质子治疗装置中治疗头剂量监测系统的仿真与设计

摘要

质子治疗装置是先进的无创精准治疗癌症的粒子放疗设备，其剂量监测系统是实现质子束三维扫描适形剂量照射的关键部分。本文根据质子放疗系统总体性能要求，研究设计了可实时在线、低流强探测且对束流影响小的治疗头剂量监测系统。 论文以剂量探测器的基本原理为基础，结合平行板电离室的增益、收集效率等相关理论，完成了平行板电离室基本结构的设计，并使用蒙特卡罗软件Geant4计算了平行板电离室对束流的影响。根据系统中设计的束流流强和平行板电离室的增益，对剂量监测系统的电子学进行了参数设计和原理仿真，设计的电子学能够探测低至nA量级的质子束流强。给出了电子学输出计数频率与实际剂量的转换关系，完成了整个剂量监控系统的初步设计。 由于设计的束流探测器破坏了治疗头的真空环境，为了减小治疗头对束流品质的影响，在治疗头中束流探测器之间设计了小散射束流管道。根据系统对束流在等中心点的能量和横向尺寸等品质的要求，对小散射束流管道的气体类型、密封膜、气体压强及纯度进行了设计。结合治疗头束流入射参数进行分析，结果表明70MeV质子束在等中心点的束斑的σ值在8mm左右，能量损失1.76MeV；250MeV质子束的σ值在3.5mm内，能量损失0.68MeV。最后结合束流在治疗头内品质的改变，分析束流在肿瘤区实际剂量分布与理想设计之间的差别，为治疗计划的制定提供参考。

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