一種醫(yī)用質子同步加速器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種用于腫瘤治療的醫(yī)用質子同步加速器。
【背景技術】
[0002] 質子在深度方向上優(yōu)異的布拉格峰特性使得其成為腫瘤治療中最為先進的手段 之一，目前世界上質子治療裝置和治療中屯、的建設越來越多。治療中采用的最先進的掃描 技術是，在橫向上利用掃描磁鐵將加速器引出的質子束嚴格按照事先確定的模式形成精確 的掃描覆蓋，準確度可W達到亞毫米量級，在縱向上在治療頭（治療頭上裝有掃描磁鐵等） 之前進行能量調節(jié)。上述掃描技術可W實現(xiàn)=維適形調強的精確治療，最大限度地實現(xiàn)祀 區(qū)內照射劑量盡可能大而周圍敏感組織照射劑量盡可能小的放療要求。與散射技術相比， 采用上述掃描技術進行治療不需要為每個患者定制補償器（由于散射技術無法做到精確 控制束流形狀和后端適形，所W需要補償器），大大減輕了醫(yī)生和醫(yī)院的負擔，且治療頭的 結構也相對簡單，另外，掃描治療頭不包含散射體，從而可W提高束流利用率，同時還避免 了散射體帶來的次生射線。如此多的優(yōu)異特性，使得掃描技術已經成為新建設的質子重離 子治療中屯、的標配技術。
[0003] 掃描技術需要加速器引出的束流脈沖寬度較長甚至連續(xù)；流強穩(wěn)定，W實現(xiàn)在線 劑量檢測；發(fā)射度較小和精確調節(jié)能量的能力。對于隨器官運動而移動的腫瘤，現(xiàn)有的掃描 技術容易產生劑量不均勻，需要配合呼吸口控或者快速重復掃描等技術。前者利用呼吸探 測器，只在呼吸周期內的平穩(wěn)階段允許束流引出，而后者通過與呼吸周期頻率有明顯差別 的多次小劑量的重復掃描來將運些移動平均掉?？焖僦貜蛼呙韬途€掃描都是目前處理呼吸 器官最有效和最快速的治療方法。運些都對加速器的引出束流品質W及加速器的控制提出 了較高要求。
[0004] 目前運行及建造中的質子治癌加速器主要是回旋加速器和同步加速器?；匦铀?器可W提供穩(wěn)定的連續(xù)束，其束流切斷和開啟速度很快，可W滿足呼吸口控的要求。但是回 旋加速器改變能量依靠的是安放在高能線上的機械裝置一-降能器，利用散射將束流能量 降低；其優(yōu)點是能量調節(jié)迅速，可W實現(xiàn)50毫秒一檔的改變能量速度，能夠支持快速重復 掃描模式來治療移動腫瘤；但缺點是散射造成束流利用率很低，治療時最低能量70MeV時 的通過效率僅為2%左右，降能造成的散射和之后能量選擇造成的大量束流損失會導致極 大的福射，對福射防護W及設備安全造成很大的壓力。 陽0化]與回旋加速器相比，同步加速器的明顯優(yōu)點在于它可W對束流的能量方便地進行 調節(jié)，W適應放射治療對離子能量精確變化的需要，不需要額外的能量降能片，能夠確保相 對干凈（福射?。┑沫h(huán)境。然而，由圖1可見（圖1示出了同步加速器的一個標準循環(huán)周 期，其中，每個引出循環(huán)對應一個引出能量），同步加速器的注入、升能（稱之為上升沿）和 標準化循環(huán)（稱之為下降沿）需要占用很長時間，引出平臺所對應的有效治療時間較短。一 般按照加速器的設計不同注入和升能時間一般從0. 5s到2s不等，因而造成無效治療時間 長，換能時間緩慢的問題，從而無法適應快速重復掃描方式。
[0006] 目前已有201410383972. 3號專利申請和非專利文獻NIMAVol. 624 (2010)p33-38 中提供了一種能夠在同一周期內進行不同能量治療的技術，其循環(huán)周期可如圖2所示，其 中，每循環(huán)周期內可W有多個能量引出，從而可W減少換能時間，大大降低同步加速器治療 時間。然而，目前現(xiàn)有的質子同步加速器（例如專利文獻201210115044.X，201010252492. 5 等）在具體磁鐵、電源等設計時，并未考慮上述運種新的技術，從而使其儲存粒子數較少， 進而使得每個周期內能夠引出的能量層數較少（例如，治療IL的腫瘤一般需要3X10"粒 子，而現(xiàn)有的質子同步加速器一般的存儲粒子數僅在4~8X10"左右），因而即使采用上述 運種技術時，其實際減少的治療時間也不多。

【發(fā)明內容】

[0007] 為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種緊湊型的醫(yī)用質子同步 加速器，W實現(xiàn)大的粒子儲存特性，并能夠支持單周期內多層能量引出，從而有效克服現(xiàn)有 同步加速器相較于回旋加速器所存在的缺點。
[0008] 本發(fā)明所述的一種醫(yī)用質子同步加速器，其包括：
[0009] 依次連接的第一至第八偏轉二極磁鐵，其中所述第一偏轉二極磁鐵與第八偏轉二 極磁鐵相連W構成一環(huán)形結構；
[0010] 分別連接在所述第一偏轉二極磁鐵與第八偏轉二極磁鐵之間、第一偏轉二極磁鐵 與第二偏轉二極磁鐵之間、第四偏轉二極磁鐵與第五偏轉二極磁鐵之間W及第五偏轉二極 磁鐵與第六偏轉二極磁鐵之間的第一至第四長直線節(jié)；W及
[0011] 分別連接在所述第二偏轉二極磁鐵與第=偏轉二極磁鐵之間、第=偏轉二極磁鐵 與第四偏轉二極磁鐵之間、第六偏轉二極磁鐵與第屯偏轉二極磁鐵之間W及第屯偏轉二極 磁鐵與第八偏轉二極磁鐵之間的第一至第四迷你直線節(jié)；
[0012] 其中，所述第一長直線節(jié)包括靠近所述第一偏轉二極磁鐵設置的第一水平散焦四 極磁鐵W及靠近所述第八偏轉二極磁鐵設置的第一水平聚焦四極磁鐵；
[0013] 所述第二長直線節(jié)包括靠近所述第一偏轉二極磁鐵設置的第二水平聚焦四極磁 鐵W及靠近所述第二偏轉二極磁鐵設置的第二水平散焦四極磁鐵；
[0014] 所述第一迷你直線節(jié)包括第=水平聚焦四極磁鐵；所述第二迷你直線節(jié)包括第= 水平散焦四極磁鐵；
[0015] 所述第=長直線節(jié)包括靠近所述第四偏轉二極磁鐵設置的第四水平聚焦四極磁 鐵W及靠近所述第五偏轉二極磁鐵設置的第四水平散焦四極磁鐵；
[0016] 所述第四長直線節(jié)包括靠近所述第五偏轉二極磁鐵設置的第五水平聚焦四極磁 鐵W及靠近所述第六偏轉二極磁鐵設置的第五水平散焦四極磁鐵；
[0017] 所述第=迷你直線節(jié)包括第六水平聚焦四極磁鐵；所述第四迷你直線節(jié)包括第六 水平散焦四極磁鐵。
[0018] 在上述的醫(yī)用質子同步加速器中，
[0019] 所述第一長直線節(jié)還包括：連接在所述第一水平散焦四極磁鐵與第一水平聚焦四 極磁鐵之間的注入靜電切割板、與該注入靜電切割板連接的注入靜磁切割磁鐵W及連接在 所述注入靜電切割板與第一水平聚焦四極磁鐵之間的第一共振六極磁鐵；
[0020] 所述第二長直線節(jié)還包括：連接在所述第二水平散焦四極磁鐵與第二水平聚焦四 極磁鐵之間的第一注入凸軌磁鐵W及連接在該第一注入凸軌磁鐵與第二水平聚焦四極磁 鐵之間的高頻加速裝置；
[0021] 所述第=長直線節(jié)還包括：連接在所述第四水平聚焦四極磁鐵與第四水平散焦四 極磁鐵之間的第二共振六極磁鐵W及連接在該第二共振六極磁鐵與第四水平散焦四極磁 鐵之間的引出靜電切割板；
[0022] 所述第四長直線節(jié)還包括：依次與所述第五水平聚焦四極磁鐵連接的第一引出靜 磁切割磁鐵和第二引出靜磁切割磁鐵；
[0023] 所述第一迷你直線節(jié)還包括：連接在所述第=偏轉二極磁鐵與第=水平聚焦四極 磁鐵之間的橫向高頻激勵電極；
[0024] 所述第四迷你直線節(jié)還包括：連接在所述第六水平散焦四極磁鐵與第屯偏轉二極 磁鐵之間的第二注入凸軌磁鐵。
[00巧]在上述的醫(yī)用質子同步加速器中，所述第二長直線節(jié)還包括連接在所述第一注入 凸軌磁鐵與高頻加速裝置之間并緊貼所述第一注入凸軌磁鐵設置的快四極磁鐵。
[00%] 在上述的醫(yī)用質子同步加速器中，所述第一迷你直線節(jié)還包括連接在所述第=水 平聚焦四極磁鐵與第二偏轉二極磁鐵之間的第一水平聚焦六極磁鐵；所述第=迷你直線節(jié) 還包括連接在所述第六水平聚焦四極磁鐵與第六偏轉二極磁鐵之間的第二水平聚焦六極 磁鐵。
[0027] 在上述的醫(yī)用質子同步加速器中，所述第一至第八偏轉二極磁鐵的偏轉角度均為 45。。
[0028] 由于采用了上述的技術解決方案，本發(fā)明通過采用超高場強的偏轉二極磁鐵W及 水平聚焦和水平散焦四極磁鐵，從而控制其包絡函數在較小水平，進而有效增加了同步加 速器的接受度，增加了質子儲存數目，提高了質子利用率和占空比，縮短了治療時間；另外， 本發(fā)明的結構非常緊湊，減少了不必要的間隙和磁鐵元件，W利用盡可能少的元件數目實 現(xiàn)醫(yī)用加速器的功能，同時本發(fā)明中的各磁鐵元件也采用較高強度W便減少整個加速器的 周長，從而有效地利用了同步加速器的空間，進而最大程度地降低裝置和建筑的建造成本， 降低了治療成本。
【附圖說明】
[0029] 圖1是現(xiàn)有技術同步加速器的一個標準循環(huán)周期的示意圖；
[0030] 圖2是多能量周期示意圖；
[0031] 圖3是本發(fā)明一種醫(yī)用質子同步加速器的結構示意圖；
[0032] 圖4是本發(fā)明一種醫(yī)用質子同步加速器的包絡函數的示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，并予W詳細描述。
[0034] 首先，對本發(fā)明的理念基礎進行簡單說明。
[0035] 通過研究發(fā)現(xiàn)限制同步加速器儲存粒子數的主要因素是注入能量附近的空間電 荷效應造成穿越共振線導致的粒子丟失。空間電荷效應的強弱主要取決于儲存粒子數、注 入能量和儲存束的發(fā)射度：
[0037] 式（I)中，AV是空間電荷效應引起的頻移，rp是經典半徑，N是儲存粒子數，e和丫是注入束流的相對論因子，Bf是聚束因子，e是束流發(fā)射度。
[003引由于注入能量的提高取決于注入器成本，很難提高，所W在同樣的空間電荷頻移 下提高儲存粒子數的發(fā)射度是最有效的手段。在采用了多圈涂抹注入技術后，儲存粒子的 發(fā)射度可W認為是同步加速器的接受度，忽略色散的影響，接受度為：
W40] 式似中，D是真空尺寸，0是包絡函數。
[0041] 因此，問題就轉化成如何在保持同步加速器周長盡量?。ㄍ郊铀倨髦荛L盡量小 可使得同步加速器的成本較低）的情況下，盡量減小包絡函數。公知的，采用弱