Development of a 3D-Printed Positioning Device for Daily Quality Assurance in MR–Linac System

Abstract

This study developed and assessed a three-dimensional (3D)-printed positioning device designed to improve setup accuracy, measurement reproducibility, and time efficiency in daily quality assurance (QA) procedures for the magnetic resonance image-guided linear accelerator (MR–Linac) system. The device was specifically designed to enable accurate and consistent daily QA-MR phantom positioning at the beam isocenter. Experiments were conducted employing both the conventional method and the proposed positioning device, with 20 measurements performed for each setup method. Setup accuracy was assessed using megavoltage (MV) images, and QA parameters, including beam output, energy, symmetry, field size, and field shift, were measured. Further, this study involved operators with varying experience levels to assess inter-operator variability. MV image-based analysis revealed a significant improvement in setup reproducibility; the positioning error along the X-axis (right–left axis in the patient head-first-supine [HFS] orientation) was reduced from 3.3 mm to 0.1 mm (p = 0.002), and the standard deviation decreased from 0.9 mm to 0.1 mm. The average differences in beam output and energy were slightly decreased from 0.36% to 0.32% and from 0.24% to 0.23%, respectively, indicating the relatively less sensitivity of these parameters to setup changes. In contrast, beam symmetry demonstrated greater dependence on the setup method. The average difference in axial symmetry (symmetry along the superior–inferior direction in the patient HFS orientation) decreased from 0.58% to 0.52%, whereas that in transverse symmetry (symmetry along the right–left direction in the patient HFS orientation) exhibited a substantial reduction from 2.51% to 0.36% (p < 0.001). The average difference in field size was reduced from 1.09 mm to 0.33 mm along the X-axis (p < 0.001), and from 0.34 mm to 0.18 mm along the Y-axis (superior–inferior direction in the patient HFS orientation). Further, the average difference in field shift decreased from 3.16 mm to 0.59 mm along the X-axis (p < 0.001) and from 0.67 mm to 0.58 mm along the Y-axis, demonstrating improved measurement precision related to device positioning. Furthermore, the positioning device includes an embedded sagittal laser alignment marker, enabling visual verification of laser alignment, which is not feasible with the conventional setup. The average QA setup time was reduced by 8.7%, from 6.12 min to 5.59 min (p < 0.001), indicating the potential to improve clinical workflow and reduce workload for QA staff. Inter-operator consistency analysis revealed more pronounced improvements in the inexperienced operator. For instance, the average difference in axial symmetry decreased from 0.58% to 0.24% (p = 0.025), and that in the Y-axis field shift reduced from 0.88 mm to 0.42 mm (p = 0.017). These results indicate that the positioning device effectively reduces operator dependence and facilitates QA process standardization. In conclusion, the introduced 3D-printed positioning device is a practical and cost-effective solution that improves the accuracy, consistency, and efficiency of daily QA in the MR–Linac system and can be predominantly adopted across clinical environments with users of different expertise levels.본 연구에서는 자기공명 영상 유도 선형가속기(MR–Linac) 시스템의 일일 품질관리(QA) 과정에서 셋업 정확도, 측정 재현성, 작업 효율성을 향상시키기 위해 3차원(3D) 프린팅 기반 포지셔닝 기구를 개발하고 그 성능을 평가하였다. 본 기구는 Daily QA-MR 팬텀을 빔의 등축점(isocenter)에 정확하고 일관되게 배치할 수 있도록 설계되었다. 실험은 기존 방식과 포지셔닝 기구를 이용한 두 가지 셋업 방법으로 수행되었으며, 각 방법에 대해 총 20회의 측정을 통해 비교 분석하였다. 셋업 정확도는 메가볼트(MV) 영상을 통해 평가하였고, 빔 출력, 에너지, 대칭성, 필드 크기 및 필드 이동과 같은 품질관리 항목들을 측정하였다. 또한, 다양한 숙련도를 가진 측정자가 참여하여 측정자 간 결과 변동성을 분석하였다. 메가볼트 영상 기반 분석 결과, X축(좌우 방향)의 위치 오차는 3.3 mm에서 0.1 mm로 (p = 0.002), 표준편차는 0.9 mm에서 0.1 mm로 감소하여 위치 재현성이 향상되었음을 확인하였다. 빔 출력과 에너지 항목은 평균 오차가 각각 0.36%에서 0.32%로, 0.24%에서 0.23%로 소폭 개선되었으며, 이는 해당 항목들이 셋업 변화에 상대적으로 덜 민감함을 시사하였다. 반면, 대칭성 항목은 셋업 방식에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 축 방향(상하 방향) 대칭성과 횡 방향(좌우 방향) 대칭성은 평균 오차가 각각 0.58%에서 0.52%로, 2.51%에서 0.36%로 (p < 0.001) 개선되었다. 필드 크기 평균 오차는 X축에서 1.09 mm에서 0.33 mm로 (p < 0.001), Y축(상하 방향)에서 0.34 mm에서 0.18 mm로 감소하였고, 필드 이동 평균 오차도 X축에서 3.16 mm에서 0.59 mm로 (p < 0.001), Y축에서 0.67 mm에서 0.58 mm로 줄어들어, 포지셔닝 기구가 측정 정확도 향상에 기여함을 보여주었다. 또한, 본 기구에는 시상면 레이저 정렬 평가용 마커가 포함되어 있어 기존 방식으로는 수행할 수 없었던 레이저 정렬의 시각적 검증이 가능하다. 품질관리 셋업 시간도 평균 6.12분에서 5.59분으로 8.7% 단축되어 (p < 0.001), 임상 워크플로우의 효율성을 향상시키고 품질관리 담당자의 업무 부담을 줄이는 데 기여할 수 있음을 확인하였다. 측정자 간 결과 일관성 분석에서는 비숙련자에게서 더욱 뚜렷한 개선 효과가 관찰되었으며, 예를 들어 축 방향 대칭성은 평균 오차가 0.58%에서 0.24%로 (p = 0.025), Y축 필드 이동 평균 오차는 0.88 mm에서 0.42 mm로 감소하였다 (p = 0.017). 이는 포지셔닝 기구가 사용자 의존성을 줄이고 품질관리 절차의 표준화를 가능하게 한다는 점에서 임상적으로 유의미한 도구임을 보여준다. 결론적으로, 본 3차원 프린팅 포지셔닝 기구는 자기공명 영상 유도 선형가속기 시스템에서의 일일 품질관리 정확도, 일관성, 효율성을 향상시킬 수 있는 실용적이고 경제적인 솔루션으로, 다양한 숙련도의 임상 사용자에게 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.