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2024年4月21日发(作者：)

中国医学装备2023年4月第20卷第4期 China Medical Equipment 2023 April Vol.20 No.4

学术论著

Halcyon2.0医用直线加速器胸部调强放射治疗计划

射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究

祝起

禛

①

汪之群

①

杨波

①

杨景茹

①

梁永广

①

邱杰

①*

[文章编号] 1672-8270(2023)04-0005-06 [中图分类号] R814.2 [文献标识码] A

[摘要] 目的：

比较Halcyon2.0医用直线加速器在胸部固定野调强放射治疗(FF-IMRT)计划中双层多叶准直器(MLC)之间

的射野复杂度差异，探索基于双层MLC计算的射野复杂度指标和剂量验证结果之间的相关性。

方法：

选取医院收治的67例

胸部放射治疗患者的Halcyon2.0 FF-IMRT计划，使用电子射野影像系统(EPID)进行Portal Dosimetry(PD)剂量验证。分

别计算远源端MLC和近源端MLC的平均调制复杂度分数(MCS)、平均射野面积(BA)、平均射野不规则度(BI)、平均射野小

孔径分数SAS

2mm

、SAS

5mm

、SAS

10mm

、SAS

15mm

和平均射野周长面积之比(C/A)5种射野复杂度指标。分析比较近源端MLC和

远源端MLC之间的射野复杂度指标差异，并将射野复杂度指标和PD验证得到的γ通过率进行Spearman相关性检验。

结果：

基于远源端MLC计算的MCS小于近源端MLC，且基于远源端MLC计算的BI、SAS

2mm

、SAS

5mm

、SAS

10mm

、SAS

15mm

和C/A

均大于近源端MLC，差异有统计学意义(

=-4.148，

=-6.347，

=-7.115，

=-6.915，

=-6.041，

=-5.079，

=-6.359，

＜0.05)。1%/1

mmγ分析标准下，近源端MLC的SAS

15mm

与γ通过率均呈现出强相关性(|

|＞0.7，

＜0.05)，近源端和远

源端MLC的C/A也均和γ通过率呈现强相关性(|

|＞0.7，

＜0.05)。2%/2

mmγ分析标准下，近源端和远源端MLC的

BA、SAS

2mm

、SAS

5mm

、SAS

10mm

、SAS

15mm

、C/A均与γ通过率均呈现中度相关性(0.4≤|

|≤0.7，

＜0.05)。

结论：

射野

复杂度指标中除远源端MLC的BI外均与PD验证的γ通过率具有不同程度的相关性，其中SAS和C/A的相关性较为明显，

可在剂量验证前辅助物理师识别Halcyon2.0过于复杂的胸部计划。

[

关键词

] Halcyon医用直线加速器；射野复杂度；γ通过率；Portal Dosimetry(PD)剂量验证

DOI: 10.3969/.1672-8270.2023.04.002

引用本文：

祝起

禛

,汪之群,杨波,等.Halcyon2.0医用直线加速器胸部调强放射治疗计划射野复杂度指标与剂量验证的相关

性研究[J].中国医学装备,2023,20(4):5-10.

Study on the correlation between the dose verification and the indicator of complexity of the IMRT field

of Halcyon2.0 medical linear accelerator on chest/ZHU Qi-zhen, WANG Zhi-qun, YANG Bo, et al//China

Medical Equipment,2023,20(4):5-10.

[Abstract]

Objective:

To compare the difference of complexity of the field between dual-layer multi-leaf collimator

(MLC) of the fixed field intensity-modulated radiotherapy (FF-IMRT) plan of Halcyon2.0 medical linear accelerator

on chest, so as to explore the correlation between the indicators of the complexity of field based on the calculation

of dual-layer MLC and the results of the dose verification.

Methods:

The Halcyon2.0 FF-IMRT plans of 67 patients

who underwent radiotherapy on chest in Peking Union Medical College Hospital were selected, and electronic portal

imaging device (EPID) was used to conduct verification of portal dosimetry (PD). A total of five kinds of indicators

of complexities of field included the average modulation complexity score (MCS) of MLCs at the far-end and at

the near-end of source, the average beam area (BA), the average beam irregularity (BI), the average small aperture

*基金项目：“十三五”国家重点研发计划(2016YFC0105206)“多模式引导立体定向与旋转调强一体化放射治疗系统研发”，(2016YFC0105207)“临

床治疗与质量控制流程研究”；中央高水平医院临床科研业务费资助(2022-PUMCH-B-116)“基于人工智能在线自适应放射治疗技术

研究”

①北京协和医学院中国医学科学院北京协和医院放射治疗科北京 100730

*通信作者：*************

作者简介：祝起

禛

，男，(1996- )，硕士研究生，从事医院放射治疗计划质量研究。

[6]

[7]

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收稿日期：2022-08-19

ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 5

学术论著

中国医学装备2023年4月第20卷第4期 Halcyon2.0医用直线加速器胸部调强放射治疗计划

射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究

-祝起

禛

等

score (SAS2mm, SAS5mm, SAS10mm, SAS15mm) of field and the average ratio of circumference to area (C/A) of

field were respectively calculated. The difference of the complexity indicator of field between MLC at the far-end of

source and MLC at the near-end of source was analyzed and compared, and Spearman analysis was adopted to test

the correlation between complexity indicator of field and

passing rates obtained from PD verification.

Results:

The MCS based on the calculation of MLC at the far-end of source was significantly smaller than that of MLC at the

near-end of source, and the BI, SAS

2mm

, SAS

5mm

, SAS

10mm

and SAS

15mm

that based on the calculation of MLC at the

far-end of source were significantly larger than those that based on the calculation of MLC at the near-end of source

(

=-4.148,

=-6.347,

=-7.115,

=-6.915,

=-6.041,

=-5.079,

=-6.359,

＜

0.05), respectively. Under the criteria

of 1%/1mm

analysis, the results of the correlation analysis showed that the SAS15mm of MLC at the far-end of

source appeared strong correlation with

passing rate (|

＞

0.7,

＜

0.05). and the C/As both MLCs at the near-end

and the far-end of source appeared strong correlations with

passing rate (|

＞

0.7,

＜

0.05). Under the criteria of

2%/2mm

analysis, the BA, SAS

2mm

, SAS

5mm

, SAS

10mm

, SAS

15mm

and C/A both MLCs at the near-end and the far-end

of source appeared moderate correlations with

passing rates (0.4≤|

|≤0.7

＜

0.05).

Conclusion:

In the indicators

of complexities of field that is calculated by this study, each indicator has different degree of correlation with

passing

rate that is verified by PD except BI of the MLC at the far-end of source. The correlations of SAS and C/A of them

are relatively obvious, which can be used in auxiliary recognition for excessively complex plan of Halcyon2.0 on chest

before dose verification.

[Key words]

Halcyon accelerator; Complexity of field;

passing rate; Portal dosimetry (PD) dose verification

[First-author’s address]

Department of Radiotherapy, Peking Union Medical College Hospital, Peking Union Medical

College and Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100730, China.

随着多叶准直器(multi-leaf collimator，MLC)

在医用直线加速器中的广泛应用和计算机技术的发

radiation therapy，IMRT)的标准配置，且能够调

节射野形状并实现射束强度的调制。对比适形放射治

疗，IMRT在生成更好的剂量分布的同时无疑增加了

治疗计划的复杂性

[1-2]

。过于复杂的放射治疗计划会导

致计划设计系统(treatment planning system，TPS)

计算得到的剂量分布和计划实际执行时的剂量分布有

所偏差，而随着治疗计划复杂性的增加，剂量计算和

计划执行时的不确定性会增加

[3-6]

。为了保证调强放

射治疗计划的安全性和可靠性，需在治疗计划执行

assurance，PSQA)检验剂量分布的差异是否在可接

受范围内。治疗计划的射束调制程度越高，射野越复

杂，子野形状越不规则，小面积子野越多，治疗计划

的剂量验证结果越差

[7]

。通过计算计划复杂度指标可

以量化评估这种复杂性，以综合评价计划质量。计划

复杂度指标通常可以分为两类：基于通量图的复杂度

指标和基于射野的复杂度指标，目前基于射野的复杂

度指标的应用较为广泛，其主要描述的是MLC所形成

的射野复杂性情况

[7-9]

。但是，各种复杂度指标和剂

量验证结果之间需具有相关性，才使得应用复杂度指

标评估计划质量具有实际意义

[10]

。Halcyon2.0加速器

具有新颖的无铅门双层MLC设计，两层MLC叠加交

错排列并依据距离X射线源的远近分别命名为远源端

MLC和近源端MLC，两层MLC共同参与射束调制。

目前，针对这种新型双层MLC加速器的射野复杂性

6 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI

研究及其和剂量验证结果的关系鲜有报道。本研究分

别基于远源端和近源端MLC计算5种常用的射野复杂

在胸部固定野IMRT(fixed field-IMRT，FF-IMRT)

计划中，其远源端和近源端MLC之间的射野复杂性差

异，并检验各复杂度指标和剂量验证结果的相关性，

为临床治疗计划设计和质量评估提供参考。

1 资料与方法

1.1 临床资料与计划选取

选取2021年1-7月在北京协和医院接受胸部FF-

IMRT的67例患者资料进行分析，其中肺癌41例，乳

腺癌20例，食管癌6例；肺癌、乳腺癌和食管癌患者的

和180～200 cGy；治疗次数分别为5～30次、10～25次

和13～33次。

1.2 仪器设备与剂量计算

采用配备SX2 MLC的Halcyon 2.0型直线加速器

(美国Varian公司)；TPS均为Eclipse15.6(美国Varian

公司)，剂量计算采用各向异性分析算法(anisotropic

analytical algorithm，AAA)，计算网格为2.5 mm

，

优化算法采用光子优化算法(photon optimizer，

PO)。

1.3 剂量验证方法

通过使用Halcyon2.0加速器上的电子射野影像装

置(electronic portal imaging device，EPID)对67例FF-

IMRT计划进行Portal Dosimetry(PD)剂量验证以得到

每个计划的γ通过率。Halcyon2.0加速器的EPID探

测板固定于源图距154 cm处的位置，物理探测范围43

展，MLC已是实现调强放射治疗(intensity modulated 度指标，探索比较Halcyon2.0直线加速器双层MLC

前进行患者特定的剂量验证(patient-specific quality 治疗计划分次剂量分别为150～250 cGy、180～300 cGy

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射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究

-祝起

禛

等

学术论著

cm×43 cm，等中心投影处的探测范围28 cm×28 cm，

分辨率为1280×1280。在进行PD验证之前，对

Halcyon2.0进行机器性能检查(machine performance

check，MPC)并进行EPID的校准，以保证加速器出

束性能正常和PD验证数据采集的准确性。γ分析采用

全局模式，γ分析标准选取1%/1 mm和2%/2 mm，采

用绝对剂量模式进行比较，阈值设定为10%，即高于

全局最大剂量值10%的剂量点参与计算。

1.4 射野复杂度指标

将Halcyon2.0的67例胸部FF-IMRT治疗计

communication of medicine，DICOM)文件格式

导出，并使用Matlab R2020b开发解析程序(美国

MathWorks公司)提取文件中的MLC坐标序列及其他

信息进行射野复杂度指标计算。基于远源端和近源

complexity score，MCS)

[11]

、平均射野小孔径分数

area，BA)

[7]

、平均射野不规则度(beam irregularity，

BI)

[7]

和平均射野周长面积之比(circumference/area，

C/A)

[13]

5种常用描述射野复杂性的射野复杂度指标，

MCS、SAS、BA、BI和C/A计算公式分别为公式1、

公式2、公式3、公式4和公式5：

MCS

=∑

AAV

LSV

(1)

小，射野越复杂。

式中

为第

个射野的第

个子野的周长，

值能反应

4π×

则，射野越复杂。

=∑

(5)

=∑

(4)

射野的狭窄程度，

值越大，射野越狭窄形状越不规

式中

为第

个射野第

个子野的周长，

值越大，

射野形状越不规则，射野越复杂。

使用SPSS23.0软件对基于远源端和近源端

MLC计算的射野复杂度指标进行Wilcoxon秩检

验，以

＜0.05为差异具有统计学意义；对所有射野

复杂度指标和计划γ通过率进行Spearman相关性检

关性越强，|

|＜0.4为弱相关，|

|在0.4～0.7之间为中

的相关性具有统计学意义。

2 结果

2.1 PD验证结果

Halcyon2.0直线加速器67例患者的FF-IMRT计

划PD验证γ通过率显示，在1%/1 mm标准下的平均

γ通过率为93.00%，2%/2 mm标准下的平均γ通过率

为95.97%，见表1。

表1 不同γ分析标准下 67例患者

)

胸部FF-IMRT计划的PD验证γ通过率(%，

分析标准肺癌乳腺癌食管癌全部计划

1%/1

mm(%)92.17±2.7394.93±1.2992.30±3.1093.00±2.71

2%/2 mm(%)95.50±2.3897.46±0.8394.25±3.5895.97±2.38

划按医学数字成像及通信(digital imaging and

1.5 统计学方法

端的MLC分别计算平均调制复杂度分数(modulation 验，相关性系数的绝对值|

|越大表明两变量之间的相

(small aperture score，SAS)

[12]

、平均射野面积(beam 度相关，|

|＞0.7为强相关。以

＜0.05为两变量之间

式中

AAV

为第

个射野的第

个子野的子野面积变化

率，

LSV

为第

个射野的第

个子野的叶片序列变化

率，

为第

个射野的第

个子野的跳数，

为第

个射野的跳数。

MCS

的值域为0～1，

MCS

值越小表明

射野中子野形状越不规则，子野面积变异程度越大，

射野越复杂。

SAS

=∑

(

)

(2)

注：表中FF-IMRT为固定野调强放射治疗；PD为Portal

Dosimetry剂量验证。

2.2 基于远源端和近源端MLC计算的射野复杂度指标比较

Halcyon2.0直线加速器远源端MLC的MCS小

于近源端MLC，差异有统计学意义(

=-4.148，

＜0.05)；远源端MLC的BI、SAS

2mm

、SAS

5mm

、

SAS

10mm

、SAS

15mm

和C/A均大于近源端MLC，其差异

均有统计学意义(

=-6.347，

=-7.115，

=-6.915，

=-6.041，

=-5.079，

=-6.359；

＜0.05)。表明

远源端MLC形成的射野形状较不规则，射野中的子

野形状变异性较大，形成小叶片间距的MLC叶片数

目较多，复杂度较高。远源端和近源端MLC的BA差

ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 7

式中

(

)

为第

个射野第

个子野的MLC叶片间距

小于X的叶片数目，

为第

个射野的第

个子野的参

与射束调制的MLC叶片数目，本研究计算的X分别为

2 mm、5 mm、10 mm和15 mm的SAS，即SAS

2mm

、

SAS

5mm

、SAS

10mm

及SAS

15mm

，SAS值越大表明子野中

形成小叶片间距的MLC叶片数目越多，射野越复杂。

=∑

(3)

式中

为第

个射野的第

个子野的面积，

值越

学术论著

MLC

中国医学装备2023年4月第20卷第4期 Halcyon2.0医用直线加速器胸部调强放射治疗计划

射野复杂度指标与剂量验证的相关性研究

-祝起

禛

等

)

表2 67例患者FF-IMRT计划基于远源端和近源端MLC计算的射野复杂度指标比较(

MCSBA(cm

)BI

SAS

mm5 mm10 mm15 mm

C/A(cm

-1

)

远源端0.327±0.03125.845±10.2925.730±2.3140.151±0.0330.253±0.0540.400±0.0740.508±0.0821.082±0.391

近源端0.331±0.03125.796±10.2573.070±2.5650.113±0.0250.226±0.0510.382±0.0740.496±0.0800.975±0.396

值

-4.148

0.000

-0.918

0.358

-6.347

0.000

-7.115

0.000

-6.915

0.000

-6.041

0.000

-5.079

0.000

-6.359

0.000

注：表中FF-IMRT为固定野调强放射治疗；MLC为多叶准直器；MCS为调制复杂度分数；BA为射野面积；BI为射野不规

则度；SAS为小孔径分数；C/A为射野周长面积之比；2

mm、5 mm、10 mm、15 mm分别为射野小孔径分数的小叶片间距取值。

异无统计学意义(

=-0.918，

＞0.05)，见表2。

2.3 远源端和近源端MLC射野复杂度指标与γ通过率

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