应用于质子治疗的错层快速多叶准直器
本系列前文《矩阵调强准直器在质子加速器扩束照射方式中的应用(上篇)》、《矩阵调强准直器在质子加速器扩束照射方式中的应用(下篇)》中，作者介绍了源于X射线放疗、用于质子治疗的的矩阵调强准直器，本文作者将介绍一款同样源于X射线放疗、用于质子治疗的错层快速多叶准直器。
错层快速多叶准直器是快速多叶准直器和错层多叶准直器的特征组合。为方便理解，本文将分两部分介绍，第一部分简单介绍X射线步进调强对错层快速多叶准直器的需求，第二部分介绍用于质子治疗的错层快速多叶准直器——适形与调强。
首先介绍一下二维剂量通量图。下图是多角度照射情况下，各照射角度二维计量通量的三维显示(用高度代替通量值)。
取某个角度的二维通量图，并想象沿叶片移动方向，将这个角度的二维通量图分解为一组(数目与叶片对数相同)一维通量图。每对可相向移动的叶片负责一个一维通量图的调强照射。
将每个一维通量图三维显示，就变成了一组“通量墙”，墙的上部是高低不同的平台。
开始照射前，每对可相向移动叶片的投影，从一维通量图的两端移动至通量图上计划有通量的的边缘处停下来；
随后，加速器出束，每对叶片开始处于等待状态，待叶片投影前面的调强单位的射线通量达到计划要求后，叶片(的投影，以下投影均指在等中心平面上的投影)迅速前进一步，挡住射线，使其不能继续照射该调强单位；
继续等待，待下一个调强单位的射线通量达到计划要求后，叶片再迅速前进一步，阻挡射线继续照射该调强单位。
注：调强单位或称照射单元，是等中心平面上通量变化的最小单位，在调强单位内，各点的射线通量是相同的，等中心平面是包含射线源旋转中心并与射线源至射线源旋转中心连线相垂直的平面。
下图演示的是，对一个一维通量条，一对叶片的步进照射的分解过程。
所有叶片都步进照射完成后，一个角度的调强照射完成。
在每个角度调强照射过程中，每对叶片都处于间歇的步进状态，这是“步进调强”名称的由来。
步进调强执行计划的结果与计划相比，存在一些误差，见下图。
结论是，多叶准直器叶片移动速度越快，步进调强执行计划的效果越好。
提高叶片的速度有两个方向，一是加大叶片的推力；二是减少叶片的摩擦阻力，特别是消除由力矩产生的摩擦阻力，使推力可以尽情地释放。
作者的努力方向放在了减少叶片的阻力，具体就是用滚动摩擦代替滑动摩擦。为此，作者发明了两种样式的快速多叶准直器。
1)导向轴模式
下图是导向轴模式，叶片的一端与一个导向轴连接，导向轴穿过两个直线轴承，直线轴承安装在箱体中；叶片的另一端只与导槽的两侧接触，上下悬空。直线轴承内用滚珠支撑，这样滑动摩擦就变成了滚动摩擦。虽然导槽中还残存一些滑动摩擦，但已不会出现卡死现象。
2)滚轮模式
下图是滚轮模式：
四个滚轮外侧的导槽与叶片上下的导轨配合； 滚轮内部是一个滚珠轴承，这样就把滑动摩擦变成滚动摩擦； 导向轴模式只适合单聚焦叶片； 滚轮模式既适合单聚焦叶片，也适合双聚焦叶片； 双聚焦叶片只适合滚轮模式。
前面演示了一对叶片对一个一维通量条的步进调强过程，该一维通量条上的最高计量，不见得是该射野所有一维通量条上的最高剂量，因此，该对叶片可能提前汇合。
该对叶片汇合时，为防止相撞，要留有一定间隙，相当于留有一个剂量“漏斗”，即使让这个剂量漏斗以最快的速度移至射野外，也会在移动的过程中“洒下”剂量，影响射野的剂量分布。
为彻底解决这个问题，作者发明了一种“错层多叶准直器”，见下图。
将原来处于同一层的两组叶片上下错开，汇合时采用交错的方式，既不会发生叶片相撞，也不会形成剂量漏斗。
对X射线来讲，源轴距通常只有1000 mm，各种必要的功能部件安排下来，很难再给错层多叶准直器留下多少空间。
如上图所示，错层多叶准直器既可以是单聚焦准直器，也可是双聚焦准直器。
导向机构； 第一组电离室； 双散射机构的第一散射体； 双散射机构的第二散射体； 锥形孔准直器； 第二组电离室； 能量调制机构； 第二吸收体； 单聚焦错层快速多叶准直器(左图)；双聚焦错层快速多叶准直器(右图)； 透射式剂量仪。
双散射机构； 能量调制机构； 第二吸收体； 错层快速多叶准直器(分为单聚焦准直器和双聚焦准直器)。
下面围绕错层快速多叶准直器的使用，介绍束流配送系统的结构和工作原理。
双散射机构
本配送系统采用下能量调制机构，所以双散射机构提到了上面，见下图。
图中为通行样式。依据不同的能量，多个第一散射体和第二散射体可采用不同的组合。
能量调制机构
采用“环形滑梯式吸收体”样式的能量调制机构，见下图。
将环形台阶式吸收体改为“环形滑梯式吸收体”，将台阶取消，变成斜面。 加配了一个小的契形吸收板，斜面方向与环形滑梯式吸收体的斜面方向相反，与环形滑梯式吸收体共同组成一个扩束后截面能量均匀，连续可调的能量调制机构，专门供多叶准直器使用。
将环形滑梯式吸收体拉直，见下图。
契形吸收板与环形滑梯式吸收体的组合效果，相当于一个小的契形板在一个大的契形板上滑动，小契形板覆盖下的区域厚度是相等的，随着小契形板的滑动，这个厚度会连续变化。
第二吸收体
第二吸收体是相对于环形滑梯式吸收体而言，由可切换的多个吸收体组成。见下图。
每个方形吸收体都是待加工状态。第二吸收体的效用在介绍照射原理时进一步说明。
错层快速多叶准直器
单聚焦错层快速多叶准直器
为看清内部，撤下上下追加的矩形射野准直器和侧向安装版，见下图。
单拉出一个叶片，看看它的移动和驱动机构，见下图。
采用双层设计时，上下层叶片的投影不是相互重叠，而是相互衔接，见下图。
只要假设射线源有一定物理宽度，就可自然形成叶片在等中心平面的投影相互衔接，而物理宽度又有小幅重叠，消除了上下叶片间的漏射。
采用双层设计的原因如下：
空间允许； 提高精度，将原本一定宽度的投影缩减一半，本设计投影宽度为5 mm。第三、降低了加工难度。由于叶片间隔加大，叶片的直线度和平面度都不必要求过高，慢走丝线切割下来不必研磨即可直接使用；导向轴的直线度也不必要求过高，标准件即可； 最重要的，可加大推力，提高速度。可加大丝杆直径，增加螺距，本设计丝杆直径可在6mm以上；可加大电机直径，加大推力，本设计电机直径可在18 mm以上； 若想进一度提高速度，还可用清华叶教授团队研发的直线电机替下本设计的伺服电机。
准直器最大射野为240 mm×200 mm，叶片的投影行程大于240 mm。每个叶片均可方便地实现位置闭环控制，细节不在这里详述。
双聚焦错层快速多叶准直器
撤下上下矩形准直器和侧向安装板，见下图。
准直器的最大射野也为240 mm×200 mm，叶片的投影行程大于240 mm，叶片的投影宽度为10 mm。
双聚焦错层准直的每侧叶片也可采用双层设计，或直接将叶片投影宽度将为5 mm。对X射线来讲，叶片要由钨合金制作，对质子射线来说，叶片可由钢材制作，加工难度大幅度降低。
下面结合照射的过程介绍束流配送系统各主要部件的工作原理。
步进适形照射
假设使用的是回旋质子加速器，分前降能和后降能。前降能负责能量初调，使射束的射程超过肿瘤的前沿(前沿指肿瘤远离射线源的一端)，并留有一定余量，见下图。
如上图所示，射束的前端面与人体表面平行，基本保证了(体内还有器官密度分布的差异)射束的前端面与射束的轴心线保持垂直。
如不是这样，射束的轴心线与人体表面有个角度，就有了调整射束前端面的问题，见下图。
射束前端面调整后，图中将第二吸收体拉下来，是为观察方便
在开始拉峰照射前，先小幅转动环形滑梯式吸收体，使其薄层的一端与斜面方向相反的小的契形吸收板上下重合，形成一个等厚度吸收层，这时射束端面也会上升，接近肿瘤前沿，见下图。
将用CT片合成的肿瘤，沿叶片移动的方向(也是与CT片表面相垂直的方向，也是机架旋转轴方向)，以叶片的投影宽度，再次切片，见下图。每对相向移动的叶片对应一个切片。
有了以上的准备就可进行步进适形照射了。作者以上图肿瘤切片为例，演示一对叶片拉峰照射的过程。
棕色体是人体； 绿色体是一对错层准直器叶片，已到达指定位置； 上部的粉色体是射束，被叶片阻挡； 黄色体是肿瘤切片； 中间的粉色线代表射线在体内的射程； 向上的粉色箭头表示，环形滑梯式吸收体已开始旋转，正在向上拉动Bragg峰(射束前端面是Bragg峰所在位置)。
当射束前端面达到肿瘤切片底沿时，交错的叶片迅速后退，放出光束，光束底端的红色矩形块是Bragg峰的位置和覆盖区域。
随着射束前端面的提升，两侧叶片以步进的方式迅速后退，后退的步长等于CT片的厚度，或其倍数，直至放出射束的宽度与肿瘤的长度相等。图中，底面为折线的红色区域是Bragg峰的扫过并覆盖的区域。
拉峰至肿瘤上方时，叶片由迅速“步退”改为迅速“步进”，直至肿瘤切片的最上端，这时Bragg峰已扫过全部肿瘤切片。
叶片迅速前进，并形成交错，关闭由该对叶片所能控制的片状射束。
这时拉峰还在进行，因为该肿瘤切片不见得是所有切片中最“厚”的一片。
所有肿瘤切片对应的叶片，在上述拉峰照射过程中，有的光束是早开始放出晚结束，有的是晚开始放出早结束，待所有切片都完成拉峰照射，一个射野的拉峰照射就完成了，见下图。图中，左上是由CT片合成的肿瘤，右下是Bragg峰扫过的区域。
下图是将肿瘤靶区与Bragg峰覆盖区域重合的情况，红色区域略大于黄色区域，CT片越薄，叶片越薄，吻合度越好。
以上就是拉峰照射的过程，实际操作很简单，原则上，一次拉峰就可完成一个射野的三维适形照射。
一是肿瘤切片有左右凹陷，见下图。这种情况下，拉峰的过程不变。
另一种情况是肿瘤切片上下有凹陷，见下图。
对这种情况，要将肿瘤切片左右分段，分别进行两次拉峰照射。
考虑到上述情况，多数肿瘤一次拉峰就可完成一个野的照射，少数肿瘤需要两次拉峰照射。有些肿瘤看似复杂，但具体到每一个肿瘤切片，上下出现两次凹陷的情况很少见。
在前述的讨论中，射束的前端面都是标准的平面，实际情况不会是这样。首先人体表面不会是平面，其次人体内各处密度也不均匀，综合下来，射束的前端面可能是一个凸凹不平的波浪面。但这不影响步进拉峰适形照射方法的实施，因为治疗计划会给出修正后的实施方案，具体体现在第二吸收体加工方案。
补差调强
有些时候要对肿瘤靶区的某些部位追加一些剂量，形成高剂量区，体现在肿瘤切片上，就是有些切片含有高剂量面，见下图。
图中，左侧表示靶区上有一个高剂量区(棕色)，右侧是解决办法，先给一个基数剂量(黄色)，在给一个追加剂量(白色)； 追加剂量相当于另一次小肿瘤的适形照射。； 追加剂量可能是一次追加，再次追加，相当于二次适形，三次适形； 追加剂量一般小于基数剂量，减少剂量的方法是加快拉峰的速度，通过提高环形滑梯式吸收体的转速来实现； 将降能器做成大的环形，一是期待有较大的切向速度，二是控制比较简单； 加快拉峰速度后，要求准直器叶片也要有更快的步进速度，这也是为什么单聚焦快速多叶准直器采用双层设计。
精细调强
双聚焦快速多叶准直器叶片的段面为直面，可形成小的矩形光孔，实施逐点拉峰照射，控制拉峰过程的速度变化，可控制拉峰途径上剂量的沉积，从而实现调强照射。剂量柱的起始位置和高低由叶片打开光束和关闭光束的时点控制。
此处精细调强的方法与本系列前文《矩阵调强准直器在质子加速器扩束照射方式中的应用(上篇)》描述的精细调强方法类似。
本文介绍的“发源于X射线应用于质子治疗”的错层快速多叶准直器在两种射线下的表现完全不同，自成体系，如下表所示。
上述差别源于两种射线物理特性的不同，最大的不同是，质子射线存在Bragg峰。一种准直器完美地适用两种射线，是个巧合。(质子中国 编辑报道)