质子成像中用于测量高能质子径迹的厚GEM探测器的研制

Proton therapy is one of most advanced techniques for the treatment of cancer. In order to locate the Bragg peak of high energy proton at the tumor, the stopping power(SP) of tissues around the target has to be determined a priori. Currently, Computer Tomography (CT) using X-ray is applied to deduce the proton range calculation has been attempted, but the conversion of CT Hounsfield number into SP has uncertainty of 2-3mm. Proton CT is recently proposed to be a substitution capable of improving the accuracy in determining the SP. A key component of this method is to to measure the trajectory of proton in and out of the body and the residue energy from multi-viewpoint before calculating the SP directly. In this project, we will conduct the study on the tracking detector for pCT based on the thick GEM manufactured domestically. As one kind of micro-pattern gas detector, the thick GEM detector is famous for its high spatial resolution, high counting rate and resist radiation, and considered recently in the radiation detect field. For this project, First, we will do the simulation work to design the detectors based on the Geant4 library and optimize the hardware parameters; Second, a tracking detector prototype with the sensitive area of 10*10cm2 will be assembled and tested using cosmic ray and proton beam.

质子放疗是目前放射治疗癌症手段中最先进的技术之一。质子放疗计划需要精确知道患者肿瘤周围组织对高能质子的阻止本领（Stopping Power，SP），从而确定入射质子能量。目前一般通过X射线CT图像计算组织对质子的SP，但其一般具有2-3mm的误差。质子成像（Proton CT，pCT）是直接测量SP的主要研究方向。本项目的目的是基于厚GEM探测器研发质子成像设备中的高能质子径迹探测器。厚GEM探测器是国内近年已发展成熟的微结构气体探测器，其以抗辐射，高位置分辨及高响应率得到辐射探测领域的广泛关注。本项目首先对基于厚GEM的pCT设备进行模拟研究，给出模拟设计参数及结果；再基于该设计参数，制作一个包括四个探测单元的质子径迹探测器原型，其中，每个探测单元的灵敏面积是10*10cm2；基于成熟的APV25电子学，通过测量宇宙射线和高能质子，测试其位置分辨等，为将厚GEM用于pCT设备做出预研。

质子放疗是放射治疗癌症手段中最先进的技术之一，在我国亦是最为快速发展的放疗手段之一。质子放疗中通过调节高能质子能量来改变质子在组织中能量沉积的布拉格峰位置，将高能质子的能量最大程度沉积在肿瘤位置，达到杀死肿瘤细胞的目的，故，人体组织对质子的组织本领（Stopping Power, SP）将直接决定治疗中质子的出射能量，其精度亦直接影响质子放疗的精准性。目前一般通过X射线CT图像计算组织对质子的SP，但其一般具有2-3mm的误差。质子成像（Proton CT）是指通过测量不同角度的高能质子通过人体组织后能量的变化重建出组织对高能质子SP三维分布的方法。该方法的核心为高能质子的径迹的快速测量与重建，这对常规位置测量探测器及电子学均提出了挑战。本项目研究厚GEM探测器作为质子成像设备中的高能质子径迹探测器的可行性。本项目采用了中科院高能物理所研制的厚GEM膜作为GEM探测器的核心放大器件，设计并制作了针对pCT应用的灵敏面积为10*10cm2的双叠层厚GEM探测器。并根据厚GEM探测器的性能指标，构建了pCT的Geant4模拟框架及SP重建程序，验证其作为高能质子径迹探测器的可行性，为厚GEM探测器在质子CT中的应用积累了技术与经验。