CN206759798U - 一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，该结构由两个矩形二极铁、两个散焦四级铁、两个聚焦四极铁、以及一束测系统、一选择狭缝、一真空管组成，两个所述矩形二极铁呈45°对称设置；一所述矩形二极铁通过真空管依次连接有一散焦四级铁、一聚焦四极铁、束测系统与选择狭缝，然后再依次连接另一聚焦四极铁、另一散焦四级铁与另一所述矩形二极铁。本实用新型可根据治疗要求安全、高效的传输能散度小于2％，能量为70‑235MeV的质子束流，实现了由两个45°对称的矩形二极铁和四个四极铁组成的束流能量和能散度控制结构，具有安全、高效、高精度的特点，对未来质子治疗技术的发展和广泛应用起到促进作用。

Description

一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构

技术领域

本实用新型属于医疗器械质子治疗系统束流传输领域，具体涉及一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构。

背景技术

自1946年Wilson提出应用质子治疗癌症以来，便开始了广泛地质子治疗研究工作，其基本原理与X射线相同，都是靠粒子和射线的电离作用将能量传递给癌细胞，然后将癌细胞杀死。目前传统放疗对正常组织的损伤较大，副作用多。然而质子治疗效果好，副作用不大，其最大优势在于其卓越的剂量分布。质子治疗更方便临床医师准确地控制射入肿瘤的剂量，减少对周围正常组织的伤害，从而降低副作用发生几率。

当前质子治疗已成为令人瞩目的肿瘤治疗高新技术，要实现质子治疗，需要相应的设备，主要由以下几个部分组成：加速器、束流传输线、旋转机架、治疗头、治疗床和治疗计划系统等。束流传输线可分为引出段、能量选择段、束流传输段、消色差段、匹配段等，并由一系列的四极铁、二极铁、校正铁、束流检测器、选择狭缝及阻断器组成，其中四极铁用控制束流的横向振荡，二极铁用于偏转束流，校正铁用于改变束流方向，束流检测器用于检测束流的位置和强度，选择狭缝用于控制束流的能量散度，阻断器用于快速停止束流。

进行质子治疗时，需根据肿瘤本身的深度和厚度，选用不同能量的质子，对于大多数亚洲肿瘤患者而言，绝大多数的肿瘤深度小于30cm，最浅的部位是眼黑色素瘤。这样所需要治疗用的质子能量是70-235MeV。目前治疗用的加速器主要分为两种类型：同步加速器可以引出不同能量的质子，不再要另外的能量选择系统；回旋加速器只能输出能量固定的粒子，必须另用一个独立的质子能量选择系统。能量选择系统的功能很简单，只是将固定能量的质子变成70-235MeV的不同能量的质子。能量选择段主要由一个可移动楔形石墨，准直器和束流能量和能散度控制结构组成，其中石墨用于将回旋加速器产生的固定束流能量改变成治疗需要的能量。束流经过石墨块降能后能量，能散度，束流强度，发射度等都会发生改变，因此在降能器后还需准直器，束流能量和能散度控制结构控制束流的发射度、能量和能散度。

束流能量和能散度控制结构设计是否安全高效将会直接影响治疗的效果和装置的利用率。因此需要研究各种束流传输元件以及由它们组成的束流传输系统对束流的作用；研究束流的粒子轨迹、束流包络、束流发射度形状、束流中心轨道偏转、轨道能量色散这些因素与传输系统中各传输元件的位置、间距、长度、场强、磁场梯度等参数的关系；根据这些关系和实际要求来合理地选择束流传输元件、确定传输元件的各个参数，设计一种紧凑，安全，高效，高精度的束流能量和能散度控制结构，将大大降低质子治疗装置的成本，占地面积，有效的促进质子治疗事业的发展。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种安全、高效、高精度的紧凑型质子束流能量和能散度控制结构。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，该结构由两个矩形二极铁、两个散焦四级铁、两个聚焦四极铁、以及一束测系统、一选择狭缝、一真空管组成，两个所述矩形二极铁呈45°对称设置；一所述矩形二极铁通过真空管依次连接有一散焦四级铁、一聚焦四极铁、束测系统与选择狭缝，然后再依次连接另一聚焦四极铁、另一散焦四级铁与另一所述矩形二极铁。

两个所述矩形二极铁均具有一真空泵接口；两个所述散焦四级铁与两个所述聚焦四极铁长度相同；所述真空管直径为70mm。

两个所述矩形二极铁具有相同的半径和进、出口边沿角，用于改变束流的方向；其中，第一个、矩形二极铁给束流一个水平方向的色散，然后通过一个散焦四级铁和一个聚焦四极铁使束流的色散达到最大值。

所述选择狭缝通过调节其孔径控制能量散度，通过改变第一个矩形二极铁电流调节通过选择狭缝中心的束流能量。

该束流能量和能散度控制结构前端为回旋加速器和降能器，回旋加速器输出的固定能量束流经过一个楔形石墨体，然后经过一个散焦、聚焦，散焦的类FODO结构聚焦后进入束流能量和能散度控制结构中，最后进入束流传输线。

本实用新型的有益效果：本实用新型主要实现了一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构设计，可根据治疗要求安全、高效的传输能散度小于2％，能量为70-235MeV的质子束流，实现了由两个45°对称的矩形二极铁和四个四极铁组成的束流能量和能散度控制结构，其对称结构分布有效的减少了独立电源的个数，其束流束腰位于二极铁中独特的设计有效的降低了二极铁垂直方向的气隙高度，降低了束流能量和能散度控制结构的成本和占地面积，是一种安全，高效，高精度的紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，将对未来质子治疗技术的发展和广泛应用起到促进作用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型束流传输流程图；

图2为本实用新型束流能量和能散度控制结构布局图；

图3为本实用新型束流包络和色散图；

其中，附图中标号：1、回旋加速器；2、降能器；3、束流能量和能散控制结构；4、束流输运线；5、矩形二极铁；6、散焦四级铁；7、聚焦四极铁；8、束测系统；9、选择狭缝；10、真空泵接口；11、真空管；12、能散为0的束流包络线；13、能散为1％的束流包络线；14、水平方向束流包络(2σ)；15、二极铁垂直方向束腰位置；16、1％的色散函数轨迹；17、直方向束流包络(2σ)。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，束流能量和能散度控制结构3，其前端为回旋加速器1和降能器2，回旋加速器1输出的固定能量束流经过一个楔形石墨体，楔形石墨体可以通过分开和靠拢的方式来改变石墨厚度，束流通过不同厚度的石墨降能后，其能量降低，发射度变大；为了将发射度大于允许值的质子流排除，用准直器控制发射度，然后经过一个散焦、聚焦，散焦的类FODO结构聚焦后进入束流能量和能散度控制结构3中，最后进入束流传输线4；束流能量和能散度控制结构3，其结构紧凑，占地面积小；

如图2所示，上述紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，由两个矩形二极铁5、两个散焦四级铁6、两个聚焦四极铁7、以及一束测系统8、一选择狭缝9、一真空管11组成；

具体的，两个矩形二极铁5呈45°对称设置，其具有一真空泵接口10；两个散焦四级铁6与两个聚焦四极铁7长度相同；真空管11直径为70mm；其中，一矩形二极铁通过真空管依次连接有一散焦四级铁、一聚焦四极铁、束测系统与选择狭缝，然后再依次连接另一聚焦四极铁、另一散焦四级铁与另一矩形二极铁；

如图2和图3所示，45°对称的两个矩形二极铁5为具有相同的半径和进、出口边沿角，用于改变束流的方向；其中，第一个(位于图2中上方)矩形二极铁给束流一个水平方向的色散使不同能量的质子束流充分地分离，其中能量低的束流向内侧偏离，能量高的束流向外偏离，然后通过一个散焦四级铁6和一个聚焦四极铁7使束流的色散达到最大值，能散度大的质子偏离束流中心轨道幅度大，因此将水平方向的束腰设置于对称四极铁中间位置，其中束测系统8用于检测束流参数，为了得到不同能散度的束流，在中间位置处需要设置一个选择狭缝9，通过调节选择狭缝9的孔径控制束流能量散度，通过改变第一个矩形二极铁电流调节通过选择狭缝9中心的束流能量；上述技术方案中所涉及的束测系统与选择狭缝均为现有技术中使用的，本申请不作限制说明。

如图2和图3所示，紧凑型质子束流能量和能散度控制结构中的束流在水平方向有一个大的色散，因此在选择狭缝9后通过一个聚焦四极铁7和一个散焦四极铁6和第二个矩形二极铁消除色散，即束流进入第一个矩形二极铁时束流由于能散而分散开，而离开第二个矩形二极铁时又从偏离的轨道上重新回到中心轨道，其中不同能散度的束流偏离中心轨道的距离也不相同，能散为0的束流包络线12为：能散度为0的束流偏离中心轨道的包络线，能散为1％的束流包络线13为：能散度为1％的束流偏离中心轨道的包络线，可知能散度小的束流偏离中心轨道的距离小于能散度大的束流，1％的色散函数轨迹16为能散为1％的束流色散函数轨迹，其值越小束流包络线13越小，整个系统形成了一个双消色散(即R16＝R26＝0)的束流能量和能散控制结构，不同能散度的束流又重新回到了相同的轨道上，在水平和垂直方向上都具有相同的束流包络(水平方向束流包络14和直方向束流包络17)，避免了色散对束流包络产生影响，同时为了降低二极铁造价，将束流垂直方向的束腰(二极铁垂直方向束腰位置15)设置在二极铁中减小了二极铁在垂直方向气隙高度。

如图3所示，束流能量和能散度控制结构较紧凑，可安全高效的传输能散度小于2％(其中12为能散度为0的束流包络线，13为能散度为2％的束流包络线)，能量为70-235MeV的质子进入束流传输段；束流传输段与束流能量和能散度控制结构前端结构相同也是一个类FODO结构，束流通过类FODO结构将束流聚焦于束腰位置处。

本实用新型占地面积小，结构紧凑，成本低，可安全高效的传输能散度小于2％，能量为70-235MeV的质子，是一种满足质子治疗系统要求的紧凑型束流传输结构，可应用于当前的质子治疗系统中，将对未来的质子治疗技术起到促进作用。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，该结构由两个矩形二极铁、两个散焦四级铁、两个聚焦四极铁、以及一束测系统、一选择狭缝、一真空管组成，其特征在于：

两个所述矩形二极铁呈45°对称设置；一所述矩形二极铁通过真空管依次连接有一散焦四级铁、一聚焦四极铁、束测系统与选择狭缝，然后再依次连接另一聚焦四极铁、另一散焦四级铁与另一所述矩形二极铁。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，其特征在于，两个所述矩形二极铁均具有一真空泵接口；两个所述散焦四级铁与两个所述聚焦四极铁长度相同；所述真空管直径为70mm。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，其特征在于，两个所述矩形二极铁具有相同的半径和进、出口边沿角，用于改变束流的方向；其中，第一个、矩形二极铁给束流一个水平方向的色散，然后通过一个散焦四级铁和一个聚焦四极铁使束流的色散达到最大值。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，其特征在于，所述选择狭缝通过调节其孔径控制能量散度，通过改变第一个矩形二极铁电流调节通过选择狭缝中心的束流能量。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，其特征在于，该束流能量和能散度控制结构前端为回旋加速器和降能器，回旋加速器输出的固定能量束流经过一个楔形石墨体，然后经过一个散焦、聚焦，散焦的类FODO结构聚焦后进入束流能量和能散度控制结构中，最后进入束流传输线。