廣東恒健質子醫療裝置示范工程項目質子中心位于廣州市黃埔區中新知識城南起步區中山大學附屬腫瘤醫院黃埔分院內。該質子中心于2013年11月項目立項，2014年11月項目開工，2014年12月6日采購了Ion Beam Applications, S.A （簡稱“IBA”）的Proteus Plus質子治療系統，包括質子加速器系統和一間旋轉治療室GTR1；2015年6月30日簽署補充協議，增加采購了另外兩間旋轉治療室GTR2-GTR3。2017年3月主體建筑竣工，2018年7月開始質子治療設備安裝，2019年7月10日質子加速器吊裝，2019年12月4日質子加速器調試并成功向外引出穩定束流，由于新冠疫情的影響，調試進度有所放緩，2021年9月已經具備交付首個治療室的條件，預計2021年10月正式驗收交付。該質子中心建筑按地下2層，地面3層（含屋頂）設計，總建筑面積約1.3萬平方米，按照3間旋轉治療室和2間固定束治療室的布局建設，可配置有5個質子治療室。

圖1 中南地區首個質子中心的重要里程碑

圖2 質子中心效果圖

質子中心質子治療系統的驗收測試、臨床調試和臨床研究以及治療都將在泰和誠控股美中嘉和醫療集團首席物理師（原美國佛羅里達質子治療中心醫學物理部主任）李左鋒教授領導下開展。李左鋒教授是美國醫學物理學會(AAPM) 成員，畢業于華盛頓大學，隨后又在華盛頓大學醫學院完成博士后研究和臨床醫學物理住院醫師培訓；2005年加入佛羅里達質子治療中心，負責質子治療系統的安裝、調試以及臨床運行，其研究領域主要涉及臨床質子治療計劃的制定、劑量學、影像引導放療和臨床療效等方面研究[1]。

為了充分發揮質子治療設備的技術優勢和社會效益，嚴格按照質子放療設備的臨床治療使用規定，開展相應的臨床應用和研究，建立并嚴格執行質子治療規范，保障臨床診療的質量和安全，必須切實做好質子治療系統驗收測試、臨床調試以及機器周期性質量保證（Quality Assurance，簡稱“QA”）和病人治療前QA等工作。質子劑量學在質子治療的安全性方面具有非常重要的地位[2]，故本質子中心配置了IBA Dosimetry的一整套完善的質子治療質量驗證系統，包括帶myQA Accept 的Blue Phantom PT質子專用水箱、單通道高精度的參考級靜電計DOSE1、積分布拉格峰電離室StingRay、平行板電離室PPC05、帶OmniPro incline的多層串聯電離室組 Giraffe-MLIC、Zebra-MLIC，以及最新一代高分辨率質子束表征的非晶硅探測器Phoenix、Digiphant 水箱和帶MyQA Patient 的Matrixx PT等。

IBA Dosimetry中國區派出了強大培訓團隊，對質子中心醫學物理師和工程師開展了為期一周（2021年9月13日至9月17日）的質子質控設備帶束流測試的用戶使用培訓。

二、    基于Blue Phantom PT質子專用水箱的測試系統

基于Blue Phantom PT質子專用水箱（簡稱“BP-PT水箱”），積分布拉格峰電離室StingRay可以在質子治療系統驗收測試、臨床調試和機器周期性QA獲取積分深度劑量曲線IDD，獲取射程、遠端劑量跌落和層間拉回精度等束流參數[3]。

基于BP-PT水箱，平行板電離室PPC05可以測量質子在水中的絕對劑量，一般用于單野均勻劑量立方體的橫向劑量均勻性、單野均勻劑量立方體的縱向劑量均勻性，監測單元MU的線性度和MU重復性測試等。

2.1、     Blue Phantom PT 質子專用水箱

BP-PT水箱，專為質子治療鉛筆束掃描 (PBS) 而設計的水箱（如圖3~4所示），其幾何結尺寸(L x W x H)為569.5mm x 277 mm x 268 mm。束流從薄窗沿水箱長度方向（Y軸）射入，通過四銷校準器可以快速對StingRay電離室入射平面調整至與薄窗平行（如圖5所示），單銷校準器進行快速校準StingRay電離室入射面調整至與薄窗之間的距離（如圖6所示）。四銷校準器和單銷校準器均包括帶校準銷的A柱和與A柱配合的B柱，安裝時，A柱在水箱內，B柱位于水箱外靠近薄窗側，兩者通過磁力吸附固定在薄窗內外壁上[4]。與Blue Phantom2 三維大水箱相比，BP-PT水箱的幾何尺寸更緊湊，空載下水箱質量僅有12.2kg，質量更輕；BP-PT水箱只能沿Y軸前后移動，減少了另外兩個方向上帶來的誤差，其位置精度±0.05 mm，位置重復性± 0.03 mm，位置分辨率0.1mm，其機械精度非常高，借助集成掃描軟件 myQA Accept采集和分析數據。由此，更快速、更準確地測試質子治療系統！

圖3 BP-PT水箱示意圖

圖4 BP-PT水箱在質子治療系統IBA Proteus Plus激光指示下的安裝準直圖

圖5 四銷校準器快速校準StingRay電離室入射面與薄窗平行

圖6 單銷校準器快速校準StingRay電離室入射面與薄窗之間的距離

圖7 AAMP TG185報告提供了不同尺寸電離室測量質子束（221MeV，σ=4mm）的PDD差異

圖8給出了StingRay電離室的內部結構和與電離室安裝架連接圖，StingRay電離室與安裝支架連接，通過調節螺母調平面傾斜，電離室中心上的十字叉絲用于與激光對齊，調節水箱保證束流中心軸經過十字叉絲。

圖8 積分布拉格峰電離室StingRay和電離室安裝架的結構圖

1-    電離室入射窗（φ=120mm）；2-帶十字叉線的電離室中心；3-電離室調平銷；4-連接電離室支架的固定螺母；5-調節螺母；6-帶濕度顯示的電纜；7-電離室安裝支架

在測試質子束流單能布拉格峰積分深度劑量曲線IDD時，主測量電離室采用StingRay電離室，加+150V偏壓，參考電離室采用筆形束治療頭的內置電離室IC2/3，通過GND-SYN接口將電離室IC2/3反饋信號傳輸到水箱CCU，通過治療頭內置電離室IC2/3反饋信號，我們可以判斷是否有束流通過還是束流信號低于主電離室測量極限而測不到數據，并可作本底扣除。CCU不需也不能對內置電離室IC2/3加高壓，因為其本身有高壓，額外加高壓有可能擊穿電離室。參考電離室在MyQA Accept軟件中的設置：Identifier選EFD3G，類型選Dipole。

圖9 StingRay電離室測量到226MeV單能質子束的積分深度劑量曲線IDD

需要特別指出的是：如果在MyQA Accept軟件沒有進行有效測量點和水等效厚度修正，或者測量到的積分深度劑量曲線IDD沒有進行修正，不能直接作為最終測量結果。這是因為BP-PT水箱薄窗（分3mm窗和5mm薄窗）有厚度，StingRay電離室入射面與薄窗之間有間隙，電離室的有效測量點不在其前表面。對于StingRay電離室的有效測量點，需考慮電離室三個調平銷的平均高度+電離室外殼標稱厚度2.2mm+頂部電極標稱厚度1 mm +外殼與頂部電極之間的間隙0.6 mm[6]。修正以后才能得到正確的測試結果。

2.1、    平行板電離室PPC05和單通道參考級靜電計DOSE1

平行板電離室PPC05可以用于測量2 MeV 以上的絕對和相對電子束吸收劑量，也可用于光子和質子的絕對和相對劑量測量。PPC05材料是空氣等效導電塑料 Shonka C552（外殼、入口窗和側壁）和高絕緣塑料 PEEK 和 PPE。集電極材料為石墨化 PEEK。腔室由平面幾何的圓形敏感體積構成，該體積由剛性 1 毫米厚的入口窗口覆蓋。具有 0.6 mm 電極間距、9.9 mm 電極直徑的小收集體積可在深度劑量研究中實現出色的分辨率，并且需要小擾動校正。

表1 平行板電離室PPC05主要性能指標

圖 10 平行板電離室PPC05

DOSE1是一款便攜式、單通道、高精度的參考級靜電計，它的測量指標明顯超越了IEC 60731和AAPM規定的標準，它具有極高的精度，并在較寬的動態范圍內提供極佳的分辨能力。該款靜電計可以使用電離室、半導體探頭和鉆石探頭測量吸收劑量。

采用平行板電離室PPC05和靜電計DOSE1進行質子絕對劑量測量時，水箱只是通過MyQA Accept軟件控制電離室的位置，故不需參考電離室，DOSE1可以直接讀出輸出劑量和電荷量，考慮各種因子的修正，推薦使用電荷量，便于后續對初始采集數據進行修正處理。

三、    帶OmniPro-Incline的多層串聯電離室組Giraffe-MLIC

IBA多層串聯電離室組Giraffe-MLIC主要用于測試質子束流原始布拉格峰（Pristine Bragg Peak）縱向劑量分布。Giraffe-MLIC是用180個厚2 mm、直徑為12 cm的獨立環形收集極的電離室串接而成的電離室組，相鄰電離室的間距為2 mm，電離室組通過ASICS高靈敏多道電離計、專用的OmniPro-Incline應用軟件一起使用能在10 ms內將數據讀出。每一層都有一個固定等效水射程值，將Giraffe-MLIC放在治療頭輸出處，當束流以垂直方向入射時，則每個不同位置上電離室讀數對應每個能量上的劑量值，這樣照射一次，即可得到沿縱向劑量分布曲線。

Giraffe-MLIC的關鍵優點是：一、能在1 s內瞬間進行每日的PBS驗證，只用一個單束點傳輸即可檢驗整個原始布拉格峰深度劑量曲線分布；二、在數據收集中，由于直徑大，幾乎把質子束產生的所有次級電子都收集了，信號損失小且很快，安全地、完整地收集了數據，保證測試準確性。

采用Giraffe-MLIC測試原始布拉格峰，比用水箱和電離室（如StingRay）測試快十倍，前者避免了后者需要擺放水箱，調水平、向水箱內注水和安裝電離室和激光準直等工作，耗時且效率低下的缺點。但需要注意的是，用水箱和電離室測試方法的分辨率高于Giraffe-MLIC[2]。

Giraffe-MLIC測量前，需要采用水箱和電離室（如StingRay）采集質子治療系統最大射程的原始布拉格峰曲線數據點用于校準Giraffe-MLIC的劑量均勻性，需要注意如下問題：一、在治療等中心處輸出最高能量的束流，保證Giraffe-MLIC所有電離室都能夠得到相應的校準；二、數據采集間距要合理，在布拉格峰附近測量間距不大于0.5 mm，其他區域的采集間距可以稍大些。圖11給出了Giraffe-MLIC測試質子治療系統IBA Proteus Plus束流縱向性能-原始布拉格峰的實物圖。

圖11 Giraffe-MLIC測試質子治療系統IBA Proteus Plus單能布拉格峰曲線的實物圖

之所以要對Giraffe-MLIC進行均勻性校準的原因是，在Giraffe-MLIC測量質子束流之前，每個電離室對劑量的響應可能都不一樣，得到的劑量分布是隨機波動的，如圖12所示，與水箱和電離室掃描得到的平滑的布拉格峰曲線相比，Giraffe-MLIC首次測試結果上下起伏波動，曲線極不平滑。而將水箱和電離室（如StingRay）采集到的質子治療系統最大射程的原始布拉格峰曲線數作為基準數據導入OmniPro-Incline，對Giraffe-MLIC進行均勻性校準，Giraffe-MLIC的所有電離室按照對應的深度的相對劑量分別進行不同比例的校準，使得Giraffe-MLIC測試數據與基準數據一樣平滑，如圖13所示。

圖12 Giraffe-MLIC首次測量得到的單能布拉格峰曲線

圖13 Giraffe-MLIC進行均勻性校準后的原始布拉格峰曲線

四、    帶OmniPro incline的多層串聯電離室組Zebra-MLIC

IBA多層串聯電離室組Zebra-MLIC主要用于測試質子束流拓展布拉格峰（Spread‐Out Bragg Peaks，簡稱“SOBP”），Zebra-MLIC結構和工作原理與Giraffe-MLIC類似，不同的是，前者的孔徑更小，分辨率更高，表2給出了Zebra和Giraffe的關鍵指標[7]。

表2 多層串聯電離室組Zebra和Giraffe的關鍵指標

圖14為Zebra-MLIC測試質子治療系統IBA Proteus Plus 拓展布拉格峰曲線的實物圖，Zebra-MLIC具有兩個相對的入射窗，入射窗設有透明的防護蓋，雖說兩個方向均可以入射，考慮到電離室組校準響應的長期穩定性和重復性，推薦使用沿Logo上顯示的布拉格峰曲線方向進行擺位和準直。Giraffe-MLIC的情況與Zebra-MLIC類似。

在用水箱獲取均勻性校準的基準數據的方式上，Zebra-MLIC 與Giraffe-MLIC是不同的，后者是采用StingRay電離室和治療頭內置電離室IC2/3（參考電離室）單次測量獲得最大射程的積分深度劑量曲線；而前者是采用PPC05和DOSE1通過MyQA Accept軟件控制電離室位置，在束流中心軸上的180個不同深度處逐點進行絕對劑量測量，質子治療系統調用10 cm x 10 cm x 10 cm 均勻方野計劃，每次只執行計劃的最大射程所在一層。數據采集結束后，得到180個不同深度對應的絕對劑量值，歸一化得到相對劑量曲線，導入OmniPro incline，即可對Zebra-MLIC進行均勻性校準。

Zebra-MLIC測量拓展布拉格峰SOBP時，為了保證完整的均勻方野計劃得到完整地執行，需要設置測量時間，且應當比出束時間稍長，測量過程中不能中斷測量過程；而Giraffe-MLIC測量原始布拉格峰時，只要看到了期望的測量數據，隨時可以中斷測量過程。

質子治療系統執行預定義的高射程均勻劑量立方體計劃，在最大射程R₉₀=32g/cm²，射野大小10cm x 10cm，調制寬度（等劑量線上升沿98%-下降沿98%）為10 cm的束流條件下，采用 Zebra-MLIC測量質子的拓展布拉格峰曲線SOBP，如圖15所示，在OmniPro incline軟件上可以分析得到單野均勻劑量高射程立方體的縱向劑量均勻性。

圖15 質子最大射程32g/cm²下Zebra-MLIC測量到拓展布拉格峰曲線SOBP

五、    帶MyQA fast track的質子束表征非晶硅探測器Phoenix

非晶硅探測器Phoenix不僅可以獲取單個或多個質子束斑的位置、尺寸和對稱性信息，而且可以直接測試點掃描質子束的最大射野尺寸，分析射野平坦度，還可以用于X光的性能測試。

非晶硅探測器Phoenix是IBA Dosimetry最新推出的、非常適合點掃描PBS質子束表征的新型探測器。非晶硅探測器Phoenix的工作原理是：探測器像素點上的非晶硅材料與通過與入射的質子發生相互作用，將質子束轉化為可見光，通過光電二極管，光信號轉化為電信號，通過靜電計讀出相對劑量。

上一代質子束表征的閃爍體探測器Lynx的工作原理是：閃爍體材料與入射的質子束發生相互作用產生可見熒光，可見熒光通過反射鏡，傳輸到CCD相機而獲得質子束斑信息。

與閃爍體探測器Lynx相比，非晶硅探測器Phoenix具有如下優勢：一、400萬像素，0.2 mm空間分辨率，實現無失真測量精度，更加清晰準確；二、動態響應范圍更大，精確測量質子束暈Halo信息，提高治療計劃系統的建模精度，降低TPS誤差，實現更精準的治療精度；三、點掃描束最大射野為30 cm x 40 cm，而Lynx、Phoennix的有效測量區分別為30cm x 30cm和41 cm x 41 cm，Phoennix能夠直接測試分析點掃描點掃描質子束的最大射野，而Lynx不能。非晶硅探測器Phoenix和閃爍體探測器Lynx的關鍵指標對比見表3。

表3為非晶硅探測器Phoenix和閃爍體探測器Lynx的關鍵指標

圖16為非晶硅探測器Phoenix安裝實物圖

圖17 非晶硅探測器Phoenix獲取到的五點質子束斑圖

據IBA Dosimetry培訓專家介紹，我們質子中心配置的非晶硅探測器Phoenix是中國首臺，還可能是亞洲首臺。為紀念這歷史性時刻，培訓人員和專家進行了合影留念，如圖18所示。

圖18 中國首臺質子束表征非晶硅探測器Phoenix 培訓合影留念

六、    帶MyQA patient 的Matrixx PT搭載Digiphant水箱

矩陣型電離室組Matrixx PT和Digiphant水箱主要用于測試單野均勻劑量的橫向劑量均勻性，驗證病人劑量治療計劃的劑量分布和晨檢檢測束流輸出量一致性。

Matrixx PT是由1020個電離室組成的32 x 32 矩陣型電離室組，Matrixx PT的讀數即一個二維劑量分布。通過Digiphant水箱伺服電機驅動Matrixx PT沿束流方向移動，如圖19所示，每個深度讀一次數，從而形成一個三維劑量分布。

圖19 為帶矩陣型電離室組Matrixx PT的Digiphant水箱安裝實物圖

圖20 整個用戶培訓結束后合影留念

參考文獻

編者簡介

李章民，廣東恒健核子醫療產業有限公司 醫學物理師 & 輻射安全辦公室主任

碩士研究生，畢業于中國科學院大學（近代物理研究所），具有放射醫學技術技師職稱、LA·(X刀·Y刀)物理師上崗證和國家注冊核安全工程師執業資格。 2019年7月-2020年7月在中山大學附屬腫瘤醫院（中山大學腫瘤防治中心）放療科物理組、技術組進修一年，2020年7月-2021年2月在河北一洲腫瘤醫院放療科進修8個月，系統學習質子治療相關技術。 主要從事質子治療、光子治療臨床治療與研究、輻射防護、以及蒙塔卡羅仿真在質子治療中的應用等。