医用加速器光子线射野输出因子的自动化测量

李金凯，孙新臣，周苏民，孙向东，马建新，刘海，吴扬

1.南京医科大学第一附属医院 放疗科，江苏 南京 210029；2.内布拉斯加大学 医学中心肿瘤放疗科，美国 奥马哈 NE68198；3.南京中医药大学附属八一医院 放疗科，江苏 南京 210002；4.连云港市东方医院 放疗科，江苏 连云港 222042

引言

随着精确放疗概念的提出和发展，目前三维治疗计划系统（Three-Dimensional Treatment Planning System，3D TPS）已成为精确放疗的必备工具之一[1-2]。3D TPS的主要功能有勾画靶区及正常组织，设计放疗计划，进行剂量计算、评估、验证等，它的好坏直接决定了放疗计划剂量分布的优劣以及患者治疗的准确性[3-4]。作为一套专用的计算机系统，在临床正式应用之前需要对医用加速器的放射源进行建模，采集3D TPS剂量计算算法所需要的各种原始数据[5]，这其中包括射野输出因子（Out Put Factor，OUF）的测量采集[6-7]。

OUF主要用来定量描述模体内射线束中心轴上某点吸收剂量与照射野大小之间的关系，定义为相同测量条件下给定点处任意照射野吸收剂量与参考照射野吸收剂量的比值[8-9]。以美国Varian公司的Eclipse治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）为例，每档能量的光子合计需要测量81个开放野和261个楔形野的输出因子，临床常用加速器通常有2～3档光子线，这使得数据采集工作量大耗时，且人工的重复操作很容易出现差错[10-11]。为提高数据采集效率，进一步减少或避免差错的发生，笔者利用软件对自动化测量光子线OUF的的可行性进行了研究，现将有关研究结果报道如下。

1 材料与设备

瑞典Elekta Axesse电子直线加速器，三档光子线能量分别为6、10及15 MV，其Agility机头利用160片多叶光栅系统替代X方向准直器，每片叶片在等中心处的投影宽度均为5 mm，开放野最大尺寸为40 cm×40 cm，60°物理楔形板1个，楔形野最大尺寸为40 cm×30 cm。Elekta 放射治疗记录和验证软件MosaiQ系统（Version 2.4），为全面的肿瘤放疗信息管理系统，用于加速器和治疗计划系统的无缝连接。德国IBA Blue Phantom 2三维水箱系统，采集和分析软件为OmniPro-Accept (Version 7.6)，电离室探测器取CC13，即灵敏体积为0.13 cm3。美国Sun Nuclear 双通道PC Electrometer参考级剂量仪，偏置电压在0～±400 V内可调，其预热时间小于1.0 min，收集范围为2 pC～10 mC，最小分辨率是15 fC，非线性全量程小于±0.1%，测量重复性全量程小于±0.25%，长期稳定性小于±0.5%，漏电漂移小于±0.001 pA，记录更新频率为500 ms，支持数据导出功能。

2 方法

2.1 测量条件

每档光子线每个射野大小的OUF测量条件均须保持一致，即相同的源模距（Source-to-Phantom Distance，SPD），测量深度d，剂量率及机器跳数等。需要指出的是，为了避免剂量建成区的剂量不准确性，提高测量精度，测量深度不可以放在最大剂量深度处dmax。本研究选取剂量率300 MU/min，机器跳数100 MU，6 MV的测量深度取5 cm，≥10 MV的测量深度取10 cm，其中SPD+d=100 cm。

2.2 测量内容

理论上讲，OUF的测量数目会影响TPS的计算精度，OUF测量的射野大小数目越多，计算精度越高。但根据TPS的数据采集要求，测量每个射野大小的OUF是完全没有必要的，它可以根据其自带的配置算法完成自动插值工作。本研究中开放野所测量的射野大小，见表1，楔形野所测量射野大小范围为3 cm×3 cm～40 cm×30 cm。

2.3 手动测量步骤

将IBA三维水箱在Axesse加速器机头下摆放调整好，利用采集和分析软件使电离室CC13置于预设位置，并通过专用电缆线与Sun Nuclear剂量仪相连，做好测量前的准备工作。手动测量，根据表1所示的测量顺序手动更改加速器射野大小，并依次出束，每次结束后手动记录剂量仪示值，复位后重复测量直至完成所有测量要求。

2.4 自动测量步骤

三维水箱和测量工具摆位与手动测量相同，将表1所示的测量序列导入MosaiQ系统，用它控制加速器的出束，同步开启剂量仪的自动测量程序。自动化测量示意图，见图1，使加速器出束与数字化计量仪测量同步，加速器中断出束期间数字化剂量仪实现复位，测量完毕导出测量结果，即数字化测量文件。

图1 自动化测量示意图

2.5 统计学分析

根据公式：

计算OUF，其中FOutput和FOut_wedge分别为开放野和楔形野的OUF；Ropen和Rwedge分别为开放野和楔形野任一射野大小的剂量仪示值； Rref10×10和 Rref_wedge10×10分别为开放野和楔形野10 cm×10 cm参考射野的剂量仪示值。

表1 开放野OUF测量的射野大小（cm2）

对手动测量和自动测量的两组OUF数据应用SPSS 20.0软件进行统计学分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

3 结果

3.1 OUF测量结果

Axesse加速器OUF两种测量方法的具体结果，见表2。由表2可见，自动测量组和手动测量组结果基本一致，统计学分析配对t检验，差异无统计学意义，对6组配对数据进行统计学相关分析，相关系数r均大于0.95（P＜0.01）。

表2 OUF两种测量方法的统计学分析

3.2 加速器测量耗时

手动测量组，开放野三档能量加速器测量耗时分别为65、64、64 min，楔形野三档能量耗时均为57 min，三档能量合计耗时364 min。自动测量组，开放野三档能量耗时均为35 min，楔形野每档能量耗时均为30 min，三档能量合计耗时为195 min。自动测量组较手动测量组节省时间约169 min，为手动测量组46%的测量时间。

4 讨论

随着计算机技术的高速发展和广泛应用，只需要将人工测量的基础数据输入到TPS，便可根据临床治疗的需要自动计算获得所需的治疗计划。其中，人工测量的基础数据包括百分深度剂量（Percentage Depth Dose，PDD），射野离轴比（Off-axis Ratio，OAR）、OUF等，基础数据的准确与否，直接影响治疗计划的计算精度[12-13]。

一般情况下，基础数据的采集工作是在加速器安装调试完成之后，正式投入临床运行之前这个时间段进行[14]。此时间段的加速器面临医院投入产出的经济压力较大，测量耗时越短意味着加速器可以早一点实现营收，故测量时间非常宝贵。目前，PDD和OAR的采集均通过三维水箱自动完成测量[15]，可实时审核，唯独OUF的测量方式较原始，为手工记录的操作方式，容易出现差错导致返工。本研究通过程序设计使OUF的数据采集实现了自动化测量，加速器测量耗时较手动测量减少了46%，且自动测量结果与手动测量结果一致性非常好，差异无统计学意义。需要强调的是OUF的自动化测量可较手动测量进一步降低差错的发生概率，并且便于日后出现问题查找到原因，这与Zhou等[16-17]的研究结果一致。

综上所述，OUF的自动测量可以在保证数据采集准确性的前提下，减少加速器测量耗时，值得临床推广，但在临床具体应用时也需要注意剂量仪的测量范围、测量线性及电离室灵敏体积等问题。

[1] Kim Y,Modrick JM,Pennington EC,et al.Commissioning of a 3D image-based treatment planning system for high-doserate brachytherapy of cervical cancer[J].J Appl Clin Med Phys,2016,17(2):405-426.

[2] Putha SK,Saxena PU,Banerjee S,et al.On-line estimations of delivered radiation doses in three-dimensional conformal radiotherapy treatments of carcinoma uterine cervix patients in linear accelerator[J].J Med Phys,2016,41(4):224-233.

[3] Rankine LJ,Mein S,Cai B,et al.Three-dimensional dosimetric validation of a magnetic resonance guided intensity modulated radiation therapy system[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2017,97(5):1095-1104.

[4] Watanabe Y,Sandhu D,Warmington L,et al.Three-dimensional assessment of the effects of high-density embolization material on the absorbed dose in the target for Gamma Knife radiosurgery of arteriovenous malformations[J].J Neurosurg,2016,125(S1):123-128.

[5] 徐宜武,林益匡.不规则射野的百分深度剂量计算[J].中国医疗设备,2011,26(2):39-41.

[6] Kron T,Clivio A,Vanetti E,et al.Small field segments surrounded by large areas only shielded by a multileaf collimator:Comparison of eperiments and dose calculation[J].Med Phys,2012,39(12):7480-7489.

[7] 孙新臣,陈德玉.肿瘤放射治疗物理学[M].南京:东南大学出版社,2014:488.

[8] 葛瑞刚,徐寿平,解传滨,等.Elekta和Varian医用直线加速器束流特性的比较研究[J].中国医学装备,2016,(7):12-16.

[9] Lebron S,Lu B,Yan G,et al.Parameterization of photon beam dosimetry for a linear accelerator[J].Med Phys,2016,43(2):748-760.

[10] 王骁踊,刘晖,仇树帅,等.多叶准直器射野和独立准直器射野剂量学比较[J].中国医疗设备,2013,(12):124-126.

[11] Followwill DS,Kry SF,Qin L,et al.The radiological physics center’s standard dataset for small ɦeld size output factors[J].J Appl Clin Med Phys,2012,13(5):282-289.

[12] 胡立宏,施化.射波刀射线数据采集[J].医疗卫生装备,2012,33(1):117-119.

[13] 岳海振,张艺宝,刘卓伦,等.直线加速器均整和非均整模式下射线质和射野输出因子的蒙特卡罗模拟与实测值比较[J].中国医学物理学杂志,2016,33(6):548-552.

[14] 胡杰,董晓庆,陶建民,等.三维治疗计划系统使用前的临床剂量学验证[J].中国医疗设备,2015,30(3):88-91.

[15] 吴湘阳,张坤,常晓斌,等.三维水箱不同测试条件对数据采集结果的影响和分析[J].现代肿瘤医学,2015,(22):3322-3326.

[16] Zhou S,Wu Q,Fan Q,et al.SU-G-BRC-17: Using generalized mean for equivalent square estimation[J].Med Phys,2016,43(6):3630-3631.

[17] Zhou S,Wu Q,Fan Q,et al.SU-G-TeP2-14: Universal function form for photon open field in-water output ratio[J].Med Phys,2016,43(6):3666.