空气压缩设备故障引起的螺旋断层放射治疗患者计划验证通过率偏低的案例分析

王海洋，皮一飞，韩滨，贾飞，王芳娜，刘乐乐，裴运通，胡金炎，孔凡洋，郭跃信

前言

螺旋断层放射治疗（Helical Tomotherapy,HT）系统是当今世界上最先进的图像引导调强放射治疗设备之一。HT系统是以螺旋断层模式进行治疗的加速器，具有区别于传统加速器的独有特点：一方面能够实现160 cm×40 cm 超长靶区的治疗，适合治疗全身照射、全中枢照射、多发转移等肿瘤；另一方面是由于它独特的气动多叶准直器（Multileaf Collimator,MLC），其叶片移动速度能达到250 cm/s，是传统加速器MLC 运动速度的100 倍，使其具有较强的剂量调制能力，对临床上复杂的靶区能实现高度适形的剂量分布的同时也能很好地保护正常器官［1-3］。常规的质量保证是确保TOMO 计划质量优于常规调强计划（IMRT、RapidArc）质量的前提。本文以郑州大学第一附属医院放射治疗部2019年3月份新增加部分患者TOMO 计划通过率偶发偏低的现象作为研究对象，对其影响因素进行逐一分析，最终解决上述问题并据此更新质控内容。

1 故障情况介绍

对本院放射治疗部2019年3月份HT加速器所有新增患者治疗计划使用ArcCHECK 进行剂量验证。通过率偏低的结果如下：绝对量通过率低的病人计划数为42 个，占当月新增病人56%，其中ArcCHECK绝对量通过率（Gamma 标准：3 mm/3%，10%）为74.45%±11.92%，而相对通过率为98.13%±2.15%。抽取25 例通过率最低的计划使用Cheese Phantom 进行点剂量测量，发现测量值大于计算值，偏差2.15%±0.71%。其中7 例全中枢照射患者使用铅门射野宽度为5 cm 条件下进行计划设计，此时绝对通过率仅有49.63%±10.15%，相对通过率为95.54%±1.61%；若将铅门宽度更改为2.5 cm后（保持其它计划参数不变），此时绝对通过率变化明显，上升至93.84%±2.34%，而相对通过率有微小提升。

2 故障分析

验证计划通过率低的影响因素如下：①ArcCHECK 刻度文件不准确；②ArcCHECK 矩阵校准文件不准确；③计划系统计算不准确；④加速器输出量不稳定；⑤Jaw 到位精度有偏差；⑥MLC 开关时间精度有偏差。

使用SPSS 18.0.0 软件进行统计学分析，经过观察数据分布确定计量资料的正态分布，用均数±标准差表示，组间数据比较采用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2.1 ArcCHECK刻度文件

在常规加速器6 MV 均整模式下对ArcCHECK绝对剂量刻度［4-6］（常规加速器输出量已校准），使用新的刻度文件对25例验证通过率低的计划进行重新测量。原刻度文件绝对通过率为55.42%±11.53%，重新刻度后通过率为56.87%±10.78%，差异无统计学意义（P=0.18＞0.05），排除刻度文件不准确的因素。

2.2 ArcCHECK矩阵校准文件

在常规加速器6 MV均整模式下对ArcCHECK矩阵校准［4-6］（常规加速器输出量、射束平坦度和对称性已校准），使用新的矩阵校准文件对25例验证通过率低的计划进行重新测量，原绝对通过率为55.42%±11.53%，重新刻度后通过率为56.31%±11.06%，绝对通过率没有明显变化，无统计学意义（P=0.13＞0.05），排除矩阵校准文件不准确的因素。

2.3 计划系统准确性测试

为确定计划系统计算的准确性，本研究使用Thomas等［7-8］开发的基于Matlab平台HT独立剂量计算系统。文献报道证明对于前列腺癌病人，无论是使用原始CT图像还是修正CT图像，独立剂量计算系统计算结果与HT计划系统剂量计算结果最大剂量偏差都在1%以内，3%/3 mm验证标准下Gamma通过率大于95%；对于头颈部病人最大剂量偏差为1.1%，4%/4 mm验证标准下Gamma通过率为94.4%，证明该独立剂量计算系统能完全满足临床离线验证要求。本研究通过在此独立剂量计算系统上对通过率较低的患者进行离线剂量验证，25例患者Gamma 3%/3 mm标准结果为98.35%±1.68%，都在95%以上，即通过率低的病人治疗计划无设计和计算方面错误，排除了人为计划设计和治疗计划系统剂量计算错误的因素。

2.4 加速器输出量稳定性

统计近50 d 加速器晨检输出测量结果统计如图1所示，固定野输出点剂量偏差在±2%以内［9］，同时TomoDose 输出剂量也在±2%以内［10］，加速器输出状态稳定，无异常情况，排除加速器输出量不稳定的因素。

图1 近50 d固定野输出点剂量与TomoDose输出剂量变化趋势统计图Fig.1 Statistical diagram of change trend of fixed field output point dose and TomoDose output dose in recent 50 days

2.5 Jaw到位精度

参照AAPM TG-148 号报告第V.B.2.c 项目检测Jaw 到位精度［11］，测量结果使用HT 系统中的TQA 软件分析，结果都在误差范围之内。为排除Jaw和MLC的相互影响，分别导入（5×5×5）cm3和（10×10×10）cm3两个立方虚拟水模体，设计铅门宽度2.5 cm和5 cm的两野对穿适形计划（10 cm 立方虚拟水模体采用铅门宽度5 cm 和2 cm 的二维适形计划名称3DCRT-10-J5 与3DCRT-10-J2.5 对于5 cm 模体，对应计划为3DCRT-5-J5 与3DCRT-5-J2.5），并同时进行点剂量测量。 计算与测量结果如表1所示，其中ArcCHECK Gamma 3 mm/3%标准平均绝对通过率为98.58%±0.78%，2 mm/2%标准平均绝对通过率为87.81%±1.11%，点剂量平均偏差0.63%±0.02%。在3 mm/3%和2 mm/2%的比较标准下，不同Jaw 宽度的适形计划通过率相差不大，并且点剂量偏差都在1%以内，证明Jaw 到位精度无问题，排除Jaw 到位精度不足的因素。

表1 不同模体和铅门宽度下适形计划和调强计划的ArcCHECK测量结果及点剂量比较结果（± s）Tab.1 Comparison of ArcCHECK and point dose for 3DCRT and IMRT with different phantoms and jaw width(Mean±SD)

表1 不同模体和铅门宽度下适形计划和调强计划的ArcCHECK测量结果及点剂量比较结果（± s）Tab.1 Comparison of ArcCHECK and point dose for 3DCRT and IMRT with different phantoms and jaw width(Mean±SD)

测试计划Gamma（3 mm/3%）/%Gamma（2 mm/2%）/%TPS计算点剂量/Gy 实测点剂量/Gy 点剂量偏差/%3DCRT-10-J5 3DCRT-10-J2.5 3DCRT-5-J5 3DCRT-5-J2.5 IMRT-10-J5 IMRT-10-J2.5 IMRT-5-J5 IMRT-5-J2.5 97.89 99.33 97.92 99.19 91.56 98.17 90.02 97.38 86.97 88.85 86.73 88.68 67.97 81.08 67.67 79.75 1.57 1.55 1.65 1.61 1.59 1.62 1.69 1.64 1.58 1.56 1.66 1.62 1.60 1.63 1.70 1.65 0.64 0.65 0.61 0.62 0.63 0.62 0.59 0.61

2.6 MLC开关时间精度

测试列中加入新的两野对穿调强计划以验证MLC开关时间精度（10 cm立方虚拟水模体采用铅门宽度5 cm 和2 cm 的调强计划名称IMRT-10-J5 与IMRT-10-J2.5 对于5 cm 模体，对应计划为IMRT-5-J5与IMRT-5-J2.5）。测量结果如表1所示，IMRT 计划通过率比3DCRT 计划通过率下降明显，说明MLC 存在明显开关时间精度不足的问题。IMRT 计划对比中，铅门宽度5 cm 的计划相对铅门宽度2.5 cm 的计划从Gamma 3 mm/3%标准到2 mm/2%标准后通过率下降非常显著，表明MLC 开关时间精度对铅门宽度5 cm 的计划影响要大于铅门宽度2.5 cm 的计划。对IMRT 计划与3DCRT 计划的点剂量对比，并未发现明显不同，这可能跟靶区形状和IMRT 计划复杂程度以及测量点位置有关，靶区形状越不规则或计划复杂程度越高则点剂量可能偏差越大。据此断定该计划通过率较低的原因为MLC 开关时间精度不足，且Jaw 越大宽度对MLC 开关时间精度影响越大。由于空气压缩设备直接影响MLC 开关时间精度，本研究最后断定空气压缩设备存在故障。后期通过对空气压缩设备进行维修保养，再对上述通过率低的病人计划使用ArcCHECK 重新进行面剂量测量，通过率全部达到临床要求（Gamma 标准：3 mm/3%,10%），同时使用Cheese Phantom 进行点剂量测量，偏差都小于1%。此操作验证了推断结果，说明推断结论正确。因此定期维护和保养空气压缩设备十分必要，应引起管理和使用人员的高度重视，并严格执行保养手册，确保其处于最佳状态，以使放疗计划都能准确无误的执行。同时在物理师执行质量保证项目时，应考虑将空气压缩设备内容加入其中。

3 讨论

HT 系统就是将6 MV 加速器集成在CT 滑环机架上，主要构件组成：加速管、电子枪注入系统、磁控管、微波传输系统、脉冲调制系统、真空系统、水循环冷却系统、电源分配系统、数据采集系统等。HT系统工作原理如下：球管阴极灯丝发射的电子，在电场作用下进入由磁控管提供微波功率源的波导管内进行加速，加速到特定能量的电子经波导窗引出轰击靶，产生能量为6 MV非均整的X射线。X射线经过准直器和气动MLC 调制后，得以适形靶区肿瘤［1-3］。空气压缩设备是HT 放疗系统的重要辅助部件，用于快速驱动MLC。空气压缩设备构件组成：空气压缩机、储气罐、冷干机和过滤器。系统将外界吸入的空气通过空气压缩机转换成具有一定压力的气体经由管道引至储气罐中。由于经过空气压缩机压缩、后部冷却器冷却、水气分离器以及缓冲罐稳压后的压缩空气均处于饱和状态，其相对湿度达100%，且含有油和固体颗粒等杂质，这种压缩空气是不能直接使用的，因此需要冷干机进行干燥净化处理。冷干机将压缩空气中气体的水、油及其它杂质混合物冷却到临界温度（即结露温度-露点），并通过独特设计的旋风分离器将水和气体分离而自动排出，从而获得清洁的压缩空气。经过冷干机干燥净化处理后的气体再经过两级过滤器后输送到HT 系统的MLC 端口，实现MLC 叶片的快速调制，并按照设计计划实施放射治疗。

对于HT 系统中MLC 开关时间精度已有不少相关研究：Sarkar等［12］最早设计了HT 系统的MLC 质控方法，使用固体水和EDR2 胶片通过7 组测试计划实现对MLC 一致性、MLC 漏射、MLC 执行时间精度及MLC 开关时间精度的测试，此方法稳定可靠。Chen等［13］使用HT 系统自带的MVCT 探测器对MLC 开关时间精确测量，结果发现MVCT 探测器能精确发现MLC 的开关时间情况，且发现HT 系统的MLC 打开和关闭精度非常高，能完全满足临床要求。Lissner等［14］使用MVCT 探测器采集到的数据分析MLC 开关时间精确，通过6 个月的持续观察，发现MLC 具有很好的开关时间精度。当驱动MLC运动的气压发生变化时，会造成MLC 开关精度从-1.8%到-3.7%的偏差，严重影响治疗的精度。Schopfer等［15］使用MVCT探测器采集MLC开关数据与自行研发程序的计划结果进行对比分析，发现两者误差为0 ms，完全小于0.3 ms的标准偏差，不确定度和置信水平完全满足临床要求。Yang 等［16］采用ArcCHECK 对机架旋转、治疗床移动和MLC 开合同步性和一致性进行验证，其方法的精确性与机器日志文件保持一致。

本研究通过实验设计与逐步排除分析法，查找HT系统中影响病人计划通过率的因素。其中使用两个虚拟立方模体（5和10 cm）测试Jaw和MLC开关时间精度，为防止出现Jaw 和MLC 相互联动影响，本文先通过设计无运动MLC 参与3DCRT 计划，确认Jaw到位精度后，再设计有运动Jaw 和MLC 参与的IMRT计划，以此确认MLC 开关时间精度存在问题，而MLC 开关时间精度由空气压缩设备控制，最终断定为空气压缩设备故障所致。空气压缩设备是HT 系统中重要组成部分，为HT 实施精确放疗提供技术保障。气体压力的稳定性和干燥程度是空气压缩设备正常运行的重要因素，空气压力过高或者过低都会导致MLC 不能按照计划准确执行开关，严重者将会引起机器报错及无法实施治疗。气体湿度过高会导致部件的严重损坏。因此定期维护和保养空气压缩设备十分必要。

当月新增加的治疗患者中，验证通过率低的患者计划占比相对较高（约56%），其他病人的验证结果仍能满足3 mm/3%条件下Gamma 通过率大于90%的临床要求。可能原因为：①空气压缩设备尚未完全损坏，某些条件下仍能正常运行；②通过率高的患者靶区形状较为规则，治疗计划相对简单；③即使验证通过的计划，实际执行时也不能保证投照结果与计划设计一致，这与当时空气压缩设备状态有密切关系，表现为实际执行计划呈现较大随机性，精确度和一致性较差。

在计划设计参数应用方面，调制因子对Gamma通过率影响非常大，且计划调制因子与实际调制因子相差越大，计划通过率越低。Binny 等［17］推荐实际调制因子在1.4～2.5 之间通过率最佳，De Kerf 等［18］推荐当射野宽度5 cm 时螺距选择0.23～0.45 和调制因子大于2为最佳组合。对于上述通过率低的计划，将计划调制因子调整至推荐调制因子范围之内同时又接近并大于实际调制因子，在保证计划质量同时还能确保执行效率，其它计划参数保持不变然后对计划进行重新优化，将重新优化得到的计划进行验证，以此来检验调制因子对通过率的影响。最终通过率变化不明显，排除计划设计因素的影响。

温度变化对ArcCHECK 测量结果也有影响，约0.5%/℃，为此需要每隔15 min记录室内温度，通过一段时间的观察，室内温度保持相对恒定，温度区间在（20±2）℃，排除因温度变化对通过率的影响。

平面剂量验证除了采用ArcCHECK 进行测量外，还采用了HT 系统自带的DQA 胶片验证系统进行测量［19］，通过率与ArcCHECK 结果一致，但由于EBT3 胶片成本与操作复杂性等问题，只有少部分患者计划采用了胶片验证，将两者结果逐一对比，结果保持正向一致性。

对于ArcCHECK每次摆位可能存在误差，因而每次摆位后扫描MVCT，纠正摆位误差［20］，同时ArcCHECK分析软件中对于较小偏差可以通过Calc shift进行修正，通过以上两种方式消除摆位误差造成的影响。

通过上述方法推断为空气压缩设备产生的气体压力不足所致，通过对空气压缩设备维护和保养后即刻解决了计划通过率偏低的问题，因此定期保养压缩机和更换空气干燥设备十分必要，同时在物理师执行质量保证项目时，将空气压缩设备加入其中很有必要。建议将空气压缩器质控项目纳入周检内容，便于及时发现与解决问题。