CN116328209A - 一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法，加速器装置包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器、束流注入器以及束流能量调节器，束源发射器包括互为独立布置的质子源发射器和离子源发射器，束流注入器包括沿束流注入方向依次递增加速频率至S波段的多段加速机构，束流能量调节器为用于调制束流能量范围的直线加速器，且束流能量调节器通过扫描系统接入治疗终端。方法包括粒子束流经多段加速机构加速并引入束流能量调节器内调制束流能量，再通过扫描系统进入治疗终端。本发明可充分发挥质子束和碳离子束在肿瘤FLASH放疗中的优势与特点，在满足FLASH放疗的束流强度需求同时，还能实现束流能量调制，有效提高治疗效率。
Description
技术领域
本发明涉及加速器放射治疗技术领域，具体涉及一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法。
背景技术
放疗、化疗和手术治疗，是现在癌症治疗较为常见的三种方式。放疗即放射疗法，通过放射线治疗肿瘤的一种局部治疗办法。尽管放疗发展的时间较短，但是对于肿瘤治疗具有效果显著。其中，相比光子放疗，质子重离子治疗具有在布拉格峰上的剂量学优势和在三维方向上剂量的高度可控性，以及对细胞组织相对更高的穿透性等优势，这使得目前质子重离子治疗效果显著，优势明显。然而，在实际应用过程中，每个患者定位完成后需要连续辐照多次，每次辐照时间几分钟到二十多分钟，这就会导致常规质子重离子治疗病例在数量上效率较低。
FLASH放疗(Flash-radiotherapy)是一种新型的无创外照射放疗技术，通过超高剂量率输送超高剂量的射线，能够拓宽患者的治疗窗，显著改变放疗及肿瘤治疗的格局。与常规剂量率放疗相比，FLASH放疗可在不到1s的极短时间内输送高于8Gy的照射剂量，剂量率超过50Gy/s。研究人员认为，高剂量率的照射会导致组织中的氧气耗竭，使健康组织产生辐射抵抗，从而能够在高缺氧的条件下实施破坏肿瘤组织的剂量递增治疗。由于其独特的放射生物学优势，FLASH放疗正受到学术界和工业界越来越多的关注，成为了当前放疗领域的前沿热点。结合质子重离子放疗的优势，FLASH在质子重离子治疗中的应用具备了更高的临床价值和更深远的意义。另外，相比传统质子重离子治疗，FLASH辐照治疗患者时间极短，可较大幅度的提高每天辐照治疗患者人数，提高机器治疗使用效率。
目前用于质子重离子治疗的加速器装置主要有三类，分别包括回旋加速器、同步加速器和直线加速器。回旋加速器结构紧凑，但束流能量不可调；同步加速器束流能量可调，但调能所需要的时间在秒量级，并且束流强度偏低，现有同步加速不能满足FLASH放疗所需要的束流强度；直线加速器可以实现1ms内改变束流能量，非常适合于快速三维点扫描治疗方式，然而，常规的直线加速器治疗装置占地面积大，造价成本高。因此目前并没有能满足基于质子重离子的FLASH放疗专用加速器装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法，以解决现有技术中用于质子重离子治疗的加速器装置无法满足FLASH放疗所需要的束流强度的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器、束流注入器以及束流能量调节器，所述束源发射器包括互为独立布置的质子源发射器和离子源发射器，所述束流注入器包括沿束流注入方向依次递增加速频率至S波段的多段加速机构，所述束流能量调节器为用于调制束流能量范围的直线加速器，且所述束流能量调节器接入治疗终端。
进一步地，多段加速机构为沿束流注入方向依次布置的前段加速器、中段加速器以及末段加速器，所述前段加速器为射频四级加速器和高电荷态强流重离子连续波漂移管直线加速器组合结构，所述中段加速器为漂移管直线加速器，所述末段加速器为侧向耦合漂移管直线加速器，且所述前段加速器、中段加速器以及末段加速器依次通过束流输送管道连接。
进一步地，所述末段加速器的加速频率运行在S波段，所述前段加速器的加速频率为所述末段加速器加速频率的1/6，所述中段加速器的加速频率为所述前段加速器加速频率的2倍频。
进一步地，所述束流注入器和所述束流能量调节器平行布置，且所述末段加速器的束流引出端与所述束流能量调节器的束流引入端之间的束流输送管道构成“U”形结构，在所述束流注入器和所述束流能量调节器之间设有用于束流自所述末段加速器偏转引入所述束流能量调节器内的消色散传输机构。
进一步地，所述消色散传输机构包括布置在所述末段加速器和所述束流能量调节器之间束流输送管道上的第一偏转磁铁和第二偏转磁铁，所述第一偏转磁铁布置在所述末段加速器的束流引出侧并用于束流90°偏转，所述第二偏转磁铁布置在所述束流能量调节器的束流引入侧并用于束流90°偏转。
进一步地，所述质子源发射器和离子源发射器分别通过束流输送管道与所述前段加速器的束流引入端相连接，所述质子源发射器为电子回旋共振质子源装置，用于产生重复频率大于200Hz的强流脉冲质子束流，所述离子源发射器为激光离子源装置，用于产生重复频率为60-120Hz的强流脉冲离子束流。
进一步地，所述束流能量调节器为具有高梯度变能的腔耦合直线加速器，所述束流能量调节器作用质子束流的能变范围为70-250MeV/u，且所述束流能量调节器作用离子束流的能变范围为100-450MeV/u。
基于上述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，本发明还提供一种用于束流肿瘤治疗粒子加速的方法，包括：
根据FLASH放疗需求，选择质子源发射器产生质子束流，或采用离子源发射器产生离子束流，并将束流引入束流注入器；
通过多段加速机构的束流注入器将质子束流或离子束流加速；
经过加速后的束流通过消色散传输机构偏转并引入束流能量调节器内，通过运行在S波段的束流能量调节器将质子束流或将离子束流再次加速，并通过调节束流能量调节器的相位和功率，根据FLASH放疗需求，控制质子束流或离子束流在设定的能变范围内调制；
经束流能量调节器引出的束流通过扫描系统进入治疗终端。
本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：
通过设置由质子源发射器和离子源发射器构成的双粒子发射器，使束流经具有多段加速机构的束流注入器进行加速，并获取较高的束流传输效率，另外通过束流能量调节器对流经的束流能量进行脉冲快速调变，在满足FLASH放疗的束流强度需求同时，可实现束流能量调制，从而可根据FLASH放疗需求，进行质子或碳离子治疗，以便于充分发挥质子束和碳离子束在肿瘤FLASH放疗中的优势与特点，提高治疗效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置的整体结构示意图。
附图中各标记表示如下：
1、束源发射器；11、质子源发射器；12、离子源发射器；2、束流注入器；21、前段加速器；22、中段加速器；23、末段加速器；3、束流能量调节器；4、扫描系统；5、治疗终端；6、消色散传输机构；61、第一偏转磁铁；62、第二偏转磁铁。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
由于现有用于质子重离子治疗的加速器装置无法满足FLASH放疗所需要的束流强度。本发明提供一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法，加速器装置包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器、束流注入器以及束流能量调节器，束源发射器包括互为独立布置的质子源发射器和离子源发射器，束流注入器包括沿束流注入方向依次递增加速频率至S波段的多段加速机构，束流能量调节器为用于调制束流能量范围的直线加速器，且束流能量调节器通过扫描系统接入治疗终端。本发明可充分发挥质子束和碳离子束在肿瘤FLASH放疗中的优势与特点，在满足FLASH放疗的束流强度需求同时，还能实现束流能量调制，有效提高治疗效率。
下面通过实施例对本发明的方案进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器1、束流注入器2以及束流能量调节器3。束源发射器1包括互为独立布置的质子源发射器11和离子源发射器12。束流注入器2包括沿束流注入方向依次递增加速频率至S波段的多段加速机构。束流能量调节器3为用于调制束流能量范围的直线加速器，且束流能量调节器3通过扫描系统4接入治疗终端5。其中，扫描系统4为常规的快速扫描成像检测系统。通过上述结构的设置，由质子源发射器11和离子源发射器12构成的双粒子发射器，使束流经具有多段加速机构的束流注入器2进行加速，以便于获取较高的束流传输效率，并通过束流能量调节器3对流经的束流能量进行脉冲快速调变，在满足FLASH放疗的束流强度需求同时，可实现束流能量调制。
进一步地，多段加速机构为沿束流注入方向依次布置的前段加速器21、中段加速器22以及末段加速器23。前段加速器21为射频四级加速器(Radio Frequency Quadrupole，RFQ)和高电荷态强流重离子连续波漂移管直线加速器IH_DTL组合结构，中段加速器22为漂移管直线加速器(Drift Tube Linac，DTL)，末段加速器23为侧向耦合漂移管直线加速器(Side Coupled Drift Tube Linac，SCDTL)，且前段加速器21、中段加速器22以及末段加速器23依次通过束流输送管道连接。
如上所述，末段加速器23的加速频率运行在S波段，前段加速器21的加速频率为末段加速器23加速频率的1/6，中段加速器22的加速频率为前段加速器21加速频率的2倍频。通过该结构的设置，利用束流注入器2的前端采用频率较低的RFQ加速器和IH-DTL加速器组合的加速结构，以确保束流注入器2对束源发射器1发射的粒子束具有较大接收度，然后通过前段加速器两倍频的中段DTL加速器结构过渡至S波段高梯度的SCDTL加速器，使不同加速结构之间的匹配更好，并利用依次递增至S波段的加速频率，基于S波段高性能束流模块能够实现较高剂量率，从而有效提高束流的传输效率。其中，束流注入器2的多段加速机构能够将质子束加速至70MeV/u，或将离子束加速至100MeV/u。
进一步地，束流能量调节器3为具有高梯度变能的腔耦合直线加速器(CoupledCavity Linac，CCL)。其可以将质子束最高加速至250MeV/u，并将离子束最高加速至450MeV/u，且通过调节CCL加速器的相位和功率，可实现质子束和离子束能量分灵活调变。其中，束流能量调节器3作用质子束流的能变范围为70-250MeV/u，且束流能量调节器3作用离子束流的能变范围为100-450MeV/u。优选地，束流能量调节器3可配合超快低电平系统，从而实现束流能量逐脉冲快速调变，即实现1ms内改变束流能量，且能量调变时间小于10μs。
如上所述，末段加速器23和束流能量调节器3均采用在S波段具有高梯度的加速结构，使本发明加速器装置中的加速器长度相较于传统质子/离子加速器可以设置的更短，从而在提高束流传输效率的同时，减小装置的占地空间。
进一步地，束流注入器2和束流能量调节器3平行布置，且末段加速器23的束流引出端与束流能量调节器3的束流引入端之间的束流输送管道构成“U”形结构。在束流注入器2和流能量调节器3之间设有用于束流自末段加速器23偏转引入束流能量调节器3内的消色散传输机构6。通过该结构的设置，使本发明的加速器装置整体构成“U”形结构的束流轨道，在基于多个直线加速器串联的结构下，可进一步减小装置的占地空间。
进一步地，消色散传输机构6包括布置在末段加速器23和束流能量调节器3之间束流输送管道上的第一偏转磁铁61和第二偏转磁铁62。第一偏转磁铁61布置在末段加速器23的束流引出侧并用于束流90°偏转，第二偏转磁铁62布置在束流能量调节器3的束流引入侧并用于束流90°偏转。通过该结构的设置，以便于束流的输送适应于本发明中“U”形结构的束流轨道。
进一步地，质子源发射器11和离子源发射器12分别通过束流输送管道与前段加速器21的束流引入端相连接。质子源发射器11为电子回旋共振质子源装置(ElectronCyclotron Resonance，ECR)，用于产生重复频率大于200Hz的强流脉冲质子或者
束，脉冲峰值流强大于10emA；离子源发射器12为激光离子源装置，用于产生重复频率为60-120Hz的强流脉冲C6+离子束流，脉冲峰值流强大于10emA。其中，电子回旋共振质子源装置优选为2.45GHz，从而通过质子源发射器11和离子源发射器12提供短脉冲、高流强的粒子束。
基于上述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，本发明还提供一种用于束流肿瘤治疗粒子加速的方法，包括：
根据FLASH放疗需求，选择采用2.45GHz的质子源发射器11产生重复频率大于200Hz的质子束流，或采用离子源发射器12产生重复频率为60-120Hz的离子束流，并将束流引入束流注入器2；
通过多段加速机构的束流注入器2将质子束流加速至70MeV/u，或将离子束流加速至100MeV/u；
经过加速后的束流通过消色散传输机构6偏转并引入束流能量调节器3内，通过运行在S波段的束流能量调节器3将质子束流加速至250MeV/u，或将离子束流加速至450MeV/u，并通过调节束流能量调节器3的相位和功率，根据FLASH放疗需求，控制质子束流在70-250MeV/u的能变范围内调制，或控制离子束流在100-450MeV/u的能变范围内调制；
经束流能量调节器3引出的束流通过扫描系统4进入治疗终端5。
本发明的基于束流肿瘤治疗的加速器装置，具备以下显著的技术效果：
1、本发明既可提供质子束FLASH放疗，又可提供碳离子束FLASH放疗，可充分发挥质子与碳离子结合FLASH放疗的优势；
2、本发明提供的加速器装置采用束流能量调节器和扫描系统结合的方式，束流能量调变快，并可实现实时原位束流能量快速调节和点扫描，做到更加精准、更加安全的FLASH放疗；
3、本发明提供的加速器装置通过多个直线加速器串联，并依次递增加速频率至S波段，其束流强度高，极短束流脉冲剂量率高，可充分发挥FLASH放疗的优势；
4、本发明提供的加速器装置的整体布局形成“U”形结构，可减小装置的占地空间。
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 (8)
1.一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述加速器装置包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器、束流注入器以及束流能量调节器，所述束源发射器包括互为独立布置的质子源发射器和离子源发射器，所述束流注入器包括沿束流注入方向依次递增加速频率至S波段的多段加速机构，所述束流能量调节器为用于调制束流能量范围的直线加速器，且所述束流能量调节器接入治疗终端。
2.根据权利要求1所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：多段加速机构为沿束流注入方向依次布置的前段加速器、中段加速器以及末段加速器，所述前段加速器为射频四级加速器和高电荷态强流重离子连续波漂移管直线加速器组合结构，所述中段加速器为漂移管直线加速器，所述末段加速器为侧向耦合漂移管直线加速器，且所述前段加速器、中段加速器以及末段加速器依次通过束流输送管道连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述末段加速器的加速频率运行在S波段，所述前段加速器的加速频率为所述末段加速器加速频率的1/6，所述中段加速器的加速频率为所述前段加速器加速频率的2倍频。
4.根据权利要求2所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述束流注入器和所述束流能量调节器平行布置，且所述末段加速器的束流引出端与所述束流能量调节器的束流引入端之间的束流输送管道构成“U”形结构，在所述束流注入器和所述束流能量调节器之间设有用于束流自所述末段加速器偏转引入所述束流能量调节器内的消色散传输机构。
5.根据权利要求4所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述消色散传输机构包括布置在所述末段加速器和所述束流能量调节器之间束流输送管道上的第一偏转磁铁和第二偏转磁铁，所述第一偏转磁铁布置在所述末段加速器的束流引出侧并用于束流90°偏转，所述第二偏转磁铁布置在所述束流能量调节器的束流引入侧并用于束流90°偏转。
6.根据权利要求2所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述质子源发射器和离子源发射器分别通过束流输送管道与所述前段加速器的束流引入端相连接，所述质子源发射器为电子回旋共振质子源装置，用于产生重复频率大于200Hz的强流脉冲质子束流，所述离子源发射器为激光离子源装置，用于产生重复频率为60-120Hz的强流脉冲离子束流。
7.根据权利要求6所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述束流能量调节器为具有高梯度变能的腔耦合直线加速器，所述束流能量调节器作用质子束流的能变范围为70-250MeV/u，且所述束流能量调节器作用离子束流的能变范围为100-450MeV/u。
8.一种用于束流肿瘤治疗粒子加速的方法，采用权利要求1-7任意一项所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于，所述方法包括：
根据FLASH放疗需求，选择质子源发射器产生质子束流，或采用离子源发射器产生离子束流，并将束流引入束流注入器；
通过多段加速机构的束流注入器将质子束流或离子束流加速；
经过加速后的束流通过消色散传输机构偏转并引入束流能量调节器内，通过运行在S波段的束流能量调节器将质子束流或将离子束流再次加速，并通过调节束流能量调节器的相位和功率，根据FLASH放疗需求，控制质子束流或离子束流在设定的能变范围内调制；
经束流能量调节器引出的束流通过扫描系统进入治疗终端。
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| CN112870559A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-06-01 | 兰州科近泰基新技术有限责任公司 | 一种紧凑型质子肿瘤治疗装置及其应用 |
| CN115361770A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-11-18 | 杭州嘉辐科技有限公司 | 紧凑型医用重粒子全直线加速器及应用 |
| WO2023004263A1 (en) * | 2021-07-20 | 2023-01-26 | Mevion Medical Systems, Inc. | Toroidal gantry for a particle therapy system |
-
2023
- 2023-02-10 CN CN202310107791.7A patent/CN116328209A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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