一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法

本发明涉及加速器放射治疗，具体涉及一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法。

背景技术：

1、放疗、化疗和手术治疗，是现在癌症治疗较为常见的三种方式。放疗即放射疗法，通过放射线治疗肿瘤的一种局部治疗办法。尽管放疗发展的时间较短，但是对于肿瘤治疗具有效果显著。其中，相比光子放疗，质子重离子治疗具有在布拉格峰上的剂量学优势和在三维方向上剂量的高度可控性，以及对细胞组织相对更高的穿透性等优势，这使得目前质子重离子治疗效果显著，优势明显。然而，在实际应用过程中，每个患者定位完成后需要连续辐照多次，每次辐照时间几分钟到二十多分钟，这就会导致常规质子重离子治疗病例在数量上效率较低。

2、flash放疗(flash-radiotherapy)是一种新型的无创外照射放疗技术，通过超高剂量率输送超高剂量的射线，能够拓宽患者的治疗窗，显著改变放疗及肿瘤治疗的格局。与常规剂量率放疗相比，flash放疗可在不到1s的极短时间内输送高于8gy的照射剂量，剂量率超过50gy/s。研究人员认为，高剂量率的照射会导致组织中的氧气耗竭，使健康组织产生辐射抵抗，从而能够在高缺氧的条件下实施破坏肿瘤组织的剂量递增治疗。由于其独特的放射生物学优势，flash放疗正受到学术界和工业界越来越多的关注，成为了当前放疗领域的前沿热点。结合质子重离子放疗的优势，flash在质子重离子治疗中的应用具备了更高的临床价值和更深远的意义。另外，相比传统质子重离子治疗，flash辐照治疗患者时间极短，可较大幅度的提高每天辐照治疗患者人数，提高机器治疗使用效率。

3、目前用于质子重离子治疗的加速器装置主要有三类，分别包括回旋加速器、同步加速器和直线加速器。回旋加速器结构紧凑，但束流能量不可调；同步加速器束流能量可调，但调能所需要的时间在秒量级，并且束流强度偏低，现有同步加速不能满足flash放疗所需要的束流强度；直线加速器可以实现1ms内改变束流能量，非常适合于快速三维点扫描治疗方式，然而，常规的直线加速器治疗装置占地面积大，造价成本高。因此目前并没有能满足基于质子重离子的flash放疗专用加速器装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法，以解决现有技术中用于质子重离子治疗的加速器装置无法满足flash放疗所需要的束流强度的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、本发明提供一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器、束流注入器以及束流能量调节器，所述束源发射器包括互为独立布置的质子源发射器和离子源发射器，所述束流注入器包括沿束流注入方向依次递增加速频率至s波段的多段加速机构，所述束流能量调节器为用于调制束流能量范围的直线加速器，且所述束流能量调节器接入治疗终端。

4、进一步地，多段加速机构为沿束流注入方向依次布置的前段加速器、中段加速器以及末段加速器，所述前段加速器为射频四级加速器和高电荷态强流重离子连续波漂移管直线加速器组合结构，所述中段加速器为漂移管直线加速器，所述末段加速器为侧向耦合漂移管直线加速器，且所述前段加速器、中段加速器以及末段加速器依次通过束流输送管道连接。

5、进一步地，所述末段加速器的加速频率运行在s波段，所述前段加速器的加速频率为所述末段加速器加速频率的1/6，所述中段加速器的加速频率为所述前段加速器加速频率的2倍频。

6、进一步地，所述束流注入器和所述束流能量调节器平行布置，且所述末段加速器的束流引出端与所述束流能量调节器的束流引入端之间的束流输送管道构成“u”形结构，在所述束流注入器和所述束流能量调节器之间设有用于束流自所述末段加速器偏转引入所述束流能量调节器内的消色散传输机构。

7、进一步地，所述消色散传输机构包括布置在所述末段加速器和所述束流能量调节器之间束流输送管道上的第一偏转磁铁和第二偏转磁铁，所述第一偏转磁铁布置在所述末段加速器的束流引出侧并用于束流90°偏转，所述第二偏转磁铁布置在所述束流能量调节器的束流引入侧并用于束流90°偏转。

8、进一步地，所述质子源发射器和离子源发射器分别通过束流输送管道与所述前段加速器的束流引入端相连接，所述质子源发射器为电子回旋共振质子源装置，用于产生重复频率大于200hz的强流脉冲质子束流，所述离子源发射器为激光离子源装置，用于产生重复频率为60-120hz的强流脉冲离子束流。

9、进一步地，所述束流能量调节器为具有高梯度变能的腔耦合直线加速器，所述束流能量调节器作用质子束流的能变范围为70-250mev/u，且所述束流能量调节器作用离子束流的能变范围为100-450mev/u。

10、基于上述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，本发明还提供一种用于束流肿瘤治疗粒子加速的方法，包括：

11、根据flash放疗需求，选择质子源发射器产生质子束流，或采用离子源发射器产生离子束流，并将束流引入束流注入器；

12、通过多段加速机构的束流注入器将质子束流或离子束流加速；

13、经过加速后的束流通过消色散传输机构偏转并引入束流能量调节器内，通过运行在s波段的束流能量调节器将质子束流或将离子束流再次加速，并通过调节束流能量调节器的相位和功率，根据flash放疗需求，控制质子束流或离子束流在设定的能变范围内调制；

14、经束流能量调节器引出的束流通过扫描系统进入治疗终端。

15、本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：

16、通过设置由质子源发射器和离子源发射器构成的双粒子发射器，使束流经具有多段加速机构的束流注入器进行加速，并获取较高的束流传输效率，另外通过束流能量调节器对流经的束流能量进行脉冲快速调变，在满足flash放疗的束流强度需求同时，可实现束流能量调制，从而可根据flash放疗需求，进行质子或碳离子治疗，以便于充分发挥质子束和碳离子束在肿瘤flash放疗中的优势与特点，提高治疗效率。

技术特征：

1.一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述加速器装置包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器、束流注入器以及束流能量调节器，所述束源发射器包括互为独立布置的质子源发射器和离子源发射器，所述束流注入器包括沿束流注入方向依次递增加速频率至s波段的多段加速机构，所述束流能量调节器为用于调制束流能量范围的直线加速器，且所述束流能量调节器接入治疗终端。

2.根据权利要求1所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：多段加速机构为沿束流注入方向依次布置的前段加速器、中段加速器以及末段加速器，所述前段加速器为射频四级加速器和高电荷态强流重离子连续波漂移管直线加速器组合结构，所述中段加速器为漂移管直线加速器，所述末段加速器为侧向耦合漂移管直线加速器，且所述前段加速器、中段加速器以及末段加速器依次通过束流输送管道连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述末段加速器的加速频率运行在s波段，所述前段加速器的加速频率为所述末段加速器加速频率的1/6，所述中段加速器的加速频率为所述前段加速器加速频率的2倍频。

4.根据权利要求2所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述束流注入器和所述束流能量调节器平行布置，且所述末段加速器的束流引出端与所述束流能量调节器的束流引入端之间的束流输送管道构成“u”形结构，在所述束流注入器和所述束流能量调节器之间设有用于束流自所述末段加速器偏转引入所述束流能量调节器内的消色散传输机构。

5.根据权利要求4所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述消色散传输机构包括布置在所述末段加速器和所述束流能量调节器之间束流输送管道上的第一偏转磁铁和第二偏转磁铁，所述第一偏转磁铁布置在所述末段加速器的束流引出侧并用于束流90°偏转，所述第二偏转磁铁布置在所述束流能量调节器的束流引入侧并用于束流90°偏转。

6.根据权利要求2所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述质子源发射器和离子源发射器分别通过束流输送管道与所述前段加速器的束流引入端相连接，所述质子源发射器为电子回旋共振质子源装置，用于产生重复频率大于200hz的强流脉冲质子束流，所述离子源发射器为激光离子源装置，用于产生重复频率为60-120hz的强流脉冲离子束流。

7.根据权利要求6所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于：所述束流能量调节器为具有高梯度变能的腔耦合直线加速器，所述束流能量调节器作用质子束流的能变范围为70-250mev/u，且所述束流能量调节器作用离子束流的能变范围为100-450mev/u。

8.一种用于束流肿瘤治疗粒子加速的方法，采用权利要求1-7任意一项所述的一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置，其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本发明涉及一种基于束流肿瘤治疗的加速器装置及方法，加速器装置包括通过束流输送管道依次连接的束源发射器、束流注入器以及束流能量调节器，束源发射器包括互为独立布置的质子源发射器和离子源发射器，束流注入器包括沿束流注入方向依次递增加速频率至S波段的多段加速机构，束流能量调节器为用于调制束流能量范围的直线加速器，且束流能量调节器通过扫描系统接入治疗终端。方法包括粒子束流经多段加速机构加速并引入束流能量调节器内调制束流能量，再通过扫描系统进入治疗终端。本发明可充分发挥质子束和碳离子束在肿瘤FLASH放疗中的优势与特点，在满足FLASH放疗的束流强度需求同时，还能实现束流能量调制，有效提高治疗效率。

技术研发人员：杨尧,赵红卫,孙良亭,张子民
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13