醫(yī)用直線加速器的驗(yàn)收和射束基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量

曾華驅(qū)，湯樹奎，曹劍云，黃熾雄

1. 高州市人民醫(yī)院 放療中心，廣東 高州 525200；2. 南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院 腫瘤中心，廣東 廣州 510280；3. 南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院 醫(yī)務(wù)部設(shè)備辦，廣東 深圳 518110

引言

放射治療的效果與照射劑量的準(zhǔn)確性直接相關(guān)，而患者受照射劑量的準(zhǔn)確性又依賴于治療計(jì)劃系統(tǒng)中射束建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而且，治療計(jì)劃系統(tǒng)中的射束建模對(duì)于臨床中使用調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)是非常重要的。射束建模所需的數(shù)據(jù)是在醫(yī)用直線加速器射束基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量中獲取的，然后導(dǎo)入治療計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行建模，并作為臨床使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅影響到所有接受放射治療患者的治療計(jì)劃，而且是后期對(duì)機(jī)器進(jìn)行質(zhì)量保證的依據(jù)。因此，在醫(yī)用直線加速器投入臨床使用前，應(yīng)由相應(yīng)資質(zhì)的物理師對(duì)其根據(jù)國家規(guī)程[1-3]和國際指南[4-5]進(jìn)行驗(yàn)收和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量，檢驗(yàn)加速器的機(jī)械性能，采集加速器光子束和電子束劑量學(xué)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，保證治療計(jì)劃系統(tǒng)建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。加速器投入臨床使用后，必須定期對(duì)其執(zhí)行質(zhì)量控制工作，使其機(jī)械性能和劑量學(xué)的相關(guān)參數(shù)與驗(yàn)收期間的基準(zhǔn)值相比偏差在允許范圍之內(nèi)，確保機(jī)器的穩(wěn)定性能良好，從而保障治療安全。本研究按照國家規(guī)程對(duì)醫(yī)用直線加速器進(jìn)行驗(yàn)收和射束數(shù)據(jù)采集，為投入臨床使用做好準(zhǔn)備，也期望能為基層醫(yī)院引進(jìn)新醫(yī)用直線加速器做好驗(yàn)收工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

瓦里安公司Trilogy醫(yī)用直線加速器，具有三擋光子束能量：有均整器（Flattening Filter，F(xiàn)F）6 X FF和10 X，無均整器（Flattening Filter Free，F(xiàn)FF）6 X FFF，六擋電子束能量：4、6、9、12、15和18 Mev。等中心處最大射野40 cm×40 cm，配備60對(duì)Millennium葉片，其中中間40對(duì)葉片和兩側(cè)20對(duì)葉片在等中心處投影寬度分別為0.5 cm和1 cm，最大運(yùn)動(dòng)速度為2.5 cm/s。配備錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）圖像引導(dǎo)功能。德國PTW M P 3-M三維水箱掃描系統(tǒng)，掃描范圍為5 0 c m×50 cm×40 cm，Semiflex 31010電離室，UNDOS E型靜電計(jì)。測量的百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD）曲線和離軸劑量分布（Profile）使用PTW’S MEPHYSTO mc2軟件后處理。前指針，坐標(biāo)紙，水平尺，直尺，Catphan504體模。除非特地說明，所有的測量都是在機(jī)架和小機(jī)頭0°下進(jìn)行。

1.2 測量方法

1.2.1 機(jī)械性能測試

（1）準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心。將前指針底座安裝到機(jī)頭，插入測試用的前指針。前指針的100 cm指示刻度線與底座上的標(biāo)度線對(duì)齊。固定一張紙?jiān)谥委煷采厦妫缓笊仓钡綆缀跖龅角爸羔?。在?zhǔn)直器的整個(gè)旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)每隔30°～45°在紙上標(biāo)記指針尖端。標(biāo)記的位置應(yīng)在一個(gè)圓內(nèi)，圓的直徑小于機(jī)器允許偏差。圓的中心即是準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)中心。前指針應(yīng)留在原位，以便接下來的測試。

（2）機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心。前指針的位置與驗(yàn)證準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心的位置相同。將具有細(xì)尖端的第二指針?biāo)焦潭ㄔ谥委煷驳哪┒耍蛊浼舛丝拷汕懊娴谝磺爸羔槾_定的準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心處。然后機(jī)架旋轉(zhuǎn)360°，監(jiān)測第一前指針針尖與第二靜止前指針針尖之間的偏差。偏差的大小應(yīng)在一個(gè)圓內(nèi)，圓的直徑應(yīng)小于機(jī)器允許偏差。圓心即為機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心。前指針應(yīng)留在原位，以便接下來的測試。

（3）治療床旋轉(zhuǎn)中心。測試應(yīng)該在準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心測試之后直接進(jìn)行。在前指針和紙還在的情況下，縱向平移治療床，使紙張的干凈部分位于前指針下方。將治療床旋轉(zhuǎn)180°，每45°在紙上標(biāo)出前指針末端的位置。標(biāo)記的位置應(yīng)在一個(gè)圓內(nèi)，圓的直徑小于機(jī)器允許偏差。圓的中心是治療床旋轉(zhuǎn)中心。如果機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心、準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心和治療床的旋轉(zhuǎn)中心都在允許偏差范圍內(nèi)，則此時(shí)機(jī)架角為零，準(zhǔn)直器角為零時(shí)前指針針尖所在位置代表機(jī)器的機(jī)械等中心。通常，在這一過程中確定機(jī)械等中心后可以調(diào)整激光燈使其與機(jī)械等中心對(duì)齊。

1.2.2 射束基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量

射束數(shù)據(jù)包括光子束和電子束的PDD和Profile、光子束的總輸出因子和葉片透射因子，測量根據(jù)瓦里安Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)算法要求[6]進(jìn)行。

（1）PDD測量。對(duì)于光子束，固定源到模體表面距離（Source to Surface Distance，SSD）=100 cm，在水中分別測量每檔能量光子束在不同大小正方形射野的PDD，其中正方形射野邊長分別為3、4、6、8、10、12、15、20、25、30、35和40 cm，測量深度不少于30 cm。對(duì)于電子束，SSD=100 cm，在水中測量40 cm×40 cm開野和不同限光筒野的PDD。

（2）Profile測量。對(duì)于光子束，按照測量PDD的射野大小，固定SSD=100 cm，分別在最大劑量深度Dmax、5、10、20和30 cm深度處測量每個(gè)射野橫向的Profile，掃描范圍大于每側(cè)射野邊界至少5 cm。根據(jù)瓦里安廠家協(xié)議，對(duì)FF射束，在SSD=100 cm，10 cm×10 cm射野10 cm深度處，平坦度要求在主軸中央80%以內(nèi)的最大和最小點(diǎn)之間的最大集成劑量差異不超過3%，對(duì)稱性要求主軸中央80%以內(nèi)任意兩個(gè)距射束中心線等距離的相應(yīng)點(diǎn)間的最大集成劑量差異不得超過2%。對(duì)FFF射束，瓦里安采用射野強(qiáng)度規(guī)格代替平坦度要求，如圖1所示，6 X FFF，SSD=100 cm，10 cm深度處10 cm×10 cm射野，10 cm深度處中心軸點(diǎn)劑量歸一為100%，±2 cm和±4 cm測得的射野強(qiáng)度容許誤差分別為97.5%±2%和90.5%±2%，對(duì)稱性要求和FF射束相同。半影寬度為Profile曲線上中心軸左右兩邊80%和20%之間的距離之和取平均值，射野寬度為Profile曲線上中心軸左右兩邊50%相對(duì)劑量之間的距離。對(duì)于電子束，固定源到探測器距離=95 cm，不插入限光筒，在空氣中測量40 cm×40 cm開野的Profile。

圖1 6X FFF射束10 cm×10 cm射野強(qiáng)度要求示意圖

（3）總輸出因子Scp測量。按照測量PDD的射野大小，總輸出因子Scp是在SSD=100 cm，電離室有效測量點(diǎn)在深度5 cm處測量，出束100監(jiān)測跳數(shù)（Monitor Unit，MU），測量值歸一到10 cm×10 cm射野。

（4）葉片透射因子測量。機(jī)架和準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)至0°，射野大小為10 cm×25 cm（X，Y），源到中心軸距離（Source Axis Distance，SAD）=100 cm，將電離室有效測量點(diǎn)置于水模體下水等效深度10 cm 射野中心處，加速器每次出束500 MU，分別記錄開野及多葉準(zhǔn)直器在閉合時(shí)的劑量讀數(shù)，記錄兩者的比值（閉合野/開野）。對(duì)兩個(gè)葉片組進(jìn)行單獨(dú)測量然后取平均值。根據(jù)廠家要求，對(duì)于Millennium MLC，其透射一般不超過2%，最大不超過3%[7]。

1.2.3 CBCT測量

CBCT的測試采用Catphan504體模，該體模由CTP528、CTP404、CTP515、CTP486模塊構(gòu)成，其中模塊CTP404用于測量CT值穩(wěn)定性、空間距離和層厚，模塊CTP528用于測量空間分辨率，模塊CTP515用于測量低對(duì)比度分辨率，模塊CTP486用于測量CT值均勻性。將Catphan504體模按照掃描要求擺放在治療床上，采用fullfan模式，2.5 mm層厚采集Catphan504體模圖像，對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)CT值穩(wěn)定性和均勻性，偏差應(yīng)≤±40 HU；對(duì)層厚，其與設(shè)定的掃描層厚偏差應(yīng)≤±5%；對(duì)于空間距離，測量值與期望值的偏差應(yīng)≤±0.1 cm；對(duì)于空間分辨率，應(yīng)至少可以看清6組條形圖；對(duì)于低對(duì)比度分辨率，應(yīng)至少可以看清第4個(gè)圓盤。

2 結(jié)果

2.1 機(jī)械性能測試

準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)中心、機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心、治療床旋轉(zhuǎn)中心都在一個(gè)圓內(nèi)，其最大偏差分別為0.5、0.5和0.6 mm，均小于1 mm。

2.2 PDD曲線

圖2顯示了能量為6 X FF、6X FFF、10 X光子束在SSD=100 cm，不同射野大小的PDD和不同能量6 X FF、6X FFF、10 X在SSD=100 cm，射野10 cm×10 cm的PDD。在SSD=100 cm，射野10 cm×10 cm其光子束特性如最大劑量深度值dmax，表面相對(duì)劑量PDD0，5、10和20 cm深度處的PDD值如表1所示。對(duì)于表面相對(duì)劑量，其隨能量增加而降低，6X FFF要比6X FF要高8.2%。對(duì)于最大劑量深度dmax，隨能量增加而增加，在去掉均整器后，6 X的最大劑量深度反而變淺了。10 X的PDD20/PDD10比6 X高，去掉均整器后，6 X FFF的PDD20/PDD10比6 X FF低。

表1 10 cm×10 cm射野不同能量的光子束特性

圖2 不同射野大小和不同能量的PDD

圖3顯示了不同能量電子束在10 cm×10 cm限光筒下的PDD，可以看出，隨著能量增大，表面的PDD越高，高劑量坪區(qū)越寬，劑量跌落越慢，χ射線污染越大。表2顯示了10 cm×10 cm限光筒射野不同能量的電子束特性。

表2 10 cm×10 cm限光筒射野不同能量的電子束特性

圖3 不同能量電子束在10 cm×10 cm限光筒下的PDD

2.3 Profile

圖4顯示了6 X FF、6 X FFF、10 X在SSD=100 cm、10 cm深度下不同射野大小的橫向Profile和SSD=100 cm、深度10 cm、10 cm×10 cm射野不同能量的Profile。其中6 X FF、10 X的平坦度分別為2.24%和2.32%，6 X FFF的射野強(qiáng)度在-2 cm和+2 cm分別為97.79%和97.78%，在-4 cm和+4 cm分別為91.17%和91.45%。6 X FF、6 X FFF、10 X的對(duì)稱性分別為1.82%、1.79%和1.84%；半影分別為6.9、7.7和7.6 mm；射野寬度分別為11.03、10.92和11.03 cm。

圖4 不同射野大小和不同能量的Profile

圖5表示了不同能量電子束在空氣中開野時(shí)橫向Profile，可以看出，隨著能量增大，野外劑量下降越快。

圖5 不同能量電子束在空氣中開野時(shí)橫向Profile

2.4 總輸出因子Scp

圖6顯示了6 X FF、6 X FFF、10 X從3 cm×3 cm到40 cm×40 cm射野Scp的變化曲線圖。10 cm×10 cm的Scp為1，當(dāng)射野＞10 cm×10 cm時(shí)，Scp＞1，當(dāng)射野＜10 cm×10 cm時(shí)，Scp＜1。對(duì)6 X FF是0.869～1.126，6 X FFF是0.892～1.094，10 X是0.879～1.106。

圖6 不同能量光子束總輸出因子Scp隨射野大小變化

2.5 葉片透射因子

測得6 X FF、6 X FFF和10 X光子束的葉片透射因子分別是0.0151、0.0130和0.0176。

2.6 CBCT

模塊CTP404中各種材料的CT值測量值如表3所示，與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差都小于40 HU，對(duì)于空間距離，上、下、左、右位置測得的距離分別為50.84、50.49、50.85和49.44 mm，與50 mm的標(biāo)準(zhǔn)值偏差都小于1 mm，測得的層厚為2.5 mm。在模塊CTP486的中心、上、下、左、右點(diǎn)位置測得的CT值分別為-999、-992、-1000、-1000和-1000 HU，各個(gè)位置間的差別小于40 HU。在模塊CTP528中，可以看清第7個(gè)條形圖，在模塊CTP515中，可以看清第5個(gè)圓盤。

表3 模塊CTP404中各種材料的CT值

3 討論

對(duì)任何機(jī)構(gòu)來說，醫(yī)用直線加速器射束調(diào)試是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的工作。當(dāng)物理師缺乏射束數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗(yàn)或手邊缺少相關(guān)參考資料時(shí)，這一項(xiàng)工作將變得更加困難。以往的研究都是基于部分射束數(shù)據(jù)如光子束或電子束或FF射束[8-10]，而本研究較全面地論述了光子束和電子束和CBCT系統(tǒng)的測試。測得光子束的PDD和Profile與瓦里安TrueBeam加速器的結(jié)果一致[11-12]。10 cm×10 cm射野FFF射束的最大劑量深度比FF射束的淺，與醫(yī)科達(dá)加速器的相反[8-9]。在最大劑量深度以后，F(xiàn)FF射束的劑量跌落相比FF射束更陡峭，可以通過PDD20/PDD10看出，因?yàn)槿サ艟麎K后減少了射束的硬化效應(yīng)[13]。隨著能量的增加，電子束產(chǎn)生χ線污染越多，在18 Mev時(shí)χ線污染可達(dá)5%。FF射束在射野小于10 cm×10 cm時(shí)的總輸出因子小于FFF射束，而射野大于10 cm×10 cm時(shí)結(jié)果相反。本研究利用Catphan504體模對(duì)CBCT系統(tǒng)進(jìn)行測試，給出了CT值穩(wěn)定性、均勻性和空間距離的具體結(jié)果，CBCT系統(tǒng)性能符合廠家要求，為下一步開展圖像引導(dǎo)放射治療技術(shù)做好準(zhǔn)備。加速器射束數(shù)據(jù)的采集必須嚴(yán)格按照計(jì)劃系統(tǒng)建模的要求，選擇好掃描探頭和設(shè)置條件。Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)電子束治療使用電子束蒙特卡洛算法，建模時(shí)只需要開野時(shí)水中的PDD、空氣中的Profile和限光筒野水中的PDD。對(duì)能量小于6 Mev電子束，最好使用平行板電離室測量，以減少腔內(nèi)擾動(dòng)效應(yīng)干擾[14]。射束數(shù)據(jù)的測量結(jié)果依賴于所使用的掃描系統(tǒng)，應(yīng)充分考慮掃描探測器的選擇、掃描系統(tǒng)的設(shè)置，包括最佳掃描速度的時(shí)間延遲和采集時(shí)間等。例如，對(duì)PDD的掃描，從深部往表面掃描往往比表面往深部要好，因?yàn)檫@可以減少水面的波動(dòng)。對(duì)于小野的測量，最好選用靈敏的、體積足夠小的電離室，可以減少輻射容積效應(yīng)。并注意電離室有效測量點(diǎn)的放置，其不正確的放置在某些情況下可產(chǎn)生大于2%的劑量誤差[15-17]。FFF射束特征不同于常規(guī)FF射束，調(diào)試數(shù)據(jù)要充分考慮其劑量學(xué)特征，特別對(duì)于小野劑量參數(shù)的測量，要選用合適的探頭[18-19]。對(duì)于配備了圖像引導(dǎo)放射系統(tǒng)的直線加速器，如配備了電子射野影像系統(tǒng)或機(jī)載影像或CBCT等，還應(yīng)對(duì)其圖像質(zhì)量性能進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)[20-21]。對(duì)于開展容積調(diào)強(qiáng)技術(shù)的部門，還應(yīng)包括特定項(xiàng)目如機(jī)架旋轉(zhuǎn)過程中MLC到位精度，機(jī)架旋轉(zhuǎn)過程中MLC葉片速度的穩(wěn)定性等項(xiàng)目的測試[22-23]。射束數(shù)據(jù)是光束精確建模的基石，這決定了治療效果和患者安全性，且日后直線加速器的質(zhì)量保證都是以裝機(jī)后射束測量的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值。

本研究對(duì)瓦里安Trilogy直線加速器進(jìn)行了驗(yàn)收測試和射束數(shù)據(jù)采集，涵蓋了光子束和電子束的劑量學(xué)數(shù)據(jù)，滿足了計(jì)劃系統(tǒng)建模的要求。未來仍需要進(jìn)行電子射野影像系統(tǒng)和呼吸門控系統(tǒng)的研究工作，為開展葉片位置驗(yàn)證和呼吸門控技術(shù)做準(zhǔn)備。本次研究的方法步驟和所得的結(jié)果可以作為一個(gè)參考。

4 結(jié)論

本次研究按照Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)建模要求對(duì)瓦里安Trilogy醫(yī)用直線加速器進(jìn)行了驗(yàn)收和射束數(shù)據(jù)采集，包括PDD、Profile，輸出因子、葉片透射因子和CBCT系統(tǒng)測試。采集的數(shù)據(jù)為精確的射束建模提供了寶貴的價(jià)值，這決定了治療結(jié)果和患者安全。本次采集的數(shù)據(jù)可能有助于其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行新醫(yī)用直線加速器特別是Trilogy的驗(yàn)收和調(diào)試。