王美嬌，李凱旋，姚凱寧，杜乙，李俊禹，周舜，張健，岳海振

1. 北京大學腫瘤醫(yī)院 北京市腫瘤防治研究所 放療科 惡性腫瘤發(fā)病機制及轉化研究教育部重點實驗室，北京 100142；2. 中國人民解放軍93199部隊 門診部，黑龍江 哈爾濱 150001

引言

基于錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）的圖像引導放射治療為患者提供準確的位置精度，但在實際治療過程中會產生額外的輻射劑量[1]。而光學體表監(jiān)測系統(tǒng)在不增加X射線照射的情況下，為圖像引導放射治療提供實時的位置監(jiān)測和引導擺位[2-3]。有文獻提到圖像引導放療的優(yōu)勢：可以對患者進行更準確的擺位、大面積六維監(jiān)測、減少日常圖像引導放射治療帶來的額外輻射、無創(chuàng)傷且不需要依賴擺位線、提高患者的舒適度等[4-7]。由于其準確的精度，光學體表監(jiān)測目前被廣泛地應用在臨床的不同部位，包括立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery，SRS）[8-9]、乳腺癌（自由呼吸和深呼吸屏氣治療）、立體定向體部放射治療、頭頸部、兒童等[10-14]。

本研究采用AlignRT系統(tǒng)（Vision RT 公司，倫敦，英國）作為光學體表監(jiān)測系統(tǒng)，可用于治療前的患者擺位和/或治療期間的患者運動監(jiān)測?；颊邤[位的精確性是保證劑量傳遞的前提，因此保證AlignRT的精度是至關重要的。本文參照國際和國家相關標準及其制定的驗收手冊對AlignRT系統(tǒng)的各項指標進行詳細的臨床驗收和服役測試，提供相關性能的標準參數，用以確保臨床治療過程中患者位置和實時運動監(jiān)測的精確性和可靠性。

1 材料與方法

1.1 AlignRT系統(tǒng)

系統(tǒng)由三個安裝在治療室天花板上的攝像單元組成，每個攝像單元包含一個投影儀和兩個攝像頭，用于捕獲和重建三維表面圖像。攝像單元的安裝基于直線加速器輻射等中心的空間位置關系，通過校準、調試和質量保證可以將AlignRT系統(tǒng)和直線加速器輻射等中心之間的偏差降至最低[15]。

1.2 AlignRT系統(tǒng)配置驗收

根據國家相關標準和AAPM TG147號報告，臨床使用之前必須對系統(tǒng)進行臨床驗收[16-17]。驗收系統(tǒng)配置分兩部分：① 技術配置，包括IEC坐標系系統(tǒng)、攝像單元的敏感性、網絡通信和患者數據存儲管理；② 臨床配置，包括患者數據設置、不同解剖部位閾值設置、校準程序和訪問權限。

患者數據在導入和使用過程中，可以被配置成本地數據或網絡數據。本地數據的優(yōu)勢在于可以快速獲取數據，實時運動監(jiān)測，無網絡延時；網絡數據則可以更安全地下載保存和備份數據。

1.3 AlignRT系統(tǒng)校準驗收

（1）平板校準：AlignRT的校準板是由黑色的十字交叉校準線和黑點陣列構成的100 cm×100 cm白色背景板[18]。將校準板放置于治療等中心處，放射源到校準板的距離（Source Skin Distance，SSD）為100 cm，使校準板的十字校準線與機架的光野（打開至40 cm×40 cm）十字叉絲完全重合。首先進行外部校準（即光學體表等中心校準），每個攝像單元捕獲校準板的圖像后，軟件自動調整窗寬識別校準板上的可見點。此過程校準AlignRT等中心和攝像單元之間的位置，利用陣列中每個點相對于等中心的已知空間位置，校準AlignRT系統(tǒng)以重建三維表面圖像。然后進行光學校準，應用軟件自帶的高級攝像機優(yōu)化功能。治療室內照明條件每天應保持恒定，用于日常質量保證的校準條件。在平板校準后，需要進行模體校準。

（2）模體校準（輻射等中心校準）：采用Vision RT立方體校準模體（體積為15 cm×15 cm×15 cm）來校正AlignRT等中心和MV輻射等中心之間的亞毫米殘余誤差[15]。首先獲取校準模體的表面參考圖像以確定立方體相對于AlignRT等中心的位置。使用電子射野成像設備在機架角度為180°、90°、0°和270°時分別采集正交MV圖像，使用圖像中心方法確定校準模體相對于加速器MV等中心的六維位置，如果偏差值大于0.2 mm，需要重新校準，即重復進行上述（1）和（2）步驟。AlignRT系統(tǒng)提供計算每個系統(tǒng)的等中心以及六維方向上差異的軟件。

（3）日檢：將校準板的十字校準線與機架的光野（打開至40 cm×40 cm）十字叉絲完全重合放置于治療等中心處，獲取等中心在六維方向上差異的偏差值，應小于閾值（0.5 mm）。

1.4 服役測試

（1）熱穩(wěn)定性測試：將機架置于0°，治療床在橫向和旋轉位置均設置為零，測試模體放置加速器等中心位置，獲取并計算體表連續(xù)監(jiān)測20 min內的總體漂移。

（2）機頭遮擋光學體表穩(wěn)定性測試：將機架置于0°，測試模體放置于加速器等中心位置，室內燈光與質控時的光源保持一致，獲取體表10 s到20 s監(jiān)測值。轉動機頭遮擋左/右側光學體表，監(jiān)測讀數的穩(wěn)定性，并計算有無遮擋時監(jiān)測的讀數精度。

（3）環(huán)境照明測試：將機架置于0°，測試模體放置于加速器等中心位置，室內燈光與校準時擺位等中心的光源保持一致，監(jiān)測10～20 s，再切換至治療等中心時的光源，監(jiān)測光源穩(wěn)定性。

（4）相對位移精度測試：選用QUASAR?公司生產的Penta-Guide模體，放置于加速器等中心位置，獲取從計劃系統(tǒng)導出的外輪廓參考圖像，以DICOM格式發(fā)送到AlignRT系統(tǒng)，設置定義感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI），閾值為1 mm。將機架置于0°，治療床在進出（z軸）、左右（x軸）方向分別移動±1 mm、±5 mm、±1 cm、±2 cm、±3 cm、±5 cm、±8 cm、±10 cm和±12 cm，在升降方向（y軸）移動±1 mm、±5 mm、±1 cm、±2 cm、±3 cm、±4 cm、＋8 cm，分別監(jiān)測10～20 s，并與治療床的實際位移相比較，記錄偏差值。

（5）床角度依賴測試：將Penta-Guide模體放置于加速器等中心，獲取DICOM參考圖像，設置ROI，閾值為1 mm/1°。治療床0°時采集CBCT圖像，進行圖像配準，并與體表監(jiān)測系統(tǒng)進行對比。采用臨床SRS常用角度，旋轉治療床（10°、20°、30°、45°、60°～90°，350°、340°、330°、315°、300°～270°）獲取治療過程中監(jiān)測的讀數，與實際治療床的讀數相比較，計算兩者之間的偏差。

（6）多中心治療計劃方案的精度測試：從CT模擬定位、計劃設計、數據傳輸（包括外輪廓結構、等中心坐標和計劃信息）至加速器劑量交付均選用Penta-Guide模體進行端對端試驗的引導擺位和實時監(jiān)測。根據臨床SRS的靶區(qū)位置擺位，將模體分別移至靶點1、2和3的位置，每個靶點重復擺位10次，每次均采集CBCT圖像同時監(jiān)測AlignRT讀數，分別得到30組CBCT和AlignRT在x、y、z軸和床旋轉（Rtn）、進出傾斜（Pitch）和左右旋轉（Roll）6維方向的位置誤差數據。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 25.0軟件行Pearson統(tǒng)計學方法相關分析，其中0.8～1.0為極強相關，0.6～0.8為強相關，0.4～0.6為中等程度相關，0.2～0.4為弱相關，0～0.2為極弱相關或無相關。采用Bland-Altman統(tǒng)計學方法檢驗AlignRT和CBCT的一致性，服從正態(tài)分布采用95%CI值表示。設P<0.05差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 攝像單元熱穩(wěn)定性能

光學體表的攝像單元在預熱時有熱漂移效應。由圖1可知，AlignRT在實時運動監(jiān)測過程中，熱漂移在垂直方向和進出方向比較明顯，最初800 s內垂直方向顯示出0.5 mm量級的初始基線漂移，進出方向顯示出0.4 mm量級的偏移，在800 s后逐漸穩(wěn)定下來。左右方向和三個旋轉方向穩(wěn)定性能較好，漂移不明顯。

圖1 熱穩(wěn)定性—六維方向偏差值與運行時間的關系圖

2.2 機頭遮擋穩(wěn)定性能

機架在0°左右無遮擋時，AlignRT實時監(jiān)測穩(wěn)定，當機架旋轉過程中左/右側攝像單元遮擋時，最大偏差為左側攝像單元遮擋時的垂直方向上，偏差僅為0.19 mm，見表1。表明機架在旋轉過程中即使遮擋了同側攝像單元，對實時監(jiān)測的精度影響很小。

表1 機架在0°和旋轉中遮擋攝像單元時六維方向的穩(wěn)定性能偏差值（±s，mm）

表1 機架在0°和旋轉中遮擋攝像單元時六維方向的穩(wěn)定性能偏差值（±s，mm）

右側攝像單元遮擋垂直方向 0.10±0.02 0.19±0.01 0.15±0.02進出方向 0.04±0.02 0.11±0.02 0.16±0.01左右方向 0.01±0.02 0.15±0.03 0.15±0.02旋轉方向 0.01±0.01 0.00±0.01 0.00±0.01進出傾斜方向 0.00±0.00 0.01±0.00 0.01±0.00左右旋轉方向 0.02±0.01 0.03±0.01 0.01±0.01方向 機架0° 左側攝像單元遮擋

2.3 環(huán)境照明性能

從擺位等中心到治療等中心時，六維方向上AlignRT監(jiān)測結果變化均為0，證明環(huán)境照明性能穩(wěn)定。由于光學體表系統(tǒng)對環(huán)境照明的影響非常明顯，治療室內照明條件每天應保持恒定。

2.4 相對位移精度性能

結果如圖2所示，在左右、進出和垂直方向的相對位移偏差值很小，均在閾值范圍內（1 mm），最大位移偏差在垂直方向，僅為0.03 mm。表明AlignRT系統(tǒng)的監(jiān)測能力處于亞毫米級別，精度極高。

圖2 Penta-Guide模體在治療床平移時的相對位移精度

2.5 床角度依賴性能

如圖3所示，治療床在0°時，六維方向偏差值最小，均為0°。當治療床旋轉至90°時，左右旋轉方向偏差值最大，為0.3°。各治療床角度下的六維方向偏差均小于閾值（1 mm/1°），表明AlignRT對治療床角度的依賴性小。

圖3 Penta-Guide模體在治療床旋轉時六維方向上的殘余誤差

2.6 多中心治療計劃的擺位精度

結果如表2所示，在x、y、z方向平移誤差和旋轉誤差，兩種方法在三個旋轉誤差方向，R>0.8均呈極強相關；在x和z方向的平移誤差上，R>0.6呈強相關；在y軸方向R=0.5左右相關性較弱，線性回歸分析如圖4所示。兩種系統(tǒng)95%CI值平移偏差在0.1 mm以內，旋轉角度在0.3°以內（P<0.01），均在閾值范圍內。圖5為采用Bland-Altman分析的95%CI值。

表2 AlignRT和CBCT在多中心計劃六維方向擺位相關性比較（±s）

表2 AlignRT和CBCT在多中心計劃六維方向擺位相關性比較（±s）

組別 x/cm y/cm z/cm Rtn/° Pitch/° Roll/°CBCT -0.03±0.03 -0.04±0.02 0.00±0.02 -0.06±0.19 0.04±0.13 0.02±0.10 AlignRT -0.05±0.03 -0.05±0.01 0.00±0.01 0.01±0.17 -0.13±0.15 0.06±0.10 P值 <0.001 0.003 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001相關系數 0.602 0.521 0.623 0.860 0.918 0.813

圖4 CBCT與光學體表系統(tǒng)線性關系

圖5 CBCT與光學表面系統(tǒng)95%CI值

3 討論

AlignRT系統(tǒng)中無創(chuàng)且無輻射的實時監(jiān)測技術可以提高放療的精確性，對其進行驗收和服役測試尤為重要。AlignRT系統(tǒng)的三個攝像單元分別從三個方向采集三維表面圖像，使用內置算法將其整合成患者的表面圖像。采集過程中獲取的體表越完整，AlignRT系統(tǒng)監(jiān)測結果就越精確。在臨床使用之前，驗收校準是必不可少的，包括系統(tǒng)配置和系統(tǒng)校準。其中平板校準可采用兩種方法：高級攝像機優(yōu)化校準[19]和升床校準。對于沒有ACO的系統(tǒng)，可以通過調整治療床至SSD=92.5 cm獲取校準板的位置。由于腫瘤位置處于皮膚深處，因此升高的平板位置更接近患者表面測量條件。

AlignRT系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時，可以觀察到熱漂移回落到原始基線且趨于穩(wěn)定。SRS治療精度要求較高，疊加基線熱漂移可能導致超出閾值，故應在系統(tǒng)溫度穩(wěn)定熱漂移回落時開始治療。在臨床使用時，初始設置AlignRT（包括治療前的監(jiān)測和預熱）后，系統(tǒng)達到熱平衡，確保整個監(jiān)測過程保持穩(wěn)定狀態(tài)。

床旋轉過程中AlignRT系統(tǒng)的精度變化由多種因素產生：系統(tǒng)偏差（AlignRT和治療等中心之間的偏差）、內置數據（不同的床轉角由不同的體表構成）和外部變化（床在移動過程中產生的運動）。有研究表明光學系統(tǒng)的監(jiān)測精度隨治療床旋轉角度增大導致誤差增加，在90°時參考圖像系統(tǒng)等中心誤差值最大[20]，這與本文的研究結果一致。由于SRS治療多采用非共面治療方式降低治療床的角度依賴，可提高治療精度。實際上，治療床旋轉過程中的晃動和患者的不自主運動也會影響治療床旋轉時的誤差。所以我們需要通過系統(tǒng)校準將所有角度下的AlignRT誤差降至最低，減少對治療床角度的依賴。

對于SRS治療，AAPM TG135號報告建議進行端對端測試，以檢查整個系統(tǒng)的總體精度[21]。整個SRS治療流程都遵循從CT模擬定位、治療計劃設計、AlignRT設置、CBCT圖像采集到劑量交付的整個過程。有研究表明AlignRT和CBCT之間存在亞毫米的差異，這與本文的結果是一致的[22]。在CBCT期間進行AlignRT監(jiān)控，可以在圖像采集過程中監(jiān)測到患者的運動。一旦監(jiān)測到患者移動，額外的驗證步驟是必要的。本文采用SRS靶區(qū)作為端對端試驗，主要是由于SRS治療較其他治療要求的精度更高。

4 結論

AlignRT系統(tǒng)的驗收和服役測試包括系統(tǒng)配置、系統(tǒng)校準、性能測試以及完整的端對端試驗。對于系統(tǒng)校準，建議每月至少一次平板校準和模體校準，每日進行日常質量控制，確保AlignRT與直線加速器輻射等中心的偏差值降到最低。AlignRT系統(tǒng)的性能測試結果顯示，能夠保證治療過程中的患者位置和實時監(jiān)測的精確性。根據臨床需求，建議對SRS計劃進行端對端試驗，確保光學體表系統(tǒng)的總體精度在閾值范圍內。