CN116236707A - 离子束放疗剂量测量系统 - Google Patents

Abstract

一种离子束放疗剂量测量系统包括：离子束发射器、声学传感器、前端接收电路及后端处理电路。该离子束发射器朝生物体发射离子束，使得离子束到达生物体后产生一剂量峰值点并产生一声音信号。声学传感器捕捉声音信号，并将声音信号转换成电信号。前端接收电路与前端接收电路与声学传感器电连接，用于接收声学传感器输出的电信号，以确定声学传感器接收到声音信号的时间。后端处理电路与前端接收电路电连接，用于根据声学传感器接收到声音信号的时间，并结合离子束发射的时间及声学传感器所在生物体内的位置，计算出剂量峰值点的位置及剂量分布。本专利申请的离子束放疗剂量测量系统体积小、成本低、精度高且能实时测量剂量分布。

Description

离子束放疗剂量测量系统

【技术领域】

本专利申请总体涉及医疗电子，并且更具体地涉及一种离子束放疗剂量测量系统。

【背景技术】

与光子(如X射线)的放疗相比较，离子束(例如质子、重离子束等)的放射性治疗具有优越的剂量分布、突出的生物效应及相对短的治疗时间等优点。现有的离子束放疗设备一般使用核医学手段，比如正电子发射型计算机断层显像(Positron EmissionTomography，PET)来测量质子或重离子的剂量范围，这样的设备往往体积较大、成本较高、精确度只能达到数毫米级别，而且不能在放疗的同时实时测量剂量的分布。

【发明内容】

本专利申请提供一种体积小、成本低、精度高且能实现对剂量分布的实时测量的离子束放疗剂量测量系统。

在一个实施例中，一种离子束放疗剂量测量系统包括：离子束发射器、声学传感器、前端接收电路及后端处理电路。该离子束发射器用于朝向一生物体发射离子束，使得该离子束到达该生物体之后产生一剂量峰值点，并产生一个来自于该剂量峰值点的声音信号。该声学传感器用于捕捉该声音信号，并将该声音信号转换成第一电信号及第二电信号。该前端接收电路用于接收该第一电信号及该第二电信号，以确定该声学传感器接收到该声音信号的时间。该前端接收电路包括低噪放大器、低通滤波器及比较器。该低噪放大器用于将该第一电信号及该第二电信号进行放大，并产生第三电信号及第四电信号。该低噪放大器包括第一电阻及两个结构相同的放大单元。每个放大单元均包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关、第二电阻、第一电容及第二电容。该第一电子开关的控制极接收该第一电信号或该第二电信号，输入极与该第二电子开关的控制极电连接，输出极通过该第二电阻与该第二电子开关的输出极电连接。该第一电容与该第二电阻并联。该第一电容及该第二电阻分别与该第二电子开关的输出极电连接的一端之间输出该第三电信号或该第四电信号。该第二电容的两端分别与该第一电子开关的输入极及输出极电连接。该第二电子开关的输入极与一参考电压电连接。该第三电子开关的控制极与一个第一偏置电压电连接，输入极与一个参考电压电连接，输出极与该第一电子开关的输入极电连接。该第四电子开关的控制极与一个第二偏置电压电连接，输入极与该第二电子开关的输出极电连接，输出极接地。该第五电子开关的控制极与一个第三偏置电压电连接，输入极与该第一电子开关的输出极电连接，输出极接地。该第一电阻的两端分别与该两个放大单元中的该第五电子开关的输入极电连接。该低通滤波器通过隔离电容与该低噪放大器电连接，用于过滤该第三电信号及该第四电信号的频带外噪音，提高信噪比。该比较器与该低通滤波器电连接，用于该低通滤波器输出的电信号与高阈值及低阈值相比较，并根据比较结果判断该声学传感器是否接收到声音信号，以确定该声学传感器接收到声音信号的时间。该后端处理电路与该前端接收电路电连接，用于根据该声学传感器接收到该声音信号的时间，并结合该离子束发射器进行离子束发射的时间及该声学传感器在该生物体内的位置，计算出该剂量峰值点的位置及剂量分布。

优选地，该第一电子开关、该第四电子开关及该第五电子开关均为N型金属氧化物半导体场效应管，且其控制极均为门极，输入极均为漏极，输出极均为源极。该第二电子开关及该第三电子开关均为P型金属氧化物半导体场效应管，且其控制极均为门极，输入极均为源极，输出极均为漏极。

在另一个实施例中，一种离子束放疗剂量测量系统包括：离子束发射器、声学传感器、前端接收电路及后端处理电路。该离子束发射器用于朝向一生物体发射离子束，使得该离子束到达该生物体之后产生一剂量峰值点，并产生一个来自于该剂量峰值点的声音信号。该声学传感器用于捕捉该声音信号，并将该声音信号转换成电信号。该前端接收电路与该声学传感器电连接，用于接收该声学传感器输出的电信号，以确定该声学传感器接收到该声音信号的时间。该后端处理电路与该前端接收电路电连接，用于根据该声学传感器接收到声音信号的时间，并结合该离子束发射器进行离子束发射的时间及该声学传感器在该生物体内的位置，计算出该剂量峰值点的位置及剂量分布。

优选地，该离子束放疗剂量测量系统还包括一个可视化模组，用于实时显示该剂量峰值点的位置及该剂量分布。

优选地，该前端接收电路包括低噪放大器、低通滤波器及比较器。该低噪放大器与该声学传感器电连接，用于将该声学传感器输出的电信号进行放大。该低通滤波器与该低噪放大器电连接，用于将放大后的该声学传感器输出的电信号的频带外噪音进行过滤，提高信噪比。该比较器与该低通滤波器电连接，用于该低通滤波器输出的电信号与高阈值及低阈值相比较，并根据比较结果判断该声学传感器是否接收到声音信号，并确定该声学传感器接收到声音信号的时间。该前端接收电路的增益在该低噪放大器、低通滤波器及比较器上均匀分配。

优选地，该低噪放大器包括第一信号输入端、第二信号输入端、第一信号输出端及第二信号输出端。该第一信号输入端用于接收该声学传感器输出的第一电信号，该第二信号输入端用于接收该声学传感器输出的第二电信号，该第一信号输出端用于输出第三电信号，该第二信号输出端用于输出第四电信号。

优选地，该低通滤波器的两个输入端分别通过一个对应的隔直电容与该第一信号输出端及该第二信号输出端电连接，以进行交流耦合，除去该第三电信号及该第四电信号中的直流偏移。

优选地，该低噪放大器包括一个第一电阻及两个结构相同的放大单元。该第一电阻与该两个放大单元电连接。该两个放大单元分别接收该第一电信号及该第二电信号，并分别产生该第三电信号及该第四电信号。

优选地，每个放大单元均包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关、第二电阻、第一电容及第二电容。该第一电子开关及该第二电子开关用于形成反馈回路。该第三电子开关、该第四电子开关及该第五电子开关用于形成具有第一偏置电压的电流源。该第一电容用于限制该低噪放大器的输出带宽并降低其输出噪音。该第二电容用于补偿该第一电容造成的带外零点，提高该剂量峰值点的位置计算的精确度。

优选地，该第一电子开关的控制极接收该第一电信号或该第二电信号，输入极与该第二电子开关的控制极电连接，输出极通过该第二电阻与该第二电子开关的输出极电连接。该第一电容与该第二电阻并联。该第一电容及该第二电阻分别与该第二电子开关的输出极电连接的一端之间输出该第三电信号或该第四电信号。该第二电容的两端分别与该第一电子开关的输入极及输出极电连接。该第二电子开关的输入极与一个参考电压电连接。该第三电子开关的控制极与该第一偏置电压电连接，输入极与该参考电压电连接，输出极与该第一电子开关的输入极电连接。该第四电子开关的控制极与一个第二偏置电压电连接，输入极与该第二电子开关的输出极电连接，输出极接地。该第五电子开关的控制极与一个第三偏置电压电连接，输入极与该第一电子开关的输出极电连接，输出极接地。该第一电阻的两端分别与该两个放大单元中的该第五电子开关的输入极电连接。

与现有技术相比较，本专利申请的离子束放疗剂量测量系统，体积小、成本低、精度高且能实现对剂量分布的实时测量。

【附图说明】

图1是根据本专利申请一个实施例的离子束放疗剂量测量系统的结构示意图；

图2是图1所示的离子束放疗剂量测量系统的前端接收电路的结构框图；

图3是图2所示的前端接收电路的低噪放大器的电路图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及实施例对本专利申请的离子束放疗剂量测量系统进行详细说明。

图1是根据本专利申请一个实施例的离子束放疗剂量测量系统的结构示意图。参见图1，该离子束放疗剂量测量系统100包括：离子束发射器101、声学传感器103、前端接收电路105、后端处理电路107及可视化模组109。

该离子束发射器101用于朝向一生物体发射离子束(比如质子束或重离子束)。该离子束到达该生物体内之后，会在该生物体(比如人体)内产生一剂量峰值点P并产生一个来自于该剂量峰值点P的声音信号。具体的，由于该剂量峰值点P周围的热量聚集，使得该生物体内部组织的体积变化以产生压力，并转换成声音信号发出。

该声学传感器103用于捕捉该剂量峰值点P所产生的声音信号，并将该声音信号转换成电信号。该声学传感器103的数量可以为多个，且分别位于该生物体的不同部位。在本实施例中，该电信号为电压信号。

该前端接收电路105与该声学传感器103电连接，用于接收该声学传感器103输出的电信号，以确定该声学传感器101接收到该声音信号的时间。在本实施例中，该前端接收电路105为模拟电路。

该后端处理电路107与该前端接收电路105电连接，用于根据该声学传感器101接收到声音信号的时间，并结合该离子束发射器进行离子束发射的时间及该声学传感器在该生物体内的位置，计算出该剂量峰值点P的位置，并推算出该离子束放疗的剂量分布。

该可视化模组109与该后端处理电路107电连接，用于实时显示该剂量峰值点P的位置及剂量分布，供医疗人员参考。

如图2所示，该前端接收电路105包括低噪放大器201、低通滤波器203及比较器205。该前端接收电路105的增益在该低噪放大器201、该低通滤波器203及该比较器205上均匀分配。比如该低通过滤器203分配有一部分的增益(比如20dB)，这种分配避免使用开路架构的低噪放大器，从而避免了外在偏置电路，同时提高了频率响应的可控性，减低了该前端接收电路105的时域(time-domain)敏感度，有利于提高测量的准确性。

具体的，该低噪放大器201与该声学传感器103电连接，用于将该声学传感器103输出的电信号进行放大。该低噪放大器201包括第一信号输入端201a、第二信号输入端201b、第一信号输出端201c及第二信号输出端201d。该第一信号输入端201a及该第二信号输入端201b均与该声学传感器103电连接，分别用于接收第一电信号V1及第二电信号V2。该第一信号输出端201c用于输出第三电信号V3。该第二信号输出端201d用于输出第四电信号V4。

该低通滤波器203用于将放大后的该声学传感器103输出的电信号(即该第三电信号及该第四电信号)的频带外噪音进行过滤，提高该离子束放疗剂量测量系统的信噪比(SNR)。在本实施例中，该低通滤波器203的两个输入端分别通过一个对应的隔直电容207与该第一信号输出端201c及该第二信号输出端201d电连接，以进行交流耦合(AC Coupling)，除去该第三电信号V3及该第四电信号V4中的直流偏移，从而避免使用任何外部校准电路，简化电路，降低功耗。

该比较器205与该低通滤波器203的两个输出端电连接，用于将该低通滤波器203输出的电信号与高阈值(比如+5mV)及低阈值(比如-5mV)相比较，并根据比较结果判断该声学传感器101是否接收到声音信号，以确定该声学传感器101接收到声音信号的时间。

如图3所示，该低噪放大器201包括两个结构对称的放大单元300及一个第一电阻311。该第一电阻311与该两个放大单元300电连接。该两个放大单元300分别用于产生该第三电信号及该第四电信号。当然，在其他实施例中，该放大单元300的结构也可相同。

具体的，每个放大单元300均包括第一电子开关301、第二电子开关302、第三电子开关303、第四电子开关304、第五电子开关305、第二电阻306、第一电容307、第二电容309。

该第一电子开关301及该第二电子开关302用于形成反馈回路。该第三电子开关303、该第四电子开关304及该第五电子开关305用于形成具有第一偏置电压VA的电流源。该第一电容307用于限制该低噪放大器201的输出带宽并降低其输出噪音。但是该第一电容307产生带外零点，限制带外频率响应并产生相位移动，从而导致该剂量峰值点P的位置计算结果出现偏差；该第二电容309用于补偿该第一电容307造成的带外零点，从而修正该剂量峰值点P的位置计算的偏差，提高该剂量峰值点P的位置计算的精确度。

具体的，该第一电子开关301的控制极接收该第一电信号V1或该第二电信号V2(即其中一个放大单元300接收该第一电信号V1，另外一个放大单元300接收该第二电信号V2)，输入极与该第二电子开关302的控制极电连接，输出极通过该第二电阻306与该第二电子开关302的输出极电连接。该第一电容307与该第二电阻306并联。该第一电容307及该第二电阻306分别与该第二电子开关302的输出极电连接的一端之间输出该第三电信号V3或该第四电信号V4(即其中一个放大单元300输出第三电信号V3，另一个放大单元300输出第四电信号V4)。该第二电容309的两端分别与该第一电子开关301的输入极及输出极电连接。该第二电子开关302的输入极与一参考电压VDD电连接。

该第三电子开关303的控制极与该第一偏置电压VA电连接，输入极与该参考电压VDD电连接，输出极与该第一电子开关301的输入极电连接。

该第四电子开关304的控制极与一个第二偏置电压VB电连接，输入极与该该第二电子开关302的输出极电连接，输出极接地。

该第五电子开关305的控制极与一个第三偏置电压VC电连接，输入极与该第一电子开关301的输出极电连接，输出极接地。

该第一电阻311的两端分别与该两个放大单元300中的该第五电子开关305的输入极电连接。

在本实施例中，该第一电子开关301、该第四电子开关304及该第五电子开关305均为N型金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，MOS-FET)，且其控制极均为门(Gate，G)极，输入极均为漏(Drain，D)极，输出极均为源(Source，S)极；该第二电子开关302及该第三电子开关303均为P型金属氧化物半导体场效应管，且其控制极均为门(Gate，G)极，输入极均为源(Source，S)极，输出极均为漏(Drain，D)极。

该第一电子开关301及该第二电子开关302的面积较大，且处于弱反向区域(weakinversion region)，Vgs-Vth＝50mV～80mV(其中Vgs为G极与S极之间的电压差，Vth为门限电压)，降低了闪烁噪音功率(flicker noise power)，提高了该第一电子开关301及该第二电子开关302的效率。其中，闪烁噪音是由电子器件频率的局部起伏引起发射电子的缓慢随机起伏，这种变化通常出现在较低的频率上(频率上限约500赫兹)。

该第一电阻311的阻值Rx很低，约为100欧姆，有助于降低热噪音(thermalnoise)。其中热噪音是指通信设备中无源器件(如电阻)由于电子布朗运动而引起的噪声，又称电阻噪声。

该低噪放大器201具有较高的输入阻抗和较低的功耗。经过多次的模拟结果证明，峰值位置误差在1％～1.5％，对于200兆电子伏(MeV)的离子束能量，该剂量峰值点P的位置的最大误差小于1毫米(mm)。

与现有技术相比较，本专利申请的离子束放疗剂量测量系统，能够利用声学测量该剂量峰值点的位置，从而实现对剂量分布的实时测量。同时由于该离子束放疗剂量测量系统所采用的电子元件的数量少，因此体积小、成本低。进一步的，该前端接收电路分配一部分的增益给该低通滤波器，降低了对该低噪放大器的增益要求，减低了噪音要求。同时避免使用开路架构的放大器，不需设置外在偏置电路，同时提高了频率响应的可控性，减低了该前端接收电路105的时域敏感度，有利于提高测量的准确性，使得该离子束放疗剂量测量系统的测量精度高。

以上所述，仅是本专利申请较佳实施例而已，并非对本专利申请作任何形式上的限制，虽然本专利申请以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本专利申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本专利申请技术方案内容，依据本专利申请技术对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本专利申请技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种离子束放疗剂量测量系统，其特征在于，其包括：离子束发射器、声学传感器、前端接收电路及后端处理电路；该离子束发射器用于朝向一生物体发射离子束，使得该离子束到达该生物体之后产生一剂量峰值点，并产生一个来自于该剂量峰值点的声音信号；该声学传感器用于捕捉该声音信号，并将该声音信号转换成第一电信号及第二电信号；该前端接收电路用于接收该第一电信号及该第二电信号，以确定该声学传感器接收到该声音信号的时间；该前端接收电路包括低噪放大器、低通滤波器及比较器；该低噪放大器用于将该第一电信号及该第二电信号进行放大，并产生第三电信号及第四电信号；该低噪放大器包括第一电阻及两个结构相同或结构对称的放大单元；每个放大单元均包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关、第二电阻、第一电容及第二电容；该第一电子开关的控制极接收该第一电信号或该第二电信号，输入极与该第二电子开关的控制极电连接，输出极通过该第二电阻与该第二电子开关的输出极电连接；该第一电容与该第二电阻并联；该第一电容及该第二电阻分别与该第二电子开关的输出极电连接的一端之间输出该第三电信号或该第四电信号；该第二电容的两端分别与该第一电子开关的输入极及输出极电连接；该第二电子开关的输入极与一参考电压电连接；该第三电子开关的控制极与一个第一偏置电压电连接，输入极与一个参考电压电连接，输出极与该第一电子开关的输入极电连接；该第四电子开关的控制极与一个第二偏置电压电连接，输入极与该第二电子开关的输出极电连接，输出极接地；该第五电子开关的控制极与一个第三偏置电压电连接，输入极与该第一电子开关的输出极电连接，输出极接地；该第一电阻的两端分别与该两个放大单元中的该第五电子开关的输入极电连接；该低通滤波器通过隔离电容与该低噪放大器电连接，用于过滤该第三电信号及该第四电信号的频带外噪音，提高信噪比；该比较器与该低通滤波器电连接，用于该低通滤波器输出的电信号与高阈值及低阈值相比较，并根据比较结果判断该声学传感器是否接收到声音信号，以确定该声学传感器接收到声音信号的时间；该后端处理电路与该前端接收电路电连接，用于根据该声学传感器接收到该声音信号的时间，并结合该离子束发射器进行离子束发射的时间及该声学传感器在该生物体内的位置，计算出该剂量峰值点的位置及剂量分布。

2.根据权利要求1所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，该第一电子开关、该第四电子开关及该第五电子开关均为N型金属氧化物半导体场效应管，且其控制极均为门极，输入极均为漏极，输出极均为源极；该第二电子开关及该第三电子开关均为P型金属氧化物半导体场效应管，且其控制极均为门极，输入极均为源极，输出极均为漏极。

3.一种离子束放疗剂量测量系统，其特征在于，其包括：离子束发射器、声学传感器、前端接收电路及后端处理电路；该离子束发射器用于朝向一生物体发射离子束，使得该离子束到达该生物体之后产生一剂量峰值点，并产生一个来自于该剂量峰值点的声音信号；该声学传感器用于捕捉该声音信号，并将该声音信号转换成电信号；该前端接收电路与该声学传感器电连接，用于接收该声学传感器输出的电信号，以确定该声学传感器接收到该声音信号的时间；该后端处理电路与该前端接收电路电连接，用于根据该声学传感器接收到声音信号的时间，并结合该离子束发射器进行离子束发射的时间及该声学传感器在该生物体内的位置，计算出该剂量峰值点的位置及剂量分布。

4.根据权利要求3所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，该离子束放疗剂量测量系统还包括一个可视化模组，用于实时显示该剂量峰值点的位置及该剂量分布。

5.根据权利要求3所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，该前端接收电路包括低噪放大器、低通滤波器及比较器；该低噪放大器与该声学传感器电连接，用于将该声学传感器输出的电信号进行放大；该低通滤波器与该低噪放大器电连接，用于将放大后的该声学传感器输出的电信号的频带外噪音进行过滤，提高信噪比；该比较器与该低通滤波器电连接，用于该低通滤波器输出的电信号与高阈值及低阈值相比较，并根据比较结果判断该声学传感器是否接收到声音信号，并确定该声学传感器接收到声音信号的时间；该前端接收电路的增益在该低噪放大器、低通滤波器及比较器上均匀分配。

6.根据权利要求5所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，该低噪放大器包括第一信号输入端、第二信号输入端、第一信号输出端及第二信号输出端；该第一信号输入端用于接收该声学传感器输出的第一电信号，该第二信号输入端用于接收该声学传感器输出的第二电信号，该第一信号输出端用于输出第三电信号，该第二信号输出端用于输出第四电信号。

7.根据权利要求6所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，该低通滤波器的两个输入端分别通过一个对应的隔直电容与该第一信号输出端及该第二信号输出端电连接，以进行交流耦合，除去该第三电信号及该第四电信号中的直流偏移。

8.根据权利要求6所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，该低噪放大器包括一个第一电阻及两个结构相同或结构对称的放大单元；该第一电阻与该两个放大单元电连接；该两个放大单元分别接收该第一电信号及该第二电信号，并分别产生该第三电信号及该第四电信号。

9.根据权利要求8所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，每个放大单元均包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关、第二电阻、第一电容及第二电容；该第一电子开关及该第二电子开关用于形成反馈回路；该第三电子开关、该第四电子开关及该第五电子开关用于形成具有第一偏置电压的电流源；该第一电容用于限制该低噪放大器的输出带宽并降低其输出噪音；该第二电容用于补偿该第一电容造成的带外零点，提高该剂量峰值点的位置计算的精确度。

10.根据权利要求9所述的离子束放疗剂量测量系统，其中，该第一电子开关的控制极接收该第一电信号或该第二电信号，输入极与该第二电子开关的控制极电连接，输出极通过该第二电阻与该第二电子开关的输出极电连接；该第一电容与该第二电阻并联；该第一电容及该第二电阻分别与该第二电子开关的输出极电连接的一端之间输出该第三电信号或该第四电信号；该第二电容的两端分别与该第一电子开关的输入极及输出极电连接；该第二电子开关的输入极与一个参考电压电连接；该第三电子开关的控制极与该第一偏置电压电连接，输入极与该参考电压电连接，输出极与该第一电子开关的输入极电连接；该第四电子开关的控制极与一个第二偏置电压电连接，输入极与该第二电子开关的输出极电连接，输出极接地；该第五电子开关的控制极与一个第三偏置电压电连接，输入极与该第一电子开关的输出极电连接，输出极接地；该第一电阻的两端分别与该两个放大单元中的该第五电子开关的输入极电连接。

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