随着放射治疗技术的发展，与常规光子治疗相比，质子重离子因其放射物理和放射生物学的较大优势，国际上将其应用在放射治疗的质子重离子加速器越来越多^[1]。我国某家医院新建的质子重离子放疗设备，目前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，束流传输采用主动式点扫描方式，该方式主要通过电子计算机先将靶区垂直于束流入射方向模拟分层，再控制束流进行逐点逐层扫描，以此来提高射线照射的准确性和治疗效果。

主动式点扫描方式明显异于常规光子治疗和被动式质子重离子加速器放疗的照射野形成方式，其逐点逐层形成的照射野一致性，如照射野剂量分布区域大小和治疗计划系统规划的区域大小差异及照射野区域平坦度都需要特别关注^[2]。国际上对此类照射野大小及剂量分布的测量多用胶片剂量计、闪烁体剂量计等二维剂量分布探测器，尤其是免冲洗的EBT系列胶片，最新型号的EBT3胶片剂量计空间分辨率高，在治疗射线能区具有很好的能量响应，极大方便了此项测量。

根据国际电工组织(IEC)起草的医用电气设备-粒子射线设备的性能特点草案^[3]和医用直线加速器性能检测项目和方法^[4]，结合质子重离子加速器特点，确定了照射野一致性这一检测项目指标参数并采用EBT3胶片进行测量研究^[5-7]。

1. 测量工具：美国ASHLAND 公司生产的GAFCHROMIC®EBT3胶片，尺寸20.32 cm×25.4 cm；德国PTW公司生产的30 mm×30 mm、厚度分别为5 mm、1 cm的RW3固体水模体，PTW胶片支架；日本EPSON公司生产的EPSON 10000XL A3平板扫描仪。

2. 胶片刻度：标定束流绝对剂量的标准电离室PTW TM30013，通过德国计量认证联盟的PTW剂量学实验室刻度传递水中吸收剂量刻度因子(N_D,W)。根据电离室所测读数，利用国际原子能机构(IAEA)TRS 398号报告^[8]，在治疗室束流等中心处的固体水电离室支架上进行绝对剂量测量，进行碳离子、质子条件下的绝对剂量计算，分别在283.43 MeV/u碳离子和150.68 MeV质子束条件下逐一验证刻度EBT3胶片选择的剂量点：0.2、0.4、1、2、3和5 Gy,最后在治疗室等中心位置，EBT3胶片固定在PTW胶片支架上进行照射，胶片在束流方向覆盖5 mm厚固体水，照射完后避光24 h，用平板扫描仪进行扫描，获取图像用ImageJ 1.49b进行分析^[9]，按照剂量刻度曲线方程(1)拟合，分别获得像素和剂量关系的质子和碳离子的剂量刻度曲线。

式中，a、b、c为拟合方程系数；x为像素值，PV；y为剂量值，cGy。

3. 照射野剂量分布测量：射程调制模式下，针对质子和碳离子，分别选择低能量区、中能量区和高能量区进行点扫描逐层逐点照射形成10 cm×10 cm×6 cm的照射体积，进行照射野一致性的测量。

EBT3胶片夹在由每片1 cm厚并且竖直紧密摆放的固体水模体中，覆盖预设束流照射范围，与射束方向垂直，EBT3胶片照射面所在固体水夹层，利用治疗室定位激光灯固定在治疗室等中心位置，根据质子和碳离子不同能量对应的射程，即质子能量分别为94.29 MeV(射程7 cm)、150.68 MeV(射程16 cm)、212.62 MeV(射程29 cm)，碳离子能量分别为175.99 MeV/u(射程7 cm)、283.43 MeV/u(射程16 cm)、412.54 MeV/u(射程29 cm)。EBT3胶片在上述条件下前后分别放置不同厚度的固体水模体插板。

4个治疗室，分别按照以上实验布置，测量了质子和碳离子的实际照射野大小差异，即沿空间坐标轴方向剂量分布的半高宽和治疗计划系统规划的10 cm×10 cm参考照射野进行比较，此差异规定＜2 mm，并且根据国际辐射单位与测量委员会(ICRU) 78号报告定义，衡量照射野剂量分布平坦度区域，即靶区，其范围是50%等剂量曲线向内收缩两倍同侧半影(同侧沿坐标轴20%等剂量点到80%等剂量点的距离)所形成区域^[10]，本测试规定平坦度要≤±5%，照射野大小和计算照射野平坦度的靶区定义示意图见图 1，平坦度计算公式见公式(2)。

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，%。

图 1 照射野区域和靶区区域示意图 Figure 1 Schematic diagram of irradiation field and target region

4. 数据处理：EBT3胶片照射后，避光保存至少24 h后进行扫描获取分辨率为300 dpi的图像，利用ImageJ 1.49b软件获取图像感兴趣区域像素值及拟合剂量刻度曲线，利用OriginPro 8.6软件根据胶片剂量刻度曲线，将像素值转换为剂量值，同时获取照射野50%最大剂量的剂量点位置等数据。

1. EBT3胶片剂量刻度曲线：见图 2，拟合方程系数：结果见表 1，表中R²为方程拟合相关系数。图 2中显示胶片刻度剂量点与拟合曲线关系，结合表 1中的拟合相关系数R²(R²理想值为1)，可知拟合出的剂量刻度曲线能很好地反映研究剂量区域内所用EBT3胶片扫描像素值和剂量的对应关系，通过表 1中的a、b、c系数结合公式1可以进行像素值和剂量的正确转换。

图 2 EBT3胶片剂量刻度曲线 A.碳离子;B.质子 Figure 2 EBT3 film dose calibration curve A.Carbon ion; B.Proton

表 1(Table 1)

表 1 剂量刻度曲线方程系数列表 Table 1 Coefficient of dose calibration curve equation 离子种类 a b c R2 碳离子(12C) 4.15×106 -7.24×103 -1.51×103 0.999 70 质子(P) 5.03×106 -6.94×103 -1.84×103 0.999 67

表 1 剂量刻度曲线方程系数列表 Table 1 Coefficient of dose calibration curve equation

2. 照射野一致性：照射野的EBT3胶片直接测量结果见图 3，同一方向，实际测量和10 cm×10 cm参考照射野的比较偏差结果列于表 2。由表 2可知，质子和碳离子分别在4个治疗室内，不同离子射程的照射野和参考照射野的偏差均在2 mm以内。

图 3 照射野的EBT3胶片测量结果示意图 A.碳离子；B.质子 Figure 3 Schematic diagram of irradiation field′s EBT3 film measurement results A. Carbon ion; B. Proton

表 2(Table 2)

表 2 各治疗室照射野和参考照射野的偏差结果(mm) Table 2 Deviation of irradiation field relative to reference irradiation field (mm) 离子种类 射程 治疗室1 治疗室2 治疗室3 治疗室4 碳离子(12C) 7 0.96 0.73 1.14 0.73 16 0.34 0.76 0.22 0.52 29 1.14 1.14 1.32 1.97 质子(P) 7 1.62 1.26 0.73 1.38 16 1.41 1.53 0.94 1.53 29 0.97 0.73 0.31 0.49

表 2 各治疗室照射野和参考照射野的偏差结果(mm) Table 2 Deviation of irradiation field relative to reference irradiation field (mm)

3. 照射野平坦度：测量结果列于表 3。由表 3可知，质子和碳离子分别在4个治疗室内，不同离子射程的照射野剂量分布平坦度测量结果均在±5%以内。

表 3(Table 3)

表 3 各治疗室照射野的剂量分布平坦度测量结果(%) Table 3 Measured dose flatness in irradiation field(%) 离子种类 射程 治疗室1 治疗室2 治疗室3 治疗室4 碳离子(12C) 7 2.3 2.1 1.2 2.0 16 1.4 2.9 1.9 2.3 29 4.4 4.9 4.1 1.8 质子(P) 7 1.3 1.8 2.0 1.5 16 1.5 1.1 1.4 1.7 29 2.2 1.6 1.8 1.1

表 3 各治疗室照射野的剂量分布平坦度测量结果(%) Table 3 Measured dose flatness in irradiation field(%)

本研究在参考相关文献的基础上，使用EBT3胶片测量主动式点扫描医用质子重离子加速器的照射野一致性，图 3为直接测量EBT3扫描图像结果，可以直观看到碳离子和质子照射野的区别，相同穿透深度条件下，碳离子的横向散射小于质子，照射野图像边缘显示更加锐利，数据处理结果表明，EBT3胶片完全可以用于此类设备剂量传输系统照射野一致性检测，而且可以应用于临床剂量分布验证。主动式点扫描逐点逐层的照射野形成方式，不同于传统医用电子直线加速器及被动散射式医用质子重离子加速器的照射野形成方式，需要通过计算机端治疗计划系统准确规划和加速器相关控制硬件精确执行才能实现。本研究中形成指定照射野大小，采取逐步调整照射野区域束斑的步进参数扫描照射形成照射野才能符合预定的照射野大小和平坦度要求，而不是简单让束斑排列满每一层照射野区域。因此，此项指标为质量控制重要指标之一，本研究最终检测结果均符合预定标准。

目前，国内外医用质子重离子加速器相关质量控制检测规范尚在讨论制定过程中，此套主动式点扫描的医用质子重离子加速器在国内又属首台设备，本研究属于对照射野一致性质量控制检测的初步探索，在此研究基础上束斑随能量大小变化的质量控制，及结合电离室矩阵进一步研究射程调节步长、布拉格峰后沿剩余剂量分布等质量控制工作仍需要进一步的研究。

EBT3胶片虽然适合检测照射野一致性，但至少需要24 h自显影稳定后才能进行离线扫描处理，此次实验发现，针对多治疗室的主动式点扫描照射野检测时间长，而且不能实时得到测量结果，因此针对多治疗室布局的医用质子重离子加速器照射野一致性指标检测，需要开发实时测量分析系统。