专利名称：产生用于间质术中辐射治疗的电子束和x射线束的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用等离子体聚焦类型的机器的IORT设备，其联接到电 子导向器，该电子导向器将束直接传输到待用低能、极高剂量速率的 电子或光子X射线辐射治疗的组织。
背景技术：
已知马瑟(Mather)式的等离子体聚焦机器(JW Mather, in: Methods of experimental physics, Vol. 9, Part B. Plasma Physics, Eds. RH Lovberg and HR Griem - Academic Press, New York, 1971 -chapter 55)能够产生、加速和约束等离子体，所述等离子体在合适的 工作条件下导致热核反应而产生辐射和核素和/或其它亚原子粒子。这种机器(特别是其特性和性能)在以Marco SUMINI、 Agostino TARTARI、 Domiziano MOSTACCI的名字于2004年10月21日递交 的意大利专利申请VE2004A000038中描述，该申请涉及用于内源性 产生放射性同位素的设备，特别是用于正电子射线断层照相术 (Positive Electron Tomography )的设备。本发明的设备所属的技术领域是在移除小的肿瘤块后对组织的手 术后辐射治疗。该设备对四种人类的"主要杀手"即肺癌、乳腺癌、 前列腺癌和低位小肠癌中的IORT特别有用。后者是意大利男性中由 于恶性肿瘤而死亡的首要原因。目前使用的某些IORT技术通过连续或脉冲模式的电子或光子 (伽马或X)束向病灶释放所需剂量。作为示例，已知由Massachusetts (美国)的Photoelectron Corporation提供的光子放射外科系统(PRS)。这是一种能量量级为 40+50 keV的小型电子加速器，其通过10cm长、3.2mm直径的导向 器聚焦在薄靶上以产生连续X射线束。具有相似性能的另一已知设备是由英国Battlefield的Oncology Systems Limited与Carl ZEISS合作提供的IntrabeamTM。另一已知示例是由Hytesis of Latina(意大利)生产的可移动直线 加速器Novac7:其产生能量在3到9 MeV之间的直线电子束。该束 由测量直径几厘米的树脂玻璃施加器引导。在这些已知设备中，释放的剂量并不完全确定放射生物损伤，因 为后者与释放的时间和空间条件严格相关。由于这一点，与传统的连 续治疗计划 一起，最近已经在开发通过放射性同位素植入而微量地(在 时间和空间上)输送剂量的技术。已经在医疗实践中引入使用具有高 治疗效率的粒子(即中子、质子和离子)束，但只是对于特定的情况。 但是，它们的产生需要巨大的装备，例如核反应器、同步加速器或大 的直线加速器。除了高放射生物效率的要求外，IORT还有至少3个强制要求-在手术室附近治疗-所释放剂量的精确定位-尽可能短的照射时间和以单次IORT任务结束治疗的可能性。 前述设备或其它偶尔提及的设备中没有一个满足所有上述要求。发明内容考虑到现有技术的状况，本发明要处理和解决的主要问题是找到 现有IORT系统的替代以克服其主要缺点，例如画难以校准束，并由此难以治疗小的(几亳米)的肿瘤 -传送到所治疗组织的低剂量速率 -束的低放射生物效果 -照射头的笨重尺寸-难以控制和避开对患者的危险 -每次治疗的时间过长-无法选择辐射的类型(x射线或电子)根据本发明，所有这些问题都利用 一种产生用于间质术中辐射治疗的电子束和X射线束的设备解决，其特征在于该设备包括-作为电子脉沖源的等离子体聚焦类型的头，其具有真空室和将 至少一种反应气体引入室中的装置，该真空室设有一对产生放电的圆 柱形同轴电极，-供给所述源头的电路，其包括具有快速开关和导体的电容器组， 所述快速开关和导体连接到所述真空室的电极，以及-与所述电极同轴的电子导向器，从所述源头到正好位于照射病 灶附近-防护支架，其具有高压电缆以及用于悬挂和移动头的装置。
图1示出根据本发明的设备的总体示意性立体图。 图2示出其电子和液压方案。图3示出电极、真空室和复式接头(manifold)的细节。 图4示出真空室的电极和电子导向器的放大视图。 图5示出具有快速开关的电容器。 图6示出电子导向器的示意性纵向截面图。 图7示出具有电极和电子导向器的真空室的功能示意图。 图8示出在鵠转换器的情况下X射线产生作为入射电子能量函数 的图形(实验数据)。
具体实施方式
从图中可以看到，根据本发明的设备可以定义为产生用于IORT 治疗的电子和X射线束的机器。其包括基于马瑟式等离子体聚焦装置 的电子脉冲源头2。更具体地，源头2包括真空室4，真空室4包围由绝缘体10隔开的两个圆柱形同轴电极6、 8，该绝缘体10还封闭室4的底部。两个电极6、 8通过快速开关14连接到电容器组12。更具体地， 电容器12向上游连接到充电电源15，并向下游通过快速开关14连接 到高压高电流传输线16，该传输线16连接到电极6、 8。快速开关14 在其侧面通过合适的连接器(在图5中未标出)连接到冷却回路，并 在其上部通过合适连接器17连接到电源15。真空室4还设有到真空泵18的连接装置和到氢、氖或氩供应器 20的连接装置。真空室4与电容器组的连接通过特定的复式接头21在室自身的底 部中直接发生，该复式接头21包括两个彼此同轴的盘状钢盘，其中的 下盘23连接到真空室的内电极6，而上盘25连接到其外电极8。到电 容器组的连接通过同轴电缆实现，所述同轴电缆的外导体通过合适连 接器连接到复式接头上盘23，而内导体穿过所述复式接头上盘并结束 在复式接头下盘25上的合适连接器中。复式接头和真空室之间的连接 在室的底部中发生，在该处两个电极6、 8由绝缘体隔开。在此，接收 同轴电缆的外导体的复式接头上盘25连接到真空室4的外部并与外电 极8相连，而接收同轴电缆的中心导体的复式接头下盘23连接到中心 阳极6的下板。电子导向器附装到真空室4。该电子导向器由沿着轴线中空的筒 体22形成，该筒体由不透过电子的材料构成。为了进行辐射防护,，筒体22的材料除了满足机械强度和真空能力 要求之外还需要从两种特性(X-K和X-L)的电子撞击和"轫致辐射" 产生最小可能的X射线。树脂玻璃满足所有这些要求，并且其物理和 化学特性是非常熟知的，这使得设计更容易。所考虑的一种替代选择 是不锈钢。电子导向器以真空方式附装到真空室4的下绝缘板层，此板层具 有中心孔。在位于真空室外的相反端处，导向器装有元件24以在允许 取出电子的同时真空密封导向器22。对于装配件24可以预见到四种不同实施例第一实施例包括由铍 或其它低原子量金属构成的几微米厚的薄片，从而可以取出电子。第 二实施例包括涂有非常薄的铝层的10 - 12微米厚的聚脂薄膜层，该铝 层增加聚脂薄膜层的机械强度和导热性(用于冷却)。第三实施例包括 使用钛、钽或钨的10-15微米厚的层。第四实施例包括几微米厚的金 属半球，以将电子能转换成特性X射线，该特性X射线由于电子撞击 而从薄片中的原子的离子化产生(A. Tartari et al: Energy spectra measurements of X-ray emission from electron interaction in a dense plasma focus devices, Nucl. Instr. Meth. B 213 (2004) 206》在真空密封装配件24的此第四实施例中，应该在考虑入射电子的 能量的情况下，选择薄片的材料以优化特性X射线产生。作为能量函 数的产出表明，对于比K或L电子的结合能EK大3倍的入射电子能 量获得最大产生量这可以在使用鴒作为转换器材料的情况下的图8 中看到。在实际使用根据本发明的设备用于IORT治疗时，该设备由包括 带轮底座26的支架支撑，电容器组12容纳在该带轮底座26中，该带 轮底座26包在法拉第笼28中以隔离电磁场。在图1中，为了清楚， 未示出该笼，但是示出了其底部周边。在每个电容器12上装配有一个 相应的快速开关14。在底座上还附装有支撑真空室4以使其悬在患者上方的铰接臂 30。电子导向器22可能装有转换器以从电子能量产生X射线能量， 该电子导向器22从真空室出发而到达十分靠近待照射病灶的区域。现在将参照单个脉冲(为了简化)描述根据本发明的设备的操作， 但是预计1Hz频率的反复操作更适合于IORT。在原理上，该操作如下将电容器组充电到指定电压，然后将所 存储的能量非常快地(几微秒)放电到电极6、 8。电容器的放电在电 极之间产生气体离子化，转变到等离子体状态，并且向着电极端部运 动。更具体地，由自生成电磁力沿着电极推动由此产生的等离子体板， 并向着电极的开口端加速。 一旦到达端部，等离子体被所产生的强大电磁场压缩而内爆，产生对热核等离子体典型的约束条件，这对应于量级为1015 keV.sec/cm3的等离子体粒子的密度、能量和约束时间的 组合。所述约束在约直径lmm和长度lcm的圆柱体中发生，这称为箍 缩或聚焦(32，参见图7)。取决于组能量的聚焦的寿命从10ns (6-7kJ)到几十纳秒(更高组能量)变化；在结束时其衰减，产生粒子束。当填充气体是氢、氩或氖时，在聚焦中产生-沿轴向向前发射的低能X射线和质子束-向后发射的能量< 1 MeV的相对电子的束(相对电子束-REB ) (对于6-7 kJ的机器电子流量为 0.5-5 mC/脉冲)。虽然X射线和质子束容易被吸收在真空室4的壁中，电极6、 8 和电子导向器22的特定同轴几何形状与中心电极6的中空构造一起允 许取出相对电子束REB。电子沿着导向器22行进，并在结束时可根据需要和所使用的装配 件24而直接或在转换成25-50 keV的X射线后用于IORT治疗。从以上所述，可以清楚地认识到根据本发明的设备与已知的 IORT系统相比特别有价值，具体地具有以下优点-所产生束的高放射生物效率-考虑到源头可能具有约20cmx30cm的尺寸，体积有限 -在涉及小于1平方厘米的面积和2-3mm的深度的限定和受控 的病灶中释放剂量-短的总治疗持续时间，估计在分钟量级 -能够使用电子和X射线束治疗。涉及已经构建并处于高级测试阶段的原型的以下示例将有助于使 本发明更加清楚。在一个具体实施例中的具有等离子体聚焦技术的IORT设置包括 等离子体聚焦装置，并且其特征在于由REB (相对电子束)测量室制 成的电子导向器，该测量室专门设计成容纳可互换X射线转换器和X 射线光镨仪。初步测试的参数设置和所获得的结果如下电容器组的总电容:44.4jiF，每个电容器具有以下规格画型号GA32899-电容C= 11.1 nF-最大工作电压Vmax=36kV-最大破坏电压Vdamage= 40kV-峰值工作电流Ic=150 kA-工作电压反向60%-最大电压反向80%-工作条件下的使用周期1 E6-电感Lc=30 nH-尺寸- 31 x " x 68 cm-重量140 Kg工作电压20-26 KV組能量10-15 KJ总电感100nH电极长度13.3 cm内电极直径(铜)3 cm.外电极直径(铜)8 cm.伪周期t: 10-12 ps.不锈钢真空室的体积2.5 dm3电源具有以下规格-输出电压V0=20-30 kV國可输送能量10-15 kJ-组充电时间0.5+0.8 s-所输送平均电流Ips-2A画所输送平均功率PPS = IPSVo=60 kVA。电源可以在单脉冲模式和反复模式两者下驱动后者利用快速开 关触发单元的定时。快速开关具有以下规格
-型号REB3 SG-182 o SG-183 Montecuccolino式(即由R. E. Beverly III & Ass.根据规格专门设计的)
-触发类型场畸变
-最小工作电压15 kV
-最大工作电压65kV
-工作电流峰值Isc^l60kA
画最大电流峰值250 kA
-每脉冲最大可转移电荷0.36C
-电感LSG=27nH
-关闭时间22 ns
-击穿时间600 ns
-工作气体合成空气
-到电极的输出每个开关4根同轴电缆
同轴电缆Dielectric Science提供的DS 2248。
该设备依赖于总是用于冷却的冷却电极的系统、用于在真空室中 循环气体的系统、以及用:于循环快速开关工作气体的系统，这些系统 允许在设备的反复模式中以lHz或更大的频率工作。
单电容快速开关的电感是Lc + LSG= 57 nH。
电容器在充电期间平行放置，采用配线盒来容纳高压二极管和用 于抑制(压制(snubbing))干扰的合适的电路。
将四个电容器快速开关单元连接到复式接头又连接到电极(6, 8 ) 的同轴电缆(16)是每单元4根，即总共16根，每根都承载最大电流 %Icmax"25kA。
每根同轴电缆长4.2 m。
复式接头盘(21)的直径为45 cm。
测试表明特性X射线的X-L光谱成分占光谱的35%,并且其能 量是8.9keV,而"轫致辐射"成分占其余的65%,且具有25.0 keV 的能量，并且一次发射输送的剂量为30ns的时间间隔中的lOGy。
权利要求
1.一种产生用于间质术中辐射治疗的电子束和X射线束的设备，其特征在于所述设备包括-作为电子脉冲源的等离子体聚焦类型的头(2)，其具有真空室(4)和将至少一种反应气体引入所述室(4)中的装置，所述真空室设有一对产生放电的圆柱形同轴电极，-供给所述源头的电路，其包括具有快速开关(14)和导体(16，21)的电容器组(12)，所述快速开关和导体连接到所述真空室(4)的电极(6，8)，以及-与所述电极同轴的电子导向器(22)，其从所述源头到正好位于照射病灶附近，-防护支架(26，28)，其具有高压电缆以及用于悬挂和移动所述头(2)的装置。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，包括马瑟式的源头 (2)。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述源头(2)包 括真空室(4)，在所述真空室中两个同轴电极(6， 8)由绝缘体隔开。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，将快速开关与真空 室(4)的电极(6， 8)电连接的装置是至少一根同轴电缆。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，具有复式接头，所 述复式接头包括与源头(2)的两个同轴电极(6， 8)电连接的两个同 轴盘，同轴电缆的外导体连接到复式接头的上盘，而电缆的中心导体 在穿过所述外上盘之后连接到下盘。
6. 根据权利要求4述的设备，其特征在于，所述真空室(4)中 的外电极(8)连接到地并连接到至少一根同轴电缆(16)的外导体， 而内电极(6)连接到至少一根同轴电缆(16)的内导体。
7. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，电子导向器(22) 包括沿着轴线中空的筒体，所述筒体由不透过电子的材料制成并与所述源头(2)的中心孔相对应地真空密封连接到所述源头(2)的下板 层；所述导向器(22)在相反端处装有元件(24)以真空密封所述导 向器(22)。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子导向器(22 ) 由在电子撞击时具有低的产生X射线效率的材料构成。
9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述电子导向器(22 ) 由树脂玻璃构成。
10. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述电子导向器 (22)由不锈钢构成。
11. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述装配件(24) 包括由具有低原子量的金属构成的薄片。
12. 根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述装配件(24) 由铍构成。
13. 根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述装配件(24) 由钬构成。
14. 根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述装配件(24) 由钽构成。
15. 根据权利要求ll所述的工艺，其特征在于，所述装配件(24) 由具有铝涂层的聚脂薄膜构成。
16. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述装配件(24) 包括由适合于将撞击电子的能量转换成特性X射线的材料构成的薄 片，所述特性X射线从电子撞击之后的原子离子化产生。
17. 根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述装配件(24) 用具有K和L电子的约束能量Ek的材料枸成，所述约束能量是撞击 电子的能量的约1/3。
18. 根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述装配件(24) 由鵠构成。
19. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支架包括容 纳电容器组(12)和快速开关(14)的底座(26)。
全文摘要
一种产生用于间质术中辐射治疗的电子束和X射线束的设备，其特征在于其包括-作为电子脉冲源的等离子体聚焦类型的头(2)，其具有真空室(4)和将至少一种反应气体引入所述室(4)中的装置，所述真空室设有一对产生放电的圆柱形同轴电极；-供给所述源头的电路，其包括具有快速开关(14)和导体(16，21)的电容器组(12)，所述快速开关和导体连接到所述真空室(4)的电极(6，8)；以及-与所述电极同轴的电子导向器(22)，其从所述源头到正好位于照射病灶附近；-防护支架(26，28)，其具有高压电缆以及用于悬挂和移动所述头(2)的装置。
文档编号H05H1/04GK101237908SQ200680029085
公开日2008年8月6日 申请日期2006年8月3日 优先权日2005年8月4日
发明者多米齐亚诺·莫斯塔奇, 阿戈斯蒂诺·塔尔塔里, 马尔科·苏米尼 申请人:马尔科·苏米尼;阿戈斯蒂诺·塔尔塔里;多米齐亚诺·莫斯塔奇