三维蓝水箱(BPH)扫描测量系统在螺旋断层加速器质量控制检测中的应用

魏 鹏 邱 杰 刘 峡 于 浪 杨 波 刘 楠 庞廷田 李文博 董婷婷 张福泉

三维蓝水箱(BPH)扫描测量系统在螺旋断层加速器质量控制检测中的应用

魏 鹏①邱 杰②*刘 峡②于 浪②杨 波②刘 楠②庞廷田②李文博②董婷婷②张福泉②

目的：探讨使用三维蓝水箱(BPH)扫描测量系统完成螺旋断层加速器设备的剂量分布检测。方法：使用BPH和OmniPro-Accept 7.5软件对螺旋断层加速器40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm及40.0 cm×5.0 cm三种射野下的百分深度剂量、射野横向截面和纵向截面射束离轴剂量分布进行数据采集，并将采集数据与厂商所给出的金标准进行比较，并对其两者差异进行分析。结果：不同深度处的百分深度剂量(PDD)，无论在建成区域还是在其他深度处BPH测量的数据与金标准数据很好的吻合，差异＜2%。对于射野离轴剂量分布，三种射野下的射野宽度和半影偏差全部在1.0 mm以内。BPH采集的数据与厂商所给的金标准数据具有很好的一致性。结论：BPH三维水箱与常规水箱比具有摆位简单、检测速度快以及精确性高等优点，所采集的数据与厂商给出金标准数据具有很好的一致性，可完成针对螺旋断层加速器的特殊线束分布进行针对性极强的数据采集和质量控制检测工作。

三维蓝水箱；螺旋断层加速器；质量控制；射束分析

魏鹏,男,(1990- ),硕士研究生。南华大学核科学技术学院，研究方向：肿瘤放射物理。

螺旋断层加速器(helical tomotherapy)是将直线加速器安装在滑环机架上，应用X射线计算机断层成像(computed tomography，CT)的原理，在旋转过程中采用强度调制的扇形射线束配合床的运动对患者进行放射治疗的一种装置，可实现优于传统治疗技术的螺旋断层调强放射治疗技术[1-2]。加速器质量保证与质量控制相关文件要求必须对加速器进行射束测量，但由于设备的结构特征和空间限制，常规三维水箱难以用于该设备的数据测量。本研究的目的是探讨如何应用三维蓝水箱(blue phantom helix，BPH)扫描测量系统完成螺旋断层加速器的质量控制检测[3]。

1 材料与方法

1.1 BPH扫描测量系统

BPH扫描测量系统是专门为螺旋断层加速器射束测量而设计，由三维水箱、精密的步进电机、电离室、控制盒、计算机以及相应软件组成，能对射束在水中相对剂量分布，如百分比深度剂量(percentage depth dose，PDD)、横向截面射野离轴剂量分布与纵向截面射野离轴剂量分布等进行快速自动扫描，并将结果数值化自动计算出半影、射野宽、最大剂量点深度以及对称性等参数[4-5]。BPH与常规水箱不同的是其尺寸大小合适，可以直接用于螺旋断层加速器射束数据的测量，在数据收集过程中只需一次摆位，即可进行全部数据的收集，极大提高了检测速度，避免了再次摆位引起的人为误差[6]。

BPH大小为68 cm×40.7 cm×35 cm，扫描范围为52 cm×14 cm×20 cm，水箱空重为30 kg，定位精度为±0.1 mm，重复性误差为±0.1 mm。采用CC04电离室(有效体积为0.04 cm3)进行数据收集，DCT 10-RS/TNC Triax电离室为参考电离室，使用软件OmniPro-Accept 7.5进行数据收集，如图1所示。

图1 BPH示图

1.2 数据采集

所有的射束扫描和数据收集依照美国医学物理学会(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)发布的148号报告[7]和106号报告[9]执行。将螺旋断层加速器机架角度固定为0°，多叶准直器(multileaf collimator，MLC)全部打开，源轴距为85 cm，分别对40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm和40.0 cm×5.0 cm三种射野下的PDD进行测量，然后在水下1.5 cm处测量40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm和40.0 cm×5.0 cm三种射野的横向和纵向截面射野离轴剂量分布。

2 结果

2.1 PDD曲线分析

对40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm及40.0 cm× 5.0 cm三种不同射野的PDD分布在最大剂量深度处进行归一，同时所得PDD曲线采用最小二乘法进行平滑处理。从PDD曲线上分析，最大深度、水下5 cm、水下10 cm、水下15 cm和水下20 cm处的PDD，以及射线质量指标(quality index，QI)，QI指水下10 cm处与20 cm处的PDD比值。将BPH测量数据与金标准(gold standard，GS)数据进行比较，具体数据见表1。

表1 BPH扫描测量PDD数据与GS比较分析

BPH测量与GS在40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm及40.0 cm×5.0 cm射野下的PDD曲线以及三种射野的PDD曲线比较。由图2可知，无论在建成区域还是在其他深度处BPH测量的数据与GS数据很好的吻合，差异<2﹪。而从表1显示，40.0 cm×1.0 cm射野下的最大剂量点出现在9.4 mm，40.0 cm×2.5 cm和40.0 cm×5.0 cm射野下的最大剂量点出现在10.7 mm。BPH测量数据与GS数据差异很小，PDD最大百分差为1.7﹪，射线质最大百分差为0.01﹪(如图2所示)。

图2 BPH与GS两者及三种射野的PDD曲线比较

2.2 射野离轴剂量分布分析

测量射野横向截面剂量分布和射野纵向截面剂量分布，然后对射野中心轴的100﹪进行归一。在射野横向方向，半影定义为Profile最大值10﹪～50﹪之间的距离，射野宽定义为最大值25﹪的两点之间的距离。在射野纵向方向，半影定义为射野离轴剂量分布曲线最大值20﹪～80﹪的距离，射野宽定义为最大值50﹪的两点之间的距离[10]。而图3中A、B、C、D、E、F分别对应着射野40.0 cm×1.0 cm横向截面剂量分布图与纵向截面剂量分布图、射野40.0 cm×2.5 cm横向截面剂量分布图与纵向截面剂量分布图以及40.0 cm×5.0 cm横向截面剂量分布图与纵向截面剂量分布图。从图3可以很明显的看出，将BPH测量的射野离轴剂量分布曲线与金标准的射野离轴剂量分布曲线叠加在一起，40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm及40.0 cm×5.0 cm的三种射野下的射野离轴剂量分布曲线几乎重合。从表2可得三种不同射野下的横向射野宽最大偏差为0.8 mm，横向半影最大偏差为1.0 mm，纵向射野宽最大偏差0.7 mm，纵向半影最大偏差为0.7 mm。各射野下的射野宽度和半影偏差全部在1.0 mm以内，见表2。

图3 BPH与GS三种射野的射野离轴剂量分布曲线比较

表2 BPH射野离轴剂量分布与GS比较分析

3 讨论

螺旋断层加速器作为一种专门用于调强放射治疗和图像引导放射治疗的尖端放射治疗设备，其机械精度的任何误差都可能导致患者最终接受过多的剂量或肿瘤靶区位置剂量不足。因此，对其进行系统的质量控制工作尤为重要[11-13]。为了获取窄束野最佳的射野离轴剂量分布，在收集数据之前应对螺旋断层加速器激光灯[14-15]、MLC偏移[16-17]及铅门中心等进行检测。由于螺旋断层加速器几何孔径大小的限制，使得常规三维水箱不能用于螺旋断层加速器百分深度剂量、射野横向截面剂量分布和纵向射野截面分布等数据的测量。BPH测量系统是专门针对螺旋断层加速器射野剂量分布测量而设计的，是一种准确、高效的射束数据扫描工具。与TomoScanner二维水箱相比，BPH只需要一次摆位就可以完成所有数据的收集，极大减少了摆位时间，收集所有数据只需要2 h左右，同时避免了重复摆位引起的人为误差。在对BPH进行摆位时需要注意，为了收集到水下20 cm深度处的PDD，调节三个丝杠螺母使水箱下底面距离治疗床面越近越好[15]。控制单元(common control unit，CCU)放置在距放射源3 m以外，否则数据有可能受到散射线的干扰。此外，CCU使用之前需要进行预热，预热时间≥30 min[16]。在移动治疗床时速度一定要慢，注意BPH与螺旋断层加速器外壳是否碰撞。另外在数据收集之前需要检测电离室是否位于水平面中心位置，可先进行中心轴(CAX)测试，执行标准序列的测试后可自动计算出射野中心和摆位中心的偏差并做修正。在进行数据收集过程中，扫描速度越大产生的水波纹就越大，数据的误差就会越大，因此需要选择合适的扫描速度，扫描速度不可＞0.5 cm/s[17]。

通过对BPH测量系统的应用，提高对BPH测量系统的认识，可以在螺旋断层加速器大部件更换或年检时更准确高效的完成对射线束的测量。

[1]Mackie TR,Holmes T,Swerdloff S,et al. Tomotherapy:A new concept for the delivery of dynamic conformal radiotherapy[J].Med Phys,1993,20(6):1709-1719.

[2]Olivera GH,Shepard DM,Ruchala K,et al. Tomotherapy Modern Technology of Radiation Oncologyed J Van Dyk[M].Madison:Mdeical Physics Publishing,1999:521-587.

[3]Mackie TR,Balog J,Ruchala K,et al.Tomotherapy[J].Sem Radiat Oncol,1999,9(1):108-117.

[4]Balog JP,Mackie TR,Person D,et al.Benchmarking beam alignment for a clinical helical Tomotherapy device[J].Med Phys,2003,30(6): 1118-1127.

[5]Robert J,Thomas RM,John B,et al.Radiation characteristics of helical Tomotherapy[J].Med Phys,2004,31(12):396-404.

[6]Kutcher GJ,Coia L,Gillin M,et al.Comprehensive QA for radiationoncology:Report of AAPM radiation therapy committee task group 40[J]. Med Phys,1993,21(4):581-618.

[7]Langen KM,Papanikolaou N,Balog J,et al.QA for helical tomotherapy:Report of the AAPM Task Group 148[J].Med Phys,2010,37(9):4817-4853.

[8]Klein EE,Hanley J,Bayouth J,et al. Task Group 142 report:quality assurance of medical accelerators[J].Med Phys,2009,36(9): 4197-4212.

[9]Das IJ,Cheng CW,Watts RJ,et al.Accelerator beam data commissioning equipment and procedures:report of the TG-106 of the Therapy Physics Committee of the AAPM[J].Med Phys,2008,35(9):4186-215.

[10]Peng JL,Ashenafi MS,McDonald DG,et al. Assessment of a three-dimensional(3D) water scanning system for beam commissioning and measurements on a helical tomotherapy unit[J]. J Appl Clin Med Phys,2015,16(1):51-68.

[11]Sen A,West MK.Commissioning experience and quality assurance of helical tomotherapy machines[J].J Med Phys,2009,34(4):194-199.

[12]Shimizu H,Sasaki K,Iwata M,et al.Rotational output and beam quality evaluations for helical tomotherapy with use of a thirdparty quality assurance tool[J].Radiol Phys Technol,2016,9(1):53-59.

[13]Lee FK,Chan SK,Chau RM.Dosimetric verifi cation and quality assurance of running-startstop (RSS) delivery in tomotherapy[J].J Appl Clin Med Phys,2015,16(6):5336.

[14]Broggi S,Cattaneo GM,Molinelli S,et al.Results of a two-year quality control program for a helical tomotherapy unit[J].Radiother Oncol,2008,86(2):231-241.

[15]Balog J,Soisson E.Helical tomotherapy quality assurance[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2008,71(1):S113-S117.

[16]Chen Q,Westerly D,Fang Z,et al.Tomotherapy MLC verification using exit detector data[J].Med Phys,2012,39(1):143-151.

[17]David Sevillano,Cristina Minguez,Alicia Sanchez,et al.Measurement and correction of leaf open time in helical tomotherapy[J].Med Phys,2012,39(11):6972-6980.

Application of BPH three-dimensional scanning water tank system in helical tomotherapy accelerator’s quality assurancecontrol detection of helical tomotherapy accelerator

WEI Peng, QIU Jie, LIU Xia, et al//
China Medical Equipment,2017,14(4):54-57.

Objective: Discuss how to detect dose distribution of helical tomotherapy linear accelerator by using BPH three-dimensional water tank. Methods: Acquired percentage depth dose (PPD), in-plane and cross-plane in 40.0 cm×1.0 cm, 40.0 cm×2.5 cm and 40.0 cm×5.0 cm fields, respectively, of helical tomotherapy accelerator by BPH three-dimensional water tank and OmniPro-Accept 7.5 software. Compared acquired data with gold standard provided by manufacture and analyzed the differences between them. Results: For the PDD of different depth, data collected by BPH 3D water tank system showed good consistency with gold standard no matter in build-up region or other depth and the differences between the results and gold standard were below 2%. For off-axis dose distribution of radiation field, both of the radiation field width and penumbra deviation size under three kind of radiation fields were below 1.0 mm. Conclusion: BPH three-dimensional water tank has many advantages over regular water tank in convenient positioning, fast scan speed, high accuracy, etc. Its results have better consistency with gold standard, and it can accomplish data collection and quality control detection procedure for special beam distribution of helical tomotherapy.

3D blue phantom helix; Helical tomotherapy system; Quality control; Beam analysis

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.014

1672-8270(2017)04-0054-04

R197.39

A

2016-12-24

①南华大学核科学技术学院 湖南 衡阳 421001

②中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院放射治疗科 北京 100730

*通讯作者：qj_ww@139.com

[First-author’s address] School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China.