CN102405423B - 用于监控强子束的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于强子束的剂量监控的设备，包括由通过气体填充的间隙来相互分隔的n+1个平行的探测器板的串接或层叠而获得的n个连续的电离室i，每个探测器板具有与包括偏压侧的偏压部分绝缘的包括收集侧的收集部分，并且以所述收集侧面向后续探测器板的所述偏压侧的方式或相反的方式排布，每个探测器板包括m个材料层L_k，所产生的这些探测器板的组件形成多个电离室单元，其特征在于：构成每个探测器板的每个层L_k的厚度l_k和材料选择以及电离室单元i的间隙都已经选定，以便对于每个电离室i都满足公式(I)，其中l_gi是两个探测器板之间的气体填充的间隙距离；l_k是探测器板的对应层L_k的厚度；以及WET_k是探测器板的对应层L_k的水等效厚度(WET)。

Description

用于监控强子束的设备和方法

技术领域

本发明涉及强子治疗的领域，即使用强相互作用粒子的放射治疗。更具体而言，本发明涉及用于监控强子束的设备和方法。

背景技术

目前，已知的是，强子(即，中子、质子、介子、离子，例如碳离子)在放射治疗领域与X射线或γ射线相比具有物理优势。强子，尤其是给定能量(即，形成单能束)的质子，具有限定的射程(range)并且不会穿透超过该射程。而且，它们在对应于作为例如待处理的肿瘤的靶区内最大的辐射穿透的点的所谓的布拉格峰(Bragg Peak)内沉积它们最大的辐射能量值。由于布拉格峰的位置取决于强子束的能量，因而显然，通过精确地控制和修改该能量，能够将布拉格峰置于肿瘤的相应深度以便将最大的辐射能量施加于该点，并且相比之下，不伤害周围的健康组织。而且，通过结合几种不同能量的单能质子束(即，执行射程调节)，有可能使布拉格峰扩展，以便与肿瘤的厚度相匹配并且在控制周围的健康组织和关键器官上的剂量负荷的同时以均匀的剂量照射肿瘤。

需要特别的装置(例如，调节轮)来将不同能量的强子结合到一起。而且，还需要特别的装置来整形强子束以使之尽可能地匹配肿瘤的形状、尺寸和位置。

在放射治疗中的质量保证(QA)一般包括需要用于确定医疗处方的一致性和正确性的特定过程。此类过程通常涉及对待照射靶区的处方剂量以及输送至通常存在于健康的组织中的靶区的环境的剂量(该剂量应当尽可能小)。此类过程还涉及使健康的专业人员最小限度地暴露于辐射下以及充分的输送监控。在强子治疗中的质量保证需要相对常规的放射治疗更严格的过程。实际上，常规的辐射治疗的质量保证过程对强子疗法治疗不再是足够的，强子疗法治疗特别地需要对射束强度和能量的完全控制。为此，必须提供适合的剂量测定设备。因此，即使在放射治疗中广泛地确立了剂量测定，强子治疗也需要新的先进的剂量测定设备，该剂量测定设备应当允许测量在某一点所吸收的剂量以及2D和3D的剂量分布这两者。

该剂量测定设备应当具有如下主要特征：高灵敏度、小尺寸、快速动态响应、辐射硬度、对能量和剂量率没有依赖性、组织等效性和线性剂量响应。

水模体是本技术领域所熟知的并且典型地用于确立电离辐射对人体的影响。该水模体主要包括水箱(具有大约250升的容积)，并且装备有用于在水箱容积内将辐射探测器(例如，水密空气电离室探头、二极管或传感器阵列)移动到多个测量位置的驱动装置。水箱被充注并且借助于来自外部蓄水池的泵控制机构抽空。

虽然水模体的使用是许多年以来就已建立的标准，但是这些大的扫描水模体的处理是繁琐的且耗时的，部分原因是由于长的水箱注入和抽空的时间。

通过使用在EP1852714中所公开的设备，使用水模体的这个主要缺点已经得到了部分减少，使得能够进行更频繁的QA测试和更完全的方式。设备包括水箱、用于改变水箱中的水位的装置，以及定位于相对水箱固定的位置处的二维采集探测器，所述采集探测器包括能够同时在某一区域内的多个点测量剂量的多个传感器。所述设备还是较轻的并且能够安置于病床上，而不是在特殊的支撑物上。然而，由于必须保证在给定的能量下的终止射程(stopping range)，因而仍然需要最小化QA时间，以便增加QA测试的频率。

文献US5672878公开了适用于监控电子束或质子束这两者的电离室。该电离室主要包括具有主射束通道的外壳以及邻近于主射束通道的次射束单元的阵列。外壳还包含射束测量电极的第一阵列，该电极阵列提供响应于电子或光子束的一部分的辐射强度的探测的输出。第二射束测量电极也包含于外壳之内，以便提供响应于所述射束的第二部分的辐射强度的输出。然而，该设备仅适用于监控辐射束的几何特性，例如方向和位置。而且，该设备不能够在输送至靶期间监控辐射特性。

在文献EP0040589中描述了另一种透射离子室系统。该系统适用于执行用于测量和校正辐射束的对称性和定中心的方法。该透射系统位于准直器和待照射的靶之间，并且包括：由所述射束完全穿过的四个内部收集电极；以及其表面的第一部分由所述射束穿过，而剩余部分位于所述准直器的遮蔽下的外部电极。但是，该系统只适用于控制发散射束并且校正其定中心和对称性。此外，类似于前一种系统，该系统不能够在输送至靶期间监控辐射特性。

适用于执行快速的日常3D剂量验证的已知的剂量测定系统是由INFN和都灵大学(University of Torino)所开发的产品Magic Cube(Two-dimensional and quasi-three-dimensional dosimetry of hadronand photons beams with the magic cube and pixel ionization chamber(magic cube和像素电离室的二维和准三维强子和质子束剂量学)，R.Cirio等人，Phys.Med.Biol.49(2004)3713-3724)。Magic Cube是与可调整厚度的水等效板交错的12个带状分段的电离室的叠层。每个电离室由两个具有24×24cm²的敏感区的板所限定。所述板之一，阴极包括内侧具有35μm的铜膜的1.5mm厚的加工的玻璃纤维(G10)，而阳极则分段成64个0.375mm宽和24cm长的条带。每个条带通过PCB技术来获得，在两个条带之间的非导电的长度是100μm。每个条带以定制的微电子芯片单独地读出。水等效板的数量和位置能够由用户来决定，允许用户选择沿着射束方向的最佳剂量采样粒度(samplinggranularity)。以软件进行的仿真需要在测量之前执行，以便选择组织等效板的最佳厚度和位置。

还需要考虑“散射”和“射程歧离”的参数。穿过物质的强子束以主要通过库仑力进行的许多小的相互作用来与物质的原子相互作用。该许多小的相互作用的影响是粒子能量以及偏离它们运动的原方向的总损失。由于强子束在穿过物质的同时受到许多小的相互作用，因而强子在给定的深度处已经产生的能量损失并不是正好相同的，但是遵守高斯统计分布。

术语“射程歧离”指的是其中加速强子穿过某一厚度的物质的射程服从高斯分布的现象。

术语“散射”或“多次库伦散射”指的是其中穿过某一厚度的物质的加速强子偏离它们运动的原方向，导致在穿过该物质时强子束截面扩大的现象。

在Magic Cube中，在铜层存在于几乎所有电离室单元的板的表面上的情况下，射束发生重大的散射和射程歧离。而且，由于设备的配置能够依据待测量的射束而改变，因而对腔室的框架的某些机械压力可以改变两个电极之间的平面度(planarity)，导致重大的信号偏差。另外，只有沿着射束轴的12个点可以用这样多的电离室来测量，这代表不良的空间分辨率。

用于为了进行布拉格峰分析而测量质子和重离子束的深度剂量曲线的工具是市场上可购得的(Physicalisch Technische WerkstattenGMBH)。该工具包括含有两个由3mm厚的石英玻璃窗密封的风箱的充注水的柱状物。电离室单元位于这两个风箱之间。电离室单元借助于伺服控制单元和线性电机在这两个风箱之间移动，调整上覆水的可变厚度。由于测量探测器位置的改变，风箱被压缩或被下压并且水从一个风箱流到另一个风箱内。该设备给出了良好的分辨率并且能够在整个临床射程内测量完整的深度剂量曲线，但是它同样是水充注的，它重大约31kg并且它仅限于一维的扫描方法，因而它仍然是耗时的方法。

在文献EP1974770中公开了用于在线监控由辐射源生成的并且被输送至靶的强子束的剂量测定设备。该设备包括以面对面的关系平行排布的，由气体填充的间隙所分隔的，垂直于强子束的中心轴的并且形成了多个电离室的多个探测器板。每个探测器板包括作为收集电极或偏压电极的薄铜层并且具有开口以便形成内腔，用于留出输送至所述靶的强子束的中心部分的未受干扰的通道以及用于借助多个电离室来拦截和测量强子束的外围部分的外围区域。该设备尤其涉及眼科应用，其中已知的是具有70MeV的能量的强子束用于眼癌的治疗是足够的。对于其它非眼科的应用建议在电离室之间使用组织等效材料(例如，塑料吸收体)或者对于不同能量值的强子束改变电离室的数量。但是在设备中存在着铜层会导致射束的散射和射程歧离。因此，设备不是水等效的并且需要对距离实施校正，这可能是误差源。同样，该设备只允许监控无源散射束而不能够监控笔形射束扫描。

Nichiporov等人在文献(Med.Phys.34(7)，2007年7月，页码2683-2690)中以及在专利申请WO2008154267中描述了用于测量深度剂量分布的多层电离室(MLIC)探测器，含有122个以1.82mm的阶距堆叠的小电离室单元(水等效的)。每个电离室单元包括具有1.5mm的厚度的聚苯乙烯板，在该聚苯乙烯板上聚酯膜(Mylar film)胶合于两面上。聚酯膜的外表面具有涂于其上的石墨中心斑；随后将胶合于聚苯乙烯板的内表面具有涂于其上的银信号引线。引线与中心斑通过聚酯膜内的电镀通孔来电连接。该结构在聚苯乙烯板的另一面上重复进行。每个板都相互分隔1mm的空气间隙。探测器长度为大约305mm(122×(1.5mm+1mm))，并且其水等效深度为大约220mm(122×1.82mm)。因而当设备用来测量具有22cm的射程的强子束在水中的深度分布时，该射束需要在设备中穿过30.5cm的物理距离。而且，该设备不允许在整个临床射程(大约37cm)内测量完整的深度剂量分布。对于高质子射程的测量，根据仿真的各种厚度的板需要布置于设备入口前面。该设备的主要缺点是需要应用几何校正来使由MLIC所测得的射束射程值与在水中所穿过的实际射束射程对应。该缺点在测量以其中SAD(源到轴的距离)变化的已知的能量调制技术来输送的强子治疗射束时尤其严重。SDD(源到探测器的距离)是在该设备的几何校正中需要考虑的附加的几何因子，SDD在SAD随调制而变化时可能是不可忽略的误差的来源。

于是，有利的是最优化MLIC设备的特性以在不需要SAD相关的校正的情况下对强子束的深度剂量分布执行快速且可靠的QA测量。

发明目的

本发明提供不具有现有技术的设备和方法的缺点的剂量测定设备和方法。

本发明的另一个目的是提供用于在辐射治疗中对强子束进行QA测量的剂量测定设备和方法。

本发明的另一个目的是提供用于分析称为“布拉格峰”的，在靶区内与深度相关的剂量(“深度剂量分布”)的剂量测定设备和方法。

特别地，本发明的另一个目的是提供能够在不需要应用几何校正的情况下于整个临床射程(高达35cm)内对无源的以及动态的射束输送执行具有布拉格峰的高分辨率和展宽布拉格峰的快速的日常测量的剂量测定设备。

本发明的另一个目的是实现其中强子穿过构成设备的材料的散射行为与在所参考的流体(水)中的散射行为可比拟的剂量测定设备。

本发明的另一个目的是能够测量强子束的扩大。

另外还希望实现这样稳定的剂量测定设备使得它确保用于重要的射束变量的可再现恒定性的检查的可靠性。

最后，还希望提供与现有技术的设备相比较轻的且安装较不繁琐的剂量测定设备。

发明内容

一方面，本发明涉及用于强子束的剂量测定监控的设备，包括由通过气体填充的间隙来相互分隔的n+1个平行的探测器板的串接或层叠而获得的n个连续的电离室i，每个探测器板具有与包括偏压侧的偏压部分绝缘的包括收集侧的收集部分，并且以所述收集侧面向后续探测器板的所述偏压侧的方式或相反的方式排布，每个探测器板包括m个材料层L_k，所产生的这些探测器板的组件形成多个电离室单元，其特征在于：

构成每个探测器板的每个层L_k的厚度l_k和材料选择以及电离室单元i的间隙都已经选定以便对于每个电离室i都满足下列公式：

$l_{\mathrm{gi}}={\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_k\right]}_i\≈{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WET}}_k\right]}_i$

其中

l_gi是两个探测器板(102)之间的气体填充的间隙距离；

l_k是探测器板(102)的对应层L_k的厚度，以及；

WET_k是探测器板(102)的对应层L_k的水等效厚度(WET)。

求和对于每个电离室i都应用于板的全部m个层L_k。

优选地，在本发明的上下文中，符号“≈”指的是具有“相当于”或“基本等于”的意思。特别地，所述符号“≈”对于A≈B意思是A＝αB，其中α为0.95～1.05，优选地为0.98～1.02，更优选地为0.99～1.01，最优选地是α等于1。

典型地，在使用中，强子束基本上垂直地冲击板的叠层。

优选地，在根据本发明的设备中，m为2到20，优选地为5到15，还要优选地为7到11，最优选地是m为大约9。

优选地，在根据本发明的设备中，n为50到300，更优选地为100到250，还要优选地为150到200，最优选地为170到190。

优选地，所述探测器板每个都包括m个平行层的叠层，每个层L_k基本上由低原子序数Z的材料形成，Z优选小于18。

优选地，所述探测器板的所述收集部分和所述偏压部分各自由至少三个层的叠层构成。优选地，在每个叠层中，作为外层的第一层基本上由石墨制成，第二和第三层基本上由绝缘体制成。

优选地，每个探测器板的所述收集部分和所述偏压部分各自包括与对应的第三层相邻的由石墨形成的第四层。

优选地，设备的每个探测器板的所述收集部分和所述偏压部分各自至少包括，

-第一层，包括一个或多个电极区、在电极区周围的绝缘分隔以及在所述绝缘分隔周围的保护电极，

-作为绝缘层的第二层，

-包括至少一个导体轨的第三层，以及；

-作为保护件的第四层，具有至少一个与所述第三层的所述导体轨相匹配的绝缘路径，包含于偏压侧中的绝缘路径比位于所述偏压部分的所述第三层中的所述导体轨略宽，

其中所述收集部分的所述第三层的每个所述导体轨通过通孔与每个所述收集电极连接，并且所述偏压部分的所述第三层的所述导体轨通过通孔与偏压电极连接。

优选地，设备的所述探测器板各自包括至少两个末端耳状体。优选地，所述至少两个末端耳状体用作夹紧于框架之上的装置以及用作将所述收集侧连接至采集装置并且将所述偏压侧连接至发生器的装置。

优选地，所述采集装置包括至少一个循环积分器。

优选地，设备包括在暴露于射束的第一板的上游的准直器。当被包含在暴露于射束的第一板的上游时，准直器优选用作使对设备中不涉及射束的直接测量的部分的照射最小化的装置。

第二方面，本发明涉及用于监控强子束的方法，其特征在于使用以上所描述的设备，其中所述探测器板垂直于所述强子束的中心轴而定位。

优选地，用于确定展宽布拉格峰的深度剂量分布的方法包括步骤：

(i)引导具有预定能量的强子束，

(ii)测量所述强子束的布拉格峰，

(iii)改变所述强子束的能量，

(iv)重复步骤(i)到(iii)并且对所述布拉格峰求和，以便直接获得所述展宽布拉格峰。

根据本发明的方法的一个优选方面，通过从其正面照射设备来执行测量。

根据本发明的方法的另一个优选方面，通过从其背面照射设备来执行测量。

根据本发明的又一个优选方面，在所述方法中通过从前端(正面)和后端(背面)两端(面)照射设备来执行测量。

附图说明

图1是本发明的设备的透视图。

图2示出了本发明的设备的探测器板的可能形状。

图3是示出图2中的探测器板的不同层的放大的侧视图。

图4LA、LB、LC、LD是包含于探测器板的收集部分内的连续层的沿着图1的箭头A的正视图。

图5LE、LF、LG、LH是包含于探测器板的偏压部分内的连续层的沿着图1的箭头B的正视图。

图6a、b、c、d、e是包括多个电极的探测器板的收集部分的收集侧的不同实例。

图7是由水模体(连续的线)以及由本发明(圆)获得的原始布拉格峰的不同分布。

图8是示出在本发明所使用的方法中的误差计算的图形。

图9示出了由本发明的设备所测得的具有不同结构的展宽布拉格峰的四种不同分布。

图10是示出在不同的时间通过本发明所获得的不同分布的叠加的图形。

具体实施方式

第一方面，本发明涉及用于强子束的剂量测定监控的设备，包括由通过气体填充的间隙来相互分隔的n+1个平行的探测器板的串接或层叠而获得的n个连续的电离室i，每个探测器板具有与包括偏压侧的偏压部分绝缘的包括收集侧的收集部分，并且以所述收集侧面向后续探测器板的所述偏压侧的方式或相反的方式排布，每个探测器板包括m个材料层L_k，所产生的这些探测器板的组件形成多个电离室单元，其特征在于：

构成每个探测器板的每个层L_k的厚度l_k和材料选择以及电离室单元i的间隙都已经选定为对于每个电离室i都满足下列公式：

$l_{\mathrm{gi}}={\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_k\right]}_i\≈{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WET}}_k\right]}_i$

其中

l_gi是两个探测器板(102)之间的气体填充的间隙距离；

l_m是探测器板(102)的层m的厚度，以及；

WET_m是探测器板(102)的层m的水等效厚度(WET)。

优选地，所述探测器板每个都包括基本上由低原子序数Z的材料形成的m个平行层的叠层，Z优选小于18。

优选地，所述探测器板的所述收集部分和所述偏压部分各自由至少三个层的叠层制成，第一层是基本上由石墨制成的外层，第二层和第三层基本上由绝缘体制成。

优选地，每个探测器板的所述收集部分和所述偏压部分包括分别与第三层相邻的由石墨制成的第四层。

优选地，设备的每个探测器板的所述收集部分和所述偏压部分各自至少包括，

-第一层，包括一个或多个电极区、在电极区周围的绝缘分隔以及在所述绝缘分隔周围的保护电极，

-作为绝缘层的第二层，

-包括至少一个导体轨的第三层，以及；

-作为保护件的第四层，具有至少一个与所述第三层的所述导体轨相匹配的绝缘路径，包含于偏压侧中的绝缘路径比位于所述偏压部分的所述第三层中的所述导体轨略宽，

其中所述收集部分的所述第三层的每个所述导体轨通过通孔与每个所述收集电极连接，并且所述偏压部分的所述第三层的所述导体轨通过通孔与偏压电极连接。

优选地，设备的所述探测器板各自包括至少两个末端耳状体，作为夹紧于框架之上的装置以及作为将所述收集侧连接至采集装置并且将所述偏压侧连接至发生器的装置。

优选地，所述采集装置包括至少一个循环积分器。

优选地，设备包括在暴露于射束的第一板的上游的准直器，用于使对设备中不涉及射束的直接测量的部分的照射最小化。

第二方面，本发明指的是用于监控强子束的方法，其特征在于使用以上所描述的设备，其中所述探测器板垂直于所述强子束的中心轴而定位。

优选地，用于确定展宽布拉格峰的深度剂量分布的方法包括步骤：

(i)引导具有预定能量的强子束，

(ii)测量所述强子束的布拉格峰，

(iii)改变所述强子束的能量，

(iv)重复步骤(i)到(iii)并且对所述布拉格峰求和，以便直接获得所述展宽布拉格峰。

在所述方法中通过前端和后端这两端照射设备来执行测量。

根据本发明的设备详细地公开了水等效厚度多层电离室(WETMLIC)。但是，明显的是，本领域技术人员能够想象出执行本发明的其它若干种等效的实施例或其它方式，例如为探测器板选择适当的材料或厚度以实现具有不同于水厚度等价物的其它材料的其它多层电离室。

术语“射程歧离”指的是其中加速强子穿过材料的射程服从高斯分布的现象。

术语“散射”或“多次库伦散射”指的是其中穿过物质的加速强子偏离它们运动的原方向，导致强子束在穿过该物质时截面扩大的现象。

术语“无源散射”指的是涉及散射束的射束输送的模式。无源射束输送是通过使用一组分布的吸收体来散射和降级主质子束以产生为在全部深度将均匀的剂量输送于靶所需的射束直径、最大能量及能量分散而实现空间均匀的剂量分布的方法。

术语“双散射”指的是其中射束由双层散射箔散射的无源散射方法。

术语“均匀扫描”或“动态射束扫描”或“动态射束输送”指的是通过在动态地改变射束的能量并由此改变穿透的深度的同时以磁力在靶的截面上移动射束来获得所期望的剂量分布的时间相关的方法。

图1示出了根据本发明的优选实施例的用于监控强子束的剂量测定设备的立体图，该设备包括n+1个探测器板(102)的叠层，两个相续的探测器板由气体填充的间隙(104)所分隔并且形成多个电离室单元。

每个探测器板(102)在第一侧上具有一个或多个收集电极以及在第二侧上具有一个或多个偏压电极，以设备的探测器板(102)的第一侧面向后续探测器板的第二侧由此形成一个电离室单元的方式排布。

一般而言，对于给定的粒子以及给定的粒子能量，厚度l_k的材料(层L_k)的一部分的水等效厚度被定义为产生相同能量损失的水的厚度WET_k：

${\mathrm{WET}}_k=l_k\frac{{\mathrm{\ρ}}_k}{{\mathrm{\ρ}}_w}\frac{{\left(\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}\right)}_k}{{\left(\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}\right)}_{\mathrm{water}}}$ (公式1)

其中：

ρ_k是层L_k的材料密度(g/cm³)

ρ_w是水密度(g/cm³)

l_k是层L_k的材料厚度(cm)

是质子(或另外的强子)在层L_k中的质量阻止本领(MeV＊cm²/g)

是质子(或另外的强子)在水中的质量阻止本领(MeV＊cm²/g)

优选地，厚度l_k与构成每个探测器板(102)的材料以及电离室单元i的间隙已经选定为满足下列公式：

$l_{\mathrm{gi}}={\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_k\right]}_i\≈{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WET}}_k\right]}_i$ (公式2)

其中对于m个层L_k，我们有：

${\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_k\right]}_i<{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{WET}}_k\right]}_i$

其中

-l_gi表示两个探测器板之间的气体填充的间隙距离；

-l_k是电离室单元i的探测器板的层L_k的厚度，并且因此全部厚度l_k之和对应于给定板的厚度。

此外，电离室单元的材料及几何形状的选择需要确保射束的散射行为类似于在与单元的水当量对应的水的长度中的散射行为。沿着电离室单元的叠层所测得的相对剂量与沿着长度等于单元叠层的WET的水容积以小电离室所测得的相对剂量是相同的。

对于本发明的设备所包含的全部电离室单元i的总和，我们还能够假定：

${\mathrm{WET}}_{\mathrm{tot}}=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}(l_{\mathrm{gi}}+{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_k\right]}_i)$ (公式3)

并且在板叠层的出口处的特性散射角与在相同长度的水的出口处的特性散射角大致相同。

该公式系统意味着在本发明中我们具有电离室单元，其中加速强子束穿过该电离室单元的行为相当于相同的加速强子束穿过等于所述电离室单元的长度的水的厚度的行为。

例如，对于由包含于具有1.2mm的WET的两个探测器板(102)之间的0.8mm长度的气体间隙所形成的电离室单元，加速强子束穿过所述探测器板(102)之一和所述气体间隙的行为将是与加速强子束穿过2mm的水的行为是一样的。

对于整个的设备，如果我们考虑，例如，180个电离室单元的叠层，则具有某种能量的强子穿过该设备的行为将与穿过36cm的水的行为相同。

换言之，加速强子束在设备中的射程长度与相同WET的水的厚度中相同。

于是，该剂量设备可以称为水等效厚度多层电离室(WET-MLIC)。

优选地，如图2、图3和图4所示的每个探测器板(102)都具有基本上具有方形的平表面，在周围的边上包括与探测器板的表面连续的至少一个末端耳状体(103)，所述末端耳状体(103)优选地提供了使探测器板夹紧于一块或多块支撑板(101)之内的装置。每个所述支撑板(101)固定于设备的框架。所述支撑板(101)可以是长的平行六面体板，包括彼此间隔相同的距离的多条钻成的薄狭缝，并且在该狭缝中插入了探测器板(102)。如图1所示，探测器板(102)被夹紧于四块支撑板(101)之间(为了清晰起见，在图解中已经省略了横向支撑板)。该结构确保了组件的稳健性以及最小的探测器板定位误差。

优选地，所述探测器板(102)的某些所述的末端耳状体(103)还允许提供用于与多信道采集静电计连接的电接触以及提供为每个电离室单元的正确运行所需的偏压。

优选地，至少一个支撑板(101)以PCB来制成，提供在探测器板(102)的末端耳状体(103)与多信道采集静电计之间的以及在探测器板(102)与偏压之间的外观整洁的连接和焊接。

每个探测器板(102)与另一个隔开具有某一长度的气体填充的间隙。

优选地，该长度在所有探测器板(102)之间是相同的，并且已经被理想地选择以形成具有与它们的水等效厚度相等的几何厚度的多个电离室单元。

需要最小长度的间隙，以便不在单元中引起与由水造成的等效单元中的射束扩大相比过于重大的射束扩大。

同样重要的是要指出，我们受限于视收集电极的灵敏度而定的临界最小间隙距离，或者在气体间隙的限定中的误差与气体间隙自身相比变得过大，或者在这种情况下电极的设计和制造变得非常易受电弧现象的影响。

实际上，在电离室单元之内需要某一气体容积以具有足够的气体电离并从而该测量具有良好的重现性和质量。

优选地，临界最小气体间隙长度等于大约0.8mm。

根据该距离，50μm的定位误差例如生成了6.25％的误差因子。

本发明的探测器板(102)的实例以侧视图的形式示出于图3中。每个探测器板是三个主平面部分的叠层：

1)作为收集部分(CP)的第一平面部分，包括以平面图的形式示出于图4中的至少三个层(LA)到(LC)；

2)作为绝缘层(I)的第二平面部分，由绝缘体制成。

3)作为偏压部分(BVP)的第三平面部分，包括以其平面图的形式示出于图5中的至少三个层(LH)到(LF)。

优选地，绝缘层(I)由广泛使用的环氧树脂、FR4(阻燃剂4)制成。

探测器板(102)的收集部分(CP)，包括称为收集侧(LA)的第一石墨层，其中盘形石墨收集电极(3)通过薄绝缘环(2)与石墨保护电极(1)分隔。

探测器板的收集部分(CP)还包括为预浸制品(prepreg)(4)的第二层(LB)，第二层(LB)使第一层(LA)与第三层(LC)绝缘并且包括包含于预浸制品层(6)内的“V形”轨(5)。

“V形”轨(5)由导电材料制成，例如铜或石墨(非限制性实例)。

通孔(17)确保了在第一层(LA)的盘形石墨收集电极(3)与第三层(LC)的“V形”轨(5)之间的连接，所述“V形”轨(5)与采集系统连接。

有利地，第三层(LC)与包括和第三层(LC)的“V形”轨(5)相匹配的“V形”绝缘(7)的第四保护(8)层(LD)相邻。

收集部分(CP)通过0.760mm厚的FR4绝缘层(I)与偏压部分(BVP)绝缘。

偏压部分(BVP)包括含有绝缘环(14)的第一层(也称为偏压侧(LH))，绝缘环(14)使位于绝缘环之外的保护电极(15)与位于绝缘环之内并且通过通孔(18)与偏压部分(BVP)的第三层(LF)的“V形”轨(12)连接的偏压电极(16)分隔。

“V形”轨(12)由导体材料制成，例如铜或石墨(非限制性的)。

以预浸制品(13)形成的绝缘的第二层(LG)使第三层(LF)与以石墨制成的第一层(LH)分隔。

有利地，偏压部分(BVP)包括与0.760mm厚的FR4绝缘层(I)相邻的第四层(LE)。

优选地，偏压部分(BVP)的第四层(LE)包括作为保护层(10)的石墨层，石墨层包括比包含于相邻的预浸制品(11)的第三层(LF)之内的“V形”轨(12)略宽的“V形”绝缘(9)，该“V形”轨(12)与偏压连接。

有利地，第四层(LE)的所述“V形”绝缘(9)的宽度被选定以提供使偏压的电荷避免泄漏至第四层(LE)的保护件(10)的爬电距离。

优选地，当存在于探测器板(102)的收集部分(CP)和偏压部分(BVP)中时，与绝缘层(I)相邻的保护层(LD)和(LE)具有防止偏压部分(BVP)的电流由同一探测器板(102)的收集电极所收集的功能(有助于给定电离单元的漏电流)。

探测器板(102)已经以广泛使用的PCB技术获得。

在表1a到1d中示出了关于板的不同层、所有基本上由低原子序数Z的材料形成的层、它们的厚度、它们的密度、它们在四种不同的给定能量下所计算出的质子质量阻止本领以及它们的WET的描述实例。

在这些实例中，“V形”轨(5)和(12)由铜制成，但是它们也可以由另外的导体材料(例如，石墨等)制成。

优选地，所有层都基本上由Z＜18的材料形成。

每个表都连同和与和一起示出了包含于两个后续探测器板之间的气体间隙的相同参数。

对于全部实例，来自公式(2)的项以及用于给定单元的项已经在忽略了很薄的铜轨(5)和(12)的情况下计算出。实际上，如图4和5所示，铜轨(3)和(13)并不是层，而是包含于预浸制品层内的薄轨。

我们同样忽略了能够是真空、聚合物或预浸制品路径的绝缘环(2)和(14)以及“V形”绝缘(7、9)。

对于探测器板的层的材料及厚度的选择以及对于0.9mm的气体间隙，公式(2)给出了：

$l_{\mathrm{gi}}+{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_k\right]}_i\&ap;0.2\mathrm{cm},$ 以及

${\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{WET}}_k\right]}_i\&ap;0.2\mathrm{cm}$

表1a：用于监控70MeV的质子束的设备。

表1b：用于监控100MeV的质子束的设备。

表1c：用于监控200MeV的质子束的设备。

表1d：用于监控230MeV的质子束的设备。

当设备由具有70～230MeV的能量的质子束(即，在质子治疗中所采用的常见的质子束能量)穿过时，公式(2)的右端(即，对基板的WET的求和)保持几乎不变，即，在0.199和0.196之间。因此，在该范围之内满足公式2，并且选择l_gi以使处于该范围之内。

选择具有低Z的材料用于电离室板(以及使沿着射束的铜轨的影响最小化)确保散射行为类似于在水中的散射行为。之前由申请人于专利申请EP 1974770中公开的设备没有呈现出本发明的特性，因为每个板都由1.5mm的空气间隙所分隔并且每个板都包括两个35μm的铜层和0.5mm的FR4层。

表1e给出了板的几个层，以及包含于两个后续板之间的空气间隙、厚度、密度、在200MeV下计算出的质子质量阻止本领WET_k值以及和

表1e：

可以看出，在这种情况下，公式(2)对EP 1974770所描述的实例没有被验证。

优选地，原子序数Z小于18。

例如，当根据本发明的设备包括180个探测器板(102)时，或者换言之，对于包括180个电离室单元的设备，可探测的最大的水等效射程为35cm。

此外，能够引入某些次要校正因子以便调整由被反映于板的实际WET上的不可避免的机械公差所致的几何等效。

当根据本发明的剂量测定设备由强子束穿过时，关于强子束的信息由电离室单元的叠层所提供。

由每个电离室单元的气体间隙内的电离所产生的电荷的同步采集允许在一次单独测量中测量出布拉格峰的原始部分，直至布拉格峰自身(不管是否是展宽的)。

每个电离室单元都积分在由强子束产生的间隙气体电离之后由收集电极所收集的电荷。

每个探测器板的收集电极都连接至采集系统，该采集系统以可以缩短至毫秒的采样率来采集所收集的电荷。

采集系统可以包括循环积分器，例如0.8μm的CMOS(互补金属氧化物半导体)技术芯片(也称为TERA ASIC芯片)，该芯片能够同步测量高达64个信道，并且转换与本发明的电离室单元的64个收集电极有关的64个信道的模拟信号。

在180个电离室单元的情形中，例如在本发明的实现实例中，可以使用3个或更多的TERA ASIC芯片。

使用TERA ASIC芯片的优点是，信号转换在无死区时间的情况下进行，从而允许在完全相同的时刻确定地读取180个信道，即使采样时间短至毫秒级。

对于这样高频的测量，另一个优点是，它允许测量展宽布拉格峰的相对深度剂量分布，并且同时具有展宽布拉格峰的能量分量的分解。

在本设备中使用TERA ASIC芯片还允许利用其快速的记录能力来随时在射束能量改变时查看射束的存在性。

WET-MLIC能够以收集电极的适当选择来测量由无源散射以及由有源扫描所产生的强子束。

例如，在测量由无源散射所产生的射束的深度剂量分布的情形中，收集电极必须足够远离板边界，以便不收集由最后被该边界散射的离子所产生的电离。但是，电极尺寸必须大到足以收集足够的信号，这对于高深度的射束射程尤其相关，对于该高深度的射束射程，在辐射头的出口处的质子电流一般只有几nA。

有利地，探测器板(102)具有面积至少为200cm²的方形形状，例如15×15cm的面积，盘形收集电极位于所述探测器板的对称中心内并且所述盘形收集电极的直径为1cm～4cm，优选为2cm～3cm，更优选地为2.5cm。

以该选定的直径，笔形射束的深度剂量分布的测量只有在设备被赋予横向尺寸为10cm的范围内的辐射(例如像直径为10cm的圆柱形辐射那样，两者由双散射和由有源扫描产生)时是可能的。

在这种情况下，电极采样由在辐射体积的中心区域内的辐射所产生的电离。

另一方面，如果需要测量固定笔形射束的深度剂量分布，则需要在与设备的最大WET对应的深度处根据最大的笔形射束宽度来选择电极的尺寸，以便确保在全部电极内收集全部射束电离。

为了克服这个问题，对于该应用，需要增大探测器板的电极的直径，以便在整个设备的每个探测器板上探测100％的射束。

探测器板的电极的直径能够大于2.5cm，例如为8～12cm。

本发明的另一种实施例能够与在此所描述的探测器板一起包括其它类型的探测器板，例如包括含有多个收集电极(3)的收集侧的探测器板。

在图6中示出了包括多个电极的探测器板的收集侧的第一层的实例。图6a、b、e的电极的布局被设计用于评估射束的横向扩展。

图6c和d的电极的布局被设计用于获得辐射束的2D图像。在这些探测器板中的层的组织类似于之前所描述的那种，每个收集电极或像素通过轨与采集系统连接。

这些类型的探测器板通过例如相同的PCB技术来制成，并且在设备中定位于各个距离处，以便使设备测量强子束的深度剂量分布和扩大这两者。

典型地，本发明的剂量测定设备被布置于病床上，在其中探测器板(102)垂直于强子束的轴的位置中。

有利地，能够在两侧照射剂量测定设备。根据本发明的剂量测定设备的这种优选实施方式，存在着两个开口，一个在正面且一个在背面。这种对称性给予用户一种控制射程测量的质量的方法。通过从两个入口照射设备，根据在将支架旋转180°时的照射方向，有可能看到强子射程的最后差异。但是，本发明并不限制于此。根据另一可选的实施方式，本发明的剂量测定设备可以专门照射于一侧上(从一侧照射)，即，不是专门照射本发明的剂量测定设备的正面就是专门照射其背面。

优选地，设备还可以有利地包括在暴露于射束的第一板的上游的准直器。根据由此本发明的剂量测定设备还包括在暴露于射束的第一板的上游的准直器的这种优选实施方式，准直器优选用作使设备中不涉及射束的直接测量的部件的辐射最小化的装置。当被包含在暴露于射束的第一板的上游时，准直器完全是根据本发明的剂量测定设备的部件。

原始布拉格峰和展宽布拉格峰的测量测试已经在双散射和均匀扫描输送模式中执行。

在水模体中的测量已经执行，以用于参考并与WET MLIC进行比较。

图7示出了在不同的深度剂量下测量双散射的原始布拉格峰的实验数据。在图形上的点是由WET MLIC获得的原始数据，而连续线是以水模体获得的原始数据。可以看出，对于所有的深度剂量分布，以本发明的WET MLIC所获得的结果与所参考的水模体方法的结果相符合得很好。总体来说重要的是，只引入小的且唯一的校正因子来补偿材料的理论厚度与有效厚度之间的公差，从而使该设备相对现有技术的设备具有更可评估的优点。

造成WET MLIC测量与水模体测量的两者所测得的90％的远端下降(distal fall-off)之间的差异的射程误差已经计算出。结果示出于图8中，最大的误差是在测量5cm的射束射程时的0.5mm。

已经执行了具有不同的结构的双散射的展宽布拉格峰的实验测量。在图9中示出了以MLIC获得的并与水模体测量相比较的测量分布。由两种技术所获得的强子射程、调制和远端下降的实验数据被呈现于每个分布上。我们在这两种技术之间获得了这三个参数的极好的一致：对于该射程为小于0.5mm的偏离，对于调制以及对于远端下降为优于1mm。

以WET MLIC进行的双散射下的测量的稳定性的评估已经在以5.7cm调制的25cm射程的展宽布拉格峰上进行了测试。已经在不同的时间获得了深度剂量分布；所有分布示出了如图10所示的相同形状，其中叠加了在三个不同时间所获得的三种分布。

表2示出了在不同日子内执行至少两次的相同测量的计数的实验原始数据。逐个信道的日均匀性变化一般小于0.5％，而周变化小于1％。

表2：

本发明所公开的剂量测定设备达到了对快速的日常质量保证测量的要求，因为在双散射和均匀扫描两者内的原始布拉格峰和展宽布拉格峰能够以单一辐射协议来获得。

这些质量保证测量的采集时间与由现有技术的基于水模体的那类技术所获得的测量相比得到了显著减少，通过所述现有技术的那类技术，所花费用于布拉格峰或SOBP的相对深度剂量分布的测量时间等于一个电离室单元的照射时间乘以所需的点数所得到的时间。

与现有技术的设备相反，在本发明的WET MLIC中的强子束的行为来自在几何形状上和在材料上与水相当的观点，并且由公式(2)的与之间的差异所致的可能校正是较不必要的，在某些情况下它们甚至能够被忽略。

设备因而更容易使用并且显著地减少了测量时间。

而且，现有技术的剂量测定设备只能够测量达22cm的布拉格峰和展宽布拉格峰，而本发明能够以达35cm(该长度对应于公认的整个临床射程)的高分辨率来执行这些测量。

本发明所达到的其它要求是通过所使用的材料所获得的信号质量和稳定性，由四个支撑板所确保的探测器板组件的所选尺寸和机械稳定性。

最后，具有所选择的尺寸和材料的180个电离室单元的叠层使得该设备比现有技术的剂量测定设备更轻且较不繁琐，本发明的设备在不损失稳定性的情况下能够轻易地搬运并安置于病床上用于在治疗之前进行QA。

Claims (14)

1.一种用于强子束的剂量监控的设备，包括由通过气体填充的间隙来相互分隔的n+1个平行的探测器板(102)的层叠而获得的n个连续的电离室i，每个探测器板(102)具有与包括偏压侧(LH)的偏压部分(BVP)绝缘的包括收集侧(LA)的收集部分(CP)，并且被布置为使得所述收集侧(LA)面向后续探测器板的所述偏压侧(LH)或相反，每个探测器板(102)包括m个材料层L_k，所产生的这些探测器板(102)的组件形成多个电离室单元，并且其中所述探测器板(102)通过印刷电路板(PCB)技术来获得，其特征在于：

构成每个探测器板的每个层L_k的厚度l_k和材料选择以及电离室单元i的间隙都已经被选定为对于每个电离室i、且对于给定的强子粒子和给定的粒子能量都满足下列公式：

$l_{\mathrm{gi}}+{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_k\right]}_i\&ap;{\left[\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{WET}}_k\right]}_i$

其中

l_gi是两个探测器板(102)之间的气体填充的间隙距离；

l_k是探测器板(102)的对应的第k个材料层L_k的厚度，以及；

WET_k是探测器板(102)的对应的第k个材料层L_k的水等效厚度(WET)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述探测器板中的每个包括m个平行层的叠层，每个层L_k基本上由低原子序数Z的材料制成。

3.根据权利要求2所述的设备，其中Z小于18。

4.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述探测器板(102)的所述收集部分(CP)和所述偏压部分(BVP)各自由至少三个层的叠层制成，作为外层的第一层(LA、LH)基本上由石墨制成，第二层(LB、LG)和第三层(LC、LF)基本上由绝缘体制成。

5.根据权利要求4所述的设备，其中每个探测器板(102)的所述收集部分(CP)和所述偏压部分(BVP)包括分别与第三层(LC、LF)相邻的由石墨制成的第四层(LD、LE)。

6.根据权利要求4所述的设备，其中每个探测器板(102)所述收集部分(CP)和所述偏压部分(BVP)各自至少包括：

-第一层(LA、LH)，包括一个或多个电极区(3、16)、围绕电极区(3、16)的绝缘分隔(2、14)以及围绕所述绝缘分隔的保护电极(1、15)，

-作为绝缘层的第二层(LB、LG)，

-包括至少一个导体轨(5、12)的第三层(LC、LF)，以及；

-作为保护件(8、10)的第四层(LD、LE)，具有至少一个与所述第三层(LC、LF)的所述导体轨(5、12)相匹配的绝缘路径(7、9)，包含于所述偏压部分(BVP)中的绝缘路径(9)比位于所述偏压部分(BVP)的所述第三层(LF)中的所述导体轨(12)略宽，

其中所述收集部分(CP)的所述第三层(LC)的每个所述导体轨(5)通过通孔(17)与所述收集部分(CP)的每个所述电极区(3)连接，并且所述偏压部分(BVP)的所述第三层(LF)的所述导体轨(12)通过通孔(18)与所述偏压部分(BVP)的所述电极区(16)连接。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述探测器板(102)各自包括至少两个末端耳状体(103)。

8.根据权利要求1所述的设备，其中连接至所述收集侧的采集装置包括至少一个循环积分器。

9.根据权利要求1所述的设备，包括在暴露于射束的第一板的上游的准直器。

10.一种用于监控强子束的方法，其特征在于使用根据权利要求1到9中的任一项所描述的设备，其中所述探测器板与所述强子束的中心轴垂直地定位。

11.根据权利要求10所述的方法，用于确定展宽布拉格峰的深度剂量分布，包括步骤：

(i)引导具有预定能量的强子束，

(ii)测量所述强子束的布拉格峰，

(iii)改变所述强子束的能量，

(iv)重复步骤(i)到(iii)并且对所述布拉格峰求和，以便直接获得所述展宽布拉格峰。

12.根据权利要求11所述的方法，其中测量通过从设备的正面照射设备来执行。

13.根据权利要求11所述的方法，其中测量通过从设备的背面照射设备来执行。

14.根据权利要求11所述的方法，其中测量通过从正面和背面这两面照射设备来执行。