【综述】（UPMC)伽玛刀医用放射物理
ICON®伽玛刀治疗设备是Perfexion型伽玛刀的改进产品，增加了基于无框架的治疗选项和立体定向锥形束计算机断层扫描(CBCT)。增加的用于检测患者移动的红外线标志物，以及立体定向锥形束计算机断层扫描(CBCT)的使用彻底改变可以执行的伽玛刀程序。给出的伽玛刀设备基础医学物理概念的综述，包括钴-60 (60Co)源的描述，和讨论伽玛射线与物质、60Co剂量学原理，辐射防护原理、部件结构，绝对剂量率和相对输出因子测定，放射焦点（radiologic focal point）的定义以及维护伽玛刀装置的适当功能所需要的质量保证。对高清移动管理和立体定向锥形束计算机断层扫描(CBCT)等新增加的功能进行了讨论。对治疗计划指标进行了回顾。
自伽玛刀设备的概念开始以来，伽玛刀的基本物理原理没有发生过重大变化。该装置使用钴-60 (60Co)源作为辐射源。在本章中会有更详细的描述，在60Co衰减期间，发射伽玛射线能量。就是伽玛射线被用于伽玛刀的临床和帮助到设备的命名。
稳定的59Co吸收一个中子时就人为产生了60Co。从所捕获的中子多余能量通过贝塔(β)衰变而衰减。贝塔(β)衰变过程包括转换中子变成三个粒子:质子，电子，和反中微子（antineutrino）。有两个主要的贝塔(β)衰变通道能发射0.31和1.48 MeV能量的电子。这些电子在伽玛刀的源壳（source housing）内被吸收,且不会给病人带来很大的剂量。60Ni的激发状态是伽玛射线起源于60Co的贝塔(β)衰变。用于立体定向放射外科治疗的伽玛射线发射的能量为1.1732和1.3325兆电子伏特（MeV)），平均能量约为1.25兆电子伏特（MeV)。60Co衰变的半衰期为5.26年，意味着经过5.26年只存在一半的初始活度，从而使治疗时间翻倍。
伽玛射线是由原子核起源的光子。一个两步的过程发生；光子与介质相互作用，将其能量传递给电子，反过来这些电子又通过组织内的相互作用沉积它们的能量，导致生物损伤。光子可以在介质中无限传播，不断地传递能量给电子。一个可测量的属性是百分比深度剂量（the percentage depth dose），是指最大剂量与深度剂量的比值（the maximum dose to doses at depths）。对于60Co,这个最大剂量发生在水中5毫米深的地方。在5厘米和10厘米深处，有60Co伽玛射线衰减到最大剂量的约74%和50%。这一点的重要性可以这样来认识：如果有两个相互平行的辐射源，深度为5毫米处放入剂量，高于中心的剂量。
辐射防护
伽玛刀装置的辐射防护及发证的原则是按照核监管委员会（the Nuclear Regulatory Committee）概述的美国联邦法规（the Code of Federal Regulations）(10 CFR20章、35章)。在其他方面，这些法规定限定了辐射工作人员和公众，以及怀孕的辐射工作人员的剂量限制。伽玛刀装置的钨和钢的外壳(图1)作为主要的屏障以减少人员的暴露。钨是一种金属合金，能吸收来自源的辐射，源的初始活度约为6600居里（）Ci）或192个源，每个源大约34 Ci。居里(Ci)是放射性单位，对应于3.7×1010的每秒裂变（disintegrations per second）。此外,一个安放伽玛刀装置的混凝土的拱顶治疗室墙壁厚度约10-14英寸。这样减少因辐射泄漏和散射而引起的暴露，从而使病人所受射到低于规定的限制。
图1.显示中没有CBCT的ICON型伽玛刀或Perfexion伽玛刀的剖面布局。
PPS:病人摆位系统；Shielding doors ，屏蔽门；Shielding, 屏蔽防护；Cobalt sources, 钴源；Collimator body, 准直器体
伽玛刀装置
60Co源分布在驱动机械上(图2)，驱动机械将钴源置于准直器上的开口。将驱动装置看作一个扇区，24个源放置在每个扇区上，8个扇区可用于治疗计划。源是按以下模式:6、4、5、4、5在扇区上对齐。所有扇区的这种模式可以被分成5个源环(图3)。环的分布距正常模式约15°，所成角度分别为75°、60°、45°、30°和15°。这意味着没有平行相对的源。这个源的分布确保最大剂量保留在靶区，不会在靶区以外出现热点区域。伽玛刀有四个准直器设置:16,8,4毫米和一个挡块（block）。从第1到第8扇区的每一个环到每个准直器的交点有一定的几何距离；
这个交点称为放射学焦点（RFP,表1)。
图2.加载有钴源的钴源驱动装置。
图3。胶片上扇区的钴源的分布。
表1。环到RFP（放射学焦点）的距离以及6毫米准直器相对和有效输出系数相关的关系。
|
准直器 |
环 |
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 |
验收和调试
(瑞典斯德哥尔摩市)医科达（Elekta）公司提供给用户安装报告，概述测定剂量的速率，辐射配置，和放射学焦点的结果。在临床使用前，物理师和工程师将记录结果按在客户验收协议记录伽玛刀装置的运行情况，概述装置的所有方面的功能、安全联锁、如果使用ICON®型则会包括成像特点，以及网络通迅系统。物理师用自己的方法负责测量和验证Elekta报告的辐射配置、放射学焦点，和剂量率校准。
辐射配置
为了测量辐射配置，我们需要两件设备:胶片和扫描仪进行图像处理。特殊胶片用于测量辐射配置，输出因素和放射学焦点。这种胶片叫做辐射变色胶片，其中有一种叫做Gafchromic。这种胶片不需要胶片处理器。(美国肯塔基州Covington市Ashland生产的）Gafchromic EBT3是最新的版本，并有许多功能，使该胶片适合伽玛刀的剂量测定。这些配置是在ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯acrylonitrile butadiene styrene)头模中测量的，这是最初为伽玛刀射研制的头模或在x:y和x:z方向上通过校准胶片的固体水模。从Elekta的报告中，它们的测量值和它们在治疗规划软件上的值可以让用户进行比较。确定的配置值（profile value）从50%等剂量线开始。物理师应该在预期的1毫米范围内验证配置。
放射学焦点
在Leksell坐标空间中每个准直器的辐射趋同性（convergence）应该在x = 100.0, y = 100.0, z = 100.0位置，也就是RFP（放射学焦点）。患者摆位系统(PPS)参考这一焦点将患者脑内靶区具体摆位。用辐射配置确定摆位系统(PPS)的准确性，我们测量每个准直器的配置情况，使用一根针准确地定位处放射学焦点（RFP）。医科达（Elekta）公司有一个特别的支架 ，可以在胶片上精确地对准刺出锋利的针孔。 我们确定出辐射配置的照射野的边缘(field edge of radiation profile)，然后确定胶片上的中央针穿刺的位置，并确定针刺孔(pinprick)相对照射野中心的差异。到现场中心。当完成并在x:y和x:z方向制成表格时，结果可以随后被处理为:
RFP =√(Δx2 +Δy2 +Δz2)(公差小于0.4米),
Δx2 =从针孔开始在x方向上的位移的半峰全宽（FWHM）值。
绝对剂量校准
电离室测量由入射辐射引起在气体中形成的离子对的数目来源的电荷。这些离子对可以由入射光子和次级电子两者产生。这个集合体积应该足够小，以确保与周围介质的电子平衡，但大到足以保证体积内部的电场稳定。许多离子室被用于伽玛刀，而在我们的临床环境中，我们有两个电离室，(美国威斯康辛州Middleton市Standard Imaging公司生产的）Exradin A16和Capintec Inc.(美国新泽西州Florham Park市Capintec Inc公司生产的)PR05。测量绝对剂量或剂量率，离子室需要一个有效的美国剂量校准实验室(ADCL)校准系数（calibration coefficient）。离子室置于ABS或固体水模，与放射学焦点（RFP）对齐，并从所有的扇区，用16毫米准直器照射。按照美国物理师协会医学(AAPM)任务组21号协议，离子室的某些特性用来确定总校正因素用于美国剂量校准实验室(ADCL)的暴露校准。在安装时，剂量率应大于300 cGy/min。
相对输出系数
定义为环的源的模式不能被直接测量，因为封闭这些个别的环是不可行的。每个准直器设置的环中的每一个源，都有一个到放射学焦点（RFP）的各不相同的路径。源对设置在每个准直器的每个环中对剂量率的贡献各不相同。为准确计算每个源对剂量的贡献，进行蒙特卡罗计算确定16毫米的准直器每个环和每个准直器的输出因子，如表1所示。这些因素在伽玛刀的治疗计划软件中不能被改变，在所有伽玛刀装置中是固定的，该装置的剂量率校准是在最大尺寸的照射野下进行，当选择较小的准直器时，放射学焦点（RFP）的剂量率随照射野尺寸的函数而变化。医科达公司推荐的输出系数来自Perfexion型和ICON型伽玛刀装置的蒙特卡罗（Monte Carlo）计算，16mm = 1.0, 8mm = 0.9, 4mm =0.814。验证每个准直器设置的有效输出因子，确定不同准直器尺寸下的输出方法得到广泛的应用，Gafchromic胶片剂量学提供最准确的结果。
立体定向锥形束计算断层扫描（Cone-Beam Computed Tomography）
ICON治疗装置拥有立体定向锥形束计算机断层扫描(CBCT)。立体定向构成来自事实上，在Leksell立体定向坐标中的CBCT的三维像素。CBCT系统由一个带有平板探测器的小型x射线管构成。c形臂，连接到伽玛刀装置上，支撑x射线源和探测器。一个典型的扫描时间从开始C形臂运动到全CBCT采集大约要5分钟。成像按照CTDI (CT剂量指数)有两种模式，一种是每次扫描2.5 mGy的低剂量模式和每次扫描6.3 mGy的高剂量模式。这些CBCTs具有非诊断性的质量。这两种模式的相似之处在于能量(90kvp)、投影数量(332)、体积大小(448×448×448体素)、体素大小(0.5 mm)、x射线焦点(spot focal）大小(0.6 mm)、脉冲长度(40ms)，检测器像素大小(0.368 mm)、滤波器(Hamming Window)。在这两种模式(2.5 相比 6.3)之间存在的差异是每个投影电荷(0.4 相比 1.0 mAs)、管电流(0.1 相比 0.25 mA)，分辨率(7 相比 8线对/厘米[ lp/cm])，和对比噪声比(1相比1.5)。
高分辨率移动管理
ICON型使用红外摄像机跟踪患者头部实时移动，为病人提供持续监测。病人用热塑性面罩对患者头部塑形，固定在头部支架上进行摆位。头部支架上有四个反射标记，一个附加标记被摆放在病人的鼻子上。在治疗期间,反射标记被不断监控，检查公差是否被破坏(图4a,图4b)。公差是由许多因素决定的，一般在1.0-2.0毫米范围内。如果公差被破坏，放射源就会回缩，伽玛刀装置会等待30秒看病人是否能回到公差的范围内。如果没有，病人会随治疗床回到摆位的原位，并有关于如何调整头部提示的，虽然这不是非常可行的。或者，一个可以采集新的CBCT ，获得新的治疗床坐标，然后安排和照射剩下的剂量。
图4。a.在1.5毫米公差范围内实时跟踪患者。b.在2.0毫米的公差范围内实时跟踪患者，治疗曾被中断并恢复(黄色区域)。
质量保证
伽玛刀装置的质量保证(QA)由一系列经常或偶尔执行的测试组成。设计了经常性的质量保证(QA)测试设计为快速、高效、和简单地检查到验证设备的正常功能。聚焦精度测试(The FOCUS precision test)(图5),以及CBCT精度测试是两个常见的QA的例子。通过4毫米准直器靶点的辐射的二极管扫描，聚焦精度测试验证病人摆位系统（PPS）与放射学焦点（RFP）正确对齐。治疗床将两次轴向扫描每个坐标以确保病人摆位系统的移动是线性的。有12个点被用于确定PPS相对Leksell立体定向头架x,y,z的坐标位置为100,100,100时的位移。关于影像的质量保证，CBCT的精度测试是一种相对的测试以确定Leksell立体定向空间的4个钢BBs的坐标。影像探测器上的BBs可以用射线追踪回到Leksell立体定向空间，并与初始调试值进行比较。测试公差< 0.5毫米。额外的日常质量保证检查包括:房间辐射监测器操作，视听功能,固定的微旋钮,治疗床功能，病人保护装置，紧急测试，定时曝光终止等是否正常运作。不常用的测试被设计成彻底的检测主要组件并确保没有发生主要组件的变化还。头架检查的质量保证确认是通过放置头架到金属板上，4个固定钉准确地呈直角地与标准头架相配，来确定头架是否为正方形。然后把头架放在金属板的顶部上，如果合身，那么头架是方形的，如果不是方形的，框架就是弯曲的，应在临床中取消使用。由Elekta公司提供的(美国纽约Salem市Phantom Laboratory Inc.公司生产的)CatPhan型号503图像引导的头模，是用两种可用模式成像。Elekta建议要对这个头模做三项测试：线对分辨率（line pair resolution），Hounsfield单元均匀性（Hounsfield unit uniformity），与噪声比(CNR)的对比。在Elekta用户的指导手册中，这些测试得到概述。每月进行QA检查的事项有:所有每日质量保证（QA）的活动，测定绝对剂量率，清除工具Flextip试验，主控制器应急电池备份，办公电源的电池备份，并验证治疗计划软件。伽玛刀装置的年度要求中包括每天和每月的测试，但进一步还需进行另外的三个测试:RFP（放射学焦点）测定，扇形均匀性、治疗仓泄漏（the cavity leakage）。伽玛刀装置的初装载荷由192个近似相等的源组成，60Co源的供应商的源强度的变化小于1%。装载源时，通过关闭所有扇区，并保留一个扇区开放，测量累积的总电荷。使用ABS或放置在放射学焦点（RFP）上的电离室的固态水模测量从一个打开的扇区中收集到的电荷，并关闭其他的扇区。这个检查要对每个扇区完成，扇区的均匀性得到计算，公差< 3%。治疗仓（cavity）泄漏测试决定治疗门打开，钴源回缩时，个体的全身暴露受照辐射的情况。使用ABS或固态水模和电离室，在所有扇区关闭时在放射学焦点可收集到的电荷均，然后把所有扇区打开，治疗仓泄漏应<0.5%。
图5。聚焦精度工具(下图)与二极管暴露(见上图)。这个图是ICON型标版本的，采用4个BBs进行CBCT的精度测试。
治疗计划
伽玛刀的治疗计划需要了解准直器的剂量配置，准直器的百分比深度剂量，和准直器的输出因素。在Leksell GammaPlan中剂量计算的主要方法是TMR10算法，不考虑空气腔或组织的不均质性。要说明组织的不均质性（inhomogeneous tissues），就要用到卷积算法（the convolution algorithm.）。
治疗计划的两大要素是靶点坐标和权重。剂量分布源自隔开放置靶点以让其不会明显的重叠和略微调节相互靠近的靶点的权重以填充未覆盖的靶区。放置过多的靶点以及权重不适当会破坏剂量分布。图6a和图6b是如何建立剂量分布的两个例子。红色的轮廓线是靶区，蓝色的轮廓线是靶点的形状。围绕靶区的黄线是50%等剂量线。通过在整个靶区中增加靶点，阻挡扇区和调整权重，可以将剂量分布适形后非常接近靶区。
有几个工具可用来评估治疗方案:适形性指数(CI) (RTOG1995，已被放弃）， Paddick适形指数(PCI)、计划选择性(PS)和梯度指数(GI)。剂量适形性是用来评估剂量分布如何充分覆盖靶区体积。CI = PIV/TV，其中PIV是指处方等剂量线的体积（prescribed isodose volume），TV是指靶区体积。这个定义是用来计算PIV能覆盖多少治疗体积，如果应用不当，可能会导致靶区体积（target volume）虽等同于计划的等剂量线体积（planned isodose volume），但它们根本没有重叠，给出了一个虚假的CI（适形性指数）的一致性（unity）。伽玛刀使用PCI = TVPIV)2/(TV×PIV)加以纠正，其中TVPIV =靶区体积，与PIV重叠。这个定义去除了假阳性分数。 PCI = 1，表示勾画的轮廓的体积得到完美覆盖，而0则表示以任何方式剂量和体积都不会重叠。
PS = (TVPIV)/(PIV)是比较不同计划靶区覆盖率的测量手段。PS < 1表示靶区覆盖率较低，PS > 1表示剂量分布在靶区体积之外，偏大。最后一个指数,梯度指数（GI），是一种测量靶区外剂量溢出(spillage)的方法。梯度指数（GI）的定义为PIV50%/PIV，其中PIV50是50%等剂量线的体积。
图6所示。a.有多个靶点和阻挡的高度适形的靶区剂量分布。b.四个紧挨的靶点显示剂量分布向中心的坍缩。红色的轮廓线，靶区；蓝色，靶点的轮廓线；黄色，50%的等剂量线。
翻译自
Medical Physics for Leksell Radiosurgery
Kevin Fallon Jong Oh Kim Greg Bednarz
Prog Neurol Surg. Basel, Karger, 2019, vol 34, pp 48–56 (DOI: 10.1159/000493049)