掃描式質(zhì)子束劑量分布成像儀的研制及性能分析

楊 鋒，張 湘，周 榮，楊朝文

(四川大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，輻射物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064)

癌癥是威脅人類健康的主要疾病之一，對(duì)癌癥的防治已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要課題。治療癌癥的手段多種多樣，而重離子治療技術(shù)作為一種先進(jìn)的醫(yī)療手段，由于重離子特殊的物理學(xué)和生物學(xué)優(yōu)勢(shì)，是目前癌癥治療領(lǐng)域的主要研究方向之一。

由于重帶電離子具有良好的劑量分布，大部分劑量都沉積在其有限穿透深度的末端，稱為布拉格峰。通過改變?nèi)肷淞Ｗ拥膭?dòng)能，該峰位可被精確調(diào)整，以達(dá)到所需的組織深度，且在粒子穿透的最大深度外只有少量劑量，可更好地保護(hù)對(duì)輻射敏感的正常組織細(xì)胞。能量微小的偏差或入射點(diǎn)微小的差別，可能會(huì)使布拉格峰位落入正常組織細(xì)胞內(nèi)，對(duì)正常細(xì)胞造成破壞[1-2]。所以為達(dá)到理想治療效果時(shí)，避免正常細(xì)胞在治療中受到損傷，在實(shí)施治療前有必要對(duì)重離子束進(jìn)行質(zhì)量控制(QA)[3]。

目前主流的重離子束質(zhì)量控制技術(shù)有膠片成像、二維探測(cè)器陣列探測(cè)以及電荷耦合元件(CCD)探測(cè)等3種。其中膠片成像技術(shù)是目前實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，其成本低、空間分辨率高、組織等效性好。但膠片成像技術(shù)操作過程復(fù)雜，需對(duì)膠片進(jìn)行裝片、配制顯影定影液和在暗室沖洗膠片等，過程繁瑣，不能及時(shí)獲得測(cè)量結(jié)果[4]。二維探測(cè)器陣列技術(shù)又包括半導(dǎo)體探測(cè)器陣列技術(shù)和空氣電離室陣列技術(shù)2種。該技術(shù)的空間分辨率有限、設(shè)備成本高[5]。CCD是一種用電荷量表示信號(hào)大小的探測(cè)元件，能將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)讀出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線獲取，但其記錄面積有限，且價(jià)格昂貴及在輻照環(huán)境下易損傷，需時(shí)常進(jìn)行芯片更換。此外，這3種技術(shù)還有相同的缺陷，即實(shí)驗(yàn)時(shí)的對(duì)準(zhǔn)方式只適用于粗調(diào)，達(dá)不到臨床對(duì)圖像定位精準(zhǔn)度的要求。為此本文擬設(shè)計(jì)一款新型質(zhì)子QA裝置，在達(dá)到目前廣泛使用的幾項(xiàng)測(cè)量技術(shù)的性能指標(biāo)的前提下，簡化重離子QA的過程，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)方式，同時(shí)降低成本，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線處理和數(shù)字化。

1 掃描式質(zhì)子束劑量分布成像儀研制

1.1 原理

主動(dòng)掃描式質(zhì)子束劑量分布成像儀的工作原理如圖1所示。其硬件主要由熒光閃爍屏、45°反射鏡、光學(xué)相機(jī)和精密電動(dòng)位移平臺(tái)4部分組成，所有組件均安裝于光密封的黑箱中。

圖1 劑量分布成像儀的原理圖Fig.1 Principle of dose distribution imager

為測(cè)量粒子束的劑量分布，重離子束需垂直入射到熒光閃爍屏上。熒光閃爍屏受到重離子照射后，會(huì)發(fā)出綠色熒光，其閃爍熒光強(qiáng)度與入射粒子的劑量率呈正相關(guān)。因此，相機(jī)記錄下的光斑圖像記錄了粒子束劑量在其橫截面內(nèi)的分布信息，即利用閃爍體將重離子束流可見光化。通過反射鏡改變光的光路，使得相機(jī)可放置在遠(yuǎn)離輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)端，以提高相機(jī)的使用壽命和各類次級(jí)輻射對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

1.2 結(jié)構(gòu)

根據(jù)劑量分布成像儀的原理研制了主動(dòng)掃描式質(zhì)子劑量成像儀，其基本結(jié)構(gòu)示于圖2。該劑量分布成像儀主要包括：閃爍體、鏡面不銹鋼板、精密電動(dòng)位移平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)相機(jī)、塑料與鉛組成的屏蔽材料。

圖2 劑量分布成像儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of dose distribution imager

1) 閃爍體。硫氧化釓閃爍體，閃爍熒光為綠色[6]。

2) 鏡面不銹鋼板。為防止使用環(huán)境中存在的粒子輻射直接打到相機(jī)上，對(duì)相機(jī)的圖像傳感器造成嚴(yán)重?fù)p壞，使用反射鏡面改變閃爍熒光的光路，而不是將相機(jī)直接置于重離子束的通路上，以便相機(jī)的安裝位置遠(yuǎn)離粒子束，只有初級(jí)粒子產(chǎn)生的次級(jí)中子或γ/X射線可到達(dá)。

3) 精密電動(dòng)位移平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，低速運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪聲低[7-8]，可輸出相對(duì)較高的力矩，定位精度高。本儀器中，相機(jī)安裝在可控電動(dòng)位移和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，可通過遙控改變其視野范圍，達(dá)到測(cè)量不同位置與大小的重離子束的目的，適用性強(qiáng)。電動(dòng)位移平臺(tái)組合有前后平移、前后俯仰、左右旋轉(zhuǎn)以及光軸方向旋轉(zhuǎn)4個(gè)維度，可自主調(diào)整儀器的視野[9]。自主設(shè)計(jì)開發(fā)電路板，采用W5300網(wǎng)絡(luò)通信芯片和2片STC單片機(jī)芯片，驅(qū)動(dòng)器電路板上設(shè)有網(wǎng)絡(luò)RJ54接線口，電腦通過網(wǎng)線與設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信[10-11]。

4) 光學(xué)相機(jī)。使用索尼ILCE-α7微型單反相機(jī)，感光元件為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)元件，可提供USB遙控以及WiFi遙控兩種遙控的方式，官方提供有軟件開發(fā)工具包 (SDK)，根據(jù)SDK可自行編寫遙控軟件。圖像的分辨率為6 000×3 376，有RAW與JPG兩種圖像輸出格式，可同時(shí)輸出。

5) 塑料與鉛組成的屏蔽材料。薄鉛板與塑料塊的組合件，用以保護(hù)相機(jī)的感光器件，減小相機(jī)感光器件所受的輻射與次級(jí)輻射，以進(jìn)一步減弱輻射損壞，延長感光元件的使用壽命。

2 性能測(cè)試

本劑量分布成像儀主要用于醫(yī)用重離子束的QA，在臨床上，束流質(zhì)量有很多參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但在日常檢測(cè)中最核心的是以下幾個(gè)指標(biāo)：束斑均勻度(±3%)、束斑尺寸(±0.3 mm)與束斑位置(±1 mm)、粒子能量(±0.2 mm等效水深)、絕對(duì)劑量(±1.5%)與劑量穩(wěn)定性(1%～2%)[12]。本設(shè)備可對(duì)前3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

2.1 空間分辨率

將刻有多組狹縫的測(cè)試板TOR 18FG置于儀器束流入射點(diǎn)，然后使用質(zhì)子束照射。由于測(cè)試板上狹縫的存在，導(dǎo)致測(cè)試板質(zhì)量厚度不均勻，由于不同深度處重離子的比能損失的差異，不同位置閃爍體產(chǎn)生的閃爍熒光的強(qiáng)度也略有差別。而由于光的高斯分布，當(dāng)2條亮紋的中心距離小于其半高寬時(shí)，會(huì)使得這2條光紋不可分辨，這決定了儀器成像的空間分辨率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果示于圖3，從圖3中能明顯區(qū)分出第16組的細(xì)條紋，查閱TOR 18FG的使用說明文檔，該組條紋密度為2.8 mm-1，即單條條紋寬度為0.35 mm，所以本劑量分布成像儀的空間分辨率約為0.35 mm。

圖3 空間分辨率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Result of spatial resolution test

2.2 能量分辨率

能量分辨率測(cè)試原理如圖4所示，在束流入射點(diǎn)處放置特制的鋁合金模型，該鋁合金模型上有深度不一、大小各異的坑洞。當(dāng)能量相同的入射粒子打入該金屬模型時(shí)，由于入射深度不一，出射的粒子能量也不同，不同能量的粒子在閃爍屏上產(chǎn)生可區(qū)分的熒光，特別是在布拉格峰的后沿，比能損失急劇下降，很薄的質(zhì)量厚度差便會(huì)使重離子在閃爍屏位置的比能損失差異巨大，因此閃爍屏上的熒光強(qiáng)度也相差很大，借此特性即可檢驗(yàn)微小的質(zhì)量厚度差。臨床上一般用布拉格峰的等效水深表示粒子的能量，如能量為100 MeV/u的質(zhì)子朝水中入射，在水中的布拉格峰位(最大入射距離)為81.64 mm，可用等效水深為81.64 mm的質(zhì)子來代替100 MeV/u的質(zhì)子，而等效水深在(81.64±0.20) mm內(nèi)的所有質(zhì)子，在臨床上都視為具有100 MeV/u能量的質(zhì)子，即能量的質(zhì)量合格。

圖4 能量分辨率測(cè)試原理Fig.4 Principle of energy resolution test

一般使用中，會(huì)先使用標(biāo)準(zhǔn)能量的入射粒子，在入射點(diǎn)前使用厚薄各異的固體水片(97%為水，另外的3%為一種高分子聚合物，用于將水分子固化)改變重離子穿透路徑的長度[13]，將重離子的布拉格峰調(diào)整至閃爍屏附近，然后拍下標(biāo)準(zhǔn)能量的圖像，稱為標(biāo)準(zhǔn)圖。在以下的檢測(cè)中，將待檢測(cè)粒子的成像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證束流的能量是否與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)應(yīng)的能量一致(在檢驗(yàn)?zāi)芰康氖褂脮r(shí)，固定水的厚度應(yīng)保持一致)。

能量分辨率測(cè)試結(jié)果示于圖5。根據(jù)圖5可得到相對(duì)光強(qiáng)與粒子入射深度的關(guān)系，如圖6所示。

圖6與布拉格峰位處的形狀相似，由于布拉格峰的后沿十分陡峭，所以通常用布拉格峰的后沿來確定布拉格峰位，定位可更加精準(zhǔn)。布拉格峰的后沿可近似為線性函數(shù)：

R=0.75D

(1)

式中：R為相對(duì)光強(qiáng)；D為布拉格峰后沿所處的鋁板深度，mm。

圖5 能量分辨率測(cè)試結(jié)果Fig.5 Result of energy resolution test

圖6 相對(duì)光強(qiáng)隨粒子入射深度的變化Fig.6 Relative light intensity vs. particle incident depth

由于熒光呈綠色，所以僅選取圖像綠色通道的數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一般情況下，在RGB格式最大亮度值為255、亮度差異大于10即認(rèn)為可顯著區(qū)分，相對(duì)光強(qiáng)差值為10÷255=4%，本文選取可區(qū)分的相對(duì)光強(qiáng)差值為5%，代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到本劑量分布成像儀在鋁中的能量分辨率約為0.067 mm等效鋁深。根據(jù)重離子在不同物質(zhì)中的穿透距離相對(duì)關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)公式，可計(jì)算出能量差值為0.067 mm等效鋁深的重離子在水中的穿透距離的差值。該半經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(2)

式中：R為粒子在物質(zhì)內(nèi)的射程；ρ為物質(zhì)的密度；A為物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量；下標(biāo)1和2分別表示不同的穿透物質(zhì)，本文分別指水和鋁單質(zhì)。

根據(jù)式(2)計(jì)算得到本系統(tǒng)能分辨出的能量差異為等效水深0.22 mm，即與標(biāo)準(zhǔn)能量相差0.22 mm等效水深及以上的重離子，在本設(shè)備中均可顯著區(qū)分[14]。

2.3 成像均勻性

由于本劑量分布成像儀的幾何結(jié)構(gòu)，相同光強(qiáng)的光從不同的入射點(diǎn)射入，得到的光學(xué)信號(hào)的強(qiáng)弱也會(huì)有區(qū)別，需對(duì)這一特性進(jìn)行研究并校正。本文主要對(duì)平面均勻分布的可見光的空間響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中采用可調(diào)光強(qiáng)的單色光源，其光斑在直徑3～25 mm之間可調(diào)。實(shí)驗(yàn)中選擇直徑為10 mm的光斑，在相同的實(shí)驗(yàn)條件(實(shí)驗(yàn)環(huán)境、光斑大小和光強(qiáng))下，在暗室中，移除閃爍熒光屏，控制單色光源垂直向原熒光屏所在的平面入射。以該平面的幾何中心為原點(diǎn)，建立二維平面的笛卡爾直角坐標(biāo)系，可用一組二維坐標(biāo)值描述入射點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，多次改變光斑在該平面上入射點(diǎn)的位置，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，即可得到設(shè)備對(duì)于相同光強(qiáng)的光源在不同空間位置上的響應(yīng)。

基于測(cè)試數(shù)據(jù)的三維曲面高斯擬合如圖7所示。

圖7 成像均勻性三維擬合圖Fig.7 3D fitting result of imaging uniformity

劑量分布成像儀在均勻光源下的成像會(huì)使得圖像的中央更亮，而四周較灰暗，光強(qiáng)呈由中央向四周遞減的分布形態(tài)，是標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布形態(tài)。實(shí)際光強(qiáng)與測(cè)量光強(qiáng)的關(guān)系式如下：

(3)

式中：I為光強(qiáng)測(cè)量值；I0為實(shí)際光強(qiáng)；x、y為以圖像中心為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系上各像素點(diǎn)的坐標(biāo)值，cm。

由圖7可見，在圖像中心約10 cm×10 cm的區(qū)域內(nèi)，圖像的成像均勻度較好，光強(qiáng)的偏差范圍約為±3.5%。目前使用最為廣泛的膠片成像法測(cè)量的膠片的像素的不均勻性大于±3.7%[4]。此外，由于本劑量分布成像儀對(duì)均勻光的空間響應(yīng)函數(shù)是高斯分布，所以在后期的數(shù)據(jù)處理中，可用式(3)進(jìn)行計(jì)算校正，使劑量分布成像儀的成像均勻性更優(yōu)。所以本劑量分布成像儀在成像均勻性上略優(yōu)于目前最廣泛使用的膠片成像法。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型醫(yī)用重離子QA裝置——質(zhì)子束劑量分布成像儀，利用閃爍屏、鏡面反射屏和光學(xué)信號(hào)采集裝置對(duì)重離子束的劑量分布進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量與計(jì)算，本劑量分布成像儀在布拉格峰后沿的能量分辨率為0.22 mm等效水深，空間分辨率為0.35 mm，在圖像視野中心10 cm×10 cm內(nèi)成像的均勻性達(dá)3.5%，并可通過一定的算法對(duì)成像均勻性進(jìn)行進(jìn)一步校正。以上指標(biāo)均已達(dá)到臨床使用中對(duì)于束斑均勻性、束斑位置與大小以及能量測(cè)量的要求，也達(dá)到了相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)的要求，可作為一種新型臨床重離子束QA工具。

今后還需進(jìn)一步優(yōu)化本劑量分布成像儀的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)輻照損傷和信號(hào)噪點(diǎn)的處理研究，并根據(jù)相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線分析。