三維藍水箱(BPH)掃描測量系統在螺旋斷層加速器質量控制檢測中的應用

魏 鵬 邱 杰 劉 峽 于 浪 楊 波 劉 楠 龐廷田 李文博 董婷婷 張福泉

三維藍水箱(BPH)掃描測量系統在螺旋斷層加速器質量控制檢測中的應用

魏 鵬①邱 杰②*劉 峽②于 浪②楊 波②劉 楠②龐廷田②李文博②董婷婷②張福泉②

目的：探討使用三維藍水箱(BPH)掃描測量系統完成螺旋斷層加速器設備的劑量分布檢測。方法：使用BPH和OmniPro-Accept 7.5軟件對螺旋斷層加速器40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm及40.0 cm×5.0 cm三種射野下的百分深度劑量、射野橫向截面和縱向截面射束離軸劑量分布進行數據采集，并將采集數據與廠商所給出的金標準進行比較，并對其兩者差異進行分析。結果：不同深度處的百分深度劑量(PDD)，無論在建成區域還是在其他深度處BPH測量的數據與金標準數據很好的吻合，差異＜2%。對于射野離軸劑量分布，三種射野下的射野寬度和半影偏差全部在1.0 mm以內。BPH采集的數據與廠商所給的金標準數據具有很好的一致性。結論：BPH三維水箱與常規水箱比具有擺位簡單、檢測速度快以及精確性高等優點，所采集的數據與廠商給出金標準數據具有很好的一致性，可完成針對螺旋斷層加速器的特殊線束分布進行針對性極強的數據采集和質量控制檢測工作。

三維藍水箱；螺旋斷層加速器；質量控制；射束分析

魏鵬,男,(1990- ),碩士研究生。南華大學核科學技術學院，研究方向：腫瘤放射物理。

螺旋斷層加速器(helical tomotherapy)是將直線加速器安裝在滑環機架上，應用X射線計算機斷層成像(computed tomography，CT)的原理，在旋轉過程中采用強度調制的扇形射線束配合床的運動對患者進行放射治療的一種裝置，可實現優于傳統治療技術的螺旋斷層調強放射治療技術[1-2]。加速器質量保證與質量控制相關文件要求必須對加速器進行射束測量，但由于設備的結構特征和空間限制，常規三維水箱難以用于該設備的數據測量。本研究的目的是探討如何應用三維藍水箱(blue phantom helix，BPH)掃描測量系統完成螺旋斷層加速器的質量控制檢測[3]。

1 材料與方法

1.1 BPH掃描測量系統

BPH掃描測量系統是專門為螺旋斷層加速器射束測量而設計，由三維水箱、精密的步進電機、電離室、控制盒、計算機以及相應軟件組成，能對射束在水中相對劑量分布，如百分比深度劑量(percentage depth dose，PDD)、橫向截面射野離軸劑量分布與縱向截面射野離軸劑量分布等進行快速自動掃描，并將結果數值化自動計算出半影、射野寬、最大劑量點深度以及對稱性等參數[4-5]。BPH與常規水箱不同的是其尺寸大小合適，可以直接用于螺旋斷層加速器射束數據的測量，在數據收集過程中只需一次擺位，即可進行全部數據的收集，極大提高了檢測速度，避免了再次擺位引起的人為誤差[6]。

BPH大小為68 cm×40.7 cm×35 cm，掃描范圍為52 cm×14 cm×20 cm，水箱空重為30 kg，定位精度為±0.1 mm，重復性誤差為±0.1 mm。采用CC04電離室(有效體積為0.04 cm3)進行數據收集，DCT 10-RS/TNC Triax電離室為參考電離室，使用軟件OmniPro-Accept 7.5進行數據收集，如圖1所示。

圖1 BPH示圖

1.2 數據采集

所有的射束掃描和數據收集依照美國醫學物理學會(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)發布的148號報告[7]和106號報告[9]執行。將螺旋斷層加速器機架角度固定為0°，多葉準直器(multileaf collimator，MLC)全部打開，源軸距為85 cm，分別對40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm和40.0 cm×5.0 cm三種射野下的PDD進行測量，然后在水下1.5 cm處測量40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm和40.0 cm×5.0 cm三種射野的橫向和縱向截面射野離軸劑量分布。

2 結果

2.1 PDD曲線分析

對40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm及40.0 cm× 5.0 cm三種不同射野的PDD分布在最大劑量深度處進行歸一，同時所得PDD曲線采用最小二乘法進行平滑處理。從PDD曲線上分析，最大深度、水下5 cm、水下10 cm、水下15 cm和水下20 cm處的PDD，以及射線質量指標(quality index，QI)，QI指水下10 cm處與20 cm處的PDD比值。將BPH測量數據與金標準(gold standard，GS)數據進行比較，具體數據見表1。

表1 BPH掃描測量PDD數據與GS比較分析

BPH測量與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曲線以及三種射野的PDD曲線比較。由圖2可知，無論在建成區域還是在其他深度處BPH測量的數據與GS數據很好的吻合，差異<2﹪。而從表1顯示，40.0 cm×1.0 cm射野下的最大劑量點出現在9.4 mm，40.0 cm×2.5 cm和40.0 cm×5.0 cm射野下的最大劑量點出現在10.7 mm。BPH測量數據與GS數據差異很小，PDD最大百分差為1.7﹪，射線質最大百分差為0.01﹪(如圖2所示)。

圖2 BPH與GS兩者及三種射野的PDD曲線比較

2.2 射野離軸劑量分布分析

測量射野橫向截面劑量分布和射野縱向截面劑量分布，然后對射野中心軸的100﹪進行歸一。在射野橫向方向，半影定義為Profile最大值10﹪～50﹪之間的距離，射野寬定義為最大值25﹪的兩點之間的距離。在射野縱向方向，半影定義為射野離軸劑量分布曲線最大值20﹪～80﹪的距離，射野寬定義為最大值50﹪的兩點之間的距離[10]。而圖3中A、B、C、D、E、F分別對應著射野40.0 cm×1.0 cm橫向截面劑量分布圖與縱向截面劑量分布圖、射野40.0 cm×2.5 cm橫向截面劑量分布圖與縱向截面劑量分布圖以及40.0 cm×5.0 cm橫向截面劑量分布圖與縱向截面劑量分布圖。從圖3可以很明顯的看出，將BPH測量的射野離軸劑量分布曲線與金標準的射野離軸劑量分布曲線疊加在一起，40.0 cm×1.0 cm、40.0 cm×2.5 cm及40.0 cm×5.0 cm的三種射野下的射野離軸劑量分布曲線幾乎重合。從表2可得三種不同射野下的橫向射野寬最大偏差為0.8 mm，橫向半影最大偏差為1.0 mm，縱向射野寬最大偏差0.7 mm，縱向半影最大偏差為0.7 mm。各射野下的射野寬度和半影偏差全部在1.0 mm以內，見表2。

圖3 BPH與GS三種射野的射野離軸劑量分布曲線比較

表2 BPH射野離軸劑量分布與GS比較分析

3 討論

螺旋斷層加速器作為一種專門用于調強放射治療和圖像引導放射治療的尖端放射治療設備，其機械精度的任何誤差都可能導致患者最終接受過多的劑量或腫瘤靶區位置劑量不足。因此，對其進行系統的質量控制工作尤為重要[11-13]。為了獲取窄束野最佳的射野離軸劑量分布，在收集數據之前應對螺旋斷層加速器激光燈[14-15]、MLC偏移[16-17]及鉛門中心等進行檢測。由于螺旋斷層加速器幾何孔徑大小的限制，使得常規三維水箱不能用于螺旋斷層加速器百分深度劑量、射野橫向截面劑量分布和縱向射野截面分布等數據的測量。BPH測量系統是專門針對螺旋斷層加速器射野劑量分布測量而設計的，是一種準確、高效的射束數據掃描工具。與TomoScanner二維水箱相比，BPH只需要一次擺位就可以完成所有數據的收集，極大減少了擺位時間，收集所有數據只需要2 h左右，同時避免了重復擺位引起的人為誤差。在對BPH進行擺位時需要注意，為了收集到水下20 cm深度處的PDD，調節三個絲杠螺母使水箱下底面距離治療床面越近越好[15]。控制單元(common control unit，CCU)放置在距放射源3 m以外，否則數據有可能受到散射線的干擾。此外，CCU使用之前需要進行預熱，預熱時間≥30 min[16]。在移動治療床時速度一定要慢，注意BPH與螺旋斷層加速器外殼是否碰撞。另外在數據收集之前需要檢測電離室是否位于水平面中心位置，可先進行中心軸(CAX)測試，執行標準序列的測試后可自動計算出射野中心和擺位中心的偏差并做修正。在進行數據收集過程中，掃描速度越大產生的水波紋就越大，數據的誤差就會越大，因此需要選擇合適的掃描速度，掃描速度不可＞0.5 cm/s[17]。

通過對BPH測量系統的應用，提高對BPH測量系統的認識，可以在螺旋斷層加速器大部件更換或年檢時更準確高效的完成對射線束的測量。

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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南華大學核科學技術學院 湖南 衡陽 421001

②中國醫學科學院北京協和醫學院北京協和醫院放射治療科 北京 100730

*通訊作者：qj_ww@139.com

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