基于质子束激发热声信号的布拉格峰定位

发布时间：2021-06-10 14:31

　　目的:使用质子束激发热声信号对质子束的布拉格峰定位,分析其在质子治疗中应用的可行性。方法:通过Kwave工具包模拟质子束在水中的传播过程,使用放置的传感器接收质子束激发产生的γ波走时数据,再将走时数据进行反演得到布拉格峰位置的修正量,从而完成对布拉格峰定位。结果:在均匀介质中,当初始的布拉格峰位置在目标布拉格峰位置5 cm范围内,使用Kwave模拟得到的走时数据进行定位,无噪声的情况下,定位误差在1.3 mm以内,对其进行加噪处理后,定位误差仍在3 mm以内。使用波前扩展的线性走时插值射线追踪算法得到的走时数据进行反演,能完成零误差定位。结论:使用质子束激发热声信号,仅需要少量的传感器就能对质子束的布拉格峰进行实时定位,走时数据的准确性对定位算法有一定的影响。但是通过加噪实验发现,本算法具有较好的稳定性和收敛性。 

【文章来源】：中国医学物理学杂志. 2020,37(04)CSCD

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

不同噪声的定位误差图

临床使用的质子束脉冲信号，因为其剂量沉积在传播过程中会导致局部温度升高以及密度变化，因此会产生声学压力波[14-15]。由于这是一个热声信号波，它的压力、幅值、形状与介质和剂量沉积相关[16]。如图1所示，质子束在传播过程中，会产生两个来源不同的声波压力峰，一个峰为传播路径是圆柱形的α波，它在布拉格峰位置前的传播路径上被激发产生；另一个峰为传播路径是球状的γ波，它是在布拉格峰中心位置处被激发产生。因此，治疗时只需要使用简单的传感器接收γ波的走时数据就能完成对布拉格峰位置的实时定位。1.2 方法

本文使用Kwave MATLAB toolbox(Treeby and Cox 2010a）进行模拟实验，采用FWHM等于5 mm的脉冲信号源模拟质子束的入射，常温下声波在水里的传播速度为1 480 m/s[20]。因此本文中设计了一个均匀介质的速度模型，模型大小为330 mm×330 mm，速度为1 480 m/s，用于接收走时数据的传感器均匀放在模型的四周，传感器编号及位置如图3所示。为了验证本算法的准确性，文中选取4个不同的目标布拉格峰位置，其坐标分别为（110,110）、（110,220）、（220,165）、（220,270），如图3所示。由于本算法开始时需要设定初始布拉格峰的位置，因此分别以每个目标布拉格峰位置为圆心，半径为5 cm的范围内随机选取10个坐标点作为该目标点的初始布拉格峰的位置。图3 速度模型以及4个布拉格峰位置示例图

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于波前扩展的线性走时插值射线追踪算法[J]. 张东,童海杰,杨艳,秦前清,徐凌.  武汉大学学报(理学版). 2010(06)



本文编号：3222549