Timepix探測(cè)器用于粒子識(shí)別與質(zhì)子重離子放療應(yīng)用
我們傳統(tǒng)使用的放療方式大多是基于 X 射線或者伽馬射線的光子放療，而由于其被物質(zhì)吸收過(guò)程的基本特性，光子放療的劑量在人體表面達(dá)到最大值然后逐漸減少。
相較而言，基于質(zhì)子和重離子的粒子放療，由于其存在布拉格峰（Bragg peak），可控制劑量集中于腫瘤組織，以減少放療對(duì)健康細(xì)胞的傷害。
（圖片來(lái)自Advanced Oncotherapy）
（圖片來(lái)自ProTom International）
作為一種先進(jìn)的治療方式，其發(fā)展與優(yōu)化過(guò)程必然伴隨著多種科學(xué)手段的應(yīng)用。特別是對(duì)其進(jìn)行更精準(zhǔn)的探測(cè)和模擬，必將有利于其治療方案的規(guī)劃與實(shí)施。
我們之前介紹過(guò)不同粒子在通過(guò)Timepix系列芯片時(shí)形成的不同可視化軌跡：
波蘭科學(xué)院核物理研究所與捷克 Advacam s.r.o. 合作，進(jìn)行了對(duì)不同粒子軌跡的 AI 識(shí)別，并模擬質(zhì)子放療過(guò)程，對(duì)其劑量，能量轉(zhuǎn)換分布進(jìn)行了模擬與測(cè)量（Paulina Stasica et al 2023 Phys. Med. Biol. 68 104001）。
以 Timepix 采集不同粒子軌跡并訓(xùn)練 AI 識(shí)別。第一階段，使用確定粒子種類的單一輻射場(chǎng)下 Timepix 的測(cè)試數(shù)據(jù)，訓(xùn)練預(yù)設(shè)的 AI 模型。第二階段，使用放療質(zhì)子束在水模體中產(chǎn)生的混合輻射場(chǎng)中 Timepix 的測(cè)試數(shù)據(jù)，訓(xùn)練后的 AI 對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并輸出質(zhì)子圖像。如下圖所示：
圖1. 基于 AI 的粒子識(shí)別過(guò)程示意圖
以線性能量轉(zhuǎn)化率(LET, linear energy transfer)可作為放療過(guò)程中電離密度的量化模式。該工作測(cè)量比較了不同質(zhì)子能量不同入射角度的質(zhì)子束進(jìn)入探測(cè)器感光材料（Si）的LET 譜。
圖2. 以不同能量質(zhì)子束從不同入射角射入 Timepix 芯片感光層，形成粒子軌跡，并計(jì)算其 LET 譜
該工作，使用 Timepix，在 AI 算法的輔助下，探測(cè)質(zhì)子束獲得LET譜。
Advacam S.R.O.源至捷克技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用物理研究所，致力在多學(xué)科交叉業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供硅傳感器制造、微電子封裝、輻射成像相機(jī)和X射線成像解決方案。Advacam最核心的技術(shù)特點(diǎn)是其X射線探制器（基于CERN Timepix、Medipix芯片），沒(méi)有拼接縫隙（No Gap），因此在無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)采礦、空間探測(cè)、藝術(shù)品鑒定及中子成像方面有極其突出的表現(xiàn)。Advacam與NASA（美國(guó)航空航天局）及ESA（歐洲航空航天局）保持長(zhǎng)期良好的項(xiàng)目合作關(guān)系。2021年，spin off子公司Advascope專為電子顯微鏡EM應(yīng)用提供定制化粒子探測(cè)系統(tǒng)。
北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為捷克Advacam公司中國(guó)區(qū)的總代理，也在積極推廣Timex / Medipix芯片技術(shù)，并探索和推廣光子計(jì)數(shù)X射線探測(cè)技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用，目前已有眾多客戶將MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功應(yīng)用于空間輻射探測(cè)、X射線小角散射、X射線光譜學(xué)、X射線應(yīng)力分析和X射線能譜成像等領(lǐng)域。同時(shí)我們也有數(shù)臺(tái)搭載Timpix、Timepix3芯片的MiniPIX探測(cè)器樣機(jī)、Medipix3 芯片的WidePIX 1*5 CdTe探測(cè)器樣機(jī)，我們也非常期待對(duì)我們探測(cè)器感興趣或基于探測(cè)器應(yīng)用有新的idea的老師聯(lián)系我們，我們可以一起嘗試做更多的事情。
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下期梗概
海德堡德國(guó)癌癥研究中心與捷克Advacam s.r.o.合作，以基于Timepix 的探測(cè)器組合，對(duì)He4離子束進(jìn)行探測(cè)與軌跡重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體模型的實(shí)時(shí)成像以及對(duì)放療部位的監(jiān)控。