CN116585623A - 一种用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，属于质子治疗技术领域。该旋转机架包括第一磁体组件、降能器组件、第二磁体组件、治疗头组件；第一磁体组件包括第一偏转常温磁体和至少一块第一聚焦常温磁体；第二磁体组件包括第一、第二斜螺线管线圈偏转超导磁体和至少一块第二聚焦常温磁体；第一、第二斜螺线管线圈偏转超导磁体是至少具有二极、四极、六极场的组合超导磁体，且其各极磁场分量为镜像对称设置；其中，四极场分量为多段交变梯度设置，六极场分量仅在第一和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体相互靠近的一段设置。本发明在减轻旋转机架重量、降低造价的同时，减少治疗过程中的超导磁体电流调变次数，避免导体失超。
Description
技术领域
本发明属于质子治疗技术领域，更具体地，涉及一种用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架。
背景技术
质子治癌是一种癌症精准放射治疗方法。利用质子的布拉格峰剂量分布特性，通过调节质子束能量可以实现不同照射深度的剂量控制。实现精准的肿瘤三维适形放疗，减少对周边健康组织的损害。旋转机架是质子治癌装置的重要组成部件，负责将束流偏转，以任意角度入射人体。现有的质子治癌旋转机架基本采用常温磁体设计，机架长度普遍超过10米，重量超过100吨。较大的尺寸和重量使得旋转机架的设计、加工制造困难，造价高昂。据统计，常温旋转机架的造价通常占整个质子治癌装置的1/3。
线圈型超导磁体，由于其无铁芯和高场强的特点，可以显著降低旋转机架的尺寸和重量。然而，超导磁体具有电流调变速度慢的缺点，这会延长治疗时间、降低治疗效率。一种解决方法是扩大旋转机架的动量接受度，使得一定动量范围内的束流都可以在不改变励磁电流的情况下顺利通过机架。该方法可以有效的减少治疗过程中电流调变次数，缩短治疗时间。但是，这对旋转机架的设计提出了严苛的要求，较大的动量偏差使得超导机架的色散效应较常温机架更加明显。另外，在笔形束扫描治疗过程中，大动量分散束流经过扫描磁体偏转会引起显著的束斑畸变，严重影响治疗效果。
因此，有必要设计一种具有大动量接受度的超导旋转机架，以解决以上技术问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，旨在解决现有旋转机架体积大质量重的问题。通过束流光学设计与优化，将机架束线的质子动量接受度从常规机架的0.5％量级提高至±10％以上，从而在减轻旋转机架重量、降低造价的同时减少治疗过程中超导磁体电流调变次数，保持超导磁体磁场固定，避免因超导磁体磁场快速变化导致的失超问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，包括：沿质子束流向依次分布的第一磁体组件、降能器组件、第二磁体组件、具有笔形束扫描功能的治疗头组件；
所述第一磁体组件包括沿质子束流向依次分布的第一偏转常温磁体和至少一块第一聚焦常温磁体；
所述第二磁体组件包括第一斜螺线管线圈偏转超导磁体、第二斜螺线管线圈偏转超导磁体和至少一块第二聚焦常温磁体；
所述第一斜螺线管线圈偏转超导磁体、第二斜螺线管线圈偏转超导磁体是至少具有二极、四极、六极场的组合超导磁体，且其各极磁场分量为镜像对称设置；其中，四极场分量为多段交变梯度设置，六极场分量仅在第一斜螺线管线圈偏转超导磁体和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体相互靠近的一段设置。
进一步地，所述第二磁体组件还包括常温斜四极磁体；
所述常温斜四极磁体位于所述第一斜螺线管线圈偏转超导磁体和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体之间；且所述常温斜四极磁体和至少一块第二聚焦常温磁体均可进行电流快速调变，响应速度快于3毫秒。
进一步地，所述大动量接受度超导旋转机架还包括磁体控制单元；
所述磁体控制单元用于获取预先制定的每个扫描点对应的所述常温斜四极磁体和至少一块第二聚焦常温磁体的励磁电流参数表，并在治疗过程中根据当前的扫描点位置，通过查表将所述常温斜四极磁体和至少一块第二聚焦常温磁体的励磁电流调整为设定值，使得在整个照射野中束斑能够保持均一稳定。
进一步地，所述第一偏转常温磁体为常温二极磁体，弯转半径为1.2m-2.0m，弯转角度α＝30°～60°。
进一步地，所述第一斜螺线管线圈偏转超导磁体和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体的弯转半径为0.75m-1.2m，弯转角度β＝(α+90°)/2。
进一步地，所述降能器组件包括一对楔形降能块、以及位于所述一对楔形降能块下游的至少两个准直器。
进一步地，所述治疗头组件位于第二磁体组件下游，源轴距大于或等于1.5米。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明将降能器组件置于束线中段，故只需要对其后的第二磁体组件部分进行高阶消色散设计，这显著降低了设计及光学匹配的难度，容易获得更大的动量接受度范围；另一方面，采用斜螺线管线圈超导组合磁体代替传统的常温磁体，机架磁体数目、重量均得到优化，显著降低机架重量和尺寸，进而减少机架制造、安装和运行成本。通过分段式、对称式地设置斜螺线管线圈偏转超导磁体的四极场分量，利用其强聚焦特性能够有效抑制色散函数，显著减少束流传输过程中因色散引起的横向束流尺寸增长。并通过调节六极场及以上场分量，消除高阶像差，能够实现±10％以上的大动量接受度。
(2)本发明在第二磁体组件中配置了可进行电流快速调变的常温斜四极磁体和至少一块第二聚焦常温磁体，其磁场强度(励磁电流)的调变速度与扫描磁体相当。通过在治疗期间实时调变磁体强度保证束斑在不同扫描点处的形状保持不变，避免了使用能量狭缝限制束流的能量分散。这能够显著提高旋转机架的束流传输效率，提高束流流强，进一步缩短治疗时间。
(3)基于±10％以上的大动量接受度，在不改变超导磁体磁场的前提下，所传递的质子能量范围可覆盖主要类型的肿瘤病灶深度；对于深度范围大的肿瘤，通过改变1至2次磁场可完成全局深度的覆盖。如此，在大动量接受度前提下，本发明不需要快速改变超导磁体磁场，进而避免了超导磁体在快速磁场强度(励磁电流)变化下导致的失超问题，同时又能满足快速笔形束扫描技术要求，缩短治疗时间。
附图说明
图1为本发明提供的用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架结构示意图；
图2为本发明实施例中第一磁体组件束线的束流包络示意图；
图3为本发明实施例中第二磁体组件束线水平方向的束流包络示意图；
图4为本发明实施例中第二磁体组件束线竖直方向的束流包络示意图；
图5为本发明实施例中扫描铁色散校正前的束斑扫描点阵图；
图6为本发明实施例中扫描铁色散校正后的束斑扫描点阵图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明实施例中，一种用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，包括沿质子束流向依次分布的第一磁体组件、降能器组件、第二磁体组件、具有笔形束扫描功能的治疗头组件；以及支撑结构和真空管道。
如图1所示，机架束线在前端与固定束线段(未显式绘出)耦合，接受来自粒子加速器的质子束流，质子束能量通常在220MeV至250MeV范围内，能量固定。在本实施例中，束流中心能量均选择230MeV。耦合点00处，前端注入标准差尺寸为1.75mm的圆形质子束；等中心点01处，通过束流匹配形成用于治疗的标准差尺寸小于6.00mm的圆形束斑。机架束线采用后扫描方式，即治疗头组件40放置于第二斜螺线管线圈偏转超导磁体34下游，源轴距大于或等于1.5m。
第一磁体组件负责完成束流的偏转和聚焦，使得束流能以聚焦形态进入降能器组件。第一磁体组件包括第一偏转常温磁体10和至少一块第一聚焦常温磁体。为了得到更好的束斑尺寸，在本实施例中，使用了三块第一聚焦常温磁体，分别是聚焦常温磁体11、聚焦常温磁体12和聚焦常温磁体13。其中，第一偏转常温磁体10为常温二极磁体，弯转半径1.2m-2.0m，优选1.4m，对应中心能量230MeV质子束的二极场为1.66T；二极磁体弯转角度30°～60°，优选45°。
降能器组件负责根据治疗需求，将加速器引出的固定能量束流调节为所需能量强度。在本发明中降能器组件位于旋转机架束线中段，包括一对楔形降能块20和至少两个准直器模块。楔形降能块20可实现最低70MeV的质子能量调节；优选直线电机驱动，以实现快速运动控制，通常对于5mm水透射深度步长，能量调节时间不大于50ms；楔形降能块20材料优选密度高于1.95g/cm3各向同性石墨，也可以选择传输效率更高的石墨-碳化硼混合材料。准直器材料可使用铜或石墨。本实施例中，使用两个铜准直器模块，分别是第一准直器模块21和第二准直器模块22，均位于楔形降能块20下游，通过电机可以切换两个准直器模块的孔径，实现对出射束流尺寸和发散角的控制。通常，准直器模块可以实现3～10πmm·mrad(1σ)范围内均方根发射度的选择。
第二磁体组件负责完成束流的偏转、聚焦及消色散，包括第一斜螺线管线圈偏转超导磁体31、至少一块第二聚焦常温磁体和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体34。所述第一和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体均含有二极、四极、六极场，四极场及以上的磁场分量可分段设置；其弯转半径0.75m-1.2m，优选0.95m，对应中心能量230MeV质子束的最大二极场为2.44T。为了实现更好的消色散效果，同时降低制造成本，第一斜螺线管线圈偏转超导磁体31和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体34的各极磁场分量可采用镜像对称设置。本实施例中，第一斜螺线管线圈偏转超导磁体31和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体34是至少具有二极、四极、六极场的组合超导磁体，四极场分量为三段交变梯度设置，利用局部的强聚焦特性实现消色散；由于束流色散在第一和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体中相互靠近的一段处达到了最大值，只需要在此处添加六极场分量就可以有效的消除高阶色散。
进一步地，第二磁体组件还包括常温斜四极磁体33。本实施例中，第二磁体组件包括三块第二聚焦常温磁体，即第二聚焦常温磁体30、32和35，且第二聚焦常温磁体30、第一斜螺线管线圈偏转超导磁体31、第二聚焦常温磁体32、常温斜四极磁体33、第二斜螺线管线圈偏转超导磁体34、第二聚焦常温磁体35沿质子束流向依次分布。其中，第二聚焦常温磁体30、32和35，以及常温斜四极磁体33均可进行电流快速调变，响应速度快于3毫秒；一般地，为获得较快的磁场调节速度，磁体应当使用硅钢片叠制而成，并尽量让磁体运行在低场情况下，减小因磁场调节引起的涡流效应。此外，为了得到紧凑的旋转机架布局设计，第二聚焦常温磁体35可在低磁场强度下使用线圈型四极磁体，优选使用离散型螺线管线圈磁体。
本发明的第一个创新在于第二磁体组件的局部消色散光学设计。常规质子治疗束线的动量分散通常在0.3％，因此在设计时只需使用成熟的束流匹配算法设置四极磁场分量的摆放位置和强度，实现对束流的聚焦和色散函数的抑制即可。对于大动量接受度的束流，除使用四极场实现束流强聚焦外，还需要合理的添加六极场及以上的高阶磁场分量，进一步消除高阶色散效应，保证等中心点束流在整个动量接受度范围内尺寸一致而不产生畸变。如此复杂的设计需求，需要一套有效的消色散方案。针对上述问题，本发明的第二磁体组件在设计上作了如下考虑：1.遵循“光路可逆”原理，在第二磁体组件内使用对称式磁场分布设计更有利于色散消除；2.在两块斜螺线管线圈偏转超导磁体中使用分段式四极磁场设置，增加了磁场设计的灵活性，并在有限的空间内实现了束流强聚焦，保证大动量分散束流的顺利通过；3.由于斜螺线管线圈偏转超导磁体为线圈型磁体，只需根据要求改变绕线路径即可将六极及以上高阶磁场分段叠加在其上，成本较低。但是，高阶磁场的叠加位置和强度需根据实际情况考虑，应当在消除高阶色差的同时强度尽量低、阶数尽量小。本实施例中的高阶磁场设计结果为使用多目标搜索算法匹配得到。因此，基于上述考虑，使用本机架设计方案容易实现±10％以上的大动量接受度。
本发明的第二个创新在于快响应磁体的使用。经过降能器组件调节中心能量后的束流带有较大的动量分散，在笔形束扫描时，经过扫描磁体后会引起明显的色散效应，产生束斑畸变，影响治疗品质。常规的解决方法是使用能量狭缝对降能器后的束流进行动量分散限制，这会造成大量的粒子损失，降低束流流强。本发明使用了快响应磁体对扫描磁体引起的色散效应进行了提前校正。通过仿真计算，提前给定了一套对应扫描格点的磁体励磁电流参数表。在治疗过程中，根据当前的扫描点位置，通过查表将快响应磁体励磁电流调整为设定值，使得在整个照射野中束斑能够保持均一稳定。由于快响应磁体的电流调变速度与扫描磁体相当，这并不会带来额外的时间开销。值得注意的是：由于扫描磁体会令束流在水平和竖直方向同时发生偏转，束流的色散平面会随着扫描格点的变化发生旋转。因此，在设计中放置一块常温斜四极磁体33是有必要的，优选放置在两块斜螺线管线圈偏转超导磁体之间。
图2是本发明实施例中第一磁体组件束线的束流包络示意图，图2中束流为230MeV单一能量的束流包络，其中曲线50代表水平方向包络，曲线60是竖直方向包络。图3是本发明实施例中第二磁体组件束线水平方向的束流包络示意图，曲线70是中心动量偏置dp/p＝+10％情况下的水平方向束流，曲线80是无中心动量偏置时的水平方向束流，曲线90是中心动量偏置dp/p＝-10％情况下的水平方向束流。图4是本发明实施例中第二磁体组件束线竖直方向的束流包络示意图。容易看到，在图3、图4中动量接受度±10％的束流均能全部通过磁体孔径，并在等中心点(束线出口)处形成尺寸相当的圆形束流。图5是本发明实施例中，中心动量偏置dp/p＝0％情况下，未进行畸变校正时的等中心点束斑扫描格点图。由于束流经过降能后存在最高4.8％的能量分散，束斑在距离中心较远的扫描格点处存在严重畸变。图6是本发明实施例中，中心动量偏置dp/p＝0％情况下，经过校正后的等中心点束斑扫描格点图，照射野内的束斑均恢复至尺寸均一的圆形状态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，包括：
沿质子束流向依次分布的第一磁体组件、降能器组件、第二磁体组件、具有笔形束扫描功能的治疗头组件；
所述第一磁体组件包括沿质子束流向依次分布的第一偏转常温磁体和至少一块第一聚焦常温磁体；
所述第二磁体组件包括第一斜螺线管线圈偏转超导磁体、第二斜螺线管线圈偏转超导磁体和至少一块第二聚焦常温磁体；
所述第一斜螺线管线圈偏转超导磁体、第二斜螺线管线圈偏转超导磁体是至少具有二极、四极、六极场的组合超导磁体，且其各极磁场分量为镜像对称设置；其中，四极场分量为多段交变梯度设置，六极场分量仅在第一斜螺线管线圈偏转超导磁体和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体相互靠近的一段设置。
2.根据权利要求1所述的用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，所述第二磁体组件还包括常温斜四极磁体；
所述常温斜四极磁体位于所述第一斜螺线管线圈偏转超导磁体和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体之间；且所述常温斜四极磁体和至少一块第二聚焦常温磁体均可进行电流快速调变，响应速度快于3毫秒。
3.根据权利要求2所述的用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，所述大动量接受度超导旋转机架还包括磁体控制单元；
所述磁体控制单元用于获取预先制定的每个扫描点对应的所述常温斜四极磁体和至少一块第二聚焦常温磁体的励磁电流参数表，并在治疗过程中根据当前的扫描点位置，通过查表将所述常温斜四极磁体和至少一块第二聚焦常温磁体的励磁电流调整为设定值，使得在整个照射野中束斑能够保持均一稳定。
4.根据权利要求1所述的用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，所述第一偏转常温磁体为常温二极磁体，弯转半径为1.2m-2.0m，弯转角度α＝30°～60°。
5.根据权利要求4所述的用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，所述第一斜螺线管线圈偏转超导磁体和第二斜螺线管线圈偏转超导磁体的弯转半径为0.75m-1.2m，弯转角度β＝(α+90°)/2。
6.根据权利要求1所述的用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，所述降能器组件包括一对楔形降能块、以及位于所述一对楔形降能块下游的至少两个准直器。
7.根据权利要求1所述的用于质子治癌装置的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，所述治疗头组件位于第二磁体组件下游，源轴距大于或等于1.5米。
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