新型“環形”機架加速器臨床調試流程探討*

楊 波 于 浪 汪之群 王 貝 李文博 張 杰 張 新 吳柱鳳 周宗凱 隋 輝 胡 克 張福泉 邱 杰*

Halcyon“環形”直線加速器是基于Truebeam平臺全新設計的一款機型，兼有常規“C”型加速器、CT機及螺旋斷層加速器的特點，該型號加速器具有安裝調試速度快，治療快速精確，高度集成及智能化等優點，適用于開展多種技術、治療全身(除表淺)任何部位的腫瘤。目前，國內外相關機構尚無正式發布針對該機型推薦的臨床調試規程，根據美國醫學物理家協會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)和國際原子能機構(International Atomic Energy Agency，IAEA)等現有報告以及相關文獻推薦，經過調試過程的不斷實踐，擬制定一套適合我國國情的Halcyon直線加速器調試規程。本研究旨在針對預裝RBD數據Halcyon1.0直線加速器建立合適的臨床調試流程，保證調試結果滿足臨床治療要求。

1 Halcyon直線加速器的“環形”機架

2019年6月1日北京協和醫院放療科對國內首臺Halcyon直線加速器[瓦里安醫療設備(中國)有限公司]進行安裝，經過兩個半月的安裝及臨床調試，于2019年8月15日開始治療首例患者。

Halcyon直線加速器的“環形”機架安裝于封閉的空間內，物理治療孔徑直徑和源軸距均為100 cm，射線能量無均整射線(flattening filter free，FFF)6 MV，最大劑量率800 MU/min，Halcyon直線加速器1.0版本治療及圖像引導均采用該能量，Halcyon直線加速器2.0版本增加千伏級圖像引導系統，進一步提升圖像質量。鑒于機架封閉及安全性的優點，機架設計最大轉速4圈/min。Halcyon直線加速器1.0版本等中心處最大射野28 cm×28 cm，裝配雙層多葉準直器(multi-leaf collimator，MLC)系統，葉片寬度1 cm，最大運動速度5 cm/s，可開展野中野、固定野調強、旋轉調強及等技術[1]。

Halcyon直線加速器治療流程與常規“C”型加速器不同，模體或患者需利用外部激光燈擺位后，靠治療床移動固定的距離至治療中心，由于無光野、光距尺及其他測距工具，治療位置的準確性需采集兆伏-兆伏(MV-MV)正交圖像或兆伏級錐形束CT(megavoltage cone-beam computed tomography，MV-CBCT)圖像進行確認，圖像采集所產生的劑量沉積已在計劃優化時考慮。

瓦里安公司采集并為Eclipse計劃系統預裝了典型射線數據[1](representative beam data，RBD)，該數據包括百分深度劑量、離軸比及輸出因子3部分內容，若機器參數與預裝數據有差異，需調整加速器與RBD相匹配，從而保證全球Halcyon直線加速器射線參數的一致性。

2 加速器與治療計劃系統臨床調試設計

Halcyon1.0直線加速器臨床調試主要包含4項內容：①Halcyon直線加速器臨床調試規程的建立；②Eclipse治療計劃系統調試規程的建立；③Halcyon直線加速器質量保證(quality assurance，QA)和質量控制(quality control，QC)規程的建立；④Eclipse治療計劃系統QA和QC規程的建立。所有測試方法均是基于AAPM、IAEA及相關文獻的推薦規程進行設計[2-9]。由于Halcyon直線加速器機械構造、物理尺寸等多方面的限制，質量控制工具的選擇需要慎重。

2.1 Halcyon直線加速器臨床調試檢測

Halcyon直線加速器臨床調試檢測項目、檢測內容及所需質量控制工具如下。

(1)安全檢查。檢測內容為門聯鎖、對講系統、視頻監控系統、輻射監控系統、出束指示、緊急開關、控制臺控制按鈕以及防碰撞聯鎖。

(2)輻射防護。采用電離室巡檢儀質量控制工具進行機房輻射水平檢測。

(3)機械特性檢測。采用電子射野影像裝置(electronic portal imaging device，EPID)、Doselab軟件及配套模體、水平尺及直尺，鉛點依據PentaGuide模體等質量控制工具，進行機架等中心檢測、準直器等中心檢測、機架及準直器綜合等中心檢測、MLC射野準確性檢測、機架及準直器&治療床0位檢測、治療床運動極限位置及運動精度檢測、治療床剛度檢測、治療床中心與射野等中心的一致性、激光燈精度檢測、EPID板中心與射野中心偏差檢測、機架和準直器數字指示與實際位置的準確性檢測。

(4)射線特性檢測。采用Blue Phantom2三維水箱、CC13電離室、PFD、SFD及RFD電離室、固體水、一維水箱、FC65G電離室、平型板電離室、靜電計、EPID及Doselab軟件等質量控制工具，進行射線質檢測、對稱性和最大射野離軸比檢測、MU2的一致性檢測、劑量率輸出一致性檢測、MU線性檢測、機架旋轉過程中劑量率穩定性檢測、機架不同角度及旋轉過程中輸出劑量穩定性檢測、機架不同角度及旋轉過程中Profile穩定性檢測、重復性檢測、日穩定性檢測、周穩定性檢測、高劑量輻照后的穩定性檢測、輸出量與照射野的變化關系、表面劑量檢測以及劑量計算與刻度。

(5)模型預測控制(model predictive control，MPC)檢測。采用Drum模體質量控制工具，進行等中心大小檢測、EPID板中心與射野中心偏差檢測、MLC葉片到位精度檢測、MLC后備激光檢測、準直器旋轉精度檢測、Y射野邊緣精度檢測、絕對機架位置精度檢測、相對機架位置精度檢測、相對床位置精度檢測(3個方向)、虛擬中心到治療中心精度檢測、床位移精度檢測、劑量輸出穩定性檢測、射線均一性檢測以及MU1和MU2的相對變化檢測。

(6)內置模型劑量學檢測。采用Blue Phantom2三維水箱、CC13、CC01、PFD、SFD及RFD電離室、FC65G電離室及靜電計等質量控制工具，進行百分深度劑量檢測、輸出因子檢測、不同深度的Profile檢測、MLC葉片劑量學間距dosimetric leaf gap，DLG)和Transmission檢測。

(7)Rapidarc調試檢測。采用EPID、Doselab軟件、平衡帽、FC-65G電離室及靜電計等質量控制工具，進行動態劑量與靜態劑量的比值檢測、動態多葉準直器(dynamic multi-leaf collimator，DMLC)劑量檢測、不同角度下DMLC到位精度檢測、旋轉過程中DMLC到位精度檢測、旋轉過程中DMLC已知誤差檢測、旋轉過程中劑量率控制的準確性檢測、旋轉過程中機架速度控制的準確性檢測、旋轉過程中MLC葉片速度控制的準確性檢測。

(8)圖像質量檢測。采用EPID、LasVegas模體、Cube模體、Doselab軟件及配套模體、MVP模體、CatphanCTP504模體以及PentaGuide模體等質量控制工具，進行以下檢測：①2D圖像檢測，空間分辨率和密度分辨率檢測、放大系數檢測、EPIDDarkfield圖像檢測、EPID圖像噪聲檢測、EPID像素值檢測修正檢測、EPIDPD劑量線性檢測、MobiusMC2模體2D圖像Doselab軟件自動分析檢測、2D/2D圖像配準檢測和圖像劑量檢測；②3D圖像檢測，CT值準確性檢測、空間分辨率和密度分辨率檢測、空間位置重建精度檢測、層厚重建精；③密度檢測、CT值均一性檢測、圖像噪聲檢測、Catphan504模體3D圖像Doselab軟件自動分析檢測以及3D/3D圖像配準檢測和圖像劑量檢測。

2.2 Eclipse計劃系統臨床調試檢測

Eclipse計劃系統臨床調試檢測項目、檢測內容及所需質量控制工具如下。

(1)電子密度曲線建立。采用CIRSCT-ED電子密度轉換模體質量控制工具，建立CT值與電子密度的對應關系。

(2)質量控制模體建模及標定。采用MVP模體、CC13電離室、靜電計、固體水和Arccheck質量控制工具，建立Arccheck、MVP模體CT掃描和模體模型。

(3)治療床衰減檢測。采用固體水、CC13電離室和靜電計質量控制工具，進行治療床CT值確認。

(4)醫學物理學實踐指南(medical physics practice guideline，MPPG)5.a基礎數據檢測。采用Blue Phantom2三維水箱、CC13、CC01、PFD、SFD及RFD電離室、FC65G電離室和靜電計質量控制工具，進行模型檢測、不同SSD，方野，矩形野組合檢測、MLC小野檢測、斗篷野檢測、過中線最大檢測、非對稱野&小機頭旋轉檢測、斜入射檢測、電子密度曲線確認、不同技術非均值模體點劑量測量、外推野1 cm×2 cm檢測、調強子野雷電野和香蕉野檢測。

(5)TG119檢測。采用MVP模體、CC13電離室、靜電計、固體水和Arccheck質量控制工具，進行不同技術的多目標靶區、前列腺、頭頸、“C”型靶區(容易及困難)點劑量及面劑量檢測及置信限的建立。

(6)患者計劃驗證(patient-specific quality assurance，PSQA)檢測。采用MVP模體、CC13電離室、靜電計、Arccheck和EPID質量控制工具，進行不同技術的頭、胸、腹、盆腔各3例、點劑量和面劑量檢測以及置信限的建立。

(7)端到端(E-2-E)檢測。采用CIRS胸部模體、CC13電離室和靜電計質量控制工具，進行不同技術的利用CIRS胸部模體全流程檢測及點劑量測量。

3 加速器與治療計劃系統調試要點

3.1 Halcyon直線加速器臨床調試

與常規瓦里安“C”型加速器安裝驗收(installation product acceptance，IPA)不同，Halcyon直線加速器IPA除去MPC檢測[10]外，未涉及第三方機械、三維水箱及圖像質量等常規檢測項目，雖然MPC檢測覆蓋了射線束流、機架角度、準直器角度、治療床位置精度及MLC到位精度5項內容，但是這些項目的檢測均是基于瓦里安自身提供的質量控制設備和方法的基礎上進行，不足以支撐臨床治療以及質量控制規程基準值的建立，根據以往的加速器驗收經驗、AAPM和IAEA相關報告、國內外相關文獻[2-3，5，8-9]以及Halcyon直線加速器的特點，對以下項目進行全面的檢測。

3.2 Eclipse治療計劃系統調試

根據AAPMMPPG5.a[4]推薦，計劃系統的調試分為數據收集、模型建立及模型驗證3部分內容，由于Halcyon直線加速器與之配套的Eclipse計劃系統預裝RBD數據，節省了射線數據收集及模型建立的工作，只需要進行模型驗證即可。但MPPG 5.a推薦測試列為其臨床應用最基本測試，為完善驗證內容，根據以往的調試經驗結合相關AAPM、IAEA計劃系統驗收相關報告[4，6-7]進行測試。

3.3 QA和QC規程的建立

3.3.1 Halcyon直線加速器QA和QC規程

Halcyon直線加速器QA和QC規程以AAPM報告[2，5]相關文獻推薦及Halcyon直線加速器調試基準值為基礎而建立，綜合考慮快速檢測、定量分析等因素。鑒于EPID設計的特殊性以及質量控制過程中圖像質量的重要性，圖像質量是QA和QC的重點。由于Halcyon直線加速器每日患者治療數量、治療速度與“C”型加速器有較大的區別，質量控制規程的頻率可能需要調整，目前暫時按AAPMTG142推薦的“C”型加速器質量控制頻率執行，包括日檢、月檢及年檢3個部分：①日檢，包括MPC檢測、Rapidarc固定計劃PD檢測、安全聯鎖檢測；②月檢和年檢，均包括劑量檢測、機械檢測、影像檢測、Rapidarc檢測、MPC檢測和安全連鎖檢測。

3.3.2 Eclipse治療計劃系統QA和QC規程

Halcyon直線加速器與之配套的Eclipse治療計劃系統與常規計劃系統不同，其機器參數及束流數據不能被修改，極大提高數據及計算的安全性，根據MPPG5.a推薦只需每年對其部分內容進行抽檢即可，比較其計算結果的差異，偏差控制在1%的水平，年檢計劃系統QA和QC檢測頻率及檢測內容為MPPG5.a基礎數據測試、TG119測試和PSQA測試項目抽檢。

4 加速器與治療計劃系統調試結果

4.1 Halcyon直線加速器臨床調試結果

所有安全連鎖檢查均正常運轉，保證加速器運行時輻射安全。機房輻射水平最高點位于加速器背側，輻射劑量水平0.530 μSv/h，遠低于國家2.5 μSv/h的標準，安全防護達標11。

機架旋轉等中心3D誤差半徑0.69 mm，最大位置偏差位于225°，0.86 mm；準直器旋轉半徑0.07 mm，機架及準直器綜合旋轉等中心3D誤差半徑0.64 mm，均好于1 mm的驗收標準。MLC到位精度高，射野為2 cm×2 cm至28 cm×28 cm，到位精度均＜1 mm。機架及準直器0°指示均為0.2°，治療床0位偏差＜0.3 mm。治療床極限運動位置，升降-47.50～0 cm，左右-20.88～20.88 cm，進出床53.5～219 cm。治療床三維方向運動，到位精度好于1 mm。全碳纖維治療床具有較好的剛度，在負重120公斤條件下，沉降1.7 mm，傾斜角0.7°。治療床中心與射野中心的一致性隨治療床的運動逐漸增大，最大偏差為1.4 mm。虛擬等中心與治療中心有著較好的一致性，最大到位精度位置偏差為0.7 mm。EPID板為固定式裝配，4個主要方向與射線中心的偏差最大為0.2 mm，遠低于“C”型加速器1 mm的標準。

標準條件下，Halcyon直線加速器實測深度劑量百分比(percentage depth dose，PDD)PDD10為63.3%，符合IPA(63±1)%的標準，PDD20/PDD100.542，比常規“C”型加速器6 M V 射線質偏軟。射野為10 cm×10 cm及28 cm×28 cm時對稱性均為100.3%，最大射野深度10 cm、離軸10 cm處相對劑量百分比平均值為78.83%。當機器跳數＞2 MU時，劑量率線性＜1%，當＜2 MU時，劑量率線性＜2%。機架不同角度及旋轉過程中，輸出劑量穩定性均＜0.1%。絕對劑量刻度偏差為3.7%，調整范圍控制在5%廠家設定值以內。

MPC檢測結果均在閾值范圍內，等中心半徑為0.67 mm，與Doselab分析結果的0.64 mm接近。治療床最大到位偏差為0.14 mm，內外等中心最大偏差為0.21 mm。

內置模型數據與實測數據有著較好的一致性。不同射野大小的PDD和離軸比曲線，使用1 mm/1%分析標準，γ通過率均＞99.5%。輸出因子除2 cm×2 cm射野偏差為1.2%外，其他結果均在1%范圍內。MLC實測穿射因子0.009%，DLG0.18 mm，與預裝數據的0.0047%和0.1 mm差異較大。

Rapidarc調試，動靜態劑量偏差＜0.1%，DMLC劑量最大偏差位于90°，1.84%。靜態不同角度及旋轉過程中MLC到位精度最大位置偏差0.6 mm，＜1 mm的驗收標準。旋轉過程中，機架速度、MLC運動速度及劑量率的控制均有著較好的準確性，所有結果偏差均控制在2%標準內。

圖像引導分別為2D(Highquality和Lowdose)和3D(Highquality和Lowdose)兩種模式，其圖像質量結果見表1、表2，圖像劑量結果見表3。

4.2 Eclipse治療計劃系統調試結果

根據CT-SIM不同部位的掃描條件，分別創建頭部、胸部、腹部及盆腔四條CT值-電子密度轉換曲線，物理密度范圍0.2～4.6 g/cc。碳纖維治療床Surface和Interior的CT值分別為-750 HU和-950 HU。

表1 2D圖像質量檢測內容及結果

表2-1 3D圖像質量檢測內容及結果

表2-2 3D圖像質量檢測內容及結果

表3 不同模式及最大射野下圖像劑量結果(cGy)

MPPG5.a中5.3基礎射野，不同SSD的方野及矩形野組合測試，除2 cm×2 cm射野點劑量偏差為1.7%外，其他射野劑量偏差均＜1%；5.4MLC小野、5.5斗篷野測量、5.8斜入射及7.2調強子野，點劑量偏差均＜1%；5.6過中線距離最遠及5.7非對稱野及最小SSD，點劑量偏差＜2%，以上測試結果PDD及Profile曲線，2 mm/2%的γ通過率均＞99.5%。6.2非均值模體測試，Rapidarc及IMRT兩種技術E-T-E測試，劑量偏差分別為2.02%和2.38%，＜3%的測試標準。

TG119調強測試中，IMRT和Rapidarc兩種技術靶區內點劑量偏差分別為-0.003±0.011和-0.012±0.006，置信限分別為0.025和0.024；Arccheck面劑量檢測，3mm/3%和2mm/2%的γ通過率平均值分別為(99.72±0.24)%和(96.80±1.17)%，以及(99.70±0.45)%和(95.24±2.83)%，其對應的置信限分別為0.75和1.19，以及5.49和10.31。PortalDosimetry檢測，2mm/2%的γ通過率平均值分別為(98.80±0.01)%和(96.60±0.02)%。

4.3 Halcyon直線加速器QA和QC規程結果

針對Halcyon直線加速器的特點，結合AAPM及其相關文獻，對其設計日檢、月檢及年檢3種檢測頻率，檢測內容覆蓋劑量檢測、機械檢測、影像檢測、Rapidarc檢測、MPC檢測和安全連鎖檢測等6項內容。

5 討論

雖然Halcyon直線加速器與其他加速器不同，有一套廠家提供的標準數據并預裝計劃系統，但是對該系統所生成的調強結果是否能夠滿足臨床治療和國際相關的標準無法確定，為驗證該系統整個流程的治療精度，建立了四大調試規程。

Halcyon直線加速器與常規“C”型加速器相比IPA檢測項目偏少，并且如三維水箱檢測的項目被二維矩陣所替代，雖然已有文獻[12]報道，二維矩陣在射線束流檢測方面與三維水箱具有較好的一致性，如6 MeV射線質，水箱及ICprofile的R50偏差0.4 cm，對加速器束流的檢測推薦使用三維水箱。檢測項目相對偏少，如像常規的機械等中心、床到位精度等相關的檢查是否還有必要加入IPA內，MPC的檢測內容及結果是否可以替代第三方的檢測工具，還有待于進一步驗證。

MPC檢測具有快速、方便、覆蓋內容廣泛等特點。主要檢測射線束流、機架角度、準直器角度、治療床位置精度及MLC到位精度5項內容，但瓦里安公司只是建議將該項目作為一個穩定性綜合項目的內容檢測，而不是替代第三方的質量控制工具。近年來，已有多個國外研究機構在驗證MPC和獨立第三方質量控制工具之間的替代關系，已有初步的研究結果，二者之間部分檢測項目可以替代[13-14]。如Alessandro Clivio[15]分別使用MPC和Winston-Lutz對truebeam加速器等中心檢測發現，等中心半徑分別為0.31 mm和0.27 mm，與本研究結果基本相同。

瓦里安公司為Halcyon直線加速器提供了束流數據并預裝Eclipse治療計劃系統，減少了數據收集及建模的時間。但是對該套數據的準確性，國內外很多物理師提出了質疑。該套數據與原有的“C”型加速器的“金標準”不同，該套數據的收集采用AAPMTG106號報告[8]推薦，對不同射野大小的曲線掃描選擇合適的探測器，如SNCEDGE探測器和IBACC13探測器，進一步提高了數據采集的準確度，其有望成為“C”型加速器發展的方向，降低因測量設備、物理師水平差異帶來的系統誤差。

Halcyon直線加速器及Eclipse計劃系統調試內容目前無統一的標準，每個醫院調試內容、調試標準及調試方法也不盡相同，且差異較大。目前，國內大部分醫院均是在IPA的基礎上，采用AAPM、IAEA報告及相關文獻推薦形成自己的調試規程，單個能量的調試時間一般在1個月左右，但是針對Halcyon加速器，不同設備間有著較好的一致性，同時又擁有綜合的MPC分析等測試手段。

Halcyon 直線加速器QA 和QC 檢測頻率與AAPMTG142報告相比，取消了MLC的周檢內容，主要包括以下3方面的原因：①目前新款的MLC的到位精度及長期穩定性與TG142號報告頒布時相比有了較大的提高；②月檢項目Rapidarc對MLC的檢測內容有了較大的豐富；③每周的PSQA檢測，若MLC出現問題，在分析結果中也會有一定的呈現。

MPPG5.a中推薦在患者治療前需進行國際郵寄比對，目前國內基本沒有醫院在加速器投入臨床治療前開展該項目，部分醫院只有在參加一些國際項目合作時方會進行比對。除去絕對劑量檢測由劑量部門完成進行二次核對外，其余項目均由醫院的物理師來完成，若在整個調試過程中存在系統錯誤，以目前國內大部分物理師的水平發現該問題是比較困難的，因此有條件的醫院應參加國際郵寄比對進行二次核查，并希望相關管理機構推進國內比對項目的進展。

瓦里安公司提供束流數據并預裝Eclipse計劃系統，在極大程度上保證了數據的一致性及準確性，降低了因場地采集的錯誤發生概率，極大降低了物理師調試的工作量及時間[16]。為提高整個調試流程的工作效率及準確性，建議針對Halcyon直線加速器，瓦里安公司應配套標準的驗證模體、CT模體圖像、電子密度轉換曲線以及標準計劃(如TG119)以便于進一步降低容錯概率，提高調試精度及調試速度。

6 結論

Halcyon直線加速器臨床調試與常規“C”型加速器有著一定的區別，但是對該型號的加速器，原有的質量控制設備是可以滿足調試及質量控制要求。預裝數據和測量數據有著較好的一致性，IMRT及Rapidarc調試結果均在AAPM及相關文獻的推薦范圍內，可滿足臨床治療要求。本研究測試結果提示，未來的加速器調試過程會越來越趨于簡單，系統性更強，廠家將會承擔更多的調試責任，對醫院物理師而言，調試過程中部分數據而非全部數據的驗證將是主要的調試工作。