CN107261343B - 一种质子ct成像和治疗的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种质子CT成像和治疗的方法及装置，包括：质子被超导回旋加速器加速，经过束流输运系统传输到治疗头入口，治疗头检测束流调节束流能量分布，向病人靶体发射质子束，使用探测系统测量每个质子通过靶体前后的轨迹、通过靶体后的能量，数据处理系统采集质子通过靶体前后的坐标、方向、能量信息，得到物体的水当量径长的分布，转换为各像素的灰度值，得到靶体的二维成像，对多角度的二维图像进行重建，得到靶体的三维成像；根据数据处理系统得到的断层扫描图像，直接测出患者的质子剩余量程的量程校正图像，验证计划量程是否达标。本发明实现了更加精确的质子成像，可以确定准确射程和能量，制定更加精准的治疗方案，使病人获得精准治疗。

Description

一种质子CT成像和治疗的方法及装置

技术领域

本发明属于质子治疗研究技术领域，尤其涉及一种质子CT成像和治疗的方法及装置。

背景技术

患有肿瘤的人数正逐年增加，目前治疗肿瘤的外照射放射源中常用的是X线和电子线，也包括不带电的中子和其他带电粒子。不同的粒子具有不同的生物学效应和物理剂量分布特性。质子射束有优越的物理剂量分布特性，它的深度剂量分布曲线在其末端形成布拉格峰(质子束能量释放最多的位置)，治疗学家可以通过调节质子束能量，使布拉格峰出现在病灶位置，最大程度杀伤病灶，同时使病变组织周围的的正常组织免于辐射损伤，降低治疗的副作用。

质子放射治疗计划的制定需要确定病灶形态、位置，从而确定质子能量、质子射程、辐射剂量等参数。首先需要对病灶进行成像，目前广泛使用的成像方法是X射线CT成像系统。然而，由于光子和质子与组织的物理交互作用不同，X射线成像的结果会给质子治疗计划带来一定的误差。在X射线断层扫描中，水当量径长(WEPL)是吸收系数的一种表达方式，是用于确定扫描对象的体积轮廓、计算辐射剂量和量程的重要参数。在目前使用的系统中，将X射线的CT值(Hu值)换算为质子的特定停止功率(specific stopping power)会产生很大误差，从而导致WEPL的误差，因此在软组织成像存在3-5％的系统误差，在骨、肺组织中则更高。使用质子CT可将误差降低到低于1％。此外，这种换算误差使质子的准确射程难于确定，如果使用质子CT(pCT)，可以获得“患者特定的Hu值换算到质子停止功率的校正曲线”，从而确定准确射程和能量，有益于制定更加精准的治疗方案。

pCT可以直接测出患者中的质子剩余量程的量程校正图像，可以和治疗计划中计算出的预计量程比较，验证计划量程是否达标；高能质子在物质中可通过一段比X射线更长的距离，这种性质有利于照射厚的对象，所以质子pCT有更高的穿透功率和探测效率；pCT和治疗系统是同一套装置，可以避免因为成像和治疗系统不同导致的成像位置和接受质子治疗的位置偏差，可以使患者得到更加精准的治疗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以精确成像的质子CT成像和治疗的方法及装置，解决了现有的X射线断层扫描带来的图像误差和定位误差，实现了提高病灶成像精度、提升治疗计划准确性的技术效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

为解决X射线断层扫描给质子治疗带来的图像误差和定位误差，本发明提供了一种质子CT成像和治疗的方法，该方法包括如下步骤：

利用超导回旋加速器加速质子；利用束流输运系统将加速器提取出的束流在一定时间内传输到治疗头入口；利用治疗头检测束流，并根据扫描和治疗需要调节束流能量分布，向靶体发射质子束；利用探测系统测量每个质子通过靶体前后的轨迹，以及通过靶体后的能量；

利用旋转机架，使质子束从不同角度照射靶体，得到不同角度的二维图像数据，对二维图像进行重建，可以得到靶体的三维成像。

利用数据处理系统，读取前后硅微带探测器的位置坐标和方向信息、读取质子能量探测系统的质子剩余能量信息，将读取的数据用于计算质子在靶体不同位置上的能量衰减量，得到物体的水当量径长(WEPL)的分布情况，并转换为各个像素的灰度值，得到靶体的二维成像，通过对不同角度得到的二维图像进行重建，可以得到靶体的三维成像。

利用控制系统，根据数据处理系统得到的断层扫描图像，直接测出患者的质子剩余量程的量程校正图像，可以和治疗计划中计算出的预计量程比较，验证计划量程是否达标，若不达标，则通过控制治疗头调整质子量程；通过控制旋转机架的角度，控制质子束的入射角度，实现在治疗过程中根据靶体成像实时调整治疗方案，使靶体得到更加精准的治疗效果。

所述的治疗头、探测系统均安装在同一旋转支架上；所述靶体安置于治疗床，可进行六维(上下、左右、前后、旋转、前后倾斜、左右倾斜)移动。

进一步的，所述束流输运系统包括：四极磁铁、偏转磁铁、导向磁铁、束流测量设备和真空设备；其中，利用四极磁铁对发散状的质子束进行聚焦；利用偏转磁铁使粒子流的运动方向偏转，实现束流沿特定方向传输；束流方向偏离中轴线时，由导向磁铁纠正偏离；束流测量设备用于测量束流输运情况；真空设备用于为束流输运提供真空环境。

进一步的，所述治疗头包括：散射片、射程调制器和准直器；其中，使用散射片对束流进行横向扩展；使用射程调制器件调制束流的纵向射程；使用预准直器和终端准直器对束流横截面形状进行修正，在横截面方向上实现剂量对靶体适形。

进一步的，所述探测系统包括：质子追踪系统和质子能量探测系统；质子追踪系统包括：置于病人靶体前的一对硅微带探测器、置于病人靶体后的一对硅微带探测器；硅微带像素探测器是二维位置传感器，可以测量质子通过靶体前后的位置坐标和方向，为了保证较短的扫描时间，质子追踪系统探测单个质子的测量频率应达到1MHz以上；质子能量探测系统包括：一系列的晶体闪烁体组成的量热仪、光电二极管，在质子到达闪烁体后，会产生闪烁光，光电二极管接收闪烁光，并将光信号装换为模拟电信号。

另一方面，本发明提供了一种质子CT成像和质子治疗的装置，该装置包括：

超导回旋加速器，所述超导回旋加速器用于加速质子；

束流输运系统，所述束流输运系统用于将加速器提取出的束流在一定时间内传输到治疗头入口；

治疗头，所述治疗头用于检测束流，并根据扫描和治疗需要调节束流能量分布，向病人靶体发射质子束；

探测系统，所述探测系统用于测量每个质子通过靶体前后的轨迹，以及通过靶体后的能量；

旋转支架，所述旋转机架用于使质子束从不同角度照射靶体，得到不同角度的二维图像数据；

治疗床，所述治疗床用于安置靶体，可进行六维(上下、左右、前后、旋转、前后倾斜、左右倾斜)移动；

数据处理系统，所述数据处理系统用于采集质子通过靶体前后的坐标、方向、能量信息，测量质子在靶体不同位置上的能量衰减量，得到物体的水当量径长(WEPL)的分布情况，并转换为各个像素的灰度值，得到靶体的二维成像；通过对不同角度得到的二维图像进行重建，可以得到靶体的三维成像；

控制系统，所述控制系统用于根据数据处理系统得到的断层扫描图像，直接测出患者的质子剩余量程的量程校正图像，可以和治疗计划中计算出的预计量程比较，验证计划量程是否达标；若不达标，则通过控制治疗头调整质子量程，通过控制旋转机架的角度，控制质子束的入射角度，实现在治疗过程中根据靶体成像实时调整治疗方案，使靶体得到更加精准的治疗效果。

其中，所述束流输运系统具体包括：四极磁铁，所述四极磁铁用于对发散状的质子束进行聚焦；偏转磁铁，所述偏转磁铁用于使粒子流的运动方向偏转，实现束流沿特定方向传输；导向磁铁，所述导向磁铁用于当束流方向偏离中轴线时，纠正偏离；束流测量设备，所述束流测量设备用于测量束流输运情况；真空设备，所述真空设备用于为束流输运提供真空环境。

其中，所述治疗头具体包括：散射片，所述散射片用于对束流进行横向扩展；射程调制器，所述射程调制器件用于调制束流的纵向射程；准直器，所述预准直器和终端准直器对束流横截面形状进行修正，在横截面方向上实现剂量对靶体适形。

其中，所述探测系统具体包括：质子追踪系统和质子能量探测系统；

质子追踪系统具体包括：置于靶体前的一对硅微带探测器，所述硅微带探测器用于测量质子通过靶体前的位置坐标和方向，质子追踪系统探测单个质子的测量频率应达到1MHz以上；置于靶体后的一对硅微带探测器，所述硅微带探测器用于测量质子通过靶体后的位置坐标和方向，质子追踪系统探测单个质子的测量频率应达到1MHz以上；

质子能量探测系统具体包括：一系列晶体闪烁体组成的量热仪，所述量热仪用于在质子到达闪烁体后，产生闪烁光；光电二极管，所述光电二极管用于接收闪烁光，并将光信号装换为模拟电信号。

本发明的有益效果：本发明实现了更加精确的质子成像，可以确定准确射程和能量，制定更加精准的治疗方案，使病人获得精准治疗。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种质子CT成像和治疗的方法流程图；

图2为本发明一种质子CT成像和治疗的装置示意图；

图3为本发明质子CT的数据处理流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供给了一种可以精确成像的质子CT成像、质子治疗的方法，所述方法包括：

回旋加速器给质子加速，将质子能量提高到200MeV后，由束流引出装置将质子束引出；束流输运系统将加速器提取出的束流在一定时间内传输到治疗头入口；治疗头检测束流，并根据扫描和治疗需要调节束流能量分布，向病人靶体发射质子束；

前置探测器为硅微带探测器，测量质子穿过靶体前的位置坐标和方向；被扫描对象安置于治疗床上，可进行六维(上下、左右、前后、旋转、前后倾斜、左右倾斜)移动；

后置探测器为硅微带探测器，测量质子穿过靶体后的位置坐标和方向；

质子能量探测系统测量质子穿过靶体后的剩余能量；

数据处理系统读取前、后硅微带探测器的位置坐标和方向信息、读取质子能量探测系统的质子剩余能量信息，将读取的数据用于计算质子在靶体不同位置上的能量衰减量，得到物体的水当量径长(WEPL)的分布情况，并转换为各个像素的灰度值，得到靶体的二维成像，通过对不同角度得到的二维图像进行重建，可以得到靶体的三维成像。

控制系统根据数据处理系统得到的断层扫描图像，直接测出患者中的质子剩余量程的量程校正图像，可以和治疗计划中计算出的预计量程比较，验证计划量程是否达标，若不达标，则通过控制治疗头调整质子量程。通过控制旋转机架的角度，控制质子束的入射角度。实现在治疗过程中根据靶体成像实时调整治疗方案，使靶体得到更加精准的治疗。

其中，所在本申请实施例中，对所述靶体进行多角度成像具体包括：所述旋转机架用于安装治疗头、探测系统。旋转机架旋转使质子束从不同角度照射靶体，得到不同角度的二维图像数据。

其中，在本申请实施例中，对所述束流进行输运具体包括：四极磁铁，所述四极磁铁用于对发散状的质子束进行聚焦；偏转磁铁，所述偏转磁铁用于使粒子流的运动方向偏转，实现束流沿特定方向传输；导向磁铁，所述导向磁铁用于当束流方向偏离中轴线时，纠正偏离；束流测量设备，所述束流测量设备用于测量束流输运情况；

真空设备，所述真空设备用于为束流输运提供真空环境。

其中，在本申请实施例中，对所述质子束进行调制并向靶体发射具体包括：散射片，所述散射片用于对束流进行横向扩展；射程调制器，所述射程调制器件用于调制束流的纵向射程；准直器，所述预准直器和终端准直器对束流横截面形状进行修正，在横截面方向上实现剂量对靶体适形。

其中，在本申请实施例中，对所述质子能量进行探测具体包括：一系列晶体闪烁体组成的量热仪，所述量热仪用于在质子到达闪烁体后，产生闪烁光；光电二极管，所述光电二极管用于接收闪烁光，并将光信号装换为模拟电信号。

参见图2，本发明实施例的质子CT(pCT)的成像和治疗的装置，包括：治疗头1、硅微带探测器2A、2B、4A、4B、质子能量探测器5、数据处理系统6和控制系统7组成；在断层扫描过程中，一定能量分布的质子束8由治疗头发出，穿过扫描物体3，由于质子与物质产生电离或激发造成能量损失、在原子核电场中发生多库伦散射、与原子核之间发生核反应造成强度衰减。硅微带探测器2A、2B可以测量质子通过物体前的位置坐标和方向，硅带探测器4A、4B可以测量质子通过物体后的位置坐标和方向，质子能量探测系统5可以测量质子通过物体后的剩余能量，数据处理系统6可以根据上述信息计算质子通过物体的路径和能量损失情况，能量损失可以用水当量径长(WEPL)表示。进一步计算沿着质子路径的WEPL分布情况，将WEPL值转换为像素值，可以得到物体的二维图像。通过旋转机架旋转，改变质子束的入射角度，可以得到多角度的二维图像。数据处理系统可以通过多角度二维图像重建物体的三维图像。控制系统用于根据数据处理系统得到的断层扫描图像，直接测出患者的质子剩余量程的量程校正图像，可以和治疗计划中计算出的预计量程比较，验证计划量程是否达标，若不达标，则通过控制治疗头调整质子量程。

参见图3，本发明pCT的数据处理流程：质子束穿过被扫描物体后，根据位置探测器测量的质子通过物体前后的位置坐标和方向，对质子路径进行追踪。然后能量探测系统可以测量质子通过物体后的剩余能量。根据质子位置和能量信息，数据处理系统计算质子通过物体的路径和能量损失情况，能量损失可以用水当量径长(WEPL)表示。进一步计算沿着质子路径的WEPL分布情况，将WEPL值转换为像素灰度值，可以得到物体的二维图像。通过多角度的二维图像，可以通过多角度二维图像重建物体的三维图像。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种质子CT成像和治疗的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

利用超导回旋加速器加速质子；

利用束流输运系统将加速器提取出的束流在一定时间内传输到治疗头入口；

利用治疗头检测束流，并根据扫描和治疗需要调节束流能量分布，向靶体发射质子束；

利用探测系统测量每个质子通过靶体前后的轨迹，以及通过靶体后的能量；

利用旋转机架，使质子束从不同角度照射靶体，得到不同角度的二维图像数据，对二维图像进行重建，得到靶体的三维成像；

利用数据处理系统，读取探测系统前、后探测器的位置坐标和方向信息、读取质子能量探测系统的质子剩余能量信息，将读取的数据用于计算质子在靶体不同位置上的能量衰减量，得到物体的水当量径长分布情况，并转换为各个像素的灰度值，得到靶体的二维成像，通过对不同角度得到的二维图像进行重建，得到靶体的三维成像。

2.根据权利要求1所述的一种质子CT成像和治疗的方法，其特征在于，该方法还包括：利用控制系统，根据数据处理系统得到的断层扫描图像，直接测出患者的质子剩余量程的量程校正图像，以和治疗计划中计算出的预计量程比较，验证计划量程是否达标，若不达标，则通过控制治疗头调整质子量程。

3.根据权利要求1至2任一所述的一种质子CT成像和治疗的方法，其特征在于，所述治疗头、探测系统均安装在同一旋转支架上；所述靶体安置于治疗床，进行六维移动。

4.根据权利要求1至2任一所述的一种质子CT成像和治疗的方法，其特征在于，所述束流输运系统包括：四极磁铁、偏转磁铁、导向磁铁、束流测量设备和真空设备；其中，利用四极磁铁对发散状的质子束进行聚焦；利用偏转磁铁使粒子流的运动方向偏转，实现束流沿特定方向传输；束流方向偏离中轴线时，由导向磁铁纠正偏离；束流测量设备用于测量束流输运情况；真空设备用于为束流输运提供真空环境。

5.根据权利要求1至2任一所述的一种质子CT成像和治疗的方法，其特征在于，所述治疗头包括：散射片、射程调制器和准直器；其中，使用散射片对束流进行横向扩展；使用射程调制器件调制束流的纵向射程；使用预准直器和终端准直器对束流横截面形状进行修正，在横截面方向上实现剂量对靶体适形。

6.根据权利要求1至2任一所述的一种质子CT成像和治疗的方法，其特征在于，所述探测系统包括：质子追踪系统和质子能量探测系统；质子追踪系统包括：置于病人靶体前的一对硅微带探测器、置于病人靶体后的一对硅微带探测器；质子能量探测系统包括：由晶体闪烁体组成的量热仪、光电二极管，在质子到达闪烁体后，会产生闪烁光，光电二极管接收闪烁光，并将光信号装换为模拟电信号。

7.一种质子CT成像和治疗的装置，该装置包括：

超导回旋加速器，所述超导回旋加速器用于加速质子；

束流输运系统，所述束流输运系统用于将加速器提取出的束流在一定时间内传输到治疗头入口；

治疗头，所述治疗头用于检测束流，并根据扫描和治疗需要调节束流能量分布，向病人靶体发射质子束；

探测系统，所述探测系统用于测量每个质子通过靶体前后的轨迹，以及通过靶体后的能量；

旋转支架，所述旋转机架用于使质子束从不同角度照射靶体，得到不同角度的二维图像数据；

治疗床，所述治疗床用于安置靶体，进行六维移动；

数据处理系统，所述数据处理系统用于采集质子通过靶体前后的坐标、方向、能量信息，测量质子在靶体不同位置上的能量衰减量，得到物体的水当量径长的分布情况，并转换为各个像素的灰度值，得到靶体的二维成像；通过对不同角度得到的二维图像进行重建，得到靶体的三维成像；

控制系统，所述控制系统用于根据数据处理系统得到的断层扫描图像，直接测出患者的质子剩余量程的量程校正图像，以和治疗计划中计算出的预计量程比较，验证计划量程是否达标；若不达标，则通过控制治疗头调整质子量程。

8.根据权利要求7所述的一种质子CT成像和治疗的装置，其特征在于，所述束流输运系统具体包括：四极磁铁，所述四极磁铁用于对发散状的质子束进行聚焦；偏转磁铁，所述偏转磁铁用于使粒子流的运动方向偏转，实现束流沿特定方向传输；导向磁铁，所述导向磁铁用于当束流方向偏离中轴线时，纠正偏离；束流测量设备，所述束流测量设备用于测量束流输运情况；真空设备，所述真空设备用于为束流输运提供真空环境；所述治疗头具体包括：散射片，所述散射片用于对束流进行横向扩展；射程调制器，所述射程调制器件用于调制束流的纵向射程；准直器，预准直器和终端准直器对束流横截面形状进行修正，在横截面方向上实现剂量对靶体适形。

9.根据权利要求7所述的一种质子CT成像和治疗的装置，其特征在于，所述探测系统具体包括：质子追踪系统和质子能量探测系统；

质子追踪系统包括：置于靶体前的一对硅微带探测器，所述硅微带探测器用于测量质子通过靶体前的位置坐标和方向，质子追踪系统探测单个质子的测量频率应达到1MHz以上；置于靶体后的一对硅微带探测器，所述硅微带探测器用于测量质子通过靶体后的位置坐标和方向，质子追踪系统探测单个质子的测量频率应达到1MHz以上；

质子能量探测系统包括：由晶体闪烁体组成的量热仪，所述量热仪用于在质子到达闪烁体后，产生闪烁光；光电二极管，所述光电二极管用于接收闪烁光，并将光信号装换为模拟电信号。