用常规多叶准直器进行调强放疗的实施系统

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用常规多叶准直器进行调强放疗的实施系统

摘要： 用常规多叶准直器（MLC）进行调强放疗（IMRT）在放疗界已引起广泛关注。为安全有效地实施IMRT，了解MLC的特征、相关系统及其区别与限制十分重要。本文评述了三个主要厂家的MLC，包括MLC的位置和单、双聚焦等一般情况；叶片的物理特征、运动限制及可达到的最大射野；三种系统的静态和动态治疗机制；也讨论了与设备和病人计划相关的质量保证。结论是：这种系统是实用的，但用于临床时需做多方面的努力。
一 概述
随着先进的计算机优化治疗计划和计算机控制进行治疗的实现，新的调强放疗（IMRT）模式在近年应运而生。它是对靶区提供高度适形并保护周围正常组织的强有力的工具。前瞻性的临床研究表明：它对于提高肿瘤的局控率（TCP）及降低正常组织并发症概率（NTCP）具有很大的潜力，因此此类文章颇多。
IMRT技术可分为两大类：一类是连续或螺旋式的断层放疗，此类又可分为将射束准直为窄条形或用机架旋转进行射束调强两种，此类调强也叫扇束调强；第二大类是基于多叶准直器（MLC）的IMRT（MLC-IMRT），此类调强也叫锥束调强，它又可分为静态或动态两种，其区别是出束时叶片是否在伴随运动。在静态MLC-IMRT中，调强束是用很多MLC的均匀束分段迭加实现的，所以也叫“停-射”模式；在动态MLC-IMRT中，调强束是靠调节每个叶片的运动速度和剂量率来实现的，所以也叫“滑窗”模式。此外，马里兰（Maryland）大学的Yu等人还提出一种混合模型现正在进行临床研究，它是将旋转锥形束与常规MLC结合起来，所以又叫调强弧形治疗（IMAT）。
本文主要针对基于MLC-IMRT系统，主要内容如摘要所述。
二 MLC准直器的特征
目前大部分先进的直线加速器都可装配MLC，但其设计特点各异。本文重点分析Varian瓦里安（Polo Alto，CA）、Siemens西门子（Concord，CA）、Elekta医科达（Norcross，GA）三大公司设备系统的特点。
位置
  在医科达的加速器中，MLC放在上光栏（Y-jaws）上边，但为了减小MLC的辐射泄露，MLC下面还有3cm厚的Y-向光栏（Y-jaw）。在西门子的加速器中，MLC完全代替了下光栏，而在瓦里安加速器中MLC是作为第三准直器。在MLC的设计中，叶片的物理大小显著地影响机架头的大小：当投影到等中心的野和叶片宽度相同时，所需的叶片长度和宽度与源到MLC的距离（SCD）成正比，SCD越小，相应的MLC长宽也越小，可形成更紧凑的机械设计并使机架头到等中心有更大的空间，但由于放大效应，对叶片几何位置的精度要求也更高，由MLC形状引起的野半影也越大。对于Elekta和Siemens两种MLC，其输出因子决定于MLC的形状，因为它们对来自于均整过滤器的原初散射剂量有直接的屏蔽效应；而对Varian式的第三准直器，输出因子主要是随常规光栏的位置而变化，受MLC形状的变化相对较小，但对IMRT中常用的小野，第三MLC对来自均整过滤器的散射线也有一定的屏蔽效应，因此在IMRT中也影响监测器计数（MU）的计算。
MLC的单聚焦或双聚焦
  来自点源的放射线束在X（沿MLC叶片运动方向）和Y（垂直于MLC叶片运动方向）两个方向上都是发散的。单聚焦MLC只在Y方向聚焦，为使其在此方向顺应线束发散，MLC叶片的顶端（近源方向）薄、底端（近病人方向）厚。双聚焦MLC在X和Y两个方向都聚焦，为实现X方向聚焦，叶片必须沿以放射源为中心的球面运动。Elekta和Varian 的MLC是单聚焦，而Siemens的MLC是双聚焦。
  单聚焦MLC的叶片是沿着垂直于射束中心轴平面内的直线运动，其优点是机械设计和叶片位置控制简单。Elekta 和Varian MLC的叶片位置精度都是±1mm（在等中心），但其穿射半影大且随叶片位置而变化，为减小此位置效应，叶片底端设计为圆形。但当叶片运动到离开中心轴20cm时又会引起5mm的叶片位置误差，为解决此问题，MLC控制软件中使用了作为叶片位置函数的非线性偏置补偿。然而，圆底设计显著地减少了叶片端尖的厚度，使两相对叶片合拢时的辐射泄漏增大（ >20% ），为减小之，常规光栏（jaws）应随时尽可能紧紧跟随之。
在双聚焦MLC中，叶片跟随射束的发散做弧形移动，因其机械设计和轨道控制都较困难，故Siemens MLC的叶片位置精度定为±2mm（在等中心），但其半影比单聚焦的小。单、双聚焦的MLC之间，其叶片位置精度、野半影、辐射束边沿与叶片边沿的符合度等都有对应的交换因子。
MLC的物理特征
    Elekta MLC由40对、7.5cm厚的钨合金叶片组成，每片在等中心投影的宽度为1cm、长度为32.5cm。常规治疗的最大野为40cm×40cm，过中心距离为12.5cm，叶片最大移动速度为每秒2cm（等中心）。
    Siemens MLC 由29对、7.5cm厚的钨合金组成，内部的27对叶片中，每片在等中心的投影宽为1cm 、长为31cm ，内组合也为40cm×27cm ；而外部2对宽为6.5cm ，内外组合野为40cm×40cm 。此结构可减少射束中心的辐射泄漏。过中心距离为10cm.叶片最大移动速度为每秒2cm但不控制单个叶片的速度。上光栏（jaw）的放置必须小于MLC组形边界外0.5cm，但可按需要置于MLC组形边界内的任何距离。
Varian MLC 由26对或40对（或60对）5cm厚的钨合金叶片组成，每片在等中心投影宽为1cm（60对中的内20对为0.5cm），长为16（40）cm，叶片最大移动速度为每秒3cm（等中心）。有两套MLC叶片托架，常规治疗最大野为40×26（40）cm，与叶片对数量有关。每片行程是距托架端15cm。托架能缩回到距射束轴20cm并能穿行到过轴1cm。因此，只要应用多个托架位置，叶片位置就能在离等中心20cm和过等中心16cm之间变化。相对于MLC的组形，上下光栏（jaws）的位置无任何限制，但建议在正常治疗时光栏的位置距MLC的组形边沿末端约为0.5cm为好。因为叶片长度是16cm，为防止从最前导叶片的尾部或从最回缩叶片的顶（头）部泄漏辐射，最前导叶片和最回缩叶片之间的距离在同侧（岸bank）应限制到14.5cm之内。
凸 凹效应
  为减小任两叶片间很小间隙处的辐射泄漏，MLC每个叶片的一边加工有突出的“榫”，而相邻叶片加工有凹槽，使凸凹耦合。当相邻叶片有不同的凸度时，在更凸叶片边沿就产生低剂量区，这种现象叫做“凸凹效应”。Sykes等学者建议的双暴光胶片法可演示此效应：第二次照射的屏蔽区和照射区与第一次正好相反。Siemens（MXE）和Varian（CL2300C/D）MLC缝边的这种剂量降低分别约为17%和25%，Philips（现在的Elekta）加速器上的MLC也有类似的结果。
叶片运动限制
  为减小总治疗时间，必须优化叶片的连续（有序）运动，其中限制叶片的运动是重要因素。Varian MLC是插指式设置：即一侧的叶片可插入对侧两相邻叶片之间；Siemens MLC是平齐式设置：即双侧叶片相接但禁止插入；Elekta MLC是非接触式设置：即双侧叶片间禁止接触且保持1cm的间隙。为减小凸凹效应，插指式设置是必要条件。
IMRT治疗中的MLC野大小
  在IMRT治疗中，为在全野内调节射束强度，MLC的组形常常是不规则的、偏轴的。为形成此奇特形状，叶片应能放置于野内的任何位置。但过中线距离限制了IMRT的最大射野，例如Elekta MLC，其IMRT的野宽是叶片过中距离的二倍，即25×25cm，Siemens MLC最大野是21×27cm。但如果野长大于20cm，由于某段子野可能需要Y向光栏（Y-jaw）过中线大于10cm，Siemens MLC的某些IMRT野就不能实现。
如果MLC后面的备用光栏有足够大的覆盖区域，则IMRT的最大野可被扩大。如Varian 的MLC可达30×26（40）cm，它是受叶片最大行程的限制而不是过中距离的限制。但在Varian IMRT治疗中，如果野宽大于14.5cm，由于MLC托架最大只可扩展14.5cm，则IMRT野必须被劈为2或3个野，这可能在相邻野衔接处引起潜在的欠剂量。
三 静态MLC-IMRT和动态MLC-INRT
静态MLC-IMRT可认为是在每个机架角用多个MLC组形（或片段、子野）进行的常规MLC的简单扩展，而动态MLC-IMRT可认为是具有很多对光栏（jaws）的动态楔形板向二维方向的扩展。
静态MLC-IMRT的实施
  静态MLC-IMRT的强度图案可被分解为一系列强度均匀的片段子野，此图案可由
正向人工治疗计划或逆向计算机优化的治疗计划完成。子野数量决定于强度图案的复杂性和所用的数学模型。NOMOS（US）公司孔雀系统的Corvus计划系统即为此种。反映其强度图案复杂性的指数叫做强度级数，它类似于部分厚度挡块的透射系数。强度级数越大，强度图案越复杂。片段数与强度级数成正比。
有两种机制可实现静态MLC-IMRT，机制1是简单、直接的，它将每个治疗片段作为一个独立的野，这样，与此片段有关的所有治疗参数（如光栏位置、监测器计数MU等）都经过“记录-验证”系统（R/V）记录和验证。用此机制，常规放疗系统也可用于IMRT且在间断治疗中容易恢复，但对复杂的强度图案，因对每个片段的所有参数都需记录、比较、验证、下载，会大大延长治疗时间。机制2是MLC-IMRT的一个特例，将在动态MLC-IMRT之后讨论之。
静态MLC-IMRT的优点是：概念简单易理解、与常规放疗类似、不需控制单个叶片的速度（故控制MLC的系统简单）、容易恢复间断治疗、容易验证每个野的强度图案、与动态相比所需机器计数（MU）少（省机时），所以临床应用较普遍。缺点是：对复杂的调强束治疗时间长、在对连续强度分级时会引入误差，但若像Corvus计划系统那样在计划优化过程中由治疗计划系统对强度图案自动分级，静态MLC反而是个优点。
动态MLC-IMRT的实施
  它可将一个强度图案以很细的步阶依次分解为一系列的连续片段，叶片文件把每个叶片的位置表示为累积机器计数（MU）的函数。其叶片移动方向被限制为从左到右或从右到左，片段之间的最大步阶受叶片最大机械速度和最小剂量率的限制。因每对叶片都有其不同的强度断面，而且在给定的MU间隔内每个叶片需要移动不同的距离，所以，为了使所有的叶片都移动到其被设计的位置，叶片速度和剂量率二者都必须被调制。在叶片速度调制中，虽然每个MLC叶片速度各不相同，但在每个片段中其速度不变。在剂量率调制中，为提高效率，尽可能用最大剂量率，但当叶片用最大速度也跟不上时，必须降低剂量率。
动态MLC的一个特例类似于静态MLC：在每一个片段内叶片速度都是零，而在关掉射束时的两片段之间叶片速度置于极限。两叶片以阶梯步方式移动：当MU增加时，叶片位置不变；而叶片位置移动时，MU保持不变。
动态MLC的优点是：强度截面变化连续光滑、有效；缺点是：实现机制繁杂，包括叶片速度和剂量率的调制，需要精确地控制每个叶片的速度和全面的质量保证。另外，因在整个给定机架角内一直在出束，所以当强度图案相同时，它比静态IMRT更费机时（需更多的MU），且会增加MLC叶片的漏射剂量。特别是当强度图案中含有零强度区时（如脊髓挡块），关起来的叶片必须跨过此零强度区，此时从关起叶片的圆形端头的漏射可达20% 。
四 商品化的MLC-IMRT实施系统
Siemens系统
  它以静态方式中的机制1实现调强，每个片段都按常规野处理，IMRT计划由很多片段组成，叫做SIMTEC（Siemens Intensity Modulation Technology）。所有野和每个野的所有片段都是自动实现，无须人工干预，所提供的全是共面野。其记录-验证（R/V）软件系统Primeview支持SIMTEC调制。在Primeview中，每个机架角中的所有片段都能按调强（IM）野分组，而所有的调强野又都能按自动连续组分组，治疗时可任选自动组或调强组。而且，如果所有野都是共面的，则常规计划中的所有野也都能分为自动组并实施自动治疗，在两野之间无须再进入治疗室。
因将每个片段都按常规野处理，需要记录-验证的跨越时间，每个片段约5--6秒。在20分钟内可完成100--120个片段，包括5--7个机架角，但不包括病人摆位时间。
Varian系统
  它可实现静态和动态两种方法调强，静态是作为动态的特例采用机制2实现的。它不同于常规静态模式。在剂量模式中，调强MLC文件是由作为剂量指数函数的所有叶片位置的序列指令组成的，对于某个调强野，剂量指数是总MU（机器计数）的百分数（从0.0到1.0）。
在治疗过程中，MLC叶片的位置受MLC控制计算机的控制，而总的MU数受控制台计算机控制，两计算机又相互联机，每隔50毫秒建立一次叶片位置和累积MU之间的对应量值关系（按调强IM文件给予的指令）供执行。在每个片段中，当这种联机时间迟后时可引起剂量误差，特别是对小的MU片段或首末片段，因这时常用最大剂量率。
Elekta 系统
Elekta系统现在正在由包括9个医学科学中心组成的国际合作机构进行研制和发展。
五 质量保证条款
质量保证（QA）是正在进行的课题，包括我们在IMRT中所获得的更多的经验和设备生产厂家不断改进的要求，分为与机器有关的QA和与病人治疗计划有关的QA：前者包括剂量线性度、射野对称性和均整度、叶片位置精度和MU野及小野的剂量学精度；后者包括等中心验证、强度图案验证和用体模计划所做的治疗计划验证。
与机器有关的QA
剂量线性度： 即符合物理原理的正比性和可相加性，但由于与频繁开关射束有关的“端头效应”，其线性不一定能严格保证。通常是将200MU按50MU×4次做比较测量、验证，用这两种测量之差来定义“端头效应”。实施频繁开、关射束的IMRT技术导致可低至1MU的很多小剂量分次片段，故应进行线性度核检。如：Varian CL2300C/D加速器，IMRT野分190个片段，15cm×15cm野，在每个片段野的射束开、关治疗中可有2mm的位移。用IMRT模式做总MU=19的治疗，与常规15cm×15cm野19MU做比较测量。Siemens KD2，MXE加速器，将IMRT 野分为99个片段，15cm×15cm野，每个片段1MU。最后发现：对于这两种加速器，IMRT野和常规野的线性度都能被调整到1% 以内。
2 对称性和均整度： 用均整过滤器可获得宽阔且均匀的X射线束，Varian的此性能是通过与反馈电路连接的多个内电离室来监测的，电离室信号接向射束偏转电磁线圈。这种机制在常规放疗中工作得很好，但在      IMRT中，因每片段的MU数常常很少，故此性能必须被验证，而且无法用常规的离轴比扫描法测量。此处用电离室在IMRT野内的几个对称点测量点剂量的方法进行比较监测。结果表明：对Varian CL2300C/D和Siemens MXE，KD2 加速器的IMRT，此性能可与常规野相当。
  3   MLC 叶片位置精度： 此性能和野半影对IMRT更重要，因为它影响全野范围内的剂量，不像常规放疗那样只影响野边沿的剂量，所以必须定期做质量保证检验。因各厂家指标不同，对用户主要应了解其所用的MLC准直器的限制。这些限制应由IMRT治疗计划系统在做优化和分片段过程中予以考虑。另外，厂家正在用其内置的多而独立的探测器测试并核检其改进了的叶片位置精度。
与病人有关的QA
等中心验证： 与常规治疗计划相比，IMRT计划对摆位误差更敏感。所以IMRT需要更严格的固定病人和对等中心位置的多重检验。模拟定位影象、数字化重建放射影象（DRR）、治疗机照射野窗口影象（portal image）等技术都被用于多种原因引起的等中心位置误差的验证。
  2 强度图案验证： 从治疗计划系统到记录-验证（R/V）系统的直接的数据传输（包括来自于治疗计划的所有参数）都是从局域电子网完成的，避免了人工数据传输引起的人为误差。但为了确保病人治疗计划和靶区剂量的正确，对来自R/V系统的强度图案需要做直观的验证。在IMRT治疗之初，需用双暴光窗口摄影胶片和20cGy的减影剂量照片并分析、验证强度图案。
3 选点剂量验证： 用体模模拟病人做治疗计划，选择一些相对均匀的剂量区域，用电离室做选点剂量测量和验证。我们用Corvus，NOMOS 模拟40多个病人，在高剂量区，实测与计划剂量之差为4%--5% ；在低剂量区，其差为5%--6% 。                    
4 剂量分布验证： 用体模模拟病人并做治疗计划，用单包装的密封 Kodak XV 胶片，先从5cGy--90cGy分8个阶梯剂量单暴光，建立起光密度和剂量之间的量值关系，再进行实测照射，分析、比较实测与计划之间的剂量分布差异。
六 结论： 应用商品化的MLC-IMRT 系统做静态或动态的IMRT治疗，在临床上是可行的。但应根据各厂家设备的不同特征进行验证和质量保证。通行的质量保证程序现在还在研究发展之中，特别是对于在MLC-IMRT中经常遇到的小野和小的“MU/每野”更是如此。