超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，包括激光驅(qū)動系統(tǒng)、激光等離子體加速器、電子束聚焦系統(tǒng)、光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、機(jī)器人本體和激光束穩(wěn)定系統(tǒng)，其中：激光驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)激光脈沖并傳播給安裝于機(jī)器人本體末端的激光等離子體加速器，從而產(chǎn)生電子束；電子束聚焦系統(tǒng)把電子束導(dǎo)向到患者病患處；光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)把電子束產(chǎn)生高能光子束，從而進(jìn)行超高能電子束或光子束放射治療；機(jī)器人本體實現(xiàn)從多個方向向患者病患處傳播電子束或光子束；激光束穩(wěn)定系統(tǒng)監(jiān)控激光束位置并糾正誤差。本發(fā)明的超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)更緊湊、高效、廉價，操作更簡單，比現(xiàn)有技術(shù)的外照射放療系統(tǒng)具有更高性能。
【專利說明】超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】的外放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，具體地，涉及一種使用超高能電子束或光子束放射治療的機(jī)器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]放射治療利用高能量輻射如X射線、Y射線、電子、質(zhì)子、重離子和中子來破壞癌細(xì)胞的DNA以將其殺死。由于放射治療在殺死癌細(xì)胞的同時也損害正常細(xì)胞，必須仔細(xì)規(guī)劃治療以盡量減少這種副作用。用于癌癥治療的輻射可以來自體外的裝置，被稱為外照射放療，也可以來自植入體內(nèi)靠近癌細(xì)胞的放射性物質(zhì)，被稱為內(nèi)照射放療或近距離放療。外照射放療通常使用光子束(X射線或Y射線)。電子束在有限距離之后劑量迅速下降，也因此影響不到較深的正常組織，電子束治療通常用于淺層腫瘤如皮膚區(qū)域或全身皮膚、四肢等部位的癌癥治療。對于較深的區(qū)域，會采用手術(shù)電子放射治療。眾多類型的外照射放療均使用稱為醫(yī)用直線加速器的設(shè)備，由射頻(RF)功率放大器驅(qū)動，如磁控管或速調(diào)管，產(chǎn)生具有6-20MeV能量的電子束。
[0003]外照射放療的技術(shù)優(yōu)勢可以通過圖像驗證提供有效的三維劑量分布形狀和精確的空間劑量傳遞圖。這些技術(shù)，包括三維適形放療(3D-CRT)、調(diào)強(qiáng)放療(MRT)、影像引導(dǎo)放療(IGRT)和強(qiáng)子治療，加強(qiáng)對腫瘤區(qū)域的放射劑量并減少對周圍正常組織的特定敏感區(qū)域的放射影響。憑借復(fù)雜的計算軟件和先進(jìn)的治療設(shè)備(包括精密機(jī)械臂和緊湊型醫(yī)用加速器)，體部立體定向放療(SBRT)在絕大多數(shù)情況下比3D-CRT使用更小的輻射場和更高的劑量，但更精確地瞄準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域并縮短療程。 [0004]如文獻(xiàn)1、文獻(xiàn)2中均公開了一種利用X射線的放射治療裝置，即把小型直線加速器安裝到多關(guān)節(jié)機(jī)械臂或回轉(zhuǎn)臺上，控制機(jī)械臂或者回轉(zhuǎn)臺位置姿態(tài)，從而把產(chǎn)生于小型光柵的X射線集中到中心點進(jìn)行照射。
[0005]然而，在目前的醫(yī)用射頻直線加速器所產(chǎn)生的上述電子束能級范圍下，最大穿透深度和橫向半影品質(zhì)都制約了這種先進(jìn)模式在實際癌癥治療中的應(yīng)用。一旦電子能級高于50MeV，這些問題都可以克服，穿透深度更加深，橫向半影也更加尖銳，盡管縱向半影也有所增加。Monte Carlo模擬研究中對比了光子，質(zhì)子和超高能電子束在調(diào)強(qiáng)放療前列腺癌癥的效果，最吻合目標(biāo)劑量的是質(zhì)子束，而電子束的目標(biāo)覆蓋范圍度是和光子束的效果相比擬的，有時好過光子束。此外，在避免劑量影響到敏感結(jié)構(gòu)和正常組織方面，超高能電子束明顯好過光子束。至于由軔致輻射和電子核反應(yīng)相互作用產(chǎn)生的次級粒子的劑量影響，如超高能電子束施加于全身的中子劑量低于質(zhì)子束治療和光子調(diào)強(qiáng)放療一到二個數(shù)量級。
[0006]所述的超聞能電子束治療使用的超聞能電子束，可以由傳統(tǒng)的基于射頻的直線加速器產(chǎn)生，包括一個電子噴射裝置，稱作LINAC的主加速結(jié)構(gòu)，電子束傳播系統(tǒng)，以及最終的操作臺。電子噴射裝置通常由光陰極微波電子槍或熱離子高壓直流電槍和幾個用于產(chǎn)生電子束的聚束腔組成。LINAC由一系列室溫或者超導(dǎo)射頻腔體組成，加速梯度為10MV/m。電子束傳播系統(tǒng)包括電子束聚焦和散焦電四極磁鐵。操作臺裝有真空電子束傳播系統(tǒng)和一系列的電子束彎轉(zhuǎn)和聚焦電磁鐵。為實現(xiàn)基于射頻直線加速器的外照射放療，射頻直線加速器整體尺寸估計要在50米長左右。加上能多方向引導(dǎo)電子束的回轉(zhuǎn)臺，總重量可達(dá)上百噸級。因此，這類設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營成本大到難以置信，由此導(dǎo)致基于常規(guī)加速器的超高能電子束放療系統(tǒng)很難普及到小規(guī)模醫(yī)院。雖然文獻(xiàn)3中公開了一種使用更加緊湊的LINAC加速器及龍門式轉(zhuǎn)臺的超高能電子束放射治療系統(tǒng)，但由于其原理仍然基于直線加速器，因此結(jié)構(gòu)上還是無法做到更加緊湊小巧。
[0007]文獻(xiàn)1: Adler Jr Jr, Chang SD, Murphy MJ, Doty J, Geis P and Hancock SL, “TheCyberknife:a frameless robotic system for radiosurgery，，，Stereotactic FunctionalNeurosurgery, pp.124-128，69(l_4Pt2)，1997 ；
[0008]文獻(xiàn)2: David H.Wh it turn, “Microwave Electron Linacs for Oncology”，Reviewsof Accelerator Science and Technology, pp.63-92，Vol.2, Iss.1, 2009 ；
[0009]文獻(xiàn)3:U.S.patent application N0.13/765, 017, filed on Feb.12, 2013, entitledPLURIDIRECTIONAL VERY HIGH ELECTRON ENERGY RADIATION THERAPY SYSTEMS ANDPROCESSES, Pub.N0.US20130231516A1 ；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種使用超高能電子束或光子束進(jìn)行外放射治療的機(jī)器人系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明所述的超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，包括以下部分:
[0012]激光驅(qū)動系統(tǒng)，形 成強(qiáng)激光脈沖；
[0013]激光等離子體加速器，所述的強(qiáng)激光脈沖被引導(dǎo)并聚焦到此從而產(chǎn)生電子束；
[0014]電子束聚焦系統(tǒng)，用于將來自激光等離子體加速器的電子束導(dǎo)向到患者病患處，從而進(jìn)行超聞能電子束放療；
[0015]光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，將來自激光等離子體加速器的電子束產(chǎn)生治療用的高能光子束；
[0016]機(jī)器人本體，其內(nèi)設(shè)有真空光學(xué)系統(tǒng)，所述強(qiáng)激光脈沖在真空光學(xué)系統(tǒng)中被引導(dǎo)并聚焦到上述激光等離子體加速器；
[0017]激光束穩(wěn)定系統(tǒng)，在真空光學(xué)系統(tǒng)中監(jiān)控激光束位置并糾正它們的誤差。
[0018]優(yōu)選地，所述激光驅(qū)動系統(tǒng)，包括:
[0019]前端，能夠產(chǎn)生低能激光脈沖；
[0020]放大器鏈，放大上述低能激光脈沖的能量形成高能激光脈沖；
[0021]脈沖壓縮室，將所述高能激光脈沖轉(zhuǎn)換為強(qiáng)激光脈沖；
[0022]真空泵系統(tǒng)，保持脈沖壓縮室、機(jī)器人本體的內(nèi)部以及加速器腔的真空壓力。
[0023]優(yōu)選地，所述激光等離子體加速器包括:
[0024]充有混合氣體的第一氣室，用來電離氣體產(chǎn)生等離子體和電子；
[0025]充有純凈氫氣或氦氣的第二氣室，用來加速電子；
[0026]氣體流量控制系統(tǒng)；
[0027]激光驅(qū)動系統(tǒng)輸出的強(qiáng)激光脈沖由球面反射鏡或離軸拋物面反射鏡聚焦后進(jìn)入激光等離子體加速器，強(qiáng)激光脈沖在第一氣室電離混合氣體產(chǎn)生等離子體和電子、強(qiáng)激光脈沖在第二氣室繼續(xù)產(chǎn)生并加速電子，氣體流量控制系統(tǒng)分別以不同的壓力控制并輸送氣體進(jìn)入第一氣室和第二氣室中。
[0028]這種激光等尚子體加速器可以利用聞加速電場聞效的廣生超聞能聞品質(zhì)電子束。所述的激光等離子體加速器能夠產(chǎn)生的電子束能量應(yīng)在l_250MeV之間，50_250MeV之間更好。
[0029]優(yōu)選地，所述激光等離子體加速器能調(diào)整第二氣室長度以控制電子束能量。更優(yōu)選地，可以由動力元件驅(qū)動波紋管結(jié)構(gòu)來調(diào)整第二氣室長度。
[0030]優(yōu)選地，所述激光等離子體加速器連接有外部轉(zhuǎn)接室，電子束聚焦系統(tǒng)安裝在激光等離子體加速器的外部轉(zhuǎn)接室中。
[0031]優(yōu)選地，所述電子束聚焦系統(tǒng)具有提供薄層筆形波束輸出的部件。更優(yōu)選地，該部件可以采用四極永磁鐵陣列結(jié)構(gòu)。
[0032]優(yōu)選地，所述電子束聚焦系統(tǒng)在不破壞激光等離子體加速器的真空情況下可進(jìn)行伸縮。
[0033]優(yōu)選地，所述光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，包括常規(guī)的軔致輻射轉(zhuǎn)換靶和準(zhǔn)直器，激光等離子體加速器輸出的電子束在光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中產(chǎn)生治療用的高能光子束。所述電子束聚焦系統(tǒng)和光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)為可拆卸安裝方式，方便拆裝和更換使用。
[0034]優(yōu)選地，所述機(jī)器人本體，其具有多種形態(tài)，可以是多關(guān)節(jié)機(jī)械臂或并聯(lián)機(jī)器人或機(jī)器人轉(zhuǎn)臺。所述機(jī)器人本體可以從多個方向向患者病患部位傳播電子束或光子束，并能夠結(jié)合治療床和激光束穩(wěn)定系統(tǒng)，提供筆形線束的光柵掃描。
[0035]優(yōu)選地，所述機(jī)器人本體末端設(shè)有加速器腔，激光等離子體加速器安裝于機(jī)器人本體末端的加速器腔內(nèi)。
[0036]更優(yōu)選地，所述機(jī)器人本體包括基座、回轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、第一轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)軸、臂架和第三轉(zhuǎn)軸，其中:回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)臺上，從而實現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺相對于基座即第一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動；第二轉(zhuǎn)軸連接回轉(zhuǎn)臺與臂架實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，第三轉(zhuǎn)軸連接臂架與加速器腔實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。
[0037]優(yōu)選地，所述激光束穩(wěn)定系統(tǒng)沿機(jī)器人本體內(nèi)部臂架及軸線布置，用以監(jiān)控激光束位置并糾正誤差，使得強(qiáng)激光脈沖的傳播方向始終與機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線重合。
[0038]優(yōu)選地，所述的激光等離子體加速器、真空光學(xué)系統(tǒng)、激光束穩(wěn)定系統(tǒng)均安裝在真空環(huán)境中，并且所述的機(jī)器人本體內(nèi)部為中空真空結(jié)構(gòu)，由真空泵系統(tǒng)保持其一定的真空壓力。
[0039]優(yōu)選地，電子束或光子束放射照射的時長從單脈沖照射到連續(xù)照射可控，如果快于人體的呼吸間隔則比較好，如果小于心跳間隔則更好，如果小于激光驅(qū)動脈沖的單個脈沖脈寬則最好。
[0040]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0041]本發(fā)明激光驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生能量放大的高能激光脈沖并進(jìn)一步形成強(qiáng)激光脈沖。該強(qiáng)激光脈沖沿具有中空真空結(jié)構(gòu)的機(jī)器人本體內(nèi)部被引導(dǎo)并聚焦到安裝在機(jī)器人本體末端的加速器腔內(nèi)的激光 等離子體加速器中，從而產(chǎn)生電子束。電子束聚焦系統(tǒng)把電子束導(dǎo)向到患者病患處，或在光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中產(chǎn)生高能光子束，從而進(jìn)行超高能電子束或光子束放射治療。機(jī)器人本體實現(xiàn)從多個方向向患者病患處傳播電子束或光子束。激光束穩(wěn)定系統(tǒng)監(jiān)控激光束位置并糾正誤差。
[0042]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0043]1.通過激光等離子體加速器而不是直線加速器LINAC產(chǎn)生超高能電子束，激光等離子體加速器的體積和質(zhì)量優(yōu)勢使得設(shè)備整體小型化，價格和安裝場地布置優(yōu)勢很明顯；
[0044]2.通過機(jī)器人本體實現(xiàn)多角度照射和掃描，通過機(jī)器人本體實現(xiàn)強(qiáng)脈沖激光的真空傳播；
[0045]3.可以簡易更換為通過電子束或者光子束進(jìn)行治療；
[0046]本發(fā)明的超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)更緊湊、高效、廉價，操作更簡單，比現(xiàn)有技術(shù) 的外照射放療系統(tǒng)具有更高性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0048]圖la、lb為本發(fā)明一實施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖2為圖la、Ib所示的系統(tǒng)的激光等離子體加速器的第一氣室和第二氣室的示意圖；
[0050]圖3為基于激光尾波場的電子加速機(jī)制不意圖；
[0051]圖4a、4b為圖la、Ib所不的超聞能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)的激光等離子體加速器的示意圖，包括圖2中的第一氣室和第二氣室；
[0052]圖5為微型四極永磁鐵(PMQ)的示意圖；
[0053]圖6為本發(fā)明實施例的電子束聚焦系統(tǒng)的示意圖，由三個圖5所示的四極永磁鐵(PMQ)組成；
[0054]圖7a、7b為嵌入于圖la、Ib所示的超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人本體中的真空光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；
[0055]圖8為本發(fā)明一實施例的激光束穩(wěn)定系統(tǒng)的不意圖；
[0056]圖9為本發(fā)明另一實施例通過并聯(lián)機(jī)器人的實施例示意圖。
[0057]上述圖中:
[0058]I為前端，10為低能激光脈沖，11為高能激光脈沖，12為強(qiáng)激光脈沖，13、14為反射鏡，15為離軸拋物面反射鏡；
[0059]2為激光驅(qū)動系統(tǒng)，21為放大器鏈，22為脈沖壓縮室，23為脈沖壓縮光學(xué)器件，24為真空泵系統(tǒng)，25、26為衍射光柵，27為垂直發(fā)射器，28為固定反射鏡，29為外殼；
[0060]3為激光等離子體加速器,30為氣體流量控制系統(tǒng),31為第一氣室,32為第二氣室，33為混合氣體，34為純凈氣體，35為接頭，36為動力元件，37為波紋管結(jié)構(gòu)，38為多自由度調(diào)整臺，39為激光吸收器；
[0061]4為電子束聚焦系統(tǒng),40為外殼,41為轉(zhuǎn)接器,42為磁鐵陣列，43、44為四極永磁鐵(楔形永磁鐵)，45為中心空腔，46為外空腔，47為支架，48為真空直線移動系統(tǒng)，49為直線導(dǎo)軌；
[0062]5為光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，51為軔致輻射轉(zhuǎn)換靶，52為準(zhǔn)直器；
[0063]6為機(jī)器人本體,60為基座,61為回轉(zhuǎn)臺,62為回轉(zhuǎn)驅(qū)動,63為第一轉(zhuǎn)軸,64為第二轉(zhuǎn)軸，65為臂架，66為第三轉(zhuǎn)軸，67為導(dǎo)光臂，68為回轉(zhuǎn)軸，69為并聯(lián)驅(qū)動單元；
[0064]7為激光束穩(wěn)定系統(tǒng)，70為激光源，71為校準(zhǔn)光束，72為CCD攝像頭，73為反射鏡支架，74為精密電機(jī)；
[0065]8為加速器腔，80為真空窗，81為直線導(dǎo)軌，82為基座機(jī)構(gòu)；
[0066]100為電子束，101為光子束，200為患者，201為治療床，303為細(xì)點線，304為粗點線，305為粗實線，306為細(xì)虛線，307為電子空泡，308為強(qiáng)縱向電場，309為電子軌跡，310為軌跡。
【具體實施方式】
[0067]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0068]如圖1a所示，本實施例提供一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，包括:激光驅(qū)動系統(tǒng)2、激光等離子體加速器3、電子束聚焦系統(tǒng)4、光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)5、機(jī)器人本體6和激光束穩(wěn)定系統(tǒng)7，激光驅(qū)動系統(tǒng)2產(chǎn)生能量放大的高能激光脈沖并進(jìn)一步形成強(qiáng)激光脈沖。該強(qiáng)激光脈沖沿具有中空真空結(jié)構(gòu)的機(jī)器人本體6內(nèi)部被引導(dǎo)并聚焦到安裝在機(jī)器人本體末端的加速器腔內(nèi)的激光等離子體加速器3中，從而產(chǎn)生電子束。電子束聚焦系統(tǒng)4把電子束導(dǎo)向到患者病患處，光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)5通過電子束產(chǎn)生高能光子束，從而進(jìn)行超高能電子束或 光子束放射治療。機(jī)器人本體6實現(xiàn)從多個方向向患者病患處傳播電子束或光子束。激光束穩(wěn)定系統(tǒng)7監(jiān)控激光束位置并糾正誤差。以下對涉及的各個部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0069]激光驅(qū)動系統(tǒng)2
[0070]如圖1所示，所述激光驅(qū)動系統(tǒng)2包括前端1，放大器鏈21，脈沖壓縮室22，真空泵系統(tǒng)24。前端I用于產(chǎn)生并輸出低能激光脈沖10。低能激光脈沖10進(jìn)入并通過放大器鏈21從而被放大并形成高能激光脈沖11。脈沖壓縮室22中安裝有脈沖壓縮光學(xué)器件23，放大的高能激光脈沖11在脈沖壓縮光學(xué)器件23中在時域上壓縮。脈沖壓縮室22由真空泵系統(tǒng)24抽至真空，以保持為10_3-10_4Pa的壓力。經(jīng)過脈沖壓縮室22壓縮后形成的強(qiáng)激光脈沖12傳播到安裝在所述機(jī)器人本體6末端的所述激光等離子體加速器3里。外殼29用來保護(hù)整個激光驅(qū)動系統(tǒng)2。
[0071]所述脈沖壓縮光學(xué)器件23包括一對衍射光柵25、26，一個垂直反射器27和一個固定反射鏡28，在時域上把脈沖的各種頻譜分量組合在一起。產(chǎn)生于脈沖壓縮光學(xué)器件23的輸出強(qiáng)激光脈沖12于是具有超高能量和超短脈寬，因此其能量和脈寬可以進(jìn)一步優(yōu)化來加速電子束100。
[0072]激光等離子體加速器3
[0073]如圖la、圖2和圖4a所示，所述激光等離子體加速器包括:充有混合氣體的第一氣室；充有純凈氫氣或氦氣的第二氣室；氣體流量控制系統(tǒng)。
[0074]在脈沖壓縮室22壓縮的強(qiáng)激光脈沖12在激光等離子體加速器3的入口由球面反射鏡或離軸拋物面反射鏡15聚焦。被稱作注入級的第一氣室31填充有混和氣體33，例如由98%氦氣和2%氮?dú)饨M成的氦氮混合氣體。被稱作加速級的第二氣室32填充有如氫氣或氦氣的純凈氣體34。這些氣體在氣體流量控制系統(tǒng)30的控制下分別以不同的壓力通過接頭35傳播到激光等離子體加速器3。第二氣室32的長度可由動力元件36驅(qū)動波紋管結(jié)構(gòu)37來調(diào)整。
[0075]如圖4a所示，激光等離子體加速器3安裝在多自由度調(diào)整臺38上方，例如商品化的Hexapod六軸精密平臺。激光等離子體加速器3與強(qiáng)激光脈沖12的位姿對準(zhǔn)通過多自由度調(diào)整臺38來完成。穿過激光等離子體加速器3的殘余的強(qiáng)激光脈沖12最后被安裝在多自由度調(diào)整臺38底部的激光吸收器39吸收。
[0076]如圖2和圖4a所示，在第一氣室31中，所述的強(qiáng)激光脈沖12激發(fā)大振幅等離子體尾波場，其中的加速電場可以捕獲等離子體內(nèi)層電子并用電離誘導(dǎo)注入加速電子。強(qiáng)激光脈沖12在第二氣室32中產(chǎn)生100GV/m量級的等離子體尾波場。在第一氣室31中預(yù)加速的電子束100在第二氣室32中被進(jìn)一步加速到IGeV級別。
[0077]圖3說明了尾波場激發(fā)和在尾波場中捕獲并加速電子的物理過程300。當(dāng)強(qiáng)激光脈沖12在第一氣室31的中性混合氣體33中傳播時該產(chǎn)生尾波場。圖3中，等離子體電子密度變化曲線表示在上部的圖301中，激發(fā)的縱向尾場表示在下部302中。
[0078]如圖3中部的300所示，氦和直到N5+的外層電子在光強(qiáng)為1.5X1016ff/cm2的強(qiáng)激光脈沖12前沿完全電離并在強(qiáng)激光脈沖12外圍形成等離子體電子，強(qiáng)激光脈沖12的邊界在圖中用細(xì)點線303表示。由于N6+和N7+的兩個內(nèi)殼層(K殼層)電子需要用光強(qiáng)高于lX1019ff/cm2的激光電離，因此內(nèi)殼層電子僅在強(qiáng)激光脈沖12的峰值光強(qiáng)附近電離。具有歸一化激光場(a0 ^ 0.855X IO-9Iv2[W/cm2] λ L[ μ m] = 2，其中 I [ff/cm2]為光強(qiáng)，λ L[ μ m]為激光波長)的強(qiáng)激光 脈沖12的強(qiáng)度圖用粗點線304表示。在圖上部的301中，粗實線305表示沿傳播軸的氮電離進(jìn)展程度(已電離的氦原子的電子數(shù)量)。包括電離自N6+和N7+的內(nèi)殼層電子的等離子區(qū)域的邊界用細(xì)虛線306表示。
[0079]在細(xì)點線303邊界內(nèi)的等離子體電子被相對強(qiáng)度為aPM的強(qiáng)激光脈沖12的輻射壓力(有質(zhì)動力)推開，并在激光脈沖后面形成一個窄電子鞘包圍著類球形的離子區(qū)，也經(jīng)常被稱作電子空泡307。這種電荷分離產(chǎn)生100GV/m量級的強(qiáng)縱向電場308，等離子體電子密度為1018cm_3，比常規(guī)的射頻加速器的加速電場在幅值上高三個數(shù)量級。在電子空泡307中，電子同時承受著強(qiáng)聚焦力。因此，一旦電子束100被捕獲到電子空泡307中，它們會被迅速的在Icm的長度內(nèi)加速到IGeV級別的高能。
[0080]所述的電離自N6+和N7+的內(nèi)殼層電子靠近電子空泡中心，在這里尾波勢能具有最大值，激光脈沖的有質(zhì)動力最小。預(yù)電離的自由電子的軌跡多是沿電子空泡外部的窄鞘運(yùn)動，相反地，電離自內(nèi)殼層的電子靠近電子空泡軸移動到電子空泡尾部，那里尾波勢能最小，如果電子獲得足夠的動能，它們最后將被捕獲進(jìn)尾波場，如電子軌跡309所示。但是軌跡310所示的電子，偏離軸向并且電離較早，會滑離勢阱不會被捕獲。這個被稱作電離誘導(dǎo)注入的機(jī)制在強(qiáng)度低至混和氣體的內(nèi)殼層電子的光場電離閾值時均可發(fā)生，并且極大的增加捕獲電荷。由于捕獲發(fā)生在靠近空泡軸附近，相比于源自電子鞘的自由注入，振蕩的幅度在捕獲后有所降低。參考電離誘導(dǎo)注入的理論分析，為了捕獲在激光電場的峰值處電離的
電子，最小的激光強(qiáng)度必須為1-其中匕=(1-A) 2為洛侖茲因子，βρ為等離
子體尾波的相速度。為使電子在激光包絡(luò)前端被捕獲，強(qiáng)度必須％ ^ 1.23，此時Yp = 33。[0081]電子束聚焦系統(tǒng)4和光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)5
[0082]如圖1a和圖4a所示，所述電子束聚焦系統(tǒng)4具有提供薄層筆形波束輸出的部件，該部件采用四極永磁鐵陣列。從激光等離子體加速器3輸出的電子束100通過電子束聚焦系統(tǒng)4的四極永磁鐵陣列準(zhǔn)直后傳播至患者200的病患處，形成薄層筆形波束。該電子束聚焦系統(tǒng)4安裝在等離子體加速器3外部的轉(zhuǎn)接器41中，電子束聚焦系統(tǒng)4在不破壞等離子體加速器3的真空情況下可進(jìn)行伸縮。
[0083]圖5展示四極永磁鐵陣列結(jié)構(gòu)，由12塊對稱布置的Halbach型四極永磁鐵(PMQ) 43,44組成磁鐵陣列42，包括中心空腔45和外空腔46，以及支架47用于支撐和定位。
[0084]四極磁場是由四個具有高剩磁材料的徑向楔形永磁鐵43組成，其如Nd2Fe14B或SmCO等，其磁化方向由箭頭表示。外磁場閉合由另外八個楔形永磁鐵44形成。由于四個主要楔形塊被強(qiáng)烈吸向四極中心，必須借由非磁材料精密空心圓柱插入磁鐵陣列42的中心空腔45和外空腔46來獲得機(jī)械位置精度和磁場準(zhǔn)確性。
[0085]如圖6所示，電子束聚焦系統(tǒng)4包括兩或三組磁鐵陣列42。如圖5所示，二維Halbach型四極永磁鐵(PMQ)的磁場梯度為B’ = 2Br (r^-r?！?)，其中Br為尖端場強(qiáng)度，巧為內(nèi)孔半徑，r。為PMQ的外半徑。對于PM為N50級的釹鐵硼型稀土磁鐵(Nd2Fe14B)，如果Br = 1.45T ? Ti = 2.5mm,可得磁場梯度為 B，= 1160 [T/m] (1-2.5/r0[mm])。
[0086]如圖6所示，安裝在電子束聚焦系統(tǒng)4外殼40內(nèi)的兩或三組磁鐵陣列42，組成雙元組(FD)或三元組(FDF)結(jié)構(gòu)。真空直線移動系統(tǒng)48與直線導(dǎo)軌49均與電子束100縱軸向平行且都固定在外殼40內(nèi)部，所有磁鐵陣列42均穿過并且可以沿直線導(dǎo)軌49直線移動。直線移動系統(tǒng)48的數(shù)量與磁鐵陣列42的數(shù)量一致，并且每個直線移動系統(tǒng)48只控制一個且不同的磁鐵陣列42沿電子束100縱軸向的位置，由計算機(jī)分別調(diào)整并優(yōu)化。直線導(dǎo)軌49保證磁鐵陣列42的結(jié)構(gòu)對齊及剛度。
[0087]如圖1b和圖4b所示，光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)5包括安裝在其內(nèi)部的軔致輻射轉(zhuǎn)換靶51和準(zhǔn)直器52，由激光等離子體加速器3產(chǎn)生的電子束101入射到軔致輻射轉(zhuǎn)換靶51和準(zhǔn)直器52產(chǎn)生光子束101。光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)5與電子束聚焦系統(tǒng)4可以通過簡易方式拆裝并更換使用。
[0088]機(jī)器人本體6和加速器腔8
[0089]來自脈沖壓縮室22的強(qiáng)激光脈沖12通過機(jī)器人本體6傳播至安裝在機(jī)器人本體6末端的加速器腔8中，進(jìn)而聚焦到激光等離子體加速器3的入口，最終產(chǎn)生電子束100或光子束101。機(jī)器人本體6能夠操控并調(diào)整電子束100或光子束101的位置及姿態(tài)實現(xiàn)對患者200的放射性治療。同時，在治療床201的運(yùn)動配合下，機(jī)器人本體6也能夠操控所述電子束100實現(xiàn)精細(xì)掃描治療。
[0090]激光束穩(wěn)定系統(tǒng)7沿機(jī)器人本體6內(nèi)部臂架及軸線布置，使得強(qiáng)激光脈沖12的傳播方向始終與機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線重合。機(jī)器人本體6的內(nèi)部為中空真空結(jié)構(gòu)，由真空泵系統(tǒng)24抽至真空，以保持為10_3-10_4Pa的壓力。
[0091]機(jī)器人本體6具有多種形態(tài)。圖1a是使用多關(guān)節(jié)機(jī)械臂實現(xiàn)機(jī)器人本體6的示意圖。圖9是通過并聯(lián)機(jī)器人方式實現(xiàn)機(jī)器人本體6的示意圖。
[0092]如圖1a所示，所述的機(jī)器人本體6包括基座60，回轉(zhuǎn)臺61，回轉(zhuǎn)驅(qū)動62，第一轉(zhuǎn)軸63，第二轉(zhuǎn)軸64，臂架65，第三轉(zhuǎn)軸66。其中回轉(zhuǎn)驅(qū)動62安裝在回轉(zhuǎn)臺61上，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺61相對于基座60也就是第一轉(zhuǎn)軸63的轉(zhuǎn)動。第二轉(zhuǎn)軸64連接回轉(zhuǎn)臺61與臂架65實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，第三轉(zhuǎn)軸66連接臂架65與加速器腔8實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。第二轉(zhuǎn)軸64與第三轉(zhuǎn)軸66都采取外置的類似62的驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)具體實現(xiàn)，轉(zhuǎn)軸的數(shù)量可以增加或減少，本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不局限于此。
[0093]圖9顯示另一種并聯(lián)機(jī)器人方式實現(xiàn)的機(jī)器人本體6。通過多個臂架65和回轉(zhuǎn)軸68的反復(fù)串聯(lián)形成導(dǎo)光臂67，并在導(dǎo)光臂67兩端分別與脈沖壓縮室22和加速器腔8連接形成彼此連通的內(nèi)部中空真空結(jié)構(gòu)，由真空泵系統(tǒng)24抽至真空，以保持為10_3-10_4Pa的壓力。多個并聯(lián)驅(qū)動單元69安裝在加速器腔8外部，可以通過商品化的電動推桿等動力元件進(jìn)行實現(xiàn)。通過控制并聯(lián)驅(qū)動單元69的相對長度實現(xiàn)對加速器腔8，也就是電子束100或光子數(shù)101，相對于患者200的位置及姿態(tài)調(diào)整。根據(jù)具體實現(xiàn)，臂架65，回轉(zhuǎn)軸68，以及并聯(lián)驅(qū)動單元69的數(shù)量可以不同，本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不局限于此。
[0094]如圖1a和圖4a所示，加速器腔8安裝在機(jī)器人本體6的末端。加速器腔8內(nèi)部主要有直線導(dǎo)軌81，基座結(jié)構(gòu)82，真空窗80，反射鏡14，離軸拋物面反射鏡15，激光等離子體加速器3，多自由度調(diào)整臺38和激光吸收器39。其中基座結(jié)構(gòu)82固定在加速器腔8內(nèi)部，直線導(dǎo)軌81安裝在基座結(jié)構(gòu)82上，由此防止直線導(dǎo)軌81在加速器腔8抽至真空時變形。反射鏡14，離軸拋物面反射鏡15，激光等離子體加速器3，多自由度調(diào)整臺38和激光吸收器39均同軸方式安裝在直線導(dǎo)軌81上，使得橫向和縱向?qū)R容易調(diào)節(jié)并確保精度。其中反射鏡14位于強(qiáng)脈沖激光12的入口對面，離軸拋物面反射鏡15位于加速器腔8的頂部，激光等離子體加速器3安裝在多自由度調(diào)整臺38的上方，激光吸收器39安裝在多自由度調(diào)整臺38的底部，激光等離子體加速器3和多自由度調(diào)整臺38以及激光吸收器39共同位于加速器腔8的底部，強(qiáng)脈沖激光12進(jìn)入加速器腔8后由放射鏡14反射到離軸拋物面反射鏡15并在激光等離子體加速器3的入口處聚焦。真空窗80安裝在加速器腔8底部出口，以把真空光學(xué)系統(tǒng)和激光 等離子體加速器3相對于外部空氣和患者200分隔開。因為角度的明顯擴(kuò)散將影響光束性能和臨床準(zhǔn)確度，真空窗80使用例如鈹?shù)鹊驮有驍?shù)元素的薄箔。
[0095]激光束穩(wěn)定系統(tǒng)7
[0096]由于機(jī)器人本體6的運(yùn)動和彈性形變導(dǎo)致的真空光學(xué)系統(tǒng)的偏準(zhǔn)可通過激光束穩(wěn)定系統(tǒng)7進(jìn)行糾正，如圖1a和圖8所示。強(qiáng)激光脈沖12在脈沖壓縮室22內(nèi)從固定反射鏡28傳輸?shù)接煞瓷溏R13、14和離軸拋物面反射鏡15等組成的真空光學(xué)系統(tǒng)后到達(dá)激光等離子體加速器3的入口。反射鏡13用于調(diào)整強(qiáng)脈沖激光12的傳播方向，與強(qiáng)脈沖激光12的傳播軸成45度角布置。例如氦氖激光的激光源70提供校準(zhǔn)光束71。使用CCD攝像頭72檢測各個反射鏡透射出來的校準(zhǔn)光束71的位置。通常，一旦機(jī)器人本體6的運(yùn)動或彈性形變導(dǎo)致校準(zhǔn)光束71在某個反射鏡處有位移，該反射鏡將會通過集成在反射鏡支架73上的兩個或三個精密電機(jī)74，例如壓電電機(jī)，來調(diào)整其自身的位置和姿態(tài)，以保證強(qiáng)脈沖激光12能夠準(zhǔn)確的對焦到激光等離子體加速器3的入口，如圖7a和7b所示。這個檢測激光束在每個反射鏡上的位置然后校正相應(yīng)反射鏡的位置和姿態(tài)的過程將一直被重復(fù)直至激光束似直穩(wěn)定。
[0097]在本發(fā)明的激光等離子體加速器驅(qū)動的超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)的具體實施例中，根據(jù)具體要求，提供了不同電子束能量，例如:50兆電子伏、100兆電子伏、150兆電子伏、200兆電子伏和250兆電子伏。電子束電量的要求是由放射治療計劃決定的，例如，IOcc肺腫瘤的治療需要100兆電子伏電子在I秒內(nèi)10戈瑞的劑量。由此可以推算出包括強(qiáng)激光脈沖12的波長或能量，以及激光等離子體加速器3在內(nèi)的各種具體參數(shù)要求。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不局限于具體的技術(shù)參數(shù)配置。
[0098]以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì) 內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，包括以下部分: 激光驅(qū)動系統(tǒng)，形成強(qiáng)激光脈沖； 激光等離子體加速器，激光驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)激光脈沖被引導(dǎo)并聚焦到激光等離子體加速器，從而產(chǎn)生電子束； 電子束聚焦系統(tǒng)，用于將來自激光等離子體加速器的電子束導(dǎo)向到患者病患處，從而進(jìn)行超聞能電子束放療； 光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，用于把來自激光等離子體加速器的電子束產(chǎn)生治療用的高能光子束； 機(jī)器人本體，其內(nèi)設(shè)有真空光學(xué)系統(tǒng)，所述強(qiáng)激光脈沖在真空光學(xué)系統(tǒng)中被引導(dǎo)并聚焦到上述激光等離子體加速器； 激光束穩(wěn)定系統(tǒng)，在真空光學(xué)系統(tǒng)中監(jiān)控激光束位置并糾正它們的誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述激光等離子體加速器包括: 充有混合氣體的第一氣室，用來電離氣體產(chǎn)生等離子體和電子； 充有純凈氫氣或氦氣的第二氣室，用來加速電子； 氣體流量控制系統(tǒng)； 激光驅(qū)動系統(tǒng)輸出的強(qiáng)激光脈沖由球面反射鏡或離軸拋物面反射鏡聚焦后進(jìn)入激光等離子體加速器，強(qiáng)激光脈沖在第一氣室電離混合氣體產(chǎn)生等離子體和電子、強(qiáng)激光脈沖在第二氣室繼續(xù)產(chǎn)生并加速電子，氣體流量控制系統(tǒng)分別以不同的壓力控制并輸送氣體進(jìn)入第一氣室和第二氣室中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述激光等離子體加速器的第二氣室長度由動力元件驅(qū)動波紋管結(jié)構(gòu)來調(diào)整以控制電子束能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述激光等離子體加速器的位姿對準(zhǔn)通過多自由度調(diào)整臺來完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述電子束聚焦系統(tǒng)具有提供薄層筆形波束輸出的四極永磁鐵陣列結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述電子束聚焦系統(tǒng)在不破壞等離子體加速器的真空情況下可進(jìn)行伸縮。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述電子束聚焦系統(tǒng) 和光子束瞄準(zhǔn)系統(tǒng)為可拆卸安裝方式，方便拆裝和更換使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)器人本體末端設(shè)有加速器腔，激光等離子體加速器安裝于加速器腔內(nèi)，來自激光驅(qū)動系統(tǒng)的強(qiáng)激光脈沖通過機(jī)器人本體傳播至加速器腔中，進(jìn)而聚焦到激光等離子體加速器的入口，最終產(chǎn)生電子束或光子束。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)器人本體是多關(guān)節(jié)機(jī)械臂或并聯(lián)機(jī)器人或機(jī)器人轉(zhuǎn)臺，所述機(jī)器人本體可以從多個方向向患者病患部位傳播電子束或光子束，并能夠結(jié)合治療床和激光束穩(wěn)定系統(tǒng)，提供筆形線束的光柵掃描。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述激光束穩(wěn)定系統(tǒng)沿機(jī)器人本體內(nèi)部臂架及軸線布置，用以監(jiān)控激光束位置并糾正誤差，使得強(qiáng)激光脈沖的傳播方向始終與機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線重合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光等離子體加速器、真空光學(xué)系統(tǒng)、激光束穩(wěn)定系統(tǒng)均安裝在真空環(huán)境中，并且所述的機(jī)器人本體內(nèi)部為中空真空結(jié)構(gòu)，由真空泵系統(tǒng)保持其一定的真空壓力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種超高能電子束或光子束放射治療機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，電子束或光子束放射照射的時長從單脈沖照射到連續(xù)照射可控，該時長快于人體的呼吸間隔，或者小于心跳間隔，或者小于激光驅(qū)動脈沖的單個脈沖脈寬。
【文檔編號】A61N5/067GK104001270SQ201410191339
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】袁建軍, 中島一久, 張偉軍, 陳黎明 申請人:上海交通大學(xué)