Varian 錐形束CT 不同版本掃描協(xié)議的輻射劑量對比

劉春霞 付 娟 張艷龍 王克強(qiáng) 明 鑫 艾克文 孟慧鵬,

1（延安大學(xué)附屬醫(yī)院放射科 陜西716000）

2（武警特色醫(yī)學(xué)中心 天津300162）

3（天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 天津300072）

4（天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 天津300050）

目前錐形束CT（Cone-beam CT，CBCT）已廣泛應(yīng)用于放射治療中，包括擺位位置驗(yàn)證、跟蹤靶區(qū)及敏感組織的變化、設(shè)備的質(zhì)控等，且有進(jìn)一步用于自適應(yīng)放療（Adaptive radiotherapy，ART）中劑量計(jì)算的潛力［1-3］。單次CBCT 成像輻射劑量較小，通常在1～10 cGy，但放射治療過程中通常會每周至少進(jìn)行一次CBCT掃描，累積輻射劑量的潛在風(fēng)險(xiǎn)不可忽視［4-5］，因此充分了解不同CBCT的輻射劑量對精確放療劑量學(xué)的影響以及正常器官的保護(hù)至關(guān)重要。美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會（AAPM）111 工作組建議的輻射劑量測量方法（TG111）是被主流學(xué)者認(rèn)可的方法之一［5-6］。本研究采用TG111方法對Varian公司（美國）典型加速器裝配的CBCT 系統(tǒng)進(jìn)行研究，比較分析Varian CBCT不同軟件版本掃描協(xié)議的輻射劑量，為臨床應(yīng)用中合理使用CBCT提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 儀器設(shè)備

使用Varian CBCT系統(tǒng)（美國，瓦里安公司），其主要結(jié)構(gòu)為X 射線源（型號：G242）和非晶硅平板探測器（型號：4030CB），與直線加速器的MV 級射線源垂直裝配，夾角分別為90°和270°；CBCT 系統(tǒng)使用的軟件版本分別為V1.4（Clinac IX）、 V1.5 （Clinac IX 和TrueBeam） 和V1.6（TrueBeam）；電離室使用PTW 0.6 cm3指形電離室；模體使用TG111 推薦的加長型（長度為45 cm）有機(jī)玻璃（Poly methyl methacrylate，PMMA）圓柱模體，模體的中心和四周（0°、90°、180°、270°處邊緣）均有開孔，可插入電離室測量劑量，其中Φ16 cm 的PMMA 模體用于頭部協(xié)議的測量，Φ32 cm的PMMA模體用于體部協(xié)議的測量。

1.2 方法

1.2.1 Varian CBCT系統(tǒng)

CBCT系統(tǒng)的輻射劑量測量使用Varian公司的Clinac IX 和TrueBeam，兩種設(shè)備均有兩種濾波掃描模式（Half-fan 和Full-fan），X 射線源機(jī)頭均裝配兩對可移動的準(zhǔn)直器，在設(shè)備的等中心處可形成（2 cm×2 cm）～（50 cm×50 cm）之間任意大小的射野。TrueBeam 的CBCT 系統(tǒng)比Clinac IX 的多一層鈦合金射束硬化濾波，可更有效過濾低能光子。Varian CBCT系統(tǒng)有多種版本掃描協(xié)議，本實(shí)驗(yàn)使用V1.4、V1.5 和V1.6 等3 個(gè)版本，各版本掃描協(xié)議的參數(shù)見表1。其中Clinac IX每個(gè)版本的掃描協(xié)議均測量5 種，TrueBeam 每個(gè)版本的掃描協(xié)議均測量3 種（TrueBeam 頭部掃描協(xié)議只有一種），兩種設(shè)備的Pelvis spot light （PSL）掃描協(xié) 議在臨床中均不常用，因此均未測量該協(xié)議。

表1 掃描協(xié)議參數(shù)Table 1 Parameters of scanning protocol

1.2.2 輻射劑量的測量

使用的輻射劑量測量方法為AAPM 推薦的方法（TG111），用0.6 cm3指形電離室配合加長型模體的測量相關(guān)參數(shù)。采集數(shù)據(jù)時(shí)按照與常規(guī)治療病人類似的方式擺位，將模體中心移至設(shè)備等中心處進(jìn)行CBCT掃描，各掃描協(xié)議的掃描參數(shù)（表1）均與臨床掃描實(shí)際病人相同，掃描時(shí)間均采用各掃描協(xié)議的預(yù)設(shè)時(shí)間（與掃描實(shí)際病人一致）。對兩種設(shè)備共測量4 組數(shù)據(jù)（V1.4 和V1.6 版本各一組，V1.5 版本兩組），為了保證測量數(shù)據(jù)的可靠，本研究每組數(shù)據(jù)的結(jié)果均為5次重復(fù)測量的平均值，每組數(shù)據(jù)均測量模體中心和周邊共計(jì)5個(gè)點(diǎn)的劑量（1 次掃描獲取1 個(gè)點(diǎn)）確定CBCT 的輻射劑量，最終的輻射劑量計(jì)算公式參照了多位學(xué)者的研究［7-8］。計(jì)算得到的加權(quán)輻射劑量記為TG111W（公式中用WTG111表示），歸一化輻射劑量記為nTG111W（公式中用NTG111W表示），計(jì)算見公式（1）和（2）。

式中：DC表示模體中心測量到的劑量，單位為mGy；表示模體周邊4 個(gè)位置測量到的劑量平均值，單位為mGy；EmAs表示各掃描協(xié)議的曝光量，單位為mAs。歸一化輻射劑量NTG111W表示每100 mAs曝光量的加權(quán)輻射劑量（TG111W），單位為mGy。

1.2.3 結(jié)果分析

TG111W和nTG111W均比較不同軟件版本同一掃描協(xié)議之間的差異，由于TrueBeam 頭部協(xié)議僅有一種，只參與SDH協(xié)議的比較。LDH和HQH協(xié)議在軟件版本V1.4 和V1.5 之間比較，Head（Clinac IX中為SDH協(xié)議）、Thorax、Pelvis協(xié)議在兩種設(shè)備軟件版本V1.4、V1.5 和V1.6 之間比較。V1.5 版本的掃描協(xié)議兩種設(shè)備均進(jìn)行了測量，因此單獨(dú)對該版本協(xié)議不同設(shè)備之間的差異進(jìn)行比較。此外，還比較Clinac IX設(shè)備V1.4和V1.5版本各掃描協(xié)議的差異，TrueBeam設(shè)備V1.5和V1.6版本各掃描協(xié)議的差異。通過數(shù)據(jù)分析初步得出與CBCT系統(tǒng)輻射劑量相關(guān)的參數(shù)，為臨床應(yīng)用中合理使用CBCT提供數(shù)據(jù)支持。

2 結(jié)果

Clinac IX和TureBeam均包括V1.5版本的掃描協(xié)議，為便于區(qū)分，前者記為V1.5（IX），后者記為V1.5（TB）；TureBeam的Head和Thorax協(xié)議分別并入STD和LDT協(xié)議統(tǒng)計(jì)結(jié)果。Varian CBCT系統(tǒng)各軟件版本掃描協(xié)議的輻射劑量測量結(jié)果如表2所示。由表2可知，V1.5版本（兩種設(shè)備）各掃描協(xié)議的加權(quán)輻射劑量整體高于另外兩個(gè)版本（Pelvis 協(xié)議除外，該協(xié)議中V1.6 版本略高于V1.5），最大值為V1.5版本的HQH協(xié)議（30.06 mGy），最小值為V1.4 版本的LDH 協(xié)議（2.83 mGy）；歸一化輻射劑量差異均較小，最大差異在SDH 協(xié)議中（V1.4 和V1.5 （TB）的差異為1.33 mGy），最小差異在LDT（Thorax）和Pelvis 中（V1.5 （TB）和V1.6的差異均為0.01 mGy）；V1.4和V1.5（IX）相比，5 種掃描協(xié)議中均表現(xiàn)為V1.4 版本小于V1.5 （IX）版本；V1.5 （IX）和V1.5 （TB）相比，3 種掃描協(xié)議中除LDT 協(xié)議外均表現(xiàn)為V1.5（IX）小于V1.5 （TB）；V1.5 （TB）和V1.6 相比，3 種掃描協(xié)議中除Pelvis 外均表現(xiàn)為V1.5（TB）大于V1.6。各版本掃描協(xié)議輻射劑量統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果如表3所示。

表2 輻射劑量測量結(jié)果Table 2 Results of radiation dose measurement (±s,n=5,mGy)

表2 輻射劑量測量結(jié)果Table 2 Results of radiation dose measurement (±s,n=5,mGy)

劑量參數(shù)Dose parameters盆腔Pelvis Clinac IX V1.4 Clinac IX V1.5 TureBeam V1.5 TureBeam V1.6 TG111W nTG111W TG111W nTG111W TG111W nTG111W TG111W nTG111W低劑量頭Low-dose head(LDH)2.83±0.02 3.93±0.03 2.99±0.02 3.97±0.02高質(zhì)量頭High-quality head(HQH)28.60±0.40 3.97±0.06 30.06±0.32 3.99±0.04/ / / // / / /標(biāo)準(zhǔn)劑量頭Standard dose head(SDH)5.56±0.09 3.83±0.05 5.75±0.08 3.81±0.05 6.59±0.12 2.50±0.05 3.99±0.09 2.72±0.06低劑量胸Low-dose thorax(LDT)6.98±0.10 2.66±0.04 7.45±0.11 2.75±0.05 5.55±0.09 2.10±0.03 5.53±0.08 2.09±0.03 21.39±0.30 3.06±0.04 22.34±0.32 3.16±0.03 24.83±0.35 2.35±0.03 24.96±0.33 2.36±0.03

表3 輻射劑量統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果Table 3 Results of radiation dose statistics (±s,n=5,mGy)

表3 輻射劑量統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果Table 3 Results of radiation dose statistics (±s,n=5,mGy)

劑量參數(shù)Dose parameters盆腔Pelvis V1.4 vs.V1.5(IX)TG111W nTG111W TG111W高質(zhì)量頭High-quality head(HQH)?34.129＜0.001 2.333＞0.05低劑量頭Low-dose head(LDH)?39.000＜0.001?9.000＜0.05 V1.5(IX)vs.V1.5(TB)nTG111W V1.5(TB)vs.V1.6 TG111W nTG111W t p t p t p t p t p t p/ / / / / / / // / / / / / / /標(biāo)準(zhǔn)劑量頭Standard dose head(SDH)?30.667＜0.001 6.000＜0.05?42.968＜0.001 537.255＜0.001 177.596＜0.001?37.667＜0.001低劑量胸Low-dose thorax(LDT)?148.627＜0.001?9.487＜0.05 279.550＜0.001 68.836＜0.001 4.802＜0.05 3.162＜0.05?162.581＜0.001?12.250＜0.001?162.476＜0.001 157.677＜0.001?13.000＜0.001?3.161＜0.05

由 表3 可 知，V1.4 vs. V1.5 （IX）、V1.5（IX） vs.V1.5 （TB）及V1.5 （TB） vs.V1.6，不同軟件版本各掃描協(xié)議的加權(quán)輻射劑量均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，t 值最大為279.550，最小為4.802；不同軟件版本各掃描協(xié)議的歸一化輻射劑量均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（V1.4 vs.V1.5 （IX）的HQH 協(xié)議除外），t值最大為537.255，最小為2.333。圖1為各軟件版本掃描協(xié)議的加權(quán)輻射劑量與曝光量關(guān)系的對比。由圖1可知，各版本掃描協(xié)議中隨著曝光量的增大加權(quán)輻射劑量均增加（V1.5 （TB）標(biāo)準(zhǔn)劑量頭除外）。圖2 為各軟件版本掃描協(xié)議的歸一化輻射劑量對比。由圖2可知，V1.4和V1.5（IX）相比，5種掃描協(xié)議中除SDH 外均表現(xiàn)為V1.4 版本小于V1.5 （IX）版本；V1.5 （IX）和V1.5 （TB）相比，3 種掃描協(xié)議中均表現(xiàn)為V1.5 （IX）大于V1.5 （TB）；V1.5 （TB）和V1.6 相比，3 種掃描協(xié)議除LDT外均表現(xiàn)為V1.5（TB）小于V1.6。

3 討論

用于測量CBCT輻射劑量常用的方法有錐形束劑量指數(shù)（CBDI）、國際原子能機(jī)構(gòu)5號報(bào)告建議的方法（IAEA）和美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會（AAPM）111 工 作 組 建 議 的 方 法（TG111）［5-7］。CBDI 和IAEA方法均使用標(biāo)準(zhǔn)CTDI（CT dose index）模體配合筆形電離室測量，由于該模體長度為15 cm，不能滿足測量時(shí)的完全散射條件，測量結(jié)果誤差偏大；盡管IAEA 方法通過在空氣中步進(jìn)多次測量，一定程度改善了此問題，但是由于其窄射線束（20 mm）參考劑量在模體中測量，最終仍低估了CBCT 掃描的劑量［7，9-10］。因此，本研究使用TG111 的方法，加長型模體長度達(dá)到45 cm，可滿足測量過程中的完全散射，其結(jié)果的準(zhǔn)確性已被學(xué)者們的研究證實(shí)［7，9］。

CBCT系統(tǒng)的生廠商多年來一直在努力改善圖像質(zhì)量的同時(shí)，盡可能減少輻射劑量。采取的措施包括改進(jìn)CBCT 系統(tǒng)的射線源準(zhǔn)直器控制方式，減少患者身體受照射的體積；調(diào)整CBCT系統(tǒng)的掃描協(xié)議參數(shù)，最優(yōu)匹配臨床任務(wù)的同時(shí)使用最低的輻射劑量；改進(jìn)射線源的入射角度和掃描范圍，避免對重要敏感器官長時(shí)間照射［11］。本研究使用的Varian CBCT系統(tǒng)最初頭部和體部均使用相同的掃描參數(shù)，從V1.4 版本開始大幅改進(jìn)了不同部位的掃描協(xié)議，尤其對于頭部協(xié)議將掃描范圍減小到200°，掃描的管電壓也降到了100 kVp，大幅減少了輻射劑量［12］。研究發(fā)現(xiàn)，Varian CBCT系統(tǒng)并不是軟件版本越高輻射劑量就越低，這與Kim等［12］對Varian CBCT 早期版本的研究結(jié)論不同，他們的研究發(fā)現(xiàn)新版本的輻射劑量較老版本的有較大幅度降低，推薦臨床使用新版本。事實(shí)上，Varian CBCT系統(tǒng)早期版本每次升級均會較大幅度降低曝光量，因此早期版本中后發(fā)布版本輻射劑量會明顯降低。

本研究的軟件版本V1.5和V1.6是在V1.4基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化，并未大幅調(diào)整每個(gè)掃描協(xié)議的曝光量，而是通過微調(diào)曝光量、掃描區(qū)域、射線束大小等參數(shù)，使CBCT系統(tǒng)更好地服務(wù)于不同的臨床需求。研究還發(fā)現(xiàn)輻射劑量與管電壓、曝光量、射線束寬度、掃描范圍等參數(shù)設(shè)置均密切相關(guān)，因此不同軟件版本掃描協(xié)議輻射劑量的差異，需通過主流方法實(shí)測后綜合評估，才能為臨床使用提供數(shù)據(jù)支持。本研究中歸一化輻射劑量量化的是曝光量一致的情況下，各掃描協(xié)議之間的差異（圖2），結(jié)果顯示，盡管不同版本的掃描協(xié)議其他參數(shù)（射束寬度、管電壓、掃描直徑等）不同，但去除曝光量影響后，同一設(shè)備不同掃描協(xié)議（含不同軟件版本之間）的輻射劑量差異均較小（不同設(shè)備之間該參數(shù)有差異的原因?qū)⒃谙挛倪M(jìn)行闡述）。V1.5（TB）和V1.6的Thorax和Pelvis掃描協(xié)議相比，曝光量相同，掃描時(shí)機(jī)架的旋轉(zhuǎn)范圍和掃描直徑均不同，但兩種版本的歸一化輻射劑量值幾乎重合（圖2），進(jìn)一步說明曝光量對輻射劑量結(jié)果的影響最大，因此在研究的4 種Varian CBCT軟件版本中，曝光量是對輻射劑量影響最大的參數(shù)。有研究發(fā)現(xiàn)，多次CBCT的累積輻射劑量可增加輻射二次致癌等風(fēng)險(xiǎn)［13-15］，該累積劑量同樣會對靶區(qū)劑量及正常組織的受量造成影響，使用輻射劑量較大的軟件版本進(jìn)行CBCT掃描勢必?cái)U(kuò)大這種影響。然而當(dāng)前的放療計(jì)劃系統(tǒng)較少考慮該影響，當(dāng)累積劑量疊加到治療計(jì)劃后造成靶區(qū)劑量覆蓋變差、正常組織受量增加的情況，將會出現(xiàn)臨床是不可接受的結(jié)果。因此臨床使用中應(yīng)盡量使用能滿足圖像需求但輻射劑量更低的掃描協(xié)議進(jìn)行掃描，必須使用輻射劑量較高的掃描協(xié)議時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃整個(gè)療程中掃描的總次數(shù)，以確保患者的輻射劑量安全。多次使用輻射劑量較高的掃描協(xié)議，尤其是曝光量較大時(shí)，需在患者的正常治療計(jì)劃中考慮CBCT掃描帶入的額外輻射，并對原始計(jì)劃靶區(qū)和危機(jī)器官的劑量分布變化進(jìn)行量化，確保CBCT產(chǎn)生的額外輻射劑量對調(diào)強(qiáng)放療的影響降到最低。

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，3個(gè)版本的掃描協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管電壓越高、曝光量越大則加權(quán)輻射劑量越大，而曝光量的影響更大。圖1的SDH協(xié)議中V1.5 （TB）版本除了曝光量外其他參數(shù)均與另外3個(gè)版本較接近，由于該版本的曝光量明顯高于另外3個(gè)版本，因此其加權(quán)輻射劑量最高。歸一化輻射劑量表現(xiàn)為同一設(shè)備不同版本掃描協(xié)議結(jié)果均較接近，不同設(shè)備之間則差異略大。TureBeam的歸一化輻射劑量較IX的均有較明顯的降低，究其原因是前者固有的射束硬化濾波進(jìn)一步減少了低能光子，進(jìn)而降低了輻射劑量。增加曝光量能改善圖像的質(zhì)量［7］，缺點(diǎn)是同時(shí)帶來輻射劑量的增加，如TureBeam 的Pelvis 協(xié)議為了改善圖像質(zhì)量曝光量較Clinac IX 的有較大幅度提升，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其加權(quán)輻射劑量并未大幅增加（表2），同樣是由于射束硬化濾波抵消了曝光量增加帶來的部分輻射劑量，這也是掃描協(xié)議參數(shù)較接近時(shí)TureBeam 的輻射劑量總低于Clinac IX的主要原因。

本研究的不足之處在于一方面是僅對Varian兩種設(shè)備三種軟件版本的掃描協(xié)議進(jìn)行了測量，未能搜集更多的設(shè)備進(jìn)一步驗(yàn)證本研究的觀點(diǎn)；另一方面是輻射劑量測量僅在模體中進(jìn)行，不可避免與真實(shí)患者實(shí)際接受的輻射劑量存在一定差異（這也是目前使用模體進(jìn)行輻射劑量相關(guān)問題研究不可回避的問題之一）。下一步將聯(lián)合更多的中心搜集更多設(shè)備和軟件版本的輻射劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并基于課題組前期有關(guān)CBCT 的Monte Carlo模擬相關(guān)研究［16］，結(jié)合患者定位CT影像數(shù)據(jù)對各軟件版本掃描協(xié)議的輻射劑量進(jìn)行個(gè)性化模擬，進(jìn)而得到更加接近真實(shí)情況的輻射劑量數(shù)據(jù)。

綜上所述，各版本掃描協(xié)議的輻射劑量與管電壓和曝光量等參數(shù)密切相關(guān)（曝光量影響最大），為了保證患者的安全，臨床使用中需要根據(jù)使用掃描協(xié)議的不同，合理規(guī)劃CBCT 掃描的頻次。