Elekta加速器VMAT治疗工作特性研究

【作 者】罗广文，张焜毅

中山大学肿瘤防治中心，华南肿瘤学国家重点实验室，广州，510060

1995年，Yu研究了采用加速器为基础的旋转调强(Intensity modulated arc therapy，IMAT)技术的可行性[1]。2007年，Otto提出了更为简单、高效的单弧旋转调强方式，称之为Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT[2]。目前容积旋转调强技术（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）已经投入临床使用。VMAT作为一种新的放射治疗方式，在计划执行过程中，剂量率、机架速度、MLC叶片位置等参数动态地改变。与固定野调强放射治疗技术（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）相比，VMAT具有提高受照射正常组织分散度、减少加速器输出剂量（MU）和节省治疗时间等优点[3]。目前投入临床使用的VMAT治疗产品有Varian RapidArc（Varian Medical Systems, Palo Alto, CA）和Elekta VMAT（Elekta AB, Stockholm, Sweden）。

目前国内外对VMAT的报道比较集中于计划优化、计划验证等方面，而对VMAT加速器内部参数的报道较少。本文为了研究执行VMAT时Elekta加速器的剂量率、机架角度、MLC叶片等参数的动态特性，在加速器维修模式下对Elekta加速器执行VMAT计划时特有的动态参数进行实时采集，通过分析采集数据探讨Elekta加速器执行VMAT时的工作特性。

1 材料和方法

本院Elekta VMAT计划采用Monaco逆向调强治疗计划系统计算生成，计划的执行采用Elekta Synergy（Elekta, Stockholm, Sweden)加速器（80叶MLC）。Elekta Synergy加速器控制系统为RT-Desktop software v7.01 (Elekta, Stockholm, Sweden)，治疗计划通过IMPAC MOSAIQ (Sunnyvale, California, U.S.A) 传送给加速器。

本研究随机选取5例VMAT计划，所有VMAT计划均采用360度顺时针（CW）旋转，射线能量为6 MV，最高剂量率设置为560 Mu/min。在加速器临床模式下，从MOSAIQ接收到VMAT计划处方，利用“Copy to Service”功能分别将5个VMAT计划复制到加速器维修模式。在维修模式下，机器各条件完全按照临床治疗条件照进行照射，并对治疗过程中剂量率，机架角度及MLC叶片运动速度进行实时采集。采集方法通过维修模式下Service Graphing功能实现，首先通过选择Item-Part设置采集项目。本研究中需要采集的项目包括剂量率、机架角度及MLC叶片运动速度，所有采集频率均设置为4 Hz。上述项目对应的Item-Part如下：Item 44 -Part 4, D/rate 1-ConfirmedValue；Item 70 -Part 4, Gantry-Con fi rmed Value；Item 2100 -Part 219，Leaf Y2 21-Dynamic Speed。

在VMAT计划执行前，先启动Service Graphing采集程序；在VMAT计划照射结束后，停止采集程序，采集数据文件通过网络方式输出。采集获得的数据由Of fi ce Excel读取，数据包括了每个采集点的时刻和该时刻对应项目的实时参数。5例VMAT计划及执行结果的数据统计见表1。

表1 5例VMAT计划执行结果的数据统计Tab.1 Statistics of 5 VMAT plans

2 结果

2.1 剂量率特性

治疗过程中加速器剂量率随时间变化曲线如图1所示，5个计划的执行中剂量率分布呈现出阶梯状分级分布，6个阶梯剂量率分别为560 Mu/min、280 Mu/min、140 Mu/min、70 Mu/min、35 Mu/min和17 Mu/min。在VMAT治疗过程中剂量率根据计划要求在上述6个剂量率级别间跳变。

图1 5例VMAT计划执行动态剂量率Fig.1 Dynamic dose rate during delivery for 5 VMAT plans

对5例VMAT计划的剂量率数据进行统计，其平均剂量率与最大剂量率统计如表2。从平均剂量率来看，5例VMAT计划的平均剂量率只有111.1 Mu/min，与加速器常规调强治疗剂量率（560 Mu/min）相比要小得多。

2.2 加速器机架运动特性

表2 5例VMAT计划剂量率统计表Tab.2 Dose rate statistics of 5 VMAT plans deliveries

根据5例加速器VMAT计划执行记录数据，加速器机架角度随时间变化曲线如图2所示。从图2可以看出，VMAT执行中机架运动速度并不是理想的匀速运动，不同计划之间曲线并不重合，说明执行不同计划治疗时平均机架运动速度存在差别。

图2 5例VMAT计划加速器机架角度随时间变化图Fig.2 Gantry angle during delivery for 5 VMAT plans

2.3 MLC运动速度特性

图3 5例VMAT计划的MLC Y2 21叶片运动速度随时间变化图Fig 3 MLC Y2 leaf 21 speed during delivery for 5 VMAT plans

VMAT治疗时，MLC叶片根据计划要求做动态移动。5例VMAT计划的MLC Y2 21叶片治疗中的运动速度如图3所示。从图中可以看出，叶片运动速度朝正方向和负方向的分布基本对称，叶片运动速度大部分集中在-100 mm~100 mm之间。

3 讨论

Elekta加速器执行VMAT时剂量率控制，采用了阶梯式可变剂量率方式(Binned Variable Dose Rate,BVDR)，一共分为7个剂量率级别，从最大剂量率开始以1/2的比例递减[4]。而本研究中剂量率级别为6个，由于加速器在低剂量率时不容易稳定，因此可以在治疗计划系统中做相应的设置，避免使用最低剂量率。研究表明，可变剂量率方式相对于固定剂量率方式可获得更优化的计划质量，同时可以减少射线Mu[5]。在下一代产品Elekta Integrity (Elekta,Stockholm, Sweden)中则会采用Continuously Variable Dose Rate (CVDR)的方式。研究报道指出，Integrity CVDR的方式可以减少35%治疗时间的同时保持同样的剂量准确性[4]。

对于执行VMAT时的机架运动，监测结果表明加速器机架并非匀速运动，不同的治疗计划完成转动的时间也不同。但是从测量的5例VMAT机架转动数据，即机架转动的时间-角度关系来看，总体斜率比较接近。当然机架转动速度与剂量率、MLC运动速度等参数是相互关联、相互影响的。MLC叶片依据计划在不同机架角度形成不同的照射野形状，因此从5例VMAT的其中一个MLC叶片的运动速度来看，其运动速度不具连续性，并且运动方向和速度均存在较大的变换。

Elekta VMAT可以采用360o旋转的方式。在加速器旋转照射过程中，根据治疗计划连续改变机架角度和速度、剂量率、MLC叶片位置、备份光阑和准直器角度，机架转速与剂量率由加速器控制软件决定，MLC叶片用Sliding Windows方式，后备铅门动态跟踪。因此，与固定照射野IMRT比较，VMAT治疗时间更短，射线Mu也更少，具有更高的效率。但是VMAT治疗对加速器的要求更高，需要有很好的动态调节能力。在VMAT治疗中，当剂量率、机架运动和MLC叶片未能达到计划的要求时，控制系统均会发出“PRF”中断指令[6]，因此在临床使用时需要加强机器的质量保证和维护。目前VMAT在放射治疗临床应用上仍处于起步阶段，还有诸多方面需要进行深入的研究。

4 结论

本文对5例Elekta VMAT计划进行模拟治疗，采集和分析了VMAT相关的加速器剂量率、机架角度、MLC叶片实时数据。数据结果说明了Elekta加速器在执行VMAT计划时，加速器剂量率做阶梯式跳变，机架和MLC叶片根据计划自动动态改变速度。从Elekta Synergy加速器的VMAT工作特性可以看出，VMAT对加速器的要求更高，需要做好日常机器参数的优化和QA工作，才能保证临床治疗的准确。

[1] Yu CX. Intensity-modulated arc therapy with dynamic multi-leaf collimation: An alternative to tomotherapy[J]. Phys Med Biol,1995, 40:1435–1439.

[2] Otto K. Volumetric modulated arc therapy: IMRT in a single gantry arc[J]. Med Phys 2008, 35:310–317.

[3] Min Rao, Wensha Yang, Fan Chen, et al. Comparison of Elekta VMAT with helical tomotherapy and fi xed fi eld IMRT:Plan quality,delivery efficiency and accuracy[J]. Med Phys, 2010, 37:1350-1359.

[4] Bertelsen A, Lorenzen EL, Brink C. Validation of a new control system for Elekta accelerators facilitating continuously variable dose rate[J]. Med Phys, 2011, 38: 4802-4810.

[5] Y Wu, N Dogan, X Liang. Assessment of volumetric arc therapy plans for constant and variable dose rates[J]. Med. Phys, 2010, 37:3350-3351.

[6] C Golby, S Atherton, C Rowbottom, et al. Commissioning of Item part Values (IPVs) in order to improve the efficiency of VMAT delivery on an Elekta synergy linac[J]. Med. Phys, 2009, 36: 2553.