在質(zhì)子治療室內(nèi)，主要都是用CBCT技術(shù)來進(jìn)行定位，在過去的二十年里，科學(xué)家、工程師以及物理師等開發(fā)了很多新類型的影像系統(tǒng)，以保證質(zhì)子重離子治療更加準(zhǔn)確。其中包括瞬發(fā)伽馬成像、Inbeam-PET、質(zhì)子CT等，這些技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)。瞬發(fā)伽馬的優(yōu)勢(shì)在于它測(cè)量的是直接信號(hào)，可進(jìn)行在束監(jiān)測(cè)，國(guó)際上已有的樣機(jī)測(cè)試達(dá)到毫米精度，可同時(shí)測(cè)量組織和束流影像，目前國(guó)際上有多個(gè)研究小組在進(jìn)行開發(fā)試驗(yàn)，成熟度較高，不僅可以用于質(zhì)子重離子治療，而且可以用于硼中子治療。

本文將簡(jiǎn)要介紹法國(guó)的一個(gè)科學(xué)小組開發(fā)的基于飛行時(shí)間(Time of Flight, TOF)的瞬發(fā)伽馬時(shí)間成像(Prompt Gamma Time Imaging, PGTI)算法，該算法可以完成PG頂點(diǎn)的三維重建。該研究開拓了瞬發(fā)伽馬成像的版圖，使人們能夠重新審視TOF的應(yīng)用場(chǎng)景。

原理

原理如下圖所示：束流探測(cè)器Beam monitor測(cè)量每個(gè)質(zhì)子的到達(dá)時(shí)間tstart，周圍布置了足夠多精度足夠高的探測(cè)器組，以測(cè)量瞬發(fā)伽馬光子PG的探測(cè)時(shí)間tstop。時(shí)間差tstart - tstop就可以用來反推伽馬光子在體內(nèi)的發(fā)射點(diǎn)。伽馬光子的發(fā)射點(diǎn)就是質(zhì)子與組織發(fā)生反應(yīng)和沉積能量的地方，有了發(fā)射點(diǎn)分布就可以重建束流在體內(nèi)的三維分布。

頂點(diǎn)的位置矢量是rv(xv , yv , zv)，瞬發(fā)伽馬光打在探測(cè)器的位置矢量是rd(xd , yd , zd)。質(zhì)子從束流探測(cè)器到頂點(diǎn)的飛行時(shí)間是Tproton;伽馬光子從束流頂點(diǎn)到探測(cè)器的飛行時(shí)間是TPG。

總飛行時(shí)間是：

伽馬光子從束流頂點(diǎn)到探測(cè)器的飛行時(shí)間TPG還可以表達(dá)為：

相比于TPG，Tdecay的時(shí)間尺度可以忽略。飛行時(shí)間表達(dá)為：

探測(cè)器可以測(cè)量得到每個(gè)事件總的TOF和xd , yd , zd，只要知道了Tproton，就可以計(jì)算頂點(diǎn)坐標(biāo)xv。

模型驗(yàn)證

該小組利用Geant4進(jìn)行幾何建模仿真，驗(yàn)證解析重構(gòu)算法的有效性。100 MeV質(zhì)子束用藍(lán)色表示。紅色的是沿著光束路徑創(chuàng)建的PG，并記錄在相空間中，可以理解為探測(cè)器組。在靶目標(biāo)上游的束流監(jiān)視器(用黑色表示)。右：相同的幾何圖形顯示，插入1 cm的空腔，以(−5.5, 0, 0)為中心。

模擬的計(jì)算結(jié)果顯示，該方法能夠很好的計(jì)算頂點(diǎn)位置，同時(shí)空腔的位置也比較好地反應(yīng)在結(jié)果中，但是需要109個(gè)質(zhì)子以增強(qiáng)統(tǒng)計(jì)。

討論

該科學(xué)小組提出了一種新的PGTI，基于測(cè)量質(zhì)子和PG的飛行時(shí)間TOF。提出一種專用的重構(gòu)算法來獲取目標(biāo)內(nèi)部的PG頂點(diǎn)分布。該算法描述了PG頂點(diǎn)坐標(biāo)在三維空間中的分布。但是文章本身只做了一維的驗(yàn)證。

該方法可以無需精確測(cè)量PG的能量;

該方法依賴精確測(cè)量PG的飛行時(shí)間和探測(cè)器的位置;

前置的束流探測(cè)器可采用治療頭上的器件;

因此探測(cè)器的時(shí)間分辨要達(dá)到ns級(jí)別，同時(shí)獲取系統(tǒng)需要記載每個(gè)事件的詳細(xì)信息。