用于小动物研究的质子CT系统
小动物辐照研究是肿瘤研究的重要组成部分，它是连接细胞实验和实现新兴放疗技术临床应用的桥梁。虽然基于光子的临床前放射研究平台已经商业化了，但是对于质子治疗技术来说还尚未实现。
德国慕尼黑大学(Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU)的Katia Parodi创建的SIRMIO项目旨在将质子治疗技术和临床前的研究结合起来，他们开发了一套精细的小动物质子辐照平台。为了将布拉格峰以高精度投照到靶区内，该团队在平台上装备了一套质子CT(pCT)系统。
SIRMIO质子CT系统的示意图。为了提高可见度，将组件的间距放大了。(图片来源于参考文献)
Parodi解释说：“目前为止，质子治疗系统采用了同光子放疗系统相同的影像导引方式，即使用X射线锥形束CT，但是X射线吸收和质子相对阻止本领(RSP)之间的关系存在不确定性。而且人体组织的校准曲线不能简单的应用到小鼠上面。因此，我们决定采用质子影像来提供治疗前的低剂量校准，同时利用断层影像得到更高精度的阻止本领信息。”
Parodi和他的同事们已经利用蒙特卡罗方法研究了他们的pCT系统，以此来评估该系统的可行性以及优化探测器组成部分的设计。
SIRMIO pCT是一个单粒子径迹系统，它由成像物体两侧的径迹探测器和后端的剩余射程探测器组成。径迹探测器探测粒子的径迹信息，每一个探测器包含一个双层的微网格平面气体探测器。剩余射程探测器用来测量每个质子的损失能量(以等效水深度，WEPL表示)，它是一个微网格探测器(MicroMegas)，有着垂直聚酯膜吸收体的时间投影腔室。
联合作者Jonathan Bortfeldt表示：“低能质子成像受限于探测器内的质子散射，但是，我们选择使用基于Micromegas的气体探测器，它既能兼顾材料预算价格，又能提供较高的空间分辨率，同时其计数率也相当高。这项技术是可扩展的，并在未来能够在临床上应用。”
重建的pCT图像的空间分辨率由质子径迹估算的精度决定。对于MicroMegas探测器来说，它依赖于两个固定因素，读出电极条的间距(500 μm)和探测器到成像对象的距离(4 cm)；以及两个可调节参数，材料预算和每对探测平面间的距离。使用蒙特卡罗模拟75 MeV的扫描质子束流，研究人员可以利用它来优化后面两个可调参数。
传统的Micromegas探测器使用三层铜读出电极条。为了减少材料预算，第一作者Sebastian Meyer模拟计算了两种重新设计的情况：从灵敏区域移除掉读出电极条的最后一层；并且使用9 μm的铝条替代原来33 μm的铜条。模拟上述三层结构在水模体中的表现显示，对于铝条作为读出电极的设计，平均均方根路径估算偏离大概在0.29 mm左右，而对于第二和第三层铜条设计，其偏差在0.36和0.39 mm左右。
研究人员通过改变径迹探测器对之间的距离从1~10 cm不等，发现间隔至少要达到7 cm才能将评估的质子径迹精度最优化，平均的路径偏差在0.18 mm左右。为了避免空间分辨率变差，他们最终选择10 cm的距离间隔作为综合考虑后的选择。
通过扫描具有倾斜边缘的模体得到的pCT图像，对应两层，三层铜读出条和铝读出条设计，得到的空间分辨率分别为1.9、2.2和2.8 mm。研究团队指出，这种表现同用于临床研究的X射线锥形束CT在同一水平。
为了优化剩余射程探测器，研究人员通过模拟具有组织等效物的水模体的pCT图像，标定了聚酯膜吸收体的厚度从250~1000 μm不等的相对阻止本领精度。吸收体厚度在500~750 μm之间具有最佳的性能表现，可以兼具等效水深度分辨率和探测装置复杂度以及小于0.5%相对阻止本领精度等要求。
使用他们优化后的pCT设计装置即间距10 cm的铝探测器读出条以及具有500 μm厚吸收体的剩余射程探测器，研究人员模拟得到了一个小鼠头部的pCT图像。pCT图像非常类似于低噪声水平的参考解剖结构图像，但是由于其有限的空间分辨率，仍然会有些模糊不清的地方存在。
在小鼠模型上做的肺部和脑部肿瘤的治疗计划。(图片来源于参考文献)
为了研究pCT图像是否适合用于治疗计划，他们使用了基于蒙特卡罗方法进行计算的质子治疗计划系统，设计了小鼠模型的脑部和肺部肿瘤治疗计划。通过比较优化过的参考计划和使用pCT图像重新计算的计划，pCT图像可以达到亚毫米的精度。平均相对射程误差对于肺部和脑部肿瘤来说分别为-0.02±1.42%和+0.87±0.98%；相应的绝对等效水射程偏差为-0.01±0.20 mm和+0.09±0.10 mm。
Parodi讲到所有的pCT探测器部分已经在制作和测试中，她表示：“我们已经成功制作出了使用铝做读出条的全尺寸Micromegas探测器以及一个使用聚酯膜做吸收体的减化版本的射程谱仪，并且也已在低能Munich串列加速器上使用质子束成功进行了系统调试。目前，他们正在制作更大尺寸的探测器，预计到2020年将会得到一整套全尺寸的pCT系统。”(质子中国 编辑报道)
参考文献：Meyer S, Bortfeldt J, Lämmer P, et al. Optimization and performance study of a proton CT system for pre-clinical small animal imaging [published online ahead of print, 2020 Apr 20]. Phys Med Biol. 2020;10.1088/1361-6560/ab8afc. doi:10.1088/1361-6560/ab8afc.