CN101900826B - 重离子束流横向剂量分布测量探测器及其二维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重离子束(包括质子束)治疗肿瘤技术的领域，尤其涉及到重离子束流横向剂量分布测量探测器及其二维成像方法，其主要特点是包括气体密封腔(1)，其内设有电离室内芯(2)，与电离室内芯(2)电连接的多路信号转接板(3)；所述的气体密封腔(1)由主体框架(1-1)和入射窗(1-2)、出射窗(1-3)组成；所述的电离室内芯(2)由两组电离室单元组成，每个单元电离室均由信号极(2-1)、绝缘垫板(2-2)和高压极(2-3)组成；所述的多路信号转接板(3)的一端设有接触端(3-3)插入气体密封腔(1)的密封口(1-5)与电离室内芯(2)的信号极(2-1)相连，另一端设有多芯连接器(3-2)为束流剖面监测探测器的信号输出端口。

Description

重离子束流横向剂量分布测量探测器及其二维成像方法

技术领域：

本发明涉及重离子束(包括质子束)在治疗肿瘤中对计量的检测领域，尤其涉及到重离子束流横向剂量分布测量探测器的结构和使用方法及其重离子束流横向剂量分布测量探测器的二维成像方法。

背景技术：

重离子束治疗肿瘤技术是一种新的癌症治疗手段。其用于放射治疗既有生物学优势，又有剂量分布优势Bragg峰(离子能量大部分沉积在射程的末端)，能实现在临床照射治疗中高精度(毫米量级)，高疗效和高安全性。用于临床治疗的重离子束在照射前必须经过扫描磁铁，将原先横向宽度小于10mm的束流光斑扫描成横向面积大于肿瘤剖面的照射野。通过改变扫描磁铁的磁场，可以改变束流光斑的照射位置，实际应用中通过扫描磁铁磁场的快速改变，实现在一定时间内对一定横向照射面的均匀照射。实际重离子临床照射过程中，要求扫描后的束流在肿瘤靶区的照射野范围内形成一个横向剂量分布均匀性好于95％的照射面。因此在临床治疗中必需对束流横向均匀性进行实时监测，是保证重离子临床治疗安全性和准确性的重要措施。

目前用于束流剖面均匀性测量的有胶片法，半导体矩阵扫描法和电离室扫描法。传统的胶片法存在耗时多，质控复杂等缺点。最重要的是由于等效厚度的限制，胶片法和半导体矩阵扫描法一样，都不能用于束流均匀性的在束实时监测。电离室扫描方法是目前比较广泛采用的测量手段，其结果符合IAEA标准。但目前广泛采用的电离室二维矩阵，如PTW公司的Seven29TM二维电离室矩阵，同样无法实现在束监测，且位置分辨较差。

发明内容：

本发明针对现有的技术缺陷，提供一种重离子束流横向剂量分布测量探测器及其二维成像方法。

还提供一种重离子束流横向剂量分布测量探测器的使用方法。

该束流横向剂量分布测量探测器利用信号极上的位置分条得到该位置条上的入射粒子信息，两个互相垂直的信号极分别得到X、Y方向上的束流剂量分布信息，通过相应的计算，最终得到入射粒子的二维横向剂量分布。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种重离子束流横向剂量分布测量探测器，其主要特点是包括气体密封腔(1)，其内设有电离室内芯(2)，与电离室内芯(2)电连接的多路信号转接板(3)；所述的气体密封腔(1)由主体框架(1-1)和入射窗(1-2)、出射窗(1-3)组成；所述的电离室内芯(2)由两组电离室单元组成，每个单元电离室均由信号极(2-1)、绝缘垫板(2-2)和高压极(2-3)组成；所述的多路信号转接板(3)的一端设有接触端(3-3)插入气体密封腔(1)的密封口(1-5)与电离室内芯(2)的信号极(2-1)相连，另一端设有多芯连接器(3-2)为束流剖面监测探测器的信号输出端口，多芯连接器(3-2)作为整个束流剖面监测探测器的信号输出端口和后续获取系统相连。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的主体框架(1-1)的一侧设有气体流入口(1-1-1)和流出口(1-1-3)，还设有高压口(1-1-2)与电离室内芯(2)的高压极(2-3)电连接。该探测器通过相互垂直的信号条，实现对束流剖面剂量分布的测量，同时利用相关算法，实现对束流剖面分布的二维直观显示。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的电离室内芯(2)的信号极(2-1)由有效面积为50×50mm²-300×300mm、厚度为0.1mm-1mm的硬质PCB板上镀20-100条宽度为0.5-5mm的信号条(2-1-1)组成，其中信号条(2-1-1)的间距为0.1-1mm。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的电离室内芯(2)中的所述的两个单元电离室，两个信号极(2-1)上信号条(2-1-1)的方向互相垂直，分别监测束流横向剂量分布的X和Y方向。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的电离室内芯(2)的高压极(2-3)，由有效面积为50×50mm²-300×300mm²的导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，其中导电薄膜为厚度7-25μm的镀铝聚酰亚胺膜。所述的重离子束流横向剂量分布监测探测器，所述的电离室内芯(2)的高压极(2-3)和信号极(2-1)之间距离为绝缘垫板(2-2)的厚度，为2-20mm；所述的绝缘垫板(2-2)为电阻在大于10¹⁶Ω的聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有较好耐辐照性能和良好加工性。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的多路信号转接板(3)的接触端(3-3)，由20-100条导电条组成，导电条的一端与电离室内芯(2)信号极(2-1)上的信号条(2-1-1)一一对应连接。这样与后续获取系统相连的多芯连接器(3-2)可输出探测器各个信号条(2-1-1)上得到的束流横向相对剂量分布信息。

所述的多路信号转接板(3)的接触端(3-3)到多芯连接器(3-2)的连接是由内层走线的多层PCB板实现，具有很好的抗干扰功能。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的气体密封腔(1)的框架(1-1)与入射窗(1-2)、出射窗(1-3)之间设有橡胶圈，其密封口(1-5)与多路信号转接板(3)之间通过真空胶密封。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的入射窗(1-2)、出射窗(1-3)由导电薄膜和金属框架组成，其中导电薄膜为镀铝聚酰亚胺膜，通过导电胶粘连在金属框架上，使得入射出射窗(1-2)具有很好的电磁屏蔽效果。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，所述的工作气体为高纯氮气或异丁烷或氮气与二氧化碳的混合气体或空气。

所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，还包括有通过气体流入口(1-1-1)和流出口(1-1-3)连通工作气体。

一种重离子束流横向剂量分布测量探测器的使用方法，其主要特点是使用步骤如下：

(1)将探测器垂直放置于束流照射方向；

(2)打开气体循环系统，为探测器内部充入工作气体，其流速为0.01～0.02mbar/s，压强为大于环境压强5～10mbar并保持其一定的流通更新速度；

(3)将探测器上的多芯连接器(3-2)与后续获取系统连接；

(4)同步获取探测器单元电离室(2)上信号极(2-1)各个信号条(2-1-1)得到的束流剂量信号；

(5)将各个信号条(2-1-1)上得到的剂量信息与信号条(2-1-1)在探测器内的位置一一对应，得到整个照射束流横向上的剂量分布；

(6)根据得到的X和Y方向上的照射束流剂量分布，计算出束流横向照射的均匀性；

(7)当得到的束流X和Y方向上照射均匀性低于临床治疗要求时，停止束流照射并相应修正束流照射的相关参数直至其横向照射均匀性满足临床治疗要求。

一种重离子束流横向剂量分布测量探测器的二维成像方法，其主要步骤为：

(1)由于探测器的采样时间大大小于束流扫描时间，所以扫描后的束流横向上的分布可以视为许多个未扫描状态下的束流照射点的叠加；

(2)根据相关束流光学可得未扫描状态下的束流横向剂量分布在探测器定义的X、Y方向上为两个互为独立的一维正态分布；

即探测器定义的X、Y两个方向上，束流的横向剂量分布满足：

$f_x\left(p_x\right)=\frac{A_x}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_x}{e}^{-\frac{{(p_x-{\mathrm{\μ}}_x)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_x}^2}}$

$f_y\left(p_y\right)=\frac{A_y}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_y}{e}^{-\frac{{(p_y-{\mathrm{\μ}}_y)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}}$

其中f_x(p_x)为束流横向剂量分布监测探测器X方向测得的束流剂量分布；

f_y(p_y)为束流横向剂量分布监测探测器Y方向测得的束流剂量分布；

p_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条对应的位置，满足p_x＝d_x*i，d_x为探测器X方向信号极(2-1)上信号条(2-1-1)的宽度，i为对应的信号条(2-1-1)序号；

p_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条对应的位置，满足p_y＝d_y*i，d_y为探测器Y方向信号极(2-1)上信号条(2-1-1)的宽度，i为对应的信号条(2-1-1)序号；

A_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向各个位置条得到的相对剂量最大值；

A_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向各个位置条得到的相对剂量最大值；

σ_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条得到的束流相对剂量随X方向位置变化分布的标准差；

σ_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条得到的束流相对剂量随Y方向位置变化分布的标准差；

μ_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条得到的相对剂量信息最大值所对应的X方向位置；

μ_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条得到的相对剂量信息最大值所对应的Y方向位置；

(3)在探测器定义的X、Y方向上，束流的横向剂量分布满足的相互独立的一维正态分布在束流的横向二维区间上满足二维正态分布，即探测器得到的束流的横向分布在XY组成的二维空间里满足：

$f(x,y)=\frac{\sqrt{A_x{A}_y}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}\exp \{-\frac{1}{2}[{\left(\frac{p_x-{\mathrm{\μ}}_x}{{\mathrm{\σ}}_x}\right)}^2+{\left(\frac{p_y-{\mathrm{\μ}}_y}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)}^2\left]\right\}$

其中f(x，y)为束流横向剂量分布监测探测器单次采样测得的束流横向二维剂量分布，其中p_x，p_y，A_x，A_y，σ_x，σ_y，μ_x，μ_y的值通过探测器单次采样时得到的X、Y方向上的剂量分布信息得到；

(4)实际照射过程中探测器多次采样得到许多个束流照射点的横向剂量分布，将这些横向剂量分布点阵叠加可以得到整个照射面的束流横向剂量分布，即

$F(x,y)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{f}_k(x,y)$

其中F(x，y)为多次采样条件下得到的束流横向二维剂量分布，k为对应的采样次数。

本发明的有益效果：通过将探测器信号极分条实现对入射重离子束照射位置的测量，同时由分条上的信号得到该位置照射点的剂量信息。由于探测器的后续数据采集处理系统的采样时间大大小于束流的扫描时间，通过两个单维位置剂量信息和相关算法，可以实现对扫描后的束流横向剂量分布的二维显示。

附图说明：

图1是本发明束流横向剂量分布监测探测器的结构示意图；

图2是本发明的电离室内芯(2)结构示意图；

图3是本发明的多路信号转接板(3)；

图4(a)为束流横向剂量分布在探测器单次采样得到的束流横向剂量在其X方向上的分布。

图4(b)为束流横向剂量分布在探测器单次采样得到的束流横向剂量在其Y方向上的分布。

图5(a)为实施例1的束流横向剂量在其X方向上的分布测试结果。

图5(b)为实施例1的束流横向剂量在其Y方向上的分布测试结果。

图5(c)为实施例1测试结果的二维成像。

图6(a)为实施例2的束流横向剂量在其X方向上的分布测试结果。

图6(b)为实施例2的束流横向剂量在其Y方向上的分布测试结果。

图6(c)为实施例2测试结果的二维成像。

图7(a)为实施例3的束流横向剂量在其X方向上的分布测试结果。

图7(b)为实施例3的束流横向剂量在其Y方向上的分布测试结果。

图7(c)为实施例3测试结果的二维成像。

图8(a)为实施例4的束流横向剂量在其X方向上的分布测试结果。

图8(b)为实施例4的束流横向剂量在其Y方向上的分布测试结果。

图8(c)为实施例4测试结果的二维成像。

图9(a)为实施例6的探测器10个采样点得到的束流横向剂量在其X方向上的分布测试结果。

图9(b)为实施例6的探测器10个采样点得到的束流横向剂量在其Y方向上的分布测试结果。

图9(c)为实施例6的探测器10个采样点得到的束流横向剂量的二维成像。

具体实施方式：

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：见图1、2、3，一种重离子束流横向剂量分布测量探测器，包括气体密封腔1，其内设有电离室内芯2，与电离室内芯2电连接的多路信号转接板3；所述的气体密封腔1由主体框架1-1和入射窗1-2、出射窗1-3组成；所述的电离室内芯2由两组电离室单元组成，每个单元电离室均由信号极2-1、绝缘垫板2-2和高压极2-3组成；所述的多路信号转接板3的一端设有接触端3-3插入气体密封腔1的密封口1-5与电离室内芯2的信号极2-1相连，另一端设有多芯连接器3-2为束流剖面监测探测器的信号输出端口，多芯连接器3-2作为整个束流剖面监测探测器的信号输出端口和后续获取系统相连。

所述的主体框架1-1的一侧设有气体流入口1-1-1和流出口1-1-3，还设有高压口1-1-2与电离室内芯2的高压极2-3电连接。该探测器通过相互垂直的信号条，实现对束流剖面剂量分布的测量，同时利用相关算法，实现对束流剖面分布的二维直观显示。

所述的电离室内芯2的信号极2-1由有效面积为50×50mm²、厚度为1mm的硬质PCB板上镀20条宽度为2mm的信号条2-1-1组成，其中各信号条2-1-1的间距为0.5mm。

所述的电离室内芯2中的所述的两个单元电离室，两个信号极2-1上信号条2-1-1的方向互相垂直，分别监测束流横向剂量分布的X和Y方向。

所述的电离室内芯2的高压极2-3，由有效面积为50×50mm²的导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，其中导电薄膜为厚度25μm的镀铝聚酰亚胺膜。

所述的电离室内芯2的高压极2-3和信号极2-1之间距离为绝缘垫板2-2的厚度，为2mm；所述的绝缘垫板2-2为电阻在大于10¹⁶Ω的聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有较好耐辐照性能和良好加工性。

所述的多路信号转接板3的接触端3-3，由20条导电条组成，导电条的一端与电离室内芯2信号极2-1上的信号条2-1-1一一对应连接。这样与后续获取系统相连的多芯连接器3-2可输出探测器各个信号条2-1-1上得到的束流横向相对剂量分布信息。

所述的多路信号转接板3的接触端3-3到多芯连接器3-2的连接是由内层走线的多层PCB板实现，具有很好的抗干扰功能。

所述的气体密封腔1的框架1-1与入射窗1-2、出射窗1-3之间设有橡胶圈，其密封口1-5与多路信号转接板3之间通过真空胶密封。

所述的入射窗1-2、出射1-3由导电薄膜和金属框架组成，其中导电薄膜为镀铝聚酰亚胺膜，通过导电胶粘连在金属框架上，使得入射出射窗1-2具有很好的电磁屏蔽效果。

所述的工作气体为异丁烷。

还包括有通过气体流入口1-1-1和流出口1-1-3连通工作气体。通过自动气压控制系统，保证探测器内工作气体的压强为大于环境压强5mbar。流气口的一端连通控气阀，以0.01mbar/s的速度更新探测器内部工作气体，防止因工作气体老化影响探测器的测试结果。

实际测试中，按照以下步骤实现对束流横向剂量分布的实时监测：

(1)将探测器垂直放置于束流照射方向；

(2)打开气体循环系统，为探测器内部充入工作气体并保持其一定的流通更新速度；

(3)将探测器上的多芯连接器3-2与后续获取系统连接；

(4)同步获取探测器单元电离室2上信号极2-1各个信号条2-1-1得到的束流剂量信号；

(5)将各个信号条2-1-1上得到的剂量信息与信号条2-1-1在探测器内的位置一一对应，得到整个照射束流横向上的剂量分布；

(6)根据得到的X和Y方向上的照射束流剂量分布，计算出束流横向照射的均匀性；

(7)通过相应算法，得到束流横向剂量分布的二维显示。

图5为100MeV/u的入射¹²C重离子束由扫描磁铁扫成横向面积30×30mm²照射野条件下，束流横向剂量分布监测探测器XY方向的测试结果和通过算法得到的束流横向二维剂量分布图。

实施例2：见图1、2、3，一种重离子束流横向剂量分布测量探测器，其包括气体密封腔1、电离室内芯2和多路信号转接板3；所述的气体密封腔1由主体框架1-1和入射出射窗1-2构成；所述的电离室内芯2每个信号极2-1上镀有40信号条2-1-1，两个单元电离室内芯的两个信号极2-1上信号条2-1-1方向互相垂直。

所述的电离室内芯2，其信号极2-1由有效面积为220×220mm²、厚度为0.5mm的硬质PCB板上镀40条宽度为5mm的信号条2-1-1组成，各个信号条2-1-1间距0.5mm。

所述的电离室内芯2，其高压极2-3由有效面积为220×220mm²的导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，其中导电薄膜为厚度15μm的镀铝聚酰亚胺膜。

所述的电离室内芯2，其高压极2-3和信号极2-1间距由绝缘垫板的厚度决定，为5mm。

所述的多路信号转接板3的接触端3-3，由40条导电条组成，导电条的一端与单元电离室内芯2信号极2-1上的信号条2-1-1连接，一端与多芯连接器3-2连接。

所述的工作气体为氮气与二氧化碳的混合气体。

所述的流气口1-6一端连通工作气体，通过自动气压控制系统，保证探测器内工作气体的压强为大于环境压强6mbar。流气口1-6的另一端连通控气阀，以0.01mbar/s的速度更新探测器内部工作气体，防止因工作气体老化影响探测器的测试结果。

其余结构与实施例1相同。

图6为100MeV/u的入射¹²C重离子束由扫描磁铁扫成横向面积30×30mm²照射野条件下，束流横向剂量分布监测探测器XY方向的测试结果和通过算法得到的束流横向二维剂量分布图。

实施例3：见图1、2、3，一种重离子束流横向剂量分布测量探测器，其包括气体密封腔1、电离室内芯2和多路信号转接板3；所述的气体密封腔1由主体框架1-1和入射出射窗1-2构成；所述的电离室内芯2的信号极2-1上镀有60信号条2-1-1，两个单元电离室内芯2的两个信号极2-1上信号条2-1-1方向互相垂直。

所述的电离室内芯2，其信号极2-1由有效面积为300×300mm²、厚度为0.2mm的硬质PCB板上镀60条宽度为4mm的信号条2-1-1组成，各个信号条2-1-1间距1mm。

所述的电离室内芯2，其高压极2-3由有效面积为300×300mm²的导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，其中导电薄膜为厚度7μm的镀铝聚酰亚胺膜。

所述的电离室内芯2，其高压极2-3和信号极2-1间距由绝缘垫板的厚度决定，为20mm。

所述的多路信号转接板3的接触端3-3，由60条导电条组成，导电条的一端与单元电离室内芯2信号极2-1上的信号条2-1-1连接，一端与多芯连接器3-2连接。

所述的工作气体为高纯氮气。

所述的流气口一端连通工作气体，通过自动气压控制系统，保证探测器内工作气体的压强为大于环境压强7mbar。流气口的另一端连通控气阀，以0.01mbar/s的速度更新探测器内部工作气体，防止因工作气体老化影响探测器的测试结果。

其余结构与实施例1相同。

图7为100MeV/u的入射¹²C重离子束由扫描磁铁扫成横向面积30×30mm²照射野条件下，束流横向剂量分布监测探测器XY方向的测试结果和通过算法得到的束流横向二维剂量分布图。

实施例4：见图1、2、3，一种重离子束流横向剂量分布测量探测器，其包括气体密封腔1、电离室内芯2和多路信号转接板3；所述的气体密封腔1由主体框架1-1和入射出射窗1-2构成；所述的电离室内芯2的信号极2-1上镀有100信号条2-1-1，电离室内芯2的两个信号极2-1上信号条2-1-1方向互相垂直。

所述的电离室内芯2，其信号极2-1由有效面积为200×200mm²、厚度为0.2mm的硬质PCB板上镀100条宽度为1.8mm的信号条2-1-1组成，各个信号条2-1-1间距0.2mm。

所述的两个单元电离室内芯2，其高压极2-3由有效面积为200×200mm²的导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，其中导电薄膜为厚度7μm的镀铝聚酰亚胺膜。

所述的两个单元电离室内芯2，其高压极2-3和信号极2-1间距由绝缘垫板的厚度决定，为10mm。

所述的多路信号转接板3的接触端3-3，由100条导电条组成，导电条的一端与单元电离室内芯2信号极2-1上的信号条2-1-1连接，一端与多芯连接器3-2连接。

所述的工作气体为空气。

所述的流气口一端连通工作气体，通过自动气压控制系统，保证探测器内工作气体的压强为大于环境压强8mbar。流气口的另一端连通控气阀，以0.02mbar/s的速度更新探测器内部工作气体，防止因工作气体老化影响探测器的测试结果。

其余结构与实施例1相同。

图8为100MeV/u的入射¹²C重离子束由扫描磁铁扫成横向面积30×30mm²照射野条件下，束流横向剂量分布监测探测器XY方向的测试结果和通过算法得到的束流横向二维剂量分布图。

实施例5：见图1、2、3，一种重离子束流横向剂量分布测量探测器，其包括气体密封腔1、电离室内芯2和多路信号转接板3；所述的气体密封腔1由主体框架1-1和入射出射窗1-2构成；所述的电离室内芯2的信号极2-1上镀有80信号条2-1-1，电离室内芯2的两个信号极2-1上信号条2-1-1方向互相垂直。

所述的电离室内芯2，其信号极2-1由有效面积为160×160mm²、厚度为0.5mm的硬质PCB板上镀80条宽度为1.8mm的信号条2-1-1组成，各个信号条2-1-1间距0.2mm。

所述的电离室内芯2，其高压极2-3由有效面积为160×160mm²的导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，其中导电薄膜为厚度7μm的镀铝聚酰亚胺膜。

所述的电离室内芯2，其高压极2-3和信号极2-1间距由绝缘垫板的厚度决定，为10mm。

所述的多路信号转接板3的接触端3-3，由80条导电条组成，导电条的一端与单元电离室内芯2信号极2-1上的信号条2-1-1连接，一端与多芯连接器3-2连接。

所述的工作气体为空气。

所述的流气口一端连通工作气体，通过自动气压控制系统，保证探测器内工作气体的压强为大于环境压强10mbar。流气口的另一端连通控气阀，以0.02mbar/s的速度更新探测器内部工作气体，防止因工作气体老化影响探测器的测试结果。

其余结构与实施例1相同。由于该实施例与实施例4中探测器的位置精度一样，所以测试结果与实施例4的类似。

实施例6：一种重离子束流横向剂量分布测量探测器的使用步骤如下：

(1)将探测器垂直放置于束流照射方向；

(2)打开气体循环系统，为探测器内部充入工作气体，其流速为0.01～0.02mbar/s，压强为大于环境压强5～10mbar并保持其一定的流通更新速度；

(3)将探测器上的多芯连接器3-2与后续获取系统连接；

(4)同步获取探测器单元电离室2上信号极2-1各个信号条2-1-1得到的束流剂量信号；

(5)将各个信号条2-1-1上得到的剂量信息与信号条2-1-1在探测器内的位置一一对应，得到整个照射束流横向上的剂量分布；

(6)根据得到的X和Y方向上的照射束流剂量分布，计算出束流横向照射的均匀性；

(7)当得到的束流X和Y方向上照射均匀性低于临床治疗要求时，停止束流照射并相应修正束流照射的相关参数直至其横向照射均匀性满足临床治疗要求。

实施例7：一种重离子束流横向剂量分布测量探测器的二维成像方法，其主要步骤为：

(1)由于探测器的采样时间(＜0.1ms)大大小于束流扫描时间(＞10ms)，所以扫描后的束流横向上的分布可以视为许多个未扫描状态下的束流照射点的叠加。以10ms内探测器的10个采样点为例，10ms内得到的束流剂量在XY方向上的分布如图9(a)和9(b)所示。实际应用中探测器的采样率在10⁴/s以上，即10ms内的采样点在100个以上。这里为了说明计算过程，仅取10ms内的10个采样点进行说明。

(2)根据相关束流光学可得未扫描状态下的束流横向剂量分布在探测器定义的X、Y方向上为两个互为独立的一维正态分布；

即探测器定义的X、Y两个方向上，束流的横向剂量分布满足：

$f_x\left(p_x\right)=\frac{A_x}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_x}{e}^{-\frac{{(p_x-{\mathrm{\μ}}_x)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_x}^2}}$

$f_y\left(p_y\right)=\frac{A_y}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_y}{e}^{-\frac{{(p_y-{\mathrm{\μ}}_y)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}}$

其中f_x(p_x)为束流横向剂量分布监测探测器X方向测得的束流剂量分布；

f_y(p_y)为束流横向剂量分布监测探测器Y方向测得的束流剂量分布；

p_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条对应的位置，满足p_x＝d_x*i，d_x为探测器X方向信号极2-1上信号条2-1-1的宽度，i为对应的信号条2-1-1序号；

p_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条对应的位置，满足p_y＝d_y*i，d_y为探测器Y方向信号极2-1上信号条2-1-1的宽度，i为对应的信号条2-1-1序号；

A_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向各个位置条得到的相对剂量最大值；

A_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向各个位置条得到的相对剂量最大值；

σ_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条得到的束流相对剂量随X方向位置变化分布的标准差；

σ_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条得到的束流相对剂量随Y方向位置变化分布的标准差；

μ_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条得到的相对剂量信息最大值所对应的X方向位置；

μ_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条得到的相对剂量信息最大值所对应的Y方向位置；

以步骤(1)所说的1ms内探测器的10个采样点为例，由相应快速数据处理软件分别得到的10个采样点下束流剂量在XY方向上的一维正态分布各个系数，如表1所示：

表1  10个采样点下束流剂量在XY方向上的一维正态分布系数

采样点	Ax	σx	μx	采样点	Ay	σy	μy
								X1	0.077	3.051	72.1	Y1	0.083	3.813	71.0
X2	0.072	2.654	63.0	Y2	0.0777	2.968	66.1
								X3	0.0768	2.966	58.0	Y3	0.083	2.736	62.0
X4	0.071	2.627	54.1	Y4	0.078	2.354	54.0
								X5	0.073	2.330	47.9	Y5	0.078	2.892	47.9
X6	0.075	2.585	46.0	Y6	0.077	2.105	44.1
								X7	0.080	2.754	42.1	Y7	0.084	2.824	41.0
X8	0.069	2.542	37.0	Y8	0.087	3.031	37.0
								X9	0.074	2.839	32.0	Y9	0.084	2.683	32.9
X10	0.075	2.203	25.9	Y10	0.079	2.920	26.1

(3)在探测器定义的X、Y方向上，束流的横向剂量分布满足的相互独立的一维正态分布在束流的横向二维区间上满足二维正态分布，即探测器得到的束流的横向分布在XY组成的二维空间里满足：

$f(x,y)=\frac{\sqrt{A_x{A}_y}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}\exp \{-\frac{1}{2}[{\left(\frac{p_x-{\mathrm{\μ}}_x}{{\mathrm{\σ}}_x}\right)}^2+{\left(\frac{p_y-{\mathrm{\μ}}_y}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)}^2\left]\right\}$

其中f(x，y)为束流横向剂量分布监测探测器单次采样测得的束流横向二维剂量分布，其中p_x，p_y，A_x，A_y，σ_x，σ_y，μ_x，μ_y的值通过探测器单次采样时得到的X、Y方向上的剂量分布信息得到；

以步骤(1)所说的1ms内探测器的10个采样点为例，由步骤(2)可以得到各个采样点二维正态分布的参数值，即表1中的值。

(4)实际照射过程中探测器多次采样得到许多个束流照射点的横向剂量分布，将这些横向剂量分布点阵叠加可以得到整个照射面的束流横向剂量分布，即

$F(x,y)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{f}_k(x,y)$

其中F(x，y)为多次采样条件下得到的束流横向二维剂量分布，k为对应的采样次数。

以步骤(1)所说的1ms内探测器的10个采样点为例，由步骤(3)可以得到各个采样点的二维正态分布，将这些横向剂量分布点阵叠加可以得到整个照射面的束流横向剂量分布，即

$F(x,y)=\underset{k=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k(x,y)$

图9(c)为这10个采样点形成的二维图像，由于这几个采样点是在探测器10ms内10⁴个采样点中抽取出的10个，所以其二维图像并不能反应10ms内束流的整个横向分布状态，这里仅以此数据表述计算过程。

上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是包括气体密封腔(1)，其内设有电离室内芯(2)，与电离室内芯(2)电连接的多路信号转接板(3)；所述的气体密封腔(1)曲主体框架(1-1)和入射窗(1-2)、出射窗(1-3)组成；所述的电离室内芯(2)由两组电离室单元组成，每个单元电离室均由信号极(2-1)、绝缘垫板(2-2)和高压极(2-3)组成；所述的多路信号转接板(3)的一端设有接触端(3-3)插入气体密封腔(1)的密封口(1-5)与电离室内芯(2)的信号极(2-1)相连，另一端设有多芯连接器(3-2)为束流剖面监测探测器的信号输出端口；所述的电离室内芯(2)的信号极(2-1)由有效面积为50×50mm²-300×300mm²、-厚度为0.1mm-1mm的硬质PCB板上镀20-100条宽度为0.5-5mm的信号条(2-1-1)组成，其中信号条(2-1-1)的间距为0.1-1mm；所述的电离室内芯(2)中的所述的两个单元电离室，两个信号极(2-1)上信号条(2-1-1)的方向互相垂直。

2.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是所述的主体框架(-1-1)的一侧设有气体流入口(1-1-1-)和流出口(-1-1-3)，还设有高压口(1-1-2)与电离室内芯(2)的高压极(2-3)电连接。

3.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是所述的电离室内芯(2)的高压极(2-3)，由有效面积为50×50mm²-300×300mm²的导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，其中导电薄膜为厚度7-25μm的镀铝聚酰亚胺膜。

4.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是所述的电离室内芯(2)的高压极(2-3)和信号极(2-1)之间距离为绝缘垫板(2-2)的厚度；所述的绝缘垫板(2-2)为电阻在大于10¹⁶Ω的聚四氟乙烯。

5.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是所述的多路信号转接板(3)的接触端(3-3)，由20-100条导电条组成，导电条的一端与电离室内芯(2)信号极(2-1)上的信号条(2-1-1)一一对应连接。

6.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是所述的气体密封腔(1)的框架(1-1)与入射窗(1-2)、出射窗(1-3)之间设有橡胶圈，其密封口(1-5)与多路信号转接板(3)之间通过真空胶密封。

7.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是所述的入射窗(1-2)、出射窗(1-3)由导电薄膜和金属框架组成，其中导电薄膜为镀铝聚酰亚胺膜，通过导电胶粘连在金属框架上。

8.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是所述的工作气体为高纯氮气或为异丁烷或为氮气与二氧化碳的混合气体或为空气。

9.如权利要求1所述的重离子束流横向剂量分布测量探测器，其特征是还包括有通过气体流入口(1-1-1)和流出口(1-1-3)连通工作气体。

10.如权利要求1所述的一种重离子束流横向剂量分布测量探测器的使用方法，其特征是使用步骤如下：

(1)将探测器垂直放置于束流照射方向；

(2)打开气体循环系统，为探测器内部充入工作气体，其流速为0.01～0.02mbar/s，压强为大于环境压强5～10mbar并保持其一定的流通更新速度；

(3)将探测器上的多芯连接器(3-2)与后续获取系统连接；

(4)同步获取探测器单元电离室(2)上信号极(2-1)各个信号条(2-1-1)得到的束流剂量信号；

(5)将各个信号条(2-1-1)上得到的剂量信息与信号条(2-1-1)在探测器内的位置一一对应，得到整个照射束流横向上的剂量分布；

(6)根据得到的X和Y方向上的照射束流剂量分布，计算出束流横向照射的均匀性。

11.如权利要求1所述的一种重离子束流横向剂量分布测量探测器的二维成像方法，其特征是：

(1)由于探测器的采样时间大大小于束流扫描时间，所以扫描后的束流横向上的分布可以视为许多个未扫描状态下的束流照射点的叠加；

(2)根据相关束流光学可得未扫描状态下的束流横向剂量分布在探测器定义的X、Y方向上为两个互为独立的一维正态分布；

即探测器定义的X、Y两个方向上，束流的横向剂量分布满足：

$f_x\left(p_x\right)=\frac{A_x}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_x}{e}^{-\frac{{(p_x-{\mathrm{\μ}}_x)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_x}^2}}$

$f_y\left(p_y\right)=\frac{A_y}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_y}{e}^{-\frac{{(p_y-{\mathrm{\μ}}_y)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}}$

其中f_x(p_x)为束流横向剂量分布监测探测器X方向测得的束流剂量分布；

f_y(p_y)为束流横向剂量分布监测探测器Y方向测得的束流剂量分布；

p_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条对应的位置，满足p_x＝d_x*i，d_x为探测器X方向信号极(2-1)上信号条(2-1-1)的宽度，i为对应的信号条(2-1-1)序号；

p_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条对应的位置，满足p_y＝d_y*i，d_y为探测器Y方向信号极(2-1)上信号条(2-1-1)的宽度，i为对应的信号条(2-1-1)序号；

A_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向各个位置条得到的相对剂量最大值；

A_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向各个位置条得到的相对剂量最大值；

σ_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条得到的束流相对剂量随X方向位置变化分布的标准差；

σ_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条得到的束流相对剂量随Y方向位置变化分布的标准差；

μ_x为束流横向剂量分布监测探测器X方向位置条得到的相对剂量信息最大值所对应的X方向位置；

μ_y为束流横向剂量分布监测探测器Y方向位置条得到的相对剂量信息最大值所对应的Y方向位置；

(3)在探测器定义的X、Y方向上，束流的横向剂量分布满足的相互独立的一维正态分布在束流的横向二维区间上满足二维正态分布，即探测器得到的束流的横向分布在XY组成的二维空间里满足：

$f(x,y)=\frac{\sqrt{A_x{A}_y}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}\exp \{-\frac{1}{2}[{\left(\frac{p_x-{\mathrm{\μ}}_x}{{\mathrm{\σ}}_x}\right)}^2+{\left(\frac{p_y-{\mathrm{\μ}}_y}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)}^2\left]\right\}$

其中f(x，y)为束流横向剂量分布监测探测器单次采样测得的束流横向二维剂量分布，其中p_x，p_y，A_x，A_y，σ_x，μ_y，μ_x，μ_y的值通过探测器单次采样时得到的X、Y方向上的剂量分布信息得到；

(4)实际照射过程中探测器多次采样得到许多个束流照射点的横向剂量分布，将这些横向剂量分布点阵叠加可以得到整个照射面的束流横向剂量分布，即

$F(x,y)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{f}_k(x,y)$

其中F(x，y)为多次采样条件下得到的束流横向二维剂量分布，k为对应的采样次数。

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