医科达Synergy-S加速器多叶准直器剂量学研究

李 军　张西志*　张先稳　桂龙刚　孙新臣　李金凯

多叶准直器(multi-leaf collimator，MLC)作为医用直线加速器的重要装置，现已广泛应用于适形及调强放射治疗，以及旋转容积调强放射治疗中。MLC主要用于替代原有的铅挡块，形成不规则射野，并且在照射过程中可以利用计算机控制叶片运动，实现静态或动态MLC的调节，以便顺利的进行调强放射治疗。

目前，MLC已逐渐成为医用电子直线加速器的标准配置。深入了解和正确掌握MLC的机械和剂量学特性是肿瘤放射物理的基本任务[1]。调强放射治疗技术中，对于复杂的靶区使得加速器单次照射的机器跳数可能高达1000 MU，准直器以及叶片之间形成的漏射线和透射线对靶区和正常组织影响很大，需要定量测量分析。为此，本研究采用PTW UNIDOS剂量仪和MP3三维水箱，分别在水中、空气中以及RW3固体水模中测量Synergy-S加速器内置的BeamModulator型MLC不同能量X射线的漏射及透射剂量。

1　材料与方法

1.1　仪器设备

采用剂量仪及0.125 cc指形电离室、0.6 cc指形电离室(德国PTW公司)，MP3三维水箱及RW3固体水模(德国PTW公司)，Synergy-S医用电子直线加速器(瑞典医科达公司)。

1.2　BeamModulator型MLC

Synergy-S医用电子直线加速器BeamModulator型MLC有40对叶片，每个叶片在等中心平面的投影为4 mm，最大照射野为16 cm×21 cm。叶片采用弧形端面设计，运动方向沿加速器的X轴方向。叶片厚度7.5 cm，由高密度的钨合金制作而成。相对叶片可以完全闭合，也可以完全对插，为了减小摩擦，相邻叶片间存在一定的间隙，每个叶片靠对应的电机驱动。

1.3　MLC叶片的透射

(1)结构特点。MLC由于其结构特点，叶片间存在3种射线穿透方式：即叶片内透射、相邻叶片间的漏射和相对叶片闭合时端面间漏射。剂量测量方法及规范均参考美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)的TG277、TG51和AAPM72报告等。

(2)测量方法。测量漏射及透射线方法：源到探测器的距离(source to detector distance，为SDD)＝150 cm，照射野16 cm×21 cm，在空气中将0.125 cc电离室与PTW UNIDOS剂量仪连接，当叶片全部开启时照射500 MU，分别测量6 MV、10 MV和18 MV的X射线的读数作为参考值。然后叶片完全闭合，调整电离室的位置，使0.125 cc电离室的灵敏体积分别位于叶片内和相邻叶片间，方向与叶片运动方向相同；最后使0.125 cc电离室的灵敏体积位于相对叶片闭合的端面间，方向与叶片运动方向垂直。控制台预置照射500 MU，分别测量6 MV、10 MV以及18 MV的X射线的读数，重复测量3次，取平均值[2]。

1.4　机架角度的变化

MLC透射随机架角度(gantry angle，GA)的变化。首先设置GA和准直器为0°，MLC叶片完全闭合。三维水箱排空水在空气中控制探头运动，用0.6 cc电离室在等中心平面扫描各能量的离轴比曲线；将0.125 cc电离室接回到PTW MP3水箱上，参考电离室放在照射野内的对角线上。当所有叶片都闭合时，在枪靶GT方向扫描相邻叶片间的透射曲线，在左右AB方向扫描得到相对叶片端面的漏射剂量曲线。然后将机架和准直器设置为270°和90°，水箱侧向放置在加速器治疗床上，同上方法垂直扫描离轴比曲线及漏射、透射曲线。分析不同情况下的漏射及透射剂量。1.5 MLC的漏射

加速器GA和准直器角度为0°，照射野10.4 cm×9.6 cm，源皮距为200 cm，RW3固体水模体中用0.6 cc电离室测量，测量深度为最大剂量深度。加速器出束照射500 MU，记录剂量仪读数，作为参考值。然后关闭照射野，测量深度1 cm，在距离照射野中心50 cm和100 cm处分别测量照射500 MU时的剂量仪读数。

2　结果

2.1　叶片透射

叶片内透射随能量的增加而增加，均在1%左右；3档能量相邻叶片间的透射均在2%左右，叶片端面因是弧形，故闭合时透射率较大，在25%～30%之间。3档能量中10 MV的X射线的透射率相对较高。机架和准直器均为0°和机架和准直器分别为270°和90°两种情况下，3档能量X射线的MLC透射率见表1。

在空气中用三维水箱垂直于叶片运动方向扫描得到的相邻叶片间透射数据。该透射数据用0.6 cc电离室在等中心测量，所有数据归一到最大照射野时的结果，并显示能量对叶片间透射稍有影响。10 MV和18 MV透射率相对6 MV稍高，主要是因为射线质不同，射线穿透能力和散射本领所造成(如图1所示)。

图1　等中心平面相邻叶片间漏射示图

将所有叶片置于中心点位置，在空气中用三维水箱扫描得到的叶片端面漏射数据。图中漏射数据用0.6 cc电离室在等中心测量，所有数据归一到最大照射野时的结果，可以看出，剂量归一后能量对叶片端面漏射剂量影响有限(如图2所示)。

表1　不同能量X射线在等中心处的3种MLC透射率(%)

图2　叶片端面透射随射线能量的变化示图

2.2　GA对透射及漏射的影响

由于重力作用有可能导致叶片下垂与松弛，可能增加漏射剂量。如叶片透射(表1)中测量结果显示，当机架角为270°、准直器为90°时，相对机架和准直器均为0°的漏射稍有增加，但增加值均有限，表明重力的影响对叶片间漏射和运动影响较小。

2.3　准直器偏轴距离的透射

偏轴方向两测量点透射剂量的测量。将0.6 cc电离室在偏轴方向两测量点50 cm和100 cm处测量，然后与中心处的测量值进行比较。比较结果显示，两测量点透射率很低且有随离轴距离越远，漏射呈降低趋势，与射线能量关系较小，见表2。

表2　准直器偏轴距离的透射率(%)

3　讨论

MLC的漏射及透射剂量与加速器的设计、射线能量密切相关，是加速器验收和常规质量保证与控制的重要内容。随着调强放射治疗以及旋转弧形调强放射治疗技术的应用，由于使用子野或野中野技术，单次照射的机器输出跳数很高，MLC的漏射及透射要求越来越高。同时，要根据不同的MLC型号区别对待，叶片端面的漏射剂量比较大，尤其对为防止叶片碰撞叶片端面留有5 mm左右间隙的MLC，治疗计划设计时要优化准直器的角度，防止射线通过叶片端面直接照在患者的重要组织或器官上，产生严重的辐射损伤。由于BeamModulator型MLC无后备的铅门，作为独立的准直器使用，因此更要注意对重要组织或器官的保护。

由于MLC叶片的宽度直接决定了MLC所组成的不规则射野与计划靶区(planning target volume，PTV)形状的几何适形度，叶片越薄，适形度越好，但加工也较困难，驱动电机等机构越多且复杂，造价相应提高，因此必须在适形度和造价之间作合理的选择。MLC叶片的高度必须能将原射线的辐射强度削弱到5%以下，即至少需4～5个半值厚度。由于需保持叶片间低阻力的相对动态移动，叶片间常有一些漏射线，会降低叶片对原射线的屏蔽效果，叶片高度需适当加厚，一般≥5 cm厚的钨合金。如果将透射线剂量降至2%以下，通常需7.5 cm的钨合金厚度。

临床应用中要求每个叶片独立运动灵活，摩擦力小，相邻叶片之间不能挤靠太紧，但贴得太松又容易引起射线泄露。为解决这一矛盾，可将每个叶片加工成一面带凹槽，另一面带凸榫，使相邻两片之间以槽榫凹凸迭合，这种槽榫凹凸结合既不必太紧，也不必太深，利用射线只能直线传播的特点获得很好的防透漏射效果[3]。BeamModulator型MLC的透射率可确保＜2%，治疗或后备准直器的自动跟随是为了屏蔽相对叶片和相邻叶片之间的泄漏射线[4-5]。

MLC的测试应建立在常规放射治疗设备的质量控制基础上，因而在做MLC质量控制测量之前首先要保证加速器其他的参数应准确。如加速器的机架、准直器到位精度、准直器的等中心精度以及灯光野和射野的一致性等。叶片端面弧形设计致使端面间透射线较高，而在动态调强计划设计时，端面闭合常出现在射野内，这就更应该重视透射线对剂量精度的影响[6-7]。叶片运动过程中到位精度如有误差，如闭合不严会增加透射量，因此应加强对MLC叶片的保养和检测工作。MLC透射随GA变化无明显改变，但因其叶片间漏射线的存在，在优化放射治疗计划时还应根据情况转动准直器利用钨门再次遮挡重要危及器官，最大限度地降低辐照风险，减少对重要组织或器官的损伤。

Wiezorek等[8]研究了漏射线对晶体受照剂量的影响，而Losasso[6]和Liu等[7]研究发现，MLC的透射率约为1.5%，与本研究结果相近。因此，在治疗计划参数设置时对漏射和透射剂量进行研究是必须考虑的。进一步研究显示照射野越大，MLC的漏射剂量也随之增加，对紧邻靶区的重要危机器官产生的剂量影响也越大。由于MLC叶片间有空隙及叶片宽度的影响，叶片两端面之间、叶片与叶片之间的漏射不可避免，测量出的漏射因子在治疗计划时须充分考虑。

调强放射治疗已经成为治疗肿瘤的重要手段，在基于MLC的调强放射治疗中，MLC的重力、惯性等原因引起的位置误差会导致剂量误差。Luo等[9]研究了在前列腺调强放射治疗中的MLC因重力等原因引起的位置误差导致的剂量学效应关系，发现了靶区剂量误差与平均MLC到位误差的相互关系，如果叶片位置扩大0.2 mm，靶区剂量就会改变1%。而对于动态MLC的调强放射治疗，Zygmanski等[10]报道，MLC叶片误差约为0.05 cm；Woo等[11]发现，当用电离室测量射野边缘时，如果叶片位置不精确时会造成13%的剂量误差；Sharpe等[12]报道，当子野为1 cm×1 cm时，如果MLC叶片位置误差为2 mm，吸收剂量就会相差16%，误差为1 mm时则相差8%。

通过本研究的分析可知，加速器不同GA对MLC叶片的影响会导致剂量的偏差，由于重力的存在其对剂量的影响存在不确定性。当加速器GA为0°时，MLC叶片运动方向始终与重力方向垂直，这时MLC叶片引起的剂量误差最小，因此，为了减少MLC叶片对放射治疗剂量的影响，定期对MLC叶片进行维护和保养则非常必要。

[1]Boyer P，Biggs J，Galvin E，et al.Basic application of multileaf collimators[R].American Association of Physicists in Medicine by Medical Physics(AAPM Report 72)，2001.

[2]李军，张西志，谭飞.高能X射线和电子束吸收剂量的测量与计算[J].中国医学物理学杂志，2008，25(2)：564-566.

[3]LoSasso T，Chui CS，Kutcher GJ，et al.The use of a multi-leaf collimator for conformal radiotherapy of carcinomas of the prostate and nasopharynx[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，1993，25(2)：161-170.

[4]Palta JR，Yeung DK，Frouhar V.Dosimetric considerations for a multileaf collimator system[J].Med Phys，1996，23(7)：1219-1224.

[5]Patel I，Glendinning AG，Kirby MC.Dosimetric characteristics of the Elekta Beam Modulator[J].Phys Med Biol，2005，50(23)：5479-5492.

[6]Losasso T.IMRT delivery performance with a varian multileaf collimator[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2008，71(1 Suppl)：S85-S88.

[7]Liu C，Simon TA，Fox C，et al.Multileaf collimator characteristicsand reliability requirements for IMRT Elekta system[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2008，71(1 Suppl)：S89-92.

[8]Wiezorek T，Banz N，Schwedas M，et al.Dosimetric quality assurance for intensitymodulated radiotherapy feasibility study for a filmless approach[J]. Strahlenther Onkol，2005，181(7)：468-474.

[9]Luo W，Li J，Price RA Jr，et al.Monte Carlo based IMRT dose verfication using MLC log files and R/V outputs[J].Med Phy，2006，33(7)：2557-2564.

[10]Zygmanski P，Kung JH，Jiang SB，et al.Dependence of fluence errors in dynamic IMRT on leaf-positional errors varying with time and leaf number[J].Med Phy，2003，30(10)：2736-2749.

[11]Woo MK，Nico A.Impact of multileaf collimator leaf positioning accuracy on intensity modulation radiation therapy quality assurance ion chamber measurements[J].Med Phy，2005，32(5)：1440-1445.

[12]Sharpe MB，Miller BM，Yan D，et al.Monitor unit settings for intensity modulated beams delivered using a step-and-shoot approach[J].Med Phy，2000，27(12)：2719-2725.