Perfexion型伽瑪刀物理性能的驗收測試

李金凱，顧霄寰，曹遠東，李錦東，陳群，孫新臣

江蘇省人民醫院 南京醫科大學第一附屬醫院 放療科，南京市，210029

0 引言

Perfexion（PFX）型伽瑪刀是一種完全重新設計的放射外科設備，與以往的Leksell伽瑪刀有著本質的不同[1-2]。以前的B型、C型伽瑪刀的輻射單元由201個鈷60放射源組成，被固定在截斷的半球形表面，所有源到焦點的距離（source to focus distance,SFD）均為400 mm。而PFX伽瑪刀（見圖1），192個鈷60源以錐形截面平均分布在由5個環組成的8個扇區上，每個環的SFD從374 mm到433 mm不等。每個扇區可以沿著圓錐形表面獨立移動，以便于將鈷源與三個可用的準直通道（分別為4 mm、8 mm和16 mm）中的任何一個對準。準直通道總共有576個，每種尺寸的準直通道為192個，均在120 mm厚的鎢制錐形屏蔽塊上[3]。PFX型伽瑪刀鈷源有五個可能的位置：4 mm準直器、8 mm準直器、16 mm準直器、扇區關閉和原點。原點是機器關閉、空閑或啟動緊急停止時鈷源所占據的位置，距離準直器最遠。雖然“扇區關閉”和“原點”都是射束被阻擋的位置，但在“扇區關閉”位，鈷源位于4 mm和8 mm準直器之間，距離準直器更近，到達任何打開光束的位置時間更短。當單個扇區被阻斷時，或病人在立體定向坐標間移動時，“扇區關閉”位的設立會大幅度降低患者受到的照射劑量。

圖1 PFX型伽瑪刀輻射準直系統Fig.1 Radiation collimation system of PFX Gamma knife

伽瑪刀驗收測試是設備質量保證和質量控制的基礎，其驗收測試結果將成為后續設備常規日檢、月檢、年檢的重要參考[4]。鑒于硬件組成的升級換代，新一代立體定向放射外科系統PFX型伽瑪刀的驗收測試項目與以往的Leksell伽瑪刀有所不同。我院于2018年底引入了瑞典Elekta公司的第六代PFX型伽瑪刀，作為全國首臺落戶放射治療科的進口頭部伽瑪刀，為保證設備運轉符合臨床使用要求，我們參照國家衛生行業標準WS 582-2017《X、γ射線立體定向放射治療系統質量控制檢測規范》及廠家驗收手冊，對PFX型伽瑪刀射束的機械精度和劑量學參數進行了物理性能的驗收測試，現將部分驗收項目介紹如下。

1 驗收工具

德國PTW公司UNIDOS Webline劑量儀及TW31010空氣電離室，用于焦點劑量率測量。設備自帶直徑160 mm球形模體，聚苯乙烯材質，中間電離室及膠片測量用插板各1塊，配套專用固定架。病人擺位系統（patient positioning system,PPS）校準中心點測量專用支架，適用于膠片對X-Z平面和Y-Z平面上PPS校準中心點與焦點（radiological focus point,RFP）重合性的測量，如圖2所示。美國Ashlan公司FilmQA膠片專業分析軟件，及Gafchromic EBT3-0810自顯影膠片，使用計劃驗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48 bit，用于數字化掃描EBT3膠片。水銀玻璃棒溫度計，測量范圍0～50 ℃，示度最小分度值0.1 ℃；DYM3空盒氣壓表，測量范圍810～1 050 hPa，示度最小分度值1 hPa。瑞典Elekta公司Leksell Gamma Plan（LGP）治療計劃系統（Version 10.2.1），用于模擬計算焦斑尺寸及半影大小。所有計量工具均在江蘇省計量院進行檢定，且均在使用期限內。

圖2 PPS校準中心點測量專用支架Fig.2 Measuring special support for PPS calibration center point

2 驗收項目

伽瑪刀驗收包括功能性檢查、機械到位精度測試、焦斑劑量學參數等3類項目。其中，功能性檢查包括：安全連鎖（safety interlocks）、射束狀態指示（status indicator）、視聽監控（audio-visual monitor）、計時精度（timer accuracy）及張貼緊急情況處理流程（emergency processes）和急停按鈕測試等。機械到位精度和焦斑劑量學參數的項目驗收為定量檢測，前者包括扇區定位測試、定位參考點到位精度測試、多靶點位置精度測試和計劃間隙檢查等，后者包括焦點劑量率實測、照射野尺寸及半影寬度測試、時間劑量穩定性及線性和準直器輸出因子檢測等。

3 驗收方法

3.1 焦點劑量率測定

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電離室測量孔，確保電離室測量體積的幾何中心位于球模中心處。連接參考級劑量儀，進入伽瑪刀維修模式，使模體中心與焦斑中心處于同一位置，所有扇區選擇16 mm準直器對球模進行照射。照射20 min后開始測量，為避免192個鈷源在不同位置切換時對模體的微量照射，劑量儀選擇計時測量模式。每次測量累計1 min，重復測量5次取平均值，根據國際原子能機構（International Atomic Energy Agency,IAEA）發布的398號報告，利用公式Dw=M●ND,w●kQ，M=Mraw●PTP●Pion●Pelec●Ppol，將劑量儀收集到的電荷轉換為球模中心處的水吸收劑量。其中，ND,w為水吸收劑量校準因子，kQ為射線質修正因子，PTP為溫度、氣壓修正因子，Pion為復合效應修正因子，Pelec為靜電計校準因子，Ppol為極化效應修正因子。

3.2 焦斑尺寸及半影大小

準備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，組裝完成后通過專用支架將球模固定到PPS上。旋轉球模分別使膠片處于X-Z平面和X-Y平面，進入維修模式，將球模中心移動至RFP位置，所有扇區依次選用4 mm、8 mm、16 mm準直器進行照射，設定照射時間1 min。記錄膠片的坐標方向，利用平板掃描儀對膠片進行透射掃描，圖像輸出分辨率選擇72 dpi，動態范圍設置為48 bit（每個通道16 bit），專業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得的每個焦斑的光強度分布轉換為劑量分布。以焦斑中心作為歸一點，分別統計沿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，以存儲在LGP中的TMR-10數據，即相同機械和物理條件下通過蒙特卡羅算法模擬出的劑量分布結果作為對照[7-8]。

3.3 RFP與PPS校準中心點一致性

戴棉手套裁剪EBT3免沖洗膠片，使其與PPS校準中心點測量專用支架適配。將裁剪好的膠片裝入膠片支架并固定，支架內的尖銳針尖會刺穿膠片。當專用膠片支架被固定到PPS時，支架中的針尖與PPS校準中心點恰好完全重合。運行系統自帶焦點測量程序，使PPS校準中心點與RFP處于空間同一位置，所有扇區調用直徑4 mm準直器照射1 min約300 cGy。依次重復曝光6次得到6張膠片，記錄膠片的坐標方向，其中3張膠片代表X-Z平面，另外3張膠片繞Z軸旋轉90o，代表Y-Z平面。利用膠片掃描儀對6張膠片進行透射掃描，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度分布，以針尖孔為原點利用FWHM計算RFP中心的不對稱性。將X、Y、Z等3個方向的測量值求平均，利用公式，得出RFP與PPS校準中心點的空間位置偏差。其中，dX、dY、dZ分別為RFP與PPS校準中心點在X軸、Y軸、Z軸上的平均位置偏差。

3.4 多靶點位置精度

利用治療計劃系統，在球模中心點X-Z平面或X-Y平面創建一個由4mm準直器形成的六靶點治療計劃。以X-Z平面為例，六個靶點的坐標信息分別是：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，組裝完成后通過支架將球模固定到PPS上，伽瑪角選擇90o。旋轉球模使膠片處于X-Z平面，進入治療模式，執行預先設計好的治療計劃，在每個靶點處照射1 min。記錄膠片的坐標方向，使用平板掃描儀掃描膠片，利用膠片分析軟件找出每個靶點的幾何中心，并測量其中6個靶點間4條連線間的距離，與對應參考值進行比較。其中，PFX型伽瑪刀的焦點位置坐標是（100,100,100）。

4 驗收結果及臨床價值

4.1 焦點劑量率

經查表、現場測量和計算，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，在上述條件下測量的16 mm準直器焦點平均劑量率為3.295 Gy/min。焦點劑量率的高低對伽瑪刀的治療時間直接相關，劑量率越高，相同條件下的治療時間越短，并有助于提升放射治療的生物學效果，對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。存儲在治療計劃系統LGP中的TMR-10數據，及通過EBT3膠片測量計算得到的三種尺寸準直器的焦斑劑量學數據如表1所示。通過表1可見，LGP存儲的三種準直器的焦斑參數在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直器尺寸的變化而變化，16 mm準直器Z方向半影僅為2.55 mm。EBT3膠片測量的與LGP存儲的數據基本一致，FWHM相差0.18±0.13 mm，半影相差0.15±0.25 mm。

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

為在靶區周圍獲得更好的劑量梯度，最大程度地保護正常組織器官，放療設備的射野半影越小越好。常規情況下，加速器多葉準直器的半影大于6.5 mm，而本臺伽瑪刀的半影小于3 mm，為劑量銳減形成刀割一樣的邊緣劑量奠定了物理基礎。

4.3 RFP與PPS校準中心點一致性

將4 mm準直器曝光后獲得的3張X-Z平面的膠片經數字化掃描和專業分析軟件解讀后，在X方向的焦斑光強度分布如圖3所示。

圖3 X方向4 mm準直器焦斑光強度分布圖Fig.3 Distribution of focal spot intensity of 4 mm collimator in X direction

由圖3可見，以針尖孔PPS校準中心點為原點，焦斑50%劑量水平FWHM的數值分別為3.30 mm Vs.3.58 mm、3.55 mm Vs.3.61 mm和3.21 mm Vs.3.13 mm，進而可計算出X方向焦斑幾何中心RFP與PPS校準中心點的位置偏差分別為：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3個方向的位置偏差均值，利用公式：可得RFP與PPS校準中心點在三維空間的位置偏差為0.24 mm。

表2 RFP與PPS校準中心點的位置偏差Tab.2 Position deviation between RFP and calibration center point of PPS

機械精度是立體定向放療能否取得滿意療效的一個重要的硬性指標，而RFP與PPS校準中心點的一致性是衡量伽瑪刀機械精度的關鍵指標。目前，有且僅有頭部伽瑪刀的機械精度可以達到小于0.5 mm的等級，這使得伽瑪刀治療神經類疾病成為可能。

4.4 多靶點位置精度

6個4 mm準直器靶點在X-Z平面曝光后的EBT3膠片如圖4所示。理想情況下，ab兩點、bc兩點、cd兩點及ef兩點的距離分別為60 mm、60 mm、21.2 mm和42.4 mm。本次驗收測試對應的實測距離分別為：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準直器X-Z平面六靶點曝光圖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則，因此，伽瑪刀臨床治療時經常會用到多靶點技術。多靶點位置精度反映了實際治療過程中計劃靶點位置與實際照射靶點中心的位置偏差，是衡量伽瑪刀機械運動精度的核心指標，能夠為評價治療效果提供直接證據。

5 討論

近年來，隨著立體定向放射外科（stereotactic radiosurgery,SRS）技術的不斷進步，伽瑪刀治療已成為腦腫瘤或功能障礙患者的主要選擇[9]。PFX伽瑪刀通過技術創新，不再需要費時的手動安裝準直器頭盔，從而增加了焦點到內表面的距離，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直器組件內表面之間發生機械碰撞的概率大大降低。與此同時，因多數輻射源的SFD變小，根據距離平方反比定律，易知對于給定活度的放射源會在焦點處產生更高的輻射劑量率。這些技術革新，簡化了PFX伽瑪刀的工作流程，極大程度地提高了計劃執行效率[10]。

鑒于立體定向放療的劑量學特點，精確定位和準確走位是伽瑪刀治療成功與否的關鍵。能否精確地把輻射劑量投照到預先設定的立體定向框架內的坐標點上是反映伽瑪刀治療系統優劣的重要指標[11]。本次驗收測試對PFX伽瑪刀的焦點劑量率、焦斑尺寸及半影大小、RFP與PPS校準中心點一致性和多靶點位置精度等四個關鍵指標進行了具體測量。假設幾何和放射物理條件相同，可通過比較焦斑周圍體積中的測量劑量分布圖與蒙特卡羅算法模擬計算出的劑量分布圖來確定治療精度。由于模擬計算是在理想的放射物理和幾何條件下進行的，因此將計算結果視為參考[12]。理想情況下，由伽瑪刀準直系統所形成的焦點（RFP）與PPS的校準中心點是完全重合的。

驗收測試作為設備質量保證的基礎，其每個測試項目都非常必要且重要，任一項目的指標參數超出容差范圍都會致使患者的治療效果大打折扣[13-14]。根據WS 582-2017報告對γ射線立體定向放射治療系統驗收測試的技術要求，頭部伽瑪刀最大準直器焦點劑量率≥2.5 Gy/min，各準直器焦斑尺寸偏差≤1 mm，最小準直器定位參考點與RFP的距離偏差≤0.5 mm。本次驗收結果顯示PFX伽瑪刀焦斑尺寸精度＜0.5 mm，到位精度＜0.3 mm，多靶點精度＜0.2 mm，最大準直器焦點劑量率＞3.0 Gy/min。因此，本臺PFX型伽瑪刀的各項物理性能指標符合且優于國家驗收標準。