医用直线加速器质量控制中星形片分析的初步研究

【作 者】张建英，江涛

复旦大学附属中山医院放疗科，上海，20032

射野和机械等中心验证，一直是医用直线加速器常规质量控制的基本项目[1]。验证方法通常有机械指针检查，光野十字线旋转检查以及辐射野星形片检查。其中的星形片检查就是将胶片置于垂直于旋转轴的平面，使用多个准直器形成的交叉狭长辐射野曝光胶片，并在胶片上形成星形的射野分布，最后分析星形片各边的聚焦情况。考虑到在临床治疗过程中使用的是辐射野，而且星形片检查还可以同时检验激光线以及十字叉丝和射野中心的符合程度，因此星形片的检查具有一定的优势。目前，实际工作中已经可以使用专用的胶片分析软件来量化分析星形片各边的聚焦精度。尽管星形片分析的技术在实际工作中使用已经比较广泛[2]，但文献中未见关于星形片分析结果影响因素的研究。

1 材料和方法

1.1 材料

本试验使用西门子Oncor医用直线加速器（西门子中国有限公司，上海），序号5413，用了该加速器6MV和15MV两种能量的X线，加速器坐标为西门子Native（自然）坐标系。胶片扫描使用Vidar Dosimetry扫描仪（VIDAR Systems Corporation，VA，USA）。胶片分析软件为FilmQA胶片分析软件（3cognition USA New York，NJ ，USA）。曝光中使用的建成材料为CICVO固体虚拟水（CIVICO，Iowa ，USA）。使用 KODAK X-Omat V和EDR2胶片（KODAK，东京，日本）。

1.2 方法

本试验的星形片分析是验证西门子加速器准直器旋转中心的精度。每次试验将只改变一个可能影响分析结果的因素，在保持其他方法相同的条件下，定量获取星形片各边内接圆的直径作为分析结果。试验过程中，胶片位于医用加速器标称源皮距处，距离射线源100 cm。除做机架角影响分析外，一般胶片垂直于射线轴。6MV X射线曝光时，在胶片上叠加1.5 cm厚的固体虚拟水；15MV X线曝光时，在胶片上叠加3 cm厚的固体虚拟水。所有的曝光胶片下方放置5 cm厚的固体虚拟水。全部曝光使用加速器的Y Jaw形成星形片的边，X Jaw都置为最大值40 cm。图1为所获取的星形片和FilmQA分析示例图。

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

1.2.1 准直器偏中心对星形片分析的影响

试验执行单侧偏中心分析，分别在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)四种情况下用6MV X线获取边宽度为6mm的星形片。采用71dpi扫描分辨率扫描后进行分析。

1.2.2 机架角度误差对星形片分析的影响

试验中，使用Y1=0.3 cm，Y2=0.3 cm条件，用6MV X线获取机架在0o、2o、4o获取边宽为6 mm的星形片。采用71dpi扫描分辨率扫描后进行分析。

1.2.3 能量对星形片分析的影响

试验进行了两次测试，测试时间间隔1年，非序贯测试。第一次使用Y1=0.2 cm，Y2=0.2 cm,分别用6MV X线和15MV X线获取边宽度为4mm的星形片，采用71 dpi扫描分辨率扫描后进行分析。第二次使用Y1=0.3 cm，Y2=0.3 cm、Y1=0.1 cm，Y2=0.1 cm条件，分别用6MV X线和15MV X线获取边宽度为 6 mm和2 mm的星形片。采用71dpi扫描分辨率扫描后进行分析。

1.2.4 准直器宽度对星形片分析的影响

试验进行了两次星形片的准直器宽度对分析结果影响的测试，均使用了对称Y Jaw设置条件。第一次测试使用的准直器宽分别为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm和6 mm，第二次测试使用的准直器宽度为 2 mm、4 mm、6 mm、8 mm和10 mm。采用71dpi扫描分辨率扫描后进行分析。需特别指出的是，两次测试时间间隔1年，非序贯测试。

1.2.5 扫描分辨率对星形片分析的影响

对于准直器宽度影响分析获得的星形片，采用142dpi分辨率扫描后分别进行再次分析。

2 结果

试验中，在Y Jaw偏中心0 mm、1 mm、2 mm、3 mm四种情况下，星形片各边最小内接圆直径分别为：1.52 mm、3.42 mm、5.33 mm、7.41 mm。内接圆直径与Y jaw偏心关系，如图2所示。可以可以看出，当准直器偏中心的时候，星形片的各边最小内接圆直径随偏心距离线性增大，其线性变化的斜率接近2。

图2 内接圆直径与Y Jaw 偏心距离关系图Fig.2 The relationship between the diameter of minimum inscribed circle and the offset to the Y Jaw center

试验中，当机架角为0o、2o、4o时，星形片各边最小内接圆直径分别为1.52 mm、1.46 mm和 1.76 mm。结果显示，机架角的偏移对星形片分析结果存在一定的影响，但是当机架角的偏移在一定范围内，它对分析结果的影响程度不大。

能量对星形片分析影响，第一次测试边宽4 mm时，6 MV、15 MV的最小内接圆直径分别为1.31 mm和1.24 mm。第二次测试，边宽2 mm时，6 MV、15MV的最小内接圆直径分别为1.22 mm和1.28 mm；边宽6 mm时6 MV、15 MV的最小内接圆直径分别为1.52 mm和1.37 mm。结果表明，用于曝光星形片的射线能量对分析结果存在一定的影响，本试验中出现的最大差别为0.15 mm。

在第一次准直器宽度对研究星形片分析影响测试中，2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm边宽的星形片最小内接圆直径分别为1.44 mm、1.38 mm、1.33 mm、1.26 mm、1.29 mm；第二次测试2 mm、4mm、6 mm、8 mm、10 mm边宽的最小内接圆直径分别为1.22 mm、1.40 mm、1.52 mm、1.56 mm、1.66 mm。数据显示，准直器宽度对星形片存在影响，而且差异的幅度比较大，最大的差异达到了0.44 mm。同时，本研究中两次测试的结果正好相反，第一次随准直器宽的增加分析结果变小，而第二次分析结果随准直器宽的增加而变大。

对准直器宽度试验中的胶片，采用142dpi扫描后，第一次测试的星形片各边宽最小内接圆直径分别为1.43 mm、1.32 mm、1.34 mm、1.25 mm、1.23mm，第二次测试的星形片各边宽最小内接圆直径分别为1.25 mm、1.39 mm、1.46 mm、1.69 mm、1.67 mm。将142dpi和71dpi的分析结果的差别绘制散点图如图2，差异的平均值为0.003 mm。从散点图中可以看出，扫描分辨率对星形片分析结果的影响一般在-0.06 mm到0.05 mm之间。

3 讨论

医用直线加速器质量控制中，通常有三个旋转中心需要使用星形片进行分析，它们是准直器旋转中心、机架旋转中心、治疗床旋转中心[3]。事实上，准直器的旋转中心是检查其他两个旋转中心的基础，通常加速器在进行机械调整时，都是将其他两个旋转中心调整到准直器的旋转中心上来，甚至加速管束流中心和均整块的位置也都是以准直器的旋转中心为基础进行调整的。这也是本文使用准直器旋转中心作为研究对象的主要原因。

图3 扫描分辨率导致的星形片分析结果差异的散点图Fig.3 Scatter diagram for the deviation of the Starshot analysis result with different scan resolutions.

理论上分析，影响准直器旋转中心星形片分析结果的主要因素有两个方面，一是准直器旋转机械中心的误差，还有一个是形成星形片边的准直器（本研究中为Y Jaw）对称性误差。类似于使用光野调整十字叉丝的原理，星形片分析中，准直器对称性除受准直器本身机械位置不对称性的影响外，也受到射束与准直器旋转中心一致性程度的影响。但是，射束与准直器旋转中心不一致，并不影响等中心平面星形片各边最小内接圆的直径，应该表现为在靠近或远离射线源的星形片各边最小内接圆的圆心会发生位移。

在本试验中，当强制准直器发生离轴的偏心时，可以看到星形片各边最小内接圆的直径与偏心的程度呈现线性变化。这说明准直器不对称性的确可以对星形片的分析结果产生影响。根据不同强制位移条件下，星形片各边最小内接圆直径的极限值，就可以将准直器的射野不对称性降到很低的水平。在这个水平下的星形片各边最小内接圆的直径基本上可以代表纯粹准直器机械旋转中心偏差的大小。

在本试验中，当准直器宽度发生变化的时候，分析结果也发生了变化。而且，本研究两次测试偏差的方向并不一致，结合上述对准直器不对称性的分析，考虑相应的原因是准直器在处于接近射束中心的时候，其不对称性呈非线性变化。本研究使用的西门子医用加速器的Y准直器具备独立准直器功能，其Y1和Y2 Jaw使用两个独立的编码器检测位置，校准时在2.5 cm和7.5 cm的位置处建立编码器和实际位置的关系曲线。医用加速器每次开关机时以及当Y Jaw完全关闭的时候，都有可能发生编码器的细小位移。一段时间以后，编码器在2.5 cm以下的位置线性不良以及两个编码器匹配程度不好时，就会产生本研究看到的现象。

很显然，当准直器对称性对准直器旋转中心星形片检查产生影响的时候，机架旋转中心和治疗床的旋转中心的星形片分析都会受到影响，因为这时候都需要使用相同的准直器来形成星形片的各个边。

本试验中，当机架角偏移比较大时，对星形片分析可能会产生影响。这种影响在星形片分析的实际操作中具有相当的现实意义。比如当执行机架旋转中心星形片分析时，保持胶片垂直相对来说容易被忽略；在执行治疗床旋转中心星形片分析时，保持胶片在床面上的水平也比较容易被忽略。综合本研究的结果考虑，只有当胶片的位置偏移在1o或1o以下时，星形片分析结果才不受胶片位置偏移的影响。

本研究中，能量和扫描分辨率对星形片分析结果存在微弱的影响，一般影响幅度小于0.1 mm,最大的误差一般小于0.2 mm。能量影响的原因可能主要是形成星形片各边狭长射野的半影区大小受到能量的轻微影响，导致软件分析出现细小的偏差；而提高胶片扫描分辨率，也相应增加了胶片噪声，也可能导致软件分析出现细小的偏差，但上述分析目前还没有理论依据或文献支持。可是，本研究结果至少说明，如果在实际工作中出现分析结果很接近标准或略超标准的时候，需要注意能量和扫描分辨率的影响。

4 结论

临床工作中，当星形片分析结果超标时，需要综合分析可能影响结果的诸多因素，再做出最后的判断。

[1] 胡逸民. 肿瘤放射物理学. 北京: 原子能出版社, 1999

[2] M. K. Woo. A personal-computer-based method to obtain star-shots of mechanical and optical isocenters for gantry rotation of linear accelerators[J].med. Phys. 2002, 29(12): 2753-2755.

[3] R. Nath, P. J. Biggs, F. J. Bova, et al. AAPM code of practice for radiotherapy accelerators: Report of AAPM Radiation Therapy Task Group No. 45[J]. Med. Phys. 1994, 21(7): 1093-1211.