專利名稱：：醫用直線加速器的內部冷卻式單體構件的制作方法
技術領域：
：本發明涉及臨床放射治療裝置，更具體地說，涉及醫用直線加速器的溫度調節。直線加速器可以用于各種醫療場合。來自直線加速器的帶電粒子(例如電子)束可被引向由具有高原子序數的材料制成的靶，從而形成X射線束用以進行放射治療。另外，在放射外科治療的過程中可以將帶電粒子束直接作用于病人。這種放射外科已經成為治療腦部腫瘤公認的醫療手段。高能粒子束可以被引向一局部區域，以便能破壞在癌細胞內部的一個或兩個DNA分子鏈，最低目標是延遲它的進一步生長，并且最好能對癌進行治療。授予Symmons的4,324,980號美國專利介紹了一種用于放射治療的常規的直線加速器(“linac”)。該直線加速器包括一系列沿粒子束軸線排列的加速腔。通常為一電子槍的粒子源將帶電粒子引入第一加速腔。隨著帶電粒子穿過該一系列加速腔，利用電磁場對粒子進行聚焦和加速。例如可以將一射頻(RF)源耦合到加速器，以便產生使直線加速器工作所需的電磁場。由臨床直線加速器加速的粒子具有很高能量，例如為4MeV。通常將輸出的粒子束引向一磁偏轉系統，其作用為一能量過濾器。該粒子束偏轉約270°。然后，或者利用輸出的高能粒子束或者利用該輸出粒子束轟擊一個靶產生的X射線束對病人進行放射治療。驅動信號源的頻率以及加速腔和相鄰加速腔之間的粒子束通道的尺寸決定了臨床加速器的工作頻率。加速器的最佳性能需要腔結構的諧振頻率和驅動信號的頻率相匹配。在具體的醫療處置的過程中由臨床直線加速器輸出的粒子束的特性保持恒定是重要的。此外，該粒子束特性應在各次連續治療過程中保持一致。保持這種一致的一個困難在于加速過程導致產生熱能。臨床加速器的腔結構通常是很多的釬焊在一起的盒式或半盒式的單元。該盒式單元是由作為一種具有相當高的熱膨脹系數的材料的銅制成的。熱膨脹導致腔結構的熱失諧。可以調節驅動信號來補償一些熱失諧，但是性能會受到影響。Symmons的專利介紹了控制盒式單元熱膨脹的常規技術方案。將各盒式單元釬焊到一起，然后連接到一導管上。將一種冷卻劑例如去離子水通過導管導過。熱能由盒式單元傳導到冷卻劑，因此提供了一定程度的熱調節。除了外部冷卻之外，通過在一由蓋板覆蓋的基板內銑削形成C形槽在內部冷卻電子出射窗口。當冷卻劑在該槽中通過時，由靶散發的熱量傳到冷卻劑中。在Syrmmons提出在臨床直線加速器的電子出射窗口組件處進行內部冷卻的同時，該專利繼續采用對于形成臨床直線加速器加速腔的盒式單元組件進行外部冷卻的方式。制造用于醫療場合之外的其它場合的直線加速器采用了更為廣泛的內部冷卻方式。R.G.Schoenberg等人的題為“便攜式X射線直線加速器系統(Portable，X-band，LinearAcceleratorSystems)”的白皮書(Whitepaper)中介紹了一種用于例如X射線檢查核電站管道焊接等場合的直線加速器。X射線頭被描述為具有內部水冷卻通道。該自包含的冷卻水源為在X射線頭中的加速器部分和磁控管、RF環行器以及在RF頭中的高功率RF負載提供可控制溫度的水。適用于醫療處置之外應用場合的直線加速器的內部冷卻的另一種形式介紹在授予Kornely，Jr.等人的5,021,741號美國專利中。在一系列的漂移管(drifttube)中的每一漂移管是單獨冷卻的。對于每一漂移管，冷卻劑循環槽集成在漂移管的中心體部分，以及在相對的面板上。利用焊接/電鑄技術將該面板附著到特定的漂移管的中心體上。冷卻劑通過一具有同心通道的芯柱進出漂移管。該專利稱，通過提供一鑄造的漂移管，可以相對于通過制造和機加工很多單元然后釬焊在一起形成的漂移管降低冷卻劑的泄漏的可能性。在由Kornely，Jr.等人提出的漂移管內減少界面的數目可降低可能泄漏冷卻劑區域的數目。對通過不同漂移管的冷卻劑液流進行隔離據稱與現有技術一致，并且在盡量減少冷卻劑必須流過的界面數目時也堅持了這一點。在不增加臨床裝置對有關泄漏等問題的敏感度的情況下，需要使臨床直線加速器相對于醫用常規加速器增強熱調節能力。在醫用的沿粒子束軸線線性加速帶電粒子的裝置中的一個組件，包含一系列互連的單體腔限定(cavity-defining)單元，這些單元形成沿粒子束軸線相互對準的相連的多個加速腔。通過將各冷卻劑通道相互連接形成至少一個貫通各單體單元的冷卻劑流動通道可以實現內部冷卻。在一個實施例中，在各相互貼靠的單體單元之間的界面處，圍繞各冷卻劑通道形成泄漏-逸出通道，使得泄漏液體不會侵入。圖1是根據本發明所述具有內部冷卻作用的臨床直線加速器的示意圖。圖2是由單體的腔限定單元的正視圖，該單元具有用于為圖1中的臨床直線加速器提供內部冷卻能力的冷卻劑通道。圖3是沿圖2中的斷面線2-2所取的單體單元的側向斷面圖；圖4是多個相互連接構成加速器裝置的單體單元的側向斷面圖；圖5是圖2中的其中一個冷卻劑通道的放大圖。圖6是沿圖2中的斷面線6-6所取的冷卻劑通道的側向斷面圖。參照圖1，圖中示有用于治療的臨床直線加速器系統10，具有一用于將帶電粒子引入加速器裝置14(也稱為波導)的粒子源12。在該優選實施例中，該粒子源是電子槍，將電子注入到加速器裝置的輸入端。該電子槍是臨床直線加速器(“linacs”)的常規部件。由信號源16向加速器裝置14引入驅動信號。該信號源引入一具有適當頻率的電磁波。通常采用射頻或高頻源，但對本發明來說，驅動信號的頻率選擇并不是關鍵性的。也可以利用一在閉環系統內部連接的控制電路18(未示出)動態地控制該頻率。由電子槍12射入加速器裝置14的電子沿著加速器裝置的電子束軸線20加速。由于結合信號源16建立的電磁波的能量轉換關系使電子得到很高的能量。由位于加速裝置14的輸送端的輸出窗口24射出脈動的或穩態輸出的電子束22。雖然對于本發明并不是關鍵性的，該輸出窗口通常包含薄金屬箔。輸出的帶電粒子流22引向一用作能量過濾器的磁偏轉系統。輸出的電子束被偏轉約270°，然后引向靶28，例如金或鎢靶。輸出的電子束22轟擊該靶并產生用于對病人進行放射治療的X射線束30。另外，輸出的電子束22可以直接作用于病人，例如在放射外科治療過程中對腦腫瘤的治療。磁偏轉系統26和靶28的工作情況是本
技術領域：
的熟練人員所公知的。通常，加速器裝置的熱調節是通過沿加速裝置的外表面附著一外導管來實現的。例如，可以設置銅管與加速裝置的外表相接觸，而使一種冷卻劑，例如去離子水通過該管，以便從裝置上帶走熱能。與常規方案不同，圖1中的直線加速器系統采用內部冷卻。即有通過加速裝置14的內部冷卻劑流動通道32。通過利用下文將詳細介紹的內部冷卻劑流動通道，實現了在液體冷卻劑和需熱調節的構件之間的明顯增強的熱耦合作用。在形成液流內部通道方面應注意的是，用于臨床直線加速器的加速裝置通常是通過釬焊一系列盒式單元或半盒式單元構成的，使得形成有很多的單元與單元的界面，當液體從流動通道的輸入端向輸出端流動時，會遇到這些界面。每一個界面是一冷卻劑可能泄漏的區域，冷卻劑可能進入加速裝置的各加速腔內。然而，各相鄰單體的半盒式單元(下文介紹)的界面包括泄漏-逸出通道，以防止冷卻劑泄漏造成的有害影響。該冷卻系統包括冷卻劑源34，其將冷卻劑引入加速裝置的輸入導管36并接收由加速裝置的輸出導管38流出的冷卻劑。雖然，加速器裝置14所示具有單一的內部冷卻劑流動通道32，但最好具有多個流動通道。輸入和輸出導管36和38可以連接到每一流動通道，或者可以有一用于每一流動通道的單獨的導管。在該優選實施例中，有4條并聯的內部冷卻劑流動通道。作為對圖1中的實施例的另一種替換方案，通過加速器裝置14的冷卻劑通道是非直線形的。非直線形的流動通道對于從加速器裝置中導出熱量可以提供某些優點。不過，圖1中所示的直線形流動通道是優選的，因為它具有的優點是易于制造。參閱圖2和圖3，所示一單體的半盒式單元40具有4條內部冷卻劑通道42、44、46和48。4條冷卻劑通道中的每一條都是參照圖1所介紹的不同冷卻劑流動通道32的一部分。4條冷卻劑通道相對電子束軸線的開孔50對稱配置。開孔50從單體單元的第一端面52伸入單體單元的內部。第二端面的周邊輪廓形成貼靠區54和腔限定區域56。從圖2中可清楚地看到，腔限定區域56具有圓形斷面。示例性的腔限定區域的最大直徑為7.64厘米。在貼靠區54的內沿達到這一最大值。半盒式單元40是一單體的側面耦合的構件。該側面耦合是通過利用單體單元的上端部分58實現的。這一上端部分經機加工形成一耦合腔60。這一耦合腔偏離電子束的軸線并利用開孔62連通到單體單元的加速腔。圖4表示5個連在一起構成加速裝置的一個部分的單體半盒式單元40、64、66、68和70。半盒式單元64的上端部分釬焊到半盒式單元40的第一表面上形成該耦合腔60。耦合腔60連通到兩個加速腔72和74。第二耦合腔76通向加速腔74和第三加速腔78。因而，當具有適當頻率的驅動信號提供到各耦合腔時，該電磁波與通過加速腔的電子束形成一定能量轉換關系。圖4中的加速裝置按駐波方式工作，該方式還稱為“半-π方式”。已知的駐波加速器耦合腔還可以采用軸上的、同軸的或圓環形耦合腔的形式。耦合腔類型的選擇對于下文要介紹的熱冷卻的方案并不是關鍵性的。實際上，駐波工作方式也不是關鍵性的。下面參閱圖2、3和4，半盒式單元40的貼靠表面54釬焊到一具有用于將帶電粒子引入第一加速腔72中的電子束開孔82的入口板80上。帶電粒子束通過每一加速腔72、74和78并被聚焦和加速。輸出的電子束的出射速度是由很多因素決定的，包括在加速器裝置內部的加速腔的數目。利用釬焊工藝將入口板80和各半盒式單元40、64、66、68和70相互連接起來。釬焊材料細絲引入各個槽內，并利用常規技術將其焊好。一種可接受的釬焊材料是由Ag、Pd和Ga形成的合金。例如含量可以為82％Ag、9％Pd和9％Ga。在圖2和3中，圍繞電子束軸線的開孔50同心地形成圓形槽84和86。在各單體的半盒式單元相互連接的過程中，這些開孔由釬焊材料充滿。還有一用于釬焊材料的圓形槽88，與通過單體的單元的上端部分58的開孔90同心。這一開孔90用于安裝一未示出的固緊件。下面參閱圖1、2、5和6，通過制造各單體的半盒式單元40使其包括至少一個冷卻劑通道42-48來形成內部冷卻劑流動通道32。冷卻劑通道48與通過形成加速器裝置14的每一單體的半盒式單元的各冷卻劑通道同軸線對準。因而，當裝置入口導管36和裝置出口導管38連通到在單體單元中的冷卻劑通道48時，冷卻劑的液流可以用來將加速器的熱能帶走。正如前面指出的，提供臨床直線加速器的內部冷卻所關心的是冷卻劑必須通過的單元對單元的界面的數量。這種關心體現在所介紹的實施例中，通過提供圍繞每一冷卻劑通道42-48的釬焊擋圈以及為每一冷卻劑通道設置泄漏-逸出通道，能夠將逸失的泄漏液體安全地導出。在圖5和6中，通過將一釬焊材料環嵌入內槽92形成該釬焊擋圈。最好使第一表面52貼靠的表面包含對應的釬焊材料環。當兩個環釬焊在一起時，冷卻劑通道48被密封。因而，如果在兩個表面的界面處逸出液體冷卻劑時，在槽92處形成的釬焊擋圈將防止該液體到達任何由于引入液體而產生有害影響的區域。此外，第一表面52還包括一釬焊擋圈在工作不正常時形成泄漏-逸出通道的弧形槽94。泄漏-逸出通道的形狀為由半盒式單元40的邊沿所截的圓構成的大扇形(majorsector)。到達泄漏-逸出通道的冷卻劑或者停留在槽94的內部，或者當到達半盒式單元的邊沿時由通道強制流動。或者可將吸收單元置于單體單元的邊沿，以容納由泄漏-逸出通道94通過的液體。如圖2中所示，4個冷卻劑通道42-48中的每一個密封在通過槽92內的釬焊環形成的釬焊擋圈內部。此外，每個冷卻劑通道具有利用在半盒式單元40的邊緣處被平截的圓形槽94所形成的單獨的液體逸出通道。圓形槽92和外平截的槽94的結構在半盒式單元的第二端面上的貼靠區54處也有一個。這種情況表示在圖6中。形成的內槽96用釬焊材料環充滿，以便隔離冷卻劑通道48。外槽98的作用是用作泄漏-逸出通道。該外槽具有與在單體單元的第一端面52處的泄漏-逸出通道94相同的弧形。泄漏-逸出通道98將任何逸散冷卻劑導出以免漏入由單體單元構成的加速腔內。泄漏-逸出通道也可以采用其它的形狀。即，通道無需具有如圖2和5中所示的弧形結構。然而，所介紹的實施例的確具有易于制造的優點。與常規的外部冷卻加速器裝置的方案相比，圖2-6中的內部多通道冷卻方案能更有效地調節臨床直線加速器的溫度。此外，由于冷卻劑通道直接形成在腔限定單元內，組裝加速器裝置不需要安裝單獨的冷卻劑導管。權利要求1.一種沿粒子束軸線加速帶電粒子的臨床醫療裝置的組件，包含多個單體的腔限定單元，沿所述粒子束軸線對準連接形成一系列加速腔，所述腔限定單元具有冷卻劑通道，各通道相互連接形成至少一個通過所述多個腔限定單元的連續的冷卻劑流動通道。2.如權利要求1所述的組件，其中各相鄰的腔限定單元相互貼靠，且所述各相鄰的腔限定單元中的所述冷卻劑通道相互對準用以沿所述冷卻劑流動通道逐個單元地傳輸液體冷卻劑。3.如權利要求2所述的組件，還包含在所述各相鄰腔限定單元的貼靠表面處的泄漏-逸出通道，所述泄漏-逸出通道是在至少一個所述貼靠表面內的溝道，所述溝道將接近所述冷卻劑通道的表面區與接近所述粒子束軸線的表面區分開，因此，降低了對所述液體冷卻劑漏入其中一個所述加速腔的敏感度。4.如權利要求3所述的組件，還包含釬焊材料，沿所述各相鄰腔限定單元的所述貼靠表面將所述冷卻劑流動通道與所述泄漏-逸出通道相分離。5.如權利要求3所述的組件，其中所述泄漏-逸出通道延伸到所述各相鄰腔限定單元的所述貼靠表面的邊沿。6.如權利要求3所述的組件，其中所述的泄漏-逸出通道具有弧形結構，所述弧形結構為在所述各相鄰腔限定單元的邊沿處平截的圓的大扇形。7.如權利要求1所述的組件，其中所述的腔限定單元中的所述冷卻劑通道是延伸貫通所述各腔限定單元的孔，所述孔通常平行于所述粒子束軸線。8.如權利要求7所述的組件，其中所述的各腔限定單元具有至少4個關于所述粒子束軸線對稱配置的連續的流動通道。9.一種產生帶電粒子的臨床醫療系統，包含帶電粒子源；粒子加速器，具有一連接到所述粒子源以便接收所述帶電粒子的輸入端以及多個粒子加速盒式單元，所述粒子加速器具有一延伸通過每一所述盒式單元到出射窗口的粒子束通道并具有一用于使液體冷卻劑流過所述各盒式單元的內部流動通道，所述粒子加速器還具有在第一端的液體入口和在第二端的液體出口，所述液體入口由所述內部流動通道連通到所述液體出口；連通到所述液體入口的冷卻劑源；信號源，與在所述粒子加速器內部的帶電粒子相結合進行能量轉換；以及一裝置，用于響應于來自所述出射窗口的經加速的帶電粒子束，對病人進行放射。10.如權利要求9所述的系統，其中所述的粒子加速器包括多個形成所述盒式單元的相互貼靠的腔限定單元，每一腔限定單元具有冷卻劑通道，通過所述粒子加速器的所述內部流動通道是由通過所述腔限定單元的各冷卻劑通道相互對準形成的。11.如權利要求10所述的系統，還包含在各相互貼靠的腔限定單元的每一界面處的泄漏-逸出通道，每一泄漏-逸出通道平行于一與通過所述各貼靠的腔限定單元的所述冷卻劑通道的軸線相垂直的平面。12.如權利要求11所述的系統，其中所述的泄漏-逸出通道在所述各貼靠的腔限定單元的界面處將所述內部流動通道與所述粒子束通道隔離。13.如權利要求11所述的系統，其中所述的泄漏-逸出通道是在所述腔限定單元表面內的表面溝道。14.如權利要求12所述的系統，還包含在所述各貼靠的腔限定單元的界面處將所述內部流動通道與所述泄漏-逸出通道隔離的釬焊區。15.一種直線加速器的單體單元，用于在形成直線加速器時附著到另一單體單元上，包含一具有第一和第二端面的單體構件，所述第二端面的輪廓限定加速腔的至少一部分，所述單體構件具有一從所述第一端面延伸到所述加速腔的粒子束通道，用于通過帶電粒子束，并具有基本上平行于所述第一孔的冷卻劑通道，用于流過液體冷卻劑，所述第一端面具有一泄漏-逸出溝道，將接近所述冷卻劑通道的通常呈平面狀的第一區與接近所述粒子束通道的通常呈平面狀的第二區相隔離。16.如權利要求13所述的單體單元，其中所述的單體構件是一具有用于附著到至少一個第二半盒式單元上的釬焊區的半盒式單元。17.如權利要求16所述的單體單元，其中所述的釬焊區包括一圍繞在所述泄漏-逸出通道內的所述冷卻劑通道的槽。18.如權利要求15所述的單體單元，其中所述的單體構件包括多個圍繞所述加速腔配置的冷卻劑通道，該加速腔至少部分是由所述第二端面的所述輪廓限定的。19.如權利要求18所述的單體單元，其中所述的單體單元包括一用于每一所述冷卻劑通道的單獨的泄漏-逸出溝道。全文摘要在一種醫用直線加速器中,一系列單體腔限定單元連接起來形成一系列加速腔。將貫通一系列單體單元的內部冷卻通道相互對準實現溫度調節。因此,通過各單體單元形成一連續的冷卻劑流動通道。在每個單元間界面處形成有泄漏－逸出通道,用于導出在界面處產生的泄漏。在優選實施例中,形成有一將界面處的泄漏－逸出通道與該界面處的冷卻劑流動通道相隔離的釬焊區,進一步防止冷卻劑進入影響系統性能的區域內。文檔編號H05H9/00GK1170615SQ9711496公開日1998年1月21日申請日期1997年6月20日優先權日1996年6月20日發明者姚崇國申請人:西門子醫療系統公司