2026, Vol. 46
自Wilson[1]于1946年提出质子治疗以来，先后采用双散射(DS)[2]、均匀扫描(US)[3]和笔形束扫描(PBS)[4]等束流传输技术。目前，PBS已成为主流方案[4]，通过窄束笔形束在三维空间逐点扫描靶区，对每个束斑的定位精度要求极高。为确保束斑扫描的准确性，束斑等中心的稳定性至关重要。美国医学物理学家协会(AAPM)于2019年发布的任务组报告TG224[5]，2023年国家卫生行业标准《医用质子重离子放射治疗设备质量控制检测标准》(WS 816-2023)[6]，都明确将辐射束等中心偏差作为重要参数列入标准要求，以验证治疗室定位光中心与束流中心的一致性。
针对束斑类质量控制(QC)，目前常用工具包括硅半导体二维阵列[7]及配合闪烁屏的CMOS相机[8]。此类设备虽具备实时分析能力且稳定性较高，但在非水平/非垂直机架角度下，尤其需联合等中心束斑模体使用时，仍存在适用性不足。现有等中心束斑分析模体多限于水平面或垂直面评价，相关研究也主要聚焦束斑大小[9]、形状变化[10]或基于锥形束计算机体层摄影(CBCT)的等中心与影像等中心一致性评估[11]，而对辐射束等中心偏差本身关注相对不足。
基于此，本研究设计并加工了一款等中心束斑分析模体，结合EBT4胶片，在0°、-45°、45°、90°机架角度下测量束斑等中心偏离，形成一套标准化、稳定可复现的质控流程，促进WS 816-2023质量控制检测相关要求得以落地实施。
材料与方法1. 等中心束斑分析模体：本研究采用课题组自主设计加工的等中心束斑分析模体(型号：PRiso-LW1)，模体主体尺寸为10 cm×10 cm×10 cm立方体，材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，密度1.18 g/cm3，CT值：114 HU)，几何中心嵌入直径2 mm的钨珠，为便于在机架角度45°时进行束斑等中心测量，同时确保束流在模体内具有10 cm的等效衰减，立方体切割出两个三棱柱，形成八面体结构。立方体八个面的中心处均刻有十字线，其交点与钨珠球心重合，便于利用治疗室内定位光进行对准。模体底部及一侧配有带旋紧螺丝的底座及侧向固定件，用于稳固放置胶片。模体结构见图 1。
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图 1 自主设计等中心束斑分析模体的结构示意 A. 模体外观；B.主要构成部件 Figure 1 Schematic diagrams showing the structure of theself-designed phantom for isocentric spot analysis A. Overall appearance; B. Main components |
2. EBT4胶片与扫描仪：本研究采用EBT4胶片(Ashland，批号：12022402)，标称剂量响应范围为0.1~10.0 Gy，胶片尺寸为20.32 cm×25.40 cm，具有免冲洗，对可见光不敏感，可任意剪裁等特点。胶片扫描采用平板透射扫描仪(日本EPSON，型号：V850Pro)，最大扫描分辨率3 600 DPI，支持48-bit RGB图像输出。
3. 胶片辐照及扫描：将EBT4胶片置于模体卡槽内，经定位光对准使中心钨珠位于质子治疗系统等中心处。利用质子治疗系统(Varian Medical Systems Particle Therapy GmbH，ProBeam 360)进行笔形束单点出束；束流能量为218 MeV，出束时间30 s；机架角度依次设为0°、-45°、45°、90°进行照射。
所有胶片照射后置于专用存储袋中，静置24 h，待显色稳定后使用扫描仪软件EPSON scan2进行扫描[12-13]。扫描前进行10次预扫描用于热机，扫描过程中，所有胶片均保持与照射时一致的取向，并放置于扫描区域中央，扫描方向为自上而下。为减少胶片不平整与形变影响，扫描时在胶片上覆盖一片高透射率AR玻璃[14]。扫描时关闭所有色彩校正，分辨率设置为200 DPI，色彩设置为48-bit全彩；采用透射模式负片扫描，每张胶片扫描一次，并以无压缩TIFF格式保存图像文件。
4. 胶片刻度与光谱：在181.158~210.134 MeV能量范围的6 cm×6 cm×6 cm立方体扩展布拉格峰(spread out bragg peak, SOBP)计划下，对EBT4胶片分别照射1、2、4、5、6 Gy剂量，所有剂量点经过静电计(IBA，DOSE 1)与PPC40平板电离室刻度核验，计划剂量与实测剂量偏差不超过1%。随后使用紫外-可见光分光光度计(Thermo Scientific，Genesys 50)测量胶片吸光度，并扣除未照射胶片的本底吸光度，获得不同剂量下胶片的净光密度光谱分布。
5. 束斑等中心偏差求解：将扫描得到的束斑测试胶片Tiff图像拆分为红、绿、蓝三通道。根据光谱分析结果，选择灵敏度较高的色彩通道进行束斑分布分析，使用Python 3.10，调用NumPy与SciPy计算库对束斑分布进行二维双高斯拟合及插值计算，确定束斑质心位置，将其设为坐标原点；同时通过图像插值方法分别提取0°、45°、90°、-45°机架角度下钨珠球心在胶片坐标系中的精确位置，利用式(1)确定两中心的偏差。
| $ d=\sqrt{\left(x_w-x_{\mathrm{spot}}\right)^2+\left(y_{\mathrm{w}}-y_{\mathrm{spot}}\right)^2} $ | (1) |
式中，xw和yw分别为通过算法提取出的钨珠(等中心参考点)在同一胶片坐标系下的x轴与y轴绝对坐标；xspot和yspot分别为通过二维高斯函数拟合提取出的质子束斑中心在胶片坐标系下的x轴与y轴绝对坐标；d为束斑中心与钨珠球心(等中心)之间的总偏差；定义Δx=xw-xspot和Δy=yw-yspot分别为x方向和y方向的偏差。
6. 误差分析：为进一步排查较大等中心偏差(>0.5 mm)的可能来源，本研究设计了基于CBCT图像引导的对照实验。首先利用激光灯进行初步摆位并执行CBCT扫描，通过图像配准将钨珠中心校正至物理等中心；在此基础上将机架旋转至相应角度进行照射。该流程旨在尽可能降低激光灯摆位误差对测量结果的影响，从而进一步评估束流等中心真实物理偏差。此外，为评估常规激光灯摆位的系统性差异，本研究在3间独立的质子治疗室内(治疗室1、2、3)重复开展基于激光灯引导的独立摆位与束斑等中心测试。
结果1. EBT4胶片净光密度光谱：不同剂量点下EBT4胶片净光密度光谱结果显示，胶片在红光波段(600~650 nm)的响应更为敏感(图 2)。因此，后续选取红色通道进行束斑等中心偏差求解。
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图 2 不同刻度剂量点下EBT4胶片的净光密度光谱分布 Figure 2 Curves showing the spectral distributions of net optical density spectra of EBT4 radiochromic films at varying calibration dose levels |
基于红色通道图像及中心位置求解算法，可获得质子束斑经模体后在EBT4胶片上的二维分布。图 3展示了机架角度为90°时的二维束斑分布。
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图 3 机架角度为90°时EBT4胶片测得的二维束斑分布 Figure 3 Two-dimensional spot distribution measured using EBT4 radiochromic films at a gantry angle of 90° |
2. 不同机架角度下的束斑等中心偏差：将机架角度分别设置为0°、45°、-45°和90°，并提取通过束斑中心的横向与纵向剂量剖面，结果见图 4。束斑等中心偏差测量结果显示，治疗室1中机架角度为45°时偏差最大，为0.88 mm；其余角度下的偏差结果列于表 1。
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图 4 不同机架角度下的等中心束斑分析结果 A. 0°；B. 45°；C. 90°；D. -45° Figure 4 Results from isocentric spot analyses at different gantry angles A. 0°; B. 45°; C. 90°; D. -45° |
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表 1 不同机架角度下束斑等中心位置偏差(mm) Table 1 Deviations of spot isocenter positions at different gantry angles (mm) |
经CBCT图像配准及治疗床位置补偿后，该角度下等中心偏差由0.88 mm降至0.30 mm。三间治疗室的激光摆位重复性测试结果列于表 1，结果显示不同治疗室及不同角度下的束斑等中心偏差未呈现固定方向性。这进一步证实，在无图像引导(IGRT)的常规QC流程中，治疗室定位光线宽度及操作者视觉对齐差异可能是导致单次测量出现较大偏差的重要来源。
讨论近年来，质子治疗QC设备向小型化、实时化与多功能集成方向快速迭代，导致EBT系列胶片的常规临床应用日益减少。然而，在针对高精度需求、狭小空间、复杂模体内部剂量分布及特殊测量角度的验证中，EBT系列胶片凭借其近水等效、高空间分辨率及易于剪裁的物理特性，依然发挥着不可替代的作用。
本研究基于自制等中心束斑分析模体与EBT4胶片，构建并验证了一套适用于PBS质子治疗系统的束斑等中心偏差质控方法，实现束斑形状与等中心偏差的精确评估。旨在构建一套适用于PBS质子治疗系统的低成本、高精度束斑等中心偏差质控方法。
依据TG224[5]和WS 816-2023[6]标准，等中心精度须控制在±1 mm内。这要求检测设备及评估方法具备亚毫米级的探测精度。然而，临床常用的二维电离室矩阵因电离室间距较大，空间分辨率受限；硅半导体二维阵列[7]及基于闪烁屏的CMOS相机[8]则受限于测量角度，存在检测局限性。本研究采用Gafchromic EBT4胶片作为分析元件，得益于其物理特性，其经束流照射与数字化扫描后可实现亚毫米级空间分辨率，在测量精度上展现出显著优势。
由于胶片具备极高空间分辨率，扫描DPI成为决定该方法测量精度的关键。虽然理论上提高DPI有助于提升测量精度，但过高DPI会导致像素尺寸过小，进而放大图像噪声与局部信号涨落，反而降低结果的稳定性与准确性。本研究旨在定位束斑及等中心处钨珠(直径2 mm)的空间位置，结合218 MeV束斑的典型尺寸(7~9 mm)，最终采用200 DPI(像素尺寸0.127 mm)扫描精度，该设置可在表征束斑/钨珠中心与抑制噪声之间取得合理平衡。
EBT4胶片的剂量标定结果及紫外-可见分光光度计测量吸收光谱显示，在红光波段(600~650 nm)处峰值更高、响应更敏感；同时，绿光波段(565~595 nm)的净光密度峰面积亦呈增加趋势。根据Peci Ac'1等[15]对EBT3，EBT4以及EBT-XD胶片的谱学研究，净光密度谱可分解为覆盖红、绿、蓝多波段成分的叠加。因此，本研究仅采用红色通道分析束斑分布存在一定局限性，未来仍需进一步探究多通道权重的最优分配方案，以更精确地表征束斑。此外EBT4的对称结构保证正反面扫描结果具有良好的一致性，扫描时无需区分朝向；但依据文献[16-17]建议，应采用透射模式扫描。针对胶片不平整或形变引入扫描噪声，本研究在扫描时于胶片表面覆盖高透射率AR玻璃[16-17]，能够显著抑制胶片不平整及形变所造成的噪声波动，同时提升透光率，从而提高分析精度。
基于上述优化方案，本研究获取了多机架角度下的束斑测量数据。数据表明，1号治疗室机架角度为45°时，束斑的等中心束斑为0.88 mm。尽管该结果符合WS 816-2023[6]标准中＜1 mm的限值要求，但显著高于其他角度。经CBCT图像引导校正与多治疗室对照实验确认，该显著偏差主要源于依靠激光灯摆位引入的随机误差。研究结果提示，若需实现 < 0.5 mm的高精度等中心验证，应结合CBCT进行位置预校准；若仅依赖于激光灯完成模体摆位，约1 mm的波动属于该流程下的固有系统不确定度，这在临床质控中需予以充分考虑。
综上所述，本研究基于自制等中心束斑分析模体和EBT4胶片联合的质控方法，结构简单、成本较低，能够在多机架角度下实现束斑形状与等中心偏差的精确评价，分析结果满足WS 816-2023[6]对“辐射束等中心偏差” < 1 mm的限值要求，证明该方法在多机架角度下等中心验证中具有良好的精度与稳健性。该质控方法，可作为二维矩阵或闪烁体探测器的交叉验证手段，为高精度质子治疗质控体系提供有益补充。
利益冲突 无
作者贡献声明 武益名负责现场实验和论文撰写；杜晓宏参与现场实验；李琳、喻佩参与数据分析；张德钦、潘翊参与现场实验指导；罗静文、范子嫣参与前期文献调研；刘澜涛指导论文修改
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