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基于多层硅像素芯片的质子断层辐射成像研究OA

Proton tomography based on multi-layer pixel sensor

中文摘要英文摘要

针对质子治疗中传统X射线CT,HU-RSP转换导致的射程不确定性,本研究提出并构建了一种基于多层硅像素芯片的高分辨率质子断层扫描探测系统.利用Geant4蒙特卡罗软件,系统模拟了230 MeV临床质子笔形束在0.1 mm径向扫描步进下的断层成像过程.利用Catphan 600系列模体进行在RSP精度和图像质量方面的性能评估.结果表明,系统在不同密度材料RSP测量方面表现出卓越的线性响应特性(R2=0.999 72),通过线性校准后可将对CTP404模块7种材料的RSP重建偏差控制在1%以内.在人体组织等效模体(定制化CTP515模块)验证中,能够辨识密度差异约2%的肌肉与晶状体组织,展现了较好的低对比度分辨力.高分辨率线对CTP528模块的分析揭示了在直线轨迹假设框架下,多次库仑散射效应会导致高频信号幅值发生约38.4%的衰减,使得MTF10%约为5 lp/cm.CTP486均匀性检测模体的成像结果显示均匀性偏差最大为3.6%.本研究验证了多层硅像素芯片探测架构在实现亚毫米级粒子径迹重建、同源图像引导质子治疗中的技术可行性,其建立的高精度RSP测量能力也为进一步降低质子治疗中的射程不确定性提供了核心算法支撑与可行方案.

To address the range uncertainty in proton therapy arising from the conversion of hounsfield units(HU)to relative stopping power(RSP)in conventional X-ray CT,this study proposes and constructs a high-resolution proton computed tomography(pCT)detection system based on multi-layer silicon pixel detectors.By using the Geant4 Monte Carlo platform,the tomographic imaging process of a 230 MeV clinical proton pencil beam was simulated with a radial scanning step of 0.1 mm.Performance evaluations regarding RSP accuracy and image quality were conducted using the Catphan 600 series phantom.The results indicate that the system exhibits excellent linear response characteristics in measuring the RSP of 7 materials in CTP404 module with varying densities(R2=0.999 72).Through linear calibration,RSP reconstruction deviations for various tissue-equivalent materials—including bone-equivalent material(RSP≈1.84)—were maintained within 1%.In validation tests using a human tissue-equivalent phantom(customized CTP515 module),the system successfully distinguished between muscle and lens tissues with a density difference of only~2%,demonstrating superior low-contrast resolution.Analysis of the high-resolution line-pair module(CTP528)revealed that,under the straight-line path assumption,multiple Coulomb scattering(MCS)effects induced an attenuation of approximately 38.4%in high-frequency signal amplitude,resulting in a modulation transfer function(MTF)of 10%at approximately 5 lp/cm.This study not only validates the technical feasibility of the multi-layer pixel detector architecture for achieving sub-millimeter,iso-source image-guided proton therapy,but also establishes a high-precision RSP quantification workflow that provides core algorithmic support and a viable solution for further reducing range uncertainty in proton therapy.

王宏凯;侯露;冉虎;朱珏琦;祁润奕;陈轶伦;李明辉;张洪林;牛传猛

国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科 北京 100021国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科 北京 100021中山大学物理学院 广州 510275国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科 北京 100021国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科 北京 100021清华大学核能与新能源技术研究院 北京 100084国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科 北京 100021重离子科学与技术国家重点实验室 中国科学院近代物理研究所 兰州 730000国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科 北京 100021

医药卫生

质子治疗图像引导像素探测器相对阻止能力

Proton therapyImage guidancePixel detectorRelative stopping power

《辐射研究与辐射工艺学报》 2026 (3)

56-66,11

国家自然科学基金(12475314)、中央高水平医院临床科研业务费资助(2025-LYZX-R-B02) Supported by National Natural Science Foundation of China(12475314),and National High Level Hospital Clinical Research Funding(2025-LYZX-R-B02)

10.11889/j.1000-3436.2026-0001

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