[论文解读] A Prototype Scintillator Real-Time Beam Monitor for Ultra-high Dose Rate Radiotherapy

Daniel Levin, Peter S. Friedman+6 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2023

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 36被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于闪烁体的实时射束监测仪原型（FBSM），用于超高温剂量率（FLASH）放疗，采用一种新型无机复合闪烁体，实现大面积、低质量、抗辐射的射束监测，具有线性响应和亚微秒级实时数据处理能力。该装置在234 Gy/s的剂量率下经受212 kGy累积剂量后仍保持稳定的信号输出，实现了高分辨率2D射束成像，并在FLASH和常规电子束中具备符合IEC标准的射束中断能力。

ABSTRACT

FLASH Radiotherapy (RT) is a potentially new cancer radiotherapy technique where an entire therapeutic dose is delivered in about 0.1 s and at ~1000 times higher dose rate than in conventional RT. For clinical trials to be conducted safely, precise and fast beam monitoring that can generate an out-of-tolerance beam interrupt is required. A FLASH Beam Scintillator Monitor (FBSM) is being developed based in part on a novel proprietary inorganic hybrid scintillator material. The FBSM provides large area coverage, low mass profile, linear response over a broad dynamic range, radiation tolerance, and real-time analysis IEC-compliant fast beam-interrupt signal. This paper includes the design concept and test results from a prototype device in radiation beams that include heavy ions, FLASH level dose per pulse electron beams, anda hospital radiotherapy clinic with electron beams. Results include image quality, response linearity, radiation hardness, spatial resolution, and real-time data processing. The scintillator showed a small -0.02%/kGy signal decrease after a 212 kGy cumulative dose resulting from continuous exposure for 15 minutes at a FLASH compatible dose rate of 234 Gy/s. These tests established the linear response of the FBSM with respect to dose per pulse. Comparison with commercial Gafchromic film indicates that the FBSM produces a high resolution 2D beam image and can reproduce a nearly identical beam profile. At 20 kfps or 50 microsec/frame, the real-time FPGA based computation and analysis of beam position, beam shape, and beam dose takes < 1 microsec.

研究动机与目标

• 开发一种用于超高温剂量率（FLASH）放疗的实时、高速射束监测仪，以确保临床试验中的安全与精确性。
• 解决缺乏可靠、快速响应的射束监测系统的问题，该系统可在FLASH治疗中生成符合IEC标准的射束中断信号。
• 评估一种新型无机复合闪烁体在高剂量率环境下的性能，用于射束位置、形状和剂量监测。
• 利用基于FPGA的计算实现射束参数的实时数据处理，延迟低于1 μs。
• 在FLASH电子束、重离子束和临床电子束中验证监测仪的线性度、空间分辨率和抗辐射性能。

提出的方法

• FBSM采用一种专有的无机复合闪烁体材料，具备高抗辐射能力和快速衰减时间，用于实时射束探测。
• 通过高速CMOS相机以20 kfps（每帧50 μs）捕捉闪烁光，实现射束的实时成像和参数提取。
• 基于FPGA的处理系统在每帧内完成时间小于1 μs的计算，以满足IEC对射束中断的安全标准。
• 系统在三种射束环境中进行了测试：FLASH级电子束（234 Gy/s）、重离子束和医院电子治疗设备。
• 通过与Gafchromic胶片对比，验证了空间分辨率和图像保真度。
• 通过在234 Gy/s的剂量率下持续15分钟暴露于212 kGy累积剂量，评估了闪烁体的抗辐射性能，测量了信号稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于闪烁体的射束监测仪是否能在FLASH放疗中实现亚微秒级响应，以实现射束中断功能？
• RQ2 该新型无机复合闪烁体在234 Gy/s的超高剂量率照射下，经长时间暴露后是否仍能保持线性响应和信号稳定性？
• RQ3 FBSM的空间分辨率和射束轮廓准确性与Gafchromic胶片等已建立的参考剂量计相比如何？
• RQ4 FBSM能否在多种射束类型中可靠检测射束位置、形状和剂量，包括FLASH电子束、重离子束和临床电子束？
• RQ5 在FLASH剂量率下累积暴露212 kGy后，闪烁体的辐射诱导信号衰减程度如何？

主要发现

• FBSM在20 kfps下实现了每帧延迟小于1 μs的实时射束数据处理，满足IEC对快速射束中断功能的要求。
• 在234 Gy/s的剂量率下经受212 kGy累积剂量后，闪烁体信号仅下降-0.02%/kGy，表明其具有优异的抗辐射能力。
• FBSM测得的射束轮廓与Gafchromic胶片结果高度一致，证实了其高空间分辨率和图像保真度。
• FBSM在所有测试的射束条件下（包括FLASH电子束和重离子束）均表现出对单脉冲剂量的线性响应。
• 该系统在临床和FLASH级射束环境中均成功生成了准确、实时的射束位置、形状和剂量信息。
• 该原型实现了大面积射束覆盖，且质量轻，适合集成到临床放疗系统中。