本申请属于医疗器械技术领域，尤其是涉及一种磁约束高能电子线放疗设备。
背景技术：
高能电子放疗广泛应用开始于20世纪70年代，临床上主要用于治疗浅表肿瘤，比如乳腺癌、皮肤癌及疤痕增生等。高能电子线的放疗剂量学特点决定其适用于浅表肿瘤的治疗：电子线射程短且明确，在一定深度处剂量分布均匀，而后剂量迅速跌落，有利于保护射束方向上靶区后方的正常组织。
电子质量轻，在空气中输运易发生侧向散射，从而增大治疗射野外的杂散辐射，不利于侧向正常组织保护。为减小空气中侧向散射，现有高能电子放疗设备必需使用不同尺寸的电子限光筒，同时利用低熔点铅合金制备的挡铅，放置于限光筒最靠近患者的末端支架中，实现电子线辐射野与肿瘤靶区适形的目的。
然而，此种基于挡铅加电子限光筒的电子线放疗技术仍具有较大的局限性。第一，每个患者在接受治疗前都要制备个体化的挡铅，增加了时间、人力及物力成本；第二，制备好的挡铅已定形，无法在治疗过程中准直不同的射束形状，限制了电子线放疗计划的调制能力；第三，电子限光筒底部与患者体表距离仅有5cm左右，变化机架角度会增大机架与患者的碰撞风险，难以实现多机架角度的聚焦照射，进一步限制了电子线放疗计划的调制能力。因此，如何设计更好的方案，解决电子线侧向散射严重的问题，充分挖掘电子线放疗计划的调制能力，是电子线放疗亟需解决的问题。
瑞典于默奥大学通过在电子射束方向上设置氦气管道，减小电子侧向散射，但这种设计成本过高，不适于临床应用。
通过纵向磁场(磁场与射束平行)约束能有效地减少高能电子线的侧向散射。如图1a所示，纵向磁场存在时高能电子在真空中输运情况，电子受到洛伦兹力作用，运动轨迹呈螺旋运动，约束在磁场方向(即射束方向)周围。图1b显示了纵向磁场存在时高能电子在介质中的运动情况，考虑高能电子和介质原子间“软碰撞”、“硬碰撞”和韧致辐射，运动轨迹可近似为回旋半径减小的螺旋运动，从而约束电子的运动轨迹，有效地减少侧向散射。
目前，关于磁约束高能电子线放疗设备的研究较少，尚属概念模拟阶段。美国马里兰大学医学院研究团队通过结合电子限光筒和钕铁硼永磁体减小电子在空气中侧向散射，但约束的电子线直径只有2.5cm，未摒弃传统电子限光筒，无法减小碰撞风险。
澳大利亚伍伦贡大学的实验室系统虽然可以增大所约束电子射野的尺寸，但所用永磁体装置本身过于庞大，没有给治疗患者留足够空间，只能用于科研。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：为设计临床可行的磁约束放疗设备，解决磁约束电子孔径小、碰撞风险大以及治疗空间和计划调制能力受限等问题，从而提供一种磁约束高能电子线放疗设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种磁约束高能电子线放疗设备，包括：
放疗机和磁约束装置；
所述放疗机设有用于加速电子的直线加速器和/或回旋加速器以及多级电子线准直器，所述磁约束装置位于放疗机与治疗床之间的射束通路。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述磁约束装置包括级联约束线圈、屏蔽线圈和适配插板，所述磁约束装置中心轴与射束通路中心轴重合，所述磁约束装置能通过所述适配插板插接到放疗机机头的附件底座上。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述电子线多级准直器包括初级准直器、次级准直器和/或双层多叶准直器。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述放疗机能够产生多种挡位能量的高能电子线，所述磁约束装置能够根据高能电子线能量，自适应调节所述屏蔽线圈与所述级联约束线圈内电流强度。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述级联约束线圈包含多组线圈，通正向电流，能够在电子射束方向产生纵向磁场；所述屏蔽线圈通与所述级联约束线圈电流方向反向的电流，能够屏蔽级联约束线圈产生的主约束磁场。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述双层多叶准直器包含上、下两层多叶准直系统，能够独立地绕射束中心轴旋转0度至180度。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述适配插板包含限位卡槽和凹槽，限位卡槽用于确定所述磁约束装置是否与放疗机机头精确衔接；凹槽用于适配加速器机头的附件底座。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述屏蔽线圈、级联约束线圈之间连接有其连接和支撑作用的支撑立柱。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述级联约束线圈中心具有开孔。
优选地，本发明的磁约束高能电子线放疗设备，所述屏蔽线圈和级联约束线圈的材质是漆包线铜线，所述适配插板和支撑立柱的材质是不含磁性元素的铝合金。
本发明的有益效果是：
结合放疗机和磁约束装置，改善电子侧向散射问题；同时弃用传统高能电子挡铅和限光筒，扩大患者体表与放疗设备的距离，结合电子线多级准直器，提高电子线放疗计划的调制自由度，提升放疗计划质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是纵向磁场对电子输运约束作用示意图；
图2是本发明磁约束高能电子线放疗设备结构示意图；
图3为磁约束装置上部适配插板示意图；
图4中，(a)为仅包含级联约束线圈的磁约束装置产生磁通密度分布图，(b)为包含级联约束线圈和屏蔽线圈的磁约束装置产生磁通密度分布图；
图5中，(a)为开野准直系统位置示意图，(b)为不用磁约束装置时等中心平面的4mev电子线开野散射图，(c)为使用磁约束装置等中心平面的4mev电子线开野散射图；
图6中，(a)为调制射野准直系统位置示意图，(b)为不用磁约束装置时等中心平面的6mev电子线调制射野散射图，(c)为使用磁约束装置等中心平面的6mev电子线调制射野散射图。
图中的附图标记为：
10适配插板
11线圈
12线圈
13支撑立柱
20加速器
21初级准直器
22二级准直器
23双层多叶准直器
24附件底座
31机架
32放疗机机头
40治疗床
50等中心平面
51等中心
101限位卡槽
102凹槽。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例
本实施例提供一种磁约束高能电子线放疗设备，如图2所示，主要由放疗机和纵向磁约束装置构成，其特征在于所述放疗机设有用于加速电子的直线加速器和/或回旋加速器以及多级电子线准直器，所述纵向磁约束装置位于放疗机与治疗床之间的射束通路。
所述放疗机可产生多种挡位能量的高能电子线，所述磁约束装置能够根据高能电子线能量，自适应调节线圈内电流强度，产生对应电子线能量的最优磁约束效果，从而避免了治疗过程中切换电子线能量需要治疗师进入机房切换对应的磁约束装置，提高治疗效率。
所述放疗机包括电子直线或回旋加速器20及电子线多级准直器，所述电子线多级准直器包括初级准直器21、二级准直器22和双层多叶准直器23。所述双层多叶准直器包含上下两层多叶准直系统，能够独立地绕射束中心轴旋转0度至180度。
所述电子线磁约束装置包括适配插板10、屏蔽线圈11、级联约束线圈12和支撑立柱13，所述屏蔽线圈11和级联约束线圈12的材质是漆包线铜线，所述适配插板10和支撑立柱13的材质是铝合金(不含磁性元素)。示意图中，所述屏蔽线圈11数目为1个，所述级联约束线圈数目为2个，所述磁约束装置中心轴与高能电子射束中心轴重合，能够通过所述适配插板10插入放疗机机头32下端的附件底座24，将所述磁约束装置置于机头32与治疗床40之间。
所述磁约束装置可以通过上端适配插板10插入放疗机机头32下端的附件底座24并固定。所述适配插板包含限位卡槽101和凹槽102，如图3所示。限位卡槽101用于确定所述磁约束装置是否与放疗机机头精确衔接，如精准对位，则加速器的附件联锁装置显示绿灯，否则亮红灯；凹槽102设计用于适配加速器机头的附件底座24。此种设计能够实现所述磁约束装置与放疗机适配，同时保证设备的机械精度。
所述磁约束装置包含屏蔽线圈11(靠近放疗电子直线加速器机头32)，如图4所示，线圈11内通反向电流，可屏蔽级联约束线圈12产生的主约束磁场，从而减小纵向边缘磁场对机头32内电子线流输运系统和准直系统的影响。
所述磁约束装置还包含级联约束线圈12(靠近患者治疗床)，不同级联约束线圈之间设有两个或多个支撑立柱13，线圈12内通正向电流，可以在电子射束方向产生纵向磁场，从而约束电子线在空气中的侧向散射，减小肿瘤靶区周围正常组织的照射。
所述磁约束装置的适配插板10、线圈11和12的轴向孔径足够大，能够在等中心平面50处约束的最大电子射野尺寸为30cm×30cm，极大地扩展了高能电子线放疗的肿瘤适应症。
所述磁约束装置下缘距离等中心平面50留有最够的安全距离，可以减小机头32与患者发生碰撞的风险，机架31能够在不同旋转角度出束，从而实现在等中心51处的多角度聚焦照射。
所述磁约束高能电子线放疗设备无需使用任何电子线限光筒和挡铅，能够通过所述双层多叶准直器调制磁约束高能电子线形状，实现多机架角度聚焦的高能电子适形或调强放疗，提高高能电子放疗计划的调制能力，保证肿瘤控制率的同时，更好地保护正常组织，降低患者放疗副反应。
本实施例的磁约束高能电子线放疗设备，结合放疗机和磁约束装置，利用纵向磁场约束电子线在空气中的侧向散射，设计出临床可行的磁约束高能电子放疗设备。
由于高能电子线在空气中的散射减小，可以使用放疗机内部的准直系统调制高能电子线的形状，摒弃传统电子挡铅的使用，降低电子线放疗的人力、物力及时间成本；
准直系统，尤其是双层多叶准直器，能够在治疗过程中实时准直电子线形状，从而提高电子放疗计划的调制能力。与单层多叶准直器相比，双层多叶准直器调制的射野与肿瘤靶区更加适形，同时能减小射线漏射与投射，减小患者杂散辐射，降低二次致癌的风险。
摒弃传统电子限光筒的使用，增大放疗机头至患者体表的安全距离，减小机架旋转过程与患者的碰撞风险，能够实现多角度聚焦照射，提高肿瘤照射剂量的同时，更好地保护正常组织。
磁约束装置的屏蔽设计能够降低纵向边缘磁场对放疗机的准直系统和束流输运系统的影响，适配插板设计能够保证磁约束装置与放疗机组合后的机械精度；磁约束装置能够约束最大的电子射野尺寸为30cm×30cm，从而极大地扩展了高能电子线放疗的肿瘤适应症；能够根据高能电子线能量，自适应调节线圈内电流强度，避免了治疗过程中切换磁约束装置，提高治疗效率。
实施例1
为了顺利耦合放疗机与磁约束装置，需要屏蔽磁约束装置在放疗机机头内的边缘磁场，为了验证本发明磁约束装置对放疗机机头的屏蔽效果，使用有限元分析方法模拟计算了两种条件的磁通密度强度分布：①仅包含级联约束线圈12的磁约束装置，结果如图4(a)所示；②同时包含级联约束线圈12和屏蔽线圈11的磁约束装置，结果如图4(b)所示。对比分析可知，虽然两种线圈都能够产生平行于高能电子线方向的纵向磁场，但未加屏蔽线圈11的磁约束装置在机头准直系统处仍具有较大的边缘纵向磁场，而加了屏蔽线圈11的磁约束装置在机头准直系统处边缘纵向磁场强度较小(＜0.01t)。
实施例2
为了验证本发明对开野(未调制)高能电子束的约束效果，使用蒙特卡洛方法模拟计算了射野尺寸为20cm×20cm的4mev高能电子线散射情况。图5(a)为20cm×20cm开野准直系统及磁约束装置的位置示意图；图5(b)和5(c)为开野高能电子线经过机头32到达等中心平面50的散射分布图，黑点表示在等中心平面50处高能电子的位置，虚线框表示尺寸为20cm×20cm的射野边界。其中，5(b)为不使用磁约束装置时4mev高能电子线在等中心平面的散射分布图，5(c)为使用磁约束装置时4mev高能电子线在等中心平面的散射分布图。对比分析可知，使用磁约束装置后射野外的侧向散射电子数目明显减少，因此本发明设计的磁约束装置能够有效约束开野高能电子线在空气中的侧向散射。
实施例3
为了验证本发明对调制高能电子束的约束效果，使用蒙特卡洛方法模拟计算了经双层多叶准直器23调制后的6mev高能电子线散射情况。相比于实施例2，磁约束装置中线圈电流强度增大10％。图6(a)为调制射野对应的准直系统及磁约束装置的位置示意图；图6(b)和6(c)为开野高能电子线经过机头32到达等中心平面50的散射分布图，黑点表示在等中心层面处高能电子的位置，虚线表示调制射野边界。其中，6(b)为不使用磁约束装置时6mev高能电子线在等中心平面的散射分布图，6(c)为使用磁约束装置时6mev高能电子线在等中心平面的散射分布图。对比分析可知，使用磁约束装置后射野外的侧向散射电子数目明显减少，因此本发明设计的磁约束装置能够有效约束调制射野高能电子线在空气中的侧向散射。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
1.一种磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，包括：
放疗机和磁约束装置；
所述放疗机设有用于加速电子的直线加速器和/或回旋加速器以及多级电子线准直器，所述磁约束装置位于放疗机与治疗床(40)之间的射束通路。
2.根据权利要求1所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述磁约束装置包括级联约束线圈(12)、屏蔽线圈(11)和适配插板(10)，所述磁约束装置中心轴与射束通路中心轴重合，所述磁约束装置能通过所述适配插板(10)插接到放疗机机头(32)的附件底座(24)上。
3.根据权利要求2所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述电子线多级准直器包括初级准直器(21)、次级准直器(22)和/或双层多叶准直器(23)。
4.根据权利要求3所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述放疗机能够产生多种挡位能量的高能电子线，所述磁约束装置能够根据高能电子线能量，自适应调节所述屏蔽线圈(11)与所述级联约束线圈(12)内电流强度。
5.根据权利要求4所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述级联约束线圈(12)包含多组线圈，通正向电流，能够在电子射束方向产生纵向磁场；所述屏蔽线圈(11)通与所述级联约束线圈(12)电流方向反向的电流，能够屏蔽级联约束线圈(12)产生的主约束磁场。
6.根据权利要求3所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述双层多叶准直器(23)包含上、下两层多叶准直系统，能够独立地绕射束中心轴旋转0度至180度。
7.根据权利要求1-6任一项所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述适配插板(10)包含限位卡槽(101)和凹槽(102)，限位卡槽(101)用于确定所述磁约束装置是否与放疗机机头精确衔接；凹槽(102)用于适配加速器机头的附件底座(24)。
8.根据权利要求2-6任一项所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述屏蔽线圈(11)、级联约束线圈(12)之间连接有其连接和支撑作用的支撑立柱(13)。
9.根据权利要求2-6任一项所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述适配插板(10)、屏蔽线圈(11)和级联约束线圈(12)中心具有开孔。
10.根据权利要求8所述的磁约束高能电子线放疗设备，其特征在于，所述屏蔽线圈(11)和级联约束线圈(12)的材质是漆包线铜线，所述适配插板(10)和支撑立柱(13)的材质是不含磁性元素的铝合金。
技术总结