一种用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量系统及方法

1.本发明涉及一种用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量系统及方法，属于放射治疗领域，特别涉及碳离子治疗系统射程测量领域。


背景技术：

2.近年来，碳离子放疗技术得到了飞速的发展。如何将辐射剂量精准地投送至肿瘤靶区是碳离子放疗领域关注的热点。临床上，最准确的剂量验证方式是用水箱标定碳离子束的剂量分布。碳离子束的射程决定了布拉格峰的位置，是碳离子束最重要的参数之一。尽管水箱的测量结果非常准确，但是它的安装时间和测量时间较长，不利用节省治疗机器时间。
3.目前，国内外一般采用多层电离室(又叫布拉格峰探测器)来测量碳离子束的射程和纵向剂量分布。多层电离室由很多层平板电离室叠在一起，能够给出离子束在每一层电离室上沉积的能量，从而获得离子束的bragg峰位置。典型的多层电离室的尺寸为440mm
×
200mm
×
175mm，重量为10kg。多层电离室与水箱相比，设备安装时间和测量时间都大大缩短。但是多层电离室尺寸大，重量大，电子学通道数量多，且包含高压模块，临床上使用起来仍然不方便。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量系统及方法，其能够快速获取能量为80～430mev碳离子束的能量和射程，同时具有较高的射程分辨率。
5.为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量系统，包括：外壳、若干个测量层、插槽和多路电流计；测量层设置在外壳中，其包括金属层和绝缘层，金属层设置在绝缘层上，金属层的测量平面与碳离子束的入射方向垂直；插槽设置在外壳上，其与各组测量层中的金属层连接，用于将金属层获得的电荷信号传输至多路电流计；多路电流计用于对金属层获得的电荷信号进行分析，获得电荷量曲线的峰值位置，峰值位置为碳离子束的射程。
6.进一步，测量层为覆铜板，覆铜板的铜箔作为金属层，覆铜板的基板作为绝缘层，基板为pcb板。
7.进一步，基板的面积大于铜箔的面积。
8.进一步，基板等效为铜箔的等效厚度为：
[0009][0010]
其中，d1为基板等效为铜箔之后的等效厚度，d2为基板的实际厚度，r1为预设能量的碳离子束在铜箔中的射程，r2为预设能量的碳离子束在基板中的射程。
[0011]
进一步，测量系统还包括降能片，入射的碳离子束通过降能片后，照射在测量层
上。
[0012]
进一步，降能片包括若干厚度不同的pmma板，pmma板的厚度由入射的碳离子束的能量确定，确定方法为根据待测碳离子束能量在铜箔中的射程，减去覆铜板的总的等效厚度，得到需要设置的等效厚度，将其转换为降能片的实际厚度。
[0013]
进一步，将若干个测量层分为若干组，每组中测量层数量相同，在测量层的金属层设置信号引出端子，每一层的信号引出端子数等于测试层在该组中的位置序号。
[0014]
本发明还公开了一种用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量方法，包括：确定降能片的厚度，并设置对应厚度的降能片；碳离子束通过降能片照射在上述任一项的多层法拉第筒测量系统的测量层上，测量层将检测到的电信号传输至插槽，并通过插槽将电信号传输至多路电流计；多路电流计测量碳离子束在不同测量层上的电荷分布，得到碳离子束的电荷分布曲线；获得电荷分布曲线上的测量峰所在的测量层位置和信号值；根据各个测量层的信号值，计算碳离子束的射程。
[0015]
进一步，确定降能片的厚度的方法为：当碳离子束的能量处于80～286.715mev/u区间时，不使用降能片，直接对碳离子束进行检测；当碳离子束的能量处于286.715～349.525mev/u区间时，使用第一厚度的降能片，然后对碳离子束进行检测；当碳离子束的能量处于349.525～430mev/u区间时，使用第二厚度的降能片，然后对碳离子束进行检测；第一厚度小于第二厚度。
[0016]
进一步，令电荷分布曲线峰值所在的测量层为n2层、n2层的前一测量层为n1层，n2层的后一测量层为n3层。注意，碳离子束的能量不同是，n1、n2、n3所在的位置是不同的。令n1、n2、n3的信号大小分别为i1、i2和i3。
[0017]
进一步，射程的计算公式为：
[0018]
r＝r1 r2 z
[0019][0020]
其中，r1为降能片的等效厚度，r2为n2层之前所有测量层的等效厚度。
[0021]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0022]
1、与现有技术相比，本发明使用多层法拉第筒测量碳离子治疗系统中80～430mev/u碳离子束的能量和射程，使得测量系统更简化，空间尺寸更小，系统重量更小。
[0023]
2、本发明使用了对数比算法计算碳离子的射程。相比传统的高斯拟合算法，对数比算法只要求三个点就可以得到准确的分布峰值，更加碳粒子束电荷分布峰宽较窄的情形。
[0024]
3、本发明使用了覆铜板作为多层法拉第筒的电极，相比简单的挤压或胶粘技术，覆铜板的绝缘层和金属层之间更加紧固。
[0025]
4、本发明使用了较薄的金属层，同时配合降能片，使得多层法拉第筒兼具测量能量范围宽和能量分辨率高的优点。
附图说明
[0026]
图1是本发明一实施例中多层法拉第筒测量系统的外观图；
[0027]
图2是本发明一实施例中多层法拉第筒测量系统的内部结构图；
[0028]
图3是本发明一实施例中多层法拉第筒测量系统中的一组测量层的结构示意图；
[0029]
图4是本发明一实施例中碳离子束的电荷分布曲线图；
[0030]
图5是本发明一实施例中200mev/u和400mev/u的c6 离子入射到水后产生的二次碎片产额随水深的变化图；
[0031]
图6是本发明一实施例中400mev/u的c6 离子入射到水后产生的二次碎片产额随水深的变化图；
[0032]
图7是本发明一实施例中400mev/u入射到铜沉积的碳离子和总电荷的对比图。
[0033]
附图说明：
[0034]
1-外壳；2-测量层；21-金属层；22-绝缘层；3-插槽；4-多路电流计；5-安装孔；6-引脚；7-降能片。
具体实施方式
[0035]
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
为了解决现有技术中碳离子束测量中的问题，本发明提供用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量系统及方法，其通过采用较薄的金属层，配合使用降能片7，能够快速获取能量为80～430mev碳离子束的射程，同时具有较高的射程分辨率。下面结合附图，通过实施例对本发明中方案进行详细说明。
[0037]
实施例一
[0038]
本实施例公开了一种用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量系统，在本实施例中碳离子束的能量为80～430mev/u。如图1和图2所示，该测量系统包括：外壳1、若干组测量层2、插槽3和多路电流计4；测量层2设置在外壳1中，其包括金属层21和绝缘层22，金属层21设置在绝缘层22上，金属层21的测量平面与碳离子束的入射方向垂直。各组测量层2堆叠排列，该绝缘层22用于使相邻两层金属层21相互绝缘；插槽3设置在外壳1上，其与各组测量层2中的金属层21连接，用于将金属层21获得的电荷信号传输至多路电流计4。即该金属层21上设置有若干信号引出接头，该信号引出接头通过导线等与插槽3上的多路电子学插口连接，每一层金属层21与电子学插口的一路连接。这样电子学插口就可以获取所有金属层21获得的电荷信号。多路电流计4用于对金属层21获得的电荷信号进行分析，获得电荷量曲线的峰值位置，根据峰值位置计算出碳离子束的射程。
[0039]
在本实施例中，测量层2优选为覆铜板，覆铜板的铜箔作为金属层21，覆铜板的基板作为绝缘层22，基板为pcb板。为使相邻铜箔之间绝缘，基板的面积大于铜箔的面积。铜箔的直径由碳离子束的束斑大小决定，例如临床上碳离子束的束斑尺寸一般可达8mm，满足高斯分布，为了满足3σ规则，则铜箔直径至少应当为48mm。考虑到束流横向位置抖动以及多层法拉第筒轴线的准直误差，铜箔直径要大于70mm为宜。优选直径为90mm，厚度为25-33μm，优选为29μm，基板的厚度优选为0.6mm，边长优选为100mm。本实施例中的多层法拉第筒具有128层，即由128块覆铜板相互堆叠构成，其结构如图3所示。每块pcb板上设置安装孔5，用于将128块覆铜板固定在一起，本实施例中，优选每个pcb板上设置4个安装孔5，四根固定轴穿
过安装孔5将电极堆叠在一起。金属层21上设置引脚6，并通过引脚6与插槽3连接。其中，第一层至第64层覆铜板的引脚6与第一个插槽连接，第65层到第128层覆铜板与第二个插槽连接。
[0040]
本实施例中，为了信号引脚6焊接方便，将若干个测量层分为若干组，每组中测量层数量相同，在测量层的金属层21设置信号引出端子，每个金属层21设计了7个宽度为4mm的信号引出端子。故本实施例中每组包括7个测量层，每一层的只保留一个引脚，每一层保留的引脚编号等于所述测试层在该组中的位置序号，其他端子用刀具除去。例如，第7m 1层金属层21只保留第1个端子，第7m 2层金属层21只保留第2个端子，以此类推，第7m 7层金属层21保留第7个端子，m为测量层的组数，其可以取0和正整数。这样的方法可以使得位于同一排的接线端子之间间隔了7层电极，间隔约4.2mm。4.2mm的空间用于焊接引脚6是足够的。
[0041]
基材等效为铜箔的等效厚度为：
[0042][0043]
其中，d1为基材等效为铜箔之后的等效厚度，d2为基材的实际厚度，r1为预设能量的碳离子束在铜箔中的射程，r2为预设能量的碳离子束在基材中的射程。例如，430mev/u的碳离子在铜箔中的射程为50.55mm，而其在基材中的射程为171.63mm。在本实施例中，所选择的覆铜板中，金属层21铜箔厚度为29μm，基板厚度为0.6mm，可以计算出厚度0.6mm为基板的等效厚度为0.177mm。因此该覆铜板的等效厚度为0.206mm，128层覆铜板的总的等效厚度为26.368mm。26.368mm的铜为286.7mev/u碳离子的射程。因此，当碳离子束的能量大于286.7mev时会穿过多层法拉第筒。
[0044]
由于430mev/u的碳离子在铜中的射程为50.55mm，为了使多层法拉第筒能够测量80～430mev/u的碳离子束，还需要配合一定厚度的降能片7，以对碳离子束进行降能。故测量系统还包括降能片7，入射的碳离子束通过降能片7后，照射在测量层2上。降能片7包括若干厚度不同的pmma板，pmma板的厚度由入射的碳离子束的能量确定。确定方法为根据待测碳离子束能量在铜箔中的射程，减去覆铜板的总的等效厚度，本实施例中即为26.368mm，得到需要设置的等效厚度，将其转换为降能片7的实际厚度，等效厚度的计算方法与基材相同，只要将基材相关数据替换成降能片7即可。
[0045]
实施例二
[0046]
基于相同的发明构思，由于只基于一个降能片7无法满足80～430mev/u的测量范围，为了解决该问题，本实施例提供了一种用于碳离子束测量的多层法拉第筒测量方法，包括：实施例一中的多层法拉第筒测量系统；
[0047]
s1确定降能片的厚度，并设置对应厚度的降能片，其具体步骤为：
[0048]
s1.1当碳离子束的能量处于80～286.715mev/u区间时，由于等效厚度26.368mm对应着能量为286.715mev/u碳离子束的射程，也就是说碳离子束在此范围内不用降能片7多层法拉第筒也可以覆盖该能量范围内的碳离子束流，故不使用降能片7，直接对碳离子束进行检测；
[0049]
s1.2当碳离子束的能量处于286.715～349.525mev/u区间时，能量为349.525mev/u的碳离子束的射程为36.368mm，这样不使用降能片7就不能覆盖该能量范围内的碳离子束流，故需要引入降能片7，即使用第一厚度的降能片7，然后对碳离子束进行检测，其中，第一
厚度为8-12m。本实施例中，降能片7的厚度为10mm，对应于160.767mev/碳离子束的射程；
[0050]
s1.3当碳离子束的能量处于349.525～430mev/u区间时，能量为430mev/u的碳离子束的射程为56.368mm，这样使用第一厚度的降能片7就不能覆盖该能量范围内的碳离子束流，故使用第二厚度的降能片7，然后对碳离子束进行检测；第二厚度大于第一厚度，其中，第二厚度为28-32mm，本实施例中，降能片7的厚度为30mm，对应于310.293mev/碳离子束的射程。
[0051]
s2碳离子束通过降能片照射在上述任一项的多层法拉第筒测量系统的测量层上，测量层将检测到的电信号传输至插槽，并通过插槽将电信号传输至多路电流计。
[0052]
s3多路电流计测量碳离子束在不同测量层上的电荷分布，得到碳离子束的电荷分布曲线，如图4所示，图4是本实施例中碳离子束的电荷分布曲线图，其横坐标是多路电流计中各路编号，纵坐标是电流计检测结果，即信号值，从该电荷分布曲线图中存在若干明显的测量峰。
[0053]
s4获得电荷分布曲线上的测量峰位置和信号值(即测量峰的峰顶处对应的信号值)，并确定测量峰对应的测量层。
[0054]
s5根据各个测量层的信号值，计算碳离子束的射程。
[0055]
射程的计算公式为：
[0056]
r＝r1 r2 z
[0057][0058]
其中，r1为降能片的等效厚度，r2为n2层之前所有测量层的等效厚度，i1、i2和i3分别为第n1层，第n2层和第n3层的信号值。电荷分布曲线峰值所在的测量层为n2层、n2层的前一测量层为n1层，n2层的后一测量层为n3层。
[0059]
与水箱和布拉格峰探测器相比，本实施例中的多层法拉第筒是一种快捷、便携的测量系统和方法，其大幅减少了探针体积和重量，降低了成本，其通过多路电流计4，可以测量多层法拉第筒每个金属层21引出的电荷量信号多层法拉第筒测量质子束的射程和能量仅需10ms，大大降低了测量时间。
[0060]
目前，多层法拉第筒仅见报告用于质子束放疗系统，尚未见报告将多层法拉第筒用于碳离子放疗系统，主要原因是质子作为最小的原子核，质子束入射到多层法拉第筒后，质子不会散裂为更小的原子核。而碳离子束入射到多层法拉第筒后，碳离子束与材料原子碰撞后，会散裂为更小的硼(b)、铍(be)、锂(li)、氦(he)以及氢(h)原子核。散裂的离子会影响电荷量分布曲线。
[0061]
本发明分析了碳离子束进入材料后，产生的核碎片对电荷收集的影响。碳离子束入射到多层法拉第筒后，碳离子束与材料中的铜、氧、碳等原子碰撞后，会散裂为更小的硼(b)、铍(be)、锂(li)、氦(he)以及氢(h)原子核。所有这些离子的数量随入射深度的变化曲线如图5和图6所示。图5是200mev/u和400mev/u的c
6
离子入射到水里后，碳离子束和产生的硼(b)、铍(be)、锂(li)、氦(he)核碎片产额随着水深度的变化曲线，其中不包含氢(h)的数据。图5是400mev/u的c
6
离子入射到水里后所有核碎片随水深度的变化曲线。从图5可以看出，核碎片产额的峰值与布拉格峰位置重合；且200mev/u的碳离子束入射到水中以后，产生的核碎片产额比同位置的c
6
离子至少低一个数量级。从图6可以看出，430mev/u的碳离子束
入射到水中，产生的核碎片中的he
2
(产额0.55)和h

的产额(产额0.76)和碳离子的数量级一致。其它离子的产额可以忽略不计。从图6可以看出，核碎片离子的峰值位置与布拉格峰位置在同一位置。因此，利用多层法拉第筒收集金属层21上的电荷时，位于布拉格峰位置处的金属层21将得到最大的信号。图7是碳离子束入射到铜厚在不同深度沉积的碳离子电荷与沉积的总电荷。模拟结果表明，沉积的总电荷的峰值与沉积的c
6
离子的峰值在同一位置。也就是说，多层法拉第筒可以测量碳离子束的射程。
[0062]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。