近年来，光学表面成像(optical surface imaging, OSI)作为图像引导放射治疗(image guided radiotherapy，IGRT)的一种新的技术手段，在临床中得到了广泛应用^[1]。与传统的使用患者体表标记配合锥形束CT(cone beam CT, CBCT)进行患者位置验证相比，OSI的优点是利用非侵入式的光学成像技术对患者表面进行实时的三维重建，无需外部标记，不引入额外电离辐射^[2]，同时可与直线加速器进行门控级联，在治疗过程中实时监控患者位置变化，并在超出设定阈值时中止束流^[3]。但门控引入带来的束流中断和系统延迟往往会对剂量传递精度造成影响^[4]，因此，需要进行门控状态下的剂量验证研究。

自美国医学物理师协会(AAPM) TG147^[5]发表以来，OSI在放疗中的使用场景迅速增加，包括立体定向放射外科(stereotactic radiosurgery, SRS)，乳腺癌的深吸气屏气治疗，四肢的辅助摆位和治疗监测等，但同时OSI系统的运行精度与稳定性也面临着更高的要求^[5-7]。例如，头部非共面SRS过程中，综合摆位到治疗的所有误差严格要求在1 mm/1°以内^[1]。因此，在系统运行期间，任何亚毫米的误差都需要进行表征，从而确保其在临床应用中的准确性和可靠性。本研究基于AAPM TG147^[5]和AAPM TG302^[1]报告对AlignRT系统各项性能指标进行验收测试和质量控制，以确保系统在临床使用过程中的准确性。

1. AlignRT系统：AlignRT系统包括1个计算机工作站和3个安装在天花板上的摄像机吊舱(Pod)，每个吊舱包含1个投影仪和2个摄像机。视野大小为65 cm × 100 cm × 35 cm，相机分辨率为2 048 × 2 048。立体视觉系统通过检测投影仪发出的近红外散斑来实时重建三维表面图像。通过精确识别患者感兴趣区的位置并将其与参考体表进行刚性配准，配准结果以六自由度(6 degrees of freedom, 6DOF)误差的形式实时显示^[1]。

2. 摄像单元位置的校准：使用校准板进行二维和三维表面图像重建和吊舱摄像单元位置的校准。校准板尺寸为700 mm × 700 mm，在一块不反光的白板上分布着34 × 34个黑色点阵和一条十字叉丝。机架和准直器0°，通过光距尺调整源到平板的距离为100 cm。二维的平板校准点阵只在等中心水平进行表面重建，通过升床10 cm增加了校准板在源皮距90 cm处点阵的三维重建和空间位置校准。

3. 成像等中心和辐射等中心的校准：使用MV cube 2.0立方体模体(15 cm × 15 cm × 15 cm)验证和校准成像等中心。模体表面光滑，内含5个不透射线的小球(φ= 7.5 mm)用于MV成像。利用室内激光灯摆位，捕获模体静态三维图像，在机架角度270°、0°、90°、180°时使用电子射野影像系统(electronic portal imaging device，EPID)分别采集4个10 cm × 10 cm的二维正交MV图像。图像采集后导入到AlignRT系统分析软件，通过图像中心方法分析5个小球的空间位置差异，软件将在亚像素水平计算成像等中心和辐射等中心之间的六维误差。

4. 热漂移和稳定性测试：机架置于0°，利用室内激光灯将Penta Guide模体摆放到辐射等中心，启动AlignRT软件连续监控约30 min后，观察系统在实时监控过程中的热漂移幅度和稳定性。

5. 环境光源测试: 治疗室内灯光分为黑暗、弱光(日常状态)、强光3种状态，在3种状态下分别监控摆放至等中心位置的Penta Guide模体若干秒，观察不同环境光下AlignRT系统的监测稳定性。

6. 遮挡测试: 机架在旋转过程中会遮挡一侧摄像单元，为了测试其对实时监控精度的影响，将Penta Guide模体摆放至等中心处，分别统计无遮挡、左侧遮挡、右侧遮挡时AlignRT系统的读数变化。

7. 定位精度测试: 测试治疗床在平移和旋转过程中AlignRT系统的定位精度。将Penta Guide模体放置等中心处，机架置于0°，手动平移治疗床，在升降、进出、左右3个方向分别移动±5、±10、±20、±30、±40 mm，持续监控30 s，记录AlignRT系统6DOF的偏移，计算与实际位移的偏差。

治疗床从0°以10°的间隔旋转到±90°，并在每个角度捕获静态验证图像，以便与软件中旋转的参考图像进行配准，记录配准产生的6DOF偏差。

8. CBCT与AlignRT系统摆位相关性和一致性: 评估AlignRT系统引导的摆位偏差与CBCT图像配准偏差的相关性和一致性。随机在6DOF方向移动Penta Guide模体，重复10次，每次使用AlignRT捕获实时静态图像，同时采集CBCT图像，与参考图像进行6维配准，得出10组AlignRT和CBCT在平移和旋转方向的位置数据。

9. 门控测试: 回顾性选择13位患者的放疗计划，设计验证计划，在出束过程中通过软件设置触发多次束流的开闭，使用ArcCheck(Sun Nuclear Corporation, Melbourne, FL)验证所有计划在门控系统关闭和启用时的平面剂量分布，以门控关闭作为参考进行归一，测量和分析门控启用时剂量交付的偏差。用全局γ通过率来评价剂量分布之间的差异。选择的分析标准包括1%/1 mm，2%/2 mm, 3%/2 mm和3%/3 mm，阈值设置为10%。

10. 数据处理：描述性结果以x±s表示，使用GraphPad Prism软件绘图并进行线性回归分析和Pearson相关性分析，采用Bland-Altman法分析AlignRT摆位误差与CBCT结果的一致性。

1. 摄像单元位置校准：共收集了277次平板校准日检结果，等中心在六维方向的偏差值均方根均 < 1 mm。3个吊舱Pod1、Pod2、Pod3的平均位置偏差分别为(1.13±0.65)、(1.2±0.67)、(1.3±0.7)mm，Pod1和Pod2之间的相对位置偏差为(0.34±0.2)mm，Pod2和Pod3之间的相对位置偏差为(0.47±0.24)mm。

2. 热漂移和稳定性：如图 1所示，启动AlignRT系统时由于电子元器件的加热产生了热漂移现象。随着监控时间的增加，主要偏差出现在升降和进出方向，在15 min后趋于稳定，分别为0.2和0.3 mm。图中曲线为漂移偏差的趋势线。剩余4个方向的偏差在0附近波动，整体趋于稳定，温漂不明显。

图 1 AlignRT系统的热漂移偏差 Figure 1 Thermal drift deviations of the AlignRT system

3. 环境光源测试: 测试了3种不同强度灯光对AlignRT系统监控精度的影响，从表 1可以看到，环境光源对AlignRT系统的影响并不明显，6DOF方向偏差可忽略。考虑到患者舒适程度和重复性的问题，建议治疗室内环境灯光每日保持一致。

表 1(Table 1)

表 1 AlignRT系统在不同环境光源下的监控误差 Table 1 Monitoring errors of the AlignRT system under different ambient light sources 六自由度 升降(mm) 进出(mm) 左右(mm) 旋转(°) 翻滚(°) 俯仰(°) 黑暗状态 0.30±0.01 0.02±0.01 0.15±0.01 0.01±0.01 0.01±0.01 0.02±0.01 弱光状态 0.29±0.01 0.04±0.01 0.16±0.01 0.01±0.01 0.01±0.01 0.02±0.01 强光状态 0.33±0.01 0.01±0.01 0.16±0.07 0.01±0.01 0.01±0.01 0.02±0.01

表 1 AlignRT系统在不同环境光源下的监控误差 Table 1 Monitoring errors of the AlignRT system under different ambient light sources

4. 遮挡测试：如表 2所示，在环境光源保持与日常状态一致的情况下，机架在0°和旋转过程中单侧Pod被遮挡时，AlignRT监控精度并未有明显改变。主要改变发生在左侧Pod被遮挡时的左右方向。

表 2(Table 2)

表 2 AlignRT系统在有无遮挡时的监控误差 Table 2 Monitoring errors of the AlignRT system with and without obstructions 六自由度 升降(mm) 进出(mm) 左右(mm) 旋转(°) 翻滚(°) 俯仰(°) 无遮挡 0.33±0.02 0.02±0.02 0.08±0.02 0.02±0.01 0.05±0.01 0.04±0.01 右侧Pod被遮挡 0.33±0.01 0.03±0.02 0.19±0.02 0.01±0.01 0.05±0.01 0.03±0.01 左侧Pod被遮挡 0.14±0.04 0.09±0.04 0.35±0.07 0.01±0.01 0.04±0.02 0.09±0.02

表 2 AlignRT系统在有无遮挡时的监控误差 Table 2 Monitoring errors of the AlignRT system with and without obstructions

5. 定位精度：从图 2可以看到，平移方向的监控偏差均 < 0.5 mm，最大偏差发生在进出方向，为0.4 mm。升降、进出、左右位移绝对值的平均偏差分别为0.16、0.16、0.17 mm。

图 2 治疗床平移过程中AlignRT系统的定位精度 Figure 2 Positioning accuracy of the AlignRT system during coach translation

从图 3可以看到，治疗床在旋转过程中会在6DOF上均引入偏差和偏差绝对值的平均值分别为0.29、0.22、0.32 mm和0.38°、0.09°、0.08°，升降、翻滚和俯仰方向的监控偏差对治疗床角度的依赖较小。平移方向的最大偏差发生在床角90°时的左右方向，为0.8 mm，< 1 mm的精度要求。旋转方向的最大偏差发生在旋转方向，为0.7°。

图 3 治疗床旋转过程中AlignRT系统的定位精度 Figure 3 Positioning accuracy of the AlignRT system during couch rotation

6. 与CBCT相关性和一致性：图 4展示了AlignRT系统监控偏差与实际CBCT配准偏差的线性关系，在平移方向上，二者相关性极高，相关系数均超过0.99，且呈正相关。旋转方向中，俯仰方向的相关性较弱，相关系数为0.822 5。

注：CBCT. 锥形束CT 图 4 AlignRT系统与CBCT配准偏差的线性关系 A. 升降；B. 进出；C. 左右；D. 旋转；E. 翻滚；F. 俯仰 Figure 4 Linear relationship between AlignRT system and CBCT registration deviations A. Vertical; B. Longitudinal; C. Lateral; D. Yaw; E. Roll; F. Pitch

图 5为Bland-Altman分析了二者的一致性。在六维方向的平均偏差分别为-0.01、-0.24、0.25 mm和-0.02°、0.06°、0.17°，95% 一致性界限范围分别为-0.12~0.11 cm、-0.14~0.09 cm、-0.17~0.22 cm、-0.2°~0.16°、-0.2°~0.32°、-0.27°~0.61°。

注：CBCT. 锥形束CT；虚线为95%一致性界限的上下限 图 5 AlignRT系统与CBCT配准偏差的一致性分析 A. 升降；B. 进出；C. 左右；D. 旋转；E. 翻滚；F. 俯仰 Figure 5 Consistency between the AlignRT system and CBCT registration deviations A. Vertical; B. Longitudinal; C. Lateral; D. Yaw; E. Roll; F. Pitch

7. 门控系统辐射剂量精度测定：在门控关闭和启用状态下分别测量了13位患者计划的剂量传输精度，以非门控状态下测量结果为参考，门控状态相较于非门控状态的γ通过率在1%/1 mm、2%/2 mm、3%/2 mm、3%/3 mm 4种标准下的平均值分别为99.33%、99.45%、99.59%、99.87%，即使是在1%/1 mm的严格标准下，剂量传输差异仍然可以忽略不计。

AAPM TG147^[5]和AAPM TG302^[1]报告提供了OSI系统的质量控制、验收和调试的建议。其中，验收测试和调试包括与外部系统的接口测试、空间漂移和稳定性、静态及动态定位精度、摄像系统表征、成像、端对端测试以及对使用人员的标准操作培训等。质量控制包括安全检查和静态定位(每日)；动态定位精度(每月)；安全性、系统完整性、摄像机稳定性、扩展系统性能、定位精度、门控或追踪能力评估、数据传输(每年)等。本研究选取对放疗定位精度和剂量传输有直接影响的多项性能指标，对其进行定量评估，建立验收和日常质量控制的性能基线，可以确保OSI系统在临床应用中的性能符合标准，并且能够及时检测和纠正可能的误差。

通过平板校准可以得到每个Pod的位置偏差和相对偏差。其中单台Pod的偏差定义为校准板当前位置到月校准板位置的距离，相对偏差定义为一对Pod间计算的三维运动的差异，反映了Pod间运动检测的不一致性。Mancosu等^[8]分析了5个月的日检结果，发现单台Pod的位置偏差在(1.0±0.9)mm，相对偏差基本 < 0.5 mm。另外，与二维校准相比，三维平板校准将升降方向的数据纳入重建可以提高表面重建精度，由于升起的板更接近患者表面，可以有效降低床角依赖性偏差。Zhang等^[3]报道了经过三维校准后，系统偏差从二维的(1.6±0.5)mm和0.6°±0.2°降低到(1.0±0.3)mm和0.3°±0.2°。

成像等中心与辐射等中心的验证可以有效降低二者等中心错位带来的偏差。研究表明，在治疗床旋转过程中，等中心约有0.4~0.6 mm的位移，而通过Winston-Lutz测试的辐射同心性和AlignRT系统结果基本一致^[9]。在Winston-Lutz测试后，确定了辐射等中心和机械等中心的一致性。在这个过程中，为了降低EPID系统自身的机械偏差对测试结果的影响，需要对EPID定期进行维护和检查，以保持校准状态。

Shi等^[10]报道了OSI系统存在0.12 mm的温漂误差，而Stanley等^[11]报道的温漂误差高达1 mm，这可能是由于不同相机的性能差异造成的。同时，AlignRT系统手册并未明确规定临床预热时间，可以看到在开机预热一段时间后系统温漂误差趋于稳定，因此，建议在临床开机后就进行系统热漂移和稳定性测试，表征OSI系统的热漂移误差和必要的预热时间，以使系统在治疗前达到稳态。

AlignRT系统实时三维曲面是通过内置算法将3个摄像单元的单个图像重建得到，因此当某一个摄像单元被遮挡时，曲面定位精度会受到影响，TG 302报告^[1]中建议对不同临床场景下相机遮挡的影响进行表征。本研究发现Pod遮挡导致的最大偏差为0.15 mm，发生在左右方向。同时，指南中设备质控项目包括对环境光源的质控^[12]，本研究测试了不同光强对AlignRT系统的影响，相对偏差不超过0.04 mm。上述结果与Nguyen等^[13]研究结果一致，即使改变照明条件以及Pod遮挡的情况，也能保证偏差 < 0.5 mm/0.5°的精度。

治疗床旋转时，摄像单元视角随之改变，同时伴随系统体表旋转角度的内置偏差，导致定位精度的额外不确定性。从本研究中可以看到，在旋转过程中平移方向的最大偏差发生在床角90°时，达0.8 mm，这与Paxton等^[14]的研究结果一致。而且平移误差和旋转误差并不是独立存在的，而是在旋转过程中同时发生改变，因此需要六维床来最大程度的修正6DOF偏差。

Lee等^[15]在检验OSI系统与CBCT的相关性时发现二者差异并不明显，平移误差分别为(0.05±0.14)cm和(0.10±0.25)cm，旋转误差分别为0.10°±0.80°和0.10°±1.40°，且二者之间无明显相关性。李谭谭等^[16]采用Bland-Altman法分析了颅内转移瘤患者使用开放式面罩联合OSI的摆位误差与CBCT结果的一致性，发现95%一致性区间在3 mm/3°内，本研究比之低，六维误差相关系数大于0.7，且呈正相关。造成上述研究结果差异的原因可能是本研究基于刚性模体，相较于患者实际治疗位置移动的不确定性低。

AlignRT和Elekta加速器之间的接口由Response系统提供，它包括一个控制模块，可以开启或关闭自动门控，以及一个继电器模块，可以打开或关闭加速器上PRF联锁电路中的继电器。当加速器长时间保持束流时，电子枪从待机模式到激活存在一定的时间延迟，在之前的研究中已经报道了AlignRT的门控响应时间大于200 ms^[4]，Versa HD的平均出束和关束延迟为(1 664 ± 72)和(25 ± 30)ms^[17]，因此，当启用Response通信时，门控递送剂量等效研究应作为AlignRT系统质量保证的一部分进行评估。本研究中发现即使开启门控，对剂量的影响仍然是可忽略不计，这保证了患者运动所触发的束流开闭不会显著影响递送的辐射剂量，符合TG-142报告中对剂量准确性的要求^[18]。

综上所述，本研究对AlignRT系统进行了性能测试，表征了其整体运行精度在1 mm/1°范围内，可以满足临床患者位置矫正和实时监控的需求。同时，与加速器的门控级联引入的剂量学偏差在临床接受范围内，保证了放疗计划的准确执行。

利益冲突  所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明  周震负责实验设计和论文撰写；王贝、董婷婷、姜斐、朱斐宇负责数据收集分析；杨波、邱杰负责论文修改