用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极、系统及方法

1.本发明涉及一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极、系统及方法，属于放射性治疗装置技术领域，特别涉及质子和碳离子等粒子治疗装置的放射治疗质量保证。


背景技术：

2.用于质子和碳离子治疗装置终端束流射程质量保证的监测设备，主要有水箱电离室和布拉格峰探测器。水箱电离室在测量束流布拉格峰峰位方面具有精度高的特点，但是测量时间较长，并且不能监测45
°
方向的束流布拉格峰峰位，不利于进行日常的质量确认(quality assurance，简写为qa)监测。布拉格峰探测器目前普遍是由平板电离室加降能片队列排布组成，具有可以快速监测束流布拉格峰峰位和任意方向束流布拉格峰峰位的特点，但是监测束流布拉格峰峰位精度低，并且探测器体积大重量重，不利于现场人员的日常操作。
3.目前质子治疗装置的束流治疗能量为50-230mev，重离子治疗装置的束流治疗能量120～400mev，通过模拟计算(降能片采用pmma有机玻璃材料)，如果用布拉格峰探测器在治疗装置上监测全部束流布拉格峰峰位，所需要的pmma材料厚度分别是24mm-340mm和26mm-270mm。pmma材料的密度是1.15-1.19g/cm3，按常用的布拉格峰探测器的有效面积(100
×
100mm2)计算，探测器实际所需要的pmma材料重量将分别达到4kg和3.2kg左右。另外，加上电离室材料和固件的重量，仅探测器电极的重量就达到了7kg和6.2kg左右。探测器电极长度需要至少达到700mm和540mm。因此，部分布拉格峰探测器设计时为了降低探测器重量，采用了前置降能区域的方案，不同的束流能量区域在探测器前放置了不同厚度的降能区域，这样可以有效降低了探测器通道数量和自身重量，但是需要在测试过程中频繁中断束流进入治疗室更换降能区域，延长qa监测时间。


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粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极、系统及方法，其能够实现全部治疗束流能量监测，射程测量精度高，并且不需要更换降能区域的探测器电极来解决上述问题。
5.为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极，包括：前电离室、降能器和后电离室；粒子治疗装置的粒子束依次经过前电离室、降能器和后电离室；前电离室包括若干分条电离室，用于实时测量粒子束的二维位置分布情况；降能器，用于降低入射粒子束的能量；后电离子室包括若干单元电离室；用于实时获得粒子束的布拉格峰，并根据布拉格峰获得粒子束的射程。
6.进一步，分条电离室包括高压基板、垫板、垂直信号极板和水平信号极板，垂直信号极板的前后各设置一个垫板，水平信号极板的前后各设置一个垫板，在分条电离室的最前方、最后方以及两信号极板之间均设置一高压基板。
7.进一步，垫板为框型金属板；垂直信号极板为在框型金属板的基础上纵向设置若
干彼此平行的金属条；水平信号极板为在框型金属板的基础上横向设置若干彼此平行的金属条。
8.进一步，降能器分为若干不同的区域，每个区域的厚度不同。
9.进一步，降能器为阶梯型，最底层厚度最大，其上各层厚度逐层递减，最上层厚度最小。
10.进一步，降能器为pmma。
11.进一步，单元电离室由一极板和一块有机玻璃板组成，极板包括框架和两层聚酰亚胺膜，框架前后各粘一层聚酰亚胺膜，为了保证框架前后的聚酰亚胺膜之间的空气流动，框架上设置流气槽，用于两层聚酰亚胺膜间气隙的空气流通。。
12.进一步，探测电极还包括支撑架，用于对前电离室、降能器和后电离室进行支撑固定，支撑架为至少四条互相平行设置的金属棒，金属棒表面包覆绝缘材料。
13.本发明还公开了一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测系统，包括上述任一项用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极。
14.本发明还公开了一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测方法，通过上述用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测系统实现，包括以下步骤：
15.将探测系统放置在治疗床上，通过激光准直器调节治疗床的位置，将探测系统的入射窗调整到等中心位置处；
16.调整束流，使其依次扫过降能器的各个区域，在前电离室上监测束流位置，在后电离室上监测束流通过不同厚度的降能器后获得的布拉格峰峰位；
17.根据布拉格峰峰位获得各个不同厚度对应的射程值，经过数据插值后，得到精确的布拉格峰峰位值。
18.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明中方案可以满足质子和重离子治疗装置上现有全部治疗能量范围的束流布拉格峰峰位验证要求，在使用期间不用更换降能区域；用点阵束流主动扫描电极的有效面积区域，配合不同厚度降能区域可以获得几个不同的射流射程，拟合后可以得到更为精确的束流布拉格峰峰位值；电极和降能器的特殊结构设计，可以大大减少电离室队列数量和降能区域重量，从而减少了探测器整体的长度和重量。
附图说明
19.图1是本发明一实施例中用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极的结构示意图；
20.图2是本发明一实施例中降能器的结构示意图；
21.图3是本发明一实施例中支撑架的结构示意图；
22.图4是本发明一实施例中束流矩阵点阵路线的示意图；
23.图5是本发明一实施例中探测系统获取采集数据的原理图。
24.附图标记：
25.1-前电离室；101-高压基板；102-垫板；103-垂直信号极板；104-水平信号极板；2-降能器；3-后电离室；301-极板；302-有机玻璃板；4-支撑架；401-金属棒；402-聚酰亚胺膜。
具体实施方式
26.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，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。
27.为了解决现有技术中电离室材料和固件的重量重和qa监测时间长的问题，本发明提供了一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极、系统及方法，其将降能器设置成阶梯状，每一区域的厚度不同，通过点阵束流主动扫描电极的有效面积区域，结合不同厚度降能区域可以获得几个不同的射流射程，拟合后可以得到更为精确的束流布拉格峰峰位值；可以大大减少电离室队列数量和降能区域重量，从而减少了探测器整体的长度和重量，能够实现全部治疗束流能量监测，射程测量精度高，并且不需要更换降能区域的探测器电极来解决上述问题。下面结合附图，通过实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
28.实施例一
29.本实施例公开了一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极，如图1、2所示，包括：前电离室1、降能器2和后电离室3；粒子治疗装置的粒子束依次经过前电离室1、降能器2和后电离室3；前电离室1包括若干分条电离室，用于实时测量粒子束的二维位置分布情况；降能器2，用于降低入射粒子束的能量；后电离子室包括若干单元电离室，该若干单元电离室组成队列组合或者形成矩阵；用于实时获得粒子束的布拉格峰，并根据布拉格峰获得粒子束的射程。
30.分条电离室包括高压基板101、垫板102、垂直信号极板103和水平信号极板104，垫板102为框型金属板；垂直信号极板103为在框型金属板的基础上纵向设置若干彼此平行的金属条；水平信号极板104为在框型金属板的基础上横向设置若干彼此平行的金属条。垂直信号极板103的前后各设置一个垫板102，水平信号极板104的前后各设置一个垫板102，在分条电离室的最前方、最后方以及两信号极板之间均设置一高压基板101。即粒子束依次经过第一个高压基板101、第一个垫板102、垂直信号极板103、第二个垫板102、第二个高压基板101、第三个垫板102、垂直信号极板103、第四个垫板102和第三个高压基板101。需要说明的是，图1中虽然是垂直信号极板103在前，水平信号极板104在后，但只是为了在实施例中更方便的说明其结构关系，而不是以此为限，即也可以水平信号极板104在前，垂直信号极板103在后。该分条电离室的有效面积是100
×
100mm
2-150
×
150mm2，分别有90-100个1mm-2mm宽的信号通道；前电离室1的电极总厚度为18-36mm。在本实施例中，分条电离室在水平和垂直方向上的信号通道分别为98个，除最边缘的两个电极条宽度为2mm外，其余电极条宽度为1mm，分条电离室电极总厚度为18mm。
31.如图2所示，降能器2为一个水或组织等效材料体，本实施例中优选为pmma。将降能器2分为若干不同的区域，每个区域的厚度不同。降能器2在束流方向上有效面积为100
×
100mm
2-150
×
150mm2，可以分割为4-100个不同或相同面积的矩阵方块；本实施例中优选降能器2为阶梯型，最底层厚度最大，其上各层厚度逐层递减，最上层厚度最小。每一级阶梯为一个矩阵方块，其厚度依次按0-50mm的阶梯高度递增，矩阵方块的最大厚度为150mm-200mm。本实施例中阶梯通常情况下为矩形或方形，故为了说明方便本实施例中采用了矩形，但并不以此为限，其也可以是其他形状。本实施例中，降能器2上pmma材料的最大厚度为
210mm，探测器在束流方向上放置的pmma最大厚度为270mm。
32.在重离子治疗装置上用于治疗的束流束斑大小一般在3mm-8mm范围内。因此，降能器2的有效部分可以划分为6个面积区域，是由6个小降能区域组成，每个小降能区域具有10个不同高度值呈阶梯状分布，具体见表1所示。
33.表1降能器上降能区域的面积划分和高度值
[0034][0035][0036]
后电离室3为一个有效面积为100
×
100mm
2-150
×
150mm2的50-70个单元电离室队列叠加组合。单元电离室由一极板301和一块有机玻璃板302组成，极板301包括框架和两层聚酰亚胺膜，单元电离室由一极板和一块有机玻璃板组成，极板包括框架和两层聚酰亚胺膜，框架前后各粘一层聚酰亚胺膜，为了保证框架前后的聚酰亚胺膜之间的空气流动，框架上设置流气槽，用于两层聚酰亚胺膜间气隙的空气流通。该极板301同时具有高压极和信号极的功能，其有效面积为100
×
100mm
2-150
×
150mm2。在本实施例中，后电离室3是由60个电极单元队列组成，电极厚度为2mm,pmma板厚度为1mm。
[0037]
如图3所示，探测电极还包括支撑架4，用于对前电离室1、降能器2和后电离室3进行支撑固定，支撑架4为至少四条互相平行设置的金属棒401，金属棒401在本实施例中优选为不锈钢棒，金属棒401表面包覆绝缘材料，该绝缘材料可以是聚酰亚胺膜402，用于前电离室1和后电离室3中各个电极板与不锈钢棒之间的绝缘。前电离室1、降能器2和后电离室3组装好以后，将不锈钢棒的两端用螺母进行固定。
[0038]
综上，本实施例中探测器电极总厚度为408mm。
[0039]
实施例二
[0040]
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测系统，包括上述任一项用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测电极。该系统包括：束流发射模块，束流控制模块，探测电极和探测器数据采集模块；
[0041]
该束流发射模块用于发射待测束流；
[0042]
束流控制模块用于控制该束流按照如图4所示的点阵顺序扫描降能器2各个不同厚度的区域；
[0043]
探测电极用于将束流信号转换为电信号，其具体结构与实施例一中相同，此处不再赘述；
[0044]
探测器数据采集模块用于采集探测电极输出的电信号，并通过对其进行分析获得精确的布拉格峰峰值。即根据布拉格峰峰位获得各个不同厚度对应的射程值，经过数据插值后，得到精确的布拉格峰峰位值。该探测器数据采集系统是采用1块256通道的多通道微电流数字化读出电子学，其中196个电子学通道用于对分条电离室的数据信号采集，60个电子学通道用于对后电离室3的数据信号采集。
[0045]
实施例三
[0046]
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测方法，通过上述用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测系统实现，包括以下步骤：
[0047]
s1将探测系统放置在治疗床上，通过激光准直器调节治疗床的位置，将探测系统的入射窗调整到等中心位置处；
[0048]
s2连接设备线缆和电源，远程连接探测系统中的数据采集模块；
[0049]
s3束流会根据降能器2上降能区域分布，预设一个6
×
10的束流点阵，如图4所示。测试时束流会根据点阵设计的路线移动，在每个位置处束流会依次通过分条电离室、降能器2和后电离室3。在前电离室1上监测束流位置，在后电离室3上监测束流通过不同厚度的降能器2后获得的布拉格峰峰位；
[0050]
如图5所示，固定能量的束流在第一个点阵位置时，首先通过分条电离室时可以确认其实时位置在第一个点位置；束流通过a 0mm厚的pmma材料将能块，进入后电离室3的60个单元电离室，可以得到60个通道信号，从而获得一个约间隔1mm的布拉格峰曲线。
[0051]
束流移动到第二个点阵位置时，通过分条电离室时可以确认出其实时位置在第二个点位置；束流通过a 0.1mm厚的pmma材料将能块，进入后电离室3的60个单元电离室，也获得第二个约间隔1mm的布拉格峰曲线，但是该曲线相对于第一个布拉格峰曲线要延后0.1mm距离。
[0052]
依次，束流移动到第十个点阵位置时，通过分条电离室时可以确认其实时位置在第十个点位置；束流通过a 0.9mm厚的pmma材料将能块，进入后电离室3的60个单元电离室，也获得第十个约间隔1mm的布拉格峰曲线，但是该曲线相对于第一个布拉格峰曲线要延后0.9mm距离。
[0053]
束流从第1降能区域扫到第10降能区域后，可以获得10条布拉格峰曲线，每条布拉格峰曲线与相邻的曲线都相差0.1mm的位置，由此将10条曲线按间隔距离进行插值排布，就可以重新得到一条布拉格峰曲线。这条布拉格峰曲线上每个点位的间隔为0.1mm，这样其实际测量精度就达到了水箱的测量精度。
[0054]
按表1所示降能器2上降能区域的面积划分和高度值的分布状况，降能器2的总重量约为0.9kg，探测器电极的重量约为2kg左右，探测器整体重量不超过6kg。
[0055]
s4将前电离室1获得的束流位置和降能器2的不同厚度的区域对应起来，根据布拉格峰峰位获得各个不同厚度对应的射程值，经过数据插值后，得到精确的布拉格峰峰位值；在本实施例中，通过对能量范围为120-400mev的碳离子束流在pmma材料中布拉格峰位的模
拟计算，得到了表2的布拉格峰峰位数据表。
[0056]
表2 120-400mev的碳离子束流在pmma材料中布拉格峰峰位表
[0057]
[0058][0059]
s5对于束流，每个能量的放束时间可以调节为1-2周期，可对其进行实时分析，并自动保存束流数据，并且判断出束流布拉格峰峰位的容差是否合格；
[0060]
s6完成治疗室所有的治疗能量后，关闭设备电源，断开探测系统线缆，将探测系统从治疗床上移开。
[0061]
本发明所列举的用于粒子治疗装置的束流布拉格峰探测的电极及使用方法适应在粒子治疗装置水平治疗头，垂直治疗头和45
°
治疗头的点扫描方式或均匀扫描方式下所有粒子治疗装置。
[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。