CS271487B2

CS271487B2 - Miniature probe with semi-conductor photodiode for dose power input measuring in radiotherapy

Info

Publication number: CS271487B2
Application number: CS882473A
Authority: CS
Inventors: Ales Ing Burian
Original assignee: Ales Ing Burian
Priority date: 1988-04-11
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1990-10-12
Also published as: CS247388A2

Abstract

The present solution falls into the branch of radiotherapy, where during the use of medical sources for ionising radiation for therapeutic scopes within the frame of relative dosimetry, it is necessary to map the distribution of the dose rate in radiation fields and within the frame of verification dosimetry, to monitor the absorbed rate directly in the patient's body during exposure. Previous types of commonly used detectors, represented by ionisation chambers, detectors with a semiconductor diode in certain applications, fail to meet the requirements for high degree miniaturization, shape, tissue equivalence of the probe coat, or effective electromagnetic shielding. The principle of the solution is the construction of two modifications of the miniature probe equipped with the semiconductor miniature photodiode (1) for measuring the dose rates during exposure in radiotherapy. For connecting contacts to the photodiode (1), conducting carbon putty (2) was used. For effective electromagnetic shielding (6), a carbon based conducting layer was used and for the photodiode (1), a coating mixture (7) of organic materials was used, and that with its contents of biogenic components approximates human soft tissue of a common composition. Geometrical characteristics of the coat are selected in accordance with an application type of each of the probes. The evaluation of response is similar to other detectors with a semiconductor photodiode, i.e. it is necessary to measure the current generated by the photodiode that is connected in the electromagnetic circuit in a short-circuit mode.<IMAGE>

Description

(57) Řešený problém spadá do oblasti radioterapie, kde je při použití lékařských zdrojů ionizujícího záření pro léčebné účely potřeba v rámci relativní dozimetrie mapovat rozložení dávkového příkonu v radiačních polích a v rámci verifikační dozimetrie monitorovat dávkový příkon přímo v těle pacienta během ozařování. Dosavadní typy běžně používaných detektorů, jimiž jsou ionizační komory_wa detektory s polovodičovou diodou, nesplňují pro některé aplikace požadavky na vysoký stupeň miniaturizace, tvar a tkániekvivalenci pouzdra sondy, na účinné elektromagnetické stínění. Podstatou řešení je konstrukce dvou modifikací miniaturní sondy, vybavené polovodičovou miniaturní fotodiodou (1) pro měření dávkových příkonů při ozařování v radioterapii. Pro připojení kontaktů na fotodiodu řl) bylo použito vodivého uhlíkového tmelu (2). Pro vytvoření účinného elektromagnetického stínění (6) byla užita vodivá vrstva na bázi uhlíku a pro pouzdro fotodiody (1) byla použita směs (7) organických materiálu, která svým obsahem biogenních prvků aproximuje měkkou lidskou tkáň standardního složení. Geometrické vlastnosti pouzdra jsou voleny podle typu aplikace každé ze sond. Vyhodnocování odezvy je obdobné jako u jiných detektorů s polovodičovou fotodiodou, tj. měří se proud generovaný fotodiodou, která je zapojena v elektrometrickém obvodu v režimu nakrátko.(57) The problem addressed is in the field of radiotherapy where, using medical ionizing radiation sources for medical purposes, it is necessary, within relative dosimetry, to map the dose rate distribution in radiation fields and to monitor dose rate directly in the patient during radiation therapy. Existing types of commonly used detectors, such as ionization chambers _w and semiconductor diode detectors, do not meet the requirements for a high degree of miniaturization, shape and tissue equivalence of the probe housing, for effective electromagnetic shielding for some applications. The essence of the solution is the construction of two modifications of a miniature probe, equipped with a semiconductor miniature photodiode (1) for measurement of dose rates during radiation therapy in radiotherapy. A conductive carbon sealant (2) was used to connect the contacts to the photodiode (1). A carbon-based conductive layer was used to create effective electromagnetic shielding (6) and a blend (7) of organic materials was used for the photodiode housing (1) to approximate soft human tissue of standard composition by its biogenic element content. The geometrical properties of the housing are selected according to the type of application of each probe. The evaluation of the response is similar to that of other detectors with a semiconductor photodiode, ie the current generated by the photodiode, which is connected in the short-circuit electrometric circuit, is measured.

CS 271 487 B2CS 271 487 B2

Vynález se týká miniaturní sondy s polovodičovou fotodiodou pro měření dávkového příkonu v radioterapii. Sonda je určena pro získání informace o velikosti a prostorovém rozložení dávky, která bude absorbována v těle pacienta při radioterapeutickém ozařování v daném geometrickém uspořádání a za danou dobu, po kterou je pacient vystaven ionizujícímu záření.The present invention relates to a miniature semiconductor photodiode probe for measuring dose rate in radiotherapy. The probe is designed to obtain information about the size and spatial distribution of the dose that will be absorbed by the patient in radiotherapeutic irradiation in a given geometric configuration and over a period of time that the patient is exposed to ionizing radiation.

Pro měření dávkového příkonu jsou v současné době používány různé druhy dozimetrických sond, jejichž princip spočívá v registraci ionizujícího záření citlivým objemem sondy, přičemž odezvou této sondy je elektrický signál, který je dále zpracován příslušnou elektronickou trasou. Sondy se dělí na dvě základní skupiny lišící se tím, zda jako sákl adní materiál pro vytvoření citlivého objemu je použit plyn, nebo pevná látka. Vzhledem к tomu, že ve srovnání s plynem je v pevné látce ionizující záření pohlcováno s podstatně větší účinností, je vyšší i odezva sondy na jednotkový objem. Proto lze při použití pevné látky vytvořit citlivý objem o výrazně menších rozměrech, což je -předpokladem pro konstrukci miniaturních dozimetricl^ých čidel. Miniaturizace dozimetrických sond je v radioterapii velice žádoucí, nebot při mapování radiačních polí je nezbytné co nejvyšší prostorové rozlišení. V praxi jsou pro tyto účely však dosud častěji používány detektory s plynným citlivým objemem, tzv. ionizační komory, jež se tudíž vyznačují poměrně velkými rozměry čidel, nejčastěji 0,1 слт* a více, a nedostatečnou citlivostí pro měření v širokém rozsahu dávkových příkonů, jimiž je nutno se zabývat v radioterapii. Pro některé aplikace, jako je například proměřování brachyterapeutických zářičů, měření v oblastech s extrémním gradientem na křivkách relativních průběhů dávkových distribucí apod., jsou zcela nepoužitelné. Pro verifikační měření in-vivo je určitou komplikací také to, že na tyto detektory je přiloženo napětí několika set Volt. Na druhé straně hlavní předností ionizačních komor je dlouhodobá stabilita citlivosti, což je staví na přední místo v oblasti absolutní dozinetrie pro účely metrologie. Avšak v relativní dozimetrii, která zahrnuje mapování radiačních polí, je naopak kladen důraz na vysokou prostorovou rozlišovací schopnost a dostatečnou citlivost detektoru pro celý rozsah měřených dávkových příkonů. Dro získání z fyzikálního hlediska zcela korektní informace o prostorovém rozložení dávky v tkáni (aproximované tkáni standardního složení dle doporučení ICRU) je třeba, aby interakce ionizujícího záření s tou částí pouzdra detektoru, která má přímý vliv na odezvu v citlivém objemu detektoru, byla co do výsledného účinku pokud možno nejvíce podobná interakci ionizujícího záření s lidskou tkání. Vzhledem к tomu, že způsob interakce ionizujícího záření s látkou závisí především na efektivním protonovém čísle dané látky, bude dosaženo stejné interakce v tkáni a v materiálu pouzdra při rovnosti jejich efektivních protonových Čísel. Materiál splňující předchozí podmínku bývá v praxi označován jako tkáni ekvivalentní. Sondy s křemíkovou fotodiodou, které jsou v současné době na světovém trhu např. od fy Therados, Victoreen, CMS, však mají některé z následujících nedostatků jako nedodržení požadavku tkániekvivalence, neboí kontakty fotodiody jsou provedeny tmelem na bázi stříbra, stínění provedeno hliníkovou fólií a je nepřizpůsobený materiál pouzdra, dále nedostatečné stíněni vůči působení vnějších rušivých polí, přičemž poměr užitečného signálu к Sumu je limitujícím faktorem pro dosažení maximální dostupné citlivosti sondy, dále nedostatečná miniaturizace pouzdra a tvarová nevhodnost sond pro neinvazivní zavádění do úzkých nitrodělních dutin zejména do močové trubice, do dýchacích cest apod. Vzhledem к uvedeným nedostatkům nemohou výše jmenované detektory poskytovat v některých oblastech klinické dozimetrie v radioterapii uspokojivé výsledky.Various types of dosimetric probes are currently used for dose rate measurement, the principle of which is based on the registration of ionizing radiation with a sensitive volume of the probe, the response of this probe being an electrical signal, which is further processed by the respective electronic path. The probes are divided into two basic groups, differing in whether gas or solids are used as the saccharide material to create a sensitive volume. Since the ionizing radiation is absorbed with much greater efficiency in the solid than the gas, the response of the probe to the unit volume is also higher. Therefore, using a solid substance, a sensitive volume of considerably smaller dimensions can be created, which is a prerequisite for the construction of miniature dosimetric sensors. Miniaturization of dosimetric probes is very desirable in radiotherapy, as the highest spatial resolution is necessary when mapping radiation fields. In practice, however, gas-sensitive detectors, the so-called ionization chambers, are often used for this purpose, which are therefore characterized by relatively large sensor dimensions, most often 0.1 µl * and more, and insufficient sensitivity to measure over a wide range of dose rates, to be addressed in radiotherapy. For some applications, such as measurement of brachytherapy emitters, measurements in areas with extreme gradients on curves of relative courses of dose distributions, etc., are completely unusable. A certain complication for in-vivo verification measurements is that several hundred volt voltages are applied to these detectors. On the other hand, the main advantage of ionization chambers is their long-term stability of sensitivity, which puts them at the forefront of absolute dosinetry for metrology purposes. However, in relative dosimetry, which includes radiation field mapping, the emphasis is on high spatial resolution and sufficient detector sensitivity for the entire range of measured dose rates. In order to obtain physically correct information on the spatial distribution of the dose in the tissue (approximated tissue of standard composition as recommended by ICRU), the interaction of ionizing radiation with that part of the detector housing that has a direct effect on the response in the sensitive volume of the detector The resultant effect is as similar as possible to the interaction of ionizing radiation with human tissue. Since the way the ionizing radiation interacts with a substance depends primarily on the effective proton number of the substance, the same interaction will be achieved in the tissue and in the capsule material at equal effective proton numbers. In practice, a material meeting the above condition is referred to as tissue equivalent. However, the silicon photodiode probes currently on the world market, for example from Therados, Victoreen, CMS, have some of the following drawbacks such as non-compliance with tissue equivalence, since the photodiode contacts are made with silver-based sealant, shielding is made with aluminum foil and inadequate housing material, inadequate shielding against external disturbance fields, the ratio of useful signal k Sum being the limiting factor for achieving maximum available probe sensitivity, inadequate miniaturization of the housing and unsuitable shape probes for noninvasive insertion into narrow intrauterine cavities, respiratory tract, etc. Due to the aforementioned deficiencies, the above-mentioned detectors cannot provide satisfactory results in some areas of clinical dosimetry in radiotherapy.

Zmíněné nedostatky odstraňuje miniaturní sonda 8 polovodičovou fotodiodou pro měření dávkových příkonů v radioterapii, zkonstruovaná podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že miniaturní fotodioda, umístěná v přední části vodotěsného pouzdra, je vodivě připojena uhlíkovým tmelem к jednotlivým vodičům nízkošumového koaxiálního kabelu, který je zaústěn do tohoto pouzdra, přičemž elektromagnetické stínění fotodiody, provedené hmotou na bázi uhlíku, je připojeno к vnějšímu vodiči tohoto koaxiálního kabelu. Jako pouzdrící hmota je použita směs organických látek, jež svým výsledným obsahem biogenních prvků jako vodíku, uhlíku, dusíku a kyslíku, aproximuje měkkou lidskou tkáň standardního složení.The miniature probe 8 is eliminated by a semiconductor photodiode for radiotherapy dose rate measurement, constructed in accordance with the invention, characterized in that the miniature photodiode located in front of the watertight housing is conductively connected by carbon sealant to the individual conductors of the low-noise coaxial cable. the electromagnetic shielding of the photodiode made by the carbon-based mass is connected to the outer conductor of the coaxial cable. A blend of organic substances is used as the encapsulant, which, by its resulting content of biogenic elements such as hydrogen, carbon, nitrogen and oxygen, approximates soft human tissue of standard composition.

CS 271 487 B2CS 271 487 B2

Novou konstrukcí sondy s výhodně uloženou miniaturní polovodičovou fotodiodou je dosaženo výrazného stupně miniaturizace pouzdra sondy, což spolu s použitím nového připojení kontaktů fotodiody, nového způsobu účinného elektromagnetického stínění vůči vnějším rušivým polím a nové pouzdřící hmoty se složením, aproximujícím měkkou lidskou tkáň, podporuje požadavek co nejmenšího narušení ustaveného radiačního pole v tkáni vlivem pouzdra fotodiody. Znamená to, že je splněn požadavek tkániekvivalence” pouzdra.The new probe design with the advantageously mounted miniature semiconductor photodiode achieves a significant degree of miniaturization of the probe housing, which together with the new photodiode contact connection, a new method of efficient electromagnetic shielding against external interference fields and a new encapsulant with a composition approximating soft human tissue least disturbance of the established radiation field in the tissue due to the photodiode capsule. This means that the requirement of tissue capability of the capsule is met.

Výsledné provedení sondy závisí na účelu, pro který je daný typ sondy určen. Jedná se o dvě základní modifikace miniaturní sondy pro mapování radiačních polí, např. ve vodních fantomech sonda (a) je opatřená hliníkovým pláštěm, který slouží pro upevnění detektoru v měřicím zařízení, zatímco u miniaturizované sondy (b) pro verifikační měření in-vivo je kladen důraz na minimální vnější průměr a na optimální vlastnosti sondy 3 ohledem na její neinvazivní zavádění do nitrotělních dutin.The resulting probe design depends on the purpose for which the probe type is intended. These are two basic modifications of the miniature radiation field mapping probe, eg in water phantoms, the probe (a) is provided with an aluminum sheath for mounting the detector in the measuring device, while the miniaturized probe (b) for in-vivo verification measurement is the minimum outer diameter and the optimal properties of the probe 3 with respect to its non-invasive insertion into the intracranial cavities are emphasized.

Příklad provedení miniaturní sondy s polovodičovou fotodiodou podle vynálezu pro zmíněné účely je znázorněn na dvou přiložených výkresech, přičemž na obr. 1 je uveden podélný rez miniaturní sondou (a) pro mapování radiačních polí a na obr. 2 je uveden podélný řez miniaturní sondou (b) pro aplikace in-vivo.An exemplary embodiment of a miniature probe with a semiconductor photodiode according to the invention for the above purposes is shown in the two accompanying drawings, wherein Fig. 1 shows a longitudinal section through a miniature radiation field mapping probe (a) and Fig. 2 shows a longitudinal section. ) for in-vivo applications.

Ve zhotoveném funkčním vzorku sondy (a) ve vodních fantomech dle obr. 1 je miniaturní křemíková fotodioda 2 připojena katodou na vnitřní vodič 3 a anodou na vnější vodič nízkošumového koaxiálního kabelu 5. Oba kontakty na fotodiodě 2 jsou vytvořeny pomocí vodivého uhlíkového tmelu 2. Rozměry čipu fotodiody 2, který je vyroben z monokrystalu křemíku vodivosti typu P, jsou 2x2x0,3mma fotodioda 2 uložena kolmo na podélnou osu sondy v hloubce 0,2 mm od čelního povrchu. Elektromagnetické stínění 6 je tvořeno vodivou vrstvou na bázi uhlíku a je připojeno na vnější vodič 4 koaxiálního kabelu 5. Citlivý objem sondy je zapouzdřen hmotou 7> která je směsí organických materiálů s celkovým výsledným obsahem biogenních prvků v tomto rozsahu hmotnostních frakcí: H = 0,1 až 0,4; C = 0,2 až 0,4; N = 0,01 až 0,05; 0 = 0,3 až 0,6. Tím je dosaženo složení, jež aproximuje standardní měkkou lidskou tkáň. Pouzdro sondy je vodotěsně spojeno s koaxiálním kabelem 5, který je zatmelen do hliníkové trubičky 8 určené pro upevnění sondy v měřicím zařízení.In the made functional sample of probe (a) in the water phantoms of Figure 1, a miniature silicon photodiode 2 is connected by a cathode to the inner conductor 3 and an anode to the outer conductor of the low-noise coaxial cable 5. The photodiode 2 chip, which is made of a single crystal of conductivity type P, 2x2x0.3mm photodiode 2 is placed perpendicular to the longitudinal axis of the probe at a depth of 0.2 mm from the front surface. The electromagnetic shield 6 consists of a conductive carbon-based layer and is connected to the outer conductor 4 of the coaxial cable 5. The sensitive volume of the probe is encapsulated by a mass 7 which is a mixture of organic materials with a total resulting biogenic element content within this weight fraction range: 1 to 0.4; C = 0.2 to 0.4; N = 0.01 to 0.05; 0 = 0.3 to 0.6. This provides a composition that approximates standard soft human tissue. The probe housing is watertightly connected to a coaxial cable 5 which is sealed into an aluminum tube 8 for mounting the probe in the measuring device.

Konstrukční provedení funkčního vzorku miniaturní sondy (b) pro verifikační měření in-vivo dle obr. 2 je v prirlcipu obdobné konstrukci miniaturní sondy (a) pro mapování radiačních polí, je však dosaženo vyššího stupně miniaturizace. Výrazně к tomu přispívá podélné uložení čipu fotodiody 1; pomocí kontaktů z vodivého uhlíkového tmelu 2 jsou na fotodiodu 1 připojeny vodiče miniaturního nízkošumového koaxiálního kabelu 5, přičemž katoda je spojena s vnitřním vodičem 3 a anoda s vnějším vodičem 4. Elektromagnetické stínění 6, vytvořené vrstvou na bázi uhlíku, je připojeno na vnější vodič 4. Citlivý objem je zapouzdřen hmotou 7· Vnější povrch pouzdra na čele sondy má tvar polokoule o průměru 3 mm a je vodotěsně spojen s pláštěm koaxiálního kabelu 5, jehož vnější průměr je rovněž 3 mm. Toto provedení umožňuje neinvazivní zavádění miniaturní sondy (b) do nitrodělních dutin pacienta při aplikacích in-vivo.The design of the functional sample of the miniature probe (b) for the in-vivo verification measurement of FIG. 2 is in a prirlcip similar to the design of the miniature probe (a) for mapping radiation fields, but a higher degree of miniaturization is achieved. The longitudinal placement of the photodiode chip 1 contributes significantly to this; by means of conductive carbon sealant contacts 2, the miniature low-noise coaxial cable 5 is connected to the photodiode 1, the cathode being connected to the inner conductor 3 and the anode to the outer conductor 4. The electromagnetic shielding 6 formed by the carbon-based layer Sensitive volume is encapsulated by mass 7 The outer surface of the housing at the front of the probe has a hemispherical shape with a diameter of 3 mm and is watertightly connected to the sheath of the coaxial cable 5, whose outer diameter is also 3 mm. This embodiment allows the non-invasive insertion of the miniature probe (b) into the intrauterine cavities of the patient for in-vivo applications.

Provedení obou typů sond - dle obr. 1 a obr. 2 - je specifické pro účely relativní dozimetrie a pro verifikační měření dávkových příkonů v polích terapeutických ozařovacích zdrojů fotonového nebo elektronového záření. Odezvou na dávkový příkon ionizujícího záření je fotoproud generovaný fotodiodou 2 ^a měřený elektrometrickým obvodem v režimu zapojení nakrátko. Citlivost fotodiod 1 použitých ve funkčních vzorcích se pohybuje kolem hodnoty 120 nC.Gy* a umožňuje měření dávkových příkonů v rozmezí 10 až 10 Gy.min s chybou - 1(T⁵ Gy.min“¹, danou klidovým proudem neozářenou fotodiodou 2· Tomu odpovídají měřené proudy od 2.1 O¹² do 2.10⁷ A s chybou - 2.10“¹⁴ A, což je klidový proud neozářenou fotodiodou při ofsetovém napětí mezi vstupy elektrometrického operačního zesilovače - ¹⁰ /^uv· přihlédnutím к dané geometrické konfiguraci a citlivosti lze uvedené typy miniaturních sond (a) i (b) použít pro měření dávkových příkonů ionizujícího záření i v dalších oborech dozimetrie. Sondy vykazují citlivost i pro jiné druhy záření protony, neutrony, částice alfa, jedná se však o méně rozšířené oblasti aplikací, kde je zatím málo zkušeností a kde je třeba se podrobně zabývat problémy, spojenými se zvýšením radiačního poškození vnitřníThe design of both types of probes - according to Fig. 1 and Fig. 2 - is specific for the purposes of relative dosimetry and for verifying the measurement of dose rates in the fields of therapeutic radiation sources of photon or electron radiation. In response to the dose rate of ionizing radiation, the photocurrent generated by photodiode 2 ^and measured by the electrometric circuit in the short circuit mode. The sensitivity of the photodiodes 1 used in the functional samples is around 120 nC.Gy * and allows the measurement of dose rates in the range of 10 to 10 Gy.min with a -1 error (T ⁵ Gy.min “ ¹ given by the bias current of the non-irradiated photodiode 2 · corresponds to measured currents from 2.1 O ¹² to 2.10 ⁷ A with error - 2.10 “ ¹⁴ A, which is the quiescent current of the irradiated photodiode at the offset voltage between the inputs of the electrometric opamp - ¹⁰ / ^uv · (a) and (b) also use dosimetry in other fields of dosimetry to measure the dose rate of ionizing radiation, but protons, neutrons, alpha particles are also sensitive to other types of radiation, but these are less widespread applications where there is little experience; where there is a need to address in detail the problems associated with increasing internal radiation damage

CS 271 487 B2 struktury čipu fotodiody v závislosti na akumulované dávce.CS 271 487 B2 photodiode chip structure depending on the accumulated dose.

PŘEDMĚT VYNÁLEZUSUBJECT OF THE INVENTION

Claims

1 · Miniature semiconductor photodiode probe for dose rate measurement in radiotherapy, consisting of a watertight housing in which a low-noise coaxial cable is placed and in which a miniature photodiode is housed in a housing protected by an anode and cathode conductive connection the photodiodes (1) to the individual conductors (3, 4) of the coaxial cable (5) are provided with a carbon sealant (2), the electromagnetic shielding (6) surrounding the photodiode (1) being a carbon-based mass and covered by the encapsulating mass (7) , formed by a mixture of organic substances which, by its content of biogenic elements, approximates soft human tissue of standard composition.

Miniature probe according to claim 1, characterized in that the miniature photodiode chip (1) is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the probe, the probe being provided with an outer shell shaped to mount the probe in the measuring device.

Miniature probe according to claim 1, characterized in that the miniature photodiode chip (1) is arranged longitudinally in the axis of the probe, the face being formed by a hemisphere-like encapsulant (7) and connected directly to the sheath of the coaxial cable (5).

1 shout p