專利名稱：產生用于間質術中輻射治療的電子束和x射線束的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用等離子體聚焦類型的機器的IORT設備，其聯接到電 子導向器，該電子導向器將束直接傳輸到待用低能、極高劑量速率的 電子或光子X射線輻射治療的組織。
背景技術：
已知馬瑟(Mather)式的等離子體聚焦機器(JW Mather, in: Methods of experimental physics, Vol. 9, Part B. Plasma Physics, Eds. RH Lovberg and HR Griem - Academic Press, New York, 1971 -chapter 55)能夠產生、加速和約束等離子體，所述等離子體在合適的 工作條件下導致熱核反應而產生輻射和核素和/或其它亞原子粒子。這種機器(特別是其特性和性能)在以Marco SUMINI、 Agostino TARTARI、 Domiziano MOSTACCI的名字于2004年10月21日遞交 的意大利專利申請VE2004A000038中描述，該申請涉及用于內源性 產生放射性同位素的設備，特別是用于正電子射線斷層照相術 (Positive Electron Tomography )的設備。本發明的設備所屬的技術領域是在移除小的腫瘤塊后對組織的手 術后輻射治療。該設備對四種人類的"主要殺手"即肺癌、乳腺癌、 前列腺癌和低位小腸癌中的IORT特別有用。后者是意大利男性中由 于惡性腫瘤而死亡的首要原因。目前使用的某些IORT技術通過連續或脈沖模式的電子或光子 (伽馬或X)束向病灶釋放所需劑量。作為示例，已知由Massachusetts (美國)的Photoelectron Corporation提供的光子放射外科系統(PRS)。這是一種能量量級為 40+50 keV的小型電子加速器，其通過10cm長、3.2mm直徑的導向 器聚焦在薄靶上以產生連續X射線束。具有相似性能的另一已知設備是由英國Battlefield的Oncology Systems Limited與Carl ZEISS合作提供的IntrabeamTM。另一已知示例是由Hytesis of Latina(意大利)生產的可移動直線 加速器Novac7:其產生能量在3到9 MeV之間的直線電子束。該束 由測量直徑幾厘米的樹脂玻璃施加器引導。在這些已知設備中，釋放的劑量并不完全確定放射生物損傷，因 為后者與釋放的時間和空間條件嚴格相關。由于這一點，與傳統的連 續治療計劃 一起，最近已經在開發通過放射性同位素植入而微量地(在 時間和空間上)輸送劑量的技術。已經在醫療實踐中引入使用具有高 治療效率的粒子(即中子、質子和離子)束，但只是對于特定的情況。 但是，它們的產生需要巨大的裝備，例如核反應器、同步加速器或大 的直線加速器。除了高放射生物效率的要求外，IORT還有至少3個強制要求-在手術室附近治療-所釋放劑量的精確定位-盡可能短的照射時間和以單次IORT任務結束治療的可能性。 前述設備或其它偶爾提及的設備中沒有一個滿足所有上述要求。發明內容考慮到現有技術的狀況，本發明要處理和解決的主要問題是找到 現有IORT系統的替代以克服其主要缺點，例如畫難以校準束，并由此難以治療小的(幾亳米)的腫瘤 -傳送到所治療組織的低劑量速率 -束的低放射生物效果 -照射頭的笨重尺寸-難以控制和避開對患者的危險 -每次治療的時間過長-無法選擇輻射的類型(x射線或電子)根據本發明，所有這些問題都利用 一種產生用于間質術中輻射治療的電子束和X射線束的設備解決，其特征在于該設備包括-作為電子脈沖源的等離子體聚焦類型的頭，其具有真空室和將 至少一種反應氣體引入室中的裝置，該真空室設有一對產生放電的圓 柱形同軸電極，-供給所述源頭的電路，其包括具有快速開關和導體的電容器組， 所述快速開關和導體連接到所述真空室的電極，以及-與所述電極同軸的電子導向器，從所述源頭到正好位于照射病 灶附近-防護支架，其具有高壓電纜以及用于懸掛和移動頭的裝置。
圖1示出根據本發明的設備的總體示意性立體圖。 圖2示出其電子和液壓方案。圖3示出電極、真空室和復式接頭(manifold)的細節。 圖4示出真空室的電極和電子導向器的放大視圖。 圖5示出具有快速開關的電容器。 圖6示出電子導向器的示意性縱向截面圖。 圖7示出具有電極和電子導向器的真空室的功能示意圖。 圖8示出在鵠轉換器的情況下X射線產生作為入射電子能量函數 的圖形(實驗數據)。
具體實施方式
從圖中可以看到，根據本發明的設備可以定義為產生用于IORT 治療的電子和X射線束的機器。其包括基于馬瑟式等離子體聚焦裝置 的電子脈沖源頭2。更具體地，源頭2包括真空室4，真空室4包圍由絕緣體10隔開的兩個圓柱形同軸電極6、 8，該絕緣體10還封閉室4的底部。兩個電極6、 8通過快速開關14連接到電容器組12。更具體地， 電容器12向上游連接到充電電源15，并向下游通過快速開關14連接 到高壓高電流傳輸線16，該傳輸線16連接到電極6、 8。快速開關14 在其側面通過合適的連接器(在圖5中未標出)連接到冷卻回路，并 在其上部通過合適連接器17連接到電源15。真空室4還設有到真空泵18的連接裝置和到氫、氖或氬供應器 20的連接裝置。真空室4與電容器組的連接通過特定的復式接頭21在室自身的底 部中直接發生，該復式接頭21包括兩個彼此同軸的盤狀鋼盤，其中的 下盤23連接到真空室的內電極6，而上盤25連接到其外電極8。到電 容器組的連接通過同軸電纜實現，所述同軸電纜的外導體通過合適連 接器連接到復式接頭上盤23，而內導體穿過所述復式接頭上盤并結束 在復式接頭下盤25上的合適連接器中。復式接頭和真空室之間的連接 在室的底部中發生，在該處兩個電極6、 8由絕緣體隔開。在此，接收 同軸電纜的外導體的復式接頭上盤25連接到真空室4的外部并與外電 極8相連，而接收同軸電纜的中心導體的復式接頭下盤23連接到中心 陽極6的下板。電子導向器附裝到真空室4。該電子導向器由沿著軸線中空的筒 體22形成，該筒體由不透過電子的材料構成。為了進行輻射防護,，筒體22的材料除了滿足機械強度和真空能力 要求之外還需要從兩種特性(X-K和X-L)的電子撞擊和"軔致輻射" 產生最小可能的X射線。樹脂玻璃滿足所有這些要求，并且其物理和 化學特性是非常熟知的，這使得設計更容易。所考慮的一種替代選擇 是不銹鋼。電子導向器以真空方式附裝到真空室4的下絕緣板層，此板層具 有中心孔。在位于真空室外的相反端處，導向器裝有元件24以在允許 取出電子的同時真空密封導向器22。對于裝配件24可以預見到四種不同實施例第一實施例包括由鈹 或其它低原子量金屬構成的幾微米厚的薄片，從而可以取出電子。第 二實施例包括涂有非常薄的鋁層的10 - 12微米厚的聚脂薄膜層，該鋁 層增加聚脂薄膜層的機械強度和導熱性(用于冷卻)。第三實施例包括 使用鈦、鉭或鎢的10-15微米厚的層。第四實施例包括幾微米厚的金 屬半球，以將電子能轉換成特性X射線，該特性X射線由于電子撞擊 而從薄片中的原子的離子化產生(A. Tartari et al: Energy spectra measurements of X-ray emission from electron interaction in a dense plasma focus devices, Nucl. Instr. Meth. B 213 (2004) 206》在真空密封裝配件24的此第四實施例中，應該在考慮入射電子的 能量的情況下，選擇薄片的材料以優化特性X射線產生。作為能量函 數的產出表明，對于比K或L電子的結合能EK大3倍的入射電子能 量獲得最大產生量這可以在使用鴒作為轉換器材料的情況下的圖8 中看到。在實際使用根據本發明的設備用于IORT治療時，該設備由包括 帶輪底座26的支架支撐，電容器組12容納在該帶輪底座26中，該帶 輪底座26包在法拉第籠28中以隔離電磁場。在圖1中，為了清楚， 未示出該籠，但是示出了其底部周邊。在每個電容器12上裝配有一個 相應的快速開關14。在底座上還附裝有支撐真空室4以使其懸在患者上方的鉸接臂 30。電子導向器22可能裝有轉換器以從電子能量產生X射線能量， 該電子導向器22從真空室出發而到達十分靠近待照射病灶的區域。現在將參照單個脈沖(為了簡化)描述根據本發明的設備的操作， 但是預計1Hz頻率的反復操作更適合于IORT。在原理上，該操作如下將電容器組充電到指定電壓，然后將所 存儲的能量非常快地(幾微秒)放電到電極6、 8。電容器的放電在電 極之間產生氣體離子化，轉變到等離子體狀態，并且向著電極端部運 動。更具體地，由自生成電磁力沿著電極推動由此產生的等離子體板， 并向著電極的開口端加速。 一旦到達端部，等離子體被所產生的強大電磁場壓縮而內爆，產生對熱核等離子體典型的約束條件，這對應于量級為1015 keV.sec/cm3的等離子體粒子的密度、能量和約束時間的 組合。所述約束在約直徑lmm和長度lcm的圓柱體中發生，這稱為箍 縮或聚焦(32，參見圖7)。取決于組能量的聚焦的壽命從10ns (6-7kJ)到幾十納秒(更高組能量)變化；在結束時其衰減，產生粒子束。當填充氣體是氫、氬或氖時，在聚焦中產生-沿軸向向前發射的低能X射線和質子束-向后發射的能量< 1 MeV的相對電子的束(相對電子束-REB ) (對于6-7 kJ的機器電子流量為 0.5-5 mC/脈沖)。雖然X射線和質子束容易被吸收在真空室4的壁中，電極6、 8 和電子導向器22的特定同軸幾何形狀與中心電極6的中空構造一起允 許取出相對電子束REB。電子沿著導向器22行進，并在結束時可根據需要和所使用的裝配 件24而直接或在轉換成25-50 keV的X射線后用于IORT治療。從以上所述，可以清楚地認識到根據本發明的設備與已知的 IORT系統相比特別有價值，具體地具有以下優點-所產生束的高放射生物效率-考慮到源頭可能具有約20cmx30cm的尺寸，體積有限 -在涉及小于1平方厘米的面積和2-3mm的深度的限定和受控 的病灶中釋放劑量-短的總治療持續時間，估計在分鐘量級 -能夠使用電子和X射線束治療。涉及已經構建并處于高級測試階段的原型的以下示例將有助于使 本發明更加清楚。在一個具體實施例中的具有等離子體聚焦技術的IORT設置包括 等離子體聚焦裝置，并且其特征在于由REB (相對電子束)測量室制 成的電子導向器，該測量室專門設計成容納可互換X射線轉換器和X 射線光鐠儀。初步測試的參數設置和所獲得的結果如下電容器組的總電容:44.4jiF，每個電容器具有以下規格畫型號GA32899-電容C= 11.1 nF-最大工作電壓Vmax=36kV-最大破壞電壓Vdamage= 40kV-峰值工作電流Ic=150 kA-工作電壓反向60%-最大電壓反向80%-工作條件下的使用周期1 E6-電感Lc=30 nH-尺寸- 31 x " x 68 cm-重量140 Kg工作電壓20-26 KV組能量10-15 KJ總電感100nH電極長度13.3 cm內電極直徑(銅)3 cm.外電極直徑(銅)8 cm.偽周期t: 10-12 ps.不銹鋼真空室的體積2.5 dm3電源具有以下規格-輸出電壓V0=20-30 kV國可輸送能量10-15 kJ-組充電時間0.5+0.8 s-所輸送平均電流Ips-2A畫所輸送平均功率PPS = IPSVo=60 kVA。電源可以在單脈沖模式和反復模式兩者下驅動后者利用快速開 關觸發單元的定時。快速開關具有以下規格
-型號REB3 SG-182 o SG-183 Montecuccolino式(即由R. E. Beverly III & Ass.根據規格專門設計的)
-觸發類型場畸變
-最小工作電壓15 kV
-最大工作電壓65kV
-工作電流峰值Isc^l60kA
畫最大電流峰值250 kA
-每脈沖最大可轉移電荷0.36C
-電感LSG=27nH
-關閉時間22 ns
-擊穿時間600 ns
-工作氣體合成空氣
-到電極的輸出每個開關4根同軸電纜
同軸電纜Dielectric Science提供的DS 2248。
該設備依賴于總是用于冷卻的冷卻電極的系統、用于在真空室中 循環氣體的系統、以及用:于循環快速開關工作氣體的系統，這些系統 允許在設備的反復模式中以lHz或更大的頻率工作。
單電容快速開關的電感是Lc + LSG= 57 nH。
電容器在充電期間平行放置，采用配線盒來容納高壓二極管和用 于抑制(壓制(snubbing))干擾的合適的電路。
將四個電容器快速開關單元連接到復式接頭又連接到電極(6, 8 ) 的同軸電纜(16)是每單元4根，即總共16根，每根都承載最大電流 %Icmax"25kA。
每根同軸電纜長4.2 m。
復式接頭盤(21)的直徑為45 cm。
測試表明特性X射線的X-L光譜成分占光譜的35%,并且其能 量是8.9keV,而"軔致輻射"成分占其余的65%,且具有25.0 keV 的能量，并且一次發射輸送的劑量為30ns的時間間隔中的lOGy。
權利要求
1.一種產生用于間質術中輻射治療的電子束和X射線束的設備，其特征在于所述設備包括-作為電子脈沖源的等離子體聚焦類型的頭(2)，其具有真空室(4)和將至少一種反應氣體引入所述室(4)中的裝置，所述真空室設有一對產生放電的圓柱形同軸電極，-供給所述源頭的電路，其包括具有快速開關(14)和導體(16，21)的電容器組(12)，所述快速開關和導體連接到所述真空室(4)的電極(6，8)，以及-與所述電極同軸的電子導向器(22)，其從所述源頭到正好位于照射病灶附近，-防護支架(26，28)，其具有高壓電纜以及用于懸掛和移動所述頭(2)的裝置。
2. 根據權利要求1所述的設備，其特征在于，包括馬瑟式的源頭 (2)。
3. 根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述源頭(2)包 括真空室(4)，在所述真空室中兩個同軸電極(6， 8)由絕緣體隔開。
4. 根據權利要求1所述的設備，其特征在于，將快速開關與真空 室(4)的電極(6， 8)電連接的裝置是至少一根同軸電纜。
5. 根據權利要求1所述的設備，其特征在于，具有復式接頭，所 述復式接頭包括與源頭(2)的兩個同軸電極(6， 8)電連接的兩個同 軸盤，同軸電纜的外導體連接到復式接頭的上盤，而電纜的中心導體 在穿過所述外上盤之后連接到下盤。
6. 根據權利要求4述的設備，其特征在于，所述真空室(4)中 的外電極(8)連接到地并連接到至少一根同軸電纜(16)的外導體， 而內電極(6)連接到至少一根同軸電纜(16)的內導體。
7. 根據權利要求1所述的設備，其特征在于，電子導向器(22) 包括沿著軸線中空的筒體，所述筒體由不透過電子的材料制成并與所述源頭(2)的中心孔相對應地真空密封連接到所述源頭(2)的下板 層；所述導向器(22)在相反端處裝有元件(24)以真空密封所述導 向器(22)。
8. 根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述電子導向器(22 ) 由在電子撞擊時具有低的產生X射線效率的材料構成。
9. 根據權利要求8所述的設備，其特征在于，所述電子導向器(22 ) 由樹脂玻璃構成。
10. 根據權利要求8所述的設備，其特征在于，所述電子導向器 (22)由不銹鋼構成。
11. 根據權利要求7所述的設備，其特征在于，所述裝配件(24) 包括由具有低原子量的金屬構成的薄片。
12. 根據權利要求11所述的設備，其特征在于，所述裝配件(24) 由鈹構成。
13. 根據權利要求11所述的設備，其特征在于，所述裝配件(24) 由鈥構成。
14. 根據權利要求11所述的設備，其特征在于，所述裝配件(24) 由鉭構成。
15. 根據權利要求ll所述的工藝，其特征在于，所述裝配件(24) 由具有鋁涂層的聚脂薄膜構成。
16. 根據權利要求7所述的設備，其特征在于，所述裝配件(24) 包括由適合于將撞擊電子的能量轉換成特性X射線的材料構成的薄 片，所述特性X射線從電子撞擊之后的原子離子化產生。
17. 根據權利要求16所述的設備，其特征在于，所述裝配件(24) 用具有K和L電子的約束能量Ek的材料枸成，所述約束能量是撞擊 電子的能量的約1/3。
18. 根據權利要求17所述的設備，其特征在于，所述裝配件(24) 由鵠構成。
19. 根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述支架包括容 納電容器組(12)和快速開關(14)的底座(26)。
全文摘要
一種產生用于間質術中輻射治療的電子束和X射線束的設備，其特征在于其包括-作為電子脈沖源的等離子體聚焦類型的頭(2)，其具有真空室(4)和將至少一種反應氣體引入所述室(4)中的裝置，所述真空室設有一對產生放電的圓柱形同軸電極；-供給所述源頭的電路，其包括具有快速開關(14)和導體(16，21)的電容器組(12)，所述快速開關和導體連接到所述真空室(4)的電極(6，8)；以及-與所述電極同軸的電子導向器(22)，其從所述源頭到正好位于照射病灶附近；-防護支架(26，28)，其具有高壓電纜以及用于懸掛和移動所述頭(2)的裝置。
文檔編號H05H1/04GK101237908SQ200680029085
公開日2008年8月6日 申請日期2006年8月3日 優先權日2005年8月4日
發明者多米齊亞諾·莫斯塔奇, 阿戈斯蒂諾·塔爾塔里, 馬爾科·蘇米尼 申請人:馬爾科·蘇米尼;阿戈斯蒂諾·塔爾塔里;多米齊亞諾·莫斯塔奇