CN112834536A - 用于调节粒子射程和测量粒子布拉格曲线的装置及方法 - Google Patents

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CN112834536A CN202110010148.3A CN202110010148A CN112834536A CN 112834536 A CN112834536 A CN 112834536A CN 202110010148 A CN202110010148 A CN 202110010148A CN 112834536 A CN112834536 A CN 112834536A
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Abstract

本发明公开了一种用于调节粒子射程和测量粒子布拉格曲线的装置及方法，其中用于调节粒子射程的装置包括：样品架组以及驱动件。样品架组，包括至少一个样品架，用于固定不同厚度的样品。驱动件用于驱动样品架组中的每个样品架独立进行位置移动，使得每个样品架上的样品能够在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，通过改变样品总厚度得到入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，实现粒子射程的调节。利用本发明的装置，对不同能量的入射粒子的有效吸收剂量随穿透深度的分布进行测量，进而通过改变样品总厚度来改变粒子束流的射程，实现传能线密度值的快速变换，为研究传能线密度与相对生物效应的关系提供实验条件。

Description

用于调节粒子射程和测量粒子布拉格曲线的装置及方法
技术领域
本公开属于粒子辐照和放射生物学技术领域，涉及一种用于调节粒子射程和测量粒子布拉格曲线的装置及方法，还涉及一种生物辐照装置。
背景技术
传能线密度(Linear Energy Transfer，LET)也称为线性能量传递，LET在放射技术领域和宇航器件领域具有重要的应用，LET是指能量在微观上的空间分布，或者直接电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量，或者在电离辐射贯穿物质时，因碰撞而发生的能量转移。辐照粒子的LET辐射值按照相对高低一般分为低LET辐射和高LET辐射，将在水中LET小于3.5keV/μm的辐射称为低LET辐射，诸如X射线、β射线和γ射线为低LET辐射，将在水中LET大于10keV/μm的辐射称为高LET辐射，诸如α粒子、中子和π介子为高LET辐射。
放射生物效能也称为相对生物效应(Relative Biological Effect，RBE)，用于分析不同LET射线作用时采用的一种系数。不同种类的射线导致生物效应时，一般以200kV或者250kV的X线或γ线(钴-60)作为参考射线，某一射线的RBE是指产生相同生物效应时参考射线所需剂量与该射线所需剂量的比值。
RBE的大小与LET值有着密切的关系。在放射治疗技术中，目前大多采用中高能粒子，例如能量为70MeV-250MeV的中能质子用于治疗肿瘤，这些能量的质子在水中的射程可以达到几个厘米至几十厘米。
然而，在放射治疗领域，例如对于质子治疗来说，真正对肿瘤细胞起到杀伤作用的主要为低能质子，但由于低能质子射程一般在毫米量级，相关技术中没有建立可实现LET快速变换的射程调节装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种用于调节粒子射程和用于测量粒子布拉格曲线的装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面提供了一种用于调节粒子射程的装置。上述用于调节粒子射程的装置包括：样品架组和驱动件。样品架组包括至少一个样品架，样品架用于固定不同厚度的样品。驱动件用于驱动所述样品架组中的每个样品架独立进行位置移动，使得每个样品架上的样品能够在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，通过改变样品总厚度得到入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，实现粒子射程的调节。
根据本公开的实施例，样品架包括：样品架主体以及固定件。固定件与样品架主体之间为磁性吸附。其中，样品固定于固定件与样品架主体之间，在样品架上安装的样品处于粒子束流的照射范围内时，固定件处于照射范围之外。
根据本公开的实施例，上述装置还包括：移动路径限制结构。移动路径限制结构用于在样品架受到驱动件的驱动作用发生位置移动时限定样品架的位置移动路径。
根据本公开的实施例，样品架与移动路径限制结构之间为滑动摩擦或滚动摩擦。
根据本公开的实施例，上述装置还包括：外壳。外壳包括：相对设置的第一面板和第二面板，以及面板盖板。其中，第一面板上设置有调节粒子束流的射程的第一开口，第二面板上设置有供粒子束流出射的第二开口。第一面板和第二面板至少之一上还设置有操作开口，操作开口位于粒子束流的非照射范围。面板盖板沿着第一面板和第二面板至少之一的表面可移动，以实现对操作开口的遮挡和显露。
根据本公开的实施例，面板盖板上设置有空心区域，在面板盖板遮挡于第一开口和第二开口至少之一的外部时，空心区域会使得第一开口和第二开口至少之一显露出来，以供粒子束流的穿过。
根据本公开的实施例，第一面板和第二面板至少之一上设置有供面板盖板进行移动的滑轨；面板盖板与滑轨进行装配，以实现面板盖板在第一面板和第二面板至少之一的表面的移动或者滑出。或者，面板盖板与第一面板和第二面板至少之一为磁性装配，面板盖板与第一第一面板和第二面板至少之一之间的磁力能够实现面板盖板的固定且在外力作用下实现面板盖板的移动或脱离。
根据本公开的实施例，上述装置还包括：极限位置限位件和/或限位开关。其中，极限位置限位件设置于外壳的内壁，用于限制样品架运动的极限位置。限位开关设置于样品架上，用于在样品架运动至极限位置的预定范围内进行触发，以切断驱动件的输入，进而限制样品架运动的极限位置。
根据本公开的实施例，上述装置还包括：控制器。控制器与驱动件电性连接，用于基于双极恒流斩波电信号作为控制信号来控制驱动件进行样品架位移的驱动。
调节粒子束流的射程根据本公开的实施例，当样品架组的样品架个数为N，且N≥2时，N个样品架平行且等间距放置，以保证粒子束流的空气损失一致。
根据本公开的实施例，N个样品架上放置的样品的厚度呈递增趋势。
根据本公开的实施例，当样品架组只包括一个样品架时，在保证粒子束流条件不变的情况下，基于换样操作，在样品架上多次放置不同厚度的样品，以形成不同的粒子穿透深度。当样品架组包括N个样品架时，N≥2，通过设置N个样品架上的样品厚度不同，且基于驱动件驱动N个样品架中每个样品架上的样品在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，以形成2N个粒子穿透深度。
根据本公开的实施例，上述样品包括：等效生物组织材料，等效生物组织材料为引起的粒子射程行为与生物组织等效的材料。例如可以是密度和元素比例与生物组织的性质相近的材料。包括有机薄膜材料，例如为有机玻璃、聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。
本公开的第二个方面提供了一种用于测量粒子布拉格曲线的装置。上述装置包括：粒子加速器、用于调节粒子射程的装置以及剂量测试件。粒子加速器，用于产生带电的粒子束流。上述用于调节粒子射程的装置用于调节粒子束流的射程。剂量测试件用于测量粒子加速器产生的粒子束流经过样品架组上的样品之后的有效吸收剂量。
根据本公开的实施例，剂量测试件为剂量胶片。
本公开的第三个方面提供了一种生物辐照装置。上述生物辐照装置包括：如上所述的任一种用于调节粒子射程的装置；以及生物组织。其中，通过调节上述用于调节粒子射程的装置的粒子穿透深度，使得入射的粒子束流通过装置之后以预定剂量入射至生物组织。
本公开的第四个方面提供了一种生物辐照装置。上述生物辐照装置包括：如上所述的任一种用于测量粒子布拉格曲线的装置。其中，剂量测试件为生物组织，其中，通过调节上述用于调节粒子射程的装置的粒子穿透深度，使得入射的粒子束流通过该用于调节粒子射程的装置之后以预定剂量入射至生物组织。
本公开的第五个方面提供了一种基于上述用于调节粒子射程的装置或者上述用于测量粒子布拉格曲线的装置进行布拉格曲线测量的方法。上述方法包括：调节样品总厚度，进而形成多个粒子穿透深度。上述方法还包括：测试入射的粒子束流经过多个粒子穿透深度后得到每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量。上述方法还包括：根据每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量确定传能线密度与粒子穿透深度的布拉格曲线。
本公开的第六个方面提供了一种基于上述用于测量粒子布拉格曲线的装置进行布拉格曲线测量的方法。上述方法包括：调节样品总厚度，进而形成多个粒子穿透深度。上述方法还包括：测试入射的粒子束流经过多个粒子穿透深度后在剂量测试件得到的每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量。上述方法还包括：根据所述每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量确定传能线密度与粒子穿透深度的布拉格曲线。其中，测试入射的粒子束流经过所述多个粒子穿透深度后在剂量测试件得到的每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量，包括：根据剂量测试件在不同照射剂量下照射的灰度显示结果确定照射剂量与剂量测试件灰度之间的关系。然后，测试入射的粒子束流经过所述多个粒子穿透深度后照射至所述剂量测试件的实际灰度显示结果。最后，根据所述实际灰度显示结果与所述照射剂量与剂量测试件灰度之间的关系确定所述多个粒子穿透深度中每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于调节粒子射程和用于测量粒子布拉格曲线的装置及方法，具有以下有益效果：
基于样品架组和驱动件的设置，驱动件可以驱动每个样品架在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，样品架上放置的样品厚度可以变化，从而实现样品架组中样品总厚度的各种组合设置，从而基于样品总厚度可以形成入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，进一步可以利用该装置对不同能量的入射粒子的有效吸收剂量随穿透深度的分布进行测量，进而通过改变样品总厚度来改变粒子束流的射程，实现LET值的快速变换，为研究LET与RBE的关系提供实验条件。
附图说明
图1为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的内部结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的样品架的结构示意图。
图3为根据本公开另一实施例所示的样品架的结构示意图。
图4为根据本公开实施例所示的样品架与移动路径限制结构未装配时的结构示意图。
图5为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的主视图，其中，为了示意出被面板盖板所遮挡的样品架的结构，将面板盖板以虚线示意。
图6为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的左视图。
图7为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的右视图。
图8为根据本公开实施例所示的第一面板与面板盖板的装配结构示意图。
图9为根据本公开实施例所示的将面板盖板沿着第一面板的表面进行移动使得操作开口显露以便进行样品更换操作的示意图。
图10为根据本公开实施例所示的将面板盖板沿着第一面板的表面进行移动使得操作开口显露且遮挡于第一开口的外部时，基于空心区域的设置使得第一开口能够通过粒子束流的示意图。
图11为根据本公开实施例所示的用于测量粒子布拉格曲线的装置的结构示意图。
图12为根据本公开实施例所示的采用用于调节粒子射程的装置或者用于测量粒子布拉格曲线的装置测量布拉格曲线的方法的流程图。
图13为根据本公开实施例所示的操作S42的详细实施流程图。
图14为根据本公开实施例所示的22MeV质子的布拉格曲线实验测试曲线图和理论拟合曲线图。
图15为根据本公开实施例所示的在相同照射注量下，布置1350μm厚的样品和不设置样品得到的剂量胶片的灰度显示结果。
【符号说明】
1-调节粒子射程的装置；
11-样品架；
111-样品架主体； 112-固定件；
113-支撑装配部；
12-驱动件； A-粒子束流的照射范围；
13-移动路径限制结构； 13a-支撑件；
14-极限位置限位件；
15-外壳；
151-左面板；
152-右面板；
1521-轴承座；
153-前面板/第一面板；
1531-第一开口； 1532-操作开口；
154-后面板/第二面板；
1541-第二开口；
155-上面板； 156-下面板；
16-面板盖板；
161-空心区域； 163-磁性区域；
17-转接件；
18-电源；
181-接口；
2-样品；
3-粒子加速器； 4-剂量测试件。
具体实施方式
质子的深度剂量分布在接近射程末端时具有布拉格(Bragg)峰的特点，在此处的传能线密度(LET)高，能量沉积密集，局部剂量大，造成的相对生物学效应(RBE)高。基于此特点，中能质子(70-250MeV)被广泛应用于治疗肿瘤，这些能量的质子在水中的射程可达几个厘米至几十厘米。然而在相关技术中，质子治疗过程中RBE值随不同的物理特性，例如质子能量、束流能散或穿透深度的变化未被考虑，这显然是不够合理的。而对于质子治疗来说，真正对细胞起到杀伤作用的主要为低能质子，但由于低能质子射程一般在毫米量级，相关技术中没有建立可实现LET快速变换的射程调节装置。
有鉴于此，本公开的实施例提出一种用于调节粒子射程和用于测量粒子布拉格曲线的装置及方法，基于粒子射程的调节以及对不同粒子穿透深度下的布拉格曲线进行测量，从而在辐照过程中实现LET的可控调节，有助于研究不同LET的低能质子对肿瘤细胞的影响，对于质子治疗计划中RBE模型的完善具有重要意义。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开的第一个示例性实施例提供了一种用于调节粒子射程的装置。
图1为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的内部结构示意图。图1中示意粒子束流所入射和出射的平面，采用虚线示意粒子束流的照射范围A，以点划线箭头示意粒子束流的方向，样品架11上的虚线框示意粒子束流的照射区域。
参照图1所示，本公开实施例的装置包括：样品架组以及驱动件12。样品架组，包括至少一个样品架11，用于固定不同厚度的样品。驱动件12用于驱动样品架组中的每个样品架11独立进行位置移动，使得每个样品架11上的样品能够在粒子束流的照射范围A和非照射范围进行切换，通过改变样品总厚度得到入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，实现粒子射程的调节。
根据本公开的实施例，当样品架组的样品架个数为N，且N≥2时，N个样品架平行且等间距放置，以保证粒子束流的空气损失一致。
根据本公开的实施例，N个样品架上放置的样品的厚度呈递增趋势。例如，可以设置为厚度呈等比数列或者其他类型的递增序列。
根据本公开的实施例，当样品架组只包括一个样品架时，在保证粒子束流条件不变的情况下，基于换样操作，在样品架上多次放置不同厚度的样品，以形成不同的粒子穿透深度。当样品架组包括N个样品架时，N≥2，通过设置N个样品架上的样品厚度不同，且基于驱动件驱动N个样品架中每个样品架上的样品在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，以形成2N个粒子穿透深度。
根据本公开的实施例，上述样品包括：等效生物组织材料，也可以称为生物等效介质。等效生物组织材料为引起的粒子射程行为与生物组织等效的材料。例如可以是密度和元素比例与生物组织的性质相近的材料。包括有机薄膜材料，例如为有机玻璃、聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。
图2为根据本公开一实施例所示的样品架的结构示意图。图3为根据本公开另一实施例所示的样品架的结构示意图。
根据本公开的实施例，参照图2和图3所示，样品架11包括：样品架主体111以及固定件112。固定件112与样品架主体111之间为磁性吸附。其中，样品2放置于固定件112与样品架主体111之间实现固定，固定件112的位置满足：在样品架11上安装的样品2处于粒子束流的照射范围内时，固定件112处于照射范围之外。即，固定件112在固定样品2的同时不会影响样品的照射范围。样品架主体111可以与驱动件12直接进行连接，或者通过一中间部件实现间接连接。
例如，在其它实施例中，上述样品架11还包括：支撑装配部113。通过支撑装配部113将样品架主体111与驱动件12进行连接。支撑装配部113与样品架主体111为可拆卸式连接。
上述驱动件12可以是步进电机或者气缸或者其他可以进行位移驱动的装置。
例如在一实施例中，采用微型外驱直线电机驱动微型导螺杆，提供微步长及3～5kg推力。支撑装配部113与导螺杆进行装配，从而在电机的驱动作用下随着导螺杆发生位置移动，进而带动样品架发生位置移动。微型外驱直线电机配合细分型步进电机驱动器，采用双极恒流斩波、光隔离信号输入，电源具备反保护功能，可确保射程调节装置在使用过程中，达到低振动、低噪音和高精度的效果。
图4为根据本公开实施例所示的样品架与移动路径限制结构未装配时的结构示意图。
根据本公开的实施例，参照图4所示，上述装置还包括：移动路径限制结构13。移动路径限制结构13用于在样品架11受到驱动件12的驱动作用发生位置移动时限定样品架11的位置移动路径。
图5为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的主视图，其中，为了示意出被面板盖板所遮挡的样品架的结构，将面板盖板以虚线示意。
示例性的，移动路径限制结构13包含用于限定样品架11的移动路径的结构，例如为凹槽式的滑轨或者其它适配于样品架的结构形式。移动路径限制结构可以位于样品架11的上方，也可以位于样品架11的下方，或者在样品架的上方和下方均设置有移动路径限制结构13。样品架11与移动路径限制结构13可以直接装配，也可以通过中间件进行间接装配。在一实施例中，在样品架11与移动路径限制结构13之间还设置有转接件17，如图5所示。
根据本公开的实施例，样品架11与移动路径限制结构13之间为滑动摩擦或滚动摩擦。例如可以采用全钢珠式微小型线性滑轨作为移动路径限制结构13，摩擦阻力低，运行平稳，可使样品架上的样品在有限的空间里实现精密移动和定位。
图6为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的左视图。图7为根据本公开实施例所示的用于调节粒子射程的装置的右视图。
在本公开的一实施例中，在移动路径限制结构13的下方还设置有支撑件13a，如图5所示。
根据本公开的实施例，参照图5所示，上述装置1除了包括样品架组、驱动件12、移动路径限制结构13之外，还包括：外壳15。进一步还包括：极限位置限位件和/或限位开关，在图5中以极限位置限位件14进行示例。
参照图5所示，极限位置限位件14设置于外壳15的内壁，用于限制样品架11运动的极限位置。
限位开关设置于样品架上，用于在样品架运动至极限位置的预定范围内进行触发，以切断驱动件的输入，进而限制样品架运动的极限位置。
根据本公开的实施例，上述装置还包括：控制器。控制器与驱动件电性连接，用于基于双极恒流斩波电信号作为控制信号来控制驱动件12进行样品架位移的驱动。在图5中示意了电源18以及图7中示意了电源的接口181。
图5-图7所示的实施例中，以样品架组包括6个样品架进行示例，这6个样品架中前3个为一组，后3个为另一组，这两组样品架对应的电源以及驱动件的布置高度不同，实现相邻的电源18和驱动件12的错落分布，以便于在狭窄的空间布置多个样品架。在电机作为驱动件的示例下，参照图7所示，还示例了与微型导螺杆的端部的轴承相匹配的轴承座1521。
参照图5所示，外壳15包括：左面板151、右面板152、前面板153、后面板154、上面板155和下面板156，后面板154被遮挡，以带有括号的附图标记进行示意。以粒子束流沿着前后方向入射进行示例。则为了便于描述，将前面板153描述为第一面板153，将后面板154描述为第二面板154。
参照图5所示，上述外壳15包括：相对设置的第一面板153和第二面板154，以及面板盖板16。在图5中为了示意出被面板盖板所遮挡的样品架的结构，将面板盖板以虚线示意，实际结构中，样品架设置于外壳的内部，面板盖板16与第一面板153为可移动式装配。
图8为根据本公开实施例所示的第一面板与面板盖板的装配结构示意图。图9为根据本公开实施例所示的将面板盖板沿着第一面板的表面进行移动使得操作开口显露以便进行样品更换操作的示意图。图10为根据本公开实施例所示的将面板盖板沿着第一面板的表面进行移动使得操作开口显露且遮挡于第一开口的外部时，基于空心区域的设置使得第一开口能够通过粒子束流的示意图。
结合图5以及图8-图10所示，第一面板153上设置有调节粒子束流的射程的第一开口1531，第二面板154上设置有供粒子束流出射的第二开口1541。第一面板153和第二面板154至少之一上还设置有操作开口，在图9和图10中以第一面板153上设置有操作开口1532进行示例，该操作开口1532位于粒子束流的非照射范围。面板盖板16沿着第一面板153和第二面板154至少之一的表面可移动，以实现对操作开口1532的遮挡和显露。
图8中示意了面板盖板的高度尺寸H2和长度尺寸L2，还示意了样品架11的样品架主体111的高度尺寸H1和长度尺寸L1，其中，L2＞L1，且H2＞H1，以实现对第一面板的遮挡。
在上述实施例中，面板盖板16可以是完整的一块板子，遮挡于粒子束流的非照射范围内，在需要进行更换样品时，将面板盖板沿着第一面板153的表面移动，可以移动至第一面板153表面的粒子束流的照射区域，也可以从右侧移动至第一面板外部，与第一面板脱离。这种情况下，操作开口1532被显露出来，可以在外壳内进行样品的更换操作。在样品与样品架为磁性吸附的情况下，相较于其他方式的固定形式而言，便于在外壳内快速实现更换操作，无需将样品架拿到外壳之外。对于其他的样品与样品架的固定形式，通过设置操作开口1532的尺寸大于样品架11的样品架主体111的尺寸，可以将样品架主体111从操作开口1532中取出。例如，操作开口1532的高度尺寸为H3，长度尺寸为L3，则存在以下关系：L2＞L3＞L1，且H2＞H3＞H1。
根据本公开的实施例，面板盖板16上还可以设置有空心区域161，在面板盖板16遮挡于第一开口1531和第二开口1541至少之一的外部时，空心区域161会使得第一开口1531和第二开口1541至少之一显露出来，以供粒子束流的穿过。这种设置可以方便粒子束流通过的同时进行换样操作。
面板盖板16与第一面板153进行装配的形式多种多样，这里仅示例一些实施例。
根据本公开的一实施例，第一面板153和第二面板154至少之一上设置有供面板盖板16进行移动的滑轨；面板盖板16与滑轨进行装配，以实现面板盖板在第一面板和第二面板至少之一的表面的移动或者滑出。
或者，在另一实施例中，面板盖板16与第一面板153和第二面板154至少之一为磁性装配，例如参照图8所示，在面板盖板16上具有磁性区域163，面板盖板16与第一第一面板153和第二面板154至少之一之间的磁力能够实现面板盖板16的固定且在外力作用下实现面板盖板16的移动或脱离。
上述装置的底面外还设置有长槽固定孔，方便安装和位置调整。该装置的外形采用圆角设计，表面喷砂氧化处理，外观简洁。
综上所述，本实施例提供了一种用于调节粒子射程的装置，基于样品架组和驱动件的设置，驱动件可以驱动每个样品架在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，样品架上放置的样品厚度可以变化，从而实现样品架组中样品总厚度的各种组合设置，从而基于样品总厚度可以形成入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，从而可以利用该装置对不同能量的入射粒子的有效吸收剂量随穿透深度的分布进行测量，进而通过改变样品总厚度来改变粒子束流的射程，实现LET值的快速变换，为研究LET与RBE的关系提供实验条件。
本公开的第二个示例性实施例提供了一种用于测量粒子布拉格曲线的装置。
图11为根据本公开实施例所示的用于测量粒子布拉格曲线的装置的结构示意图。
参照图11所示，本实施例的用于测量粒子布拉格曲线的装置包括：粒子加速器3、调节粒子射程的装置1以及剂量测试件4。粒子加速器3用于产生带电的粒子束流。调节粒子射程的装置1用于调节粒子束流的射程。剂量测试件4用于测量粒子加速器3产生的粒子束流经过样品架组上的样品2之后的有效吸收剂量。
根据本公开的实施例，粒子加速器3产生的带电的粒子束流为低能质子，低能质子的能量为低于23MeV，例如可以是0.01MeV～23MeV之间的任意数，例如为22MeV、15MeV、10MeV、0.5MeV等。
根据本公开的实施例，上述剂量测试件4为剂量胶片。
本公开的第三个示例性实施例提供了一种生物辐照装置。
在一实施例中，上述生物辐照装置包括：如上所述的任一种调节粒子射程的装置以及生物组织。其中，通过调节调节粒子射程的装置1的粒子穿透深度，使得入射的粒子束流通过调节粒子射程的装置1之后以预定剂量入射至生物组织。
在另一实施例中，上述生物辐照装置包括：如上所述的任一种用于测量粒子布拉格曲线的装置。其中，剂量测试件4为生物组织，其中，通过调节调节粒子射程的装置1的粒子穿透深度，使得入射的粒子束流通过调节粒子射程的装置1之后以预定剂量入射至生物组织。
上述生物辐照装置可以用作放射治疗装置。
本公开的第四个示例性实施例提供了一种基于上述调节粒子射程的装置或者上述用于测量粒子布拉格曲线的装置进行布拉格曲线测量的方法。
图12为根据本公开实施例所示的采用用于调节粒子射程的装置或者用于测量粒子布拉格曲线的装置进行布拉格曲线测量的方法的流程图。
参照图12所示，本实施例的进行布拉格曲线测量的方法包括以下操作：S41、S42和S43。
在操作S41中，调节样品的总厚度，进而形成多个粒子穿透深度。其中，采用上述用于调节粒子射程的装置或上述用于测量粒子布拉格曲线的装置调节样品的总厚度，进而形成多个粒子穿透深度。
在操作S42中，测试入射的粒子束流经过多个粒子穿透深度后得到每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量。
在操作S43中，根据每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量确定传能线密度与粒子穿透深度的布拉格曲线。
图13为根据本公开实施例所示的操作S42的详细实施流程图。
根据本公开的实施例，可以在用于调节粒子射程的装置的出射路径上放置剂量测试件，或者直接利用用于测量粒子布拉格曲线的装置中的剂量测试件，并测试入射的粒子束流经过多个粒子穿透深度后在剂量测试件得到的每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量。
参照图13所示，上述操作S42包括以下子操作：S421、S422和S423。
在子操作S421，根据剂量测试件在不同照射剂量下照射的灰度显示结果确定照射剂量与剂量测试件灰度之间的关系。
在子操作S422，测试入射的粒子束流经过多个粒子穿透深度后照射至所述剂量测试件的实际灰度显示结果。
在子操作S423，根据实际灰度显示结果与照射剂量与剂量测试件灰度之间的关系确定多个粒子穿透深度中每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量。
上述剂量测试件可以是剂量胶片。
图14为根据本公开实施例所示的22MeV质子的布拉格曲线实验测试曲线图和理论拟合曲线图。
参照图14所示，在实际测量曲线中，对于22MeV质子，质子穿过不同厚度的生物等效介质后，在运动过程中能量传递不同，反映为LET值随入射深度逐渐增加，在射程末端处，LET值迅速增加后又快速降低，测得的曲线表现出典型的布拉格(Bragg)曲线的特点，贯穿深度步长调节最小为5μm。经过对比实际测量曲线与理论拟合曲线发现，实际测量曲线与理论拟合曲线均具有布拉格(Bragg)曲线的特点，二者的实际结果具有一定的吻合型，采用本公开实施例的装置和方法具有可行性，同时基于本公开实施例的实测结果可以基于样品总厚度可以形成入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，从而可以利用该装置对不同能量的入射粒子的有效吸收剂量随穿透深度的分布进行测量，进而通过改变样品总厚度来改变粒子束流的射程，实现LET值的快速变换，为研究LET与RBE的关系提供实验条件。
图15为根据本公开实施例所示的在相同照射注量下，布置1350μm厚的样品和不设置样品得到的剂量胶片的灰度显示结果。
如图15所示的剂量胶片的灰度显示结果表明，在相同照射注量下，在插入和不插入等效生物组织材料的情况下，对应剂量胶片的吸收剂量分别为2.6Gy和1Gy，对应的质子的LET值分别为9.4keV/μm和3.6keV/μm，如此实现了质子Bragg峰的位置可调和LET值的快速变换。
综上所述，本公开的实施例提供了一种用于调节粒子射程和用于测量粒子布拉格曲线的装置及方法。基于样品架组和驱动件的设置，驱动件可以驱动每个样品架在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，样品架上放置的样品厚度可以变化，从而实现样品架组中样品总厚度的各种组合设置，从而基于样品总厚度可以形成入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，从而可以利用该装置对不同能量的入射粒子的有效吸收剂量随穿透深度的分布进行测量，进而通过改变样品总厚度来改变粒子束流的射程，实现LET值的快速变换，为研究LET与RBE的关系提供实验条件。
需要说明的是，虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种用于调节粒子射程的装置，其特征在于，包括：
样品架组，包括至少一个样品架，用于固定不同厚度的样品；以及
驱动件，用于驱动所述样品架组中的每个样品架独立进行位置移动，使得每个样品架上的样品能够在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，通过改变样品总厚度得到入射的粒子束流所需的粒子穿透深度，实现粒子射程的调节。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品架包括：
样品架主体；以及
固定件，所述固定件与所述样品架主体之间为磁性吸附；
其中，所述样品固定于所述固定件与所述样品架主体之间，在所述样品架上安装的样品处于粒子束流的照射范围内时，所述固定件处于所述照射范围之外。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
移动路径限制结构，用于在所述样品架受到所述驱动件的驱动作用发生位置移动时限定所述样品架的位置移动路径。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述样品架与所述移动路径限制结构之间为滑动摩擦或滚动摩擦。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：外壳，其中，所述外壳包括：
相对设置的第一面板和第二面板，以及面板盖板；
其中，所述第一面板上设置有调节粒子束流的射程的第一开口，所述第二面板上设置有供粒子束流出射的第二开口；
所述第一面板和所述第二面板至少之一上还设置有操作开口，所述操作开口位于所述粒子束流的非照射范围；
所述面板盖板沿着所述第一面板和所述第二面板至少之一的表面可移动，以实现对所述操作开口的遮挡和显露。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述面板盖板上设置有空心区域，在所述面板盖板遮挡于所述第一开口和所述第二开口至少之一的外部时，所述空心区域会使得所述第一开口和所述第二开口至少之一显露出来，以供粒子束流的穿过。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述第一面板和所述第二面板至少之一上设置有供所述面板盖板进行移动的滑轨；所述面板盖板与所述滑轨进行装配，以实现所述面板盖板在所述第一面板和所述第二面板至少之一的表面的移动或者滑出；或者，
所述面板盖板与所述第一面板和所述第二面板至少之一为磁性装配，所述面板盖板与所述第一第一面板和所述第二面板至少之一之间的磁力能够实现面板盖板的固定且在外力作用下实现面板盖板的移动或脱离。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
极限位置限位件，设置于所述外壳的内壁，用于限制所述样品架运动的极限位置；和/或
限位开关，设置于所述样品架上，用于在所述样品架运动至极限位置的预定范围内进行触发，以切断所述驱动件的输入，进而限制所述样品架运动的极限位置。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
控制器，所述控制器与所述驱动件电性连接，用于基于双极恒流斩波电信号作为控制信号来控制所述驱动件进行样品架位移的驱动。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述样品架组的样品架个数为N，且N≥2时，所述N个样品架平行且等间距放置，以保证粒子束流的空气损失一致。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述N个样品架上放置的样品的厚度呈递增趋势。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
当所述样品架组只包括一个样品架时，在保证粒子束流条件不变的情况下，基于换样操作，在样品架上多次放置不同厚度的样品，以形成不同的粒子穿透深度；
当所述样品架组包括N个样品架时，N≥2，通过设置N个样品架上的样品厚度不同，且基于驱动件驱动所述N个样品架中每个样品架上的样品在粒子束流的照射范围和非照射范围进行切换，以形成2N个粒子穿透深度。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其特征在于，所述样品包括：等效生物组织材料，所述等效生物组织材料为引起的粒子射程行为与生物组织等效的材料。
14.一种生物辐照装置，其特征在于，包括：
权利要求1-13中任一项所述的用于调节粒子射程的装置；以及
生物组织；
其中，通过调节所述用于调节粒子射程的装置的粒子穿透深度，使得入射的粒子束流通过所述用于调节粒子射程的装置之后以预定剂量入射至所述生物组织。
15.一种采用权利要求1-13中任一项所述的用于调节粒子射程的装置测量布拉格曲线的方法，其特征在于，包括：
调节所述用于调节粒子射程的装置的样品总厚度，进而形成多个粒子穿透深度；
测试入射的粒子束流经过所述多个粒子穿透深度后得到每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量；以及
根据所述每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量确定传能线密度与粒子穿透深度的布拉格曲线。
16.一种用于测量粒子布拉格曲线的装置，其特征在于，包括：
粒子加速器，用于产生带电的粒子束流；
权利要求1-13中任一项所述的用于调节粒子射程的装置，用于调节所述粒子束流的射程；以及
剂量测试件，用于测量所述粒子加速器产生的粒子束流经过所述样品架组上的样品之后的有效吸收剂量。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述剂量测试件为剂量胶片。
18.一种生物辐照装置，其特征在于，包括：
权利要求16或17所述的用于测量粒子布拉格曲线的装置，其中，所述剂量测试件为生物组织，其中，通过调节所述用于调节粒子射程的装置的粒子穿透深度，使得入射的粒子束流通过所述用于调节粒子射程的装置之后以预定剂量入射至所述生物组织。
19.一种采用权利要求16或17所述的用于测量粒子布拉格曲线的装置测量布拉格曲线的方法，其特征在于，包括：
调节所述用于调节粒子射程的装置的样品总厚度，进而形成多个粒子穿透深度；
测试入射的粒子束流经过所述多个粒子穿透深度后在剂量测试件得到的每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量；以及
根据所述每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量确定传能线密度与粒子穿透深度的布拉格曲线。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述测试入射的粒子束流经过所述多个粒子穿透深度后在剂量测试件得到的每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量，包括：
根据剂量测试件在不同照射剂量下照射的灰度显示结果确定照射剂量与剂量测试件灰度之间的关系；
测试入射的粒子束流经过所述多个粒子穿透深度后照射至所述剂量测试件的实际灰度显示结果；
根据所述实际灰度显示结果与所述照射剂量与剂量测试件灰度之间的关系确定所述多个粒子穿透深度中每个粒子穿透深度对应的有效吸收剂量。
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