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    医用动态多叶光栅技术的发展概述

    时间：2023-03-25 09:45:04来源：百花范文网本文已影响人

    陈刘利，吕军，朱志强，尚雷明，龙鹏程（通信作者），胡丽琴

    1 中科超精（南京）科技有限公司 （江苏南京 211899）；
    2 中国科学技术大学（安徽合肥 230026）

    国际癌症研究机构（International Agency for Research on Cancer，IARC）2020 年发布的全球癌症统计报告显示，中国癌症新发例数为457 万，死亡300 万例，癌症已成为引发死亡的第一病因[1]。基于精准计划、精准定位、精准照射、精准测评的“四精”放射治疗技术，可对癌症病灶进行精准灭杀治疗，因其适用范围广泛，患者生存质量高，且具有无创伤、不良反应小的特点，成为癌症治疗的主流手段之一。动态多叶光栅（dynamic multi-leaf collimator，DMLC）又称多叶准直器，是随着放射治疗技术发展而研发出来的一种配置在医用直线加速器上的一种关键设备[2]，能够通过射野适形功能较好地满足放射治疗需求。多叶光栅通过叶片交互运动的方式形成与目标靶区形状相吻合的照射野，再将辐射剂量精确照射到目标靶区，并保护健康组织，提升治疗效果，进而提高患者的生命质量。动态多叶光栅可适用于多种放射治疗，如静态调强和动态调强等，具有运动速度快、成野效率优、照射野范围大、结构紧凑等特点，取代了传统的适形铅合金挡块，成为放射治疗的关键核心设备之一，对提高放射治疗精度具有重要的技术价值和意义。

    从光栅被用作射线适形开始，人们就在不断对其进行控制、运动、结构改进，以提高相关性能和技术指标，向更低漏射率、更高运动位移控制精度及更高叶片运动速度方向持续发展。

    光栅的发展历程[3-6]如图1所示。光栅最早由日本科学家Takahashi[7]于20世纪60年代提出，并首次将其用于适形放射治疗，通过熔融合金制作挡块的形式控制射野形状，使射野形状与病灶投影形状相吻合。

    图1 光栅的发展历程

    为替代传统的合金挡块、提高治疗效率，20世纪70年代初出现了手动适形光栅，通过手动推拉的方式调节阻挡块，前后移动组合成适形靶区的射野[8]。但受制于操作人员观察和手工操作的误差及设备自身结构的局限性，出现了调节速度慢、射线漏射率高、适形度低、治疗时间长等诸多问题，导致其射野难以满足高精度治疗的需求。随后人们研发出了半自动光栅，可自动形成与病灶吻合的射野，如图2所示[4]。

    图2 光栅的运动方式

    Mantel 等[9]于1977年在东芝LMR-16医用直线加速器上采用电动光栅控制。Yu 等[10]做了进一步改进，通过微机控制电机驱动光栅叶片，使射野形状可以根据靶区的形状进行组合变化，其通过自动控制技术有效解决了手动调节效率低的问题。

    动态多叶光栅由若干钨合金叶片、微型驱动电机、传动丝杆、电控元件和支撑底盘构成[11]。其通过控制软件发出运动指令，再由驱动电机推动叶片往返运动，通过叶片位置的不断变化实现不同形状的射野，工作原理如图3所示[12-13]。计算机技术、机械加工技术等的不断发展进一步推动了多叶光栅在不同结构形式及不同性能指标方面的突破。

    图3 电动光栅的工作原理

    根据辐射线屏蔽方式，人们将动态多叶光栅分为单聚焦光栅和双聚焦光栅[14]，如图4所示。

    图4 光栅的聚焦方式

    根据在医用直线加速器中光栅的配置方式又可分为外置光栅和内置光栅，如图5所示。

    图5 光栅的配置方式

    加速器最初的光栅配置方式以外挂式为主，随着放疗需求的多样化与治疗技术的发展，高性能的医用直线加速器逐步采用将光栅内置整合于治疗头的方式[3,5]，这种与医用直线加速器一体化的结构与控制集成模式显著提高了光栅运动控制与精准适形应用的高效性、稳定性与准确性。

    根据光栅的层数可分为单层光栅和多层光栅[15-16]，如图6所示。目前，绝大部分医用直线加速器配置的是单层多叶光栅，少部分配置了双层多叶光栅，3层光栅还处于概念与方案设计阶段。多层多叶光栅具有独特的自屏蔽优势，可以进一步简化治疗头的结构设计。其中，双层光栅又分为平行双层光栅与正交双层光栅。例如，美国瓦里安的Halcyon 机型配置了平行双层光栅，苏州雷泰医用直线加速器VenusX 采用了正交双层光栅。

    图6 多层多叶光栅示意图

    国外很多机构或公司对动态多叶光栅进行了技术研发，具有代表性的有Varian、Elekta、Mitsubishi、Siemens、BrainLab、Nomos 等。Varian 研发 的Millennium、Halcyon 和Elekta 研 发 的MLCi/MLCi2、Agility 160MLC 等多种动态多叶光栅性能优良，成为主流光栅产品。

    我国的中科超精、苏州雷泰、山东新华、上海联影等公司也对动态多叶光栅进行了自主研发，其中以苏州雷泰研发的MLC-H 和山东新华研发的MLC80为主要代表。

    目前，国内外动态多叶光栅的研究基本都围绕本机构的医用直线加速器展开，配置高性能的动态多叶光栅以提高放射治疗精度；
    典型单层光栅的参数对比[3,17-19]如表1所示，典型双层光栅的参数对比[18,20-22]如表2所示。

    表1 国内外典型单层动态多叶光栅参数对比

    表2 国内外典型双层光栅参数对比

    围绕精准放射治疗的精准适形需求，叶片结构设计、叶片驱动技术及运动位置的二次反馈是精准化开展放射治疗的重点核心与前提。

    3.1 叶片排布

    动态多叶光栅采用多层叶片排布，可以增加射线穿过叶片的厚度，有效降低叶片间隙之间X 线的漏射率，进一步改善射野与靶区结构形状的适形程度[23]。多层光栅对安装高度有新的要求，半影特性有所改变。计划剂量的计算不仅要考虑端面半影，还要考虑侧面半影的影响。同时，对运动控制系统和动态调强的算法实现也提出了更高的要求，解决叶片结构设计与分布是通过多元线束设备开展精准放射治疗的物理基础前提。

    3.2 叶片驱动

    光栅的叶片采用微型电机驱动，叶片包采用大电机驱动。为满足快速、精准适形运动的要求，对叶片的运动速度和加速度方面都提出了严格的要求，因此，电机驱动技术是实现高质量适形的关键条件之一。驱动光栅叶片运动的电机一般分为3种类型：微型步进电动机、直流伺服电机和无刷直流电动机[24]。其中，无刷直流电动机通过电子器件替代机械电刷，能够精确、快速地控制叶片运动，应用较为广泛。解决微结构、大驱动技术难题是推动光栅叶片结构设计进一步小型化、便捷化的前提。

    3.3 位置检测

    在放射治疗过程中，叶片位置误差会影响射野适形质量，进而影响治疗效果[25-26]，因此，实时动态掌握叶片运动位置的状态信息十分必要，这对叶片运动位置精度的反馈提出了更高的要求。常见的位置检测技术有光学显像检测、柔性电阻条检测、拉绳传感器检测等，这些技术手段有助于消除叶片运动位置误差，可从源头消除叶片位置误差对放射治疗的影响。多类型的双路叶片位置检测新技术可进一步提升光栅的到位精度和可靠性。解决位置误差问题的二次反馈与检测技术是实施实时、精准放射治疗的前提与保证。

    通过分析光栅发展历程发现，光栅的发展目标是更高适形精度、更低漏射率、更小半影及更高叶片运动速度。

    4.1 更高适形精度

    由于叶片投影宽度会影响射野与靶区的适形程度，理论上叶片宽度越窄，适形效果越好，治疗精度越高[27]。随着高密度合金材料加工工艺的进步，单个叶片宽度已减小到目前主流的5 mm，甚至更小。Bortfeld 等[28]研究表明，单层光栅的叶片宽度减小到1.5～1.8 mm 即达到临界值，进一步减小叶片宽度并不能提升适形效果；
    同时，叶片宽度越小，加工成本越高，相同射野所需的叶片数量增多，机械加工制造技术的难度也会大幅提升。

    微型动态多叶光栅由于叶片宽度薄，具备较高的适形精度，可用于对射野边界精度要求较高的治疗。Nomos、Varian、Mitsubishi、Siemens、Elekta 等公司对微型动态多叶光栅进行了深入研究，并推出了产品。微型光栅适形精度较高，但射野范围小；
    大型光栅一般在中心射野区域设计窄宽度叶片，适形精度相应较高，但在大射野状态下适形精度表现不佳。不同微型光栅的特征参数[29]如表3所示。

    表3 不同微型光栅的特征参数

    4.2 更低漏射率

    凸凹槽式的特殊结构设计通过两两相互嵌入的凸台阻挡相邻叶片之间X 线的出射，从而降低漏射率[30]，如图7所示。单层光栅需采用榫槽设计才能降低漏射率，凹凸槽设计具有榫槽效应，不利于治疗精度的进一步提高，而且榫槽结构设计与加工工艺要求较高。目前医用加速器配置的单层光栅的漏射率一般在2%以下，部分单位研制的单层光栅漏射率甚至可控制在1%左右或以下。

    图7 光栅单个叶片形状

    双层光栅虽无榫槽设计，但由于上下层光栅的错位布局，使X 线照射的有效阻挡深度大幅提高。Siemens 公司首先设计出了一种双层光栅[31-32]，如图8所示。该类双层光栅设计使相邻叶片间的间隙被堆叠的叶片阻挡，相邻叶片之间具有适度的窄缝隙，在有效解决摩擦问题的同时，降低了相邻叶片间的漏射率，并改善了射野的适形效果。

    图8 Siemens 双层光栅设计示意图

    Topolnjak等[33-34]设计了一种3层光栅，如图9所示，光栅沿射线束方向进行布置，每层之间设置一定的偏转角度（60°），3层光栅也可以有效解决叶片间的漏射问题，并可进一步简化机械结构设计问题，降低一般光栅中机械摩擦问题带来的困扰。

    图9 3层光栅示意图

    多层叶片排布结构简单，对机械精密加工要求降低，因其独特的布局特点，可以极大降低漏射率，在综合考虑医用直线加速器治疗头部位结构设计的情况下，可以考虑取代单层多叶光栅，消除榫槽结构带来的不足。

    4.3 更小半影

    在放射治疗过程中，光栅开野的半影越小，放射区域的边界越准确，治疗精度就越高，也越有利于保护正常组织细胞。为减小半影，叶片由最初的无聚焦结构设计改进为单聚焦结构和双聚焦结构设计。双聚焦结构的效果较好，但其机械结构设计和控制系统较为复杂，具有一定的工艺技术难度，应用不够广泛。因此，单聚焦叶片结构布局方式应用得较多。早期光栅叶片端面为直线形，后来Maleki 与Kijewski[35]提出，将叶片端面设计为圆弧状以保持半影恒定，直线叶片端面逐渐被圆弧端面取代，人们在半影优化方面开展了大量工作，进一步减少了半影对适形精度的影响，逐步提高了放射治疗的精度。

    4.4 更高速度

    叶片速度取决于自身结构设计及驱动机构的性能，由最初的25 mm/s 到现在的40 mm/s，而Elekta 的160 MLC 可达80 mm/s。在开展动态调强与容积调强治疗时，叶片的连续、快速、精准运动非常重要，提升叶片的运动速度需要在叶片结构设计、电机驱动系统、程序控制等方面进行突破。在传统伺服电机与步进电机驱动下，叶片的运动速度已达上限，提升空间有限。需要在光栅结构设计、程序控制方面进行创新设计。直线电机不需要丝杆这种中间传动机构，即可输出动能直接驱动叶片，使叶片的运动速度更高，故障率也更低[36-37]。

    光栅作为一种实施精准治疗的关键设备，一直以来不断朝着更低漏射率、更高适形度、更高速度的方向发展，以适应不同治疗技术发展的需求。国外对光栅的设计研发较早，产品开发与应用技术经验丰富，掌控着核心技术。我国起步较晚，近年来虽然在结构设计、机械加工、程序控制和软件设计等方面取得了一定进展，但仍存在不可忽视的差距。特别是近年来以双层多叶光栅为代表的多叶光栅受到了广泛关注，我国仍需继续推进高质量、高性能光栅的研发，致力于为医用直线加速器配置性能指标更优、运行更稳定的多叶光栅，加快推进我国大型医疗装备国产化的步伐。

    致谢

    本研究得到FDS 凤麟核团队其他成员的支持。

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