熊綺麗 石 勇 徐 剛 顧 強

1（上海大學 環(huán)境與化學工程學院 上海 200444）

2（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中南大學 湘雅三醫(yī)院 長沙 410013）

TrueBeam加速器多葉準直器射野劑量學特性

熊綺麗1,2石 勇3徐 剛1顧 強2

1（上海大學 環(huán)境與化學工程學院 上海 200444）

2（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中南大學 湘雅三醫(yī)院 長沙 410013）

醫(yī)用電子直線加速器未均整射束的劑量學特征和優(yōu)勢早已被證明，但是隨著三維適形和調(diào)強放射治療技術的發(fā)展，臨床治療的射野(Field)主要是由多葉準直器射野形成，而有關未均整射束的多葉準直器射野劑量特征的研究很少。本文研究TrueBeam加速器6 MV-X未均整射束的多葉準直器射野劑量特征。利用蒙特卡羅(Monte Carlo, MC)模擬和三維劑量掃描系統(tǒng)臨床測量，對比和分析射野離軸比曲線劑量特征。結果表明：蒙特卡羅模擬和臨床測量未均整射束下多葉準直器葉片到位精度、X和Y方向的漏射量、射野半影、葉片間凹凸結構對射野劑量的影響大體一致。多葉準直器形成不規(guī)則射野的幾何學、蒙特卡羅模擬和臨床測量的不符合度（MC或臨床測量50%等劑量曲線的面積與射野幾何面積的差值相對于射野實際面積的百分數(shù)）分別為3.629%、3.262 6%和2.039 4%。圓形射野、具有凹凸邊界射野幾何學和蒙特卡羅模擬的不符合度分別為0.866 2%、0.879 4%和0.231 4%、0.817 0%。為未均整射束條件下多葉準直器的臨床合理使用提供可靠的依據(jù)。

未均整射束，多葉準直器，蒙特卡羅模擬，劑量特性，臨床測量

1 基于TrueBeam蒙特卡羅建模和臨床測量條件

1.1 120Millennium多葉準直器模型

美國Varian公司制造的TrueBeam加速器是目前世界最先進的集合全新技術設計的新一代直線加速器。TrueBeam擁有比其他直線加速器劑量投照速度最多快4倍的高強度模式即未均整射束模式。TrueBeam直線加速器的120Millennium MLC一共有120個葉片，左右兩邊各60片形成兩排對稱葉片組，每一排內(nèi)部40片和外部20片投影到等中心平面的寬度分別是0.5 cm和1 cm[10]。葉片的高度必須使原射線的透射不超過原來強度的5%[11]，以代替常規(guī)射野擋塊，這同樣也決定了相鄰葉片的側(cè)面必須采用凹凸槽結構。

OMEGA項目開發(fā)了EGSnrc軟件，而以EGSnrc為平臺的BEAMnrc中的DYNVMLC模塊可以完整描述120Millennium MLC的幾何屬性[12?13]。X射線靶位于Z=0 cm處，MLC的葉片由Full、Target、Isocenter三種葉片構成，如圖1所示。外部20個葉片由Full葉片組成，內(nèi)部40個葉片由Target和Isocenter交替排列組成，MLC的所有參數(shù)都是根據(jù)TrueBeam的技術文檔設置。Target 葉片的上端在Z軸的位置ZMIN為47.5 cm，Isocenter 葉片的下端在Z軸的位置ZMAX為54.5 cm，葉片末端采用半圓形設計，半徑8 cm。設計了Tongue和Groove結構阻止射線直接穿過相鄰葉片間隙產(chǎn)生漏射量，葉片沿著Support Railing滑動，在軌道相反方向設計了一個小凸起結構Leaf tip來補償軌道凹進去所缺失的材料[14]。設計了Driving screw hole使葉片通過馬達驅(qū)動螺桿沿著X軸的方向運動形成不同的射野。為使摩擦力最小并允許葉片自由運動，分別在相鄰葉片間設置了小的空氣間隙，間隙寬度為0.0046 cm。為避免兩排葉片互相碰撞，完全閉合的一對葉片間存在0.1 cm的空隙，這種空隙和葉片的圓形末端就會導致關閉的葉片對之間產(chǎn)生漏射線[15]。葉片介質(zhì)選擇W700ICRU，空氣間隙和Driving screw hole的介質(zhì)選擇AIR700ICRU。

1.2 建立TrueBeam加速器模型

用BEAMnrc模擬TrueBeam直線加速器6 MV的光子束[16]，如圖2所示(cm)。采用Varian官網(wǎng)發(fā)布的次級準直器上方的FFF粒子相空間文件。每一個模塊的參數(shù)都是根據(jù)TrueBeam直線加速器技術文檔設置。為減少蒙特卡羅統(tǒng)計的不確定性，采用了一系列的減少方差技術，例如設置電子截斷能量ECUT=0.7 MeV，光子截斷能量PCUT=0.01 MeV等[17]。BEAMnrc的模擬結果是得到源皮距SSD=100cm處的粒子相空間文件，它作為DOSXYZnrc輸入文件，DOSXYZnrc把相空間文件中記錄的粒子信息轉(zhuǎn)化為體模內(nèi)的劑量分布[18]。在BEAMnrc的模擬過程中使用的是10億個粒子，DOSXYZnrc的模擬過程中使用的是20億個粒子，水模體素大小是射野邊長為1?10 cm的0.1 cm和射野邊長為11?20 cm的0.25 cm。

圖1 組成多葉準直器的三種葉片示意圖Fig.1 Schematic structure of three types of MLC.

圖2 BEAMnrc模擬TrueBeam直線加速治療頭Fig.2 BEAMnrc simulation TrueBeam linear.

1.3 臨床測量器材

臨床數(shù)據(jù)測量使用的是湖南省中南大學湘雅三醫(yī)院腫瘤科PTW SCANLIFT三維劑量測量系統(tǒng)，

它由三維水箱、蓄水柜、劑量探頭、標準電子附件、運動控制盒、SCANLIFT手控盒、懸掛式操縱臺和TANDEM靜電計等部分組成，如圖3所示。水箱尺寸為73.4 cm×63.6 cm×52.3 cm，有效掃描范圍為60 cm×50 cm×40.8 cm，分辨率和到位精度為0.1 mm，水箱壁為2 cm 的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成。掃描用Semiflex電離室具有防水功能，型號31010，腔體積0.125 cm3，腔室內(nèi)半徑5.5 mm，腔壁材料是石墨。三維水箱的軟件MEPHYSTO-mc2可以驅(qū)動電機進行百分深度劑量、射野離軸比、總散射因子以及平面劑量等的掃描測量，并可以分析百分深度曲線的最大劑量點深度，射野離軸比曲線上50%等劑量曲線的寬度、半影、平坦度和對稱性等。臨床測量的條件為SSD=100 cm，水下3 cm，劑量率為400 cGy·min?1。

2 結果與討論

2.1 FFF條件下MLC葉片到位精度驗證

為研究MLC葉片到位精度，在BEAMnrc模擬和臨床測量過程中通過調(diào)節(jié)MLC的位置形成1cm×(1?20cm)×20cm的標準方野（由于探頭尺寸等原因臨床測量沒有測量1cm×1cm射野），獲得相對應射野在源皮距SSD=100cm，水下3 cm處離軸比曲線。因為劑量學意義上的照射野邊長定義為射野離軸比曲線上50%劑量點間的距離[19]。分別比較模擬和臨床測量獲得的劑量學意義射野邊長與標準射野邊長的偏差。

圖3 整個測量裝置示意圖Fig.3 Photograph of the whole measuring apparatus.

圖4 是模擬和臨床測量獲得的劑量學意義射野邊長與標準射野邊長的對比，NP表示標稱葉片位置，NF表示標準射野邊長，OF表示獲得的劑量學意義射野邊長。由圖4可知模擬結果與測量結果取得了較好的一致性，模擬結果的偏差在0.0007?0.13cm，平均偏差0.0709cm，臨床測量結果的偏差在0.086?0.316cm，平均偏差0.2284cm。整體來講臨床測量的偏差值均大于模擬的偏差值。

圖4 MC模擬和臨床測量獲得射野邊長和標準射野邊長對比Fig.4 Comparison of the field size obtained by clinical measurement and nominal leaf position for simulation.

2.2 FFF條件下MLC漏射量驗證

MLC漏射量即MLC全關閉時的穿射量與原射線量的比值。在BEAMnrc模擬和臨床測量過程中將次級準直器射野設置為10 cm×10 cm，完全關閉MLC，獲得源皮距SSD=100 cm、水下3 cm處X軸方向上和距離Y軸3 cm處的吸收劑量，與§2.1中10 cm×10 cm射野的中心軸劑量相比，得到漏射劑量百分數(shù)。通過比較X軸方向上的相對劑量分布曲線研究兩排葉片間的漏射量和比較距離Y軸3 cm處相對劑量分布曲線研究相鄰葉片間的漏射量。

圖5為當所有葉片關閉時，兩排葉片之間的漏射量即在X軸上的相對劑量分布曲線，由于葉片間隙和螺旋驅(qū)動孔的材料缺失，臨床測量過程的漏射量最大值是23.87%，蒙特卡羅模擬過程的漏射量最大值是22.698 4%，兩者相差1.171 6%[20]。圖6是葉片關閉時相鄰葉片間的漏射率即在距離Y軸3 cm處的相對劑量分布曲線，臨床測量過程的漏射量的平均值是0.685 7%，蒙特卡羅模擬過程漏射率平均值是0.571 2%，兩者相差0.114 5%。

圖5 MLC關閉時X軸處漏射線MC模擬和臨床測量結果Fig.5 Comparison of leakage profiles at the X axis closing MLC between the simulation and clinical measurement results.

圖6 離Y軸3 cm處漏射線的MC模擬和臨床測量結果Fig.6 Comparison of leakage profiles at 3 cm offset from the Y axis between the simulation and measurement results.

2.3 FFF條件下MLC射野半影驗證

由于放射源幾何體積、準直器漏射和側(cè)向散射的存在，射野邊緣存在物理半影區(qū)。射野半影區(qū)定義為射野離軸比曲線上80%劑量點到20%劑量點間的距離[21?22]。為研究MLC射野半影，利用在§2.1過程中獲得的離軸比曲線，分別計算20%?80%劑量點間的距離，再比較模擬和臨床測量FFF條件下多葉準直器MLC的射野半影。

圖7是蒙特卡羅模擬和臨床測量FFF條件下MLC射野半影對比，Penumbra表示對應射野半影。隨射野邊長的增大，蒙特卡羅模擬和臨床測量FFF條件下MLC射野半影緩慢增加，但蒙特卡羅模擬的射野半影比臨床測量射野半影增長得快。在射野邊長小于11 cm時蒙特卡羅模擬的射野半影均小于臨床測量射野半影，射野邊長大于11 cm時蒙特卡羅模擬的射野半影均大于臨床測量射野半影。

圖7 MC模擬和臨床測量的射野半影對比Fig.7 Comparison between the Field Penumbra of MC simulations and clinical measurements.

2.4 FFF條件下MLC葉片間凹凸結構對射野劑量的影響

為評估FFF條件下MLC葉片間凹凸結構對射野劑量的影響，通過蒙特卡羅模擬和臨床測量的方法，并利用MLC設計不規(guī)則照射野，如圖8所示。在5 cm×5 cm的射野范圍內(nèi)Y軸方向上從2.5 cm到?2.5 cm依次打開兩片葉片再關閉兩片葉片形成不規(guī)則射野，對比蒙特卡羅模擬和臨床測量距離Y軸1.25 cm處的FFF條件下MLC形成射野的離軸劑量曲線。

圖8 MLC在5 cm×5 cm形成的三開兩閉射野Fig.8 5 cm×5 cm irregular field generated by MLC.

圖9 中，蒙特卡羅模擬和臨床測量結果大體上一致，但是蒙特卡羅模擬結果在60%?100%相對劑量曲線的寬度略大于臨床測量結果。

圖9 離Y軸1.25 cm離軸劑量分布MC模擬和臨床測量結果Fig.9 Comparison of relative doses at 1.25 cm offset the Y axis in irregular field between the simulation and measurement results.

2.5 FFF條件下MLC不規(guī)則射野的符合度驗證

MLC在臨床應用中的一個缺陷是用它適形靶區(qū)時，形成的射野具臺階狀邊界，無法與期望的邊界光滑的靶區(qū)完全一致。也就是說，用MLC適形靶區(qū)，總會存在欠擋區(qū)域和（或）過擋區(qū)域，所以對MLC射野劑量特征最關鍵的研究就是不規(guī)則射野的符合度。首先定義不符合度為蒙特卡羅模擬或臨床測量的50%等劑量曲線的面積與射野幾何面積偏差相對于射野實際面積的百分數(shù)[23]。蒙特卡羅模擬和臨床測量過程中利用MLC適形如圖10所示的不規(guī)則射野，適形時采取的葉片端面侵入靶區(qū)的比例為50%（即中點相接）。利用MATLAB對數(shù)學處理方法編程計算出50%等劑量曲線的面積，最后分別計算出蒙特卡羅模擬和臨床測量的不符合度。

圖10 MLC形成不規(guī)則射野Fig.10 Irregular field generated by MLC.

如表1所示，利用MLC適形，幾何學的不符合度（過擋區(qū)域與欠擋區(qū)域面積和相對幾何面積的百分數(shù)）為3.629%，蒙特卡羅模擬和臨床測量的不符合度分別為3.2626%和2.0394%。

表1 三種不規(guī)則射野幾何學、蒙特卡羅模擬和臨床測量的不符合度Table 1 Discrepancy degrees of three kinds of irregular radiation fields geometry, MC simulation and clinical measurements.

基于上面的研究結果，為進一步研究FFF條件下MLC不規(guī)則射野的不符合度，利用AutoCAD以中點相接的方式適形如圖11和12所示的半徑為5cm圓形射野和矩形面積為10 cm×8 cm具有凹凸邊界不規(guī)則射野，獲得葉片端面的位置坐標，同時測得過當區(qū)域與欠擋區(qū)域的面積。在蒙特卡羅模擬過程中利用上述坐標使MLC適形半徑為5 cm的圓形射野和具有凹凸邊界的不規(guī)則射野，最后計算50%等劑量曲線的面積。

半徑為5 cm的圓形射野的幾何學和蒙特卡羅模擬的不符合度分別為0.8662%和0.8794%。矩形面積為10 cm×8 cm具有凹凸邊界不規(guī)則射野的幾何學系統(tǒng)和蒙特卡羅模擬的不符合度分別為0.2314%和0.8170%。

圖11 MLC形成R=5 cm不規(guī)則射野Fig.11 Radius of 5 cm irregular field by MLC.

圖12 MLC在12 cm×8 cm形成凹凸邊界的不規(guī)則射野Fig.12 Bump border irregular radiation field at 12 cm×8 cm by MLC.

3 討論

通過蒙特卡羅模擬和臨床測量的對比，TrueBeam直線加速器FFF條件下MLC射野劑量特征結果整體上一致。在分析和對比FFF條件下MLC射野劑量學意義、射野邊長和標準方野邊長的偏差時，發(fā)現(xiàn)蒙特卡羅模擬結果均比臨床測量結果偏低，這可能是因為BEAMnrc在模擬過程中使用電子截斷能量ECUT=0.7 MeV，光子截斷能量PCUT=0.01MeV等一系列方差減少技術，導致原本可以繼續(xù)傳遞能量的粒子過早地終止了其歷程和減少了能量的沉積，這就導致射野離軸曲線上的劑量下降，50%等劑量曲線間的距離減小。分析FFF條件下MLC射野在X軸方向上漏射量時，在X=0 cm處達到最大值，為22.6984%，這可能是因為兩排葉片間0.1 cm的空氣間隙導致X=0 cm處的漏射量驟然增大。分析FFF條件下MLC射野在距離Y軸3 cm處的漏射量均小于0.85%，這說明MLC形成射野時代替鉛塊達到了漏射量小于5%的標準，同時也說明葉片間0.046 cm的空氣間隙對劑量的影響可以忽略。而且蒙特卡羅模擬值均小于臨床測量值，這可能也是由于模擬過程采用了方差減小技術。在分析FFF條件下MLC射野半影時發(fā)現(xiàn)當射野邊長小于11 cm時，蒙特卡羅模擬和臨床測量的精度均為0.1cm，蒙特卡羅模擬射野半影值均小于臨床測量射野半影值，這可能也是由于模擬過程采用了方差減小技術。但是當射野邊長大于11 cm時蒙特卡羅模擬值大于臨床測量值，這可能是因為大射野時蒙特卡羅模擬過程中DOSXYZnrc的體素大小為0.25cm，而臨床測量過程的精度0.1 cm，導致模擬過程的分辨率低于臨床測量，而分辨率的影響大于方差減小技術的影響。在分析葉片間凹凸結構對射野劑量的影響時，蒙特卡羅模擬和臨床測量的平均偏離值小于3%，這符合臨床規(guī)定射野劑量的不確定度小于5%的要求[24]。這說明葉片間凹凸結果既起到阻止射線直接穿過葉片的作用，又滿足臨床要求，完全可以代替擋鉛產(chǎn)生高度適形射野。不規(guī)則射野不符合度值比較小，而且數(shù)值差別也很小，根據(jù)這個結果再設計的兩個不規(guī)則射野的不符合度值再次驗證了這個結果的可靠性。表明當葉片于射野邊界采取中點相接方式時，F(xiàn)FF條件下MLC適形結果的符合性好。

4 結語

使用BEAMnrc模擬120Millennium多葉準直器最關鍵的是可以模擬MLC的所有幾何細節(jié)，蒙特卡羅模擬和臨床測量結果的一致性也說明了BEAMnrc蒙特卡羅建模的精準性。在現(xiàn)在的放射治療過程中，MLC對調(diào)強劑量的分布有很大的影響，對危及器官的保護都是由MLC遮擋完成的，對于脊髓和晶體等耐受量比較低的結構，設計治療計劃時需要充分考慮兩排葉片間的漏射量，尤其在現(xiàn)在的治療過程中葉片隨射束照射過程不斷地運動。通過對FFF條件下MLC射野劑量5個方面的研究，雖然FFF模式目前并沒有廣泛使用，但是它的射野劑量特征均滿足臨床要求的標準，所以臨床上FFF模式下MLC可以正常、安全地使用。

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CLC TL72

Dosimetry characteristics of multi-leaf collimator field for TrueBeam

XIONG Qili1,2SHI Yong3XU Gang1GU Qiang2
1(Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)
2(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
3(The Third Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410013, China)

Background: The dose distribution of the Flatting-Filter-Free (FFF) of medical linear accelerator

(LINACS) has been proved to have its advantages in clinical use. With the recent development of three-dimensional conformal radiotherapy and intensity-modulated radiation therapy, field of clinical treatment is mainly achieved by using Multi-leaf Collimator (MLC). Because of the rare researches on dosimetry characteristics of MLC field under FFF beam, it is interesting to note the importance of its further development. Purpose: For the TureBeam accelerator of 6 MV-X, the dose characteristics of the MLC are studied in the presence of the FFF beam. Methods: The off-axis dose curve characteristics are analyzed by using the Monte Carlo (MC) method, combined with three-dimensional dose scanning data. Results: The compared results, including MLC leaf position accuracy, leakage radiations along X-axis and Y-axis, field penumbra and the influence of the concave-convex structure of the leaf, show that the MC simulations result in good agreement with the clinical data. MLC irregular radiation field’s geometry, MC calculation and clinical measurement discrepancy degree are 3.629 0%, 3.262 6% and 2.039 4%, respectively. A circle field of radius 5 cm and uneven borders field geometry and MC calculation discrepancy degree are 0.866 2%, 0.879 4% and 0.231 4%, 0.817 0%, respectively. Conclusion: The results provide a reliable basis for the clinical use of MLC.

FFF, MLC, Monte Carlo, Dose characteristics, Clinical measurement

TL72

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100203

直線加速器是目前放射治療中使用最廣泛的設備，在傳統(tǒng)的醫(yī)用直線加速器中，均整過濾器的作用就是把從X射線靶出來的光子束均整為具有一定平坦度的均勻臨床光子束，使在病人靶區(qū)內(nèi)形成均勻的劑量分布[1]。均整器對普通放射治療非常重要，但是隨著放射治療技術的發(fā)展，尤其是調(diào)強放射治療技術(Intensity-modulated radiation therapy, IMRT)的出現(xiàn)，實際調(diào)強計劃系統(tǒng)優(yōu)化產(chǎn)生的劑量一般不均勻，原則上多葉準直器的運動即可產(chǎn)生治療所需要的不均勻劑量[2?3]，所以研究者很早就提出了移除均整器后的未均整射束(Flatting-Filter-Free, FFF)[4]。有關FFF相比均整射束(Flatting-Filter)的優(yōu)勢已有很多研究，例如能譜改變、散射減少、劑量率增加等[5?8]。目前一些最新研發(fā)的醫(yī)用電子直線加速器配備了FFF的治療模式，如美國Varian公司的TrueBeam直線加速器。雖然目前該治療模式并沒有廣泛應用，但是它是最具有發(fā)展?jié)摿Φ尼t(yī)用加速器射束模式。

目前臨床上廣泛采用的放射治療技術中，三維適形放射治療主要是由多葉準直器(Multi-leaf Collimator, MLC)代替擋鉛產(chǎn)生高度適形射野來實現(xiàn)[9]，而調(diào)強放射治療技術主要是由MLC對輻射野內(nèi)劑量強度按一定要求進行調(diào)節(jié)，使得在靶區(qū)產(chǎn)生高劑量和危及器官劑量最小來實現(xiàn)放射治療。MLC葉片的到位精度、葉片間的漏射量、射野半影等因素對劑量計算的準確性有很重要的影響。而隨著動態(tài)準直器的出現(xiàn)，治療過程中葉片隨著射野不斷運動，所以有關MLC形成照射野的劑量特征的研究十分重要。

國內(nèi)外許多研究已經(jīng)證明了FFF的優(yōu)勢，而MLC射野劑量特征的研究僅有小部分，但是有關FFF條件下MLC形成射野的劑量特征研究在國內(nèi)仍屬于空白階段。本文首先建立MLC模型，然后通過蒙特卡羅(Monte Carlo, MC)模擬進行劑量計算，再利用三維水箱劑量掃描系統(tǒng)在相同條件下通過臨床測量的方法從5個方面研究FFF條件下MLC射野劑量特征。通過對比和分析蒙特卡羅模擬和臨床測量的劑量分布曲線，為FFF和MLC的臨床合理使用提供依據(jù)。

No.11175112)資助

熊綺麗，女，1991年出生，2013年畢業(yè)于南華大學，現(xiàn)為碩士研究生

顧強，E-mail: guqiang@sinap.ac.cn

2015-06-02，

2015-07-14