基于Topmetal的束流剂量深度分布测量方法研究
发布时间：2021-07-09 11:30
精准探测碳离子束流剂量-深度分布是碳离子治癌中精确将束流剂量投放至病灶的重要依据。目前,束流剂量-深度测量:的方法主要有正电子发射断层扫描（PET）和瞬发光子探测,采用的探测器为闪烁体加光电倍增管或雪崩光电二极管结构,但存在几何死区和空间分辨率低的缺陷。半导体碲锌镉像素阵列探测器由于具备高的空间分辨率和探测精度,以及体积小等优势而成为当前研究热点。Topmetal是具有自主知识产权的能直接接收电荷的像素阵列读出芯片,其最大的优势就是具有低噪声和高的接收灵敏度。本文从闪烁体探测器出发研究基于Topmetal的高空间分辨率碲锌镉像素阵列探测器,进而着重探讨束流剂量-深度分布测量方法,旨在提高测量精度和灵敏度。主要研究内容包括:1.提出并设计了用于探测碳离子束流剂量-深度分布的闪烁体准直式瞬发光子探测器。通过模拟碳离子束打入水箱的物理过程,在分析产生次级光子和中子的出射位置、方向、能量等特性基础上,设计了准直器（铅层、石蜡、碳化硼）,并优化了其结构参数,借助优化探测器斜角,来减少中子对测量结果的影响。仿真结果显示该结构的探测器能探测到碳离子的深度-剂量分布关系,且与理论值相符。按此结构设计的...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１所示，电子束进入水体后剂量迅速衰减，放射治疗深度有限，只能治疗一些浅表??
双链（直径约２ｎｍ）自我修复功能很强，在一根断裂或两根轻微断裂时，都能进行自我修??复，只有在双链同时严重损坏时，才无法修复。纳米分辨率下，质子束和碳离子束对细胞??ＤＮＡ的损伤作用如图１．３所示。质子放射损害造成ＤＮＡ的单链断裂，有可能进行辐射损伤??修复。碳离子束是高线性能量传递（ＬＥＴ，?Ｌｉｎｅａｒ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｒａｎｓｆｅｒ）射线，生物效应随着能??量损失的增大而增大，在布拉格峰处生物效应增大到最大值，布拉格峰区射线对细胞的损??伤７０％为ＤＮＡ双链断裂，且很难被修复［４］。因而，碳离子被认为是治疗深层肿瘤的最佳方??案［９］。??ｒｎ；．．．；—ｖ｜￣＾￣７￣??６?３．?，２Ｃ２７０Ｍ＜ＶＶｕ??３?．?一?Ｐｒｏｔｏｎｓ??＾?（??ＰｌｕＨｏｎｓ?２１?ＭｃＶ??｜?３?／??，ＪＣ２？０ＭｃＶ．＾ｕ?Ｊ?＼??〇ｆ??????－?—?？?＞?１??０?２０?４０?６０?Ｋ〇?］〇〇?｜２０?丨?４０?丨?６０??Ｄｅｐｔｈ?ｉｎ?Ｗａｔｅｒ?［ｍｍ］??图１．２高能光子、廣子、獷离子束流宽度随水中穿透深度的变化（±）和剂量肩度关系（下）—??２〇［?￣?２。丨、響｝??ｐｒｏｔｏｎ?ｃａｒｂｏｎ?ｉｏｎ??轉：??０??？?１???＞???１????〇??？?１?＊?ｆｃＴ?１?１?１???－５?０?５?＊５?０?５??ｘ?Ｅｎｍ］?ｘ?［ｎｍ］??图１．３纳米分辨率下拥子和碳离子径迹结构与ＤＮＡ分子示意图比较．由碳离子产生的商密度二次电子造成大??量ＤＮＡ损伤１４１??３．通过在线正电子发射断层扫描（ＰＥＴ
双链（直径约２ｎｍ）自我修复功能很强，在一根断裂或两根轻微断裂时，都能进行自我修??复，只有在双链同时严重损坏时，才无法修复。纳米分辨率下，质子束和碳离子束对细胞??ＤＮＡ的损伤作用如图１．３所示。质子放射损害造成ＤＮＡ的单链断裂，有可能进行辐射损伤??修复。碳离子束是高线性能量传递（ＬＥＴ，?Ｌｉｎｅａｒ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｒａｎｓｆｅｒ）射线，生物效应随着能??量损失的增大而增大，在布拉格峰处生物效应增大到最大值，布拉格峰区射线对细胞的损??伤７０％为ＤＮＡ双链断裂，且很难被修复［４］。因而，碳离子被认为是治疗深层肿瘤的最佳方??案［９］。??ｒｎ；．．．；—ｖ｜￣＾￣７￣??６?３．?，２Ｃ２７０Ｍ＜ＶＶｕ??３?．?一?Ｐｒｏｔｏｎｓ??＾?（??ＰｌｕＨｏｎｓ?２１?ＭｃＶ??｜?３?／??，ＪＣ２？０ＭｃＶ．＾ｕ?Ｊ?＼??〇ｆ??????－?—?？?＞?１??０?２０?４０?６０?Ｋ〇?］〇〇?｜２０?丨?４０?丨?６０??Ｄｅｐｔｈ?ｉｎ?Ｗａｔｅｒ?［ｍｍ］??图１．２高能光子、廣子、獷离子束流宽度随水中穿透深度的变化（±）和剂量肩度关系（下）—??２〇［?￣?２。丨、響｝??ｐｒｏｔｏｎ?ｃａｒｂｏｎ?ｉｏｎ??轉：??０??？?１???＞???１????〇??？?１?＊?ｆｃＴ?１?１?１???－５?０?５?＊５?０?５??ｘ?Ｅｎｍ］?ｘ?［ｎｍ］??图１．３纳米分辨率下拥子和碳离子径迹结构与ＤＮＡ分子示意图比较．由碳离子产生的商密度二次电子造成大??量ＤＮＡ损伤１４１??３．通过在线正电子发射断层扫描（ＰＥＴ
【参考文献】：
期刊论文
[1]A highly pixelated CdZnTe detector based on Topmetal-II- sensor[J]. 邹曙光,樊艳,孙向明,黄光明,裴骅,王珍,刘军,杨苹,王东. Chinese Physics C. 2017(04)
[2]阵列式康普顿相机GEANT4模拟与图像重建及优化[J]. 丁长骥,袁永刚,毛本将,杨朝文. 强激光与粒子束. 2016(12)
[3]液体闪烁体探测器测量皮秒激光脉冲中子源能谱[J]. 崔波,贺书凯,刘红杰,戴曾海,闫永宏,卢峰,李纲,张发强,洪伟,谷渝秋. 强激光与粒子束. 2016(12)
[4]武威重离子治癌装置回旋注入系统的准直安装[J]. 陈文军,马力祯,蔡国柱,崔治国,张小奇,袁建东,王少明,华永平,柴一亮. 强激光与粒子束. 2016(10)
[5]EJ301液体闪烁体探测器的波形甄别和能量刻度[J]. 常乐,刘应都,杜龙,王玉廷,曹喜光,张国强,王宏伟,马春旺,张松,钟晨,李琛. 核技术. 2015(02)
[6]8%含硼聚乙烯板对快中子屏蔽性能的实验研究与分析[J]. 张家宝,林志凯,肖伯文,曾玉琪. 中华放射医学与防护杂志. 2014 (11)
[7]裂变材料中子-伽马脉冲形状甄别几何条件影响的模拟分析[J]. 林洪涛,张全虎,黎素芬,李井怀. 核电子学与探测技术. 2014(09)
[8]快响应塑料闪烁体EJ-232的时间特性研究[J]. 彭晓世,王峰,徐涛,刘永刚,刘慎业,梅雨,陈铭. 光学学报. 2011(12)
[9]提高塑料闪烁体n/γ甄别能力的一种新途径[J]. 冯璟华,彭太平,蒙世坚. 核电子学与探测技术. 2011(09)
[10]重离子治癌相关研究[J]. 叶飞,李强. 原子核物理评论. 2010(03)
博士论文
[1]基于硅像素传感器Topmetal的强子治癌束流监控器研制[D]. 王珍.华中师范大学 2018
[2]基于Topmetal芯片和碲锌镉晶体的高空间分辨辐射成像探测器[D]. 邹曙光.华中师范大学 2017
本文编号：3273662
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１所示，电子束进入水体后剂量迅速衰减，放射治疗深度有限，只能治疗一些浅表??
双链（直径约２ｎｍ）自我修复功能很强，在一根断裂或两根轻微断裂时，都能进行自我修??复，只有在双链同时严重损坏时，才无法修复。纳米分辨率下，质子束和碳离子束对细胞??ＤＮＡ的损伤作用如图１．３所示。质子放射损害造成ＤＮＡ的单链断裂，有可能进行辐射损伤??修复。碳离子束是高线性能量传递（ＬＥＴ，?Ｌｉｎｅａｒ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｒａｎｓｆｅｒ）射线，生物效应随着能??量损失的增大而增大，在布拉格峰处生物效应增大到最大值，布拉格峰区射线对细胞的损??伤７０％为ＤＮＡ双链断裂，且很难被修复［４］。因而，碳离子被认为是治疗深层肿瘤的最佳方??案［９］。??ｒｎ；．．．；—ｖ｜￣＾￣７￣??６?３．?，２Ｃ２７０Ｍ＜ＶＶｕ??３?．?一?Ｐｒｏｔｏｎｓ??＾?（??ＰｌｕＨｏｎｓ?２１?ＭｃＶ??｜?３?／??，ＪＣ２？０ＭｃＶ．＾ｕ?Ｊ?＼??〇ｆ??????－?—?？?＞?１??０?２０?４０?６０?Ｋ〇?］〇〇?｜２０?丨?４０?丨?６０??Ｄｅｐｔｈ?ｉｎ?Ｗａｔｅｒ?［ｍｍ］??图１．２高能光子、廣子、獷离子束流宽度随水中穿透深度的变化（±）和剂量肩度关系（下）—??２〇［?￣?２。丨、響｝??ｐｒｏｔｏｎ?ｃａｒｂｏｎ?ｉｏｎ??轉：??０??？?１???＞???１????〇??？?１?＊?ｆｃＴ?１?１?１???－５?０?５?＊５?０?５??ｘ?Ｅｎｍ］?ｘ?［ｎｍ］??图１．３纳米分辨率下拥子和碳离子径迹结构与ＤＮＡ分子示意图比较．由碳离子产生的商密度二次电子造成大??量ＤＮＡ损伤１４１??３．通过在线正电子发射断层扫描（ＰＥＴ
双链（直径约２ｎｍ）自我修复功能很强，在一根断裂或两根轻微断裂时，都能进行自我修??复，只有在双链同时严重损坏时，才无法修复。纳米分辨率下，质子束和碳离子束对细胞??ＤＮＡ的损伤作用如图１．３所示。质子放射损害造成ＤＮＡ的单链断裂，有可能进行辐射损伤??修复。碳离子束是高线性能量传递（ＬＥＴ，?Ｌｉｎｅａｒ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｒａｎｓｆｅｒ）射线，生物效应随着能??量损失的增大而增大，在布拉格峰处生物效应增大到最大值，布拉格峰区射线对细胞的损??伤７０％为ＤＮＡ双链断裂，且很难被修复［４］。因而，碳离子被认为是治疗深层肿瘤的最佳方??案［９］。??ｒｎ；．．．；—ｖ｜￣＾￣７￣??６?３．?，２Ｃ２７０Ｍ＜ＶＶｕ??３?．?一?Ｐｒｏｔｏｎｓ??＾?（??ＰｌｕＨｏｎｓ?２１?ＭｃＶ??｜?３?／??，ＪＣ２？０ＭｃＶ．＾ｕ?Ｊ?＼??〇ｆ??????－?—?？?＞?１??０?２０?４０?６０?Ｋ〇?］〇〇?｜２０?丨?４０?丨?６０??Ｄｅｐｔｈ?ｉｎ?Ｗａｔｅｒ?［ｍｍ］??图１．２高能光子、廣子、獷离子束流宽度随水中穿透深度的变化（±）和剂量肩度关系（下）—??２〇［?￣?２。丨、響｝??ｐｒｏｔｏｎ?ｃａｒｂｏｎ?ｉｏｎ??轉：??０??？?１???＞???１????〇??？?１?＊?ｆｃＴ?１?１?１???－５?０?５?＊５?０?５??ｘ?Ｅｎｍ］?ｘ?［ｎｍ］??图１．３纳米分辨率下拥子和碳离子径迹结构与ＤＮＡ分子示意图比较．由碳离子产生的商密度二次电子造成大??量ＤＮＡ损伤１４１??３．通过在线正电子发射断层扫描（ＰＥＴ
【参考文献】：
期刊论文
[1]A highly pixelated CdZnTe detector based on Topmetal-II- sensor[J]. 邹曙光,樊艳,孙向明,黄光明,裴骅,王珍,刘军,杨苹,王东. Chinese Physics C. 2017(04)
[2]阵列式康普顿相机GEANT4模拟与图像重建及优化[J]. 丁长骥,袁永刚,毛本将,杨朝文. 强激光与粒子束. 2016(12)
[3]液体闪烁体探测器测量皮秒激光脉冲中子源能谱[J]. 崔波,贺书凯,刘红杰,戴曾海,闫永宏,卢峰,李纲,张发强,洪伟,谷渝秋. 强激光与粒子束. 2016(12)
[4]武威重离子治癌装置回旋注入系统的准直安装[J]. 陈文军,马力祯,蔡国柱,崔治国,张小奇,袁建东,王少明,华永平,柴一亮. 强激光与粒子束. 2016(10)
[5]EJ301液体闪烁体探测器的波形甄别和能量刻度[J]. 常乐,刘应都,杜龙,王玉廷,曹喜光,张国强,王宏伟,马春旺,张松,钟晨,李琛. 核技术. 2015(02)
[6]8%含硼聚乙烯板对快中子屏蔽性能的实验研究与分析[J]. 张家宝,林志凯,肖伯文,曾玉琪. 中华放射医学与防护杂志. 2014 (11)
[7]裂变材料中子-伽马脉冲形状甄别几何条件影响的模拟分析[J]. 林洪涛,张全虎,黎素芬,李井怀. 核电子学与探测技术. 2014(09)
[8]快响应塑料闪烁体EJ-232的时间特性研究[J]. 彭晓世,王峰,徐涛,刘永刚,刘慎业,梅雨,陈铭. 光学学报. 2011(12)
[9]提高塑料闪烁体n/γ甄别能力的一种新途径[J]. 冯璟华,彭太平,蒙世坚. 核电子学与探测技术. 2011(09)
[10]重离子治癌相关研究[J]. 叶飞,李强. 原子核物理评论. 2010(03)
博士论文
[1]基于硅像素传感器Topmetal的强子治癌束流监控器研制[D]. 王珍.华中师范大学 2018
[2]基于Topmetal芯片和碲锌镉晶体的高空间分辨辐射成像探测器[D]. 邹曙光.华中师范大学 2017
本文编号：3273662
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