CN112569478A - 一种同步读出数字型质子ct成像的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步读出数字型质子CT成像方法和装置，包括：置于人体或模体前的硅像素径迹探测器与模体后的数字夹层式电磁量能器，利用数据获取系统采集得到的质子通过人体模体前后的位置、射程等数字信息，得到一定角度下质子穿过人体或模体后的剩余射程二维图像；通过不同角度质子入射，利用算法重建得到模体的断层扫描图像。本发明通过硅像素芯片组成的径迹与射程探测装置，实现了数据的数字化同步读出，简化了质子成像过程中的探测结构与数据处理系统，同时能够有效提高质子径迹重建与甄别精度，并能够实现质子轨迹与射程的全数字化测量，有助于提高制定质子治疗计划中质子射程计算的精确性。
Description
技术领域
本发明属于质子治疗研究技术领域，具体设计一种同步读出数字型质子CT成像的方法及装置。
背景技术
质子治疗是目前全世界医学界公认的最先进且较为成熟的肿瘤放射治疗技术之一。与常规光子放疗技术相比，质子在其射程末端会形成布拉格峰，通过释放大量能量，有效杀死肿瘤细胞，同时使周围的正常组织免受伤害。
质子治疗过程中，通常会根据每个病人的病灶部位、病情严重程度做针对性的治疗计划，目前在治疗计划中需要借助基于X射线的CT（Computed Tomography）图像来确定质子在人体中的射程。然而，CT图像通常并不直接表示组织的吸收系数与密度，而是采用CT值表示，其单位为Hu(Hounsfield unit，亨氏单位)。在制定质子治疗计划时，需要将Hu值进行转换才能获得质子在组织中的相对阻止能力RSP(Relative Stopping Power)。由于X射线与物质发生相互作用的机制与质子不同，因此这种换算过程中带来的布拉格峰下降沿位置的不确定度通常在3-4%左右，在某些密度跨度范围大的组织内（例如：骨骼）甚至可达10%。射程不确定度在头颈部肿瘤的治疗当中尤为重要。头颈部解剖结构特别复杂，存在诸多空腔结构及骨骼，组织密度变化非常大，由于这种不确定度的存在，在制定治疗计划时需要增加射程边界，这将直接导致某些健康组织接受到过量剂量而遭受严重威胁。
通过高能质子直接对病灶区域进行成像（Proton CT），能够直接获得人体病灶区域对质子的相对阻止能力，精确评估质子射程，减小质子射程的系统不确定度，对于改善质子治疗效果具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种可以精确成像的数字型质子CT成像的方法和装置，在有效简化成像结构的同时，显著提高了重建穿过人体模体的质子径迹的位置精度，实现了病灶区域的高精度成像。提高了制定质子治疗计划的过程中对质子射程的计算精度。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现。
为了解决质子治疗计划制定过程中由基于X射线的CT图像到质子相对阻止能力计算过程中带来的质子射程不确定度。本发明提供了一种同步读出数字型质子CT成像方法，该方法包括如下步骤。
利用探测系统测量单个质子通过人体或模体前后的精确位置，以及通过人体或模体后的射程。
利用旋转机架旋转探测系统，得到不同角度的人体或模体的二维图像。
利用数据处理系统，采集质子经过人体或模体前后各硅像素探测器中的位置、角度、射程等数字信号，并转换得到二维图像；并可根据旋转得到的多张不同角度的二维图像重建人体或模体的断层扫描图像。
进一步的，所述探测系统包括：置于人体或模体前的两层硅像素探测器，置于人体或模体后的多层式取样数字型量能器。数字型夹层式量能器包括：由铝、铁、铜、铅、钨中的一种或几种材料制成的能量吸收层，以及由硅像素探测器构成质子径迹测量层，其中能量吸收层与径迹探测层采用夹层式组装方式，取样层的厚度由质子能量灵活确定。质子由置于人体模体前的两层硅像素探测器，穿过人体模体后，在取样数字型量能器中的金属吸收层中沉积能量，并在硅像素探测层中被探测，直至质子逐渐停止，根据质子停止位置硅像素探测器中的响应可获得质子的剩余射程。在硅像素探测层中的信号可测量质子穿出人体或模体后的径迹方向、位置与射程，并将信号以数字化形式输出。
进一步的，所述探测系统被安装在旋转机架上，所述治疗床用于放置人体或模体，可进行六维运动（上下，左右，前后）。
另一方面，本发明提供了一种数字型质子CT的成像装置，该装置包括：
探测系统，所述探测系统用于测量每个质子穿过人体模体前后的位置、方向以及通过人体模体后的能量与射程。
旋转机架，所述旋转机架用于旋转探测系统，从不同角度获取人体模体的二维图像。
治疗床，所述治疗床用于摆放人体模体，并能够进行六维移动（上下，左右，前后）。
数据处理系统，所述数据处理系统包括数据获取系统与数据分析系统。数据获取系统通过采集质子经过人体或模体前后各硅像素探测器中的数字信号，重建并排除散射质子径迹，进而转换得到模体的二维图像；该方法有以下几个步骤。
如图2所示，当质子穿过模体前的两个径迹探测层1A、1B时，能够在硅像素外延层中沉积能量并导致部分像素响应开启，响应像素的位置分别为（xA1,yA1,zA），(xA2, yA2,zA)……(xAn, yAn, zA)与（xB1,yB1,zB），(xB2, yB2,zB)……(xBn, yBn,zB)。根据上述响应像素群的位置，通过带有权重的重心法获得质子在1A与1B上的平均入射位置为(以A上的点为例)，
其中，权重ω可根据实际情况中相邻响应像素点的个数在0-10之间取值。
出射人体或模体的质子径迹由置于模体后的夹层式电磁量能器探测，质子穿过探测层时响应像素的位置也通过带有权重的重心法确定。
根据入射与出射质子在上述探测层中获得的不同位置，可采用最小二乘法拟合上述各层的信号点平均位置，获得入射人体或模体前后径迹的直线斜率分别为：
根据上述直线的斜率能够获得入射与出射质子径迹的空间夹角为：
通过设定散射质子径迹角度阈值为φt，当散射角度大于阈值时，质子将被舍弃，以便减小散射径迹对成像质量的影响。
出射质子的剩余射程可通过电磁量能器中的质子停止层位置获得。通修正因子正获得质子在水中的等效射程；根据射程能量关系，即可获得在当前角度下质子在模体中能量损失。利用损失能量获得当前角度条件下的二维图像。
利用上述方法获得多张不同角度的二维图像，利用滤波反投影算法或迭代算法，重建模体的断层扫描图像。
所述探测系统具体包括：质子径迹与剩余射程探测系统。
质子径迹与剩余射程探测系统包括,置于人体或模体前的两层硅像素探测器，置于人体或模体后的多层式取样数字型量能器。取样数字型量能器包括：由铝、铁、铜、铅、钨中的一种材料或几种材料制成的能量吸收层，以及由硅像素探测器构成质子径迹测量层，其中能量吸收层与径迹探测层采用夹层式组装方式，取样层的厚度由质子能量灵活确定。质子由置于人体或模体前的两层硅像素探测器，穿过人体或模体后，在取样数字型量能器中的金属吸收层中沉积能量，并在硅像素探测层中被探测，直至质子逐渐停止，根据质子停止位置硅像素探测器中的响应可获得质子的剩余射程。在硅像素探测层中的信号可测量质子穿出人体模体后的径迹方向、位置与剩余射程，并将信号以数字化形式输出。
本发明的有益效果：本发明实现了对单个质子穿过人体模体前后径迹的高精度数字重建，且通过利用同时寻迹功能与射程测量的多层式数字量能器，简化了成像设备与数据处理系统的结构。从而实现了更加精确的质子成像效果，有效减小质子治疗计划过程中的射程计算不确定度，有助于提高质子治疗计划的制定效果与质量。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中一种数字型质子CT成像的方法流程图。
图2为本发明中一种数字型质子CT成像的装置示意图。
图3为本发明中一种数字型质子CT成像的数据处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅用于解释本发明的一部分实施例，并不用于限定本实用新型。
请参照图1所示，本发明实施方案中提供了一种可以通过重建散射质子径迹的高精度数字型成像质子CT方法，所述方法包括：
前置探测器为硅像素探测器，测量入射质子在穿过人体或模体之前的位置与方向信息。被成像人体或模体放置于治疗床上时，可进行六维（上下，左右，前后）移动。
径迹射程探测器由金属层与硅像素探测层组成的夹层式数字量能器，用于测量质子穿过人体或模体后的位置、方向、剩余射程与能量。
前置探测器与径迹射程探测器被安装在旋转机架中，用于获取不同角度人体或模体的二维图像。
数据处理系统读取前置探测器与后置探测器中的质子位置与方向信息，并根据后置探测器中的穿透位置，获得质子的剩余射程，通过计算获得质子在水等效长度上的射程分布，进而得到射程的二维分布图。通过不同角度的质子入射人体或模体获得不同角度的二维射程分布图，通过对其进行重建，得到人体或模体的断层扫描图像。
其中，在本申请实施方案中，对质子射程与能量进行探测具体包括：多层式取样数字型量能器。取样数字型量能器包括：由铝、铁、铜、铅、钨中的一种或几种材料制成的能量吸收层，以及由硅像素探测器构成质子径迹测量层，其中能量吸收层与径迹探测层采用夹层式组装方式，取样层的厚度由质子能量灵活确定。质子由置于人体模体前的两层硅像素探测器，穿过人体或模体后，在取样数字型量能器中的金属吸收层中衰减能量，并在硅像素探测层中沉积能量，能量被像素收集极收集后可产生数字信号。根据质子停止位置硅像素探测器中的响应可获得质子的剩余射程。
参见图2，本发明实施方案中的数字型质子CT的成像装置，包括：
硅像素探测层1A、1B,数字型夹层式量能器3、数据获取系统4、数据处理系统5组成；在成像过程中，固定能量的质子束6通过被成像人体或模体后，与不同密度的组织发生电离或激发、与原子核发生散射、核反应造成能量损失与强度衰减。探测器1A、1B与3可通过探测入射人体或模体前后的质子位置重建质子的轨迹。出射质子通过径迹与射程探测器3时，在金属层3B中通过散射、电离、核反应等方式损失能量，并在硅探测层3A中被取样探测，从而获得质子的剩余射程与能量。数据获取系统4可将1A、1B、3A中的硅像素探测器数字信号以同步或异步模式进行读取，并在数据处理系统5中进行进一步分析，通过转换得到质子在等效水长度上通过人体模体后的剩余射程，通过计算获得人体或模体对于质子的射程二维分布图。通过旋转机架旋转探测系统，可获得不同角度的射程二维分布图，经数据分析系统5处理，得到人体或模体的断层扫描图像。
参见图3，本发明装置中的数据处理方式流程：单质子在穿过人体或模体前，其入射位置与方向被前置探测器获得，穿过人体或模体后，其出射方向的位置、方向与射程信息在径迹与射程量能器中获得。上述信息通过数字形式传输到数据处理系统，数据处理系统根据质子入射人体模体前后的位置、方向信息重建质子径迹，并鉴别排除散射质子径迹，在此基础上结合射程信息获得被成像人体或模体的二维图像。通过旋转后可获得被成像人体或模体不同角度的二维图像，通过数据获取系统中的数据处理模块可重建物体的断层扫描图像。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但这样的图示和描述被认为是图示性或事例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施方案，通过研究附图、公开内容和所附的权力要求，本领域技术人员在实践所主张的本发明时，能够很好地理解并利用所公开的实施方案的其他类型。本发明仅受权力要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.一种数字型质子CT成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
探测系统测量单个质子通过人体或模体前后的精确位置，以及通过人体或模体后的射程；获取系统读取的信息计算质子在人体或模体上的射程衰减量，重建质子径迹鉴别散射质子与直穿质子事例，得到人体模体的二维成像；通过旋转机架旋转探测系统得到不同角度的人体或模体二维图像，利用数据处理方式重建人体或模体内的断层扫描图像。
2.根据权力要求1所述的重建算法，其特征在于，数据获取系统通过采集质子经过人体或模体前后各硅像素探测器中的数字信号，重建并排除散射质子径迹，进而转换得到模体的二维图像，该方法有以下几个步骤：
S1: 当质子穿过模体前的两个径迹探测层1A、1B时，能够在硅像素外延层中沉积能量并导致部分像素响应开启，响应像素的位置分别为（xA1,yA1,zA），(xA2, yA2, zA)……(xAn,yAn, zA)与（xB1,yB1,zB），(xB2, yB2,zB)……(xBn, yBn,zB)；根据上述响应像素群的位置，在排除离群噪声点之后，通过带有权重的重心法获得质子在1A与1B上的平均入射位置为(以A上的点为例)：
其中，其中，权重ω可根据实际情况中相邻响应像素点的个数在0-10之间取值；
S2: 出射人体或模体的质子径迹由置于模体后的数字夹层式电磁量能器探测，质子穿过探测层时响应像素的位置也由带有权重的重心法确定；
S3: 根据入射与出射质子在上述探测层中获得的不同位置，可采用最小二乘法拟合上述各层的信号点平均位置，获得入射人体或模体前后质子径迹的直线斜率分别为：
S4:根据上述直线的斜率能够获得入射与出射质子径迹的空间夹角为：
设定散射质子径迹角度阈值为φt，当散射角度大于阈值时，该质子即被认定为大角度散射质子，将被舍弃，以便减小散射径迹对成像质量的影响；
S5:出射质子的剩余射程可通过电磁量能器中的质子停止层位置获得；通修正因子正获得质子在水中的等效射程；根据射程能量关系，即可获得在当前角度下质子在模体中能量损失；利用损失能量获得当前角度条件下的二维图像。
3.根据权力要求1至2所述的一种数字型质子CT成像方法，其特征在于，所述探测系统被安装在同一旋转机架上；所述人体模体被放置在可六维移动（上下、左右、前后）的治疗床上。
4.根据权力要求1至2所述的一种数字型质子CT成像方法，其特征在于，所述的探测装置包括：质子径迹测量系统与剩余射程测量系统；该系统包括：
置于人体模体前的两层硅像素探测器、置于人体模体后的多层式取样数字型量能器；取样数字型量能器包括：由铝、铁、铜、铅、钨中的一种或几种材料制成的能量吸收层，以及由硅像素探测器构成质子径迹测量层；
质子经置于人体模体前的两层硅像素探测器，穿过人体后，在取样数字型量能器中沉积能量并逐渐停止，由取样数字型量能器测量质子穿出人体模体后的径迹方向、位置；
将质子在量能器中停止的位置换算为质子在等效水长度中的射程，并将信号以数字化形式输出。
5.一种数字型质子CT成像装置，该装置包括：
探测系统，所述的探测系统用于测量单个质子通过人体模体前后的位置、方向，以及通过模体后的剩余射程；
旋转机架，用于旋转探测系统来获得不同角度下的人体模体二维图像；
治疗床，所述治疗床用于放置人体模体，可进行六维运动（前后，左右，上下）；
数据处理系统，所述数据处理系统包括数据获取系统与数据分析系统；数据获取系统通过采集质子经过人体模体前后各硅像素探测器中的位置、角度、射程等数字信号，并转换得到模体的二维图像；并可根据旋转得到的多张不同角度的二维图像重建人体或模体的断层扫描图像。
6.根据权力要求4中所述的一种数字型质子CT成像装置，其特征在于，所述探测系统包括：质子径迹与剩余射程探测系统；
质子径迹与剩余射程探测系统包括：置于人体模体前的两层硅像素探测器，置于人体模体后的数字夹层式取样电磁量能器；
数字夹层式取样电磁量能器包括：由铝、铁、铜、铅、钨中的一种或几种材料制成的能量吸收层，以及由硅像素探测器构成质子径迹测量层，其中能量吸收层与径迹探测层采用夹层式组装方式，取样层的厚度由质子能量灵活确定；
质子由置于人体模体前的两层硅像素探测器，穿过人体模体后，在取样数字型量能器中的金属吸收层中沉积损失能量，并在硅像素探测层中被探测，直至质子逐渐停止，在硅像素探测层中的信号可测量质子穿出人体模体后的径迹方向、位置与射程，并将信号以数字化形式输出；质子径迹探测系统与剩余射程探测系统可工作在同步或异步模式下，其质子测量频率范围在0.5-2 MHz内可调，以用于设备检测与成像等不同目的。
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2019
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