CN105392270A - 一种医用质子同步加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医用质子同步加速器，其包括：依次连接的第一至第八偏转二极磁铁，其中所述第一偏转二极磁铁与第八偏转二极磁铁相连以构成一环形结构；第一至第四长直线节；以及第一至第四迷你直线节。本发明通过采用超高场强的偏转二极磁铁以及水平聚焦和水平散焦四极磁铁，从而控制其包络函数在较小水平，进而有效增加了同步加速器的接受度，增加了质子储存数目，提高了质子利用率和占空比，缩短治疗时间；另外，本发明的结构非常紧凑，减少了不必要的间隙和磁铁元件，以利用尽可能少的元件数目实现医用加速器的功能，同时本发明中的各磁铁元件也采用较高强度以便减少整个加速器的周长，从而有效地利用了同步加速器的空间，进而降低了治疗成本。

Description

一种医用质子同步加速器

技术领域

本发明涉及一种用于肿瘤治疗的医用质子同步加速器。

背景技术

质子在深度方向上优异的布拉格峰特性使得其成为肿瘤治疗中最为先进的手段之一，目前世界上质子治疗装置和治疗中心的建设越来越多。治疗中采用的最先进的扫描技术是，在横向上利用扫描磁铁将加速器引出的质子束严格按照事先确定的模式形成精确的扫描覆盖，准确度可以达到亚毫米量级，在纵向上在治疗头(治疗头上装有扫描磁铁等)之前进行能量调节。上述扫描技术可以实现三维适形调强的精确治疗，最大限度地实现靶区内照射剂量尽可能大而周围敏感组织照射剂量尽可能小的放疗要求。与散射技术相比，采用上述扫描技术进行治疗不需要为每个患者定制补偿器(由于散射技术无法做到精确控制束流形状和后端适形，所以需要补偿器)，大大减轻了医生和医院的负担，且治疗头的结构也相对简单，另外，扫描治疗头不包含散射体，从而可以提高束流利用率，同时还避免了散射体带来的次生射线。如此多的优异特性，使得扫描技术已经成为新建设的质子重离子治疗中心的标配技术。

扫描技术需要加速器引出的束流脉冲宽度较长甚至连续；流强稳定，以实现在线剂量检测；发射度较小和精确调节能量的能力。对于随器官运动而移动的肿瘤，现有的扫描技术容易产生剂量不均匀，需要配合呼吸门控或者快速重复扫描等技术。前者利用呼吸探测器，只在呼吸周期内的平稳阶段允许束流引出，而后者通过与呼吸周期频率有明显差别的多次小剂量的重复扫描来将这些移动平均掉。快速重复扫描和线扫描都是目前处理呼吸器官最有效和最快速的治疗方法。这些都对加速器的引出束流品质以及加速器的控制提出了较高要求。

目前运行及建造中的质子治癌加速器主要是回旋加速器和同步加速器。回旋加速器可以提供稳定的连续束，其束流切断和开启速度很快，可以满足呼吸门控的要求。但是回旋加速器改变能量依靠的是安放在高能线上的机械装置——降能器，利用散射将束流能量降低；其优点是能量调节迅速，可以实现50毫秒一档的改变能量速度，能够支持快速重复扫描模式来治疗移动肿瘤；但缺点是散射造成束流利用率很低，治疗时最低能量70MeV时的通过效率仅为2％左右，降能造成的散射和之后能量选择造成的大量束流损失会导致极大的辐射，对辐射防护以及设备安全造成很大的压力。

与回旋加速器相比，同步加速器的明显优点在于它可以对束流的能量方便地进行调节，以适应放射治疗对离子能量精确变化的需要，不需要额外的能量降能片，能够确保相对干净(辐射小)的环境。然而，由图1可见(图1示出了同步加速器的一个标准循环周期，其中，每个引出循环对应一个引出能量)，同步加速器的注入、升能(称之为上升沿)和标准化循环(称之为下降沿)需要占用很长时间，引出平台所对应的有效治疗时间较短。一般按照加速器的设计不同注入和升能时间一般从0.5s到2s不等，因而造成无效治疗时间长，换能时间缓慢的问题，从而无法适应快速重复扫描方式。

目前已有201410383972.3号专利申请和非专利文献NIMAVol.624(2010)p33-38中提供了一种能够在同一周期内进行不同能量治疗的技术，其循环周期可如图2所示，其中，每循环周期内可以有多个能量引出，从而可以减少换能时间，大大降低同步加速器治疗时间。然而，目前现有的质子同步加速器(例如专利文献201210115044.X，201010252492.5等)在具体磁铁、电源等设计时，并未考虑上述这种新的技术，从而使其储存粒子数较少，进而使得每个周期内能够引出的能量层数较少(例如，治疗1L的肿瘤一般需要3X10¹¹粒子，而现有的质子同步加速器一般的存储粒子数仅在4～8X10¹⁰左右)，因而即使采用上述这种技术时，其实际减少的治疗时间也不多。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种紧凑型的医用质子同步加速器，以实现大的粒子储存特性，并能够支持单周期内多层能量引出，从而有效克服现有同步加速器相较于回旋加速器所存在的缺点。

本发明所述的一种医用质子同步加速器，其包括：

依次连接的第一至第八偏转二极磁铁，其中所述第一偏转二极磁铁与第八偏转二极磁铁相连以构成一环形结构；

分别连接在所述第一偏转二极磁铁与第八偏转二极磁铁之间、第一偏转二极磁铁与第二偏转二极磁铁之间、第四偏转二极磁铁与第五偏转二极磁铁之间以及第五偏转二极磁铁与第六偏转二极磁铁之间的第一至第四长直线节；以及

分别连接在所述第二偏转二极磁铁与第三偏转二极磁铁之间、第三偏转二极磁铁与第四偏转二极磁铁之间、第六偏转二极磁铁与第七偏转二极磁铁之间以及第七偏转二极磁铁与第八偏转二极磁铁之间的第一至第四迷你直线节；

其中，所述第一长直线节包括靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第一水平散焦四极磁铁以及靠近所述第八偏转二极磁铁设置的第一水平聚焦四极磁铁；

所述第二长直线节包括靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第二水平聚焦四极磁铁以及靠近所述第二偏转二极磁铁设置的第二水平散焦四极磁铁；

所述第一迷你直线节包括第三水平聚焦四极磁铁；所述第二迷你直线节包括第三水平散焦四极磁铁；

所述第三长直线节包括靠近所述第四偏转二极磁铁设置的第四水平聚焦四极磁铁以及靠近所述第五偏转二极磁铁设置的第四水平散焦四极磁铁；

所述第四长直线节包括靠近所述第五偏转二极磁铁设置的第五水平聚焦四极磁铁以及靠近所述第六偏转二极磁铁设置的第五水平散焦四极磁铁；

所述第三迷你直线节包括第六水平聚焦四极磁铁；所述第四迷你直线节包括第六水平散焦四极磁铁。

在上述的医用质子同步加速器中，

所述第一长直线节还包括：连接在所述第一水平散焦四极磁铁与第一水平聚焦四极磁铁之间的注入静电切割板、与该注入静电切割板连接的注入静磁切割磁铁以及连接在所述注入静电切割板与第一水平聚焦四极磁铁之间的第一共振六极磁铁；

所述第二长直线节还包括：连接在所述第二水平散焦四极磁铁与第二水平聚焦四极磁铁之间的第一注入凸轨磁铁以及连接在该第一注入凸轨磁铁与第二水平聚焦四极磁铁之间的高频加速装置；

所述第三长直线节还包括：连接在所述第四水平聚焦四极磁铁与第四水平散焦四极磁铁之间的第二共振六极磁铁以及连接在该第二共振六极磁铁与第四水平散焦四极磁铁之间的引出静电切割板；

所述第四长直线节还包括：依次与所述第五水平聚焦四极磁铁连接的第一引出静磁切割磁铁和第二引出静磁切割磁铁；

所述第一迷你直线节还包括：连接在所述第三偏转二极磁铁与第三水平聚焦四极磁铁之间的横向高频激励电极；

所述第四迷你直线节还包括：连接在所述第六水平散焦四极磁铁与第七偏转二极磁铁之间的第二注入凸轨磁铁。

在上述的医用质子同步加速器中，所述第二长直线节还包括连接在所述第一注入凸轨磁铁与高频加速装置之间并紧贴所述第一注入凸轨磁铁设置的快四极磁铁。

在上述的医用质子同步加速器中，所述第一迷你直线节还包括连接在所述第三水平聚焦四极磁铁与第二偏转二极磁铁之间的第一水平聚焦六极磁铁；所述第三迷你直线节还包括连接在所述第六水平聚焦四极磁铁与第六偏转二极磁铁之间的第二水平聚焦六极磁铁。

在上述的医用质子同步加速器中，所述第一至第八偏转二极磁铁的偏转角度均为45°。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过采用超高场强的偏转二极磁铁以及水平聚焦和水平散焦四极磁铁，从而控制其包络函数在较小水平，进而有效增加了同步加速器的接受度，增加了质子储存数目，提高了质子利用率和占空比，缩短了治疗时间；另外，本发明的结构非常紧凑，减少了不必要的间隙和磁铁元件，以利用尽可能少的元件数目实现医用加速器的功能，同时本发明中的各磁铁元件也采用较高强度以便减少整个加速器的周长，从而有效地利用了同步加速器的空间，进而最大程度地降低装置和建筑的建造成本，降低了治疗成本。

附图说明

图1是现有技术同步加速器的一个标准循环周期的示意图；

图2是多能量周期示意图；

图3是本发明一种医用质子同步加速器的结构示意图；

图4是本发明一种医用质子同步加速器的包络函数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

首先，对本发明的理念基础进行简单说明。

通过研究发现限制同步加速器储存粒子数的主要因素是注入能量附近的空间电荷效应造成穿越共振线导致的粒子丢失。空间电荷效应的强弱主要取决于储存粒子数、注入能量和储存束的发射度：

$\mathrm{\Δ}v=-\frac{r_{p}N}{2{\mathrm{\π\ϵ}}_{rms}{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\γ}}^3{B}_f}---\left(1\right)$

式(1)中，Δν是空间电荷效应引起的频移，r_p是经典半径，N是储存粒子数，β和γ是注入束流的相对论因子，B_f是聚束因子，ε_rms是束流发射度。

由于注入能量的提高取决于注入器成本，很难提高，所以在同样的空间电荷频移下提高储存粒子数的发射度是最有效的手段。在采用了多圈涂抹注入技术后，储存粒子的发射度可以认为是同步加速器的接受度，忽略色散的影响，接受度为：

$A=\frac{D^2}{\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

式(2)中，D是真空尺寸，β是包络函数。

因此，问题就转化成如何在保持同步加速器周长尽量小(同步加速器周长尽量小可使得同步加速器的成本较低)的情况下，尽量减小包络函数。公知的，采用弱聚焦可以在较少的元件下实现小包络函数，但是这种方法容易受磁铁安装和加工等误差的影响，从而与增加储存粒子数目相矛盾。研究发现，增强弯转磁铁场强可以有效增强水平聚焦强度，从而降低包络函数，同时又能缩短同步加速器周长。因此，本发明旨在适当增加四极铁数量以用于控制包络函数。

基于上述内容，如图3所示，本发明，即一种医用质子同步加速器，包括：

依次连接的第一至第八偏转二极磁铁1-8，其中第一偏转二极磁铁1与第八偏转二极磁铁8相连以构成一环形结构以偏转束流(束流方向为图3中环形结构的顺时针方向)，并消除弱聚焦，其中第一至第八偏转二极磁铁1-8的偏转角度均为45°；

分别连接在第一偏转二极磁铁1与第八偏转二极磁铁8之间、第一偏转二极磁铁1与第二偏转二极磁铁2之间、第四偏转二极磁铁4与第五偏转二极磁铁5之间以及第五偏转二极磁铁5与第六偏转二极磁铁6之间的第一至第四长直线节；以及

分别连接在第二偏转二极磁铁2与第三偏转二极磁铁3之间、第三偏转二极磁铁3与第四偏转二极磁铁4之间、第六偏转二极磁铁6与第七偏转二极磁铁7之间以及第七偏转二极磁铁7与第八偏转二极磁铁8之间的第一至第四迷你直线节。

以上各部件之间通过器件的真空室(图中未示)相连。具体来说，在本实施例中：

第一长直线节包括：靠近第一偏转二极磁铁1设置的第一水平散焦四极磁铁11、靠近第八偏转二极磁铁8设置的第一水平聚焦四极磁铁12、连接在第一水平散焦四极磁铁11与第一水平聚焦四极磁铁12之间的注入静电切割板13、与注入静电切割板13连接的注入静磁切割磁铁14以及连接在注入静电切割板13与第一水平聚焦四极磁铁12之间的第一共振六极磁铁15；

第二长直线节包括：靠近第一偏转二极磁铁1设置的第二水平聚焦四极磁铁21、靠近第二偏转二极磁铁12设置的第二水平散焦四极磁铁22、连接在第二水平散焦四极磁铁22与第二水平聚焦四极磁铁21之间的第一注入凸轨磁铁23、连接在第一注入凸轨磁铁23与第二水平聚焦四极磁铁21之间的高频加速装置24以及连接在第一注入凸轨磁铁23与高频加速装置24之间并紧贴第一注入凸轨磁铁23设置的快四极磁铁25；

第三长直线节包括：靠近第四偏转二极磁铁4设置的第四水平聚焦四极磁铁31、靠近第五偏转二极磁铁5设置的第四水平散焦四极磁铁32、连接在第四水平聚焦四极磁铁31与第四水平散焦四极磁铁32之间的第二共振六极磁铁33以及连接在第二共振六极磁铁33与第四水平散焦四极磁铁32之间的引出静电切割板34(沿束流方向在第五偏转二极磁铁5上游配置第四水平散焦四极磁铁32可以减小对引出静电切割板34的强度要求)；

第四长直线节包括：靠近第五偏转二极磁铁5设置的第五水平聚焦四极磁铁41、靠近第六偏转二极磁铁6设置的第五水平散焦四极磁铁42、依次与第五水平聚焦四极磁铁41连接的第一引出静磁切割磁铁43和第二引出静磁切割磁铁44；

第一迷你直线节包括：第三水平聚焦四极磁铁51、连接在第三偏转二极磁铁3与第三水平聚焦四极磁铁51之间的横向高频激励电极52以及连接在第三水平聚焦四极磁铁51与第二偏转二极磁铁2之间的第一水平聚焦六极磁铁53；

第二迷你直线节包括：第三水平散焦四极磁铁61；

第三迷你直线节包括：第六水平聚焦四极磁铁71以及连接在第六水平聚焦四极磁铁71与第六偏转二极磁铁6之间的第二水平聚焦六极磁铁72；

第四迷你直线节包括：第六水平散焦四极磁铁81、连接在第六水平散焦四极磁铁81与第七偏转二极磁铁7之间的第二注入凸轨磁铁82。

本发明在使用时，一个治疗周期内由注入器提供低能质子束经过注入静磁切割磁铁14、注入静电切割板13、第一、第二注入凸轨磁铁23、82和第一至第八偏转二极磁铁1-8等注入到本发明的医用质子同步加速器并形成储存；然后，根据治疗要求，通过同步上升偏转二极磁铁和聚焦、散焦四极磁铁的场强，质子在高频加速装置24的作用下能量得到提升。在相应治疗的能量，在RFKO激励电极52、第一、第二共振六极磁铁15、33的作用下扩散到引出通道，引出静电切割板34和第一、第二引出静电切割磁铁43、44引出到质子同步加速器外直至病人。在需要时，可以在该治疗周期内停止引出，并切换能量实施引出。

图4为本发明的水平和垂直束流包络函数，其中，纵坐标表示该函数的大小，单位为米(m)，横坐标表示在同步加速器中的纵向位置，单位为米(m)。由图4可见，本发明具有包络函数小，有效接受度大的特点，模拟计算表明可以储存更多的质子。

综上所述，本发明采用了超高场强的8块偏转二极磁铁降低了包络函数和缩短周长，并且6块水平聚焦四极磁铁和6块水平散焦四极磁铁可有效控制包络函数的大小，另外，本发明还可采用上述各四极磁铁和校正线圈(图中未示)组合，从而减少空间占用。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (5)

1.一种医用质子同步加速器，其特征在于，所述加速器包括：

依次连接的第一至第八偏转二极磁铁，其中所述第一偏转二极磁铁与第八偏转二极磁铁相连以构成一环形结构；

分别连接在所述第一偏转二极磁铁与第八偏转二极磁铁之间、第一偏转二极磁铁与第二偏转二极磁铁之间、第四偏转二极磁铁与第五偏转二极磁铁之间以及第五偏转二极磁铁与第六偏转二极磁铁之间的第一至第四长直线节；以及

分别连接在所述第二偏转二极磁铁与第三偏转二极磁铁之间、第三偏转二极磁铁与第四偏转二极磁铁之间、第六偏转二极磁铁与第七偏转二极磁铁之间以及第七偏转二极磁铁与第八偏转二极磁铁之间的第一至第四迷你直线节；

其中，所述第一长直线节包括靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第一水平散焦四极磁铁以及靠近所述第八偏转二极磁铁设置的第一水平聚焦四极磁铁；

所述第二长直线节包括靠近所述第一偏转二极磁铁设置的第二水平聚焦四极磁铁以及靠近所述第二偏转二极磁铁设置的第二水平散焦四极磁铁；

所述第一迷你直线节包括第三水平聚焦四极磁铁；所述第二迷你直线节包括第三水平散焦四极磁铁；

所述第三长直线节包括靠近所述第四偏转二极磁铁设置的第四水平聚焦四极磁铁以及靠近所述第五偏转二极磁铁设置的第四水平散焦四极磁铁；

所述第四长直线节包括靠近所述第五偏转二极磁铁设置的第五水平聚焦四极磁铁以及靠近所述第六偏转二极磁铁设置的第五水平散焦四极磁铁；

所述第三迷你直线节包括第六水平聚焦四极磁铁；所述第四迷你直线节包括第六水平散焦四极磁铁。

2.根据权利要求1所述的医用质子同步加速器，其特征在于，

所述第一长直线节还包括：连接在所述第一水平散焦四极磁铁与第一水平聚焦四极磁铁之间的注入静电切割板、与该注入静电切割板连接的注入静磁切割磁铁以及连接在所述注入静电切割板与第一水平聚焦四极磁铁之间的第一共振六极磁铁；

所述第二长直线节还包括：连接在所述第二水平散焦四极磁铁与第二水平聚焦四极磁铁之间的第一注入凸轨磁铁以及连接在该第一注入凸轨磁铁与第二水平聚焦四极磁铁之间的高频加速装置；

所述第三长直线节还包括：连接在所述第四水平聚焦四极磁铁与第四水平散焦四极磁铁之间的第二共振六极磁铁以及连接在该第二共振六极磁铁与第四水平散焦四极磁铁之间的引出静电切割板；

所述第四长直线节还包括：依次与所述第五水平聚焦四极磁铁连接的第一引出静磁切割磁铁和第二引出静磁切割磁铁；

所述第一迷你直线节还包括：连接在所述第三偏转二极磁铁与第三水平聚焦四极磁铁之间的横向高频激励电极；

所述第四迷你直线节还包括：连接在所述第六水平散焦四极磁铁与第七偏转二极磁铁之间的第二注入凸轨磁铁。

3.根据权利要求2所述的医用质子同步加速器，其特征在于，所述第二长直线节还包括连接在所述第一注入凸轨磁铁与高频加速装置之间并紧贴所述第一注入凸轨磁铁设置的快四极磁铁。

4.根据权利要求1、2或3所述的医用质子同步加速器，其特征在于，所述第一迷你直线节还包括连接在所述第三水平聚焦四极磁铁与第二偏转二极磁铁之间的第一水平聚焦六极磁铁；所述第三迷你直线节还包括连接在所述第六水平聚焦四极磁铁与第六偏转二极磁铁之间的第二水平聚焦六极磁铁。

5.根据权利要求1、2或3所述的医用质子同步加速器，其特征在于，所述第一至第八偏转二极磁铁的偏转角度均为45°。