图像引导放疗CBCT辐照剂量研究现状述评

马 伟 尤天志 孙亚平

宁夏回族自治区人民医院 宁夏银川 750002

国际上放射治疗使用非常广泛,70%～80%的肿瘤需要放射治疗。放射治疗是使用放射性射线照射肿瘤部位,使癌细胞DNA断裂或失去繁殖能力。以近距离放疗(brachytherapy,BT)、调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy,IMRT)、容积旋转调强放射治疗(volume modulated arc therapy,VMAT)、立体定向放疗(stereotactic radiosurgery,SRS)为代表的现代放疗技术极大改善了肿瘤的致死辐射剂量分布与肿瘤形状的适形度[1-2]。然而,由于这些技术使靶区边缘到相邻危及器官(organ at risk,OAR)的剂量跌落很大[3],故微小的靶区位移将导致较大的放疗剂量偏差。为保证肿瘤控制率和避免正常器官损伤,这些技术临床使用时对患者肿瘤位置的精准度要求更高,影像引导放疗(image guided radiotherapy,IGRT)应运而生。

1 IGRT设备评述

1.1 IGRT设备

最早的医用电子加速器使用胶片验证治疗过程中患者摆位准确性,通过胶片采集加速管产生的低能X射线获得 “射野照片”。由于当时的胶片冲洗需要时间,该功能不能用于放疗患者摆位误差的纠正,只能起到验证记录的作用。随着医学影像技术的进步,IGRT技术已经可以克服上述缺点。目前临床应用的影像引导设备有二维成像的有:①KV级X线摄片和透视系统,②扇形束CT(fan beam CT,FBCT)[4],③机架上的KV-KV系统或KV-MV系统;三维成像的有:① 电子射野影像系统(electronic portal imaging device,EPID)[5],②KV或MV锥形束CT(Cone Beam CT,CBCT)[6],③ 放疗室内CT,④MV级断层CT,⑤MR和⑥PET-CT[7]等。IGRT在治疗前和治疗中通过系统提供的X线透视监测和靶区成像,可以获得患者的二维/三维组织影像,并经过配套的在线图像(on board Image,OBI)引导设备,进行在线放疗靶区位置修正,从而减少因靶区位置误差引起的放疗剂量误差[8]。IGRT技术还可以根据特殊器官大小的变化调整治疗条件(如尿量、肠道胀气等),最终使照射野紧紧“追随”靶区,保证放疗位置精准性。IGRT的使用使靶区位置建立在内靶区基础上,而不单单依赖体表标记。

以上二维IGRT设备的X线摄片和透视设备都与治疗设备结合在一起,这种方式的一个优势是时间缩短,缺点是只能获取二维医学图像。三维成像IGRT设备及其优缺点如表1所示:

表1 IGRT设备及其优缺点分析

1.2 CBCT的使用及辐射

目前主流的直线加速器(LINAC)生产厂家瓦里安(Varian)、医科达(Elekta)的X射线图像采集系统(Elekta XVI和Varian OBI)均为CBCT,由非晶硅平板探测器(kVD)和机械臂支撑的千伏X射线源(kVS)构成,并与LINAC的等中心垂直安装(图1)。

图1 瓦里安和医科达直线加速器及所带CBCT系统

不同于传统的扇形束CT(FBCT)扫描,CBCT扫描的原理是:X线发生器产生的圆锥形的X射线围绕投照体做环形DR(数字式投照),被探测器接收并转换成数字信息,再经计算机“reconstruction”形成三维图像。即CBCT利用X射线的穿透性获取患者内部结构信息。CBCT不仅为放疗的精准定位、精准治疗提供了设备基础[9-11],同时还被广泛应用于治疗过程运动管理[12; 13]、计划剂量重建[14]和自适应放疗[15]等先进技术领域,是放疗中最为重要的IGRT技术之一。

CBCT利用kV级X射线的穿透原理进行成像,因此CBCT的图像引导会对患者造成额外的辐射剂量。众所周知,诊断CT(computerized tomography)扫描具有辐射(扫描一次造成的辐射剂量大约是2～10mSv),其致癌风险已被医院和公众广为重视[16]。然而,CBCT在放射治疗图像引导中的单次剂量和扫描次数均高于诊断用的螺旋CT[17],但由于其剂量相对于治疗肿瘤的处方剂量很低(<1%),故CBCT的额外辐射风险早先被忽视[18]。目前CBCT扫描所累积的二次致癌风险正日益受到监管机构和放疗学界的关注,如美国医学物理学会(american academy of pain medicine,AAPM)专门发布了TG-75号报告[19],反复强调了IGRT过程中成像剂量管理的重要意义。

2 CBCT辐照剂量评述

而CBCT辐射剂量的准确计算是对潜在有害附加剂量进行评估的重要举措,也是图像引导方案优化的前提。截至目前,常规商用放疗计划系统(treatment plan system,TPS)无法计算CBCT的辐射剂量,故在患者物理计划制作时并未考虑,使CBCT辐照剂量以额外剂量的形式存在。

2.1 剂量估算表达式

2.1.1 基于一般CT的剂量估算 CTDI100表示的是CT剂量指数100,用来反映CT 标准测量模体中某一点所沉积的 X射线能量,其值定义为:CT旋转一周,将平行于旋转轴(z轴)的剂量分布D (z) 沿Z 轴从-50 mm 到+50 mm积分,除以扫描断层数n和层厚T的乘积之商。即:

(1)

由于同一模体不同位置的辐射剂量有所差异,为了更好的表达整体的辐射剂量水平,引入加权CT 剂量指数(CTDIw)来描述CT 所扫描某一断层平面上的平均剂量状况,即CTDIw能准确反映扫描平面中的平均剂量,计算公式如下:

(2)

(3)

CT螺距(因子)等于Δd / N·T;Δd 为X射线管每旋转一周治疗床移动的距离;N为一次旋转扫描产生的断层层数;T为扫描层厚。CTDIvol反映了整个扫描容积中的平均剂量。

2.1.2 基于CBCT条件的剂量估算 CBCT扫描时,模体在不同半径R、能量E、扫描野FOV(Field Of View)、模体深度d的辐照剂量表达式如下:

DCBCT(E,R,FOR,d)=XRef(E)·ROF(E,FOV)·fCBCT(E,R,FOV,d)·T

(4)

其中DCBCT为模体中的剂量,单位是cGy;E为射线束能量;R为模体中的半径;d为模体中的深度;XRef为参考大小野的照射量率,单位是R/mAs;ROF为此FOV的相对输出因子;fCBCT为剂量转换系数,它是完成一次CBCT采集对应的旋转半径的函数,单位是cGy/R;T为总电流和时间的乘积,单位是mAs。

2.2 CBCT辐射剂量评估方法

CBCT的辐射剂量射剂量评估方法分实验测量和模拟计算两种。

2.2.1 模体实验测量 通过对均匀模体中心或体内、表面多处的剂量使用探测器(如电离室、热释光探测器等)进行测量,再代入公式2可得到CBCT的额外辐照剂量。然而,由于不同厂商的CBCT系统存在差异,并且国内外缺乏统一规范的CBCT扫描模式,导致模体测量值难以反映不同厂商、不同单位的CBCT实际辐照剂量。如VARIAN公司OBI两种常规扫描模式下的参数及辐射剂量(以CTDIW表示)如表2所示:

表2 VARIAN CBCT两种常规扫描模式对应参数

同时,由于模体和真实人体的差别,此方法测量的CBCT剂量对临床的指导价值有限。

2.2.2 模拟计算 蒙特卡罗模拟算法被公认为剂量计算的“金标准”,计算对象通常为国际放射防护委员会(ICRP)第110号报告发布的标准人模体,其在国际机构之间普遍用于剂量学交流和比较,具备较高的通用参考价值。但是这个人体模型是高加索白种人,其身高、体重、器官质量等特征与我国人口平均水平有较大差异。

2.3 CBCT剂量研究现状

2.3.1 模体测量 国内外对模体在不同CBCT扫描模式下受到的辐射剂量的测量研究较成熟。吴国华[6]等对Elekta公司的XVI kV级CBCT剂量进行了测量,结果表明:①测量参数T(mAs)对剂量影响较大;②测量平均剂量在0.1 cGy～5.39 cGy之间,使用“Pelvic”方案在模体上测得的剂量最高;③采用不同滤过器Half Fan和Full Fan,剂量学上有明显差异,使用Full Fan滤过器,测得剂量较Half Fan高25%～30%。同时,该研究指出,为减少病人接受的额外剂量,对于儿童病人及头颈部病人,建议尽量使用头颈部扫描方案及Half Fan滤过器;对于胸部和盆腔部扫描,也建议使用Half Fan过滤器。

Islam[20]等人对Elekta XVI kV级CBCT在两种常规扫描模式下的剂量进行了测量,测量结果概况如表3所示。

表3 Elekta XVI kV级CBCT剂量(Ref. [20])

Li-Rong Zhao15使用热释光探测器 (thermoluminescent detector, TLD)测量了瓦里安千伏级CBCT的辐射剂量,结果为离皮肤表面0 cm处的剂量为21.5 mGy,离皮肤表面5 cm处的剂量为24 mGy,离皮肤表面10 cm处的剂量为48 mGy。郭文等[21]对瓦里安kV级CBCT系统剂量学的一致性进行了研究,发现瓦里安CBCT的球管电压偏差有随着使用年限增加的趋势,因此提出了应将CBCT的剂量学一致性作为常规质量控制(quality assurance,QA)和质量保证(quality control,QC)工作的一部分进行监测。

2.3.2 模拟计算 国外诸多学者使用蒙特卡罗模拟算法计算了CBCT剂量[22-30]。Kihong Son等17使用Geant4的层析成像发射(GATE)蒙特卡罗模拟工具包计算了机载成像仪(OBI)六种不同采集协议的成像辐射剂量,并分析了成人和儿童数字XCAT模体的各器官吸收剂量。计算的器官剂量范围为:成人体模为0.1～24.1 mGy,儿童体模为0.1～36.8 mGy。即图像引导儿童幼肢的剂量始终高于对成人幼肢的剂量,这与George X. Ding18等的剂量增加是病人尺寸减少的两倍的结论一致。同时,George X. Ding等还计算了X射线源在患者下方旋转200°时,眼睛和脊髓的剂量分别为0.2 cGy和0.35 cGy;而在患者上方扫描时,分别为0.65cGy和0.2cGy;对于直肠,上下旋转分别是1.1 cGy和2.8 cGy。旋转360°X射线源时,Pelvis 扫描剂量是1～2 cGy。

目前国内使用蒙特卡罗模拟方法计算CBCT剂量研究较少,张艺宝等人[31]使用此方法研究了美国瓦里安公司CBCT系统的默认胸部扫描模式下标准人模体ICRP110的辐射剂量,结果显示:CTDI 模体测量与计算值差异<2.9%,Alderson 模体内差异≤0.05 cGy。ICRP110模体的左肺、右肺、左乳、右乳、心脏、甲状腺、气管、松质骨、密质骨的 Dmoan 分别为1.28、1.39、1.74、1.80、1.46、0.48、0.88、0.85、1.84 cGy。单次扫描对应的缺血性心脏病、乳腺癌、肺癌、甲状腺癌、气管癌的相对风险值分别为1.001、1.009、1.019、1.000、1.008。该研究指出, CBCT 成像在影像引导胸部放疗过程中的累积剂量及其远期风险不可忽略且应被合理管控。盛尹祥子等计算了中国女性参考人[32-33],结果显示,在入射光子能量低于0.2 MeV 时,与ICRP参考人相比,两模型某些器官剂量当量和有效剂量存在着较大的差异(10%～53%),主要原因是光子能量越低,受体位和深度等的影响越严重。

3 总结与思考

肿瘤患者放射治疗时通过CBCT图像引导,可减少由于肿瘤位置变化(来源于摆位或器官移动等)导致的放疗剂量误差。但是对于IGRT的实践者来说,必须重视CBCT扫描所产生的额外辐照:

3.1 累积剂量需重视

虽然一次CBCT图像引导造成的辐射剂量并不高,为3～8 mSv[19-20]。但是重复扫描将使剂量翻倍,如30次标准的胸部图像引导将达到240 mSv。这已经显著超过了国家对于公众辐射当量剂量的要求,且即将接近低剂量范围(约250 mSv)上限,此时在免疫力低下或者促癌因素存在时,存在致癌风险。

对遭遇日本核爆的幸存者的长期调查显示,虽然低剂量(约250 mSv)受照者无任何临床表现症状,其白血病或其他实体癌的发生率都和一般人相同。但是从辐射安全的角度出发,辐射活动实践正当化判断中都采用严谨保守的线性无阈假说,即假设人体受到辐射时,不管剂量高低,都存在不良遗传和引发癌症的机率,且与接收剂量成正比,国际放射防护委员会(International Commission on Radiological Protection:ICRP)电离辐射卫生防护部门均沿用此假设。

3.2 CBCT引导考量原则

CBCT图像引导不能简单地遵从辐射防护最优化和ALARA (as low as reasonably achievable) 原则,而是需要根据“value-based radiology”综合评估。Radiology主要指患者接受到的额外辐照和图像引导的费用,Value主要是对治疗剂量一致性的改善。肿瘤患者放疗时合理的CBCT图像引导操作可使患者的肿瘤治疗效果最好且CBCT造成的辐射风险最低。

与治疗光束不同,CBCT的辐射遍布全身,对全身形成无差别的辐照。CBCT的辐射并不能治疗肿瘤,而是造成治疗野外毫无遮挡的危及器官(organ at risk, OAR)的损伤,和治疗野内OAR辐照剂量的超量。如图像引导外科手术中,已发现由于长时间的透视检查而导致的严重皮肤烧伤案例[34]。总而言之,可以通过减少扫描长度、曝光设置、选择机架旋转角度和尽可能使用滤过器来减少剂量。

3.3 CBCT辐照剂量评估及风险

由于不同肿瘤所处的位置不同,周边的危及器官不同,所以常见肿瘤的CBCT剂量分布也不同。目前国内外并没有建立常用图像引导临床模式下CBCT额外剂量分布,也没有将病人危及器官的CBCT剂量与放射治疗计划(treatment plan system, TPS)中剂量进行叠加分析。为使有剂量限制的危及器官得到保护,以后的工作应建立常见肿瘤的CBCT剂量分布模型,分析CBCT辐照对不同肿瘤的影响规律;考虑将病人危及器官的CBCT剂量与放射治疗计划(TPS)中剂量叠加分析,以定性、定量理解CBCT图像引导给OAR造成的额外辐照剂量,从而实现病人的精确放疗。

同时,结合近些年临床上积累的新经验,科研上的新进展,可利用national research council (NRC)发布的电离辐射的生物学效应的报告(biological effects of Ionizing radiation-VII, 简称BEIR VII)评估计算CBCT辐射致癌风险[35]。如使用CBCT进行胸部扫描时,辐射导致的缺血性心脏病风险可利用《新英格兰医学杂志》(the new england journal of medicine)发表的模型评估;尤其是根据GB8282—2000《放射性皮肤疾病诊断标准及处理原则》,分析对皮肤的影响。

3.4 国情考虑

现有在OBI扫描模式下辐射剂量的蒙特卡罗模拟计算研究对象大多是以高加索人为代表的欧美人,尚无针对中国标准体格的人模体的计算。不同人种在同一扫描方式下受到的辐照剂量分布不同,特别是国际上普遍推荐的CBCT 协议是否适用于中国患者需要验证。因此需要对不同性别、年龄、肿瘤类型的中国人模体辐照剂量进行计算,才能更加精确地评价中国患者和放射工作人员、公众的受照剂量。