基于Synergy加速器的*放射治療智能移床系統(tǒng)精度驗(yàn)證與測試

戴相昆 解傳濱 陳高翔 曲寶林*

有研究報(bào)道，腫瘤患者在整個(gè)治療過程中需要采用放射治療的比例高達(dá)70%，而放射治療對腫瘤治愈的貢獻(xiàn)與手術(shù)相當(dāng)，是腫瘤治療的主要手段之一。

近年來，精確放射治療技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。精確放射治療對整個(gè)放射治療系統(tǒng)的精度要求極高，而治療床的移動精度也是不可忽視的關(guān)鍵因素之一[4-5]。雷泰公司近年來推出了智能移床(intelligent couch kick，ICK)系統(tǒng)，其通過采集治療床的電壓信號，輸出控制電壓給輸出電路，達(dá)到控制治療床精確移動的目的，能夠在治療室做到一鍵移床，解決了患者復(fù)位、影像引導(dǎo)放射治療(image guided radio therapy，IGRT)過程以及多中心治療計(jì)劃等需要多次進(jìn)入治療機(jī)房手動移床的問題，提高了工作效率[6]。為此，本研究擬對ICK系統(tǒng)控制Elekta Synergy加速器治療床的移床精度進(jìn)行測試，為其在臨床治療中的應(yīng)用提供支持。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

(1)直線加速器。Synergy醫(yī)用直線加速器(瑞典ELEKTA公司)，帶有IGRT系統(tǒng)。

(2)ICK系統(tǒng)。ICK(蘇州雷泰公司)，通過采集治療床的電壓信號，輸出控制電壓給輸出電路，達(dá)到控制治療床的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)治療室一鍵移床功能。該系統(tǒng)可與常規(guī)醫(yī)用直線加速器，圖像驗(yàn)證IVS系統(tǒng)(雷泰公司)配套使用。

1.2 系統(tǒng)標(biāo)定方法

ICK系統(tǒng)是通過確定電壓和位置的對應(yīng)關(guān)系，控制電壓的變化來實(shí)現(xiàn)放射治療床的移動控制。其標(biāo)定方法為：測量當(dāng)前狀態(tài)下的電壓值，并通過硬件自動識別顯示在軟件上，然后對應(yīng)填入治療床實(shí)際位置的物理坐標(biāo)，根據(jù)電壓與治療床物理坐標(biāo)關(guān)系作出標(biāo)定曲線。

1.3 精度測試方法

驗(yàn)證ICK系統(tǒng)控制Synergy加速器的治療床的移動精度，在床面上固定一個(gè)鎢球，記此時(shí)位置為P1，采用電子射野影像裝置(electronic portal imaging device，EPID)拍攝影像。通過ICK對Synergy加速器的治療床發(fā)送位移為Offset指令，待治療床運(yùn)動到位之后，再使用EPID拍攝影像，記為P2。通過EPID的兩次圖像可得出ICK系統(tǒng)控制治療床移動的實(shí)際偏移量。

(1)治療床移動的實(shí)際偏移量(Op)的計(jì)算為公式1：

式中OP為治療床移動的實(shí)際偏移量；P2為治療床移動后的坐標(biāo)位置值；P1為治療床初始坐標(biāo)位置值。

(2)ICK系統(tǒng)控制治療床移動的偏移誤差(EP)的計(jì)算為公式2：

式中EP為治療床移動的偏移誤差；abs為求整數(shù)的絕對值函數(shù)；Offset為設(shè)定治療床移動值。

(3)驗(yàn)證ICK系統(tǒng)的顯示精度，在移動治療床前記錄ICK軟件上顯示的坐標(biāo)位置S1，通過ICK系統(tǒng)對床發(fā)送位移為Offset的命令，待床運(yùn)動到位之后，再記錄ICK系統(tǒng)上顯示的坐標(biāo)位置S2。ICK系統(tǒng)的軟件顯示偏移量(OS)的計(jì)算為公式3：

式中OS為軟件顯示偏移量；S2為移床后ICK系統(tǒng)軟件顯示的治療床坐標(biāo)位置；S1為ICK系統(tǒng)軟件顯示的治療床初始坐標(biāo)位置。

(4)ICK系統(tǒng)的軟件顯示偏移誤差(ES)的計(jì)算為公式4：

式中Es為ICK系統(tǒng)軟件顯示偏移誤差；Os為軟件顯示偏移量；Op為治療床移動的實(shí)際偏移量。

(5)作為對比，還需要記錄加速器自身的顯示精度，在移動治療床后記錄直線加速器上數(shù)顯坐標(biāo)D1，通過ICK系統(tǒng)對床發(fā)送位移為Offset的命令，待床運(yùn)動到位之后，再記錄直線加速器上數(shù)顯坐標(biāo)D2。直線加速器自身數(shù)顯偏移(OD)的計(jì)算為公式5：

式中OD為治療床在直線加速器系統(tǒng)中的數(shù)顯偏移；D2為移動治療床后直線加速器上數(shù)顯坐標(biāo)；D1為治療床在直線加速器上數(shù)顯初始坐標(biāo)。

(6)加速器數(shù)顯偏移誤差(ED)的計(jì)算為公式6：

式中ED為治療床在直線加速器系統(tǒng)中的數(shù)顯偏移誤差；OD為治療床在直線加速器系統(tǒng)中的數(shù)顯偏移；abs為求整數(shù)的絕對值函數(shù)；OP為治療床移動的實(shí)際偏移量。

1.4 數(shù)據(jù)采集

ICK系統(tǒng)支持治療床左右、前后及垂直3個(gè)軸的水平運(yùn)動以及床的公轉(zhuǎn)等中心。本研究于左右、前后及垂直3個(gè)軸方向均進(jìn)行測試，每個(gè)軸測量正負(fù)2個(gè)方向，共6個(gè)方向，分別用左右(LAT+/LAT-)、前后(LNG+/LNG-)以及垂直(VRT+/VRT-)來表示。每個(gè)方向偏移量分別設(shè)置為2 mm、3 mm、5 mm、8 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm 30 mm、35 mm、40 mm、45 mm及50 mm，共13個(gè)偏移量，按照測試方法每個(gè)偏移記錄3遍，觀察其重復(fù)性。為減少實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差，上述實(shí)驗(yàn)中的3種誤差均在同一次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行記錄。

2 結(jié)果

2.1 ICK系統(tǒng)標(biāo)定曲線

分別測量LAT、LNG和VRT的3個(gè)方向的治療床電壓值，對應(yīng)治療床位置的物理坐標(biāo)，根據(jù)電壓與治療床物理坐標(biāo)關(guān)系作出標(biāo)定曲線，如圖1所示。

2.2 ICK系統(tǒng)精度測試

通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算對應(yīng)的平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的6個(gè)方向上，通過ICK系統(tǒng)進(jìn)行移床，物理到位精度平均誤差≤1 mm；通過ICK系統(tǒng)進(jìn)行移床，ICK系統(tǒng)軟件顯示精度平均誤差≤1 mm；通過ICK系統(tǒng)進(jìn)行移床，加速器自身的顯示精度和實(shí)際位移平均誤差≤1 mm；ICK系統(tǒng)的重復(fù)到位精度偏差平均≤1 mm，見表1。

圖1 電壓與位置標(biāo)定曲線圖

表1 測量結(jié)果分析

圖2 ICK系統(tǒng)在各方向?qū)嶋H偏移曲線圖

根據(jù)13組偏移量得出的實(shí)際偏移量Op(如圖2所示)、軟件顯示偏移量OS、直線加速器自身的數(shù)顯偏移OD以及3組誤差值的曲線圖?？梢钥闯?，在6個(gè)方向上Op、OS以及OD均有較好的一致性，3組誤差值也較為一致，未出現(xiàn)明顯的離散點(diǎn)。

3 討論

腫瘤放射治療已進(jìn)入精確放射治療時(shí)代，而精確放射治療對放射治療流程以及整個(gè)放射治療系統(tǒng)的精度要求極高。治療床的到位精度也是影響放射治療精度的重要因素之一。在美國醫(yī)學(xué)物理協(xié)會(AAPM)TG-142號報(bào)告[7]中明確要求治療床的到位精度≤2 mm，對于開展立體定向放射治療的設(shè)備更是要求治療床的到位精度≤1 mm。

治療床的移動誤差包括兩方面：①機(jī)械實(shí)際移動誤差與數(shù)字編碼器顯示的差異；②機(jī)械的回程誤差。治療床的3個(gè)軸的單向誤差和回程誤差都應(yīng)該在2 mm以內(nèi)，當(dāng)＞2 mm時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行機(jī)械與數(shù)字編碼器的檢查，否則放射治療的精確性得不到保障。同時(shí)，在IGRT技術(shù)的應(yīng)用過程中，患者在固定體位后都需要根據(jù)IGRT結(jié)果調(diào)整治療床的位置，對于未配備自動床的加速器而言，該過程往往需要物理師或技師多次進(jìn)入治療機(jī)房，根據(jù)加速器的數(shù)顯通過手控盒進(jìn)行調(diào)整，該過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度也得不到保障[8-9]。此外，對于一些特殊的病例，如多個(gè)分散靶區(qū)的患者，需要設(shè)計(jì)多中心治療計(jì)劃，治療過程中往往也需要技師進(jìn)入機(jī)房重新擺位移動治療床，極大的降低了治療效率。

ICK系統(tǒng)作為第三方軟件，可以驅(qū)動目前主流的商用直線加速器治療床。ICK系統(tǒng)通過標(biāo)定，確定電壓和位置的對應(yīng)關(guān)系；采集治療床電壓信號，判斷當(dāng)前位置，同時(shí)能將輸入的目標(biāo)位置，轉(zhuǎn)換成目標(biāo)電壓；輸出控制電壓信號給控制電路，直到達(dá)到目標(biāo)電壓容差范圍，達(dá)到控制治療床運(yùn)動目的。實(shí)際使用過程中，上層軟件發(fā)送目標(biāo)位置給底層，ICK系統(tǒng)控制治療床到達(dá)指定位置[6]。

本研究對ICK系統(tǒng)控制治療床的精確度進(jìn)行了測試，首先對ICK系統(tǒng)與治療床位置的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，然后分別測試了ICK系統(tǒng)控制治療床的運(yùn)動精度、ICK系統(tǒng)的軟件顯示偏移誤差，并記錄治療床的數(shù)顯偏移誤差作為對比。測試結(jié)果顯示，所有誤差均在1 mm以內(nèi)，并且ICK系統(tǒng)控制治療床移動的精度具有很好的線性和重復(fù)性，完全符合精確放射治療的要求。

4 結(jié)語

本研究結(jié)果表明，ICK系統(tǒng)作為第三方軟件能夠控制加速器治療床的精確移動，實(shí)現(xiàn)在治療控制室內(nèi)控制治療床的移動，在患者治療復(fù)位及IGRT中發(fā)揮重要作用，節(jié)約了時(shí)間，平均每位患者的治療時(shí)間將縮短2～5 min[10]。減少了手工操作可能引起的誤差或失誤，提高工作效率，對于未配套自動治療床的加速器系統(tǒng)可作為有益的補(bǔ)充。