医用直线加速器影像系统质量控制方法的研究

高层层 杨磊 青岛大学附属医院 （山东 青岛 266000）

内容提要： 为了精准放疗的顺利实施，减少患者治疗时的摆位误差，应定期对医用直线加速器影像系统进行质量保证与质量控制。以瓦里安Vital Beam直线加速器为质量控制对象，对影像系统的图像质量、机械参数、成像坐标系三方面进行质量控制方法的研究，并总结其性能指标。医用直线加速器作为一种治疗精度高、治疗效果显著的放射治疗设备，做好影像系统的质量保证与质量控制是放射治疗安全、精确进行的关键。

随着科学技术的发展，治疗肿瘤的方法也日新月异，现阶段治疗肿瘤的方法有手术、化疗、放疗以及免疫治疗，约50%以上的恶性肿瘤患者在治疗过程中需行放射治疗，放射治疗可显著提高肿瘤局部控制率和患者生存率。放射治疗的目的不仅是精确地给予肿瘤区域足够的治疗剂量，并且保证肿瘤区域附近的正常组织器官受照剂量在合理范围内。精确的肿瘤定位、精确的肿瘤治疗计划设计、精确的治疗构成了现代肿瘤放射治疗的基本原则，精确的定位肿瘤是肿瘤放射治疗的基础和前提。由于放射治疗的生物学效应，通常采取分次照射的方式，而每次治疗时患者的体位、靶区的位置和形状、靶区与周围危及器官的位置关系都会发生变化，分次治疗的重复性难以保证。伴随着医学影像技术的不断进步，计算机体层成像（Computed Tomography，CT）、磁共振成像等先进技术融入到肿瘤放射治疗中，现代放疗技术从过去的二维普通放射治疗发展到三维、四维精准放疗，为了保证放射治疗的精准高效引入了图像引导放射治疗（Image Guided Radiotherapy，IGRT），IGRT技术作为一种基础的临床放疗实践的组成部分，在治疗过程中靶区和正常组织的位置实时监控、射野内剂量分布中有重要的作用。能否做好医用直线加速器影像学部分的质量控制，对于最大限度的杀灭肿瘤，最小限度的伤及重要器官都是非常重要，直接决定精准治疗的治疗效果[1,2]。因此，质量控制作为精准放疗实现的前提条件被越来越多的人重视[3]。

本文主要讨论图像引导放射治疗的质量保证和质量控制，包括电子射野影像系统（Electronic Portal Imaging Device，EPID）、千伏（kV）平片透视验证系统、锥形束CT系统的质量保证和质量控制的方法，研究其在肿瘤放射治疗中的重要作用。

1.医用直线加速器影像学性能指标

医用加速器相连接的射线成像系统主要包括：兆伏（MV）平面成像，kV平面成像，以及MV或kV CT成像（包括连续光束和锥形光束）系统。医用直线加速器装有射线成像系统的主要原因是验证和更改摆位误差，提高治疗精度。通常根据每个患者实际摆位误差情况调整放疗方案。Yan等[4]提出的自适应放疗的方法就是在每个患者治疗前通过影像系统测量每次摆位的摆位误差，对每次摆位误差进行统计和分析，决定是否需要修改或重新制定放疗计划。本文主要对瓦里安Vital Beam直线加速器的电子射野影像系统（Electronic Portal Imaging Device，EPID）和锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）的质量控制方法展开研究。

由于医用直线加速器主流的成像技术为kV/MV正交X射线影像技术，这种正交影像在靶区实际运动与治疗时射线在人体内的分布状态之间存在缺陷，成像坐标系与治疗坐标系之间不一致。软件处理生成的图像在坐标上具有一定的误差，确保成像坐标系与治疗坐标系的一致性，成像与治疗的一致性，在立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery，SRS）和全身立体定向放射治疗（Stereotactic Radiotherapy，SBRT）更为重要。在平面kV、MV成像和锥形束CT，美国医学物理学家协会的EPID质量保证和《美国第142项目组报告（TG-142）：医用加速器质量保障》的内容指出，成像坐标系与治疗坐标系在SRS/SBRT中误差≤1mm，在非SRS/SBRT设备中误差≤2mm，并且要求CBCT kV探测器和kV源旋转中心与加速器旋转中心的重合一致性不超过1mm[5,6]。在图像质量方面，图像缩放比例在SRS/SBRT中误差应低于1mm，在非SRS/SBRT设备中误差应低于2mm，图像质量空间分辨率、密度分辨率、放大系数、均一性等进行测试分析，对于头部，其基准值分别为0.53lp/mm、4.2%、99.88、94.5%，对于盆腔，基准值分别为0.43lp/mm、5.3%、99.72、99%。对于机械参数，CBCT源/探测器垂直方向运动时影像板中心点精度应少于1mm，EPID中心层面到位精度不超过±0.1cm，EPID特定层面运动范围要求纵向运动不少于40cm，横向运动不少于31.8cm。EPID探测器与加速器旋转中心的重合一致性不超过1mm。

2.电子射野影像系统质量控制方法

随着电子射野影像系统的不断发展，目前已逐步取代射野胶片。目前EPID的射线探测器的影像板由固定探测器或液态电离室组成的二维阵列构成，将采集到的射线信号进行处理后形成二维数字影像。自从1950年EPID在临床上应用以来，其在肿瘤放疗中的临床应用范围在不断扩大。目前EPID主要应用于摆位误差的校正、剂量验证、对放疗元件质量保证的应用三个方面。摆位误差的验证与校正是EPID最初的用途，尤其是自适应放疗思想的出现，每个患者在放疗过程的初期利用EPID测量每日的摆位误差，对摆位误差进行分析以确定是否需要修改治疗计划。剂量验证主要包括两种比较方法：一是将EPID测量数据通过特定算法转化为患者平面剂量或出射剂量，与治疗计划系统计算的剂量相比较，二是将EPID实测的射野剂量与治疗计划系统计算的射野剂量相比较。EPID也可以作为剂量仪使用，通过与三维水箱、电离室的测量结果相关联，以数学方法修正的方法进行剂量学检测。EPID对放疗元件的质量保证主要包括MLC叶片位置验证、灯光野实际射线野一致性等方面。正是因为EPID的重要作用，做好EPID的质量控制和质量保证工作是确保其正常运行的关键。

2.1 MV级能量图像对比度分辨率测试

图像细节对比度分辨率定义了成像设备在给定能量和分辨率下显示低对比度对象的能力，对于MV级能量对比度分辨率测试通过拉斯维加斯模体来确定，在不同的射束能量，不同的深度条件下，观察到圆孔的数目反映了不同的对象对比度的差异，进而判断图像质量的好坏。拉斯维加斯模体上有标记为A、B、C、D、E、F的圆孔，要求2.5MV的X射线需看清楚A、B、C、D、E、F圆孔，4～8MV的X射线需看清楚A、B、C、D、E圆孔，10～25MV的X射线需看清楚A、B、C、D圆孔。

测试时将治疗床升至等中心的位置，将拉斯维加斯模体放置在床上，将加速器十字线对齐模体，使模体居中。对于4～8MV 的低能X 射线，在Servies 模式下找到XI tab>Acquisition >MV文件，选择select Highres Single Imaging Mode，将影像板臂移动到-50.0/0.0/0.0位置。加速器射野大小调至13cm×13cm，模型位于加速器等中心位置。随后加速器出束获取影像。分析获得的影像，并记录每个能量下所有可见孔。重复测量>10MV高能X射线和<2.5MV的低能X射线的影像，并分析影像。最后记录分析的结果。

2.2 电子射野影像系统机械参数的质量控制方法

2.2.1 EPID中心层面到位精度。EPID机械臂定位到P1（0，0，0）位置，安装前指针，使前指针接触EPID的外表面，测量实际距离。标记十字中心位置，观察射野十字中心与EPID标记十字中心位置的偏差。

2.2.2 EPID特定层面运动范围。EPID机械臂在（-30，0，0）位置时，判断前后径向运动和左右横向运动的最大运动范围是否满足要求。

2.2.3 EPID探测器与加速器旋转中心的重合一致性。使用Isocenter Cube工具，加速器激光灯和模块十字线对准，在机架角度分别为0˚、90˚、270˚时曝光获取图像。首先测量Isocenter Cube横截面积实际大小并与5cm×5cm比较。然后比较钢球中心与十字线中心的距离偏差。在前、后、左、右4个方向上将Isocenter Cube偏移2cm，在曝光图像上测量位置的实际偏差。

2.2.4 GANTRY旋转后EPID到位精度。将加速器GANTRY旋转至90˚、180˚和270˚后测量EPID的到位精度，测量内容包括垂直方向精度、前后径向方向精度、左右横向方向精度三个方面，其允许误差<2mm。

2.2.5 EPID动态稳定性。对于EPID动态稳定性的测量，机头上方插入IsoCal Plate Phantom，等中心摆放IsoCal Phantom；EPID成像板位于（-50，0，0）处；进入Service模式；在Service模式下选择运行PVA CalibrationGeometryIsocenter Verification文件；记录软件分析结果。轨迹误差应<0.5mm。

2.3 EPID图像噪声测试

对于EPID图像噪声的测试，首先退床至初始位置，将成像板直于（-50，0，0）处；在Service模式下运行XITaskMVTest Image chain文件，点击start，在ROI中选择512×512 Size，获取Noise图像并读取偏差值并记录。其标准偏差值应<10。

3.锥形束CT的质量控制方法

锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）具有体积小、高空间分辨率、重量轻的特点，能够与直线加速器整合，配合呼吸门控等系统旋转一圈或半圈就可以重建某一体积的CT影像，将重建的CBCT影像与治疗计划配准后确定当前摆位与治疗计划位置的差别，系统就可以通过校正治疗床的方法修正误差。并且CBCT具有比传统CT更高的空间分辨率，对软组织结构的分辨能力很高。利用CBCT纠正摆位误差对于骨性标志不明显的腹部、盆腔肿瘤的治疗有重要作用。

3.1 CBCT的CT值校准方法

通过瓦里安系统自带的PVA校准工具，计算Catphan 604模体图像的CT值，确定影像系统CT的准确性，Catphan 604模体中含有聚四氟乙烯、空气等材料，根据这些材料的标准CT值与系统计算结果的比较结果确定影像系统CT的准确性，其误差值在±50HU之内。

测试过程在Service模式下的PVA校准模块下进行。将Catphan604模体放在治疗床上，并将其与激光线对齐。在PVA校准中，选择Details选项，然后选择Modality下的CBCT，其中有HU的校准选项。扫描方式选择头部扫描。选择图像横断面视图。使用窗宽窗位工具调整图像。扫描完成后选择工具栏上的直方图选项观察HU值的偏差，然后移动鼠标光标单击图像上的空气等物质。在直方图窗口中单击鼠标右键，然后单击然后选择“Show Statistics”。使用鼠标右键单击ROI并将其大小选择为7mm×7mm。使用鼠标拖动ROI并将其放置在模体图像上空气等均匀物质上。确定各物质平均CT值，并记录。使用相同的ROI大小，在盆腔扫描模式重复上述步骤。

3.2 CBCT kV探测器和kV源旋转中心与加速器旋转中心的重合一致性

使用瓦里安加速器自带的Isocenter Cube模块，将直线加速器激光灯和模块十字线对准，在机架角分别为0˚、90˚、180˚、270˚时分别曝光获取图像，比较模块中心钢球与模块十字线中心的距离偏差。

3.3 CBCT缩放比例

使用瓦里安加速器自带的Isocenter Cube模块，将直线加速器激光灯和模块十字线对准，在机架角分别为0˚、90˚、180˚、270˚时分别曝光获取图像，将曝光获取图像放大、缩小，测量其大小与实际的差别。

3.4 CBCT源/探测器垂直方向运动时影像板中心点精度

加速器机架角旋转至90˚，探测器移动到-20的位置上，标记中心点的位置，画十字线做标记，用卷尺测量中心点与等中心点的距离，计算偏差。随后上下移动探测器10cm，观察激光灯中心与画出的十字线中心的偏差。

3.5 CBCT配准精度测试

使用瓦里安加速器自带的等中心模块，首先将模体放在顶部，加速器激光灯对齐模块上的十字线，曝光获取图像，保持底座位置不变，模体向后向下移动2cm后，再次曝光获取图像，自动配准后观察配准位移与2cm间的偏差。

4.小结

医用直线加速器作为肿瘤精准治疗的利器被越来越多的医疗机构使用，而医用直线加速器的影像系统是实施精准治疗的前提和保证。文中从影像系统的图像质量、机械参数、成像坐标系三方面总结了医用直线加速器质量控制方法并确定其性能指标。该文对日常工作中影像系统的质量控制提供了新的方法和思路，有助于各放疗中心建立完善的质量控制体系，完善规章制度。