CN115361770A - 紧凑型医用重粒子全直线加速器及应用 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种紧凑型医用重粒子全直线加速器,该加速器包括:离子源,用于产生重离子束;射频四极场直线加速器,通过束流输运线与离子源连接,用于将重离子束加速至第一能量水平;漂移管直线加速器,通过低能束流输运线与射频四极场直线加速器连接,用于继续将重离子束加速至第二能量水平;第一高梯度直线加速器,通过中能束流输运线与漂移管直线加速器连接,用于继续将重离子束加速至第三能量水平;第二高梯度直线加速器,通过第一高能束流输运线与第一高梯度直线加速器连接,用于继续将重离子束加速至第四能量水平;第一分束器,通过第二高能束流输运线与第二高梯度直线加速器连接,用于将第四能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端。

Description

紧凑型医用重粒子全直线加速器及应用
技术领域
本公开涉及医疗设备技术领域,具体涉及一种紧凑型医用重粒子全直线加速器及应用。
背景技术
目前,恶性肿瘤已经成为严重威胁人类健康的主要公共卫生问题之一,实现肿瘤的治疗已成为医疗界亟待解决的问题。质子、重离子具有布拉格峰效应,从而在医疗领域的应用越来越广泛。随着世界各国治癌技术研究和开发的快速发展,粒子治疗肿瘤以其对正常组织细胞辐射损伤小、对肿瘤靶区杀伤力大、可准确定位和精确控制照射剂量等独特优势,成为当今国际上先进、科学和有效的放疗手段,粒子治疗装置也成为当前国际上肿瘤放射治疗的主流装备。
对于重离子肿瘤治疗,通常需要粒子加速器提供能量为120MeV/u~400MeV/u的12C6+束流。现有的重离子癌症治疗装置的加速器主要有:以回旋加速器作为主加速器的治疗装置和以同步加速器作为主加速器的治疗装置两种方案。其中回旋加速器由于输出粒子能量是固定的,对于不同深度的肿瘤,需要利用在回旋加速器外的降能器将束流能量降到合适的值,随后经过狭缝和能量分析元件将束流能量选择并传输到治疗终端。同步加速器能够进行单周期内的多个能量平台引出和快速重复扫描技术,能够快速地实现单个肿瘤的多层照射,提高治疗速度,节省治疗时间。
目前粒子治疗设备的发展趋势主要集中在两个方面:治疗设备的轻量化小型化和治疗过程的高效率化。治疗设备的小型化是指减小加速器的整体重量和占地面积,发展紧凑型粒子癌症治疗装置,从而使得整个粒子治疗装置占地面积明显缩小,更利于治疗设备的普及。治疗过程的高效率化则是基于各项新技术的发展来提高粒子束流的利用率,节省治疗时间,提高效率。相关的技术包括:FLASH闪疗技术、快速剂量配送技术、新型的控制技术等等。
重离子FLASH治疗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。FLASH治疗在肿瘤控制率保持一致甚至更佳的情况下,极大的减少了对正常组织的损伤;相比常规粒子放疗需要10~30个分次而言,FLASH通常只有1~3个分次,因此治疗时间短,分次少,有效提高治疗效率,大大增加治疗人数,更可以避免治疗过程中的移动误差;节约成本,降低费用,造福更多患者;如此项技术研发成功并且应用到临床,同时间内可治疗的人数将可能达到常规治疗人数的10倍左右。
目前基于回旋加速器的治疗装置输出能量固定,降能片附近辐射剂量大,不利于设备的检修;并且通过此方式,束流存在一定强度的损失,能量分散增大,不利于束流的传输和利用。基于同步加速器的治疗装置束流提取时间长,大约一秒钟,从而导致平均肿瘤体积的治疗时间长,影响了患者在治疗期间的舒适度,而且治疗中心每天接收的患者数量也会受到影响,降低了设施的经济可持续性。另外回旋加速器和同步加速器占地面积大、建造费用高,不利于实现治疗设备的轻量化小型化。同时治疗过程高效率化的FLASH闪疗技术要求加速器能量响应时间约为10ms。回旋加速器的能量相应时间大于50ms,同步加速器的能量相应时间达到1~2s,都不能满足治疗过程高效率化FLASH闪疗技术的要求。
基于全直线加速器肿瘤治疗装置性能优越、结构简单、布局紧凑,可以实现重离子癌症治疗装置的小型化,同时重离子全直线加速器的能量相应时间为1~2ms,可以满足治疗过程高效率化FLASH闪疗技术要求。技术要求。通过比较可以看到重离子全直线加速器优势有:
1)能够主动调节能量,且能量调制时间短,可以实现快速处理。
2)输出束斑尺寸小且发射度小。
3)控制系统相对简单。
4)加速器尺寸可以通过使用高梯度加速结构来降低,使整个装置更加紧凑。
回旋加速器、同步加速器、直线加速器的性能比较见表1。
表1
名称 回旋加速器 同步加速器 直线加速器
束流流强 满足 满足
粒子能量 固定 可调 可调
能量调制 被动吸收器 主动调节 主动调节
能量响应时间 50-100ms 1-2s 1-2ms
束流品质 一般 优质
活化辐射 严重 极低
运行控制 简单 复杂 极易
紧凑化实现 高磁场 高磁场 高加速梯度+高磁场
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题,本公开提供了一种紧凑型医用重粒子全直线加速器及应用,用于解决传统加速器占地面积大、治疗效率低等技术问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供了一种紧凑型医用重粒子全直线加速器,包括:离子源,用于产生重离子束;射频四极场直线加速器,通过束流输运线与离子源连接,用于将重离子束加速至第一能量水平;漂移管直线加速器,通过低能束流输运线与射频四极场直线加速器连接,用于继续将重离子束加速至第二能量水平;第一高梯度直线加速器,通过中能束流输运线与漂移管直线加速器连接,用于继续将重离子束加速至第三能量水平;第二高梯度直线加速器,通过第一高能束流输运线与第一高梯度直线加速器连接,用于继续将重离子束加速至第四能量水平;第一分束器,通过第二高能束流输运线与第二高梯度直线加速器连接,用于将第四能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端。
进一步地,第一高梯度直线加速器为边耦合漂移管直线加速器;第二高梯度直线加速器为返波行波加速结构加速器、腔耦合直线加速器、介质波导加速器中的一种。
进一步地,第一分束器为腔式分束器;第一分束器与第一高梯度直线加速器或第二高梯度直线加速器共用功率源。
进一步地,第一高梯度直线加速器与第一高能束流输运线之间还包括第二分束器,用于将第三能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端。
进一步地,第一高能束流输运线包括:第一横向聚焦单元,其输入端与第一高梯度直线加速器的输出端连接,用于偏转前对重离子束进行第一次横向匹配;第一聚束器,其输入端与第一横向聚焦单元的输出端连接,用于对重离子束进行第一次纵向匹配;横向偏转单元,其输入端与第一聚束器的输出端连接,用于使重离子束偏转180°;第二横向聚焦单元,其输入端与横向偏转单元的输出端连接,用于对重离子束进行第二次横向匹配;第二聚束器,其输入端与第二横向聚焦单元的输出端连接,用于对重离子束进行第二次纵向匹配;第三横向聚焦单元,其输入端与第二聚束器的输出端连接,其输出端与第二高梯度直线加速器的输入端连接,用于偏转后对重离子束进行第三次横向匹配。
进一步地,第一高能束流输运线与第二高梯度直线加速器之间还包括:第三高梯度直线加速器,用于继续将第三能量水平的重离子束加速至第五能量水平,第五能量水平小于第四能量水平。
进一步地,第一高能束流输运线与第二高梯度直线加速器之间还包括:第三分束器,用于将第五能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端;第三高能束流输运线,用于连接第三高梯度直线加速器与第二高梯度直线加速器。
进一步地,第一高能束流输运线、第三高能束流输运线中的横向偏转单元用于分别使重离子束偏转90°。
进一步地,第一高能束流输运线的横向偏转单元用于使重离子束偏转180°。
进一步地,第一高能束流输运线与第二高梯度直线加速器之间依次还包括:第四高梯度直线加速器,用于继续将第三能量水平的重离子束加速至第六能量水平,第六能量水平小于第四能量水平;第四高能束流输运线,用于对第四高梯度直线加速器输出的重离子束进行相空间重新配置;第五高梯度直线加速器,用于继续将第六能量水平的重离子束加速至第七能量水平,第七能量水平小于第四能量水平;第五高能束流输运线、第六高能束流输运线,其中的横向偏转单元用于分别使重离子束偏转90°。
本公开另一方面提供了根据前述的紧凑型医用重粒子全直线加速器在肿瘤治疗中的应用。
(三)有益效果
本公开的紧凑型医用重粒子全直线加速器及应用,通过采用由射频四极场直线加速器、漂移管直线加速器、第一高梯度直线加速器和第二高梯度直线加速器组成的全直线重离子加速结构,同时可以在不同能量段灵活配置多个不同类型的浅层治疗终端和深层治疗终端,实现重离子肿瘤治疗装置更多癌症种类的治疗能力,还可以尽量减少被动散射的辐射影响;且本公开的分束器选用的腔式分束器具有更小的体积,可与高梯度直线加速器共用功率源,结构布局合理紧凑,实现了重离子直线肿瘤治疗装置的小型化紧凑化,满足不同用户的需求。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例中紧凑型医用重粒子全直线加速器的第一结构示意图;
图2示意性示出了根据本公开实施例中紧凑型医用重粒子全直线加速器的第二结构示意图;
图3示意性示出了根据本公开实施例中紧凑型医用重粒子全直线加速器的第三结构示意图;
图4示意性示出了根据本公开实施例中紧凑型医用重粒子全直线加速器的第四结构示意图;
图5示意性示出了根据本公开实施例中腔式分束器的工作原理示意图;
附图标记说明:
1,离子源;2,射频四极场直线加速器;3,漂移管直线加速器;4,第一高梯度直线加速器;5,第二高梯度直线加速器;6,第一分束器;7,第二分束器;8,第三高梯度直线加速器;9,第三分束器;10,第四高梯度直线加速器;11,第五高梯度直线加速器。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
需要说明,若本公开实施例中有涉及方向性指示,则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
本公开的实施例提供了一种紧凑型医用重粒子全直线加速器,请参见图1,包括:离子源1,用于产生重离子束;射频四极场(Radio Frequency Quadrupole,RFQ)直线加速器2,通过束流输运线与离子源1连接,用于将重离子束加速至第一能量水平;漂移管直线加速器(Drift Tube Linac,DTL)3,通过低能束流输运线与射频四极场直线加速器2连接,用于继续将重离子束加速至第二能量水平;第一高梯度直线加速器4,通过中能束流输运线与漂移管直线加速器3连接,用于继续将重离子束加速至第三能量水平;第二高梯度直线加速器5,通过第一高能束流输运线与第一高梯度直线加速器4连接,用于继续将重离子束加速至第四能量水平;第一分束器6,通过第二高能束流输运线与第二高梯度直线加速器5连接,用于将第四能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端。
具体地,本公开的重粒子全直线加速器包括:离子源1(含束流输运线):用于产生并引出治疗用低能重离子束;射频四极场直线加速器2,其输入端与离子源相连,用于将离子源引出的低能重离子束进行加速至设计能量;低能束流输运线,输入端与射频四极场直线加速器2相连,用于对射频四极场直线加速器2输出的重离子束进行相空间重新配置;集成束诊系统,位于低能束流输运线上,用于对低能束流输运线上重离子流强和发射度等信息进行监测,指导低能束流输运线上磁铁的调节;漂移管直线加速器3,其输入端与低能束流输运线相连,用于将低能束流输运线上出来的重离子束进行加速至设计能量;中能束流输运线,输入端与漂移管直线加速器3相连,用于对漂移管直线加速器3输出的重离子束进行相空间重新配置;集成束诊系统,位于中能束流输运线上,用于对中能束流输运线上重离子流强和发射度等信息进行监测,指导中能束流输运线上磁铁的调节;第一高梯度直线加速器4,与中能束流输运线连接,用于将中能束流输运线上出来的重离子束加速至设计能量;第一高能束流输运线,输入端与第一高梯度直线加速器4相连,用于对第一高梯度直线加速器4输出的重离子束进行相空间重新配置;集成束诊系统,位于第一高能束流输运线上,用于对第一高能束流输运线上重离子流强和发射度等信息进行监测,指导第一高能束流输运线上磁铁的调节;第二高梯度直线加速器5,输入端与第一高能束流输运线相连,将第一高能束流输运线出来的重离子束加速至治疗需要的最终能量;第二高能束流输运线,与第二高梯度直线加速器5相连,用于将第二高梯度直线加速器5输出的重离子束传输至治疗终端。
本公开的紧凑型医用重粒子全直线加速器适用于碳离子或其他重离子束流如He、O等。离子源1优先选择电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)离子源;射频四极场直线加速器2的工作频率选择714MHz或者750MHz,其输入端与离子源1连接,用于将离子源1引出的重离子束加速到2~5MeV/u的能量水平;漂移管直线加速器3优先选择IH-DTL漂移管直线加速器,工作频率选择714MHz或者750MHz,其输入端与低能束流输运线相连,用于将低能束流输运线输出的重离子束加速至5~10MeV/u的能量水平。
在上述实施例的基础上,第一高梯度直线加速器4为边耦合漂移管直线加速器;第二高梯度直线加速器5为返波行波加速结构加速器、腔耦合直线加速器、介质波导加速器中的一种。
第一高梯度直线加速器4优先选择边耦合漂移管直线加速器(Side CouplingDrift Tube Linac,SCDTL),工作频率选择2856MHz或者3000MHz,其输入端与中能束流输运线相连,用于将中能束流输运线输出的重离子束加速至10~120MeV/u的能量水平;第二高梯度直线加速器优先选择返波行波(Backward Traveling Wave,BTW)加速结构或者腔耦合直线加速器(Coupled Cavity Linac,CCL)或者介质波导加速器工作频率选择2856MHz或者3000MHz,其输入端与第一高能束流输运线相连,用于将第一高能束流输运线输出的重离子束加速至治疗需要的120~400MeV/u能量水平。
低能束流输运线、中能束流输运线和第一高能束流输运线包括通过真空管道依次连接的:第一横向聚焦单元,用于重离子束偏转前的横向匹配(水平或者垂直方向);第二横向聚焦单元,用于重离子束的再次横向匹配(垂直或者水平方向);第三横向聚焦单元,用于重离子束的第三次横向匹配(垂直和水平方向)。
第二高能束流输运线包括通过真空管道依次连接的:第一横向聚焦单元,其输入端与返波行波加速结构(BTW)或者腔耦合直线加速器(CCL)或者介质波导加速器的输出端连接,用于重离子束偏转前的横向匹配;第一聚束器,其输入端与第一横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的纵向匹配;第一横向偏转单元,其输入端与第一聚束器的输出端连接,用于使重离子束偏转45°;第二横向聚焦单元,其输入端与第一横向偏转单元的输出端连接,用于重离子束的再次横向匹配;第二横向偏转单元,与所述第一横向偏转单元呈对称布置,且所述第二横向偏转单元的输入端与所述第二横向聚焦单元的输出端连接,用于使质子束再次偏转135°至治疗终端。
第一横向聚焦单元为至少三个并排布置且带校正线圈的第一四极透镜,第二横向聚焦单元为至少三个并排布置的第二四极透镜,第三横向聚焦单元为至少两个并排布置且带校正线圈的第三四极透镜。第一聚束器和第二聚束器均采用二倍频的聚束腔体。
在上述实施例的基础上,第一分束器6为腔式分束器;第一分束器6与第一高梯度直线加速器4或第二高梯度直线加速器5共用功率源。
第一分束器6将第二高能束流输运线出来的重离子束根据需求配送到两个以上治疗终端。
本实施例一中,分束器可以选择一组偏转磁铁或者超导分束器或者腔式分束器,优先选择工作在2856MHz或者3000MHz频率的腔式分束器。常规偏转磁铁分束器和超导分束器体积大,同时需要提供额外的电源或者功率源。相比常规偏转磁铁分束器和超导磁铁分束器,腔式分束器具有更小的体积(直径约十几个厘米)和长度(约30厘米),同时和高梯度直线加速结构使用同一个功率源,可以使得整个装置更紧凑,同时降低了制造成本。
腔式分束器的工作原理如图5所示,腔式分束器工作电场类似正弦波分布,通过控制粒子束到达谐振腔与工作电场的作用决定粒子束的偏转方向,当束流到达谐振腔分束器遇到正弦波的正向电压时,粒子束向上偏转。当束流到达谐振腔分束器遇到正弦波负向电压时,粒子束相下偏转,从而达到分束的目的。
本公开的紧凑型医用重粒子全直线加速器采用由射频四极场直线加速器、漂移管直线加速器、第一高梯度直线加速器和第二高梯度直线加速器组成的全直线重离子加速结构,同时可以在不同能量段灵活配置多个不同类型的浅层治疗终端和深层治疗终端,实现重离子肿瘤治疗装置更多癌症种类的治疗能力,还可以尽量减少被动散射的辐射影响。在射频四极场加速器和边耦合漂移管直线加速器之间增加IH-DTL型漂移管直线加速器是必要的,IH-DTL型漂移管直线加速器可以将重离子束流能量从2~5MeV/u增加到5~10MeV/u,有效加速梯度可增加约4~5倍,从而将整个系统长度缩短为1/4~1/5,同时避免了由于重离子束流能量太低导致的边耦合漂移管直线加速器第一个漂移管长度(Lcell=β*λ/2)太短,降低了加工难度。腔耦合直线加速器(CCL)的加速梯度可以达到30MV/m,返波行波加速结构(BTW)的加速梯度可以达到50MV/m,介质波导加速器的加速梯度可以达到100MV/m,都可以作为高梯度直线加速器的选项,特别是返波行波加速结构(BTW)和介质波导加速器可以最大限度的实现重离子全直线肿瘤治疗装置的小型化。
在上述实施例的基础上,如图2所示,第一高梯度直线加速器4与第一高能束流输运线之间还包括第二分束器7,用于将第三能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端。
在本实施例二中,将第一高梯度直线加速器4(边耦合漂移管直线加速器)引出的中能重离子束直接配送至一个浅层治疗终端,或根据需要通过第二分束器7配送至两个以上的浅层治疗终端,浅层治疗终端需要的重离子束能量约为120~150MeV/u。或者将所述第二高梯度直线加速器5(返波行波直线加速器或腔耦合直线加速器或介质波导加速器)引出的高能重离子束直接配送至一个深层治疗终端,或根据需要通过第一分束器6配送至两个以上的深层治疗终端,深层治疗终端需要的重离子束能量约为150~400MeV/u。
在上述实施例的基础上,第一高能束流输运线包括:第一横向聚焦单元,其输入端与第一高梯度直线加速器4的输出端连接,用于偏转前对重离子束进行第一次横向匹配;第一聚束器,其输入端与第一横向聚焦单元的输出端连接,用于对重离子束进行第一次纵向匹配;横向偏转单元,其输入端与第一聚束器的输出端连接,用于使重离子束偏转180°;第二横向聚焦单元,其输入端与横向偏转单元的输出端连接,用于对重离子束进行第二次横向匹配;第二聚束器,其输入端与第二横向聚焦单元的输出端连接,用于对重离子束进行第二次纵向匹配;第三横向聚焦单元,其输入端与第二聚束器的输出端连接,其输出端与第二高梯度直线加速器5的输入端连接,用于偏转后对重离子束进行第三次横向匹配。
本实施例采用1台180°二极磁铁形成偏转段设计,该偏转段能够实现传统直线加速器折叠的功能,能够有效的压缩偏转段占地空间,解决了重离子加速器占地空间大的问题。
在上述实施例的基础上,如图3所示,第一高能束流输运线与第二高梯度直线加速器5之间还包括:第三高梯度直线加速器8,用于继续将第三能量水平的重离子束加速至第五能量水平,第五能量水平小于第四能量水平。
第一高梯度直线加速器4(第一边耦合漂移管直线加速器)将中能束流传输线出来的重离子束加速至设计能量约120~150MeV/u。将第一边耦合漂移管直线加速器引出的中能重离子束直接配送至一个浅层治疗终端,或根据需要通过第二分束器7配送至两个以上的浅层治疗终端。第三高梯度直线加速器8(第二边耦合漂移管直线加速器)将中能束流传输线出来的重离子束加速至设计能量约150~250MeV/u。将第二边耦合漂移管直线加速器引出的中能重离子束直接配送至一个较深层治疗终端;治疗终端需要的重离子束能量约为150~250MeV/u;或通过第三分束器9将所述第三高梯度直线加速器8引出的高能重离子束根据需求配送至两个以上较深层治疗终端。或者将所述第二高梯度直线加速器5(返波行波直线加速器或腔耦合直线加速器或介质波导加速器)引出的高能重离子束直接配送至一个深层治疗终端,或根据需要通过第一分束器6配送至两个以上的深层治疗终端,深层治疗终端需要的重离子束能量约为250~400MeV/u。
第一高能束流传输线系统包括通过真空管道依次连接的:第一横向聚焦单元,其输入端与所述边耦合漂移管直线加速器的输出端连接,用于重离子束偏转前的横向匹配;第一聚束器,其输入端与所述第一横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的纵向匹配;横向偏转单元,其输入端与第一聚束器的输出端连接,用于使重离子束偏转90°;第二横向聚焦单元,其输入端与横向偏转单元的输出端连接,用于重离子束的再次横向匹配;第二聚束器,其输入端与第二横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的再次纵向匹配;第三横向聚焦单元,其输入端与第二聚束器的输出端连接,其输出端与第二高梯度直线加速器的输入端连接,用于重离子束偏转后的横向匹配。
在上述实施例的基础上,第一高能束流输运线与第二高梯度直线加速器5之间还包括:第三分束器9,用于将第五能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端;第三高能束流输运线,用于连接第三高梯度直线加速器8与第二高梯度直线加速器5。
第三高能束流传输线系统包括通过真空管道依次连接的:第一横向聚焦单元,其输入端与所述边耦合漂移管直线加速器的输出端连接,用于重离子束偏转前的横向匹配;第一聚束器,其输入端与所述第一横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的纵向匹配;横向偏转单元,其输入端与第一聚束器的输出端连接,用于使重离子束偏转90°;第二横向聚焦单元,其输入端与横向偏转单元的输出端连接,用于重离子束的再次横向匹配;第二聚束器,其输入端与第二横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的再次纵向匹配;第三横向聚焦单元,其输入端与第二聚束器的输出端连接,其输出端与第二高梯度直线加速器的输入端连接,用于重离子束偏转后的横向匹配。
本实施例三中第一治疗终端为120~150MeV/u浅层治疗终端,第二治疗终端为150~250MeV/u较深层治疗终端,第三治疗终端为250~400MeV/u深层治疗终端。通过设计在不同能量段引出治疗所用的粒子束,降低了重离子肿瘤治疗调能的技术难度,使得每个能量段引出的粒子走的路径最短,能量更加精确,粒子束品质更好。
在上述实施例的基础上,第一高能束流输运线、第三高能束流输运线中的横向偏转单元用于分别使重离子束偏转90°。
本实施例中采用2台90°二极磁铁形成具有180°偏转段设计的束流传输线,该偏转段能够实现传统直线加速器折叠的功能,并且在两台90°二极磁铁之间放置第三高梯度直线加速器8(边耦合漂移管直接加速器),有效地利用了偏转段的空间,进一步减少了整个装置的占地空间,整个装置的布局更加合理。
在上述实施例的基础上,如图4所示,第一高能束流输运线,输入端与第一高梯度直线加速器4相连,用于对第一高梯度直线加速器4输出的重离子束进行相空间重新配置,第一高能束流输运线的横向偏转单元用于使重离子束偏转180°。
在上述实施例的基础上,第一高能束流输运线与第二高梯度直线加速器5之间依次还包括:第四高梯度直线加速器10,用于继续将第三能量水平的重离子束加速至第六能量水平,第六能量水平小于第四能量水平;第四高能束流输运线,用于对第四高梯度直线加速器10输出的重离子束进行相空间重新配置;第五高梯度直线加速器11,用于继续将第六能量水平的重离子束加速至第七能量水平,第七能量水平小于第四能量水平;第五高能束流输运线、第六高能束流输运线,其中的横向偏转单元用于分别使重离子束偏转90°。
第四高梯度直线加速器10(第二高梯度边耦合漂移管直线加速器)优先选择边耦合漂移管直线加速器,其输入端与第一高能束流输运线相连,用于将中能束流输运线输出的重离子束加速至设计能量;第四高能束流输运线,其输入端与第二高梯度边耦合漂移管直线加速器相连,用于对第二高梯度边耦合漂移管直线加速器输出的重离子束进行相空间重新配置;第五高梯度直线加速器11优先选择返波行波直线加速器(BTW)或腔耦合直线加速器(CCL)或介质波导加速器,其输入端与第四高能束流输运线相连,用于将第四高能束流输运线输出的重离子束加速至设计能量。第五高能束流输运线,输入端与第五高梯度返波行波直线加速器(BTW)或腔耦合直线加速器(CCL)或介质波导加速器相连,用于对第五高梯度直线加速器输出的重离子束进行相空间重新配置,并使重离子束偏转90°;第六高能束流输运线,输入端与第五高能束流输运线相连,用于对第五高能束流输运线输出的重离子束进行相空间重新配置,并使重离子束再次偏转90°;第二高梯度直线加速器优先选择返波行波直线加速器(BTW)或腔耦合直线加速器(CCL)或介质波导加速器,其输入端与第六高能束流输运线相连,用于将第六高能束流输运线输出的重离子束加速至治疗终端需要的120~400MeV/u能量水平。
本实施例四中,第一高能束流传输线系统包括通过真空管道依次连接的:第一横向聚焦单元,其输入端与所述边耦合漂移管直线加速器的输出端连接,用于重离子束偏转前的横向匹配;第一聚束器,其输入端与所述第一横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的纵向匹配;横向偏转单元,其输入端与第一聚束器的输出端连接,用于使重离子束偏转180°;第二横向聚焦单元,其输入端与横向偏转单元的输出端连接,用于重离子束的再次横向匹配;第二聚束器,其输入端与第二横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的再次纵向匹配;第三横向聚焦单元,其输入端与第二聚束器的输出端连接,其输出端与第二高梯度直线加速器的输入端连接,用于重离子束偏转后的横向匹配。
本实施例四中,第五、六高能束流传输线系统包括通过真空管道依次连接的:第一横向聚焦单元,其输入端与所述边耦合漂移管直线加速器的输出端连接,用于重离子束偏转前的横向匹配;第一聚束器,其输入端与所述第一横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的纵向匹配;横向偏转单元,其输入端与第一聚束器的输出端连接,用于使重离子束偏转90°;第二横向聚焦单元,其输入端与横向偏转单元的输出端连接,用于重离子束的再次横向匹配;第二聚束器,其输入端与第二横向聚焦单元的输出端连接,用于重离子束的再次纵向匹配;第三横向聚焦单元,其输入端与第二聚束器的输出端连接,其输出端与第二高梯度直线加速器的输入端连接,用于重离子束偏转后的横向匹配。
从中能束流输运线开始到第二高梯度返波行波直线加速器(BTW)或腔耦合直线加速器(CCL)或介质波导加速器出口都可以放置在gantry上面,实现紧凑型单治疗室重离子束肿瘤治疗。
本实施例实现了重离子肿瘤治疗装置gantry方案,采用1台180°二极磁铁和2台90°二极磁铁形成具有180°偏转段设计的束流传输线,将整个高梯度直线加速器通过三次弯转的方式在gantry上布局,实现了重离子加速器治疗装置的单治疗室方案,占地空间更小。
本公开四种方案中第一分束器6、第二分束器7和第三分束器9都可以选择一组常规偏转磁铁分束器或者超导磁铁分束器或者腔式分束器,优先选择工作在2856MHz或者3000MHz频率的腔式分束器。常规偏转磁铁分束器和超导磁铁分束器体积大,同时需要提供额外的电源或者功率源。相比常规偏转磁铁分束器和超导磁铁分束器,腔式分束器具有更小的体积(直径约十几个厘米)和长度(约30厘米),同时和高梯度直线加速结构使用同一个功率源,可以使得整个装置更紧凑,节省了整个装置的占地空间和建造费用。
本公开还提供一种根据前述的紧凑型医用重粒子全直线加速器在肿瘤治疗中的应用。
本公开上述四种重离子直线加速器装置布局方案应用在肿瘤治疗中,布局合理紧凑,实现了重离子直线肿瘤治疗装置的小型化紧凑化,满足不同治疗层次的需求。
实施例一在第二高梯度直线加速器5(高梯度返波行波加速结构或者腔耦合直线加速器或介质波导加速器)出口将重离子束直接配送至一个深层治疗终端,或者根据需要通过分束器配送至两个以上的深层治疗终端。
实施例二采用1台180°二极磁铁形成偏转段设计,该偏转段能够实现传统直线加速器折叠的功能,能够有效的压缩偏转段占地空间,解决了重离子加速器占地空间大的问题,为肿瘤治疗医用重离子直线加速器领域提供了设计思路,使肿瘤治疗设备占地更小、成本更低、运维更方便,更利于重离子治疗技术的普及和发展。
实施例三采用2台90°二极磁铁形成具有180°偏转段设计的束流传输线,该偏转段能够实现传统直线加速器折叠的功能,并且在两台90°二极磁铁直接放置第三高梯度直线加速器8(边耦合漂移管直接加速器),有效的利用了偏转段的空间,进一步减少了整个装置的占地空间,整个装置的布局更加合理,解决了重离子加速器占地空间大的问题,为肿瘤治疗医用重离子直线加速器领域提供了设计思路,使肿瘤治疗设备占地更小、成本更低、运维更方便,更利于重离子治疗技术的普及和发展。
实施例四在直线加速器之后,采用1台180°二极磁铁和2台90°二极磁铁形成具有180°偏转段设计的束流传输线,将整个高梯度直线加速器通过三次弯转的方式在gantry上布局,实现了重离子加速器治疗装置的单治疗室方案,将整个装置的占地空间进一步缩小到一个gantry治疗室的大小,让每一个需要重离子加速器肿瘤治疗装置的医院都使用上重离子肿瘤治疗装置成为可能。特别是对很多大城市中心繁华地区有重离子肿瘤治疗装置需求却没有空间建造重离子肿瘤治疗装置的医院。
本公开的紧凑型重离子全直线加速器肿瘤治疗装置占地小、性能好、成本低、运维方便,有利于重离子治疗技术的普及和发展。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,包括:
离子源(1),用于产生重离子束;
射频四极场直线加速器(2),通过束流输运线与所述离子源(1)连接,用于将所述重离子束加速至第一能量水平;
漂移管直线加速器(3),通过低能束流输运线与所述射频四极场直线加速器(2)连接,用于继续将所述重离子束加速至第二能量水平;
第一高梯度直线加速器(4),通过中能束流输运线与所述漂移管直线加速器(3)连接,用于继续将所述重离子束加速至第三能量水平;
第二高梯度直线加速器(5),通过第一高能束流输运线与所述第一高梯度直线加速器(4)连接,用于继续将所述重离子束加速至第四能量水平;
第一分束器(6),通过第二高能束流输运线与所述第二高梯度直线加速器(5)连接,用于将所述第四能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端。
2.根据权利要求1所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高梯度直线加速器(4)为边耦合漂移管直线加速器;
所述第二高梯度直线加速器(5)为返波行波加速结构加速器、腔耦合直线加速器、介质波导加速器中的一种。
3.根据权利要求1所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一分束器(6)为腔式分束器;
所述第一分束器(6)与所述第一高梯度直线加速器(4)或所述第二高梯度直线加速器(5)共用功率源。
4.根据权利要求1所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高梯度直线加速器(4)与所述第一高能束流输运线之间还包括第二分束器(7),用于将所述第三能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端。
5.根据权利要求4所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高能束流输运线包括:
第一横向聚焦单元,其输入端与所述第一高梯度直线加速器(4)的输出端连接,用于偏转前对所述重离子束进行第一次横向匹配;
第一聚束器,其输入端与所述第一横向聚焦单元的输出端连接,用于对所述重离子束进行第一次纵向匹配;
横向偏转单元,其输入端与所述第一聚束器的输出端连接,用于使所述重离子束偏转180°;
第二横向聚焦单元,其输入端与所述横向偏转单元的输出端连接,用于对所述重离子束进行第二次横向匹配;
第二聚束器,其输入端与所述第二横向聚焦单元的输出端连接,用于对所述重离子束进行第二次纵向匹配;
第三横向聚焦单元,其输入端与所述第二聚束器的输出端连接,其输出端与所述第二高梯度直线加速器(5)的输入端连接,用于偏转后对所述重离子束进行第三次横向匹配。
6.根据权利要求4所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高能束流输运线与所述第二高梯度直线加速器(5)之间还包括:
第三高梯度直线加速器(8),用于继续将所述第三能量水平的重离子束加速至第五能量水平,所述第五能量水平小于所述第四能量水平。
7.根据权利要求6所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高能束流输运线与所述第二高梯度直线加速器(5)之间还包括:
第三分束器(9),用于将所述第五能量水平的重离子束配送至至少一个治疗终端;
第三高能束流输运线,用于连接所述第三高梯度直线加速器(8)与所述第二高梯度直线加速器(5)。
8.根据权利要求7所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高能束流输运线、第三高能束流输运线中的横向偏转单元用于分别使所述重离子束偏转90°。
9.根据权利要求1所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高能束流输运线的横向偏转单元用于使所述重离子束偏转180°。
10.根据权利要求9所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器,其特征在于,所述第一高能束流输运线与所述第二高梯度直线加速器(5)之间依次还包括:
第四高梯度直线加速器(10),用于继续将所述第三能量水平的重离子束加速至第六能量水平,所述第六能量水平小于所述第四能量水平;
第四高能束流输运线,用于对所述第四高梯度直线加速器(10)输出的重离子束进行相空间重新配置;
第五高梯度直线加速器(11),用于继续将所述第六能量水平的重离子束加速至第七能量水平,所述第七能量水平小于所述第四能量水平;
第五高能束流输运线、第六高能束流输运线,其中的横向偏转单元用于分别使所述重离子束偏转90°。
11.一种根据权利要求1~10中任意一项所述的紧凑型医用重粒子全直线加速器在肿瘤治疗中的应用。
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