Perfexion型伽瑪?shù)段锢硇阅艿尿?yàn)收測(cè)試

李金凱，顧霄寰，曹遠(yuǎn)東，李錦東，陳群，孫新臣

江蘇省人民醫(yī)院 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放療科，南京市，210029

0 引言

Perfexion（PFX）型伽瑪?shù)妒且环N完全重新設(shè)計(jì)的放射外科設(shè)備，與以往的Leksell伽瑪?shù)队兄举|(zhì)的不同[1-2]。以前的B型、C型伽瑪?shù)兜妮椛鋯卧?01個(gè)鈷60放射源組成，被固定在截?cái)嗟陌肭蛐伪砻?，所有源到焦點(diǎn)的距離（source to focus distance,SFD）均為400 mm。而PFX伽瑪?shù)叮ㄒ妶D1），192個(gè)鈷60源以錐形截面平均分布在由5個(gè)環(huán)組成的8個(gè)扇區(qū)上，每個(gè)環(huán)的SFD從374 mm到433 mm不等。每個(gè)扇區(qū)可以沿著圓錐形表面獨(dú)立移動(dòng)，以便于將鈷源與三個(gè)可用的準(zhǔn)直通道（分別為4 mm、8 mm和16 mm）中的任何一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。準(zhǔn)直通道總共有576個(gè)，每種尺寸的準(zhǔn)直通道為192個(gè)，均在120 mm厚的鎢制錐形屏蔽塊上[3]。PFX型伽瑪?shù)垛捲从形鍌€(gè)可能的位置：4 mm準(zhǔn)直器、8 mm準(zhǔn)直器、16 mm準(zhǔn)直器、扇區(qū)關(guān)閉和原點(diǎn)。原點(diǎn)是機(jī)器關(guān)閉、空閑或啟動(dòng)緊急停止時(shí)鈷源所占據(jù)的位置，距離準(zhǔn)直器最遠(yuǎn)。雖然“扇區(qū)關(guān)閉”和“原點(diǎn)”都是射束被阻擋的位置，但在“扇區(qū)關(guān)閉”位，鈷源位于4 mm和8 mm準(zhǔn)直器之間，距離準(zhǔn)直器更近，到達(dá)任何打開光束的位置時(shí)間更短。當(dāng)單個(gè)扇區(qū)被阻斷時(shí)，或病人在立體定向坐標(biāo)間移動(dòng)時(shí)，“扇區(qū)關(guān)閉”位的設(shè)立會(huì)大幅度降低患者受到的照射劑量。

圖1 PFX型伽瑪?shù)遁椛錅?zhǔn)直系統(tǒng)Fig.1 Radiation collimation system of PFX Gamma knife

伽瑪?shù)厄?yàn)收測(cè)試是設(shè)備質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，其驗(yàn)收測(cè)試結(jié)果將成為后續(xù)設(shè)備常規(guī)日檢、月檢、年檢的重要參考[4]。鑒于硬件組成的升級(jí)換代，新一代立體定向放射外科系統(tǒng)PFX型伽瑪?shù)兜尿?yàn)收測(cè)試項(xiàng)目與以往的Leksell伽瑪?shù)队兴煌?。我院?018年底引入了瑞典Elekta公司的第六代PFX型伽瑪?shù)叮鳛槿珖着_(tái)落戶放射治療科的進(jìn)口頭部伽瑪?shù)?，為保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)符合臨床使用要求，我們參照國家衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WS 582-2017《X、γ射線立體定向放射治療系統(tǒng)質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范》及廠家驗(yàn)收手冊(cè)，對(duì)PFX型伽瑪?shù)渡涫臋C(jī)械精度和劑量學(xué)參數(shù)進(jìn)行了物理性能的驗(yàn)收測(cè)試，現(xiàn)將部分驗(yàn)收項(xiàng)目介紹如下。

1 驗(yàn)收工具

德國PTW公司UNIDOS Webline劑量?jī)x及TW31010空氣電離室，用于焦點(diǎn)劑量率測(cè)量。設(shè)備自帶直徑160 mm球形模體，聚苯乙烯材質(zhì)，中間電離室及膠片測(cè)量用插板各1塊，配套專用固定架。病人擺位系統(tǒng)（patient positioning system,PPS）校準(zhǔn)中心點(diǎn)測(cè)量專用支架，適用于膠片對(duì)X-Z平面和Y-Z平面上PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)與焦點(diǎn)（radiological focus point,RFP）重合性的測(cè)量，如圖2所示。美國Ashlan公司FilmQA膠片專業(yè)分析軟件，及Gafchromic EBT3-0810自顯影膠片，使用計(jì)劃驗(yàn)證相同批次膠片及劑量刻度文件[5-6]。日本Epson公司12000XL大幅面A3影像平板掃描儀，彩色6線矩陣型CCD，輸出分辨率50～6 400 dpi，色彩位數(shù)48 bit，用于數(shù)字化掃描EBT3膠片。水銀玻璃棒溫度計(jì)，測(cè)量范圍0～50 ℃，示度最小分度值0.1 ℃；DYM3空盒氣壓表，測(cè)量范圍810～1 050 hPa，示度最小分度值1 hPa。瑞典Elekta公司Leksell Gamma Plan（LGP）治療計(jì)劃系統(tǒng)（Version 10.2.1），用于模擬計(jì)算焦斑尺寸及半影大小。所有計(jì)量工具均在江蘇省計(jì)量院進(jìn)行檢定，且均在使用期限內(nèi)。

圖2 PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)測(cè)量專用支架Fig.2 Measuring special support for PPS calibration center point

2 驗(yàn)收項(xiàng)目

伽瑪?shù)厄?yàn)收包括功能性檢查、機(jī)械到位精度測(cè)試、焦斑劑量學(xué)參數(shù)等3類項(xiàng)目。其中，功能性檢查包括：安全連鎖（safety interlocks）、射束狀態(tài)指示（status indicator）、視聽監(jiān)控（audio-visual monitor）、計(jì)時(shí)精度（timer accuracy）及張貼緊急情況處理流程（emergency processes）和急停按鈕測(cè)試等。機(jī)械到位精度和焦斑劑量學(xué)參數(shù)的項(xiàng)目驗(yàn)收為定量檢測(cè)，前者包括扇區(qū)定位測(cè)試、定位參考點(diǎn)到位精度測(cè)試、多靶點(diǎn)位置精度測(cè)試和計(jì)劃間隙檢查等，后者包括焦點(diǎn)劑量率實(shí)測(cè)、照射野尺寸及半影寬度測(cè)試、時(shí)間劑量穩(wěn)定性及線性和準(zhǔn)直器輸出因子檢測(cè)等。

3 驗(yàn)收方法

3.1 焦點(diǎn)劑量率測(cè)定

選擇PTW 31010電離室插板組裝球模，并通過配套專用支架將球模固定在治療床上。將與球模插板適配的插入PTW 0.015 cm3電離室測(cè)量孔，確保電離室測(cè)量體積的幾何中心位于球模中心處。連接參考級(jí)劑量?jī)x，進(jìn)入伽瑪?shù)毒S修模式，使模體中心與焦斑中心處于同一位置，所有扇區(qū)選擇16 mm準(zhǔn)直器對(duì)球模進(jìn)行照射。照射20 min后開始測(cè)量，為避免192個(gè)鈷源在不同位置切換時(shí)對(duì)模體的微量照射，劑量?jī)x選擇計(jì)時(shí)測(cè)量模式。每次測(cè)量累計(jì)1 min，重復(fù)測(cè)量5次取平均值，根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency,IAEA）發(fā)布的398號(hào)報(bào)告，利用公式Dw=M●ND,w●kQ，M=Mraw●PTP●Pion●Pelec●Ppol，將劑量?jī)x收集到的電荷轉(zhuǎn)換為球模中心處的水吸收劑量。其中，ND,w為水吸收劑量校準(zhǔn)因子，kQ為射線質(zhì)修正因子，PTP為溫度、氣壓修正因子，Pion為復(fù)合效應(yīng)修正因子，Pelec為靜電計(jì)校準(zhǔn)因子，Ppol為極化效應(yīng)修正因子。

3.2 焦斑尺寸及半影大小

準(zhǔn)備6張EBT3自顯影膠片，按膠片插板尺寸要求裁剪備用。將裝有膠片的插板暗盒插入球模內(nèi)，組裝完成后通過專用支架將球模固定到PPS上。旋轉(zhuǎn)球模分別使膠片處于X-Z平面和X-Y平面，進(jìn)入維修模式，將球模中心移動(dòng)至RFP位置，所有扇區(qū)依次選用4 mm、8 mm、16 mm準(zhǔn)直器進(jìn)行照射，設(shè)定照射時(shí)間1 min。記錄膠片的坐標(biāo)方向，利用平板掃描儀對(duì)膠片進(jìn)行透射掃描，圖像輸出分辨率選擇72 dpi，動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置為48 bit（每個(gè)通道16 bit），專業(yè)模式下采集并保存為tiff文件。借助膠片劑量刻度曲線，通過膠片分析軟件將測(cè)得的每個(gè)焦斑的光強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為劑量分布。以焦斑中心作為歸一點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)沿X、Y和Z方向過焦斑中心的50%劑量水平的半高全寬（full width half maximun,FWHM）距離和兩側(cè)80%～20%劑量水平的平均距離。前者即為焦斑尺寸，后者即為半影（Pebumbra）大小，以存儲(chǔ)在LGP中的TMR-10數(shù)據(jù)，即相同機(jī)械和物理?xiàng)l件下通過蒙特卡羅算法模擬出的劑量分布結(jié)果作為對(duì)照[7-8]。

3.3 RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)一致性

戴棉手套裁剪EBT3免沖洗膠片，使其與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)測(cè)量專用支架適配。將裁剪好的膠片裝入膠片支架并固定，支架內(nèi)的尖銳針尖會(huì)刺穿膠片。當(dāng)專用膠片支架被固定到PPS時(shí)，支架中的針尖與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)恰好完全重合。運(yùn)行系統(tǒng)自帶焦點(diǎn)測(cè)量程序，使PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)與RFP處于空間同一位置，所有扇區(qū)調(diào)用直徑4 mm準(zhǔn)直器照射1 min約300 cGy。依次重復(fù)曝光6次得到6張膠片，記錄膠片的坐標(biāo)方向，其中3張膠片代表X-Z平面，另外3張膠片繞Z軸旋轉(zhuǎn)90o，代表Y-Z平面。利用膠片掃描儀對(duì)6張膠片進(jìn)行透射掃描，圖像輸出分辨率選擇400 dpi。通過膠片分析軟件分析過針尖孔位置的光強(qiáng)度分布，以針尖孔為原點(diǎn)利用FWHM計(jì)算RFP中心的不對(duì)稱性。將X、Y、Z等3個(gè)方向的測(cè)量值求平均，利用公式，得出RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)的空間位置偏差。其中，dX、dY、dZ分別為RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)在X軸、Y軸、Z軸上的平均位置偏差。

3.4 多靶點(diǎn)位置精度

利用治療計(jì)劃系統(tǒng)，在球模中心點(diǎn)X-Z平面或X-Y平面創(chuàng)建一個(gè)由4mm準(zhǔn)直器形成的六靶點(diǎn)治療計(jì)劃。以X-Z平面為例，六個(gè)靶點(diǎn)的坐標(biāo)信息分別是：S1（100,100,100），S2（70,100,70），S3（70,100,130），S4（130,100,130），S5（130,100,70）和S6（115,100,115）。將裝有EBT3膠片的暗盒插入球模內(nèi)，組裝完成后通過支架將球模固定到PPS上，伽瑪角選擇90o。旋轉(zhuǎn)球模使膠片處于X-Z平面，進(jìn)入治療模式，執(zhí)行預(yù)先設(shè)計(jì)好的治療計(jì)劃，在每個(gè)靶點(diǎn)處照射1 min。記錄膠片的坐標(biāo)方向，使用平板掃描儀掃描膠片，利用膠片分析軟件找出每個(gè)靶點(diǎn)的幾何中心，并測(cè)量其中6個(gè)靶點(diǎn)間4條連線間的距離，與對(duì)應(yīng)參考值進(jìn)行比較。其中，PFX型伽瑪?shù)兜慕裹c(diǎn)位置坐標(biāo)是（100,100,100）。

4 驗(yàn)收結(jié)果及臨床價(jià)值

4.1 焦點(diǎn)劑量率

經(jīng)查表、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算，ND,w=2.936×108Gy/C，kQ=1.000，PTP=1.026，Pion=1.000，Pelec=0.998，Ppol=0.992。2019年4月29日，在上述條件下測(cè)量的16 mm準(zhǔn)直器焦點(diǎn)平均劑量率為3.295 Gy/min。焦點(diǎn)劑量率的高低對(duì)伽瑪?shù)兜闹委煏r(shí)間直接相關(guān)，劑量率越高，相同條件下的治療時(shí)間越短，并有助于提升放射治療的生物學(xué)效果，對(duì)提高腫瘤局部控制率和降低患者不適感均有幫助。

4.2 焦斑尺寸及半影大小

三種準(zhǔn)直器在X-Z平面和X-Y平面各曝光1次，得到6張膠片。存儲(chǔ)在治療計(jì)劃系統(tǒng)LGP中的TMR-10數(shù)據(jù)，及通過EBT3膠片測(cè)量計(jì)算得到的三種尺寸準(zhǔn)直器的焦斑劑量學(xué)數(shù)據(jù)如表1所示。通過表1可見，LGP存儲(chǔ)的三種準(zhǔn)直器的焦斑參數(shù)在X和Y方向是一致的，焦斑尺寸和半影大小均是Z方向最小，且Z方向半影基本不隨準(zhǔn)直器尺寸的變化而變化，16 mm準(zhǔn)直器Z方向半影僅為2.55 mm。EBT3膠片測(cè)量的與LGP存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)基本一致，F(xiàn)WHM相差0.18±0.13 mm，半影相差0.15±0.25 mm。

表1 3種尺寸準(zhǔn)直器焦斑尺寸及半影大小Tab.1 Focal spot size and penumbra size of three sizes collimator

為在靶區(qū)周圍獲得更好的劑量梯度，最大程度地保護(hù)正常組織器官，放療設(shè)備的射野半影越小越好。常規(guī)情況下，加速器多葉準(zhǔn)直器的半影大于6.5 mm，而本臺(tái)伽瑪?shù)兜陌胗靶∮? mm，為劑量銳減形成刀割一樣的邊緣劑量奠定了物理基礎(chǔ)。

4.3 RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)一致性

將4 mm準(zhǔn)直器曝光后獲得的3張X-Z平面的膠片經(jīng)數(shù)字化掃描和專業(yè)分析軟件解讀后，在X方向的焦斑光強(qiáng)度分布如圖3所示。

圖3 X方向4 mm準(zhǔn)直器焦斑光強(qiáng)度分布圖Fig.3 Distribution of focal spot intensity of 4 mm collimator in X direction

由圖3可見，以針尖孔PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)為原點(diǎn)，焦斑50%劑量水平FWHM的數(shù)值分別為3.30 mm Vs.3.58 mm、3.55 mm Vs.3.61 mm和3.21 mm Vs.3.13 mm，進(jìn)而可計(jì)算出X方向焦斑幾何中心RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)的位置偏差分別為：0.14 mm、0.026 mm和-0.044 mm。以此類推，Y方向有3張膠片可進(jìn)行分析，Z方向有6張膠片可分析，具體位置偏差如表2所示。根據(jù)3個(gè)方向的位置偏差均值，利用公式：可得RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)在三維空間的位置偏差為0.24 mm。

表2 RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)的位置偏差Tab.2 Position deviation between RFP and calibration center point of PPS

機(jī)械精度是立體定向放療能否取得滿意療效的一個(gè)重要的硬性指標(biāo)，而RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)的一致性是衡量伽瑪?shù)稒C(jī)械精度的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，有且僅有頭部伽瑪?shù)兜臋C(jī)械精度可以達(dá)到小于0.5 mm的等級(jí)，這使得伽瑪?shù)吨委熒窠?jīng)類疾病成為可能。

4.4 多靶點(diǎn)位置精度

6個(gè)4 mm準(zhǔn)直器靶點(diǎn)在X-Z平面曝光后的EBT3膠片如圖4所示。理想情況下，ab兩點(diǎn)、bc兩點(diǎn)、cd兩點(diǎn)及ef兩點(diǎn)的距離分別為60 mm、60 mm、21.2 mm和42.4 mm。本次驗(yàn)收測(cè)試對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)距離分別為：60.16 mm、59.97 mm、21.25mm和42.36mm，距離偏差分別為0.16 mm、0.03 mm、0.05 mm和0.04 mm。

圖4 4 mm準(zhǔn)直器X-Z平面六靶點(diǎn)曝光圖Fig.4 Six targets exposure of 4 mm collimator in X-Z plane

一般而言，腫瘤的形狀基本都不規(guī)則，因此，伽瑪?shù)杜R床治療時(shí)經(jīng)常會(huì)用到多靶點(diǎn)技術(shù)。多靶點(diǎn)位置精度反映了實(shí)際治療過程中計(jì)劃靶點(diǎn)位置與實(shí)際照射靶點(diǎn)中心的位置偏差，是衡量伽瑪?shù)稒C(jī)械運(yùn)動(dòng)精度的核心指標(biāo)，能夠?yàn)樵u(píng)價(jià)治療效果提供直接證據(jù)。

5 討論

近年來，隨著立體定向放射外科（stereotactic radiosurgery,SRS）技術(shù)的不斷進(jìn)步，伽瑪?shù)吨委熞殉蔀槟X腫瘤或功能障礙患者的主要選擇[9]。PFX伽瑪?shù)锻ㄟ^技術(shù)創(chuàng)新，不再需要費(fèi)時(shí)的手動(dòng)安裝準(zhǔn)直器頭盔，從而增加了焦點(diǎn)到內(nèi)表面的距離，再加上輻射腔呈近似圓柱體形狀，使得固定框架或病人頭部與準(zhǔn)直器組件內(nèi)表面之間發(fā)生機(jī)械碰撞的概率大大降低。與此同時(shí)，因多數(shù)輻射源的SFD變小，根據(jù)距離平方反比定律，易知對(duì)于給定活度的放射源會(huì)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生更高的輻射劑量率。這些技術(shù)革新，簡(jiǎn)化了PFX伽瑪?shù)兜墓ぷ髁鞒?，極大程度地提高了計(jì)劃執(zhí)行效率[10]。

鑒于立體定向放療的劑量學(xué)特點(diǎn)，精確定位和準(zhǔn)確走位是伽瑪?shù)吨委煶晒εc否的關(guān)鍵。能否精確地把輻射劑量投照到預(yù)先設(shè)定的立體定向框架內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)上是反映伽瑪?shù)吨委熛到y(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[11]。本次驗(yàn)收測(cè)試對(duì)PFX伽瑪?shù)兜慕裹c(diǎn)劑量率、焦斑尺寸及半影大小、RFP與PPS校準(zhǔn)中心點(diǎn)一致性和多靶點(diǎn)位置精度等四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了具體測(cè)量。假設(shè)幾何和放射物理?xiàng)l件相同，可通過比較焦斑周圍體積中的測(cè)量劑量分布圖與蒙特卡羅算法模擬計(jì)算出的劑量分布圖來確定治療精度。由于模擬計(jì)算是在理想的放射物理和幾何條件下進(jìn)行的，因此將計(jì)算結(jié)果視為參考[12]。理想情況下，由伽瑪?shù)稖?zhǔn)直系統(tǒng)所形成的焦點(diǎn)（RFP）與PPS的校準(zhǔn)中心點(diǎn)是完全重合的。

驗(yàn)收測(cè)試作為設(shè)備質(zhì)量保證的基礎(chǔ)，其每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目都非常必要且重要，任一項(xiàng)目的指標(biāo)參數(shù)超出容差范圍都會(huì)致使患者的治療效果大打折扣[13-14]。根據(jù)WS 582-2017報(bào)告對(duì)γ射線立體定向放射治療系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試的技術(shù)要求，頭部伽瑪?shù)蹲畲鬁?zhǔn)直器焦點(diǎn)劑量率≥2.5 Gy/min，各準(zhǔn)直器焦斑尺寸偏差≤1 mm，最小準(zhǔn)直器定位參考點(diǎn)與RFP的距離偏差≤0.5 mm。本次驗(yàn)收結(jié)果顯示PFX伽瑪?shù)督拱叱叽缇龋?.5 mm，到位精度＜0.3 mm，多靶點(diǎn)精度＜0.2 mm，最大準(zhǔn)直器焦點(diǎn)劑量率＞3.0 Gy/min。因此，本臺(tái)PFX型伽瑪?shù)兜母黜?xiàng)物理性能指標(biāo)符合且優(yōu)于國家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。