CN117504167A - 一种基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端，包括：固定束线和旋转束线，旋转束线固定在第一机架上，旋转束线包括水平束线和与地面成锐角的倾斜束线，第一机架与第一传动机构连接，第一传动机构的下方装配有升降机构；偏转单元，固定在第二机架上，第二机架与第二传动机构连接，偏转单元与倾斜束线适时接触以形成垂直束线；第一治疗室，数量若干，若干第一治疗室沿旋转束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第一层治疗室；第二治疗室，数量若干，若干第二治疗室沿偏转单元旋转的圆周方向均匀布置，形成第二层治疗室；治疗头，数量若干，分别与第一治疗室、第二治疗室一一对应设置，治疗头用于接收旋转束线传输的离子束并对患者进行照射治疗。

Description

一种基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端

技术领域

本发明涉及一种基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端，属于离子束照射治疗技术领域。

背景技术

离子束放疗和辐照研究应用日益广泛。放射治癌是目前应用非常热门的一种技术手段，由于离子束对生物体的照射具有倒转的深度剂量分布和较高的相对生物学效应，在杀死肿瘤细胞的同时能够更好的避免对正常细胞的伤害，使得离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前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，但是目前投入运行的碳离子加速器的规模大，装置占地面积大，造价昂贵。

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。

加速器治疗终端束线是加速器治癌装置实现病人接受束流照射的必备设备，为了实现多照射角度，一台加速器需要配置不同照射角度的治疗终端，常用的有水平终端、垂直终端和45度终端，为了配置这些固定角度的治疗终端，通常终端束流传输线设计的很长，采用较大的偏转磁铁来实现束线的爬高和下穿，这使得装置占地面积增大，设备费用大幅增加，设备安装难度提高，整体投资高。如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，实现两个垂直、两个水平、一个45度角度的5个治疗室方案，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。采用组合旋转束线可以实现多室多角度照射治疗，采用不同束线的组合可以实现上下两层多角度、多治疗室的终端治疗布局。

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，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。由于大体积和大重量，导致机架转动惯量非常大，转动速度慢，最大只有1rpm，要实现不同角度下的照射，转动定位等待时间长，治疗效率低下。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端，该终端可以大大缩段旋转束线的长度，减小磁铁等设备的投入，大大减小旋转***的转动惯量，提高转动速度，可达2rpm，定位精度可提高至0.1mm，在更低的建造成本下大幅增加治疗室的数量，形成多治疗室、多角度的终端布局，大幅提升治疗效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端，包括：

固定束线和旋转束线，二者之间通过伸缩部件连接，所述旋转束线固定在第一机架上，所述旋转束线包括水平束线和与地面成锐角的倾斜束线，所述第一机架与第一传动机构连接，所述第一传动机构的下方装配有升降机构，所述第一传动机构用于驱动所述第一机架沿环形轨道做0-360度旋转；

偏转单元，固定在第二机架上，所述第二机架与第二传动机构连接，所述第二传动机构用于驱动所述第二机架以所述第一机架的旋转轴线为轴心沿环形轨道做0-360度旋转，所述偏转单元与所述倾斜束线适时接触以形成垂直束线；

控制机构，用于控制所述第一传动机构和所述第二传动机构同步旋转或独立旋转；

第一治疗室，数量若干，若干所述第一治疗室沿所述旋转束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第一层治疗室，每个所述第一治疗室的墙壁上开设有安装孔；

第二治疗室，数量若干，若干所述第二治疗室沿所述偏转单元旋转的圆周方向均匀布置，形成第二层治疗室，每个所述第二治疗室的墙壁上开设有安装孔；

治疗头，数量若干，所述治疗头分别与所述第一治疗室、所述第二治疗室一一对应设置，所述治疗头穿过所述安装孔用于接收所述旋转束线传输的离子束并对患者或样品进行照射。

所述的治疗终端，优选地，所述治疗头包括水平治疗头、垂直治疗头和倾斜治疗头，所述倾斜束线在所述升降机构的驱动下向上升高至同时与所述偏转单元、所述第二层治疗室内的所述倾斜治疗头相适配的通道，进而形成与所述第一层治疗室内的所述垂直治疗头相适配的垂直治疗终端或与所述第二层治疗室内的所述倾斜治疗头相适配的倾斜治疗终端；

同时，所述水平束线在所述升降机构的驱动下向上升高至与所述第二层治疗室内的所述水平治疗头相适配的通道，形成水平治疗终端。

所述的治疗终端，优选地，当所述偏转单元在通电状态下，所述倾斜束线与所述第一层治疗室内的所述垂直治疗头相适配，形成垂直治疗终端，同时所述水平束线与所述第二层治疗室内的所述水平治疗头相适配，形成水平治疗终端。

所述的治疗终端，优选地，当所述偏转单元在非通电状态下，所述倾斜束线与所述第二层治疗室内的所述倾斜治疗头相适配，形成倾斜治疗终端，同时所述水平束线与所述第二层治疗室内的所述水平治疗头相适配，形成水平治疗终端。

所述的治疗终端，优选地，每个所述第一治疗室内所述治疗头的数量至少为三个，每个所述第二治疗室内所述治疗头的数量至少为两条。

所述的治疗终端，优选地，所述伸缩部件为金属波纹管或者其他可做伸缩运动的真空密封元件。

所述的治疗终端，优选地，所述偏转单元为偏转二极磁铁。

所述的治疗终端，优选地，所述偏转二极磁铁为45度偏转二极磁铁或者其它任意偏转角度的二极磁铁。

所述的治疗终端，优选地，所述旋转束线与所述治疗头之间通过真空膜窗无接触对接。

所述的治疗终端，优选地，所述偏转单元的两端分别通过真空膜窗与所述治疗头、所述倾斜束线无接触对接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的治疗终端可以大幅降低束线长度、旋转***重量、转动惯量以及建造成本。具体地，离子治疗中，一台加速器为了提供不同的治疗角度，采用多条分支束线，且为了配置多个治疗室，束线延伸的很长，设备数量多。传统的治疗终端是一条束线对应一个治疗室，需要4条束线实现4个治疗室的束流配送，束线总长接近200米。本发明通过一条约20米的束线即可实现16个及以上治疗室的束流配送，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。束线短、设备少，旋转***的重量轻，因而转动惯量是传统质子Gantry的20％，传动***设计简单，传动精度高,转动速度高，等待时间短，治疗效率高。

2、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，增加治疗室是提高治疗效率的关键瓶颈。目前放射治疗终端，是单束线对应单治疗室，单治疗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，通过增加治疗室来提高治疗效率，成本巨大。在目前国际通用的3-5个治疗室的基础上增加治疗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。本发明通过一种多通道、小惯量旋转束线即可实现多治疗室多角度束流配送，无须通过增加束线即可实现16个多角度治疗室，大幅提升治疗效率。

3、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，而本发明通过一种多通道、小惯量旋转束线可以在一个治疗室内实现多角度照射治疗，可以在一个治疗室内同时实现45度和水平、垂直的三照射角度，以及45度和水平的双角度照射，这样肿瘤患者在一个治疗室内即可完成所需的多角度照射，大大减小了更换治疗室带来的重新摆位等待时间和周转时间。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端的俯视图；

图2为图1的A-A向剖视图，图2为第一机架升高前的示意图；

图3为图2中的第一机架升高后的示意图；

图4为本发明该实施例提供的治疗终端的轴侧局部剖视图；

图5为图2的B-B向剖视图。

图中各标记如下：

1-45度束线；2-水平束线；3-45度偏转二极磁铁；4-波纹管；5-第一机架；6-第一传动机构；7-升降机构；8-第二机架；9-第二传动机构；10-第一水平治疗头；11-第一45度治疗头；12-垂直治疗头；13-第二水平治疗头；14-第二45度治疗头；15-治疗床；16-旋转轴线；17-24为第一层第一至第八三角度治疗室；25-32-第二层第一至第八双角度治疗室。

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。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

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，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。

针对现有重离子治疗装置中为提供多治疗室、多角度照射，存在终端束线长，占地面积大，投资高，建设周期长，安装难度大等问题，本发明提供一种基于双通道、小惯量旋转束线的治疗终端，该终端采用可升降双束线旋转***与旋转二极磁铁组合，可提供多种治疗角度，且提供多层、多治疗室、多角度的布局。相比多条组合旋转束线，简化并大大缩短了束线长度，相比常规终端束线方案，束线长度由112米可以缩短至20m。可提供单角度照射，双角度照射和三角度照射，多层、多治疗室、多角度的终端照射***，可进一步减少设备投入，提升治疗效率，不仅适用于重离子，也适用于质子治疗。

本发明所提供的基于多通道、小惯量旋转束线的治疗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***。加速器可以是同步加速器，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。粒子加速器中的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。

下面结合附图对本发明进行详细阐释。

如图1、2所示，本发明所涉及的基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端，包括固定束线(图中未示出)和旋转束线，固定束线与旋转束线通过波纹管4连接，即波纹管4的两端分别与固定束线、旋转束线的真空法兰连接；旋转束线包括45度束线1(也可以是其他角度的锐角束线)和水平束线2，旋转束线固定在第一机架5上，第一机架5的下方装配有第一传动机构6，第一机架5在第一传动机构6的驱动下沿环形轨道做360度旋转，进而使得旋转束线成为可作360度旋转的束线，第一传动机构6的下方装配有升降机构7，第一机架5在升降机构7的驱动下，可以做上下往复运动。

进一步地，本发明的治疗终端还包括45度偏转二极磁铁3(当然其他角度的偏转二极磁铁也是可行的)，固定在第二机架8上，第二机架8的下方装配有第二传动机构9，第二机架8在第二传动机构9的驱动下以第一机架5的轴线16为中心沿环形轨道做360度旋转，进而使得45度偏转二极磁铁3成为可作360度旋转的二极磁铁。第一机架5和第二机架8在控制机构的作用下，可同步旋转或独立旋转。

进一步地，本发明的治疗终端还包括：第一治疗室，数量若干，若干第一治疗室沿旋转束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第一层治疗室，每个第一治疗室的墙壁上开设有安装孔；第二治疗室，数量若干，若干第二治疗室沿偏转单元旋转的圆周方向均匀布置，形成第二层治疗室，每个第二治疗室的墙壁上开设有安装孔；治疗头，数量若干，治疗头分别与第一治疗室、第二治疗室一一对应设置，治疗头穿过安装孔用于接收旋转束线传输的离子束并对患者或样品进行照射。

进一步地，如图2所示，旋转束线与治疗头之间通过真空膜窗无接触对接，45度偏转二极磁铁3(偏转单元)的两端分别通过真空膜窗与治疗头、45度束线1无接触对接对接。

具体地，如图2-5所示，第一层治疗终端设置有八个治疗室，即第一层第一至第八三角度治疗室17-24，每个治疗室内设置有三个角度的治疗头，分别为第一水平治疗头10、第一45度治疗头11和垂直治疗头12；第二层治疗终端也设置有八个治疗室，即第二层第一至第八双角度治疗室25-32，每个治疗室内设置有两个角度的治疗头，分别为第二水平治疗头13和第二45度治疗头14。当然，每层治疗室的数量根据实际需要可做调整，同时每个治疗室内的治疗头数量也可以根据实际需要进行设置，不限于上述三个或两个角度的治疗头，本发明不对束线的角度、治疗头的数量、治疗室的数量进行限定。

本发明所提供的治疗终端，其工作原理具体如下：

如图2所示，第一机架5升高前，旋转束线与第一层治疗室内的治疗头相适配，即水平束线2与第一层治疗室内的第一水平治疗头10相适配，形成水平治疗终端，45度束线1与第一层治疗室内的第一45度治疗头11相适配，形成45度治疗终端。

如图3所示，第一机架5在升降机构7的驱动下升高后，旋转束线与第二层治疗室内的治疗头相适配，即水平束线2与第二层治疗室内的第二水平治疗头13相适配，形成水平治疗终端，45度束线1与第二层治疗室内的第二45度治疗头14相适配，形成45度治疗终端，同时45度束线1还与第二层治疗室内的45度偏转二极磁铁3形成相适配的通道，进而与第一层治疗室内的垂直治疗头12形成垂直治疗终端。这样可以形成两层治疗室、甚至多层治疗室的交叉治疗终端。

在使用过程中，第一机架5在升降机构7的驱动下升高后，45度偏转二极磁铁3在加电状态下，45度束线1与45度偏转二极磁铁3形成相适配的通道，进而与第一层治疗室内的垂直治疗头12形成垂直治疗终端，同时水平束线2与第二层治疗室内的第二水平治疗头13相适配，形成水平治疗终端。

另外一方面，在使用过程中，第一机架5在升降机构7的驱动下升高后，45度偏转二极磁铁3在非加电状态下，45度束线1与第二层治疗室内的第二45度治疗头14相适配，形成45度治疗终端，同时水平束线2与第二层治疗室内的第二水平治疗头13相适配，形成水平治疗终端。

如图4所示，其为本发明治疗终端的轴侧局部剖视图，从图中可以看出，通过双束线的升降以及与旋转二极磁铁(45度偏转二极磁铁3)的组合，可以实现上、下两层均包含8个治疗室(第一层第一至第八三角度治疗室17-24、第二层第一至第八双角度治疗室25-32)同时靶点位于同一点的放射治疗方案，治疗床15位于治疗室内。具体地，上层可以实现第二层第一至第八双角度治疗室25-32、双角度(45度和水平照射角度)同时靶点同样位于同一点的照射；下层可以实现第一层第一至第八三角度治疗室17-24、三角度(水平、45度和垂直角度)同时靶点同样位于同一点的照射。相比传统的单治疗室单角度，肿瘤患者或样品无需换位，即在一个治疗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。当然本发明的照射角度不限于上述所提及的两角度或三角度，可以根据实际需要调整所需的角度与数量。

另外一方面，本发明的旋转束线长度大幅缩减，仅有20米，这是因为第一层治疗室与第二层治疗室仅需通过一条水平束线的上下移动即可实现两层治疗室水平方向的束流照射，而且，第一层治疗室内的垂直束线、倾斜束线(锐角束线)与第二层治疗室内的倾斜束线(锐角束线)均是通过一条束线的上下移动即可实现两层治疗室垂直方向以及与地面成锐角方向的束流照射，大大降低了旋转束线的长度。

本发明中的第一传动机构6、第二传动机构9以及升降机构7为常规装置，本发明不再具体阐述。

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 (10)

1.一种基于多通道、小惯量旋转束线的治疗终端，其特征在于，包括：

固定束线和旋转束线，二者之间通过伸缩部件连接，所述旋转束线固定在第一机架上，所述旋转束线包括水平束线和与地面成锐角的倾斜束线，所述第一机架与第一传动机构连接，所述第一传动机构的下方装配有升降机构，所述第一传动机构用于驱动所述第一机架沿环形轨道做0-360度旋转；

偏转单元，固定在第二机架上，所述第二机架与第二传动机构连接，所述第二传动机构用于驱动所述第二机架以所述第一机架的旋转轴线为轴心沿环形轨道做0-360度旋转，所述偏转单元与所述倾斜束线适时接触以形成垂直束线；

控制机构，用于控制所述第一传动机构和所述第二传动机构同步旋转或独立旋转；

第一治疗室，数量若干，若干所述第一治疗室沿所述旋转束线旋转的圆周方向均匀布置，形成第一层治疗室，每个所述第一治疗室的墙壁上开设有安装孔；

第二治疗室，数量若干，若干所述第二治疗室沿所述偏转单元旋转的圆周方向均匀布置，形成第二层治疗室，每个所述第二治疗室的墙壁上开设有安装孔；

治疗头，数量若干，若干所述治疗头分别与所述第一治疗室、所述第二治疗室一一对应设置，所述治疗头穿过所述安装孔用于接收所述旋转束线传输的离子束并对患者或样品进行照射。

2.根据权利要求1所述的治疗终端，其特征在于，所述治疗头包括水平治疗头、垂直治疗头和倾斜治疗头，所述倾斜束线在所述升降机构的驱动下向上升高至同时与所述偏转单元、所述第二层治疗室内的所述倾斜治疗头相适配的通道，进而形成与所述第一层治疗室内的所述垂直治疗头相适配的垂直治疗终端或与所述第二层治疗室内的所述倾斜治疗头相适配的倾斜治疗终端；

同时，所述水平束线在所述升降机构的驱动下向上升高至与所述第二层治疗室内的所述水平治疗头相适配的通道，形成水平治疗终端。

3.根据权利要求2所述的治疗终端，其特征在于，当所述偏转单元在通电状态下，所述倾斜束线与所述第一层治疗室内的所述垂直治疗头相适配，形成垂直治疗终端，同时所述水平束线与所述第二层治疗室内的所述水平治疗头相适配，形成水平治疗终端。

4.根据权利要求2所述的治疗终端，其特征在于，当所述偏转单元在非通电状态下，所述倾斜束线与所述第二层治疗室内的所述倾斜治疗头相适配，形成倾斜治疗终端，同时所述水平束线与所述第二层治疗室内的所述水平治疗头相适配，形成水平治疗终端。

5.根据权利要求2所述的治疗终端，其特征在于，每个所述第一治疗室内所述治疗头的数量至少为三个，每个所述第二治疗室内所述治疗头的数量至少为两个。

6.根据权利要求1所述的治疗终端，其特征在于，所述伸缩部件为金属波纹管或者其他可做伸缩运动的真空密封元件。

7.根据权利要求1所述的治疗终端，其特征在于，所述偏转单元为偏转二极磁铁。

8.根据权利要求7所述的治疗终端，其特征在于，所述偏转二极磁铁为45度偏转二极磁铁或者其它任意偏转角度的二极磁铁。

9.根据权利要求1所述的治疗终端，其特征在于，所述旋转束线与所述治疗头之间通过真空膜窗无接触对接。

10.根据权利要求1所述的治疗终端，其特征在于，所述偏转单元的两端分别通过真空膜窗与所述治疗头、所述倾斜束线无接触对接。