CN115531743B - 一种多方位角照射系统及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多方位角照射系统，包括配送段和多方位角照射段；配送段适于对来自前级加速器的束流进行横向调制包络后导入多方位角照射段；多方位角照射段包括顺次布置的第一至第三导向磁铁和双向扫描磁铁组，第一导向磁铁为等腰梯形，第二导向磁铁为矩形，第三导向磁铁为弧形，第三导向磁铁的外弧朝向第二导向磁铁，且第一至第三导向磁铁的对称中心同轴布置；双向扫描磁铁组布置在第三导向磁铁下游，且双向扫描磁铁组可沿第三导向磁铁的内弧方向移动。本发明能够在非旋转的状态下，通过多方位角照射系统和治疗床的简单配合，即可以对病灶实施0°‑360°范围内多个方位角照射的功能，从而有效的地避免了同一方位角路径上正常组织受到的辐射损伤。

Description

一种多方位角照射系统及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种可以对病灶实施0°-360°范围内多个方位角照射的多方位角照射系统及其应用方法，属于生物医疗技术领域。
背景技术
自19世纪20年代第一台静电加速器问世以来，40年代R.R.Wilson就提出质子束治疗肿瘤设想，50年代以后国外就已经开启了专用治癌加速器装置的设计建造工作，旨在提供可变能量的、可精细化调节的离子束，以实现对肿瘤病灶的适形离子放射治疗。所述适形治疗，即通过横向位置和纵向能量分布的操控来匹配病灶形状的离子束高精度操作的过程。在治癌加速器装置的设计中，治疗终端束线的设计思想直接决定了整个加速器装置的性能、占地规模和建设成本。在质子和重离子治癌加速器初期，通常采用一条固定束线沿一个照射方向对病灶进行照射，该设计方式使得灭杀病灶细胞的同时，质子或重离子束沿途的正常组织也要接受1/3以上的肿瘤辐射剂量，对其造成较严重的毒性损伤。
近年来，随着科学技术的不断进步，为减少这部分伤害，旋转机架(Gantry)的设计及应用逐渐步入了人们的视野。Gantry可以实现在一个治疗周期中，从0°-360°等多个方位角来实施对病灶的照射，从而大幅减小同一路径的正常组织受到的辐射剂量。但现有的Gantry存在硬件组成数量多，光路设计复杂，运行难度高，占地面积大等问题。例如一台传统的碳离子治癌专用加速器一般配置有4个治疗终端，即1个水平+垂直治疗终端、1个45°治疗终端和2个Gantry治疗终端。若采用目前流行的Gantry方式对病灶实现0°-360°范围内多方位角的治疗，通常需要对Gantry进行0°-360°的旋转，已知目前国际上最小的旋转质子Gantry的旋转半径不小于3.5m，其重量轻的上百吨，重的几百吨。如此沉重且大规模的系统，采用钢架支撑旋转，使得系统的占地面积大，运行难度和故障率高，建设和维护成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供可以对病灶实施0°-360°范围内多个方位角照射的多方位角照射系统；本发明的另一个目的是提供一种该多方位角照射系统的应用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种多方位角照射系统，包括配送段和多方位角照射段；其中，所述配送段适于对来自前级加速器的束流进行横向调制包络后导入所述多方位角照射段；所述多方位角照射段适于根据要求对束流实施不同的方位角调制后导入位于照射野内的设定位置；所述多方位角照射段包括顺次布置的第一导向磁铁、第二导向磁铁、第三导向磁铁和双向扫描磁铁组，其中所述第一导向磁铁被构造为等腰梯形，所述第二导向磁铁被构造为矩形，所述第三导向磁铁被构造为弧形，所述第三导向磁铁的外弧朝向所述第二导向磁铁，且所述第一导向磁铁、第二导向磁铁和第三导向磁铁的对称中心同轴布置；所述双向扫描磁铁组布置在所述第三导向磁铁的下游，且所述双向扫描磁铁组被构造为可沿所述第三导向磁铁的内弧方向移动；来自配送段的束流进入所述多方位角照射段后，首先由所述第一导向磁铁将束流切入指定方位角的轨道后导入所述第二导向磁铁，所述第二导向磁铁再将束流切入相应的平行轨道后导入所述第三导向磁铁，最后通过所述第三导向磁铁把该平行轨道内的束流导入照射野，同时位于所述第三导向磁铁下游的所述双向扫描磁铁组随着不同入射的方位角变化进行位置的同步移动，使束流始终围绕其横向位置的中心点切入至照射野内的设定位置。
所述的多方位角照射系统，优选地，所述配送段包括第一四极透镜组和第二四极透镜组，所述第一四极透镜组和第二四极透镜组均为由1台水平聚焦四极透镜和1台水平散焦四极透镜组成FODO结构。
所述的多方位角照射系统，优选地，所述多方位角照射段分为常温和超导两种模式，即所述第一导向磁铁、第二导向磁铁和第三导向磁铁为3台常温或超导二极磁铁，常温模式下其导向磁铁的最高磁场为1.8T，超导模式下其导向磁铁的最高磁场为3.0T以上。
所述的多方位角照射系统，优选地，所述多方位角照射段中第一导向磁铁、第二导向磁铁与第三导向磁铁之间的设计关系满足如下条件：
2R0(1-sinθ)-R1(1+sinα-cosα)+L0tgθ＝0
式中，R0为束流在各导向磁铁中的转向半径；R1为所述第三导向磁铁出口至设定位置的漂移节长度；θ为束流在所述第一导向磁铁和第二导向磁铁中的偏转角度；α为束流在所述第三导向磁铁中的偏转角度；L0为所述第一导向磁铁和第二导向磁铁之间的距离。
所述的多方位角照射系统，优选地，所述第三导向磁铁与所述双向扫描磁铁组之间采用20-100mm的空气段隔断。
所述的多方位角照射系统，优选地，所述空气段两侧的真空室分别采用钛合金真空窗密封。
第二方面，本发明提供了一种上述多方位角照射系统的应用方法，包括以下内容：来自前级加速器的束流经配送段调制后切入多方位角照射段，多方位角照射段根据要求对束流实施不同的方位角调制后导入位于照射野内的设定位置，以实施在0°-180°范围内的不同方位角照射；在0°-180°范围内照射完成后，治疗床依照定位要求，在水平面内绕设定位置的定位轴旋转180°，以实施180°-360°范围内的不同方位角照射。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明提供的多方位角照射系统，依据功能需求划分为配送段和多方位角照射段两部分，因其功能不同，每一部分的光路设计的实现模式完全不同，第一部分为常温固定束流配送线，该段为全程零色散段，实现模式主要以简洁紧凑的结构和上下游接口匹配的实现为主线，第二部分为多方位角照射段，实现模式主要以对病灶在0°-360°范围内的方位角治疗、不同方位角的光学实现、不同方位角照射野内的束斑一致性等功能为主线。
2、本发明提供的多方位角照射系统，能够在非旋转的状态下，通过不同结构的导向磁铁的组合和治疗床的简单配合，即可以实现Gantry对病灶实施0°-360°范围内多个方位角照射的功能，从而有效的地避免了同一方位角路径上正常组织受到的辐射损伤。同时，相比于旋转Gantry，该设计模式最大的优势在于布局更紧凑，设备硬件少，光路设计简单，功能简洁明晰，同时因其不需要旋转，运行简单稳定，精准度高，占地面积小，建造和运行成本低，因此更适于推广。
3、本发明的多方位角照射系统不仅可用于碳离子治癌装置，也可以用于质子装置和其它任何类型多终端的加速器装置，是一种生物医疗技术领域的普适性方案。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的多方位角照射系统的整体结构布局图；
图2是本发明一实施例提供的多方位角照射段实施多角度照射时的示意图；
图3是本发明该实施例提供的多方位角照射段的设计原理图；
图4是本发明该实施例提供的多方位角照射系统实施0-360°照射时的原理图。
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“横向”、“竖向”、“上”、“下”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“装配”、“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。
本发明提供的多方位角照射系统，包括配送段和多方位角照射段；配送段适于对来自前级加速器的束流进行横向调制包络后导入多方位角照射段；多方位角照射段包括顺次布置的第一至第三导向磁铁和双向扫描磁铁组，第一导向磁铁为等腰梯形，第二导向磁铁为矩形，第三导向磁铁为弧形，第三导向磁铁的外弧朝向第二导向磁铁，且第一至第三导向磁铁的对称中心同轴布置；双向扫描磁铁组布置在第三导向磁铁下游，且双向扫描磁铁组可沿第三导向磁铁的内弧方向移动。本发明能够在非旋转的状态下，通过多方位角照射系统和治疗床的简单配合，即可以对病灶实施0°-360°范围内多个方位角照射的功能，从而有效的地避免了同一方位角路径上正常组织受到的辐射损伤。
下面，结合附图对本发明实施例提供的多方位角照射系统及其应用方法进行详细的说明。
图1展示了根据本发明实施例提供的多方位角照射系统的整体结构布局图，该多方位角照射系统包括配送段10和多方位角照射段20。配送段10适于对来自前级加速器的束流进行横向调制包络后导入多方位角照射段20。
上述实施例中，优选地，配送段10包括第一四极透镜组和第二四极透镜组，第一四极透镜组和第二四极透镜组均为由1台水平聚焦四极透镜11和1台水平散焦四极透镜12组成FODO(即水平聚焦+飘移空间+水平散焦+飘移空间)结构。由于在配送段10的上游系统中已经进行了完全消色散处理，故束流在配送段10处于零色散配送模式。
如图2所示，多方位角照射段20适于对束流实施不同的方位角调制后导入位于照射野内的设定位置。具体地，多方位角照射段20包括顺次布置的第一导向磁铁21、第二导向磁铁22、第三导向磁铁23和双向扫描磁铁组24，其中第一导向磁铁21被构造为等腰梯形，第二导向磁铁22被构造为矩形，第三导向磁铁23被构造为弧形，第一导向磁铁21通过真空波纹管25与第二四极透镜组连接，第三导向磁铁23的外弧朝向第二导向磁铁22，且第一导向磁铁21、第二导向磁铁22和第三导向磁铁23的对称中心同轴布置。通过上述的设置，使得第一至第三导向磁铁在光学上形成非完全消色散设计模式，该设计模式可以最大限度的降低色散的幅度，同时在病灶照射野内，在色散梯度不为零的情况下，完全消除色散在病灶照射野内对束流尺寸的影响。双向扫描磁铁组24布置在第三导向磁铁23的下游，且双向扫描磁铁组24被构造为可沿第三导向磁铁23的内弧方向移动。来自配送段10的束流进入多方位角照射段20后，首先由第一导向磁铁21依据治疗需求将束流切入指定方位角的轨道后导入第二导向磁铁22，第二导向磁铁22再将束流切入相应的平行轨道后导入第三导向磁铁23，最后通过第三导向磁铁23把该平行轨道内的束流导入照射野，同时位于第三导向磁铁23下游的双向扫描磁铁组24随着不同入射的方位角变化进行位置的同步移动，使束流始终围绕其横向位置的中心点切入至照射野内的设定位置(例如肿瘤病灶位置)。此外，可以将整个多方位角照射段20固定于一套固定支架上，按要求精准的将束流从0°-180°的方位角射入照射野内。
上述实施例中，优选地，多方位角照射段20可以依据束流的磁刚度大小和系统规模要求，分为常温和超导两种模式，即第一导向磁铁21、第二导向磁铁22和第三导向磁铁23为3台常温或超导二极磁铁，常温模式下其导向磁铁的最高磁场为1.8T，超导模式下其导向磁铁的最高磁场可到3.0T以上。通过上述的设置，该多方位角照射段20既可以用于质子治癌专用装置，也可用于重离子治癌专用装置。
上述实施例中，优选地，如图3所示，多方位角照射段20中第一导向磁铁21、第二导向磁铁22与第三导向磁铁23之间的设计关系满足如下条件：
2R0(1-sinθ)-R1(1+sinα-cosα)+L0tgθ＝0
式中，R0为束流在各导向磁铁中的转向半径；R1为第三导向磁铁23出口至设定位置的漂移节长度；θ为束流在第一导向磁铁21和第二导向磁铁22中的偏转角度；α为束流在第三导向磁铁23中的偏转角度；L0为第一导向磁铁21和第二导向磁铁22之间的距离。
上述实施例中，优选地，第三导向磁铁23与双向扫描磁铁组24之间采用20-100mm的空气段隔断，且该空气段两侧的真空室分别采用钛合金真空窗26密封，由此在第三导向磁铁23与双向扫描磁铁组24之间形成双层钛合金真空窗隔断，以维持整个束线真空的稳定性。
基于上述实施例提供的多方位角照射系统，如图4所示，本发明还提出了一种该多方位角照射系统的应用方法，包括以下内容：
来自前级加速器的束流经配送段10调制后切入多方位角照射段20，多方位角照射段20根据要求对束流实施不同的方位角调制后导入位于照射野内的设定位置，以实施在0°-180°范围内的不同方位角照射。在0°-180°范围内照射完成后，治疗床依照定位要求，在水平面内绕设定位置的定位轴旋转180°，以实施180°-360°范围内的不同方位角照射。
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 (5)

1.一种多方位角照射系统，其特征在于，包括配送段和多方位角照射段；
其中，所述配送段适于对来自前级加速器的束流进行横向调制包络后导入所述多方位角照射段；
所述多方位角照射段适于根据要求对束流实施不同的方位角调制后导入位于照射野内的设定位置；
所述多方位角照射段包括顺次布置的第一导向磁铁、第二导向磁铁、第三导向磁铁和双向扫描磁铁组，其中所述第一导向磁铁被构造为等腰梯形，所述第二导向磁铁被构造为矩形，所述第三导向磁铁被构造为弧形，所述第三导向磁铁的外弧朝向所述第二导向磁铁，且所述第一导向磁铁、第二导向磁铁和第三导向磁铁的对称中心同轴布置；所述双向扫描磁铁组布置在所述第三导向磁铁的下游，且所述双向扫描磁铁组被构造为可沿所述第三导向磁铁的内弧方向移动；
来自配送段的束流进入所述多方位角照射段后，首先由所述第一导向磁铁将束流切入指定方位角的轨道后导入所述第二导向磁铁，所述第二导向磁铁再将束流切入相应的平行轨道后导入所述第三导向磁铁，最后通过所述第三导向磁铁把该平行轨道内的束流导入照射野，同时位于所述第三导向磁铁下游的所述双向扫描磁铁组随着不同入射的方位角变化进行位置的同步移动，使束流始终围绕其横向位置的中心点切入至照射野内的设定位置。
2.根据权利要求1所述的多方位角照射系统，其特征在于，所述配送段包括第一四极透镜组和第二四极透镜组，所述第一四极透镜组和第二四极透镜组均为由1台水平聚焦四极透镜和1台水平散焦四极透镜组成FODO结构。
3.根据权利要求1所述的多方位角照射系统，其特征在于，所述多方位角照射段分为常温和超导两种模式，即所述第一导向磁铁、第二导向磁铁和第三导向磁铁为3台常温或超导二极磁铁，常温模式下其导向磁铁的最高磁场为1.8T，超导模式下其导向磁铁的最高磁场为3.0T以上。
4.根据权利要求1所述的多方位角照射系统，其特征在于，所述第三导向磁铁与所述双向扫描磁铁组之间采用20-100mm的空气段隔断。
5.根据权利要求4所述的多方位角照射系统，其特征在于，所述空气段两侧的真空室分别采用钛合金真空窗密封。
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