[发明专利]一种同步读出数字型质子CT成像的方法及装置

说明书

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。

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。