动态多叶光栅准直器的技术现状及发展趋势
引言
据世界卫生组织《2018年全球癌症统计数据报告》统计，癌症的发病率有逐年增高的趋势，尤其是在发展中国家，全球癌症负担进一步加重，治愈癌症是人类需要面对的巨大挑战。放射治疗无创伤，副作用小，术后恢复快，随着其精准度的不断提高，越来越受到重视，据统计约70%的癌症患者在治疗期间会采用放射治疗，提高放射治疗精准度对癌症的治愈具有重要意义[1-2]。高性能医用直线加速器是开展放射治疗的关键装备，动态多叶光栅准直器（Dynamic Multi-Leaf Collimator，DMLC）是其开展精准放射治疗，实施适形及调强治疗，提高治疗效果的关键核心器件[3]。研究开发高性能动态多叶光栅是实现精准适形及调强治疗的基础，对提高放射治疗精准度具有重大意义。国外研究起步早，技术积淀深厚，近些年新产品新技术迭代迅速；国内研究起步晚，市场需求大，高端产品严重依赖进口，急需对高性能多叶光栅准直器进行技术攻关，掌握核心技术，提高国产医用直线加速器的整体性能及竞争力。文中对多叶光栅的发展历程及技术现状进行了分析，对研制高性能多叶光栅应掌握的关键技术进行了总结讨论，对未来的发展方向进行了展望。
1 多叶光栅准直器的发展历程
通常，肿瘤组织相比正常组织对射线更加敏感，辐射受损后修复能力弱。放射治疗正是利用这一生物学特性，通过多次照射，逐渐的杀灭肿瘤组织而保存正常组织。在放射治疗实施过程中要将剂量尽可能的投射到靶区，同时最大程度的保护周围正常组织。早期的放射治疗通过独立光阑或钨门进行射野遮挡保护患者正常组织，所形成的射野为矩形，而肿瘤形状不规则，这种照射方式对周围正常组织的损伤较大。适形治疗是一种提高治疗增益的有效的物理措施，早期的适形策略是临床医师用低熔点铅制成铅挡块如图1所示。适形铅挡块安装在加速器治疗头前端，用于对射线束形，使射野形状与患者肿瘤靶区在照射方向上形状适配。
图1 低熔点适形铅挡块
制作铅挡块时会产生粉尘，气体等有害物质，对操作医师健康有危害。铅挡块制作周期长，影响患者及时接受治疗。铅挡块安装在治疗头前端，自重大，安装操作不便，并且定位精度差。为解决上述问题，70～80年代发展了一种手动多叶光栅（图2），通过手动移动叶片在箱体内到达要求位置后锁定，由叶片端面包络出所需射野形状。手动多叶光栅每一次调整形成一个照射野，仅能用于静态适形治疗。考虑叶片的滑落问题，每次对叶片位置调整需要将机头置于水平状态，术中调整时间长，调整的射野形状难以验证，精度及可靠性较差。
图2 手动多叶光栅
随着技术的进步，尤其是精密机械设计制造、自动化控制、电子技术及运动算法的发展，90年代，DMLC诞生。动态多叶光栅通过微型直流电机推动单个叶片往复运动，叶片相互独立运动，通过计算机控制，共同协作包络出所需射野形状。如图3所示，动态多叶光栅有内置式和外挂式两大类，内置式直接集成在加速器的射野成形系统中，通常可在等中心处形成400 mm×400 mm的标准方野。外挂式作为附件安装在加速器机头前端使用，通常形成≤200 mm×200 mm照射野；在动态多叶光栅诞生初期，外挂式发展迅速，主要用于弥补早期医用直线加速器只能开展普通放疗，精度不足的问题[4-9]。新一代高性能医用直线加速器则重点发展内置多叶光栅，将其作为核心竞争力，以提升整机性能。
图3 内置式和外置式动态多叶光栅
注：a. 内置式动态多叶光栅；b. 外置式动态多叶光栅。
多叶光栅是随着适形治疗技术的发展而产生的，其性能的不断提高又促进了放射治疗技术的进步，产生了调强治疗、容积调强和调强适形治疗等先进治疗技术。多叶光栅已成为现代医用直线加速器开展精准放射治疗的必备关键器件。
2 DMLC国内外技术发展概况
2.1 国外技术发展概况
国外的多叶光栅生产厂家以主机厂自主研发为主，主要有Varian、Elekta、Tomo、GE、Philips、Siemens等，其中GE、Philips、Siemens已陆续售卖或者终止了放疗产品，Tomo多叶光栅为二进制式。主流MLC的技术引领者是Varian、Elekta，而德国BrainLab提供独立的外挂式多叶光栅[9]，也有一定的市场份额。
Varian主流的MLC有两种：Mil lennium MLC和HD 120 MLC。其中Millennium MLC 有40对叶片和60对叶片两种规格，其中配套应用较多的是Millennium MLC 120。Millennium MLC 120和HD 120 MLC的叶片排布对比如图4所示，HD 120 MLC有60对叶片，在等中心形成的最大射野为220 mm×400 mm，中间排布叶片薄，等中心平面处投影宽度5 mm，两侧叶片厚，等中心处投影宽度10 mm。Millennium MLC 120有叶片60对，在等中心形成的最大射野为400 mm×400 mm，中间薄叶 片40对，等中心处投影宽度5 mm，两侧厚叶片20对，等中心处投影宽度10 mm。Varian最新产品Halcyon采用了双层MLC设计，最大射野280 mm×280 mm，结构更加紧凑，叶间平均漏射率＜0.01%，相比Millennium MLC和HD 120 MLC大幅降低[10-16]。
图4 Millennium MLC 120和HD 120 MLC叶片对比
Eleketa研制了多款多叶光栅准直器，主流的是MLCi/MLCi2、Agility 160 MLC 及 Apex。 其 中 MLCi/MLCi2有叶片80片，叶片在等中心处投影宽度10 mm；Agility 160 MLC有叶片160片，在等中心处投影宽度5 mm；Apex为一款外置式多叶光栅准直器，有叶片112片，叶片为双聚焦形式，在等中心处投影宽度2.45 mm[17-19]。
图5 Agility 160多叶光栅
德国BrainLab供应的多叶光栅准直器为独立外挂式，通常作为附件安装在加速器治疗头前端。如图6所示，一款BrainLAM M3微型多叶光栅，最大射野100 mm×100 mm，叶片在等中心处的投影宽度为3 mm。
2.2 国内技术发展概况
国内医用直线加速器研发始于70年代，到八九十年代已经形成了一批优秀的产品，可以向市场提供小批量产品。但随着90年代精准放射治疗时代的到来，进口产品纷纷开始配置多叶光栅以提高治疗精准度，国内对多叶光栅的研发相对滞后，普通放疗产品市场大幅萎缩，国内医用直线加速器市场几乎被国外品牌垄断。近十年，国内开始对新一代放疗产品研制。对多叶光栅的研制取得了一定的成果。
图6 BrainLAM M3微型多叶光栅
本单位研制的TaiChi-120多叶光栅配套在自主研发的TaiChi多模式引导立体定向与旋转调强一体化放射治疗系统中，该项目得到国家十三五重点研发计划支持，目前已经获得FDA认证。TaiChi-120MLC有60对叶片，在等中心处最大射野400 mm×400 mm。中间薄叶片40对，等中心投影宽度5 mm，两侧厚叶片20对，等中心投影宽度10 mm，见图7。
图7 TaiChi-120MLC
上海联影研制的多叶光栅准直器有60对叶片，中间薄叶片20对，等中心投影宽度5 mm，两侧厚叶片40对，等中心投影宽度10 mm。配套在其uRT-Lina c506c型医用直线加速器中。广州中能研制的多叶光栅准直器配套其SPACO CM X6和SPACO OMX6i两款加速器使用。新华医疗和深圳兴豪然科技联合开发的多叶光栅准直器有MLC56和MLC80两种规格，分别有28对和40对叶片组成，配套在XHA600D和XHA1000D两款放疗设备中[19]。上海拓能开发了外置式动态多叶光栅，有VENUS DMLC E型和M型两种规格，有27对叶片，最薄叶片1.85 mm，E型最大射野182 mm，M型最大射野300 mm。江苏雷泰主要研制外挂式MLC，TiGRT MLC-CC型有51对叶片，叶 片厚度2 mm，射野100 mm×100 mm。MLC-H型有51对叶片，叶片厚度1.63 mm，射野300 mm×300 mm[20]。
2.3 国内外多叶光栅技术性能对比
对国内外主要DMLC主要技术性能进行汇总[21-27]，具体技术参数对比，见表1。国内外对动态多叶光栅的研发以医用直线加速器主机厂为主，总体的发展方向是提高射野边沿适形度、降低叶间漏射率、提高叶片运行速度。
3 DMLC的关键技术
多叶光栅准直器是集光、机、电、软及放射核物理等学科于一体的精密电子机械装置。研制满足临床需求的高性能多叶光栅准直器需要掌握以下关键技术。
3.1 架构设计
多叶光栅准直器核心功能是在等中心处形成所需照射野，在照射过程中实现射线遮挡及剂量调节，具有很强的剂量学特征。需要对光路、剂量、辐射屏蔽、微电子控制系统、精密机械有深入研究，深刻理解多叶光栅准直器在整个射野成形系统中的作用，从系统架构角度把握射线束的形成过程。需要对点光源和面光源的差异进行分析，规划光源起点至等中心照射面整体路径上射线的路径。对光野、射野及剂量分布区域之间的差异进行辨识。对临床的使用、QA及维护过程有深入了解及切身体会。在此基础上开展架构设计，以实现临床上的功能需求及工程上的可制造可维护性。
3.2 叶片形状设计
叶片是多叶光栅的基本组成单元。叶片的基本组成要素如图8所示。叶片宽度是指垂直于射线穿透方向和运动方向的物理宽度，叶片长度为平行于叶片运动方向的物理长度，叶片高度是指沿着射线穿透方向的叶片顶面和底面之间的物理高度。叶片宽度在等中心平面处的宽度指射线穿过叶片在等中心平面处的投影宽度，是由叶片宽度和其距射线源靶点的距离共同决定的，同等宽度的叶片，距离靶点越近，在等中心平面处的投影宽度越宽。叶片的投影宽度决定了射野边缘与患者靶区的适形程度。叶片端部形状决定了叶片运行到不同位置时射野边缘的半影大小。为了减小半影大小，保证不同射野边缘的半影一致，新一代的单聚焦叶片端部设计为圆弧形，使叶片在不同位置端部始终和射线相切。
表1 国内外主要DMLC性能对比
品牌 型号 定位精度叶片综合速度/(mm/s)叶片数量/片叶片厚度/mm叶片间漏射率/%射野大小Varian Millennium 120 ±1 mm 25 120 5 ＜1.5 400 mm×400 mm HD 120 ±1 mm 25 120 2.5 ＜3 220 mm×400 mm Halcyon ±1 mm 50 114 10 ＜0.01 280 mm×280 mm Elekta Agility 160 ±0.5 mm 35 160 5 ＜3 400 mm×400 mm MLCi/MLCi2 ±0.5 mm 20 80 10 ＜2 400 mm×400 mm Apex mMLC ±0.25 mm 10 112 2.45 ＜1 120 mm×140 mm Siemens MLC-82 ±0.3 mm 40 82 10 ＜2 400 mm×400 mm新华医疗 MLC56 ±1 m 30 56 10 ＜3 400 mm×400 mm MLC80 ±1 m 30 80 10 ＜3 400 mm×400 mm西安大医 TaiChi-120 ±0.3 mm 40 120 5 ＜2 400 mm×400 mm BrainLab BrainLABM3 ±1 mm 15 52 3 ＜2 100 mm×100 mm上海拓能 VENUS DMLCE型 ±0.25 mm ＞15 54 1.85 ＜1.5 直径≥182 mm VENUS DMLCM型 ±0.25 mm ＞20 54 1.85 ＜1 直径≥300 mm苏州雷泰 TiGRT MLC-CC ±0.25 mm 36 102 2 ＜1 100 mm×100 mm MLC-H ±0.25 mm 36 102 1.63 ＜2 300 mm×300 mm
3.3 叶片及箱体的公差设计及精密加工
叶片是多叶光栅的基本组成单元，要求运动灵活，定位准确。数十对叶片安装在同一个箱体中，叶片之间需要保留一定间隙，以避免互相剐蹭，造成卡滞，增大运行阻力，同时需要兼顾叶片之间射线漏射问题。这要求叶片和箱体之间进行严格的公差分配设计及加工精度控制。
3.4 叶片的驱动及位置检测
叶片之间的运动有同步性要求，数十对叶片协同运动，共同形成射野，叶片的到位精度影响射野形状及剂量分布，需要对叶片位置精准控制。目前主流的叶片驱动方式为直流电机（带精密行星减速机）驱动多头微型丝杆副带动叶片在箱体内运动。多叶光栅所用的微型丝杆副长径比通常大于50，丝杆自身刚度低，叶片运动过程中姿态的稳定性对微型丝杆传动系统的稳定性影响不容忽视。提高微型丝杆自身传动性能的主要途径是控制丝杆加工误差，重点控制径向跳动或直线度及牙型的完整性。丝杆径跳大或直线度差，在回转过程中偏摆，会加速螺母的磨损，也会引起叶片姿态的不稳定；牙型不完整影响传动效率，损坏和螺母的配合，导致反向间隙增大，破坏传动精度。
主流的叶片位置检测方案有两种，以Varian为代表的柔性电阻条检测技术和医科达的光学成像检测技术。国内外多叶光栅研究机构也开发了其他的检测方案，例如光纤检测、拉绳传感器检测等。
3.5 漏透射率的控制
MLC由于自身结构特点，通常存在3种射线穿透方式：叶内透射、相邻叶片间漏射及相对叶片闭合时端面间漏射。叶内透射通常要求＜1%，相邻叶间漏射要求＜2%，叶片端面为防止碰撞留有间隙，漏射通常在25%～30%。影响叶内透射率的主要因素是叶片材质钨合金的密度及叶片自身高度；相邻叶片间漏射的控制主要通过阻挡叶片的直接穿透，早期的做法是在叶片上设计榫槽结构，通过相邻叶片间榫槽的相互嵌套阻挡射线从片间缝隙穿过，这种方式在大量临床中发现有榫槽效应，不利于治疗精度的提高，加之该类叶片的加工难度大，给叶片交指带来困难，逐渐被放弃。目前主流的方式是通过叶片散焦的方式阻挡射线直接从相邻叶片间穿过，散焦是指叶片的物理聚焦点与射线靶点偏移一定距离，其对射线的阻挡作用如图9所示。采用多层叶片排布也是一种降低叶间漏射率的有效方式，通过上下两层叶片错位，上层叶片与下层叶片的叶间缝隙对齐，降低了叶间漏射，相比光澜+单层多叶光栅的传统方案，漏射率大幅降低，Varian新一代放射治疗系统Halcyon配置的“双子星”双层多叶光栅叶间平均漏射率＜0.01%，证明了这种方案的优势。
图8 多叶光栅叶片结构
图9 通过散焦方式降低叶间漏射率
相对叶片闭合时，为防止发生碰撞，端部要求存在间隙，因此漏射量大。随着控制技术的发展，通过对叶片驱动力进行识别及精准控制，实现相对叶片端部的无缝隙接触可以大幅降低叶片端部的漏射率。
4 DMLC的技术发展趋势
多叶光栅准直器是随着适形治疗技术的发展而产生的，多叶光栅准直器的临床应用又促进了放射治疗技术的不断进化，调强放疗、容积调强是在配置多叶光栅准直器的医用直线加速器上发展的新型治疗技术，大幅提升了治疗精准度。治疗技术和多叶光栅准直器呈现相互促进的发展趋势。
（1）叶片的响应速度更快，定位更加准确，对剂量的调节更加精准可控。张辉等[23]对直线电机直驱技术率先在多叶光栅的叶片驱动中进行了研究应用。
（2）更低的片间漏射率。不再单纯依赖相邻叶片之间的榫槽结构阻挡片间漏射，偏移聚焦、双层交错排布逐渐成为趋势。新型多叶光栅普遍将叶间漏射由3%降至1%，对靶区周围器官的保护能力进一步提升。
（3）对靶区的高适形度，叶片在等中心处投影宽度更小，对靶区边沿的适形程度更高，包络轮廓的锯齿效应显著降低。医科达的Agility MLC160及Varian的HD 120是典型代表，采用了更薄的叶片设计，在等中心处获得更高的边缘适形度。Varian的Gemini通过交错布置的双层叶片排布，同样达到了提高射野边沿适形度的目的。
（4）叶片形状设计更加精细，以实现更加顺畅的运动，更低的半影。最有代表性的是端部轮廓的设计，更加注重端部形状对光野、射野及剂量分布的影响。
（5）低故障率，高可靠性。通过几十年的发展，对多叶光栅的故障模式已经有深入了解，在研发阶段注重可靠性测试，通过设计手段降低故障的发生，减小临床使用过程中的故障及停机检修时间。
（6）更高的运动精度，要求叶片精确到达各自目标位置，包络出精确的靶区射野形状，提升适形精度。尤其是大分割单次大剂量照射技术，要求高的成形精度及可靠性。
5 总结
DMLC的本质功能是将所需剂量精准投射到患者治疗靶区，同时最大限度的保护周围正常组织，这些对多叶光栅准直器的适形度，漏射率，半影及动态响应提出了严格的要求。随着放疗技术的精准化，常规放疗已经难以满足治疗需求，需要高性能的多叶光栅配套开展精确放射治疗。国外厂商发展起步早，技术积淀深厚，近些年，每隔3～4年更新一代新产品，随着医工交叉研究的深入，逐渐由满足医生需求向引导放疗技术方向发展。国内起步较晚，但在国家强有力的支撑下，各高校、科研机构，企业等都投入了大量的研究，虽然高端产品仍较多依赖进口，但通过对高性能多叶光栅准直器进行技术攻关，熟练掌握核心技术，有助于提高国产医用直线加速器的整体性能及竞争力。
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