一种平板PET引导的硼中子俘获治疗系统的制作方法

本实用新型涉及正电子发射断层扫描技术，具体涉及一种平板PET引导的硼中子俘获治疗系统。

背景技术：

硼中子俘获治疗(BNCT)技术是具有广阔前景的放疗技术。该方法拥有悠久的历史，早在20世纪70年代即有初步的尝试，目前已有较多应用的实例。然而，由于早先缺乏有效的中子照射、辐射防护等相关技术，目前硼中子俘获治疗还没有获得广泛的使用。近年来，各国研究者愈发关注硼中子俘获治疗技术。随着各项相关技术的发展成熟，硼中子俘获治疗技术也正在迅猛发展。现在，世界范围内有多个硼中子俘获治疗的装置正在运行，它已经成为了科学研究和技术开发的热点问题。

硼中子俘获治疗技术利用硼-10对特定能量范围中子的吸收截面远高于其他常见核素的原理，使含有硼元素(特别是硼-10核素)的分子在靶区域高度富集，再用特定能量范围中子对其进行照射。中子和硼-10核素发生相互作用，释放能量并将其集中高效的沉积在靶区域。硼中子俘获治疗，可以使受照样本获得与靶区分布符合较好的能量沉积，这是其优于类似技术的重要特点。

提高硼中子俘获治疗效果的关键方式之一，在于准确的对靶区的药物浓聚获得动态、实时、定量的认识。虽然药物代谢动力学提供了一定的理论方法指引，但是受到现有的硼中子俘获治疗设备和控制方法的限制，照射过程中无法探测药物的分布情况。现有的暂时性的解决方案包括物理测量法、化学测量法和核素测量法，然而这些方法均为离线检测的方法，且局限于单一时间点、单一采样点。这些方法只能间接探知药物分布的大致规律，无法提供实时、定量、在线的分布信息，并且缺乏空间上的分布信息，对解决硼中子俘获治疗药物分布这样一个四维问题帮助有限。

近年来，除了设备技术和操作方法的日趋成熟，硼中子俘获治疗的新型含硼制剂也层出不穷。有一类硼中子俘获治疗药物具有特定的功能基团或某种结构，使其可以被放射性标记，且标记前后的化学性质完全相同或相近，可以认为具有相同的生物分布特征。这种硼中子俘获治疗药物为靶区药物浓聚规律的动态、实时、定量的在线监测提供了可能性。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种利用正电子发射断层扫描PET进行治疗引导的硼中子俘获治疗BNCT系统，从而在硼中子俘获治疗过程中较为准确的提供含硼制剂在照射靶区的、实时、定量、动态的分布信息。

本实用新型的平板PET引导的硼中子俘获治疗系统包括：射束出口装置、平板PET探测器、转动机构、探测器电机、机架、电机控制机构、照射床、晶体屏蔽装置和工作站；其中，照射床安装在电机控制机构上；照射样本放置在照射床上，照射样本上方形成照射视野；转动机构安装在机架上；一对平板PET探测器分别通过各自的探测器电机安装在转动机构上，并且分别位于照射视野的对侧；在一对平板PET探测器的外侧分别设置一个晶体屏蔽装置，一对晶体屏蔽装置固定在机架上，晶体屏蔽装置为开口的盒状，中间有凹槽，能够容纳平板PET探测器；平板PET探测器通过数据线连接至工作站；转动机构、探测器电机和电机控制机构分别通过电线连接至工作站；平板PET探测器包括工作状态和等待状态；在工作状态下，一对平板PET探测器的探测面相对，分别对着照射样本；在等待状态下，转动机构带动平板PET探测器的探测面沿各自的转轴翻转，探测面相背，并通过各自的探测器电机将平板PET探测器分别推入各自对应的晶体屏蔽装置内；射束出口装置将中子引入照射视野。

平板PET探测器的背板采用含有硼元素或/和镉元素的材料。晶体屏蔽装置采用由含有硼元素或/和镉元素的材料，在中子照射时对平板PET探测器进行屏蔽，以防中子对晶体造成辐射损伤。

进一步，本实用新型还包括光学定位跟踪系统，包括安置在支架上的光学摄像头阵列和空间信息处理系统。事先在照射样本上标记至少四个标记点，标记点作为平板PET探测器成像和光学定位的联合配准点；光学摄像头阵列采集标记点的信息，并由信息处理系统处理，从而得到照射样本的位置信息，即光学定位跟踪信息。平板PET探测器成像得到靶区的轮廓，通过配准算法，计算得到靶区与照射样本的相对位置，光学定位跟踪系统精确算出电机控制机构移动的x、y和z距离坐标，使照射样本的靶区精确的对准在照射视野内。电机控制机构可以在空间中以多个自由度移动，带动照射床实现位置状态的改变，调整照射床与其他设备的相对位置，并与光学定位跟踪系统协同实现精确摆位。光学定位跟踪系统根据事先标记于照射样本的至少四个标记点进行精确的空间定位，方便在照射样本移动前后进行精确的配准，提供精确的靶区位置信息。其搭载的照射床可以调节姿态，满足水平和垂直照射的要求。

本实用新型的优点：

本实用新型利用平板PET探测器提供精确的影像信息，对BNCT提供精确的照射时间信息，进行面向特定靶区的精准化剂量递送，减小敏感区域的辐射损伤；同时本系统可以进行水平和垂直两种姿态的中子靶向照射，利用电机控制装置可以方便移动调节与射束出口装置的距离；利用高精度的光学定位跟踪系统可以进行照射样本移动的精确空间配准，确保靶区定位的准确性。

附图说明

图1为本实用新型的平板PET引导的硼中子俘获治疗系统的实施例一的示意图；

图2为本实用新型的平板PET引导的硼中子俘获治疗系统的实施例二的示意图；

图3为本实用新型的平板PET引导的硼中子俘获治疗系统的平板PET探测器由工作状态转为等待状态的示意图；

图4为本实用新型的平板PET引导的硼中子俘获治疗系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

平板PET探测器与射束出口装置同轴并作为一个整体，或者二者是分立的。

实施例一

如图1所示，本实施例中平板PET探测器与射束出口装置是分立的，以垂直姿态进行中子靶向照射，本实施例的平板PET引导的硼中子俘获治疗系统包括：射束出口装置1、平板PET探测器2、转动机构3、机架4、电机控制机构5、照射床6、晶体屏蔽装置7、光学定位跟踪系统8、探测器电机9和工作站；其中，照射床6安装在电机控制机构5上；照射样本放置在照射床6上，照射样本上方形成照射视野；转动机构3安装在机架4上，一对平板PET探测器2分别通过各自的探测器电机9安装在转动机构3上，并且分别位于照射视野的对侧；在一对平板PET探测器的外侧分别设置一个晶体屏蔽装置7，一对晶体屏蔽装置7固定在机架上4，晶体屏蔽装置7为盒状，中间有凹槽，能够容纳平板PET探测器2；平板PET探测器2通过数据线连接至工作站；转动机构3、探测器电机9和电机控制机构5分别通过电线连接至工作站；射束出口装置1正对照射视野；光学定位跟踪系统8位于照射床旁，包括安置在支架上的光学摄像头阵列和空间信息处理系统，对照射视野和射束出口装置的区域进行监控。

如图3所示，工作站包括图像处理模块，中子照射模块和系统控制模块三大模块，并细分为若干子模块。其中，图像处理模块包括PET图像采集与存储模块、基于图形处理器GPU加速的PET图像重建模块、PET图像手动区域划分模块和PET图像与光学定位跟踪系统配准模块。中子照射模块包括照射剂量控制模块和照射视野控制模块，用来调节中子治疗系统内部参数。系统控制系统模块包括转动机构控制模块、电机控制机构控制模块、探测器电机控制模块和整机系统参数监控模块。

平板PET探测器包括工作状态和等待状态；在工作状态下，一对平板PET探测器2的探测面相对，分别对着照射样本；在等待状态下，探测器电机带动平板PET探测器的探测面沿各自的转轴翻转，探测面相背，并用探测器电机将平板PET探测器分别推入各自对应的晶体屏蔽装置7内，如图3所示。

实施例二

如图2所示，在本实施例中平板PET探测器与射束出口装置同轴并作为一个整体，以水平姿态进行中子靶向照射。其他同实施例一。

实施例一和实施例二的系统的平板PET引导的中子束流的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

1)合成氟-18标记的S-1-氨基-1-苯基甲基三氟硼酸钠，与质量为w₁，硼-10质量百分数为ω_B,1的非放射性的S-1-氨基-1-苯基甲基三氟硼酸钠混合，标定放射性活度A₀，记此时为0时刻；由于放射性标记的S-1-氨基-1-苯基甲基三氟硼酸钠的量极小，对硼-10的含量影响不大，故可以认为其质量w₂＝0；将含硼制剂注射至照射样品内。

2)将照射样本放置在照射床上，将四个标记点分散贴在照射样本上，标记点是含铅材料，为一直径约为1cm的圆片；圆片表面有粘性，可以黏贴在照射样本上；一面涂成黑色，便于光学定位跟踪系统被动采集区域；放置于照射床上，通过电机控制机构调整照射床的位置，光学定位跟踪系统对初始位置进行记录。

3)控制转动机构将一对平板PET探测器调整到工作状态下，一对平板PET探测器的探测面相对，分别对着照射样本，对照射样本进行动态PET扫描，将数据传回工作站，在富集区域利用自动化程序或手动勾勒体积为V_T的靶区，并在非富集的敏感区域勾勒体积为V_C的控制区域。

4)平板PET探测器连续采集多张图像，在活度测定单元的辅助下动态监测时间点t_i靶区和控制区域的活度值A_T,i和A_C,i。

5)假设含硼制剂的浓度均匀分布，τ时刻靶区和控制区域的硼-10的浓度c_T,τ和c_C,τ分别为：

其中，λ是放射性核素的衰变常数，M(¹⁰B)是硼-10的摩尔质量，A_T,τ为τ时刻靶区的活度值，A_C,τ为τ时刻控制区域的活度值。

6)重复步骤4)～5)，得到多组(t_i,c_T,i,c_C,i)数据，根据多组(t_i,c_T,i,c_C,i)数据，对基于二腔室模型的药物代谢动力学方程：

进行回归分析，得到描述硼-10浓度的预测模型，其中是靶区硼-10浓度的预测方程，是控制区域硼-10浓度的预测方程，如果当前靶区和控制区域的硼-10浓度比r满足T_r为预设的阈值，且靶区的硼-10浓度c_T,τ高于阈值T_c，即c_T,τ＞T_c，T_c为最小有效浓度，并且根据模型预测上述条件能够在足够时间内持续满足，则结束PET扫描。

7)光学定位跟踪系统定位至少四个标记点，平板PET探测器成像得到靶区的轮廓，通过配准算法，计算得到靶区与照射样本的相对位置，并精确算出电机控制机构移动的x、y和z距离坐标，使照靶区精确的对准在照射视野内。

8)控制转动机构将一对平板PET探测器调整到等待状态下，转动机构带动平板PET探测器的探测面翻转，一对探测面相背，并利用探测器电机将平板PET探测器分别推入各自对应的晶体屏蔽装置内。

9)射束出口装置将中子源产生并经整形调节的中子引入照射视野，一轮照射结束后，射束出口装置停止出束；

10)重复步骤3)～8)，平板PET探测器再次进入工作状态，重新采集图像，然后根据新的影像结果计算靶区和控制区域的活度值A_T,i+1和A_C,i+1，重新执行判断并进行照射，直至预定剂量递送完毕或不再满足照射条件。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。