关键词：
放射束剂量校准装置
质子治疗
布拉格峰
应力分析
固有频率
摘要：
癌症是人类面临的重大安全风险之一,质子治疗是一种先进的放射治疗技术,可以实现肿瘤部位精确治疗,减少对周围正常组织的损伤。放射束剂量校准装置是保障质子放射治疗剂量的关键设备,能够在质子治疗前实现放射治疗射束剂量分布的扫描,并完成剂量测量和校准。因此,开展对放射束剂量校准装置的设计分析与验证研究,具有重要意义。
首先,根据放射束剂量校准装置的工作原理,对比国内外主流设备临床参数,确定放射束剂量校准装置的技术参数,开展三维移动机构、升降调平机构、储水箱的结构设计。
其次,在结构设计的基础上,基于静力学分析,对所设计的校准装置结构强度进行了简单校核。并针对装置中的三轴运动扫描结构上的扫描电离室滑块在校准测量中的运动轨迹进行了动力学分析,获得在运行过程中机构的最大应变量为25.39MPa,以及滑块中心点在XY平面上的形变量分布。针对在装置使用时,三轴运动扫描结构的控制电机产生的振动可能导致装置结构发生共振的问题,开展了模态分析和谐响应分析,获得校准装置的固有频率并于电机运行振动频率进行对比,得到了机构可能发生的共振区间为7.00Hz～8.75Hz。
然后,开展放射束剂量校准装置样机研制及机械精度实验,保证其定位精度和重复定位精度小于0.1mm。并在中国科学技术大学附属第一医院离子医学中心的瓦里安质子治疗系统平台上,开展布拉格峰测试,得到了在不同放射束剂量下的布拉格峰值测试曲线,误差范围均控制在0.1%,满足使用的精度需求。
最后,针对现有模型样机在X轴末端的形变误差累积等问题,对装置中的三维移动机构重新进行了模型设计,并通过基于响应面的多目标优化方法对新设计的模型进行优化分析。基于最优分析结果,进行了模型的模态分析和动力学分析校核,结果显示,新模型的固有频率避免了与控制电机发生共振区间重合,同时电离室安装平台中心点的形变量从原来的0.32mm降低至0.06mm以内,为后续新一轮的放射束剂量校准装置的生产研制提供了参考。
图[54]表[19]参[80]
