磁共振加速器Unity的輸出量測量

田源，李明輝，張可，門闊，戴建榮

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院放療科，北京 100021

前言

Unity是由瑞典醫(yī)科達(dá)公司研發(fā)的全球首臺高場強(qiáng)磁共振放療系統(tǒng)。與常規(guī)加速器不同，Unity將7 MV直線加速器與1.5 T高場強(qiáng)磁共振成像掃描儀集成在一個系統(tǒng)平臺上，能在放療過程中提供高分辨率的磁共振圖像，具有軟組織對比度高和成像無額外輻射等優(yōu)點(diǎn)。Unity既可以用于當(dāng)次治療計(jì)劃的自適應(yīng)修正，也可以用于當(dāng)次治療過程中腫瘤運(yùn)動的實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤，還有望提供功能性圖像用于治療反應(yīng)的評估［1-3］。

然而由于高場強(qiáng)磁場的存在，Unity 的束流性能與常規(guī)加速器相比有了明顯的變化。盡管光子束不受磁場的影響，但光子束與介質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生的次級電子會在磁場的影響下發(fā)生運(yùn)動方向的偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為電子回旋效應(yīng)。電子回旋效應(yīng)會改變電離室的響應(yīng)特性［4］。目前已有很多研究通過實(shí)際測量［5-8］或蒙特卡羅模擬［4,9-10］的方法發(fā)現(xiàn)在不同磁場強(qiáng)度和方向條件下各種型號電離室的響應(yīng)特性有很大差別［11］。

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院放療科于2019年安裝了國內(nèi)首批磁共振加速器Unity。在調(diào)試驗(yàn)收和臨床使用過程中，建立了一套有別于常規(guī)加速器的絕對劑量校準(zhǔn)方法和輸出量日檢流程。本研究就此進(jìn)行詳細(xì)介紹，并報(bào)道從2019年10月22日至2020年5月9日的輸出量日檢結(jié)果，從而評價(jià)Unity劑量性能的長期穩(wěn)定性。

1 材料和方法

1.1 絕對劑量校準(zhǔn)

1.1.1 測量工具Hackett等［12］和O'Brien等［13］均發(fā)現(xiàn)，電離室與固體水適配孔間的微小空氣間隙會對電離室測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，即使0.2 mm 的非對稱空氣間隙也會給電離室測量結(jié)果帶來約1.6%的誤差。此外，由于Unity 沒有光野，無法像常規(guī)加速器那樣通過光距尺確定水面高度，進(jìn)而確定測量深度，因而本研究在絕對劑量校準(zhǔn)時(shí)，使用特制的半封閉式靴型水箱（Boot Phantom）和防水型指型電離室PTW 30013（PTW-Freiburg, Freiburg, 德國），如圖1所示。水箱由1.5 cm 的PMMA（等效1.8 cm 水）有機(jī)玻璃制成，分為前部的測量部分和后部的靴口部分。測量部分的外尺寸（長、寬、高）分別為17.1、19.2 和19.4 cm，靴口部分的外尺寸（長、寬、高）分別為12.8、19.2和22.2 cm。靴口部分的高度大于測量部分，能保證測量部份注滿水后不會從模體靴口處溢出，且測量部份和靴口部分的分界處設(shè)計(jì)有特殊的固定卡口結(jié)構(gòu)。靜電計(jì)采用PTW Unidos Webline。測量時(shí)，靴型水箱內(nèi)充滿水，防水型指型電離室PTW 30013 通過特制的適配器固定在靴型水箱的卡口上，即可保證電離室有效測量點(diǎn)位于水下10 cm，又能避免使用固體水測量時(shí)電離室與固體水適配孔間空氣間隙對測量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

圖1 Unity絕對劑量校準(zhǔn)所用的靴型水箱、固定底板、電離室及其擺位Fig.1 Boot phantom,platform and ion chamber used for the absolute dose calibration for Unity and the phantom positioning

1.1.2 模體擺位有研究表明對于各種指型電離室，當(dāng)電離室長軸平行于磁場方向時(shí)，由磁場帶來的電離室響應(yīng)修正因子為0.982～1.005；當(dāng)電離室長軸垂直于磁場方向時(shí)，由磁場帶來的電離室響應(yīng)修正因子為0.953～0.976［5-10］。為減小磁場對電離室響應(yīng)的影響，同時(shí)也為電纜連接方便，本研究在Unity 絕對劑量校準(zhǔn)時(shí)將電離室長軸沿磁場方向（進(jìn)出床方向）擺放。

Unity類似于Tomotherapy，治療頭固定在滑環(huán)機(jī)架上繞等中心旋轉(zhuǎn)，治療孔徑為70 cm，沒有外置和內(nèi)置激光燈，無法通過視覺觀察來判斷電離室的擺位準(zhǔn)確性。此外Unity 的治療床在治療范圍內(nèi)只能做進(jìn)出運(yùn)動而無法做左右和升降運(yùn)動，模體的擺位誤差難以像常規(guī)加速器那樣通過治療床的移動來修正，這些都給測量時(shí)模體的精確擺位帶來了挑戰(zhàn)。為克服上述困難，提高靴型水箱擺位的精度和效率，本研究使用特制的固定底板固定靴型水箱。固定底板通過銷釘剛性的固定在治療床尾，靴型水箱放置在固定底板的凹槽內(nèi)，此時(shí)電離室大體位于左右方向居中位置，左右方向僅有1 mm 左右的冗余空間以便根據(jù)不同型號的指型電離室（如FC-65G或FC-65P）調(diào)整。通過進(jìn)床將電離室大致放于等中心位置，使用電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device, EPID）拍攝電離室的正側(cè)位圖像，判斷電離室靈敏體積幾何中心是否位于等中心（圖2）。如在正位EPID 圖像上發(fā)現(xiàn)存在左右誤差，則可通過調(diào)整靴型水箱在固定底板中的左右位置來修正；如在正位EPID 圖像上發(fā)現(xiàn)存在頭腳誤差，則可通過進(jìn)出床予以修正；如在側(cè)位EPID圖像上發(fā)現(xiàn)存在前后誤差，則可在固定底板凹槽內(nèi)增加響應(yīng)厚度的墊片予以修正。通過不斷的調(diào)整和正側(cè)位EPID 位置驗(yàn)證，保證電離室靈敏體積幾何中心位于等中心處。

圖2 正側(cè)位EPID圖像Fig.2 Anterior and lateral EPID images

1.1.3 修正因子根據(jù)IAEA TRS 398 報(bào)告，品質(zhì)因子為Q的兆伏級光子在水中的吸收劑量為：

其中，MQ是經(jīng)復(fù)合效應(yīng)、極化效應(yīng)和溫度氣壓修正后電離室的讀數(shù)；ND,w,Q0為電離室對品質(zhì)因子為Q的光子束在水中吸收劑量的校準(zhǔn)因子；kQ,Q0是光子束射線質(zhì)修正因子。在強(qiáng)磁場條件下，電荷受洛倫茲力作用，運(yùn)動軌跡會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而電離室所收集的電荷與水中沉積的劑量之間的關(guān)系受磁場強(qiáng)度和方向的影響。這種由磁場造成的影響可以在式（1）中引入磁場修正因子kB來修正，即：

對本研究使用的PTW 30013（SN：010825）電離室，其ND,w,Q0= 5.373× 107。按照AAPM TG-51 號報(bào)告，該電離室的極化修正因子和復(fù)合修正因子分別為kpol= 0.999 5 和ks= 1.005 1，均與de Prez 等［6］報(bào)道的結(jié)果（kpol= 1.000 0 和ks= 1.005 3）高度符合。射線質(zhì)修正因子kQ,Q0按照IAEA TRS 398報(bào)告推薦的方法確定，對于本單位的Unity，束流的組織模體比TPR20/10=0.700，相應(yīng)的kQ,Q0= 0.988。早期研究中的同一型號電離室的kB存在較大差異。以PTW 30013為例，kB的變化范圍從0.982到0.997［5-10］，且最新的研究表明，即使使用相同的實(shí)驗(yàn)方法，12 支不同序列號的PTW 30013 電離室間kB也存在差異，但其標(biāo)準(zhǔn)差較小，分別為0.13%（電離室平行磁場方向）和0.19%（電離室垂直磁場方向）［11］，因而對于同一型號的電離室（如PTW 30013）可以使用所研究的12 支不同序列號的PTW 30013 電離室的磁場修正因子kB的平均值（0.990）作為推薦值，用于絕對量的校準(zhǔn)。

1.1.4 測量條件Unity 絕對劑量校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)測量條件為：電離室位于等中心，機(jī)架角=0°，源軸距（Source Axis Distance, SAD）=143.5 cm，測量深度為10 cm，射野大小為（10×10）cm2，機(jī)架角為0°，劑量率約為425 MU/min，每次照射100 MU，連續(xù)照射3 次，讀數(shù)取平均值。

1.2 基于EPID的輸出量日檢

如前所述，使用電離室和水模體進(jìn)行磁共振加速器輸出量的測量需要先做好搬運(yùn)模體、連接電纜、預(yù)熱設(shè)備等準(zhǔn)備工作。精確擺位又必須依賴于不斷地調(diào)整模體并進(jìn)行EPID 位置驗(yàn)證，耗時(shí)費(fèi)力。電離室在磁場環(huán)境中的測量面臨諸多擾動，使得該測量方法容易出錯。早期研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)加速器的EPID具有良好的劑量響應(yīng)特性和穩(wěn)定性［14］，并逐步應(yīng)用于常規(guī)加速器的輸出量的質(zhì)控［15］，甚至療前［16-17］和療中［18-19］的患者劑量驗(yàn)證。近期研究表明，在磁場條件下EPID 的性能（如劑量率依賴性、劑量線性和穩(wěn)定性）均與無磁場條件下常規(guī)加速器的EPID 類似［20-21］。因而在Unity 加速器輸出量日檢時(shí)，本研究使用基于EPID 的測量方法，以期檢出輸出量在日常誤差范圍內(nèi)與基準(zhǔn)值的偏差。

1.2.1 建立EPID 圖像特定像素點(diǎn)的累積灰度值與輸出量的校準(zhǔn)曲線首先按照使用電離室和靴型水箱進(jìn)行絕對劑量校準(zhǔn)時(shí)的方法，將電離室固定在靴型水箱中，使用EPID 精確地將電離室有效探測點(diǎn)置于等中心位置。為避免液氦液面高度變化對輸出量的影響，調(diào)用機(jī)架角為90°，8 cm×8 cm 的標(biāo)準(zhǔn)測試野，分別出束95、97、100、103 和105 MU，獲取電離室測量的輸出量結(jié)果D。每個MU 測量3 次，獲取相應(yīng)MU 對應(yīng)的輸出量平均值。然后將模體移出最大射野范圍，重新調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)測試野，分別出束95、97、100、103 和105 MU，獲取EPID 圖像。本研究選用的特定像素點(diǎn)坐標(biāo)為（510,651），讀取特定像素點(diǎn)的灰度值和校準(zhǔn)系數(shù)，并計(jì)算灰度值和校準(zhǔn)系數(shù)的比值獲取該像素點(diǎn)的累積灰度值（Accumulated Pixel Value,APV）。每個MU 測量3 次，獲取相應(yīng)MU 對應(yīng)的APV 平均值。最后使用線性回歸建立EPID 圖像特定像素點(diǎn)（510，651）的APV與輸出量的校準(zhǔn)曲線。

1.2.2 輸出量日檢在后續(xù)每日的輸出量測量中，只需調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)測試野并采集EPID圖像，讀取EPID圖像上特點(diǎn)像素點(diǎn)（510,651）的灰度值和校準(zhǔn)系數(shù)，即可根據(jù)校準(zhǔn)曲線得到當(dāng)日的輸出量結(jié)果。

1.3 Unity每日輸出量的穩(wěn)定性

本單位從2019年10月22日至2020年5月9日持續(xù)按照上述基于EPID 的方法測量Unity 每日的輸出量，歷時(shí)近7個月，共測量每日輸出量116次。通過分析每日輸出量測量結(jié)果與計(jì)劃系統(tǒng)中基準(zhǔn)值的誤差來評估Unity每日輸出量的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果

2.1 絕對劑量校準(zhǔn)

對于臨床常用的常規(guī)加速器6 MV 及6 MV FFF光子，其最大輸出劑量率分別為600和1 400 MU/min。通常將100 MU 在最大劑量深度處的絕對劑量標(biāo)定為1 Gy，其在等中心處的吸收劑量率能達(dá)到近4.050 Gy/min 和9.450 Gy/min。與常規(guī)加速器最大輸出劑量率可以調(diào)節(jié)不同，無論校準(zhǔn)點(diǎn)在什么深度，Unity 的最大輸出劑量率（～425 MU/min）是恒定的。如果按照常規(guī)加速器絕對劑量的標(biāo)定方法，將100 MU 在最大劑量深度處的絕對劑量標(biāo)定為1 Gy，此時(shí)等中心處的實(shí)際吸收劑量率僅為2.954 Gy/min。與臨床常用的常規(guī)加速器6 MV 及6 MV FFF 光子相比，該等中心處最大吸收劑量率要低很多。考慮到Unity 適合于深部腫瘤的大分割治療，提高等中心處的最大吸收劑量率有助于減少所需的MU 和出束時(shí)間，提高治療效率，因而本研究將加速器的Gun Duty Cycle提高到78%，增大柵控開關(guān)的開啟占空比，增加每個MU 的粒子數(shù)。此時(shí)100 MU 在10 cm 深度處（即等中心處）的吸收劑量為0.870 Gy，吸收劑量率約為3.698 Gy/min，相應(yīng)的100 MU 在最大劑量點(diǎn)深度處的吸收劑量約為1.251 Gy。相比于將100 MU在最大劑量深度處的絕對劑量標(biāo)定為1 Gy 的方法，在給予等中心點(diǎn)相同處方劑量的條件下，所需MU和出束時(shí)間可縮短近25%。因而本研究在SAD=143.5 cm，射野大小為（10×10）cm2，機(jī)架角為0°的標(biāo)準(zhǔn)測量條件下，將100 MU 在深度10 cm 處（即等中心處）的吸收劑量標(biāo)定為0.870 Gy。在計(jì)劃系統(tǒng)中，也以此值進(jìn)行劑量標(biāo)定。本單位Unity 的絕對劑量校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 Unity絕對劑量校準(zhǔn)結(jié)果Tab.1 Results of absolute dose calibration for Unity

2.2 輸出量日檢

EPID 圖像特定像素點(diǎn)（510,651）的APV 與輸出量的校準(zhǔn)曲線如圖3a 所示。圖中各點(diǎn)分別對應(yīng)95、97、100、103 和105 MU 的輸出量。在此輸出量變化范圍（±5%）內(nèi)，像素點(diǎn)的APV 與輸出量呈非常強(qiáng)的線性相關(guān)，R2等于0.999 9，證明此方法可用于磁共振加速器日輸出量的檢測，具有方便快捷、準(zhǔn)確敏感的特點(diǎn)。本研究從2019年10月22日開始使用此方法檢測Unity 的輸出量，并計(jì)算其與基準(zhǔn)值的偏移，所得結(jié)果如圖3b 所示。從圖中可以看出，Unity 每日輸出量長期穩(wěn)定性良好，偏移基準(zhǔn)值的幅度基本都在±1%以內(nèi)。其中2019年12月25日至2019年12月28日，使用EPID 進(jìn)行輸出量日檢連續(xù)發(fā)現(xiàn)日輸出量偏移基準(zhǔn)值超過1%。2019年12月28日使用標(biāo)準(zhǔn)測量方法，利用Boot Phantom和電離室對輸出量進(jìn)行了測量，結(jié)果證實(shí)輸出量超過1%。經(jīng)輸出量校準(zhǔn)并重新建立EPID 特定像素點(diǎn)（510,651）的APV 與輸出量的校準(zhǔn)曲線后近5個月的輸出量偏移均在±1%以內(nèi)。

圖3 EPID圖像特定像素點(diǎn)APV與輸出量的校準(zhǔn)曲線和輸出量的長期穩(wěn)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 討論

本研究報(bào)道了Unity 絕對劑量校準(zhǔn)的方法和基于EPID 的輸出量日檢的方法，并分析Unity 近7 個月的輸出量日檢數(shù)據(jù)，證實(shí)其具有較高的穩(wěn)定性。

在使用電離室和靴型水箱進(jìn)行輸出量測量時(shí)，有研究使用機(jī)架角為90°的射野以避免液面高度變化對輸出量測量結(jié)果的影響［22］。考慮到Unity 的磁體采用了零液氦揮發(fā)技術(shù)，液氦損失非常小。從開始液氦液面監(jiān)測至2020年5月9日的近7 個月時(shí)間內(nèi)，本單位Unity 的液氦液面的變化不超過0.1%。與常規(guī)加速器輸出量測量方法保持一致，本研究仍使用0°標(biāo)準(zhǔn)測試野，并每日監(jiān)測液氦液面的高度。

本研究所使用的基于EPID的輸出量測量方法克服了傳統(tǒng)輸出量測量方法在磁共振加速器中應(yīng)用的困難，簡化了測量步驟，測量時(shí)只需在Service模式下調(diào)用預(yù)制好的標(biāo)準(zhǔn)測試野并保證床面退出射野照射范圍，即可出束采集EPID圖像。通過讀取EPID圖像上特定像素點(diǎn)的灰度值和校準(zhǔn)系數(shù)，即可根據(jù)校準(zhǔn)曲線得到當(dāng)日的輸出量結(jié)果。整個測量過程僅需2～3 min，非常方便。從實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來看，該方法能檢出輸出量超過1%的異常變化，并提醒使用標(biāo)準(zhǔn)測量方法予以確認(rèn)并校準(zhǔn)輸出量的偏移。因而該方法非常適合用于磁共振加速器輸出量的日檢。然而該方法還受EPID 響應(yīng)特性的影響，因而本單位僅將其作為輸出量的日檢方法。對于輸出量的月檢和年檢，仍使用電離室和靴型水箱進(jìn)行測量，并規(guī)定月檢時(shí)重新建立EPID 特定像素點(diǎn)的APV 與輸出量的校準(zhǔn)曲線。

加速器性能的穩(wěn)定性與工作負(fù)荷有關(guān)。工作負(fù)荷越大，性能的穩(wěn)定性也就越差。本單位的Unity 在安裝調(diào)試完成后投入臨床試驗(yàn)，日均治療患者4 人。臨床試驗(yàn)結(jié)束后，除少量質(zhì)控檢測、物理測試和科研工作外，設(shè)備基本處于待機(jī)狀態(tài)，工作負(fù)荷較小。因而本研究所報(bào)道的輸出量穩(wěn)定性結(jié)果可能會優(yōu)于真實(shí)臨床工作負(fù)荷條件下的結(jié)果。兩者的差別情況有待該設(shè)備正式投入臨床使用后確定。

4 結(jié)論

與常規(guī)加速器相比，Unity 的絕對劑量校準(zhǔn)更為復(fù)雜，需謹(jǐn)慎選擇測量工具、擺位方式、測量條件和修正因子。基于EPID 的Unity 輸出量測量方法能滿足日檢要求，方便快捷。初步結(jié)果顯示，Unity的輸出量具有較好的輸出量長期穩(wěn)定性。真實(shí)臨床工作負(fù)荷條件下，Unity 的輸出量長期穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步觀察。