一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统和方法

1.本发明涉及一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统和方法，属于医用气体探测器技术领域，特别涉及带有旋转机架的粒子治疗装置技术领域。


背景技术：

2.粒子治疗装置是用于进行肿瘤及其它适应症的粒子束放射治疗装置。目前的粒子治疗装置采用固定线束放疗技术，该固定线束分别为垂直线束、水平线束和45
°
线束。在医学上为了达到更好的剂量分布，更好地保护入射通道上的重要器官，需要束流可以从多个角度进行入射。相对于常规的固定线束放疗终端，旋转机架终端能够提供更好和更可靠的治疗方案，最大程度地减少对健康敏感器官的辐射剂量。
3.旋转机架终端上的磁场通常依靠常规磁铁大铁芯得到，这导致了旋转机架体积庞大，重量一般在百吨量级，加上高精度的旋转控制要求，机械结构设计难度极大，不利于在医院进行推广。为了便于在医院的安装和使用，旋转机架的尺寸和重量需要尽可能地进行精简设计，这就要求安装在旋转机架上的束诊终端电离室必须进行集成化设计。
4.目前的粒子治疗装置的束诊终端电离室只适用于固定线束放疗终端。一方面，以重离子治疗装置为例，目前终端电离室总共包括两个终端分条电离室和三个剂量电离室，其中分条电离室的分条电极采用的是pcb+敷铜结构工艺，束流穿过的所有电离室电极材料的水等效厚度为2mm左右，具体材料厚度为聚酰亚胺膜：325μm、气隙：126mm、铝：2.5μm、铜：140μm、tu-752：500μm，这使得束流能量损失增大；另一方面，终端电离室与数据采集设备各自分开放置，终端电离室安装在管道支架上，数据采集设备安装在束诊机柜内，这样使得两者之间需要大量的线缆相连接。因此，目前的终端电离室不适合在旋转机架上安装。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统和方法，其减低了束流穿过的有效电极厚度，减少了束流能量损失，可进行束流剂量和束流位置的同步采集。
6.为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统，包括：电离室、数据采集电子学和上位机；电离室，用于对入射的粒子进行电离后产生电流信号；数据采集电子学包括多通道微电流数字化电子学和电荷-频率转换电子学，多通道微电流数字化电子学，用于将电离粒子获得的多通道剂量脉冲计数信号采集后转换为束流位置信息；电荷-频率转换电子学，用于将电离粒子获得的剂量电流信号转换为剂量脉冲计数信号；上位机，用于对多通道微电流数字化电子学上传的束流剂量信息和束流位置信息进行数据处理和显示。
7.进一步，电离室包括室体和电极，电极设置在室体内，室体内填充工作气体，室体上束流入射位置设置入射窗板，室体上束流出射位置设置出射窗板。
8.进一步，电极包括剂量信号极板、分条极板和垫板，剂量信号极板与电荷-频率转
换电子学连接，分条极板与多通道微电流数字化电子学连接，分条极板和剂量信号极板之间设置若干垫板。
9.进一步，剂量信号极板包括双面镀铝聚酰亚胺膜和第一板材框架，双面镀铝聚酰亚胺膜粘合在第一板材框架上。
10.进一步，分条极板包括水平方向分条极板和垂直方向分条极板，水平方向分条极板和垂直方向分条极板之间设置若干垫板。
11.进一步，分条极板由厚单面镀铝mylar膜、第二板材框架和镀铝信号条，厚单面镀铝mylar膜粘合在第二板材框架上，镀铝信号条设置在mylar膜上，镀铝信号条为若干条，各个镀铝信号条之间平行设置，水平方向分条极板的镀铝信号条的方向与水平方向平行，垂直方向分条极板的镀铝信号条的方向与水平方向垂直。
12.进一步，电极还包括至少两个高压极板，一个高压极板设置在剂量信号极板的前方，用于对高压极板加压；另一个高压极板设置在水平方向分条极板和垂直方向分条极板之间，用于对水平方向分条极板和垂直方向分条极板加压。
13.进一步，数据采集电子学还包括辅助功能电子学，辅助功能电子学分别与两个高压极板连接，为剂量信号极板和分条极板提供电压，辅助功能电子学读取电离室内的温湿度传感器和气压传感器的信号，将温湿度传感器和气压传感器的信号传输到多通道微电流数值电子学中。
14.进一步，上位机和多通道微电流数字化电子学之间通过以太网络进行数据通讯。
15.本发明一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测方法，用于上述任一项粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统，包括以下步骤：将电离室准直并安装在粒子治疗装置的旋转机架上，为电离室充入工作气体；将电离室接入以太网络，上位机远程连接电离室，进行数据采集；当束流入射电离室时，电离室的剂量信号板和分条极板分别产生束流的剂量信号和位置信号，并分别传输到电荷-频率转换电子学和多通道微电流数字化电子学，电荷-频率转换电子学；多通道微电流数字化电子学将得到的剂量信息和位置信号与电离室内的位置排列相对应，得到束流在水平方向和垂直方向上的剂量分布和位置分布，计算出束流在相应点上的位置及半高宽，并将这些束流信息数据上传到以太网络中；上位机在以太网中获取到多通道微电流数字化电子学上传的束流信息数据后，进行相应的数据处理和结果显示。
16.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
17.1、本发明中分条电极减低了束流穿过的有效电极厚度，减少了束流能量损失，同时可进行束流剂量和束流位置的同步采集；
18.2、本发明采用了多通道微电流数字化电子学，减小电离室体积、减少设备和线缆数量，使得中断电离室安装在旋转机架上成为可能。
附图说明
19.图1是本发明一实施例中粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统的结构图；
20.图2是本发明一实施例中剂量及位置监测系统的外壳的结构图；
21.图3是本发明一实施例中剂量及位置监测系统的电离室的结构图；
22.图4是本发明一实施例中电离室的电极排布示意图；
23.图5是本发明一实施例中剂量及位置监测系统在粒子治疗装置旋转机架上的安装示意图。
24.附图标记：
25.1-外壳；11-前面板；12-后面板；13-侧板；131-第一进气孔；132第一出气孔；133-电源接口；134-冷却风扇；135-网络接口；2-电离室；21-室体；211-入射窗板；212-出射窗板；213-室体框架；2131-第二进气口；2132-第二出气口；2133-铣槽；2134-高压输入口；2135-高压输出口；2136-温湿度传感器和气压传感器；214-密封圈；22-电极；221-高压极板；222-剂量信号极板；223-分条极板；2231-水平方向分条极板；2232-垂直方向分条极板；224-垫板；225-压板；226-信号引出板；3-数据采集电子学；31-多通道微电流数字化电子学；32-电荷-频率转换电子学；33-辅助功能电子学；4-上位机。
具体实施方式
26.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.为了解决现有技术中存在的束流能量损失增大，以及终端电离室2与数据采集设备各自分开放置，终端电离室2安装在管道支架上，数据采集设备安装在束诊机柜内，两者之间需要大量的线缆相连接等问题。本发明提出了一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统和方法，包括电离室2、数据采集电子学3和上位机4。电离室2由室体21和电极22组成；数据采集电子学3由多通道微电流数字化电子学31、电荷-频率转换电子学32和辅助功能电子学33组成；上位机4和多通道微电流数字化电子学31之间通过以太网络进行数据通讯。其减低了束流穿过的有效电极22厚度，减少了束流能量损失，可进行束流剂量和束流位置的同步采集。
28.实施例一
29.本实施例公开了一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统，如图1所示，包括：外壳1、电离室2、数据采集电子学3和上位机4；
30.如图2所示，外壳1由前面板11、后面板12和侧板13组成；外壳1的前面板11和后面板12均设有开窗，该开窗的面积为64
×
64mm
2-256
×
256mm2，用于束流粒子的入射和出射；后面板12上设有螺纹栓，用于将电离室2和数据采集电子学3固定在后面板12上，外壳1的侧板13有四块：其中一个侧板13设有第一进气孔131和第一出气孔132，另一个侧板13设有电源接口133和冷却风扇134；第三个侧板13设有网络接口135。
31.电离室2，用于对入射的粒子进行电离后产生电流信号，电离室2包括室体21和电极22，电极22设置在室体21内，室体21内填充工作气体，室体21上束流入射位置设置入射窗板211，室体21上束流出射位置设置出射窗板212；
32.数据采集电子学3包括多通道微电流数字化电子学31、电荷-频率转换电子学32和辅助功能电子学33，多通道微电流数字化电子学31，用于将电离粒子获得的多通道电流信号采集后转换为束流位置信息；电荷-频率转换电子学32，用于将电离粒子获得的剂量电流
3mm。铝信号条的条数为64-256根，镀铝信号条的铝层厚度为0.1-0.3μm，宽度为0.8-1.8mm，信号条间的中心距为1-2mm。
38.将分条极板223、压板225和信号引出板226之间紧压，分条极板223的信号通过压板225传输到信号引出板226上；信号引出板226从室体框架213一侧面的铣槽2133中穿出，并使用环氧树脂胶对铣槽2133进行密封；信号引出板226的引出端通过多芯屏蔽线缆与多通道微电流数字化电子学31的信号输入端相连接。
39.多通道微电流数字化电子学31采用前端读出专用集成(asic)芯片开发，实现多路微弱电流数字转换，通过现场可编程逻辑门阵列(fpga)芯片控制asic芯片将分条极板223的多通道信号转换成数字信号，经过数据处理后通过网络协议上传到以太网络中。本实施例中多通道微电流数字化电子学31选择的是128路通道电子学，但不以此为限。
40.电荷-频率转换电子学32将剂量信号极板222的电流信号转换成脉冲频率，再进行信号成形后输出；电荷-频率转换电子学32输出的信号通过单芯信号线传输到多通道微电流数字化电子学31进行信号采集；电荷-频率转换电子学32的积分电容为0.5pc-20pc。
41.辅助功能电子学33采用微型直流变压模块，分别与两个高压极板221连接，为剂量信号极板222和分条极板223提供电压，剂量信号极板222的工作电压为0
‑‑
2000v，分条极板223的工作电压为0-+2000v，辅助功能电子学33读取电离室2内的温湿度传感器和气压传感器2136的信号，通过串行外设接口将温湿度传感器和气压传感器2136的信号传输到多通道微电流数值电子学中。
42.本实施例中工作气体为p10(氩气90％和甲烷10％混合气)或干燥的氮气或空气或氩气等，但不以上述气体为限。
43.实施例二
44.本发明一种粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测方法，用于上述粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测系统，包括外壳1、电离室2、数据采集电子学3和上位机4。外壳1的前面板11和后面板12都设有面积为256
×
256mm2的开窗；电离室2的入射窗和出射窗的有效面积为256
×
256mm2；入射窗和出射窗的窗膜为12.5μm厚双面镀铝聚酰亚胺膜；室体框架213一侧设有进气口和出气口，一侧设有一条2.5mm宽的铣槽2133，另一侧也设有一条2.5mm宽的铣槽2133；
45.高压极板221的有效面积为256
×
256mm2，是由厚度为6μm的双面镀铝聚酰亚胺膜和2mm厚的tu-752板材框架组装制成；绝缘板为2mm厚的tu-752板材框架；剂量信号极板222的有效面积为256
×
256mm2，是由厚度为6μm的双面镀铝聚酰亚胺膜和2mm厚的tu-752板材框架组装制成；
46.分条极板223的有效面积为256
×
256mm2，是由厚度为2μm的单面镀铝mylar膜和2mm厚的tu-752板材框架组装制成；mylar膜的正面有256根镀铝信号条；镀铝信号条的铝层厚度为0.1μm，宽度为0.8mm，信号条间的中心距为1mm；电极22的分条极板223共有两块，分别为水平方向分条极板2231和垂直方向分条极板2232；多通道微电流数字化电子学31选择的是2块256路通道电子学；电荷-频率转换电子学32的积分电容选择的是1pc；
47.辅助功能电子学33为剂量信号极提供-500v的工作电压，为分条极提供500v的工作电压；工作气体为干燥的氮气。
48.用于粒子治疗装置旋转机架的剂量及位置监测方法，包括以下步骤：
49.如图5所示，本实施例中剂量及位置监测系统在粒子治疗装置旋转机架上的安装示意图，根据该安装示意图进行安装，将电离室2准直并安装在粒子治疗装置的旋转机架上，为电离室2充入工作气体；其中，工作气体可以是p10(氩气90％和甲烷10％混合气)或干燥的氮气或空气或氩气等，但不以上述气体为限，本实施例中工作气体的压强为本地环境大气压值+20mbar左右；
50.接通电离室2的电源，通过网线或者无线网络将电离室2接入以太网络，上位机4远程连接电离室2，进行数据采集，数据采集可通过数据采集软件完成；
51.当束流入射电离室2时，电离室2的剂量信号板和分条极板223分别产生束流的剂量信号和位置信号，并分别传输到电荷-频率转换电子学32和多通道微电流数字化电子学31，电荷-频率转换电子学32；
52.多通道微电流数字化电子学31将得到的剂量信息和位置信号与电离室2内的位置排列相对应，得到束流在水平方向和垂直方向上的剂量分布和位置分布，计算出束流在相应点上的位置及半高宽，并将这些束流信息数据上传到以太网络中；
53.上位机4在以太网中获取到多通道微电流数字化电子学31上传的束流信息数据后，进行相应的数据处理和结果显示。
54.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。