一種緊湊型旋轉機架的制作方法

本發明涉及質子治療，更具體地涉及一種緊湊型旋轉機架。

背景技術：

使用質子的放射療法被證實是精確且適形的放射治療技術，其能夠將高劑量質子輸送到靶區，同時使圍繞健康組織的劑量最小化。

質子治療設備包括加速器和輸運線，其中，該加速器用于產生高能質子，該輸運線用于將質子束從多個放射方向輸送到靶。旋轉機架是一種已知的旋轉束輸運線的支撐機構，靶被定位在由旋轉機架的旋轉軸線與最后一塊偏轉磁鐵的出口中心軸的交叉限定的固定位置，該交叉位置也被稱為等中心。

傳統的旋轉機架結構如圖1a和1b所示，其包括若干偏轉磁鐵1和四極鐵2。顯然，該傳統的旋轉機架的縱向長度較長，從而導致重量很大。目前國際上通用的旋轉機架重量高達100噸。從旋轉機架重量組成上分析，磁鐵的重量占約1/5左右，其余大部分重量是支架本身的結構重量和配重。因此，通過改變輸運線結構，雖然可能會增加磁鐵的數量或者改變彎轉磁鐵的數量，也就是可能會增加磁鐵重量，但是，由于磁鐵重量僅占旋轉機架總重量的1/5，旋轉機架的總重量有可能減少。為了保證在轉動過程中的束流中心離上述的等中心的誤差保持在很小的范圍內，也就是減少旋轉造成的束流在靶區內位置的變化，在轉動過程中整個支架的變形要求控制在很小范圍內，而最后一塊偏轉磁鐵離支撐軸的距離和重量決定了變形最大的力矩，因此減少支架重量有兩個途徑，其一是減少支架的旋轉半徑，其二是減少支架的縱向長度。

CN104105527A公開了一種小型、輕量架臺和使用該架臺的粒子線治療裝置，其通過減少支架的旋轉半徑來達到輕量化的目的。但是，由于該方案采用掃描磁鐵安裝在最后一塊偏轉磁鐵之前，造成了最后一塊偏轉磁鐵間隙很大，重量極重，這也就導致了整個旋轉機架的總重量的減少并不明顯。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種緊湊型旋轉機架，通過減少支架的縱向長度來減輕整體旋轉機架的總重量。

本發明所述的一種緊湊型旋轉機架，該緊湊型旋轉機架具有帶磁場梯度的偏轉磁鐵，該偏轉磁鐵由第一偏轉磁鐵、第二偏轉磁鐵和第三偏轉磁鐵組成，第一偏轉磁鐵之前安裝有用于光學匹配的兩塊四極鐵，第一偏轉磁鐵和第二偏轉磁鐵之間安裝有用于光學匹配的三塊四極鐵，第二偏轉磁鐵和第三偏轉磁鐵之間安裝有用于減少旋轉部分的長度和力矩的至多一塊四極鐵。

用于掃描或散射的治療頭安裝在第三偏轉磁鐵之后的位置。

該第一偏轉磁鐵，第二偏轉磁鐵和第三偏轉磁鐵之間具有梯度。

該第一偏轉磁鐵，第二偏轉磁鐵和第三偏轉磁鐵分別采用三段式結構。

該第一偏轉磁鐵，第二偏轉磁鐵和第三偏轉磁鐵各自具有梯度。

第二偏轉磁鐵和第三偏轉磁鐵之間不具有四極鐵。

第一偏轉磁鐵和第二偏轉磁鐵分別采用90度偏轉磁鐵。

本發明通過帶梯度的偏轉磁鐵來縮短旋轉機架的縱向長度，減少四極鐵的數目，此外，帶梯度偏轉磁鐵的采用，可以大大減小傳輸過程中的包絡函數，從而使得偏轉磁鐵的孔徑減小，重量降低。雖然帶梯度偏轉磁鐵具有梯度與偏轉磁鐵場強鎖定且不能隨意調節的調節，但是，本發明通過設計偏轉磁鐵的梯度和四極鐵強度的組合使其形成1:1傳輸要求的旋轉機架(即《基于Geant4模擬的質子治療束配系統的束流光學設計》文中設計的機架，參見《核技術》，2013，36(7)，21-25頁)，由于傳輸矩陣M為1：1，在不同角度時不需要對聚焦強度進行調節，只需要傳輸不同能量時和偏轉磁鐵同步調節，完美地避免了帶梯度偏轉磁鐵的弱點。更進一步的，通過采用交變梯度偏轉磁鐵，還可以更進一步減少四極鐵數目，從而縮短旋轉機架長度，完美地避免帶梯度的偏轉磁鐵的缺點，而完全發揮其優點。而且，第一偏轉磁鐵和第二偏轉磁鐵采用90度設置，可以減少旋轉機架的縱向長度，同樣可以降低旋轉機架的重量。總之，根據本發明的緊湊型旋轉機架減小了旋轉機架尺寸，降低了旋轉機架重量，使得制造和安裝更加簡單，降低了生產成本和運行功耗。

附圖說明

圖1a和圖1b是現有技術中的旋轉機架結構示意圖；

圖2是根據本發明的一個優選實施例的旋轉機架結構圖；

圖3是圖2的旋轉機架的包絡函數示意圖；

圖4是根據本發明的另一個優選實施例的旋轉機架結構圖；

圖5是圖4的旋轉機架的包絡函數示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，給出本發明的較佳實施例，并予以詳細描述。

圖2所示了處在垂直于水平面的角度的根據本發明的一個優選實施例的旋轉機架，其具有第一偏轉磁鐵11，第二偏轉磁鐵12和第三偏轉磁鐵13，該偏轉磁鐵帶有磁場梯度。第一偏轉磁鐵11之前有用于光學匹配的兩塊四極鐵21，22，這兩塊四極鐵21，22不占用旋轉重量，且位于旋轉軸心上，并不增加旋轉機架縱向長度，可以增加匹配的靈活性。第一偏轉磁鐵11和第二偏轉磁鐵12之間安裝有用于光學匹配的三塊四極鐵23，24，25。第二偏轉磁鐵12和第三偏轉磁鐵13之間安裝一塊四極鐵26，用于減少旋轉部分的長度和力矩。用于掃描或散射的治療頭(未示出)安裝在第三偏轉磁鐵13之后的位置，保證SAD(等效源距，稍小于第三偏轉磁鐵出口距等中心的距離)大于3米來獲得較好的治療效果。該機架無論采用桶式、框架式還是梁式結構，都可以得到較短的縱向長度。

通過仔細優化偏轉磁鐵11，12，13的梯度和四極鐵21，22，23，24，25，26的強度，獲得了從旋轉機架入口00到等中心01的傳輸矩陣為1:1的一套光學特性，并且滿足等中心處消色散條件，整個傳輸過程中保證束流包絡(3sigma)小于10mm，包絡函數如圖3所示，比《基于Geant4模擬的質子治療束配系統的束流光學設計》文中的包絡函數更小，從而大大減小了偏轉磁鐵11，12，13和四極鐵21，22，23，24，25，26的孔徑和重量。為了達到等中心01位置的束斑尺寸可調和在旋轉機架各旋轉角度保持不變，在旋轉機架入口00處需要束斑尺寸為圓形，并根據治療要求的形狀和大小進行調節。這樣排除旋轉帶來的水平和垂直的耦合后，且輸運線上有更多的四極鐵更容易匹配出治療要求的束斑尺寸。相比于舊有的旋轉機架需要滿足水平和垂直的發射度相同、包絡函數相同等條件極大放松。

圖4給出了一種更優的布局，區別在于第二偏轉磁鐵120和第三偏轉磁鐵130之間不設置四極鐵，在保持與圖3中的包絡函數大小相當的情況下，減少四極鐵意味著機架縱向長度減小和重量的降低。其中，第一偏轉磁鐵110，第二偏轉磁鐵120和第三偏轉磁鐵130中的每個偏轉磁鐵均采用三段式結構，每段的磁場梯度不同(圖2的設計中每塊偏轉磁鐵梯度是相同的)，那么可以減少第二偏轉磁鐵120和第三偏轉磁鐵130之間減少了四極鐵，從而縮短旋轉機架縱向長度，同時還可以減小包絡函數，減輕磁鐵重量。

總之，根據本發明的緊湊型旋轉機架主軌跡由三塊偏轉磁鐵組成，它們依次排列在束流傳輸平面上，第一和第二偏轉磁鐵利用相反的磁場方向，將束流偏轉到距離原束線一定高度的平行軌道上，第三偏轉磁鐵將束流從此平行軌道上偏轉到與其垂直的軌道上。這三塊偏轉磁鐵之間安裝有四極鐵輔助控制束流包絡以便壓縮磁鐵間隙。該緊湊型旋轉機架采用帶梯度的超高場強偏轉磁鐵減少縱向尺寸；降低磁鐵重量；于此同時滿足從入口到出口的1:1傳輸，減少調節量。其中，采用90度偏轉磁鐵使得縱向尺寸減少。通過設計偏轉磁鐵的梯度和四極鐵強度的組合既實現1:1傳輸又壓縮束流的包絡函數，使得偏轉磁鐵需要的間隙降低，從而降低偏轉磁鐵的重量。偏轉磁鐵重量的降低又進一步使得保持同樣等中心誤差所需的機架重量降低。

以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的范圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護范圍。本發明未詳盡描述的均為常規技術內容。