CN118178882A - 一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学放射治疗领域，具体涉及一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，包括质子束产生及引出***、质子束调制***和质子束监测***，它们之间通过管道连接；质子束产生及引出***将经加速达到所需能量的质子束输送至质子束调制***；质子束调制***对质子束进行参数调制，从而获得符合辐照需求的超高剂量率质子束；质子束监测***对超高剂量率质子束进行束流监测与控制，在生物样品被辐照前，通过在线剂量率监测获取质子注量率数据，计算样品待辐照时间，并用毫秒级快门进行时间控制，辐照后通过间接测量法监测经屏蔽衰减后的质子束剂量以反推样本受照剂量。本发明建立的超高剂量率质子辐射装置具有简便易行的特征。
Description
技术领域
本发明涉及医学放射治疗领域，具体涉及一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置。
背景技术
癌症已成为对我国人民健康的头号威胁因素，发展国产化先进癌症治疗手段迫在眉睫。当前我国已经布局、筹划、建设多个质子放射治疗中心，而超高剂量率质子放疗作为一种新型放疗技术，相较于传统放疗技术具有治疗周期短、治疗效率高、正常组织并发症概率低等诸多优势，临床应用前景广阔。
传统的放射治疗采取小剂量率辐照(～0.1Gy/s)，近年来研究发现，超高剂量率辐照(>40Gy/s)对健康细胞具有更好的保护作用，但保留了小剂量率辐照对癌细胞的杀伤力，此种效应被称为闪放效应。超高剂量率放疗主要使用剂量率大于40Gy/s的辐射对目标肿瘤区域进行辐照，利用正常细胞与癌细胞的差异性反应实现放射治疗的效果。当前该技术临床化程度偏低，X射线的超高剂量率放疗相关设备及方法相对较成熟，而生物学效应相对更优良的质子射线尚缺乏有效的超高剂量率辐射装置及监测方法。
目前超高剂量率质子束的产生装置主要有同步加速器和直线加速器，直线加速器所产生质子束能量偏低，难以达到医用放疗要求；同步加速器性能良好但医用成本偏高。而回旋加速器可在较为经济的情况下实现超高剂量率质子束的产生与调制。
发明内容
针对现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，实现医用超高剂量率质子辐射的稳定产生与高精度监测，依托中国原子能科学研究院的100MeV质子回旋加速器，开发并掌握了超高剂量率质子束流稳定引出方法、建立了一系列超高剂量率质子束流输运与调制设备、监测并验证了超高剂量率质子束流的剂量时空分布准确性。通过基于回旋加速器的超高剂量率质子束流稳定引出，利用能量调节装置、射程调制装置、时间特性调节装置与准直及补偿器对超高剂量率质子束的时空特性进行调制，以确保引出的超高剂量率质子束辐射满足特定医用需求，然后利用离线与在线手段对束流特性进行监测，验证超高剂量率质子辐照剂量准确性，从而建立一种经济且实用的医用超高剂量率质子束产生、调制及监测系列手段。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，包括质子束产生及引出***、质子束调制***和质子束监测***，所述质子束产生及引出***和所述质子束调制***之间，所述质子束调制***和所述质子束监测***之间通过管道连接；所述质子束产生及引出***将经前端加速器产生的质子束在回旋加速器进行加速达到所需能量后通过导向磁铁与真空管道输送至质子束调制***；所述质子束调制***对质子束进行参数调制，从而获得符合辐照需求的超高剂量率质子束；所述质子束监测***对超高剂量率质子束进行束流监测与控制，在生物样品被辐照前，通过在线剂量率监测获取质子注量率数据，计算样品待辐照时间，并用毫秒级快门进行时间控制，辐照后通过间接测量法监测经屏蔽衰减后的质子束剂量以反推样本受照剂量。
进一步，所述质子束产生及引出***使质子能量达到100MeV，质子束流强度大于100μA。
进一步，所述质子束调制***对质子束进行参数调制，包括束斑面积扩束、束流均匀化、次级粒子控制、束斑孔径调节及射程调制，从而获得大面积均匀化的可控超高剂量率质子束。
进一步，所述束斑面积扩束和束流均匀化是通过双散射靶实现的。
进一步，所述双散射靶包括第一散射靶和第二散射靶，第一散射靶为圆盘结构，由钽材料制成；第二散射靶为外圆环嵌套内圆盘结构，内圆盘由钽材料制成，外圆环由铝材料制成；外圆环厚度大于内圆盘厚度。
进一步，所述束斑孔径调节是通过准直器实现的，准直器整体为亚克力材质制成的块状结构。
进一步，所述射程调制是通过射程调制装置实现的，射程调制装置包括优化脊型滤波器、阵列屏蔽层和运动控制装置，所述优化脊型滤波器和阵列屏蔽层沿质子束流方向在同高度处布置，所述优化脊型滤波器能够生成质子束的展宽布拉格峰，所述阵列屏蔽层能够根据肿瘤靶区图像对优化脊型滤波器生成的展宽布拉格峰进行展宽范围、射程移位与形状补偿调节，所述运动控制装置通过远程程序对优化脊型滤波器和阵列屏蔽层的运动进行控制。
进一步，所述优化脊型滤波器由多个截面为三角锥的条状结构平行叠加而成，采用亚克力材料制作，在垂直于质子束入射方向的平面上往复匀速运动，实现质子束对肿瘤组织的均匀照射；由于超高剂量率辐照时间极短，为保证时间尺度上的剂量率均匀性，因此要求运动速度满足单个往复周期时间小于0.1s。
进一步，所述阵列屏蔽层是由若干根呈阵列分布的屏蔽柱组成，每根屏蔽柱均可单独控制升降。
进一步，所述阵列屏蔽层的升降，通过气动装置实现指定屏蔽柱的升降。
进一步，基于肿瘤靶区图像获取对应展宽范围，根据计算得到射程移位所需径迹深度，以及根据肿瘤靶区图像末端形状勾画的补偿器形状，确定屏蔽柱需要升起的个数。
进一步，所述质子束监测***对超高剂量率质子束进行束流在线监测与控制，采用大气法拉第筒，每5s统计经过大气法拉第筒的质子注量，计算得到平均质子注量率。
进一步，所述毫秒级快门包括阻拦铅砖、气动装置、外壳与动力控制程序，阻拦铅砖厚度超过质子射程，通过高压电源实现毫秒级别的快门开闭。
进一步，所述间接测量法通过在屏蔽体内安装剂量胶片或探测器，获取经一定屏蔽后的质子剂量数值，依托理论计算与实验数据拟合的相应关系反推样品受照剂量。
本发明的有益效果如下：
1、本发明建立的超高剂量率质子辐射装置具有简便易行的特征，既满足了超高剂量率的辐射条件需求，又无需脉冲化的高端加速器装置，相较于直线加速器能量更好、相较于同步加速器经济成本与技术门槛更低，有潜力实现超高剂量率质子辐射的医用普及。
附图说明
图1为超高剂量率质子射线辐照装置示意图。
图2为优化脊型滤波器示意图。
图3为阵列屏蔽层及框选组合单元示意图。
图4为框选组合单元升降实例示意图。
上述附图中，1、质子输运真空管道；2、双散射靶；3、真空引出窗；4、准直器；5、阵列屏蔽层；6、优化脊型滤波器；7、大气法拉第筒；8、ms级快门；9、生物样品；10、束流屏蔽体；11、剂量胶片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供的基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置包括：质子束产生及引出***、质子束调制***、质子束监测***。
质子束产生及引出***：质子束经前端加速器产生后主要在回旋加速器主体磁铁处进行加速，加速至足够能量后通过真空引出窗引出至本发明后端调制***进行参数调制，其中要求质子束引出后其束流强度大于100μA。
质子束调制***：该***主要负责将超高剂量率质子各参数调制为辐照所需参数，具体包括束斑面积扩束、束流均匀化、次级粒子控制、注量监测、束斑孔径调节及射程调制装置，最终获得符合辐照需求的大面积均匀化的可控超高剂量率质子束。
质子束监测***：由于质子的超高剂量率，所以需要在时间尺度上精准控制，因此在辐照终端建立的样品架前建立ms级时间控制装置，在样品架后建立辐照剂量监测装置以保证受照样品的安全性。
实施例
超高剂量率质子辐射实验具体实施流程如下：
1、如图1所示，通过回旋加速器磁铁组调节磁场使质子在磁铁内加速器，并调整质子束流能量与强度至质子能量达到100MeV时引出，其束流强度要求大于100μA，并通过导向磁铁与质子输运真空管道1输送至束流调制***。
2、首先通过双散射靶2进行扩束，第一散射靶为圆盘形结构，厚度为0.46mm，材质为Ta；第二散射靶为外圆环嵌套内圆盘结构，内圆盘半径为16.5mm、厚度为1.08mm、材质为Ta，外圆环厚度为4.353mm、外部边缘为8cm×8cm、外接外环、材质为Al；该双散射靶2装置可以将超高剂量率质子束束斑面积均匀扩大至10cm×10cm以上。
3、经扩束的质子束由真空引出窗3引入大气，即质子束经过钛窗由真空管道引入大气，钛窗距散射靶200cm，固定体厚度为4cm，外径20cm，材质为Al；中间开有10cm×10cm的钛窗，距固定体末端1cm，钛膜厚度为100μm。
4、质子引入大气后经准直器4调节束斑孔径，准直器4整体为30cm×30cm的亚克力块状结构，内缘开口为10cm×10cm。
5、质子经准直后通过射程调制装置，射程调制装置包括优化脊型滤波器6、阵列屏蔽层5和运动控制装置。主要由一可沿垂直于束流方向匀速往复移动的优化脊型滤波器6和一可沿垂直于束流方向升降的阵列屏蔽层5组成；以上装置均需调节中心高与束流高度一致。
优化脊型滤波器：基于应用需求通过蒙特卡罗模拟软件计算出质子布拉格峰展宽所需要的多能混合质子束的能量与权重占比数据，依据不同材料质子阻止本领数据计算得出初步的脊型滤波器形状参数，包括材料板层数、每层材料板的长宽高尺寸等，并根据质子辐照数据进行检验与反馈优化，最终优化得到便于加工的脊型滤波器尺寸并定为基准滤波器模型，即为如图2所示的优化脊型滤波器模型。优化脊型滤波器6由多个截面为三角锥的条状结构平行叠加而成，极大的减小了加工难度，同时提高了展宽精度。优化脊型滤波器6的脊部延伸方向垂直于质子束流入射方向，配备于滑动板上，通过直线轴承与限位器可以实现在与质子束流入射方向垂直的平面内沿与脊部延伸方向相垂直的方向匀速往复运动，运动行程往左/右最多20cm，来回往复匀速运动，实现质子束对肿瘤组织的均匀照射；由于超高剂量率辐照时间极短，为保证时间尺度上的剂量率均匀性，因此要求运动速度满足单个往复周期时间小于0.1s。
阵列屏蔽层：基于应用需求，设计阵列屏蔽层5为多个呈阵列式分布的相互平行的屏蔽柱的堆叠，屏蔽柱为标准亚克力柱，在应用中计算对应不同肿瘤情况下所需的新脊型滤波器尺寸参数，与基准脊型滤波器参数相减得到阵列屏蔽层5的展宽范围调节参数，再结合实际情况计算对应形状补偿与射程移位调节参数，最终得到阵列屏蔽层5的应用模式参数。
在优化脊型滤波器6正前方同中心高位置，设置阵列式屏蔽层5。该屏蔽层由与优化脊型滤波器6材质相同的亚克力材料组成，整体由300列×30排共9000根1mm×1mm×20cm的亚克力柱构成，每根柱均可单独控制升降。实际使用中以对应优化脊型滤波器6三角锥截面底部宽度为尺寸划分单元格，以图3所示线框中一个单元为例，基于患者靶区图像获取对应展宽范围，利用与基准脊型滤波器相同的设计方法可以得到对应脊型滤波器参数，与基准脊型滤波器参数相减即可得到不同位置处阵列屏蔽层5展宽范围所需厚度d1mm；根据患者肿瘤靶区最大深度与射程展宽最大深度的差可以计算得到射程移位所需径迹深度，根据质子能量换算可以得到移位阵列屏蔽层射程移位所需厚度d2 mm；根据患者肿瘤靶区图像末端形状可以勾画补偿器形状，换算得到阵列屏蔽层形状补偿所需厚度d3 mm。则最终每列亚克力柱需要升起的个数即为n＝d1+d2+d3个，如图4所示。通过远程程序控制电机上下运动实现针对不同患者情况的射程展宽与补偿，满足临床应用需求。
运动控制装置：该装置主要控制优化脊型滤波器6的往复运动及阵列屏蔽层5的升降，实现优化脊型滤波器6在垂直于质子束入射方向的平面上匀速往复运动，通过限位器确定优化脊型滤波器6的运动最大范围并改变运动方向，通过气动装置实现指定屏蔽单元的升降，通过控制箱、电缆及操作软件实现对优化脊型滤波器6及阵列屏蔽层5特定模式运动的远程控制。
6、质子经射程调制装置调制后已满足辐照生物实验样品的各项性能指标，进行准确的束流控制后即可用于辐照实验。束流监测与控制采用大气法拉第筒7，由于质子流强较大，所以控制单次检测时间为5s，即每5s统计经过大气法拉第筒的质子注量，计算得到平均质子注量率，由质子注量乘以质子在单位路径上损失的能量即可得到质子剂量，后者可以由样品介质与质子能量计算得到。
7、在监测得到质子剂量率后，若满足实验要求即可进行辐照，辐照时由于所需时间极短因此采用ms级快门8进行控制，ms级快门8装置主要由阻拦铅砖、气动装置、外壳与动力控制程序组成，阻拦铅砖厚度超过质子射程，通过高压电源实现ms级别的快门开闭。经测试ms级快门8装置打开时间11.9ms，ms级快门8装置关闭时间11.9ms。其中传感器反应时间是2ms。由此可以实现100ms数量级的束流开闭。
8、样品接受辐照，辐照剂量率>40Gy/s，以4Gy为辐照剂量，单个样品受照时间小于0.1s。
9、在待辐照生物样品9后端通过束流屏蔽体10将剩余质子全部屏蔽，材料采用铅砖及重混凝土组成，以免周边装置活化致使背景辐射过高。同时，由于剂量胶片11在超高剂量率下感光过于敏感，常规利用剂量胶片11进行束流诊断的方式不再可行，因此在束流屏蔽体10中间放置剂量胶片11或其他剂量探测装置，监测经一定屏蔽后衰减的质子束剂量，并根据蒙特卡罗计算得到的比例关系反推生物样品9所受辐照剂量以进行剂量精准化控制的双重保障。
10、通过自动换样装置将被辐照生物样品9传送出辐照室，减少长时间处于辐射活化背景环境中，进行后续处理。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：包括质子束产生及引出***、质子束调制***和质子束监测***，所述质子束产生及引出***和所述质子束调制***之间，所述质子束调制***和所述质子束监测***之间通过管道连接；所述质子束产生及引出***将经前端加速器产生的质子束在回旋加速器进行加速达到所需能量后通过导向磁铁与真空管道输送至质子束调制***；所述质子束调制***对质子束进行参数调制，从而获得符合辐照需求的超高剂量率质子束；所述质子束监测***对超高剂量率质子束进行束流监测与控制，在生物样品被辐照前，通过在线剂量率监测获取质子注量率数据，计算样品待辐照时间，并用毫秒级快门进行时间控制，辐照后通过间接测量法监测经屏蔽衰减后的质子束剂量以反推样本受照剂量。
2.如权利要求1所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述质子束产生及引出***使质子能量达到100MeV，质子束流强度大于100μA。
3.如权利要求1所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述质子束调制***对质子束进行参数调制，包括束斑面积扩束、束流均匀化、次级粒子控制、束斑孔径调节及射程调制，从而获得大面积均匀化的可控超高剂量率质子束。
4.如权利要求3所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述束斑面积扩束和束流均匀化是通过双散射靶实现的。
5.如权利要求4所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述双散射靶包括第一散射靶和第二散射靶，第一散射靶为圆盘结构，由钽材料制成；第二散射靶为外圆环嵌套内圆盘结构，内圆盘由钽材料制成，外圆环由铝材料制成；外圆环厚度大于内圆盘厚度。
6.如权利要求3所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述束斑孔径调节是通过准直器实现的，准直器整体为亚克力材质制成的块状结构。
7.如权利要求3所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述射程调制是通过射程调制装置实现的，射程调制装置包括优化脊型滤波器、阵列屏蔽层和运动控制装置，所述优化脊型滤波器和阵列屏蔽层沿质子束流方向在同高度处布置，所述优化脊型滤波器能够生成质子束的展宽布拉格峰，所述阵列屏蔽层能够根据肿瘤靶区图像对优化脊型滤波器生成的展宽布拉格峰进行展宽范围、射程移位与形状补偿调节，所述运动控制装置通过远程程序对优化脊型滤波器和阵列屏蔽层的运动进行控制。
8.如权利要求7所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述优化脊型滤波器由多个截面为三角锥的条状结构平行叠加而成，采用亚克力材料制作，在垂直于质子束入射方向的平面上往复匀速运动，实现质子束对肿瘤组织的均匀照射；由于超高剂量率辐照时间极短，为保证时间尺度上的剂量率均匀性，因此要求运动速度满足单个往复周期时间小于0.1s。
9.如权利要求7所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述阵列屏蔽层是由若干根呈阵列分布的屏蔽柱组成，每根屏蔽柱均可单独控制升降。
10.如权利要求7所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述阵列屏蔽层的升降，通过气动装置实现指定屏蔽柱的升降。
11.如权利要求10所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：基于肿瘤靶区图像获取对应展宽范围，根据计算得到射程移位所需径迹深度，以及根据肿瘤靶区图像末端形状勾画的补偿器形状，确定屏蔽柱需要升起的个数。
12.如权利要求1所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述质子束监测***对超高剂量率质子束进行束流在线监测与控制，采用大气法拉第筒，每5s统计经过大气法拉第筒的质子注量，计算得到平均质子注量率。
13.如权利要求1所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述毫秒级快门包括阻拦铅砖、气动装置、外壳与动力控制程序，阻拦铅砖厚度超过质子射程，通过高压电源实现毫秒级别的快门开闭。
14.如权利要求1所述的一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置，其特征在于：所述间接测量法通过在屏蔽体内安装剂量胶片或探测器，获取经一定屏蔽后的质子剂量数值，依托理论计算与实验数据拟合的相应关系反推样品受照剂量。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410327820.5A Pending CN118178882A (zh) | 2024-03-21 | 2024-03-21 | 一种基于回旋加速器的超高剂量率质子射线辐照装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118178882A (zh) |
-
2024
- 2024-03-21 CN CN202410327820.5A patent/CN118178882A/zh active Pending
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