醫(yī)用直線加速器影像系統(tǒng)質(zhì)量控制方法的研究

高層層 楊磊 青島大學(xué)附屬醫(yī)院 （山東 青島 266000）

內(nèi)容提要： 為了精準(zhǔn)放療的順利實(shí)施，減少患者治療時(shí)的擺位誤差，應(yīng)定期對(duì)醫(yī)用直線加速器影像系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量保證與質(zhì)量控制。以瓦里安Vital Beam直線加速器為質(zhì)量控制對(duì)象，對(duì)影像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量、機(jī)械參數(shù)、成像坐標(biāo)系三方面進(jìn)行質(zhì)量控制方法的研究，并總結(jié)其性能指標(biāo)。醫(yī)用直線加速器作為一種治療精度高、治療效果顯著的放射治療設(shè)備，做好影像系統(tǒng)的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制是放射治療安全、精確進(jìn)行的關(guān)鍵。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，治療腫瘤的方法也日新月異，現(xiàn)階段治療腫瘤的方法有手術(shù)、化療、放療以及免疫治療，約50%以上的惡性腫瘤患者在治療過(guò)程中需行放射治療，放射治療可顯著提高腫瘤局部控制率和患者生存率。放射治療的目的不僅是精確地給予腫瘤區(qū)域足夠的治療劑量，并且保證腫瘤區(qū)域附近的正常組織器官受照劑量在合理范圍內(nèi)。精確的腫瘤定位、精確的腫瘤治療計(jì)劃設(shè)計(jì)、精確的治療構(gòu)成了現(xiàn)代腫瘤放射治療的基本原則，精確的定位腫瘤是腫瘤放射治療的基礎(chǔ)和前提。由于放射治療的生物學(xué)效應(yīng)，通常采取分次照射的方式，而每次治療時(shí)患者的體位、靶區(qū)的位置和形狀、靶區(qū)與周圍危及器官的位置關(guān)系都會(huì)發(fā)生變化，分次治療的重復(fù)性難以保證。伴隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)體層成像（Computed Tomography，CT）、磁共振成像等先進(jìn)技術(shù)融入到腫瘤放射治療中，現(xiàn)代放療技術(shù)從過(guò)去的二維普通放射治療發(fā)展到三維、四維精準(zhǔn)放療，為了保證放射治療的精準(zhǔn)高效引入了圖像引導(dǎo)放射治療（Image Guided Radiotherapy，IGRT），IGRT技術(shù)作為一種基礎(chǔ)的臨床放療實(shí)踐的組成部分，在治療過(guò)程中靶區(qū)和正常組織的位置實(shí)時(shí)監(jiān)控、射野內(nèi)劑量分布中有重要的作用。能否做好醫(yī)用直線加速器影像學(xué)部分的質(zhì)量控制，對(duì)于最大限度的殺滅腫瘤，最小限度的傷及重要器官都是非常重要，直接決定精準(zhǔn)治療的治療效果[1,2]。因此，質(zhì)量控制作為精準(zhǔn)放療實(shí)現(xiàn)的前提條件被越來(lái)越多的人重視[3]。

本文主要討論圖像引導(dǎo)放射治療的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，包括電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device，EPID）、千伏（kV）平片透視驗(yàn)證系統(tǒng)、錐形束CT系統(tǒng)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的方法，研究其在腫瘤放射治療中的重要作用。

1.醫(yī)用直線加速器影像學(xué)性能指標(biāo)

醫(yī)用加速器相連接的射線成像系統(tǒng)主要包括：兆伏（MV）平面成像，kV平面成像，以及MV或kV CT成像（包括連續(xù)光束和錐形光束）系統(tǒng)。醫(yī)用直線加速器裝有射線成像系統(tǒng)的主要原因是驗(yàn)證和更改擺位誤差，提高治療精度。通常根據(jù)每個(gè)患者實(shí)際擺位誤差情況調(diào)整放療方案。Yan等[4]提出的自適應(yīng)放療的方法就是在每個(gè)患者治療前通過(guò)影像系統(tǒng)測(cè)量每次擺位的擺位誤差，對(duì)每次擺位誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，決定是否需要修改或重新制定放療計(jì)劃。本文主要對(duì)瓦里安Vital Beam直線加速器的電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device，EPID）和錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）的質(zhì)量控制方法展開(kāi)研究。

由于醫(yī)用直線加速器主流的成像技術(shù)為kV/MV正交X射線影像技術(shù)，這種正交影像在靶區(qū)實(shí)際運(yùn)動(dòng)與治療時(shí)射線在人體內(nèi)的分布狀態(tài)之間存在缺陷，成像坐標(biāo)系與治療坐標(biāo)系之間不一致。軟件處理生成的圖像在坐標(biāo)上具有一定的誤差，確保成像坐標(biāo)系與治療坐標(biāo)系的一致性，成像與治療的一致性，在立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery，SRS）和全身立體定向放射治療（Stereotactic Radiotherapy，SBRT）更為重要。在平面kV、MV成像和錐形束CT，美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)的EPID質(zhì)量保證和《美國(guó)第142項(xiàng)目組報(bào)告（TG-142）：醫(yī)用加速器質(zhì)量保障》的內(nèi)容指出，成像坐標(biāo)系與治療坐標(biāo)系在SRS/SBRT中誤差≤1mm，在非SRS/SBRT設(shè)備中誤差≤2mm，并且要求CBCT kV探測(cè)器和kV源旋轉(zhuǎn)中心與加速器旋轉(zhuǎn)中心的重合一致性不超過(guò)1mm[5,6]。在圖像質(zhì)量方面，圖像縮放比例在SRS/SBRT中誤差應(yīng)低于1mm，在非SRS/SBRT設(shè)備中誤差應(yīng)低于2mm，圖像質(zhì)量空間分辨率、密度分辨率、放大系數(shù)、均一性等進(jìn)行測(cè)試分析，對(duì)于頭部，其基準(zhǔn)值分別為0.53lp/mm、4.2%、99.88、94.5%，對(duì)于盆腔，基準(zhǔn)值分別為0.43lp/mm、5.3%、99.72、99%。對(duì)于機(jī)械參數(shù)，CBCT源/探測(cè)器垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)影像板中心點(diǎn)精度應(yīng)少于1mm，EPID中心層面到位精度不超過(guò)±0.1cm，EPID特定層面運(yùn)動(dòng)范圍要求縱向運(yùn)動(dòng)不少于40cm，橫向運(yùn)動(dòng)不少于31.8cm。EPID探測(cè)器與加速器旋轉(zhuǎn)中心的重合一致性不超過(guò)1mm。

2.電子射野影像系統(tǒng)質(zhì)量控制方法

隨著電子射野影像系統(tǒng)的不斷發(fā)展，目前已逐步取代射野膠片。目前EPID的射線探測(cè)器的影像板由固定探測(cè)器或液態(tài)電離室組成的二維陣列構(gòu)成，將采集到的射線信號(hào)進(jìn)行處理后形成二維數(shù)字影像。自從1950年EPID在臨床上應(yīng)用以來(lái)，其在腫瘤放療中的臨床應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。目前EPID主要應(yīng)用于擺位誤差的校正、劑量驗(yàn)證、對(duì)放療元件質(zhì)量保證的應(yīng)用三個(gè)方面。擺位誤差的驗(yàn)證與校正是EPID最初的用途，尤其是自適應(yīng)放療思想的出現(xiàn)，每個(gè)患者在放療過(guò)程的初期利用EPID測(cè)量每日的擺位誤差，對(duì)擺位誤差進(jìn)行分析以確定是否需要修改治療計(jì)劃。劑量驗(yàn)證主要包括兩種比較方法：一是將EPID測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)特定算法轉(zhuǎn)化為患者平面劑量或出射劑量，與治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算的劑量相比較，二是將EPID實(shí)測(cè)的射野劑量與治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算的射野劑量相比較。EPID也可以作為劑量?jī)x使用，通過(guò)與三維水箱、電離室的測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)，以數(shù)學(xué)方法修正的方法進(jìn)行劑量學(xué)檢測(cè)。EPID對(duì)放療元件的質(zhì)量保證主要包括MLC葉片位置驗(yàn)證、燈光野實(shí)際射線野一致性等方面。正是因?yàn)镋PID的重要作用，做好EPID的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證工作是確保其正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.1 MV級(jí)能量圖像對(duì)比度分辨率測(cè)試

圖像細(xì)節(jié)對(duì)比度分辨率定義了成像設(shè)備在給定能量和分辨率下顯示低對(duì)比度對(duì)象的能力，對(duì)于MV級(jí)能量對(duì)比度分辨率測(cè)試通過(guò)拉斯維加斯模體來(lái)確定，在不同的射束能量，不同的深度條件下，觀察到圓孔的數(shù)目反映了不同的對(duì)象對(duì)比度的差異，進(jìn)而判斷圖像質(zhì)量的好壞。拉斯維加斯模體上有標(biāo)記為A、B、C、D、E、F的圓孔，要求2.5MV的X射線需看清楚A、B、C、D、E、F圓孔，4～8MV的X射線需看清楚A、B、C、D、E圓孔，10～25MV的X射線需看清楚A、B、C、D圓孔。

測(cè)試時(shí)將治療床升至等中心的位置，將拉斯維加斯模體放置在床上，將加速器十字線對(duì)齊模體，使模體居中。對(duì)于4～8MV 的低能X 射線，在Servies 模式下找到XI tab>Acquisition >MV文件，選擇select Highres Single Imaging Mode，將影像板臂移動(dòng)到-50.0/0.0/0.0位置。加速器射野大小調(diào)至13cm×13cm，模型位于加速器等中心位置。隨后加速器出束獲取影像。分析獲得的影像，并記錄每個(gè)能量下所有可見(jiàn)孔。重復(fù)測(cè)量>10MV高能X射線和<2.5MV的低能X射線的影像，并分析影像。最后記錄分析的結(jié)果。

2.2 電子射野影像系統(tǒng)機(jī)械參數(shù)的質(zhì)量控制方法

2.2.1 EPID中心層面到位精度。EPID機(jī)械臂定位到P1（0，0，0）位置，安裝前指針，使前指針接觸EPID的外表面，測(cè)量實(shí)際距離。標(biāo)記十字中心位置，觀察射野十字中心與EPID標(biāo)記十字中心位置的偏差。

2.2.2 EPID特定層面運(yùn)動(dòng)范圍。EPID機(jī)械臂在（-30，0，0）位置時(shí)，判斷前后徑向運(yùn)動(dòng)和左右橫向運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)動(dòng)范圍是否滿足要求。

2.2.3 EPID探測(cè)器與加速器旋轉(zhuǎn)中心的重合一致性。使用Isocenter Cube工具，加速器激光燈和模塊十字線對(duì)準(zhǔn)，在機(jī)架角度分別為0?、90?、270?時(shí)曝光獲取圖像。首先測(cè)量Isocenter Cube橫截面積實(shí)際大小并與5cm×5cm比較。然后比較鋼球中心與十字線中心的距離偏差。在前、后、左、右4個(gè)方向上將Isocenter Cube偏移2cm，在曝光圖像上測(cè)量位置的實(shí)際偏差。

2.2.4 GANTRY旋轉(zhuǎn)后EPID到位精度。將加速器GANTRY旋轉(zhuǎn)至90?、180?和270?后測(cè)量EPID的到位精度，測(cè)量?jī)?nèi)容包括垂直方向精度、前后徑向方向精度、左右橫向方向精度三個(gè)方面，其允許誤差<2mm。

2.2.5 EPID動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。對(duì)于EPID動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的測(cè)量，機(jī)頭上方插入IsoCal Plate Phantom，等中心擺放IsoCal Phantom；EPID成像板位于（-50，0，0）處；進(jìn)入Service模式；在Service模式下選擇運(yùn)行PVA CalibrationGeometryIsocenter Verification文件；記錄軟件分析結(jié)果。軌跡誤差應(yīng)<0.5mm。

2.3 EPID圖像噪聲測(cè)試

對(duì)于EPID圖像噪聲的測(cè)試，首先退床至初始位置，將成像板直于（-50，0，0）處；在Service模式下運(yùn)行XITaskMVTest Image chain文件，點(diǎn)擊start，在ROI中選擇512×512 Size，獲取Noise圖像并讀取偏差值并記錄。其標(biāo)準(zhǔn)偏差值應(yīng)<10。

3.錐形束CT的質(zhì)量控制方法

錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）具有體積小、高空間分辨率、重量輕的特點(diǎn)，能夠與直線加速器整合，配合呼吸門控等系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)一圈或半圈就可以重建某一體積的CT影像，將重建的CBCT影像與治療計(jì)劃配準(zhǔn)后確定當(dāng)前擺位與治療計(jì)劃位置的差別，系統(tǒng)就可以通過(guò)校正治療床的方法修正誤差。并且CBCT具有比傳統(tǒng)CT更高的空間分辨率，對(duì)軟組織結(jié)構(gòu)的分辨能力很高。利用CBCT糾正擺位誤差對(duì)于骨性標(biāo)志不明顯的腹部、盆腔腫瘤的治療有重要作用。

3.1 CBCT的CT值校準(zhǔn)方法

通過(guò)瓦里安系統(tǒng)自帶的PVA校準(zhǔn)工具，計(jì)算Catphan 604模體圖像的CT值，確定影像系統(tǒng)CT的準(zhǔn)確性，Catphan 604模體中含有聚四氟乙烯、空氣等材料，根據(jù)這些材料的標(biāo)準(zhǔn)CT值與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的比較結(jié)果確定影像系統(tǒng)CT的準(zhǔn)確性，其誤差值在±50HU之內(nèi)。

測(cè)試過(guò)程在Service模式下的PVA校準(zhǔn)模塊下進(jìn)行。將Catphan604模體放在治療床上，并將其與激光線對(duì)齊。在PVA校準(zhǔn)中，選擇Details選項(xiàng)，然后選擇Modality下的CBCT，其中有HU的校準(zhǔn)選項(xiàng)。掃描方式選擇頭部掃描。選擇圖像橫斷面視圖。使用窗寬窗位工具調(diào)整圖像。掃描完成后選擇工具欄上的直方圖選項(xiàng)觀察HU值的偏差，然后移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)單擊圖像上的空氣等物質(zhì)。在直方圖窗口中單擊鼠標(biāo)右鍵，然后單擊然后選擇“Show Statistics”。使用鼠標(biāo)右鍵單擊ROI并將其大小選擇為7mm×7mm。使用鼠標(biāo)拖動(dòng)ROI并將其放置在模體圖像上空氣等均勻物質(zhì)上。確定各物質(zhì)平均CT值，并記錄。使用相同的ROI大小，在盆腔掃描模式重復(fù)上述步驟。

3.2 CBCT kV探測(cè)器和kV源旋轉(zhuǎn)中心與加速器旋轉(zhuǎn)中心的重合一致性

使用瓦里安加速器自帶的Isocenter Cube模塊，將直線加速器激光燈和模塊十字線對(duì)準(zhǔn)，在機(jī)架角分別為0?、90?、180?、270?時(shí)分別曝光獲取圖像，比較模塊中心鋼球與模塊十字線中心的距離偏差。

3.3 CBCT縮放比例

使用瓦里安加速器自帶的Isocenter Cube模塊，將直線加速器激光燈和模塊十字線對(duì)準(zhǔn)，在機(jī)架角分別為0?、90?、180?、270?時(shí)分別曝光獲取圖像，將曝光獲取圖像放大、縮小，測(cè)量其大小與實(shí)際的差別。

3.4 CBCT源/探測(cè)器垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)影像板中心點(diǎn)精度

加速器機(jī)架角旋轉(zhuǎn)至90?，探測(cè)器移動(dòng)到-20的位置上，標(biāo)記中心點(diǎn)的位置，畫十字線做標(biāo)記，用卷尺測(cè)量中心點(diǎn)與等中心點(diǎn)的距離，計(jì)算偏差。隨后上下移動(dòng)探測(cè)器10cm，觀察激光燈中心與畫出的十字線中心的偏差。

3.5 CBCT配準(zhǔn)精度測(cè)試

使用瓦里安加速器自帶的等中心模塊，首先將模體放在頂部，加速器激光燈對(duì)齊模塊上的十字線，曝光獲取圖像，保持底座位置不變，模體向后向下移動(dòng)2cm后，再次曝光獲取圖像，自動(dòng)配準(zhǔn)后觀察配準(zhǔn)位移與2cm間的偏差。

4.小結(jié)

醫(yī)用直線加速器作為腫瘤精準(zhǔn)治療的利器被越來(lái)越多的醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用，而醫(yī)用直線加速器的影像系統(tǒng)是實(shí)施精準(zhǔn)治療的前提和保證。文中從影像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量、機(jī)械參數(shù)、成像坐標(biāo)系三方面總結(jié)了醫(yī)用直線加速器質(zhì)量控制方法并確定其性能指標(biāo)。該文對(duì)日常工作中影像系統(tǒng)的質(zhì)量控制提供了新的方法和思路，有助于各放療中心建立完善的質(zhì)量控制體系，完善規(guī)章制度。