本發(fā)明涉及正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)，具體涉及一種平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

硼中子俘獲治療(BNCT)技術(shù)是具有廣闊前景的放療技術(shù)。該方法擁有悠久的歷史，早在20世紀(jì)70年代即有初步的嘗試，目前已有較多應(yīng)用的實例。然而，由于早先缺乏有效的中子照射、輻射防護等相關(guān)技術(shù)，目前硼中子俘獲治療還沒有獲得廣泛的使用。近年來，各國研究者愈發(fā)關(guān)注硼中子俘獲治療技術(shù)。隨著各項相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成熟，硼中子俘獲治療技術(shù)也正在迅猛發(fā)展?，F(xiàn)在，世界范圍內(nèi)有多個硼中子俘獲治療的裝置正在運行，它已經(jīng)成為了科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的熱點問題。

硼中子俘獲治療技術(shù)利用硼-10對特定能量范圍中子的吸收截面遠(yuǎn)高于其他常見核素的原理，使含有硼元素(特別是硼-10核素)的分子在靶區(qū)域高度富集，再用特定能量范圍中子對其進行照射。中子和硼-10核素發(fā)生相互作用，釋放能量并將其集中高效的沉積在靶區(qū)域。硼中子俘獲治療，可以使受照樣本獲得與靶區(qū)分布符合較好的能量沉積，這是其優(yōu)于類似技術(shù)的重要特點。

提高硼中子俘獲治療效果的關(guān)鍵方式之一，在于準(zhǔn)確的對靶區(qū)的藥物濃聚獲得動態(tài)、實時、定量的認(rèn)識。雖然藥物代謝動力學(xué)提供了一定的理論方法指引，但是受到現(xiàn)有的硼中子俘獲治療設(shè)備和控制方法的限制，照射過程中無法探測藥物的分布情況?，F(xiàn)有的暫時性的解決方案包括物理測量法、化學(xué)測量法和核素測量法，然而這些方法均為離線檢測的方法，且局限于單一時間點、單一采樣點。這些方法只能間接探知藥物分布的大致規(guī)律，無法提供實時、定量、在線的分布信息，并且缺乏空間上的分布信息，對解決硼中子俘獲治療藥物分布這樣一個四維問題幫助有限。

近年來，除了設(shè)備技術(shù)和操作方法的日趨成熟，硼中子俘獲治療的新型含硼制劑也層出不窮。有一類硼中子俘獲治療藥物具有特定的功能基團或某種結(jié)構(gòu)，使其可以被放射性標(biāo)記，且標(biāo)記前后的化學(xué)性質(zhì)完全相同或相近，可以認(rèn)為具有相同的生物分布特征。這種硼中子俘獲治療藥物為靶區(qū)藥物濃聚規(guī)律的動態(tài)、實時、定量的在線監(jiān)測提供了可能性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種利用正電子發(fā)射斷層掃描PET進行治療引導(dǎo)的硼中子俘獲治療BNCT系統(tǒng)及其控制方法，從而在硼中子俘獲治療過程中較為準(zhǔn)確的提供含硼制劑在照射靶區(qū)的、實時、定量、動態(tài)的分布信息。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)。

本發(fā)明的平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)包括：射束出口裝置、平板PET探測器、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、探測器電機、機架、電機控制機構(gòu)、照射床、晶體屏蔽裝置和工作站；其中，照射床安裝在電機控制機構(gòu)上；照射樣本放置在照射床上，照射樣本上方形成照射視野；轉(zhuǎn)動機構(gòu)安裝在機架上；一對平板PET探測器分別通過各自的探測器電機安裝在轉(zhuǎn)動機構(gòu)上，并且分別位于照射視野的對側(cè)；在一對平板PET探測器的外側(cè)分別設(shè)置一個晶體屏蔽裝置，一對晶體屏蔽裝置固定在機架上，晶體屏蔽裝置為開口的盒狀，中間有凹槽，能夠容納平板PET探測器；平板PET探測器通過數(shù)據(jù)線連接至工作站；轉(zhuǎn)動機構(gòu)、探測器電機和電機控制機構(gòu)分別通過電線連接至工作站；工作站控制電機控制機構(gòu)調(diào)整照射床的位置，以及控制轉(zhuǎn)動機構(gòu)和探測器電機調(diào)整平板PET探測器的狀態(tài)；平板PET探測器包括工作狀態(tài)和等待狀態(tài)；在工作狀態(tài)下，一對平板PET探測器的探測面相對，分別對著照射樣本，平板PET探測器采集圖像，并通過數(shù)據(jù)線傳輸至工作站；在等待狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動機構(gòu)帶動平板PET探測器的探測面沿各自的轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)，探測面相背，并通過各自的探測器電機將平板PET探測器分別推入各自對應(yīng)的晶體屏蔽裝置內(nèi)，射束出口裝置將中子源產(chǎn)生并經(jīng)整形調(diào)節(jié)的中子引入照射視野。

平板PET探測器的背板采用含有硼元素或/和鎘元素的材料。晶體屏蔽裝置采用由含有硼元素或/和鎘元素的材料，在中子照射時對平板PET探測器進行屏蔽，以防中子對晶體造成輻射損傷。

進一步，本發(fā)明還包括光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)，包括安置在支架上的光學(xué)攝像頭陣列和空間信息處理系統(tǒng)。事先在照射樣本上標(biāo)記至少四個標(biāo)記點，標(biāo)記點作為平板PET探測器成像和光學(xué)定位的聯(lián)合配準(zhǔn)點；光學(xué)攝像頭陣列采集標(biāo)記點的信息，并由信息處理系統(tǒng)處理，從而得到照射樣本的位置信息，即光學(xué)定位跟蹤信息。平板PET探測器成像得到靶區(qū)的輪廓，通過配準(zhǔn)算法，計算得到靶區(qū)與照射樣本的相對位置，光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)精確算出電機控制機構(gòu)移動的x、y和z距離坐標(biāo)，使照射樣本的靶區(qū)精確的對準(zhǔn)在照射視野內(nèi)。電機控制機構(gòu)可以在空間中以多個自由度移動，帶動照射床實現(xiàn)位置狀態(tài)的改變，調(diào)整照射床與其他設(shè)備的相對位置，并與光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)協(xié)同實現(xiàn)精確擺位。光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)根據(jù)事先標(biāo)記于照射樣本的至少四個標(biāo)記點進行精確的空間定位，方便在照射樣本移動前后進行精確的配準(zhǔn)，提供精確的靶區(qū)位置信息。其搭載的照射床可以調(diào)節(jié)姿態(tài)，滿足水平和垂直照射的要求。

工作站與電機控制機構(gòu)、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、平板PET探測器和光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)進行通訊。工作站包括圖像處理模塊，中子照射模塊和系統(tǒng)控制模塊三大模塊；其中，圖像處理模塊包括PET圖像采集與存儲模塊、基于圖形處理器GPU加速的PET圖像重建模塊、PET圖像手動區(qū)域劃分模塊和PET圖像與光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)配準(zhǔn)模塊；中子照射模塊包括照射劑量控制模塊和照射視野控制模塊，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)；系統(tǒng)控制系統(tǒng)模塊包括轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制模塊、電機控制機構(gòu)控制模塊、探測器電機控制模塊和整機系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控模塊。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種平板PET引導(dǎo)的中子束流的控制方法。

本發(fā)明的平板PET引導(dǎo)的中子束流的控制方法，包括以下步驟：

1)將含硼制劑注射至照射樣品內(nèi)，含硼制劑包含兩類組分：第一類組分為穩(wěn)定核素組成的含硼制劑分子，質(zhì)量記為w₁，含硼-10的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)記為ω_B,1；以及第二類組分為相同或相近化學(xué)實體的含放射性核素的含硼制劑分子，第二類組分與第一類組分混合，第二類組分在混合時刻的放射性活度記為A₀，混合的時刻記為τ₀，第二類組分的質(zhì)量記為w₂，含硼-10的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)記為ω_B,2；

2)將照射樣本放置在照射床上，將至少四個標(biāo)記點分散貼在照射樣本上，標(biāo)記點作為平板PET探測器成像和光學(xué)定位的聯(lián)合配準(zhǔn)點，照射樣本放置于照射床上，通過電機控制機構(gòu)調(diào)整照射床的位置，光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)對初始位置進行記錄；

3)控制轉(zhuǎn)動機構(gòu)將一對平板PET探測器調(diào)整到工作狀態(tài)下，對照射樣本進行動態(tài)PET掃描，將數(shù)據(jù)傳回工作站，在富集區(qū)域利用自動化程序或手動勾勒體積為V_T的靶區(qū)，并在非富集的敏感區(qū)域勾勒體積為V_C的控制區(qū)域；

4)平板PET探測器連續(xù)采集多張圖像，工作站通過圖像處理模塊動態(tài)監(jiān)測時間點t_i靶區(qū)和控制區(qū)域的活度值A(chǔ)_T,i和A_C,i；

5)計算在靶區(qū)和控制區(qū)域中，τ時刻靶區(qū)和控制區(qū)域的硼-10的濃度c_T,τ和c_C,τ

6)重復(fù)步驟4)～5)，得到多組(t_i,c_T,i,c_C,i)數(shù)據(jù)，建立靶區(qū)硼-10濃度的預(yù)測方程和控制區(qū)域硼-10濃度的預(yù)測方程如果當(dāng)前靶區(qū)和控制區(qū)域的硼-10濃度比r滿足T_r為預(yù)設(shè)的閾值，且靶區(qū)的硼-10濃度c_T,τ高于閾值T_c，即c_T,τ＞T_c，其中T_c為最小有效濃度，并且上述條件能夠在最小計劃照射時間τ_min內(nèi)持續(xù)滿足，則結(jié)束PET掃描；

7)光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)定位至少四個標(biāo)記點，平板PET探測器成像得到靶區(qū)的輪廓，通過配準(zhǔn)算法，計算得到靶區(qū)與照射樣本的相對位置，并精確算出電機控制機構(gòu)移動的x、y和z距離坐標(biāo)，使靶區(qū)精確的對準(zhǔn)在照射視野內(nèi)；

8)控制轉(zhuǎn)動機構(gòu)將一對平板PET探測器調(diào)整到等待狀態(tài)下；

9)在工作站的控制下，射束出口裝置綜合PET成像的信息，將中子源產(chǎn)生并經(jīng)整形調(diào)節(jié)的中子引入照射視野，利用照射劑量控制模塊、照射視野控制模塊和光學(xué)定位跟蹤信息調(diào)節(jié)中子束參數(shù)，包括劑量和射野，進行一輪照射結(jié)束后，射束出口裝置停止出束；

10)重復(fù)步驟3)～9)，平板PET探測器再次進入工作狀態(tài)，重新采集圖像，然后根據(jù)新的影像結(jié)果計算靶區(qū)和控制區(qū)域的活度值A(chǔ)_T,i+1和A_C,i+1，重新執(zhí)行判斷，直至預(yù)定劑量遞送完畢或不再滿足照射條件。

在步驟1)中，第一類組分為穩(wěn)定核素組成的含硼制劑分子以及第二類組分為相同或相近化學(xué)實體的含放射性核素的含硼制劑分子，其中，第一類組分能夠在靶區(qū)具有良好的分布特性，能夠達到硼中子俘獲的濃度、富集程度等要求；第二類組分滿足平板PET探測器成像的要求；第二類組分的化學(xué)實體和第一類組分完全相同，只是核素不同，因此具有與第一類組分相同或相近的分布規(guī)律；配制過程中，首先配好只含第一類組分的一個活性組分的混合物，其中第一類組分的質(zhì)量記為w₁，含硼-10的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)記為ω_B,1；接著，將生產(chǎn)、純化并標(biāo)定過放射性活度的第二類組分與第一類組分混合，其中第二類組分在混合時刻的放射性活度記為A₀，混合的時刻記為τ₀，第二類組分的質(zhì)量記為w₂，含硼-10的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)記為ω_B,2。

在步驟3)中，在工作狀態(tài)下，一對平板PET探測器的探測面相對，分別對著照射樣本。

在步驟8)中，轉(zhuǎn)動機構(gòu)帶動平板PET探測器的探測面翻轉(zhuǎn)，一對探測面相背，并通過各自的探測器電機將平板PET探測器分別推入各自對應(yīng)的晶體屏蔽裝置內(nèi)。

本發(fā)明的控制方法精準(zhǔn)地提供了硼中子照射時間的信息，可用于BNCT操作過程中，對于中子束流的準(zhǔn)實時反饋和精確控制。

本發(fā)明的優(yōu)點：

本發(fā)明利用平板PET探測器提供精確的影像信息，對BNCT提供精確的照射時間信息，進行面向特定靶區(qū)的精準(zhǔn)化劑量遞送，減小敏感區(qū)域的輻射損傷；同時本系統(tǒng)可以進行水平和垂直兩種姿態(tài)的中子靶向照射，利用電機控制裝置可以方便移動調(diào)節(jié)與射束出口裝置的距離；利用高精度的光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)可以進行照射樣本移動的精確空間配準(zhǔn)，確保靶區(qū)定位的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)的實施例一的示意圖；

圖2為本發(fā)明的平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)的實施例二的示意圖；

圖3為本發(fā)明的平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)的工作站的系統(tǒng)框圖；

圖4為本發(fā)明的平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)的平板PET探測器由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)的示意圖；

圖5為本發(fā)明的平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)的控制方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。

平板PET探測器與射束出口裝置同軸并作為一個整體，或者二者是分立的。

實施例一

如圖1所示，本實施例中平板PET探測器與射束出口裝置是分立的，以垂直姿態(tài)進行中子靶向照射，本實施例的平板PET引導(dǎo)的硼中子俘獲治療系統(tǒng)包括：射束出口裝置1、平板PET探測器2、轉(zhuǎn)動機構(gòu)3、機架4、電機控制機構(gòu)5、照射床6、晶體屏蔽裝置7、光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)8、探測器電機9和工作站；其中，照射床6安裝在電機控制機構(gòu)5上；照射樣本放置在照射床6上，照射樣本上方形成照射視野；轉(zhuǎn)動機構(gòu)3安裝在機架4上，一對平板PET探測器2分別通過各自的探測器電機9安裝在轉(zhuǎn)動機構(gòu)3上，并且分別位于照射視野的對側(cè)；在一對平板PET探測器的外側(cè)分別設(shè)置一個晶體屏蔽裝置7，一對晶體屏蔽裝置7固定在機架上4，晶體屏蔽裝置7為盒狀，中間有凹槽，能夠容納平板PET探測器2；平板PET探測器2通過數(shù)據(jù)線連接至工作站；轉(zhuǎn)動機構(gòu)3、探測器電機9和電機控制機構(gòu)5分別通過電線連接至工作站；射束出口裝置1正對照射視野；光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)8位于照射床旁，包括安置在支架上的光學(xué)攝像頭陣列和空間信息處理系統(tǒng)，對照射視野和射束出口裝置的區(qū)域進行監(jiān)控。

如圖3所示，工作站包括圖像處理模塊，中子照射模塊和系統(tǒng)控制模塊三大模塊；其中，圖像處理模塊包括PET圖像采集與存儲模塊、基于圖形處理器GPU加速的PET圖像重建模塊、PET圖像手動區(qū)域劃分模塊和PET圖像與光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)配準(zhǔn)模塊；中子照射模塊包括照射劑量控制模塊和照射視野控制模塊，用來調(diào)節(jié)中子治療系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)；系統(tǒng)控制系統(tǒng)模塊包括轉(zhuǎn)動機構(gòu)控制模塊、電機控制機構(gòu)控制模塊、探測器電機控制模塊和整機系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控模塊。

平板PET探測器包括工作狀態(tài)和等待狀態(tài)；在工作狀態(tài)下，一對平板PET探測器2的探測面相對，分別對著照射樣本；在等待狀態(tài)下，探測器電機帶動平板PET探測器的探測面沿各自的轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)，探測面相背，并用探測器電機將平板PET探測器分別推入各自對應(yīng)的晶體屏蔽裝置7內(nèi)，如圖4所示。

實施例二

如圖2所示，在本實施例中平板PET探測器與射束出口裝置同軸并作為一個整體，以水平姿態(tài)進行中子靶向照射。其他同實施例一。

實施例一和實施例二的系統(tǒng)的平板PET引導(dǎo)的中子束流的控制方法，如圖5所示，包括以下步驟：

1)合成氟-18標(biāo)記的S-1-氨基-1-苯基甲基三氟硼酸鈉，與質(zhì)量為w₁，硼-10質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為ω_B,1的非放射性的S-1-氨基-1-苯基甲基三氟硼酸鈉混合，標(biāo)定放射性活度A₀，記此時為0時刻；由于放射性標(biāo)記的S-1-氨基-1-苯基甲基三氟硼酸鈉的量極小，對硼-10的含量影響不大，故可以認(rèn)為其質(zhì)量w₂＝0；將含硼制劑注射至照射樣品內(nèi)。

2)將照射樣本放置在照射床上，將四個標(biāo)記點分散貼在照射樣本上，標(biāo)記點是含鉛材料，為一直徑約為1cm的圓片；圓片表面有粘性，可以黏貼在照射樣本上；一面涂成黑色，便于光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)被動采集區(qū)域；放置于照射床上，通過電機控制機構(gòu)調(diào)整照射床的位置，光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)對初始位置進行記錄。

3)控制轉(zhuǎn)動機構(gòu)將一對平板PET探測器調(diào)整到工作狀態(tài)下，一對平板PET探測器的探測面相對，分別對著照射樣本，對照射樣本進行動態(tài)PET掃描，將數(shù)據(jù)傳回工作站，在富集區(qū)域利用自動化程序或手動勾勒體積為V_T的靶區(qū)，并在非富集的敏感區(qū)域勾勒體積為V_C的控制區(qū)域。

4)平板PET探測器連續(xù)采集多張圖像，在活度測定單元的輔助下動態(tài)監(jiān)測時間點t_i靶區(qū)和控制區(qū)域的活度值A(chǔ)_T,i和A_C,i。

5)假設(shè)含硼制劑的濃度均勻分布，τ時刻靶區(qū)和控制區(qū)域的硼-10的濃度c_T,τ和c_C,τ分別為：

$c_{T,\mathrm{\τ}}=\frac{A_{T,\mathrm{\τ}}{e}^{\mathrm{\λ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)}(w_1{\mathrm{\ω}}_{B,1}+w_2{\mathrm{\ω}}_{B,2})}{A_0{V}_{T}M\left({}^{10}B\right)}$

$c_{C,\mathrm{\τ}}=\frac{A_{C,\mathrm{\τ}}{e}^{\mathrm{\λ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)}(w_1{\mathrm{\ω}}_{B,1}+w_2{\mathrm{\ω}}_{B,2})}{A_0{V}_{C}M\left({}^{10}B\right)}$

其中，λ是放射性核素的衰變常數(shù)，M(¹⁰B)是硼-10的摩爾質(zhì)量，A_T,τ為τ時刻靶區(qū)的活度值，A_C,τ為τ時刻控制區(qū)域的活度值。

6)重復(fù)步驟4)～5)，得到多組(t_i,c_T,i,c_C,i)數(shù)據(jù)，根據(jù)多組(t_i,c_T,i,c_C,i)數(shù)據(jù)，對基于二腔室模型的藥物代謝動力學(xué)方程：

${\hat{c}}_T\left(t\right)=F(t_i,c_{T,i},c_{C,i})$

${\hat{c}}_C\left(t\right)=G(t_i,c_{T,i},c_{C,i})$

進行回歸分析，得到描述硼-10濃度的預(yù)測模型，其中是靶區(qū)硼-10濃度的預(yù)測方程，是控制區(qū)域硼-10濃度的預(yù)測方程，如果當(dāng)前靶區(qū)和控制區(qū)域的硼-10濃度比r滿足T_r為預(yù)設(shè)的閾值，且靶區(qū)的硼-10濃度c_T,τ高于閾值T_c，即c_T,τ＞T_c，T_c為最小有效濃度，并且根據(jù)模型預(yù)測上述條件能夠在足夠時間內(nèi)持續(xù)滿足，則結(jié)束PET掃描。

7)光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)定位至少四個標(biāo)記點，平板PET探測器成像得到靶區(qū)的輪廓，通過配準(zhǔn)算法，計算得到靶區(qū)與照射樣本的相對位置，并精確算出電機控制機構(gòu)移動的x、y和z距離坐標(biāo)，使照靶區(qū)精確的對準(zhǔn)在照射視野內(nèi)。

8)控制轉(zhuǎn)動機構(gòu)將一對平板PET探測器調(diào)整到等待狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動機構(gòu)帶動平板PET探測器的探測面翻轉(zhuǎn)，一對探測面相背，并利用探測器電機將平板PET探測器分別推入各自對應(yīng)的晶體屏蔽裝置內(nèi)。

9)射束出口裝置將中子源產(chǎn)生并經(jīng)整形調(diào)節(jié)的中子引入照射視野，一輪照射結(jié)束后，射束出口裝置停止出束；

10)重復(fù)步驟3)～8)，平板PET探測器再次進入工作狀態(tài)，重新采集圖像，然后根據(jù)新的影像結(jié)果計算靶區(qū)和控制區(qū)域的活度值A(chǔ)_T,i+1和A_C,i+1，重新執(zhí)行判斷并進行照射，直至預(yù)定劑量遞送完畢或不再滿足照射條件。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。