机器性能检测在VitalBeam,加速器精确放射治疗质量控制中的应用
时间：2023-02-25 12:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
薛 涛，刘 斌，张 恒，秦浩人，李海鹏，王 辉
恶性肿瘤发病率高、死亡率高，严重危害人民群众健康。随着放射治疗（简称放疗）设备和技术手段飞速发展和创新，放疗已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一[1]。
放疗主要设备医用直线加速器经过几十年的发展，结构越来越复杂，功能越来越丰富[2，3]。美国瓦里安公司智能化直线加速器VitalBeam 具有颅内立体定向放射外科治疗、体部立体定向放疗、快速容积调强放疗、门控快速容积调强放疗、影像引导放疗、调强放疗等特有精确放疗技术。
加速器质量控制（简称质控）是精确放疗安全实施的基础[4，5]。由于日常治疗患者数量增多而导致设备运动磨损老化和环境因素影响，都会使加速器机械精度变差[6]，从而直接影响治疗效果。因此每天治疗前加速器在机械参数和剂量输出稳定性、精准性等方面的检测[7，8]是放疗质量保证的首要任务，也是放疗物理师重要职责[9]。
参考美国医学物理学家协会40 号[10]和142 号[11]报告对加速器日检、月检、年检的指导，其中日检是最为频繁、最能及时反映加速器精确度的。
瓦里安VitalBeam 加速器自带用于日检的机器性能检测（machine performance check，MPC）模块，可快速完成质量控制工作，保证肿瘤患者的精确放疗[12，13]。笔者收集了2019 年10 月至2021 年2 月天津市人民医院放疗科使用美国瓦里安VitalBeam 加速器在每天治疗前及加速器维修后进行MPC 获取的522 例数据，通过对数据的统计分析，检测VitalBeam 加速器各项机械参数及6 MV 光子剂量输出的稳定性，评估MPC模块在VitalBeam 加速器质量控制中的可靠性，以保证临床精确放疗的顺利开展。
1.1 临床材料
美国瓦里安VitalBeam 加速器（第一代）于2019年10 月投入临床使用，用于肿瘤患者的精确放疗。
MPC 模块是集成于VitalBeam 加速器日常质量控制的一个工具，用于验证加速器系统的性能参数是否在规定范围内，关键指标是否满足要求。
MPC 模块检测内容涵盖了TG142[11]中要求检测的设备参数，能够在几分钟之内完成， 在每天治疗开始前使用MPC模块， 可以通过测量并分析IsoCal 模体的MV/kV 图像，获取机械数据、束流数据，进行系统测试，以确保加速器在系统要求的精度范围内运行。
1.2 方法
1.2.1 机械性能检测项目
束流稳定性：束流输出变化，束流均匀度变化，束流中心偏移。
机械性能：等中心尺寸（iso center size），MV 探测板投影偏移，kV 探测板投影偏移， 准直系统铅门位置偏差，旋转偏差，多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）叶片精度，机架的绝对、相对偏移，治疗床位置准确度[14]。
1.2.2 机械性能检测方法
1.2.2.1 操作过程 在每天患者治疗前与加速器维修后检测，先将IsoCal 模体和托架放于加速器治疗床固定位置上（首次检测需要利用激光灯，准确调整模体位置，获取床值，系统自动记录初始床值，之后检测若摆放位置不变，则无需重复获取床值），然后在操作界面进入MPC 模式，通过旋转机架、MLC、治疗床的不同角度， 自动采集IsoCal 模体的一系列MV/kV 图像，对其即时处理，测量、计算各参数误差并进行分析，完成系统测试，最终得到结果评估。
1.2.2.2 束流检测 束流稳定性检测时， 铅门开到18 cm × 18 cm 获取图像， 评估的区域为13.3 cm ×13.3 cm，可减少铅门误差的影响，输出稳定性评估，为在特定时间内探测板评估图像区域剂量效应变化大小。束流输出变化描述了影像板中心区域探测器响应变化的平均百分比；
均匀度变化描述了影像板中心区域探测器响应变化的总百分比；
束流中心偏移描述了束流影像中根据铅门确定的射野中心相对于基线的偏移，其值为通过探测铅门的边缘计算成像中心位置的变化，反映出束流伺服、准直器、兆伏成像系统的准确度[12，15]。
1.2.2.3 机械性能检测 （1）等中心：包括等中心尺寸、MV 探测板投影偏移及kV 探测板投影偏移3 个参数，按照国际电工委员会标准（International Electrotechnical Commission，IEC）和国家标准《医用放射学术语》（GB/T 17857—1999）[16]对等中心的定义。在放射学设备中，各种运动基准轴线围绕一个公共的中心点运动，辐射轴从以此点为中心的最小球体内通过，此点即为等中心，该球体的直径为等中心的精度误差[17]。理论上等中心为一点，但实际上随着机架旋转，射束轴略有变化。
MPC 模块检测过程中， 当机架旋转在（0°、45°、90°、135°、180°、225° 270°和315°）时，相应的准直器（90°和270°）处采集2 次，等中心为16 次的射束中心所聚集区域的中心，该点到射束中心的最大值定义为等中心尺寸；
等中心在探测板上的投影到探测板中心之间的最大值为MV/kV 探测板投影偏移，8个机架角度采集所得到射束中心到探测板中心之间的最大值，为等中心与探测板中心的一致性。
（2）准直器：静态射野测试时将机架置0°，MLC叶片图案为梳状，叶片的偏移值是每个叶片末端到中心线的距离，分别检测MLC 在45°、90°、270°、305°和360°时旋转角度和实际旋转角度的差异作为旋转偏移值，铅门边缘最大剂量效应梯度位置到中心线的距离偏移作为铅门的偏移值。
（3）机架：分为绝对偏移和相对偏移，机架置0°，MPC 模块通过模体相对于等中心在侧向或纵向的偏移来检测射束中心轴与床水平的垂直线一致性，从而获取机架绝对（gantry absolute）偏移，当机架在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°时，MPC 通过模体图像，计算机架理论值与实际角度之间的最大偏移值，而得到机架相对（gantry relative）偏移数值。
（4）治疗床：床在侧向+5 cm、纵向-5 cm、升降+15 cm、公转-10°位置时，通过探测模体位置得到治疗床运动精确度。
床公转时，旋转中心与等中心的偏移量为床旋转位置的偏移精度。
1.2.2.4 检测输出结果 完成MPC 后， 系统自动将测量值和系统阈值进行比较，使用不同颜色表示出不同结果状态（图1）。
绿色表示通过，橙色表示预警（接近阈值极限的10%），红色表示未通过，灰色代表基线。
物理师通过当天输出的检测结果及复核区域中各项参数趋势图来进行分析，评估加速器性能，及时调整修正，以保证肿瘤患者的精确放疗。
1.3 统计学方法
采用Graph Pad 9.0 软件对数据进行统计学分析。
采用Kolmogorov-Smirnov 法检验数据的正态分布，符合正态分布的计量资料以均数± 标准差表示，采用t 检验。
P<0.05 为差异有统计学意义。
2.1 机器性能检测数据
使用VitalBeam 加速器开展精确放疗，自2019年10 月至2021 年2 月应用MPC 模块检测6 MV 光子的522 例数据，获得等中心、束流、准直系统铅门、MLC叶片精度、机架、治疗床统计值、最大值、最小值（表1）。
表1 MPC 模块检测数据Tab.1 Results of MPC module detection
2.2 束流稳定性
2.2.1 束流输出变化
束流输出变化描述了影像板中心区域探测器响应变化的平均百分比， 随着加速器使用时间的增长，束流输出变化出现波动，16 个月束流输出变化为0.40%±0.76%, 最大为2.09%， 最小为-1.61%（图2）。
2.2.2 束流均匀度变化
束流均匀度变化描述了影像板中心区域探测器响应变化的总百分比，16 个月束流均匀度变化为0.63%±0.34%，最大为1.32%，最小为0.05%（图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，根据铅门确定的射野中心相对于基线的偏移，16 个月内束流中心偏移量维持在（0.28±0.18）mm，最小只有0.01 mm，最大为0.91 mm（图4）。
2.3 机械性能检查
2.3.1 等中心检测
检测结果（图5）：等中心尺寸<0.36 mm 整体稳定（图5a）；
MV 探测板偏移（MV imager projection offset）<0.33 m 波动稍大，但偏移幅度较小（图5b）；
kV探测板偏移（kV imager projection offset）0.34 mm 稍有小波动（图5c）。
2.3.2 准直系统检测
（1）MLC 叶片精度：叶片最大偏移量和平均偏移量，A 侧（0.27±0.03）mm、（0.16±0.03）mm，B 侧（0.42±0.02）mm、（0.22±0.02）mm；
两侧叶片的偏移数值均较小。
（2）JAW 位置精度：检测结果显示X、Y 方向的铅门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；
铅门的偏移量均小于各方向阈值（X 方向为±1 mm，Y 方向为±2 mm）。
2.3.3 准直系统旋转精度
旋转偏移量为- 0.05° ± 0.03°， 最大偏移值为0.03°，最小偏移值为-0.09°，其偏移量在0.10°左右。
2.3.4 机架检测
分为绝对偏移、相对偏移两个参数，检测结果（图6）：机架绝对偏移最大- 0.10° ± 0.01°（图6a）；
相对偏移最大0.06°±0.01°（图6b）。
2.3.5 治疗床
经MPC 数据统计计算（表1）VitalBeam 直线加速器治疗床：
侧向 （- 0.16 ± 0.04） mm， 纵向（-0.02 ± 0.03） mm，升 降（0.01 ± 0.05） mm，公 转（-0.03±0.01）mm；
旋转位置偏移（0.18±0.06）mm。
由上述结果可见：VitalBeam 直线加速器运行16个月性能稳定且精度高。
加速器关键机械参数和剂量输出稳定性的检测是开展精确放疗，确保患者治疗安全的基础。
随着放疗患者数量日益增多，加速器机械运动磨损加剧而导致关键部件老化，故障维修、更换部件及环境变化等因素亦都影响到加速器机械参数精准度[18]，其等中心、射束系统、准直器、治疗床等参数发生微小误差都会影响放疗的精确性。
以往通过第三方检测设备进行加速器的日常性能检查，仅包括加速器输出剂量、对称性、平坦度、光野一致性、射线质[19]，而检测加速器等中心、准直器、机架和治疗床运动等机械参数精准度需要耗费大量人力时间，繁琐复杂，无法作为日检项目。
MPC 模块集成于瓦里安VitalBeam 加速器中，在每日治疗开始之前使用MPC 模块， 通过测量并分析IsoCal 模体的MV/kV 图像，来进行可靠而快速的系统测试，以验证加速器系统的性能参数是否在规定范围内，能否达到精确治疗要求。加速器在正常状态，启动MPC 模块无须预热，将模体摆放到固定位置，通过获取各项参数，对加速器性能评估一目了然，整个检测过程几分钟完成，高效便捷。
MPC 对束流输出变化、束流均匀度变化、束流中心偏移检测相比以往对称性和均整度等指标要更加严格，参考基准值可实现对加速器剂量输出稳定性的监测；
如上述图2 所示：图中A、B、C 三点出现偏高的输出剂量，推测因外界环境的湿度、气压变化或加速器连续工作导致。
此种情况与笔者应用德国PTW 公司UNIDOS E 静电计、Farmer（30013）指型电离室和二维水箱对VitalBeam 加速器绝对剂量检测结果相符。
将绝对剂量进行校准后，MPC 的束流输出剂量明显降低，并在一段时间内保持相对稳定状态。
图3 中束流均匀度曲线出现大幅下降，是工程师当日更换主闸流管所致。
由此可见，MPC 能够及时检测出束流的变化。
在16 个月使用过程中，笔者发现MPC 数据超出阈值时，提示加速器存在某方面故障隐患，需要分析处理。
如图4：在2020 年8 月13 日机器维护过程中，束流中心偏移量最大为0.91 mm，超过±0.5 mm 的阈值，观察MPC 多次检测数值，发现铅门Y1偏移量从-0.60 mm 到+0.80 mm 不等，经工程师排查，是由于铅门Y1半球型顶丝不平所导致。调整修正后，对所有铅门的读数做重新校准，获取MPC baseline，再次检测，结果达到正常范围。
MPC 模块检测到束流中心偏移最大量超出正常范围，提供预警报告，帮助笔者及时发现故障隐患，保证了放疗安全。
MPC 快速、高效、精确地完成加速器质量控制工作，检测机械及光子束剂量稳定性项目基本覆盖了加速器开展常规放疗、SRS 及SBRT 技术的关键机械及剂量输出指标要求， 不仅可以做到加速器日检项目，还包括绝大多数月检项目。如以往治疗床的检测为月检项目[14]，要利用免冲洗胶片检测及扫描胶片进行软件分析才能得到结果，日检实施困难，而影像引导放疗（imaging guided radiation therapy，IGRT）中患者治疗位置的在线修正[20]及治疗计划的准确执行对治疗床的精度和稳定性均有较高要求，治疗床作为最主要的支撑部件，长期运动磨损老化、重力因素、加速器故障维修等都会使其机械精度变差[21]，治疗床质量控制与保证是开展精确放疗技术的关键。MPC 对治疗床执行日检， 能够快速分析治疗床各运动方向的机械精度[22]，以确保精确放疗的实施。
综合分析2019 年10 月至2021 年2 月16 个月中522 例MPC 日检数据， 瓦里安公司VitalBeam 直线加速器关键机械参数及剂量输出稳定可靠，满足精确放疗的临床要求；
其自带的MPC 模块能够快速、准确地完成加速器的质量控制工作， 提前预告隐患，保证患者治疗安全，给用户带来极大的方便；
应用MPC模块进行VitalBeam 加速器日常质量控制工作，极大地降低了物理师的工作负担，提高了放疗团队的工作效率， 是临床肿瘤患者得到高效精准放疗的有利措施。
