不同图像引导方式在头颈部肿瘤中成像剂量测量

张玉海，夏火生，高 杨

解放军第309医院放疗科，北京， 100091

不同图像引导方式在头颈部肿瘤中成像剂量测量

【作 者】张玉海，夏火生，高 杨

解放军第309医院放疗科，北京， 100091

目的 测量不同图像引导方式在头模中的成像剂量。方法 应用UNIDOS E型剂量仪（德国PTW公司）与30013型电离室，测量Varian Clinac iX直线加速器配置的EPID、OBI和CBCT图像引导功能在圆柱形模体的成像剂量。二维图像采用0o和270o两个正交野成像，三维图像采用CBCT成像。结果 二维成像时，OBI系统（KV级X线）模体内各点平均吸收剂量0.74mGy，显著低于EPID系统（MV级X线）的90.93mGy，且图像清晰度优于后者；标准CBCT（KV级X线）各点平均吸收剂量4.77mGy，而低剂量CBCT模式仅为标准模式的50%，能够完成精确匹配。结论 OBI系统比EPID系统成像剂量更低，图像质量更好。CBCT作为三维图像引导方式显著优于二维图像引导方式，进行日常的摆位验证也是安全的。因此，合理选择图像引导方式和设置图像采集参数，能够有效地减少患者的额外受照剂量。

图像引导放射治疗；成像剂量；头颈部肿瘤

图像引导放射治疗（image-guided radiotherapy, IGRT）是继三维适形放射治疗（three dimensional conformal radiotherapy, 3DCRT）和适形调强放射治疗（intensity-modulated radiotherapy, IMRT）之后，又一新的放疗技术，是提高放射治疗精度、保证放射治疗质量的重要手段。2009年8月我院引进了VARIAN公司生产的Clinac iX 直线加速器治疗系统，它搭载了多种方式的图像引导功能，包括MV级治疗用X线电子射野影像系统（electronic portal imaging device EPID）和KV级的X线机载影像系统（on board imager, OBI）。OBI系统是直接整合到加速器上的横向安装的KV X射线源和数字化X射线探测板，系统能够获取OBI二维图像或CBCT（cone beam CT，CBCT）三维图像。对于头颈部肿瘤，由于靶区周围存在大量高放射敏感性的危及组织，治疗过程摆位要求高，因此做IGRT的次数相对较多，必要时甚至要求每次治疗前都进行图像引导[1]。而在实施图像引导过程中，必然会给患者增加额外的照射剂量，不当的图像引导方式有可能增加晶体等高放射敏感组织和器官损伤的风险。因此，本文对Clinac iX 型直线加速器的几种图像引导方式的成像剂量和特点进行研究，以期对开展头颈部肿瘤的IGRT，选择最佳的图像引导方式提供参考。

1 材料与方法

1.1 设备和仪器

本研究测量采用德国PTW公司生产的UNIDOS E型剂量仪与30013型电离室（有效测量体积0.6 cc）和有机玻璃圆柱形模体（Topslane仿头部模体，直径15 cm，长10 cm）。对本单位的Varian Clinac iX 直线加速器的EPID、OBI和CBCT的成像功能进行测定；测量点包括中心点O及中心向外垂直方向四个测量点A、B、C、D，如图1所示。

表1 成像剂量测量结果Tab.1 The measured results of the imaging dose

图1 头模测量点示意图Fig.1 The measured points in the head phantom

1.2 测量方法

1.2.1 EPID系统的成像剂量测定

展开EPID系统，加速器照射野调整为20 cm×20 cm，机架角0o，6MV X线5MU照射[2]，获取一幅MV图像的同时，电离室测得模体内某一测量点的成像剂量。然后机架转到270o，同样的条件获取另一幅MV图像及该点成像剂量。重复以上过程依次对A、B、C、D、O各点的进行测量。拍摄方向为从前向后和从左向右。测量时，模体中心置于加速器等中心位置，并连接电离室。

1.2.2 OBI二维模式的成像剂量测定

方法与1.2.1相似，展开与加速器垂直的OBI系统，选择曝光条件100kV/100 mA/80 ms，拍片，OBI照射野26.6 cm×20 cm，在0゜和270o分别获取一幅KV图像，同时测量模体中一点的吸收剂量。同样条件下测量其它各点的成像剂量。

1.2.3 CBCT三维模式的成像剂量测量

CBCT是利用OBI旋转一周获取一定体积范围内的CT图像并重建出三维模型。获取头部模体的CBCT三维图像以及成像剂量测量过程如下：借助激光灯，将头模中心置于加速器的等中心处，连接好电离室。展开OBI系统，源到探测器的距离（SDD）150 cm。头部扫描条件见表1，选用全扇形扫描模式，安装full-fan蝶形滤线器，扫描直径25 cm，扫描长度17cm，选择以512×512像素矩阵、2.5 mm层厚重建图像。机架从22o～178゜逆时针旋转200度扫描的同时，电离室测量出模体中一点的CBCT成像剂量。重复以上过程分别测量其它各点的CBCT成像剂量。本研究对标准CBCT和低剂量CBCT两种模式均进行了剂量测定。

2 结果

2.1 曝光条件与成像剂量

不同图像引导方式的曝光条件与成像剂量测定结果见表1。

测量结果显示，EPID（MV级X线）系统成像剂量最高，远远高于其它KV级X线图像引导方式的成像剂量。同样为二维图像引导的KV级X线OBI成像剂量最低，不及前者的1%；CBCT KV级X线三维成像剂量比OBI二维成像剂量稍高，在低剂量CBCT模式下两者比较接近。

为保证测量结果的准确可靠，在EPID方式测量过程中剂量仪宜选择中量程，而KV级图像引导均选择低量程。统计显示，无论哪种图像引导方式下，所测得A、B、C、D各点的剂量平均值均与O点非常接近；由于二维图像引导时投照角度为0゜和270゜两个正交野，模体内A点和D点的剂量分别高于C点和B点，都说明测量数据可靠。标准CBCT时，模体内各测量点的吸收剂量也不均匀，原因是头部CBCT扫描时OBI装置仅旋转200度，而不是旋转一周，这样就减少了扫描的毫安秒，在实施IGRT时能减小患者受照剂量。结果还显示，采用低剂量CBCT模式扫描，模体吸收剂量更小，约为标准模式的50%。

2.2 图像引导方式与成像质量

通过电脑屏幕的图像清晰度比较，二维图像引导的OBI系统显著优于EPID。三维图像引导时，标准CBCT图像清晰度略优于低剂量CBCT模式。在精确图像匹配和可视性方面，CBCT的三维图像引导功能显著优于二维图像引导模式。

3 讨论

近年来，图像引导技术作为肿瘤放疗最重要的进展之一受到广泛关注，与之相应的是配置了图像引导功能的新型加速器的出现和应用。目前正在临床使用的图像引导系统包括：EPID、滑轨CT、kV级CBCT、MV级CBCT、Tomotherapy系统等，而具有CBCT三维图像引导功能的新型加速器已经成为主流趋势。Varian Clinac iX型加速器同时配备了EPID、OBI、CBCT等多种图像引导装置，既可选择MV级或KV级X射线进行二维图像引导，还可进行KV级X线的CBCT三维图像引导。究竟不同图像引导方式在成像剂量和成像质量有多大不同，正是放射肿瘤学家最为关切的问题。

本研究是基于本单位所引进的Varian Clinac iX型加速器进行的剂量分析。由于EPID系统使用的是MV级X线曝光成像，而高能射线与组织相互作用时以康普顿效应为主，康普顿效应对射线的能量依赖性小，不同组织结构对高能射线的吸收衰减差别不大，所以图像对比度低且较模糊；OBI系统KV级X射线扫描成像具有较高的空间分辨率和密度分辨率，软组织成像清晰，图像质量好；而且能够实时进行OBI图像与DRR图像的二维配准，CBCT图像与CT图像的三维配准，大大提高了在线复位精度；而且，EPID成像剂量远远高于OBI成像剂量。

若以模体测定的数据为依据，模拟评估头颈部肿瘤图像引导的额外增加剂量，一对正交的MV/MV图像模体内各点单次吸收剂量在8.2 ～ 10.1 cGy之间。以鼻咽癌IGRT为例，全程33次均行EPID图像引导，常规采用5MU采集图像，全程额外增加剂量为270 ～ 330 cGy；若采用OBI系统的KV/KV图像引导，全程额外增加剂量只有1.5 ～ 3.4 cGy，不及EPID系统的1%；若采用OBI系统做标准CBCT图像引导，全程额外剂量为10 ～ 20 cGy之间，低剂量模式下是5 ～ 10cGy。该结果与Islam[3]等对医科达Synergy加速器的XVI影像系统的测量结果接近。可见，KV级X线成像剂量低的优势是毋庸置疑的，即使是CBCT单次成像剂量也不到放疗常规分割的1%，其危害对于一个放疗患者来说通常也是可以接受的。因此笔者认为，在减小摆位误差方面OBI系统完全可以替代EPID系统。

此外，图像引导的成像剂量与扫描条件设置有很大的关系。Song[4]等对医科达的XVI系统和瓦里安的OBI系统的CBCT研究结果显示，XVI系统采用100 kV、10 mA、10 ms/frames、361frames的条件扫描，在直径为18 cm的头模中成像剂量平均为0.1cGy；OBI系统采用125 kV、80 mA、25 ms/frames、630frames的条件扫描，在头模中成像剂量平均为8.3 cGy。而本研究虽然采用OBI系统进行测量，但是结果却与Song等的XVI系统更接近。究其原因，XVI系统的扫描条件与笔者接近，而OBI系统的扫描条件（包括kV和mAs）均高于笔者。在一些特殊情况下，有必要进一步减小患者的成像剂量。比如说鼻咽癌调强计划，晶体、视神经、脑干、脊髓等危及组织往往都是接近或已经达到最大耐受剂量，这就要求图像引导所带来的的额外照射剂量尽可能小，才能保证患者的治疗安全。根据测量结果分析得出，减小mAs和降低kV值，能够有效减少患者的成像剂量；减小头脚方向的扫描范围，不仅能够减少患者剂量，更少的散射线会使图像的对比度更好；头颈部应采用200o而非360o的扫描范围，CBCT图像已经满足需要；对头颈部肿瘤治疗，建议采用OBI二维图像引导，或者部分分次数采用，因为大量研究表明用头颈肩膜固定的体位三个方向的摆位误差均小于3 mm，使用OBI模式和CBCT模式摆位误差没有明显的差异[5-7]。

总之，OBI系统在图像质量、成像剂量以及自动化程度方面均优于EPID系统。一般情况下，放疗过程中多次使用CBCT进行图像引导也是安全的，不过在某些特殊情况下，需要综合考虑图像引导方式、成像质量、受照剂量等各方面的因素，确保患者的治疗准确和安全。

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Measurement of the Imaging Dose for Head and Neck Cancer by Different Image-guided Methods

【 Writers 】Zhang Yuhai, Xia Huosheng, Gao Yang
Radiotherapy Dept., The PLA 309th Hospital, Beijing, 100091, China

image-guided radiotherapy; Imaging dose; head and neck cancer

R815

A

10.3969/j,isnn.1671-7104.2010.06.020

1671-7104(2010)06-0455-03

2010-08-10

张玉海，E-mail:zyh309@yahoo.com.cn

【 Abstract 】Objective To measure the imaging dose in the head phantom by different image-guided methods. Methods The imaging dose was measured in a cylindrical phantom on a Varian Clinac iX linear accelerator equipped with EPID, OBI, CBCT using a PTW 0.6cc ion chamber with UNIDOS E dosimeter. 2D images were acquired by two perpendicular fields (0o&270o), and the 3D images by CBCT. Results The 2D imaging average dose for OBI (KV X-ray) was 0.74mGy in the head phantom. It was signi fi cantly lower than 90.93mGy for EPID (MV X-ray) and the image quality was better. For a standard CBCT (KV X-ray), the imaging average dose was 4.77mGy. For a low dose mode, the imaging dose was 50% of the standard mode. Moreover, 3D images could match accurately. Conclusion For the OBI system, the imaging dose is lower and image quality is better than EPID. The 3D image-guided method for CBCT is better than 2D and is also safe for daily position veri fi cation. Therefore, during treatment positioning, the appropriate image-guide methods and scanning parameters can effectively reduce the additional dose to the patients.