亚毫米精度质子治疗体内剂量位置测量：束流声波特征提取及探头降噪

Proton therapy is a kind of precise radiotherapy method for cancer treatment. Accurate online measurement of in-vivo dose deposition is an effective way to reduce the dose uncertainty risk. Dose position measurement technology based on beam acoustic effect is one of the most promising techniques for implementing in vivo on-line measurement of dose, which is highly real-time, safe and inexpensive. However, the beam acoustic wave signal is affected by multiple beam parameters, and the signal is weak. To meet the clinical requirement, this project aims to explore ways to improve the accuracy and realize the sub-millimeter accuracy. The first step of the project is to use the combination of theoretical analysis and numerical simulation to study the beam transport, energy deposition and thermo acoustic coupling process under real beam conditions. The second step is to study the relationship between the time and amplitude characteristics of the acoustic wave signal of the array probe, beam width, beam intensity and lateral parameters. The sub-millimeter precision dose reconstruction method of the variable time metric is given by using the time and amplitude frequency characteristics. The third step is to design the experimental bench, optimize the probe array distribution and the interference shielding cylinder structure, reduce the multipath reflection of the acoustic wave and the clutter signal of the beam passing through the boundary, and complete the measurement of the weak acoustic wave signal of the pulse beam.

质子治疗是一种精准放疗手段。准确地在线测量体内剂量沉积位置是降低剂量不确定性风险的有效方法。基于束流声学效应的剂量位置测量技术实时性高、安全、成本低，是最有希望实现体内剂量在线测量的方法之一。但束流声波信号受复杂束流参数的影响，同时幅值微弱。为实现该技术走向临床应用，本项目旨在探索达到亚毫米级测量精度的方法。项目第一步利用理论分析与数值仿真结合的方法研究真实束流条件下，束流的输运、能量沉积、热声耦合过程。第二步研究阵列探头声波信号时间、幅频特性与束流脉宽、流强、横向参数的关系，利用其时间、幅频特征量给出变时间度规的亚毫米精度剂量重建方法。第三步实验优化，设计探头阵列及干扰屏蔽筒结构，降低声波多径反射、束流穿过模型交界面的杂波信号，完成脉冲束流微弱声波信号的测量。

癌症是目前威胁人类健康的最大杀手。在众多癌症治疗方法中，质子放疗被认为是最精准的无创治疗手段。与传统的光子治疗不同，质子束有独特的布拉格峰（Bragg Peak）性质，即放射剂量会在入射人体一定深度后突然释放，最大限度地减小了对正常组织的损伤。在质子治疗中，可以测量质子辐射产生的声波以确定质子射程，从而验证病人体内的剂量沉积。目前这一技术仅仅是一个概念，要满足临床应用的要求该技术需达到亚毫米级的测量精度。华中科技大学联合中国原子能科学研究院主持承担了国家十三五重点研发计划“基于超导回旋加速器的质子放疗装备研发”项目（HUST-PTF），旨在研发具有我国自主知识产权的成套质子放疗装备。本项目在华科质子治疗装置模型的基础上，对引出束流参数控制进行了研究，并建立了引出束流的解析模型，在束流参数研究的基础上提出了一种通过声波反演算法确定体内剂量沉积的方法。通过测量压力波的飞行时间 (TOF)，便可获得布拉格峰沉积位置。在这项研究中，我们分析了不同脉冲宽度下的布拉格峰测量的误差。为了减少系统误差，本项目使用五阶多项式将不同束流参数下的不同角度 θ（θ 是质子束方向与通过布拉格峰的矢量和传感器之间的角度）映射成系统误差因子，并通过算法自矫正。模拟表明，通过用在不同质子脉冲宽度下矫正TOF测量，剂量验证的系统误差可以控制在 1mm 以内。