專利概要

一種醫(yī)用質(zhì)子放射治療系統(tǒng)，包括一個(gè)非直線質(zhì)子加速器、一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和多個(gè)環(huán)形布置的機(jī)架。其中，質(zhì)子加速器與其下方的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，側(cè)向安裝一個(gè)負(fù)責(zé)將質(zhì)子束輸運(yùn)到加速器之外的直線束流輸運(yùn)段A；機(jī)架的背側(cè)安裝一個(gè)負(fù)責(zé)將質(zhì)子射束導(dǎo)入機(jī)架的直線束流輸運(yùn)段B；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)質(zhì)子加速器旋轉(zhuǎn)，可使直線束流輸運(yùn)段A與任意一個(gè)直線束流輸運(yùn)段B對接，組成一個(gè)完整的直線束流輸運(yùn)段，實(shí)現(xiàn)加速器與機(jī)架之間的束流貫通。

邁勝為實(shí)現(xiàn)將質(zhì)子加速器直接與束流輸送系統(tǒng)連通，可以將質(zhì)子加速器整體以較長的力臂旋轉(zhuǎn)起來，最初的想法要有很大的氣魄。有前人鼓勵(lì)，作者才有膽讓未加超導(dǎo)技術(shù)的又大又笨重的質(zhì)子加速器整體自旋起來。

• 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)構(gòu)成；
• 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是一個(gè)回旋支撐軸，有現(xiàn)成的尺寸；
• 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是帶輪機(jī)構(gòu)，也可采用其它驅(qū)動(dòng)方式。
  

后回旋支撐軸可采用單排滾珠、雙排滾珠或三排滾珠，視吃重情況而定。

后回旋支撐軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)有多種方式，如齒輪方式、沃倫渦桿方式和帶輪方式，這里采用的是帶輪驅(qū)動(dòng)方式。

在45°偏轉(zhuǎn)磁鐵和135°偏轉(zhuǎn)磁鐵之間安裝的是五個(gè)四級聚焦磁鐵、四個(gè)六級磁鐵、兩個(gè)單導(dǎo)向二級磁鐵和三個(gè)位置截面測量探頭，用若干黃綠粉白方體示意。

后回旋支撐軸后面安裝的是四個(gè)四級聚焦磁鐵，用四個(gè)黃色方體示意。

為概念完整，在機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸心線上還安裝了一個(gè)屏蔽體，為一級屏蔽。

如上圖所示，影像定位系統(tǒng)中的兩個(gè)平板探測器安裝在束流配送系統(tǒng)的兩側(cè)，平板表面至等中心的距離可在1000~1500 mm之間調(diào)整，圖中是按1000 mm設(shè)計(jì)。兩個(gè)球管安裝在前環(huán)形支撐架的內(nèi)環(huán)上。

本設(shè)計(jì)沒有為平板探測器安裝擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，是為減少機(jī)械環(huán)節(jié)。但為避免進(jìn)行非共面照射時(shí)，與治療床發(fā)生干涉，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)五軸治療床，見下圖。

下面將構(gòu)成質(zhì)子放射治療系統(tǒng)的三個(gè)主要部分——質(zhì)子加速器、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、多個(gè)環(huán)形布置的機(jī)架，組合在一起，見下圖。

現(xiàn)在可以計(jì)算，這種加速器與多個(gè)機(jī)架的并聯(lián)方式，與以往那種加速器經(jīng)輸運(yùn)系統(tǒng)與多個(gè)機(jī)架的串聯(lián)方式相比，省下的功能部件數(shù)量。對此，《腫瘤質(zhì)子放射治療學(xué)》中提供的“北京質(zhì)子醫(yī)療中心的質(zhì)子治療系統(tǒng)和裝置”設(shè)計(jì)方案給出了詳細(xì)介紹，摘錄如下：

• 1個(gè)降能器

• 1個(gè)固定準(zhǔn)直器

• 7個(gè)四級聚焦棱鏡

• 1個(gè)截束器

• 2個(gè)窄縫

• 1個(gè)Y導(dǎo)向磁鐵

• 3個(gè)二級磁鐵

• 1個(gè)位置探頭

能量選擇系統(tǒng)還包括前后聚束段，已分別歸入前述的直線束流輸運(yùn)段A和B，兩者重新組成一個(gè)直線輸運(yùn)段。

• 5個(gè)四級聚焦棱鏡×4

• 2個(gè)束流探頭×4

• 3個(gè)導(dǎo)向磁鐵×4

• 1個(gè)開關(guān)磁鐵×5

• 3個(gè)四級聚焦棱鏡×5

• 1個(gè)偏轉(zhuǎn)二級磁鐵×5

• 2個(gè)導(dǎo)向引導(dǎo)磁鐵×5

• 2個(gè)束流截面探頭×5

本設(shè)計(jì)以IBA固定能量等時(shí)性回旋加速器為藍(lán)本，能量選擇的功能不可缺少。在作者的設(shè)計(jì)中沒有給能量選擇系統(tǒng)留下空間，那么它的功能如何發(fā)揮，在哪里發(fā)揮呢，這要先說說降能系統(tǒng)的功能。

實(shí)際放療時(shí)，人們要控制射束的射程，以使布拉格峰區(qū)與腫瘤區(qū)域吻合?？刂粕涑痰闹饕椒ㄊ歉淖兩渚€的能量。對等時(shí)性回旋加速器而言，其輸出的能量是固定的，改變能量需要外在的方法，主要是通過降能器來實(shí)現(xiàn)。降能器由低原子序數(shù)N的材料制作，一般采用石墨體，它有很好的吸收能量的作用，通過改變射線穿過石墨體的厚度改變射線的能量。射束經(jīng)過降能器后會(huì)出現(xiàn)發(fā)散，可通過其后安置的限制縫消除過于發(fā)散的部分。射束經(jīng)過降能器后還會(huì)出現(xiàn)能量變化，稱為“能散”或“色散”，這要通過其后安置的偏轉(zhuǎn)磁鐵將能散的射束分開(不同能量的射束通過偏轉(zhuǎn)磁鐵時(shí)偏轉(zhuǎn)半徑會(huì)不同)，再通過其后的限制縫，將超過或低于所需能量的射束去除。

能量選擇系統(tǒng)既可以安置在射束傳輸系統(tǒng)中，也可安置在束流配送系統(tǒng)中，前者稱為前降能，后者稱為后將能。本設(shè)計(jì)采用的是后降能系統(tǒng)。在上一系列《一種質(zhì)子加速器束流配送系統(tǒng)》中，作者介紹了一種降能器，叫做“環(huán)形臺(tái)階式吸收體”，它既可以進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，也可以進(jìn)行能量調(diào)制，只是能量調(diào)節(jié)的幅度小一些而已，可通過放大直徑，增加吸收體厚度、寬度和臺(tái)階數(shù)目，增加調(diào)能范圍，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的70~235 MeV區(qū)間。詳情請見質(zhì)子中國往期報(bào)道《一種質(zhì)子加速器束流配送系統(tǒng)(一)：拉峰照射》、《一種質(zhì)子加速器束流配送系統(tǒng)(二)：變野拉峰照射》、《一種質(zhì)子加速器束流配送機(jī)構(gòu)(三)：拉峰照射》。

后降能有一個(gè)缺陷，就是它雖可以方便地消除射束的幾何發(fā)散，但不能消除能散。

為解決這個(gè)問題，有一個(gè)方法，就是將環(huán)形臺(tái)階式吸收體置于旋轉(zhuǎn)機(jī)架中45°前偏轉(zhuǎn)磁鐵的前端，讓該磁鐵和后面的135°偏轉(zhuǎn)磁鐵同時(shí)發(fā)揮分離能散射線的作用，再安置兩個(gè)限制縫消除能散的射線。

質(zhì)子射束在加速器與直線束流輸運(yùn)段A之間輸運(yùn)時(shí)，和在直線束流輸運(yùn)段B與旋轉(zhuǎn)機(jī)架內(nèi)的束流輸運(yùn)系統(tǒng)之間輸運(yùn)時(shí)，要保持真空狀態(tài)。兩個(gè)獨(dú)立的真空系統(tǒng)對接時(shí)，質(zhì)子射束要先離開前真空環(huán)境，再進(jìn)入后真空環(huán)境，其間有一個(gè)很小的間距要通過空氣，理論上會(huì)對射束的品質(zhì)有影響，如有可監(jiān)測到的變化，可通過活塞式真空窗將質(zhì)子射束在空氣中輸運(yùn)的距離降低為零；如觀測不到變化，可省略該裝置。

同步加速器體積較大，占地面積較大，如讓其旋轉(zhuǎn)起來，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的直徑也較大，制造成本會(huì)大幅度增加，得失不明?？磥磉@種結(jié)構(gòu)方式的首選還是回旋加速器，但作為權(quán)利要求，還是盡可能擴(kuò)大保護(hù)范圍，給自己留下余地。

本設(shè)計(jì)提供了一個(gè)質(zhì)子放射治療系統(tǒng)降低制造成本的途徑，過程中還會(huì)遇到許多問題，需逐一加以克服。

本設(shè)想如能實(shí)現(xiàn)，一定會(huì)加速質(zhì)子治療的普及。(質(zhì)子中國 編輯報(bào)道)