CN115779281B - 一种混合辐射场的测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混合辐射场测量技术领域，尤其涉及一种混合辐射场的测量装置和方法，当混合辐射场辐照第一电离室、第二电离室、第三电离室、第四电离室和光子电离室时，第一电离室输出第一电信号至数据采集装置，第二电离室输出第二电信号至数据采集装置，第三电离室输出第三电信号至数据采集装置，第四电离室输出第四电信号至数据采集装置，光子电离室输出第五电信号至数据采集装置；数据采集装置根据第一电信号、第二电信号、第三电信号、所第四电信号和第五电信号，能够准确得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
Description
技术领域
本发明涉及混合辐射场测量技术领域，尤其涉及一种混合辐射场的测量装置和方法。
背景技术
在硼中子俘获治疗中，中子到达肿瘤发生治疗效用时会不可避免地与肿瘤和正常组织的各元素组分发生反应。因此，硼中子俘获治疗中的组织吸收剂量包括10B(n，α)7Li反应及其他多种复杂反应所产生的剂量。硼中子俘获治疗中人体组织的吸收剂量(物理剂量)大致分为四个部分：
1)10B剂量，由10B(n，a)7Li中子俘获反应所致，这是硼中子俘获治疗中肿瘤靶区具有肿瘤治疗效用的主要剂量；
2)热中子剂量和超热中子剂量，主要由14N(n，p)14C热中子俘获反应所致，其中，热中子能量定义为低于0.5eV的中子，对治疗病人有用的超热中子能量定义为0.5eV～10keV；
3)快中子剂量，主要由1H(n，n’)1H等反应慢化中子而产生的剂量所致，它们的能量比热中子能量更高；
4)伽马剂量，主要由中子源伴生伽玛射线和中子辐照人体产生的伽玛射线产生的剂量所致。由上可知，硼中子俘获治疗反应种类繁多复杂，产生的剂量也较为复杂多样。
目前，针对中子和伽马混合辐射场的测量方法主要包括成对热释光法、成对电离室法、凝胶剂量计法和胶片剂量计法。其中，国际辐射学单位委员会(ICRU)建议采用的成对电离室法，是针对中子和伽马剂量测定的标准测量手段，但很难应用于硼剂量的测量，也难以分能群实时测量不同能量的中子剂量。另一方面，离线测量的方法也做了研究，如使用凝胶测量剂量的方法是一种被动式的测量手段，操作过程步骤繁琐，耗费时间较长。使用活化片、胶片等对辐射场剂量进行测量需要高精度的读出设备，且读出过程的注意事项较多，这些离线测量方法有无法实时给出数据的劣势。
总之，现有技术仅能在线得到“快中子剂量、热中子及超热中子剂量”的和，若想进一步区分分量，需要离线测量方法(凝胶、胶片、活化片等)支持。如此，无法实现实验测量结果和放疗计划系统计算出的各个剂量分量结果的在线对照。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种混合辐射场的测量装置和方法。
本发明的一种混合辐射场的测量装置的技术方案如下：
包括数据采集装置、对热中子和超热中子敏感的第一电离室、对超热中子敏感的第二电离室、对硼敏感的第三电离室、对快中子敏感的第四电离室，以及对伽马射线敏感的光子电离室；
当混合辐射场辐照所述第一电离室、所述第二电离室、所述第三电离室、所述第四电离室和光子电离室时，所述第一电离室输出第一电信号至所述数据采集装置，所述第二电离室输出第二电信号至所述数据采集装置，所述第三电离室输出第三电信号至所述数据采集装置，所述第四电离室输出第四电信号至所述数据采集装置，所述光子电离室输出第五电信号至所述数据采集装置；
所述数据采集装置用于：根据所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号、所述第四电信号和所述第五电信号，得到所述混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
本发明的一种混合辐射场的测量装置的有益效果如下：
能够实时且准确得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
本发明的一种混合辐射场的测量方法的技术方案如下：
S1、当混合辐射场辐照对热中子和超热中子敏感的第一电离室、对超热中子敏感的第二电离室、对硼敏感的第三电离室、对快中子敏感的第四电离室，以及对伽马射线敏感的光子电离室时，所述第一电离室输出第一电信号至所述数据采集装置，所述第二电离室输出第二电信号至所述数据采集装置，所述第三电离室输出第三电信号至所述数据采集装置，所述第四电离室输出第四电信号至所述数据采集装置，所述光子电离室输出第五电信号至所述数据采集装置；
S2、所述数据采集装置根据所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号、所述第四电信号和所述第五电信号，得到所述混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
本发明的一种混合辐射场的测量方法的有益效果如下：
能够实时且准确得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
附图说明
图1为本发明实施例的一种混合辐射场的测量装置的结构示意图；
图2为本发明的一种混合辐射场的测量装置的应用示意图；
图3为本发明实施例的一种混合辐射场的测量方法的流程示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、数据采集装置；2、水箱；3、电离室组合；31、第一电离室；32、第二电离室；33、第三电离室；34、第四电离室；35、光子电离室；4、治疗机头。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的一种混合辐射场的测量装置，包括数据采集装置1、对热中子和超热中子敏感的第一电离室31、对超热中子敏感的第二电离室32、对硼敏感的第三电离室33、对快中子敏感的第四电离室34，以及对伽马射线敏感的光子电离室35；
当混合辐射场辐照第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35时，第一电离室31中所设置的第一探头输出第一电信号至数据采集装置1，第二电离室32中设置的第二探头输出第二电信号至数据采集装置1，第三电离室33中所设置的第三探头输出第三电信号至数据采集装置1，第四电离室34所设置的第四探头输出第四电信号至数据采集装置1，光子电离室35所设置的第五探头输出第五电信号至数据采集装置1，其中，数据采集装置1为剂量仪。
其中，第一探头为对热中子和超热中子敏感的0.6cc Farmer型指形电离室探头，探头的壁面和内部填充了相应的材料，配合剂量仪使用；第二探头为对超热中子敏感的探头0.6cc Farmer型指形电离室探头，探头的壁面和内部填充了相应的材料，配合剂量仪使用；第三探头为对硼敏感的探头0.6cc Farmer型指形电离室探头，探头的壁面和内部填充了相应的材料，配合剂量仪使用；第四探头为对快中子敏感的探头0.6cc Farmer型指形电离室探头，探头的壁面和内部填充了相应的材料，配合剂量仪使用；第五探头为对伽马射线敏感的探头0.6cc Farmer型指形电离室探头，探头的壁面和内部填充了相应的材料，配合剂量仪使用；
数据采集装置1用于：根据第一电信号、第二电信号、第三电信号、所第四电信号和第五电信号，得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
可选地，在上述技术方案中，数据采集装置1具体用于：
根据第一电信号得到对热中子和超热中子的敏感值，根据第二电信号得到对超热中子的敏感值，根据第三电信号得到对硼的敏感值，根据第四电信号得到对快中子的敏感值，根据第五电信号得到对伽马射线的敏感值；
其中，根据第一电信号得到对热中子和超热中子的敏感值的具体实现过程为：
第一探头的壁面及内部填充的气体材料与入射中子束流的热中子和超热中子作用，空气分子被辐射电离，产生的次级带电粒子被探测器的收集电极收集，输出的第一电信号为电压或电流，且该电压或电流的强度与辐射场中的快中子和超热中子的强度成正相关，即辐射场的强度越大，电压或电流的强度也会越大。最终该电压或电流被剂量仪收集测量，得到初步的剂量测量值，即为对热中子和超热中子的敏感值。依次类推，根据第二电信号得到对超热中子的敏感值，根据第三电信号得到对硼的敏感值，根据第四电信号得到对快中子的敏感值，根据第五电信号得到对伽马射线的敏感值。
第一电离室31根据对热中子和超热中子的敏感值、对超热中子的敏感值、对硼的敏感值、对快中子的敏感值和对伽马射线的敏感值，得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
可选地，在上述技术方案中，数据采集装置1得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量的过程包括：
根据公式组得到混合辐射场中的快中子剂量DNf、伽马射线剂量DG、硼剂量DB、热中子剂量Dth和超热中子剂量DNepi；公式组为：
其中，R1表示对热中子和超热中子的敏感值，R2表示对超热中子的敏感值，R3表示对硼剂量的敏感值，R4表示对快中子的敏感值，R5表示对伽马射线的敏感值，m1、n1、n2、h1、h2、h3、h4、h5、α3、k3、k4、k5均表示修正系数。通过将探测器置于标准热中子放射源、快中子放射源、γ放射源的辐射场中，进行探测器标定，通过已知的标准辐射场和探测器读数，来得到修正系数m1、n1、n2、h1、h2、h3、h4、h5、α3、k3、k4、k5。
其中，修正系数m1、n1、n2、h1、h2、h3、h4、h5、α3、k3、k4、k5，可由拥有标准放射源的标准实验室对电离室的标定结果给出。例如，针对R1相关的系数m1、n1获取，方法如下：利用标准实验室的超热中子放射源、热中子放射源，γ放射源，对第一电离室31分别进行辐照。此时标准实验室内的超热中子放射源、热中子放射源、γ放射源的剂量值均是已知的，第一电离室31在三种源分别照射下，剂量仪给出给出不同的剂量值。将标准实验室热中子剂量值与剂量仪对热中子剂量测量值比较可以得到修正系数m1，将标准实验室超热中子剂量值与剂量仪对超热中子剂量测量值比较可以得到修正系数n1，将标准实验室γ剂量值与剂量仪对γ剂量测量值比较可以得到修正系数h1。对于其他的修正系数，可同理获得。
可选地，在上述技术方案中，还包括水箱2，第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35均位于水箱2内。
可选地，第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35中每两个电离室之间的距离范围为1～5cm。
每两个电离室之间相距不能太小，不然的话探头各自干扰；相距不能太大，不然的话，辐射场不能保证在该局部对于几个电离室是一致的，经实验证明，优选每两个电离室之间的距离范围为1～5cm。
本发明提供了一种用于中子治疗混合辐射场剂量分布的测量方法。一个典型的测量环境，待测的混合辐射场，辐射剂量包括中子能量均小于10keV的热中子及超热中子剂量、中子能量大于10keV的快中子剂量、伽马射线剂量以及硼剂量。其中硼剂量较高，其他射线成分剂量较低。
测量装置组合了五种电离室包括：对热中子和超热中子敏感的第一电离室31、对超热中子敏感的第二电离室32、对硼敏感的第三电离室33、对快中子敏感的第四电离室34，以及对伽马射线敏感的光子电离室35；
光子电离室35如图2所示，水箱2将电离室组合3即第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35均位于水箱2内，具体设置如下：
水箱2中使用介质是水，水箱2水箱2中子束流通过治疗机头4后，形成混合辐射场，并照射水箱2。
其中，第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35的典型布置如图1所示。
第一电离室31为TE-TE电离室，包括组织等效气体和组织等效电离室壁；第二电离室32为Mg-Ar电离室，包括氩气气体和镁电离室壁；第三电离室33为TE-BF3电离室，包括三氟化硼气体和组织等效电离室壁；第四电离室34为235U电离室；光子电离室35为包裹的6LiF的235U电离室。
当混合辐射场辐照第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35时，第一电离室31输出第一电信号至数据采集装置1，第二电离室32输出第二电信号至数据采集装置1，第三电离室33输出第三电信号至数据采集装置1，第四电离室34输出第四电信号至数据采集装置1，光子电离室35输出第五电信号至数据采集装置1；
根据第一电信号得到对热中子和超热中子的敏感值，根据第二电信号得到对超热中子的敏感值，根据第三电信号得到对硼的敏感值，根据第四电信号得到对快中子的敏感值，根据第五电信号得到对伽马射线的敏感值；
根据对热中子和超热中子的敏感值、对超热中子的敏感值、对硼的敏感值、对快中子的敏感值和对伽马射线的敏感值，得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。具体通过公式组得到混合辐射场中的快中子剂量DNf、伽马射线剂量DG、硼剂量DB、热中子剂量Dth和超热中子剂量DNepi，公式组为：
优选地，本实施例水箱2中的使用介质为纯水，一降低杂质对中子场的干扰。
优选地，第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35与治疗机头4之间的纯水的厚度范围在0～30cm之间。
本发明提供了五种用于辐射剂量监测的电离室，设计硼中子俘获治疗测量装置的实验布局设计，将本发明的五电离室装置至于治疗机头4出束口位置进行辐照。如此，一方面能够在线测量快中子剂量、热中子及超热中子剂量、伽马射线剂量和硼剂量这四个剂量分量；另一方面，也能区分热中子剂量、超热中子剂量的相对大小。
如图3所示，本发明实施例的一种混合辐射场的测量方法，包括：
S1、当混合辐射场辐照对热中子和超热中子敏感的第一电离室31、对超热中子敏感的第二电离室32、对硼敏感的第三电离室33、对快中子敏感的第四电离室34，以及对伽马射线敏感的光子电离室35时，第一电离室31输出第一电信号至数据采集装置1，第二电离室32输出第二电信号至数据采集装置1，第三电离室33输出第三电信号至数据采集装置1，第四电离室34输出第四电信号至数据采集装置1，光子电离室35输出第五电信号至数据采集装置1；
S2、数据采集装置1根据第一电信号、第二电信号、第三电信号、所第四电信号和第五电信号，得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
可选地，在上述技术方案中，S2包括：
S20、数据采集装置1根据第一电信号得到对热中子和超热中子的敏感值，数据采集装置1根据第二电信号得到对超热中子的敏感值，数据采集装置1根据第三电信号得到对硼的敏感值，数据采集装置1根据第四电信号得到对快中子的敏感值，数据采集装置1根据第五电信号得到对伽马射线的敏感值；
S21、数据采集装置1根据对热中子和超热中子的敏感值、对超热中子的敏感值、对硼的敏感值、对快中子的敏感值和对伽马射线的敏感值，得到混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量。
可选地，在上述技术方案中，S21包括：
数据采集装置1根据公式组得到混合辐射场中的快中子剂量DNf、伽马射线剂量DG、硼剂量DB、热中子剂量Dth和超热中子剂量DNepi；
公式组为：
其中，R1表示对热中子和超热中子的敏感值，R2表示对超热中子的敏感值，R3表示对硼剂量的敏感值，R4表示对快中子的敏感值，R5表示对伽马射线的敏感值，m1、n1、n2、h1、h2、h3、h4、h5、α3、k3、k4、k5均表示修正系数。
可选地，在上述技术方案中，第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35均位于水箱2内。
可选地，在上述技术方案中，第一电离室31、第二电离室32、第三电离室33、第四电离室34和光子电离室35中每两个电离室之间的距离范围为1～5cm。
在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
上述关于本发明的一种混合辐射场的测量方法，采用上述的一种混合辐射场的测量装置，且上述关于本发明的一种混合辐射场的测量方法中的各步骤的实现，可参考上文中关于一种混合辐射场的测量装置的实施例中的内容，在此不做赘述。
在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种混合辐射场的测量装置，其特征在于，包括数据采集装置、对热中子和超热中子敏感的第一电离室、对超热中子敏感的第二电离室、对硼敏感的第三电离室、对快中子敏感的第四电离室，以及对伽马射线敏感的光子电离室；
当混合辐射场辐照所述第一电离室、所述第二电离室、所述第三电离室、所述第四电离室和光子电离室时，所述第一电离室输出第一电信号至所述数据采集装置，所述第二电离室输出第二电信号至所述数据采集装置，所述第三电离室输出第三电信号至所述数据采集装置，所述第四电离室输出第四电信号至所述数据采集装置，所述光子电离室输出第五电信号至所述数据采集装置；
所述数据采集装置用于：根据所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号、所述第四电信号和所述第五电信号，得到所述混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量；
所述数据采集装置具体用于：
根据所述第一电信号得到对热中子和超热中子的敏感值，根据所述第二电信号得到对超热中子的敏感值，根据所述第三电信号得到对硼的敏感值，根据所述第四电信号得到对快中子的敏感值，根据所述第五电信号得到对伽马射线的敏感值；
根据所述对热中子和超热中子的敏感值、所述对超热中子的敏感值、所述对硼的敏感值、所述对快中子的敏感值和所述对伽马射线的敏感值，得到所述混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量；
所述数据采集装置得到所述混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量的过程包括：
根据公式组得到所述混合辐射场中的快中子剂量DNf、伽马射线剂量DG、硼剂量DB、热中子剂量Dth和超热中子剂量DNepi；
所述公式组为：
其中，R1表示所述对热中子和超热中子的敏感值，R2表示所述对超热中子的敏感值，R3表示所述对硼剂量的敏感值，R4表示所述对快中子的敏感值，R5表示所述对伽马射线的敏感值，m1、n1、n2、h1、h2、h3、h4、h5、α3、k3、k4、k5均表示修正系数。
2.根据权利要求1所述的一种混合辐射场的测量装置，其特征在于，还包括水箱，所述第一电离室、所述第二电离室、所述第三电离室、所述第四电离室和所述光子电离室均位于所述水箱内。
3.根据权利要求1所述的一种混合辐射场的测量装置，其特征在于，所述第一电离室、所述第二电离室、所述第三电离室、所述第四电离室和所述光子电离室中每两个电离室之间的距离范围为1～5cm。
4.一种混合辐射场的测量方法，其特征在于，包括：
S1、当混合辐射场辐照对热中子和超热中子敏感的第一电离室、对超热中子敏感的第二电离室、对硼敏感的第三电离室、对快中子敏感的第四电离室，以及对伽马射线敏感的光子电离室时，所述第一电离室输出第一电信号至数据采集装置，所述第二电离室输出第二电信号至所述数据采集装置，所述第三电离室输出第三电信号至所述数据采集装置，所述第四电离室输出第四电信号至所述数据采集装置，所述光子电离室输出第五电信号至所述数据采集装置；
S2、所述数据采集装置根据所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号、所述第四电信号和所述第五电信号，得到所述混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量；
S2包括：
S20、所述数据采集装置根据所述第一电信号得到对热中子和超热中子的敏感值，所述数据采集装置根据所述第二电信号得到对超热中子的敏感值，所述数据采集装置根据所述第三电信号得到对硼的敏感值，所述数据采集装置根据所述第四电信号得到对快中子的敏感值，所述数据采集装置根据所述第五电信号得到对伽马射线的敏感值；
S21、所述数据采集装置根据所述对热中子和超热中子的敏感值、所述对超热中子的敏感值、所述对硼的敏感值、所述对快中子的敏感值和所述对伽马射线的敏感值，得到所述混合辐射场中的快中子剂量、伽马射线剂量、硼剂量、热中子剂量和超热中子剂量；
S21包括：
所述数据采集装置根据公式组得到所述混合辐射场中的快中子剂量DNf、伽马射线剂量DG、硼剂量DB、热中子剂量Dth和超热中子剂量DNepi；
所述公式组为：
其中，R1表示所述对热中子和超热中子的敏感值，R2表示所述对超热中子的敏感值，R3表示所述对硼剂量的敏感值，R4表示所述对快中子的敏感值，R5表示所述对伽马射线的敏感值，m1、n1、n2、h1、h2、h3、h4、h5、α3、k3、k4、k5均表示修正系数。
5.根据权利要求4所述的一种混合辐射场的测量方法，其特征在于，所述第一电离室、所述第二电离室、所述第三电离室、所述第四电离室和所述光子电离室均位于水箱内。
6.根据权利要求4所述的一种混合辐射场的测量方法，其特征在于，所述第一电离室、所述第二电离室、所述第三电离室、所述第四电离室和所述光子电离室中每两个电离室之间的距离范围为1～5cm。
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