兩種直線加速器射野劑量學(xué)特性測(cè)試分析

王大獎(jiǎng)，鮑志榮，蔣大振，沈九零，劉暉，王驍踴

武漢大學(xué)中南醫(yī)院 放化療科 湖北省腫瘤生物學(xué)行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湖北省腫瘤醫(yī)學(xué)臨床研究中心，湖北 武漢 410071

引言

我國(guó)放療行業(yè)發(fā)展迅速，調(diào)查結(jié)果顯示中國(guó)大陸地區(qū)近年來(lái)放療單位、放療人員和設(shè)備均明顯增加[1]，同時(shí)國(guó)產(chǎn)加速器也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)醫(yī)用直線加速器事業(yè)取得了很大的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)的醫(yī)用加速器在技術(shù)的先進(jìn)性、質(zhì)量的可靠性、產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性方面都得到了極大的進(jìn)步[3]。上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司的uRT-linac 506c醫(yī)用直線加速器是全部核心部件自主研發(fā)的首臺(tái)一體化CT-linac，可執(zhí)行常規(guī)、適形、IMRT、uARC等多種放射治療技術(shù)。本研究通過(guò)三維水箱掃描數(shù)據(jù)，從射野劑量學(xué)方面分析國(guó)產(chǎn)聯(lián)影直線加速器與Varian加速器之間的差異。

1 材料與方法

1.1 測(cè)量?jī)x器及設(shè)備

測(cè)量對(duì)象為聯(lián)影CT引導(dǎo)直線加速器uRT-linac 506c（聯(lián)影，中國(guó)）、Varian IX 直線加速器（Varian，美國(guó)）的6 MV X射線，兩加速器均采用三級(jí)準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)，多葉準(zhǔn)直器（Multileaf Collimator，MLC）均為60對(duì)葉片，在等中心平面，MLC中間40對(duì)葉片寬度為5 mm，外側(cè)各有10對(duì)10 mm的葉片；采用PTW MP3水箱（PTW，德國(guó)），通過(guò)PTW MEPHYSTO軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；電離室型號(hào)為PTW 31010，靈敏體積 0.125 cm3。

1.2 測(cè)量要求

所有數(shù)據(jù)均在源皮距（Source-Skin Distance，SSD）100 cm 下測(cè)量，百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD）及射野離軸比（Off Axis Ratio，OAR）測(cè)量的射野大小為 3 cm ×3 cm，5 cm×5 cm，10 cm ×10 cm， 20 cm ×20 cm，30 cm × 30 cm；PDD 的測(cè)量范圍為 0～30 cm；射野OAR的測(cè)量深度為水下10 cm，測(cè)量方向?yàn)閏ross plane和in plane。以上曲線采樣點(diǎn)間隔為 1 mm。

1.3 分析指標(biāo)

定義Dmax為PDD取得最大值對(duì)應(yīng)的深度，PDDx為水下x cm處的百分深度劑量值。OAR曲線的平坦度F=(Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin)，其中Dmax、Dmin分別是射野等中心80%寬度內(nèi)的最大值、最小值；對(duì)稱性S=Max(Dx/D-x)，Dx為90%等劑量線內(nèi)推1 cm OAR曲線上偏離等中心x mm的OAR值。射野半影為80%與20% OAR之間的距離。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)PDD和OAR曲線分別在最大點(diǎn)和中心點(diǎn)處進(jìn)行歸一。對(duì)比分析兩臺(tái)加速器PDD曲線的PDD10、PDD20，以及OAR曲線的平坦度、對(duì)稱性、射野大小、半影等。同時(shí)，采用VBA編寫一維Gamma分析[4]程序，進(jìn)一步分析uRT-linac 506c加速器PDD、OAR曲線與Varian加速器的差異。

2 結(jié)果

2.1 射野PDD曲線比較

uRT-linac 506c 和 Varian IX 加速器的 3 cm ×3 cm，5 cm×5 cm，10 cm ×10 cm， 20 cm × 20 cm，30 cm × 30 cm射野的 PDD10及 PDD20，見(jiàn)表1。對(duì)于10 cm×10 cm 射野，兩加速器Dmax分別是15.36 mm和14.69 mm，PDD20/10的值分別是0.580和0.573。

同時(shí)，將506c PDD曲線與IX進(jìn)行一維Gamma分析，分析標(biāo)準(zhǔn)為1 mm/1%。Gamma通過(guò)率為99.80%±0.36%。506c和 IX 10 cm ×10 cm 射野的 PDD 曲線對(duì)比及 Gamma分析，見(jiàn)圖1。

2.2 射野OAR曲線比較

各射野平坦度F≤6%，對(duì)稱性S＜103%。加速器的野寬誤差均＜1 mm，506c的半影比IX大（0.60±0.24）mm（表2）。

表1 加速器PDD對(duì)比分析

圖1 Varian IX與聯(lián)影506c 10 cm ×10 cm射野百分深度劑量曲線對(duì)比分析

表2 水下10 cm 離軸比曲線分析

506c與IX加速器OAR曲線重合性較好（圖2）。對(duì)采集的OAR曲線進(jìn)行 1 mm/1% Gamma分析，Threshold為20%（即半影區(qū)和照射區(qū)），506c相對(duì)于IX的Gamma通過(guò)率為（97.60%±3.40%）。

圖2 Varian IX與聯(lián)影506c 3～30 cm2射野水下10 cm OAR曲線

3 討論

隨著中國(guó)自主創(chuàng)新力量的崛起，國(guó)產(chǎn)醫(yī)用直線加速器在加速器核心部件的研發(fā)與生產(chǎn)方面取得了成功，且主機(jī)部件并不遜于進(jìn)口加速器，問(wèn)題在于品牌以及加速器數(shù)字化輔助配套與主機(jī)的整合上[3,5]。國(guó)產(chǎn)聯(lián)影uRT-linac 506c實(shí)現(xiàn)了linac與CT一體化融合，其首創(chuàng)同軸同床技術(shù)，以診斷級(jí)CT進(jìn)行精準(zhǔn)模擬定位、高清影像引導(dǎo)，可產(chǎn)生均整和非均整X射線，并且能夠執(zhí)行常規(guī)、適形、IMRT、uARC等多種放射治療技術(shù)。

本研究對(duì)聯(lián)影uRT-linac 506c和Varian IX加速器的射野劑量學(xué)特性進(jìn)行了分析。PDD結(jié)果表明，兩者射線質(zhì)差別較小，但506c略高于IX，10 cm×10 cm 射野PDD20/10比IX高1.22%，同時(shí)，兩加速器射野中心軸上的PDD Gamma分析結(jié)果較好，也反映出兩者的輸出射線能譜分布相似。從圖2可以看出，對(duì)于大于10 cm×10 cm的射野，506c在射野外較低，說(shuō)明其機(jī)頭的漏射線更少[6]。不同射野形成方式對(duì)射野中心軸上的PDD影響較小[7-8]，但由其引起的射野半影的變化具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[9]，同時(shí)，有研究者指出，不同測(cè)量方式對(duì)半影結(jié)果有一定影響[10]。半影成因分析如圖3所示[11]，其中左邊展示了幾何半影，右邊是穿射半影。由圖3可知，準(zhǔn)直器中心面距離源越近，在等中心平面形成的半影將越大。uRT-linac 506c加速器采用與Varian加速器相似的三級(jí)準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)，即由上葉準(zhǔn)直器、下葉準(zhǔn)直器和MLC組成的準(zhǔn)直器系統(tǒng)，而506c的準(zhǔn)直器中心平面與源的距離較Varian加速器更近（圖4）。由表2可知，兩加速器的in plane方向半影，較cross plane大，這是由于射野的 in plane方向邊界由 upper jaw 形成，而 upper jaw 距源更近，形成的半影較cross plane大。506c加速器的這種設(shè)計(jì)考慮了多種治療情況的優(yōu)化，對(duì)機(jī)頭內(nèi)的空間進(jìn)行了充分的利用和壓縮，因而每一級(jí)準(zhǔn)直器都較Varian高一些，這樣既通過(guò)雙層Jaw設(shè)計(jì)降低了MLC葉片的片間漏射，同時(shí)也保證了充裕的擺位空間，降低了治療中患者碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 半影成因分析的示意圖

圖4 uRT-linac 506c和Varian加速器機(jī)頭結(jié)構(gòu)對(duì)比

本研究中應(yīng)用的一維Gamma分析定量評(píng)估兩臺(tái)加速器PDD和OAR曲線差異的方法，也可用于不同加速器間的射束匹配[12-13]或評(píng)估同一臺(tái)加速器不同時(shí)期輻射性能的變化。

X射線能譜不僅依賴于加速電子的能量，還與加速方式、射束偏轉(zhuǎn)、準(zhǔn)直器系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及X射線靶特性等因素有關(guān)，因此，相同標(biāo)稱能量的加速器，其劑量學(xué)特性也必然存在一定的差異[14-15]，應(yīng)在臨床應(yīng)用驗(yàn)收及調(diào)試過(guò)程中予以特別關(guān)注。本研究中的國(guó)產(chǎn)聯(lián)影直線加速器與Varian直線加速器光子束射野劑量學(xué)特性相近，PDD及OAR劑量曲線匹配結(jié)果較好；且其精度不輸于進(jìn)口設(shè)備，性價(jià)比更高，獨(dú)有的診斷級(jí)高清圖像引導(dǎo)放療較大地提升了國(guó)產(chǎn)加速器的放療精度及效率。