TQA工具在螺旋斷層加速器質量控制中的初步研究*

王金媛 戴相昆 徐壽平* 宋明永 解傳濱

TQA工具在螺旋斷層加速器質量控制中的初步研究*

王金媛①戴相昆①徐壽平①*宋明永①解傳濱①

目的：運用螺旋斷層加速器質控(TQA)工具對螺旋斷層加速器(HT)空氣掃描(Airscan)程序的連續監測，探索TQA工具在HT日檢中的初步應用。方法：利用TQA工具Airscan模塊記錄HT每日的空氣掃描程序運行數據，并針對連續6個月的Airscan數據進行趨勢分析，評價每日鉛門在隨機架旋轉過程中的穩定性，并對鉛門旋轉、監測電離室計數、探測器計數等長期變化趨勢，以及對探測器輸出穩定性予以監測。結果：根據TQA工具所測得6個月數據分析可得，HT鉛門在隨機架旋轉過程中的位置偏差點到點能量通量差異(peak-to-peak fluence variation)平均為(0.11±0.00)mm；在Airscan運行前探測器測得的本底信號計數為(3859.61±3.37) counts，監測電離室測得本底信號計數為(505.85±9.17)counts；探測器測得的平均信號計數為(13553.96±195.14)counts，監測電離室測得的平均信號計數為(8422.14±10.88)counts，未發現異常信號點；探測器信號計數與監測電離室信號計數的比值在1.56～1.66之間浮動，平均值為1.61±0.02，表明探測器輸出無異常，維持在一個相對穩定的狀態。結論：TQA工具通過Airscan程序輔助監測HT的鉛門隨機架旋轉的偏移以及探測器的輸出穩定性，可對Airscan數據進行定量分析，能夠對查找機器報錯原因提供一定的指導意義。

螺旋斷層加速器；螺旋斷層加速器質控工具；空氣掃描；MVCT探測器

螺旋斷層放射治療系統(helical tomotherapy，HT)是放射治療中最先進的設備之一[1]。HT將6 MV的直線加速器直接安裝在CT機架的滑環上，通過32對二元多葉光柵對照射野的調制，在治療患者時治療床機架同步運動，加速器圍繞患者進行360°的螺旋照射治療，對腫瘤進行高度的適形照射，同時最大可能對正常組織進行保護。此外，HT加速器利用同源加速器產生的3.5 MV能量的射線進行圖像引導掃描，通過安裝在機架上、加速器對面的CT氙氣探測器陣列進行信號接收和成像，以此獲得高質量的兆伏級CT圖像[2-3]。

螺旋斷層加速器質量控制(tomotherapy quality assurance，TQA)工具是一個針對HT系統的集成整合的質量保證(quality assurance，QA)新工具，其可以在某一項程序執行完成后即射線出束完成后，通過成像探測器(640個氙氣電離室通道)收集到的信號，轉化為數據，經相應算法處理后，直接呈現出分析結果，方便快捷。TQA工具可以通過運行某些QA項目的相應程序，輔助監測輸出劑量、射線質、激光燈變化和床機架同步性等機器性能狀態，還能提供所有數據結果的趨勢顯示[4-5]。

空氣掃描(Airscan)是HT加速器系統日檢項目中包括的重要項目之一，在每日第一次進行掃描前要進行一次空氣掃描，以防止在掃描過程中出現明顯的偽影。使用TQA工具分析Airscan的數據時，除了對成像探測器進行空氣校正、得到本底的信號之外，還能夠監測鉛門在隨機架旋轉時的偏移，以及探測器的響應是否正常。本研究通過應用TQA工具對解放軍總醫院HT加速器連續6個月的Airscan數據進行分析，探索TQA工具在HT加速器系統日檢中的初步應用。

圖1 左、中、右探測器記錄在機架旋轉過程中鉛門的變化

1 資料與方法

1.1 數據資料

選取2016年10月至2017年3月解放軍總醫院HT加速器系統日檢中Airscan的數據，使用TQA工具進行分析，共獲取192組數據。

1.2 TQA工具中Airscan模塊組成

TQA工具中Airscan模塊與常規日檢中Airscan模塊程序相同，在程序運行過程中共包含6次機架旋轉；出束時所有葉片打開，成像射束開啟，鉛門設置為成像射野大小(鉛門位置前0.05 cm，后-0.05 cm)；不需輔助模體，只需將治療床置于機架孔徑外。

1.3 TQA工具中Airscan 模塊日檢分析

TQA工具中的Airscan模塊可以通過監測記錄每日Airscan程序數據，評估鉛門在隨機架旋轉時的穩定性，從而監測鉛門的損耗及磨損情況。當機架旋轉時，鉛門位置的變化可以通過監測電離室以及探測器記錄的信號數據來推斷及獲取。TQA工具對于每日Airscan的分析主要為程序運行期間的探測器旋轉差異，根據探測器陣列左、中、右3個部分測得的信號計算鉛門在旋轉時隨時間(脈沖)發生的位置差異，以mm為單位，正常限制范圍：±0.2 mm，如圖1所示。

1.4 TQA工具中Airscan 模塊趨勢分析

(1)TQA工具還可以保存每次Airscan程序運行后監測電離室和探測器測得的信號強度數據信息，在相應結果中將每次數據平均值保存為一個點，從而形成長期的數據趨勢圖。TQA工具中對Airscan的趨勢分析主要包括點到點能量通量差異(peak-to-peak fluence variation)、探測器平均值(exit detector average)、探測器偏移平均值(exit detector offset average)、監測電離室1平均值(monitor chamber 1 average)、監測電離室1偏移(Monitor Chamber 1 Offset)和平均通量差異(average fluence variation)6項。

(2)點到點能量通量差異是指通過歸一化探測器信號后點與點之間的信號位置偏差，推算出鉛門的旋轉偏差。正常值范圍在0～0.4 mm之內。若＞0.4 mm，則提示可能需要進行機器的維護或者更換鉛門組件等。

(3)探測器平均值是指空氣掃描程序完成后探測器所測得的信號計數的平均值；探測器偏移平均值是指空氣掃描前探測器測得的本底信號計數的平均值，這2個數值相互影響。

(4)監測電離室1平均值是指空氣掃描完成后監測電離室1測得的平均信號計數；監測電離室1偏移是指空氣掃描前監測電離室1測得的本底平均信號計數。

(5)平均通量差異是指探測器信號與監測電離室信號計數的比值，鉛門位置的改變或者射束輸出特性的改變都會影響這個比值。

以上項目的結果均通過Origin 8.5進行繪圖。

2 結果

將TQA工具中Airscan模塊測量記錄的所有數據趨勢進行統計，分析結果以(x-±s)的形式列表顯示，見表1。

表1結果顯示，本研究中測得的HT鉛門在旋轉過程中的位置偏差平均為(0.11±0.00)mm，該項允許范圍為0～0.4 mm，在結果中并未出現異常點，可見鉛門在旋轉過程中的位置偏差在0.102～0.111 mm范圍內波動，呈現較為穩定的狀態，其趨勢如圖2所示。

表1 TQA工具中Airscan趨勢分析項目結果

圖2 點到點能量通量差異趨勢圖

通過對表1的分析還可看出，探測器測得的本底信號計數為(3859.61±3.37)counts，平均信號計數為(13553.96±195.14)counts；監測電離室測得的本底信號計數為(505.85±9.17)counts，平均信號計數為(8422.14±10.88)counts，無異常信號出現，其趨勢如圖3所示。

圖3 ·探測器和監測電離室接收信號計數趨勢圖

而Average Fluence Variation結果顯示，通過圖3中探測器和監測電離室測得的信號計數計算出的探測器信號計數與監測電離室信號計數的比值在1.56～1.66之間變化，平均比值為1.61±0.02。表明探測器的輸出無異常，維持在一個相對穩定的狀態，其趨勢如圖4所示。

圖4 平均通量差異趨勢圖

3 討論

HT加速器系統成像探測器最初的目的是用于兆伏級CT(MVCT)的信號接收和圖像重建以及劑量重建[6]。而TQA工具很好的運用了探測器的優勢，通過處理在出束過程中的探測器采集信號，能夠快速便捷的提供結果分析，從而監測系統性能改變，以便及早提示實施維護或劑量測定驗證。

應用TQA工具對Airscan的數據進行分析，其結果顯示，HT加速器系統的鉛門在隨機架旋轉過程中保持良好的穩定狀態，位置偏差僅為0.11 mm左右，測量結果能夠精確到亞毫米級，很好的滿足臨床應用要求。若該項有問題，則可以考慮是否鉛門出現異常，如鉛門未達到正確的寬度、鉛門驅動異常或者鉛門磨損等。此外，通過成像探測器和監測電離室分別對空氣掃描時平均通量差異的監測，即探測器信號計數與監測電離室信號計數的比值，能夠反映出探測器輸出的穩定性。如果該比值出現偏差的話，可能提示射線輸出劑量有異常或者探測器出現故障等，從而可以對癥排除機器故障發生的原因。

對于HT系統而言，由于其所具有的特殊設計不同于常規直線加速器[7]結構，因此需要有獨特測量方法來實現系統的QA[8-10]。這正是AAPM TG-148報告中所推薦的內容，但是需要運行的項目繁多也較為耗時[11]。因此，許多研究者也在致力研究創新的方法或者創新的模體來用于HT系統的QA，以期望能提高QA的效率及全面性，找出更加便捷的方法來進行HT的質量控制[12-13]。

本研究僅就TQA工具在日檢項目Airscan中的初步應用進行探討，只是TQA工具中的鳳毛麟角。TQA工具還可以運用其他輔助模體，如鋁梯模體等，通過對各項不同程序和項目的數據采集與處理，不僅能夠快速便捷的輔助監測輸出劑量變化，還能監測射線質、激光燈一致性、虛擬等中心位置準確性、射野能量一致性、射野寬度和治療床機架同步性等機器性能狀態的變化[14-15]。

TQA工具通過Airscan程序輔助監測HT系統的鉛門隨機架旋轉的偏移以及探測器的輸出穩定性，可對Airscan的定量分析及機器報錯時可能原因的定位提供一定的指導意義，此外，TQA工具提供了一個針對于HT加速器的較為便捷和全面的質量控制途徑，其進一步的應用還有待繼續探討。

[1]Mackie TR.History of tomotherapy[J].Phys Med Biol，2006，51(13)：R427-453.

[2]徐壽平，王連元，戴相昆，等.螺旋斷層放療系統原理及其應用[J].醫療衛生裝備，2008，29(12)：100-102.

[3]徐壽平，解傳濱，鞠忠建，等.螺旋斷層放療MVCT成像劑量測量及其分析[J].癌癥，2009，28(8)：886-889.

[4]Choi HH，Ho JP，Yang B，et al.Technical note：Correlation between TQA data trends and TomoHD functional status[J].J Appl Clin Med Phys，2014，15(2)：4548.

[5]Delor A，Revelo V，Coevoet M，et al.Tomothera py Quality Assurance(TQA)：A Fast and Compr ehensive Software Tool[J].Radiotherapy and On cology，2009，92(Suppl 1)：S218.

[6]Ruchala KJ，Olivera GH，Schloesser EA，et al. Megavoltage CT on a tomotherapy system[J]. Phys Med Biol，1999，44(10)：2597-2621.

[7]Klein EE，Hanley J，Bayouth J，et al.Task Group 142 report：quality assurance of medical accelerators[J].Med Phys，2009，36(9)：4197-4212.

[8]Balog J，Mackie TR，Pearson D，et al.Benchmarking beam alignment for a clinical helical tomotherapy device[J].Med Phy，2003，30(6)：1118-1127.

[9]Balog J，Holmes T，Vaden R.A helical tomotherapy dynamic quality assurance[J].Med Phy，2006，33(10)：3939-3950.

[10]Fenwick JD，Tome WA，Jaradat HA，et al.Quality assurance of a helical tomotherapy machine[J]. Phys Med Biol，2004，49(13)：2933-2953.

[11]Langen KM，Papanikolaou N，Balog J，et al.QA for helical tomotherapy：report of the AAPM Task Group 148[J].Med Phys，2010，37(9)：4817-4853.

[12]Sarkar V，Lin L，Shi C，et al.Quality assurance of the multileaf collimator with helical tomotherapy：design and implementation[J]. Med Phys，2007，34(7)：2949-2956.

[13]Goddu SM，Mutic S，Pechenaya OL，et al.Enhanced efficiency in helical tomotherapy quality assurance using a custom-designed water-equivalent phantom[J].Phys Med Biol，2009，54(19)：5663-5674.

[14]Miko?ajczyk K，Piotrowski T.Development of cylindrical stepwedge phantom for routine quality controls of a helical tomotherapy machine[J].Phys Med，2013，29(1)：91-98.

[15]Althof V，van Haaren P，Westendorp R，et al.A quality assurance tool for helical tomotherapy using a step-wedge phantom and the onboard MVCT detector[J].J Appl Clin Med Phys，2012，13(1)：3585.

The study of preliminary application of TQA tool in quality control of helical tomotherapy/WANG Jin-yuan, DAI Xiang-kun, XU Shou-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):9-12.

Objective: To explore the preliminary application of the TQA tool in the routine inspection of helical tomotherapy (HT) system through the continue monitoring for Airscan program by using quality control tool (TQA) of HT. Methods: The Airscan mode of TQA was used to record the daily operating data of Airscan program of HT and the data of Airscan during continuous 6 months were used to analyze trend. The stability of daily Jaw in rotation process of following gantry was evaluated. And the rotation of jaw, count of ionization chamber, count of detectors, other long-term trend and the output stability of detector were monitored. Results: According to the data obtained from TQA, the average value of peak-peak fluence variation of positional deviation of Jaw was (0.11±0.00) mm in the rotation process of following gantry. The background signal counts obtained from detector was (3859.61±3.37) before Airscan started work, and background signal counts was (505.85±9.17) in monitoring ionization chamber. The average signal counts obtained from detector was (13553.96±195.14) and the average signal counts of monitoring ionization chamber was (8422.14±10.88), and there was no abnormal signal was found. Besides, the ratio of signal count from detector and signal count from monitoring ionization chamber was between 1.56-1.66, and the average value was 1.61±0.02. These results revealed that the output of detector was no abnormal and it maintained in relatively stable situation. Conclusion: The TQA tool can contribute to monitor the deviation of the rotation of Jaw in following gantry of HT and the stability of output of detector. And it can quantitatively analyze the data of Airscan, and provide reference for seeking the reason of fault for machine.

Helical tomotherapy; Tomotherapy quality assurance(TQA); Airscan; MVCT detector

Department of Radiotherapy, Chinese People's Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China.

王金媛,女,(1990- ),本科學歷，物理師。解放軍總醫院放射治療科，從事放射物理方面的研究工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.003

2017-04-28

1672-8270(2017)07-0009-04

R812

A

國家自然科學基金(61601012)“基于擺位CBCT透視圖像的呼吸運動模型構建方法研究及其在腫瘤定位中的應用”

①解放軍總醫院放射治療科 北京 100853

*通訊作者：xshp228@163.com