醫用動態多葉光柵技術的發展概述

陳劉利，呂軍，朱志強，尚雷明，龍鵬程（通信作者），胡麗琴

1 中科超精（南京）科技有限公司 （江蘇南京 211899）；2 中國科學技術大學（安徽合肥 230026）

國際癌癥研究機構（International Agency for Research on Cancer，IARC）2020 年發布的全球癌癥統計報告顯示，中國癌癥新發例數為457 萬，死亡300 萬例，癌癥已成為引發死亡的第一病因[1]。基于精準計劃、精準定位、精準照射、精準測評的“四精”放射治療技術，可對癌癥病灶進行精準滅殺治療，因其適用范圍廣泛，患者生存質量高，且具有無創傷、不良反應小的特點，成為癌癥治療的主流手段之一。動態多葉光柵（dynamic multi-leaf collimator，DMLC）又稱多葉準直器，是隨著放射治療技術發展而研發出來的一種配置在醫用直線加速器上的一種關鍵設備[2]，能夠通過射野適形功能較好地滿足放射治療需求。多葉光柵通過葉片交互運動的方式形成與目標靶區形狀相吻合的照射野，再將輻射劑量精確照射到目標靶區，并保護健康組織，提升治療效果，進而提高患者的生命質量。動態多葉光柵可適用于多種放射治療，如靜態調強和動態調強等，具有運動速度快、成野效率優、照射野范圍大、結構緊湊等特點，取代了傳統的適形鉛合金擋塊，成為放射治療的關鍵核心設備之一，對提高放射治療精度具有重要的技術價值和意義。

1 光柵的演變歷程

從光柵被用作射線適形開始，人們就在不斷對其進行控制、運動、結構改進，以提高相關性能和技術指標，向更低漏射率、更高運動位移控制精度及更高葉片運動速度方向持續發展。

光柵的發展歷程[3-6]如圖1所示。光柵最早由日本科學家Takahashi[7]于20世紀60年代提出，并首次將其用于適形放射治療，通過熔融合金制作擋塊的形式控制射野形狀，使射野形狀與病灶投影形狀相吻合。

圖1 光柵的發展歷程

為替代傳統的合金擋塊、提高治療效率，20世紀70年代初出現了手動適形光柵，通過手動推拉的方式調節阻擋塊，前后移動組合成適形靶區的射野[8]。但受制于操作人員觀察和手工操作的誤差及設備自身結構的局限性，出現了調節速度慢、射線漏射率高、適形度低、治療時間長等諸多問題，導致其射野難以滿足高精度治療的需求。隨后人們研發出了半自動光柵，可自動形成與病灶吻合的射野，如圖2所示[4]。

圖2 光柵的運動方式

Mantel 等[9]于1977年在東芝LMR-16醫用直線加速器上采用電動光柵控制。Yu 等[10]做了進一步改進，通過微機控制電機驅動光柵葉片，使射野形狀可以根據靶區的形狀進行組合變化，其通過自動控制技術有效解決了手動調節效率低的問題。

動態多葉光柵由若干鎢合金葉片、微型驅動電機、傳動絲桿、電控元件和支撐底盤構成[11]。其通過控制軟件發出運動指令，再由驅動電機推動葉片往返運動，通過葉片位置的不斷變化實現不同形狀的射野，工作原理如圖3所示[12-13]。計算機技術、機械加工技術等的不斷發展進一步推動了多葉光柵在不同結構形式及不同性能指標方面的突破。

圖3 電動光柵的工作原理

根據輻射線屏蔽方式，人們將動態多葉光柵分為單聚焦光柵和雙聚焦光柵[14]，如圖4所示。

圖4 光柵的聚焦方式

根據在醫用直線加速器中光柵的配置方式又可分為外置光柵和內置光柵，如圖5所示。

圖5 光柵的配置方式

加速器最初的光柵配置方式以外掛式為主，隨著放療需求的多樣化與治療技術的發展，高性能的醫用直線加速器逐步采用將光柵內置整合于治療頭的方式[3,5]，這種與醫用直線加速器一體化的結構與控制集成模式顯著提高了光柵運動控制與精準適形應用的高效性、穩定性與準確性。

根據光柵的層數可分為單層光柵和多層光柵[15-16]，如圖6所示。目前，絕大部分醫用直線加速器配置的是單層多葉光柵，少部分配置了雙層多葉光柵，3層光柵還處于概念與方案設計階段。多層多葉光柵具有獨特的自屏蔽優勢，可以進一步簡化治療頭的結構設計。其中，雙層光柵又分為平行雙層光柵與正交雙層光柵。例如，美國瓦里安的Halcyon 機型配置了平行雙層光柵，蘇州雷泰醫用直線加速器VenusX 采用了正交雙層光柵。

圖6 多層多葉光柵示意圖

2 應用現狀概述

國外很多機構或公司對動態多葉光柵進行了技術研發，具有代表性的有Varian、Elekta、Mitsubishi、Siemens、BrainLab、Nomos 等。Varian 研發 的Millennium、Halcyon 和Elekta 研 發 的MLCi/MLCi2、Agility 160MLC 等多種動態多葉光柵性能優良，成為主流光柵產品。

我國的中科超精、蘇州雷泰、山東新華、上海聯影等公司也對動態多葉光柵進行了自主研發，其中以蘇州雷泰研發的MLC-H 和山東新華研發的MLC80為主要代表。

目前，國內外動態多葉光柵的研究基本都圍繞本機構的醫用直線加速器展開，配置高性能的動態多葉光柵以提高放射治療精度；典型單層光柵的參數對比[3,17-19]如表1所示，典型雙層光柵的參數對比[18,20-22]如表2所示。

表1 國內外典型單層動態多葉光柵參數對比

表2 國內外典型雙層光柵參數對比

3 精準技術核心

圍繞精準放射治療的精準適形需求，葉片結構設計、葉片驅動技術及運動位置的二次反饋是精準化開展放射治療的重點核心與前提。

3.1 葉片排布

動態多葉光柵采用多層葉片排布，可以增加射線穿過葉片的厚度，有效降低葉片間隙之間X 線的漏射率，進一步改善射野與靶區結構形狀的適形程度[23]。多層光柵對安裝高度有新的要求，半影特性有所改變。計劃劑量的計算不僅要考慮端面半影，還要考慮側面半影的影響。同時，對運動控制系統和動態調強的算法實現也提出了更高的要求，解決葉片結構設計與分布是通過多元線束設備開展精準放射治療的物理基礎前提。

3.2 葉片驅動

光柵的葉片采用微型電機驅動，葉片包采用大電機驅動。為滿足快速、精準適形運動的要求，對葉片的運動速度和加速度方面都提出了嚴格的要求，因此，電機驅動技術是實現高質量適形的關鍵條件之一。驅動光柵葉片運動的電機一般分為3種類型：微型步進電動機、直流伺服電機和無刷直流電動機[24]。其中，無刷直流電動機通過電子器件替代機械電刷，能夠精確、快速地控制葉片運動，應用較為廣泛。解決微結構、大驅動技術難題是推動光柵葉片結構設計進一步小型化、便捷化的前提。

3.3 位置檢測

在放射治療過程中，葉片位置誤差會影響射野適形質量，進而影響治療效果[25-26]，因此，實時動態掌握葉片運動位置的狀態信息十分必要，這對葉片運動位置精度的反饋提出了更高的要求。常見的位置檢測技術有光學顯像檢測、柔性電阻條檢測、拉繩傳感器檢測等，這些技術手段有助于消除葉片運動位置誤差，可從源頭消除葉片位置誤差對放射治療的影響。多類型的雙路葉片位置檢測新技術可進一步提升光柵的到位精度和可靠性。解決位置誤差問題的二次反饋與檢測技術是實施實時、精準放射治療的前提與保證。

4 發展趨勢展望

通過分析光柵發展歷程發現，光柵的發展目標是更高適形精度、更低漏射率、更小半影及更高葉片運動速度。

4.1 更高適形精度

由于葉片投影寬度會影響射野與靶區的適形程度，理論上葉片寬度越窄，適形效果越好，治療精度越高[27]。隨著高密度合金材料加工工藝的進步，單個葉片寬度已減小到目前主流的5 mm，甚至更小。Bortfeld 等[28]研究表明，單層光柵的葉片寬度減小到1.5～1.8 mm 即達到臨界值，進一步減小葉片寬度并不能提升適形效果；同時，葉片寬度越小，加工成本越高，相同射野所需的葉片數量增多，機械加工制造技術的難度也會大幅提升。

微型動態多葉光柵由于葉片寬度薄，具備較高的適形精度，可用于對射野邊界精度要求較高的治療。Nomos、Varian、Mitsubishi、Siemens、Elekta 等公司對微型動態多葉光柵進行了深入研究，并推出了產品。微型光柵適形精度較高，但射野范圍小；大型光柵一般在中心射野區域設計窄寬度葉片，適形精度相應較高，但在大射野狀態下適形精度表現不佳。不同微型光柵的特征參數[29]如表3所示。

表3 不同微型光柵的特征參數

4.2 更低漏射率

凸凹槽式的特殊結構設計通過兩兩相互嵌入的凸臺阻擋相鄰葉片之間X 線的出射，從而降低漏射率[30]，如圖7所示。單層光柵需采用榫槽設計才能降低漏射率，凹凸槽設計具有榫槽效應，不利于治療精度的進一步提高，而且榫槽結構設計與加工工藝要求較高。目前醫用加速器配置的單層光柵的漏射率一般在2%以下，部分單位研制的單層光柵漏射率甚至可控制在1%左右或以下。

圖7 光柵單個葉片形狀

雙層光柵雖無榫槽設計，但由于上下層光柵的錯位布局，使X 線照射的有效阻擋深度大幅提高。Siemens 公司首先設計出了一種雙層光柵[31-32]，如圖8所示。該類雙層光柵設計使相鄰葉片間的間隙被堆疊的葉片阻擋，相鄰葉片之間具有適度的窄縫隙，在有效解決摩擦問題的同時，降低了相鄰葉片間的漏射率，并改善了射野的適形效果。

圖8 Siemens 雙層光柵設計示意圖

Topolnjak等[33-34]設計了一種3層光柵，如圖9所示，光柵沿射線束方向進行布置，每層之間設置一定的偏轉角度（60°），3層光柵也可以有效解決葉片間的漏射問題，并可進一步簡化機械結構設計問題，降低一般光柵中機械摩擦問題帶來的困擾。

圖9 3層光柵示意圖

多層葉片排布結構簡單，對機械精密加工要求降低，因其獨特的布局特點，可以極大降低漏射率，在綜合考慮醫用直線加速器治療頭部位結構設計的情況下，可以考慮取代單層多葉光柵，消除榫槽結構帶來的不足。

4.3 更小半影

在放射治療過程中，光柵開野的半影越小，放射區域的邊界越準確，治療精度就越高，也越有利于保護正常組織細胞。為減小半影，葉片由最初的無聚焦結構設計改進為單聚焦結構和雙聚焦結構設計。雙聚焦結構的效果較好，但其機械結構設計和控制系統較為復雜，具有一定的工藝技術難度，應用不夠廣泛。因此，單聚焦葉片結構布局方式應用得較多。早期光柵葉片端面為直線形，后來Maleki 與Kijewski[35]提出，將葉片端面設計為圓弧狀以保持半影恒定，直線葉片端面逐漸被圓弧端面取代，人們在半影優化方面開展了大量工作，進一步減少了半影對適形精度的影響，逐步提高了放射治療的精度。

4.4 更高速度

葉片速度取決于自身結構設計及驅動機構的性能，由最初的25 mm/s 到現在的40 mm/s，而Elekta 的160 MLC 可達80 mm/s。在開展動態調強與容積調強治療時，葉片的連續、快速、精準運動非常重要，提升葉片的運動速度需要在葉片結構設計、電機驅動系統、程序控制等方面進行突破。在傳統伺服電機與步進電機驅動下，葉片的運動速度已達上限，提升空間有限。需要在光柵結構設計、程序控制方面進行創新設計。直線電機不需要絲桿這種中間傳動機構，即可輸出動能直接驅動葉片，使葉片的運動速度更高，故障率也更低[36-37]。

5 結語

光柵作為一種實施精準治療的關鍵設備，一直以來不斷朝著更低漏射率、更高適形度、更高速度的方向發展，以適應不同治療技術發展的需求。國外對光柵的設計研發較早，產品開發與應用技術經驗豐富，掌控著核心技術。我國起步較晚，近年來雖然在結構設計、機械加工、程序控制和軟件設計等方面取得了一定進展，但仍存在不可忽視的差距。特別是近年來以雙層多葉光柵為代表的多葉光柵受到了廣泛關注，我國仍需繼續推進高質量、高性能光柵的研發，致力于為醫用直線加速器配置性能指標更優、運行更穩定的多葉光柵，加快推進我國大型醫療裝備國產化的步伐。

致謝

本研究得到FDS 鳳麟核團隊其他成員的支持。