医用电子直线加速器快速日检方法研究

陈元华，李娟，胡伟刚，韩序，张海英，吴志强复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心，上海市，200032

0 引言

调强放疗（IMRT）已成标准治疗模式，容积调强放疗（VMAT）也越来越流行，高效的加速器日检是这些调制强度较高、通量复杂的治疗技术顺利实施的安全保证[1-2]。美国医学物理学家协会40号报告[3]和142号报告[4]对加速器不同频度的质控（QA）有非常详细的指导。其中日检内容包括对输出一致性、激光位置、光距尺和准直器尺寸指示器的监测。然而，鉴于国内各放疗中心的加速器使用负荷较重，机器出现故障的概率更高，有必要将更多关键剂量学参数增加到日检项目中，加强放疗安全保障。

已有研究探索了EPID的剂量特征以及将它用作QA工具的可行性[5-8]。EPID具有很高的空间分辨率和足够的对比分辨率，很适合用于加速器QA[9-15]。本工作的目的就是建立简单的流程和高效的软件工具，运用EPID来对更多的加速器剂量学项目进行日常监测。

1 材料与方法

1.1 EPID和成像软件

在本工作中，测量对象为配备aS1000 EPID影像板的瓦里安加速器。通过portal dosimetry解决方案进行影像采集，该方案设计的初衷是用于IMRT和VMAT(或RapidArc)计划的验证[16-20]。aS1000成像仪平板探测器的像素矩阵为1 024×768，像素间距为0.392 mm，有效成像面积为30.1 cm×40.1 cm 。成像仪可以放置在距离射线源点97.5 cm到180 cm之间的任何位置。所有EPID的dark field和flood field修正和计量校准均依照瓦里安的推荐定期执行，并将源到成像仪的距离（SID）为100 cm条件下100跳（MU）刻度为一个校准单位（CU）。

1.2 射野序列和模体

用于获取影像的计划由EclipseTM治疗计划系统设计，并通过ARIA®肿瘤信息管理系统执行。为使QA活动简便且自动化，本研究刻意使用简化的配置来获取图像：所有射野的SID均设置为100 cm，机架角度和准直器角度均置于0度。一个跳数为100 MU的20 cm×20 cm居中野用于获取计算平坦度和对称性的图像。八个跳数分别为3，5，10，20，50，100，200，和300 MU，开口均为4 cm × 4 cm 的射野用以获取计算加速器剂量线性的图像。将两个体积为10 cm × 10 cm × 5 cm和10 cm × 10 cm × 10 cm的方形PMMA 模体分别置于两个20 cm × 20 cm的射野中心位置各照射100 MU，用以获取计算射线能量输出因子的影像。所设计的QA流程如图1所示。

图1 基于EPID的QA流程Fig.1 EPID-based QA process

1.3 分析软件

图像分析采用自制的基于Matlab (R2015b)的图像处理软件。该软件可自动搜索文件目录，检索特定机器上所采集的图像，然后执行分析并按照日期显示结果。通过的QA项目字体会显示为黑色，未通过的项目会警示为红色。用户可以在软件菜单栏上点击不同QA项目对应的按钮来显示其计算结果。每个项目的输出结果都会写入Excel表格，用于机器性能长期稳定性的趋势分析。

理论上，平坦度（Flat）和对称性（Symm）应该由图像x、y两个主轴上的一列像素的像素值曲线来计算，但为了降低统计误差，实践中用主轴两侧10列像素的平均值来进行计算。平坦度和对称性分别定义为以均值为中心的波动和沿曲线的点偏差，分别用以下公式计算：

其中Dmax和Dmin是曲线上射野中心80%范围内的最大和最小CU值。Lpt和Rpt是曲线上射野中心80%范围内离中心点距离相等的两点的CU值，Dctrl是中心点的CU值。

加速器剂量线性用4 cm×4 cm 射野产生的8幅独立影像来计算。取射野正中心36%面积内CU的平均值，进行线性拟合绘图，软件可以显示并保存拟合曲线和拟合参数。输出稳定性因子通过在射野正中放置不同厚度的模体所产生的两幅图像来计算，模体的几何尺寸前文已经提及。计算时提取两幅图像中占据面积正中36%区域的CU平均值，记为CU5cm和CU10cm，将CU10cm和CU5cm的比值作为射束能量稳定性因子。

2 结果

使用EPID测量得到的射野平坦度和对称性与SUN NUCLEAR ProfilerTM2 测量结果的比较如表1所示。SUN NUCLEAR ProfilerTM2的测量结果几乎在六个月时间内几乎保持不变，而EPID能够有效检测出平坦度和对称性的微小波动。

在相同的研究时段内，能量稳定性因子同时采用电离室（IC）和EPID测量，就稳定性和长期一致性而言，两种方式的测量结果符合很好。相关数据比较如表2所示，表中两组数据均以第一个月的数据进行归一化。由于测量条件不同，IC测得的能量输出因子绝对数值（0.755）与EPID的测量结果（0.818）明显不同。然而，两种测量工具均可有效监测射束能量的变化。数据显示稳定性偏差在0.8 %以内。

表3详细地显示了IC设备与EPID得出的加速器计量线性的偏差（相对于100 MU）。两种测量手段的有效性处于相同水平，但是EPID在低至3 MU时仍然具有很高的灵敏性和可靠性，具有更好的响应范围。由于MU太少，IC收集到的电荷信号很弱，读数统计波动较大，实践中IC不在该条件下实施测量。

表1 连续六个月使用profiler 和 EPID 对平坦度和对称性的测量结果比较Tab.1 The Flat and Symm measured by profiler and EPID-base in continuous 6 months

3 讨论与结论

本研究设计了一个利用EPID执行加速器日检的软件工具和操作流程。可同时检测多项临床最为关切的QA项目，包括射野平坦度与对称性，射束输出稳定性因子，和加速器剂量线性。表1显示了EPID与profilerTM2二者测量结果的对比，由于profilerTM2 的分辨率为4 mm，而EPID的分辨率为0.392 mm且灵敏度更高，所以EPID对平坦度和对称性的微小波动更敏感。表3为EPID与IC两者在不同MU下测量结果的对比，在MU数较小时（3 MU和5 MU），由于IC接收到的累计电荷信号很小，剂量仪度数的波动变大，以致实际的加速器MU线性虽然很稳定，但最终根据IC测量结果计算出的MU线性的偏差却超出预设容差（一般为2 %），所以临床实践中IC不在3 MU条件下测量。而EPID在3 MU条件下仍具有很好的响应，测量范围更宽。综合表1、表2和表3来看本工具的性能与常用商业QA工具相当，但在微小变化和极限测量条件下，EPID具有更好的表现。简而言之，基于EPID的日检工具操作简便并且可以在很短时间内完成多项主要项目检测，非常符合那些没有足够QA设备预算，或者机器负荷很高的放疗中心的现实需求。

本研究所设计的日检工具具有如下优点：首先，本工具仅用到两个简单的PMMA方块模体，可以克服复杂模体引入的系统误差，模体的工程加工精度对测量结果几乎没有影响；第二，PMMA方块模体价格便宜，容易获取，并且不需要复杂的维护；第三，由于模体非常简单，基本不用担心不易察觉的操作错误，因而它更易被那些没有意愿购置昂贵QA设备，和没有把握使用复杂QA设备的放疗中心所接受。

由于不同测量设备的剂量响应和灵敏度不同，导致相同测量项目的数值结果不同。由于临床中关注的焦点是被测项目相对于自身的基线是否长期处于预设容差之内，所以无论何种设备，只要保证设备可靠有效即可进行相关测量。然而，在将基于EPID的日检工具用于临床之前，需要进行仔细调试，并建立基准值和行动阈值。

由于模体直接放置在影像板上，所以应尺寸合宜，重量合理，以免对影像板造成不良影响甚至是损坏。在本研究中，大部分影像采集均不使用模体，仅仅在计算射线能量输出时，使用两个体积分别为10 cm × 10 cm × 5 cm和10 cm × 10 cm × 10 cm 的PMMA 模体。为了降低散射不平衡的影响，射野设计为20 cm × 20 cm 但只提取射野正中36 % 的区域内的数据进行计算。

本研究设计的基于EPID的QA工具完成6 MV射线的射野平坦度和对称性、射束能量输出因子、加速器剂量线性的测量大约用时12 min。可以降低QA设备成本，简化QA流程，摆脱对第三方QA设备的依赖。其经济性、有效性、易用性使得它不仅可以在大型放疗中心使用更适合在条件很差的放疗科室使用。