对瓦里安碳纤维治疗床面模型的评估

2021-10-13李毅李芳苏王辉何赟张坤王中卫

中国医疗设备 2021年9期

李毅，李芳，苏王辉，何赟，张坤，王中卫

1. 西安交通大学第二附属医院放疗科，陕西西安 710004；2. 陕西省肿瘤医院放疗科，陕西西安 710061

引言

医用直线加速器碳纤维治疗床面多采用碳纤维增强树脂复合材料制成，具有优异的X射线透过性，同时碳纤维治疗床面对射线的衰减不可忽略[1-2]。临床工作中多采用建立治疗床面虚拟模型的方式修正其对剂量的影响[3-6]。国内外多位学者分别基于不同放疗计划系统对虚拟治疗床面模型进行测试，结果显示虚拟模型均可以很好地模拟治疗床，减少治疗床对放疗计划的影响[7-11]。而关于治疗床面模型精度及模型影响评价的研究还较为少见。本研究选取瓦里安加速器广泛采用的Exact IGRT碳纤维治疗床面及内置模型，基于Eclipse计划系统对模型结构及不同条件下模型的衰减进行评价，为临床工作中治疗床面模型的使用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

飞利浦大孔径CT模拟机、Eclipse治疗计划系统（版本13.6）、瓦里安Exact IGRT治疗床。治疗床面宽度53 cm，长度200 cm，横向结构左右对称，纵向结构从前端到后端厚度逐渐增加，分为薄（50.0 mm）、中（62.5 mm）、厚（75.0 mm）三种厚度，见图1。

图1 Exact IGRT治疗床面结构示意图

拆下治疗床面并执行CT扫描，扫描条件250 mA、120 kV，层厚5 mm。CT图像显示治疗床面呈三明治结构，外层为2 mm厚高密度碳纤维复合材料面板，内部填充低密度泡沫芯材。两侧弧形区域进行了加强处理以保持治疗床面机械强度。治疗床面亨斯菲尔德值（Hounsfield Unit，HU）非均匀分布，上层面板平均HU值-640 HU，下层面板平均HU值-510 HU，两侧弧形区HU值为-350～144 HU，内部泡沫芯材平均HU值-950 HU（图2）。

图2 实际治疗床面CT图像

瓦里安Eclipse计划系统内置Exact IGRT治疗床面模型用于模拟实际治疗床面。模型基于治疗床面实际尺寸建立，分为薄、中、厚三种模型。模型内部结构由碳纤维外壳和低密度填充物两部分轮廓组成，可自定义HU参数（图3）。系统内默认参数为（-300 HU，-1000 HU），实际工作中推荐根据床面实际结构选择合适的参数，研究建议采用（-580 HU，-950 HU）参数组合。

图3 Exact IGRT治疗床面模型

1.2 建立衰减系数测试模型

分别基于治疗床面CT图像、Exact IGRT治疗床面模型图像建立测试圆柱形虚拟模体P。模体直径20 cm，长度40 cm，密度1.000 g/cm3，HU值为0，位置居中且与治疗床面上表面相切（图4）。模型左右对称，且不同角度时模体中心剂量仅受治疗床面衰减影响。

图4 衰减系数测试模型

测试计划以模体P中心为计划中心，条件选用6 MV X射线，5 cm×5 cm射野，200 MU，Acuros XB算法。治疗床面及模体P以外的结构指定为空气，且在Eclipse计划系统中默认不参与运算。研究选取90～180°射野角度进行分析，每10°进行一次剂量计算，读取等中心处的剂量并计算治疗床面衰减系数F，见式(1)。

其中，Dcouch表示射野穿过治疗床面时模体P等中心处剂量，Dopen表示无治疗床面时模体P等中心处的剂量（采用机架角角度为0时测量结果）。

1.3 比较不同条件下治疗床面及模型衰减

（1）不同HU值参数条件下衰减：包括实际治疗床面、模型HU参数（-300 HU，-1000 HU）、模型HU参数（-580 HU，-950 HU）。

（2）不同厚度条件下衰减：包括薄、厚两种厚度。

（3）不同射线能量条件下衰减：包括6 MV、10 MV两档能量。

（4）不同剂量算法条件下衰减：包括AAA和Acuros XB两种算法。

2 结果

2.1 不同HU参数条件下治疗床面衰减

实际治疗床面衰减系数为2.51%±0.50%，当虚拟模型碳纤维外壳轮廓、泡沫内芯轮廓参数组合分别为（-300 HU，-1000 HU）、（-580 HU，-950 HU）时，衰减系数分别为3.13%±0.57%、2.385%±0.35%。模型较实际治疗床面偏差分别为0.63%±0.44%、-0.15%±0.20%。当模型采用（-580 HU，-950 HU）参数组合时，与实际床面衰减具有更好的一致性（图5）。

图5 不同HU参数条件床面衰减曲线

同时研究发现虚拟床面模型简化了两侧高密度区域结构，当射野角度为112～116°时，射线穿过两侧高密度区域，治疗床面衰减系数明显增大。射野115°时实际治疗床面衰减最大为6.61%，模型衰减系数分别为4.29%、2.18%，最大偏差4.43%。

2.2 不同X射线能量条件下治疗床面衰减

6 MV、10 MV射线条件下，实际治疗床面衰减系数分别为2.51%±0.50%、1.85%±0.36%。虚拟模型衰减系数分为2.38%±0.35%、1.73%±0.26%（图6）。相同能量条件下，床面模型与实际床面衰减基本一致，最大偏差分别为0.42%、0.37%。采用不同射线能量时，实际床面及床面模型衰减系数均随着射束能量增高而减小，剂量衰减与能量有一定相关性，低能射线受治疗床面影响更加明显。

图6 不同射线能量条件床面衰减曲线

2.3 治疗床面不同厚度条件下的衰减

实际治疗床面厚段衰减系数2.51%±0.50%，薄段衰减系数2.05%±0.47%，差异0.46%±0.08%。虚拟模型厚段衰减系数2.385%±0.35%，薄段衰减系数2.10%±0.36%，差异为0.28%±0.13%，见图7。厚段衰减均略高于治疗床薄段，主要区别为内部填充物厚度不同及两侧弧形区域体积不同有关，与孔伟等[12]的研究结果一致。

图7 不同厚度条件床面衰减曲线

相同厚度条件下，治疗床面厚段较模型衰减差异高0.13%±0.17%。实际床面薄段较模型衰减高0.05%±0.13%，差异均小于0.5%。治疗床面厚段床模型与实际床衰减偏差略大，差异主要集中在床面两侧弧形高密度区域。

2.4 不同剂量算法时治疗床面衰减

实际治疗床面在AAA、Acuros XB算法条件下衰减系数为3.67%±0.47%、2.51%±0.50%，差异为1.16%±0.17%，偏差最大1.34%。治疗床面模型衰减系数为3.415%±0.43%、2.38%±0.35%，差异为1.03%±0.17%，偏差最大1.34%，见图8。

图8 不同剂量算法条件床面衰减曲线

当采用相同剂量算法时，实际床与模型衰减基本一致，偏差小于0.5%。当采用不同剂量算法时，AAA算法衰减系数均高于Acuros XB算法，且偏差大于1%。主要与治疗床面和模型之间的空气间隔有关，AAA算法高估了治疗床面及模型对射线的衰减，Acuros XB算法可以更准确地考虑空气间隙的影响。

3 讨论

放射治疗中患者治疗附件对吸收剂量具有一定的影响，实际临床工作中采用CT模拟机同时扫描患者及附件并使其参与计算的方法可以准确评价绝大多数治疗附件的影响。然而在修正加速器治疗床衰减时，则需要为CT模拟机配置与加速器相同型号的治疗床面。该方法受到CT模拟机扫描孔径有限、全碳纤维治疗床面价格相对昂贵及不同型号加速器可能对应不同治疗床等多种因素限制未能得到普及。

多数放疗计划系统采用构建虚拟治疗床面模型的方式模拟治疗床对射线的影响，多位学者对内置虚拟治疗床模型的方法准确性进行了研究[13-15]。郭红博等[8]基于Xio计划系统构建iBeam evo couch治疗床虚拟模型，结果显示虚拟床模型可以很好地模拟加速器治疗床对剂量的衰减。Zhang等[16]采用圆柱形模型及电离室对Monaco计划系统内置的虚拟床模型衰减进行了测试，测量结果与计算结果显示良好的一致性。李军等[17]基于固体水及电离室实际测量的方法，探讨了瓦里安IGRT碳纤维治疗床与虚拟治疗床对剂量影响差异，结果显示虚拟床模型可以减小剂量误差。

本研究在上述工作基础上采用实际测量之外的方法，基于Eclipse计划系统建立快速测试模型。该方法为不便于测量的单位提供一种思路，适用于不同计划条件、不同型号治疗床模型精度的测试。研究结果显示，与无治疗床比较，虚拟模型修正了约2.38%±0.35%的衰减偏差，与实际治疗床衰减基本一致，偏差为-0.15%±0.20%。现有的内置虚拟模型综合考虑了便捷性与准确性，对内部结构进行了简化，特别是两侧弧形高密度区域结构。射野在特定角度穿过高密度区域时，与实际床衰减偏差超过4%，应予以留意，以避免不必要的偏差。

虚拟床面模型HU参数及计划参数设置也将影响到模型精度，使用时需选用正确的模型及合理的计划参数以保证模型准确性。治疗床面模型HU参数需根据实际情况设置，如直接采用系统默认参数（-300 HU，-1000 HU）则可能高估等中心处剂量。研究推荐使用（-580 HU，-950 HU）参数组合，与Vanetti等[18]的研究结果一致。

治疗床面衰减与能量有一定相关性，6 MV低能射线相比10 MV射线受治疗床面的影响更加明显。如采用穿透力更弱电子线治疗时，需注意射野是否穿过治疗床并确保治疗精度。治疗床面厚段衰减系数略高于薄段，应根据实际情况选择相应厚度的床面模型。

选用不同剂量算法时，AAA算法的衰减系数明显高于Acuros XB算法，偏差约1.16%±0.17%，最大偏差1.34%。算法差异主要与床面和测试模型之间的空气间隙有关，Acuros XB算法考虑了物质密度，可以更加准确地考虑空气间隙的影响，而AAA算法高估了治疗床面及模型对剂量的衰减[19-20]。在设计临床计划时应尽可能选择更为精准的Acuros XB算法，减少由算法带来的误差。

本研究还存在部分局限性，Eclipse计划系统采用的Acuros XB算法相对精准，但仍存在一定的不确定性。研究以计划系统计算结果为基准对模型衰减进行评价，可能会引入细微的偏差。研究进一步工作，尝试建立可实际测量模型对现有虚拟模型及算法结果进一步修正，并对治疗床面成效带来的模体表面偏差进行评价。