CN103977506B - 一种质子断层扫描方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子断层扫描方法及装置，所述方法包括：首先利用治疗头发射出质子束，然后对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上，然后通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像，最后利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集，解决了现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题，实现了制造断层扫描方法扫描准确扫描精度较高，误差较小，且空间分辨率较高的技术效果。

Description

一种质子断层扫描方法及装置

技术领域

本发明涉及质子放射研究领域，尤其涉及一种质子断层扫描方法及装置。

背景技术

随着科技的发展和进步，环境也在日益恶化，相应的人们的身体出现了更多的病变，如肿瘤等，随着人们对健康的重视度的日益提高，对肿瘤的有效治疗方法的需求也更加强烈。

市面上通用的肿瘤治疗方法，基本上可概括为手术、化疗、放疗三种，彼此兼容互补，且大多数肿瘤患者都将采用放射疗法。当前放射疗法所采用的粒子类型有电子、X射线、伽玛射线、质子以及重离子，这些粒子在人体内的不同能量衰减特性带来不同的治疗效果。相对而言，质子放射疗法具有优于X射线和电子的剂量分布，可实现肿瘤的局部控制；并且由于质子电离所形成的二次电子密度低，可以减少对正常细胞的损伤。总的来说，质子放射疗法是一种先进的辐射治疗技术，目前国际范围内质子放疗设备已形成产业链，国内外正式运行的质子放射治疗装置有几十台，这些装置的质子束由加速器提供，最大能量范围集中在200~400MeV。

质子放射治疗系统为实现高度适形的精确放疗有如下三点要求，包括：质子射程的精准预测；辐射剂量的准确计算；患者病灶的高精度定位。目前普遍采用的实施方法是利用X射线计算机断层扫描（CT）成像系统来确定质子束的能量、扫描参数以及治疗头的位置、方向等信息，但这种方式存在如下一些缺点：1从CT图像得到的X射线衰减系数转换为质子束的射程信息存在较大的不确定度，误差范围在5%左右，造成这种误差的原因主要有如下3个方面：基于X射线诊断CT值和电子密度之间关系的经验公式存在误差、X射线经过人体时的硬化过程、由于人体组织复杂性带来的X射线读数校准本身的不确定性；2由于图像引导系统和治疗系统是两套设备，在病灶的定位方面也存在一定的误差。

1968年，Koehler等提出了射程末端成像方式，成像系统布局如图2所示，采用的是质子直接透射成像系统。这种成像方式利用了质子穿过物质时Bragg峰的特性，其特点是纵向分辨率高，但照相中样品的厚度必须和质子的射程相匹配，仅适用于低能质子照相。迄今为止，直接透射成像技术仍处于蓬勃发展中，如今该技术也可应用于中能质子束，特点是能够获取质子穿越客体时的能损信息，其应用前景是可利用质子透射成像方式来实现图像引导，也即是质子断层扫描技术（pCT），能够克服目前CT图像引导的不足，但该技术由于多次库仑散射的影响，空间分辨率差，尚不足以取代CT引导系统。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，由于现有的质子放射治疗系统利用X射线计算机断层扫描（CT）成像系统，导致从CT图像得到的X射线衰减系数转换为质子束的射程信息存在较大的不确定度，误差范围在5%左右，由于图像引导系统和治疗系统是两套设备，在病灶的定位方面也存在一定的误差，以及质子断层扫描技术（pCT），在质子穿过客体时，多次库仑散射将造成入射质子束的角度分散，产生多次库仑散射的影响，造成空间分辨率差，所以，现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种质子断层扫描方法及装置，解决了现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题，实现了制造断层扫描方法扫描准确扫描精度较高，误差较小，且空间分辨率较高的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种质子断层扫描方法，所述方法包括：

利用治疗头发射出质子束；

对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上；

通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像；

利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集。

进一步的，所述对所述质子束进行调制匹配整形具体包括：

首先，利用光阑对所述质子束进行限位，将所述质子束的横向发射度限制在一预设范围内；

然后，利用散束器增加质子的横向倾角；

最后，利用两块四极磁铁实现所述客体处所述质子束横向位置和倾角的线性调制。

进一步的，所述通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像具体为：通过由四块四极磁铁和束流准直器组成的磁透镜组使所述质子束实现1：1成像。

进一步的，所述利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集具体包括：

首先，通过磁透镜组使所述质子束在闪烁体晶体上实现1：1成像；

然后，通过CCD相机实现图像的实时采集。

进一步的，所述对所述质子束进行调制匹配整形、所述质子束的成像以及所述实现图像的实时采集均在同一旋转支架上进行。

另一方面，本申请实例还一种质子断层扫描装置，所述装置包括：

治疗头，所述治疗头用于利用治疗头发射出质子束；

调制匹配模块，所述调制匹配模块用于对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上；

磁透镜组，所述磁透镜组用于使所述质子束实现1：1成像；

图像采集模块，所述图像采集模块用于利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集。

其中，所述调制匹配模块具体包括：

光阑，所述光阑用于对所述质子束进行限位，将所述质子束的横向发射度限制在一预设范围内；

旋转散束器，所述旋转散束器用于增加质子的横向倾角；

两块四极磁铁，所述两块四极磁铁用于实现所述客体处所述质子束横向位置和倾角的线性调制。

其中，所述磁透镜组具体包括：四块四极磁铁和束流准直器。

其中，所述图像采集模块具体包括：

闪烁体晶体，所述闪烁体晶体用于通过磁透镜组使所述质子束在所述闪烁体晶体上实现1：1成像；

CCD相机，所述CCD相机用于实现图像的实时采集。

其中，所述调制匹配模块、所述磁透镜组、所述图像采集模块均连接在同一旋转支架上。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了首先利用治疗头发射出质子束，然后对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上，然后通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像，最后利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集的技术方案，即加入了磁透镜组利用磁透镜强聚焦原理消除了多次库仑散射的影响，并且该束线配置调节方便，可适应不同能量的入射质子，并且通过角度准直器还可实现图像对比度的调节，将质子束进行调制匹配整形、质子束的成像以及实现图像的实时采集均在同一旋转支架上，可将整个成像束线作为一个整体，保证相互之间的关系，保证使用方便和精度，所以，有效解决了现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题，进而实现了制造断层扫描方法扫描准确扫描精度较高，误差较小，且空间分辨率较高的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中的质子断层扫描方法的流程示意图；

图2是本申请实施例一中的质子直接透射成像原理示意图；

图3是本申请实施例一中的质子放射治疗室布局图；

图4是本申请实施例一中的质子断层扫描装置结构图；

图5是本申请实施例一中的质子与物质相互作用机理示意图；

图6是本申请实施例一中的基于磁透镜强聚焦原理的质子透射成像原理示意图；

图7是本申请实施例一中的成像磁透镜组结构示意图；

图8是本申请实施例一中的质子透射成像的成像束线；

图9是本申请实施例一中的质子束的调制匹配演化图；

图10是本申请实施例一中的通过质子断层扫描成像束线获得的肿瘤图像；

图11是本申请实施例一中质子断层扫描装置的结构示意图。

其中，1-质子束，2-客体，3-成像屏，4-治疗头，5-治疗床，6-治疗室，7-四极磁铁，8-偏转磁铁，9-扫描磁铁，10-治疗头出口，11-光阑，12-旋转散束器，13-真空密封窗，14-患者（客体），15-旋转支架，16-束流准直器，17-闪烁体晶体，18-CCD相机，19-电离能损反应，20-核反应，21-库仑散射，22-傅立叶平面，23-水平聚焦四极磁铁，24-垂直聚焦四极磁铁，25-调制匹配整形段，26-磁透镜组成像段，27-图像接受段。

具体实施方式

本发明提供了一种质子断层扫描方法及装置，解决了现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题，实现了制造断层扫描方法扫描准确扫描精度较高，误差较小，且空间分辨率较高的技术效果。

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

首先利用治疗头发射出质子束，然后对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上，然后通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像，最后利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集的技术方案，即加入了磁透镜组利用磁透镜强聚焦原理消除了多次库仑散射的影响，并且该束线配置调节方便，可适应不同能量的入射质子，并且通过角度准直器还可实现图像对比度的调节，将质子束进行调制匹配整形、质子束的成像以及实现图像的实时采集均在同一旋转支架上，可将整个成像束线作为一个整体，保证相互之间的关系，保证使用方便和精度，所以，有效解决了现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题，进而实现了制造断层扫描方法扫描准确扫描精度较高，误差较小，且空间分辨率较高的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种质子断层扫描方法，请参考图1-图10，所述方法包括：

S10，利用治疗头发射出质子束；

S20，对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上；

S30，通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像；

S40，利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集。

其中，在本申请实施例中，所述对所述质子束进行调制匹配整形具体包括：

首先，利用光阑对所述质子束进行限位，将所述质子束的横向发射度限制在一预设范围内；

然后，利用散束器增加质子的横向倾角；

最后，利用两块四极磁铁实现所述客体处所述质子束横向位置和倾角的线性调制。

其中，在本申请实施例中，所述通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像具体为：通过由四块四极磁铁和束流器组成的磁透镜组使所述质子束实现1：1成像。

其中，在本申请实施例中，所述利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集具体包括：

首先，通过磁透镜组使所述质子束在闪烁体晶体上实现1：1成像；

然后，通过CCD相机实现图像的实时采集。

其中，在本申请实施例中，所述对所述质子束进行调制匹配整形、所述质子束的成像以及所述实现图像的实时采集均在同一旋转支架上进行。

其中，在实际应用中，如图3所示为质子放射治疗室布局图，核心部件是治疗头，由可旋转束线和旋转支架构成。为实现对病灶全方位、多角度的适形治疗，治疗头包含散射体、准直器、适形器、补偿器、计量检测器、偏转磁铁、聚焦四极磁铁以及扫描磁铁等，光路极为复杂。本申请实施例的质子断层扫描束线将利用从治疗头引出的质子束进行成像，也即是在治疗头的末端建立一条质子透射成像束线。在进行质子放射治疗时，成像束线不通电，不影响放疗过程；在进行pCT图像引导时，成像束线可正常通电工作。如图4所示是一种常用的“散束模式”治疗头的示意图，在其末端加入了质子透射成像束线可实现pCT功能。

下面将对质子透射成像束线的设计原理和方法进行详细的说明。

质子与物质相互作用的机理如图5所示，包括：1与核外电子的相互作用：质子在穿过介质时以电离方式损失其能量，电离反应是指入射质子将其部分能量传递给核外电子，使介质原子产生电离或激发而损失能量（电离能损），该反应可用Bethe-Block公式来表示；2与核库仑场的相互作用：当质子通过介质时，入射质子将受到原子核电场的相互作用，入射质子的轨迹将受到核电场的偏转，这个过程称为库仑散射，该反应可用Molliere公式很好的描述；3与原子核的强相互作用：入射质子与原子核之间的强相互作用（也即是核反应）包括核弹性散射、准弹性散射和非弹性散射。

在质子穿过客体时，多次库仑散射将造成入射质子束的角度分散，如果采用图2的直接透射成像布局，获得的图像将产生严重的成像模糊。为克服上述问题，可利用磁透镜组把散开的质子束重新汇聚起来以获得清晰的图像。能够这么做的主要原因是由于质子带电，可以利用电磁场对其进行偏转和聚焦。

图6所示是基于磁透镜强聚焦原理的质子透射成像原理示意图，其特点是质子在像平面的位置与其初始角度无关，这样就基本消除了库仑散射的影响。这种情况和凸透镜的几何光学成像相似，属于物点像点一一对应的点对点成像系统。这种磁铁组合还有一个特点，其中心处质子的位置与其初始位置无关，只决定于初始散角，这样就形成了一个傅立叶平面，如图6所示，大散角的质子到达傅立叶平面上远离束轴的位置，小散角的质子到达靠近束轴的位置。这样，放置在傅立叶平面上的束流准直器就具有角度选择的能力。进一步分析，质子穿过客体的库仑散射角度和客体的材料属性（辐射长度）有关，所以利用傅立叶平面也可以确定客体的性质。

如图7所示是成像磁透镜组的结构示意图，由两个完全相同的FODO单元组成，FODO单元就是磁铁的一种排列方式，具体为一块水平聚焦磁铁+一段漂移段+一块垂直聚焦磁铁+一段漂移段的组合，间距用L和S表示，F表示水平聚焦四极磁铁，D表示垂直聚焦四极磁铁，O表示漂移段，其中一个FODO单元的传输矩阵可表示为c：

(1)

其中，f代表四极磁铁的聚焦长度。整个磁透镜组的传输矩阵可表示为：

(2)

其中，代表矩阵的秩，的行列式。如果，也即是当时，满足条件，为单元矩阵，这样就能实现点点成像。

假设初始坐标为的质子穿越客体后，由于散射效应，粒子的坐标变为，这里表示多次库仑散射引起的散角。这样该质子在傅立叶平面上的横向位置为：

(3)

假设质子的初始位置和初始角度满足线性关系，也即是：

并且(4)

其中代表相关系数，这时式(3)可表示为：

(5)

可以看出，傅立叶平面处质子的横向位置只与散射角成正比，通过放置横向准直器就可以实现角度分辨。

考虑到质子在穿越客体过程中会伴随动量损失，该粒子最终达到成像屏时的横向位置为：

(6)

对于该磁透镜组，传输矩阵的二次项满足如下关系式：

(7)

结合式(4)、式(6)、式(7)，粒子的最终位置为：

(8)

其中，代表色差模糊，与散射角和动量分散直接相关。

从上述推导可以看出，通过图7所示的强聚焦磁透镜组，质子透射成像的成像模糊可大幅减小，一阶色差完全消除，二阶色差大部分消除，可从原理上大幅提升质子透射成像的横向分辨率。

通过图6、图7所示的成像磁透镜组可以实现点点成像，但对初始束流有两点要求：1在磁透镜组成像段的起始点束流满足式(4)的限制条件，也即是质子的初始位置和初始角度满足线性关系；2束流横向尺寸足够大，能够照亮整个视场。为实现上述要求，必须在磁透镜组成像段前方加入束流调制匹配段，如图8所示。此外，为了实现质子束的图像采集，在质子透射成像束线的末端加入了图像接受段，利用闪烁体（如LSO晶体）将质子图像转换为光信号，再通过CCD相机进行收集。

利用特殊的磁透镜组可大幅减小散射造成的成像模糊，但对入射质子有很强的限制条件，在实际加速器运行中，该条件很难实现。调制匹配段实现该条件的做法是让横向发射度极小的束团（通过小孔径光阑得以保证）穿过散束器（金属薄片），使质子横向倾角大幅增加后，再经过一段匹配段，这样就能实现横向位移和倾角的调制，如图9所示，其中图9中左边为质子束穿越散束器前，中间部分为质子束穿越散束器后，右边部分为质子束到达调制匹配段末端，从图9可以看出，质子束经过调制匹配段后，质子束的横向位置和倾角基本成正比关系，并且束流的横向尺寸也得以扩张，能够覆盖整个视场。

下面举例对本申请实施例的质子断层扫描进行介绍，其中，一个实际的设计方案如表1所示，表1为质子断层扫描束线的参数配置，其中，质子束流能量为325MeV，肿瘤位置的约化长度为32.4g/cm²，肿瘤形状为半径10mm的圆形，肿瘤外围的约化长度为29.7g/cm²，与正常情况接近。图10所示为通过该成像束线得到的肿瘤图像，该图像清晰地反映了肿瘤的形状和位置。

表1质子断层扫描束线主要参数

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了首先利用治疗头发射出质子束，然后对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上，然后通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像，最后利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集的技术方案，即加入了磁透镜组利用磁透镜强聚焦原理消除了多次库仑散射的影响，并且该束线配置调节方便，可适应不同能量的入射质子，并且通过角度准直器还可实现图像对比度的调节，将质子束进行调制匹配整形、质子束的成像以及实现图像的实时采集均在同一旋转支架上，可将整个成像束线作为一个整体，保证相互之间的关系，保证使用方便和精度，所以，有效解决了现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题，进而实现了制造断层扫描方法扫描准确扫描精度较高，误差较小，且空间分辨率较高的技术效果。

对应实施例一中的方法，实施例一还提供了一种质子断层扫描装置，请参考图11和图4，所述装置10包括：

治疗头4，所述治疗头用于利用治疗头发射出质子束；

调制匹配模块101，所述调制匹配模块用于对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上；

磁透镜组102，所述磁透镜组用于使所述质子束实现1：1成像；

图像采集模块103，所述图像采集模块用于利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集。

其中，在本申请实施例中，所述调制匹配模块101具体包括：

光阑11，所述光阑11用于对所述质子束进行限位，将所述质子束的横向发射度限制在一预设范围内；

旋转散束器12，所述旋转散束器12用于增加质子的横向倾角；

两块四极磁铁，所述两块四极磁铁用于实现所述客体处所述质子束横向位置和倾角的线性调制。

其中，在本申请实施例中，所述磁透镜组102具体包括：四块四极磁铁和束流准直器16。

其中，在本申请实施例中，所述图像采集模块103具体包括：

闪烁体晶体17，所述闪烁体晶体17用于通过磁透镜组102使所述质子束在所述闪烁体晶体上实现1：1成像；

CCD相机18，所述CCD相机18用于实现图像的实时采集。

其中，在本申请实施例中，所述调制匹配模块101、所述磁透镜组102、所述图像采集模块103均连接在同一旋转支架15上。

其中，在实际应用中，请参考图4，治疗头4是固定在一发射装置上，所述发射装置由四极磁铁7、偏转磁铁8、扫描磁铁9依次连接组成，而位于治疗头出口10下方的依次为：光阑11，旋转散束器12，真空密封窗13，患者（客体）14，旋转支架15，束流准直器16，闪烁体晶体17，CCD相机18，其中，真空密封窗13、患者（客体）14、束流准直器16、闪烁体晶体17、CCD相机18均固定在旋转支架15上，且患者（客体）14放置在治疗床5上，治疗床5同样位于旋转支架15上，其中，在竖直方向从上到下依次为：光阑11、旋转散束器12、真空密封窗13、患者（客体）14、治疗床5、束流准直器16、闪烁体晶体17、CCD相机18。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了首先利用治疗头发射出质子束，然后对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上，然后通过磁透镜组使所述质子束实现1：1成像，最后利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集的技术方案，即加入了磁透镜组利用磁透镜强聚焦原理消除了多次库仑散射的影响，并且该束线配置调节方便，可适应不同能量的入射质子，并且通过角度准直器还可实现图像对比度的调节，将质子束进行调制匹配整形、质子束的成像以及实现图像的实时采集均在同一旋转支架上，可将整个成像束线作为一个整体，保证相互之间的关系，保证使用方便和精度，所以，有效解决了现有的质子断层扫描方法存在扫描不准确存在误差，空间分辨率较差的技术问题，进而实现了制造断层扫描方法扫描准确扫描精度较高，误差较小，且空间分辨率较高的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种质子断层扫描装置，其特征在于，所述装置包括：

治疗头，所述治疗头用于利用治疗头发射出质子束；

调制匹配模块，所述调制匹配模块用于对所述质子束进行调制匹配整形，使所述质子束照射在客体的预定部位上；

磁透镜组，所述磁透镜组用于使所述质子束实现1：1成像；

图像采集模块，所述图像采集模块用于利用闪烁体晶体和CCD相机实现图像的实时采集。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制匹配模块具体包括：

光阑，所述光阑用于对所述质子束进行限位，将所述质子束的横向发射度限制在一预设范围内；

旋转散束器，所述旋转散束器用于增加质子的横向倾角；

两块四极磁铁，所述两块四极磁铁用于实现所述客体处所述质子束横向位置和倾角的线性调制。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁透镜组具体包括：四块四极磁铁和束流准直器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像采集模块具体包括：

闪烁体晶体，所述闪烁体晶体用于通过磁透镜组使所述质子束在所述闪烁体晶体上实现1：1成像；

CCD相机，所述CCD相机用于实现图像的实时采集。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制匹配模块、所述磁透镜组、所述图像采集模块均连接在同一旋转支架上。