CN106501839B - 一种束流剂量分布测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种束流剂量分布测量设备，包括第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器、准直器和信号处理模块，所述第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器依次层叠安装，所述准直器安装于第一层探测器的上方，所述第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器和准直器均与信号处理模块电性连接；本发明的束流剂量分布测量设备，其能减少剂量验证时间，提高空间分布验证精度，避免安装庞大昂贵的在线PET，去除术后PET扫描流程，并且本发明的剂量空间分布验证精度能够达到1mm，术前验证时间压缩到15分钟，在线监测时间做到和治疗完全同步，不需要多余的验证时间，并且能够大幅降低验证成本。

Description

一种束流剂量分布测量设备

技术领域

本发明属于剂量验证设备技术领域，尤其涉及一种用于质子/重离子治疗术中束流剂量分布测量设备。

背景技术

术前剂量验证的原理是使用体模代替病人，在质子/重离子终端上采用设计好的治疗计划进行照射，实际测量质子束/重离子束的剂量在体模内的空间分布，并和期望的空间分布比对，验证是否存在偏差，以确保加速器工作在正常状态。

质子/重离子治癌的术中及术后剂量验证的基本技术路线是正电子断层成像(PET)。这一技术路线的原理如下：质子/重离子在入射人体后沉积剂量的地方，会与人体内的原子核反应，生成正电子衰变核素(如¹⁵O，¹¹C，¹³N等)。这些核素衰变出的正电子在人体内浓度的分布代表了质子/重离子在人体内的剂量分布。正电子断层成像仪(PositronEmission Tomography,PET)是一种通过符合测量正电子湮灭光子从而对正电子成像的仪器，在临床上已有几十年的应用历史，可以用来测量正电子在人体内的浓度分布。这种剂量验证又分为两种，一种是线下测量，另一种是在线测量。线下测量是病人接受质子/重离子照射后，马上到PET上进行测量。这种测量属于术后验证，所用的PET机器就是做临床诊断用的PET机器。这种测量有三个主要的缺点：一是病人由于身体的移动，软的组织器官相比于治疗时已经会发生位移和形变，因此PET图像需要和治疗终端的CT图像进行复杂的配准处理，增加了测量结果处理的难度，同时降低了测量准确度。二是由于从治疗完毕到进行PET扫描需要一定的时间(约20分钟左右)，这时¹⁵O(半衰期2分钟)基本全部衰变，¹³N(半衰期10分钟)绝大部分衰变，所以只能测量到部分¹¹C(半衰期20分钟)的信息，损失了宝贵的信息。三是临床PET所使用的重建算法都是针对注射正电子药物的情况(正电子活度在mCi量级)设计的，不能很好的适用于质子/重离子治疗后的低正电子活度的情况，成像的误差较大，降低了测量的准确度。这三个缺点限制了线下术后测量在质子重离子治癌剂量验证方面的应用。

在线测量是指研发专门的PET机器，安装在质子/重离子治疗终端上，在照射的同时进行测量。这种测量属于术中验证，可以避免前述线下术后测量的三个缺点。目前这种技术尚处于研究阶段，只有美国、日本、德国等国外少数研究机构进行了初步的测试，还面临很多技术问题，尚未进入临床应用。这种技术即使成熟后，成本也将非常昂贵。

目前术中验证所用的剂量测量仪器主要是在线PET，安装在质子/重离子治疗终端上，在照射的同时进行测量，需要建造大型环状探测器，体积庞大，价格昂贵，尚未得到广泛的临床应用。并且并非实时在线测量，做不到真正的同步，需要在治疗结束后进行PET扫描，耗费时间长。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种束流剂量分布测量设备，其能解决在线剂量监测验证的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种束流剂量分布测量设备，包括第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器、准直器和信号处理模块，沿垂直于束流方向依次设置有第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器，所述准直器安装于第一层探测器的上方，所述第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器和准直器均与信号处理模块电性连接；

所述准直器用于检测偏离准直方向的γ光子，所述γ光子包括第一γ光子和第二γ光子，且第二γ光子的能量大于第一γ光子的能量；

所述第一层探测器用于探测X射线以及第一γ光子，并进行正电子模式的符合探测，并将探测到的信号传输至信号处理模块；

所述第二层探测器用于进行第二γ光子的探测，并将探测到的第二γ光子信号传输至信号处理模块；

所述第三层探测器用于进行第二γ光子的探测，并将探测到的第二γ光子信号传输至信号处理模块；

所述信号处理模块对接收到的各个信号进行处理，并且将处理后的信号传输至一计算机处。

优选地，所述准直器为主动式准直器。其能进一步解决准直器的设置的技术问题。

优选地，所述主动式准直器为一梳状的反符合探测器。其能进一步解决主动式准直器的结构。

优选地，所述信号处理模块包括依次电性连接的探测信号放大模块、探测信号处理模块和模数转换模块。其能进一步解决信息处理模块所包含的具体模块。

优选地，所述第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器均采用闪烁体探测器。其能进一步解决第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器所采用的探测器类型。

优选地，所述闪烁体探测器采用的材料为BGO材料或者NaI材料或者CsI材料或者GOS材料或者LYSO材料。其能进一步解决闪烁体探测器所采用的材料。

优选地，所述第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器沿垂直于束流方向依次层叠安装。其进一步解决了三层探测器的设置方式。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的束流剂量分布测量设备，其能减少剂量验证时间，提高空间分布验证精度，避免安装庞大昂贵的在线PET，去除术后PET扫描流程，并且本发明的剂量空间分布验证精度能够达到1mm，术前验证时间压缩到15分钟，在线监测时间做到和治疗完全同步，不需要多余的验证时间，并且能够大幅降低验证成本。

附图说明

图1为本发明一种束流剂量分布测量设备的结构框图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

本发明的设备属于在线检测，但是其原理不同于传统的PET，质子/重离子入射人体后，在人体沉积剂量的同时，由于和人体内的原子发生反应，一方面会生成正电子衰变核素(¹¹C，¹⁵O，¹³N等)，另一方面则会产生瞬发的高能γ光子。当然，除了以上两者以外，还有低能的X射线和γ光子。从时间上来看，三种粒子中，只有缓发的高能γ光子是和质子/重离子脉冲的时间最接近的，几乎没有延时。X射线和低能γ射线有一定的延时，但强度最强；而正电子的延时最大，强度最弱。正电子衰变形成的是固定能量的双光子(511keV)，很好甄别，可以用180度方向的一对探测器进行符合测量。

从空间上来看，X射线和低能γ光子是由于次生电子的轫致辐射产生的，因此其发出的位置已经偏离了质子/重离子的剂量沉积位置，因此不能通过测量它来测量剂量的空间分布。正电子湮灭发出511keV的湮灭光子的位置其实也离正电子产生的位置有所偏离，这个偏离主要是由于正电子的射程引起的，它会引起正电子活度空间分布和剂量分布的一个特定的差异。然而由于人体类产生的几种正电子核素衰变发出的正电子能量都不高，其射程有限，因此该差异可以通过仔细的实验测量和相应的刻度方法予以减弱乃至消除。而瞬发高能γ光子是直接从质子/重离子沉积剂量的地方发出的，其空间分布最为精确的代表的剂量的原始分布。

瞬发高能γ光子在时间上和空间上能最精确代表质子/重离子在人体内沉积剂量的分布，对于剂量分布的测量来说最为重要；正电子(实际上是正电子发出的湮灭光子)在时间上有一定滞后，但空间上存在可以校正的差异，配合一定的方法，可以用于测量剂量的空间分布；X射线和低能γ光子在空间上和剂量分布差异较大，不能用于测量剂量分布，反而由于其过高的强度会成为测量瞬发高能γ光子和正电子的干扰源。

所以本发明的设备主要目的在于：(1)从以上各种粒子中精确的测量出瞬发高能γ光子信号；(2)同时可以利用正电子信号；(3)而排除其他粒子(低能X射线和γ光子)的影响。

考虑到质子/重离子在人体类的路径基本是直线，质子/重离子束流的横截面分布可以术前通过成像式二维光学剂量仪精确的测量和验证来完全确定，那么术中在线监测的主要任务就可以简化为对质子/重离子束流射程的一维监测，而没有必要直接进行复杂的3D成像。

如图1所示，本发明提供了一种束流剂量分布测量设备，包括第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器、准直器和信号处理模块，所述第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器依次层叠安装，所述准直器安装于第一层探测器的上方，所述第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器和准直器均与信号处理模块电性连接；所述第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器均采用闪烁体探测器；所述闪烁体探测器采用的材料为BGO材料或者LYSO材料或者NaI材料或者CsI材料或者GOS材料，在此仅仅是列出了这样几种材料，其他的与本发明所罗列的材料近似的都在本发明所要保护的范围之内。

所述准直器用于检测偏离准直方向的γ光子，所述γ光子包括第一γ光子和第二γ光子，且第二γ光子的能量大于第一γ光子的能量；所述准直器为主动式准直器，所述主动式准直器为一梳状的反符合探测器；当其探测到γ光子的时候，表示出现了一个偏离准直方向的γ光子入射，这时探测器所有位置处探测到的光子信号均应予以剔除。在本实施例中出现的第一γ光子为低能γ光子，第二γ光子为高能γ光子；

所述第一层探测器用于探测X射线以及第一γ光子，并进行正电子模式的符合探测，并将探测到的信号传输至信号处理模块；由于X射线及低能γ光子和物质的作用概率大，光电效应截面高，容易被第一层探测器完全阻挡，难以进入后两层探测器，故而只剩下高能γ光子能够穿越并作用在后面两层探测器上，然后发生康普顿散射；而对于正电子湮灭产生的511keV的光子，由于总是成对产生，方向相反，且第一层探测器为晶体阵列的材料，因此可以测量得到正电子模式。

所述第二层探测器用于进行第二γ光子的探测，并将探测到的第二γ光子信号传输至信号处理模块；绝大多数的高能γ光子会作用在第二层探测器上，发生康普顿散射；

所述第三层探测器用于进行第二γ光子的探测，并将探测到的第二γ光子信号传输至信号处理模块；散射光子接着进入第三层探测器，在第三层探测器探测，因此，通过判断那些层探测器输出的信号，就可以识别X射线及低能γ光子，并将之剔除，只保留高能γ光子的信号；

所述信号处理模块对接收到的各个信号进行处理，其中各个信号包括X射线、第一γ光子信号、第二γ光子信号和正电子模式信号；所述信号处理模块包括依次电性连接的探测信号放大模块、探测信号处理模块和模数转换模块，并且将处理后的信号传输至一计算机处；在计算机处完成剂量分布图。

本实施例的工作原理：

通过本发明的束流剂量分布测量设备来进行束流剂量分布测量的方法包括以下步骤：

步骤1：计算机检测一束流信号，并判断束流状态，如果处于开启状态，则进入步骤11，如果处于关闭状态，则进入步骤3；

步骤11：通过准直器来进行束流信号的反符合探测；

步骤2：探测器模块进行第二γ光子探测，并将探测到的第二γ光子信号传输至计算机；步骤2具体包括以下子步骤：

步骤21：通过第一层探测器探测得到X射线信号和第一γ光子信号，并将该X射线信号和第一γ光子信号传输至计算机；

步骤22：通过第二层探测器和第三层探测器探测得到第二γ光子信号，并将第二γ光子信号传输至计算机；其中在第二层探测器探测得到的信号为第二一γ光子信号，在第三层探测器处探测得到的为第二二γ光子信号；

步骤3：探测器模块进行正电子模式探测，并将探测到的正电子模式信号传输至计算机；

步骤4：计算机对探测得到的第二γ光子信号和正电子模式信号进行信号处理，并得到束流剂量的空间分布；步骤4具体包括以下子步骤：

步骤41：计算机判断第二γ光子信号的能量是否高于预设阈值；如果高于预设阈值，则执行步骤42；

步骤42：计算机根据康普顿散射方程计算得到第二γ光子信号的入射方向；计算机根据探测器的实际情况进行空间建模，使得探测得到的信号能够有依据实际的坐标情况来进行相应的模拟从而得到准确的数据；

步骤43：计算机根据第二γ光子信号的入射方向得出第二γ光子信号与束流信号的交点；

步骤44：计算机根据得到的第二γ光子信号与束流信号的交点和正电子模式信号以得到束流剂量的空间分布。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种束流剂量分布测量设备，其特征在于，包括探测器模块和信号处理模块，所述探测器模块包括第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器和准直器，沿垂直于束流方向依次设置有第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器，且第一层探测器安装于准直器和第二层探测器之间，所述第一层探测器、第二层探测器、第三层探测器和准直器均与信号处理模块电性连接；

所述准直器用于检测偏离准直方向的γ光子，所述γ光子包括第一γ光子和第二γ光子，且第二γ光子的能量大于第一γ光子的能量；

所述第一层探测器用于探测X射线以及第一γ光子，并进行正电子模式的符合探测；

所述第二层探测器用于进行第二γ光子的探测，并将探测到的第二γ光子信号传输至信号处理模块；

所述第三层探测器用于进行第二γ光子的探测，并将探测到的第二γ光子信号传输至信号处理模块；

所述信号处理模块对接收到的各个信号进行处理，并且将处理后的信号传输至一计算机，计算机根据接收到处理后的信号得到束流的剂量分布。

2.如权利要求1所述的束流剂量分布测量设备，其特征在于，所述准直器为主动式准直器。

3.如权利要求2所述的束流剂量分布测量设备，其特征在于，所述主动式准直器为一梳状的反符合探测器。

4.如权利要求1所述的束流剂量分布测量设备，其特征在于，所述信号处理模块包括探测信号放大模块、探测信号处理模块和模数转换模块，所述探测器模块的输出端与探测信号放大模块输入端相接，所述探测信号放大模块的输出端通过探测信号处理模块与模数转换模块电性连接，所述模数转换模块的输出端与一计算机相接。

5.如权利要求1所述的束流剂量分布测量设备，其特征在于，所述第一层探测器、第二层探测器和第三层探测器均采用闪烁体探测器。

6.如权利要求5所述的束流剂量分布测量设备，其特征在于，所述闪烁体探测器采用的材料为BGO材料或者NaI材料或者CsI材料或者GOS材料或者LYSO材料。