产生用于间质术中辐射治疗的电子束和X射线束的设备

具体实施方式

从图中可以看到，根据本发明的设备可以定义为产生用于IORT治疗的电子和X射线束的机器。其包括基于马瑟式等离子体聚焦装置的电子脉冲源头2。更具体地，源头2包括真空室4，真空室4包围由绝缘体10隔开的两个圆柱形同轴电极6、8，该绝缘体10还封闭室4的底部。

两个电极6、8通过快速开关14连接到电容器组12。更具体地，电容器12向上游连接到充电电源15，并向下游通过快速开关14连接到高压高电流传输线16，该传输线16连接到电极6、8。快速开关14在其侧面通过合适的连接器(在图5中未标出)连接到冷却回路，并在其上部通过合适连接器17连接到电源15。

真空室4还设有到真空泵18的连接装置和到氢、氖或氩供应器20的连接装置。

真空室4与电容器组的连接通过特定的复式接头21在室自身的底部中直接发生，该复式接头21包括两个彼此同轴的盘状钢盘，其中的下盘23连接到真空室的内电极6，而上盘25连接到其外电极8。到电容器组的连接通过同轴电缆实现，所述同轴电缆的外导体通过合适连接器连接到复式接头上盘23，而内导体穿过所述复式接头上盘并结束在复式接头下盘25上的合适连接器中。复式接头和真空室之间的连接在室的底部中发生，在该处两个电极6、8由绝缘体隔开。在此，接收同轴电缆的外导体的复式接头上盘25连接到真空室4的外部并与外电极8相连，而接收同轴电缆的中心导体的复式接头下盘23连接到中心阳极6的下板。

电子导向器附装到真空室4。该电子导向器由沿着轴线中空的筒体22形成，该筒体由不透过电子的材料构成。

为了进行辐射防护，筒体22的材料除了满足机械强度和真空能力要求之外还需要从两种特性(X-K和X-L)的电子撞击和“轫致辐射”产生最小可能的X射线。树脂玻璃满足所有这些要求，并且其物理和化学特性是非常熟知的，这使得设计更容易。所考虑的一种替代选择是不锈钢。

电子导向器以真空方式附装到真空室4的下绝缘板层，此板层具有中心孔。在位于真空室外的相反端处，导向器装有元件24以在允许取出电子的同时真空密封导向器22。

对于装配件24可以预见到四种不同实施例：第一实施例包括由铍或其它低原子量金属构成的几微米厚的薄片，从而可以取出电子。第二实施例包括涂有非常薄的铝层的10-12微米厚的聚脂薄膜层，该铝层增加聚脂薄膜层的机械强度和导热性(用于冷却)。第三实施例包括使用钛、钽或钨的10-15微米厚的层。第四实施例包括几微米厚的金属半球，以将电子能转换成特性X射线，该特性X射线由于电子撞击而从薄片中的原子的离子化产生(A.Tartari et al：Energy spectrameasurements of X-ray emission from electron interaction in a denseplasma focus devices，Nucl.Instr.Meth.B 213(2004)206)。

在真空密封装配件24的此第四实施例中，应该在考虑入射电子的能量的情况下，选择薄片的材料以优化特性X射线产生。作为能量函数的产出表明，对于比K或L电子的结合能E_K大3倍的入射电子能量获得最大产生量：这可以在使用钨作为转换器材料的情况下的图8中看到。

在实际使用根据本发明的设备用于IORT治疗时，该设备由包括带轮底座26的支架支撑，电容器组12容纳在该带轮底座26中，该带轮底座26包在法拉第笼28中以隔离电磁场。在图1中，为了清楚，未示出该笼，但是示出了其底部周边。在每个电容器12上装配有一个相应的快速开关14。

在底座上还附装有支撑真空室4以使其悬在患者上方的铰接臂30。电子导向器22可能装有转换器以从电子能量产生X射线能量，该电子导向器22从真空室出发而到达十分靠近待照射病灶的区域。

现在将参照单个脉冲(为了简化)描述根据本发明的设备的操作，但是预计1Hz频率的反复操作更适合于IORT。

在原理上，该操作如下：将电容器组充电到指定电压，然后将所存储的能量非常快地(几微秒)放电到电极6、8。电容器的放电在电极之间产生气体离子化，转变到等离子体状态，并且向着电极端部运动。更具体地，由自生成电磁力沿着电极推动由此产生的等离子体板，并向着电极的开口端加速。一旦到达端部，等离子体被所产生的强大电磁场压缩而内爆，产生对热核等离子体典型的约束条件，这对应于量级为10¹⁵keV.sec/cm³的等离子体粒子的密度、能量和约束时间的组合。

所述约束在约直径1mm和长度1cm的圆柱体中发生，这称为箍缩或聚焦(32，参见图7)。取决于组能量的聚焦的寿命从10ns(6-7kJ)到几十纳秒(更高组能量)变化；在结束时其衰减，产生粒子束。

当填充气体是氢、氩或氖时，在聚焦中产生：

-沿轴向向前发射的低能X射线和质子束

-向后发射的能量＜1MeV的相对电子的束(相对电子束-REB)(对于6-7kJ的机器电子流量为～0.5-5mC/脉冲)。

虽然X射线和质子束容易被吸收在真空室4的壁中，电极6、8和电子导向器22的特定同轴几何形状与中心电极6的中空构造一起允许取出相对电子束REB。

电子沿着导向器22行进，并在结束时可根据需要和所使用的装配件24而直接或在转换成25-50keV的X射线后用于IORT治疗。

从以上所述，可以清楚地认识到根据本发明的设备与已知的IORT系统相比特别有价值，具体地具有以下优点：

-所产生束的高放射生物效率

-考虑到源头可能具有约20cm×30cm的尺寸，体积有限

-在涉及小于1平方厘米的面积和2-3mm的深度的限定和受控的病灶中释放剂量

-短的总治疗持续时间，估计在分钟量级

-能够使用电子和X射线束治疗。

涉及已经构建并处于高级测试阶段的原型的以下示例将有助于使本发明更加清楚。

在一个具体实施例中的具有等离子体聚焦技术的IORT设置包括等离子体聚焦装置，并且其特征在于由REB(相对电子束)测量室制成的电子导向器，该测量室专门设计成容纳可互换X射线转换器和X射线光谱仪。

初步测试的参数设置和所获得的结果如下：

电容器组的总电容：44.4μF，每个电容器具有以下规格：

-型号：GA 32899

-电容：C＝11.1μF

-最大工作电压：V_max＝36kV

-最大破坏电压：V_damage＝4OkV

-峰值工作电流：I_C＝150kA

-工作电压反向：60％

-最大电压反向：80％

-工作条件下的使用周期：1 E6

-电感：L_C＝30nH

-尺寸：31×41×68cm

-重量：140Kg

工作电压：20-26KV

组能量：10-15KJ

总电感：100nH

电极长度：13.3cm

内电极直径(铜)：3cm.

外电极直径(铜)：8cm.

伪周期τ：10-12μs.

不锈钢真空室的体积：2.5dm³

电源具有以下规格：

-输出电压：V0＝20-30kV

-可输送能量：10-15kJ

-组充电时间：0.5÷0.8s

-所输送平均电流：I_PS＝2A

-所输送平均功率：P_PS＝I_PSV_o＝60kVA。

电源可以在单脉冲模式和反复模式两者下驱动：后者利用快速开关触发单元的定时。

快速开关具有以下规格：

-型号：REB3 SG-182 o SG-183 Montecuccolino式(即由R.E.Beverly III&Ass.根据规格专门设计的)

-触发类型：场畸变

-最小工作电压：15kV

-最大工作电压：65kV

-工作电流峰值：I_SG＝160kA

-最大电流峰值：250kA

-每脉冲最大可转移电荷：0.36C

-电感：L_SG＝27nH

-关闭时间：22ns

-击穿时间：600ns

-工作气体：合成空气

-到电极的输出：每个开关4根同轴电缆

同轴电缆：Dielectric Science提供的DS 2248。

该设备依赖于总是用于冷却的冷却电极的系统、用于在真空室中循环气体的系统、以及用于循环快速开关工作气体的系统，这些系统允许在设备的反复模式中以1Hz或更大的频率工作。

单电容快速开关的电感是L_C+L_SG＝57 nH。

电容器在充电期间平行放置，采用配线盒来容纳高压二极管和用于抑制(压制(snubbing))干扰的合适的电路。

将四个电容器快速开关单元连接到复式接头又连接到电极(6，8)的同轴电缆(16)是每单元4根，即总共16根，每根都承载最大电流1/4I_Cmax≈25kA。

每根同轴电缆长4.2m。

复式接头盘(21)的直径为45cm。

测试表明特性X射线的X-L光谱成分占光谱的35％，并且其能量是8.9keV，而“轫致辐射”成分占其余的65％，且具有25.0keV的能量，并且一次发射输送的剂量为30ns的时间间隔中的10Gy。