一种碳离子束超导旋转Gantry的制作方法

本发明是关于一种应用于治癌加速器的小型化和轻量化的碳离子束超导旋转gantry(机架)，涉及核技术应用领域。

背景技术：

离子束旋转gantry是一种利用笔形离子束治疗肿瘤的治癌加速器终端配送系统，其可以在患者治疗期间从0゜-180゜或者0゜-360゜等中心旋转，以有效实施肿瘤的多方位角治疗，同时减轻离子束对正常组织和器官造成的放射性损伤。自1946年r.r.wilson提出质子束治疗肿瘤以来，发达国家相继建造了专用的离子加速器装置，旨在提供可变能量的、可精细化调节的离子束，以实现对病灶的适形治疗。所述适形治疗，即通过横向位置和纵向能量分布的操控来匹配病灶形状的离子束高精度操作的过程。在放射治疗中，能以任意角度供束的旋转gantry是适形治疗最理想的离子束治疗终端配送系统。

国际上关于旋转gantry的设计按结构主要分为离心式和向心式两类。在离心式gantry中，离子束绕固定轴做离心旋转，病床随着旋转gantry做同步离心转动。在向心式gantry中，离子束同样绕固定轴做向心旋转，离子束先离心，再向心垂直指向轴线。与离心式旋转gantry相比，向心式旋转gantry控制精准性更高，治疗操作也更简单，目前已普遍应用于质子专用治癌装置。相较于当前流行的质子束治癌，以¹²c⁶⁺为典型代表的重离子束因其具有更高的物理bragg能损效应和特殊的相对生物学效应成为放射治疗肿瘤的首选。但是因¹²c⁶⁺最高磁刚度为质子的3倍(质子约2.2tm,¹²c⁶⁺离子约6.6tm)，使其碳离子旋转gantry不仅体积庞大，重量更达几百吨(常规质子的旋转gantry重量一般不超过100吨)，如此庞大而沉重的旋转gantry带来了严重的诸如选材、结构设计和精细化控制等一系列难题，为碳离子束旋转gantry实现毫米级调节精度的要求带来了严重挑战。

近年来，随着磁超导技术的迅猛发展，小型化和轻量化的重离子旋转gantry设计和建造曙光初现。在国外，日本尽管已经成功研制建造了第一代小型化和轻量化的超导碳离子束旋转gantry，与传统的碳离子旋转gantry相比，无论体积还是重量均由大幅度的降低，但是整个gantry的体积依然非常庞大，整体长度超过20m，旋转半径也到达了5m，重量近200吨。由于gantry体积较大，重量较重，其实际的调试便捷性和运行效率并不理想，为此日本计划着手开展第二代更紧凑型超导碳离子束旋转gantry的研制。除日本之外，目前国内外其他国家有关小型化和量轻化的超导碳离子束旋转gantry的研制仍未起步，而传统碳离子束旋转gantry的设计建造因体积过大、重量过沉等问题导致其在实际应用中面临的诸如选材、结构设计和精细化控制等一系列无法解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够简化碳离子治疗装置终端配送系统布局的小型化和轻量化的碳离子束超导旋转gantry。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种碳离子束超导旋转gantry，包括：

旋转支架；

真空通道，设置于所述旋转支架上，用于为离子束流的传输提供真空环境；

组合型磁铁，设置在所述真空通道外围，用于碳离子束的方向导引和包络控制；

扫描磁铁，设置在所述组合型磁铁的最后一个磁铁入口前方，用于调整碳离子束斑在旋转gantry末端照射野平面内的位置。

优选地，所述组合型磁铁包括第一～第三导向二极磁铁和聚焦四极磁铁，第一～第三导向二极磁铁按照设定顺序依次间隔排列，每一所述导向二极磁铁的入口和出口处均嵌设有所述聚焦四级超导磁铁。

优选地，所述第一导向二极磁铁和第二导向二极磁铁的偏转角度为60°，所述第三导向二极磁铁的偏转角度为90°，其中，偏转角度是指束流在二极磁铁中走过弧长所对应的扇角。

优选地，所述扫描磁铁设置在所述第二导向二极磁铁与第三导向二极磁铁之间。

优选地，各所述导向二极磁铁和聚焦四极磁铁采用温铁超导设计。

优选地，离子束流采用平行束配送模式，保证经旋转gantry后到达照射野平面的离子束传输路径完全相同。

优选地，所述扫描磁铁的扫描方式采用笔形束点扫描或栅治疗模式。

优选地，还包括设置在所述旋转支架上的低温系统，用于带走gantry运行期间磁铁线圈所产生的热量，维持所述导向二极磁铁和聚焦四极磁铁的低温环境。

优选地，所述旋转支架能够进行180゜或360゜旋转。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的小型化和轻量化的碳离子束超导旋转gantry，与传统的常温旋转gantry相比，该系统采用了目前国际最前沿的温铁超导技术，除扫描磁铁外，所有磁铁的体积和重量均大幅度降低，为目前国际上设计重量最轻的碳离子gantry，整体重量不超过100吨；

2、本发明将所有聚焦四极磁铁嵌入导向二极磁铁内部，使整个gantry体积极大地减小，整体长度不超过15.0m，旋转半径小于3.5m，为目前国际上设计体积最小的碳离子gantry，从而有效避免了传统碳离子旋转gantry因体积庞大、重量过沉、控制调节难度大等缺陷导致无法投入实际应用的尴尬局面，为更紧凑更先进的碳离子治疗装置治疗终端的发展奠定了基础。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明的碳离子束超导旋转gantry结构示意图；

图2是本发明实施例1的束流效果图；

图中的附图标记为：1、真空通道，2、扫描电源，3、第一台60゜导向二极磁铁，4、第二台60°导向二极磁铁，5、第三台90゜导向二极磁铁，6、聚焦四极磁铁。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

如图1所示，本发明提供的应用于治癌加速器的小型化和轻量化的碳离子束超导旋转gantry，包括：

旋转支架，用于定位及安装其他装置；优选地，旋转支架是能够进行180゜或360゜旋转的支架，旋转支架为碳离子束超导旋转gantry的骨架，支撑着其上所有其它系统的组件，其结构设计需要满足形变量和环境温差要求，具体结构不做限制，根据实际需要进行设计即可。

真空通道1，横向设置于旋转支架上，用于为离子束流的传输提供真空环境。

组合型温铁超导磁铁，设置在真空通道1外围，用于负责碳离子束的方向导引和包络控制，其中，包络控制主要是指对离子束流进行横向运动状态的约束。

扫描磁铁2，设置在组合型温铁超导磁铁的最后一个磁铁入口前方，用于调整碳离子束斑在旋转gantry末端照射野平面内的位置。

本发明的一些实施例中，组合型温铁超导磁铁包括第一台60゜导向二极磁铁3、第二台60°导向二极磁铁4和第三台90゜导向二极磁铁5。其中，二极磁铁用于负责碳离子束的方向导引，碳离子束经第一台60゜导向二极磁铁3后做离轴运动，经第二台60゜导向二极磁铁4及第三台90゜导向二极磁铁5的反向二极磁铁后垂直旋转轴做同轴心的向心运动，其中，60°和90°是指二极磁铁的偏转角度，反向90°二极磁铁是指反方向偏转90°的二极磁铁，其中，60゜和90゜均是指偏转角度，偏转角度是指束流在二极磁铁中走过的弧长所对应的扇角。

本发明的一些实施例中，每一台导向二极磁铁的入口和出口处均嵌设有聚焦四极磁铁6，主要负责碳离子束横向运动状态的约束，使所有被配送束流沿导向二极磁铁设定的参考轨道做旁轴运动，并在轴心处形成所需要的圆形束斑。

本发明的一些实施例中，扫描磁铁2采用两台常温扫描磁铁，采用两台扫描磁铁2的目的是在下游的照射野内形成所需要的照射面积和形状，两台扫描磁铁2相互垂直，扫描磁铁2设置在第二台60°导向二极磁铁4和第三台90゜导向二极磁铁5之间，粒子束经过两个扫描磁铁2横向扫描后，在系统末端照射野位置形成为约20cm×20cm的照射面积(20cm×20cm的照射面积是大多数肿瘤照射野都在该照射面积范围内，对个别照射面过大的肿瘤，可分区逐一照射)。经扫描磁铁2扫描后的离子束，经过第三台90゜导向二极磁铁5之后，随着扫描铁磁场强度的变化呈现平行束状态，该状态为旋转gantry末端最佳的离子束传输状态。

本发明的一些实施例中，该碳离子束超导旋转gantry还包括设置在旋转支架上的低温系统，用于带走gantry运行期间线圈所产生的热量，维持导向二极磁铁和聚焦四极磁铁的低温环境。迄今为止，超导磁铁技术的发展已经能使磁铁在低温环境下产生远高于传统常温磁铁的磁场。优选地，低温系统是用于抑制磁铁线圈发热的冷却系统，常温冷却一般使用风冷或水冷，低温冷却一般使用液氮。

本发明的一些实施例中，gantry系统总长度不超过15.0m，其中，旋转部分总长不超过13.0m，旋转部分水平长度(gantry在使用期间需要180゜或360゜绕水平轴旋转，该长度指旋转部分的水平直线距离)不超过9.0m，垂直高度(垂直高度指水平旋转轴至旋转部分最远端的垂直距离)不超过3.5m，因此本发明的gantry规模小，重量轻，运行灵活。

本发明的一些实施例中，所有导向二极磁铁采用目前国际最前沿的canted-cosine-thetadipole(cctd)温铁超导技术，采用该技术的超导二极磁铁仅由真空管道和绕制线圈构成，不含铁芯，其磁场强度可达5.0t，在大幅提升二极磁铁磁场的同时，极大减轻了二极磁铁的重量。

本发明的一些实施例中，聚焦四极磁铁6同样采用canted-cosine-thetaquad.(cctq)温铁超导技术，该类型的聚焦四极磁铁6同样仅由真空管道和绕制线圈构成，不含铁芯，在大幅提升四极磁铁磁场的同时，极大的减轻了四极磁铁的重量。进一步地，导向二极磁铁和聚焦四极磁铁可以采用合二为一的新型设计方式，即四极磁铁位于二极磁铁内部，即可以采用在二极线圈的局部位置增加四极线圈的方式，形成局部位置的二极场和四极场的叠加的效果。如图1所示组合型磁铁即有四极场分量，也有二极场分量是二者的叠加，使该磁铁组合既具有引导离子束方向的作用，又具有约束束流横向状态的作用。

本发明的一些实施例中，入口和出口离子束的横向状态均采用圆形束设计，入口和出口束流横向尺寸完全相等，且出口束流状态不随gantry的旋转而变化，该设计方式便于gantry的运行调试。

本发明的一些实施例中，该系统的物理聚焦结构采用完全消色散、单位矩阵以及末端平行束等先进的离子束配送模式设计即采用反对称结构特征。完全消色散和单元矩阵传输使离子束经旋转gantry后束斑尺寸既不受动量分散的影响，也不受gantry旋转的影响。

本发明的小型化和轻量化的碳离子束超导旋转gantry使用时，其前级加速器系统引出的碳离子束进入旋转gantry的真空管道1，经位于gantry上的两台60゜导向二极磁铁和一台90゜的导向二极磁铁后导向旋转轴轴心做同轴心的向心运动，并利用聚焦四极磁铁同步将离子束聚焦到轴心位置，并形成治疗所需要的束斑，该束斑通过位于60゜的导向二极磁铁和90゜的导向二极磁铁之间的扫描磁铁2横向扫描后，形成最大面积20cm×20cm的照射野。

实施例1：

如图2所示，本实施例提供的小型化和轻量化的碳离子束超导旋转gantry，该系统物理光学设计具有以下特点：

首先，整个系统采用完全消色散设计模式，完全消色散设计是属于加速器物理设计范畴，其分为正向消色散和反向消色散模式，结构上主要体现为两台或多台导向二极磁铁的偏转方向同向(正向消色散)或反向(反向消色散)，该gantry的设计采用反向消色散结构；

其次，系统入口与出口横向呈尺寸完全相同的圆形离子束斑；

其三，采用国际上最先进的平行束扫描模式，即采用点到平行的光学原理来实现，具体由扫描磁铁、gantry下游的90゜导向二极磁铁和嵌入其内的两台聚焦四极磁铁共同来完成。

本实施例提供的小型化和轻量化的碳离子束超导旋转gantry，包括可180゜或360゜旋转和固定其它组件的旋转支架，位于旋转支架上的真空通道，若干台按技术要求绕制于真空通道外围的组合型温铁超导磁铁和常温扫描磁铁，以及为温铁超导磁铁提供低温环境的低温系统。

上述实施例中，组合型温铁超导磁铁中导向二极磁铁3台，磁场值为2.0t-5.0t，偏转角度分别为60゜和90゜。

上述各实施例中，组合型温铁超导磁铁中聚焦四极磁铁8台，极面磁场值为0.5t-2.5t。

上述各实施例中，常温扫描磁铁2台，最高极面磁场不超过0.55t。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。