医用射波刀系统的质量保证测试研究

赵鹏，苏秀军，王宇，孔得福，杨兆禄

鲁西南医院放疗科，山东 聊城 252327

射波刀是一种可应用于全身肿瘤的立体定向放射外科治疗设备[1]，放射外科手术机器人又称为射波刀或者赛博刀，其机械精度可达到亚毫米级[2-3]，真正实现了精准治疗。射波刀实时影像追踪方式根据追踪部位的不同，可分为6D-skull（颅骨）追踪、X-sight（椎体）追踪、金标fiducial（标志点）追踪、Sychrony同步呼吸追踪及X-sight lung（肺）追踪5种方式[4-6]。射波刀由于其复杂的多系统结构，再配备其特有的追踪照射技术,为了确保照射的精确性,需建立起可靠可行的一套物理技术方面的质量保证流程。结合传统的加速器CT和CBCT资料，能够大大减少误差。优化整个数据的采集和应用[7]。结合对应的机械手臂操作方式，调节误差范围，最终达到放疗的目标[8-9]。立足安全性、实用性和可行性的原则，设立了射波刀QA检测项目，分别为日检，月检，季检和年检。

1 材料与方法

1.1 仪器

G4射波刀、治疗计划系统MultiPlan 4.0.3、AQA模体、ISO post验证模体、带有球方胶片盒的头部和颈部模体（Lucy）、呼吸追踪模体、肺追踪验证模体、5～60 mm固定准直器12组、鸟笼、电离室支架、针孔激光准直器、选配Iris的前向指针、端到端（E2E）和AQA胶片分析软件、IBA Blue 2三维水箱、IBA dose1静电计、IBAFC65-G电离室、60012半导体电离室、PTW RW3固体水模、EPSON V700扫描仪、EBT2胶片、CRIS电子密度模体、气压表、温度计、胶片分析软件等。

表1 射波刀QA内容Table 1 Cyberknife QA content

1.2 方法

利用飞利浦CT机扫描以上各个模体的影像并上传到MultiPlan 4.0.3计划系统，将射波刀的质量保证测试做详细的项目分析。

2 结果

2.1 日检

包括安全联锁检查（safety interlock check）、系统状态检查（system status check）、机械人精度检查、X线球管预热、加速器输出稳定性检查、自动质量保证（AQA）测试。

2.1.1 安全联锁检查包括检查门联锁、E-stop（紧急停止）按钮、警示灯的状态。在出束的状态下打开治疗室的门，辐射终止，计算机上的警示灯显示红色。安全联锁钥匙开关处于OFF位置时，无法打开高压；处于ON位置时，可打开高压。出束状态下，按E-stop按钮，高压停止。

2.1.2 系统状态检查记录系统关机状态下，正常的枪灯丝电压范围在3.5～5 V之间。真空离子泵电流应＜5μA，六氟化硫气体压力在28～32 psi之间，手控电脑钥匙处于空置位，治疗电脑上所有紧急停止按钮处于空置位。再记录系统开机状态下枪灯丝电压，正常电压的范围在（5.5±0.5）V之间，磁控管预热电压在（9.0±0.5）V之间，记录4个方向偏转线圈的电流值，磁控管调谐器电流范围为0.2～0.8 mA，水温在18～20℃之间，水体流速＞3.0 L/min。

2.1.3 机器人精度检查定义一个起始点（perch位点），每天检查加速器此激光点在地面上的位置，以确定治疗机械手臂的控制没有变化。

2.1.4X线球管预热用X-ray Warm up（X线预热）对X线球管预热，预热过程中mA值为200，kV值由80 kV每次递增5 kV，逐渐递增为150 kV，目的是提升球管的使用率，延长其寿命，还能保证图像的质量。之后等待预热完成。

2.1.5 加速器输出稳定性检查先预热加速器，出束预热6 000 MU，标剂量率为800 MU/min，剂量率在标称值的15%以内。将IBA dose1静电计与IBA FC65-G电离室连接，输入测量的温度和气压，更换60 mm准直器。有两种方法可行，①在空气中利用鸟笼进行测量，在源皮距80 cm处，给电离室加6 MV平衡帽，实施照射；②将电离室置于固体水模下5 cm处，源皮距设置在75 cm处，照射野中心点准确置于固体水模表面十字中心点，每组出射线200 MU，测量3组，与标准值数据进行对比，允许偏差在2%以内。见图1、图2。

图1 鸟笼式测量Figure 1 Birdcage measurement

图2 固体水式测量Figure 2 Solid water measurement

2.1.6 自动质量保证（AQA）测试AQA测试是使用AQA模体执行的定向可重复性测试，分析机械手控制的稳定性和成像系统的可靠性。AQA测试的步骤：在AQA模体中放置好直径为3.2 cm的丙烯酸球，作CT薄层扫描，将扫完的AQA模体CT影像传入MultiPlan计划系统，勾画靶区，设定丙烯酸球为靶区，设计一个QA计划。置换金属钨球（直径为1.9 cm）代替丙烯酸球，然后放置两张胶片，使每张胶片的边缘和模体的边缘要整齐，并标明位置方向，在治疗室摆位，给AQA模体拍位置片，利用内置的金标定好位置，进行照射，结束以后取出胶片，在计算机上用专用软件分析结果，正常的误差值范围在0.95 mm以内。通过观察和分析连续30 d AQA测试的结果,得出连续这30 d测量的AQA结果≤0.95 mm的误差范围,最大值为0.742 mm,最小值为0.138 mm,平均值为0.383 mm,标准差为0.145，得出连续30 d的AQA测试的结果均在正常范围之内,说明机器人系统与影像系统的一致性以及射波刀系统照射精度符合规定，机械手靶区定位和成像系统稳定性比较可靠。AQA模体，见图3，程序分析样本，见图4。

图3 AQA模体Figure 3 AQA phantom

图4 AQA测试分析结果Figure 4 Analysis of AQA testing result

2.2 月检

包括加速器射束参数检查，机械手靶区定位目测检查（BB测试），LINAC激光定位检查，剂量输出定位检查，成像系统定位检查，治疗床位置检查，端到端（E2E）测试。

2.2.1 加速器射束参数检查将IBA三维水箱连接好，固定60012半导体电离室于水下20 cm和10 cm处，并固定参考电离室的位置于机头内，更换60 mm准直器，分别测量两个深度处的组织体模比（TPR），并计算TPR20/10的值。设定源轴距SAD为80 cm，水下5 cm，更换40 mm准直器，沿水箱的X轴、Y轴两个方向测量百分深度剂量曲线和离轴比曲线，得出数据，要求X轴、Y轴两个方向的平坦度＜18%，对称性＜2%，半影＜4.5 mm。

2.2.2 机械手靶区定位目测检查（BB测试）选定一个带金标的体部治疗计划，利用此金标作为照射跟踪目标设计计划，把一个直径2 mm的金属小球贴到模体上，X线使用低kV、低mA和EX，在演示模式下将逐个节点进行模拟，目测检查激光灯视觉上的照射误差应在1 mm范围以内。

2.2.3LINAC激光定位检查准备放置60 mm准直器，设置SAD为80 cm，放置一张EBT2胶片，在激光点处做好标记，照射800 MU结束。用ImageJ软件进行结果分析，激光点与照射野中心点的重合度应在1 mm以内。

2.2.4 剂量输出定位检查将IBA-FC65-G电离室放置在固体水模体内，用CT扫描其影像，在MulitPlan计划系统上，为带有电离室的固体水模体的影像创建计划，视电离室为靶区创建VOI类型，等中心设置为测量区的中心，制订一个计划，使98%的剂量线完整覆盖整个电离室。然后利用电离室进行绝对剂量的测量，计划系统上计算的剂量值和实际测量的剂量值进行对比，偏差应在5%范围以内。

2.2.5 成像系统定位检查将等中心柱（ISOpost）连接好，顶端安装好水晶球，利用Treatment治疗模式，设置X线机拍摄条件为60 kVp和50 mA，获取等中心柱的影像，将影像放大到400%，将十字线居中并拍摄照片，中心指示点处于十字基线位置±1像素的位置，保证等中心指示点在距离十字线中心1 mm的范围内。

2.2.6 治疗床位置检测治疗床位于HOME位置时，使用数字式电平表，检查头部上下和左右旋转角度，要求误差范围在±0.3°内。用水平尺测量左右移动位置，要求误差范围在5 mm内。

2.2.7 端到端（E2E）测试旨在验证射波刀系统在治疗计划和治疗执行等所有阶段的几何打靶精度。使用CT扫描全部头颈、肺追踪、呼吸追踪模体的影像，图像传入Mulit-Plan计划系统，为5种追踪方式（六维颅骨追踪、金标追踪、Xsight脊柱追踪、Synchrony系统的金标追踪、Xsight肺追踪系统）各自创建计划。将EBT2胶片放置各自的模体中，执行治疗计划。照射结束后，用EPSON V700扫描仪扫描胶片，并用accuary E2E胶片分析软件分析各种追踪方式下的胶片，得出结果，Xsight脊柱、金标追踪、六维颅骨追踪总误差应小于1 mm，Xsight肺追踪系统、Synchrony系统的金标追踪总误差应小于1.5 mm。如六维颅骨的胶片分析结果的界面，其他分析结果的界面相同，仅分析数据是不同的，其他跟踪方式都对应着相应的胶片、验证程序，在允许误差范围内即可，见图5。

图5 端到端测试结果(6D追踪）Figure 5 End-to-end test results(6D tracking)

2.3 季检

影像系统精度：主要检查治疗床移动精度和靶区定位系统追踪精度的一致性，将获取模体的CT导入计划系统，创建一个执行计划，将模体放在治疗床上摆位、调整，尽量使治疗床上各个方向的偏差接近零位，然后进入AutoCouch（自动移床），输入这些床的数值，移床，获取影像并记录移床值，显示的六维偏差允许误差范围分别是：上下±2 mm，左右±2 mm，前后±2 mm，俯仰±0.3°，旋转±0.3°。

2.4 年检

①评价每日每月每季度机器各项参数的变化趋势，以评估是否与系统性能规范值相符合。②确保服务工程师正确执行射波刀目标定位的控制和各项精度的检测。③通过获得新的CT影像，生成新的治疗计划来执行端对端检查。④重新收集部分数据或全部数据以执行射线数据的抽查，用来验证治疗计划系统数据的精确性。CT电子密度模型的选择直接关系到计划设计的剂量学的准确性，正确使用电子密度模型可以减少剂量学差异[10]。高立权等[11]报道，扫描不相同的电子密度，建立不相同的电子密度曲线，计划系统会明显产生剂量学差异。⑤安全系统测试。

3 讨论

3.1 G4射波刀系统

该系统是一种采用非共面治疗方式治疗全身肿瘤，采用高精度图像引导技术，低分次、高剂量治疗方式的放射治疗系统。它带来高效率的同时伴随着高风险，这就要求必须充分保证射波刀系统的高精度，因此各项（日检、月检、季检、年检）质量保证就显得非常重要。自动质量保证(AQA)是一种打靶精度的重复性测试，主要检测机器人系统与影像系统精度的一致性，还有射波刀系统照射精度。端到端（E2E）测试是一种打靶测试，主要检测系统的几何打靶精度，同时检测六维方向的偏差，采用头颈模体、肺追踪模体、呼吸追踪模体，分别设计六维颅骨追踪、金标追踪、肺追踪、脊柱追踪、同步呼吸追踪5种计划，然后用EBT2胶片测试分析各项精度。

3.2 X线球管

X线球管应预热，因为电压或电流的过快激增，会导致X线靶和阳极的损坏，为确保X线管的正常使用，应该提前预热球管。如果设备在8 h内没有使用，也要执行此操作。为了减小影像的伪影，提高它的解析度和运算精度，需要对X线探测器多重增益进行校准，并且检查探测器的坏点，将这些坏点屏蔽，对探测器进行重新配置。校准时，治疗床回到初始位，X线管与影像板之间不能有任何物品。

3.3 射波刀

射波刀与常规的加速器不同点在于它的射线是没有经过均整器均整的，因此它的平坦度要求是不超过18%。

因此，射波刀立体定向放疗的剂量在肿瘤部位是准确、均匀的，周围正常组织剂量很小，因此可在正常组织损伤很小的情况下根治恶性肿瘤，达到提高患者生活质量，延长生存期的目的[12-13]。射波刀的高精确性是传统放射治疗无法比拟的，它所使用的定位方式，无论是追踪骨性标志，还是植入金标作为定位参考标记点的方式，都能克服传统的金属框架的有创性，而且还可以保证摆位的重复性。采用金标作为内标记实现运动肿瘤实时追踪可以保证肿瘤实时追踪的精度，而金标在CT断层图像上呈现的金标伪影对邻近的正常组织和肿瘤带来影响[14]。有文献指出，金标植入患者体内，金标伪影对剂量及相同深度离轴点处的吸收剂量影响可达3%[15]。所以临床上如果需要植入金标，建议利用能谱CT[16-17]的GSI扫描技术和MARS[18-19]重建技术在CT定位时在线去除金标伪影，降低其对剂量计算及剂量分布的影响[20]。射波刀追踪靶区精度比较高，利用主动呼吸控制系统以及呼吸门控技术，可以最大程度减少呼吸运动的幅度。

综上所述，射波刀的质量保证测试非常必要，要建立起一套可靠系统的质量保证流程，需要在实际的工作中去不断地检验和总结，为以后更精确的放射治疗提供有力的支持。