TWI817544B - 一種粒子誘發的射線照相系統及３ｄ成像系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於粒子誘發的射線照相系統，其包含一粒子輻射源裝置、植入模組、外部偵檢器裝置、中央模組、及其他控制裝置，其中該植入模組包含與讀出電子和通訊裝置串聯的主動及/或被動元件，其被選來測量射束特性並從核交互作用中產生並檢測次級伽馬光子，該外部偵檢器裝置提供一位置敏感伽馬偵檢器，其具有高檢測效率、良好的空間解析度、及粒子治療所需的相對大的視野，可用於監測植入裝置和治療中的病患解剖區域，且該外部偵檢器裝置也可用於使用質子束作為探針對任何材料樣品進行3D光譜成像。該粒子誘發的射線照相系統在基於粒子的治療期間檢測穿過病患的初級和次級粒子，獲取有關病患解剖結構的裝置資訊，並執行計算以決定針對射束的校正動作，目標是最大限度地減少治療不確定性。

Description

一種粒子誘發的射線照相系統及3D成像系統
本發明屬於輻射物理學領域，特別是高能物理學領域。在醫學成像中，高能粒子偵檢器有越來越多的應用，尤其是利用由專用示踪劑產生的伽馬(gamma)光子進行癌症診斷。隨著粒子治療在癌症治療中的應用越來越廣泛，檢測數個MeV量級的瞬發伽馬作為驗證質子射程的一種手段引起了人們的興趣。本發明係將粒子誘發的射線照相技術應用於生物組織和非生物材料的射程驗證和成像。
質子治療採用高能質子以高精度治療癌症腫瘤。然而，諸如電腦斷層掃描(computed tomography(CT))轉換不確定性、病患定位(patient positioning)和病患解剖變化等幾種因素給精確深度劑量沉積的估計帶來了不確定性。監測發射的次級粒子可以是驗證入射質子射程的間接方式。
然而，即時流程監控受到高輻射環境和高能伽馬光子的阻礙，無法進行有效的準直。此外，中子背景輻射會對訊號和偵檢器產生不利影響。因此，質子治療中為射程驗證而構建的偵檢器效率較低且射程有限，導致適用性有限。
本發明提出了一種新穎的偵檢器設計，其透過創新設計來提 高偵測效率。本發明還可用於估計元素組成，因此可估計治療期間與腫瘤相關的物質變化。本發明應用了一種依賴計算的間接法，利用計算來增加該方法在各種治療場景中的適用性。
本發明的目的是使其適用於質子治療，其中發出的瞬發伽馬與射束及靶材相關。這將導致成功的射程驗證。
本發明的目的還在於使用質子束作為探針在任何目標材料中進行伽馬成像。
本發明係一種粒子誘發的射線照相系統。本發明的目的是精確檢測物體內質子的位置並檢測伽馬源的位置分佈，從而呈現目標物體的位置，實現高水平的伽馬準直，同時仍保持高檢測效率。
本發明的另一個應用係用作3D成像系統，其可透過結合筆尖式掃描技術(scanning pencil beam)的偵檢器系統獲得感興趣空間的資訊。在橫斷面上掃描質子束時會獲得瞬發伽馬源的3D分佈。這可以幫助我們探測靶材的元素分佈。
本發明提供了一種粒子誘發的射線照相系統，包含：(a)一粒子輻射源裝置，其被配置為照射出一射束；(b)一射束控制裝置，其被配置為調整該粒子輻射源裝置以控制射束能量；(c)一植入模組，其被配置為呈現物體的位置並接收和檢測來自該粒子輻射源裝置的射束，其中該植入模組包含：一植入檢測單元，其被配置為檢測來自該射束的粒子數量；至少一植入材料，其被配置為與由該粒子輻射源裝置照射的射束相互作用以產生次級粒子；一陣列偵檢器，其被配置為檢測該次級粒子；一電子和通 訊模組，其被配置為從該陣列偵檢器讀出數據並輸出該讀出的數據；及一延伸單元，其被配置為提供該植入模組的光學或機械追蹤；(d)一外部偵檢器裝置，其被配置為接收來自該電子和通訊模組的數據並檢測由該植入材料產生的次級粒子以產生信號並輸出到中央模組用於集成；(e)一定位模組，其被配置為獲得該物體的位置以定位來自該植入模組及該外部偵檢器裝置的影像；及(f)一中央模組，其被配置為處理信號、執行計算並傳達切合的控制信號，其中該中央模組接收及/或發送來自該植入模組或該外部偵檢器裝置的信號並發送到其他模組。
在一些實施例中，該植入模組的系統還包含一封裝，其被配置為用作該植入模組的容器。
在一些實施例中，該次級粒子係伽馬(gamma(γ))、電子、中子、或質子。
在一些實施例中，該次級粒子係伽馬，它在性質上可以是瞬發的，也可以是延遲的。
1:植入模組
1a:植入檢測單元
1b:植入材料
1c:陣列偵檢器
1d:電子和通訊模組
1e:封裝
1f:延伸單元
2:外部偵檢器裝置
3:中央模組
4:定位模組
5:射束控制裝置
〔圖1〕顯示在一僅使用植入物的較佳實施例中具有所有子組件的完整系統。
〔圖2〕顯示在一僅使用外部偵檢器裝置的較佳實施例中具有所有子組件的完整系統。
〔圖3〕顯示在一較佳實施例中具有所有子組件的完整系統。
〔圖4〕顯示植入模組的詳細視圖。
〔圖5〕顯示植入模組的閃爍和偵檢系統。
〔圖6〕通訊模組的方塊圖。
〔圖7〕顯示根據準直要求設計的每個子模組。
〔圖8〕顯示藉由先圍繞射束軸旋轉並沿著該射束軸進一步平移來獲得多個扇區。
〔圖9〕顯示每個扇區中的多個子模組係透過沿方位角旋轉而獲得。誤差線代表標準差，**p<0.01表示與HG及HG/AFnSi值相比有顯著差異。
〔圖10〕描繪了在不同的射程移位器密度下，質子計數峰值位置與射束能量的關係圖。
〔圖11〕描繪了在不同的射程移位器密度下，伽馬計數峰值位置與射束能量的關係圖。
〔圖12〕描繪了在不同的射程移位器密度下，深度劑量峰值位置與射束能量的關係圖。
〔圖13〕中央模組的方塊圖，該中央模組係用於與其他系統連接。
〔圖14〕粒子誘發的射線照相系統的示例圖。
〔圖15〕3D成像系統的俯視圖。
〔圖16〕3D成像系統的側視圖。
〔圖17〕描繪利用來自薄48Ti靶的質子誘發伽馬來驗證質子射程的實驗量測。
〔圖18〕Geant4/GATE模擬圖，描繪在不同的準直儀間隙w1下，藉由沿著量測軸移動990keV伽馬源所獲得之外部偵檢器裝置的單一模 組的位置解析度。
〔圖19〕Geant4/GATE模擬圖，其中40MeV質子被照射在水假體上。該圖描繪了由偵檢器測量的16O(p,x)12C*反應產生的4.4MeV伽馬的深度分佈以及從模擬中獲得的真實同位素分佈。
〔圖20〕被14.52MeV質子照射的48Ti(圖20A)與被14.14MeV質子照射的鐵靶(圖20B)的瞬發伽馬頻譜圖。以13.1MeV質子顯示沒有任何靶材的背景頻譜。
〔圖21〕一實驗數據圖，描繪用各種能量的質子照射48Ti靶材所產生的158keV、309keV、及984keV伽馬的生成截面。
圖1顯示在僅使用植入模組1的較佳實施例中具有所有子組件的完整系統。植入檢測單元1a係一薄矽陣列偵檢器或其他的薄金屬陣列，設計用於在驗證程序期間檢測質子的數量。植入檢測單元1a使用諸如矽偵檢器的直接電荷收集器測量射束電流以產生能量獨立信號，該信號將會以電子和通訊模組1d中的專用電子設備集成。植入檢測單元1a在布勒格尖峰(Bragg peak)附近的狹小質子能量範圍內具有最大輸出，它將使我們能夠識別與射束中心的偏差並結合中央模組3重新調整射束位置。中央模組3藉由監測從植入檢測單元1a的像素分佈所獲得之光束輪廓並計算預期最大值的位置來實現這一點。
植入材料1b與進入的質子束相互作用以產生會被陣列偵檢器1c與外部偵檢器裝置2檢測到的次級粒子(瞬發伽馬)。對某些選定材料的橫斷面測量表明，鈦與質子能量的關係可以清楚地被識別出來。
分別用14.52MeV和14.14MeV質子照射48Ti(圖20A)和56Fe(圖20B)靶所發出的伽馬光子的測量能譜如圖20所示。這些實驗測量係在0.1mm x 50mm x 50mm的靶上進行。30MeV和15MeV的質子在照射48Ti靶之前首先被衰減到較低的能量。。
如圖21所示，結果值顯示了由經過各種能量的質子照射的48Ti靶所發出的158keV、309keV、及984keV伽馬的生成截面。
可能的材料選擇包括鈦、金、及其他貴重元素。靶的形狀和尺寸選擇為具有可變內徑的圓柱形子彈，或彈簧或一列細條。空心圓柱靶的內孔可用於容納晶體。
陣列偵檢器1c係閃爍晶體、矽光電倍增管、光電倍增管、雪崩光電二極體(avalanche photodiode)、PMT或其他光敏偵檢器的陣列。在包含微型閃爍體(miniaturized scintillator)及SiPM陣列的實施例中，用於檢測植入材料1b所產生的次級伽馬。選擇陣列規格以在高檢測概率下獲得所產生次級粒子的深度分佈。陣列偵檢器1c還旨在檢測於射束模式期間從正子放射同位素和其他壽命較短的同位素發出的伽馬。這種檢測模式適用於具有較低劑量和較短照射時間的閃光模式(flash mode)操作。
電子和通訊模組1d被設計用於讀取質子偵檢器輸出及/或SiPM偵檢器輸出。電子和通訊模組1d包含一電流積分電路，用於從每個像素中獲取質子數。電子和通訊模組1d包含一專用的多通道專用集成電路(ASIC)，用於集成來自每個通道的電流信號，將資訊數字化並將通道編號「0到n-1」的事件數據傳輸到電子和通訊模組1d。電子和通訊模組1d還包含第二個多通道ASIC，用於從SiPM讀取通道編號「n到m-1」的事件 數據，並將資訊傳輸到電子和通訊模組1d。該電子和通訊模組1d讀取該些事件數據並將其無線傳輸至外部偵檢器裝置2。或者，該些事件被傳輸至封裝1e並從中進一步無線傳輸。上述說明如圖6所示。
封裝1e係植入模組1的底盤，由生物安全和FDA批准的材料製成。封裝1e的材料選擇為不導電且無腐蝕性的。封裝1e具有用於連接到延伸單元1f的機電連接器。
延伸單元1f係植入模組1的一部分，其可傳輸來自植入物的資訊並且還包含用於光學或機械追蹤該植入物的元件。這對於定位該植入物的位置和方向並將值傳輸到中央模組3非常有用。
在如圖1所述的一較佳實施例中，植入模組1係射程驗證系統中唯一的敏感元件。此配置對於前列腺癌治療方案很有用。或者，可以在進行肺癌手術時透過食道攝取植入模組1。在有關頭頸癌的治療期間，植入模組1也可被放置在口腔內。
在一較佳實施例中，植入模組1被放置在物體內部或被放置在表面上，它可與其他幾個物件組合使用，形成一外掛式腰帶，其可安裝在病患身上靠近腫瘤外部位(off-tumor site)的位置。
本說明書中使用的「物體」是指病患、器官、組織、動物、植物、或其他非生物材料，例如礦物、岩石。
在一較佳實施例中，植入模組1僅僅是一個質子偵檢器。使用質子束進行低劑量掃描，其能量足以使該些質子在穿過病患後到達該偵檢器。可將獲得的信號與預先計算的值進行比較以測定射程偏移。此方法可以是一種使用前述植入模組1進行射程驗證的非侵入性方法。
在另一較佳實施例中，植入模組1可被簡化為一種小型被動材料(compact passive material)，其可被直接插入腫瘤部位或非常靠近腫瘤部位的位置。可以在治療前使用CT掃描將標記成像以精確測定該標記相對於腫瘤的相對位置。在此種配置中，外部偵檢器裝置2必須藉由檢測特徵伽馬來識別該標記位置。
如圖17所示，其為植入模組1的實施例之一，其中目標材料被高能質子照射時會發出一特徵伽馬光譜，可用於驗證質子射程。其描繪使用48Ti薄植入標記將特徵瞬發伽馬的相對強度與不同能量下深度劑量的預期峰值位置相關聯。(a)、(b)、及(c)：以不同視圖顯示長庚紀念醫院(CGMH)質子治療設備的實驗設置。將質子束照射在水假體上，插入的Ti標記(3毫米厚)則放置在距離射束入口42毫米至45毫米之處。(d)：將48Ti發出的984keV伽馬線的測量計數作為R80深度(遠端峰值劑量的80%)的函數。該些伽馬計數已用入射束電流和照射時間歸一化，並且相對於峰值來繪製該些歸一化值。
表1.在試驗中使用的實驗設置，對帶有一插入的Ti標記的水假體進行質子照射。
Figure 111121303-A0305-02-0012-1
表1對應於圖17並涉及一植入模組1的實施例。
外部偵檢器裝置2
如圖2所示，外部偵檢器裝置2包含敏感陣列偵檢器、讀出電子和通訊模組、用於作為外殼及內部控制以調整準直儀的機械單元、以及用於整體定位和運動的外部定位單元。與準直儀串聯的敏感陣列偵檢器被設計為將檢測到的伽馬光子的位置定位到幾毫米的數量級。該設計旨在最大限度地提高檢測效率，同時最大限度地減少檢測到的伽馬的位置不確定性。該機械單元具有連接到晶體陣列各個元件的子組件，以重新調整聚焦。該機械單元由線性運動控制平台組成，用於將外部偵檢器裝置2移動到中央模組3指定的位置。該外部偵檢器裝置中可包括一可選的中子偵檢 器及/或質子偵檢器。
如圖3所示，整個系統的較佳實施例包含植入模組1、外部偵檢器裝置2、中央模組3，定位模組4，及射束控制裝置5。在此實施例中，可以在內部和外部同時進行伽馬監測，在內部監測伽馬係用於觀察質子射程，在外部監測伽馬係用於對靶材的材料成分進行成像。
如圖4所示，將植入模組1的位置關係以所有子組件彼此分開的方式顯示以進行說明。植入模組1包含：一植入檢測單元1a，其被配置為從射束中檢測粒子數量；至少一植入材料1b，其被配置為與由粒子輻射源裝置照射的射束相互作用以產生次級粒子；一陣列偵檢器1c，其被配置為檢測該次級粒子；一電子和通訊模組1d，其被配置為從陣列偵檢器1c讀出數據並輸出該讀出的數據；一封裝1e，其被配置為用作植入模組1的容器；及一延伸單元1f，其被配置為提供植入模組1的光學或機械追蹤。或者，植入檢測單元1a、植入材料1b、及陣列偵檢器1c可被實施為一質子偵檢器以檢測撞擊在植入模組1上的質子通量。
如圖5所示，所顯示的是植入材料1b及陣列偵檢器1c的子組件，其中植入材料1b被配置為產生次級粒子，且陣列偵檢器1c係一列偵檢器，包含耦合至光偵測器的敏感晶體。
如圖6所示，電子和通訊模組1d被設計用於讀取質子偵檢器輸出及/或SiPM偵檢器輸出。電子和通訊模組1d包含一電流積分電路，用於從每個像素中獲取質子數。電子和通訊模組1d包含一專用的多通道專用集成電路(ASIC)，用於集成來自每個通道的電流信號，將資訊數字化並將通道編號「0到n-1」的事件數據傳輸到電子和通訊模組1d。電子和通訊 模組1d還包含第二個多通道ASIC，用於從SiPM讀取通道編號「n到m-1」的事件數據，並將資訊傳輸到電子和通訊模組1d。電子和通訊模組1d讀取該些事件數據並將其無線傳輸至外部偵檢器裝置2。或者，該些事件被傳輸至封裝1e並從中進一步無線傳輸。
如圖7所示，所描繪的是該模組的幾何結構。外部偵檢器裝置2的基本元件係包含至少一準直儀及一敏感陣列偵檢器的子模組。在一實施例中，外部偵檢器裝置2在同一平面扇區內含有多個子模組。此外，同一平面扇區內的子模組的排列集中在同一個空間點上。每個扇區都可以使用機電馬達進行線性移動以動態優化給定空間點的檢測效率。
該平面扇區包含：一準直儀，其被配置為允許次級粒子在選定的感興趣區域中具有間隙，其中該準直儀係由緻密材料製成；一敏感陣列偵檢器，其被配置為檢測通過該準直儀的次級粒子；一讀出電子和通訊模組，其包含至少一能夠讀取該敏感陣列偵檢器的電路，其中該讀出電子和通訊模組與中央模組3通訊；及一機械單元，其被配置為封裝並調整準直儀在外部偵檢器裝置2中的位置。
準直儀係由緻密材料製成，該緻密材料是指鉛、鎢、密度高於7g/cm-3可導致高能伽馬光子顯著衰減的金屬合金，或彼等之組合。
如圖18所示，該圖係與外部偵檢器裝置2相關，並描述了使用圖7中描述的單一模組針對一種特定配置實現的空間解析度。對於三種不同的準直儀間隙值w1=1mm、w1=2.5mm、及w1=5mm，將定位的伽馬源的位置解析度作為準直儀寬度的函數並用990keV模擬。在此設置中，D1=300mm且D2=330mm。
Figure 111121303-A0305-02-0015-2
表2與圖18相關，並說明了外部偵檢器裝置2的性能。該表總結了針對三種不同的準直儀間隙，用於在感興趣的軸上定位點源的空間解析度及感興趣區域(ROI)。獲取這些值以用於臨床相關距離，其中D1=300mm且D2=330mm。表上顯示了低能量(990keV)和高能量(6.13MeV)伽馬的光峰檢測效率值。整個設置係在GATE/Geant4上進行模擬。
如圖8所示，首先圍繞射束軸旋轉主扇區，然後沿著該射束軸平移，以獲得用來放置多個扇區的位置。為了提高檢測效率，在本發明的操作期間，在外部偵檢器裝置2的每個平面扇區內有多個模組來檢測次級粒子。每個平面扇區都具有其主要的子模組，這些子模組係以準直儀能讓光子形成窄角窗口的方式放置。
本文中所使用之「子模組」意指本發明中的外部偵檢器裝置2係模組化的。每個子模組包含至少一準直儀及敏感陣列偵檢器。
本文中所使用之「子模組的軸」被定義為準直角窗的角平分線。
用於主動準直和屏蔽的無機閃爍晶體係用於主動準直。敏感陣列偵檢器包含一專用閃爍晶體，例如LYSO、LaBr3、CLYC、CLLB、或其他無機閃爍晶體，用於將伽馬轉換為可見光並具有高衰減和低能量解析度值。敏感陣列偵檢器亦包含光檢測器以讀取閃爍光輸出。模組的幾何結構如圖7所描示。
下面所示為公式(I)，其係準直儀間隙、分離距離、及晶體尺寸等參數之間的關係，該些參數可以被選擇或調整。
Figure 111121303-A0305-02-0016-3
由於外部偵檢器裝置2包含多個含有準直儀及敏感陣列偵檢器的子模組，因此每對準直儀的間隙都需要根據物體的狀態來進行調整，其範圍為0.1至10mm。每對平板平行式準直儀的間隙為0.1至10mm。在一較佳實施例中，根據最佳化的結果，推薦值為：D1=30cm，D2=33cm，準直間隙w1=1-5mm，且形成敏感陣列偵檢器的晶體尺寸為30mm×40mm截面及50-100mm長度。每個設計過的模組以幾何可計算的方式重複，以完成敏感陣列偵檢器的剩餘部分。圖9顯示每個扇區中的多個子模組係沿著相對於主要子模組的方位角以旋轉對稱的方式放置。
如圖19所示，其描繪了外部偵檢器裝置2的性能，其中該 外部偵檢器裝置2係使用三個模組及八個以15度角分隔的扇區所建構。每個模組均採用w1=2.5mm、D1=300mm、及D2=330mm來構建。該敏感陣列偵檢器係70mmx40mmx100mm的LYSO偵檢器。最長的100mm係沿著軸向，70mm為沿徑向的厚度，而40mm為沿θ(theta)方向的高度。在用40MeV質子照射水靶的模擬中，源自16O(p,x)12C同位素的伽馬線強度由沿偵檢器模型的八個不同扇區記錄。連續的扇區在軸向上間隔2.5mm。顯示同位素的原始深度分佈以供比較。
每個模組都有一個固定的參考坐標，透過一個允許小角度旋轉的馬達連接。藉由個別控制模組圍繞初始值的旋轉角度，可以使敏感陣列偵檢器聚焦在離原始焦點(D1+D2)更近或更遠的發射伽馬上。將每個扇區進一步安裝在線性馬達平台上使各個扇區得以被配置，在一實施例中，各個扇區被配置為聚焦在同一點上，使得在感興趣的區域中能實現最大效率。
在另一實施例中，每個扇區都可以被定位成聚焦於射束路徑上的不同點，藉此在感興趣的區域識別伽馬發射時提供更大的視野。
外部偵檢器裝置2包含一定位單元，其係用於調整該敏感檢測系統的整體位置和方向。一旦參考雷射光束設置了外部偵檢器裝置2的初始位置，該敏感陣列偵檢器就可以自由轉移並持續追踪其位置。外部偵檢器裝置2接受來自中央模組3的控制信號，該控制信號取決於中央模組3從射束控制裝置5接收的治療計劃和射束輸送參數。
中央模組3
中央模組3是與其他系統相互作用以提供電力、收集資訊、處理信號、執行計算、及傳達相關控制信號的系統。
在本發明之一實施例中，中央模組3配備有能夠解析來自陣列偵檢器1c、外部偵檢器裝置2的伽馬能量的軟體。
電子和通訊模組1d接收/傳輸來自植入模組1、外部偵檢器裝置2、定位模組4、及射束控制裝置5的信號。在本發明之一實施例中，處理單元從磁碟中取回CT影像。從定位模組4計算病患位置，並將CT影像映射至病患、植入模組1、及外部偵檢器裝置2的當前位置。將一組掃描射束的位置、能量、及電流參數傳送給射束控制裝置5。
處理來自植入模組1的陣列偵檢器1c數據和來自外部偵檢器裝置2的敏感陣列偵檢器數據，以獲得來自相應偵檢器的各個通道的信號強度。將該資訊與根據發佈到射束控制裝置5的參數預先計算出的偵檢器信號期望值進行比較。在照射目標之前為一組預先計算值生成一查找表，該組預先計算值為針對不同案例的射程移位器所計算的一組射束位置、能量、及射束電流的值，該射程移位器係透過蒙地卡羅模擬(Monte Carlo Simulation)框架引入。
如本發明的圖10至圖12所示，在上游模擬的射程移位器材料(圖14)的各種值下，對於一定範圍的輸入質子能量，在植入模組1中的目標/偵檢器處的質子和伽馬的通量分佈。將模擬的峰值與測量的峰值進行比較，以確定與峰值最匹配的射程移位器。圖12中相應匹配材料的曲線將有助於確定在治療能量下布勒格尖峰的實際位置。中央模組3接受信號並與預先測定的模擬值進行比較以評估射束能量校正。查找表填充有來自植入檢測單元1a、陣列偵檢器1c、及外部偵檢器裝置2的預期偵檢器信號值，以及在病患治療體積入口和出口處的預期劑量沉積、在植入檢測單元 1a及植入材料1b處的預期劑量沉積。將信號中的偏差與查找表中預先計算的情境進行比較。依此計算射束能量的必要調整。將此值傳送到中央模組3。在治療期間，中央模組3向外部偵檢器裝置2發送出新的位置以將焦點調整至腫瘤區域。
中央模組3包含：(a)一電子和通訊單元，其被配置為接收/傳輸來自植入模組1、外部偵檢器裝置2、定位模組4、及射束控制裝置5的信號；(b)一處理單元，其被配置為整合來自該電子和通訊單元的信號；及(c)在照射目標之前為一組預先計算的值生成的查找表，其中該查找表係用於估計射束校正。
定位模組4
定位模組4的目的係獲得病患位置，以便相對於病患CT影像定位來自植入模組1及外部偵檢器裝置2的伽馬影像。通常，治療中心的醫學物理師會使用治療設施中現有的方法來固定患者相對於治療床的位置，並利用患者身體上的標記在旋轉機座(gantry)中使用雷射光束對齊等中心點(isocenter)。在此情況下，可使用上述的雷射光束對準外部偵檢器裝置2。
或者，正交X射線系統或用於呼吸監測的帶有外部標記的阻力墊(resistive mat)可用於此目的，並將資訊轉發到定位模組4。
在一較佳實施例中，阻力墊基於頭部的一個點、肩胛骨的兩個點、臀部的兩個點、腳跟的兩個點來定位病患位置。藉由利用此資訊，可將該些相關的點與一既有的CT影像對齊，以數字方式鎖定患者坐標。可觀察呼吸週期的外部感測器將會由定位模組4上的攝影機監控。可透過中 央模組3將此資訊轉發至射束控制裝置5。該呼吸資訊使筆尖式掃描技術能與呼吸模式同步調整中心值附近的位置射程。掃描病患運動的外部感測器可在用於病患軀幹區域中的腫瘤的實施例(圖3)中實施。
粒子誘發的射線照相系統可提供靈活和更高精度的質子束來治療不同環境中的病患。與治療計劃相比，治療期間布拉格尖峰位置的偏差會使敏感器官處於危險之中。如圖14所示，本發明之示意圖顯示了使用20 x 20 x 20mm3如此小的體積來製作具有可變密度形式的射程移位器模型。以低劑量進行射束能量掃描，所檢測到的次級粒子資訊將有助於評估治療計劃的保真度並立即重新創建一個新的治療計劃。
對於100-160MeV之間的幾種質子能量，記錄了植入物處的質子通量、該植入物產生的次級伽馬通量、及布拉格尖峰位置。如圖12中所見，目標能量為126MeV，其會被遞送至於115mm處的腫瘤中心。在此模擬中，腫瘤和組織係以1.06g/cm-3的密度建模，而植入物的密度為4.5g/cm-3。
在理想情況下，最重要的是在治療過程中遞送的射束劑量需要與治療計劃中的劑量一致。例如，如果操作員希望在137MeV的質子能量下看到植入物測量的質子通量峰值。藉由識別哪個質子能量導致植入物內的質子通量最高，可以確定相應的射程移位器密度。例如，如果在135MeV質子能量下看到峰值通量，則將射程移位器標記為0.8g/cm-3。藉由查看圖10中這種0.8g/cm-3的情況，腫瘤(距入口115mm)的正確質子能量可以確定為121MeV(要求射束線將原始值減少5MeV)。可以採用類似的方法來監測來自植入標記(例如「鈦」)的特徵伽馬光子的計數。
3D成像系統
3D成像系統包含一粒子輻射源裝置，其被配置為提供一射束；一射束控制裝置，其被配置為調整該粒子輻射源裝置並控制射束能量；一外部偵檢器裝置，其被配置為接收射束照射後目標物體發出的次級粒子；一定位模組，其被配置為獲取物體位置資訊以定位來自外部偵檢器裝置的影像；及一中央模組，其被配置為藉由存取次級粒子生產橫截面資訊以及重建技術來實現次級粒子到元素的轉換。
3D成像系統包含：(a)一粒子輻射源裝置，其被配置為在靶材的不同位置照射筆形波束；(b)一射束控制裝置，其被配置為調整該粒子輻射源裝置並控制射束能量以將射束遞送至不同的位置；(c)一外部偵檢器裝置，其被配置為在射束照射期間和射束照射之後接收目標物體發出的次級粒子，該裝置可與射束位置同步進行可選地移動，以保持聚焦在射束軸上；(d)一定位模組，其被配置為獲取物體位置資訊以定位來自外部偵檢器裝置的影像；及(e)一中央模組，其被配置為藉由存取次級粒子生產橫截面資訊以及重建技術來實現次級粒子到元素的轉換。
重建可以透過分析技術(例如濾波反投影(filtered back projection))或統計技術(例如最大相似度與期望值最大化演算法(Maximum Likelihood Expectation Maximization method,MLEM))來執行，或者透過在整個系統性能、各種靶材上訓練類神經網路並提供如先前所述之實驗條件，來實現對原始物體成分的直接重建。在使用類神經網路實施重建的訓練階段，將會按標示提供已知的靶材和成分。條件GAN、GAN的其他變體可以是此種重建的示例。
如圖15及圖16所示，該3D成像系統使用射束來觀察感興趣的區域。在此3D成像系統中，外部偵檢器裝置包含子模組。每個子模組由至少一準直儀及與其串聯的一敏感陣列偵檢器組成。該敏感陣列偵檢器應與準直粒子束一起使用，以一次執行多個點的2D掃描。射束遞送位置、能量資訊、及掃描順序需要與中央模組同步。
根據實際情況，操作者可將外部偵檢器裝置的多個平面扇區排列成每個扇區聚焦於沿射束軸的相同空間點。或者，該外部偵檢器裝置的多個平面扇區中的每一個可被佈置為聚焦在沿射束軸的不同空間點上。
操作者可使用機電馬達線性移動外部偵檢器裝置的每個扇區，以根據同時檢測到的空間點的數量來動態優化給定空間點的檢測效率。
外部偵檢器裝置的扇區內的每個子模組可進一步使用旋轉馬達在小角度範圍內旋轉，以調整聚焦精度。
為了避免將病患暴露在高劑量的粒子束中，用於成像的質子能量必須足夠高，以便以高於幾十MeV的能量離開該病患或目標物體。如圖15所示，XY掃描的邊界應足以包圍想要的感興趣區域。用於射束照射的XY點集合會被預先規劃，且存儲在中央模組中的資訊將同步驅動質子束和外部偵檢器裝置以獲得每個XY點的一維影像。將敏感陣列偵檢器相對於射束放射狀地放置，放置的方式使其能夠聚焦於感興趣的區域。
對於射束所在的給定單一XY位置，將監視沿Z軸的幾個點。由於準直程度高，執行重建後獲得的影像將產生一維瞬發伽馬頻譜。然後該射束將會移動到下一個選定的XY點並重複該過程。
如圖15所示，在一較佳實施例中，3D成像系統還包含XY 追蹤器，其可在質子進入病患或目標的入口和出口處添加。XY追蹤器係由像素化游離腔或固態像素偵檢器製成。此類追蹤器將有助於拒絕顯著分散的事件，從而實現沿XY軸的高度準直。
1:植入模組
1a:植入檢測單元
1b:植入材料
1c:陣列偵檢器
1d:電子和通訊模組
1e:封裝
1f:延伸單元
3:中央模組
4:定位模組
5:射束控制裝置

Claims (20)

  1. 一種粒子誘發的射線照相系統，其包含：(a)一粒子輻射源裝置，其被配置為照射出一射束；(b)一射束控制裝置，其被配置為調整該粒子輻射源裝置以控制射束能量；(c)一植入模組，其被配置為呈現物體的位置並接收和檢測來自該粒子輻射源裝置的射束，其中該植入模組包含：一植入檢測單元，其被配置為檢測來自該射束的粒子數量；至少一植入材料，其被配置為與由該粒子輻射源裝置照射的射束相互作用以產生次級粒子；一陣列偵檢器，其被配置為檢測該次級粒子；一電子和通訊模組，其被配置為從該陣列偵檢器讀出數據並輸出該讀出的數據；及一延伸單元，其被配置為提供該植入模組的光學或機械追蹤；(d)一外部偵檢器裝置，其被配置為接收來自該電子和通訊模組的數據並檢測由該植入材料產生的次級粒子以產生信號並輸出到一中央模組用於集成；(e)一定位模組，其被配置為獲得該物體的位置以定位來自該植入模組及該外部偵檢器裝置的影像；及(f)該中央模組，其被配置為處理信號、執行計算並傳達切合的控制信號，其中該中央模組接收及/或發送來自該植入模組或該外部偵檢器裝置的信號並發送到其他模組。
  2. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該次級粒子係伽馬(gamma(γ))、電子、中子、質子、或瞬發伽馬。
  3. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該植入模組還包含一封裝，其被配置為用作該植入模組的容器。
  4. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該陣列偵檢器係閃爍晶體、矽光電倍增管、光電倍增管、雪崩光電二極體(avalanche photodiode)、或其他光敏偵檢器的陣列。
  5. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該外部偵檢器裝置係由至少一在平面扇區內的子模組所組成。
  6. 如請求項5之粒子誘發的射線照相系統，其中該平面扇區包含：(a)一準直儀，其被配置為允許次級粒子在選定的感興趣區域中具有間隙，其中該準直儀係由緻密材料製成；(b)一敏感陣列偵檢器，其被配置為檢測通過該準直儀的次級粒子；(c)一讀出電子和通訊模組，其包含至少一能夠讀取該敏感陣列偵檢器的電路，其中該讀出電子和通訊模組與該中央模組通訊；及(d)一機械單元，其被配置為封裝並調整該準直儀在該外部偵檢器裝置中的位置。
  7. 如請求項6之粒子誘發的射線照相系統，其進一步包含：被配置為調整整體位置和方向的定位單元。
  8. 如請求項5之粒子誘發的射線照相系統，其中該至少一子模組放置的方式使得一對準直儀的間隙允許檢測來自窄角窗口的次級粒子。
  9. 如請求項8之粒子誘發的射線照相系統，其中每對準直儀的間 隙為0.1至10mm。
  10. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該中央模組包含：(a)一電子和通訊單元，其被配置為接收/傳輸來自該植入模組、該外部偵檢器裝置、該定位模組、及該射束控制裝置的信號；(b)一處理單元，其被配置為整合來自該電子和通訊單元的信號；及(c)在照射目標之前為一組預先計算的值生成的查找表，其中該查找表係用於估計射束校正。
  11. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該中央模組接受信號並與預先測定的模擬值進行比較以評估射束能量校正。
  12. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該中央模組被配置為能夠將伽馬轉換為劑量輪廓(dose profile)。
  13. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該定位模組根據來自裝在治療床上的阻力墊的位置信號創建物體的數值地圖(digital map)。
  14. 如請求項1之粒子誘發的射線照相系統，其中該物體係病患、器官、組織、動物、植物或非生物材料樣本。
  15. 一種3D成像系統，其包含：(a)一粒子輻射源裝置，其被配置為照射出一射束；(b)一射束控制裝置，其被配置為調整該粒子輻射源裝置並控制射束能量；(c)一外部偵檢器裝置，其被配置為接收射束照射後目標物體發出的次級粒子； (d)一定位模組，其被配置為獲取物體位置資訊以定位來自該外部偵檢器裝置的影像；及(e)一中央模組，其被配置為藉由存取次級粒子生產橫截面資訊以及重建技術來實現次級粒子到元素的轉換。
  16. 如請求項15之3D成像系統，其中該外部偵檢器裝置由至少一在平面扇區內的子模組所組成。
  17. 如請求項15之3D成像系統，其中該外部偵檢器裝置在同一平面扇區內含有多個子模組。
  18. 如請求項15之3D成像系統，其中該外部偵檢器裝置具有多個平面扇區。
  19. 如請求項15之3D成像系統，其中該位置資訊包括透過外部成像技術獲得的目標物體和該外部偵檢器裝置的資訊。
  20. 如請求項16或17之3D成像系統，其中該子模組包含一準直儀及一敏感陣列偵檢器。
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