医科达MRI-linac Unity的射线性质

磁共振影像引导的放射治疗在放疗领域可谓一大发展方向及热点。磁共振影像设备(MRI)和直线加速器(Linac)分别独立地被用于肿瘤治疗已有多年的历史，磁共振影像系统可提供清晰的软组织影像，并且它的功能影像可以用于对治疗响应的评估。而直线加速器可以进行高精准的肿瘤放射治疗。通常，加速器采集影像时意味着患者要接受额外的辐射剂量。但MRI-Linac的出现则完全改变了这种情况。磁共振和直线加速器这两个强大但“水火不容”的机器集成于一身，让医疗人员可以在肿瘤放射治疗过程中实时追踪和监控肿瘤运动，并且具有潜在的对治疗响应进行实时追踪的能力，且患者不会受到任何的额外剂量。

MRI-Linac机器主要有四家在做：

1. 医科达(Elekta)的 Unity (1.5 T)，

2. ViewRay的MRIdian (0.35 T),

3. The Australian MRI-Linac program (1.0 T)

4. MagentTx Aurora-RT (0.5 T)

全球不少实力雄厚的医院已经装备或开始配置MRI-Linac，其中医科达Unity最先进入国内。笔者蛮欣赏它的广告词“Unity - Two worlds, one future”，言简意赅又切入本质。

Courtesy of Elekta

本文基于Woodings 2018年在PMB上发表的文章来为大家解读Unity的射线性质，有兴趣的朋友可阅读原文。

Unity的MRI部分由飞利浦提供，和飞利浦的Ingenia系统非常相似，场强1.5 T，孔径70厘米。

Unity加速器只产生一种射束，为7MV无平坦滤器(FFF)的光子射线。加速器部件安装在核磁外部的导轨上，源轴距(SAD)较长，为143.5厘米。剂量率为425 MU/min。

两机器从“水火不容”经过复杂精巧的工程学设计，达到严格的磁场兼容与磁场均匀，很多时候取的不是最优而是中间的平衡。

Courtesy of Elekta

磁场与射野

主磁场的方向指向床尾，磁力线何时候都与射线垂直。磁场的洛伦兹力作用于带电的二次电子，电子会被这个力拉向与其当前运动和磁场正交的方向，产生电子返回效应(electron returning effect)，扰乱了剂量沉积的方式。这在射束内和外的影响较小，但是在射束剖面线边缘处明显可见。

与传统加速器40×40厘米的最大射野不同，Unity纵向上最大射野22厘米，横向上57厘米。这是因为低温恒温器在纵向上是分开的，两部分中间用比较薄的环带连通，以允许射束通过。如果拉的太开，对磁场均匀度是不小的挑战，这就限制了Y（IEC61217）方向射束的大小。

另外，在机架+13度方向有一个超导线管道，这个管道不允许任何直接照射。因此，对于机架9到17度之间射野的大小有一定限制。

Courtesy of Elekta

低温恒温器(Cryostat)与体线圈

射束从源到病人，会穿过装有液氦的低温恒温器环带（液氦、铝和铁）和MRI体线圈（铜）。它们会让射线变得平整/质量变硬(beam hardening)，而且会增加少量散射。

对于10×10厘米的射野，低温恒温器的散射贡献了1％的等中心的剂量。这影响了相对输出因子，散射因子和剖面线（profile）。这个效应已经被纳入TPS建模，并没有临床后果。

低温恒温器在不同机架角度对射线穿透力的影响。注意机架13度没有对应数据，因为射线不能直接照射超导线管道。

治疗床和射线治疗角度

平板治疗床在孔外可以升降。一旦进孔，床的高度和横方向就是不能改变的（磁共振不能在不同高度进行扫描），仅支持患者纵向运动。因此，已有计划无法调整病人的位置，只能选择优化现有计划或重新计划。

Unity是一种图像引导的放射治疗系统，必须基于患者在其当前治疗位置获得的图像来优化剂量，这也意味着isocentre通常不在靶区内。

等中心点在治疗床上方14厘米的位置。

因为MRI的阻挡，Unity没有光野指示器。

治疗模式

MLC以Elekta Aglity为基础，有160个圆形页端的页片。MLC在等中心处具有7.2毫米的投影宽度。

准直器不能旋转。加速器机架不能倾斜，治疗床不能旋转，因此所有Unity治疗都是共面的。

现有版本的Unity只支持IMRT，不过已经看到乌特勒支的VMAT文章发出来了，预计未来的升级包会开启VMAT模式。

射线特质

在做commissioning的时候，荷兰乌特勒支的物理师用的剂量计包括Semiflex 3D (PTW 31021), microDiamond (PTW 60019), Farmer (PTW 30013 and IBA FC65-G) 和胶片。用的水箱有两种：Elekta 3D scanning water phantom 和PTW 1D water phantom.

绝对剂量测定

绝对剂量测定的参考条件为在机架角90度，等中心的射野为10 x 10 厘米，SSD=133.5 cm，d=10 cm，69.6 cGy为100 MU。这相当于在dmax为1.3 cm时，在同样的测定条件下每100 cGy为100 MU 。

PDD与皮肤表面剂量

对于10 × 10厘米射野的射线，dmax = 1.3 cm，比没有磁场的加速器浅。其中电子返回效应产生的剂量约占dmax剂量的10%。返回电子在病人或者模体中的有效距离为1.2 ± 0. 1 cm。

对于标准直线加速器，所有临床10×10射野的相对表面剂量在10％-25％范围内。对于MRI-Linac，用胶片测量的10×10射野的入射表面剂量为36％。医师和物理师必须意识到电子返回效应会增加病人的出射表面剂量，比如说对乳腺癌病人的照射就得更为小心。

深度剂量剖面线

由于FFF光束锥形的形状和洛伦兹力让crossline不对称，评估剖面线的标准（IEC 60976）方法以及剖面线QA不再有效。平坦度(flatness)和对称性(symmetry)可以由剖面线比对射野内80%部分的方法来代替。剖面线在边缘部分的不对称十分明显，平均会移动x = +0.24 cm。洛仑兹力和crossline的移动必须在治疗计划系统中进行充分的建模和计算。

22X22射野的深度剂量剖面线，绿色为inline，紫色为crossline

量一个FFF射线的半影绝对不是一个简单的工作。Unity的半影与医科达Agility MLC类似，不同之处是光阑半影(x方向)因为洛仑兹力的作用，来得更宽。

射线质量

值得注意的是，TG51使用PDD（10cm）来测量射线质量，但该值对于MRI-Linac是无用的，因为即便光子光谱和穿透质量不变，dmax的位置和dmax剂量也显著被磁场改变。

更合适Unity使用的射线指数为TRS 398里定义的组织体模比TPR20,10 （将有效测量点放在射线等中心点）。乌特勒支这部Unity的TPR20,10 测量为0.701；PDD20,10 之比测量为0.618。