专利名称：用于监控强子束的设备和方法
技术领域：
本发明涉及强子治疗的领域，即使用强相互作用粒子的放射治疗。更具体而言，本发明涉及用于监控强子束的设备和方法。
背景技术：
目前，已知的是，强子(即，中子、质子、介子、离子，例如碳离子)在放射治疗领域与X射线或Y射线相比具有物理优势。强子，尤其是给定能量(即，形成单能束)的质子， 具有限定的射程(range)并且不会穿透超过该射程。而且，它们在对应于作为例如待处理的肿瘤的靶区内最大的辐射穿透的点的所谓的布拉格峰(Bragg Peak)内沉积它们最大的辐射能量值。由于布拉格峰的位置取决于强子束的能量，因而显然，通过精确地控制和修改该能量，能够将布拉格峰置于肿瘤的相应深度以便将最大的辐射能量施加于该点，并且相比之下，不伤害周围的健康组织。而且，通过结合几种不同能量的单能质子束(即，执行射程调节)，有可能使布拉格峰扩展，以便与肿瘤的厚度相匹配并且在控制周围的健康组织和关键器官上的剂量负荷的同时以均勻的剂量照射肿瘤。需要特别的装置(例如，调节轮)来将不同能量的强子结合到一起。而且，还需要特别的装置来整形强子束以使之尽可能地匹配肿瘤的形状、尺寸和位置。在放射治疗中的质量保证(QA) —般包括需要用于确定医疗处方的一致性和正确性的特定过程。此类过程通常涉及对待照射靶区的处方剂量以及输送至通常存在于健康的组织中的靶区的环境的剂量(该剂量应当尽可能小)。此类过程还涉及使健康的专业人员最小限度地暴露于辐射下以及充分的输送监控。在强子治疗中的质量保证需要相对常规的放射治疗更严格的过程。实际上，常规的辐射治疗的质量保证过程对强子疗法治疗不再是足够的，强子疗法治疗特别地需要对射束强度和能量的完全控制。为此，必须提供适合的剂量测定设备。因此，即使在放射治疗中广泛地确立了剂量测定，强子治疗也需要新的先进的剂量测定设备，该剂量测定设备应当允许测量在某一点所吸收的剂量以及2D和3D的剂量分布这两者。该剂量测定设备应当具有如下主要特征高灵敏度、小尺寸、快速动态响应、辐射硬度、对能量和剂量率没有依赖性、组织等效性和线性剂量响应。水模体是本技术领域所熟知的并且典型地用于确立电离辐射对人体的影响。该水模体主要包括水箱(具有大约250升的容积)，并且装备有用于在水箱容积内将辐射探测器 (例如，水密空气电离室探头、二极管或传感器阵列)移动到多个测量位置的驱动装置。水箱被充注并且借助于来自外部蓄水池的泵控制机构抽空。虽然水模体的使用是许多年以来就已建立的标准，但是这些大的扫描水模体的处理是繁琐的且耗时的，部分原因是由于长的水箱注入和抽空的时间。通过使用在EP1852714中所公开的设备，使用水模体的这个主要缺点已经得到了部分减少，使得能够进行更频繁的QA测试和更完全的方式。设备包括水箱、用于改变水箱中的水位的装置，以及定位于相对水箱固定的位置处的二维采集探测器，所述采集探测器包括能够同时在某一区域内的多个点测量剂量的多个传感器。所述设备还是较轻的并且能够安置于病床上，而不是在特殊的支撑物上。然而，由于必须保证在给定的能量下的终止射程(stopping range)，因而仍然需要最小化QA时间，以便增加QA测试的频率。文献US5672878公开了适用于监控电子束或质子束这两者的电离室。该电离室主要包括具有主射束通道的外壳以及邻近于主射束通道的次射束单元的阵列。外壳还包含射束测量电极的第一阵列，该电极阵列提供响应于电子或光子束的一部分的辐射强度的探测的输出。第二射束测量电极也包含于外壳之内，以便提供响应于所述射束的第二部分的辐射强度的输出。然而，该设备仅适用于监控辐射束的几何特性，例如方向和位置。而且，该设备不能够在输送至靶期间监控辐射特性。在文献EP0040589中描述了另一种透射离子室系统。该系统适用于执行用于测量和校正辐射束的对称性和定中心的方法。该透射系统位于准直器和待照射的靶之间，并且包括由所述射束完全穿过的四个内部收集电极；以及其表面的第一部分由所述射束穿过，而剩余部分位于所述准直器的遮蔽下的外部电极。但是，该系统只适用于控制发散射束并且校正其定中心和对称性。此外，类似于前一种系统，该系统不能够在输送至靶期间监控辐射特性。适用于执行快速的日常3D剂量验证的已知的剂量测定系统是由INFN和都灵大学(University of Torino)所开发的产品 Magic Cube (Two-dimensional and quasi-three-dimensional dosimetry of hadron and photons beams with the magic cube and pixel ionization chamber (magic cube禾口像素电离室的二维禾口准三维强子禾口质子束剂量学)，R. Cirio 等人，Phys. Med. Biol. 49 (2004) 3713-3724)。Magic Cube 是与可调整厚度的水等效板交错的12个带状分段的电离室的叠层。每个电离室由两个具有 24X 24cm2的敏感区的板所限定。所述板之一，阴极包括内侧具有35 μ m的铜膜的1. 5mm厚的加工的玻璃纤维(GlO)，而阳极则分段成64个0. 375mm宽和Mcm长的条带。每个条带通过PCB技术来获得，在两个条带之间的非导电的长度是ΙΟΟμπι。每个条带以定制的微电子芯片单独地读出。水等效板的数量和位置能够由用户来决定，允许用户选择沿着射束方向的最佳剂量采样粒度(sampling granularity)。以软件进行的仿真需要在测量之前执行， 以便选择组织等效板的最佳厚度和位置。还需要考虑“散射”和“射程歧离”的参数。穿过物质的强子束以主要通过库仑力进行的许多小的相互作用来与物质的原子相互作用。该许多小的相互作用的影响是粒子能量以及偏离它们运动的原方向的总损失。由于强子束在穿过物质的同时受到许多小的相互作用，因而强子在给定的深度处已经产生的能量损失并不是正好相同的，但是遵守高斯统计分布。术语“射程歧离”指的是其中加速强子穿过某一厚度的物质的射程服从高斯分布的现象。术语“散射”或“多次库伦散射”指的是其中穿过某一厚度的物质的加速强子偏离它们运动的原方向，导致在穿过该物质时强子束截面扩大的现象。在Magic Cube中，在铜层存在于几乎所有电离室单元的板的表面上的情况下，射束发生重大的散射和射程歧离。而且，由于设备的配置能够依据待测量的射束而改变，因而对腔室的框架的某些机械压力可以改变两个电极之间的平面度(Planarity)，导致重大的信号偏差。另外，只有沿着射束轴的12个点可以用这样多的电离室来测量，这代表不良的空间分辨率。用于为了进行布拉格峰分析而测量质子和重离子束的深度剂量曲线的工具是市场上可购得的(Physicalisch Technische Werkstatten GMBH)。该工具包括含有两个由 3mm厚的石英玻璃窗密封的风箱的充注水的柱状物。电离室单元位于这两个风箱之间。电离室单元借助于伺服控制单元和线性电机在这两个风箱之间移动，调整上覆水的可变厚度。由于测量探测器位置的改变，风箱被压缩或被下压并且水从一个风箱流到另一个风箱内。该设备给出了良好的分辨率并且能够在整个临床射程内测量完整的深度剂量曲线，但是它同样是水充注的，它重大约31kg并且它仅限于一维的扫描方法，因而它仍然是耗时的方法。在文献EP1974770中公开了用于在线监控由辐射源生成的并且被输送至靶的强子束的剂量测定设备。该设备包括以面对面的关系平行排布的，由气体填充的间隙所分隔的，垂直于强子束的中心轴的并且形成了多个电离室的多个探测器板。每个探测器板包括作为收集电极或偏压电极的薄铜层并且具有开口以便形成内腔，用于留出输送至所述靶的强子束的中心部分的未受干扰的通道以及用于借助多个电离室来拦截和测量强子束的外围部分的外围区域。该设备尤其涉及眼科应用，其中已知的是具有70MeV的能量的强子束用于眼癌的治疗是足够的。对于其它非眼科的应用建议在电离室之间使用组织等效材料 (例如，塑料吸收体)或者对于不同能量值的强子束改变电离室的数量。但是在设备中存在着铜层会导致射束的散射和射程歧离。因此，设备不是水等效的并且需要对距离实施校正， 这可能是误差源。同样，该设备只允许监控无源散射束而不能够监控笔形射束扫描。Nichiporov 等人在文献(Med. Phys. 34 (7)，2007 年 7 月，页码洸83-2690)中以及在专利申请W02008154267中描述了用于测量深度剂量分布的多层电离室(MLIC)探测器，含有122个以1.82mm的阶距堆叠的小电离室单元(水等效的)。每个电离室单元包括具有1.5mm的厚度的聚苯乙烯板，在该聚苯乙烯板上聚酯膜(Mylar film)胶合于两面上。聚酯膜的外表面具有涂于其上的石墨中心斑；随后将胶合于聚苯乙烯板的内表面具有涂于其上的银信号引线。引线与中心斑通过聚酯膜内的电镀通孔来电连接。该结构在聚苯乙烯板的另一面上重复进行。每个板都相互分隔Imm的空气间隙。探测器长度为大约 305mm (122 X (1. 5mm+lmm)),并且其水等效深度为大约220mm (122 X 1. 82mm)。因而当设备用来测量具有22cm的射程的强子束在水中的深度分布时，该射束需要在设备中穿过30. 5cm 的物理距离。而且，该设备不允许在整个临床射程(大约37cm)内测量完整的深度剂量分布。对于高质子射程的测量，根据仿真的各种厚度的板需要布置于设备入口前面。该设备的主要缺点是需要应用几何校正来使由MLIC所测得的射束射程值与在水中所穿过的实际射束射程对应。该缺点在测量以其中SAD(源到轴的距离)变化的已知的能量调制技术来输送的强子治疗射束时尤其严重。SDD (源到探测器的距离)是在该设备的几何校正中需要考虑的附加的几何因子，SDD在SAD随调制而变化时可能是不可忽略的误差的来源。于是，有利的是最优化MLIC设备的特性以在不需要SAD相关的校正的情况下对强子束的深度剂量分布执行快速且可靠的QA测量。发明目的本发明提供不具有现有技术的设备和方法的缺点的剂量测定设备和方法。
本发明的另一个目的是提供用于在辐射治疗中对强子束进行QA测量的剂量测定设备和方法。本发明的另一个目的是提供用于分析称为“布拉格峰”的，在靶区内与深度相关的剂量(“深度剂量分布”)的剂量测定设备和方法。特别地，本发明的另一个目的是提供能够在不需要应用几何校正的情况下于整个临床射程(高达35cm)内对无源的以及动态的射束输送执行具有布拉格峰的高分辨率和展宽布拉格峰的快速的日常测量的剂量测定设备。本发明的另一个目的是实现其中强子穿过构成设备的材料的散射行为与在所参考的流体(水)中的散射行为可比拟的剂量测定设备。本发明的另一个目的是能够测量强子束的扩大。另外还希望实现这样稳定的剂量测定设备使得它确保用于重要的射束变量的可再现恒定性的检查的可靠性。最后，还希望提供与现有技术的设备相比较轻的且安装较不繁琐的剂量测定设备。
发明内容
一方面，本发明涉及用于强子束的剂量测定监控的设备，包括由通过气体填充的间隙来相互分隔的n+1个平行的探测器板的串接或层叠而获得的η个连续的电离室i，每个探测器板具有与包括偏压侧的偏压部分绝缘的包括收集侧的收集部分，并且以所述收集侧面向后续探测器板的所述偏压侧的方式或相反的方式排布，每个探测器板包括m个材料层 Lk,所产生的这些探测器板的组件形成多个电离室单元，其特征在于构成每个探测器板的每个层Lk的厚度Ik和材料选择以及电离室单元i的间隙都已经选定以便对于每个电离室i都满足下列公式 Igi + 其中
权利要求
1.一种用于强子束的剂量监控的设备，包括由通过气体填充的间隙来相互分隔的n+1 个平行的探测器板(10 的层叠而获得的η个连续的电离室i，每个探测器板(10 具有与包括偏压侧(LH)的偏压部分(BVP)绝缘的包括收集侧(LA)的收集部分(CP)，并且被布置为使得所述收集侧(LA)面向后续探测器板的所述偏压侧(LH)或相反，每个探测器板(102) 包括m个材料层Lk，所产生的这些探测器板(102)的组件形成多个电离室单元，其特征在于构成每个探测器板的每个层Lk的厚度Ik和材料选择以及电离室单元i的间隙都已经被选定为对于每个电离室i都满足下列公式mmIgl+ TJk - JjWETk其中Igi是两个探测器板(102)之间的气体填充的间隙距离；Ik是探测器板(102)的对应层Lk的厚度，以及；WETk是探测器板(102)的对应层Lk的水等效厚度(WET)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述探测器板中的每个包括m个平行层的叠层，每个层Lk基本上由低原子序数Z的材料制成，Z优选为小于18。
3.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述探测器板(10 的所述收集部分(CP)和所述偏压部分(BVP)各自由至少三个层的叠层制成，作为外层的第一层(LA、LH) 基本上由石墨制成，第二层(LB、LG)和第三层(LC、LF)基本上由绝缘体制成。
4.根据权利要求3所述的设备，其中每个探测器板(10 的所述收集部分(CP)和所述偏压部分(BVP)包括分别与第三层(LC、LF)相邻的由石墨制成的第四层(LD、LE)。
5.根据权利要求3到4中的任一项所述的设备，其中每个探测器板(10 所述收集部分(CP)和所述偏压部分(BVP)各自至少包括-第一层(LA、LH)，包括一个或多个电极区(3、16)、围绕电极区(3、16)的绝缘分隔(2、 14)以及围绕所述绝缘分隔的保护电极(1、15)，-作为绝缘层的第二层(LB、LG)，-包括至少一个导体轨(5、12)的第三层(LC、LF)，以及；-作为保护件(8、10)的第四层(LD、LE)，具有至少一个与所述第三层(LC、LF)的所述导体轨(5、12)相匹配的绝缘路径(7、9)，包含于所述偏压侧(BVS)中的绝缘路径(9)比位于所述偏压部分(BVP)的所述第三层(LF)中的所述导体轨(12)略宽，其中所述收集部分(CP)的所述第三层(LC)的每个所述导体轨(5)通过通孔(17)与每个收集电极C3)连接，并且所述偏压部分(BVP)的所述第三层(LF)的所述导体轨(12) 通过通孔(1 与偏压电极(16)连接。
6.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述探测器板(10 各自包括至少两个末端耳状体(103)。
7.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述采集装置包括至少一个循环积分器。
8.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，包括在暴露于射束的第一板的上游的准
9.一种用于监控强子束的方法，其特征在于使用根据权利要求1到8所描述的设备，其中所述探测器板于所述强子束的中心轴垂直地定位。
10.根据权利要求9所述的方法，用于确定展宽布拉格峰的深度剂量分布，包括步骤 (i)引导具有预定能量的强子束，( )测量所述强子束的布拉格峰，(iii)改变所述强子束的能量，(iv)重复步骤(i)到(iii)并且对所述布拉格峰求和，以便直接获得所述展宽布拉格峰。
11.根据权利要求10所述的方法，其中测量通过从设备的正面照射设备来执行。
12.根据权利要求10所述的方法，其中测量通过从设备的背面照射设备来执行。
13.根据权利要求9和10所述的方法，其中测量通过从正面和背面这两面照射设备来执行。
全文摘要
本发明涉及用于强子束的剂量监控的设备，包括由通过气体填充的间隙来相互分隔的n+1个平行的探测器板的串接或层叠而获得的n个连续的电离室i，每个探测器板具有与包括偏压侧的偏压部分绝缘的包括收集侧的收集部分，并且以所述收集侧面向后续探测器板的所述偏压侧的方式或相反的方式排布，每个探测器板包括m个材料层Lk，所产生的这些探测器板的组件形成多个电离室单元，其特征在于构成每个探测器板的每个层Lk的厚度lk和材料选择以及电离室单元i的间隙都已经选定，以便对于每个电离室i都满足公式(I)，其中lgi是两个探测器板之间的气体填充的间隙距离；lk是探测器板的对应层Lk的厚度；以及WETk是探测器板的对应层Lk的水等效厚度(WET)。
文档编号G01T1/29GK102405423SQ201080012594
公开日2012年4月4日 申请日期2010年3月22日 优先权日2009年3月20日
发明者B·马尔昌德, C·布鲁萨斯科, F·弗列德尔, S·德·纽特 申请人:离子束应用股份有限公司