國產醫(yī)用加速器XHA1400的X射線劑量和機械性能測試

吳青南，王運來，鞠忠建，袁樹海，戴相昆，宋孟孟，宋迎新，王云，陳富寶，高源

1.武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072；2.中國人民解放軍總醫(yī)院 放療科，北京 100089；3.山東新華醫(yī)療器械股份有限公司，山東 淄博 255000

引言

放療是腫瘤治療的三大手段之一。腫瘤放射治療的根本目標，在于給腫瘤區(qū)域足夠的精確的治療劑量的同時，使周圍正常組織和器官受照射量最少，以提高腫瘤的局部控制率，減少正常組織的放射并發(fā)癥。實現劑量準確分布的關鍵基礎要素在于放療設備的質量保證[1]。近年來，我國放療行業(yè)飛速發(fā)展，越來越多的醫(yī)院尤其是地市級醫(yī)院開設放療科，國產加速器得到越來越廣泛的應用[2-3]。

為更好地完善國產加速器的臨床應用規(guī)范，本研究按照科技部“重點研發(fā)專項”《基于國產精確放療設備的質量控制體系建設的研究》的課題要求，針對國產醫(yī)用加速器進行系統全面的性能檢測，測量各項性能參數，評價其臨床可行性與運行可靠性，從而為編制基于不同等級醫(yī)院國產放射治療設備精確化放療解決方案的放射治療設備質量控制標準提供設備性能參考。

新華醫(yī)療是國產醫(yī)療直線加速器的第一大供應商，于2006年實現了數字化醫(yī)用電子直線加速器的產業(yè)化，在全國有400多家醫(yī)院應用，其生產的放療設備性能穩(wěn)定，可以滿足絕大部分臨床放療要求。XHA1400是新華醫(yī)療最新推出的中能醫(yī)用直線加速器，主要定位為滿足臨床所需常規(guī)、適形、調強等多種放療技術。為評價其性能穩(wěn)定性，受項目組委托，本課題組在新華工廠對其進行全方面的劑量輸出和機械性能檢驗。

1 材料和設備

XHA1400全數字化中能醫(yī)用電子直線加速器，由完全擁有自主知識產權、技術領先的高效率密封式駐波加速管提供倆檔兆伏級X射線和多檔能量電子線，采用射線快速穩(wěn)定出束控制技術和雙通道五區(qū)全密封劑量檢測電離室，確保劑量測量的準確性。運動軸均采用雙位置反饋技術，定位精度高于亞毫米或0.1°。

測量儀器：PTW UNIDOS webline劑量儀，配PTW-30013指型電離室；掃描設備：iba blue phantom 三維水箱，配CC13指型電離室及其配套分析軟件；其他設備：溫度計、氣壓計、RW3固體水、美國EBT31417型免沖洗膠片、RIT113膠片分析軟件和Pylinac膠片分析軟件。

2 檢測項目與方法

根據課題組的研究，此次測試方法和標準制定的主要基礎是GB15213-2016《醫(yī)用電子加速器性能和檢驗方法》以及AAPM TG-142，同時參考Elekta等廠商的測試方法和標準[4-10]，如Elekta Digital Linear Accelerator Customer Acceptance Tests。檢測項目如下。

2.1 劑量特性

2.1.1 劑量輸出特性

① 重復性：測量5次X輻射的劑量檢測計數和吸收劑量，根據變異系數計算重復性S；② 線性：比較測量平均值Di與最小二乘法擬合計算值的偏差Dci；③ 高劑量照射后的穩(wěn)定性：測量高劑量照射前后，計算④ 日穩(wěn)定性：測量開關機時均測量5次，計算⑤ 周穩(wěn)定性：連續(xù)5天測量R，R的最大值和最小值之差和全部的平均值之比不應超過±2%；⑥ 劑量輸出隨設備角度位置的變化關系：對于X輻射，在機架及治療頭的全部角度范圍內，隨機文件應給出最大值和最小值之差與其平均值之間的比值。

2.1.2 楔形X輻射野

楔形因子和楔形角[11]：使用15°、30°、45°、60°楔形板，在機架和治療頭的全部角度范圍內，測量楔形因子和楔形角的測量值與規(guī)定值的最大偏差。

2.1.3 X輻射的漏射

（1）穿過限束裝置的泄漏輻射[12]。在M區(qū)中任何處，除了剩余的矩形輻射野外，泄漏輻射的吸收劑量不得超過參考軸上正常治療處10 cm×10 cm輻射野最大吸收劑量的2%，平均吸收劑量DLX必須不超過參考軸上正常治療距離處10 cm×10 cm輻射野最大吸收劑量的0.75%。

（2）M區(qū)域外的泄漏輻射（中子輻射除外）。設備應該提供防護屏蔽，衰減電離輻射，使位于參考軸并與參考軸垂直，直徑為2 m的平面內的泄漏輻射造成的吸收劑量衰減到以下水平：① 最大吸收劑量不超過在平面中心測量的吸收劑量的0.2%；② 其平均值必須不超過中心的0.1%。

2.1.4 深度吸收劑量特性

輻射野為10 cm×10 cm，使用iba 三維水箱[13]，測量給定射野下沿輻射束軸的百分深度劑量曲線，分析PDD曲線，測量X射線的最大劑量深度、穿透性和品質指數：

2.1.5 輻射野的均勻性

運用iba blue phantom 三維水箱，將水面調節(jié)到SSD=90 cm處，將電離室放在水下10 cm處，測量該層面的profile曲線，使用iba配套分析軟件分析均整區(qū)內的平坦度、對稱性和半影。

2.2 機械性能測試

（1） 等中心精度。分別在治療頭、機架、治療床處于0°、45°、90°和315°時曝光膠片，使用Pylinac軟件獲得治療頭和機架旋轉以及治療床公轉對等中心精度的影響。

（2）MLC到位精度MLC到位精度可以用二維平板電離室測得[14]，但我們采用最簡潔的膠片驗證方法[15]。在SSD=100 cm處，拍攝“川”“X”型野，用RIT 113軟件分析其到位精度。

（3）光射野一致性檢驗。將兩張EBT3膠片粘成一張大膠片，在SSD=100 cm處，設置射野大小為15 cm×15 cm，做好邊界標記，曝光膠片。

（4）治療床的剛性：① 床面負載30 kg，均布在床面1 m的范圍內；② 床面負載135 kg，均布在床面2 m的范圍內，倆種負載重心均作用在等中心點，測量治療床垂直運動和公轉時等中心的偏移。

（5） 數顯一致性。機架、治療頭旋轉角度刻度：測量機架、治療頭旋轉角度刻度與顯示之間的誤差。

（6）其他測試。檢驗恒溫水系統水溫和水壓及氣動裝置氣壓、激光線系統、門控裝置系統是否正常。

2.3 安全測試

測試整個系統中的急停聯鎖。

3 結果

為了充分檢驗XHA1400加速器在X射線劑量學方面的準確性，本文測試了6 MV和10 MV倆檔X射線能量，見表1。

由表1可以看出，XHA1400劑量特性和機械性能良好，但是其中線性檢測結果6 MV為2.9%，10 MV為9.76%，均超過國家標準的2%。仔細檢查數據后發(fā)現，在測量線性時，取值從3～900 MU，其中線性結果大于2%的均分布在8 MU以下，說明XHA1400仍需進一步改善以完善小劑量輸出。除了線性外，無論是劑量輸出的各方面穩(wěn)定性、楔形角、楔形因子、X射線的漏射檢驗，還是在等中心精度、負載時治療床的剛性和數字指示等方面都在標準范圍內。可分析的膠片中等中心精度膠片由Pylinac軟件分析得出，治療頭、機架和治療床的等中心精度膠片分析結果為“米”字中心圓半徑分別為0.10、0.25和0.15 mm，遠遠小于大多數質控標準中規(guī)定的2 mm。用RIT113軟件分析MLC到位精度和光野一致性，膠片見圖1～3。

表1 中能醫(yī)用直線加速器XHA1400的部分測量結果

圖1 治療頭、機架和治療床的等中心精度分析結果膠片

圖2 光射野一致性驗證膠片

圖3 MLC到位精度檢驗膠片

在評價加速器劑量輸出準確性時，射線質是非常重要且必須的參數，所測量的6 MV和10 MV X射線的百分度曲線與深度劑量圖，見圖4～5。iba配套的分析軟件得到X射線劑量深度方面信息，見表2。

圖4 6 MV X射線PDD曲線圖

圖5 10 MV X射線PDD曲線圖

表2 X射線劑量深度吸收特性檢驗結果

測量X射線的均勻性，為了測量范圍的準確性，我們測試了射野大小為5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm、30 cm×30 cm和35 cm×35 cm時6 MV和10 MV X射線的Profile，分別見圖6和圖7。

圖6 6 MV X射線profile曲線

圖7 10 MV X射線的profile曲線

為了行文簡潔，我們只列出10 cm×10 cm和35 cm×35 cm射野下的測量結果，見表3。

由上面可看到射野大小為10 cm×10 cm和35 cm×35 cm時，無論是主軸方向還是對角線方向，X射線在各檔能量范圍內的平坦度和對稱性均在標準范圍內。新華XHA1400加速器的標稱文件中只規(guī)定了10 cm×10 cm射野下主軸的半影大小在9 mm范圍內，測量結果也符合。

4 結論

XHA1400是新華醫(yī)療推出的全數字化中能醫(yī)用電子直線加速器，采用擁有完全自主知識產權、技術領先的高頻率密封式駐波加速管提供6 MV和10 MV倆檔X射線和多檔電子線，內置集成高速MLC，射線快速穩(wěn)定出束控制技術和雙通道五區(qū)全密封劑量檢測電離室，確保劑量測量的準確性。采用模塊化實時控制系統，可實現多軸同步聯動，劑量同步調整并縮短治療時間；增加了ADC，劑量率可保持恒定，同時劑量率也能夠連續(xù)變化，這兩點是實現動態(tài)調強的重要條件。目前主要臨床定位為根據不同的需求實現所需常規(guī)、適形、調強等多種放療技術，且XHA1400已在全國30多家醫(yī)院安裝并應用于臨床放射治療中。此次測量我們主要針對XHA1400 X射線輸出劑量方面進行了詳細的測量，關于該加速器電子線輸出劑量的相關內容仍在討論中，日后會進一步完善驗證。從質檢結果看，除了線性特征外，其具備良好的劑量精度和機械性能。線性條件不符合標準的機器跳數均在在8 MU以下，這是因為在駐波加速器系統中，由于軟啟動、AFC穩(wěn)頻等環(huán)節(jié)的存在，從加速器出束指令發(fā)出到加速器達到穩(wěn)定劑量一般需要0.5～5 s的時間。因其延時時間長且不固定，所以影響了以其作為射線源的檢測裝置的快速響應能力。但是，一方面，在調強計劃中8 MU以下的小子野占非常小的一部分；另一方面有研究指出[16-17]，在調強放療中，最小機器跳數過小，會引起靶區(qū)及危及器官劑量分布的顯著改變，在使用TPS設計調強計劃時，應適當提高最小機器跳數，達到減少子野束流和機器總跳數、縮短治療時間、提高治療傳輸效率的效果，所以XHA1400也適用于臨床調強放療。當然，工程師也應進一步進行小劑量校準，完善輸出劑量精度，且建議在本設備說明書中明確提出調強放療中最小跳數設置應大于8 MU。此外，在測量過程中，XHA1400也有開機預熱所需時間過長的問題。與工程師交流后我們發(fā)現是由于新華工廠要求每天下班后所有電源都斷開，造成開機重新啟動預熱，加速器內循環(huán)水系統從加電啟動開始，直至整個機器各個部件的溫度達到穩(wěn)定工作要求，需要一定的時間。但在醫(yī)院，加速器部分電源保持全天供電，部分核心部件一直保持“預啟動”狀態(tài)，所以開機時間會縮短。在臨床工作時，我們必須保證加速器充分預熱，以免對輸出劑量造成影響，應每天晨檢時都進行輸出劑量準確性和穩(wěn)定性檢驗，來確保精確的劑量輸出，以保證臨床放射治療的安全順利進行。XHA1400直線加速器可選擇是否裝備電子射野影像裝置來實現圖像引導，但成像所需的輸出劑量會給患者帶來額外的照射量，影響臨床的劑量計算。并且受散射的影響，兆伏級圖像中軟組織對比度較差，圖像質量不夠清晰。為了精確放療的實現，還應進一步應用能提供更好圖像質量的CBCT系統[18-19]，以保證精準定位腫瘤，為患者提供更加安全高效的治療。

表3 X射線的均勻性測量結果

設備的質量控制是保障放射治療精確執(zhí)行、提高放射治療臨床效果和防止放射治療事故的重要手段。越來越多的醫(yī)院著眼于精度不輸于進口設備而性價比更高的國產加速器，我們接下來會繼續(xù)測量不同國產品牌的放射治療設備的性能參數，評價其臨床可行性和可靠性。在充分掌握國產放療設備性能的基礎上，編制一個基于不同等級醫(yī)院國產放射治療設備的放射治療設備質量控制標準，這是我們最終目的所在[20]。