醫(yī)用直線加速器質(zhì)量控制中星形片分析的初步研究

【作 者】張建英，江濤

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院放療科，上海，20032

射野和機(jī)械等中心驗(yàn)證，一直是醫(yī)用直線加速器常規(guī)質(zhì)量控制的基本項(xiàng)目[1]。驗(yàn)證方法通常有機(jī)械指針檢查，光野十字線旋轉(zhuǎn)檢查以及輻射野星形片檢查。其中的星形片檢查就是將膠片置于垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面，使用多個(gè)準(zhǔn)直器形成的交叉狹長(zhǎng)輻射野曝光膠片，并在膠片上形成星形的射野分布，最后分析星形片各邊的聚焦情況?？紤]到在臨床治療過(guò)程中使用的是輻射野，而且星形片檢查還可以同時(shí)檢驗(yàn)激光線以及十字叉絲和射野中心的符合程度，因此星形片的檢查具有一定的優(yōu)勢(shì)。目前，實(shí)際工作中已經(jīng)可以使用專用的膠片分析軟件來(lái)量化分析星形片各邊的聚焦精度。盡管星形片分析的技術(shù)在實(shí)際工作中使用已經(jīng)比較廣泛[2]，但文獻(xiàn)中未見(jiàn)關(guān)于星形片分析結(jié)果影響因素的研究。

1 材料和方法

1.1 材料

本試驗(yàn)使用西門(mén)子Oncor醫(yī)用直線加速器（西門(mén)子中國(guó)有限公司，上海），序號(hào)5413，用了該加速器6MV和15MV兩種能量的X線，加速器坐標(biāo)為西門(mén)子Native（自然）坐標(biāo)系。膠片掃描使用Vidar Dosimetry掃描儀（VIDAR Systems Corporation，VA，USA）。膠片分析軟件為FilmQA膠片分析軟件（3cognition USA New York，NJ ，USA）。曝光中使用的建成材料為CICVO固體虛擬水（CIVICO，Iowa ，USA）。使用 KODAK X-Omat V和EDR2膠片（KODAK，東京，日本）。

1.2 方法

本試驗(yàn)的星形片分析是驗(yàn)證西門(mén)子加速器準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心的精度。每次試驗(yàn)將只改變一個(gè)可能影響分析結(jié)果的因素，在保持其他方法相同的條件下，定量獲取星形片各邊內(nèi)接圓的直徑作為分析結(jié)果。試驗(yàn)過(guò)程中，膠片位于醫(yī)用加速器標(biāo)稱源皮距處，距離射線源100 cm。除做機(jī)架角影響分析外，一般膠片垂直于射線軸。6MV X射線曝光時(shí)，在膠片上疊加1.5 cm厚的固體虛擬水；15MV X線曝光時(shí)，在膠片上疊加3 cm厚的固體虛擬水。所有的曝光膠片下方放置5 cm厚的固體虛擬水。全部曝光使用加速器的Y Jaw形成星形片的邊，X Jaw都置為最大值40 cm。圖1為所獲取的星形片和FilmQA分析示例圖。

圖1 使用FilmQA分析星形片示例圖Fig.1 A example of Starshot analysis using FilmQA

1.2.1 準(zhǔn)直器偏中心對(duì)星形片分析的影響

試驗(yàn)執(zhí)行單側(cè)偏中心分析，分別在Y Jaw偏中心0 mm(Y1=0.3 cm，Y2=0.3 cm)、1 mm(Y1=0.2 cm，Y2=0.4 cm)、2 mm(Y1=0.1 cm，Y2=0.5 cm)和3 mm(Y1=0 cm，Y2=0.6 cm)四種情況下用6MV X線獲取邊寬度為6mm的星形片。采用71dpi掃描分辨率掃描后進(jìn)行分析。

1.2.2 機(jī)架角度誤差對(duì)星形片分析的影響

試驗(yàn)中，使用Y1=0.3 cm，Y2=0.3 cm條件，用6MV X線獲取機(jī)架在0o、2o、4o獲取邊寬為6 mm的星形片。采用71dpi掃描分辨率掃描后進(jìn)行分析。

1.2.3 能量對(duì)星形片分析的影響

試驗(yàn)進(jìn)行了兩次測(cè)試，測(cè)試時(shí)間間隔1年，非序貫測(cè)試。第一次使用Y1=0.2 cm，Y2=0.2 cm,分別用6MV X線和15MV X線獲取邊寬度為4mm的星形片，采用71 dpi掃描分辨率掃描后進(jìn)行分析。第二次使用Y1=0.3 cm，Y2=0.3 cm、Y1=0.1 cm，Y2=0.1 cm條件，分別用6MV X線和15MV X線獲取邊寬度為 6 mm和2 mm的星形片。采用71dpi掃描分辨率掃描后進(jìn)行分析。

1.2.4 準(zhǔn)直器寬度對(duì)星形片分析的影響

試驗(yàn)進(jìn)行了兩次星形片的準(zhǔn)直器寬度對(duì)分析結(jié)果影響的測(cè)試，均使用了對(duì)稱Y Jaw設(shè)置條件。第一次測(cè)試使用的準(zhǔn)直器寬分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm和6 mm，第二次測(cè)試使用的準(zhǔn)直器寬度為 2 mm、4 mm、6 mm、8 mm和10 mm。采用71dpi掃描分辨率掃描后進(jìn)行分析。需特別指出的是，兩次測(cè)試時(shí)間間隔1年，非序貫測(cè)試。

1.2.5 掃描分辨率對(duì)星形片分析的影響

對(duì)于準(zhǔn)直器寬度影響分析獲得的星形片，采用142dpi分辨率掃描后分別進(jìn)行再次分析。

2 結(jié)果

試驗(yàn)中，在Y Jaw偏中心0 mm、1 mm、2 mm、3 mm四種情況下，星形片各邊最小內(nèi)接圓直徑分別為：1.52 mm、3.42 mm、5.33 mm、7.41 mm。內(nèi)接圓直徑與Y jaw偏心關(guān)系，如圖2所示?？梢钥梢钥闯觯?dāng)準(zhǔn)直器偏中心的時(shí)候，星形片的各邊最小內(nèi)接圓直徑隨偏心距離線性增大，其線性變化的斜率接近2。

圖2 內(nèi)接圓直徑與Y Jaw 偏心距離關(guān)系圖Fig.2 The relationship between the diameter of minimum inscribed circle and the offset to the Y Jaw center

試驗(yàn)中，當(dāng)機(jī)架角為0o、2o、4o時(shí)，星形片各邊最小內(nèi)接圓直徑分別為1.52 mm、1.46 mm和 1.76 mm。結(jié)果顯示，機(jī)架角的偏移對(duì)星形片分析結(jié)果存在一定的影響，但是當(dāng)機(jī)架角的偏移在一定范圍內(nèi)，它對(duì)分析結(jié)果的影響程度不大。

能量對(duì)星形片分析影響，第一次測(cè)試邊寬4 mm時(shí)，6 MV、15 MV的最小內(nèi)接圓直徑分別為1.31 mm和1.24 mm。第二次測(cè)試，邊寬2 mm時(shí)，6 MV、15MV的最小內(nèi)接圓直徑分別為1.22 mm和1.28 mm；邊寬6 mm時(shí)6 MV、15 MV的最小內(nèi)接圓直徑分別為1.52 mm和1.37 mm。結(jié)果表明，用于曝光星形片的射線能量對(duì)分析結(jié)果存在一定的影響，本試驗(yàn)中出現(xiàn)的最大差別為0.15 mm。

在第一次準(zhǔn)直器寬度對(duì)研究星形片分析影響測(cè)試中，2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm邊寬的星形片最小內(nèi)接圓直徑分別為1.44 mm、1.38 mm、1.33 mm、1.26 mm、1.29 mm；第二次測(cè)試2 mm、4mm、6 mm、8 mm、10 mm邊寬的最小內(nèi)接圓直徑分別為1.22 mm、1.40 mm、1.52 mm、1.56 mm、1.66 mm。數(shù)據(jù)顯示，準(zhǔn)直器寬度對(duì)星形片存在影響，而且差異的幅度比較大，最大的差異達(dá)到了0.44 mm。同時(shí)，本研究中兩次測(cè)試的結(jié)果正好相反，第一次隨準(zhǔn)直器寬的增加分析結(jié)果變小，而第二次分析結(jié)果隨準(zhǔn)直器寬的增加而變大。

對(duì)準(zhǔn)直器寬度試驗(yàn)中的膠片，采用142dpi掃描后，第一次測(cè)試的星形片各邊寬最小內(nèi)接圓直徑分別為1.43 mm、1.32 mm、1.34 mm、1.25 mm、1.23mm，第二次測(cè)試的星形片各邊寬最小內(nèi)接圓直徑分別為1.25 mm、1.39 mm、1.46 mm、1.69 mm、1.67 mm。將142dpi和71dpi的分析結(jié)果的差別繪制散點(diǎn)圖如圖2，差異的平均值為0.003 mm。從散點(diǎn)圖中可以看出，掃描分辨率對(duì)星形片分析結(jié)果的影響一般在-0.06 mm到0.05 mm之間。

3 討論

醫(yī)用直線加速器質(zhì)量控制中，通常有三個(gè)旋轉(zhuǎn)中心需要使用星形片進(jìn)行分析，它們是準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心、機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心、治療床旋轉(zhuǎn)中心[3]。事實(shí)上，準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)中心是檢查其他兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心的基礎(chǔ)，通常加速器在進(jìn)行機(jī)械調(diào)整時(shí)，都是將其他兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心調(diào)整到準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)中心上來(lái)，甚至加速管束流中心和均整塊的位置也都是以準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)中心為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整的。這也是本文使用準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心作為研究對(duì)象的主要原因。

圖3 掃描分辨率導(dǎo)致的星形片分析結(jié)果差異的散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram for the deviation of the Starshot analysis result with different scan resolutions.

理論上分析，影響準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心星形片分析結(jié)果的主要因素有兩個(gè)方面，一是準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)機(jī)械中心的誤差，還有一個(gè)是形成星形片邊的準(zhǔn)直器（本研究中為Y Jaw）對(duì)稱性誤差。類(lèi)似于使用光野調(diào)整十字叉絲的原理，星形片分析中，準(zhǔn)直器對(duì)稱性除受準(zhǔn)直器本身機(jī)械位置不對(duì)稱性的影響外，也受到射束與準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心一致性程度的影響。但是，射束與準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心不一致，并不影響等中心平面星形片各邊最小內(nèi)接圓的直徑，應(yīng)該表現(xiàn)為在靠近或遠(yuǎn)離射線源的星形片各邊最小內(nèi)接圓的圓心會(huì)發(fā)生位移。

在本試驗(yàn)中，當(dāng)強(qiáng)制準(zhǔn)直器發(fā)生離軸的偏心時(shí)，可以看到星形片各邊最小內(nèi)接圓的直徑與偏心的程度呈現(xiàn)線性變化。這說(shuō)明準(zhǔn)直器不對(duì)稱性的確可以對(duì)星形片的分析結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)不同強(qiáng)制位移條件下，星形片各邊最小內(nèi)接圓直徑的極限值，就可以將準(zhǔn)直器的射野不對(duì)稱性降到很低的水平。在這個(gè)水平下的星形片各邊最小內(nèi)接圓的直徑基本上可以代表純粹準(zhǔn)直器機(jī)械旋轉(zhuǎn)中心偏差的大小。

在本試驗(yàn)中，當(dāng)準(zhǔn)直器寬度發(fā)生變化的時(shí)候，分析結(jié)果也發(fā)生了變化。而且，本研究?jī)纱螠y(cè)試偏差的方向并不一致，結(jié)合上述對(duì)準(zhǔn)直器不對(duì)稱性的分析，考慮相應(yīng)的原因是準(zhǔn)直器在處于接近射束中心的時(shí)候，其不對(duì)稱性呈非線性變化。本研究使用的西門(mén)子醫(yī)用加速器的Y準(zhǔn)直器具備獨(dú)立準(zhǔn)直器功能，其Y1和Y2 Jaw使用兩個(gè)獨(dú)立的編碼器檢測(cè)位置，校準(zhǔn)時(shí)在2.5 cm和7.5 cm的位置處建立編碼器和實(shí)際位置的關(guān)系曲線。醫(yī)用加速器每次開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)以及當(dāng)Y Jaw完全關(guān)閉的時(shí)候，都有可能發(fā)生編碼器的細(xì)小位移。一段時(shí)間以后，編碼器在2.5 cm以下的位置線性不良以及兩個(gè)編碼器匹配程度不好時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生本研究看到的現(xiàn)象。

很顯然，當(dāng)準(zhǔn)直器對(duì)稱性對(duì)準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心星形片檢查產(chǎn)生影響的時(shí)候，機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心和治療床的旋轉(zhuǎn)中心的星形片分析都會(huì)受到影響，因?yàn)檫@時(shí)候都需要使用相同的準(zhǔn)直器來(lái)形成星形片的各個(gè)邊。

本試驗(yàn)中，當(dāng)機(jī)架角偏移比較大時(shí)，對(duì)星形片分析可能會(huì)產(chǎn)生影響。這種影響在星形片分析的實(shí)際操作中具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。比如當(dāng)執(zhí)行機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心星形片分析時(shí)，保持膠片垂直相對(duì)來(lái)說(shuō)容易被忽略；在執(zhí)行治療床旋轉(zhuǎn)中心星形片分析時(shí)，保持膠片在床面上的水平也比較容易被忽略。綜合本研究的結(jié)果考慮，只有當(dāng)膠片的位置偏移在1o或1o以下時(shí)，星形片分析結(jié)果才不受膠片位置偏移的影響。

本研究中，能量和掃描分辨率對(duì)星形片分析結(jié)果存在微弱的影響，一般影響幅度小于0.1 mm,最大的誤差一般小于0.2 mm。能量影響的原因可能主要是形成星形片各邊狹長(zhǎng)射野的半影區(qū)大小受到能量的輕微影響，導(dǎo)致軟件分析出現(xiàn)細(xì)小的偏差；而提高膠片掃描分辨率，也相應(yīng)增加了膠片噪聲，也可能導(dǎo)致軟件分析出現(xiàn)細(xì)小的偏差，但上述分析目前還沒(méi)有理論依據(jù)或文獻(xiàn)支持。可是，本研究結(jié)果至少說(shuō)明，如果在實(shí)際工作中出現(xiàn)分析結(jié)果很接近標(biāo)準(zhǔn)或略超標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，需要注意能量和掃描分辨率的影響。

4 結(jié)論

臨床工作中，當(dāng)星形片分析結(jié)果超標(biāo)時(shí)，需要綜合分析可能影響結(jié)果的諸多因素，再做出最后的判斷。

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