《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》是合肥中科離子醫學技術裝備有限公司、中國科學院電漿物理研究所於2017年10月12日申請的專利，該專利申請號為2017109485444，公布號為CN107596579A，公布日為2018年1月19日，發明人是宋雲濤、鄭金星、楊慶喜、陳永華、馮漢升、劉璐、李君君、丁開忠、陳根、王鵬彧、魏江華。
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》公開一種基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，包括超導回旋加速器系統、能量選擇系統、束流輸運系統、固定治療室子系統和旋轉機架治療子系統；所述超導回旋加速器系統中的超導回旋加速器引出的固定能量質子束流，經能量選擇系統實現70-200兆電子伏特連續可調的質子束流，從而滿足質子治療腫瘤時射程的縱向調整；經束流輸運系統分別傳輸給固定治療室子系統和旋轉機架治療子系統；超導回旋加速器系統、能量選擇系統、束流輸運系統和治療頭協同控制，實現質子束流的橫向擴展，完成對腫瘤的適形調強治療。該發明的創新性好，實用性強，超導回旋加速器束流強度可調節，可以實現調強治療；對患者腫瘤治療的精準性、有效性、高效性有著極其重要的促進作用。
2021年6月24日，《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
（概述圖為《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統
- 公布號：CN107596579A
- 申請人：合肥中科離子醫學技術裝備有限公司、中國科學院電漿物理研究所
- 發明人：宋雲濤、鄭金星、楊慶喜、陳永華、馮漢升、劉璐、李君君、丁開忠、陳根、王鵬彧、魏江華
- 申請號：2017109485444
- 申請日：2017年10月12日
- 公布日：2018年1月19日
- 地址：安徽省合肥市高新區望江西路860號創新大廈816室
- 代理機構：北京和信華成智慧財產權代理事務所
- 代理人：胡劍輝
- Int. Cl.：A61N5/10(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
截至2017年10月，隨著癌症治療的需求上升，質子治療成為一種有效治療腫瘤的手段。質子治療具有獨特的“布拉格峰”生物學效應，在到達靶區前的路徑上劑量損失極小，質子能夠在體內某個預先設定的深度釋放其大部分能量，形成名為“布拉格峰”的能量釋放軌跡可對腫瘤區域精準治療，有效殺傷病灶。同時減少對周圍健康組織的破壞的目的，大大減少對正常細胞的損傷，提高患者治療過程中的舒適性，提高患者術後生活質量。與普通放療技術相比，質子治療具有治療範圍廣，治癒率和治療後存活率高，正常組織遭受輻射劑量減少60％，治療惡性腫瘤時間較短，有效降低健康組織輻射傷害風險。
雖然質子治療的優越性已得到世界的認可，但中國正在使用的質子治療系統主要從中國國外引進，核心技術主要依賴中國國外，採購和維護成本高，而且質子治療系統的占地面積大，建造成本高。這些原因都導致質子治療費用極高，大多數患者無法承擔治療質子治療的費用。因此掌握質子治療系統的核心技術，減少對中國國外的技術依賴，並且改進質子治療系統布局、實現治療設備的結構緊湊性，從而減少採購、維護和建造費用是降低質子治療費用的必要途徑。
申請號CN201480022491.8公開一種機載於可轉動龍門架上的具有能量選擇的緊湊的質子治療系統，其說明書附圖記載了根據相關技術的適應提供用於多個治療台的質子射束的質子放射系統的醫療設施的配置；以及配備有單室質子治療系統的醫療設施的示例性配置。
申請號CN201610616075.1一種基於回旋加速器的質子治療系統，包括質子回旋加速器及用於輸送質子回旋加速器內質子的主質子束流輸運系統，主質子束流輸運系統通過開關磁鐵將所需能量的質子分別傳輸給三條不同路徑的治療室，三條不同路徑上的治療室分別為旋轉機架治療室及設定在旋轉機架治療室兩側的水平束及垂直束雙固定束治療室和水平束及傾斜束雙固定束治療室。
申請號CN201610617089.5一種錯位布置的雙固定室雙束照射的質子治療系統，所述質子治療系統包括順序連線的如下裝置：質子回旋加速器、質子束流輸運系統、雙固定束治療室。
上述公開技術主要有以下不足之處：體積、占地面積大，沒有對人員、環境的輻射保護；對腫瘤患者的精準定位、治療準備時間、治療效率有待提高等。
發明內容
專利目的
截至2017年10月，質子治療系統占地面積大，花費高，而且主要核心部件仍在依賴中國國外技術。為解決這些問題，《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》提出一種基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統。
技術方案
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》通過以下技術方案實現：
基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，包括超導回旋加速器系統、能量選擇系統、束流輸運系統、固定治療室子系統和旋轉機架治療子系統；所述超導回旋加速器系統的超導回旋加速器引出的固定能量質子束流，經能量選擇系統後實現從70兆電子伏特到200兆電子伏特連續可調的質子束流，從而滿足質子治療腫瘤時射程的縱向調整，再經束流輸運系統分別傳輸給固定治療室子系統和旋轉機架治療子系統；超導回旋加速器系統、能量選擇系統、束流輸運系統和治療頭協同控制，實現質子束流的橫向擴展，完成對腫瘤的適形調強治療。
所述的超導回旋加速器，包括超導磁體系統、高頻系統、離子源系統、中心區、引出區、磁鐵單元和診斷單元組成；
所述的超導磁體系統包括：強磁場超導磁體、超導線圈終端箱、超導磁體調節結構；所述的強磁場超導磁體呈圓周型，布置於諧振腔的外圍，可以提供質子加速過程中的磁場，所述的超導磁體線圈終端箱與超導磁體連線，為超導磁體提供工作所需的低溫環境，所述的超導磁體調節結構包括十二根調節拉桿，分別均勻布置於超導磁體的上下表面和圓周側面，可以調節線圈中平面位置。
所述的高頻系統包括：高頻諧振腔、高頻諧振腔調諧桿。所述的高頻諧振腔呈中心對稱的螺旋扇形，布置於磁極之間，能夠為粒子提供加速電壓；所述的高頻諧振腔調諧桿對稱安裝於高頻諧振腔的上表面和下表面，上下表面各有兩個調諧桿，能夠對諧振頻率進行微調。
所述的離子源系統由熱陰極離子源、離子源支撐及導軌組成。熱陰極離子源沿超導回旋加速器下鐵軛中心軸深入中心區，藉助離子源支撐及導軌進行導向和固定，為超導回旋加速器提供被加速的粒子。
所述的中心區採用的是一種流強可調式中心區結構（包括DEE板、假DEE、豎直擋板、偏轉電極、豎直電極柱和離子源），用於將粒子從內離子源中引出，選擇其中運動狀態較理想的一部分粒子進行加速，而且可以根據需要調節中心區束流流強的大小，結構簡單，控制方便。
所述的引出區包括可調式束流偏轉機構和磁通道系統。所述的可調式束流偏轉機構包括徑向調節機構、支撐機構、靜電偏轉板本體和真空高壓饋入機構。所述的徑向調節機構包括固定底座、絲槓和活動塊。所述的支撐機構包括上下安裝板和中間支柱。所述的靜電偏轉板本體包括殼體、高壓電極和切割板等。所述的真空高壓饋入機構包括高壓電纜、陶瓷絕緣套管、彈性導電端子和導電銷等。所述的磁通道系統包括MC1、MC2、MC3，MC4。所述的磁鐵單元包括磁軛、舉升液壓缸和磁極。所述的磁軛包括上鐵軛蓋板、上鐵軛腰、下鐵軛腰和下鐵軛蓋板。所述的診斷單元包括中心區束流診斷、加速區束流診斷、引出區束流診斷和引出參考點束流診斷。
所述的流強可調式中心區結構能選擇出運動狀態較理想的一部分粒子進行加速，並可以根據需要調節中心區束流流強大小。所述的可調式束流偏轉機構能使靜電偏轉板根據束流調整需要實現整體徑向移動。
所述的引出區提供了一種可調式束流偏轉機構和磁通道系統。可調式束流偏轉機構能夠將束流從超導回旋加速器迴旋軌道偏離引出。磁通道系統能通過自身產生的磁場作用於質子，對質子進行角度偏轉直到引出。
所述的診斷單元的發明能夠測量中心區、加速區、引出區和引出參考點處的束流位置、流強等信息，並能在束流引出端末尾吸收阻擋束流。
所述的超導回旋加速器系統引出的質子束流能量為200兆電子伏特，在治療腫瘤需要根據治療深度，通過能量選擇系統來調節束流能量，實現射程的調節；
所述的能量選擇系統由不同厚度的石墨降能器、準直器、選擇狹縫所組成，系統中還包括了粒子光學所需的各種磁鐵與相應的束流檢測設備、束流阻斷器等設備。當質子通過石墨層時，石墨厚度大則降低的能量大，用不同的厚度就可以得到不同的降能。當超導回旋加速器引出的200兆電子伏特固定能量進入能量選擇系統，通過調節降能器的不同厚度，就可以在輸出得到從70兆電子伏特到200兆電子伏特連續可調的不同能量質子束流送入治療頭。此外，入射的質子束流在通過降能器時產生散射，造成束流能量、空間位置和運動方向的離散分布，能量的分布即能散度，空間位置和運動方向的分布即發散度。粒子在穿過材料的過程中，也會發生核反應，產生次級粒子，造成一定的粒子損失和輻射，需要考慮一定的輻射禁止措施。為了保證輸出的質子束流滿足所要求的發散度和能散度，在系統中有相應的束流光學設備，即準直約束設備，如準直器、選擇狹縫等；所述的降能器用於降低束流能量，獲得治療所需能量的束流；所述的準直器通過降能器後的束流由於散射出現束流分散的現象，依靠準直器的物理限制手段，將束流的屬性控制在可接受的範圍內；所述的選擇狹縫用於質子在通過降能器的時候出現能量離散，能量不同的粒子在通過二極磁鐵偏轉的過程中，在水平方向出現束流包絡半徑的增大，通過選擇狹縫的物理限制手段，將與所需能量偏差過大的粒子禁止；所述的束流檢測設備，採用多絲電離室（MWIC）的方式，對束流的中心位置、束流強度、束流發散度進行測量的設備，並反饋信號給輸運線中的校正磁鐵，保持束流位置的準確。
所述的束流輸運系統用於傳輸與控制質子束流，質子束流經能連選擇系統之後，採用獨有的63度30度二極鐵偏轉組合，形成緊湊的輸運線磁鐵布局，將所需能量的質子束流分別傳輸給兩條不同路徑的治療子系統，兩條不同路徑的治療室分別為固定治療室子系統和旋轉機架治療子系統；所述的質子束流傳輸路徑中，根據需要布置有二極鐵、四極鐵和校正磁鐵，分別用於質子束流的偏轉、聚焦和軌道校正；束流阻斷器作為束流輸運線安全系統的一個重要部件，具有專用執行部件的管理敏感器，如限位開關，它會實時監測束流阻斷器執行部件的工作狀態；當上層控制系統接受到一個非正常的束流輸入信號時，其能夠做出及時回響，採用機械方法迅速斷開束流。
所述的束流輸運系統的二極鐵、四極鐵主要是根據不同的質子束流能量，切換不同的場強大小，實現束流的偏轉和聚集，其中物理參數場強大小和均勻度是實現束流傳輸的關鍵。所述的二極鐵包括為其供電的二極鐵電源；所述的四極鐵包括為其供電的四極鐵電源；所述的二極鐵電源、四極鐵電源根據治療端治療需求，由輸運線控制系統要求調整電源輸出電流；所述的電源電流給二極鐵和四極鐵線圈勵磁，由對應線圈產生勵磁磁場，鐵芯增大場強並改善好場區內部磁場均勻度分布，從而二極鐵、四極鐵分別產生二極場和四極梯度場；所述的二極磁場和四極磁場，在質子束流經過好場區時，會受到洛倫茲力的作用，從而分別產生偏轉和聚焦的效果；根據治療端控制需要，在質子束流的能量發生快速切換過程中，對應二極鐵電源和四極鐵電源需要快速回響，實現輸出電流的快速切換；所述的二極鐵和四極鐵在勵磁電流發生切換後，二極鐵和四極磁場場強大小也實現快速切換，以滿足不同的質子束流能量需求。
所述的旋轉機架治療子系統包括旋轉治療系統、患者定位系統、定位控制設備、成像控制設備、治療信息顯示系統；所述的旋轉治療系統包括旋轉治療頭、成像設備；所述的患者定位系統包括柔性機械臂、碳纖維床；所述的旋轉治療頭能夠將束流輸運系統中的能量通過控制系統精確地放射到病患的腫瘤區域；所述的成像設備能夠將患者的腫瘤信息實時反饋到治療系統，實時調整治療的劑量和位置；所述的患者定位系統能夠將患者精確運送至治療位置；所述的碳纖維床能夠實現高能射線的超低損失的穿透，能夠最大精度的控制治療過程。《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》工作時，腫瘤患者躺在碳纖維床上，柔性機械臂和碳纖維床組成的患者定位系統將患者精確運送到治療區域，醫生通過成像系統對患者腫瘤進行精確定位，360旋轉的治療頭將腫瘤治療所需的劑量從腫瘤的四周均勻射入，大大降低對正常組織的損傷；病患治療完成後，患者定位系統能夠將患者從治療姿態運送至停靠姿態，使得患者能夠輕鬆上下床。
有益效果
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》超導回旋加速器束流強度可調節，可以實現調強治療；緊湊型的內置離子源，減少了體積和費用；緊湊的占地面積，降低了結構成本並提高了服務性能；沒有常溫電磁鐵所引起的高能耗和高散熱問題；通過合理設計加速區DEE板和假DEE的幾何形狀使得束流能滿足不滑相、快速中心化等要求。《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》能夠篩選出運動狀態理想的粒子，改善束流品質，可以根據需要調節流強大小，結構簡單，控制方便；能夠根據束流調整需要實現靜電偏轉板的整體徑向移動，方便靈活；在束流引出端的末尾採用束流負載來吸收阻擋束流，避免對人員、環境的輻射損害。
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》超導回旋加速器引出的200兆電子伏特固定能量進入能量選擇系統，通過調節降能器的不同厚度，可以實現從70兆電子伏特到200兆電子伏特連續可調的質子束流；束流輸運系統採用獨有的63度30度二極鐵偏轉組合，形成緊湊的輸運線磁鐵布局；旋轉機架主體結構採取變直徑圓筒捲曲結構，整體結構緊湊；旋轉機架驅動結構採取雙主驅動齒輪、單從驅動齒輪，採用位置全閉環控制系統可實現高精度旋轉定位；旋轉機架安全控制系統採取多方位檢測的方式，在治療頭、CBCT裝置等關鍵設備處均設定相應的位置信號反饋裝置，保證整體運行的安全可靠。
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》旋轉機架治療子系統，能夠通過柔性機械臂、碳纖維治療床和成像系統的聯合作用，快速對腫瘤患者進行精準定位，大大降低治療準備時間，提高治療效率；通過患者定位系統對患者進行初定位後，直接使用成像設備對患者腫瘤進行成像，將成像結果反饋到治療系統中，治療系統通過該結果直接精確定位和治療，避免傳統患者成像和治療分開時的二次定位所帶來的治療不精確的問題，大大提高了腫瘤治療的精準性；通過旋轉治療頭將腫瘤治療所需的劑量從腫瘤的四周的人體皮膚上均勻射入人體，將劑量分散開，避免傳統放療中集中一點進行放射所帶來的對正常組織細胞的巨大損傷，大大降低了治療所帶來的副作用，能夠極大提高患者術後生活質量。
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》的創新性好，實用性強，能夠有效地解決截至2017年10月腫瘤治療中腫瘤定位不精準、治療過程長、患者術後生活質量差等問題，對患者腫瘤治療的精準性、有效性、高效性有著極其重要的促進作用。
附圖說明
圖1是提供用於雙室的質子放射系統的醫療設施的布局示意圖；
圖2是《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》中超導回旋加速器結構示意圖；
圖3是《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》中超導回旋加速器局部結構放大示意圖；
圖4為超導回旋加速器磁鐵單元結構示意圖；
圖5為超導回旋加速器加速區結構示意圖；
圖6是質子放射系統束流輸運系統示意圖；
圖7是旋轉機架治療端示意圖；
圖8是用於質子治療系統旋轉機架治療子系統示意圖；
其中：10.超導回旋加速器；11.固定治療室子系統；12.旋轉機架治療子系統；101.中心區；1011.DEE板；1012.假DEE；1014.豎直電極柱；1015.豎直擋板；1016.偏轉電極；102.磁鐵單元；1021.上鐵軛蓋板；1022.上鐵軛腰；1023.下鐵軛腰；1024.下鐵軛蓋板；1025.舉升液壓缸；1026.磁極；103.可調式束流偏轉機構；1031.徑向調節機構；10311.固定底座；10312.絲槓；10313.活動塊；1032.支撐機構；10321.上下安裝板；10322.中間支柱；1033.靜電偏轉板本體；10331.殼體；10332.高壓電極；10333.切割板；1034.真空高壓饋入機構；104.磁通道系統；1041.MC1；1042.MC2；1043.MC3；1044.MC4；105.診斷單元；1051.中心區束流診斷；1052.加速區束流診斷；1053.引出區束流診斷；1054.引出參考點束流診斷；1061.高頻諧振腔；1062.高頻諧振腔調諧桿；1071.熱陰極離子源；1072.離子源支撐及導軌；1081.強磁場超導磁體；1082.超導線圈終端箱；1083.超導磁體調節結構；12101.第一聚焦四極鐵；12111.第二聚焦四極鐵；12102.第一63度偏轉二極鐵；12103.第二63度偏轉二極鐵；12104.第一30度偏轉二極鐵；12105.第二30度偏轉二極鐵；12106.第三30度偏轉二極鐵；12107.第四30度偏轉二極鐵；12108.第一60度偏轉二極鐵；12109.第二60度偏轉二極鐵；12110.90度偏轉二極鐵；122.降能器；1221.多絲電離室；1231第一準直器；1232第二準直器；124.限制狹縫；1251.第一束流阻斷器；1252.第二束流阻斷器；1253.第三束流阻斷器；1254.第四束流阻斷器；1255.第五束流阻斷器；1261.第一真空窗；1262.第二真空窗；127.旋轉機架；1271.雙主驅動齒輪；1272.單從驅動齒輪；1273.位置編碼器；1274.CBCT裝置；1281.固定治療頭；1282.旋轉治療頭；12901.校正磁鐵；12902.相位探頭；1312.平板接收器；1313.成像球管；1314.柔性機械臂；1315.碳纖維治療床；1316.可移動式手柄；1317.治療信息顯示系統；1318.成像控制設備。
技術領域
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》屬於醫療設備領域，具體涉及一種基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統。
權利要求
1.基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，包括超導回旋加速器系統、能量選擇系統、束流輸運系統、固定治療室子系統（11）和旋轉機架治療子系統（12）；所述超導回旋加速器系統的超導回旋加速器（10）引出的固定能量質子束流，經能量選擇系統後實現從70兆電子伏特到200兆電子伏特連續可調的質子束流，從而滿足質子治療腫瘤時射程的縱向調整，再經束流輸運系統分別傳輸給固定治療室子系統（11）和旋轉機架治療子系統（12）；所述質子束流經第一63度偏轉二極鐵（12102）、限制狹縫（124），實現對質子束流的能散度進行調節；經第二63度偏轉二極鐵（12103），第一30度偏轉二極鐵（12104），將所需能量的質子束流分別傳輸給兩條不同路徑的治療子系統，一路經第二30度偏轉二極鐵（12105）到達固定治療室子系統（11），一路經第三30度偏轉二極鐵（12106）、第四30度偏轉二極鐵（12107）到達旋轉機架治療子系統（12），再經第一60度偏轉二極鐵（12108）、第二60度偏轉二極鐵（12109）、90度偏轉二極鐵（12110），到達旋轉治療頭（1282）。
2.根據權利要求1所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述超導回旋加速器（10）出口至固定治療室子系統（11）的第一真空窗（1261）之間採用真空傳輸，質子束流通過固定治療頭（1281）實現對腫瘤放射治療；超導回旋加速器（10）出口至旋轉機架治療子系統（12）的第二真空窗（1262）之間採用真空傳輸，質子束流通過旋轉治療頭（1282）實現對腫瘤放射治療；所述超導回旋加速器（10）出口處安放一個第一束流阻斷器（1251）；在固定治療室子系統（11）布置第二束流阻斷器（1252）、第三束流阻斷器（1253），在旋轉機架治療子系統（12）布置第四束流阻斷器（1254）、第五束流阻斷器（1255）。
3.根據權利要求1所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述超導回旋加速器（10）包括超導磁體系統、高頻系統、離子源系統、中心區、引出區、磁鐵單元和診斷單元組成；所述的超導磁體系統包括強磁場超導磁體（1081）、超導線圈終端箱（1082）、超導磁體調節結構（1083）；所述的高頻系統包括高頻諧振腔（1061）、高頻諧振腔調諧桿（1062），高頻諧振腔能夠為粒子提供加速電壓，並且能夠對諧振頻率進行微調；所述的離子源系統由熱陰極離子源（1071）、離子源支撐及導軌（1072）組成；所述的中心區採用的是一種流強可調式中心區結構，包括DEE板（1011）、假DEE（1012）、豎直擋板（1015）、偏轉電極（1016）、豎直電極柱（1014）；所述的引出區包括可調式束流偏轉機構（103）和磁通道系統（104）；所述的可調式束流偏轉機構（103）包括徑向調節機構（1031）、支撐機構（1032）、靜電偏轉板本體（1033）和真空高壓饋入機構（1034）；所述的磁通道系統（104）包括MC1（1041）、MC2（1042）、MC3（1043），MC4（1044）；所述的磁鐵單元（102）包括磁軛、舉升液壓缸（1025）和磁極（1026）；所述的磁軛包括上鐵軛蓋板（1021）、上鐵軛腰（1022）、下鐵軛腰（1023）和下鐵軛蓋板（1024），所述的診斷單元（105）包括中心區束流診斷（1051）、加速區束流診斷（1052）、引出區束流診斷（1053）和引出參考點束流診斷（1054）。
4.根據權利要求3所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述中心區（101）設定有三組，共六塊上下對稱的金屬板，所述的DEE板（1011）是中間的一組金屬板，所述的假DEE（1012）是兩側的兩組金屬板，固定在磁極（1026）上，所述的DEE板（1011）和假DEE（1012）之間形成四個加速間隙；所述的豎直電極柱（1014）設定在熱陰極離子源（1071）正對的第一個加速間隙附近，固定在DEE板（1011）上；所述的豎直擋板（1015）設定在粒子做迴旋運動的前幾圈軌跡上，為上下對稱的兩組，固定在假DEE（1012）上；所述的偏轉電極（1016）沿垂直方向設定在粒子前幾圈的軌跡上，為上下對稱的一組；所述的偏轉電極（1016）通過挖槽放置在DEE板（1011）上，通過在偏轉電極（1016）上加電壓，產生豎直方向的電場，使粒子偏轉，打到豎直擋板（1015）上；所述的偏轉電極（1016）不工作時和DEE板（1011）連線，上下兩塊偏轉電極（1016）和DEE板（1011）等電勢；所述的偏轉電極（1016）工作時，在上下兩塊偏轉電極（1016）上加不同電壓，產生偏轉電場；所述的豎直電極柱（1014）產生垂直熱陰極離子源（1071）口向外的電場，將粒子從熱陰極離子源（1071）內拉出，進入中心區（101）進行加速。
5.根據權利要求3所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述上鐵軛蓋板（1021）的上表面和下鐵軛蓋板（1024）的下表面上各90度對稱分布有四個超導線圈拉桿孔，在上、下鐵軛腰（1022、1023）的中平面90度分布也有四個拉桿孔，另外在上、下鐵軛腰（1022、1023）的中平面有兩個探針孔，一個束流引出孔，一個靜電偏轉板高壓饋入孔；所述的支撐機構（1032）將徑向調節機構（1031）和靜電偏轉板本體（1033）固定連線；所述的真空高壓饋入機構（1034）為靜電偏轉板本體（1033）位置可調電極提供高壓源；所述的中心區束流診斷（1051）通過離線或線上手段測量中心區前幾圈束流的位置信息；所述的加速區束流診斷（1052）通過線上手段測量加速區不同半徑處束流的位置和流強信息；所述的引出區束流診斷（1053）通過離線或線上手段分別測量引出區靜電偏轉板本體（1033）和磁通道系統（104）進出口位置的束流位置信息；所述的引出參考點束流診斷（1054）通過線上手段測量超導回旋加速器（10）束流引出端距軸心1.8米以後束流的位置、剖面、流強和相位信息。
6.根據權利要求1所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述超導回旋加速器（10）引出固定能量的質子束流，到達能量選擇及發散度控制段，在降能器（122）處形成一個雙束腰，使降能器（122）工作在最佳工作點；所述的降能器（122）前設一個多絲電離室（1221），當束流位置偏離中心時，位置偏離信號經過控制系統處理後，自動反饋給上游的校正磁鐵（12901），從而使束流位置自動穩定在中心點；所述的降能器（122）前裝有一個相位探頭（12902），測量引出束流的高頻相位，用於磁場和高頻相鎖控制，另裝有一個束流阻斷器（125），用於束流調試和運行安全。
7.根據權利要求6所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述降能器（122）通過調節楔形石墨塊在束流方向的厚度，將固定的引出束流能量調節為連續可調的能量；在降能器（122）下游設定第一準直器（1231）將大於準直孔徑、過大發射度的質子束流阻擋住；質子束流經能量選擇及發散度控制段之後到達能量及能散度控制段，在第二準直器（1232）下游設定兩個第一聚焦四極鐵（12101），將降能後的發散束流導入第一63度偏轉二極鐵（12102）進行偏轉，在第一63度偏轉二極鐵（12102）後設定兩個第二聚焦四極鐵（12111），使得兩個第二聚焦四極鐵（12111）的中間點的束流性能穩定，即形成一個束腰，使得具有能散度的質子在該點偏離徑向中心軌道的幅度最大；在該點處設定一個限制狹縫（124），由上游二極磁鐵（12102）的電流確定一個通過束流的絕對能量值，作為通過限制狹縫（124）中心的束流能量中點，通過調節限制狹縫（124）之間的間隙值。
8.根據權利要求1所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述旋轉機架治療子系統12包括旋轉機架（127）、旋轉治療頭（1282）、平板接收器（1312）、成像球管（1313）、柔性機械臂（1314）、碳纖維治療床（1315）、定位控制設備（1316）、治療信息顯示系統（1317）、成像控制設備（1318）；所述的旋轉機架（127）採取變直徑圓筒捲曲主體結構，根據旋轉機架（127）束流線的走向進行旋轉機架（127）設計，保證整體結構緊湊，並保證治療室的空間滿足治療要求；所述的旋轉機架（127）驅動系統採取雙主驅動齒輪（1271）配合單從驅動齒輪（1272），當旋轉機架（127）接收到運動指令，運動指令傳輸到位置全閉環控制系統，驅動雙主驅動齒輪（1271），帶動單從驅動齒輪（1272），實現旋轉機架（127）精準定位；旋轉治療頭（1282）和CBCT裝置（1274）固接在旋轉機架（127）上，所述的旋轉機架（127）採取多方位檢測的方式，當旋轉機架（127）轉動過程中，碳纖維治療床（1315）與旋轉治療頭（1282）、CBCT裝置（1274）產生碰撞時，位置編碼器（1273）發出緊急信號，旋轉機架（127）驅動系統立即動作，完成急停，保證旋轉治療頭（1282）和CBCT裝置（1274）安全運行。
9.根據權利要求8所述的基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統，其特徵在於，所述的旋轉治療頭（1282）能夠將束流輸運系統中的能量通過控制系統精確地放射到病患的腫瘤區域；所述的成像控制設備（1318）能夠將患者的腫瘤信息實時反饋到治療系統，實時調整治療的劑量和位置；所述的患者定位控制設備（1316）能夠將患者精確運送至治療位置；所述的碳纖維治療床（1315）能夠實現高能射線的超低損失的穿透，能夠最大精度的控制治療過程。
實施方式
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》包括超導回旋加速器系統、能量選擇系統、束流輸運系統、固定治療室子系統11和旋轉機架治療子系統12；其中，超導回旋加速器系統經超導回旋加速器10引出的質子束流，經能量選擇系統、束流輸運系統，分別到達固定治療室子系統11和旋轉機架治療子系統12。
具體地，在圖1中，超導回旋加速器10引出的固定能量質子束流，經降能器122後實現從70兆電子伏特到200兆電子伏特連續可調的質子束流，從而滿足質子治療腫瘤時射程的縱向調整；之後質子束流經第一63度偏轉二極鐵12102、限制狹縫124，實現對質子束流的能散度進行調節；經第二63度偏轉二極鐵12103、第一30度偏轉二極鐵12104，將所需能量的質子束流分別傳輸給兩條不同路徑的治療子系統，一路經第二30度偏轉二極鐵12105到達固定治療室子系統11，另一路經第三30度偏轉二極鐵12106、第四30度偏轉二極鐵12107到達旋轉機架治療子系統12，再經第一60度偏轉二極鐵12108、第二60度偏轉二極鐵12109、90度偏轉二極鐵12110，到達旋轉治療頭1282；所述的超導回旋加速器10齣口至固定治療室子系統11的第一真空窗1261之間採用真空傳輸，質子束流通過固定治療頭1281實現對腫瘤放射治療；超導回旋加速器10齣口至旋轉機架治療子系統12的第二真空窗1262之間採用真空傳輸，質子束流通過旋轉治療頭1282實現對腫瘤放射治療。
在超導回旋加速器10齣口處安放一個第一束流阻斷器1251，在發生事故時立即啟動阻擋束流傳輸到輸運線，且只作為快速離子源停束的二級安全保障；為確保百分之百安全，在固定治療室子系統11布置第二束流阻斷器1252、第三束流阻斷器1253（第二束流阻斷器1252、第三束流阻斷器1253均在固定治療室子系統11內），在旋轉機架治療子系統12布置第四束流阻斷器1254、第五束流阻斷器1255（第四束流阻斷器1254在旋轉機架治療子系統12外，第五束流阻斷器1255在旋轉機架治療子系統12內），在發生故障時進行多重切斷保護或在治療段維修時防止束流進入，保證患者在治療或其他工作人員在工作時不會接收到錯誤劑量的傷害。
如圖2所示，是超導回旋加速器10結構示意圖。所述的超導回旋加速器10主要由以下各子系統組成：超導磁體系統、低溫系統、高頻系統、離子源系統、中心區、引出區、磁鐵單元和診斷單元組成。所述的中心區的功能是用於將粒子從內離子源中引出，選擇其中運動狀態較理想的一部分粒子進行加速，並根據需要調節束流流強大小；所述的引出區功能是將加速到預定能量的束流偏轉引出到加速器外，以便將束流傳輸到各個終端，並保證儘可能高的引出效率和儘可能好的引出束流品質；所述的磁鐵單元功能是產生合適的磁場約束粒子做迴旋運動，並保證粒子迴旋頻率滿足等時性條件，束流的橫向聚焦，工作點遠離有害共振，或快速通過共振帶；所述的診斷單元功能是診斷單元用於測量束流的位置、流強等信息。其中，超導磁體系統包括：強磁場超導磁體1081、超導線圈終端箱1082、超導磁體調節結構1083。強磁場超導磁體1081呈圓周型，布置於高頻諧振腔1061的外圍，可以提供質子加速過程中的磁場，超導線圈終端箱1082與強磁場超導磁體1081連線，為超導磁體提供工作所需的低溫環境，超導磁體調節結構1083包括十二根調節拉桿，分別均勻布置於強磁場超導磁體的上下表面和圓周側面，可以調節線圈中平面位置。
高頻系統包括：高頻諧振腔1061、高頻諧振腔調諧桿1062。高頻諧振腔1061呈中心對稱的螺旋扇形，布置於磁極之間，能夠為粒子提供加速電壓。高頻諧振腔調諧桿1062對稱安裝於高頻諧振腔1061的上表面和下表面，上下表面各有兩個調諧桿，能夠對諧振頻率進行微調。
所述的離子源系統由熱陰極離子源1071、離子源支撐及導軌1072組成。熱陰極離子源1071沿超導回旋加速器下鐵軛中心軸深入中心區，藉助離子源支撐及導軌1072進行導向和固定，為超導回旋加速器10提供被加速的粒子。
在圖3、圖4、圖5中，所述的超導回旋加速器10包括中心區101、引出區（包括可調式束流偏轉機構103和磁通道系統104）、磁鐵單元102和診斷單元105。所述的中心區採用的是一種流強可調式中心區結構，包括DEE板1011、假DEE1012、豎直擋板1015、偏轉電極1016、豎直電極柱1014。所述的用於偏轉引出束流的可調式束流偏轉機構103包括徑向調節機構1031、用於支撐靜電偏轉板本體1033的支撐機構1032、靜電偏轉板本體1033和用於向靜電偏轉板本體1033饋入高壓的真空高壓饋入機構1034。所述的徑向調節機構1031包括固定底座10311、絲槓10312和活動塊10313。所述的支撐機構1032包括上下安裝板10321和中間支柱10322。所述的靜電偏轉板本體1033包括殼體10331、高壓電極10332和切割板10333等。所述的磁通道系統包括MC1 1041、MC2 1042、MC3 1043，MC4 1044。所述的磁鐵單元102包括磁軛、舉升液壓缸1025和磁極1026。所述的磁軛包括上鐵軛蓋板1021、上鐵軛腰1022、下鐵軛腰1023和下鐵軛蓋板1024。所述的診斷單元105包括中心區束流診斷1051、加速區束流診斷1052、引出區束流診斷1053和引出參考點束流診斷1054。
所述的中心區101用於將粒子從熱陰極離子源1071中引出，選擇其中運動狀態較理想的一部分粒子進行加速，而且可以根據需要調節中心區101束流流強的大小。
所述的中心區101設定有三組，共六塊上下對稱的金屬板。所述的DEE板1011是中間的一組金屬板，和主加速區的RF腔連線。所述的假DEE1012是兩側的兩組金屬板，固定在磁極1026上，相當於接地，電勢為零。所述的DEE板1011和假DEE1012之間形成四個加速間隙。
所述的豎直電極柱1014設定在熱陰極離子源1071正對的第一個加速間隙附近，固定在DEE板1011上，用於最佳化第一個加速間隙的電場分布，禁止雜散電場，使得粒子更有效地加速。
所述的豎直擋板1015設定在粒子做迴旋運動的前幾圈（一般為2至4圈）軌跡上，為上下對稱的兩組（共四塊），固定在假DEE1012上，用於阻擋掉軸向振幅較大的粒子，從而選擇出運動狀態較優的粒子，有利於最終的引出。
所述的偏轉電極1016沿垂直方向設定在粒子前幾圈（一般為2至4圈）的軌跡上，為上下對稱的一組（共兩塊）。所述的偏轉電極1016通過挖槽放置在DEE板1011上，通過在偏轉電極1016上加電壓，產生豎直方向的電場，使粒子偏轉，打到豎直擋板1015上，改變偏轉電極1016上的電壓可以改變打到豎直擋板1015上的粒子數目，從而實現流強調節。所述的偏轉電極1016不工作時和DEE板1011連線，上下兩塊偏轉電極1016和DEE板1011等電勢。所述的偏轉電極1016工作時，在上下兩塊偏轉電極1016上加不同電壓，產生偏轉電場。調整偏轉電極1016擺放的位置和大小，使得粒子能在不超過5千伏/厘米的電場下完全偏轉從而調節束流的流強。
所述的豎直電極柱1014可以產生垂直熱陰極離子源1071口向外的電場，將粒子從熱陰極離子源1071內拉出，進入中心區101進行加速。
改變所述的DEE板1011和假DEE1012在加速間隙處的輪廓形狀，使加速間隙的位置分布和寬度的設計合理，使得粒子能夠有效地加速，滿足不滑相，快速中心化等要求。
所述的上鐵軛蓋板1021的上表面和下鐵軛蓋板1024的下表面上各90度對稱分布有4個超導線圈拉桿孔，在上、下鐵軛腰1022、1023的中平面90度分布也有4個拉桿孔。另外在上、下鐵軛腰1022、1023的中平面有兩個探針孔，一個束流引出孔，一個靜電偏轉板高壓饋入孔。
所述的可調式束流偏轉機構103用於將束流從超導回旋加速器10迴旋軌道偏離引出，位於超導回旋加速器10谷區、近環形超導磁體內表面，與磁通道系統104共同組成超導回旋加速器10束流引出系統，其對超導回旋加速器10引出效率有很大的影響。
所述的徑向調節機構1031可以使可調式束流偏轉機構103根據束流調整需要實現整體徑向移動。徑向調節機構1031包括固定底座10311、絲槓10312和活動塊10313。所述的支撐機構1032將徑向調節機構1031和靜電偏轉板本體1033固定連線，支撐機構1032包括上下安裝板10321和中間支柱10322，。支撐機構1032安裝在徑向調節機構1031的活動塊10313上，轉動絲槓10312，活動塊10313及其上安裝的其它部件可以根據束流調整需要實現相對於固定底座的整體徑向移動。所述的靜電偏轉板本體1033是使束流發生偏轉的部件，靜電偏轉板本體1033包括殼體10331、高壓電極10332和切割板10333等，高壓電極10332的位置可調，高壓電極10332與切割板10333之間產生引出電場，在引出電場和超導回旋加速器10磁場的作用下，束流將在靜電偏轉板1033區域逐漸偏離迴旋軌道，隨後進入磁通道104區域。所述的真空高壓饋入機構1034即為真空導電桿，為靜電偏轉板位置可調高壓電極10332提供高壓源，包括高壓電纜、陶瓷絕緣套管、彈性導電端子和導電銷等部件。因高壓電極10332與靜電偏轉板束流切割板10333具有不同電位，它們之間的電場對束流產生電場力，使得束流軌跡發生偏轉。
所述的磁通道系統104為引出質子的關鍵部件，其布局對超導回旋加速器10引出效率有很大的影響。所述的MC1 1041由兩塊沿束流軌跡線方向的鐵塊組成，兩塊鐵塊上下對稱布置，束流從兩鐵塊中間間隙通過。所述的MC2 1042、MC3 1043、MC4 1044分別由三塊沿束流軌跡線方向設定的鐵塊組成，MC2 1042和MC4 1044的三塊鐵塊的布置方式相同，都是上下對稱的兩塊鐵塊位於束流的外側，而側表面積較大的鐵塊位於束流的內側，MC31043則恰恰相反；束流同樣從MC2 1042、MC3 1043、MC4 1043三塊鐵塊的中間間隙通過；質子通過經過靜電偏轉板1033對其角度進行偏離，然後依次進入MC1 1041、MC2 1042、MC3 1043和MC4 1044間隙中，磁通道系統104通過自身產生的磁場作用對質子進行角度偏轉直到引出，影響束流經過的磁場強度，對束流引出和引出效率有很大的影響。
所述的中心區束流診斷1051通過離線或線上手段測量中心區前幾圈束流的位置（軸向和徑向）信息。
所述的加速區束流診斷1052通過線上手段測量加速區不同半徑處束流的位置（軸向和徑向）和流強信息。為了精確地測量束流運動軌跡，在超導回旋加速器10的不同谷區都設計了探針進行多點同步測量。
所述的引出區束流診斷1053通過離線或線上手段分別測量引出區靜電偏轉板1033和磁通道104進出口位置的束流位置（軸向和徑向）信息。
所述的引出參考點束流診斷1054通過線上手段測量超導回旋加速器10束流引出端距軸心1.8米以後束流的位置、剖面、流強和相位（相對於超導回旋加速器10RF系統基頻）信息。超導回旋加速器10驗收時，在束流引出端的末尾還採用束流負載來吸收阻擋束流，避免對人員、環境的輻射損害。由於所述的引出參考點束流診斷是成品，所以在示意圖中為畫出結構，只標出了位置。
在圖6中，超導回旋加速器10引出固定能量的質子束流，到達能量選擇及發散度控制段，在降能器122處形成一個雙束腰，使降能器122工作在最佳工作點；所述的降能器122前設一個多絲電離室1221（用於檢測質子束流的位置），當束流位置偏離中心時，位置偏離信號自動反饋給上游的校正磁鐵12901，從而使束流位置自動穩定在中心點；所述的降能器122前裝有一個相位探頭12902，測量引出束流的高頻相位，用於磁場和高頻相鎖控制，另裝有第一束流阻斷器1251，用於束流調試和運行安全。
所述的降能器122通過調節楔形石墨塊在束流方向的厚度，將固定的引出束流能量調節為連續可調的能量，但隨著這個降能的過程，束流品質，尤其是發散度，出現明顯增大的現象；為保證發散後的束流在進入下游輸運線前可以降低到小於下游束流輸運線接收度的範圍內，在降能器122下游設定第一準直器1231將大於準直孔徑、過大發射度的質子束流阻擋住。
質子束流經能量選擇及發散度控制段之後到達能量及能散度控制段，在第二準直器1232下游設定兩個第一聚焦四極鐵12101，將降能後的發散束流導入第一63度偏轉二極鐵12102進行偏轉。在第一63度偏轉二極鐵12102後設定兩個第二聚焦四極鐵12111，使得兩個第二聚焦四極鐵12111的中間點的束流性能穩定，即形成一個束腰，使得具有能散度的質子在該點偏離徑向中心軌道的幅度最大；在該點處設定一個限制狹縫124，由上游第一63度偏轉二極鐵12102的電流確定一個通過束流的絕對能量值，作為通過限制狹縫124中心的束流能量中點，通過調節限制狹縫124之間的間隙值，可以達到對質子束流的能散度進行調節的目的。
在圖7中，所述的旋轉機架127採取變直徑圓筒捲曲主體結構，根據旋轉機架127束流線的走向進行旋轉機架的設計，保證整體結構緊湊，並保證治療室的空間滿足治療要求；所述的旋轉機架127驅動系統採取雙主驅動齒輪1271配合單從驅動齒輪1272，當旋轉機架127接收到運動指令，驅動雙主驅動齒輪1271，帶動單從驅動齒輪1272，實現旋轉機架127精準定位；旋轉治療頭1282和CBCT1274固接在旋轉機架127上，所述的旋轉機架127採取多方位檢測的方式，當旋轉機架127轉動過程中，碳纖維治療床1315與旋轉治療頭1282、CBCT裝置1274產生碰撞時，位置編碼器1273發出緊急信號，旋轉機架127驅動系統立即動作，完成急停，保證旋轉治療頭1282和CBCT裝置1274安全運行。
在圖8中，旋轉機架治療子系統12包括有位於治療室內的旋轉治療系統、患者定位系統、可移動式手柄1316、治療信息顯示系統1317。所述的旋轉治療系統包括旋轉治療頭1282和成像設備。所述的成像設備包括平板接收器1312、成像球管1313和成像控制設備1318。所述的成像設備1318包括成像控制伺服器、顯示屏和操作鍵盤等設備。所述的患者定位系統包括柔性機械臂1314和碳纖維治療床1315。
所述的旋轉治療頭1282和成像設備的平板接收器1312安裝在旋轉機架127上，所述的旋轉機架127能夠圍繞治療中心進行大於360度的旋轉，從而使得旋轉治療頭1282實現大於360度旋轉治療。
所述的柔性機械臂1314能夠承載碳纖維治療床1315進行多種姿態的切換，能夠實現腫瘤患者從停靠模式到特定的治療模式的快速、精準的切換。所述的碳纖維治療床1315能夠實現極高的射線穿透，使得旋轉治療頭1282能夠從碳纖維治療床1315底部對躺在碳纖維治療床1315上的腫瘤病患進行穿透式治療。
所述的患者定位系統由可移動式手柄1316進行控制，能夠方便醫生從各個角度對患者定位系統進行操作。
所述的治療信息顯示系統1317位於靠近旋轉機架127的牆壁上，能夠實時顯示患者治療過程中各種治療信息，方便醫生進行查看。所述的治療信息顯示系統1317為醫用顯示器顯示治療過程中的重要的治療信息。
所述的成像控制設備1318位於治療室中遠離旋轉機架區域，能夠在對患者進行腫瘤成像的同時最大限度的保護醫生，使得醫生所收到的輻射劑量控制在安全範圍內。
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》工作時，柔性機械臂1314和碳纖維治療床1315組成的患者定位系統處於停靠模式，在該模式下，腫瘤患者能夠輕鬆的上床進行平躺，進入治療準備階段。醫生等操作人員通過定位控制設備1316使用患者定位系統將患者運送到治療所需的初步姿態，並通過成像控制設備1318對成像球管1313和平板接收器1312進行操作，獲取患者腫瘤影像，並傳送給治療系統。該過程中的一些治療信息由治療信息顯示系統1317進行顯示。治療系統根據腫瘤影響對患者進行精確定位，治療系統控制旋轉治療頭1282對患者腫瘤適形調強治療。
《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》利用超導回旋加速器系統中的超導回旋加速器引出的固定能量質子束流，經能量選擇系統實現70-200兆電子伏特連續可調的質子束流，從而滿足質子治療腫瘤時射程的縱向調整；經束流輸運系統的偏轉二極鐵分別傳輸給固定治療室子系統和旋轉機架治療子系統；超導回旋加速器系統、能量選擇系統、束流輸運系統和治療頭協同控制，實現質子束流的橫向擴展，完成對腫瘤的適形調強治療。《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》的創新性好，實用性強，超導回旋加速器束流強度可調節，可以實現調強治療；緊湊型的內置離子源，減少了體積和費用；緊湊的占地面積，降低了結構成本並提高了服務性能；沒有常溫電磁鐵所引起的高能耗和高散熱問題。此外，能夠有效地解決截至2017年10月腫瘤治療中腫瘤定位不精準、治療過程長、患者術後生活質量差等問題，對患者腫瘤治療的精準性、有效性、高效性有著極其重要的促進作用。
專利榮譽
2021年6月24日，《基於緊湊型超導回旋加速器的質子治療系統》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
