【綜述】（UPMC)伽瑪?shù)夺t(yī)用放射物理

龍在天涯ok 2019-07-20

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ICON?伽瑪?shù)吨委?/span>設備是Perfexion型伽瑪?shù)兜?/span>改進產(chǎn)品，增加了基于無框架的治療選項和立體定向錐形束計算機斷層掃描(CBCT)。增加的用于檢測患者移動的紅外線標志物，以及立體定向錐形束計算機斷層掃描(CBCT)的使用徹底改變可以執(zhí)行的伽瑪?shù)冻绦?。給出的伽瑪?shù)?/span>設備基礎醫(yī)學物理概念的綜述，包括鈷-60 (60Co)源的描述，和討論伽瑪射線與物質、60Co劑量學原理，輻射防護原理、部件結構，絕對劑量率和相對輸出因子測定，放射焦點（radiologic focal point）的定義以及維護伽瑪?shù)堆b置的適當功能所需要的質量保證。對高清移動管理和立體定向錐形束計算機斷層掃描(CBCT)等新增加的功能進行了討論。對治療計劃指標進行了回顧。

自伽瑪?shù)对O備的概念開始以來，伽瑪?shù)?/span>的基本物理原理沒有發(fā)生過重大變化。該裝置使用鈷-60 (⁶⁰Co)源作為輻射源。在本章中會有更詳細的描述，在⁶⁰Co衰減期間，發(fā)射伽瑪射線能量。就是伽瑪射線被用于伽瑪?shù)兜呐R床和幫助到設備的命名。

穩(wěn)定的⁵⁹Co吸收一個中子時就人為產(chǎn)生了⁶⁰Co。從所捕獲的中子多余能量通過貝塔(β)衰變而衰減。貝塔(β)衰變過程包括轉換中子變成三個粒子:質子，電子，和反中微子（antineutrino）。有兩個主要的貝塔(β)衰變通道能發(fā)射0.31和1.48 MeV能量的電子。這些電子在伽瑪?shù)兜脑礆?/span>（source housing）內被吸收,且不會給病人帶來很大的劑量。⁶⁰Ni的激發(fā)狀態(tài)是伽瑪射線起源于⁶⁰Co的貝塔(β)衰變。用于立體定向放射外科治療的伽瑪射線發(fā)射的能量為1.1732和1.3325兆電子伏特（MeV)），平均能量約為1.25兆電子伏特（MeV)。⁶⁰Co衰變的半衰期為5.26年，意味著經(jīng)過5.26年只存在一半的初始活度，從而使治療時間翻倍。

伽瑪射線是由原子核起源的光子。一個兩步的過程發(fā)生；光子與介質相互作用，將其能量傳遞給電子，反過來這些電子又通過組織內的相互作用沉積它們的能量，導致生物損傷。光子可以在介質中無限傳播，不斷地傳遞能量給電子。一個可測量的屬性是百分比深度劑量（the percentage depth dose），是指最大劑量與深度劑量的比值（the maximum dose to doses at depths）。對于⁶⁰Co,這個最大劑量發(fā)生在水中5毫米深的地方。在5厘米和10厘米深處，有⁶⁰Co伽瑪射線衰減到最大劑量的約74%和50%。這一點的重要性可以這樣來認識：如果有兩個相互平行的輻射源，深度為5毫米處放入劑量，高于中心的劑量。

輻射防護

伽瑪?shù)?/span>裝置的輻射防護及發(fā)證的原則是按照核監(jiān)管委員會（the Nuclear Regulatory Committee）概述的美國聯(lián)邦法規(guī)（the Code of Federal Regulations）(10 CFR20章、35章)。在其他方面，這些法規(guī)定限定了輻射工作人員和公眾，以及懷孕的輻射工作人員的劑量限制。伽瑪?shù)?/span>裝置的鎢和鋼的外殼(圖1)作為主要的屏障以減少人員的暴露。鎢是一種金屬合金，能吸收來自源的輻射，源的初始活度約為6600居里（）Ci）或192個源，每個源大約34 Ci。居里(Ci)是放射性單位，對應于3.7×1010的每秒裂變（disintegrations per second）。此外,一個安放伽瑪?shù)?/span>裝置的混凝土的拱頂治療室墻壁厚度約10-14英寸。這樣減少因輻射泄漏和散射而引起的暴露，從而使病人所受射到低于規(guī)定的限制。

圖1.顯示中沒有CBCT的ICON型伽瑪?shù)痘騊erfexion伽瑪?shù)兜钠拭娌季帧?/span>

PPS:病人擺位系統(tǒng)；Shielding doors ，屏蔽門；Shielding, 屏蔽防護；Cobalt sources, 鈷源；Collimator body, 準直器體

伽瑪?shù)堆b置

⁶⁰Co源分布在驅動機械上(圖2)，驅動機械將鈷源置于準直器上的開口。將驅動裝置看作一個扇區(qū)，24個源放置在每個扇區(qū)上，8個扇區(qū)可用于治療計劃。源是按以下模式:6、4、5、4、5在扇區(qū)上對齊。所有扇區(qū)的這種模式可以被分成5個源環(huán)(圖3)。環(huán)的分布距正常模式約15°，所成角度分別為75°、60°、45°、30°和15°。這意味著沒有平行相對的源。這個源的分布確保最大劑量保留在靶區(qū)，不會在靶區(qū)以外出現(xiàn)熱點區(qū)域。伽瑪?shù)队兴膫€準直器設置:16,8,4毫米和一個擋塊（block）。從第1到第8扇區(qū)的每一個環(huán)到每個準直器的交點有一定的幾何距離；

這個交點稱為放射學焦點（RFP,表1)。

圖2.加載有鈷源的鈷源驅動裝置。

圖3。膠片上扇區(qū)的鈷源的分布。

表1。環(huán)到RFP（放射學焦點）的距離以及6毫米準直器相對和有效輸出系數(shù)相關的關系。

準直器	環(huán)	V-SFD，mm	ROF	Eff ROF
16	1	481	0.961	1
16	2	459	1	1
16	3	455	0.981	1
16	4	488	0.914	1
16	5	519	0.847	1

驗收和調試

(瑞典斯德哥爾摩市)醫(yī)科達（Elekta）公司提供給用戶安裝報告，概述測定劑量的速率，輻射配置，和放射學焦點的結果。在臨床使用前，物理師和工程師將記錄結果按在客戶驗收協(xié)議記錄伽瑪?shù)堆b置的運行情況，概述裝置的所有方面的功能、安全聯(lián)鎖、如果使用ICON?型則會包括成像特點，以及網(wǎng)絡通迅系統(tǒng)。物理師用自己的方法負責測量和驗證Elekta報告的輻射配置、放射學焦點，和劑量率校準。

輻射配置

為了測量輻射配置，我們需要兩件設備:膠片和掃描儀進行圖像處理。特殊膠片用于測量輻射配置，輸出因素和放射學焦點。這種膠片叫做輻射變色膠片，其中有一種叫做Gafchromic。這種膠片不需要膠片處理器。(美國肯塔基州Covington市Ashland生產(chǎn)的）Gafchromic EBT3是最新的版本，并有許多功能，使該膠片適合伽瑪?shù)?/span>的劑量測定。這些配置是在ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯acrylonitrile butadiene styrene)頭模中測量的，這是最初為伽瑪刀射研制的頭模或在x:y和x:z方向上通過校準膠片的固體水模。從Elekta的報告中，它們的測量值和它們在治療規(guī)劃軟件上的值可以讓用戶進行比較。確定的配置值（profile value）從50%等劑量線開始。物理師應該在預期的1毫米范圍內驗證配置。

放射學焦點

在Leksell坐標空間中每個準直器的輻射趨同性（convergence）應該在x = 100.0, y = 100.0, z = 100.0位置，也就是RFP（放射學焦點）。患者擺位系統(tǒng)(PPS)參考這一焦點將患者腦內靶區(qū)具體擺位。用輻射配置確定擺位系統(tǒng)(PPS)的準確性，我們測量每個準直器的配置情況，使用一根針準確地定位處放射學焦點（RFP）。醫(yī)科達（Elekta）公司有一個特別的支架，可以在膠片上精確地對準刺出鋒利的針孔。我們確定出輻射配置的照射野的邊緣(field edge of radiation profile)，然后確定膠片上的中央針穿刺的位置，并確定針刺孔(pinprick)相對照射野中心的差異。到現(xiàn)場中心。當完成并在x:y和x:z方向制成表格時，結果可以隨后被處理為:

RFP =√(Δx² +Δy² +Δz²)(公差小于0.4米),

Δx2 =從針孔開始在x方向上的位移的半峰全寬（FWHM）值。

絕對劑量校準

電離室測量由入射輻射引起在氣體中形成的離子對的數(shù)目來源的電荷。這些離子對可以由入射光子和次級電子兩者產(chǎn)生。這個集合體積應該足夠小，以確保與周圍介質的電子平衡，但大到足以保證體積內部的電場穩(wěn)定。許多離子室被用于伽瑪?shù)叮?/span>而在我們的臨床環(huán)境中，我們有兩個電離室，(美國威斯康辛州Middleton市Standard Imaging公司生產(chǎn)的）Exradin A16和Capintec Inc.(美國新澤西州Florham Park市Capintec Inc公司生產(chǎn)的)PR05。測量絕對劑量或劑量率，離子室需要一個有效的美國劑量校準實驗室(ADCL)校準系數(shù)（calibration coefficient）。離子室置于ABS或固體水模，與放射學焦點（RFP）對齊，并從所有的扇區(qū)，用16毫米準直器照射。按照美國物理師協(xié)會醫(yī)學(AAPM)任務組21號協(xié)議，離子室的某些特性用來確定總校正因素用于美國劑量校準實驗室(ADCL)的暴露校準。在安裝時，劑量率應大于300 cGy/min。

相對輸出系數(shù)

定義為環(huán)的源的模式不能被直接測量，因為封閉這些個別的環(huán)是不可行的。每個準直器設置的環(huán)中的每一個源，都有一個到放射學焦點（RFP）的各不相同的路徑。源對設置在每個準直器的每個環(huán)中對劑量率的貢獻各不相同。為準確計算每個源對劑量的貢獻，進行蒙特卡羅計算確定16毫米的準直器每個環(huán)和每個準直器的輸出因子，如表1所示。這些因素在伽瑪?shù)兜闹委?/span>計劃軟件中不能被改變，在所有伽瑪?shù)堆b置中是固定的，該裝置的劑量率校準是在最大尺寸的照射野下進行，當選擇較小的準直器時，放射學焦點（RFP）的劑量率隨照射野尺寸的函數(shù)而變化。醫(yī)科達公司推薦的輸出系數(shù)來自Perfexion型和ICON型伽瑪?shù)堆b置的蒙特卡羅（Monte Carlo）計算，16mm = 1.0, 8mm = 0.9, 4mm =0.814。驗證每個準直器設置的有效輸出因子，確定不同準直器尺寸下的輸出方法得到廣泛的應用，Gafchromic膠片劑量學提供最準確的結果。

立體定向錐形束計算斷層掃描（Cone-Beam Computed Tomography）

ICON治療裝置擁有立體定向錐形束計算機斷層掃描(CBCT)。立體定向構成來自事實上，在Leksell立體定向坐標中的CBCT的三維像素。CBCT系統(tǒng)由一個帶有平板探測器的小型x射線管構成。c形臂，連接到伽瑪?shù)堆b置上，支撐x射線源和探測器。一個典型的掃描時間從開始C形臂運動到全CBCT采集大約要5分鐘。成像按照CTDI (CT劑量指數(shù))有兩種模式，一種是每次掃描2.5 mGy的低劑量模式和每次掃描6.3 mGy的高劑量模式。這些CBCTs具有非診斷性的質量。這兩種模式的相似之處在于能量(90kvp)、投影數(shù)量(332)、體積大小(448×448×448體素)、體素大小(0.5 mm)、x射線焦點(spot focal）大小(0.6 mm)、脈沖長度(40ms)，檢測器像素大小(0.368 mm)、濾波器(Hamming Window)。在這兩種模式(2.5 相比 6.3)之間存在的差異是每個投影電荷(0.4 相比 1.0 mAs)、管電流(0.1 相比 0.25 mA)，分辨率(7 相比 8線對/厘米[ lp/cm])，和對比噪聲比(1相比1.5)。

高分辨率移動管理

ICON型使用紅外攝像機跟蹤患者頭部實時移動，為病人提供持續(xù)監(jiān)測。病人用熱塑性面罩對患者頭部塑形，固定在頭部支架上進行擺位。頭部支架上有四個反射標記，一個附加標記被擺放在病人的鼻子上。在治療期間,反射標記被不斷監(jiān)控，檢查公差是否被破壞(圖4a,圖4b)。公差是由許多因素決定的，一般在1.0-2.0毫米范圍內。如果公差被破壞，放射源就會回縮，伽瑪?shù)堆b置會等待30秒看病人是否能回到公差的范圍內。如果沒有，病人會隨治療床回到擺位的原位，并有關于如何調整頭部提示的，雖然這不是非?？尚械摹；蛘?，一個可以采集新的CBCT ，獲得新的治療床坐標，然后安排和照射剩下的劑量。

圖4。a.在1.5毫米公差范圍內實時跟蹤患者。b.在2.0毫米的公差范圍內實時跟蹤患者，治療曾被中斷并恢復(黃色區(qū)域)。

質量保證

伽瑪?shù)堆b置的質量保證(QA)由一系列經(jīng)常或偶爾執(zhí)行的測試組成。設計了經(jīng)常性的質量保證(QA)測試設計為快速、高效、和簡單地檢查到驗證設備的正常功能。聚焦精度測試(The FOCUS precision test)(圖5),以及CBCT精度測試是兩個常見的QA的例子。通過4毫米準直器靶點的輻射的二極管掃描，聚焦精度測試驗證病人擺位系統(tǒng)（PPS）與放射學焦點（RFP）正確對齊。治療床將兩次軸向掃描每個坐標以確保病人擺位系統(tǒng)的移動是線性的。有12個點被用于確定PPS相對Leksell立體定向頭架x,y,z的坐標位置為100,100,100時的位移。關于影像的質量保證，CBCT的精度測試是一種相對的測試以確定Leksell立體定向空間的4個鋼BBs的坐標。影像探測器上的BBs可以用射線追蹤回到Leksell立體定向空間，并與初始調試值進行比較。測試公差< 0.5毫米。額外的日常質量保證檢查包括:房間輻射監(jiān)測器操作，視聽功能,固定的微旋鈕,治療床功能，病人保護裝置，緊急測試，定時曝光終止等是否正常運作。不常用的測試被設計成徹底的檢測主要組件并確保沒有發(fā)生主要組件的變化還。頭架檢查的質量保證確認是通過放置頭架到金屬板上，4個固定釘準確地呈直角地與標準頭架相配，來確定頭架是否為正方形。然后把頭架放在金屬板的頂部上，如果合身，那么頭架是方形的，如果不是方形的，框架就是彎曲的，應在臨床中取消使用。由Elekta公司提供的(美國紐約Salem市Phantom Laboratory Inc.公司生產(chǎn)的)CatPhan型號503圖像引導的頭模，是用兩種可用模式成像。Elekta建議要對這個頭模做三項測試：線對分辨率（line pair resolution），Hounsfield單元均勻性（Hounsfield unit uniformity），與噪聲比(CNR)的對比。在Elekta用戶的指導手冊中，這些測試得到概述。每月進行QA檢查的事項有:所有每日質量保證（QA）的活動，測定絕對劑量率，清除工具Flextip試驗，主控制器應急電池備份，辦公電源的電池備份，并驗證治療計劃軟件。伽瑪?shù)堆b置的年度要求中包括每天和每月的測試，但進一步還需進行另外的三個測試:RFP（放射學焦點）測定，扇形均勻性、治療倉泄漏（the cavity leakage）。伽瑪?shù)?/span>裝置的初裝載荷由192個近似相等的源組成，⁶⁰Co源的供應商的源強度的變化小于1%。裝載源時，通過關閉所有扇區(qū)，并保留一個扇區(qū)開放，測量累積的總電荷。使用ABS或放置在放射學焦點（RFP）上的電離室的固態(tài)水模測量從一個打開的扇區(qū)中收集到的電荷，并關閉其他的扇區(qū)。這個檢查要對每個扇區(qū)完成，扇區(qū)的均勻性得到計算，公差< 3%。治療倉（cavity）泄漏測試決定治療門打開，鈷源回縮時，個體的全身暴露受照輻射的情況。使用ABS或固態(tài)水模和電離室，在所有扇區(qū)關閉時在放射學焦點可收集到的電荷均，然后把所有扇區(qū)打開，治療倉泄漏應<0.5%。

圖5。聚焦精度工具(下圖)與二極管暴露(見上圖)。這個圖是ICON型標版本的，采用4個BBs進行CBCT的精度測試。

治療計劃

伽瑪?shù)兜闹委熡媱澬枰私鉁手?/span>器的劑量配置，準直器的百分比深度劑量，和準直器的輸出因素。在Leksell GammaPlan中劑量計算的主要方法是TMR10算法，不考慮空氣腔或組織的不均質性。要說明組織的不均質性（inhomogeneous tissues），就要用到卷積算法（the convolution algorithm.）。

治療計劃的兩大要素是靶點坐標和權重。劑量分布源自隔開放置靶點以讓其不會明顯的重疊和略微調節(jié)相互靠近的靶點的權重以填充未覆蓋的靶區(qū)。放置過多的靶點以及權重不適當會破壞劑量分布。圖6a和圖6b是如何建立劑量分布的兩個例子。紅色的輪廓線是靶區(qū)，藍色的輪廓線是靶點的形狀。圍繞靶區(qū)的黃線是50%等劑量線。通過在整個靶區(qū)中增加靶點，阻擋扇區(qū)和調整權重，可以將劑量分布適形后非常接近靶區(qū)。

有幾個工具可用來評估治療方案:適形性指數(shù)(CI) (RTOG1995，已被放棄）， Paddick適形指數(shù)(PCI)、計劃選擇性(PS)和梯度指數(shù)(GI)。劑量適形性是用來評估劑量分布如何充分覆蓋靶區(qū)體積。CI = PIV/TV，其中PIV是指處方等劑量線的體積（prescribed isodose volume），TV是指靶區(qū)體積。這個定義是用來計算PIV能覆蓋多少治療體積，如果應用不當，可能會導致靶區(qū)體積（target volume）雖等同于計劃的等劑量線體積（planned isodose volume），但它們根本沒有重疊，給出了一個虛假的CI（適形性指數(shù)）的一致性（unity）。伽瑪?shù)?/span>使用PCI = TV_PIV)²/(TV×PIV)加以糾正，其中TV_PIV =靶區(qū)體積，與PIV重疊。這個定義去除了假陽性分數(shù)。 PCI = 1，表示勾畫的輪廓的體積得到完美覆蓋，而0則表示以任何方式劑量和體積都不會重疊。

PS = (TV_PIV)/(PIV)是比較不同計劃靶區(qū)覆蓋率的測量手段。PS < 1表示靶區(qū)覆蓋率較低，PS > 1表示劑量分布在靶區(qū)體積之外，偏大。最后一個指數(shù),梯度指數(shù)（GI），是一種測量靶區(qū)外劑量溢出(spillage)的方法。梯度指數(shù)（GI）的定義為PIV_50%/PIV，其中PIV₅₀是50%等劑量線的體積。