CN113209501A - 一种小型化离子射线治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型化离子射线治疗装置，包括：离子源，被配置为产生治疗使用的低能离子；直线加速器，其注入端通过束流传输线与离子源连接，直线加速器被配置为将离子源产生的离子进行初步加速，以得到中能束流；同步加速器，其注入端通过束流传输线与直线加速器的引出端连接，同步加速器被配置为对注入的中能离子束进行进一步加速，以得到目标能量的高能束流；超导分束器，超导分束器通过束流传输线与同步加速器的引出端连接，超导分束器被配置为将同步加速器引出的高能束流分别导向其下游不同方向的束流传输线；治疗终端，一个以上治疗终端与超导分束器下游不同方向的束流传输线相连。本发明能实现离子治疗装置的小型化，并提供稳定可靠的高流强束流。

Description

一种小型化离子射线治疗装置

技术领域

本发明涉及一种医用加速器治疗装置，特别是关于一种小型化离子射线治疗装置。

背景技术

离子束(该离子是指氢离子、氦离子、锂离子、碳离子和氧离子等元素周期表中质量数不超过20，适合离子治疗的离子)由于其倒转的深度剂量分布可以精准杀死肿瘤而对其周围健康组织损伤很小，因此十分有利于保护人体重要器官，极大地提高肿瘤患者的治疗水平及术后生活质量。并且与常规射线相比，离子束具有高的相对生物学效应(RelativeBiological Effectiveness，RBE)，即达到相同的生物学效果(如细胞10％存活)所需的物理吸收剂量小于常规射线的物理吸收剂量，由此能显著减少患者的治疗次数，大幅提高医院接纳病人的能力。因此，离子治疗被寄予厚望，如今已成为最为先进有效的肿瘤治疗手段之一。

在离子治疗中通过合理调节磁铁元件的磁场强度可以进行束流操纵，例如，使用同步环形加速器可以改变出射粒子束的能量进而调整粒子束在病人体内的射程，利用三阶共振慢引出可以缓慢而均匀地引出环内粒子束，从而将适量能量和适量数量的离子在肿瘤靶区进行涂抹。

然而，现有的离子治疗装置占地面积大，投资成本高，导致拥有优秀治疗效果的离子装置较难推广。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构较为简单、性能更加优越、布局更加紧凑、终端配置更加灵活的小型化离子射线治疗装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种小型化离子射线治疗装置，包括：离子源，被配置为产生治疗使用的低能离子；直线加速器，所述直线加速器的注入端通过束流传输线与所述离子源连接，所述直线加速器被配置为将所述离子源产生的离子进行初步加速，以得到中能束流；同步加速器，所述同步加速器的注入端通过束流传输线与所述直线加速器的引出端连接，所述同步加速器被配置为对注入的中能离子束进行进一步加速，以得到目标能量的高能束流；超导分束器，所述超导分束器通过束流传输线与所述同步加速器的引出端连接，所述超导分束器被配置为将所述同步加速器引出的高能束流分别导向其下游不同方向的束流传输线；治疗终端，一个以上所述治疗终端与所述超导分束器下游不同方向的束流传输线相连。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，所述离子源采用激光离子源。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，所述直线加速器包括：射频四极场加速器，其入口与离子源连接，用于将从所述离子源引出的低能离子加速到2-3MeV的能量水平；交叉指磁波漂移管直线加速器，其入口与所述射频四极场加速器的出口连接，用于将来自所述射频四极场加速器的束流进一步加速到大约7-10MeV的能量水平；或者，所述直线加速器采用射频四极场加速器与漂移管直线加速器的组合型腔体。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，所述同步加速器为超导环形同步加速器，所述超导环形同步加速器包括4个偏转单元、4个聚焦单元、1套单圈注入系统和1套慢引出系统；其中，所述偏转单元呈中心对称布置并形成四边形，各偏转单元之间通过环形真空管道连接以构成4段直线节；4个所述聚焦单元分别布置在每一段直线节上，用于对束流包络进行约束；所述单圈注入系统包括：注入切割器，设置在第一直线节上，用于以较大角度偏转注入束，使其接近所述超导环形同步加速器；注入冲击磁铁，布置在注入束与第二直线节相交的位置处，所述注入冲击磁铁被配置为当注入束进入到所述超导环形同步加速器中时，给予束流一定的踢脚作用，让注入束与循环束轨道的夹角为0，从而使注入束落到所述超导环形同步加速器的接收度中央；所述慢引出系统包括：横向激励元件，设置在任意一段直线节上，用于产生横向射频电场以使束流发射度逐渐增大；引出静电切割器和引出切割磁铁，均设置在第三直线节上，且所述引出切割磁铁位于所述引出静电切割器的下游，所述引出静电切割器用于将进入其中的引出束偏转一定角度，以使引出束在进入所述引出切割磁铁时与循环束分离一定距离所述，引出切割磁铁用于继续将引出束进行偏转；引出切割磁铁，设置在第四直线节上，用于将引出束偏转至所述超导环形同步加速器外。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，所述同步加速器还包括高频腔，所述高频腔亦设置在任意一段直线节上，所述高频腔被配置为使束流加速或减速。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，在第一偏转单元和第三偏转单元的下游设置有用于校正水平色品的第一六极磁铁，同时在所述第一偏转单元和第三偏转单元上组合用于矫正垂直色品的六极磁场。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，在第二偏转单元和第四偏转单元的下游设置有用于驱动束流进行三阶共振的第二六极磁铁。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，所述偏转单元均采用偏转角度为90°的斜螺线管型二极磁铁，且其上都组合有散焦四极磁场。

所述的小型化离子射线治疗装置，优选地，所述超导环形同步加速器的水平工作点选择在5/3附近，以将所述六极磁铁以及所述偏转单元和偏转单元上组合的六极磁场的色品校正与所述六极磁铁的共振驱动功能分开。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明所采用的离子源及直线加速器方案结构紧凑、能给同步加速器提供满足治疗需要的注入束流强。

2、本发明尽量减少了环形同步加速器中的磁铁数量，同时利用超导磁铁的高场强缩短二极铁的所需长度，在精简结构的同时优化注入引出元件的尺寸，大幅减小了离子治疗同步加速器的占地空间与重量，实现了同步环形加速器的小型化，并且通过引出的独特设计使得加速器中二极铁孔径变小，且将二极铁孔径进行了统一，便于加工制造，进一步减小了建造成本。

3、本发明中用超导分束器实现束流多个方向的偏转，精简了设备、大幅度缩小了装置的占地空间。

综上所述，本发明能实现离子治疗装置的小型化，并提供稳定可靠的高流强束流。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的小型化离子射线治疗装置的整体结构框图；

图2是本发明一实施例提供的超导环形同步加速器的结构示意图；

图3是水平方向引出束与循环束轨迹示意图；

图4是垂直方向引出束与循环束轨迹示意图；

图5是注入束轨迹示意图。

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，下面将结合附图对本发明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，本领域普通技术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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的小型化离子射线治疗装置，包括：离子源1，被配置为产生治疗使用的低能离子(如He2+，C6+等)；直线加速器2，直线加速器2的注入端通过束流传输线与离子源1连接，直线加速器2被配置为将离子源1产生的离子进行初步加速，以得到中能束流；同步加速器3，同步加速器3的注入端通过束流传输线与直线加速器2的引出端连接，同步加速器3被配置为对注入的中能离子束进行进一步加速，以得到目标能量的高能束流；超导分束器4，超导分束器4通过束流传输线与同步加速器3的引出端连接，超导分束器4被配置为将同步加速器3引出的高能束流分别导向其下游不同方向的束流传输线；治疗终端5，一个以上治疗终端5与超导分束器4下游不同方向的束流传输线相连。

上述实施例中，优选地，为达到肿瘤治疗所需的剂量、缩短治疗时间，离子源1可优先考虑采用激光离子源(但不限定于激光离子源，例如也可以采用ECR离子源等)，它是一种产生多电荷态离子束流的新型离子源，具有流强高、束流脉冲时间短等特点。激光离子源可以直接产生大量全裸离子，整个装置中无需使用剥离膜并且在同步加速器中采用单圈注入就能达到所需较大流强，这样既简化了装置的结构又提高了治疗效率。

上述实施例中，优选地，直线加速器2包括：射频四极场加速器(Radio FrequencyQuadrupoles，简称RFQ)，其入口与离子源连接，用于将从离子源引出的低能离子加速到2-3MeV的能量水平；交叉指磁波漂移管直线加速器(Interdigital H-mode DTL，简称IH-DTL)，其入口与射频四极场加速器的出口连接，用于将来自射频四极场加速器的束流进一步加速到大约7-10MeV的能量水平。或者，直线加速器2也可以采用射频四极场加速器与漂移管直线加速器(Drift Tube Linac，DTL)的组合型腔体。值得注意的是，本发明采用的直线注入器可以放置在同步加速器3的外侧，亦可放置在内侧或者上部或下部空间。

上述实施例中，优选地，如图2所示，同步加速器3为超导环形同步加速器，该超导环形同步加速器包括4个偏转单元3-1～3-4、4个聚焦单元3-5、1套单圈注入系统和1套慢引出系统。其中，偏转单元3-1～3-4呈中心对称布置并形成四边形，各偏转单元之间通过环形真空管道连接以构成4段直线节。4个聚焦单元3-5分别布置在每一段直线节上，用于对束流包络进行约束。单圈注入系统包括：注入切割器3-6，设置在第一直线节上，用于以较大角度偏转注入束，使其接近环形同步加速器；注入冲击磁铁3-7，布置在注入束与第二直线节相交的位置处，注入冲击磁铁3-7被配置为当注入束进入到环形同步加速器中时，给予束流一定的踢脚作用，让注入束与循环束轨道的夹角为0，从而使注入束落到环形同步加速器的接收度中央。慢引出系统包括：横向激励元件3-8，设置在任意一段直线节上，用于产生横向射频电场以使束流发射度逐渐增大；引出静电切割器3-9和引出切割磁铁3-10，均设置在第三直线节上，且引出切割磁铁3-10位于引出静电切割器3-9的下游，引出静电切割器3-9用于将进入其中的引出束偏转一定角度，以使引出束在进入引出切割磁铁3-10时与循环束分离一定距离，引出切割磁铁3-10用于继续将引出束进行偏转；引出切割磁铁3-11，设置在第四直线节上，用于将引出束偏转至环形同步加速器外。

上述实施例中，优选地，同步加速器3还包括高频腔3-12，高频腔3-12亦可设置在任意一段直线节上，高频腔3-12被配置为使束流加速或减速，具体为：环形同步加速器内束流首先通过高频绝热俘获形成束团，调整高频腔3-12的频率与磁场上升速度可以使束团的周期性运动和加速电场的周期性变化保持严格的同步，束团就能保持恒定的轨道持续加速或减速。

上述实施例中，优选地，在偏转单元3-1和偏转单元3-3的下游设置有用于校正水平色品的六极磁铁3-13，同时在偏转单元3-1和偏转单元3-3上组合用于矫正垂直色品的六极磁场，以使色品为负值，从而保证束流的横向稳定性，并在引出时调整水平色品使其满足Hardt条件，以减小引出时的束流损失。

上述实施例中，优选地，在偏转单元3-2和偏转单元3-4的下游设置有用于驱动束流进行三阶共振的六极磁铁3-14，由此使用六极磁铁3-14引起的三阶共振在相空间形成稳定三角形，进入稳定三角形边界的粒子会沿界轨边界延长线迅速增大振幅，当振幅增大到一定程度便进入引出静电切割器3-9而引出，横向激励元件3-8产生横向高频电场使得原本小于稳定三角形的束流发射度不断增大进而持续稳定地进行束流引出。

上述实施例中，优选地，偏转单元3-1～3-4均采用偏转角度为90°的斜螺线管型二极磁铁，且其上都组合有散焦四极磁场，具体为：斜螺线管型二极磁铁具有磁铁场强高、能够轻松组合多种磁场等特点，其用两层线圈产生二极磁场，在此两层线圈外再套两层线圈则可产生散焦四极磁场。

上述实施例中，优选地，4个聚焦单元3-5均为水平聚焦磁铁。

上述实施例中，优选地，由于注入束流经输运线进入注入切割器3-6前与环形同步加速器的循环束轨道有较大的夹角，因此注入切割器3-6可以采用静电切割器，不仅可以减小注入冲击磁铁3-7的强度和尺寸，而且注入束受静电切割器偏转后以较小的夹角进入环形同步加速器(注入束轨迹如图5所示)，单圈注入使用的设备少，利于加速器的小型化。当然，注入切割器3-6也可以采用磁切割器。

需要说明的是，在慢引出系统中引出静电切割器3-9和引出切割磁铁3-10都是必不可少的元件，束流经过引出静电切割器3-9的偏转后在引出切割磁铁3-10入口处与循环束分离一定的距离gap，该距离用于安装引出切割磁铁3-10的极板，理论上该距离的大小取决于极板厚度，并决定了引出静电切割器3-9的偏转角度：

式中，θ为引出静电切割器3-9的踢轨角度；β_ES为引出静电切割器3-9处水平包络函数；β_MS为引出切割磁铁3-10处水平包络函数；μ_MS-μ_ES为引出切割磁铁3-10与引出静电切割器3-9之间的相移。

为了将六极磁铁11以及偏转单元1-1和偏转单元1-3上组合的六极磁场的色品校正与六极磁铁10的共振驱动功能分开，环形同步加速器的水平工作点(工作点是环形同步加速器的横向振荡频率)选择在5/3附近，同时环形同步加速器由4个相同磁聚焦单元组成，那么相邻两直线节之间相移接近150°，若在相邻两直线节分别放置引出静电切割器3-9与引出切割磁铁3-10，它们之间的相移也在150°左右，为达到预定的分离距离需要增大静电切割器的偏转角度即提高电场强度。但是，电场强度较高容易导致电场击穿，从而不利于设备的稳定运行；为了得到必要的偏转角度，需要加长静电切割器，这就妨碍了环形同步加速器的小型化。因而为了减小静电切割器的有效电压和长度，引出切割磁铁3-10长度较短，且放置于引出静电切割器3-9的同一直线节，它们之间的相移接近90°，有利于减轻对引出静电切割器3-9的要求，并且引出切割磁铁3-10采用垂直引出的Lambertson型切割磁铁，它的极板厚度很薄可进一步减小引出静电切割器3-9的偏转角度。另外，由于采用的是垂直引出，引出静电切割器3-9与引出切割磁铁3-10可灵活选择放置于环形同步加速器的管道内侧或外侧，放置于内侧的好处在于可将引出静电切割器3-9的高压设备也置于同步加速器的内侧空间，因而本发明考虑的是将它们置于同步加速器的管道内侧。与此同时，引出切割磁铁3-10放置于引出切割磁铁3-10的下游直线节，且位于环形同步加速器的管道外侧，与引出切割磁铁3-10的相移为90°左右，由此可降低引出切割磁铁3-10的强度与长度。由此，引出静电切割器3-9将进入的粒子往环内侧偏转，与循环束分离一小段距离后进入引出切割磁铁3-10，并将引出束向上偏转，接着束流经过偏转单元3-4及聚焦单元3-5，在垂直方向引出束与循环束逐步分离，这时用引出切割磁铁3-10将引出束继续引出，而循环束继续向下游传输。因引出切割磁铁3-10与引出静电切割器3-9在同一直线节，并且引出切割磁铁3-10将束流垂直偏转(如图3所示)，引出束在经过偏转单元3-4时水平位置并不会比循环束大，而垂直方向上因环内未引出的束团垂直尺寸原本就比水平尺寸小得多(如图4所示)，引出束在经过偏转单元3-4时垂直位置也会比水平位置小，考虑斜螺线管型二极磁铁是圆形孔径的特点，这样引出束所经过的偏转单元3-4就不用单独做成大孔径磁铁。因此，上述的设计方案就做到了减小二极磁铁的孔径，也统一了磁铁样式。

上述实施例中，优选地，通常将束流偏转到三个或更多输运线上需要2个以上的偏转磁铁，这些偏转磁铁交错排列，它们之间还需有四极磁铁对束流包络进行约束，整个功能段占据了大量空间。而超导分束器4利用斜螺线管型磁铁由纯线圈产生磁场的特点，通过多层线圈产生水平、垂直两个方向的二极磁场，改变线圈电流的大小和方向就能将束流灵活地引导至目标治疗终端，其中主要部件就是一台斜螺线管型超导磁铁，此设计大幅度地压缩了装置的安装空间和占地面积。

上述实施例中，优选地，可根据需求灵活配置包括不同角度的固定治疗头以及旋转机架等多个不同类型的治疗终端5，例如图1的虚线框内是配置Gantry的治疗终端示意图(详见中国发明专利CN111686377A)。

上述实施例中，优选地，束流传输线主要由真空管道以及嵌套在真空管道上的各类束流聚焦元件、束流诊断探测设备等组成，用于保证束流在一个方向直线传输过程中尽可能不被散射、降低束流损失。

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)

1.一种小型化离子射线治疗装置，其特征在于，包括：

离子源(1)，被配置为产生治疗使用的低能离子；

直线加速器(2)，所述直线加速器(2)的注入端通过束流传输线与所述离子源(1)连接，所述直线加速器(2)被配置为将所述离子源(1)产生的离子进行初步加速，以得到中能束流；

同步加速器(3)，所述同步加速器(3)的注入端通过束流传输线与所述直线加速器(2)的引出端连接，所述同步加速器(3)被配置为对注入的中能离子束进行进一步加速，以得到目标能量的高能束流；

超导分束器(4)，所述超导分束器(4)通过束流传输线与所述同步加速器(3)的引出端连接，所述超导分束器(4)被配置为将所述同步加速器(3)引出的高能束流分别导向其下游不同方向的束流传输线；

治疗终端(5)，一个以上所述治疗终端(5)与所述超导分束器(4)下游不同方向的束流传输线相连。

2.根据权利要求1所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，所述离子源(1)采用激光离子源。

3.根据权利要求1所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，所述直线加速器(2)包括：

射频四极场加速器，其入口与离子源连接，用于将从所述离子源(1)引出的低能离子加速到2-3MeV的能量水平；

交叉指磁波漂移管直线加速器，其入口与所述射频四极场加速器的出口连接，用于将来自所述射频四极场加速器的束流进一步加速到大约7-10MeV的能量水平；或者，

所述直线加速器(2)采用射频四极场加速器与漂移管直线加速器的组合型腔体。

4.根据权利要求1所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，所述同步加速器(3)为超导环形同步加速器，所述超导环形同步加速器包括4个偏转单元(3-1～3-4)、4个聚焦单元(3-5)、1套单圈注入系统和1套慢引出系统；

其中，所述偏转单元(3-1～3-4)呈中心对称布置并形成四边形，各偏转单元之间通过环形真空管道连接以构成4段直线节；

4个所述聚焦单元(3-5)分别布置在每一段直线节上，用于对束流包络进行约束；

所述单圈注入系统包括：

注入切割器(3-6)，设置在第一直线节上，用于以较大角度偏转注入束，使其接近所述超导环形同步加速器；

注入冲击磁铁(3-7)，布置在注入束与第二直线节相交的位置处，所述注入冲击磁铁(3-7)被配置为当注入束进入到所述超导环形同步加速器中时，给予束流一定的踢脚作用，让注入束与循环束轨道的夹角为0，从而使注入束落到所述超导环形同步加速器的接收度中央；

所述慢引出系统包括：

横向激励元件(3-8)，设置在任意一段直线节上，用于产生横向射频电场以使束流发射度逐渐增大；

引出静电切割器(3-9)和引出切割磁铁(3-10)，均设置在第三直线节上，且所述引出切割磁铁(3-10)位于所述引出静电切割器(3-9)的下游，所述引出静电切割器(3-9)用于将进入其中的引出束偏转一定角度，以使引出束在进入所述引出切割磁铁(3-10)时与循环束分离一定距离所述，引出切割磁铁(3-10)用于继续将引出束进行偏转；

引出切割磁铁(3-11)，设置在第四直线节上，用于将引出束偏转至所述超导环形同步加速器外。

5.根据权利要求4所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，所述同步加速器(3)还包括高频腔(3-12)，所述高频腔(3-12)亦设置在任意一段直线节上，所述高频腔(3-12)被配置为使束流加速或减速。

6.根据权利要求1所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，在第一偏转单元(3-1)和第三偏转单元(3-3)的下游设置有用于校正水平色品的第一六极磁铁(3-13)，同时在所述第一偏转单元(3-1)和第三偏转单元(3-3)上组合用于矫正垂直色品的六极磁场。

7.根据权利要求1所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，在第二偏转单元(3-2)和第四偏转单元(3-4)的下游设置有用于驱动束流进行三阶共振的第二六极磁铁(3-14)。

8.根据权利要求1所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，所述偏转单元(3-1～3-4)均采用偏转角度为90°的斜螺线管型二极磁铁，且其上都组合有散焦四极磁场。

9.根据权利要求3所述的小型化离子射线治疗装置，其特征在于，所述超导环形同步加速器的水平工作点选择在5/3附近，以将所述六极磁铁(11)以及所述偏转单元(1-1)和偏转单元(1-3)上组合的六极磁场的色品校正与所述六极磁铁(10)的共振驱动功能分开。

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