用於監控強子束的設備和方法

2023-05-17 23:00:41 1

專利名稱：用於監控強子束的設備和方法
技術領域：
本發明涉及強子治療的領域，即使用強相互作用粒子的放射治療。更具體而言，本發明涉及用於監控強子束的設備和方法。
背景技術：
目前，已知的是，強子(即，中子、質子、介子、離子，例如碳離子)在放射治療領域與X射線或Y射線相比具有物理優勢。強子，尤其是給定能量(即，形成單能束)的質子， 具有限定的射程(range)並且不會穿透超過該射程。而且，它們在對應於作為例如待處理的腫瘤的靶區內最大的輻射穿透的點的所謂的布拉格峰(Bragg Peak)內沉積它們最大的輻射能量值。由於布拉格峰的位置取決於強子束的能量，因而顯然，通過精確地控制和修改該能量，能夠將布拉格峰置於腫瘤的相應深度以便將最大的輻射能量施加於該點，並且相比之下，不傷害周圍的健康組織。而且，通過結合幾種不同能量的單能質子束(即，執行射程調節)，有可能使布拉格峰擴展，以便與腫瘤的厚度相匹配並且在控制周圍的健康組織和關鍵器官上的劑量負荷的同時以均勻的劑量照射腫瘤。需要特別的裝置(例如，調節輪)來將不同能量的強子結合到一起。而且，還需要特別的裝置來整形強子束以使之儘可能地匹配腫瘤的形狀、尺寸和位置。在放射治療中的質量保證(QA) —般包括需要用於確定醫療處方的一致性和正確性的特定過程。此類過程通常涉及對待照射靶區的處方劑量以及輸送至通常存在於健康的組織中的靶區的環境的劑量(該劑量應當儘可能小)。此類過程還涉及使健康的專業人員最小限度地暴露於輻射下以及充分的輸送監控。在強子治療中的質量保證需要相對常規的放射治療更嚴格的過程。實際上，常規的輻射治療的質量保證過程對強子療法治療不再是足夠的，強子療法治療特別地需要對射束強度和能量的完全控制。為此，必須提供適合的劑量測定設備。因此，即使在放射治療中廣泛地確立了劑量測定，強子治療也需要新的先進的劑量測定設備，該劑量測定設備應當允許測量在某一點所吸收的劑量以及2D和3D的劑量分布這兩者。該劑量測定設備應當具有如下主要特徵高靈敏度、小尺寸、快速動態響應、輻射硬度、對能量和劑量率沒有依賴性、組織等效性和線性劑量響應。水模體是本技術領域所熟知的並且典型地用於確立電離輻射對人體的影響。該水模體主要包括水箱(具有大約250升的容積)，並且裝備有用於在水箱容積內將輻射探測器 (例如，水密空氣電離室探頭、二極體或傳感器陣列)移動到多個測量位置的驅動裝置。水箱被充注並且藉助於來自外部蓄水池的泵控制機構抽空。雖然水模體的使用是許多年以來就已建立的標準，但是這些大的掃描水模體的處理是繁瑣的且耗時的，部分原因是由於長的水箱注入和抽空的時間。通過使用在EP1852714中所公開的設備，使用水模體的這個主要缺點已經得到了部分減少，使得能夠進行更頻繁的QA測試和更完全的方式。設備包括水箱、用於改變水箱中的水位的裝置，以及定位於相對水箱固定的位置處的二維採集探測器，所述採集探測器包括能夠同時在某一區域內的多個點測量劑量的多個傳感器。所述設備還是較輕的並且能夠安置於病床上，而不是在特殊的支撐物上。然而，由於必須保證在給定的能量下的終止射程(stopping range)，因而仍然需要最小化QA時間，以便增加QA測試的頻率。文獻US5672878公開了適用於監控電子束或質子束這兩者的電離室。該電離室主要包括具有主射束通道的外殼以及鄰近於主射束通道的次射束單元的陣列。外殼還包含射束測量電極的第一陣列，該電極陣列提供響應於電子或光子束的一部分的輻射強度的探測的輸出。第二射束測量電極也包含於外殼之內，以便提供響應於所述射束的第二部分的輻射強度的輸出。然而，該設備僅適用於監控輻射束的幾何特性，例如方向和位置。而且，該設備不能夠在輸送至靶期間監控輻射特性。在文獻EP0040589中描述了另一種透射離子室系統。該系統適用於執行用於測量和校正輻射束的對稱性和定中心的方法。該透射系統位於準直器和待照射的靶之間，並且包括由所述射束完全穿過的四個內部收集電極；以及其表面的第一部分由所述射束穿過，而剩餘部分位於所述準直器的遮蔽下的外部電極。但是，該系統只適用於控制發散射束並且校正其定中心和對稱性。此外，類似於前一種系統，該系統不能夠在輸送至靶期間監控輻射特性。適用於執行快速的日常3D劑量驗證的已知的劑量測定系統是由INFN和都靈大學(University of Torino)所開發的產品 Magic Cube (Two-dimensional and quasi-three-dimensional dosimetry of hadron and photons beams with the magic cube and pixel ionization chamber (magic cube禾口像素電離室的二維禾口準三維強子禾口質子束劑量學)，R. Cirio 等人，Phys. Med. Biol. 49 (2004) 3713-3724)。Magic Cube 是與可調整厚度的水等效板交錯的12個帶狀分段的電離室的疊層。每個電離室由兩個具有 24X 24cm2的敏感區的板所限定。所述板之一，陰極包括內側具有35 μ m的銅膜的1. 5mm厚的加工的玻璃纖維(GlO)，而陽極則分段成64個0. 375mm寬和Mcm長的條帶。每個條帶通過PCB技術來獲得，在兩個條帶之間的非導電的長度是ΙΟΟμπι。每個條帶以定製的微電子晶片單獨地讀出。水等效板的數量和位置能夠由用戶來決定，允許用戶選擇沿著射束方向的最佳劑量採樣粒度(sampling granularity)。以軟體進行的仿真需要在測量之前執行， 以便選擇組織等效板的最佳厚度和位置。還需要考慮「散射」和「射程歧離」的參數。穿過物質的強子束以主要通過庫侖力進行的許多小的相互作用來與物質的原子相互作用。該許多小的相互作用的影響是粒子能量以及偏離它們運動的原方向的總損失。由於強子束在穿過物質的同時受到許多小的相互作用，因而強子在給定的深度處已經產生的能量損失並不是正好相同的，但是遵守高斯統計分布。術語「射程歧離」指的是其中加速強子穿過某一厚度的物質的射程服從高斯分布的現象。術語「散射」或「多次庫倫散射」指的是其中穿過某一厚度的物質的加速強子偏離它們運動的原方向，導致在穿過該物質時強子束截面擴大的現象。在Magic Cube中，在銅層存在於幾乎所有電離室單元的板的表面上的情況下，射束髮生重大的散射和射程歧離。而且，由於設備的配置能夠依據待測量的射束而改變，因而對腔室的框架的某些機械壓力可以改變兩個電極之間的平面度(Planarity)，導致重大的信號偏差。另外，只有沿著射束軸的12個點可以用這樣多的電離室來測量，這代表不良的空間解析度。用於為了進行布拉格峰分析而測量質子和重離子束的深度劑量曲線的工具是市場上可購得的(Physicalisch Technische Werkstatten GMBH)。該工具包括含有兩個由 3mm厚的石英玻璃窗密封的風箱的充注水的柱狀物。電離室單元位於這兩個風箱之間。電離室單元藉助於伺服控制單元和線性電機在這兩個風箱之間移動，調整上覆水的可變厚度。由於測量探測器位置的改變，風箱被壓縮或被下壓並且水從一個風箱流到另一個風箱內。該設備給出了良好的解析度並且能夠在整個臨床射程內測量完整的深度劑量曲線，但是它同樣是水充注的，它重大約31kg並且它僅限於一維的掃描方法，因而它仍然是耗時的方法。在文獻EP1974770中公開了用於在線監控由輻射源生成的並且被輸送至靶的強子束的劑量測定設備。該設備包括以面對面的關係平行排布的，由氣體填充的間隙所分隔的，垂直於強子束的中心軸的並且形成了多個電離室的多個探測器板。每個探測器板包括作為收集電極或偏壓電極的薄銅層並且具有開口以便形成內腔，用於留出輸送至所述靶的強子束的中心部分的未受幹擾的通道以及用於藉助多個電離室來攔截和測量強子束的外圍部分的外圍區域。該設備尤其涉及眼科應用，其中已知的是具有70MeV的能量的強子束用於眼癌的治療是足夠的。對於其它非眼科的應用建議在電離室之間使用組織等效材料 (例如，塑料吸收體)或者對於不同能量值的強子束改變電離室的數量。但是在設備中存在著銅層會導致射束的散射和射程歧離。因此，設備不是水等效的並且需要對距離實施校正， 這可能是誤差源。同樣，該設備只允許監控無源散射束而不能夠監控筆形射束掃描。Nichiporov 等人在文獻(Med. Phys. 34 (7)，2007 年 7 月，頁碼洸83-2690)中以及在專利申請W02008154267中描述了用於測量深度劑量分布的多層電離室(MLIC)探測器，含有122個以1.82mm的階距堆疊的小電離室單元(水等效的)。每個電離室單元包括具有1.5mm的厚度的聚苯乙烯板，在該聚苯乙烯板上聚酯膜(Mylar film)膠合於兩面上。聚酯膜的外表面具有塗於其上的石墨中心斑；隨後將膠合於聚苯乙烯板的內表面具有塗於其上的銀信號引線。引線與中心斑通過聚酯膜內的電鍍通孔來電連接。該結構在聚苯乙烯板的另一面上重複進行。每個板都相互分隔Imm的空氣間隙。探測器長度為大約 305mm (122 X (1. 5mm+lmm)),並且其水等效深度為大約220mm (122 X 1. 82mm)。因而當設備用來測量具有22cm的射程的強子束在水中的深度分布時，該射束需要在設備中穿過30. 5cm 的物理距離。而且，該設備不允許在整個臨床射程(大約37cm)內測量完整的深度劑量分布。對於高質子射程的測量，根據仿真的各種厚度的板需要布置於設備入口前面。該設備的主要缺點是需要應用幾何校正來使由MLIC所測得的射束射程值與在水中所穿過的實際射束射程對應。該缺點在測量以其中SAD(源到軸的距離)變化的已知的能量調製技術來輸送的強子治療射束時尤其嚴重。SDD (源到探測器的距離)是在該設備的幾何校正中需要考慮的附加的幾何因子，SDD在SAD隨調製而變化時可能是不可忽略的誤差的來源。於是，有利的是最優化MLIC設備的特性以在不需要SAD相關的校正的情況下對強子束的深度劑量分布執行快速且可靠的QA測量。發明目的本發明提供不具有現有技術的設備和方法的缺點的劑量測定設備和方法。
本發明的另一個目的是提供用於在輻射治療中對強子束進行QA測量的劑量測定設備和方法。本發明的另一個目的是提供用於分析稱為「布拉格峰」的，在靶區內與深度相關的劑量(「深度劑量分布」)的劑量測定設備和方法。特別地，本發明的另一個目的是提供能夠在不需要應用幾何校正的情況下於整個臨床射程(高達35cm)內對無源的以及動態的射束輸送執行具有布拉格峰的高解析度和展寬布拉格峰的快速的日常測量的劑量測定設備。本發明的另一個目的是實現其中強子穿過構成設備的材料的散射行為與在所參考的流體(水)中的散射行為可比擬的劑量測定設備。本發明的另一個目的是能夠測量強子束的擴大。另外還希望實現這樣穩定的劑量測定設備使得它確保用於重要的射束變量的可再現恆定性的檢查的可靠性。最後，還希望提供與現有技術的設備相比較輕的且安裝較不繁瑣的劑量測定設備。

發明內容
一方面，本發明涉及用於強子束的劑量測定監控的設備，包括由通過氣體填充的間隙來相互分隔的n+1個平行的探測器板的串接或層疊而獲得的η個連續的電離室i，每個探測器板具有與包括偏壓側的偏壓部分絕緣的包括收集側的收集部分，並且以所述收集側面向後續探測器板的所述偏壓側的方式或相反的方式排布，每個探測器板包括m個材料層 Lk,所產生的這些探測器板的組件形成多個電離室單元，其特徵在於構成每個探測器板的每個層Lk的厚度Ik和材料選擇以及電離室單元i的間隙都已經選定以便對於每個電離室i都滿足下列公式 Igi + 其中
權利要求
1.一種用於強子束的劑量監控的設備，包括由通過氣體填充的間隙來相互分隔的n+1 個平行的探測器板(10 的層疊而獲得的η個連續的電離室i，每個探測器板(10 具有與包括偏壓側(LH)的偏壓部分(BVP)絕緣的包括收集側(LA)的收集部分(CP)，並且被布置為使得所述收集側(LA)面向後續探測器板的所述偏壓側(LH)或相反，每個探測器板(102) 包括m個材料層Lk，所產生的這些探測器板(102)的組件形成多個電離室單元，其特徵在於構成每個探測器板的每個層Lk的厚度Ik和材料選擇以及電離室單元i的間隙都已經被選定為對於每個電離室i都滿足下列公式mmIgl+ TJk - JjWETk其中Igi是兩個探測器板(102)之間的氣體填充的間隙距離；Ik是探測器板(102)的對應層Lk的厚度，以及；WETk是探測器板(102)的對應層Lk的水等效厚度(WET)。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述探測器板中的每個包括m個平行層的疊層，每個層Lk基本上由低原子序數Z的材料製成，Z優選為小於18。
3.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，其中所述探測器板(10 的所述收集部分(CP)和所述偏壓部分(BVP)各自由至少三個層的疊層製成，作為外層的第一層(LA、LH) 基本上由石墨製成，第二層(LB、LG)和第三層(LC、LF)基本上由絕緣體製成。
4.根據權利要求3所述的設備，其中每個探測器板(10 的所述收集部分(CP)和所述偏壓部分(BVP)包括分別與第三層(LC、LF)相鄰的由石墨製成的第四層(LD、LE)。
5.根據權利要求3到4中的任一項所述的設備，其中每個探測器板(10 所述收集部分(CP)和所述偏壓部分(BVP)各自至少包括-第一層(LA、LH)，包括一個或多個電極區(3、16)、圍繞電極區(3、16)的絕緣分隔(2、 14)以及圍繞所述絕緣分隔的保護電極(1、15)，-作為絕緣層的第二層(LB、LG)，-包括至少一個導體軌(5、12)的第三層(LC、LF)，以及；-作為保護件(8、10)的第四層(LD、LE)，具有至少一個與所述第三層(LC、LF)的所述導體軌(5、12)相匹配的絕緣路徑(7、9)，包含於所述偏壓側(BVS)中的絕緣路徑(9)比位於所述偏壓部分(BVP)的所述第三層(LF)中的所述導體軌(12)略寬，其中所述收集部分(CP)的所述第三層(LC)的每個所述導體軌(5)通過通孔(17)與每個收集電極C3)連接，並且所述偏壓部分(BVP)的所述第三層(LF)的所述導體軌(12) 通過通孔(1 與偏壓電極(16)連接。
6.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，其中所述探測器板(10 各自包括至少兩個末端耳狀體(103)。
7.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，其中所述採集裝置包括至少一個循環積分器。
8.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，包括在暴露於射束的第一板的上遊的準
9.一種用於監控強子束的方法，其特徵在於使用根據權利要求1到8所描述的設備，其中所述探測器板於所述強子束的中心軸垂直地定位。
10.根據權利要求9所述的方法，用於確定展寬布拉格峰的深度劑量分布，包括步驟 (i)引導具有預定能量的強子束，( )測量所述強子束的布拉格峰，(iii)改變所述強子束的能量，(iv)重複步驟(i)到(iii)並且對所述布拉格峰求和，以便直接獲得所述展寬布拉格峰。
11.根據權利要求10所述的方法，其中測量通過從設備的正面照射設備來執行。
12.根據權利要求10所述的方法，其中測量通過從設備的背面照射設備來執行。
13.根據權利要求9和10所述的方法，其中測量通過從正面和背面這兩面照射設備來執行。
全文摘要
本發明涉及用於強子束的劑量監控的設備，包括由通過氣體填充的間隙來相互分隔的n+1個平行的探測器板的串接或層疊而獲得的n個連續的電離室i，每個探測器板具有與包括偏壓側的偏壓部分絕緣的包括收集側的收集部分，並且以所述收集側面向後續探測器板的所述偏壓側的方式或相反的方式排布，每個探測器板包括m個材料層Lk，所產生的這些探測器板的組件形成多個電離室單元，其特徵在於構成每個探測器板的每個層Lk的厚度lk和材料選擇以及電離室單元i的間隙都已經選定，以便對於每個電離室i都滿足公式(I)，其中lgi是兩個探測器板之間的氣體填充的間隙距離；lk是探測器板的對應層Lk的厚度；以及WETk是探測器板的對應層Lk的水等效厚度(WET)。
文檔編號G01T1/29GK102405423SQ201080012594
公開日2012年4月4日 申請日期2010年3月22日 優先權日2009年3月20日
發明者B·馬爾昌德, C·布魯薩斯科, F·弗列德爾, S·德·紐特 申請人:離子束應用股份有限公司