CN115006747A - 超导旋转机架以及质子治疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导旋转机架以及质子治疗设备，超导旋转机架包括：机架本体和束流传输系统。束流传输系统设于机架本体，束流传输系统包括第一弯曲模块、降能模块、超导消色差弯曲模块以及扫描治疗头，其中降能模块包括真空箱和降能系统，降能系统封装在真空箱内，真空箱的相对两侧形成有真空窗口，真空窗口处封盖有可供质子束穿过的窗膜，在降能系统封装在真空箱内后，真空箱适于单独抽真空。根据本发明实施例的超导旋转机架，可以对降能模块进行单独抽真空，避免降能模块内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题，同时将超导回旋加速器与束流传输系统物理隔开分别抽真空，提高系统稳定性，从而提高质子治疗设备的性能。

Description

超导旋转机架以及质子治疗设备

技术领域

本发明涉及质子治疗技术领域，尤其是涉及一种超导旋转机架以及质子治疗设备。

背景技术

质子治疗因其独特的布拉格峰剂量分布和相对生物学效应，在实现靶区剂量覆盖最大化的同时减轻周围重要器官的辐射危害。近些年，计划和建造质子治疗设施的机构数量显著增加。大多数的质子治疗装置使用回旋加速器引出固定能量质子束，并通过降能系统和笔形束扫描治疗头将剂量均匀分布在三维体积上。

通常，质子治疗装置装配完成之后，进行整体抽真空，然而在整体抽真空过程中，由于降能系统内石墨存在缓慢放气的特性，导致抽真空效率降低，同时影响整体的真空度；另外，回旋加速器与束流传输系统一起抽真空，使得两者的真空相互影响，不利于系统稳定，从而影响质子治疗装置的整体性能。因此，需要改进。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于质子治疗的超导旋转机架，该超导旋转机架的降能模块通过在真空窗口处覆盖可供质子束穿过的窗膜，可以对降能模块进行单独抽真空，避免降能模块内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题，同时将回旋加速器与束流传输系统物理隔开分别抽真空，提高系统稳定性，从而提高质子治疗设备的性能。

本发明还提出了一种具有上述超导旋转机架的质子治疗设备。

根据本发明第一方面实施例的用于质子治疗的超导旋转机架，包括：机架本体；束流传输系统，所述束流传输系统设于所述机架本体，所述束流传输系统包括第一弯曲模块、降能模块、超导消色差弯曲模块以及扫描治疗头，其中所述降能模块包括真空箱和降能系统，所述降能系统封装在所述真空箱内，所述真空箱的相对两侧形成有真空窗口，所述真空窗口处封盖有可供质子束穿过的窗膜，在所述降能系统封装在所述真空箱内后，所述真空箱适于单独抽真空。

根据本发明实施例的用于质子治疗的超导旋转机架，通过在真空窗口处覆盖可供质子束穿过的窗膜，可以对降能模块进行单独抽真空，避免降能模块内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题，同时将回旋加速器与束流传输系统物理隔开分别抽真空，提高系统稳定性，，从而提高质子治疗设备的性能。

根据本发明的一些实施例，所述窗膜的厚度不大于60μm。

可选地，所述窗膜的厚度范围为40～60μm。

根据本发明的一些实施例，所述窗膜包括主体膜层和辅助膜层，所述辅助膜层叠置于所述主体膜层的至少一侧，所述主体膜层的厚度大于所述辅助膜层的厚度，所述主体膜层为高分子膜层，所述辅助膜层为金属膜层。

根据本发明的一些实施例，所述机架本体包括前支撑架、前支撑环、后支撑架、后支撑环、筒体和叉桥支架，所述前支撑架和所述后支撑架沿前后方向相对且间隔设置，所述前支撑环可转动地支撑于所述前支撑架，所述后支撑环可转动地支撑于所述后支撑架，所述筒体的轴向前端与所述前支撑环相连，所述叉桥支架的至少部分设在所述筒体的外周壁且所述叉桥支架与所述筒体的轴向后端相连，所述叉桥支架的后端与所述后支撑环相连，所述第一弯曲模块的至少部分、所述降能模块和所述超导消色差弯曲模块均设于所述叉桥支架，所述扫描治疗头设于所述筒体内。

在本发明的一些可选实施例中，所述叉桥支架包括沿前后方向排布的第一安装平台和第二安装平台，所述第二安装平台位于所述第一安装平台的前侧，所述第一弯曲模块的至少部分和所述降能模块设于所述第一安装平台，所述超导消色差弯曲模块的至少部分设于所述第二安装平台，所述第一安装平台在由后至前的方向上朝向上倾斜延伸，所述第二安装平台沿前后方向水平延伸。

在本发明的一些可选实施例中，所述叉桥支架还包括位于左右两端的维护平台，所述超导旋转机架的配电柜设于所述维护平台。

在本发明的一些可选实施例中，所述叉桥支架的内部设有相互垂直的加强筋板；和/或，所述叉桥支架为左右对称结构。

根据本发明的一些实施例，所述第一弯曲模块包括第一磁铁组件，所述第一磁铁组件包括聚焦磁铁组和第一偏转磁铁，所述聚焦磁铁组包括沿质子束的传输方向依次排布的多个第一聚焦磁铁，所述第一聚焦磁铁为常温四极磁铁，所述第一偏转磁铁为超导二极磁铁或永磁铁。

根据本发明的一些实施例，所述超导消色差弯曲模块的色散函数不大于7mm/%。

根据本发明的一些可选实施例，所述超导消色差弯曲模块包括第二磁铁组件，所述第二磁铁组件为三元弯曲段结构，所述第二磁铁组件包括沿质子束的传输方向依次排布的第二偏转磁铁、第三偏转磁铁和第四偏转磁铁，所述第二偏转磁铁和所述第三偏转磁铁之间设有第二聚焦磁铁，所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁之间设有第三聚焦磁铁，所述第二聚焦磁铁和第三聚焦磁铁均为超导四极磁铁，所述第二偏转磁铁、所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁均为超导磁铁。

在本发明的一些可选实施例中，所述第二偏转磁铁和所述第四偏转磁铁是能够产生二极磁场和四极磁场的斜螺线管型超导磁铁，其中偏转220MeV能力的质子束时，所述二极磁场小于3T，所述四极磁场的梯度小于55T/m。

在本发明的一些可选实施例中，所述第二偏转磁铁、所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁的偏转角度均相同；和/或，所述第四偏转磁铁在等中心点处的杂散磁场不高于0.3mT。

在本发明的一些可选实施例中，所述第二磁铁组件还包括第四聚焦磁铁和第五聚焦磁铁，所述第四聚焦磁铁位于所述第二偏转磁铁的上游侧，所述第五聚焦磁铁位于所述第四偏转磁铁的下游侧，所述第四聚焦磁铁和所述第五聚焦磁铁均为常温四极磁铁。

可选地，所述第二聚焦磁铁以及所述第三聚焦磁铁的聚焦常数小于20m^-1，所述第四聚焦磁铁以及所述第五聚焦磁铁的聚焦常数小于5m^-1。

在本发明的一些可选实施例中，所述第二磁铁组件被配置为关于第三偏转磁铁的中心轴线呈镜像对称，所述镜像对称包括磁场对称以及结构对称。

根据本发明第二方面实施例的质子治疗设备，包括：回旋加速器，所述回旋加速器用于产生质子束；超导旋转机架，所述超导旋转机架为根据本发明上述第一方面实施例的超导旋转机架，所述超导旋转机架位于所述回旋加速器的下游侧。

根据本发明实施例的质子治疗设备，通过设置上述的超导旋转机架，可以对降能模块进行单独抽真空，避免降能模块内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题，同时将回旋加速器与束流传输系统物理隔开分别抽真空，提高系统稳定性，从而提高质子治疗设备的性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一些实施例的质子治疗设备的示意图；

图2是图1中的质子治疗设备的叉桥支架的示意图；

图3是图1中的质子治疗设备的降能模块的示意图；

图4是图3中A处放大图；

图5是根据本发明一些实施例的质子治疗设备的束流传输系统的示意图；

图6是本发明一些实施例的质子治疗设备的束流包络曲线图。

附图标记：

100、质子治疗设备；

10、回旋加速器；

20、超导旋转机架；

30、机架本体；11、前支撑架；111、前支撑滚轮；12、后支撑架；121、后支撑滚轮；13、筒体；131、前支撑环；132、驱动齿轮；133、后支撑环；14、叉桥支架；140、支架主体；141、第一安装平台；142、第二安装平台；143、维护平台；144、手扶梯；15、配电柜；

40、束流传输系统；

2、第一弯曲模块；201、第一磁铁组件；21、聚焦磁铁组；211、第一聚焦磁铁；22、第一偏转磁铁；

3、降能模块；31、真空箱；311、真空窗口；312、窗膜；32、降能系统；321、降能器；322、可移动式准直器；

4、超导消色差弯曲模块；401、第二磁铁组件；41、第二偏转磁铁；42、第三偏转磁铁；43、第四偏转磁铁；44、第二聚焦磁铁；45、第三聚焦磁铁；46、第四聚焦磁铁；47、第五聚焦磁铁；

61、扫描治疗头；62、旋转地板；63、CBCT图像引导系统；64、等中心。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的用于质子治疗的超导旋转机架20。超导旋转机架20用于质子治疗设备100，质子治疗设备100包括回旋加速器10，回旋加速器10用于产生质子束，超导旋转机架20位于回旋加速器10的下游侧，回旋加速器10产生的质子束导入超导旋转机架20。可选地，所述超导旋转机架20可配置成单室或多室质子治疗系统。

根据本发明第一方面实施例的用于质子治疗的超导旋转机架20，包括：机架本体30和束流传输系统40。

束流传输系统40设于机架本体30，束流传输系统40用于传输调节质子束，使得质子束到达治疗位置。束流传输系统40包括第一弯曲模块2、降能模块3、超导消色差弯曲模块4以及扫描治疗头61，第一弯曲模块2、降能模块3、超导消色差弯曲模块4以及扫描治疗头61可以按照质子束的传输方向依次排布。

其中，第一弯曲模块2用于对质子束的束斑大小进行调整以及用于对质子束进行偏转；降能模块3用于对质子束进行降能，使得质子束达到预设的能量大小；超导消色差弯曲模块4用于对质子束进行消色差，扫描治疗头61用于对治疗位置进行扫描治疗。

本发明通过将超导磁铁技术引入旋转机架，有效降低了旋转机架的体积和重量，从而减轻了旋转机架的运行和维护成本。本发明实施例的超导旋转机架20的旋转半径R（超导旋转机架20的旋转中心位于等中心点64处）约小于或等于3.5m，超导旋转机架20的旋转段长度L小于或等于4.5m，超导旋转机架20的总重量不超过100t。

例如，在第一弯曲模块2、降能模块3、超导消色差弯曲模块4以及扫描治疗头61可以按照质子束的传输方向依次排布时，回旋加速器10产生的质子束依次经过第一弯曲模块2、降能模块3、超导消色差弯曲模块4以及扫描治疗头61，从而可以到达治疗位置进行治疗。通过将降能模块3设置在第一弯曲模块2和超导消色差弯曲模块4之间，使得整个超导旋转机架20更加紧凑，降能模块3不仅用于上游和下游的束流光学解耦，同时避免使用额外的能量选择系统进一步占用空间，优化的束线路设计避免使用额外的能量选择系统，进一步的缩减了超导旋转机架20的占地面积。

其中，降能模块3包括真空箱31和降能系统32，降能系统32封装在真空箱31内。降能系统32可以包括降能器321和一对可移动式准直器322，降能器321可以包括楔形石墨块。其中，降能器321可以实现等中心点64处（即治疗端）2.6-30.5g/cm²范围内射程调制，调节步长可以实现不大于0.5mm；一对可移动式准直器322可以用于36pimm.mrad或者更小的发射度束流的传输，在等中心点64处束斑可以控制可在6mm标准差及以下。

真空箱31的相对两侧形成有真空窗口311，具体地，真空箱31在质子束的传输方向上的相对两侧形成有真空窗口311，每个真空窗口311处均封盖有可供质子束穿过的窗膜312，从而使得真空箱31内形成为封闭的空间，在降能系统32封装在真空箱31内后，可以对真空箱31进行单独抽真空。可以在整个质子治疗设备100装配完成之后，可以对真空箱31进行抽真空，由于每个真空窗口311处均封盖有窗膜312，真空箱31内形成为封闭的空间，可以对真空箱31单独进行抽真空，由于真空箱31内的空间相对质子治疗设备100整体空间要小很多，相对于相关技术中对质子治疗设备100整体进行抽真空而言，可以避免降能模块3内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题，可以提高降能模块3的真空度和抽真空效率。束流传输系统40中的其他部件需要抽真空时，也是独立于降能模块3进行抽真空，降能模块3和束流传输系统40中的其他需要抽真空的部件可以同时抽真空，也可以不同时抽真空，无论是否同时抽真空，由于封装降能系统32的真空箱31本身内部形成的是封闭空间，因此可以实现降能模块3单独抽真空。

另外，可以将回旋加速器10与束流传输系统40物理隔开分别抽真空，提高系统稳定性。

并且，由于覆盖在真空窗口311处的窗膜312可供质子束穿过，因此也不会影响质子治疗设备100的正常稳定运行，质子束可以穿过其中一侧的窗膜312进入真空箱31内，经过真空箱31的降能系统32进行降能处理后，穿过另一侧的窗膜312传输至真空箱31外，并进入位于降能模块3下游侧的部件内。

需要说明的是，相对于质子束穿过真空窗口311而言，质子束穿过窗膜312后对于质子束的影响很小，该影响可以忽略不计；由于窗膜312可能会造成质子束能量的极小损失，也可以通过计算该损失，使得降能系统32对质子束降低的能量与两个窗膜312对质子束的能量损失之和与质子束穿过真空窗口311时降能系统32对质子束降低的能量相同，使得质子束的能量控制更为精确。

根据本发明实施例的用于质子治疗的超导旋转机架20，通过在真空窗口311处覆盖可供质子束穿过的窗膜312，可以对降能模块3进行单独抽真空，避免降能模块3内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题，同时将回旋加速器10与束流传输系统40物理隔开分别抽真空，提高系统稳定性，从而提高质子治疗设备100的性能。

根据本发明的一些实施例，窗膜312的厚度不大于60μm。通过将窗膜312的厚度设置为不大于60μm，可以使得窗膜312对质子传输的影响很小。

可选地，窗膜312的厚度范围可以为40～60μm。通过将窗膜312的厚度范围设置在40～60μm之间，既可以保证在对真空箱31进行抽真空的过程中，窗膜312在负压作用下不会发生损坏，并且可以保证窗膜312对质子束传输的影响很小。

根据本发明的一些实施例，窗膜312可以包括主体膜层和辅助膜层，辅助膜层可以叠置于主体膜层的沿主体膜层的厚度方向的至少一侧，例如辅助膜层可以叠置于主体膜层的沿主体膜层的厚度方向的一侧，辅助膜层也可以叠置于主体膜层的沿主体膜层的厚度方向的相对两侧，主体膜层的厚度大于辅助膜层的厚度，主体膜层可以为高分子膜层，辅助膜层可以为金属膜层。

通过将主体膜层设置为高分子膜，可以使得窗膜312整体对于质子束的影响很小，同时又将辅助膜层设置为金属膜，可以减小窗膜312的透气性，使得真空箱31具有更好的密封性，可以更好地实现降能模块3的真空箱31的单独抽真空，并且可以更好地避免降能模块3内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题。另外，由于厚度较大的主体膜层为高分子膜层，同时又在主体膜层上镀金属膜层，高分子膜层不影响粒子穿过，同时金属膜层提高窗膜312的气密性。

可选地，辅助膜层可以镀在主体膜层上。

根据本发明的一些实施例，参照图1，机架本体30可以包括前支撑架11、前支撑环131、后支撑架12、后支撑环133、筒体13和叉桥支架14，其中前支撑架11和后支撑架12沿前后方向相对且间隔设置。前支撑环131可转动地支撑于前支撑架11，后支撑环133可转动地支撑于后支撑架12。筒体13的轴向前端与前支撑环131相连，叉桥支架14的至少部分设在筒体13的外周壁且与筒体13连接固定，叉桥支架14与筒体13的轴向后端相连，叉桥支架14的后端与后支撑环133相连。

前支撑架11的支撑面和后支撑架12的支撑面均可以呈沿左右方向延伸的弧形，前支撑架11的支撑面可以设置多个沿支撑面的延伸方向排布的前支撑滚轮111，前支撑环131的底面支撑于前支撑滚轮111，可以减少前支撑环131与前支撑架11之间的摩擦磨损；后支撑架12的支撑面可以设置多个沿支撑面的延伸方向排布的后支撑滚轮121，后支撑环133的底面支撑于后支撑滚轮121，可以减少后支撑环133与后支撑架12之间的摩擦磨损。在筒体13相对前支撑架11以及后支撑架12转动时，筒体13带动束流传输系统40设置在筒体13内的部分、叉桥支架14以及束流传输系统40设置在叉桥支架14上的部分同步转动。

例如，前支撑环131的前端设有驱动齿轮132，前支撑架11上设置驱动电机以及连接于驱动电机的电机轴的减速机构，驱动齿轮132与减速机构之间通过传动齿轮可传动地连接，在驱动电机工作时，带动减速机构运转，并带动传动齿轮转动，传动齿轮与驱动齿轮132啮合，从而带动前支撑环131转动，即带动筒体13转动，在筒体13转动时，带动束流传输系统40设置在筒体13内的部分、叉桥支架14以及束流传输系统40设置在叉桥支架14上的部分同步转动。

其中，第一弯曲模块2的至少部分、降能模块3和超导消色差弯曲模块4均设于叉桥支架14，例如可以是第一弯曲模块2的部分、降能模块3和超导消色差弯曲模块4均设于叉桥支架14，也可以是整个第一弯曲模块2、降能模块3和超导消色差弯曲模块4均设于叉桥支架14。扫描治疗头61设于筒体13内，扫描治疗头61可以为笔形束扫描治疗头61，笔形束扫描治疗头61可以为紧凑型扫描磁铁结构，在治疗端可以形成大于25*25cm²的照射野。治疗室内还可以设有CBCT图像引导系统63。

相关技术中的旋转机架以桁架结构和筒形结构为主，相关技术中的桁架结构的旋转机架通常存在等中心点漂移严重，补偿困难的问题，而筒形结构的旋转机架通常体积庞大，本发明通过将机架本体30设置为包括上述的前支撑架11、后支撑架12、筒体13和叉桥支架14，与相关技术中的以桁架结构和筒形结构为主的机架相比，本发明的机架本体30采用叉桥结构与筒体结构相结合，使得机架本体30的结构简单、结构紧凑、体积较小，并且结构强度较高，可以解决等中心点64漂移严重、补偿困难的问题。本发明的机架本体30不仅在满足结构强度和刚度的同时减轻了机架重量，同时有效降低了等中心点64的偏移量。

例如，本发明的超导旋转机架20在等中心点64处能够实现±185°任意角度照射，旋转精度小于或等于0.1°，等中心点64偏移误差不超过±0.3mm。

另外，通过将第一弯曲模块2的至少部分、降能模块3和超导消色差弯曲模块4均设于叉桥支架14，使得叉桥支架14作为束流传输系统40的主要承载部件，可以使得束流传输系统40得到稳定的支撑和固定，使得整体结构稳定、可靠且紧凑，并且使得束流传输系统40主要集成在叉桥支架14上，使得超导旋转机架20的结构实现模块化，使得束流传输系统40的维护较为方便。

可选地，筒体13内部安装有旋转地板62，旋转地板62跟随扫描治疗头61同步转动。

需要说明的是，所述前后方向时相对于质子束的传输方向而言，在质子束的传输方向上相对而言朝向下游侧的方向为前，相应地，在质子束的传输方向上相对而言朝向上游侧的方向为后，沿水平方向且垂直于前后方向的方向则为左右方向。

在本发明的一些可选实施例中，参照图1和图2，叉桥支架14可以包括支架主体140、第一安装平台141以及第二安装平台142，第一安装平台141以及第二安装平台142均设在支架主体140的顶部，第一安装平台141以及第二安装平台142沿前后方向排布，第二安装平台142位于第一安装平台141的前侧，第一安装平台141在由后至前的方向上朝向上倾斜延伸，第二安装平台142沿前后方向水平延伸。其中，第一弯曲模块2的至少部分和降能模块3设于第一安装平台141，例如可以是第一弯曲模块2的至少部分和降能模块3设于第一安装平台141，也可以是整个第一弯曲模块2和降能模块3设于第一安装平台141，第一弯曲模块2或第一弯曲模块2的部分可以安装在第一安装平台141的后部分，降能模块3可以安装在第一安装平台141的中部。超导消色差弯曲模块4的至少部分设于第二安装平台142，例如超导消色差弯曲模块4的部分位于第一安装平台141的前端且超导消色差弯曲模块4的其余大部分安装于第二安装平台142，或者也可以是超导消色差弯曲模块4整体均位于第二安装平台142。通过将叉桥支架14设置为包括上述两个安装平台（即第一安装平台141和第二安装平台142），方便束流传输系统40的安装固定。

在本发明的一些可选实施例中，参照图1和图2，叉桥支架14可以包括支架主体140和维护平台143，第一弯曲模块2的至少部分、降能模块3以及超导消色差弯曲模块4设于支架主体140的顶部，维护平台143位于支架主体140的左右两端，维护平台143沿水平方向延伸，超导旋转机架20的配电柜15可以安装固定于维护平台143，维护平台143与支架主体140之间以及支架主体140上可以设有手扶梯144。通过设置的维护平台143，方便安装固定在叉桥支架14上的第一弯曲模块2的至少部分、降能模块3以及超导消色差弯曲模块4的维护，并且将配电柜15设置在维护平台143上，也方便配电柜15的维护；另外，通过将维护平台143集成于叉桥支架14，进一步地使得结构模块化，从而使得结构更为紧凑。

在本发明的一些可选实施例中，参照图1和图2，叉桥支架14的内部设有相互垂直的加强筋板。例如，叉桥支架14包括上述的支架主体140、第一安装平台141、第二安装平台142以及维护平台143，支架主体140可以采用开孔的箱体结构，支架主体140的内部焊接相互垂直的加强筋板，加强筋板包括水平延伸的水平筋板以及竖直延伸的竖直筋板。通过在叉桥支架14的内部设有相互垂直的加强筋板，可以提高叉桥支架14的整体结构强度，保证超导旋转机架20在0°~180°中的各个角度下的结构强度和刚度。

在本发明的一些可选实施例中，参照图1和图2，叉桥支架14为左右对称结构。由此，使得叉桥支架14的结构简单，且整体结构均衡，使得超导旋转机架20的旋转部分可以稳定旋转。

根据本发明的一些实施例，参照图1和图5，第一弯曲模块2可以包括第一磁铁组件201，第一磁铁组件201包括聚焦磁铁组21和第一偏转磁铁22，聚焦磁铁组21可以位于超导旋转机架20的入口处，聚焦磁铁组21可以安装固定在上述的后支撑架12上，第一偏转磁铁22可以安装固定在上述的第一安装平台141的后部分，此时超导旋转机架20的旋转段的长度为第一偏转磁铁22的后端面至等中心点64的距离。在筒体13相对前支撑架11以及后支撑架12转动时，筒体13带动设置于筒体1内的扫描治疗头61、叉桥支架14以及束流传输系统40设置在叉桥支架14上的部分（束流传输系统40设置在叉桥支架14上的部分包括第一偏转磁铁22、降能模块3以及超导消色差弯曲模块4）同步转动。

聚焦磁铁组21包括沿质子束的传输方向依次排布的多个（例如三个）第一聚焦磁铁211。聚焦磁铁组21用于对回旋加速器10引出的质子束进行光学约束，并利用第一偏转磁铁22将质子束偏转第一预设角度至降能模块3处，实现用于将回旋加速器10引出的质子束聚焦在降能模块3的进口端，质子束的束斑尺寸可以控制在2mm标准差或以下。可选地，第一聚焦磁铁211为常温四极磁铁，第一偏转磁铁22可以为超导二极磁铁或永磁铁。

其中，第一偏转磁铁22的磁场设置只与回旋加速器10的引出能量相关，例如采用回旋加速器10时引出能量不变，此时第一偏转磁铁22可配置为具有小孔径的永磁铁。

可选地，第一偏转磁铁22的偏转角度（即上述的第一预设角度）可以设置在在45°～65°范围，例如第一偏转磁铁22的偏转角度可以为60°。

根据本发明的一些实施例，超导消色差弯曲模块4位于降能模块3的下游侧，超导消色差弯曲模块4可以安装在第一安装平台141的前端以及第二安装平台142上，超导消色差弯曲模块4用于将束流偏转第二预设角度（例如用于将束流偏转150°）并实现大动量接受度功能，超导消色差弯曲模块4的色散函数不大于7mm/%。通过对超导消色差弯曲模块4进行物理方面的优化设计，可以显著抑制该弯曲段色散函数，使得超导消色差弯曲模块4的色散函数不大于7mm/%，从而可以超导消色差弯曲模块4用于束流偏转并实现大动量接受度功能，例如可以获得±13%的动量接受度。

可以实现临床55～220MeV能量调制时，超导磁铁电流变换不大于三次，例如超导磁铁仅需不超过三次励磁电流变化（即超导磁铁仅需不大于三个励磁电流档位），即可实现临床端2.6～30.5g/cm²范围内的射程调制以及具有36pimm.mrad或者更小发射度束流的传输。例如，对于部分常规肿瘤，如深度5cm及布拉格峰展宽约8cm，基本不需要改变超导磁铁电流。有效解决了在治疗时因能量快速切换引起的超导磁铁线圈失超，避免超导线圈失超，同时缩短治疗时间，提高治疗效率。

根据本发明的一些可选实施例，参照图1和图5，超导消色差弯曲模块4可以包括第二磁铁组件401，第二磁铁组件401为三元弯曲段结构，具体地，第二磁铁组件401包括沿质子束的传输方向依次排布的第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43，第二偏转磁铁41和第三偏转磁铁42之间设有第二聚焦磁铁44，第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43之间设有第三聚焦磁铁45，第二聚焦磁铁44和第三聚焦磁铁45均可以为超导四极磁铁，第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43均可以为超导磁铁。通过将超导消色差弯曲模块4的第二磁铁组件401设置为三元弯曲段结构，与常规的双弯曲消色差段相比，具有更好的色散抑制能力，可以使得超导消色差弯曲模块4中的色散函数最大值不超过7mm/%，例如可以使得超导消色差弯曲模块4中的色散函数最大值约为5.5mm/%，在第四偏转磁铁43的出口处的色散函数被抑制至接近0mm/%，从而使得超导消色差弯曲模块4具有±13%的大动量接受度。

可选地，第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43的偏转角度均相同，例如第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43的偏转角度均为50°。相比较于双弯曲消色散结构，该超导消色差弯曲模块4的弯曲消色散结构由三组偏转磁铁组成，能够有效的抑制色散函数。因此，能够在较小的磁铁孔径内实现较大的动量接受度。

可选地，第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43的偏转角度的角度之和与第一偏转磁铁22的偏转角度相差90°，例如第一偏转磁铁22的偏转角度为60°，第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43的偏转角度的角度之和为150°。

可选地，第一偏转磁铁22、第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42和第四偏转磁铁43超导偏转磁铁的半径均可以为0.7m。

可选地，第一偏转磁铁22和第三偏转磁铁42的线圈材料为N_bT_i，临界运行电流为1000A。

可选地，第二偏转磁铁41和第四偏转磁铁43是能够产生二极磁场和四极磁场的斜螺线管型超导磁铁，其中偏转220MeV能力的质子束时，二极磁场小于3T，四极磁场的梯度小于55T/m。

可选地，第四偏转磁铁43在等中心点64处的杂散磁场不高于0.3mT。通过将第四偏转磁铁43在等中心点64处的杂散磁场不高于0.3mT，可以保证病人体内的金属植入物或者治疗室内的电子元器件不受第四偏转磁铁43产生杂散磁场的干扰。

在本发明的一些可选实施例中，参照图1和图5，第二磁铁组件401还包括第四聚焦磁铁46和第五聚焦磁铁47，第四聚焦磁铁46位于第二偏转磁铁41的上游侧，第五聚焦磁铁47位于第四偏转磁铁43的下游侧，第四聚焦磁铁46和第五聚焦磁铁47为常温四极磁铁。通过在第二磁铁组件401的两端分别设置两个常温四极磁铁（即第四聚焦磁铁46和第五聚焦磁铁47），可以增加束流光学的灵活性，两个常温四极磁铁（即第四聚焦磁铁46和第五聚焦磁铁47）可随能量迅速变化磁场，并被设置为相同磁场值，以期在等中心点64提供灵活的光束匹配。当束流从第五聚焦磁铁47引出后通过真空密封窗并直接进入位于下游侧扫描治疗头61，通过紧凑型组合磁铁完成束流偏转，照射野范围大于25×25cm²。

可选地，第二聚焦磁铁44和第三聚焦磁铁45的聚焦常数均小于20m^-1，第四聚焦磁铁46以及第五聚焦磁铁47的聚焦常数均小于5m^-1。

在本发明的一些可选实施例中，参照图1和图5，第二磁铁组件401被配置为关于第三偏转磁铁42的中心轴线呈镜像对称，该镜像对称包括磁场对称以及结构对称。该设置可以尽可能的抑制超导消色差弯曲模块4中的色散函数，使得色散函数进一步地减小，从而可以进一步地增大动量接受度。另外，质子束流包络在超导消色差弯曲模块4以第三偏转磁铁42的中心轴线为镜像对称，并实现点到点传输，在等中心点64处束斑控制可在6mm标准差及以下。

例如，第二磁铁组件401包括上述的第二偏转磁铁41、第三偏转磁铁42、第四偏转磁铁43、第二聚焦磁铁44、第三聚焦磁铁45、第四聚焦磁铁46以及第五聚焦磁铁47时，第四聚焦磁铁46、第二偏转磁铁41、第二聚焦磁铁44、第三偏转磁铁42、第三聚焦磁铁45、第四偏转磁铁43、第五聚焦磁铁47沿质子束的传输方向依次排布，其中第二偏转磁铁41和第四偏转磁铁43相同，第二聚焦磁铁44和第三聚焦磁铁45相同，第四聚焦磁铁46和第五聚焦磁铁47相同，从而使得第二磁铁组件401被配置为关于第三偏转磁铁42的中心轴线呈镜像对称，该镜像对称包括磁场对称以及结构对称。

参照图6，图6示出了从回旋加速器10的出口至等中心点64处垂直和水平方向的束流包络。其中上部分是垂直方向束流半包络，下部是水平方向束流半包络。本示例以25pimm.mrad发射度的质子束流为例，并在等中心点64处形成束斑尺寸约5mm 标准差，超导消色差弯曲模块4中色散函数最大值约为5.5mm/%，在第四偏转磁铁43的出口处色散函数被抑制至约0mm/%，如曲线51所示，曲线52、53、54分别为动量散度2%、6%和13%时水平方向的束流包络，这些包络显示出高度对称以及点到点聚焦，包络大小均控制在磁铁孔径内。

参照图1和图5，根据本发明第二方面实施例的质子治疗设备100，包括：回旋加速器10和超导旋转机架20，回旋加速器10用于产生质子束，回旋加速器10可以为超导回旋加速器10。超导旋转机架20为根据本发明上述第一方面实施例的超导旋转机架20，超导旋转机架20位于回旋加速器10的下游侧。

根据本发明实施例的质子治疗设备100，通过设置上述的超导旋转机架20，可以对降能模块3进行单独抽真空，避免降能模块3内石墨放气缓慢导致的真空度不足以及抽真空效率低问题，同时将回旋加速器10与束流传输系统40物理隔开分别抽真空，提高系统稳定性，从而提高质子治疗设备100的性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (16)

1.一种用于质子治疗的超导旋转机架，其特征在于，包括：

机架本体；

束流传输系统，所述束流传输系统设于所述机架本体，所述束流传输系统包括第一弯曲模块、降能模块、超导消色差弯曲模块以及扫描治疗头，其中所述降能模块包括真空箱和降能系统，所述降能系统封装在所述真空箱内，所述真空箱的相对两侧形成有真空窗口，所述真空窗口处封盖有可供质子束穿过的窗膜，在所述降能系统封装在所述真空箱内后，所述真空箱适于单独抽真空。

2.根据权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述窗膜的厚度不大于60μm。

3.根据权利要求2所述的超导旋转机架，其特征在于，所述窗膜的厚度范围为40～60μm。

4.根据权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述窗膜包括主体膜层和辅助膜层，所述辅助膜层叠置于所述主体膜层的至少一侧，所述主体膜层的厚度大于所述辅助膜层的厚度，所述主体膜层为高分子膜层，所述辅助膜层为金属膜层。

5.根据权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述机架本体包括前支撑架、前支撑环、后支撑架、后支撑环、筒体和叉桥支架，所述前支撑架和所述后支撑架沿前后方向相对且间隔设置，所述前支撑环可转动地支撑于所述前支撑架，所述后支撑环可转动地支撑于所述后支撑架，所述筒体的轴向前端与所述前支撑环相连，所述叉桥支架的至少部分设在所述筒体的外周壁且所述叉桥支架与所述筒体的轴向后端相连，所述叉桥支架的后端与所述后支撑环相连，所述第一弯曲模块的至少部分、所述降能模块和所述超导消色差弯曲模块均设于所述叉桥支架，所述扫描治疗头设于所述筒体内。

6.根据权利要求5所述的超导旋转机架，其特征在于，所述叉桥支架包括沿前后方向排布的第一安装平台和第二安装平台，所述第二安装平台位于所述第一安装平台的前侧，所述第一弯曲模块的至少部分和所述降能模块设于所述第一安装平台，所述超导消色差弯曲模块的至少部分设于所述第二安装平台，所述第一安装平台在由后至前的方向上朝向上倾斜延伸，所述第二安装平台沿前后方向水平延伸。

7.根据权利要求5所述的超导旋转机架，其特征在于，所述叉桥支架还包括位于左右两端的维护平台，所述超导旋转机架的配电柜设于所述维护平台。

8.根据权利要求5所述的超导旋转机架，其特征在于，所述叉桥支架的内部设有相互垂直的加强筋板；和/或，所述叉桥支架为左右对称结构。

9.根据权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述第一弯曲模块包括第一磁铁组件，所述第一磁铁组件包括聚焦磁铁组和第一偏转磁铁，所述聚焦磁铁组包括沿质子束的传输方向依次排布的多个第一聚焦磁铁，所述第一聚焦磁铁为常温四极磁铁，所述第一偏转磁铁为超导二极磁铁或永磁铁。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的超导旋转机架，其特征在于，所述超导消色差弯曲模块的色散函数不大于7mm/%。

11.根据权利要求10所述的超导旋转机架，其特征在于，所述超导消色差弯曲模块包括第二磁铁组件，所述第二磁铁组件为三元弯曲段结构，所述第二磁铁组件包括沿质子束的传输方向依次排布的第二偏转磁铁、第三偏转磁铁和第四偏转磁铁，所述第二偏转磁铁和所述第三偏转磁铁之间设有第二聚焦磁铁，所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁之间设有第三聚焦磁铁，所述第二聚焦磁铁和所述第三聚焦磁铁均为超导四极磁铁，所述第二偏转磁铁、所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁均为超导磁铁。

12.根据权利要求11所述的超导旋转机架，其特征在于，所述第二偏转磁铁和所述第四偏转磁铁是能够产生二极磁场和四极磁场的斜螺线管型超导磁铁，其中偏转220MeV能力的质子束时，所述二极磁场小于3T，所述四极磁场的梯度小于55T/m。

13.根据权利要求11所述的超导旋转机架，其特征在于，所述第二偏转磁铁、所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁的偏转角度均相同；和/或，所述第四偏转磁铁在等中心点处的杂散磁场不高于0.3mT。

14.根据权利要求11所述的超导旋转机架，其特征在于，所述第二磁铁组件还包括第四聚焦磁铁和第五聚焦磁铁，所述第四聚焦磁铁位于所述第二偏转磁铁的上游侧，所述第五聚焦磁铁位于所述第四偏转磁铁的下游侧，所述第四聚焦磁铁和所述第五聚焦磁铁均为常温四极磁铁。

15.根据权利要求11所述的超导旋转机架，其特征在于，所述第二磁铁组件被配置为关于第三偏转磁铁的中心轴线呈镜像对称，所述镜像对称包括磁场对称以及结构对称。

16.一种质子治疗设备，其特征在于，包括：

回旋加速器，所述回旋加速器用于产生质子束；

超导旋转机架，所述超导旋转机架为根据权利要求1-15中任一项所述的超导旋转机架，所述超导旋转机架位于所述回旋加速器的下游侧。

Images