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基于TOF的PGTI算法简介

2022-02-26 17:32     来源:质子中国     伽马成像 伽马射线质子治疗

在质子治疗室内,主要都是用CBCT技术来进行定位,在过去的二十年里,科学家、工程师以及物理师等开发了很多新类型的影像系统,以保证质子重离子治疗更加准确。其中包括瞬发伽马成像、Inbeam-PET、质子CT等,这些技术各有优势。瞬发伽马的优势在于它测量的是直接信号,可进行在束监测,国际上已有的样机测试达到毫米精度,可同时测量组织和束流影像,目前国际上有多个研究小组在进行开发试验,成熟度较高,不仅可以用于质子重离子治疗,而且可以用于硼中子治疗。

本文将简要介绍法国的一个科学小组开发的基于飞行时间(Time of Flight, TOF)的瞬发伽马时间成像(Prompt Gamma Time Imaging, PGTI)算法,该算法可以完成PG顶点的三维重建。该研究开拓了瞬发伽马成像的版图,使人们能够重新审视TOF的应用场景。

原理

原理如下图所示:束流探测器Beam monitor测量每个质子的到达时间tstart,周围布置了足够多精度足够高的探测器组,以测量瞬发伽马光子PG的探测时间tstop。时间差tstart - tstop就可以用来反推伽马光子在体内的发射点。伽马光子的发射点就是质子与组织发生反应和沉积能量的地方,有了发射点分布就可以重建束流在体内的三维分布。

顶点的位置矢量是rv(xv , yv , zv),瞬发伽马光打在探测器的位置矢量是rd(xd , yd , zd)。质子从束流探测器到顶点的飞行时间是Tproton;伽马光子从束流顶点到探测器的飞行时间是TPG。

总飞行时间是:

伽马光子从束流顶点到探测器的飞行时间TPG还可以表达为:

相比于TPG,Tdecay的时间尺度可以忽略。飞行时间表达为:

探测器可以测量得到每个事件总的TOF和xd , yd , zd,只要知道了Tproton,就可以计算顶点坐标xv。

模型验证

该小组利用Geant4进行几何建模仿真,验证解析重构算法的有效性。100 MeV质子束用蓝色表示。红色的是沿着光束路径创建的PG,并记录在相空间中,可以理解为探测器组。在靶目标上游的束流监视器(用黑色表示)。右:相同的几何图形显示,插入1 cm的空腔,以(−5.5, 0, 0)为中心。

模拟的计算结果显示,该方法能够很好的计算顶点位置,同时空腔的位置也比较好地反应在结果中,但是需要109个质子以增强统计。

讨论

该科学小组提出了一种新的PGTI,基于测量质子和PG的飞行时间TOF。提出一种专用的重构算法来获取目标内部的PG顶点分布。该算法描述了PG顶点坐标在三维空间中的分布。但是文章本身只做了一维的验证。

该方法可以无需精确测量PG的能量;

该方法依赖精确测量PG的飞行时间和探测器的位置;

前置的束流探测器可采用治疗头上的器件;

因此探测器的时间分辨要达到ns级别,同时获取系统需要记载每个事件的详细信息。

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