CN114721027B - 一种高精度超高辐照剂量快速测量装置 - Google Patents

一种高精度超高辐照剂量快速测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高精度超高辐照剂量快速测量装置，其包括：超高剂量探测器，设置在Flash放疗终端，将探测到的粒子转换成连续的电流信号；高精度宽量程电流电压转换电路，其输入端与超高剂量探测器的输出端连接，将接收到的不同量程范围的电流信号经不同的转换增益快速转换成电压信号后输出；高速模数转换电路，其输入端与高精度宽量程电流电压转换电路的输出端连接，将接收到的电压信号快速进行数字化处理后输出；微处理器，与高速模数转换电路进行信息交互，微处理器向高速模数转换电路传输配置信息，并将高速模数转换电路传输至的信号转换成电荷量，与预置的电荷量进行比较后，向束流配送系统输出控制信号，切断束流进而结束放疗。

Description

一种高精度超高辐照剂量快速测量装置
技术领域
本发明涉及一种超高剂量率（UHDR）医用粒子放疗设备领域，特别是关于一种高精度超高辐照剂量快速测量装置。
背景技术
在粒子放疗装置中，辐照剂量测量是影响治疗安全和放疗效果的关键因素。Flash-RT剂量率大都超过40Gy/s，时间不足1s，是常规放疗剂量率的数百上千倍。而且由于超高剂量的使用，为了确保病人的安全，给剂量测量的准确性和时效性提出了巨大挑战，因此发展高精度超高剂量快速探测技术是实现Flash-RT的必要途径。常规的剂量监测装置还存在着时效性差、可靠性低、故障率高、准确性差等问题，这些问题会极大增加放疗病人的安全风险。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种高精度超高辐照剂量快速测量装置，其结构简单，精度高，性能稳定。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高精度超高辐照剂量快速测量装置，其包括：超高剂量探测器，设置在Flash放疗终端用于探测剂量，将探测到的粒子转换成连续的电流信号后输出；高精度宽量程电流电压转换电路，其输入端与所述超高剂量探测器的输出端连接，将接收到的不同量程范围的所述电流信号经不同的转换增益快速转换成电压信号后输出；高速模数转换电路，其输入端与所述高精度宽量程电流电压转换电路的输出端连接，将接收到的所述电压信号快速进行数字化处理后输出；微处理器，与所述高速模数转换电路进行信息交互，所述微处理器向所述高速模数转换电路传输配置信息，并将所述高速模数转换电路传输至的信号转换成电荷量，与预置的电荷量进行比较后，向束流配送系统输出控制信号，切断束流进而结束放疗。
进一步，所述高精度宽量程电流电压转换电路包括：高精度跨阻型电流电压转换电路、同相放大驱动电路和两路电压比较电路；
所述高精度跨阻型电流电压转换电路结合两路所述电压比较电路反馈的标识信号，选择最佳增益，将接收到的所述电流信号转换为初步电压信号；
所述同相放大驱动电路，将接收到的所述初步电压信号放大后输出所述电压信号；
两路所述电压比较电路，分别接收所述电压信号并与预先设定值判断，若所述电压信号小于设定的低阈值电压，则产生低阈值标识信号并反馈至高精度跨阻型电流电压转换电路；若所述电压信号大于设定的高阈值电压，则产生高阈值标识信号并反馈至高精度跨阻型电流电压转换电路。
进一步，所述高精度跨阻型电流电压转换电路包括由开关控制的可变反馈电阻网络和偏置电压调节网络；
所述可变反馈电阻网络用于根据输入信号选择最佳增益，进行增益转换时，由所述偏置电压调节网络进行外部调节，确保在输入电流为0时输出电压也为0。
进一步，所述可变反馈电阻网络包括多个量程档的对应反馈电阻和开关；每个所述反馈电阻与一所述开关串联构成一支路，多个所述支路并联构成所述可变反馈电阻网络。
进一步，所述高速模数转换电路采用采样率高于100Msps的ADC器件来实现。
进一步，所述微处理器包括数字处理单元和放疗剂量控制单元；
所述数字处理单元将接收到的所述高速模数转换电路传输至的信号，计算得到某一段时间内的总电荷量Qa；
所述放疗剂量控制单元用于向所述高速模数转换电路传输配置信息，并接收放疗系统预先设置的剂量值，换算成预置的电荷量Qs，将所述预置的电荷量Qs与所述总电荷量Qa比较后，输出结束放疗控制信号。
进一步，所述数字处理单元中，采用数值面积法计算得到某一段时间内的总电荷量Qa，包括：
根据所述高精度宽量程电流电压转换电路的转换增益及其输出的电压值，进行反推计算得到所述超高剂量探测器的输出电流值I in ；
所述高速模数转换电路按照固定的频率进行模数转换，单次采集时间Δt固定不变，用采集时间Δt与电流值I in 相乘得到单次采集时间Δt内的电荷量Q t ；
将放疗开始后某一时间段内的多次连续采集对应的Q t 值进行累加，得到该时间段内的总电荷量Qa。
进一步，所述放疗剂量控制单元中，用于向所述高速模数转换电路传输配置信息，包括：
选定所述高速模数转换电路中的可变反馈电阻网络中的电阻值，固定一组量程档；
配置放疗剂量设定值，作为所述预置的电荷量Q s 。
进一步，所述放疗剂量控制单元中，将所述预置的电荷量Qs与所述总电荷量Qa比较后输出放疗结束控制信号，包括：若Qa大于或等于Qs时，则快速发出终止放疗信号至所述束流配送系统。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明能实现超高辐照剂量的精准探测，提高了超高剂量测量的可靠性，从而对提高放疗系统的精度和时效性、降低患者的放疗风险和治疗成本等方面都具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一实施例中高精度超高辐照剂量快速测量装置整体结构示意图。
图2是本发明一实施例中高精度宽量程电流电压转换电路原理框图。
图3是本发明一实施例中具体实施方案中装置具体电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供的高精度超高辐照剂量快速测量装置，在超高剂量率（UHDR）医用粒子放疗设备领域中应用，尤其是Flash放疗（Flash-RT）中进行高精度辐照剂量快速测量。本发明包括超高剂量探测器、高精度宽量程电流电压转换电路、高速模数转换电路、数字处理单元和放疗剂量控制单元。位于Flash放疗终端的超高剂量探测器探测到粒子而输出连续的电流脉冲信号；高精度宽量程电流电压转换电路将不同量程范围的电流信号经不同的转换增益快速转换成电压信号；高速模数转换电路将电压信号快速进行数字化处理；数字处理单元根据不同的转换增益和数值面积法计算得到单次采集时间内的电荷量Qt，并进行累加计算获得某一段时间内的总电荷量Qa；放疗剂量控制单元接收放疗系统设置的剂量值，经换算成电荷量Qs，当Qa值等于或大于Qs时，则快速发出终止放疗信号，进而快速切断粒子束，确保病人安全。本发明的高精度超高辐照剂量快速测量装置实现了Flash放疗超高剂量的实时测量，为精准的Flash放疗系统提供强力支撑。
在本发明的一个实施例中，提供一种高精度超高辐照剂量快速测量装置。本实施例中，如图1所示，该装置包括：
超高剂量探测器，设置在Flash放疗终端用于探测剂量，将探测到的粒子转换成连续的电流信号后输出；例如，气体探测器中的电离室等，辐照剂量值正比于电荷量。
高精度宽量程电流电压转换电路，其输入端与超高剂量探测器的输出端连接，将接收到的不同量程范围的电流信号经不同的转换增益快速转换成电压信号后输出；
高速模数转换电路，其输入端与高精度宽量程电流电压转换电路的输出端连接，将接收到的电压信号快速进行数字化处理后输出；
微处理器，与高速模数转换电路进行信息交互，微处理器向高速模数转换电路传输配置信息，并将高速模数转换电路传输至的信号转换成电荷量，与预置的电荷量进行比较后，向束流配送系统输出放疗结束控制信号。
上述实施例中，如图2所示，高精度宽量程电流电压转换电路可根据不同范围的输入信号自动配置最佳转换增益，其包括高精度跨阻型电流电压转换电路、同相放大驱动电路和两路电压比较电路。
高精度跨阻型电流电压转换电路结合两路电压比较电路反馈的标识信号，选择最佳增益，将接收到的电流信号转换为初步电压信号；
同相放大驱动电路，将接收到的初步电压信号放大后输出电压信号；
两路电压比较电路，分别接收电压信号并与预先设定值判断，若电压信号小于设定的低阈值电压，则产生低阈值标识信号PL并反馈至高精度跨阻型电流电压转换电路；若电压信号大于设定的高阈值电压，则产生高阈值标识信号PH并反馈至高精度跨阻型电流电压转换电路。
上述实施例中，高精度跨阻型电流电压转换电路包括由开关控制的可变反馈电阻网络和偏置电压调节网络。可变反馈电阻网络用于根据输入信号选择最佳增益，进行增益转换时，由所述偏置电压调节网络进行外部调节，确保在输入电流为0时输出电压也为0，确保测量精度。
上述实施例中，可变反馈电阻网络包括多个量程档的对应反馈电阻。每个反馈电阻与一开关串联构成一支路，多个支路并联构成可变反馈电阻网络。
使用时，可变反馈电阻网络中包含了多个量程档的对应反馈电阻，由高阈值标识信号PH和低阈值标识信号PL的组合情况去改变可变反馈电阻网络中的反馈电阻大小，进而改变该电路的处理量程档和转换增益，提高了该电路的转换精度。该电路一般设计为处理7个数量级的输入信号大小，设置为4个量程档，也可以根据实际输入信号范围需求来配置对应的可变反馈电阻网络。
上述实施例中，高速模数转换电路对高精度宽量程电流电压转换电路输出的电压进行快速数字化，一般选用高速模数转换器件来实现，模数转换过程中采用固定的采样频率。在本实施例中，高速模数转换电路采用采样率高于100Msps的ADC器件来实现。例如采用型号为ADS42JB69的芯片，其采样率为250Msps。
上述实施例中，微处理器包括数字处理单元和放疗剂量控制单元；
数字处理单元将接收到的高速模数转换电路传输至的信号，计算得到某一段时间内的总电荷量Qa；
放疗剂量控制单元用于向高速模数转换电路传输配置信息，并接收放疗系统预先设置的剂量值，换算成预置的电荷量Qs，将预置的电荷量Qs与总电荷量Qa比较后，输出结束放疗控制信号。
上述实施例中，数字处理单元中，采用数值面积法计算得到某一段时间内的总电荷量Qa，具体为：
根据高精度宽量程电流电压转换电路的转换增益及其输出的电压值，进行反推计算得到超高剂量探测器的输出电流值I in ；
高速模数转换电路按照固定的频率进行模数转换，单次采集时间Δt固定不变，用采集时间Δt与电流值I in 相乘得到单次采集时间Δt内的电荷量Q t ；
将放疗开始后某一时间段内的多次连续采集对应的Q t 值进行累加，得到该时间段内的总电荷量Qa。
上述实施例中，放疗剂量控制单元中，用于向高速模数转换电路传输配置信息，具体为：
选定高速模数转换电路中的可变反馈电阻网络中的电阻值，固定一组量程档；
配置放疗剂量设定值，作为预置的电荷量Q s 。
上述实施例中，放疗剂量控制单元中，将预置的电荷量Qs与总电荷量Qa比较后输出控制信号，具体为：若Qa大于或等于Qs时，则快速发出终止放疗信号至束流配送系统。
上述实施例中，微处理器可以采用如CPLD、FPGA、DSP、ARM、MCU等。
使用时，数字处理单元计算得到单次采集时间内的电荷量Q t ，依据放疗开始指令进行电荷量的累加计算得到总电荷量Q a ，并实时将Q a 的值传输给放疗剂量控制单元。数字处理单元根据高精度宽量程电流电压转换电路的转换增益和高速模数转换电路得到的输出电压V O 的数值，进行反推计算得到探测器输出电流值I in 。高速模数转换电路按照固定的频率进行模数转换，单次采集时间Δt固定不变，用采集时间Δt与电流值I in 相乘得到单次采集时间Δt内的电荷量Q t ，将放疗开始后时间段t内的多次连续采集对应的Q t 值进行累加进而得到当前时间t的总电荷量Q a 。
放疗剂量控制单元完成整个装置的初始化配置，以及判定和控制放疗的开始和结束。初始化配置包括对高精度宽量程电流电压转换电路中可变反馈电阻网络中的电阻值进行选定，固定一组量程档，其次是配置放疗剂量设定值Q s 。放疗剂量控制单元接收到放疗开始指令后，开始比较数字处理单元输出的当前总电荷量Q a 与设定的剂量对应电荷量Q s 的大小来决定是否结束放疗，当满足Q a ≥ Q s 时，则放疗剂量控制单元立即发送停止放疗指令，完成预设剂量的放疗操作。
本发明的高精度超高辐照剂量快速测量装置，可以通过配置ADC的采样率进而设计为不同灵敏度规格，如超高剂量探测器的输入范围为10nA-100mA，当配置ADC的采样率为250MSPS的前提下，则单次测量到的最小电荷量为0.04fC，当配置ADC的采样率为100MSPS的前提下，则单次测量到的最小电荷量为0.1fC，从而实现了辐照剂量的高精度测量。
实施例:如图3所示，以图3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。
超高剂量探测仅输出一路负电流信号进入后级的高精度宽量程电流电压转换电路。
高精度宽量程电流电压转换电路主要由高精度跨阻型电流电压转换电路（包括开关控制的可变反馈电阻网络和偏置电压（含温漂）调节网络）、同相放大驱动电路、两路高速电压比较电路构成。由开关控制的反馈电阻网络结合两路比较器电路和FPGA控制逻辑实现自适应输入信号大小的最佳增益选择，单个量程处理2个数量级变化的输入信号，例如对于-20uA~-200mA范围的输入信号选用Rf大小的电阻为反馈电阻，对于-200nA~-20uA的输入范围，闭合开关S1使得Rf与R1并联后的电阻值为Rf的1/100大小，依此类推最终实现满量程-20nA~-200mA的处理能力。前级电路进行高增益转换时，运放的失调电压也会跟着被放大，因此在电路中引入了偏置电压调节网络，通过外部调节，使0 输入的输出也为0，这样可以提高整个系统的测量精度。同相放大驱动电路主要提升放大增益和增强输出驱动能力。两路高速电压比较电路主要用于判断当前量程档处理电路是否与输入信号大小相匹配，如果输出电压VO比设置的低阈值电压VTH-L小，则产生PL标识信号，FPGA经判断后发送控制信号对应控制反馈电阻网络的控制开关Si进行断开动作，剔除一个并联反馈电阻对应切换到低量程档对应增大转换增益。如果输出电压VO比设置的高阈值电压VTH-H大，则产生PH标识信号，FPGA经判断后发送控制信号对应控制反馈电阻控制开关Si进行闭合动作，切换到高量程档对应减少转换增益。阈值电压可以通过DAC器件产生，也可以通过高精度电位器对电源分压产生。
高速模数转换电路中的高速ADC拟选用16位采样率最高可达250Msps的器件ADS42JB69来设计，在应用中实际设置的采样率为200Msps，完成单次采集的时间为5ns。
数字处理单元和放疗剂量控制单元采用一个FPGA结合固件设计来实现，选用Xilinx公司的Kintex-UltraScale系列器件来设计，实现可变反馈电阻网络电路的控制、初始化参数配置、数字滤波处理和根据不同的转换增益利用数值面积法进行快速计算得出对应时间段内的总电荷量Qa。
初始化时配置放疗剂量设定值Qs，FPGA接收到开始指令后，实时比较当前总电荷量Qa与设定的剂量对应电荷量Qs的大小，当满足Qa ≥ Qs时，则FPGA立即发送停止指令，完成预设剂量的放疗操作。
综上，本发明的高精度超高辐照剂量快速测量装置可实现0.1fC的最小剂量分辨，具备覆盖七个数量级（-20nA~-200mA）信号输入范围快速数字化的能力。该装置大大提高了超高辐照剂量测量的精准度和时效性，对整个Flash-RT系统可靠、安全运行具有非常重要的意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种高精度超高辐照剂量快速测量装置，其特征在于，包括：
超高剂量探测器，设置在Flash放疗终端用于探测剂量，将探测到的粒子转换成连续的电流信号后输出；
高精度宽量程电流电压转换电路，其输入端与所述超高剂量探测器的输出端连接，将接收到的不同量程范围的所述电流信号经不同的转换增益快速转换成电压信号后输出；
高速模数转换电路，其输入端与所述高精度宽量程电流电压转换电路的输出端连接，将接收到的所述电压信号快速进行数字化处理后输出；
微处理器，与所述高速模数转换电路进行信息交互，所述微处理器向所述高速模数转换电路传输配置信息，并将所述高速模数转换电路传输至的信号转换成电荷量，与预置的电荷量进行比较后，向束流配送系统输出控制信号，切断束流进而结束放疗；
所述高精度宽量程电流电压转换电路包括：高精度跨阻型电流电压转换电路、同相放大驱动电路和两路电压比较电路；
所述高精度跨阻型电流电压转换电路结合两路所述电压比较电路反馈的标识信号，选择最佳增益，将接收到的所述电流信号转换为初步电压信号；
所述同相放大驱动电路，将接收到的所述初步电压信号放大后输出所述电压信号；
两路所述电压比较电路，分别接收所述电压信号并与预先设定值判断，若所述电压信号小于设定的低阈值电压，则产生低阈值标识信号并反馈至高精度跨阻型电流电压转换电路；若所述电压信号大于设定的高阈值电压，则产生高阈值标识信号并反馈至高精度跨阻型电流电压转换电路；
所述高精度跨阻型电流电压转换电路包括由开关控制的可变反馈电阻网络和偏置电压调节网络；
所述可变反馈电阻网络用于根据输入信号选择最佳增益，进行增益转换时，由所述偏置电压调节网络进行外部调节，确保在输入电流为0时输出电压也为0。
2.如权利要求1所述高精度超高辐照剂量快速测量装置，其特征在于，所述可变反馈电阻网络包括多个量程档的对应反馈电阻和开关；每个所述反馈电阻与一所述开关串联构成一支路，多个所述支路并联构成所述可变反馈电阻网络。
3.如权利要求1所述高精度超高辐照剂量快速测量装置，其特征在于，所述高速模数转换电路采用采样率高于100Msps的ADC器件来实现。
4.如权利要求1所述高精度超高辐照剂量快速测量装置，其特征在于，所述微处理器包括数字处理单元和放疗剂量控制单元；
所述数字处理单元将接收到的所述高速模数转换电路传输至的信号，计算得到某一段时间内的总电荷量Qa；
所述放疗剂量控制单元用于向所述高速模数转换电路传输配置信息，并接收放疗系统预先设置的剂量值，换算成预置的电荷量Qs，将所述预置的电荷量Qs与所述总电荷量Qa比较后，输出结束放疗控制信号。
5.如权利要求4所述高精度超高辐照剂量快速测量装置，其特征在于，所述数字处理单元中，采用数值面积法计算得到某一段时间内的总电荷量Qa，包括：
根据所述高精度宽量程电流电压转换电路的转换增益及其输出的电压值，进行反推计算得到所述超高剂量探测器的输出电流值I in ；
所述高速模数转换电路按照固定的频率进行模数转换，单次采集时间Δt固定不变，用采集时间Δt与电流值I in 相乘得到单次采集时间Δt内的电荷量Q t ；
将放疗开始后某一时间段内的多次连续采集对应的Q t 值进行累加，得到该时间段内的总电荷量Qa。
6.如权利要求4所述高精度超高辐照剂量快速测量装置，其特征在于，所述放疗剂量控制单元中，用于向所述高速模数转换电路传输配置信息，包括：
选定所述高速模数转换电路中的可变反馈电阻网络中的电阻值，固定一组量程档；
配置放疗剂量设定值，作为所述预置的电荷量Q s 。
7.如权利要求4所述高精度超高辐照剂量快速测量装置，其特征在于，所述放疗剂量控制单元中，将所述预置的电荷量Qs与所述总电荷量Qa比较后输出放疗结束控制信号，包括：
若Qa大于或等于Qs时，则快速发出终止放疗信号至所述束流配送系统。
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