《Medical Dosimetry》：A novel QA method for adaptive aperture position verification of proton therapy system
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自适应光阑（Adaptive Aperture，AA）叶片定位的准确性对于部分质子治疗系统确保精确剂量递送和患者安全至关重要。然而，传统质量保证（Quality Assurance，QA）方法在常规评估 Mevion S250i HYPERSCAN 系统中 A
自适应光阑（Adaptive Aperture，AA）叶片定位的准确性对于部分质子治疗系统确保精确剂量递送和患者安全至关重要。然而，传统质量保证（Quality Assurance，QA）方法在常规评估 Mevion S250i HYPERSCAN 系统中 AA 的动态特性时，可能并不理想或效率不足。该研究提出了一种利用闪烁探测器进行 AA 位置验证的新型自动化 QA 方法。研究人员在 RayStation 治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）中生成了由 7 个矩形照射野组成的专用 QA 计划，并使用 Mevion S250i HYPERSCAN 质子治疗系统实施照射。采用 IBA Lynx PT 闪烁探测器测量剂量分布。基于 MATLAB 的软件工具通过将实测剂量分布与 TPS 计算结果进行比较，自动分析叶片位置、半高全宽（Full-Width Half Maximum，FWHM）及谷值位置。实测值与计划值之间的叶片定位误差表现出极高一致性，其偏差大多低于 1 mm。对 FWHM、谷值位置、照射野中心以及递送日志数据的定量分析显示，平均差异均显著处于亚毫米容差范围内，证实了 AA 叶片定位具有较高的准确性和可重复性。所开发的 QA 方法为 Mevion S250i HYPERSCAN 系统中 AA 叶片位置的常规验证提供了一种高效且稳健的解决方案，从而保证临床治疗中质子束成形的可靠性。
该论文发表于《Medical Dosimetry》，围绕 Mevion S250i HYPERSCAN 质子治疗系统中自适应光阑（Adaptive Aperture，AA）的常规质量保证（Quality Assurance，QA）难题，提出并验证了一种基于二维闪烁探测器的自动化位置核查方法。研究背景在于，质子治疗依赖布拉格峰及有限射程实现高适形剂量分布，尤其适用于脑、头颈和乳腺等解剖部位。随着铅笔束扫描（Pencil Beam Scanning，PBS）成为主流递送方式，质子治疗的剂量雕刻能力显著增强，但也对束流边缘控制提出更高要求。Mevion S250i HYPERSCAN 通过同步回旋加速器与机架一体化设计缩小了系统体积，同时配置了专为质子治疗开发的动态多叶准直系统，即 AA，用于按能层动态修整照射野外周质子点，从而改善横向剂量适形性并锐化半影。由于 AA 不同于光子直线加速器（Linac）中的传统多叶准直器（Multileaf Collimator，MLC），其叶片需随每个能层动态调整，因此常规 QA 方法难以充分反映其动态行为。既往基于栅栏样（picket fence）技术的验证策略虽然可用于总体评估，但平均化处理和窄野设计会降低单叶定位偏差判别能力，且信噪比不足。正因如此，开展一种面向单叶、兼顾效率与精度的 AA 专项验证方法具有现实必要性。
研究人员据此设计了一种新的矩形条带 QA 图样，并结合 Lynx PT 闪烁探测器与自动分析软件，对 AA 叶片位置进行逐叶验证。研究结果表明，在合理摆位与对准校正条件下，AA 叶片实测位置与治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）计算值之间可实现稳定的亚毫米级一致性。该方法不仅能识别常规递送中的叶片位置偏差，还能够敏感检出机械调整前后的细微误差变化，并在不同机架角度、不同条带方向及不同束流能量下保持良好重现性。论文的重要意义在于，为紧凑型质子治疗系统中动态光阑的临床 QA 提供了一种兼具剂量学真实性、自动化分析能力和逐叶分辨率的技术路径，有助于提高质子束成形的可靠性并保障临床治疗安全。
研究人员采用的主要技术方法包括：在 RayStation TPS 中构建包含 7 个 20 cm × 2 cm 矩形条带且相邻间隔 1 cm 的专用 QA 计划，并进一步生成旋转 90° 的垂直条带图样；使用 Mevion S250i HYPERSCAN 质子治疗系统完成照射，利用 IBA Lynx PT 二维闪烁探测器采集 30 cm × 30 cm 视野内的平面剂量分布；通过 25 个点位的对准计划和床位迭代平移完成探测器—喷嘴配准；基于 MATLAB 图形用户界面自动提取 39 条验证线上的 50% 等剂量边缘、FWHM、野中心与谷值位置，并与基于蒙特卡罗（Monte Carlo）计算的 TPS 结果比较；同时结合递送日志中的电位计数据与绝对位置数据进行叶片位置交叉核查。另在同型第二台设备、机械调整前后以及 100、150、200 MeV 不同能量条件下进行验证。
在研究结果部分，论文首先报告了“4.1. Leaf position verification”。该部分通过比较实测剂量分布与 TPS 计算结果，评估了 FWHM、左右叶库边缘位置及照射野中心位置。结果显示，FWHM 差异范围为 ?1.24 至 0.27 mm，平均值 ± 标准差为 ?0.55 ± 0.27 mm；左侧叶库偏差范围为 ?0.51 至 0.74 mm，平均值 ± 标准差为 0.16 ± 0.29 mm；右侧叶库偏差范围为 0.20 至 1.21 mm，平均值 ± 标准差为 0.71 ± 0.19 mm；野中心偏差范围为 ?0.14 至 0.90 mm，平均值 ± 标准差为 0.44 ± 0.20 mm。总体上除右侧叶库少数点位略超 1 mm 外，其余指标均处于既定容差内，证明该方法能够实现亚毫米级逐叶定位评估。
“4.2. Results for gantry at 0 degrees”进一步考察了机架角度变化对方法稳定性的影响。研究人员在机架 0° 条件下重复相同测量，发现左叶库、野中心和 FWHM 仍全部处于容差范围内，右叶库虽然大多数叶片仍控制在 1 mm 内，但相比机架 90° 时超差数量增加。研究人员指出，这一差异与机架等中心性以及探测器—喷嘴对准不确定性有关。尽管整体分布向正偏移，提示存在平移误差，但其偏差分布形态与机架 90° 时相似，表明该方法在不同机架设置下具有一致性和可重复性。
“4.3. Profile valley position verification”针对相邻矩形条带之间形成的 6 个谷值位置进行了验证。研究通过提取各谷值的低剂量点位置，比较计划与实测结果，得到 6 个谷值的平均差异分别为 0.48 ± 0.41 mm、0.69 ± 0.18 mm、0.47 ± 0.28 mm、0.24 ± 0.21 mm、0.20 ± 0.26 mm 和 0.34 ± 0.21 mm。该结果说明，相邻野拼接区域同样能够在亚毫米水平上保持良好的几何一致性，支持该方法用于评估叶缘及场间衔接精度。
“4.4. Log-based analysis”则从设备内部反馈角度，对叶片位置进行日志分析。研究人员将电位计计数值经增益（Gain）与零点偏移（Offset）换算为实际位置，并与绝对位置数据比较。结果显示，Bank C1 的平均偏差为 0.086 ± 0.021 mm，Bank C2 的平均偏差为 ?0.057 ± 0.010 mm，绝大多数叶位偏差均控制在 0.15 mm 以内。这表明设备内部机械控制与反馈系统具有较高重复性，也说明日志法可作为探测器法的重要补充。
“4.5. Fields rotated by 90 degrees”通过将原始矩形条带图样旋转 90°，验证正交方向上的叶片位置准确性。结果显示，垂直条带图样下大多数叶片偏差同样在容差范围内，实测与计划仍保持亚毫米级一致。进一步对单个照射野的细化分析发现，中部区域存在约 1–2 mm 的野宽增加现象，且在计划图像和实测图像中均可见。这种现象主要表现为右叶库沿间隙扩张方向向外偏移。结合递送日志对 AA 运动轨迹的分析，研究人员发现，当铅笔束扫描通过中央区域时，AA 会额外开启一对叶片，使其与场边缘之间形成间隙，从而造成递送野形中部轻度增宽。该结果提示，方法不仅能进行静态位置比对，还可揭示动态叶片运动对野形的具体影响。
“4.6. Validation on a second machine and mechanical modification”验证了该方法对机械偏差的检出敏感性。研究在另一台结构相同但已知一侧叶库存在轻微位置偏移的设备上实施测量，并比较工程师机械调整前后的结果。调整前，FWHM 偏差范围为 ?2.11 至 ?0.32 mm，平均值 ± 标准差为 ?1.11 ± 0.28 mm；左叶库偏差为 ?2.95 至 ?0.09 mm，平均值 ± 标准差为 ?1.40 ± 0.76 mm；野中心偏差为 ?2.14 至 0.32 mm，平均值 ± 标准差为 ?0.85 ± 0.69 mm；右叶库偏差为 ?1.60 至 1.03 mm，平均值 ± 标准差为 ?0.29 ± 0.64 mm，反映出照射野间隙存在系统性扩大。机械调整后，两侧叶库偏差明显减小而 FWHM 基本未变：左叶库偏差改善为 ?1.84 至 0.44 mm，平均值 ± 标准差为 ?0.68 ± 0.58 mm；野中心为 ?1.27 至 1.09 mm，平均值 ± 标准差为 ?0.12 ± 0.66 mm；右叶库为 ?0.93 至 1.97 mm，平均值 ± 标准差为 0.43 ± 0.77 mm。误差分布中更多点位回到 1 mm 范围内，尤其左叶库改善明显，证明该 QA 方法能有效追踪机械校正效果，同时也揭示若双侧同步平移调整，可能使对侧叶库在部分位置出现反向超差。
“4.7. Validation on energy dependence”评估了方法对质子束能量变化的适用性。研究人员在仅改变能量、其余参数保持一致的前提下，分别测试 200、150 和 100 MeV 条件。结果显示，各能量下 FWHM、左右叶库及野中心的平均偏差均处于亚毫米范围内，说明 AA 叶片机械定位精度不依赖于递送能量。尽管低能量条件下标准差略有增大，但研究人员将其归因于低能质子束在空气及能量调制系统中的横向散射增强，导致未准直斑点尺寸增大、半影变宽、50% 等剂量边缘识别的不确定性略升，而非机械定位能力下降。因此，该方法能够在临床能谱范围内稳定验证 AA 机械精度。
在讨论部分，论文指出，矩形条带图样联合自动分析软件，较好克服了既往 picket fence 方法在窄野噪声、边缘模糊和单叶分辨能力不足方面的局限。2 cm 条带宽度既降低了碰撞风险，又提高了信噪比，同时更接近临床实际照射野尺度；39 条以 5 mm 间隔布置的验证线，则实现了对整个最大照射野范围内各叶对的逐一覆盖。研究还表明，在实施对准校正后，该方法可稳定达到亚毫米级定位精度，并在不同机架角度和不同方向图样下维持一致结果。第二台设备的校正前后对比进一步证明，其对细微机械偏差具有良好灵敏度。对于能量依赖性，研究确认平均偏差不受束流能量影响，但低能量下因散射导致边缘梯度变缓，测量波动增大。
论文也明确讨论了局限性。首先，方法高度依赖闪烁探测器与喷嘴之间的精确对准，而 Lynx PT 的尺寸和几何限制使得测量更适合在机架 0° 与 90° 条件下实施，尚不利于更广泛机架角度的重现性验证。其次，当前采用 25 点测量加人工床位调整的对准流程较为耗时，不适合高频常规 QA。再次，点位精度测试本身存在 0–1 mm 的内在误差，这一量级相对于 1 mm 阈值并非可以忽略。与之相比，基于日志文件的分析具有无需物理摆位、效率高、便于自动化等优点，但它仅反映设备内部反馈，无法验证最终辐射场的真实剂量学结果，也可能遗漏叶片弯曲或复杂散射等下游物理误差。因此，探测器法与日志法结合构成了更完整的 QA 框架：前者关注端到端剂量递送真实性，后者验证机械控制系统的内部一致性。文中还提到，未来可考虑开发可自动平移的探测器支架，并引入高速相机进行脉冲级动态跟踪，以进一步提升自动化程度和验证鲁棒性。
研究结论部分可译为：该研究提出了一种专门用于验证 Mevion S250i HYPERSCAN 质子治疗系统中自适应光阑系统位置精度的新型 QA 方法。结果表明，在适当的摆位和对准校正条件下，与治疗计划系统计算结果相比，该方法能够在最大治疗野范围内稳定实现亚毫米级精度。对机械改动前后的验证证实了该方法能够敏感检出 AA 系统中的细微位置偏差。此外，该方法在检出影响单个叶库的机械失准方面表现出良好的可重复性和实用性。未来若将设备递送日志整合进流程并实现探测器定位自动化，可进一步简化工作流程并提高测量精度。总体而言，该方法为确保 AA 系统的临床可靠性提供了有效且高效的工具，从而支持质子治疗的安全、准确递送。
