一种用于粒子治疗装置的超薄束流剖面探测系统的制作方法

1.本发明涉及一种质子、碳离子及轻子治疗装置技术领域，特别是关于一种用于粒子治疗装置的超薄束流剖面探测系统。


背景技术：

2.质子、碳离子及轻粒子治疗肿瘤技术是一种疗效显著，且具有很大发展潜力的肿瘤治疗手段。其用于放射治疗既有生物学优势，又有剂量分布优势bragg峰(离子能量大部分沉积在射程的末端)，能实现在临床照射治疗中高精度(毫米量级)，高疗效和高安全性。目前在世界范围内粒子治疗装置数量迅速增加，相关技术也日新月异。
3.粒子治疗装置的束流配送系统需要按照治疗计划系统的要求改变束流的参数并将束流照射到预期的位置。无论采用什么样的束流配送方式，粒子治疗装置均采用扫描磁铁实现大野照射。束流在进入扫描磁铁前的位置或包络发生微弱变化会被扫描磁铁放大，会对扫描后的束流产生比较明显的影响，进而影响束流配送的精度。特别是在使用旋转机架实现多种入射角度治疗时，进入旋转机架的束流参数发生微弱的变化多会被旋转机架放大，进而对束流配送的准确性产生较大的影响。为了防止上述问题的发生，一些粒子治疗装置都要在扫描磁铁前或束流进入旋转机架前安装一种用于束流位置和束流剖面监测的探测器系统，用于实时的监测束流状态，在束流位置或fwhm(半高全宽)超过阈值时发出联锁信号。同时用于监测束流的探测不能对束流的能量和能量分散产生较明显的影响，否则会影响束流的品质。
4.基于上述考虑,目前粒子治疗装置多采用的方式有束晕间接测量和薄电离室测量两种方法监测束流位置及束流的fwhm。通过束晕监测束流的位置既不会对束流本身产生任何影响，同时还有很高的灵敏度。但对束流的剖面信息是通过束晕测量结果推算出来的，并非直接测量，且探测器系统比较复杂。采用电离室监测束流位置和半高全宽，需要真空隔离并充入工作气体。即便是采用耐压能力较强的ti膜进行真空隔离，也需要厚度达到50μm左右。束流在穿过这些膜时会发生库伦相互作用使束流的能量分散增加，到达等中心点的束斑尺寸增加，影响治疗精度。


技术实现要素：

5.针对现有粒子治疗装置通过扫描磁铁将束流扫描到较大范围来实现大野治疗。进入扫描磁铁前的束流，特别是在使用旋转机架的装置中，束流的位置或fwhm发生的变化会在传输中被放大，进而对束流的配送精度产生较明显影响的问题，本发明的目的是提供一种用于粒子治疗装置的超薄束流剖面探测系统，其既能够实时的监测束流位置和剖面信息，同时不会对束流的性能产生实质影响。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于粒子治疗装置的超薄束流剖面探测系统，其包括薄膜、加速丝网、微通道板、信号读出阳极板和支架；所述薄膜用于产生二次电子，放置在束流方向；所述加速丝网用于对二次电子进行加速，位于所述薄膜的下
部，与所述薄膜一起固定在所述支架的顶部；所述微通道板固定在所述支架的底部，与所述薄膜之间形成漂移电场，加速后的二次电子经所述漂移电场到达所述微通道板进行放大；所述信号读出阳极板设置在所述微通道板的下方，与所述微通道板一起固定在所述支架的底部；用于收集放大后的二次电子产生电流信号，将该电流信号传输至位于所述探测系统外部的多通道电流数字转换电路后记录，实现对束流的位置及包络信息测量。
7.进一步，所述在薄膜上施加负高压，所述加速丝网和微通道板上施加负电压，所述微通道板的上表面与下表面之间具有电压差。
8.进一步，所述微通道板的上表面负电压低于所述加速丝网上的负电压。
9.进一步，所述微通道板的下表面为接近0v的负电压或为0v。
10.进一步，所述薄膜采用碳膜、铝膜或塑料膜制作而成，厚度在0.2～20微米量级。
11.进一步，所述薄膜的上表面镀有一层易于提升二次电子产额的材料。
12.进一步，所述加速丝网采用垂直交叉丝网，其由固定框架和设置在所述固定框架内的额垂直交叉的丝网电极构成。
13.进一步，所述信号读出阳极板的上表面有效面积范围内设置有阳极读出电极，该阳极读出电极采用条状或矩形。
14.进一步，所述薄膜与束流之间具有预先设定的角度。
15.进一步，所述信号读出阳极板与所述微通道板之间具有距离。
16.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明基于粒子束流与薄膜相互作用产生二次电子的原理来实现对束流位置和fwhm进行实时的监测。使用这一原理可以让探测器直接工作于真空环境中，同时薄膜不会对束流的性能产生实质的影响。
附图说明
17.图1是本发明实施例中的探测系统整体结构示意图；
18.图2是本发明实施例中的加速丝网(垂直交叉丝网)结构示意图；
19.图3是本发明实施例中的信号读出阳极板结构示意图；
20.图4是本发明实施例中的分条电离室测量束流水平方向投影示意图；
21.图5是本发明实施例中的超薄束流剖面探测器测量水平方向束流投影示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.本发明的超薄束流剖面探测系统采用微米量级或更薄的膜与束流相互作用产生二次电子来实时测量粒子治疗装置到达终端扫描磁铁前或进入旋转机架前的束流包络和
位置，对束流的性能产生的影响几乎可以忽略，其测量结果可以作为束流品质的实时监测被纳入联锁保护来保证机器的束流品质。其中，超薄为≤20微米的等效水。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
25.在本发明的一个实施方式中，如图1所示，提供一种用于粒子治疗装置的超薄束流剖面探测系统，其包括薄膜1、加速丝网2、微通道板3、信号读出阳极板4和支架5。其中：
26.薄膜1，用于产生二次电子，放置在束流方向，并与束流之间具有预先设定的角度；
27.加速丝网2，用于对二次电子进行加速；位于薄膜1的下部，与薄膜1一起固定在支架5的顶部；
28.微通道板3，固定在支架5的底部，与薄膜1之间形成漂移电场，加速后的二次电子经漂移电场到达微通道板3的上表面，由微通道板3进行放大；
29.信号读出阳极板4，设置在微通道板3的下方，与微通道板3一起固定在支架5的底部，并与微通道板3之间具有距离；用于收集放大后的二次电子产生电流信号，通过传输线缆将该电流信号传输至位于探测系统外部的多通道电流数字转换电路后记录，实现对束流的位置及包络信息测量。
30.上述实施例中，在薄膜1上施加负高压，加速丝网2和微通道板3上施加负电压，且微通道板3的上表面负电压低于加速丝网2上的负电压，微通道板3的下表面为接近0v的负电压或为0v。其中，微通道板3的上表面与下表面之间具有电压差，该电压差需满足预先设定的要求，以满足使用需求。例如，当微通道板3采用单层结构时，其上下表面的压差为600～1000v之间；微通道板3采用双层结构构成时，其上下表面的压差为1200～2000v之间，即可满足使用需求。
31.使用时，将用于产生二次电子的薄膜1与束流成一定角度放置。束流经过薄膜1后产生二次电子，经过加速丝网2加速后，再经过漂移电场到达微通道板3的上表面，经过微通道板3放大后被信号读出阳极板4收集产生电流信号后就能得到束流剖面在水平和垂直方向的投影。
32.在一个优选的实施例中，薄膜1可以采用碳膜、铝膜、塑料膜或其它金属膜制作而成，厚度在零点几至几微米量级或更薄，例如可以为0.2
‑
20微米等效水，优选为0.5微米。
33.上述实施例中，可以在薄膜1上表面镀上一层二次电子产额较多的材料，例如csi(tl)，来增加二次电子的产额。
34.使用时，若薄膜1与微通道板3之间的漂移电场足够大时，比如达到10kv的量级，则可以省去加速丝网2，二次电子在薄膜1上产生后直接在漂移电场(该漂移电场为强电场)作用下加速漂移到微通道板3的上表面，进而被放大。
35.在一个优选的实施例中，如图2所示，加速丝网2可以采用垂直交叉丝网，其由固定框架2
‑
1和设置在固定框架2
‑
1内的额垂直交叉的丝网电极2
‑
2构成。使用时，通过加速丝网2对刚产生的二次电子进行加速，使其能够快速到达微通道板3的上表面，且二次电子不会扩散的比较大。
36.在一个优选的实施例中，信号读出阳极板4与微通道板3之间的距离可以是0.2mm～5mm范围内的任意一个值。
37.在一个优选的实施例中，信号读出阳极板4的上表面有效面积范围内设置有不同形状的阳极读出电极，该阳极读出电极可以采用条状、矩形或者其它形状组成的阵列。
38.上述实施例中，如图3所示，为信号读出阳极板4的典型结构。该信号读出阳极板4包括阳极读出电极4
‑
1和pcb板4
‑
3，阳极读出电极4
‑
1均布在pcb板4
‑
3顶层，且阳极读出电极4
‑
1采用条状电极和矩形电极构成，相邻的两个条状电极之间设置有矩形电极，条状电极与矩形电极布置方向不同。pcb板4
‑
3顶层和背面的周边都设置有焊盘4
‑
2，并在pcb板4
‑
3顶层和背面的两端设置有信号走线4
‑
4，信号走线4
‑
4与焊盘4
‑
2连接；pcb板4
‑
3上还设置有过孔4
‑
5。使用时，阳极读出电极4
‑
1经由过孔4
‑
5将产生的电流信号传输到pcb板4
‑
3的背面后，再由两端的信号走线4
‑
4直接连接到焊盘4
‑
2，引出到电流数字转换电路。
39.实施例：
40.在本实施例中，用于产生二次电子的薄膜1与束流之间成45度角度放置。束流经过薄膜1后产生二次电子，经过加速丝网2加速后，再经过漂移电场到达微通道板3的上表面，经过微通道板3放大后被信号读出阳极板4收集产生电流信号后就能得到束流剖面在水平和垂直方向的投影。
41.在本实施例中，薄膜1上施加
‑
5000v高压，加速丝网2上施加
‑
3000v电压，微通道板3的上表面施加
‑
900v电压，微通道板3的下表面施加0v电压。
42.且薄膜1采用0.5微米的mylar膜，并在薄膜1的表面镀有0.2微米的csi(tl)，来增加二次电子的产额。
43.用于信号读出阳极板4与微通道板3的下表面之间的距离为2mm。
44.信号读出阳极板4的pcb板4
‑
3上的一个方向采用条状电极，另一个方向采用矩形电极从pcb板4
‑
3的背面引出信号。两个方向各有50路信号，有效面积为50mm
×
50mm。由于二次电子产生、漂移和微通道板3的放大都会产生横向的扩散，使得测量结果比束流的实际分布大。为了得到真实的束流分布结果，在本实施例中采用分条电离室和超薄束流剖面探测器对照测量不同尺寸束流剖面(如图4、图5所示)，并使用这些数据训练机器学习网络，在实际测量中使用机器网络进行还原，得到束流的真实分布。
45.上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。