CN113660979A - 用于带电粒子治疗验证的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于带电粒子治疗验证的系统，包括：第一检测器，被配置成用于检测从用带电粒子束照射的目标发射的次级粒子，其中，检测器被配置成引起快中子的次级粒子的在检测器中的至少两个连续弹性散射，并且引起瞬发伽马射线类型的次级粒子的两个连续非相干散射和随后的第三散射，该第三散射是以下中的一个：光电效应、非相干散射或偶产生。

Description

用于带电粒子治疗验证的系统
技术领域
本发明涉及带电粒子治疗(CPT)，即应用加速离子束的癌症治疗的领域。更具体地，本发明涉及用于实时测量带电粒子束在目标对象或人体或动物体中的范围以及测量剂量分布的检测系统。该系统包括以矩阵状形状布置的基于塑料闪烁体的检测器模块。
背景技术
超过一半的癌症患者接受放射治疗作为其治疗的一部分(Delaney,G. 等人，Therole of radiotherapy in cancer treatment,Cancer，2005年，第104 卷，第1129–1137页)。治愈性放射治疗(RT)的目的是通过向肿瘤递送电离辐射来灭活所有癌细胞，同时使对周围健康组织的辐射损伤最小化。与使用兆电压(MV)光子的常规RT相比，带电粒子例如质子、氦离子和碳离子与对象或肿瘤的相互作用使它们成为非常有吸引力的替选方案。这是因为带电粒子的剂量在目标对象中以特定范围或穿透深度更精确地沉积，并且不会穿透超过该范围。此外，它们在被称为布拉格峰的狭窄区域内沉积最大量的能量，从而提供更高的肿瘤剂量，而对周围健康组织的剂量显著较少。与光子相比，带电粒子杀死癌细胞的能力也更强，即相同的物理剂量会产生更大的生物效应。因此，带电粒子治疗(CPT)是治疗颅底处某些肿瘤(脊索瘤、软骨肉瘤)、治疗儿童癌症(Patel,S.等人， Recommendations for thereferral of patients for proton-beam therapy,an Alberta Health Servicesreport:a model for Canada？Curr.Oncol.,2014年，第 21卷，第251页)和中枢神经系统肿瘤(Mishra,M.V.等人，Establishing Evidence-Based Indications for ProtonTherapy:An Overview of Current Clinical Trials.Int.J.Radiat.Oncol.,2017年，第97卷，第.228–235页)的首选放射治疗方式。
与CPT相关联的重要挑战是由组织异质性、治疗过程中的解剖变化以及分次间和分次内器官运动引起的组织中粒子范围的相当大的不确定性。这些不确定性导致临床方案中远端治疗裕度增加，并且由于范围不确定性而试图避免指向肿瘤远端健康器官方向的治疗场，因此也限制了可用的束照射角度。因此，不可能充分利用组织中有限范围粒子的全部潜力，尤其是当肿瘤位于危险器官附近时，以及当器官运动可能对递送剂量产生不利影响时。因此，在治疗期间必须以大约1mm至2mm的高精度来监测粒子束的范围，最终目的是使至健康组织的剂量最小化。
截至今天，针对光子治疗开发并适应CPT以减轻这些不确定性影响的临床解决方案是在肿瘤周围增加安全裕度以限定所谓的规划目标体积并且通过图像引导监测解剖变化以尽可能减少这些裕度(van Herk,M., Errors and margins in radiotherapy.Semin.Radiat.Oncol.2004年,第14卷, 第52–64页)。在CPT中，典型的安全裕度约为标称范围的3.5％+1mm 或固定的5mm或在有内部器官运动的区域中甚至更大(Xie,Y.等人， PromptGamma Imaging for In Vivo Range Verification of Pencil Beam Scanning ProtonTherapy.Int.J.Radiat.Oncol.2017年,第99卷，第210–218 页)。
WO2010/000857A1公开了一种用于粒子治疗范围验证的设备和方法。该设备被操作成检测照射对象或身体时产生的瞬发伽马射线，所述设备包括针孔摄像装置和用于避免检测杂散粒子的屏蔽装置。
EP2977083 B1公开了一种通过检测和量化瞬发伽马射线进行粒子治疗验证的装置，该装置在闪烁体前面使用准直器来获得被照射目标的瞬发伽马射线剖面(profile)的一维剂量相关分布。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的问题，并且公开了一种用于CPT 中实时范围和剂量验证的系统。具体地，本发明提供了一种在线检测器，该在线检测器能够提供对带电粒子束在用带电粒子例如质子、氦离子或碳离子照射的目标对象或身体中的穿透范围的实时测量。此外，本发明的目标是提供对被带电粒子照射的目标或身体中的递送剂量的验证。
解决上面提及的问题的本发明是根据独立权利要求所述的系统。
本发明的至少一个实施方式的优点在于：次级瞬发伽马射线和快中子 s的角度和能量的完整运动学重建是可能的。
与现有技术相比，在一些实施方式中，本发明可以将实时范围验证系统的效率提高多达一个量级。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于带电粒子治疗中的实时范围验证和剂量递送验证的改进的系统。
根据本发明的另一方面，以高统计精度提供了对带电粒子束的穿透深度的验证。
在又一方面，本发明使得能够在低于公开的粒子束强度下以高统计精度实现对目标或患者中的中子和瞬发伽马射线产生坐标的时间分辨二维和三维重建。
本发明的再一方面是带电粒子治疗中的范围验证和图像引导系统，其与现有系统相比具有减小的物理尺寸和增加的灵活性，这在临床环境中是重要的。
附图说明
附图示出了本发明的实施方式或部分实施方式，并且不应当视为对保护范围的确定的限制。
图1示出了基于有机闪烁体的光学分段条的检测器的概念设计：(10) 闪烁体条、(20)反射带、(30)铝外壳、(40)用于光读出的光电倍增器。
图2A以示意表示形式示出了用于确定检测器设计的次级中子和瞬发伽马射线检测效率的MCNP6.2蒙特卡洛模拟几何设置：(1)质子束、 (2)水体模、(3)检测器以及(4)约30℃的角度。
图2B以图形表示形式示出了针对示出的200MeV质子束的沿束方向的次级中子和瞬发伽马射线(prompt gamma-ray)产生位置分布的检测到的一维1D剖面，以及针对对应中子和瞬发伽马射线剖面的“范围界标”位置：(1)根据检测到的中子剖面估计的范围界标位置、(2)根据检测到的瞬发伽马射线剖面估计的范围界标位置、(3)检测到的中子剖面以及(4) 检测到的瞬发伽马射线剖面。
图2C以图形表示形式示出了中子(实线)和瞬发伽马射线(虚线) “范围界标”位置与水中标称质子范围的估计线性拟合，其中，(1)是质子能量为100MeV的范围界标位置，(2)质子能量为160MeV的范围界标位置，(3)质子能量为200MeV的范围界标位置以及(4)质子能量为 230MeV的次级中子和瞬发伽马射线的范围界标位置。
图3示出了检测器中中子和瞬发伽马射线检测和成像的原理。
图3A示出了中子检测。基于检测器的敏感体积中两个连续的(n，p) 事件的检测对事件锥的反投影：(2)En-入射中子的能量，(3)第一次(n， p)碰撞，对第一次碰撞中的反冲质子能量的测量，(5)来自第一事件的散射中子，(4)第二次(n，p)碰撞，仅用于飞行时间测量、tau和碰撞位置。草图是针对具有(1)用于光读出的像素化光电检测器的“条”形状闪烁体给出的。
图3B示出了瞬发伽马射线检测。(6)Ey-入射瞬发伽马射线的能量， (7)ΔE1–对第一非相干散射事件中由入射瞬发伽马光子沉积的能量的测量，(8)ΔE2–对第二非相干散射事件中由散射光子沉积的能量的测量， (9)对第三散射事件中的碰撞位置的测量，该第三散射事件可以是任何类型的，如非相干、光电或偶产生。草图是针对具有(1)像素化光电检测器的“条”形闪烁体给出的。
图3C示出了超高能量中子检测：基于跟踪来自检测器的敏感体积中 (n，p)事件的反冲质子以及所得到的事件线而不是事件锥的反投影，对进入的高能量中子的入射角和能量进行完整运动学重建。这种情况将在CPT的背景下由于次级中子的极高能量(在质子治疗中高达初级束能量，而在碳离子治疗中高达300MeV至400MeV)而遇到。(10)En-入射中子的能量，(11)第一次(n，p)碰撞，对每个穿透的闪烁体条中的反冲质子能量及其在第一次碰撞中的方向的测量，(12)第二次(n，p)碰撞，对每个穿透的闪烁体柱中的反冲质子能量及其在第二次碰撞中的方向的测量。草图是通过将(1)像素化光电检测器用于光读出针对“条”形状闪烁体给出的。
图4以图形形式示出了瞬发伽马射线和中子到达检测器的时间(检测器中第一次相互作用的时间)的分布。
图4A示出了在160MeV初始质子束能量下作为初始中子动能的函数的中子到达时间。
图4B示出了在160MeV初始质子束能量下作为初始瞬发伽马射线能量的函数的瞬发伽马射线到达时间。
图4C示出了在160MeV初始质子束能量下到达时间(第一相互作用的时间)与深度中的中子(1)主导区域以及在160MeV初始质子束能量下到达时间(第一相互作用的时间)与深度中的瞬发伽马射线(2)主导区域。
图5示出了根据本发明的基于飞行时间(ToF)测量和区分的系统的实施方式的框图。
图6以图形形式示出了脉冲形状区分(PSD)。
图6A示出了限定中子和瞬发伽马射线事件的分离的品质因数方法。 (1)针对瞬发伽马射线的PSD信号分布的平均值μγ，(2)针对中子的 PSD信号分布的平均值μn，(3)针对瞬发伽马射线的PSD信号分布的半峰全宽(FWHM)FWHMγ，(4)针对中子的PSD信号分布的半峰全宽 (FWHM)FWHMn。
图6B示出了中子和瞬发伽马射线诱发波形的电荷积分以区分中子与瞬发伽马射线诱发事件。(1)来自瞬发伽马射线诱发事件的典型脉冲形状 (波形)，(2)来自中子诱发事件的典型脉冲形状(波形)，(3)脉冲的短积分，Qshort，(4)脉冲的长积分，Qlong。获得PSD数作为比率(Qlong-Qshort) /Qlong。
图7A示出了从检测到的中子剖面获得的中子范围界标的不确定性。 (1)在230MeV下作为初级质子强度的函数的估计中子范围界标的标准偏差，(2)在200MeV下作为初级质子强度的函数的估计中子范围界标的标准偏差，(3)在160MeV下作为初级质子强度的函数的估计中子范围界标的标准偏差，(4)在100MeV下作为初级质子强度的函数的估计中子范围界标的标准偏差
图7B示出了从检测到的瞬发伽马射线剖面获得的瞬发伽马射线范围界标的不确定性。(1)在230MeV下作为初级质子强度的函数的估计瞬发伽马射线范围界标的标准偏差，(2)在200MeV下作为初级质子强度的函数的估计瞬发伽马射线范围界标的标准偏差，(3)在160MeV下作为初级质子强度的函数的估计瞬发伽马射线范围界标的标准偏差，(4)在100MeV下作为初级质子强度的函数的估计瞬发伽马射线范围界标的标准偏差。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了本发明的各种示例和实施方式，以便为技术人员提供对本发明的更透彻理解。在各种实施方式的上下文中并且参照附图描述的具体细节不旨在被解释为限制性的。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定。
对下面描述的实施方式进行编号。另外，描述了关于编号的实施方式所限定的相关实施方式。除非另有说明，否则可以与一个或更多个编号的实施方式组合的任何实施方式也可以直接与所提及的编号的实施方式的任何相关实施方式组合。
在第一实施方式中，本发明是一种用于带电粒子治疗验证的系统，包括：
第一检测器，被配置成用于检测从用带电粒子束照射的目标发射的次级粒子，其中，为了检测次级中子，检测器被配置成产生在检测器的敏感体积中的在氢-1核上的至少两个连续弹性散射即(n，p)散射，为了检测次级瞬发伽马射线，检测器被配置成产生在检测器的敏感体积中的至少两个连续的非相干瞬发伽马射线散射和随后的任何类型的第三散射。
在第一相关实施方式中，检测器包括闪烁体，该闪烁体包括光学分段有机闪烁体元件阵列，其中，该闪烁体被配置成：为了检测次级中子而引起至少两个连续弹性(n，p)散射；以及为了检测次级瞬发伽马射线而引起两个连续的非相干散射和随后的任何类型的第三散射，其中，所有提及的散射事件都是在不同的闪烁体元件中检测到的。
在第二相关实施方式中，闪烁体元件是柱状的，并且在垂直于闪烁体元件的长度的截面中以阵列布置。
闪烁体可以具有小于30x30cm2的截面和20cm或更大的长度/深度。
各个闪烁体元件可以具有小于2x2cm2的截面。
各个闪烁体元件可以具有2x2cm2与0.5x 0.5cm2之间的截面。
闪烁体可以包括在至少一些闪烁体元件之间的反射内衬。
反射内衬可以是二氧化钛或反射膜，例如增强镜面反射(ESR)膜。
闪烁体元件可以间隔开。
闪烁体元件可以是有机的。
有机元件可以是具有PSD能力或二苯乙烯的快速塑料闪烁体。
闪烁体可以包括有机闪烁体元件和无机闪烁体元件两者。
无机元件可以是CeBr3或镥-钇氧原硅酸盐(LYSO)晶体。
闪烁体可以包括围绕闪烁体元件的至少一部分的金属外壳。金属外壳为组件提供机械支承，并且潜在地提供对散射和次级带电粒子的屏蔽。
在可以与第一实施方式的任何相关实施方式组合的第二实施方式中，该系统包括布置在闪烁体元件的两端处的用于读出闪烁光的光电检测器阵列。
光电检测器阵列可以例如包括SiPM(硅光电倍增器)或MCP-PM(微通道板-光电倍增器)。
光电检测器可以布置在闪烁体元件的每一端处。
在可以与第二实施方式的任何相关实施方式组合的第三实施方式中，该系统包括与光电检测器阵列连接的处理单元，其中，处理单元被配置成估计进入的快中子和伽马射线的方向和能量。
处理单元可以被配置成估计带电粒子束与目标的核相互作用的位置。
处理单元可以被配置成估计目标处的剂量分布。
处理模块可以被配置成用于区分快中子和瞬发伽马射线。
处理模块可以被配置成通过脉冲形状区分(PSD)或飞行时间(ToF) 测量来区分次级中子和瞬发伽马射线。
处理模块可以被配置成通过同时应用脉冲形状区分(PSD)和飞行时间(ToF)测量来区分次级中子和瞬发伽马射线。
系统，例如处理模块，可以被配置成提供目标中中子和瞬发伽马射线产生分布的二维或三维实时图像。
在可以与以上实施方式中的任何实施方式组合的第四实施方式中，该系统包括第二检测器，该第二检测器与第一检测器在空间上分离并且被配置成用于检测从目标发射的次级粒子；
第二检测器可以包括与第一检测器相同的特征的任何组合。
处理单元可以与第二检测器的光电检测器阵列连接。
在实施方式中，第一检测器和第二检测器可以具有各自的预处理器，该预处理器用于在将预处理信号转发至处理单元之前预处理来自相应光电检测器的输入。
在一些实施方式中，该系统可以包括光学分段有机闪烁体阵列和分段无机闪烁体阵列。
在另一实施方式中，检测器包括安装在检测器的每一端上的像素化光电检测器和有机闪烁体的光学分段“条”或柱，使得能够针对每个条中的每个事件同时获取两个波形，参见图6A至图6B。
以下将描述关于根据本发明的系统的特定实施方式的更多细节。
该系统包括基于闪烁体的检测器模块。质子束进入目标对象或人体或动物体并且沿其路径产生次级粒子，直到质子束在对象或身体内部停止。次级中子和瞬发伽马射线在次级粒子中。很大一部分次级中子将离开对象或身体，并且其中一些将到达检测器系统。这同样适用于次级瞬发伽马射线。下面描述使用检测器的检测和成像技术的原理。传统上，快中子的成像依赖于检测氢-1核上的两个连续的中子弹性散射，即有机闪烁体中的(n，p)(Knoll,G.F.Radiation Detection and Measurement,John Wiley& Sons,2010年)。在第一(n，p)散射事件中，反冲质子的能量Ep是根据检测到的闪烁光强度来测量的。第二(n，p)散射事件用于图3A中给出为τ(tau)的飞行时间(TOF)以及图3A中给出为d的第一(n，p)散射事件与第二(n，p)散射事件之间的测量和距离。
基于对TOF和距离的测量，确定散射中子能量En′，
Figure BDA0003293382600000081
然后，将入射中子的能量估计为En＝Ep+En′，而将入射中子的散射角给出为
Figure BDA0003293382600000082
然而，由于方位角确定的模糊性，无法重建准确的中子入射方向。相反，已知中子入射位于“事件锥”表面的某处，也如图3A所描绘的。
如果将统计上足够数目的这样的《事件锥》反投影至3维空间中的图像平面上，则从这些锥的底部相交获得的结果图像将揭示中子发射的位置。
在CPT中，图3C中描绘的情况也是使得能够更精确地确定中子发射位置的可能的检测机制。极高能量中子(高达初级粒子束能量)在与氢-1 核发生弹性碰撞时将产生高能量反冲质子，其能量足以穿透若干闪烁体元件。
在每个条或柱的截面积为0.25cm2的情况下，具有超过40MeV的动能的反冲质子可以穿透至少三个元件。跟踪这些质子并重建它们的能量使得能够对入射中子的角度和能量进行完整运动学重建。这允许事件线而不是锥的反投影，从而减少次级中子原点的不确定性以及入射中子能量的不确定性。
事件线的计算包括识别源自第一次(n，p)碰撞的反冲质子轨迹。在 (n，p)弹性散射碰撞的非相对论运动学中，散射中子和质子反冲动量相互正交。重建来自两次(n，p)碰撞的反冲质子动量，并且绘制连接两个碰撞位点的直线，从而给出来自第一次(n，p)碰撞的散射中子的动量。然后，使用两个反冲质子动量中的与此几乎垂直的一个反冲质子动量来识别散射中子的方向，并且因此识别第一次(n，p)碰撞。
根据两次(n，p)相互作用重建两个反冲质子的能量和方向使得能够重建入射中子的能量和入射角，与上面针对快中子的传统检测所描述的情况相比，其不确定性降低。因此，重建消除了方位角确定中的模糊性，并且消除传入的中子入射角的模糊性使得能够重建现在沿着“事件线”而不是锥表面定位的中子入射方向。
在所描述的检测器中，类似的原理适用于入射瞬发伽马射线(图3B) 的原点和能量的重建。瞬发伽马射线光子到达检测器并且在检测器的敏感体积中经历非相干相互作用即康普顿散射(第一散射)。必须测量康普顿反冲电子的能量以及散射相互作用位置。在所有情况下，相互作用位置是根据响应闪烁体元件在(x，y)方向上的位置确定的。在z方向上，位置是根据通过给定闪烁体元件两端处的光电检测器收集的波形重建的。散射瞬发伽马射线光子通过另一非相干散射事件在检测器的敏感体积中再次相互作用(第二次散射)。
同样，必须测量第二康普顿反冲电子的能量以及第二散射事件的相互作用位置。双重散射瞬发伽马射线通过非相干散射、光电效应或偶产生在检测器的敏感体积中第三次相互作用(第三散射)。只需要相互作用位置。使用来自第三散射和第二散射的信息来确定第二非相干散射事件中的散射角。
然后，将来自第一散射和第二散射的电子的反冲能量与第二散射事件的散射角结合使用，以确定传入的瞬发伽马射线的能量和入射角。
在替选情况下，不需要第三散射。在这种情况下，需要得出校正因子并且将其应用于来自第二散射的测量的反冲电子能量，以确定第一散射之后的散射伽马射线的能量。
然后，来自这两种替选情况的信息允许确定入射瞬发伽马射线的近似入射角和能量。在这种情况下，重建“事件锥”，并且认为瞬发伽马射线发射点位于锥表面的某处。
如上所述，在所描绘的检测器中，发生伽马射线非相干散射，并且由于检测器的紧凑性而获得了有用的双重或三重散射效率，这使得能够对中子和瞬发伽马射线同时成像。通过增加检测器的整体尺寸，即通过添加更多的检测器元件，可以进一步提高双重和三重瞬发伽马射线散射效率。
光电检测器阵列布置在闪烁体元件的任一端。如上所述的针对中子和瞬发伽马射线的检测步骤在闪烁体中产生光学光子，其强度与每个闪烁体中沉积的能量成比例。光学光子在闪烁体-空气界面处经历全内反射 (TIR)，或通过使用具有高反射率的反射器被反射回闪烁体。以这种方式，光学光子传播至闪烁体条的任一端，在闪烁体条的任一端安装有阵列形式的光电检测器。在光电检测器中，然后将到达的光学光子转换成电荷。
处理单元被布置成与光电检测器阵列通信，该光电检测器阵列被配置成读出波形并且区分光子与中子诱发的波形。该单元从光电检测器阵列接收要处理的波形。然后由读出电路感测脉冲。为了同时对中子和伽马射线进行成像，必须区分由两者诱发的脉冲。
可以使用脉冲形状区分(PSD)或飞行时间(TOF)测量来进行光子与中子诱发的信号之间的区分。下面将对两者进行说明。
图6A至图6B中示出了脉冲形状区分(
Figure BDA0003293382600000102
P.A.,等人,Digital pulse-shape discrimination of fast neutrons and rays.Nuclear Instruments andMethods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers, Detectorsand Associated Equipment,2008年,第594卷,第79–89页)。对于某些有机闪烁体类型(例如液体和塑料)，由入射光子和中子诱发的信号在其时间强度剖面方面会有所不同。在有机闪烁体中，与伽马射线诱发事件相比，快中子诱发事件引发寿命更长的闪烁脉冲。为了区分中子诱发事件与由入射瞬发伽马射线诱发的事件，记录的信号脉冲的积分分两部分 (长和短)进行，参见图6B。在这种方法中，PSD方法依赖于这些信号的长Qlong和短Qshort积分，并且基于短积分脉冲与长积分脉冲的比率得出第三信号，PSD＝(Qlong-Qshort)/Qlong。
一种用于PSD区分的定量方法是使用品质因数(FoM)来量化部署在检测器中的有机闪烁体的PSD质量，如图6A所示。FoM如下给出：
Figure BDA0003293382600000101
其中，μγ是针对瞬发伽马射线的PSD信号分布的平均值，μn是针对中子的PSD信号分布的平均值，FWHMγ(半峰全宽)是针对瞬发伽马射线的 PSD信号分布，以及F FWHMn是(半峰全宽)是针对中子的PSD信号分布。
瞬发伽马射线和中子的到达时间的测量，即飞行时间(ToF)测量(图 5)可以是区分检测器敏感体积中中子与瞬发伽马射线诱发事件的附加手段。瞬发伽马射线与中子的到达时间显示出明显的差异。与瞬发伽马射线相比，高能量中子通常将以几ns的延迟到达检测器。取决于原点与检测器表面之间的初始距离以及目标本身中的中子慢化，入射次级中子将显示到达时间的变化——随着能量较低和距离较大而增加。
大多数瞬发伽马射线在2ns至3ns内——被测量为质子笔形束入射至水体模直到检测器敏感体积中登记的第一非相干散射事件之间花费的时间——到达检测器。取决于中子在水体模中产生的能量和深度，中子显示出大的变化。大多数中子在5ns至6ns内到达检测器，其长尾可达约 30ns至40ns。
闪烁体元件或“条”通过空气间隙和具有反射材料的内衬提供对沿单个元件的来自中子和瞬发伽马射线散射事件的闪烁光的容纳 (containment)。与单片方法相比，这种结构消除了各个通道之间的串扰，并且从而显著降低了数据吞吐量和后续数据分析的复杂性。
然后，可以使用来自光电检测器的两个波形的幅度和相对定时来沿给定条(z轴)高度重建碰撞位置。条尺寸、闪烁光产出、闪烁衰减时间常数、通过条的光通道引导效率、光电检测器的量子效率和光电检测器的渡越时间扩展是将最终影响可以估计闪烁光产生位置(即，沿给定闪烁体条的长度的碰撞位置)和反冲粒子(质子和电子)能量的精度的参数。
每个条的物理厚度最终确定了对碰撞位置沿x轴和y轴的估计的精度，而对碰撞位置沿z轴的估计的统计不确定性将主导估计中子和瞬发伽马射线碰撞位置时的整体不确定性。
在实施方式中，用于区分中子和瞬发伽马射线的手段包括具有脉冲形状区分(PSD)能力的闪烁体，例如二苯乙烯和PSD塑料闪烁体。
这些是其中中子诱发事件通常产生比瞬发伽马射线诱发事件长的闪烁光脉冲的闪烁晶体(Pozzi,S.A.等人,Pulse shape discrimination in the plasticscintillator EJ-299-33.Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.Sect.Accel.Spectrometers Detect.Assoc.Equip.,2013年,第723卷,第19–23页)。
已经进行了蒙特卡洛(MC)模拟研究，以揭示所描绘的检测器作为双成像设备的预期检测效率，该双成像设备能够使用MCNP6.2检测由质子撞击水体模产生的中子和瞬发伽马射线两者。MCNP6.2(Goorley,T.等人，Initial MCNP6 Release Overview.NT,2012年,第180卷,第298–315 页)是MC代码系统，用于模拟中子、光子、电子、正电子、α、质子和其他较重离子(总共37种不同粒子类型)在任意几何尺寸和材料中的相互作用和行程。
相关的MC模拟包括能量为100MeV、160MeV、200MeV和230MeV 的单能质子束和水体模，然而将所描绘的检测器建模为富氢液体有机闪烁体的整体10x10x20cm3“块”(密度为0.959g/cm3，且H/C比率为1.25)。在每个能量下，质子束强度设置为1x109质子，并且检测器放置在预期的标称布拉格峰位置正上方的位置处。
图2A中示出了模拟几何结果的示例。记录了在检测器体积中具有作为从氢-1核的弹性散射的其前两次相互作用的次级中子的数目。另外，记录了具有作为非相干即康普顿散射事件的其前两次相互作用的瞬发伽马射线的数目。下表给出了每初级质子的入射中子的双重(n，p)散射率以及每初级质子的入射瞬发伽马射线的双重非相干散射率以及它们对应的统计不确定性(一个标准偏差)：
Figure BDA0003293382600000121
结果揭示了与针对入射中子的双重(n，p)散射率相比，针对入射瞬发伽马射线的双重非相干散射率将低约5倍。在应用更严格的限制时，即还需要在检测器的敏感体积中发生第三相互作用时，预期效率的降低会更大。
虽然检测器包括具有低密度和低原子序数的有机闪烁体，但是检测器的紧凑性和整体尺寸弥补了这一点。因此，可实现有用的效率，这也适用于高能瞬发伽马射线。基于瞬发伽马射线成像的现有技术实时范围验证系统的效率的范围为10-5至5.6x10-5瞬发伽马射线计数/质子，或者对于康普顿摄像装置和准直摄像装置而言甚至更低。因此，此处描绘的检测器设计可以实现前所未有的检测效率，即使仅对瞬发伽马射线也是如此。由于检测器对中子和瞬发伽马射线两者都很敏感并且将结合来自这两种粒子种类的数据，因此效率将是无与伦比的。
另外，检测到的中子的剖面是有利的，如图2B所示，正好在布拉格峰附近有陡峭的下降。为了获得可以与初级质子束范围相关的“范围界标”，将简单的逻辑函数拟合至中子剖面，而将萨维茨基-戈莱滤波器应用于瞬发伽马射线剖面，以使所得到的检测剖面进一步平滑。对于中子和瞬发伽马射线剖面两者，拐点位置被视为“范围界标”，参见图2C。
然后将针对1x109的初级质子束强度收集到的数据集分成与1x108个质子的质子强度对应的10个相等的数据块。然后针对这些数据块中的每一个重复范围界标的计算，以便对结果进行统计分析。
接下来，将原始数据集分成与5x107个质子的质子强度对应的20个相等的数据块。再次针对十次试验重新计算范围界标。重复该过程以获得较低质子束强度下范围界标估计的统计不确定性。
从中子和瞬发伽马射线剖面两者获得的范围界标的估计的统计精度揭示了亚毫米精度有可能实现直至约1x107个质子的初始质子束强度，参见图7A和图7B；这对于现有技术范围验证系统的MC模拟而言是非常令人鼓舞的。
在100MeV、160MeV、200MeV和230MeV质子束能量下重复的模拟还揭示了来自中子和瞬发伽马射线剖面两者的范围界标位置与布拉格峰位置线性相关，如图2C所示。
总之，所描绘的针对CPT中的实时范围验证和图像引导的检测器构思通过优越的检测效率、检测到的中子和瞬发伽马射线剖面、实时执行 2D和3D成像的可能性以及在单个紧凑型设备中统一中子和瞬发伽马射线成像的可能性得到了明确证明。
该示例仅用于说明目的，并且示出了所描绘的检测器系统可以用于以相对于CPT中现有技术范围验证系统的优越的探测效率来检测中子和瞬发伽马射线。中子和瞬发伽马射线两者的检测使得能够通过更精确地确定目标中的布拉格峰位置来更准确地确定和验证治疗。
在示例性实施方式中，组合示出了各种特征和细节。关于特定示例描述了若干特征的事实不应当被解释为暗示这些特征必须被一起包括在本发明的所有实施方式中。相反，参照不同实施方式描述的特征不应当被解释为相互排斥的。如本领域技术人员将容易理解的，发明人已经设想了并入本文所述的特征的任何子集并且不是明确地相互依赖的实施方式，并且这些实施方式是预期公开内容的一部分。然而，所有这些实施方式的明确描述将不会有助于理解本发明的原理，并且因此为了简单或简洁起见，已经省略了特征的一些置换。

Claims (14)

1.一种用于带电粒子治疗验证的系统，包括：
第一检测器，被配置成用于检测从用带电粒子束照射的目标发射的次级粒子，其中，
所述检测器被配置成产生次级快中子的在所述检测器的敏感体积中的至少两个连续弹性(n，p)散射，并且产生至少两个非相干散射和随后的任何类型的第三相互作用。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测器包括分段有机闪烁体元件阵列，其中，所述检测器被配置成产生入射快中子的至少两个连续弹性(n，p)散射，并且产生入射瞬发伽马射线的至少两个非相干散射事件和随后的任何类型的第三事件，其中，所有连续散射都是在不同的闪烁体元件中检测的。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第三相互作用是以下中的一个：
次级瞬发伽马射线的偶产生、光电效应或非相干散射。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述闪烁体元件是柱状的，并且在垂直于所述闪烁体元件的长度的截面中以阵列布置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，包括布置在所述闪烁体元件的任一端处的光电检测器阵列。
6.根据权利要求5所述的系统，包括与所述光电检测器阵列连接的处理单元，其中，所述处理单元被配置成估计进入的快中子和瞬发伽马射线的方向和能量。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理单元被配置成估计所述带电粒子束与所述目标的核相互作用的位置。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述处理单元被配置成根据检测到并重建的次级快中子和瞬发伽马射线产生位置剖面来估计所述目标处的剂量分布。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其中，所述处理模块被配置成用于区分所述快中子和所述瞬发伽马射线。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述处理模块被配置成通过脉冲形状区分(PSD)或飞行时间(ToF)测量来区分所述快中子与所述瞬发伽马射线。
11.一种用于带电粒子治疗验证的方法，包括以下步骤：
-使用根据权利要求1至10中任一项所述的系统；
-检测从用带电粒子束照射的目标发射的次级粒子，其中，所述检测器被配置成用于产生次级快中子的在所述检测器的敏感体积中的至少两个连续弹性(n，p)散射，并且产生至少两个非相干散射和随后的任何类型的第三相互作用。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
-重建次级中子和瞬发伽马射线的发射剖面。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：
-基于重建的发射剖面来估计目标中的带电粒子范围。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤中的一个或更多个：
-估计所述目标处的剂量分布。
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