解傳濱，袁樹(shù)海，楊濤，胡楠，張志平，戴相昆，申紅峰，曲寶林，徐壽平

1. 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院 第一醫(yī)學(xué)中心放射治療科，北京 100853；2. 山東新華醫(yī)療器械股份有限公司，山東 淄博 255000

引言

隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)用直線加速器及其放射治療計(jì)劃系統(tǒng)不斷完善，三維適形放射治療（Three Dimensional Conformalradiation Therapy，3D-CRT）、適形調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiationtherapy，IMRT）及容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Volumetric Modulated Arctherapy，VMAT）等技術(shù)逐步獲得了普及和應(yīng)用。但是無(wú)論何種先進(jìn)的放射治療技術(shù)，臨床應(yīng)用的安全性和可靠性都基于加速器穩(wěn)定的機(jī)械及束流特性[1-2]。VMAT作為較為先進(jìn)的放療技術(shù)以其更好的劑量分布和更高的實(shí)施效率，得到了越來(lái)越廣泛應(yīng)用，并逐漸成為各進(jìn)口醫(yī)用高端加速器的標(biāo)配。由于在VMAT計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中，多葉光柵（Multi Leaf Collimator，MLC）的形狀、機(jī)架旋轉(zhuǎn)的速度以及輸出劑量率均在變化[3-4]，因此對(duì)于加速器的性能提出了更高的要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)放射治療設(shè)備和技術(shù)不斷發(fā)展，國(guó)產(chǎn)醫(yī)用加速器在技術(shù)先進(jìn)性、質(zhì)量可靠性、產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性方面都得到了不同程度的提升[5-6]，逐漸具備了提供整套放療解決方案以服務(wù)于患者治療的能力，然而對(duì)于VMAT功能的開(kāi)發(fā)應(yīng)用仍存在差距[7]。本研究按照科技部“重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”《基于腫瘤精確放療設(shè)備的臨床應(yīng)用需求分析與質(zhì)控評(píng)價(jià)體系建設(shè)的研究》的課題要求，針對(duì)國(guó)產(chǎn)醫(yī)用加速器VMAT性能進(jìn)行全面檢測(cè)，評(píng)價(jià)其臨床實(shí)施的可行性與可靠性，為國(guó)產(chǎn)設(shè)備實(shí)施VMAT技術(shù)提供參考。

1 材料和設(shè)備

XHA600E數(shù)字化醫(yī)用電子直線加速器（新華醫(yī)療，中國(guó)），MLC型號(hào)為MLC80，采用40對(duì)（80片）葉片，每個(gè)葉片在等中心層面投影寬度均為1 cm；測(cè)量?jī)x器包括：PTW UNIDOS webline 劑量?jī)x配PTW-30013 指型電離室（PTW公司，德國(guó)）、QA BeamChecker Plus晨檢儀（Standard Imaging公司，美國(guó)）、OCTAVIUS Detector 1500二維矩陣（PTW公司，德國(guó)）、輻射自顯影膠片EBT2、愛(ài)普生掃描儀、FilmQA 膠片分析軟件（Ver5.0）、劑量驗(yàn)證模體。

2 測(cè)試項(xiàng)目與方法

依據(jù)GB 15213-2016、GB 9706.1-2007、GB 9706.5-2008以及TG-142報(bào)告[8-11]，制定本測(cè)試項(xiàng)目與方法。

2.1 機(jī)械性能測(cè)試

2.1.1 機(jī)架運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試

使用控制器操作，測(cè)試機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)速度。測(cè)試機(jī)架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最低和最高速度，分別測(cè)試3次，取平均值。要求：每種運(yùn)動(dòng)的最低轉(zhuǎn)速不大于1°/s，任一轉(zhuǎn)速不大于7°/s。

2.1.2 機(jī)架角度位置的準(zhǔn)確性

分別設(shè)置機(jī)架速度為 2°/s、3°/s、4°/s、5°/s、6°/s情況下做360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。要求：角位偏差不大于1.0°。

2.1.3 加速器束流中心一致性測(cè)試

機(jī)架角度分別設(shè)置為0、90°和270°，鎢門成野10 cm×10 cm，將膠片夾放于固體水中，要求膠片前建成為10 cm、后建成5 cm，將膠片層面置于過(guò)等中心平面并垂直于射束，標(biāo)記光野中心并進(jìn)行出束曝光。通過(guò)膠片分析軟件分析3張膠片的射野中心偏差、光野中心偏差以及光射野中心偏差，要求：偏差不大于±1 mm。

2.2 劑量學(xué)測(cè)試

2.2.1 固定機(jī)架角度照射劑量輸出的穩(wěn)定性

機(jī)架角度設(shè)置為0、90°、180及270°，每個(gè)機(jī)架角度預(yù)置100 MU，將電離室配裝建成帽，置于等中心位置，在不同劑量率模式（100、450、600 MU/min）下分別進(jìn)行測(cè)試。將各角度所測(cè)數(shù)值Rx與0°機(jī)架所測(cè)基準(zhǔn)值R0進(jìn)行比較，評(píng)估劑量輸出的穩(wěn)定性，要求：偏差不大于±1%。

2.2.2 開(kāi)野弧形照射劑量輸出的穩(wěn)定性

在射野為10 cm×10 cm條件下，電離室配裝建成帽置于等中心位置，在不同劑量率和不同機(jī)架速度條件下進(jìn)行測(cè)試，并與相同條件下固定機(jī)架角度為0所測(cè)基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計(jì)算全弧順時(shí)針（CW）、全弧逆時(shí)針（CCW）動(dòng)態(tài)劑量輸出的偏差，要求：偏差不大于±1%。

2.2.3 絕對(duì)劑量輸出穩(wěn)定性測(cè)試

在不同劑量率條件下，將電離室置于等中心位置，測(cè)量機(jī)架旋轉(zhuǎn)條件下的劑量輸出穩(wěn)定性。要求：使用不同劑量率全弧照射時(shí)，輸出穩(wěn)定性不大于2%。

2.2.4 對(duì)稱性/平坦度的穩(wěn)定性

將二維矩陣固定在隨機(jī)架旋轉(zhuǎn)掛架上，射野設(shè)為20 cm×20 cm。在不同機(jī)架速度下記錄CW/CCW下射野對(duì)稱性/平坦度最大值，要求：對(duì)稱性不超過(guò)103%；平坦度不超過(guò)106%。

然后將對(duì)稱性/平坦度最大值分別與機(jī)架角度為0所測(cè)數(shù)值進(jìn)行比較，計(jì)算機(jī)架旋轉(zhuǎn)條件下的對(duì)稱性/平坦度穩(wěn)定性。要求：全弧照射，對(duì)稱性/平坦度的穩(wěn)定性偏差應(yīng)不大于±2%。

2.2.5 全弧照射，品質(zhì)指數(shù)的穩(wěn)定性

將晨檢儀固定在隨機(jī)架旋轉(zhuǎn)掛架上，在全弧照射下，測(cè)試射線質(zhì)的穩(wěn)定性，要求：偏差小于±1%。

2.3 滑窗調(diào)強(qiáng)模式下MLC測(cè)試

2.3.1 DMLC劑量學(xué)測(cè)試

設(shè)置鎢門成野4 cm×10 cm，使用MLC執(zhí)行滑窗文件“DosimetryStatic-MLC80.dcm”，將晨檢儀固定于機(jī)頭固定架，分別設(shè)置劑量率為300 cGy/min、600 cGy/min，在機(jī)架角度為180°、0°、90°、270°時(shí)，分別測(cè)量3次求平均值：Xi（i為機(jī)架角度），計(jì)算偏差：（Xi-X0）/X0。要求：不大于±3%

2.3.2 在多個(gè)靜止機(jī)架位置MLC走位精度測(cè)試

分別在機(jī)架 180°、0、90°、270°條件下，將膠片固體水組合膠片層面置于等中心平面并垂直于射束擺放。將MLC初始成野0.2 cm×24 cm，使用執(zhí)行文件“PicketFenceStatic-MLC80.dcm”驅(qū)動(dòng)MLC每隔1.8 cm停留照射3 s（劑量率600 MU/min），總運(yùn)動(dòng)14 cm，使膠片成像得到尖樁籬柵。通過(guò)膠片分析軟件進(jìn)行分析，要求：葉片實(shí)際到位與基準(zhǔn)值的偏差不大于±1 mm。

2.4 在機(jī)架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中MLC測(cè)試

2.4.1 在機(jī)架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中MLC到位精度測(cè)試

在VMAT模式下，按照“PicketFenceRA-MLC80.dcm”文件運(yùn)動(dòng)MLC，每移動(dòng)1.8 cm照射一個(gè)0.2 cm寬度射野，分別在CW、CCW情況形成膠片尖樁籬柵。要求：葉片實(shí)際到位與基準(zhǔn)值的偏差不大于±1 mm。

2.4.2 在機(jī)架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中MLC葉片速度的穩(wěn)定性

在VMAT模式下，執(zhí)行“PicketFenceRA-MLC80.dcm”文件驅(qū)動(dòng)MLC運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度分別設(shè)置為1.0、1.5、2.0、2.5 cm/s，劑量率600 MU/min。使用膠片測(cè)試，形成四個(gè)寬帶輻射野，對(duì)膠片進(jìn)行分析，在葉片運(yùn)行方向，計(jì)算四個(gè)帶狀射野中心位置劑量與開(kāi)野相同位置處劑量的比值。要求：任一比值與所有比值平均值的偏差不大于±2%。

2.5 劑量率與機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制精度測(cè)試

2.5.1 劑量率和葉片運(yùn)動(dòng)的控制精度

在VMAT模式下，設(shè)置4個(gè)帶狀治療區(qū)域，按照“MLCSpeed-MLC80.dcm”文件驅(qū)動(dòng)MLC，每個(gè)區(qū)域尺寸3.0 cm×24 cm，每?jī)蓚€(gè)區(qū)域間隔0 mm寬度，照射時(shí)使用不同葉片速度和劑量率組合并保證區(qū)域間照射劑量相同。對(duì)膠片照射獲得4個(gè)計(jì)劃帶狀區(qū)。另外，使用相同開(kāi)野照射另一膠片獲取相同劑量曝光區(qū)，獲取開(kāi)野強(qiáng)度分布以修正離軸束流強(qiáng)度平坦度的影響。通過(guò)分析照射區(qū)域內(nèi)劑量的一致性情況，評(píng)估調(diào)制葉片速度和劑量率對(duì)精確照射劑量影響的能力。在葉片運(yùn)行方向?qū)︱?yàn)證膠片進(jìn)行分析，計(jì)算4個(gè)帶狀射野中心位置劑量與開(kāi)野相同位置處劑量的比值，要求：比值偏差不大于±2%。

2.5.2 劑量率和機(jī)架速度的控制精度

在VMAT模式下，執(zhí)行“DoseRateGantrySpeed-MLC80.dcm”文件驅(qū)動(dòng)MLC，每個(gè)條狀區(qū)域尺寸1.8 cm×24 cm，每?jī)蓚€(gè)區(qū)域間隔2 mm寬度，照射時(shí)每區(qū)域設(shè)定不同機(jī)架旋轉(zhuǎn)速率和劑量率組合，實(shí)現(xiàn)照射劑量相同，照射膠片得到7個(gè)帶狀治療區(qū)域并分析照射區(qū)域內(nèi)劑量的一致性情況，評(píng)估調(diào)制劑量率和機(jī)架速度對(duì)精確照射劑量影響的能力。同樣，需要在相同劑量條件下開(kāi)野照射膠片以修正射束平坦度影響。在葉片運(yùn)行方向?qū)δz片進(jìn)行分析，計(jì)算7個(gè)帶狀射野中心位置劑量與開(kāi)野相同位置處劑量的比值，要求：比值偏差不大于±2%。

3 結(jié)果

3.1 機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)加速器各機(jī)械性能參數(shù)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中機(jī)架運(yùn)動(dòng)最低轉(zhuǎn)速0.85°/s、最高轉(zhuǎn)速6.71°/s；在機(jī)架速度在2°/sec～6°/sec區(qū)間測(cè)得機(jī)架角度位置偏差最大為0.4°；不同機(jī)架角度束流中心一致性均在標(biāo)準(zhǔn)范圍，其中射野中心偏差0.32 mm、光野中心偏差0.56 mm、光射野中心偏差0.24 mm。

3.2 劑量學(xué)測(cè)試結(jié)果

3.2.1 固定機(jī)架角度照射劑量輸出的穩(wěn)定性結(jié)果

在不同劑量率及機(jī)架角度下測(cè)得劑量輸出偏差均不大于±1%，其中在機(jī)架180°、劑量率100 MU/min情況下測(cè)得最大偏差為0.67%，如表1所示。

表1 不同條件下固定機(jī)架角度照射，劑量輸出穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

3.2.2 開(kāi)野弧形照射劑量輸出的穩(wěn)定性結(jié)果

開(kāi)野弧形照射劑量輸出偏差均小于±1%，其中在劑量率200 MU/min、機(jī)架轉(zhuǎn)速3°/s、全弧CW條件下測(cè)得偏差最大（0.84%），如表2所示。

表2 開(kāi)野弧形照射不同條件下輸出的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

3.2.3 絕對(duì)劑量輸出穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

不同劑量率下絕對(duì)劑量輸出穩(wěn)定偏差均小于2%，其中劑量率200 MU/min時(shí)輸出1.004 cGy/MU，劑量率400 MU/min時(shí)輸出1.003 cGy/MU，劑量率600 MU/min輸出1.001 cGy/MU。

3.2.4 對(duì)稱性/平坦度的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

全弧照射情況下，射野x、y方向?qū)ΨQ性/平坦度最大值分別為102.1%/103.03%、102.8%/103.5%；x、y方向?qū)ΨQ性/平坦度的穩(wěn)定性偏差分別為1.48%/-0.68%、1.25%/-1.01%，均符合要求。如表3～4所示。

表3 對(duì)稱性穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

表4 平坦度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

3.2.5 全弧照射，品質(zhì)指數(shù)的穩(wěn)定性

全弧照射，射線品質(zhì)指數(shù)的穩(wěn)定性為0.5%。

3.3 滑窗調(diào)強(qiáng)模式下MLC 測(cè)試結(jié)果

3.3.1 DMLC劑量學(xué)測(cè)試結(jié)果

在不同劑量率模式下各機(jī)架角度劑量穩(wěn)定性較好，其中在劑量率300 cGy/min、機(jī)架90°條件下測(cè)得偏差最大（-1.10%），其他均小于±1%，如表5所示。

表5 不同劑量率模式下各機(jī)架角度劑量穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

3.3.2 在多個(gè)靜止機(jī)架位置MLC走位精度測(cè)試結(jié)果

分析各精度測(cè)試膠片，在機(jī)架角度為0時(shí)最大偏差為-0.14 mm，機(jī)架90°時(shí)最大偏差為0.12 mm，機(jī)架180°時(shí)最大偏差為-0.14 mm，機(jī)架270°時(shí)最大偏差為-0.26 mm，如圖1所示。

圖1 各靜止機(jī)架位置MLC走位精度測(cè)試分析

3.4 在機(jī)架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中MLC測(cè)試結(jié)果

在VMAT模式下設(shè)置CW、CCW全弧照射計(jì)劃得到兩張尖樁籬柵膠片，分別對(duì)兩張膠片進(jìn)行分析得到DMLC到位精度為0.68 mm，如圖2所示。

圖2 VMAT模式下MLC到位精度測(cè)試分析

根據(jù)四個(gè)寬帶輻射野中心劑量，分析得到MLC葉片速度的穩(wěn)定性最大偏差1.36%，如圖3所示。

圖3 在機(jī)架旋轉(zhuǎn)期間MLC葉片速度的穩(wěn)定性測(cè)試膠片

3.5 劑量率與機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制精度的測(cè)試結(jié)果

分析4個(gè)計(jì)劃帶狀區(qū)域膠片，如圖4所示，測(cè)得最大偏差為0.84%。

同樣，分析7個(gè)照射計(jì)劃帶狀區(qū)域膠片（圖5b）與開(kāi)野強(qiáng)度分布膠片（圖5a），測(cè)得最大偏差為1.37%。

圖5 在機(jī)架旋轉(zhuǎn)期間劑量率與機(jī)架旋轉(zhuǎn)控制精度測(cè)試膠片

4 討論

近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)加速器在技術(shù)上的發(fā)展，各類型加速器在劑量重復(fù)性、劑量線性以及激光線精度指標(biāo)等方面都有了很大進(jìn)步，吳青南等[12]對(duì)國(guó)產(chǎn)XHA1400加速器的X射線劑量和機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明其具有良好的劑量輸出準(zhǔn)確性和機(jī)械性能精度，且主要檢測(cè)指標(biāo)不輸于進(jìn)口加速器。聶鑫等[13]對(duì)國(guó)產(chǎn)加速器開(kāi)展立體定向放射治療做了可行性研究，證明國(guó)產(chǎn)加速器基本性能較好，部分設(shè)備從劑量輸出和治療精度方面已達(dá)到開(kāi)展立體定向放射治療的基本要求。馬蕾杰等[14]對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)字化加速器性能做了檢測(cè)并與進(jìn)口設(shè)備做了對(duì)比評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)在等中心精度、射線質(zhì)、射野平坦度和對(duì)稱性等關(guān)鍵參數(shù)方面的差別不大。而對(duì)于國(guó)產(chǎn)加速器的臨床應(yīng)用以及劑量學(xué)研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了大量的報(bào)道[15-17]，顯示了國(guó)產(chǎn)設(shè)備在不同腫瘤治療中取得了較大的進(jìn)步。但是，目前針對(duì)國(guó)產(chǎn)加速器的測(cè)試及應(yīng)用研究仍局限于以3DCRT和IMRT為代表的常規(guī)放射治療技術(shù)階段，而對(duì)于在進(jìn)口加速器平臺(tái)上已近乎普及的VMAT技術(shù)，國(guó)內(nèi)品牌仍處于起步和研發(fā)階段。

由于VMAT通過(guò)機(jī)架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中改變MLC速度、劑量率和機(jī)架速度以實(shí)現(xiàn)不同方向上射束強(qiáng)度的調(diào)制[18-19]，因此，實(shí)施VMAT技術(shù)的加速器必須具備較高的DMLC到位精度、機(jī)架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中精確的劑量率控制以及機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度的精確控制[20]。本文對(duì)XHA600E加速器實(shí)施VMAT技術(shù)的性能進(jìn)行全面評(píng)估和測(cè)試，對(duì)后期國(guó)產(chǎn)設(shè)備技術(shù)性能的進(jìn)一步提高具有一定的指導(dǎo)意義。

通過(guò)測(cè)試評(píng)估發(fā)現(xiàn)，XHA600E主要技術(shù)參數(shù)基本滿足實(shí)施VMAT的技術(shù)要求，但在測(cè)試中反映出MLC執(zhí)行動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃過(guò)程中存在葉片到位精度和葉片速度穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，會(huì)同廠家工程師對(duì)MLC控制軟件及測(cè)試方法做了改進(jìn)：軟件根據(jù)葉片目標(biāo)速度的高低采用不同的運(yùn)動(dòng)控制算法控制葉片的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中葉片到位精度和速度穩(wěn)定性都受葉片速度和葉片加速度影響，為提高葉片速度的準(zhǔn)確性，軟件采用浮點(diǎn)變量代替原來(lái)整型變量計(jì)算采樣葉片運(yùn)行速度。為獲得合理的葉片加速度，提高葉片的啟動(dòng)調(diào)速性能，對(duì)原系統(tǒng)中的P、I、D系數(shù)重新設(shè)定，重點(diǎn)增加I系數(shù)的比重使葉片在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)速度。通過(guò)改進(jìn)后，葉片速度的穩(wěn)定性誤差縮減到1.36%，達(dá)到小于2%的技術(shù)要求。

另外，在劑量率和機(jī)架速度的控制精度測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)存在誤差較大的情況，且偏差基本集中在第1個(gè)片段和后2個(gè)片段。針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)增加機(jī)架啟動(dòng)運(yùn)行前“預(yù)滑”，減小機(jī)架啟動(dòng)階段速度匹配偏差。優(yōu)化VMAT的執(zhí)行過(guò)程，提高片段劑量的穩(wěn)定性，確保零劑量率和零劑量控制點(diǎn)（或片段）的準(zhǔn)確性。通過(guò)改進(jìn)后，劑量率和機(jī)架速度的控制精度誤差縮減到1.37%，已達(dá)到技術(shù)要求。

綜上，國(guó)產(chǎn)醫(yī)用加速器XHA600E在劑量學(xué)特性以及相關(guān)機(jī)械性能方面已初步具備了實(shí)施VMAT的技術(shù)條件，為下一步開(kāi)展VMAT技術(shù)的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。