Perfexion型伽玛刀物理性能的验收测试

李金凯，顾霄寰，曹远东，李锦东，陈群，孙新臣

江苏省人民医院 南京医科大学第一附属医院 放疗科，南京市，210029

0 引言

Perfexion（PFX）型伽玛刀是一种完全重新设计的放射外科设备，与以往的Leksell伽玛刀有着本质的不同[1-2]。以前的B型、C型伽玛刀的辐射单元由201个钴60放射源组成，被固定在截断的半球形表面，所有源到焦点的距离（source to focus distance,SFD）均为400 mm。而PFX伽玛刀（见图1），192个钴60源以锥形截面平均分布在由5个环组成的8个扇区上，每个环的SFD从374 mm到433 mm不等。每个扇区可以沿着圆锥形表面独立移动，以便于将钴源与三个可用的准直通道（分别为4 mm、8 mm和16 mm）中的任何一个对准。准直通道总共有576个，每种尺寸的准直通道为192个，均在120 mm厚的钨制锥形屏蔽块上[3]。PFX型伽玛刀钴源有五个可能的位置：4 mm准直器、8 mm准直器、16 mm准直器、扇区关闭和原点。原点是机器关闭、空闲或启动紧急停止时钴源所占据的位置，距离准直器最远。虽然“扇区关闭”和“原点”都是射束被阻挡的位置，但在“扇区关闭”位，钴源位于4 mm和8 mm准直器之间，距离准直器更近，到达任何打开光束的位置时间更短。当单个扇区被阻断时，或病人在立体定向坐标间移动时，“扇区关闭”位的设立会大幅度降低患者受到的照射剂量。

图1 PFX型伽玛刀辐射准直系统Fig.1 Radiation collimation system of PFX Gamma knife

伽玛刀验收测试是设备质量保证和质量控制的基础，其验收测试结果将成为后续设备常规日检、月检、年检的重要参考[4]。鉴于硬件组成的升级换代，新一代立体定向放射外科系统PFX型伽玛刀的验收测试项目与以往的Leksell伽玛刀有所不同。我院于2018年底引入了瑞典Elekta公司的第六代PFX型伽玛刀，作为全国首台落户放射治疗科的进口头部伽玛刀，为保证设备运转符合临床使用要求，我们参照国家卫生行业标准WS 582-2017《X、γ射线立体定向放射治疗系统质量控制检测规范》及厂家验收手册，对PFX型伽玛刀射束的机械精度和剂量学参数进行了物理性能的验收测试，现将部分验收项目介绍如下。

1 验收工具

德国PTW公司UNIDOS Webline剂量仪及TW31010空气电离室，用于焦点剂量率测量。设备自带直径160 mm球形模体，聚苯乙烯材质，中间电离室及胶片测量用插板各1块，配套专用固定架。病人摆位系统（patient positioning system,PPS）校准中心点测量专用支架，适用于胶片对X-Z平面和Y-Z平面上PPS校准中心点与焦点（radiological focus point,RFP）重合性的测量，如图2所示。美国Ashlan公司FilmQA胶片专业分析软件，及Gafchromic EBT3-0810自显影胶片，使用计划验证相同批次胶片及剂量刻度文件[5-6]。日本Epson公司12000XL大幅面A3影像平板扫描仪，彩色6线矩阵型CCD，输出分辨率50～6 400 dpi，色彩位数48 bit，用于数字化扫描EBT3胶片。水银玻璃棒温度计，测量范围0～50 ℃，示度最小分度值0.1 ℃；DYM3空盒气压表，测量范围810～1 050 hPa，示度最小分度值1 hPa。瑞典Elekta公司Leksell Gamma Plan（LGP）治疗计划系统（Version 10.2.1），用于模拟计算焦斑尺寸及半影大小。所有计量工具均在江苏省计量院进行检定，且均在使用期限内。

图2 PPS校准中心点测量专用支架Fig.2 Measuring special support for PPS calibration center point

2 验收项目

伽玛刀验收包括功能性检查、机械到位精度测试、焦斑剂量学参数等3类项目。其中，功能性检查包括：安全连锁（safety interlocks）、射束状态指示（status indicator）、视听监控（audio-visual monitor）、计时精度（timer accuracy）及张贴紧急情况处理流程（emergency processes）和急停按钮测试等。机械到位精度和焦斑剂量学参数的项目验收为定量检测，前者包括扇区定位测试、定位参考点到位精度测试、多靶点位置精度测试和计划间隙检查等，后者包括焦点剂量率实测、照射野尺寸及半影宽度测试、时间剂量稳定性及线性和准直器输出因子检测等。

3 验收方法

3.1 焦点剂量率测定

选择PTW 31010电离室插板组装球模，并通过配套专用支架将球模固定在治疗床上。将与球模插板适配的插入PTW 0.015 cm3电离室测量孔，确保电离室测量体积的几何中心位于球模中心处。连接参考级剂量仪，进入伽玛刀维修模式，使模体中心与焦斑中心处于同一位置，所有扇区选择16 mm准直器对球模进行照射。照射20 min后开始测量，为避免192个钴源在不同位置切换时对模体的微量照射，剂量仪选择计时测量模式。每次测量累计1 min，重复测量5次取平均值，根据国际原子能机构（International Atomic Energy Agency,IAEA）发布的398号报告，利用公式Dw=M●ND,w●kQ，M=Mraw●PTP●Pion●Pelec●Ppol，将剂量仪收集到的电荷转换为球模中心处的水吸收剂量。其中，ND,w为水吸收剂量校准因子，kQ为射线质修正因子，PTP为温度、气压修正因子，Pion为复合效应修正因子，Pelec为静电计校准因子，Ppol为极化效应修正因子。

3.2 焦斑尺寸及半影大小

准备6张EBT3自显影胶片，按胶片插板尺寸要求裁剪备用。将装有胶片的插板暗盒插入球模内，组装完成后通过专用支架将球模固定到PPS上。旋转球模分别使胶片处于X-Z平面和X-Y平面，进入维修模式，将球模中心移动至RFP位置，所有扇区依次选用4 mm、8 mm、16 mm准直器进行照射，设定照射时间1 min。记录胶片的坐标方向，利用平板扫描仪对胶片进行透射扫描，图像输出分辨率选择72 dpi，动态范围设置为48 bit（每个通道16 bit），专业模式下采集并保存为tiff文件。借助胶片剂量刻度曲线，通过胶片分析软件将测得的每个焦斑的光强度分布转换为剂量分布。以焦斑中心作为归一点，分别统计沿X、Y和Z方向过焦斑中心的50%剂量水平的半高全宽（full width half maximun,FWHM）距离和两侧80%～20%剂量水平的平均距离。前者即为焦斑尺寸，后者即为半影（Pebumbra）大小，以存储在LGP中的TMR-10数据，即相同机械和物理条件下通过蒙特卡罗算法模拟出的剂量分布结果作为对照[7-8]。

3.3 RFP与PPS校准中心点一致性

戴棉手套裁剪EBT3免冲洗胶片，使其与PPS校准中心点测量专用支架适配。将裁剪好的胶片装入胶片支架并固定，支架内的尖锐针尖会刺穿胶片。当专用胶片支架被固定到PPS时，支架中的针尖与PPS校准中心点恰好完全重合。运行系统自带焦点测量程序，使PPS校准中心点与RFP处于空间同一位置，所有扇区调用直径4 mm准直器照射1 min约300 cGy。依次重复曝光6次得到6张胶片，记录胶片的坐标方向，其中3张胶片代表X-Z平面，另外3张胶片绕Z轴旋转90o，代表Y-Z平面。利用胶片扫描仪对6张胶片进行透射扫描，图像输出分辨率选择400 dpi。通过胶片分析软件分析过针尖孔位置的光强度分布，以针尖孔为原点利用FWHM计算RFP中心的不对称性。将X、Y、Z等3个方向的测量值求平均，利用公式，得出RFP与PPS校准中心点的空间位置偏差。其中，dX、dY、dZ分别为RFP与PPS校准中心点在X轴、Y轴、Z轴上的平均位置偏差。

3.4 多靶点位置精度

利用治疗计划系统，在球模中心点X-Z平面或X-Y平面创建一个由4mm准直器形成的六靶点治疗计划。以X-Z平面为例，六个靶点的坐标信息分别是：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）。将装有EBT3胶片的暗盒插入球模内，组装完成后通过支架将球模固定到PPS上，伽玛角选择90o。旋转球模使胶片处于X-Z平面，进入治疗模式，执行预先设计好的治疗计划，在每个靶点处照射1 min。记录胶片的坐标方向，使用平板扫描仪扫描胶片，利用胶片分析软件找出每个靶点的几何中心，并测量其中6个靶点间4条连线间的距离，与对应参考值进行比较。其中，PFX型伽玛刀的焦点位置坐标是（100,100,100）。

4 验收结果及临床价值

4.1 焦点剂量率

经查表、现场测量和计算，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，在上述条件下测量的16 mm准直器焦点平均剂量率为3.295 Gy/min。焦点剂量率的高低对伽玛刀的治疗时间直接相关，剂量率越高，相同条件下的治疗时间越短，并有助于提升放射治疗的生物学效果，对提高肿瘤局部控制率和降低患者不适感均有帮助。

4.2 焦斑尺寸及半影大小

三种准直器在X-Z平面和X-Y平面各曝光1次，得到6张胶片。存储在治疗计划系统LGP中的TMR-10数据，及通过EBT3胶片测量计算得到的三种尺寸准直器的焦斑剂量学数据如表1所示。通过表1可见，LGP存储的三种准直器的焦斑参数在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方向半影基本不随准直器尺寸的变化而变化，16 mm准直器Z方向半影仅为2.55 mm。EBT3胶片测量的与LGP存储的数据基本一致，FWHM相差0.18±0.13 mm，半影相差0.15±0.25 mm。

表1 3种尺寸准直器焦斑尺寸及半影大小Tab.1 Focal spot size and penumbra size of three sizes collimator

为在靶区周围获得更好的剂量梯度，最大程度地保护正常组织器官，放疗设备的射野半影越小越好。常规情况下，加速器多叶准直器的半影大于6.5 mm，而本台伽玛刀的半影小于3 mm，为剂量锐减形成刀割一样的边缘剂量奠定了物理基础。

4.3 RFP与PPS校准中心点一致性

将4 mm准直器曝光后获得的3张X-Z平面的胶片经数字化扫描和专业分析软件解读后，在X方向的焦斑光强度分布如图3所示。

图3 X方向4 mm准直器焦斑光强度分布图Fig.3 Distribution of focal spot intensity of 4 mm collimator in X direction

由图3可见，以针尖孔PPS校准中心点为原点，焦斑50%剂量水平FWHM的数值分别为3.30 mm Vs.3.58 mm、3.55 mm Vs.3.61 mm和3.21 mm Vs.3.13 mm，进而可计算出X方向焦斑几何中心RFP与PPS校准中心点的位置偏差分别为：0.14 mm、0.026 mm和-0.044 mm。以此类推，Y方向有3张胶片可进行分析，Z方向有6张胶片可分析，具体位置偏差如表2所示。根据3个方向的位置偏差均值，利用公式：可得RFP与PPS校准中心点在三维空间的位置偏差为0.24 mm。

表2 RFP与PPS校准中心点的位置偏差Tab.2 Position deviation between RFP and calibration center point of PPS

机械精度是立体定向放疗能否取得满意疗效的一个重要的硬性指标，而RFP与PPS校准中心点的一致性是衡量伽玛刀机械精度的关键指标。目前，有且仅有头部伽玛刀的机械精度可以达到小于0.5 mm的等级，这使得伽玛刀治疗神经类疾病成为可能。

4.4 多靶点位置精度

6个4 mm准直器靶点在X-Z平面曝光后的EBT3胶片如图4所示。理想情况下，ab两点、bc两点、cd两点及ef两点的距离分别为60 mm、60 mm、21.2 mm和42.4 mm。本次验收测试对应的实测距离分别为：60.16 mm、59.97 mm、21.25mm和42.36mm，距离偏差分别为0.16 mm、0.03 mm、0.05 mm和0.04 mm。

图4 4 mm准直器X-Z平面六靶点曝光图Fig.4 Six targets exposure of 4 mm collimator in X-Z plane

一般而言，肿瘤的形状基本都不规则，因此，伽玛刀临床治疗时经常会用到多靶点技术。多靶点位置精度反映了实际治疗过程中计划靶点位置与实际照射靶点中心的位置偏差，是衡量伽玛刀机械运动精度的核心指标，能够为评价治疗效果提供直接证据。

5 讨论

近年来，随着立体定向放射外科（stereotactic radiosurgery,SRS）技术的不断进步，伽玛刀治疗已成为脑肿瘤或功能障碍患者的主要选择[9]。PFX伽玛刀通过技术创新，不再需要费时的手动安装准直器头盔，从而增加了焦点到内表面的距离，再加上辐射腔呈近似圆柱体形状，使得固定框架或病人头部与准直器组件内表面之间发生机械碰撞的概率大大降低。与此同时，因多数辐射源的SFD变小，根据距离平方反比定律，易知对于给定活度的放射源会在焦点处产生更高的辐射剂量率。这些技术革新，简化了PFX伽玛刀的工作流程，极大程度地提高了计划执行效率[10]。

鉴于立体定向放疗的剂量学特点，精确定位和准确走位是伽玛刀治疗成功与否的关键。能否精确地把辐射剂量投照到预先设定的立体定向框架内的坐标点上是反映伽玛刀治疗系统优劣的重要指标[11]。本次验收测试对PFX伽玛刀的焦点剂量率、焦斑尺寸及半影大小、RFP与PPS校准中心点一致性和多靶点位置精度等四个关键指标进行了具体测量。假设几何和放射物理条件相同，可通过比较焦斑周围体积中的测量剂量分布图与蒙特卡罗算法模拟计算出的剂量分布图来确定治疗精度。由于模拟计算是在理想的放射物理和几何条件下进行的，因此将计算结果视为参考[12]。理想情况下，由伽玛刀准直系统所形成的焦点（RFP）与PPS的校准中心点是完全重合的。

验收测试作为设备质量保证的基础，其每个测试项目都非常必要且重要，任一项目的指标参数超出容差范围都会致使患者的治疗效果大打折扣[13-14]。根据WS 582-2017报告对γ射线立体定向放射治疗系统验收测试的技术要求，头部伽玛刀最大准直器焦点剂量率≥2.5 Gy/min，各准直器焦斑尺寸偏差≤1 mm，最小准直器定位参考点与RFP的距离偏差≤0.5 mm。本次验收结果显示PFX伽玛刀焦斑尺寸精度＜0.5 mm，到位精度＜0.3 mm，多靶点精度＜0.2 mm，最大准直器焦点剂量率＞3.0 Gy/min。因此，本台PFX型伽玛刀的各项物理性能指标符合且优于国家验收标准。