基于国产医用加速器XHA600E容积旋转调强放疗技术的性能测试

解传滨，袁树海，杨涛，胡楠，张志平，戴相昆，申红峰，曲宝林，徐寿平

1. 中国人民解放军总医院 第一医学中心放射治疗科，北京 100853；2. 山东新华医疗器械股份有限公司，山东 淄博 255000

引言

随着计算机、自动化控制等技术的飞速发展，医用直线加速器及其放射治疗计划系统不断完善，三维适形放射治疗（Three Dimensional Conformalradiation Therapy，3D-CRT）、适形调强放射治疗（Intensity Modulated Radiationtherapy，IMRT）及容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arctherapy，VMAT）等技术逐步获得了普及和应用。但是无论何种先进的放射治疗技术，临床应用的安全性和可靠性都基于加速器稳定的机械及束流特性[1-2]。VMAT作为较为先进的放疗技术以其更好的剂量分布和更高的实施效率，得到了越来越广泛应用，并逐渐成为各进口医用高端加速器的标配。由于在VMAT计划实施过程中，多叶光栅（Multi Leaf Collimator，MLC）的形状、机架旋转的速度以及输出剂量率均在变化[3-4]，因此对于加速器的性能提出了更高的要求。近年来，国内放射治疗设备和技术不断发展，国产医用加速器在技术先进性、质量可靠性、产品一致性和稳定性方面都得到了不同程度的提升[5-6]，逐渐具备了提供整套放疗解决方案以服务于患者治疗的能力，然而对于VMAT功能的开发应用仍存在差距[7]。本研究按照科技部“重点研发计划”《基于肿瘤精确放疗设备的临床应用需求分析与质控评价体系建设的研究》的课题要求，针对国产医用加速器VMAT性能进行全面检测，评价其临床实施的可行性与可靠性，为国产设备实施VMAT技术提供参考。

1 材料和设备

XHA600E数字化医用电子直线加速器（新华医疗，中国），MLC型号为MLC80，采用40对（80片）叶片，每个叶片在等中心层面投影宽度均为1 cm；测量仪器包括：PTW UNIDOS webline 剂量仪配PTW-30013 指型电离室（PTW公司，德国）、QA BeamChecker Plus晨检仪（Standard Imaging公司，美国）、OCTAVIUS Detector 1500二维矩阵（PTW公司，德国）、辐射自显影胶片EBT2、爱普生扫描仪、FilmQA 胶片分析软件（Ver5.0）、剂量验证模体。

2 测试项目与方法

依据GB 15213-2016、GB 9706.1-2007、GB 9706.5-2008以及TG-142报告[8-11]，制定本测试项目与方法。

2.1 机械性能测试

2.1.1 机架运动速度测试

使用控制器操作，测试机架转动速度。测试机架旋转运动的最低和最高速度，分别测试3次，取平均值。要求：每种运动的最低转速不大于1°/s，任一转速不大于7°/s。

2.1.2 机架角度位置的准确性

分别设置机架速度为 2°/s、3°/s、4°/s、5°/s、6°/s情况下做360°旋转运动。要求：角位偏差不大于1.0°。

2.1.3 加速器束流中心一致性测试

机架角度分别设置为0、90°和270°，钨门成野10 cm×10 cm，将胶片夹放于固体水中，要求胶片前建成为10 cm、后建成5 cm，将胶片层面置于过等中心平面并垂直于射束，标记光野中心并进行出束曝光。通过胶片分析软件分析3张胶片的射野中心偏差、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 剂量学测试

2.2.1 固定机架角度照射剂量输出的稳定性

机架角度设置为0、90°、180及270°，每个机架角度预置100 MU，将电离室配装建成帽，置于等中心位置，在不同剂量率模式（100、450、600 MU/min）下分别进行测试。将各角度所测数值Rx与0°机架所测基准值R0进行比较，评估剂量输出的稳定性，要求：偏差不大于±1%。

2.2.2 开野弧形照射剂量输出的稳定性

在射野为10 cm×10 cm条件下，电离室配装建成帽置于等中心位置，在不同剂量率和不同机架速度条件下进行测试，并与相同条件下固定机架角度为0所测基准值进行比较，计算全弧顺时针（CW）、全弧逆时针（CCW）动态剂量输出的偏差，要求：偏差不大于±1%。

2.2.3 绝对剂量输出稳定性测试

在不同剂量率条件下，将电离室置于等中心位置，测量机架旋转条件下的剂量输出稳定性。要求：使用不同剂量率全弧照射时，输出稳定性不大于2%。

2.2.4 对称性/平坦度的稳定性

将二维矩阵固定在随机架旋转挂架上，射野设为20 cm×20 cm。在不同机架速度下记录CW/CCW下射野对称性/平坦度最大值，要求：对称性不超过103%；平坦度不超过106%。

然后将对称性/平坦度最大值分别与机架角度为0所测数值进行比较，计算机架旋转条件下的对称性/平坦度稳定性。要求：全弧照射，对称性/平坦度的稳定性偏差应不大于±2%。

2.2.5 全弧照射，品质指数的稳定性

将晨检仪固定在随机架旋转挂架上，在全弧照射下，测试射线质的稳定性，要求：偏差小于±1%。

2.3 滑窗调强模式下MLC测试

2.3.1 DMLC剂量学测试

设置钨门成野4 cm×10 cm，使用MLC执行滑窗文件“DosimetryStatic-MLC80.dcm”，将晨检仪固定于机头固定架，分别设置剂量率为300 cGy/min、600 cGy/min，在机架角度为180°、0°、90°、270°时，分别测量3次求平均值：Xi（i为机架角度），计算偏差：（Xi-X0）/X0。要求：不大于±3%

2.3.2 在多个静止机架位置MLC走位精度测试

分别在机架 180°、0、90°、270°条件下，将胶片固体水组合胶片层面置于等中心平面并垂直于射束摆放。将MLC初始成野0.2 cm×24 cm，使用执行文件“PicketFenceStatic-MLC80.dcm”驱动MLC每隔1.8 cm停留照射3 s（剂量率600 MU/min），总运动14 cm，使胶片成像得到尖桩篱栅。通过胶片分析软件进行分析，要求：叶片实际到位与基准值的偏差不大于±1 mm。

2.4 在机架旋转过程中MLC测试

2.4.1 在机架旋转过程中MLC到位精度测试

在VMAT模式下，按照“PicketFenceRA-MLC80.dcm”文件运动MLC，每移动1.8 cm照射一个0.2 cm宽度射野，分别在CW、CCW情况形成胶片尖桩篱栅。要求：叶片实际到位与基准值的偏差不大于±1 mm。

2.4.2 在机架旋转过程中MLC叶片速度的稳定性

在VMAT模式下，执行“PicketFenceRA-MLC80.dcm”文件驱动MLC运动，运动速度分别设置为1.0、1.5、2.0、2.5 cm/s，剂量率600 MU/min。使用胶片测试，形成四个宽带辐射野，对胶片进行分析，在叶片运行方向，计算四个带状射野中心位置剂量与开野相同位置处剂量的比值。要求：任一比值与所有比值平均值的偏差不大于±2%。

2.5 剂量率与机械运动控制精度测试

2.5.1 剂量率和叶片运动的控制精度

在VMAT模式下，设置4个带状治疗区域，按照“MLCSpeed-MLC80.dcm”文件驱动MLC，每个区域尺寸3.0 cm×24 cm，每两个区域间隔0 mm宽度，照射时使用不同叶片速度和剂量率组合并保证区域间照射剂量相同。对胶片照射获得4个计划带状区。另外，使用相同开野照射另一胶片获取相同剂量曝光区，获取开野强度分布以修正离轴束流强度平坦度的影响。通过分析照射区域内剂量的一致性情况，评估调制叶片速度和剂量率对精确照射剂量影响的能力。在叶片运行方向对验证胶片进行分析，计算4个带状射野中心位置剂量与开野相同位置处剂量的比值，要求：比值偏差不大于±2%。

2.5.2 剂量率和机架速度的控制精度

在VMAT模式下，执行“DoseRateGantrySpeed-MLC80.dcm”文件驱动MLC，每个条状区域尺寸1.8 cm×24 cm，每两个区域间隔2 mm宽度，照射时每区域设定不同机架旋转速率和剂量率组合，实现照射剂量相同，照射胶片得到7个带状治疗区域并分析照射区域内剂量的一致性情况，评估调制剂量率和机架速度对精确照射剂量影响的能力。同样，需要在相同剂量条件下开野照射胶片以修正射束平坦度影响。在叶片运行方向对胶片进行分析，计算7个带状射野中心位置剂量与开野相同位置处剂量的比值，要求：比值偏差不大于±2%。

3 结果

3.1 机械性能测试结果

通过检测发现加速器各机械性能参数均符合相关标准要求，其中机架运动最低转速0.85°/s、最高转速6.71°/s；在机架速度在2°/sec～6°/sec区间测得机架角度位置偏差最大为0.4°；不同机架角度束流中心一致性均在标准范围，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 剂量学测试结果

3.2.1 固定机架角度照射剂量输出的稳定性结果

在不同剂量率及机架角度下测得剂量输出偏差均不大于±1%，其中在机架180°、剂量率100 MU/min情况下测得最大偏差为0.67%，如表1所示。

表1 不同条件下固定机架角度照射，剂量输出稳定性测试结果

3.2.2 开野弧形照射剂量输出的稳定性结果

开野弧形照射剂量输出偏差均小于±1%，其中在剂量率200 MU/min、机架转速3°/s、全弧CW条件下测得偏差最大（0.84%），如表2所示。

表2 开野弧形照射不同条件下输出的稳定性测试结果

3.2.3 绝对剂量输出稳定性测试结果

不同剂量率下绝对剂量输出稳定偏差均小于2%，其中剂量率200 MU/min时输出1.004 cGy/MU，剂量率400 MU/min时输出1.003 cGy/MU，剂量率600 MU/min输出1.001 cGy/MU。

3.2.4 对称性/平坦度的稳定性测试结果

全弧照射情况下，射野x、y方向对称性/平坦度最大值分别为102.1%/103.03%、102.8%/103.5%；x、y方向对称性/平坦度的稳定性偏差分别为1.48%/-0.68%、1.25%/-1.01%，均符合要求。如表3～4所示。

表3 对称性稳定性测试结果

表4 平坦度稳定性测试结果

3.2.5 全弧照射，品质指数的稳定性

全弧照射，射线品质指数的稳定性为0.5%。

3.3 滑窗调强模式下MLC 测试结果

3.3.1 DMLC剂量学测试结果

在不同剂量率模式下各机架角度剂量稳定性较好，其中在剂量率300 cGy/min、机架90°条件下测得偏差最大（-1.10%），其他均小于±1%，如表5所示。

表5 不同剂量率模式下各机架角度剂量稳定性测试结果

3.3.2 在多个静止机架位置MLC走位精度测试结果

分析各精度测试胶片，在机架角度为0时最大偏差为-0.14 mm，机架90°时最大偏差为0.12 mm，机架180°时最大偏差为-0.14 mm，机架270°时最大偏差为-0.26 mm，如图1所示。

图1 各静止机架位置MLC走位精度测试分析

3.4 在机架旋转过程中MLC测试结果

在VMAT模式下设置CW、CCW全弧照射计划得到两张尖桩篱栅胶片，分别对两张胶片进行分析得到DMLC到位精度为0.68 mm，如图2所示。

图2 VMAT模式下MLC到位精度测试分析

根据四个宽带辐射野中心剂量，分析得到MLC叶片速度的稳定性最大偏差1.36%，如图3所示。

图3 在机架旋转期间MLC叶片速度的稳定性测试胶片

3.5 剂量率与机械运动控制精度的测试结果

分析4个计划带状区域胶片，如图4所示，测得最大偏差为0.84%。

同样，分析7个照射计划带状区域胶片（图5b）与开野强度分布胶片（图5a），测得最大偏差为1.37%。

图5 在机架旋转期间剂量率与机架旋转控制精度测试胶片

4 讨论

近年来，随着国产加速器在技术上的发展，各类型加速器在剂量重复性、剂量线性以及激光线精度指标等方面都有了很大进步，吴青南等[12]对国产XHA1400加速器的X射线剂量和机械性能测试结果表明其具有良好的剂量输出准确性和机械性能精度，且主要检测指标不输于进口加速器。聂鑫等[13]对国产加速器开展立体定向放射治疗做了可行性研究，证明国产加速器基本性能较好，部分设备从剂量输出和治疗精度方面已达到开展立体定向放射治疗的基本要求。马蕾杰等[14]对国产数字化加速器性能做了检测并与进口设备做了对比评价，发现在等中心精度、射线质、射野平坦度和对称性等关键参数方面的差别不大。而对于国产加速器的临床应用以及剂量学研究方面，国内学者也做了大量的报道[15-17]，显示了国产设备在不同肿瘤治疗中取得了较大的进步。但是，目前针对国产加速器的测试及应用研究仍局限于以3DCRT和IMRT为代表的常规放射治疗技术阶段，而对于在进口加速器平台上已近乎普及的VMAT技术，国内品牌仍处于起步和研发阶段。

由于VMAT通过机架旋转过程中改变MLC速度、剂量率和机架速度以实现不同方向上射束强度的调制[18-19]，因此，实施VMAT技术的加速器必须具备较高的DMLC到位精度、机架旋转过程中精确的剂量率控制以及机架旋转速度的精确控制[20]。本文对XHA600E加速器实施VMAT技术的性能进行全面评估和测试，对后期国产设备技术性能的进一步提高具有一定的指导意义。

通过测试评估发现，XHA600E主要技术参数基本满足实施VMAT的技术要求，但在测试中反映出MLC执行动态调强计划过程中存在叶片到位精度和叶片速度稳定性较差的问题，针对这个问题，会同厂家工程师对MLC控制软件及测试方法做了改进：软件根据叶片目标速度的高低采用不同的运动控制算法控制叶片的运动，动态运行过程中叶片到位精度和速度稳定性都受叶片速度和叶片加速度影响，为提高叶片速度的准确性，软件采用浮点变量代替原来整型变量计算采样叶片运行速度。为获得合理的叶片加速度，提高叶片的启动调速性能，对原系统中的P、I、D系数重新设定，重点增加I系数的比重使叶片在最短时间内达到目标速度。通过改进后，叶片速度的稳定性误差缩减到1.36%，达到小于2%的技术要求。

另外，在剂量率和机架速度的控制精度测试中也发现存在误差较大的情况，且偏差基本集中在第1个片段和后2个片段。针对该问题，通过增加机架启动运行前“预滑”，减小机架启动阶段速度匹配偏差。优化VMAT的执行过程，提高片段剂量的稳定性，确保零剂量率和零剂量控制点（或片段）的准确性。通过改进后，剂量率和机架速度的控制精度误差缩减到1.37%，已达到技术要求。

综上，国产医用加速器XHA600E在剂量学特性以及相关机械性能方面已初步具备了实施VMAT的技术条件，为下一步开展VMAT技术的临床应用奠定了基础。