CN115887944A - 离散点扫描的离子闪疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离散点扫描的离子闪疗装置，用于对治疗靶区体积释放特定离子的粒子束流，该离子闪疗装置包括：注入器；同步加速器，所述同步加速器被设计为适于通过操纵纵向相空间而从所述环形轨道中运行的粒子束团中时间上有间隔地分离出若干小束团，并将这些小束团时间上有间隔地引出同步加速器的环形轨道，其中，同步加速器能够控制所引出的各个小束团中的粒子数量、粒子能量以及各小束团彼此之间的时间间隔；和束流配送系统，所述束流配送系统接收从同步加速器中引出的离散束团并扩展束流横向扫描范围，然后再将粒子束流提供至治疗靶区体积；其中，所述同步加速器还包括用于无截断地实时测量同步加速器内束流纵向密度分布的束流强度测量装置。

Description

离散点扫描的离子闪疗装置

技术领域

本发明涉及一种离子闪疗装置，尤其是离散点扫描的离子闪疗装置。

背景技术

闪疗(闪光放射治疗)是一种非侵入性治疗，是用极高的剂量率(通常 >40Gy/s)在极短的时间里(百ms量级，500ms内)对人体癌症部位释放束流。保证肿瘤治疗效果的同时，大幅增加对正常组织的保护能力。图1A和图1B分别示出了常规放疗(图中浅色箭头)和离子闪疗(图中深色箭头) 在单次治疗时间和一个疗程所需治疗次数方面的对比。相比常规放疗，闪疗单次治疗时间短，一个疗程所需的治疗次数也大大减少，提高了患者治疗的便利性和医院的效益。

闪疗效应早在1959年就首次被研究人员注意到，当时Dewey等人发现，放射剂量率提高后，富氧细胞对射线的敏感性降低。1967年至1978年之间，研究人员在不同氧浓度条件下，研究分析体外细胞暴露在极高剂量率射线照射后出现的细胞生存曲线差异，这期间研究人员基本上都尝试用氧消耗学说来解释提高放射剂量率出现细胞对射线敏感性下降的原因，最终未能发现更有突破性意义的结果。2014年，相关研究终于从体外细胞及组织实验进展到动物实验，闪疗的名称也在此时间点产生。2014年，Favaudon等揭示了小鼠正常组织和肿瘤组织对高剂量率的不同反应。2019年，Bourhis等将闪疗应用在全世界首例患者身上，75岁的皮肤淋巴瘤患者身上一处直径为3.5cm 的溃疡病灶，采用5.6MeV直线加速器在90ms内给予总剂量15Gy的放疗，治疗后36天肿瘤完全缓解，5个月后除照射部分毛发减少外无其他可见毒性反应。自此通过实验、临床等结果再一次确认了闪疗效应的存在。

相较于光子或电子放疗，离子(质子，重离子等)在放疗中由于剂量分布具有“布拉格峰”的特点，因而具有更优的空间剂量分布，使得离子放疗可以将能量主要沉积在肿瘤附近，从而避免对正常组织细胞的损害。离子闪疗可以结合离子更优的空间剂量分布和闪疗独特的时间效应优势，因此成为国际上当前放射性治疗的研究热点。

已经通过实验确认电子束闪疗比常规放疗对正常组织保护作用强，且具有同等肿瘤治疗效果，离子闪疗的实验进度较慢，主要由于闪疗对剂量率要求较高，而现有设备均难以满足离子闪疗的需求。2021年10月25日，西门子旗下公司瓦里安和辛辛那提儿童/加州大学健康质子治疗中心合作进行全球首个质子闪疗临床实验FAST-01(闪疗放射治疗骨转移癌)。该实验中满足离子闪疗(FLASH)剂量率要求的束流由调整后的瓦里安ProBeam质子治疗系统(超导回旋加速器)提供。为了满足剂量率要求，该实验中对Probeam 的束流配送系统采取了固定高能量(250MeV)照射的方式，因为在低能量输出时，束流配送系统的束损严重，无法满足剂量率要求。而高能量投射式照射方式，将较多剂量沉积在治疗靶区体积(肿瘤靶区)之外，无法充分发挥离子的空间剂量分布优势。

不同于上述质子闪疗临床实验使用的超导回旋加速器，同步加速器是一种使带电粒子在高真空中受磁场力控制沿固定环形轨道运动，受电场力作用不断加速(升能)达到高能量的装置。为了维持升能过程的粒子轨道稳定，同步加速器需要保持磁场幅度和电场频率随粒子能量同步变化，最终引出粒子束流为基础科学研究、临床医学以及工业生产领域提供各种粒子束和辐射线。同步加速器可以很好的调节引出束流能量，无需后端降能器调能，大大提高了束流利用率。

随着对引出的粒子束流在终端应用的需求和研究越来越广泛，尤其在癌症治疗的三维点扫描方面，从利用屏蔽体进行适形照射到多能量慢引出，人们解决了次级粒子产生和较大残余辐射的问题，但是还存在能量切换时间久的问题，如果能充分利用同步加速器可以主动调节引出束流能量的特点，实现“边引出边变能”，就可以引出能量连续变化的粒子，从而将同步加速器可以主动调能的特点和快速调能的时间特性结合起来，提高了同步加速器放射性治疗过程中的平均剂量率，进一步丰富了同步加速器引出束流的应用场景，为超高剂量率放疗(闪疗)的应用提供了一种可能的解决方案。

本申请的申请人清华大学在发明名称为“同步加速器粒子分离后的引出方法及装置”的发明专利CN114205987A中提出了通过操纵纵向相空间从同步加速器的环形轨道中运行的粒子束团中分割小束团并引出的方法及装置。

本申请的申请人清华大学于本申请同日提交了发明名称为“同步加速器连续变能引出方法”的专利申请，该申请提出了一种同步加速器连续变能引出方法，在粒子能量经过预定的变能范围的整个过程中，通过射频激励装置 (RF-KO)持续激励粒子从横向相空间稳定区溢出而进入到静电偏转器中并在静电偏转器的作用下从同步加速器的环形轨道中分离出，其中，粒子从横向相空间稳定区溢出的能量时间间隔和能量数值间隔足够窄，以至于能够被视为符合连续能量引出的要求。

本申请的申请人清华大学于本申请同日还提交了发明名称为“连续变能扫描的离子闪疗装置”的专利申请，该申请提出了一种连续变能扫描的离子闪疗装置，在粒子能量经过预定的变能范围的整个过程中，通过射频激励装置(RF-KO)持续激励粒子从横向相空间稳定区溢出而进入到静电偏转器中并在静电偏转器的作用下从同步加速器的环形轨道中分离出，其中，粒子从横向相空间稳定区溢出的能量时间间隔和能量数值间隔足够窄，以至于能够被视为符合连续能量引出的要求。离子闪疗装置的束流配送系统接收从同步加速器中引出的粒子并扩展束流横向扫描范围，然后再将其提供至治疗靶区体积。同步加速器的束流强度测量装置无截断地实时测量同步加速器内的束流强度，并根据所测得的实时束流强度和给定的离子闪疗剂量率计算并设定引出能量与引出过程时间的关系曲线，以使同步加速器给出满足离子闪疗剂量率要求的引出束流。

因此，希望能够在此基础上提供一种用于离散点扫描的离子闪疗的方法及相应的装置，其能够具有更快的能量调节速度、更低的束损和相对可以接受的成本，以期实现降低能量切换时间、提高剂量率的目的，最终实现靶站处剂量率满足离子闪疗要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种离散点扫描的离子闪疗装置，用于对治疗靶区体积释放特定离子的粒子束流，该离散点扫描的离子闪疗装置包括：注入器，所述注入器用于提供特定离子的粒子束流；同步加速器，所述同步加速器从注入器接收粒子束流并通过对高频系统和至少二极铁、四极铁的磁场强度的控制，使粒子在同步加速器的环形轨道中稳定运行，其中，所述同步加速器通过操纵纵向相空间而从所述环形轨道中运行的粒子束团中时间上有间隔地分离出若干小束团，并将这些小束团时间上有间隔地引出所述同步加速器的环形轨道，以形成离散束团，其中，所述同步加速器能够控制所引出的各个小束团中的粒子数量、粒子能量以及各小束团彼此之间的时间间隔；以及束流配送系统，所述束流配送系统接收从同步加速器中引出的粒子并扩展束流横向扫描范围，然后再将其提供至治疗靶区体积；其中，所述同步加速器还包括用于无截断地实时测量同步加速器的环形轨道内束流纵向密度分布的束流强度测量装置，并能够根据所测得的束流纵向密度分布设定要分离出的离散束团中的粒子数量，从而根据给定的离子闪疗剂量率设定为所述治疗靶区体积内的每个离散扫描点引出的粒子数量。

本发明在前述申请的基础上，提出一种利用同步加速器粒子分离后引出的方法，通过纵向相空间相位方向快速分离产生小束团并快引出，从而减少束流扫描间隔，并通过同步加速器主动变能降低能量切换时间，最终达到提高剂量率的目的，实现治疗靶区体积内的剂量率满足离子闪疗要求，且实现治疗靶区体积的三维体积内离散点扫描放射性治疗。

同步加速器对于所引出的小束团的控制，包括根据需要控制和调节每个小束团中包含的粒子数量，将它们设定为相同或不同的值，也包括根据需要控制和调节每个小束团被分离出时所处的能量值，使得各个小束团彼此具有相同或不同的能量。同样，离散束团中的各小束团的分离引出时机可以通过操纵纵向相空间的时机的改变而相应改变。

本发明的离散点扫描的离子闪疗装置中采用了同步加速器，同步加速器通过脉冲波实现快速变能，使粒子能量处于预设引出能量值，然后操纵纵向相空间使环形轨道中运行的粒子束团被脉冲势阱电压分割出包含希望的粒子数的小束团并将其引出。这些小束团形成时间上有间隔地引出的离散束团，以通过束流配送系统提供给治疗靶区体积内的每个离散扫描点。在此，与本申请人同日提出的发明名称为“连续变能扫描的离子闪疗装置”不同，粒子能量的快速变化不是通过粒子从横向相空间稳定区溢出的方式实现的，而是通过脉冲波实现快速变能，引出时间间隔在μs级。由于剂量分布的布拉格峰效应，引出粒子的特定能量对应于治疗靶区体积的特定纵向位置。在此基础上，再通过束流配送系统扩展束流横向扫描范围，就能够覆盖治疗靶区体积的特定横向位置，也就是在三维空间内精确地覆盖整个治疗靶区体积的任何离散点。

本发明的离散点扫描的离子闪疗装置通过束流强度测量装置实现了对于同步加速器内束流纵向密度分布的无截断实时测量。基于测量结果可以计算出要分离出的离散束团中的粒子数量，从而可以通过调节脉冲波势阱电压分离出包含特定数量粒子的离散束团。

在本发明的离散点扫描的离子闪疗装置中，同步加速器包括用于将所述小束团踢出环形轨道的静电偏转器，或者为此包括冲击磁铁和静电偏转器的组合。

优选的是，所述注入器为直线注入器或另外的同步环形加速器。直线注入器例如包括离子源、直线加速器和束流输运线。离子源产生的粒子通过直线加速器加速然后经由束流输运线提供给同步加速器。

根据本发明的离散点扫描的离子闪疗装置的一种优选实施形式，所述束流强度测量装置是快电流变压器。根据治疗靶区体积大小及束流尺寸，计算出点扫描所需的能量层数量m、离散点数量n，并结合放疗剂量设计，就能够给出每个离散点需要的剂量值。束流强度测量装置实时观测环形轨道内存储粒子数变化，调节离散点引出过程的关键参数(势阱脉冲波的幅值和相位)，最终保证治疗靶区体积每个扫描点接受的剂量值满足闪疗需求。

在粒子在环形轨道中达到预定能量时，同步加速器相应于治疗靶区体积的不同纵向位置引出相应能量的粒子束流，而束流配送系统通过点扫描方法扩展束流横向扫描范围。例如，利用横向扫描设备扩展束流横向扫描范围，所述横向扫描设备包括扫描磁铁、谐振腔、扫描电场中的至少一个。横向扫描设备可以级联地布置，例如，先利用扫描磁铁对束流进行小范围扩展，比如将束流尺寸从2mm扩充到5mm，再进一步通过横向扫描设备进行更大范围的束流覆盖，从而加快整个治疗靶区体积的扫描速度。

附图说明

下面结合附图阐释本发明的实施例。在附图中：

图1示意地示出了根据本发明的离散点扫描的离子闪疗装置的原理图；

图1A和图1B分别示出了常规放疗(图中浅色箭头)和离子闪疗(图中深色箭头)在单次治疗时间和一个疗程所需治疗次数方面的对比。

具体实施方式

下面结合附图详细解释本发明。图1示意地示出了根据本发明的离散点扫描的离子闪疗装置的原理图。

根据本发明的离散点扫描的离子闪疗装置基于同步加速器20实现离散点扫描，包括：注入器10、同步加速器20、束流配送系统50、以及用于无截断地实时测量同步加速器20内束流纵向密度分布的束流强度测量装置。同步加速器20从注入器10接收粒子束流并通过对高频系统和二极铁、四极铁、六极铁等的磁场强度的控制，使粒子在同步加速器20的环形轨道中稳定运行，其中，所述同步加速器20通过脉冲波实现快速变能，使粒子能量处于预设引出能量值，然后操纵纵向相空间使环形轨道中运行的粒子束团被脉冲势阱电压分割出包含希望的粒子数的小束团，小束团在射频激励装置 (Kicker)22作用下进入到静电偏转器23中并在静电偏转器23的作用下从同步加速器20的环形轨道中分离出。这些不断产生的小束团形成离散束团。

束流强度测量装置21例如是快电流变压器(FCT)，用于无截断测量同步加速器20内束流强度，通过测得的束流纵向(沿环形轨道方向)密度分布进一步计算得到小束团内粒子分布数量，小束团内粒子数量能够通过操纵纵向相空间，具体而言是通过调节脉冲势阱波的幅度和相位值来控制，因而能够设定每个小束团中的粒子数量以及为每个离散点提供哪些小束团，从而通过为治疗靶区体积内的每个离散扫描点提供相应能量和数量的小束团来得到满足离子闪疗剂量率要求的引出束流。

注入器10在图中示例地由离子源11、束流输运线12、直线加速器13 组成。

本发明的离散点扫描的离子闪疗装置中，通过操纵纵向相空间时间上有间隔地激励粒子的离散束团进入到静电偏转器23中并在静电偏转器23、引出切割磁铁25的作用下从同步加速器20的环形轨道中分离出，引出粒子能量的主动调节和连续变化则通过同步加速器20的主动变能实现。

不同能量的引出粒子在治疗室60内的治疗靶区实现纵向分层扫描。而束流配送系统50则接收从同步加速器20中引出的粒子并扩展束流横向扫描范围，这样就能够将粒子提供至空间中的整个治疗靶区体积。

对束流横向扫描范围的扩展可以采取点扫描方法。点扫描方法即利用扫描磁铁、谐振腔、扫描电场等横向扫描设备(“横向”在此是指与粒子前进方向垂直的平面)对同步加速器20引出束流覆盖区域进行横向扩展，以满足靶区较大范围(一般为cm级)的照射。

闪疗要实现短时间(百ms量级，500ms内)在治疗靶区体积处极高的剂量率(通常>40Gy/s)照射，剂量率可以根据下式计算：

其中，D为靶区内接受的总剂量，T为治疗靶区体积照射的总时间。

对于点扫描的束流配送方式，治疗靶区体积内接受的总剂量又可以分为若干个不同的点接受的剂量值之和，即∑_nD_n，则剂量率可以根据下式计算：

其中，治疗靶区体积照射的总时间T可以分为不同点扫描的束配时间T_n，扫描的间隔时间T_slew，以及不同扫描深度的能量切换时间T_{energy switch,m}。

根据治疗靶区体积的体积大小及束流尺寸计算出点扫描所需的能量层数量m、离散点数量N，并结合放疗剂量设计，给出每个离散点需要的剂量值，并根据束流配送系统传输效率及粒子引出效率，计算出每个离散点需要的粒子数量，通过FCT实时观测环内存储粒子数变化，调节离散点引出的相关参数(势阱脉冲波的幅值和相位)，最终保证治疗靶区体积处剂量率满足闪疗剂量率需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解：在不背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、变型以及任意组合，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

附图标记列表

10        注入器

11        离子源

12        直线加速器

13        束流输运线

20        同步加速器

21        束流强度测量装置

22        射频激励装置

23        静电偏转器

24        引出切割磁铁

25        磁合金腔

50        束流配送系统

60        治疗室。

Claims (9)

1.一种离散点扫描的离子闪疗装置，用于对治疗靶区体积释放特定离子的粒子束流，其特征在于，该离散点扫描的离子闪疗装置包括：

注入器(10)，所述注入器用于提供特定离子的粒子束流；

同步加速器(20)，所述同步加速器从注入器(10)接收粒子束流并通过对高频系统和至少二极铁、四极铁的磁场强度的控制，使粒子在同步加速器(20)的环形轨道中稳定运行，其中，所述同步加速器(20)被设计为适于通过操纵纵向相空间而从所述环形轨道中运行的粒子束团中时间上有间隔地分离出若干小束团，并将这些小束团时间上有间隔地引出所述同步加速器的环形轨道，以形成离散束团，其中，所述同步加速器(20)能够控制所引出的各个小束团中的粒子数量、粒子能量以及各小束团彼此之间的时间间隔；和

束流配送系统(50)，所述束流配送系统接收从同步加速器(20)中引出的所述离散束团并扩展束流横向扫描范围，然后再将粒子束流提供至治疗靶区体积；

其中，所述同步加速器(20)还包括用于无截断地实时测量同步加速器(20)的环形轨道内束流纵向密度分布的束流强度测量装置(21)，并能够根据所测得的束流纵向密度分布设定要分离出的离散束团中的粒子数量，从而根据给定的离子闪疗剂量率设定为所述治疗靶区体积内的每个离散扫描点引出的粒子数量。

2.根据权利要求1所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述同步加速器(20)包括用于将所述小束团踢出环形轨道的静电偏转器或者冲击磁铁和静电偏转器的组合。

3.根据权利要求1所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述注入器(10)为直线注入器或另外的同步环形加速器。

4.根据权利要求3所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述直线注入器包括离子源(11)、直线加速器(12)和束流输运线(13)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述束流强度测量装置(21)是快电流变压器。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述束流配送系统(50)通过点扫描方法扩展束流横向扫描范围。

7.根据权利要求6所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述束流配送系统(50)利用横向扫描设备扩展束流横向扫描范围。

8.根据权利要求7所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述束流配送系统(50)中级联地布置多个所述横向扫描设备。

9.根据权利要求7所述的离散点扫描的离子闪疗装置，其特征在于，所述横向扫描设备包括扫描磁铁、谐振腔、扫描电场中的至少一个。

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