本发明属于质子治疗技术领域，更具体地，涉及一种用于质子治疗的大动量接受度超导旋转机架。
背景技术：
质子治疗是一种癌症精准放射治疗方法。基于质子布拉格峰剂量分布特性，通过调节照射质子束能量可实现不同深度的剂量控制，同时利用当前普遍使用的笔形束扫描技术实现横向束流照射，从而实现精准的肿瘤三维适形放疗，减少对周边健康组织的损害。
180度或360度旋转机架是质子治疗的核心子系统，可根据治疗计划对病灶实施不同角度的多照射放疗。目前市场上的旋转机架束流输运线主要采用传统的常温电磁铁，其最后的二极磁铁重量约10吨，机架整体重量通常超过200吨，占地大，制造成本高。
引入超导磁铁技术将显著降低机架体积及重量，尤其可显著降低机架束线中用于束流偏转的二极磁铁重量。超导方案面临的主要技术问题在于，对于质子治疗过程中能量的快速变化(当前水平是100ms内改变1％的质子束磁刚度)，对应的超导磁场及线圈电流需要达到相同的变化速度，容易引起失超和磁场的不稳定。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明旨在针对机架束线弯转段引入组合超导磁铁以显著降低机架重量和尺寸，同时通过束流光学设计与优化，将全机架束流线的质子动量(或动能)接受度相对已有的方案提高一个量级，以实现在大的质子束能量范围(对应的水透射深度范围)下，保持超导磁铁的磁场固定，从而避免了超导磁铁在快速磁场变化下的失超问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于质子治疗的大动量接受度超导旋转机架，包括：位于机架入口处的降能器组件；偏转角度为θ1的第一偏转超导磁铁组件；偏转角度为θ2的第二偏转超导磁铁组件；具有笔形束扫描功能的治疗头组件；
其中，θ1取45°～60°，θ2取135°～150°，且满足θ2-θ1＝90°；
所述第一偏转超导磁铁组件和所述第二偏转超导磁铁组件均包括偏转磁铁和聚焦磁铁，且均为对称性结构；所述偏转磁铁为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁；
通过在所述第一偏转超导磁铁组件和所述第二偏转超导磁铁组件中分别实现消色散，并利用交变梯度四极场的强聚焦特性抑制色散函数的最大值，使得所述超导旋转机架具有大动量接受度。
进一步地，所述第一偏转超导磁铁组件包括：第一偏转磁铁、第二偏转磁铁、第一聚焦磁铁、第二聚焦磁铁和第三聚焦磁铁；
所述第一偏转磁铁和所述第二偏转磁铁为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁，分别实现θ1/2束流偏转；
所述第一聚焦磁铁、所述第二聚焦磁铁和所述第三聚焦磁铁为四极场、六极场组合磁铁，位于所述第一偏转磁铁和所述第二偏转磁铁中间，用于配合所述第一偏转磁铁和所述第二偏转磁铁实现束流聚焦及局部消色散。
进一步地，所述第二偏转超导磁铁组件包括：第三偏转磁铁、第四偏转磁铁和第四聚焦磁铁；
所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁均为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁，分别实现θ2/2束流偏转；
所述第四聚焦磁铁为四极场、六极场组合磁铁，位于所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁中间，用于配合所述第三偏转磁铁和所述第四偏转磁铁实现束流聚焦及局部消色散。
进一步地，所述第一偏转超导磁铁组件中二极场最大范围为2t～3.3t，四极场最大梯度小于或等于60t/m；所述第二偏转超导磁铁组件中二极场最大范围为2t～3.3t，四极场最大梯度小于或等于30t/m。
进一步地，所述降能器组件包括：一对由电机驱动的楔形降能块，以及配置在所述楔形降能块下游的准直器模块。
进一步地，所述楔形降能块，材料为石墨或碳化硼，沿束流方向整体尺寸小于260mm。
进一步地，所述准直器模块，材料为铜和石墨，沿束流方向整体尺寸小于700mm。
进一步地，所述治疗头组件，包括扫描磁铁，所述扫描磁铁位于所述第二偏转超导磁铁组件下游，源轴距小于或等于2m。
进一步地，所述超导旋转机架总长度小于或等于7m，旋转半径小于或等于4m，被配置成旋转正负180度。
进一步地，所述超导旋转机架可接受前端质子加速器初始能量ei范围为220～250mev，用于等中心点治疗质子束能量范围为70mev～ei；可配置成单室或多室质子治疗系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明采用具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁代替传统的常温电磁铁，机架磁铁的数目、孔径和重量均得到优化，从而显著降低机架重量和尺寸，进而减少机架制造、安装和运行成本。
(2)本发明通过每个偏转超导磁铁组件的对称性结构实现局部消色散，并利用交变梯度四极场的强聚焦特性抑制色散函数的最大值，显著减少束流传输过程中因色散引起的横向束流尺寸增长，能够实现±10％的大动量接受度。基于此接受度，在不改变超导磁体磁场前提下，所传递的质子能量范围可覆盖主要类型的肿瘤病灶深度；对于深度范围大的肿瘤，通过改变1至2次磁场可完成全局深度的覆盖。如此，在大动量接受度前提下，本发明不需要快速改变超导磁铁磁场，进而避免了超导磁体在快速磁场(或励磁电流)变化下导致的失超问题，同时又能满足快速笔形束扫描技术要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于质子治疗的大动量接受度超导旋转机架结构示意图；
图2为本发明实施例中旋转机架束线垂直和水平方向的束流包络示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种用于质子治疗的大动量接受度超导旋转机架，包括：位于机架入口处的降能器组件；偏转角度为θ1的第一偏转超导磁铁组件；偏转角度为θ2的第二偏转超导磁铁组件；具有笔形束扫描功能的治疗头组件40；其中，θ1取45°～60°，θ2取135°～150°，且满足θ2-θ1＝90°；由于偏转角度θ2增加会导致磁铁过长而不易制造，优选地，θ1取45°，θ2取135°。
下面以θ1取45°，θ2取135°为例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，机架束流线02在前端与质子加速器(未显式绘出)耦合，接受来自加速器的质子束流，质子束能量通常在220mev至250mev范围为内，能量固定。耦合点00处，通过前端的主束流线将束流匹配成镜像束流，等中心点01处，用于治疗的束斑标准差尺寸约3.5mm。机架束流线02总体上采用后扫描方式，即扫描磁铁41放置于最后一块偏转磁铁下游，源轴距sad小于等于2m。
降能器组件位于整个机架束流线的前端，包括一对楔形降能块10，第一准直器模块11，第二准直器模块12。其中，一对楔形降能块10实现最低至70mev的质子能量调节；优选直线电机驱动，以实现快速运动控制，通常对于5mm水透射深度步长，能量调节时间不大于50ms；楔形降能块10材料优选密度高于1.95g/cm3各向同性石墨，也可以选择传输效率更高的石墨-碳化硼混合材料；第一准直器模块11和第二准直器模块12位于一对楔形降能块10下游，分别实现对束流尺寸和发散角的控制，通过电机驱动切换准直器孔径，通常可实现3～10π·mm·mrad范围内均方根发射度的选择。
第一偏转超导磁铁组件完成45度束流偏转、聚焦及局部消色散，包括第一偏转磁铁21、第二偏转磁铁22、第一聚焦磁铁23、第二聚焦磁铁24和第三聚焦磁铁25。其中，第一偏转磁铁21和第二偏转磁铁22为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁，为对称性结构，分别实现22.5度束流偏转，优选斜螺线管型线圈(canted-cosine-theta,cct)超导磁体；弯转半径0.75m-1m，优选1m，对应中心能量230mev质子束的最大二极场为2.32t，交变梯度四极场不大于60t/m；第一聚焦磁铁23、第二聚焦磁铁24和第三聚焦磁铁25均为四极场、六极场组合磁体，放置于第一偏转磁铁21和第二偏转磁铁22中间，为对称性结构，配合第一偏转磁铁21和第二偏转磁铁22实现束流聚焦及局部消色散，其中六极场分量用于补偿高阶色差。
第二偏转超导磁铁组件完成135度束流偏转、聚焦及局部消色散，包括：第三偏转磁铁31、第四偏转磁铁32和第四聚焦磁铁33。其中，第三偏转磁铁31和第四偏转磁铁32为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁，为对称性结构，分别实现67.5度束流偏转，优选斜螺线管型线圈(canted-cosine-theta,cct)超导磁体；弯转半径0.75m-1m，优选1m，对应中心能量230mev质子束的最大二极场为2.32t，交变梯度四极场不大于30t/m；第四聚焦磁铁33为四极场、六极场组合磁体，放置于第三偏转磁铁31和第四偏转磁铁32中间，配合第三偏转磁铁31和第四偏转磁铁32实现束流聚焦及局部消色散，其中六极场分量用于补偿高阶色差。
目前，基于常温磁铁的机架束流光学采用全局消色散，即色散函数在整个束流线上均存在分布，仅在尾部调整为0；而本发明中，在第一偏转超导磁铁组件和第二偏转超导磁铁组件的终点，色散消零，即局部消色散。
总体来说，本发明是采用局部消色散光学设计，并通过色散函数抑制方法，显著减少束流传输过程中因色散引起的横向束流尺寸增长，从而实现±10％的大动量接受度。其中，局部消色散光学设计，是指通过光学匹配设计，在45度和135度偏转超导磁铁组件中分别实现消色散，具体是通过每个偏转超导磁铁组件的对称性结构实现；色散函数抑制方法，是指利用交变梯度磁铁的强聚焦特性，抑制色散函数的最大值。
具体的，如图1所示，第一偏转超导磁铁组件和第二偏转超导磁铁组件均具有对称性结构，例如，在第一偏转超导磁铁组件中，第一偏转磁铁21与第二偏转磁铁22、第一聚焦磁铁23与第三聚焦磁铁25在位置上均关于第二聚焦磁铁24左右对称，且第一聚焦磁铁23与第三聚焦磁铁25磁场参数相同。在此结构下，色散函数在每段偏转超导磁铁组件中间达到最大值，在尾部减小至零，实现局部消色散。
图2为本发明实施例中旋转机架束线垂直和水平方向的束流包络示意图，曲线50为y方向束流包络，曲线60为单一能量(动量分散dp/p＝0)的x方向束流包络，曲线61为动量分散dp/p＝10％情况下的x方向束流包络，曲线70为色散函数。该束流包络表明，本发明能够实现±10％的动量接受度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，如交变梯度组合偏转磁铁的方案选择、两段偏转磁铁组件的偏转角度(45度和135度)可做一定范围内的调整等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种用于质子治疗的大动量接受度超导旋转机架，其特征在于，包括：
位于机架入口处的降能器组件；偏转角度为θ1的第一偏转超导磁铁组件；偏转角度为θ2的第二偏转超导磁铁组件；具有笔形束扫描功能的治疗头组件；
其中，θ1取45°～60°，θ2取135°～150°，且满足θ2-θ1＝90°；
所述第一偏转超导磁铁组件和所述第二偏转超导磁铁组件均包括偏转磁铁和聚焦磁铁，且均为对称性结构；所述偏转磁铁为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁；
通过在所述第一偏转超导磁铁组件和所述第二偏转超导磁铁组件中分别实现消色散，并利用交变梯度四极场的强聚焦特性抑制色散函数的最大值，使得所述超导旋转机架具有大动量接受度。
2.如权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述第一偏转超导磁铁组件包括：第一偏转磁铁(21)、第二偏转磁铁(22)、第一聚焦磁铁(23)、第二聚焦磁铁(24)和第三聚焦磁铁(25)；
所述第一偏转磁铁(21)和所述第二偏转磁铁(22)为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁，分别实现θ1/2束流偏转；
所述第一聚焦磁铁(23)、所述第二聚焦磁铁(24)和所述第三聚焦磁铁(25)为四极场、六极场组合磁铁，位于所述第一偏转磁铁(21)和所述第二偏转磁铁(22)中间，用于配合所述第一偏转磁铁(21)和所述第二偏转磁铁(22)实现束流聚焦及局部消色散。
3.如权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述第二偏转超导磁铁组件包括：第三偏转磁铁(31)、第四偏转磁铁(32)和第四聚焦磁铁(33)；
所述第三偏转磁铁(31)和所述第四偏转磁铁(32)均为具有二极场、交变梯度四极场的组合超导磁铁，分别实现θ2/2束流偏转；
所述第四聚焦磁铁(33)为四极场、六极场组合磁铁，位于所述第三偏转磁铁(31)和所述第四偏转磁铁(32)中间，用于配合所述第三偏转磁铁(31)和所述第四偏转磁铁(32)实现束流聚焦及局部消色散。
4.如权利要求1至3任一项所述的超导旋转机架，其特征在于，
所述第一偏转超导磁铁组件中二极场最大范围为2t～3.3t，四极场最大梯度小于或等于60t/m；
所述第二偏转超导磁铁组件中二极场最大范围为2t～3.3t，四极场最大梯度小于或等于30t/m。
5.如权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述降能器组件包括：一对由电机驱动的楔形降能块，以及配置在所述楔形降能块下游的准直器模块。
6.如权利要求5所述的超导旋转机架，其特征在于，所述楔形降能块，材料为石墨或碳化硼，沿束流方向整体尺寸小于260mm。
7.如权利要求5所述的超导旋转机架，其特征在于，所述准直器模块，材料为铜和石墨，沿束流方向整体尺寸小于700mm。
8.如权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述治疗头组件，包括扫描磁铁，所述扫描磁铁位于所述第二偏转超导磁铁组件下游，源轴距小于或等于2m。
9.如权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述超导旋转机架总长度小于或等于7m，旋转半径小于或等于4m，被配置成旋转正负180度。
10.如权利要求1所述的超导旋转机架，其特征在于，所述超导旋转机架可接受前端质子加速器初始能量ei范围为220～250mev，用于等中心点治疗质子束能量范围为70mev～ei；可配置成单室或多室质子治疗系统。
技术总结