不同圖像引導(dǎo)方式在頭頸部腫瘤中成像劑量測(cè)量

張玉海，夏火生，高 楊

解放軍第309醫(yī)院放療科，北京， 100091

不同圖像引導(dǎo)方式在頭頸部腫瘤中成像劑量測(cè)量

【作 者】張玉海，夏火生，高 楊

解放軍第309醫(yī)院放療科，北京， 100091

目的 測(cè)量不同圖像引導(dǎo)方式在頭模中的成像劑量。方法 應(yīng)用UNIDOS E型劑量儀（德國PTW公司）與30013型電離室，測(cè)量Varian Clinac iX直線加速器配置的EPID、OBI和CBCT圖像引導(dǎo)功能在圓柱形模體的成像劑量。二維圖像采用0o和270o兩個(gè)正交野成像，三維圖像采用CBCT成像。結(jié)果 二維成像時(shí)，OBI系統(tǒng)（KV級(jí)X線）模體內(nèi)各點(diǎn)平均吸收劑量0.74mGy，顯著低于EPID系統(tǒng)（MV級(jí)X線）的90.93mGy，且圖像清晰度優(yōu)于后者；標(biāo)準(zhǔn)CBCT（KV級(jí)X線）各點(diǎn)平均吸收劑量4.77mGy，而低劑量CBCT模式僅為標(biāo)準(zhǔn)模式的50%，能夠完成精確匹配。結(jié)論 OBI系統(tǒng)比EPID系統(tǒng)成像劑量更低，圖像質(zhì)量更好。CBCT作為三維圖像引導(dǎo)方式顯著優(yōu)于二維圖像引導(dǎo)方式，進(jìn)行日常的擺位驗(yàn)證也是安全的。因此，合理選擇圖像引導(dǎo)方式和設(shè)置圖像采集參數(shù)，能夠有效地減少患者的額外受照劑量。

圖像引導(dǎo)放射治療；成像劑量；頭頸部腫瘤

圖像引導(dǎo)放射治療（image-guided radiotherapy, IGRT）是繼三維適形放射治療（three dimensional conformal radiotherapy, 3DCRT）和適形調(diào)強(qiáng)放射治療（intensity-modulated radiotherapy, IMRT）之后，又一新的放療技術(shù)，是提高放射治療精度、保證放射治療質(zhì)量的重要手段。2009年8月我院引進(jìn)了VARIAN公司生產(chǎn)的Clinac iX 直線加速器治療系統(tǒng)，它搭載了多種方式的圖像引導(dǎo)功能，包括MV級(jí)治療用X線電子射野影像系統(tǒng)（electronic portal imaging device EPID）和KV級(jí)的X線機(jī)載影像系統(tǒng)（on board imager, OBI）。OBI系統(tǒng)是直接整合到加速器上的橫向安裝的KV X射線源和數(shù)字化X射線探測(cè)板，系統(tǒng)能夠獲取OBI二維圖像或CBCT（cone beam CT，CBCT）三維圖像。對(duì)于頭頸部腫瘤，由于靶區(qū)周圍存在大量高放射敏感性的危及組織，治療過程擺位要求高，因此做IGRT的次數(shù)相對(duì)較多，必要時(shí)甚至要求每次治療前都進(jìn)行圖像引導(dǎo)[1]。而在實(shí)施圖像引導(dǎo)過程中，必然會(huì)給患者增加額外的照射劑量，不當(dāng)?shù)膱D像引導(dǎo)方式有可能增加晶體等高放射敏感組織和器官損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文對(duì)Clinac iX 型直線加速器的幾種圖像引導(dǎo)方式的成像劑量和特點(diǎn)進(jìn)行研究，以期對(duì)開展頭頸部腫瘤的IGRT，選擇最佳的圖像引導(dǎo)方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備和儀器

本研究測(cè)量采用德國PTW公司生產(chǎn)的UNIDOS E型劑量儀與30013型電離室（有效測(cè)量體積0.6 cc）和有機(jī)玻璃圓柱形模體（Topslane仿頭部模體，直徑15 cm，長10 cm）。對(duì)本單位的Varian Clinac iX 直線加速器的EPID、OBI和CBCT的成像功能進(jìn)行測(cè)定；測(cè)量點(diǎn)包括中心點(diǎn)O及中心向外垂直方向四個(gè)測(cè)量點(diǎn)A、B、C、D，如圖1所示。

表1 成像劑量測(cè)量結(jié)果Tab.1 The measured results of the imaging dose

圖1 頭模測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.1 The measured points in the head phantom

1.2 測(cè)量方法

1.2.1 EPID系統(tǒng)的成像劑量測(cè)定

展開EPID系統(tǒng)，加速器照射野調(diào)整為20 cm×20 cm，機(jī)架角0o，6MV X線5MU照射[2]，獲取一幅MV圖像的同時(shí)，電離室測(cè)得模體內(nèi)某一測(cè)量點(diǎn)的成像劑量。然后機(jī)架轉(zhuǎn)到270o，同樣的條件獲取另一幅MV圖像及該點(diǎn)成像劑量。重復(fù)以上過程依次對(duì)A、B、C、D、O各點(diǎn)的進(jìn)行測(cè)量。拍攝方向?yàn)閺那跋蚝蠛蛷淖笙蛴?。測(cè)量時(shí)，模體中心置于加速器等中心位置，并連接電離室。

1.2.2 OBI二維模式的成像劑量測(cè)定

方法與1.2.1相似，展開與加速器垂直的OBI系統(tǒng)，選擇曝光條件100kV/100 mA/80 ms，拍片，OBI照射野26.6 cm×20 cm，在0゜和270o分別獲取一幅KV圖像，同時(shí)測(cè)量模體中一點(diǎn)的吸收劑量。同樣條件下測(cè)量其它各點(diǎn)的成像劑量。

1.2.3 CBCT三維模式的成像劑量測(cè)量

CBCT是利用OBI旋轉(zhuǎn)一周獲取一定體積范圍內(nèi)的CT圖像并重建出三維模型。獲取頭部模體的CBCT三維圖像以及成像劑量測(cè)量過程如下：借助激光燈，將頭模中心置于加速器的等中心處，連接好電離室。展開OBI系統(tǒng)，源到探測(cè)器的距離（SDD）150 cm。頭部掃描條件見表1，選用全扇形掃描模式，安裝full-fan蝶形濾線器，掃描直徑25 cm，掃描長度17cm，選擇以512×512像素矩陣、2.5 mm層厚重建圖像。機(jī)架從22o～178゜逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)200度掃描的同時(shí)，電離室測(cè)量出模體中一點(diǎn)的CBCT成像劑量。重復(fù)以上過程分別測(cè)量其它各點(diǎn)的CBCT成像劑量。本研究對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CBCT和低劑量CBCT兩種模式均進(jìn)行了劑量測(cè)定。

2 結(jié)果

2.1 曝光條件與成像劑量

不同圖像引導(dǎo)方式的曝光條件與成像劑量測(cè)定結(jié)果見表1。

測(cè)量結(jié)果顯示，EPID（MV級(jí)X線）系統(tǒng)成像劑量最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它KV級(jí)X線圖像引導(dǎo)方式的成像劑量。同樣為二維圖像引導(dǎo)的KV級(jí)X線OBI成像劑量最低，不及前者的1%；CBCT KV級(jí)X線三維成像劑量比OBI二維成像劑量稍高，在低劑量CBCT模式下兩者比較接近。

為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，在EPID方式測(cè)量過程中劑量儀宜選擇中量程，而KV級(jí)圖像引導(dǎo)均選擇低量程。統(tǒng)計(jì)顯示，無論哪種圖像引導(dǎo)方式下，所測(cè)得A、B、C、D各點(diǎn)的劑量平均值均與O點(diǎn)非常接近；由于二維圖像引導(dǎo)時(shí)投照角度為0゜和270゜兩個(gè)正交野，模體內(nèi)A點(diǎn)和D點(diǎn)的劑量分別高于C點(diǎn)和B點(diǎn)，都說明測(cè)量數(shù)據(jù)可靠。標(biāo)準(zhǔn)CBCT時(shí)，模體內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)的吸收劑量也不均勻，原因是頭部CBCT掃描時(shí)OBI裝置僅旋轉(zhuǎn)200度，而不是旋轉(zhuǎn)一周，這樣就減少了掃描的毫安秒，在實(shí)施IGRT時(shí)能減小患者受照劑量。結(jié)果還顯示，采用低劑量CBCT模式掃描，模體吸收劑量更小，約為標(biāo)準(zhǔn)模式的50%。

2.2 圖像引導(dǎo)方式與成像質(zhì)量

通過電腦屏幕的圖像清晰度比較，二維圖像引導(dǎo)的OBI系統(tǒng)顯著優(yōu)于EPID。三維圖像引導(dǎo)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)CBCT圖像清晰度略優(yōu)于低劑量CBCT模式。在精確圖像匹配和可視性方面，CBCT的三維圖像引導(dǎo)功能顯著優(yōu)于二維圖像引導(dǎo)模式。

3 討論

近年來，圖像引導(dǎo)技術(shù)作為腫瘤放療最重要的進(jìn)展之一受到廣泛關(guān)注，與之相應(yīng)的是配置了圖像引導(dǎo)功能的新型加速器的出現(xiàn)和應(yīng)用。目前正在臨床使用的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)包括：EPID、滑軌CT、kV級(jí)CBCT、MV級(jí)CBCT、Tomotherapy系統(tǒng)等，而具有CBCT三維圖像引導(dǎo)功能的新型加速器已經(jīng)成為主流趨勢(shì)。Varian Clinac iX型加速器同時(shí)配備了EPID、OBI、CBCT等多種圖像引導(dǎo)裝置，既可選擇MV級(jí)或KV級(jí)X射線進(jìn)行二維圖像引導(dǎo)，還可進(jìn)行KV級(jí)X線的CBCT三維圖像引導(dǎo)。究竟不同圖像引導(dǎo)方式在成像劑量和成像質(zhì)量有多大不同，正是放射腫瘤學(xué)家最為關(guān)切的問題。

本研究是基于本單位所引進(jìn)的Varian Clinac iX型加速器進(jìn)行的劑量分析。由于EPID系統(tǒng)使用的是MV級(jí)X線曝光成像，而高能射線與組織相互作用時(shí)以康普頓效應(yīng)為主，康普頓效應(yīng)對(duì)射線的能量依賴性小，不同組織結(jié)構(gòu)對(duì)高能射線的吸收衰減差別不大，所以圖像對(duì)比度低且較模糊；OBI系統(tǒng)KV級(jí)X射線掃描成像具有較高的空間分辨率和密度分辨率，軟組織成像清晰，圖像質(zhì)量好；而且能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行OBI圖像與DRR圖像的二維配準(zhǔn)，CBCT圖像與CT圖像的三維配準(zhǔn)，大大提高了在線復(fù)位精度；而且，EPID成像劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于OBI成像劑量。

若以模體測(cè)定的數(shù)據(jù)為依據(jù)，模擬評(píng)估頭頸部腫瘤圖像引導(dǎo)的額外增加劑量，一對(duì)正交的MV/MV圖像模體內(nèi)各點(diǎn)單次吸收劑量在8.2 ～ 10.1 cGy之間。以鼻咽癌IGRT為例，全程33次均行EPID圖像引導(dǎo)，常規(guī)采用5MU采集圖像，全程額外增加劑量為270 ～ 330 cGy；若采用OBI系統(tǒng)的KV/KV圖像引導(dǎo)，全程額外增加劑量只有1.5 ～ 3.4 cGy，不及EPID系統(tǒng)的1%；若采用OBI系統(tǒng)做標(biāo)準(zhǔn)CBCT圖像引導(dǎo)，全程額外劑量為10 ～ 20 cGy之間，低劑量模式下是5 ～ 10cGy。該結(jié)果與Islam[3]等對(duì)醫(yī)科達(dá)Synergy加速器的XVI影像系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果接近?？梢姡琄V級(jí)X線成像劑量低的優(yōu)勢(shì)是毋庸置疑的，即使是CBCT單次成像劑量也不到放療常規(guī)分割的1%，其危害對(duì)于一個(gè)放療患者來說通常也是可以接受的。因此筆者認(rèn)為，在減小擺位誤差方面OBI系統(tǒng)完全可以替代EPID系統(tǒng)。

此外，圖像引導(dǎo)的成像劑量與掃描條件設(shè)置有很大的關(guān)系。Song[4]等對(duì)醫(yī)科達(dá)的XVI系統(tǒng)和瓦里安的OBI系統(tǒng)的CBCT研究結(jié)果顯示，XVI系統(tǒng)采用100 kV、10 mA、10 ms/frames、361frames的條件掃描，在直徑為18 cm的頭模中成像劑量平均為0.1cGy；OBI系統(tǒng)采用125 kV、80 mA、25 ms/frames、630frames的條件掃描，在頭模中成像劑量平均為8.3 cGy。而本研究雖然采用OBI系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，但是結(jié)果卻與Song等的XVI系統(tǒng)更接近。究其原因，XVI系統(tǒng)的掃描條件與筆者接近，而OBI系統(tǒng)的掃描條件（包括kV和mAs）均高于筆者。在一些特殊情況下，有必要進(jìn)一步減小患者的成像劑量。比如說鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，晶體、視神經(jīng)、腦干、脊髓等危及組織往往都是接近或已經(jīng)達(dá)到最大耐受劑量，這就要求圖像引導(dǎo)所帶來的的額外照射劑量盡可能小，才能保證患者的治療安全。根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析得出，減小mAs和降低kV值，能夠有效減少患者的成像劑量；減小頭腳方向的掃描范圍，不僅能夠減少患者劑量，更少的散射線會(huì)使圖像的對(duì)比度更好；頭頸部應(yīng)采用200o而非360o的掃描范圍，CBCT圖像已經(jīng)滿足需要；對(duì)頭頸部腫瘤治療，建議采用OBI二維圖像引導(dǎo)，或者部分分次數(shù)采用，因?yàn)榇罅垦芯勘砻饔妙^頸肩膜固定的體位三個(gè)方向的擺位誤差均小于3 mm，使用OBI模式和CBCT模式擺位誤差沒有明顯的差異[5-7]。

總之，OBI系統(tǒng)在圖像質(zhì)量、成像劑量以及自動(dòng)化程度方面均優(yōu)于EPID系統(tǒng)。一般情況下，放療過程中多次使用CBCT進(jìn)行圖像引導(dǎo)也是安全的，不過在某些特殊情況下，需要綜合考慮圖像引導(dǎo)方式、成像質(zhì)量、受照劑量等各方面的因素，確?；颊叩闹委煖?zhǔn)確和安全。

[1] Zeidan OA, Langen KM, Meeks SL, et al. Evaluation of imageguidance protocols in the treatment of head and neck cancers[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007, 67 (3): 670-677．

[2] 彭振軍, 伍鋼, 王曄, 等. 放療射野影像驗(yàn)證中EPID不同攝影劑量的影像效果評(píng)價(jià). 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 36 (3): 395-399.

[3] Islam MK, Purdie TG, Norrlinger BD, et al. Patient dose from kilovoltage cone beam computed tomography imaging in radiation therapy[J]. Med Phys, 2006, 33 (6): 1573-1582.

[4] Song WY, Kamath S, Ozawa S, et al. A dose comparison study between XVI and OBI CBCT systems[J]. Med Phys, 2008, 35 (2): 480-486.

[5] 鄧鵬, 龐學(xué)利, 張艷玲,等. 錐形束CT對(duì)頸部腫瘤調(diào)強(qiáng)放療擺位誤差的探討[J]. 臨床腫瘤學(xué)雜志, 2009, 14 (8): 743-745.

[6] Sorcini B, Severin AC, Isoz A, et al. 365 on-line patient positioning using on board imager, OBI. Radiother Oncol, 2005, 76: 163-164.

[7] 楊波, 邱杰, 王欣海, 等. OBI系統(tǒng)在放射治療擺位中的臨床應(yīng)用[J]. 中國醫(yī)學(xué)裝備, 2008, 5 (8): 01-04.

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

張玉海，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.