CN115887945A - 一种基于直线加速器的单室质子治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于直线加速器的单室质子治疗装置，其包括沿着质子束的输运路径依次串联的直线加速器和旋转机架，直线加速器还包括位于质子束的输运路径上的二级磁铁，二极磁铁设置为将质子束的束流中心线进行偏转，使得质子束的输运路径折叠。本发明的基于直线加速器的单室质子治疗装置采用二极磁铁使质子束流发生偏转，以减小治疗装置的单边投影长度，形成不同折叠方式的束流输运路径，从而减小治疗装置的单边投影长度，满足质子治疗装置的小型化和单室化的需求。

Description

一种基于直线加速器的单室质子治疗装置

技术领域

本发明属于粒子放射治疗技术领域，具体涉及一种单室质子治疗装置，其以折叠直线加速器的方式实现质子治疗装置的小型化，达成单室质子治疗的目的。

背景技术

质子治疗表现出疗效显著的临床优势，是当前国际上肿瘤放射治疗的主流手段之一，正在被国内外大力推广。目前，我国的质子治疗技术主要集中在同步加速器和回旋加速器上，亟需发展直线加速器。直线加速器具有能量可调、响应快的特点，能够通过控制功率源输出功率水平和质子束流进入加速管时的微波相位，快速的改变直线加速器末端的质子束流输出能量。直线加速器能够通过增加加速单元，提高质子束的最高能量，易于质子治疗装置的升级改造。考虑到城市中心医院占地面积和成本问题，治疗装置呈现出小型化发展趋势。

因此，针对小型化和单室化的需求，急需提出一种新的质子治疗装置，以极大地降低直线加速器的占地长度，将单室质子治疗装置的占地面积压缩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直线加速器的单室质子治疗装置，以极大地降低直线加速器的占地长度，将单室质子治疗装置的占地面积压缩。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于直线加速器的单室质子治疗装置，其包括沿着质子束的输运路径依次串联的直线加速器和旋转机架，直线加速器还包括位于质子束的输运路径上的二级磁铁，二极磁铁设置为将质子束的束流中心线进行偏转，使得质子束的输运路径折叠。

所述二极磁铁设置为将所述质子束的束流中心线进行90度偏转或180度偏转。

所述二极磁铁的形状根据需要偏转的角度来确定，并且所述二极磁铁的半径r和磁感应强度B满足：

其中，r是二极磁铁的半径、B是二极磁铁的磁感应强度、E₀为质子的静止能量，E_k为质子的动能；

且所述二极磁铁采用电磁铁。

所述直线加速器由质子注入器、DTL增能段和直线加速段组成。

所述二极磁铁设置在以下位置中的至少一种：直线加速段的末端、质子注入器和DTL增能段之间、DTL增能段和直线加速段之间、DTL增能段中、以及直线加速段中。

所述质子注入器包括依次串联的离子源、射频四极加速器、及交叉指磁型漂移管直线加速器，且所述DTL增能段由多段的边耦合漂移管直线加速器组成。

所述直线加速段由多个直线加速单元组成，每个直线加速单元包括一个低电平控制系统、与该低电平控制系统相连的一个功率源系统、以及与该功率源系统相连的一个或多个位于质子束的输运路径上的直线加速管。

每个直线加速管的单腔长度L分别设置为β值的估计结果与真空中光速波长的乘积的一半，且β值的估计结果取对应的直线加速管入口处的质子束的能量、出口处的质子束的能量、或者两者之间的任意能量计算β值来得到，从而形成β值的估计结果的分段式变化分布。

所述二极磁铁的放置位置和方式使得直线加速器的折叠类型包括空间上下折叠或平面折叠或空间上下折叠和平面折叠的组合、以及单次折叠或者多次折叠这两种折叠结构中的至少一种，并且使得直线加速器在旋转机架的侧方或背面。

所述直线加速器的折叠类型还包括与至少一种折叠结构配合的90度偏转结构。

本发明的基于直线加速器的单室质子治疗装置采用二极磁铁使质子束流发生偏转，形成不同折叠方式的束流输运路径，而直线加速器沿着折叠的输运路径分布，以实现折叠型直线加速器，从而减小治疗装置的单边投影长度，极大地降低直线加速器的占地长度，可以有效地压缩质子治疗装置的占地面积，满足质子治疗装置的小型化和单室化的需求。

此外，本发明的直线加速器采用高梯度加速结构，利用功率源系统和低电平控制系统实现输出能量在70MeV至最高能量之间快速变换，最高目标能量在230MeV及以上，进而使得质子束团照射人体后沉积在人体的不同深度，并将直线加速器末端的束团输运到旋转机架，通过机架的旋转，完成质子治疗的多角度照射，满足质子治疗的需求。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的基于直线加速器的单室质子治疗装置的布局图。

图2A是本发明的基于直线加速器的单室质子治疗装置所采用的第一类直线加速单元的布局示意图，其示出了2个直线加速单元。

图2B是本发明的基于直线加速器的单室质子治疗装置所采用的第一类直线加速单元的布局示意图，其示出了1个直线加速单元。

图3是本发明的第二实施例的基于直线加速器的单室质子治疗装置的布局图。

图4A-图4D是直线加速器中二极磁铁的偏转效果示意图。

具体实施方式

结合附图1至图4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

第一实施例基于直线加速器的单室质子治疗装置

如图1所示为根据本发明的第一实施例的基于直线加速器的单室质子治疗装置包括沿着质子束的输运路径依次串联的质子注入器100、DTL(Drifting Tube Linac，漂移管直线加速器)增能段200、直线加速段300和旋转机架400，其中，质子注入器100、DTL增能段200和直线加速段300组成直线加速器。所述直线加速器还包括位于质子束的输运路径上的二级磁铁500，二极磁铁500设置为将质子束的束流中心线进行偏转，以使得所述质子束的输运路径折叠。由此，上述的质子注入器100、DTL增能段200和直线加速段300所组成的直线加速器分布在折叠的束流输运路径上，形成折叠型直线加速器。

如图1所示，根据本发明的第一实施例，质子注入器100设置为输出能量为8MeV的质子束。质子注入器100包括依次串联的离子源101和射频四极加速器(Radio FrequencyQuadruple，RFQ)102及交叉指磁型漂移管直线加速器(Interdigital H-mode DriftingTube Linac，IH-DTL)103。离子源101、RFQ 102、IH-DTL 103均沿着质子束的输运路径排布。

所述离子源101设置为利用高压产生质子。

所述离子源101和射频四极加速器102之间设有低能传输线，通过低能传输线实现质子束的聚焦，馈入射频四极加速器102。

射频四极加速器102设置为加速低能的质子束并抑制低能下质子束的发射度增长。其通过调节电极形状实现质子束团加速，并抑制低能下质子束的发射度增长。

射频四极加速器102和IH-DTL103之间连接有聚焦磁铁(图未示)，聚焦磁铁设置为改变质子束的聚焦和散焦，使质子束横向相空间分布发生变化，以改变直线加速器的Twiss参数和质子束团的横向尺寸使质子束团能够进入IH-DTL，其优选为四极磁铁。质子束在进入IH-DTL前，通常需要将两个横向方向(x方向和y方向)的相空间调至一致，并使x方向和y方向处于聚焦趋势。

IH-DTL 103是由漂移管和加速间隙组成的加速结构，其设置为将质子束团加速到8MeV。质子束在进入IH-DTL103前的能量约为4MeV，相对速度为0.092倍光速；质子束在经过IH-DTL加速后的能量约为8MeV，相对速度为0.13倍光速，也就是说，IH-DTL 103的加速对象为相对速度约0.1倍光速的质子束。IH-DTL 103内具有聚焦磁铁，IH-DTL 103内的聚焦磁铁对质子束聚焦，同时易于在线运行调束。

质子注入器100的末端设有散束器，从而采用散束器降低束流能散，提高束流进入后续射频结构的概率。

DTL增能段200设置为将质子束加速到70MeV。在本实施例中，DTL增能段200由多段的边耦合漂移管直线加速器(SC-DTL)组成。边耦合漂移管直线加速器的每段之间插设有聚焦磁铁(优选为四极磁铁)，从而通过聚焦磁铁对质子束团的两个横向方向进行聚焦和散焦，约束质子束的横向尺寸，以便质子束能够有效加速并进入直线加速段300。

直线加速段300设置为实现质子束团从70MeV到目标能量的加速，且加速器末端输出的质子束的目标能量在70MeV至最高目标能量(例如230MeV及以上)之间任意可调。所述直线加速段300由多个直线加速单元301组成。如图2A和图2B所示，在本实施例中，每个直线加速单元301包括一个低电平控制系统3011、与该低电平控制系统3011相连的一个功率源系统3012、以及与该功率源系统3012相连的一个或多个位于质子束的输运路径上的直线加速管3013。其中，所述功率源系统3012和所述直线加速管3013之间通过波导3014相连。

由此，直线加速管3013基于S波段高梯度质子加速结构，通过调节功率源系统3012快速改变功率源的输出功率水平，配合低电平控制系统3011快速改变质子束流进入直线加速管3013时的微波相位，控制每根直线加速管3013的能量增益，实现直线加速器末端的质子束输出能量在70MeV至最高目标能量的范围内任意可调，且最高目标能量不低于230MeV。

其中，低电平控制系统3011控制的是功率源系统3012输出的脉冲功率及其到达直线加速管3013的时刻，脉冲功率使直线加速管3013产生电磁场，电磁场的强度与微波相位相关，间接控制了质子束进入直线加速管3013感受到的电磁场的强弱。改变了进入直线加速管3013的微波相位，则离开直线加速管3013时的微波相位也相应改变。在本发明中，功率源系统3012的功率是从加速管靠近束流上游端馈入，因此选择控制进入直线加速管3013的微波相位。如果功率源系统3012的功率是从直线加速管3013靠近束流下游端馈入，则可以选择控制离开直线加速管3013时的微波相位。

质子治疗根据病灶的大小需要划分治疗计划层数和剂量。不同能量的质子具有不同位置的布拉格峰，即照射到人体后剂量沉积的深度不同。病灶具有一定的体积，需要多个能量的质子束，而质子束能量切换的速度影响患者整个放疗的用时。在照射治疗时，质子束的横截面往往小于病灶的截面尺寸，在同一能量治疗时，质子需要在该层进行扫描。同一病例，能量切换越快，患者治疗时间相对越短。

一部分相邻的两个直线加速管3013之间设有一个位于质子束的输运路径上的聚焦磁铁3015。所述聚焦磁铁3015设置为通过调节磁场梯度，改变质子束团的聚焦和散焦，进而约束质子束团的横向尺寸，降低加速过程中由于质子碰撞束流管道壁而造成的束流损失。聚焦磁铁3015优选为电四极磁铁，电四极磁铁能够通过改变线圈的电流强度达到改变磁感应强度的目的。四极磁铁的设置位置主要根据质子束的横向尺寸，较佳实施例中采用一个四极磁铁后接两根加速结构。

也就是说，所述直线加速单元301可以如图2A所示是由一个功率源系统3012连接单个直线加速管3013的第一类直线加速单元，或者也可以如图2B所示是由一个功率源系统3012连接多个直线加速管3013的第二类直线加速单元。所述直线加速段300包括第一类直线加速单元和第二类直线加速单元中的至少一种。

所述直线加速管3013优选为S波段高梯度直线加速结构。直线加速管3013采用驻波结构以降低对功率源系统3012的功率需求。驻波结构采用轴耦合或者边耦合等方式。

所述直线加速管3013采用小束流孔径的设计，从而在保证束流通过率的情况下，提高最大加速梯度设计值。所述直线加速管3013的加速梯度大于40MV/m，每根直线加速管3013的有效加速长度约250mm，从而能够在功率源为10MW功率的下实现10MeV及以上的能量增益。

整个直线加速段300中的直线加速管3013的单腔长度由质子束的能量决定，即同一根加速管所取的β值的估计结果不变，通过所有直线加速管3013的单腔长度的分布形成β值的估计结果的分段式变化分布，将质子束团从70MeV加速到目标能量(例如250MeV)。

β值的估计结果的分段式变化分布设置的有益效果在于：质子束在加速结构中，能够被有效的加速。质子在加速管运动中，由于加速前和加速后的能量不同，对应的相对速度不同，所以质子在加速过程中感受到的微波相位是变化的，即感受到的电磁场强度不同。当质子束处于峰值加速时，质子的能量增益最大，加速效率最高。因此，加速结构的单腔长度与质子的运动速度匹配时，能量增益最大。理想情况是加速管中每个加速腔的长度都不同，随着质子能量变化。但是，这种加速结构的设计与加工复杂。本发明将每根加速结构的能量增益控制在10MeV，根据质子能量计算得到同一根加速管中的腔体长度相差不超过0.5mm，则对同一根直线加速管3013取相同的β值的估计结果，进而求得相同的腔体长度的设计值是可行的。为了实现β值的估计结果的分段式变化分布，β值的估计结果可以选择在该段加速前和加速后的质子能量平均值对应的β值附近的数值，既简化了加速结构的设计和制造，又能够保证质子束的能量增益。

根据现有技术，β值的定义是：

其中，E₀为质子的静止能量，E_k为质子的动能。

在本发明中，β值的估计结果所依据的质子的动能E_k可以选择加速管入口处的质子束流能量，也可以选择加速管出口处的质子束流能量，或者选择两者之间的任意能量。一般公式计算的质子的动能E_k选择在该分段的直线加速管3013加速前和加速后的质子能量的平均值。由于质子的能量随着加速一直增大，β值是在加速过程中一直增大的连续值，而β值的估计结果则形成了一个分段式变化分布，分段式变化分布中的β值的估计结果是几个独立的数值点，β值的估计结果的取值范围从0.36至0.61，较佳实施例中，9组直线加速管3013的各自的β值的估计结果分别为0.38，0.43，0.46，0.49，0.52，0.54，0.57，0.59，0.60。

同时，在本发明中，β值的估计结果满足β＝2·L/λ，其中L是直线加速管3013的单腔长度，λ是真空中光速波长，即工作频率下的自由空间波长，其约为104.97mm。

也就是说，直线加速段300中的每个直线加速管3013的单腔长度L分别设置为β值的估计结果与真空中光速波长的乘积的一半，且β值的估计结果取对应的直线加速管3013入口处的质子束的能量、出口处的质子束的能量、或者两者之间的任意能量计算β值来得到。整个直线加速段共约18根加速管，每两个相邻的直线加速管3013作为一组，一共为9组，每一组直线加速管3013所取的β值的估计结果相同。

所述功率源系统3012优选为采用速调管，从而为加速结构提供馈入功率源，例如10MW速调管或者50MW速调管，通过连接的波导3014传输和分配微波脉冲功率，馈入每根直线加速管3013。在本实施例中，第一类直线加速单元优选为基于10MW速调管的直线加速单元，第二类直线加速单元优选为基于50MW速调管的直线加速单元。

针对10MW速调管为单根的直线加速管3013提供功率源的情况，10MW速调管为每根直线加速管3013设置5个独立能量点的功率源，即每根加速结构的能量增益约为10MeV，大约每2MeV设置1个能量点。针对50MW速调管为4根加速结构提供功率源的情况，50MW速调管为4根加速管共设置20个能量点的功率源。由此，整个直线加速段300共计91个能量点。

在本发明中，二极磁铁500设置为将质子束的束流中心线进行偏转，以使得所述质子束的输运路径折叠，形成多种折叠类型的直线加速器，达到缩短直线加速器的单边投影长度的目的。

二极磁铁具体设置为将所述质子束的束流中心线进行90度偏转、180度偏转及任意角度偏转，进而使得质子束的输运路径折叠。折叠是偏转的一种效果，通常指束流中心线发生180度偏转，也可以是两次90度偏转的合成效果。

所述二极磁铁500的形状根据需要偏转的角度来确定。并且，二极磁铁500的半径r、磁感应强度B满足如下关系：

其中，r是二极磁铁500的半径、B是二极磁铁500的磁感应强度、E₀为质子的静止能量，E_k为质子的动能。因此，所述二极磁铁500采用电磁铁，可以改变磁铁强度，二极磁铁入口处的质子束团能量变化，对应改变二极磁铁的磁感应强度。

二极磁铁500可以设置在任意合适位置，例如以下位置中的至少一种：直线加速段300的末端、质子注入器100和DTL增能段200之间、DTL增能段200和直线加速段300之间、DTL增能段200中(例如，两个边耦合漂移管直线加速器(SC-DTL)之间)、以及直线加速段300中(例如，两个直线加速管3013之间)，以形成不同的折叠效果。

二极磁铁的放置位置和直线加速器的折叠方式可依据旋转机架的类型进行布局。二极磁铁500的放置位置和方式、以及旋转机架400与直线加速器的位置关系均与旋转机架400的类型相关。在本实施例中，治疗装置采用180度旋转机架，则二极磁铁500的放置位置和方式使得直线加速器在旋转机架400的侧方，二极磁铁500的放置位置和方式使得直线加速器的折叠类型为二层折叠配合90度偏转的形式，如图1所示。这里所说的旋转机架400的侧方指的是与旋转机架的旋转轴间隔开的位置。

由此，旋转机架400通过设置在直线加速段300的末端的二极磁铁与直线加速段300相连，将直线加速器末端的质子束团输运到空间上的多个角度，实现多角度质子治疗。

第二实施例基于直线加速器的单室质子治疗装置

在本发明的第二实施例中，基于直线加速器的单室质子治疗装置与上文第一实施例中的基于直线加速器的单室质子治疗装置的结构基本相同，其区别仅在于：

如图3所示，治疗装置采用360度旋转机架，则二极磁铁500的放置位置和方式使得直线加速器在旋转机架400的背面，二极磁铁500的放置位置和方式使得直线加速器的折叠类型为三层折叠的形式。这里所说的旋转机架400的背面指的是在旋转机架的旋转轴上并且相对于旋转机架400在与质子束的输运方向的相反方向的位置。

所述旋转机架400包括180度旋转机架和360度旋转机架中的一种。根据本发明的第一实施例和第二实施例，旋转机架400可以采用现有结构，如首台国产质子治疗装置中的180度旋转机架和360度旋转机架。在其他实施例中，旋转机架也可根据需要进行新的设计。

图4A-图4D是直线加速器中二极磁铁的偏转效果示意图。如图4A-图4D所示，在其他实施例中，二极磁铁500设置为将束流进行90度偏转、180度偏转及任意角度偏转。折叠是偏转的一种效果，通常指束流中心线发生180度偏转，也可以是两次90度偏转的合成效果。由此，所述二极磁铁500的放置位置和方式使得直线加速器的折叠类型包括但不限于空间上下折叠或平面折叠或空间上下折叠和平面折叠的组合、以及单次或者多次折叠等折叠结构中的至少一种，并且可以还包括这些折叠结构配合的90度偏转结构。图4A示出了任意角度平面偏转，图4B示出了180度二层折叠，图4C示出了90度+90度空间折叠，图4D示出了任意偏转和多层折叠。其中，将整个三维空间建立XYZ坐标系，将地面作为XY平面。空间上下折叠指束流中心线在YZ平面或者YZ平面的平行面、XZ平面或者XZ平面的平行面上发生偏转。平面折叠指束流中心线只在XY平面上发生偏转，或者只在XY平面的平行面上发生偏转。

由此，本发明的基于直线加速器的单室质子治疗装置采用二极磁铁，将质子束流进行偏转，形成上下两层或多层的折叠型束流输运路径，直线加速器分布在折叠的输运路径上，减小治疗装置的单边投影长度；并与旋转机架组合，达到压缩质子治疗装置占地面积的效果，实现质子束团的多角度输出，满足小型化的单室质子治疗装置的要求。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种基于直线加速器的单室质子治疗装置，其包括沿着质子束的输运路径依次串联的直线加速器和旋转机架，其特征在于，所述直线加速器还包括位于质子束的输运路径上的二级磁铁，所述二极磁铁设置为将质子束的束流中心线进行偏转，使得所述质子束的输运路径折叠。

2.根据权利要求1所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述二极磁铁设置为将所述质子束的束流中心线进行90度偏转或180度偏转。

3.根据权利要求1所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述二极磁铁的形状根据需要偏转的角度来确定，并且所述二极磁铁的半径r和磁感应强度B满足：

其中，r是二极磁铁的半径、B是二极磁铁的磁感应强度、E₀为质子的静止能量，E_k为质子的动能；

且所述二极磁铁采用电磁铁。

4.根据权利要求1所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述直线加速器由质子注入器、DTL增能段和直线加速段组成。

5.根据权利要求4所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述二极磁铁设置在以下位置中的至少一种：直线加速段的末端、质子注入器和DTL增能段之间、DTL增能段和直线加速段之间、DTL增能段中、以及直线加速段中。

6.根据权利要求4所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述质子注入器包括依次串联的离子源、射频四极加速器、及交叉指磁型漂移管直线加速器，且所述DTL增能段由多段的边耦合漂移管直线加速器组成。

7.根据权利要求4所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述直线加速段由多个直线加速单元组成，每个直线加速单元包括一个低电平控制系统、与该低电平控制系统相连的一个功率源系统、以及与该功率源系统相连的一个或多个位于质子束的输运路径上的直线加速管。

8.根据权利要求7所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，每个直线加速管的单腔长度L分别设置为β值的估计结果与真空中光速波长的乘积的一半，且β值的估计结果取对应的直线加速管入口处的质子束的能量、出口处的质子束的能量、或者两者之间的任意能量计算β值来得到，从而形成β值的估计结果的分段式变化分布。

9.根据权利要求1所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述二极磁铁的放置位置和方式使得直线加速器的折叠类型包括空间上下折叠或平面折叠或空间上下折叠和平面折叠的组合、以及单次折叠或者多次折叠这两种折叠结构中的至少一种，并且使得直线加速器在旋转机架的侧方或背面。

10.根据权利要求9所述的基于直线加速器的单室质子治疗装置，其特征在于，所述直线加速器的折叠类型还包括与至少一种折叠结构配合的90度偏转结构。

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