一种新型CT模拟机定位床的改进设计及验收测试

肖青，李光俊，柏森

四川大学华西医院肿瘤中心 生物治疗国家重点实验室 放疗科，成都市，610041

0 引言

肿瘤的治疗手段主要包括手术治疗、放射治疗和系统治疗（如化疗、靶向治疗、激素治疗及免疫治疗等）[1]。其中放射治疗是继手术后对肿瘤治愈率贡献最大的治疗手段[2]。随着图像引导放疗技术[3]、调强适形放疗技术[4]、容积旋转调强放疗[5]技术、立体定向放疗技术[6]和质子治疗技术[7]的迅速发展，放射治疗进入精准放疗时代。精确定位是精准放疗的关键环节，也是精确计划和精确治疗的基础[8]。模拟定位的主要目的包括为分次治疗提供良好的摆位重复性，为靶区及正常组织的勾画提供精准影像，为放疗计划的剂量计算提供准确数据[9-12]。目前，精确定位的主要设备是CT模拟机，即配备有平板床的专用或常规CT机[10-11]。通常，CT模拟机定位床是与加速器治疗床一致的平板床，而非诊断CT机用的弧形凹面床。临床上，定位床的几何形状误差会导致分次治疗摆位误差[10]，定位床的位置和步进运动精度会影响CT影像的空间几何失真度[13-14]，床面的垂直和纵向运动数字显示误差会导致定位标记点的设置误差[10]，平板床中含有产生伪影的物质会导致影像质量变差，这些都会影响放疗质量。然而，在临床工作中CT模拟机定位床的性能检测容易被忽视，且将诊断CT机弧形凹面床改造为放疗专用平板床普遍存在精度不够等问题。因此，CT模拟机定位床的质量控制（quality control,QC）及质量保证（quality assurance,QA）要求相比诊断CT机弧形凹面床更为严格。下面重点阐述四川大学华西医院引进的全国第一台放疗专用GE Revolution CT模拟机定位床验收过程中的改进设计及性能测试。

1 材料与方法

1.1 GE Revolution CT模拟机

四川大学华西医院引进全国第一台美国GE公司256排Revolution放疗专用CT模拟机，并于2020年4月安装调试完毕。Revolution CT模拟机是一款具有“能谱”“宽体”和“速度”优势的高端CT机，配备了美国CIVCO公司放疗专用碳纤维结构平板床和德国LAP公司外置可移动激光定位系统。定位床全长2 793 mm，碳纤维平板床面长2 174 mm，宽530 mm，可扫描区域长1 735 mm。平板床结构经过优化设计，扫描区域由碳纤维层组成，非扫描区域内含铝芯，在不影响扫描的情况下进一步提高了平板床的刚性。定位床前端采用弹性滑车支撑设计，如图1所示，在进床的同时提供可变的向上支撑力（最大支撑130 N），使得进床过程中床板振动及下沉进一步减小。

1.2 测试模体及工具

厂商提供的CT激光质控仪，由3个立方体组成，每个立方体中心处有一个由低密度材料填充的宽度为1 mm的“十”字凹槽，3个凹槽处于同一平面，如图2(a)所示。CT激光质控仪轴扫图像，如图2(b)所示。日本Mitutoyo数显水平仪，0～9.9o测量范围内精度为0.01o。200 mm、1 000 mm钢直尺各1把，300 mm钢直角尺1把，游标卡尺1把。25 kg铁块4块，用于模拟不同患者体重。

图1 弹性滑车支撑结构Fig.1 Elastic pulley supporting structure.

图2 CT激光质控仪及其轴扫图像Fig.2 The CT laser QA device and it’s axial scan image

1.3 验收内容及指标

Revolution CT模拟机定位床验收测试主要参考美国医学物理家学会（American Association of Physicists in Medicine,AAPM）TG-66号报告[10]、TG-39号报告[15]及国际原子能机构（International Atomic Energy Agency,IAEA）人类健康系列第19号报告[11]。AAPM TG-66号报告要求在定位床至少负载75 kg的情况下进行相关测试，IAEA人类健康系列第19号报告要求分别在定位床负载70 kg及140 kg的情况下进行测试。由于我国18岁以上成年男性和女性的平均体重分别为66.2 kg和57.3 kg[16]，结合实际情况，本研究分别在定位床负载0 kg、25 kg、50 kg、75 kg和100 kg的情况下（模拟不同体重患者）进行验收测试。

验收内容及指标包括：①床面应水平且与成像平面垂直正交；②手动按钮控制下定位床垂直和纵向运动数字显示应精确并可重复；③控制台控制下定位床的步进及位置应准确；④扫描区域内定位床不应含有任何产生伪影的附件（如螺钉等）。

1.3.1 床面水平且与成像平面垂直正交测试

测试方法：每级负载下，通过水平仪测量床面头脚（S-I）方向和左右（L-R）方向倾角，每个方向测量3次取平均值；将CT激光质控仪分别卡在平板床H4-H3、H1-H0、F2-F3和F5-F6四个位置处进行扫描，每个位置间隔420 mm，范围1 260 mm。每次扫描时，保持定位床高度示数不变，将CT激光质控仪3个立方体凹槽与CT模拟机内横向激光灯对齐，以0.625 mm的层厚进行轴扫，扫描过程中不移动床。在清晰显示三个“十”字线的同一层面，通过光标工具测量每个“十”字线中心孔在S-I、A-P和L-R方向的位置坐标。

验收指标：三个“十”字线中心孔在S-I方向、L-R方向和A-P方向坐标最大偏差均在±2 mm内。

1.3.2 手动按钮控制下定位床纵向和垂直运动精度测试

测试方法：①纵向运动：每级负载下，将长尺水平放置于床面，使其边缘与平板床边缘对齐，1 cm刻线与横向外激光对齐，并用胶带固定；将直角尺垂直放置于床面，使其与水平方向外激光垂直后用胶带固定；将短尺平放于床面，使其与纵向外激光垂直后用胶带固定；将床设为“0”位，进床至长尺99 cm刻线然后回到1 cm刻线的过程中，记录3个方向上示数显示移动距离与尺子测量实际距离的最大偏差。②垂直运动：尺子固定方式与纵向运动测试一致，将床降至扫描孔内最低位置并设为“0”位；在升床20 cm然后回到“0”位的过程中，记录3个方向上床的示数显示移动距离与尺子测量实际距离的最大偏差。

验收指标：手动按钮控制下定位床纵向和垂直运动数字显示各方向最大偏差在±1 mm内。

1.3.3 控制台扫描控制下定位床步进及位置精度测试

测试方法：尺子固定方式与手动按钮控制下定位床纵向运动测试一致。将床设为“0”位后，在控制台扫描控制下进床98 cm，然后退床98 cm，记录三个方向外激光灯在长尺上的位置偏差，重复3次，取平均值。

验收指标：控制台扫描控制下定位床步进运动各方向最大偏差在±1 mm内。

1.3.4 扫描区域内定位床伪影测试

测试方法：在进床最大范围内，对平板床进行扫描，检查扫描区域内平板床是否含有任何干扰图像质量的物质。

验收指标：扫描区域内平板床不应含有任何产生伪影的物质。

1.3.5 验收中定位床的改进设计

验收过程中发现，每级负载下CT激光质控仪3个“十”字线中心孔A-P方向平均坐标在定位床四个扫描测试位置间的最大偏差均超过3 mm（空载达7.04 mm），不符合验收标准，因此，需对定位床进行改进。改进设计如图3(a)所示，空载下，平板床靠机架端倾角向上，在扫描层面，H3-H4测量位置相比F5-F6测量位置改进后期望的最大偏差为+2 mm（HE0）；负载100 kg下，平板床靠机架端倾角向下，H3-H4位置相比F5-F6位置期望的最大偏差为-2 mm（-HE100）。根据空载和负载100 kg下实际测量的H3-H4位置相比F5-F6位置的最大偏差H0和H100，计算出平板床尾端底座的理论补偿高度范围ΔH0～ΔH100。计算方法如下：

空载：

负载100 kg：

其中，S为床面H3-H4测量位置到F5-F6测量位置的长度，为1 260 mm；L为平板床机架端卡扣支撑位置到平板床尾端底座支撑位置的长度，为2 100 mm；α0、β0分别为空载下改进前和期望的改进后最大床面倾角，α100、β100分别为负载100 kg下改进前和期望的改进后床面最大倾角。据此，计算出补偿高度范围，再通过3D打印技术生成不同规格厚度的ABS适形补偿片，以将固定底座垫高，如图3(b)所示。通过多次测试，确定定位床性能达到最优状态的实际补偿高度。

图3 改进设计原理及3D打印补偿片示意图Fig.3 Schematic diagram of improved design principle and 3D printing compensation film

2 结果

改进前，H0和H100测量结果分别为7.04 mm和3.21 mm，据此计算出理论补偿高度范围为8.40～8.68 mm。多次调试后，定位床性能达到最优状态下实际ABS适形补偿片高度为8.60 mm。改进前，不同负载下CT激光质控仪“十”字线中心孔在S-I方向和L-R方向的最大偏差分别小于1 mm和1.5 mm，符合验收标准；A-P方向最大偏差大于3 mm，不符合标准。改进后，非零负载下所有方向最大偏差均满足验收标准。

改进前后每级负载下CT激光质控仪3个“十”字线中心孔在A-P方向的平均位置坐标在进床过程中变化趋势不同（见图4）；改进前不同负载下四个测量位置A-P方向的平均位置坐标偏差范围为3.21～ 7.04 mm，改进后减小为－1.65～ 2.03 mm，且改进后最大偏差的标准差进一步减小至0.1 mm内（见图5）。

图4 改进前后CT激光质控仪3个“十”字线中心孔在四个测量位置处A-P方向的平均位置坐标Fig.4 The average position coordinates of the three "ten" center holes of the CT laser QC device in the A-P direction at the four measurement positions before and after the improvement

图5 改进前后不同负载下CT激光质控仪3个“十”字线中心孔在四个测量位置间A-P方向的最大偏差Fig.5 The maximum deviation of the three "ten" center holes of the CT laser QC device in the A-P direction at the four measurement positions under different loads before and after improvement.

改进前，不同负载下平板床床面在S-I方向的最大倾斜角范围为0.15o～0.30o，改进后减小至±0.08o内，改进前后L-R方向倾斜角均在±0.07o内。改进后，手动按钮控制下定位床垂直和纵向运动范围内数字显示最大偏差均在±1 mm内，控制台扫描控制下数字显示最大偏差均在±0.1 mm内，均符合验收标准。在整个可扫描区域内，定位床影像清晰、密度均匀，未见任何明显伪影。

3 讨论分析

随着放疗技术的不断更新和发展，放疗定位精度要求越来越严格。精确模拟定位是实现精准放疗的基本手段，但是，CT模拟机的质量控制受重视程度却远远低于治疗机[17]。临床上，CT模拟机的相关质控研究多关于图像质量及CT电子密度的稳定性[18-20]，而定位床的性能监测往往容易被忽视[9]。GE Revolution CT模拟机定位床是专为放疗定位而设计，一方面在治疗床前端采用弹性滑车支撑设计，在进床的同时提供可变的支撑力，进一步减小了定位床的振动和下沉；另一方面，通过对床板结构进行优化设计，在不影响扫描的情况下进一步提高了床板的刚性。结合Revolution CT机具有的“能谱”“宽体”和“速度”的优势，可进一步提高放疗定位的精度和效率。

通常，CT模拟机定位床与治疗机上的治疗床存在差异，两种床的下沉幅度不同，这些差异可能会导致摆位误差。目前，对于CT模拟机的验收标准主要还是参照AAPM TG-66号报告。但是，不同厂家生产的CT模拟机性能参数差异较大，在安装和调试过程中还存在一定偏差，各放疗中心需要根据实际应用情况制定符合本单位临床要求的CT模拟定位机质量控制措施[19]。其中，对于CT模拟机定位床的性能测试AAPM TG-66号报告建议至少在75 kg的负载下进行。然而，我国18岁以上成年男性和女性的平均体重分别为66.2 kg和57.3 kg[16]，且临床上放疗患者包括儿童、青少年和成年人，体重差异较大。结合临床实际情况，本研究在定位床负载0 kg、25 kg、50 kg、75 kg和100 kg的情况下进行相关测试，负载范围涵盖本中心几乎所有的肿瘤患者体重。研究中发现，随着负载减少，四个测量位置处定位床A-P方向的偏差逐渐增大。这一现象应在体重较轻、治疗范围较长的患者（如全脑全脊髓儿童患者）的放疗定位中得到足够重视。结果表明，仅在75 kg负载下进行测试无法有效把握定位床在不同负载下A-P方向的偏差，可能导致体重较轻、治疗范围较长的患者放疗定位误差。

验收测试过程中发现，每级负载下CT激光质控仪3个“十”字线中心孔扎在A-P方向的最大偏差均超过3 mm，不符合验收标准。就如何解决此类问题，目前几乎没有相关文献研究报道。测试过程中发现，由于受多种因素的影响，随着负载的增加以及进床距离的增加，定位床A-P方向的偏差并非线性变化，基于有限的测量数据建立准确模型仍存在一定困难。本研究提出了一种简单有效的改进方案，根据改进前空载和负载100 kg下测量范围内A-P方向的最大偏差（分别为7.04 mm和3.21 mm）以及期望的测量范围内允许的最大偏差（分别为2 mm和-2 mm），进而计算出定位床底座补偿高度范围（8.4～8.68 mm），再通过3D打印技术制作完全适形的ABS补偿片将平板床底座垫高。而经过多次测试，定位床性能达到最优状态下实际补偿片高度为8.6 mm，与理论计算结果一致。改进后空载和负载100 kg下测量范围内A-P方向的最大偏差分别为2.03 mm和-1.65mm，在25～75 kg范围内的特定负载下，A-P方向的最大偏差在±1 mm内，可同时满足儿童和成人患者高精准放疗定位需求。

综上所述，改进后，GE Revolution CT模拟机定位床各项测试均符合验收标准。每级负载下，床面S-I方向和L-R方向最大倾斜角均在±0.1o内；手动按钮控制下定位床垂直和纵向运动范围内3个方向数字显示最大偏差均在±1 mm内；控制台扫描控制下定位床步进运动各方向最大偏差均在±0.1 mm内；整个扫描范围内，定位床影像清晰，无任何明显伪影；其性能满足本中心不同体重患者的高精度放疗定位需求。

致谢

衷心感谢GE（中国）医疗的技术支持。