质子迷你束放疗中准直器失准对剂量学稳健性的影响：基于自动化测量装置的研究

《MEDICAL PHYSICS》：Impact of collimator misalignments on dosimetric robustness in proton minibeam radiotherapy using an automated measurement setup

　　

背景：质子迷你束放疗（pMBRT）是一种将空间分割放疗（SFRT）优势与质子组织保护特性相结合的新兴技术。实现计划剂量分布的准确投照依赖于准直器与束流的精确对准，其中多缝与单缝构型均很关键。单缝行为尤其重要，因为它线性影响整体迷你束的异质性（峰谷结构）。已有研究多关注多缝准直器失准效应，单缝行为及其对多缝阵列影响的实验表征有限。 目的：本研究旨在利用研究人员自行搭建的自动化测量装置，量化单缝质子迷你束在平移与旋转准直器至束流失准下的剂量学效应，并考察迷你束阵列横向剂量分布在失准下的稳健性。 方法：使用150 MeV质子通过可调缝宽（0.4与0.7 mm）的单缝准直器（SSC）产生单迷你束。通过电动台引入旋转与平移失准。研究人员开发快速测量装置，用microDiamond探测器测量横向剖面，在水等效体模1 cm与13 cm深度测量。用EBT3胶片做验证，采用局部伽马分析。构建双高斯加洛伦兹拟合模型，从拟合得到最大剂量、峰位、半高全宽（FWHM）与对称性。迷你束阵列由单缝剖面叠加模拟，并对140、160 MeV等临床深部肿瘤常用能量测量特定失准组合。 结果：旋转失准在浅层造成显著不对称与峰剂量降低达68.4%，深层不对称减弱。平移失准使剖面同向同量平移且不改变形状。尽管失真，模拟迷你束阵列在中央80%场宽内平坦度低于3%阈值时于深层仍可达可接受均匀性。该测量装置可在1分钟内以亚毫米分辨率获取单迷你束剖面，与EBT3胶片一致性好（3%/mm伽马通过率100%）。 结论：准直器失准显著影响迷你束剂量稳健性，应在临床治疗计划与质量保证（QA）中考虑。该装置使用市售探测器实现快速高分辨剖面测量，可支持常规临床QA。

《MEDICAL PHYSICS》刊载的该研究围绕质子迷你束放疗（proton minibeam radiation therapy，pMBRT）中准直器至束流失准的剂量学影响展开。研究背景方面，pMBRT结合空间分割放疗（spatially fractionated radiation therapy，SFRT）与质子布拉格峰（Bragg peak）组织保护优势，以半高全宽（full width at half maximum，FWHM）通常为亚毫米级的迷你束形成峰（高剂量）与谷（低剂量）交替结构，峰谷剂量比（peak-to-valley dose ratio，PVDR）刻画异质性。现有文献多关注多缝准直器（multi-slit collimator，MSC）失准，单缝准直器（single-slit collimator，SSC）作为阵列基本单元及其线性影响缺乏实验表征；而小角度旋转可使阵列峰剂量与PVDR降低达50%，平移仅引起横向移位，说明失准检测对临床工作流很关键，但亚毫米分辨率剂量测量难度大，因此研究人员开展单缝失准的系统实验与通用测量装置研究。

研究人员在HollandPTC的Varian Pro-Beam 4.3水平研究束线上，用150 MeV单质子笔形束经黄铜SSC产生迷你束，缝宽0.4与0.7 mm；准直器装于Thorlabs平动与旋转台实现x轴平移与xz平面旋转；用水等效RW3体模在1 cm与13 cm深度测量；以PTW microDiamond探测器扫横向剖面，Bragg峰室归一束流涨落，Advanced Markus室初对位，EBT3胶片验证；用双高斯加柯西?洛伦兹（Cauchy–Lorentz）模型拟合，再由单缝剖面叠加模拟SSC与MSC阵列，按ICRU 78算平坦度与对称性，评估中心到中心（center-to-center，CTC）间距与能量（140、150、160 MeV）影响。

主要关键技术方法概括：研究人员在HollandPTC研究束线以150 MeV质子经SSC生成单迷你束，借电动位移/旋转台引入失准，用microDiamond在水等效体模1 cm与13 cm深度采横向剖面；以Bragg峰室归一束流波动，Advanced Markus室完成初始对位，EBT3胶片做3%/mm与3%/0.2 mm局部伽马验证；建立偏斜高斯+高斯+柯西?洛伦兹拟合模型提取峰剂量、峰位、FWHM与对称性；再将单缝拟合剖面按平行入射假设叠加为SSC/MSC迷你束阵列，对140、150、160 MeV及不同CTC间距做均匀性（平坦度<3%、ICRU 78的95%–107%准则）评价。

研究结果如下。

3 RESULTS：研究人员测得单剖面平均耗时约1分钟内，3%/mm伽马通过率1 cm与13 cm均为100%，3%/0.2 mm为84%与97%；拟合模型平均变异系数（coefficient of variation，CV）3.18%。旋转失准在1 cm造成大峰降与非对称，如0.4 mm缝0.4°旋转峰降60.7%、对称34.6%；13 cm峰降仍大但不对称减小。平移失准使峰位随移量平移、形状几乎不变。140–160 MeV结果显示能量变化对对称与峰降影响远小于失准本身。模拟MSC/SSC阵列中，失准使浅层次峰出现、谷剂量升高、PVDR从13.4降至2.1–3.4；深层中央80%场宽平坦度在足够束数下仍可<3%，但整体剂量降低并横移。

4 DISCUSSION：研究人员指出该microDiamond自动化装置较胶片快且系统无关，可补集成准直对位系统之不足。窄缝对旋转更敏感；浅层不对称随深度因多次库仑散射（multiple Coulomb scattering）被“冲淡”。旋转失准使所有病例不满足ICRU 78的95%–107%，但并行MSC深层均匀性可保持，说明可通过对位或计划适配缓解。CTC固定时达成<3%平坦度所需中央80%场宽近乎恒定，MSC比SSC所需更大，意味着给定缝宽下临床靶区不能过小。次峰出现使PVDR/峰谷定义缺乏指南， valley剂量可能更具预后价值尚有争论。发散MSC、扫描野平均、其他平面旋转、LET（linear energy transfer）效应未被本研究覆盖；正负同量失准不对称来自束线非理想高斯与残余探测定位误差。

5 CONCLUSION翻译：准直器至束流失准显著改变pMBRT横向剂量剖面，尤其旋转失准在浅层致高度不对称，随深度因束流变宽转为剖面横移；对均匀剂量沉积，深层均匀性取决于束与准直器几何，对异质剂量沉积则全程改变异质性。单迷你束结论可推广至其他缝式准直器与束源方向。研究人员开发的简易测量装置可用市售探测器在1分钟内辨识并估算平移/旋转失准量，适合纳入常规临床QA流程。