广东恒健质子医疗装置示范工程项目质子中心位于广州市黄埔区中新知识城南起步区中山大学附属肿瘤医院黄埔分院内。该质子中心于2013年11月项目立项，2014年11月项目开工，2014年12月6日采购了Ion Beam Applications, S.A （简称“IBA”）的Proteus Plus质子治疗系统，包括质子加速器系统和一间旋转治疗室GTR1；2015年6月30日签署补充协议，增加采购了另外两间旋转治疗室GTR2-GTR3。2017年3月主体建筑竣工，2018年7月开始质子治疗设备安装，2019年7月10日质子加速器吊装，2019年12月4日质子加速器调试并成功向外引出稳定束流，由于新冠疫情的影响，调试进度有所放缓，2021年9月已经具备交付首个治疗室的条件，预计2021年10月正式验收交付。该质子中心建筑按地下2层，地面3层（含屋顶）设计，总建筑面积约1.3万平方米，按照3间旋转治疗室和2间固定束治疗室的布局建设，可配置有5个质子治疗室。

图1 中南地区首个质子中心的重要里程碑

图2 质子中心效果图

质子中心质子治疗系统的验收测试、临床调试和临床研究以及治疗都将在泰和诚控股美中嘉和医疗集团首席物理师（原美国佛罗里达质子治疗中心医学物理部主任）李左锋教授领导下开展。李左锋教授是美国医学物理学会(AAPM) 成员，毕业于华盛顿大学，随后又在华盛顿大学医学院完成博士后研究和临床医学物理住院医师培训；2005年加入佛罗里达质子治疗中心，负责质子治疗系统的安装、调试以及临床运行，其研究领域主要涉及临床质子治疗计划的制定、剂量学、影像引导放疗和临床疗效等方面研究[1]。

为了充分发挥质子治疗设备的技术优势和社会效益，严格按照质子放疗设备的临床治疗使用规定，开展相应的临床应用和研究，建立并严格执行质子治疗规范，保障临床诊疗的质量和安全，必须切实做好质子治疗系统验收测试、临床调试以及机器周期性质量保证（Quality Assurance，简称“QA”）和病人治疗前QA等工作。质子剂量学在质子治疗的安全性方面具有非常重要的地位[2]，故本质子中心配置了IBA Dosimetry的一整套完善的质子治疗质量验证系统，包括带myQA Accept 的Blue Phantom PT质子专用水箱、单通道高精度的参考级静电计DOSE1、积分布拉格峰电离室StingRay、平行板电离室PPC05、带OmniPro incline的多层串联电离室组 Giraffe-MLIC、Zebra-MLIC，以及最新一代高分辨率质子束表征的非晶硅探测器Phoenix、Digiphant 水箱和带MyQA Patient 的Matrixx PT等。

IBA Dosimetry中国区派出了强大培训团队，对质子中心医学物理师和工程师开展了为期一周（2021年9月13日至9月17日）的质子质控设备带束流测试的用户使用培训。

二、    基于Blue Phantom PT质子专用水箱的测试系统

基于Blue Phantom PT质子专用水箱（简称“BP-PT水箱”），积分布拉格峰电离室StingRay可以在质子治疗系统验收测试、临床调试和机器周期性QA获取积分深度剂量曲线IDD，获取射程、远端剂量跌落和层间拉回精度等束流参数[3]。

基于BP-PT水箱，平行板电离室PPC05可以测量质子在水中的绝对剂量，一般用于单野均匀剂量立方体的横向剂量均匀性、单野均匀剂量立方体的纵向剂量均匀性，监测单元MU的线性度和MU重复性测试等。

2.1、     Blue Phantom PT 质子专用水箱

BP-PT水箱，专为质子治疗铅笔束扫描 (PBS) 而设计的水箱（如图3~4所示），其几何结尺寸(L x W x H)为569.5mm x 277 mm x 268 mm。束流从薄窗沿水箱长度方向（Y轴）射入，通过四销校准器可以快速对StingRay电离室入射平面调整至与薄窗平行（如图5所示），单销校准器进行快速校准StingRay电离室入射面调整至与薄窗之间的距离（如图6所示）。四销校准器和单销校准器均包括带校准销的A柱和与A柱配合的B柱，安装时，A柱在水箱内，B柱位于水箱外靠近薄窗侧，两者通过磁力吸附固定在薄窗内外壁上[4]。与Blue Phantom2 三维大水箱相比，BP-PT水箱的几何尺寸更紧凑，空载下水箱质量仅有12.2kg，质量更轻；BP-PT水箱只能沿Y轴前后移动，减少了另外两个方向上带来的误差，其位置精度±0.05 mm，位置重复性± 0.03 mm，位置分辨率0.1mm，其机械精度非常高，借助集成扫描软件 myQA Accept采集和分析数据。由此，更快速、更准确地测试质子治疗系统！

图3 BP-PT水箱示意图

图4 BP-PT水箱在质子治疗系统IBA Proteus Plus激光指示下的安装准直图

图5 四销校准器快速校准StingRay电离室入射面与薄窗平行

图6 单销校准器快速校准StingRay电离室入射面与薄窗之间的距离

图7 AAMP TG185报告提供了不同尺寸电离室测量质子束（221MeV，σ=4mm）的PDD差异

图8给出了StingRay电离室的内部结构和与电离室安装架连接图，StingRay电离室与安装支架连接，通过调节螺母调平面倾斜，电离室中心上的十字叉丝用于与激光对齐，调节水箱保证束流中心轴经过十字叉丝。

图8 积分布拉格峰电离室StingRay和电离室安装架的结构图

1-    电离室入射窗（φ=120mm）；2-带十字叉线的电离室中心；3-电离室调平销；4-连接电离室支架的固定螺母；5-调节螺母；6-带湿度显示的电缆；7-电离室安装支架

在测试质子束流单能布拉格峰积分深度剂量曲线IDD时，主测量电离室采用StingRay电离室，加+150V偏压，参考电离室采用笔形束治疗头的内置电离室IC2/3，通过GND-SYN接口将电离室IC2/3反馈信号传输到水箱CCU，通过治疗头内置电离室IC2/3反馈信号，我们可以判断是否有束流通过还是束流信号低于主电离室测量极限而测不到数据，并可作本底扣除。CCU不需也不能对内置电离室IC2/3加高压，因为其本身有高压，额外加高压有可能击穿电离室。参考电离室在MyQA Accept软件中的设置：Identifier选EFD3G，类型选Dipole。

图9 StingRay电离室测量到226MeV单能质子束的积分深度剂量曲线IDD

需要特别指出的是：如果在MyQA Accept软件没有进行有效测量点和水等效厚度修正，或者测量到的积分深度剂量曲线IDD没有进行修正，不能直接作为最终测量结果。这是因为BP-PT水箱薄窗（分3mm窗和5mm薄窗）有厚度，StingRay电离室入射面与薄窗之间有间隙，电离室的有效测量点不在其前表面。对于StingRay电离室的有效测量点，需考虑电离室三个调平销的平均高度+电离室外壳标称厚度2.2mm+顶部电极标称厚度1 mm +外壳与顶部电极之间的间隙0.6 mm[6]。修正以后才能得到正确的测试结果。

2.1、    平行板电离室PPC05和单通道参考级静电计DOSE1

平行板电离室PPC05可以用于测量2 MeV 以上的绝对和相对电子束吸收剂量，也可用于光子和质子的绝对和相对剂量测量。PPC05材料是空气等效导电塑料 Shonka C552（外壳、入口窗和侧壁）和高绝缘塑料 PEEK 和 PPE。集电极材料为石墨化 PEEK。腔室由平面几何的圆形敏感体积构成，该体积由刚性 1 毫米厚的入口窗口覆盖。具有 0.6 mm 电极间距、9.9 mm 电极直径的小收集体积可在深度剂量研究中实现出色的分辨率，并且需要小扰动校正。

表1 平行板电离室PPC05主要性能指标

图 10 平行板电离室PPC05

DOSE1是一款便携式、单通道、高精度的参考级静电计，它的测量指标明显超越了IEC 60731和AAPM规定的标准，它具有极高的精度，并在较宽的动态范围内提供极佳的分辨能力。该款静电计可以使用电离室、半导体探头和钻石探头测量吸收剂量。

采用平行板电离室PPC05和静电计DOSE1进行质子绝对剂量测量时，水箱只是通过MyQA Accept软件控制电离室的位置，故不需参考电离室，DOSE1可以直接读出输出剂量和电荷量，考虑各种因子的修正，推荐使用电荷量，便于后续对初始采集数据进行修正处理。

三、    带OmniPro-Incline的多层串联电离室组Giraffe-MLIC

IBA多层串联电离室组Giraffe-MLIC主要用于测试质子束流原始布拉格峰（Pristine Bragg Peak）纵向剂量分布。Giraffe-MLIC是用180个厚2 mm、直径为12 cm的独立环形收集极的电离室串接而成的电离室组，相邻电离室的间距为2 mm，电离室组通过ASICS高灵敏多道电离计、专用的OmniPro-Incline应用软件一起使用能在10 ms内将数据读出。每一层都有一个固定等效水射程值，将Giraffe-MLIC放在治疗头输出处，当束流以垂直方向入射时，则每个不同位置上电离室读数对应每个能量上的剂量值，这样照射一次，即可得到沿纵向剂量分布曲线。

Giraffe-MLIC的关键优点是：一、能在1 s内瞬间进行每日的PBS验证，只用一个单束点传输即可检验整个原始布拉格峰深度剂量曲线分布；二、在数据收集中，由于直径大，几乎把质子束产生的所有次级电子都收集了，信号损失小且很快，安全地、完整地收集了数据，保证测试准确性。

采用Giraffe-MLIC测试原始布拉格峰，比用水箱和电离室（如StingRay）测试快十倍，前者避免了后者需要摆放水箱，调水平、向水箱内注水和安装电离室和激光准直等工作，耗时且效率低下的缺点。但需要注意的是，用水箱和电离室测试方法的分辨率高于Giraffe-MLIC[2]。

Giraffe-MLIC测量前，需要采用水箱和电离室（如StingRay）采集质子治疗系统最大射程的原始布拉格峰曲线数据点用于校准Giraffe-MLIC的剂量均匀性，需要注意如下问题：一、在治疗等中心处输出最高能量的束流，保证Giraffe-MLIC所有电离室都能够得到相应的校准；二、数据采集间距要合理，在布拉格峰附近测量间距不大于0.5 mm，其他区域的采集间距可以稍大些。图11给出了Giraffe-MLIC测试质子治疗系统IBA Proteus Plus束流纵向性能-原始布拉格峰的实物图。

图11 Giraffe-MLIC测试质子治疗系统IBA Proteus Plus单能布拉格峰曲线的实物图

之所以要对Giraffe-MLIC进行均匀性校准的原因是，在Giraffe-MLIC测量质子束流之前，每个电离室对剂量的响应可能都不一样，得到的剂量分布是随机波动的，如图12所示，与水箱和电离室扫描得到的平滑的布拉格峰曲线相比，Giraffe-MLIC首次测试结果上下起伏波动，曲线极不平滑。而将水箱和电离室（如StingRay）采集到的质子治疗系统最大射程的原始布拉格峰曲线数作为基准数据导入OmniPro-Incline，对Giraffe-MLIC进行均匀性校准，Giraffe-MLIC的所有电离室按照对应的深度的相对剂量分别进行不同比例的校准，使得Giraffe-MLIC测试数据与基准数据一样平滑，如图13所示。

图12 Giraffe-MLIC首次测量得到的单能布拉格峰曲线

图13 Giraffe-MLIC进行均匀性校准后的原始布拉格峰曲线

四、    带OmniPro incline的多层串联电离室组Zebra-MLIC

IBA多层串联电离室组Zebra-MLIC主要用于测试质子束流拓展布拉格峰（Spread‐Out Bragg Peaks，简称“SOBP”），Zebra-MLIC结构和工作原理与Giraffe-MLIC类似，不同的是，前者的孔径更小，分辨率更高，表2给出了Zebra和Giraffe的关键指标[7]。

表2 多层串联电离室组Zebra和Giraffe的关键指标

图14为Zebra-MLIC测试质子治疗系统IBA Proteus Plus 拓展布拉格峰曲线的实物图，Zebra-MLIC具有两个相对的入射窗，入射窗设有透明的防护盖，虽说两个方向均可以入射，考虑到电离室组校准响应的长期稳定性和重复性，推荐使用沿Logo上显示的布拉格峰曲线方向进行摆位和准直。Giraffe-MLIC的情况与Zebra-MLIC类似。

在用水箱获取均匀性校准的基准数据的方式上，Zebra-MLIC 与Giraffe-MLIC是不同的，后者是采用StingRay电离室和治疗头内置电离室IC2/3（参考电离室）单次测量获得最大射程的积分深度剂量曲线；而前者是采用PPC05和DOSE1通过MyQA Accept软件控制电离室位置，在束流中心轴上的180个不同深度处逐点进行绝对剂量测量，质子治疗系统调用10 cm x 10 cm x 10 cm 均匀方野计划，每次只执行计划的最大射程所在一层。数据采集结束后，得到180个不同深度对应的绝对剂量值，归一化得到相对剂量曲线，导入OmniPro incline，即可对Zebra-MLIC进行均匀性校准。

Zebra-MLIC测量拓展布拉格峰SOBP时，为了保证完整的均匀方野计划得到完整地执行，需要设置测量时间，且应当比出束时间稍长，测量过程中不能中断测量过程；而Giraffe-MLIC测量原始布拉格峰时，只要看到了期望的测量数据，随时可以中断测量过程。

质子治疗系统执行预定义的高射程均匀剂量立方体计划，在最大射程R₉₀=32g/cm²，射野大小10cm x 10cm，调制宽度（等剂量线上升沿98%-下降沿98%）为10 cm的束流条件下，采用 Zebra-MLIC测量质子的拓展布拉格峰曲线SOBP，如图15所示，在OmniPro incline软件上可以分析得到单野均匀剂量高射程立方体的纵向剂量均匀性。

图15 质子最大射程32g/cm²下Zebra-MLIC测量到拓展布拉格峰曲线SOBP

五、    带MyQA fast track的质子束表征非晶硅探测器Phoenix

非晶硅探测器Phoenix不仅可以获取单个或多个质子束斑的位置、尺寸和对称性信息，而且可以直接测试点扫描质子束的最大射野尺寸，分析射野平坦度，还可以用于X光的性能测试。

非晶硅探测器Phoenix是IBA Dosimetry最新推出的、非常适合点扫描PBS质子束表征的新型探测器。非晶硅探测器Phoenix的工作原理是：探测器像素点上的非晶硅材料与通过与入射的质子发生相互作用，将质子束转化为可见光，通过光电二极管，光信号转化为电信号，通过静电计读出相对剂量。

上一代质子束表征的闪烁体探测器Lynx的工作原理是：闪烁体材料与入射的质子束发生相互作用产生可见荧光，可见荧光通过反射镜，传输到CCD相机而获得质子束斑信息。

与闪烁体探测器Lynx相比，非晶硅探测器Phoenix具有如下优势：一、400万像素，0.2 mm空间分辨率，实现无失真测量精度，更加清晰准确；二、动态响应范围更大，精确测量质子束晕Halo信息，提高治疗计划系统的建模精度，降低TPS误差，实现更精准的治疗精度；三、点扫描束最大射野为30 cm x 40 cm，而Lynx、Phoennix的有效测量区分别为30cm x 30cm和41 cm x 41 cm，Phoennix能够直接测试分析点扫描点扫描质子束的最大射野，而Lynx不能。非晶硅探测器Phoenix和闪烁体探测器Lynx的关键指标对比见表3。

表3为非晶硅探测器Phoenix和闪烁体探测器Lynx的关键指标

图16为非晶硅探测器Phoenix安装实物图

图17 非晶硅探测器Phoenix获取到的五点质子束斑图

据IBA Dosimetry培训专家介绍，我们质子中心配置的非晶硅探测器Phoenix是中国首台，还可能是亚洲首台。为纪念这历史性时刻，培训人员和专家进行了合影留念，如图18所示。

图18 中国首台质子束表征非晶硅探测器Phoenix 培训合影留念

六、    带MyQA patient 的Matrixx PT搭载Digiphant水箱

矩阵型电离室组Matrixx PT和Digiphant水箱主要用于测试单野均匀剂量的横向剂量均匀性，验证病人剂量治疗计划的剂量分布和晨检检测束流输出量一致性。

Matrixx PT是由1020个电离室组成的32 x 32 矩阵型电离室组，Matrixx PT的读数即一个二维剂量分布。通过Digiphant水箱伺服电机驱动Matrixx PT沿束流方向移动，如图19所示，每个深度读一次数，从而形成一个三维剂量分布。

图19 为带矩阵型电离室组Matrixx PT的Digiphant水箱安装实物图

图20 整个用户培训结束后合影留念

参考文献

编者简介

李章民，广东恒健核子医疗产业有限公司 医学物理师 & 辐射安全办公室主任

硕士研究生，毕业于中国科学院大学（近代物理研究所），具有放射医学技术技师职称、LA·(X刀·Y刀)物理师上岗证和国家注册核安全工程师执业资格。 2019年7月-2020年7月在中山大学附属肿瘤医院（中山大学肿瘤防治中心）放疗科物理组、技术组进修一年，2020年7月-2021年2月在河北一洲肿瘤医院放疗科进修8个月，系统学习质子治疗相关技术。 主要从事质子治疗、光子治疗临床治疗与研究、辐射防护、以及蒙塔卡罗仿真在质子治疗中的应用等。