笔形束适形调强治疗头系统及实现方法与流程

本发明涉及一种医用治疗头，尤其涉及一种将质子束照射至肿瘤等患部来进行治疗的治疗头系统及其实现方法。

背景技术：

质子经由加速器加速至约70％的光速，被引出射入人体。在到达肿瘤病灶前，射线能量释放不多，但是到达病灶后，射线会瞬间释放大量能量，形成名为“布拉格峰”的能量释放轨迹，有利于放射治疗中精确调节剂量分布，使照射至肿瘤周围的正常组织剂量最小化，实现疗效最大化。传统的散射治疗头，在束流传输路径中需要使用散射体、准直器、适应器、补偿器、射程调节器及剂量检测仪等设备，束流路上介质多，因核碰撞产生二次辐射，如中子辐射、伽马射线辐射等。此外，传统的散射治疗头束流在传输过程中损失较大，束流利用率低，束流横向扩展产生的照射野尺寸相对较小。

在对肿瘤进行治疗时，对肿瘤区域切片划层，通过控制扫描磁铁场强的大小或患者相对于质子束移动的方法，实现与质子束流照射方向垂直的横向扩展(x、y方向)；通过调节束流能量的大小，改变质子束在肿瘤区域内的射程；通过控制质子束流强，在肿瘤区域中形成预设的三维剂量分布，实现质子束三维适形调强治疗。申请号为：201080050492.5的专利提出了一种粒子射线照射系统及粒子射线照射方法，即使在所需要的照射野尺寸较大的情况下、也能不使用大容量的扫描电源就高速地扫描粒子射线、且整体的照射时间较短的粒子射线照射系统，尚未描述低能区域束流的调制，以及调强治疗的控制策略。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够实现三维适形、调强的点扫描笔形束治疗头系统及实现方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

笔形束适形调强治疗头系统，包括超导回旋加速器、能量选择系统、束斑调节装置、偏转二极铁、治疗头；

所述超导回旋加速器引出固定能量的质子束，并调节质子束流强；

所述能量选择系统将固定能量的质子束调节为治疗肿瘤所需的能量和能散，实现质子束在肿瘤中的纵向射程调节；

所述质子束到达束斑调节装置，所述的束斑调节装置包括四极铁和准直器，用于调节质子束的截面尺寸；

所述质子束再经偏转二极铁到达治疗头，对质子束进行横向扩展。

所述能量选择系统包括降能器、能量选择二极铁、能量狭缝，能量选择范围为70mev至200mev；所述能量选择二极铁和能量狭缝用于筛选来自降能器的质子束的能量和能散，通过控制降能器，使质子束在肿瘤的z方向由深向浅照射。

所述治疗头包括束流截面探头、第一扫描磁铁、第二扫描磁铁、束流位置探头、束流剂量探头、射程调制器、第一霍尔探头、第二霍尔探头；所述质子束进入治疗头后，束流截面探头监测质子束截面尺寸及形状信息，并反馈至治疗头控制装置，自动调节束斑调节装置。

所述第一霍尔探头用于监测第一扫描磁铁的磁场的大小；所述第二霍尔探头用于监测第二扫描磁铁的磁场的大小；所述束流位置探头用于监测质子束在横向截面xy平面的位置，并反馈至治疗头控制装置。

所述治疗头控制装置分析比较病人信息的治疗需求计划参数和监测反馈参数，分别发送控制指令给第一扫描磁铁控制器、第二扫描磁铁控制器；第一扫描磁铁控制器控制第一扫描电源，第二扫描磁铁控制器控制第二扫描电源。

所述束流剂量探头用于监测质子束的照射至肿瘤的剂量，通过束流剂量探头的质子束照射剂量的实际测量值被输入到治疗头控制装置中；所述射程调制器由8块厚度分别为0.5mm、1mm、2mm、4mm、8mm、16mm、32mm和64mm，截面积为30cm*40cm的甲基丙烯酸甲酯平板组成。

所述第一扫描电源包括不具有滤波器的第一扫描电源第一电源单元和具有滤波器的第一扫描电源第二电源单元；所述第二扫描电源包括不具有滤波器的第二扫描电源第一电源单元和具有滤波器的第二扫描电源第二电源单元。

笔形束适形调强治疗实现方法，该方法包括以下步骤：

将肿瘤被切片为l1、l2、l3……ln，每层被分割为a11、a12……aij多个点，xy平面为横向平面，z方向为照射的深度方向；

当质子束的照射l1层时，照射位置在x方向由点a11向点a12移动期间，质子束停止照射，第二扫描电源的电压保持不变，使用第一扫描电源第一电源单元，将电压施加到第一扫描磁铁；

当质子束移动至a12时，质子束开始照射，使用第一扫描电源第二电源单元，将脉冲分量除去的电压施加到第一扫描磁铁，在照射点a12整个过程中，束流剂量探头监测照射剂量，待照射剂量达到预定的剂量时，停止照射，切换至下一个照射点；

同理，当质子束在y方向移动时，质子束停止照射，第一扫描电源的电压保持不变，使用第二扫描电源第一电源单元，将电压施加到第二扫描磁铁；

当质子束移动至照射位置时，质子束开始照射，使用第二扫描电源第二电源单元，将脉冲分量除去的电压施加到第二扫描磁铁，束流剂量探头监测照射剂量，待照射剂量达到预定的剂量时，停止照射，切换至下一个照射点；以此往复，直至l1层所有点照射完成。

本发明的有益效果：本发明将束流经过治疗头，相对于散射治疗头束流路上介质较少，可以减少因核碰撞产生二次辐射，提高束流在传输过程中利用率，照射野尺寸相对较大；同时，通过协同控制扫描磁铁、能量选择系统和超导回旋加速器可以实现肿瘤整个区域的三维适形调强治疗。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明笔形束适形调强治疗头系统的结构图；

图2为质子束照射肿瘤过程示意图；

其中：1.超导回旋加速器；2.能量选择系统；201.降能器；202.能量选择二极铁；203.能量狭缝；3.束斑调节装置；4.偏转二极铁；5.治疗头；501.束流截面探头；502.第一扫描磁铁；503.第二扫描磁铁；504.束流位置探头；505.束流剂量探头；506.射程调制器；507.第一霍尔探头；508.第二霍尔探头；61.第一扫描电源；611.第一扫描电源第一电源单元；612.第一扫描电源第二电源单元；62.第二扫描电源；621.第二扫描电源第一电源单元；622.第二扫描电源第二电源单元；71.第一扫描磁铁控制器；72.第二扫描磁铁控制器；8.治疗头控制装置；9.质子束；10.肿瘤。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在图1中，笔形束适形调强治疗头系统，包括超导回旋加速器1、能量选择系统2、束斑调节装置3、偏转二极铁4、治疗头5、第一扫描电源61、第二扫描电源62、第一扫描磁铁控制器71、第二扫描磁铁控制器72、治疗头控制装置8；

超导回旋加速器1引出固定能量的质子束9，经能量选择系统2将固定能量的质子束9调节为治疗肿瘤10所需的能量和能散，实现质子束9在肿瘤10中的纵向射程调节；质子束9到达束斑调节装置3，束斑调节装置3调节质子束9的截面尺寸；质子束9再经偏转二极铁4到达治疗头5，治疗头5对质子束9进行横向扩展；根据病人信息的治疗需求计划参数，调节超导回旋加速器1引出固定能量的质子束9的流强；通过协调控制超导回旋加速器1、能量选择系统2、治疗头5，从而实现肿瘤10的三维适形调强照射。

所述的能量选择系统2包括降能器201、能量选择二极铁202、能量狭缝203，能量选择范围为70mev至200mev；所述的能量选择二极铁202和能量狭缝203用于筛选来自降能器201的质子束9的能量和能散，通过控制降能器201，使质子束9在肿瘤10的z方向由深向浅照射，即照射从特定治疗所需的最高能量ln层开始，在照射等能层时，将能量选择系统2设定到下一个较低的能量，当一层照射完成，关断质子束9，降能器201切换能量，质子束9照射下一层，以此往复，直至照射至l1层，至整个肿瘤10照射完成。

所述的治疗头5包括束流截面探头501、第一扫描磁铁502、第二扫描磁铁503、束流位置探头504、束流剂量探头505、射程调制器506、第一霍尔探头507、第二霍尔探头508；

质子束9进入治疗头5后，束流截面探头501监测质子束9截面尺寸及形状信息，并反馈至治疗头控制装置8，治疗头控制装置8自动调节束斑调节装置3，从而使质子束9截面尺寸及形状满足治疗要求；第一霍尔探头507用于监测第一扫描磁铁502的磁场的大小，第二霍尔探头508用于监测第二扫描磁铁503的磁场的大小，束流位置探头504用于监测质子束9在横向截面xy平面的位置，并反馈至治疗头控制装置8；治疗头控制装置8分析比较病人信息的治疗需求计划参数和监测反馈参数，分别发送控制指令给第一扫描磁铁控制器71、第二扫描磁铁控制器72，第一扫描磁铁控制器71控制第一扫描电源61，从而调节第一扫描磁铁502的磁场，实现质子束9在x方向的精准偏转；第二扫描磁铁控制器72控制第二扫描电源62，从而调节第二扫描磁铁503的磁场，实现质子束9在y方向的精准偏转；

所述的束流剂量探头505用于监测质子束9的照射至肿瘤10的剂量，通过束流剂量探头505的质子束9照射剂量的实际测量值被输入到治疗头控制装置8中，治疗头控制装置8将预先获得的照射剂量的值(设定值)与输入的实际测量值进行比较，在实际测量值达到设定值的时刻，关断质子束9，停止照射；

所述射程调制器506由8块厚度分别为0.5mm、1mm、2mm、4mm、8mm、16mm、32mm和64mm，截面积为30cm*40cm的甲基丙烯酸甲酯平板组成，用于在质子束9的能量低于110mev时，根据需要插入或移除不同厚度的甲基丙烯酸甲酯来调制质子束9在肿瘤10中的布拉格峰的宽度，从而减少肿瘤的照射时间。

本申请中束斑调节装置3与治疗头控制装置8均为本领域内所熟知的功能设备，本申请在此不作限制说明，现有技术中常规使用的束斑调节设备与治疗头控制设备均可实现相应功能。

在图2中，肿瘤10被切片为l1、l2、l3……ln，每层被分割为a11、a12……aij多个点，xy平面为横向平面，z方向为照射的深度方向；

在图1中，所述的第一扫描电源61包括不具有滤波器的第一扫描电源第一电源单元611和具有滤波器的第一扫描电源第二电源单元612；所述的第二扫描电源62包括不具有滤波器的第二扫描电源第一电源单元621和具有滤波器的第二扫描电源第二电源单元622；

当质子束9的照射l1层时，照射位置在x方向由点a11向点a12移动期间，质子束9停止照射，第二扫描电源62的电压保持不变，使用第一扫描电源第一电源单元611，将电压施加到第一扫描磁铁502；当质子束9移动至a12时，质子束9开始照射，使用第一扫描电源第二电源单元612，将脉冲分量除去的电压施加到第一扫描磁铁502，在照射点a12整个过程中，束流剂量探头505监测照射剂量，待照射剂量达到预定的剂量时，停止照射，切换至下一个照射点；同理，当质子束9在y方向移动时，质子束9停止照射，第一扫描电源61的电压保持不变，使用第二扫描电源第一电源单元621，将电压施加到第二扫描磁铁503；当质子束9移动至照射位置时，质子束9开始照射，使用第二扫描电源第二电源单元622，将脉冲分量除去的电压施加到第二扫描磁铁503，束流剂量探头505监测照射剂量，待照射剂量达到预定的剂量时，停止照射，切换至下一个照射点；以此往复，直至l1层所有点照射完成。

来自超导回旋加速器的固定能量通过能量选择系统，利用降能器、能量选择二极铁和能量狭缝进行能量选择和分析，以产生具有限定能量和相对较小能散的束流，输送至治疗头；通过分别控制第一扫描磁铁控制器和第二扫描控制器，分别控制第一扫描电源和第二扫描电源，所述的第一扫描电源和第二扫描电源都具有不具有滤波器的第一电源单元和具有滤波器的第二电源单元，当质子束的照射位置移动时，使用第一电源单元即不具有滤波器的电源单元将电压施加到扫描磁铁，使得在扫描磁铁可以在短时间内改变；当保持质子束的照射位置时，使用第二电源将脉冲分量除去的电压施加到扫描磁铁，使得能够精确地控制在扫描磁铁中流动的励磁电流；从而实现束流快速横向扩展和均匀地照射肿瘤区域。照射从特定治疗所需的最高能量开始，在照射等能层时，将能量选择系统设定到下一个较低的能量，直至整个肿瘤区域照射完成。根据治疗需要，治疗头控制装置自动调节超导回旋加速器的流强，从而实现质子束三维适形调强治疗。

本发明在对肿瘤进行治疗时，通过控制扫描磁铁的电源电压，进而控制扫描磁铁的场强，实现质子束的横向扩展；通过控制能量选择系统的降能器，把超导回旋加速器引出的固定能量调整成为质子治疗时所需要的能量，实现质子束在肿瘤区域内的纵向射程调节；当质子束的能量低于110mev时，根据需要插入或移除不同厚度的甲基丙烯酸甲酯来调制质子束在肿瘤中的布拉格峰的宽度，从而减少肿瘤的照射时间；通过调节超导回旋加速器的质子束流强，使肿瘤区域中照射剂量达到预设的三维剂量分布，实现肿瘤的“立体定向爆破”。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。