醫用射波刀系統的質量保證測試研究

趙鵬，蘇秀軍，王宇，孔得福，楊兆祿

魯西南醫院放療科，山東 聊城 252327

射波刀是一種可應用于全身腫瘤的立體定向放射外科治療設備[1]，放射外科手術機器人又稱為射波刀或者賽博刀，其機械精度可達到亞毫米級[2-3]，真正實現了精準治療。射波刀實時影像追蹤方式根據追蹤部位的不同，可分為6D-skull（顱骨）追蹤、X-sight（椎體）追蹤、金標fiducial（標志點）追蹤、Sychrony同步呼吸追蹤及X-sight lung（肺）追蹤5種方式[4-6]。射波刀由于其復雜的多系統結構，再配備其特有的追蹤照射技術,為了確保照射的精確性,需建立起可靠可行的一套物理技術方面的質量保證流程。結合傳統的加速器CT和CBCT資料，能夠大大減少誤差。優化整個數據的采集和應用[7]。結合對應的機械手臂操作方式，調節誤差范圍，最終達到放療的目標[8-9]。立足安全性、實用性和可行性的原則，設立了射波刀QA檢測項目，分別為日檢，月檢，季檢和年檢。

1 材料與方法

1.1 儀器

G4射波刀、治療計劃系統MultiPlan 4.0.3、AQA模體、ISO post驗證模體、帶有球方膠片盒的頭部和頸部模體（Lucy）、呼吸追蹤模體、肺追蹤驗證模體、5～60 mm固定準直器12組、鳥籠、電離室支架、針孔激光準直器、選配Iris的前向指針、端到端（E2E）和AQA膠片分析軟件、IBA Blue 2三維水箱、IBA dose1靜電計、IBAFC65-G電離室、60012半導體電離室、PTW RW3固體水模、EPSON V700掃描儀、EBT2膠片、CRIS電子密度模體、氣壓表、溫度計、膠片分析軟件等。

表1 射波刀QA內容Table 1 Cyberknife QA content

1.2 方法

利用飛利浦CT機掃描以上各個模體的影像并上傳到MultiPlan 4.0.3計劃系統，將射波刀的質量保證測試做詳細的項目分析。

2 結果

2.1 日檢

包括安全聯鎖檢查（safety interlock check）、系統狀態檢查（system status check）、機械人精度檢查、X線球管預熱、加速器輸出穩定性檢查、自動質量保證（AQA）測試。

2.1.1 安全聯鎖檢查包括檢查門聯鎖、E-stop（緊急停止）按鈕、警示燈的狀態。在出束的狀態下打開治療室的門，輻射終止，計算機上的警示燈顯示紅色。安全聯鎖鑰匙開關處于OFF位置時，無法打開高壓；處于ON位置時，可打開高壓。出束狀態下，按E-stop按鈕，高壓停止。

2.1.2 系統狀態檢查記錄系統關機狀態下，正常的槍燈絲電壓范圍在3.5～5 V之間。真空離子泵電流應＜5μA，六氟化硫氣體壓力在28～32 psi之間，手控電腦鑰匙處于空置位，治療電腦上所有緊急停止按鈕處于空置位。再記錄系統開機狀態下槍燈絲電壓，正常電壓的范圍在（5.5±0.5）V之間，磁控管預熱電壓在（9.0±0.5）V之間，記錄4個方向偏轉線圈的電流值，磁控管調諧器電流范圍為0.2～0.8 mA，水溫在18～20℃之間，水體流速＞3.0 L/min。

2.1.3 機器人精度檢查定義一個起始點（perch位點），每天檢查加速器此激光點在地面上的位置，以確定治療機械手臂的控制沒有變化。

2.1.4X線球管預熱用X-ray Warm up（X線預熱）對X線球管預熱，預熱過程中mA值為200，kV值由80 kV每次遞增5 kV，逐漸遞增為150 kV，目的是提升球管的使用率，延長其壽命，還能保證圖像的質量。之后等待預熱完成。

2.1.5 加速器輸出穩定性檢查先預熱加速器，出束預熱6 000 MU，標劑量率為800 MU/min，劑量率在標稱值的15%以內。將IBA dose1靜電計與IBA FC65-G電離室連接，輸入測量的溫度和氣壓，更換60 mm準直器。有兩種方法可行，①在空氣中利用鳥籠進行測量，在源皮距80 cm處，給電離室加6 MV平衡帽，實施照射；②將電離室置于固體水模下5 cm處，源皮距設置在75 cm處，照射野中心點準確置于固體水模表面十字中心點，每組出射線200 MU，測量3組，與標準值數據進行對比，允許偏差在2%以內。見圖1、圖2。

圖1 鳥籠式測量Figure 1 Birdcage measurement

圖2 固體水式測量Figure 2 Solid water measurement

2.1.6 自動質量保證（AQA）測試AQA測試是使用AQA模體執行的定向可重復性測試，分析機械手控制的穩定性和成像系統的可靠性。AQA測試的步驟：在AQA模體中放置好直徑為3.2 cm的丙烯酸球，作CT薄層掃描，將掃完的AQA模體CT影像傳入MultiPlan計劃系統，勾畫靶區，設定丙烯酸球為靶區，設計一個QA計劃。置換金屬鎢球（直徑為1.9 cm）代替丙烯酸球，然后放置兩張膠片，使每張膠片的邊緣和模體的邊緣要整齊，并標明位置方向，在治療室擺位，給AQA模體拍位置片，利用內置的金標定好位置，進行照射，結束以后取出膠片，在計算機上用專用軟件分析結果，正常的誤差值范圍在0.95 mm以內。通過觀察和分析連續30 d AQA測試的結果,得出連續這30 d測量的AQA結果≤0.95 mm的誤差范圍,最大值為0.742 mm,最小值為0.138 mm,平均值為0.383 mm,標準差為0.145，得出連續30 d的AQA測試的結果均在正常范圍之內,說明機器人系統與影像系統的一致性以及射波刀系統照射精度符合規定，機械手靶區定位和成像系統穩定性比較可靠。AQA模體，見圖3，程序分析樣本，見圖4。

圖3 AQA模體Figure 3 AQA phantom

圖4 AQA測試分析結果Figure 4 Analysis of AQA testing result

2.2 月檢

包括加速器射束參數檢查，機械手靶區定位目測檢查（BB測試），LINAC激光定位檢查，劑量輸出定位檢查，成像系統定位檢查，治療床位置檢查，端到端（E2E）測試。

2.2.1 加速器射束參數檢查將IBA三維水箱連接好，固定60012半導體電離室于水下20 cm和10 cm處，并固定參考電離室的位置于機頭內，更換60 mm準直器，分別測量兩個深度處的組織體模比（TPR），并計算TPR20/10的值。設定源軸距SAD為80 cm，水下5 cm，更換40 mm準直器，沿水箱的X軸、Y軸兩個方向測量百分深度劑量曲線和離軸比曲線，得出數據，要求X軸、Y軸兩個方向的平坦度＜18%，對稱性＜2%，半影＜4.5 mm。

2.2.2 機械手靶區定位目測檢查（BB測試）選定一個帶金標的體部治療計劃，利用此金標作為照射跟蹤目標設計計劃，把一個直徑2 mm的金屬小球貼到模體上，X線使用低kV、低mA和EX，在演示模式下將逐個節點進行模擬，目測檢查激光燈視覺上的照射誤差應在1 mm范圍以內。

2.2.3LINAC激光定位檢查準備放置60 mm準直器，設置SAD為80 cm，放置一張EBT2膠片，在激光點處做好標記，照射800 MU結束。用ImageJ軟件進行結果分析，激光點與照射野中心點的重合度應在1 mm以內。

2.2.4 劑量輸出定位檢查將IBA-FC65-G電離室放置在固體水模體內，用CT掃描其影像，在MulitPlan計劃系統上，為帶有電離室的固體水模體的影像創建計劃，視電離室為靶區創建VOI類型，等中心設置為測量區的中心，制訂一個計劃，使98%的劑量線完整覆蓋整個電離室。然后利用電離室進行絕對劑量的測量，計劃系統上計算的劑量值和實際測量的劑量值進行對比，偏差應在5%范圍以內。

2.2.5 成像系統定位檢查將等中心柱（ISOpost）連接好，頂端安裝好水晶球，利用Treatment治療模式，設置X線機拍攝條件為60 kVp和50 mA，獲取等中心柱的影像，將影像放大到400%，將十字線居中并拍攝照片，中心指示點處于十字基線位置±1像素的位置，保證等中心指示點在距離十字線中心1 mm的范圍內。

2.2.6 治療床位置檢測治療床位于HOME位置時，使用數字式電平表，檢查頭部上下和左右旋轉角度，要求誤差范圍在±0.3°內。用水平尺測量左右移動位置，要求誤差范圍在5 mm內。

2.2.7 端到端（E2E）測試旨在驗證射波刀系統在治療計劃和治療執行等所有階段的幾何打靶精度。使用CT掃描全部頭頸、肺追蹤、呼吸追蹤模體的影像，圖像傳入Mulit-Plan計劃系統，為5種追蹤方式（六維顱骨追蹤、金標追蹤、Xsight脊柱追蹤、Synchrony系統的金標追蹤、Xsight肺追蹤系統）各自創建計劃。將EBT2膠片放置各自的模體中，執行治療計劃。照射結束后，用EPSON V700掃描儀掃描膠片，并用accuary E2E膠片分析軟件分析各種追蹤方式下的膠片，得出結果，Xsight脊柱、金標追蹤、六維顱骨追蹤總誤差應小于1 mm，Xsight肺追蹤系統、Synchrony系統的金標追蹤總誤差應小于1.5 mm。如六維顱骨的膠片分析結果的界面，其他分析結果的界面相同，僅分析數據是不同的，其他跟蹤方式都對應著相應的膠片、驗證程序，在允許誤差范圍內即可，見圖5。

圖5 端到端測試結果(6D追蹤）Figure 5 End-to-end test results(6D tracking)

2.3 季檢

影像系統精度：主要檢查治療床移動精度和靶區定位系統追蹤精度的一致性，將獲取模體的CT導入計劃系統，創建一個執行計劃，將模體放在治療床上擺位、調整，盡量使治療床上各個方向的偏差接近零位，然后進入AutoCouch（自動移床），輸入這些床的數值，移床，獲取影像并記錄移床值，顯示的六維偏差允許誤差范圍分別是：上下±2 mm，左右±2 mm，前后±2 mm，俯仰±0.3°，旋轉±0.3°。

2.4 年檢

①評價每日每月每季度機器各項參數的變化趨勢，以評估是否與系統性能規范值相符合。②確保服務工程師正確執行射波刀目標定位的控制和各項精度的檢測。③通過獲得新的CT影像，生成新的治療計劃來執行端對端檢查。④重新收集部分數據或全部數據以執行射線數據的抽查，用來驗證治療計劃系統數據的精確性。CT電子密度模型的選擇直接關系到計劃設計的劑量學的準確性，正確使用電子密度模型可以減少劑量學差異[10]。高立權等[11]報道，掃描不相同的電子密度，建立不相同的電子密度曲線，計劃系統會明顯產生劑量學差異。⑤安全系統測試。

3 討論

3.1 G4射波刀系統

該系統是一種采用非共面治療方式治療全身腫瘤，采用高精度圖像引導技術，低分次、高劑量治療方式的放射治療系統。它帶來高效率的同時伴隨著高風險，這就要求必須充分保證射波刀系統的高精度，因此各項（日檢、月檢、季檢、年檢）質量保證就顯得非常重要。自動質量保證(AQA)是一種打靶精度的重復性測試，主要檢測機器人系統與影像系統精度的一致性，還有射波刀系統照射精度。端到端（E2E）測試是一種打靶測試，主要檢測系統的幾何打靶精度，同時檢測六維方向的偏差，采用頭頸模體、肺追蹤模體、呼吸追蹤模體，分別設計六維顱骨追蹤、金標追蹤、肺追蹤、脊柱追蹤、同步呼吸追蹤5種計劃，然后用EBT2膠片測試分析各項精度。

3.2 X線球管

X線球管應預熱，因為電壓或電流的過快激增，會導致X線靶和陽極的損壞，為確保X線管的正常使用，應該提前預熱球管。如果設備在8 h內沒有使用，也要執行此操作。為了減小影像的偽影，提高它的解析度和運算精度，需要對X線探測器多重增益進行校準，并且檢查探測器的壞點，將這些壞點屏蔽，對探測器進行重新配置。校準時，治療床回到初始位，X線管與影像板之間不能有任何物品。

3.3 射波刀

射波刀與常規的加速器不同點在于它的射線是沒有經過均整器均整的，因此它的平坦度要求是不超過18%。

因此，射波刀立體定向放療的劑量在腫瘤部位是準確、均勻的，周圍正常組織劑量很小，因此可在正常組織損傷很小的情況下根治惡性腫瘤，達到提高患者生活質量，延長生存期的目的[12-13]。射波刀的高精確性是傳統放射治療無法比擬的，它所使用的定位方式，無論是追蹤骨性標志，還是植入金標作為定位參考標記點的方式，都能克服傳統的金屬框架的有創性，而且還可以保證擺位的重復性。采用金標作為內標記實現運動腫瘤實時追蹤可以保證腫瘤實時追蹤的精度，而金標在CT斷層圖像上呈現的金標偽影對鄰近的正常組織和腫瘤帶來影響[14]。有文獻指出，金標植入患者體內，金標偽影對劑量及相同深度離軸點處的吸收劑量影響可達3%[15]。所以臨床上如果需要植入金標，建議利用能譜CT[16-17]的GSI掃描技術和MARS[18-19]重建技術在CT定位時在線去除金標偽影，降低其對劑量計算及劑量分布的影響[20]。射波刀追蹤靶區精度比較高，利用主動呼吸控制系統以及呼吸門控技術，可以最大程度減少呼吸運動的幅度。

綜上所述，射波刀的質量保證測試非常必要，要建立起一套可靠系統的質量保證流程，需要在實際的工作中去不斷地檢驗和總結，為以后更精確的放射治療提供有力的支持。