質(zhì)子治療電離室劑量讀出電子學(xué)研制

黃 鵬，殷治國，牟雪兒，汪 洋，盧曉通，張?zhí)炀?/p>

(中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所，北京 102413)

中國原子能科學(xué)研究院正在研制一套基于230 MeV超導(dǎo)回旋加速器的質(zhì)子治療系統(tǒng)[1-5]，其中治療頭設(shè)備主要包括像素電離室、X-Y掃描磁鐵、氦氣室、條帶平行板電離室等。質(zhì)子治療一般使用能量在70 MeV到230 MeV之間的質(zhì)子束對(duì)腫瘤進(jìn)行照射，其優(yōu)越性在于質(zhì)子束流的空間劑量分布，其利用質(zhì)子布拉格峰的特性，在殺死腫瘤細(xì)胞的同時(shí)，使腫瘤周圍的正常細(xì)胞避免受到傷害或者減少傷害[6]。筆形束掃描[7-8]是近些年發(fā)展起來的相對(duì)于散射束治療模式的治療方式，將加速器引出的質(zhì)子束嚴(yán)格按照預(yù)先確定的工作模式在三維空間來回逐點(diǎn)或連續(xù)掃描靶區(qū)，準(zhǔn)確度通?？蛇_(dá)到亞毫米量級(jí)。質(zhì)子治療掃描過程中需要隨時(shí)關(guān)注照射過程中束流的位置和流強(qiáng)[9]，這直接關(guān)系到病人照射的位置和劑量。劑量信息直接關(guān)系到照射的安全性，劑量讀出電子學(xué)測得的電荷量直接決定當(dāng)前點(diǎn)照射完成的時(shí)間，進(jìn)而通過開關(guān)束流實(shí)現(xiàn)換點(diǎn)操作。

國際上一般采用專用ASIC積分芯片[10]或常用分立器件實(shí)現(xiàn)微弱電荷信號(hào)測量，ASIC芯片開發(fā)難度大，周期長，基于分立器件的微弱電荷信號(hào)的數(shù)字化讀出通常使用3種方法[11-12]：1)電流電壓實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換+ADC，此種方式數(shù)據(jù)量大、成本高、系統(tǒng)復(fù)雜；2)電流頻率轉(zhuǎn)換+計(jì)數(shù)器，該方式實(shí)現(xiàn)成本低，但技術(shù)難度較大；3)門控積分器+ADC。瑞士保羅謝爾研究所(PSI)劑量讀出電子學(xué)曾采用電容積分法+ADC方法[13]；日本國立放射學(xué)研究所(NIRS)的HIMAC平行板電離室電子學(xué)采用電容積分+ADC[14]模式，測量電流可低至1 nA，后來HIMAC的劑量讀出電子學(xué)采用I/V轉(zhuǎn)換+VFC模式[15]，最大量程為1 000 nA，結(jié)果顯示劑量相對(duì)誤差為1%，且最大劑量相對(duì)誤差為3%，積分非線性小于1%。本文劑量讀出電子學(xué)采用電容積分+ADC的模式，該電子學(xué)裝置直接測量某一固定時(shí)間間隔內(nèi)的電荷量，降低測量系統(tǒng)誤差。

1 劑量讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

劑量讀出電子學(xué)的精度直接影響質(zhì)子治療照射過程中患者接受的劑量，為滿足掃描照射過程中最終劑量精度±2%的要求，設(shè)計(jì)的劑量讀出電子學(xué)要求整體相對(duì)誤差不大于1%。實(shí)際照射過程中要求劑量讀出電子學(xué)能實(shí)現(xiàn)對(duì)pC～μC量級(jí)電荷進(jìn)行測量，但是在復(fù)雜電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)低至pC量級(jí)的微弱電荷信號(hào)難度較大，必須在電路設(shè)計(jì)和屏蔽環(huán)節(jié)采取相應(yīng)措施。而且電離室本身的本底偏置電流隨環(huán)境條件是動(dòng)態(tài)變化的，加上積分電路本身偏置電流等因素，都會(huì)對(duì)劑量讀出信號(hào)產(chǎn)生影響。因此，必須對(duì)電路進(jìn)行校正后方可進(jìn)行劑量信號(hào)測量，測量結(jié)果才具有準(zhǔn)確性和有效性。為此設(shè)計(jì)了搭載校準(zhǔn)電路的微弱電荷信號(hào)讀出線路，在此基礎(chǔ)上加裝雙層屏蔽裝置，并通過調(diào)整積分電容和積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)測量范圍的設(shè)定。

1.1 弱電荷信號(hào)讀出線路設(shè)計(jì)

針對(duì)微弱電荷/電流信號(hào)測量，為保證測量精度，劑量讀出電子學(xué)采用電容積分+ADC的模式，圖1為積分電路原理圖，電荷積分器利用放大器輸入虛地的概念，將電荷信號(hào)直接積分到電路中的積分電容，放大器的輸出便是所有電荷量的總和輸出。一段時(shí)間內(nèi)電流i(t)對(duì)時(shí)間的積分電荷量Q為：

圖1 積分電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of integral circuit

(1)

對(duì)于積分電路而言，輸出電壓U和電荷量Q之間的關(guān)系為：

U=-Q/C

(2)

式中，C為積分電容。因此，通過ADC測量積分電壓的大小即可測量此積分時(shí)間內(nèi)共收集的電荷量，此段時(shí)間內(nèi)的平均電流i為：

i=-Q/(t1-t0)

(3)

積分電路基于精密低噪聲積分器IVC102實(shí)現(xiàn)[16-18]，如圖2所示，其輸入偏置電流典型值為100 fA，最大為750 fA，且具有輸出誤差小、靈敏度高等特點(diǎn)，非常適合對(duì)電離室和光電管等電流或電荷輸出型傳感器進(jìn)行信號(hào)放大。它采用內(nèi)置積分電容，可降低因?yàn)榉e分電容的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生泄漏電壓的影響，而通過可控開關(guān)S1、S2，可設(shè)定積分和放電時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)積分電路增益的靈活控制。由控制器編程來控制積分時(shí)間，達(dá)到控制增益的效果，進(jìn)而控制放大倍數(shù)，使輸出電壓能滿足A/D轉(zhuǎn)換需求。積分電容器上積累的電荷必須定期清除，否則積分電壓將上升至電源電壓。在放電期間，電荷積分電路的輸入端仍會(huì)有電荷積分到輸入電容(電纜和電離室)上，并在下一個(gè)積分周期重新開始時(shí)繼續(xù)進(jìn)行測量。這就意味著積分電路即使存在著極小的死時(shí)間，流入積分電容的信號(hào)也能測量到。

圖2 IVC102原理圖Fig.2 Structure diagram of IVC102

1.2 測量范圍和分辨率調(diào)整

對(duì)于劑量讀出電子學(xué)除了精度方面的要求外，還需能實(shí)現(xiàn)足夠的測量范圍及相應(yīng)高的分辨率。對(duì)于一般筆形束點(diǎn)掃描模式采用照射流強(qiáng)為百pA～nA量級(jí)的束流進(jìn)行照射，對(duì)于高注量率的FLASH治療模式通常需要百nA量級(jí)的束流進(jìn)行照射[19]。由于電離室劑量讀出信號(hào)因束流流強(qiáng)大小及電離室實(shí)際增益的不同而不同，因此要求劑量讀出電子學(xué)能測量pA～μA量級(jí)的輸入信號(hào)。考慮到積分電壓的限制，輸入信號(hào)的最大電流Imax遵循式(4)：

(4)

式中：C為積分電容；t為積分時(shí)間。

對(duì)于不同輸入信號(hào)范圍的電荷信號(hào)，為了提高讀出電子學(xué)的分辨率且保證讀出頻率，采用改變積分時(shí)間和匹配積分電容相結(jié)合的方式。通過調(diào)整積分時(shí)間可直接調(diào)整積分電路的增益；通過調(diào)整IVC102引腳3、4、5和6之間的連接，可匹配成10～100 pF等7種積分電容。同時(shí)為了兼容將來FLASH治療模式下更大輸入信號(hào)的測量，此時(shí)輸入信號(hào)可達(dá)一般點(diǎn)掃描模式下的數(shù)十倍，因此外部并聯(lián)3 300 pF電容實(shí)現(xiàn)將積分電容最大配置到3 400 pF，從而可實(shí)現(xiàn)不同輸入信號(hào)的測量。當(dāng)測量小于1 μA的信號(hào)時(shí)采用100 pF及以下的積分電容，即一般的點(diǎn)掃描治療模式；當(dāng)采用FLASH治療模式則需要對(duì)數(shù)十μA量級(jí)的較大信號(hào)進(jìn)行測量，此時(shí)選通外接3 300 pF積分電容。在100 μs～65 s的積分時(shí)間下，積分電容可選10～3 400 pF的最多14個(gè)檔位，最終的輸入信號(hào)范圍為1 pA～200 μA，這樣在不同輸入信號(hào)條件下選擇相應(yīng)的積分電容和積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的測量，對(duì)于每秒1 pC的電荷量，分辨率可達(dá)1.5 fC。

1.3 校準(zhǔn)電路

考慮到電離室本身的本底偏置電流隨溫度、壓力等條件是變化的，因此在無束流經(jīng)過電離室時(shí)其輸出信號(hào)也是變化的，加上積分電路本身偏置電流、失調(diào)電壓及噪聲電壓等的存在，再加上積分電容漏電流的影響，這些都會(huì)對(duì)電離室劑量讀出信號(hào)產(chǎn)生影響。為此設(shè)計(jì)了基于DAC+放電電阻的校準(zhǔn)電路，控制器通過設(shè)定DAC的輸出電壓Ucal，經(jīng)過放電電阻Rcal(10 GΩ)后對(duì)積分電路進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)無輸入信號(hào)時(shí)控制積分電壓輸出為零，從而能消除由于本底偏置電流等系統(tǒng)噪聲對(duì)測量結(jié)果的影響，提高測量準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)電流Ical為：

Ical=Ucal/Rcal

(5)

在電荷測量開始前需對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)際工作過程中也需對(duì)電子學(xué)進(jìn)行日常校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程首先保證無其他信號(hào)接入積分電路，然后采集Δt時(shí)間內(nèi)積分電壓U0為：

U0=ADCend-ADCstart

(6)

式中：ADCend為采樣結(jié)束點(diǎn)ADC采集的積分電壓；ADCstart為采樣起始點(diǎn)采集的積分電壓。只需保證校準(zhǔn)電流Ical=-U0/Δt，即Ucal=-RcalU0/Δt便可完成電路的校準(zhǔn)過程。

1.4 總體實(shí)現(xiàn)及屏蔽

圖3為劑量讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)圖。積分電路為基于IVC102的電荷積分放大電路，ADC選用16位、570 kSPS、SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665，核心控制器采用NXP DSP56F826，控制器通過控制IVC102中S1、S2的導(dǎo)通和關(guān)閉過程實(shí)現(xiàn)積分、采樣、放電等過程，通過控制ADC實(shí)現(xiàn)積分電壓的數(shù)字化。另外，設(shè)計(jì)了基于DAC8532的校準(zhǔn)電路；針對(duì)電離室設(shè)計(jì)了高壓輸出電路，從而使收集極接收到探測信號(hào)。電子學(xué)和上位機(jī)之間通過Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的讀取和參數(shù)設(shè)定。

圖3 劑量讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of dose readout electronics

由于微弱電荷信號(hào)的測量過程中極易受到外界電磁信號(hào)的干擾，因此會(huì)使測量結(jié)果不可信，所以需對(duì)測量電路采取屏蔽措施。通常用屏蔽效能(SE)來表示電磁波屏蔽的好壞，一般屏蔽體的屏蔽效能可達(dá)40 dB，軍用設(shè)備屏蔽體的屏蔽效能可達(dá)60 dB。

SE=20lg(Eb/Ea)

(7)

SE=20lg(Hb/Ha)

(8)

式中：Eb、Hb分別為安裝屏蔽前的電、磁場強(qiáng)度；Ea、Ha分別為安裝屏蔽體后的電、磁場強(qiáng)度。屏蔽效能SE越大，表明材料的電磁屏蔽效果越好，SE的估算公式為：

SE=R+A+B

(9)

式中：R為反射損耗；A為吸收損耗；B為多次反射修正因子，一般B可忽略。

當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí)，反射損耗是屏蔽效能的主要機(jī)理，要采用高磁導(dǎo)率的材料，且厚度越大，磁場屏蔽的效果越好；當(dāng)干擾電磁波的頻率較高時(shí)，對(duì)于輻射源的屏蔽主要依靠材料的吸收損耗，利用高導(dǎo)電性金屬材料中長生的渦流，形成對(duì)外來電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果?？紤]到電子學(xué)裝置在使用過程中所受干擾既包括電和磁兩方面又多為環(huán)境中的工頻50 Hz等低頻干擾，結(jié)合材料和制作工藝，選取厚度為0.3 mm的馬口鐵(SPTE)作為屏蔽外殼，為了達(dá)到更高的屏蔽效能，采用積分電路內(nèi)屏蔽加整體電路外屏蔽的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。劑量讀出電子學(xué)裝置分別由信號(hào)發(fā)生器、電荷發(fā)生裝器(屏蔽盒1)、劑量讀出電子學(xué)(屏蔽盒2)及上位機(jī)等組成。劑量讀出電子學(xué)采用Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)間的通信，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和參數(shù)的設(shè)置。

2 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

2.1 電荷發(fā)生器及參數(shù)設(shè)定

為了檢驗(yàn)電荷測量裝置的性能，設(shè)計(jì)了基于信號(hào)發(fā)生器和放電電阻盒子的電荷發(fā)生裝置，電荷發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示，電壓源為信號(hào)發(fā)生器泰克AFG3252C并設(shè)定外部觸發(fā)方式，放電電阻為10 GΩ，為了消除偏置電流的影響，添加100 Ω的并聯(lián)電阻，這樣電荷就可直接輸出給靜電計(jì)或劑量讀出電子學(xué)進(jìn)行電荷量測量。

圖4 電荷發(fā)生器原理圖Fig.4 Schematic diagram of charge generator

電荷發(fā)生器產(chǎn)生的電荷通過靜電計(jì)Keithley 6517B進(jìn)行標(biāo)定，圖5所示為部分標(biāo)定結(jié)果。另外，為了保證微弱的電荷產(chǎn)生過程及信號(hào)輸出不受外界的電磁環(huán)境干擾，電荷發(fā)生器需加裝屏蔽盒。

圖5 200 nC/2 μC電荷量標(biāo)定Fig.5 200 nC/2 μC charge calibration

2.2 積分電路參數(shù)標(biāo)定

測試前需對(duì)積分電路進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，由于外界環(huán)境的變化(主要是溫度)會(huì)對(duì)電路工作產(chǎn)生影響，標(biāo)定方法為：外部標(biāo)準(zhǔn)電流源(Keithley 6220)輸入固定標(biāo)準(zhǔn)的電流I0，在固定積分時(shí)間t0作用下產(chǎn)生積分電壓V0，測試5次并將積分電壓取平均值V，則電容相關(guān)參數(shù)fCap為：

fCap=I0t0/V

(10)

積分電壓經(jīng)電壓跟隨器和分壓電阻后進(jìn)入ADC采樣，因此電容相關(guān)參數(shù)fCap的標(biāo)定值綜合了電容及分壓電阻兩部分，標(biāo)定參數(shù)結(jié)果列于表1。

表1 fCap參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Table 1 Calibration result of fCap parameter

2.3 實(shí)驗(yàn)測試及分析

考慮到治療頭裝置的本身特性，同時(shí)為了能適應(yīng)質(zhì)子治療過程中高、低流強(qiáng)切換模式，結(jié)合電離室實(shí)際增益，本文對(duì)劑量電子學(xué)讀出裝置進(jìn)行4項(xiàng)電荷量(pC～2 μC)測量實(shí)驗(yàn)，且每項(xiàng)測試進(jìn)行4組測量，每組測試10次，測試結(jié)果如下。

1)單次注入電荷為2 μC，積分時(shí)間為15 ms，電容相關(guān)參數(shù)為128.65(測量1～3)/128.85(測量4)。圖6為2 μC電荷測量結(jié)果，其中最大相對(duì)誤差為-0.40%。

圖6 2 μC電荷測量結(jié)果Fig.6 Result of 2 μC charge measurement

2)單次注入電荷為200 nC，積分時(shí)間為150 ms，電容相關(guān)參數(shù)為133.065(測量1～3)/133.075(測量4)。圖7為200 nC電荷測量結(jié)果，其中最大相對(duì)誤差為0.32%。

圖7 200 nC電荷測量結(jié)果Fig.7 Result of 200 nC charge measurement

3)單次注入電荷為50 pC，積分時(shí)間為5 s，電容相關(guān)參數(shù)為132.5。圖8為50 pC電荷測量結(jié)果，其中最大相對(duì)誤差為-0.61%。

圖8 50 pC電荷測量結(jié)果Fig.8 Result of 50 pC charge measurement

4)單次注入電荷為20 pC，積分時(shí)間為2 s，電容相關(guān)參數(shù)為133.28(測量1)/133.25(測量2)/133.25(測量3)/133.45(測量4)。圖9為20 pC電荷測量結(jié)果，其中最大相對(duì)誤差為-0.62%。

圖9 20 pC電荷測量結(jié)果Fig.9 Result of 20 pC charge measurement

測試結(jié)果表明，誤差基本滿足設(shè)計(jì)要求，積分時(shí)間可調(diào)，全部量程測量精度好于0.62%。雖然積分電容放電過程存在，但是時(shí)間(<20 μs)短，且由于輸入電容的存在，輸入端信號(hào)并未丟失，死時(shí)間對(duì)測量結(jié)果的影響基本可忽略不計(jì)。

綜上所述，電容相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因?yàn)榄h(huán)境條件變化會(huì)對(duì)積分電容產(chǎn)生影響，所以外接并聯(lián)電容采用對(duì)溫度不敏感的NP0電容，標(biāo)定過程需進(jìn)行多次測量并取平均值。測量過程中發(fā)現(xiàn)電磁干擾影對(duì)測量結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在積分電壓的波動(dòng)上，因此通過加裝雙層屏蔽盒實(shí)現(xiàn)抗干擾功能，提高測量的準(zhǔn)確度。電離室本身本底偏置電流隨溫度等條件變化及偏置電流等的存在必將引起測量誤差，通過設(shè)計(jì)基于DAC+放電電阻的校準(zhǔn)電路，實(shí)現(xiàn)無輸入信號(hào)時(shí)控制積分電壓輸出為零。另外，ADC讀取的積分電壓可進(jìn)行平均處理，即將每個(gè)積分周期內(nèi)ADC采樣的積分電壓進(jìn)行平均處理后再輸出，或?qū)⒍鄠€(gè)積分周期的電壓采樣值再做平均，這樣能起到抑制部分噪聲的效果，即提高信噪比，但這會(huì)使測量速度減小，今后將繼續(xù)研究如何實(shí)現(xiàn)二者之間的平衡。

3 結(jié)論

本文概述了治療頭的組成及微弱信號(hào)測量原理，并介紹了電離室劑量讀出電子學(xué)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方式，利用自制的電荷發(fā)生器產(chǎn)生固定電荷量實(shí)現(xiàn)對(duì)該電荷測量裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明該裝置基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)質(zhì)子治療的劑量監(jiān)測進(jìn)行了前期測試和驗(yàn)證工作。