利用三维水箱测量的“环形机架”加速器“典型射线数据”验证研究

2021-04-23汪之群杨波张悦于浪陈胤竹王小深张杰王贝李文博胡克张福泉邱杰

中国医疗设备 2021年4期

汪之群，杨波，张悦，于浪，陈胤竹，王小深，张杰，王贝，李文博，胡克，张福泉，邱杰

1. 北京协和医院放疗科，北京 100730；2. 西安大医集团股份有限公司，陕西西安 710016；3. 瓦里安医疗设备(中国)有限公司，北京 100176

引言

Halcyon加速器是瓦里安公司新推出的一台封闭的环形机架加速器，该加速器具有以下一些特点。该加速器只有一档能量（6 MV-FFF），用于治疗和影像采集，2.0版本的加速器有KV-CBCT影像系统，该加速器没有铅门的设计，利用双层叶片的交错来减小束流的传射剂量，该加速器由于机架封闭设计带来的安全性等特点，具有治疗速度快，强制图像引导等特征。由于Halcyon加速器与传统C型臂加速器在设计等方面的区别，因此在验收调试过程中也有所区别[1-2]。本文主要针对Halcyon加速器束流调试中的治疗计划系统模型数据比对的方面。

对于传统的加速器调试方式来讲，验收结束之后应收集加速器基础束流数据，并利用这些测量数据对于加速器的束流模型进行建模来模拟设备束流的输出，通过实测的方式再来验证治疗计划系统中束流模型的准确性。而与传统C型臂加速器有所不同，瓦里安公司对于Halcyon加速器采取在Eclipse v15.6预装典型射线数据[3]（Representative Beam Data，RBD）的方式。瓦里安公司提供的“典型射线数据”是基于数家机构安装的Halcyon加速器的数据取得的平均数据。这样的预装数据模式，省去了物理师进行束流数据采集并建模的过程，但由于预装的内置数据模型并不是针对某一台加速器而是“平均射线数据”，因此在Halcyon加速器在各中心安装结束后，应对该加速器在“典型射线数据”同样的设置下，对于加速器的实际输出（实测数据，MeasData）与RBD与治疗计划系统根据束流模型的计算结果（计算数据，CalcData）三个数据进行比对，确定这三个数据的偏差在可接受的范围内，再对于加速器的束流系统进行后续调试[4-5]。

本研究描述了Halcyon2.0加速器所有预装数据对比的测试方法和结果，所有测试方法均是基于AAPM，IAEA及相关文献推荐的规程进行设计的。

1 材料与方法

本研究所使用的加速器为Varian公司的Halcyon加速器，射线能量为单能6 MV非均整模式X线，剂量率为800 MU/min。Halcyon加速器中的预装典型射线数据主要包括：百分深度剂量曲线（Percentage Depth Dose，PDD），射野离轴比曲线（Profile）以及输出因子（Output Factor，OF）。对上述项目进行验证，测量“MeasData”时，所使用的测量条件和测量项目与预装典型射线数据是一致的，而测量工具和方法的选择根据我中心的测量习惯以及测量工具。“CalcData”是在Varian公司的Eclipse v15.6计划系统当中，模拟相同的测量条件，通过“AAA_15606”算法计算得到。

1.1 水箱架设和摆位

本研究使用的水箱是IBA公司的Blue Phantom²三维水箱（扫描体积48 cm×48 cm×48 cm）。三维水箱软件使用Accept(v7.2)软件。其他三维水箱或一维水箱和阵列探测器也可用于某些测试[6]。三维水箱等测量工具使用方法参照相关AAPM报告[7]。由于环形机架加速器的特点，水箱需架设在治疗床上，需在治疗中心对于水箱水平进行调整确认，同时在水箱选择中应考虑水箱尺寸防止和环形机架产生碰撞。由于Halcyon加速器在治疗中心无光野灯和光距尺，因此本研究在水箱及探头摆位确认时使用MVEPID影像以及CAX确认的方式确保摆位准确[8]。图像引导方式如图1所示。

图1 利用MV-EPID影像方式对水箱及探头摆位进行确认

1.2 测量工具及方法

本研究所使用到的电离室包括IBA公司的CC13电离室，灵敏体积为0.13 cm³；IBA公司的CC01电离室，灵敏体积为0.01 cm³；半导体探测器为IBA公司的SFD以及PFD探测器；参考半导体探测器为IBA公司的RFD探测器。本研究PDD曲线的测量利用两个CC13电离室分别作为主电离室和参考电离室进行，三维水箱采用连续扫描模式，扫描速度为0.3 cm/s。测量范围为水下22 cm至水上0.5 cm。

对于离轴比曲线，扫描范围为射野大小之外5 cm。测量使用了半导体电离室，利用PFD作为主电离室，RFD作为参考电离室，测量射野大小大于4 cm×4 cm的射野的离轴曲线，三维水箱采用连续扫描模式，扫描速度为0.3 cm/s，利用SFD作为主电离室，未使用参考电离室，测量2 cm×2 cm的离轴曲线，三维水箱采用步进式模式扫描，步长1 mm。

对于总散射因子，所有射野分别给予机器跳数100 MU照射，按10 cm×10 cm照射野进行归一，利用SFD，PTW静电计，测量射野任意一边小于4 cm的射野的输出因子，利用CC13，PTW静电计，测量射野任意一边≥4 cm的射野的输出因子。并利用4 cm×4 cm的射野进行“菊链连接”。

表1介绍了RBD中所有的数据内容以及测量时所使用的测量工具。在本中心对数据进行测量时，对于测量工具根据本中心测量习惯及测量需求，做出了下列调整，在测量PDD曲线时，应用两个IBA Dosimetry公司的CC13电离室作为主电离室和参考电离室，在测量Profile曲线时，在测量2 cm×2 cm 的射野时，采用了IBA Dosimetry公司的SFD半导体探测器，在测量≥4 cm×4 cm射野时，主电离室采用IBA Dosimetry公司的PFD半导体探测器，参考电离室采用RFD半导体探测器。在测量射野输出因子时，在测量射野任意一边小于4 cm的射野时使用IBA Dosimetry公司的SFD半导体探测器, 其他使用CC13电离室，并在4 cm×4 cm 的射野出进行“菊链连接”。

表1 典型射线数据测量项目及方法

1.3 菊链连接

利用单一探测器进行射野输出因子的测量会由于探测器本身的特性在射野大小变化时产生响应的不同，因而产生测量的误差。半导体探测器平均体积效应小，但是对低能射线存在过响应[9-10]。而测量用的电离室不存在能量响应依赖，但存在体积平均效应的问题[8]。因此Dieterich和Sherouse[11]提出对于射野输出因子采取“菊链连接”的方式。使用2个探头，在各自响应变化较小的范围内进行测量，通过中间野进行“菊链连接”，提高测量的准确性[12]。菊链连接的计算公式如公式(1)所示。

公式（1）中Scp为射野输出因子，Mclinic(ic)为同一探测器不同面积射野读数，Mref为参考野的测量读数。Mclinic(diode)为半导体探测器得到的射野读数，Minter(ic)为电离室测量得到的中间野的读数，Minter(diode)为半导体探测器测量得到的中间野的读数。

1.4 比较方法

对于PDD曲线，将测量曲线归一至最大值，对比RBD和MeasData以及MeasData和CalcData之间的偏差，分析方法采用1 mm/1%，2 mm/2%以及3mm/3%标准下的Gamma分析。对于Profile曲线，将测量曲线进行CAX校正，对比RBD和MeasData以及MeasData和CalcData之间的偏差，分析方法采用1 mm/1%，2 mm/2%以及3 mm/3%标准下的Gamma分析。对于射野输出因子，对比不同射野的输出因子的偏差。对于RBD和MeasData之间PDD与Profile的差异，利用自主设计编程的Python数据处理程序进行Gamma分析。对于MeasData和CalcData之间PDD与Profile的差异，利用自主设计编程的Matlab数据处理程序进行Gamma分析。

2 结果

2.1 百分深度曲线对比结果

百分深度剂量的结果良好。RBD和MeasData之间的1 mm/1%，2 mm/2%，3 mm/3%标准下的Gamma通过率均为100%。MeasData和CalcData相比，不同射野大小的PDD在1 mm/1%标准下的通过率为99.63% ± 0.24%；在2 mm/2%标准下的通过率为99.8%；在3 mm/3%标准下的通过率为99.8%。图2为不同射野RBD和MeasData之间的Gamma分析结果。图3为不同射野MeasData和CalcData之间的Gamma分析结果。图4为接近表面部分的PDD测量曲线，即为偏差较大部分。

图2 不同射野RBD和MeasData之间的Gamma分析结果

图3 不同射野MeasData和CalcData之间的Gamma分析结果

图4 利用CC13电离室对PDD曲线进行测量在接近模体表面区域与TPS计算偏差较大

2.2 射野离轴比曲线对比结果

RBD和MeasData之间射野离轴比曲线剂量比对结果为1 m m/1%标准下，不同射野大小的射野在不同深度的平均通过率如下：2 cm×2 cm射野在不同深度的平均Gamma通过率为（83.86±1.91）%，4 cm×4 cm射野在不同深度的平均Gamma通过率为86.16%±2.02%，6 cm×6 cm射野为100%，8 cm×8 cm射野为99.46%±0.55%，10 cm×10 cm射野为100%，20 cm×20 cm射野为99.84%±0.36%，28 cm×28 cm射野为100%。对角线射野的不同深度平均通过率为96.30%±2.51%。小射野通过率低于大射野通过率。不同深度的射野在不同射野大小条件下的平均通过率如下：深度1.3 cm处的平均Gamma通过率为95.11%±8.15%；深度5 cm处为95.33%±7.79%，深度10 cm处为95.29%±7.82%，深度20 cm处为96.33%±6.35%，深度30 cm处为96.03%±6.37%。各深度的通过率没有统计学差异。在2 mm/2%和3 mm/3%的标准下，各射野间对比Gamma通过率均为100%。

MeasData和CalcData之间射野离轴比曲线剂量比对结果为1 mm/1%标准下，不同射野大小的射野在不同深度的平均通过率如下：2 cm×2 cm射野在不同深度的平均gamma通过率为99.5%±1.12%，4 cm×4 cm射野在不同深度的平均gamma通过率为100%，6 cm×6 cm射野为100%，8 cm×8 cm射野为97.88%±0.78%，10 cm×10 cm射野为98.68%±0.66%，20 cm×20 cm射野为 98.80%±0.90%，28 cm×28 cm射野为98.66%±2.77%。对角线射野的不同深度平均通过率为100%。不同射野大小间的通过率没有统计学差异。不同深度的射野在不同射野大小条件下的平均通过率如下：深度1.3 cm处的平均Gamma通过率为98.67%±2.25%；深度5 cm处为99.61%±0.73%,深度10 cm处为99.39%±0.96%，深度20 cm处为99.10%±1.10%，深度30 cm处为98.60%±1.29%。各深度的通过率没有统计学差异。在2 mm/2%和3 mm/3%的标准下，各射野间对比Gamma通过率均为100%。

图5为不同射野RBD和MeasData之间的Gamma分析结果。图6为不同射野MeasData和CalcData之间的Gamma分析结果。图7为射野离轴比曲线射野边缘的测量结果。

图5 不同射野RBD和MeasData之间的Gamma分析结果

图6 不同射野MeasData和CalcData之间的Gamma分析结果

图7 利用CC13电离室对PDD曲线进行测量在接近模体表面区域与TPS计算偏差较大

2.3 输出因子对比结果

射野输出因子结果采取两种探头的输出因子结果进行“菊链连接”的方式。4 cm×4 cm的射野为中间野，将大小探头的测量结果进行归一，两种探头的输出因子结果通过“菊链连接”的方式进行输出因子的衔接[12]。有一边射野小于4 cm的射野均选择小探头的结果，大于等于4 cm的射野均选择大探头的结果，其中，x，y射野不同大小的方形野和长方形野均进行测量，由于加速器的设计，以往观察输出因子与x，y方向的变化（即2 cm×4 cm与4 cm×2 cm的射野）会对输出因子产生差别，是否有区别测量结果如表2所示。测量结果与RBD结果的偏差如表3所示。

表2 实测x、y方向不同射野大小的输出因子表格

表3 不同射野大小的输出因子测量结果与RBD结果的偏差（%）

3 讨论

从上述结果看出，RBD数据与实际测量数据的匹配度良好。计划系统AAA算法计算数据也与测量数据匹配度良好。认为该加速器的束流基础数据符合临床使用要求，但仍需对测量结果进行分析讨论[13-18]。

对于百分深度剂量曲线，RBD数据与测量数据的匹配度均为100%，而计划系统计算数据与测量数据有0.2%的偏差，偏差主要存在于贴近模体表面的部分。分析该部分造成的偏差主要来源于表面剂量测量时，探头已过于接近水面或露出水面，介质之间相隔的区域会造成测量的偏差，而计划系统建模中，表面剂量部分是通过外推得到的，因此造成了偏差，有研究表示CC13应用于PDD曲线的测量会高估表面剂量[19]。与本研究所得到的数据相符。图6为接近表面部分的PDD测量曲线。因此，对于接近水模体表面的剂量测量，可以采用平行板电离室[20]、TLD片测量或Monte Carlo模拟[9]的方式对于表面剂量的数据进行评估，预期会获得更好的结果。

对于射野离轴比曲线，通过对所有射野的Gamma分析值分析发现，无论是RBD数据与MeasData还是MeasData与CalcData之间，射野的半影区域内的Gamma值偏差较大。射野的半影区易产生偏差的主要原因主要有两项：① 体积平均效应[11]产生测量的半影区斜率降低，在探头选择上，尽量选用灵敏体积小的半导体探测器对射野离轴比曲线进行测量；② 产生偏差的原因可能是测量时电离室的运行速度较快。本研究所采用的测量速度为Blue Phantom2水箱当中可选择的最小连续扫描速度0.3 cm/s。而小射野采用的是步进式的测量方式。电离室的选择和测量速度会影响射野半影区的Gamma通过率。

对于输出因子测量方法，应选择3 c m×3 c m或 4 cm×4 cm作为中间野进行测量。在该面积射野下，野内既能达到侧向电子平衡，同时又不会有过多的低能散射线，无论是使用半导体探测器还是电离室，都可以测得一个较为准确的结果[8]。但目前对于衔接方法有两种不同的方式：① 本研究所采用的任意一边小于中间射野大小的射野均选择小探头的结果，大于等于的选择大探头的结果；② 考虑等效方野小于中间野选择小探头的结果，而等效方野大于等于中间野的选择大探头的结果。第一种方式考虑主要是大探头再任一边小的射野内都很难达到侧向电子平衡而第二种方式主要考虑一边射野较大也会增加散射线的影响。本实验观察到两种链接方式的测量偏差非常小。另外，由于RBD数据介绍中并未介绍菊链连接的方式，仅是提到射野一边是1 cm的射野选用SNC公司的Edge探测器，而大射野选择IBA公司的CC13探测器测量，并未提及是否使用了“菊链连接”的方法。就本研究的测量结果看，射野尺寸小于2 cm×2 cm的射野输出因子数据偏差在1%～3%之间，射野尺寸大于等于2 cm×2 cm的射野数出因子偏差均小于1%。考虑到本身小射野的测量的不确定度较大，因此RBD数据结果是临床可接受的。

由于Halcyon加速器使用RBD数据进行计划系统的建模，因此对比RBD与MeasData和对比MeasData与计划系统的CalcData的目的是为了确定设备的状态符合计划系统的模型，而不是确定模型符合设备的输出状态。这种“RBD模式”缩短了设备调试初期收集数据，再建模和调整模型的时间。但设备调试开始时，仍需对于设备的状态进行验证。这种方式同时降低了设备和采集工具的要求，设备状态验证所使用的工具可根据各中心习惯和所有设备进行选择，例如电离室矩阵、一维水箱[21]均可用于基础数据对比验证工作。而这些设备对于治疗计划系统数据采集的精度要求可能是不足的。而由于验证的这些数据是计划系统建模的基础数据，因此在治疗计划系统调试时，仍需对不同SSD，不同射野大小等不同设置的基础野进行验证，以达到测试治疗计划系统运算能力的目的。