Устройство для мониторинга параметров пучка ионов


 


Владельцы патента RU 2520940:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) (RU)

Изобретение относится к способам и устройствам определения положения и интенсивности пучка заряженных частиц. Устройство для мониторинга параметров пучка ионов содержит сцинтиллятор, установленный перпендикулярно направлению пучка ионов, фотоприемники, расположенные равномерно по периметру сцинтиллятора, схему регистрации и обработки сигналов с фотоприемников, при этом сцинтиллятор выполнен в виде дискообразной светонепроницаемой камеры, а фотоприемники установлены в отверстиях, выполненных в ее боковой стенке, и снабжены светофильтрами, прозрачными для инфракрасного излучения, при этом сцинтиллятор вместе с фотоприемниками заключен в герметичную оболочку с отверстиями для впуска и выпуска сцинтиллирующего газа. Технический результат - повышение точности определения координат пучка и быстродействие системы мониторинга. 1 ил.

 

Изобретение относится к способам и устройствам определения положения и интенсивности пучка заряженных частиц и может быть использовано для мониторинга в живом времени параметров пучка на установках ионной радиотерапии.

В настоящее время интенсивно развиваются методы радиотерапии опухолей с помощью пучков ионов высокой энергии, получаемых на ускорителях.

Наиболее перспективным направлением ионной радиотерапии является так называемый метод «карандашного» сканирования (pencil-beam), заключающийся в том, что пучок протонов или ионов малого (2-10 мм) диаметра перемещают по пациенту таким образом, чтобы локально облучать каждую точку заданной области. Дозу облучения в каждой точке рассчитывают так, чтобы получить желаемый биологический эффект. Совокупности координат, энергии и интенсивности пучка в каждой облучаемой точке составляют план облучения и должны непрерывно контролироваться при проведении лечебной процедуры. Эта функция реализуется системой мониторинга дозы, в которой используются различные способы и устройства для детектирования излучений.

В первом протонно-ионном комплексе для радиотерапии рака, построенном в Гейдельберге (Германия), для измерения координат и интенсивности пучка используют способ мониторинга параметров пучка, заключающийся в том, что с помощью многопроволочной ионизационной камеры, установленной на оси пучка, детектируют заряженные частицы, усиливают и оцифровывают токовые сигналы с проволочек камеры и подают их на компьютеризованную схему обработки для определения текущих координат и значения дозы (G Kraftetal. Heavyiontherapyat GSI. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 367, Issues 1-3, (1995), p.66-70).

Система мониторинга пучка включает сканирующее устройство для развертывания пучка по поверхности мишени, несколько многопроволочных ионизационных камер и устройство обработки сигналов и управления работой системы.

Каждая из ионизационных камер содержит газонаполненный корпус, в полости которого установлены анод, выполненный в виде расположенных в плоскости параллельных проволочек (диаметр 0.02 мм, расстояние между проволочками 2 мм), и катод, выполненный в виде координатной сетки из проволочек (диаметр - 0.05 мм, шаг - 1.5 мм). Зазор между анодом и катодом - 5 мм, рабочее напряжение - 2.5 кВ, размер активной поверхности камеры - 90×90 мм2. Камера наполнена смесью Ar+CO2 в соотношении 10 к 90, установлена в боксе, который можно перемещать по направлению пучка.

Первичные электроны, создаваемые за счет ионизации частицами пучка молекул газа, дрейфуют по направлению к аноду, лавинообразно размножаясь при этом за счет вторичной ионизации, а ионы дрейфуют к катодным проволочкам, оседая на которых, обусловливают появление на них токовых сигналов, которые после усиления и оцифровки подаются на схему обработки для построения изображения и вычисления дозы.

Недостатками известной системы мониторинга являются невысокая точность определения координат и малый размер регистрационного поля, поскольку технически сложно создать координатную сетку достаточно больших размеров с малым шагом (менее 1 мм).

Кроме того, вследствие присущего ионизационным камерам довольно большого «мертвого времени» (около 80 мс), известные способ и устройство могут работать только в пучках относительно малой интенсивности, что приводит к нежелательному увеличению длительности лечебной процедуры.

Известны так называемые «пиксельные» ионизационные камеры, также позволяющие получать информацию о координатах пучка (S.Bellettietal. Pixel segmented ionization chamber for therapeutical beams of photons and hadrons, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 461 (2001), p.420-421).

По сравнению с многопроволочными пропорциональными камерами пиксельные камеры более технологичны, менее трудоемки в производстве, характеризуются высоким быстродействием, однако их недостатком является также недостаточно высокая точность определения координат.

В клинической практике известна относительно простая система мониторинга параметров пучка с помощью установленного на его пути экрана, флуоресцирующего под действием излучения. Изображение светящегося пятна просматривается камерой на основе ПЗС матрицы и с помощью компьютера анализируется на предмет определения текущих параметров облучения. (A.L. Lomax, et al., Med. Phys. 28 (2001) 317;] H.P. Bijl, et al., Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 52 (2002), 205).

Одним из недостатков системы с использованием флуоресцентного экрана является малый и нелинейный световыход последнего, что обусловливает невысокую точность определения координат.

Кроме того, экраны обладают длительным послесвечением, так что при изменении положения пучка последовательные изображения накладываются друг на друга, что снижает точность определения координат пучка, а также быстродействие системы мониторинга.

Указанные недостатки частично устранены в так называемых газовых усилителях электронов (gas electron multipliers - GEM) (см. например, Е. Seravalli at al., A scintillating gas detector for 2D dose measurements in clinical carbon beams, Phys. Med. Biol. 53 (2008) 4651-4665).

В газовых усилителях электронов, в отличие от многопроволочных камер, сильные электрические поля создаются не вблизи проволочек, а в микроскопических отверстиях, выполненных в тонком полимерном слое. В этих отверстиях происходит лавинное размножение электронов, которые затем выводятся из отверстий и собираются соответствующим коллектором. В процессе лавинного размножения электронов и их взаимодействия с газовым наполнением отверстий в последних происходит свечение газа с образованием изображения пучка, которое просматривается ПЗС камерой. В GEMax, таким образом, регистрируется два типа сигналов - токовый и оптический, что безусловно повышает информативность системы.

Являясь более совершенной модификацией пиксельных ионизационных камер, GEMbi, однако, сохраняют и их основные недостатки - малый размер регистрационного поля и недостаточно высокую точность определения координат пучка.

Известен простой сцинтилляционный способ мониторинга пучка гамма-квантов (патент US №3854047, МПК G01T 1/20, опубликован 10.12.1974 г.), заключающийся в том, что на пути пучка устанавливают слой материала, сцинтиллирующего при прохождении через него излучения, регистрируют сцинтилляции фотоприемниками, расположенными равномерно по окружности вокруг пучка в плоскости сцинтиллирующего слоя, измеряют амплитуды сигналов с фотоприемников, после чего на основе полученной информации по известному алгоритму вычисляют полярные координаты зарегистрированной сцинтилляции.

Устройство, реализующее указанный способ, содержит единичный твердотельный сцинтиллятор цилиндрической формы с полированными поверхностями, ряд фотоумножителей, установленных равномерно по окружности на боковой поверхности сцинтиллятора и сочлененных с последним посредством оптических контактов, схему обработки сигналов с фотоумножителей и управления работой системы.

Работает устройство следующим образом.

Гамма-кванты, проходящие через сцинтиллятор, инициируют в нем сцинтилляции, которые регистрируются фотоумножителями. Сигналы с последних поступают на схему обработки, где их амплитуды измеряются и запоминаются вместе с номерами соответствующих фотоприемников, после чего на основе накопленных данных по заданному алгоритму рассчитываются координаты места возникновения сцинтилляций.

Применительно к ионным пучкам основным недостатком известной системы является значительное ослабление интенсивности пучка веществом сцинтиллятора. Так, при энергии ионов углерода C+6 120 МэВ/нуклон толщина сцинтиллятора, приемлемая с точки зрения ослабления пучка, должна быть эквивалентна слою воды толщиной не более 1.5 мм. Поскольку плотность твердых и жидких сцинтилляторов заведомо больше плотности воды, очевидно, что состыковать известные фотоприемники с боковой поверхностью такого сцинтиллятора практически невозможно.

Кроме того, из-за многократных переотражений света в сцинтилляторе обратно пропорциональная зависимость зарегистрированной амплитуды сцинтилляции от расстояния искажается, в силу чего точность измерения координат невысока.

Известны сцинтилляторы на основе благородных газов (см. например: L.М.Р. Fernandes et al, Primary and secondary scintillation measurements in a Xenon Gas Proportional Scintillation Counter, JINST 5 (2010);C.M.B. Monteiro et al., Secondary scintillation yield in pure argon, Phys. Lett. В 668 (2008) 167).

До недавнего времени считалось, что в благородных газах сцинтилляции с достаточно высоким для их регистрации световыходом происходят, преимущественно, в области дальнего ультрафиолета, для регистрации которого в настоящее время нет соответствующих фотодетекторов. Как следствие, применение благородных газов в качестве сцинтилляторов для систем мониторинга возможно только при условии применения в детекторах специальных материалов - преобразователей спектра. Такие материалы известны, однако в процессе преобразования спектра неизбежны потери света, обусловливающие ухудшение соотношения сигнал/шум и, как следствие, снижение точности измерений.

Кроме того, необходимость использования преобразователей спектра усложняет конструкцию детектора и связано с рядом технологических трудностей при его изготовлении.

Вместе с тем результаты недавнего детального исследования сцинтилляций в благородных газах, выполненного группой сотрудников ИЯФ СО РАН при участии авторов (см. A. Bondar, A. Buzulutskov, A. Dolgov, A. Grebenuk, S. Peleganchuk, V. Porosev, L. Shekhtman, E. Shemyakina, A. Sokolov. Study of infrared scintillations in gaseous and liquid argon. Part II: light yield and possible applications. 2012 JINST 7 P06014), показали, что в определенных условиях благородные газы с высоким световыходом сцинтиллируют в ближней инфракрасной области спектра. Сцинтилляции в указанном диапазоне легко регистрируются современными фотодетекторами, что открывает перспективу создания газовых сцинтилляционных детекторов для систем мониторинга пучков заряженных частиц в ионотерапии.

Наиболее близким по техническим признакам к заявляемому устройству является вышеописанное устройство по патенту US №3854047.

Задачей предлагаемого изобретения является создание относительно простой по конструкции системы мониторинга параметров ионных пучков, реализующей усовершенствованный сцинтилляционный способ регистрации заряженных частиц.

Техническими результатами изобретения являются высокие точность определения координат пучка и быстродействие системы мониторинга.

В качестве сцинтиллирующего материала в способе используют благородные газы из ряда: аргон, криптон, ксенон и/или их смеси при нормальных давлении и температуре.

Поставленная задача решена тем, что в известном устройстве, содержащем сцинтиллятор, установленный перпендикулярно направлению пучка ионов, два и более фотоприемников, расположенных равномерно по периметру сцинтиллятора, схему регистрации и обработки сигналов с фотоприемников, согласно изобретению сцинтиллятор выполнен в виде дискообразной светонепроницаемой камеры, а фотоприемники установлены в отверстиях, выполненных в ее боковой стенке, и снабжены прозрачными для инфракрасного излучения светофильтрами, при этом сцинтиллятор вместе с фотоприемниками заключен в герметичную оболочку с отверстиями для впуска и выпуска сцинтиллирующего газа.

В качестве сцинтиллирующего газа используют благородные газы из ряда: аргон, криптон, ксенон и/или их смеси при нормальных давлении и температуре.

На нижеприведенном рисунке приведено схематическое изображение устройства для мониторинга параметров пучка.

Устройство содержит герметичную оболочку 1 с впускным 2 и выпускным 3 отверстиями, камеру 4, фотоприемники 5 с ИК-светофильтрами 6, схему регистрации и обработки сигналов (не показана).

Устройство работает следующим образом.

Камеру 4 с фотоприемниками 5, заключенные в оболочку 1, располагают на пути пучка ионов перпендикулярно направлению последнего, оболочку 1 подсоединяют через отверстия 2, 3 к источнику и приемнику сцинтиллирующего газа. После прогрева и тестирования схемы обработки включают прокачку газа через оболочку и подают на устройство пучок ионов.

Ионы пучка, взаимодействуя с газовым наполнением камеры, инициируют в газе сцинтилляции, свет которых фильтруется ИК-светофильтрами 6 и регистрируется сборкой фотоприемников. Сигналы с фотоприемников подают на схему обработки для анализа и последующего формирования на их основе изображения профиля пучка и вычисления его текущих координат.

За счет высокого световыхода сцинтилляций в благородных газах в диапазоне ближнего ИК-излучения предлагаемый способ мониторинга параметров пучка заряженных частиц обеспечивает высокую точность измерения координат пучка.

Кроме того, так как время высвечивания сцинтилляций в благородных газах очень мало (десятки нсек), система мониторинга обладает высоким быстродействием, что обеспечивает возможность ее использования на пучках высокой интенсивности.

Следует также отметить, что в устройстве, реализующем предлагаемый способ, все используемые материалы и элементы обладают высокой радиационной стойкостью, что обеспечивает высокую надежность и большой рабочий ресурс системы мониторинга.

Устройство для мониторинга параметров пучка ионов, содержащее сцинтиллятор, установленный перпендикулярно направлению пучка ионов, фотоприемники, расположенные равномерно по периметру сцинтиллятора, схему регистрации и обработки сигналов с фотоприемников, отличающееся тем, что сцинтиллятор выполнен в виде дискообразной светонепроницаемой камеры, а фотоприемники установлены в отверстиях, выполненных в ее боковой стенке, и снабжены светофильтрами, прозрачными для инфракрасного излучения, при этом сцинтиллятор вместе с фотоприемниками заключен в герметичную оболочку с отверстиями для впуска и выпуска сцинтиллирующего газа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области проведения испытаний дозиметрических приборов по определению энергетической зависимости чувствительности при измерениях мощности дозы (дозы) гамма-излучения.

Использование: для формирования рентгеновского изображения. Сущность заключается в том, что устройство формирования рентгеновского изображения содержит разделяющий элемент, выполненный с возможностью пространственного разделения рентгеновского излучения, излучаемого из источника рентгеновского излучения, сцинтиллятор, выполненный с возможностью излучения света, когда разделенный пучок рентгеновского излучения, разделенный на разделяющем элементе, падает на сцинтиллятор, блок ограничения светопропускания, выполненный с возможностью ограничения степени пропускания света, излучаемого сцинтиллятором, и множество световых детекторов, каждый из которых выполнен с возможностью детектирования количества света, прошедшего через блок ограничения светопропускания, причем блок ограничения светопропускания выполнен так, что интенсивность света, детектируемая на каждом из световых детекторов, изменяется в соответствии с изменением позиции падения пучка рентгеновского излучения.

Изобретение относится к комбинации отсеивающего растра, катода и держателя для детектора фотонов, используемого при получении изображений в спектральной компьютерной томографии.

Использование: в способе обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием. Сущность: в способе обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием, включающем регистрацию излучения, измерение превышения регистрируемого излучения над фоном и выдачу сигнала о наличии объекта, производят радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксируют техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряют его величину, определяют максимальное значение от частоты и при его превышении над фоном принимают решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.

Изобретение относится к средствам диагностики нейродегенеративных заболеваний. Установка содержит модуль получения изображений, получающий визуальные данные о состоянии головного мозга пациента, и анализатор изображений, выполненный с возможностью определения на основании визуальных данных с использованием вероятностной маски для определения исследуемых областей на изображении, заданном визуальными данными, количественного показателя, указывающего на степень развития нейродегенеративной болезни мозга пациента.

Изобретение относится к детектору излучений и способу изготовления детектора излучений. Детектор излучений (10), содержащий массив пикселей (1), в котором каждый пиксель (1) содержит конверсионный слой из полупроводникового материала (4) для преобразования падающего излучения в электрические сигналы и в котором каждый пиксель (1) окружен канавкой (3), которая, по меньшей мере, частично заполнена барьерным материалом, который поглощает, по меньшей мере, часть фотонов, генерируемых падающим излучением, причем коэффициент заполнения канавки (3) барьерным материалом программируемо изменяется поперек детектора (10).

Изобретение относится к области техники детекторов излучения и, в частности, к детектору излучения, который содержит сцинтиллятор. .

Изобретение относится к устройству получения рентгеновских изображений и способу получения рентгеновских изображений. .

Изобретение относится к области регистрации радиоактивного излучения в присутствии интенсивного мешающего излучения. .

Изобретение относится к области обеспечения защиты войск, действующих в условиях воздействия радиационных поражающих факторов. .

Изобретение относится к формированию спектральных изображений и находит конкретное применение в спектральной компьютерной томографии (CT). Спектральный процессор, который обрабатывает сигнал детектора, показывающий полихроматическое излучение, детектированное системой формирования изображений, содержащий: первый канал обработки, который формирует первый спектральный сигнал, полученный из сигнала детектора, при этом первый спектральный сигнал включает в себя первую спектральную информацию о сигнале детектора; и второй канал обработки, который формирует второй спектральный сигнал, полученный из составляющей переменного тока сигнала того же самого сигнала детектора, при этом второй спектральный сигнал включает в себя вторую спектральную информацию о сигнале детектора, при этом первый и второй спектральные сигналы используются для спектрального разложения сигнала детектора.

Изобретение относится к устройству формирования гамма-изображения. Устройство формирования гамма-изображения, содержащее гамма-камеру (10) для съемки изображения наблюдаемой сцены (17) в гамма-лучах, называемого гамма-изображением, имеющую переднюю сторону (11) и ось обзора (х1'), и вспомогательную камеру (15) для съемки изображения наблюдаемой сцены (17) в видимом свете, при этом вспомогательная камера (15) расположена перед передней стороной (11) гамма-камеры (10), которая представляет собой коллиматорную гамма-камеру с точечным отверстием, причем вспомогательная камера (15) имеет оптическую ось (х2'), по существу, совпадающую с осью обзора (х1') гамма-камеры (10), так что изображение в видимом свете и гамма-изображение снимаются, по существу, одновременно с одним и тем же направлением обзора, благодаря чему определяют расположение источников радиации, находящихся на расстоянии от десятков сантиметров до десятков метров от гамма-камеры.

Изобретение относится к области диагностической визуализации. Аппарат для диагностической визуализации, содержащий: детекторную матрицу, включающую в себя индивидуальные детекторные элементы (16), для приема событий излучения от области сканирования (18); инициирующий процессор (20) для присвоения метки времени воспринятым потенциальным событиям; процессор (24) верификации событий, который применяет критерии верификации к пикам канала измерительного элемента; процессор (30) преобразования событий, который преобразует воспринятые события и соответствующие линии отклика в пространственно смещенные преобразованные события; буферную память (32) для хранения событий в виде списка для хранения действительных событий, имеющих метку времени; процессор (34) восстановления для реконструирования действительных событий в виде изображения области (18) сканирования; и дополнительно содержащий: процессор (38) анализа изображения, который анализирует изображение, реконструированное процессором (34) восстановления, на предмет артефактов движения и распознает события излучения для преобразования процессором (30) преобразования событий; при этом анализ посредством процессора (38) анализа изображения применяется несколько раз с целью уменьшения артефактов в реконструированном изображении с каждым повтором.

Изобретение относится к устройству рентгеновской визуализации и способу рентгеновской визуализации с использованием рентгеновских лучей. .

Изобретение относится к позитронно-эмиссионной томографии (PET) и/или однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) в медицинских приложениях с использованием пикселей разных размеров или подобного.

Изобретение относится к медицинским системам получения изображения, в частности оно касается гамма-камер, содержащих две, три, четыре или более радиационных детекторных головок, и описывается с конкретной ссылкой на них.

Изобретение относится к области спектральной компьютерной томографии (СТ), а также относится к детектированию рентгеновского излучения и другого излучения, где желательно получить информацию относительно интенсивности или энергетического спектра обнаруженного излучения.

Изобретение относится к области детектирования излучения. .

Изобретение относится к детекторам для медицинской визуализирующей техники, например, в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) или позитронно-эмиссионной томографии (PET).

Изобретение относится к спектральному получению отображения и находит конкретное применение в спектральной компьютерной томографии (КТ). Система получения отображения содержит матрицу (110) детекторов, включающую в себя матрицу (202) сцинтилляторов, которая принимает излучение и генерирует показывающий это световой сигнал, и матрицу (204) цифровых фотоумножителей, оптически связанных с матрицей (202) сцинтилляторов, которая принимает световой сигнал и генерирует показывающий это цифровой сигнал, препроцессор (118), содержащий канал (212) подсчета фотонов, который обрабатывает цифровой сигнал и генерирует первый выходной сигнал, интегрирующий канал (210), который обрабатывает цифровой сигнал и генерирует второй выходной сигнал, и канал (214) генерирования моментов, который обрабатывает цифровой сигнал и генерирует третий выходной сигнал, причем упомянутый канал генерирования моментов содержит фильтр (218), умножитель 220 и интегратор 222, и реконструктор (122), который спектрально разлагает первый, второй и третий выходные сигналы. Технический результат - повышение качества изображения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх