TWI796810B

TWI796810B - 閃爍光纖層結構及包含閃爍光纖層結構之質子束位置探測器

Info

Publication number: TWI796810B
Application number: TW110139503A
Authority: TW
Inventors: 王名儒; 黃坤賢; 吳新業; 朱凱寧; 李清化
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-03-21
Also published as: TW202318036A

Abstract

本發明揭示一種閃爍光纖層結構組成的質子束位置探測器。閃爍光纖層結構包括兩層閃爍光纖層和包覆件，兩層閃爍光纖層相互堆疊並各自包括平行排列之複數條閃爍光纖，而包覆件包覆兩層閃爍光纖層以固定複數條閃爍光纖的相對位置，包覆件並具有檢測面以朝向質子束以及相對於該檢測面的附接面以朝向受測者。質子束位置探測器包括閃爍光纖層結構，對應耦接複數條閃爍光纖之複數條傳輸光纖，耦接複數條傳輸光纖以將光訊號轉換為電訊號之光電倍增管，以及耦接光電倍增管以接收電訊號之電路板，藉由將電訊號處理後以獲得該質子束之位置。

Description

閃爍光纖層結構及包含閃爍光纖層結構之質子束位置探測器

本發明係關於一種質子束探測技術，詳而言之，係關於一種閃爍光纖層結構及包含閃爍光纖層結構之質子束位置探測器。

癌症治療所使用的放射線主要是透過加速器產生高能量的粒子，例如X射線，以利用X射線具有高穿透性可對身體深層的腫瘤進行治療，然而其途中經過的正常細胞也難免暴露於輻射，導致副作用的產生。

質子束具有「布拉格峰」，在某個特定深度具有個明顯的能量峰值，當質子束進入身體後達一定深度時將能量釋放，使得在腫瘤之前或之後的正常組織不會有額外的放射暴露，如此能減少副作用。由於質子束的布拉格峰局限在狹窄的區域，因而在質子治療中準確探測質子束位置顯得相對重要。

另外，質子束是利用迴旋加速器讓粒子在環狀軌道中不斷迴轉，加速到具有足夠能量、調整至病患所需能量，再引導進診療室以進行治療，因此質子治療設備通常需要很大的空間。然而，目前用來探測質子束位置的探測器大多與加速器一體化，並不具備移動性和調整性，對於原本即需要大空間的質子治療設備的來說無疑又是一個限制。

因此，如何提供具備移動性和調整性之質子束探測器，為目前待解決之問題。

為解決上述問題及其他問題，本發明提出一種閃爍光纖層結構及質子束位置探測器。

本發明之閃爍光纖層結構係包括：兩層閃爍光纖層，該兩層閃爍光纖層相互堆疊並各自包括平行排列之複數條閃爍光纖；以及包覆件，其包覆該兩層閃爍光纖層以固定該複數條閃爍光纖的相對位置，其中，該包覆件具有朝向質子束之檢測面，以及具有相對於該檢測面並朝向受測者之附接面。

該兩層閃爍光纖層之其中一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖與另一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖之排列方向呈一角度。於一實施例中，該兩層閃爍光纖層之其中一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖與另一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖之排列方向係彼此正交。

此外，該兩層閃爍光纖層能構成4 x 4、8 x 8、16 x 16、32 x 32、64 x 64、或128 x 128閃爍光纖陣列。各該閃爍光纖的直徑約為2mm至4.2mm，該複數條閃爍光纖之間的間隔約為1mm。各該閃爍光纖係為將閃爍體材料製成光纖狀所形成者且其外覆有絕緣膜，以阻隔外界背景光線。

此外，該包覆件的該檢測面所對應之檢測區域為32mm x 32mm至128mm x 128mm。於一實施例中，該包覆件的該附接面具有黏貼部。

於一實施例中，該包覆件更包括：兩片薄片，設置在該兩層閃爍光纖層之外側以將該兩層閃爍光纖層夾在該兩片薄片之間，且該兩片薄片之其中一薄片具有該檢測面而另一薄片具有該附接面；兩組支架，設置在該兩片薄片之外側以將該兩片薄片夾在該兩組支架之間；以及組合元件，耦接該兩組支架以將該兩組支架組合固定。另外，該兩片薄片的內側具有黏著劑，以將該兩層閃爍光纖層固定排列在該兩片薄片之間。

本發明之質子束位置探測器係包括：如上述之閃爍光纖層結構，係以該檢測面接收質子束；複數條傳輸光纖，係對應耦接至該閃爍光纖層結構中的該複數條閃爍光纖；光電倍增管，係耦接該複數條傳輸光纖，以將光訊號轉換為電訊號；以及電路板，係耦接該光電倍增管以接收該電訊號，該電訊號經處理後以獲得該質子束之位置。

因此，本發明所揭示之閃爍光纖層結構能裝於受測者身上以靈活地在療程中調整其位置，而包含閃爍體層結構之質子束位置探測器即能以高解析度探測質子束的位置。

11、12、41、42:閃爍光纖層

111、121、411、421:閃爍光纖

2、5:包覆件

21:檢測面

31:閃爍光纖層結構

32:傳輸光纖

33:光電倍增管

34:電路板

35:放大器

36:類比數位轉換器

37:控制模組

38:顯示器

51、52:薄片

53:支架

54:組合元件

圖1為本發明之閃爍光纖層結構之結構示意圖。

圖2為本發明之閃爍光纖層結構之另一實施例的分解示意圖。

圖3為圖2的閃爍光纖層結構的組合示意圖。

圖4為本發明之質子束位置探測器之方塊示意圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據本文所載內容輕易地瞭解本發明之精神、優點及功效。然而，本文所載之具體實施例並非用以限定本發明，本發明亦可藉由其它不同之實施方式加以實現或應用。

本文所附圖式中所顯示之比例、結構、大小等特徵，僅係用於配合本文所揭示之內容，以供本發明所屬技術領域中具有通常知識者閱讀及瞭解本發明，而非用以限定本發明可實施之範圍，故任何比例關係之改變、結構之修飾、或大小之調整，在不影響本發明所能達成之目的及所能產生之功效的情形下，均應屬於本文所揭示之技術內容得能涵蓋的範圍。

請參閱圖1，於本實施例中，本發明之閃爍光纖層結構包括兩層閃爍光纖層11、12以及一個包覆件2。

閃爍光纖層11和閃爍光纖層12相互堆疊。閃爍光纖層11包括平行排列之複數條閃爍光纖111，閃爍光纖層12包括平行排列之複數條閃爍光纖121。此外，閃爍光纖層11中複數條閃爍光纖111與閃爍光纖層12中複數條閃爍光纖121之排列方向呈一角度，例如彼此正交。圖1中顯示四條閃爍光纖111以及四條閃爍光纖121，如此構成4 x 4閃爍光纖陣列。於其他實施例中，本發明之閃爍光纖層結構亦能包括八條平行排列閃爍光纖和另八條平行排列閃爍光纖彼此正交之兩層閃爍光纖層，如此構成8 x 8閃爍光纖陣列，以此類推，甚而能構成16 x 16、32 x 32、64 x 64、128 x 128閃爍光纖陣列。

閃爍光纖層11中的閃爍光纖111彼此之間的間隔約為1mm，閃爍光纖層12中的閃爍光纖121彼此之間的間隔約為1mm。又，各個閃爍光纖111、121為以現有或其他技術將閃爍體材料製成光纖狀所形成者且外覆有絕緣膜。此外，將閃爍體材料製成光纖狀所形成者的直徑為1mm至3mm，而絕緣膜的尺寸為1mm至1.2mm，使得各個閃爍光纖111、121的直徑為2mm至4.2mm。

包覆件2包覆兩層閃爍光纖層11、12，能固定複數條閃爍光纖111、121之相對位置，包覆件2並具有檢測面21和相對於檢測面21的附接面(未標號)，檢測面21朝向質子束以接收質子束，而該附接面朝向受測者，且檢測面21所對應之檢測區域(即閃爍光纖層11或12佔包覆件2的區域)為32mm x 32mm至128mm x 128mm，可取決於閃爍光纖111、121的直徑和排列數量。在質子束治療的例子中，包覆件2可例如貼布而具有黏貼部，方便黏貼於病患身上的腫瘤處，而包覆件2的檢測面21則接收質子束以探測質子束的位置。

請參閱圖2和圖3，於本實施例中，本發明之閃爍光纖層結構包括兩層閃爍光纖層41、42以及一個包覆件5。

閃爍光纖層41和閃爍光纖層42相互堆疊。閃爍光纖層41包括平行排列之複數條閃爍光纖411，閃爍光纖層42包括平行排列之複數條閃爍光纖421，且閃爍光纖層41中複數條閃爍光纖411與閃爍光纖層42中複數條閃爍光纖421之排列方向彼此正交，以構成32 x 32閃爍光纖陣列。

各個閃爍光纖411、421的內徑約為1mm，而包覆絕緣膜後的外徑約為2.2mm。此外，各個閃爍光纖411、421為以現有或其他技術將閃爍體材料製成光纖狀所形成者，且外覆有黑色絕緣膜能擋住背景光。

包覆件5包括兩片薄片51、52、兩組支架53、組合元件54。

薄片51、52設置在兩層閃爍光纖層41、42之外側將兩層閃爍光纖層41、42夾在兩片薄片51、52之間，例如薄片51、52內側以黏膠固定兩層閃爍光纖層41、42的排列。薄片51、52例如黑色塑膠薄片，厚度大約0.5mm以下，以具有輕薄的特性。薄片51、52之其中一者具有檢測面而另一者具有附接面，又，閃爍光纖層41佔薄片51的區域或者閃爍光纖層42佔薄片52的區域構成了檢測區域，例如70.4mm x 70.4mm。

兩組支架53設置在薄片51、52的外側以將兩片薄片51、52夾在兩組支架53之間。組合元件54耦接兩組支架53以將兩組支架53組合固定。如圖2和3所示，兩組支架53為沿著薄片51、52邊緣布置的框架，組合元件54例如螺絲和螺帽，首先將32條閃爍光纖411平行排列黏在薄片51上，32條閃爍光纖421平行排列且黏在薄片52上，接著以垂直交叉排列閃爍光纖411、421的方式組合薄片51、52，最後於薄片51、52外側設置兩組支架53並利用螺絲和螺帽予以組合固定。

請參閱圖4，本發明之質子束位置探測器包括閃爍光纖層結構31、傳輸光纖32、光電倍增管33、設在電路板34上的放大器35、類比數位轉換器36、控制模組37、及顯示器38。

閃爍光纖層結構31如圖1-3所示，包括兩層閃爍光纖層和包覆件，並以包覆件的檢測面接收質子束。

複數條傳輸光纖32對應耦接至閃爍光纖層結構31中的複數條閃爍光纖。

光電倍增管33，例如多陽極光電倍增管(Multi-Anode-Photo-Multiplier-Tube,MAPMT)，其耦接該複數條傳輸光纖32以將光訊號轉換為電訊號。

電路板34耦接光電倍增管33以接收該電訊號，該電訊號經過放大器35、類比數位轉換器36、以及如現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，縮寫為FPGA)的控制模組37之處理後，獲得該質子束之位置以輸出至顯示器38。另外，質子束的位置的解析度可達光纖的直徑的1.5倍除以根號12，例如閃爍光纖若不含絕緣膜的話其直徑為2.2mm，則測量之質子束位置的解析度為3.3mm/3.46=0.952mm。

綜上所述，本發明之閃爍光纖層結構及包含閃爍光纖層結構之質子束位置探測器能應用於質子治療，藉由閃爍光纖層結構裝載於受測者上而無須與加速器一體化，能於療程中靈活地調整在受測者上的裝載位置。另外，本發明之閃爍光纖層結構及包含閃爍光纖層結構之質子束位置探測器還能應用於其他質子探測領域，例如使用質子束分解核廢料，則方便移動的獨立質子束位置探測器從而能提高分解的準確度和效率。又及，在利用質子束測試太空材料抗宇宙射線耐受度的例子中，具有移動性和靈活性之本發明之閃爍光纖層結構及包含閃爍光纖層結構之質子束位置探測器更能應用自如。

上述實施形態僅為例示性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

11、12:閃爍光纖層

111、121:閃爍光纖

2:包覆件

21:檢測面

Claims

一種閃爍光纖層結構，係包括：兩層閃爍光纖層，各係相互堆疊並各包括平行排列之複數條閃爍光纖；以及包覆件，係包覆該兩層閃爍光纖層以固定該複數條閃爍光纖的相對位置，其中，該包覆件具有朝向質子束之檢測面，以及相對於該檢測面並朝向受測者之附接面，其中，該包覆件更包括：兩片薄片，設置在該兩層閃爍光纖層之外側以將該兩層閃爍光纖層夾設在該兩片薄片之間，且該兩片薄片之其中一薄片具有該檢測面而另一薄片具有該附接面；兩組支架，設置在該兩片薄片之外側以將該兩片薄片夾設在該兩組支架之間；以及組合元件，耦接該兩組支架以將該兩組支架組合固定。
如請求項1所述之閃爍光纖層結構，其中，該兩層閃爍光纖層之其中一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖與另一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖之排列方向呈一角度。
如請求項2所述之閃爍光纖層結構，其中，該兩層閃爍光纖層之其中一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖與另一閃爍光纖層之複數條閃爍光纖之排列方向係彼此正交。
如請求項1所述之閃爍光纖層結構，其中，該兩層閃爍光纖層構成4 x 4、8 x 8、16 x 16、32 x 32、64 x 64、或128 x 128閃爍光纖陣列。
如請求項1所述之閃爍光纖層結構，其中，各該閃爍光纖的直徑為2mm至4.2mm，該複數條閃爍光纖之任二者間的間隔約為1mm，且該檢測面所對應之檢測區域為32mm x 32mm至128mm x 128mm。
如請求項1所述之閃爍光纖層結構，其中，各該閃爍光纖係為閃爍體材料製成光纖狀所形成者且其外覆有絕緣膜。
如請求項1所述之閃爍光纖層結構，其中，該包覆件的附接面具有黏貼部。
如請求項1所述之閃爍光纖層結構，其中，該兩片薄片的內側具有黏著劑，以將該兩層閃爍光纖層固定排列在該兩片薄片之間。
一種質子束位置探測器，係包括：如請求項1至8項任一項所述之閃爍光纖層結構，係以該檢測面接收質子束；複數條傳輸光纖，係對應耦接至該閃爍光纖層結構中的該複數條閃爍光纖；光電倍增管，係耦接該複數條傳輸光纖，以將光訊號轉換為電訊號；以及電路板，係耦接該光電倍增管以接收該電訊號，以處理該電訊號而獲得該質子束之位置。