一种用于图像引导质子治疗的龙门架式光子计数探测器CT原型

《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：A Gantry-Mounted Photon Counting Detector CT Prototype for Image-Guided Proton Therapy

在线自适应质子治疗中集成光电倍增探测器CT成像的可行性研究，采用CdTe基PCD替代传统EID-CBCT，通过对比MTF和CNR证明PCD-CT在空间分辨率和信噪比上具有显著优势，并实现电子密度比的精准定量。

　　

克里斯蒂安·德卡罗（Christian De Caro）| 林玉婷（Yuting Lin）| 朱弗里·塞蒂亚内加拉（Jufri Setianegara）| 陈光宏（Guang-Hong Chen）| 高浩（Hao Gao）| 李凯（Ke Li）

美国威斯康星大学麦迪逊分校医学物理系，威斯康星州麦迪逊市 53705

摘要

目的：目前，质子治疗机上的车载kV成像系统通常使用基于闪烁体的能量积分探测器（EIDs）来获取平面图像或锥形束CT（CBCT）扫描。然而，基于EIDs的CBCT存在图像质量不佳和量化精度低的问题，无法满足在线自适应质子治疗和其他高级质子治疗成像任务的需求。本研究旨在通过将光子计数探测器（PCD）与质子治疗机架集成，实验验证车载PCD CT成像的可行性。 方法和材料：一个基于CdTe的PCD被安装在IBA Proteus ONE质子治疗系统的现有平板EIDs表面，该PCD的像素大小为100 μm，并具有两个能量通道。PCD-CT扫描遵循与临床EID-CBCT相同的采集协议。在图像重建过程中估计并校正了几何失真。为了评估非光谱图像质量，在匹配的X射线曝光和束宽条件下扫描了已知材料组成的标准化模型。将得到的PCD-CT图像与EID-CBCT图像在调制传递函数（MTF）和对比度噪声比（CNR）方面进行了比较，这些指标是根据两个物理模型中的15种不同材料插件定义的。此外，还使用光谱PCD-CT数据来估计每种材料的电子密度与水的比率，并将估计值与参考值进行比较。 结果：与EID相比，PCD在高频空间下的探测量子效率显著更高。通过调整重建核，当PCD-CT和EID-CBCT的MTF匹配时，PCD-CT在所有测试的材料插件中均实现了更高的CNR。从光谱PCD-CT估计的电子密度比的平均绝对百分误差为1.8%。 结论：首次证明了在质子治疗机架上安装PCD进行断层成像的可行性。PCD-CT原型提供的非光谱图像质量优于传统的EID-CBCT。此外，其光谱成像能力能够准确估计电子密度比。

引言

质子束的陡峭远端剂量梯度可以实现高度适形的剂量分布，这在头颈部癌症[9]、[29]以及其他被敏感器官包围的局部肿瘤[37]、[38]的放射治疗（RT）中具有显著优势[37]、[38]。然而，这种陡峭的剂量梯度也降低了对定位误差和在治疗过程中由于肿瘤反应或疾病进展而发生的解剖变化的容忍度[52]。剂量传递不准确的一个最关键原因是依赖于治疗前的CT图像，这些图像可能不再准确反映治疗时的患者解剖结构[5]。为了确保最佳的治疗效果，必须根据观察到的解剖变化及时调整治疗计划——理想情况下是在患者位于治疗床上的过程中，这就是所谓的在线自适应质子治疗（OAPT）[5]、[19]、[52]。

尽管具有潜力，但由于技术障碍，OAPT尚未成为标准做法[5]。一个重要的限制因素是缺乏一种高质量、高精度的日常断层成像方式，能够在治疗位置精确扫描患者[40]。这种成像工具必须提供足够的空间分辨率和良好的软组织对比度，以便准确区分靶区和器官[43]、[44]。此外，图像信号必须与质子阻止功率比（SPR）定量相关联，以便进行准确的剂量计算。这些苛刻的要求与光子计数探测器CT（PCD-CT）[31]、[54]、[55]的能力高度契合——这是一种有前景但尚未在质子治疗环境中实现的技术。

集成在质子治疗机架上的PCD-CT系统非常适合满足OAPT的成像需求。首先，基于半导体的PCD在检测千伏（kV）X射线方面效率显著更高。这些探测器的厚度可超过2000 μm[58]，能够吸收超过95%的入射X射线。相比之下，传统的基于闪烁体的车载成像器（即基于闪烁体的能量积分探测器（EIDs），采用非晶硅读出面板，存在空间分辨率和闪烁体厚度之间的根本性权衡，这导致X射线吸收效率低于70%[28]。PCD的更高吸收效率使得图像噪声更低，从而提高了软组织的检测能力[31]。其次，PCD具有内在的能量区分能力，能够在单个X射线管以恒定kVp运行的情况下进行光谱CT成像[49]、[55]。光谱CT以其能够提供电子密度和有效原子数的定量测量而闻名——这两个参数是质子治疗中准确估计SPR所需的关键参数[46]、[53]、[60]。第三，由于PCD采用直接转换的X射线检测机制，因此具有更高的空间分辨率和增强的高频探测量子效率（DQE）[18]、[24]、[58]。在放射治疗的背景下，更高的CT空间分辨率能够更准确地划分肿瘤和器官边界[8]、[22]，这对于有效的治疗计划和精确的剂量传递至关重要，特别是在OAPT中。最后，PCD同时具备这些优势，而双层平板EIDs等替代探测器技术则无法克服传统平板EIDs的固有图像质量限制，甚至可能加剧这些问题[11]。

本研究展示了一个安装在质子RT机架上的PCD-CT原型的开发，以及初步的实验结果，评估了图像质量和质子SPR估计的准确性。与之前探索使用地面安装或滑环式商用PCD-CT系统进行潜在RT应用的研究[21]、[53]、[63]不同，我们的系统是作为车载解决方案在内部开发的，直接集成到质子治疗室内。这种设计允许患者在精确的治疗位置进行成像，消除了成像和治疗之间的设置差异。我们的工作也与最近的一项研究不同，那项研究是将PCD连接到光子RT直线加速器上，以评估不旋转机架时的二维PCD图像质量[20]。相比之下，我们的原型具有完整的CT功能，支持完整的机架旋转以实现光谱断层成像。

质子治疗系统

车载PCD-CT是基于IBA Proteus?ONE质子RT系统开发的。如图1(a)所示，治疗机架配备了一个kV X射线源和一个平板能量积分探测器（EID），该探测器垂直于主质子束方向放置。X射线源是一个旋转钨阳极管（GS-2075，Varex Imaging，美国），热容量为2.0兆热单位，标称焦斑尺寸为0.7 mm×1.2 mm（符合IEC 60336标准），阳极角度为7°。

探测器性能

图2展示了EID和PCD的预采样MTF曲线。由于PCD的原始像素尺寸更小且采用直接检测机制，其在IBA机架上的空间分辨率明显高于EID。测得的PCD的MTF50值为3.67 mm^-1，而EID的MTF50值为1.09 mm^-1；相应的MTF10值分别为6.87 mm^-1和2.17 mm^-1。

为了进一步说明PCD的空间分辨率优势，展示了分辨率测试图案的2D图像。

讨论

如结果部分所示，用PCD替换EID可以有效提高车载断层图像质量，从而在空间分辨率匹配的情况下改善CNR。PCD-CT相对于EID-CBCT的更高CNR可以归因于几个因素。首先，如图2所示，PCD的探测量子效率（DQE）显著高于EID，因此在MTF匹配时图像噪声更低。

结论

本研究成功证明了通过将PCD与临床质子治疗机架集成来实现车载光谱PCD成像的可行性。初步的模型实验显示，与现有的车载EID-CBCT相比，车载PCD-CT的CNR有显著提升。此外，PCD-CT的光谱成像能力能够准确估计电子密度比，这是患者在治疗过程中调整质子治疗计划的关键参数。

资助声明

无资助。

数据可用性

研究数据存储在机构存储库中，经相应作者合理请求后将共享。

利益冲突声明

无。