质子放疗研究进展 | 多功能粒子辐射探测器MiniPIX应用系列（现货交付）

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在之前的文章中我们介绍了尺寸小巧、功能强大、现货交付的混合像素探测器（光子计数、像素化辐射、粒子探测器）-Minipix探测器在X射线衍射（XRD）、背散电子衍射（EBSD）、菊池衍射（TDK）、四维扫描透射电子显微术（4DSTEM）、X射线精细结构吸收谱、低能X射线泄漏检测、X射线显微成像、空间探测、光学器件调试及测试等领域中的应用。为了让各位读者能够全面且容易得了解Minipix探测器系列的广泛应用。所以我们计划推出多功能粒子辐射探测器MiniPIX应用之系列报道，我们会持续报告，并整理成册，以给您的科学研究和工程集成提供一点点参考。

在上一篇系列文章《多功能粒子辐射探测器MiniPIX应用之：点亮QXAFS新视界》中，我们介绍了MiniPIX探测器在同步辐射XAFS技术中的应用，并解释了它是如何为XAFS技术打开一扇通往“时间-空间-能量”多维度表征的新窗口。今天我们将给各位概述一下MiniPIX系列等探测器在质子放疗技术中的研究进展。

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图2 X射线和质子放疗的特性对比示意图

在精准放疗领域，质子束具有独特的深度剂量分布：进入组织后，质子在射程末端形成能量沉积集中的布拉格峰，随后剂量迅速下降。通过调整束流能量和扫描方式，可以使高剂量区域覆盖肿瘤靶区，同时减少周围正常组织的受照。然而，质子在组织中传播时，也会产生次级质子、电子、光子、中子及其他带电粒子，形成复杂的混合辐射场。除了关注总剂量，研究人员还希望进一步了解“哪些粒子贡献了剂量，以及它们如何沉积能量”。这对探测器提出了更丰富的测量需求：除了记录总体信号，还需要获取单个粒子的空间轨迹、沉积能量及时间信息。要进一步理解这些粒子对组织的影响，仅了解其贡献的剂量还不够，还需要关注能量沿粒子轨迹的沉积方式。即使吸收剂量相同，不同的能量沉积密度也可能带来不同的生物学效应。线性能量传递（Linear Energy Transfer，LET）正是描述这一特征的重要物理量，通常以keV/μm表示。在质子射程末端，随着质子逐渐减速，其LET通常升高，因此LET及其分布与相对生物学效应研究密切相关。在物理剂量测量之外，开展LET谱测量与实验验证，正成为质子放疗计划研究的重要方向。

众星联恒合作伙伴ADVACAM的Timepix系列探测器是优秀的混合辐射场探测器，可以为粒子识别、粒子轨迹以及束流分析提供精确数据。探测器采用Si或CdTe传感器，具有256×256像素规格，像素尺寸55μm*55μm，有效探测面积约14mm×14mm。电离粒子穿过传感器时，会在相邻像素中形成具有特征形态的轨迹。通过分析轨迹形状及各像素的能量沉积，可以提取粒子类别、入射方向及LET等信息。值得一提的是，只有Timepix3探测器能够同时记录粒子的时间和沉积能量，便于结合空间与时间信息重建单粒子轨迹，特别适合开展粒子跟踪及束流时间特性研究。

在之前的文章《Timepix探测器用于粒子识别与质子重离子放疗应用》中，我介绍了波兰科学院核物理研究所、ADVACAM及其他合作机构于2023年报道了利用MiniPIX Timepix探测器对不同粒子轨迹进行了 AI 识别，并模拟质子放疗过程，对其剂量，能量转换分布进行了模拟与测量

图3 不同能量及入射角下的质子轨迹测量及50 MeV质子束及带射程移位器的171.66 MeV质子束测量

如上图3，研究人员利用卷积神经网络从混合辐射场中进行了识别质子事件，质子识别准确率达到95.36%。随后，通过质子在硅传感器中的沉积能量和估计轨迹长度计算LET，并进行硅到水的转换。在150 MeV质子束及带射程移位器的171.66 MeV质子束实验中，选取相同水中射程和测量深度，得到的LET谱具有较好的重合度，测量与蒙特卡罗模拟所得剂量平均LET的平均差异为17%，证明了利用探测器中单粒子轨迹获取LET实验数据的可行性，也为后续改进读出方式和分析方法提供了依据。

在上述LET研究的基础上，该研究团队在2025年进一步扩展到展宽布拉格峰（SOBP）和强度调制质子治疗（IMPT）计划。^[2]与第一代Timepix的逐帧采集不同，实验采用MiniPIX Timepix3 Flex探测器，配备300μm硅传感器。Timepix3能够进行连续的事例驱动采集，有助于降低逐帧读出造成的信号损失，更适合扫描束的单粒子测量。

图4. （a)300µm Si 传感器MiniPIX Timepix3 Flex探测器，(b) 用于在均匀固体 RW3 模体后方进行展宽布拉格峰（SOBP）和强度调制质子治疗（IMPT）辐照野测量的实验装置示意图（左）及实物照片（右）。(c) 针对 CIRS 头部模体制定的 IMPT 治疗计划（左）；针对半个头部重新计算的其中一个辐照野，并标出了传感器的位置（中）；以及在非均匀模体后方进行测量的实验装置照片（右）。中间图中传感器的厚度未按实际比例绘制。

如上图4所示，实验采用分别在均匀RW3固体模体和非均匀CIRS头部模体条件下测量。研究人员结合人工智能质子识别与蒙特卡罗模拟，对不同计划及能量层的沉积能量谱和LET谱进行比较。结果表明，SOBP与IMPT计划的沉积能量谱和LET谱峰位在误差范围内相符，所有所测单能层的剂量平均LET平均相对差异约为5.1%。对于合并后的SOBP谱，实验与模拟所得剂量平均LET分别为1.62 keV/μm和1.56 keV/μm，相对差异约为3.8%。

质子放疗能够减少靶区以外的正常组织受照，但质子与组织及束流路径中的材料相互作用时，仍会产生次级粒子，形成场外混合辐射场。2025年，比利时核研究中心、鲁汶大学、西德质子治疗中心及ADVACAM等机构的研究人员，利用MiniPIX Timepix探测器，500μm硅传感器，开展了儿童拟人模体中的场外次级辐射测量。^[3]

图4. MiniPIX Timepix探测器在儿童拟人模体中的场外辐射测量。上图为探测器安装于模拟5岁儿童的ATOM模体中的实验布置；下图为三个测量位置、不同照射野下的粒子轨迹图，可根据轨迹特征区分光子/电子、质子及离子。色标表示各像素的沉积能量。^[3]

如上图4所示，实验采用模拟5岁儿童的ATOM模体，将一例儿童脑肿瘤的临床质子治疗计划适配至模体，并在德国西德质子治疗中心进行质子束扫描照射。研究人员通过定制PMMA模体切片，将探测器分别放置于距等中心7.4 cm、14.1 cm和18.5 cm的三个场外位置，小型化结构使得MiniPIX Timepix探测器能够嵌入模体内部，获取不同位置的辐射信息。

由于不同粒子在硅传感器中形成的像素轨迹具有不同的形态和能量沉积特征，研究人员将探测到的事件分为质子、重离子以及光子/电子三类。在此基础上，统计各类事件的沉积能量，经过相应校正及硅到水的转换，估算各组分的水中吸收剂量。这样，MiniPIX探测器不仅提供了场外剂量信息，也帮助研究人员分析这些剂量由哪些粒子贡献。

图5 海德堡大学医院和德国癌症研究中心 (DKFZ) 的项目负责人 Mária Martišíková（左）和 DKFZ 研究员 Laurent Kelleter。（图片：海德堡大学医院/H.Schroeder）

2024年3月6日，在海德堡大学医院的一间医疗检查室里，项目负责人玛利亚·马尔蒂希科娃（Mária Martišíková，来自海德堡大学医院及德国癌症研究中心KFZ）与DKFZ研究员Laurent Kelleter共同研究这一创新技术。该装置—，有望在头部和颈部肿瘤的离子放射治疗中更精确地定位癌细胞，从而减少治疗副作用。“治疗头部和颈部肿瘤最前沿的方法之一就是使用离子束照射，这种方法的一大特点是能够精确调整到人体内部深度，使离子在特定位置产生最大效果”，DKFZ团队负责人Mária Martišíková解释说。

图6-1 监测系统三维模型的四种不同视图，图中以红色线条标示焦点线，并给出了Ø4、θ3 和 d5的定义，同时标注了各 Mini-Tracker 的编号，以及实验室坐标系中的 x轴（垂直方向）、y轴（水平方向）和 z轴（束流方向）^[5]。

图 6-2 AdvaPIX TPX3 Quad实物图^[4]

如上图6，这个新的探测装置——BeamTraX是由捷克ADVACAM公司研发的新型成像设备搭载了28个欧洲核子研究中心（CERN）研发的小型粒子探测器Timepix3芯片。该监测系统的核心由七个微型径迹探测器（mini-tracker）组成，型号为 AdvaPIX TPX3 Quad，由众星联合的合作伙伴 Advacam公司开发。每个微型径迹探测器由四个 Timepix3 混合型硅像素探测器组成，采用望远镜式布局，一前一后间隔20.3mm布局。每对 Timepix3 芯片均连接一个双倍尺寸的硅传感器，其厚度为 300 μm，感光面积为 28 mm × 14 mm，像素阵列为 512 × 256，像素间距为 55 μm。因此，由七个微型径迹探测器组成的监测系统，其总探测面积为：27.44 〖"cm" 〗^2。这些微型径迹探测器采用数据驱动型读出（data-driven readout）机制，因此在像素信号速率最高达到 47M事每秒时，实际上可以实现无死时间运行。

图7 Beam Trax在线监测系统放置位置（图左），测量位置（图右）^[6]

随即LaurentKelleter博士带领团队使用RaySta-tion11B (RaySearchLaboratoriesAB)首次实现了对一名接受氦离子治疗的孤立性纤维性肿瘤患者进行活体监测。该方法基于对离子束放射治疗过程中自然产生、从患者体内发射出的次级离子进行径迹追踪。对两次测得的次级离子分布进行比较后发现，该患者的治疗具有较高的可重复性。然而，在颅底边缘及蝶窦区域，两次治疗分次之间出现了显著差异。这些差异可能源于不同治疗分次之间窦腔内填充状态的变化。未来，需要在接受常规复查计算机断层扫描（CT）的患者中进一步验证所观察到的信号。此外，还需要结合蒙特卡罗模拟和模体测量，建立次级离子分布变化与临床相关剂量变化之间可靠的关联。

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从单质子LET测量、复杂治疗计划验证、从场外次级辐射分析到接受氦离子治疗的孤立性纤维性肿瘤患者进行活体监测。众星联恒合作伙伴ADVACAM的MiniPIX系列探测器及相关定制Timepix系列探测器已从质子探测基础研究走向临床质子放疗监测，为更精准的质子放疗奠定了关键的基础。知名主持人窦文涛在博客节目《自然光》中与著名青年钢琴家张昊辰对谈中提到：“或许人类在每个时代都会把最高的智慧、才华和资源投注哪个特定的领域，如东晋的书法、唐朝的诗歌和欧洲19世纪的古典音乐，以绽放出最高的灿烂光华。”虽然曾经的巅峰难以跨越，但并不影响我们跨越时空、与之对话并欣赏其中的大美。而当下的时代，投入最大的是作为第一生产力的科技。我们相信，通过开发更为先进的X射线成像技术（单掩模X射线相衬成像技术助力微钙化分类及乳腺癌早期检测，行业资讯—早期乳腺癌X光诊断，清华大学副教授王振天提名2022年欧洲发明家奖和《柳叶刀-数字医疗》 Franz Pfeiffer团队：暗场 X 射线新技术提高肺部疾病诊断能力）可以使肺癌、乳腺癌等给患者带来巨大痛苦的疾病实现更早检出成为可能。同时结合为专为质子放疗场外混合辐射场探测设计的在线监测系统：Beam Trax，我们相信可以实现真正的更早发现、更好治疗，以提高人类的生命质量—我们坚信这是非常有意义的事情。

1. Stasica P, Nguyen H, Granja C, et al. Single proton LET characterization with the Timepix detector and artificial intelligence for advanced proton therapy treatment planning. Physics in Medicine & Biology, 2023, 68: 104001. DOI: 10.1088/1361-6560/acc9f8.

2. Stasica-Dudek P, Granja C, Kopeć R, et al. Experimental validation of LET in intensity-modulated proton therapy with a miniaturized pixel detector. Physics in Medicine & Biology, 2025, 70: 095007. DOI: 10.1088/1361-6560/adcaf9.

3. Matamoros A, Nabha R, De Saint-Hubert M, et al. Analysis of the mixed secondary radiation field in proton therapy using a Timepix detector. Physics in Medicine & Biology, 2025, 70: 165002. DOI: 10.1088/1361-6560/adf485.

4.  Kelleter L, Schmidt S, Subramanian M, et al. Characterisation of a customised 4-chip Timepix3 module for charged-particle tracking[J]. Radiation Measurements, 2024, 173: 107086. DOI：10.1016/j.radmeas.2024.107086

5. Kelleter L, Marek L, Echner G, et al. An in-vivo treatment monitoring system for ion-beam radiotherapy based on 28 Timepix3 detectors[J]. Scientific reports, 2024, 14(1): 15452. DOI：10.1038/s41598-024-66266-9

6. Kelleter L, Harrabi S, Ochoa-Parra P, et al. First in-vivo monitoring of helium-ion radiotherapy with secondary ions[J]. International Journal of Radiation Oncology* Biology* Physics, 2026. DOI: 10.1016/j.ijrobp.2025.12.036

ADVACAM S.R.O.是AdVisiones Technologies集团旗下一家专注于光子计数探测器研发与制造领域的子公司，使命是让不可见成为可见，让不可能成为可能。ADVACAM S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所，致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。ADVACAM最核心的技术特点是其X射线探制器（应用CERN Timepix、Medipix芯片），无拼接缝隙（No Gap），因此在无损检测、生物医学、地质采矿、空间探测、艺术品鉴定及中子成像方面有极其突出的表现。ADVACAM与NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持长期良好的项目合作关系。2021年，spin off子公司Advascope专为电子显微镜EM应用提供定制化粒子探测系统。

任何顶尖技术的价值最终实现，都离不开与本土化需求的深度咬合。这正是众星联恒扮演的关键角色。作为Advacam母公司AdVisiones Technologies集团（品牌故事）在中国及东南亚市场的长期战略伙伴与总代理商，众星联恒远不止于渠道。我们是技术价值的“翻译者”与“传播者”。我们深刻理解，将历经NASA、ESA任务验证的“太空级”成像能力，转化为服务本土高端制造、前沿科研、航空航天、生命健康及文化遗产保护领域的解决方案，需要的不仅仅是引进设备，更需要深度的行业洞察、技术理解、工程集成、技术适配与持续的服务支持。我们已建立一个专业性技术和市场团队，及X射线现货库和分析实验室，以更好的服务各领域的用户。众星联恒正致力于将AdVisiones集团的系统性创新能力，无缝对接到区域市场的具体场景中，与客户共同破解那些“看不见的难题”，以科学的力量，服务产业的发展。我们是一支对极紫外、X射线技术充满热情的团队，如果你有任何疑问想要和我们交流、探讨，不要犹豫请直接联系我们。