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    一種質子加速器束流配送系統(二):變野拉峰照射

    2020/5/6 作者:連衛東

    所屬類型

    其他癌癥

    質子中國頭部圖片.jpg


    變野拉峰照射

    質子變野拉峰照射01-配送系統.jpg

    質子加速器束流配送系統


    旋轉環形臺階式第一吸收體縱向連續拉動布拉格峰,配合雙聚焦多葉準直器連續變化射野,實現了隨射野變化縱向拉動布拉格峰的擴束照射方法簡稱“變野拉峰照射”。


    配送系統結構


    此部分以介紹概念設計為主線,重點介紹專利相關部件。


    如下圖所示,束流配送系統包括如下部件(其中用紅色加粗部分表示專利相關的核心部件),從左往右依次是:

    質子變野拉峰照射02-視圖左側圖示.jpg

    水平放置的配送系統的左視圖


    束流導向機構

    第一組電離室

    沖擊磁鐵

    環形臺階式第一吸收體

    環形臺階式第一散射體

    屏蔽塊

    一組圓形第二散射體

    第二組電離室

    一組矩形第二吸收體

    雙聚焦多葉準直器

    平板式劑量儀

    多野準直器


    1束流導向機構

    由質子加速器束流輸運系統終端發出的射束軸心如與理論軸心有偏離,靠它來校正。


    2第一組電離室

    第一組電離室由一個透射電離室和一個象限電離室組成,透射電離室負責探測束流劑量;象限電離室用于測量束流的偏心度。


    3沖擊磁鐵

    沖擊磁鐵用于瞬間偏轉射束,以切斷束流,相當于束流開關。


    4“復合式一級散射體”

    環形臺階式第一吸收體和環形臺階式第一散射體——“復合式一級散射體”。


    1) 環形臺階式第一吸收體

    質子變野拉峰照射03-第一吸收體.jpg


    如上圖所示,環形臺階式第一吸收體的底面朝下,通過其內側的過度環與圓形吸收體托盤連接,環形臺階式第一吸收體的底面和臺階表面及圓形吸收體托盤的上下表面均與射束軸心線垂直;射束軸心線穿過環形臺階式吸收體內外環之間的中間位置。


    環形臺階式第一吸收體由低原子序數N材料制成,用于調節射線的能量,從而調節射線在人體內的射程。在旋轉機構的驅動下,環形臺階式第一吸收體可以旋轉,改變射線穿過環形臺階式第一吸收體的厚度,從而改變射束的能量,進而改變射線在人體內的射程。


    2) 環形臺階式第一散射體

    質子變野拉峰照射04-第一散射體.jpg

    俯視圖


    如上圖所示,環形臺階式第一散射體底面朝上(圖中是朝下),與環形臺階式第一吸收體的底面連接,其內環和外環直徑分別與環形臺階式第一吸收體的內環和外環直徑相等;其臺階表面與射束軸心線垂直;其臺階升高方向與環形臺階式第一吸收體的臺階升高方向相反,并保證,其最低臺階與環形臺階式第一吸收體最高臺階部位對應,其最高臺階與環形臺階式第一收體最低臺階部位對應;環形臺階式第一收體和環形臺階式第一散射體的臺階數目可以不同。


    第一散射體由高原子序數N的材料制成,用于射線散射,散射體厚度越后散射效應越明顯


    3) 復合式一級散射體

    雖然環形臺階式第一吸收體發揮調節射線能量的作用,但射線經過第一吸收體時也會發生一定散射效應,經過吸收體的路徑越長散射效應越明顯。


    質子加速器被動式擴束系統中的擴束機構一般由上面的一級散射體和下面的二級散射體構成,稱為雙散射機構。本專利將環形臺階式第一吸收體和環形臺階式第一散射體組合成了“復合式一級散射體”。射束經過復合式一級散射體后射線會發散,射束截面劑量從射束軸心線沿徑向呈高斯分布,環形臺階式第一吸收體和臺階式第一散射體設計成臺階升高方向相反,是想讓射束穿過圓周變化的復合式一級散射體不同部位時呈現的高斯分布大致相同。這需要經過細致的調配才能實現。


    復合式一級散射體與后面要介紹的一組圓形第二散射組成了一個雙散射機構。


    5屏蔽塊

    質子變野拉峰照射05-屏蔽塊.jpg


    復合式一級散射體既能使射線發生散射,同時還可能產生伽瑪射線和中子線等有害射線,為將超過范圍的不必要散射和有害射線屏蔽掉,加裝了一個屏蔽塊,它中間的錐形孔要與擴束機構相匹配。屏蔽塊的面積要能遮蓋其下的部件和整個人體。


    6一組圓形第二散射體

    質子變野拉峰照射06-第二散射體.jpg

    如上圖所示,一組圓形第二散射體分別嵌入圓形散射體托盤周邊的圓形通孔中。其中,一組圓形第二散射體的底面和圓形散射體托盤的上下表面均與射束軸心線垂直。


    射束經過復合式一級散射體后變為截面劑量呈高斯分布的錐形射束,再經過圓形第二散射體后變為截面劑量分布均勻的錐形射束。由于不能完全保證射束經過復合式一級散射體圓周各處后呈現的劑量高斯分布完全相同,另外,能量不同的射束經過第二散射體后的散射效果也會不同,作為修正方案,采用了一組結構相同但相關參數略有差別的圓形第二散射體。


    第二雙散體有多種樣式可以選擇,作為示意,本方案選擇的是雙環雙散射系統的樣式,由高原子序數N的內盤和低原子序數N的外環組成,內環的直徑和厚度各不相同。


    不同參數的多個第二散射體是按如下原則設計的:

    質子變野拉峰照射07-環形臺式.jpg


    如上圖所示,先將環形臺階式第一吸收體的能量調節分為若干弧形區段(圖中直線所示),再取每個弧段的中點的位置(圖中箭頭所示),按射束穿過復合式一級散射體這些位置后呈現的能量高斯分布和能量設計不同參數的二級散射體。最好的結果是各第二散射體的參數變化并不明顯。


    7第二組電離室

    第二組電離室由一個透射電離室和一個分區電離室組成,透射電離室再次測量射束劑量,分區電離室用于射束截面及分布的測量。


    8一組矩形第二吸收體

    質子變野拉峰照射08-第二吸收體.jpg

    如上圖所示,一組矩形第二吸收體從側向插入到一個多邊形吸收體托盤中。


    設計第二吸收體是為替換射程補償器,兩者的作用相同,但原理不同:前者是通過調節射線能量調節射線在體內的射程,后者是人體等效材料,用以增加人體厚度,須與人體緊貼;前者制作簡單,后者制作復雜。多個第二吸收體可實現一次安裝,自動切換。


    圖中使用的是矩形射束而沒有使用錐形射束,是因為錐形射束將被后面要介紹的雙聚焦多葉準直器約束成矩形射束,對矩形第二吸收體來說,矩形射束是其發揮作用的有效部分。


    一組第二吸收體按不同照射角度制作。


    9雙聚焦多葉準直器

    質子變野拉峰照射09-準直器.jpg

    如上圖所示,雙聚焦多葉準直器由上下兩組弧形葉片和上下各一組弧形屏蔽塊組成。其中,上下兩組弧形葉片的移動方向相互垂直;每個葉片的前端面和兩個側面均與虛擬射線源發出射線的發散方向平行,每個葉片可分別沿以虛擬射線源為圓心的弧線移動;上下各一組弧形屏蔽塊分別位于上下兩組弧形葉片的兩側,并與外側葉片的表面結構配合;射束軸心線穿過雙聚焦多葉準直器幾何中心后,與等中心平面垂直相較于等中心。

    質子變野拉峰照射09B-準直器圖形.jpg

    如上圖所示,上下各一組弧形屏蔽塊構成了一個矩形射野準直器,將錐形射束約束成矩形射束。


    葉片和屏蔽塊均由鎢合金制作,設計厚度為70 mm。也可用鋼材制作,加工更為容易。采用鋼材會增加準直器的安置空間,這個空間還是有的。采用鎢合金制作葉片,是想使雙聚焦準直器成為通用設備。


    上下兩組弧形葉片在各自驅動機構的驅動下,可約束矩形射束,在等中心平面上形成不規則形狀的射野。


    概念設計時,取葉片在等中心平面的投影寬度為10 mm,其實還可以做得更窄,按準直器的高度位置,葉片投影寬度可做到5 mm。


    10平板式透射劑量儀

    上一級的分區電離室只能大至判斷射束的方向,難以準確測量等中心平面處的二維劑量分布,平板式透射劑量儀就是用來彌補這個不足。


    11多野準直器

    安裝多野準直器是出于兩點考慮:


    質子加速器束流配送系統的擴束照射方式一般都采用終端適形準直器,以屏蔽散射到把區外的射束。質子束的虛擬射線源已不再是點光源,而是有幾毫米直徑的面光源,即使有上面的雙聚焦多葉準直器,幾何半影也無法消除。

    本機構加裝第二吸收體后,射線的散射更是無法回避。


    本機構采用的“多野準直器”名稱源自作者早前的一項發明,見下圖。

    質子變野拉峰照射10-多野準直器.jpg


    結合本機構的特殊結構做了如下改造,見下圖。

    質子變野拉峰照射11-內部結構01.jpg

    質子變野拉峰照射12-俯視圖.jpg

    仰視圖


    多野屏蔽塊材質為銅,設計厚度為70 mm,也許不需要這么厚。


    本設計中,一組矩形第二吸收體和多野屏蔽塊都采用了6野設計,也許不需要這么多射野。對X射線來說,適形照射要5~7個野,調強要7~9個野。質子射線的射程有限,如腫瘤居于左側,從右側照射,射線可能夠不到腫瘤,這就大大限制了照射角度。


    上圖中的屏蔽塊是按雙聚焦多葉準直器最大射野設計,如腫瘤較小,可縮小屏蔽塊尺寸,見下圖。

    質子變野拉峰照射13-最大射野形狀.jpg


    通過一個過度框將屏蔽塊縮小。如果嫌屏蔽塊太重,還可將其分成若干小塊,分裝在分割的格子里。


    初始位置時,多野準直器低端至等中心平面500 mm,可下沉200 mm或300 mm,根據需要設定。


    一組矩形第二吸收體和多野屏蔽塊都可在治療前安裝就緒。見下圖。

    質子變野拉峰照射14-形狀.jpg


    有了以上準備,就可以介紹本配送機構的照射過程了。


    配送系統工作原理

                                                        

    假設使用的是固定能量的等時性回旋質子加速器。

    照射過程在治療計劃的指導下進行。


    1第一步

    固定能量的等時性回旋質子加速器通過降能器調節能量一般不是連續的,而是分若干能級。如下圖所示,依據治療計劃,通過固定能量等時性回旋質子加速器束流輸運系統中的降能器,將射線在人體內的射程調至剛好超過腫瘤底面的一檔,圖中的黃色豎線表示其位置。

    質子變野拉峰照射15-放射野.jpg

    這其中暗含了兩個假設,一是在射束的入射方向,人體表面是平的(用白色豎線表示),且與射束軸心線垂直;二是人體內密度分布是均勻的。但實際上人體表面不一定是平的,如圖上所示,在射束的入射方向,人體表面呈弧面,這樣,射線在人體內的射程也長短不一。


    2第二步

    依據治療計劃按多個照射角度分別制作多個第二吸收體。制作第二吸收體時,既要考慮人體表面的形狀,也要考慮包括腫瘤在內的人體內的密度分布。加裝吸收體后的效果如下圖所示。

    質子變野拉峰照射16-照射.jpg


    射線通過某個第二吸收體后,射束截面各處的射線在體內的射程被調節到黃色標志線所在的平面上。



    3第三步

    依據治療計劃,轉動環形臺階式第一吸收體一定角度,使射束軸心線相對吸收體轉動到N位置,見下圖。

    質子變野拉峰照射17.jpg

    圖A


    相應地,射束射程就由黃色標志線的位置移動到腫瘤底面的位置,見下圖。

    質子變野拉峰照射18.jpg


    如使用的是能量可調的同步質子加速器,可以省略第三步,直接將黃色標志線的位置調節到腫瘤底面的位置。


    4第四步

    如圖A所示,若將調整后的射束射程由腫瘤底部調制到腫瘤的頂部,需將射束軸心線由N位置旋轉到M位置,選擇這個弧段中部位置對應的那個第二散射體作為該腫瘤照射時使用的第二散射體。


    5第五步

    變動射野照射過程如下。


    開始照射前,如下圖所示,用雙聚焦多葉準直器上下兩組弧形葉片中對應某一腫瘤刨面的一對葉片將射野邊界約束至腫瘤底部的射束布拉格峰區的上下邊界。

    質子變野拉峰照射19.jpg


    開始照射后,如圖A所示,轉動環形臺階式第一吸收體,使射束軸心線與環形臺階式第一吸收體相交的位置由N位置轉到M位置。


    相應地,如上圖所示,射束的布拉格峰區也就從腫瘤的底部移至腫瘤刨面的頂部。圖中射束前端的矩形區是布拉格峰高劑量區,左右方向代表窄布拉格峰區的寬度,基本是窄布拉格峰前后沿的寬度;上下方向代表射束布拉格峰區覆蓋的區域。


    射束的布拉格峰區從腫瘤刨面底部移至腫瘤刨面頂部的過程是連續的,過程中,射束的布拉格峰區覆蓋區域由葉片控制。圖中的小箭頭表示射束的布拉格峰區拉動的方向和葉片移動的方向。


    如果腫瘤沿葉片移動的方向出現凹陷,則照射過程不變。處理方式見下圖。

    質子變野拉峰照射20.jpg


    如果腫瘤在與葉片移動相垂直的方向出現凹陷,則將腫瘤分為兩個部分,分兩次照射。處理方式見下圖。

    質子變野拉峰照射21.jpg


    如果沿射束方向腫瘤過長,這時某一參數的第二散射體難以覆蓋太長的射程,方法是沿射束方向將腫瘤分成兩個區域,在下面的第一照射區域使用一個參數的第二散射體,上面的第二照射區域使用另一參數的第二散射體,見下圖。由于切換第二散射體只需要一點點時間(1秒以內),也可視同兩次照射是連續的。

    質子變野拉峰照射22.jpg


    希望使用變野拉峰照射方法后,可以在極短的時間內完場一個角度的照射,時間瓶頸在雙聚焦多野準直器葉片的移動速度。如葉片可以在1~2秒內實現一次開合,就可以在1~2秒內完成一個角度的照射。


    照射過程中,環形臺階式第一吸收體的轉速與雙聚焦多野準直器葉片移動速度的配合是關鍵。實現這一點并不難,運動參數由治療計劃給出,剩下就是控制系統的事了。


    相關鏈接

    一種質子加速器束流配送系統(一):拉峰照射

    拉峰照射-連衛東.jpg

    質子專區介紹:
    相比傳統放療,質子治療作為“精準治療”的新一代代表,利用質子射線所具有的獨特物理特性,以極快的速度、很小的放射劑量進入人體,迅速到達腫瘤組織并釋放全部劑量,而腫瘤后方和側方的正常組織及器官受到的照射劑量幾乎為零,從而實現以最大的照射劑量殺傷腫瘤組織的同時又最大限度地避免了周圍組織及器官的損傷,實現更加精確的“精準治療”。
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    關鍵詞

    變野

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