重离子治癌在束PET中实时处理技术的研究

作     者：胡岷池 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：孔洁

授予年度：2022年

学科分类：1002[医学-临床医学] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 082701[工学-核能科学与工程] 100214[医学-肿瘤学] 10[医学] 

主      题：在束PET 高速读出方法 符合事件判选 实时信息处理 

摘      要：重离子癌症治疗技术具有诸多独特优势,是当今放射医学与核医学领域的研究热点,对提高人民生活质量具有重要意义。中国科学院近代物理研究所设计了重离子癌症治疗装置(Heavy-Ion Medical Machine,HIMM),主要用于癌症的非侵入精准治疗,于2019年获得国家医疗器械注册证书,开辟了我国核技术民用新领域。基于重离子束的独特优势,HIMM通过重离子束穿过人体时的布拉格峰(Bragg Peak)和相对生物效应(Relative Biological Effectiveness,RBE)可以实现对肿瘤的有效杀伤。在治疗过程中对束流的实时空间分布及计量监测可以保证患者治疗方案的安全性与准确性,同时结合实时影像学技术可以对治疗过程进行精确的引导。在HIMM治疗束流线上安装正电子发射断层扫描成像设备(Positron Emission Tomography,PET),即在束PET(In-beam PET),可为重离子精准放疗提供影像学参考依据,有效监测和验证治疗方案的实施,是治疗现场理想的非侵入式检测方法。束PET系统通过探测器将光信号转化为电信号,并且输入电子学系统。在束PET电子学系统分为探测单元、前端获取单元(Data Acquisition Unit,DAQU)、中央处理单元(Central Processor Module,CPM)和时钟同步单元(Clock and Syn-chronization Unit,CSU)4部分。探测模块由若干探测器单元组成双平板探测阵列构型,对靶区现场的湮灭光子进行捕获,完成光信号到电信号的转换,并将信号输入至前端获取模块。前端获取模块将对探测器探测到的事件进行处理和数字化,并且对其时间和能量信息进行提取,数字化后的数据会汇入中央处理单元。中央数据处理单元其作用是对DAQU提供的数据进行实时接收和处理,实现湮灭事件的在线实时符合判选并与上位机进行通信,该模块可以被配置为分布式处理单元,提升系统的适应性,可容纳更多的探测器单元。时钟同步模块为各DAQU提供时钟与同步信号,保证系统具有统一的时间基准。为了提高实时图像重建的效率和提升重建图像的质量,本文重点对重离子治癌在束PET的实时处理技术进行研究。研究并构建了一种分布式高速信息处理框架,同时在该框架下开展了基于时间戳的实时符合判选逻辑的设计与实现。时符合判选通过采用数字时间戳提取、分布式比较排序和多流水引擎符合等技术实现,可实现对物理事件的发生时间与位置两个维度同时进行符合判选。通过增加流水线设计,提高系统运行频率,能够支持极高的计数率。为满足系统中大量数据的高速传输,分布式高速信息处理框架中采用了多级光纤传输链路和高速PCIe接口设计,提高了数据传输带宽。同时,为减小大量数据带来的计算机存储压力,设计了一种自适应的数据填充算法,有效地缓解无效填充数据带来的存储和传输压力。本文的研究成果已成功应用于由16个探测单元组成在束PET系统中,实现最高事例率16×10events/s的事件在线采集、实时符合、事例上传及相应的控制工作。该实时处理方法已通过电子学实验室及放射源测试,实时符合判选算法支持对前端电子学对最高计数率事件的实时处理,自适应的数据填充算法可以缓解约43.75%的计算机存储压力,高速信息处理具有最高20 Gbps的事例采集处理能力,有效保障了在束PET系统的实时处理能力,为提高图像重建的效率和提升重建图像的质量奠定了基础。