本發(fā)明涉及激光加速器腫瘤治療技術(shù)，具體涉及一種扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置及其調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)全世界每年大約有上1000萬病人死于癌癥，預(yù)計(jì)20年后將達(dá)到2400萬。傳統(tǒng)X射線等光子放療副作用大。質(zhì)子和重離子在人體中的劑量沉積因?yàn)榇嬖诓祭穹?，進(jìn)入人體后不會(huì)立即大量釋放能量，只在離子停下的位置釋放其大部分能量，從而殺死深層腫瘤而對(duì)淺層正常組織的損害最大限度降低。至2015年，質(zhì)子和重離子腫瘤治療全世界已超過154000病例，其中質(zhì)子治療病例超過130000。然而以射頻加速器為主體的離子加速設(shè)備體積大、造價(jià)高、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用不菲，很難利用這樣的常規(guī)加速器設(shè)備來滿足腫瘤醫(yī)療需求。

應(yīng)用新原理的激光加速器加速梯度可以達(dá)到100GV/m以上(比射頻加速器至少高3個(gè)數(shù)量級(jí))，可以顯著降低加速器的尺寸和造價(jià)，其加速得到的高能質(zhì)子的醫(yī)療應(yīng)用前景已引起越來越多的重視，世界范圍內(nèi)的研究也日趨成熟。

通常超強(qiáng)激光脈沖與靶作用后，產(chǎn)生質(zhì)子束團(tuán)。質(zhì)子束通常有大散角和大能散范圍，需要聚焦和能量分析選擇。

質(zhì)子束團(tuán)產(chǎn)生后經(jīng)過聚焦磁鐵聚焦，到達(dá)扇形磁鐵進(jìn)行能量分析。能量分析后的質(zhì)子束到達(dá)狹縫時(shí)，期望不同能量的質(zhì)子在空間上已經(jīng)分開，從而可以通過狹縫擋片的開合選擇需要的能量。最后將選出的質(zhì)子聚焦后在應(yīng)用終端應(yīng)用。

現(xiàn)有技術(shù)中的狹縫沿X方向，通過擋片開關(guān)控制特定X坐標(biāo)的質(zhì)子是否能通過，將狹縫設(shè)置在Z坐標(biāo)為0處，選不同能量的質(zhì)子，會(huì)導(dǎo)致大部分能量的質(zhì)子束團(tuán)尺寸較大，在X軸上能散較大的臨近能量的質(zhì)子不能完全分開，從而能量選擇不理想，能量分辨能力低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置及其調(diào)控方法。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置。

本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置包括：激光器、靶、第一聚焦磁鐵、扇形磁鐵、多孔匹配擋片和第二聚焦磁鐵；其中，激光器發(fā)出超強(qiáng)激光脈沖與靶相互作用后，產(chǎn)生質(zhì)子束團(tuán)，沿z軸傳播；經(jīng)第一聚焦磁鐵聚焦后，由扇形磁鐵將不同能量的質(zhì)子束在空間中分開，并且同時(shí)將相同能量的質(zhì)子束匯聚，匯聚點(diǎn)稱為像點(diǎn)；經(jīng)過扇形磁鐵后，不同能量的質(zhì)子束在空間沿x軸分開，相同能量的質(zhì)子在像點(diǎn)匯聚，不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)沿z軸的位置不同，從而不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)在xz平面構(gòu)成曲線；多孔匹配擋片為曲面，曲面沿y軸平行，在xz平面的投影與不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)在xz平面構(gòu)成的曲線重合；多孔匹配擋片包括多排能量匹配孔，每一排能量匹配孔上包括多個(gè)通孔，通孔的軸線與z軸平行；每一排能量匹配孔所在的位置與所對(duì)應(yīng)透過的能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)位置重合；從每一排能量匹配孔透過的能量的質(zhì)子束的透過率，由此排的通孔所占的面積比例決定；多孔匹配擋片在各能量的質(zhì)子束匯聚到最小處對(duì)質(zhì)子束進(jìn)行選擇，在像點(diǎn)處相同能量的不同散角的質(zhì)子束在x軸上已匯聚到最小尺寸，因此能夠精確地選擇出來，并控制透過率，提高扇形磁鐵的質(zhì)子能量空間分辨能力，并且能夠滿足腫瘤醫(yī)療的劑量分布要求；經(jīng)過多孔匹配擋片精確選擇后的各能量的質(zhì)子經(jīng)第二聚焦磁鐵聚焦后，輸送至應(yīng)用終端。

多孔匹配擋片的材料采用鋁、鉛等導(dǎo)電導(dǎo)熱材料。質(zhì)子能譜中，所需要的一部分通過，不需要的必須完全擋住，質(zhì)子的能量越高，厚度越大，根據(jù)所需要阻擋的最大能量的質(zhì)子的能量確定多孔匹配擋片的厚度，使得不需要的質(zhì)子完全被阻擋住。

每一排能量匹配孔中的多個(gè)通孔，采用周期性分布或不均勻分布；各個(gè)通孔在xy平面內(nèi)投影為方孔，方孔沿x方向的長度與各能量像點(diǎn)處的質(zhì)子束沿x方向的尺寸一致。方孔沿y方向的長度與相鄰的通孔間y方向距離的比例，為對(duì)應(yīng)能量的質(zhì)子束的通過率。

本發(fā)明采用多孔匹配擋片，每一排能量匹配孔與所對(duì)應(yīng)透過的能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)位置重合，根據(jù)能譜需要控制不同能量的質(zhì)子束的通過率，可以將激光加速產(chǎn)生的質(zhì)子能譜直接轉(zhuǎn)變?yōu)獒t(yī)療劑量平臺(tái)需要的能譜。每一排能量匹配孔中，通孔的面積與本排面積的比值為所對(duì)應(yīng)的能量的質(zhì)子束的通過率。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜的調(diào)控方法。

本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜的調(diào)控方法，包括以下步驟：

1)激光器發(fā)出超強(qiáng)激光脈沖與靶相互作用后，產(chǎn)生質(zhì)子束團(tuán)，沿z軸傳播，經(jīng)第一聚焦磁鐵聚焦后，由扇形磁鐵將不同能量的質(zhì)子束在空間中分開，并且同時(shí)將相同能量的質(zhì)子束匯聚，匯聚點(diǎn)稱為像點(diǎn)；

2)不同能量的質(zhì)子束經(jīng)扇形磁鐵后，在空間沿x軸分開，經(jīng)扇形磁鐵匯聚后，不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)沿z軸的位置不同，從而不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)在xz平面構(gòu)成曲線；

3)多孔匹配擋片為曲面，曲面沿y軸平行，在xz平面的投影與不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)在xz平面構(gòu)成的曲線重合；多孔匹配擋片包括多排能量匹配孔，每一排能量匹配孔上包括多個(gè)通孔，通孔的軸線與z軸平行；每一排能量匹配孔所在的位置與所對(duì)應(yīng)透過的能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)位置重合；從每一排能量匹配孔透過的質(zhì)子束的透過率，由通孔所占的面積比例決定；多孔匹配擋片在各能量的質(zhì)子束匯聚到最小處對(duì)質(zhì)子束進(jìn)行選擇，在像點(diǎn)處相同能量的不同散角的質(zhì)子束在x軸上已匯聚到最小尺寸，因此能夠精確地選擇出來，并控制透過率，提高扇形磁鐵的質(zhì)子能量空間分辨能力，并且能夠滿足腫瘤醫(yī)療的劑量分布要求；

4)經(jīng)過多孔匹配擋片精確選擇后的各能量的質(zhì)子經(jīng)第二聚焦磁鐵聚焦后，輸送至應(yīng)用終端。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用多孔匹配擋片，在各能量的質(zhì)子束匯聚到最小處對(duì)質(zhì)子束進(jìn)行選擇，在像點(diǎn)處相同能量的不同散角的質(zhì)子束在x軸上已匯聚到很小尺寸，因此能夠精確地選擇出來，并控制透過率，提高扇形磁鐵的質(zhì)子能量空間分辨能力，并且能夠滿足腫瘤醫(yī)療的劑量分布要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置的示意圖；

圖2為不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)在xz平面構(gòu)成的曲線圖；

圖3為本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置的多孔匹配擋片的擺放示意圖；

圖4為本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置采用多孔匹配擋片與現(xiàn)有技術(shù)的狹縫的分辨率對(duì)比示意圖，其中，(a)為現(xiàn)有技術(shù)中的狹縫的分辨率，(b)為本發(fā)明的多空匹配擋板的分辨率；

圖5為初始的質(zhì)子能譜與根據(jù)本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置得到的醫(yī)療能譜對(duì)比曲線圖；

圖6為本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置采用多孔匹配擋片的三維示意圖；

圖7為本發(fā)明的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置的多孔匹配擋片的一個(gè)實(shí)施例在xy平面的投影圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的扇形磁鐵選能優(yōu)化與質(zhì)子醫(yī)療能譜調(diào)控裝置包括：激光器1、靶2、第一聚焦磁鐵3、扇形磁鐵4、多孔匹配擋片5和第二聚焦磁鐵6；其中，激光器發(fā)出超強(qiáng)激光脈沖與靶相互作用后，產(chǎn)生質(zhì)子束團(tuán)，沿z軸傳播，經(jīng)第一聚焦磁鐵聚焦后，由扇形磁鐵將不同能量的質(zhì)子束在空間中分開，并且同時(shí)將相同能量的質(zhì)子束匯聚，匯聚點(diǎn)稱為像點(diǎn)；經(jīng)過扇形磁鐵后，不同能量的質(zhì)子束在空間沿x軸分開，相同能量質(zhì)子束在像點(diǎn)匯聚；多孔匹配擋片在各能量的質(zhì)子束匯聚到最小處對(duì)質(zhì)子束進(jìn)行選擇；經(jīng)過多孔匹配擋片精確選擇后的各能量的質(zhì)子經(jīng)第二聚焦磁鐵聚焦后，輸送至應(yīng)用終端。

在本實(shí)施例中，多孔匹配擋片上設(shè)置有十一排有代表性的不同能量的質(zhì)子束對(duì)應(yīng)的通孔，在xy平面內(nèi)投影的示意圖如圖7所示。

如圖2所示，經(jīng)扇形磁鐵匯聚后，不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)沿z軸的位置不同，從而不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)在xz平面構(gòu)成曲線。

如圖3所示，多孔匹配擋片為曲面，曲面沿y軸平行，在xz平面的投影與不同能量的質(zhì)子束的像點(diǎn)在xz平面構(gòu)成的曲線重合。現(xiàn)有技術(shù)中的狹縫05沿X方向，通過擋片開關(guān)控制特定X坐標(biāo)的質(zhì)子是否能通過，將狹縫設(shè)置在Z坐標(biāo)為0處。

因?yàn)橄嗤芰坎煌⒔堑馁|(zhì)子經(jīng)過扇形磁鐵后的匯聚位置(像點(diǎn))在Z軸上不同，所以常見狹縫設(shè)置在Z坐標(biāo)為0處選不同能量的質(zhì)子，會(huì)導(dǎo)致大部分能量的質(zhì)子束團(tuán)尺寸較大，在X軸上不能完全分開，從而能量選擇不理想，能量分辨能力低，如圖4(a)所示。另外激光加速得到的初始質(zhì)子能譜需要經(jīng)過能量分析和改變才能滿足腫瘤醫(yī)療的劑量分布要求，如圖5所示。本發(fā)明采用多空匹配擋片，在像點(diǎn)處相同能量不同散角的質(zhì)子束在X軸上已匯聚到很小尺寸，因此可以比較精確地選擇出來，提高扇形磁鐵質(zhì)子能量空間分辨能力，如圖4(b)所示。

當(dāng)扇形磁鐵偏轉(zhuǎn)半徑65cm，物距和像距相等時(shí)，圖6給出不同能量(舉例中能散范圍從-5％～5％)質(zhì)子束在xz平面內(nèi)像點(diǎn)位置的曲線坐標(biāo)。多孔匹配擋片在xz平面內(nèi)與像點(diǎn)位置曲線重合匹配，在各能量的質(zhì)子束匯聚到最小處對(duì)質(zhì)子束選擇，可以將各能量的質(zhì)子更準(zhǔn)確高效地選出。

通過多孔匹配擋片后，激光加速產(chǎn)生的質(zhì)子能譜，直接變?yōu)闈M足腫瘤治療劑量平臺(tái)要求的質(zhì)子能譜。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。