CN116999721A - 一种用于电子束的施治器 - Google Patents

Abstract

本发明属于放射治疗装置领域，公开了一种用于电子束的施治器、施治器结构及电子束能量的确定方法，该施治器结构包括散射头、散射部件、限束部件以及密封部件。散射头设有向上开口的内部空腔，空腔的开口与散射部件相切，散射部件设置在束流通道的下端面与空腔之间，以散射电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织。限束部件设有束流通道。密封部件位于限束部件的上部并封装束流通道的入口。本发明的施治器能形成与放射治疗靶区更加适形的类球状剂量分布，在手术过程中完成单次大剂量放射治疗，能有效提高肿瘤局部控制率，有效减少X射线造成的副作用，保护周围正常组织，缩短治疗时间，安全有效、可靠性好。

Description

一种用于电子束的施治器

技术领域

本发明涉及放射治疗技术领域，具体地，涉及一种用于电子束的施治器、施治器结构及电子束能量的确定方法。

背景技术

通常医用电子加速器应用于放疗，可以采用X射线或电子束。其中X射线穿透能力强，适用于深部肿瘤的放射治疗。电子束穿透能力弱，适用于体表肿瘤的放射治疗。在术中放射治疗中，由于需要进行放射治疗区域在瘤床浅表范围，因此通常采用电子束开展术中放疗，一方面可提高瘤床区域的照射剂量，同时相较于使用X射线的外照射可降低周围正常组织的照射剂量，保护周围正常组织。因此使用电子束进行术中放疗可提高肿瘤治疗的局部控制率，同时减少放疗的毒副反应的产生。

现有的术中放射治疗技术有采用低能X射线的方式和采用高能电子束的方式。其中采用低能X射线可形成球状或类球状剂量分布，适用于类球状靶区的放射治疗如乳腺癌保乳放疗、脑部肿瘤等，但由于所采用的X射线能量较低，穿透能力弱，具有剂量率低、照射时间长、治疗深度浅等缺陷。目前采用高能电子束进行术中放疗的现有技术，均为限光筒模式，可形成圆形、矩形等平面照射野，无法产生与类球状瘤床适形的剂量分布。为了使瘤床适应限光筒的二维平面照射野，通常需要扩大创口。这种方法适形度较差，且扩大创口对病患有一定的损伤。对于电子束，目前还缺少应用于类球状肿瘤和人体天然腔内肿瘤术中放射治疗的成熟可行的方案。

发明内容

针对现有技术的上述至少一种缺陷或不足，本发明提供了一种用于电子束的施治器、施治器结构及电子束能量的确定方法。本发明的施治器能形成与放射治疗靶区更加适形的类球状剂量分布，在手术过程中完成单次大剂量放射治疗，能有效提高肿瘤局部控制率，有效减少X射线造成的副作用，保护周围正常组织，缩短治疗时间，具有很好的安全性、有效性和可靠性。本发明的电子束能量确定方法和施治器结构的确定方法均新颖合理，实用性强。

为实现上述目的，本发明的第一部分提供了一种用于电子束的施治器，该施治器包括：

散射头，用于调整电子束的分布以使得电子束在散射头外表面及周围区域形成均匀的与散射头形状相似的等剂量分布，散射头内部设有向上开口的空腔，空腔的开口与散射部件相切；

散射部件，设置在束流通道的出口与空腔之间，以散射电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织；

限束部件，用于引导和约束电子束并设有束流通道；

密封部件，位于限束部件的上部并封装束流通道的入口，电子束能够穿过密封部件进入束流通道。

在一些实施例中，散射头可为球形、半球形、椭球形或其他类球形状。散射头的材质为金属或高分子材料。

更进一步地，散射头径向尺寸范围为1cm～8cm。

可选地，空腔为弧形凹槽或与散射头形状相匹配的类弧形凹槽。

可选地，散射部件的材质为金属或高分子材料。

进一步地，施治器可包括不同材质的散射部件，不同材质的散射部件具有不同的且固定的厚度。

更进一步地，散射部件的厚度可为0.1mm-5mm。

在一些实施例中，散射头与限束部件可为一体成型。

可选地，密封部件为高分子材料。

本发明的第二部分提供了一种确定上述的施治器的电子束能量的方法，该方法包括：

S11、提供施治器；

S12、选取不同能量的入射电子束进行照射，对应获得所述电子束经所述散射部件散射后在散射头外表面及周围区域的电子束分布和电子束强度；

S13、确定符合预设电子束分布和预设电子束强度的电子束能量。

进一步地，预设电子束分布和预设电子束强度为散射头外表面均有较高束流强度的电子分布，电子束经散射后扩展可覆盖预期照射的范围。

本发明的第三部分还提供了一种确定用于电子束的施治器的结构的方法，施治器包括散射头、散射部件以及限束部件，限束部件设有束流通道，散射部件设置在束流通道的下端面与空腔之间，以散射电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织。该方法包括：

S21、提供施治器；

S22、分别从散射头的上端平面朝向散射头的中心挖设不同尺寸的空腔，并选取预设能量的电子束进行照射，确定空腔的尺寸与散射头外表面的剂量分布的变化关系；

S23、调节空腔的尺寸参数，以使得散射头在预设能量的电子束照射时，散射头外表面所形成的剂量分布符合预设外表面剂量分布，形成与散射头外表面形状相似的等剂量分布。

S24、依据空腔开口尺寸确定散射部件的直径及束流通道的直径。

可选地，在散射头外表面及周围区域所形成的等剂量分布与散射头外表面形状相似，可与放疗靶区更好的适形。

在一些实施例中，预设外表面剂量分布与散射头外表面相交的等剂量线与散射头外表面的轮廓线重合。

相比于现有技术，本发明的施治器通过设置用于散射电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织的散射部件，能够使电子束经施治器后形成与施治器散射头外表面形状类似的均匀剂量照射，对类球状肿瘤以及人体天然腔内肿瘤进行放射治疗，可在病灶区域产生与病灶适形的高剂量分布。且该施治器利用电子束的剂量分布特性，能有效保护靶区周围的正常组织；同时由于电子束具有较高的剂量率，能有效减少治疗时间，降低术中感染风险和麻醉难度。

此外，本发明的施治器通过采用密封部件，密封部件封装束流通道的入口，电子束能够穿过密封片进入束流通道，如此，既不影响电子束的正常穿过，还能够封闭束流通道，避免外界环境影响电子束的传输及散射过程，从而形成稳定的剂量分布。本发明的施治器的电子束能量确定方法和施治器结构的确定方法均新颖合理，实用性强。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了根据本发明的具体实施方式的一种施治器的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施方式的一种确定施治器的电子束能量的方法的流程图；和

图3示出了根据本发明的具体实施方式的一种确定用于电子束的施治器结构的方法的流程图。

附图标记说明：

1 散射头 11 空腔

12 散射头外表面 2 散射部件

3 限束部件 31 束流通道

4 密封部件

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。

现有的术中放射治疗技术有采用低能X射线的方式和采用高能电子束的方式。其中采用低能X射线可形成球状或类球状剂量分布，适用于类球状靶区的放射治疗如乳腺癌保乳放疗、脑部肿瘤等，但由于所采用的X射线能量较低，穿透能力弱，具有剂量率低、照射时间长、治疗深度浅等缺陷。目前采用高能电子束进行术中放疗的现有技术，均为限光筒模式，可形成圆形、矩形等平面照射野，无法产生与类球状瘤床适形的剂量分布。为了使瘤床适应限光筒的二维平面照射野，通常需要扩大创口。这种方法适形度较差，且扩大创口对病患有一定的损伤。目前还缺少使用电子束应用于类球状肿瘤和人体天然腔内肿瘤术中放射治疗的成熟可行的方案。

有鉴于此，本发明的第一部分提供了一种用于电子束的施治器，该施治器包括散射头1、散射部件2、限束部件3以及密封部件4。散射头1用于调整电子束的分布以使得电子束在散射头外表面12及周围区域形成均匀的与散射头形状相似的等剂量分布，散射头1内部设有向上开口的空腔11，空腔11的开口与散射部件2相切，散射部件2设置在束流通道31的下端面与空腔11之间，电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织，限束部件3用于引导和约束电子束并设有束流通道31。

为避免外界影响电子束的传输及散射过程。密封片4设置在限束部件3的上部并封装束流通道31的入口，电子束能够穿过密封片4进入束流通道31。既不影响电子束的正常穿过，还能够封闭束流通道，避免外界环境影响电子束的传输及散射过程，从而形成稳定的剂量分布。

该施治器能够使电子束在非平面上形成均匀的剂量照射，进而达到对类球状肿瘤以及人体天然腔内肿瘤进行放射治疗的目的。并且，该施治器有效利用了电子束的剂量分布特性，电子束具有表面剂量较高，到达最大剂量点深度后进入剂量坪区，射程末端剂量急剧跌落的剂量分布特点，故电子束更适于类球状瘤床以及人体天然腔内肿瘤进行放射治疗，能有效保护靶区周围的正常组织；同时，由于电子束具有较高的剂量率，本申请的施治器能有效减少治疗时间，降低术中感染风险和麻醉难度。

具体地，如图1所示，散射头1位于限束部件3的下方，呈球缺形并内设向上开口的空腔11，空腔11的开口与散射部件2相切。散射头1的外周壁形状除了为球缺形外，还可以为半球形、椭球状、异形等。散射头1的材料可为高分子材料。散射头2径向尺寸范围为1cm～8cm。空腔11可为弧形凹槽或与散射头形状相匹配的类弧形凹槽。空腔11的尺寸参数根据散射头形状及尺寸进行调整，使得电子束经施治器散射后，在散射头外表面及周围区域形成与施治器外表面形状类似的等剂量分布。

此外，如图1所示，当散射头为球缺形时，空腔11的尺寸参数为高度H和开口直径R。可选的，当散射头为椭球状、异形等其他形状时，空腔11的尺寸参数可根据散射头形状设定并调整。

此外，如图1所示，散射部件2位于限束部件3的下部，并设置在束流通道31的下端面与空腔11之间，电子束能够与散射部件2发生弹性碰撞或非弹性碰撞，从而使得电子束呈角度散开。

决定电子束散射角度的主要因素有电子束的能量、散射部件2的材料。在相同散射材料的前提下，电子束能量越高，散射角度越小，经散射后的束流强度越高；电子束能量越低，散射角度越大，经散射后的束流强度越低。电子与物质相互作用主要包含弹性散射、非弹性散射。非弹性散射包含电离、激发及轫致辐射，由于轫致辐射会产生X射线。X射线的穿透能力强，会对术中放射治疗靶区之外的正常组织造成辐射损伤，增加放射治疗毒副反应。因此在术中放疗选择散射部件时需考虑减少X射线的产生。散射部件2的材质为金属或高分子材料，如钛、铜、铝、钨等金属。

可选地，散射部件2可依据电子束在临床需要的目标能量对应的材料的穿透厚度，确定一个固定的厚度。散射部件2的厚度可为0.1mm-5mm。

在一些具体实施例中，施治器可包括不同材质的散射部件2，不同材质的散射部件2具有不同的且固定的厚度。

具体地，施治器包括从下至上依次布置的散射头1、散射部件2、限束部件3以及密封部件4。如图1所示，限束部件3呈筒状包括从上至下依次连接的第一筒段、第二筒段以及第三筒段，第一筒段、第二筒段以及第三筒段的外径依次减少。外周半径大的第一筒段和第二筒段的结构强度好，外周半径小的第三筒段便于将施治部1伸入待治疗部位。此外，第二筒段的外周壁和第三筒段的外周壁之间平滑过渡。

需要说明的是，限束部件3除了可以是圆柱筒状外，还可以是矩形筒状等其他形状筒状等，可依据不同的限束要求，进行对应设计。限束部件3的材料可为高分子材料、金属、合金或者上述材料及其他材料的组合或复合形式的材料。限束部件3可提供一定的屏蔽作用，用以屏蔽电子泄漏，以及电子与物质相互作用产生的杂散辐射。

可选地，散射头1与限束部件3可为一体成型，如此，更加便于加工，结构强度也更好。

另外，密封部件4设置在束流通道31中并封装束流通道31的上部开口，电子束能够穿过密封部件4进入束流通道31。如图1所示，密封部件4、限束部件3以及散射头1共同限定出密封的腔室，与外界隔绝，避免外界环境影响电子束的传输及散射过程，从而形成稳定的剂量分布。密封部件4采用对电子束散射较小的材料，例如可为高分子材料。密封部件4密封束流通道31后，可向该腔体充入气体，例如充入空气、惰性气体等。

为此，本发明的第二部分还提供了一种用于确定上述的施治器的电子束能量的方法，该方法包括：

S11、提供上述的施治器；

S12、选取不同能量的入射电子束进行照射，对应获得所述电子束经所述散射部件2散射后在散射头外表面12及周围区域的电子束分布和电子束强度；

S13、确定符合预设电子束分布和预设电子束强度的电子束能量。

预设电子束分布和预设电子束强度为散射头外表面均有较高束流强度的电子分布，说明电子束经散射后扩展可覆盖预期照射的范围。

其中，在S12中，通过以一定的间隔进行测试或者模拟，可得到不同能量的电子在透射后的分布和强度信息，从而得到电子束能量变化与电子分布和强度之间的变化关系，进而能够选择临床所需的目标能量。

电子束分布为电子束透过散射部件2后的分布，预设电子束分布为能够有效覆盖球头范围的电子束分布，覆盖率可根据实际临床需求进行设定。电子束强度需要保证电子束的剂量率不发生大的跌落，能够达到临床所需的要求，预设电子束强度可根据实际临床需求进行设定。

其中，确定电子束能量的过程，可以采用多种方法进行。例如可直接采集不同能量的电子束对所述施治器进行照射，并测量分析电子束经散射后的分布情况。也可采用物理模拟方法。如采用蒙特卡洛方法，对不同电子束能量的电子束分布和强度做计算，根据电子分布和强度的变化，选择合适的电子束能量，使得电子束散开区域覆盖散射头，同时保证辐射强度。

可选地，由于散射头1具有一定的辐射阻碍作用，因此，为了能够得到电子透射过散射部件2的电子分布，可选用无散射头的施治器，可排除球头对分布的影响。为此，步骤S11中的施治器可为无散射头的施治器，该无散射头的施治器除了散射头外，其他部件与上述有球头的施治器一样。

通过上述的用于确定上述的施治器的电子束能量的方法，得到的本发明的施治器更合理可靠，治疗效果更好。并且，该方法新颖合理，实用性强，步骤简单，操作便捷。

本发明的第三部分还提供了一种确定用于电子束的施治器结构的方法，该施治器包括散射头1、散射部件2以及限束部件3，限束部件3设有束流通道31，散射部件2设置在束流通道31的下端面与空腔11之间，以散射电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织，该方法包括：

S21、提供上述施治器；

S22、分别从散射头1的上端平面朝向散射头1的中心挖设不同尺寸的空腔11，并选取预设能量的电子束进行照射，确定空腔11的尺寸与散射头1的散射头外表面12的剂量分布的变化关系；

S23、调节空腔11的尺寸参数，以使得散射头1在预设能量的电子束照射时，散射头外表面12所形成的剂量分布符合预设外表面剂量分布，形成与散射头外表面形状相似的等剂量分布；

S24、依据空腔开口尺寸确定散射部件及束流通道的直径。

可通过迭代计算出空腔11对球头外表面剂量分布的影响。

此外，步骤S22在施治器的散射头上端平面上挖设不同尺寸形状的空腔11，不同尺寸的空腔11可通过改变空腔11的尺寸参数得到。具体地，步骤S22可通过实物测试或模拟，得到空腔11的尺寸与散射头1的散射头外表面12的剂量分布的变化关系，并通过进一步的综合分析，得到空腔31的尺寸参数对散射头外表面剂量分布的影响。

另外，步骤S23根据步骤S22得出的变化关系，可得到空腔11的初步合适尺寸，空腔11的初步合适尺寸为在预设电子束能量条件下，符合初步预设球头外表面剂量分布的空腔11的尺寸，初步预设球头外表面剂量分布接近球头外表面的轮廓。为了能够得到更优的球头外表面剂量分布，在制作实物进行验证时，可继续在初步合适尺寸的基础上调整空腔11的尺寸参数，使得散射头1在预设能量的电子束照射时，球头外表面12所形成的剂量分布更均匀、更符合预设外表面剂量分布。

优选地，步骤S23中的预设外表面剂量分布与散射头外表面12相交的等剂量线可与球头外表面12的轮廓重合。

在一些实施例中，确定空腔11的尺寸的过程，可以采用直接物理测量方法和模拟分析相结合的方式，可以采用蒙特卡洛方法建立物理模型，并迭代计算出空腔参数与散射头外表面剂量分布的变化关系，选取合适的空腔尺寸。并通过实物测量，微调能量和空腔尺寸的方式，修正误差，使得施治器散射头外表面及周围区域形成均匀的与散射头形状相似的等剂量分布。

综上所述，本发明提供了一种用于电子束的施治器、施治器结构及电子束能量的确定方法，该施治器能形成与放射治疗靶区更加适形的类球状剂量分布，在手术过程中完成单次大剂量放射治疗，能有效提高肿瘤局部控制率，有效减少X射线造成的副作用，保护周围正常组织，缩短治疗时间，具有很好的安全性、有效性和可靠性。该施治器的电子束能量确定方法和施治器的球头空腔确定方法均新颖合理，实用性强。以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (14)

1.一种用于电子束的施治器，其特征在于，所述施治器包括：

散射头(1)，用于调整电子束的分布以使得电子束在散射头外表面(12)及周围区域形成均匀的与散射头形状相似的等剂量分布，所述散射头(1)内部设有向上开口的空腔(11)，所述空腔(11)的开口与散射部件(2)相切；

散射部件(2)，设置在所述束流通道(31)的下端面与所述空腔(11)之间，以散射电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织；

限束部件(3)，用于引导和约束电子束并设有束流通道(31)；

密封部件(4)，位于所述限束部件(3)的上部并封装所述束流通道(31)的入口，所述电子束能够穿过所述密封部件(4)进入所述束流通道(31)。

2.根据权利要求1所述的施治器，其特征在于，所述散射头(1)可为球形、半球形、椭球形或其他类球形状，所述散射头(1)的材质为金属或高分子材料。

3.根据权利要求2所述的施治器，其特征在于，散射头(2)径向尺寸范围为1cm～8cm。

4.根据权利要求1所述的施治器，其特征在于，所述空腔(11)为弧形凹槽或与散射头形状相匹配的类弧形凹槽。

5.根据权利要求1所述的施治器，其特征在于，所述散射部件(2)的材质为金属或高分子材料。

6.根据权利要求5所述的施治器，其特征在于，所述施治器包括不同材质的所述散射部件(2)，不同材质的所述散射部件(2)具有不同的且固定的厚度。

7.根据权利要求6所述的施治器，其特征在于，所述散射部件(2)的厚度为0.1mm-5mm。

8.根据权利要求1所述的施治器，其特征在于，所述散射头(1)与所述限束部件(3)为一体成型。

9.根据权利要求1所述的施治器，其特征在于，所述密封部件(4)为高分子材料。

10.一种确定根据权利要求1至9中任一项所述的施治器的电子束能量的方法，其特征在于，所述方法包括：

S11、提供所述施治器；

S12、选取不同能量的入射电子束进行照射，对应获得所述电子束经所述散射部件(2)散射后在散射头外表面(12)及周围区域的电子束分布和电子束强度；

S13、确定符合预设电子束分布和预设电子束强度的入射电子束能量。

11.根据权利要求10所述的确定施治器的电子束能量的方法，其特征在于，所述预设电子束分布为散射头外表面均有较高束流强度的电子分布，电子束经散射后扩展可覆盖预期照射的范围。

12.一种确定用于电子束的施治器结构的方法，其特征在于，所述施治器包括散射头(1)、散射部件(2)以及限束部件(3)，所述限束部件(3)设有束流通道(31)，所述散射部件(2)设置在所述束流通道(31)的下端面与所述空腔(11)之间，以散开电子扩展束流，同时需减少由于轫致辐射附带产生的X射线，保护周围正常组织，所述方法包括：

S21、提供所述施治器；

S22、分别从所述散射头(1)的上端平面朝向所述散射头(1)的中心挖设不同尺寸的空腔(11)，并选取预设能量的电子束进行照射，确定所述空腔(11)的尺寸与所述散射头(1)外表面(12)的剂量分布的变化关系；

S23、调节所述空腔(11)的尺寸参数，以使得所述散射头(1)在预设能量的电子束照射时，所述散射头外表面(12)所形成的等剂量分布符合预设外表面剂量分布；

S24、依据空腔开口尺寸确定散射部件(2)的直径及束流通道(31)的直径。

13.根据权利要求12所述的确定用于电子束的施治器结构的方法，其特征在于，在散射头外表面(12)及周围区域所形成的等剂量分布与散射头外表面形状相似，可与放疗靶区更好的适形。

14.根据权利要求13所述的确定用于电子束的施治器结构的方法，其特征在于，所述预设外表面剂量分布与所述散射头外表面(12)相交的等剂量线与所述散射头外表面(12)的轮廓线重合。