一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统及放疗设备

一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统及放疗设备
1.本公开要求在2022年11月21日提交中国专利局、申请号为202211461413.0、申请名称为“电子束流聚焦系统以及放疗设备”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本公开中。
技术领域
2.本公开涉及电子束流处理领域，尤其涉及一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统及放疗设备。


背景技术：

3.放射治疗是指利用高能量电离辐射来破坏癌细胞的生化结构，以达到抑制肿瘤生长的目的。目前，放疗主要采用射线有电子，光子，质子等。传统的电子放疗技术主要采用6mev至20mev能量范围的低能电子束流，因其较浅的穿透深度和较差的横向半影品质，只适用于治疗浅层(人体5cm以内)如皮肤、四肢等部位的肿瘤组织，无法用于人体深层肿瘤放疗应用。近年来，随着激光等离子体尾波加速等新型电子加速器技术的发展，使得利用超高能电子束流(处于50mev至250mev能量范围的电子束流)对人体深层肿瘤进行放疗成为可能。
4.但是，超高能电子束流径直平行射入人体时会在人体入口和出口形成较高的剂量沉积，难以在人体深层的病灶区域形成剂量峰值，会降低了电子放疗效果，且小型化的放疗设备成为发展趋势，因此，为了使超高能电子束流在人体深层的病灶区域形成剂量峰值同时适应于小型化的放疗设备，设计具有强聚焦能力且结构紧凑的束流聚焦传输系统是非常必要的。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开提出了一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统及放疗设备，不仅能够降低超高能电子束流在人体入口和出口形成的剂量沉积，使超高能电子束在人体深层的病灶区域形成剂量峰值，提高了电子放疗效果，提高了整个系统的紧凑性，从而能够更好的适应于小型化的放疗设备，有利于缩小整个放疗设备的空间尺度。
6.根据本公开的一方面，提供了一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统，包括：传输模块与聚焦模块，其中，待聚焦的电子束流依次进入所述传输模块与所述聚焦模块；所述传输模块包括至少一个四极铁以及偏转二极铁；所述传输模块中的每个四极铁用于在聚焦出射方向上对进入的电子束流进行发散以及在平行出射方向上对进入的电子束流进行聚焦，以使所述传输模块射出的电子束流为在所述聚焦出射方向上发散出射且在所述平行出射方向上聚焦出射的电子束流；其中，所述聚焦出射方向与所述偏转二极铁的磁场方向垂直，所述平行出射方向与所述偏转二极铁的磁场方向平行；所述传输模块中的偏转二极铁用于在所述平行出射方向上将进入的电子束流偏转指定角度，以改变进入的电子束流的传输方向，所述传输模块射出的电子束流的传输方向与进入所述传输模块前的电子束流的传输方向不同；所述聚焦模块包括四极铁，所述聚焦模块中的四极铁用于在所述聚
焦出射方向上对所述传输模块射出的电子束流进行聚焦以及在所述平行出射方向上对所述传输模块射出的电子束流进行发散，以使所述聚焦模块射出的电子束流为在所述聚焦出射方向上聚焦出射且在所述平行出射方向上近平行出射的电子束流，所述聚焦模块射出的电子束流中的不同电子用于以不同位置射入目标对象并聚焦到目标对象内的目标靶区。
7.在一种可能的实现方式中，所述系统还包括控制模块，所述控制模块分别电连接所述传输模块中的四极铁、所述偏转二极铁以及所述聚焦模块中的四极铁；所述控制模块，用于根据所述目标靶区对应的聚焦深度以及所述待聚焦的电子束流的初始束流参数，控制所述传输模块中的四极铁、所述偏转二极铁以及所述聚焦模块中的四极铁分别产生与所述目标靶区匹配的磁感应强度，以使所述聚焦模块射出的电子束流聚焦到所述目标靶区；其中，所述初始束流参数包括以下至少一种：电子能量、发散角、束斑大小。
8.在一种可能的实现方式中，通过控制所述偏转二极铁产生与所述目标靶区匹配的磁感应强度，实现对进入的电子束流中不同能量的电子进行选能；通过控制所述传输模块中的四极铁以及所述聚焦模块中的四极铁分别产生与所述目标靶区匹配的磁感应强度，实现控制所述聚焦模块射出的电子束流中的不同电子在射入目标对象时的入射位置和入射角度，以及进入所述目标对象后的聚焦深度。
9.在一种可能的实现方式中，所述指定角度包括30度至150度中的任一角度。
10.在一种可能的实现方式中，在所述传输模块中包括至少两个四极铁的情况下，所述传输模块中的偏转二极铁位于所述传输模块中任一对相邻的两个四极铁之间，或位于所述传输模块中至少两个四极铁之前，或位于传输模块中至少两个四极铁之后。
11.在一种可能的实现方式中，所述传输模块与所述聚焦模块设置于所述电子束流的束流传输管道外，其中，所述束流传输管道在所述偏转二极铁处存在与所述指定角度相同的转角。
12.在一种可能的实现方式中，所述电子束流包括超高能电子源产生的具有50mev至250mev的超高能电子束流。
13.根据本公开的另一方面，提供了一种放疗设备，包括：超高能电子源，用于产生电子束流；以及，上述束流聚焦传输系统。
14.在一种可能的实现方式中，所述束流聚焦传输系统设置于所述放疗设备的机械臂中，所述机械臂可围绕目标对象进行旋转。
15.根据本公开的实施例，通过传输模块中的四极铁在聚焦出射方向上将电子束流发散出射且在平行出射方向上将电子束流聚焦出射，并通过聚焦模块中的四极铁在聚焦出射方向上将传输模块射出的发散电子束流变成强聚焦出射且在平行出射方向上将传输模块射出的聚焦电子束流变为平行出射，能够使聚集模块射出的电子束流以大角度扁平式强聚焦到目标对象的目标靶区(例如患者身体内部的病灶区域)，且由于聚焦模块射出的电子束流中的不同电子会以不同位置射入目标对象并聚焦到目标对象内的目标靶区，可以降低电子束流在目标对象入口/出口的剂量沉积，实现电子束流在目标靶区的剂量沉积峰值，进而能够极大降低对目标对象内其它正常组织的放射剂量，提高电子放疗效果，同时利用偏转二极铁，使得电子束流偏转指定角度，可以在空间上使整个束流聚焦传输系统实现折叠，使整个束流聚焦传输系统更加紧凑，更适应于小型化的放疗设备。
16.根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得
清楚。
附图说明
17.包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
18.图1示出根据本公开实施例的平行束流与聚焦束流的剂量峰值对比的示意图。
19.图2示出根据本公开实施例的束流聚焦传输系统的示意图。
20.图3示出根据本公开实施例的束流聚焦传输系统的示意图。
21.图4a和图4b示出根据本公开实施例的电子束流的运动轨迹的示意图。
22.图5示出根据本公开实施例的束流聚焦传输系统的示意图。
23.图6a、图6b和图6c示出根据本公开实施例的电子束流在水体中沉积的剂量分布图。
具体实施方式
24.以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
25.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
26.另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
27.放射治疗利用高能量电离辐射如x射线、伽马射线、电子、质子等来破坏癌细胞的生化结构，以达到抑制肿瘤生长的目的。由于以上辐射对于正常的组织细胞也有损伤作用，所以需要制定一定的治疗计划尽量减小辐射对正常组织带来的副作用。
28.目前临床放射治疗主要使用的光子、质子或电子进行照射。应用最广的技术方案是光子方案，光子方案成本合理，方案执行效率高，但是在危及器官剂量沉积与放射生物学效果等方面存在限制；质子/重离子方案剂量分布的优势优于前者，但是其建设成本过高，且治疗效率低，一个治疗中心每年只能治疗1000人左右；传统电子束放疗主要采用射频直线加速器输出的6mev-20mev范围的低能电子束，最大穿透深度不足和较差的横向半影品质都制约了上述技术在实际治疗特别是深层肿瘤放疗中的应用。
29.超高能电子束(50mev-250mev)克服了低能电子束的上述缺点，能够将剂量沉积更深，横向半影也更加尖锐。近期有很多蒙卡模拟工作对照了光子、质子和超高能电子通过调强放疗(imrt)方式对前列腺、脑部等肿瘤的治疗效果。研究发现超高能电子束的治疗效果明显优于光子束，略逊于质子束。考虑到电子加速器的建设成本一般远低于质子加速器，基于超高能电子束的放疗装置具有很大的潜在市场价值。近年来，基于激光等离子体尾波和x波段电子直线加速器等新型电子加速器技术可以将加速器规模进一步缩小到桌面尺度，使得超高能电子放疗的优势变得更加明显。
30.虽然超高能电子束放疗技术较x射线技术具有一定优势，但其在人体表面及其他
正常组织区域仍然会产生较高的剂量沉积，从而存在一定的辐照毒害风险。如图1所示，平行束流(即平行入射的超高能电子束流)难以在更深层的目标深度形成剂量沉积峰值，这对于治疗位于体内10cm到20cm之间的深层肿瘤不具备优势，而聚焦束流(即聚焦入射的超高能电子束流)可以在目标深度形成更好的剂量沉积峰值；因此需要设计能将超高能电子束流强聚焦到深层的病灶区域的束流聚焦传输系统变得非常必要，在此基础上，进一步提高束流聚焦传输系统的高度紧凑性，以实现适应小型化的电子放疗设备也是非常必要的。
31.有鉴于此，本公开实施例提供了一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统，可以应用于超高能电子束流的放疗设备，能够适应于在人体内尤其是体内深层肿瘤放射治疗中，能够使放疗设备的空间尺度进一步缩小，并保证超高能电子束流在深层肿瘤区域实现剂量沉积峰值。
32.下面结合图2至图5对本公开实施例提供的束流聚焦传输系统进行详细说明。
33.图2示出根据本公开实施例的束流聚焦传输系统的示意图。该束流聚焦传输系统可以应用于各种电子放疗设备，例如，采用超高能电子束流的放疗设备。如图2所示，该束流聚焦传输系统包括：传输模块201与聚焦模块202，其中，待聚焦的电子束流依次进入传输模块201与聚焦模块202；
34.传输模块201包括至少一个四极铁以及偏转二极铁；传输模块中的每个四极铁用于在聚焦出射方向上对进入的电子束流进行发散以及在平行出射方向上对进入的电子束流进行聚焦，以使传输模块201射出的电子束流为在聚焦出射方向上发散出射且在平行出射方向上聚焦出射的电子束流；其中，聚焦出射方向与偏转二极铁的磁场方向垂直，平行出射方向与偏转二极铁的磁场方向平行；
35.传输模块201中的偏转二极铁用于在平行出射方向上将进入的电子束流偏转指定角度，以改变进入的电子束流的传输方向，传输模块射出的电子束流的传输方向与进入传输模块前的电子束流的传输方向不同；
36.聚焦模块202包括四极铁，聚焦模块中的四极铁用于在聚焦出射方向上对传输模块射出的电子束流进行聚焦以及在平行出射方向上对传输模块射出的电子束流进行发散，以使聚焦模块202射出的电子束流为在聚焦出射方向上聚焦出射且在平行出射方向上近平行出射的电子束流，聚焦模块202射出的电子束流中的不同电子用于以不同位置射入目标对象并聚焦到目标对象内的目标靶区。
37.其中，进入上述束流聚焦传输系统的电子束流可以由超高能电子源产生的具有50mev-250mev的超高能电子束流。超高能电子源可以包括激光等离子加速器、高梯度电子直线加速器等加速器，本公开实施例对于超高能电子源的类型不作限制。可知晓的是，超高能电子源产生的超高能电子束流在物质中传播时，由于散射，电子束流会呈笔形束发散出去，若电子束流中电子均以相同轨迹(也即以相同位置和角度)进入人体的病灶区域，会使人体皮肤表层(也即人体入口和出口)沉积过高的放射剂量，为了在更深层的病灶区域获得剂量沉积峰值，需要使电子束流中的不同电子以不同位置进入人体并聚焦到病灶区域，本公开实施例能够以扁平式强聚焦方式出射电子束流，实现在人体内部较深位置的剂量沉积峰值。
38.其中，通过对电子束流在聚焦出射方向上进行发散再进行聚焦，同时在平行出射方向上进行聚焦再进行发散，能够使系统射出的电子束流中的不同电子以不同位置射入人
体并在人体的病灶区域形成剂量沉积峰值，有利于提高电子放疗效果。其中，剂量代表电子放射线给予单位质量物质的能量，目标对象可以理解为待放疗的对象，例如可以是人体、动物等，目标靶区可以理解为待放疗的靶点区域，例如人体内肿瘤所在的病灶区域。
39.可知晓的是，由于单一四极铁的磁场分布会对电子束流同时产生聚焦作用和散焦作用，且磁场中对电子束流的聚焦与散焦的作用方向相反，因此，在一定的传输距离内难以实现在两个作用方向上同时实现强聚焦，因此本公开实施例采取在聚焦出射方向上实现强聚焦，并在平行出射方向上实现近似平行出射的“扁平式聚焦”方式。
40.在实际应用中，可以预先设置传输模块201中偏转二极铁的磁场方向，由于聚焦出射方向与偏转二极铁的磁场方向平行，平行出射方向与偏转二极铁的磁场方向垂直，因此在偏转二极铁的磁场方向固定后，聚焦出射方向与平行出射方向也是已知且固定的，进而传输模块201与聚焦模块202中的四极铁的极性也是已知且固定的，四极铁的极性可以包括具有聚焦作用的聚焦方向以及具有散焦作用的散焦方向，其中，偏转二极铁的磁场方向与平行出射方向垂直且与聚焦出射方向平行(也即与束流横向聚焦方向一致)，能够避免聚焦出射方向上四极铁散焦作用所生成的发散束流在偏转二极铁中的传播轨迹不同，也即使发散束流在偏转二极铁中的传播轨迹相同。
41.可选地，传输模块201中各个四极铁的极性可以一致，聚焦模块202中四极铁的极性与传输模块201中四极铁的极性可以相反。其中，传输模块201中各个四极铁的极性一致，意味着传输模块201中各个四极铁在聚焦出射方向上对电子束流均是散焦作用且在平行出射方向上对电子束流均是聚焦作用；而聚焦模块202中四极铁的极性与传输模块201中四极铁的极性相反，则意味着聚焦模块202中四极铁在聚焦出射方向上对电子束流是聚焦作用且在平行出射方向上对电子束流是散焦作用；这样系统射出的电子束流在聚焦出射方向上为强聚焦出射的束流，在平行出射方向上为平行出射的束流。
42.可选地，当传输模块201中包含两个以上四极铁时，传输模块201中也可以存在极性相反的四极铁，也即传输模块201中可以包括部分在聚焦出射方向上对电子束流是散焦作用且在平行出射方向上对电子束流是聚焦作用的四极铁，以及部分在聚焦出射方向上对电子束流是聚焦作用且在平行出射方向上对电子束流是散焦作用的四极铁，只要保证传输模块201射出的电子束流是在聚焦出射方向上发散出射且在平行出射方向上聚焦出射的电子束流即可，对此本公开实施例不作限制。
43.示例性地，如图3所示的束流聚焦传输系统，传输模块201包括四极铁2011、偏转二极铁2012以及四极铁2013；聚焦模块202包括四极铁2021；其中，四极铁2011在聚焦出射方向上对进入的电子束流进行发散以及在平行出射方向上对进入的电子束流进行聚焦，偏转二极铁2012将四极铁2011射出的电子束流偏转指定角度α，也即改变了电子束流的传输方向，其中，指定角度可以包括30度至150度之间的任一角度，四极铁2013在聚焦出射方向上对偏转二极铁2012射出的电子束流进行进一步发散以及在平行出射方向上对偏转二极铁2012射出的电子束流进行进一步聚焦；聚焦模块202中的四极铁2021在聚焦出射方向上对经四极铁2013射出的电子束流进行聚焦以及在平行出射方向上对经四极铁2013射出的电子束流进行发散，这样经四极铁2021射出的电子束流为在聚焦出射方向上聚焦出射且在平行出射方向上平行出射的电子束流，且经四极铁2021射出的电子束流中的不同电子会以不同位置射入目标对象并聚焦到目标对象内的目标靶区，从而实现大角度扁平式聚焦到目标
靶区，实现在目标靶区的放射剂量沉积。
44.其中，在图3示出的束流聚焦传输系统中，在聚焦出射方向上四极铁2011的作用是使得电子束流从近似笔形束发散成发散束流，四极铁2013使得在聚焦出射方向上让电子束流进一步发散，到达四极铁2021时，经过四极铁2011和四极铁2013的发散，在聚焦出射方向上电子束流的发散尺度与束斑大小已经很大，四极铁2021使得发散的电子束流以很大的角度聚焦到目标靶区；而在平行出射方向上，四极铁2011和四极铁2013将带有初始发散角的电子束流聚焦为较小的束斑，再经过四极铁2021的散焦作用，实现电子束流在该平行出射方向上的近平行出射；在四极铁2011和四极铁2013的间隙设置偏转二极铁2012，使得电子束流偏转指定角度α(例如α＝90度)，从而使电子束流的传输方向在空间上实现折叠，有利于使束流聚焦传输系统在空间上实现折叠，使束流聚焦传输系统更加紧凑。
45.示例性地，基于图3示出的束流聚焦传输系统，图4a示出该束流聚焦传输系统在聚焦出射方向上电子束流运动轨迹，图4b示出该束流聚焦传输系统在平行出射方向上电子束流运动轨迹，如图4a所示，在聚焦出射方向上，四极铁2011和四极铁2013对电子束流是散焦作用，四极铁2021对电子束流是聚焦作用，也即电子束流经过四极铁2011和四极铁2013后是逐步发散出射的，经过四极铁2021后是聚焦出射的；如图4b所示，在平行出射方向上，四极铁2011和四极铁2013对电子束流是聚焦作用，四极铁2021对电子束流是散焦作用，应理解，由于平行出射方向上四极铁2011和四极铁2013对电子束流产生的综合聚焦作用较强，四极铁2021对电子束流产生的散焦作用，仅抵消部分四极铁2011和四极铁2013对电子束流产生的综合聚焦作用，这使得四极铁2021射出的电子束流在平行出射方向上产生近平行出射的效果，或者说在平行出射方向上的发散角不会很大。
46.其中，发散出射可以理解为电子束流中的电子呈发散效果射出，或者说，发散出射的电子束流中电子的运动轨迹是发散的，例如图4a中四极铁2011及四极铁2013射出的电子束流；聚焦出射可以理解为电子束流中的电子是呈聚焦效果射出，或者说，聚焦出射的电子束流中电子的运动轨迹是聚焦的，例如图4a中四极铁2021射出的电子束流，平行出射可以理解为电子束流中的电子保持平行效果射出，或者说，平行出射的电子束流中电子的运动轨迹是相互平行的。
47.应理解的是，图3示出的束流聚焦传输系统是本公开实施例提供的一种可能的实现方式，并不代表本公开实施例的全部实现方式，实际上，本领域技术人员可以根据实际需求(例如放疗设备的硬件结构、四极铁与二极铁的空间尺度等)自定义设计传输模块201中的四极铁的数量、设计偏转二极铁在传输模块201中的位置以及偏转二极铁所偏转的指定角度，对此本技术实施例不作限制。
48.例如，若设计传输模块201中包含一块四极铁，偏转二极铁可以位于该四极铁之后，若设计传输模块202中包含两块四极铁，偏转二极铁可以位于两块四极铁之间，也可以位于两块四极铁之后或之前，若设计传输模块201中包含三块四极铁，偏转二极铁可以位于前两块四极铁之后，也可以位于前一块四极铁之后，还可以位于三块四极铁之后；也即，在传输模块中包括至少两个四极铁的情况下，传输模块中的偏转二极铁可以位于传输模块中任一对相邻的两个四极铁之间，或者还可以位于传输模块中至少两个四极铁之后，或位于传输模块中至少两个四极铁之前。
49.应理解，偏转二极铁所能偏转的偏转角度可以包括30度至150度中的任一角度，具
体地，例如可以包括90度、80度、95度等自定义角度，这取决于束流聚焦系统整体的硬件结构形态，但不论偏转二极铁的偏转角度是多大，聚焦模块202应位于传输模块201射出的电子束流的传输方向上。电子束流的传输方向可以理解为电子束流在系统中整体运动轨迹，例如图3示出的电子束流在经过偏转二极铁2012前的传输方向是横向的，在经过偏转二极铁2012前的传输方向变为纵向的。
50.可知晓的是，电子束流通常在束流传输管道中传输，束流传输管道例如可以是真空密封管道，传输模块201与聚焦模块202可以设置于电子束流的束流传输管道外，也即，传输模块201中的四极铁与偏转二极铁以及聚焦模块202中的四极铁均设置在电子束流的束流传输管道外，由于偏转二极铁能将电子束流的传输方向偏转指定角度，因此束流传输管道在偏转二极铁处存在与指定角度相同的转角，例如图3中经过四极铁2011、偏转二极铁2012、四极铁2013以及四极铁2021的粗实线可以代表束流传输管道，该束流传输管道在偏转二极铁2012处存在指定角度90
°
相同的转角。应理解的是，本公开实施例对于传输模块201和聚焦模块202在束流传输管道外的设置方式不作限制。
51.其中，传输模块201中的四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中的四极铁可以均为电磁铁，因此可以通过分别控制流经传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁的电流大小，来控制各个四极铁及偏转二极铁的磁感应强度的大小；以及，可以通过分别控制流经传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁的电流方向，来分别控制各个四极铁的极性(或者说磁场方向)及偏转二极铁的磁场方向，从而实现系统的传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁各自所需起到的功能作用。
52.在实际应用中，在电子束流的电子能量固定的情况下，可以固定传输模块201中的四极铁与偏转二极铁的磁感应强度，并通过调整聚焦模块202中四极铁的磁感应强度的大小，来实现让束流聚焦传输系统射出的电子束流可以聚焦到任意深度的目标靶区。还可以在电子束流的电子能量不固定的情况下，通过调整传输模块201中的四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁的磁感应强度的大小，来实现让束流聚焦传输系统射出的电子束流可以聚焦到任意深度的目标靶区。
53.其中，可以根据目标靶区对应的聚焦深度，确定聚焦模块202中四极铁应具有的磁感应强度，并根据聚焦模块202中四极铁应具有的磁感应强度，调整流经聚焦模块202中四极铁的电流大小，从而使聚焦模块202射出的电子束流能聚焦到目标靶区；或者，还可以根据目标靶区对应的聚焦深度以及待聚焦的电子束流的初始束流参数，来确定传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁各自应具有的磁感应强度，并根据传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁各自应具有的磁感应强度，调整流经传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁的电流大小，从而使聚焦模块202射出的电子束流能聚焦到目标靶区。
54.其中，初始束流参数可以理解为超高能电子源(如激光等离子加速器或者高梯度电子直线加速器)产生的电子束流的束流参数，或者说射入束流聚焦传输系统前的电子束流的束流参数，初始束流参数可以包括以下至少一种：电子能量、发散角、束斑大小。聚焦深度可以理解为聚焦模块202中四极铁与目标靶区之间的距离，或者还可以是激光等离子加速器的发射口与目标靶区之间的距离，也可以是目标对象的表层与目标靶区之间的距离
等。在实际应用中，该聚焦深度以及初始束流参数可以作为已知参数输入到系统中，本公开实施例对于聚焦深度以及初始束流参数的获取方式不作限制。
55.应理解的是，同一束流参数在不同聚焦深度下所需的磁感应强度是不同的，不同束流参数在同一聚焦深度下所需的磁感应强度也是不同的，因此，本领域技术人员可以通过理论分析结合蒙卡模拟验证，得到不同束流参数以及不同聚焦深度下的各个电磁铁(包括传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁)各自应具有的磁感应强度，也即，得到不同束流参数以及不同聚焦深度与各个电磁铁的磁感应强度之间的对应关系，该对应关系可以是线性关系也可以非线性关系，从而可以基于该对应关系，便捷地控制上述束流聚焦传输系统中任一个电磁铁的磁感应强度；或者，还可以将该对应关系转换是map图表，并在实际应用中通过查表的方式，查询在任一聚焦深度以及任一初始束流参数下，上述束流聚焦传输系统中任一个电磁铁应具有的磁感应强度。本公开实施例对于上述对应关系的确定方式不作限制。
56.根据本公开的实施案例，通过传输模块中的四极铁在聚焦出射方向上将电子束流发散出射且在平行出射方向上将电子束流聚焦出射，并通过聚焦模块中的四极铁在聚焦出射方向上将传输模块射出的发散电子束流变成强聚焦出射且在平行出射方向上将传输模块射出的聚焦电子束流变为平行出射，能够使聚集模块射出的电子束流以大角度扁平式强聚焦到目标对象的目标靶区(例如患者身体内部的病灶区域)，且由于聚焦模块射出的电子束流中的不同电子会以不同位置射入目标对象并聚焦到目标对象内的目标靶区，可以降低电子束流在目标对象入口/出口的剂量沉积，实现电子束流在目标靶区的剂量沉积峰值，进而能够极大降低对目标对象内其它正常组织的放射剂量，提高电子放疗效果，同时利用偏转二极铁，使得电子束流偏转指定角度，还可以在空间上使整个束流聚焦传输系统实现折叠，使整个束流聚焦传输系统更加紧凑，更适应于小型化的放疗设备。
57.如上所述，传输模块201中的四极铁与偏转二极铁可以采用固定的磁感应强度，并通过调整聚焦模块202中四极铁的磁感应强度，使上述束流聚焦传输系统射出的电子束流能聚焦到任意聚焦深度的目标靶区，可选地，束流聚焦传输系统中还包括控制模块203，控制模块203可以电连接聚焦模块202中的四极铁2021；
58.控制模块203，用于根据目标靶区对应的聚焦深度，控制聚焦模块202中的四极铁2021产生与目标靶区匹配的磁感应强度，以使聚焦模块202射出的电子束流聚焦到目标靶区。
59.应理解的是，不同磁感应强度的磁场对不同能量的电子束流的作用效果不同，因此，上述控制模块203电连接聚焦模块202中的四极铁2021的束流聚焦传输系统可以应用于电子束流的初始束流参数固定的聚焦传输场景，这样传输模块201中的四极铁和偏转二极铁对具有相同初始束流参数的电子束流的作用效果是相同的，所以可以仅通过调整聚焦模块202中四极铁的磁感应强度，来实现控制电子束流聚焦到任意聚焦深度的目标靶区。
60.其中，由于控制模块203电连接聚焦模块202中的四极铁2021，因此控制模块203可以向聚焦模块202中的四极铁2021进行供电，具体的，控制模块203可以通过控制流经聚焦模块202中四极铁2021的电流大小，来控制聚焦模块202中的四极铁2021产生与目标靶区匹配的磁感应强度。应理解，本公开实施例对于控制模块203的硬件结构、硬件类型等不作限制，只要能实现其所应具有的功能即可。
61.如上所述，聚焦深度可以理解为聚焦模块202中四极铁与目标靶区之间的距离，或者还可以是超高能电子源(如激光等离子加速器或者高梯度电子直线加速器)的发射口与目标靶区之间的距离，也可以是目标对象的表层与目标靶区之间的距离等，对此本公开实施例不作限制。在实际应用中，该聚焦深度可以作为已知参数输入到系统中，本公开实施例对于聚焦深度的获取方式不作限制，例如，上述控制模块203可以与外部的计算设备进行通信，以获取到目标靶区的聚焦深度；当然，控制模块203还可以直接获取用户手动输入的聚焦深度，对此本公开实施例不作限制。
62.基于此，上述控制模块203根据目标靶区对应的聚焦深度，控制聚焦模块202中的四极铁2021产生与目标靶区匹配的磁感应强度，以使聚焦模块202射出的电子束流聚焦传输到目标靶区，包括：根据目标靶区对应的聚焦深度以及预先设置的不同聚焦深度与四极铁2021的磁感应强度之间的对应关系，确定四极铁2021应具有的目标磁感应强度；根据四极铁2021应具有的目标磁感应强度，控制流经四极铁2021的电流大小，以使聚焦模块202射出的电子束流聚焦到目标靶区。通过该方式，能够在电子束流的初始束流参数固定的情况下，实现电子束流在任意聚焦深度的目标靶区的剂量峰值。
63.如上所述，不同聚焦深度下所需的磁感应强度是不同的，为了将电子束流聚焦到任意聚焦深度下的目标靶区，可以通过理论分析结合蒙卡模拟验证，得到不同聚焦深度下的聚焦模块202中四极铁2021应具有的磁感应强度，也即得到不同聚焦深度与四极铁2021的磁感应强度之间的对应关系，然后可以基于该对应关系快速地确定出任意聚焦深度下，四极铁2021应具有的目标磁感应强度，也即确定出与目标靶区匹配的磁感应强度。本公开实施例对于上述对应关系的确定方式不作限制。
64.根据本公开实施例，通过控制模块203可以高效地控制系统中聚焦模块202中的四极铁产生与目标靶区匹配的磁感应强度，从而使系统能够高效地将电子束流聚焦传输到任意聚焦深度下的目标靶区，实现电子束流在任意聚焦深度下的剂量沉积峰值。
65.考虑到，实际情况中也可以存在将不同初始束流参数的电子束流聚焦传输到目标靶区的需求，也即射入束流聚焦传输系统中的电子束流的初始束流参数可能是不同的，因此，传输模块201中的四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中的四极铁2021可以均为磁感应强度可调的电磁铁，以通过调整各个电磁铁的磁感应强度，实现将、不同初始束流参数的电子束流聚焦传输到任意聚焦深度下的目标靶区，可选地，如图5所示，控制模块203可以分别电连接传输模块201中的四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中的四极铁2021。
66.控制模块203，用于根据目标靶区对应的聚焦深度以及待聚焦的电子束流的初始束流参数，控制传输模块201中的四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中的四极铁2021分别产生与目标靶区匹配的磁感应强度，以使聚焦模块202射出的电子束流聚焦到目标靶区；其中，初始束流参数包括以下至少一种：电子能量、发散角、束斑大小。
67.其中，通过控制偏转二极铁产生与目标靶区匹配的磁感应强度，可以实现对进入的电子束流中不同能量的电子进行选能；通过控制传输模块中的四极铁以及聚焦模块中的四极铁分别产生与目标靶区匹配的磁感应强度，实现控制聚焦模块射出的电子束流中的不同电子在射入目标对象时的入射位置和入射角度，以及进入目标对象后的聚焦深度。
68.应理解，同一电子束流中电子的能量通常不同，不同能量的电子在同一磁感应强
度下会产生不同的偏转半径，因此，利用具有与目标靶区匹配的磁感应强度的偏转二极铁可以实现对进入的电子束流中不同能量的电子进行选能，使进入聚焦模块202的电子束流中的电子是满足放疗需求的高能电子。
69.在实际应用中，可以通过理论分析结合模拟实验，确定传输模块与聚焦模块中各个四极铁的磁感应强度在不同初始束流参数下与入射位置、入射角度以及聚焦深度之间的对应关系，这样可以基于该对应关系，来根据目标靶区对应的聚焦深度以及待聚焦的电子束流的初始束流参数，控制传输模块中的四极铁以及聚焦模块中的四极铁分别产生与目标靶区匹配的磁感应强度，从而实现控制聚焦模块射出的电子束流中的不同电子在射入目标对象时的入射位置和入射角度，以及进入目标对象后的聚焦深度。
70.其中，由于控制模块203电连接传输模块201中的四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中的四极铁2021，因此控制模块203可以分别向传输模块201中的四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中的四极铁2021进行供电，具体的，控制模块203可以通过分别控制流经传输模块201中四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中四极铁2021的电流大小，来控制传输模块201中的四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中的四极铁2021分别产生与目标靶区匹配的磁感应强度。
71.在实际应用中，上述控制模块203可以与外部的计算设备进行通信，以获取到目标靶区的聚焦深度以及电子束流的初始束流参数；当然，控制模块203还可以直接获取用户手动输入的聚焦深度与初始束流参数，对此本公开实施例不作限制。
72.基于此，上述控制模块203根据目标靶区对应的聚焦深度以及待聚焦的电子束流的初始束流参数，控制传输模块201中的四极铁2011和2013、偏转二极铁2012以及聚焦模块202中的四极铁2021分别产生与目标靶区匹配的磁感应强度，以使聚焦模块202射出的电子束流聚焦到目标靶区，可以包括：根据目标靶区对应的聚焦深度、电子束流的初始束流参数以及预先设置的不同束流参数以及不同聚焦深度与各个电磁铁(包括传输模块201中四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中四极铁)的磁感应强度之间的对应关系，确定上述各个电磁铁应各自具有的目标磁感应强度；根据上述各个电磁铁各自应具有的目标磁感应强度，控制流经上述各个电磁铁的电流大小，以使聚焦模块202射出的电子束流聚焦到目标靶区。通过该方式，能够在电子束流的初始束流参数不固定的情况下，实现电子束流在任意聚焦深度的目标靶区的剂量峰值沉积。
73.如上所述，不同初始束流参数在不同聚焦深度下所需的磁感应强度是不同的，为了将不同初始束流参数的电子束流聚焦到任意聚焦深度下的目标靶区，可以通过理论分析结合蒙卡模拟验证，得到不同束流参数以及不同聚焦深度与各个电磁铁的磁感应强度之间的对应关系，然后可以基于该对应关系，快速地确定出任意聚焦深度以及任意初始束流参数下，上述各个电磁铁各自应具有的目标磁感应强度，也即确定出各个电磁铁与目标靶区匹配的磁感应强度。本公开实施例对于上述对应关系的确定方式不作限制。
74.根据本公开实施例，通过控制模块203可以高效地控制传输模块201中的四极铁、偏转二极铁以及聚焦模块202中的四极铁分别产生与目标靶区匹配的磁感应强度，从而使系统能够高效地将具有任意初始束流参数的电子束流聚焦传输到任意聚焦深度下的目标靶区，实现任意初始束流参数的电子束流在任意聚焦深度下的剂量沉积峰值。
75.以超高能电子源(如激光等离子体加速器或者高梯度电子直线加速器)产生的
200mev电子束流(例如单能，束斑大小100微米，发散角4mrad的电子束流)射入水体所获得的实验结果，介绍利用上述本公开实施例的电子束流聚集系统所得到的有益效果。
76.图6a、图6b及图6c示出利用本公开实施例的束流聚焦传输系统得到的电子束流在水体中沉积的切片剂量分布图，具体地，图6a展示了聚焦出射方向沿扫描平面(图中x轴和y轴所在平面)切片的二维切片剂量分布，图6b展示了平行出射方向上沿扫描平面切片的二维切片剂量分布，图6c展示了沿x轴的轴向切片剂量分布以及沿x轴的横向切片积分剂量分布，如图6a、图6b和图6c所示，电子束流沉积的剂量在水体约10cm深处达到峰值，轴线上的入口剂量/出口剂量相较于峰值剂量较低。也即本公开实施例的束流聚焦传输系统实现了电子束流在水体内部一定深度的扁平式聚焦，其中，系统中各个四极铁与偏转二极铁的设计均符合工程上可实现的参数范围。
77.根据上述本公开实施例的束流聚焦传输系统，能够利用四极铁两个方向的聚焦和散焦属性相反的特点，实现了一种扁平式聚焦的束流聚焦传输系统，使用了多块四极铁的阵列实现了大角度扁平式强聚焦到人体内部的病灶区域，达到了在更深层的聚焦深度的放射剂量沉积的目的；并通过偏转二极铁，对超高能电子束流近平行发射方向上进行90度偏转，从而减小束流聚焦传输系统的空间尺度，大大提升了超高能电子放疗系统的兼容性。
78.根据本公开实施例的束流聚焦传输系统，可以实现超高能量电子束流从笔形束到扁平式强聚焦超高能电子束的转化，从而实现剂量峰值在人体内目标靶区的沉积，并且可通过调整聚焦模块中四极铁的磁感应强度，来调整电子束流的聚焦位置(同时保持平行出射方向上的电子束流仍然近似平行出射)，从而调整剂量沉积的位置，以获得较好的放射治疗效果；以及，利用偏转二极铁可以偏转带电束流的属性，对传输超高能电子束流的束流聚焦传输系统进行折叠，使得整个束流聚焦传输系统以及应用了该束流聚焦传输系统的放射治疗设备的空间尺度大为缩小，从而适应于小型化的放疗设备。
79.基于上述本公开实施例中的束流聚焦传输系统，本公开实施例还提供一种放疗设备，该设备包括：超高能电子源，用于产生电子束流；以及，上述本公开实施例的束流聚焦传输系统。其中，超高能电子源可以包括等离子体加速器或者高梯度电子直线加速器等加速器，对此本公开实施例不作限制。
80.在一种可能的实现方式中，上述束流聚焦传输系统可以设置于放疗设备的机械臂中，机械臂可围绕目标对象进行旋转。其中，机械臂的长度取决束流聚焦传输系统的整体结构，例如若采用了图3示出的束流聚焦传输系统，机械臂的长度可以缩短为1.2m。通过该方式，可以对目标对象内任意位置和深度的病灶区域进行放射治疗，增大了仿射治疗的范围，同时机械臂的长度也大大缩小，进而使放疗设备更加小型化。
81.应理解的是，目标对象可以躺在治疗床上，机械臂可以围绕治疗床旋转，从而实现围绕目标对象旋转，以对目标对象内任意部位的病灶区域进行放射治疗。本公开实施例的束流聚焦传输系统可以应用到各种放疗设备中，尤其是使用超高能电子束流的放疗设备，本公开实施例对于放疗设备的硬件结构、设备类型等均不作限制。
82.根据本公开实施例的放疗设备，能够利用上述束流聚焦传输系统，实现超高能电子束流在病灶区域形成剂量峰值，极大降低电子束流对目标对象内其它正常组织的放射剂量，提升电子放疗效果，降低电子放疗耗时，同时缩小放疗设备的空间尺度，使得放疗设备更加紧凑和小型化，提高放疗设备的应用前景。
83.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统，其特征在于，包括：传输模块与聚焦模块，其中，待聚焦的电子束流依次进入所述传输模块与所述聚焦模块；所述传输模块包括至少一个四极铁以及偏转二极铁；所述传输模块中的每个四极铁用于在聚焦出射方向上对进入的电子束流进行发散以及在平行出射方向上对进入的电子束流进行聚焦，以使所述传输模块射出的电子束流为在所述聚焦出射方向上发散出射且在所述平行出射方向上聚焦出射的电子束流；其中，所述聚焦出射方向与所述偏转二极铁的磁场方向垂直，所述平行出射方向与所述偏转二极铁的磁场方向平行；所述传输模块中的偏转二极铁用于在所述平行出射方向上将进入的电子束流偏转指定角度，以改变进入的电子束流的传输方向，所述传输模块射出的电子束流的传输方向与进入所述传输模块前的电子束流的传输方向不同；所述聚焦模块包括四极铁，所述聚焦模块中的四极铁用于在所述聚焦出射方向上对所述传输模块射出的电子束流进行聚焦以及在所述平行出射方向上对所述传输模块射出的电子束流进行发散，以使所述聚焦模块射出的电子束流为在所述聚焦出射方向上聚焦出射且在所述平行出射方向上近平行出射的电子束流，所述聚焦模块射出的电子束流中的不同电子用于以不同位置射入目标对象并聚焦到目标对象内的目标靶区。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括控制模块，所述控制模块分别电连接所述传输模块中的四极铁、所述偏转二极铁以及所述聚焦模块中的四极铁；所述控制模块，用于根据所述目标靶区对应的聚焦深度以及所述待聚焦的电子束流的初始束流参数，控制所述传输模块中的四极铁、所述偏转二极铁以及所述聚焦模块中的四极铁分别产生与所述目标靶区匹配的磁感应强度，以使所述聚焦模块射出的电子束流聚焦到所述目标靶区；其中，所述初始束流参数包括以下至少一种：电子能量、发散角、束斑大小。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，通过控制所述偏转二极铁产生与所述目标靶区匹配的磁感应强度，实现对进入的电子束流中不同能量的电子进行选能；通过控制所述传输模块中的四极铁以及所述聚焦模块中的四极铁分别产生与所述目标靶区匹配的磁感应强度，实现控制所述聚焦模块射出的电子束流中的不同电子在射入目标对象时的入射位置和入射角度，以及进入所述目标对象后的聚焦深度。4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述指定角度包括30度至150度中的任一角度。5.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，在所述传输模块中包括至少两个四极铁的情况下，所述传输模块中的偏转二极铁位于所述传输模块中任一对相邻的两个四极铁之间，或位于所述传输模块中至少两个四极铁之前，或位于传输模块中至少两个四极铁之后。6.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述传输模块与所述聚焦模块设置于所述电子束流的束流传输管道外，其中，所述束流传输管道在所述偏转二极铁处存在与所述指定角度相同的转角。7.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述电子束流包括超高能电子源产生的具有50mev至250mev的高能电子束流。8.一种放疗设备，其特征在于，包括：
超高能电子源，用于产生电子束流；以及，如权利要求1至7任一项所述的束流聚焦传输系统。9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述束流聚焦传输系统设置于所述放疗设备的机械臂中，所述机械臂可围绕目标对象进行旋转。

技术总结
本公开涉及一种应用于超高能电子束的束流聚焦传输系统及放疗设备，该系统包括：传输模块与聚焦模块，传输模块中四极铁用于在聚焦出射方向上对进入的电子束流进行发散以及在平行出射方向上对进入的电子束流进行聚焦；传输模块中偏转二极铁用于在平行出射方向上将进入的电子束流偏转指定角度；聚焦模块用于在聚焦出射方向上对传输模块射出的电子束流进行聚焦以及在平行出射方向上对传输模块射出的电子束流进行发散，聚焦模块射出的电子束流中的不同电子以不同位置射入目标对象并聚焦到目标对象内的目标靶区。根据本公开实施例的系统，能够使电子束流进行扁平式聚焦以增加在目标对象内的剂量沉积峰值深度，同时提高了整个束流聚焦传输系统的紧凑性。个束流聚焦传输系统的紧凑性。个束流聚焦传输系统的紧凑性。


技术研发人员：鲁巍 万阳 郭致远 周兵 华剑飞
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/16