Hi-ART螺旋断层加速器治疗床自动移位准确性的验证

黄永杰，王运来，解传滨，吴伟章

1 武汉大学物理科学与技术学院，武汉市，430072

2 解放军总医院放疗科，北京市，100853

3 空军总医院放疗科，北京市，100853

放射治疗中，患者从热塑体模固定、CT模拟定位、治疗计划设计到治疗照射的每个环节都可能存在误差，尤其摆位误差，造成靶区剂量不足或正常组织器官受损。影像引导放射治疗（IGRT）技术能实时测量和纠正摆位误差，保证放疗的准确性。Hi-ART螺旋断层治疗机（Tomotherapy）是新型放射治疗设备[1]，它采用6 MV X线扇形束照射，机架旋转和治疗床同步运动，射线在患者身体形成螺旋束；配备了MV级CT影像引导系统，患者每次治疗前都可以进行CT扫描，扫描所得到的CT影像与患者治疗计划CT影像进行配准，得到患者治疗摆位的误差。根据配准结果对治疗床进行位置偏差的调整，保证治疗摆位的重复性。其治疗床由控制台操作控制自动完成左右、头脚和垂直方向的位置调整。影像配准和治疗床自动移位的准确性直接影响治疗效果，需要严格的质量保证和控制措施。本文利用QUASAR Penta-Guide模体测量分析螺旋断层治疗中治疗床自动摆位的准确性和重复性，并针对患者治疗进行摆位准确性的实时验证。

1 材料与方法

1.1 MV螺旋CT

Hi-ART螺旋断层治疗机射线出射方向有738个高压充氙气的弧形探测器阵列，6 MV加速管和探测器阵列相对安装在机架滑环上，治疗床进动时，滑环连续旋转。3.5 MV X线用于CT成像，等中心层面FOV直径为40 cm。预置有3种CT扫描方式 (Final、Normal和Coarse)，对应的层厚分别为2 mm，4 mm和6 mm[2-5]。

1.2 激光系统

Hi-ART治疗机有红、绿两套激光灯。绿激光灯静止不动，位于机架外头脚方向上距机器等中心70 cm处，指示加速器的虚拟等中心。红激光灯为可移动的激光灯。摆位时患者或模体的定位标记与红激光重合。MVCT扫描、配准后，治疗床退出机架，红激光灯移动到配准后定位标记的新位置。治疗床自动进行位置调整，红激光灯再次与定位标记重合，绿激光灯在左右和垂直方向上指示照射野中心位置[6]。

1.3 QUASAR Penta—Guide模体

模体为边长16 cm的立方体，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、上面刻有中心长十字线和偏心短十字线，两套十字线之间的距离作为摆位误差，在左右、头脚、垂直方向的距离分别为10 mm、14 mm、12 mm，见图1。它由均匀的丙烯酸树脂做成，内部有5个球形空气腔，可在常用的X线影像中显示，图像配准时观察效果。可用于2D/3D影像配准的准确性验证、灯光野与照射野的一致性验证、治疗床的位移验证等，以及影像系统和加速器的质量控制[7]。

图1 QUASAR Penta-Guide模体Fig.1 QUASAR Penta-Guide phantom

1.4 模体摆位误差的验证

模体的顶面和左右表面的长十字线中心贴上铅豆，按照摆位标示放置在Brilliance CT扫描床上。CT定位激光灯对准模体表面的中心长十字线，扫描层厚为1.5 mm，扫描范围包括整个模体。CT图像经DICOM3.0传输至Pinnacle医生工作站。勾画模体中心的空腔作为靶区。再将CT图像传到TomoPlan计划系统。患者坐标的原点放置在模体中心。设计一个简单的治疗计划并传送到加速器控制工作站。治疗机房内将模体放在治疗床上，方向与CT扫描时一致。调整治疗床，使红激光灯对准模体表面的短偏心十字线，作为摆位偏差。选择扫描条件为FINE，层厚为2 mm，以灰度配准方式配准，观察MVCT图像上的空腔与CT定位图像上的空腔是否重合，分析图像配准计算的摆位误差是否与参考值一致。治疗床自动进行左右、头脚和垂直方向的偏差调整。治疗床位置调整后再次进行MVCT扫描，测量分析残留误差，同时用直尺测量绿激光灯与中心长十字线的位置偏差。

1.5 患者治疗验证

Penta-Guide模体为规则的立方体，重量较轻，不能反映治疗床在重载条件下自动移位的准确性，需要针对患者进行实际测量分析。头部或者腹部肿瘤患者靶区周围的骨性解剖结构为刚性结构，图像配准时骨性标记明显，适合做治疗床自动校正的患者验证。定期选择头部或腹部肿瘤病人，摆位后进行MVCT扫描，图像配准并记录位置偏差，自动移动治疗床，重复MVCT扫描，再进行配准，得到残存摆位误差。

2 结果

2.1 治疗床自动移位

Penta-guide模体放在治疗床上，红激光灯在左右、头脚和垂直方向分别与偏心短十字线重合。MVCT扫描完成后，用灰度模式进行图像配准。MVCT和模拟定位CT图像上模体外轮廓及中心空腔应较好重合。配准后治疗床退出机架外进行自动校位，此时绿激光灯在左右和头脚方向与模体中心长十字线重合，但在垂直方向与中心长十字线存在2 mm的偏差，这主要是治疗床下沉的影响。模体进入机架内射野等中心位置时，长十字线与绿激光线重合，床面下沉的影响已经消除，见图2。治疗床自动调整完之后再次进行MVCT扫描，左右、头脚、垂直的残存误差均小于2 mm。

图2 绿激光灯与十字线的位置Fig.2 Alignment between green laser and crosswires

2.2 治疗床自动调整的重复性

连续30次用Penta-guide模体测量治疗床自动调整的准确性，观察治疗床自动位置校准的长期稳定性，结果见图3。图中显示治疗床在左右、头脚和垂直方向的位置平均误差分别为10 mm、14 mm、14 mm。垂直方向的位移偏差并没有在12 mm附近，MVCT扫描包括了床面的下沉，下沉幅度为2 mm。每次测量治疗床自动校位后3个方向的残存误差均小于1 mm。

图3 治疗床自动移位的重复性Fig.3 Reproducibility for automatic table movement

2.3 患者扫描图像配准

10例头部肿瘤患者MVCT扫描配准后的平均摆位误差为左右1.2 mm，头脚3.4 mm，垂直方向2.6 mm。治疗床自动调整后左右、头脚和垂直方向的残存误差平均值分别为0.6 mm、1.6 mm和1.1 mm。残存误差均在2 mm范围之内，说明治疗床自动调整准确可靠。患者在配准前、配准后、再次扫描配准的横断面图像见图4。腹部摆位误差相对稍大，但治疗床位置校准后的残存误差均在5 mm之内。

图4 患者图像配准时的横断面CTFig.4 Axial CT images during image match

3 讨论

放射治疗中患者摆位的准确性和重复性是分次放疗中非常重要的问题。由于系统误差和随机误差的影响，患者每次治疗摆位时都存在误差；同时摆位重复性也受分次治疗间甚至单次治疗时间内靶区和重要组织运动的影响。影像引导放射治疗可以比较准确地确定靶区位置，优化放射治疗技术，提高肿瘤的治疗效果，减少患者的副反应[8]。由于影像引导放射治疗的技术复杂，环节多，每一步骤都非常关键。

Hi-ART的MVCT影像引导系统能有效地提高摆位的准确性。患者治疗时体位和靶区位置的偏差由每次MVCT和模拟定位CT配准得到，通过治疗床自动调整进行纠正[9]。Hi-ART II以前的治疗床可以实现头脚和垂直方向的自动调整，但左右方向仍需手动调整。新型的治疗机都进行了升级，治疗床可以实现3个方向的自动调整。螺旋断层加速器的床面比较厚重，进床过程中存在下沉，下沉的大小与治疗床载重有关，最大可达(4～5) mm。患者接受治疗时的位移下沉由MVCT扫描配准后并纠正。

治疗床的自动移位是患者接受照射前的最后一个环节，也是最容易出现问题和影响治疗程度较严重的环节，其引入的误差直接影响患者靶区和正常组织接受的照射剂量。Penta-guide模体为规则的刚性体，能对治疗床自动调整的准确性进行验证，是日常检查必不可少的工具。也需要定期针对患者进行实际验证。治疗床的准确到位是影像引导系统质量保证的重要内容。

[1] 姜瑞瑶,傅深.直线加速器和CT机的完美结合—螺旋断层治疗机[J].中国医疗设备,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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[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.

[6]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.

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[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.