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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810892018.5 (22)申请日 2018.08.07 (71)申请人 中国原子能科学研究院 地址 102488 北京市房山区新镇北坊 (72)发明人 张天爵 魏素敏 殷治国 王川 (74)专利代理机构 北京维正专利代理有限公司 11508 代理人 俞光明 (51)Int.Cl. A61N 5/10(2006.01) (54)发明名称 全超导质子治疗系统 (57)摘要 本发明公开了一种全超导质子治疗系统， 包 括:超导回旋加速器， 所述超导回旋加速器用于 产生质子束流。
2、； 所述超导回旋加速器旁配备着超 导旋转治疗舱； 所述超导旋转治疗舱包括旋转治 疗舱的束流线。 通过采用上述技术方案， 该质子 治疗系统， 采用了超导回旋加速器配备超导旋转 治疗舱的模式， 该系统布局紧凑， 占用空间小， 极 大的降低了设备重量， 这样也就进一步的降低了 制造费用， 也就是本发明提供一种用于降低质子 治疗设备尺寸、 重量以及制造费用的全超导质子 治疗系统的方案。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 109224319 A 2019.01.18 CN 109224319 A 1.一种全超导质子治疗系统， 其特征在于： 包括: 超导回旋加速器(1)， 所述超导回旋加速器(1。
3、)用于产生质子束流； 所述超导回旋加速器(1)旁配备着超导旋转治疗舱； 所述超导旋转治疗舱包括旋转治疗舱的束流线。 2.根据权利要求1所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 在所述超导回旋加速器 (1)产生的束流输出方向上且处在所述超导回旋加速器(1)与超导旋转治疗舱之间顺序设 置着束流输运系统和能量选择系统。 3.根据权利要求1所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 所述束流输运系统包括顺 序设置的第一四极透镜组(2)和降能器(3)。 4.根据权利要求1所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 所述能量选择系统包括顺 序设置的第一偏转磁铁(4)、 第二四极透镜(5)和第二偏转磁铁(6)。。
4、 5.根据权利要求1所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 所述束流输运系统还包括 顺序设置的第三四极透镜(8)、 第三偏转磁铁(9)、 第四四极透镜(10)、 第四偏转磁铁(11)和 第五四极透镜(12)。 6.根据权利要求4所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 所述第二偏转磁铁(6)与 第三四极透镜(8)之间设置着诊断元件一。 7.根据权利要求4所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 所述超导旋转治疗舱包括 顺序设置的第五偏转磁铁(13)、 第六四极透镜(14)和第六偏转磁铁(16)， 所述顺序设置的 第五偏转磁铁(13)、 第六四极透镜(14)和第六偏转磁铁(16)就构成了旋转治。
5、疗舱的束流 线。 8.根据权利要求7所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 所述第六四极透镜(14)与 所述第六偏转磁铁(16)之间设置着诊断元件二(15)。 9.根据权利要求7所述的全超导质子治疗系统， 其特征在于： 所述第五偏转磁铁(13)、 第六四极透镜(14)和第六偏转磁铁(16)均为超导磁铁。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 109224319 A 2 全超导质子治疗系统 技术领域 0001 本发明涉及针对质子治疗技术领域， 也属于生物(医疗)技术领域， 尤其是涉及一 种全超导质子治疗系统。 背景技术 0002 目前我国的癌症发病率越来越高， 已经成为危害我国人民健康的最。
6、大杀手之一， 通常的治疗方式有手术、 伽马刀、 质子/重离子治疗等。 0003 而质子/重离子治疗主要利用加速器产生一定能量的质子/重离子束， 通过各电磁 元件将束流传输到靶区， 轰击肿瘤细胞， 达到治疗的效果。 由于质子在物质中有尖锐的 Bragg峰， 即其能量将最大限度的损失在癌变位置， 因此可以在杀死癌变细胞的同时最大程 度的保护正常组织， 这使得质子治疗成为目前国际上最先进的恶性肿瘤治疗手段之一， 也 是目前国际上流行的治疗手段之一。 0004 质子治疗系统通常由加速器、 能量选择及束流传输系统、 旋转或固定治疗舱等主 要子系统构成。 常温质子回旋加速器重量约200吨， 直径约4.5米。
7、左右， 同步加速器体积要更 大一些。 超导回旋加速器重量只有50吨-90吨， 直径2米3.2米。 常温旋转治疗机架系统至 少要100吨以上(100吨200吨)， 超导旋转治疗舱系统为20吨左右。 国际上目前常见的质子 治疗系统为常温加速器配备常温旋转治疗舱(如IBA的常温C235回旋加速器配常温 Proteusplus旋转治疗舱)、 超导加速器配备常温旋转治疗舱(如IBA的S2C2超导同步回旋加 速器配Proteus one旋转治疗舱， PSI/Varian超导回旋加速器配常温旋转治疗舱)、 常温加 速器配备超导旋转治疗舱(如HIMAC-NIRS的常温重离子同步加速器配超导旋转治疗舱， 常 温。
8、质子回旋配Pronova SC360超导旋转治疗舱)这几种方式， 尚未有全超导质子治疗系统， 这就造成目前质子治疗系统仍具有尺寸大、 重量过重以及制造费用太高的问题。 0005 以PSI的250MeV超导回旋加速器加常温旋转治疗舱方案为例， 由于其加速器采用 了超导线圈对主磁铁励磁， 相比常温回旋加速器主磁铁， 磁极的气隙较大， 一方面有足够空 间安装流强调制装置， 可以实现质子束流的流强快速调制， 进而实现质子调强治疗， 可以对 病人治疗剂量进行更加精确的控制， 另一方面质子束流引出效率较高， 束流损失小； 而且超 导线圈的使用， 使得主磁铁电功率(包括制冷机功率)仅有50kW， 为常温回旋。
9、主磁铁的1/4 左右， 节能环保。 加速器与旋转治疗舱的匹配对最终性能也非常重要， 质子治疗中， 先进的 肿瘤分层快扫描治疗技术需要质子能量快速变化， 进而需要旋转治疗舱上用于约束质子轨 迹的磁铁的磁场进行相应的快速变化。 PSI为了实现分层快速扫描， 其旋转治疗舱的束流传 输线采用了常温磁铁， 以实现磁场快速变化， 因此， 可以实现每5mm治疗深度仅需100ms切 换时间的快速质子能量变化， 是目前世界上治疗速度最快的质子治疗系统， 其代价是重达 近两百吨的旋转治疗舱， 整个质子治疗系统规模较大， 而且采用常温磁铁治疗舱， 其功耗无 法降低。 0006 目前， 超导旋转治疗舱的首要技术难点就。
10、是如何适应肿瘤分层快扫描治疗技术所 需要的质子能量快速变化问题。 由于目前超导磁铁无法做到常温磁铁那样的快速磁场变 说 明 书 1/5 页 3 CN 109224319 A 3 化， 造成要么超导旋转治疗舱的扫描速度较慢(NIRS-HIMAC)， 要么采用消色差偏转元件组 的(achromatic bending section)设计以增加超导旋转治疗舱的动量接收度(momentum acceptance)使得质子在人体射程030cm范围内， 改变扫描深度时， 仅需要设置一定的超 导磁铁励磁电流工作点， 每个工作点可以覆盖附近的质子射程而无需调节超导磁铁的励磁 电流； 只有射程超过每个工作点的。
11、覆盖范围后， 调节超导磁铁的励磁电流至下个工作点即 可。 后面这种方法设想很好， 但一方面固定磁场下的动量接收度再怎么优化也有限度， 另一 方面在工作点切换过程也依然受到超导磁体励磁速率的限制需要时间， 因此， 目前实用的 超导旋转治疗舱的扫描速度依然无法超过PSI常温旋转治疗舱设计。 必须还要在超导磁体 设置防止涡流的结构或材料、 失超保护等方面进行优化， 以提高超导治疗舱的扫描速度。 发明内容 0007 针对上述技术问题， 本发明的目的在于在不影响质子治疗效果的基础上， 提供一 种用于提高超导治疗舱的扫描速度、 降低质子治疗设备尺寸、 重量以及制造费用的全超导 质子治疗系统的方案。 000。
12、8 为实现上述目的， 本发明提供了如下技术方案： 一种全超导质子治疗系统， 包括: 0009 超导回旋加速器， 所述超导回旋加速器用于产生质子束流； 0010 所述超导回旋加速器旁配备着超导旋转治疗舱； 0011 所述超导旋转治疗舱包括旋转治疗舱的束流线。 0012 通过采用上述技术方案， 该质子治疗系统， 采用了超导回旋加速器配备超导旋转 治疗舱的模式， 该系统布局紧凑， 占用空间小， 极大的降低了设备重量， 这样也就进一步的 降低了制造费用。 超导回旋加速器比常温回旋加速器， 以及超导的旋转束流线磁铁比常温 的旋转束流线磁铁都要节能、 环保、 明显降低了运行费用。 0013 本发明进一步设。
13、置为： 在所述超导回旋加速器产生的束流输出方向上且处在所述 超导回旋加速器与超导旋转治疗舱之间顺序设置着束流输运系统和能量选择系统。 0014 通过采用上述技术方案， 束流输运系统用于传输束流， 并让该束流进入能量选择 系统进行能量选择和消除色差， 提高了传输到旋转治疗舱的束流的品质。 0015 本发明进一步设置为： 所述束流输运系统包括顺序设置的第一四极透镜组和降能 器。 0016 通过采用上述技术方案， 所述第一四极透镜组用于把所述超导回旋加速器引出的 束流聚焦， 该聚焦后的束流随后进入所述降能器进行能量调节。 0017 本发明进一步设置为： 所述能量选择系统包括顺序设置的第一偏转磁铁、 。
14、第二四 极透镜和第二偏转磁铁。 0018 通过采用上述技术方案， 所述第一偏转磁铁用于偏转所述超导回旋加速器引出的 束流， 所述第二四极透镜用于对通过所述第一偏转磁铁后的束流进行聚焦， 所述第二偏转 磁铁用于对通过所述第二四极透镜后的束流进行偏转， 由此实现了对束流进行能量选择和 消除色差。 0019 本发明进一步设置为： 所述束流输运系统还包括顺序设置的第三四极透镜、 第三 偏转磁铁、 第四四极透镜、 第四偏转磁铁和第五四极透镜。 0020 通过采用上述技术方案， 所述第三四极透镜用于对通过所述第二偏转磁铁后的束 说 明 书 2/5 页 4 CN 109224319 A 4 流进行聚焦， 所。
15、述第三偏转磁铁用于对通过所述第三四极透镜后的束流进行偏转， 所述第 四四极透镜用于对通过所述第三偏转磁铁后的束流进行聚焦， 所述第四偏转磁铁用于对通 过所述第四四极透镜后的束流进行偏转， 所述第五四极透镜用于对通过所述第四偏转磁铁 后的束流进行聚焦， 由此实现了对束流的传输并控制束流在传输过程中的品质。 0021 本发明进一步设置为： 所述第二偏转磁铁与所述第三四极透镜之间设置着诊断元 件一。 0022 通过采用上述技术方案， 所述第二偏转磁铁与所述第三四极透镜之间设置着诊断 元件一。 这样能够通过诊断元件一来对通过所述第二偏转磁铁的束流进行检测。 0023 本发明进一步设置为： 所述超导旋转。
16、治疗舱包括顺序设置的第五偏转磁铁、 第六 四极透镜和第六偏转磁铁， 所述顺序设置的第五偏转磁铁、 第六四极透镜和第六偏转磁铁 就构成了旋转治疗舱的束流线。 0024 通过采用上述技术方案， 所述第五偏转磁铁用于对通过所述第五四极透镜后的束 流进行偏转， 所述第六四极透镜用于对通过所述第五偏转磁铁后的束流进行聚焦， 所述第 六偏转磁铁用于对通过所述第六四极透镜后的束流进行偏转。 0025 本发明进一步设置为： 所述第六四极透镜与所述第六偏转磁铁之间设置着诊断元 件二。 0026 通过采用上述技术方案， 所述第六四极透镜与所述第六偏转磁铁之间设置着诊断 元件二。 这样能够通过诊断元件二来对通过所述。
17、第六四极透镜的束流进行检测。 0027 本发明进一步设置为： 所述第五偏转磁铁、 第六四极透镜和第六偏转磁铁16均为 超导磁铁。 0028 通过采用上述技术方案， 所述第五偏转磁铁、 第六四极透镜和第六偏转磁铁均为 超导磁铁。 而超导磁铁场强高而结构紧凑重量轻。 进一步提高了其引出束流的效率和稳定 性。 0029 综上所述， 本发明具有以下有益效果： 0030 大大减小了质子治疗设备的占用空间和重量， 使得质子治疗设备对于厂房空间及 承重的要求显著降低， 并且显著降低了质子治疗装置的建造费用及设备运行功耗， 解决了 现有质子治疗系统设备庞大、 厂房空间与承重要求高的问题， 使得本发明的质子治疗。
18、系统 方案可以对现有装机量巨大的传统X射线治疗设备进行一对一的替换。 附图说明 0031 图1是本发明的全超导质子治疗系统的结构示意图。 0032 附图标记： 1、 超导回旋加速器； 2、 第一四极透镜组； 3、 降能器； 4、 第一偏转磁铁； 5、 第二四极透镜； 6、 第二偏转磁铁； 7、 诊断元件一； 8、 第三四极透镜； 9、 第三偏转磁铁； 10、 第 四四极透镜； 11、 第四偏转磁铁； 12、 第五四极透镜； 13、 第五偏转磁铁； 14、 第六四极透镜； 15、 诊断元件二； 16、 第六偏转磁铁； 17、 治疗头。 具体实施方式 0033 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
19、。 0034 如图1所示,全超导质子治疗系统， 包括:超导回旋加速器1， 超导回旋加速器1用于 说 明 书 3/5 页 5 CN 109224319 A 5 产生束流； 在超导回旋加速器1为超导质子回旋加速器时， 超导回旋加速器1就用于产生质 子束流； 超导回旋加速器1旁配备着超导旋转治疗舱； 超导旋转治疗舱包括旋转治疗舱的束 流线及其超导磁铁。 不同于常用的质子治疗方案中的常温加速器配备超导旋转治疗舱、 常 温加速器配备常温旋转治疗舱， 超导回旋加速器配备常温旋转治疗舱等模式， 这里提出的 质子治疗系统， 采用了超导回旋加速器配备超导旋转治疗舱的模式， 该系统布局紧凑， 占用 空间小， 极大。
20、的降低了设备重量。 超导回旋加速器比常温回旋加速器， 以及超导的旋转束流 线磁铁比常温的旋转束流线磁铁都要节能、 环保、 明显降低了运行费用。 0035 在超导回旋加速器1产生的束流输出方向上且处在超导回旋加速器1与超导旋转 治疗舱之间顺序设置着束流输运系统和能量选择系统。 束流输运系统用于传输束流， 并让 该束流进入能量选择系统进行能量选择和消除色差。 在超导回旋加速器1为超导质子回旋 加速器时， 束流输运系统用于传输质子束流， 并让该质子束流进入能量选择系统进行能量 选择和消除色差。 0036 束流输运系统包括顺序设置的第一四极透镜组2和降能器3； 第一四极透镜组2用 于把超导回旋加速器1。
21、引出的束流聚焦， 该聚焦后的束流随后进入降能器3进行能量调节； 第一四极透镜组2设置在超导回旋加速器1引出束流的方向上； 降能器3设置在通过第一四 极透镜组2后的束流的方向上。 0037 能量选择系统包括顺序设置的第一偏转磁铁4、 第二四极透镜5和第二偏转磁铁6； 第一偏转磁铁4用于偏转超导回旋加速器1引出的束流， 第二四极透镜5用于对通过第一偏 转磁铁4后的束流进行聚焦， 第二偏转磁铁6用于对通过第二四极透镜5后的束流进行偏转， 第一偏转磁铁4设置在通过降能器3后的束流的方向上， 第二四极透镜5设置在通过第一偏 转磁铁4后的束流的方向上， 第二偏转磁铁6设置在通过第二四极透镜5的束流的方向上。
22、。 0038 束流输运系统还包括顺序设置的第三四极透镜8、 第三偏转磁铁9、 第四四极透镜 10、 第四偏转磁铁11和第五四极透镜12； 第三四极透镜8用于对通过第二偏转磁铁6后的束 流进行聚焦， 第三偏转磁铁9用于对通过第三四极透镜8后的束流进行偏转， 第四四极透镜 10用于对通过第三偏转磁铁9后的束流进行聚焦， 第四偏转磁铁11用于对通过第四四极透 镜10后的束流进行偏转， 第五四极透镜12用于对通过第四偏转磁铁11后的束流进行聚焦， 第三四极透镜8设置在通过第二偏转磁铁6后的束流的方向上， 第三偏转磁铁9设置在通过 第三四极透镜8后的束流的方向上， 第四四极透镜10设置在通过第三偏转磁铁。
23、9后的束流的 方向上， 第四偏转磁铁11设置在通过第四四极透镜10后的束流的方向上， 第五四极透镜12 设置在通过第四偏转磁铁11后的束流的方向上。 0039 第二偏转磁铁6与第三四极透镜8之间设置着诊断元件一7。 这样能够通过诊断元 件一来对通过第二偏转磁铁6的束流进行检测。 诊断元件一为束流检测装置。 0040 超导旋转治疗舱设置在治疗室中并包括顺序设置的第五偏转磁铁13、 第六四极透 镜14和第六偏转磁铁16， 顺序设置的第五偏转磁铁13、 第六四极透镜14和第六偏转磁铁16 就构成了旋转治疗舱的束流线； 第五偏转磁铁13用于对通过第五四极透镜12后的束流进行 偏转， 第六四极透镜14用。
24、于对通过第五偏转磁铁13后的束流进行聚焦， 第六偏转磁铁16用 于对通过第六四极透镜14后的束流进行偏转， 第五偏转磁铁13设置在通过第五四极透镜12 后的束流的方向上， 第六四极透镜14设置在通过第五偏转磁铁13后的束流的方向上， 第六 偏转磁铁16设置在通过第六四极透镜14后的束流的方向上， 治疗头17设置在通过第六偏转 说 明 书 4/5 页 6 CN 109224319 A 6 磁铁16后的束流的方向上。 0041 第六四极透镜14与第六偏转磁铁16之间设置着诊断元件二15。 这样能够通过诊断 元件二来对通过第六四极透镜14的束流进行检测。 诊断元件二为束流检测装置。 0042 第五偏。
25、转磁铁13、 第六四极透镜14和第六偏转磁铁16均为超导磁铁。 而超导磁铁 场强高而结构紧凑重量轻。 0043 从超导质子加速器1引出的束流， 束流随后在束流输运系统中传输， 先通过第一四 极透镜组2聚焦， 并使用降能器3进行能量调节， 接着使用第一偏转磁铁4、 第二偏转磁铁6和 第二四极透镜5进行能量选择和消除色差， 并通过第三四极透镜8、 第四四极透镜10、 第五四 极透镜12、 第三偏转磁铁9、 第四偏转磁铁11而被传输到旋转治疗室， 结合第五偏转磁铁13、 第六偏转磁铁16和第六四极透镜14构成的旋转治疗舱束流线最终把束流送到治疗头。 这样 的全超导系统， 减少了设备的整体尺寸和重量，。
26、 提高了加速器引出束流的效率和稳定性。 0044 与常温回旋加速器相比， 超导回旋加速器重量约为常温回旋加速器的1/2， 直径约 为常温回旋加速器的直径的2/3甚至1/2， 体积和重量都有了大幅度的降低， 另外， 超导回旋 加速器采用超导线圈， 磁极间的气隙大， 便于高频腔、 束流诊断、 引出系统等设备的安装和 维护， 可靠性高， 引出效率高于常温回旋加速器。 0045 与常温旋转治疗舱相比， 超导旋转治疗舱重量能做到常温旋转治疗舱的重量的1/ 10， 直径和长度也比常温旋转治疗舱有所降低， 对医院来说是极为有利的性能。 而且与目前 已经存在的常温四极磁铁+超导偏转磁铁的超导旋转治疗舱设计不同。
27、， 采用全超导旋转治 疗舱设计， 即聚焦用的四极磁铁以及偏转用的二极磁铁均采用超导磁铁设计。 0046 另外， 肿瘤分层扫描需要能量快速变化， 进而需要旋转治疗舱上磁铁的磁场进行 相应的快速变化， 超导磁铁磁场快速变化时， 会对磁铁低温系统端有感应电压， 通过该电压 加载在低温端金属结构上， 如冷屏， 液氦槽等， 进而产生涡流， 这部分能量会导致低温系统 产生结构破坏(冷屏扭曲， 进而产生横跨冷屏温度与液氦温度的传导热)， 以及低温端阻性 热负载(涡流生热)， 造成低温失效， 进而造成线圈失超。 为解决该问题， 可以采用阻断涡流 的结构来阻断涡流， 或采用电阻率较高的材料减小涡流。 超导磁铁磁。
28、场快速变化引起超导 线圈两端电压L*di/dt， 其中， L为超导线圈的电感值， i为通过超导线圈的电流， t为通过超 导线圈的电流i的时刻， 在这种情况下， 通常MRI超导磁铁领域常用的由多个背靠背并联的 冷二极管组串联后， 连接在线圈两端进行失超保护方式会严重限制超导磁铁磁场变化速度 进而影响肿瘤分层扫描速度。 为解决该问题， 可以采用诸如高铜超比超导线圈不额外添加 冷二极管的方式进行失超保护。 这样合理选择旋转支架上超导磁铁失超保护电路， 使之能 在容纳快速变化的磁场产生的线圈两端电压的同时不过高而使得线圈的最高温度过高。 提 高了超导治疗舱的扫描速度。 0047 本具体实施例仅仅是对本发明的解释， 其并不是对本发明的限制， 本领域技术人 员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改， 但只要在本 发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。 说 明 书 5/5 页 7 CN 109224319 A 7 图1 说 明 书 附 图 1/1 页 8 CN 109224319 A 8 。