基于质子束的计算机断层扫描装置及其成像方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种质子束的计算机断层扫描装置，包括沿质子束流的走向依次排布的加速器、S波段高梯度质子加速结构、超快质子束团分配系统、治疗机架和超快质子束团扫描系统，安装于治疗机架上的质子CT系统；加速器设置为发射质子能量为70MeV

【技术实现步骤摘要】
基于质子束的计算机断层扫描装置及其成像方法


[0001]本专利技术属于粒子放射成像领域中质子成像的领域，具体涉及一种基于质子束的计算机断层扫描装置及其成像方法，旨在消除X光CT在质子治疗应用过程中产生的质子射程误差。

技术介绍

[0002]目前质子治疗技术都基于X光子CT(Computed Tomography，计算机断层)图像制定治疗计划和病人定位，但由于物质的Z/A(带电体带电量与质量的比值)比值不同，光子CT在HU单位(Hounsfield unit)转换到质子治疗计划中的RSP(Relative Stopping Power，相对阻止本领)的过程中会产生3％
‑
5％的射程误差，导致治疗计划中的质子射程会产生3
‑
5mm误差，极大可能影响敏感细胞。当前质子治疗技术正在开展新一代技术的跨越，其中先进质子闪疗技术(FLASH)与传统质子治疗相比，能过在保持对肿瘤杀伤力，同时极好的保护正常组织，但同时也要求在100ms内实现30Gy治疗剂量(平均剂量率不低于300Gy/s)，因此对三维RSP分布精度提出了更高的要求，亟需发展质子CT，以满足质子闪疗的技术要求。
[0003]由于质子的布拉格峰(Bragg Peak)效应，质子束流进入到深层病区后能够瞬间释放能量杀死癌细胞，对于照射范围较大的躯体会残留较多剂量，能量提高至350MeV可以保证布拉格峰落在人体之外，减少人体内的残余剂量。目前对于用于质子治疗的能量区间在70MeV
‑
235MeV的加速器，只需要设计一段S波段高梯度加速结构提升能质子能量至350MeV来满足质子CT的需要，降低了重新设计一台350MeV质子加速器的技术复杂度，同时也降低了技术成本。
[0004]质子CT可以使病人在同一治疗室完成质子成像和治疗，相比于光子CT(即传统的X射线CT)，减少了在移动过程中产生器官移动对质子治疗的影响，质子成像时间的压缩也有利于减少治疗中呼吸运动的影响，因此可以将质子CT与质子治疗装置集成为一体，实现实时图像引导。随着质子治疗的治疗效果日益显著，近年来质子闪疗技术备受行业内关注，治疗中成像误差和器官移动的问题需要得到解决，同时质子闪疗的高剂量率对精准定位提出了更高的要求。基于现有的旋转治疗机架，在质子束流能量固定的情况下通过多个角度的扫描实现投影信息探测，但是探测时间较长，无法满足质子闪疗的技术要求。
[0005]光子CT和质子CT均是现有技术，但目前还没有将质子CT用于临床的技术，尤其，目前质子CT还没有集成于治疗机架。
[0006]在现有技术中，已经提出过结合光子CT的质子CT的技术，目前已经提出的结合光子CT的质子CT的实现只是校准HU
‑
RSP的转化曲线，而不是直接重建图像，并没有消除光子CT的射程误差，且成像时间较长；现在质子治疗中使用X射线CT进行图像引导，将HU值转化为治疗计划中的RSP的值，由于光子和质子是两种不同的物质因此会存在3％
‑
5％的误差。
[0007]目前尚未将质子CT装置集成于现有的治疗机架，一方面是由于现在质子CT还存在在实验阶段并未与治疗机架集成，另一方面则是由于将质子CT装置集成于现有的治疗用的传统治疗机架，旋转一圈用时很久，成像时间很长，该过程中因呼吸运动造成的器官移动对
于后续治疗是有影响的，则无法满足实时图像引导的需求，无法应用于临床。
[0008]因此，需要提出一种集成于超导治疗机架的质子成像方案，提供集成于治疗机架的质子CT的装置设计，以减小使用光子CT转化为RSP的过程中产生的误差，提高射程精度。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种基于质子束的计算机断层扫描装置及其成像方法，以减小使用光子CT转化为RSP的过程中产生的误差，提高射程精度。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术提供一种质子束的计算机断层扫描装置，包括沿质子束流的走向依次排布的加速器、S波段高梯度质子加速结构、超快质子束团分配系统、治疗机架和超快质子束团扫描系统，以及安装于治疗机架上的质子CT系统；所述加速器设置为发射质子能量为70MeV
‑
235MeV的质子束流；所述S波段高梯度质子加速结构设置为在开启状态和关闭状态之间可切换，在开启状态时将质子束流的质子能量提升到350MeV。
[0011]所述加速器是回旋加速器或同步加速器，且加速器和S波段高梯度质子加速结构之间设有聚束结构；或者所述加速器是直线加速器，其发射的质子束流直接经过所述S波段高梯度质子加速结构。
[0012]超快质子束团分配系统设置为使得不同能量点的质子束流以相同的方位角和不同的俯仰角的束流分配角度发射至所述治疗机架的位于同一位置的线圈单元，以使质子束流在下游的治疗机架的出口处汇聚在同一处束流轨道上；所述超快质子束团分配系统还设置为使得质子束流以不同的方位角的束流分配角度发射至所述治疗机架的位于不同位置的线圈单元。
[0013]所述治疗机架具有多个旋转对称排布且小范围可绕对称轴旋转以切换位置的线圈单元，或者多个静止的对称排布的线圈单元。
[0014]每个质子CT系统与一个线圈单元对应，其包括两个位置探测器、以及一个剩余能量探测器；两个位置探测器均与所对应的线圈单元的质子束流的出口对齐；并且两个位置探测器包括一个设于待扫描对象安装位置的前方的第一位置探测器和一个设于待扫描对象安装位置的后方的第二位置探测器，剩余能量探测器位于第二位置探测器的后方。
[0015]所述每个质子CT系统的位置探测器位于其对应的线圈单元内侧，通过支撑结构固定于整个治疗机架的内侧；剩余能量探测器位于其对应的线圈单元外侧，其通过支撑结构固定于整个治疗机架的外侧。
[0016]所述治疗机架具有一个可旋转以切换位置的磁铁单元；质子CT系统的数量为1个，其包括两个位置探测器以及一个剩余能量探测器；两个位置探测器均与所对应的磁铁单元的质子束流的出口对齐；并且两个位置探测器包括一个设于待扫描对象安装位置的前方的第一位置探测器和一个设于待扫描对象安装位置的后方的第二位置探测器，剩余能量探测器位于第二位置探测器的后方；所述每个质子CT系统的位置探测器位于所述磁铁单元内侧；剩余能量探测器位于所述磁铁单元外侧。
[0017]本专利技术的基于质子束的计算机断层扫描装置将质子束流能量由235MeV提高到350MeV并且用于治疗机架上，保证质子布拉格峰(Bragg Peak)完全落在人体之外，减少对健康组织和器官伤害；在此基础上，通过质子CT技术直接获得RSP值，使得治疗计划中的RSP误差降低至1％，相比于现有的质子治疗中使用X射线CT进行图像引导，将HU值转化为治疗
计划中的RSP的值来说误差更低，减小了图像引导误差，且图像分辨率达到1毫米，提高了射程精度。
[0018]本专利技术基于质子束的计算机断层扫描装置将质子CT集成于超导治疗机架上，极大缩短了扫描时间，将成像时间控制在秒级以内，降低器官移动的影响，实现了质子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子束的计算机断层扫描装置，其特征在于，包括沿质子束流的走向依次排布的加速器、S波段高梯度质子加速结构、超快质子束团分配系统、治疗机架和超快质子束团扫描系统，以及安装于治疗机架上的质子CT系统；所述加速器设置为发射质子能量为70MeV
‑
235MeV的质子束流；所述S波段高梯度质子加速结构设置为在开启状态和关闭状态之间可切换，在开启状态时将质子束流的质子能量提升到350MeV。2.根据权利要求1所述的质子束的计算机断层扫描装置，其特征在于，所述加速器是回旋加速器或同步加速器，且加速器和S波段高梯度质子加速结构之间设有聚束结构；或者所述加速器是直线加速器，其发射的质子束流直接经过所述S波段高梯度质子加速结构。3.根据权利要求1所述的质子束的计算机断层扫描装置，其特征在于，超快质子束团分配系统设置为使得不同能量点的质子束流以相同的方位角和不同的俯仰角的束流分配角度发射至所述治疗机架的位于同一位置的线圈单元，以使质子束流在下游的治疗机架的出口处汇聚在同一处束流轨道上；所述超快质子束团分配系统还设置为使得质子束流以不同的方位角的束流分配角度发射至所述治疗机架的位于不同位置的线圈单元。4.根据权利要求1所述的质子束的计算机断层扫描装置，其特征在于，所述治疗机架具有多个旋转对称排布且小范围可绕对称轴旋转以切换位置的线圈单元，或者多个静止的对称排布的线圈单元。5.根据权利要求4所述的质子束的计算机断层扫描装置，其特征在于，每个质子CT系统与一个线圈单元对应，其包括两个位置探测器、以及一个剩余能量探测器；两个位置探测器均与所对应的线圈单元的质子束流的出口对齐；并且两个位置探测器包括一个设于待扫描对象安装位置的前方的第一位置探测器和一个设于待扫描对象安装位置的后方的第二位置探测器，剩余能量探测器位于第二位置探测器的后方。6.根据权利要求5所述的质子束的计算机断层扫描装置，其特征在于，所述每个质子CT系统的位置探测器位于其对应的线圈单元内侧，通过支撑结构固定于整个治疗机架的内侧；剩余能量探测器位于其对应的线圈单元外侧，其通过支撑结构固定于整个治疗机架的外侧。7.根据权利要求1所述的质子束的计算机断层扫描装置，其特征在于，所述治疗机架具有一个可旋转以切换位置的磁铁单元；质子CT系统的数量为1个，其包括两个位置探测器以及一个剩余能量探测器；两个位置探测器均与所对应的磁铁单元的质子束流的出口对齐；并且两个位置探测器包括一个设于待扫描对象安装位置的前方的第一位置探测器和一个设于待扫描对象安装位置的后方的第二位置探测器，剩余能量探测器位于第二位置探测器的后方；所述每个质子CT系统的位置探测器位于所述磁铁单元内侧；剩余能量探测器位于所述磁铁单元外侧。8.一种质子束的计算机断层扫描装置的成像方法，其特征在于，其成像模式基于传统旋转治疗机架，包括：步骤S0”：提供权利要求7所述的质子束的计算机断层扫描装置；步骤S1”：启动S波段高梯度质子加速结构，以将质子束流中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：方文程，杨育卿，黄晓霞，赵振堂，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：