1。引言
该放射外科系统被认为是自我屏蔽的，因为系统外的辐射泄漏值低于国家辐射防护委员会(the National Council on Radiation Protection ，NCRP)规定的公众剂量限值。重要的是，接受治疗的患者对靶标泄漏辐射的屏蔽效果是国际电工委员会(the International Electrotechnical Commission ，IEC)要求的50倍。因此，除了最特殊的条件外，可以在所有条件下实现自屏蔽的目标。Zap-X在图1中进行了示意图描述，并且在以前已经进行了更详细的描述。
图1 Zap-X的横切面(A)和房间视野(B)。MV, 兆伏（megavoltage）;DOF，自由度;KV,千伏电压。
精确的治疗光束定位是通过双轴、加速器的独立旋转和机器人病人治疗床的精确运动来完成的。患者被支撑在可移动的治疗床上，该治疗床上延伸出治疗球形屏蔽。Zap-X通过围绕MV等中心旋转的集成平面千伏(kV)成像系统完成精确的三维(3D)患者登记。在放射外科治疗之前和期间，利用非同轴X射线图像对和图像间的相关性来确定患者的解剖结构相对于机器等中心的位置。
Zap-X的各种结构元件的特定阵列提供了与放射治疗拱顶的墙壁、天花板和地板相当的屏蔽[The specific array of the Zap-X’s various structural elements provide shielding comparable to the walls, ceiling, and floor of a radiotherapy vault1]。产生治疗光束所需的大多数组件，如射频电源、波导系统、光束触发电子设备和专用光束停止装置，都安装在或集成到主要的球形支撑结构中。此外，仰卧位的患者被额外的散射屏蔽所包围，该屏蔽由可旋转的铁壳和治疗台脚下的屏蔽气动抬高门组成。通过安装在具有独立旋转双轴的屏蔽治疗球上，来自直线加速器的治疗光束可以在刚刚超过2π的立体角上等中心定位，这是高质量颅脑SRS所必需的。图2展示了运行中的Zap-X系统。
图2患者处于加载位置时Zap-X的房间视图。
独特的准直器设计对Zap-X系统的整体性能至关重要。该装置由一个屏蔽钨轮组成，其旋转轴垂直于光束的中心轴，可以最大限度地减少辐射泄漏，同时实现光束孔径的快速变化。如图3所示，波束选择是通过在其钨屏蔽内旋转轮来完成的。专用于Zap-X系统的治疗计划系统，特别是其独特的准直器，能够更好地覆盖目标和剂量适形性，同时也保护了关键结构，且在靶体积外最大限度地减少剂量。最近发布的治疗计划模块使用正向和逆向计划方法。
图3a准直器外壳
图3b准直器光束中心轴视图
图3c准直器原理图
图3d输送治疗的准直器的选择
2系统特性
Zap-X系统的特点是:
1. 系统屏蔽
2. 直线加速器的能量，从而可以推导出标称能量和加速势
3. 焦斑大小和半影
4. 直线准直器泄露
5. 在Zap-X的屏蔽球和外壳外进行全面辐射调查，并计算出预期的年剂量
6. 射线性能规范
7. 射线数据采集与处理计划系统验证;和
8. 全面的质量保证计划。
2.1系统屏蔽设计
Zap-X设计用于屏蔽主光束、泄漏和患者散射辐射。自屏蔽的指称（designation）是为了在距离系统外围1米的地方达到公众的年剂量限制，同时将患者的辐射泄漏限制在初级剂量的0.1%以下。采用蒙特卡罗模拟模型来达到Rogers等所描述的预期效果。直线能量，最大剂量率，准直所用的材料，以及应用该模型时均考虑了系统的几何形状。
根据美国国家辐射防护与测量委员会(NCRP)的要求，在不受控制的地区，一般公众的最大剂量为1毫西弗(millisievert，mSv)/年，相当于100毫伦琴(milliroentgens，mR)/年。在每年2000个工作小时的时间里，Zap-X在任何一个小时内都会导致操作者接触到0.05 mR。工作量和“出束（Beam On）”时间由每周患者数(Np)、平均治疗时间(T min/患者)、每周不超过一定时间的鉴定和校准时间(Tqc)、总工作量(W = Np × T + Tqc小时/周)、利用率(U)、添加安全系数(SF)和1年内手术周数(Nw)计算得出。每年准时的等效辐射可按下列公式计算:
为了使加速器和准直器组件在患者头部周围旋转的间隙最大化，使用钨来最小化给定屏蔽效果的厚度。其他高密度屏蔽材料，如铅和铁，也用于Zap-X，其中铁是阻挡二次散射的主要材料。铅和钨的使用更有选择性。
2.2直线加速器能量表征
直线加速器是Zap-X系统的关键组成部分，因为它产生用于患者治疗的治疗光子辐射。由于颅内放射外科手术的常见深度约为5cm, 3.0 MV光子束在该深度具有66%的PDD，似乎与这些目标很好地匹配。光子辐射是由加速电子与钨靶的轫致相互作用产生的。通过在PTW三维水中进行深度剂量扫描来评估直线光束能量提模（幻影(德国 Freiburg,Physikalisch-Technische Werkstaetten )在100 cm SSD(源皮距)，参考数据来自British Journal of Radiology, Supplement 17。得到的光子轫致PDD如图4所示。
图4。Zap-X 3.0 MV光子束测量到的百分比深度剂量为40.29%。R,阅读;Ds，表面剂量;D100, 100mm深度剂量;QI:质量指标;NAP (MV)，标称加速电位(兆电压);SSD，源皮距;PDD，百分比深度剂量。
2.3焦斑大小和光束半影（FOCAL SPOT SIZE AND BEAM PENUMBRA）
焦斑大小对光束的几何半影有直接影响，小的半影将允许在目标到关键解剖结构界面处产生陡峭的剂量梯度。用一个由薄钨(W)叶片与薄纸间隔片交替组成的装置测量焦点光斑的大小。选择7.5 mm准直器，使用Gafchromic™胶片(Ashland Advanced Materials, Bridgewater, NJ)进行曝光，记录准直轮平面和垂直于准直轮方向的射线透射模式。确定了9对线，转换为1.8毫米焦斑尺寸。焦斑的大小可以认为是圆形的。在4、5、7.5、10.0、12.5、15、20和25 mm的准直器尺寸下，在5 cm和10 cm深度下，在SSD为45 cm处测量光束半影。光束半影定义为80%和20%强度点之间的距离。图5显示了校准场尺寸为25毫米准直器的光束轮廓。表1显示了在5.0 cm和10 cm深度下所有准直器尺寸的半影值。Zap-X准直器旨在实现光束边缘的快速剂量衰减，从而最大限度地减少半影。Zap-X系统在处理深度的半暗带在1.77 mm到2.69 mm之间。这意味着Zap-X系统旨在将更多的辐射输送到预期的目标，并减少辐射到达大脑的非目标区域。此外，较短的SAD减少了光束的传播，这也有助于减少脱靶辐射。低准直器泄漏有助于改善对形状奇怪的目标进行复杂但高度适形的放射外科治疗的交付，这些目标本质上需要许多光束和MUs(机器跳数)。
图5测量到的25.0 mm准直器在5.0 cm深度处的光束轮廓，显示出对称和半影。
表1所有准直器尺寸在5.0 cm和10.0 cm深处的半影值(mm)。记录较高的值(从两个扫描方向)。
2.4直线准直器性能及泄漏辐射
Zap-X系统的源轴距离(SAD)为45厘米(图1)。由于SAD较短，治疗几何形状等心，并且所有成像和屏蔽组件都随光束旋转，因此得到的治疗球体相对紧凑。对Zap-X准直器进行了全面的辐射测量，包括两组测量，一组在垂直于光束中心轴(cax)的患者等中心平面上，另一组在距离cax 1 m的直线面上。台站以20厘米的间隔等距排列。我们使用Radcal(型号#ADDM+， S/N 47-0657, Radcal公司，蒙罗维亚，CA)的大容量泄漏室和测量仪(Fluke Biomedical型号451 BRYR, S/N 0000003284, Fluke Biomedical, Everett, WA)来测量辐射泄漏。图6显示了测量站的位置。在病人面，8号站测量到最大泄漏，其值为10.4 mR或主光束强度的0.00104%。沿着直线加速器，在3号站测量到的最大泄漏值为6.8 mR，即主光束强度的0.00068%。由于IEC标准要求患者面和直线加速器沿线的泄漏辐射平均为0.1%，因此Zap-X超出了该标准两个数量级的要求。
准直器泄漏表示患者将在靶标体积以外的区域吸收辐射。因为泄漏的辐射预计会被在远离治疗体积的病人的大部分身体吸收，使用Zap-X系统治疗的患者准直器泄漏的全身剂量预计非常低。
图6治疗过程中直线加速器的朝向(A)，站在患者平面上的位置(B)，沿着直线加速器(C)，沿着射线光束中心轴的位置视图(D)测量。
2.5辐射调查与辐射安全
这种自屏蔽系统的靶标是为ZAP-X系统周边1米安全区外的人员提供屏蔽，使其达到公众可接受的水平(1毫西弗/年;NRC和NCRP)，因此，提供所有或大部分所需的屏蔽，通常存在于设施屏蔽中。所需的处理球壁厚根据NCRP报告49、51、116和151中定义的辐射防护指南确定。
使用Victoreen 451型测量仪(美国华盛顿Fluke Biomedical, Everet)，确定了围绕Zap-X可达区域周边1米距离的14个等距站点的瞬时暴露率。图7显示了测量位置的位置俯视图。
标准的繁忙操作条件假设，对于一个非常繁忙的手术，每年将提供总计2,250项治疗，所有治疗都是一次分割。假设一个直径为20厘米的球头在10厘米深的球中心被击中。对于靶，处方为2000cGy，按80%等剂量线，准直器尺寸为25 mm(输出因子(OF) 1.0)，深度为10 cm(组织-幻比[TPR] ~0.4)。每次治疗的机器跳数(MU)为6250 MU。在给定的患者分布下，每天将交付56250 MU，即每年交付1.406 × 107 MU。这意味着每年有156.25小时的“Rad On”时间;因此，我们将得到156.25/ 2000 = 0.0781的利用系数。屏蔽应设计为500mrem/年或0.25mrem/小时。应用利用系数，在1 m处允许瞬时曝光率为3.205 mrem/小时（hr）。
以照射率为基础的辐射调查结果载于表2，有关图7所示的测量地点。在表的脚端确定的最大预计年剂量为0.936 mSv，暴露率值为3.0 mR/h。所有预计的年剂量值均低于1.0毫西弗，这相当于公众年剂量限值。因此，在规定的工作量下，ZAP - X系统将允许1米系统周长以外的非辐射工作人员无限制地进入ZAP治疗室上方楼层的所有区域，并且治疗室墙壁不需要额外的屏蔽。
只有在最极端的操作条件下(每周治疗超过50名患者)，自屏蔽特性才会失效。在这种情况下，将Zap-X附近的区域重新分配到每年5.0毫西弗的职业暴露通道，将使患者人口普查增加5倍，并保持自我屏蔽。
从报告的研究结果中可以看到几个好处:对于工作量很大的情况，操作人员和公众所需的所有必要屏蔽都被整合为系统设计的一部分，从而消除了建造专用辐射掩体的需要，并且从最终用户机构中消除了建造专用治疗室的技术负担。由于对Zap-X的屏蔽要求经过了仔细的研究和优化，并且不依赖于当地设计师，因此已知治疗范围外的预期辐射水平符合法规和安全标准。在临床实施期间，设施准备所需的总时间将减少约6至12个月，因为不需要建造处理掩体，总建造成本将大大降低.
图7 Zap-X辐射测量的测量位置描述。
表2辐射调查结果(mR/hr);Beam pos:射线的位置;mR/hr:每小时微伦琴数;U:使用因子;D/C:工作周期占空比;Ann Dos(mSv):以毫西弗为单位的年剂量，G:龙门机架
2.6射线能规范
根据临床需求和系统能力建立了Zap-X光束性能规范和系统验收测试标准，建立如下:
1． 光子束能量:单光子束能量3.0 MV;在45 cm深度处，2.5 cm圆形场尺寸的百分比深度剂量= 40%±2%
2. 剂量率:1500MU/min（分钟），深度45 cm;1 MU = 1 cGy，在SAD = 45 cm, 2.5 cm场尺寸，剂量最大深度;线性<±3%;重复性为±2 MU或2%，以较大者为准;取向剂量稳定性为±2mu或3%，以较大者为准。
3. 射线对称不得超过±2%。
4. 对病人面及病人面外的泄漏辐射应小于0.1%。
5. 准直器泄漏传输应小于0.1%。
2.7射线束数据采集和处理计划系统确认
利用PTW三维水模获得了一套完整的射线束数据。百分比深度剂量(PDD)扫描所有可用的准直器尺寸和深度为20厘米，偏离中心比(OCR)适用于所有尺寸为0.7厘米(Dmax)， 2.5厘米，5.0厘米，10厘米和20厘米准直器，以及Dmax和SAD = 45.0厘米的准直器输出因子适用于所有尺寸为4.0,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,20.0和25.0毫米的准直器。PDD的样本数据集如图8所示，OCR值如图9所示。输出因子用PTW型31022精确电离室和PTW型TN60019钻石探测器(Physikalisch-Technische Werkstaetten, Freiburg, Germany)测量。
图8。3MV Zap-X光束的百分百深度剂量(PDD)和组织最大比(TMR)。
图9 3MV Zap-X光束在50mm和100mm深度时的面内和面间偏心比。
由于Zap-X具有独特的系统配置和有限的可用空间，因此推荐使用PTW MP3XS 3D水模。设计了一个专用的支撑框架来支撑水影。25mm准直器是绝对剂量校准的参考准直器。三维PTW水影如图10所示。通过独立计算不同场景下的预期剂量来验证治疗计划系统的功能和准确性:单束SSD设置(图11a)，单束源轴距(SAD)设置(图11b)，两束设置，等中心设置(图12)。计算出的预期剂量按下式计算:
图10. Zap-X治疗舱内三维PTW水体模的设置。
图11 光束中心轴（cax）上a) PDD和b) TMR值的验证。
图12全射线组治疗方案验证。
计算相对于靶容积按80%、70%、60%、50%、40%、30%处方等剂量线的单等中心适形性指标，见表3。
表3按80%、70%、60%、50%、40%、30%等剂量线的处方等剂量线的适形性指标;归一化为80%等剂量体积。
2.8质量保证程序
根据AAPM的指南，制定并实施了一套完整的主要质量保证程序，包括每日输出验证、每周射线束性能验证、每月输出校准和年度校准，以验证系统调试期间建立的基线数据。图13显示了特定于ZAP-X的质量保证工具。
图13用于(a)绝对剂量校准、(b)电离比测量和(c)辐射等中心验证的Zap-X质量保证工具。
为了验证整个系统的准确性，将进行每周一次的端到端测试，包括计算机断层扫描(CT)成像、轮廓、治疗计划、治疗交付和治疗评估。
3结论
目前尚不存在基于外部光束的专用颅内立体定向放射外科(SRS)系统在Zap-X使用的治疗能量方面的标准。因此，上述分析和研究结果可作为使用可比x射线能量的任何新型专门放射治疗设备的一组基线参数。其他参数，如后续生产系统参数的可重复性和个体的长期稳定性，仍有待探索和确定。
本文所述的实验分析表明，放射外科系统可以自我屏蔽，因此，当在全临床工作量下工作时，它会产生NCRP标准认为对公众安全的辐射暴露水平。
Zap-X已被证明是一种自我屏蔽的放射外科系统，在大多数临床用户地点不需要放射治疗掩体。最终，发现Zap-X系统满足放射肿瘤学和放射外科界广泛接受的安全性、准确性和性能要求。在其最早的临床经验中，Zap-X似乎满足了典型放射外科设施的实际临床要求。
