屬于束流診斷與測(cè)量領(lǐng)域，具體應(yīng)用于質(zhì)子重離子醫(yī)療終端，實(shí)時(shí)測(cè)量束流在病人體內(nèi)的射程，生成束流圖像。也可用于其他類型加速器裝置，以及科研裝置上。

背景技術(shù)：

質(zhì)子重離子治療是一種精準(zhǔn)癌癥治療方法，尤其是近十年發(fā)展起來的鉛筆束掃描方法，調(diào)強(qiáng)治療法，這些方法得以實(shí)現(xiàn)的前提是粒子在病人體內(nèi)的精確定位。一種基本的方案是優(yōu)化束流傳輸系統(tǒng)，治療計(jì)劃，精確定位治療椅或治療床，通過優(yōu)化設(shè)備及軟件精度來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療。但很多不確定因素仍然會(huì)影響粒子的射程和劑量的分布，比如病人的呼吸，人體組織的不均勻性，病灶自身的移動(dòng)等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種瞬發(fā)伽馬成像系統(tǒng)，通過測(cè)量瞬發(fā)伽馬光子，實(shí)時(shí)測(cè)量病人體內(nèi)粒子射程和束流位置，讓入射到病人體內(nèi)的束流看得見。該系統(tǒng)可廣泛用于質(zhì)子重離子治療終端。

如圖1所示，瞬發(fā)伽馬成像系統(tǒng)包括以下幾部分：縱向伽馬探測(cè)器(1)，橫向伽馬探測(cè)器（2），探測(cè)器由多個(gè)伽馬探頭（3）組成探測(cè)器陣列，每個(gè)伽馬探頭由閃爍晶體（4）、光電傳感器（5）和光柵（6）組成。圓柱形PMMA材料（7）模擬人體組織，腫瘤（8）位于其內(nèi)部，粒子束流（9）穿過人體模擬組織轟擊到腫瘤上，在其穿過的路徑上激發(fā)出伽馬光子，伽馬探測(cè)器通過測(cè)量伽馬光子的分布來確定粒子的射程和束流位置分布。

縱向伽馬探測(cè)器(1)位于圓柱形PMMA材料（7）上部，間距為60mm；橫向伽馬探測(cè)器（2）位于圓柱形PMMA材料（7）后部，間距為110mm。

粒子（質(zhì)子和重離子）射入組織與體內(nèi)物質(zhì)相互作用輻射伽馬光子，例如質(zhì)子通過反應(yīng)¹⁶O(p, p*)¹⁶O*發(fā)射6.129 MeV、6.916 MeV、7.115 MeV能量的伽馬光子。伽馬光子產(chǎn)額在質(zhì)子射程末端的布拉格峰下降沿跟隨急劇下降，通過測(cè)量伽馬光子來確定質(zhì)子射程，如圖2所示，160MeV 的質(zhì)子入射直徑為200mm, 長400mm的圓柱形PMMA材料。伽馬光子產(chǎn)額與粒子分布成對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以測(cè)量伽馬光子的分布來測(cè)量束流的分布。

伽馬探頭（3）的主要部件是閃爍晶體（4）和光電傳感器（5），閃爍晶體受到入射伽馬光子激發(fā)，產(chǎn)生光電子，光電傳感器輸出信號(hào)，后端電子學(xué)記錄伽馬光子的位置和能量信息。

閃爍晶體選擇原則為光產(chǎn)額高，衰變常數(shù)小，折射率低，不易潮解，容易切割成小塊。圖3列出幾種可選的晶體參數(shù)，比較好的如LYSO晶體，LaBr₃:Ce晶體。

光電傳感器選用原則是上升時(shí)間短，偏壓低，體積小，容易集成為多通道陣列。圖4列出幾種可選的傳感器參數(shù)，比較好的選擇如雪崩光電二極管(APD)，硅光電倍增管(SiPM)。

如圖5所示，為了只接收垂直方向入射的伽馬光子（61），在閃爍體周圍還要設(shè)置光柵（6）。光柵與閃爍體緊密接觸。為了阻止側(cè)向入射的高能伽馬光子（63），光柵不僅要全包裹晶體，還要比晶體長。本實(shí)施例中晶體截面9mm×9mm，長20mm，光柵壁厚1mm，長70mm。

由于二次粒子（62）與光柵材料作用也會(huì)產(chǎn)生伽馬光子（621~622），這部分伽馬光子有部分（621）會(huì)直接入射到探頭中，但這部分伽馬光子的能量較低，一般小于5 MeV，如圖6所示。因此伽馬探測(cè)器的窗口能量選為5 MeV。即只有能量大于窗口能量的伽馬光子才會(huì)被探測(cè)器記錄。

縱向伽馬探測(cè)器（1）測(cè)量粒子的射程，如圖7所示，縱向伽馬探測(cè)器（1）是由多個(gè)伽馬探頭（3）組成的陣列，每個(gè)探頭標(biāo)記為P(X, Y, Z)，X, Y, Z對(duì)應(yīng)為該探頭晶體幾何中心的的空間坐標(biāo)，矩陣原點(diǎn)位于粒子在人體組織的入射點(diǎn)。每個(gè)探頭截面尺寸像素越小，測(cè)量的精度越高。本實(shí)施例縱向伽馬探測(cè)器為9×40個(gè)探頭。

由于伽馬光子的發(fā)射是各向同性的，因此可以把粒子穿過的路徑視為線光源，在不加光柵的情況下，每個(gè)探頭將接收到來自各點(diǎn)的伽馬光子，探頭1和2都接收到A和B點(diǎn)發(fā)出的伽馬光子，伽馬探測(cè)器所得的縱向分布將無法確定粒子的射程，如圖8所示。

為了只測(cè)量垂直入射的伽馬光子，需要在探頭周圍設(shè)置光柵，光柵用較高原子序數(shù)的金屬制成，能有效阻擋伽馬光子，本實(shí)施例中使用鉭。設(shè)置光柵后測(cè)量的伽馬分布如圖9所示，探頭1只接收A點(diǎn)發(fā)出的伽馬光子，探頭2只接收B點(diǎn)發(fā)出的伽馬光子，因此能夠測(cè)量粒子的射程。

原則上可以選擇任意入射方向的一組平行伽馬光。以選擇垂直于束流方向的平行光為最佳，可減少加工成本和安裝難度；若選用與束流夾角大于90°的平行光，則可減少熱中子噪聲，此情況下，探頭安裝方向平行于伽馬光子。

橫向伽馬探測(cè)器（2）測(cè)量射程末端粒子的橫向分布，由9×9個(gè)探頭組成，從而測(cè)量粒子射程末端束流的截面。如圖10所示。

縱向伽馬探測(cè)器（1）也可以用于測(cè)量束流的橫向截面，如圖11所示，給定縱向坐標(biāo)值Zi，取探頭P(-4, 15, Zi) 到P(4, 15, Zi) 九個(gè)探頭的數(shù)據(jù)可以給出縱向深度Zi處粒子的橫向(X)分布截面。若要探測(cè)Zi處Y方向的截面，還需增加一組探測(cè)器，其位置垂直于縱向伽馬探測(cè)器(1)。

綜合縱向伽馬探測(cè)器(1)，橫向伽馬探測(cè)器（2）的數(shù)據(jù)可以得到束流在人體中的實(shí)時(shí)影像信息，包括粒子的射程，束流截面。如圖12、圖13所示。通過圖像合成方法，實(shí)時(shí)顯示束流在病人體內(nèi)的三維圖像，如圖14所示。

對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變及變形，而所有的這些改變及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。

附圖說明

圖1-瞬發(fā)伽馬成像系統(tǒng)示意圖；

圖2-布拉格峰與伽馬光子分布對(duì)比；

圖3-閃爍晶體參數(shù)表；

圖4-光電傳感器參數(shù)表；

圖5-伽馬探頭；

圖6-100MeV中子打鉭產(chǎn)生光子能譜；

圖7-縱向伽馬探測(cè)器陣列；

圖8-無光柵測(cè)量伽馬光子分布；

圖9-有光柵測(cè)量伽馬光子分布；

圖10-橫向伽馬探測(cè)器；

圖11-橫向(X)分布截面；

圖12-束流圖像XZ截面；

圖13-粒子射程末端束流圖像 XY截面；

圖14-束流三維圖像。