医用直线加速器的验收和射束基准数据测量

曾华驱，汤树奎，曹剑云，黄炽雄

1. 高州市人民医院 放疗中心，广东 高州 525200；2. 南方医科大学珠江医院 肿瘤中心，广东 广州 510280；3. 南方医科大学深圳医院 医务部设备办，广东 深圳 518110

引言

放射治疗的效果与照射剂量的准确性直接相关，而患者受照射剂量的准确性又依赖于治疗计划系统中射束建模数据的准确性。而且，治疗计划系统中的射束建模对于临床中使用调强放射治疗技术是非常重要的。射束建模所需的数据是在医用直线加速器射束基准数据测量中获取的，然后导入治疗计划系统进行建模，并作为临床使用的标准数据。这些数据不仅影响到所有接受放射治疗患者的治疗计划，而且是后期对机器进行质量保证的依据。因此，在医用直线加速器投入临床使用前，应由相应资质的物理师对其根据国家规程[1-3]和国际指南[4-5]进行验收和基准数据测量，检验加速器的机械性能，采集加速器光子束和电子束剂量学基准数据，保证治疗计划系统建模数据的准确。加速器投入临床使用后，必须定期对其执行质量控制工作，使其机械性能和剂量学的相关参数与验收期间的基准值相比偏差在允许范围之内，确保机器的稳定性能良好，从而保障治疗安全。本研究按照国家规程对医用直线加速器进行验收和射束数据采集，为投入临床使用做好准备，也期望能为基层医院引进新医用直线加速器做好验收工作提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

瓦里安公司Trilogy医用直线加速器，具有三挡光子束能量：有均整器（Flattening Filter，FF）6 X FF和10 X，无均整器（Flattening Filter Free，FFF）6 X FFF，六挡电子束能量：4、6、9、12、15和18 Mev。等中心处最大射野40 cm×40 cm，配备60对Millennium叶片，其中中间40对叶片和两侧20对叶片在等中心处投影宽度分别为0.5 cm和1 cm，最大运动速度为2.5 cm/s。配备锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）图像引导功能。德国PTW M P 3-M三维水箱扫描系统，扫描范围为5 0 c m×50 cm×40 cm，Semiflex 31010电离室，UNDOS E型静电计。测量的百分深度剂量（Percentage Depth Dose，PDD）曲线和离轴剂量分布（Profile）使用PTW’S MEPHYSTO mc2软件后处理。前指针，坐标纸，水平尺，直尺，Catphan504体模。除非特地说明，所有的测量都是在机架和小机头0°下进行。

1.2 测量方法

1.2.1 机械性能测试

（1）准直器旋转中心。将前指针底座安装到机头，插入测试用的前指针。前指针的100 cm指示刻度线与底座上的标度线对齐。固定一张纸在治疗床上面，然后升床直到几乎碰到前指针。在准直器的整个旋转范围内每隔30°～45°在纸上标记指针尖端。标记的位置应在一个圆内，圆的直径小于机器允许偏差。圆的中心即是准直器的旋转中心。前指针应留在原位，以便接下来的测试。

（2）机架旋转中心。前指针的位置与验证准直器旋转中心的位置相同。将具有细尖端的第二指针水平固定在治疗床的末端，使其尖端靠近由前面第一前指针确定的准直器旋转中心处。然后机架旋转360°，监测第一前指针针尖与第二静止前指针针尖之间的偏差。偏差的大小应在一个圆内，圆的直径应小于机器允许偏差。圆心即为机架旋转中心。前指针应留在原位，以便接下来的测试。

（3）治疗床旋转中心。测试应该在准直器旋转中心测试之后直接进行。在前指针和纸还在的情况下，纵向平移治疗床，使纸张的干净部分位于前指针下方。将治疗床旋转180°，每45°在纸上标出前指针末端的位置。标记的位置应在一个圆内，圆的直径小于机器允许偏差。圆的中心是治疗床旋转中心。如果机架旋转中心、准直器旋转中心和治疗床的旋转中心都在允许偏差范围内，则此时机架角为零，准直器角为零时前指针针尖所在位置代表机器的机械等中心。通常，在这一过程中确定机械等中心后可以调整激光灯使其与机械等中心对齐。

1.2.2 射束基准数据测量

射束数据包括光子束和电子束的PDD和Profile、光子束的总输出因子和叶片透射因子，测量根据瓦里安Eclipse治疗计划系统算法要求[6]进行。

（1）PDD测量。对于光子束，固定源到模体表面距离（Source to Surface Distance，SSD）=100 cm，在水中分别测量每档能量光子束在不同大小正方形射野的PDD，其中正方形射野边长分别为3、4、6、8、10、12、15、20、25、30、35和40 cm，测量深度不少于30 cm。对于电子束，SSD=100 cm，在水中测量40 cm×40 cm开野和不同限光筒野的PDD。

（2）Profile测量。对于光子束，按照测量PDD的射野大小，固定SSD=100 cm，分别在最大剂量深度Dmax、5、10、20和30 cm深度处测量每个射野横向的Profile，扫描范围大于每侧射野边界至少5 cm。根据瓦里安厂家协议，对FF射束，在SSD=100 cm，10 cm×10 cm射野10 cm深度处，平坦度要求在主轴中央80%以内的最大和最小点之间的最大集成剂量差异不超过3%，对称性要求主轴中央80%以内任意两个距射束中心线等距离的相应点间的最大集成剂量差异不得超过2%。对FFF射束，瓦里安采用射野强度规格代替平坦度要求，如图1所示，6 X FFF，SSD=100 cm，10 cm深度处10 cm×10 cm射野，10 cm深度处中心轴点剂量归一为100%，±2 cm和±4 cm测得的射野强度容许误差分别为97.5%±2%和90.5%±2%，对称性要求和FF射束相同。半影宽度为Profile曲线上中心轴左右两边80%和20%之间的距离之和取平均值，射野宽度为Profile曲线上中心轴左右两边50%相对剂量之间的距离。对于电子束，固定源到探测器距离=95 cm，不插入限光筒，在空气中测量40 cm×40 cm开野的Profile。

图1 6X FFF射束10 cm×10 cm射野强度要求示意图

（3）总输出因子Scp测量。按照测量PDD的射野大小，总输出因子Scp是在SSD=100 cm，电离室有效测量点在深度5 cm处测量，出束100监测跳数（Monitor Unit，MU），测量值归一到10 cm×10 cm射野。

（4）叶片透射因子测量。机架和准直器旋转至0°，射野大小为10 cm×25 cm（X，Y），源到中心轴距离（Source Axis Distance，SAD）=100 cm，将电离室有效测量点置于水模体下水等效深度10 cm 射野中心处，加速器每次出束500 MU，分别记录开野及多叶准直器在闭合时的剂量读数，记录两者的比值（闭合野/开野）。对两个叶片组进行单独测量然后取平均值。根据厂家要求，对于Millennium MLC，其透射一般不超过2%，最大不超过3%[7]。

1.2.3 CBCT测量

CBCT的测试采用Catphan504体模，该体模由CTP528、CTP404、CTP515、CTP486模块构成，其中模块CTP404用于测量CT值稳定性、空间距离和层厚，模块CTP528用于测量空间分辨率，模块CTP515用于测量低对比度分辨率，模块CTP486用于测量CT值均匀性。将Catphan504体模按照扫描要求摆放在治疗床上，采用fullfan模式，2.5 mm层厚采集Catphan504体模图像，对图像进行评价。对CT值稳定性和均匀性，偏差应≤±40 HU；对层厚，其与设定的扫描层厚偏差应≤±5%；对于空间距离，测量值与期望值的偏差应≤±0.1 cm；对于空间分辨率，应至少可以看清6组条形图；对于低对比度分辨率，应至少可以看清第4个圆盘。

2 结果

2.1 机械性能测试

准直器旋转中心、机架旋转中心、治疗床旋转中心都在一个圆内，其最大偏差分别为0.5、0.5和0.6 mm，均小于1 mm。

2.2 PDD曲线

图2显示了能量为6 X FF、6X FFF、10 X光子束在SSD=100 cm，不同射野大小的PDD和不同能量6 X FF、6X FFF、10 X在SSD=100 cm，射野10 cm×10 cm的PDD。在SSD=100 cm，射野10 cm×10 cm其光子束特性如最大剂量深度值dmax，表面相对剂量PDD0，5、10和20 cm深度处的PDD值如表1所示。对于表面相对剂量，其随能量增加而降低，6X FFF要比6X FF要高8.2%。对于最大剂量深度dmax，随能量增加而增加，在去掉均整器后，6 X的最大剂量深度反而变浅了。10 X的PDD20/PDD10比6 X高，去掉均整器后，6 X FFF的PDD20/PDD10比6 X FF低。

表1 10 cm×10 cm射野不同能量的光子束特性

图2 不同射野大小和不同能量的PDD

图3显示了不同能量电子束在10 cm×10 cm限光筒下的PDD，可以看出，随着能量增大，表面的PDD越高，高剂量坪区越宽，剂量跌落越慢，χ射线污染越大。表2显示了10 cm×10 cm限光筒射野不同能量的电子束特性。

表2 10 cm×10 cm限光筒射野不同能量的电子束特性

图3 不同能量电子束在10 cm×10 cm限光筒下的PDD

2.3 Profile

图4显示了6 X FF、6 X FFF、10 X在SSD=100 cm、10 cm深度下不同射野大小的横向Profile和SSD=100 cm、深度10 cm、10 cm×10 cm射野不同能量的Profile。其中6 X FF、10 X的平坦度分别为2.24%和2.32%，6 X FFF的射野强度在-2 cm和+2 cm分别为97.79%和97.78%，在-4 cm和+4 cm分别为91.17%和91.45%。6 X FF、6 X FFF、10 X的对称性分别为1.82%、1.79%和1.84%；半影分别为6.9、7.7和7.6 mm；射野宽度分别为11.03、10.92和11.03 cm。

图4 不同射野大小和不同能量的Profile

图5表示了不同能量电子束在空气中开野时横向Profile，可以看出，随着能量增大，野外剂量下降越快。

图5 不同能量电子束在空气中开野时横向Profile

2.4 总输出因子Scp

图6显示了6 X FF、6 X FFF、10 X从3 cm×3 cm到40 cm×40 cm射野Scp的变化曲线图。10 cm×10 cm的Scp为1，当射野＞10 cm×10 cm时，Scp＞1，当射野＜10 cm×10 cm时，Scp＜1。对6 X FF是0.869～1.126，6 X FFF是0.892～1.094，10 X是0.879～1.106。

图6 不同能量光子束总输出因子Scp随射野大小变化

2.5 叶片透射因子

测得6 X FF、6 X FFF和10 X光子束的叶片透射因子分别是0.0151、0.0130和0.0176。

2.6 CBCT

模块CTP404中各种材料的CT值测量值如表3所示，与标准值的偏差都小于40 HU，对于空间距离，上、下、左、右位置测得的距离分别为50.84、50.49、50.85和49.44 mm，与50 mm的标准值偏差都小于1 mm，测得的层厚为2.5 mm。在模块CTP486的中心、上、下、左、右点位置测得的CT值分别为-999、-992、-1000、-1000和-1000 HU，各个位置间的差别小于40 HU。在模块CTP528中，可以看清第7个条形图，在模块CTP515中，可以看清第5个圆盘。

表3 模块CTP404中各种材料的CT值

3 讨论

对任何机构来说，医用直线加速器射束调试是一项复杂且耗时的工作。当物理师缺乏射束数据采集的经验或手边缺少相关参考资料时，这一项工作将变得更加困难。以往的研究都是基于部分射束数据如光子束或电子束或FF射束[8-10]，而本研究较全面地论述了光子束和电子束和CBCT系统的测试。测得光子束的PDD和Profile与瓦里安TrueBeam加速器的结果一致[11-12]。10 cm×10 cm射野FFF射束的最大剂量深度比FF射束的浅，与医科达加速器的相反[8-9]。在最大剂量深度以后，FFF射束的剂量跌落相比FF射束更陡峭，可以通过PDD20/PDD10看出，因为去掉均整块后减少了射束的硬化效应[13]。随着能量的增加，电子束产生χ线污染越多，在18 Mev时χ线污染可达5%。FF射束在射野小于10 cm×10 cm时的总输出因子小于FFF射束，而射野大于10 cm×10 cm时结果相反。本研究利用Catphan504体模对CBCT系统进行测试，给出了CT值稳定性、均匀性和空间距离的具体结果，CBCT系统性能符合厂家要求，为下一步开展图像引导放射治疗技术做好准备。加速器射束数据的采集必须严格按照计划系统建模的要求，选择好扫描探头和设置条件。Eclipse计划系统电子束治疗使用电子束蒙特卡洛算法，建模时只需要开野时水中的PDD、空气中的Profile和限光筒野水中的PDD。对能量小于6 Mev电子束，最好使用平行板电离室测量，以减少腔内扰动效应干扰[14]。射束数据的测量结果依赖于所使用的扫描系统，应充分考虑扫描探测器的选择、扫描系统的设置，包括最佳扫描速度的时间延迟和采集时间等。例如，对PDD的扫描，从深部往表面扫描往往比表面往深部要好，因为这可以减少水面的波动。对于小野的测量，最好选用灵敏的、体积足够小的电离室，可以减少辐射容积效应。并注意电离室有效测量点的放置，其不正确的放置在某些情况下可产生大于2%的剂量误差[15-17]。FFF射束特征不同于常规FF射束，调试数据要充分考虑其剂量学特征，特别对于小野剂量参数的测量，要选用合适的探头[18-19]。对于配备了图像引导放射系统的直线加速器，如配备了电子射野影像系统或机载影像或CBCT等，还应对其图像质量性能进行全面的评价[20-21]。对于开展容积调强技术的部门，还应包括特定项目如机架旋转过程中MLC到位精度，机架旋转过程中MLC叶片速度的稳定性等项目的测试[22-23]。射束数据是光束精确建模的基石，这决定了治疗效果和患者安全性，且日后直线加速器的质量保证都是以装机后射束测量的数据作为基准值。

本研究对瓦里安Trilogy直线加速器进行了验收测试和射束数据采集，涵盖了光子束和电子束的剂量学数据，满足了计划系统建模的要求。未来仍需要进行电子射野影像系统和呼吸门控系统的研究工作，为开展叶片位置验证和呼吸门控技术做准备。本次研究的方法步骤和所得的结果可以作为一个参考。

4 结论

本次研究按照Eclipse治疗计划系统建模要求对瓦里安Trilogy医用直线加速器进行了验收和射束数据采集，包括PDD、Profile，输出因子、叶片透射因子和CBCT系统测试。采集的数据为精确的射束建模提供了宝贵的价值，这决定了治疗结果和患者安全。本次采集的数据可能有助于其他机构进行新医用直线加速器特别是Trilogy的验收和调试。