對瓦里安碳纖維治療床面模型的評估

李毅，李芳，蘇王輝，何赟，張坤，王中衛(wèi)

1. 西安交通大學第二附屬醫(yī)院 放療科，陜西 西安 710004；2. 陜西省腫瘤醫(yī)院 放療科，陜西 西安 710061

引言

醫(yī)用直線加速器碳纖維治療床面多采用碳纖維增強樹脂復合材料制成，具有優(yōu)異的X射線透過性，同時碳纖維治療床面對射線的衰減不可忽略[1-2]。臨床工作中多采用建立治療床面虛擬模型的方式修正其對劑量的影響[3-6]。國內(nèi)外多位學者分別基于不同放療計劃系統(tǒng)對虛擬治療床面模型進行測試，結(jié)果顯示虛擬模型均可以很好地模擬治療床，減少治療床對放療計劃的影響[7-11]。而關于治療床面模型精度及模型影響評價的研究還較為少見。本研究選取瓦里安加速器廣泛采用的Exact IGRT碳纖維治療床面及內(nèi)置模型，基于Eclipse計劃系統(tǒng)對模型結(jié)構(gòu)及不同條件下模型的衰減進行評價，為臨床工作中治療床面模型的使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

飛利浦大孔徑CT模擬機、Eclipse治療計劃系統(tǒng)（版本13.6）、瓦里安Exact IGRT治療床。治療床面寬度53 cm，長度200 cm，橫向結(jié)構(gòu)左右對稱，縱向結(jié)構(gòu)從前端到后端厚度逐漸增加，分為?。?0.0 mm）、中（62.5 mm）、厚（75.0 mm）三種厚度，見圖1。

圖1 Exact IGRT治療床面結(jié)構(gòu)示意圖

拆下治療床面并執(zhí)行CT掃描，掃描條件250 mA、120 kV，層厚5 mm。CT圖像顯示治療床面呈三明治結(jié)構(gòu)，外層為2 mm厚高密度碳纖維復合材料面板，內(nèi)部填充低密度泡沫芯材。兩側(cè)弧形區(qū)域進行了加強處理以保持治療床面機械強度。治療床面亨斯菲爾德值（Hounsfield Unit，HU）非均勻分布，上層面板平均HU值-640 HU，下層面板平均HU值-510 HU，兩側(cè)弧形區(qū)HU值為-350～144 HU，內(nèi)部泡沫芯材平均HU值-950 HU（圖2）。

圖2 實際治療床面CT圖像

瓦里安Eclipse計劃系統(tǒng)內(nèi)置Exact IGRT治療床面模型用于模擬實際治療床面。模型基于治療床面實際尺寸建立，分為薄、中、厚三種模型。模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)由碳纖維外殼和低密度填充物兩部分輪廓組成，可自定義HU參數(shù)（圖3）。系統(tǒng)內(nèi)默認參數(shù)為（-300 HU，-1000 HU），實際工作中推薦根據(jù)床面實際結(jié)構(gòu)選擇合適的參數(shù)，研究建議采用（-580 HU，-950 HU）參數(shù)組合。

圖3 Exact IGRT治療床面模型

1.2 建立衰減系數(shù)測試模型

分別基于治療床面CT圖像、Exact IGRT治療床面模型圖像建立測試圓柱形虛擬模體P。模體直徑20 cm，長度40 cm，密度1.000 g/cm3，HU值為0，位置居中且與治療床面上表面相切（圖4）。模型左右對稱，且不同角度時模體中心劑量僅受治療床面衰減影響。

圖4 衰減系數(shù)測試模型

測試計劃以模體P中心為計劃中心，條件選用6 MV X射線，5 cm×5 cm射野，200 MU，Acuros XB算法。治療床面及模體P以外的結(jié)構(gòu)指定為空氣，且在Eclipse計劃系統(tǒng)中默認不參與運算。研究選取90～180°射野角度進行分析，每10°進行一次劑量計算，讀取等中心處的劑量并計算治療床面衰減系數(shù)F，見式(1)。

其中，Dcouch表示射野穿過治療床面時模體P等中心處劑量，Dopen表示無治療床面時模體P等中心處的劑量（采用機架角角度為0時測量結(jié)果）。

1.3 比較不同條件下治療床面及模型衰減

（1）不同HU值參數(shù)條件下衰減：包括實際治療床面、模型HU參數(shù)（-300 HU，-1000 HU）、模型HU參數(shù)（-580 HU，-950 HU）。

（2）不同厚度條件下衰減：包括薄、厚兩種厚度。

（3）不同射線能量條件下衰減：包括6 MV、10 MV兩檔能量。

（4）不同劑量算法條件下衰減：包括AAA和Acuros XB兩種算法。

2 結(jié)果

2.1 不同HU參數(shù)條件下治療床面衰減

實際治療床面衰減系數(shù)為2.51%±0.50%，當虛擬模型碳纖維外殼輪廓、泡沫內(nèi)芯輪廓參數(shù)組合分別為（-300 HU，-1000 HU）、（-580 HU，-950 HU）時，衰減系數(shù)分別為3.13%±0.57%、2.385%±0.35%。模型較實際治療床面偏差分別為0.63%±0.44%、-0.15%±0.20%。當模型采用（-580 HU，-950 HU）參數(shù)組合時，與實際床面衰減具有更好的一致性（圖5）。

圖5 不同HU參數(shù)條件床面衰減曲線

同時研究發(fā)現(xiàn)虛擬床面模型簡化了兩側(cè)高密度區(qū)域結(jié)構(gòu)，當射野角度為112～116°時，射線穿過兩側(cè)高密度區(qū)域，治療床面衰減系數(shù)明顯增大。射野115°時實際治療床面衰減最大為6.61%，模型衰減系數(shù)分別為4.29%、2.18%，最大偏差4.43%。

2.2 不同X射線能量條件下治療床面衰減

6 MV、10 MV射線條件下，實際治療床面衰減系數(shù)分別為2.51%±0.50%、1.85%±0.36%。虛擬模型衰減系數(shù)分為2.38%±0.35%、1.73%±0.26%（圖6）。相同能量條件下，床面模型與實際床面衰減基本一致，最大偏差分別為0.42%、0.37%。采用不同射線能量時，實際床面及床面模型衰減系數(shù)均隨著射束能量增高而減小，劑量衰減與能量有一定相關性，低能射線受治療床面影響更加明顯。

圖6 不同射線能量條件床面衰減曲線

2.3 治療床面不同厚度條件下的衰減

實際治療床面厚段衰減系數(shù)2.51%±0.50%，薄段衰減系數(shù)2.05%±0.47%，差異0.46%±0.08%。虛擬模型厚段衰減系數(shù)2.385%±0.35%，薄段衰減系數(shù)2.10%±0.36%，差異為0.28%±0.13%，見圖7。厚段衰減均略高于治療床薄段，主要區(qū)別為內(nèi)部填充物厚度不同及兩側(cè)弧形區(qū)域體積不同有關，與孔偉等[12]的研究結(jié)果一致。

圖7 不同厚度條件床面衰減曲線

相同厚度條件下，治療床面厚段較模型衰減差異高0.13%±0.17%。實際床面薄段較模型衰減高0.05%±0.13%，差異均小于0.5%。治療床面厚段床模型與實際床衰減偏差略大，差異主要集中在床面兩側(cè)弧形高密度區(qū)域。

2.4 不同劑量算法時治療床面衰減

實際治療床面在AAA、Acuros XB算法條件下衰減系數(shù)為3.67%±0.47%、2.51%±0.50%，差異為1.16%±0.17%，偏差最大1.34%。治療床面模型衰減系數(shù)為3.415%±0.43%、2.38%±0.35%，差異為1.03%±0.17%，偏差最大1.34%，見圖8。

圖8 不同劑量算法條件床面衰減曲線

當采用相同劑量算法時，實際床與模型衰減基本一致，偏差小于0.5%。當采用不同劑量算法時，AAA算法衰減系數(shù)均高于Acuros XB算法，且偏差大于1%。主要與治療床面和模型之間的空氣間隔有關，AAA算法高估了治療床面及模型對射線的衰減，Acuros XB算法可以更準確地考慮空氣間隙的影響。

3 討論

放射治療中患者治療附件對吸收劑量具有一定的影響，實際臨床工作中采用CT模擬機同時掃描患者及附件并使其參與計算的方法可以準確評價絕大多數(shù)治療附件的影響。然而在修正加速器治療床衰減時，則需要為CT模擬機配置與加速器相同型號的治療床面。該方法受到CT模擬機掃描孔徑有限、全碳纖維治療床面價格相對昂貴及不同型號加速器可能對應不同治療床等多種因素限制未能得到普及。

多數(shù)放療計劃系統(tǒng)采用構(gòu)建虛擬治療床面模型的方式模擬治療床對射線的影響，多位學者對內(nèi)置虛擬治療床模型的方法準確性進行了研究[13-15]。郭紅博等[8]基于Xio計劃系統(tǒng)構(gòu)建iBeam evo couch治療床虛擬模型，結(jié)果顯示虛擬床模型可以很好地模擬加速器治療床對劑量的衰減。Zhang等[16]采用圓柱形模型及電離室對Monaco計劃系統(tǒng)內(nèi)置的虛擬床模型衰減進行了測試，測量結(jié)果與計算結(jié)果顯示良好的一致性。李軍等[17]基于固體水及電離室實際測量的方法，探討了瓦里安IGRT碳纖維治療床與虛擬治療床對劑量影響差異，結(jié)果顯示虛擬床模型可以減小劑量誤差。

本研究在上述工作基礎上采用實際測量之外的方法，基于Eclipse計劃系統(tǒng)建立快速測試模型。該方法為不便于測量的單位提供一種思路，適用于不同計劃條件、不同型號治療床模型精度的測試。研究結(jié)果顯示，與無治療床比較，虛擬模型修正了約2.38%±0.35%的衰減偏差，與實際治療床衰減基本一致，偏差為-0.15%±0.20%?，F(xiàn)有的內(nèi)置虛擬模型綜合考慮了便捷性與準確性，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了簡化，特別是兩側(cè)弧形高密度區(qū)域結(jié)構(gòu)。射野在特定角度穿過高密度區(qū)域時，與實際床衰減偏差超過4%，應予以留意，以避免不必要的偏差。

虛擬床面模型HU參數(shù)及計劃參數(shù)設置也將影響到模型精度，使用時需選用正確的模型及合理的計劃參數(shù)以保證模型準確性。治療床面模型HU參數(shù)需根據(jù)實際情況設置，如直接采用系統(tǒng)默認參數(shù)（-300 HU，-1000 HU）則可能高估等中心處劑量。研究推薦使用（-580 HU，-950 HU）參數(shù)組合，與Vanetti等[18]的研究結(jié)果一致。

治療床面衰減與能量有一定相關性，6 MV低能射線相比10 MV射線受治療床面的影響更加明顯。如采用穿透力更弱電子線治療時，需注意射野是否穿過治療床并確保治療精度。治療床面厚段衰減系數(shù)略高于薄段，應根據(jù)實際情況選擇相應厚度的床面模型。

選用不同劑量算法時，AAA算法的衰減系數(shù)明顯高于Acuros XB算法，偏差約1.16%±0.17%，最大偏差1.34%。算法差異主要與床面和測試模型之間的空氣間隙有關，Acuros XB算法考慮了物質(zhì)密度，可以更加準確地考慮空氣間隙的影響，而AAA算法高估了治療床面及模型對劑量的衰減[19-20]。在設計臨床計劃時應盡可能選擇更為精準的Acuros XB算法，減少由算法帶來的誤差。

本研究還存在部分局限性，Eclipse計劃系統(tǒng)采用的Acuros XB算法相對精準，但仍存在一定的不確定性。研究以計劃系統(tǒng)計算結(jié)果為基準對模型衰減進行評價，可能會引入細微的偏差。研究進一步工作，嘗試建立可實際測量模型對現(xiàn)有虛擬模型及算法結(jié)果進一步修正，并對治療床面成效帶來的模體表面偏差進行評價。

4 結(jié)論

綜上所述，在計劃系統(tǒng)中正確引入虛擬床面模型可以很好模擬實際治療床面對射線影響。在設計臨床放療計劃時，需合理設置HU參數(shù)并建議采用Acuros XB算法，盡可能避免大量射線經(jīng)過兩側(cè)高密度區(qū)域，特別在低能X射線計劃中，以減少誤差。