螺旋断层放疗系统物理性能的验收测试与质量保证

刘 海，李益坤，杭霞瑜，刘 博，丁 巍

0 引言

螺旋断层放疗是2003年正式进入临床应用的一种全新概念的放疗技术。它将一小型化6MV医用直线加速器的主要部件安装在螺旋CT的滑环机架上，反向利用CT成像原理，运用高能X线进行放射治疗，理论上可以在人体内实现任何要求的剂量分布[1]。基于其技术特性，螺旋断层放疗在临床上取得了剂量均匀性、剂量梯度及正常器官保护等剂量学上的显著优势[2-6]。放疗设备的质量保证主要是对设备功能执行特征的连续评估，这些功能执行特征从根本上影响着设备几何学的精度和被用于患者剂量学的精度[7]。设备的验收测试是质量保证的先行环节与基础，其中多项测试项目可作为治疗设备的月检及年检项目与基准。由于构造上的差异，集IMRT、IGRT和DGRT功能于一体的螺旋断层放疗系统的验收项目与传统加速器有所不同[8]。我院于2011年底引进了螺旋断层放射治疗系统，为保证设备符合临床使用要求，我们参照设备厂家验收手册及AAPM TG148号报告等，对设备进行了射束剂量学、射束几何学精度及兆伏CT（MVCT）影像测试等物理性能的测试及质量保证。

1 实验材料

1.1 设备

TomoTherapy螺旋断层放疗系统具有治疗能量挡6MV X线和MVCT成像挡3.5MV X线，配备32对64叶对插式二元气动多叶光栅以及640通道影像探测器，源轴距85 cm等中心处最大射野尺寸为5 cm×40 cm。

1.2 测试工具

二维辐射野扫描水箱、Tomo Phantom模体及Cheese Phantom模体；Tomo Therapy Electrometer Measurement System（TEMS）螺旋断层治疗测试软件及Tomo Electrometer剂量仪，Standard Imaging A1SL指形电离室，Standard Imaging A17电离室；GAF chromic EBT2自显影胶片，Vidar Dosimetry PROA dvantage胶片数字化仪及Film Analyzer胶片分析软件。

2 测试项目、方法与结果

2.1 初级射束几何学精度及稳定性

2.1.1 IEC X方向上的几何精度（多叶光栅Tongue&Groove测试）

验证多叶光栅相对于射束源在IEC X方向上的位置精度以及在机架旋转状态下的稳定性。

（1）测试方法：执行相应测试程序并利用探测器测得开启奇数序列、偶数序列多叶光栅叶片以及叶片全开时的离轴曲线，利用软件得到Normalized Average MLC TG数据，根据相关公式算出MLCTG outof focuspercent值，此值运用奇偶叶片非同时打开所形成的齿状凹凸离轴曲线，进行Lateral方向上的对称性比较，反映了MLC在X方向上与射束源位置的精度关系。此项指标需≤2%（±0.34mm）。

（2）结果：多叶光栅Tongue&Groove测试数值为0.87%，如图1所示。

图1多叶光栅Tongue&Groove测试分析

2.1.2 IEC Y方向上的几何精度（次级准直器Shift/Sweep测试）

验证射束源相对于次级准直器在IEC Y方向上的位置精度。

（1）测试方法：执行相应测试程序，次级准直器于Y方向上以射束源点为中心作拂扫摆动，使用置于治疗床面等中心处的A17电离室采集电荷分析，根据几何原理将等中心测量平面测出的偏移除以-18（负值表示方向相反）得到射束源处的相对偏差。此项指标的绝对值需≤0.3mm。

（2）结果：次级准直器Shift/Sweep测试数值为0.05mm，如图2所示。

图2 次级准直器Shift/Sweep测试分析

2.1.3 射束中心轴几何精度（射束中心轴Y方向偏转测试）

验证射束平面与旋转机架平面的重合性精度。

（1）测试方法：执行相应测试程序，机架分别取0°及180°，利用狭长射野在Y轴平面内偏离等中心约23 cm处照射胶片形成宽度不等影像，扫描并分析其偏移及偏转。偏移及偏转指标需＜0.5mm及＜0.5°。

（2）结果：射束中心轴几何精度偏差数值为-0.377mm，偏转角度＜ 0.5°，如图3所示。

2.1.4 初级的射束输出及能量测试

初步验证旋转状态下射束的平均输出，通过探测器测得的锥形离轴曲线分析射束能量。

（1）测试方法：执行相应测试程序，在旋转照射方式下获得第一监测电离室及探测器数据，运用软件与参考“黄金标准”数据进行比对分析，验证射束的输出及能量。此项指标为±2%。

（2）结果：旋转状况下射束输出稳定性偏差为0.1%，能量测试偏差为0.8%。

图3 射束中心轴Y方向偏转测试分析

2.2 固定激光灯（绿激光灯，包括头顶激光灯与孔径激光灯）精度

2.2.1 头顶激光灯垂直精度

验证头顶激光灯所包含的横向与纵向激光灯的垂直精度。

（1）测试方法：在治疗床面虚拟等中心附近竖直放置固体水模，并借助水平仪及垫片使之长边与水平面保持垂直，在垂直550mm范围内IEC X、Y方向测量头顶激光灯与固体水模长边的距离，同方向所测数值差值需在±1mm内。

（2）结果：偏差小于0.5mm。

2.2.2 头顶激光灯IEC X方向投影精度

验证头顶激光灯IEC X方向与旋转治疗平面的平行精度以及重合性。

（1）测试方法：执行相应测试程序，在等中心平面虚拟等中心处平置胶片并标记头顶激光灯IEC X方向投影，进床700mm用狭长野照射胶片，扫描胶片并分析相关数据，要求激光灯偏转及偏移均＜1 mm。

（2）结果：偏差小于0.5mm。

2.2.3 孔径激光灯IEC X方向投影精度

验证孔径激光灯IEC X方向投影的水平精度。

（1）测试方法：在治疗床上平置水平仪，分别在水平面横向与纵向上550mm范围内与孔径激光灯IEC X方向投影比对，要求精度在1mm范围内。

（2）结果：偏差小于0.5mm。

2.2.4 孔径激光灯IEC Y方向投影精度

（1）测试方法：在纵向700mm范围内比对孔径激光灯IEC Y方向投影与头顶激光灯IEC Y方向投影的重合性，要求精度在1mm范围内。

（2）结果：偏差小于0.5mm。

2.2.5 孔径激光灯等中心精度

验证机架激光灯与机架等中心重合性精度。

（1）测试方法：使用头顶及孔径激光灯摆位Cheese Phantom模体，使模体中心与机架等中心重合，用MVCT扫描模体，通过验证模体中心正下方5mm处空心小圆孔中心与等中心十字线的距离误差来判断机架激光灯等中心精度，要求横向与纵向误差范围均＜1mm。

（2）结果：各方向偏差小于0.5mm。

2.3 移动激光灯（红激光灯）精度

（1）红、绿激光灯重合性精度：治疗机初始状态下，红、绿激光灯在虚拟等中心处的重合性精度误差需＜±0.5mm，在550mm范围内的偏离需＜1mm。

（2）结果：偏差小于0.5mm。

2.4 治疗床精度

2.4.1 治疗床横向运动精度

（1）测试方法：横向调整治疗床使横坐标lateral（X）值归零，测量激光灯头顶IEC Y方向投影是否坐落于治疗床纵向中心，要求误差范围＜±2mm。

（2）结果：偏差小于1mm。

2.4.2 治疗床纵向运动精度

（1）测试方法：纵向运动治疗床，在700mm范围内治疗床相对于头顶激光灯IEC Y方向投影的偏差应＜1mm。

（2）结果：偏差小于0.5mm。

2.4.3 治疗床垂直运动精度

（1）测试方法：在治疗床垂直运动范围内标记头顶激光灯在治疗床的投影位置，位置间的误差应在2mm范围内。

（2）结果：偏差小于1mm。

2.4.4 治疗床下垂幅度

（1）测试方法：在虚拟等中心位置放置固体水模体并标记孔径激光灯位置，进床700mm后重新标记孔径激光灯位置并测得治疗床下垂幅度，要求数值＜5mm。

（2）结果：下垂幅度为3.5mm。

2.4.5 治疗床水平精度

（1）测试方法：完全收回治疗床（远离机架），在床面上、中、下3个位置用水平仪分别测量横向及纵向水平度，要求倾斜度不超过0.2°。

（2）结果：倾斜度小于 0.2°。

2.4.6 治疗床运动重复性精度（蛇形运动测试）

（1）测试方法：将治疗床升至最高，记录机架控制面板上Y值并在床面标记头顶激光灯投影位置，操作位置控制面板（PCP）以20mm为间隔下降治疗床至低位。此过程中，治疗床运动分解为边下降边后退，下降至指定高度后治疗床再前进返回至纵向原始位置，整个下降过程类似于蛇形运动，过程中观测Y值稳定性及头顶激光灯投影位置重合性。

（2）结果：符合精度及稳定性要求。

2.5 次级射束几何学精度

2.5.1 多叶光栅中心精度及IEC Y方向平行度

验证多叶光栅IEC X中心（第32、33序列号MLC接合处）相对于机架等中心的位置精度及多叶光栅相对于IEC Y轴的平行精度。

（1）测试方法：执行相应测试程序，机架0°时开启第 27、28、32、33 号 MLC，机架 180°时开启 27、28号MLC，并于等中心层面曝光胶片形成3条竖直间隔影像，扫描胶片后用软件分析两侧开启27、28号MLC投影中心与中间开启32、33号MLC投影中心的距离，要求偏移误差＜1.5mm。分析其相对于旋转治疗平面的偏转，要求数值＜0.5°。

（2）结果：多叶光栅中心精度误差为0.86mm，IEC Y方向平行度偏转角度为0.01°，如图4所示。

图4 多叶光栅中心精度及IEC Y方向平行度测试分析

2.5.2 次级准直器对称性精度

用于验证次级准直器相对于中心轴的开合对称性以及不同治疗参数下射野中心的一致性。

（1）测试方法：执行相应测试程序，分别选取所有治疗模式下次级准直器参数，在等中心层面曝光于同一胶片上，扫描并分析比较其射野中心偏差，要求指标＜0.5mm。

（2）结果：次级准直器对称性精度偏差值为0.12mm。

2.5.3 MVCT探测器位置精度

验证MVCT探测器阵列相对于次级准直器的空间位置精度。

（1）测试方法：执行相应测试程序，将次级准直器设置为非对称，即在IEC Y方向上开启一侧次级准直器并关闭另一侧至零位，出束获得探测器离轴曲线数据，分析比较关闭不同侧次级准直器得到的2次离轴曲线，以验证探测器是否存在空间上的偏移或偏转，要求数值＜2mm。

（2）结果：MVCT探测器位置精度偏差为-0.6mm。

2.6 射束剂量分布的验证

2.6.1 横向（IEC X）离轴剂量分布

（1）测试方法：在所有不同治疗射野准直宽度参数下，执行相应测试程序，使用水箱及电离室在15 mm深度处测量横向离轴曲线，并与参考数据作γ分析比较，标准为ΔDD=2%，ΔDTA=1mm，要求γ值＜1。另外，要求测量射野1/4高宽（FWQM）与参考射野1/4高宽数据偏差＜1%。

（2）结果：1、2.5及5 cm治疗射野宽度下，γ值均＜1，如图 5 所示[9]。

2.6.2 纵向（IEC Y）离轴剂量分布

（1）测试方法：在所有不同治疗射野准直宽度参数下，执行相应测试程序，使用水箱及电离室在15mm深度处测量纵向离轴曲线，并与参考数据作γ分析比较，标准为ΔDD=2%，ΔDTA=1mm，要求γ值＜1。另外，要求测量射野半高宽（FWHM）与参考射野半高宽数据偏差＜1%。

（2）结果：1、2.5及5 cm治疗射野准直宽度下，γ值分别为0.516、0.524及0.633，如图6所示。

2.6.3 百分深度剂量（IEC Z）分布

（1）测试方法：在所有不同治疗射野准直宽度参数下，执行相应测试程序，使用水箱及电离室在10～200mm深度测量垂直方向百分深度剂量，并与参考数据作γ分析比较，标准为ΔDD=2%，ΔDTA=1mm，要求γ值＜1。

（2）结果：1、2.5及5 cm治疗射野准直宽度下，γ值均＜1。

2.7 调强放疗程式验证

在所有不同治疗射野准直宽度参数下，执行预定的调强放疗计划，通过验证模体内某一层面不同位置的六处点剂量（位置分布于高剂量平坦区、高梯度区及低剂量区）来验证整个调强放疗的执行精度。

（1）测试方法：执行相应测试程序，治疗床上放置Cheese Phantom模体，在模体内不同位置处放置电离室，行MVCT扫描并验证模体摆位精度，要求各方向偏移＜1mm。执行调强放疗计划，将测量的六处点剂量与计算参考剂量进行γ分析比较，标准为ΔDD=3%，ΔDTA=3mm，要求γ值＜1。

（2）结果：1、2.5及5 cm治疗射野准直宽度下，γ值均＜1。

2.8 OS（operator station）操作工作站机器跳数显示校准

校准后使得在SAD=85 cm，射野为5 cm×40 cm，1.5 cm深度处1MU=1 cGy。

（1）校准方法：执行相应测试程序，放置固体水模于治疗床面，在SAD=85 cm，1.5 cm深度处放置电离室，记录测量值及OS显示MU数值。根据测量值编辑AOM文档，修改相应项参数。

（2）结果：机器跳数显示校准偏差＜1%。

2.9 MVCT测试

2.9.1 MVCT影像质量测试

MVCT影像质量测试包括空间分辨率、影像对比度测试，观察影像是否存在伪影。

（1）测试方法：在模体中插置密度棒及分辨力测试棒，行MVCT扫描，对所得影像进行分析。

（2）结果：分辨率可清晰辨别密度棒第三排小孔，影像未见环状、拉链状及条索状伪影。

2.9.2 MVCT剂量测试

在MVCT最佳影像质量参数模式下要求最大剂量＜4 cGy。

（1）测试方法：在模体中放置指形电离室，采用优质影像参数扫描模体测量MVCT剂量。

（2）结果：MVCT剂量＜3 cGy。

3 讨论

放射肿瘤学的基本原则是尽可能给予肿瘤区域足够的治疗剂量，同时降低周围正常组织和危及器官的受照剂量，提高肿瘤的局部控制率，减少正常组织的放射并发症[10]。放疗设备的各项物理性能、机械参数须达到要求的精度及稳定度，才能保证放射肿瘤学的基本原则。尤其是近年来复杂的调强放疗技术飞速发展，其对治疗设备质量保证的要求更高。

螺旋断层放疗系统是新近研发的集调强放射治疗和影像引导（image guided radiation therapy，IGRT）功能于一体的一种高精度放疗设备[11-12]。它将6MV的直线加速器安装在孔径为85 cm的CT滑环机架上，加速器产生的X线先经初级准直器形成窄扇形束，在64片对插式二元气动多叶准直器全开的情况下，在等中心处形成射野为 40 cm×（1、2.5、5 cm）3 种模式，并且支持动态准直器宽度治疗模式（Dynamic-Jaw），可在同一治疗计划中动态使用不同治疗射野准直宽度。多叶准直器叶片高10 cm，在等中心的投影宽度为0.625 cm，叶片只有“开”“闭”2种位置状态，当叶片处于“闭合”状态时，该照射单元不允许射线穿过；当叶片处于“开放”状态时，该照射野单元允许射线穿过，2种状态的转换时间约20ms。治疗时，经由初级准直器发出的扇形射束经多叶准直器调制后随机架对人体分51个治疗角度360°匀速旋转照射；同时通过治疗床连续匀速地进入孔径射束平面，可实施对全身各部位多靶区的调强放疗，长度最大范围可达160 cm。图像引导放疗是在分次治疗摆位时或治疗中采集图像，利用这些图像引导治疗以确保摆位或治疗精确。临床结果表明，采用图像引导技术不仅可以减少系统误差，而且通过日常图像引导的应用还可消除其随机偏差，其所需精度依赖于治疗靶区的外扩及灵敏器官的邻近程度，当靶区离危机器官很近时每天进行图像引导是非常有必要的[13]。螺旋断层放疗系统通过MVCT成像来完成图像引导功能，它类似于螺旋CT成像过程，MVCT扫描期间入射电子束流的额定能量从6MeV降至3.5MeV，有效地避免了CT图像中的金属伪影[14]。MVCT扫描时初级准直器宽度在等中心位置投影约为6mm，射束经过人体后通过机架对侧分布的520通道平板电离室探测器收集并重建影像，机架旋转周期为10 s，旋转半周可重建一层CT影像。不同于传统医用直线加速器的kV级IGRT装置，螺旋断层放疗系统的MVCT成像由于与治疗时采用同一射束源，定位精度得到了有力保障。用于图像引导的兆伏CT剂量很少[15]，通常一次扫描剂量在1～3 cGy。MVCT成像装置不仅应用于每日治疗前或治疗中患者体位的验证，并且可以通过对探测器信号的分析进行治疗设备的物理测试及质量保证。系统通过相应的算法[16-17]，利用探测器数据反推出MLC出口处的注量分布正弦图，用来和计划正弦图对比，实时检测MLC治疗时的运动状态以及射线源的能量变化信息，保证了治疗过程按照计划准确实施。螺旋断层放疗系统还配有专门的用于螺旋断层放疗的质量保证工具，所有的验证过程可以结合集成的质量保证软件高效省力的完成[18-19]。

放射治疗设备输出剂量的准确性和稳定性将直接影响到放射治疗的剂量分布的准确度，从而影响疗效[20]。对于螺旋断层放疗系统剂量刻度的校准，AAPM TG148号报告推荐使用的临床参考剂量校准协议为AAPM TG-51报告，此协议基于ADCL电离室60Co水下的吸收剂量刻度因子[21]。由于机械架构的差别，螺旋断层放疗系统无法满足TG-51报告中的几何PDD参考条件，Thomas等因此推导出螺旋断层放疗系统SSD=85 cm，10 cm深度条件下10 cm×5 cm特定射野射线质与TG-51报告SSD=100 cm条件下10 cm×10 cm射野射线质的转换关系[22]。

总之，验收测试作为设备验收与质量保证的基础，其各测试项目均十分重要，任何一项参数超出范围的误差都可能导致剂量学上的严重背离。因此，科室相关人员应重视这一环节，并为全面掌握设备物理参数性能以及全方位制定执行质量保证做好充分准备。

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