一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器的制作方法

本发明属于质子重离子肿瘤放疗中束流能量调节技术领域，更具体地，涉及一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器。

背景技术：

在通常采用回旋加速器作为高能质子束产生源的质子治疗系统中，从回旋加速器中引出的质子束束流能量固定(250MeV)，根据质子的布拉格峰特性可知，质子束束流能量越高，能量释放深度也越深，对应于不同深度的肿瘤细胞，便需要不同能量(70MeV～250MeV)的束流进行治疗。能量降能器可以用于将束流能量按照一定的步长如2.5MeV从250MeV向70MeV变化。

目前的降能器都是通过束流与材料物质的相互作用(电离能损)实现能量的降低，然而除了电离过程还有散射过程，这会使得束流发射度明显增加。在治疗过程中，过高的发射度会造成治疗半影的增大，这不利于治疗，并且发射度过大也会使得束流传输过程中束流损失增大。因此，能量选择系统除了降能器之外还必须有束流准直器用来抑制发射度。

目前，能量降能器一般采用密度较高且原子序数较低的材料，这样可以减小质子束与降能器材料之间的散射作用，原子序数越低，散射作用越小，传输效率也就越大，降能器传输效率更高。碳化硼平均原子序数较碳低，散射作用更低，作为降能器传输效率更高，但是碳化硼硬度非常高，加工难度高，对于较复杂的结构难于加工。

传统的降能器一般有方块叠加式和多楔形两种结构。方块叠加式采用的是一组长度不同的降能材料方块，束流经过不同长度的方块可以得到不同的能量，从而实现能量的调节。这种降能器结构简单，加工容易，并且由于中间没有真空间隙，其发射度增长较小，传输效率更高，在质子治疗早期使用较为广泛。然而，这种降能器无法实现能量的连续调节，并且体积和质量较大，响应较慢，对于需要快速调节的治疗系统控制难度较高。

多楔形结构降能器采用的是一对完全对称的多楔形块，通过径向控制两楔形块的距离，从而使得轴向的束流经过的降能器材料厚度改变，从而实现能量的调节。这种降能器可以实现能量的连续调节，并且体积可以做得很小，响应速度快，适用于需要快速响应的肿瘤放疗过程中。然而这种降能器加工难度与精度要求较高，无法应用于性能更优但是硬度更高的材料如B₄C。并且，由于楔形齿之间有真空间隙，这使得降能器不够紧凑，因此发射度增长较大，传输效率偏低。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有既能保证高传输效率又能快速连续调节能量的降能器方案，在充分考虑现有加工水平的条件下，实现降能器对于束流能量连续可调，并且传输效率得到提升，响应速度更快。并且，本发明对于束流的发射度也能实现抑制和可调。

本发明提供了一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器，包括：依次设置在真空环境中的降能模块和发射度抑制模块，与降能模块连接且用于控制所述降能模块运动的运动控制模块，以及用于保证所述降能模块和发射度抑制模块处于真空环境的真空模块；降能模块包括：用于提高能量的传输效率的能量粗调单元和用于实现能量连续调节的能量精调单元。本发明是一种具有高传输效率、可快速连续调节的降能器，能量粗调单元采用碳化硼材料可以将能量选择系统的传输效率提高，能量精调单元采用石墨可以实现能量连续调节。碳化硼降能器和石墨降能器一起可以实现束流能量的高传输效率、快速连续调节，降能器在调节能量的同时会带来发射度的增长，三组束流准直器用于对发射度进行抑制，运动控制模块确保实现能量的快速精准调节，真空模块创造并维持了降能器工作的环境。

更进一步地，能量粗调单元由N片长度不同的碳化硼方块叠制而成，且沿束流方向碳化硼方块的长度从L₁依次递增至L_N，L₁-L_N长度根据阻挡能量决定，长度越长阻挡能量也就越多，阻挡能量步进ΔE时，对应的长度也就步进ΔL。第一片碳化硼方块和第N片碳化硼方块的厚度为1.5*d₁，第二片碳化硼方块至第N-1片碳化硼方块的厚度均为d₁。碳化硼能量粗调单元由一组长度不一的碳化硼方片叠制而成阶梯状，碳化硼平均原子序数较碳低，并且其密度比石墨高，因此，碳化硼能量粗调单元可以提高整个降能器的传输效率。厚度d₁由初始束流发射度与横向尺寸决定；考虑到束流在通过碳化硼过程中束斑尺寸会增大，第一片和最后一片碳化硼方块需要分别增厚50％，即1.5*d1。

更进一步地，能量粗调单元中每一层碳化硼B₄C方块的厚度大于等于束斑直径。

更进一步地，N由粗调能量步进ΔE决定，通常取20～40。

更进一步地，能量精调单元由一对多楔形石墨块组成，两楔形块材料、形状、大小完全相同，位置完全对称，同时同速相对运动；每个多楔形石墨块含有n个楔形齿，每个楔形齿的角度为θ，因此径向与轴向传动比为多楔形的结构可以使得降能器更加紧凑，质量较小，可以实现快速响应；通过运动控制模块控制多楔形石墨降能器沿束流方向的重叠厚度，从而实现能量的调节，由于重叠厚度可以通过运动控制模块连续控制，从而多楔形的石墨能量精调单元可以实现能量的连续调节。

更进一步地，能量精调单元沿束流方向的厚度调节范围为l₀～l；l₀为能量精调单元沿束流方向初始重叠厚度，l为能量精调单元沿束流方向的总长，D为束流经过能量粗调单元散射后束斑直径。考虑到束流在通过石墨降能器之前已经通过碳化硼能量粗调单元进行了能量粗调，因此束流横向尺寸已经较大，因此石墨降能器工作时的初始重叠厚度为l₀，重叠厚度(阻挡束流的厚度)调节范围为l₀～l，对应能量变化为能量步进ΔE。能量较高时由于束流损失较小，因此用石墨能量精调单元降能传输效率已足够高，能量较低时束流损失较大，所以需结合碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元一起降能才能实现高传输效率和连续调节。若能量调节范围为E_H～E_L，则在高能段E_H～E_M时，由于束流损失较少，我们仅使用石墨能量精调单元进行降能；在低能段E_M～E_L，由于束流损失较多为了提高传输效率，我们使用碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元一起降能，其中碳化硼降能器每一层能量间隔为ΔE，ΔE之内的连续调节由石墨降能器实现，能量改变ΔE时需碳化硼降能器换层进行降能。

更进一步地，能量精调单元中楔形齿在垂直束流输运方向上的长度大于等于束斑尺寸。

在本发明实施例中，碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元的材料密度均匀性应较好，这也是降能器材料所需的性能，否则不同方向的束流降能将不一致。

更进一步地，发射度抑制模块包括：依次同轴设置且大小孔径均不相同的第一准直器、第二准直器和第三准直器，所述第一准直器用于对经所述能量精调单元发散的束流进行截面尺寸的抑制；所述第二准直器用于阻挡从所述第一个准直器旁边经过的粒子；所述第三准直器用于对束流角度进行抑制，三个束流准直器组合使用实现束流发射度的抑制；其中束流第一准直器和第三准直器上设置有多组孔径大小不同的准直孔，通过不同孔径大小的组合可以使得最终的束流发射度大小不一样，从而实现了发射度的可调。

更进一步地，第一准直器采用无氧铜材料，所述第二准直器采用碳材料，所述第三准直器采用无氧铜材料。

更进一步地，运动控制模块包括：伺服电机、位移平台、控制器和波纹管；所述伺服电机用于驱动位移平台，所述控制器设置在所述位移平台上且通过所述波纹管与所述降能模块连接。可分别实现碳化硼能量粗调单元和石墨能量精调单元的快速精准运动，从而实现了能量的快速精准调节。

更进一步地，真空模块由真空泵、真空管道、真空计等组成，可创造并维持束流输运所需的真空环境，碳化硼能量粗调单元、石墨能量精调单元、束流第一准直器、束流第二准直器、束流第三准直器都应该布置在真空室中。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：

(1)本发明使用的降能器分为能量粗调和精调两级结构，实现了束流连续精细调节。

(2)本发明使用的降能器为碳化硼和碳组合的形式，既避开了碳化硼难加工这一技术难题，也较目前的碳材料降能器大大提升了降能器的传输效率。

(3)本发明将降能器拆分为两部分，每一部分独立控制，减小了体积和重量，使得响应速度更快，提升了肿瘤治疗的速度。

(4)本发明的降能器方案具有快速调节、精准定位的特点。

(5)本发明采用含有多个不同孔径准直孔的准直器组合的形式抑制发射度，使得发射度在线可调。

附图说明

图1为根据本发明实施例的具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器方案布局图；

图2为根据本发明实施例的碳化硼能量粗调单元结构示意图；

图3为根据本发明实施例的石墨能量精调单元结构示意图；

图4为根据本发明实施例的碳化硼和石墨材料出射束流能量随阻挡厚度变化曲线图；

图5为根据本发明实施例的发射度准直器原理图与阻挡束流极限轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器，包括：高传输效率连续调节降能模块、发射度抑制模块、运动控制模块、真空模块。其中，高传输效率连续调节降能模块分为两个部分，首先是一组长度不同的碳化硼(B₄C)方块叠制而成的能量粗调单元，然后是由一对多楔形的碳块组成能量精调单元。

降能器能量粗调单元采用的是碳化硼，这结合了当前的机械加工水平，碳化硼硬度极高，因此加工难度很高，而方块组合式降能器由许多长度不同的方块组成，不需特殊加工，可适用于硬度极高的碳化硼材料。而碳化硼材料原子序数比碳更低，密度较碳更高，因此束流经过碳化硼的散射作用比碳更小，传输效率可以得到提升。

降能器能量精调单元采用的是石墨，由于肿瘤细胞位置各不相同，肿瘤组织形状也千差万别，因此治疗肿瘤的束流能量也需要实现更精细的变化，从而消灭不同位置的肿瘤细胞。能量精调单元降能器的结构是双楔形，这对于加工性能极差的碳化硼材料不太可能，因此我们采用碳材料，而碳也是目前降能器使用最为广泛的材料。由于能量精调单元只需要实现在粗调部分的步进能量间连续可调即可，因此该部分尺寸很小，束流经过的路径也很小，因此对于束流的传输效率影响也不大。

本发明所采用的降能器分为了粗调和精调两个单元，从束流品质而言，由于采用了碳化硼材料而使得束流传输效率得到了提升，并且能量也能实现连续可调。同时，由于将降能器分拆为两个部分，每一部分的体积较现有的技术方案都会有所下降，因此响应速度得到了提升，这对于当前肿瘤治疗快速扫描的要求也是有利的。

发射度抑制模块包括三个大小、孔径均不相同的准直器，由于束流经过降能器降低能量的同时发射度也会急剧增加，因此需要准直器对束流发射度进行抑制。第一个准直器紧挨着精调部分的降能器，采用无氧铜材料，它的作用是对发散的束流进行截面尺寸的抑制；第二个准直器紧挨着第一个准直器，采用碳材料，它的作用是阻挡从第一个准直器旁边经过的粒子；第三个准直器在距离第一个准直器较远的位置，采用无氧铜材料，它的作用是对束流角度进行抑制。采用三个离散的准直器对束流发射度进行抑制，一方面减小了准直器的体积，同时也可以实现发射度的在线调节。通过改变准直器的孔径和相互距离，从而改变最终的束流发射度。

运动控制模块由高速伺服电机、高精度位移平台、控制器、波纹管及其他机电部件组成，伺服电机驱动高精密位移平台，通过波纹管连接，在保证真空不破坏的情况下将运动传递给降能器，可分别对降能器能量粗调单元和降能器能量精调单元进行快速精确的运动。

真空模块由真空泵、真空计、真空管道等组成，它创造并维持束流输运所需的真空环境(真空度范围为10^-3-10^-4Pa)，减小了束流在输运过程中产生不必要的损失。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明的一个实施例的结构示意图，一种具有高传输效率可快速连续调节能量的降能器方案包括：能量粗调单元1、能量精调单元2、第一准直器3、第二准直器4、第三准直器5、运动控制模块6、真空模块7。沿束流输运方向的位置关系首先是能量粗调单元1，之后紧挨着能量精调单元2，然后紧挨着的是第一准直器3，之后紧挨着的是第二准直器4，最后距离较远处的是第三准直器5，能量粗调单元1、能量精调单元2、第一准直器3、第二准直器4、第三准直器5的中心位置都在同一轴线上，其中能量粗调单元1和能量精调单元2分别由运动控制模块6单独控制，降能器系统的外围由真空模块7所包围形成并维持束流输运所需的真空环境。

质子束经过碳化硼方块能量粗调单元实现能量初步粗调，然后经过石墨楔形能量精调单元实现能量精细调节，此时的束流发射度较大，需要经过三个准直器进行发射度抑制，运动控制模块实现降能器快速且精确运动，真空模块创造并维持束流运输所需的真空环境。在这个降能器方案中，对于束流能量、发射度的调节，都是以降低传输效率为代价的，即束流损失发生在每一个环节中。而评价一个降能器及其能量选择系统性能的好坏的一个重要指标就是，在获得同等束流品质的条件下，束流传输效率的高低如何。

在本发明实施例中，初始束流参数是能量为250MeV，流强为500nA，发射度为5πmm·mrad，半高宽能散度为0.5％。由于进入能量精调单元2的束流具有一定的尺寸，能量精调单元2楔形齿在垂直束流输运方向上的长度不能比束斑尺寸小，否则束流经过能量精调单元2时不同位置的粒子所受到的阻挡距离不均匀，这也就说明能量精调单元2不能从0mm开始阻挡束流，束流能量变化范围一般是238MeV～70MeV，而不是250MeV～70MeV。同理，对于能量粗调单元1，每一层碳化硼(B₄C)方块的厚度不能小于束斑直径，由于能量粗调单元1采用的是多层结构，为了减小体积，将能量粗调单元1放在能量精调单元2的上游，这是因为束流经过能量精调单元2之后束斑尺寸会变大。

在本发明实施例中，束流降能越多，束流发射度增长越多，束流传输效率也就越低。束流传输效率过低，束流流强就越低，从而治疗时剂量率就会越低，治疗时间就会越长，这不符合肿瘤快速治疗的目的，一般束流流强为0.5～5nA。因此，提高传输效率主要关心的是低能量下的束流流强是否满足要求，对于高能量段，使用碳作为降能器材料时其传输效率便已符合要求。因此，在本发明实施例中，束流能量在238MeV～220MeV时仅使用能量精调单元2即可，束流能量为220MeV～70MeV时采用能量粗调单元1和能量精调单元2配合降能，粗调时以5MeV为每一层的降能能量间隔，精调时在ΔE之间进行连续调节。

在本发明实施例中，如图2所示，能量粗调单元1由N片长度不同的碳化硼(B₄C)方块叠制而成，N由粗调能量步进ΔE决定，通常取20～40，沿束流方向的长度从L₁依次递增至L_N，L₁-L_N长度根据阻挡能量决定，长度越长阻挡能量也就越多，阻挡能量步进ΔE时，对应的长度也就步进ΔL(对应关系如图4可知)。为了减小该部分降能器的体积，每一片的碳化硼(B₄C)厚度d₁需尽量小，但是该厚度不能小于束流截面直径，一般取等于或稍大于束流截面直径即可。因此d₁由初始束流发射度与横向尺寸决定，考虑到束流在通过碳化硼过程中束斑尺寸会增大，因此第一片和最后一片碳化硼方块需要分别增厚50％，即1.5*d₁。相邻每一片碳化硼阻挡长度对应的阻挡能量相差ΔE，ΔE之内的连续降能由能量精调单元2实现。束流能量在238MeV～220MeV范围内时，束流降能较少，传输效率本身足够高，因此可以仅使用能量精调单元2进行连续调节；当束流能量需要降至220MeV以下时，由于降能较多，束流散射程度增大，束流发射度增长较大，因此束流传输效率较低，此时采用能量粗调单元1和能量精调单元2一起调节，传输效率可以得到一定程度的提升。这样便可以实现238MeV～70MeV之间进行连续调节，并且传输效率也能达到提升。

在本发明实施例中，如图3所示，能量精调单元2由一对多楔形石墨块组成，两楔形块材料、形状、大小完全相同，位置完全对称，同时同速相对运动。每个多楔形石墨块含有n个楔形齿(本实施例中n＝2.5)，每个楔形齿的角度为θ，因此径向与轴向(束流输运方向)传动比为束流经过能量粗调单元1散射之后束斑直径为D，则能量精调单元2沿束流方向初始重叠厚度为能量精调单元2沿束流方向的总长为l，因此能量精调单元2沿束流方向的厚度调节范围为l₀～l(本实施例中为40～50mm)，以实现步进能量ΔE内的连续调节。

在本发明实施例中，对于1.88g/cm³石墨材料，其出射束流能量随碳阻挡厚度变化规律如图4所示，该曲线说明束流能量与碳厚度关系并不是线性的，束流能量较高时束流能量改变较慢，这决定了楔形降能器的位置精度要求。当位置精度为30μm时，能量误差为0.02％～0.18％。图4同时展示了出射束流能量随碳化硼阻挡厚度变化规律，可以看出碳化硼降能速率更大。

在本发明实施例中，发射度限制采用3个孔径不同、长度不同的光阑对束流尺寸和角度进行选择。束流第一准直器3采用无氧铜材料，主要作用是对束流外径尺寸有较好的限制作用；束流第二准直器4采用石墨材料，主要作用是对于从束流第一准直器3外围穿过的粒子有较好的阻挡作用；束流第三准直器5采用无氧铜材料，与束流第二准直器4之间距离较远，主要作用是对束流角度有较好的限制作用。可见，束流第一准直器3和5分别对于束流的尺寸和角度有较好的限制作用，因此它们的孔径和距离也就决定了最终束流发射度的大小。如图3所示，光阑对于束流发射度的限制取决于入射孔半径r1、出射孔半径r2以及光阑长度L，最终束流发射度由于能量选择系统要求所得束流孔径尺寸较小，发射度较小，所需要的长度L要求较长，因此发射度准直模块采用一组间隔的光阑进行发射度抑制。这里，入射孔径r1对应第一准直器3的孔半径，出射孔径r2对应第三准直器5的孔半径，光阑长度L对应第一准直器3和5之间的距离。在实际肿瘤治疗中，可供选择的发射度是必须的，因此，第一准直器3和5上分别加工有一系列不同大小的孔径，对不同的孔径进行组合即可得到不同的发射度，从而实现了发射度的可选。

在本发明实施例中，运动控制模块6包括：高速伺服电机、高精度位移平台、控制器和波纹管，分别对能量粗调单元1和精调单元2进行快速且精准的运动控制。高速伺服电机旋转带动高精度位移平台运动，将圆周运动转化为直线运动，高精度位移平台通过波纹管连接降能器，保证了运动传递到降能器的同时保持真空不被破坏，而控制器则能实现运动位置的精准控制，从而也实现了束流能量的精准控制。两级降能器粗调和精调单元分别独立控制，这使得控制对象的重量得到减轻，控制的响应时间得到了缩短，实现了快速调节的目的。这使得能量能在50ms内平均改变2.5MeV(束流经过5mm水透射深度的能量损失)。通常238MeV～70MeV质子束可以达到人体常见肿瘤的最大和最小深度，肿瘤治疗时将肿瘤组织按照深度划分为若干层，每一层的距离对应的束流能量变化2.5MeV(对于更精细治疗，束流能量间隔更低)。为了实现快速治疗的效果，每一层扫描治疗结束后应在50ms内换至另一层，这也就要求降能器及能量选择系统要在50ms内实现2.5MeV的能量变化，本降能器方案中的运动控制模块6即可满足这一要求。

在本发明实施例中，真空模块7由真空泵、真空管道、真空计等组成，可创造并维持束流输运所需的真空环境，碳化硼能量粗调单元1、石墨能量精调单元2、束流第一准直器3、束流第二准直器4、束流第三准直器5都应该布置在真空室中。

在本发明实施例中，给定初始质子束流能量E＝250MeV，半高宽能散度δE/E＝0.5％，发射度5πmm·mrad，束斑半径r＝1.49mm(1sigma)时，根据Geant4软件的计算结果可得，碳化硼与石墨组合的降能器的发射度明显低于传统的石墨降能器，下降幅度约为15％左右；由碳化硼与石墨组合的降能器的传输效率明显高于传统的石墨降能器，上升幅度约为25％左右。

以上，对于本发明根据其实施方式进行了具体的说明，但本发明并不限定于上述实施方式，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明中的束流的能量选择系统并不限定于质子束，也可为碳离子等其他重离子束流等。并且本发明中的能量选择系统并不限定于质子治疗医学设备，也可为其他研究中束流能量参数使用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。