一種質(zhì)子斷層掃描裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種質(zhì)子斷層掃描裝置，所述裝置包括：治療頭，所述治療頭用于利用治療頭發(fā)射出質(zhì)子束；調(diào)制匹配模塊，所述調(diào)制匹配模塊用于對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形，使所述質(zhì)子束照射在客體的預(yù)定部位上；磁透鏡組，所述磁透鏡組用于使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1：1成像；圖像采集模塊，所述圖像采集模塊用于利用閃爍體晶體和CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集，其中，所述調(diào)制匹配模塊、所述磁透鏡組、所述圖像采集模塊均連接在同一旋轉(zhuǎn)支架上，且在豎直方向從上到下依次為：所述調(diào)制匹配模塊、所述磁透鏡組、所述圖像采集模塊，實(shí)現(xiàn)了制造斷層掃描方法掃描準(zhǔn)確掃描精度較高，誤差較小，且空間分辨率較高的技術(shù)效果。
【專利說明】一種質(zhì)子斷層掃描裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及質(zhì)子放射研究領(lǐng)域，尤其涉及一種質(zhì)子斷層掃描裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，環(huán)境也在日益惡化，相應(yīng)的人們的身體出現(xiàn)了更多的病 變，如腫瘤等，隨著人們對健康的重視度的日益提高，對腫瘤的有效治療方法的需求也更加 強(qiáng)烈。
[0003] 市面上通用的腫瘤治療方法，基本上可概括為手術(shù)、化療、放療三種，彼此兼容互 補(bǔ)，且大多數(shù)腫瘤患者都將采用放射療法。當(dāng)前放射療法所采用的粒子類型有電子、X射線、 伽瑪射線、質(zhì)子以及重離子，這些粒子在人體內(nèi)的不同能量衰減特性帶來不同的治療效果。 相對而言，質(zhì)子放射療法具有優(yōu)于X射線和電子的劑量分布，可實(shí)現(xiàn)腫瘤的局部控制；并且 由于質(zhì)子電離所形成的二次電子密度低，可以減少對正常細(xì)胞的損傷?？偟膩碚f，質(zhì)子放射 療法是一種先進(jìn)的輻射治療技術(shù)，目前國際范圍內(nèi)質(zhì)子放療設(shè)備已形成產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)外正 式運(yùn)行的質(zhì)子放射治療裝置有幾十臺，這些裝置的質(zhì)子束由加速器提供，最大能量范圍集 中在 200 ?400MeV。
[0004] 質(zhì)子放射治療系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高度適形的精確放療有如下三點(diǎn)要求，包括：質(zhì)子射程 的精準(zhǔn)預(yù)測；輻射劑量的準(zhǔn)確計(jì)算；患者病灶的高精度定位。目前普遍采用的實(shí)施方法是 利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT)成像系統(tǒng)來確定質(zhì)子束的能量、掃描參數(shù)以及治療頭的位 置、方向等信息，但這種方式存在如下一些缺點(diǎn)：1從CT圖像得到的X射線衰減系數(shù)轉(zhuǎn)換為 質(zhì)子束的射程信息存在較大的不確定度，誤差范圍在5%左右，造成這種誤差的原因主要有 如下3個方面：基于X射線診斷CT值和電子密度之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式存在誤差、X射線經(jīng) 過人體時的硬化過程、由于人體組織復(fù)雜性帶來的X射線讀數(shù)校準(zhǔn)本身的不確定性；2由于 圖像引導(dǎo)系統(tǒng)和治療系統(tǒng)是兩套設(shè)備，在病灶的定位方面也存在一定的誤差。
[0005] 1968年，Koehler等提出了射程末端成像方式，成像系統(tǒng)布局如圖2所示，采用的 是質(zhì)子直接透射成像系統(tǒng)。這種成像方式利用了質(zhì)子穿過物質(zhì)時Bragg峰的特性，其特點(diǎn) 是縱向分辨率高，但照相中樣品的厚度必須和質(zhì)子的射程相匹配，僅適用于低能質(zhì)子照相。 迄今為止，直接透射成像技術(shù)仍處于蓬勃發(fā)展中，如今該技術(shù)也可應(yīng)用于中能質(zhì)子束，特點(diǎn) 是能夠獲取質(zhì)子穿越客體時的能損信息，其應(yīng)用前景是可利用質(zhì)子透射成像方式來實(shí)現(xiàn)圖 像引導(dǎo)，也即是質(zhì)子斷層掃描技術(shù)（PCT)，能夠克服目前CT圖像引導(dǎo)的不足，但該技術(shù)由于 多次庫侖散射的影響，空間分辨率差，尚不足以取代CT引導(dǎo)系統(tǒng)。
[0006] 綜上所述，本申請發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本申請實(shí)施例中實(shí)用新型技術(shù)方案的過程中，發(fā) 現(xiàn)上述技術(shù)至少存在如下技術(shù)問題：
[0007] 在現(xiàn)有技術(shù)中，由于現(xiàn)有的質(zhì)子放射治療系統(tǒng)利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT)成 像系統(tǒng)，導(dǎo)致從CT圖像得到的X射線衰減系數(shù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)子束的射程信息存在較大的不確定 度，誤差范圍在5%左右，由于圖像引導(dǎo)系統(tǒng)和治療系統(tǒng)是兩套設(shè)備，在病灶的定位方面也 存在一定的誤差，以及質(zhì)子斷層掃描技術(shù)（PCT)，在質(zhì)子穿過客體時，多次庫侖散射將造成 入射質(zhì)子束的角度分散，產(chǎn)生多次庫侖散射的影響，造成空間分辨率差，所以，現(xiàn)有的質(zhì)子 斷層掃描方法存在掃描不準(zhǔn)確存在誤差，空間分辨率較差的技術(shù)問題。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0008] 本實(shí)用新型提供了一種質(zhì)子斷層掃描裝置，解決了現(xiàn)有的質(zhì)子斷層掃描方法存在 掃描不準(zhǔn)確存在誤差，空間分辨率較差的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了制造斷層掃描方法掃描準(zhǔn)確掃 描精度較高，誤差較小，且空間分辨率較高的技術(shù)效果。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本申請實(shí)施例提供了一種質(zhì)子斷層掃描裝置，所述裝置包 括：
[0010] 治療頭，所述治療頭用于利用治療頭發(fā)射出質(zhì)子束；
[0011] 調(diào)制匹配模塊，所述調(diào)制匹配模塊用于對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形，使所述 質(zhì)子束照射在客體的預(yù)定部位上；
[0012] 磁透鏡組，所述磁透鏡組用于使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1 :1成像；
[0013] 圖像采集模塊，所述圖像采集模塊用于利用閃爍體晶體和CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí) 時采集，其中，所述調(diào)制匹配模塊、所述磁透鏡組、所述圖像采集模塊均連接在同一旋轉(zhuǎn)支 架上，且在堅(jiān)直方向從上到下依次為：所述調(diào)制匹配模塊、所述磁透鏡組、所述圖像采集模 塊。
[0014] 其中，所述調(diào)制匹配模塊具體包括：
[0015] 光闌，所述光闌用于對所述質(zhì)子束進(jìn)行限位，將所述質(zhì)子束的橫向發(fā)射度限制在 一預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；
[0016] 旋轉(zhuǎn)散束器，所述旋轉(zhuǎn)散束器用于增加質(zhì)子的橫向傾角；
[0017] 兩塊四極磁鐵，所述兩塊四極磁鐵用于實(shí)現(xiàn)所述客體處所述質(zhì)子束橫向位置和傾 角的線性調(diào)制。
[0018] 其中，所述磁透鏡組具體包括：四塊四極磁鐵和束流準(zhǔn)直器。
[0019] 其中，所述圖像采集模塊具體包括：
[0020] 閃爍體晶體，所述閃爍體晶體用于通過磁透鏡組使所述質(zhì)子束在所述閃爍體晶體 上實(shí)現(xiàn)1 :1成像；
[0021] C⑶相機(jī)，所述C⑶相機(jī)用于實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集。
[0022] 其中，所述裝置還包括：四極磁鐵、偏轉(zhuǎn)磁鐵、掃描磁鐵。
[0023] 本申請實(shí)施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 由于采用了首先利用治療頭發(fā)射出質(zhì)子束，然后對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整 形，使所述質(zhì)子束照射在客體的預(yù)定部位上，然后通過磁透鏡組使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1 :1成 像，最后利用閃爍體晶體和CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集的技術(shù)方案，S卩加入了磁透鏡組 利用磁透鏡強(qiáng)聚焦原理消除了多次庫侖散射的影響，并且該束線配置調(diào)節(jié)方便，可適應(yīng)不 同能量的入射質(zhì)子，并且通過角度準(zhǔn)直器還可實(shí)現(xiàn)圖像對比度的調(diào)節(jié)，將質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制 匹配整形、質(zhì)子束的成像以及實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集均在同一旋轉(zhuǎn)支架上，可將整個成像束 線作為一個整體，保證相互之間的關(guān)系，保證使用方便和精度，所以，有效解決了現(xiàn)有的質(zhì) 子斷層掃描方法存在掃描不準(zhǔn)確存在誤差，空間分辨率較差的技術(shù)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了制造 斷層掃描方法掃描準(zhǔn)確掃描精度較高，誤差較小，且空間分辨率較高的技術(shù)效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本申請實(shí)施例一中的質(zhì)子斷層掃描方法的流程示意圖；
[0026] 圖2是本申請實(shí)施例一中的質(zhì)子直接透射成像原理示意圖；
[0027] 圖3是本申請實(shí)施例一中的質(zhì)子放射治療室布局圖；
[0028] 圖4是本申請實(shí)施例一中的質(zhì)子斷層掃描裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖5是本申請實(shí)施例一中的質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)理示意圖；
[0030] 圖6是本申請實(shí)施例一中的基于磁透鏡強(qiáng)聚焦原理的質(zhì)子透射成像原理示意圖；
[0031] 圖7是本申請實(shí)施例一中的成像磁透鏡組結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖8是本申請實(shí)施例一中的質(zhì)子透射成像的成像束線；
[0033] 圖9是本申請實(shí)施例一中的質(zhì)子束的調(diào)制匹配演化圖；
[0034] 圖10是本申請實(shí)施例一中的通過質(zhì)子斷層掃描成像束線獲得的腫瘤圖像；
[0035] 圖11是本申請實(shí)施例一中質(zhì)子斷層掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 其中，1-質(zhì)子束，2-客體，3-成像屏，4-治療頭，5-治療床，6-治療室，7-四極磁 鐵，8-偏轉(zhuǎn)磁鐵，9-掃描磁鐵，10-治療頭出口，11-光闌，12-旋轉(zhuǎn)散束器，13-真空密封窗， 14-患者(客體)，15-旋轉(zhuǎn)支架，16-束流準(zhǔn)直器，17-閃爍體晶體，18-CCD相機(jī)，19-電離能 損反應(yīng)，20-核反應(yīng)，21-庫侖散射，22-傅立葉平面，23-水平聚焦四極磁鐵，24-垂直聚焦四 極磁鐵，25-調(diào)制匹配整形段，26-磁透鏡組成像段，27-圖像接受段。

【具體實(shí)施方式】
[0037] 本實(shí)用新型提供了一種質(zhì)子斷層掃描裝置，解決了現(xiàn)有的質(zhì)子斷層掃描方法存在 掃描不準(zhǔn)確存在誤差，空間分辨率較差的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了制造斷層掃描方法掃描準(zhǔn)確掃 描精度較高，誤差較小，且空間分辨率較高的技術(shù)效果。
[0038] 本申請實(shí)施中的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題?？傮w思路如下：
[0039] 首先利用治療頭發(fā)射出質(zhì)子束，然后對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形，使所述質(zhì) 子束照射在客體的預(yù)定部位上，然后通過磁透鏡組使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1 :1成像，最后利用 閃爍體晶體和CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集的技術(shù)方案，S卩加入了磁透鏡組利用磁透鏡強(qiáng) 聚焦原理消除了多次庫侖散射的影響，并且該束線配置調(diào)節(jié)方便，可適應(yīng)不同能量的入射 質(zhì)子，并且通過角度準(zhǔn)直器還可實(shí)現(xiàn)圖像對比度的調(diào)節(jié)，將質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形、質(zhì)子 束的成像以及實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集均在同一旋轉(zhuǎn)支架上，可將整個成像束線作為一個整 體，保證相互之間的關(guān)系，保證使用方便和精度，所以，有效解決了現(xiàn)有的質(zhì)子斷層掃描方 法存在掃描不準(zhǔn)確存在誤差，空間分辨率較差的技術(shù)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了制造斷層掃描方法 掃描準(zhǔn)確掃描精度較高，誤差較小，且空間分辨率較高的技術(shù)效果。
[0040] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對上 述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0041] 實(shí)施例一：
[0042] 在實(shí)施例一中，提供了一種質(zhì)子斷層掃描方法，請參考圖1-圖10,所述方法包括：
[0043] S10,利用治療頭發(fā)射出質(zhì)子束；
[0044] S20,對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形，使所述質(zhì)子束照射在客體的預(yù)定部位上；
[0045] S30,通過磁透鏡組使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1 :1成像；
[0046] S40,利用閃爍體晶體和(XD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集。
[0047] 其中，在本申請實(shí)施例中，所述對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形具體包括：
[0048] 首先，利用光闌對所述質(zhì)子束進(jìn)行限位，將所述質(zhì)子束的橫向發(fā)射度限制在一預(yù) 設(shè)范圍內(nèi)；
[0049] 然后，利用散束器增加質(zhì)子的橫向傾角；
[0050] 最后，利用兩塊四極磁鐵實(shí)現(xiàn)所述客體處所述質(zhì)子束橫向位置和傾角的線性調(diào) 制。
[0051] 其中，在本申請實(shí)施例中，所述通過磁透鏡組使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1 :1成像具體為： 通過由四塊四極磁鐵和束流準(zhǔn)直器組成的磁透鏡組使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1 :1成像。
[0052] 其中，在本申請實(shí)施例中，所述利用閃爍體晶體和CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集 具體包括：
[0053] 首先，通過磁透鏡組使所述質(zhì)子束在閃爍體晶體上實(shí)現(xiàn)1 :1成像；
[0054] 然后，通過(XD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集。
[0055] 其中，在本申請實(shí)施例中，所述對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形、所述質(zhì)子束的成 像以及所述實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集均在同一旋轉(zhuǎn)支架上進(jìn)行。
[0056] 其中，在實(shí)際應(yīng)用中，如圖3所示為質(zhì)子放射治療室布局圖，核心部件是治療頭， 由可旋轉(zhuǎn)束線和旋轉(zhuǎn)支架構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)對病灶全方位、多角度的適形治療，治療頭包含散射 體、準(zhǔn)直器、適形器、補(bǔ)償器、計(jì)量檢測器、偏轉(zhuǎn)磁鐵、聚焦四極磁鐵以及掃描磁鐵等，光路極 為復(fù)雜。本申請實(shí)施例的質(zhì)子斷層掃描束線將利用從治療頭引出的質(zhì)子束進(jìn)行成像，也即 是在治療頭的末端建立一條質(zhì)子透射成像束線。在進(jìn)行質(zhì)子放射治療時，成像束線不通電， 不影響放療過程；在進(jìn)行PCT圖像引導(dǎo)時，成像束線可正常通電工作。如圖4所示是一種常 用的"散束模式"治療頭的示意圖，在其末端加入了質(zhì)子透射成像束線可實(shí)現(xiàn)PCT功能。
[0057] 下面將對質(zhì)子透射成像束線的設(shè)計(jì)原理和方法進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0058] 質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)理如圖5所示，包括：1與核外電子的相互作用：質(zhì)子在 穿過介質(zhì)時以電離方式損失其能量，電離反應(yīng)是指入射質(zhì)子將其部分能量傳遞給核外電 子，使介質(zhì)原子產(chǎn)生電離或激發(fā)而損失能量（電離能損)，該反應(yīng)可用Bethe-Block公式來 表示；2與核庫侖場的相互作用：當(dāng)質(zhì)子通過介質(zhì)時，入射質(zhì)子將受到原子核電場的相互作 用，入射質(zhì)子的軌跡將受到核電場的偏轉(zhuǎn)，這個過程稱為庫侖散射，該反應(yīng)可用Molliere 公式很好的描述；3與原子核的強(qiáng)相互作用：入射質(zhì)子與原子核之間的強(qiáng)相互作用（也即是 核反應(yīng)）包括核彈性散射、準(zhǔn)彈性散射和非彈性散射。
[0059] 在質(zhì)子穿過客體時，多次庫侖散射將造成入射質(zhì)子束的角度分散，如果采用圖2 的直接透射成像布局，獲得的圖像將產(chǎn)生嚴(yán)重的成像模糊。為克服上述問題，可利用磁透鏡 組把散開的質(zhì)子束重新匯聚起來以獲得清晰的圖像。能夠這么做的主要原因是由于質(zhì)子帶 電，可以利用電磁場對其進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和聚焦。
[0060] 圖6所示是基于磁透鏡強(qiáng)聚焦原理的質(zhì)子透射成像原理示意圖，其特點(diǎn)是質(zhì)子在 像平面的位置與其初始角度無關(guān)，這樣就基本消除了庫侖散射的影響。這種情況和凸透鏡 的幾何光學(xué)成像相似，屬于物點(diǎn)像點(diǎn)一一對應(yīng)的點(diǎn)對點(diǎn)成像系統(tǒng)。這種磁鐵組合還有一個 特點(diǎn)，其中心處質(zhì)子的位置與其初始位置無關(guān)，只決定于初始散角，這樣就形成了一個傅立 葉平面，如圖6所示，大散角的質(zhì)子到達(dá)傅立葉平面上遠(yuǎn)離束軸的位置，小散角的質(zhì)子到達(dá) 靠近束軸的位置。這樣，放置在傅立葉平面上的束流準(zhǔn)直器就具有角度選擇的能力。進(jìn)一 步分析，質(zhì)子穿過客體的庫侖散射角度和客體的材料屬性(輻射長度）有關(guān)，所以利用傅立 葉平面也可以確定客體的性質(zhì)。
[0061] 如圖7所示是成像磁透鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖，由兩個完全相同的F0D0單元組成， F0D0單元就是磁鐵的一種排列方式，具體為一塊水平聚焦磁鐵+ -段漂移段+ -塊垂直聚 焦磁鐵+ -段漂移段的組合，間距用L和S表示，F(xiàn)表示水平聚焦四極磁鐵，D表示垂直聚焦 四極磁鐵，0表示漂移段，其中一個F0D0單元的傳輸矩陣可表示為c :
[0062]

【權(quán)利要求】
1. 一種質(zhì)子斷層掃描裝置，其特征在于，所述裝置包括： 治療頭，所述治療頭用于利用治療頭發(fā)射出質(zhì)子束； 調(diào)制匹配模塊，所述調(diào)制匹配模塊用于對所述質(zhì)子束進(jìn)行調(diào)制匹配整形，使所述質(zhì)子 束照射在客體的預(yù)定部位上； 磁透鏡組，所述磁透鏡組用于使所述質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)1 :1成像； 圖像采集模塊，所述圖像采集模塊用于利用閃爍體晶體和CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采 集，其中，所述調(diào)制匹配模塊、所述磁透鏡組、所述圖像采集模塊均連接在同一旋轉(zhuǎn)支架上， 且在堅(jiān)直方向從上到下依次為：所述調(diào)制匹配模塊、所述磁透鏡組、所述圖像采集模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)制匹配模塊具體包括： 光闌，所述光闌用于對所述質(zhì)子束進(jìn)行限位，將所述質(zhì)子束的橫向發(fā)射度限制在一預(yù) 設(shè)范圍內(nèi)； 旋轉(zhuǎn)散束器，所述旋轉(zhuǎn)散束器用于增加質(zhì)子的橫向傾角； 兩塊四極磁鐵，所述兩塊四極磁鐵用于實(shí)現(xiàn)所述客體處所述質(zhì)子束橫向位置和傾角的 線性調(diào)制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述磁透鏡組具體包括：四塊四極磁鐵和 束流準(zhǔn)直器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述圖像采集模塊具體包括： 閃爍體晶體，所述閃爍體晶體用于通過磁透鏡組使所述質(zhì)子束在所述閃爍體晶體上實(shí) 現(xiàn)1:1成像； (XD相機(jī)，所述(XD相機(jī)用于實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時采集。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括：四極磁鐵、偏轉(zhuǎn)磁鐵、掃 描磁鐵。
【文檔編號】A61N5/10GK203829493SQ201420263875
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】魏濤, 楊國君, 李一丁, 張小丁, 江孝國, 張卓, 石金水 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所