用于优化质子疗法的质子成像系统

摘要

医疗成像系统包括第一跟踪检测器和第二跟踪检测器。跟踪检测器间隔开以允许对象存在于第一跟踪检测器和第二跟踪检测器之间。该系统还包括与第一跟踪检测器相邻的残余范围检测器。残余范围检测器包括：(1)具有至少部分被抗反射材料覆盖的第一表面和面向第一跟踪检测器的第二表面的闪烁体材料，以及(2)至少一个光子检测器，在闪烁体材料的不同于所述第一表面并且与所述第二表面相对的第三表面处耦合到闪烁体材料。

说明书

本申请是申请号为2016800292399、申请日为2016年05月19日、发明名称为“用于优化质子疗法的质子成像系统”的专利的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年5月19日提交的题为“PROTON IMAGING SYSTEM FOROPTIMIZATION OF PROTON THERAPY”的序号为62/163,476的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。

背景技术

布拉格峰现象使诸如质子或离子的粒子精确地靶向肿瘤用于放射疗法，而与x射线疗法系统相比，健康组织接受最小剂量。然而，质子放射疗法需要精确的患者对准，并且还调整初始质子能量，使得对应于布拉格峰的最大剂量沉积在预期组织中。为了调整质子束的范围，使得对应于布拉格峰的最大剂量被沉积在预期组织中，治疗计划可能需要特定患者的相对于水的质子束的相对停止功率或能量损失的在材料中的质子束的相对停止功率或能量损失的三维地图。

发明概述

医学成像系统的一个实施方案包括第一跟踪检测器和第二跟踪检测器。第一跟踪检测器与第二跟踪检测器间隔开以允许对象存在于第一跟踪检测器和第二跟踪检测器之间。残余范围检测器与第一跟踪检测器相邻。残余范围检测器包括：(1)具有至少部分地被抗反射材料覆盖的第一表面和面向第一跟踪检测器的第二表面的闪烁体材料；和(2)至少一个光子检测器，其在闪烁体材料的与第一表面不同且与第二表面相对的第三表面处与闪烁体材料耦合。

附图说明

图1示出了根据本公开的质子放射照相系统。

图2以框图形式更详细地示出了图1的系统。

图3示出了图1的系统的跟踪检测器的多个视图。

图4示出根据本公开的质子束串。

图5示出了图1的系统的残余范围检测器。

图6示出了根据本公开的多个光检测器图案。

图7示出了根据本公开的第一检测器布置模拟。

图8示出了根据本公开的第二检测器布置模拟。

图9示出了根据本公开的检测器增益校准系统。

图10示出了根据本公开的第一实验数据集。

图11示出了根据本公开的第二实验数据集。

图12示出了根据本公开的跟踪平面或检测器模拟。

图13示出了根据本公开的第一位置调整装置。

图14示出了根据本公开的第二位置调整装置。

发明详述

描述医学成像系统的实施方案，例如质子放射照相系统或质子断层摄影系统。在一些实施方案中，质子放射照相系统包括第一跟踪检测器、第二跟踪检测器和残余范围检测器。在该实施方案中，第一和第二跟踪检测器使用纤维捆扎架构，除了其它以外，该架构特别地显著地改善了质子横向位置分辨率，同时降低了质子放射照相系统的复杂性。残余范围检测器使用光收集架构，其中除了其它以外，该架构能显著改善质子残余范围分辨率，同时简化总体残余范围检测器设计。

在第一和第二跟踪检测器中使用的纤维捆扎架构的一些变型利用平面基板，并且在基板的每一侧包括沿特定方向延伸的至少两层闪烁纤维。更具体地，基板一侧的每根纤维沿着与基板的相对侧上的每根纤维的方向垂直的方向延伸。

捆扎架构的一些变型还使用(a)相邻层捆扎方案，和/或(b)侧向条带捆扎方案。在相邻层捆扎方案中，将来自基板一侧的每层的一根纤维捆扎在一起以形成纤维双峰。在基于侧向条带的捆扎方案中，将基板每侧上的纤维组或纤维双峰分段或划分成特定数量的纤维或纤维双峰的条带或区段(例如，10根纤维或10根纤维双峰的条带)。在一些实施例中，每个条带的特定纤维或纤维双峰(例如，第四纤维或第四纤维双峰)捆扎在一起并耦合到特定多阳极光检测器(或其他类型的光子检测器)的相同阳极。

许多益处和优点来自本技术的纤维捆扎架构。例如，与常规质子放射照相系统相比，求解质子横向位置所需的光检测器和电子通道的数量大大减少，同时质子横向位置分辨率接近0.3mm或更好。通过扩展，描述的纤维捆扎架构解决了与常规质子放射照相系统相关的许多问题，常规质子放射照相系统在组件和数据处理成本方面也是庞大的和昂贵的。

关于光采集架构，残余范围检测器包括闪烁体材料，在一些实施例中，该闪烁体材料是大块材料。残余范围检测器还包括在闪烁体材料的表面处耦合到闪烁体材料的至少一个光检测器。如果至少一个光检测器包括多个光检测器，则它们可以被布置为展现从例如正方形、矩形和多边形选择的单元格图案。另外，在一些实施例中，抗反射材料(例如，薄膜，其它涂层或盖)存在于闪烁体材料的至少一个表面(或多个表面)上。

许多益处和优点来自本公开的光收集架构。例如，与常规质子放射照相系统相比，基本上改进了收集闪烁光所需的时间量和闪烁光收集效率，同时残余范围分辨率接近每个质子3.0mm或更好。通过扩展，所公开的光收集架构解决了与典型的质子放射照相系统相关的许多问题，这些系统也遭受质子残余范围分辨率错误，质子残余范围分辨率错误在治疗计划过程中传播而导致地图重建。

以下将更详细地描述利用上述特征中的一个或多个的医学成像系统的示例性实施方案。尽管使用质子作为与下述系统一起使用的示例性粒子，但也可以使用其它粒子(例如其它元素的离子，包括氦离子，锂离子，铍离子，碳离子，硼离子，氘核)。此外，虽然下文描述了质子放射照相系统，但是本技术也可用于其它医学成像系统，例如质子断层摄影系统。

图1描绘了系统100，其是根据本技术的质子放射照相系统的实施方案。在一些实施例中，质子(但是也可以使用其它粒子，诸如重离子)的笔形束102(可替代地，宽束也可以与本技术的变型一起使用)从源(参见图2)产生或提取并通过扫描元件(参见图2)跨场扫描。例如，笔形束102在感兴趣对象104(其在图1中是人头)的区域上被扫描。笔形束102进入对象104时的位置可以基于来自跟踪检测器106的数据来确定，该跟踪检测器106在质子穿过跟踪检测器106的位置处产生光子，如下面更详细描述的。类似地，可以使用来自跟踪检测器108的数据来确定笔形束102离开对象104时的位置。注意，跟踪检测器106和108被间隔开以允许对象104位于它们之间。在一些实施方案中，仅需要一个跟踪检测器，或者在对象104的一侧或两侧使用两个或更多个跟踪检测器。下面更详细地描述用于跟踪检测器106和108的潜在架构。

残余范围检测器110定位在跟踪检测器108附近。残余范围检测器110包括闪烁体材料112(在图1中由框表示)。在一个实施例中，闪烁体材料可以是Eljen公司出售的。当笔形束102的质子通过面向跟踪检测器108的表面进入闪烁体材料112时，随着质子与闪烁体材料112相互作用而失去能量，质子产生光子114(在图1中由虚线表示)。然后可以通过在闪烁体材料112的与面向表面的跟踪检测器108的表面相对的表面上耦合到闪烁体材料110的光子检测器(图2和图5)来收集这些光子。在图1中通过圆圈116描绘了光子检测器的耦合。由光子检测器产生的信号与质子进入闪烁体材料112时的剩余能量成比例。该信息与质子的初始能量和质子进入并离开对象104时的位置以及许多附加质子的类似信息一起可用于生成对象104的图像118。通过在使用本技术的质子断层摄影系统中使用不同角度(例如，100个不同角度)的多个质子能量和/或质子，也可以产生3D图像。

注意，参考轴122示出了笔形束102沿z轴行进，跟踪检测器106和108垂直于z轴。将关于相同的参考轴描述下面描述的图2和图3。

图2描绘了图1的系统100，具有具有附加细节并且从不同的角度来看，如参考轴122所示。参考图2，系统100包括产生或提取笔形束102的源202。扫描元件204用于引导笔形束102并且包括扫描磁体204a和204b。扫描磁体204a沿着相对于参考轴线122限定的x方向扫描笔形束102，扫描磁体204b(其中第二个在图2的角度上隐藏)沿着相对于参考轴线122限定的y方向扫描笔形束102。通常，扫描元件106是可编程的，使得笔形束102可以跨任何图案的整个场扫描，并且由源202确定的，能够在任何时间点处以任何初始能量进行扫描。在该实施例中，源202能够控制或改变笔形束102的质子的初始能量。在扫描期间，场的范围通常受系统100的第一跟踪检测器106、第二跟踪检测器108或残余范围检测器的平面尺寸限制。示例的场区域包括10×10cm

通过在跟踪检测器和正在成像的对象的不同横向位置处使用不同的初始能量，残余范围检测器的深度可以保持较小。例如，可以选择初始能量来保持跨要成像的场的0和10cm之间的残余范围，而不管沿着特定路径的对象的厚度或密度如何。可能的初始能量范围越大，残余范围检测器可能越小。

在用于跟踪检测器106的架构的一些实施例中，随着笔形束102的质子穿过第一跟踪检测器106，质子与基板206的任一侧的纤维相互作用。具体地，基板206的每一侧包括例如两根纤维层，即一侧的纤维208和基板206的相对侧上的纤维210。纤维208和210可以是闪烁纤维，使得当质子撞击纤维时，纤维的闪烁特性将导致生成一个或多个光子。这些光子被光检测器212捕获，光检测器212基于检测到的光子产生电信号。电信号被发送到计算系统214。通过知道产生光子的纤维208和210的位置和取向，穿过跟踪检测器106的质子的位置可以由计算系统214确定。另外，计算系统214也可以使用来自扫描元件204的数据来确定或验证质子通过跟踪检测器106的位置。一旦该位置已知，也可以基于源202的焦点来确定笔形束102的初始方向向量。

在一些实施例中，纤维208垂直于纤维210定向。如果光检测器212指示质子通过纤维208的一根纤维和纤维210的一根纤维并且计算系统214知道这两根纤维的位置，则计算系统214可以确定跟踪检测器106上的质子穿过跟踪检测器106的XY坐标处于两根纤维的相交处。此外，如果纤维208的纤维或纤维210的纤维连接在一起以减少光检测器212中所需的检测器的数量，则可以使用基于从扫描元件204发送的数据或发送到扫描元件204的指令的笔形束102的估计或预期的位置来确定质子穿过跟踪检测器106的X-Y坐标，如下文相对于图3更详细地描述的。

随着笔形束102的质子穿过对象104，质子可能被散射，如图2所示，作为对象104中的笔形束102的方向的夸张变化。在质子离开对象104之后，质子穿过跟踪检测器108的出射位置可以以与上面关于跟踪检测器106所述相似的方式来确定。类似于跟踪检测器106，跟踪检测器108包括基板216上的纤维。具体地，基板216的每一侧包括例如两层纤维，即一侧的纤维218和基板216的另一侧的纤维220。纤维218和220可以是闪烁纤维，使得当质子撞击纤维时，纤维的闪烁特性将导致产生一个或多个光子。这些光子可以由光检测器222捕获，光探测器222可以基于检测到的光子产生电信号。电信号被发送到计算系统214。通过知道产生光子的纤维218和220的位置和取向，穿过第一跟踪检测器108的质子的位置可以由计算系统214来确定。另外，计算系统214可以还使用来自扫描元件204的信息来确定或验证跟踪检测器108上的质子通过跟踪检测器108的位置。

在一些实施例中，纤维218垂直于纤维220定向。如果光检测器222指示质子通过纤维218的一根纤维和纤维220的一根纤维并且计算系统214知道这两根纤维的位置，则计算系统214可以确定跟踪检测器108上的质子穿过跟踪检测器108处的X-Y坐标处于两根纤维的相交处。此外，如果纤维218的纤维或纤维220的纤维连接在一起以减少光检测器222中所需的检测器的数量，则基于从扫描元件204发送的数据或发送到扫描元件204的指令的笔形束102的估计或预期的位置可以是用于确定跟踪检测器108上的质子穿过跟踪检测器108的X-Y坐标，如下面相对于图3更详细地描述的。

虽然已经描述了跟踪检测器的示例性架构，但是其他架构是可能的。例如，如果纤维足够刚性，则纤维可以结合在一起以避免使用基底。作为另一实施例，关于跟踪检测器106，纤维208和210可以被放置在基板206的同一侧上，或者纤维208和210可以被放置在彼此相邻放置的分开的基板上。

随着笔形束102的质子进入残余范围检测器110，它们撞击闪烁体材料112并产生光子，光子由光子检测器224收集(尽管在图2中描绘了四个光子检测器，系统100包括十六个光子检测器，如图1中表示光子检测器与闪烁体材料112的耦合的圆圈所指示的)。光子检测器224例如是光电倍增管或其他类似设备。光子检测器224基于收集的光子的数量产生电信号，并产生提供给计算系统214的电信号，计算系统214可以计算诸如总能量的值。基于电信号和潜在的其他信息(例如质子离开对象104且穿越跟踪检测器108的X-Y坐标)，计算系统214可以确定在离开对象104之后进入闪烁体材料112的笔形束102的质子的残余能量。

质子经由表面226进入闪烁体材料112。产生的光子由作为闪烁体材料112的光子出射表面228的光子检测器224收集。可以选择闪烁体材料112的尺寸以确保质子在闪烁体材料112中停止，如与通过闪烁体材料112相反。这确保笔形束102的质子在几纳秒内产生大量的闪烁光子。在图2中未图示的闪烁体材料112的表面226、表面230、表面232和/或其他两个表面在一些实施例中用抗反射或光子吸收材料覆盖(例如，沉积，涂覆或紧邻布置)。例如，闪烁体材料112的壁涂黑色。抗反射材料确保主要是没有从闪烁体材料112的壁散射的直接光子被聚集在光子检测器224处。抗反射材料可以包括在闪烁体材料112的不同表面上的不同材料。在一个实施例中，抗反射材料可能是Eljen公司的EJ510B黑色漆。抗反射材料可以吸收90％以上与材料接触的光子。抗反射材料增加了系统100的高速操作。

多个光子检测器的使用还提供了获得质子离开对象104的位置的附加位置数据的潜力。参考图1，如果光子检测器耦合到闪烁体材料112，如圆圈116(总共十六)所示，最接近光子进入闪烁体材料112处的光子检测器应产生最强的信号。如果产生最强信号的光子检测器的位置与由跟踪检测器108和光检测器222产生的信号所指示的位置不相关，则可能存在应该被拒绝的事件，例如非弹性散射。

图3示出了可以用于实现跟踪检测器106和108(图1和图2)的跟踪检测器的两个横截面。横截面300描绘了沿着平行于z轴和x轴的平面的跟踪检测器，如参考轴122所示。横截面302示出了沿着平行于y轴和x轴的平面的相同跟踪检测器，如参考轴122所示，其也垂直于横截面300的平面。另外，与横截面300相比，横截面302被放大。在横截面300中，质子的方向为沿着z轴，如路径304所示。在横截面302中，质子的方向从图中出来。

如横截面300所示，跟踪检测器包括在一侧分别具有两层纤维308和310并且在另一侧分别具有两层纤维312和314的基板306。纤维层308和310垂直于纤维层312和314布置。只有纤维层308的一根纤维和纤维层310的一根纤维是可见的，因为其它纤维被阻挡而看不到。纤维层312包括纤维312a-312h，纤维层314包括纤维314a-314h。如图3所示，基板的每一侧的纤维层可以彼此偏移，使得一层(例如，层312)的纤维位于相邻层(例如，层314)中的两根纤维之间。换句话说，一层中的纤维可以从另一层偏移单根纤维宽度的大约一半。在这种布局中，通过一层中两根纤维之间的界面的质子也应穿过下一层的纤维的中间，这样可提高效率。其他架构可以具有额外的纤维层或仅具有单层纤维。

相邻层的纤维可以捆扎在一起，使得它们连接到单个光检测器通道。例如，参考图3，纤维312a和314a可以捆扎在一起成为纤维双峰316，使得纤维312a和314a连接到光检测器的单个通道。在一些情况下，通过将纤维312a和314a的端部平行组合使得可以一起检测纤维312a和314a的输出而发生捆扎。

多根纤维或纤维双峰可以以逻辑条带组织。例如，如果纤维312a-312d分别与纤维314a-314d捆扎以形成四个纤维双峰，则四个纤维双峰可以被视为条带318。类似地，如果纤维312e-312h分别与纤维314e-314h捆扎以形成四个纤维双峰，则四个纤维双峰可以被视为条带320。条带可以包括更多的纤维或纤维双峰，例如64个纤维或纤维双峰。

为了进一步减少在光检测器中所需的通道数量，在基板306一侧的条带中类似地定位的纤维或纤维双峰可以捆扎在一起并连接到光检测器的单个通道。在这种情况下，可以使用在条带中产生光子的纤维或纤维双峰的位置与笔形束的预期位置相结合来精确地定位笔形束的位置，例如，当使用1mm

上述两种类型的捆扎(即，捆扎不同层的相邻纤维和捆扎不同条带的纤维或纤维双峰)可以一起使用或分开地用于本技术的不同变型例中。

横截面302描绘条带318,320,322和324，其中包括多个纤维双峰。例如，如上所述，条带318包括由纤维312a-312d和纤维314a-314d(例如，纤维双峰316)制成的四个纤维双峰。类似地，条带318包括纤维双峰326，条带320包括纤维双峰328，条带322包括纤维双峰330，条带324包括纤维双峰332。由于纤维双峰318,320,322和324位于条带318,320,322和324内的相同位置中，这些纤维双峰的输出可以捆扎在一起并通过单个通道(即，通道336)连接到光检测器334。光检测器334包括几个通道(未示出)，每个通道连接到在跟踪检测器的条带中具有相同位置的一组纤维双峰。光检测器334向计算系统338提供电信号，电信号表示由光检测器334的通道(例如，通道336)接收的在跟踪检测器的纤维中产生的光子。

尽管已经在图3中描述了跟踪检测器的示例性架构，相同的捆扎架构可以用于跟踪检测器的其他配置。例如，关于图3的跟踪检测器，如果纤维足够刚性，则纤维层308,310,312和314可以结合在一起以避免使用基板。作为另一实施例，纤维层308和310可以被放置在与纤维层312和314相同的基板306的侧上。在另一实施例中，纤维层308和310可以被放置在与纤维层312和314分开的基板上，并且两个基板可以彼此紧邻放置。

图4示出了质子束串400，其中各个质子402a-d叠加在表示RF(射频)加速场的正弦波404上。在一些实施例中，具有多于一个质子的束(例如质子402c-d)被拒绝用于图像分析或地图重建，但仍将有助于辐射剂量。如果残余范围检测器及时恢复以检测紧随其后的循环中碰撞的质子，则相邻循环中的束(例如，质子402a-b)可用于图像分析或地图重建。

图5描绘了残余范围检测器500，其可以用于实现图1和图2的系统100的残余范围检测器110。残余范围检测器500包括闪烁体材料502，在一些实施例中，闪烁体材料502是大块闪烁体材料。闪烁体材料502可以包含在为闪烁体材料502中产生的光子提供抗反射表面的外壳504内。可替代地，闪烁体材料502还可以具有沉积在闪烁体材料502的表面(例如，表面506)上的抗反射涂层(例如，薄膜)。光子508通过沿着路径510进入闪烁体材料508的质子在闪烁体材料502中产生。只有直接光子被光子检测器512收集，这增强了光的收集效率和速度。

图6示出了耦合到图2的闪烁体材料112的光子检测器的多个单元格图案。光子检测器的耦合位置由圆圈620表示。实施例602中的图案是方形单元格图案604。实施例606中的图案是矩形单元格图案608。实施例610中的图案是多边形单元格图案612。实施例614中的方形图案，其中仅存在单个检测器。权衡支配选择哪个图案，例如，如果要求非常高的精度并且成本和体积不是问题，那么可能选择多边形单元格图案612。

图7描绘了残余范围检测器700和由质子与闪烁体材料相互作用而产生的模拟生成的光子702。圆圈704描绘耦合到闪烁体材料的光子检测器的位置。光子检测器捕获一定数量的所产生的光子702并产生代表被捕获的光子数量的对应的电信号。残余范围检测器700的收集效率基于质子进入闪烁体材料的位置而变化。较低的收集效率可能导致质子残余范围的更高的不确定性。例如，对于表示残余范围检测器700的象限的数据的图形706中的不确定性数据，闪烁体材料边缘(沿x或y轴距中心更远)的收集效率较低，因为闪烁体材料的侧面是抗反射的。这导致对残余范围检测器700的边缘附近的残余范围的更高的不确定性。图形706还示出了当质子进入闪烁体材料之间时，可能会发生更高的不确定性，其中光子检测器耦合到闪烁体材料之间。

图8描绘了残余范围检测器800和利用不同配置的光子检测器(未示出)模拟生成的光子802。通过表示光子检测器耦合到闪烁体材料的位置的圆圈804的位置可以看出，残余范围检测器800中的光子检测器比图7的残余范围检测器700相距更近地间隔开。如在图形806中的残余范围不确定性中可以看出的，残余范围检测器800中的紧密间隔的光子检测器可以确定进入残余范围检测器800的中心的质子的残余范围，与图7的残余范围检测器700相比，具有更不均匀和更均匀的不确定性。然而，残余范围检测器800的边缘处的不确定度高于图7的残余范围检测器700的边缘处的不确定性。

图7和图8的残余范围检测器700和700之间的性能差异分别表示可以根据有利的规格配置残余范围检测器。对于高精度和大的检测场，可能需要大量紧密间隔的光子检测器。然而，如果稍低的精度是可接受的，则可以使用较少数量的更广泛间隔的光子检测器来降低成本和复杂性。

图9示出了检测器增益校准系统900，在一些实施例中，其用于校准具有闪烁体材料902和光子检测器904的残余范围检测器(例如图1和图2中的系统100的残余范围检测器110)。校准系统还包括脉冲发生器906、UV LED908、光电二极管910和扩散器912。在另一示例性的校准系统中，不能使用扩散器。

在一个实施例中，在使用诸如光电倍增管(PMT)的4×4光子检测器阵列的残余范围检测器中，每个PMT被标记为PMT_ij，其中i和j是每个PMT的行和列。使用模拟求和电子器件，我们从十六个输入信号形成三个输出信号。这允许三个通道是数字化通道，而不是十六个，这是电子器件和数据量成本的主要节省。三个输出信号是总能量信号E，以及用于对角线坐标(而不是行列坐标)的两个位置相关信号。

1.E，十六个PMT信号的和。

2.U，3*PMT_03+2*PMT_12+.....-3*PMT_30

3.V，3*PMT_00+....-3*PMT_33

4.可选地，C是中心PMT的总和：C＝PMT_12+21+11+22。如果例如数字转换器通道成对出现并且额外的通道可用，则可以使用该输出信号。

重建质子残余范围的过程包括两步过程：

第一步是利用LED脉冲设置和维持各个PMT相对于光电二极管的增益，如图9所示。光电二极管提供方便的参考，具有稳定的单位增益，只要注意确保任何前置放大器的温度和增益稳定性。在某些情况下，PMT增益在彼此的大约25％之内。这可能导致从检测到的光子数量的统计误差的轻微增加。PMT的增益可以被单独设置和维持到相对于光电二极管固定的值。

由于残余范围检测器900的光收集效率是位置相关的(参见关于图7和8的讨论)，可以针对闪烁体材料902中的质子轨道的X和Y位置校正E。另外，在特定位置的质子轨道的E，U和V之间存在波动和相关性，并且最佳重建可以考虑这些。

第二步是获取用以下3D格栅中的质子组织的校准数据集：X，Y和残余范围R。在一些实施例中，使用所有3个坐标的0.5cm的网格间距。X和Y可以从跟踪系统确定，并且可以选择距每个网格点中心大约0.5mm内的事件。对于由X，Y和R标记的每个网格点，平均E，U和V以及3D协方差矩阵(可选地，可以包括用于4D协方差矩阵的C)可以被保存为稍后使用的校准数据。

对于具有测量的X，Y，E，U，V的单个质子，可以使用数据网格来重建残余范围。对于假设的残余范围，可以使用以下步骤：

1.将平均E，U和V以及协方差矩阵首先插值到轨迹的测量的X和Y中，然后插值到假定的R中。

2.使用所测量的E，U和V形成卡方

3.用最小卡方寻找假设的R。

图10描绘了根据本技术的残余范围检测器(例如，与图1和图2的残余范围检测器110类似的残余范围检测器)的曲线图1000中的实验结果。按mV测得的脉冲高度显示与质子的残余范围近似线性相关。产生图形1000中的结果的残余范围检测器包括塑料闪烁体和2x2阵列的PMT的10x10x10cm

图11描绘了图形1100，包含在产生图11的数据的同一实验中在质子的一个范围设置下脉冲高度扩展的数据。曲线1102是来自一个PMT的信号。曲线1104是总能量信号。

图12描绘了用于跟踪平面或检测器模拟的数据的图形1200。图形1200显示，使用两个跟踪平面(跟踪检测器106可能被认为是“一个”跟踪平面)比使用一个更好，因为当使用两个跟踪检测器时横向位置不确定度较低(分辨率更好)。曲线1202用于在水后10cm定位的一个跟踪平面。曲线1204用于在水后10cm定位的两个跟踪平面。曲线1206用于在水后10cm定位的一个跟踪平面。曲线1208用于在水后10cm定位的两个跟踪平面。从图形1200可以看出，与一个跟踪平面不同，使用两个跟踪平面可能有一些益处。对于图1的系统100，使用两个跟踪平面可以对应于例如在对象104的一侧或两侧上使用两个跟踪检测器。在一些情况下，当使用笔形束时，在上游侧只有一个跟踪平面是必要的，因为输入方向被称为检测到的质子位置的函数。

图13描绘了可用于安装图1和图2的系统100的一些组件的示例性支撑结构1300。例如，支撑结构1300包括基座1302和轨道1304。跟踪检测器1306可以对应于图1和图2的跟踪检测器106，跟踪检测器1306可以安装在轨道1304上，使得跟踪检测器1306沿基座1302可移动。跟踪和残余范围检测器1308包括跟踪检测器(例如图1和图2的跟踪检测器108)和残余范围检测器(诸如图1和图2的追踪检测器110)。像跟踪检测器1306一样，跟踪和残余范围检测器1308安装在轨道1304上，使得跟踪和残余范围检测器1308可沿基座1302移动。跟踪和残余范围检测器1308也可以分成两个不同的组件。

图14示出了用于支撑结构1300的安装系统1400。安装系统1400包括安装臂1402和安装基座1404。在一些实施例中，安装臂1402和/或安装基座1404是可调节或可控的，以将支撑结构1300定位到不同的位置，因为这样有助于跟踪检测器1306与跟踪和残余范围检测器1308之间的对象的处理或成像。其它示例性的安装系统可以包括旋转对象被成像的角度的能力。利用这些系统，本技术的一些实施方案可用于实现产生关于对象的3D数据的层析成像系统。

本技术的所公开的检测器的一些实施方案改变了质子放射疗法的实践，因为其将使得设施可以有效和确信地提供最佳治疗，完全实现了布拉格峰的希望。如上所述，与常规放射疗法相比，布拉格峰使诸如质子或所谓重离子的粒子精确地靶向肿瘤用于放射疗法，同时将健康组织暴露于较小剂量。然而，质子放射疗法需要精确的患者对准和质子初始能量的调整，使得质子束在患者中具有正确的范围以停止在肿瘤中。为了调整质子束的范围，治疗计划使用患者的相对于水的束中质子的相对停止功率或能量损失的在材料中的束中质子的相对停止功率或能量损失的三维地图。通常，这样的图是从X射线计算机断层扫描获得的；然而，转换X射线吸收单位(Hounsfield)到相对停止能力存在不确定性或误差，并且患者不均匀性引起额外的不确定性。此外，金属植入物或其他高密度材料可能导致阴影伪像和条纹。

质子技术尚未成熟，并且不确定性边缘通常大于现代光子疗法的不确定性边缘。因此，预期明显需要减少对准不确定性，使得能够使用更多的质子方向进行更复杂的处理，在每次治疗中将更高的剂量递送到肿瘤，并且减小范围不确定性，例如在1.0mm范围精度内。考虑到使用频繁成像的这些改进应伴随着改善患者吞吐能力以提高质子疗法相对于常规放射疗法的成本效益。构建和维护质子治疗设施的重大费用已经被认为是主要的缺点，最近才通过开发更紧凑的系统和单室选项而减少。预期新的成像技术应该无缝地整合到质子治疗系统中以使患者的操作顺畅且简化，而不是增加复杂性和费用。本技术的实施方案的特征或方面可以提供这样的益处和更多的益处。

例如，本技术的检测器的实施方案可以利用至少一个跟踪检测器来测量患者之前和/或之后的各个质子的横向位置，以及利用残余范围检测器以确定在患者内吸收的质子能量。质子放射照相产生具有单一投影角的二维图像，通过患者直接量化质子范围，而不是x射线吸收能力。数字重建的放射照片可以从以前的X射线计算机断层扫描中得出，并与质子放射照片进行比较，以验证和改进相对停止功率图和患者对准。相比之下，质子计算机断层摄影通过从许多投影角度获取许多质子历史并应用先进的迭代重建算法来测量患者的三维相对停止功率图。虽然质子计算机断层摄影可以利用与质子放射照相术相同或相似的检测器技术，质子计算机断层摄影通常具有更大的操作复杂性，产生更大的数据量，并且使用足够高的质子能量来遍历患者的所有方向。此外，本技术的检测器的实施方案可以用于商业化质子放射照相系统，该质子放射照相系统使用具有足够能量穿过患者的质子产生二维图像。随后的放射治疗使用终止于肿瘤的较低能量、较高强度的束。使用质子束进行成像和治疗使得患者设置和质量保证程序顺畅，减少对齐不确定性，并减少范围不确定性。

目前，每年诊断为患有癌症的160万美国人中超过50％需要放射疗法。梅奥诊所的保守估计是，美国每年有137,000名新的癌症患者可以从质子疗法中获益，远高于目前的能力。质子放射疗法可以潜在地将大量的正常组织从低辐射到中等辐射剂量排除，避免器官处于危险中。这可以减少晚期效应并改善生活质量，其由于治愈率高和长的存活时间而对患者尤为重要。美国治疗辐射肿瘤学会发表的一项政策声明列举了科学证据，证实质子束疗法在许多儿科患者，特别是脑肿瘤患者以及某些在接近关键结构时需要高剂量的成人癌症中特别有用。对诸如乳腺癌、前列腺癌和肺癌等常见癌变患病部位进行的其他研究正在进行之中，临床试验对于美国的质子治疗设施在所有三个疾病部位都产生了病例。目前，在美国经营共有十六(16)个质子治疗设施，总共五十六(56)治疗室，还有更多的正在开发中。本技术的实施方案检测器具有被用于在使用笔形束扫描的所有治疗室中常规使用的潜力，这正迅速成为标准，而不是针对每个患者单独定制的宽束。

本技术的检测器的一些实施方案不复杂，轻量化，易于缩放到大的场尺寸，以高速运行以避免患者吞吐量的瓶颈，并在给定分辨率下将患者暴露于最小可能的剂量。因为体积庞大，昂贵且难以融入临床环境的设计，质子放射照相术目前不经常使用。预期替代方案是使用患者后面的单个检测器平面并且改变质子能量以找到通过患者的范围。然而，这种方法的缺点包括例如：质子剂量的低效率使用，因为大多数质子对测量没有贡献；因为质子未被跟踪，所以有差的空间分辨率；并且通过使用用于成像的宽束，不使用与在笔形束扫描系统的情况下的治疗相同的束系统。

本技术的检测器的一些实施方案利用快速闪烁检测器技术，并且高性能设计是非复杂且整体的，从而降低了构造成本。例如，利用低通道计数来最小化电子器件开发成本，并实现每质子3.0mm的残余范围分辨率或更佳的残余范围分辨率。在这个水平上，范围分辨率由固有范围波动控制，而不是由典型患者尺寸的检测器测量控制。这有助于实现质子放射照相的有利剂量性能，其将来自许多质子的测量平均化以形成图像。对于每个正方形像素的1.0mm的水当量路径长度(WEPL)的分辨率，低至1.0μGy(微格数)的剂量是可能的。

本技术的检测器的一些实施方案可以实现每秒高达1000万个质子的测量，将单个质子分解为近达10纳秒。加速器系统以其RF空腔的频率输送质子束，如图3所示，RF频率高达100MHz。在用于成像的低强度束的情况下，大多数束将是空的，并且剩余的束将包含单个质子。10MHz质子束将具有分开平均100纳秒的质子，随机分离分布在时间上近达10纳秒。如上文结合图3所述，一小部分束将具有两个或更多个质子。这些可能被拒绝用于分析，但仍将有助于剂量。有利的是，作为示例，这样的速度允许在不到一秒的束时间内对20×20cm

本技术的检测器的一些实施方案对于笔形束扫描系统特别有利。笔形束导致质子顺序地击中检测器的相同区域，增加了实现高事件率能力的挑战。此外，与例如具有宽束的成像相比，使用笔形束用于成像和治疗对于对准和质量保证将是非常强大的。此外，笔形束位置设置信息可以对位置重建增加冗余，这有助于拒绝具有核散射或其他问题的事件。此外，根据从前面的X射线计算机断层摄影扫描获得的该区域中的估计范围，可以使用笔形束扫描系统将用于质子放射照片的场划分为对于每个区域具有不同质子能量设置的区域。这允许系统在束扫描经过患者时保持质子的低残余范围，并且具有几个益处，包括例如：残余范围检测器可以更薄，例如10.0cm或更小，节省了治疗区域的重量和体积，使读出更容易；质子的较低总范围对于相对于剂量的范围分辨率更优，较低的范围也导致较少的质子损失于核相互作用，这也导致给定图像质量的较低剂量。

在公开的跟踪检测器中，本技术的检测器的一些实施方案实现了横向位置分辨率或“击中”分辨率为0.3mm或更好。物质中质子的连续多次散射限制了空间分辨率。测量患者之前和之后的质子横向位置可以使穿过患者的路径上的典型不确定度作为0.5mm深度的函数，为命中分辨率设置标准。多次散射对于较低能量质子更有可能，因此使用较低的能量质子的策略限制了残余范围，而对于范围分辨率和实用性而言是最佳的，该策略对空间分辨率具有潜在的缺陷。尽管范围分辨率通常是优先的，但需要额外空间细节的患者的解决方案是使用更高能量的束与在范围检测器前面的附加的无源材料。分辨率和剂量权衡将与标准方法相似。

在一些实施例中，本公开的残余范围检测器包括矩形体积的闪烁体，其具有安装在质子束下游侧的大面积光电倍增管的阵列。质子停止在闪烁体中，在几纳秒内产生大量的闪烁光子。为了获得快速信号，未被光电倍增管占据的侧被涂上或覆盖上抗反射材料以吸收光子，并且光电倍增管仅收集未在壁上散射的直接光子。可以设想，来自光电倍增管的信号可以相加以产生总能量信号，并且加权以产生X位置信号和Y位置信号。并且，通过每个事件仅记录三个信号(总能量，X位置，Y位置)，达到或实现了电子器件成本和数据量的主要优点。与传统设计相比，直接光子收集的高速度是另一个主要优点，传统设计的反射面需要更多的时间来收集闪烁光并且最终由于脉冲高度与残余范围趋势的非线性而导致地图重建中的误差。整体设计结合限制测量残余范围的策略，具有减轻重量和优化剂量的主要优点。作为一个额外的好处，从残余范围检测器获得位置测量，增加了用于拒绝具有诸如非弹性散射等问题的事件的额外冗余度。

已经获得结果，如至少图10至图11所示，具有由10×10×10cm

如至少图4所示的本公开的跟踪系统基于闪烁纤维和多阳极光电倍增管。在一些实施方案中，使用1.0mm

通过在X和Y的正交方向上横向地将跟踪器分割成例如宽3.2厘米的条带，使用所公开的笔形束和位置敏感距离检测器允许相对于常规设计减少十二(12)个光传感器和电子通道的数量的因子。将来自不同条带中的相同位置的纤维捆扎成单个光电倍增管阳极。跟踪系统将精确地测量条带内的位置，并且来自笔形束设置或质子放射照片的信息将指示质子所处的条带。在一些实施方案中，单个X-Y跟踪平面的通道总数可以是六十四(64)个通道，可以用单个多阳极光电倍增管读出。基于阈值检测算法，仅需要记录对于给定事件命中的通道。脉冲宽度可以约为10纳秒。相比之下，对于10MHz的笔形束，束中纤维的命中之间的平均时间将为大约1000纳秒。因此，实现了低重叠概率。

根据WEPL的跟踪平面的厚度是权衡，本公开的非复杂的快速系统是有价值的权衡，可以缩放到大场尺寸，闪烁纤维之间没有间隙。对于给定的分辨率，权衡涉及偏高的剂量：相对剂量增加与包括待成像对象的相对材料增加大致相同。例如，额外的1cm的跟踪材料将对20厘米对象进行成像剂量增加5％。将来利用更优化的设计可能会获得2％或3％的增益。然而，如上所述通过优化残余范围测量的策略可以获得更大的增益。

本技术的检测器的一些实施方案被利用，平均质子速率高达10MHz，并且质子的范围和位置的测量在时间上分离少至20纳秒或更少。考虑到如果检测器不能解决相邻的束中的事件，则这些事件将不得不被丢弃，稍微增加给定图像质量的剂量。此外，可以设想，光电倍增管的增益应足够高以获得用于低范围事件的良好的信噪比，但是对于高范围(大脉冲高度)事件，特别是在10MHz操作时，增益应足够低以保持在光电倍增管的电流限制内。

本技术的检测器的一些实施方案可用于在感应检测器区域上显示3.0mm或更好的WEPL中的每个质子的分辨率。这是优化相对于患者剂量的质子范围分辨率的关键规范。更差的分辨率仍然有效，但会导致患者剂量增加。图像将平均许多质子测量以获得1毫米或更好的分辨率。稳定的光电倍增管可能对于实现这种分辨率是重要的。可以考虑频繁且有效的校准策略和替代的光电倍增管选择。

可以利用本技术的检测器的实施方案来证实质子检测效率对于每个跟踪平面大于97％，横向位置分辨率为0.3mm，以便保持良好的空间分辨率。未检测到的质子增加剂量而不改善图像分辨率。如果检测效率不够高，可以通过设计提高光产量。替代方案包括：使用较厚的闪烁纤维，具有向跟踪检测器添加附加材料的缺点；具有大面积的硅光电倍增管传感器是可及的，并且可以是多阳极光电倍增管的替代方案，具有更高的量子效率。

关于校准，LED脉冲相对于光电二极管维持光电倍增管增益。由于光电二极管非常稳定，增益为1.0，所以图7中的概念是非常有效的。然后使用质子束数据校准总能量信号、x位置信号和y位置信号。校准数据可以在跨越场和质子残余范围的横向位置的三维网格中获取。数据可以在具有测量的总能量信号、x位置信号和y位置信号的坐标的三维格栅中分箱。对于每个箱，存储平均真正能量、x位置和y位置。对于任何事件，可以使用三维网格作为查找表，如果有帮助，可以从实测量内插真正量。

关于本公开的残余范围检测器的性能，范围堆叠固有上增加到测量中的范围偏差，因为测量具有质子的停止点。类似地，分段量热计增加了来自在质子停止的区段之前的区段内的材料的范围离散。本公开的残余范围检测器的整体设计结合限制测量的残余范围的策略具有许多优点，残余范围测量受限于例如当质子离开患者时范围离散而不是范围检测器本身的材料的可能性。由于随着范围分辨率的改善，递送的剂量随着平方而减小，这可能会产生重大影响。另外，限制残余范围也减少了损失于核散射的质子的分数，再次提高了剂量性能。作为一个额外的好处，获得了残余范围检测器中的位置测量，增加了用于排除例如核散射的额外冗余。

关于质子放射照相与质子计算机断层摄影，质子放射照相检查通过患者的范围，而质子计算机断层摄影术可以直接测量到肿瘤的范围。质子计算机断层扫描使用更多的数据，束时间，分析，操作复杂性，以及足够薄到足以从各个方向成像的患者。通过与临床医生的交谈，发现实际的范围检查将是非常有用的，并且比较长期的质子计算机断层摄影发展更优先。质子放射照相术的策略可以包括例如：继续依赖于x射线计算机断层摄影扫描用于治疗计划；对于每个计划的领域，提前准备模拟，显示从该方向的预期质子放射照片，与实际的质子射线照相进行比较，以对准和进行范围检查；如果需要，可以进行除了治疗方向之外的附加方向的范围检查；如果患者在治疗方向上太厚，可以从另一个方向进行范围检查和对准；如果患者从所有方向都过厚，则仍然可以使用患者边缘进行对准检查；如果范围检查通过，到肿瘤的范围的误差将不得不涉及意外的取消，肿瘤前面的额外材料通过肿瘤后面匹短缺匹配。

上面讨论的方法、系统和设备是实施例。各种配置可以适当地省略、替代或添加各种方法步骤或过程或系统组件。例如，在替代的配置中，可以以与所描述的不同的顺序执行方法，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些配置描述的特征可以以各种其它配置组合。配置的不同方面和元件可以以类似的方式组合。此外，技术也在发展，因此，许多元件是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

该描述仅提供实施例配置，并且不限制权利要求的范围、适用性或配置。相反，对配置的前述描述将为本领域技术人员提供实现所描述的技术的启用描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

而且，配置可以被描述为被描绘为流程图或框图的过程。尽管每个可以将操作描述为顺序过程，但许多操作可以并行或同时执行。此外，操作的顺序可以重新排列。过程可能具有图中未包括的附加步骤。此外，方法的实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现。当通过软件、固件、中间件或微代码中实现时，用于执行任务的程序代码或代码段可以存储在诸如非暂时性的存储介质之类的非暂时的计算机可读介质中。在一些实施例中，一个或多个处理器执行所描述的任务。

此外，本文描述的示例的实施方案可以被实现为联网计算系统环境中的计算设备中的逻辑操作。逻辑操作可以被实现为：(i)在计算设备上运行的计算机实现的指令、步骤或程序模块的序列；和(ii)在计算设备内运行的互连逻辑或硬件模块。

尽管已经以结构特征和/或方法动作特有的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中限定的主题不一定限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开为实现权利要求的示例形式。