顱內(nèi)腫瘤放療中kV 級(jí)錐形束CT 引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量研究

丁紅軍，付 娟，孫小喆，明 鑫，張若輝，4，張艷龍，董化江，孟慧鵬，*

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.武警特色醫(yī)學(xué)中心，天津 300162；3.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；4.河北醫(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院放療科，石家莊 050011）

0 引言

基于錐形束CT（cone-beam CT，CBCT）的圖像引導(dǎo)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于放療中，對(duì)保障患者的治療安全起到積極作用[1-2]。單次kV級(jí)CBCT 引導(dǎo)引入的器官吸收劑量通常為1～40 cGy，然而隨著以Halcyon 為代表的新一代放療設(shè)備問(wèn)世后，kV 級(jí)CBCT 引導(dǎo)的頻次由每周至少一次變?yōu)閺?qiáng)制每次治療均需引導(dǎo)，因此累積吸收劑量的潛在風(fēng)險(xiǎn)不可忽視[3-4]，圖像引導(dǎo)引入的額外輻射受到學(xué)者的進(jìn)一步關(guān)注[5-6]。眼晶體是顱內(nèi)腫瘤放療中對(duì)輻射最敏感的結(jié)構(gòu)之一，其耐受吸收劑量極低，超過(guò)閾值的吸收劑量會(huì)使白內(nèi)障等副作用的發(fā)生概率大幅增加[7]。晶體位于眼睛的淺表，體積較小，直接測(cè)量較難得到其準(zhǔn)確的吸收劑量。有學(xué)者嘗試通過(guò)半導(dǎo)體電離室直接測(cè)量的方法得到眼晶體的吸收劑量，準(zhǔn)確性較差[8]。已有文獻(xiàn)對(duì)放射從業(yè)人員的眼晶體吸收劑量的研究較多[6，9]，但患者放療中不同掃描協(xié)議、不同等中心位置下CBCT 引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量相關(guān)的研究很少。因此，本研究將在前期研究準(zhǔn)確構(gòu)建CBCT 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[10]，通過(guò)Monte Carlo方法分析不同設(shè)備（掃描協(xié)議）、不同等中心位置下kV 級(jí)CBCT 引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量，分析其差異，為顱內(nèi)腫瘤放療中計(jì)算眼晶體的額外吸收劑量（制訂治療計(jì)劃通常不計(jì)算該劑量）提供數(shù)據(jù)支持。

1 資料和方法

1.1 資料

1.1.1 一般資料

回顧性選取武警特色醫(yī)學(xué)中心2014 年6月至2016 年5月的30 例顱內(nèi)腫瘤放療病例，其中男性16例、女性14 例，年齡為42～67 歲，中位年齡53 歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）計(jì)劃CT 圖像包含整個(gè)頭顱區(qū)域；（2）患者眼晶體功能正常。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）計(jì)劃CT 圖像眼晶體層面未清晰采集；（2）包含多個(gè)等中心。

1.1.2 儀器與設(shè)備

計(jì)劃CT 圖像采集使用荷蘭Philips 公司的16排大孔徑CT；Monte Carlo 模擬軟件使用EGSnrc 程序，軟件版本為v2.0；模擬的CBCT 系統(tǒng)（均為美國(guó)Varian 公司產(chǎn)品）掃描協(xié)議分別為V1.5（型號(hào)：Clinac iX）和V1.6（型號(hào)：TrueBeam），具體參數(shù)見表1；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂玫聡?guó)PTW 公司的MP3-M 大水箱和OCTAVIUS Detector 729 二維電離室矩陣。

表1 掃描協(xié)議參數(shù)

1.2 方法

1.2.1 Monte Carlo 模擬參數(shù)設(shè)置

前期研究[10]已通過(guò)EGSnrc 程序的Beamnrc 子程序準(zhǔn)確構(gòu)建了Varian 公司的CBCT 系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上微調(diào)部分參數(shù)，實(shí)現(xiàn)CBCT 系統(tǒng)V1.5 和V1.6 頭部掃描協(xié)議的模擬。為保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，模擬的CBCT 系統(tǒng)均通過(guò)三維水箱或二維電離室矩陣對(duì)相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，如百分深度劑量、離軸劑量等。本實(shí)驗(yàn)Monte Carlo模擬的粒子數(shù)使用1×109，粒子能量上限均設(shè)置為1 MeV；電子和光子的截止能量（ECUT、PCUT）、二次粒子能量閾值（AE、AP）設(shè)為ECUT=AE=0.521 MeV、PCUT=AP=0.001 MeV；電子步進(jìn)算法和邊界穿越算法分別設(shè)為PRESTA-Ⅱ和EXACT。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。選取30 例顱內(nèi)腫瘤放療病例的計(jì)劃CT 數(shù)據(jù)，導(dǎo)入EGSnrc 程序的ctcreate子程序生成Monte Carlo 模擬用體素仿體數(shù)據(jù)。

（2）Monte Carlo 模擬。通過(guò)EGSnrc 程序進(jìn)行Monte Carlo 模擬，30 例病例均模擬4 種掃描協(xié)議（見表1），每種掃描協(xié)議均選取5 個(gè)等中心（記為iso）位置進(jìn)行模擬，最終4 種掃描協(xié)議各生成5 組結(jié)果。等中心位置選取示意圖如圖1 所示，分別標(biāo)記為iso1、iso2、iso3、iso4、iso5，其中眼晶體層面的等中心位置標(biāo)記為iso3。

圖1 等中心位置選取示意圖

（3）眼晶體吸收劑量的獲取。Monte Carlo 模擬結(jié)束后生成對(duì)應(yīng)的相空間文件，通過(guò)EGSnrc 程序的DOSXYZnrc 和dosxyz_show 對(duì)該文件進(jìn)行分析，得到眼晶體的吸收劑量，并記錄左右眼晶體的平均值。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 26.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)V1.5 和V1.6 各自的每種掃描協(xié)議不同等中心位置的結(jié)果、同一等中心位置V1.5 的3 種掃描協(xié)議及V1.6 的1種掃描協(xié)議進(jìn)行配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)，P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

30 例病例4 種掃描協(xié)議5 個(gè)等中心位置的眼晶體吸收劑量結(jié)果見表2。由表2 可知，不同掃描協(xié)議之間眼晶體吸收劑量的平均值有明顯差異，吸收劑量整體最高的掃描協(xié)議為高質(zhì)量頭協(xié)議，iso3的吸收劑量平均值為19.53 mGy，吸收劑量最低的掃描協(xié)議為低劑量頭協(xié)議，ios1、ios2、ios4和ios5的吸收劑量平均值均為1.91 mGy；標(biāo)準(zhǔn)劑量頭協(xié)議和頭部協(xié)議的吸收劑量平均值介于高質(zhì)量頭協(xié)議和低劑量頭協(xié)議之間。不同等中心各掃描協(xié)議間的眼睛體吸收劑量配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)結(jié)果見表3。不同掃描協(xié)議各等中心間的眼晶體吸收劑量對(duì)比如圖2 所示，每種掃描協(xié)議均表現(xiàn)為ios3與其余4 個(gè)等中心相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），其余4 個(gè)等中心間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。不同等中心各掃描協(xié)議間的眼晶體吸收劑量對(duì)比如圖3 所示，每個(gè)等中心位置均表現(xiàn)為任意2 種掃描協(xié)議之間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。

表2 30 例病例4 種掃描協(xié)議5 個(gè)等中心位置的眼晶體吸收劑量結(jié)果（±s，n=30）單位：mGy

表2 30 例病例4 種掃描協(xié)議5 個(gè)等中心位置的眼晶體吸收劑量結(jié)果（±s，n=30）單位：mGy

掃描協(xié)議 iso1 iso2 iso3 iso4 iso5標(biāo)準(zhǔn)劑量頭 3.58±0.193.57±0.194.10±0.183.56±0.193.57±0.18低劑量頭 1.91±0.081.91±0.072.43±0.081.91±0.071.91±0.08 V1.5（Clinac iX）高質(zhì)量頭 19.01±0.5919.03±0.6119.53±0.6418.98±0.6319.04±0.59 V1.6（TureBeam）頭部 3.05±0.093.04±0.083.47±0.093.04±0.073.05±0.08

表3 不同等中心各掃描協(xié)議間的眼晶體吸收劑量配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)結(jié)果（n=30）

圖2 不同掃描協(xié)議各等中心間的眼晶體吸收劑量對(duì)比

圖3 不同等中心各掃描協(xié)議間的眼晶體吸收劑量對(duì)比

3 討論

有研究表明，多次CBCT 引導(dǎo)的累積輻射劑量會(huì)導(dǎo)致輻射二次致癌等風(fēng)險(xiǎn)增加[11-13]，而顱內(nèi)腫瘤放療中，眼晶體的吸收劑量升高會(huì)使白內(nèi)障等副作用出現(xiàn)的概率大幅增加（目前白內(nèi)障形成的輻射劑量閾值為2 Gy）[7，14]。頭部腫瘤放療中，眼晶體的耐受吸收劑量極低且較難通過(guò)直接測(cè)量準(zhǔn)確得到[8]，不同掃描協(xié)議、不同等中心位置下CBCT 引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量相關(guān)研究很少，因此本研究采用Monte Carlo 方法[15]來(lái)評(píng)估圖像引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量（針對(duì)kV 級(jí)CBCT）。Monte Carlo方法在放療中可用于模擬放療設(shè)備中大量粒子在物質(zhì)中的輸運(yùn)歷程，通過(guò)大量粒子的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，從粒子的產(chǎn)生到輸運(yùn)歷程中吸收或穿透物質(zhì)的全過(guò)程均可得到可信的結(jié)果。本研究采用的模擬粒子數(shù)量級(jí)為1×109，由模擬本身引入的不確定度小于2%，經(jīng)計(jì)算最終引入的模擬值與實(shí)測(cè)值的差異平均值在±0.8%以內(nèi)。因此，模擬出的眼晶體吸收劑量具有較高的準(zhǔn)確性。

CBCT 引導(dǎo)的輻射劑量與多個(gè)掃描參數(shù)密切相關(guān)，包括管電流、管電壓、掃描直徑、射束寬度等。本課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)管電流是對(duì)CBCT 圖像引導(dǎo)輻射劑量影響最大的參數(shù)，Varian 的CBCT 系統(tǒng)掃描協(xié)議雖然射束寬度、管電壓、掃描直徑等參數(shù)不同，但是當(dāng)管電流接近時(shí)，圖像引導(dǎo)引入的輻射劑量差異均較小[16]。本研究的標(biāo)準(zhǔn)劑量頭協(xié)議（Clinac iX）和頭部協(xié)議（TureBeam）的管電流基本相同，標(biāo)準(zhǔn)劑量頭協(xié)議的掃描直徑和射束寬度均小于頭部協(xié)議，但標(biāo)準(zhǔn)劑量頭協(xié)議的眼晶體吸收劑量卻高于頭部協(xié)議，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。主要原因是由于TureBeam 的CBCT 系統(tǒng)相比Clinac iX 增加了射束硬化濾波，該結(jié)構(gòu)能夠抑制部分低能光子，減小輻射劑量，因此也降低了眼晶體的吸收劑量。該結(jié)果同樣印證了前期研究[16]掃描協(xié)議參數(shù)差異較小時(shí)，Clinac iX 的CBCT 輻射劑量高于TureBeam。

本研究結(jié)果顯示，不同的掃描協(xié)議對(duì)眼晶體的吸收劑量有較大影響。參與研究的30 例病例中，低劑量頭協(xié)議的眼晶體吸收劑量最低的等中心平均值為1.91 mGy，高質(zhì)量頭協(xié)議中吸收劑量最高的等中心平均值高達(dá)19.53 mGy。因此，顱內(nèi)腫瘤放療中，為了減少圖像引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量，應(yīng)在圖像質(zhì)量和輻射更低的掃描協(xié)議之間權(quán)衡，而每次治療均需要進(jìn)行圖像引導(dǎo)時(shí)，不應(yīng)使用高質(zhì)量頭協(xié)議這類高輻射劑量的掃描協(xié)議；當(dāng)必須使用高輻射劑量的掃描協(xié)議時(shí)，應(yīng)在患者的治療計(jì)劃中考慮CBCT圖像引導(dǎo)引入的額外眼晶體吸收劑量，確保整個(gè)療程中患者的眼晶體吸收劑量低于其輻射閾值。當(dāng)掃描協(xié)議一定時(shí)，不同的等中心位置對(duì)眼晶體的吸收劑量影響較小，然而研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)位于眼晶體后方的等中心iso3的吸收劑量高于其他4 個(gè)等中心。因此，顱內(nèi)腫瘤放療中，治療等中心位于眼晶體后方區(qū)域附近時(shí)，在治療計(jì)劃中考慮圖像引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量應(yīng)適當(dāng)增加其劑量值。

早期的CBCT 掃描協(xié)議輻射劑量均較高，如Cheng 等[17]報(bào)道的早期Varian 頭部CBCT 掃描協(xié)議單次圖像引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量平均值高達(dá)59.38 mGy。多年來(lái)CBCT 廠商采取多種措施努力達(dá)到低輻射劑量、高圖像質(zhì)量的圖像引導(dǎo)[18]，本研究頭部掃描協(xié)議的峰值電壓已由最初的125 kVp 降至100 kVp，掃描范圍也由360°減小到200°。因此，本研究涉及的CBCT 頭部掃描協(xié)議引入的眼晶體吸收劑量與早期掃描協(xié)議相比已有較大幅度降低，吸收劑量最大的等中心（高質(zhì)量頭協(xié)議中）其平均值為19.53 mGy，遠(yuǎn)低于Cheng 等[17]報(bào)道的平均值。然而，高質(zhì)量頭協(xié)議單次圖像引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量仍然較高，尤其是類似Halcyon 的新一代放療設(shè)備（強(qiáng)制每次治療均需圖像引導(dǎo)），患者在整個(gè)放療過(guò)程中由CBCT 多次引導(dǎo)引入的吸收劑量仍處于較高水平，在臨床使用中應(yīng)引起重視。為了保證顱內(nèi)腫瘤放療患者的安全，可采取必要的措施，如佩戴鉛護(hù)目鏡或增加金屬防護(hù)罩等，以大幅降低眼晶體的吸收劑量。為了兼顧圖像質(zhì)量和防護(hù)效果，建議首選鉍防護(hù)罩（已被證實(shí)對(duì)圖像影響較?。19]。

本研究的不足之處是未能對(duì)更多的主流CBCT系統(tǒng)進(jìn)行模擬，下一步將對(duì)醫(yī)科達(dá)等公司的主流CBCT 系統(tǒng)進(jìn)行模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證顱內(nèi)腫瘤放療中kV級(jí)CBCT 引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量。

綜上所述，不同的掃描協(xié)議、不同的等中心位置對(duì)CBCT 引導(dǎo)引入的眼晶體吸收劑量均有影響，前者大于后者。另外，CBCT 引導(dǎo)的眼晶體吸收劑量不容忽視，引導(dǎo)次數(shù)較多時(shí)，應(yīng)在治療計(jì)劃中充分考慮其影響。