基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统的制作方法

本实用新型涉及医学放射治疗领域，具体涉及基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统。

背景技术：

质子、重离子是目前放射治疗领域先进的治疗技术，由于离子具有布拉格峰的物理特性，可以在布拉格峰区域快速沉积能量，而入射区域及束流末端剂量较低，从而可以降低靶区周围正常组织的受照剂量。

点扫描技术作为离子放射治疗的尖端技术，正在逐渐替代采用补偿器和准直器的被动束流传输技术。但是，单能质子或重离子，特别是低能重离子的布拉格峰宽度很小，例如160mev/u的碳离子，布拉格峰的半高宽小于1mm，利用这种碳离子束流进行放射治疗，需要许多层不同能量的单能碳离子的叠加，才能保证治疗计划靶区(ptv)的剂量平坦性。通常在束流路径上放置被动的能量调制装置来展宽重离子的布拉格峰，从而得到具有更大半高宽的布拉格峰，进而减少所需的单能重离子层数，提高照射效率。

这种展宽布拉格峰的设备常见的是脊型滤波器(ripplefilter)。它是由具有3mm厚度针脚结构的pmma板制作而成。这种结构已在碳离子束治疗中有所应用。然而束流在经过这种结构的设备后，需要经过很长一段距离的输运才能趋于均匀(60cm-80cm)。并且，由于该设备的散射效应，会明显增加质子束流的侧向展宽，因此脊型滤波器通常不应用于质子束治疗。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种可以实现展宽布拉格峰的基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统。

一种基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统，包括用于将质子、重离子加速进行加速的同步加速器，用于将束流发出的束流发射端以及用于调节患者位置的患者定位平台，其特征在于：束流发射端和患者定位平台之间设置有布拉格峰展宽装置，所述布拉格峰展宽装置包括容器以及用于固定容器的支架，所述容器内装填有多孔材料，工作状态下，容器的左侧面和右侧面均垂直于束流射出方向。

进一步，作为优选，容器包括左容器部分和右容器部分，容器的左侧面和右侧面分别位于左容器部分和右容器部分上，且左容器部分和右容器部分相对滑动设置。

进一步，作为优选，所述支架包括基座，所述基座上安装有用于调节容器左右方向的位置的第一调节结构，用于调节容器前后方向的位置的第二调节结构以及用于调节容器上下方向的位置的第三调节结构。

进一步，作为优选，所述第一调节结构包括第一滑动座、第一调节螺杆、第一调节螺母、第一导向杆，第一滑动座通过第一导向杆滑动安装于基座上，第一调节螺母固定在第一滑动座上，第一调节螺杆转动安装在基座上，所述第一调节螺杆和第一调节螺母配合，第一调节螺杆呈左右方向设置。

进一步，作为优选，所述第二调节结构包括第二滑动座、第二调节螺杆、第二调节螺母、第二导向杆，第二滑动座通过第二导向杆滑动安装于第一滑动座上，第二调节螺母固定在第二滑动座上，第二调节螺杆转动安装在第一滑动座上，所述第二调节螺杆和第二调节螺母配合，第二调节螺杆呈前后方向设置。

进一步，作为优选，所述第三调节结构包括安装板、第一连杆、第二连杆、第一滑块、第三连杆、第四连杆、第二滑块、安装板、第三调节螺杆、第三调节螺母、第一连接块和第二连接块，第一连杆的中部、第二连杆的中部铰接，第一连杆的上端、第二连杆的上端分别铰接安装板和第一滑块，第一滑块滑动安装在安装板上，第三连杆的中部、第四连杆的中部铰接，第三连杆的下端、第四连杆的上端分别铰接第二滑动座和第二滑块，第二滑块滑动安装在第二滑动座上，第一连杆的下端以及第三连杆的上端铰接第一连接块，第二连杆的下端以及第四连杆的上端铰接第二连接块，第三调节螺杆的一端转动安装在第二连接块上，第一连接块上固定第三调节螺母，第三调节螺杆和第三调节螺母相配合，且第三调节螺杆的轴线呈左右方向设置。

进一步，作为优选，左容器部分包括第一围板、第二围板、第三围板以及底板，第一围板、第二围板、第三围板分别固定在底板的前、左、右侧，右容器部分包括挡板以及挡板固定架，挡板的下端固定挡板固定架，挡板的前端、后端、下端分别和第一围板、第三围板、底板贴靠，底板上固定侧撑板，挡板固定架通过第三导杆滑动安装在侧撑板上，且第四调节螺杆转动安装在侧撑板上，且第四调节螺杆位于底板的下方，挡板固定架上固定有第四调节螺母，第四调节螺杆和第四调节螺母相配合。

进一步，作为优选，所述底板上固定有转动柱，转动柱转动安装在安装板上，转动柱上固定有调节蜗轮，所述安装板上转动安装有调节蜗杆，调节蜗轮和调节蜗杆相配合。

进一步，作为优选，所述多孔材料采用塑料泡沫、煤质活性炭，椰壳活性炭，球形纳米矿晶，固体凝胶颗粒或实心塑料pp颗粒材料在堆叠时产生缝隙形成多孔材料。

进一步，作为优选，容器的材质采用有机玻璃(pmma)或碳纤维板。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统，可以对质子或重离子束流的布拉格峰进行展宽，可以降低质子或重离子治疗时所需的能量层数，从而可以提高点扫描质子或重离子设备的治疗效率。本基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统对质子或重离子束流的布拉格峰进行展宽时，通过多向的调节可以使得容器的左侧面和右侧面均垂直于束流射出方向，从而不影响束流的均匀性。本基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统设备简易可行，成本低，调节也较为方便明了。

附图说明

图1是本实用新型实施例基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统的结构示意图。

图2是本实用新型实施例基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统的布拉格峰展宽装置的结构示意图。

图3是本实用新型实施例基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统的容器的安装结构示意图。

图4是本实用新型实施例基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统的容器的上方结构示意图。

图5是本实用新型实施例基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统的容器的底部结构示意图。

图6是本实用新型实施例布拉格峰展宽方法的流程示意图。

图7是本实用新型实施例的几何厚度为5cm的球形纳米矿晶和pp塑料颗粒堆叠后，单能碳离子产生的射程移动和布拉格峰展宽效果的示意图。

图中编号：束流发射端1，患者定位平台2，布拉格峰展宽装置3，容器4，支架5，左容器部分41，第一围板411，第二围板412，第三围板413，底板414，侧撑板415，右容器部分42，挡板421，挡板固定架422，第三导杆431，第四调节螺杆432，转动柱433，调节蜗轮434，调节蜗杆435，基座51，第一调节结构52，第一滑动座521，第一调节螺杆522，第一导向杆523，第二调节结构53，第二滑动座531，第二调节螺杆532，第二导向杆533，第三调节结构54，安装板541，第一连杆542，第二连杆543，第一滑块544，第三连杆545，第四连杆546，第二滑块547，第二连接块548，第三调节螺杆549，第一连接块5410

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

参见图1-图6，本实施例基于点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽的放射治疗系统，包括用于将质子、重离子加速进行加速的同步加速器，用于将束流发出的束流发射端1以及用于调节患者位置的患者定位平台2，其特征在于：束流发射端1和患者定位平台2之间设置有布拉格峰展宽装置3，所述布拉格峰展宽装置3包括容器4以及用于固定容器4的支架5，所述容器4内装填有多孔材料，工作状态下，容器4的左侧面和右侧面均垂直于束流射出方向。

容器4包括左容器部分41和右容器部分42，容器4的左侧面和右侧面分别位于左容器部分41和右容器部分42上，且左容器部分41和右容器部分42相对滑动设置，容器4的容纳空间的厚度能够调整。

所述支架5包括基座51，所述基座51上安装有用于调节容器4左右方向的位置的第一调节结构52，用于调节容器4前后方向的位置的第二调节结构53以及用于调节容器4上下方向的位置的第三调节结构54。

所述第一调节结构52包括第一滑动座521、第一调节螺杆522、第一调节螺母、第一导向杆523，第一滑动座521通过第一导向杆523滑动安装于基座51上，第一调节螺母固定在第一滑动座521上，第一调节螺杆522转动安装在基座51上，所述第一调节螺杆522和第一调节螺母配合，第一调节螺杆522呈左右方向设置。

所述第二调节结构53包括第二滑动座531、第二调节螺杆532、第二调节螺母、第二导向杆533，第二滑动座531通过第二导向杆533滑动安装于第一滑动座521上，第二调节螺母固定在第二滑动座531上，第二调节螺杆532转动安装在第一滑动座521上，所述第二调节螺杆532和第二调节螺母配合，第二调节螺杆532呈前后方向设置。

所述第三调节结构54包括安装板541、第一连杆542、第二连杆543、第一滑块544、第三连杆545、第四连杆546、第二滑块547、安装板541、第三调节螺杆549、第三调节螺母、第一连接块5410和第二连接块548，第一连杆542的中部、第二连杆543的中部铰接，第一连杆542的上端、第二连杆543的上端分别铰接安装板541和第一滑块544，第一滑块544滑动安装在安装板541上，第三连杆545的中部、第四连杆546的中部铰接，第三连杆545的下端、第四连杆546的上端分别铰接第二滑动座531和第二滑块547，第二滑块547滑动安装在第二滑动座531上，第一连杆542的下端以及第三连杆545的上端铰接第一连接块5410，第二连杆543的下端以及第四连杆546的上端铰接第二连接块548，第三调节螺杆549的一端转动安装在第二连接块548上，第一连接块5410上固定第三调节螺母，第三调节螺杆549和第三调节螺母相配合，且第三调节螺杆549的轴线呈左右方向设置。

左容器部分41包括第一围板411、第二围板412、第三围板413以及底板414，第一围板411、第二围板412、第三围板413分别固定在底板414的前、左、右侧，右容器部分42包括挡板421以及挡板固定架422，挡板421的下端固定挡板固定架422，挡板421的前端、后端、下端分别和第一围板411、第三围板413、底板414贴靠(挡板421可以相对第一围板411、第三围板413滑动，挡板421的前端距离第一围板411、挡板421的后端距离第三围板413的间距、挡板421的下端距离底板414控制在3mm以内)，底板414上固定侧撑板415，挡板固定架422通过第三导杆431滑动安装在侧撑板415上，且第四调节螺杆432转动安装在侧撑板415上，且第四调节螺杆432位于底板414的下方，挡板固定架422上固定有第四调节螺母，第四调节螺杆432和第四调节螺母相配合。

所述底板414上固定有转动柱433，转动柱433转动安装在安装板541上，转动柱433上固定有调节蜗轮434，所述安装板541上转动安装有调节蜗杆435，调节蜗轮434和调节蜗杆435相配合。

所述多孔材料采用塑料泡沫、煤质活性炭，椰壳活性炭，球形纳米矿晶，固体凝胶颗粒或实心塑料pp颗粒材料在堆叠时产生缝隙形成多孔材料。

容器4的材质采用有机玻璃(pmma)或碳纤维板。

如图5所示，本实施例一种点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽方法，包括如下操作步骤：

(1)将多孔材料充满并封装于非金属材料制作的表面平坦的容器中；

(2)将容器放置在点扫描质子或重离子束流路径上，垂直于束流行进方向；

(3)点扫描质子或重离子束流，经过多孔材料以后产生能量歧离(energystraggling)，从而展宽质子或重离子束流的布拉格峰，

其中，临床需要的束流布拉格峰展宽程度和多孔材料的厚度匹配方式步骤如下：

(1)步骤s1，通过测量得到单能束流的积分剂量分布曲线(integrateddepthdosedistribution,idd)与经由多孔材料展宽后的积分剂量分布曲线,计算得到多孔材料的等效水厚度；

(2)步骤s2，通过迭代得到该多孔材料对质子或重离子束流的布拉格峰展宽能力；

(3)步骤s3，依据多孔材料的展宽能力和临床需要的束流布拉格峰展宽程度，制作相应厚度的多孔材料束流布拉格峰展宽设备。

下面以将能量为234.05mev/u的碳离子布拉格峰半高宽展宽6mm为例对质子或重离子束流的布拉格峰展宽的方法和设备进行详述。

经筛选2mm直径的纳米矿晶封装于碳纤维板制作的容器中，容器内部容纳空间为长、宽、高分别为20cm、5cm、20cm的长方体结构。制作的容器的左端面、右端面垂直放置于束流路径上，寻峰设备的前端。

利用寻峰设备，测量235.05mev/u单能碳离子束流的idd0，

用数据集合bm0(z)表示。测量235.05mev/u碳离子经过束流布拉格峰展宽设备后的iddmod，用数据集合bmmod(z)表示。

所述预期展宽质子或重离子束流的布拉格峰的程度的函数公式为：

式中，bcmod(z)为质子或重离子束流经纳米矿晶后预期展宽的程度或idd；bm0(z)为测量得到的单能质子或重离子束流的idd；z为束流经过的等效水厚度；n(t′|t，σt)为质子或重离子束流经纳米矿晶时，具有等效水厚度为t′的概率；t为纳米矿晶的平均等效水厚度；σt为经纳米矿晶后的质子或重离子束流的布拉格峰展宽能力。

(注：束流经过的等效水厚度z不是特定的值，是一个数据集。是通过测量得到的。在进行idd(单能束流的积分剂量分布曲线(integrateddepthdosedistribution,idd))测量时，z是横坐标，是一个变量。注意公式2的z和后面的zp80％是有区别的。这里的z是数据集，后面的zp80％，是利用数据集z经插值后拟合得到布拉格峰末端80％峰高处的z值，针对固定几何厚度的发泡材料来说，是一个固定值。

等效水厚度t’是一个数组，由纳米矿晶平均等效水厚度t和布拉格峰展宽能力σt决定。它是n的横坐标。n是一个正态分布函数，只需要两个参数t和σ就可以确定，然后取一定数量的横、纵坐标对应的值作为数据组，来进行后续的卷积操作以及迭代。)

利用数据集bm0(z)和数据集bmmod(z)，计算得到5cm厚度球形纳米矿晶的t，迭代得到σt。

对t的计算方法做进一步详述：

(4)步骤1.利用bm0(z)数据集，拟合得到布拉格峰末端80％峰高处的z值，记为zp80％；

(5)步骤2.利用bmmod(z)数据集，拟合得到布拉格峰末端80％峰高处的z值，记为z’p80％；

(6)步骤3.通过公式3计算得到5cm厚度球形纳米矿晶的平均等效水厚度t为4g/cm²：t＝zp80％-z′p80％(3)

对σt的迭代计算方法做进一步详述：

(1)步骤1.初始化σt＝1，最大迭代次数maxp＝100000，数据集bmod(z)，数据集b0(z)，等效水厚度t；

(2)步骤2.通过公式1和2，计算bm0(z)与n)t′|t，σt)的卷积得到bcmod(z)的数据集；

(3)步骤3.计算数据集bcmod(z)与数据集bmmod(z)之间各点的平均误差errm记为e；

(4)步骤4.p＝p+1；

(5)步骤5.比较p与maxp的大小，若p大于maxp，跳至步骤8，输出结果σt，否则，随机产生σt′；

(6)步骤6.通过公式1和2，计算bm0(z)与n’的卷积得到bc′mod(z)的数据集；

(7)步骤7.计算数据集bc′mod(z)与数据集bmmod(z)之间各点的平均误差errm’,若errm’>e，继续步骤4，否则σt＝σt′,继续步骤4；

(8)步骤8.输出结果σt；

求得5cm厚度球形纳米矿晶对质子或重离子束流的布拉格峰展宽能力σt为0.242g/cm²。

假设临床需要对质子或碳离子束流的布拉格峰展宽6mm，利用公式1和公式2，输入σt，通过迭代调整t，得到不同展宽程度的bcmod(z)的数据集。通过拟合得到各bcmod(z)数据集与bm0(z)数据集的半高宽数据的差值，fwhmmod-fwhm0≥6mm时，即计算的展宽程度满足临床需要。求得对质子或碳离子束流的布拉格峰展宽6mm所需球形纳米矿晶的平均等效水厚度t为1.83g/cm²。

所需几何厚度d可以通过按比例计算得到。因已经测量得到d＝5cm时，t的值4g/cm²。那么对于迭代得到的t的值1.83g/cm²，对应的d值只需要通过反比例获得。d/1.83＝5/4，求得临床需要对质子或碳离子束流的布拉格峰展宽6mm时，d＝5/4*1.83＝2.29cm。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。