一种分层重离子/质子治疗装置的制作方法

本实用新型涉及重离子/质子治疗技术领域，具体涉及一种分层重离子/质子治疗装置。

背景技术：

肿瘤放射治疗中使用的放射线主要可分为光子束和粒子束。传统放疗使用x射线及γ射线等光子束，但由于其自身的物理剂量分布及生物效应性能，在使用光子束照射时将不可避免地损伤到肿瘤附近的正常组织，而且剂量的有效利用率也低。同时光子治疗的毒副作用会影响患者的生活质量。

重离子、质子具有非常适合于肿瘤治疗的深度剂量分布，尤其是碳离子等重离子射线杀灭肿瘤细胞能力比常规的光子射线高约3倍，对抗拒光子放疗的恶性肿瘤和治疗后复发的恶性肿瘤，具有较好的杀伤效果。重离子或质子经由同步加速器加速，当其速度接近光速的70％时，重离子/质子射线被引出射入人体。与常规的x射线、γ射线等光子束相比，重离子/质子射线拥有更大的、不可逆的杀死癌细胞的能量。

重离子/质子治癌的优势，主要体现为它在物质中的剂量损失少、集中于射程末端的物理学特性和高的相对生物学效应。因此，重离子质子射线特别适合于外科手术、化疗、常规放疗无效或易复发的难治病例。相关数据显示，采用该技术治癌在肿瘤局部控制率、生存率方面疗效显著。

与常规放疗射线相比，重离子和质子，尤其是重离子对病灶周围健康组织的损伤最小，对癌细胞杀伤效果最佳，可在线精确监控照射位置和剂量，疗程短，无痛苦，几乎没有副作用，被国际上公认为21世纪最理想的放疗用射线。在实施重离子/质子放射治疗过程中，可根据不同的治疗需求，提供不同的治疗终端。

但是，重离子/质子治疗系统庞大，从粒子源产生的重离子/质子束被加速装置加速后经由束流传输装置传输到治疗终端用于肿瘤治疗的整个过程中，重离子/质子束需要经过很长的线路，其间各种设备庞杂繁多，占地面积大，在土地资源有限的城市医院建造重离子/质子治疗装置比较困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提供一种结构紧凑、功能稳定、占地面积小、能够充分利用立体空间的分层重离子/质子治疗装置。

本实用新型的一种分层重离子/质子治疗装置，所述治疗装置包括加速器、治疗终端和传输线路，所述治疗装置被构造为多层，所述加速器为一层，所述加速器与至少一个所述治疗终端位于不同层，至少一个所述治疗终端处于所述加速器的上层或/和下层，所述传输线路连接所述加速器和所述治疗终端，所述传输线路在空间竖直面的投影包括至少两个偏转角，用于将来自所述加速器引出束流的末端折转至与所述加速器平行的所述治疗终端层。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述加速器通常由注入装置、主加速装置以及连接线路组成。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述注入装置通常可由粒子源和注入器组成。由束流管将所述粒子源、所述注入器连接起来组成所述注入装置。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述粒子源用来产生肿瘤治疗用的重离子或质子。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述注入器用来将从所述粒子源引出的低能重离子/质子束进行初级加速，使其能量达到所述主加速装置的束流的注入水平。所述注入器通常选用回旋加速器或直线加速器。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述主加速装置主要用来将重离子/质子束加速到肿瘤治疗所需的能量水平。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述加速器通常选用同步加速器作为重离子的主加速装置，通常选用同步加速器或回旋加速器作为质子的主加速装置。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述治疗终端主要对从所述加速器引出的重离子/质子束进行横向扩展和纵向调制，形成可直接用于肿瘤治疗的重离子/质子束。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述传输线路主要包括偏转磁铁和聚焦磁铁，所述偏转磁铁和聚焦磁铁由束流管依序连接布置。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述传输线路主要用来连接所述加速器和所述治疗终端。所述传输线路主要由束流管从所述粒子源引出口开始，依次串接所述注入器、所述主加速装置，一直到所述治疗终端，用来实现重离子/质子束从所述粒子源到所述治疗终端的匹配传输。

上述的分层重离子/质子治疗装置，在垂直方向的空间布局根据所述治疗终端的配置情况和物理设计可分为两层或两层以上的分层结构。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述分层结构通常将所述加速器布置在一层，将一个或多个治疗终端布置在与加速器层平行的其它一个或多个空间层面。也可以将所述加速器与部分治疗终端置于一层，将其余治疗终端布置在与加速器层平行的其它一个或多个空间层面。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述加速器层面和所述治疗终端层面均由传输线路连接。上述连接主要由所述偏转磁铁和聚焦磁铁组合成直线节、偏转角来实现。

上述的分层重离子/质子治疗装置，相邻的所述偏转角相等或互补，相邻的两个偏转角中至少一个偏转角为锐角。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述偏转磁铁为二极磁铁，所述聚焦磁铁为四极磁铁。所述二极磁铁为45度或30度或60度等不同偏转角度的偏转磁铁。所述聚焦磁铁可以实现水平和垂直方向的聚焦。

上述的分层重离子/质子治疗装置，每个偏转角处包括至少一个偏转磁铁和一个聚焦磁铁。

上述的分层重离子/质子治疗装置，每个偏转角处包括多个依序设置的二级磁铁以形成所述偏转角度。

上述的分层重离子/质子治疗装置，每两个二极磁铁之间还可设有一个四极磁铁。上述的分层重离子/质子治疗装置，每两个磁铁之间通过束流管连接。

上述的分层重离子/质子治疗装置，每两个相邻所述偏转角之间设有若干四级磁铁。

上述的分层重离子/质子治疗装置，同一空间层面上所述治疗终端数量可为一个或多个。

本实用新型实现了将重离子/质子从粒子源产生、经注入器和主加速器加速后配送到治疗终端，通过横向扩展和纵向调制后用于肿瘤精确治疗的整个过程。通过一层平面往其它平行层的偏转，使得治疗终端与加速器可以位于不同层面，充分利用立体空间，从而解决了装置占地面积较大的问题；本实用新型的设计合理，结构配置科学，是重离子/质子治疗装置的优选方案。本实用新型的线路简便易行，功能稳定，有利于该重离子/质子治疗装置的大力推广，对人类肿瘤的精确治疗、极大提高术后肿瘤局部控制率和生存率具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型现有技术重离子/质子治疗装置结构示意图；

图2为本实用新型一实施例重离子/质子治疗装置结构布局示意图；

图3为本实用新型另一实施例重离子/质子治疗装置结构布局在竖直面的投影的简单示意图；

图4为本实用新型另一实施例重离子/质子治疗装置结构布局在竖直面的投影的简单示意图；

图5为本实用新型另一实施例重离子/质子治疗装置结构布局在竖直面的投影的简单示意图；

图6为本实用新型另一实施例重离子/质子治疗装置结构布局在竖直面的投影的简单示意图；

图7为本实用新型另一实施例重离子/质子治疗装置结构布局示意图；

附图标号说明：

10传输线路、101偏转磁铁、102聚焦磁铁、a治疗终端、b加速器、c偏转角、d偏转角、e偏转角、f偏转角、g偏转角。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。因此本具体实施例将选用同步加速器作为主加速装置，选用直线加速器作为注入器进行说明。

如图1所示，通常情况下重离子/质子治疗装置的布局如图所示，治疗终端a与加速器b处于同一平面层。在实施重离子束/质子束照射时，提供重离子束/质子束的加速器是最基本的装置。加速器可根据不同的实验和应用需要，提供不同能量的重离子束/质子束。治疗终端可根据靶体的不同形状，提供精确的束流位置扫描控制，同时可根据有效剂量的需求，提供不同的束流强度。因而本实用新型中治疗终端为具体向被治疗体发射束流的仪器或仪器集合，而上述发射束流的仪器已在本领域得到应用，因此具体结构本实用新型不再赘述。同样的，加速器也已在本领域得到应用，同时本实用新型内容也已经表述了加速器的基本组成，因此关于加速器更具体的结构组成本实用新型此处也不再赘述。

由于所有的治疗终端和加速器位于同一平面层，导致整个装置占地面积较大。因此，我们考虑将平面布局立体化，使终端位于主加速器平面层的上方或/和下方，也就是将加速器与治疗终端分层设计。当然该种方案并不排除仍有部分治疗终端与加速器位于同一层。

根据本实用新型的一种实施方式，为了充分利用立体空间、有效节省占地面积，尤其针对传输线路不宜直上直下布置、需要倾斜布置的场合，本实施方式通过以下措施实现：

本实用新型通过适当的传输线转折来实现加速器和治疗终端的分层。本方案采用合适的专用传输线路把常规情况下平展式(加速器和治疗终端在同一平面)的部分或者全部治疗终端转移至加速器所在层面的上方或下方的空间层面中重新展开。

通常同步加速器引出系统采用水平引出方式，束流引出后受机器水平色散影响，其经下游具有垂直转向功能的磁铁导向后将受到垂直色散的影响，最后导入水平/垂直治疗终端的偏转磁铁后，会进一步产生水平/垂直色散，而色散将对束流的传输、治疗终端的束斑控制和调节等均产生不利的影响。

为了消除色散对终端束流光学的影响，且考虑到整体消色散存在磁铁压缩磁铁孔径带来的光学设计及机器调试的复杂性，本实用新型采用了局部消色散的技术思路，即在束流的偏转段中将机器局部出现的色散在该区域内完全消除，避免其向下游蔓延至其它区域。

具体的，如图2所示，本实用新型提供的分层重离子/质子治疗装置，所述传输线路为10，其一端连接所述治疗装置的加速器b的束流引出口，另一端连接治疗装置的治疗终端a，用于将从所述加速器b引出的重离子束或质子束传输至治疗装置的治疗终端a。色散及其导数在10段出口均为0。

为了使束流实现从一个层向另一个层的转变，所述传输线路包括至少两个偏转角，用于将来自所述加速器引出束流的末端折转至与所述加速器平行的层。第一个偏转角将束流从水平方向转向斜向方向，第二个偏转角将束流从斜向方向转为水平方向，只不过该水平方向与之前的水平方向位于平行层面。

如图3或图4所示，相邻的所述偏转角c和d相等或互补，相邻的两个偏转角中至少一个偏转角为锐角。当偏转角相等时，传输线路在竖直面的投影形成“之”字形折线，如图3所示。当偏转角互补时，如图4所示。

如图2所示，为了将色散消除在局部区域，本实用新型所述传输线路10包括偏转磁铁101和聚焦磁铁102，所述偏转磁铁101和聚焦磁铁102依序连接布置。偏转磁铁101和聚焦磁铁102之间通过束流管连接。偏转磁铁101实现了束流方向的改变，聚焦磁铁102实现了束流包络的控制，同时实现了束流色散问题的解决。

每个偏转角处包括至少一个偏转磁铁和一个聚焦磁铁。

具体的，本实用新型所述偏转磁铁101可为二极磁铁，所述聚焦磁铁102可为四极磁铁。束流的偏转由二极磁铁负责实施，束流的聚焦由四极磁铁负责实施。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述二极磁铁可为45度或30度或60度等不同偏转角度的磁铁。

上述的分层重离子/质子治疗装置，所述专用传输线路中的每个偏转角处可包括一个或多个依序设置的二级磁铁以实现所述偏转角。

比如，当需要的偏转角度比如是135度时，一个45度的偏转二级磁铁就可以实现；与135度相邻的互补偏转角要求是45度，则三个首尾相连依序布置的45度的二级磁铁即可实现该偏转角度。其他偏转角度的实现，皆可参照该种组合方式采用不同数量、不同偏转角度的二级磁铁实现。

为了有效消除传输过程中的色散，并将束流包络控制在合理范围内，上述的专用传输线路，每两个二极磁铁之间还可设有一个四极磁铁。

上述的装置，每两个磁铁之间通过束流管连接。

优选地，每两个相邻所述偏转角之间可设有若干四级磁铁。

每个所述组合单元的二极磁铁和四极磁铁可进行多种组合以达到偏转与聚焦的目的，比如可采用两个30度二极磁铁与四极磁铁连接，或采用一个30度二极偏转磁铁与四极磁铁连接，在每次偏转时既使束流实现偏转又能使束流聚焦。

优选地，偏转后布置两个聚焦磁铁以进行束流整合聚焦。色散只在转折处存在，转折外色散为0。

束流通过至少两次偏转，一个或多个治疗终端布置在与加速器平行的上方或下方，这种方式下，本实用新型使整个装置的占地面积仅为平展方式的二分之一，或者更少。原则上，如果设置的层数更多，则占地面积节省得更多。

为了组装应用方便，可将偏转磁铁和聚焦磁铁采用模块化光学设计模式，同一个物理设计模块根据其性能和用途划分可以在不同区域重复利用。

装置中传输线路设置磁铁的数量及角度，可根据具体空间及传输线路的可选角度及长度而定。选用二级磁铁的角度，也可根据偏转角度而定。

如图5、图6所示，同一传输线路上可设置多个偏转角c、d、e、f、g等，也可连接多个治疗终端a。

本实用新型的分层重离子/质子治疗装置，所述治疗装置包括加速器、治疗终端和上述的传输线路，所述专用传输线路连接所述加速器和所述治疗终端，所述加速器和所述治疗终端位于不同层。

如图6所示，同一层上所述治疗终端可为一个或多个，相应地所述同一层上所述偏转角也为一个或多个。

更进一步，所述治疗终端可处于所述加速器的上方或/和下方。也就是治疗终端可设置一层，或两层甚至更多层。

当设置更多层时，所述治疗装置可包括多个偏转角。

一个偏转角可直接连接一个治疗终端，也可引出多条线，分别连接多个治疗终端。

需要说明的是，本实施方式的技术方案中，传输线路将束流偏转至与加速器平行的层后，可以直线的形式或曲线的形式引至治疗终端，图3、4、5、6只是将传输线路投影在同一竖直面的简单示意。

根据本实用新型的另一种实施方式，如图7所示，为了使束流实现从一个层向另一个层的转变，传输线路既可直上直下，也可倾斜传输，转折段包括两个相连接的所述偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元，每个所述单元将所述束流偏转一定角度，比如90度。也就是说，第一个偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元将束流从水平方向转向斜向或垂直方向，第二个偏转磁铁和聚焦磁铁的组合单元将束流从斜向或垂直方向转为水平方向，只不过该水平方向与之前的水平方向位于不同层面。在两个组合单元之间还可根据需要设置一个或多个四极磁铁。

本实用新型中，每个所述单元优选将所述束流偏转90度。

下面以优选实施方式进行说明。

每个所述组合单元的二极磁铁和四极磁铁可进行多种组合以达到偏转与聚焦的目的，比如可采用三个30度二极磁铁与四极磁铁连接，或采用一个90度二极偏转磁铁与四极磁铁连接，既使束流实现偏转又能使束流聚焦。

优选地，每个所述组合单元可包括依次设置的两个45度二极磁铁和两个四极磁铁。两个45度二极磁铁依次相连，使束流能够偏转90度，偏转后再使束流通过两个聚焦磁铁进行整合聚焦。色散只在转折段存在，转折段外色散为0。

当然上述单元实现的方式还可采用其他偏转角度的二极磁铁实现，但根据本实用新型的一个优选实施方式，采用两个45度二极磁铁偏转实现90度的组合方式来实现层的改变。

在本实用新型的一个实施方案中，整个转折段的功能主要由四个45度的偏转磁铁和至少四个四极磁铁的组合来实现。首先通过两个45度的二极磁铁使束流实现从水平面至垂直面的偏转，通过至少两个四极磁铁聚焦后，再次通过完全相同的两个45度的二极磁铁实现从垂直面回到水平面的偏转，再经过两个四极磁铁聚焦，于是一个或多个治疗终端被转换至加速器上方或下方，这种方式下，本实用新型使整个装置的占地面积仅为平展方式的二分之一，或者更少。原则上，如果设置的层数更多，则占地面积节省得更多。

为了有效消除传输过程中的色散，并将束流包络控制在合理范围内，可在上述的两个二极磁铁中间再设置一个四极磁铁。

为了组装应用方便，可将偏转磁铁和聚焦磁铁采用模块化光学设计模式，同一个物理设计模块根据其性能和用途划分可以在不同区域重复利用。

将多个相邻磁铁进行模块化(此处以两个45°二极磁铁为例，因为两个45度的二极磁铁的方案为优选方案)设计，如将两个相邻的45°的偏转二极铁作为一个功能模块，同时，将分布在束流通道上两两相邻的四极磁铁作为一个功能模块。利用模块化设计，进行组合，便可得到转折段的设计方案。

也可将相邻的包含两个45°的偏转二极铁及中间的四极铁作为一个设计模块，色散只存在于该模块以内，模块外的色散为0。通过聚焦磁铁连接两个这样的模块，实现了束流从一层平面往另一层平面的偏转。

本实用新型实现了束流从一层平面往其它层面的偏转，使治疗终端与加速器可以位于不同平行层面，解决了装置占地面积较大的问题，可合理利用立体空间，治疗终端的类型可以为水平治疗终端、垂直治疗终端、45°治疗终端、gantry(旋转机架)治疗终端等，以及它们的组合终端。当治疗终端采用非水平布置时，可在该治疗终端采取线路偏转的形式将本层传输线路的束流偏转至治疗终端所需的角度，可设置带偏转角度的磁铁。二极磁铁和四极磁铁的组合单元一般为一个二极磁铁后设置一个或多个四极磁铁的设置方式，具体数量可根据线路长度要求而定，偏转磁铁的角度可根据需要而定。

根据本实用新型的一种实施方式，本实用新型的分层重离子/质子治疗装置，所述治疗装置包括加速器、治疗终端和上述的专用传输线路，所述专用传输线路连接所述加速器和所述治疗终端，所述加速器和所述部分或所有治疗终端位于不同层，本实用新型的同一层上所述治疗终端可为一个或多个，相应地所述同一层上所述传输线路可连接多个治疗终端，引出多条治疗终端连接线。

更进一步，所述治疗终端可位于所述加速器的上方或/和下方。也就是治疗终端可设置一层，或两层甚至更多层。当设置多层时，传输线路之间可进行连接，也就是设有几组转折段，每个转折段分别可连接一个或多个治疗终端的连接线路。

如图7所示，根据本实用新型的一种实施方式，本实用新型的分层重离子/质子治疗装置，多层传输线的末端都可引向同一治疗终端，有的传输线路可采用斜向或垂直的布置方式，有的可采用水平的布置方式。

当设置更多层时，所述治疗装置可包括多组转折段与治疗终端连接线路。比如一个转折段连接一个治疗终端连接线路的同时，还可使束流在偏转90度后连接另一个偏转90度的二极磁铁和四极磁铁的组合单元，如图7所示，依次类推，可使治疗终端设置在多层上。

本实用新型的专用传输线路简便易行，加工制造及组装方便。

本实用新型的分层重离子/质子治疗装置，结构紧凑，占地面积小，能够合理利用立体空间，功能稳定，可实现多层布置，多角度治疗，成本低。

本实用新型整体结构紧凑，占地面积小，功能稳定，有利于重离子/质子治疗装置的大力推广，对实现人类肿瘤的精准治疗具有极大的意义。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。