[论文解读] Particle Accelerators and Detectors for medical Diagnostics and Therapy

S. Braccini|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Particle accelerators and beam dynamics被引用 6

一句话总结

本文介绍了在粒子加速器和探测器方面的创新进展，应用于医学领域，特别是质子和重离子治疗（质子治疗）以及正电子发射断层扫描（PET）成像的放射性核素生产。研究提出了一种混合型线性加速器-回旋加速器系统（cyclinac），用于先进束流扫描；在伯尔尼大学设立了一条专用的束流传输线及独立研究机房；并开发了新型束流监测技术，包括分段电离室、用于质子成像的核乳胶片以及掺杂石英光纤，显著提升了癌症治疗的精确度与安全性。

ABSTRACT

This Habilitationsschrift (Habilitation thesis) is focused on my research activities on medical applications of particle physics and was written in 2013 to obtain the Venia Docendi (Habilitation) in experimental physics at the University of Bern. It is based on selected publications, which represented at that time my major scientific contributions as an experimental physicist to the field of particle accelerators and detectors applied to medical diagnostics and therapy. The thesis is structured in two parts. In Part I, Chapter 1 presents an introduction to accelerators and detectors applied to medicine, with particular focus on cancer hadrontherapy and on the production of radioactive isotopes. In Chapter 2, my publications on medical particle accelerators are introduced and put into their perspective. In particular, high frequency linear accelerators for hadrontherapy are discussed together with the new Bern cyclotron laboratory. Chapter 3 is dedicated to particle detectors with particular emphasis on three instruments I contributed to propose and develop: segmented ionization chambers for hadrontherapy, a proton radiography apparatus with nuclear emulsion films, and a beam monitor detector for ion beams based on doped silica fibres. Selected research and review papers are contained in Part II. For copyright reasons, they are only listed and not reprinted in this on-line version. They are available on the websites of the journals.

研究动机与目标

• 通过先进加速器与探测器技术，开发用于质子治疗的高精度束流输送系统。
• 实现在单一医院内生束流器设施中，同时进行正电子发射断层扫描（PET）放射性核素生产与多学科研究。
• 通过新型紧凑型、抗辐射探测器，提升治疗过程中实时束流监测能力。
• 通过质子成像技术精确测定离子束在患者组织中的射程，提升治疗精度。
• 实现束流诊断系统的微型化与优化，以集成于紧凑型医疗加速器设施中。

提出的方法

• 通过将质子或重离子线性加速器（linac）与回旋加速器耦合，设计并实现一种混合型cyclinac系统，用于质子治疗与放射性核素生产的双重用途。
• 在伯尔尼回旋加速器实验室开发专用束流传输线（BTL）及独立研究机房，支持临床治疗与独立研究并行运行。
• 设计并建造用于实时监测束流位置、强度与形状的分段条状电离室，应用于瑞士保罗谢勒研究所（PSI）Gantry 2的点扫描质子治疗。
• 采用核乳胶片探测器实现质子成像，以亚毫米级分辨率测量质子在组织中的射程。
• 设计并测试基于掺杂石英光纤（如Ta3+和Sb3+掺杂）的束流剖面监测器，配备电动扫描系统与基于ADC的数据采集系统。
• 采用6秒调制周期与±15 mm束流移动，实现高分辨率束流剖面测量，并通过人为切断束流进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合型加速器系统（cyclinac）如何在提升质子治疗效率与精度的同时，实现放射性核素生产？
• RQ2 何种设计特征可使束流传输线在医院环境中同时支持临床治疗与独立研究？
• RQ3 分段电离室能否在点扫描质子治疗中实现所需的亚毫米级分辨率，以实现实时束流监测？
• RQ4 基于核乳胶片的质子成像能否以毫米级精度提供准确的体内射程测量，用于治疗计划制定？
• RQ5 掺杂石英光纤能否作为紧凑型、抗辐射束流剖面监测器，具备足够的灵敏度与动态范围，适用于医疗加速器？

主要发现

• 伯尔尼回旋加速器实验室配备专用束流传输线与研究机房，现已全面投入运行，支持临床与科研活动并行开展，是瑞士独一无二的设施。
• 为PSI Gantry 2开发的分段条状电离室实现了亚毫米级分辨率的高精度束流监测，对点扫描质子治疗至关重要。
• 基于核乳胶片的质子成像成功实现了低于1 mm的束流剖面测量分辨率，证明其在体内射程验证中的潜力。
• 掺杂石英光纤束流监测器原型在500 nA至5 µA的强度范围内实现了低于1 mm的分辨率，验证了其在实时束流诊断中的可行性。
• Ta3+掺杂石英光纤的发光效率为0.5%，略高于Sb3+掺杂光纤，表明其在下一代束流监测器中作为改进闪烁材料的潜力。
• 完整的控制系统（包括电动扫描与基于ADC的数据采集）正在开发中，微型化被确定为长期目标。