VitalBeam加速器四種不同治療床板的劑量衰減特性測量與分析

藍(lán)茂英，楊波，許文偉，吳朱峰，鐘振東，伍銳，劉香林，范穎天，孫建聰

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 放療科，廣東 廣州 510120

引言

在精確放療中，劑量和位置的精準(zhǔn)是保證治療效果的關(guān)鍵。根據(jù)國際輻射單位與測量委員會83號報(bào)告[1]的建議，腫瘤靶區(qū)根治劑量的精準(zhǔn)性應(yīng)好于±5%，否則會增加腫瘤局部復(fù)發(fā)和并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。加速器治療床是患者在進(jìn)行放療時(shí)的載體。在治療中，加速器一般通過多個(gè)不同機(jī)架角度對患者進(jìn)行照射，射線路徑有可能穿過治療床，進(jìn)而對患者實(shí)際受照劑量造成影響。對此，美國醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會發(fā)布了176號報(bào)告[2]，總結(jié)了已發(fā)表的關(guān)于治療床和患者固定裝置對劑量影響的各類文章，并提出建議，需要在治療計(jì)劃中考慮治療床對放療劑量的影響。

碳纖維材料因具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度以及低比密度特性而廣泛應(yīng)用于放射治療床中[3-5]。目前，也有不少作者研究了碳纖維床板對放療劑量的影響。黃唯等[6]定量分析了BrainLab碳纖維床板CT值對頭部腫瘤放療計(jì)劃劑量的影響。孔偉等[7]研究了瓦里安Exact IGRT碳纖維床板對宮頸癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃劑量的影響。時(shí)穎華等[8]研究了均整（Flattening Filter，F(xiàn)F）與非均整（Flattening Filter-Free，F(xiàn)FF）模式下TrueBeam加速器碳纖維治療床對放療劑量的影響，表明治療床會增加表面劑量，減少腫瘤劑量，F(xiàn)FF模式比FF影響更大。時(shí)飛躍等[9]研究了瓦里安IGRT治療床板模型對食管癌固定野調(diào)強(qiáng)計(jì)劃ArcCHECK劑量驗(yàn)證結(jié)果的影響。陳舒婷等[10]研究了醫(yī)科達(dá)Synergy醫(yī)用直線加速器全碳纖維治療床板對放射治療劑量的影響。宋洪兵等[11]則研究了Elekta Infinity直線加速器治療床對放療劑量的影響。

Calypso 4D電磁導(dǎo)航系統(tǒng)[12]已經(jīng)用于放療中腫瘤運(yùn)動實(shí)時(shí)追蹤，主要由電磁探測陣列和信標(biāo)組成。電磁陣列探測范圍內(nèi)不允許有導(dǎo)電材料的存在。碳纖維是一種導(dǎo)電材料，會干擾電磁導(dǎo)航監(jiān)測頻率[13]。因此，在電磁導(dǎo)航追蹤時(shí)，不能使用碳纖維床。凱夫拉材料具有較低的導(dǎo)電性，是可以用于電磁導(dǎo)航的床板[14]。Q fixkVue Calypso治療床板和CIVCO UCT MTIL6662床板均采用凱夫拉材料，都可以用于Calypso電磁導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前，大多研究集中于某一種碳纖維治療床對放療劑量的影響，其中主要為光子束的FF，并且僅測試10 cm×10 cm射野的影響。本文通過測量瓦里安VitalBeam直線加速器FF和FFF模式下四種不同治療床板在10 cm×10 cm和5 cm×5 cm射野下不同機(jī)架角度的劑量，分析四種不同治療床板的劑量衰減對射野大小、能量及入射角度的依賴性。

1 材料與方法

1.1 一般材料

選取四種加速器治療床板，分別為CIVCO UCT MTIL6660（簡稱為CIVCO碳纖維床板）、QfixkVue Universal Tip Insert（簡稱為Qfix KUTI床板）、CIVCO UCT MTIL6662（簡稱為CIVCO凱夫拉床板）和QfixkVue Calypso（簡稱為Qfix Calypso床板）（圖1），其中前兩種由碳纖維材料制成，后兩種由凱夫拉材料制成。CIVCO碳纖維床板和CIVCO凱夫拉床板具有相同的尺寸，長為1403 mm，寬為530 mm，厚為50 mm。Qfix Calypso床板長為1325 mm，寬為514 mm，厚為28 mm。Qfix KUTI床板長為950 mm，寬為514 mm，厚為28 mm。在美國瓦里安VitalBeam直線加速器6 MV、10 MV、6 FFF和10 FFF四檔光子束下進(jìn)行照射。測量儀器采用PTW公司UNIDOS Romeo劑量儀和30013電離室。測量模體采用30 cm×30 cm×12 cm多層均勻固體水模，其中電離室放置于模體中間。

圖1 四種治療床板測量位置示意圖

1.2 測量方法

將多層固體水模放置于VitalBeam加速器治療床上，模體放置于床正中線，模體中心與加速器等中心重合，電離室放置于模體中心，電離室中心距模體表面深度為6 cm，當(dāng)機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)，源到探測器中心的距離始終保持恒定。將需要測試的治療床板水平放置于固體水模上[15]，床板縱向中心軸對齊中間激光線，如表1所示。照射野為10 cm×10 cm和5 cm×5 cm，機(jī)架角從0°至80°，按順時(shí)針方向每隔10°進(jìn)行測量，出束3次，每次100 MU，取平均值并記錄測量結(jié)果。不同角度的射野中心軸穿過各床板的厚度如表1所示，機(jī)架角度為80°時(shí)射野中心軸未穿過床板。分別測量無床板時(shí)和有床板時(shí)的劑量，通過對比二者的劑量值，得出治療床板的衰減系數(shù)[15]，見公式(1)。

表1 不同機(jī)架角度下射線中心軸穿過床板的厚度（mm）

其中，Dopen為射束未穿過治療床時(shí)的劑量讀數(shù)，Dcouch為射線穿過治療床時(shí)的劑量讀數(shù)。

2 結(jié)果

四種治療床板的衰減系數(shù)分別如圖2～5所示，對于各個(gè)床板來說，隨著入射角度的增加（0°～70°），射線穿過床板的距離增加，床板的衰減系數(shù)增大；而在80°時(shí)，射束中心軸未穿過床板，所以該角度所測衰減系數(shù)接近0。同一種床板的測量結(jié)果顯示，隨著射線能量的增加，床板衰減系數(shù)減小，并且FFF模式下床板衰減系數(shù)較FF高。在對比不同射野大小的影響時(shí)，結(jié)果顯示5 cm×5 cm射野的衰減系數(shù)大于10 cm×10 cm射野下的衰減系數(shù)。圖2顯示了CIVCO碳纖維床板的測量結(jié)果，四檔光子線6X-FF、6X-FFF、10X-FF和10X-FFF，在10 cm×10 cm射野下、0°～70°區(qū)間內(nèi)最小的衰減系數(shù)對應(yīng)的機(jī)架角度為0°，分別 為 2.58%、3.12%、2.10%和 2.48%；10 cm×10 cm射野下最大的衰減系數(shù)對應(yīng)的機(jī)架角度為70°，相應(yīng)的衰減系數(shù)分別為6.86%、7.55%、5.58%和6.07%。其他床板也有類似的趨勢。圖3顯示了CIVCO凱夫拉床板的測量結(jié)果，四檔光子線6X-FF、6X-FFF、10X-FF和10X-FFF，在10 cm×10 cm射野下最小的衰減系數(shù)分別為3.26%、3.85%、2.73%和3.06%；最大的衰減系數(shù)分別為7.49%、8.22%、6.04%和6.59%。圖4顯示了Q fix Calypso床板的測量結(jié)果，在10 cm×10 cm射野下，6X-FF、6X-FFF、10X-FF和10X-FFF四檔光子線最小的衰減系數(shù)分別為1.76%、2.20%、1.49%和1.69%；最大的衰減系數(shù)分別為5.78%、6.50%、4.61%和5.00%。圖5顯示了Q fix KUTI床板的測量結(jié)果，在 10 cm×10 cm射 野 下，6X-FF、6X-FFF、10X-FF和10X-FFF四檔光子線最小的衰減系數(shù)分別為2.28%、2.72%、1.92%和2.18%；最大的衰減系數(shù)分別為6.50%、7.24%、5.19%和5.67%。

圖2 CIVCO碳纖維床板衰減系數(shù)

圖3 CIVCO凱夫拉床板衰減系數(shù)

圖4 Q fix Calypso床板衰減系數(shù)

圖5 Q fix KUTI床板衰減系數(shù)

圖6顯示了10 cm×10 cm射野下不同治療床板之間的衰減結(jié)果對比，其中圖6a為6X-FF光子束的測量結(jié)果，即在同一測試條件下，四種治療床衰減系數(shù)由小到大分別為Q fix Calypso床板、Q fix KUTI床板、CIVCO碳纖維床板和CIVCO凱夫拉床板，在機(jī)架角為0°時(shí)衰減系數(shù)分別為1.76%、2.28%、2.58%和3.26%；圖6b則顯示了不同床板在6X-FFF光子束中的衰減系數(shù)，也有類似的趨勢和結(jié)果。

圖6 10 cm×10 cm射野下不同床板衰減系數(shù)對比

3 討論

加速器治療床板的衰減會隨著光子穿透介質(zhì)厚度的變化而變化。本研究的結(jié)果表明，在同樣條件下四種床板均符合衰減對厚度依賴性的預(yù)期。衰減能力方面，在10 cm×10 cm的照射野下，對于VitalBeam所有能量光子線來說，隨著入射角度的不同，CIVCO碳纖維床板的衰減因子變化范圍為2.10%～7.55%；CIVCO凱夫拉床板的衰減因子變化范圍為2.73%～8.22%；Q fix Calypso床板的衰減因子變化范圍為1.49%～6.50%；Q fix KUTI床板的衰減因子變化范圍為1.92%～7.24%，絕大部分入射角度的床板衰減均超過2%。所有床板均在70°的斜入射時(shí)達(dá)到最大衰減值（對應(yīng)于實(shí)際治療中110°和250°時(shí)的射野角度）。這些結(jié)果表明在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)需要對這些床板的劑量衰減問題加以考慮，盡可能在治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）中精確創(chuàng)建相應(yīng)床板的物理模型。需要說明的是，本研究的測試中并沒有考慮VitalBeam加速器的Q fix床板支撐梁部件對衰減結(jié)果的影響。Li等[16]研究顯示，當(dāng)6 MV光子束5 cm×5 cm的照射野穿過Varian Exact治療床的支撐梁和床板時(shí)，衰減值高達(dá)26.8%。此外，考慮到床板的均勻性和對稱性，本測試并沒有對所有斜入射角度進(jìn)行測量，而是僅研究床板一側(cè)的斜入射衰減分布。

介質(zhì)的衰減特性與入射光子的射線質(zhì)同樣相關(guān)。本研究顯示在同樣照射條件下所有床板的6 MV光子的衰減因子均大于10 MV，表明入射光子能量越高，穿透能力越強(qiáng)，這是因?yàn)榕c10 MV相比，6 MV的光子束穿過同樣厚度時(shí)，能譜中會有更多的低能光子份額被床板吸收。對于FFF射束來說，因?yàn)槿鄙倭司鞯臑V過，同樣標(biāo)稱能量下，F(xiàn)FF射束會比FF射束包含更多的低能光子，從而導(dǎo)致射線質(zhì)“軟化”，因此比FF射束具有更大的衰減因子。本研究也表明，在同樣照射條件下，所有床板的6X-FFF衰減因子均大于6 MV，10X-FFF和10 MV也具有同樣特征。本科室VitalBeam加速器所有光子線的射線質(zhì)指數(shù)TPR20,10大小為6X-FFF＜6 MV＜10X-FFF＜10 MV，因此同樣照射條件下，所有床板的衰減因子大小應(yīng)為6X-FFF＞6 MV＞10X-FFF＞10 MV，本研究的結(jié)果符合這一預(yù)期。

不同照射野的衰減測量結(jié)果表明，在其他照射條件相同的情況下，所有床板5 cm×5 cm照射野的衰減因子均大于10 cm×10 cm照射野。對于5 cm×5 cm的照射野，在所有能量和入射角度下，CIVCO碳纖維床板的最大衰減因子為8.19%；CIVCO凱夫拉床板的最大衰減因子為8.97%；Q fix Calypso床板的最大衰減因子為6.92%；Q fix KUTI床板的最大衰減因子為7.79%，所有衰減均接近7%以上。照射野尺寸的增加除了會導(dǎo)致射野能譜的微小變化外，最重要的是會導(dǎo)致射野內(nèi)的散射線增加[17]，也就是在同樣MU下到達(dá)探測器的散射線增加，根據(jù)公式(1)，當(dāng)床板衰減值隨照射野的變化遠(yuǎn)小于探測器測量值隨照射野的變化時(shí)，就會表現(xiàn)出明顯的衰減因子差異。這提示我們，在調(diào)強(qiáng)放療、立體定向放療等包含小野的治療中，要更為關(guān)注加速器床板對靶區(qū)劑量的衰減影響。

從四種床板的衰減結(jié)果比較來看，在同樣照射條件下，Q fix Calypso床板具有相對較低的衰減值，其在四種床板中具有最薄的物理厚度，但VitalBeam上的Q fix Calypso床板和Q fix KUTI床板需搭配治療床的支撐梁部件一起使用，實(shí)際使用中某些入射角度可能會帶來更大的劑量衰減。CIVCO的兩種床板衰減因子相對較大，但在不使用支撐梁的情況下也具有一定的強(qiáng)度不會導(dǎo)致床板負(fù)重帶來的下沉。CIVCO凱夫拉床板的衰減值最大，在不使用Calypso 4D電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的情況下，常規(guī)治療最好使用CIVCO碳纖維床板代替，以降低床板衰減的影響。

為提高劑量準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)放療計(jì)劃時(shí)需要考慮到治療床的影響，在TPS中需要建立治療床CT信息。一般有以下三種方法：① 在CT端和加速器端采用一致的床板，則可使用定位CT掃描的床圖像代替治療床CT圖像，目前CIVCO公司已有相關(guān)產(chǎn)品；② 對加速器治療床進(jìn)行CT掃描，將圖像與患者圖像疊加后進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化與劑量計(jì)算；③ 利用幾何模型代替治療床，指定相應(yīng)材料和電子密度，與患者定位CT圖像一起進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化與劑量計(jì)算。第三種方法較為方便，臨床中使用較多。在TPS建立相應(yīng)治療床模型后，需要進(jìn)行劑量、通過率等相應(yīng)驗(yàn)證，確保床模型的精確性。黃唯等[6]定量分析了碳素纖維床CT值對頭部腫瘤放療計(jì)劃劑量分布的影響，提示研究者即使采用TPS自帶的床模型也需對其CT值進(jìn)行實(shí)測和驗(yàn)證以提高劑量準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本研究測試了VitalBeam加速器不同X線能量、不同射野大小下四種不同治療床隨射野入射角度的衰減特性，發(fā)現(xiàn)不同治療床的衰減系數(shù)相差較大，在臨床工作中，物理師應(yīng)該針對治療床進(jìn)行測試，對不同治療床構(gòu)建相應(yīng)的床模型，以更精確考慮治療床對放療劑量的影響。