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质子重离子治疗系统之旋转机架

2020/7/8 作者:质子中国

所属类型

其他癌症

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质子重离子治疗是当今最精准最有效的肿瘤治疗利器之一,其对患者的治疗精度可以控制在0.2 mm。如此精确的治疗,影响其定位的有两个因素,一个是患者的定位精度,主要受治疗床的精度影响,当然,对运动器官来说,还需要呼吸门控系统来减少靶区移动。另一个是离子束流的定位精度。如果是固定束流,毫无疑问离子束流的定位可以控制得很好。在已运营的质子和重离子治疗中心,大多数都配有固定治疗室,也配有旋转机架治疗室。配旋转机架的好处是显而易见的:可以在任意角度,对患者进行多角度、多次照射,从而提高了治疗效果,降低了患者辐射损伤。然而,通常要实现在旋转时等中心误差±1 mm以下难度较大, 全世界能制造质子或重离子旋转机架的厂家屈指可数。


旋转机架的组成


旋转机架是质子重离子治疗系统的核心设备,世界第一台用于质子治疗的旋转机架安装于美国Loma Linda大学质子治疗中心。其结构尺寸如下:机架旋转直径10.5 m、长4.5 m、桁架结构重量46 t、安装在上面的部件重量42 t、总重88 t[1],如图1所示[2]。

旋转机架质子-洛马林达大学.jpg

图1. 洛马林达大学质子中心的旋转机架


通常旋转机架以机械结构布局大体可分为以日立公司产的“滚筒式”和IBA公司产的 “桁架式”两种主要结构类型;以旋转角度分,可分为360°旋转的“全周式”和120°~180°旋转的“半周式”旋转机架;以驱动方式分,可分为“齿轮传动式”、“链条传动式、“滚轮传动式”;按患者治疗的等中心位置与旋转机架上治疗头回转中心位置关系来分类,可分为“等中心式”和“非等中心式”等。旋转机架的主要子部件及子系统如下:


旋转机架束流输运线(包括二极偏转磁铁和四极聚焦磁铁等);

配重;

治疗头系统(包括扫描磁铁、聚焦磁铁、束流线检测器、准直器等);

机架本体(包含前后环、卷轴器、支架、梁结构及滚筒系统);

架底座和支撑;

驱动及刹车系统; 

电气及安全控制系统。


德国海德堡重离子治疗中心的旋转机架,采用稳健的机械结构,机架尺寸如下:长25 m、直径13 m、360°旋转、磁铁总140 t、配重120 t、总重600 t。如图2所示。

旋转机架质子-海德堡重离子.jpg

图2. 海德堡重离子旋转机架


旋转机架的调试


旋转机架的部件在工厂生产完成后,需要总装,在满足安装精度的前提下,开始模拟测试,最后,加上各种配重,再加电,使之运动检测。各项指标合格后,拆卸、包装并储存,再运输到现场,现场开箱、搬运、吊装、组装。现场组装完成还要验证各项性能指标,当然,现场调试是必须的,也是繁琐费时的。


旋转机架调试的难度在于:上百吨的机架、主结构基本使用钢材、机架本体承载着偏转磁铁和聚焦磁铁等束流输运线、治疗头和配重等大型部件。机架主体上的前后环在数个滚轮上运动,其中机架前后的窜动、上下左右的抖动、顺时针和逆时针运动转换的减速器齿轮间歇、重心变化带来结构的变形、启动和刹车带来的定位不确定性等各种不利于精确定位的因素叠加,造成了把旋转机架的等中心重复定位精度控制在±1 mm以内,是很大的挑战。有证据显示,通常结构的刚度越大,变形越小;重量越重,运动越平稳;定位也越精确。目前,有厂家已经能实现把旋转机架的精度控制在±0.5 mm甚至更高,真正实现了精准定位。


海德堡重离子中心旋转机架内部如图3所示。经测算最大横向(水平、垂直方向)变形约0.3 mm,环境温度变化带来的变形约0.2 mm/℃[3]。

旋转机架质子-海德堡重离子内部.jpg

图3. 海德堡重离子中心旋转机架内部结构


旋转机架的发展趋势


世界质子治疗系统朝着小型化、紧凑型方向发展。各大公司八仙过海,各显神通,开发出各具特色的质子系统并改进了旋转机架。比如,迈胜公司为了紧凑设计的目的,把加速器安装在旋转机架上,其旋转机架外形像一个龙门吊形Π,整机占地大大减少;有厂家把360°的旋转机架改成180°的机架,从而把机架的体积缩小了;还有厂家直接把旋转机架上搭载的常温二极磁铁和四极磁铁升级为超导磁铁,大大减轻机架负载,从而也达到了减少机架体积的目的。更多关于缩小旋转机架的文章请见质子中国往期报道《技术进步能否降低质子治疗成本(一):缩小旋转机架体积》、《质子治疗系统小型化发展现状系列(二):缩小旋转机架体积》。(质子中国 编辑报道)


参考文献

[1] 袁帅,质子治疗旋转机架的关键技术分析.

[2] Moyers M F , Lesyna W . Isocentercharacteristics of an external ring proton gantry[J]. International Journal ofRadiation Oncology Biology Physics, 2004, 60(5):1622-1630.

[3] P. Spiller Gantry studies for the proposedheavy ion cancer therapy facility in Heidelberg.


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质子治疗机架

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