模擬定位機

模擬定位機是在腫瘤放射治療中制定放療計畫的關鍵設備之一。常用作放射治療之前的需放射部位的定位。

基本介紹

• 中文名：模擬定位機
• 機架旋轉範圍：：±185°
• 源軸距SAD：：700mm~1200mm可調
• 等中心精度：：r≤1mm
• 所屬科學：醫學

概念

腫瘤放射治療中制定放療計畫的關鍵設備之一。

常規模擬機

定義

模擬定位機是模擬放射治療機(如醫用加速器、鈷一60治 療機)治療的幾何條件而定出照射部位的放射治療輔助設備， 實際上是一台特殊的X線機。

當病人被診斷患有腫瘤並決 定施行放射治療時，在放射治療前要制定周密的放療計畫，然後在定位機上定出要照射的部位，並做好標記後才能到醫用加速器或鈷一60治療機上去執行放療。模擬定位機的作用正在於此。

作用

模擬機的機架旋轉、機頭轉動、限束器開閉、距離 指示、照射野指示、治療床各部分運動，都與醫用加速器、鈷機 一樣，因此它能準確地模擬加速器、鈷機的一切機械運動。並 通過模擬定位機的X線影像系統準確定出腫瘤的照射位置、 照射面積、腫瘤深度、等中心位置等幾何參數，以及機架旋轉、 機頭旋轉角度、源瘤距、源皮距、限束器開度、升床高度等機械 參數，為治療擺位提供了有力的依據，確保放射治療的正確實 施。這就是模擬定位機的作用。因為加速器的X線、電子線和 鈷一60治療機的X線能量很高，對組織密度和人體組織原子序數的解析度很低，因此不能對人體骨、肺、肌肉等不同解剖 部位起到透視作用．普通X線機又不具備加速器的機械功能 和幾何參數，所以加速器和普通X線機都不能代替模擬定位 機。

模擬定位機在整個放射治療計畫設計過程中有著重要作用：

1）靶區及重要器官的定位

2）確定靶區（或危及器官）的運動範圍

3）治療方案的確認

4）勾畫射野和定位、擺位參考標記

5）拍射野定位片和證實片

6）檢查射野擋塊的形狀及位置

組成

組成

主機、支臂、機櫃、診斷床、操作台、X射線高頻高壓發生裝置、X射線球管影像增強系統、專用圖像處理系統、多功能數位化工作站

參數

基本參數

治療床等中心旋轉範圍：±105°

界定器旋轉範圍：±105°

輻射野尺寸：在SAD=1000mm時，20mm×20mm~400mm×400mm

非對稱野：在SAD=1000mm時，單邊-100mm~+200mm

檢查參數

X射線檢查參數

50KW的高頻高壓發生器具有正、側位選擇多項攝像條件，IBS控制、mA優先、KV控制、自動亮度調節、故障自動診斷

透視管電壓：40kV~125kV

管電流：25mA~630mA

攝像曝光時間：0.0035s~6s

X-TV系統

500mA進口X射線球管

雙焦點：0.3mm~1.0mm

X射線攝像增強系統

高清晰度CCD TV系統

圖像解析度：≥1.4LP/mm

CT模擬定位機

概況

隨著計算機技術和醫學影像技術的發展，腫瘤的放射治療進入了“精確定位、精確計畫、精確治療”的“三精”時代；三維適形放療（3DIntensityConformal Radiation Therapy，3DCRT）技術的興起和發展，特別是三維適形調強放療（Intensity-modulated radiation therapy，IMRT）漸漸成為放射治療技術的主流，大大地改善和提高放射治療質量。但是在三維適形調強放療中，要求高劑量區分布的形狀在三維方向上與腫瘤靶區的形狀高度一致，這需要有複雜而精確的放療計畫，而精確的放療計畫必須要求精確的三維圖像進行空間定位，而常規的X線常規模擬機只能提供兩維的信息，因此集放射診斷、放療計畫、模擬定位和模擬治療於一體的CT模擬定位系統（CT-Simulation Localization System）在放射治療中的作用與地位也就越來越重要，近年來國內外在這一領域也做了大量的研究工作，取得了重大進展，不少國外大公司(如Varian、Siemens、GE、Philips等)先後將其商品化。

回顧CT模擬的發展歷程，CT進入放療科大致經歷了以下三個階段：第一階段，就是放療科的工作人員帶上病人、平床以及固定裝置到放射科的診斷CT上作定位掃描（治療體位下的CT掃描），這顯然有諸多的不便。第二階段，放療科發展到獨立購買一台診斷型CT（通常70厘米孔徑）進行定位和掃描。放療醫生擁有了CT完全的使用和管理權，大大方便了定位工作。但常規CT的70厘米孔徑和以診斷為設計目的的諸多功能，制約了放療的定位掃描的適應症類型。這就使CT在放療科的套用進入了第三個階段：即放療科在購買CT時開始選擇專為放療設計的大孔徑CT模擬機。

在中國，由於地區經濟差異以及醫院的發展階段的制約，各個醫院有著不同的情況，使得以上三種CT模擬設備的形態在中國都同時存在。但從總的發展趨勢上講，放療科最終運用CT的形式大致都會走向採用大孔徑CT模擬機的方式，因為其為放療服務的特點和設計適應了放療科發展的需要。

組成

CT模擬就是以CT為基礎的模擬定位系統，CT 模擬定位系統由一台CT 掃描機、一套虛擬定位及計畫系統和一套三維（或四維）移動雷射射野模擬系統三部分組成。三大部分通過數據傳輸系統線上連線。其中，CT掃描機又分為兩種，即專用型和普通型。

1）、放療專用定位CT即CT模擬機

定位CT基本同於診斷用CT。不同之處：

① 掃描床為平面型。

② 大孔徑（≥80cm）

l 機架孔徑：飛利浦85cm；西門子82cm；GE公司80cm

l 掃描FOV：西門子65cm；飛利浦60cm；GE公司50cm

③ 掃描層厚3-5mm。

臨床上大孔徑也可以更好地覆蓋體部腫瘤病人及定位裝置。

2）、普通CT定位機

① 普通螺旋CT孔徑70cm左右（如瀋陽東軟）

② 需要在CT床面上加裝碳纖維平面床板

③ 基本能夠滿足亞洲人的定位要求，某些特殊體位如蹬位、乳腺、肥胖病人、全身淋巴瘤等不能進行定位計畫。

同樣，CT作為模擬設備，與作為診斷設備，兩者在QA要求上是不一樣的，見下表：

設備類型	CT-SIM	Diag-CT
CT值	要求絕對值精確，是劑量精確計算的必要條件	注重組織相對異常性而不是CT絕對值
掃描層厚	影響DRR質量和虛擬設計幾何定位精度及劑量	影響部分容積效應干擾
造影增強	便於醫師勾畫靶區但影響劑量計算精度	幫助區別診斷
掃描時間	視影像重建、DRR計算及呼吸門控的需要	快速掃描減小圖像干擾
成像孔徑	FOV≥70cm（最好85cm）	FOV≥60cm
球管負荷	需要更高功率	比CT-SIM要求低
影像精度	影響靶區勾畫與劑量計算	不會嚴重影響診斷
診斷床	平面床板	凹形面板

優勢說明

CT模擬是將患者在治療體位下進行CT掃描，並將CT圖像傳入圖像工作站，通過三維數字重建感興趣的圖像顯示方式，在工作站中進行虛擬透視(Virtual Perspective)和虛擬模擬(Virtual Simulation)的過程，提供了準確的病變靶的形狀、大小、方位等信息。

CT模擬具有傳統X線模擬無法比擬的優點：

1） CT模擬過程中無需患者在整個模擬過程中保持治療體位，患者在CT床上保持治療體位5-10分鐘，完成CT掃描和體表中心標記後即可離開。

2）CT模擬過程中圖像質量、大小、觀察角度都可以按照需要進行調整，部分DCR(Partial Digitally Constructed Radio-graphs)、部分DRR(Partial Digitally Reconstructed Radio-graphs)腫瘤靶區器官和組織的三維結構是在治療計畫系統中通過簡單的坐標疊加和勾畫形成（三維輪廓的精確性隨CT掃描層厚和間距的加大而變化），因而可清晰顯示計畫者感興趣的結構。

3）在工作站上進行的虛擬模擬具有傳統X線模擬機所有的功能（機架角度、光闌角度、床角度、射野大小及形狀、組織補償器的設定等）；

4）在以DRR為背景的BEV的視窗設計照射野與傳統的模擬機很相似，而靶區和危險器官的可視性是傳統模擬機無法比擬的；

5）CT模擬使得常規模擬難以實現的複雜的射野設計（如多野非共面照射）變得輕而易舉；

6）CT模擬輸出的DRR射野驗證片可使得照射野參數和修飾是否正確在治療前就能得到驗證；

7） 採用CT模擬修改射野時無需患者在場。

傳統X光模擬與CT模擬的主要區別

	X光模擬	CT模擬
透視方式	直接X光透視	將患者在治療體位下通過CT掃描並把得到的CT層片傳入工作站，通過數字重建得到病人感興趣圖像的“三維假體”，然後在工作站中進行虛擬透視
照射野設計功能	傳統模擬機能設定機架角度、光闌角度、床角度、射野大小及形狀、組織補償器的設定等	在以DRR為背景的BEV的視窗設計照射野具有與傳統的模擬機很相似的功能，而靶區和危險器官的可視性是傳統模擬機無法比擬的
圖像顯示方式	單一的DR圖像	包括CT圖橫切面、冠狀切面、矢狀切面、任意切面顯示；DRR，DCR，部分DRR，部分DCR，三維顯示
圖像調節功能	可調節透視圖的亮度和對比度	可調節CT圖，DRR、DCR及三維圖像的windows/level
等中心確定依據	骨性結構、氣腔（如咽喉、氣管分叉）；靠經驗	既可套用傳統經驗，又可利用圖像處理功能顯示靶區輪廓；還可勾畫靶區後系統自動確定靶體積中心為等中心
模擬過程	模擬定位過程患者必須全過程保持治療體位	患者可在CT掃描及體表標記完成後離場（只需要保持體位5~10分鐘）
靶體積和危險器官的可視性	在其圖像上所有信息疊加在一個平面上，很難精確定義靶區和危險器官	在BEV視窗可以多種形式顯示在CT圖上定義的靶體積和危險器官體積；還能從不同方向觀察靶區及重要器官的覆蓋情況，通過最佳化布野方案，保證腫瘤靶區的覆蓋，並儘量較少周圍重要組織的覆蓋。
射野間關係顯示	不能顯示	圖像任意視角都可以按照需要進行調整，部分DCR、部分DRR可清晰顯示計畫者感興趣的結構
計畫設計能力	不能設計複雜照射計畫	可設計各種複雜照射計畫如非共面照射。
圖像融合能力	沒有	可將常規CT與增強CT、MRI或PET圖像進行融合，從而為臨床醫生勾畫靶區提供更多的參考信息
組織不均勻計算	不能	CT模擬機重建影像的CT值反應了X射線在人體組織中的線性衰減關係，由此就可以得到組織橫截面的電子密度分布情況。可以根據系統內建的校正公式，進行組織密度不均勻性計算。

功能說明

CT模擬簡單的說有三大功能，即

1）重構治療部位的3D圖像（3D假體）

2）在3D圖像上實現類似常規模擬機的腫瘤定位（投射與照相）

3）在3D圖像上實現類似常規模擬機的腫瘤定位（治療模擬）

具體主要包括以下幾點:

1） 數據轉儲：用於獲得病人的CT 數據並在系統資料庫中做登記。數據來源有兩種形式—DICOM 網路和磁碟介質。

2）病人管理：作為用戶瀏覽、增加、編輯、刪除影像數據和計畫數據的視窗，同時也是DICOM 協定的解析模組。

3）許可權管理。

4） 圖像配準。與定位設備接口，坐標轉換等。

5） 勾畫和定位。包括自動和手工對器官邊緣的提取；對點、距離、面積、體積以及CT 值的測算等。

6）圖像處理和重建。包括二維的縮放、移動、窗寬/窗位處理；邊緣提取，曲線填充等圖形處理；三維的以MPR、體繪製、面繪製和數字放射影像(DRR) 為主的重建、布野等等。

7） 計畫輸出。

套用流程

事實上，可以認為CT 模擬和三維計畫是被人為分離的整個三維計畫過程的兩個基本步驟。當三維計畫單獨出現的時候，常常包括CT 模擬在內的完整放療計畫過程。鑒於CT 模擬定位和劑量處方的計算是在不同的工作站進行的，且CT 模擬過程是需要放療醫生進行設計，而計量處方計算不需要放療醫生的參與，所以將模擬定位和設計功能獨立出來其實也是可行的，事實上也是科學的。見下圖：

CT模擬的全過程包括體位確定、固定，建立原始坐標系，圖像採集、傳輸、重建，靶區勾畫和確定，射野選擇和布置，射野等中心確定和並將原始坐標系原點移至等中心等一系列步驟，其基本要求與二維的X光模擬一樣，但是過程較為複雜，能夠完成二維X線模擬機不能完成的非共面放射治療等高技術強度放療方案設計等。其計畫過程如下：

CT模擬套用流程說明圖

1) 雷射燈校準：校準雷射燈，並移動雷射燈，使得左右上三個雷射燈的所發射的雷射線交於一點，並將雷射燈該位置設定為坐標0點。

2) CT掃描擺位：在平面CT床上，將患者按放射治療時要求的體位進行擺位和體位固定。有經驗的醫生在擺位會儘量將靶區位置擺在接近等中心處。

3) 畫體位標記線：體位固定後，通過CT兩側牆的雷射十字線和頂牆的雷射十字線在皮膚上放置CT易於識別的參考固定mark點。

4) CT掃描：按治療計畫的要求對相應部位進行增強掃描，掃描範圍比常規CT檢查範圍要大。一般掃描層次要求40層左右，腫瘤區域層厚最好為1～3 mm。為了獲得較大的掃描範圍又不使層次太多而影響增強效果，可採用病灶區層厚1～5 mm, 以外區域逐步過渡為5～10 mm的混合掃描技術。掃描結束後，通過網路信息系統直接傳送所有CT圖像到治療模擬計畫工作站。

5) 勾畫內外輪廓和靶區輪廓：利用所有CT層面自動勾畫體表輪廓，然後逐層勾畫靶區周圍重要器官的輪廓和靶區輪廓，靶區包括肉眼腫瘤和亞臨床病灶；同時系統提供手動勾畫修正功能以便對靶區進行修飾。

6) 利用sim軟體計算照射等中心點和三個mark相交點之間的Δ值

7) 將患者按原體位回到CT床上，按照該Δ值的參數要求移動雷射燈，然後再標記這3條體位標記線（體位標記線是提高放射治療擺位精度的重要標記。因此，在用頭部面罩或體部固定網進行體位固定時，需將雷射定位十字線處開窗暴露皮膚，把雷射定位線畫在皮膚上，切不可畫在體位固定器表面，如果雷射燈不是可移動性質的，可以在加速器上進行類似標記），以便放射治療的執行。

8) 設計和驗證照射野：放射治療醫生和物理師根據腫瘤和周圍重要臟器之間在三維空間的相互關係設計合理的照射野。照射野大小由靶區大小、臟器移動度和綜合誤差（定位、擺位和機器等誤差）來決定。在射線束軸視角方向視窗調整照射野大小。在設計多野計畫時，儘量採用非共面多野照射技術。照射野設計原則是使靶區內劑量最大而均勻，同時使靶區外正常組織的受量儘量減少。在數位化影像重建視窗列印每個照射野的數位化影像重建圖像，通過與X射線模擬定位驗證片以及照射野影像監測片進行對比，全面了解照射野的合理性和準確性。

9) 將定位、勾畫和布野的結果傳送劑量計畫系統進行劑量計算。劑量處方的原則是將靶中心劑量歸一為100%和90%的劑量線包括整個靶區。最後通過劑量容積直方圖了解靶區和周圍重要臟器的劑量容積比，對靶區出現劑量不均或周圍臟器出現受量過高時，進行相應的調整。

10) 驗證照射野等中心精度：為了驗證患者皮膚表面照射野等中心參考點標記與實際靶區中心和計畫靶區中心的重複精度，在其左、右、前皮膚表面照射野等中心參考點標記處放置CT可成像標識物，對此進行1 mm的薄層掃描。在CT圖像上測量3個mark參考相交點與實際靶區中心和計畫靶區中心的重複精度，該誤差一般<1mm。