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 核物理学

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新的质子探测器可能导致更好的癌症治疗方法

03 Jul 2014
Pravda质子CT望远镜的模型

在英国和南非的研究人员开发了一种可以提高质子束癌疗法的有效性的新探测器。该系统跟踪穿过身体的质子,并给医学物理学家提供如何与治疗区域交互的治疗质子梁的详细图。拥有这些信息可能导致更好的癌症治疗,团队计划建立一个最终可以商业化的原型扫描仪。

质子是一些癌症治疗的理想选择,因为当烧成活组织时,一束质子沉积其大部分能量在非常具体的深度上,这取决于其初始能量。结果,质子可用于破坏肿瘤,同时留下周围的健康组织。

在患者可以接受治疗之前,医学物理学家必须计算由质子束递送的适当辐射剂量分布。通常,这是通过进行治疗区域的传统X射线计算断层扫描(CT)扫描来完成的,并使用该信息来计算从质子梁吸收多少能量–一个称为“stopping power”。然而,在这些计算中可能出现不确定性,因此医学物理学家热衷于开发更好的方法来确定停止功率。

质子放射疗法验证和剂量测定应用的研究人员( Pravda. )财团–由惠康信托提供资金–基于硅基CMOS有源像素传感器(APS)技术设计和构建第一质子传输CT扫描仪。这种扫描仪通过将处理区域暴露于质子束,然后检测通过身体的质子。该信息用于建立要处理的区域的3D图像,其提供了一种准确的停止功率测量。使用这些APS探测器在现有量热检测器上使用这些APS探测器的益处是它们一次可以跟踪多于一个质子,这减少了执行扫描所需的时间量。

本地化互动

在他们最新的工作中,研究人员表明,他们的炸药传感器可以解决通过它的各个质子。由Pravda研究人员开发的先前项目,辐射硬像素传感器具有12.8 × 12.8 CM区域和两个晶片二极管图层,一个带100 µm像素和另一个用50 µm像素。像素化设计允许质子传感器相互作用定位在传感器区域内。

“这允许您立即测量设备中多个质子的通过,”解释团队成员 Gavin Poludniowski.是萨里大学的医学物理学家。该能力是在基于量计的基于量计的传感器上一次处理一个质子的优势。“[对于这些]来获得足够高的事件速率在可行时间内扫描,这是一项挑战,”解释了Poludniowski。

伸缩追踪

在计划的质子CT扫描仪中,一堆CMOS传感器– essentially a “telescope” –将确定患者的质子能量损失。结合那些不是本研究主题的其他探测器,来自望远镜的数据也将确定离开患者的质子的方向。通过这些信息,患者在患者的质子的路径–这是多个库仑散射事件的结果–可以重建,生成具有优异的空间分辨率的图像,该探测器可实现的那些,该检测器可实现,该探测器呈现未准线性轨迹。

研究人员展示了传感器’通过用36照射它来计算质子计数能力 MC40 Cyclotron在英国伯明翰大学和治疗性200 Mev射线在南非萨默塞特西部的伊斯特省治疗设施。低光电流和1400的高帧速率 Hz –通过读取传感器上的2520行中的10行来实现–最大化传感器解决单个质子相互作用的能力。

检测到的事件随着梁电流的线性增加,距标称电流为0.1 Na,然后掉下来进一步增加。观察与传感器像素中的脉冲堆叠一致,又指示单个质子的检测。实验观察还商定了相同设置的蒙特卡罗模拟,提供了传感器质子计数的进一步证据。

堆积炸药

当两个炸药传感器堆叠在一起时– double DynAMITe –两种匹配中的事件分布。消除光束电流的波动作为混淆因子,研究人员观察到的高相关性(r = 0.854)表明该对检测到相同的质子,确认其跟踪能力。

凭借概念证明,研究人员正在重新设计炸药传感器,以提高性能,框架速度增加了他们努力的重点。估计质子CT扫描将需要数以万计的图像帧,但其目标是达到1000 Hz帧速率用于读出整个传感器区域,以将扫描持续时间限制为几分钟。

“我们正在调查硬件设计的各个方面,以获得我们需要的帧速率。像素大小和比特深度是因素,” says Poludniowski. “在读出设计和电子产品中进行了大量创新。”

第一次扫描于2015年底

调查望远镜几何形状对传感器的性能和辐射硬度的影响。联盟计划在2015年底建立一个设备并执行第一个扫描,然后将技术与工业伴侣商业化。

研究描述了 医学与生物学的物理学.

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