圖像引導(dǎo)放療CBCT輻照劑量研究現(xiàn)狀述評(píng)

馬 偉 尤天志 孫亞平

寧夏回族自治區(qū)人民醫(yī)院 寧夏銀川 750002

國(guó)際上放射治療使用非常廣泛,70%～80%的腫瘤需要放射治療。放射治療是使用放射性射線照射腫瘤部位,使癌細(xì)胞DNA斷裂或失去繁殖能力。以近距離放療(brachytherapy,BT)、調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy,IMRT)、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療(volume modulated arc therapy,VMAT)、立體定向放療(stereotactic radiosurgery,SRS)為代表的現(xiàn)代放療技術(shù)極大改善了腫瘤的致死輻射劑量分布與腫瘤形狀的適形度[1-2]。然而,由于這些技術(shù)使靶區(qū)邊緣到相鄰危及器官(organ at risk,OAR)的劑量跌落很大[3],故微小的靶區(qū)位移將導(dǎo)致較大的放療劑量偏差。為保證腫瘤控制率和避免正常器官損傷,這些技術(shù)臨床使用時(shí)對(duì)患者腫瘤位置的精準(zhǔn)度要求更高,影像引導(dǎo)放療(image guided radiotherapy,IGRT)應(yīng)運(yùn)而生。

1 IGRT設(shè)備評(píng)述

1.1 IGRT設(shè)備

最早的醫(yī)用電子加速器使用膠片驗(yàn)證治療過(guò)程中患者擺位準(zhǔn)確性,通過(guò)膠片采集加速管產(chǎn)生的低能X射線獲得 “射野照片”。由于當(dāng)時(shí)的膠片沖洗需要時(shí)間,該功能不能用于放療患者擺位誤差的糾正,只能起到驗(yàn)證記錄的作用。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的進(jìn)步,IGRT技術(shù)已經(jīng)可以克服上述缺點(diǎn)。目前臨床應(yīng)用的影像引導(dǎo)設(shè)備有二維成像的有:①KV級(jí)X線攝片和透視系統(tǒng),②扇形束CT(fan beam CT,FBCT)[4],③機(jī)架上的KV-KV系統(tǒng)或KV-MV系統(tǒng);三維成像的有:① 電子射野影像系統(tǒng)(electronic portal imaging device,EPID)[5],②KV或MV錐形束CT(Cone Beam CT,CBCT)[6],③ 放療室內(nèi)CT,④MV級(jí)斷層CT,⑤MR和⑥PET-CT[7]等。IGRT在治療前和治療中通過(guò)系統(tǒng)提供的X線透視監(jiān)測(cè)和靶區(qū)成像,可以獲得患者的二維/三維組織影像,并經(jīng)過(guò)配套的在線圖像(on board Image,OBI)引導(dǎo)設(shè)備,進(jìn)行在線放療靶區(qū)位置修正,從而減少因靶區(qū)位置誤差引起的放療劑量誤差[8]。IGRT技術(shù)還可以根據(jù)特殊器官大小的變化調(diào)整治療條件(如尿量、腸道脹氣等),最終使照射野緊緊“追隨”靶區(qū),保證放療位置精準(zhǔn)性。IGRT的使用使靶區(qū)位置建立在內(nèi)靶區(qū)基礎(chǔ)上,而不單單依賴(lài)體表標(biāo)記。

以上二維IGRT設(shè)備的X線攝片和透視設(shè)備都與治療設(shè)備結(jié)合在一起,這種方式的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是時(shí)間縮短,缺點(diǎn)是只能獲取二維醫(yī)學(xué)圖像。三維成像IGRT設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示:

表1 IGRT設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.2 CBCT的使用及輻射

目前主流的直線加速器(LINAC)生產(chǎn)廠家瓦里安(Varian)、醫(yī)科達(dá)(Elekta)的X射線圖像采集系統(tǒng)(Elekta XVI和Varian OBI)均為CBCT,由非晶硅平板探測(cè)器(kVD)和機(jī)械臂支撐的千伏X射線源(kVS)構(gòu)成,并與LINAC的等中心垂直安裝(圖1)。

圖1 瓦里安和醫(yī)科達(dá)直線加速器及所帶CBCT系統(tǒng)

不同于傳統(tǒng)的扇形束CT(FBCT)掃描,CBCT掃描的原理是:X線發(fā)生器產(chǎn)生的圓錐形的X射線圍繞投照體做環(huán)形DR(數(shù)字式投照),被探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息,再經(jīng)計(jì)算機(jī)“reconstruction”形成三維圖像。即CBCT利用X射線的穿透性獲取患者內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。CBCT不僅為放療的精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)治療提供了設(shè)備基礎(chǔ)[9-11],同時(shí)還被廣泛應(yīng)用于治療過(guò)程運(yùn)動(dòng)管理[12; 13]、計(jì)劃劑量重建[14]和自適應(yīng)放療[15]等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域,是放療中最為重要的IGRT技術(shù)之一。

CBCT利用kV級(jí)X射線的穿透原理進(jìn)行成像,因此CBCT的圖像引導(dǎo)會(huì)對(duì)患者造成額外的輻射劑量。眾所周知,診斷CT(computerized tomography)掃描具有輻射(掃描一次造成的輻射劑量大約是2～10mSv),其致癌風(fēng)險(xiǎn)已被醫(yī)院和公眾廣為重視[16]。然而,CBCT在放射治療圖像引導(dǎo)中的單次劑量和掃描次數(shù)均高于診斷用的螺旋CT[17],但由于其劑量相對(duì)于治療腫瘤的處方劑量很低(<1%),故CBCT的額外輻射風(fēng)險(xiǎn)早先被忽視[18]。目前CBCT掃描所累積的二次致癌風(fēng)險(xiǎn)正日益受到監(jiān)管機(jī)構(gòu)和放療學(xué)界的關(guān)注,如美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(huì)(american academy of pain medicine,AAPM)專(zhuān)門(mén)發(fā)布了TG-75號(hào)報(bào)告[19],反復(fù)強(qiáng)調(diào)了IGRT過(guò)程中成像劑量管理的重要意義。

2 CBCT輻照劑量評(píng)述

而CBCT輻射劑量的準(zhǔn)確計(jì)算是對(duì)潛在有害附加劑量進(jìn)行評(píng)估的重要舉措,也是圖像引導(dǎo)方案優(yōu)化的前提。截至目前,常規(guī)商用放療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment plan system,TPS)無(wú)法計(jì)算CBCT的輻射劑量,故在患者物理計(jì)劃制作時(shí)并未考慮,使CBCT輻照劑量以額外劑量的形式存在。

2.1 劑量估算表達(dá)式

2.1.1 基于一般CT的劑量估算 CTDI100表示的是CT劑量指數(shù)100,用來(lái)反映CT 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量模體中某一點(diǎn)所沉積的 X射線能量,其值定義為:CT旋轉(zhuǎn)一周,將平行于旋轉(zhuǎn)軸(z軸)的劑量分布D (z) 沿Z 軸從-50 mm 到+50 mm積分,除以?huà)呙钄鄬訑?shù)n和層厚T的乘積之商。即:

(1)

由于同一模體不同位置的輻射劑量有所差異,為了更好的表達(dá)整體的輻射劑量水平,引入加權(quán)CT 劑量指數(shù)(CTDIw)來(lái)描述CT 所掃描某一斷層平面上的平均劑量狀況,即CTDIw能準(zhǔn)確反映掃描平面中的平均劑量,計(jì)算公式如下:

(2)

(3)

CT螺距(因子)等于Δd / N·T;Δd 為X射線管每旋轉(zhuǎn)一周治療床移動(dòng)的距離;N為一次旋轉(zhuǎn)掃描產(chǎn)生的斷層層數(shù);T為掃描層厚。CTDIvol反映了整個(gè)掃描容積中的平均劑量。

2.1.2 基于CBCT條件的劑量估算 CBCT掃描時(shí),模體在不同半徑R、能量E、掃描野FOV(Field Of View)、模體深度d的輻照劑量表達(dá)式如下:

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

(4)

其中DCBCT為模體中的劑量,單位是cGy;E為射線束能量;R為模體中的半徑;d為模體中的深度;XRef為參考大小野的照射量率,單位是R/mAs;ROF為此FOV的相對(duì)輸出因子;fCBCT為劑量轉(zhuǎn)換系數(shù),它是完成一次CBCT采集對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑的函數(shù),單位是cGy/R;T為總電流和時(shí)間的乘積,單位是mAs。

2.2 CBCT輻射劑量評(píng)估方法

CBCT的輻射劑量射劑量評(píng)估方法分實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算兩種。

2.2.1 模體實(shí)驗(yàn)測(cè)量 通過(guò)對(duì)均勻模體中心或體內(nèi)、表面多處的劑量使用探測(cè)器(如電離室、熱釋光探測(cè)器等)進(jìn)行測(cè)量,再代入公式2可得到CBCT的額外輻照劑量。然而,由于不同廠商的CBCT系統(tǒng)存在差異,并且國(guó)內(nèi)外缺乏統(tǒng)一規(guī)范的CBCT掃描模式,導(dǎo)致模體測(cè)量值難以反映不同廠商、不同單位的CBCT實(shí)際輻照劑量。如VARIAN公司OBI兩種常規(guī)掃描模式下的參數(shù)及輻射劑量(以CTDIW表示)如表2所示:

表2 VARIAN CBCT兩種常規(guī)掃描模式對(duì)應(yīng)參數(shù)

同時(shí),由于模體和真實(shí)人體的差別,此方法測(cè)量的CBCT劑量對(duì)臨床的指導(dǎo)價(jià)值有限。

2.2.2 模擬計(jì)算 蒙特卡羅模擬算法被公認(rèn)為劑量計(jì)算的“金標(biāo)準(zhǔn)”,計(jì)算對(duì)象通常為國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)第110號(hào)報(bào)告發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)人模體,其在國(guó)際機(jī)構(gòu)之間普遍用于劑量學(xué)交流和比較,具備較高的通用參考價(jià)值。但是這個(gè)人體模型是高加索白種人,其身高、體重、器官質(zhì)量等特征與我國(guó)人口平均水平有較大差異。

2.3 CBCT劑量研究現(xiàn)狀

2.3.1 模體測(cè)量 國(guó)內(nèi)外對(duì)模體在不同CBCT掃描模式下受到的輻射劑量的測(cè)量研究較成熟。吳國(guó)華[6]等對(duì)Elekta公司的XVI kV級(jí)CBCT劑量進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明:①測(cè)量參數(shù)T(mAs)對(duì)劑量影響較大;②測(cè)量平均劑量在0.1 cGy～5.39 cGy之間,使用“Pelvic”方案在模體上測(cè)得的劑量最高;③采用不同濾過(guò)器Half Fan和Full Fan,劑量學(xué)上有明顯差異,使用Full Fan濾過(guò)器,測(cè)得劑量較Half Fan高25%～30%。同時(shí),該研究指出,為減少病人接受的額外劑量,對(duì)于兒童病人及頭頸部病人,建議盡量使用頭頸部掃描方案及Half Fan濾過(guò)器;對(duì)于胸部和盆腔部掃描,也建議使用Half Fan過(guò)濾器。

Islam[20]等人對(duì)Elekta XVI kV級(jí)CBCT在兩種常規(guī)掃描模式下的劑量進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量結(jié)果概況如表3所示。

表3 Elekta XVI kV級(jí)CBCT劑量(Ref. [20])

Li-Rong Zhao15使用熱釋光探測(cè)器 (thermoluminescent detector, TLD)測(cè)量了瓦里安千伏級(jí)CBCT的輻射劑量,結(jié)果為離皮膚表面0 cm處的劑量為21.5 mGy,離皮膚表面5 cm處的劑量為24 mGy,離皮膚表面10 cm處的劑量為48 mGy。郭文等[21]對(duì)瓦里安kV級(jí)CBCT系統(tǒng)劑量學(xué)的一致性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)瓦里安CBCT的球管電壓偏差有隨著使用年限增加的趨勢(shì),因此提出了應(yīng)將CBCT的劑量學(xué)一致性作為常規(guī)質(zhì)量控制(quality assurance,QA)和質(zhì)量保證(quality control,QC)工作的一部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3.2 模擬計(jì)算 國(guó)外諸多學(xué)者使用蒙特卡羅模擬算法計(jì)算了CBCT劑量[22-30]。Kihong Son等17使用Geant4的層析成像發(fā)射(GATE)蒙特卡羅模擬工具包計(jì)算了機(jī)載成像儀(OBI)六種不同采集協(xié)議的成像輻射劑量,并分析了成人和兒童數(shù)字XCAT模體的各器官吸收劑量。計(jì)算的器官劑量范圍為:成人體模為0.1～24.1 mGy,兒童體模為0.1～36.8 mGy。即圖像引導(dǎo)兒童幼肢的劑量始終高于對(duì)成人幼肢的劑量,這與George X. Ding18等的劑量增加是病人尺寸減少的兩倍的結(jié)論一致。同時(shí),George X. Ding等還計(jì)算了X射線源在患者下方旋轉(zhuǎn)200°時(shí),眼睛和脊髓的劑量分別為0.2 cGy和0.35 cGy;而在患者上方掃描時(shí),分別為0.65cGy和0.2cGy;對(duì)于直腸,上下旋轉(zhuǎn)分別是1.1 cGy和2.8 cGy。旋轉(zhuǎn)360°X射線源時(shí),Pelvis 掃描劑量是1～2 cGy。

目前國(guó)內(nèi)使用蒙特卡羅模擬方法計(jì)算CBCT劑量研究較少,張藝寶等人[31]使用此方法研究了美國(guó)瓦里安公司CBCT系統(tǒng)的默認(rèn)胸部掃描模式下標(biāo)準(zhǔn)人模體ICRP110的輻射劑量,結(jié)果顯示:CTDI 模體測(cè)量與計(jì)算值差異<2.9%,Alderson 模體內(nèi)差異≤0.05 cGy。ICRP110模體的左肺、右肺、左乳、右乳、心臟、甲狀腺、氣管、松質(zhì)骨、密質(zhì)骨的 Dmoan 分別為1.28、1.39、1.74、1.80、1.46、0.48、0.88、0.85、1.84 cGy。單次掃描對(duì)應(yīng)的缺血性心臟病、乳腺癌、肺癌、甲狀腺癌、氣管癌的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值分別為1.001、1.009、1.019、1.000、1.008。該研究指出, CBCT 成像在影像引導(dǎo)胸部放療過(guò)程中的累積劑量及其遠(yuǎn)期風(fēng)險(xiǎn)不可忽略且應(yīng)被合理管控。盛尹祥子等計(jì)算了中國(guó)女性參考人[32-33],結(jié)果顯示,在入射光子能量低于0.2 MeV 時(shí),與ICRP參考人相比,兩模型某些器官劑量當(dāng)量和有效劑量存在著較大的差異(10%～53%),主要原因是光子能量越低,受體位和深度等的影響越嚴(yán)重。

3 總結(jié)與思考

腫瘤患者放射治療時(shí)通過(guò)CBCT圖像引導(dǎo),可減少由于腫瘤位置變化(來(lái)源于擺位或器官移動(dòng)等)導(dǎo)致的放療劑量誤差。但是對(duì)于IGRT的實(shí)踐者來(lái)說(shuō),必須重視CBCT掃描所產(chǎn)生的額外輻照:

3.1 累積劑量需重視

雖然一次CBCT圖像引導(dǎo)造成的輻射劑量并不高,為3～8 mSv[19-20]。但是重復(fù)掃描將使劑量翻倍,如30次標(biāo)準(zhǔn)的胸部圖像引導(dǎo)將達(dá)到240 mSv。這已經(jīng)顯著超過(guò)了國(guó)家對(duì)于公眾輻射當(dāng)量劑量的要求,且即將接近低劑量范圍(約250 mSv)上限,此時(shí)在免疫力低下或者促癌因素存在時(shí),存在致癌風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)遭遇日本核爆的幸存者的長(zhǎng)期調(diào)查顯示,雖然低劑量(約250 mSv)受照者無(wú)任何臨床表現(xiàn)癥狀,其白血病或其他實(shí)體癌的發(fā)生率都和一般人相同。但是從輻射安全的角度出發(fā),輻射活動(dòng)實(shí)踐正當(dāng)化判斷中都采用嚴(yán)謹(jǐn)保守的線性無(wú)閾假說(shuō),即假設(shè)人體受到輻射時(shí),不管劑量高低,都存在不良遺傳和引發(fā)癌癥的機(jī)率,且與接收劑量成正比,國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Radiological Protection:ICRP)電離輻射衛(wèi)生防護(hù)部門(mén)均沿用此假設(shè)。

3.2 CBCT引導(dǎo)考量原則

CBCT圖像引導(dǎo)不能簡(jiǎn)單地遵從輻射防護(hù)最優(yōu)化和ALARA (as low as reasonably achievable) 原則,而是需要根據(jù)“value-based radiology”綜合評(píng)估。Radiology主要指患者接受到的額外輻照和圖像引導(dǎo)的費(fèi)用,Value主要是對(duì)治療劑量一致性的改善。腫瘤患者放療時(shí)合理的CBCT圖像引導(dǎo)操作可使患者的腫瘤治療效果最好且CBCT造成的輻射風(fēng)險(xiǎn)最低。

與治療光束不同,CBCT的輻射遍布全身,對(duì)全身形成無(wú)差別的輻照。CBCT的輻射并不能治療腫瘤,而是造成治療野外毫無(wú)遮擋的危及器官(organ at risk, OAR)的損傷,和治療野內(nèi)OAR輻照劑量的超量。如圖像引導(dǎo)外科手術(shù)中,已發(fā)現(xiàn)由于長(zhǎng)時(shí)間的透視檢查而導(dǎo)致的嚴(yán)重皮膚燒傷案例[34]。總而言之,可以通過(guò)減少掃描長(zhǎng)度、曝光設(shè)置、選擇機(jī)架旋轉(zhuǎn)角度和盡可能使用濾過(guò)器來(lái)減少劑量。

3.3 CBCT輻照劑量評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)

由于不同腫瘤所處的位置不同,周邊的危及器官不同,所以常見(jiàn)腫瘤的CBCT劑量分布也不同。目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有建立常用圖像引導(dǎo)臨床模式下CBCT額外劑量分布,也沒(méi)有將病人危及器官的CBCT劑量與放射治療計(jì)劃(treatment plan system, TPS)中劑量進(jìn)行疊加分析。為使有劑量限制的危及器官得到保護(hù),以后的工作應(yīng)建立常見(jiàn)腫瘤的CBCT劑量分布模型,分析CBCT輻照對(duì)不同腫瘤的影響規(guī)律;考慮將病人危及器官的CBCT劑量與放射治療計(jì)劃(TPS)中劑量疊加分析,以定性、定量理解CBCT圖像引導(dǎo)給OAR造成的額外輻照劑量,從而實(shí)現(xiàn)病人的精確放療。

同時(shí),結(jié)合近些年臨床上積累的新經(jīng)驗(yàn),科研上的新進(jìn)展,可利用national research council (NRC)發(fā)布的電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)的報(bào)告(biological effects of Ionizing radiation-VII, 簡(jiǎn)稱(chēng)BEIR VII)評(píng)估計(jì)算CBCT輻射致癌風(fēng)險(xiǎn)[35]。如使用CBCT進(jìn)行胸部掃描時(shí),輻射導(dǎo)致的缺血性心臟病風(fēng)險(xiǎn)可利用《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》(the new england journal of medicine)發(fā)表的模型評(píng)估;尤其是根據(jù)GB8282—2000《放射性皮膚疾病診斷標(biāo)準(zhǔn)及處理原則》,分析對(duì)皮膚的影響。

3.4 國(guó)情考慮

現(xiàn)有在OBI掃描模式下輻射劑量的蒙特卡羅模擬計(jì)算研究對(duì)象大多是以高加索人為代表的歐美人,尚無(wú)針對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體格的人模體的計(jì)算。不同人種在同一掃描方式下受到的輻照劑量分布不同,特別是國(guó)際上普遍推薦的CBCT 協(xié)議是否適用于中國(guó)患者需要驗(yàn)證。因此需要對(duì)不同性別、年齡、腫瘤類(lèi)型的中國(guó)人模體輻照劑量進(jìn)行計(jì)算,才能更加精確地評(píng)價(jià)中國(guó)患者和放射工作人員、公眾的受照劑量。