摘 要: 设计了中国科学院近代物理研究所利用兰州重离子研究装置(HIRFL)进行浅层肿瘤临床治疗试验研究中所使用的束流诊断安全控制系统。该系统包括束流强度监测及保护、剂量测量、扫描波形监测及保护3个部分。系统基于PXI系统及LabVIEW软件,给出了该系统的各部分结构。从系统建立时的多次测试结果以及实际临床治疗试验研究时的长期运行结果来看,该束流诊断控制系统在控制辐照剂量以及安全保护方面能够满足当前重离子加速器浅层肿瘤临床治疗试验的基本要求,为试验研究的顺利进行提供了可靠的保证。
重离子在物质中的能量损失主要集中于射程末端,形成高剂量的Bragg峰,且在峰区具有高的相对生物学效应。准确控制重离子束的方向和能量就能准确控制Bragg峰在物质中的位置,而准确控制重离子束的强度就能准确控制在Bragg峰处的剂量。重离子治癌即是使Bragg峰准确落在肿瘤靶区之内,从而在有效杀死肿瘤细胞的同时对周围正常组织的损伤尽可能最小。因而,相对于X射线、γ射线以及电子束等常规射线而言,将重离子束应用于放射治疗在物理学和生物学特性上均有明显的优越性。自1975年美国劳伦斯伯克利国家实验室首次利用重离子进行治癌临床实验研究之后,国际上一些重离子实验室相继展开了重离子治癌研究[1],中国科学院近代物理研究所也作了大量的基础研究并在2006年11月进行了首次临床治疗试验[2-4],使我国成为国际上第4个进行重离子临床治疗试验研究的国家[2-3]。在重离子治癌过程中对束流状态的实时监测及控制于提高治疗的准确性及安全性尤为重要,本文将介绍兰州重离子研究装置(HIRFL)浅层肿瘤临床治疗试验阶段所使用的束控系统。
1 HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端
HIRFL重离子浅层治癌终端示意图如图1所示。HIRFL是一个两台加速器组合的重离子加速系统,主要由离子源、注入器、主加速器、实验终端及其束流运输线等部分组成,能够提供的碳离子能量可达100MeV/u,相应在水中的射程约25 mm,能够满足浅层肿瘤的辐照试验。HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端[5]于2005年自主设计建成。此后相关各个系统包括被动式束流配送系统[6]、束流状态监测系统、治疗计划软件系统[7]、束流诊断控制系统以及治疗床等陆续投入使用。被动式束流配送系统任务是将束流构形,进而形成需要的照射野,使患者靶区肿瘤受到均匀且足够的剂量照射,同时尽可能减小正常组织的辐照损伤;主要包括束流扫描系统、能量调节与调制以及适形照射技术。束流状态监测系统的作用是测量束流的各种物理参数,包括束流强度、剖面分布均匀性以及束流深度分布,以对束流配送系统的工作状态加以评估。治疗计划软件系统利用肿瘤CT和MR诊断图像数据、束流相关物理学参数以及生物学效应相关参数等并经模拟计算优化等过程从而能够预先给出较优治疗方案,由此指导束流配送系统预置工作状态,决定了最终所能达到的治疗效果。束流诊断控制系统主要作用是控制辐照剂量以及在束流的物理状态及配送系统出现非正常状态时保证患者的安全。
2 束流诊断控制系统
在治疗过程中,除了要保证照射剂量的准确性,需要尽可能监测系统的各个状态,以便在发生任何可能的状况时保护患者的安全。图2给出HIRFL浅层肿瘤重离子治疗终端束流诊断控制系统的结构图。获取系统采用PXI系统,软件采用NI推出的虚拟仪器开发平台软件LabVIEW。整个控制可以通过控制网用IE远程控制或监测。束流诊断控制系统具体功能是即时监测束流强度,并能在流强超出设定值时切断束流;监测扫描磁铁波形状态,并能在状态超出设定范围时切断束流;设定照射所需剂量,并在达到剂量时切断束流;环境剂量超出设定范围时切断束流;在自动控制出现非正常状态时手动切断束流。
2.1 束流强度监测系统
束流在治疗期间内的束流强度与名义值的偏差要求控制在10%以内,即束流强度稳定性要求好于90%,为此一个即时监控束流强度的系统是必需的。图3为流强监测软件界面。流强测量使用塑料闪烁体探测器[8],该探测器能够给出单个离子信号,并且能够承受高流强(粒子数1~108/s)。探测器信号经光电倍增管转换放大后经甄别器甄别,再用专用NIM插件转化为TTL信号,然后用NI-PXI-6602计数器卡读取。该计数器卡有最高达8×107/s的计数速率,满足目前治疗时所用流强(计数率小于5×106/s)下的测量要求。软件的功能为实时读取计数器(每s),一旦发现每s计数超出设定范围立即通过NI-PXI-6133数字输出端输出一路高电平给连锁保护系统,该连锁保护系统检测到高电平即刻操作束流阻挡器切断束流,从而保护患者的安全。
2.2 扫描磁铁波形监测系统
浅层肿瘤重离子治疗终端采用束流聚焦输出(设计束斑4 mm)并加以双维方向二极磁场扫描方法以形成较大照射野(均匀区大于30 mm×30 mm),因此扫描磁铁的工作状态部分决定了剖面均匀性的好坏。图4为扫描磁铁波形监测软件界面。扫描磁铁电源输出波形监测使用NI-PXI-6133AD采样卡,该卡最大采样率采样点3×106/s,精度14 bits,完全能够满足目前扫描电源频率监测(小于100 Hz)。利用LabVIEW自带数学处理模块计算采样波形的频率、幅度并与设定范围相比较,如果数值超出设定范围即输出一高电平到连锁保护系统以便切断束流。利用水平、垂直方向扫描电源输出波形可以在软件上重现扫描曲线,借以监测扫描铁工作状态,并对评估扫描均匀状况提供帮助。
2.3 剂量测量控制系统
利用标准电离室(德国PTW/Markus23343,0.055cc平行板电离室)及剂量计(德国PTW/UNIDOS)在每一次治疗前测定流强计数与辐射绝对剂量值之间的对应系数,通过该系数将处方照射剂量换算为离子数[6]。实际束流控制均为控制辐照的离子数。软件执行后开始循环读取6602计数器(时间间隔小于1 ms),然后手动解开束流连锁保护系统,当计数值大于设定值时通过6133输出高电平给连锁保护系统以便切断束流。连锁系统驱动束流阻挡器(气动)阻挡束流,机械传动所需的时间以及系统延迟时间造成发出命令与束流实际切断存在一定时间差,此时间差相对固定,所造成的计数误差亦相对固定,可以通过多次测试得出,并输入到软件自动扣除以提高控制的准确度。
为测定控制所造成的计数误差,选束流强度相对稳定情况下,做30次连续测量。平均流强为2.4×106/s,设定计数为5.0×107,扣除阻挡器延时造成计数增大值1.5×106,结果如图5所示。
实际结果为(5 040.1±27.6)×104,其中固定误差应为阻挡器延时误差造成,随机误差5.5‰应是控制误差以及束流强度波动误差二者之和,足以满足治疗系统对流强控制的要求。
3 结 论
从系统建造的多次测试结果以及实际临床治疗试验研究时的长期运行结果来看,该束流诊断控制系统在控制辐照剂量以及安全保护方面能够满足当前HIRFL浅层肿瘤临床治疗试验的基本要求,为试验研究的顺利进行提供了可靠的保证。对于束流阻挡器机械运动(气动)所需的时间以及系统延迟时间所造成的计数增大问题,未来的计划是通过控制HIRFL系统离子源束运线chopper系统[9]来进一步精确控制束流通断,chopper系统可以在几μs内切断或给出束流,从而为提高计数控制精确性提供了可能。目前HIRFL的扩建工程HIRFL-CSR[10-11]所能提供的碳离子能量最高可达1 000 MeV/u,选取合适的能量完全能够满足深部肿瘤的治疗要求,相应深部肿瘤重离子治疗终端(设计能量最高430 MeV/u,在水中射程约30 cm)正在建设,并将于未来几年内投入临床治疗试验研究,基于本工作基础之上的束流诊断控制系统也正在规划讨论之中。
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本文作者：毛瑞士, 肖国青, 赵铁成, 胡正国, 李 强, 徐瑚珊, 徐治国,章学恒, 唐 彬, 涂小林, 郑建华, 宋海鸿, 詹文龙
