Hi-ART螺旋斷層加速器治療床自動移位準確性的驗證

黃永杰，王運來，解傳濱，吳偉章

1 武漢大學物理科學與技術學院，武漢市，430072

2 解放軍總醫院放療科，北京市，100853

3 空軍總醫院放療科，北京市，100853

放射治療中，患者從熱塑體模固定、CT模擬定位、治療計劃設計到治療照射的每個環節都可能存在誤差，尤其擺位誤差，造成靶區劑量不足或正常組織器官受損。影像引導放射治療（IGRT）技術能實時測量和糾正擺位誤差，保證放療的準確性。Hi-ART螺旋斷層治療機（Tomotherapy）是新型放射治療設備[1]，它采用6 MV X線扇形束照射，機架旋轉和治療床同步運動，射線在患者身體形成螺旋束；配備了MV級CT影像引導系統，患者每次治療前都可以進行CT掃描，掃描所得到的CT影像與患者治療計劃CT影像進行配準，得到患者治療擺位的誤差。根據配準結果對治療床進行位置偏差的調整，保證治療擺位的重復性。其治療床由控制臺操作控制自動完成左右、頭腳和垂直方向的位置調整。影像配準和治療床自動移位的準確性直接影響治療效果，需要嚴格的質量保證和控制措施。本文利用QUASAR Penta-Guide模體測量分析螺旋斷層治療中治療床自動擺位的準確性和重復性，并針對患者治療進行擺位準確性的實時驗證。

1 材料與方法

1.1 MV螺旋CT

Hi-ART螺旋斷層治療機射線出射方向有738個高壓充氙氣的弧形探測器陣列，6 MV加速管和探測器陣列相對安裝在機架滑環上，治療床進動時，滑環連續旋轉。3.5 MV X線用于CT成像，等中心層面FOV直徑為40 cm。預置有3種CT掃描方式 (Final、Normal和Coarse)，對應的層厚分別為2 mm，4 mm和6 mm[2-5]。

1.2 激光系統

Hi-ART治療機有紅、綠兩套激光燈。綠激光燈靜止不動，位于機架外頭腳方向上距機器等中心70 cm處，指示加速器的虛擬等中心。紅激光燈為可移動的激光燈。擺位時患者或模體的定位標記與紅激光重合。MVCT掃描、配準后，治療床退出機架，紅激光燈移動到配準后定位標記的新位置。治療床自動進行位置調整，紅激光燈再次與定位標記重合，綠激光燈在左右和垂直方向上指示照射野中心位置[6]。

1.3 QUASAR Penta—Guide模體

模體為邊長16 cm的立方體，上表面、左右和前后各面都有照射野大小及方向指示。在前后、左右、上面刻有中心長十字線和偏心短十字線，兩套十字線之間的距離作為擺位誤差，在左右、頭腳、垂直方向的距離分別為10 mm、14 mm、12 mm，見圖1。它由均勻的丙烯酸樹脂做成，內部有5個球形空氣腔，可在常用的X線影像中顯示，圖像配準時觀察效果。可用于2D/3D影像配準的準確性驗證、燈光野與照射野的一致性驗證、治療床的位移驗證等，以及影像系統和加速器的質量控制[7]。

圖1 QUASAR Penta-Guide模體Fig.1 QUASAR Penta-Guide phantom

1.4 模體擺位誤差的驗證

模體的頂面和左右表面的長十字線中心貼上鉛豆，按照擺位標示放置在Brilliance CT掃描床上。CT定位激光燈對準模體表面的中心長十字線，掃描層厚為1.5 mm，掃描范圍包括整個模體。CT圖像經DICOM3.0傳輸至Pinnacle醫生工作站。勾畫模體中心的空腔作為靶區。再將CT圖像傳到TomoPlan計劃系統。患者坐標的原點放置在模體中心。設計一個簡單的治療計劃并傳送到加速器控制工作站。治療機房內將模體放在治療床上，方向與CT掃描時一致。調整治療床，使紅激光燈對準模體表面的短偏心十字線，作為擺位偏差。選擇掃描條件為FINE，層厚為2 mm，以灰度配準方式配準，觀察MVCT圖像上的空腔與CT定位圖像上的空腔是否重合，分析圖像配準計算的擺位誤差是否與參考值一致。治療床自動進行左右、頭腳和垂直方向的偏差調整。治療床位置調整后再次進行MVCT掃描，測量分析殘留誤差，同時用直尺測量綠激光燈與中心長十字線的位置偏差。

1.5 患者治療驗證

Penta-Guide模體為規則的立方體，重量較輕，不能反映治療床在重載條件下自動移位的準確性，需要針對患者進行實際測量分析。頭部或者腹部腫瘤患者靶區周圍的骨性解剖結構為剛性結構，圖像配準時骨性標記明顯，適合做治療床自動校正的患者驗證。定期選擇頭部或腹部腫瘤病人，擺位后進行MVCT掃描，圖像配準并記錄位置偏差，自動移動治療床，重復MVCT掃描，再進行配準，得到殘存擺位誤差。

2 結果

2.1 治療床自動移位

Penta-guide模體放在治療床上，紅激光燈在左右、頭腳和垂直方向分別與偏心短十字線重合。MVCT掃描完成后，用灰度模式進行圖像配準。MVCT和模擬定位CT圖像上模體外輪廓及中心空腔應較好重合。配準后治療床退出機架外進行自動校位，此時綠激光燈在左右和頭腳方向與模體中心長十字線重合，但在垂直方向與中心長十字線存在2 mm的偏差，這主要是治療床下沉的影響。模體進入機架內射野等中心位置時，長十字線與綠激光線重合，床面下沉的影響已經消除，見圖2。治療床自動調整完之后再次進行MVCT掃描，左右、頭腳、垂直的殘存誤差均小于2 mm。

圖2 綠激光燈與十字線的位置Fig.2 Alignment between green laser and crosswires

2.2 治療床自動調整的重復性

連續30次用Penta-guide模體測量治療床自動調整的準確性，觀察治療床自動位置校準的長期穩定性，結果見圖3。圖中顯示治療床在左右、頭腳和垂直方向的位置平均誤差分別為10 mm、14 mm、14 mm。垂直方向的位移偏差并沒有在12 mm附近，MVCT掃描包括了床面的下沉，下沉幅度為2 mm。每次測量治療床自動校位后3個方向的殘存誤差均小于1 mm。

圖3 治療床自動移位的重復性Fig.3 Reproducibility for automatic table movement

2.3 患者掃描圖像配準

10例頭部腫瘤患者MVCT掃描配準后的平均擺位誤差為左右1.2 mm，頭腳3.4 mm，垂直方向2.6 mm。治療床自動調整后左右、頭腳和垂直方向的殘存誤差平均值分別為0.6 mm、1.6 mm和1.1 mm。殘存誤差均在2 mm范圍之內，說明治療床自動調整準確可靠。患者在配準前、配準后、再次掃描配準的橫斷面圖像見圖4。腹部擺位誤差相對稍大，但治療床位置校準后的殘存誤差均在5 mm之內。

圖4 患者圖像配準時的橫斷面CTFig.4 Axial CT images during image match

3 討論

放射治療中患者擺位的準確性和重復性是分次放療中非常重要的問題。由于系統誤差和隨機誤差的影響，患者每次治療擺位時都存在誤差；同時擺位重復性也受分次治療間甚至單次治療時間內靶區和重要組織運動的影響。影像引導放射治療可以比較準確地確定靶區位置，優化放射治療技術，提高腫瘤的治療效果，減少患者的副反應[8]。由于影像引導放射治療的技術復雜，環節多，每一步驟都非常關鍵。

Hi-ART的MVCT影像引導系統能有效地提高擺位的準確性。患者治療時體位和靶區位置的偏差由每次MVCT和模擬定位CT配準得到，通過治療床自動調整進行糾正[9]。Hi-ART II以前的治療床可以實現頭腳和垂直方向的自動調整，但左右方向仍需手動調整。新型的治療機都進行了升級，治療床可以實現3個方向的自動調整。螺旋斷層加速器的床面比較厚重，進床過程中存在下沉，下沉的大小與治療床載重有關，最大可達(4～5) mm。患者接受治療時的位移下沉由MVCT掃描配準后并糾正。

治療床的自動移位是患者接受照射前的最后一個環節，也是最容易出現問題和影響治療程度較嚴重的環節，其引入的誤差直接影響患者靶區和正常組織接受的照射劑量。Penta-guide模體為規則的剛性體，能對治療床自動調整的準確性進行驗證，是日常檢查必不可少的工具。也需要定期針對患者進行實際驗證。治療床的準確到位是影像引導系統質量保證的重要內容。

[1] 姜瑞瑤,傅深.直線加速器和CT機的完美結合—螺旋斷層治療機[J].中國醫療設備,2009,24(1):52-53.

[2] Jeraj R,Mackie TR,Balog J,et al.Radiation characteristics of helical TomoTherapy [J].Med Phys,2004,31(2):396-404.

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[4]Meeks SL,Harmon JF,Langen KM,et al.Performance characterization of megavoltage computed tomography imaging on a helical TomoTherapy unit [J].Med Phys,2005,32(8):2673-2681.

[5] Forrest LJ,Mackie TR,Ruchala K,et al.The utility of megavoltage computed TomoTherapy images from a helical TomoTherapy system for setup verification purposes [J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2004,60(5):1639-1644.

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[7] Sykes JR,Lindsay R,Dean CJ,et al.Measurement of cone beam CT coincidence with megavoltage isocentre and image sharpness using the QUASARTM Penta-Guide phantom [J].Phys Med Biol,2008,53:5275-5293.

[8] Mackie TR.History of tomotherapy [J].Phys Med Biol,2006,51:R427-R453.

[9] Tomé WA,Jaradat HA,Nelson IA,et al.Helical tomotherapy:image guidance and adaptive dose guidance [J].Front Radiat Ther Oncol,2007,40:162-178.