一種新型CT模擬機(jī)定位床的改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)收測(cè)試

肖青，李光俊，柏森

四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心 生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 放療科，成都市，610041

0 引言

腫瘤的治療手段主要包括手術(shù)治療、放射治療和系統(tǒng)治療（如化療、靶向治療、激素治療及免疫治療等）[1]。其中放射治療是繼手術(shù)后對(duì)腫瘤治愈率貢獻(xiàn)最大的治療手段[2]。隨著圖像引導(dǎo)放療技術(shù)[3]、調(diào)強(qiáng)適形放療技術(shù)[4]、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療[5]技術(shù)、立體定向放療技術(shù)[6]和質(zhì)子治療技術(shù)[7]的迅速發(fā)展，放射治療進(jìn)入精準(zhǔn)放療時(shí)代。精確定位是精準(zhǔn)放療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是精確計(jì)劃和精確治療的基礎(chǔ)[8]。模擬定位的主要目的包括為分次治療提供良好的擺位重復(fù)性，為靶區(qū)及正常組織的勾畫(huà)提供精準(zhǔn)影像，為放療計(jì)劃的劑量計(jì)算提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[9-12]。目前，精確定位的主要設(shè)備是CT模擬機(jī)，即配備有平板床的專用或常規(guī)CT機(jī)[10-11]。通常，CT模擬機(jī)定位床是與加速器治療床一致的平板床，而非診斷CT機(jī)用的弧形凹面床。臨床上，定位床的幾何形狀誤差會(huì)導(dǎo)致分次治療擺位誤差[10]，定位床的位置和步進(jìn)運(yùn)動(dòng)精度會(huì)影響CT影像的空間幾何失真度[13-14]，床面的垂直和縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)字顯示誤差會(huì)導(dǎo)致定位標(biāo)記點(diǎn)的設(shè)置誤差[10]，平板床中含有產(chǎn)生偽影的物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致影像質(zhì)量變差，這些都會(huì)影響放療質(zhì)量。然而，在臨床工作中CT模擬機(jī)定位床的性能檢測(cè)容易被忽視，且將診斷CT機(jī)弧形凹面床改造為放療專用平板床普遍存在精度不夠等問(wèn)題。因此，CT模擬機(jī)定位床的質(zhì)量控制（quality control,QC）及質(zhì)量保證（quality assurance,QA）要求相比診斷CT機(jī)弧形凹面床更為嚴(yán)格。下面重點(diǎn)闡述四川大學(xué)華西醫(yī)院引進(jìn)的全國(guó)第一臺(tái)放療專用GE Revolution CT模擬機(jī)定位床驗(yàn)收過(guò)程中的改進(jìn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試。

1 材料與方法

1.1 GE Revolution CT模擬機(jī)

四川大學(xué)華西醫(yī)院引進(jìn)全國(guó)第一臺(tái)美國(guó)GE公司256排Revolution放療專用CT模擬機(jī)，并于2020年4月安裝調(diào)試完畢。Revolution CT模擬機(jī)是一款具有“能譜”“寬體”和“速度”優(yōu)勢(shì)的高端CT機(jī)，配備了美國(guó)CIVCO公司放療專用碳纖維結(jié)構(gòu)平板床和德國(guó)LAP公司外置可移動(dòng)激光定位系統(tǒng)。定位床全長(zhǎng)2 793 mm，碳纖維平板床面長(zhǎng)2 174 mm，寬530 mm，可掃描區(qū)域長(zhǎng)1 735 mm。平板床結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，掃描區(qū)域由碳纖維層組成，非掃描區(qū)域內(nèi)含鋁芯，在不影響掃描的情況下進(jìn)一步提高了平板床的剛性。定位床前端采用彈性滑車支撐設(shè)計(jì)，如圖1所示，在進(jìn)床的同時(shí)提供可變的向上支撐力（最大支撐130 N），使得進(jìn)床過(guò)程中床板振動(dòng)及下沉進(jìn)一步減小。

1.2 測(cè)試模體及工具

廠商提供的CT激光質(zhì)控儀，由3個(gè)立方體組成，每個(gè)立方體中心處有一個(gè)由低密度材料填充的寬度為1 mm的“十”字凹槽，3個(gè)凹槽處于同一平面，如圖2(a)所示。CT激光質(zhì)控儀軸掃圖像，如圖2(b)所示。日本Mitutoyo數(shù)顯水平儀，0～9.9o測(cè)量范圍內(nèi)精度為0.01o。200 mm、1 000 mm鋼直尺各1把，300 mm鋼直角尺1把，游標(biāo)卡尺1把。25 kg鐵塊4塊，用于模擬不同患者體重。

圖1 彈性滑車支撐結(jié)構(gòu)Fig.1 Elastic pulley supporting structure.

圖2 CT激光質(zhì)控儀及其軸掃圖像Fig.2 The CT laser QA device and it’s axial scan image

1.3 驗(yàn)收內(nèi)容及指標(biāo)

Revolution CT模擬機(jī)定位床驗(yàn)收測(cè)試主要參考美國(guó)醫(yī)學(xué)物理家學(xué)會(huì)（American Association of Physicists in Medicine,AAPM）TG-66號(hào)報(bào)告[10]、TG-39號(hào)報(bào)告[15]及國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency,IAEA）人類健康系列第19號(hào)報(bào)告[11]。AAPM TG-66號(hào)報(bào)告要求在定位床至少負(fù)載75 kg的情況下進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，IAEA人類健康系列第19號(hào)報(bào)告要求分別在定位床負(fù)載70 kg及140 kg的情況下進(jìn)行測(cè)試。由于我國(guó)18歲以上成年男性和女性的平均體重分別為66.2 kg和57.3 kg[16]，結(jié)合實(shí)際情況，本研究分別在定位床負(fù)載0 kg、25 kg、50 kg、75 kg和100 kg的情況下（模擬不同體重患者）進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試。

驗(yàn)收內(nèi)容及指標(biāo)包括：①床面應(yīng)水平且與成像平面垂直正交；②手動(dòng)按鈕控制下定位床垂直和縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)字顯示應(yīng)精確并可重復(fù)；③控制臺(tái)控制下定位床的步進(jìn)及位置應(yīng)準(zhǔn)確；④掃描區(qū)域內(nèi)定位床不應(yīng)含有任何產(chǎn)生偽影的附件（如螺釘?shù)龋?/p>

1.3.1 床面水平且與成像平面垂直正交測(cè)試

測(cè)試方法：每級(jí)負(fù)載下，通過(guò)水平儀測(cè)量床面頭腳（S-I）方向和左右（L-R）方向傾角，每個(gè)方向測(cè)量3次取平均值；將CT激光質(zhì)控儀分別卡在平板床H4-H3、H1-H0、F2-F3和F5-F6四個(gè)位置處進(jìn)行掃描，每個(gè)位置間隔420 mm，范圍1 260 mm。每次掃描時(shí)，保持定位床高度示數(shù)不變，將CT激光質(zhì)控儀3個(gè)立方體凹槽與CT模擬機(jī)內(nèi)橫向激光燈對(duì)齊，以0.625 mm的層厚進(jìn)行軸掃，掃描過(guò)程中不移動(dòng)床。在清晰顯示三個(gè)“十”字線的同一層面，通過(guò)光標(biāo)工具測(cè)量每個(gè)“十”字線中心孔在S-I、A-P和L-R方向的位置坐標(biāo)。

驗(yàn)收指標(biāo)：三個(gè)“十”字線中心孔在S-I方向、L-R方向和A-P方向坐標(biāo)最大偏差均在±2 mm內(nèi)。

1.3.2 手動(dòng)按鈕控制下定位床縱向和垂直運(yùn)動(dòng)精度測(cè)試

測(cè)試方法：①縱向運(yùn)動(dòng)：每級(jí)負(fù)載下，將長(zhǎng)尺水平放置于床面，使其邊緣與平板床邊緣對(duì)齊，1 cm刻線與橫向外激光對(duì)齊，并用膠帶固定；將直角尺垂直放置于床面，使其與水平方向外激光垂直后用膠帶固定；將短尺平放于床面，使其與縱向外激光垂直后用膠帶固定；將床設(shè)為“0”位，進(jìn)床至長(zhǎng)尺99 cm刻線然后回到1 cm刻線的過(guò)程中，記錄3個(gè)方向上示數(shù)顯示移動(dòng)距離與尺子測(cè)量實(shí)際距離的最大偏差。②垂直運(yùn)動(dòng)：尺子固定方式與縱向運(yùn)動(dòng)測(cè)試一致，將床降至掃描孔內(nèi)最低位置并設(shè)為“0”位；在升床20 cm然后回到“0”位的過(guò)程中，記錄3個(gè)方向上床的示數(shù)顯示移動(dòng)距離與尺子測(cè)量實(shí)際距離的最大偏差。

驗(yàn)收指標(biāo)：手動(dòng)按鈕控制下定位床縱向和垂直運(yùn)動(dòng)數(shù)字顯示各方向最大偏差在±1 mm內(nèi)。

1.3.3 控制臺(tái)掃描控制下定位床步進(jìn)及位置精度測(cè)試

測(cè)試方法：尺子固定方式與手動(dòng)按鈕控制下定位床縱向運(yùn)動(dòng)測(cè)試一致。將床設(shè)為“0”位后，在控制臺(tái)掃描控制下進(jìn)床98 cm，然后退床98 cm，記錄三個(gè)方向外激光燈在長(zhǎng)尺上的位置偏差，重復(fù)3次，取平均值。

驗(yàn)收指標(biāo)：控制臺(tái)掃描控制下定位床步進(jìn)運(yùn)動(dòng)各方向最大偏差在±1 mm內(nèi)。

1.3.4 掃描區(qū)域內(nèi)定位床偽影測(cè)試

測(cè)試方法：在進(jìn)床最大范圍內(nèi)，對(duì)平板床進(jìn)行掃描，檢查掃描區(qū)域內(nèi)平板床是否含有任何干擾圖像質(zhì)量的物質(zhì)。

驗(yàn)收指標(biāo)：掃描區(qū)域內(nèi)平板床不應(yīng)含有任何產(chǎn)生偽影的物質(zhì)。

1.3.5 驗(yàn)收中定位床的改進(jìn)設(shè)計(jì)

驗(yàn)收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，每級(jí)負(fù)載下CT激光質(zhì)控儀3個(gè)“十”字線中心孔A-P方向平均坐標(biāo)在定位床四個(gè)掃描測(cè)試位置間的最大偏差均超過(guò)3 mm（空載達(dá)7.04 mm），不符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，因此，需對(duì)定位床進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖3(a)所示，空載下，平板床靠機(jī)架端傾角向上，在掃描層面，H3-H4測(cè)量位置相比F5-F6測(cè)量位置改進(jìn)后期望的最大偏差為+2 mm（HE0）；負(fù)載100 kg下，平板床靠機(jī)架端傾角向下，H3-H4位置相比F5-F6位置期望的最大偏差為-2 mm（-HE100）。根據(jù)空載和負(fù)載100 kg下實(shí)際測(cè)量的H3-H4位置相比F5-F6位置的最大偏差H0和H100，計(jì)算出平板床尾端底座的理論補(bǔ)償高度范圍ΔH0～ΔH100。計(jì)算方法如下：

空載：

負(fù)載100 kg：

其中，S為床面H3-H4測(cè)量位置到F5-F6測(cè)量位置的長(zhǎng)度，為1 260 mm；L為平板床機(jī)架端卡扣支撐位置到平板床尾端底座支撐位置的長(zhǎng)度，為2 100 mm；α0、β0分別為空載下改進(jìn)前和期望的改進(jìn)后最大床面傾角，α100、β100分別為負(fù)載100 kg下改進(jìn)前和期望的改進(jìn)后床面最大傾角。據(jù)此，計(jì)算出補(bǔ)償高度范圍，再通過(guò)3D打印技術(shù)生成不同規(guī)格厚度的ABS適形補(bǔ)償片，以將固定底座墊高，如圖3(b)所示。通過(guò)多次測(cè)試，確定定位床性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)的實(shí)際補(bǔ)償高度。

圖3 改進(jìn)設(shè)計(jì)原理及3D打印補(bǔ)償片示意圖Fig.3 Schematic diagram of improved design principle and 3D printing compensation film

2 結(jié)果

改進(jìn)前，H0和H100測(cè)量結(jié)果分別為7.04 mm和3.21 mm，據(jù)此計(jì)算出理論補(bǔ)償高度范圍為8.40～8.68 mm。多次調(diào)試后，定位床性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)下實(shí)際ABS適形補(bǔ)償片高度為8.60 mm。改進(jìn)前，不同負(fù)載下CT激光質(zhì)控儀“十”字線中心孔在S-I方向和L-R方向的最大偏差分別小于1 mm和1.5 mm，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；A-P方向最大偏差大于3 mm，不符合標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后，非零負(fù)載下所有方向最大偏差均滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

改進(jìn)前后每級(jí)負(fù)載下CT激光質(zhì)控儀3個(gè)“十”字線中心孔在A-P方向的平均位置坐標(biāo)在進(jìn)床過(guò)程中變化趨勢(shì)不同（見(jiàn)圖4）；改進(jìn)前不同負(fù)載下四個(gè)測(cè)量位置A-P方向的平均位置坐標(biāo)偏差范圍為3.21～ 7.04 mm，改進(jìn)后減小為－1.65～ 2.03 mm，且改進(jìn)后最大偏差的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)一步減小至0.1 mm內(nèi)（見(jiàn)圖5）。

圖4 改進(jìn)前后CT激光質(zhì)控儀3個(gè)“十”字線中心孔在四個(gè)測(cè)量位置處A-P方向的平均位置坐標(biāo)Fig.4 The average position coordinates of the three "ten" center holes of the CT laser QC device in the A-P direction at the four measurement positions before and after the improvement

圖5 改進(jìn)前后不同負(fù)載下CT激光質(zhì)控儀3個(gè)“十”字線中心孔在四個(gè)測(cè)量位置間A-P方向的最大偏差Fig.5 The maximum deviation of the three "ten" center holes of the CT laser QC device in the A-P direction at the four measurement positions under different loads before and after improvement.

改進(jìn)前，不同負(fù)載下平板床床面在S-I方向的最大傾斜角范圍為0.15o～0.30o，改進(jìn)后減小至±0.08o內(nèi)，改進(jìn)前后L-R方向傾斜角均在±0.07o內(nèi)。改進(jìn)后，手動(dòng)按鈕控制下定位床垂直和縱向運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)數(shù)字顯示最大偏差均在±1 mm內(nèi)，控制臺(tái)掃描控制下數(shù)字顯示最大偏差均在±0.1 mm內(nèi)，均符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在整個(gè)可掃描區(qū)域內(nèi)，定位床影像清晰、密度均勻，未見(jiàn)任何明顯偽影。

3 討論分析

隨著放療技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，放療定位精度要求越來(lái)越嚴(yán)格。精確模擬定位是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放療的基本手段，但是，CT模擬機(jī)的質(zhì)量控制受重視程度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于治療機(jī)[17]。臨床上，CT模擬機(jī)的相關(guān)質(zhì)控研究多關(guān)于圖像質(zhì)量及CT電子密度的穩(wěn)定性[18-20]，而定位床的性能監(jiān)測(cè)往往容易被忽視[9]。GE Revolution CT模擬機(jī)定位床是專為放療定位而設(shè)計(jì)，一方面在治療床前端采用彈性滑車支撐設(shè)計(jì)，在進(jìn)床的同時(shí)提供可變的支撐力，進(jìn)一步減小了定位床的振動(dòng)和下沉；另一方面，通過(guò)對(duì)床板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不影響掃描的情況下進(jìn)一步提高了床板的剛性。結(jié)合Revolution CT機(jī)具有的“能譜”“寬體”和“速度”的優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步提高放療定位的精度和效率。

通常，CT模擬機(jī)定位床與治療機(jī)上的治療床存在差異，兩種床的下沉幅度不同，這些差異可能會(huì)導(dǎo)致擺位誤差。目前，對(duì)于CT模擬機(jī)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)主要還是參照AAPM TG-66號(hào)報(bào)告。但是，不同廠家生產(chǎn)的CT模擬機(jī)性能參數(shù)差異較大，在安裝和調(diào)試過(guò)程中還存在一定偏差，各放療中心需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況制定符合本單位臨床要求的CT模擬定位機(jī)質(zhì)量控制措施[19]。其中，對(duì)于CT模擬機(jī)定位床的性能測(cè)試AAPM TG-66號(hào)報(bào)告建議至少在75 kg的負(fù)載下進(jìn)行。然而，我國(guó)18歲以上成年男性和女性的平均體重分別為66.2 kg和57.3 kg[16]，且臨床上放療患者包括兒童、青少年和成年人，體重差異較大。結(jié)合臨床實(shí)際情況，本研究在定位床負(fù)載0 kg、25 kg、50 kg、75 kg和100 kg的情況下進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，負(fù)載范圍涵蓋本中心幾乎所有的腫瘤患者體重。研究中發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)載減少，四個(gè)測(cè)量位置處定位床A-P方向的偏差逐漸增大。這一現(xiàn)象應(yīng)在體重較輕、治療范圍較長(zhǎng)的患者（如全腦全脊髓兒童患者）的放療定位中得到足夠重視。結(jié)果表明，僅在75 kg負(fù)載下進(jìn)行測(cè)試無(wú)法有效把握定位床在不同負(fù)載下A-P方向的偏差，可能導(dǎo)致體重較輕、治療范圍較長(zhǎng)的患者放療定位誤差。

驗(yàn)收測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，每級(jí)負(fù)載下CT激光質(zhì)控儀3個(gè)“十”字線中心孔扎在A-P方向的最大偏差均超過(guò)3 mm，不符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。就如何解決此類問(wèn)題，目前幾乎沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)研究報(bào)道。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于受多種因素的影響，隨著負(fù)載的增加以及進(jìn)床距離的增加，定位床A-P方向的偏差并非線性變化，基于有限的測(cè)量數(shù)據(jù)建立準(zhǔn)確模型仍存在一定困難。本研究提出了一種簡(jiǎn)單有效的改進(jìn)方案，根據(jù)改進(jìn)前空載和負(fù)載100 kg下測(cè)量范圍內(nèi)A-P方向的最大偏差（分別為7.04 mm和3.21 mm）以及期望的測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大偏差（分別為2 mm和-2 mm），進(jìn)而計(jì)算出定位床底座補(bǔ)償高度范圍（8.4～8.68 mm），再通過(guò)3D打印技術(shù)制作完全適形的ABS補(bǔ)償片將平板床底座墊高。而經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，定位床性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)下實(shí)際補(bǔ)償片高度為8.6 mm，與理論計(jì)算結(jié)果一致。改進(jìn)后空載和負(fù)載100 kg下測(cè)量范圍內(nèi)A-P方向的最大偏差分別為2.03 mm和-1.65mm，在25～75 kg范圍內(nèi)的特定負(fù)載下，A-P方向的最大偏差在±1 mm內(nèi)，可同時(shí)滿足兒童和成人患者高精準(zhǔn)放療定位需求。

綜上所述，改進(jìn)后，GE Revolution CT模擬機(jī)定位床各項(xiàng)測(cè)試均符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。每級(jí)負(fù)載下，床面S-I方向和L-R方向最大傾斜角均在±0.1o內(nèi)；手動(dòng)按鈕控制下定位床垂直和縱向運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)3個(gè)方向數(shù)字顯示最大偏差均在±1 mm內(nèi)；控制臺(tái)掃描控制下定位床步進(jìn)運(yùn)動(dòng)各方向最大偏差均在±0.1 mm內(nèi)；整個(gè)掃描范圍內(nèi)，定位床影像清晰，無(wú)任何明顯偽影；其性能滿足本中心不同體重患者的高精度放療定位需求。

致謝

衷心感謝GE（中國(guó)）醫(yī)療的技術(shù)支持。