用于质子治疗系统的屏蔽体的制作方法

本发明涉及防辐射技术领域，尤其是一种用于质子治疗系统的屏蔽体。

背景技术：

质子治疗被全世界公认为疗效最好、副作用最少的肿瘤治疗方法，而拥有360度旋转机架可以使质子束流在患者不移动的情况下，从多个角度按照最优路径准确轰击患者的肿瘤位置，耗时更少、对健康组织的伤害更少，同时使质子治疗技术能够运用于更多类型的肿瘤治疗。

在质子的加速旋转过程中，会产生大量有害公众健康的粒子辐射。基于辐射防护最优化原则，质子治疗系统的建造者应尽量减少质子治疗系统所产生的辐射，以减少对公众和环境的影响。

现有技术中，带有旋转机架的质子治疗系统，其通常设置于由混凝土构建的大型建筑中；但是现有的辐射屏蔽体都无法根据治疗系统的辐射剂量进行适形设计，而是采用过度防护，以尽可能大、尽可能厚的屏蔽体来减少辐射，空间占用大，建设成本也高。屏蔽体材料种类和厚度决定造价，随着同步加速器的小型化发展，对于商用医疗质子治疗系统来说，设计一种经济适用且安全有效的屏蔽体迫在眉睫。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的用于质子治疗系统的屏蔽体，从而能够针对质子治疗系统的辐射进行针对性屏蔽，达到最佳防护的同时节约成本，减少空间占用。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于质子治疗系统的屏蔽体，该屏蔽体为由屏蔽墙构建的多腔室结构，包括同步加速器室、旋转机架室；

所述同步加速器室和所述旋转机架室相互连通；

所述旋转机架室分为上部的上旋转机架室和下部的下旋转机架室，所述上旋转机架室和所述下旋转机架室之间开设有机架槽，旋转机架贯穿所述机架槽设置；所述上旋转机架室与所述同步加速器室相互连通成一个腔室。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述屏蔽体还包括治疗室，所述上旋转机架室与所述治疗室之间设有隔离墙。

所述屏蔽体还包括迷宫室，所述迷宫室设置于所述上旋转机架室的旁侧，并与所述治疗室相互连通；

所述迷宫室设有迷宫进口和迷宫出口，所述迷宫进口与外界连通，所述迷宫出口与所述治疗室相互连通。

所述屏蔽体还包括设备室，所述设备室与所述下旋转机架室相互连通。

所述屏蔽墙为混凝土层结构。

所述混凝土层的厚度范围为0.5-3.5m。

所述屏蔽墙为复合屏蔽墙结构，所述复合屏蔽墙包括混凝土层和包覆于混凝土层上的铁材料层。

所述混凝土层的厚度范围为0.5-3m。

所述铁材料层的厚度范围为15-120cm。

所述旋转机架室的的所述铁材料层的厚度值大于所述同步加速器室的所述铁材料层的厚度值。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，将旋转机架室和同步加速器室相互连通，不设有屏蔽墙，旋转机架室和治疗室之间设有隔离墙(不是屏蔽墙)，降低了屏蔽体建造成本。

本发明对屏蔽体进行适形的结构设计和厚度设计，使得屏蔽体能够以最小的空间达到防护目的，同时也节约了建造成本，有利于商业推广；本发明的屏蔽体采用混凝土和铁材料为屏蔽材料，能够进一步减少屏蔽体的厚度设置，减少了屏蔽体的占用空间。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的质子治疗系统的结构示意图。

图2是本发明实施例二提供的屏蔽体每个腔室剖开的结构示意图。

图3是本发明实施例二提供的屏蔽体中间横截面上的剂量分布图。

图4是本发明实施例二提供的屏蔽体中间纵截面上的剂量分布图。

图5是本发明实施例三提供的屏蔽体每个腔室剖开的结构示意图；

图6是本发明实施例三提供的屏蔽体中间横截面上的剂量分布图；

图7是本发明实施例三提供的屏蔽体中间纵截面上的剂量分布图；

图8是本发明实施例四中设置不同屏蔽墙情况下的质子治疗系统的辐射剂量分布图；

图9是本发明实施例四中扫描治疗头与靶体的作用示意图。

图中：

1-质子治疗系统；

11-注入器；12-同步加速器；13-引出装置；14-旋转机架；15-扫描治疗头；

2-靶体；

3、3＇-屏蔽体；

31、31＇-同步加速器室；32、32＇-旋转机架室；321、321＇-上旋转机架室；322、322＇-下旋转机架室；323、323＇-机架槽；33、33＇-治疗室；34、34＇-迷宫室；35、35＇-设备室；

4-混凝土层；5-铁材料层。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图9所示，本实施例的用于质子治疗系统的屏蔽体，该屏蔽体3为由屏蔽墙构建的多腔室结构，包括同步加速器室31、旋转机架室32；

同步加速器室31和旋转机架室32相互连通；

旋转机架室32分为上部的上旋转机架室321和下部的下旋转机架室322，上旋转机架室321和下旋转机架室322之间开设有机架槽323，旋转机架贯穿机架槽323设置；上旋转机架室321与同步加速器室31相互连通成一个腔室。

屏蔽体3还包括治疗室33，上旋转机架室321与治疗室33之间设有隔离墙。

屏蔽体3还包括迷宫室34，迷宫室34设置于上旋转机架室321的旁侧，并与治疗室33相互连通；

迷宫室34设有迷宫进口和迷宫出口，迷宫进口与外界连通，迷宫出口与治疗室33相互连通。

屏蔽体3还包括设备室35，设备室34与下旋转机架室322相互连通。

屏蔽墙为混凝土层4结构。

混凝土层4的厚度范围为0.5-3.5m。

屏蔽墙为复合屏蔽墙结构，复合屏蔽墙包括混凝土层4和包覆于混凝土层4上的铁材料层5。

混凝土层4的厚度范围为0.5-3m。

铁材料层5的厚度范围为15-120cm。

旋转机架室32的的铁材料层5的厚度值大于同步加速器室31的铁材料层5的厚度值。

实施例一：

本实施例提供一种用于质子治疗系统的屏蔽体，如图1所示，该质子治疗系统1为360°旋转机架质子治疗系统，包括了顺次连接的注入器11、同步加速器12、引出装置13、旋转机架14和扫描治疗头15。质子由注入器11注入至同步加速器12中，经过同步加速器12四个二极磁铁的旋转加速获得能量形成质子束流，质子束流由引出装置13的引出磁铁导流至旋转机架14中，经由旋转机架14的三个二极磁铁后由扫描治疗头15射出至靶体2(即患者的病灶)，完成治疗。其中，质子束流在同步加速器12的二极磁铁、引出磁铁、旋转机架14的三个二级磁铁以及扫描治疗头15上会发生较大的束流损失，产生较强的辐射能量，因此，在进行辐射屏蔽体的设计时需要重点关注这些区域的防辐射。

如图2所示，屏蔽体3整体为屏蔽墙构建的多腔室结构，包括同步加速器室31、旋转机架室32、治疗室33、迷宫室34和设备室35。其中，注入器11、同步加速器12和引出装置13设置于同步加速器室31内，旋转机架14设置于旋转机架室32内，扫描治疗头15和靶体2位于治疗室33内，设备室35用于放置质子治疗系统1的电气设备。

同步加速器室31和旋转机架室32相互连通，且不设有任何屏蔽结构，成为一个整体的腔室，如此设置可以节省空间，也减少了屏蔽材料的浪费。另外由于旋转机架14在竖直方向占用的空间较大，旋转机架室32可分为上部的上旋转机架室321和下部的下旋转机架室322，上旋转机架室321和下旋转机架室322之间开设有机架槽323，旋转机架贯穿所述机架槽323设置；机架槽323的形状结构根据旋转机架14的结构进行设计，避免过多的辐射再由下旋转机架室322透出。上旋转机架室321与同步加速器室31相互连通。

旋转机架室32和治疗室33之间设有隔离墙(在图中并未显示)，该隔离墙可为简单的墙体结构，可采用木板、塑料板等隔离材料制造，而不采用混凝土制造，即隔离墙只需起到治疗室33和旋转机架室32隔离目的即可。旋转机架室32与治疗室33的这种隔离设计可以节省屏蔽体的制造成本，避免过多屏蔽材料的浪费。

迷宫室34设置于上旋转机架室321的旁侧，并与治疗室33相互连通，方便操作人员由迷宫进入治疗室33，帮助患者进行定位和治疗。迷宫室34设有迷宫进口和迷宫出口，迷宫进口设于迷宫室外侧，与外界连通，迷宫出口与治疗室33相互连通，操作人员由迷宫进口进入迷宫中，并由迷宫出口进入至治疗室33。

设备室35设置于迷宫室34的下方、下旋转机架室322的旁侧，设备室35内用于放置整个质子治疗系统1的电气设备，设备35室与下旋转机架室322之间相互连通，用于将电气设备与质子治疗系统1的各个部件连接。

实施例二：

如实施例一所述的屏蔽体3，其屏蔽墙为混凝土层4，每个腔室的高度和体积根据质子治疗系统1各部分的结构大小进行设计，但本实施例可以提供关于该屏蔽体3的具体壁厚尺寸的下限值，该下限值根据位于该屏蔽体3内的质子治疗系统1使用时的最大辐射量进行适形的设置。

如图2中的坐标系所示，本实施例中所述的上或下的方向为z轴方向，左、或右的方向为y轴方向，前或后的方向为x轴方向，以便理解。

具体而言，同步加速器室31的上壁厚度和下壁厚度设置为2m，同步加速器室31的左壁厚度设置为2m，其中左壁下部的厚度可以加厚至3m，以获得更安全的屏蔽效果。

上旋转机架室321的下壁厚度也设置为2m，上壁厚度为3m，其右壁厚度设置为2m，用于隔离上旋转机架室321和迷宫室；其中，右壁靠近后侧的部分的厚度设置为3m。

整个同步加速器室31和上旋转机架室321的前壁和后壁的厚度均设为3m。

下旋转机架室322的上壁即为上旋转机架室321的下壁，下旋转机架室322的侧壁、前壁和后壁厚度均为2m，下壁厚度为3m。

迷宫室34的上壁、下壁、右壁以及后壁厚度均设置为1m，而其前壁厚度设置为2m。

为了进一步增强上旋转机架室321的防辐射能力，在上旋转机架室321右壁的外侧上加设有一层屏蔽墙，该屏蔽墙位于迷宫室34的上方，其厚度设为0.5m。

设备室35的上壁即为迷宫室34的下壁，设备室35与下旋转机架室322通过下旋转机架室322的右壁进行隔离，设备室35的前壁、后壁、下壁和右壁厚度均为0.5m。

针对辐射剂量的标准，国标gb18871-2002的要求是：职业照射年剂量小于20msv，公众照射年剂量小于1msv。而本实施例所提供的屏蔽体3的设计目标是职业照射年剂量小于5msv，公众照射年剂量小于0.1msv,分别是国标的1/4和1/10,具体如表1所示：

表1辐射剂量标准(单位：msv/每年)

针对以上屏蔽体3具体的壁厚设计，根据蒙特洛卡算法进行该屏蔽体3辐射量分布的模拟分析，验证本实施的屏蔽体3的结构和厚度的设计可以满足防辐射要求。本实施例中质子治疗系统1的引出质子能力范围为70-230mev，最大流强2na，在计算时按照质子治疗系统1的最大流强进行分析，选用当量剂量(单位为msv)进行对比分析，得到如图3-4所示的辐射剂量分布图。

图3为该屏蔽体3中间横截面上的剂量分布图，图3的下方为剂量分布数值的图示，其上标有三个标准线，由左至右分别为0.1msv、1msv和5msv，在分布图中相应地勾画出各个标准的连线图，可以看到，每个标准线几乎都落在了屏蔽体3的侧壁上，其中，最外侧的曲线为0.1msv的剂量线，中间曲线为1msv的剂量线，最内侧的曲线为5msv的剂量线，证明了该屏蔽体3可以屏蔽辐射至0.1msv的标准。即该屏蔽体3既能满足国标中对职业人员以及公众的辐射剂量限值标准，也能满足本实施例对辐射剂量的限值标准。

图4为该屏蔽体3中间纵截面上的剂量分布图，图4的下方为剂量分布数值的图示，其上标有三个标准线，由左至右分别为0.1msv、1msv和5msv，在分布图中相应地勾画出各个标准的连线图，可以看到，每个标准线几乎都落在了屏蔽体3的侧壁上，其中，最外侧的曲线为0.1msv的剂量线，中间曲线为1msv的剂量线，最内侧的曲线为5msv的剂量线，证明了该屏蔽体3可以屏蔽辐射至0.1msv的标准。即该屏蔽体3既能满足国标中对职业人员以及公众的辐射剂量限值标准，也能满足本实施例对辐射剂量的限值标准。

本实施例中屏蔽体3的各个壁厚均根据最小值进行设计选取的，具体实施时，可以根据造价预算的高低和实际需求进行增厚处理，本实施例仅限于提供一个按照质子治疗系统1的最大流强进行设计的壁厚下限值。

实施例三

本实施例在于提供一种屏蔽体3＇，与实施例二中的屏蔽体3结构基本相同，但与实施例二中的屏蔽体3不同的是，该屏蔽体3＇采用混凝土层4和铁材料层5形成的复合屏蔽墙来构建腔室结构。

采用复合屏蔽墙的情况下，每个腔室的高度和体积仍根据质子治疗系统1各部分的结构大小进行设计，由于铁材料是良好的屏蔽材料，包覆有铁材料的复合屏蔽墙的防辐射能力更强，混凝土材料和铁材料的组合能够减少屏蔽层的厚度，因此每个腔室壁厚的下限值会有所改变，但该下限值仍根据质子治疗系统1的辐射分布进行适形的设置。

本实施例中，复合屏蔽墙采用铁材料层5包覆在混凝土层4内壁上形成，且根据辐射剂量的分布，并不是所有的混凝土层4上均包覆有铁材料层5，只有在辐射剂量较多的区域进行铁材料层5的包覆。应当注意的是，以下所提及的屏蔽体3＇的壁厚如果没有特别说明，均指屏蔽墙的整体厚度，即若只是单纯的混凝土层4，则壁厚就为混凝土层4的厚度；若是复合屏蔽墙，则壁厚就为混凝土层4和铁材料层5的整体厚度，且针对铁材料层厚度设计均有相应的特别说明。

如图5所示，同步加速器室31＇的上壁和下壁厚度设置为2m，同步加速器室31＇的左壁厚度设置为2m，其中左壁的下部包覆有铁材料层5，铁材料层5厚度为30cm，该铁材料层5替代了原来此处增加的1m厚的混凝土层4，但可达到相同的屏蔽效果，使得同步加速器室31＇的左壁均为2m。同步加速器室31＇的下壁上包覆有长为700cm、宽为600cm、厚度为60cm的矩形铁材料层5。

上旋转机架室321＇的上壁和下壁厚度均设置为2m，其右壁厚度设置为2m，用于隔离上旋转机架室321＇和迷宫室34＇；其中，上旋转机架室321＇的上壁的侧壁上包覆有100cm的铁材料层5，可以替代原来此处增加的1m厚的混凝土层4；上旋转机架室321＇的右壁靠近后侧的部分包覆有50cm的铁材料层5，用来替代原来此处设计的1m厚的混凝土层4。

下旋转机架室322＇的上壁即为上旋转机架室321＇的下壁，下旋转机架室322＇的侧壁厚为2m，下壁壁厚为2m。其中在下旋转机架室322＇的侧壁上均包覆有50cm厚的铁材料层5，在其下壁的右侧部分包覆有60cm厚的铁材料层5，如此设置可以将下旋转机架室322＇的下壁有效地减少了1m的厚度。

整个同步加速器室31＇和上旋转机架室321＇的前壁和后壁的厚度均设为2m，较实施例二中壁厚为3m的设置，整个壁厚减少了三分之一，因为在同步加速器室31＇和上旋转机架室321＇的前壁和后壁上均包覆有铁材料层5。具体地，铁材料层5在同步加速器室31＇后壁上设置为50cm，在同步加速器室31＇前壁上设置为20cm；但是铁材料层5在上旋转机架室321＇后壁上设置的厚度增加为100cm，在上旋转机架室321＇前壁上设置为70cm，其主要原因是根据图3中剂量标准线，在上旋转机架室321＇的前壁和后壁上的辐射剂量较同步加速器室31＇的前壁和后壁的剂量多，因此需要将上旋转机架室321＇铁材料层5的厚度设置的厚些。

迷宫室34＇的上壁厚度、下壁厚度、右壁以及后壁厚度均设置为1m，而其前壁厚度设置为2m。

为了进一步增强上旋转机架室321＇的防辐射能力，在上旋转机架室321＇的右壁的外壁上加设有一层屏蔽墙，该屏蔽墙位于迷宫室34＇的上方，其厚度设为0.5m。

设备室35＇的上壁即为迷宫室34＇的下壁，设备室35＇的下壁和右壁厚度均为0.5m，设备室35＇与下旋转机架室322＇通过下旋转机架室322＇的右壁进行隔离。

由于辐射在迷宫室34＇和设备室35＇内剂量较少，本实施例中针对设备室35＇和迷宫室34＇不再设置铁材料层5。

根据实施例二所述，针对本实施例中屏蔽体3＇具体的壁厚设计，利用蒙特洛卡算法进行该屏蔽体3＇辐射量分布的模拟分析，验证本实施例的屏蔽体3＇的结构和厚度的设计可以满足防辐射要求，计算时仍按照质子治疗系统的最大流强进行分析，得到如图6-7所示的辐射剂量分布图。

图6为该屏蔽体3＇中间横截面上的剂量分布图，图6的下方为剂量分布数值的图示，其上标有三个标准线，由左至右分别为0.1msv、1msv和5msv，在分布图中相应地勾画出各个标准的连线图，可以看到，每个标准线仍然几乎都落在了屏蔽体3＇的侧壁上，其中，最外侧的曲线为0.1msv的剂量线，中间曲线为1msv的剂量线，最内侧的曲线为5msv的剂量线，证明了该屏蔽体3＇可以屏蔽辐射至0.1msv的标准，更不用说1msv和5msv的标准了。即该屏蔽体3＇既能满足国标中对职业人员以及公众的辐射剂量限值标准，也能满足本实施例对辐射剂量的限值标准。

图7为该屏蔽体3＇中间纵截面上的剂量分布图，图7的下方为剂量分布数值的图示，其上标有三个标准线，由左至右分别为0.1msv、1msv和5msv，在分布图中相应地勾画出各个标准的连线图，可以看到，每个标准线几乎都落在了屏蔽体3＇的侧壁上，其中，最外侧的曲线为0.1msv的剂量线，中间曲线为1msv的剂量线，最内侧的曲线为5msv的剂量线，证明了该屏蔽体3＇可以屏蔽辐射至0.1msv的标准，更不用说1msv和5msv的标准了。即该屏蔽体3＇既能满足国标中对职业人员以及公众的辐射剂量限值标准，也能满足本实施例对辐射剂量的限值标准。

由此可见，采用包覆有铁材料层5的复合屏蔽墙进行设计，可以将相应的屏蔽体3＇的壁厚减少至少三分之一，使得整个屏蔽体3＇的壁厚更加均匀，在不降低屏蔽效果的前提下，减少了屏蔽体3＇的占用空间。

本实施例中屏蔽体3＇的各个壁厚、以及铁材料层5的厚度是按照质子治疗系统的最大流强进行设计的最小值，具体实施时，可以根据造价预算的高低和实际需求进行增厚处理，本实施例仅限于提供一个下限值。

实施例四

实施例一中提到，旋转机架室32和同步加速器室31之间相互连通，并未设置屏蔽墙。本实施例的目的在于提供一种验证，验证无论采用何种屏蔽材料隔离旋转机架室32和同步加速器室31，对于靶体2来说，其周围的辐射剂量均不会有效地减少。

根据蒙特洛卡算法进行该屏蔽体3辐射量分布的模拟分析。具体地，计算时按照质子治疗系统1的最大流强进行分析，选用有效剂量(单位为gy)进行对比分析，并重点关注扫描治疗头15和靶体2附近的辐射剂量。

如图8所示的质子治疗系统1的辐射剂量分布图，由左至右分别显示了旋转机架32室和同步加速器室31之间不设有屏蔽墙、设有10cm混凝土层4的屏蔽墙、以及设有由5cm混凝土层4和2cm铁材料层5组成的复合屏蔽墙的情况下，质子治疗系统1的辐射剂量分布。如图9所示，扫描治疗头15向靶体2进行质子流的发射，在垂直于扫描治疗头15发射的方向上，选取距离靶体2中心15cm、50cm、200cm处的三个点(即为点a1、b1、c1)进行剂量值的提取。

具体数值如表2所示：

表2不同情况下靶体附近的辐射剂量分布(单位：gy)

由表格数据可得，不设有屏蔽墙，设有10cm混凝土层的屏蔽墙、以及设有由5cm混凝土层和2cm铁材料层5组成的复合屏蔽墙的三种情况下，靶体2周围的辐射剂量变化不大，因此无论采用哪种屏蔽材料均不能有效减少靶体2周围的辐射剂量，为实施例一种同步加速器室31和旋转机架室32设置为一体式腔体结构提供了支持，该结构设计可以优化屏蔽体的结构，使屏蔽体小型化成为现实。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。