核医学诊断与治疗应用

癌症一直是人类致力攻克的难题，在诊断过程中，核医学数字影像DR是用来确诊病灶的常用设备，给医务人员提供诊断依据。大面积低剂量闪烁体平板探测器是核医学数字影像DR的核心组件，其作用是接收穿过被测物体的X射线并进行成像，提供直接方便的诊断。华中师范大学硅像素实验室自主研发的MAPS系列单片式有源像素探测器芯片是闪烁体平板探测器的主要组件，将该组件产业化，并应用于核医学数字影像中。

在治疗的过程中，放疗是经常被用到的手段。放疗使用的放射物媒介主要是高能ｘ射线。随着技术的发展，强子（主要是质子和碳离子）也逐渐被用到放疗中。强子相对ｘ射线的优势在于强子的大部分能量损失发生在射程的末端（布拉格峰），因此强子尤其适用于深部肿瘤和接近重要器官的肿瘤。目前，全球大约有７０个质子和碳离子治疗中心正在运转。在强子治癌中，为了确保处方剂量能够精确的投递到肿瘤区域，必须要借助束流监控系统来实时地测量束流的强度、位置和轮廓。目前，平行板电离室普遍用来实时监控束流，它通常具有一个大电极或者条形电极以及像素电极。但是受限于毫米量级宽的金属条、像素电极，电离室不适用于监控同样毫米量级的笔形束流。此外，电离室的电荷收集效率易受平行板间距的影响。平行板间距的不均匀会导致束流位置、轮廓和强度的测量不准确。

华中师范大学硅像素实验室自主研制的Topmetal系列硅像素芯片具有极低噪声性能，在国际同行领域处于领先水平。基于Topmetal系列硅像素芯片研制成的新型束流监控器应用于强子癌症治疗中，能够大大提高束流的强度、位置和轮廓测量的分辨率，减小治疗过程中对病人的损害程度。在强子治癌中，常用于束流监控的平行板电离室的位置分辨在亚毫米量级，而基于硅像素芯片Topmetal的束流监控器的位置分辨好于20um，能够满足毫米量级（尤其是1~2毫米）笔形束对位置分辨的要求。在基于硅像素芯片Topmetal束流监控器的设计中，束流穿过监控器时不击中芯片，减轻了束流对监控器的辐射损伤，因而该束流监控器尤其适用于监控重离子束流，并且监控器有助于减少高强度笔形束的复合。

因此，开展基于实验室自主研发MAPS系列单片式有源像素探测器芯片的闪烁体平板探测器和Topmetal系列硅像素芯片的新型束流监控器应用于核医学诊断和治疗中，是一项具有实际应用价值的工程项目。该新型束流监控器在对重离子癌症的诊断与治疗过程中能够精确的监测束流的位置、强度和轮廓，实现精准治疗，减小对病人的辐射损伤。

对于CMOS型X射线平板探测器采用的是基于光纤面板衬底的X射线转换屏和大面积CMOS成像传感器相结合的设计理念，其结构示意图如下图所示。整个平板探测器主要由碳纤维板、X射线转换屏、CMOS成像传感器、数据传输电子学四部分组成。

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