專利名稱：用于監(jiān)控強(qiáng)子束的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強(qiáng)子治療的領(lǐng)域，即使用強(qiáng)相互作用粒子的放射治療。更具體而言，本發(fā)明涉及用于監(jiān)控強(qiáng)子束的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
目前，已知的是，強(qiáng)子(即，中子、質(zhì)子、介子、離子，例如碳離子)在放射治療領(lǐng)域與X射線或Y射線相比具有物理優(yōu)勢(shì)。強(qiáng)子，尤其是給定能量(即，形成單能束)的質(zhì)子， 具有限定的射程(range)并且不會(huì)穿透超過該射程。而且，它們?cè)趯?duì)應(yīng)于作為例如待處理的腫瘤的靶區(qū)內(nèi)最大的輻射穿透的點(diǎn)的所謂的布拉格峰(Bragg Peak)內(nèi)沉積它們最大的輻射能量值。由于布拉格峰的位置取決于強(qiáng)子束的能量，因而顯然，通過精確地控制和修改該能量，能夠?qū)⒉祭穹逯糜谀[瘤的相應(yīng)深度以便將最大的輻射能量施加于該點(diǎn)，并且相比之下，不傷害周圍的健康組織。而且，通過結(jié)合幾種不同能量的單能質(zhì)子束(即，執(zhí)行射程調(diào)節(jié))，有可能使布拉格峰擴(kuò)展，以便與腫瘤的厚度相匹配并且在控制周圍的健康組織和關(guān)鍵器官上的劑量負(fù)荷的同時(shí)以均勻的劑量照射腫瘤。需要特別的裝置(例如，調(diào)節(jié)輪)來將不同能量的強(qiáng)子結(jié)合到一起。而且，還需要特別的裝置來整形強(qiáng)子束以使之盡可能地匹配腫瘤的形狀、尺寸和位置。在放射治療中的質(zhì)量保證(QA) —般包括需要用于確定醫(yī)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(duì)待照射靶區(qū)的處方劑量以及輸送至通常存在于健康的組織中的靶區(qū)的環(huán)境的劑量(該劑量應(yīng)當(dāng)盡可能小)。此類過程還涉及使健康的專業(yè)人員最小限度地暴露于輻射下以及充分的輸送監(jiān)控。在強(qiáng)子治療中的質(zhì)量保證需要相對(duì)常規(guī)的放射治療更嚴(yán)格的過程。實(shí)際上，常規(guī)的輻射治療的質(zhì)量保證過程對(duì)強(qiáng)子療法治療不再是足夠的，強(qiáng)子療法治療特別地需要對(duì)射束強(qiáng)度和能量的完全控制。為此，必須提供適合的劑量測(cè)定設(shè)備。因此，即使在放射治療中廣泛地確立了劑量測(cè)定，強(qiáng)子治療也需要新的先進(jìn)的劑量測(cè)定設(shè)備，該劑量測(cè)定設(shè)備應(yīng)當(dāng)允許測(cè)量在某一點(diǎn)所吸收的劑量以及2D和3D的劑量分布這兩者。該劑量測(cè)定設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有如下主要特征高靈敏度、小尺寸、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輻射硬度、對(duì)能量和劑量率沒有依賴性、組織等效性和線性劑量響應(yīng)。水模體是本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的并且典型地用于確立電離輻射對(duì)人體的影響。該水模體主要包括水箱(具有大約250升的容積)，并且裝備有用于在水箱容積內(nèi)將輻射探測(cè)器 (例如，水密空氣電離室探頭、二極管或傳感器陣列)移動(dòng)到多個(gè)測(cè)量位置的驅(qū)動(dòng)裝置。水箱被充注并且借助于來自外部蓄水池的泵控制機(jī)構(gòu)抽空。雖然水模體的使用是許多年以來就已建立的標(biāo)準(zhǔn)，但是這些大的掃描水模體的處理是繁瑣的且耗時(shí)的，部分原因是由于長(zhǎng)的水箱注入和抽空的時(shí)間。通過使用在EP1852714中所公開的設(shè)備，使用水模體的這個(gè)主要缺點(diǎn)已經(jīng)得到了部分減少，使得能夠進(jìn)行更頻繁的QA測(cè)試和更完全的方式。設(shè)備包括水箱、用于改變水箱中的水位的裝置，以及定位于相對(duì)水箱固定的位置處的二維采集探測(cè)器，所述采集探測(cè)器包括能夠同時(shí)在某一區(qū)域內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)測(cè)量劑量的多個(gè)傳感器。所述設(shè)備還是較輕的并且能夠安置于病床上，而不是在特殊的支撐物上。然而，由于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(shí)間，以便增加QA測(cè)試的頻率。文獻(xiàn)US5672878公開了適用于監(jiān)控電子束或質(zhì)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于主射束通道的次射束單元的陣列。外殼還包含射束測(cè)量電極的第一陣列，該電極陣列提供響應(yīng)于電子或光子束的一部分的輻射強(qiáng)度的探測(cè)的輸出。第二射束測(cè)量電極也包含于外殼之內(nèi)，以便提供響應(yīng)于所述射束的第二部分的輻射強(qiáng)度的輸出。然而，該設(shè)備僅適用于監(jiān)控輻射束的幾何特性，例如方向和位置。而且，該設(shè)備不能夠在輸送至靶期間監(jiān)控輻射特性。在文獻(xiàn)EP0040589中描述了另一種透射離子室系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于執(zhí)行用于測(cè)量和校正輻射束的對(duì)稱性和定中心的方法。該透射系統(tǒng)位于準(zhǔn)直器和待照射的靶之間，并且包括由所述射束完全穿過的四個(gè)內(nèi)部收集電極；以及其表面的第一部分由所述射束穿過，而剩余部分位于所述準(zhǔn)直器的遮蔽下的外部電極。但是，該系統(tǒng)只適用于控制發(fā)散射束并且校正其定中心和對(duì)稱性。此外，類似于前一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)不能夠在輸送至靶期間監(jiān)控輻射特性。適用于執(zhí)行快速的日常3D劑量驗(yàn)證的已知的劑量測(cè)定系統(tǒng)是由INFN和都靈大學(xué)(University of Torino)所開發(fā)的產(chǎn)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(zhǔn)三維強(qiáng)子禾口質(zhì)子束劑量學(xué))，R. Cirio 等人，Phys. Med. Biol. 49 (2004) 3713-3724)。Magic Cube 是與可調(diào)整厚度的水等效板交錯(cuò)的12個(gè)帶狀分段的電離室的疊層。每個(gè)電離室由兩個(gè)具有 24X 24cm2的敏感區(qū)的板所限定。所述板之一，陰極包括內(nèi)側(cè)具有35 μ m的銅膜的1. 5mm厚的加工的玻璃纖維(GlO)，而陽(yáng)極則分段成64個(gè)0. 375mm寬和Mcm長(zhǎng)的條帶。每個(gè)條帶通過PCB技術(shù)來獲得，在兩個(gè)條帶之間的非導(dǎo)電的長(zhǎng)度是ΙΟΟμπι。每個(gè)條帶以定制的微電子芯片單獨(dú)地讀出。水等效板的數(shù)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采樣粒度(sampling granularity)。以軟件進(jìn)行的仿真需要在測(cè)量之前執(zhí)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(shù)。穿過物質(zhì)的強(qiáng)子束以主要通過庫(kù)侖力進(jìn)行的許多小的相互作用來與物質(zhì)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(yùn)動(dòng)的原方向的總損失。由于強(qiáng)子束在穿過物質(zhì)的同時(shí)受到許多小的相互作用，因而強(qiáng)子在給定的深度處已經(jīng)產(chǎn)生的能量損失并不是正好相同的，但是遵守高斯統(tǒng)計(jì)分布。術(shù)語(yǔ)“射程歧離”指的是其中加速?gòu)?qiáng)子穿過某一厚度的物質(zhì)的射程服從高斯分布的現(xiàn)象。術(shù)語(yǔ)“散射”或“多次庫(kù)倫散射”指的是其中穿過某一厚度的物質(zhì)的加速?gòu)?qiáng)子偏離它們運(yùn)動(dòng)的原方向，導(dǎo)致在穿過該物質(zhì)時(shí)強(qiáng)子束截面擴(kuò)大的現(xiàn)象。在Magic Cube中，在銅層存在于幾乎所有電離室單元的板的表面上的情況下，射束發(fā)生重大的散射和射程歧離。而且，由于設(shè)備的配置能夠依據(jù)待測(cè)量的射束而改變，因而對(duì)腔室的框架的某些機(jī)械壓力可以改變兩個(gè)電極之間的平面度(Planarity)，導(dǎo)致重大的信號(hào)偏差。另外，只有沿著射束軸的12個(gè)點(diǎn)可以用這樣多的電離室來測(cè)量，這代表不良的空間分辨率。用于為了進(jìn)行布拉格峰分析而測(cè)量質(zhì)子和重離子束的深度劑量曲線的工具是市場(chǎng)上可購(gòu)得的(Physicalisch Technische Werkstatten GMBH)。該工具包括含有兩個(gè)由 3mm厚的石英玻璃窗密封的風(fēng)箱的充注水的柱狀物。電離室單元位于這兩個(gè)風(fēng)箱之間。電離室單元借助于伺服控制單元和線性電機(jī)在這兩個(gè)風(fēng)箱之間移動(dòng)，調(diào)整上覆水的可變厚度。由于測(cè)量探測(cè)器位置的改變，風(fēng)箱被壓縮或被下壓并且水從一個(gè)風(fēng)箱流到另一個(gè)風(fēng)箱內(nèi)。該設(shè)備給出了良好的分辨率并且能夠在整個(gè)臨床射程內(nèi)測(cè)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并且它僅限于一維的掃描方法，因而它仍然是耗時(shí)的方法。在文獻(xiàn)EP1974770中公開了用于在線監(jiān)控由輻射源生成的并且被輸送至靶的強(qiáng)子束的劑量測(cè)定設(shè)備。該設(shè)備包括以面對(duì)面的關(guān)系平行排布的，由氣體填充的間隙所分隔的，垂直于強(qiáng)子束的中心軸的并且形成了多個(gè)電離室的多個(gè)探測(cè)器板。每個(gè)探測(cè)器板包括作為收集電極或偏壓電極的薄銅層并且具有開口以便形成內(nèi)腔，用于留出輸送至所述靶的強(qiáng)子束的中心部分的未受干擾的通道以及用于借助多個(gè)電離室來攔截和測(cè)量強(qiáng)子束的外圍部分的外圍區(qū)域。該設(shè)備尤其涉及眼科應(yīng)用，其中已知的是具有70MeV的能量的強(qiáng)子束用于眼癌的治療是足夠的。對(duì)于其它非眼科的應(yīng)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(duì)于不同能量值的強(qiáng)子束改變電離室的數(shù)量。但是在設(shè)備中存在著銅層會(huì)導(dǎo)致射束的散射和射程歧離。因此，設(shè)備不是水等效的并且需要對(duì)距離實(shí)施校正， 這可能是誤差源。同樣，該設(shè)備只允許監(jiān)控?zé)o源散射束而不能夠監(jiān)控筆形射束掃描。Nichiporov 等人在文獻(xiàn)(Med. Phys. 34 (7)，2007 年 7 月，頁(yè)碼洸83-2690)中以及在專利申請(qǐng)W02008154267中描述了用于測(cè)量深度劑量分布的多層電離室(MLIC)探測(cè)器，含有122個(gè)以1.82mm的階距堆疊的小電離室單元(水等效的)。每個(gè)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)膠合于兩面上。聚酯膜的外表面具有涂于其上的石墨中心斑；隨后將膠合于聚苯乙烯板的內(nèi)表面具有涂于其上的銀信號(hào)引線。引線與中心斑通過聚酯膜內(nèi)的電鍍通孔來電連接。該結(jié)構(gòu)在聚苯乙烯板的另一面上重復(fù)進(jìn)行。每個(gè)板都相互分隔Imm的空氣間隙。探測(cè)器長(zhǎng)度為大約 305mm (122 X (1. 5mm+lmm)),并且其水等效深度為大約220mm (122 X 1. 82mm)。因而當(dāng)設(shè)備用來測(cè)量具有22cm的射程的強(qiáng)子束在水中的深度分布時(shí)，該射束需要在設(shè)備中穿過30. 5cm 的物理距離。而且，該設(shè)備不允許在整個(gè)臨床射程(大約37cm)內(nèi)測(cè)量完整的深度劑量分布。對(duì)于高質(zhì)子射程的測(cè)量，根據(jù)仿真的各種厚度的板需要布置于設(shè)備入口前面。該設(shè)備的主要缺點(diǎn)是需要應(yīng)用幾何校正來使由MLIC所測(cè)得的射束射程值與在水中所穿過的實(shí)際射束射程對(duì)應(yīng)。該缺點(diǎn)在測(cè)量以其中SAD(源到軸的距離)變化的已知的能量調(diào)制技術(shù)來輸送的強(qiáng)子治療射束時(shí)尤其嚴(yán)重。SDD (源到探測(cè)器的距離)是在該設(shè)備的幾何校正中需要考慮的附加的幾何因子，SDD在SAD隨調(diào)制而變化時(shí)可能是不可忽略的誤差的來源。于是，有利的是最優(yōu)化MLIC設(shè)備的特性以在不需要SAD相關(guān)的校正的情況下對(duì)強(qiáng)子束的深度劑量分布執(zhí)行快速且可靠的QA測(cè)量。發(fā)明目的本發(fā)明提供不具有現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備和方法的缺點(diǎn)的劑量測(cè)定設(shè)備和方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于在輻射治療中對(duì)強(qiáng)子束進(jìn)行QA測(cè)量的劑量測(cè)定設(shè)備和方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于分析稱為“布拉格峰”的，在靶區(qū)內(nèi)與深度相關(guān)的劑量(“深度劑量分布”)的劑量測(cè)定設(shè)備和方法。特別地，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供能夠在不需要應(yīng)用幾何校正的情況下于整個(gè)臨床射程(高達(dá)35cm)內(nèi)對(duì)無源的以及動(dòng)態(tài)的射束輸送執(zhí)行具有布拉格峰的高分辨率和展寬布拉格峰的快速的日常測(cè)量的劑量測(cè)定設(shè)備。本發(fā)明的另一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)其中強(qiáng)子穿過構(gòu)成設(shè)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(cè)定設(shè)備。本發(fā)明的另一個(gè)目的是能夠測(cè)量強(qiáng)子束的擴(kuò)大。另外還希望實(shí)現(xiàn)這樣穩(wěn)定的劑量測(cè)定設(shè)備使得它確保用于重要的射束變量的可再現(xiàn)恒定性的檢查的可靠性。最后，還希望提供與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備相比較輕的且安裝較不繁瑣的劑量測(cè)定設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及用于強(qiáng)子束的劑量測(cè)定監(jiān)控的設(shè)備，包括由通過氣體填充的間隙來相互分隔的n+1個(gè)平行的探測(cè)器板的串接或?qū)盈B而獲得的η個(gè)連續(xù)的電離室i，每個(gè)探測(cè)器板具有與包括偏壓側(cè)的偏壓部分絕緣的包括收集側(cè)的收集部分，并且以所述收集側(cè)面向后續(xù)探測(cè)器板的所述偏壓側(cè)的方式或相反的方式排布，每個(gè)探測(cè)器板包括m個(gè)材料層 Lk,所產(chǎn)生的這些探測(cè)器板的組件形成多個(gè)電離室單元，其特征在于構(gòu)成每個(gè)探測(cè)器板的每個(gè)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(jīng)選定以便對(duì)于每個(gè)電離室i都滿足下列公式 Igi + 其中
權(quán)利要求
1.一種用于強(qiáng)子束的劑量監(jiān)控的設(shè)備，包括由通過氣體填充的間隙來相互分隔的n+1 個(gè)平行的探測(cè)器板(10 的層疊而獲得的η個(gè)連續(xù)的電離室i，每個(gè)探測(cè)器板(10 具有與包括偏壓側(cè)(LH)的偏壓部分(BVP)絕緣的包括收集側(cè)(LA)的收集部分(CP)，并且被布置為使得所述收集側(cè)(LA)面向后續(xù)探測(cè)器板的所述偏壓側(cè)(LH)或相反，每個(gè)探測(cè)器板(102) 包括m個(gè)材料層Lk，所產(chǎn)生的這些探測(cè)器板(102)的組件形成多個(gè)電離室單元，其特征在于構(gòu)成每個(gè)探測(cè)器板的每個(gè)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(jīng)被選定為對(duì)于每個(gè)電離室i都滿足下列公式mmIgl+ TJk - JjWETk其中Igi是兩個(gè)探測(cè)器板(102)之間的氣體填充的間隙距離；Ik是探測(cè)器板(102)的對(duì)應(yīng)層Lk的厚度，以及；WETk是探測(cè)器板(102)的對(duì)應(yīng)層Lk的水等效厚度(WET)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述探測(cè)器板中的每個(gè)包括m個(gè)平行層的疊層，每個(gè)層Lk基本上由低原子序數(shù)Z的材料制成，Z優(yōu)選為小于18。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述探測(cè)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(gè)層的疊層制成，作為外層的第一層(LA、LH) 基本上由石墨制成，第二層(LB、LG)和第三層(LC、LF)基本上由絕緣體制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中每個(gè)探測(cè)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)相鄰的由石墨制成的第四層(LD、LE)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3到4中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中每個(gè)探測(cè)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(gè)或多個(gè)電極區(qū)(3、16)、圍繞電極區(qū)(3、16)的絕緣分隔(2、 14)以及圍繞所述絕緣分隔的保護(hù)電極(1、15)，-作為絕緣層的第二層(LB、LG)，-包括至少一個(gè)導(dǎo)體軌(5、12)的第三層(LC、LF)，以及；-作為保護(hù)件(8、10)的第四層(LD、LE)，具有至少一個(gè)與所述第三層(LC、LF)的所述導(dǎo)體軌(5、12)相匹配的絕緣路徑(7、9)，包含于所述偏壓側(cè)(BVS)中的絕緣路徑(9)比位于所述偏壓部分(BVP)的所述第三層(LF)中的所述導(dǎo)體軌(12)略寬，其中所述收集部分(CP)的所述第三層(LC)的每個(gè)所述導(dǎo)體軌(5)通過通孔(17)與每個(gè)收集電極C3)連接，并且所述偏壓部分(BVP)的所述第三層(LF)的所述導(dǎo)體軌(12) 通過通孔(1 與偏壓電極(16)連接。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述探測(cè)器板(10 各自包括至少兩個(gè)末端耳狀體(103)。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述采集裝置包括至少一個(gè)循環(huán)積分器。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，包括在暴露于射束的第一板的上游的準(zhǔn)
9.一種用于監(jiān)控強(qiáng)子束的方法，其特征在于使用根據(jù)權(quán)利要求1到8所描述的設(shè)備，其中所述探測(cè)器板于所述強(qiáng)子束的中心軸垂直地定位。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，用于確定展寬布拉格峰的深度劑量分布，包括步驟 (i)引導(dǎo)具有預(yù)定能量的強(qiáng)子束，( )測(cè)量所述強(qiáng)子束的布拉格峰，(iii)改變所述強(qiáng)子束的能量，(iv)重復(fù)步驟(i)到(iii)并且對(duì)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(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中測(cè)量通過從設(shè)備的正面照射設(shè)備來執(zhí)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中測(cè)量通過從設(shè)備的背面照射設(shè)備來執(zhí)行。
13.根據(jù)權(quán)利要求9和10所述的方法，其中測(cè)量通過從正面和背面這兩面照射設(shè)備來執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于強(qiáng)子束的劑量監(jiān)控的設(shè)備，包括由通過氣體填充的間隙來相互分隔的n+1個(gè)平行的探測(cè)器板的串接或?qū)盈B而獲得的n個(gè)連續(xù)的電離室i，每個(gè)探測(cè)器板具有與包括偏壓側(cè)的偏壓部分絕緣的包括收集側(cè)的收集部分，并且以所述收集側(cè)面向后續(xù)探測(cè)器板的所述偏壓側(cè)的方式或相反的方式排布，每個(gè)探測(cè)器板包括m個(gè)材料層Lk，所產(chǎn)生的這些探測(cè)器板的組件形成多個(gè)電離室單元，其特征在于構(gòu)成每個(gè)探測(cè)器板的每個(gè)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(jīng)選定，以便對(duì)于每個(gè)電離室i都滿足公式(I)，其中l(wèi)gi是兩個(gè)探測(cè)器板之間的氣體填充的間隙距離；lk是探測(cè)器板的對(duì)應(yīng)層Lk的厚度；以及WETk是探測(cè)器板的對(duì)應(yīng)層Lk的水等效厚度(WET)。
文檔編號(hào)G01T1/29GK102405423SQ201080012594
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者B·馬爾昌德, C·布魯薩斯科, F·弗列德爾, S·德·紐特 申請(qǐng)人:離子束應(yīng)用股份有限公司