基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法及装置与流程

本发明属于医用直线加速器，具体地说涉及基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法及装置。

背景技术：

1、电子束闪光放疗是利用超高剂量率电子射线照射肿瘤，在肿瘤位置产生闪光效应，实现对肿瘤细胞杀灭，同时能减少放射治疗毒副作用的一种新型放疗方式。电子束闪光放疗采用的剂量率高，单发剂量大，通常在数十ms到数百ms内就可完成治疗，想在这么短的时间进行射束调整难度极大，为了保障治疗计划能被严格执行，电子束flash放疗出束的剂量稳定性至关重要。

2、众所周知，医用直线加速器主要由加速管、磁控管、电子枪、微波系统等部件组成。其主要工作原理是，磁控管产生微波经微波传输系统传输至加速管并在加速管中建立加速电磁场，电子枪发出电子，电子通过加速管中的加速电磁场加速获得能量。为实现电子束flash放疗稳定出束：(1)电子必须能被谐振加速；(2)磁控管功率输出稳定。其中，为保证电子在加速管中能被谐振加速，加速电磁场的变化频率即微波频率与加速管谐振腔设计必须保持一定对应关系。通常微波频率与加速管的本征工作频率fc之间的频偏△f≤本征工作频率fc的万分之一，加速管才具备谐振加速的前提条件。而加速管本征工作频率fn与加速管温度有很大关系，通常温度变化1℃，加速管的本征工作频率将变化0.1△f。为此，常规放疗中使用恒温水方式调节加速管温度，进而实现加速管本征工作频率与磁控管工作频率的匹配。常规放疗治疗时间较长，该方法是切实可行的。但该方法不适用于闪光治疗模式，因为热交换过程需要较长的等待时间，调节加速管的本征工作频率这种方式来保障谐振加速的方式完全抵消了闪光放疗的治疗效率。

3、而磁控管功率输出方面，发明人发现出束剂量与出束过程中温度变化有如下对应关系如下：

4、

5、式中，eα表示加速管出束能量，δ表示铜的线膨胀系数，vth表示磁控管门槛电压，δt表示磁控管腔体温度变化，rα表示磁控管腔体阳极半径，rk表示磁控管腔体阴极半径，rdyn表示磁控管等效动态电阻，i表示通过磁控管两端的脉冲电流。由上式可知，出束的剂量稳定性还与磁控管稳定性息息相关，磁控管的变化容易造成出束不稳定或者出束失败的故障，故需要对磁控管稳定性进行控制。

6、因此，亟需设计出适用于闪光放疗模式下的稳定出束的方法及装置。

技术实现思路

1、针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法及装置，以解决现有技术采用恒温水方式调节加速管温度，存在热交换时间较长，无法匹配闪光放疗高效率的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，包括以下步骤：

4、出束前，电子枪处于非运行状态，磁控管运行，获取加速管腔体温度，并将所述温度转换成磁控管调谐电机的控制转速，磁控管调谐电机按照所述控制转速运行，保持磁控管输出的微波频率与加速管本征工作频率的频率差≤频率差阈值；

5、出束中，磁控管调谐电机停止运行，电子枪处于运行状态，并在数十ms至数百ms内完成出束；

6、出束后，电子枪处于非运行状态，根据加速管腔体温度再次调整磁控管调谐电机的控制转速，保持磁控管输出的微波频率与加速管本征工作频率的频率差≤频率差阈值，等待下一次出束。

7、本技术方案进一步设置为，所述获取加速管腔体温度的方法为：

8、在加速管腔体冷却通道的进口端和出口端均设置有温度传感器，利用温度传感器获取进口端和出口端的实时温度，当进口端和出口端的实时温度差≤1℃时，取二者平均值作为加速管腔体温度。

9、本技术方案进一步设置为，所述将所述温度转换成磁控管调谐电机的控制转速的方法为：

10、根据加速管腔体温度计算得到磁控管输出的微波频率，所述磁控管输出的微波频率位于加速管本征工作频率带范围内，根据磁控管输出的微波频率计算得到磁控管调谐电机的控制转速。

11、本技术方案进一步设置为，所述根据加速管腔体温度计算得到磁控管输出的微波频率的方法为：

12、ft＝fn+△t×q×fn；

13、ft表示磁控管输出的微波频率，fn表示加速管的本征工作频率，q表示加速管品质因数，其表征加速管本征工作频率与加速管温度变化关系，其与加速管设计特性有关，△t表示加速管腔体温升。

14、本技术方案进一步设置为，所述根据磁控管输出的微波频率计算得到磁控管调谐电机的控制转速的方法为：

15、磁控管调谐电机控制转速r。其对应关系如下：

16、r＝ft/k；

17、r表示磁控管调谐电机的控制转速，k表示磁控管调谐电机的调节系数。

18、本技术方案进一步设置为，出束前，反复获取加速管腔体温度，调节磁控管调谐电机的控制转速，直至磁控管输出的微波频率与加速管本征工作频率的频率差不大于频率差阈值。

19、本技术方案进一步设置为，所述磁控管输出的微波频率与加速管本征工作频率的频率差为△f，所述频率差阈值为f，满足：

20、△f＝fn-ft≤f；

21、f＝±0.1‰fn。

22、第二方面，本发明还提供基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的装置，包括：

23、温度传感器，用于获取加速管腔体温度；

24、以及控制器，其分别与磁控管调谐电机、温度传感器电连接，磁控管调谐电机与磁控管电连接，所述控制器用于将所述温度转换成磁控管调谐电机的控制转速，保持磁控管输出的微波频率与加速管本征工作频率的频率差≤频率差阈值。

25、本技术方案进一步设置为，所述温度传感器分别位于加速管腔体冷却通道的进口端和出口端，冷却通道与冷却介质源连通。

26、本发明的有益效果是：

27、只需要测定电子束出束前的加速管腔体温度，得到加速管的本征工作频率，通过调节磁控管调谐电机的控制转速，使得磁控管的出束频率匹配加速管的本征工作频率，即可实现电子谐振加速。在保障磁控管输出功率方面，电子束闪光放疗时间极短，经发明人理论计算和实际测定，数十ms至数百ms时间内，磁控管温度无明显变化，但在磁控管开机初始数秒内温度具有明显变化，会对输出功率造成影响，故磁控管先于电子枪运行，然后准备出束时匹配加速管频率，再启动电子枪，不仅满足谐振加速条件，而且磁控管输出稳定，进而实现电子束剂量的稳定。在治疗过程中无需调节加速管温度，减少加速管温度达到稳定所需的等待时间，单发剂量稳定性在2％以内，既能提高放疗效率，又保障出束过程的剂量稳定性。

技术特征：

1.基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，其特征在于，所述获取加速管腔体温度的方法为：

3.根据权利要求1所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，其特征在于，所述将所述温度转换成磁控管调谐电机的控制转速的方法为：

4.根据权利要求3所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，其特征在于，所述根据加速管腔体温度计算得到磁控管输出的微波频率的方法为：

5.根据权利要求4所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，其特征在于，所述根据磁控管输出的微波频率计算得到磁控管调谐电机的控制转速的方法为：

6.根据权利要求1-5任一所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，其特征在于，出束前，反复获取加速管腔体温度，调节磁控管调谐电机的控制转速，直至磁控管输出的微波频率与加速管本征工作频率的频率差≤频率差阈值。

7.根据权利要求6所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法，其特征在于，所述磁控管输出的微波频率与加速管本征工作频率的频率差为△f，所述频率差阈值为f，满足：

8.采用权利要求1-7任一所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法的装置，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的装置，其特征在于，所述温度传感器分别位于加速管腔体冷却通道的进口端和出口端，冷却通道与冷却介质源连通。

技术总结
本发明涉及基于磁控管的电子束闪光放疗设备稳定出束的方法及装置，属于医用直线加速器技术领域，出束前，电子枪处于非运行状态，获取加速管腔体温度，并将所述温度转换成磁控管调谐电机的控制转速，磁控管调谐电机按照所述控制转速运行；出束中，磁控管调谐电机停止运行，电子枪处于运行状态并完成出束；出束后，电子枪处于非运行状态，根据加速管腔体温度再次调整磁控管调谐电机的控制转速，等待下一次出束。本发明能够解决现有技术采用恒温水方式调节加速管温度，存在热交换时间较长，无法匹配闪光放疗高效率的技术问题。

技术研发人员：甘孔银,杨沁,王汉斌,汪二峰,于国福,周征,单李军,任荣坤,吴岱,刘贤洪
受保护的技术使用者：中玖闪光医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/7/29