CN213724489U - 一种多治疗终端放射治疗装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多治疗终端放射治疗装置，属于放射治疗技术领域，依次包括电子源、射频超导直线加速器、分束组件、X射线靶和X射线准直器，本实用新型采用电子源和射频超导直线加速器提供长脉冲高剂量率的X射线，既可以在短时间内给予治疗终端非常高的照射剂量，又可以通过调节电子束的能量来调节X射线的能量，通过调节电子束脉冲长度来调节X射线的时间长度，通过调节电子束的流强来调节剂量率，以达到治疗终端更好的放射治疗效果，此外，采用分束组件，将射频超导直线加速器的束流分配到不同的治疗终端，提高束流利用效率和放射治疗的效率。

Description

一种多治疗终端放射治疗装置

技术领域

本实用新型属于放射治疗技术领域，具体地说涉及一种多治疗终端放射治疗装置。

背景技术

目前，我国的肿瘤发病率越来越高，肿瘤已经成为危害国民健康的最大杀手之一，抗肿瘤治疗常用的手段有手术、放疗、化疗等。放射治疗的原理是通过一定能量的射线作用于细胞，通过直接或间接作用最终达到破坏肿瘤细胞的DNA双链，达到抑制肿瘤细胞增值和直接杀伤肿瘤细胞的目的，其基本原则是在保证肿瘤组织接受足够致死剂量的同时最大限度保护危及器官少受或免受辐射损伤。在目前放射治疗的条件下，通过改进放疗机器射野的适形程度，最终达到尽可能精准的照射肿瘤组织而减少正常组织的照射范围。但是，由于人体器官结构的特殊性，放疗过程中正常组织必然会接受一定剂量的射线照射，尤其是与肿瘤组织紧邻的正常组织。因此，在目前放射治疗条件下，一方面要提高肿瘤组织的受照射剂量，另一方面又要减少肿瘤周围正常组织的放疗剂量。

根据文献报道，通过提高X射线的放射剂量率至10⁶Gy/s至10⁸Gy/s时，可以使正常组织的放射敏感性下降(出现射线抵抗，毒副反应减小)，但肿瘤组织仍然对射线敏感，这一现象叫做“闪光效应”，出现“闪光效应”的条件是在极短时间内(通常为纳秒至百毫秒量级)发放极高剂量率射线叫做“闪光放疗”。“闪光放疗”产生的生物学效应刚好解决了肿瘤放射治疗学发展的主要矛盾，是目前有可能突破正常组织剂量限制性毒性的一种放射治疗方法。目前，医用加速器放射剂量率约0.1Gy/s，肿瘤患者完成全部放射共约7.5小时，分布在1.5月进行，现有的基于医用常温直线加速器的放疗装置无法提供长脉冲高剂量率的X射线。

实用新型内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种多治疗终端放射治疗装置，克服现有放射治疗技术无法提供长脉冲的高剂量率X射线，同时，能够使用射频超导直线加速器提供多条传输方向不同的束线，提高束流利用率和放射治疗效率。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种多治疗终端放射治疗装置，依次包括：

电子源，其用于产生长脉冲低能电子束，形成脉冲串；

射频超导直线加速器，其用于对长脉冲低能电子束进行能量增益得到长脉冲高能电子束，且脉冲串中的各个长脉冲高能电子束的传输方向相同；

分束组件，其用于对脉冲串中多个传输方向相同的长脉冲高能电子束施加不同的作用力得到多束偏转电子束，且多束偏转电子束的传输方向均不同；

X射线靶，所述偏转电子束轰击X射线靶并产生X射线；

和X射线准直器，其用于调整X射线的照射区域并将X射线照射到治疗终端。

进一步，长脉冲低能电子束经第一束流传输线传递到超导直线加速器中获得能量增益得到长脉冲高能电子束，长脉冲高能电子束通过分束组件导入不同的第二束流传输线并传递到X射线靶，通过电子束和X射线靶的相互作用产生X射线，再经由X射线准直器将X射线照射到治疗终端上。

进一步，所述电子源包括驱动激光器、光阴极和阳极，所述驱动激光器发出激光入射到所述光阴极上产生电子束，所述光阴极和阳极之间的引出电场将电子束引出所述光阴极入射到第一束流传输线中。

进一步，所述电子源为由直流高压电子枪形成的直流高压电子源或由射频电子枪形成的射频电子源，所述直流高压电子源形成的引出电场为静态高压电场，所述射频电子源形成的引出电场为射频电磁场。

进一步，所述驱动激光器发出的激光为脉冲长度可调节激光，以实现电子源产生电子束的脉冲时间长度可调，所述驱动激光器通过调整电压信号的长度来调节激光脉冲的长度。

进一步，所述电子源产生的长脉冲低能电子束的脉冲长度可调，调节范围从10ns到500ms。

进一步，所述电子源产生的长脉冲低能电子束的发射度低于10mm＊mrad。

进一步，长脉冲低能电子束经第一束流传输线传递到超导直线加速器中。

进一步，所述射频超导直线加速器运行在超导状态，由射频功率源驱动。

进一步，所述射频超导直线加速器包括沿着轴线分布的射频谐振腔，所述射频谐振腔由射频功率源驱动。

进一步，所述射频谐振腔置于4K或2K的低温环境中。

进一步，所述分束组件包括踢束器、分割磁铁和真空盒，所述真空盒的内腔处于真空环境，其内腔的一端放置踢束器，其内腔的另一端放置分割磁铁。

进一步，所述踢束器对长脉冲高能电子束施加垂直于其传输方向的踢束力，长脉冲高能电子束的传输方向发生一次偏转并入射到分割磁铁，使得长脉冲高能电子束的传输方向发生二次偏转，得到偏转电子束。

进一步，所述分割磁铁设有多块，且多块分割磁铁呈扇形排列。

进一步，所述踢束器为条形平行电极，其包括对齐且间隔设置的正极板和负极板，所述正极板和负极板之间存在静电场以形成踢束力。

进一步，所述长脉冲高能电子束发生一次偏转的角度为ɑ，则

其中，q为长脉冲高能电子束中带电粒子的电荷量，V_m为正极板和负极板之间的电压，W为带电粒子的动能，d为正极板和负极板的间距，L为正极板和负极板的有效长度。

进一步，所述分割磁铁为偏转二极磁铁，其包括对齐且间隔设置的第一线圈和第二线圈，且第一线圈和第二线圈之间连接有分隔板，所述长脉冲高能电子束穿过第一线圈和第二线圈。

进一步，所述二次偏转角度与偏转作用力成正比，设定偏转作用力为F，则F＝q(v×B)，其中，q为长脉冲高能电子束中带电粒子的电荷量，v为长脉冲高能电子束的传输速度，B为分割磁铁的磁感应强度。

进一步，所述分束组件对长脉冲高能电子束施加的作用力包括踢束力和偏转作用力。

进一步，偏转电子束导入多条传输方向不同的第二束流传输线并传递到X射线靶，当多条第二束流传输线的布局确定后，通过改变踢束器上的电压，控制一次偏转角度，然后注入相对应的分割磁铁及第二束流传输线，至此，射频超导直线加速器出射的脉冲串中多个传输方向相同的长脉冲高能电子束被分配到传输方向不同的第二束流传输线中，到达不同的治疗终端。

进一步，所述X射线靶、X射线准直器、分割磁铁与治疗终端的数量相同。

进一步，所述X射线靶包含高原子序数材料。

本实用新型的有益效果是：

采用电子源和射频超导直线加速器提供长脉冲高剂量率的X射线，既可以在短时间内给予治疗终端非常高的照射剂量，又可以通过调节电子束的能量来调节X射线的能量，通过调节电子束脉冲长度来调节X射线的时间长度，通过调节电子束的流强来调节剂量率，以达到治疗终端更好的放射治疗效果，此外，采用分束组件，将射频超导直线加速器的束流分配到不同的治疗终端，提高束流利用效率和放射治疗的效率。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是分束组件的结构示意图；

图3是踢束器的结构示意图；

图4是分割磁铁的结构示意图；

图5是多束长脉冲高能电子束演变至多束偏转电子束的示意图。

附图中：1－电子源、2－第一束流传输线、3－射频超导直线加速器、4－第二束流传输线、5－X射线靶、6－X射线准直器、7－分束组件、8－踢束器、9－分割磁铁、10－真空盒、11－正极板、12－负极板、13－第一线圈、14－第二线圈14、15－分隔板、16－束流通过区域、17－非束流通过区域。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本实用新型创造。

实施例一：

如图1所示，一种多治疗终端放射治疗装置，依次包括电子源1、射频超导直线加速器3、分束组件7、X射线靶5和X射线准直器6，其中，电子源1用于产生长脉冲低能电子束形成脉冲串，长脉冲低能电子束经第一束流传输线2传递到射频超导直线加速器3中，射频超导直线加速器3其用于对长脉冲低能电子束进行能量增益得到长脉冲高能电子束，且脉冲串中的多个长脉冲高能电子束的传输方向相同，分束组件7用于对脉冲串中多个传输方向相同的长脉冲高能电子束施加不同的作用力得到多束偏转电子束，且多束偏转电子束的传输方向均不同，所述偏转电子束导入不同的第二束流传输线4并传递到X射线靶5，偏转电子束轰击X射线靶5并产生X射线，X射线准直器6调整X射线的照射区域并将X射线照射到治疗终端上。

电子源1产生具有第一能量E1的长脉冲低能电子束BE1，所述电子源1包括驱动激光器、光阴极和阳极，所述驱动激光器发出激光入射到所述光阴极上产生电子束，所述光阴极和阳极之间的引出电场将电子束引出所述光阴极入射到第一束流传输线2中。长脉冲低能电子束BE1是由驱动激光器经光阴极作用产生，长脉冲低能电子束BE1和驱动激光器具有相同的时间结构，所述驱动激光器发出的激光为脉冲长度可调节激光，以实现电子源1产生长脉冲低能电子束BE1的脉冲时间长度可调，所述驱动激光器通过调整电压信号的长度来调节激光脉冲的长度。同时，长脉冲低能电子束BE1的脉冲长度可调，调节范围从10ns到500ms，其发射度低于10mm＊mrad。

电子源1为由直流高压电子枪形成的直流高压电子源或由射频电子枪形成的射频电子源，直流高压电子源形成的引出电场为静态高压电场，射频电子源形成的引出电场为射频电磁场。

所述射频超导直线加速器3包括沿着轴线分布的射频谐振腔，所述射频谐振腔由射频功率源驱动，所述射频谐振腔置于4K或2K的低温环境中，以确保射频超导直线加速器3运行在超导状态。射频谐振腔浸泡在气液两相的液氦中进行冷却，工作温度为液氦的沸点温度。一个大气压下的液氦沸点温度为4.2K，30mBar气压下的液氦沸点温度为2K。通过低温系统的泵组抽氦气，控制液氦表面气压，从而控制液氦温度。长脉冲低能电子束BE1穿过射频超导直线加速器3获得能量增益ΔE，成为长脉冲高能电子束BE2。同时，ΔE由射频超导直线加速器3的规模和性能决定，射频谐振腔的数量越多，场梯度越大，能量增益ΔE也越大。理论上，ΔE可以从几MeV到几GeV甚至到无限大。

针对放射治疗装置，能量增益ΔE不需要特别大，要在适宜进行人体放射治疗的能量区间，一般在4－18MeV。在射频谐振腔的型号和数量确定的前提下，能量增益ΔE可以通过调节射频谐振腔的强度来进行调节，以满足不同的放射治疗所需的X射线能量需求。射频谐振腔的强度和功率源的馈入功率正相关，调节功率源的功率，射频谐振腔的场梯度就相应改变。

采用电子源1和射频超导直线加速器3为放射治疗提供长脉冲高剂量率的X射线，既可以在短时间内给予治疗终端非常高的照射剂量，又可以通过调节电子束的能量来调节X射线的能量，通过调节电子束脉冲长度来调节X射线的时间长度，通过调节电子束的流强来调节剂量率，以达到治疗终端更好的放射治疗效果。

如图2所示，所述分束组件7包括踢束器8、分割磁铁9和真空盒10，所述真空盒10的内腔处于真空环境，其内腔的一端放置踢束器8，其内腔的另一端放置分割磁铁9，所述分割磁铁9设有多块，且多块分割磁铁9呈扇形排列。具体的，所述踢束器8对长脉冲高能电子束施加垂直于其传输方向的踢束力，长脉冲高能电子束的传输方向发生一次偏转并入射到分割磁铁9，使得长脉冲高能电子束的传输方向发生二次偏转，得到偏转电子束。

如图3所示，所述踢束器8为条形平行电极，其包括对齐且间隔设置的正极板11和负极板12，所述正极板11和负极板12之间存在静电场以形成踢束力。所述正极板11和负极板12之间存在静电场时，即正极板11和负极板12分别接通脉冲高压电源的正极和负极，在正极板11和负极板12间形成脉冲高压电场，长脉冲高能电子束从正极板11和负极板12中间穿过时，发生一次偏转的角度为ɑ，则

其中，q为长脉冲高能电子束中带电粒子的电荷量，V_m为正极板和负极板之间的电压，W为带电粒子的动能，d为正极板和负极板的间距，L为正极板和负极板的有效长度。通常情况下，一次偏转角度为一个很小的角度，则有tgα≈α。

如图4所示，所述分割磁铁9为偏转二极磁铁，其包括对齐且间隔设置的第一线圈13和第二线圈14，所述长脉冲高能电子束穿过第一线圈13和第二线圈14，同时，第一线圈13和第二线圈14之间连接有分隔板15，以改变磁场分布，具体的，提高束流通过区域16磁场的均匀性，并使非束流通过区域17的杂散场尽可能的减小。所述二次偏转角度与偏转作用力成正比，设定偏转作用力为F，则F＝q(v×B)，其中，q为长脉冲高能电子束中带电粒子的电荷量，v为长脉冲高能电子束的传输速度，B为分割磁铁9的磁感应强度。由于束流通过区域16的磁感应强度较大，甚至可以做到1T量级，因此，长脉冲高能电子束经过束流通过区域16后会有一个较大的二次偏转角度。

也就是说，所述分束组件对长脉冲高能电子束施加的作用力包括踢束力和偏转作用力。偏转电子束导入多条传输方向不同的第二束流传输线4并传递到X射线靶5上，当多条第二束流传输线4的布局确定后，通过改变踢束器8上的电压，控制一次偏转角度，然后注入相对应的分割磁铁9及第二束流传输线4，至此，射频超导直线加速器3出射的脉冲串中多个传输方向相同的长脉冲高能电子束被分配到传输方向不同的第二束流传输线4中，到达不同的治疗终端。

为了直观的表达发明人的实用新型构思，以图5为例阐述由多个传输方向一致的长脉冲高能电子束演变至多束传输方向不同的偏转电子束过程：第二束流传输线4设有4条，射频超导直线加速器3出射的脉冲串含有4束传输方向相同的长脉冲高能电子束，并分别用A、B、C、D表示，4束长脉冲高能电子束传递到分束组件7形成4束偏转电子束，并分别用A＇、B＇、C＇、D＇表示，同时，4束偏转电子束分别导入传输方向不同的第二束流传输线4。

所述X射线靶5的核心部件是高Z材料(即高原子序数材料)，通过偏转电子束和高Z材料的相互作用产生X射线。X射线靶5使用质地硬、传热快、熔点高的高Z材料，一般使用钨或钽。同时，X射线靶5要具有冷却功能，避免偏转电子束沉积的能量烧坏X射线靶5。X射线经由X射线准直器6照射到治疗终端，X射线准直器6通过滤除治疗终端区域外的X射线，对X射线的分布进行调整。此外，所述X射线靶5、X射线准直器6、分割磁铁9与治疗终端的数量相同。

综上所述，电子源1中产生由长脉冲低能电子束形成的脉冲串，长脉冲低能电子束经由第一束流传输线2传递到射频超导直线加速器3中获得能量增益，再传递到分束组件7形成多束偏转电子束，偏转电子束经由第二束流传输线4传递到X射线靶5，通过偏转电子束和X射线靶5的相互作用产生X射线。偏转电子束的部分能量转换成X射线的能量，另一部分以热能的形式沉积在X射线靶5上，X射线准直器6将X射线照射到治疗终端，实现一个射频超导直线加速器3为多个治疗终端同时供束的功能。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

电子源1采用直流高压电子枪，直流高压电子枪产生能量约为300kV的长脉冲低能电子束BE1，直流高压电子枪的引出电场是由直流高压电源在光阴极和阳极之间形成的静态高压电场，长脉冲低能电子束和驱动激光有相同的时间分布，小于10ps。

射频谐振腔使用1.3GHz的2个4单元TESLA腔型，场梯度调节范围是0－10MV/m，有效加速长度为1m，电子束能量增益调节区间为0－10MeV，长脉冲高能电子束能量为6～8MeV。

X射线靶5选用钨靶且为旋转靶，即X射线靶5不停的旋转，促使偏转电子束打在不同部位，避免热量过于集中烧坏X射线靶5。在其他一些实施例中，可以在X射线靶5中铺设水管，通入冷却水来散热。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种多治疗终端放射治疗装置，其特征在于，依次包括：

电子源，其用于产生长脉冲低能电子束，形成脉冲串；

射频超导直线加速器，其用于对长脉冲低能电子束进行能量增益得到长脉冲高能电子束，且脉冲串中的各个长脉冲高能电子束的传输方向相同；

分束组件，其用于对脉冲串中多个传输方向相同的长脉冲高能电子束施加不同的作用力得到多束偏转电子束，且多束偏转电子束的传输方向均不同；

X射线靶，所述偏转电子束轰击X射线靶并产生X射线；

和X射线准直器，其用于调整X射线的照射区域并将X射线照射到治疗终端。

2.根据权利要求1所述的多治疗终端放射治疗装置，其特征在于，所述分束组件包括踢束器、分割磁铁和真空盒，所述真空盒的内腔处于真空环境，其内腔的一端放置踢束器，其内腔的另一端放置分割磁铁。

3.根据权利要求2所述的多治疗终端放射治疗装置，其特征在于，所述踢束器对长脉冲高能电子束施加垂直于其传输方向的踢束力，长脉冲高能电子束的传输方向发生一次偏转并入射到分割磁铁，使得长脉冲高能电子束的传输方向发生二次偏转，得到偏转电子束。

4.根据权利要求3所述的多治疗终端放射治疗装置，其特征在于，所述分割磁铁设有多块，且多块分割磁铁呈扇形排列。

5.根据权利要求2-4任一所述的多治疗终端放射治疗装置，其特征在于，所述踢束器为条形平行电极，其包括对齐且间隔设置的正极板和负极板，所述正极板和负极板之间存在静电场以形成踢束力。

6.根据权利要求5所述的多治疗终端放射治疗装置，其特征在于，所述分割磁铁为偏转二极磁铁，其包括对齐且间隔设置的第一线圈和第二线圈，且第一线圈和第二线圈之间连接有分隔板，所述长脉冲高能电子束穿过第一线圈和第二线圈。

7.根据权利要求6所述的多治疗终端放射治疗装置，其特征在于，所述X射线靶、X射线准直器、分割磁铁与治疗终端的数量相同。

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