空氣壓縮設(shè)備故障引起的螺旋斷層放射治療患者計(jì)劃驗(yàn)證通過率偏低的案例分析

王海洋，皮一飛，韓濱，賈飛，王芳娜，劉樂樂，裴運(yùn)通，胡金炎，孔凡洋，郭躍信

前言

螺旋斷層放射治療（Helical Tomotherapy,HT）系統(tǒng)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的圖像引導(dǎo)調(diào)強(qiáng)放射治療設(shè)備之一。HT系統(tǒng)是以螺旋斷層模式進(jìn)行治療的加速器，具有區(qū)別于傳統(tǒng)加速器的獨(dú)有特點(diǎn)：一方面能夠?qū)崿F(xiàn)160 cm×40 cm 超長靶區(qū)的治療，適合治療全身照射、全中樞照射、多發(fā)轉(zhuǎn)移等腫瘤；另一方面是由于它獨(dú)特的氣動(dòng)多葉準(zhǔn)直器（Multileaf Collimator,MLC），其葉片移動(dòng)速度能達(dá)到250 cm/s，是傳統(tǒng)加速器MLC 運(yùn)動(dòng)速度的100 倍，使其具有較強(qiáng)的劑量調(diào)制能力，對(duì)臨床上復(fù)雜的靶區(qū)能實(shí)現(xiàn)高度適形的劑量分布的同時(shí)也能很好地保護(hù)正常器官［1-3］。常規(guī)的質(zhì)量保證是確保TOMO 計(jì)劃質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃（IMRT、RapidArc）質(zhì)量的前提。本文以鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射治療部2019年3月份新增加部分患者TOMO 計(jì)劃通過率偶發(fā)偏低的現(xiàn)象作為研究對(duì)象，對(duì)其影響因素進(jìn)行逐一分析，最終解決上述問題并據(jù)此更新質(zhì)控內(nèi)容。

1 故障情況介紹

對(duì)本院放射治療部2019年3月份HT加速器所有新增患者治療計(jì)劃使用ArcCHECK 進(jìn)行劑量驗(yàn)證。通過率偏低的結(jié)果如下：絕對(duì)量通過率低的病人計(jì)劃數(shù)為42 個(gè)，占當(dāng)月新增病人56%，其中ArcCHECK絕對(duì)量通過率（Gamma 標(biāo)準(zhǔn)：3 mm/3%，10%）為74.45%±11.92%，而相對(duì)通過率為98.13%±2.15%。抽取25 例通過率最低的計(jì)劃使用Cheese Phantom 進(jìn)行點(diǎn)劑量測(cè)量，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值大于計(jì)算值，偏差2.15%±0.71%。其中7 例全中樞照射患者使用鉛門射野寬度為5 cm 條件下進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，此時(shí)絕對(duì)通過率僅有49.63%±10.15%，相對(duì)通過率為95.54%±1.61%；若將鉛門寬度更改為2.5 cm后（保持其它計(jì)劃參數(shù)不變），此時(shí)絕對(duì)通過率變化明顯，上升至93.84%±2.34%，而相對(duì)通過率有微小提升。

2 故障分析

驗(yàn)證計(jì)劃通過率低的影響因素如下：①ArcCHECK 刻度文件不準(zhǔn)確；②ArcCHECK 矩陣校準(zhǔn)文件不準(zhǔn)確；③計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算不準(zhǔn)確；④加速器輸出量不穩(wěn)定；⑤Jaw 到位精度有偏差；⑥MLC 開關(guān)時(shí)間精度有偏差。

使用SPSS 18.0.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，經(jīng)過觀察數(shù)據(jù)分布確定計(jì)量資料的正態(tài)分布，用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間數(shù)據(jù)比較采用t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.1 ArcCHECK刻度文件

在常規(guī)加速器6 MV 均整模式下對(duì)ArcCHECK絕對(duì)劑量刻度［4-6］（常規(guī)加速器輸出量已校準(zhǔn)），使用新的刻度文件對(duì)25例驗(yàn)證通過率低的計(jì)劃進(jìn)行重新測(cè)量。原刻度文件絕對(duì)通過率為55.42%±11.53%，重新刻度后通過率為56.87%±10.78%，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.18＞0.05），排除刻度文件不準(zhǔn)確的因素。

2.2 ArcCHECK矩陣校準(zhǔn)文件

在常規(guī)加速器6 MV均整模式下對(duì)ArcCHECK矩陣校準(zhǔn)［4-6］（常規(guī)加速器輸出量、射束平坦度和對(duì)稱性已校準(zhǔn)），使用新的矩陣校準(zhǔn)文件對(duì)25例驗(yàn)證通過率低的計(jì)劃進(jìn)行重新測(cè)量，原絕對(duì)通過率為55.42%±11.53%，重新刻度后通過率為56.31%±11.06%，絕對(duì)通過率沒有明顯變化，無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.13＞0.05），排除矩陣校準(zhǔn)文件不準(zhǔn)確的因素。

2.3 計(jì)劃系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試

為確定計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，本研究使用Thomas等［7-8］開發(fā)的基于Matlab平臺(tái)HT獨(dú)立劑量計(jì)算系統(tǒng)。文獻(xiàn)報(bào)道證明對(duì)于前列腺癌病人，無論是使用原始CT圖像還是修正CT圖像，獨(dú)立劑量計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與HT計(jì)劃系統(tǒng)劑量計(jì)算結(jié)果最大劑量偏差都在1%以內(nèi)，3%/3 mm驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)下Gamma通過率大于95%；對(duì)于頭頸部病人最大劑量偏差為1.1%，4%/4 mm驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)下Gamma通過率為94.4%，證明該獨(dú)立劑量計(jì)算系統(tǒng)能完全滿足臨床離線驗(yàn)證要求。本研究通過在此獨(dú)立劑量計(jì)算系統(tǒng)上對(duì)通過率較低的患者進(jìn)行離線劑量驗(yàn)證，25例患者Gamma 3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果為98.35%±1.68%，都在95%以上，即通過率低的病人治療計(jì)劃無設(shè)計(jì)和計(jì)算方面錯(cuò)誤，排除了人為計(jì)劃設(shè)計(jì)和治療計(jì)劃系統(tǒng)劑量計(jì)算錯(cuò)誤的因素。

2.4 加速器輸出量穩(wěn)定性

統(tǒng)計(jì)近50 d 加速器晨檢輸出測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖1所示，固定野輸出點(diǎn)劑量偏差在±2%以內(nèi)［9］，同時(shí)TomoDose 輸出劑量也在±2%以內(nèi)［10］，加速器輸出狀態(tài)穩(wěn)定，無異常情況，排除加速器輸出量不穩(wěn)定的因素。

圖1 近50 d固定野輸出點(diǎn)劑量與TomoDose輸出劑量變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)圖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

參照AAPM TG-148 號(hào)報(bào)告第V.B.2.c 項(xiàng)目檢測(cè)Jaw 到位精度［11］，測(cè)量結(jié)果使用HT 系統(tǒng)中的TQA 軟件分析，結(jié)果都在誤差范圍之內(nèi)。為排除Jaw和MLC的相互影響，分別導(dǎo)入（5×5×5）cm3和（10×10×10）cm3兩個(gè)立方虛擬水模體，設(shè)計(jì)鉛門寬度2.5 cm和5 cm的兩野對(duì)穿適形計(jì)劃（10 cm 立方虛擬水模體采用鉛門寬度5 cm 和2 cm 的二維適形計(jì)劃名稱3DCRT-10-J5 與3DCRT-10-J2.5 對(duì)于5 cm 模體，對(duì)應(yīng)計(jì)劃為3DCRT-5-J5 與3DCRT-5-J2.5），并同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)劑量測(cè)量。 計(jì)算與測(cè)量結(jié)果如表1所示，其中ArcCHECK Gamma 3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)平均絕對(duì)通過率為98.58%±0.78%，2 mm/2%標(biāo)準(zhǔn)平均絕對(duì)通過率為87.81%±1.11%，點(diǎn)劑量平均偏差0.63%±0.02%。在3 mm/3%和2 mm/2%的比較標(biāo)準(zhǔn)下，不同Jaw 寬度的適形計(jì)劃通過率相差不大，并且點(diǎn)劑量偏差都在1%以內(nèi)，證明Jaw 到位精度無問題，排除Jaw 到位精度不足的因素。

表1 不同模體和鉛門寬度下適形計(jì)劃和調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的ArcCHECK測(cè)量結(jié)果及點(diǎn)劑量比較結(jié)果（± s）Tab.1 Comparison of ArcCHECK and point dose for 3DCRT and IMRT with different phantoms and jaw width(Mean±SD)

表1 不同模體和鉛門寬度下適形計(jì)劃和調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的ArcCHECK測(cè)量結(jié)果及點(diǎn)劑量比較結(jié)果（± s）Tab.1 Comparison of ArcCHECK and point dose for 3DCRT and IMRT with different phantoms and jaw width(Mean±SD)

測(cè)試計(jì)劃Gamma（3 mm/3%）/%Gamma（2 mm/2%）/%TPS計(jì)算點(diǎn)劑量/Gy 實(shí)測(cè)點(diǎn)劑量/Gy 點(diǎn)劑量偏差/%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開關(guān)時(shí)間精度

測(cè)試列中加入新的兩野對(duì)穿調(diào)強(qiáng)計(jì)劃以驗(yàn)證MLC開關(guān)時(shí)間精度（10 cm立方虛擬水模體采用鉛門寬度5 cm 和2 cm 的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃名稱IMRT-10-J5 與IMRT-10-J2.5 對(duì)于5 cm 模體，對(duì)應(yīng)計(jì)劃為IMRT-5-J5與IMRT-5-J2.5）。測(cè)量結(jié)果如表1所示，IMRT 計(jì)劃通過率比3DCRT 計(jì)劃通過率下降明顯，說明MLC 存在明顯開關(guān)時(shí)間精度不足的問題。IMRT 計(jì)劃對(duì)比中，鉛門寬度5 cm 的計(jì)劃相對(duì)鉛門寬度2.5 cm 的計(jì)劃從Gamma 3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)到2 mm/2%標(biāo)準(zhǔn)后通過率下降非常顯著，表明MLC 開關(guān)時(shí)間精度對(duì)鉛門寬度5 cm 的計(jì)劃影響要大于鉛門寬度2.5 cm 的計(jì)劃。對(duì)IMRT 計(jì)劃與3DCRT 計(jì)劃的點(diǎn)劑量對(duì)比，并未發(fā)現(xiàn)明顯不同，這可能跟靶區(qū)形狀和IMRT 計(jì)劃復(fù)雜程度以及測(cè)量點(diǎn)位置有關(guān)，靶區(qū)形狀越不規(guī)則或計(jì)劃復(fù)雜程度越高則點(diǎn)劑量可能偏差越大。據(jù)此斷定該計(jì)劃通過率較低的原因?yàn)镸LC 開關(guān)時(shí)間精度不足，且Jaw 越大寬度對(duì)MLC 開關(guān)時(shí)間精度影響越大。由于空氣壓縮設(shè)備直接影響MLC 開關(guān)時(shí)間精度，本研究最后斷定空氣壓縮設(shè)備存在故障。后期通過對(duì)空氣壓縮設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)，再對(duì)上述通過率低的病人計(jì)劃使用ArcCHECK 重新進(jìn)行面劑量測(cè)量，通過率全部達(dá)到臨床要求（Gamma 標(biāo)準(zhǔn)：3 mm/3%,10%），同時(shí)使用Cheese Phantom 進(jìn)行點(diǎn)劑量測(cè)量，偏差都小于1%。此操作驗(yàn)證了推斷結(jié)果，說明推斷結(jié)論正確。因此定期維護(hù)和保養(yǎng)空氣壓縮設(shè)備十分必要，應(yīng)引起管理和使用人員的高度重視，并嚴(yán)格執(zhí)行保養(yǎng)手冊(cè)，確保其處于最佳狀態(tài)，以使放療計(jì)劃都能準(zhǔn)確無誤的執(zhí)行。同時(shí)在物理師執(zhí)行質(zhì)量保證項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)考慮將空氣壓縮設(shè)備內(nèi)容加入其中。

3 討論

HT 系統(tǒng)就是將6 MV 加速器集成在CT 滑環(huán)機(jī)架上，主要構(gòu)件組成：加速管、電子槍注入系統(tǒng)、磁控管、微波傳輸系統(tǒng)、脈沖調(diào)制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、電源分配系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。HT系統(tǒng)工作原理如下：球管陰極燈絲發(fā)射的電子，在電場(chǎng)作用下進(jìn)入由磁控管提供微波功率源的波導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)行加速，加速到特定能量的電子經(jīng)波導(dǎo)窗引出轟擊靶，產(chǎn)生能量為6 MV非均整的X射線。X射線經(jīng)過準(zhǔn)直器和氣動(dòng)MLC 調(diào)制后，得以適形靶區(qū)腫瘤［1-3］。空氣壓縮設(shè)備是HT 放療系統(tǒng)的重要輔助部件，用于快速驅(qū)動(dòng)MLC?？諝鈮嚎s設(shè)備構(gòu)件組成：空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、冷干機(jī)和過濾器。系統(tǒng)將外界吸入的空氣通過空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)換成具有一定壓力的氣體經(jīng)由管道引至儲(chǔ)氣罐中。由于經(jīng)過空氣壓縮機(jī)壓縮、后部冷卻器冷卻、水氣分離器以及緩沖罐穩(wěn)壓后的壓縮空氣均處于飽和狀態(tài)，其相對(duì)濕度達(dá)100%，且含有油和固體顆粒等雜質(zhì)，這種壓縮空氣是不能直接使用的，因此需要冷干機(jī)進(jìn)行干燥凈化處理。冷干機(jī)將壓縮空氣中氣體的水、油及其它雜質(zhì)混合物冷卻到臨界溫度（即結(jié)露溫度-露點(diǎn)），并通過獨(dú)特設(shè)計(jì)的旋風(fēng)分離器將水和氣體分離而自動(dòng)排出，從而獲得清潔的壓縮空氣。經(jīng)過冷干機(jī)干燥凈化處理后的氣體再經(jīng)過兩級(jí)過濾器后輸送到HT 系統(tǒng)的MLC 端口，實(shí)現(xiàn)MLC 葉片的快速調(diào)制，并按照設(shè)計(jì)計(jì)劃實(shí)施放射治療。

對(duì)于HT 系統(tǒng)中MLC 開關(guān)時(shí)間精度已有不少相關(guān)研究：Sarkar等［12］最早設(shè)計(jì)了HT 系統(tǒng)的MLC 質(zhì)控方法，使用固體水和EDR2 膠片通過7 組測(cè)試計(jì)劃實(shí)現(xiàn)對(duì)MLC 一致性、MLC 漏射、MLC 執(zhí)行時(shí)間精度及MLC 開關(guān)時(shí)間精度的測(cè)試，此方法穩(wěn)定可靠。Chen等［13］使用HT 系統(tǒng)自帶的MVCT 探測(cè)器對(duì)MLC 開關(guān)時(shí)間精確測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MVCT 探測(cè)器能精確發(fā)現(xiàn)MLC 的開關(guān)時(shí)間情況，且發(fā)現(xiàn)HT 系統(tǒng)的MLC 打開和關(guān)閉精度非常高，能完全滿足臨床要求。Lissner等［14］使用MVCT 探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)分析MLC 開關(guān)時(shí)間精確，通過6 個(gè)月的持續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)MLC 具有很好的開關(guān)時(shí)間精度。當(dāng)驅(qū)動(dòng)MLC運(yùn)動(dòng)的氣壓發(fā)生變化時(shí)，會(huì)造成MLC 開關(guān)精度從-1.8%到-3.7%的偏差，嚴(yán)重影響治療的精度。Schopfer等［15］使用MVCT探測(cè)器采集MLC開關(guān)數(shù)據(jù)與自行研發(fā)程序的計(jì)劃結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者誤差為0 ms，完全小于0.3 ms的標(biāo)準(zhǔn)偏差，不確定度和置信水平完全滿足臨床要求。Yang 等［16］采用ArcCHECK 對(duì)機(jī)架旋轉(zhuǎn)、治療床移動(dòng)和MLC 開合同步性和一致性進(jìn)行驗(yàn)證，其方法的精確性與機(jī)器日志文件保持一致。

本研究通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與逐步排除分析法，查找HT系統(tǒng)中影響病人計(jì)劃通過率的因素。其中使用兩個(gè)虛擬立方模體（5和10 cm）測(cè)試Jaw和MLC開關(guān)時(shí)間精度，為防止出現(xiàn)Jaw 和MLC 相互聯(lián)動(dòng)影響，本文先通過設(shè)計(jì)無運(yùn)動(dòng)MLC 參與3DCRT 計(jì)劃，確認(rèn)Jaw到位精度后，再設(shè)計(jì)有運(yùn)動(dòng)Jaw 和MLC 參與的IMRT計(jì)劃，以此確認(rèn)MLC 開關(guān)時(shí)間精度存在問題，而MLC 開關(guān)時(shí)間精度由空氣壓縮設(shè)備控制，最終斷定為空氣壓縮設(shè)備故障所致。空氣壓縮設(shè)備是HT 系統(tǒng)中重要組成部分，為HT 實(shí)施精確放療提供技術(shù)保障。氣體壓力的穩(wěn)定性和干燥程度是空氣壓縮設(shè)備正常運(yùn)行的重要因素，空氣壓力過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致MLC 不能按照計(jì)劃準(zhǔn)確執(zhí)行開關(guān)，嚴(yán)重者將會(huì)引起機(jī)器報(bào)錯(cuò)及無法實(shí)施治療。氣體濕度過高會(huì)導(dǎo)致部件的嚴(yán)重?fù)p壞。因此定期維護(hù)和保養(yǎng)空氣壓縮設(shè)備十分必要。

當(dāng)月新增加的治療患者中，驗(yàn)證通過率低的患者計(jì)劃占比相對(duì)較高（約56%），其他病人的驗(yàn)證結(jié)果仍能滿足3 mm/3%條件下Gamma 通過率大于90%的臨床要求。可能原因?yàn)椋孩倏諝鈮嚎s設(shè)備尚未完全損壞，某些條件下仍能正常運(yùn)行；②通過率高的患者靶區(qū)形狀較為規(guī)則，治療計(jì)劃相對(duì)簡單；③即使驗(yàn)證通過的計(jì)劃，實(shí)際執(zhí)行時(shí)也不能保證投照結(jié)果與計(jì)劃設(shè)計(jì)一致，這與當(dāng)時(shí)空氣壓縮設(shè)備狀態(tài)有密切關(guān)系，表現(xiàn)為實(shí)際執(zhí)行計(jì)劃呈現(xiàn)較大隨機(jī)性，精確度和一致性較差。

在計(jì)劃設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)用方面，調(diào)制因子對(duì)Gamma通過率影響非常大，且計(jì)劃調(diào)制因子與實(shí)際調(diào)制因子相差越大，計(jì)劃通過率越低。Binny 等［17］推薦實(shí)際調(diào)制因子在1.4～2.5 之間通過率最佳，De Kerf 等［18］推薦當(dāng)射野寬度5 cm 時(shí)螺距選擇0.23～0.45 和調(diào)制因子大于2為最佳組合。對(duì)于上述通過率低的計(jì)劃，將計(jì)劃調(diào)制因子調(diào)整至推薦調(diào)制因子范圍之內(nèi)同時(shí)又接近并大于實(shí)際調(diào)制因子，在保證計(jì)劃質(zhì)量同時(shí)還能確保執(zhí)行效率，其它計(jì)劃參數(shù)保持不變?nèi)缓髮?duì)計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化，將重新優(yōu)化得到的計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證，以此來檢驗(yàn)調(diào)制因子對(duì)通過率的影響。最終通過率變化不明顯，排除計(jì)劃設(shè)計(jì)因素的影響。

溫度變化對(duì)ArcCHECK 測(cè)量結(jié)果也有影響，約0.5%/℃，為此需要每隔15 min記錄室內(nèi)溫度，通過一段時(shí)間的觀察，室內(nèi)溫度保持相對(duì)恒定，溫度區(qū)間在（20±2）℃，排除因溫度變化對(duì)通過率的影響。

平面劑量驗(yàn)證除了采用ArcCHECK 進(jìn)行測(cè)量外，還采用了HT 系統(tǒng)自帶的DQA 膠片驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量［19］，通過率與ArcCHECK 結(jié)果一致，但由于EBT3 膠片成本與操作復(fù)雜性等問題，只有少部分患者計(jì)劃采用了膠片驗(yàn)證，將兩者結(jié)果逐一對(duì)比，結(jié)果保持正向一致性。

對(duì)于ArcCHECK每次擺位可能存在誤差，因而每次擺位后掃描MVCT，糾正擺位誤差［20］，同時(shí)ArcCHECK分析軟件中對(duì)于較小偏差可以通過Calc shift進(jìn)行修正，通過以上兩種方式消除擺位誤差造成的影響。

通過上述方法推斷為空氣壓縮設(shè)備產(chǎn)生的氣體壓力不足所致，通過對(duì)空氣壓縮設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)后即刻解決了計(jì)劃通過率偏低的問題，因此定期保養(yǎng)壓縮機(jī)和更換空氣干燥設(shè)備十分必要，同時(shí)在物理師執(zhí)行質(zhì)量保證項(xiàng)目時(shí)，將空氣壓縮設(shè)備加入其中很有必要。建議將空氣壓縮器質(zhì)控項(xiàng)目納入周檢內(nèi)容，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決問題。