一种医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统的制作方法

1.本发明涉及一种医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统。


背景技术：

2.传统的医用粒子加速器扫描式束流配送系统一般采用逐层扫描的照射方法，用一个二进制调能器调节逐层照射的能量，用一个搓板式调制器调节每层照射的层厚。这种照射方法用在束流不连续的同步加速器上是适合的，但对回旋加速器来说，却没能充分利用其束流连续的特征。


技术实现要素：

3.本发明提供一种医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统，以配合回旋加速器束流连续的特征。
4.本发明实现其技术目的技术方案是：一种医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统，包括安装框架，所述的安装框架顶上设置点光源，所述的点光源向下垂直达到安装框架底部形成等中心；在安装框架内和沿点光源至等中心的直线由远及近依次排列的双向扫描磁铁、散射装置、能量连续调制器和准直器装置；所述的双向扫描磁铁对医用粒子加速器的射束流偏转扫描，散射装置将双向扫描磁铁输出的偏转扫描射束流变成有一定发散角的锥形射束；所述的能量连续调制器纵向拉动布拉格峰进行每个照射单元的连续照射；所述的准直器装置将锥形射束约束成梯形射束。
5.进一步的，上述的医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统中：所述的安装框架包括一个磁铁安装座、两个梯形立板、两个矩形斜板和一个矩形底板，围成一个六面体；所述的六成体的两个相互垂直的截面分别为上大下小的截面为梯形和长方形。
6.进一步的，上述的医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统中：所述的双向扫描磁铁设置在所述的安装框架的上部，包括分居于安装座的上方和下方的水平方向扫描的扫描磁铁y和扫描磁铁x，所述的扫描磁铁y和扫描磁铁x扫描方向相互垂直。
7.所述的扫描磁铁y的两个磁极相对的表面上下镜像设置，两个励磁线圈的下端嵌入到安装座上表面的沉孔中，其磁轭的下表面与安装座的上表面连接；所述的扫描磁铁x的两个磁极相对所述的扫描磁铁y的两个磁极表面垂直，两个励磁线圈的上端嵌入到安装座下表面的沉孔中，磁轭的上表面与安装座的下表面连接。
8.从上向下看，所述的扫描磁铁y和扫描磁铁x的几何中心重合；所述的点光源设置在扫描磁铁y中的两个磁极上端面对称中心。
9.进一步的，上述的医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统中：所述的一个散射装置居于扫描磁铁的下方，包括矩形散色片、一个长边与x轴平行表面加工有矩形沉孔和矩形通孔的安装板和一个矩形压环，所述的矩形散色片嵌入到安装板的沉孔中，并由矩形压环压住，矩形散色片的表面水平，沿点光源到等中心方向看矩形散色片和安装板的矩形通孔的几何中心与点光源到等中心连线重合，矩形通孔在点光源的照射下在水平面上与
最大射野重合；所述的长形安装座的两端与两个梯形立板的内侧面连接。
10.进一步的，上述的医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统中：所述的一个能量连续调制器置于散射装置的下方，包括一组n个沿上下方向上下间隔排列的楔形吸收体a和一个楔形吸收体b(4-2)；所述的楔形吸收体b和楔形吸收体a相互垂直；所述的楔形吸收体a和楔形吸收体a均具带动其横向摆的摆动机构。
11.进一步的，上述的医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统中：所述准直器装置包括一个加工有两个并列垂直方向梯形孔的准直器，所述的准直器设置在一个矩形框a并可在矩形框左右摆动；所述的矩形框a设置在两根弧形导轨a上，所述的弧形导轨a的圆心在沿点光源至等中心的直线上。
12.本发明中，散射装置负责将圆柱形的扫描射速变成有一定发散角的锥形射束，可切换可摆动准直器装置负责将锥形射束约束成梯形射束，能量连续调制器负责纵向拉动布拉格峰进行每个照射单元的连续照射，多个照射单元的连续照射完成，一个角度的肿瘤照射完成。
13.以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
14.图1、配送系统部件构成图；
15.图2、安装框架在直角坐标系中的位置图；
16.图3、双向扫描磁铁的结构与安装图；
17.图4、散射装置的结构与安装图；
18.图5-1、能量连续调制器的结构与安装图之一；
19.图5-2、能量连续调制器的结构与安装图之二；
20.图5-3、能量连续调制器的结构与安装图之三；
21.图5-4、能量连续调制器的结构与安装图之四；
22.图5-5、能量连续调制器的结构与安装图之五；
23.图6-1、可摆动可切换准直器装置的结构与安装图之一；
24.图6-2、可摆动可切换准直器装置的结构与安装图之二；
25.图6-3、可摆动可切换准直器装置的结构与安装图之三；
26.图6-4、可摆动可切换准直器装置的结构与安装图之四；
27.图7-1、配送系统工作原理图之一；
28.图7-2、配送系统工作原理图之二；
29.图7-3、配送系统工作原理图之三；
30.图7-4、配送系统工作原理图之四；
31.图7-5、配送系统工作原理图之五。
32.图中符号：
33.1、一个安装框架
34.1-1、一个磁铁安装座
35.1-2、两个梯形立板
36.1-3、两个矩形斜板
37.1-4、一个矩形底板
38.2、一个双向扫描磁铁
39.2-1、一个y方向扫描磁铁y
40.2-1-1、两个磁极
41.2-1-2、两个励磁线圈
42.2-1-3、一个磁轭
43.2-2、一个x方向扫描磁铁x
44.2-2-1、两个磁极
45.2-2-2、两个励磁线圈
46.2-2-3、一个磁轭
47.3、一个散射装置
48.3-1、一个矩形散色片
49.3-2、一个长边与x轴平行表面加工有矩形沉孔和矩形通孔的安装板3-3、一个矩形压环
50.4、一个能量连续调制器
51.4-1、一组n个沿z轴方向上下间隔排列的楔形吸收体a
52.4-1-1、一个x方向的直线移动机构xa
53.4-1-1-1、x方向的直线移动机构xa的导轨座
54.4-1-2、一个x方向的直线驱动机构xa
55.4-2、一个楔形吸收体b
56.4-2-1、一个长边与x轴平行的底座
57.5、一个可切换可摆动准直器装置
58.5-1、一个加工有两个并列z轴方向梯形孔的准直器
59.5-2、一个x轴方向的直线移动xb
60.5-3、一个x轴方向的直线驱动xb
61.5-4、一个上方开口的矩形框a
62.5-5、一个弧形移动机构a
63.5-5-1、两组每组两个滑块a
64.5-5-2、两根弧形导轨a
65.5-6、一个上下开口的矩形框b
66.5-7、一个x方向直线驱动机构xc
67.5-7-1、一个拨杆a
68.5-7-2、一个轴承a
69.5-8、一个弧形移动机构b
70.5-8-1、两组每组两个滑块b
71.5-8-2、两根弧形导轨b
72.5-8-3、两个导轨座
73.5-9、一个y方向的直线驱动机构y
74.5-9-1、一个拨杆b
75.5-9-2、一个轴承b
76.101、点光源
77.102、等中心
78.103、配送系统最大射野
79.104、射束
80.104-1、圆柱形射束
81.104-2、锥形射束
82.104-3、梯形射束
83.6、肿瘤
84.6-1、肿瘤的投影
85.6-2、治疗计划规划的小矩形野的布局
86.6-3、布拉格峰扫过的体积。
具体实施方式
87.实施例1，本实施例是一种医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统，包括安装框架1，如图1所示：安装框架1顶上设置点光源101，点光源101向下垂直达到安装框架1底部形成等中心102；在安装框架1内和沿点光源101至等中心102的直线由远及近依次排列的双向扫描磁铁2、散射装置3、能量连续调制器4和准直器装置5；双向扫描磁铁2对医用粒子加速器的射束流偏转扫描，散射装置3将双向扫描磁铁2输出的偏转扫描射束流变成有一定发散角的锥形射束；能量连续调制器4纵向拉动布拉格峰进行每个照射单元的连续照射；准直器装置5将锥形射束约束成梯形射束。
88.本实施例中医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统，包括一个安装框架1和沿点光源101至等中心102的直线由远及近依次排列的一个双向扫描磁铁2、一个散射装置3、一个能量连续调制器4和一个可切换可摆动准直器装置5。
89.本实施例中，安装框架1如图2所示，包括一个磁铁安装座1-1、两个梯形立板1-2、两个矩形斜板1-3和一个矩形底板1-4，实际上，是六块板，可以围成一个六面体，如图2所示，该六面体的上底大于下底。为了描述方便，将六面体的安装框1设置在一个xyz坐标系统中，其中，xy平面是水平面，z轴为竖向面，x轴为显示面的横向，y轴设定为与显示面垂直的纵向。以下以z轴方向(竖向)、x轴方向(横向)、y轴方向(纵向)表示，点光源101在竖向也就是z轴方向的上面，它向下照射的射线直达等中心102，这一段也可以是z轴上的一段。具体的，安装座1-1为矩形，在一个以等中心102为原点的xyz直角坐标系中，其表面与xy平面平行，并居于xy平面上方，其长边与x轴平行，其上下表面加工有矩形沉孔，矩形沉孔表面加工有矩形通孔，从z轴方向看矩形沉孔和矩形通孔的几何中心与z轴重合；如图5-4所示，所述的安装座1-1上的矩形通孔在光源101的照射下在xy平面上的投影与束流配送系统最大射野103重合；两个梯形立板1-2宽边的上端面与安装座1-1下表面连接，其两个内侧面与yz平面平行，且相对于与yz平面处于镜像对称位置上；两个矩形斜板1-3表面与x轴平行，分别与两个梯形立板1-2的两侧倾斜端面连接；矩形底板1-4表面与水平平面(xy平面)平行，其上表面与两个梯形立板1-2和两个斜板1-3的底面连接，其表面加工有梯形通孔，从z轴方向看梯形通孔的几何中心与z轴重合，如图5-4所示，梯形通孔的四个倾斜内壁分别与x轴和y轴
平行，并与点光源1-1发出的射线平行，在xy平面上的投影与束流配送系统最大射野103重合。
90.如图1和图3所示，双向扫描磁铁2包括一个y(左右)方向扫描磁铁y2-1和一个x方向扫描磁铁x2-2，分居于安装座1-1的上方和下方，扫描磁铁y2-1，其两个磁极2-1-1相对的表面与yz平面平行，并相对于yz平面处于镜像对称的位置上，其两个励磁线圈2-1-2的下端深入到安装座1-1上表面的沉孔中，其磁轭2-1-3的下表面与安装座1-1的上表面连接；扫描磁铁x2-2像对称的位置上，其两个励磁线圈2-2-2的上端深入到安装座1-1下表面的沉孔中，其磁轭2-2-3的上表面与安装座1-1的下表面连接；从z轴方向看，也就是从上面向下看，扫描磁铁y2-1和扫描磁铁x2-2的几何中心与z轴重合；定义所述的扫描磁铁y2-1中的两个磁极2-1-1上端面所在平面与z轴的交点为点光源101所在位置。
91.图中，为看到扫描磁铁x2-2的磁极2-2-1和线圈2-2-2，安装座1-1做了剖面处理，为看到磁极2-1-1和磁极2-2-1，线圈2-1-2和线圈2-2-2都移开了一个距离。
92.如图1和图4所示，散射装置3居于双向扫描磁铁2的下方，包括一个矩形散色片3-1、一个长边与x轴平行表面加工有矩形沉孔和矩形通孔的安装板3-2和一个矩形压环3-3，矩形散色片3-1，嵌入到安装板3-2的沉孔中，并由矩形压环3-3压住，矩形散色片2-1的表面与xy平面平行，从z轴方向看矩形散色片3-1和安装板3-2的矩形通孔的几何中心与z轴重合，如图5-4所示，矩形通孔在点光源101的照射下在xy的投影与最大射野103重合；所述的长形安装座3-2的两端与两个梯形立板1-2的内侧面连接。
93.图中，为看清内部，矩形散色片3-1和矩形压环3-3分别上移了一个距离，左侧的梯形立板1-2也移开了一个距离。
94.如图1和图5-1所示，所述的一个能量连续调制器4置于散射装置3的下方，包括一组n个沿z轴方向上下间隔排列的可以动的楔形吸收体a4-1和一个固定的楔形吸收体b4-2，n个楔形吸收体a4-1，其下表面为与xy平面平行的平面，其上表面为斜面连接一个与xy平面平行的平面，其两个侧面与x轴平行；所述的楔形吸收体b4-2居于n个楔形吸收体a4-1的下方，其下表面为与xy平面平行的平面，其上表面为斜面，其两个侧面与x轴平行。
95.如图5-2所示，所述的n个楔形吸收体a4-1分别与一个x方向的直线移动机构xa4-1-1和一个x方向的直线驱动机构xa4-1-2活动连接，所述的n个x方向的直线移动机构xa4-1-1和n个x方向的直线驱动机构xa4-1-2分别与两个梯形立板1-2的内侧面连接。
96.为看到x方向的直线移动机构xa4-1-1-1的内部结构，将最上面直线移动机构xa4-1-1的导轨座4-1-1-1上移了一个距离，直线移动机构xa4-1-1通过导轨座4-1-1-1与两个梯形立板1-2的内侧面连接。
97.如图5-3所示，楔形吸收体b4-2居于n个楔形吸收体a4-1的下方，其下表面与一个长边与x轴平行的底座4-2-1的上表面连接，长形底座4-2-1的两端与两个梯形立板1-2的内侧面连接。
98.如图5-4所示，底座4-2-)和n个x方向的直线移动机构xa1-1-1)导轨座4-1-1-1的表面均开有一个矩形孔，在点光源的101照射下，它们在xy平面上的投影与最大射野103重合。
99.如图5-1所示，n个楔形吸收体a4-1在其x方向(横向)的直线驱动机构xa的驱动下，在其直线移动机构xa4-1-1，可沿x方向由右至左依次递进，与楔形吸收体b4-2结合，可实现
射线能量的连续调制。
100.如图5-5所示，为说明方便，根据n个楔形吸收体a(4-1)依次递进所发挥的功能，重新制作了一个虚拟的加长楔形板，同时让楔形吸收体b4-2翻转后落在加长楔形板的长斜面上，这样n个楔形吸收体4-1的依次递进就相当于加长虚拟楔形板从右至左的移动，同时楔形吸收体b4-2相对于加长虚拟楔形板的斜面滑动，楔形吸收体b4-2上表面至虚拟楔形板底面的距离就是楔形吸收体a4-1和楔形吸收体b4-2的组合厚度，这个厚度是连续可变的，据此就实现了能量连续调制器4连续调制能量的功能。
101.如图6-1所示，所述的可切换可摆动准直器装置5包括一个加工有两个并列竖直方向梯形孔的准直器5-1，准直器5-1与一个x轴方向的直线移动xb5-2和一个x轴方向的直线驱动xb5-3活动连接；x轴方向的直线移动xb5-2与一个上方开口的矩形框a5-4的底面连接；x轴方向的直线驱动xb5-3与矩形框a5-4的表面与x轴垂直的两个立面连接。实际上，就是准直器5-1在矩形框a5-4可以沿横向做来回运动也就是摆动，它的摆动是在矩形框a5-4上的一个轨道上即直线移动xb5-2上摆动，摆的动力是安装在矩形框a5-4上的直线驱动xb5-3，它是一台电机，如图6-1所示。
102.如图6-2所示，矩形框a5-4的表面与y轴垂直的两个立面(横向侧面)的外侧与一个弧形移动机构a5-5连接；弧形移动机构a5-5包括两组每组两个滑块a5-5-1和两根弧形导轨a5-5-2，其中两组每组两个滑块a5-5-1分别与矩形框a5-4的横向侧面连接，并分别与两根弧形导轨a5-5-2活动连接；两个弧形导轨a5-5-2与一个上下开口的矩形框b5-6的表面与y轴垂直的两个立面的内侧连接；两个弧形导轨a5-5-2的弧心在与z轴相交与x方向扫描磁铁x2-2中两个磁极2-2-1上表面重合与y轴平行的直线上；矩形框b5-6的表面与x轴垂直的两个立面与一个x方向直线驱动机构xc5-7连接；x方向直线驱动机构xc5-7连接一个拨杆a5-7-1；拨杆a5-7-1外套一个轴承a5-7-2；轴承a5-7-2嵌入到矩形框a5-4的表面与y轴垂直的一个立面上加工的u形槽中。
103.如图6-3所示，矩形框b5-6的表面与x轴垂直的两个立面(横向立面)的外侧与弧形移动机构b5-8连接，弧形移动机构b5-8包括两组每组两个滑块b5-8-1、两根弧形导轨b5-8-2和两个导轨座5-8-3，其中，两组每组两个滑块b5-8-1分别与矩形框b5-6的表面与x轴垂直的两个立面的外侧连接，并分别与两根弧形导轨b5-8-2活动连接；两根弧形导轨b5-8-2分别与两个导轨座5-8-3连接；所述的两个导轨座5-8-3分别与两个梯形立板1-2的内侧面连接；两个弧形导轨b5-8-2的弧心在通过点光源101并与x轴平行的直线上；两个导轨座5-8-3之一的上表面与一个y方向的直线驱动机构y5-9连接；直线驱动机构y5-9与一个拨杆b5-9-1连接；拨杆5-9-1外套一个轴承b5-9-2；轴承b5-9-2嵌入到矩形框b5-6的表面与x轴垂直的一个立面上加工的u形槽中。
104.本实施例中，准直器5-1在一个矩形框a5-4可以横向摆动，而矩形框a5-4在矩形框b5-6内沿弧形移动机构a5-5作弧形运动，而矩形框b5-6本身在弧形移动机构b5-8的两根弧形导轨b5-8-2上作弧形运动。
105.如图6-4所示，加工有两个并列梯形孔的准直器5-1在x轴方向的直线驱动xb5-3的驱动下，可在x轴方向的直线移动xb5-2上移动，并使一个四个内壁分别与x轴和y轴平行的梯形孔的内壁与点光源101发出的射线平行，再次驱动准直器5-1可使另一个梯形孔的内壁与点光源101发出的射线平行，这就是可切换可摆动准直器装置5的可切换功能。
106.在此基础上，用x方向直线驱动机构xc5-7驱动矩形框a5-4沿弧形移动机构a5-5摆动，用y方向的直线驱动机构y5-9驱动矩形框b5-6沿弧形移动机构b5-8摆动，可使准直器5-1分别朝x轴方向和y轴方向双向摆动，过程中可保证准直器5-1上梯形孔内壁与点光源101发出的射线平行的特征保持不变，这就是可切换可摆动准直器装置5的可摆动功能。
107.本实施例医用粒子加速器扫描式连续照射束流配送系统的工作原理：
108.如图7-1所示，未经偏转的从点光源101至等中心102的射束104可分为从点光源101至矩形散色片3-1的一段104-1、从矩形散色片3-1至准直器5-1的一段104-2和从准直器5-1至等中心102的一段，其中，射束104-1为圆柱形射束，经散射片散射的射束104-2为锥形射束，经准直器5-1约束的射束为梯形射束104-3，其在xy平面(水平面)的投影为小的方形。矩形散色片3-1不要求很厚，只保证经其散射的射束104-2在xy平面的投影能覆盖梯形射束104-3的投影即可。当射束104经y方向扫描磁铁y2-1和x方向扫描磁铁x2-2偏转而摆动时，x方向直线驱动机构xc5-7和y方向的直线驱动机构y5-9就驱动准直器5-1摆动，使锥形射束104-2在xy平面的投影始终覆盖梯形射束104-3在xy平面的投影。
109.图7-2所示的是由ct片重建的肿瘤6。图7-3所示的是肿瘤6在点光源101的照射下，在xy平面的投影6-1。如图7-4所示，用梯形射束104-3在xy平面的投影大小相同的面积将肿瘤6在xy平面的投影6-1分割成若干小的区块，这些区块包括准直器5-1两个梯形孔投影对应的区块。作为对比，图的左侧并列了肿瘤6在xy平面的投影6-1，两个图形的轮廓基本吻合，只有很小的误差。图7-5所示的是扫描式连续照射束流配送系统的照射效果，原理和过程如下：
110.1、射束(04)线的能量不同，其射入人体的射程就不同，射程的终点是布拉格(bragg)峰所在位置，在布拉格峰所在位置剂量极高。
111.2、用y方向扫描磁铁y2-1和x方向扫描磁铁x2-2偏转射束104，同时用x方向直线驱动机构xc5-7和y方向的直线驱动机构y5-9偏转准直器5-1，使梯形射束104-3的投影与肿瘤6在xy平面的投影6-1上布置的某个小区块重合，这时射束104是尚未开通的虚拟射束。
112.3、用能量连续调制器4连续调制虚拟射速射束104的射程，使布拉格峰从肿瘤的6的下方向上方移动，接近肿瘤6。
113.4、当布拉格峰达到近肿瘤6下边界时，开通射束。
114.5、能量连续调制器4继续拉动布拉格峰向上移动。
115.6、当布拉格峰将要离开肿瘤6上边界时，关闭射束。
116.7、开关射速可由y方向扫描磁铁y2-1负责，当对扫描磁铁y2-1的励磁线圈2-1-2附加一个较大电流时，y方向扫描磁铁y2-1偏转射束104的角度会增大，使射束104打在x方向扫描磁铁x2-2磁极2-2-1的上表面，阻断射速。当撤销附加电流后，励磁线圈2-1-2就回到原工作状态。
117.开关射速的功能也可由专门的开关磁铁负责，那样会占用纵向空间。
118.8、对每个小区块，重复2～7的过程，一个肿瘤6一个角度的照射完成。
119.如图7-5所示，图中，每个纵向的方形截面的长条体都是布拉格峰扫过的体积。作为对比，图的左侧并列了肿瘤6。为保证较高的照射效率，扫描式连续照射束流配送系统适合比较小的肿瘤和形状复杂的肿瘤。对较大的形状不复杂的肿瘤，可采用扩束式连续照射束流配送系统。