基于医用直线加速器切伦科夫辐射的时间门控单像素成像

　　天津大学贾梦宇研究员团队分别利用硅光电倍增管(SiPM)探测器和中智科仪-逐光IsCMOS像增强相机实现放射治疗剂量的时间门控切伦科夫成像，成果以“Time-gated single-pixel imaging of Cherenkov emission from a medical linear accelerator”为题于期刊“Optics Letters”上发表。

　　研究背景

　　当带电粒子(如电子)穿过介质而且其速度大于光在该介质中的相速度时，介质会被激发产生辐射，形成发光现象，即为切伦科夫光。切伦科夫成像是实时检验体内放射治疗剂量的理想工具，能捕捉放射治疗过程中组织发出的光，从而以非接触方式直接实时观察输送到每位患者的放射剂量。切伦科夫光是高能辐射束与生物组织相互作用而产生的，其波长范围很广，从紫外到近红外，光谱强度与波长呈平方反比关系。

　　研究方法

　　若要在临床环境中稳健可靠地测量切伦科夫信号，成像设备必须满足几个条件：首先，利用医用直线加速器(LINAC)进行放射治疗时，切伦科夫辐射通常会限制在低光强水平，例如，辐射出射度∼0.1 mW/cm2，组织中的吸收和散射会进一步削弱辐射强度。因此，为进行体内成像，在近红外波段需要高灵敏度探测。其次，LINAC以脉冲方式发射X射线或电子束，通常频率为60-360 Hz，脉冲宽度3-6 µs，所以需要使用时间门控成像来抑制室内环境光，从而获得清晰的切伦科夫图像。

　　研究思路

　　增强型时间门控相机是目前切伦科夫成像的首选，其特点是：

　　(i) 高弱光敏感性;

　　(ii) 纳秒级的时间门控图像采集;

　　(iii) 能够以视频帧率捕获图像。

　　这种快速成像所需的强度增益是由像增强器内部的微通道板(MCP)实现的，其可以加速和倍增从入射光子转换而来的电子。

　　单像素成像(Single-pixel imaging，SPI)是一种低成本的计算成像模式，利用照明模式和同步强度测量之间的二阶关联来重建图像。在这篇文章中，首次将SPCI用于放射治疗中的剂量成像。为此，开发了一套全新的时间门控SPI系统原型。

　　研究结果

　　图1 四个不同区域的单像素切伦科夫成像结果

　　首先，对3~9cm范围内的四个常规正方形区域进行了SPCI，剂量率固定为每分钟600监测单位(MU)。对于4种不同大小的区域，各重复5次成像，每个区域的曝光时间约为13.9s。在随后的图像处理中，每5帧图像组应用中值滤波以改善信噪比(SNR)。图1(a)显示了四种不同大小区域处理和裁剪后的Cherenkov图像。TPS( treatment planning system)中计算的剂量体积沿视轴积分，以近似模拟Cherenkov测量结果，如图1(b)所示。采用传统的全局γ指数和结构相似性指数(SSIM)量化了TPS计算剂量与Cherenkov测量之间的相似性，γ指数分析图如图1(c)所示。

　　接下来，评估了百分深度剂量曲线。将SPI的结果与用TPS和逐光IsCMOS像增强相机(TRC411，CISS)获取的结果进行了比较。IsCMOS同样由LINAC信号触发。通过在水平轮廓上执行高斯拟合来确定Cherenkov图像的中心线。从中心线向两侧5像素距离处取垂直轮廓的平均强度作为投影百分深度剂量(projection percent depth dose，pPDD)曲线。图1(d)显示了从SPI、IsCMOS和TPS获取的pPDD曲线，它们与TPS结果的残差显示在下面。

　　图2 实时单像素切伦科夫成像对IMRT计划的验证

　　最后，利用SPI系统实时拍摄在IMRT计划期间沉积在水箱中的剂量视频，相关结果如图2所示。

　　论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.518624

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　　解决方案

　　由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

　　01、500皮秒光学快门

　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声;

　　02、超高采样频率

　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

　　03、精准的时序控制

　　逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

　　04、创新“零噪声”技术

　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。