CN114452550B - 一种用于离子Flash治疗的束流配送系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于离子Flash治疗的束流配送系统及方法，其特征在于，包括扫描磁铁、分条电离室和剂量电离室、三维适形装置和治疗控制系统；扫描磁铁用于将笔形离子束在垂直束流方向的平面内进行偏转；分条电离室用于实时测量束流的位置；剂量电离室用于实时测量束流的照射剂量；三维适形装置根据靶区的形状对应设置，用于产生与靶区适形的辐照场，以将偏转后的束流照射至靶区内的靶点；治疗控制系统用于对三维适形装置的不同展宽厚度进行离子束能量的剂量标定，并根据Flash照射要求，确定靶区内每一靶点上应照射的粒子数，并控制加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行逐点照射，本发明可以广泛应用于照射放疗技术领域中。

Description

一种用于离子Flash治疗的束流配送系统

技术领域

本发明涉及放疗技术领域，特别是关于一种用于离子Flash治疗的束流配送系统及方法。

背景技术

Flash治疗是一种新型的无创外照射放疗方式，以非侵入性方式在极短时间内给予单次较高的照射剂量，从而得到一个极高的照射剂量率(通常情况下在1s内给予平均剂量率超过100GyE/s的照射)，这种极高照射剂量率应用到肿瘤细胞或组织的方法即为Flash治疗(闪光放射治疗)。离子(例如质子、氦离子、碳离子等，通常最为常见的为质子和碳离子)治疗是放射线治疗的一种。离子束进入人体后，在射程终点处形成一个尖锐的剂量峰，称为Bragg峰。通过调制装置进行能量展宽，可以使Bragg 峰覆盖肿瘤。离子束入射通道上能量损失较小，侧散射也很小，肿瘤前后左右正常组织所受剂量较小，故具有较好的放射物理学性能。常规离子治疗一个疗程的生物剂量一般在50～70GyE，一个疗程分次一般为12～30次，每一分次患者治疗包括患者摆位、定位验证、放射治疗等，耗时常常超过半小时，导致患者治疗效率很低，单台离子治疗装置年治疗人数在500～1000人。离子治疗装置庞大复杂，建造及运行成本高，治疗费用昂贵，所以安全有效地提高治疗效率是离子治疗装置研发的主要目标。与常规离子放射治疗相比，Flash治疗的治疗时间短，束流利用率高，可以在1s内完成极高剂量的照射，且一个疗程治疗次数只需1至3次。常规质子或重离子治疗装置一般每年只能治疗500～1000人。如果Flash治疗投入临床，治疗人数将可能提高至现有治疗人数的10倍以上。Flash治疗不但可以改变临床的治疗路径，更重要的是可以加快治疗速度，极大地降低治疗费用，造福更多的患者。与常规放疗(剂量率为1～7cGyE/s) 相比，Flash治疗在极短时间(＜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，Flash治疗时，放射性皮炎发生率平均降低了35％。Flash治疗在实现其超高超剂量率、快速的大剂量照射的同时，准确的剂量控制及精确地照射将成为重要的问题，也是Flash治疗的关键点所在。超高、超快速剂量率照射下进行Flash治疗，剂量配送的准确性、射野的横向展宽、射野纵向射程展宽、与靶区一致的三维适形等问题均是离子Flash治疗发展的重点及难点。

为了实现短时间内的超高剂量率，现有的Flash治疗相关研究及应用均是基于光子治疗或是回旋/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治疗的相关研究，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。超高剂量率下的剂量准确控制也是离子Flash治疗的难点。目前基于光子治疗或回旋/直线质子Flash治疗的相关研究采用的射野横向扩展方式均为被动散射方法(效率约30％)，通过多叶光栅实现射野横向的二维适形。光子 Flash治疗研究在深度方向无射程调制，质子Flash治疗研究在深度(射程)方向不进行射程调制，使用穿透式照射，或使用脊形过滤器进行射程调制治疗。高剂量率、均匀(或调强)野的形成、剂量控制和三维适形等问题均是离子Flash治疗发展的重点及难点。

离子束在穿透生物组织时的深度剂量分布非常适合于治疗肿瘤。如图1所示，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，即离子与物质相互作用时能量主要损失在射程末端毫米量级的范围内，且离子束的Bragg峰的位置是高精度可控的。利用这些特点，治疗时通过调节离子束的能量和扫描角度使 Bragg峰的位置准确落在病灶上(精度达亚毫米量级)，可以在有效杀死肿瘤细胞的同时充分保护周围的健康组织和重要器官。离子束放疗具有独特的深度剂量分布、较高的相对生物学效应等常规放疗方法难以比拟的优势。目前，质子碳离子治疗通常采用的方式包括：1)采用注入器和同步加速器将束流加速到一定能量(例如质子为70～ 250MeV，碳离子为80～400MeV/u)，然后通过慢引出的方式实现束流均匀引出，再将引出束流配送到治疗终端，通过主动扫描的方式或被动扩束的方式，将束流扩展为均匀束，配送至靶区。2)采用回旋加速器，将质子重离子加速到较高的能量，然后利用能量选择系统对束流进行降能，降能后再采用主动扫描或被动扩束的方式进行束流配送。现有加速器包括回旋加速器、同步加速器、直线加速器等类型，现有的离子治疗方法多采用被动配送(例如均匀扫描或被动散射方式)或主动配送(例如点扫描或栅扫描，统称为调制扫描)进行适形照射。对于现有的加速器以及现有的扫描模式，是无法实现Flash照射要求的。

目前，在研究及使用的Flash治疗其满足超高剂量率的方法均是缩小射野大小，例如2cm×2cm、3cm×3cm，因此很难用于较大靶区的照射使用。被动配送可实现二维或三维适形，但是束流利用率低：如果采用二维适形，正常组织所受剂量较高，且单次照射需要的剂量较高，患者可能会产生较大的副反应，更困难的是，当前的同步加速器很难达到触发Flash效应的粒子数；如果采用三维适形照射，则要求每一能量层在ms量级迅速改变光栅的开口形状，在目前的技术条件下，是无法实现的，即采用被动配送方式，目前无法满足Flash的剂量配送要求。主动配送对肿瘤进行逐层的三维适形照射，但是由于加速器提供的能量较为单一，需要加速器在100～200ms的时间内提供多个(对于10cm×10cm×10cm的肿瘤，其典型值为32个)能量的束流，且每一能量层需要在不到7ms的时间内完成上千个靶点的扫描照射，即每一靶点上所停留的时间为us量级。目前束流的扫描速度以及剂量监测系统均无法达到上述条件，即目前的技术条件也无法实现Flash治疗所需的三维适形照射的剂量率配送要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于离子Flash治疗的束流配送系统及方法，能够实现Flash治疗所需的三维适形照射的剂量率配送要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种用于离子Flash 治疗的束流配送系统，包括扫描磁铁、分条电离室和剂量电离室、三维适形装置和治疗控制系统，其中，所述三维适形装置包括补偿器和脊形过滤器，所述扫描磁铁、分条电离室和剂量电离室以及所述三维适形装置的中心与靶区的中心均处于束流轴线上；

所述扫描磁铁用于将笔形离子束在垂直束流方向的平面内进行偏转；

所述分条电离室用于实时测量束流的位置；

所述剂量电离室用于实时测量束流的照射剂量；

所述补偿器用于根据靶区的形状，将偏转后的束流停留在靶区的后沿；

所述脊形过滤器的形状根据靶区的形状确定，所述脊形过滤器纵向展宽的水等效深度与靶区对应位置处的厚度一致，用于实现与靶区深度方向的三维适形展宽，使离子展宽后的布拉格峰宽度与靶区纵向截面的宽度一致，将偏转后的束流照射至靶区内的靶点；

所述治疗控制系统用于对所述三维适形装置的不同展宽厚度进行离子束能量的剂量标定，并根据Flash照射要求，确定靶区内每一靶点上应照射的粒子数，并控制加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行逐点照射。

进一步地，所述三维适形装置的数量为至少一个，根据靶区的拆分位置和数量设置。

进一步地，所述补偿器和脊形过滤器单独放置或组合放置。

进一步地，所述脊形过滤器由若干独立且高度不同的金字塔形棱锥或圆锥状过滤器排列而成，每一金字塔形棱锥或圆锥状过滤器的高度水等效转换后与靶区对应位置处的厚度一致，与靶区纵向剖面的形状相契合。

进一步地，所述脊形过滤器由若干独立且高度不同的楔形块状过滤器排列而成，每一楔形块状过滤器在所在位置对应的水等效厚度与靶区对应位置处的厚度一致，与靶区纵向剖面的形状相契合。

进一步地，所述三维适形装置的脊形过滤器能按照靶区的形状沿深度方向上拆分为若干片状结构，得到若干分层的三维适形装置，对靶区进行分层适形照射，最终整体叠加后的剂量分布与靶区一致。

进一步地，所述治疗控制系统内设置有标定模块、需求设定模块和加速器控制模块；

所述标定模块用于将不同的离子束能量与所述脊形过滤器内不同展宽深度的脊形过滤器进行组合，列出所有的离子束能量与脊形过滤器的组合，并分别对每一组合进行标定，得到标定因子；

所述需求设定模块用于设定Flash照射要求，包括靶点的位置、每一靶点对应的脊形过滤器厚度及对应能量、每一靶点的剂量；

所述控制模块用于根据设定的Flash照射要求和得到的标定因子，确定靶区每一点上应照射的粒子数，并按照确定的粒子数，控制所述加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行逐点照射。

另一方面，提供一种用于离子Flash治疗的束流配送系统的束流配送方法，包括：

根据靶区的形状，设置三维适形装置；

对三维适形装置的不同展宽厚度进行离子束能量的剂量标定；

根据Flash照射要求，确定靶区每一点上应照射的粒子数；

加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行照射，并在对应靶点提供对应粒子数的离子束，依次通过扫描磁铁、分条电离室和剂量电离室以及三维适形装置适形照射至靶区内的对应靶点。

进一步地，所述对三维适形装置的不同展宽厚度进行离子束能量的剂量标定，包括：

设定Flash照射要求，包括靶点的位置、每一靶点对应的脊形过滤器厚度及对应能量、每一靶点的剂量；

将不同的离子束能量与脊形过滤器内不同展宽深度的脊形过滤器进行组合，列出所有的离子束能量与脊形过滤器的组合，并分别对每一组合进行标定，得到标定因子。

进一步地，当靶区偏大，在照射过程中，达到Flash照射要求的剂量率无法满足整个靶区的覆盖时，对靶区进行分区域照射，将靶区分为若干区域，在一个周期内仅进行靶区内某一区域的剂量覆盖，使该区域达到Flash照射要求，以此类推，直至完成靶区内所有区域的剂量覆盖。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于设置有三维适形装置，结合加速器的调制扫描模式，可以在每一横向靶点均满足触发Flash效应的条件，在几乎不增加成本的前提下，可以实现满足Flash效应的束流配送。

2、通常情况下，靶区的剂量为均匀分布，本发明由于设置有治疗控制系统，只需要在治疗控制系统中对不同靶点的剂量进行设定，即可实现调强治疗。

3、本发明不仅限于Flash治疗，对于常规剂量率的粒子治疗也有很重要的使用意义，例如回旋质子加速器产生的单一能量质子束，治疗时需要被动降能，采用本发明后，可提高治疗效率，不需要重复多次使用降能器，到达患者体内的束斑更小，射野边缘的剂量更陡峭，且次生的污染射线更少。

综上所述，本发明可以广泛应用于照射放疗技术领域中。

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是本发明提供的碳离子剂量分布与其他射线剂量分布的对比图；

图2是本发明引用的某一被动式束流配送系统下两种重离子适形照射的示意图，其中，图2(a)为二维适形，图2(b)为三维分层适形；

图3是本发明引用的GSI主动式栅扫描束流配送系统的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的束流配送系统的结构示意图，其中，图4(a)为三维适形装置的补偿器靠近靶区时的结构示意图，图4(b)为三维适形装置的脊形过滤器靠近靶区时的结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的三维适形装置截面示意图，其中，图5(a)为补偿器的结构示意图，图5(b)为脊形过滤器的结构示意图；图5(c)为三维适形装置的整体截面示意图；

图6是本发明一实施例提供的一种三维适形装置示意图，其中，图6(a)为金字塔形棱锥或圆锥状的脊形过滤器结构示意图，图6(b)为脊形过滤器采用金字塔形棱锥或圆锥状时的三维适形装置截面示意图，图6(c)为脊形过滤器采用金字塔形棱锥或圆锥状时的三维适形装置三维示意图；

图7是本发明一实施例提供的另一种三维适形装置示意图，其中，图7(a)为楔形块状的脊形过滤器结构示意图，图7(b)为脊形过滤器采用楔形块状时的三维适形装置截面示意图，图7(c)为脊形过滤器采用楔形块状时的三维适形装置三维示意图；

图8是本发明一实施例提供的脊形过滤器的结构示意图，其中，图8(a)为脊形过滤器的立体示意图，图8(b)为脊形过滤器横向截面示意图；

图9是本发明一实施例提供的三维适形照射示意图；

图10是本发明一实施例提供的治疗靶区截面示意图；

图11是本发明一实施例提供的Flash分区照射示意图。

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地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。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

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。

现有技术中，运用于离子治疗的束流配送方法包括被动式束流配送系统和主动式束流配送系统两种类型，其区别在于束流的构形方式，被动式束流配送采用附加的硬件装置构形束流，而主动式束流配送通过对加速器输送束流的主动控制引导笔形束流照射靶区。相比之下，离子被动式束流配送系统由于其技术难度相对较低、易于对运动靶区实施照射，所以更为广泛地应用在离子临床放疗当中，尤其是早期建设的治疗装置。

被动式束流配送系统：

被动式束流配送系统主要包括扫描磁铁/散射体、脊形过滤器、射程移位器、多叶光栅或准直器和补偿器等设备。被动式束流配送系统利用扫描磁铁、散射体或二者相配合的方式，将加速器提供的笔形束在垂直束流方向(即横向)扩展为大的均匀照射野；利用多叶光栅(Multileaf Collimator，MLC)或患者肿瘤特异的准直器截取束流方向(beam’s eyeview，BEV)上与靶区投影形状一致的照射野，实现横向上的适形照射。同时，利用脊形过滤器(ridge filter，RF)或微型脊形过滤器(mini-RF)，在深度方向进行射程展宽。通常情况下，被动式束流配送系统中加速器提供的能量是固定的，因此需要使用射程移位器(rangeshifter)进行适当的射程调节；同时，为保护肿瘤后方的正常组织或危及器官，在体表加装补偿器，将束流控制在肿瘤后沿并与靶区后边界吻合，从而实现纵向上的适形照射。根据采用一次性展宽的SOBP (Spread-out Bragg Peak，即展宽的布拉格峰)还是mini-SOBP及照射靶区时多叶光栅是否采用多个构形等因素，被动式束流配送系统可细分为二维适形(如图2(a) 所示)和三维分层适形(如图2(b)所示)两种照射方式。传统的二维适形照射方式利用厚的脊形过滤器一次性地将单能重离子束Bragg峰展宽为与肿瘤靶体厚度一致的SOBP，再利用准直器或多叶光栅截取照射野实现适形照射，但是这种照射方式不可避免的会对肿瘤前方较多的正常组织造成损伤。而在三维分层适形照射方式中使用 mini-RF先将单能束流的Bragg峰略微展宽成物理吸收剂量在展宽峰区近似高斯分布的mini-SOBP，再利用mini-SOBP对肿瘤靶体进行逐层照射，且在照射过程中根据各个能量断层靶区形状，多叶光栅构形随当前照射断层的轮廓不同而变化，通过射程移位器调节离子束能量或加速器主动变能的方式进行下一层的照射，即是三维分层适形照射方式。三维分层适形照射能够有效克服二维适形照射方式的缺陷。

主动式束流配送系统：

点扫描(spot scanning)和栅扫描(raster scanning)是主动式束流配送系统的代表方式，其不同之处在于切换照射的靶点时束流是否被关断。如图3所示，为GSI (德国亥姆霍兹重离子研究中心)实现的主动式栅扫描束流配送系统。与被动式束流配送系统不同，主动式束流配送系统一般不对加速器提供的笔形束流进行过多的调制 (碳离子束需要使用mini-RF调制，将单能Bragg峰略微展宽成mini-SOBP)。该方法将照射靶区沿束流入射方向划分为若干个等能量断层，每一等能量断层再次被划分为若干个靶点，其中，等能量断层指该层上所有靶点具有相同的能量。通过调节离子束能量及扫描磁铁参数控制笔形束照射位置，实现对靶区的分层逐点照射，靶点在横向上和纵向上相互累加达到计划的均匀剂量分布，能够较大程度提高靶区的适形程度，因此不再需要例如多叶光栅、患者肿瘤特异的准直器和补偿器等束流调制设备，从而能够提高束流的利用效率，减少次级粒子的产生。

若采用Flash治疗模式，现有加速器及扫描模式存在一些缺点从而无法达到Flash治疗的要求，下表1为现有加速器及扫描模式的缺点：

表1：现有加速器及扫描模式的缺点

实现离子Flash治疗的难点是在高剂量率的前提下，满足二维或三维适形的同时实现精确的剂量测量与剂量控制。假设靶区为1L，即规则的10cm×10cm×10cm，且靶区位于距离体表10～20cm的位置，若剂量在靶体内均匀分布，则产生1GyE的剂量，所需质子数约为9.5E10，对于碳离子，产生1GyE的剂量所需离子数约为2.5E9，根据该数据计算得出不同射野大小下质子及重离子分别达到1GyE和30GyE剂量所需粒子数如下表2所示。粒子数满足下表2所述情况下，如果能在0.5s内完成束流配送，即其剂量率就能超过60GyE/s(注：实际上由于相对生物学效应与剂量率有关，所以此处仅仅是简单做了类比，实际情况要复杂得多)：

表2：不同射野大小粒子数与剂量关系

为实现Flash治疗所需要的束流配送，可以直接解决上述表1中提到的问题，例如，MLC(Multileaf Collimator，多叶准直器或多叶光栅)运动速度不够快，提高其运动速度；同步加速器的流强不够大，提高同步加速器的流强；剂量监测和扫描速度不够快，提高监测和扫描速度即可。但是，上述改进和提高，并不能一蹴而就，在现有技术的基础上，短期内是无法实现的，或者需要付出相当高的代价，性价比低。

而本发明实施例提供的用于离子Flash治疗的束流配送系统及方法，在不需要付出巨大代价的情况下，采用现有的技术水平，即可实现满足Flash治疗的剂量配送。本发明适用于当前所有的离子加速器，例如回旋加速器、同步加速器、直线加速器等，本发明最大的特点就是集成了调制扫描的特点和被动扩束的特点，束流依然以笔形束的模式在横向进行逐点扫描，但是纵向根据靶区(肿瘤)的形状加工为对应的脊形过滤器，从而将束流在纵向进行扩展，束流实现一次横向扫描，即可完成整个靶区的剂量配送。本发明采用加速器的调制扫描(例如栅扫描、点扫描等)方式，两个方向的扫描磁铁加载相应的电流使笔形束偏转实现对靶区的逐点照射，横向上束斑的位置可以由扫描磁铁控制，以实现与肿瘤横向截面一致的剂量分布。为不伤害靶区后方的正常组织，使离子束停止在靶区后沿(本发明靶区前后，是针对体表而言，沿束流方向靠近体表的部分为前沿，沿束流方向为上游；远离体表的部分为后沿，沿束流方向为下游)，还需要在体表增加补偿器。三维适形在纵向可以利用三维适形的脊形过滤器与补偿器进行有机组合，补偿器使离子束停留在靶区后沿以保护靶区后沿的正常器官不受辐射伤害，非规则的脊形过滤器用于实现与靶区深度方向厚度一致的射程调制。

实施例1

如图4(a)和图4(b)所示，本实施例提供一种用于离子Flash治疗的束流配送系统，包括扫描磁铁1、分条电离室和剂量电离室2(分条电离室和剂量电离室为 multi-stripionization chamber&ionization chamber，通常简写为MI&IC)、三维适形装置3和治疗控制系统。

扫描磁铁1、分条电离室和剂量电离室2以及三维适形装置3分别依序置于靶区4前，且扫描磁铁1、分条电离室和剂量电离室2以及三维适形装置3的中心与靶区4 的中心均处于束流轴线上。

扫描磁铁1用于将加速器发射的笔形离子束在垂直于束流运动方向的平面内进行偏转，以实现对靶区4内靶点的逐点照射。

分条电离室用于实时测量束流的位置。

剂量电离室用于实时测量束流的照射剂量。

三维适形装置3根据靶区4的形状对应设置，用于产生与靶区4适形的辐照场，以将偏转后的束流照射至靶区4内的靶点。

治疗控制系统用于对三维适形装置3的不同展宽厚度进行离子束能量的剂量标定，并根据Flash照射要求，确定靶区4内每一靶点上应照射的粒子数，并控制加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行逐点照射。

在一个优选的实施例中，扫描磁铁1由X方向的第一扫描磁铁11和Y方向的第二扫描磁铁12两组二极磁铁相互垂直设置而成。

在一个优选的实施例中，三维适形装置3包括补偿器31和脊形过滤器32。

补偿器31用于根据靶区4的形状，将偏转后的束流停留在靶区4的后沿，以保护靶区4后端的正常组织。

脊形过滤器32的形状根据靶区4的形状确定，脊形过滤器32纵向展宽的水等效深度与靶区4对应位置处的厚度一致，用于实现与靶区4深度方向的三维适形展宽，使离子展宽后的布拉格峰宽度与靶区4纵向截面的宽度一致，实现靶区4的前沿适形，保护靶区4前端的正常组织。

具体地，如图4(a)和图4(b)所示，补偿器31和脊形过滤器32的前后顺序不限定。

具体地，补偿器31和脊形过滤器32可以单独放置；也可以组合在一起，如图5 (a)、图5(b)和图5(c)所示，采用3D打印方法或其他机械加工方案实现。

更具体地，采用补偿器31和脊形过滤器32组合在一起的结构时，如图5(a)所示，补偿器31的中心开设有用于容纳脊形过滤器32的凹槽，凹槽的形状与脊形过滤器32的形状适配。

在一个优选的实施例中，如图6(a)、图6(b)和图6(c)所示，脊形过滤器32 由若干独立且高度不同的金字塔形棱锥或圆锥状过滤器排列而成，每一金字塔形棱锥或圆锥状过滤器的高度水等效转换后与靶区4对应位置处的厚度一致，与靶区4纵向剖面的形状相契合。

在一个优选的实施例中，如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示，脊形过滤器32 由若干独立且高度不同的楔形块状过滤器排列而成，每一楔形块状过滤器在所在位置对应的水等效厚度(water equivalent thickness，WET)与靶区4对应位置处的厚度一致，与靶区4纵向剖面的形状相契合。

具体地，脊形过滤器32中的每一过滤器的截面并不是等腰三角形，而是类等腰三角形，如图8(a)和8(b)所示的形状，每一类等腰三角形的侧边均不是直线，而是具有若干阶梯的弧线。需要说明的是，脊形过滤器还可以采用现有技术公开的其他形式，在此不多做赘述。

在一个优选的实施例中，在某些特殊情况下，例如靶区4中空或多方向凹陷时，靶区4可能根据具体需要，按照横向和纵向拆分为几个不同的靶区4分别进行照射，此时，可以按照拆分的靶区4设置对应数量的三维适形装置3，整体上最终获得与靶区4一致的剂量分布。

在一个优选的实施例中，三维适形装置3的脊形过滤器32可以沿深度方向上拆分为若干薄片(规则或不规则均可)，按照靶区4的形状加工为若干分层的三维适形装置 3，对靶区4进行分层适形照射，最终整体叠加后的剂量分布与靶区4一致。

在一个优选的实施例中，本发明的三维适形照射如图9和图10所示，因各靶点的射程调制深度不同，每种射程调制宽度下的深度剂量分布曲线也不一致，所以不同射程调制宽度下照射达到相同的剂量所需的粒子数也不一致，也就是说三维适形治疗时不同位置的标定因子不一样，需要对每一离子束能量下的不同展宽厚度进行剂量标定，治疗时才能根据不同位置的权重给出不同的粒子数进行照射。因此，治疗控制系统内设置有标定模块、需求设定模块和加速器控制模块。

标定模块用于将不同的离子束能量与脊形过滤器32内不同展宽深度的脊形过滤器进行组合，列出所有的离子束能量与脊形过滤器的组合，并分别对每一组合进行标定，得到标定因子。进一步地，还可以根据某些典型的离子束能量与不同展宽深度的脊形过滤器进行组合，再进行标定，得到典型的标定因子，再进行插值计算，在精度满足要求的情况下，得到所有组合的标定因子。

需求设定模块用于设定Flash照射要求，包括靶点的位置、每一靶点对应的脊形过滤器32厚度及对应能量、每一靶点的剂量。

控制模块用于根据设定的Flash照射要求和得到的标定因子，确定靶区4每一点上应照射的粒子数，并按照确定的粒子数，控制加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行逐点照射。

具体地，在计划验证阶段，可以采用矩阵电离室测量计划剂量与实际剂量的差别，以验证三维适形装置3和治疗控制系统给出的标定因子等是否达标。

实施例2

本实施例提供一种用于离子Flash治疗的束流配送方法，包括以下步骤：

1)根据靶区4的形状，设置三维适形装置3。

具体地，三维适形装置3可以沿深度方向上拆分为若干薄片，按照靶区4的形状加工为若干分层的三维适形装置3，对靶区4进行分层适形照射，最终整体叠加后的剂量分布与靶区4一致。

2)对三维适形装置3的不同展宽厚度进行离子束能量的剂量标定，具体为：

2.1)设定Flash照射要求，包括靶点的位置、每一靶点对应的脊形过滤器32厚度及对应能量、每一靶点的剂量。

2.2)将不同的离子束能量与脊形过滤器32内不同展宽深度的脊形过滤器进行组合，列出所有的离子束能量与脊形过滤器的组合，并分别对每一组合进行标定，得到标定因子。

3)根据Flash照射要求，确定靶区4每一点上应照射的粒子数。

4)加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行照射，并在对应靶点提供对应粒子数的离子束，依次通过扫描磁铁1、分条电离室和剂量电离室2以及三维适形装置3适形照射至靶区4内的对应靶点。

在一个优选的实施例中，对于较大靶区4的治疗，如果在照射过程中，达到Flash照射要求的剂量率无法满足整个靶区4的覆盖时，则可对靶区4进行分区域照射。如图11所示，以同步加速器为例，如果1个周期内的粒子数仅能满足3cm×3cm×10cm 体积内达到Flash的剂量率要求，则可以在第一个周期仅进行靶区4内某一区域的剂量覆盖(图11中的区域1)，使该区域达到Flash的剂量率要求，第二个周期照射靶区4内的另一区域，直至完成靶区4内所有区域的剂量覆盖。在不需要重新摆位、不需要分野照射的情况下，多个周期的束流配送能够达到触发Flash的剂量率和总剂量需求。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种用于离子Flash治疗的束流配送系统，其特征在于，包括扫描磁铁、分条电离室和剂量电离室、三维适形装置和治疗控制系统，其中，所述三维适形装置包括补偿器和脊形过滤器，所述扫描磁铁、分条电离室和剂量电离室以及所述三维适形装置的中心与靶区的中心均处于束流轴线上；

所述扫描磁铁用于将笔形离子束在垂直束流方向的平面内进行偏转；

所述分条电离室用于实时测量束流的位置；

所述剂量电离室用于实时测量束流的照射剂量；

所述补偿器用于根据靶区的形状，将偏转后的束流停留在靶区的后沿；

所述脊形过滤器的形状根据靶区的形状确定，所述脊形过滤器纵向展宽的水等效深度与靶区对应位置处的厚度一致，用于实现与靶区深度方向的三维适形展宽，使束流离子展宽后的布拉格峰宽度与靶区纵向截面的宽度一致，将偏转后的束流照射至靶区内的靶点；

所述治疗控制系统用于对所述三维适形装置的不同展宽厚度进行离子束能量的剂量标定，并根据Flash照射要求，确定靶区内每一靶点上应照射的粒子数，并控制加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行逐点照射；

所述治疗控制系统内设置有标定模块、需求设定模块和加速器控制模块；

所述标定模块用于将不同的离子束能量与所述脊形过滤器内不同展宽深度的脊形过滤器进行组合，列出所有的离子束能量与脊形过滤器的组合，并分别对每一组合进行标定，得到标定因子；

所述需求设定模块用于设定Flash照射要求，包括靶点的位置、每一靶点对应的脊形过滤器厚度及对应能量、每一靶点的剂量；

所述控制模块用于根据设定的Flash照射要求和得到的标定因子，确定靶区每一点上应照射的粒子数，并按照确定的粒子数，控制所述加速器采用调制扫描模式按照得到的粒子数进行逐点照射。

2.如权利要求1所述的一种用于离子Flash治疗的束流配送系统，其特征在于，所述三维适形装置的数量为至少一个，根据靶区的拆分位置和数量设置。

3.如权利要求1所述的一种用于离子Flash治疗的束流配送系统，其特征在于，所述补偿器和脊形过滤器单独放置或组合放置。

4.如权利要求1所述的一种用于离子Flash治疗的束流配送系统，其特征在于，所述脊形过滤器由若干独立且高度不同的金字塔形棱锥或圆锥状过滤器排列而成，每一金字塔形棱锥或圆锥状过滤器的高度水等效转换后与靶区对应位置处的厚度一致，与靶区纵向剖面的形状相契合。

5.如权利要求1所述的一种用于离子Flash治疗的束流配送系统，其特征在于，所述脊形过滤器由若干独立且高度不同的楔形块状过滤器排列而成，每一楔形块状过滤器在所在位置对应的水等效厚度与靶区对应位置处的厚度一致，与靶区纵向剖面的形状相契合。

6.如权利要求1所述的一种用于离子Flash治疗的束流配送系统，其特征在于，所述三维适形装置的脊形过滤器能按照靶区的形状沿深度方向上拆分为若干片状结构，得到若干分层的三维适形装置，对靶区进行分层适形照射，最终整体叠加后的剂量分布与靶区一致。

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