對(duì)瓦里安碳纖維治療床面模型的評(píng)估

李毅，李芳，蘇王輝，何赟，張坤，王中衛(wèi)

1. 西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院 放療科，陜西 西安 710004；2. 陜西省腫瘤醫(yī)院 放療科，陜西 西安 710061

引言

醫(yī)用直線(xiàn)加速器碳纖維治療床面多采用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料制成，具有優(yōu)異的X射線(xiàn)透過(guò)性，同時(shí)碳纖維治療床面對(duì)射線(xiàn)的衰減不可忽略[1-2]。臨床工作中多采用建立治療床面虛擬模型的方式修正其對(duì)劑量的影響[3-6]。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者分別基于不同放療計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)虛擬治療床面模型進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示虛擬模型均可以很好地模擬治療床，減少治療床對(duì)放療計(jì)劃的影響[7-11]。而關(guān)于治療床面模型精度及模型影響評(píng)價(jià)的研究還較為少見(jiàn)。本研究選取瓦里安加速器廣泛采用的Exact IGRT碳纖維治療床面及內(nèi)置模型，基于Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)模型結(jié)構(gòu)及不同條件下模型的衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)，為臨床工作中治療床面模型的使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

飛利浦大孔徑CT模擬機(jī)、Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)（版本13.6）、瓦里安Exact IGRT治療床。治療床面寬度53 cm，長(zhǎng)度200 cm，橫向結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，縱向結(jié)構(gòu)從前端到后端厚度逐漸增加，分為?。?0.0 mm）、中（62.5 mm）、厚（75.0 mm）三種厚度，見(jiàn)圖1。

圖1 Exact IGRT治療床面結(jié)構(gòu)示意圖

拆下治療床面并執(zhí)行CT掃描，掃描條件250 mA、120 kV，層厚5 mm。CT圖像顯示治療床面呈三明治結(jié)構(gòu)，外層為2 mm厚高密度碳纖維復(fù)合材料面板，內(nèi)部填充低密度泡沫芯材。兩側(cè)弧形區(qū)域進(jìn)行了加強(qiáng)處理以保持治療床面機(jī)械強(qiáng)度。治療床面亨斯菲爾德值（Hounsfield Unit，HU）非均勻分布，上層面板平均HU值-640 HU，下層面板平均HU值-510 HU，兩側(cè)弧形區(qū)HU值為-350～144 HU，內(nèi)部泡沫芯材平均HU值-950 HU（圖2）。

圖2 實(shí)際治療床面CT圖像

瓦里安Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)置Exact IGRT治療床面模型用于模擬實(shí)際治療床面。模型基于治療床面實(shí)際尺寸建立，分為薄、中、厚三種模型。模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)由碳纖維外殼和低密度填充物兩部分輪廓組成，可自定義HU參數(shù)（圖3）。系統(tǒng)內(nèi)默認(rèn)參數(shù)為（-300 HU，-1000 HU），實(shí)際工作中推薦根據(jù)床面實(shí)際結(jié)構(gòu)選擇合適的參數(shù)，研究建議采用（-580 HU，-950 HU）參數(shù)組合。

圖3 Exact IGRT治療床面模型

1.2 建立衰減系數(shù)測(cè)試模型

分別基于治療床面CT圖像、Exact IGRT治療床面模型圖像建立測(cè)試圓柱形虛擬模體P。模體直徑20 cm，長(zhǎng)度40 cm，密度1.000 g/cm3，HU值為0，位置居中且與治療床面上表面相切（圖4）。模型左右對(duì)稱(chēng)，且不同角度時(shí)模體中心劑量?jī)H受治療床面衰減影響。

圖4 衰減系數(shù)測(cè)試模型

測(cè)試計(jì)劃以模體P中心為計(jì)劃中心，條件選用6 MV X射線(xiàn)，5 cm×5 cm射野，200 MU，Acuros XB算法。治療床面及模體P以外的結(jié)構(gòu)指定為空氣，且在Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中默認(rèn)不參與運(yùn)算。研究選取90～180°射野角度進(jìn)行分析，每10°進(jìn)行一次劑量計(jì)算，讀取等中心處的劑量并計(jì)算治療床面衰減系數(shù)F，見(jiàn)式(1)。

其中，Dcouch表示射野穿過(guò)治療床面時(shí)模體P等中心處劑量，Dopen表示無(wú)治療床面時(shí)模體P等中心處的劑量（采用機(jī)架角角度為0時(shí)測(cè)量結(jié)果）。

1.3 比較不同條件下治療床面及模型衰減

（1）不同HU值參數(shù)條件下衰減：包括實(shí)際治療床面、模型HU參數(shù)（-300 HU，-1000 HU）、模型HU參數(shù)（-580 HU，-950 HU）。

（2）不同厚度條件下衰減：包括薄、厚兩種厚度。

（3）不同射線(xiàn)能量條件下衰減：包括6 MV、10 MV兩檔能量。

（4）不同劑量算法條件下衰減：包括AAA和Acuros XB兩種算法。

2 結(jié)果

2.1 不同HU參數(shù)條件下治療床面衰減

實(shí)際治療床面衰減系數(shù)為2.51%±0.50%，當(dāng)虛擬模型碳纖維外殼輪廓、泡沫內(nèi)芯輪廓參數(shù)組合分別為（-300 HU，-1000 HU）、（-580 HU，-950 HU）時(shí)，衰減系數(shù)分別為3.13%±0.57%、2.385%±0.35%。模型較實(shí)際治療床面偏差分別為0.63%±0.44%、-0.15%±0.20%。當(dāng)模型采用（-580 HU，-950 HU）參數(shù)組合時(shí)，與實(shí)際床面衰減具有更好的一致性（圖5）。

圖5 不同HU參數(shù)條件床面衰減曲線(xiàn)

同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)虛擬床面模型簡(jiǎn)化了兩側(cè)高密度區(qū)域結(jié)構(gòu)，當(dāng)射野角度為112～116°時(shí)，射線(xiàn)穿過(guò)兩側(cè)高密度區(qū)域，治療床面衰減系數(shù)明顯增大。射野115°時(shí)實(shí)際治療床面衰減最大為6.61%，模型衰減系數(shù)分別為4.29%、2.18%，最大偏差4.43%。

2.2 不同X射線(xiàn)能量條件下治療床面衰減

6 MV、10 MV射線(xiàn)條件下，實(shí)際治療床面衰減系數(shù)分別為2.51%±0.50%、1.85%±0.36%。虛擬模型衰減系數(shù)分為2.38%±0.35%、1.73%±0.26%（圖6）。相同能量條件下，床面模型與實(shí)際床面衰減基本一致，最大偏差分別為0.42%、0.37%。采用不同射線(xiàn)能量時(shí)，實(shí)際床面及床面模型衰減系數(shù)均隨著射束能量增高而減小，劑量衰減與能量有一定相關(guān)性，低能射線(xiàn)受治療床面影響更加明顯。

圖6 不同射線(xiàn)能量條件床面衰減曲線(xiàn)

2.3 治療床面不同厚度條件下的衰減

實(shí)際治療床面厚段衰減系數(shù)2.51%±0.50%，薄段衰減系數(shù)2.05%±0.47%，差異0.46%±0.08%。虛擬模型厚段衰減系數(shù)2.385%±0.35%，薄段衰減系數(shù)2.10%±0.36%，差異為0.28%±0.13%，見(jiàn)圖7。厚段衰減均略高于治療床薄段，主要區(qū)別為內(nèi)部填充物厚度不同及兩側(cè)弧形區(qū)域體積不同有關(guān)，與孔偉等[12]的研究結(jié)果一致。

圖7 不同厚度條件床面衰減曲線(xiàn)

相同厚度條件下，治療床面厚段較模型衰減差異高0.13%±0.17%。實(shí)際床面薄段較模型衰減高0.05%±0.13%，差異均小于0.5%。治療床面厚段床模型與實(shí)際床衰減偏差略大，差異主要集中在床面兩側(cè)弧形高密度區(qū)域。

2.4 不同劑量算法時(shí)治療床面衰減

實(shí)際治療床面在A(yíng)AA、Acuros XB算法條件下衰減系數(shù)為3.67%±0.47%、2.51%±0.50%，差異為1.16%±0.17%，偏差最大1.34%。治療床面模型衰減系數(shù)為3.415%±0.43%、2.38%±0.35%，差異為1.03%±0.17%，偏差最大1.34%，見(jiàn)圖8。

圖8 不同劑量算法條件床面衰減曲線(xiàn)

當(dāng)采用相同劑量算法時(shí)，實(shí)際床與模型衰減基本一致，偏差小于0.5%。當(dāng)采用不同劑量算法時(shí)，AAA算法衰減系數(shù)均高于A(yíng)curos XB算法，且偏差大于1%。主要與治療床面和模型之間的空氣間隔有關(guān)，AAA算法高估了治療床面及模型對(duì)射線(xiàn)的衰減，Acuros XB算法可以更準(zhǔn)確地考慮空氣間隙的影響。

3 討論

放射治療中患者治療附件對(duì)吸收劑量具有一定的影響，實(shí)際臨床工作中采用CT模擬機(jī)同時(shí)掃描患者及附件并使其參與計(jì)算的方法可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)絕大多數(shù)治療附件的影響。然而在修正加速器治療床衰減時(shí)，則需要為CT模擬機(jī)配置與加速器相同型號(hào)的治療床面。該方法受到CT模擬機(jī)掃描孔徑有限、全碳纖維治療床面價(jià)格相對(duì)昂貴及不同型號(hào)加速器可能對(duì)應(yīng)不同治療床等多種因素限制未能得到普及。

多數(shù)放療計(jì)劃系統(tǒng)采用構(gòu)建虛擬治療床面模型的方式模擬治療床對(duì)射線(xiàn)的影響，多位學(xué)者對(duì)內(nèi)置虛擬治療床模型的方法準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究[13-15]。郭紅博等[8]基于Xio計(jì)劃系統(tǒng)構(gòu)建iBeam evo couch治療床虛擬模型，結(jié)果顯示虛擬床模型可以很好地模擬加速器治療床對(duì)劑量的衰減。Zhang等[16]采用圓柱形模型及電離室對(duì)Monaco計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)置的虛擬床模型衰減進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果顯示良好的一致性。李軍等[17]基于固體水及電離室實(shí)際測(cè)量的方法，探討了瓦里安IGRT碳纖維治療床與虛擬治療床對(duì)劑量影響差異，結(jié)果顯示虛擬床模型可以減小劑量誤差。

本研究在上述工作基礎(chǔ)上采用實(shí)際測(cè)量之外的方法，基于Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)建立快速測(cè)試模型。該方法為不便于測(cè)量的單位提供一種思路，適用于不同計(jì)劃條件、不同型號(hào)治療床模型精度的測(cè)試。研究結(jié)果顯示，與無(wú)治療床比較，虛擬模型修正了約2.38%±0.35%的衰減偏差，與實(shí)際治療床衰減基本一致，偏差為-0.15%±0.20%?，F(xiàn)有的內(nèi)置虛擬模型綜合考慮了便捷性與準(zhǔn)確性，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，特別是兩側(cè)弧形高密度區(qū)域結(jié)構(gòu)。射野在特定角度穿過(guò)高密度區(qū)域時(shí)，與實(shí)際床衰減偏差超過(guò)4%，應(yīng)予以留意，以避免不必要的偏差。

虛擬床面模型HU參數(shù)及計(jì)劃參數(shù)設(shè)置也將影響到模型精度，使用時(shí)需選用正確的模型及合理的計(jì)劃參數(shù)以保證模型準(zhǔn)確性。治療床面模型HU參數(shù)需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，如直接采用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)（-300 HU，-1000 HU）則可能高估等中心處劑量。研究推薦使用（-580 HU，-950 HU）參數(shù)組合，與Vanetti等[18]的研究結(jié)果一致。

治療床面衰減與能量有一定相關(guān)性，6 MV低能射線(xiàn)相比10 MV射線(xiàn)受治療床面的影響更加明顯。如采用穿透力更弱電子線(xiàn)治療時(shí)，需注意射野是否穿過(guò)治療床并確保治療精度。治療床面厚段衰減系數(shù)略高于薄段，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)厚度的床面模型。

選用不同劑量算法時(shí)，AAA算法的衰減系數(shù)明顯高于A(yíng)curos XB算法，偏差約1.16%±0.17%，最大偏差1.34%。算法差異主要與床面和測(cè)試模型之間的空氣間隙有關(guān)，Acuros XB算法考慮了物質(zhì)密度，可以更加準(zhǔn)確地考慮空氣間隙的影響，而AAA算法高估了治療床面及模型對(duì)劑量的衰減[19-20]。在設(shè)計(jì)臨床計(jì)劃時(shí)應(yīng)盡可能選擇更為精準(zhǔn)的Acuros XB算法，減少由算法帶來(lái)的誤差。

本研究還存在部分局限性，Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)采用的Acuros XB算法相對(duì)精準(zhǔn)，但仍存在一定的不確定性。研究以計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)對(duì)模型衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)，可能會(huì)引入細(xì)微的偏差。研究進(jìn)一步工作，嘗試建立可實(shí)際測(cè)量模型對(duì)現(xiàn)有虛擬模型及算法結(jié)果進(jìn)一步修正，并對(duì)治療床面成效帶來(lái)的模體表面偏差進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

綜上所述，在計(jì)劃系統(tǒng)中正確引入虛擬床面模型可以很好模擬實(shí)際治療床面對(duì)射線(xiàn)影響。在設(shè)計(jì)臨床放療計(jì)劃時(shí)，需合理設(shè)置HU參數(shù)并建議采用Acuros XB算法，盡可能避免大量射線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩側(cè)高密度區(qū)域，特別在低能X射線(xiàn)計(jì)劃中，以減少誤差。