放射治疗千伏级图像引导系统的辐射剂量研究

付 娟，孟慧鹏，*，王克强，张若辉，段敬豪，张艳龙，丁红军，孙 倩，李西川

（1.武警特色医学中心，天津300162；2.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072；3.天津师范大学生命科学学院，天津300387）

0 引言

图像引导系统（image-guided system）是调强放疗（intensity modulated radiotherapy，IMRT）中用于提高放疗精度最有效的工具之一[1-2]。然而，Χ 射线成像扫描过程中必然带来额外的辐射剂量，多次图像引导的累积辐射剂量会造成潜在的二次致癌风险增加，因此须对图像引导过程中产生的辐射剂量进行研究。千伏级锥形束CT 是最常见的放疗图像引导系统[3-4]，本研究拟采用Varian 公司的OBI 图像引导系统，借助国际放射防护委员会（International Commission on Radiological Protection，ICRP）发布的标准模体数据对其扫描过程中产生的辐射剂量进行Monte Carlo 模拟[5-6]，并进一步探讨放疗图像引导过程中产生的额外辐射剂量可能存在的潜在致癌风险，为放疗患者在图像引导过程中可能受到的辐射剂量提供依据。

1 材料和方法

1.1 仪器设备

Varian OBI 图像引导系统（美国，Varian 公司）；PTW 公司（德国）的MT-VW 红固体水（密度为1.03 g/cm3）、MP3-M 大水箱及OCTAVIUS Detector 729 二维电离室矩阵；ICRP 100 模体数据；Monte Carlo 模拟程序EGSnrc（v2016）；第三方能谱生成软件Spektr（Version 3.0）。

1.2 方法

1.2.1 OBI 系统的建模及验证

实验采用的图像引导系统为Varian OBI，其有2种滤波扫描模式（Half-fan 和Full-fan）。Χ 射线源为Varian 公司的G242 旋转阳极球管，集成于Varian IX直线加速器上，电压为125 kVp，阳极材质采用钨合金，初级滤波为2 mm 的铝合金；探测器为Varian 公司的4030CB，有效探测面积为39.7 cm×29.8 cm，矩阵尺寸为1 024×768，像素尺寸为0.388 mm×0.388 mm，最大扫描视野（field of view，FOV）可达到46.6 cm[7]。前期研究[7]已通过EGSnrc 的Beamnrc 子程序实现了该系统的模块化建模。由组件模块（component module，CM）XTUBE、CONSTAK、SLABS、BLOCK、JAWS、PYRAMIDS 的组合构建了图像引导系统的Χ 射线源、射线源组件、领结滤波（全领结滤波和半领结滤波）及探测器结构。

模型的准确性通过Χ 射线能谱（energy spectrum）、百分深度剂量（percentage depth dose，PDD）、离轴曲线（Profile）分析比较进行验证。Monte Carlo 模拟时采用的模拟粒子数为1×109，所有的模拟均在距离靶100 cm 处记录相空间文件，结果由DOSXYZnrc子程序计算、分析后得到全空间剂量，随后由STATDOSE 子程序提取出射束中心轴的剂量绘制PDD，提取模体深度为1.25 cm 平面内等中心位置横向和纵向的剂量绘制Profile。比对数据的生成如下：由第三方软件Spektr 生成Χ 射线能谱；使用MP3-M 大水箱测量获取PDD，使用Detector 729 二维电离室矩阵测量获取Profile。

1.2.2 辐射剂量的模拟

实验设备的图像引导系统有6 种扫描协议，软件版本为V1.5，主要参数见表1。临床使用以标准剂量头（Standard-dose head）、低剂量胸（Low-dose thorax）、盆腔（Pelvis）为主，因此仅对这3 种协议进行模拟，使用的模拟程序为EGSnrc。

表1 6 种扫描协议参数

辐射剂量的模拟在ICRP 100 成年男、女标准模体数据中进行，该数据在ICRP 官网可免费下载，男、女模体的参数如下：断层数分别为222、348 层，层厚分别为8、4.84 mm，图像分辨力分别为254×127、299×137，体素分辨力分别为2.137/1.775 mm，感兴趣组织的轮廓结构已包含在数据包中[8-9]。Monte Carlo模拟的粒子数使用5×108，记录产生二次粒子的能量阈值（AE、AP）、电子和光子输运的截止能量（ECUT、PCUT），分别设置为ECUT=AE=0.516 MeV，PCUT=AP=0.001 MeV，电子和光子的能量上限均设置为1 MeV；边界穿越算法设置为EXACT，电子步进算法设置为PRESTA-Ⅱ。模拟得到相空间文件后，由DOSXYZnrc 和STATDOSE 子程序计算、分析、生成模体内的剂量分布。

1.2.3 辐射剂量的计算

辐射剂量计算采用ICRP 103 号报告推荐的方法，先计算男、女标准模体各组织的平均吸收剂量，随后用辐射权重因数加权求和得到男、女模体各组织的当量剂量，该当量剂量值的男、女结果取平均值后，再与组织权重因数加权求和得到辐射剂量的有效剂量[10]。具体计算如下：

组织的当量剂量HT由公式（1）定义：

其中，wR为辐射R 的辐射权重因数，光子的wR取1；DT，R为组织T 体积内的平均吸收剂量。

辐射剂量的有效剂量E由公式（2）定义：

其中，wT为组织T 的组织权重因数，ΣwT=1，推荐的组织权重因数见表2[10]。

计算有效剂量时先计算男、女模体13 种其余组织的当量剂量，男、女模体其余组织的当量剂量和计算如下：

表2 推荐的组织权重因数[10]

其中，和表示男、女模体各组织的当量剂量。

最后根据公式（4）计算有效剂量：

2 结果

3 种管电压100、110 和125 kVp 的Monte Carlo模拟结果与Spektr 程序生成的比较结果具有良好的一致性，最大差异小于3%，平均差异小于2%；Monte Carlo 模拟的PDD 和Profile（横向、纵向）结果与实测的结果一致性良好，平均差异分别为2%、1.1%和0.8%。其中110 kVp 半领结滤波模式的结果如图1所示，PDD 表现为Monte Carlo 模拟值与实测值的差异在水下5 cm 厚度以内大于5 cm 以外；横向Profile表现为在[-13 cm，6 cm]区间内的差异略大于（6 cm，13 cm]区间内；纵向Profile 表现为[-13 cm，-10 cm）和（10 cm，13 cm]区间内略大于[-10 cm，10 cm]区间。

3 种扫描协议下各组织的吸收剂量、当量剂量、有效剂量结果见表3。由表3 可知，3 种扫描协议均表现为直接辐照区域内组织的吸收剂量明显大于其他区域，且大多数组织的吸收剂量表现为男性模体的小于女性模体；标准剂量头、低剂量胸、盆腔3 种扫描协议下，单次图像引导男、女模体组织的当量剂量分别为0.85/1.14、3.26/3.80、4.51/6.57 mSv；3 种扫描协议的有效剂量分别为0.48、4.25、6.44 mSv；单个组织的平均辐射剂量大值出现在膀胱（盆腔模式）中，其值达到了37.56 mGy，每种协议下非直接辐照区域内均存在吸收剂量小于0.01 mGy 的组织。

图1 实测数据与Monte Carlo 模拟数据的结果比较（110 kVp 半领结滤波）

3 讨论

采用图像引导可提高IMRT 放疗的摆位精度，已得到业界公认[1-2，11]。图像引导系统以兆伏和千伏级的锥形束CT 使用率最高，而千伏级图像由于对比度较好而更受欢迎[3-4]。综合本实验室Ming 等[12]的研究可知，本实验模拟的Varian OBI 系统剂量计算的精度在1%以内，实验使用的ICRP 100 成人标准模体为国际上进行剂量学研究的通用模体，研究结果的参考价值较高[8-9，13]。本研究的基本思想为：首先利用Monte Carlo 模拟程序对图像引导系统准确建模，然后在ICRP 100 模体中模拟各扫描协议下模体内的剂量分布，最终利用ICRP 103 号报告推荐的方法进行辐射剂量的计算。研究结果显示，单次图像引导带来的有效剂量达到6.44 mSv（盆腔模式中），而该剂量已超过公众年辐射剂量的剂量限值（5 mSv），存在潜在的致癌风险。张艺宝等[13-14]对Varian OBI 胸部图像引导辐射剂量的研究也表明，单次胸部图像引导就会导致致癌风险增高，其中肺癌风险最高，甲状腺癌风险最低，因此多次图像引导的累积辐射剂量带来的风险不可忽略。事实上，学者们的研究已证实随着辐射剂量的增加辐射致癌的可能性和风险均增加[13-15]。整个放疗过程中患者平均会接受至少5 次图像引导，3 种扫描协议下累积辐射剂量造成的潜在致癌风险更高。因此，对不同扫描协议辐射剂量进行研究可有效促使临床更加合理、慎重地使用图像引导系统，采取必要的防护措施，同时也有助于设备厂家有针对性地降低某种扫描协议的辐射剂量。

董洋等[16]对射波刀图像引导系统的研究表明，该系统产生的额外吸收剂量在较低范围内，但是极端情况下全程最大吸收剂量可达到7.463 cGy。Wood等[17]和Rampado 等[18]利用PCXMC 软件（V2.0，STUK公司，芬兰）分别对Varian OBI 和Elekta XVI（Elekta公司，瑞典）图像引导系统的辐射剂量进行了研究，并与热释光法实测值进行了比较，前者的结果差异较大，肝脏的差异高达80%，后者的结果显示盆腔区域的差异达到了40%；由于PCXMC 软件采用的数学模型相对简单，需要对模型进一步优化才能为临床医生提供可靠的信息，提示辐射剂量的研究需选择适合的方法。Wood 等[17]的研究结果同时表明，当软件版本和扫描协议相同时，不同Varian OBI 系统之间的结果差异均小于1%，这为同一型号的多台设备辐射数据共享提供了依据。本研究中各组织的吸收剂量在头部和胸部扫描协议下与Abuhaimed 团队[5-6，19]的研究结果相当，但是在盆腔协议下各辐照组织差异较大（16%～35%），差异最大的组织为前列腺（22.53 mGy vs 34.55 mGy），究其原因为本研究的扫描协议参数中头部和胸部与Abuhaimed 团队几乎无差异，但是盆腔扫描协议差异较大，主要差异为曝光量参数（706.2 mAs vs 1 056 mAs），本研究扫描协议的曝光量仅为该研究的66%左右，因此各组织的吸收剂量均不同程度降低。此外，本研究中各扫描协议大多表现为男性模体组织的吸收剂量小于女性的，究其原因是女性模体的体积较小，同样大小的辐照区域女性模体直接受辐照组织的比例大于男性。

值得一提的是，传统的有效剂量计算方法是基于CT 剂量指数（CT dose index，CTDI）[13]，该指数由圆柱形仿体测量得到的数据来表征人体受辐射的平均吸收剂量，然后通过转换因子得到人体辐射的有效剂量，显然该仿体不能代表复杂的人体结构，因此其计算出的人体辐射有效剂量准确性较差。而本研究基于ICRP 标准成人模体，且应用Monte Carlo 模拟得到模体内真实的三维全空间剂量分布，可以计算任意组织的平均吸收剂量，因此最终计算出的有效剂量更接近真实情况，今后基于该方法进一步结合不同的风险评估模型预测到的风险值可信度也更高。Hioki 等[20]的研究表明，不同的图像引导系统相同组织的吸收剂量差异较大，事实上辐射剂量与曝光量（mAs）、管电流（mA）、曝光时间（ms）、射野大小等参数均密切相关，不同的图像引导系统下得到的实验结果通常不可共用。本研究也显示不同的扫描协议之间辐射剂量的差异较大，因此研究结果仅限于Varian OBI 图像引导系统可直接参考使用。

综上所述，使用千伏级图像引导系统能够提高放射治疗的精度，但是多次图像引导产生的累积辐射剂量有潜在致癌风险，临床应用中需引起重视。

表3 3 种扫描协议下ICRP 成年男、女模体组织吸收剂量、当量剂量及有效剂量结果