一种展宽离子射线布拉格峰的结构体的制作方法

1.本实用新型涉及离子射线放射治疗的物理技术领域，具体涉及一种展宽离子射线布拉格峰的结构体。


背景技术：

2.离子射线放射治疗是目前放射治疗领域先进的治疗技术。由于离子射线具有布拉格峰，可以在布拉格峰区域快速沉积能量，离子射线放射治疗技术比传统光子射线放射治疗技术具有物理性能的优势。
3.离子射线，特别是碳离子射线的布拉格峰宽度(bragg peak width,定义为积分剂量深度曲线上90％-90％剂量水平的宽度)很小，需要叠加不同能量的离子射线才能获得较为平坦的靶区剂量分布。然而同步环离子加速器能量层切换时间约2-5秒，过多的离子射线能量层的叠加，需要耗费大量的能量层切换时间，这影响了治疗的效率。通常在束流路径通常在束流路径上放置被动的能量调制装置来展宽布拉格峰，提高照射效率。
4.常见的布拉格峰展宽装置是脊型滤波器(ripple filter)。它是由具有3mm 厚度针脚结构的有机玻璃材料制作而成。这种结构已在碳离子束治疗中有所应用。然而束流在经过这种结构的设备后，需要经过很长一段距离的输运才能趋于均匀(60cm-80cm)。并且，由于该设备的散射效应，会明显增加质子束流的侧向展宽，因此脊型滤波器通常不应用于质子束治疗。
5.申请号为201911244477.3，公开了一种点扫描质子或重离子束流的布拉格峰展宽方法以及放射治疗系统。将多孔材料放置在点扫描质子或重离子束流路径上，多孔材料垂直于束流行进方向，点扫描质子或重离子束流，经过多孔材料以后产生能量歧离(energy straggling)从而展宽质子重离子束流的布拉格峰。
6.上述专利解决了其他布拉格峰展宽装置在靠近患者使用时束流不均匀的问题，但依然存在一些不足。由于多孔材料对离子射线的能量调制作用为均匀调制，无法对离子射线的末端跌落宽度(distal falloff width,定义为积分剂量深度曲线末端80％-20％剂量水平的宽度)进行调节，从而导致多孔材料布拉格峰展宽装置具有比脊型滤波器更大的末端跌落宽度，进而导致剂量适形性变差，也可能导致射线射程末端的正常组织受照剂量增加。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的一种展宽离子射线布拉格峰的结构体。
8.本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种展宽离子射线布拉格峰的结构体，包括具有多孔隙的载体，所述的多孔隙的载体上有呈等距间隔周期排列的实心条状部件。
9.进一步的：所述的多孔隙的载体包括容器以及材料单元，所述的容器采用硬质非
金属材料，所述的材料单元堆叠填充于容器内，材料单元的相邻颗粒堆叠形成孔隙或材料单元具有多孔特性。
10.进一步的：所述的硬质非金属材料采用碳纤维材料，所述的材料单元采用塑料泡沫、煤质活性炭、椰壳活性炭、球形纳米矿晶、固体凝胶颗粒以及实心塑料pp颗粒材料任一种。
11.进一步的：所述的多孔隙的载体采用3d打印形成，3d打印多孔隙的载体预设有用于插设实心条状部件的活动插槽。
12.进一步的：多孔隙材料水等效深度wedp和实心条状部件水等效深度0mm ≤wedp-wedr≤0.2mm。
13.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：
14.(1)本实用新型的离子束流布拉格峰展宽结构体是依据多孔隙材料展宽离子束流布拉格峰的特性设计而成，具有优异的离子束流布拉格峰展宽效果，与脊型滤波器等离子束流布拉格峰展宽设备相比，本实用新型具有束流均匀，可贴近患者使用等优点。
15.(2)本实用新型的离子束流布拉格峰展宽结构体，引入了周期排列的实心条状部件，在与其他设备具有相似的离子束流布拉格峰展宽能力的情况下，能够提供更小的离子束流末端跌落宽度，从而提高了离子束流剂量的适形性。
16.(3)本实用新型的离子束流布拉格峰展宽结构体及设计方法，可按需求调节展宽能力、调节末端跌落宽度，调节水等效射程，本实用新型结构体能够适用于不同的临床应用场景。
附图说明
17.图1是本实用新型实施例一种展宽离子射线布拉格峰的结构体的结构示意图。
18.图2是本实用新型实施例中能量为234.1mev/u的碳离子束流分别应用本结构体、传统脊型滤波器和常规多孔隙材料产生的布拉格峰展宽效果对比图。
19.图3本实用新型实施例结构体与传统脊型滤波器以及常规多孔隙材料在离子束流下展宽能力对比图。
20.图4本实用新型结构体与传统脊型滤波器以及常规多孔隙材料在离子束流下末端跌落宽度的对比图。
21.图5本实用新型实施例2展宽离子射线布拉格峰的结构体的结构示意图。
22.图6本实用新型实施例2展宽离子射线布拉格峰的结构体的结构局部放大图。
具体实施方式
23.下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
24.实施例1：
25.本实施例参见图1所示，本实施例中一种展宽离子射线布拉格峰的结构体，包括具有多孔隙的载体，所述的多孔隙的载体上有呈等距间隔周期排列的实心条状部件(优选的所述的实心条状部件采用射线阻止能力小于水的材料，例如硬质有机玻璃)，具体的本实施例中所述的载体包括容器以及材料单元，所述的容器采用硬质非金属材料，所述的材料单
元堆叠填充设置在容器内，材料单元的相邻颗粒堆叠形成孔隙或材料单元具有多孔特性，在本实施例中：定义坐标系记为o-xyz，所述多个实心条状部件沿坐标系o-xyz的xy平面排列；离子射线沿坐标系o-xyz的z轴方向入射；
26.组成多孔隙材料的纳米矿晶为直径为0.4mm的球体，根据最密六方堆积的空间利用率约为74.1％，可推算出纳米矿晶固体材料与空气的比例约为3：1。本实施例旨在获得与应用传统脊型滤波器相同的布拉格峰展宽效果，按照上述纳米矿晶的尺寸与比例应用蒙特卡罗模拟计算，得到的多孔隙材料厚度为 8.4mm。
27.前期测量得到单位厚度度的上述多孔隙材料与单位厚度的有机玻璃实心材料的等效水厚度之比约为13：12，根据上述多孔隙材料的实际厚度按该比例计算可得到有机玻璃实心材料的实际厚度为9.1mm。经测量验证，二者的水等效厚度差异在设计误差范围内(0mm≤wedp-wedr≤0.2mm)。因此将长方体有机玻璃的长度设置为9.1mm。
28.为了得到通过实心条状部件的总面积ar*n与容器截面积a的最佳比例，使用能量为234.1mev/u的碳离子束流分别穿过上述8.4mm厚度的多孔隙材料与9.1mm厚度的有机玻璃，得到两条积分剂量分布曲线(integrated depth dosedistribution，idd)。保持第二条(使用9.1mm厚度的有机玻璃)idd曲线不变，以5％为步长来调整第一条(使用8.4mm厚度的多孔隙材料)idd曲线的比例，最终得到最小的末端跌落宽度时，两条曲线的比例为1：3，所以长方体有机玻璃的总面积ar*n与容器截面积a的比例为1：4。
29.本实施例的容器：内长宽高为10cm*10cm*8.4mm的碳纤维板制作；碳纤维板厚度2mm。实心条状部件设置：容器内周期性插入1111根(n)边长为1.5mm 的长方体有机玻璃，即将实心条状部件的总面积ar*n与容器截面积a的比例为1：4。
30.随后将纳米矿晶颗粒放入容器中，以完成本实施例所需的材料。
31.将本实施例放置在临床治疗时的等中心位置，分别使用束斑半高全宽为3、 4、5、6、7、8、9、10mm的234.1mev/u碳离子束流对其中心进行垂直照射。结果显示，当束斑半高全宽为6、7、8、9、10mm时，展宽后布拉格峰宽度的差异在0.1mm(5％)之内，其余情况的差异均超过了0.1mm(5％)。据此，入射离子射线束斑的最小半高全宽单根实心条状部件的面积ar的比例应＞5。
32.前期测量得到234.1mev/u的碳离子射线(束斑半高全宽6mm)的初始布拉格峰宽度为0.70mm。
33.如图3-4所示，将上述射线分别穿过本实施例、传统脊型滤波器和常规多孔隙材料得到的布拉格峰宽度分别为2.73mm，2.7mm，2.72mm。而上述射线穿过本实施例、脊型滤波器和多孔隙材料的射线末端跌落宽度分别为1.70mm， 2.07mm和3.11mm。
34.对本实施例的结构体用不同能量离子射线进行模拟，并与传统脊型滤波器和常规多孔隙材料的布拉格峰宽度以及末端跌落宽度进行比较，如图3所示，可以看出，本实施例的结构体末端跌落宽度均小于传统脊型滤波器和常规多孔隙材料，末端跌落宽度平均缩小18.8％和46.2％。
35.实施例2：
36.基于实施例1的结构特性，为了方便实施以及对载体的孔隙均匀性的控制，例如图5-6所示，本实施例中所述的多孔隙的载体以及实心条状部件采用3d 打印一体成型，其中基于实心条部件与载体采用同一材料打印形成，其密度一直，因此在3d打印形成的结构体
中，实心条状部件的轴向长度小于载体与其相对的轴向长度，即为实心条状部件沿坐标系o-xyz的z轴方向的长度dr＜载体沿坐标系o-xyz的z轴方向的长度dp。
37.通过调节载体网格结构的线宽度和体积，设置载体的孔隙比例；通过调节载体实心条状结构的截面积和排布比例，设置载体实心条状部件与总面积的比例；通过调节载体实心条状结构的长度来调节实心条状结构的水等效深度,使实心条状结构与网格结构的水等效厚度差异在设计误差范围内(0mm≤ wedp-wedr≤0.2mm)。
38.本实施例通过建立3d模型打印形成，实用性和可调性更强，可根据实际需求获得合适粒子束流展宽能力的载体。
39.本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。