专利名称：束流发射度均衡方法
技术领域：
本发明涉及束流发射度均衡技术领域，尤其涉及一种束流发射度均衡 方法。
背景技术：
束流发射度均衡方法的原理如下利用一块或一组螺线管对束流产生 绕纵向轴的旋转，从而产生水平方向和垂直方向的耦合作用，改变螺线管 的励磁强度，即可改变束流的旋转角和耦合作用。如果在螺线管入口的
TWISS参数是水平方向和垂直方向相等的，在束流旋转角为45。时可使两 者的发射度在和值不变的情况达到均衡。采用螺线管将束流旋转45°以将 横向相空间中原始不相等的发射度在和值不变的情况达到均衡的方法已 有报导，但是在很低束流能量情况下采用的，而且是完全不同类型的应用。 如果后面再没有对束流产生绕纵向轴的元件，平衡后的发射度将一直维持 下去。
对于采用慢引出的同步加速器，引出的束流发射度在水平方向和垂直 方向很不相同，通常表现为垂直方向的发射度比水平方向的发射度大很 多，如5倍或更多，且在引出过程中水平方向的束流发射度形状和中心位 置还容易发生较大的变化。这种束流条件对于不少情况的束流应用是很不 利的，特别是在质子或重离子治疗装置中采用带旋转机驾的点扫描治疗方 法时，治疗束斑的变化和抖动对治疗效果有很大的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种束流发射度均衡方法，以 解决如何对水平和垂直方向的束流发射度进行均衡处理的问题，且使进行 发射度均衡后的束流不随旋转机驾的角度变化而变化。(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种束流发射度均衡方法，其特征在 于，该方法包括以下步骤
步骤1:根据束流类型和能量的高低，选择普通螺线管、超导螺线管 和束流旋转器中的一种作为发射度均衡单元；
步骤2:在束流传输线上安排该发射度均衡单元的安装空间；
步骤3:在发射度均衡单元和旋转机驾的入口分别进行TWISS参数的 匹配，使得水平相空间和垂直相空间中的TWISS参数相等；
步骤4:对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角度；
步骤5:进行正常的束斑尺寸匹配，并进行束流截面的实空间X-Y相 平面中束流倾角的匹配；
步骤6:在改变治疗束流的能量时，束流发射度均衡单元的磁场设置 与整个束流传输系统同步地调整。
上述方案中，步骤1中所述选择普通螺线管、超导螺线管和束流旋转 器中的一种作为发射度均衡单元时，对于能量相对较低的质子束流，选择 普通螺线管作为发射度均衡单元；对于能量相对较高的质子束流或者重离 子，选择超导螺线管或者束流旋转器作为发射度均衡单元。
上述方案中，步骤2中所述在束流传输线上安排该发射度均衡单元的 安装空间时，如果是针对一台旋转机驾，则将发射度均衡单元安装在紧靠 在旋转机驾之前；如果是针对多个治疗终端，则将发射度均衡单元的安装 在加速器的主干线上。
上述方案中，步骤3中所述进行TWISS参数的匹配，是在紧靠其入 口的上游安排4台四极透镜实现的。
上述方案中，在所述步骤3中，如果在发射度均衡单元和旋转机驾之 间还有其它束流光学元件，则中间段的水平和垂直相空间的相移应满足是 兀的整数倍。
上述方案中，步骤4中所述对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角 度时，如果是螺线管，则通过改变螺线管的励磁电流来改变其产生的束流 旋转角度，该角度与旋转机驾的旋转角产生和的效果；如果是束流旋转器，
5则通过机械绕纵轴旋转的方法来改变一种特殊的束流旋转角度，该角度与旋转机驾的旋转角产生差的效果。
上述方案中，步骤4中所述对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角度时，为了达到束流发射度在水平和垂直方向均衡的效果，要求总的束流旋转角为45。或135°;当旋转机驾根据治疗的需要调整角度时，发射度均衡单元的设置及其匹配也要进行相应的调整。
上述方案中，步骤5中所述进行正常的束斑尺寸匹配，并进行束流截面的实空间X-Y相平面中束流倾角的匹配，是为了在照射点上产生一个圆的束斑；所述束流倾角是由于发射度均衡单元产生的，因此，需要在照射点前增加一台匹配透镜。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 本发明提供的这种束流发射度均衡方法，可以对水平和垂直方向的束流发射度进行均衡处理，并且可以随着旋转机驾角度的变化进行相应的调整，而使束流光学在旋转机驾中保持不变，亦即可以使治疗束斑在该角度旋转过程中保持不变。同时，因为在旋转机驾的偏转方向和垂直方向均有较小的束流发射度，旋转机驾的磁铁和机驾本身的重量可以明显地减小，从而降低造价和制造难度。
2、 本发明还不限于用于带旋转机驾且采用点扫描模式的治疗头，对于采用固定束的治疗头和带旋转机驾但采用散射模式的治疗头，本发明所提供的方法也有利于减小束流的抖动和减小束流在旋转机驾的变化，可以明显减小旋转机驾的磁铁设计和减轻其重量。
图1是本发明提供的束流发射度均衡的原理示意图；图2是两个横向相空间中束流发射度相差很大的束流在进入螺线管之
前束流在相空间的分布示意图3是两个横向相空间中束流发射度相差很大的束流在经过螺线管和
旋转机驾的作用之后束流在相空间的分布示意图；图4是本发明提供的束流发射度均衡的方法流程图；'图5是依照本发明实施例提供的发射度均衡的示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的束流发射度均衡方法与背景技术中提及的束流发射度
均衡方法有明显的不同。 一方面所对应的束流能量高得多；另一方面要面对更为复杂的情况，因为质子治疗或重离子治疗中所采用的旋转机驾恰好也是一种会对束流产生绕纵轴旋转的设备，当螺线管与旋转机驾同时使用时，对束流所产生的耦合作用更为复杂和不易处理。通过研究表明，当螺线管和旋转机驾之间没有其它元件或两者之间的传输段对横向两个方向的相移均为2TI或其整数倍时，只要使它们对束流产生的绕纵向轴旋转的角度之和为45°或135°，旋转机驾内的束流发射度在水平和垂直两个方向上就是始终相等的，且不易受到引出过程不稳定性的影响。
图1示出了本发明提供的束流发射度均衡的原理示意图，图2和图3分别给出了原始在两个横向相空间中(这里分别为X-X'和Y-Y')束流发射度相差很大的束流在经过螺线管和旋转机驾的作用后两个发射度变得相等了。如此，对应治疗时旋转机驾处于不同的角度，需要改变螺线管的强度即改变它对束流绕纵轴的旋转角度。由于螺线管强度的改变同时也改变了它对束流的聚焦作用，螺线管前面的几台匹配聚焦透镜也需要作相应的参数调整。
如图4所示，图4是本发明提供的束流发射度均衡的方法流程图，该方法包括以下步骤
步骤1:根据束流类型和能量的高低，选择普通螺线管、超导螺线管
和束流旋转器中的一种作为发射度均衡设备的主体(以后称为发射度均衡单元)。对于相对较低的质子束流能量，选择普通螺线管作为发射度均衡
单元较为理想；对于相对较高的质子束流能量或者重离子，选择超导螺线管或者束流旋转器作为发射度均衡单元较为理想。
步骤2:在束流传输线上安排该发射度均衡单元的安装空间。如果是针对一台旋转机驾，则将发射度均衡单元安排在紧靠在旋转机驾之前；如果是针对多个治疗终端，则将发射度均衡单元的安装位置放在加速器的主干线上。
步骤3:在发射度均衡单元的入口进行横向TWISS参数的匹配，使得水平和垂直相空间中的TWISS参数是完全相等的。该匹配通常需要增加额外的四极透镜来完成，例如在紧靠其入口的上游安排4台四极透镜。在旋转机驾的入口同样要求在水平相空间和垂直相空间中有相等的TWISS参数。如果在发射度均衡单元和旋转机驾之间还有其它束流光学元件，则
中间段的水平和垂直相空间的相移必须是7l的整数倍。
步骤4:对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角度。如果是螺线管，则可以通过改变螺线管的励磁电流来改变其产生的束流旋转角度，该角度与后面的旋转机驾的旋转角产生和的效果；如果是束流旋转器，则可以通过机械绕纵轴旋转的方法来改变一种特殊的"束流旋转角度"，该角度与后面的旋转机驾的旋转角产生差的效果。为了达到束流发射度在水平和垂直方向均衡的效果，要求总的束流旋转角为45。或135°。当旋转机驾根据治疗的需要调整角度时，发射度均衡单元的设置及其匹配也要进行相应的调整。
步骤5:为了在照射点上产生一个圆的束斑，除了进行正常的束斑尺
寸匹配外，还要进行X-Y相平面(亦即是束流截面的实空间)中束流倾角
的匹配，该倾角是由于发射度均衡单元产生的，因此，通常需要在照射点前增加一台匹配透镜。
步骤6:在改变治疗束流的能量时，束流发射度均衡单元的磁场设置与整个束流传输系统同步地调整。
本发明提供的束流发射度均衡方法，除了采用螺线管对束流进行绕纵向轴的旋转外，也可以采用一组由磁四透镜组成的"束流旋转器"达到同样
的效果。通常由6 7台磁四极透镜组成的束流旋转器采用特殊的束流光学
设计，使通过它的横向自由振荡相移在水平方向是2兀而在垂直方向是Tl，
如果让该旋转器以机械旋转的方式绕纵向轴旋转e角，则它会对束流产生
绕纵向轴26的旋转角；进一步的情况与螺线管的情况类似，如果在其入口
的TWISS参数是水平方向和垂直方向相等的，则束流旋转角为45°时也可
8使两者的发射度在和值不变的情况达到均衡。注意，以前束流旋转器所使用的方法与本发明所介绍的束流发射度均衡技术完全不同，只是在旋转机驾旋转到不同的角度时，通过束流旋转器的机械旋转将束流绕纵轴旋转同样的角度，以保证与旋转机驾的配合保持不变。
本发明提供的束流发射度均衡方法，也可以用于治疗装置中没有旋转机驾的情况，即所有的治疗头均为固定治疗头，或采用水平束流或采用垂直束流，这在重离子治疗时比较常见。此时，可将螺线管或束流旋转器放在距离加速器出口较近的位置，并且采用将束流旋转固定45。的设计，这样传输到整个治疗装置中所有固定治疗头的束流都有在横向相空间的发射度相等的特性，可以改善治疗束斑的均匀性和稳定性。
本发明提供的束流发射度均衡方法，首先是可用于采用慢循环同步加速器作为主加速器的质子治疗和重离子治疗装置上，可以有效地改善治疗束斑的分布和稳定性。但也不限于此，所有在横向发射度相差较大而实际需要是希望两者基本相当的情况下都可以应用该技术。
为了更好地说明发射度均衡技术的应用，以一个实际设计的质子治疗束流传输和配送系统的例子作具体的说明，图5显示一个这样的例子，该
装置共有3个治疗室，其中治疗室A内有一个水平治疗头，治疗室B内
有共享同一个治疗床的一个水平治疗头和一个垂直治疗头，治疗室c内有
一个旋转机驾。该装置配备了2套束流发射度均衡系统， 一套装在主干线上，用于加速器的束流被导向治疗室A和治疗室B内的3个固定治疗头
之一的情况，当束流被导向治疗室C时它不对束流产生旋转作用；另一套
装在治疗室C旋转机驾之前，专用于该治疗头，且配合旋转机驾的角度对束流进行相应的绕纵轴的旋转。
当发射度均衡单元采用螺线管时，螺线管的设计参数与所应用的束流条件紧密相关。如果对应的质子束流，通常情况下设计的最高能量为250MeV，最大旋转角45。对应的积分场强为3.87 Tm。需要设计一个较长的常规螺线管，如长度为3m时对应的磁场强度为1.29T,螺线管的内孔径约为30mm，可由多段螺线管组成一组但串联供电。对于治疗装置采用碳离子的情况，通常情况下设计的最高能量为400 MeV/u，最大旋转角45°对应的积分场强达到6.35 Tm，普通设计的常温螺线管难以达到要求，需要采用超导螺线管，如长度为2 m时对应的磁场强度为4.99 T。
当发射度均衡单元采用束流旋转器时，所需要的透镜组占用的空间较大，6 7台透镜组的长度约为10 m，且需要对该透镜组进行机械旋转，这是一般情况下所不愿意看到的。采用透镜组的好处是其运行时电功率消耗
要低于螺线管和在重离子治疗情况下可以避免超导螺线管的使用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种束流发射度均衡方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤1根据束流类型和能量的高低，选择普通螺线管、超导螺线管和束流旋转器中的一种作为发射度均衡单元；步骤2在束流传输线上安排该发射度均衡单元的安装空间；步骤3在发射度均衡单元和旋转机驾的入口分别进行TWISS参数的匹配，使得水平相空间和垂直相空间中的TWISS参数相等；步骤4对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角度；步骤5进行正常的束斑尺寸匹配，并进行束流截面的实空间X-Y相平面中束流倾角的匹配；步骤6在改变治疗束流的能量时，束流发射度均衡单元的磁场设置与整个束流传输系统同步地调整。
2、 根据权利要求1所述的束流发射度均衡方法，其特征在于，步骤1 中所述选择普通螺线管、超导螺线管和束流旋转器中的一种作为发射度均 衡单元时，对于能量相对较低的质子束流，选择普通螺线管作为发射度均 衡单元；对于能量相对较高的质子束流或者重离子，选择超导螺线管或者 束流旋转器作为发射度均衡单元。
3、 根据权利要求1所述的束流发射度均衡方法，其特征在于，步骤2 中所述在束流传输线上安排该发射度均衡单元的安装空间时，如果是针对 一台旋转机驾，则将发射度均衡单元安装在紧靠在旋转机驾之前；如果是 针对多个治疗终端，则将发射度均衡单元的安装在加速器的主干线上。
4、 根据权利要求1所述的束流发射度均衡方法，其特征在于，步骤3 中所述进行TWISS参数的匹配，是在紧靠其入口的上游安排4台四极透 镜实现的。
5、 根据权利要求1所述的束流发射度均衡方法，其特征在于，在所 述步骤3中，如果在发射度均衡单元和旋转机驾之间还有其它束流光学元件，则中间段的水平和垂直相空间的相移应满足是7l的整数倍。
6、 根据权利要求1所述的束流发射度均衡方法，其特征在于，步骤4 中所述对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角度时，如果是螺线管，则通过改变螺线管的励磁电流来改变其产生的束流旋转角度，该角度与旋转 机驾的旋转角产生和的效果；如果是束流旋转器，则通过机械绕纵轴旋转 的方法来改变一种特殊的束流旋转角度，该角度与旋转机驾的旋转角产生 差的效果。
7、 根据权利要求1所述的束流发射度均衡方法，其特征在于，步骤4中所述对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角度时，为了达到束流发射度在水平和垂直方向均衡的效果，要求总的束流旋转角为45。或135°;当旋转机驾根据治疗的需要调整角度时，发射度均衡单元的设置及其匹配也 要进行相应的调整。
8、 根据权利要求1所述的束流发射度均衡方法，其特征在于，步骤5 中所述进行正常的束斑尺寸匹配，并进行束流截面的实空间X-Y相平面中 束流倾角的匹配，是为了在照射点上产生一个圆的束斑；所述束流倾角是 由于发射度均衡单元产生的，因此，需要在照射点前增加一台匹配透镜。
全文摘要
本发明公开了一种束流发射度均衡方法，该方法包括根据束流类型和能量的高低，选择普通螺线管、超导螺线管和束流旋转器中的一种作为发射度均衡单元；在束流传输线上安排该发射度均衡单元的安装空间；在发射度均衡单元和旋转机驾的入口分别进行TWISS参数的匹配，使得水平相空间和垂直相空间中的TWISS参数相等；对发射度均衡单元设置要求的束流旋转角度；进行正常的束斑尺寸匹配，并进行束流截面的实空间X-Y相平面中束流倾角的匹配；在改变治疗束流的能量时，束流发射度均衡单元的磁场设置与整个束流传输系统同步地调整。利用本发明，可对水平和垂直方向的束流发射度进行均衡处理，使束流光学在旋转机驾中保持不变。
文档编号A61N5/10GK101515484SQ20091007772
公开日2009年8月26日 申请日期2009年2月13日 优先权日2009年2月13日
发明者关遐令, 唐靖宇, 方守贤 申请人:中国科学院高能物理研究所