[论文解读] Proton radiographs using position-sensitive silicon detectors and high-resolution scintillators

J. A. Briz, A. N. Nerio+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2021

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 16被引用 4

一句话总结

本研究提出了一套基于位置灵敏硅探测器（DSSDs）和高分辨率闪烁体阵列的质子成像原型系统，实现了癌症治疗中精确的质子成像。该系统实现了亚2毫米的空间分辨率，并成功区分了10毫米厚的铝和PMMA材料，验证了其作为实现质子CT以改善治疗计划和剂量验证的初步步骤的潜力。

ABSTRACT

Proton therapy is a cancer treatment technique currently in growth worldwide. It offers advantages with respect to conventional X-ray and $\gamma$-ray radiotherapy, in particular, a better control of the dose deposition allowing to reach a higher conformity in the treatments. Therefore, it causes less damage to the surrounding healthy tissue and less secondary effects. However, in order to take full advantage of its potential, improvements in treatment planning and dose verification are required. A new prototype of proton Computed Tomography scanner is proposed to design more accurate and precise treatment plans for proton therapy. Here, results obtained from an experiment performed using a 100-MeV proton beam at the CCB facility in Krakow (Poland) are presented. Proton radiographs of PMMA samples of 50-mm thickness with spatial patterns in aluminum were taken. Their properties were studied, including reproduction of the dimensions, spatial resolution and sensitivity to different materials. They demonstrate the capabilities of the system to produce images with protons. Structures of up to 2 mm are nicely resolved and the sensitivity of the system was enough to distinguish thicknesses of 10 mm of aluminum or PMMA. This constitutes a first step to validate the device as a proton radiography scanner previous to the future tests as a proton CT scanner.

研究动机与目标

• 开发并验证一种基于位置灵敏硅探测器和闪烁体的质子成像系统，以提升质子治疗的影像质量。
• 解决由X射线CT中的Hounsfield单位转换为相对停止功率（RSP）所导致的质子射程估算不确定性。
• 证明利用质子进行成像在高空间和能量分辨率下的可行性，减少对基于X射线CT的计划依赖。
• 验证系统分辨细微结构及区分与临床质子治疗相关的材料厚度的能力。
• 通过在临床相关束流条件下测试图像质量和探测器性能，为未来质子CT重建奠定基础。

提出的方法

• 在波兰克拉科夫的CCB设施使用90–120 MeV质子束，能量由230 MeV降低。
• 采用两个双面硅条纹探测器（DSSDs）以精确追踪质子并重建轨迹。
• 集成镧溴化物（LaBr3）闪烁体阵列以测量剩余质子能量，提升停止功率测定精度。
• 使用95、100和120 MeV质子束进行能量校准，并通过详细的蒙特卡罗模拟进行验证。
• 获取了嵌入不同尺寸（1–5 mm）和间距铝图案的PMMA样品的质子断层影像。
• 利用一维强度分布和超高斯拟合分析图像，以评估空间分辨率和尺寸准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于DSSDs和闪烁体的质子成像系统能否分辨尺寸低至2毫米的结构？
• RQ2 该系统对铝和PMMA等材料的厚度差异敏感度如何？
• RQ3 该系统能多准确地再现PMMA中嵌入测试图案的真实尺寸？
• RQ4 对于更小的特征（如1毫米孔洞），空间分辨率会如何退化？
• RQ5 该系统能否基于剩余能量沉积区分10毫米厚的不同材料？

主要发现

• 系统实现了优于2毫米的空间分辨率，成功分辨了铝图案中直径为5毫米、3毫米和2毫米的孔洞。
• 1毫米孔洞未被清晰分辨，表明系统的分辨率极限位于1毫米至2毫米之间。
• 在剩余能量谱中观察到三个明显的能量峰，证实系统能够区分10毫米厚的铝、PMMA和空气。
• 十字形和规则图案样品的实测尺寸与实际物理尺寸高度一致，超高斯函数拟合显示出高保真度。
• 5毫米、3毫米和2毫米孔洞列的强度分布显示出与孔洞数量对应的清晰极小值，证实了结构分辨能力。
• 结果验证了该原型作为功能型质子成像扫描仪的可行性，并为实现完整质子CT迈出了关键的第一步。