[论文解读] Technical Note: A prototype clinical proton radiography system

Ethan A. DeJongh, Don F. DeJongh+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 2

一句话总结

本论文提出了一种低成本、紧凑型质子照相原型系统，采用快速闪烁体技术和多路复用SiPM实现高效信号读出。通过使用患者特异性扫描模式，结合多种入射能量及经过校准的16-PMT剩余能量探测器，该系统实现了低额外剂量下的精确质子射程成像，为质子治疗验证的临床转化提供了可能。

ABSTRACT

Purpose: To demonstrate a proton imaging system based on well-established fast scintillator technology to achieve high performance with low cost and complexity, with the potential of a straightforward translation into clinical use. Methods: The system tracks individual protons through one (X, Y) scintillating fiber tracker plane upstream and downstream of the object and into a 13 cm-thick scintillating block residual energy detector. The fibers in the tracker planes are multiplexed into silicon photomultipliers (SiPMs) to reduce the number of electronics channels. The light signal from the residual energy detector is collected by 16 photomultiplier tubes (PMTs). Only four signals from the PMTs are output from each event, which allows for fast signal readout. A robust calibration method of the PMT signal to residual energy has been developed to obtain accurate proton images. The development of patient-specific scan patterns using multiple input energies allows for an image to be produced with minimal excess dose delivered to the patient. Results: The calibration of signals in the energy detector produces accurate residual range measurements limited by intrinsic range straggling. The use of patient-specific scan patterns using multiple input energies enables imaging with a compact range detector. Conclusions: We have developed a prototype clinical proton radiography system for pretreatment imaging in proton radiation therapy. We have optimized the system for use with pencil beam scanning systems and have achieved a reduction of size and complexity compared to previous designs.

研究动机与目标

• 开发一种相比先前设计更小、更简单的临床可用质子照相系统。
• 利用成熟可靠的快速闪烁体技术，确保高性能与高可靠性。
• 通过使用多种入射质子能量的患者特异性扫描模式，最大限度降低患者剂量。
• 通过将PMT信号可靠校准至能量沉积，实现精确的剩余射程测量。
• 通过将光纤跟踪器信号多路复用于SiPM，并仅对每个事件选择四个PMT输出，实现信号读出的简化。

提出的方法

• 系统使用两片闪烁光纤跟踪器平面（物体前后各一）在X和Y方向上追踪单个质子。
• 光纤信号被多路复用至硅光电倍增管（SiPM）中，以减少所需电子通道数量。
• 一个13厘米厚的闪烁体块用作剩余能量探测器，其光由16个光电倍增管（PMT）收集。
• 每个事件仅输出四个PMT信号，以实现快速读出并减少数据负载。
• 采用稳健的校准方法将PMT信号与剩余质子能量相关联，确保精确的射程测量。
• 通过使用患者特异性扫描模式及多种入射能量，实现低剂量下的质子图像重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用成熟的闪烁体和SiPM技术，开发出适用于临床的紧凑型、低成本质子照相系统？
• RQ2 通过校准的16-PMT闪烁体块探测器，剩余质子射程的测量精度如何？
• RQ3 使用多种入射能量的患者特异性扫描模式，在保持图像质量的同时，能在多大程度上降低剂量？
• RQ4 通过SiPM实现信号多路复用并选择性输出PMT信号，是否能在不损害性能的前提下降低系统复杂性？
• RQ5 固有射程弥散对本原型系统中质子成像精度有何影响？

主要发现

• 将PMT信号校准至剩余能量可实现精确的质子射程测量，其精度仅受固有射程弥散限制。
• 使用患者特异性扫描模式及多种入射能量，可在紧凑型剩余能量探测器下实现高质量成像。
• 通过SiPM实现信号多路复用显著减少了电子通道数量，简化了系统设计。
• 通过每个事件仅输出四个PMT信号，实现了快速读出，保持了实时性能。
• 与先前的质子成像原型相比，该系统在尺寸和复杂性方面实现了显著减小。
• 该原型展示了在质子治疗中用于治疗前成像的可行性，且额外剂量极低。