CN107744399A - 高能粒子注入系统及高能粒子注入控制方法 - Google Patents

高能粒子注入系统及高能粒子注入控制方法 Download PDF

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Abstract

一种高能粒子注入系统及注入控制方法，高能粒子注入系统包括高能粒子发射机头、PET系统以及控制系统。高能粒子发射机头发射高能粒子束。PET系统包括多个检测器和能够旋转的支撑单元，多个检测器呈环状分布在支撑单元上以构成检测器环，支持单元的位置调节装置使检测器环中的全部或者部分检测器在收缩位置和伸出位置之间可移动，每一检测器对来自放射线的光进行计数，且每相邻两检测器在以被检体的体轴为轴的旋转面上设置有使由高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过的间隙部分。控制系统控制高能粒子发射机头朝向间隙部分发射高能粒子束。本发明可以对被检体从360度的任意方向发射高能粒子束，实现以最佳的路径精准打击生物活性分子。

Description

高能粒子注入系统及高能粒子注入控制方法
技术领域
本发明属于正电子发射成像中高能粒子注入技术，具体涉及高能粒子注入系统及高能粒子注入控制方法。
背景技术
正电子发射断层扫描(PET)是一种生成体内功能过程的图像或影像的核医学成像技术。系统探测由发射正电子的放射性核素(示踪剂、放射性示踪剂和放射性药剂等)间接发射的γ-射线偶，其中发射正电子的放射性核素(即高能粒子)注入被检体体内的生物活性分子上。
由于高能粒子对生物活性分子的正常组织具有杀伤力，因此有必要实时地监控高能粒子束，确保高能粒子束发射准确，最小化对正常组织的杀伤。因此，可以使用PET成像技术，实时或者非实时地监控高能粒子束对生物活性分子的作用。
然而，PET系统的检测器环，占据了一定的物理空间，对高能粒子束有遮蔽和阻挡的作用。因此，高能粒子束通常无法以最佳的路径精准打击生物活性分子。
为了能使高能粒子束以最佳的路径精准打击生物活性分子，现有技术中有以下的解决方案：
一、通过C型臂悬挂PET检测器，如图1A所示，PET系统200设置在C型臂10′上，PET系统200由多个检测器210组成，多个检测器210相互之间没有间隙，紧密排列成一个环。PET系统200和高能粒子发射机头100相互独立，只是在工作时，需要把高能粒子发射机头100的发射头置于C型臂10′的开口11′中，高能粒子束A通过C型臂10′的开口11′到达生物活性分子B。该方案的缺点是：需要对悬挂PET检测器的整个C型臂(重量很大)进行旋转，机械系统设计实现比较困难，系统可靠性不高。
二:开环方案。如图1B所示，PET系统200包括多个检测器环21′、22′，检测器环21′、22′之间保持一定的距离，为高能粒子发射机头100发射的高能粒子束A提供360度的入射路径，以到达生物活性分子B。这方案的缺点是：(1)无法和检测器环共面的组织提供360度无死角的入射路径；(2)PET检测器环和高能粒子束入射路径不共面。这导致了PET在生物活性分子中的成像面，和高能粒子束在应注入的待检测面不是同一个平面，PET图像无法实时、准确和有效地反应实际情况。
发明内容
为了至少部分地解决现有高能粒子束无法以最佳的路径精准打击生物活性分子的问题，本发明提供一种高能粒子注入系统，包括高能粒子发射机头、PET系统以及控制系统。高能粒子发射机头沿着一条射束路径发射高能粒子束。PET系统包括多个检测器和能够旋转的支撑单元，所述多个检测器呈环状分布在所述支撑单元上以构成检测器环，所述支持单元具有位置调节装置使所述检测器环中的全部或者部分检测器在收缩位置和伸出位置之间可移动，每一所述检测器对来自放射线的光进行计数，且每相邻两所述检测器在以被检体的体轴为轴的旋转面上设置有使由所述高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过的间隙部分。控制系统与所述高能粒子发射机头连接，以控制所述高能粒子发射机头朝向所述间隙部分发射高能粒子束。
优选地，包括能够旋转和升降的支架，所述高能粒子发射机头设置在所述支架上。
优选地，包括载置被检体的载置床，所述载置床在平行于被检体的体轴方向能够轴向移动。
优选地，所述控制系统包括控制台，所述支架、所述载置床、以及所述PET系统分别与所述控制台连接。
优选地，所述高能粒子发射机头包括：
磁控扫描系统，将分散的初级电子束聚焦到一点，打靶产生所述高能粒子束；
偏转磁铁，以改变从所述磁控扫描系统出射的高能粒子束的方向；
初级准直器，准直从所述偏转磁铁入射的高能粒子束；
双散射系统，设置在所述射束路径上，位于所述初级准直器前方；
束流监测系统，设置在所述射束路径上，位于所述双散射系统前方；
射程调节系统，位于所述束流监测系统前方，用于调节所述高能粒子束的射程；
多叶准直器，用于调节所述高能粒子束射野的形状和位置；以及
补偿器，位于所述多叶准直器与所述检测器环之间。
优选地，所述PET系统包括多个检测器环，所述多个检测器中的至少三个检测器构成检测器组，每一所述检测器组构成一个检测器环，所述多个检测器环沿被检体的体轴间隔分布，相邻两个所述检测器环之间的间隔设置成能使由所述高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过。
优选地，所述高能粒子发射机头具有多个粒子束出射部，多个粒子束出射部圆周分布于所述检测器环的外围。
根据本发明的另一方面，还提供一种高能粒子注入控制方法，通过上述的高能粒子注入系统朝被检体注入高能粒子，包括步骤：
根据被检体的大小，调整检测器环的孔径，确定间隙部分的位置；
使检测器环和高能粒子束的入射路径共面；
使所述高能粒子发射机头朝向所述间隙部分发射高能粒子束。
优选地，还包括步骤：
调整相邻两个检测器环之间的间隔；
轴向移动所述载置床，使高能粒子发射机头朝向所述间隔发射高能粒子束。
优选地，还包括步骤：在以被检体的体轴为轴的旋转面上旋转高能粒子发射机头或/和支撑单元，使高能粒子发射机头朝向检测器环上的间隙部分发射高能粒子束。
优选地，通过旋转所述支架以旋转高能粒子发射机头。
优选地，还包括步骤：通过圆周分布于检测器环的外围的多个粒子束出射部向被检体的同一位置发射高能粒子束。
优选地，还包括步骤：通过圆周分布于检测器环的外围的多个粒子束出射部向被检体的不同位置分别发射高能粒子束。
本发明提供的高能粒子注入系统，由于检测器环设置有使由高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过的间隙部分，高能粒子发射机头朝向间隙部分发射高能粒子束，检测器环和高能粒子束入射路径完全共面，从而可以对被检体从360度的任意方向发射高能粒子束，实现以最佳的路径精准打击生物活性分子。
在发明内容中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1A和图1B为现有技术的高能粒子束打击生物活性分子的示意图；
图2为根据本发明一个实施例的高能粒子注入系统的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的高能粒子发射机头与PET系统对接的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的PET系统的结构简图；
图5A为根据本发明一个实施例的高能粒子注入过程的示意图；
图5B为根据本发明一个实施例的高能粒子注入过程的示意图；
图6为根据本发明一个实施例的高能粒子注入过程的示意图；
图7为根据本发明一个实施例的高能粒子注入过程的示意图；
图8为根据本发明一个实施例的高能粒子注入过程的示意图；
图9为根据本发明一个实施例的高能粒子注入过程的示意图。
其中，附图标记为
100—高能粒子发射机头
101—粒子束出射部
110—磁控扫描系统
120—偏转磁铁
130—初级准直器
140—双散射系统
150—束流监测系统
160—射程调节系统
170—多叶准直器
180—补偿器
200—PET系统
210—检测器
220—间隙部分
230—支撑单元
300—控制系统
310—控制台
320—计算机
330—显示器
400—支架
410—旋转架
420—升降架
500—机架
600—载置床
10′—C型臂
11′—开口
21′、22′—检测器环
A—高能粒子束
B—生物活性分子
具体实施方式
在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅示例性地示出了本发明的优选实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行详细描述。
根据本发明的一个方面，提供一种高能粒子注入系统。图2-9从各个角度示出了高能粒子注入系统的整体以及高能粒子注入系统所包含的各个部件或部分，例如高能粒子发射机头和PET系统等。为了了解这些部件或者部分在高能粒子注入系统中的位置和所起的作用，首先对高能粒子注入系统进行整体性描述，以便彻底地理解本发明。
如图2，高能粒子注入系统包括高能粒子发射机头100、PET系统200以及控制系统300。
高能粒子发射机头100用于将高能粒子(即质子和重离子)沿着一条射束路径注入被检体以杀伤组织。高能粒子束杀伤组织时，会产生能够发射正电子的同位素(例如15O,11C等)。被杀伤越严重的组织，产生的同位素越多。同位素发射的正电子和负电子湮灭时，产生一对方向相反的511keV伽马光子。
结合参阅图3，高能粒子发射机头100包括磁控扫描系统110、偏转磁铁120、初级准直器130、双散射系统140、束流监测系统150、射程调节系统160、多叶准直器170和补偿器180。磁控扫描系统110用于将分散的初级电子束聚焦到一点，打靶产生高能粒子束。偏转磁铁120用以改变从磁控扫描系统110出射的高能粒子束的方向。初级准直器130用于准直从偏转磁铁120入射的高能粒子束。双散射系统140初级准直器130前方，用于获取较大面积的均匀照射野。束流监测系统150位于双散射系统140前方，用于实时监测束流的强度和照射剂量。射程调节系统160位于束流监测系统150前方，用于调节高能粒子束的射程。多叶准直器170用于调节高能粒子束射野的形状和位置。补偿器180位于所述多叶准直器170与检测器环之间，用于满足因生物活性分子待注入位置纵向厚度随待注入位置不同横向坐标而变化的适形注入目的。由于高能粒子发射机头100属于现有技术，在此就不对其多做赘述。
如图4所示，在一个优选实施例中，PET系统200包括多个检测器210和能够旋转的支撑单元230，多个检测器210呈环状分布在支撑单元230上以构成检测器环，支持单元230具有位置调节装置使检测器环中的全部或者部分检测器在收缩位置和伸出位置之间可移动(位置调节装置在图3中没有示出，有关位置调节装置的具体结构可参阅公告号为CN105342632A的中国专利申请)。支撑单元230的详细结构由于在申请号为“201410631706.8”、名称为“支撑单元、支撑设备以及采用该支撑设备的发射成像设备的”的专利申请中有所公开，在此就不对其多做赘述。每一检测器210对来自放射线的光进行计数，且每相邻两检测器210在以被检体的体轴为轴的旋转面上设置有使由高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过的间隙部分220。
为了使高能粒子发射机头100发射的高能粒子束准确通过间隙部分220，本发明的高能粒子注入系统还包括能够旋转和升降的支架400，高能粒子发射机头100设置在支架400上。在一个优选实施例中，支架400设置在机架500上，支架400包括旋转架410和升降架420，旋转架410可由回转电机驱动以旋转，升降架420可由直线电机驱动以升降。由于回转电机驱动旋转和直线电机带动升降皆属于现有技术，在此就不对其多做赘述。
在一个优选实施例中，本发明的高能粒子注入系统还包括载置被检体的载置床600，载置床600在平行于被检体的体轴方向能够轴向移动。
控制系统300与高能粒子发射机头100连接，主要用于控制高能粒子发射机头100朝向间隙部分220发射高能粒子束。为了能使高能粒子发射机头100朝向间隙部分220发射高能粒子束，检测器环和高能粒子束的入射路径最好共面。控制系统300包括控制台310，支架400、载置床600、高能粒子发射机头100以及PET系统200分别与控制台310连接，控制台310可设置对应的操控按钮，如可设置“支架旋转”按钮，“支架升降”按钮，“载置床调整”按钮，“检测器调整”按钮等等。
为了方便自动控制，控制台310还可以连接计算机320，计算机320连接显示器330，以便在线监测。
结合参阅图2，为了实现以最佳的路径精准打击生物活性分子B，高能粒子发射机头100设置在支架400上，驱动支架400旋转的驱动件(如回转电机)和驱动400升降的驱动件(如直线电机)与控制台310连接。
参阅图5A，采用如图2的高能粒子注入系统进行高能粒子注入时，包括步骤：根据被检体的大小，调整检测器环的孔径，确定间隙部分220的位置；使检测器环和高能粒子束的入射路径共面；调整高能粒子发射机头，使高能粒子发射机头朝向间隙部分220发射高能粒子束。为了实现360度无死角的注入，还包括步骤：在以被检体的体轴为轴的旋转面上旋转粒子束发射源，使高能粒子发射机头朝向检测器环上的间隙部分发射高能粒子束。进一步地，还可以通过调整支架400对高能粒子发射机头100进行角度微调(见图5A)。
以上仅仅给出的旋转高能粒子发射机头100的实施例，在实际应用中，由于支撑单元230是能够旋转的，为了实现360度无死角的注入，还可以包括步骤：在以被检体的体轴为轴的旋转面上旋转支撑单元230，使高能粒子发射机头朝向检测器环上的间隙部分发射高能粒子束(见图5B)。
PET系统200可以仅包括单检测器环(如图5A和图5B)。也可以包括多个检测器环(环的布置可参阅图1B)，此处对包括多个检测器环的PET系统进行一下说明，多个检测器环的构成为：多个检测器中的至少三个检测器构成检测器组，每一检测器组构成一个检测器环，多个检测器环沿被检体的体轴间隔分布，相邻两个所述检测器环之间的间隔设置成能使由高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过。
对于包括多个检测器环的PET系统，高能粒子发射机头100相对PET系统200在周向上的设置同于图5A和图5B所示的实施例，其注入高能粒子的方式也可以同于图5A和图5B，不同的是：还可以从检测器环之间注入高能粒子束。从检测器环之间注入高能粒子束时，需要利用载置床600，在进行高能粒子注入时，还包括步骤：调整相邻两个检测器环之间的间隔；轴向移动载置床600使高能粒子发射机头100朝向所述间隔发射高能粒子束。
本发明基于位置调节装置的设置，使得高能粒子注入过程可以根据需注入的位置、大小调整检测器环的孔径大小。如图6所示，其为通过大孔径的检测器环注入高能粒子；如图7所示，其为通过小孔径的检测器环注入高能粒子。整体来说，检测器环的孔径越小，成像质量越好，所以在注入过程中，尽量让检测器靠近被检体边缘。
以上图5A、图5B、图6和图7示出的实施例中，高能粒子发射机头100仅仅具有一个粒子束出射部101，也就是说，从高能粒子发射机头100引出一个高能粒子束。
结合参阅图8和图9，在一个优选实施例中，高能粒子发射机头100可以具有多个粒子束出射部101，也就是说，从高能粒子发射机头100可以引出多个高能粒子束，多个粒子束出射部101圆周分布于检测器环的外围。高能粒子发射机头100的粒子束出射部101的数量可以根据被检体所需注入位置的数量和注入角度确定。采用多粒子束出射部101的高能粒子发射机头100进行注入时，可以通过圆周分布于检测器环的外围的多个粒子束出射部101向被检体的同一位置发射高能粒子束(如图8)；也可以通过圆周分布于检测器环的外围的多个粒子束出射部101向被检体的不同位置分别发射高能粒子束(如图9)。
需要说明的是，本文所涉及的与高能粒子注入系统有关的方位术语，例如“前”、“后”、“轴向”和“周向”等，均是相对于高能粒子注入系统处于图2中所示的第一方向而言的。如图3所示，该第一方向也就是粒子束发射的方向，即图3中箭头所指的方向。轴向是指图2中箭头所指的方向。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (13)

1.一种高能粒子注入系统，其特征在于，包括：
高能粒子发射机头，所述高能粒子发射机头沿着一条射束路径发射高能粒子束；
PET系统，所述PET系统包括多个检测器和能够旋转的支撑单元，所述多个检测器呈环状分布在所述支撑单元上以构成检测器环，所述支持单元具有位置调节装置使所述检测器环中的全部或者部分检测器在收缩位置和伸出位置之间可移动，每一所述检测器对来自放射线的光进行计数，且每相邻两所述检测器在以被检体的体轴为轴的旋转面上设置有使由所述高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过的间隙部分；以及
控制系统，与所述高能粒子发射机头连接，以控制所述高能粒子发射机头朝向所述间隙部分发射高能粒子束。
2.根据权利要求1所述的高能粒子注入系统，其特征在于，包括能够旋转和升降的支架，所述高能粒子发射机头设置在所述支架上。
3.根据权利要求2所述的高能粒子注入系统，其特征在于，包括载置被检体的载置床，所述载置床在平行于被检体的体轴方向能够轴向移动。
4.根据权利要求3所述的高能粒子注入系统，其特征在于，所述控制系统包括控制台，所述支架、所述载置床、所述高能粒子发射机头以及所述PET系统分别与所述控制台连接。
5.根据权利要求4所述的高能粒子注入系统，其特征在于，所述高能粒子发射机头包括：
磁控扫描系统，将分散的初级电子束聚焦到一点，打靶产生所述高能粒子束；
偏转磁铁，以改变从所述磁控扫描系统出射的高能粒子束的方向；
初级准直器，准直从所述偏转磁铁入射的高能粒子束；
双散射系统，位于所述初级准直器前方；
束流监测系统，位于所述双散射系统前方；
射程调节系统，位于所述束流监测系统前方，用于调节所述高能粒子束的射程；
多叶准直器，用于调节所述高能粒子束射野的形状和位置；以及
补偿器，位于所述多叶准直器与所述检测器环之间。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的高能粒子注入系统，其特征在于，所述PET系统包括多个检测器环，所述多个检测器中的至少三个检测器构成检测器组，每一所述检测器组构成一个检测器环，所述多个检测器环沿被检体的体轴间隔分布，相邻两个所述检测器环之间的间隔设置成能使由所述高能粒子发射机头发射的高能粒子束通过。
7.根据权利要求6所述的高能粒子注入系统，其特征在于，所述高能粒子发射机头具有多个粒子束出射部，多个粒子束出射部圆周分布于所述检测器环的外围。
8.一种高能粒子注入控制方法，其特征在于，通过权利要求1-7中任意一项所述的高能粒子注入系统朝被检体注入高能粒子，包括步骤：
根据被检体的大小，调整检测器环的孔径，确定间隙部分的位置；
使检测器环和高能粒子束的入射路径共面；
使所述高能粒子发射机头朝向所述间隙部分发射高能粒子束。
9.根据权利要求8所述的高能粒子注入控制方法，其特征在于，还包括步骤：
调整相邻两个检测器环之间的间隔；
轴向移动所述载置床，使高能粒子发射机头朝向所述间隔发射高能粒子束。
10.根据权利要求8所述的高能粒子注入控制方法，其特征在于，还包括步骤：在以被检体的体轴为轴的旋转面上旋转高能粒子发射机头或/和支撑单元，使高能粒子发射机头朝向检测器环上的间隙部分发射高能粒子束。
11.根据权利要求10所述的高能粒子注入控制方法，其特征在于，通过旋转所述支架以旋转高能粒子发射机头。
12.根据权利要求8所述的高能粒子注入控制方法，其特征在于，还包括步骤：通过圆周分布于检测器环的外围的多个粒子束出射部向被检体的同一位置发射高能粒子束。
13.根据权利要求8所述的高能粒子注入控制方法，其特征在于，还包括步骤：通过圆周分布于检测器环的外围的多个粒子束出射部向被检体的不同位置分别发射高能粒子束。
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