利用三維水箱測量的“環形機架”加速器“典型射線數據”驗證研究

汪之群，楊波，張悅，于浪，陳胤竹，王小深，張杰，王貝，李文博，胡克，張福泉，邱杰

1. 北京協和醫院 放療科，北京 100730；2. 西安大醫集團股份有限公司，陜西 西安 710016；3. 瓦里安醫療設備(中國)有限公司，北京 100176

引言

Halcyon加速器是瓦里安公司新推出的一臺封閉的環形機架加速器，該加速器具有以下一些特點。該加速器只有一檔能量（6 MV-FFF），用于治療和影像采集，2.0版本的加速器有KV-CBCT影像系統，該加速器沒有鉛門的設計，利用雙層葉片的交錯來減小束流的傳射劑量，該加速器由于機架封閉設計帶來的安全性等特點，具有治療速度快，強制圖像引導等特征。由于Halcyon加速器與傳統C型臂加速器在設計等方面的區別，因此在驗收調試過程中也有所區別[1-2]。本文主要針對Halcyon加速器束流調試中的治療計劃系統模型數據比對的方面。

對于傳統的加速器調試方式來講，驗收結束之后應收集加速器基礎束流數據，并利用這些測量數據對于加速器的束流模型進行建模來模擬設備束流的輸出，通過實測的方式再來驗證治療計劃系統中束流模型的準確性。而與傳統C型臂加速器有所不同，瓦里安公司對于Halcyon加速器采取在Eclipse v15.6預裝典型射線數據[3]（Representative Beam Data，RBD）的方式。瓦里安公司提供的“典型射線數據”是基于數家機構安裝的Halcyon加速器的數據取得的平均數據。這樣的預裝數據模式，省去了物理師進行束流數據采集并建模的過程，但由于預裝的內置數據模型并不是針對某一臺加速器而是“平均射線數據”，因此在Halcyon加速器在各中心安裝結束后，應對該加速器在“典型射線數據”同樣的設置下，對于加速器的實際輸出（實測數據，MeasData）與RBD與治療計劃系統根據束流模型的計算結果（計算數據，CalcData）三個數據進行比對，確定這三個數據的偏差在可接受的范圍內，再對于加速器的束流系統進行后續調試[4-5]。

本研究描述了Halcyon2.0加速器所有預裝數據對比的測試方法和結果，所有測試方法均是基于AAPM，IAEA及相關文獻推薦的規程進行設計的。

1 材料與方法

本研究所使用的加速器為Varian公司的Halcyon加速器，射線能量為單能6 MV非均整模式X線，劑量率為800 MU/min。Halcyon加速器中的預裝典型射線數據主要包括：百分深度劑量曲線（Percentage Depth Dose，PDD），射野離軸比曲線（Profile）以及輸出因子（Output Factor，OF）。對上述項目進行驗證，測量“MeasData”時，所使用的測量條件和測量項目與預裝典型射線數據是一致的，而測量工具和方法的選擇根據我中心的測量習慣以及測量工具。“CalcData”是在Varian公司的Eclipse v15.6計劃系統當中，模擬相同的測量條件，通過“AAA_15606”算法計算得到。

1.1 水箱架設和擺位

本研究使用的水箱是IBA公司的Blue Phantom2三維水箱（掃描體積48 cm×48 cm×48 cm）。三維水箱軟件使用Accept(v7.2)軟件。其他三維水箱或一維水箱和陣列探測器也可用于某些測試[6]。三維水箱等測量工具使用方法參照相關AAPM報告[7]。由于環形機架加速器的特點，水箱需架設在治療床上，需在治療中心對于水箱水平進行調整確認，同時在水箱選擇中應考慮水箱尺寸防止和環形機架產生碰撞。由于Halcyon加速器在治療中心無光野燈和光距尺，因此本研究在水箱及探頭擺位確認時使用MVEPID影像以及CAX確認的方式確保擺位準確[8]。圖像引導方式如圖1所示。

圖1 利用MV-EPID影像方式對水箱及探頭擺位進行確認

1.2 測量工具及方法

本研究所使用到的電離室包括IBA公司的CC13電離室，靈敏體積為0.13 cm3；IBA公司的CC01電離室，靈敏體積為0.01 cm3；半導體探測器為IBA公司的SFD以及PFD探測器；參考半導體探測器為IBA公司的RFD探測器。本研究PDD曲線的測量利用兩個CC13電離室分別作為主電離室和參考電離室進行，三維水箱采用連續掃描模式，掃描速度為0.3 cm/s。測量范圍為水下22 cm至水上0.5 cm。

對于離軸比曲線，掃描范圍為射野大小之外5 cm。測量使用了半導體電離室，利用PFD作為主電離室，RFD作為參考電離室，測量射野大小大于4 cm×4 cm的射野的離軸曲線，三維水箱采用連續掃描模式，掃描速度為0.3 cm/s，利用SFD作為主電離室，未使用參考電離室，測量2 cm×2 cm的離軸曲線，三維水箱采用步進式模式掃描，步長1 mm。

對于總散射因子，所有射野分別給予機器跳數100 MU照射，按10 cm×10 cm照射野進行歸一，利用SFD，PTW靜電計，測量射野任意一邊小于4 cm的射野的輸出因子，利用CC13，PTW靜電計，測量射野任意一邊≥4 cm的射野的輸出因子。并利用4 cm×4 cm的射野進行“菊鏈連接”。

表1介紹了RBD中所有的數據內容以及測量時所使用的測量工具。在本中心對數據進行測量時，對于測量工具根據本中心測量習慣及測量需求，做出了下列調整，在測量PDD曲線時，應用兩個IBA Dosimetry公司的CC13電離室作為主電離室和參考電離室，在測量Profile曲線時，在測量2 cm×2 cm 的射野時，采用了IBA Dosimetry公司的SFD半導體探測器，在測量≥4 cm×4 cm射野時，主電離室采用IBA Dosimetry公司的PFD半導體探測器，參考電離室采用RFD半導體探測器。在測量射野輸出因子時，在測量射野任意一邊小于4 cm的射野時使用IBA Dosimetry公司的SFD半導體探測器, 其他使用CC13電離室，并在4 cm×4 cm 的射野出進行“菊鏈連接”。

表1 典型射線數據測量項目及方法

1.3 菊鏈連接

利用單一探測器進行射野輸出因子的測量會由于探測器本身的特性在射野大小變化時產生響應的不同，因而產生測量的誤差。半導體探測器平均體積效應小，但是對低能射線存在過響應[9-10]。而測量用的電離室不存在能量響應依賴，但存在體積平均效應的問題[8]。因此Dieterich和Sherouse[11]提出對于射野輸出因子采取“菊鏈連接”的方式。使用2個探頭，在各自響應變化較小的范圍內進行測量，通過中間野進行“菊鏈連接”，提高測量的準確性[12]。菊鏈連接的計算公式如公式(1)所示。

公式（1）中Scp為射野輸出因子，Mclinic(ic)為同一探測器不同面積射野讀數，Mref為參考野的測量讀數。Mclinic(diode)為半導體探測器得到的射野讀數，Minter(ic)為電離室測量得到的中間野的讀數，Minter(diode)為半導體探測器測量得到的中間野的讀數。

1.4 比較方法

對于PDD曲線，將測量曲線歸一至最大值，對比RBD和MeasData以及MeasData和CalcData之間的偏差，分析方法采用1 mm/1%，2 mm/2%以及3mm/3%標準下的Gamma分析。對于Profile曲線，將測量曲線進行CAX校正，對比RBD和MeasData以及MeasData和CalcData之間的偏差，分析方法采用1 mm/1%，2 mm/2%以及3 mm/3%標準下的Gamma分析。對于射野輸出因子，對比不同射野的輸出因子的偏差。對于RBD和MeasData之間PDD與Profile的差異，利用自主設計編程的Python數據處理程序進行Gamma分析。對于MeasData和CalcData之間PDD與Profile的差異，利用自主設計編程的Matlab數據處理程序進行Gamma分析。

2 結果

2.1 百分深度曲線對比結果

百分深度劑量的結果良好。RBD和MeasData之間的1 mm/1%，2 mm/2%，3 mm/3%標準下的Gamma通過率均為100%。MeasData和CalcData相比，不同射野大小的PDD在1 mm/1%標準下的通過率為99.63% ± 0.24%；在2 mm/2%標準下的通過率為99.8%；在3 mm/3%標準下的通過率為99.8%。圖2為不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結果。圖3為不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結果。圖4為接近表面部分的PDD測量曲線，即為偏差較大部分。

圖2 不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結果

圖3 不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結果

圖4 利用CC13電離室對PDD曲線進行測量在接近模體表面區域與TPS計算偏差較大

2.2 射野離軸比曲線對比結果

RBD和MeasData之間射野離軸比曲線劑量比對結果為1 m m/1%標準下，不同射野大小的射野在不同深度的平均通過率如下：2 cm×2 cm射野在不同深度的平均Gamma通過率為（83.86±1.91）%，4 cm×4 cm射野在不同深度的平均Gamma通過率為86.16%±2.02%，6 cm×6 cm射野為100%，8 cm×8 cm射野為99.46%±0.55%，10 cm×10 cm射野為100%，20 cm×20 cm射野為99.84%±0.36%，28 cm×28 cm射野為100%。對角線射野的不同深度平均通過率為96.30%±2.51%。小射野通過率低于大射野通過率。不同深度的射野在不同射野大小條件下的平均通過率如下：深度1.3 cm處的平均Gamma通過率為95.11%±8.15%；深度5 cm處為95.33%±7.79%，深度10 cm處為95.29%±7.82%，深度20 cm處為96.33%±6.35%，深度30 cm處為96.03%±6.37%。各深度的通過率沒有統計學差異。在2 mm/2%和3 mm/3%的標準下，各射野間對比Gamma通過率均為100%。

MeasData和CalcData之間射野離軸比曲線劑量比對結果為1 mm/1%標準下，不同射野大小的射野在不同深度的平均通過率如下：2 cm×2 cm射野在不同深度的平均gamma通過率為99.5%±1.12%，4 cm×4 cm射野在不同深度的平均gamma通過率為100%，6 cm×6 cm射野為100%，8 cm×8 cm射野為97.88%±0.78%，10 cm×10 cm射野為98.68%±0.66%，20 cm×20 cm射 野 為 98.80%±0.90%，28 cm×28 cm射野為98.66%±2.77%。對角線射野的不同深度平均通過率為100%。不同射野大小間的通過率沒有統計學差異。不同深度的射野在不同射野大小條件下的平均通過率如下：深度1.3 cm處的平均Gamma通過率為98.67%±2.25%；深度5 cm處為99.61%±0.73%,深度10 cm處為99.39%±0.96%，深度20 cm處為99.10%±1.10%，深度30 cm處為98.60%±1.29%。各深度的通過率沒有統計學差異。在2 mm/2%和3 mm/3%的標準下，各射野間對比Gamma通過率均為100%。

圖5為不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結果。圖6為不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結果。圖7為射野離軸比曲線射野邊緣的測量結果。

圖5 不同射野RBD和MeasData之間的Gamma分析結果

圖6 不同射野MeasData和CalcData之間的Gamma分析結果

圖7 利用CC13電離室對PDD曲線進行測量在接近模體表面區域與TPS計算偏差較大

2.3 輸出因子對比結果

射野輸出因子結果采取兩種探頭的輸出因子結果進行“菊鏈連接”的方式。4 cm×4 cm的射野為中間野，將大小探頭的測量結果進行歸一，兩種探頭的輸出因子結果通過“菊鏈連接”的方式進行輸出因子的銜接[12]。有一邊射野小于4 cm的射野均選擇小探頭的結果，大于等于4 cm的射野均選擇大探頭的結果，其中，x，y射野不同大小的方形野和長方形野均進行測量，由于加速器的設計，以往觀察輸出因子與x，y方向的變化（即2 cm×4 cm與4 cm×2 cm的射野）會對輸出因子產生差別，是否有區別測量結果如表2所示。測量結果與RBD結果的偏差如表3所示。

表2 實測x、y方向不同射野大小的輸出因子表格

表3 不同射野大小的輸出因子測量結果與RBD結果的偏差（%）

3 討論

從上述結果看出，RBD數據與實際測量數據的匹配度良好。計劃系統AAA算法計算數據也與測量數據匹配度良好。認為該加速器的束流基礎數據符合臨床使用要求，但仍需對測量結果進行分析討論[13-18]。

對于百分深度劑量曲線，RBD數據與測量數據的匹配度均為100%，而計劃系統計算數據與測量數據有0.2%的偏差，偏差主要存在于貼近模體表面的部分。分析該部分造成的偏差主要來源于表面劑量測量時，探頭已過于接近水面或露出水面，介質之間相隔的區域會造成測量的偏差，而計劃系統建模中，表面劑量部分是通過外推得到的，因此造成了偏差，有研究表示CC13應用于PDD曲線的測量會高估表面劑量[19]。與本研究所得到的數據相符。圖6為接近表面部分的PDD測量曲線。因此，對于接近水模體表面的劑量測量，可以采用平行板電離室[20]、TLD片測量或Monte Carlo模擬[9]的方式對于表面劑量的數據進行評估，預期會獲得更好的結果。

對于射野離軸比曲線，通過對所有射野的Gamma分析值分析發現，無論是RBD數據與MeasData還是MeasData與CalcData之間，射野的半影區域內的Gamma值偏差較大。射野的半影區易產生偏差的主要原因主要有兩項：① 體積平均效應[11]產生測量的半影區斜率降低，在探頭選擇上，盡量選用靈敏體積小的半導體探測器對射野離軸比曲線進行測量；② 產生偏差的原因可能是測量時電離室的運行速度較快。本研究所采用的測量速度為Blue Phantom2水箱當中可選擇的最小連續掃描速度0.3 cm/s。而小射野采用的是步進式的測量方式。電離室的選擇和測量速度會影響射野半影區的Gamma通過率。

對于輸出因子測量方法，應選擇3 c m×3 c m或 4 cm×4 cm作為中間野進行測量。在該面積射野下，野內既能達到側向電子平衡，同時又不會有過多的低能散射線，無論是使用半導體探測器還是電離室，都可以測得一個較為準確的結果[8]。但目前對于銜接方法有兩種不同的方式：① 本研究所采用的任意一邊小于中間射野大小的射野均選擇小探頭的結果，大于等于的選擇大探頭的結果；② 考慮等效方野小于中間野選擇小探頭的結果，而等效方野大于等于中間野的選擇大探頭的結果。第一種方式考慮主要是大探頭再任一邊小的射野內都很難達到側向電子平衡而第二種方式主要考慮一邊射野較大也會增加散射線的影響。本實驗觀察到兩種鏈接方式的測量偏差非常小。另外，由于RBD數據介紹中并未介紹菊鏈連接的方式，僅是提到射野一邊是1 cm的射野選用SNC公司的Edge探測器，而大射野選擇IBA公司的CC13探測器測量，并未提及是否使用了“菊鏈連接”的方法。就本研究的測量結果看，射野尺寸小于2 cm×2 cm的射野輸出因子數據偏差在1%～3%之間，射野尺寸大于等于2 cm×2 cm的射野數出因子偏差均小于1%。考慮到本身小射野的測量的不確定度較大，因此RBD數據結果是臨床可接受的。

由于Halcyon加速器使用RBD數據進行計劃系統的建模，因此對比RBD與MeasData和對比MeasData與計劃系統的CalcData的目的是為了確定設備的狀態符合計劃系統的模型，而不是確定模型符合設備的輸出狀態。這種“RBD模式”縮短了設備調試初期收集數據，再建模和調整模型的時間。但設備調試開始時，仍需對于設備的狀態進行驗證。這種方式同時降低了設備和采集工具的要求，設備狀態驗證所使用的工具可根據各中心習慣和所有設備進行選擇，例如電離室矩陣、一維水箱[21]均可用于基礎數據對比驗證工作。而這些設備對于治療計劃系統數據采集的精度要求可能是不足的。而由于驗證的這些數據是計劃系統建模的基礎數據，因此在治療計劃系統調試時，仍需對不同SSD，不同射野大小等不同設置的基礎野進行驗證，以達到測試治療計劃系統運算能力的目的。

4 結論

相較于傳統加速器采集數據建模的模式，利用“典型射線數據”縮短了物理師進行臨床調試工作的時間。利用三維水箱和合適的探測器可以對“典型束流數據”進行完整的驗證。本研究所得到的測量結果良好，設備符合臨床使用要求。本研究的測量方法可對其他加速器的測量起到參考作用。