2020年中国约有3 002 899人死于癌症（包括非黑色素瘤皮肤癌），占全球所有癌症死亡病例的30.2%[1]。世界卫生组织（WHO）公布，有55%的恶性肿瘤可以治愈，其中放射治疗占比40%[2]。医用直线加速器作为放射治疗中常用的设备，多叶准直器（multi-leaf collomator，MLC）在其中参与射野精细化调节。放疗技术的发展是为了提高靶区剂量（包括适形度和均匀性），降低正常组织剂量，这很大程度上依赖于MLC的发展[3]。本文整理现阶段瓦里安、医科达、安科瑞主流MLC类型，综述其设计差异，以鼻咽癌为主对比实用效果以及相关条件设定对剂量分布的影响。
1 多叶准直器的分类多叶准直器按照不同的分类方式可进行多重分类，最常见的类型是内置单层电机驱动型多叶准直器。
按布置方式可分为内置与外置：内置式MLC集成在加速器机头以内，按其与钨门的关系可以分3类：第一类，MLC与薄片准直器代替上叶准直器并可选的后备薄片准直器，如瑞典Elekta Agility、瑞典Elekta MLCi/i2。第二类，以德国Siemens、美国GE公司为代表，MLC代替下叶准直器。第三类，MLC直接安装在下叶准直器下面，成为三级准直器，如美国Varian C系列加速器等[3]；外置式MLC独立安装于加速器机头以外，在主要用于提高治疗精度，如瑞典Elekta Apex mMLC、美国LinaTech MLC-H等[4-5]。
按照多叶准直器叶片的层数可分为单层与多层：单层叶片布置在同一层面，是绝大多数加速器叶片布置的方式；多层叶片布置于2个及以上层面，各层面叶片运动方向平行的如Varian Halcyon，垂直的如LinaTech VenusX[6]。
按照驱动类型可分为电机驱动与气压驱动：电机驱动应用于产生锥形束的加速器，叶片由电机、丝杆等驱动，是绝大多数MLC的驱动方式；气压驱动目前只见于美国Accuray的螺旋断层放射治疗系统（TomoTherapy），其叶片由共同的压缩空气源和单独的阀门驱动，垂直于扇形束运动。
2 各加速器生产厂商MLC主流产品介绍 2.1 Varian Millennium MLC、HD120MLC与HalcyonVarian Millennium MLC与HD120MLC原理基本一致。Millennium MLC包含3种叶片配置：52-leaf MLC、80-leaf MLC、120-leaf MLC[7]。其中52-leaf MLC已基本随着设备的更替退出市场。80-leaf MLC与120-leaf MLC都可以装配于Varian公司C系列第三代加速器上，目前配置较多的是120-leaf MLC。HD120MLC是Varian针对立体定向放射治疗所设计的高精度MLC，搭载于Truebeam Edge、Novalis Tx。为了减少叶间漏射，为了减少叶间漏射，80-leaf MLC、120-leaf MLC、HD120MLC的叶片都有凹凸槽设计。120-leaf MLC与HD120MLC由2种等中心宽度的叶片组成，等中心宽度较小的叶片集中在内侧，较大的分布在外侧，即保证了MLC对小射野的调制的精度又保证了加速器对大放射野的执行能力，这种设计兼顾了制造维护成本与临床需求。等中心宽度为5 mm与2.5 mm的叶片有2种布置方向，一种是叶片厚端朝向等中心，另一种是叶片厚端朝向靶，HD120MLC单侧叶片布置如图1所示。相比之下，80-leaf MLC由单一等中心宽度为10 mm的叶片组成，并且没有叶片的交替布置，所有叶片都基于相同的形状[8]。常规参数如表1所示。
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图 1 HD120MLC单侧叶片布置 Figure 1 One-sided leaf arrangement of HD120 MLC |
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表 1 各型号常规参数 Table 1 General parameters of each multi-leaf collimator |
Halcyon取消钨门采用双层多叶准直器调制射线，结构如图2所示。其单层叶片等中心宽度10 mm，两层MLC平行交错5 mm分布，下层两侧各分布1对固定叶片，用于限制射野大小，常规参数如表1所示。在Halcyon V1.0中的下层叶片适形调强，上层叶片遮挡跟随，整体的开闭可控制MV级锥形束CT（cone beam CT，CBCT）扫描体积。Halcyon V2.0及以上版本中，两层叶片都参与适形调强。KV级CBCT在V2.0及以上版本中装备，由MLC控制范围的MV级CBCT成为计划设计的备选项。特殊的射野大小以及结构致使Halcyon叶片的端面曲率半径达到23.4 cm，叶片的高度达到7.7 cm[9-10]。双层的叶片设计，可以达到取消钨门减重的同时减少叶片穿射漏射的效果。相较于单层等中心宽度为5 mm的叶片，双层错位叠加形成的相同宽度叶片没有导致计划质量下降。较快的叶片速度，小型的加速器机头，较轻的机头重量，使计划执行时机架旋转速度更快，整体治疗效率更高[11-13]。Halcyon同时简化了叶片组电机、轨道等装置，降低了零件数量和后期故障率。
2.2 Accuray Cyberknife（射波刀）InCise 2 MLC与 TomoTherapy
Accuray公司所生产的射波刀主要用于执行立体定向放射治疗，代号为M6的机型首次搭载了用于临床使用的第二代InCise MLC，结构图如图3所示，常规参数如表1所示。射波刀无物理等中心，设定源轴距SAD = 80 cm处为等中心平面，其叶片物理宽度约1.9 mm可100%过线，最小形成7.6 mm × 7.7 mm的射野，叶片端面近似梯形，只能执行适型与静态调强射野。MLC的配备引入了射波刀射野通量调节的概念，提高了单个节点上子野的数量。相较于常规C形臂立体定向放射治疗设备，InCise MLC具有体积小，叶片薄的特点。由于射波刀主要执行非共面、非等中心计划，因此理论上靶区的大小不受MLC射野极限的限制，且叶片在靶区层面的宽度一般小于等中心平面。InCise MLC在射波刀中发挥代替限光筒的作用，使用MLC的计划治疗时间较可变孔径准直器与固定准直器治疗时间缩短30%～50%，大幅提高了治疗效率[15]。此外，MLC还可以提高计划的质量[16-17]。
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图 3 InCise MLC结构图 Figure 3 Structure diagram of InCise MLC |
TomoTherapy基于螺旋断层方式出束，初级准直器的开合大小控制射野的宽度，MLC安装在初级准直器的下方，整体不可旋转，叶片运动方向与机架旋转方向垂直。叶片由气压驱动，只有开、闭2种状态，20 ms即可完成切换。每个叶片高10 cm，靠近源端宽度为2 mm，远端宽度为3 mm，叶片间采用凸部为0.15 mm、凹部为0.3 mm的凸凹槽设计，实物图如图4所示，常规参数如表1所示[18-19]。Tomo机型螺旋扇形束照射、治疗床步进的治疗模式，搭配MLC叶片可实现单次照射执行2万子野的照射。叶片瞬时开闭、不可旋转的设计减小了叶片半影、叶片到位精度、叶片运动速度对计划设计的影响。
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图 4 TomoTherapy MLC实物图 Figure 4 Picture of TomoTherapy MLC |
MLCi/i2一般装配于Synergy、Precise机型，MLCi采用轴承承载叶片运动，MLCi2采用导轨引导叶片运动，其他物理结构与性能保持一致。MLC在次级准直器中首先遮挡射线，叶片和下叶准直器间有一对薄片准直器，薄片准直器跟随MLC叶片一起运动。这种结构因为叶片靠近射线源，叶片的小幅度运动，即可实现等中心平面投影的较大幅度运动，叶片长度较短，多叶准直器整体结构也相对紧凑[20]。MLCi/i2作为Elekta公司旗下基础款的多叶准直器，基本满足了调强治疗的临床需求。结构图如图5所示，常规参数如表1所示。
Agility一般装配于Versa HD、Axesse、Infinity机型，患者方向视图如图6所示。叶片物理宽度为4 mm，曲率半径为17 cm，叶片高度为9 cm，常规参数如表1所示[21]。Agility的钨门并没有采用均一厚度的设计，而是厚部为77 mm的“Y”形区域与薄部为30 mm组合。厚部为MLC叶片的端面提供了充分的遮挡，而薄部射线的遮挡由叶片与钨门共同完成，这种减轻重量的设计有利于钨门的快速、准确运动[22]。Agility叶片宽度和运动速度方面较MLCi/i2有明显提升，与旗下加速器高剂量率模式搭配有效缩短了患者单次治疗时间，也是现阶段Elekta公司解决立体定向放射治疗的成熟方案。
Unity是一款磁共振引导加速器，其将1.5 T磁共振成像系统与医用直线加速器采用滑环技术结合在一起，磁场分布为患者头脚方向，可提供实时、治疗前、治疗后的高质量影像。MLC以Agility为基础，采用圆形端面，为避免因叶片内部磁通量发生变化，而导致叶片运动速度不可控的结果，MLC整体不可旋转，叶片只能沿磁场分布方向运动，钨门运动方向与叶片运动方向垂直。出于减重目的，叶片采用钨镍铁合金与不锈钢拼接构成，钨门尾部采用“V”型设计，由于叶片合拢端面始终处于钨门下方，因此钨门闭合时端面连线呈倒梯形，实物图如图7所示，常规参数如表1所示[23-24]。由于Unity加速器部分位于磁共振外侧，射线需躲避梯度线圈，只能穿过低温恒温器，而线圈分布间隙受磁场分布均匀性限制，因此Unity较常规加速器减小了射野在头脚方向的长度，在等中心平面最大形成574 mm × 220 mm射野。在初代版本中，Unity只能执行静态调强射野。
3 各常规类型MLC的临床应用评价
大量的学者针对MLC对剂量分布的影响进行过多方面研究，比较计划中靶区适形度指数（conformal index，CI）、均匀性指数（homogeneity index，HI）、靶区最大剂量（Dmax或以D2%来描述）、靶区最小剂量（Dmin或以D98%来描述）[25]、平均剂量（Dmean）、危及器官受量等剂量学指标，研究的方向主要集中在以下2个方面。
3.1 以叶片运动方式为区别的不同调强技术对计划的影响调强放射治疗按照叶片不同的运动模式可分为静态调强（又称step-and-shoot调强）、动态调强（又称sliding-window调强）、扇形束旋转调强（又称螺旋断层放射治疗、helical tomotherapy，HT）、锥形束旋转调强（又称容积旋转调强放疗、VMAT，简称旋转调强）[26]。
以鼻咽癌为例，朱健等[27]使用Eclipse V7.3对比了鼻咽癌静态调强计划、动态调强计划对危及器官受量的差异，结果表明2种计划在靶区照射剂量上无明显差异，静态调强更有效地降低了危及器官的受照剂量，且靶区适形度更好。陈欣等[28]使用Pinnacle 9.8对比鼻咽癌静态调强、HT与VMAT计划，认为HT对复杂靶区的调制能力更有优势，有更好的靶区CI、HI；VMAT在满足要求的同时治疗效率最高；静态调强只在保护视神经、视交叉方面有着较好的优势。这与蔡佳利[29]使用Pinnacle 9.1的研究结论基本一致，蔡佳利[29]同时认为HT和VMAT较静态调强相比有更好的CI、HI，HT能够更好地保护脑干和脊髓。对于肿瘤病灶较大的患者，静态调强与另外两者相比不做第一顺序推荐。蒋大振等[30]使用Eclipse 13.5设计动态调强计划探究锁野对鼻咽癌计划低剂量区的影响，结果显示锁野与分野PTV的Dmean和HI数据相差甚微，锁野计划MU值低于分野MU值；脑干、脊髓最大剂量、左右腮腺平均剂量、口腔平均剂量差异无统计学意义，左右眼晶状体最大剂量锁野高于分野，低剂量区锁野高于分野。黄霞等[31]使用Eclipse 13.6基于Truebeam Edge（HD120MLC）对比了钨门跟随（JAW tracking）模式与钨门固定模式对鼻咽癌IMRT计划的影响，结果显示靶区适形度差异无统计学意义，JAW tracking计划靶区均匀性相对于钨门固定计划要差，但能更好地降低危及器官和正常组织的受照剂量。贾晓斌等[32]使用相同计划系统与加速器探究了JAW tracking模式下不同的钨门阈值对鼻咽癌VMAT计划的影响，最终建议将钨门阈值限制在15 cm。
3.2 MLC宽度、半影、穿射、角度、运动速度对剂量分布的影响。以鼻咽癌调强放疗为例，杨超凤等[33]使用Pinnacle 9.2对比了Varian 6EX（Millennium 120-leaf MLC）和Elekta Precise（MLCi2）的剂量学指标，结果表明，配备 120-leaf MLC 加速器的 CI 和HI 均 优 于 配 备 MLCi2 的 加 速 器 ，使 用 120-leaf MLC 的计划 Dmax 更低、Dmin 更高，靶区与其周边正常组织器官之间的剂量梯度更加陡峭。其认为 120-leaf MLC更小的叶片宽度和更小的半影是计划表现更优的原因。马天斌等[3]使用Pinnacle3 9.8和Monaco 5.11对比了Elekta MLCi和Agility的剂量学指标，结果表明使用Agility的计划CI、HI优于使用MLCi的计划。同时，使用Agility的计划在右侧视神经和视交叉Dmax、左侧颞叶和右侧颞颌关节Dmean、左右腮腺V30、气管和脊髓及脊髓计划危及器官体积（planning risk volume，PRV）的Dmean等危及器官剂量学指标中表现更优，其同时认为测量得到Agility穿射比为0.59%（MLCi为3.13%），也是Agility的计划CI、HI表现更优的原因。刘聪等[34]使用Eclipse 10.0对比了Varian Millennium 120-leaf MLC和80-leaf MLC的剂量学指标，结果显示使用120-leaf MLC的计划CI、HI、Dmax及Dmin表现更好，但视神经、脑干、腮腺、眼晶状体和脊髓器官受量的差异无统计学意义。李阔等[11]使用Eclipse 15.5对比了30例计划在Halcyon与Vital Beam（Varian Millennium 120-leaf MLC）平台上的剂量学指标，结果显示在靶区D2、D98、HI、CI的差异没有统计学意义，在危及器官中脑干和右侧腮腺的V10差异没有统计学意义，左右视神经Halcyon平台高于Vital Beam平台，其余Halcyon平台低于Vital Beam平台。武星蕾等[35]基于Pinnacle 9.10使用Trilogy（Millennium 120-leaf MLC）研究VMAT计划中准直器角度对计划的影响，结果显示准直器角度设置在10°～20°可获取更好的靶区剂量分布，减少危及器官受照剂量，同时不会降低剂量验证的通过率。贺先桃等[36]基于RayStation 4.7.5使用Varian Trilogy（Millennium 120-leaf MLC）设计VMAT计划，对照不同叶片运动限制（constrain leaf motion，CLM）参数导致的剂量学和γ通过率差异，结果显示较大的 CLM 值[ ≥ 0.50 cm/（°）]对计划有着更优的靶区剂量以及靶区外低剂量分布体积，脑干、脊髓、腮腺、视神经、视交叉的受照剂量在CLM值 ≥ 0.50 cm/（°）时均下降得比较明显；γ通过率在 CLM 值 > 0.65 cm/（°）时基本在容差限值以下，因此建议将VMAT计划CLM值限定在在 0.50～0.65 cm/（°）。
对于其他肿瘤类型的放疗计划，黄娜等[37]基于Monaco3.3使用AAPM 119号报告标准模体评估MLC宽度对VMAT计划的影响后，得出Agility在C形、头颈形计划中CI和HI优于MLCi2系统，提出在靶区与危及器官空间距离很近、剂量跌落要求很快时，Agility更容易实现剂量要求；在靶区与危及器官之间存在一定剂量跌落缓冲空间时，Agility相较于MLCi2没有明显优势。李成强等[12-13]使用Eclipse 13.5对比Halcyon和Trilogy（Millennium 120-leaf MLC）在乳腺癌和宫颈癌动态调强计划的差异，结果显示，Halcyon计划能够满足临床要求，靶区各剂量指标与Trilogy计划相近。基于Halcyon设计的宫颈癌计划膀胱V30、Dmean，直肠V30、Dmean，左侧股骨头V20、Dmean均低于基于Trilogy的计划，其他剂量指标相近；在乳腺癌Halcyon计划中，部分危及器官低于某一剂量的体积会超过Trilogy计划，而超过这一剂量的体积会低于Trilogy计划，其认为这可能与图像引导的剂量叠加有关。
4 关于立体定向放射治疗设备MLC对于Varian HD120 MLC、Cyberknife InCise 2 MLC等专用于立体定向放射治疗的MLC，采用宽度较小的叶片是共同特点。针对立体定向放射治疗，目前的研究主要集中在治疗效果的临床评价。此外，与传统放疗计划共面等中心的形式不同，立体定向放射治疗计划可采取非共面、等中心或非共面、非等中心的形式，就现阶段投入临床使用的立体定向放射治疗设备专用MLC而言，难以排除射野角度等因素对其进行剂量学表现的单独评价。
5 展 望在精准放疗的背景下，各加速器生产厂商针对细分放疗领域，有侧重地将多叶准直器进行差异化设计，这一定程度上促进了多叶准直器设计制造的进步，但也导致当前任意一款多叶准直器都无法表现出全面的、远超同类产品的绝对优势。Bortfeld等[38]从理论上给出了最佳的叶片宽度不应大于1.5～1.8 mm，现阶段常规加速器的多叶准直器仍有进步的空间。加速器生产厂商在研制更高精度多叶准直器的过程中，需要提出并验证更具创新性的结构，以达到临床需求与制造维护成本的新平衡。面对当前多叶准直器领域产品多元化的局面，临床医生与物理师也需要充分了解各类加速器的特点，结合患者的具体情况，权衡使用合理的加速器、计划类型与相关条件。
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