2023, Vol. 43
2. 解放军总医院第一医学中心放射治疗科，北京 100853
2. Department of Radiation Oncology, First Medical Center of PLA General Hospital, Beijing 100853, China
近年来，随着放射治疗技术的快速发展，新型放射治疗设备不断推陈出新。ZAP-X治疗系统作为国际上最新型的放射治疗设备之一，将X射线放射治疗技术与先进的辐射屏蔽技术相结合，在有效治疗头颈部肿瘤患者的同时，大幅降低了设备周边的辐射剂量水平[1-3]。依据美国国家辐射防护与测量委员会(National Council on Radiation Protection and Measurements，NCRP)151号报告中的要求[4]，在距该设备边缘1 m的控制区边界外，公众受到的剂量不超过1 mSv的年剂量限值，符合美国标准[1-3]。这为小型化和无屏蔽治疗室的放射治疗设备走向临床应用提供了可能。ZAP-X治疗系统于2017年获得美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准[5]，随后开始临床治疗肿瘤患者，对应用ZAP-X治疗的近100名患者进行跟踪随访后，证实ZAP-X治疗肿瘤安全有效[6-7]。我国引入了亚洲首台、也是世界第二台ZAP-X治疗系统，现置于装有铅玻璃的、屏蔽效果类似于CT机房的治疗室中，治疗室外辐射接近本底水平，有必要对该系统进行全面的辐射屏蔽性能检测，并依据我国现行标准对该系统的辐射屏蔽性能进行评估，进而探讨无屏蔽治疗室的放射治疗设备用于我国的可能性。
材料与方法1.检测仪器与测量工具：此次辐射防护性能检测针对ZAP-X治疗系统(美国ZAP Surgical Systems公司)，所使用的检测仪器与工具包括：2台经国家计量院校准的451P电离室巡检仪(美国Fluke Biomedical公司)，射波刀质量控制检测专用的整套“Lucy”模体(美国Accuray公司)，以及经过校准的5 m钢卷尺(德国Bosch公司)。
2.ZAP-X治疗系统简介：ZAP-X治疗系统是一种新型的集图像引导放射治疗、X射线放射治疗与自屏蔽功能于一体的放射治疗设备，主要用于治疗头颈部的肿瘤，对三叉神经病变的治疗有着独特的优势[8]。其内部组成及部分屏蔽结构如图 1所示，主要包括直线加速器、准直器、kV X射线、治疗床、各种屏蔽体等。
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图 1 ZAP-X治疗系统结构示意图 A.内部结构示意图；B.侧视结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of ZAP-X structure A.Schematic diagram of interior structure; B. Schematic diagram of the structure from side view |
ZAP-X的内部结构和剂量学特性类似于头部伽玛刀[9]，与伽玛刀最大的区别是将伽玛刀原有的60Co放射源，换成了3 MV的直线加速器。其等中心处剂量率为1 500 MU/min，等中心处距地面0.79 m，并配备了不同尺寸的准直器，最小直径4 mm，最大25 mm。当选用最大的25 mm准直器治疗患者时，患者头部靶区的剂量率为1 500 cGy/min。该设备的辐射屏蔽材料主要是铁，还选用了其他高原子序数的金属，如铅和钨合金。不同部位屏蔽材料的种类和厚度的选择，主要依据蒙特卡罗模拟计算的结果，并根据实验结果逐步优化确定[1-2]。最终可以达到在距该设备边缘1 m的控制区外，依据美国标准，公众照射的年剂量小于1 mSv/年的辐射屏蔽要求。控制区边缘到设备边缘的距离为1 m，该区域面积约为12.6 m2。任何进入1 m控制区内的人员，会触发连锁，照射将中止。
3.周围剂量当量率的测定：在ZAP-X治疗系统现有1 m的控制区基础上，外扩1和2 m，并画出2 m线和3 m线，在距1、2和3 m线外侧30 cm处，在地面上标出33个检测点位，以尽量全面地覆盖设备周边区域，33个检测点位的平面分布如图 2所示，编号顺序从患者脚部开始，沿边界线逆时针排序，1~17检测点位、18~29检测点位和30~33检测点位分别距设备边缘1.3、2.3和3.3 m。由于场所空间的限制，无法选取更多的检测点位，特别是在设备靠墙的一侧，也即患者右侧可选的检测点位很少，但由于设备构造和屏蔽结构的左右对称性，可以大致推算无法测量区域的剂量水平。
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注：红色为1 m线，蓝色为2 m线，绿色为3 m线 图 2 ZAP-X治疗系统周边33个检测点位示意图 Figure 2 Schematic diagram of of 33 detection sites selected surrounding the ZAP-X treatment system |
照射前，将“Lucy”头部模体放置于治疗床上，并按临床治疗时的位置摆位。该头部模体宽20.35 cm、高27.94 cm，大小与一位身高1.75 m、体重74 kg的正常成年男性的头颈部相仿，材料为组织等效材料，可以真实模拟放射治疗过程中人体头部对射线的散射和吸收。加速器选用最大内孔直径为25 mm的准直器。通过设置ZAP-X治疗系统，分别向5个不同的固定方向持续照射，5个照射方向如图 3所示，患者仰卧于治疗床上，照射方向分为初始位置照射(从患者头部向脚部，斜向下45°照射；该设备无法沿患者头部向脚部水平照射)、从上向下照射(机架角度0°)、从下向上照射(机架角度180°)、从左向右照射(从患者左侧向右侧照射，机架角度270°)和从右向左照射(从患者右侧向左侧照射，机架角度90°)。
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图 3 ZAP-X治疗系统5个照射方向的示意图 A. 侧视图(包含3个照射方向)；B. 顶视图(包含2个照射方向) Figure 3 Schematic diagram of 5 irradiation directions of ZAP-X radiotherapy system A. Side view (3 directions); B. Top view (2 directions) |
在上述5个不同方向的照射条件下，使用1台451P电离室巡检仪，在33个检测点位上方，距离地面0.6 ~ 1.2 m的垂直范围内，巡测找出每个检测点位的周围剂量当量率最大值。距地面0.6 m为治疗床的高度，代表患者平面；距地面1.2 m为正常成年人的胸腹部的高度，该高度可以模拟人体所受有效剂量，在该高度范围内进行测量更具参考意义。
在不放置头部模体的情况下，按照上述相同方法，对33个检测点位的周围剂量当量率进行再次测量。
4.累积剂量的测定：执行ZAP-X治疗系统临床常用治疗计划，使用2台451P电离室巡检仪在33个测量点位的正上方，高度为1.2 m处，测量每个点位在一次临床常用治疗计划执行完成后的累积剂量。在测量前，将2台巡检仪放于同一点位进行累积剂量的检测测试，经测试，2台巡检仪读数差异可忽略不计。在实际的临床治疗中，治疗计划中的跳数是因人而异的，是根据每位患者的解剖和病理学结构以及处方剂量，并结合相应的输出因子、组织模体比和离轴比计算出的。对于ZAP-X治疗系统，其典型的临床常用治疗计划为7 134 MU，该值为单次治疗时的跳数，可以给予患者靶区70%等剂量线2 166.5 cGy的照射，通常整个疗程需要进行3次治疗。该设备典型的临床单次最大剂量治疗计划为21 025 MU，临床单次最小剂量治疗计划为2 719 MU，但由于这两种情况在临床中较为罕见，故没有考虑。
5.ZAP-X治疗系统辐射屏蔽性能评估方法：作为新型的自屏蔽头颈部X射线放射治疗系统，我国目前没有专门针对该自屏蔽系统的辐射防护评估标准，即现行放射治疗设备辐射防护标准基本都是建立在建有屏蔽治疗室的前提下。目前我国最新的、也是最为常用的相关标准为GBZ 121-2020放射治疗放射防护要求[10]，其适用范围中包括X射线放射治疗系统。如利用该标准对ZAP-X治疗系统辐射屏蔽性能进行评估，需将距离设备边缘1、2和3 m线所在的垂直平面，视作治疗机房墙壁外侧的表面。
依据GBZ 121-2020中的要求，治疗机房墙外30 cm处关注点的周围剂量当量率不应大于周围剂量当量率参考控制水平
| $ \begin{equation} \dot{H}_{\mathrm{c}} \leqslant H_e /(t \times U \times T) \end{equation} $ | (1) |
式中，He为周剂量参考控制水平(μSv/周)，对于放射治疗机房外控制区的工作人员为≤100 μSv/周，非控制区的人员为≤5 μSv/周；t为设备周最大累积照射的小时数(h/周)；U为治疗设备向关注点位置的方向照射的使用因子；T为人员在关注点位置的居留因子。
关注点的最高周围剂量当量率参考控制水平
对于
对于ZAP-X治疗系统，对于治疗机房外非工作人员，He为5 μSv/周；ZAP-X治疗系统的典型临床常用治疗计划为7 134 MU，该系统每天最多治疗15名患者，每周治疗5 d，治疗时系统等中心处剂量率为1 500 MU/min, 故该系统每周的出束时间t为5.9 h/周；检测时共选取了5个固定方向照射，故U为0.2。
在测量过程中，由于分别将1、2、3 m线所在的垂直平面，视作治疗机房墙壁外侧的表面，故可将线外的区域视作类似于治疗机房墙外的走廊区，为部分居留，居留因子T为1/4。按照公式(1)计算，
由于放射治疗设备周围剂量当量率参考控制水平应取
以此为依据，为ZAP-X治疗系统划定控制区，使其控制区外任意位置的周围剂量当量率不大于10 μSv/h，以满足GBZ 121-2020中对治疗机房外非工作人员的防护要求。
结果1.周围剂量当量率与累积剂量：在有模体和无模体两种条件下，在5个不同的照射方向，33个检测点位在高度为0.6~1.2 m范围内每个检测点位的周围剂量当量率最大值，以及在有模体时，执行一次完整典型临床常用治疗计划时，在高度为1.2 m处的每个检测点位的累积剂量测量结果见表 1~3，表格中周围剂量当量率的数值为5次读数的平均值。
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表 1 1 m线外不同位置的周围剂量当量率和累积剂量 Table 1 Ambient dose equivalent rate and cumulative dose at different sites outside the 1 m line |
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表 2 2 m线外不同位置的周围剂量当量率和累积剂量 Table 2 Ambient dose equivalent rate and cumulative dose at different sites outside the 2 m line |
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表 3 3 m线外不同位置的周围剂量当量率与累积剂量 Table 3 Ambient dose equivalent rate and cumulative dose at different sites outside the 3 m line |
2.ZAP-X治疗系统辐射屏蔽性能评估结果：依据GBZ 121-2020放射治疗放射防护要求，周围剂量当量率大于10 μSv/h的点位不满足该标准中的要求。在1 m线外30 cm处的17个检测点位中，共有1、2、9、11和17，这5个点位的周围剂量当量率大于10 μSv/h。在2 m线外30 cm处的12个检测点位中，共有18、19和29，这3个点位的周围剂量当量率大于10 μSv/h。在3 m线外30 cm处的所有检测点位的周围剂量当量率均小于10 μSv/h。
3.ZAP-X治疗系统新控制区的划定：根据GBZ 121-2020对ZAP-X治疗系统辐射屏蔽性能的评估结果，在其原有的1 m控制区外，划定了新的控制区，新控制区如图 5所示，1、2和3 m表示该控制区边界距离设备边缘的距离，红线以内为新的控制区，该新控制区外任意点的周围剂量当量率不大于10 μSv/h，满足GBZ 121-2020中对治疗机房外非工作人员的防护要求。该控制区的精确边界位置应当根据现场实际剂量测量的结果划定。
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图 5 ZAP-X治疗系统新控制区示意图 Figure 5 Schematic diagram of new controlled area of the ZAP-X treatment system |
讨论
为了对ZAP-X治疗系统主射束方向上的屏蔽效果做深入检测，并对该设备的辐射屏蔽性能做全面了解，分别在放置头部模体和无模体的两种条件下，测量了该设备周边33个检测点位的周围剂量当量率。依据测量结果，与放置头部模体相比，在无模体时，主射束方向上，屏蔽体外检测点位的剂量水平略微提高，例如从右向左照射时，该方向屏蔽体外6、7和8检测点位周围剂量当量率略微升高，但相较于其他检测点位，该处剂量水平是较低的。在无模体时，由于缺乏头部模体作为散射体，在非主射束方向上的检测点位的剂量水平会略微降低。这表明ZAP-X治疗系统在主射束方向上屏蔽性能很好，设备周边的辐射，主要是由设备内部散射辐射经非主射束方向上的屏蔽体透射出设备而产生的。此外，有无模体，对设备周边剂量水平影响不显著，在本次检测中，不会影响控制区的划定。
在测定周围剂量当量率和累积剂量的过程中，使用的散射体为“Lucy”头部模体。该模体为射波刀质量控制检测时的专用模体，可以有效模拟放射治疗过程中人体头颈部对射线的散射和吸收，但其也常用于ZAP-X治疗系统的质量控制检测，此外还可以选用头部伽玛刀质量控制检测专用的头部模体[11]。
依据ZAP-X治疗系统周边33个检测点位的周围剂量当量率检测结果，在患者脚部附近的周围剂量当量率明显大于其他位置，影响了该设备的屏蔽性能。这可能由以下两个原因导致：其一，在测定周围剂量当量率时，选用的是头部模体，并没有选择全身模体。只用头部模体，会减少人体对射线的吸收，可能造成测得患者脚部的周围剂量当量率偏高。其二，在该设备屏蔽设计中，患者脚部的屏蔽门上有两条纵向轨道凹槽，很可能正是由于这两条凹槽处屏蔽材料的缺失，导致患者脚部周围剂量当量率偏高。如在患者脚部增加屏蔽设计和屏蔽材料，应能有效降低患者脚部的剂量水平，从而减小患者脚部的控制区面积。
本次检测中，治疗机房长14.1 m，宽6.5 m，高3 m，面积91.7 m2，墙壁由混凝土筑成。由于墙壁对射线的反散射作用，ZAP-X治疗系统周边近墙壁处的辐射水平会有略微增强。
对于控制台的位置，本次检测中，ZAP-X治疗系统的控制台安装在与设备相邻的房间，其位置剂量水平较低。但是依据ZAP-X治疗系统的设计，其控制台可直接放置在设备附近[9]。依据GBZ 121-2020中的要求，控制台为工作人员所在的控制区，因此控制台位置为全居留，T为1，He取100 μSv/周，可计算出：
对于控制区，依据GBZ 121-2020中的要求，控制区除ZAP-X治疗系统新控制区示意图中红线以内的区域外，还应当包括迷路，并且规定除了X射线管治疗设备的治疗机房、术中放射治疗手术室可不设迷路，伽玛刀治疗设备的治疗机房可根据场所空间和环境条件，确定是否选用迷路外，其他治疗机房均应设置迷路[10]。对于ZAP-X，其内部结构类似于头部伽玛刀[9]，并且增加了大量的屏蔽材料，以达到自屏蔽目的，这使得ZAP-X设备周边的剂量水平会远低于伽玛刀治疗设备，因此ZAP-X可不选用迷路。
依据GBZ 121-2020中的要求，对于放射治疗工作场所，除了控制区外，还应当设立监督区，监督区虽不需要专门的防护手段或安全措施，但需要经常对职业照射条件进行监督和评价，以确定是否需要采取防护措施和做出安全规定，或是否需要更改监督区的边界[10]。
对于ZAP-X辐射屏蔽性能评估的依据标准GBZ 121-2020，本文中划定的新控制区可以满足该标准中的要求。目前该标准也是我国放射卫生领域最新的、最为常用的放射治疗放射防护评估的标准。但对于新型自屏蔽放射治疗系统，将GBZ 121-2020作为唯一标准进行评估，也存在一定的局限性。首先，该标准中列出的适用的放射治疗设备中，虽包括X射线放射治疗系统，但不包含自屏蔽放射治疗系统[10]。其次，在该标准制定的年份，自屏蔽放射治疗系统还没有被大众所知，标准制定时没有对该系统的考虑。再次，对于特殊的放射治疗系统，该标准中一般设定有不同的参考剂量水平，例如对于“移动式电子加速器”，当居留因子T<1/2时，其最高周围剂量当量参考控制水平可以不大于20 μSv/h[10]。而对于特殊的自屏蔽放射治疗系统，在未来该标准的修订过程中也应当增加对其特殊性的考虑。最后，利用GBZ 121-2020进行放射治疗辐射防护评估时，只关注在某几个照射方向上的瞬时剂量率大小，而这并不能完全真实地反映临床治疗过程中的累积剂量水平。对于ZAP-X治疗系统，在一次完整治疗过程中，存在上百个照射方向，在某几个方向上的照射，可能只是一次完整治疗过程中的几个瞬间，也即在某几个方向上瞬时剂量率大的位置，在临床治疗过程中，其积累剂量未必就高。从累积剂量的测量结果中也可看出，在瞬时剂量率最大的2和17检测点位，其累积剂量并非最高。因此，临床治疗过程中累积剂量的测定对ZAP-X治疗系统辐射防护性能的评估也应具有重要的意义。
在之后的研究中，会对该系统周边的能谱进行测量分析，并在放置全身模体的情况下，对该系统进行进一步防护检测。
综上所述，ZAP-X治疗系统新的控制区，可以满足我国现行标准GBZ 121-2020放射治疗放射防护要求。该无屏蔽治疗室的自屏蔽放射治疗系统具有在我国开展临床应用的可能性，但针对该新型放射治疗系统，我国应制定出与之相应的性能检测与辐射防护新标准。
利益冲突 无
志谢 珠海横琴睿谱医疗设备有限公司提供部分经费支持，解放军总医院第一医学中心放射治疗科鞠忠建提供技术支持。在此一并感谢
作者贡献声明 马向捷负责设计实验方案、现场检测、数据分析和论文撰写；李明生提出研究思路，负责现场检测，协助数据分析；孙全富、程金生确定研究路线，指导论文修改；王成成负责设计并执行治疗计划；魏晓协助现场检测和数据记录
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