一种基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置

技术领域

本实用新型属于医用癌症治疗回旋加速器技术领域，具体涉及一种基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置。

背景技术

BNCT(硼中子俘获)癌症治疗装置是近年来发展起来的新型癌症治疗方式，是目前国际最前沿的抗癌治疗技术之一，其原理是利用非放射性硼同位素(boron-10)作为肿瘤定位药物和中子俘获剂，将药物注射到人体后，等到药物在肿瘤达到一定浓度，利用加速器打靶产生的中子束对肿瘤进行照射，中子束与硼同位素(boron-10)发生核反应产生放射性粒子，在癌细胞内精确摧毁癌细胞，不误伤正常组织。是目前国际正在发展的新型癌症治疗技术。

目前国际上基于小型回旋加速器的BNCT癌症治疗装置仅有日本住友的基于30MeV回旋加速器的2治疗室设备研发成功，如图6所示，其实现方法是：从加速器的1个剥离靶引出束流、通过开关磁铁将束流分时为两个治疗室使用。该方法存在的问题是：从1个剥离靶引出的束流只能是同一种流强，而不能满足多流强分配的需求，所述多流强分配需求，就是将加速器引出束流进行分配，一部分流强用于治疗，另一部分流强用于制药，将束流流强按照实际需求进行比例分配。例如，为了降低了单个治疗室的造价，提升的装置的利用率，在治疗的同时，还可以通过将中子靶更换为药物生产靶的方式，生产F-18等放射性同位素药物，实现一边治疗，一边生产药物。但现有技术用于治疗室的剥离靶只有1个，一个剥离靶剥离后的质子流强只有一种，达不到按照比例分配的目的。该方法存在的另一个问题是：虽然治疗室有2台，仍然会出现治疗设备供不应求的情况。随着技术的进步，治疗时间越来越短，但是设备的利用率却不能增加：因为当病人在当前治疗室完成治疗以后，由于环境中辐射剂量沉积比较大不能立刻散去，而必须让设备等待一段时间才能进入下一个治疗，这样，虽然是 2个治疗室，但2个治疗室也不能满足需求。

基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置是中国原子能科学研究院创新研制的最新一代癌症治疗装置，采用14MeV强流回旋加速器引出1mA以上强流质子束，通过2条束流传输线，最终到达中子靶系统，中子靶采用铍靶材料，通过强流质子束轰击铍靶产生中子，通过慢化体后，得到癌症治疗所需的热中子和超热中子，热中子和超热中子束轰击富集含硼药物的肿瘤，实现对癌细胞的杀伤。

实现4治疗室BNCT癌症治疗装置的难点在于简化设备结构和降低成本。第一、现有技术剥离靶的结构复杂、制作成本高。专利号202011297102.6、专利名称：高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器，曾记载采用180度对称布设的双剥离靶实现多个引出通道以提高加速器的利用率。但是这种剥离靶是以伸缩方式工作的，工作状态下，剥离靶向前伸、让剥离膜到达剥离位置，非工作状态下，剥离靶向后缩，让剥离膜脱离剥离位置。由于推拉式剥离靶为一个长杆，需要剥离靶杆从外向里伸进加速器的真空室完成伸缩动作，因此需要在加速器磁轭上打孔，由于磁场是封闭的，磁轭打孔以后会破坏原来磁场的均匀性，进而影响粒子的加速。为了弥补被破坏的磁场，还要采取一系列措施例如磁铁镶条等方法因为打孔而造成的损失，真可谓牵一发而动全军。第二、现有技术的束流传输线的结构复杂、制作成本高。如日本住友的基于30MeV回旋加速器的2治疗室设备，其束流传输线采用包括多个四极透镜的组合方法，所述四极透镜用于控制束团的发散或收缩的形状，由于从加速器引出的束团的直径一般为 1厘米，而中子靶的直径为8厘米，为了将1厘米的束团扩大到8厘米，就要采用多个四极透镜的组合完成束流截面积扩大的功能。而四极透镜的造价昂贵，如果由2治疗室改进为4治疗室，束流传输线的制作成本就会翻倍，使得性价比降低。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术存在的问题，提出一种基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置，第一目的在于解决现有技术基于单剥离靶的BNCT治疗装置利用率不高，不能同时满足多流强分配需求的问题；第二目的在于解决实现4治疗室BNCT癌症治疗装置，剥离靶和束流传输线的结构复杂、制作成本高的问题。

本实用新型为解决其技术问题采用以下技术方案

一种基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置，包括用于产生负氢离子的回旋加速器1、用于将负氢离子剥离为质子的剥离靶引出结构5、用于将束流送往治疗室6的束流传输线2、用于均匀捕获质子束的中子靶系统 3；所述剥离靶引出结构5设有2个剥离靶、它们180度对称布设在回旋加速器1上；所述束流传输线2为2条，各自一端从剥离靶引出、另一端连接中子靶系统3；所述中子靶系统3和治疗室6各为4个，每个中子靶系统3连接一个治疗室，每条束流传输线2对应2个中子靶系统3和2个治疗室；

其特征在于：所述剥离靶引出结构5为能够转动角度、且剥离膜长度可调节的剥离靶引出结构5；所述束流传输线2的末端设有旋转磁铁2-5，通过该旋转磁铁2-5实现束流在中子靶上进行螺旋线型或者圆形扫描，最终实现束流在靶上的均匀分布。

所述剥离靶引出结构5设有一边一个剥离膜5-1和一套垂直驱动装置5-2；所述剥离引出结构5能够转动角度是指：当剥离靶处于非工作状态时，剥离膜平面与束流方向成180度平行，当剥离靶处于工作状态时，剥离靶旋转90 度，使得剥离膜平面与束流方向成90度垂直。

所述剥离膜长度可调节是指：根据180度对称布设的治疗室对于束流流强的要求不同，进行剥离膜长度的调节，要求流强大的一端，其对应的剥离膜长度相对长，要求流强小的一端，其对应的剥离膜长度相对短。

所述束流传输线2包括180度对称布设的两条束流管道2-1、每条束流管道2-1包括1条主干线和2条分支，一对X-Y导向磁铁2-2、一对四级透镜组 2-3、一个引出开关磁铁2-4、两个旋转磁铁2-5组成，加速器引出的束流，通过束流管道2-1进行传输，所述一对X-Y导向磁铁2-2实现对束流传输方向的控制；所述一对四级透镜组2-3实现对束流包络的控制；所述一个引出开关磁铁2-3实现将束流分别传输到两个中子靶系统，通过旋转磁铁2-5实现束流在中子靶上进行螺旋线型或者圆形扫描，最终实现束流在靶上的均匀分布。

本实用新型的优点效果

1、本实用新型采用一台10-20MeV强流回旋加速器、2条束流传输线和4个中子靶系统，实现了4治疗室癌症治疗装置的能力，取得了降低成本的突出效果：通过将回旋加速器可转动角度的双剥离靶技术、一条束流传输线驱动2个引出方向技术、用旋转磁铁实现束流在中子靶上均匀分布技术进行有机结合，大大降低了成本：采用2个对称剥离靶结构，随着未来加速器束流流强的提升，可利用双剥离靶结构同时给两个方向的束流传输线提供束流，实现一台加速器同时给两个治疗室供束和治疗的能力，提高了加速器的利用率；采用可转动角度的拔插式的剥离靶结构和可更换长度的剥离膜，大大简化了剥离靶的结构设计降低了成本；采用每个剥离靶上安放2个剥离膜，提高了运行时长；采用一条传输线共用束流传输线上的X-Y导向磁铁和一对四级透镜，而只在两个分支上分别装有一个旋转磁铁，实现了一个束流传输线驱动2个引出方向，大大降低了传输线造价；采用旋转磁铁，将束流进行圆形或者螺旋形旋转，实现在中子靶上的均匀分布，代替了采用多个四极透镜实现束流在中子靶上的均匀分布的组合方式，不仅降低了成本，也减轻了中子靶冷却设计压力，中子产额更加稳定；采用4治疗室组合方式，降低了单个中子靶工作时长，大大提高单个中子靶的寿命，使得整机维护周期大大加长。降低维护成本。

2、本实用新型在剥离靶的设计上，找到了一个兼顾一般性和特殊性的最佳平衡点，将现有技术双剥离靶单圈引出技术进行改造、用于BNCT束流多圈引出的技术中，具体为保留现有技术双剥离靶对称180度设置的特征，从而满足BNCT治疗和生产药物的不同流强分配需求；改造双剥离靶位置动态可调的特征，将剥离靶位置动态可调改为剥离靶位置固定、且位置相等，从而有效简化了剥离靶结构且降低了成本；改造现有技术剥离膜长度固定的特征，将剥离膜长度固定改造为长度可调，从而使得两个剥离膜的长度根据需要任意组合，满足了多样化治疗和生产药物的需求。

附图说明

图1-1是本实用新型基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置的俯视图；

图1-2是本实用新型基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置的立体图；

图2-1是本实用新型剥离靶和垂直驱动装置装配示意图；

图2-2是本实用新型剥离靶上的剥离膜示意图；

图3-1是本实用新型图1-2的A放大图__束流传输线的俯视图；

图3-2是本实用新型图1-2的A放大图__束流传输线的立体图；

图4-1是本实用新型图1-2的B放大图__中子靶系统的俯视图；

图4-2是本实用新型图1-2的B放大图__中子靶系统的立体图；

图5-1是本实用新型图1-1的__加速器和剥离靶俯视图；

图5-2是本实用新型图1-1的__加速器和剥离靶立体图；

图6是现有技术的2个治疗室BNCT癌症治疗装置示意图；

图中：1：14MeV强流回旋加速器；2：束流传输线；2-1：束流管道；2-2：导向磁铁；2-3：四级透镜组；2-4：引出开关磁铁；2-5：旋转磁铁； 3：中子靶系统；3-1：中子靶；3-2：慢化体；4：加速器主体；5：剥离靶；5-1：剥离架；5-1-1：剥离膜；5-1-2：喇叭状定位孔；5-2：剥离靶主轴；5-3：垂直驱动装置；6：治疗室。

具体实施方式

本实用新型设计原理

1、本实用新型剥离靶结构设计原理。本实用新型可转动角度的剥离靶，详公开文本：专利号2021102834474、专利名称一种用于BNCT加速器的剥离靶的头部结构和安装方法，不在此赘述。关于剥离靶结构本文只做出简述如下，如图2-1、图2-2所示，剥离靶引出结构(5)包括上、中、下三部分，上部为剥离靶架5-1，中部为剥离靶主轴5-2、下部为垂直驱动装置5-3；每个剥离靶5-1设有一左一右二个剥离膜，一个备用，另一个用于工作状态下对负氢粒子进行剥离；本实用新型设置两个剥离靶位置(在加速器上的半径R 相同)相同且180度对称设置。理论上，假如两个剥离靶位置相同、剥离膜长度也相同，则两个剥离靶流经的束流宽度或流强各为50％，这是因为束流是螺旋线前进的多圈引出方式，在束流到达第一个剥离靶时，只有靠近剥离膜的那一半的束流被剥离掉，而远离剥离膜的那一半束流不能被剥离掉；束流到达第二个剥离靶时，随着螺旋线轨迹半径加大，没有被剥离的另一半束流到达第二个剥离靶时其半径位置恰好位于第二个剥离靶被剥离的位置，因此，理论上当两个剥离靶位置相同和剥离膜的长度相同时，被剥离的束流各占50％。基于这个原理，当需要一个剥离靶通过的流强大、另一个剥离靶通过的流强小时，可以通过调整剥离膜的长度实现分配不同的流强。两个剥离靶剥离膜的长度可以根据需要任意组合，例如当一个剥离靶用于治疗时，需要的流强相对比较大，可分配大部分的束流，其剥离膜的长度就宽一些；另一个剥离靶用于生产药物时，需要的流强相对比较小，可分配少量的数量，其剥离膜的长度就短一些。

当需要两个剥离靶同时工作时，例如，180度对称的两个剥离靶，一个剥离靶的束流用于治疗，一个剥离靶的束流用于生产药物，此时二个剥离靶均从非工作状态下的180度旋转90度变为工作状态，工作状态下剥离膜与束流方向垂直，使得剥离膜能够将负氢粒子剥离掉变为用于治疗或生产药物的质子。

当需要一个剥离靶工作，另一个非工作时，非工作状态下的剥离靶旋转 90度，从与束流方向垂直变为与束流方向平行；非工作状态下的剥离靶束流流经的一面是剥离靶上没有喇叭状豁口的一面，因为没有喇叭状豁口的一面，其定位销钉被包裹在剥离靶架的里面，当束流流经时不会被活化，所述喇叭状豁口为喇叭状定位孔。

和现有技术的伸缩式剥离靶相比，本实用新型采用的剥离靶的结构要简单很多，第一，不需要在加速器磁轭上穿墙打孔，磁场不会被破坏，也就不需要采用磁镶条补救措施，要省事很多；第二，伸缩式剥离靶采用电动伸缩方式控制束流的大小，而本实用新型只需要更换不同长度的剥离膜即可，由于本实用新型更换剥离膜时，剥离靶架的安装和拆卸均采用拔插式，操作非常简单，成本大幅度下降。

2、本实用新型束流传输线的设计原理。如图6所示为日本住友的基于 30MeV回旋加速器的2治疗室设备示意图，可以看出，通向治疗室的每个分支是由多个导向设备和多个四极透镜组合而成，而本实用新型每条束流传输线上的部件能够达到最少，从而降低成本，如图3-2所示，本实用新型束流传输线在分叉以前共用1个导向磁铁2-2、1个四极透镜，分支以后，每个分支上只是单独设置1个旋转磁铁扫描中子靶，和现有技术相比，本实用新型用每个分支上的1个旋转磁铁代替现有技术每个分支上的多个部件，因而大幅度降低成本。本实用新型用旋转磁铁扫描中子靶首先基于临床治疗的要求：临床治疗要求中子靶的直径要大于束团的直径(一般中子靶的直径为8厘米，而束团的直径只有1厘米)，这是因为在治疗时间内，如果1毫安的流强始终集中在一个点上，就会将局部的皮肤烧坏，若把1 毫安的流强扩散开，就要求中子靶的直径一定要远远大于束团的直径。假如束团的直径为1厘米，螺旋磁铁每一圈之间又是无间隙紧密连接的，这样就需要扫描4圈达到8厘米的扩散面积，由此达到束流均匀扩散的目的。

3、本实用新型剥离靶和现有技术剥离靶的区别：现有技术剥离靶为长杆式、且位置动态可调，设计这种剥离靶是为了解决理论和实际的误差问题、满足高精度束流单圈引出的需求，例如部分物理实验对于引出的质子束流的品质要求很高，需要实现单圈引出以获得很高的束流品质，采用双剥离靶动态位置可调式为了精确计算第一个剥离靶没有剥离掉的剩余束流到达第二个剥离靶的位置，从而在第二个剥离靶的位置将剩余束流全部引出，达到100％单圈引出的目的。本实用新型设计两个剥离靶位置固定且半径相同，是根据BNCT治疗对束流流强粗粒度需求，所述粗粒度需求是因为 BNCT治疗对于束流流强的需求是一个累积效应，假如流强没有达到50％而是40％，可以通过延长治疗时间来弥补，因此，可以忽略理论和实际的误差，而不需要动态调整剥离靶的位置。因此，本实用新型能够采用固定位置且角度可转动的双剥离靶代替长杆伸缩式剥离靶的方式，通过调整剥离膜的长度满足分配不同流强的需求。

基于以上原理，本实用新型设计了一种基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置。

一种基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置，如图1-1、1-2、 2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2、5-1、5-2所示，包括用于产生负氢离子的回旋加速器1、用于将负氢离子剥离为质子的剥离靶引出结构5、用于将束流送往治疗室6的束流传输线2、用于均匀捕获质子束的中子靶系统3；所述剥离靶引出结构5设有2个剥离靶、它们180度对称布设在回旋加速器1上；所述束流传输线2为2条，各自一端从剥离靶引出、另一端连接中子靶系统3；所述中子靶系统3和治疗室6各为4个，每个中子靶系统3连接一个治疗室，每条束流传输线2对应2个中子靶系统3和2个治疗室；

所述剥离靶引出结构5为能够转动角度、且剥离膜长度可调节的剥离靶引出结构5；如图3-1、3-2所示，所述束流传输线2的末端设有旋转磁铁2-5，通过该旋转磁铁2-5实现束流在中子靶上进行螺旋线型或者圆形扫描，最终实现束流在靶上的均匀分布。

如图2-1、2-2所示，所述剥离靶引出结构5设有一边一个剥离膜5-1和一套垂直驱动装置5-3；所述剥离引出结构5能够转动角度是指：当剥离靶处于非工作状态时，剥离膜平面与束流方向成180度平行，当剥离靶处于工作状态时，剥离靶旋转90度，使得剥离膜平面与束流方向成90度垂直。

所述剥离膜长度可调节是指：根据180度对称布设的治疗室对于束流流强的要求不同，进行剥离膜长度的调节，要求流强大的治疗室，其对应的剥离膜长度相对长，要求流强小的治疗室，其对应的剥离膜长度相对短。

如图3-1、3-2所示，所述束流传输线2包括180度对称布设的两条束流管道2-1、每条束流管道2-1包括1条主干线和2条分支，一对X-Y导向磁铁 2-2、一对四级透镜组2-3、一个引出开关磁铁2-4、两个旋转磁铁2-5组成，加速器引出的束流，通过束流管道2-1进行传输，所述一对X-Y导向磁铁2-2 实现对束流传输方向的控制；所述一对四级透镜组2-3实现对束流包络的控制；所述一个引出开关磁铁2-4实现将束流分别传输到两个中子靶系统，通过旋转磁铁2-5实现束流在中子靶上进行螺旋线型或者圆形扫描，最终实现束流在靶上的均匀分布。

实施例一

如图1-1、1-2所示，是本实用新型提供的基于强流回旋加速器的4治疗室BNCT癌症治疗装置结构，该装置包括回旋加速器1及束流传输线2，中子靶系统3。回旋加速器1与束流传输线2相连，束流传输线2与中子靶系统3 相连。回旋加速器包括加速器主体4和剥离靶5。剥离靶5上有两个剥离膜。剥离靶可以旋转调节引出束流方向。

如图2-1、2-2所示，束流传输线2利用引出开关磁铁2-4实现两个方向引出，每条束流传输线共用用一套X-Y导向磁铁2-2和四级透镜2-3，降低了束流传输线造价。

本实用新型并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。