CN1180922A - 具有偏通路测量电极的电离室 - Google Patents

Abstract

一种用来监测辐射束的电离室,包括一个室体,具有主射束通路和一组与主射束通路相邻的次射束小室。主射束通路穿过整个室体。优选实施例中,大面积射束测量电极和小面积射束测量电极组都与主射束通路同轴。而且,每个次射束小室包括射束测量电极。由于进入次射束小室的部分辐射束不穿过电离室,故不会损害治疗射束,从而,小室内的射束测量电极可以具有一定的尺寸和形状,使信号强度达到最大。

Description

具有偏通路测量 电极的电离室

本发明涉及一种辐射束的监测，更具体地说，本发明涉及一种监测线性加速器所发射的辐射束特性的电离室。

用来发射高能辐射束的系统是公知的，这种系统用在提供放射疗法之类的领域。例如，线性加速器发射一个辐射锥，这个辐射锥可以是一个电子束或者是一个光子(X-射线)束。在用于提供放射疗法时，所发射的射束就被整形，变成基本上适合病变组织的形状，以使得对周围健康组织的副作用降至最低程度。线性加速器可以设置在台架上，该台架可以相对于病人所躺的平台转动。

在放射疗法中，所发射的辐射锥在锥的整个横截面上具有均匀的剂量率和强度。有时利用初级准直器内的整平滤波器(flattenmg filters)来达到这种均匀性。不过，通常用电离室来分析射束的均匀性，不管射束是锥形的还是柱形的。Menor等人的美国专利US4,627,089(也由本发明的代理人代理)描述了一种线性加速器系统，它具有整平滤波器和剂量室，用来监测辐射锥的特性。在许多应用领域，上述系统包括两个电离室，当监测电子束时使用第一室，而当系统用来提供X射线束时，就将第二室移到第一室的位置。特别是，上述一个电离室或多个电离室与校正电路连接，以便在需要时调节射束。

Stieber的美国专利US4,131,799描述了一种用于分析由粒子加速器系统所发出的辐射束不均匀性的电离室。该电离室包括由三个相互平行的壁构成的两个测量室，壁与壁之间用垫圈隔开。三个平行壁中的两个壁的表面上设有单个电极，而第三个壁上具有几个相互绝缘的电极，这些电极包括一个中心圆形电极和一组以圆形分布在中心电极周围的扇形电极。将中心电极和周围扇形电极上的电流进行比较，或者将扇形电极本身的电流进行相互比较，从而检测射束辐射强度的不均匀性。

Kikuchi的美国专利US5,326,967所描述的电离室设有一个电离腔，它使用了一个由绝缘材料制成的框架。高压电极和集电极分别位于电离腔的两个相对的侧面上，以便当辐射束通过框架时产生电离电流。电离腔的整个辐射通路的尺寸是相同的，以致于Boyle-Charles定律适用于该电离腔。电离室是气密的，密封的电离室在本技术领域是常见的。

另外一些校正射束的电离室和电路记载在Johnsen的美国专利US5,072,123、Corey，Jr等人的美国专利US4,751,393，Boux的美国专利US4,206,355和Mclntyre的美国专利US3,852,610中。其中有三个专利是用于放射疗法系统的，而Corey.Jr等人的专利US4,751,393描述了一种离子注入系统，例如用于半导体圆片的制造，其中，辐射束连续扫描。在这种扫描注入法中，射束识别孔(beam-sensing aperture)与将扫描束通向目标面的孔相邻。当具有许多射束识别孔时，产生单一的射束流信号，然后用分离电路将各个射束识别孔的信号分开。分离电路用扫描信号来鉴别上述单一信号中的各个射束流成份。Corey Jr等人的美国专利US4751393中许多特征不能用于上述专利的固定射束方法。

除了监测射束的均匀性之外，电离室还监测射束的位置和方向。对病人正确的治疗必须准确地将辐射束射到病变组织上。将电离室内各电极的信号进行比较，就可以使系统检测射束的位置和方向特性。

虽然现有技术中的电离室和射束监测系统可以按照预期的功能特性很好地工作，但是，电离室常常是无效地耗费。例如，如果需要用分开的电离室来监测电子束和X射线束，那么必须有成倍的部件。而且，电离室通常是密封的，以致于气密室对气压和/或气温变化的敏感性很低。设置气密室还增加了制造费用。

因此需要提供一种以能可靠且有效化费的方式(cost-effctive)监测辐射束特性和位置的电离室，并用单个电离室既能用来监测电子束能量，又能用来监测光子束能量。

一种用来监测辐射束的电离室，包括一个室体，室体内有一个主射束通路和一组与主射束通路相邻的次射束小室(Cell)。第一组射束测量电极位于室体内并沿主射束通路设置。这些第一射束测量电极的输出对应于所检测的通过主射束通路的那部分辐射束的能量。第二组射束测量电极位于次射束小室内，其输出对应于另一部分辐射束的能量。在优选实施例中，还有一个大面积射束测量电极设置在主射束通路内，这个电极的面积超过第一组射束测量电极的面积之和。高压电极与射束测量电极相对设置，以便感应电离电流，利用该电离电流来检测辐射特性、方向和位置。

在另一个实施例中，第二组射束测量电极平行于大面积射束测量电极，并且围绕主射束通路的轴极近的对称设置。这种同轴设置的第二组射束测量电极提高了电离室对射束倾斜性和不对准性的灵敏度。该电离室既可用来测量电子辐射，又可用来测量光子辐射，并且在一个实施例中，电离室对周围空气是能透过的。可以将温度传感器连接到未密封的电离室上，从而，可以用处理电路来补偿因温度变化而引起的监测数据的变化。

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是具有本发明电离室的辐射系统的侧视图。

图2是图1中电离室的侧剖视图。

图3是图2中射束测量电极的分布和工作情况的示意图。

图4是图2中底部环形膜的顶视图，环形膜上的导体层构成了一组射束测量电极。

参照图1，用于医疗领域的辐射系统如图所示，它包括一个传统的线性加速器10，该加速器10产生电子束12，用公知的能量转换技术将电子束12加速。导向磁铁14使电子束的方向大约转270°。然后电子束通过窗口16射出，该束是可穿透窗口16，但线性加速器和导向磁铁内保持真空状态。该窗口可以用钛制成，但这不是限制性的。

借助所发射的电子束撞击靶18，便可产生光子辐射。另一方面，如果需要电子辐射，则可以用散射箔。不管是用靶来提供光子辐射，还是使用散射箔，都形成锥形射束。

图1所示的典型辐射系统包括一个射束抑制器(beamstopper)20。射束抑制器在本技术领域是公知的，但它不是本发明的关键。锥形辐射束进入具有一阶梯形内腔24的初级准直器22中。该初级准直器对锥形辐射束的膨胀提供初步限制。

在初级准直器的阶梯形内腔24中有一个不锈钢整平滤波器26。整平滤波器把锥形X射线束的能量光谱“整平”。该整平滤波器为锥形设计，其外形轮廓要使射束达到所要求的特性，例如射束均匀性。整平滤波器26是低能型的，例如6MV。当辐射系统为较高能模式时，例如10MV，则移动初级准直器22，使第二阶梯形内腔28对准导向磁铁14的射出窗口16。在第二阶梯形内腔28内有一个较高能的整平滤波器30。在第二阶梯形内腔28的入口处设有10MV吸收器32，而在其出口处设有补偿器34。吸收器和补偿器的功能在本技术领域是公知的。

电离室36用来监测射束特性、对准性(alignment)和方向性。下面详细说明电离室的结构和工作原理。

镜38在建立辐射系统的过程中使用。在给病人照射辐射束之前，用光源对准所述镜子，使光向病人投射一照射区域。如果该照射区域与所要求的辐射区域不吻合，则调节射束限定结构，直至照射区域与辐射区域重合。图1中，区域限定结构是第二准直器，它具有X轴方向的颚块和Y轴方向的颚块。如图所示，X轴方向的颚块包括两块40和42，它们用辐射衰减材料制成。同样，Y轴方向的颚块也包括两块，但图1中只示出了其中之一44。上述块与块之间可以相对移动，使通过第二准直器的射束得到调整(trimmed)和定形(shaped)。使用多个准直器可获得较复杂的射束形状。

还是如图1所示，有一个楔块座46和楔块滤波器48。楔块滤波器是一个由辐射材料制成的斜形块，它用来使跨越病人50的部分或全部治疗区域的剂量率逐步减少。

除了电离室36之外，图1中再没有其它结构属于本发明的关键结构。电离室的侧视图如图2所示。电离室既可用来监测电子辐射束，又可用来监测光子辐射束。也就是说，对于两种不同形式的能量，不用分开的几个电离室，用单独一个电离室来实现两种功能。这样就降低了整个辐射系统的制造成本。

电离室对周围空气是可穿透的。因而，相对于传统的密封室来说，在制造电离室时可以选用较低廉的材料和制造工艺。为了补偿监测射束时的温度变化，设有温度传感器52。温度传感器可以是一个热敏电阻，它连接到数据处理电路上。如果电离室36的温度变化，则传感器将会测出这种变化。处理电路可以有存储器(例如查表)，用来存储因温度变化对射束测量结果的影响，并使处理电路来补偿这种影响。在优选实施例中，设有多个温度传感器。

用于辐射束监测的传统电离室和图2所示电离室36之间的最大区别在于射束测量电极的分布不同。图3是图2所示的电离室36的射束测量电极分布的示意图。一共使用九个射束测量电极，但其数量不是本发明的极限。上述电极包括一个大面积射束测量电极54，当辐射束完全对准时，该电极54与辐射束同轴。射束轴56如图3所示。除了大面积电极54之外，一个小面积测量电极60、62、64和64的阵列58，与辐射束同轴。在优选实施例中，这些小面积电极是由一个导体层构图的电绝缘的扇形，每个扇形都紧挨着大面积电极54的轴。

除了同轴的射束测量电极54、60、62、64和66之外，还有四个偏轴射束测量电极68、70、72和74。下面将对此作更充分地说明，该偏轴电极远离通过图2的电离室36的射束通路。由于射束部分76、78、80和82不离开电离室，因而对病人治疗无贡献的这些射束部分撞击到偏轴电极上。从而，使用偏轴电极不会损害(contaminate)治疗射束。因此，偏轴电极的尺寸可以大于作为比较用的传统设置的射束测量电极。

图3所示意的电极分布结构可以在各种信号处理仪器中使用。在优选实施例中，大面积射束测量电极54与由小面积电极60、62、64和66组成的电极组58连接使用，从而提供双通道容量(dual channel capability)。安全标准有时需要多余的通道(channels)来确定辐射束是否正在通过电离室。大面积的射束测量电极54的直径一般最好等于通过电离室36的主射束通路的直径。因此，电极对传播辐射束的任何影响将是均匀的。电极60、62、64和66组成的电极组58的总面积实际上小于电极54的面积。电极组58的尺寸在图3中没有精确地示出。在优选实施例中，电极组58的总面积仅仅略大于偏轴电极68、70、72和74中的一个电极的面积。具有对射束的影响极小的小电极组提供所需要的射束监测数据。

同轴设置的小面积电极60、62、64和66很适合于检测射束的倾斜性和不对准性。电极组中每个电极都很靠近理想的射束轴56，这就增加了电极组对射束均匀性和对称性变化的灵敏度。

如前所述，偏轴射束测量电极68、70、72和74是“偏离通路”的。也就是说，电极位于通过电离室36中的主射束通路的外侧。由于这些电极的尺寸不会对治疗射束产生不良影响，因此，这些电极基本上可以大于传统设置的电极，并因此就共面(in-plane)和正交面(cross-plane)信息来说具有高信噪比(SNR)。这样的信息在实现对射束的控制方面是非常有用的。

在一个实施例中，穿过电离室36的主射束通路的直径为6.4厘米，而大面积射束电极54的直径仅仅略小于6.4厘米，以便与下面将要说明的金属环隔离。电极组58的直径可以是2.05厘米，而偏轴射束测量电极68、70、72和74中每个电极的直径可以是1.6厘米。但是，这些尺寸不是本发明的关键。

图2所示的电离室36中设有六个环，其中五个环上分别粘附有膜。尽管不是关键性的，但这些膜最好用杜邦公司销售的、联邦注册商标为KAPTON的绝缘材料制成。顶盖环84是一个环形部件，它具有一个轴向开口，这个开口构成通过电离室的主射束通路86的第一部分。此外，顶盖环还具有四个对称分布的孔，这些孔形成四个次射束小室88和90的第一部分，图2仅仅示出了其中的两个孔。绝缘膜92粘接到顶盖环84上，该膜的厚度可以是0.3厘米。

顶盖环84下面紧接着是顶环94，其构成与顶盖环基本上相同。因此，所说四个次射束小室88和90通过顶环被延伸。粘接到顶环上的膜96的厚度可以是大约0.15厘米。在膜96的底面上形成有导体材料图形层。例如，可以淀积一层50毫微米厚的金和/或电镀200毫微米厚的金。然后，可以用传统的蚀刻工艺从KAPTON膜96的表面上去除部分金层。结果图形膜上留下了大面积射束测量电极54和四个偏轴射束测量电极68、70、72和74，如图3所示。

中间环98是最后的环，次射束小室88和90延伸通过环98。大约0.15厘米厚的KAPTON膜100的两面各有一层构图的中间层。在上表面上，大约200毫微米厚的电镀金层被构图，以提供高压电极102、104和106的结构，这些电极与膜96上的射束测量电极基本一致。在图2中只示出两个相对于偏轴射束测量电极68、70、72和74的高压电极104和106，但在优选实施例中，偏轴高压电极和图3中的偏轴射束测量电极是一一对应的。用任意公知的技术可实现与各电极的电连接。例如，可以从电离室36的底部进行电连接，比如所示的与温度传感器52的连接。在中间环膜100的上表面上，中央高压电极102的工作与大面积射束测量电极54相关联。所有的高压电极可以连接到600伏的电源上，但电压不是本发明的关键。

在中间环膜100的底面上，是一层由金层构图形成的构图的高压电极108。合格的层是具有厚度约200毫微米电镀的金层。尽管不是关键性的，但高压电极108的直径可以与小面积电极60、62、64和66组成的电极组58的直径大致相同。

在中间环98的下面是环形垫圈110。该垫圈仅仅是电离室36上的一个环形部件，其上没有粘贴膜。与之不同，下环112上有一粘附膜114，膜114支撑小面积射束测量电极组成的，位于高压电极108的正下方的电极组58。图4是膜114的顶视图。电镀的金层被构图，形成四个小面积电极60、62、64和66以及引线116、118、120和122，通过这些引线将电极的信号传送给外面的电路。利用绝缘区124将膜上的电极分离开。虽然未示出，但在优选实施例中，包括在外围区域126上的金属化。该金属化的外围区域在工作时接地。因此，上述电极和引线必须与接地的外围区域绝缘。

在图2所示电离室36的底部是底盖环128和膜130。膜的厚度可以是0.3厘米，但厚度不是本发明的关键。粘附在盖环84和128上的膜92和130仅仅是两层没有金属化的膜。环84、94、98、110、112和128的每一个都可由铝制成。尽管未示出，为了固定组件位置联接件穿过各个环。图4中示出了膜114上的通孔132。联接件穿过通孔132和图2中其它部件上排列好的通孔。

在工作时，射束测量的物理过程在本技术领域是公知的。当辐射束通过主射束通路86并同时扩散到次射束小室88和90中时，电离室36中的气体产生离子。例如，在大面积测量电极54和高压电极102之间是将会产生离子的测量室。由于在高压电极和大面积测量电极之间的电位差和极化取向，因而产生电离电流。该电流正比于测量室内的辐射强度。射束测量电极54的信号将对应于电离电流。在电极组58和高压电极108之间形成第二测量室136。由于电极组由四个射束测量电极60、62、64和66组成，如图3和4所示，因此，第二测量室136是分割的室。对于第一测量室134，来自射束测量电极的信号将表示电离电流，该电离电流是由于各个电极与高压电极的电位差和极化取向而产生的。而对于分割的第二测量室136，来自各个电极的信号可用来监测射束的对称性和均匀性。理论上，射束沿其横截面的强度是均匀的，并且与电离室36同轴。在这种理想状态下，来自四个小面积测量电极的信号将是相同的。

在次射束小室88和90内也形成测量室。次射束小室内的高压电极104和106提供电离电流，使偏轴电极68、70、72和74上产生射束测量信号。如前所述，这些信号可以用来任意次获取有关辐射束的信息。因为偏轴电极最好比电极组58中的各个射束测量电极60、62、64和66大得多，所以，这些信号将会是强信号。在获取用于适当控制辐射束的共面(in-plane)和正交面(cross-plane)信息方面，偏轴电极将是特别有用的。

尽管本发明中所描述的和图示的是有四个偏轴电极和四个小面积测量电极，但这不是关键性的。其数量可以根据应用情况而变化。事实上，在某些实施例中，可以优先选择取消次射束小室88和90，同时继续利用具有大面积射束测量电极以及小面积射束测量电极组58的优点。

Claims (10)

1.一种用来监测辐射束的电离室，包括：

一个室体(36)，具有一个主射束通路(86)穿过所述的室体，并且有一组次射束小室(88和90)与所述的主射束通路相邻；

一组第一射束测量电极(54、60、62、64和66)，它们位于所述的室体内，并沿着所述的主射束通路设置，所述的第一射束测量电极的输出对应于通过主射束通路的所述辐射束第一部分(56)的能量；以及

一组第二射束测量电极(68、70、72和74)，它们位于所述的次射束小室内，所述第二射束测量电极的输出对应于所述辐射束的第二部分(76、78、80和82)的能量。

2.根据权利要求1所述的电离室，还包括一组高压电极(102、104、106和108)，它们平行于所述的第一和第二射束测量电极。

3.根据权利要求1或2所述的电离室，其中，所述的一组第一射束测量电极包括导体材料层的扇形(60、62、64和66)，所述的扇形直接地围绕通过所述室体(36)的所述主射束通路(86)的轴对称设置。

4.根据权利要求3所述的电离室，还包括一个大面积射束测量电极(54)，其面积大于所述扇形(60、62、64和66)的面积之和。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的电离室，其中，所述的次射束小室(88和90)是穿过所述室体(36)延伸部分的次射束通路。

6.根据权利要求5所述的电离室，其中、所述的次射束通路(88和90)沿所述主射束通路(86)的周边对称分布。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的电离室，其中，所述的第二射束测量电极(68、70、72和74)设置在与所述主射束通路(86)垂直的平面内，并且与所述主射束通路内的至少一个电极(54)共面。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的电离室，其中，所述的主射束通路(86)是能穿透周围空气的，所述的电离室还包括至少一个温度传感器(52)，所述的温度传感器(52)与所述的室体(36)热接触，以便检测所述室体的温度。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的电离室，其中，所述的室体(36)包括一组环形部件(84、94、98、110、112和128)，他们的内径决定所述主射束通路(86)的范围，所述的第一和第二射束测量电极(54、60、62、64、66、68、70、72和74)是膜(90、96、100、114和130)上的导体部件，所述的膜连接到所述的环形部件上。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的电离室，其中，所述的室体(36)与线性加速器(10)相邻设置。

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