新型“环形”机架加速器临床调试流程探讨

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*基金项目:“十三五”国家重点研发计划(2016YFC0105206,2016YFC0105207)“多模式引导立体定向与旋转调强一体化放射系统研发-临床与质量控制流程研究”“临床验证方法研究及临床验证”①中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院放疗科 北京 100730②瓦里安医疗设备(中国)有限公司 北京 100176 作者简介:杨波,男,(1976- ),本科学历,主管技师,从事放疗物理师工作。
[文章编号] 1672-8270(2020)12-0113-07  [中图分类号]  R197.39  [文献标识码] A
Discussion on the clinical debugging process of new type of ring rack accelerator/YANG Bo, YU Lang, WANG Zhi-qun, et al//China Medical Equipment,2020,17(12):113-119.
[Abstract] Objective: T o research the establishment of an appropriate clinical debugging process for pr
e-installed representative beam data (RBD) Halcyon 1.0 linear accelerator so as to ensure that the debugging results could meet the clinical treatment requirements. Methods: According to the characteristics of the Halcyon accelerator and the acceptance practices of previous accelerator and treatment planning system(TPS), and combining with the relevant reports of American Association of Physicists in Medicine & International Atomic Energy Agency (AAPM & IAEA) and other relevant domestic and foreign documents, the quality control tools with pertinence were selected to implement test from 4 contents included the clinical debugging of Halcyon linear accelerator, the debugging of Eclipse TPS, the quality assurance (QA) & QC of Halcyon linear accelerator and the QA & QC of Eclipse TPS, and to establish the corresponding standard operation procedures. Results: The three dimensional (3D) error radius of the integrated rotating isocenter of the Halcyon linear accelerator rack and the collimator was 0.64mm, and the consistency between virtual isocenter and therapeutic center was favorable, and the positional deviation of the maximum precision in place was 0.7mm. The percentage of depth dose (PDD) at 10cm was 63.3%, which was within the range of the tolerance of 1%. The test results of model predictive control (MPC) were within the threshold range, and the isocenter size was 0.67mm. The consistency of built-in model data and measured data was favorable. During the rotation process, the controlled accuracy of the rack speed, the motion speed of multi leaf collimator (MLC) and dose rate were better, and all control
led电子灯箱控制器led deviation were less than 2%. The CT values of Surface and Interior of treatment couch with carbon fiber were –750HU and –950HU respectively. The measurements of all basic fields in medical physics practice guideline (MPPG) 5.a could meet the requirements. The results of TG-119 intensity modulated test indicated that the point dose deviations within target region of two kinds of techniques included intensity modulated radiation therapy (IMRT) and Rapidarc were -0.003±0.011 and -0.012±0.006, and the confidence limits of the two techniques were 0.025 and 0.024, respectively. Conclusion: There are better consistency between the measured data of Halcyon linear accelerator and the pre-installed data of Eclipse planning system. The debugging results both IMRT and Rapidarc are within the recommended range of AAPM and related literature, which can meet the requirement of clinical treatment. The pre-installed data and some of parameter verification can provide a reference basis for accelerator debugging.
[Key words] Halcyon linear accelerator; Debugging; Pre-installed data; Machine performance testing; Rotary intensity; Quality assurance and quality control (QA and QC)
[First-author’s address] Department of Radiotherapy, Peking Union Medical College Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100730, China.
[摘要] 目的:研究针对预装光束流数据(RBD)Halcyon1.0直线加速器建立合适的临床调试流程,确保调试结果满足临床要求。方法:根据Halcyon加速器的特点和以往加速器、计划系统验收实践,结合美国医学物理家协会(AAPM)和国际原子能机构(IAEA)相关报告以及国内外相关文献,选择有针对性的质量控制工具,从Halcyon直线加速器临床调试、Eclipse计划系统调试、Halcyon直线加速器质量保证(QA)和质量控制(QC)以及Eclipse计划系统QA和QC的4项内容进行检测,并建立相应的规程。结果:Halcyon直线加速器机架及准直器综合旋转等中心3D误差半径为0.64 mm,虚拟等中心与中心的一致性较好,最大到位精度位置偏差0.7 mm。10 cm处深度剂量百分比(PDD)为63.3%,在容差1%范围内。机器表现(MPC)检测结果均在阈值范围内,等中心大小为0.67 mm。内置模型数据与实测数据一致性较好。旋转过程中机架速度、多叶准直器(MLC)运动速度及剂量率的控制准确性均较好,所有偏差控制均<2%。碳纤维床Surface和Interior 的CT值分别为-750 HU和-950 HU。医学物理学实践指南(MPPG)5.a所有基础野测试均满足要求。TG119调强测试,调强放射(IMRT)和Rapidarc两种技术靶区内点剂量偏差分别为-0.003±0.011和-0.012±0.006,置信限分别为0.025和0.024。结论:Halcyon直线加速器测量数据和Eclipse计划系统预装数据有着较好的一致性,IMRT及Rapidarc调试结果均在AAPM及相关文献的推荐范围内,可满足临床需求。预装数据和部分参数验证可为加速器调试提供参考依据。[关键词] Halcyon直线加速器;调试;预装数据;机器性能检测;旋转调强;质量控制和质量保证DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2020.12.028
杨 波①  于 浪①  汪之①  王 贝①  李文博①  张 杰①  张 新②  吴柱凤②  周宗凯②  隋 辉②  胡 克①  张福泉①  邱 杰①*
新型“环形”机架加速器临床调试流程探讨
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中国医学装备2020年12月第17卷第12期  China Medical Equipment 2020 December V ol.17 No.12
Halcyon“环形”直线加速器是基于Truebeam 平台全新设计的一款机型,兼有常规“C”型加速器、CT机及螺旋断层加速器的特点,该型号加速器具有安装调试速度快,快速精确,高度集成及智
能化等优点,适用于开展多种技术、全身(除表浅)任何部位的肿瘤。目前,国内外相关机构尚无正式发布针对该机型推荐的临床调试规程,根据美国医学物理家协会(American Association of Physicists
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in Medicine,AAPM)和国际原子能机构(International Atomic Energy Agency,IAEA)等现有报告以及相关文献推荐,经过调试过程的不断实践,拟制定一套适合我国国情的Halcyon直线加速器调试规程。本研究旨在针对预装RBD数据Halcyon1.0直线加速器建立合适的临床调试流程,保证调试结果满足临床要求。
1  Halcyon直线加速器的“环形”机架
2019年6月1日北京协和医院放疗科对国内首台Halcyon直线加速器[瓦里安医疗设备(中国)有限公司]进行安装,经过两个半月的安装及临床调试,于2019年8月15日开始首例患者。
Halcyon直线加速器的“环形”机架安装于封闭的空间内,物理孔径直径和源轴距均为100cm,射线能量无均整射线(flattening filter free,FFF)6MV,最大剂量率800MU/min,Halcyon直线加速器1.0版本及图像引导均采用该能量,Halcyon直线加速器2.0版本增加千伏级图像引导系统,进一步提升图像质量。鉴于机架封闭及安全性的优点,机架设计最大转速4圈/min。Halcyon直线加速器1.0版本等中心处最大射野28cm×28cm,装配双层多叶准直器(multi-leaf collimator,MLC)系统,叶片宽度1cm,最大运动速度5cm/s,可开展野中野、固定野调强、旋转调强及等技术[1]。
Halcyon直线加速器流程与常规“C”型加速器不同,模体或患者需利用外部激光灯摆位后,靠床移动固定的距离至中心,由于无光野、光距尺及其他测距工具,位置的准确性需采集兆伏-
兆伏(MV-MV)正交图像或兆伏级锥形束CT(megavoltage cone-beam computed tomography,MV-CBCT)图像进行确认,图像采集所产生的剂量沉积已在计划优化时考虑。
瓦里安公司采集并为Eclipse计划系统预装了典型射线数据[1](representative beam data,RBD),该数据包括百分深度剂量、离轴比及输出因子3部分内容,若机器参数与预装数据有差异,需调整加速器与RBD相匹配,从而保证全球Halcyon直线加速器射线参数的一致性。
2  加速器与计划系统临床调试设计
Halcyon1.0直线加速器临床调试主要包含4项内容:①Halcyon直线加速器临床调试规程的建立;
②Eclipse计划系统调试规程的建立;③Halcyon直线加速器质量保证(quality assurance,QA)和质量控制(quality control,QC)规程的建立;④Eclipse计划系统QA和QC规程的建立。所有测试方法均是基于AAPM、IAEA及相关文献的推荐规程进行设计[2-9]。由于Halcyon直线加速器机械构造、物理尺寸等多方面的限制,质量控制工具的选择需要慎重。
2.1 Halcyon直线加速器临床调试检测
Halcyon直线加速器临床调试检测项目、检测内容及所需质量控制工具如下。
(1)安全检查。检测内容为门联锁、对讲系统、视频监控系统、辐射监控系统、出束指示、紧急开关、控制台控制按钮以及防碰撞联锁。
(2)辐射防护。采用电离室巡检仪质量控制工具进行机房辐射水平检测。
(3)机械特性检测。采用电子射野影像装置(electronic portal imaging device,EPID)、Doselab软件及配套模体、水平尺及直尺,铅点依据PentaGuide模体等质量控制工具,进行机架等中心检测、准直器等中心检测、机架及准直器综合等中心检测、MLC射野准确性检测、机架及准直器&床0位检测、床运动极限位置及运动精度检测、床刚度检测、床中心与射野等中心的一致性、激光灯精度检测、EPID板中心与射野中心偏差检测、机架和准直器数字指示与实际位置的准确性检测。
(4)射线特性检测。采用Blue Phantom2三维水箱、CC13电离室、PFD、SFD及RFD电离室、固体水、一维水箱、FC65G电离室、平型板电离室、静电计、EPID及Doselab软件等质量控制工具,进行射线质检测、对称性和最大射野离轴比检测、MU2的一致性检测、剂量率输出一致性检测、MU线性检测、机架旋转过程中剂量率稳定性检测、机架不同角度及旋转过程中输出剂量稳定性检测、机架不同角度及旋转过程中Profile稳定性检测、重复性检测、日稳定性检测、周稳定性检测、高剂量辐照后的稳定性检测、输出量与照射野的变化关系、表面剂量检测以及剂量计算与刻度。
(5)模型预测控制(model predictive control,MPC)检测。采用Drum模体质量控制工具,进行等中心大
小检测、EPID板中心与射野中心偏差检测、MLC叶片到位精度检测、MLC后备激光检测、准直器旋转精度检测、Y射野边缘精度检测、绝对机架位置精度检测、相对机架位置精度检测、相对床位置精度检测(3个方向)、虚拟中心到中心精度检测、床
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位移精度检测、剂量输出稳定性检测、射线均一性检测以及MU1和MU2的相对变化检测。
(6)内置模型剂量学检测。采用Blue Phantom 2三维水箱、CC13、CC01、PFD、SFD及RFD电离室、
FC65G电离室及静电计等质量控制工具,进行百分深度剂量检测、输出因子检测、不同深度的Profile检测、MLC叶片剂量学间距dosimetric leaf gap,DLG)和Transmission检测。
(7)Rapidarc调试检测。采用EPID、Doselab软件、平衡帽、FC-65G电离室及静电计等质量控制工具,进行动态剂量与静态剂量的比值检测、动态多叶准直器(dynamic multi-leaf collimator,DMLC)剂量检测、不同角度下DMLC到位精度检测、旋转过程中DMLC到位精度检测、旋转过程中DMLC已知误差检测、旋转过程中剂量率控制的准确性检测、旋转过程中机架速度控制的准确性检测、旋转过程中MLC叶片速度控制的准确性检测。
(8)图像质量检测。采用EPID、LasVegas模体、Cube模体、Doselab软件及配套模体、MVP模体、CatphanCTP504模体以及PentaGuide模体等质量控制工具,进行以下检测:①2D图像检测,空间分辨率和密度分辨率检测、放大系数检测、EPIDDarkfield图像检测、EPID图像噪声检测、EPID像素值检测修正检测、EPIDPD剂量线性检测、MobiusMC2模体2D图像Doselab软件自动分析检测、2D/2D图像配准检测和图像剂量检测;②3D图像检测,CT值准确性检测、空间分辨率和密度分辨率检测、空间位置重建精度检测、层厚重建精;③密度检测、CT值均一性检测、图像噪声检测、Catphan504模体3D图像Doselab软件自动分析检测以及3D/3D图像配准检测和图像剂量检测。2.2 Eclipse 计划系统临床调试检测
Eclipse计划系统临床调试检测项目、检测内容及所需质量控制工具如下。
(1)电子密度曲线建立。采用CIRSCT-ED电子密度转换模体质量控制工具,建立CT值与电子密度的对应关系。
(2)质量控制模体建模及标定。采用MVP模体、CC13电离室、静电计、固体水和Arccheck质量控制工具,建立Arccheck、MVP模体CT扫描和模体模型。
(3)床衰减检测。采用固体水、CC13电离室和静电计质量控制工具,进行床CT值确认。
(4)医学物理学实践指南(medical physics practice guideline,MPPG)5.a基础数据检测。采用Blue Phantom 2三维水箱、CC13、CC01、PFD、SFD及RFD电离室、FC65G电离室和静电计质量控制工具,进行模型检测、不同SSD,方野,矩形野组合检测、MLC小野检测、斗篷野检测、过中线最大检测、非对称野&小机头旋转检测、斜入射检测、电子密度曲线确认、不同技术非均值模体点剂量测量、外推野1 cm×2 cm检测、调强子野雷电野和香蕉野检测。
(5)TG119检测。采用MVP模体、CC13电离室、静电计、固体水和Arccheck质量控制工具,进行不同技术的多目标靶区、前列腺、头颈、“C”型靶区(容易及困难)点剂量及面剂量检测及置信限的建立。
(6)患者计划验证(patient-specific quality assurance,PSQA)检测。采用MVP模体、CC13电离室、静电计、Arccheck和EPID质量控制工具,进行不同技术的头、胸、腹、盆腔各3例、点剂量和面剂量检测以及置信限的建立。
(7)端到端(E-2-E)检测。采用CIRS胸部模体、CC13电离室和静电计质量控制工具,进行不同技术的利用CIRS胸部模体全流程检测及点剂量测量。3  加速器与计划系统调试要点3.1 Halcyon 直线加速器临床调试
与常规瓦里安“C”型加速器安装验收(installation product acceptance,IPA)不同,Halcyon直线加速器IPA除去MPC检测[10]外,未涉及第三方机械、三维水箱及图像质量等常规检测项目,虽然MPC检测覆盖了射线束流、机架角度、准直器角度、床位置精度及MLC到位精度5项内容,但是这些项目的检测均是基于瓦里安自身提供的质量控制设备和方法的基础上进行,不足以支撑临床以及质量控制规程基准值的建立,根据以往的加速器验收经验、AAPM 和IAEA相关报告、国内外相关文献[2-3,5,8-9]以及Halcyon直线加速器的特点,对以下项目进行全面的检测。
3.2 Eclipse 计划系统调试
根据AAPMMPPG5.a [4]推荐,计划系统的调试分为数据收集、模型建立及模型验证3部分内容,由于Halcyon直线加速器与之配套的Eclipse计划系统预装RBD数据,节省了射线数据收集及模型建立的工作,只需要进行模型验证即可。但MPPG 5.a推荐测试列为其临床应用最基本测试,为完善验证内容,根据以
往的调试经验结合相关AAPM、IAEA计划系统验收
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相关报告[4,6-7]进行测试。
3.3 QA和QC规程的建立
3.3.1 Halcyon直线加速器QA和QC规程
Halcyon直线加速器QA和QC规程以AAPM报告[2,5]相关文献推荐及Halcyon直线加速器调试基准值为基础而建立,综合考虑快速检测、定量分析等因素。鉴于EPID设计的特殊性以及质量控制过程中图像质量的重要性,图像质量是QA和QC的重点。由于Halcyon直线加速器每日患者数量、速度与“C”型加速器有较大的区别,质量控制规程的频率可能需要调整,目前暂时按AAPMTG142推荐的“C”型加速器质量控制频率执行,包括日检、月检及年检3个部分:①日检,包括MPC检测、Rapidarc固定计划PD检测、安全联锁检测;②月检和年检,均包括剂量检测、机械检测、影像检测、Rapidarc检测、MPC检测和安全连锁检测。
3.3.2 Eclipse计划系统QA和QC规程
Halcyon直线加速器与之配套的Eclipse计划系统与常规计划系统不同,其机器参数及束流数据不能被修改,极大提高数据及计算的安全性,根据MPPG5.a推荐只需每年对其部分内容进行抽检即可,比较其计算结果的差异,偏差控制在1%的水平,年检计划系统QA和QC检测频率及检测内容为MPPG5.a基础数据测试、TG119测试和PSQA测试项目抽检。
4  加速器与计划系统调试结果
4.1 Halcyon直线加速器临床调试结果
所有安全连锁检查均正常运转,保证加速器运行时辐射安全。机房辐射水平最高点位于加速器背侧,辐射剂量水平0.530μSv/h,远低于国家2.5μSv/h 的标准,安全防护达标11。
扑克牌纸机架旋转等中心3D误差半径0.69mm,最大位置偏差位于225°,0.86mm;准直器旋转半径0.07mm,机架及准直器综合旋转等中心3D误差半径0.64mm,均好于1mm的验收标准。MLC到位精度高,射野为2cm×2cm至28cm×28cm,到位精度均<1mm。机架及准直器0°指示均为0.2°,床0位偏差<0.3 mm。床极限运动位置,升降-47.50~0cm,左右-20.88~20.88cm,进出床53.5~219cm。床三维方向运动,到位精度好于1mm。全碳纤维床具有较好的刚度,在负重120公斤条件下,沉降1.7mm,倾斜角0.7°。床中心与射野中心的一致性随床的运动逐渐增大,最大偏差为1.4mm。虚拟等中心与中心有着较好的一致性,最大到位精度位置偏差为0.7mm。EPID板为固
定式装配,4个主要方向与射线中心的偏差最大为0.2mm,远低于“C”型加速器1mm的标准。
标准条件下,Halcyon直线加速器实测深度剂量百分比(percentage depth dose,PDD)PDD10为63.3%,符合IPA(63±1)%的标准,PDD20/PDD100.542,比常规“C”型加速器6M V射线质偏软。射野为10c m×10c m及28c m×28c m时对称性均为100.3%,最大射野深度10cm、离轴10cm处相对剂量百分比平均值为78.83%。当机器跳数>2MU时,剂量率线性<1%,当<2MU时,剂量率线性<2%。机架不同角度及旋转过程中,输出剂量稳定性均<0.1%。绝对剂量刻度偏差为3.7%,调整范围控制在5%厂家设定值以内。
MPC检测结果均在阈值范围内,等中心半径为0.67mm,与Doselab分析结果的0.64mm接近。床最大到位偏差为0.14mm,内外等中心最大偏差为0.21mm。
内置模型数据与实测数据有着较好的一致性。不同射野大小的PDD和离轴比曲线,使用1mm/1%分析标准,γ通过率均>99.5%。输出因子除2cm×2cm 射野偏差为1.2%外,其他结果均在1%范围内。MLC 实测穿射因子0.009%,DLG0.18mm,与预装数据的0.0047%和0.1mm差异较大。
Rapidarc调试,动静态剂量偏差<0.1%,DMLC 剂量最大偏差位于90°,1.84%。静态不同角度及旋转过程中MLC到位精度最大位置偏差0.6mm,<1mm的验收标准。旋转过程中,机架速度、MLC运动速度及剂量率的控制均有着较好的准确性,所有结果偏差均控制在2%标准内。
图像引导分别为2D(Highquality和Lowdose)和3D(Highquality和Lowdose)两种模式,其图像质量结果见表1、表2,图像剂量结果见表3。
表3 不同模式及最大射野下图像剂量结果(cGy)
图像引导
MVCBCT MV-MV
28cm×28cm28cm×28cm
Highquality  6.568  2.815
Lowdose  3.248  1.393
注:表中MVCBCT为兆伏级锥形束CT;MV-MV为兆伏-兆伏
4.2 Eclipse计划系统调试结果
根据CT-SIM不同部位的扫描条件,分别创建
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滤油机滤布
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表1 2D 图像质量检测内容及结果
汤杯图像引导检测项目
空间分辨率(lp/mm)
密度分辨率(%)
放大系数(mm)
均一性(%)对比度比值
2DHighquality 0.4426.00.898.942.02DLowdose
0.42
26.1
0.8
98.8
39.8
表2-1 3D 图像质量检测内容及结果
图像引导检测项目
空间分辨率(lp/mm)
密度分辨率(%)
放大系数(mm)
均一性(%)对比度比值
3DHighquality 0.2111.00.295.1  3.43DLowdose
0.27
9.3
0.2
vga连接器93.2
1.8
表2-2 3D 图像质量检测内容及结果
图像引导
CT值
不同位置CT值(%)Air PMP LDPE Polystyrene Acrylic Delin Teflon Teflon 中间上下左右3DHighquality -883.8-183.6-99.7-58.761.7282.8938.2938.296.295.995.995.796.63DLowdose
-902
-179
-110.5
-58
辐照灭菌设备
56
262.1
896.8
896.8
93.7
93.6
93.8
93.7
94.5
头部、胸部、腹部及盆腔四条CT值-电子密度转换曲线,物理密度范围0.2~4.6 g/cc。碳纤维床Surface和Interior的CT值分别为-750 HU 和-950 HU。
MPPG5.a中5.3基础射野,不同SSD的方野及矩形野组合测试,除2 cm×2 cm射野点剂量偏差为1.7%外,其他射野剂量偏差均<1%;5.4MLC小野、5.5斗篷野测量、5.8斜入射及7.2调强子野,点剂量偏差均<1%;5.6过中线距离最远及5.7非对称野及最小SSD,点剂量偏差<2%,以上测试结果PDD及Profile 曲线,2 mm/2%的γ通过率均>99.5%。6.2非均值模体测试,Rapidarc及IMRT两种技术E-T-E测试,剂量偏差分别为2.02%和2.38%,<3%的测试标准。
TG119调强测试中,IMRT和Rapidarc两种技术靶区内点剂量偏差分别为-0.003±0.011和-0.012±0.006,置信限分别为0.025和0.024;Arccheck面剂量检测,3m m /3%和2m m /2%的γ通过率平均值分别为(99.72±0.24)%和(96.80±1.17)%,以及(99.70±0.45)%和(95.24±2.83)%,其对应的置信限分别为0.75和1.19,以及5.49和10.31。PortalDosimetry检测,2mm/2%的γ通过率平均值分别为(98.80±0.01)%和(96.60±0.02)%。4.3 Halcyon 直线加速器QA 和QC 规程结果
针对Halcyon直线加速器的特点,结合AAPM 及其相关文献,对其设计日检、月检及年检3种检测频率,检测内容覆盖剂量检测、机械检测、影像检测、Rapidarc检测、MPC检测和安全连锁检测等6项内容。
5  讨论
虽然Halcyon直线加速器与其他加速器不同,有一套厂家提供的标准数据并预装计划系统,但是对该系统所生成的调强结果是否能够满足临床和国际相关的标准无法确定,为验证该系统整个流程的精度,建立了四大调试规程。
Halcyon直线加速器与常规“C”型加速器相比IPA检测项目偏少,并且如三维水箱检测的项目被二维矩阵所替代,虽然已有文献[12]报道,二维矩阵在射线束流检测方面与三维水箱具有较好的一致性,如6 MeV射线质,水箱及ICprofile的R50偏差0.4 cm,对加速器束流的检测推荐使用三维水箱。检测项目相对偏少,如像常规的机械等中心、床到位精度等相关的检查是否还有必要加入IPA内,MPC的检测内容及结果是否可以替代第三方的检测工具,还有待于进一步验证。
MPC检测具有快速、方便、覆盖内容广泛等特点。主要检测射线束流、机架角度、准直器角度、床位置精度及MLC到位精度5项内容,但瓦里安公司只是建议将该项目作为一个稳定性综合项目的内容检测,而不是替代第三方的质量控制工具。近年来,已有多个国外研究机构在验证MPC和独立第三
方质量控制工具之间的替代关系,已有初步的研究结果,二者之间部分检测项目可以替代[13-14]。如Alessandro Clivio [15]分别使用MPC和Winston-Lutz对truebeam加速器等中心检测发现,等中心半径分别为0.31 mm和0.27 mm,与本研究结果基本相同。
瓦里安公司为Halcyon直线加速器提供了束流数据并预装Eclipse计划系统,减少了数据收集
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