不能变动的。当第二加速器20故障或正常的维修周期时，需要第一加速器10为21、22、23供束，这时，假设要从第一加速器10到21实现消色差传输束流，即从新的公共束流线传输到交叉点的束流品质（束斑大小、发散角、能散度等），要求和原有的公共束流线一致。

图6-1为图6中新的公共束流线放大图；

图6-2为束流线元器件示意图；

图7 为加速器和治疗室组合配对四种方式；

图8为治疗室和加速器的双向流强控制四种方式；

图9 为治疗控制系统功能模块；

图10 为第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗室、或第二加速器20向第一加速器10配置的多个治疗室单向配对（供束）流程图；

图11 为第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗室、或第二加速器20向第一加速器10配置的多个治疗室双向配对（供束）示意图；

图12 为同一个时刻，第一加速器10、第二加速器20共用一段束流线示意图；

图13-1：为第一加速器10公共束流线上的能量选择系统；

图13-2：为第一加速器10新的公共束流线上的能量选择系统；

图13-3：为第二加速器20公共束流线上的能量选择系统；

图13-4：为第二加速器20新的公共束流线上的能量选择系统；

图13-5：为某一时刻第二加速器20和第一加速器10交叉供束示意图；

图中，10：第一加速器；101：交叉点；102：控制室；103：束流调试靶； 11：旋转治疗舱；12：旋转治疗舱；13：固定治疗室； 20：第二加速器； 201：交叉点；202：控制室；203：束流调试靶； 21：旋转治疗舱；22：旋转治疗舱；23：固定治疗室； 3：束流线系统；310：相对于20段的新的公共束流线；320：相对于10段的新的公共束流线；图6-1-6-2的元件说明：Q1~Q2：四极透镜，用于聚焦（即聚焦磁铁）；BPM2：诊断元件；ESS：降能器；Q3~Q5：四极透镜，用于聚焦（即聚焦磁铁）；SXY2：导向磁铁（用于矫正束流至中心轨道上）；C2：准直器；B1：偏转磁铁；Q7~Q9：四极透镜，用于聚焦（即聚焦磁铁）；B2：偏转磁铁；Q10~Q11：四极透镜，用于聚焦（即聚焦磁铁）；C4：准直器；SXY3：导向磁铁（用于矫正束流至中心轨道上；Q12：四极透镜，用于聚焦（即聚焦磁铁）；B5：偏转磁铁； Q：四极透镜，C：准直器；B：偏转磁铁；ESS：均为降能器；SX：导向磁铁；SY：导向磁铁。

具体实施方式

本发明设计原理

1、本发明设计难点：如图6-1、图6-2所示，设计难点在于：新的公共束流线，在前半段公共束流线和后面治疗室束流线已固定的情况下，要把两者连接起来，且达到整体上消色差的目的，由于两端固定，约束条件太多，匹配比较难。所述约束条件太多，从图6-1、图6-2看出，束流线系统上的元器件密密麻麻。前半段的元器件很多，后半段所连接的治疗室的元器件也很多，新的公共束流线的后半段要把两者连接起来而且达到和第二加速器20为21、22、23消色差供束时一样的品质，就要考虑诸多元器件之间的匹配，所以非常难。本发明只是提出一个设计思路，至于新的公共束流线后半段的各个元器件参数究竟和前半段公共束流线的元器件、以及和后半段治疗室束流线元器件如何匹配才能达到原来消色差的效果，要看应用现场的实际情况，加速器不同、治疗室能量不同就会有不同的匹配方法，具体问题具体对待，没有一个统一的参数配置。本发明只是提出一种设计思路。

2、公共束流线设计原理。新的公共束流线如图1、图1-1、如图6、图6-1所示，从第一加速器10到交叉点201（也称作消色差点）是20段（21、22、23简称20段，11、12、13简称10段）的第2条公共束流线线，对于20段是新的公共线。20段的第1条公共线如图1-1所示，和第2条公共线的区别在于：第1条公共线只满足自身为20段消色差传输束流的约束条件。如图6-1所示，第2条公共线分为前半段和后半段，前半段物理上和10段并在一起共用，后半段物理上分叉、分开使用。所述并在一起共用，是指第一加速器10为治疗室11,12，13供束以及第一加速器10为治疗室21、22、23供束时共用前半段的硬件（所述治疗室11为旋转治疗舱11；所述治疗室12为旋转治疗舱12；所述治疗室13为固定治疗室13；所述治疗室21为旋转治疗舱21；所述治疗室22为旋转治疗舱22；所述治疗室23为固定治疗室23），但是前半段的硬件设计只满足第一加速器10为治疗室11,12，13供束的消色差的约束条件，当第一加速器10为治疗室21、22、23供束时，由于共用了前半段的硬件，所以从后半段的控制系统设计上要和前半段进行融合，所述的融合手段就是当第一加速器10为治疗室21、22、23供束时，虽然前半段硬件不变，但是可以少量改变磁场电流。分前半段和后半段的第一目的是当第一加速器10为治疗室21、22、23供束时，如图6-1所示，第一加速器10到交叉点201的约束条件拆分为共用部分和独立部分，共用部分放在前半段，独立部分放在后半段。束流线实现消色差的约束条件包括四个：具有复杂形状和位置的磁铁单元、与磁铁单元能量匹配的磁铁电流、与当前磁铁电流相匹配的降能器、能量选择系统。所述独立部分放在后半段,是指第一加速器10为治疗室21、22、23供束，或者第二加速器20为治疗室11、12、13时，对消色差起到主导作用的硬件、也就是具有复杂形状和位置的磁铁单元放在后半段；所述共用部分放在前半段，是指消色差四个条件中的降能器、部分聚焦磁铁是共用的,所以把降能器、部分聚焦磁铁放在第一加速器10到交叉点束流线的前半段。所述降能器、部分聚焦磁铁共用，是指第一加速器10为治疗室11、12、13供束时，共用公共束流线前半段的降能器、部分聚焦磁铁。分前半段和后半段的第二目的是当第一加速器10为治疗室11、12、13供束时，只占用该条公共束流线的前半段，独立部分也就是硬件部分放在前半段。分前半段和后半段的第三目的是：当第一加速器10为治疗室21、22、23供束，虽然硬件部分是独立的、放在后半段，但此时前半段和后半段的硬件合在一起使用，所不同的是，此时前半段的硬件是不能改变的，也就是前半段的硬件设计要满足第一加速器10为治疗室11、12、13供束的消色差条件，此时后半段硬件作为第一加速器10为治疗室21、22、23供束消色差的主要部分，前半段通过改变其磁铁电流作为后半段消色差的辅助手段。

3、公共束流线和控制系统相结合的设计原理。第一加速器10到交叉点、以及第二加速器20到交叉点的两条公共束流线的设计，为控制系统提供了基础条件，如果没有这两条公共束流线作为基础，控制系统就是无源之水、无本之木。如果没有控制系统作为连接手段，就不能把两个独立系统有机融合在一起，它们是相辅相成、相互依存的关系。控制系统把两个独立系统有机融合在一起采用的方法是：第一，实现从第一加速器10到治疗室21、22、23的配对：由于治疗室的请求是随机的，加速器的运行状况也是随机的，实现随机配对必须依靠控制系统，此为控制系统将两个独立系统融合手段之一，第二，下载从第一加速器10到治疗室21、22、23供束的能量电流值、并进行治疗室21、22、23到第一加速器10的流强的配对，此为控制系统将两个独立系统融合手段之二；第三，实现从第一加速器10到治疗室21、22、23束流线上的降能器和电流值的匹配：如果磁铁能量小于降能器能量，或进入磁铁线圈的束团能量大于磁铁的聚焦能量，则束流能量很快就丢掉了；如果磁铁能量大于降能器能量，或进入磁铁线圈的束团能量小于磁铁的能量，则进入磁铁线圈的束团就会发散。本发明控制系统控制从第一加速器10到治疗室21、22、23束流线上的降能器和电流值相匹配，此为控制系统将两个独立系统融合手段之三。

针对以上发明原理，本发明设计了一种双源质子治疗系统，

如图1、图1-1、图1-2、图2、图3、图4、图5、图6、图6-1、图6-2所示， 一种双源质子治疗系统 ，包括两套可独立使用的质子治疗单元，该两套可独立使用的质子治疗单元包括第一加速器10、以及第一加速器10配置的多个治疗室和相关配套设备，第二加速器20、以及第二加速器20配置的多个治疗室和相关配套设备，分别由质子束流线将第一加速器10、以及第一加速器10配置的多个治疗室连接起来，并且将第二加速器20、以及第二加速器20配置的多个治疗室连接起来；该两套可独立使用的质子治疗单元相向而设，且在同一时刻，两套治疗系统可以分别独立工作，也可互为备份；

其特征在于：在第一加速器10和第二加速器20之间设有一套用于实现消色差传输束流的公共束流线、以及相应的治疗控制系统，该公共束流线以及治疗控制系统用于将原有独立的两套质子治疗系统有机融合在一起，每台加速器产生的质子束流，不仅能够传输到其自身所在的质子治疗单元中，也可以传输到另一台质子治疗单元中。

所述公共束流线由相向而设的两条消色差束流传输线交叉而成，这两条均为对称性消色差束流传输线，它们各自的一端连接到自身质子治疗单元加速器束流引出口，另一端连接到另一个质子治疗单元的束流线交叉点，该交叉点为另一个质子治疗单元多个治疗室束流线的汇聚点。

所述对称性消色差束流传输线，它们各自分为前半段和后半段，该前半段包括降能器、能量选择系统部分元件、磁铁及相关传输元件，该降能器用于在治疗室治疗前将加速器引出的束流能量降低到治疗室所需的能量；该后半段用于同时实现束流偏转和消色差，包括偏转磁铁及四极透镜等对称性消色差磁铁单元： 后半段当第一加速器10或第二加速器20出现故障或正常维修时，需要第一加速器10为第二加速器20的治疗室供束，或第二加速器20为第一加速器10的治疗室供束，此时从第一加速器10到第二加速器20配置的多个治疗室实现消色差束流传输、或者从第二加速器20到第一加速器10配置的多个治疗室实现消色差束流传输，消色差束流传输的束流品质，要求和原有的从第一加速器10到第一加速器10配置的多个治疗室或第二加速器20到第二加速器20配置的多个治疗室的消色差束流传输的束流品质一致，所述束流品质包括束斑大小、发散角、能散度。

补充说明：

1、色差是由于磁场对不同能量的束流的偏转作用不同而产生的。高能量的束流更不容易被磁场偏转，所以在现有回旋加速器中，不同能量的束流轨道是不同的。消色差就是消除由于束流偏转及束流能散带来的束流的横向包络的增大。质子治疗要求最终传输到病灶上的束流束斑与其能散无关，即整个系统色散项为0，也就是束流轨道在每个周期性磁铁组件出口、入口的位置与束流能量无关，或者说不同能量的束流在每个周期性磁铁组件出口、入口的位置合并为同一条轨道。本发明的设计就是通过新的公共束流线能够兼顾两套消色差传输束流的约束条件的技术手段，实际上也就是如何兼顾两套元器件之间的匹配，所述两套元器件，一套元器件为第一加速器10为治疗室11、12、13供束的相关元器件，一套元器件为第一加速器10为治疗室21、22、23供束的相关元器件。

2、能量选择系统和降能器的关系：能量选择系统如图13-1、13-2、13-3、13-4所示，从降能器ESS开始往下都属于能量选择系统。整个能量选择系统包含降能器、偏转磁铁、聚焦磁铁、准直器等。其中降能器通过石墨等材料阻拦束流，将束流的能量降至治疗室所需的能量，但该降能的过程必然带来束流能散的增大。该大能散束流通过偏转磁铁偏转后，不同能量的束流在横向将被分开，此时用准直器卡掉不需要的能量的束流，将得到小能散的所需要的束流。

如图6、图6-1、图6-2所示，所述前半段为保证自身质子治疗单元从加速器向治疗室的供束，其束流传输线的磁铁及相关传输元件在后半段的消色差过程中是不能改变的、但磁场或电流通过所述治疗控制系统能够适当改变；所述后半段实现消色差，是在前半段硬件不变情况下，通过调整前半段各个磁铁的电流，辅助后半段实现消色差、束流包络控制及能量选择。

如图1所示， 所述第一加速器10配置的多个治疗室包括旋转治疗舱11、旋转治疗舱12、固定治疗室13；所述第二加速器20配置的多个治疗室包括旋转治疗舱21、旋转治疗舱22、固定治疗室33；所述相关配套设备包括各自的通用工程配套设备、以及各自的束流调试靶，该各自通用工程配套设备包括水冷设备、电源设备。

如图9所示，所述的治疗控制系统包括：两套独立的治疗控制子系统、两套独立的加速器控制子系统、两套独立的束流线控制子系统、共用一个加速器和治疗室配对模块、共用一个治疗室对加速器流强控制模块、共用一个公共端束流线仲裁模块；所述两套独立的束流线控制子系统，既包含当前束流线控制子系统为其自身的质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，也包含当前束流线控制子系统通过新的公共束流线为另外一个质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，再通过公共模块，可使得原来独立的两个子系统实现融合，实现双源质子治疗系统加速器和束流线的组合控制；所述新的公共束流线是相对于另外一个质子治疗单元的新的公共束流线；所述通过新的公共束流线为另外一个质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，既包括新的公共束流线上的磁铁电源参数，也包括另外一个质子治疗单元的多个治疗室束流线交叉点开始的多个分支束流线上的磁铁电源参数。

补充说明：

如图1所示，所述当前束流线控制子系统如图1中的102，所述新的公共束流线，如图1-1左边粗线勾勒的部分就是相对于20段的新的公共束流线；所述另外一个质子治疗单元的多个治疗室束流线交叉点开始的多个分支束流线上的磁铁电源参数，其交叉点如图1的201所示，所述交叉点开始的多个分支束流线就是从交叉点201开始通向21、22、23的三条分支束流线。所述磁铁电源参数，就是束流线上各个元器件的电流参数，该元器件的名称如图6-1、6-2所示。图6-1、6-2只是图1的局部放大图，所以图6-1、6-2的元器件也是一部分而不是全部。

当前束流线控制子系统102，其新的公共束流线上的磁铁电源参数、以及另外一个质子治疗单元的多个治疗室束流线交叉点开始的多个分支束流线上的磁铁电源参数，是通过上位机软件界面输入的，当前束流线控制子系统102得到这些参数后，控制对应的元器件上的电流值。

所述两套独立的治疗控制子系统、两套独立的加速器控制子系统、两套独立的束流线控制子系统分别布设在控制室102、控制室202中；所述共用一个加速器和治疗室配对模块、共用一个治疗室对加速器流强控制模块、共用一个公共端束流线仲裁模块， 这三个模块均为公共模块，可以单独布设，也可以布设在控制室102中、或者布设在控制室202中；

该共用一个加速器和治疗室配对模块，向上分别连接两套独立的治疗控制子系统，向下连接共用的治疗室对加速器流强控制模块；该公共端束流线仲裁模块，向上连接共用的加速器和治疗室配对模块、向下分别连接两套独立的束流线控制子系统；该共用的治疗室对加速器流强控制模块，向上连接共用的加速器和治疗室配对模块、向下分别连接两套独立的加速器控制子系统；

所述的治疗控制子系统用于治疗时发出束流申请；所述的加速器控制子系统用于控制加速器的运行和束流的引出；所述束流线控制子系统用于控制束流线上磁铁电流、根据配对结果下载相应束流线的磁铁电流参数，还用于加载磁铁电流参数、根据参数值对束流线加载电流，启动降能器工作；所述共用一个的加速器和治疗室配对模块，用于将当前请求供束的治疗室和加速器配对；所述共用一个的治疗室对加速器流强控制模块，用于启动配对后的治疗室对加速器的流强请求以及加速器对治疗室的流强分配；所述共用一个的公共端束流线仲裁模块，用于第一加速器10、第二加速器20在同一时刻给同一个方向的不同治疗室供束时，对公共端束流线进行仲裁使用。

基于以上双源质子治疗系统，本发明设计了一种双源质子治疗方法，

一种双源质子治疗系统的双源质子治疗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、实现加速器和治疗室的组合配对；

具体过程如下：

1）设定加速器和治疗室组合配对的四种方式：

2）根据四种方式进行相应的消色差磁铁单元设计；

3）判定请求供束的治疗室和哪个加速器配对；

所述组合配对的四种方式包括第一加速器10给第一加速器10配置的多个治疗室提供束流、第一加速器10给第二加速器20配置的多个治疗室提供束流、第二加速器20给第二加速器20配置的多个治疗室提供束流、第二加速器20给第一加速器10配置的多个治疗室提供束流。

所述过程3)具体过程如下：

、 某一时刻， 单向配对，第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗室供束、 或第二加速器20 向第一加速器10配置的多个治疗室供束；

补充说明：

所述某一时刻单向配对，就是指两台加速器，在某一时刻只有其中1台为工作状态，另1台发生故障或正常维修的情况。这种情况下的单向配对只有2种情况：或者第一加速器10向10段的治疗室供束，或者第一加速器10向20段的治疗室供束，由于同一时刻加速器是同一个，所以不会发生公共端束流线冲突的情况。

具体环节如下，如图10所示：

a.第一加速器10配置的多个治疗室申请束流;

b.判断第一加速器10是否故障或者正常维修，如果第一加速器10发生故障，则判断第二加速器20是否空闲，如果不空闲，则第一加速器10配置的多个治疗室进入队列排队等待，如果空闲，则由第二加速器20为第一加速器10配置的多个治疗室供束；

c. 如果第一加速器10没有发生故障，则判断第一加速器10是否空闲，如果不空闲，则第一加速器10配置的多个治疗室进入队列排队等待，如果空闲，则由第一加速器10为第一加速器10配置的多个治疗室供束。

、某一时刻，两器合用、交叉配对：第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗 室供束、同时第二加速器20也向第一加速器10配置的多个治疗室供束；

补充说明：

某一时刻，可能会发生两台加速器交叉供束的情况，如图13-5所示，由于交叉供束时各自的束流线是独立的、公用的地方只是真空区、真空区上没有磁铁元器件，而只是一段空间，还由于束团直径大约只有1厘米，而真空区直径为10几个厘米，进一步地，1厘米直径内的粒子非常稀疏、且质子的尺寸非常小，质子尺寸只有负几十次方，且交叉供束时两股束流方向不同，一个向左一个向右，即使发生冲突也小于正常受损，因此，两股束流在交叉点束流管道发生碰撞的几率非常小、可以忽略不计。

、某一时刻，两器并用、同方向配对：当两台加速器并用一条束流线、向同一个方 向的不同治疗室配对，采用公共端束流线仲裁方法，同一时刻只能让其中一台加速器供束。

补充说明：

某一时刻，可能会发生两台加速器并用同一条束流线的情况，例如第一加速器10向治疗室11供束，第二加速器20向治疗室12治疗室，虽然是不同治疗室，但束流线方向是相同的，所以两台加速器此时会共用一条束流线。由于不同治疗室所需要的磁铁能量不同，而同一条束流线上的磁铁是共用的，同一时刻磁铁只能满足一种能量需求，所以会发生公共端束流线冲突。当发生冲突时就必须采用仲裁的方法，同一时刻只能让其中一台加速器供束。

具体环节如下，如图11、图12所示：

a. 第一加速器10配置的多个治疗室申请束流;

b. 判断第一加速器10是否故障或者正常维修，如果第一加速器10发生故障，则转入环节f;

c.如果第一加速器10没有发生故障，则判断第一加速器10是否空闲，如果不空闲，则转入环节e; 如果空闲，则继续过程d;

d.如果第一加速器10空闲，则进行公共端束流线仲裁，判断第一加速器10公共端资源是否被占用，如果被占用，则等待第二加速器20释放公共端资源，并返回环节b,如果第一加速器10公共端资源没被占用，则第一加速器10为第一加速器10配置的多个治疗室供束；

e.如果第一加速器10不空闲，则判断第一加速器10为10段供束还是为20段供束；如果第一加速器10为10段供束，则等待第一加速器10释放, 如果第一加速器10为20段供束，则继续环节f;

f.判断第二加速器20是否空闲，如果不空闲，则第一加速器10配置的多个治疗室进入20段队列排队等待，如果空闲，则由第二加速器20为第一加速器10配置的多个治疗室供束。

步骤二、配对完成后，下载这一组束流线的磁铁电流参数、用以控制当前束流线的走向，同时，配对完成后的治疗室向其加速器提出流强控制请求；该磁铁电流参数为对应当前治疗室能量、且和当前降能器降能数值相匹配的电流参数；

步骤三、加速器对当前治疗室提供所需要的能量和流强。

具体过程如下：

1）治疗控制系统启动当前束流线的降能器、和降能选择器工作；

2）治疗控制系统根据下载的磁铁电流参数值向当前束流线的消色差磁铁单元加载电流；

3）束流在当前消色差磁铁单元作用下，从加速器出口到达指定的消色差点，从而完成该阶段的消色差，所述指定的消色差点即：第一加速器10向第二加速器20配置的多个治疗室、或者第二加速器20向第一加速器10配置的多个治疗室供束时，以及第二加速器20配置的多个治疗室或者第一加速器10配置的多个治疗室分支束流线的汇集点。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (12)

1.一种双源质子治疗系统 ，包括两套可独立使用的质子治疗单元，该两套可独立使用的质子治疗单元包括第一加速器（10）、以及第一加速器（10）配置的多个治疗室和相关配套设备，第二加速器（20）、以及第二加速器（20）配置的多个治疗室和相关配套设备，分别由质子束流线将第一加速器（10）、以及第一加速器（10）配置的多个治疗室连接起来，并且将第二加速器（20）、以及第二加速器（20）配置的多个治疗室连接起来；该两套可独立使用的质子治疗单元相向而设，且在同一时刻，两套治疗系统可以分别独立工作，也可互为备份；

其特征在于：在第一加速器（10）和第二加速器（20）之间设有一套用于实现消色差传输束流的公共束流线、以及相应的治疗控制系统，该公共束流线以及治疗控制系统用于将原有独立的两套质子治疗系统有机融合在一起，每台加速器产生的质子束流，不仅能够传输到其自身所在的质子治疗单元中，也可以传输到另一台质子治疗单元中。

2.根据权利要求1所述一种双源质子治疗系统，其特征在于：所述公共束流线由相向而设的两条消色差束流传输线交叉而成，这两条均为对称性消色差束流传输线，它们各自的一端连接到自身质子治疗单元加速器束流引出口，另一端连接到另一个质子治疗单元的束流线交叉点，该交叉点为另一个质子治疗单元多个治疗室束流线的汇聚点。

3.根据权利要求2所述一种双源质子治疗系统，其特征在于：所述对称性消色差束流传输线，它们各自分为前半段和后半段，该前半段包括降能器、能量选择系统部分元件、磁铁及相关传输元件，该降能器用于在治疗室治疗前将加速器引出的束流能量降低到治疗室所需的能量；该后半段用于同时实现束流偏转和消色差，包括偏转磁铁及四极透镜等对称性消色差磁铁单元：后半段当第一加速器（10）或第二加速器（20）出现故障或正常维修时，需要第一加速器（10）为第二加速器（20）的治疗室供束，或第二加速器（20）为第一加速器（10）的治疗室供束，此时从第一加速器（10）到第二加速器（20）配置的多个治疗室实现消色差束流传输、或者从第二加速器（20）到第一加速器（10）配置的多个治疗室实现消色差束流传输，消色差束流传输的束流品质，要求和原有的从第一加速器（10）到第一加速器（10）配置的多个治疗室或第二加速器（20）到第二加速器（20）配置的多个治疗室的消色差束流传输的束流品质一致，所述束流品质包括束斑大小、发散角、能散度。

4.根据权利要求3所述一种双源质子治疗系统，其特征在于：所述前半段为保证自身质子治疗单元从加速器向治疗室的供束，其束流传输线的磁铁及相关传输元件在后半段的消色差过程中是不能改变的、但磁场或电流通过所述治疗控制系统能够适当改变；所述后半段实现消色差，是在前半段硬件不变情况下，通过调整前半段各个磁铁的电流，辅助后半段实现消色差、束流包络控制及能量选择。

5.根据权利要求1所述一种双源质子治疗系统，其特征在于：所述第一加速器（10）配置的多个治疗室包括旋转治疗舱（11）、旋转治疗舱（12）、固定治疗室（13）；所述第二加速器（20）配置的多个治疗室包括旋转治疗舱（21）、旋转治疗舱（22）、固定治疗室（33）；所述相关配套设备包括各自的通用工程配套设备、以及各自的束流调试靶，该各自通用工程配套设备包括水冷设备、电源设备。

6.根据权利要求1所述一种双源质子治疗系统，其特征在于：

所述的治疗控制系统包括：两套独立的治疗控制子系统、两套独立的加速器控制子系统、两套独立的束流线控制子系统、共用一个加速器和治疗室配对模块、共用一个治疗室对加速器流强控制模块、共用一个公共端束流线仲裁模块； 所述两套独立的束流线控制子系统，既包含当前束流线控制子系统为其自身的质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，也包含当前束流线控制子系统通过新的公共束流线为另外一个质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，再通过公共模块，可使得原来独立的两个子系统实现融合，实现双源质子治疗系统加速器和束流线的组合控制；所述新的公共束流线是相对于另外一个质子治疗单元的新的公共束流线；所述通过新的公共束流线为另外一个质子治疗单元的多个治疗室供束的磁铁电源参数，既包括新的公共束流线上的磁铁电源参数，也包括另外一个质子治疗单元的多个治疗室束流线交叉点开始的多个分支束流线上的磁铁电源参数；

所述两套独立的治疗控制子系统、两套独立的加速器控制子系统、两套独立的束流线控制子系统分别布设在控制室（102）、控制室（202）中；所述共用一个加速器和治疗室配对模块、共用一个治疗室对加速器流强控制模块、共用一个公共端束流线仲裁模块， 这三个模块均为公共模块，可以单独布设，也可以布设在控制室（102）中、或者布设在控制室（202）中；

该共用一套加速器和治疗室配对模块，向上分别连接两套独立的治疗控制子系统，向下连接共用的治疗室对加速器流强控制模块；该公共端束流线仲裁模块，向上连接共用的加速器和治疗室配对模块、向下分别连接两套独立的束流线控制子系统；该共用的治疗室对加速器流强控制模块，向上连接共用的加速器和治疗室配对模块、向下分别连接两套独立的加速器控制子系统；

所述的治疗控制子系统用于治疗时发出束流申请；所述的加速器控制子系统用于控制加速器的运行和束流的引出；所述束流线控制子系统用于控制束流线上磁铁电流、根据配对结果下载相应束流线的磁铁电流参数，还用于加载磁铁电流参数、根据参数值对束流线加载电流，启动降能器工作；所述共用一套的加速器和治疗室配对模块，用于将当前请求供束的治疗室和加速器配对；所述共用一套的治疗室对加速器流强控制模块，用于启动配对后的治疗室对加速器的流强请求以及加速器对治疗室的流强分配；所述共用一套的公共端束流线仲裁模块，用于第一加速器（10）、第二加速器（20）在同一时刻给同一个方向的不同治疗室供束时，对公共端束流线进行仲裁使用。

7.一种基于权利要求1-6任意一项所述一种双源质子治疗系统的双源质子治疗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、实现加速器和治疗室的组合配对；

步骤二、配对完成后，下载这一组束流线的磁铁电流参数、用以控制当前束流线的走向，同时，配对完成后的治疗室向其加速器提出流强控制请求；该磁铁电流参数为对应当前治疗室能量、且和当前降能器降能数值相匹配的电流参数；

步骤三、加速器对当前治疗室提供所需要的能量和流强。

8.根据权利要求7所述双源质子治疗控制方法，其特征在于，所述步骤一实现加速器和治疗室的组合配对，具体过程如下：

1）设定加速器和治疗室组合配对的四种方式：

2）根据四种方式进行相应的消色差磁铁单元设计；

3）判定请求供束的治疗室和哪个加速器配对；

所述组合配对的四种方式包括第一加速器（10）给第一加速器（10）配置的多个治疗室提供束流、第一加速器（10）给第二加速器（20）配置的多个治疗室提供束流、第二加速器（20）给第二加速器（20）配置的多个治疗室提供束流、第二加速器（20）给第一加速器（10）配置的多个治疗室提供束流。

9.根据权利要求8所述一种双源质子治疗控制方法，其特征在于，所述过程3）的判定请求供束的治疗室和哪个加速器配对，具体过程如下：

、 某一时刻， 单向配对，第一加速器（10）向第二加速器（20）配置的多个治疗室供束、 或第二加速器（20） 向第一加速器（10）配置的多个治疗室供束；

、某一时刻，两器合用、交叉配对：第一加速器（10）向第二加速器（20）配置的多个治疗 室供束、同时第二加速器（20）也向第一加速器（10）配置的多个治疗室供束；

、某一时刻，两器并用、同方向配对：当两台加速器并用一条束流线、向同一个方向的 不同治疗室配对，采用公共端束流线仲裁方法，同一时刻只能让其中一台加速器供束。

10.根据权利要求7所述一种双源质子治疗控制方法，其特征在于，所述步骤三的加速器对当前治疗室提供所需要的能量和流强，具体过程如下：

1）治疗控制系统启动当前束流线的降能器、和降能选择器工作；

2）治疗控制系统根据下载的磁铁电流参数值向当前束流线的消色差磁铁单元加载电流；

3）束流在当前消色差磁铁单元作用下，从加速器出口到达指定的消色差点，从而完成该阶段的消色差，所述指定的消色差点即：第一加速器（10）向第二加速器（20）配置的多个治疗室、或者第二加速器（20）向第一加速器（10）配置的多个治疗室供束时，以及第二加速器（20）配置的多个治疗室或者第一加速器（10）配置的多个治疗室分支束流线的汇集点。

11.根据权利要求9所述一种双源质子治疗控制方法，其特征在于，所述过程

的具体环 节如下：

第一加速器（10）配置的多个治疗室申请束流;

b.判断第一加速器（10）是否故障或者正常维修，如果第一加速器（10）发生故障，则判断第二加速器（20）是否空闲，如果不空闲，则第一加速器（10）配置的多个治疗室进入队列排队等待，如果空闲，则由第二加速器（20）为第一加速器（10）配置的多个治疗室供束；

c. 如果第一加速器（10）没有发生故障，则判断第一加速器（10）是否空闲，如果不空闲，则第一加速器（10）配置的多个治疗室进入队列排队等待，如果空闲，则由第一加速器（10）为第一加速器（10）配置的多个治疗室供束。

12.根据权利要求9所述一种双源质子治疗控制方法，其特征在于，所述过程

的具体环 节如下：

a. 第一加速器（10）配置的多个治疗室申请束流;

b. 判断第一加速器（10）是否故障或者正常维修，如果第一加速器（10）发生故障，则转入环节f;

c.如果第一加速器（10）没有发生故障，则判断第一加速器（10）是否空闲，如果不空闲，则转入环节e; 如果空闲，则继续过程d;

d.如果第一加速器（10）空闲，则进行公共端束流线仲裁，判断第一加速器（10）公共端资源是否被占用，如果被占用，则等待第二加速器（20）释放公共端资源，并返回环节b,如果第一加速器（10）公共端资源没被占用，则第一加速器（10）为第一加速器（10）配置的多个治疗室供束；

e.如果第一加速器（10）不空闲，则判断第一加速器（10）为10段供束还是为20段供束；如果第一加速器（10）为10段供束，则等待第一加速器（10）释放, 如果第一加速器（10）为20段供束，则继续环节f;

f.判断第二加速器（20）是否空闲，如果不空闲，则第一加速器（10）配置的多个治疗室进入20段队列排队等待，如果空闲，则由第二加速器（20）为第一加速器（10）配置的多个治疗室供束。

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