基于高分辨率碲锌镉PET系统的碳离子治癌实时剂量成像方法研究

Carbon particle therapy has shown great advantages in tumor treatment due to its Bragg peak, high relative biological effect, and limited dose deposition in normal tissue. The first clinical carbon therapy facility in China was developed at the Institute of Modern Physics of the Chinese Academy of Sciences since 2006, which was named the Heavy Ion Machine for Medicine (HIMM). This event makes China the fourth country around the world to do tumor treatment using carbon particle. The precise monitoring and measurement of the range and activity of carbon ion beam in the target is an essential and valuable research topic, which should be investigated further..In this proposal, an in-beam PET imaging system will be developed by pixelated CdZnTe detectors coupled with high-density specific ASIC electronics. The image data will be recorded by a high speed uTCA data acquisition system. We have previously demonstrated that sub-millimeter PET image resolution could be achieved by using 600 um pixelated CdZnTe detectors. The major effort of this research is (1) to improve PET image resolution by the interpolation algorithm for the charge sharing events of CdZnTe detectors, (2) to monitor and measure the position and dose of carbon ion beam, and (3) to reconstruct the PET image of positron-emitting nuclides when C-12 beam impacted with the PMMA phantom and small animals. The distribution of positron-emitting nuclides and the distribution of radiation dose will be evaluated for three periods, beam-on time, pause-time, and beam-off time. Our vision is to monitor and feedback the positioning error of Carbon particle therapy on-line. This specific preclinical PET scanner can simultaneously achieve high spatial resolution and high sensitivity. This new method will greatly improve the PET image guidance for carbon particle therapy.

我国质子重离子放射治疗技术进入到蓬勃发展阶段。碳离子束由于射线能量沉积在射程末端，对健康组织损伤较小，相对生物效应高，是精确放射治疗的理想工具。碳离子束位置和剂量的精确测量和实时反馈是精确放疗的关键，PET剂量成像是碳离子治疗的重要研究课题。.本项目研究利用600微米像素碲锌镉探测器、高密度专用集成电路ASIC前端电子学、快信号uTCA数据获取方案组成In-Beam PET系统，探索该设备用于碳离子治癌中剂量成像，有望实现0.8毫米的图像分辨率。通过开发插值算法，将电荷共享事件包括到图像重建中，提高分辨率和灵敏度。研究碳离子束在PMMA模型和活体小动物中射程和剂量的快速数据获取和图像重建。通过碳离子束布拉格峰位置拟合和剂量分布图像反馈的方法，实时给出碳离子治癌的摆位误差。该方法使碳离子治癌专用PET成像实现高分辨率和高灵敏度，为碳离子治癌剂量成像提供新方案。

粒子治疗是近年来蓬勃发展的高精度肿瘤放射治疗方式，碳离子束具有相对生物效应高、布拉格峰效应等优点，是精确放射治疗的理想工具之一。在放射治疗中，肿瘤位置和射线束位置的精确把握是十分重要的问题，图像引导成为精确放疗急需发展的方向。相比于超声、CT、MR等解剖影像引导，正电子发射断层显像（PET）剂量引导的优势明显，能够显著提高病灶和亚病灶以及肿瘤浸润范围的区分精度。研究表明，碳离子束照射生物体时，产生次级伽马光子、氘、质子、中子，以及大量的正电子核素。正电子核素生成后，在生物体内产生511keV湮灭光子，通过PET符合测量，能够给出湮灭位置，并转换得到剂量分布。.本项目研究利用亚毫米碲锌镉半导体探测器和LYSO闪烁体探测器、分立元件和ASIC芯片前端电子学、快信号TCA数据获取方案组成In-Beam PET系统，探索该设备用于碳离子治癌中剂量成像，实现了2毫米左右的图像分辨率。项目的主要成果包括：（1）得到碲锌镉PET探测器的伽马射线作用三维坐标，为碲锌镉半导体探测器在三维图像重建中的DOI校正提供支持。（2）提出自动符合PET原理，设计了环形、C型、OpenPET型、双平板型、直角型等五种结构的In-Beam PET原型，分析了束流打靶生成的10余种长寿命和短寿命正电子核素的动态过程，定义了正电子核素生成和衰变模型，分析了布拉格峰位置与剂量及PET图像之间的误差。（3）结合放射治疗计划系统和蒙特卡洛仿真分别对静态均匀水模体、腹部肿瘤CT片、脑肿瘤CT片进行治疗计划设计、蒙卡计算和PET成像，比较TPS肿瘤区剂量分布、蒙卡仿真剂量分布和PET图像轮廓三者之间的一致性。结果显示静态均匀水模体、单野治疗腹部肿瘤和正交野治疗脑肿瘤的物理剂量、RBE加权剂量、正电子核素活度与PET图像轮廓在肿瘤靶区SOBP区的平均误差均在临床允许范围内，为后续的在束PET成像奠定基础。（4）完成了在束碳离子轰击PMMA靶的PET成像实验。使用LYSO In-Beam PET系统进行了131 MeV/u碳离子轰击PMMA靶在束成像实验，重建PET图像峰位与Bragg峰位相吻合。使用碲锌镉探测器完成了初步在束实验，验证了高分辨率碲锌镉探测器在In-Beam PET成像中的适用性。

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