機(jī)器性能檢測(cè)在VitalBeam 加速器精確放射治療質(zhì)量控制中的應(yīng)用

薛 濤，劉 斌，張 恒，秦浩人，李海鵬，王 輝

惡性腫瘤發(fā)病率高、死亡率高，嚴(yán)重危害人民群眾健康。隨著放射治療（簡(jiǎn)稱放療）設(shè)備和技術(shù)手段飛速發(fā)展和創(chuàng)新，放療已成為治療惡性腫瘤的主要手段之一[1]。 放療主要設(shè)備醫(yī)用直線加速器經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越豐富[2，3]。美國(guó)瓦里安公司智能化直線加速器VitalBeam 具有顱內(nèi)立體定向放射外科治療、體部立體定向放療、快速容積調(diào)強(qiáng)放療、門(mén)控快速容積調(diào)強(qiáng)放療、影像引導(dǎo)放療、調(diào)強(qiáng)放療等特有精確放療技術(shù)。

加速器質(zhì)量控制（簡(jiǎn)稱質(zhì)控）是精確放療安全實(shí)施的基礎(chǔ)[4，5]。由于日常治療患者數(shù)量增多而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)動(dòng)磨損老化和環(huán)境因素影響，都會(huì)使加速器機(jī)械精度變差[6]，從而直接影響治療效果。因此每天治療前加速器在機(jī)械參數(shù)和劑量輸出穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性等方面的檢測(cè)[7，8]是放療質(zhì)量保證的首要任務(wù)，也是放療物理師重要職責(zé)[9]。 參考美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)40 號(hào)[10]和142 號(hào)[11]報(bào)告對(duì)加速器日檢、月檢、年檢的指導(dǎo)，其中日檢是最為頻繁、最能及時(shí)反映加速器精確度的。 瓦里安VitalBeam 加速器自帶用于日檢的機(jī)器性能檢測(cè)（machine performance check，MPC）模塊，可快速完成質(zhì)量控制工作，保證腫瘤患者的精確放療[12，13]。筆者收集了2019 年10 月至2021 年2 月天津市人民醫(yī)院放療科使用美國(guó)瓦里安VitalBeam 加速器在每天治療前及加速器維修后進(jìn)行MPC 獲取的522 例數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，檢測(cè)VitalBeam 加速器各項(xiàng)機(jī)械參數(shù)及6 MV 光子劑量輸出的穩(wěn)定性，評(píng)估MPC模塊在VitalBeam 加速器質(zhì)量控制中的可靠性，以保證臨床精確放療的順利開(kāi)展。

1 資料與方法

1.1 臨床材料

美國(guó)瓦里安VitalBeam 加速器（第一代）于2019年10 月投入臨床使用，用于腫瘤患者的精確放療。

MPC 模塊是集成于VitalBeam 加速器日常質(zhì)量控制的一個(gè)工具，用于驗(yàn)證加速器系統(tǒng)的性能參數(shù)是否在規(guī)定范圍內(nèi)，關(guān)鍵指標(biāo)是否滿足要求。 MPC 模塊檢測(cè)內(nèi)容涵蓋了TG142[11]中要求檢測(cè)的設(shè)備參數(shù)，能夠在幾分鐘之內(nèi)完成， 在每天治療開(kāi)始前使用MPC模塊， 可以通過(guò)測(cè)量并分析IsoCal 模體的MV/kV 圖像，獲取機(jī)械數(shù)據(jù)、束流數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，以確保加速器在系統(tǒng)要求的精度范圍內(nèi)運(yùn)行。

1.2 方法

1.2.1 機(jī)械性能檢測(cè)項(xiàng)目

束流穩(wěn)定性：束流輸出變化，束流均勻度變化，束流中心偏移。

機(jī)械性能：等中心尺寸（iso center size），MV 探測(cè)板投影偏移，kV 探測(cè)板投影偏移， 準(zhǔn)直系統(tǒng)鉛門(mén)位置偏差，旋轉(zhuǎn)偏差，多葉準(zhǔn)直器（multi-leaf collimator，MLC）葉片精度，機(jī)架的絕對(duì)、相對(duì)偏移，治療床位置準(zhǔn)確度[14]。

1.2.2 機(jī)械性能檢測(cè)方法

1.2.2.1 操作過(guò)程 在每天患者治療前與加速器維修后檢測(cè)，先將IsoCal 模體和托架放于加速器治療床固定位置上（首次檢測(cè)需要利用激光燈，準(zhǔn)確調(diào)整模體位置，獲取床值，系統(tǒng)自動(dòng)記錄初始床值，之后檢測(cè)若擺放位置不變，則無(wú)需重復(fù)獲取床值），然后在操作界面進(jìn)入MPC 模式，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)架、MLC、治療床的不同角度， 自動(dòng)采集IsoCal 模體的一系列MV/kV 圖像，對(duì)其即時(shí)處理，測(cè)量、計(jì)算各參數(shù)誤差并進(jìn)行分析，完成系統(tǒng)測(cè)試，最終得到結(jié)果評(píng)估。

1.2.2.2 束流檢測(cè) 束流穩(wěn)定性檢測(cè)時(shí)， 鉛門(mén)開(kāi)到18 cm × 18 cm 獲取圖像， 評(píng)估的區(qū)域?yàn)?3.3 cm ×13.3 cm，可減少鉛門(mén)誤差的影響，輸出穩(wěn)定性評(píng)估，為在特定時(shí)間內(nèi)探測(cè)板評(píng)估圖像區(qū)域劑量效應(yīng)變化大小。束流輸出變化描述了影像板中心區(qū)域探測(cè)器響應(yīng)變化的平均百分比；均勻度變化描述了影像板中心區(qū)域探測(cè)器響應(yīng)變化的總百分比；束流中心偏移描述了束流影像中根據(jù)鉛門(mén)確定的射野中心相對(duì)于基線的偏移，其值為通過(guò)探測(cè)鉛門(mén)的邊緣計(jì)算成像中心位置的變化，反映出束流伺服、準(zhǔn)直器、兆伏成像系統(tǒng)的準(zhǔn)確度[12，15]。

1.2.2.3 機(jī)械性能檢測(cè) （1）等中心：包括等中心尺寸、MV 探測(cè)板投影偏移及kV 探測(cè)板投影偏移3 個(gè)參數(shù)，按照國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（International Electrotechnical Commission，IEC）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《醫(yī)用放射學(xué)術(shù)語(yǔ)》（GB/T 17857—1999）[16]對(duì)等中心的定義。在放射學(xué)設(shè)備中，各種運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)軸線圍繞一個(gè)公共的中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，輻射軸從以此點(diǎn)為中心的最小球體內(nèi)通過(guò)，此點(diǎn)即為等中心，該球體的直徑為等中心的精度誤差[17]。理論上等中心為一點(diǎn)，但實(shí)際上隨著機(jī)架旋轉(zhuǎn)，射束軸略有變化。 MPC 模塊檢測(cè)過(guò)程中， 當(dāng)機(jī)架旋轉(zhuǎn)在（0°、45°、90°、135°、180°、225° 270°和315°）時(shí)，相應(yīng)的準(zhǔn)直器（90°和270°）處采集2 次，等中心為16 次的射束中心所聚集區(qū)域的中心，該點(diǎn)到射束中心的最大值定義為等中心尺寸；等中心在探測(cè)板上的投影到探測(cè)板中心之間的最大值為MV/kV 探測(cè)板投影偏移，8個(gè)機(jī)架角度采集所得到射束中心到探測(cè)板中心之間的最大值，為等中心與探測(cè)板中心的一致性。

（2）準(zhǔn)直器：靜態(tài)射野測(cè)試時(shí)將機(jī)架置0°，MLC葉片圖案為梳狀，葉片的偏移值是每個(gè)葉片末端到中心線的距離，分別檢測(cè)MLC 在45°、90°、270°、305°和360°時(shí)旋轉(zhuǎn)角度和實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度的差異作為旋轉(zhuǎn)偏移值，鉛門(mén)邊緣最大劑量效應(yīng)梯度位置到中心線的距離偏移作為鉛門(mén)的偏移值。

（3）機(jī)架：分為絕對(duì)偏移和相對(duì)偏移，機(jī)架置0°，MPC 模塊通過(guò)模體相對(duì)于等中心在側(cè)向或縱向的偏移來(lái)檢測(cè)射束中心軸與床水平的垂直線一致性，從而獲取機(jī)架絕對(duì)（gantry absolute）偏移，當(dāng)機(jī)架在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°時(shí)，MPC 通過(guò)模體圖像，計(jì)算機(jī)架理論值與實(shí)際角度之間的最大偏移值，而得到機(jī)架相對(duì)（gantry relative）偏移數(shù)值。

（4）治療床：床在側(cè)向+5 cm、縱向-5 cm、升降+15 cm、公轉(zhuǎn)-10°位置時(shí)，通過(guò)探測(cè)模體位置得到治療床運(yùn)動(dòng)精確度。 床公轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)中心與等中心的偏移量為床旋轉(zhuǎn)位置的偏移精度。

1.2.2.4 檢測(cè)輸出結(jié)果 完成MPC 后， 系統(tǒng)自動(dòng)將測(cè)量值和系統(tǒng)閾值進(jìn)行比較，使用不同顏色表示出不同結(jié)果狀態(tài)（圖1）。 綠色表示通過(guò)，橙色表示預(yù)警（接近閾值極限的10%），紅色表示未通過(guò)，灰色代表基線。

物理師通過(guò)當(dāng)天輸出的檢測(cè)結(jié)果及復(fù)核區(qū)域中各項(xiàng)參數(shù)趨勢(shì)圖來(lái)進(jìn)行分析，評(píng)估加速器性能，及時(shí)調(diào)整修正，以保證腫瘤患者的精確放療。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Graph Pad 9.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。 采用Kolmogorov-Smirnov 法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)± 標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用t 檢驗(yàn)。 P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 機(jī)器性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

使用VitalBeam 加速器開(kāi)展精確放療，自2019年10 月至2021 年2 月應(yīng)用MPC 模塊檢測(cè)6 MV 光子的522 例數(shù)據(jù)，獲得等中心、束流、準(zhǔn)直系統(tǒng)鉛門(mén)、MLC葉片精度、機(jī)架、治療床統(tǒng)計(jì)值、最大值、最小值（表1）。

表1 MPC 模塊檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Results of MPC module detection

2.2 束流穩(wěn)定性

2.2.1 束流輸出變化

束流輸出變化描述了影像板中心區(qū)域探測(cè)器響應(yīng)變化的平均百分比， 隨著加速器使用時(shí)間的增長(zhǎng)，束流輸出變化出現(xiàn)波動(dòng)，16 個(gè)月束流輸出變化為0.40%±0.76%, 最大為2.09%， 最小為-1.61%（圖2）。

2.2.2 束流均勻度變化

束流均勻度變化描述了影像板中心區(qū)域探測(cè)器響應(yīng)變化的總百分比，16 個(gè)月束流均勻度變化為0.63%±0.34%，最大為1.32%，最小為0.05%（圖3）。

2.2.3 束流中心偏移

束流中心偏移描述了在束流影像中，根據(jù)鉛門(mén)確定的射野中心相對(duì)于基線的偏移，16 個(gè)月內(nèi)束流中心偏移量維持在（0.28±0.18）mm，最小只有0.01 mm，最大為0.91 mm（圖4）。

2.3 機(jī)械性能檢查

2.3.1 等中心檢測(cè)

檢測(cè)結(jié)果（圖5）：等中心尺寸<0.36 mm 整體穩(wěn)定（圖5a）；MV 探測(cè)板偏移（MV imager projection offset）<0.33 m 波動(dòng)稍大，但偏移幅度較小（圖5b）；kV探測(cè)板偏移（kV imager projection offset）0.34 mm 稍有小波動(dòng)（圖5c）。

2.3.2 準(zhǔn)直系統(tǒng)檢測(cè)

（1）MLC 葉片精度：葉片最大偏移量和平均偏移量，A 側(cè)（0.27±0.03）mm、（0.16±0.03）mm，B 側(cè)（0.42±0.02）mm、（0.22±0.02）mm；兩側(cè)葉片的偏移數(shù)值均較小。

（2）JAW 位置精度：檢測(cè)結(jié)果顯示X、Y 方向的鉛門(mén)位置偏移值基本一致，X1= 0.13 mm ± 0.21 mm，X2=-0.18 mm±0.32 mm；Y1=-0.15 mm±0.53 mm，Y2=0.69 mm±0.32 mm；鉛門(mén)的偏移量均小于各方向閾值（X 方向?yàn)椤? mm，Y 方向?yàn)椤? mm）。

2.3.3 準(zhǔn)直系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度

旋轉(zhuǎn)偏移量為- 0.05° ± 0.03°， 最大偏移值為0.03°，最小偏移值為-0.09°，其偏移量在0.10°左右。

2.3.4 機(jī)架檢測(cè)

分為絕對(duì)偏移、相對(duì)偏移兩個(gè)參數(shù)，檢測(cè)結(jié)果（圖6）：機(jī)架絕對(duì)偏移最大- 0.10° ± 0.01°（圖6a）；相對(duì)偏移最大0.06°±0.01°（圖6b）。

2.3.5 治療床

經(jīng)MPC 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算（表1）VitalBeam 直線加速器治療床： 側(cè)向 （- 0.16 ± 0.04） mm， 縱向（-0.02 ± 0.03） mm，升 降（0.01 ± 0.05） mm，公 轉(zhuǎn)（-0.03±0.01）mm；旋轉(zhuǎn)位置偏移（0.18±0.06）mm。

由上述結(jié)果可見(jiàn)：VitalBeam 直線加速器運(yùn)行16個(gè)月性能穩(wěn)定且精度高。

3 討論

加速器關(guān)鍵機(jī)械參數(shù)和劑量輸出穩(wěn)定性的檢測(cè)是開(kāi)展精確放療，確?；颊咧委煱踩幕A(chǔ)。 隨著放療患者數(shù)量日益增多，加速器機(jī)械運(yùn)動(dòng)磨損加劇而導(dǎo)致關(guān)鍵部件老化，故障維修、更換部件及環(huán)境變化等因素亦都影響到加速器機(jī)械參數(shù)精準(zhǔn)度[18]，其等中心、射束系統(tǒng)、準(zhǔn)直器、治療床等參數(shù)發(fā)生微小誤差都會(huì)影響放療的精確性。

以往通過(guò)第三方檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行加速器的日常性能檢查，僅包括加速器輸出劑量、對(duì)稱性、平坦度、光野一致性、射線質(zhì)[19]，而檢測(cè)加速器等中心、準(zhǔn)直器、機(jī)架和治療床運(yùn)動(dòng)等機(jī)械參數(shù)精準(zhǔn)度需要耗費(fèi)大量人力時(shí)間，繁瑣復(fù)雜，無(wú)法作為日檢項(xiàng)目。 MPC 模塊集成于瓦里安VitalBeam 加速器中，在每日治療開(kāi)始之前使用MPC 模塊， 通過(guò)測(cè)量并分析IsoCal 模體的MV/kV 圖像，來(lái)進(jìn)行可靠而快速的系統(tǒng)測(cè)試，以驗(yàn)證加速器系統(tǒng)的性能參數(shù)是否在規(guī)定范圍內(nèi)，能否達(dá)到精確治療要求。加速器在正常狀態(tài)，啟動(dòng)MPC 模塊無(wú)須預(yù)熱，將模體擺放到固定位置，通過(guò)獲取各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)加速器性能評(píng)估一目了然，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程幾分鐘完成，高效便捷。

MPC 對(duì)束流輸出變化、束流均勻度變化、束流中心偏移檢測(cè)相比以往對(duì)稱性和均整度等指標(biāo)要更加嚴(yán)格，參考基準(zhǔn)值可實(shí)現(xiàn)對(duì)加速器劑量輸出穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)；如上述圖2 所示：圖中A、B、C 三點(diǎn)出現(xiàn)偏高的輸出劑量，推測(cè)因外界環(huán)境的濕度、氣壓變化或加速器連續(xù)工作導(dǎo)致。 此種情況與筆者應(yīng)用德國(guó)PTW 公司UNIDOS E 靜電計(jì)、Farmer（30013）指型電離室和二維水箱對(duì)VitalBeam 加速器絕對(duì)劑量檢測(cè)結(jié)果相符。 將絕對(duì)劑量進(jìn)行校準(zhǔn)后，MPC 的束流輸出劑量明顯降低，并在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。 圖3 中束流均勻度曲線出現(xiàn)大幅下降，是工程師當(dāng)日更換主閘流管所致。 由此可見(jiàn)，MPC 能夠及時(shí)檢測(cè)出束流的變化。

在16 個(gè)月使用過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)MPC 數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，提示加速器存在某方面故障隱患，需要分析處理。 如圖4：在2020 年8 月13 日機(jī)器維護(hù)過(guò)程中，束流中心偏移量最大為0.91 mm，超過(guò)±0.5 mm 的閾值，觀察MPC 多次檢測(cè)數(shù)值，發(fā)現(xiàn)鉛門(mén)Y1偏移量從-0.60 mm 到+0.80 mm 不等，經(jīng)工程師排查，是由于鉛門(mén)Y1半球型頂絲不平所導(dǎo)致。調(diào)整修正后，對(duì)所有鉛門(mén)的讀數(shù)做重新校準(zhǔn)，獲取MPC baseline，再次檢測(cè)，結(jié)果達(dá)到正常范圍。 MPC 模塊檢測(cè)到束流中心偏移最大量超出正常范圍，提供預(yù)警報(bào)告，幫助筆者及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，保證了放療安全。

MPC 快速、高效、精確地完成加速器質(zhì)量控制工作，檢測(cè)機(jī)械及光子束劑量穩(wěn)定性項(xiàng)目基本覆蓋了加速器開(kāi)展常規(guī)放療、SRS 及SBRT 技術(shù)的關(guān)鍵機(jī)械及劑量輸出指標(biāo)要求， 不僅可以做到加速器日檢項(xiàng)目，還包括絕大多數(shù)月檢項(xiàng)目。如以往治療床的檢測(cè)為月檢項(xiàng)目[14]，要利用免沖洗膠片檢測(cè)及掃描膠片進(jìn)行軟件分析才能得到結(jié)果，日檢實(shí)施困難，而影像引導(dǎo)放療（imaging guided radiation therapy，IGRT）中患者治療位置的在線修正[20]及治療計(jì)劃的準(zhǔn)確執(zhí)行對(duì)治療床的精度和穩(wěn)定性均有較高要求，治療床作為最主要的支撐部件，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)磨損老化、重力因素、加速器故障維修等都會(huì)使其機(jī)械精度變差[21]，治療床質(zhì)量控制與保證是開(kāi)展精確放療技術(shù)的關(guān)鍵。MPC 對(duì)治療床執(zhí)行日檢， 能夠快速分析治療床各運(yùn)動(dòng)方向的機(jī)械精度[22]，以確保精確放療的實(shí)施。

4 結(jié)論

綜合分析2019 年10 月至2021 年2 月16 個(gè)月中522 例MPC 日檢數(shù)據(jù)， 瓦里安公司VitalBeam 直線加速器關(guān)鍵機(jī)械參數(shù)及劑量輸出穩(wěn)定可靠，滿足精確放療的臨床要求；其自帶的MPC 模塊能夠快速、準(zhǔn)確地完成加速器的質(zhì)量控制工作， 提前預(yù)告隱患，保證患者治療安全，給用戶帶來(lái)極大的方便；應(yīng)用MPC模塊進(jìn)行VitalBeam 加速器日常質(zhì)量控制工作，極大地降低了物理師的工作負(fù)擔(dān)，提高了放療團(tuán)隊(duì)的工作效率， 是臨床腫瘤患者得到高效精準(zhǔn)放療的有利措施。