磁共振加速器Unity的输出量测量

田源，李明辉，张可，门阔，戴建荣

国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科，北京 100021

前言

Unity是由瑞典医科达公司研发的全球首台高场强磁共振放疗系统。与常规加速器不同，Unity将7 MV直线加速器与1.5 T高场强磁共振成像扫描仪集成在一个系统平台上，能在放疗过程中提供高分辨率的磁共振图像，具有软组织对比度高和成像无额外辐射等优点。Unity既可以用于当次治疗计划的自适应修正，也可以用于当次治疗过程中肿瘤运动的实时监控和追踪，还有望提供功能性图像用于治疗反应的评估［1-3］。

然而由于高场强磁场的存在，Unity 的束流性能与常规加速器相比有了明显的变化。尽管光子束不受磁场的影响，但光子束与介质发生相互作用产生的次级电子会在磁场的影响下发生运动方向的偏转，这种现象称为电子回旋效应。电子回旋效应会改变电离室的响应特性［4］。目前已有很多研究通过实际测量［5-8］或蒙特卡罗模拟［4,9-10］的方法发现在不同磁场强度和方向条件下各种型号电离室的响应特性有很大差别［11］。

国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科于2019年安装了国内首批磁共振加速器Unity。在调试验收和临床使用过程中，建立了一套有别于常规加速器的绝对剂量校准方法和输出量日检流程。本研究就此进行详细介绍，并报道从2019年10月22日至2020年5月9日的输出量日检结果，从而评价Unity剂量性能的长期稳定性。

1 材料和方法

1.1 绝对剂量校准

1.1.1 测量工具Hackett等［12］和O'Brien等［13］均发现，电离室与固体水适配孔间的微小空气间隙会对电离室测量结果产生显著影响，即使0.2 mm 的非对称空气间隙也会给电离室测量结果带来约1.6%的误差。此外，由于Unity 没有光野，无法像常规加速器那样通过光距尺确定水面高度，进而确定测量深度，因而本研究在绝对剂量校准时，使用特制的半封闭式靴型水箱（Boot Phantom）和防水型指型电离室PTW 30013（PTW-Freiburg, Freiburg, 德国），如图1所示。水箱由1.5 cm 的PMMA（等效1.8 cm 水）有机玻璃制成，分为前部的测量部分和后部的靴口部分。测量部分的外尺寸（长、宽、高）分别为17.1、19.2 和19.4 cm，靴口部分的外尺寸（长、宽、高）分别为12.8、19.2和22.2 cm。靴口部分的高度大于测量部分，能保证测量部份注满水后不会从模体靴口处溢出，且测量部份和靴口部分的分界处设计有特殊的固定卡口结构。静电计采用PTW Unidos Webline。测量时，靴型水箱内充满水，防水型指型电离室PTW 30013 通过特制的适配器固定在靴型水箱的卡口上，即可保证电离室有效测量点位于水下10 cm，又能避免使用固体水测量时电离室与固体水适配孔间空气间隙对测量结果准确性的影响。

图1 Unity绝对剂量校准所用的靴型水箱、固定底板、电离室及其摆位Fig.1 Boot phantom,platform and ion chamber used for the absolute dose calibration for Unity and the phantom positioning

1.1.2 模体摆位有研究表明对于各种指型电离室，当电离室长轴平行于磁场方向时，由磁场带来的电离室响应修正因子为0.982～1.005；当电离室长轴垂直于磁场方向时，由磁场带来的电离室响应修正因子为0.953～0.976［5-10］。为减小磁场对电离室响应的影响，同时也为电缆连接方便，本研究在Unity 绝对剂量校准时将电离室长轴沿磁场方向（进出床方向）摆放。

Unity类似于Tomotherapy，治疗头固定在滑环机架上绕等中心旋转，治疗孔径为70 cm，没有外置和内置激光灯，无法通过视觉观察来判断电离室的摆位准确性。此外Unity 的治疗床在治疗范围内只能做进出运动而无法做左右和升降运动，模体的摆位误差难以像常规加速器那样通过治疗床的移动来修正，这些都给测量时模体的精确摆位带来了挑战。为克服上述困难，提高靴型水箱摆位的精度和效率，本研究使用特制的固定底板固定靴型水箱。固定底板通过销钉刚性的固定在治疗床尾，靴型水箱放置在固定底板的凹槽内，此时电离室大体位于左右方向居中位置，左右方向仅有1 mm 左右的冗余空间以便根据不同型号的指型电离室（如FC-65G或FC-65P）调整。通过进床将电离室大致放于等中心位置，使用电子射野影像装置（Electronic Portal Imaging Device, EPID）拍摄电离室的正侧位图像，判断电离室灵敏体积几何中心是否位于等中心（图2）。如在正位EPID 图像上发现存在左右误差，则可通过调整靴型水箱在固定底板中的左右位置来修正；如在正位EPID 图像上发现存在头脚误差，则可通过进出床予以修正；如在侧位EPID图像上发现存在前后误差，则可在固定底板凹槽内增加响应厚度的垫片予以修正。通过不断的调整和正侧位EPID 位置验证，保证电离室灵敏体积几何中心位于等中心处。

图2 正侧位EPID图像Fig.2 Anterior and lateral EPID images

1.1.3 修正因子根据IAEA TRS 398 报告，品质因子为Q的兆伏级光子在水中的吸收剂量为：

其中，MQ是经复合效应、极化效应和温度气压修正后电离室的读数；ND,w,Q0为电离室对品质因子为Q的光子束在水中吸收剂量的校准因子；kQ,Q0是光子束射线质修正因子。在强磁场条件下，电荷受洛伦兹力作用，运动轨迹会发生偏转，因而电离室所收集的电荷与水中沉积的剂量之间的关系受磁场强度和方向的影响。这种由磁场造成的影响可以在式（1）中引入磁场修正因子kB来修正，即：

对本研究使用的PTW 30013（SN：010825）电离室，其ND,w,Q0= 5.373× 107。按照AAPM TG-51 号报告，该电离室的极化修正因子和复合修正因子分别为kpol= 0.999 5 和ks= 1.005 1，均与de Prez 等［6］报道的结果（kpol= 1.000 0 和ks= 1.005 3）高度符合。射线质修正因子kQ,Q0按照IAEA TRS 398报告推荐的方法确定，对于本单位的Unity，束流的组织模体比TPR20/10=0.700，相应的kQ,Q0= 0.988。早期研究中的同一型号电离室的kB存在较大差异。以PTW 30013为例，kB的变化范围从0.982到0.997［5-10］，且最新的研究表明，即使使用相同的实验方法，12 支不同序列号的PTW 30013 电离室间kB也存在差异，但其标准差较小，分别为0.13%（电离室平行磁场方向）和0.19%（电离室垂直磁场方向）［11］，因而对于同一型号的电离室（如PTW 30013）可以使用所研究的12 支不同序列号的PTW 30013 电离室的磁场修正因子kB的平均值（0.990）作为推荐值，用于绝对量的校准。

1.1.4 测量条件Unity 绝对剂量校准时的标准测量条件为：电离室位于等中心，机架角=0°，源轴距（Source Axis Distance, SAD）=143.5 cm，测量深度为10 cm，射野大小为（10×10）cm2，机架角为0°，剂量率约为425 MU/min，每次照射100 MU，连续照射3 次，读数取平均值。

1.2 基于EPID的输出量日检

如前所述，使用电离室和水模体进行磁共振加速器输出量的测量需要先做好搬运模体、连接电缆、预热设备等准备工作。精确摆位又必须依赖于不断地调整模体并进行EPID 位置验证，耗时费力。电离室在磁场环境中的测量面临诸多扰动，使得该测量方法容易出错。早期研究发现，常规加速器的EPID具有良好的剂量响应特性和稳定性［14］，并逐步应用于常规加速器的输出量的质控［15］，甚至疗前［16-17］和疗中［18-19］的患者剂量验证。近期研究表明，在磁场条件下EPID 的性能（如剂量率依赖性、剂量线性和稳定性）均与无磁场条件下常规加速器的EPID 类似［20-21］。因而在Unity 加速器输出量日检时，本研究使用基于EPID 的测量方法，以期检出输出量在日常误差范围内与基准值的偏差。

1.2.1 建立EPID 图像特定像素点的累积灰度值与输出量的校准曲线首先按照使用电离室和靴型水箱进行绝对剂量校准时的方法，将电离室固定在靴型水箱中，使用EPID 精确地将电离室有效探测点置于等中心位置。为避免液氦液面高度变化对输出量的影响，调用机架角为90°，8 cm×8 cm 的标准测试野，分别出束95、97、100、103 和105 MU，获取电离室测量的输出量结果D。每个MU 测量3 次，获取相应MU 对应的输出量平均值。然后将模体移出最大射野范围，重新调用标准测试野，分别出束95、97、100、103 和105 MU，获取EPID 图像。本研究选用的特定像素点坐标为（510,651），读取特定像素点的灰度值和校准系数，并计算灰度值和校准系数的比值获取该像素点的累积灰度值（Accumulated Pixel Value,APV）。每个MU 测量3 次，获取相应MU 对应的APV 平均值。最后使用线性回归建立EPID 图像特定像素点（510，651）的APV与输出量的校准曲线。

1.2.2 输出量日检在后续每日的输出量测量中，只需调用标准测试野并采集EPID图像，读取EPID图像上特点像素点（510,651）的灰度值和校准系数，即可根据校准曲线得到当日的输出量结果。

1.3 Unity每日输出量的稳定性

本单位从2019年10月22日至2020年5月9日持续按照上述基于EPID 的方法测量Unity 每日的输出量，历时近7个月，共测量每日输出量116次。通过分析每日输出量测量结果与计划系统中基准值的误差来评估Unity每日输出量的稳定性。

2 结果

2.1 绝对剂量校准

对于临床常用的常规加速器6 MV 及6 MV FFF光子，其最大输出剂量率分别为600和1 400 MU/min。通常将100 MU 在最大剂量深度处的绝对剂量标定为1 Gy，其在等中心处的吸收剂量率能达到近4.050 Gy/min 和9.450 Gy/min。与常规加速器最大输出剂量率可以调节不同，无论校准点在什么深度，Unity 的最大输出剂量率（～425 MU/min）是恒定的。如果按照常规加速器绝对剂量的标定方法，将100 MU 在最大剂量深度处的绝对剂量标定为1 Gy，此时等中心处的实际吸收剂量率仅为2.954 Gy/min。与临床常用的常规加速器6 MV 及6 MV FFF 光子相比，该等中心处最大吸收剂量率要低很多。考虑到Unity 适合于深部肿瘤的大分割治疗，提高等中心处的最大吸收剂量率有助于减少所需的MU 和出束时间，提高治疗效率，因而本研究将加速器的Gun Duty Cycle提高到78%，增大栅控开关的开启占空比，增加每个MU 的粒子数。此时100 MU 在10 cm 深度处（即等中心处）的吸收剂量为0.870 Gy，吸收剂量率约为3.698 Gy/min，相应的100 MU 在最大剂量点深度处的吸收剂量约为1.251 Gy。相比于将100 MU在最大剂量深度处的绝对剂量标定为1 Gy 的方法，在给予等中心点相同处方剂量的条件下，所需MU和出束时间可缩短近25%。因而本研究在SAD=143.5 cm，射野大小为（10×10）cm2，机架角为0°的标准测量条件下，将100 MU 在深度10 cm 处（即等中心处）的吸收剂量标定为0.870 Gy。在计划系统中，也以此值进行剂量标定。本单位Unity 的绝对剂量校准结果如表1所示。

表1 Unity绝对剂量校准结果Tab.1 Results of absolute dose calibration for Unity

2.2 输出量日检

EPID 图像特定像素点（510,651）的APV 与输出量的校准曲线如图3a 所示。图中各点分别对应95、97、100、103 和105 MU 的输出量。在此输出量变化范围（±5%）内，像素点的APV 与输出量呈非常强的线性相关，R2等于0.999 9，证明此方法可用于磁共振加速器日输出量的检测，具有方便快捷、准确敏感的特点。本研究从2019年10月22日开始使用此方法检测Unity 的输出量，并计算其与基准值的偏移，所得结果如图3b 所示。从图中可以看出，Unity 每日输出量长期稳定性良好，偏移基准值的幅度基本都在±1%以内。其中2019年12月25日至2019年12月28日，使用EPID 进行输出量日检连续发现日输出量偏移基准值超过1%。2019年12月28日使用标准测量方法，利用Boot Phantom和电离室对输出量进行了测量，结果证实输出量超过1%。经输出量校准并重新建立EPID 特定像素点（510,651）的APV 与输出量的校准曲线后近5个月的输出量偏移均在±1%以内。

图3 EPID图像特定像素点APV与输出量的校准曲线和输出量的长期稳定性Fig.3 Calibration curve of accumulated pixel value and output for the specific pixels in EPID image and the output long-term stability

3 讨论

本研究报道了Unity 绝对剂量校准的方法和基于EPID 的输出量日检的方法，并分析Unity 近7 个月的输出量日检数据，证实其具有较高的稳定性。

在使用电离室和靴型水箱进行输出量测量时，有研究使用机架角为90°的射野以避免液面高度变化对输出量测量结果的影响［22］。考虑到Unity 的磁体采用了零液氦挥发技术，液氦损失非常小。从开始液氦液面监测至2020年5月9日的近7 个月时间内，本单位Unity 的液氦液面的变化不超过0.1%。与常规加速器输出量测量方法保持一致，本研究仍使用0°标准测试野，并每日监测液氦液面的高度。

本研究所使用的基于EPID的输出量测量方法克服了传统输出量测量方法在磁共振加速器中应用的困难，简化了测量步骤，测量时只需在Service模式下调用预制好的标准测试野并保证床面退出射野照射范围，即可出束采集EPID图像。通过读取EPID图像上特定像素点的灰度值和校准系数，即可根据校准曲线得到当日的输出量结果。整个测量过程仅需2～3 min，非常方便。从实际使用经验来看，该方法能检出输出量超过1%的异常变化，并提醒使用标准测量方法予以确认并校准输出量的偏移。因而该方法非常适合用于磁共振加速器输出量的日检。然而该方法还受EPID 响应特性的影响，因而本单位仅将其作为输出量的日检方法。对于输出量的月检和年检，仍使用电离室和靴型水箱进行测量，并规定月检时重新建立EPID 特定像素点的APV 与输出量的校准曲线。

加速器性能的稳定性与工作负荷有关。工作负荷越大，性能的稳定性也就越差。本单位的Unity 在安装调试完成后投入临床试验，日均治疗患者4 人。临床试验结束后，除少量质控检测、物理测试和科研工作外，设备基本处于待机状态，工作负荷较小。因而本研究所报道的输出量稳定性结果可能会优于真实临床工作负荷条件下的结果。两者的差别情况有待该设备正式投入临床使用后确定。

4 结论

与常规加速器相比，Unity 的绝对剂量校准更为复杂，需谨慎选择测量工具、摆位方式、测量条件和修正因子。基于EPID 的Unity 输出量测量方法能满足日检要求，方便快捷。初步结果显示，Unity的输出量具有较好的输出量长期稳定性。真实临床工作负荷条件下，Unity 的输出量长期稳定性还有待进一步观察。