Elekta和Varian醫用直線加速器束流特性的比較研究*

葛瑞剛徐壽平*解傳濱徐 偉鞏漢順叢小虎戴相昆

Elekta和Varian醫用直線加速器束流特性的比較研究*

葛瑞剛①徐壽平①*解傳濱①徐 偉①鞏漢順①叢小虎①戴相昆①

目的:分析和評估Varian和Elekta兩臺醫用直線加速器束流特性的差異,為臨床準確地實施其質量保證(QA)和劑量學應用提供依據.方法:采用三維水箱測量,比較分析Varian Clinac iX和Elekta Precise直線加速器6 MV X射線輻射源的開野/60°楔形野條件下百分深度曲線(PDD)、輸出因子以及束流離軸曲線等束流劑量學特性,并對電子束相同能量的PDD曲線及輸出因子等數據進行分析處理.結果:Varian Clinac iX較Elekta Precise醫用加速器在開野/楔形野條件下X射線輻射質均略低,其射野半影值(20%～80%)也較小.電子線平均能量Precise較Clinac iX加速器在4 MeV、6 MeV能量檔上明顯偏高;而12 MeV和15 MeV時較Clinac iX偏低.兩臺加速器X射線射野及電子線限光筒束流輸出因子均一定程度上存在差異.結論:盡管兩臺醫用加速器標稱能量相同,但是因自身機頭設計結構、參數條件或采用不同的校準標準,兩臺醫用加速器X射線和電子線束流特性均存在一定的差異.在臨床應用中需充分予以考慮其相對應的劑量學特點.

直線加速器;束流特性;X射線;電子束

葛瑞剛,男,(1981- ),碩士研究生,物理師.解放軍總醫院放療科,從事醫學放射物理方面的研究工作.

[First-author's address] Department of Radiotherapy, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China.

放射治療中所使用的光子和電子束的標稱能量意味束流能量的一致性,但是由于制造商不同系列直線加速器之間的設計差異及同系列直線加速器中束流部件的差異,由不同加速器所產生的具有相同標稱能量的光子和電子束均具有各自劑量學特性[1-3].因此,即使同一型號的加速器也要進行獨立地測量及劑量標定,以獲得其束流劑量特性[4-7].

目前市場上有多種醫用直線加速器可提供X射線和電子線的治療,故在臨床應用中需分析各直線加速器在治療條件下所采集獲得的束流數據,并將這些數據建模至放射治療計劃系統中,以用于患者計劃的劑量計算.臨床物理師負責運用獨立的質量保證規程,以確保應用于臨床測量數據的準確性.基于此,本研究采集Varian Clinac iX和Elekta Precise兩臺加速器臨床測試數據,分析其狀態變化及相同標稱能量下束流特性差異,以建立各自射線束能量的質量保證及質量控制規程,進而為臨床應用提供依據及參考.

1 材料與方法

1.1 束流數據采集

數據中束流離軸曲線和百分深度劑量曲線通過PTW公司MP3-S三維水箱進行測量,該水箱由50 cmX50 cmX40.8 cm尺寸箱體及其三維掃描裝置所組成.測量和(或)參考電離室均為PTW 0.125 cm3指型電離室,其內半徑為2.75 mm,而束流輸出劑量利用PTW Farmer電離室測量,其靈敏體積為0.6 cm3,內半徑為3.05 mm.

1.2 數據分析

本研究對兩系列機器6 MV的X射線及4 MeV、6 MeV、12 MeV及15 MeV電子束的能量特性進行分析,測量條件為源皮距離(source skin distance, SSD)=100 cm.這里定義%dd(10)X為源皮距100 cm、射野10 cmX10 cm、水下10 cm深處測量的百分深度劑量(percent depth dose,PDD)值.對于光子束,測量3 cmX3 cm、10 cmX10 cm及40 cmX40 cm射野條件下相應的百分深度劑量和水下10 cm處的離軸曲線,從而對其射線質和束流半影情況進行分析.同樣測定3 cmX3 cm、10 cmX10 cm及15 cmX15 cm楔形射野條件下百分深度劑量曲線并進行對比分析.而對于電子束則選擇射野25 cmX25 cm,在保證輸出劑量校準的前提下對其輸出因子和最大劑量深度(dmax)值、80%百分深度劑量(d80)及50%百分深度劑量(d50)予以比較.所有數據均采用PTW MEPHYSTO Version軟件進行采集并予以處理.

2 結果

2.1 X射線開野及其束流特性

Varian Clinac iX各射野曲線上%dd(10)X值分別為62.0%、66.5%和74.8%,而Elekta Precise的%dd(10)X分別為62.4%、67.3%和76.0%.數據顯示,Precise加速器開野束流射線質整體體現出比Clinac iX略高.兩類加速器X射線開野PDD曲線數據如圖1所示.

圖1 兩類加速器X射線開野的PDD曲線圖

從離軸曲線上分別分析其半影(P)、平坦度(F)和對稱性(S).通常半影值由特定平面內80%與20%等劑量曲線之間的距離確定;而平坦度定義為等中心處(位于10 cm模體深度處)或標稱源皮距下10 cm模體深度處,最大射野劑量80%寬度內最大和最小劑量偏離中心軸劑量的相對百分數[7].在80%射野寬度內取偏離中心軸對稱的兩點劑量率值的差值與中心軸上劑量率的比值百分數則定義為射野束流的對稱性. Varian Clinac iX加速器左右方向P_left=7.25 mm, P_right=7.30 mm,F=2.28% ,S=0.24%;槍靶(TG)方向P_left=8.23 mm,P_right=8.20 mm,F=2.43%, S=0.39% 而Elekta Precise加速器左右方向P_ left=9.89 mm,P_right=9.95 mm,F=3.02%, S=1.22%;TG方向P_left=9.89 mm,P_right=9.95 mm,F=3.02%,S=1.22%.由此表明,Elekta Precise較Varian Clinac iX半影大,而平坦度對稱性略差.兩類加速器X射線開野束流離軸曲線分布情況如圖2所示.

圖2 兩類加速器X射線開野束流離軸曲線分布圖

2.2 X射線600楔形野束流特性

Clinac iX系統各射野%dd(10)X值分別為64.1%、69.2%和72.1%.而Precise系統其值則為65.8%、70.0%和72.7%,同樣顯示出Precise加速器射線質略為偏高的特點.兩臺加速器600楔形野PDD曲線情況如圖3所示.

圖3 兩類加速器X射線楔形野PDD曲線圖

2.3 電子束束流特性

兩臺加速器在10 cmX10 cm條件下幾種電子束能量的束流特性情況見表1.其中平均能量是表示電子束穿射介質的能力和確定模體中不同深度處電子束平均能量的一個重要參數,由公式1計算得出:

式中R50是高能電子束百分深度劑量曲線半峰值劑量深度.

兩類加速器標稱相同的電子束能量其PDD曲線上dmax、d50及d80均顯示出一定的差異;平均能量Clinac iX加速器在4 MeV和6 MeV較Precise數值偏低,而在12 MeV和15 MeV上Clinac iX較Precise數據偏高(見表1).

2.4 射野輸出因子(OF)

兩類加速器X射線射野輸出因子數值結果見表2.兩類加速器電子線射野輸出因子數值結果的比較見表3.射野輸出因子定義為某一射野在空氣中輸出劑量于參考射野在空氣中輸出劑量之比.結果顯示,X射線Elekta Precise較Varian Clinac iX在照射野<10X10 cm2時射野輸出因子略高,>10X10 cm2時射野輸出因子略低.

3 結論

現代計算機、自動化控制等技術的飛速發展促進了加速器治療設備的改進創新及其放射治療計劃系統的不斷完善,而放射治療作為腫瘤治療的主要手段之一,三維適形放射治療、適形調強放射治療及容積旋轉調強等一大批新技術逐步普及和應用.但是無論何種先進的放射治療技術,其劑量學的進一步臨床應用都基于加速器束流特性的測量數據[8-10].Elekta Precise加速器和Varian Clinac iX加速器雖然標稱能量相同,加速器功能類似,但加速器中產生的韌致輻射X射線能譜,并不完全依賴于加速電子的能量,其還與加速方式、射束的偏轉、準直系統設計特別是所選擇的X射線靶和均整器材料和厚度等因素直接相關,其束流特性必然存在一定的差異,在臨床應用驗收及其質量保證過程中應加以區別[11-14].

目前,商用所有常規加速器標稱6 MV光子束射線質%dd(10)X值的范圍一般為66.3～68.2%[11-12,15-17]. Jordan列出了各主要能量光子束%dd(10)X值,其中5.0 MV、6.0 MV及8.0 MV的%dd(10)X值分別為65.0%,67.5%及71.0%.換句話說,射線質%dd(10)X值在66.3～68.2%之間對應的束流額定能量應該為5.5～6.4 MV,存在0.9 MV變化范圍.

表1 兩類加速器電子線劑量特性情況

表 2 兩類加速器X射線射野輸出因子數值結果的比較

表3 兩類加速器電子線射野輸出因子數值結果的比較

本研究對Elekta和Varian加速器的束流特性進行了研究分析,X射線開野結果表明,Precise加速器的射線質略高于Clinac iX加速器,且Elekta Precise直線加速器束流半影較大.因此,類似利用線性插值方法,本研究中Varian iX加速器所產生的射線比Elekta Precise加速器的束流射線質低約0.4 MV.至于射野半影,若排除加速器束流因素外,其主要原因在于加速器機頭和MLC末端等結構的差異所致.Elekta Precise直線加速器機頭內采用一組鉛門,一組替代上鉛門的MLC,MLC位于鉛門上方,配備40對葉片;而Varian Clinac iX加速器則具有上、下兩組鉛門,60對MLC葉片位于鉛門的下方,因此X射線在穿過機頭過程中受不同物理結構的準直器衰減影響.此外,表2射野輸出因子的比較也顯示出了兩廠商加速器之間的區別.

本研究對2臺加速器產生電子的束流基本特性也進行了比較,AAPM TG-51號報告推薦采用R50參數表征其射線質.高能電子束建議用20 cmX20 cm限光筒條件獲取,而低能應考慮10 cmX10 cm束流參數.本研究則統一地利用10 cmX10 cm條件下予以考察電子束PDD特性.試驗結果表明,標稱相同能量電子束的基本束流參數均顯示了明顯的差異性.

至于射野輸出因子,Varian和Elekta加速器X射線及電子束均顯示一定的差異.X射線除了小野或大射野外,2臺加速器6 MV的輸出因子值基本一致,保持在1%以內;而小野或大野因機頭物理結構,兩者存在最大近4%的岐離.表3列出了2臺加速器不同能量電子束相對于10 cmX10 cm的不同限光筒輸出因子,可以看出電子束除低能(<10 MeV)和(或)小限光筒,即<10 cmX10 cm或高能和(或)大限光筒條件的輸出因子差別較大外,其他均在1%以內.當然,這種差異應是Varian和Elekta電子束額定實際能量的不同、各限光筒鉛門跟隨方式的差異及其兩者的電子束有效虛源位置不同等因素的綜合影響所致[2,11,18].

不同廠商加速器X射線的射線質盡管均能滿足廠商所標定的束流要求,但Elekta Precise加速器射線質比Varian iX顯示了偏硬0.4 MV能量.對于電子束而言,因2臺加速器自身機頭設計結構及有效虛源位置等因素的影響,各能量電子的束流特性存在著一定的差異.因此,在實際臨床應用過程中,針對同類型或不同類型的加速器,臨床科室既要能觀察到不同設備束流特性之間的差異性,也要能發現差異性背后存在的變化規律,便于臨床上能更好地理解并掌握各加速器的束流劑量學特點.

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Comparison of the beam characteristics between Elekta and Varian medical linear accelerator

GE Rui-gang, XU Shou-ping, XIE Chuan-bin, et al

Objective: To analyze and evaluate the differences of beam characteristic for two types of Varian and Elekta medical linear accelerator (Linac) in order to provide the reference of quality assurance (QA) and clinical dosimetric application. Methods: The beam characteristics of the open and 60° wedged fields, such as the percent depth curves (PDDs), the off-axis ratio curves and output factors, were compared for 6 MV X-ray between Varian Clinac iX and Elekta Precise Linac. And the parameters of electron beam energy were analyzed. Results: The radiation quality of X-ray in Varian Clinac iX under the same conditions of open and wedge field was slightly lower than those in Elekta Precise Linac. And the penumbra values (20%～80%) were also smaller. The mean energy of electron beam for 4 or 6 MV in Precise machine was higher than those in Clinac iX, but the mean energy for 12 or 15 MV was lower. The output factors of X-ray and electron beam for the two Linac were a little different. Conclusion: Although the nominal energy in Elekta and Varian Linac are same, the beam characteristics of their X-ray and electron have a little difference due to the collimator structure, parameters or beam calibration standard. Therefore, the dosimetric characteristics of beams during the clinic application should be carefully considered.

Linear accelerator; Beam characteristics; X-ray; Electron

1672-8270(2016)07-0012-05 [中圖分類號] R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.07.005

國家自然科學基金(61171005)"基于C型臂的冠狀動脈旋轉三維成像方法研究"

①解放軍總醫院放療科 北京 100853

shouping_xu@yahoo.com

2015-10-21