Tomotherapy系統(tǒng)五年質(zhì)控結果及其模式的轉變

叢小虎，徐壽平，解傳濱，戴相昆，鞏漢順，王小深

解放軍總醫(yī)院放療科，北京市，100853

Tomotherapy系統(tǒng)五年質(zhì)控結果及其模式的轉變

【作者】叢小虎，徐壽平，解傳濱，戴相昆，鞏漢順，王小深

解放軍總醫(yī)院放療科，北京市，100853

螺旋斷層治療（Helical Tomotherapy, HT）作為新型調(diào)強放射治療技術（IMRT），其照射方式采用獨特的扇形束形式，將現(xiàn)代螺旋CT和直線加速器進行有機整合以實現(xiàn)螺旋斷層調(diào)強治療。由于該系統(tǒng)功能復雜，且具有高度集成和自動化特性，監(jiān)測其運行穩(wěn)定性和可靠性并不斷給予完善、簡化其質(zhì)控流程已成為HT系統(tǒng)質(zhì)量保證的重要組成部分。本研究通過對前五年該系統(tǒng)質(zhì)量控制(QC)結果的分析,結合新型質(zhì)控設備的初步應用，總結其QA的規(guī)范化實施并探討其模式的轉變可能。

螺旋斷層治療；質(zhì)量保證(QA)；質(zhì)量控制(QC)；模式轉變

0 引言

螺旋斷層治療系統(tǒng)Hi.Art代表了圖像引導調(diào)強放射治療中一種新型治療技術[1]。其以CT掃描的方式利用扇形束實施螺旋式束流照射，治療期間加速器機架、治療床和多葉準直器(MLC)需實現(xiàn)同步運動的控制及調(diào)制。其治療原理類似于螺旋斷層CT，將一臺6 MV小型駐波加速器安裝在CT的滑環(huán)機架上，利用X射線束流切片式可實現(xiàn)高適形度的腫瘤治療[2-3]。與常規(guī)直線加速器放療相比較，HT具有諸多獨特的物理和劑量學優(yōu)勢[4]。在給予腫瘤區(qū)域足夠高的致死劑量同時最大程度地降低對周圍關鍵器官或正常組織的損傷，特別是對一些靶區(qū)較復雜、范圍較大的腫瘤如鼻咽癌、全淋巴等治療，相比常規(guī)加速器具有一定的優(yōu)勢[5-7]。該系統(tǒng)集調(diào)強計劃優(yōu)化、治療實施與驗證為一體，工作過程中各部分相互協(xié)調(diào)從而實現(xiàn)束流螺旋治療的精確性。由于HT治療方式具有獨特的動態(tài)方式及其功能結構的復雜性，其完整的質(zhì)控過程中既有與常規(guī)加速器相類似又有著其獨特的方面[8-11]，確保系統(tǒng)的正常工作及其良好的穩(wěn)定性顯得至關重要，因此需量身訂制出該系統(tǒng)的質(zhì)量保證及質(zhì)量控制規(guī)程。我院作為國內(nèi)大陸第一臺HT系統(tǒng)的臨床應用單位，近期已安裝第二臺該系統(tǒng)，本研究通過對五年來第一臺該系統(tǒng)QC結果的分析，監(jiān)測其日常運行穩(wěn)定性和可靠性，并結合新型質(zhì)控設備的初步應用不斷完善、簡化其質(zhì)控流程，從而為臨床治療提供臨床保障并為其他單位提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 HT系統(tǒng)特點

HT系統(tǒng)基于螺旋照射實現(xiàn)了一種調(diào)強放射治療方式，即當治療床穿過機架孔同時機架持續(xù)旋轉進行束流照射。該系統(tǒng)利用非均整的6 MV直線加速器，以固定源軸距85 cm安裝在CT滑環(huán)機架上?？v向射野寬度通過一對可移動的鎢門予以定義，并可形成最大射野為40 cm×5 cm。對于患者治療而言，臨床中射野寬度一般固定為驗收測試的射野寬度（1/2.5/5 cm）中一種，橫向上利用等中心處6.25 mm寬度的MLC葉片實現(xiàn)束流照射。通過每葉片打開時間來實現(xiàn)對束流強度的調(diào)制，而束流調(diào)制模式隨機架角度改變而發(fā)生變化。這種束流調(diào)制模式定義為一個投射野（projection）即機架旋轉約7o，而每旋轉周可分為51個投射野。該系統(tǒng)不僅代表新型IMRT方式，而且也是一套完全集成的圖像引導放療（IGRT）設備。其利用相同射線源且額定能量約為3.5 MV實現(xiàn)MV級影像的獲取。在源對側的滑環(huán)機架上安裝有一套738個通道氙氣探測器，從而可實現(xiàn)三維影像的重建，用于治療前檢查或校正患者的擺位乃至實施劑量的重建可能。

1.2 執(zhí)行的QC測試項

表1列出了我院HT系統(tǒng)執(zhí)行的QC規(guī)程[12-15]，該規(guī)程將用于評估系統(tǒng)運行的參數(shù)狀態(tài)。將常規(guī)直線加速器QA規(guī)程調(diào)整至HT系統(tǒng)中，利用其額外測試項可較好地反映兩種照射技術之間的重要差異。這種苛刻的QC測試項，有助臨床物理師、工程師更好地掌握這種新型機器的機械和劑量學性能?；谂R床報告的測試結果可提出不同周期/頻率QC測試項。

采用Vidar掃描儀、EDR2膠片、等效矩形固體水和機載式MVCT探測器以實現(xiàn)系統(tǒng)的機械和幾何測試。對于相對劑量和絕對劑量測量，需用A1SL電離室（Standing Imaging, USA）、8通道劑量儀（TomoElectrometer）、等效水圓柱形模體（Cheese Phantom）等測量設備。HT系統(tǒng)測量參考條件下利用Thomas文獻中推導A1SL電離室的射線質(zhì)品質(zhì)系數(shù)Kq來實現(xiàn)其絕對劑量的標定校準[16]。

1.3 日常檢測項

日常質(zhì)量控制應監(jiān)測靜止和動態(tài)輸出劑量。對于系統(tǒng)幾何特性，需觀察激光燈的初始位置和激光燈的移動是否準確。驗證激光燈精度后掃描MVCT圖像質(zhì)量的一致性。對系統(tǒng)束流劑量特性的檢測，具體為將平板等效固體水（0.5 cm厚＋帶電離室孔5 cm厚）或圓柱形模體、A1SL 電離室放到治療床上擺好位，執(zhí)行靜態(tài)/動態(tài)輸出劑量測量；輸出劑量與參考值比較并計算出偏差。最后實施床讀數(shù)穩(wěn)定性及精度檢測，以及標準安全性檢查，確保門聯(lián)鎖、出束指示燈或聲等正常工作。

1.4 周/月/季檢測項

除日常質(zhì)控所含檢測項目還需定期對不同電離室實施劑量測量的精確性進行比對。采用EDR2大膠片對系統(tǒng)虛擬等中心處激光燈實施驗證。通過平板等效固體水測量出不同深度R10/1.5、R20/1.5及R20/10劑量比值，從而將測量結果與參考值比對以檢測射線質(zhì)的穩(wěn)定性[16]。采集獲取Y方向離軸曲線，將數(shù)據(jù)保存并與系統(tǒng)金標準Profile數(shù)據(jù)進行比較，分析得出束流FWHM偏差值。

在治療床上軸向放置（X-Z軸平面）兩張膠片，從虛擬等中心沿著Y方向±3 cm處采用三明治式將兩張膠片夾在其中，如圖1所示。采用水平儀標定出每張膠片上一條真正的水平線。利用準直器射野來實現(xiàn)對膠片的照射，在機架角度0o、120o及240o上打開射野中心的兩個葉片得到投影射野；通過分析照射的膠片評價葉片打開時角度的偏差，以檢測葉片和機架旋轉的同步性。同理，將EDR2膠片（8英寸×10英寸）夾在兩塊5 cm厚固體水之間，調(diào)整床高將膠片至等中心位置；執(zhí)行特定計劃后測量3個束流峰之間的距離，以實現(xiàn)機架與床同步性檢測。

表1 我院螺旋斷層放療系統(tǒng)QC規(guī)程Tab.1 QC procedure of HT system

圖1 葉片打開和機架旋轉同步性測試條件及膠片測量結果Fig .1 Gantry angle consistency test condition and measurement results of f lm

1.5 年檢測項

年檢測項除完成日常系統(tǒng)的機械、幾何和束流劑量測定外，年檢意義主要在于測量束流PDD、橫向及縱向截面劑量分布并與機器建模數(shù)據(jù)進行比較，以確定QA要求。需按照束流數(shù)據(jù)進行重新劑量標定，驗證劑量重復性及線性。年檢QC項應包含系統(tǒng)所有組件的機械、幾何及劑量方面測試，正如系統(tǒng)驗收一般至少需兩天時間。

1.6 QA及其模式的轉變

HT患者計劃QA也是整個質(zhì)控流程中非常重要的一方面，其直接影響患者療效及安全。我院最初患者劑量驗證采用膠片驗證方式。一般通過比較測量膠片的相對劑量與計劃計算劑量分布，利用系統(tǒng)自帶軟件給予分析，從而實現(xiàn)對特定患者計劃的驗證。同時計劃QA過程中采用電離室實施對計劃中點（絕對）劑量的測量驗證。

近來，醫(yī)院科室新加入Sun Nuclear公司晨檢TomoDose、劑量驗證ArcCheck及TQA（Accuray, USA）工具等設備使得日常QC過程變得更方便、簡捷[17-18]。TomoDose、ArcCheck及TQA工具操作簡單，使得臨床QC工作提高了效率，縮短QC時間。

2 結果

2.1 日常檢測

系統(tǒng)幾何特性：激光燈偏差可允許范圍為±1mm，當測量誤差超過范圍則需調(diào)整。靜態(tài)束流特性：靜態(tài)輸出劑量檢查偏差在-2.0%到3%之間即滿足要求。通過分析整理我院五年日檢靜態(tài)輸出劑量的測量平均偏差0.494%±1.032%（圖2），日常射線劑量輸出基本控制在正常值范圍，具有良好的穩(wěn)定性。MVCT掃描圖像若能清晰辨別密度棒第三排小孔，影像無偽影即滿足需求，掃描劑量每次在3 cGy以下，均在可接受范圍。

圖2 HT五年調(diào)整前靜態(tài)劑量輸出測量結果Fig.2 Static dose output results of HT in f ve years

2.2 周/月/季度檢測

對于虛擬等中心驗證，分析軟件驗證膠片滿足偏差≤1 mm標準即可接受。靜態(tài)模式下束流能量運用SPSS軟件統(tǒng)計射線質(zhì)R20/10平均偏差為-0.568±0.8%（SD），均符合±2%要求。射線質(zhì)基本穩(wěn)定（圖3）。將獲得Y方向離軸曲線與金標準數(shù)據(jù)進行比較，保證2%標準γ值通過，半高寬值在1%以內(nèi)。葉片打開和機架旋轉的同步檢測項，要求膠片測量結果應不超過1o。而機架與床同步性檢測，分析膠片上3條窄帶波峰之間距離是否與機架旋轉保持一致且間距相等。若機架、床同步和床速正確的話，該距離應為6.0 cm。統(tǒng)計顯示月檢測結果均滿足最大偏差2 mm的要求。

圖3 HT五年束流能量變化測量結果Fig.3 Energy checking results of HT in f ve years

2.3 年檢

確保系統(tǒng)束流數(shù)據(jù)、PDD、橫/縱向截面劑量分布與驗收測試時數(shù)據(jù)保持一致。橫、縱向離軸曲線上射野內(nèi)大多數(shù)點應滿足劑量偏差1%要求，而若為束流半影區(qū)內(nèi)則可考慮滿足2%要求?？v向截面劑量分布如發(fā)生變化，需對鉛門進行修正和校準。良好的幾何和機械性能表明：實際所有測試項均在1 mm或1o以內(nèi)。

圖4 2 186例特定患者計劃絕對劑量驗證結果Fig.4 The results of absolute dose verif cation for 2 186 specif c-plan patients

2.4 QA及其模式轉變

對于特定患者計劃的絕對劑量檢測運用SPSS軟件統(tǒng)計點平均劑量偏差為-0.383±1.23%（圖4），整體結果基本滿足±3%絕對劑量要求。TomoDose、ArcCheck、TQA等新型測量設備的應用使得相應日常檢測過程和患者劑量驗證變得簡化。TomoDose實現(xiàn)了對射野信息的日常測量和記錄，可對射野對稱性、平坦度進行檢測并記錄；運用ArcCheck實施患者計劃驗證取代了傳統(tǒng)膠片驗證方式，使得整個患者QA過程大大簡化；其具體統(tǒng)計結果如圖5、6所示。

圖5 TomoDose初步使用情況Fig.5 Statistical results of TomoDose preliminary application

圖6 ArcCheck初步應用結果統(tǒng)計Fig.6 Statistical results of ArcCheck preliminary application

3 討論

HT作為一套較為復雜的放療系統(tǒng)，其螺旋斷層治療類似于慢速旋轉IMRT，從而獲得了更高的射線調(diào)制力；針對其獨特的物理和劑量特性，做好系統(tǒng)實施過程中QA工作是十分重要的[2,8-9,12-17]。目前多篇文獻[18-24]報道了通過系統(tǒng)束流輸出和實施可能變化的敏感性，試圖定義不同的測試和實驗方法來驗證所有的機械、幾何和劑量學特性。但整個系統(tǒng)長時間的性能穩(wěn)定性及可靠性鮮有報道。本研究經(jīng)過5年多臨床實踐及綜合日常質(zhì)控數(shù)據(jù)，我院HT系統(tǒng)基本建立了較為有效和完善的QA體系，且按照Fenwick等[15]所推薦制定了各檢測項的允許偏差，其穩(wěn)定性與可靠性得到了有效地保證。通過日檢、周檢、月檢、年檢等QA項目能夠保證加速器精準而有效的劑量輸出，精確地對患者腫瘤靶區(qū)實施照射。通過評估和分析HT五年的日檢內(nèi)容、患者QA質(zhì)控結果，系統(tǒng)的機械和幾何特性基本保持穩(wěn)定；而特定患者計劃QA的失敗模式很大程度地依賴于機器輸出劑量變化的影響（如圖2、4所示）。

由于目前國家還沒有HT統(tǒng)一的QA標準或規(guī)范，關于其劑量學性能，與其他機構進行更廣泛地對比是可行的。Fenwick等[15]研究制定了HT系統(tǒng)日常靜態(tài)/動態(tài)輸出劑量以及能量變化均控制在±2%范圍內(nèi)；而Broggi S等[12]執(zhí)行了該系統(tǒng)更為嚴格的靜態(tài)/動態(tài)輸出劑量±1.5%偏差標準，其能量偏差保持在±2%范圍內(nèi)。本研究中盡管按照加速器實施日常輸出劑量±3%標準，我院HT則定義了日常輸出劑量-2.0%至+3%及能量變化±2%控制范圍，以確保維持及實現(xiàn)加速器類同的穩(wěn)定性能。日常輸出劑量要求主要是考慮HT實際患者治療過程中劑量率隨時間存在近1%下降，因而設定該標準有效地保證了臨床治療QA要求。而對于絕對劑量標定而言，近年來放療射線束已從空氣比釋動能轉換到吸收劑量的校準且考慮到非標準參考測量條件，HT系統(tǒng)目前可基于美國醫(yī)學物理學家協(xié)會（AAPM）TG-51或國際原子能機構（IAEA） TRS-398報告規(guī)程實施其絕對劑量的校準[25-26]。

除了日常、月及年檢常規(guī)QA外，某些技術干預措施也應當遵循適當?shù)腝A規(guī)程。若更換束流靶，強烈建議應實施機械和劑量的測試項包括：源與初級準直器機械對齊，射束中心與機架旋轉平面的一致性，源與MLC系統(tǒng)機械對齊，橫、縱向束流曲線一致性，能量和輸出劑量檢測；最后實施患者計劃劑量驗證，以確認HT性能一致性。若更換磁控管關鍵部件，需執(zhí)行測試項包括：輸出劑量和能量穩(wěn)定性檢測；Cone形離軸曲線一致性以及患者IMRT劑量驗證。而另一重要部件MLC系統(tǒng)更換，相對于源（靶）而言應檢測所有幾何校準的一致性，包括：機架旋轉、射線束流平面以及陣列探測器。當然，HT系統(tǒng)作為IGRT設備，其MVCT影像既可用于患者治療擺位的驗證，又可用于實施患者劑量的精確計算，因此其引導影像QA也是整個系統(tǒng)QA的一個重要組成部分[27-29]。五年間HT系統(tǒng)出現(xiàn)了超過300項的故障，技術干預的原因主要是機械問題、劑量不穩(wěn)以及少量軟件或通訊所致?；谶@些技術報告，我院第一臺HT系統(tǒng)整體停機時間會略高于目前常規(guī)治療設備狀態(tài)；當然臨床應用最近一年停機率也明顯好于剛運行的第一年，這與該系統(tǒng)不斷升級或不少部件的更新?lián)Q代有較大的關聯(lián)性。

Balog[8,9]和Langen[30]等研究較注重強調(diào)對特定參數(shù)的分析，以期用測量方法如何揭示其變化。本研究只是簡單展示了五年來HT系統(tǒng)的整體性能情況，而沒有提出任何特定的檢測方法。然而，基于如諸多文獻所報道和我院五年的質(zhì)控結果及實踐，某些獨立的測量方法可有效地引入到該系統(tǒng)QA體系中，如TomoDose[30]、TQA設備均可監(jiān)測日常束流曲線、輸出劑量變化，二維電離室[31]、半導體[32]和三維ArcCheck等設備在患者劑量驗證中大大簡化了QA模式。相對于常規(guī)治療技術而言，HT作為一種新型放療技術，伴隨其最新技術如TomoDirect、動態(tài)鎢門(Dynamic Jaw)應用于臨床，目前各系統(tǒng)之間QA存在一定的差異性。HT未來QA模式將主要包括：基于系統(tǒng)還是組件QA，基于Internet建立系統(tǒng)自身還是系統(tǒng)之間相互比對的QA機制，基于質(zhì)控失敗率還是預測風險QA評估，基于系統(tǒng)自身還是第三方驗證設備QA。其發(fā)展的執(zhí)行模式將是更加快捷、精準且有效?？傊?，我院HT五年QC結果顯示了較好的穩(wěn)定性及一致性?；颊逹A質(zhì)控模式從傳統(tǒng)膠片向數(shù)字化分析驗證轉變[33]。新型日常質(zhì)控設備（TomoDose、TQA工具）的應用實現(xiàn)了信息的綜合評估，可更為有效地分析和監(jiān)測機器的性能及狀態(tài)，從而對QA模式發(fā)展起了更為推動的作用。AAPM TG-148報告[34]引領了HT系統(tǒng)QA指導原則方向，但HT質(zhì)控規(guī)程仍然需要不斷完善和統(tǒng)一，未來QA執(zhí)行可能將會是一種簡單、快捷且有效的實現(xiàn)方式。

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Results of Five-year Quality Control Program and the Change of QA Mode for Helical Tomotherapy Machine

【W(wǎng)riters】CONG Xiaohu, XU Shouping, XIE Chuanbin, DAI Xiangkun, GONG Hanshun, WANG Xiaoshen Department of Radiation Oncology, PLA General Hospital, Beijing, 100853

Helical tomotherapy (HT), as a new IMRT technology, utilizes a fan beam of radiation for treatment. It combines the main characteristics of a modern CT scanner and a linear accelerator to achieve the function of helical tomotherapy. Due to the complexity of the system with a highly integrated and automated features, monitoring its operation, continuing to improve the stability and reliability, and simplifying its quality control procedures has become an important part of quality assurance (QA) for HT. Based on the results of a f ve-year quality control (QC) program, and the initial application of new QA equipment, this study will summarize the standardization mode of its QA and explore the changes of QA mode.

helical tomotherapy, quality assurance (QA), quality control (QC), change of mode

R812

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.018

1671-7104(2016)05-0380-06

2016-03-03

國家自然科學基金（11105225&61171005）

叢小虎，E-mail: congxiaohu777@163.com

徐壽平，E-mail: shouping_xu@yahoo.com