Elekta和Varian医用直线加速器束流特性的比较研究*

葛瑞刚徐寿平*解传滨徐 伟巩汉顺丛小虎戴相昆

Elekta和Varian医用直线加速器束流特性的比较研究*

葛瑞刚①徐寿平①*解传滨①徐 伟①巩汉顺①丛小虎①戴相昆①

目的:分析和评估Varian和Elekta两台医用直线加速器束流特性的差异,为临床准确地实施其质量保证(QA)和剂量学应用提供依据.方法:采用三维水箱测量,比较分析Varian Clinac iX和Elekta Precise直线加速器6 MV X射线辐射源的开野/60°楔形野条件下百分深度曲线(PDD)、输出因子以及束流离轴曲线等束流剂量学特性,并对电子束相同能量的PDD曲线及输出因子等数据进行分析处理.结果:Varian Clinac iX较Elekta Precise医用加速器在开野/楔形野条件下X射线辐射质均略低,其射野半影值(20%～80%)也较小.电子线平均能量Precise较Clinac iX加速器在4 MeV、6 MeV能量档上明显偏高;而12 MeV和15 MeV时较Clinac iX偏低.两台加速器X射线射野及电子线限光筒束流输出因子均一定程度上存在差异.结论:尽管两台医用加速器标称能量相同,但是因自身机头设计结构、参数条件或采用不同的校准标准,两台医用加速器X射线和电子线束流特性均存在一定的差异.在临床应用中需充分予以考虑其相对应的剂量学特点.

直线加速器;束流特性;X射线;电子束

葛瑞刚,男,(1981- ),硕士研究生,物理师.解放军总医院放疗科,从事医学放射物理方面的研究工作.

[First-author's address] Department of Radiotherapy, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China.

放射治疗中所使用的光子和电子束的标称能量意味束流能量的一致性,但是由于制造商不同系列直线加速器之间的设计差异及同系列直线加速器中束流部件的差异,由不同加速器所产生的具有相同标称能量的光子和电子束均具有各自剂量学特性[1-3].因此,即使同一型号的加速器也要进行独立地测量及剂量标定,以获得其束流剂量特性[4-7].

目前市场上有多种医用直线加速器可提供X射线和电子线的治疗,故在临床应用中需分析各直线加速器在治疗条件下所采集获得的束流数据,并将这些数据建模至放射治疗计划系统中,以用于患者计划的剂量计算.临床物理师负责运用独立的质量保证规程,以确保应用于临床测量数据的准确性.基于此,本研究采集Varian Clinac iX和Elekta Precise两台加速器临床测试数据,分析其状态变化及相同标称能量下束流特性差异,以建立各自射线束能量的质量保证及质量控制规程,进而为临床应用提供依据及参考.

1 材料与方法

1.1 束流数据采集

数据中束流离轴曲线和百分深度剂量曲线通过PTW公司MP3-S三维水箱进行测量,该水箱由50 cmX50 cmX40.8 cm尺寸箱体及其三维扫描装置所组成.测量和(或)参考电离室均为PTW 0.125 cm3指型电离室,其内半径为2.75 mm,而束流输出剂量利用PTW Farmer电离室测量,其灵敏体积为0.6 cm3,内半径为3.05 mm.

1.2 数据分析

本研究对两系列机器6 MV的X射线及4 MeV、6 MeV、12 MeV及15 MeV电子束的能量特性进行分析,测量条件为源皮距离(source skin distance, SSD)=100 cm.这里定义%dd(10)X为源皮距100 cm、射野10 cmX10 cm、水下10 cm深处测量的百分深度剂量(percent depth dose,PDD)值.对于光子束,测量3 cmX3 cm、10 cmX10 cm及40 cmX40 cm射野条件下相应的百分深度剂量和水下10 cm处的离轴曲线,从而对其射线质和束流半影情况进行分析.同样测定3 cmX3 cm、10 cmX10 cm及15 cmX15 cm楔形射野条件下百分深度剂量曲线并进行对比分析.而对于电子束则选择射野25 cmX25 cm,在保证输出剂量校准的前提下对其输出因子和最大剂量深度(dmax)值、80%百分深度剂量(d80)及50%百分深度剂量(d50)予以比较.所有数据均采用PTW MEPHYSTO Version软件进行采集并予以处理.

2 结果

2.1 X射线开野及其束流特性

Varian Clinac iX各射野曲线上%dd(10)X值分别为62.0%、66.5%和74.8%,而Elekta Precise的%dd(10)X分别为62.4%、67.3%和76.0%.数据显示,Precise加速器开野束流射线质整体体现出比Clinac iX略高.两类加速器X射线开野PDD曲线数据如图1所示.

图1 两类加速器X射线开野的PDD曲线图

从离轴曲线上分别分析其半影(P)、平坦度(F)和对称性(S).通常半影值由特定平面内80%与20%等剂量曲线之间的距离确定;而平坦度定义为等中心处(位于10 cm模体深度处)或标称源皮距下10 cm模体深度处,最大射野剂量80%宽度内最大和最小剂量偏离中心轴剂量的相对百分数[7].在80%射野宽度内取偏离中心轴对称的两点剂量率值的差值与中心轴上剂量率的比值百分数则定义为射野束流的对称性. Varian Clinac iX加速器左右方向P_left=7.25 mm, P_right=7.30 mm,F=2.28% ,S=0.24%;枪靶(TG)方向P_left=8.23 mm,P_right=8.20 mm,F=2.43%, S=0.39% 而Elekta Precise加速器左右方向P_ left=9.89 mm,P_right=9.95 mm,F=3.02%, S=1.22%;TG方向P_left=9.89 mm,P_right=9.95 mm,F=3.02%,S=1.22%.由此表明,Elekta Precise较Varian Clinac iX半影大,而平坦度对称性略差.两类加速器X射线开野束流离轴曲线分布情况如图2所示.

图2 两类加速器X射线开野束流离轴曲线分布图

2.2 X射线600楔形野束流特性

Clinac iX系统各射野%dd(10)X值分别为64.1%、69.2%和72.1%.而Precise系统其值则为65.8%、70.0%和72.7%,同样显示出Precise加速器射线质略为偏高的特点.两台加速器600楔形野PDD曲线情况如图3所示.

图3 两类加速器X射线楔形野PDD曲线图

2.3 电子束束流特性

两台加速器在10 cmX10 cm条件下几种电子束能量的束流特性情况见表1.其中平均能量是表示电子束穿射介质的能力和确定模体中不同深度处电子束平均能量的一个重要参数,由公式1计算得出:

式中R50是高能电子束百分深度剂量曲线半峰值剂量深度.

两类加速器标称相同的电子束能量其PDD曲线上dmax、d50及d80均显示出一定的差异;平均能量Clinac iX加速器在4 MeV和6 MeV较Precise数值偏低,而在12 MeV和15 MeV上Clinac iX较Precise数据偏高(见表1).

2.4 射野输出因子(OF)

两类加速器X射线射野输出因子数值结果见表2.两类加速器电子线射野输出因子数值结果的比较见表3.射野输出因子定义为某一射野在空气中输出剂量于参考射野在空气中输出剂量之比.结果显示,X射线Elekta Precise较Varian Clinac iX在照射野<10X10 cm2时射野输出因子略高,>10X10 cm2时射野输出因子略低.

3 结论

现代计算机、自动化控制等技术的飞速发展促进了加速器治疗设备的改进创新及其放射治疗计划系统的不断完善,而放射治疗作为肿瘤治疗的主要手段之一,三维适形放射治疗、适形调强放射治疗及容积旋转调强等一大批新技术逐步普及和应用.但是无论何种先进的放射治疗技术,其剂量学的进一步临床应用都基于加速器束流特性的测量数据[8-10].Elekta Precise加速器和Varian Clinac iX加速器虽然标称能量相同,加速器功能类似,但加速器中产生的韧致辐射X射线能谱,并不完全依赖于加速电子的能量,其还与加速方式、射束的偏转、准直系统设计特别是所选择的X射线靶和均整器材料和厚度等因素直接相关,其束流特性必然存在一定的差异,在临床应用验收及其质量保证过程中应加以区别[11-14].

目前,商用所有常规加速器标称6 MV光子束射线质%dd(10)X值的范围一般为66.3～68.2%[11-12,15-17]. Jordan列出了各主要能量光子束%dd(10)X值,其中5.0 MV、6.0 MV及8.0 MV的%dd(10)X值分别为65.0%,67.5%及71.0%.换句话说,射线质%dd(10)X值在66.3～68.2%之间对应的束流额定能量应该为5.5～6.4 MV,存在0.9 MV变化范围.

表1 两类加速器电子线剂量特性情况

表 2 两类加速器X射线射野输出因子数值结果的比较

表3 两类加速器电子线射野输出因子数值结果的比较

本研究对Elekta和Varian加速器的束流特性进行了研究分析,X射线开野结果表明,Precise加速器的射线质略高于Clinac iX加速器,且Elekta Precise直线加速器束流半影较大.因此,类似利用线性插值方法,本研究中Varian iX加速器所产生的射线比Elekta Precise加速器的束流射线质低约0.4 MV.至于射野半影,若排除加速器束流因素外,其主要原因在于加速器机头和MLC末端等结构的差异所致.Elekta Precise直线加速器机头内采用一组铅门,一组替代上铅门的MLC,MLC位于铅门上方,配备40对叶片;而Varian Clinac iX加速器则具有上、下两组铅门,60对MLC叶片位于铅门的下方,因此X射线在穿过机头过程中受不同物理结构的准直器衰减影响.此外,表2射野输出因子的比较也显示出了两厂商加速器之间的区别.

本研究对2台加速器产生电子的束流基本特性也进行了比较,AAPM TG-51号报告推荐采用R50参数表征其射线质.高能电子束建议用20 cmX20 cm限光筒条件获取,而低能应考虑10 cmX10 cm束流参数.本研究则统一地利用10 cmX10 cm条件下予以考察电子束PDD特性.试验结果表明,标称相同能量电子束的基本束流参数均显示了明显的差异性.

至于射野输出因子,Varian和Elekta加速器X射线及电子束均显示一定的差异.X射线除了小野或大射野外,2台加速器6 MV的输出因子值基本一致,保持在1%以内;而小野或大野因机头物理结构,两者存在最大近4%的岐离.表3列出了2台加速器不同能量电子束相对于10 cmX10 cm的不同限光筒输出因子,可以看出电子束除低能(<10 MeV)和(或)小限光筒,即<10 cmX10 cm或高能和(或)大限光筒条件的输出因子差别较大外,其他均在1%以内.当然,这种差异应是Varian和Elekta电子束额定实际能量的不同、各限光筒铅门跟随方式的差异及其两者的电子束有效虚源位置不同等因素的综合影响所致[2,11,18].

不同厂商加速器X射线的射线质尽管均能满足厂商所标定的束流要求,但Elekta Precise加速器射线质比Varian iX显示了偏硬0.4 MV能量.对于电子束而言,因2台加速器自身机头设计结构及有效虚源位置等因素的影响,各能量电子的束流特性存在着一定的差异.因此,在实际临床应用过程中,针对同类型或不同类型的加速器,临床科室既要能观察到不同设备束流特性之间的差异性,也要能发现差异性背后存在的变化规律,便于临床上能更好地理解并掌握各加速器的束流剂量学特点.

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Comparison of the beam characteristics between Elekta and Varian medical linear accelerator

GE Rui-gang, XU Shou-ping, XIE Chuan-bin, et al

Objective: To analyze and evaluate the differences of beam characteristic for two types of Varian and Elekta medical linear accelerator (Linac) in order to provide the reference of quality assurance (QA) and clinical dosimetric application. Methods: The beam characteristics of the open and 60° wedged fields, such as the percent depth curves (PDDs), the off-axis ratio curves and output factors, were compared for 6 MV X-ray between Varian Clinac iX and Elekta Precise Linac. And the parameters of electron beam energy were analyzed. Results: The radiation quality of X-ray in Varian Clinac iX under the same conditions of open and wedge field was slightly lower than those in Elekta Precise Linac. And the penumbra values (20%～80%) were also smaller. The mean energy of electron beam for 4 or 6 MV in Precise machine was higher than those in Clinac iX, but the mean energy for 12 or 15 MV was lower. The output factors of X-ray and electron beam for the two Linac were a little different. Conclusion: Although the nominal energy in Elekta and Varian Linac are same, the beam characteristics of their X-ray and electron have a little difference due to the collimator structure, parameters or beam calibration standard. Therefore, the dosimetric characteristics of beams during the clinic application should be carefully considered.

Linear accelerator; Beam characteristics; X-ray; Electron

1672-8270(2016)07-0012-05 [中图分类号] R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.07.005

国家自然科学基金(61171005)"基于C型臂的冠状动脉旋转三维成像方法研究"

①解放军总医院放疗科 北京 100853

shouping_xu@yahoo.com

2015-10-21