本發(fā)明屬于劑量驗證設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于質(zhì)子/重離子治療術(shù)中束流劑量分布測量設(shè)備。
背景技術(shù)：
術(shù)前劑量驗證的原理是使用體模代替病人，在質(zhì)子/重離子終端上采用設(shè)計好的治療計劃進行照射，實際測量質(zhì)子束/重離子束的劑量在體模內(nèi)的空間分布，并和期望的空間分布比對，驗證是否存在偏差，以確保加速器工作在正常狀態(tài)。
質(zhì)子/重離子治癌的術(shù)中及術(shù)后劑量驗證的基本技術(shù)路線是正電子斷層成像(PET)。這一技術(shù)路線的原理如下：質(zhì)子/重離子在入射人體后沉積劑量的地方，會與人體內(nèi)的原子核反應(yīng)，生成正電子衰變核素(如15O，11C，13N等)。這些核素衰變出的正電子在人體內(nèi)濃度的分布代表了質(zhì)子/重離子在人體內(nèi)的劑量分布。正電子斷層成像儀(Positron Emission Tomography,PET)是一種通過符合測量正電子湮滅光子從而對正電子成像的儀器，在臨床上已有幾十年的應(yīng)用歷史，可以用來測量正電子在人體內(nèi)的濃度分布。這種劑量驗證又分為兩種，一種是線下測量，另一種是在線測量。線下測量是病人接受質(zhì)子/重離子照射后，馬上到PET上進行測量。這種測量屬于術(shù)后驗證，所用的PET機器就是做臨床診斷用的PET機器。這種測量有三個主要的缺點：一是病人由于身體的移動，軟的組織器官相比于治療時已經(jīng)會發(fā)生位移和形變，因此PET圖像需要和治療終端的CT圖像進行復(fù)雜的配準(zhǔn)處理，增加了測量結(jié)果處理的難度，同時降低了測量準(zhǔn)確度。二是由于從治療完畢到進行PET掃描需要一定的時間(約20分鐘左右)，這時15O(半衰期2分鐘)基本全部衰變，13N(半衰期10分鐘)絕大部分衰變，所以只能測量到部分11C(半衰期20分鐘)的信息，損失了寶貴的信息。三是臨床PET所使用的重建算法都是針對注射正電子藥物的情況(正電子活度在mCi量級)設(shè)計的，不能很好的適用于質(zhì)子/重離子治療后的低正電子活度的情況，成像的誤差較大，降低了測量的準(zhǔn)確度。這三個缺點限制了線下術(shù)后測量在質(zhì)子重離子治癌劑量驗證方面的應(yīng)用。
在線測量是指研發(fā)專門的PET機器，安裝在質(zhì)子/重離子治療終端上，在照射的同時進行測量。這種測量屬于術(shù)中驗證，可以避免前述線下術(shù)后測量的三個缺點。目前這種技術(shù)尚處于研究階段，只有美國、日本、德國等國外少數(shù)研究機構(gòu)進行了初步的測試，還面臨很多技術(shù)問題，尚未進入臨床應(yīng)用。這種技術(shù)即使成熟后，成本也將非常昂貴。
目前術(shù)中驗證所用的劑量測量儀器主要是在線PET，安裝在質(zhì)子/重離子治療終端上，在照射的同時進行測量，需要建造大型環(huán)狀探測器，體積龐大，價格昂貴，尚未得到廣泛的臨床應(yīng)用。并且并非實時在線測量，做不到真正的同步，需要在治療結(jié)束后進行PET掃描，耗費時間長。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種束流劑量分布測量設(shè)備，其能解決在線劑量監(jiān)測驗證的問題。
本發(fā)明的目的采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種束流劑量分布測量設(shè)備，包括第一層探測器、第二層探測器、第三層探測器、準(zhǔn)直器和信號處理模塊，沿垂直于束流方向依次設(shè)置有第一層探測器、第二層探測器和第三層探測器，所述準(zhǔn)直器安裝于第一層探測器的上方，所述第一層探測器、第二層探測器、第三層探測器和準(zhǔn)直器均與信號處理模塊電性連接；
所述準(zhǔn)直器用于檢測偏離準(zhǔn)直方向的γ光子，所述γ光子包括第一γ光子和第二γ光子，且第二γ光子的能量大于第一γ光子的能量；
所述第一層探測器用于探測X射線以及第一γ光子，并進行正電子模式的符合探測，并將探測到的信號傳輸至信號處理模塊；
所述第二層探測器用于進行第二γ光子的探測，并將探測到的第二γ光子信號傳輸至信號處理模塊；
所述第三層探測器用于進行第二γ光子的探測，并將探測到的第二γ光子信號傳輸至信號處理模塊；
所述信號處理模塊對接收到的各個信號進行處理，并且將處理后的信號傳輸至一計算機處。
優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直器為主動式準(zhǔn)直器。其能進一步解決準(zhǔn)直器的設(shè)置的技術(shù)問題。
優(yōu)選地，所述主動式準(zhǔn)直器為一梳狀的反符合探測器。其能進一步解決主動式準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述信號處理模塊包括依次電性連接的探測信號放大模塊、探測信號處理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。其能進一步解決信息處理模塊所包含的具體模塊。
優(yōu)選地，所述第一層探測器、第二層探測器和第三層探測器均采用閃爍體探測器。其能進一步解決第一層探測器、第二層探測器和第三層探測器所采用的探測器類型。
優(yōu)選地，所述閃爍體探測器采用的材料為BGO材料或者NaI材料或者CsI材料或者GOS材料或者LYSO材料。其能進一步解決閃爍體探測器所采用的材料。
優(yōu)選地，所述第一層探測器、第二層探測器和第三層探測器沿垂直于束流方向依次層疊安裝。其進一步解決了三層探測器的設(shè)置方式。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明的束流劑量分布測量設(shè)備，其能減少劑量驗證時間，提高空間分布驗證精度，避免安裝龐大昂貴的在線PET，去除術(shù)后PET掃描流程，并且本發(fā)明的劑量空間分布驗證精度能夠達到1mm，術(shù)前驗證時間壓縮到15分鐘，在線監(jiān)測時間做到和治療完全同步，不需要多余的驗證時間，并且能夠大幅降低驗證成本。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一種束流劑量分布測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
下面，結(jié)合附圖以及具體實施方式，對本發(fā)明做進一步描述：
本發(fā)明的設(shè)備屬于在線檢測，但是其原理不同于傳統(tǒng)的PET，質(zhì)子/重離子入射人體后，在人體沉積劑量的同時，由于和人體內(nèi)的原子發(fā)生反應(yīng)，一方面會生成正電子衰變核素(11C，15O，13N等)，另一方面則會產(chǎn)生瞬發(fā)的高能γ光子。當(dāng)然，除了以上兩者以外，還有低能的X射線和γ光子。從時間上來看，三種粒子中，只有緩發(fā)的高能γ光子是和質(zhì)子/重離子脈沖的時間最接近的，幾乎沒有延時。X射線和低能γ射線有一定的延時，但強度最強；而正電子的延時最大，強度最弱。正電子衰變形成的是固定能量的雙光子(511keV)，很好甄別，可以用180度方向的一對探測器進行符合測量。
從空間上來看，X射線和低能γ光子是由于次生電子的軔致輻射產(chǎn)生的，因此其發(fā)出的位置已經(jīng)偏離了質(zhì)子/重離子的劑量沉積位置，因此不能通過測量它來測量劑量的空間分布。正電子湮滅發(fā)出511keV的湮滅光子的位置其實也離正電子產(chǎn)生的位置有所偏離，這個偏離主要是由于正電子的射程引起的，它會引起正電子活度空間分布和劑量分布的一個特定的差異。然而由于人體類產(chǎn)生的幾種正電子核素衰變發(fā)出的正電子能量都不高，其射程有限，因此該差異可以通過仔細的實驗測量和相應(yīng)的刻度方法予以減弱乃至消除。而瞬發(fā)高能γ光子是直接從質(zhì)子/重離子沉積劑量的地方發(fā)出的，其空間分布最為精確的代表的劑量的原始分布。
瞬發(fā)高能γ光子在時間上和空間上能最精確代表質(zhì)子/重離子在人體內(nèi)沉積劑量的分布，對于劑量分布的測量來說最為重要；正電子(實際上是正電子發(fā)出的湮滅光子)在時間上有一定滯后，但空間上存在可以校正的差異，配合一定的方法，可以用于測量劑量的空間分布；X射線和低能γ光子在空間上和劑量分布差異較大，不能用于測量劑量分布，反而由于其過高的強度會成為測量瞬發(fā)高能γ光子和正電子的干擾源。
所以本發(fā)明的設(shè)備主要目的在于：(1)從以上各種粒子中精確的測量出瞬發(fā)高能γ光子信號；(2)同時可以利用正電子信號；(3)而排除其他粒子(低能X射線和γ光子)的影響。
考慮到質(zhì)子/重離子在人體類的路徑基本是直線，質(zhì)子/重離子束流的橫截面分布可以術(shù)前通過成像式二維光學(xué)劑量儀精確的測量和驗證來完全確定，那么術(shù)中在線監(jiān)測的主要任務(wù)就可以簡化為對質(zhì)子/重離子束流射程的一維監(jiān)測，而沒有必要直接進行復(fù)雜的3D成像。
如圖1所示，本發(fā)明提供了一種束流劑量分布測量設(shè)備，包括第一層探測器、第二層探測器、第三層探測器、準(zhǔn)直器和信號處理模塊，所述第一層探測器、第二層探測器和第三層探測器依次層疊安裝，所述準(zhǔn)直器安裝于第一層探測器的上方，所述第一層探測器、第二層探測器、第三層探測器和準(zhǔn)直器均與信號處理模塊電性連接；所述第一層探測器、第二層探測器和第三層探測器均采用閃爍體探測器；所述閃爍體探測器采用的材料為BGO材料或者LYSO材料或者NaI材料或者CsI材料或者GOS材料，在此僅僅是列出了這樣幾種材料，其他的與本發(fā)明所羅列的材料近似的都在本發(fā)明所要保護的范圍之內(nèi)。
所述準(zhǔn)直器用于檢測偏離準(zhǔn)直方向的γ光子，所述γ光子包括第一γ光子和第二γ光子，且第二γ光子的能量大于第一γ光子的能量；所述準(zhǔn)直器為主動式準(zhǔn)直器，所述主動式準(zhǔn)直器為一梳狀的反符合探測器；當(dāng)其探測到γ光子的時候，表示出現(xiàn)了一個偏離準(zhǔn)直方向的γ光子入射，這時探測器所有位置處探測到的光子信號均應(yīng)予以剔除。在本實施例中出現(xiàn)的第一γ光子為低能γ光子，第二γ光子為高能γ光子；
所述第一層探測器用于探測X射線以及第一γ光子，并進行正電子模式的符合探測，并將探測到的信號傳輸至信號處理模塊；由于X射線及低能γ光子和物質(zhì)的作用概率大，光電效應(yīng)截面高，容易被第一層探測器完全阻擋，難以進入后兩層探測器，故而只剩下高能γ光子能夠穿越并作用在后面兩層探測器上，然后發(fā)生康普頓散射；而對于正電子湮滅產(chǎn)生的511keV的光子，由于總是成對產(chǎn)生，方向相反，且第一層探測器為晶體陣列的材料，因此可以測量得到正電子模式。
所述第二層探測器用于進行第二γ光子的探測，并將探測到的第二γ光子信號傳輸至信號處理模塊；絕大多數(shù)的高能γ光子會作用在第二層探測器上，發(fā)生康普頓散射；
所述第三層探測器用于進行第二γ光子的探測，并將探測到的第二γ光子信號傳輸至信號處理模塊；散射光子接著進入第三層探測器，在第三層探測器探測，因此，通過判斷那些層探測器輸出的信號，就可以識別X射線及低能γ光子，并將之剔除，只保留高能γ光子的信號；
所述信號處理模塊對接收到的各個信號進行處理，其中各個信號包括X射線、第一γ光子信號、第二γ光子信號和正電子模式信號；所述信號處理模塊包括依次電性連接的探測信號放大模塊、探測信號處理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，并且將處理后的信號傳輸至一計算機處；在計算機處完成劑量分布圖。
本實施例的工作原理：
通過本發(fā)明的束流劑量分布測量設(shè)備來進行束流劑量分布測量的方法包括以下步驟：
步驟1：計算機檢測一束流信號，并判斷束流狀態(tài)，如果處于開啟狀態(tài)，則進入步驟11，如果處于關(guān)閉狀態(tài)，則進入步驟3；
步驟11：通過準(zhǔn)直器來進行束流信號的反符合探測；
步驟2：探測器模塊進行第二γ光子探測，并將探測到的第二γ光子信號傳輸至計算機；步驟2具體包括以下子步驟：
步驟21：通過第一層探測器探測得到X射線信號和第一γ光子信號，并將該X射線信號和第一γ光子信號傳輸至計算機；
步驟22：通過第二層探測器和第三層探測器探測得到第二γ光子信號，并將第二γ光子信號傳輸至計算機；其中在第二層探測器探測得到的信號為第二一γ光子信號，在第三層探測器處探測得到的為第二二γ光子信號；
步驟3：探測器模塊進行正電子模式探測，并將探測到的正電子模式信號傳輸至計算機；
步驟4：計算機對探測得到的第二γ光子信號和正電子模式信號進行信號處理，并得到束流劑量的空間分布；步驟4具體包括以下子步驟：
步驟41：計算機判斷第二γ光子信號的能量是否高于預(yù)設(shè)閾值；如果高于預(yù)設(shè)閾值，則執(zhí)行步驟42；
步驟42：計算機根據(jù)康普頓散射方程計算得到第二γ光子信號的入射方向；計算機根據(jù)探測器的實際情況進行空間建模，使得探測得到的信號能夠有依據(jù)實際的坐標(biāo)情況來進行相應(yīng)的模擬從而得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；
步驟43：計算機根據(jù)第二γ光子信號的入射方向得出第二γ光子信號與束流信號的交點；
步驟44：計算機根據(jù)得到的第二γ光子信號與束流信號的交點和正電子模式信號以得到束流劑量的空間分布。
對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。