221.3 MeV治疗质子束在丙烯酸中多重库仑散射的精确测量与Geant4模拟验证

本研究针对质子放射成像(PR)和质子计算机断层扫描(PCT)中多重库仑散射(MCS)测量的技术瓶颈，开发了基于薄闪烁体-薄膜镜-数码相机的新型探测器系统，实现了221.3 MeV治疗质子束在丙烯酸及生物等效体模中的MCS分布精确测量。结果与Geant4模拟高度吻合，为质子治疗中布拉格峰(Bragg peak)定位和组织密度直接测量提供了创新解决方案。

　　

在医学物理领域，质子治疗因其独特的布拉格峰(Bragg peak)特性成为精准肿瘤治疗的重要手段。然而当前临床实践中，X射线CT图像转换为质子阻止本领比(SPR)的过程存在3%-5%的误差，直接影响布拉格峰定位精度。虽然质子放射成像(PR)和质子计算机断层扫描(PCT)理论上能直接测量SPR，但现有探测器系统因引入额外散射、需追踪单质子轨迹而面临技术瓶颈。

美国Mayo Clinic的研究团队在《Radiation Measurements》发表创新研究，开发了由1 mm厚CsI闪烁体、88.9 mm薄膜镜和商用数码相机组成的紧凑型探测器。该系统通过测量221.3 MeV质子束穿透不同厚度丙烯酸体模(5.1-15.2 cm)及骨/肌肉等效体模后的MCS分布，结合80.3-221.3 MeV能谱分析，首次实现了无附加散射的高通量质子束流测量。关键技术包括：1）薄膜镜反射光路设计避免干扰质子轨迹；2）中值滤波算法处理相机图像；3）Geant4模拟验证实验数据。

【Materials】使用1 mm CsI闪烁体、50/50透反比薄膜镜和Sony A6400相机，配合标准丙烯酸体模(2.54 cm×2.54 cm截面)及5 cm长骨/肌肉等效体模。

【Experimental setup】探测器置于体模出口处，通过镜面反射捕获质子与闪烁体作用产生的荧光，相机采样率>1 MHz适应旋转机架环境。

【Measurements of therapeutic proton beam profiles】221.3 MeV束流直接照射时，高斯拟合显示σ=1.2 mm；穿透15.2 cm丙烯酸后MCS分布展宽至σ=4.8 mm，与Geant4预测偏差<3%。

【Summary】证实该系统可精确测量质子角偏差与能量损失关系，光子产额与阻止功率表一致。骨等效体模引起散射角比肌肉高22%，验证密度分辨能力。

该研究突破性地解决了旋转机架兼容性问题，相比传统PCT系统成本降低90%以上。未来结合深度学习重建算法，可发展出适用于临床的实时质子成像技术，将布拉格峰定位误差控制在1%以内，为精准质子治疗提供新范式。作者团队特别指出，该技术对儿童肿瘤等敏感器官治疗具有重要应用前景。