前言


一半以上的癌症患者接受电离辐射治疗,其基本目标是储存足够的能量(剂量)来破坏肿瘤细胞并阻止其增殖。放射治疗的一个关键挑战是瞄准肿瘤,同时对周围的正常组织造成最小的损伤。常用的外束放射疗法(EBRT)使用x光光子来传递肿瘤辐射剂量。这种行之有效的方法遇到了几个困难。1) X光穿过全身,在健康组织中留下不想要的剂量。这在儿童癌症中可能是至关重要的,例如,继发性恶性肿瘤是由外周剂量引起的。2)x光的剂量在表面附近最高,随着深度的增加,每厘米下降几个百分点。


研究内容


卡尔顿大学的科学家通过引入64×64像素的可植入毫米级单电荷粒子CMOS剂量计来解决这些挑战,该剂量计与EBRT的体内植入兼容。据悉,所提出的系统是第一个仅使用传统CMOS芯片制造工艺实现单个带电粒子检测的系统。


实验方法


主数字模块的特点是采集下行链路和上行链路信号,收集和缓冲它们,并配置内部参数。静态随机存取存储器控制块管理像素的启用和禁用,以及当前静态随机存取存储器值的读取。每行上的下行线和上行线分别具有下拉晶体管和上拉晶体管。10位计数器在下行信号的上升沿开始计数。需要10位分辨率的原因是需要捕获小脉宽的信号,因为这将有助于更准确地测量统计数据。在计数期间,当A1为高时,寻址块存储当前的开关值。计数在下降沿完成;10位计数器值、6位行地址、6位列地址和2位状态(00:有效、01:多质子命中、10:列地址缺失)被传送到先进先出(FIFO)块。当多行有数据时,优先级编码器选择有数据且优先级最高的一行。行的范围从0到63,数字越小,优先级越高。这防止了64行块和先进先出之间的接口处的数据拥塞。先进先出块的宽度为24位,深度为16位。最后,并行输入串行输出(PISO)模块从先进先出接收数据,并将每个数据输出到片外。

卡尔顿大学科学家提出了带电粒子辐射探测器用于癌症治疗

二极管感应机制示意图。

卡尔顿大学科学家提出了带电粒子辐射探测器用于癌症治疗

整体系统图。

卡尔顿大学科学家提出了带电粒子辐射探测器用于癌症治疗

芯片照片。

卡尔顿大学科学家提出了带电粒子辐射探测器用于癌症治疗

在(a) d = 0 m m,(b) d = 10 mm,(c) d = 20 mm,(d) d = 25 mm,(e) d = 27 mm和(f) d = 29 mm时测量80 s的归一化PW直方图。


结论


科学家们提出了一种新的基于互补金属氧化物半导体二极管的64 × 64单带电粒子辐射探测器,并用临床质子束进行了验证。该设计包括一个模拟像素阵列,几乎最小尺寸的二极管,一个数字系统,静态随机存取存储器控制块,和FLL。介绍了用二极管测量带电粒子的理论分析。样机约1×1m m2,检测面积0.512×0.512 mm2。质子测量结果与详细的模拟结果进行了比较。他们设想该系统可用于各种癌症治疗,包括靶向放射性核素治疗或强子束治疗。


文章来源:


DOI:10.1109 / JSSC.2020.3024231。

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