近年来，国际上质子重离子放疗设备逐渐用于放射治疗实践，重离子放疗设备分为主动式和被动式2类，被动式主要以日本的重离子治疗为主，如日本的千叶重离子医用加速器(HIMAC)^[1]，中国兰州的近代物理研究所的¹²C重离子治疗也是采用被动式；主动式主要以欧美的质子治疗或质子重离子治疗为主，如德国的海德堡粒子治疗中心(HIT)^[2]和亥姆霍兹重离子研究中心(GSI)、瑞士的保罗谢勒研究所质子治疗中心(PSI)、意大利的国家肿瘤重离子治疗中心(CNAO)^[3]、美国的各大质子治疗中心，和一些医疗设备公司如西门子、Iba、Varian等制造的粒子治疗设备。主动式点扫描模式，射线束不是一次性照射到全部射野，而是点扫描逐渐分布到全射野,与普通医用加速器的质量控制检测不同。质子和重离子在水中的百分剂量分布，由于布拉格峰很窄，也给测量增加了难度。

本研究针对我国某家医院新建安装的国内首台质子重离子放疗设备，围绕其固定束流入射角度的主动式点扫描的治疗模式，对此套设备的质子重离子剂量传输系统的稳定性和到位精度等质量控制检测指标进行了研究。

材料与方法

1. 设备参数介绍：我国某家医院新建的质子重离子放疗设备，目前该型号设备在国内尚属首台安装，是由德国西门子公司生产的、利用质子和碳离子来进行放射治疗的高能加速器。该套质子重离子加速器束流传输采用主动式点扫描方式，质子从48~221 MeV/u，共290档，束斑：8～33 mm；碳离子从86~430 MeV/u,共291档，束斑：3.5～14 mm。该加速器系统引出的束流分别导入4个治疗室后的设备进行检测，按照束流出束方向和原束流方向的位置分为两类：90°(水平)束流和45°束流，其中90°束流治疗室有3个、45°束流治疗室有1个。

2. 检测项目及依据：对该加速器的检测项目及指标参数的确定，主要参考了国际电工委员会(IEC)标准^[4]、医用直线加速器性能检测项目和方法^[5]，结合国外相关质量控制文献^[6-9]，根据该质子重离子加速器的特点，确定了具体的质量控制检测项目。对该加速器检测项目主要针对加速器输出治疗束流的物理剂量参数，初步设定了6项检测指标，分别为质子重离子加速器输出剂量的重复性、剂量的线性、剂量的日稳定性、深度剂量分布、束流扫描位置偏差和射野的一致性。其中，涉及质子、重离子绝对剂量测量及刻度EBT3胶片，本研究均利用德国PTW剂量学实验室刻度过的PTW TM30013 0.6 cc指型电离室，采用水中吸收剂量刻度因子(N_D,W)，结合国际原子能机构(IAEA)TRS 398号报告^[9]分别进行质子、重离子相关绝对剂量的测量和计算。

3. 剂量重复性：每间治疗室中，在水模体参考位置处放置PTW公司的0.6 cc电离室进行剂量测量，加速器连续出束5次，每次200 cGy，参考位置为水下16 cm，即束流扫描区域等中心位置，束流扫描200 cGy剂量区域为10 cm×10 cm×6 cm，该扫描区域涉及粒子能量是射程为水下13～19 cm范围的质子和碳离子能量，此项测量为相对测量，简便计算可利用电离室直接测得的电荷量来计算剂量重复性，5次测量结果的变异系数应该控制在1.5%以内，计算公式如下：

$s=\frac{1}{{\bar{x}}}\sqrt{\sum\limits_{i=1}^{n}{\frac{{{\left( \bar{x}-{{x}_{i}} \right)}^{2}}}{n-1}}}\times 100%$

(1)

式中，s为剂量重复性变异系数；x为测量值的平均值，nC；i为测量次数；x\-i为第i次的测量值，nC。

4. 剂量线性：每间治疗室中，除了加速器分别输出25、50、100、200和400 cGy的剂量条件外，其他测量条件与剂量重复性的测量条件相同。测量后，所选择的5个剂量点分别对应收集电荷，对数据进行线性拟合，获得线性拟合公式，分别代入5个剂量值，得到对应的电荷计算值与测量的偏差，偏差越大则线性越差。本研究中要求不同条件下输出剂量线性最大偏差控制在2%以内。

5. 剂量日稳定性：每间治疗室中，剂量日稳定性检测，检测时间间隔＞2 h，且这期间内加速器至少需要15 min无束流输出状态。日稳定性检测在水模体中参考位置设定输出剂量为200 cGy，其他测量条件与剂量重复性的测量条件相同。测量日稳定性偏差应该控制在2%以内，计算公式如下：

$\delta =\frac{{{{\bar{x}}}_{1}}-{{{\bar{x}}}_{2}}}{{{{\bar{x}}}_{1}}}\times 100%$

(2)

式中，δ为衡量日稳定性偏差；x₁为第1次测量值的平均值，nC；x₂为第2次测量值的平均值，nC。

6. 深度剂量分布

(1) 非射程调节模式：每间治疗室中，该项主要测量入口剂量与峰值剂量比(entrance-to-peak dose ratio，EPR)和尾部剂量与峰值剂量比(tail-to-peak dose ratio，TPR)的稳定性(出束3次)，用德国PTW公司的布拉格峰扫描电离室探测设备PEAKFINDER进行测量，计算EPR为入射PEAKFINDER水模体系统2 cm深度处的入口剂量和布拉格峰值剂量之比，TPR为布拉格峰后沿3 cm处的剂量和布拉格峰值剂量之比，两者稳定性均需控制在2%以内。

(2) 射程调节2种模式：每间治疗室中，该项主要测量标准射程调节宽度(nominal range modulation width，NRMW)的稳定性(出束3次)，需要用美国亚仕兰(ASHLAND)公司型号为EBT3的免冲洗胶片结合电离室矩阵进行测量，其中NRMW定义为布拉格峰前沿和后沿90%等剂量点之间的距离^[8]，NRMW稳定性应该在2%以内。

7. 束流扫描位置偏差：每间治疗室中，在参考位置固定胶片，指定坐标位置，指定射野大小情况下进行束流扫描照射，照射完毕后，靶区中心位置和预设坐标位置偏差应≤1 mm。

8. 射野的一致性：每间治疗室中，在固体模体中参考位置放置胶片，指定坐标位置，参考射野在标准条件(10 cm×10 cm)的情况下进行束流扫描照射，照射完毕后，整个照射野(同一方向，50%等剂量点之间的距离为照射野大小)和参考射野对比偏差≤2 mm,射野的剂量分布平坦度(为50%等剂量点位置向中心收缩两个同侧半影距离的区域)偏差要≤±5%。平坦度计算公式如下：

${{F}_{lp}}=\text{ }\frac{{{d}_{lpmax}}-{{d}_{lpmin}}}{{{d}_{lpmax}}+{{d}_{lpmin}}}~~\times 100%$

(3)

式中，d_lpmax为靶区内最大剂量，cGy；d_lpmin为靶区内最小剂量，cGy；F_lp为平坦度，%。

结果

1. 剂量重复性：剂量重复性测量结果列于表 1。从表 1可知，每项5次测量结果的变异系数都在1.5%以内。

2. 剂量线性：剂量线性测量结果列于表 2。从表 2可知，加速器输出剂量线性最大偏差都在2%以内。

3. 剂量的日稳定性：按照剂量重复性的测量条件，间隔测量时间＞2 h，测量2次输出剂量，测量结果计算剂量重复性，计算结果列于表 3。从表 3可知，日稳定性偏差都在在2%以内。

4. 深度剂量分布

(1) 非射程调节模式剂量分布：每间治疗室中，该项主要测量EPR和TPR稳定性，需在专门模体中进行测量。检测结果为除射程为7 cm的质子EPR稳定性结果为1.45%外，其他测量结果都为0.00%，稳定性结果均在2%以内，相关计算所取数据见图 1。

(2) 射程调节模式剂量分布：每间治疗室(PT room)中，该项主要测量NRMW稳定性，需要在专门模体中进。每间治疗室NRMW稳定性检测结果列于表 4。从表 4可知，NRMW稳定性都在2%以内，相应计算图示见图 2。

5. 束流扫描位置偏差：每间治疗室中，在参考位置固定胶片，指定坐标位置，指定射野大小情况下进行束流扫描照射，靶区中心位置和预设坐标位置偏差测量结果列于表 5。从表 5可知，靶区中心位置和预设坐标位置偏差均＜1 mm。

6. 射野一致性：照射野定义见图 3，与参考射野的偏差结果列于表 6。由表 6可知，照射野和参考射野的偏差都在2 mm以内。

7. 射野平坦度：射野的剂量分布平坦度偏差测量结果列于表 7。从表 7可知，射野的剂量分布平坦度偏差测量结果均在±5%以内。

讨论

由于我国还不能进行水中吸收剂量刻度，医院自己的放疗剂量仪已在国外进行了水吸收剂量刻度，医院的医学物理师每天都要进行输出剂量刻度验证，结合此情况，本研究从设备性能角度没有对输出剂量偏差进行检测，主要进行影响设备性能的重复性、剂量线性和稳定性等相对剂量学指标进行了测量。

从检测结果可以看出，质子重离子加速器输出剂量的重复性、剂量的线性、剂量的日稳定性、深度剂量分布、束流扫描位置偏差和射野的一致性等6项指标均符合IEC标准草案的要求。

由于该加速器剂量传输采用主动式点扫描模式，每次治疗过程，射线束不是一次性或分次照射到全部射野，而是在靶区内逐点扫描填充靶区剂量，使靶区剂量按照临床治疗要求高度适形分布，临床治疗模式下很少需要输出方野，利用方野测量射野偏差有一定的难度，需要仔细设计治疗计划才能满足测量要求。

由于在我国首次安装使用主动式点扫描质子重离子放疗设备，这次测量研究还只是一次初步的探索，通过检测，发现与普通医用加速器不同的要求和检测技术：①如上述的主动点扫描模式，明显不同于普通医用加速器采用准直器、挡块和多叶光栅进行射线散射成野模式，随之带来放疗计划系统、执行治疗计划操作等设置也完全不同。②检测输出剂量稳定性及到位精度等剂量学参数的质量控制检测设备，相比普通医用加速器，测量设置方面不一样，还会用到布拉格峰电离室等专用检测设备才能满足质量控制需要。③结合前期文献调研，质子重离子医用加速器的生产厂商众多，每家都有其独特的束流引出方式和剂量传输模式^[10]，如本研究涉及到设备为脉冲式点扫描，还有连续性点扫描，类似于普通医用加速器的被动散射模式等，不同的模式所对应的质量控制检测方法也会有一些差异，以上列举的种种差异及本研究中还未涉及的质子重离子放疗剂量学参数需要进行进一步研究。

利益冲突 本文涉及内容和其他个人及组织没有任何利益冲突
作者贡献声明 程金生负责组织实验研究、数据分析、撰写文章；袁继龙负责实验测量、数据分析；李明生负责实验测量、数据分析审核