一種放療激光定位系統(tǒng)校驗(yàn)?zāi)ｓw的研制

楊 濤，徐壽平，解傳濱，叢小虎，龔 璇，曲寶林

（解放軍總醫(yī)院放射治療科，北京 100853）

0 引言

激光定位系統(tǒng)是放療過程中校正人體體位的一種裝置，其可為放療構(gòu)建出可視化的三維空間坐標(biāo)系，主要分為CT 模擬激光定位系統(tǒng)和加速器治療激光定位系統(tǒng)，兩者都可標(biāo)定放療等中心的位置，從而達(dá)到精確定位、精確擺位、精確放療的目的。

激光定位系統(tǒng)對(duì)放療定位、擺位照射十分重要，是放療確定等中心坐標(biāo)的依據(jù)。應(yīng)用激光燈輔助擺位可以使患者在治療和定位時(shí)的位置保持一致，同時(shí)也可提高每次治療時(shí)擺位的重復(fù)性。放療的模擬定位是精確放療的起始階段，也是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，之后的各個(gè)環(huán)節(jié)都要以定位的圖像和數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，因此模擬定位產(chǎn)生的誤差會(huì)作為系統(tǒng)誤差貫穿治療過程的始終，直接影響到放療的精確性[1-4]。激光定位系統(tǒng)不但用于建立患者體位坐標(biāo)系，在治療計(jì)劃設(shè)計(jì)好后也要用于患者擺位，使其與治療等中心保持一致。而激光定位系統(tǒng)任何一項(xiàng)偏差都會(huì)造成患者放療位置的改變，使患者實(shí)際接受的劑量發(fā)生變化，增加放療并發(fā)癥發(fā)生的概率，降低放療療效，甚至導(dǎo)致放療的失敗。因此，需定期對(duì)放療激光定位系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制，及時(shí)地進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，以確保其精度。

目前，用于驗(yàn)證和校準(zhǔn)激光定位系統(tǒng)的模體絕大大多數(shù)為國(guó)外生產(chǎn)，不但價(jià)格昂貴，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、校正精度低、功能單一。而國(guó)內(nèi)用于激光定位系統(tǒng)的模體相對(duì)較少，無法滿足多功能的需要?；谝陨锨闆r，筆者設(shè)計(jì)了一種用于放療激光定位系統(tǒng)的校驗(yàn)?zāi)ｓw，不僅可實(shí)現(xiàn)CT 模擬定位機(jī)以及光子、質(zhì)子和重離子放療設(shè)備激光定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)，還可用于kV、MV 級(jí)機(jī)載成像系統(tǒng)等中心及治療床到位精度的驗(yàn)證等。

1 設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 放療激光定位系統(tǒng)校驗(yàn)?zāi)ｓw結(jié)構(gòu)示意圖

放療激光定位系統(tǒng)校驗(yàn)?zāi)ｓw結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由圓柱底座、固定立柱、中心旋轉(zhuǎn)軸和測(cè)量面板4 個(gè)部分組成。圓柱底座用于支撐固定立柱和中心旋轉(zhuǎn)軸，上面設(shè)有3 個(gè)水平調(diào)節(jié)旋鈕和1 個(gè)氣泡水平儀。水平調(diào)節(jié)旋鈕用于調(diào)節(jié)圓柱底座某一方向的高低，氣泡水平儀用于指示圓柱底座的水平情況。通過調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)旋鈕可使氣泡水平儀指示水平狀態(tài)，從而確保測(cè)量前整個(gè)模體的水平。固定立柱固定于圓柱底座上，用于支撐模體的整個(gè)架構(gòu)，并且側(cè)、頂面均標(biāo)有長(zhǎng)度刻度線，可用于測(cè)量治療床Z 方向的到位精度。中心旋轉(zhuǎn)軸置于固定立柱中，能夠在固定立柱中旋轉(zhuǎn)。中心旋轉(zhuǎn)軸的外周壁和固定立柱的內(nèi)周壁分別標(biāo)有角度刻度線，可實(shí)現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針360°旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)到某一固定角度（即內(nèi)、外圓柱體表面刻度線吻合時(shí)）可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)圓柱體的固定。中心旋轉(zhuǎn)軸的頂端固定有測(cè)量面板，為長(zhǎng)方體，測(cè)量面板6 個(gè)面中心均刻有“十”字刻度線且中心嵌有金屬小球，是進(jìn)行激光燈位置校準(zhǔn)、成像系統(tǒng)等中心精度及治療床X、Y 方向到位精度校驗(yàn)的主要部件。

1.2 主要材料

本模體設(shè)計(jì)小巧，需要?jiǎng)傂暂^好的材料才能保證其精度和耐用性；為了防止拍片時(shí)產(chǎn)生偽影，同時(shí)不影響直徑2 mm 金屬小球的顯像，密度低的材料可以更好地滿足質(zhì)控要求。而有機(jī)玻璃（polymethyl methacrylate，PMMA）具有機(jī)械強(qiáng)度較高、密度低、韌性好、抗拉伸和抗沖擊的特點(diǎn)，并且價(jià)格低，易于加工，因此，除金屬小球和氣泡水平儀外，本校驗(yàn)?zāi)ｓw其他組件均選用PMMA，密度約1.15 g/cm3。

1.3 主要功能

放療激光定位系統(tǒng)校驗(yàn)?zāi)ｓw主要可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）可實(shí)現(xiàn)CT 模擬定位機(jī)以及光子、質(zhì)子及重離子等放療設(shè)備激光定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)。放療激光定位系統(tǒng)精度要求不超過±1 mm，本模體可用于激光定位系統(tǒng)的日常質(zhì)控，通過測(cè)量面板可以清晰地看出相同方位的激光是否重合并且可以讀出其偏差，同時(shí)根據(jù)偏差也便于對(duì)相應(yīng)的激光系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

（2）可實(shí)現(xiàn)放療機(jī)載kV、MV 級(jí)成像系統(tǒng)等中心精度的檢測(cè)和校準(zhǔn)。放療機(jī)載kV 和MV 級(jí)成像系統(tǒng)等中心允許精度為Φ2 mm，本模體測(cè)量面板中心嵌有直徑為2 mm 的金屬小球，通過在不同機(jī)架角度拍攝kV 或者M(jìn)V 級(jí)X 射線平片，可以快捷且方便地檢測(cè)成像系統(tǒng)等中心的偏差，從而用于機(jī)載kV、MV 級(jí)成像系統(tǒng)的日常質(zhì)控及位置校準(zhǔn)。

（3）可實(shí)現(xiàn)放療治療床或患者定位系統(tǒng)到位精度的檢測(cè)和校準(zhǔn)。放療治療床到位精度要求±1 mm或1°，通過測(cè)量面板和固定立柱上長(zhǎng)度刻度線可實(shí)現(xiàn)治療床X、Y、Z 方向短距離到位精度的檢測(cè)和校準(zhǔn)。通過中心旋轉(zhuǎn)軸外固壁和固定立柱內(nèi)周壁刻有的角度刻度實(shí)現(xiàn)治療床旋轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)和校準(zhǔn)，能夠很好地滿足治療床到位精度檢測(cè)的需要。

2 使用方法

一臺(tái)放療設(shè)備通常最低需配備3 組外置激光定位系統(tǒng)，以下基于此來描述本模體的使用方法。將3組激光定位系統(tǒng)分別固定于治療床的左、右和頂面的墻上，左側(cè)激光定位系統(tǒng)標(biāo)識(shí)著治療床的升降和進(jìn)出方向（即Z 和Y 方向），用ZL和YL表示；右側(cè)激光定位系統(tǒng)和左側(cè)的一樣標(biāo)識(shí)著治療床的升降和進(jìn)出方向，用ZR和YR表示；頂部激光定位系統(tǒng)標(biāo)識(shí)著治療床的進(jìn)出和左右平移方向（即Y 和X 方向），用Xtop和Ytop表示。校準(zhǔn)過程就是要檢測(cè)所有同方向的激光線是否重合，并且與醫(yī)用直線加速器機(jī)頭上光野“十”字標(biāo)識(shí)的等中心是否一致，如果出現(xiàn)偏差，則需要對(duì)激光定位系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

（1）擺位：在使用校驗(yàn)?zāi)ｓw時(shí)，首先將醫(yī)用直線加速器機(jī)架、小機(jī)頭及治療床角調(diào)至零度，打開光野即會(huì)相應(yīng)地投影一個(gè)“十”字線，該“十”字線代表射野中心。其次將校驗(yàn)?zāi)ｓw置于治療床上，固定刻度面板于零位，調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)旋鈕，同時(shí)觀察氣泡水平儀使校驗(yàn)?zāi)ｓw處于水平狀態(tài)，使光野“十”字線與模體測(cè)量面板頂面的“十”字刻度線重合，隨后再將機(jī)架旋轉(zhuǎn)至90°或270°，升降治療床使校驗(yàn)?zāi)ｓw側(cè)面與“十”字刻度線重合。最后將機(jī)架旋轉(zhuǎn)到零度，即完成校驗(yàn)?zāi)ｓw的擺位。

（2）激光定位系統(tǒng)的檢測(cè)與校準(zhǔn)：擺位完成后，打開所有激光燈，檢查代表相同方向的激光線是否在校驗(yàn)?zāi)ｓw相應(yīng)刻度線上重合，即在擺好模體的情況下檢查ZL和ZR，YL、YR和Ytop，Xtop和測(cè)量面板X方向的刻度線是否重合在同一刻度線上，其重合情況以及某一方向激光線的具體偏差很容易從模體上得到，根據(jù)相應(yīng)方向的偏差情況對(duì)相應(yīng)激光設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，從而保證其一致性，完成校驗(yàn)。同理，校驗(yàn)?zāi)ｓw還可用于CT 模擬定位機(jī)和質(zhì)子、重離子等放療設(shè)備激光定位系統(tǒng)的校驗(yàn)，對(duì)于非正交方位的激光定位系統(tǒng)，為了方便校驗(yàn)可通過旋轉(zhuǎn)測(cè)量面板實(shí)現(xiàn)，具體過程和光子校正過程相同。

（3）成像系統(tǒng)等中心精度檢測(cè)：擺位完成后（如果激光定位系統(tǒng)已完成校驗(yàn)，以后可通過激光定位系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)?zāi)ｓw擺位），將機(jī)架旋轉(zhuǎn)至預(yù)設(shè)角度進(jìn)行kV 或者M(jìn)V 級(jí)X 射線平片拍攝，此時(shí)會(huì)得到校驗(yàn)?zāi)ｓw及金屬小球在該角度的影像，通過觀察或測(cè)量軟件預(yù)設(shè)的機(jī)器等中心“十”字中心與金屬小球的位置關(guān)系來判斷此時(shí)成像系統(tǒng)等中心的位置偏差。通過檢測(cè)不同機(jī)架角成像系統(tǒng)的等中心偏差來判斷其整體的精度。

（4）治療床到位精度測(cè)量：擺位完成后，打開激光燈，記錄好激光燈在校驗(yàn)?zāi)ｓw上的位置，然后移動(dòng)治療床。以進(jìn)出治療床為例，在加速器操作軟件上輸入要移動(dòng)的具體距離，移動(dòng)完畢后，檢測(cè)此時(shí)激光燈在模體上對(duì)應(yīng)的刻度，通過計(jì)算得到治療床的到位偏差。同理，治療床的升降、左右平移以及旋轉(zhuǎn)精度可用同樣的方法進(jìn)行檢測(cè)，旋轉(zhuǎn)偏差通過校驗(yàn)?zāi)ｓw的角度刻度讀出。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本激光定位系統(tǒng)校驗(yàn)?zāi)ｓw融合了市面相關(guān)校驗(yàn)?zāi)ｓw的功能優(yōu)勢(shì)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功能全、精度高，易于操作。此外，在模體中創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了中心嵌有金屬小球并可旋轉(zhuǎn)的測(cè)量面板，能靈活地實(shí)現(xiàn)不同方位激光設(shè)備的精度測(cè)量。底座專門設(shè)有水平調(diào)節(jié)旋鈕和氣泡水平儀，彌補(bǔ)了其他校驗(yàn)?zāi)ｓw無法校驗(yàn)本體水平情況的缺點(diǎn)，提高了模體的擺位精度。通過對(duì)模體水平的精確調(diào)節(jié)，保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。市面上幾乎所有的激光定位系統(tǒng)校驗(yàn)?zāi)ｓw都只是通過用戶目測(cè)來評(píng)估激光燈的重合度，無法準(zhǔn)確地讀出偏差的大小，本模體設(shè)計(jì)的帶有刻度標(biāo)識(shí)的測(cè)量面板可以更好地檢驗(yàn)和校準(zhǔn)光子、質(zhì)子、重離子放療設(shè)備以及CT 模擬定位機(jī)激光定位系統(tǒng)X、Y、Z 方向激光燈的一致性，并且能準(zhǔn)確地讀出激光線的具體偏差，實(shí)現(xiàn)定量分析，快速完成放療專用激光定位系統(tǒng)的質(zhì)控。本模體同時(shí)設(shè)有成像系統(tǒng)精度校驗(yàn)組件，可用于kV 或MV級(jí)成像系統(tǒng)等中心的位置驗(yàn)證，通過kV 或MV 級(jí)成像系統(tǒng)獲取驗(yàn)證所需任意機(jī)架角的模體二維影像，測(cè)量金屬小球中心位置與治療系統(tǒng)等中心位置的偏差，從而校驗(yàn)kV 或MV 級(jí)成像系統(tǒng)與加速器旋轉(zhuǎn)等中心的一致性，功能多樣，校正精度高，顯著降低了制造成本。另外，本模體可以很好地實(shí)現(xiàn)圖像引導(dǎo)系統(tǒng)等中心精度的校驗(yàn)，通過kV 級(jí)成像系統(tǒng)獲取的三維影像與模體CT 影像基于測(cè)量面板中心的金屬小球進(jìn)行配準(zhǔn)，得到三維成像系統(tǒng)的偏差，快速實(shí)現(xiàn)圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的日常質(zhì)控。

4 結(jié)語

隨著放療技術(shù)及放療設(shè)備的不斷發(fā)展與更新，腫瘤放療進(jìn)入了精確定位、精確計(jì)劃、精確治療的時(shí)代，尤其是調(diào)強(qiáng)放療和立體定向體部放療（立體定向消融放療）技術(shù)的普及應(yīng)用，對(duì)治療的精準(zhǔn)性提出了更高的要求（如等中心精度要求±0.5 mm），因此放療各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制顯得越來越重要[5-10]。但放療每個(gè)環(huán)節(jié)的精度檢測(cè)幾乎都需要借助專門的校驗(yàn)?zāi)ｓw來完成，任務(wù)繁重，且由于模體功能單一，測(cè)完一個(gè)項(xiàng)目往往需要更換一種模體重新進(jìn)行擺位，大大降低了工作效率。因此，需要研制一種有效的工具來實(shí)現(xiàn)激光定位系統(tǒng)的質(zhì)控工作，從而確保患者放療時(shí)體位的重復(fù)性和精度。本激光定位系統(tǒng)校驗(yàn)?zāi)ｓw解決了現(xiàn)有校驗(yàn)?zāi)ｓw價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、校正精度低、功能單一等問題，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、校正精度高，能夠快速實(shí)現(xiàn)放療專用激光定位系統(tǒng)的校驗(yàn)，可很好地完成對(duì)激光定位系統(tǒng)的日常質(zhì)控，并且操作簡(jiǎn)便、功能多樣、成本低，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。