動態多葉光柵準直器的技術現狀及發展趨勢

郭召

西安大醫集團股份有限公司 研發中心，陜西 西安 710000

引言

據世界衛生組織《2018年全球癌癥統計數據報告》統計，癌癥的發病率有逐年增高的趨勢，尤其是在發展中國家，全球癌癥負擔進一步加重，治愈癌癥是人類需要面對的巨大挑戰。放射治療無創傷，副作用小，術后恢復快，隨著其精準度的不斷提高，越來越受到重視，據統計約70%的癌癥患者在治療期間會采用放射治療，提高放射治療精準度對癌癥的治愈具有重要意義[1-2]。高性能醫用直線加速器是開展放射治療的關鍵裝備，動態多葉光柵準直器（Dynamic Multi-Leaf Collimator，DMLC）是其開展精準放射治療，實施適形及調強治療，提高治療效果的關鍵核心器件[3]。研究開發高性能動態多葉光柵是實現精準適形及調強治療的基礎，對提高放射治療精準度具有重大意義。國外研究起步早，技術積淀深厚，近些年新產品新技術迭代迅速；國內研究起步晚，市場需求大，高端產品嚴重依賴進口，急需對高性能多葉光柵準直器進行技術攻關，掌握核心技術，提高國產醫用直線加速器的整體性能及競爭力。文中對多葉光柵的發展歷程及技術現狀進行了分析，對研制高性能多葉光柵應掌握的關鍵技術進行了總結討論，對未來的發展方向進行了展望。

1 多葉光柵準直器的發展歷程

通常，腫瘤組織相比正常組織對射線更加敏感，輻射受損后修復能力弱。放射治療正是利用這一生物學特性，通過多次照射，逐漸的殺滅腫瘤組織而保存正常組織。在放射治療實施過程中要將劑量盡可能的投射到靶區，同時最大程度的保護周圍正常組織。早期的放射治療通過獨立光闌或鎢門進行射野遮擋保護患者正常組織，所形成的射野為矩形，而腫瘤形狀不規則，這種照射方式對周圍正常組織的損傷較大。適形治療是一種提高治療增益的有效的物理措施，早期的適形策略是臨床醫師用低熔點鉛制成鉛擋塊如圖1所示。適形鉛擋塊安裝在加速器治療頭前端，用于對射線束形，使射野形狀與患者腫瘤靶區在照射方向上形狀適配。

圖1 低熔點適形鉛擋塊

制作鉛擋塊時會產生粉塵，氣體等有害物質，對操作醫師健康有危害。鉛擋塊制作周期長，影響患者及時接受治療。鉛擋塊安裝在治療頭前端，自重大，安裝操作不便，并且定位精度差。為解決上述問題，70～80年代發展了一種手動多葉光柵（圖2），通過手動移動葉片在箱體內到達要求位置后鎖定，由葉片端面包絡出所需射野形狀。手動多葉光柵每一次調整形成一個照射野，僅能用于靜態適形治療。考慮葉片的滑落問題，每次對葉片位置調整需要將機頭置于水平狀態，術中調整時間長，調整的射野形狀難以驗證，精度及可靠性較差。

圖2 手動多葉光柵

隨著技術的進步，尤其是精密機械設計制造、自動化控制、電子技術及運動算法的發展，90年代，DMLC誕生。動態多葉光柵通過微型直流電機推動單個葉片往復運動，葉片相互獨立運動，通過計算機控制，共同協作包絡出所需射野形狀。如圖3所示，動態多葉光柵有內置式和外掛式兩大類，內置式直接集成在加速器的射野成形系統中，通?？稍诘戎行奶幮纬?00 mm×400 mm的標準方野。外掛式作為附件安裝在加速器機頭前端使用，通常形成≤200 mm×200 mm照射野；在動態多葉光柵誕生初期，外掛式發展迅速，主要用于彌補早期醫用直線加速器只能開展普通放療，精度不足的問題[4-9]。新一代高性能醫用直線加速器則重點發展內置多葉光柵，將其作為核心競爭力，以提升整機性能。

圖3 內置式和外置式動態多葉光柵

多葉光柵是隨著適形治療技術的發展而產生的，其性能的不斷提高又促進了放射治療技術的進步，產生了調強治療、容積調強和調強適形治療等先進治療技術。多葉光柵已成為現代醫用直線加速器開展精準放射治療的必備關鍵器件。

2 DMLC國內外技術發展概況

2.1 國外技術發展概況

國外的多葉光柵生產廠家以主機廠自主研發為主，主要有Varian、Elekta、Tomo、GE、Philips、Siemens等，其中GE、Philips、Siemens已陸續售賣或者終止了放療產品，Tomo多葉光柵為二進制式。主流MLC的技術引領者是Varian、Elekta，而德國BrainLab提供獨立的外掛式多葉光柵[9]，也有一定的市場份額。

Varian主流的MLC有兩種：Mil lennium MLC和HD 120 MLC。其中Millennium MLC 有40對葉片和60對葉片兩種規格，其中配套應用較多的是Millennium MLC 120。Millennium MLC 120和HD 120 MLC的葉片排布對比如圖4所示，HD 120 MLC有60對葉片，在等中心形成的最大射野為220 mm×400 mm，中間排布葉片薄，等中心平面處投影寬度5 mm，兩側葉片厚，等中心處投影寬度10 mm。Millennium MLC 120有葉片60對，在等中心形成的最大射野為400 mm×400 mm，中間薄葉 片40對，等中心處投影寬度5 mm，兩側厚葉片20對，等中心處投影寬度10 mm。Varian最新產品Halcyon采用了雙層MLC設計，最大射野280 mm×280 mm，結構更加緊湊，葉間平均漏射率＜0.01%，相比Millennium MLC和HD 120 MLC大幅降低[10-16]。

圖4 Millennium MLC 120和HD 120 MLC葉片對比

Eleketa研制了多款多葉光柵準直器，主流的是MLCi/MLCi2、Agility 160 MLC 及 Apex。 其 中 MLCi/MLCi2有葉片80片，葉片在等中心處投影寬度10 mm；Agility 160 MLC有葉片160片，在等中心處投影寬度5 mm；Apex為一款外置式多葉光柵準直器，有葉片112片，葉片為雙聚焦形式，在等中心處投影寬度2.45 mm[17-19]。

圖5 Agility 160多葉光柵

德國BrainLab供應的多葉光柵準直器為獨立外掛式，通常作為附件安裝在加速器治療頭前端。如圖6所示，一款BrainLAM M3微型多葉光柵，最大射野100 mm×100 mm，葉片在等中心處的投影寬度為3 mm。

2.2 國內技術發展概況

國內醫用直線加速器研發始于70年代，到八九十年代已經形成了一批優秀的產品，可以向市場提供小批量產品。但隨著90年代精準放射治療時代的到來，進口產品紛紛開始配置多葉光柵以提高治療精準度，國內對多葉光柵的研發相對滯后，普通放療產品市場大幅萎縮，國內醫用直線加速器市場幾乎被國外品牌壟斷。近十年，國內開始對新一代放療產品研制。對多葉光柵的研制取得了一定的成果。

圖6 BrainLAM M3微型多葉光柵

本單位研制的TaiChi-120多葉光柵配套在自主研發的TaiChi多模式引導立體定向與旋轉調強一體化放射治療系統中，該項目得到國家十三五重點研發計劃支持，目前已經獲得FDA認證。TaiChi-120MLC有60對葉片，在等中心處最大射野400 mm×400 mm。中間薄葉片40對，等中心投影寬度5 mm，兩側厚葉片20對，等中心投影寬度10 mm，見圖7。

圖7 TaiChi-120MLC

上海聯影研制的多葉光柵準直器有60對葉片，中間薄葉片20對，等中心投影寬度5 mm，兩側厚葉片40對，等中心投影寬度10 mm。配套在其uRT-Lina c506c型醫用直線加速器中。廣州中能研制的多葉光柵準直器配套其SPACO CM X6和SPACO OMX6i兩款加速器使用。新華醫療和深圳興豪然科技聯合開發的多葉光柵準直器有MLC56和MLC80兩種規格，分別有28對和40對葉片組成，配套在XHA600D和XHA1000D兩款放療設備中[19]。上海拓能開發了外置式動態多葉光柵，有VENUS DMLC E型和M型兩種規格，有27對葉片，最薄葉片1.85 mm，E型最大射野182 mm，M型最大射野300 mm。江蘇雷泰主要研制外掛式MLC，TiGRT MLC-CC型有51對葉片，葉 片厚度2 mm，射野100 mm×100 mm。MLC-H型有51對葉片，葉片厚度1.63 mm，射野300 mm×300 mm[20]。

2.3 國內外多葉光柵技術性能對比

對國內外主要DMLC主要技術性能進行匯總[21-27]，具體技術參數對比，見表1。國內外對動態多葉光柵的研發以醫用直線加速器主機廠為主，總體的發展方向是提高射野邊沿適形度、降低葉間漏射率、提高葉片運行速度。

3 DMLC的關鍵技術

多葉光柵準直器是集光、機、電、軟及放射核物理等學科于一體的精密電子機械裝置。研制滿足臨床需求的高性能多葉光柵準直器需要掌握以下關鍵技術。

3.1 架構設計

多葉光柵準直器核心功能是在等中心處形成所需照射野，在照射過程中實現射線遮擋及劑量調節，具有很強的劑量學特征。需要對光路、劑量、輻射屏蔽、微電子控制系統、精密機械有深入研究，深刻理解多葉光柵準直器在整個射野成形系統中的作用，從系統架構角度把握射線束的形成過程。需要對點光源和面光源的差異進行分析，規劃光源起點至等中心照射面整體路徑上射線的路徑。對光野、射野及劑量分布區域之間的差異進行辨識。對臨床的使用、QA及維護過程有深入了解及切身體會。在此基礎上開展架構設計，以實現臨床上的功能需求及工程上的可制造可維護性。

3.2 葉片形狀設計

葉片是多葉光柵的基本組成單元。葉片的基本組成要素如圖8所示。葉片寬度是指垂直于射線穿透方向和運動方向的物理寬度，葉片長度為平行于葉片運動方向的物理長度，葉片高度是指沿著射線穿透方向的葉片頂面和底面之間的物理高度。葉片寬度在等中心平面處的寬度指射線穿過葉片在等中心平面處的投影寬度，是由葉片寬度和其距射線源靶點的距離共同決定的，同等寬度的葉片，距離靶點越近，在等中心平面處的投影寬度越寬。葉片的投影寬度決定了射野邊緣與患者靶區的適形程度。葉片端部形狀決定了葉片運行到不同位置時射野邊緣的半影大小。為了減小半影大小，保證不同射野邊緣的半影一致，新一代的單聚焦葉片端部設計為圓弧形，使葉片在不同位置端部始終和射線相切。

表1 國內外主要DMLC性能對比

3.3 葉片及箱體的公差設計及精密加工

葉片是多葉光柵的基本組成單元，要求運動靈活，定位準確。數十對葉片安裝在同一個箱體中，葉片之間需要保留一定間隙，以避免互相剮蹭，造成卡滯，增大運行阻力，同時需要兼顧葉片之間射線漏射問題。這要求葉片和箱體之間進行嚴格的公差分配設計及加工精度控制。

3.4 葉片的驅動及位置檢測

葉片之間的運動有同步性要求，數十對葉片協同運動，共同形成射野，葉片的到位精度影響射野形狀及劑量分布，需要對葉片位置精準控制。目前主流的葉片驅動方式為直流電機（帶精密行星減速機）驅動多頭微型絲桿副帶動葉片在箱體內運動。多葉光柵所用的微型絲桿副長徑比通常大于50，絲桿自身剛度低，葉片運動過程中姿態的穩定性對微型絲桿傳動系統的穩定性影響不容忽視。提高微型絲桿自身傳動性能的主要途徑是控制絲桿加工誤差，重點控制徑向跳動或直線度及牙型的完整性。絲桿徑跳大或直線度差，在回轉過程中偏擺，會加速螺母的磨損，也會引起葉片姿態的不穩定；牙型不完整影響傳動效率，損壞和螺母的配合，導致反向間隙增大，破壞傳動精度。

主流的葉片位置檢測方案有兩種，以Varian為代表的柔性電阻條檢測技術和醫科達的光學成像檢測技術。國內外多葉光柵研究機構也開發了其他的檢測方案，例如光纖檢測、拉繩傳感器檢測等。

3.5 漏透射率的控制

MLC由于自身結構特點，通常存在3種射線穿透方式：葉內透射、相鄰葉片間漏射及相對葉片閉合時端面間漏射。葉內透射通常要求＜1%，相鄰葉間漏射要求＜2%，葉片端面為防止碰撞留有間隙，漏射通常在25%～30%。影響葉內透射率的主要因素是葉片材質鎢合金的密度及葉片自身高度；相鄰葉片間漏射的控制主要通過阻擋葉片的直接穿透，早期的做法是在葉片上設計榫槽結構，通過相鄰葉片間榫槽的相互嵌套阻擋射線從片間縫隙穿過，這種方式在大量臨床中發現有榫槽效應，不利于治療精度的提高，加之該類葉片的加工難度大，給葉片交指帶來困難，逐漸被放棄。目前主流的方式是通過葉片散焦的方式阻擋射線直接從相鄰葉片間穿過，散焦是指葉片的物理聚焦點與射線靶點偏移一定距離，其對射線的阻擋作用如圖9所示。采用多層葉片排布也是一種降低葉間漏射率的有效方式，通過上下兩層葉片錯位，上層葉片與下層葉片的葉間縫隙對齊，降低了葉間漏射，相比光瀾+單層多葉光柵的傳統方案，漏射率大幅降低，Varian新一代放射治療系統Halcyon配置的“雙子星”雙層多葉光柵葉間平均漏射率＜0.01%，證明了這種方案的優勢。

圖8 多葉光柵葉片結構

圖9 通過散焦方式降低葉間漏射率

相對葉片閉合時，為防止發生碰撞，端部要求存在間隙，因此漏射量大。隨著控制技術的發展，通過對葉片驅動力進行識別及精準控制，實現相對葉片端部的無縫隙接觸可以大幅降低葉片端部的漏射率。

4 DMLC的技術發展趨勢

多葉光柵準直器是隨著適形治療技術的發展而產生的，多葉光柵準直器的臨床應用又促進了放射治療技術的不斷進化，調強放療、容積調強是在配置多葉光柵準直器的醫用直線加速器上發展的新型治療技術，大幅提升了治療精準度。治療技術和多葉光柵準直器呈現相互促進的發展趨勢。

（1）葉片的響應速度更快，定位更加準確，對劑量的調節更加精準可控。張輝等[23]對直線電機直驅技術率先在多葉光柵的葉片驅動中進行了研究應用。

（2）更低的片間漏射率。不再單純依賴相鄰葉片之間的榫槽結構阻擋片間漏射，偏移聚焦、雙層交錯排布逐漸成為趨勢。新型多葉光柵普遍將葉間漏射由3%降至1%，對靶區周圍器官的保護能力進一步提升。

（3）對靶區的高適形度，葉片在等中心處投影寬度更小，對靶區邊沿的適形程度更高，包絡輪廓的鋸齒效應顯著降低。醫科達的Agility MLC160及Varian的HD 120是典型代表，采用了更薄的葉片設計，在等中心處獲得更高的邊緣適形度。Varian的Gemini通過交錯布置的雙層葉片排布，同樣達到了提高射野邊沿適形度的目的。

（4）葉片形狀設計更加精細，以實現更加順暢的運動，更低的半影。最有代表性的是端部輪廓的設計，更加注重端部形狀對光野、射野及劑量分布的影響。

（5）低故障率，高可靠性。通過幾十年的發展，對多葉光柵的故障模式已經有深入了解，在研發階段注重可靠性測試，通過設計手段降低故障的發生，減小臨床使用過程中的故障及停機檢修時間。

（6）更高的運動精度，要求葉片精確到達各自目標位置，包絡出精確的靶區射野形狀，提升適形精度。尤其是大分割單次大劑量照射技術，要求高的成形精度及可靠性。

5 總結

DMLC的本質功能是將所需劑量精準投射到患者治療靶區，同時最大限度的保護周圍正常組織，這些對多葉光柵準直器的適形度，漏射率，半影及動態響應提出了嚴格的要求。隨著放療技術的精準化，常規放療已經難以滿足治療需求，需要高性能的多葉光柵配套開展精確放射治療。國外廠商發展起步早，技術積淀深厚，近些年，每隔3～4年更新一代新產品，隨著醫工交叉研究的深入，逐漸由滿足醫生需求向引導放療技術方向發展。國內起步較晚，但在國家強有力的支撐下，各高校、科研機構，企業等都投入了大量的研究，雖然高端產品仍較多依賴進口，但通過對高性能多葉光柵準直器進行技術攻關，熟練掌握核心技術，有助于提高國產醫用直線加速器的整體性能及競爭力。