CN113521569A - 一种多机头放射治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多机头放射治疗装置，属于放射治疗技术领域，包括粒子源、分束元件、偏转元件和多个相互独立的机头，粒子源用于产生带电粒子束脉冲，带电粒子束脉冲经分束元件切分成多个传输方向不同的子脉冲，偏转元件对子脉冲的传输方向进行再一次偏转，偏转后的子脉冲通过传输束线注入机头，多个机头所处位置及朝向不同，从不同的方向对肿瘤进行照射，本发明可以在极短的时间内完成对肿瘤靶区同时进行多个射束一次性的照射，缩短了整个放疗时间，同时不需要旋转机头就可以对靶区进行适形，节约时间及成本，结构新颖。

Description

一种多机头放射治疗装置

技术领域

本发明属于放射治疗技术领域，具体地说涉及一种多机头放射治疗装置。

背景技术

放射治疗装置是肿瘤放疗仪中重要的组成部分，其核心功能是将产生满足时间和空间分布的放射线精准投送到患者肿瘤部位，并控制对患者正常组织的损伤。现有的放射治疗装置中，对肿瘤的放射治疗一般采用旋转式单机头、多方位、多次照射的方式。旋转式单机头放疗要多方位照射，需要将机头沿着患者肿瘤进行旋转，对肿瘤的每个面进行适形且均匀剂量放疗。因此，旋转式单机头存在如下缺点：1、对肿瘤的每个面进行放疗，都需要再次旋转机头，从上一个放疗面切换到下一个放疗面，每一次位置的切换，需要先调节适形器，对肿瘤的当前放疗面进行适形才能放疗，增加放疗时间。2、由于肿瘤在人体位置深度的不同，每切换一次位置都需要调节一次电子束能量，促使肿瘤每个面上所放疗的剂量相同，操作繁琐。3、单机头每次位置切换需要较长的时间，且对肿瘤放疗的总剂量不易控制。综上缺点，单机头放疗方式不能达到更好的放疗效果。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种多机头放射治疗装置，根据患者肿瘤的位置及形状，调节多个机头对肿瘤每个放疗面同时进行照射和适形，缩短了整个放疗时间。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多机头放射治疗装置，包括：

多个相互独立的机头，且多个机头所处位置及朝向不同，用于从不同的方向对肿瘤进行放射治疗；

粒子源，用于产生带电粒子束脉冲；

分束元件，将带电粒子束脉冲切分成多个传输方向不同的子脉冲；

和偏转元件，对子脉冲的传输方向进行偏转，偏转后的子脉冲通过传输束线注入机头。

进一步，多个机头以带电粒子束脉冲的束线中心为对称轴，从不同方向射束对肿瘤进行放射治疗。

优选的，所述机头至少设有2个。

进一步，所述子脉冲的数量与机头数量相同。

进一步，对分束元件施加脉冲电压，依据子脉冲时间长度确定脉冲电压平顶宽度，依据子脉冲的数量确定脉冲电压的脉冲数量，将带电粒子束脉冲分束成偏转方向不同的子脉冲。

进一步，所述子脉冲的数量与脉冲电压的脉冲数量相等。

优选的，所述子脉冲的长度相等。

优选的，所述子脉冲的长度不等。

进一步，所述脉冲电压由交变脉冲电源产生。

进一步，所述分束元件为踢束器，所述踢束器包括2块相对设置的极板，2块极板分别为第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板之间存在静电场以形成踢束力改变子脉冲的方向。

进一步，当多个机头从不同方向相互正交射束时，子脉冲的数量为踢束器数量的2倍。

进一步，所述极板分别位于子脉冲的传输方向上，且相对设置的2块极板形成踢束器，即位于同一踢束器内的2块极板均位于子脉冲的传输方向上。

进一步，当多个机头非正交射束时，子脉冲的数量与踢束器的数量相等。

进一步，所述踢束器的其中1块极板位于子脉冲的传输方向上，踢束器的另1块极板与位于子脉冲传输方向上的极板相对设置。

进一步，施加在子脉冲传输方向上极板的脉冲电压极性与带电粒子束电荷极性相反。

进一步，设定带电粒子束脉冲的时间总长度为t0，切分成为n个子脉冲的时间长度分别为t1、t2、t3、t4......tn，则t1+t2+t3+t4+......+tn＝t0，脉冲电压的脉冲数量为n个，且n个脉冲电压的平顶宽度分别为t1、t2、t3、t4......tn，将n个脉冲电压按时序分别施加至位于子脉冲传输方向上的极板。

进一步，所述踢束器对子脉冲的偏转角度为ɑ，则

其中，q₁为带电粒子束脉冲中带电粒子的电荷量，Vm为第一极板和第二极板之间的电压，W为带电粒子的动能，d为第一极板和第二极板的间距，L₁为第一极板和第二极板的有效长度。

进一步，所述分束元件为冲击磁铁，且子脉冲的数量与冲击磁铁的数量相等。

进一步，所述冲击磁铁位于带电粒子束脉冲的传输路径上。

进一步，设定带电粒子束脉冲的时间总长度为t0，切分成为n个子脉冲的时间长度分别为t1、t2、t3、t4......tn，则t1+t2+t3+t4+......+tn＝t0，脉冲电压的脉冲数量为n个，且n个脉冲电压的平顶宽度分别为t1、t2、t3、t4......tn，将n个脉冲电压按时序分别施加至冲击磁铁。

进一步，所述冲击磁铁对子脉冲的偏转角度为θ，则

其中，B₁为冲击磁铁的磁场强度，L₂为传输路径长度，Bρ为带电粒子的磁刚度。

进一步，所述偏转元件与子脉冲对应设置，即偏转元件的数量与子脉冲的数量相同。

进一步，所述偏转元件为偏转二极磁铁，其包括对齐且间隔设置的第一线圈和第二线圈，且第一线圈和第二线圈之间连接有分隔板，所述子脉冲穿过第一线圈和第二线圈。

进一步，所述偏转元件对子脉冲的偏转角度与偏转作用力成正比，设定偏转作用力为F，则F＝q₂(v×B₂)，其中，q₂为子脉冲中带电粒子的电荷量，v为子脉冲的传输速度，B₂为偏转元件的磁感应强度。

通常情况下，分束元件对子脉冲的偏转角度为一个很小的角度，而偏转元件的磁感应强度较大，甚至可以做到1T量级，促使偏转元件对子脉冲的偏转角度为一个较大的角度。因此，将分束元件与偏转元件结合，对子脉冲的传输方向进行两次偏转，增大多个机头之间的容纳空间，提高实用性。

进一步，所述带电粒子束为电子、质子或重离子，经偏转元件偏转后的子脉冲经过横向约束器和偏转器偏转，向各个机头传输并用于电子、质子、重离子或X射线常规放射治疗或FLASH闪光放射治疗。

进一步，所述机头处设有均整器，对子脉冲进行准直均整。

进一步，所述子脉冲轰击辐射转换靶产生X射线，X射线经均整器传输至机头。

本发明的有益效果是：

1、根据患者肿瘤的位置及形状，调节多个机头的相应子脉冲剂量及射野，可以在极短的时间内对肿瘤靶区进行多个射束一次性照射，缩短了整个放疗时间。

2、采用分束元件结合交变脉冲电源，将带电粒子束脉冲切分为多个子脉冲并改变传输方向，切分时间短至几十微秒甚至更短，保证每个机头上的带电粒子束能量是相同的，再经过各自的均整器准直均整后，将带电粒子束或X射线适形放疗到肿瘤的靶区，不需要旋转机头，就可以对肿瘤靶区进行一次性的适形。

3、多个机头以带电粒子束脉冲的束线中心为对称轴，从不同角度方向相互正交非正交射束，对肿瘤进行全方位放射治疗，结构新颖，同时，将分束元件与偏转元件结合，对子脉冲的传输方向进行两次偏转，增大多个机头之间的容纳空间，提高实用性。

4、采用交变脉冲电源产生交变磁场，能够交替的改变子脉冲的传输方向，且子脉冲的偏转角度可控，灵活度高。

5、适用于电子、质子、重离子及X射线放射治疗或FLASH闪光放射治疗，实用性强。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是4个机头的装配示意图；

图3是与图2相对应的2个踢束器的装配示意图。

附图中：1-带电粒子束脉冲、2-分束元件、3-子脉冲、4-偏转元件、5-第一偏转器、6-横向约束器、7-第二偏转器、8-机头、9-真空盒、10-第一踢束器、11-第二踢束器。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种多机头放射治疗装置，包括粒子源、分束元件2、偏转元件4和多个相互独立的机头8，以带电粒子中的电子束为例，电子源作为粒子源，电子源用于产生带电粒子束脉冲1，带电粒子束脉冲1经分束元件2切分成多个传输方向不同的子脉冲3，偏转元件4对子脉冲3的传输方向进行再一次偏转，偏转后的子脉冲通过传输束线注入机头8，多个机头8所处位置及朝向不同，用于从不同的方向对肿瘤进行全方位放射治疗。同时，分束元件2、偏转元件4位于真空盒内。

电子源产生具有第一能量的带电粒子束脉冲1，所述电子源包括驱动激光器、光阴极和阳极，所述驱动激光器发出激光入射到所述光阴极上产生电子束，所述光阴极和阳极之间的引出电场将电子束引出所述光阴极入射到束流传输线中。带电粒子束脉冲1是由驱动激光器经光阴极作用产生，带电粒子束脉冲1和驱动激光器具有相同的时间结构，所述驱动激光器发出的激光为脉冲长度可调节激光，以实现电子源产生带电粒子束脉冲1的脉冲时间长度可调，所述驱动激光器通过调整电压信号的长度来调节激光脉冲的长度。同时，带电粒子束脉冲1的脉冲长度可调，调节范围从10ns到500ms，其发射度低于10mm*mrad。

带电粒子束脉冲1经射频超导直线加速器进行能量增益，所述射频超导直线加速器包括沿着轴线分布的射频谐振腔，所述射频谐振腔由射频功率源驱动，所述射频谐振腔置于4K或2K的低温环境中，以确保射频超导直线加速器运行在超导状态。射频谐振腔浸泡在气液两相的液氦中进行冷却，工作温度为液氦的沸点温度。一个大气压下的液氦沸点温度为4.2K，30mBar气压下的液氦沸点温度为2K。通过低温系统的泵组抽氦气，控制液氦表面气压，从而控制液氦温度。带电粒子束脉冲1穿过射频超导直线加速器获得能量增益。同时，能量增益由射频超导直线加速器的规模和性能决定，射频谐振腔的数量越多，场梯度越大，能量增益也越大。理论上，能量增益可以从几MeV到几GeV甚至到无限大。

所述子脉冲3的数量与机头8数量相同，同时，多个机头8以带电粒子束脉冲1的束线中心为对称轴，从不同方向射束对肿瘤进行全方位放射治疗，结构新颖。根据患者肿瘤的位置及形状，调节多个机头8，对肿瘤每个放疗面同时进行一次性的同剂量、同均匀性的放射治疗，缩短了整个放疗时间，节约时间及成本。优选的，所述机头至少设有2个。所述带电粒子束为电子、质子或重离子，经偏转元件4偏转后的子脉冲3经过第一偏转器5、横向约束器6和第二偏转器7偏转，向各个机头8传输并用于电子、质子、重离子或X射线常规放射治疗或FLASH闪光放射治疗，实用性强。所述机头8处设有均整器，对子脉冲3进行准直均整。所述子脉冲3轰击辐射转换靶产生X射线，X射线经均整器传输至机头8。

对分束元件2施加脉冲电压，依据子脉冲3时间长度确定脉冲电压平顶宽度，依据子脉冲3的数量确定脉冲电压的脉冲数量，将带电粒子束脉冲1分束成偏转方向不同的子脉冲3。优选的，所述子脉冲3的长度相等。在其他一些实施例中，所述子脉冲3的长度不等。所述脉冲电压由交变脉冲电源产生，所述子脉冲3的数量与脉冲电压的脉冲数量相等，采用交变脉冲电源产生交变磁场，能够交替的改变子脉冲3的传输方向，且子脉冲3的偏转角度可控，灵活度高。采用分束元件2结合交变脉冲电源，将带电粒子束脉冲1切分为多个子脉冲3并改变传输方向，切分时间短至几十微秒甚至更短，保证每个机头8上的带电粒子束能量是相同的，再经过均整器准直均整后，将带电粒子束或X射线适形放疗到肿瘤的每一个放疗面，对肿瘤每个放疗面进行同剂量、均匀性放疗。

本实施例中，所述分束元件2为踢束器，所述踢束器包括2块相对设置的极板，2块极板分别为第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板之间存在静电场以形成踢束力改变子脉冲3的方向。

当多个机头8从不同方向相互正交射束时，由于踢束器包括2块极板，此时，子脉冲3的数量为踢束器数量的2倍。所述极板分别位于子脉冲3的传输方向上，且相对设置的2块极板形成踢束器，即位于同一踢束器内的2块极板均位于子脉冲3的传输方向上。也就是说，1个踢束器可对2个子脉冲3进行偏转。

当多个机头8非正交射束时，子脉冲3的数量与踢束器的数量相等。所述踢束器的其中1块极板位于子脉冲3的传输方向上，踢束器的另1块极板与位于子脉冲3传输方向上的极板相对设置。也就是说，1个踢束器仅对1个子脉冲3进行偏转。

设定带电粒子束脉冲1的时间总长度为t0，切分成为n个子脉冲3的时间长度分别为t1、t2、t3、t4......tn，则t1+t2+t3+t4+......+tn＝t0，脉冲电压的脉冲数量为n个，且n个脉冲电压的平顶宽度分别为t1、t2、t3、t4......tn，将n个脉冲电压按时序分别施加至位于子脉冲3传输方向上的极板，同时，施加在子脉冲3偏转方向上极板的脉冲电压极性与带电粒子束电荷极性相反。所述踢束器对子脉冲3的偏转角度为ɑ，则

其中，q₁为带电粒子束脉冲1中带电粒子的电荷量，V_m为第一极板和第二极板之间的电压，W为带电粒子的动能，d为第一极板和第二极板的间距，L₁为第一极板和第二极板的有效长度。

在其他一些实施例中，所述分束元件2为冲击磁铁，且子脉冲3的数量与冲击磁铁的数量相等。所述冲击磁铁位于带电粒子束脉冲1的传输路径上。设定带电粒子束脉冲1的时间总长度为t0，切分成为n个子脉冲3的时间长度分别为t1、t2、t3、t4......tn，则t1+t2+t3+t4+......+tn＝t0，脉冲电压的脉冲数量为n个，且n个脉冲电压的平顶宽度分别为t1、t2、t3、t4......tn，将n个脉冲电压按时序分别施加至冲击磁铁。

冲击磁铁提供脉冲磁场，对带电粒子束脉冲1进行特定方向的偏转。所述冲击磁铁对子脉冲的偏转角度为θ，则

其中，B₁为冲击磁铁的磁场强度，L₂为传输路径长度，Bρ为带电粒子的磁刚度。带电粒子束脉冲1通过冲击磁铁时，通过冲击磁铁的作用使得带电粒子束脉冲1的一部分改变传输方向，通过多个冲击磁铁的组合，可以对带电粒子束脉冲1的不同部分进行作用，实现对整个带电粒子束脉冲1的分束。

所述偏转元件4与子脉冲3对应设置，即偏转元件4的数量与子脉冲3的数量相同。所述偏转元件4为偏转二极磁铁，其包括对齐且间隔设置的第一线圈和第二线圈，且第一线圈和第二线圈之间连接有分隔板，所述子脉冲3穿过第一线圈和第二线圈。所述偏转元件4对子脉冲3的偏转角度与偏转作用力成正比，设定偏转作用力为F，则F＝q₂(v×B₂)，其中，q₂为子脉冲中带电粒子的电荷量，v为子脉冲的传输速度，B₂为偏转元件4的磁感应强度。

通常情况下，分束元件2对子脉冲3的偏转角度(即一次偏转)为一个很小的角度，而偏转元件4的磁感应强度较大，甚至可以做到1T量级，促使偏转元件4对子脉冲3的偏转角度(即二次偏转)为一个较大的角度。因此，将分束元件2与偏转元件4结合，对子脉冲的传输方向进行两次偏转，增大多个机头8之间的容纳空间，提高实用性。

实施例二：

如图2、图3所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

机头8设有4个，且4个机头8正交射束，相对应的，将带电粒子束脉冲1切分成4个子脉冲3，且4个子脉冲3的偏转方向分别为上、下、左和右(空间对称)。在真空盒9内设有2个踢束器，第一踢束器10呈水平分布(位于上方的极板为第一踢束器10的第一极板，位于下方的极板为第一踢束器10的第二极板)，第二踢束器11呈竖直分布(位于左方的极板为第二踢束器11的第一极板，位于右方的极板为第二踢束器11的第二极板)。

带电粒子束脉冲1的时间总长度为t₀，切分成为4个子脉冲3的时间长度分别为t₁、t₂、t₃、t₄，则t₁+t₂+t₃+t₄＝t₀，脉冲电压的脉冲数量为4个，且4个脉冲电压的平顶宽度分别为t₁、t₂、t₃、t₄。设置时间触发，以带负电荷的电子为例，带电粒子束脉冲1进入真空盒9时，第一踢束器10的第一极板为正高压，脉冲电压的平顶宽度为t₁，t₁时间长度的一段子脉冲就向上偏转。第一踢束器10的第二极板为正高压，脉冲电压的平顶宽度为t₂，t₂时间长度的一段子脉冲就向下偏转。第二踢束器11的第一极板为正高压，脉冲电压的平顶宽度为t₃，t₃时间长度的一段子脉冲就向左偏转。第二踢束器11的第二极板为正高压，脉冲电压的平顶宽度t₄，t₄时间长度的一段子脉冲就向右偏转。

也就是说，依次施加脉冲电压的平顶宽度为t₁、t₂、t₃、t₄的正高压脉冲，t₁、t₂、t₃、t₄时间长度的子脉冲就分别向上、下、左、右偏转。一个方向入射的带电粒子束脉冲1被分为上、下、左、右四个方向子脉冲3。

在其他一些实施例中，将带电粒子束脉冲1切分成4个子脉冲3，且4个子脉冲3的偏转方向分别为上、下、左和右，此时，需要4个冲击磁铁，2个冲击磁铁实现水平方向的分束(左、右)，2个冲击磁铁实现竖直方向的分束(上、下)。脉冲磁场的时间分布特点受限于脉冲电源和磁铁的电感，上升沿和下降沿一般在微秒量级，导致上升沿和下降沿部分会影响到临近的带电粒子束脉冲1造成干扰。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种多机头放射治疗装置，其特征在于，包括；

多个相互独立的机头，且多个机头所处位置及朝向不同，用于从不同的方向对肿瘤进行放射治疗；

粒子源，用于产生带电粒子束脉冲；

分束元件，将带电粒子束脉冲切分成多个传输方向不同的子脉冲；

和偏转元件，对子脉冲的传输方向进行偏转，偏转后的子脉冲通过传输束线注入机头。

2.根据权利要求1所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，多个机头以带电粒子束脉冲的束线中心为对称轴，从不同方向射束对肿瘤进行放射治疗。

3.根据权利要求1所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，所述子脉冲的数量与机头数量相同。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，所述带电粒子束为电子、质子或重离子，经偏转元件偏转后的子脉冲经过横向约束器和偏转器偏转，向各个机头传输并用于电子、质子、重离子或X射线放射治疗。

5.根据权利要求4所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，所述偏转元件与子脉冲对应设置，且偏转元件对子脉冲的偏转角度与偏转作用力成正比。

6.根据权利要求5所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，对分束元件施加脉冲电压，依据子脉冲时间长度确定脉冲电压平顶宽度，依据子脉冲的数量确定脉冲电压的脉冲数量，将带电粒子束脉冲分束成偏转方向不同的子脉冲。

7.根据权利要求6所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，所述子脉冲的数量与脉冲电压的脉冲数量相等。

8.根据权利要求7所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，设定带电粒子束脉冲的时间总长度为t0，切分成为n个子脉冲的时间长度分别为t1、t2、t3、t4......tn，则t1+t2+t3+t4+......+tn＝t0，脉冲电压的脉冲数量为n个，且n个脉冲电压的平顶宽度分别为t1、t2、t3、t4......tn，将n个脉冲电压按时序分别施加至分束元件。

9.根据权利要求8所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，所述分束元件为踢束器，所述踢束器包括2块相对设置的极板，2块极板分别为第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板之间存在静电场以形成踢束力改变子脉冲的方向。

10.根据权利要求8所述的一种多机头放射治疗装置，其特征在于，所述分束元件为冲击磁铁，且子脉冲的数量与冲击磁铁的数量相等。

Images