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

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。

二极管感应机制示意图。

整体系统图。

芯片照片。

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。