一种超高剂量率医用质子同步加速器

1.本发明涉及肿瘤治疗，更具体地涉及一种超高剂量率医用质子同步加速器。


背景技术：

2.质子在深度方向上优异的布拉格峰特性使得其成为肿瘤治疗中最为先进的手段之一，目前世界上质子治疗装置和治疗中心的建设越来越多，质子治疗也在朝着更加精确和副作用更小的方向发展。闪疗(flash)或者超高剂量率治疗就是其中一个方向。非专利文献sci transl med 2014；6:245ra93给出了平均剂量率大于60gy/s的这种治疗可以在杀死肿瘤细胞的同时降低正常组织的副作用。而非专利文献appl.phys.lett.101,243701给出了瞬时剂量率达到108gy/s，平均剂量率不高但也能达到较好的效果。
3.目前设计和试验的高剂量率质子治疗加速器主要是回旋加速器和激光加速器。回旋加速器可以提供稳定的连续束，其改变能量依靠的是安放在高能线上的机械装置——降能器，利用散射将束流能量降低，治疗时最低能量70mev时的通过效率不到1％，在低能时的剂量率已经不满足治疗要求，所以目前的flash实验采用穿透治疗，无法发挥质子的布拉格峰的优势；此外降能造成的散射和之后能量选择造成的大量束流损失会导致极大的辐射，对辐射防护以及设备安全造成很大的压力。激光加速器在目前的阶段还无法提供高于100mev的质子束用于治疗。已有专利文献cn112657072a设计了超高剂量率的直线加速器，可以满足瞬时剂量率和平均剂量率的要求，但是其能量调节性还尚未证实。
4.同步加速器的明显优点在于它可以对束流的能量方便地进行调节，以适应放射治疗对离子能量精确变化的需要，不需要额外的能量降能片，能够确保相对干净(辐射小)的环境。例如cn105392270a公开了一种同步加速器，其提到要保持同步加速器周长尽量小的情况下，尽量减小包络函数，特别地，通过增强偏转磁铁场强可以有效增强水平聚焦强度，从而降低包络函数。但是，该同步加速器的结构限制使得其循环周期长，瞬时和平均剂量率低，剂量率无法提高到闪疗需要的程度。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中的传统同步加速器的循环周期长，瞬时和平均剂量率低等问题，本发明提供一种超高剂量率医用质子同步加速器。
6.根据本发明的超高剂量率医用质子同步加速器，其包括：依次连接的第一偏转二极磁铁组、第二偏转二极磁铁组、第三偏转二极磁铁组和第四偏转二极磁铁组，且第四偏转二极磁铁组与第一偏转二极磁铁组相连以构成一环形结构，其中，每个偏转二极磁铁组由至少两个偏转二极磁铁组成且其偏转角的总和为90度；连接在第四偏转二极磁铁组与第一偏转二极磁铁组之间的第一直线节，第一直线节包括第一水平聚焦四极磁铁、第一水平散焦四极磁铁、注入切割磁铁和注入冲击磁铁，其中，第一水平聚焦四极磁铁靠近第四偏转二极磁铁组设置，第一水平散焦四极磁铁靠近第一偏转二极磁铁组设置，注入切割磁铁和注入冲击磁铁与第一水平聚焦四极磁铁连接；连接在第一偏转二极磁铁组与第二偏转二极磁
铁组之间的第二直线节，第二直线节包括第二水平聚焦四极磁铁、第二水平散焦四极磁铁和引出冲击磁铁，其中，第二水平聚焦四极磁铁靠近第一偏转二极磁铁组设置，第二水平散焦四极磁铁靠近第二偏转二极磁铁组设置，引出冲击磁铁与第二水平聚焦四极磁铁连接；连接在第二偏转二极磁铁组与第三偏转二极磁铁组之间的第三直线节，第三直线节包括第三水平聚焦四极磁铁、第三水平散焦四极磁铁和引出切割磁铁，其中，第三水平聚焦四极磁铁靠近第二偏转二极磁铁组设置，第三水平散焦四极磁铁靠近第三偏转二极磁铁组设置，引出切割磁铁与第三水平聚焦四极磁铁连接；连接在第三偏转二极磁铁组与第四偏转二极磁铁组之间的第四直线节，第四直线节包括第四水平聚焦四极磁铁、第四水平散焦四极磁铁和高频加速装置，其中，第四水平聚焦四极磁铁靠近第三偏转二极磁铁组设置，第四水平散焦四极磁铁靠近第四偏转二极磁铁组设置，高频加速装置与第四水平聚焦四极磁铁连接；质子经过注入切割磁铁和注入冲击磁铁注入到超高剂量率医用质子同步加速器内，在高频加速装置的作用下提升能量，在引出冲击磁铁的作用下进入引出切割磁铁从超高剂量率医用质子同步加速器引出，其循环频率高达25hz。
7.优选地，第一、第二、第三和/或第四偏转二极磁铁组由偏转角分别为45度的两个偏转二极磁铁串联组成，或由偏转角分别为30度的三个偏转二极磁铁串联组成，或由偏转角分别为22.5度的四个偏转二极磁铁串联组成。
8.优选地，注入切割磁铁和注入冲击磁铁连接在第一水平聚焦四极磁铁和第四偏转二极磁铁组之间。
9.优选地，注入切割磁铁和注入冲击磁铁连接第一水平聚焦四极磁铁和第一水平散焦四极磁铁之间。
10.优选地，引出冲击磁铁连接在第二水平聚焦四极磁铁和第一偏转二极磁铁组之间。
11.优选地，引出冲击磁铁连接在第二水平聚焦四极磁铁和第二水平散焦四极磁铁之间。
12.优选地，引出切割磁铁连接在第三水平聚焦四极磁铁和第二偏转二极磁铁组之间。
13.优选地，引出切割磁铁连接在第三水平聚焦四极磁铁和第三水平散焦四极磁铁之间。
14.优选地，高频加速装置连接在第四水平聚焦四极磁铁和第三偏转二极磁铁组之间。
15.优选地，高频加速装置连接在第四水平聚焦四极磁铁和第四水平散焦四极磁铁之间。
16.根据本发明的超高剂量率医用质子同步加速器，其为快循环同步加速器，其快引出(单圈引出)的方式可以在几十纳秒的时间内将质子束全部引出到靶区，其瞬时剂量率可以高达107gy/s以上，而其高达25hz的循环频率可以达到30
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60gy每分钟的同时满足剂量均匀度的要求，其平均剂量率也可以更高。总之，根据本发明的超高剂量率医用质子同步加速器，在实现25hz快循环、快引出的同时，满足束流包络函数小，对真空室内径要求低，可以使用低电导率不锈钢材料的真空室的要求。
附图说明
17.图1是根据本发明的一个优选实施例的超高剂量率医用质子同步加速器的整体结构示意图；
18.图2是根据本发明的另一优选实施例的超高剂量率医用质子同步加速器的整体结构示意图；
19.图3是根据本发明的又一优选实施例的超高剂量率医用质子同步加速器的整体结构示意图；
20.图4是根据本发明的又一优选实施例的超高剂量率医用质子同步加速器的整体结构示意图；
21.图5示出了图1的超高剂量率医用质子同步加速器的包络函数。
具体实施方式
22.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
23.如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的超高剂量率医用质子同步加速器包括依次连接的第一偏转二极磁铁组a1、第二偏转二极磁铁组a2、第三偏转二极磁铁组a3和第四偏转二极磁铁组a4，且第四偏转二极磁铁组a4与第一偏转二极磁铁组a1相连以构成一环形结构。在本实施例中，第一偏转二极磁铁组a1由偏转角分别为45度的第一偏转二极磁铁11和第二偏转二极磁铁12串联组成，第二偏转二极磁铁组a2由偏转角分别为45度的第三偏转二极磁铁13和第四偏转二极磁铁14串联组成，第三偏转二极磁铁组a3由偏转角分别为45度的第五偏转二极磁铁15和第六偏转二极磁铁16串联组成，第四偏转二极磁铁组a4由偏转角分别为45度的第七偏转二极磁铁17和第八偏转二极磁铁18串联组成。显然，每个偏转二极磁铁组a1，a2，a3，a4的偏转角的总和为90度。在图2所示的实施例中，每个偏转二极磁铁组a1，a2，a3，a4同样由偏转角分别为45度的两个偏转二极磁铁组成，在图3所示的实施例中，每个偏转二极磁铁组a1，a2，a3，a4由偏转角分别为30度的三个偏转二极磁铁组成，在图4所示的实施例中，每个偏转二极磁铁组a1，a2，a3，a4由偏转角分别为22.5度的四个偏转二极磁铁组成。
24.回到图1，根据优选实施例的超高剂量率医用质子同步加速器还包括第一直线节b1、第二直线节b2、第三直线节b3和第四直线节b4，其中，第一直线节b1连接在第四偏转二极磁铁组a4与第一偏转二极磁铁组a1之间，第二直线节b2连接在第一偏转二极磁铁组a1与第二偏转二极磁铁组a2之间，第三直线节b3连接在第二偏转二极磁铁组a2与第三偏转二极磁铁组a3之间，第四直线节b4连接在第三偏转二极磁铁组a3与第四偏转二极磁铁组a4之间。
25.在优选实施例中，第一直线节b1包括第一水平聚焦四极磁铁21和第一水平散焦四极磁铁31，其中，第一水平聚焦四极磁铁21靠近第四偏转二极磁铁组a4的第八偏转二极磁铁18设置，第一水平散焦四极磁铁31靠近第一偏转二极磁铁组a1的第一偏转二极磁铁11设置。另外，第一直线节b1还包括注入切割磁铁41和注入冲击磁铁42。在本实施例中，注入切割磁铁41和注入冲击磁铁42被连接在第一水平聚焦四极磁铁21和第八偏转二极磁铁18之间。在图2、图3和图4所示的实施例中，注入切割磁铁41’和注入冲击磁铁42’被连接在第一水平聚焦四极磁铁21和第一水平散焦四极磁铁31之间。
26.在优选实施例中，第二直线节b2包括第二水平聚焦四极磁铁22和第二水平散焦四极磁铁32，其中，第二水平聚焦四极磁铁22靠近第一偏转二极磁铁组a1的第二偏转二极磁铁12设置，第二水平散焦四极磁铁32靠近第二偏转二极磁铁组a2的第三偏转二极磁铁13设置。另外，第二直线节b2还包括引出冲击磁铁51。在本实施例中，引出冲击磁铁51连接在第二水平聚焦四极磁铁22和第二偏转二极磁铁12之间。在图2、图3和图4所示的实施例中，引出冲击磁铁51’被连接在第二水平聚焦四极磁铁22和第二水平散焦四极磁铁32之间。
27.在优选实施例中，第三直线节b3包括第三水平聚焦四极磁铁23和第三水平散焦四极磁铁33，其中，第三水平聚焦四极磁铁23靠近第二偏转二极磁铁组a2的第四偏转二极磁铁14设置，第三水平散焦四极磁铁33靠近第三偏转二极磁铁组a3的第五偏转二极磁铁15设置。另外，第三直线节b3还包括引出切割磁铁52。在本实施例中，引出切割磁铁52连接在第三水平聚焦四极磁铁23和第四偏转二极磁铁14之间。在图2、图3和图4所示的实施例中，引出切割磁铁52’被连接在第三水平聚焦四极磁铁23和第三水平散焦四极磁铁33之间。
28.在优选实施例中，第四直线节b4包括第四水平聚焦四极磁铁24和第四水平散焦四极磁铁34，其中，第四水平聚焦四极磁铁24靠近第三偏转二极磁铁组a3的第六偏转二极磁铁16设置，第四水平散焦四极磁铁34靠近第四偏转二极磁铁组a4的第七偏转二极磁铁17设置。另外，第四直线节b4还包括高频加速装置61。在本实施例中，高频加速装置61连接在第四水平聚焦四极磁铁24和第六偏转二极磁铁16之间。在图2、图3和图4所示的实施例中，高频加速装置61’被连接在第四水平聚焦四极磁铁24和第四水平散焦四极磁铁34之间。
29.以上各部件之间通过示出为直线的真空室71相连。
30.在高达25hz循环频率的治疗周期内，本发明由注入器提供低能质子束，经过注入切割磁铁41和注入冲击磁铁42注入到本发明的超高剂量率医用质子同步加速器并形成储存；根据治疗要求，通过同步上升偏转二极磁铁11，12，13，14，15，16，17，18、水平聚焦四极铁21，22，23，24和水平散焦四极磁铁31，32，33，34的场强，质子在高频加速装置61的作用下能量得到提升。在相应治疗的能量，质子在引出冲击磁铁51的作用下进入引出切割磁铁52，快速引出到质子同步加速器外直至患者。如此，采用快循环同步加速器结合快引出的方式，将质子同步加速器的剂量率提高到闪疗的程度，缩短治疗时间，提高照射质量。
31.图5为优选实施例的水平和垂直束流包络函数，其中，纵坐标表示该函数的大小，单位为米(m)，横坐标表示在同步加速器中的纵向位置，单位为米(m)。可见，本发明具有包络函数小，有效接受度大的特点，模拟计算表明可以储存更多的质子。
32.总之，本发明通过采用偏转二极磁铁及其边缘聚焦的弱聚焦和水平聚焦、水平散焦四极磁铁的强聚焦达到双向聚焦，从而控制其水平和垂直包络函数都在较小水平。具体地，根据本实施例的同步加速器，采用了八块偏转二极磁铁11，12，13，14，15，16，17，18结合微调工作点的四块水平散焦四极磁铁31，32，33，34，将全环包络函数控制在较小水平。相比于cn105392270a，本发明的包络函数更小，有效增加了同步加速器的接受度。快循环的采用降低单周期内储存粒子数，也降低了对真空室尺寸的要求。此外，快引出的采用也降低了对真空室尺寸的要求，这些因素使得真空室71具有较小的直径，用很薄的不锈钢就可以满足形变等要求，采用低电导率的薄壁不锈钢就能满足较小的涡流损耗，使得快速变化的磁场能够无衰减的进入真空室内。这些都会降低磁铁孔径和实现小的磁铁储能，也降低了对电源的要求以及能量消耗，从而降低磁铁孔径以及电源功率要求，有效降低制造和运营成本。
33.应该理解，通过改变偏转二极磁铁的偏转角可以调节偏转二极磁铁的数量，或水平聚焦四极铁21，22，23，24、注入切割磁铁41、注入冲击磁铁42、引出冲击磁铁51和引出切割磁铁52的相对位置可以根据空间利用率的要求进行调整，如图2、图3和图4。
34.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。