MPC在VitalBeam加速器性能檢測中的應(yīng)用

徐州醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院放療中心，江蘇徐州221006

引言

醫(yī)用直線加速器設(shè)備經(jīng)過幾十年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，通常配置圖像引導(dǎo)系統(tǒng)及六維床等附屬部件。質(zhì)量控制和保證工作越來越重要[1-2]，一方面，臨床應(yīng)用對精準度的要求越來越高，如容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）、立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery，SRS）和體部立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiotherapy，SBRT）等；另一方面，設(shè)備運動磨損老化、故障維修及環(huán)境因素等均會使機器機械精度變差，可能對放射治療產(chǎn)生重要影響，甚至導(dǎo)致治療失敗。因此，加速器設(shè)備必須在機械參數(shù)和劑量輸出穩(wěn)定性和精準性方面得到保證，每天對直線加速器進行檢測是放療治療質(zhì)量保證的重要任務(wù)。

晨檢儀是目前常用的一種檢測直線加速器基本劑量學(xué)參數(shù)的質(zhì)控設(shè)備[3]，如二維矩陣探測器（PTW、IBA和Sunnulear等公司產(chǎn)品），另外模體、膠片等也是常用的測量工具。日常質(zhì)量控制檢測的參數(shù)通常包括加速器的輸出劑量、對稱性、平坦度、光野一致性、射線質(zhì)等主要的技術(shù)指標[4]。目前常用的晨檢儀器還無法檢測加速器的重要機械參數(shù)指標如圖像引導(dǎo)系統(tǒng)或六維床的運動精準度等。Machine Performance Check（MPC）是集成于VitalBeam加速器系統(tǒng)的日檢質(zhì)量控制軟件，通過電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device，EPID）獲取數(shù)據(jù)檢測機械及劑量輸出等機器性能參數(shù)，確保在系統(tǒng)要求的精準度范圍內(nèi)運行。

我院自2018年10月開始使用瓦里安VitalBeam直線加速器，至今已運行近一年半時間，本文利用該方法對加速器系統(tǒng)進行了16個月的日常質(zhì)量保證檢測，通過分析各項參數(shù)的變化趨勢來評估VitalBeam加速器機械參數(shù)及6 MV光子束劑量輸出的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

性能檢測系統(tǒng)由MPC軟件、MV及kV成像系統(tǒng)、模體及托架共三部分構(gòu)成。檢測系統(tǒng)的坐標、運動與刻度等均遵循國際標準IEC61217[5]。該軟件利用EPID可快速檢測直線加速器所有檔位光子線和電子線的劑量輸出特性和機械特性（通過6 MV線檔位檢測）。

1.2 測量方法

每天治療前或進行維修維護之后進行檢測，或開展SRS及SBRT治療前進行重復(fù)檢測。首先將IsoCal模體和托架放置在治療床特定位置，首次檢測需要用激光線對模體進行精確擺位，并將初始值反饋存儲到檢測系統(tǒng)，需要說明的是，床的初始位置不是默認為零，僅為減少后續(xù)檢測的擺位工作，精度同后續(xù)結(jié)果沒有直接關(guān)系。之后的檢測將默認該位置為初始檢測位置，不用再移動床利用激光燈對模體進行擺位。然后，在操作臺進入MPC模式，通過采集不同位置（如機架、機頭及床等）的MV和kV圖像，自動分析檢測設(shè)備若干關(guān)鍵指標是否滿足參數(shù)標準。

等中心的檢測包括等中心大小、MV探測板投影偏移及kV探測板投影偏移三個參數(shù)。在放射治療設(shè)備中，各種運動的基準軸線圍繞一個公共中心點運動，射束軸從以此點為中心的最小球體內(nèi)通過，此點即為等中心，而球體的最大直徑即是等中心大小。等中心理論上僅是一個點，實際治療中射束軸隨機架旋轉(zhuǎn)略有變化，MPC將機架旋轉(zhuǎn)一周，分別在八個角度(0、45°、90°、135°、180°、225°、270°及 315°)，每個角度采集兩次（準直器90°和270°）共采集十六次的射束中心所集聚區(qū)域的中心作為等中心，等中心到射束中心的最大值即為等中心大小。MPC將兆/千伏探測板投影偏移定義為等中心在探測板上的投影到探測板中心之間的最大值，即八個機架角度采集獲取的射束中心到探測板中心的最大值，反映了等中心和探測板中心的一致性。

準直器的檢測均在0機架利用靜態(tài)射野測試。不同多葉準直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）葉片呈梳狀圖案，測試每個葉片末端（最大劑量效應(yīng)梯度位置）到中心線（通過MLC旋轉(zhuǎn)中心且垂直于葉片邊緣）的距離作為葉片的偏移大小。分別檢測MLC在五個不同旋轉(zhuǎn)角度（45°、90°、270°、305°及360°）和實際旋轉(zhuǎn)角度（沿著葉片邊緣觀察）的差異作為旋轉(zhuǎn)偏移。鎢門邊緣（最大劑量效應(yīng)梯度位置）到中心線的距離偏移作為鎢門的偏移大小。

機架主要檢測絕對偏移和相對偏移兩個參數(shù)，絕對偏移定義為在機架0時，射束中心軸和床水平的垂直線的一致性，MPC通過評估模體相對于等中心在側(cè)向或縱向的偏移來檢測。相對偏移在八個不同的機架角度（同上）獲取模體圖像，計算理論值和實際機架角度之間的最大偏移值。

床的檢測通過探測模體位置檢測床在側(cè)向+5 cm、縱向-5 cm、升降 +15 cm，公轉(zhuǎn)-10°、Pitch+3°及 Roll-3°范圍內(nèi)六個維度運動的精準度，旋轉(zhuǎn)位置偏移為床公轉(zhuǎn)時床旋轉(zhuǎn)中心和等中心的偏移。

劑量輸出穩(wěn)定性檢測時，鎢門野打開18 cm×18 cm大小獲取圖像，評估圖像區(qū)域大小僅為中心13.3 cm×13.3 cm區(qū)域，可減少鎢門位置誤差等因素影響。輸出穩(wěn)定性評估在特定時間內(nèi)的探測板評估圖像區(qū)域劑量效應(yīng)變化大小。檢測一致性變化時，MPC首先進行高頻濾波，再計算圖像區(qū)域探測板像素最高和最低劑量效應(yīng)之比的變化大小，即評估最壞的情形。該值反映了靶位置、濾波系統(tǒng)及射束伺服系統(tǒng)的變化大小。從計算原理來說，MPC和二維矩陣質(zhì)控設(shè)備探測的對稱性、均整度等不同[4]，該參數(shù)更嚴格。中心位移通過探測鎢門的邊緣來計算成像中心位置的變化，該值綜合反映了射束伺服、準直器及兆伏成像系統(tǒng)的準確性。

完成檢測后的測量結(jié)果和系統(tǒng)閾值進行自動比較，如果某一項指標超出要求范圍，軟件會以紅叉顯示檢測不通過，具體內(nèi)容可雙擊檢測項目后點擊查看。質(zhì)控人員根據(jù)具體情況做出加速器參數(shù)相應(yīng)的調(diào)整、重新檢測或者測量通過的決定。

2 結(jié)果

機械檢測包括等中心、準直器、機架及治療床的精準度等，劑量檢測包括輸出穩(wěn)定性、一致性變化及中心位移三個參數(shù)的精準度。檢測項目明細、檢測偏移最大值（16個月）及閾值，見表1。

表1 檢測項目明細及閾值

2.1 等中心

檢測結(jié)果如圖1所示，等中心大小<0.3 mm、MV探測板投影偏移<0.3 mm及kV探測板投影偏移<0.3 mm，MV探測板投影偏移波動稍大，但偏移幅度很小，總體穩(wěn)定性良好。

圖1 等中心參數(shù)檢測值

2.2 準直器

檢測結(jié)果如圖2所示，MLC葉片最大偏移為-0.8 mm，鎢門X1及X2最大偏移分別為+0.9 mm及+0.5 mm，鎢門Y1及Y2分別為-1.9 mm及+0.5 mm，分別低于閾值1 mm和2 mm，準直器旋轉(zhuǎn)偏移波動稍大，最大值為+0.4°；圖2c中的a處及圖2f中的b處波動變化為更換Y1馬達、校準準直器前后的變化。

圖2 準直器參數(shù)檢測值

2.3 機架

絕對及相對最大偏移分別為-0.1°和+0.1°，偏移值較小，穩(wěn)定性良好（表1）。

2.4 床

床縱向、側(cè)向、升降、Pitch、Roll及公轉(zhuǎn)的最大偏移分別為+0.2 mm、±0.1 mm、-0.5 mm、+0.04°、-0.05°及-0.05°，旋轉(zhuǎn)位置偏移最大值為+0.3 mm。床檢測參數(shù)偏移值較小，穩(wěn)定性良好（表 1）。

2.5 劑量穩(wěn)定性

輸出變化為-0.15%，一致性變化為+0.70%，中心位移為+0.1 mm，穩(wěn)定性良好（表 1）。

3 討論

實踐表明，設(shè)備運動磨損老化、故障維修及環(huán)境等因素直接影響直線加速器機械參數(shù)精準度，等中心、射束系統(tǒng)、準直器等機械參數(shù)微小誤差會對精準治療的實施造成較大不確定性。同時實現(xiàn)對直線加速器關(guān)鍵機械參數(shù)和劑量輸出穩(wěn)定性的檢測對確保精準放射治療的療效和安全性非常重要，在已發(fā)表的文獻中，尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于加速器機械和劑量輸出參數(shù)長期穩(wěn)定性結(jié)果的報道。

MPC日常檢測方法均通過EPID影像系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，該部件的性能直接影響結(jié)果的可靠性。較多文獻研究結(jié)果均已表明EPID材料具有良好的劑量線性響應(yīng)、測量重復(fù)性及長期穩(wěn)定性，在加速器質(zhì)量控制方面性能可靠[6-10]。作為一種典型固體探測器陣列，EPID探測板的每個探測器均有獨立的能量響應(yīng)系統(tǒng)，存在噪音、壞點和空間非均勻性等問題。為了確保檢測結(jié)果的精確和可靠，臨床應(yīng)用前必須對EPID進行EPID像素缺陷等進行更新校準，并對EPID進行劑量刻度，即建立輸出劑量與EPID的校準單位CU之間的關(guān)系，也即獲取的均為射束劑量的相對量，Han等[11]對EPID劑量學(xué)特征和QA應(yīng)用進行了研究，詳述了這一過程。與MPC檢測方法相似，Sun等[12]介紹了一種基于EPID和OBI的QA檢測方法，對Truebeam加速器運行三個月的MLC位置誤差及劑量輸出穩(wěn)定性進行了檢測，并同電離室矩陣儀器結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明了其有效性和可靠性。該方法平均用時15 min，MLC的位置偏差低于0.5 mm，劑量輸出變化在±0.5%內(nèi)。較多研究結(jié)果表明EPID像素劑量效應(yīng)隨時間衰減極小，可以忽略不計，其劑量效應(yīng)變化主要反映了劑量輸出特性的變化,兆伏探測板也被同時應(yīng)用于治療計劃的劑量驗證[13-14]。

加速器機械和劑量輸出穩(wěn)定性各檢測參數(shù)雖相互獨立，但對治療的影響是系統(tǒng)性的，如等中心大小越大表明等中心誤差越大，造成治療位置和劑量偏差[15]，KV探測板投影偏移會影響影像引導(dǎo)的精準度造成治療位置偏差[16]，葉片的偏移等會造成治療位置和劑量偏差[17-18]。因此，對檢測不通過的情況需認真分析原因并及時處理，重新檢測指標正常后才可進行治療。某些參數(shù)存在的偏差同時會受到生產(chǎn)工藝或安裝條件等因素限制影響，如圖2中鎢門X1（圖2a）和鎢門Y1（圖2c）的平均偏差5 mm，這類誤差很難通過軟件校準大幅度減小，通常通過穩(wěn)定性來評價，以評估對治療的影響和滿足閾值精度要求為準。需要說明的是，有些參數(shù)受到EPID探測板位置及檢測區(qū)域大小限制，MPC檢測的通常只是中間部分的葉片；MLC的檢測也是在靜態(tài)條件下完成，同實際治療時可能略有差異，如VMAT治療，因此MPC檢測不能代替治療計劃的劑量驗證。

MPC檢測方法無預(yù)熱過程，在加速器準備好狀態(tài)下，從擺放模體到檢測完畢僅需4 min。大多數(shù)檢測儀僅對劑量穩(wěn)定性進行檢測，缺少對等中心、準直器、機架和床運動等機械參數(shù)精準度的關(guān)注；而利用免沖洗膠片檢測機械參數(shù)方法在檢測后需要掃描膠片進行軟件分析才能得到結(jié)果[19]，繁瑣費時。綜合以上分析，MPC主要有以下特點：①MPC檢測機械及光子束劑量穩(wěn)定性項目基本覆蓋了加速器開展常規(guī)放射治療、SRS及SBRT技術(shù)的關(guān)鍵機械及劑量輸出指標要求；②MPC對劑量輸出變化、一致性變化及中心位移等主要技術(shù)指標同對稱性和均整度等指標相比要更加嚴格，基于基準值可實現(xiàn)對加速器劑量輸出穩(wěn)定性的監(jiān)測；③可以幫助判斷加速器硬件是否老化或者損壞。如果檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動，表明加速器可能存在故障隱患；需要及時分析處理，必要時重新校準或更換不穩(wěn)定部件。例如準直器檢測中圖2c可看出鎢門Y1偏差較大，偶爾出現(xiàn)聯(lián)鎖報警，易造成馬達工作電流偏大，形成故障隱患。因受到檢測條件限制，MPC僅能作為一種快速的機械和劑量參數(shù)檢測方法，不能取代劑量驗證等QA方法。

16個月的日檢結(jié)果顯示，VitalBeam加速器關(guān)鍵機械及劑量輸出參數(shù)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足精準放療臨床需求。MPC是一種簡單高效的加速器機械和劑量輸出穩(wěn)定性檢測方法。