[发明专利]基于质子束的计算机断层扫描装置及其成像方法

说明书

本发明提供一种质子束的计算机断层扫描装置，包括沿质子束流的走向依次排布的加速器、S波段高梯度质子加速结构、超快质子束团分配系统、治疗机架和超快质子束团扫描系统，安装于治疗机架上的质子CT系统；加速器设置为发射质子能量为70MeV‑235MeV的质子束流；S波段高梯度质子加速结构设置为在开启状态和关闭状态之间可切换，在开启状态时质子能量提升到350MeV。本发明还提供了相应的成像模式。本发明的扫描装置将质子束流能量由235MeV提高到350MeV并且用于治疗机架上，保证质子布拉格峰完全落在人体之外，减少对健康组织和器官伤害；通过质子CT技术直接获得RSP值，减小了图像引导误差，且提高了射程精度。

技术领域

本发明属于粒子放射成像领域中质子成像的领域，具体涉及一种基于质子束的计算机断层扫描装置及其成像方法，旨在消除X光CT在质子治疗应用过程中产生的质子射程误差。

背景技术

目前质子治疗技术都基于X光子CT(Computed Tomography，计算机断层)图像制定治疗计划和病人定位，但由于物质的Z/A(带电体带电量与质量的比值)比值不同，光子CT在HU单位(Hounsfield unit)转换到质子治疗计划中的RSP(Relative Stopping Power，相对阻止本领)的过程中会产生3％-5％的射程误差，导致治疗计划中的质子射程会产生3-5mm误差，极大可能影响敏感细胞。当前质子治疗技术正在开展新一代技术的跨越，其中先进质子闪疗技术(FLASH)与传统质子治疗相比，能过在保持对肿瘤杀伤力，同时极好的保护正常组织，但同时也要求在100ms内实现30Gy治疗剂量(平均剂量率不低于300Gy/s)，因此对三维RSP分布精度提出了更高的要求，亟需发展质子CT，以满足质子闪疗的技术要求。

由于质子的布拉格峰(Bragg Peak)效应，质子束流进入到深层病区后能够瞬间释放能量杀死癌细胞，对于照射范围较大的躯体会残留较多剂量，能量提高至350MeV可以保证布拉格峰落在人体之外，减少人体内的残余剂量。目前对于用于质子治疗的能量区间在70MeV-235MeV的加速器，只需要设计一段S波段高梯度加速结构提升能质子能量至350MeV来满足质子CT的需要，降低了重新设计一台350MeV质子加速器的技术复杂度，同时也降低了技术成本。

质子CT可以使病人在同一治疗室完成质子成像和治疗，相比于光子CT(即传统的X射线CT)，减少了在移动过程中产生器官移动对质子治疗的影响，质子成像时间的压缩也有利于减少治疗中呼吸运动的影响，因此可以将质子CT与质子治疗装置集成为一体，实现实时图像引导。随着质子治疗的治疗效果日益显著，近年来质子闪疗技术备受行业内关注，治疗中成像误差和器官移动的问题需要得到解决，同时质子闪疗的高剂量率对精准定位提出了更高的要求。基于现有的旋转治疗机架，在质子束流能量固定的情况下通过多个角度的扫描实现投影信息探测，但是探测时间较长，无法满足质子闪疗的技术要求。

光子CT和质子CT均是现有技术，但目前还没有将质子CT用于临床的技术，尤其，目前质子CT还没有集成于治疗机架。

在现有技术中，已经提出过结合光子CT的质子CT的技术，目前已经提出的结合光子CT的质子CT的实现只是校准HU-RSP的转化曲线，而不是直接重建图像，并没有消除光子CT的射程误差，且成像时间较长；现在质子治疗中使用X射线CT进行图像引导，将HU值转化为治疗计划中的RSP的值，由于光子和质子是两种不同的物质因此会存在3％-5％的误差。

目前尚未将质子CT装置集成于现有的治疗机架，一方面是由于现在质子CT还存在在实验阶段并未与治疗机架集成，另一方面则是由于将质子CT装置集成于现有的治疗用的传统治疗机架，旋转一圈用时很久，成像时间很长，该过程中因呼吸运动造成的器官移动对于后续治疗是有影响的，则无法满足实时图像引导的需求，无法应用于临床。

因此，需要提出一种集成于超导治疗机架的质子成像方案，提供集成于治疗机架的质子CT的装置设计，以减小使用光子CT转化为RSP的过程中产生的误差，提高射程精度。

发明内容