一種新型CT模擬機定位床的改進設計及驗收測試

肖青，李光俊，柏森

四川大學華西醫院腫瘤中心 生物治療國家重點實驗室 放療科，成都市，610041

0 引言

腫瘤的治療手段主要包括手術治療、放射治療和系統治療（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后對腫瘤治愈率貢獻最大的治療手段[2]。隨著圖像引導放療技術[3]、調強適形放療技術[4]、容積旋轉調強放療[5]技術、立體定向放療技術[6]和質子治療技術[7]的迅速發展，放射治療進入精準放療時代。精確定位是精準放療的關鍵環節，也是精確計劃和精確治療的基礎[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性，為靶區及正常組織的勾畫提供精準影像，為放療計劃的劑量計算提供準確數據[9-12]。目前，精確定位的主要設備是CT模擬機，即配備有平板床的專用或常規CT機[10-11]。通常，CT模擬機定位床是與加速器治療床一致的平板床，而非診斷CT機用的弧形凹面床。臨床上，定位床的幾何形狀誤差會導致分次治療擺位誤差[10]，定位床的位置和步進運動精度會影響CT影像的空間幾何失真度[13-14]，床面的垂直和縱向運動數字顯示誤差會導致定位標記點的設置誤差[10]，平板床中含有產生偽影的物質會導致影像質量變差，這些都會影響放療質量。然而，在臨床工作中CT模擬機定位床的性能檢測容易被忽視，且將診斷CT機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題。因此，CT模擬機定位床的質量控制（quality control,QC）及質量保證（quality assurance,QA）要求相比診斷CT機弧形凹面床更為嚴格。下面重點闡述四川大學華西醫院引進的全國第一臺放療專用GE Revolution CT模擬機定位床驗收過程中的改進設計及性能測試。

1 材料與方法

1.1 GE Revolution CT模擬機

四川大學華西醫院引進全國第一臺美國GE公司256排Revolution放療專用CT模擬機，并于2020年4月安裝調試完畢。Revolution CT模擬機是一款具有“能譜”“寬體”和“速度”優勢的高端CT機，配備了美國CIVCO公司放療專用碳纖維結構平板床和德國LAP公司外置可移動激光定位系統。定位床全長2 793 mm，碳纖維平板床面長2 174 mm，寬530 mm，可掃描區域長1 735 mm。平板床結構經過優化設計，掃描區域由碳纖維層組成，非掃描區域內含鋁芯，在不影響掃描的情況下進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計，如圖1所示，在進床的同時提供可變的向上支撐力（最大支撐130 N），使得進床過程中床板振動及下沉進一步減小。

1.2 測試模體及工具

廠商提供的CT激光質控儀，由3個立方體組成，每個立方體中心處有一個由低密度材料填充的寬度為1 mm的“十”字凹槽，3個凹槽處于同一平面，如圖2(a)所示。CT激光質控儀軸掃圖像，如圖2(b)所示。日本Mitutoyo數顯水平儀，0～9.9o測量范圍內精度為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 彈性滑車支撐結構Fig.1 Elastic pulley supporting structure.

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

1.3 驗收內容及指標

Revolution CT模擬機定位床驗收測試主要參考美國醫學物理家學會（American Association of Physicists in Medicine,AAPM）TG-66號報告[10]、TG-39號報告[15]及國際原子能機構（International Atomic Energy Agency,IAEA）人類健康系列第19號報告[11]。AAPM TG-66號報告要求在定位床至少負載75 kg的情況下進行相關測試，IAEA人類健康系列第19號報告要求分別在定位床負載70 kg及140 kg的情況下進行測試。由于我國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]，結合實際情況，本研究分別在定位床負載0 kg、25 kg、50 kg、75 kg和100 kg的情況下（模擬不同體重患者）進行驗收測試。

驗收內容及指標包括：①床面應水平且與成像平面垂直正交；②手動按鈕控制下定位床垂直和縱向運動數字顯示應精確并可重復；③控制臺控制下定位床的步進及位置應準確；④掃描區域內定位床不應含有任何產生偽影的附件（如螺釘等）。

1.3.1 床面水平且與成像平面垂直正交測試

測試方法：每級負載下，通過水平儀測量床面頭腳（S-I）方向和左右（L-R）方向傾角，每個方向測量3次取平均值；將CT激光質控儀分別卡在平板床H4-H3、H1-H0、F2-F3和F5-F6四個位置處進行掃描，每個位置間隔420 mm，范圍1 260 mm。每次掃描時，保持定位床高度示數不變，將CT激光質控儀3個立方體凹槽與CT模擬機內橫向激光燈對齊，以0.625 mm的層厚進行軸掃，掃描過程中不移動床。在清晰顯示三個“十”字線的同一層面，通過光標工具測量每個“十”字線中心孔在S-I、A-P和L-R方向的位置坐標。

驗收指標：三個“十”字線中心孔在S-I方向、L-R方向和A-P方向坐標最大偏差均在±2 mm內。

1.3.2 手動按鈕控制下定位床縱向和垂直運動精度測試

測試方法：①縱向運動：每級負載下，將長尺水平放置于床面，使其邊緣與平板床邊緣對齊，1 cm刻線與橫向外激光對齊，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；將床設為“0”位，進床至長尺99 cm刻線然后回到1 cm刻線的過程中，記錄3個方向上示數顯示移動距離與尺子測量實際距離的最大偏差。②垂直運動：尺子固定方式與縱向運動測試一致，將床降至掃描孔內最低位置并設為“0”位；在升床20 cm然后回到“0”位的過程中，記錄3個方向上床的示數顯示移動距離與尺子測量實際距離的最大偏差。

驗收指標：手動按鈕控制下定位床縱向和垂直運動數字顯示各方向最大偏差在±1 mm內。

1.3.3 控制臺掃描控制下定位床步進及位置精度測試

測試方法：尺子固定方式與手動按鈕控制下定位床縱向運動測試一致。將床設為“0”位后，在控制臺掃描控制下進床98 cm，然后退床98 cm，記錄三個方向外激光燈在長尺上的位置偏差，重復3次，取平均值。

驗收指標：控制臺掃描控制下定位床步進運動各方向最大偏差在±1 mm內。

1.3.4 掃描區域內定位床偽影測試

測試方法：在進床最大范圍內，對平板床進行掃描，檢查掃描區域內平板床是否含有任何干擾圖像質量的物質。

驗收指標：掃描區域內平板床不應含有任何產生偽影的物質。

1.3.5 驗收中定位床的改進設計

驗收過程中發現，每級負載下CT激光質控儀3個“十”字線中心孔A-P方向平均坐標在定位床四個掃描測試位置間的最大偏差均超過3 mm（空載達7.04 mm），不符合驗收標準，因此，需對定位床進行改進。改進設計如圖3(a)所示，空載下，平板床靠機架端傾角向上，在掃描層面，H3-H4測量位置相比F5-F6測量位置改進后期望的最大偏差為+2 mm（HE0）；負載100 kg下，平板床靠機架端傾角向下，H3-H4位置相比F5-F6位置期望的最大偏差為-2 mm（-HE100）。根據空載和負載100 kg下實際測量的H3-H4位置相比F5-F6位置的最大偏差H0和H100，計算出平板床尾端底座的理論補償高度范圍ΔH0～ΔH100。計算方法如下：

空載：

負載100 kg：

其中，S為床面H3-H4測量位置到F5-F6測量位置的長度，為1 260 mm；L為平板床機架端卡扣支撐位置到平板床尾端底座支撐位置的長度，為2 100 mm；α0、β0分別為空載下改進前和期望的改進后最大床面傾角，α100、β100分別為負載100 kg下改進前和期望的改進后床面最大傾角。據此，計算出補償高度范圍，再通過3D打印技術生成不同規格厚度的ABS適形補償片，以將固定底座墊高，如圖3(b)所示。通過多次測試，確定定位床性能達到最優狀態的實際補償高度。

圖3 改進設計原理及3D打印補償片示意圖Fig.3 Schematic diagram of improved design principle and 3D printing compensation film

2 結果

改進前，H0和H100測量結果分別為7.04 mm和3.21 mm，據此計算出理論補償高度范圍為8.40～8.68 mm。多次調試后，定位床性能達到最優狀態下實際ABS適形補償片高度為8.60 mm。改進前，不同負載下CT激光質控儀“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，符合驗收標準；A-P方向最大偏差大于3 mm，不符合標準。改進后，非零負載下所有方向最大偏差均滿足驗收標準。

改進前后每級負載下CT激光質控儀3個“十”字線中心孔在A-P方向的平均位置坐標在進床過程中變化趨勢不同（見圖4）；改進前不同負載下四個測量位置A-P方向的平均位置坐標偏差范圍為3.21～ 7.04 mm，改進后減小為－1.65～ 2.03 mm，且改進后最大偏差的標準差進一步減小至0.1 mm內（見圖5）。

圖4 改進前后CT激光質控儀3個“十”字線中心孔在四個測量位置處A-P方向的平均位置坐標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 改進前后不同負載下CT激光質控儀3個“十”字線中心孔在四個測量位置間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.

改進前，不同負載下平板床床面在S-I方向的最大傾斜角范圍為0.15o～0.30o，改進后減小至±0.08o內，改進前后L-R方向傾斜角均在±0.07o內。改進后，手動按鈕控制下定位床垂直和縱向運動范圍內數字顯示最大偏差均在±1 mm內，控制臺掃描控制下數字顯示最大偏差均在±0.1 mm內，均符合驗收標準。在整個可掃描區域內，定位床影像清晰、密度均勻，未見任何明顯偽影。

3 討論分析

隨著放療技術的不斷更新和發展，放療定位精度要求越來越嚴格。精確模擬定位是實現精準放療的基本手段，但是，CT模擬機的質量控制受重視程度卻遠遠低于治療機[17]。臨床上，CT模擬機的相關質控研究多關于圖像質量及CT電子密度的穩定性[18-20]，而定位床的性能監測往往容易被忽視[9]。GE Revolution CT模擬機定位床是專為放療定位而設計，一方面在治療床前端采用彈性滑車支撐設計，在進床的同時提供可變的支撐力，進一步減小了定位床的振動和下沉；另一方面，通過對床板結構進行優化設計，在不影響掃描的情況下進一步提高了床板的剛性。結合Revolution CT機具有的“能譜”“寬體”和“速度”的優勢，可進一步提高放療定位的精度和效率。

通常，CT模擬機定位床與治療機上的治療床存在差異，兩種床的下沉幅度不同，這些差異可能會導致擺位誤差。目前，對于CT模擬機的驗收標準主要還是參照AAPM TG-66號報告。但是，不同廠家生產的CT模擬機性能參數差異較大，在安裝和調試過程中還存在一定偏差，各放療中心需要根據實際應用情況制定符合本單位臨床要求的CT模擬定位機質量控制措施[19]。其中，對于CT模擬機定位床的性能測試AAPM TG-66號報告建議至少在75 kg的負載下進行。然而，我國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。結合臨床實際情況，本研究在定位床負載0 kg、25 kg、50 kg、75 kg和100 kg的情況下進行相關測試，負載范圍涵蓋本中心幾乎所有的腫瘤患者體重。研究中發現，隨著負載減少，四個測量位置處定位床A-P方向的偏差逐漸增大。這一現象應在體重較輕、治療范圍較長的患者（如全腦全脊髓兒童患者）的放療定位中得到足夠重視。結果表明，僅在75 kg負載下進行測試無法有效把握定位床在不同負載下A-P方向的偏差，可能導致體重較輕、治療范圍較長的患者放療定位誤差。

驗收測試過程中發現，每級負載下CT激光質控儀3個“十”字線中心孔扎在A-P方向的最大偏差均超過3 mm，不符合驗收標準。就如何解決此類問題，目前幾乎沒有相關文獻研究報道。測試過程中發現，由于受多種因素的影響，隨著負載的增加以及進床距離的增加，定位床A-P方向的偏差并非線性變化，基于有限的測量數據建立準確模型仍存在一定困難。本研究提出了一種簡單有效的改進方案，根據改進前空載和負載100 kg下測量范圍內A-P方向的最大偏差（分別為7.04 mm和3.21 mm）以及期望的測量范圍內允許的最大偏差（分別為2 mm和-2 mm），進而計算出定位床底座補償高度范圍（8.4～8.68 mm），再通過3D打印技術制作完全適形的ABS補償片將平板床底座墊高。而經過多次測試，定位床性能達到最優狀態下實際補償片高度為8.6 mm，與理論計算結果一致。改進后空載和負載100 kg下測量范圍內A-P方向的最大偏差分別為2.03 mm和-1.65mm，在25～75 kg范圍內的特定負載下，A-P方向的最大偏差在±1 mm內，可同時滿足兒童和成人患者高精準放療定位需求。

綜上所述，改進后，GE Revolution CT模擬機定位床各項測試均符合驗收標準。每級負載下，床面S-I方向和L-R方向最大傾斜角均在±0.1o內；手動按鈕控制下定位床垂直和縱向運動范圍內3個方向數字顯示最大偏差均在±1 mm內；控制臺掃描控制下定位床步進運動各方向最大偏差均在±0.1 mm內；整個掃描范圍內，定位床影像清晰，無任何明顯偽影；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）醫療的技術支持。