CN115569310A - 一种基于组合旋转束线的辐照终端及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于组合旋转束线的辐照终端及应用，辐照终端包括：组合旋转束线、旋转架和操作室。其中组合旋转束线包含旋转器束线、水平束线和与地面成一定角度的倾斜束线，可以实现不同角度的照射；组合旋转束线放置于所述旋转架上，通过旋转架0‑360度旋转单个组合束线即可实现对不同方位角的多个操作室的束流配送；多个旋转束线通过组合，可以在一个操作室内实现多角度束流照射。本发明解决了辐照装置应用推广中的难题，具有操作室数量多、照射角度多、建设成本低、占地面积小的突出优势，大幅提升了治疗效率，降低了治疗成本，是一种普惠型离子辐照终端设计方案。

Description

一种基于组合旋转束线的辐照终端及应用

技术领域

本发明涉及一种基于组合旋转束线的辐照终端及应用，属于医疗及辐照技术领域。

背景技术

离子束放疗和辐照研究广泛应用于医疗、工农业等领域。放疗是目前全世界肿瘤治疗应用非常热门的一种技术手段，离子治癌最常用的离子是质子和碳离子。碳离子线性能量密度、相对生物效应、侧向散射优势更为显著，能够产生难以修复的DNA双链断裂(DSB)，通常用作癌症治疗的最优选择。

放射治疗或辐照研究过程中耗时最长的环节是照射前的摆位和照射后剂量衰减等待，增加操作室是提高照射效率的关键瓶颈。目前放射治疗终端，是单束线对应单操作室，单操作室多角度通过多条固定束线或旋转机架技术来实现，在这种方案下，通过增加操作室来提高治疗效率，成本巨大。在目前国际通用的3-5个操作室的基础上增加操作室会导致治疗装置成本大幅增加，不利于大规模的推广应用。

采用离子束治疗癌症时，如果只用一个照射方向，皮肤与肿瘤间的正常细胞至少要受到1/3的肿瘤辐射剂量，形成不同程度的伤害，为减少这部分损害，增加治疗的焦皮比值，所以一个治疗疗程需要从不同方向来照射，将总剂量分成多个辐射方向，这样正常组织受到的剂量就大幅降低。常用的有水平终端、45度终端，垂直终端等。如我国首台国产重离子示范装置(武威碳离子治疗装置)，将束流从环形加速器加速的平面内引出，通过一段束运线后采用较大的偏转磁铁来实现束线的爬高和下穿，实现一个垂直、一个水平、一个水平+垂直的4个操作室方案，终端束线长度达到140米，设备多，束线竖向占空高，爬升高度接近20米，水平占地面积大，造价昂贵。

为了实现多角度照射，也可以使用旋转机架(gantry)技术，但由于碳离子磁刚度高，旋转机架规模非常大，如德国海德堡重离子研究中心研制的重离子旋转机架重量达630吨，其中旋转部分重量达570吨，而且体积很大，加工和运行成本很高。即使国际上正在研制的超导碳离子旋转机架重量也超过200吨。而质子治疗装置磁刚度仅为碳离子磁刚度的1/3，Gantry重量和体积大幅缩小，目前的质子治癌装置通常设置旋转机架用于多角度照射病人，为实现束流配送***需要实现很多功能，终端束线复杂，导致旋转机架设备重量大，达到百吨量级，且整个旋转机架造价非常昂贵。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于组合旋转束线的辐照终端及应用，该终端包括组合旋转束线，与常规固定束线终端方案相比，在组合旋转束线的水平束线和45度(或其它角度)束线旋转的水平圆周方向可以配置更多的操作室，操作室呈上下两层分布，操作室数量大大增加，一条组合旋转束线固定在一个旋转架上可以配置多个操作室，治疗效率大幅提升；多条组合旋转束线固定在至少两个旋转架上可以实现在一个操作室内多个角度(垂直+水平，或45度+水平)的治疗头同时照射。解决了为配置不同照射角度的终端操作室导致束线大幅增加的问题，同时减小了占地面积和束线设备投入，满足治疗终端***小型化的要求，便于推广应用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于组合旋转束线的辐照终端，包括：

组合旋转束线，固定在旋转架上，包括旋转器束线和终端束线，所述终端束线包括水平束线和与地面成一定角度的倾斜束线，所述水平束线和所述倾斜束线是所述旋转器束线的分支；

所述旋转架包括两端梁和两平行布置的主梁，两所述端梁设置于两所述主梁两端的空隙中，并将两所述主梁连接在一起；

第一操作室，数量若干，若干所述第一操作室沿所述水平束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第一层操作室，每个所述第一操作室的墙壁上开设有安装孔；

第二操作室，数量若干，若干所述第二操作室沿所述倾斜束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第二层操作室，每个所述第二操作室的墙壁上开设有安装孔；

照射头，数量若干，所述照射头分别与所述第一操作室、所述第二操作室一一对应设置，所述照射头穿过所述安装孔用于接收所述组合旋转束线传输的离子束并对患者或样品进行照射；

驱动机构，与所述旋转架传动连接，用于驱动所述旋转架沿环形轨道做0-360度旋转，进而使得所述组合旋转束线成为可做0-360度旋转的束线。

所述的辐照终端，优选地，所述终端束线还包括第一垂直束线和第二垂直束线，所述第一垂直束线和所述第二垂直束线均为所述旋转器束线的分支。

所述的辐照终端，优选地，所述水平束线、所述倾斜束线和所述第二垂直束线的离子束输出端的法兰上均装配有第一真空膜窗，所述照射头的接收端法兰上装配有第二真空膜窗，所述第一真空膜窗和所述第二真空膜窗用于实现所述组合旋转束线和所述照射头的真空密封。

所述的辐照终端，优选地，所述第一真空膜窗和所述第二真空膜窗之间的间隙尺寸为5-200mm。

所述的辐照终端，优选地，所述第一垂直束线通过推力轴承与所述照射头机械连接。

所述的辐照终端，优选地，所述主梁包括竖直梁、水平梁以及将所述竖直梁和所述水平梁连接的两斜梁，两所述主梁的所述水平梁之间通过连接轴和连接板连接在一起，所述组合旋转束线装配在两所述主梁所形成的空腔中。

所述的辐照终端，优选地，所述辐照终端还包括运动组件，所述运动组件包括相互连接的滑块和连接件，所述滑块与所述环形轨道滑动连接，所述连接件与所述驱动机构传动连接。

所述的辐照终端，优选地，所述旋转器束线通过旋转结构实现旋转，所述旋转结构包括转筒、大齿轮、齿轮轴和定位轴，所述齿轮轴和所述定位轴分别与所述旋转架紧固连接，所述大齿轮通过过渡法兰和轴承与所述定位轴连接，所述大齿轮与所述齿轮轴相啮合，所述大齿轮与所述转筒紧固连接，所述转筒用于固定所述旋转器束线，所述转筒、所述定位轴以及所述旋转架上均设置有容纳所述旋转器束线穿过的过孔。

所述的辐照终端，优选地，所述旋转器束线与所述终端束线的旋转方向相同，旋转角度是所述终端束线的1/2，所述旋转器束线x方向相移为π的偶数倍，y方向相移为π的奇数倍，以实现所述终端束线旋转过程中光学不变。

所述的辐照终端，优选地，所述旋转架的数量至少为一个，当所述旋转架的数量为两个时，分别为第一旋转架和第二旋转架，二者共轴设置，所述第一垂直束线通过偏转二极磁铁形成第二水平束线，所述第二水平束线固定在所述第二旋转架上，所述第二水平束线的照射头与所述第二垂直束线的照射头位于同一操作室内，形成垂直和水平双角度照射。

所述的辐照终端，优选地，所述旋转架的数量至少为一个，当所述旋转架的数量为两个时，分别为第一旋转架和第二旋转架，二者共轴设置，所述第一垂直束线通过偏转二极磁铁形成第二水平束线，所述第二水平束线固定在所述第二旋转架上，所述倾斜束线的照射头与所述第二水平束线的第三水平照射头位于同一操作室内，形成倾斜和水平双角度照射。

所述的辐照终端，优选地，所述照射头与所述组合旋转束线为一体式或分体式设计。

本发明第三方面还涉及上述辐照终端在照射治疗和工业辐照中的应用。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明所涉及的组合旋转束线是基于任意一种加速器以任意方式引出束流后偏转至垂直方向，再通过水平束线，第一垂直束线，第二垂直束线，45度(或其它角度)束线组合，实现不同照射角度的束流配送，进一步将束线组合进行旋转，可以实现不同方位角的多个操作室的束流配送，该组合旋转束线结构紧凑，束线长度相比常规固定束线可以缩短90％。

2、传统的治疗终端是一条束线对应一个操作室，需要4条束线实现4个操作室的束流配送，束线总长接近200米。本发明通过一条约30米的束线即可实现8个以上操作室的束流配送，这样不仅减小了磁铁、真空、电源等工艺设备的造价，而且与之配套的辅助设施的规模和成本也减小，同时装置治疗过程中的运行成本也大幅减小。

3、本发明通过单条旋转束线即可实现多操作室束流配送，旋转束线可以是单角度也可以是多角度组合束线，单角度旋转束线操作室数量可以达到8个以上，在此基础上可以构建多角度组合旋转束线，不仅可以扩展治疗角度也可以进一步提高操作室的数量，更进一步地，在上述基础上旋转束线也可以是多级组合结构，每一级多角度旋转束线都可以对应多个操作室，大幅提升治疗效率。

4、肿瘤患者一次治疗中往往需要多角度照射以降低束流通过路径上对正常细胞的伤害，而本发明通过多级旋转束线可以在一个操作室内实现多角度照射治疗，比如通过两级旋转可以实现45度和水平、垂直和水平的双角度照射，这样肿瘤患者在一个操作室内即可完成所需的多角度照射；而且这种多级旋转组合可以低成本实现多个多角度操作室，可进一步大幅提升治疗效率。

5、本发明采用分体式设计，利用真空膜窗技术，将组合旋转束线与照射头设计为分体式，进一步减小了旋转半径，降低旋转部分的加工、安装成本，提高旋转束线运动和定位精度。组合旋转束线与照射头之间采用真空膜窗实现真空密封和物理空间分离，离子束可以从组合旋转束线中无损穿过第一真空膜窗、大气、第二真空膜窗到达照射头，组合旋转束线与照射头设计为分体式，旋转半径进一步减小50％，旋转结构简单，加工、安装成本低，精度容易保证。

6、同步加速器引出的束流在水平(后续涉及到旋转，用x方向代替)和垂直(后续涉及到旋转，用y方向代替)方向具有高度不对称性，为了保证照***度要求在旋转过程中终端束斑不能发生变化，本发明采用旋转器实现了终端束线旋转过程中光学参数恒定不变，大幅降低了旋转过程中终端靶点控制难度；旋转器采用紧凑型设计，总长度仅2.5m，远小于国际上已有的9～10m的方案，大幅减小了装置垂直方向空间需求，降低了装置建设难度和成本；同一旋转器束线上的多角度束线是光学设计的一个难点，本发明通过磁铁元件位置和强度优化，将全线束斑尺寸控制在±16mm以内，可以大幅减小磁铁、电源、束诊、真空元件尺寸和造价，相应的辅助配套设施的价格也大幅降低。

7、同步加速器引出的束流在水平(后续涉及到旋转，用x方向代替)和垂直(后续涉及到旋转，用y方向代替)方向具有高度不对称性，为了保证照***度要求在旋转过程中终端束斑不能发生变化，本发明采用旋转器实现了终端束线旋转过程中光学参数恒定不变，大幅降低了旋转过程中终端靶点控制难度；该旋转器光学设计的另外一个突出优势是保持全线小束斑尺寸的条件下适配任意角度的终端束线，如本发明中的水平、垂直和45度组合旋转束线，可以同时实现多条任意角度终端束线在旋转过程中光学参数恒定不变；旋转器采用紧凑型设计，总长度仅2.5m，远小于国际上已有的9～10m的方案，大幅减小了装置垂直方向空间需求，降低了装置建设难度和成本。

8、本发明的辐照终端可以连接任意一种加速器，以更低的成本提供多角度、多操作室束流配送，进一步降低装置占地面积，减少设备投入，提升治疗效率。不仅适用于重离子装置，也可以用于质子装置；不仅适用于照射治疗，也可以用于工业辐照，是一种放疗和辐照领域的普适性方案。

附图说明

图1a为从粒子加速器水平方向引出束流向下垂直偏转至终端的示意图，图1b为向上垂直偏转至终端的示意图；

图2为本发明一实施例提供的组合旋转束线固定在旋转架上的示意图；

图3为本发明一实施例提供的组合旋转束线固定在一个旋转架上的照射***剖视图；

图4-7为本发明几种实施例提供的组合旋转束线固定在一个旋转架上的示意图，其中图7为图5中B-B向剖面图；

图8为本发明另一实施例提供的组合旋转束线固定在两个旋转架上的俯视图；

图9为图8中1-1向和2-2向的剖视图；

图10为图8中3-3向和4-4向的剖视图；

图11为本发明第三实施例提供的组合旋转束线固定在两个旋转架上的俯视图；

图12为图11中5-5向和6-6向的剖视图；

图13为图11中7-7向和8-8向的剖视图；

图14-15为本发明几种实施例提供的组合旋转束线固定在两个旋转架上的剖视图；

图16为图4、6、7、8、11、14中的A处局部放大图；

图17为图9中B处局部放大图；

图18为本发明第一水平终端的光学参数图；

图19为本发明第一45度终端的光学参数图；

图20为本发明第一垂直终端的光学参数图；

图21为本发明第二水平终端的光学参数图；

图22为本发明第三水平终端的光学参数图；

图23为本发明第一水平终端的束流包络图；

图24为本发明第一45度终端的束流包络图；

图25为本发明第一垂直终端的束流包络图；

图26为本发明第二水平终端的束流包络图；

图27为本发明第三水平终端的束流包络图；

图中各标记如下：

1-旋转器束线；2-第一水平束线；3-第一垂直束线；4-45度束线；5-第二垂直束线；6-第一旋转动密封装置，7-第二旋转动密封置；8-第一旋转架；9-第二旋转架；91-主梁；92-端梁；93-连接轴；94-运动组件；95-环形轨道；96-驱动机构；97-连接板；10-推力轴承；11-垂直照射头；12-45度照射头；13-第一水平照射头；14-第三旋转动密封置；15-第二水平束线；16-第二水平照射头；17-第三水平照射头；18-治疗床；19-旋转轴线；20-第一真空膜窗；21-第二真空膜窗；22-旋转膜窗轴线；23-照射头膜窗轴线；24-圆形滑触线；25-安装孔；26-29-第一至第四水平操作室；30-33-第一至第四45度+水平操作室；34-37第一至第四垂直+水平操作室；38-照射准备室；39旋转结构；391-转筒；392-大齿轮；393-齿轮轴；394-定位轴；395-电机；396-固定架；397-轴承；398-第一螺栓；399-第二螺栓；3910-过渡法兰；40-四极磁铁；41-45度二极磁铁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

近年来，随着加速器技术不断发展，加速器装置朝着小型化、紧凑型方向发展，装置本身占地面积在逐渐缩小，束流从加速器中的引出方式和束线布置也在朝着这方面努力。

如图1a和图1b所示，粒子加速器采用常温或超导方案，可为同步加速器，回旋加速器，FFAG(固定磁场交变梯度加速器，Fixed-FieldAlternating Gradient)，直线加速器或其他类型加速器。粒子加速器中束流可以从内侧或外侧水平方向引出，引出束经过束运线1垂直向下偏转至束运线2传输至终端；或经过束运线1垂直向上偏转至束运线2传输至终端。粒子加速器中束流也可以从外侧或内侧经Lambertson(铁切割磁铁)切割磁铁由垂直方向引出。

放射治疗过程中耗时最长的环节是照射前的摆位和放射后剂量衰减等待，增加操作室是提高治疗效率的关键瓶颈。目前放射治疗终端，是单束线对应单操作室，单操作室多角度通过多条固定束线或旋转机架技术来实现，在这种方案下，通过增加操作室来提高治疗效率，成本巨大。在目前国际通用的3-5个操作室的基础上增加操作室会导致治疗装置成本大幅增加，不利于大规模的推广应用。

本发明通过单条旋转束线即可实现多操作室束流配送，旋转束线可以是单角度也可以是多角度组合束线，单角度旋转束线操作室数量可以达到8个以上，在此基础上可以构建多角度组合旋转束线，不仅可以扩展治疗角度也可以进一步提高操作室的数量，更进一步地，在上述基础上本旋转束线也可以是多级组合结构，每一级多角度旋转束线都可以对应多个操作室，大幅提升治疗效率。

本发明所提供的基于组合旋转束线的辐照终端，为任意一种加速器以任意方式引出束流后偏转至垂直(向上或向下)方向的布置方式提供多角度、多操作室、单室多角度的终端照射***，可进一步缩小装置占地面积，减少设备投入，提升治疗效率。

下面结合附图对本发明进行详细阐释。

如图2所示，本发明所提供的组合旋转束线包括：旋转器束线1，以及由常规磁铁、超导磁铁、超导线圈或它们之间的任意组合构成的第一水平束线2、第一垂直束线3、以及45度(或其它角度)束线4和第二垂直束线5组成的组合旋转束线，将旋转器束线1和第一垂直束线3连接在一起的第一旋转动密封装置6和第二旋转动密封装置7，第一旋转动密封装置6和第二旋转动密封装置7用于旋转过程中的真空保持。

如图3-7所示，其为单个组合旋转束线终端照射***(束线固定在1个旋转架上)，单个组合旋转束线可以根据偏转磁铁进行任意组合，本发明只列举几种典型的实施例，其余的任一组合束线均包含在本发明内。组合旋转束线固定在旋转架上，在驱动机构96的作用下实现旋转，操作室同样分为上下两层，上层为水平操作室、下层布置45度操作室和垂直操作室。如图4所示，该实施例提供了加速器中的束流以任意方式引出后，偏转至垂直方向，经过一次偏转后再形成组合终端束线，该结构的显著优势是可以降低***整体高度。偏转磁铁及组合终端束线固定在旋转架上，在旋转圆周方向上分别布置不同照射角度的操作室。同样，优选地，可以布置12个操作室，当然根据治疗计划，可以设置更多的操作室。如图7所示，组合束线可以设计成对称结构，旋转架只需旋转180度或者更小，即可实现所有的照射角度，有助于进一步缩短治疗等待时间，提高治疗效率。

具体地，如图3所示，本发明所提供的基于组合旋转束线固定在一个旋转架上的辐照终端的操作室分为上下两层，上层为第一水平束线2旋转的水平圆周方向布置的水平操作室，显然，第一层的照射准备室38也可以是水平操作室，这样就可以均匀布置8个水平操作室，下层为45度(或其它角度)束线4旋转的水平圆周方向布置4个45度(或其它角度)操作室。第二垂直束线5旋转的圆周方向布置4个垂直操作室，优选地、垂直操作室和45度操作室错位布置，该组合旋转束线优选地可以布置16个操作室。

现实中，肿瘤患者一次治疗中往往需要多角度照射以降低束流通过路径上对正常细胞的伤害，而本发明通过多级旋转束线可以在一个操作室内实现多角度照射治疗，比如通过两级旋转可以实现45度和水平、垂直和水平的双角度照射，这样肿瘤患者在一个操作室内即可完成所需的多角度照射，无需在单角度操作室之间来回转换，可以减小转换时间和准备之间，而且这种多级旋转组合可以低成本实现多个多角度操作室，可进一步大幅提升治疗效率。

如图9所示，将两个组合旋转束线固定于竖向共轴设置的第一旋转架8和第二旋转架9上；第一旋转架8包括两端梁和两平行布置的“龙门型”主梁，两端梁设置于两主梁两端的空隙中，并将两主梁机械地连接在一起；第二旋转架9包括两端梁92和两平行布置的“人字型”主梁91，两端梁92设置于两主梁91两端的空隙中，并将两主梁91机械地连接在一起，主梁91用于将组合旋转束线的重力分散到端梁92上，端梁92下部设有运动组件94，运动组件94包括相互连接的滑块和连接件，连接件与驱动机构96传动连接，滑块与环形轨道95滑动连接，环形轨道95对滑块起导向、约束作用。连接轴93将两个主梁91的竖直梁、水平梁连接在一起。连接板97将主梁91焊接形成箱型桥式结构，该结构轻且具备良好的竖向截面抗弯强度，承载大。四组驱动机构96可以同步传动，安装在端梁92处，通过与环形轨道95摩擦传动，用于实现组合旋转束线和旋转架在水平面内0-360度的旋转，成为两条组合旋转终端束线。

如图9-10、12-15所示，本发明提供了一些组合旋转束线固定在两个旋转架上的剖视图，具体地，如图9所示，第一旋转架8和第二旋转架9竖直共轴设置，第二旋转架9位于第一旋转架8的下方，第一旋转架8上的组合旋转束线通过任意分支可以形成水平束线、垂直束线、45度束线或者其它任意的角度束线。为了实现在一个操作室内对患者或样品同时进行双角度照射，第一垂直束线3引出的束流，通过偏转二极磁铁形成第二水平束线15，第二水平束线15固定在第二旋转架9上，第二水平束线15通过第三旋转动密封装置14与第一垂直束线3真空连接，以确保相对旋转过程中真空保持。第一垂直束线3通过推力轴承10连接在第一旋转架8上，第一垂直束线3在第一旋转架8旋转时，在重力的作用下依靠推力轴承10保持静止不动。

如图9、10所示，第二水平束线15安装在第二旋转架9上，随第二旋转架9一起实现0-360度旋转，第二旋转架9与第一旋转架8共轴旋转，两者可以单独旋转，也可以同步旋转。第二水平照射头16通过安装孔25安装在第二层的第一至第四垂直+水平操作室34-37中，与垂直照射头11(垂直照射头11是与从固定在第一旋转架8上的45度束线分支出来的垂直束线所对应设置的垂直照射头)在同一操作室中形成双照射角度。第二层的45度操作室30和垂直操作室34错位布置，这样可以在第二层的第一至第四45度+水平操作室30-33中安装第三水平照射头17，第三水平照射头17与45度照射头12在同一操作室中形成双照射角度。

如图9-10、12-15所示，附图标记11-13和16-17为不同角度的分体式照射头通过操作室中的安装孔25固定安装在操作室内，旋转架通过圆形滑触线24供电，在驱动机构96的作用下实现组合旋转束线0-360度旋转，组合旋转束线与固定角度安装的照射头11-13、16-17之间采用第一真空膜窗20和第二真空膜窗21实现真空密封和物理空间分隔，如图16所示，离子束可以从组合旋转束线依次无损穿过第一真空膜窗20、大气和第二真空膜窗21后到达照射头。相比固定束线的终端治疗***，本发明的组合旋转束线固定在两个旋转架上的终端治疗***操作室布置多，优选地可达12个，束线长度仅为常规束线的10％左右，治疗角度覆盖常规束线布置的所有治疗角度，且可以提供8个双角度操作室。当然，本发明中的照射头与终端束线可以是固定连接，即照射头11-13、16-17与终端束线之间不设置真空膜窗，也可以实现终端治疗***多个操作室的布置。

具体地，如图8-15所示，其提供了几种多个组合旋转束线终端照射***(束线固定在2个旋转架上)，显然，其他的能够达到该照射效果的任意束线组合也是可行的，此处不再一一详述。该多个组合旋转束线终端照射***可以提供4个45度+水平照射角度，4个垂直+水平照射角度，4个水平照射角度，肿瘤患者在一个操作室内可以一次完成所需的多照射角度，进一步提高治疗效率。根据操作室的布置和治疗需求，还可以配置更多的上述操作室。

除此之外，可以在组合旋转束线基础上设置更多单个或多个组合旋转束线，形成旋转束线群，多个组合旋转束线间共轴设置，多个旋转束线可以单独旋转，也可以同步旋转，这些旋转束线不仅可以扩展操作室的数量和照射角度，也可以相互交叠形成一个操作室内多照射角度的布局。

如图2、17所示，本发明的旋转器束线1通过旋转结构39与第一旋转架8或第二旋转架9连接。旋转结构39包括：转筒391，用于对旋转器束线1上的若干四极磁铁进行安装固定；大齿轮392和转筒391通过第一螺栓398连接，齿轮轴393和大齿轮392相啮合，定位轴394和第一旋转架8或第二旋转架9通过第二螺栓399紧固连接，大齿轮392和定位轴394通过过渡法兰3910和轴承397连接。旋转器束线1上的若干四极磁铁通过固定架396固定安装在转筒391内。转筒391、定位轴394以及旋转架上均设置有容纳旋转器束线1穿过的过孔。通过电机395带动齿轮轴393驱动大齿轮392，大齿轮392带动转筒391实现旋转器束线1上若干四极磁铁的旋转。旋转结构39和旋转器束线1组成旋转器，旋转器用于消除束线旋转对终端束斑的影响。旋转器与终端束线旋转方向相同，旋转角度为终端束线旋转角度的1/2。旋转器中的若干四极磁铁采用镜像对称光学设计。

本发明提出了一套实现组合旋转束线的紧凑型光学设计，其包括旋转器束线1和多条终端束线。旋转器束线1是所有终端束线(终端束线包括第一水平束线2、45度束线4、第一垂直束线3、第二垂直束线5等)的共用束线。

旋转器束线1是实现组合旋转束线的关键部件，用于消除束线旋转对终端束斑的影响。在本发明一个具体实施例中，旋转器束线1由7块四极磁铁40组成，如图18所示。在旋转的过程中旋转器束线1与终端束线旋转方向相同，旋转角度为终端束线旋转角度的1/2。旋转器束线1采用镜像对称光学设计，即7块四极磁铁40以第四块四极磁铁40为中心，剩余6块四极磁铁40成镜像对称布置，在中间位置(第四块四极磁铁处)束流的x方向α函数和y方向α函数均为零。这段束线最大的特点在于x方向相移为2π，y方向相移为π，入口和出口光学参数(twiss参数)镜像对称。为了缩短旋转器束线1的长度，优选的四极磁铁40均采用超导磁铁，归一化积分梯度为2～20/m，总长度仅为2.5m，也可以采用常温磁铁设计，相应的总长度为10～20m。四极磁铁40也可以通过5～10块的组合实现。该旋转器光学设计的另外一个突出优势是保持全线小束斑尺寸的条件下适配任意角度的终端束线，如本发明中的水平、垂直和45度组合旋转束线，可以同时实现多条任意角度终端束线在旋转过程中光学参数恒定不变。

终端束线(终端束线包括第一水平束线2、45度束线4、第一垂直束线3、第二垂直束线5等)用于将旋转器束线1传输过来的束流分配到不同的终端，并按照终端要求的靶点尺寸和扫描面积进行匹配。

在本发明一个具体实施例中，第一水平束线2的光学设计如图18所示，其包含两台45度二极磁铁41，如图中关于水平轴线(横坐标)上下对称的黑色块所示，以及5台四极磁铁40，如图中分布水平轴线(横坐标)上下两侧的黑色块所示，其中位于水平轴线上方的黑色块表示聚焦四极磁铁，位于水平轴线下方的黑色块表示散焦四极磁铁。两台45度二极磁铁41，用于将束流偏转至水平方向，同时与四极磁铁40(横坐标中从左向右起第一台四极磁铁)组成消色散结构，第2～5台四极磁铁40用于终端束斑匹配，四极磁铁40归一化积分梯度为0.5～5/m，第一水平束线2采用紧凑型设计，总长度小于15m，束流包络如图23所示，全线束流横向尺寸小于±15mm。

图18中第一水平束线2的上半部分虚曲线代表y方向β函数，实曲线代表x方向β函数，分别表明了束流在第一水平束线2中稳定传输时x方向和y方向尺寸的大小关系，下半部分的虚曲线代表了y方向色散函数，表示束流受动量分散的影响而叠加的y方向运动轨迹的波动，本发明实施例中第一水平束线2x方向方向色散函数恒为零。从光学图中可以判断出β函数过渡光滑，保证了光学结构的稳定性。图19-22的光学图也能得出与图18相似的结论。

在本发明一个具体实施例中，45度束线4的光学设计如图19所示，包含一台45度二极磁铁41以及7台四极磁铁40，其中一台45度二极磁铁41用于将束流偏转至45度方向，四极磁铁40用于终端束斑匹配，并将终端色散降为零，四极磁铁40的归一化积分梯度为0.5～5/m，该终端束线采用紧凑型设计，总长度小于20m，束流包络如图24所示，全线束流横向尺寸(x方向和y方向)小于±15mm。

在本发明一个具体实施例中，第二垂直束线5的光学设计如图20所示，包含两台45度二极磁铁41以及5台四极磁铁40，其中两台偏转方向相反的45度二极磁铁41用于将束流偏转至垂直方向，四极磁铁40与45度二极磁铁41组成消色散结构，并且用于终端束斑匹配，四极磁铁40的归一化积分梯度为0.5～5/m，该终端束线采用紧凑型设计，总长度小于18m，束流包络如图25所示，全线束流横向尺寸小于±15mm。

在本发明一个具体实施例中，第二水平束线15的光学设计如图21所示，包含第一垂直束线3的4台四极磁铁40，用于与第二水平束线15进行束流匹配；第二水平束线15的两台45度二极磁铁41和1台四极磁铁40，形成消色散结构；第二水平照射头16为漂移节，用于束流匹配。四极磁铁40的归一化积分梯度为0.5～5/m，该终端束线采用紧凑型设计，总长度小于20m，束流包络如图26所示，全线束流横向尺寸小于±16mm。

在本发明一个具体实施例中，第三水平束线光学设计如图22所示，包含与第二水平束线15共用的束线1、3、15，以及第三水平照射头17；第三水平照射头17包含3块四极磁铁40用于靶点束流匹配。四极磁铁40归一化积分梯度为0.5～5/m，该终端束线采用紧凑型设计，总长度小于25m，束流包络如图27所示，全线束流横向尺寸小于±15mm。

更进一步地，第一垂直束线3与第二水平束线15组成的水平+垂直双照射角度束线，45度束线4与第三水平束线组成水平+45度双照射角度束线以及其他所有全线束流的横向尺寸均小于±16mm，这样可以大幅减小磁铁元件尺寸和造价，相应的电源及辅助配套设施的价格也大幅降低。

图23中上半部分代表了第一水平束线2中束流x方向的尺寸变化，下半部分代表了第一水平束线2中束流y方向的尺寸变化，束流尺寸决定了磁铁元件、真空元件的尺寸，也就决定了硬件***的造价。第一水平束线2采用了紧凑型设计方案，束流x方向尺寸和y方向尺寸均小于±15mm，相对于常规的±30mm束流尺寸大幅减小，大幅降低了硬件***造价。图24-27的光学图也能得出与图23相似的结论。

本发明第二方面还提供辐照终端的操作方法，包括如下步骤：

当肿瘤患者或样品需要照射时，旋转器束线1在电机395的驱动下发生旋转进而影响束流的偏转方向，将束流分配给不同的束线终端，通过所述驱动机构13带动所述组合旋转束线绕旋转轴线22旋转，使得旋转膜窗轴线20和照射头膜窗轴线21重合；

患者或样品定位后，所需离子束依次通过所述旋转器束线1、所述水平束线2和所述倾斜束线，然后经过所述第一真空膜窗19和所述第二真空膜窗29，最后所述照射头接收离子束对患者或样品进行照射。

当采用第一垂直束线3照射时，离子束无需经过真空膜窗，直接配送至相应的垂直治疗(辐照)头；当选择用45度(或其它角度)束线4，或者第二垂直束线5，或者水平束线2照射时，所需离子束经过旋转器束线1，通过第一旋转动密封装置6到达固定在旋转***上的终端束线，通过旋转架的旋转使旋转膜窗轴线20和照射头膜窗轴线21重合，离子束经过两者之间的真空膜窗到达治疗(辐照)头进行照射。

本发明第三方面涉及上述辐照终端在照射治疗和工业辐照中的应用。

以上实施例仅用以说明本发明的任意一种加速器的垂直向下引出或水平引出后再偏转至垂直向下方向的情况，显然本发明的所有结构也适用于任意一种加速器的垂直向上引出或水平引出后再偏转至垂直向上方向的情况，以上两种情况均包含在本发明范围之内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种基于组合旋转束线的辐照终端，其特征在于，包括：

组合旋转束线，固定在旋转架上，包括旋转器束线和终端束线，所述终端束线包括水平束线和与地面成一定角度的倾斜束线，所述水平束线和所述倾斜束线是所述旋转器束线的分支；

所述旋转架包括两端梁和两平行布置的主梁，两所述端梁设置于两所述主梁两端的空隙中，并将两所述主梁连接在一起；

第一操作室，数量若干，若干所述第一操作室沿所述水平束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第一层操作室，每个所述第一操作室的墙壁上开设有安装孔；

第二操作室，数量若干，若干所述第二操作室沿所述倾斜束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第二层操作室，每个所述第二操作室的墙壁上开设有安装孔；

照射头，数量若干，所述照射头分别与所述第一操作室、所述第二操作室一一对应设置，所述照射头穿过所述安装孔用于接收所述组合旋转束线传输的离子束并对患者或样品进行照射；

驱动机构，与所述旋转架传动连接，用于驱动所述旋转架沿环形轨道做0-360度旋转，进而使得所述组合旋转束线成为可做0-360度旋转的束线。

2.根据权利要求1所述的辐照终端，其特征在于，所述终端束线还包括第一垂直束线和第二垂直束线，所述第一垂直束线和所述第二垂直束线均为所述旋转器束线的分支。

3.根据权利要求2所述的辐照终端，其特征在于，所述水平束线、所述倾斜束线和所述第二垂直束线的离子束输出端的法兰上均装配有第一真空膜窗，所述照射头的接收端法兰上装配有第二真空膜窗，所述第一真空膜窗和所述第二真空膜窗用于实现所述组合旋转束线和所述照射头的真空密封。

4.根据权利要求3所述的辐照终端，其特征在于，所述第一真空膜窗和所述第二真空膜窗之间的间隙尺寸为5-200mm。

5.根据权利要求2所述的辐照终端，其特征在于，所述第一垂直束线通过推力轴承与所述照射头机械连接。

6.根据权利要求1所述的辐照终端，其特征在于，所述主梁包括竖直梁、水平梁以及将所述竖直梁和所述水平梁连接的两斜梁，两所述主梁的所述水平梁之间通过连接轴和连接板连接在一起，所述组合旋转束线装配在两所述主梁所形成的空腔中。

7.根据权利要求1所述的辐照终端，其特征在于，所述辐照终端还包括运动组件，所述运动组件包括相互连接的滑块和连接件，所述滑块与所述环形轨道滑动连接，所述连接件与所述驱动机构传动连接。

8.根据权利要求1所述的辐照终端，其特征在于，所述旋转器束线通过旋转结构实现旋转，所述旋转结构包括转筒、大齿轮、齿轮轴和定位轴，所述齿轮轴和所述定位轴分别与所述旋转架紧固连接，所述大齿轮通过过渡法兰和轴承与所述定位轴连接，所述大齿轮与所述齿轮轴相啮合，所述大齿轮与所述转筒紧固连接，所述转筒用于固定所述旋转器束线，所述转筒、所述定位轴以及所述旋转架上均设置有容纳所述旋转器束线穿过的过孔。

9.根据权利要求1所述的辐照终端，其特征在于，所述旋转器束线与所述终端束线的旋转方向相同，旋转角度是所述终端束线的1/2，所述旋转器束线x方向相移为π的偶数倍，y方向相移为π奇数倍，以实现所述终端束线旋转过程中光学不变。

10.根据权利要求2所述的辐照终端，其特征在于，所述旋转架的数量至少为一个，当所述旋转架的数量为两个时，分别为第一旋转架和第二旋转架，二者共轴设置，所述第一垂直束线通过偏转二极磁铁形成第二水平束线，所述第二水平束线固定在所述第二旋转架上，所述第二水平束线的照射头与所述第二垂直束线的照射头位于同一操作室内，形成垂直和水平双角度照射。

11.根据权利要求2所述的辐照终端，其特征在于，所述旋转架的数量至少为一个，当所述旋转架的数量为两个时，分别为第一旋转架和第二旋转架，二者共轴设置，所述第一垂直束线通过偏转二极磁铁形成第二水平束线，所述第二水平束线固定在所述第二旋转架上，所述倾斜束线的照射头与所述第二水平束线的第三水平照射头位于同一操作室内，形成倾斜和水平双角度照射。

12.根据权利要求1所述的辐照终端，其特征在于，所述照射头与所述组合旋转束线为一体式或分体式设计。

13.一种如权利要求1-12任意一项所述辐照终端在照射治疗和工业辐照中的应用。

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