利用三維水箱測(cè)量的“環(huán)形機(jī)架”加速器“典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)”驗(yàn)證研究

汪之群，楊波，張悅，于浪，陳胤竹，王小深，張杰，王貝，李文博，胡克，張福泉，邱杰

1. 北京協(xié)和醫(yī)院 放療科，北京 100730；2. 西安大醫(yī)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710016；3. 瓦里安醫(yī)療設(shè)備(中國(guó))有限公司，北京 100176

引言

Halcyon加速器是瓦里安公司新推出的一臺(tái)封閉的環(huán)形機(jī)架加速器，該加速器具有以下一些特點(diǎn)。該加速器只有一檔能量（6 MV-FFF），用于治療和影像采集，2.0版本的加速器有KV-CBCT影像系統(tǒng)，該加速器沒(méi)有鉛門(mén)的設(shè)計(jì)，利用雙層葉片的交錯(cuò)來(lái)減小束流的傳射劑量，該加速器由于機(jī)架封閉設(shè)計(jì)帶來(lái)的安全性等特點(diǎn)，具有治療速度快，強(qiáng)制圖像引導(dǎo)等特征。由于Halcyon加速器與傳統(tǒng)C型臂加速器在設(shè)計(jì)等方面的區(qū)別，因此在驗(yàn)收調(diào)試過(guò)程中也有所區(qū)別[1-2]。本文主要針對(duì)Halcyon加速器束流調(diào)試中的治療計(jì)劃系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)比對(duì)的方面。

對(duì)于傳統(tǒng)的加速器調(diào)試方式來(lái)講，驗(yàn)收結(jié)束之后應(yīng)收集加速器基礎(chǔ)束流數(shù)據(jù)，并利用這些測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于加速器的束流模型進(jìn)行建模來(lái)模擬設(shè)備束流的輸出，通過(guò)實(shí)測(cè)的方式再來(lái)驗(yàn)證治療計(jì)劃系統(tǒng)中束流模型的準(zhǔn)確性。而與傳統(tǒng)C型臂加速器有所不同，瓦里安公司對(duì)于Halcyon加速器采取在Eclipse v15.6預(yù)裝典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)[3]（Representative Beam Data，RBD）的方式。瓦里安公司提供的“典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)”是基于數(shù)家機(jī)構(gòu)安裝的Halcyon加速器的數(shù)據(jù)取得的平均數(shù)據(jù)。這樣的預(yù)裝數(shù)據(jù)模式，省去了物理師進(jìn)行束流數(shù)據(jù)采集并建模的過(guò)程，但由于預(yù)裝的內(nèi)置數(shù)據(jù)模型并不是針對(duì)某一臺(tái)加速器而是“平均射線(xiàn)數(shù)據(jù)”，因此在Halcyon加速器在各中心安裝結(jié)束后，應(yīng)對(duì)該加速器在“典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)”同樣的設(shè)置下，對(duì)于加速器的實(shí)際輸出（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，MeasData）與RBD與治療計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)束流模型的計(jì)算結(jié)果（計(jì)算數(shù)據(jù)，CalcData）三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定這三個(gè)數(shù)據(jù)的偏差在可接受的范圍內(nèi)，再對(duì)于加速器的束流系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)調(diào)試[4-5]。

本研究描述了Halcyon2.0加速器所有預(yù)裝數(shù)據(jù)對(duì)比的測(cè)試方法和結(jié)果，所有測(cè)試方法均是基于A(yíng)APM，IAEA及相關(guān)文獻(xiàn)推薦的規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

1 材料與方法

本研究所使用的加速器為Varian公司的Halcyon加速器，射線(xiàn)能量為單能6 MV非均整模式X線(xiàn)，劑量率為800 MU/min。Halcyon加速器中的預(yù)裝典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)主要包括：百分深度劑量曲線(xiàn)（Percentage Depth Dose，PDD），射野離軸比曲線(xiàn)（Profile）以及輸出因子（Output Factor，OF）。對(duì)上述項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量“MeasData”時(shí)，所使用的測(cè)量條件和測(cè)量項(xiàng)目與預(yù)裝典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)是一致的，而測(cè)量工具和方法的選擇根據(jù)我中心的測(cè)量習(xí)慣以及測(cè)量工具。“CalcData”是在Varian公司的Eclipse v15.6計(jì)劃系統(tǒng)當(dāng)中，模擬相同的測(cè)量條件，通過(guò)“AAA_15606”算法計(jì)算得到。

1.1 水箱架設(shè)和擺位

本研究使用的水箱是IBA公司的Blue Phantom2三維水箱（掃描體積48 cm×48 cm×48 cm）。三維水箱軟件使用Accept(v7.2)軟件。其他三維水箱或一維水箱和陣列探測(cè)器也可用于某些測(cè)試[6]。三維水箱等測(cè)量工具使用方法參照相關(guān)AAPM報(bào)告[7]。由于環(huán)形機(jī)架加速器的特點(diǎn)，水箱需架設(shè)在治療床上，需在治療中心對(duì)于水箱水平進(jìn)行調(diào)整確認(rèn)，同時(shí)在水箱選擇中應(yīng)考慮水箱尺寸防止和環(huán)形機(jī)架產(chǎn)生碰撞。由于Halcyon加速器在治療中心無(wú)光野燈和光距尺，因此本研究在水箱及探頭擺位確認(rèn)時(shí)使用MVEPID影像以及CAX確認(rèn)的方式確保擺位準(zhǔn)確[8]。圖像引導(dǎo)方式如圖1所示。

圖1 利用MV-EPID影像方式對(duì)水箱及探頭擺位進(jìn)行確認(rèn)

1.2 測(cè)量工具及方法

本研究所使用到的電離室包括IBA公司的CC13電離室，靈敏體積為0.13 cm3；IBA公司的CC01電離室，靈敏體積為0.01 cm3；半導(dǎo)體探測(cè)器為IBA公司的SFD以及PFD探測(cè)器；參考半導(dǎo)體探測(cè)器為IBA公司的RFD探測(cè)器。本研究PDD曲線(xiàn)的測(cè)量利用兩個(gè)CC13電離室分別作為主電離室和參考電離室進(jìn)行，三維水箱采用連續(xù)掃描模式，掃描速度為0.3 cm/s。測(cè)量范圍為水下22 cm至水上0.5 cm。

對(duì)于離軸比曲線(xiàn)，掃描范圍為射野大小之外5 cm。測(cè)量使用了半導(dǎo)體電離室，利用PFD作為主電離室，RFD作為參考電離室，測(cè)量射野大小大于4 cm×4 cm的射野的離軸曲線(xiàn)，三維水箱采用連續(xù)掃描模式，掃描速度為0.3 cm/s，利用SFD作為主電離室，未使用參考電離室，測(cè)量2 cm×2 cm的離軸曲線(xiàn)，三維水箱采用步進(jìn)式模式掃描，步長(zhǎng)1 mm。

對(duì)于總散射因子，所有射野分別給予機(jī)器跳數(shù)100 MU照射，按10 cm×10 cm照射野進(jìn)行歸一，利用SFD，PTW靜電計(jì)，測(cè)量射野任意一邊小于4 cm的射野的輸出因子，利用CC13，PTW靜電計(jì)，測(cè)量射野任意一邊≥4 cm的射野的輸出因子。并利用4 cm×4 cm的射野進(jìn)行“菊鏈連接”。

表1介紹了RBD中所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容以及測(cè)量時(shí)所使用的測(cè)量工具。在本中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)于測(cè)量工具根據(jù)本中心測(cè)量習(xí)慣及測(cè)量需求，做出了下列調(diào)整，在測(cè)量PDD曲線(xiàn)時(shí)，應(yīng)用兩個(gè)IBA Dosimetry公司的CC13電離室作為主電離室和參考電離室，在測(cè)量Profile曲線(xiàn)時(shí)，在測(cè)量2 cm×2 cm 的射野時(shí)，采用了IBA Dosimetry公司的SFD半導(dǎo)體探測(cè)器，在測(cè)量≥4 cm×4 cm射野時(shí)，主電離室采用IBA Dosimetry公司的PFD半導(dǎo)體探測(cè)器，參考電離室采用RFD半導(dǎo)體探測(cè)器。在測(cè)量射野輸出因子時(shí)，在測(cè)量射野任意一邊小于4 cm的射野時(shí)使用IBA Dosimetry公司的SFD半導(dǎo)體探測(cè)器, 其他使用CC13電離室，并在4 cm×4 cm 的射野出進(jìn)行“菊鏈連接”。

表1 典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量項(xiàng)目及方法

1.3 菊鏈連接

利用單一探測(cè)器進(jìn)行射野輸出因子的測(cè)量會(huì)由于探測(cè)器本身的特性在射野大小變化時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)的不同，因而產(chǎn)生測(cè)量的誤差。半導(dǎo)體探測(cè)器平均體積效應(yīng)小，但是對(duì)低能射線(xiàn)存在過(guò)響應(yīng)[9-10]。而測(cè)量用的電離室不存在能量響應(yīng)依賴(lài)，但存在體積平均效應(yīng)的問(wèn)題[8]。因此Dieterich和Sherouse[11]提出對(duì)于射野輸出因子采取“菊鏈連接”的方式。使用2個(gè)探頭，在各自響應(yīng)變化較小的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)中間野進(jìn)行“菊鏈連接”，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性[12]。菊鏈連接的計(jì)算公式如公式(1)所示。

公式（1）中Scp為射野輸出因子，Mclinic(ic)為同一探測(cè)器不同面積射野讀數(shù)，Mref為參考野的測(cè)量讀數(shù)。Mclinic(diode)為半導(dǎo)體探測(cè)器得到的射野讀數(shù)，Minter(ic)為電離室測(cè)量得到的中間野的讀數(shù)，Minter(diode)為半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量得到的中間野的讀數(shù)。

1.4 比較方法

對(duì)于PDD曲線(xiàn)，將測(cè)量曲線(xiàn)歸一至最大值，對(duì)比RBD和MeasData以及MeasData和CalcData之間的偏差，分析方法采用1 mm/1%，2 mm/2%以及3mm/3%標(biāo)準(zhǔn)下的Gamma分析。對(duì)于Profile曲線(xiàn)，將測(cè)量曲線(xiàn)進(jìn)行CAX校正，對(duì)比RBD和MeasData以及MeasData和CalcData之間的偏差，分析方法采用1 mm/1%，2 mm/2%以及3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)下的Gamma分析。對(duì)于射野輸出因子，對(duì)比不同射野的輸出因子的偏差。對(duì)于RBD和MeasData之間PDD與Profile的差異，利用自主設(shè)計(jì)編程的Python數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行Gamma分析。對(duì)于MeasData和CalcData之間PDD與Profile的差異，利用自主設(shè)計(jì)編程的Matlab數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行Gamma分析。

2 結(jié)果

2.1 百分深度曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果

百分深度劑量的結(jié)果良好。RBD和MeasData之間的1 mm/1%，2 mm/2%，3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)下的Gamma通過(guò)率均為100%。MeasData和CalcData相比，不同射野大小的PDD在1 mm/1%標(biāo)準(zhǔn)下的通過(guò)率為99.63% ± 0.24%；在2 mm/2%標(biāo)準(zhǔn)下的通過(guò)率為99.8%；在3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)下的通過(guò)率為99.8%。圖2為不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結(jié)果。圖3為不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結(jié)果。圖4為接近表面部分的PDD測(cè)量曲線(xiàn)，即為偏差較大部分。

圖2 不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結(jié)果

圖3 不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結(jié)果

圖4 利用CC13電離室對(duì)PDD曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量在接近模體表面區(qū)域與TPS計(jì)算偏差較大

2.2 射野離軸比曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果

RBD和MeasData之間射野離軸比曲線(xiàn)劑量比對(duì)結(jié)果為1 m m/1%標(biāo)準(zhǔn)下，不同射野大小的射野在不同深度的平均通過(guò)率如下：2 cm×2 cm射野在不同深度的平均Gamma通過(guò)率為（83.86±1.91）%，4 cm×4 cm射野在不同深度的平均Gamma通過(guò)率為86.16%±2.02%，6 cm×6 cm射野為100%，8 cm×8 cm射野為99.46%±0.55%，10 cm×10 cm射野為100%，20 cm×20 cm射野為99.84%±0.36%，28 cm×28 cm射野為100%。對(duì)角線(xiàn)射野的不同深度平均通過(guò)率為96.30%±2.51%。小射野通過(guò)率低于大射野通過(guò)率。不同深度的射野在不同射野大小條件下的平均通過(guò)率如下：深度1.3 cm處的平均Gamma通過(guò)率為95.11%±8.15%；深度5 cm處為95.33%±7.79%，深度10 cm處為95.29%±7.82%，深度20 cm處為96.33%±6.35%，深度30 cm處為96.03%±6.37%。各深度的通過(guò)率沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。在2 mm/2%和3 mm/3%的標(biāo)準(zhǔn)下，各射野間對(duì)比Gamma通過(guò)率均為100%。

MeasData和CalcData之間射野離軸比曲線(xiàn)劑量比對(duì)結(jié)果為1 mm/1%標(biāo)準(zhǔn)下，不同射野大小的射野在不同深度的平均通過(guò)率如下：2 cm×2 cm射野在不同深度的平均gamma通過(guò)率為99.5%±1.12%，4 cm×4 cm射野在不同深度的平均gamma通過(guò)率為100%，6 cm×6 cm射野為100%，8 cm×8 cm射野為97.88%±0.78%，10 cm×10 cm射野為98.68%±0.66%，20 cm×20 cm射 野 為 98.80%±0.90%，28 cm×28 cm射野為98.66%±2.77%。對(duì)角線(xiàn)射野的不同深度平均通過(guò)率為100%。不同射野大小間的通過(guò)率沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。不同深度的射野在不同射野大小條件下的平均通過(guò)率如下：深度1.3 cm處的平均Gamma通過(guò)率為98.67%±2.25%；深度5 cm處為99.61%±0.73%,深度10 cm處為99.39%±0.96%，深度20 cm處為99.10%±1.10%，深度30 cm處為98.60%±1.29%。各深度的通過(guò)率沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。在2 mm/2%和3 mm/3%的標(biāo)準(zhǔn)下，各射野間對(duì)比Gamma通過(guò)率均為100%。

圖5為不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結(jié)果。圖6為不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結(jié)果。圖7為射野離軸比曲線(xiàn)射野邊緣的測(cè)量結(jié)果。

圖5 不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結(jié)果

圖6 不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結(jié)果

圖7 利用CC13電離室對(duì)PDD曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量在接近模體表面區(qū)域與TPS計(jì)算偏差較大

2.3 輸出因子對(duì)比結(jié)果

射野輸出因子結(jié)果采取兩種探頭的輸出因子結(jié)果進(jìn)行“菊鏈連接”的方式。4 cm×4 cm的射野為中間野，將大小探頭的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行歸一，兩種探頭的輸出因子結(jié)果通過(guò)“菊鏈連接”的方式進(jìn)行輸出因子的銜接[12]。有一邊射野小于4 cm的射野均選擇小探頭的結(jié)果，大于等于4 cm的射野均選擇大探頭的結(jié)果，其中，x，y射野不同大小的方形野和長(zhǎng)方形野均進(jìn)行測(cè)量，由于加速器的設(shè)計(jì)，以往觀(guān)察輸出因子與x，y方向的變化（即2 cm×4 cm與4 cm×2 cm的射野）會(huì)對(duì)輸出因子產(chǎn)生差別，是否有區(qū)別測(cè)量結(jié)果如表2所示。測(cè)量結(jié)果與RBD結(jié)果的偏差如表3所示。

表2 實(shí)測(cè)x、y方向不同射野大小的輸出因子表格

表3 不同射野大小的輸出因子測(cè)量結(jié)果與RBD結(jié)果的偏差（%）

3 討論

從上述結(jié)果看出，RBD數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的匹配度良好。計(jì)劃系統(tǒng)AAA算法計(jì)算數(shù)據(jù)也與測(cè)量數(shù)據(jù)匹配度良好。認(rèn)為該加速器的束流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)符合臨床使用要求，但仍需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析討論[13-18]。

對(duì)于百分深度劑量曲線(xiàn)，RBD數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的匹配度均為100%，而計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)有0.2%的偏差，偏差主要存在于貼近模體表面的部分。分析該部分造成的偏差主要來(lái)源于表面劑量測(cè)量時(shí)，探頭已過(guò)于接近水面或露出水面，介質(zhì)之間相隔的區(qū)域會(huì)造成測(cè)量的偏差，而計(jì)劃系統(tǒng)建模中，表面劑量部分是通過(guò)外推得到的，因此造成了偏差，有研究表示CC13應(yīng)用于PDD曲線(xiàn)的測(cè)量會(huì)高估表面劑量[19]。與本研究所得到的數(shù)據(jù)相符。圖6為接近表面部分的PDD測(cè)量曲線(xiàn)。因此，對(duì)于接近水模體表面的劑量測(cè)量，可以采用平行板電離室[20]、TLD片測(cè)量或Monte Carlo模擬[9]的方式對(duì)于表面劑量的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，預(yù)期會(huì)獲得更好的結(jié)果。

對(duì)于射野離軸比曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)所有射野的Gamma分析值分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是RBD數(shù)據(jù)與MeasData還是MeasData與CalcData之間，射野的半影區(qū)域內(nèi)的Gamma值偏差較大。射野的半影區(qū)易產(chǎn)生偏差的主要原因主要有兩項(xiàng)：① 體積平均效應(yīng)[11]產(chǎn)生測(cè)量的半影區(qū)斜率降低，在探頭選擇上，盡量選用靈敏體積小的半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)射野離軸比曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量；② 產(chǎn)生偏差的原因可能是測(cè)量時(shí)電離室的運(yùn)行速度較快。本研究所采用的測(cè)量速度為Blue Phantom2水箱當(dāng)中可選擇的最小連續(xù)掃描速度0.3 cm/s。而小射野采用的是步進(jìn)式的測(cè)量方式。電離室的選擇和測(cè)量速度會(huì)影響射野半影區(qū)的Gamma通過(guò)率。

對(duì)于輸出因子測(cè)量方法，應(yīng)選擇3 c m×3 c m或 4 cm×4 cm作為中間野進(jìn)行測(cè)量。在該面積射野下，野內(nèi)既能達(dá)到側(cè)向電子平衡，同時(shí)又不會(huì)有過(guò)多的低能散射線(xiàn)，無(wú)論是使用半導(dǎo)體探測(cè)器還是電離室，都可以測(cè)得一個(gè)較為準(zhǔn)確的結(jié)果[8]。但目前對(duì)于銜接方法有兩種不同的方式：① 本研究所采用的任意一邊小于中間射野大小的射野均選擇小探頭的結(jié)果，大于等于的選擇大探頭的結(jié)果；② 考慮等效方野小于中間野選擇小探頭的結(jié)果，而等效方野大于等于中間野的選擇大探頭的結(jié)果。第一種方式考慮主要是大探頭再任一邊小的射野內(nèi)都很難達(dá)到側(cè)向電子平衡而第二種方式主要考慮一邊射野較大也會(huì)增加散射線(xiàn)的影響。本實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到兩種鏈接方式的測(cè)量偏差非常小。另外，由于RBD數(shù)據(jù)介紹中并未介紹菊鏈連接的方式，僅是提到射野一邊是1 cm的射野選用SNC公司的Edge探測(cè)器，而大射野選擇IBA公司的CC13探測(cè)器測(cè)量，并未提及是否使用了“菊鏈連接”的方法。就本研究的測(cè)量結(jié)果看，射野尺寸小于2 cm×2 cm的射野輸出因子數(shù)據(jù)偏差在1%～3%之間，射野尺寸大于等于2 cm×2 cm的射野數(shù)出因子偏差均小于1%?？紤]到本身小射野的測(cè)量的不確定度較大，因此RBD數(shù)據(jù)結(jié)果是臨床可接受的。

由于Halcyon加速器使用RBD數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)劃系統(tǒng)的建模，因此對(duì)比RBD與MeasData和對(duì)比MeasData與計(jì)劃系統(tǒng)的CalcData的目的是為了確定設(shè)備的狀態(tài)符合計(jì)劃系統(tǒng)的模型，而不是確定模型符合設(shè)備的輸出狀態(tài)。這種“RBD模式”縮短了設(shè)備調(diào)試初期收集數(shù)據(jù)，再建模和調(diào)整模型的時(shí)間。但設(shè)備調(diào)試開(kāi)始時(shí)，仍需對(duì)于設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證。這種方式同時(shí)降低了設(shè)備和采集工具的要求，設(shè)備狀態(tài)驗(yàn)證所使用的工具可根據(jù)各中心習(xí)慣和所有設(shè)備進(jìn)行選擇，例如電離室矩陣、一維水箱[21]均可用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證工作。而這些設(shè)備對(duì)于治療計(jì)劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精度要求可能是不足的。而由于驗(yàn)證的這些數(shù)據(jù)是計(jì)劃系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此在治療計(jì)劃系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，仍需對(duì)不同SSD，不同射野大小等不同設(shè)置的基礎(chǔ)野進(jìn)行驗(yàn)證，以達(dá)到測(cè)試治療計(jì)劃系統(tǒng)運(yùn)算能力的目的。

4 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)加速器采集數(shù)據(jù)建模的模式，利用“典型射線(xiàn)數(shù)據(jù)”縮短了物理師進(jìn)行臨床調(diào)試工作的時(shí)間。利用三維水箱和合適的探測(cè)器可以對(duì)“典型束流數(shù)據(jù)”進(jìn)行完整的驗(yàn)證。本研究所得到的測(cè)量結(jié)果良好，設(shè)備符合臨床使用要求。本研究的測(cè)量方法可對(duì)其他加速器的測(cè)量起到參考作用。