TQA工具在螺旋断层加速器质量控制中的初步研究*

王金媛 戴相昆 徐寿平* 宋明永 解传滨

TQA工具在螺旋断层加速器质量控制中的初步研究*

王金媛①戴相昆①徐寿平①*宋明永①解传滨①

目的：运用螺旋断层加速器质控(TQA)工具对螺旋断层加速器(HT)空气扫描(Airscan)程序的连续监测，探索TQA工具在HT日检中的初步应用。方法：利用TQA工具Airscan模块记录HT每日的空气扫描程序运行数据，并针对连续6个月的Airscan数据进行趋势分析，评价每日铅门在随机架旋转过程中的稳定性，并对铅门旋转、监测电离室计数、探测器计数等长期变化趋势，以及对探测器输出稳定性予以监测。结果：根据TQA工具所测得6个月数据分析可得，HT铅门在随机架旋转过程中的位置偏差点到点能量通量差异(peak-to-peak fluence variation)平均为(0.11±0.00)mm；在Airscan运行前探测器测得的本底信号计数为(3859.61±3.37) counts，监测电离室测得本底信号计数为(505.85±9.17)counts；探测器测得的平均信号计数为(13553.96±195.14)counts，监测电离室测得的平均信号计数为(8422.14±10.88)counts，未发现异常信号点；探测器信号计数与监测电离室信号计数的比值在1.56～1.66之间浮动，平均值为1.61±0.02，表明探测器输出无异常，维持在一个相对稳定的状态。结论：TQA工具通过Airscan程序辅助监测HT的铅门随机架旋转的偏移以及探测器的输出稳定性，可对Airscan数据进行定量分析，能够对查找机器报错原因提供一定的指导意义。

螺旋断层加速器；螺旋断层加速器质控工具；空气扫描；MVCT探测器

螺旋断层放射治疗系统(helical tomotherapy，HT)是放射治疗中最先进的设备之一[1]。HT将6 MV的直线加速器直接安装在CT机架的滑环上，通过32对二元多叶光栅对照射野的调制，在治疗患者时治疗床机架同步运动，加速器围绕患者进行360°的螺旋照射治疗，对肿瘤进行高度的适形照射，同时最大可能对正常组织进行保护。此外，HT加速器利用同源加速器产生的3.5 MV能量的射线进行图像引导扫描，通过安装在机架上、加速器对面的CT氙气探测器阵列进行信号接收和成像，以此获得高质量的兆伏级CT图像[2-3]。

螺旋断层加速器质量控制(tomotherapy quality assurance，TQA)工具是一个针对HT系统的集成整合的质量保证(quality assurance，QA)新工具，其可以在某一项程序执行完成后即射线出束完成后，通过成像探测器(640个氙气电离室通道)收集到的信号，转化为数据，经相应算法处理后，直接呈现出分析结果，方便快捷。TQA工具可以通过运行某些QA项目的相应程序，辅助监测输出剂量、射线质、激光灯变化和床机架同步性等机器性能状态，还能提供所有数据结果的趋势显示[4-5]。

空气扫描(Airscan)是HT加速器系统日检项目中包括的重要项目之一，在每日第一次进行扫描前要进行一次空气扫描，以防止在扫描过程中出现明显的伪影。使用TQA工具分析Airscan的数据时，除了对成像探测器进行空气校正、得到本底的信号之外，还能够监测铅门在随机架旋转时的偏移，以及探测器的响应是否正常。本研究通过应用TQA工具对解放军总医院HT加速器连续6个月的Airscan数据进行分析，探索TQA工具在HT加速器系统日检中的初步应用。

图1 左、中、右探测器记录在机架旋转过程中铅门的变化

1 资料与方法

1.1 数据资料

选取2016年10月至2017年3月解放军总医院HT加速器系统日检中Airscan的数据，使用TQA工具进行分析，共获取192组数据。

1.2 TQA工具中Airscan模块组成

TQA工具中Airscan模块与常规日检中Airscan模块程序相同，在程序运行过程中共包含6次机架旋转；出束时所有叶片打开，成像射束开启，铅门设置为成像射野大小(铅门位置前0.05 cm，后-0.05 cm)；不需辅助模体，只需将治疗床置于机架孔径外。

1.3 TQA工具中Airscan 模块日检分析

TQA工具中的Airscan模块可以通过监测记录每日Airscan程序数据，评估铅门在随机架旋转时的稳定性，从而监测铅门的损耗及磨损情况。当机架旋转时，铅门位置的变化可以通过监测电离室以及探测器记录的信号数据来推断及获取。TQA工具对于每日Airscan的分析主要为程序运行期间的探测器旋转差异，根据探测器阵列左、中、右3个部分测得的信号计算铅门在旋转时随时间(脉冲)发生的位置差异，以mm为单位，正常限制范围：±0.2 mm，如图1所示。

1.4 TQA工具中Airscan 模块趋势分析

(1)TQA工具还可以保存每次Airscan程序运行后监测电离室和探测器测得的信号强度数据信息，在相应结果中将每次数据平均值保存为一个点，从而形成长期的数据趋势图。TQA工具中对Airscan的趋势分析主要包括点到点能量通量差异(peak-to-peak fluence variation)、探测器平均值(exit detector average)、探测器偏移平均值(exit detector offset average)、监测电离室1平均值(monitor chamber 1 average)、监测电离室1偏移(Monitor Chamber 1 Offset)和平均通量差异(average fluence variation)6项。

(2)点到点能量通量差异是指通过归一化探测器信号后点与点之间的信号位置偏差，推算出铅门的旋转偏差。正常值范围在0～0.4 mm之内。若＞0.4 mm，则提示可能需要进行机器的维护或者更换铅门组件等。

(3)探测器平均值是指空气扫描程序完成后探测器所测得的信号计数的平均值；探测器偏移平均值是指空气扫描前探测器测得的本底信号计数的平均值，这2个数值相互影响。

(4)监测电离室1平均值是指空气扫描完成后监测电离室1测得的平均信号计数；监测电离室1偏移是指空气扫描前监测电离室1测得的本底平均信号计数。

(5)平均通量差异是指探测器信号与监测电离室信号计数的比值，铅门位置的改变或者射束输出特性的改变都会影响这个比值。

以上项目的结果均通过Origin 8.5进行绘图。

2 结果

将TQA工具中Airscan模块测量记录的所有数据趋势进行统计，分析结果以(x-±s)的形式列表显示，见表1。

表1结果显示，本研究中测得的HT铅门在旋转过程中的位置偏差平均为(0.11±0.00)mm，该项允许范围为0～0.4 mm，在结果中并未出现异常点，可见铅门在旋转过程中的位置偏差在0.102～0.111 mm范围内波动，呈现较为稳定的状态，其趋势如图2所示。

表1 TQA工具中Airscan趋势分析项目结果

图2 点到点能量通量差异趋势图

通过对表1的分析还可看出，探测器测得的本底信号计数为(3859.61±3.37)counts，平均信号计数为(13553.96±195.14)counts；监测电离室测得的本底信号计数为(505.85±9.17)counts，平均信号计数为(8422.14±10.88)counts，无异常信号出现，其趋势如图3所示。

图3 ·探测器和监测电离室接收信号计数趋势图

而Average Fluence Variation结果显示，通过图3中探测器和监测电离室测得的信号计数计算出的探测器信号计数与监测电离室信号计数的比值在1.56～1.66之间变化，平均比值为1.61±0.02。表明探测器的输出无异常，维持在一个相对稳定的状态，其趋势如图4所示。

图4 平均通量差异趋势图

3 讨论

HT加速器系统成像探测器最初的目的是用于兆伏级CT(MVCT)的信号接收和图像重建以及剂量重建[6]。而TQA工具很好的运用了探测器的优势，通过处理在出束过程中的探测器采集信号，能够快速便捷的提供结果分析，从而监测系统性能改变，以便及早提示实施维护或剂量测定验证。

应用TQA工具对Airscan的数据进行分析，其结果显示，HT加速器系统的铅门在随机架旋转过程中保持良好的稳定状态，位置偏差仅为0.11 mm左右，测量结果能够精确到亚毫米级，很好的满足临床应用要求。若该项有问题，则可以考虑是否铅门出现异常，如铅门未达到正确的宽度、铅门驱动异常或者铅门磨损等。此外，通过成像探测器和监测电离室分别对空气扫描时平均通量差异的监测，即探测器信号计数与监测电离室信号计数的比值，能够反映出探测器输出的稳定性。如果该比值出现偏差的话，可能提示射线输出剂量有异常或者探测器出现故障等，从而可以对症排除机器故障发生的原因。

对于HT系统而言，由于其所具有的特殊设计不同于常规直线加速器[7]结构，因此需要有独特测量方法来实现系统的QA[8-10]。这正是AAPM TG-148报告中所推荐的内容，但是需要运行的项目繁多也较为耗时[11]。因此，许多研究者也在致力研究创新的方法或者创新的模体来用于HT系统的QA，以期望能提高QA的效率及全面性，找出更加便捷的方法来进行HT的质量控制[12-13]。

本研究仅就TQA工具在日检项目Airscan中的初步应用进行探讨，只是TQA工具中的凤毛麟角。TQA工具还可以运用其他辅助模体，如铝梯模体等，通过对各项不同程序和项目的数据采集与处理，不仅能够快速便捷的辅助监测输出剂量变化，还能监测射线质、激光灯一致性、虚拟等中心位置准确性、射野能量一致性、射野宽度和治疗床机架同步性等机器性能状态的变化[14-15]。

TQA工具通过Airscan程序辅助监测HT系统的铅门随机架旋转的偏移以及探测器的输出稳定性，可对Airscan的定量分析及机器报错时可能原因的定位提供一定的指导意义，此外，TQA工具提供了一个针对于HT加速器的较为便捷和全面的质量控制途径，其进一步的应用还有待继续探讨。

[1]Mackie TR.History of tomotherapy[J].Phys Med Biol，2006，51(13)：R427-453.

[2]徐寿平，王连元，戴相昆，等.螺旋断层放疗系统原理及其应用[J].医疗卫生装备，2008，29(12)：100-102.

[3]徐寿平，解传滨，鞠忠建，等.螺旋断层放疗MVCT成像剂量测量及其分析[J].癌症，2009，28(8)：886-889.

[4]Choi HH，Ho JP，Yang B，et al.Technical note：Correlation between TQA data trends and TomoHD functional status[J].J Appl Clin Med Phys，2014，15(2)：4548.

[5]Delor A，Revelo V，Coevoet M，et al.Tomothera py Quality Assurance(TQA)：A Fast and Compr ehensive Software Tool[J].Radiotherapy and On cology，2009，92(Suppl 1)：S218.

[6]Ruchala KJ，Olivera GH，Schloesser EA，et al. Megavoltage CT on a tomotherapy system[J]. Phys Med Biol，1999，44(10)：2597-2621.

[7]Klein EE，Hanley J，Bayouth J，et al.Task Group 142 report：quality assurance of medical accelerators[J].Med Phys，2009，36(9)：4197-4212.

[8]Balog J，Mackie TR，Pearson D，et al.Benchmarking beam alignment for a clinical helical tomotherapy device[J].Med Phy，2003，30(6)：1118-1127.

[9]Balog J，Holmes T，Vaden R.A helical tomotherapy dynamic quality assurance[J].Med Phy，2006，33(10)：3939-3950.

[10]Fenwick JD，Tome WA，Jaradat HA，et al.Quality assurance of a helical tomotherapy machine[J]. Phys Med Biol，2004，49(13)：2933-2953.

[11]Langen KM，Papanikolaou N，Balog J，et al.QA for helical tomotherapy：report of the AAPM Task Group 148[J].Med Phys，2010，37(9)：4817-4853.

[12]Sarkar V，Lin L，Shi C，et al.Quality assurance of the multileaf collimator with helical tomotherapy：design and implementation[J]. Med Phys，2007，34(7)：2949-2956.

[13]Goddu SM，Mutic S，Pechenaya OL，et al.Enhanced efficiency in helical tomotherapy quality assurance using a custom-designed water-equivalent phantom[J].Phys Med Biol，2009，54(19)：5663-5674.

[14]Mikołajczyk K，Piotrowski T.Development of cylindrical stepwedge phantom for routine quality controls of a helical tomotherapy machine[J].Phys Med，2013，29(1)：91-98.

[15]Althof V，van Haaren P，Westendorp R，et al.A quality assurance tool for helical tomotherapy using a step-wedge phantom and the onboard MVCT detector[J].J Appl Clin Med Phys，2012，13(1)：3585.

The study of preliminary application of TQA tool in quality control of helical tomotherapy/WANG Jin-yuan, DAI Xiang-kun, XU Shou-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):9-12.

Objective: To explore the preliminary application of the TQA tool in the routine inspection of helical tomotherapy (HT) system through the continue monitoring for Airscan program by using quality control tool (TQA) of HT. Methods: The Airscan mode of TQA was used to record the daily operating data of Airscan program of HT and the data of Airscan during continuous 6 months were used to analyze trend. The stability of daily Jaw in rotation process of following gantry was evaluated. And the rotation of jaw, count of ionization chamber, count of detectors, other long-term trend and the output stability of detector were monitored. Results: According to the data obtained from TQA, the average value of peak-peak fluence variation of positional deviation of Jaw was (0.11±0.00) mm in the rotation process of following gantry. The background signal counts obtained from detector was (3859.61±3.37) before Airscan started work, and background signal counts was (505.85±9.17) in monitoring ionization chamber. The average signal counts obtained from detector was (13553.96±195.14) and the average signal counts of monitoring ionization chamber was (8422.14±10.88), and there was no abnormal signal was found. Besides, the ratio of signal count from detector and signal count from monitoring ionization chamber was between 1.56-1.66, and the average value was 1.61±0.02. These results revealed that the output of detector was no abnormal and it maintained in relatively stable situation. Conclusion: The TQA tool can contribute to monitor the deviation of the rotation of Jaw in following gantry of HT and the stability of output of detector. And it can quantitatively analyze the data of Airscan, and provide reference for seeking the reason of fault for machine.

Helical tomotherapy; Tomotherapy quality assurance(TQA); Airscan; MVCT detector

Department of Radiotherapy, Chinese People's Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China.

王金媛,女,(1990- ),本科学历，物理师。解放军总医院放射治疗科，从事放射物理方面的研究工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.003

2017-04-28

1672-8270(2017)07-0009-04

R812

A

国家自然科学基金(61601012)“基于摆位CBCT透视图像的呼吸运动模型构建方法研究及其在肿瘤定位中的应用”

①解放军总医院放射治疗科 北京 100853

*通讯作者：xshp228@163.com