新型平板電離室的研制與初步測(cè)試

孫銘言，張偉華，童 騰，李道武，張 易，黃先超，呂 寧

(1.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京市射線成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100049；2.中國(guó)人民解放軍火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

根據(jù)國(guó)際粒子(質(zhì)子)治療協(xié)作委員會(huì)(Particle Therapy Co-Operative Group)提供的數(shù)據(jù),截至2021年2月，中國(guó)在建的粒子治療中心共9家，其中8家為質(zhì)子治療中心。目前質(zhì)子治療束流主要使用兩種傳輸技術(shù)，被動(dòng)散射(passive scattering)與筆形束掃描技術(shù)(pencil beam scanning technique)，兩種技術(shù)的使用均需要對(duì)質(zhì)子束的二維分布與劑量分布進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量[1]。

根據(jù)不同測(cè)量目的，可將用于質(zhì)子束探測(cè)的電離室分為兩類：一種放置在患者靶區(qū)位置用于日常品質(zhì)保證(QA)，另一種放置在治療頭內(nèi)針對(duì)質(zhì)子束流劑量和位置進(jìn)行測(cè)量。日本放射醫(yī)學(xué)研究所(National Institute of Radiological Science, NIRS)[2]開發(fā)了一種由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板和石墨電極制成的多層平板電離室(multilayer ionization chamber, MLIC)，可測(cè)量高達(dá)260 mm的深度劑量分布；美國(guó)M.D.Anderson質(zhì)子治療中心[3]使用由180個(gè)平板電離室組成的IBA Zebra進(jìn)行質(zhì)子深度劑量分布的測(cè)量和日常QA。日本福島醫(yī)科大學(xué) Takahiro Kato等人[4]對(duì)Zebra進(jìn)行品質(zhì)測(cè)試，同時(shí)與Markus電離室比較，在照射野10 cm×10 cm的條件下一致性良好。用于劑量和二維分布監(jiān)測(cè)的有德國(guó)IBA公司生產(chǎn)的IMRT MatriXX點(diǎn)矩陣系統(tǒng)，將電離室組成32×32的平面矩陣，對(duì)束流二維分布進(jìn)行測(cè)量[5]；德國(guó)PTW公司[6]生產(chǎn)的二維平面劑量設(shè)備PTW729，由729個(gè)立方體電離室組成，其中每個(gè)電離室尺寸為5 mm×5 mm×5 mm，有效測(cè)量范圍為27 cm×27 cm；屈偉強(qiáng)等人[7]依靠ELEKTA precise直線加速器6 MeV X射線對(duì)PTW729進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)利用膠片劑量計(jì)進(jìn)行平面劑量驗(yàn)證分析，證明其可行性；意大利國(guó)立衛(wèi)生研究院E.Basile等人[8]設(shè)計(jì)一款分段讀出的透射電離室，利用氣隙和正交的讀出條帶進(jìn)行二維分布采集，有效探測(cè)范圍為10 cm×10 cm; E.Cisbani等人[9]利用27 eV質(zhì)子束對(duì)透射平面電離室進(jìn)行初步測(cè)試，得到了較好的束流二維分布情況。

了解到目前質(zhì)子治療設(shè)施中質(zhì)子束位置與劑量采集多使用國(guó)外研制的探測(cè)器的情況,質(zhì)子治療所用束流能量范圍為75～235 MeV，對(duì)質(zhì)子治療所用的質(zhì)子束流進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)將探測(cè)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，提出一種雙采集極的新型平板電離室。該電離室可以在對(duì)束流影響較小的情況下，針對(duì)束流位置二維分布與劑量信息同時(shí)測(cè)量，解決目前僅就束流單一參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的情況。

1 電離室的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

質(zhì)子通過電離室中的靈敏體積時(shí)，會(huì)與氣體發(fā)生相互作用，在質(zhì)子的徑跡中電離進(jìn)而產(chǎn)生電子離子對(duì)。電子在電場(chǎng)的作用下向收集極移動(dòng)，形成感應(yīng)電流。與傳統(tǒng)平板電離室相比，為了獲得入射粒子束二維分布和劑量信息，該探測(cè)器設(shè)計(jì)了兩個(gè)收集極，分別為位置收集極與劑量收集極。位置收集極是由大小均勻、互相垂直的二維讀出電極條組成，通過探測(cè)每個(gè)電極條上電流信號(hào)的大小，并結(jié)合電極條自身的位置，利用重心法得到入射粒子的位置。另外，由于電離室對(duì)質(zhì)子束的影響較小，可以將位置收集極中每個(gè)電極條上的電流信號(hào)進(jìn)行加和并與劑量收集極進(jìn)行比較，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1.2 電離室結(jié)構(gòu)

電離室總體由三塊高壓電極與兩塊收集電極構(gòu)成，位置采集由相互垂直的兩面鋁膜構(gòu)成，其中每面收集極上平行放置120條矩形電極。劑量采集由與位置采集相同厚度的正方形鋁膜構(gòu)成。電離室結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電離室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ionization chamber structure

電離室的有效探測(cè)范圍為240 mm×240 mm。為了得到較好的耐輻照性能和優(yōu)良的機(jī)械屬性，將聚酰亞胺作為電極的載體，在其兩側(cè)覆蓋0.1 μm厚度的鋁刻蝕條作為讀出電極。240條讀出電極條尺寸為1.9 mm×240 mm，間隙0.1 mm。電極產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)傳遞給電子學(xué)模塊，最終通過UDP通訊協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行處理與顯示。

2 電場(chǎng)模擬

為了保證電離室對(duì)質(zhì)子束流位置采集的準(zhǔn)確性，減小電場(chǎng)波動(dòng)導(dǎo)致的粒子漂移，利用有限元模擬軟件對(duì)位置收集極進(jìn)行建模，得到不同電極條寬度與間距對(duì)電場(chǎng)均勻性的影響，優(yōu)化電離室結(jié)構(gòu)。

2.1 計(jì)算模型及方法

平板電離室局部結(jié)構(gòu)如圖2所示，沿著x方向排列的寬度為W的電極條，彼此間距為D，沿著y方向排列位置收集極與高壓電極間的距離為H。

圖2 電離室位置收集極示意圖Fig.2 Schematic diagram of partial structureof ionization chamber

利用Ansys有限元分析軟件模擬了不同W、D數(shù)值對(duì)電場(chǎng)分布的影響[10]。由于質(zhì)子電離過程只發(fā)生在空氣靈敏體積中，因此只需要對(duì)空氣進(jìn)行網(wǎng)格劃分。電離室的位置收集極由相同結(jié)構(gòu)的電極條平行排列組成，對(duì)電離室位置收集極進(jìn)行局部模擬即可得到整個(gè)位置收集極中不同參數(shù)對(duì)電場(chǎng)均勻性的影響，選取位置收集極中心作為模擬位置起始原點(diǎn)。

2.2 電極條寬度W對(duì)電場(chǎng)的影響

控制電極條間距D為0.25 mm、位置收集極與高壓極的間距H為7 mm、電壓U為2 000 V時(shí)，選取距離位置收集極0.5 mm和1.5 mm處進(jìn)行不同電極條寬度W對(duì)電場(chǎng)的模擬，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著電極條寬度W的增加，電場(chǎng)分布并沒有產(chǎn)生太大變化，且電場(chǎng)的波動(dòng)范圍并不隨著電極條寬度的減小而產(chǎn)生線性變化；由圖3(b)可知，電極條寬度W對(duì)電場(chǎng)波動(dòng)性的影響先減小后增大，但相差都在0.2 V·mm-1，對(duì)粒子漂移影響較小。由于工藝的原因最終選擇電極條寬度W為1.9 mm。

圖3 不同電極條寬度W下x方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.3 The electric field intensity distribution in the x direction under different electrode strip widths

2.3 電極條間距D對(duì)電場(chǎng)的影響

W=1.9 mm、H=7 mm、U=2 000 V時(shí)，選取距離位置收集極0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm處進(jìn)行不同電極條間距D對(duì)電場(chǎng)的模擬，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著模擬位置與電極條距離的增加，電場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，且與電極條寬度W相比，電極條間距D對(duì)電場(chǎng)影響更大，其波動(dòng)范圍隨著電極條間距D的增加而逐漸擴(kuò)大。當(dāng)間距D小于0.25 mm時(shí)，電場(chǎng)波動(dòng)范圍程度較低，因此電離室的電極條間距D設(shè)定為0.1 mm。

圖4 不同電極條間距D下x方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.4 The electric field intensity distribution in the x direction under different electrode strip spacing

3 Geant4模擬計(jì)算

在質(zhì)子束流監(jiān)測(cè)的過程中需要盡量減小質(zhì)子束流能量與位置的影響。Geant4是用于模擬高能物理的開源代碼程序，可供用戶根據(jù)自身需要擴(kuò)展、修改[11]。利用Geant4模擬不同能量質(zhì)子束流穿過探測(cè)器后的橫向散射以判斷探測(cè)器對(duì)質(zhì)子束流位置的影響，利用Geant4和SRIM模擬質(zhì)子束流在不同材料中的布拉格峰位置，進(jìn)而計(jì)算探測(cè)器的水等效厚度以判斷探測(cè)器對(duì)質(zhì)子束流能量的影響。Geant4模擬流程如圖5所示。

圖5 Geant4模擬流程圖Fig.5 Geant4 simulation flow chart

3.1 質(zhì)子束水平散射

質(zhì)子進(jìn)入探測(cè)器后與探測(cè)器發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水平方向的散射，利用Geant4模擬質(zhì)子束流穿過探測(cè)器后的水平散射以分析探測(cè)器對(duì)質(zhì)子束流位置的影響。在探測(cè)器后設(shè)置靈敏探測(cè)器接收粒子位置信息，橫向散射σ為采集到同一方向質(zhì)子位置的最大值與最小值之差。

如圖6所示，在距離探測(cè)器中心50 mm位置處設(shè)置半徑為0.01 mm呈高斯分布的平面源，并設(shè)定質(zhì)子束能量范圍為70～250 MeV。計(jì)算結(jié)果列于表1，隨著質(zhì)子束能量的增加，橫向散射范圍不斷減少，且遠(yuǎn)小于電極條寬度，因此電離室對(duì)質(zhì)子束二維分布影響較小。

圖6 質(zhì)子束水平散射Geant4模擬模型圖Fig.6 Geant4 simulation model of protonbeam horizontal scattering

表1 不同能量下質(zhì)子束的橫向散射σTab.1 Lateral scattering σ of proton beamsat different energies

3.2 探測(cè)器對(duì)質(zhì)子束流能量的影響

質(zhì)子進(jìn)入靶物質(zhì)后沉積最大能量的位置稱為質(zhì)子的布拉格峰，醫(yī)學(xué)利用布拉格峰對(duì)腫瘤進(jìn)行放射治療。通過模擬質(zhì)子在不同材料中的布拉格峰位置，計(jì)算探測(cè)器的水等效厚度，研究電離室對(duì)質(zhì)子束流能量的影響。

質(zhì)子束在不同介質(zhì)中的布拉格峰位置R隨著質(zhì)子入射能量E的變化而變化。對(duì)于同一介質(zhì)，R與E成冪函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為R=αEp[12]。通過模擬不同能量質(zhì)子束在不同介質(zhì)中布拉格峰的位置R可知，在不同介質(zhì)中，p值大致相同。R水/R介質(zhì)與入射能量E無關(guān)，為了保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用SRIM與Geant4在相同條件下模擬得到質(zhì)子在不同物質(zhì)中的布拉格峰位置。不同軟件模擬得到電離室構(gòu)成物質(zhì)的R水/R介質(zhì)值列于2。

表2 水與不同介質(zhì)布拉格峰位置之比和不同介質(zhì)厚度Tab.2 Ratio of water to different media Bragg peakpositions and different media thicknesses

對(duì)于非均勻介質(zhì)電離室而言，水等效厚度修正公式為：

WED=R水/R鋁×d鋁+R水/R聚酰亞胺×

d聚酰亞胺+R水/R空氣×d空氣

(1)

式中，d鋁、d聚酰亞胺…分別代表不同介質(zhì)的厚度[13]。分別帶入兩組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到水等效厚度為203.2 μm(Geant4)、196.1 μm(SRIM)。兩種軟件得到的結(jié)果差距在4%之內(nèi)，差距較小。通過水等效厚度可以知道質(zhì)子束在穿過探測(cè)器之后的能量損失。圖7為SRIM模擬100 MeV能量質(zhì)子在水中的布拉格峰位置，模擬結(jié)果布拉格峰位置為76.1 mm。電離室的水等效厚度處于μm量級(jí)，證明了電離室對(duì)質(zhì)子束的影響較小。

圖7 100 MeV能量質(zhì)子在水中的布拉格峰位置Fig.7 Bragg peak position of 100 MeVenergy proton in water

4 電離室實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 電子學(xué)噪聲測(cè)試

在沒有放射源的環(huán)境中分別對(duì)電子學(xué)系統(tǒng)噪聲及其連接電離室后的系統(tǒng)噪聲進(jìn)行測(cè)試，采集所有通道的數(shù)據(jù)信息，結(jié)果如圖8所示。

圖8 探測(cè)器系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲Fig.8 Electronic noise in detector systems

從圖8可以看出，當(dāng)僅連接電子學(xué)部分，本底噪聲較為平穩(wěn)，最大值為0.482 nA。連接電離室后，本底噪聲增加，波動(dòng)性變大，這是由于不同電極條性能差異導(dǎo)致，如電極條表面的平整度、電極條與數(shù)據(jù)線連接處的緊密度、焊點(diǎn)的虛實(shí)程度等。但無論是否連接電離室，電子學(xué)系統(tǒng)的本底噪聲都在nA水平，滿足高能質(zhì)子束流的測(cè)量需求。

4.2 束斑位置采集測(cè)試

對(duì)于束斑位置的采集，分別使用中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的450 kV X射線管、6 MeV脈沖加速器產(chǎn)生的X射線束和北京大學(xué)串列加速器產(chǎn)生的10 MeV質(zhì)子束進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)所用450 kV X射線管為Y.TU 450-F02雙極金屬陶瓷X射線管。X射線管靶材為鎢靶，最大管電壓為450 kV，最大管電流為10 mA，出射X射線經(jīng)過準(zhǔn)直在豎直方向的出射角為10°。利用紅外線定位測(cè)量?jī)x使得X射線機(jī)出射口與電離室中央位置平齊。

實(shí)驗(yàn)過程中將X射線管電壓設(shè)置為300 kV，電流設(shè)置為10 mA，束流準(zhǔn)直器寬度為1 cm，利用ORTEC556 H高壓電源為電離室提供1 500 V的電壓，電離室的積分時(shí)間設(shè)置為0.1 ms，利用導(dǎo)軌對(duì)X射線管進(jìn)行上下平移，主要針對(duì)y方向電極條進(jìn)行測(cè)試；X光機(jī)經(jīng)過限束光闌準(zhǔn)直后光束為矩形，利用鉛磚放置在電離室前進(jìn)行屏蔽，主要針對(duì)y方向電極條進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 450 kV實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 450 kV test results

由圖9(a)、(b)可知，隨著光機(jī)上移4 cm，束流顯示上升了20個(gè)通道，一個(gè)通道代表一個(gè)電極條，電極條與間隙總和寬度為2 mm，與光機(jī)上移位置相匹配,初步證明了電離室豎直方向位置采集的可行性。由圖9(e)可知，當(dāng)利用鉛磚對(duì)電離室左側(cè)進(jìn)行遮擋時(shí)，僅有右側(cè)采集到數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。初步證明了電離室水平方向位置采集的可行性。

上面的實(shí)驗(yàn)證明了電離室對(duì)連續(xù)束流采集的可行性，為了進(jìn)一步測(cè)試電離室對(duì)脈沖束流的采集，利用中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所內(nèi)的脈沖加速器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中脈沖頻率為80 Hz，產(chǎn)生X射線強(qiáng)度為6 MeV，電離室的工作電壓為1 500 V，積分時(shí)間設(shè)置為20 ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，采集到的束流信息為5個(gè)電極條寬度，即1 cm，與束流準(zhǔn)直器寬度相符，初步證明了電離室對(duì)于脈沖束流采集的可行性。

圖10 脈沖加速器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of pulsed accelerator

利用北京大學(xué)串列加速器產(chǎn)生的能量為10 MeV、束流強(qiáng)度為0.13 nA的質(zhì)子束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用準(zhǔn)直器將出射束流的直徑設(shè)置為1 cm，電離室的工作電壓為1 500 V，積分時(shí)間為0.1 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 質(zhì)子束流實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Proton beam experiment results

由圖11可以看出，電離室成功采集到10 MeV能量質(zhì)子束流，并進(jìn)行顯示。但從二維顯示中僅能得到束流x、y方向?qū)挾刃∮?1個(gè)電極條寬度。為了精確獲得采集到的束流信息，將x、y方向探測(cè)器采集到的信號(hào)進(jìn)行提取，利用Origin進(jìn)行繪圖[14]，結(jié)果如圖12所示。

圖12 x、y方向探測(cè)器信號(hào)Fig.12 x,y direction detector signal

從圖12(a)中可以看出，x方向70～75通道采集到束流信號(hào)共5個(gè)電極條，即1 cm寬度。圖12(b)中可以看出，y方向55～60通道采集到束流信號(hào)共6個(gè)電極條，即1.2 cm寬度。55～60通道采集到的信號(hào)強(qiáng)度較低，一個(gè)電極條寬度與間隙共2 mm，束流照射的寬度小于2 mm，導(dǎo)致電極條采集到信號(hào)，但信號(hào)幅度不大，共有6個(gè)電極條采集到信號(hào)的情況出現(xiàn)。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明我們?cè)O(shè)計(jì)的多陽(yáng)極平板電離室能夠針對(duì)連續(xù)束流與脈沖束流進(jìn)行采集。

5 結(jié)論

本文利用蒙特卡羅和Ansys有限元方法對(duì)研制電離室參數(shù)進(jìn)行模擬，分析不同電極條寬度和電極條間距對(duì)電場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，電極條寬度與電場(chǎng)變化幅度沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，電場(chǎng)在y方向的變化幅度會(huì)隨著電極條間距的縮小而減少，最終選擇電極條寬度為1.9 mm，電極條間距為0.1 mm。同時(shí)針對(duì)70～250 MeV能量質(zhì)子束穿過電離室后的橫向散射和電離室本身的水等效厚度進(jìn)行計(jì)算，束流橫向散射較小，水等效厚度處于μm量級(jí)，電離室對(duì)質(zhì)子束流位置與能量影響較小。利用YXLON 450 kV X射線管、6 MeV脈沖加速器，北京大學(xué)質(zhì)子束對(duì)電離室位置采集進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電離室能夠采集連續(xù)X射線與脈沖X射線，對(duì)于10 MeV質(zhì)子束流也能成功采集。

下一步準(zhǔn)備針對(duì)75～235 MeV質(zhì)子放療水平的質(zhì)子束流進(jìn)行位置與劑量采集測(cè)試，同時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)對(duì)電離室劑量測(cè)量進(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)平滑方法，提高二維顯示質(zhì)量，提高探測(cè)器位置采集的分辨率。