扫描式质子束剂量分布成像仪的研制及性能分析

杨 锋，张 湘，周 荣，杨朝文

(四川大学 物理科学与技术学院，辐射物理与技术教育部重点实验室，四川 成都 610064)

癌症是威胁人类健康的主要疾病之一，对癌症的防治已成为现代医学的一个重要课题。治疗癌症的手段多种多样，而重离子治疗技术作为一种先进的医疗手段，由于重离子特殊的物理学和生物学优势，是目前癌症治疗领域的主要研究方向之一。

由于重带电离子具有良好的剂量分布，大部分剂量都沉积在其有限穿透深度的末端，称为布拉格峰。通过改变入射粒子的动能，该峰位可被精确调整，以达到所需的组织深度，且在粒子穿透的最大深度外只有少量剂量，可更好地保护对辐射敏感的正常组织细胞。能量微小的偏差或入射点微小的差别，可能会使布拉格峰位落入正常组织细胞内，对正常细胞造成破坏[1-2]。所以为达到理想治疗效果时，避免正常细胞在治疗中受到损伤，在实施治疗前有必要对重离子束进行质量控制(QA)[3]。

目前主流的重离子束质量控制技术有胶片成像、二维探测器阵列探测以及电荷耦合元件(CCD)探测等3种。其中胶片成像技术是目前实践中应用最广泛的技术，其成本低、空间分辨率高、组织等效性好。但胶片成像技术操作过程复杂，需对胶片进行装片、配制显影定影液和在暗室冲洗胶片等，过程繁琐，不能及时获得测量结果[4]。二维探测器阵列技术又包括半导体探测器阵列技术和空气电离室阵列技术2种。该技术的空间分辨率有限、设备成本高[5]。CCD是一种用电荷量表示信号大小的探测元件，能将光学影像转换为数字信号读出，实现数据的实时在线获取，但其记录面积有限，且价格昂贵及在辐照环境下易损伤，需时常进行芯片更换。此外，这3种技术还有相同的缺陷，即实验时的对准方式只适用于粗调，达不到临床对图像定位精准度的要求。为此本文拟设计一款新型质子QA装置，在达到目前广泛使用的几项测量技术的性能指标的前提下，简化重离子QA的过程，实现精准的对准方式，同时降低成本，并实现测量数据的实时在线处理和数字化。

1 扫描式质子束剂量分布成像仪研制

1.1 原理

主动扫描式质子束剂量分布成像仪的工作原理如图1所示。其硬件主要由荧光闪烁屏、45°反射镜、光学相机和精密电动位移平台4部分组成，所有组件均安装于光密封的黑箱中。

图1 剂量分布成像仪的原理图Fig.1 Principle of dose distribution imager

为测量粒子束的剂量分布，重离子束需垂直入射到荧光闪烁屏上。荧光闪烁屏受到重离子照射后，会发出绿色荧光，其闪烁荧光强度与入射粒子的剂量率呈正相关。因此，相机记录下的光斑图像记录了粒子束剂量在其横截面内的分布信息，即利用闪烁体将重离子束流可见光化。通过反射镜改变光的光路，使得相机可放置在远离辐射场的远端，以提高相机的使用寿命和各类次级辐射对测量结果的干扰。

1.2 结构

根据剂量分布成像仪的原理研制了主动扫描式质子剂量成像仪，其基本结构示于图2。该剂量分布成像仪主要包括：闪烁体、镜面不锈钢板、精密电动位移平台及驱动器、光学相机、塑料与铅组成的屏蔽材料。

图2 剂量分布成像仪结构示意图Fig.2 Structure of dose distribution imager

1) 闪烁体。硫氧化钆闪烁体，闪烁荧光为绿色[6]。

2) 镜面不锈钢板。为防止使用环境中存在的粒子辐射直接打到相机上，对相机的图像传感器造成严重损坏，使用反射镜面改变闪烁荧光的光路，而不是将相机直接置于重离子束的通路上，以便相机的安装位置远离粒子束，只有初级粒子产生的次级中子或γ/X射线可到达。

3) 精密电动位移平台及驱动器。电机的转矩波动小，低速运行平稳、振动小、噪声低[7-8]，可输出相对较高的力矩，定位精度高。本仪器中，相机安装在可控电动位移和旋转平台上，可通过遥控改变其视野范围，达到测量不同位置与大小的重离子束的目的，适用性强。电动位移平台组合有前后平移、前后俯仰、左右旋转以及光轴方向旋转4个维度，可自主调整仪器的视野[9]。自主设计开发电路板，采用W5300网络通信芯片和2片STC单片机芯片，驱动器电路板上设有网络RJ54接线口，电脑通过网线与设备实现通信[10-11]。

4) 光学相机。使用索尼ILCE-α7微型单反相机，感光元件为互补金属氧化物半导体(CMOS)元件，可提供USB遥控以及WiFi遥控两种遥控的方式，官方提供有软件开发工具包 (SDK)，根据SDK可自行编写遥控软件。图像的分辨率为6 000×3 376，有RAW与JPG两种图像输出格式，可同时输出。

5) 塑料与铅组成的屏蔽材料。薄铅板与塑料块的组合件，用以保护相机的感光器件，减小相机感光器件所受的辐射与次级辐射，以进一步减弱辐射损坏，延长感光元件的使用寿命。

2 性能测试

本剂量分布成像仪主要用于医用重离子束的QA，在临床上，束流质量有很多参数标准，但在日常检测中最核心的是以下几个指标：束斑均匀度(±3%)、束斑尺寸(±0.3 mm)与束斑位置(±1 mm)、粒子能量(±0.2 mm等效水深)、绝对剂量(±1.5%)与剂量稳定性(1%～2%)[12]。本设备可对前3个指标进行测试。

2.1 空间分辨率

将刻有多组狭缝的测试板TOR 18FG置于仪器束流入射点，然后使用质子束照射。由于测试板上狭缝的存在，导致测试板质量厚度不均匀，由于不同深度处重离子的比能损失的差异，不同位置闪烁体产生的闪烁荧光的强度也略有差别。而由于光的高斯分布，当2条亮纹的中心距离小于其半高宽时，会使得这2条光纹不可分辨，这决定了仪器成像的空间分辨率。实验测试结果示于图3，从图3中能明显区分出第16组的细条纹，查阅TOR 18FG的使用说明文档，该组条纹密度为2.8 mm-1，即单条条纹宽度为0.35 mm，所以本剂量分布成像仪的空间分辨率约为0.35 mm。

图3 空间分辨率测试结果Fig.3 Result of spatial resolution test

2.2 能量分辨率

能量分辨率测试原理如图4所示，在束流入射点处放置特制的铝合金模型，该铝合金模型上有深度不一、大小各异的坑洞。当能量相同的入射粒子打入该金属模型时，由于入射深度不一，出射的粒子能量也不同，不同能量的粒子在闪烁屏上产生可区分的荧光，特别是在布拉格峰的后沿，比能损失急剧下降，很薄的质量厚度差便会使重离子在闪烁屏位置的比能损失差异巨大，因此闪烁屏上的荧光强度也相差很大，借此特性即可检验微小的质量厚度差。临床上一般用布拉格峰的等效水深表示粒子的能量，如能量为100 MeV/u的质子朝水中入射，在水中的布拉格峰位(最大入射距离)为81.64 mm，可用等效水深为81.64 mm的质子来代替100 MeV/u的质子，而等效水深在(81.64±0.20) mm内的所有质子，在临床上都视为具有100 MeV/u能量的质子，即能量的质量合格。

图4 能量分辨率测试原理Fig.4 Principle of energy resolution test

一般使用中，会先使用标准能量的入射粒子，在入射点前使用厚薄各异的固体水片(97%为水，另外的3%为一种高分子聚合物，用于将水分子固化)改变重离子穿透路径的长度[13]，将重离子的布拉格峰调整至闪烁屏附近，然后拍下标准能量的图像，称为标准图。在以下的检测中，将待检测粒子的成像与标准图像进行对比，来验证束流的能量是否与标准图对应的能量一致(在检验能量的使用时，固定水的厚度应保持一致)。

能量分辨率测试结果示于图5。根据图5可得到相对光强与粒子入射深度的关系，如图6所示。

图6与布拉格峰位处的形状相似，由于布拉格峰的后沿十分陡峭，所以通常用布拉格峰的后沿来确定布拉格峰位，定位可更加精准。布拉格峰的后沿可近似为线性函数：

R=0.75D

(1)

式中：R为相对光强；D为布拉格峰后沿所处的铝板深度，mm。

图5 能量分辨率测试结果Fig.5 Result of energy resolution test

图6 相对光强随粒子入射深度的变化Fig.6 Relative light intensity vs. particle incident depth

由于荧光呈绿色，所以仅选取图像绿色通道的数值进行数据处理。一般情况下，在RGB格式最大亮度值为255、亮度差异大于10即认为可显著区分，相对光强差值为10÷255=4%，本文选取可区分的相对光强差值为5%，代入式(1)进行计算，得到本剂量分布成像仪在铝中的能量分辨率约为0.067 mm等效铝深。根据重离子在不同物质中的穿透距离相对关系的半经验公式，可计算出能量差值为0.067 mm等效铝深的重离子在水中的穿透距离的差值。该半经验公式如下：

(2)

式中：R为粒子在物质内的射程；ρ为物质的密度；A为物质的相对分子质量；下标1和2分别表示不同的穿透物质，本文分别指水和铝单质。

根据式(2)计算得到本系统能分辨出的能量差异为等效水深0.22 mm，即与标准能量相差0.22 mm等效水深及以上的重离子，在本设备中均可显著区分[14]。

2.3 成像均匀性

由于本剂量分布成像仪的几何结构，相同光强的光从不同的入射点射入，得到的光学信号的强弱也会有区别，需对这一特性进行研究并校正。本文主要对平面均匀分布的可见光的空间响应进行测试。

实验中采用可调光强的单色光源，其光斑在直径3～25 mm之间可调。实验中选择直径为10 mm的光斑，在相同的实验条件(实验环境、光斑大小和光强)下，在暗室中，移除闪烁荧光屏，控制单色光源垂直向原荧光屏所在的平面入射。以该平面的几何中心为原点，建立二维平面的笛卡尔直角坐标系，可用一组二维坐标值描述入射点。实验中，多次改变光斑在该平面上入射点的位置，根据所测数据，即可得到设备对于相同光强的光源在不同空间位置上的响应。

基于测试数据的三维曲面高斯拟合如图7所示。

图7 成像均匀性三维拟合图Fig.7 3D fitting result of imaging uniformity

剂量分布成像仪在均匀光源下的成像会使得图像的中央更亮，而四周较灰暗，光强呈由中央向四周递减的分布形态，是标准的高斯分布形态。实际光强与测量光强的关系式如下：

(3)

式中：I为光强测量值；I0为实际光强；x、y为以图像中心为原点建立的坐标系上各像素点的坐标值，cm。

由图7可见，在图像中心约10 cm×10 cm的区域内，图像的成像均匀度较好，光强的偏差范围约为±3.5%。目前使用最为广泛的胶片成像法测量的胶片的像素的不均匀性大于±3.7%[4]。此外，由于本剂量分布成像仪对均匀光的空间响应函数是高斯分布，所以在后期的数据处理中，可用式(3)进行计算校正，使剂量分布成像仪的成像均匀性更优。所以本剂量分布成像仪在成像均匀性上略优于目前最广泛使用的胶片成像法。

3 结论

本文设计了一种新型医用重离子QA装置——质子束剂量分布成像仪，利用闪烁屏、镜面反射屏和光学信号采集装置对重离子束的剂量分布进行检测。经过实验测量与计算，本剂量分布成像仪在布拉格峰后沿的能量分辨率为0.22 mm等效水深，空间分辨率为0.35 mm，在图像视野中心10 cm×10 cm内成像的均匀性达3.5%，并可通过一定的算法对成像均匀性进行进一步校正。以上指标均已达到临床使用中对于束斑均匀性、束斑位置与大小以及能量测量的要求，也达到了相应的技术参数的要求，可作为一种新型临床重离子束QA工具。

今后还需进一步优化本剂量分布成像仪的设计，加强辐照损伤和信号噪点的处理研究，并根据相关的测试数据编写相应的数据分析软件，实现数据的在线分析。