CN117731966A - 一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，属于医疗设备技术领域。包括：基于射束产生装置，射束产生装置产生束流包括：水平线圈以及垂直线圈，包括：水平线圈以及垂直线圈，通过水平线圈以及垂直线圈控制电子束流的运动轨迹；其中，水平线圈包括尺寸结构相同的第一马鞍形线圈以及第二马鞍形线圈，第一马鞍形线圈与第二马鞍形线圈镜像对称设置；垂直线圈包括尺寸结构相同的第三马鞍形线圈以及第四马鞍形线圈，第三马鞍形线圈与第四马鞍形线圈镜像对称设置，形成一个空腔；第一马鞍形线圈与第二马鞍形线圈嵌套在第三马鞍形线圈与第四马鞍形线圈内。本发明能够同时实现对束流的水平和垂直扫描。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，更具体的说是涉及一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁。
背景技术
微型电子束闪放采用MeV能区的低能电子束来进行皮肤癌等浅表癌症及增生疤痕等良性皮肤病变的治疗。当治疗剂量率达到40Gy/s时，可以具备“保证肿瘤杀灭效果的同时，减小正常组织损伤”的“闪放效应”。
在微型电子束闪光放射治疗设备末端，为了使电子束斑按照患处形状进行照射治疗，采用多点扫描的方式让照射覆盖整个病灶区域。如图7所示，电子束在到达患处时的束斑大小在4～8mm，根据病灶的治疗边界，扫描磁铁控制束流在病灶区域内的照射点位和时间，使得整个治疗区域内的剂量水平可达处方剂量且尽量均匀，同时减少对病灶区域外的不必要照射。
但是，现有技术采用水平和垂直两套扫描磁铁来控制电子束的运动轨迹，这种分体设计的主要缺点是空间占用大，不利于微型电子束闪光放射治疗设备的小型化。
因此，如何提供一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，从而实现水平、垂直双向扫描是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，可以同时实现对束流的水平和垂直扫描，解决上述现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，基于射束产生装置，所述射束产生装置产生电子束流，包括：
水平线圈以及垂直线圈，通过所述水平线圈以及垂直线圈控制电子束流的运动轨迹；
其中，所述水平线圈包括尺寸结构相同的第一马鞍形线圈以及第二马鞍形线圈，所述第一马鞍形线圈与所述第二马鞍形线圈镜像对称设置；
所述垂直线圈包括尺寸结构相同的第三马鞍形线圈以及第四马鞍形线圈，所述第三马鞍形线圈与所述第四马鞍形线圈镜像对称设置，形成一个空腔；
所述第一马鞍形线圈与所述第二马鞍形线圈嵌套在所述第三马鞍形线圈与所述第四马鞍形线圈形成的空腔内。
优选的，所述第一马鞍形线圈由第一鞍桥、第二鞍桥、第一鞍骨翼以及第二鞍骨翼组成，其中，所述第一鞍桥的首末两端分别与所述第一鞍骨翼的一端、第二鞍骨翼的一端连接，所述第二鞍桥的首末两端分别与所述第一鞍骨翼的另一端、第二鞍骨翼的另一端连接，所述第一鞍桥与第二鞍桥镜像对称设置，所述第一鞍骨翼与所述第二鞍骨翼镜像对称设置。
优选的，所述第二马鞍形线圈由第三鞍桥、第四鞍桥、第三鞍骨翼以及第四鞍骨翼组成，其中，所述第三鞍桥的首末两端分别与所述第三鞍骨翼的一端、第四鞍骨翼的一端连接，所述第四鞍桥的首末两端分别与所述第三鞍骨翼的另一端、第四鞍骨翼的另一端连接，所述第三鞍桥与第四鞍桥镜像对称设置，所述第三鞍骨翼与所述第四鞍骨翼镜像对称设置；
所述第三鞍骨翼与所述第一鞍骨翼相邻，所述第四鞍骨翼与所述第二鞍骨翼相邻；
所述第二马鞍形线圈与所述第一马鞍形线圈通同向电流后产生均匀的扫描磁场，电子束流在第二马鞍形线圈和所述第一马鞍形线圈加电压5ms后进入扫描磁场，实现对束流的水平扫描。
优选的，所述第三马鞍形线圈由第五鞍桥、第六鞍桥、第五鞍骨翼以及第六鞍骨翼组成，其中，所述第五鞍桥的首末两端分别与所述第五鞍骨翼的一端、第六鞍骨翼的一端连接，所述第六鞍桥的首末两端分别与所述第五鞍骨翼的另一端、第六鞍骨翼的另一端连接，所述第五鞍桥与第六鞍桥镜像对称设置，所述第五鞍骨翼与所述第六鞍骨翼镜像对称设置。
优选的，所述第四马鞍形线圈由第七鞍桥、第八鞍桥、第七鞍骨翼以及第八鞍骨翼组成，其中，所述第七鞍桥的首末两端分别与所述第七鞍骨翼的一端、第八鞍骨翼的一端连接，所述第八鞍桥的首末两端分别与所述第七鞍骨翼的另一端、第八鞍骨翼的另一端连接，所述第七鞍桥与第八鞍桥镜像对称设置，所述第七鞍骨翼与所述第八鞍骨翼镜像对称设置；
所述第七鞍桥与第五鞍桥相邻，第八鞍桥与第六鞍桥相邻；
所述第三马鞍形线圈与所述第四马鞍形线圈通同向电流后产生均匀的扫描磁场，电子束流在第三马鞍形线圈和所述第四马鞍形线圈加电压5ms后进入扫描磁场，实现对束流的垂直扫描。
优选的，所述嵌套马鞍形扫描磁铁的工作频率与射束产生装置的频率相同。
优选的，所述嵌套马鞍形扫描磁铁的磁场强度为73～84Gs。
优选的，所述嵌套马鞍形扫描磁铁的总长度≤300mm。
优选的，所述通过所述水平线圈以及垂直线圈控制电子束流中电子束的运动轨迹，包括：电子束流中的电子束在所述嵌套马鞍形扫描磁铁中偏转，偏转半径为：
其中，m为电子质量，v为电子速度，B为磁场强度，q为电子电荷；
扫描磁场使束流中的电子束偏移原运动方向的距离为：
d＝R(1-cosθ)
其中，θ为偏转角度，
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，可以同时实现水平、垂直双向扫描，同时，本发明扫描磁铁的体积小且成本低，可实现病变部位±5cm范围内的扫描，具体有益效果为：
1.通过本发明水平、垂直扫描磁铁设计成相互嵌套的交流马鞍型线圈结构，可以同时实现对束流的水平和垂直扫描，节约空间，克服现有扫描磁铁采用水平和垂直两套扫描磁铁来控制电子束的运动轨迹中的空间占用大，不利于微型电子束闪光放射治疗设备的小型化的缺点。
2.本发明成本低，具有通用性，可以应用在需要水平、垂直双向扫描的多种场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的嵌套马鞍形扫描磁铁3D模型示意图；
图2为本发明的第一马鞍形线圈11与第二马鞍形线圈12的结构示意图；
图3为本发明的第三马鞍形线圈21与第四马鞍形线圈22的结构示意图；
图4为本发明的嵌套马鞍形扫描磁铁产生的扫描磁场沿束流方向的分布图；
图5为本发明的嵌套马鞍形扫描磁铁对电子束的扫描范围示意图；
图6为相邻束团间的时间间隔示意图；
图7为现有技术的放射治疗原理示意图；
图8为本发明的水平线圈尺寸标注示意图；
图9为本发明的垂直线圈尺寸标注示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，基于射束产生装置，射束产生装置产生束流，包括：水平线圈以及垂直线圈，通过水平线圈以及垂直线圈控制电子束流的运动轨迹；其中，水平线圈包括尺寸结构相同的第一马鞍形线圈以及第二马鞍形线圈，第一马鞍形线圈与第二马鞍形线圈镜像对称设置；垂直线圈包括尺寸结构相同的第三马鞍形线圈以及第四马鞍形线圈，第三马鞍形线圈与第四马鞍形线圈镜像对称设置，形成一个空腔；第一马鞍形线圈与第二马鞍形线圈嵌套在第三马鞍形线圈与第四马鞍形线圈内。为现有扫描磁铁采用水平和垂直两套扫描磁铁来控制电子束的运动轨迹中的空间占用大，不利于微型电子束闪光放射治疗设备的小型化的问题提供解决方案。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明实施例公开了一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，基于射束产生装置，射束产生装置产生束流，包括：
水平线圈1以及垂直线圈2，通过所述水平线圈1以及垂直线圈2控制电子束流的运动轨迹；
其中，水平线圈1包括尺寸结构相同的第一马鞍形线圈11以及第二马鞍形线圈12，第一马鞍形线圈11与第二马鞍形线圈12镜像对称设置；
垂直线圈2包括尺寸结构相同的第三马鞍形线圈21以及第四马鞍形线圈22，第三马鞍形线圈21与第四马鞍形线圈22镜像对称设置，形成一个空腔；
第一马鞍形线圈11与第二马鞍形线圈12嵌套在第三马鞍形线圈21与第四马鞍形线圈22内。
具体的，射束产生装置为MeV量级的电子加速器，如微波电子枪等。
束团是由一群电子形成的密集的团簇，它们被电子加速器加速到一定的能量。
电子束由一个个束团组成，如果说电子束重复频率为50Hz，代表每20ms出现一个束团。
具体的，水平线圈1以及垂直线圈2均由沙包扁铜线绕制而成，绕好后外形使用玻璃丝带绝缘，最后整体真空浇注环氧树脂。
第一马鞍形线圈11、第二马鞍形线圈12、第三马鞍形线圈21以及第四马鞍形线圈22均由沙包扁铜线绕制而成，绕好后外形使用玻璃丝带绝缘，最后整体真空浇注环氧树脂。同时，均有线圈接线端口10，用于电流的进和出，和电源形成一个回路。
参见图2，在一个具体实施例中，第一马鞍形线圈11由第一鞍桥111、第二鞍桥112、第一鞍骨翼113以及第二鞍骨翼114组成，其中，第一鞍桥111的首末两端分别与第一鞍骨翼113的一端、第二鞍骨翼114的一端连接，第二鞍桥112的首末两端分别与第一鞍骨翼113的另一端、第二鞍骨翼114的另一端连接，第一鞍桥111与第二鞍桥112镜像对称设置，第一鞍骨翼113与第二鞍骨翼114镜像对称设置。
在一个具体实施例中，第一马鞍形线圈11与第二马鞍形线圈12的尺寸结构相同，镜像对称设置。具体的，第二马鞍形线圈12由第三鞍桥115、第四鞍桥116、第三鞍骨翼117以及第四鞍骨翼118组成，其中，第三鞍桥115的首末两端分别与第三鞍骨翼117的一端、第四鞍骨翼118的一端连接，第四鞍桥116的首末两端分别与第三鞍骨翼117的另一端、第四鞍骨翼118的另一端连接，第三鞍桥115与第四鞍桥116镜像对称设置，第三鞍骨翼117与第四鞍骨翼118镜像对称设置；
第三鞍骨翼117与第一鞍骨翼113相邻，第四鞍骨翼118与第二鞍骨翼114相邻；具体的，在第三鞍骨翼117与第一鞍骨翼113之间通过绝缘材料邻接，第四鞍骨翼118与第二鞍骨翼114之间通过绝缘材料邻接。
第二马鞍形线圈12与第一马鞍形线圈11通同向电流后产生均匀的扫描磁场，束流在第二马鞍形线圈12和第一马鞍形线圈11加电压5ms后进入扫描磁场，实现对束流的水平扫描。
参见图3，在一个具体实施例中，第三马鞍形线圈21由第五鞍桥211、第六鞍桥212、第五鞍骨翼213以及第六鞍骨翼214组成，其中，第五鞍桥211的首末两端分别与第五鞍骨翼213的一端、第六鞍骨翼214的一端连接，第六鞍桥212的首末两端分别与第五鞍骨翼213的另一端、第六鞍骨翼214的另一端连接，第五鞍桥211与第六鞍桥212镜像对称设置，第五鞍骨翼213与第六鞍骨翼214镜像对称设置。
在一个具体实施例中，第四马鞍形线圈22与第三马鞍形线圈21尺寸结构相同，镜像对称设置。第四马鞍形线圈22由第七鞍桥215、第八鞍桥216、第七鞍骨翼217以及第八鞍骨翼218组成，其中，第七鞍桥215的首末两端分别与第七鞍骨翼217的一端、第八鞍骨翼218的一端连接，第八鞍桥216的首末两端分别与第七鞍骨翼217的另一端、第八鞍骨翼218的另一端连接，第七鞍桥215与第八鞍桥216镜像对称设置，第七鞍骨翼217与第八鞍骨翼218镜像对称设置；
第七鞍桥215与第五鞍桥211相邻，第八鞍桥216与第六鞍桥212相邻；具体的，第七鞍桥215与第五鞍桥211之间通过绝缘材料邻接，第八鞍桥216与第六鞍桥212相邻之间通过绝缘材料邻接。
第三马鞍形线圈21与第四马鞍形线圈22通同向电流后产生均匀的扫描磁场，束流在第三马鞍形线圈21和第四马鞍形线圈22加电压5ms后进入扫描磁场，实现对束流的垂直扫描。
具体的，本发明工作原理为：一对水平线圈1通同向电流可以产生y方向的均匀磁场By，电子穿过y方向的均匀磁场会产生x方向偏转；一对垂直线圈2通同向电流可以产生x方向的均匀磁场Bx，电子穿过x方向的均匀磁场会产生y方向偏转。根据要扫描的点位，Bx和By独立可调，从而实现水平、垂直双向扫描，磁场沿束流方向的分布如参见图4。
在一个具体实施例中，扫描磁铁的磁场强度在73～84Gs，扫描磁铁长度不超过300mm，可有效节约空间。
具体的，扫描磁铁中的水平线圈1以及垂直线圈2的尺寸分别如图8-9所示，L1＝31.7mm；L2＝241.9mm；L3＝38.5mm；L4＝176.9mm；L5＝118.45mm；S1＝38.5mm；S2＝198.4mm；S3＝48.5mm；S4＝151.5mm；S5＝137.85mm；扫描磁铁的参数表如表1所示。
表1参数表
在一个具体实施例中，嵌套形扫描磁铁的工作频率为50Hz，和电子加速器的频率匹配。
在一个具体实施例中，参见图5，本发明的嵌套马鞍形扫描磁铁对电子束的扫描范围±5cm，可实现病变部位±5cm范围内的扫描。
具体的，电子束在扫描磁场的磁场中偏转，偏转半径：
其中，m为电子质量，v为电子速度，B为磁场强度，q为电子电荷；
因此扫描磁场使得电子束偏移原运动方向的距离为：
d＝R(1-cosθ)；
其中θ为偏转角度，
在一个具体实施例中，扫描切换时间如下：
如图6，电子加速器的重复频率为50Hz，所以两个相邻束团间的时间间隔为20ms。如果要求每个束团打在病变组织的不同点位，则要在20ms内更改扫描线圈的电流，从而进行束斑位置切换。具体的，每个束团要打在病灶不同的位置，所以每个束团到达扫描磁铁之前，扫描磁铁的电流都要切换从而产生相应的磁场。
一对水平线圈以及一对垂直线圈的点扫描频率均为50Hz(最大值)。扫描线圈的电流由数字化电源提供，数字化电源产生数字化的方波电压，加载在扫描线圈上。经过瞬态分析，扫描线圈电流变化相对于数字化电源电压变化滞后5ms，所以要保证束团在扫描线圈加电压5ms后进入扫描磁铁，此时扫描线圈内已经建立稳定的扫描磁场，可保证扫描效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，基于射束产生装置实现，所述射束产生装置产生电子束流，其特征在于，包括：
水平线圈(1)以及垂直线圈(2)，通过所述水平线圈(1)以及垂直线圈(2)控制电子束流的运动轨迹；
其中，所述水平线圈(1)包括尺寸结构相同的第一马鞍形线圈(11)以及第二马鞍形线圈(12)，所述第一马鞍形线圈(11)与所述第二马鞍形线圈(12)镜像对称设置；
所述垂直线圈(2)包括尺寸结构相同的第三马鞍形线圈(21)以及第四马鞍形线圈(22)，所述第三马鞍形线圈(21)与所述第四马鞍形线圈(22)镜像对称设置，形成一个空腔；
所述第一马鞍形线圈(11)与所述第二马鞍形线圈(12)嵌套在所述第三马鞍形线圈(21)与所述第四马鞍形线圈(22)形成的空腔内。
2.根据权利要求1所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述第一马鞍形线圈(11)由第一鞍桥(111)、第二鞍桥(112)、第一鞍骨翼(113)以及第二鞍骨翼(114)组成，其中，所述第一鞍桥(111)的首末两端分别与所述第一鞍骨翼(113)的一端、第二鞍骨翼(114)的一端连接，所述第二鞍桥(112)的首末两端分别与所述第一鞍骨翼(113)的另一端、第二鞍骨翼(114)的另一端连接，所述第一鞍桥(111)与第二鞍桥(112)镜像对称设置，所述第一鞍骨翼(113)与所述第二鞍骨翼(114)镜像对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述第二马鞍形线圈(12)由第三鞍桥(115)、第四鞍桥(116)、第三鞍骨翼(117)以及第四鞍骨翼(118)组成，其中，所述第三鞍桥(115)的首末两端分别与所述第三鞍骨翼(117)的一端、第四鞍骨翼(118)的一端连接，所述第四鞍桥(116)的首末两端分别与所述第三鞍骨翼(117)的另一端、第四鞍骨翼(118)的另一端连接，所述第三鞍桥(115)与第四鞍桥(116)镜像对称设置，所述第三鞍骨翼(117)与所述第四鞍骨翼(118)镜像对称设置；
所述第三鞍骨翼(117)与所述第一鞍骨翼(113)相邻，所述第四鞍骨翼(118)与所述第二鞍骨翼(114)相邻；
所述第二马鞍形线圈(12)与所述第一马鞍形线圈(11)通同向电流后产生均匀的扫描磁场，电子束流在第二马鞍形线圈(12)和所述第一马鞍形线圈(11)加电压5ms后进入扫描磁场，实现对束流的水平扫描。
4.根据权利要求1所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述第三马鞍形线圈(21)由第五鞍桥(211)、第六鞍桥(212)、第五鞍骨翼(213)以及第六鞍骨翼(214)组成，其中，所述第五鞍桥(211)的首末两端分别与所述第五鞍骨翼(213)的一端、第六鞍骨翼(214)的一端连接，所述第六鞍桥(212)的首末两端分别与所述第五鞍骨翼(213)的另一端、第六鞍骨翼(214)的另一端连接，所述第五鞍桥(211)与第六鞍桥(212)镜像对称设置，所述第五鞍骨翼(213)与所述第六鞍骨翼(214)镜像对称设置。
5.根据权利要求4所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述第四马鞍形线圈(22)由第七鞍桥(215)、第八鞍桥(216)、第七鞍骨翼(217)以及第八鞍骨翼(218)组成，其中，所述第七鞍桥(215)的首末两端分别与所述第七鞍骨翼(217)的一端、第八鞍骨翼(218)的一端连接，所述第八鞍桥(216)的首末两端分别与所述第七鞍骨翼(217)的另一端、第八鞍骨翼(218)的另一端连接，所述第七鞍桥(215)与第八鞍桥(216)镜像对称设置，所述第七鞍骨翼(217)与所述第八鞍骨翼(218)镜像对称设置；
所述第七鞍桥(215)与第五鞍桥(211)相邻，第八鞍桥(216)与第六鞍桥(212)相邻；
所述第三马鞍形线圈(21)与所述第四马鞍形线圈(22)通同向电流后产生均匀的扫描磁场，电子束流在第三马鞍形线圈(21)和所述第四马鞍形线圈(22)加电压5ms后进入扫描磁场，实现对束流的垂直扫描。
6.根据权利要求1所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述嵌套马鞍形扫描磁铁的工作频率与射束产生装置的频率相同。
7.根据权利要求1所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述嵌套马鞍形扫描磁铁的磁场强度为73～84Gs。
8.根据权利要求1所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述嵌套马鞍形扫描磁铁的总长度≤300mm。
9.根据权利要求1所述的一种闪放治疗用嵌套马鞍形扫描磁铁，其特征在于，所述通过所述水平线圈(1)以及垂直线圈(2)控制电子束流中电子束的运动轨迹，包括：电子束流中的电子束在所述嵌套马鞍形扫描磁铁中偏转，偏转半径为：
其中，m为电子质量，v为电子速度，B为磁场强度，q为电子电荷；
扫描磁场使束流中的电子束偏移原运动方向的距离为：
d＝E(1-cosθ)
其中，θ为偏转角度，
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