本發明涉及一種醫用治療頭，尤其涉及一種將質子束照射至腫瘤等患部來進行治療的治療頭系統及其實現方法。

背景技術：

質子經由加速器加速至約70％的光速，被引出射入人體。在到達腫瘤病灶前，射線能量釋放不多，但是到達病灶后，射線會瞬間釋放大量能量，形成名為“布拉格峰”的能量釋放軌跡，有利于放射治療中精確調節劑量分布，使照射至腫瘤周圍的正常組織劑量最小化，實現療效最大化。傳統的散射治療頭，在束流傳輸路徑中需要使用散射體、準直器、適應器、補償器、射程調節器及劑量檢測儀等設備，束流路上介質多，因核碰撞產生二次輻射，如中子輻射、伽馬射線輻射等。此外，傳統的散射治療頭束流在傳輸過程中損失較大，束流利用率低，束流橫向擴展產生的照射野尺寸相對較小。

在對腫瘤進行治療時，對腫瘤區域切片劃層，通過控制掃描磁鐵場強的大小或患者相對于質子束移動的方法，實現與質子束流照射方向垂直的橫向擴展(x、y方向)；通過調節束流能量的大小，改變質子束在腫瘤區域內的射程；通過控制質子束流強，在腫瘤區域中形成預設的三維劑量分布，實現質子束三維適形調強治療。申請號為：201080050492.5的專利提出了一種粒子射線照射系統及粒子射線照射方法，即使在所需要的照射野尺寸較大的情況下、也能不使用大容量的掃描電源就高速地掃描粒子射線、且整體的照射時間較短的粒子射線照射系統，尚未描述低能區域束流的調制，以及調強治療的控制策略。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種能夠實現三維適形、調強的點掃描筆形束治療頭系統及實現方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

筆形束適形調強治療頭系統，包括超導回旋加速器、能量選擇系統、束斑調節裝置、偏轉二極鐵、治療頭；

所述超導回旋加速器引出固定能量的質子束，并調節質子束流強；

所述能量選擇系統將固定能量的質子束調節為治療腫瘤所需的能量和能散，實現質子束在腫瘤中的縱向射程調節；

所述質子束到達束斑調節裝置，所述的束斑調節裝置包括四極鐵和準直器，用于調節質子束的截面尺寸；

所述質子束再經偏轉二極鐵到達治療頭，對質子束進行橫向擴展。

所述能量選擇系統包括降能器、能量選擇二極鐵、能量狹縫，能量選擇范圍為70mev至200mev；所述能量選擇二極鐵和能量狹縫用于篩選來自降能器的質子束的能量和能散，通過控制降能器，使質子束在腫瘤的z方向由深向淺照射。

所述治療頭包括束流截面探頭、第一掃描磁鐵、第二掃描磁鐵、束流位置探頭、束流劑量探頭、射程調制器、第一霍爾探頭、第二霍爾探頭；所述質子束進入治療頭后，束流截面探頭監測質子束截面尺寸及形狀信息，并反饋至治療頭控制裝置，自動調節束斑調節裝置。

所述第一霍爾探頭用于監測第一掃描磁鐵的磁場的大小；所述第二霍爾探頭用于監測第二掃描磁鐵的磁場的大小；所述束流位置探頭用于監測質子束在橫向截面xy平面的位置，并反饋至治療頭控制裝置。

所述治療頭控制裝置分析比較病人信息的治療需求計劃參數和監測反饋參數，分別發送控制指令給第一掃描磁鐵控制器、第二掃描磁鐵控制器；第一掃描磁鐵控制器控制第一掃描電源，第二掃描磁鐵控制器控制第二掃描電源。

所述束流劑量探頭用于監測質子束的照射至腫瘤的劑量，通過束流劑量探頭的質子束照射劑量的實際測量值被輸入到治療頭控制裝置中；所述射程調制器由8塊厚度分別為0.5mm、1mm、2mm、4mm、8mm、16mm、32mm和64mm，截面積為30cm*40cm的甲基丙烯酸甲酯平板組成。

所述第一掃描電源包括不具有濾波器的第一掃描電源第一電源單元和具有濾波器的第一掃描電源第二電源單元；所述第二掃描電源包括不具有濾波器的第二掃描電源第一電源單元和具有濾波器的第二掃描電源第二電源單元。

筆形束適形調強治療實現方法，該方法包括以下步驟：

將腫瘤被切片為l1、l2、l3……ln，每層被分割為a11、a12……aij多個點，xy平面為橫向平面，z方向為照射的深度方向；

當質子束的照射l1層時，照射位置在x方向由點a11向點a12移動期間，質子束停止照射，第二掃描電源的電壓保持不變，使用第一掃描電源第一電源單元，將電壓施加到第一掃描磁鐵；

當質子束移動至a12時，質子束開始照射，使用第一掃描電源第二電源單元，將脈沖分量除去的電壓施加到第一掃描磁鐵，在照射點a12整個過程中，束流劑量探頭監測照射劑量，待照射劑量達到預定的劑量時，停止照射，切換至下一個照射點；

同理，當質子束在y方向移動時，質子束停止照射，第一掃描電源的電壓保持不變，使用第二掃描電源第一電源單元，將電壓施加到第二掃描磁鐵；

當質子束移動至照射位置時，質子束開始照射，使用第二掃描電源第二電源單元，將脈沖分量除去的電壓施加到第二掃描磁鐵，束流劑量探頭監測照射劑量，待照射劑量達到預定的劑量時，停止照射，切換至下一個照射點；以此往復，直至l1層所有點照射完成。

本發明的有益效果：本發明將束流經過治療頭，相對于散射治療頭束流路上介質較少，可以減少因核碰撞產生二次輻射，提高束流在傳輸過程中利用率，照射野尺寸相對較大；同時，通過協同控制掃描磁鐵、能量選擇系統和超導回旋加速器可以實現腫瘤整個區域的三維適形調強治療。

附圖說明

為了便于本領域技術人員理解，下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

圖1為本發明筆形束適形調強治療頭系統的結構圖；

圖2為質子束照射腫瘤過程示意圖；

其中：1.超導回旋加速器；2.能量選擇系統；201.降能器；202.能量選擇二極鐵；203.能量狹縫；3.束斑調節裝置；4.偏轉二極鐵；5.治療頭；501.束流截面探頭；502.第一掃描磁鐵；503.第二掃描磁鐵；504.束流位置探頭；505.束流劑量探頭；506.射程調制器；507.第一霍爾探頭；508.第二霍爾探頭；61.第一掃描電源；611.第一掃描電源第一電源單元；612.第一掃描電源第二電源單元；62.第二掃描電源；621.第二掃描電源第一電源單元；622.第二掃描電源第二電源單元；71.第一掃描磁鐵控制器；72.第二掃描磁鐵控制器；8.治療頭控制裝置；9.質子束；10.腫瘤。

具體實施方式

下面將結合實施例對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在圖1中，筆形束適形調強治療頭系統，包括超導回旋加速器1、能量選擇系統2、束斑調節裝置3、偏轉二極鐵4、治療頭5、第一掃描電源61、第二掃描電源62、第一掃描磁鐵控制器71、第二掃描磁鐵控制器72、治療頭控制裝置8；

超導回旋加速器1引出固定能量的質子束9，經能量選擇系統2將固定能量的質子束9調節為治療腫瘤10所需的能量和能散，實現質子束9在腫瘤10中的縱向射程調節；質子束9到達束斑調節裝置3，束斑調節裝置3調節質子束9的截面尺寸；質子束9再經偏轉二極鐵4到達治療頭5，治療頭5對質子束9進行橫向擴展；根據病人信息的治療需求計劃參數，調節超導回旋加速器1引出固定能量的質子束9的流強；通過協調控制超導回旋加速器1、能量選擇系統2、治療頭5，從而實現腫瘤10的三維適形調強照射。

所述的能量選擇系統2包括降能器201、能量選擇二極鐵202、能量狹縫203，能量選擇范圍為70mev至200mev；所述的能量選擇二極鐵202和能量狹縫203用于篩選來自降能器201的質子束9的能量和能散，通過控制降能器201，使質子束9在腫瘤10的z方向由深向淺照射，即照射從特定治療所需的最高能量ln層開始，在照射等能層時，將能量選擇系統2設定到下一個較低的能量，當一層照射完成，關斷質子束9，降能器201切換能量，質子束9照射下一層，以此往復，直至照射至l1層，至整個腫瘤10照射完成。

所述的治療頭5包括束流截面探頭501、第一掃描磁鐵502、第二掃描磁鐵503、束流位置探頭504、束流劑量探頭505、射程調制器506、第一霍爾探頭507、第二霍爾探頭508；

質子束9進入治療頭5后，束流截面探頭501監測質子束9截面尺寸及形狀信息，并反饋至治療頭控制裝置8，治療頭控制裝置8自動調節束斑調節裝置3，從而使質子束9截面尺寸及形狀滿足治療要求；第一霍爾探頭507用于監測第一掃描磁鐵502的磁場的大小，第二霍爾探頭508用于監測第二掃描磁鐵503的磁場的大小，束流位置探頭504用于監測質子束9在橫向截面xy平面的位置，并反饋至治療頭控制裝置8；治療頭控制裝置8分析比較病人信息的治療需求計劃參數和監測反饋參數，分別發送控制指令給第一掃描磁鐵控制器71、第二掃描磁鐵控制器72，第一掃描磁鐵控制器71控制第一掃描電源61，從而調節第一掃描磁鐵502的磁場，實現質子束9在x方向的精準偏轉；第二掃描磁鐵控制器72控制第二掃描電源62，從而調節第二掃描磁鐵503的磁場，實現質子束9在y方向的精準偏轉；

所述的束流劑量探頭505用于監測質子束9的照射至腫瘤10的劑量，通過束流劑量探頭505的質子束9照射劑量的實際測量值被輸入到治療頭控制裝置8中，治療頭控制裝置8將預先獲得的照射劑量的值(設定值)與輸入的實際測量值進行比較，在實際測量值達到設定值的時刻，關斷質子束9，停止照射；

所述射程調制器506由8塊厚度分別為0.5mm、1mm、2mm、4mm、8mm、16mm、32mm和64mm，截面積為30cm*40cm的甲基丙烯酸甲酯平板組成，用于在質子束9的能量低于110mev時，根據需要插入或移除不同厚度的甲基丙烯酸甲酯來調制質子束9在腫瘤10中的布拉格峰的寬度，從而減少腫瘤的照射時間。

本申請中束斑調節裝置3與治療頭控制裝置8均為本領域內所熟知的功能設備，本申請在此不作限制說明，現有技術中常規使用的束斑調節設備與治療頭控制設備均可實現相應功能。

在圖2中，腫瘤10被切片為l1、l2、l3……ln，每層被分割為a11、a12……aij多個點，xy平面為橫向平面，z方向為照射的深度方向；

在圖1中，所述的第一掃描電源61包括不具有濾波器的第一掃描電源第一電源單元611和具有濾波器的第一掃描電源第二電源單元612；所述的第二掃描電源62包括不具有濾波器的第二掃描電源第一電源單元621和具有濾波器的第二掃描電源第二電源單元622；

當質子束9的照射l1層時，照射位置在x方向由點a11向點a12移動期間，質子束9停止照射，第二掃描電源62的電壓保持不變，使用第一掃描電源第一電源單元611，將電壓施加到第一掃描磁鐵502；當質子束9移動至a12時，質子束9開始照射，使用第一掃描電源第二電源單元612，將脈沖分量除去的電壓施加到第一掃描磁鐵502，在照射點a12整個過程中，束流劑量探頭505監測照射劑量，待照射劑量達到預定的劑量時，停止照射，切換至下一個照射點；同理，當質子束9在y方向移動時，質子束9停止照射，第一掃描電源61的電壓保持不變，使用第二掃描電源第一電源單元621，將電壓施加到第二掃描磁鐵503；當質子束9移動至照射位置時，質子束9開始照射，使用第二掃描電源第二電源單元622，將脈沖分量除去的電壓施加到第二掃描磁鐵503，束流劑量探頭505監測照射劑量，待照射劑量達到預定的劑量時，停止照射，切換至下一個照射點；以此往復，直至l1層所有點照射完成。

來自超導回旋加速器的固定能量通過能量選擇系統，利用降能器、能量選擇二極鐵和能量狹縫進行能量選擇和分析，以產生具有限定能量和相對較小能散的束流，輸送至治療頭；通過分別控制第一掃描磁鐵控制器和第二掃描控制器，分別控制第一掃描電源和第二掃描電源，所述的第一掃描電源和第二掃描電源都具有不具有濾波器的第一電源單元和具有濾波器的第二電源單元，當質子束的照射位置移動時，使用第一電源單元即不具有濾波器的電源單元將電壓施加到掃描磁鐵，使得在掃描磁鐵可以在短時間內改變；當保持質子束的照射位置時，使用第二電源將脈沖分量除去的電壓施加到掃描磁鐵，使得能夠精確地控制在掃描磁鐵中流動的勵磁電流；從而實現束流快速橫向擴展和均勻地照射腫瘤區域。照射從特定治療所需的最高能量開始，在照射等能層時，將能量選擇系統設定到下一個較低的能量，直至整個腫瘤區域照射完成。根據治療需要，治療頭控制裝置自動調節超導回旋加速器的流強，從而實現質子束三維適形調強治療。

本發明在對腫瘤進行治療時，通過控制掃描磁鐵的電源電壓，進而控制掃描磁鐵的場強，實現質子束的橫向擴展；通過控制能量選擇系統的降能器，把超導回旋加速器引出的固定能量調整成為質子治療時所需要的能量，實現質子束在腫瘤區域內的縱向射程調節；當質子束的能量低于110mev時，根據需要插入或移除不同厚度的甲基丙烯酸甲酯來調制質子束在腫瘤中的布拉格峰的寬度，從而減少腫瘤的照射時間；通過調節超導回旋加速器的質子束流強，使腫瘤區域中照射劑量達到預設的三維劑量分布，實現腫瘤的“立體定向爆破”。

以上公開的本發明優選實施例只是用于幫助闡述本發明。優選實施例并沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據本說明書的內容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地理解和利用本發明。本發明僅受權利要求書及其全部范圍和等效物的限制。