[论文解读] A New Proton CT Scanner

S. A. Uzunyan, G. Blazey+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2014

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文介绍了一款第二代质子CT扫描仪，旨在通过以低于1%的不确定度直接测量相对停止功率（RSP），将质子治疗计划中的范围不确定度从使用X射线CT时的3–4%降低至1%以下。该系统采用光纤跟踪器和闪烁体堆叠探测器，可实现高达2 MHz的数据采集速率，从而在极低剂量下完成对头部体模的高精度3D RSP映射，且无金属伪影问题。

ABSTRACT

The design, construction, and preliminary testing of a second generation proton CT scanner is presented. All current treatment planning systems at proton therapy centers use X-ray CT as the primary imaging modality for treatment planning to calculate doses to tumor and healthy tissues. One of the limitations of X-ray CT is in the conversion of X-ray attenuation coefficients to relative (proton) stopping powers, or RSP. This results in more proton range uncertainty, larger target volumes and therefore, more dose to healthy tissues. To help improve this, we present a novel scanner capable of high dose rates, up to 2~MHz, and large area coverage, 20~x~24~cm$^2$, for imaging an adult head phantom and reconstructing more accurate RSP values.

研究动机与目标

• 解决基于X射线CT的质子停止功率估计中的系统性误差，该误差导致质子治疗中存在3–4%的范围不确定度。
• 开发一款数据率高达2 MHz的质子CT扫描仪，以实现临床可行的扫描时间。
• 实现高空间分辨率（0.27 mm）和低质量（WET <1 mm/每追踪器平面），以最小化多次散射并提高图像精度。
• 实现对水当量路径长度（WEPL）和质子轨迹的直接测量，以实现高精度3D相对停止功率（RSP）重建。
• 通过用质子成像替代X射线成像，最小化牙科或金属植入物引起的伪影。

提出的方法

• 使用八个追踪器平面（四个上游，四个下游），配备直径为0.5 mm的闪烁纤维，测量单个质子轨迹的X和Y坐标。
• 采用96块瓷砖组成的闪烁体堆叠探测器（每块厚3.2 mm），测量剩余能量并确定每条质子的水当量路径长度（WEPL）。
• 应用“最可能路径”形式化方法，将质子轨迹与扫描体中1 mm³的体素关联，用于图像重建。
• 使用前端电子系统（PAD-E），采用SiPM读出，时间戳分辨率为16位，采样频率为75 MHz，并采用1 ms数据帧结构，实现高速、同步的数据采集。
• 采用基于1 Gbit/s以太网的DAQ系统，使用UDP协议，将压缩后的数据（每事件25–75字节）流式传输至CPU/GPU集群进行后处理。
• 通过在100 ns时间窗口内合并追踪器和量热计的触发点，并对堆积事件进行过滤，重建单个质子的轨迹历史。

实验结果

研究问题

• RQ1 质子CT扫描仪能否实现低于1%的相对停止功率不确定度，显著优于X射线CT带来的3–4%不确定度？
• RQ2 光纤追踪器与闪烁体堆叠探测器系统能否在保持0.27 mm空间分辨率和低质量（WET <1 mm）的前提下实现2 MHz的数据率？
• RQ3 该系统能否在无束线台架运动的情况下，重建出具有最小伪影的高质量3D RSP图像？
• RQ4 DAQ系统能否在每秒200万个质子事件的高数据率下，实现低死时和2100个读出通道之间的可靠同步？
• RQ5 图像重建流程能否准确提取单个质子轨迹历史，并生成适用于临床质子治疗计划的3D RSP图？

主要发现

• NIU Phase II质子CT扫描仪已完全组装并安装于中央杜佩奇医院，在200 MeV质子束中进行测试。
• 光纤追踪器实现了0.27 mm的空间分辨率，计算公式为pitch / √12，8个平面共包含2100个读出通道。
• 信噪比测量显示，在光束区域每通道每质子产生10–25个光电子，证实信号保真度足够。
• 系统实现了高达2 MHz的数据采集，结合数据压缩和1 ms帧结构，通过1 Gbit/s以太网实现高效传输。
• GPU集群成功利用先前原型的数据，重建出14 cm直径的Lucy® QA体模的高质量3D图像，验证了重建流程的可靠性。
• 扫描仪与标准质子治疗机架几何结构兼容，可在单次扫描中实现头部体模的360°旋转，无需移动束线台架。