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均匀照射野条件下,在190, 260和330 MeV/u三个能量下使用荧光探测器获取的灰度图像如图3所示。从图中可以明显看到,图像中灰度值沿着束流照射方向呈现变大的趋势,在某一位置达到最大,并在之后骤然变小,这与碳离子束的Bragg峰特性相吻合。并且随着能量的增大,可以看到Bragg峰位的深度位置也随之增加。但是,由于碳离子束照射野比较大,闪烁体在安装时也不可避免地会有一定的不平整,导致在Bragg峰之后的部分也有一定的荧光。
笔形束照射条件下,在127.51和181.75 MeV/u 两个能量下使用荧光探测器获取的图像如图4所示。从图中可以看到,在笔形束照射条件下同样能够看到明显的Bragg峰,并且Bragg峰位的深度随着能量增大而增加。同时,在笔形束照射条件下Bragg峰之后的荧光现象也随着能量的增加而增强,这同样是由于闪烁体安装不平整的问题所导致。需要在后续的工作中对荧光探测器的设置加以改进。
综合均匀照射野和笔形束照射两种照射条件下的实验结果来看,荧光探测器获取的荧光图像可以在两种照射条件下均能观察到明显的Bragg峰位置,而且能够观察到Bragg峰位随着束流能量的增大而深度增加。尽管由于闪烁体的平整问题使得图像存在Bragg峰之后的荧光现象,但这并不会影响对Bragg峰位置的判断。
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使用Gate软件对探测器束流实验情形进行了蒙特卡罗模拟,得到了在均匀照射野和笔形束照射两种照射条件下,不同能量的碳离子束在闪烁体材料中的深度剂量分布。均匀照射野条件下不同能量的碳离子束在闪烁体材料中的深度剂量分布如图5所示。通过计算,荧光探测器测量和蒙特卡罗模拟计算得到的碳离子束Bragg峰位深度的结果对比如表1所列。在均匀照射野条件下,随着碳离子束能量的增加,Bragg峰在闪烁体材料中的位置不断增加。但是,对于不同能量的碳离子束,使用荧光探测器测量的结果和蒙特卡罗模拟的结果有1.25 cm左右的偏差。
表 1 均匀照射野条件下荧光探测器测量与蒙特卡罗模拟计算的碳离子束Bragg峰位深度对比
能量/(MeV·u−1) 荧光探测器
测量/cm蒙特卡罗
模拟计算/cm差值/cm 190 6.28 7.53 1.25 260 11.86 13.12 1.26 330 18.39 19.68 1.25 笔形束照射条件下不同能量碳离子束在闪烁体材料中的深度剂量分布如图6所示。通过计算,荧光探测器测量和蒙特卡罗模拟计算得到的碳离子束Bragg峰位深度的结果对比如表2所列。在笔形束照射条件下,随着碳离子束能量的增加,Bragg峰在闪烁体材料中的位置也是增加。但是,对于不同能量的碳离子束,使用荧光探测器测量的结果和蒙特卡罗模拟的结果同样有1.25 cm左右的偏差。
表 2 笔形束照射下荧光探测器测量与蒙特卡罗模拟计算的碳离子束Bragg峰位深度对比
能量/(MeV·u−1) 荧光探测器
测量/cm蒙特卡罗
模拟计算/cm差值/cm 127.51 2.40 3.65 1.25 181.75 5.79 7.03 1.24 -
荧光探测器在在均匀照射野和笔形束两种照射条件下的实验结果表明,利用本文提出的方案可以从荧光图像上明显观察到碳离子束在闪烁体材料中的Bragg峰位位置,并且可以观察到Bragg峰位位置随着入射能量的变化而变化,这是符合理论预期的。在实验过程中也发现,由于闪烁体安装的不平整导致Bragg峰之后还有明显的荧光现象,这是需要在后续工作中加以改进的。为了评价荧光探测器测量结果的准确性,使用蒙特卡罗模拟方法计算了相同照射条件下碳离子束在塑料闪烁体材料中的深度剂量分布。通过对比荧光探测器测量和蒙特卡罗模拟的结果发现,在均匀照射野和笔形束两种照射条件下,使用荧光探测器测量的碳离子束在闪烁体材料中的Bragg峰位与蒙特卡罗模拟计算得到的结果均相差约1.25 cm,可能的原因包括以下三种:
1) 在实际的碳离子束配送过程中,束流在到达探测器前会经过一些其他的设备,在此过程中会有一定的能损,这就导致实验时的束流能量相比蒙特卡罗模拟中设置的束流能量偏小,使得荧光探测器测量的碳离子束在闪烁体材料中的Bragg峰位小于蒙特卡罗模拟计算的结果。经过实际测量,使用三维水箱配合电离室测量的碳离子束在水中的射程比蒙特卡罗模拟的结果要小0.9 cm左右;2) 碳离子束是高LET射线,塑料闪烁体在碳离子束照射下的荧光会受到荧光淬灭效应[6]的影响,这会导致荧光探测器的测量结果有一定的失真,使得Bragg峰位计算时出现一定的偏差;3) 塑料闪烁体成像时,单个点发出的荧光不会只集中在该点的位置。事实上,它发出的荧光在中央部位亮度最高,周围亮度随着距离递减。这样的话,单个点发出的荧光实际上会影响到周围其他点的荧光。这种扩散效应会使得最终获得的荧光图像的空间分辨率变差。这种现象会导致对荧光探测器测量结果的图像做处理时存在一定的误差。但这一恒定的差异说明,利用本文荧光探测器方案快速获得碳离子束流Bragg峰位位置进行碳离子放疗束流性能的QA是可行的,因为在每日QA当中只需获得束流Bragg峰位的相对位置,确定该位置的重复性。
Design and Verification of Fluorescence Detector for Rapidly Acquiring the Bragg Peak Position of Carbon Ion Beam
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摘要: 提出了一种用于快速获取碳离子束在闪烁体材料中Bragg峰位置的荧光探测器方案。该方案基于闪烁体在碳离子束流照射下发出荧光的特性,使用CMOS相机在薄层闪烁体侧方获得荧光强度分布图像,通过对图像的分析快速得到碳离子束Bragg峰位在闪烁体材料中的位置。依据该方案研发了荧光探测器,在均匀照射野和笔形束两种照射条件下,利用该探测器对不同能量的碳离子束进行了实验测量。实验结果表明,可清晰地从探测器获得的荧光图像上观察到碳离子Bragg峰。同时,采用蒙特卡罗模拟方法对上述相同的实验条件设置进行了模拟计算。结果发现,荧光探测器测量的碳离子束在闪烁体材料中的Bragg峰位与蒙特卡罗模拟计算的结果由于模拟的条件和测量时探测器的实际设置不完全一致而出现一定的差异,但不同照射条件下的差异是基本一致的。因此,通过实验测量及蒙特卡罗模拟验证了本文方案的荧光探测器可用于快速获取碳离子束在闪烁体材料中的Bragg峰位,为建立一种基于荧光探测器进行碳离子放疗束流性能快速质量保证的测量方法打下了坚实的基础。Abstract: A design scheme of fluorescence detector was proposed for rapidly acquiring the Bragg peak position of carbon ion beam in scintillator material. Based on the characteristic of scintillator emitting fluorescence under the irradiation of carbon ion beam, CMOS camera is applied to acquire the image of fluorescent intensity distribution on the side of a thin scintillator, and then the Bragg peak position of carbon ion beam in the scintillator material is quickly obtained by analyzing the fluorescent image. According to the scheme, a fluorescence detector was developed and then used for experimental measurement under the irradiation of carbon-ion uniform fields and pencil beams with different energies. The experimental results showed that the Bragg peak position of the carbon ion beams could be clearly observed from the fluorescent image obtained by the detector. Moreover, the method of Monte Carlo simulation was used to calculate the depth dose distribution of carbon ion beams under the experimental conditions mentioned above. It was found that there was a penetration depth difference between the measured and calculated Bragg peak positions of carbon ion beam in the scintillator material by the fluorescence detector and the Monte Carlo simulation due to the difference between their settings, but the differences under the various irradiation conditions were nearly the same. Therefore, the experimental measurements and Monte Carlo simulations verified that the fluorescence detector scheme could be used for quickly acquiring the Bragg peak position of carbon ion beam in the scintillator material definitely, which provides a substantial basis for establishing a fast fluorescence detector-based quality assurance measurement method in carbon ion radiotherapy.
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Key words:
- fluorescent detector /
- Bragg peak /
- Monte Carlo simulation /
- carbon ion therapy /
- quality assurance
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表 1 均匀照射野条件下荧光探测器测量与蒙特卡罗模拟计算的碳离子束Bragg峰位深度对比
能量/(MeV·u−1) 荧光探测器
测量/cm蒙特卡罗
模拟计算/cm差值/cm 190 6.28 7.53 1.25 260 11.86 13.12 1.26 330 18.39 19.68 1.25 表 2 笔形束照射下荧光探测器测量与蒙特卡罗模拟计算的碳离子束Bragg峰位深度对比
能量/(MeV·u−1) 荧光探测器
测量/cm蒙特卡罗
模拟计算/cm差值/cm 127.51 2.40 3.65 1.25 181.75 5.79 7.03 1.24 -
[1] 肖国青, 李强, 张小奇, 等. 科技促进发展, 2020, 16(1): 9. XIAO Guoqing, LI Qiang, ZHANG Xiaoqi, et al. Science & Technology for Development, 2020, 16(1): 9. (in Chinese) [2] 邓小武. 中国肿瘤, 2008(8): 660. DENG Xiaowu. China Cancer, 2008(8): 660. (in Chinese) [3] 戴中颖, 李强, 肖国青, 等. 高能物理与核物理, 2007(7): 655. DAI Zhongying, LI Qiang, XIAO Guoqing, et al. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2007(7): 655. [4] ALLISON J, AMAKO K, APOSTOLAKIS J, et al. Nucl Instr and Meth A, 2016, 835: 186. doi: 10.1016/j.nima.2016.06.125 [5] VISVIKIS D, BARDIES M, CHIAVASSA S, et al. Nucl Instr and Meth A, 2006, 569: 335. doi: 10.1016/j.nima.2006.08.049 [6] WANG L L, PERLES L A, ARCHAMBAULT L, et al. Phys Med Biol, 2012, 57(23): 7767. doi: 10.1088/0031-9155/57/23/7767