一种普惠型的轻离子肿瘤治疗装置

技术领域

本发明涉及一种普惠型的轻离子肿瘤治疗装置，属于医疗设备技术领域。

背景技术

由于离子束对生物体的照射具有倒转的深度剂量分布和较高的相对生物学效应，在杀死肿瘤细胞的同时能够更好的避免对正常细胞的伤害，使得离子治癌成为当今国际上先进有效的癌症放射治疗方法。目前离子治癌最常用的离子是质子和碳离子，两者在适应症和造价方面各有优缺点。

碳离子线性能量密度、相对生物效应、侧向散射优势更为显著，能够产生难以修复的DNA双链断裂(DSB)，通常用作癌症治疗的最优选择，但是由于碳离子加速器的能量需要在430MeV/u以上，磁刚度较大，装置占地面积大，投资规模较高；质子治疗装置需要的磁刚度低，通常采用固定能量加速器，成本低，技术相对成熟，占地面积也较小，市场推广难度较低，但质子束传能线密度(LET)低，只能打断DNA单链，对肿瘤的治疗效果略差一些。

如果能够在质子加速器规模和加速能力范围内，同时提供生物学效应与碳离子接近的离子，如“

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种普惠型的轻离子肿瘤治疗装置，该装置采用微型高电荷态全永磁ECR离子源、带外部磁聚焦结构的高工作频率直线注入器、变凸轨同步加速器以及治疗终端的组合，从供束种类、离子源结构、直线注入器结构以及注入方法等多个方面进行改进，拓宽了癌症种类的治疗范围，降低了系统占地面积和造价。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明第一方面提供一种普惠型的轻离子肿瘤治疗装置：

通过一种紧凑型ECR离子源、高工作频率直线注入器、变凸轨同步加速器以及治疗终端的组合，不仅可以加速质子，还可以加速

离子源，所述离子源包括壳体以及设置在所述壳体内的进气管道、蒸发炉和波导管，所述进气管道用于将气体输送到所述壳体中，所述蒸发炉用于将固态分子或原子蒸发产生气体，所述波导管用于将微波功率馈入所述壳体中，在磁场和微波的共同作用下，电子与气体分子碰撞，产生轻离子束流；

直线注入器，所述直线注入器的输入端通过低能束运线与所述离子源的引出端连接，所述直线注入器包括加速腔以及套设在所述加速腔外部的磁聚焦元件，所述磁聚焦元件用于产生纵向磁场，向轻离子束流提供额外的聚焦力；

同步加速器，所述同步加速器的输入端通过中能束运线与所述直线注入器的输出端连接，所述同步加速器的束流输入端设置有注入凸轨磁铁和注入静电偏转板，所述注入凸轨磁铁用于将循环束流平衡轨道凸起，使经过所述注入静电偏转板偏转的束流进入环接受度，同时在注入过程中逐渐下降，避免返回束流打在所述注入静电偏转板上而损失，同时完成束流在相空间的涂抹填充，注入完成后，轻离子束流经过加速达到治疗所需能量，通过引出系统引出至高能束运线；

治疗终端，所述治疗终端通过所述高能束运线与所述同步加速器连接，所述治疗终端用于使轻离子束流精确到达肿瘤细胞所在位置。

所述的轻离子肿瘤治疗装置，优选地，所述壳体的注入端和引出端分别设置有注入端磁环和引出端磁环，所述注入端磁环和所述引出端磁环之间设置有六极磁环，所述注入端磁环、所述六极磁环和所述引出端磁环共同限定出弧腔，在靠近所述壳体注入端的所述弧腔中设置有所述进气管道、所述蒸发炉、所述波导管和注入软铁，在靠近所述壳体引出端的所述弧腔中设置有引出电极，用于将轻离子束流引出所述离子源。

所述的轻离子肿瘤治疗装置，优选地，所述加速腔产生的纵向电场为轻离子束流提供加速作用，产生的横向电场为轻离子束流提供部分聚焦作用，套设在所述加速腔外部的所述磁聚焦元件为轻离子束流提供另外一部分聚焦作用。

所述的轻离子肿瘤治疗装置，优选地，所述同步加速器的束流输入端还设置有注入切割磁铁，所述注入切割磁铁用于将束流偏转到靠近注入轨道，所述注入静电偏转板用于将经过所述注入切割铁传输的束流进一步偏转至束流接受度内。

本发明第二方面提供一种上述普惠型的轻离子肿瘤治疗装置的操作方法，包括如下步骤：

a当需要气体电离的轻离子进行治疗时，通过所述进气管道将气体输送到所述弧腔中，利用所述波导管将微波功率馈入所述弧腔，在磁场和微波的共同作用下，电子产生回旋共振，速度不断增加，与气体分子碰撞后，将气体分子的外层电子剥离，产生轻离子，轻离子在所述引出电极的作用下引出，并通过所述低能束运线输送到所述直线注入器中；

b当需要固态分子或原子电离的轻离子进行治疗时，通过所述蒸发炉将固态分子或原子蒸发以产生蒸汽并送入所述弧腔，利用所述波导管将微波功率馈入所述弧腔，在磁场和微波的共同作用下，电子产生回旋共振，速度不断增加，与蒸汽碰撞后，将蒸汽分子或原子的外层电子剥离，产生带电轻离子，带电轻离子在所述引出电极的作用下引出，并通过所述低能束运线输送到所述直线注入器中；

c所述低能束运线传输过来的轻离子束流经过径向匹配注入所述加速腔中，所述加速腔产生的纵向高频电场对轻离子束流进行成型、聚束和加速，横向电场和所述磁聚焦元件产生的聚焦磁场对轻离子束流进行聚焦，轻离子束流逐步达到所述同步加速器注入所需能量，从所述直线注入器出口引出后通过所述中能束运线输送到所述同步加速器中；

d当轻离子输送到所述同步加速器后，束流经过所述注入切割磁铁和所述注入静电偏转板的偏转，位置逐渐靠近所述同步加速器，且与中心轨道的夹角逐渐减小，达到注入准备状态，此时启动所述注入凸轨磁铁，将所述同步加速器的中心轨道局部凸起，注入束流进入所述同步加速器的接受度；在注入的过程中，局部凸轨磁铁逐渐下降，注入束流在水平相空间由内向外涂抹，束流逐渐填充整个接受度；

e注入完成后，轻离子束流经过加速达到治疗所需能量，并通过所述引出系统传输至所述高能束运线，之后轻离子束流经过所述高能束运线分配到达治疗终端。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的治疗装置可以对质子和

2、本发明装置的离子源与传统的质子加速器不同，且不同于专用的碳束重离子加速器，采用的是一种紧凑型高电荷态全永磁ECR离子源，此离子源最大的特点在于结构简单，无注入端真空室，且该离子源结构紧凑，直径只有0.1～0.2米，而常规的ECR离子源的直径则为0.4～0.8米。而且该离子源不仅可以高效率产生H

3、不同于常规的H

4、常规质子同步加速器大多注入H

附图说明

图1为本发明一实施例提供的轻离子肿瘤治疗装置的示意简图；

图2为本发明该实施例提供的微型高电荷态全永磁ECR离子源的整体结构示意图；

图3为本发明该实施例提供的带外部磁聚焦结构的直线注入器的整体结构示意图；

图4为本发明该实施例提供的束流在同步加速器中多圈注入示意图；

图5(a)至图5(f)为本发明该实施例提供的束流多圈注入过程中相空间的演化；

图6为本发明该实施例提供的质子和

图7(a)为本发明该实施例提供的质子注入相空间，图7(b)为本发明该实施例提供的

图中各标记如下：

1-进气管道；2-蒸发炉；3-波导管；4-注入软铁；5-注入端磁环；6-六极磁环；7-引出端磁环；8-引出电极；9-加速腔；10-磁聚焦元件；11-壳体；12-1～12-4为注入凸轨磁铁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本发明提供了一种普惠型的轻离子肿瘤治疗装置，该装置采用微型高电荷态全永磁ECR离子源、带外部磁聚焦结构的高工作频率直线注入器、变凸轨同步加速器以及治疗终端的组合，从供束种类、离子源结构、直线注入器结构以及注入方法等多个方面进行改进，拓宽了癌症种类的治疗范围，降低了系统占地面积和造价。

如图1-3所示，本发明所提供的普惠型的轻离子肿瘤治疗装置，包括：

离子源，离子源包括圆柱形壳体11，壳体11的注入端和引出端分别设置有注入端磁环5和引出端磁环7，注入端磁环5和引出端磁环7之间设置有六极磁环6，注入端磁环5、六极磁环6和引出端磁环7共同限定出弧腔，在靠近壳体11注入端的弧腔中设置有进气管道1、蒸发炉2、波导管3和注入软铁4，进气管道1与气体储罐连接用于将气体输送到弧腔中，蒸发炉2用于将固态分子或原子蒸发产生气体，波导管3用于微波功率馈入弧腔，在磁场和微波的共同作用下，电子产生回旋共振，速度不断增加，与气体分子碰撞后，将气体分子的外层电子剥离，产生轻离子；在靠近壳体11引出端的弧腔中设置有引出电极8，用于将轻离子束流引出离子源；

直线注入器，直线注入器的输入端通过低能束运线与离子源的输出端连接，直线注入器包括加速腔9以及套设在加速腔9外部的磁聚焦元件10，磁聚焦元件10用于产生纵向磁场，向轻离子束流提供额外的聚焦力；

同步加速器，同步加速器的输入端通过中能束运线与直线注入器的输出端连接，同步加速器的束流输入端设置有注入切割磁铁、注入凸轨磁铁12-1～12-4和注入静电偏转板；

治疗终端，所述治疗终端通过所述高能束运线与所述同步加速器连接，所述治疗终端用于使轻离子束流精确到达肿瘤细胞所在位置。

图4为束流多圈注入过程示意图，束流经过注入切割磁铁和注入静电偏转板的偏转，位置逐渐靠近同步加速器，且与中心轨道的夹角逐渐减小，达到注入准备状态。这时启动凸轨磁铁12-1～12-4，将同步加速器的中心轨道局部凸起，注入束流进入同步加速器的接受度内。在注入的过程中，局部凸轨磁铁12-1～12-4逐渐下降，注入束流在水平相空间由内向外涂抹，束流逐渐填充整个接受度。图5(a)至图5(f)为多圈注入过程中相空间的演化。图中的圆代表同步加速器的接受度，圆心右侧垂直方向的线代表注入静电偏转板，注入静电偏转板右侧的椭圆代表注入束团，注入静电偏转板和注入束团的位置在注入过程中保持不变，注入束团不同的颜色代表不同圈数的注入。在注入的过程中凸轨磁铁(也就是圆心)不断下降，注入束流由相空间的内侧向外侧涂抹，逐渐填满整个相空间。

空间电荷效应是由于束流离子本身带有电荷，使得离子相互之间或者离子与真空管壁之间存在电荷力的作用，干扰了束流离子正常的运动。影响空间电荷效应作用最主要的因素包括能量、质荷比以及注入流强，能量越低、质荷比越低、注入流强越高的束流空间电荷效应越显著。本发明的轻离子肿瘤治疗装置采用直线加速器作为注入器，不同束流的能量基本一致，但是质荷比和注入流强相差较大。例如质子的质荷比是1，注入流强约200euA，

图6为质子和

图7为质子和

本具体实施方式中，优选地，进气管道1输送的气体或固态分子或原子的原子序数不大于20。

本具体实施方式中，优选地，进气管道1输送的气体包括氢气、氦气、甲烷或包含轻离子的气体；固态分子或原子包括单质(例如：金属锂)或氧化物。

本具体实施方式中，优选地，壳体11的直径为0.1～0.2m。

本具体实施方式中，优选地，波导管3馈入的微波功率10～18GHz。

本具体实施方式中，优选地，直线注入器的工作频率为500～900MHz，磁聚焦元件10为螺线管。直线注入器中的加速腔9提供加速粒子所需要的纵向电场，同时提供一定的聚焦作用。该直线注入器采用500～900MHz以上的工作频率，加速梯度更高，相比常规直线注入器加速腔尺寸减小近一半，有利于进一步减小装置占地面积。但高工作频率使得横向电场聚焦能力减弱，引入外部磁聚焦元件10(螺线管)后，使得该注入器具有足够的聚焦能力，保证其不仅可以提供高品质的H

本发明还提供上述普惠型的轻离子肿瘤治疗装置的操作方法，包括如下步骤：

a当需要气体电离的轻离子进行治疗时，通过进气管道1将气体输送到弧腔中，利用波导管3将微波功率馈入弧腔，在磁场和微波的共同作用下，电子产生回旋共振，速度不断增加，与气体分子碰撞后，将气体分子的外层电子剥离，产生轻离子，轻离子在引出电极8的作用下引出，并通过低能束运线输送到直线注入器中；

b当需要固态分子或原子电离的轻离子进行治疗时，通过蒸发炉2将固态分子或原子蒸发以产生蒸汽，并送入弧腔，利用波导管3将微波功率馈入弧腔，在磁场和微波的共同作用下，电子产生回旋共振，速度不断增加，与蒸汽碰撞后，将蒸汽分子或原子外层电子剥离，产生带电轻离子，带电轻离子在引出电极8的作用下引出，并通过低能束运线输送到直线注入器中；

c低能束运线传输过来的轻离子束流经过径向匹配注入加速腔9中，加速腔9产生的纵向高频电场对轻离子束流进行成型、聚束和加速，横向电场和磁聚焦元件产生的聚焦磁场对轻离子束流进行聚焦，轻离子束流逐步达到同步加速器注入所需能量，从直线注入器出口引出后通过所述中能束运线输送到所述同步加速器中；

d当轻离子输送到同步加速器后，束流经过注入切割磁铁和注入静电偏转板的偏转，位置逐渐靠近同步加速器，且与中心轨道的夹角逐渐减小，达到注入准备状态，此时启动注入凸轨磁铁12-1～12-4，将同步加速器的中心轨道局部凸起，注入束流进入同步加速器的接受度；在注入的过程中，局部凸轨磁铁12-1～12-4逐渐下降，注入束流在水平相空间由内向外涂抹，束流逐渐填充整个接受度；

e注入完成后，轻离子束流经过加速达到治疗所需能量，并通过引出系统传输至高能束运线，之后轻离子束流经过高能束运线分配到达治疗终端，开展癌症治疗。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。