中华放射医学与防护杂志  2015, Vol. 35 Issue (4): 303-306   PDF    
引用本文
张红红, 丁艳秋, 冯仲苏, 郭朝晖, 程金生. 多叶准直器运动状态下叶片到位精度检测方法研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(4): 303-306, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.04.017.
多叶准直器运动状态下叶片到位精度检测方法研究
张红红, 丁艳秋, 冯仲苏, 郭朝晖, 程金生     
100088 北京, 中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室
收稿日期: 2014-12-01
基金项目：卫生行业科研专项(201002009)
通信作者：程金生,Email:chengjs3393@163.com
[摘要]    目的 建立多叶准直器运动状态下叶片到位精度的检测方法.方法 设计多叶准直器测量序列,被测叶片每扫过1 cm的距离设置0.1~1 mm之间的叶片位置误差,利用二维电离室矩阵测量其运动轨迹上的吸收剂量,得出不同剂量率(100、300和600 MU/min)时,设置的位置误差与吸收剂量直线斜率之间的对应关系曲线,以此作为叶片位置校准曲线.进行日常检测时,通过多叶准直器叶片运动形成射野y方向的剂量曲线图得到有误差的叶片,依据射野x方向吸收剂量直线的斜率,与叶片位置校准曲线进行比较,得到检测叶片的实际位置误差.结果 通过y方向的剂量曲线图,可找出位置误差≥0.2 mm/cm的叶片.在一定的剂量率下,叶片位置校准曲线呈线性变化趋势.输出剂量率为600 MU/min时,叶片的位置误差分布直观清晰,可快速对叶片到位精度情况做定性分析.位置误差为0.1 mm/cm的叶片,吸收剂量直线斜率变化为0.74%,检测误差与引入误差的差别≤0.1 mm.结论 使用二维电离室矩阵检测多叶准直器运动状态下叶片到位精度的方法简便可靠,能满足常规检测的需要,为调强适形放射治疗质量控制体系的建立提供技术支持.
[关键词]     多叶准直器     二维电离室矩阵     到位精度    
Leaf position testing for multileaf collimator in the dynamic mode
Zhang Honghong, Ding Yanqiu, Feng Zhongsu, Guo Zhaohui, Cheng Jinsheng     
Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China
[Abstract]    Objective To establish a new method to analyze the position accuracy of multileaf collimator (MLC) in the dynamic mode. Methods The MLC test sequence was created in a field, where intentional leaf positional errors ranging from 0.1 to 1 mm per centimeter were introduced. In order to establish the relationship between the ion chamber readings and leaf position, whose slope indicated the leaf position error per centimeter, a two-dimensional ion chamber array was used to measure absorbed dose while leaves were moving at dose rates of 100, 300 and 600 MU/min, respectively. For routine test, leaf position error was easily found via dose profile in y direction of the field created by dynamic leaves, where the position error could be quantitatively calculated as the slope of absorbed dose line of x direction of the same field. Results The error of 0.2 mm or more per centimeter was obviously shown through y dose profile. The calibration curve was linear at different dose rates. At 600 MU/min, a 0.1 mm leaf position error corresponded to a slope variation of 0.74%, and the differences between the tested errors and the introduced errors were within 0.1 mm. Conclusions The simple and reliable method is helpful to establish the intensity modulated radiation therapy (IMRT) quality control (QC) system.
[Key words]     Dynamic multileaf collimator     Two-dimensional ion chamber array     Position accuracy    

基于滑窗技术的动态调强放疗已普遍得到应用[1, 2],由于多叶准直器(multileaf collimator,MLC)叶片在出束的同时进行连续运动,运动状态下多叶准直器(dynamic multileaf collimator,DMLC)叶片的到位精度直接影响患者剂量的准确投递,故对其进行严格的质量保证(quality assurance,QA)尤为重要[3]。近年来,二维矩阵探测器因其准确、高效等特点已普遍用于MLC的到位精度研究[4, 5, 6, 7],但目前的方法均未实现对运动状态下叶片瞬时到位精度的检测。本研究针对DMLC和二维电离室矩阵的特点,建立MLC运动状态下叶片到位精度检测的新方法,以适应调强放射治疗(IMRT) MLC常规检测需要。

材料与方法

1. 二维电离室矩阵:测量使用2D-Array seven 29矩阵(德国PTW公司),有效测量面积27 cm × 27 cm范围,均匀分布729个空气电离室,每个电离室5 mm × 5 mm × 5 mm,中心间距10 mm,有效测量点深度7.5 mm。

2. 直线加速器:采用美国瓦里安Clinac iX直线加速器6 MV射线;加速器内置MLC为Millenuim120叶片,其中间40对叶片和两侧20对叶片在等中心的投影宽度分别为5和10 mm。

3. DMLC测量文件:将电离室矩阵有效测量点置于等中心平面,射野中心对准矩阵中心进行摆位,考虑到矩阵的构造,矩阵上面放置5 cm固体水(Virtual WaterTM,密度为1.03 g/cm3),其等效深度为5.75 cm。利用MLC Shaper软件(Version 7.0)设计测量序列,射野13 cm×20 cm (x1=5 cm,x2=8 cm;y1=y2=10 cm),x1方向的40个叶片自左向右匀速运动,扫过范围10 cm,叶片leaf32B和leaf31B每扫过10 mm距离的设置误差(叶片单位位移误差)在-1、-0.5、-0.2和-0.1 mm("-"表示慢于正常运动叶片)之间选择,叶片leaf30B和leaf29B的叶片单位位移误差在+1、+0.5、+0.2和+0.1 mm("+"表示快于正常运动叶片)之间选择。测量前先用瓦里安公司提供的标准方法对MLC进行校准,并采用胶片法对4个叶片的绝对位置进行检测,以保证叶片位置校准曲线的准确性。剂量率分别设定为100、300和600 MU/min,照射80 MU,每次照射重复3次。

4. DMLC叶片位置校准曲线:MLC叶片朝一定方向运动时,用PTW二维电离室矩阵测量其扫描轨迹上的吸收剂量,如叶片突发非匀速运动,所测吸收剂量曲线会发生突然波动,误差很容易被发现,故实验只针对叶片匀速运动的情况。叶片在匀速行进时,其在x方向由矩阵测得的吸收剂量呈线性增加,在同一剂量率下,叶片动态运行的到位精度偏差与吸收剂量直线斜率之间存在一定的对应关系。吸收剂量直线斜率由矩阵x方向电离室读数与电离室位置的对应关系得出。由此,得到吸收剂量直线斜率(y)与叶片单位位置误差(x)之间的对应关系曲线,以此作为叶片位置校准曲线。

5. 数据分析:数据用x±s表示。用VeriSoft软件获取矩阵所测数据,输入OriginPro 8中进行分析处理,建立x方向吸收剂量直线斜率与叶片单位位置误差之间的关系——叶片位置校准曲线。引入-1~1 mm之间的几个叶片单位位置误差,通过矩阵中y方向的剂量曲线图可直接找出有误差的叶片,然后针对误差叶片,依据其x方向吸收剂量直线的斜率,得到叶片单位位置误差,验证上述方法检测的精确度。

结 果

1. 以剂量率600 MU/min的情况为例,吸收剂量曲线结果如图 1所示,在100和300 MU/min两种剂量率下,情况类似。

图 1 运动叶片扫过射野(13 cm×20 cm)后不同方向的剂量曲线 A. x方向; B. y方向

x方向的剂量关系:叶片单位位置误差的分布直观清晰,所测曲线分布于0~0.5 mm误差之间时,DMLC叶片动态运行的到位精度较高,否则较低。实际进行质量控制检测时,可由二维矩阵测出沿MLC叶片运动方向的吸收剂量曲线,将其与标准的剂量曲线进行比对,由此快速判断所检MLC是否合格。

y方向的剂量关系:叶片扫过一半射野时,可以明显观察到≥0.2 mm的叶片单位位置误差,实际检测时,可由此发现产生误差的叶片序号。

2. 不同剂量率的叶片位置校准曲线:如图 2所示,剂量率为100、300和600 MU/min时,叶片位置校准曲线均呈线性变化趋势。检测时测得具体叶片扫描轨迹上对应吸收剂量曲线的斜率,将它与叶片位置校准曲线进行比较,获取叶片单位位置误差,进而得出DMLC叶片动态运行时在固定位置的误差。

图 2 不同剂量率时的叶片位置校准曲线

从图 2可以看出,剂量率600 MU/min时叶片位置校准曲线线性相关系数最高,为0.996 7,这与其他两种剂量率时的较低速度(分别为0.208和0.625 cm/s)相比,此时叶片速度为1.25 cm/s,处于瓦里安MLC叶片速度的适中水平,具有较高的到位精度,但本研究因条件所限并未做较高速度的测试,未能取得较高速度时的到位精度情况,但针对检测而言,适中速度可以作为标准实验条件。对应0.1 mm的叶片单位位置误差,吸收剂量直线的斜率变化0.74%。引入误差-0.5、-0.2和0.1 mm时,检测误差分别是(-0.55±0.01)、(-0.23±0.01)和(0.13±0.01) mm,与引入误差的差别均在0.1 mm范围内,即该方法的精确度可达到0.1 mm。

讨 论

利用二维电离室矩阵检测DMLC叶片到位精度的方法简便、快捷,检测的精确度在0.1~0.2 mm,满足美国医学物理师协会(AAPM) TG142号报告的要求[8]。目前,常用来验证DMLC叶片到位精度的有电离室法、胶片法及电子射野影像系统(EPID)法等[9, 10, 11, 12, 13]。电离室法精度较高,可测得0.1 mm的叶片间距误差[10],但每次只能测量一对叶片,不适于用作常规质控方法;胶片法的测量精度在0.2 mm量级,分辨率高,一次可检测所有叶片,但因胶片不能重复利用造成浪费、操作过程繁琐等因素,不适合用于快捷检测[9];EPID法能够方便快速测得0.2 mm的到位精度误差[12],但仅是分析了叶片间距误差,且将之作为剂量仪使用时,质量控制要求极为严格,缺乏应用的普遍性[14]。与上述测量工具相比,二维电离室矩阵具有使用方便、高效、准确等优点[15],更加适合检测机构工作要求简单快速可靠的特点,将会广泛用于MLC的常规质量控制检测。

实际进行现场检测时,设定适当的叶片速度,做出叶片位置校准曲线,根据测量数据可以方便快速获取检测结果,尽管矩阵的有效探测面积有限,不能实现一次对所有叶片进行检测,但可通过移动矩阵的方式分次检测,整个过程并不费时,满足检测工作快捷准确高效的要求。需要注意的是,实际在临床治疗中,DMLC的叶片并不是同时一致运动的,叶片之间的相互作用难免会对到位精度造成影响,实验中并没有考虑这些因素,故有必要结合临床实际设计更加复杂的序列进行深入研究。但本研究旨在建立一种简单快速的检测DMLC叶片到位精度的新方法,并对其可行性及检测的精确度进行验证,而且相比医院相对繁琐的质量保证工作,检测机构更加关心的是所检设备合格与否,检测均在标准实验条件下进行,完全能够满足DMLC常规质控检测的需要,可为IMRT质量控制体系的建立提供一定的技术支持。

参考文献
[1] Samant SS, Zheng W, Parra NA, et al. Verification of multileaf collimator leaf positions using an electronic portal imaging device[J]. Med Phys, 2002, 29(12):2900-2912.
[2] Sonke JJ, Ploeger LS, Brand B, et al. Leaf trajectory verification during dynamic intensity modulated radiotherapy using an amorphous silicon flat panel imager[J]. Med Phys, 2004, 31(2):389-395.
[3] Chang J, Obcemea CH, Sillanpaa J, et al. Use of EPID for leaf position accuracy QA of dynamic multi-leaf collimator (DMLC) treatment[J]. Med Phys, 2004, 31(7):2091-2096.
[4] 吴昊,任民,黄斐增,等. 不同探测器在多叶准直器质量保证中的定位精度比较[J]. 中国医学物理学杂志, 2010, 27(4):1960-1963.
[5] Simon TA, Kahler D, Simon WE, et al. An MLC calibration method using a detector array[J]. Med Phys, 2009, 36(10):4495-4503.
[6] 鞠忠建,王运来,马林,等. 用二维电离室矩阵验证多叶准直器叶片到位精度[J]. 中华放射肿瘤学杂志, 2006, 15(4):335-338.
[7] 马攀,戴建荣,Shi J. 二维半导体探测器阵列在多叶准直器日常质量保证中的应用[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2009, 29(2):217-220.
[8] Klein EE, Hanley J, Bayouth J, et al. Task group 142 report:quality assurance of medical accelerators[J]. Med Phys, 2009, 36(9):4197-4212.
[9] Chui CS, Spirou S, LoSasso T. Testing of dynamic multileaf collimation[J]. Med Phys, 1996, 23(5):635-641.
[10] LoSasso T, Chui CS, Ling CC. Physical and dosimetric aspects of a multileaf collimation system used in the dynamic mode for implementing intensity modulated radiotherapy[J]. Med Phys, 1998, 25(10):1919-1927.
[11] Partridge M, Evans PM, van Herk M, et al. Leaf position verification during dynamic beam delivery:a comparison of three applications using electronic portal imaging[J]. Med Phys, 2000, 27(7):1601-1609.
[12] Vieira SC, Dirkx ML, Pasma KL, et al. Fast and accurate leaf verification for dynamic multileaf collimation using an electronic portal imaging device[J]. Med Phys, 2002, 29(9):2034-2040.
[13] Mei X, Nygren I, Villarreal-Barajas JE. On the use of the MLC dosimetric leaf gap as a quality control tool for accurate dynamic IMRT delivery[J]. Med Phys, 2011, 38(4):2246-2255.
[14] Cremers F, Frenzel T, Kausch C, et al. Performance of electronic portal imaging devices (EPIDs) used in radiotherapy:image quality and dose measurements[J]. Med Phys, 2004, 31(5):985-996.
[15] 翟贺争,程金生. 二维矩阵探测器在IMRT剂量验证中的研究进展[J]. 中华放射医学与防护杂志,2013,33(2):215-217.