SE504590C2 - Anordning vid mätning av absorberad dos i ett joniserande strålfält samt känsligt medium i en jonisationskammare - Google Patents

Description

15 20 25 30 504 590 2 tillämpningsområdet är en jonisationskammare som använder en gas som känsligt medium.

Jonisationskammarens princip innebär att i en kammare inneslutet känsligt medium bestrålas, varvid joner frigörs i proportion till deponerad energi genom strålningens växelverkan med gasen. Dessa joner fångas in via ett elektriskt fält bildat mellan två elektroder. Den sålunda uppfångade laddningen kan sedan mätas och användas för bestämning av den i det känsliga mediumet absorberade dosens storlek.

En nackdel med dessa detektorer är deras storlek, närmare bestämt den storlek eller volym som krävs för att gasen med tillräcklig noggrannhet skall kunna användas som känsligt medium. Och eftersom detektorn responderar på den totalt deponerade energin i det känsliga mediumet kommer lokala energitoppar eller -spikar i strålfáltet att döljas, vilket gör att detektorn ej är användbar eller tillförlitlig när sådana variationer i energitäthet återfmns i det joniserande strålfältet. Sådana variationer förekommer i strålfält från många av dagens strâlkällor. Således kan det uppstå punkter i patientens vävnad där den verkliga absorberade dosen vida avviker från den förväntade.

Exempel på andra vanliga detektorer är halvledardioder. Principen för dessa är att den joniserande strålningen alstrar fria laddningar i diodemas p-n-övergång. På samma sätt som i jonisationskammaren kan sedan den laddningen användas för att bestänmia den absorberande dosen.

Gemensamt för nämnda detektortyper är att man mäter en elektrisk ström eller laddning som är proportionell mot dosrat respektive absorberad dos. Resultatet av mätningen är således direkt registrerbart under eller omedelbart efter bestrålningen av detektorn.

En annan typ av detektorer för mätning av absorberad dos är de som efter det att detektorn blivit bestrålad medger registrering av någon av strålningen orsakad förändring i detektorrnaterialet. Ett exempel på den senaste detektortypen är den sk Fricke-dosimetern, som använder spektrofotometrisk utvärdering av den bestrålade vätskan. En nackdel med denna typ av detektorer är att de ej går att göra tillräckligt små med den känslighet som erfordras iden tillämpning som vi beskrivit.

Ytterligare en typ är den s.k. termoluminescensdosimetern, vilken utnyttjar fenomenet att bestrålning av vissa material orsakar att i materialet kvarstannar en bestämd mängd av av strålningen exciterade elektroner i sitt exciterade tillstånd. Vid en efterföljande 10 15 20 25 30 504 590 3 uppvärmning av det bestrålade materialet deexciteras elektronerna och den ljusmängd som då alstras är under vissa tömtsättningar proportionell mot den absorberade dos materialet erhållit.

Dessa sistnämnda detektorer tillåter ej direktavläsning av dosrespons och proportionaliteten mellan avgiven signal och absorberad dos i vatten varierar i bästa fall ca 40 % i det angivna energiområdet. Halvledardetektom som kan tillverkas i små enheter (endast någon mm) har ca 500 % variation i sin respons i det ovan angivna intressanta energiområdet. Sådana variationer är otillfredställande.

Behovet av pålitliga och känsliga detektorer i fotonenergiområdet 30 - 200 keV, vilka dessutom uppvisar en begränsad utsträckning i rummet, är särskilt uppenbart när uppgiften är att bestämma absorberad dos och dosfördelning lcring små radioaktiva strålkällor som är avsedda att inplanteras i cancertumörer för radioterapi (interstitiell radioterapi), en tumörbehandlingsform som under senare år erhållit en renässans.

Ytterligare ett angeläget tillämpningsområde är bestämning av den absorberade dosens storlek och fördelning i patienter som genomgår datortomografi. I Sverige liksom de flesta andra länder fmns törfattningsenliga krav på att dosmätningar skall göras med jämna tidsintervall för att garantera patienternas säkerhet.

Syftet med föreliggande uppfmning är att åstadkomma en anordning vid mätning av absorberad dos i ett material utsatt för joniserande strålning, särskilt i ett vävnadsefterliknande material.

Ytterligare ett syfte är att åstadkomma en anordning, vilken a) har en strålningskänslig volym som är liten i förhållande till den absorberade dosens variation i rummet. Detta betyder i praktiken att detektorns känsliga volym inte i någon riktning bör uppvisa en utsträckning som överskrider några mm. Vissa tillämpningar kräver att den känsliga volymen i ånninstone en riktning har en utsträckning som understiger några tiondels mm, b) med sin närvaro i ett bestrålat material försumbart stör eller påverkar (perturberar) det strålfält som annars skulle varit för handen, c) säkerställer att proportionaliteten mellan mätsignal och den absorberade dosen i det material där mätning skall ske, inte påtagligt förändras med variationer i strålningens energispektrum (strålkvalitetsvariationer), 10 15 20 25 30 504 590 4 d) tillåter att proportionaliteten mellan mätsignal och absorberad dos inte varierar påtagligt med dosraten eller den absorberade dosens storlek, e) säkerställer att noggrannheten i bestämningen av den absorberade dosen, särskilt vid mätningar som skall ligga till grund för radioterapi, är bättre än några procent.

Om inte villkoret c) är uppfyllt krävs en noggrann kännedom om strålningens energispektrum för att en tillförlitlig dosmätning skall kunna utföras. Energispektrum varierar ofta i rummet i ett bestrålat objekt och är väl så svårt att bestämma som den absorberade dosen.

Dessa och andra syften uppnås med en anordning enligt föreliggande uppfmning såsom den definieras i de kännetecknande delarna av bifogade patentkrav.

En uppñnningsenlig anordning vid mätning av absorberad dos i ett joniserande strålfält, uppvisar en detektorkropp av jonisationskammartyp innefattande två på avstånd från varandra anordnade elektrodelement samt organ anordnade att tillsammans med elektrodelementen i detektorkroppen avgränsa en mätkammare för ett känsligt medium, varvid en andra kammare är anordnad på avstånd från mätkammaren, en överströmningskanal är anordnad genom ett av elektrodelementen sättande mätkarnmaren i förbindelse med den andra kammaren och det känsliga mediumet är en vätska.

Vidare kan i den andra kammaren vara anordnat ett volymförändringar hos det känsliga mediumet upptagande organ.

Vid en jämförelse mellan gas och vätska tillåter vätskans högre densitet, med samma känslighet, en flera hundra gånger lägre volym vid användning som detektorns känsliga medium och såsom tidigare beskrivits denna volym är en kritisk faktor för detektorernas noggranhet. De vätskor som på försök har använts i jonisationskammare har dock uppvisat nackdelen att de ej avgivit signaler som varit tillfredställande stabila över tiden och inom hela det intressanta energiområdet. De har ej heller inom hela området uppvisat stabila kalibreringsfaktorer.

Vi har nu funnit en vätskeblandning som på ett överaskande sätt förbättrat alla dessa faktorer. Det känsliga mediumet består av en vätska innefattande isooktan, ISO, (2-2- 4-Trimetylpentan, C, Hm) och tetrametylsilan, TMS, (Si(CH,)_,). En särskilt föredragen blandning består till två delar av ISO och en del av TMS. Delarna avser volymsandelar.

För att ytteligare förtydliga uppfinningen ges nedan en utförlig beskrivning av 10 15 20 25 30 504 590 5 föredragna utfóringsformer av föreliggande uppfmning. I texten fmns införda hänvisningar till bifogade ritningsfigurer, i vilka för enkelhetens skull liknande delar givits samma hänvisningsbeteckning.

Fig 1 visar i genomskärning en detektor enligt en första uttöringsform av föreliggande uppfmning, Fig 2 visar i genomskäming en detektor enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfinning, Fig 3 och 4 visar i diagramforrn resultat frän försök med olika vätskeblandningar som känsligt medium, vilka utförts med detektom enligt ñg 2.

Fig 1 visar en detektor 10 av jonisationskammartyp enligt en första utföringsform av föreliggande uppfmning. Detektorn innefatter en väsentligen cylindrisk kropp ll uppvisande en första plan ändyta 12. Ett stycke under och parallellt med ändytan är anordnat två väsentligen skivformiga elektroder 20 och 30. De är inbördes planparallella och anordnade på avstånd från varandra. Det är mot nämnda ändyta 12 det joniserande stälfältet är avsett att infalla, se pilen F.

Mellan elektroderna sträcker sig ett utrymme 40 avsett för detektorns känsliga medium. Utrymmet 40 är vidare perifert avgränsat av en svängd vägg 50, sträckande sig mellan elektroderna 20, 30 och vilken vägg är framställd av ett elektriskt ickeledande material. Materialet i väggen är även tåligt mot kemisk påverkan av detektorns känsliga medium och mot joniserande strålning. Väggmaterialet är företrädesvis en isolerande styrencopolymer, t ex Rexolite°.

Elektrodema är via elektriska ledningar 25 resp. 35 genom kroppen anslutna till en apparat enligt känd teknik i stånd att tillföra elektroderna en spänning och att avläsande respons från deponerad dos. Demia apparat kommer ej ytterligare att diskuteras eftersom den är väl känd inom jonisationskammartekniken.

I fig 1 är den elektrod 20 som först träffas av det joniserade strälfáltet, till vänster i figuren, högvoltselektrod och den andra elektroden är uppsamlingselektrod 30. Den fältstyrka mellan elektroderna som med avseende på mätprecision är optimal med hänsyn till dosrat och vätskeskikttjocklek varierar från 0,3 till 3 MV/m.

Vidare är ett ytterligare utrymme 60 för det känsliga mediumet anordnat i kroppen.

Detta det andra utrymmet är från det första utrymmet 40 betraktat anordnat i en riktning 10 15 20 25 30 504 590 6 från ändytan 12. Vidare är de två utrymmena 40 och 60 satta i strömningsförbindelse med varandra medelst en överströmningskanal 61. I denna särskilt föredragna utföringsforrn är överströmningskanalen anordnad genom elektroden 30.

Det känsliga mediet är i föreliggande uppfmning en vätska som i denna utföringsform införs genom en kanal 62 från detektorkroppens bakre del. Kanalens öppning kan företrädesvis tillslutas av en gängad plugg.

Eftersom detektorn under drift utsätts för temperaturvariationer är temperaturrelaterade volymsvariationer hos den inneslutna vätskan ett problem. Kraftiga volymökningar riskerar att tryckpâverka detektorkroppen med läckage som följd. Detta löses genom att en gasbubbla 64 tillförs vätskan i det andra utrymmet 60. Gasbubblan tar upp vätskans volymsvariationer och eliminerar därmed risken för läckage.

För att förhindra gasbubblan från att tränga in i det första utrymmet är ett gaslås 65 anordnad i överströrrmingskanalen, företrädesvis vid eller kring överströmningskanalens mynning i det andra utrymmet, tex kan gaslâset vara en förträngning som hindrar att gasbubblan intränger i överströmningskanalen 61.

Detektorkroppen enligt föreliggande utföringsform är rotationssymetrisk, med undantag av kanalen 62 och ledningsanslutningarna 25 och 35, kring en centrumaxel. Andra former är dock möjliga inom uppfmningens skyddsomfång. Kroppen kan framställas i ett valfritt antal delar, t ex gjutas i ett stycke eller, som i det i fig 1 visade exemplet, monteras samman av ett flertal fritt från varandra framtagna delar av ett eller flera material.

Kroppen i ñg 1 är monterad av fyra svarvade delar, samtliga av samma material, Rexolite”.

Elektroderna 20 och 30 är framställda av grafit, det känsliga mediet är en vätska och gasen i bubblan 64 är luft.

I fxg 2 visas en detektor enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfmning. Även denna detektor uppvisar en kropp 10 som väsentligen är rotationssymetrisk kring en centrumaxel och uppbygd av flera delar. Elektroderna är koaxiellt anordnade med en högspänningselektrod 20 utvändigt en väsentligen stavformig- samlingselektrod 30.

Högspäruiingselektroden 20 uppvisar ett med centrumaxeln koaxiellt anordnat urtag eller häl, in i vilket den stavformiga uppsamlingselektrod 30 sträcker sig. Härigenom bildas mellan elektroderna ett väsentligen rörforrnigt första utrymme 40 för detektorns känsliga 10 15 20 25 30 504 590 7 medium. Genom att samlingselektroden ej sträcker sig ända in mot urtagets botten omger det känsliga mediet även den inskjutande uppsarnlingselektrodens 30 spets.

Pâ samma sätt som i det föregående exemplet är ledningar dragna för anslutande av elektroderna till en för ändamålet lämplig apparat.

Ett andra utrymme 60 för det känsliga mediumet är anordnat i centrumaxelns riktning förskjutet från det första utrymmet 40 och i föreliggande utföringsform anordnat från det första utrymmet 40 betraktat i en riktning från samlingselektroden 30. Mellan dessa utrymmen är anordnat en överströmningskanal 61. Ett bubbellás 65 är anordnat i anslutning till överströmningskanalen för att förhindra en i det känsliga mediet i det andra utrymmet 60 tillförd gasbubbla 62 att vandra över till det första utrymmet 40. Överströrrmingskanalen sträcker sig i denna utföringsform genom högvoltselektroden 20.

Denna utföringsform är avsedd att mottaga ett strålfált som infaller mot det första utrymmet 40 med en väsentligen rät vinkel mot detektorkroppens centrumaxel men vid vilken som helst punkt runt periferin. Detta innebär att den yta på detektorkroppen som strålfältet kan infalla mot bildar ett band runt detektorkroppen.

Påpekas bör att vad som här beskrivits är utföringsexempel på föreliggande uppfmning och att uppfmningen även avser detektorer med t ex spegelvända uppbyggnader eller detektorer uppbyggda med andra geometriska former.

Enligt en särskild föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning består det känsliga mediumet av en vätska innefattande isooktan, ISO, (C, Hm) och tetrametylsilan, TMS, (Si(CH,)4). Vid försök med blandningar av TMS och ISO som känsligt medium har vi åstadkommit ett närmast konstant förhållande mellan mätsignal och absorberad dos i hela det för medicinska ändamål intressanta fotonenergiintervallet, 30 - 200 keV, när detektorn har använts för bestämning av absorberad dos i en vattenkropp, eller kropp av annat vävnadsliknande material.

Kurvorna i fïg 3 visar energiberoendet hos en kalibreringsfaktor N(D,V), Y-axeln, inom ett lågenergifotonintervall från 30 till 120 keV, X-axeln, för fyra olika vätskor använda som känsligt medium. Kalibreringsfaktorn N(D,V) är uttryckt i absorberad dos i vatten dividerat med uppsamlad laddningsmängd. För detektorns användbarhet och tillförlitlighet är ett känsligt medium med en av energivariationer okänslig kalibreringsfaktor att föredra. Av figuren framgår att en blandning av 65 % ISO och 35% TMS visar särskilt 504 590 goda egenskaper.

Vid ett reproducerbarhetsprov av den optimala blandningen i en detektor enligt föreliggande uppfmning har blandningen dessutom oväntat uppvisat bättre resultat än andra blandningar av ISO och TMS. Fig 4 återger resultatet av ett sådant prov där den relativa törändningen i respons, nettosignal, från ett uppfinningsenligt känsligt medium bestående av 65% ISO och 35 % TMS provades under 150 dygn. Den polarisationsspänning som användes var -300V och mätningarna utfördes i luft med Co-60 som strålkälla samt med dosraten ca 1 mGy/min i mätpunkten. Den relativa förändringen i responsen låg inom +/- 0,2 % under de undersökta dygnen, vilket får betraktas som mycket lågt.

Claims (9)

10 15 20 25 504 590 9 Patentkrav

1. l. Anordning vid mätning av absorberad dos i ett joniserande strålfält, uppvisande en detektorkropp (11) av jonisationskarnmartyp innefattande två på avstånd från varandra anordnade elektrodelement (20, 30) samt organ (50) anordnade att tillsammans med elektrodelementen i detektorkroppen avgränsa en mätkammare (40) för ett känsligt medium, kännete c knad av attenandrakammare (ómäranordnadpåavstånd från mätkammaren, att en överströmningskanal (61) är anordnad genom ett av elektrodelementen sättande mätkammaren i förbindelse med den andra kammaren och att det känsliga mediumet är en vätska.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k na d av att i den andra kammaren (60) är anordnat ett volymtörändringar hos det känsliga mediumet upptagande organ (64).

3. Anordning enligt något av föregående krav, k ä' n n e te c k n a d av att elektrodelementen (20, 30) är planparallella och väsentligen skivformiga.

4. Anordning enligt något av kraven l eller 2, k ä n n e te c k n a d av att ett första elektrodelementet (30) är anordnat i ett urtag i och perifert omgivet av ett andra elektrodelementet (20).

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e te c k n a d av att överströmningskanalen (61) är anordnad i det andra elektrodelementet (20).

6. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att det volymupptagande organet (64) är en gasbubbla.

7. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att det volymupptagande organet (64) är en luftbubbla.

8.Känsligt medium i en jonisationskammare, k ä n n e t e c k n a t av att det känsliga mediumet är en blandning av isooktan (C, Hm) och tetrametylsilan (Si(CH,)4).

9. Känsligt medium enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att det känsliga mediumet är en blandning bestående till 2/3 i volym av isooktan (2-2-4-Trimetylpentan, C, H18) och till 1/3 i volym av tetrametylsilan (Si(CH3)4).