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书书书 第２０卷第９期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．９ ２００８年９月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＳｅｐ．，２００８ 文章编号： １００１４３２２（２００８）０９１５３７０４用于浅层肿瘤重离子治疗的终端束流诊断控制系统毛瑞士１，２， 肖国青１， 赵铁成１， 胡正国１， 李 强１， 徐瑚珊１， 徐治国１，章学恒１， 唐 彬１， 涂小林１， 郑建华１， 宋海鸿１， 詹文龙１（１．中国科学院兰州近代物理研究所，兰州７３００００； ２．中国科学院研究生院，北京１０００４９） 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。 关键词： 重离子加速器； 重离子治癌； 束流诊断； 束流控制 中图分类号： ＴＬ９９ 文献标志码： Ａ 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［２４］，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［２３］。在重离子治癌过程中对束流状态的实时监测及控制对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 犎犐犚犉犔浅层肿瘤重离子治疗终端Ｆｉｇ．１ ＳｈａｌｌｏｗｓｅａｔｅｄｔｕｍｏｒｔｈｒｅａｐｙｔｅｒｍｉｎａｌａｔＨＩＲＦＬ图１ ＨＩＲＦＬ重离子浅层治癌终端简图 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２５ｍｍ，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、束流相收稿日期：２００８０３２５； 修订日期：２００８０７０９基金项目：国家高技术发展计划项目；中国科学院重要方向项目（０７１３０３０ＹＦＯ）；中国科学院创新重大项目（０７０１０５０ＹＺＤ）作者简介：毛瑞士（１９７９—），男，博士，从事束流诊断与探测器研究；ｍａｏｒｓｈ＠ｉｍｐｃａｓ．ａｃ．ｃｎ。书书书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。Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｂｅａｍｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ图２ 束流诊断控制系统结构图２．１ 束流强度监测系统 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｂｅａｍｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ 图３ 流强监测软件界面 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ＮＩＰＸＩ６６０２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ＮＩＰＸＩ６１３３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４ｍｍ）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３０ｍｍ×３０ｍｍ），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ＮＩＰＸＩ６１３３ＡＤ采样卡，该卡最大采样率采样点３×１０６／ｓ，精度１４ｂｉｔｓ，完全能够满足目前扫描电源频率监测（小于１００Ｈｚ）。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８３５１强激光与粒子束第２０卷Ｆｉｇ．４ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｍａｇｎｅｔｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ图４ 扫描磁铁波形监测软件界面 Ｆｉｇ．５ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆ３０ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ 图５ ３０次连续测量计数 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１ｍｓ），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（５０４０．１±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ＨＩＲＦＬＣＳＲ［１０１１］所能提供的碳离子能量最高可达１０００ＭｅＶ／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４３０ＭｅＶ／ｕ，在水中射程约３０ｃｍ）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。参考文献：［１］ ＫｒａｆｔＧ．Ｔｕｍｏｒｔｈｅｒａｐｙｗｉｔｈｈｅａｖｙｃｈａｒｇｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．犘狉狅犵狉犲狊狊犻狀犘犪狉狋犻犮犾犲犪狀犱犖狌犮犾犲犪狉犘犺狔狊犻犮狊，２０００，４５：４７３５４４．［２］ 肖国青，张红，李强，等．中国科学院近代物理研究所重离子束治癌进展［Ｊ］．原子核物理评论，２００７，２４（２）：８５８８．（ＸｉａｏＧＱ，ＺｈａｎｇＨ，ＬｉＱ，ｅｔａｌ．ＰｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｆｈｅａｖｙｉｏｎｃａｎｃｅｒｔｈｅｒａｐｙｉｎＩＭＰ．犖狌犮犾犲犪狉犘犺狔狊犻犮狊犚犲狏犻犲狑，２００７，２４（２）：８５８８）［３］ ＬｉＱ，ＤａｉＺＹ，ＹａｎＺ，ｅｔａｌ．ＨｅａｖｙｉｏｎｃｏｎｆｏｒｍａｌｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｈａｌｌｏｗｓｅａｔｅｄｔｕｍｏｒｔｈｅｒａｐｙｔｅｒｍｉｎａｌａｔＨＩＲＦＬ［Ｊ］．犕犲犱犅犻狅犈狀犵犆狅犿狆狌狋，２００７，４５：１０３７１０４３．［４］ ＬｉＱ．ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｗｉｔｈｈｅａｖｙｉｏｎｓａｔｔｈｅＩＭＰａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］．犃犱狏犪狀犮犲狊犻狀犛狆犪犮犲犚犲狊犲犪狉犮犺，２００７，４０：４５５４６０．［５］ 朱昆，张金泉，唐靖宇，等．ＨＩＲＦＬ的辐照治癌终端［Ｊ］．原子核物理评论，２００３，２０（３）：８５８８．（ＺｈｕＫ，ＺｈａｎｇＪＱ，ＴａｎｇＪＹ，ｅｔａｌ．ＮｅｗｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅｒｍｉｎａｌｆｏｒｃａｎｃｅｒｔｈｅｒａｐｙｏｆＨＩＲＦＬ．犖狌犮犾犲犪狉犘犺狔狊犻犮狊犚犲狏犻犲狑，２００３，２０（３）：８５８８）［６］ 戴中颖，李强，肖国青，等．ＨＩＲＦＬ浅层肿瘤重离子治疗终端束流配送系统性能的实验验证［Ｊ］．高能物理与核物理，２００７，３１（７）：６５５６５９（ＤａｉＺＹ，ＬｉＱ，ＸｉａｏＧＱ，ｅｔａｌ．Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｅａｍｄｅｌｉｖｅｒｙｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌｌｙｐｌａｃｅｄｔｕｍｏｒｔｈｅｒａｐｙｔｅｒｍｉｎａｌａｔ９３５１第９期毛瑞士等：用于浅层肿瘤重离子治疗的终端束流诊断控制系统ＨＩＲＦＬ．犎犻犵犺犈狀犲狉犵狔犘犺狔狊犻犮狊犪狀犱犖狌犮犾犲犪狉犘犺狔狊犻犮狊，２００７，３１（７）：６５５６５９）［７］ 闫铮，李强，金晓东，等．重离子治疗计划系统的构想［Ｊ］．原子核物理评论，２００６，