前列腺癌图像引导放疗中kV级CBCT扫描的剂量学研究

张白霖， 朱琳， 戴振晖， 陈艳灿， 张胜峰， 刘小伟， 王学涛*

（1广东省中医院，广东 广州 510006；2广州中医药大学第二附属医院，广东 广州 510006；3中山大学 物理学院，广东 广州 510275）

·论著·

前列腺癌图像引导放疗中kV级CBCT扫描的剂量学研究

张白霖1,2， 朱琳1,2， 戴振晖1,2， 陈艳灿1,2， 张胜峰1,2， 刘小伟3， 王学涛1,2*

（1广东省中医院，广东 广州 510006；2广州中医药大学第二附属医院，广东 广州 510006；3中山大学 物理学院，广东 广州 510275）

目的评估前列腺癌图像引导放疗中，kV-CBCT扫描对直肠、膀胱及股骨头产生的额外图像剂量。方法采用蒙特卡罗方法建立kV-CBCT物理模型，结合患者的CT图像，模拟扫描条件，计算感兴趣区域的剂量。结果44次CBCT扫描，直肠受到的平均剂量为77.8 cGy，膀胱为79.6 cGy，股骨头为159 cGy。结论图像引导放疗将对危及器官产生不可忽略的图像剂量，在计划设计中，需谨慎评估原计划是否依然满足处方要求。

图像引导放疗；前列腺癌；剂量计算

现今，图像引导放射治疗技术 （image guided radiotherapy，IGRT）正在广泛开展［1］。IGRT通过治疗分次间和治疗分次中的影像信息识别和定位肿瘤靶区和危及器官，帮助患者摆位、评估器官与肿瘤体积变化［2］。IGRT越来越频繁地采用kV级CBCT（cone beam computed tomography）。尽管CBCT剂量低于CT，但整个疗程中多次扫描产生的额外 “图像剂量”不可忽略，甚至可能增加二次致癌几率，这些推测在美国医学物理学会发布的TG75报告中被验证和评估［3］。因此，放疗中CBCT成像产生的剂量 （CBCT图像剂量）是一个值得关注的问题。传统CT基于体模剂量测量提出CTDI概念描述CT设备剂量特性，针对出现的多层切片CT、旋转CT、CBCT等新技术，又发展出CTDIFDA、CTDI100、CTDIw、CTDIvol、DLP等基于CTDI概念的剂量描述方法，但针对CBCT的CTDI描述还需进一步验证和改进［4－5］。目前商用放疗计划系统配置的剂量算法只能针对MV级光子线进行计算［6］，无法对CBCT剂量进行理论计算。蒙特卡罗方法是一种随机算法，通过对粒子与物质相互作用进行随机模拟以获得粒子在介质中的能量沉积分布，被公认为剂量计算的金标准。本研究根据厂家提供的设备参数对实际的CBCT设备建立物理模型，采用蒙特卡罗方法模拟kV射线源的粒子输运，准确计算CBCT产生的图像剂量，现报道如下。

1 材料与方法

选取一个前列腺放疗计划，该计划临床靶区 （CTV）处方剂量50.4 Gy分28次实现，肿瘤靶区GTV处方剂量28.8 Gy分16次实现。正常组织的处方要求为：直肠接受75 Gy剂量的体积小于 15% （V75＜15%），接受 70 Gy剂量的体积小于 25%（V70＜25%）；膀胱V80＜15%，V75＜25%；股骨头没有超过45 Gy的体积。放疗计划实施过程中共进行44次CBCT扫描，用于图像引导患者的日常摆位。使用自行编写的C＋＋程序从计划中提取包含前列腺肿瘤靶区和危及器官 （直肠、膀胱和股骨头）轮廓信息的CT图像，转换成三维网格化数据，每个网格记录该位置的物质类型 （软组织、水、脂肪、肺、骨头、空气）和相对密度信息。该三维网格数据将用于蒙特卡罗剂量计算。

基于蒙特卡罗方法的EGSnrc软件包开发初衷是针对放疗（直线加速器）中MV级射线的剂量计算［7－8］，近年来，该软件被成功地应用于kV级射线 （CT系统）的建模和计算。本研究使用EGSnrc软件包中的BEAMnrc和DOSXYZnrc来模拟CBCT扫描过程，计算人体内各部位接受的剂量。

首先，使用BEAMnrc对基于瓦里安公司的EDGE医用加速器搭载的kV级CBCT设备进行建模。X线管内部靶材料为95%W和5%Rh，靶面与垂直出射方向呈14°偏角，电子束垂直出射至靶面，形成标称0.4 mm或1.0 mm的焦斑，CBCT模式使用1.0 mm焦斑。X射线出窗后依次经过初级准直器、监测电离室、次级准直器、蝴蝶结状均整器［9］等部件出射至扫描区域。各部件的尺寸及材料均按厂家提供的数据进行建模。

本研究所使用的CBCT设备有多组可选扫描参数，对应不同扫描需求。各组扫描参数的主要区别是：X射线能量可选100 kVp或 125 kVp、均整器可选半蝴蝶结状或全蝴蝶结状、曝光量 （mAs）等。针对前列腺癌，使用125 kVp－半蝴蝶结状均整器进行扫描，曝光量250 mAs。使用BEAMnrc建立CBCT机头模型，生成相空间文件PSF（particle source file）。将相空间文件及患者的三维网格数据输入DOSXYZnrc程序，模拟计算患者体内的剂量分布，获得行一次CBCT扫描时其直肠、膀胱及股骨头受到的图像剂量。

2 结果

前列腺癌放疗过程中，CBCT扫描产生的剂量见表1。

表1 前列腺癌放疗中CBCT扫描产生的剂量

44次CBCT扫描，直肠受到的平均剂量为77.8 cGy，膀胱为79.6 cGy，而股骨头为159.0 cGy。将CBCT扫描对人体产生的图像剂量与放疗计划预期的剂量叠加，对未考虑图像剂量影响（实线）与考虑图像剂量影响 （虚线）进行比较的剂量体积直方图见图1。

图1 剂量体积直方图

考虑图像剂量影响后，直肠剂量体积由V70＝14.0%、V75＝21.5%上升至V70＝14.5%、V75＝22.1%，依然满足处方要求（V70＜15%、V75＜25%）。膀胱剂量体积由V80＝4.1%、V75＝7.5%上升至V80＝4.58%、V75＝7.9%。尽管股骨头图像剂量的影响程度相对较高，剂量体积依然≤45 Gy，满足临床处方要求。

需要注意的是，尽管本研究中的图像剂量并不导致放疗计划违反处方剂量要求，但图像剂量对DVH指标的影响仍提示临床上需谨慎设计放疗计划，为危及器官留出足够的“剂量空间”。另外，CBCT不同的扫描参数 （曝光量、均整器等），可产生不同图像剂量。前列腺放疗需特别关注直肠和股骨头的剂量，因此实施IGRT时可根据图像剂量修改处方剂量要求。本研究中，44次CBCT扫描直肠的图像剂量约为0.8 Gy，在放疗计划系统中做计划设计时，可将V75＜25%修改为V74.2＜25%。该方式可解决目前商用放疗计划系统无法考虑图像剂量的问题。

3 讨论

本研究使用蒙特卡罗方法，评估采用CBCT开展图像引导技术在前列腺癌放疗患者中产生的额外图像剂量对放疗计划的影响。将图像剂量对危及器官的影响呈现在剂量体积直方图中进行比较，结果发现，尽管应用图像引导技术时，患者的危及器官接受的剂量依然满足临床处方要求，但图像剂量对总剂量存在可观察到的影响。因此，对于IGRT，累加图像剂量并重新评估放疗计划是必要的。因为商用的放疗剂量系统只配备了MV级光子线的剂量算法，无适合kV级光子线的剂量算法［6］，蒙特卡罗算法为计算IGRT产生的图像剂量提供了可靠途径。

扫描用X射线覆盖患者肿瘤附近的整个身体，包含肿瘤靶区和危及器官，剂量分布比X射线更均匀。因此，在相同扫描参数下，CBCT扫描对不同患者产生的图像剂量差异不大。除扫描参数外，另一个可能影响图像剂量的因素是患者的胖瘦程度。因此患者体型与图像剂量的相关性值得深入研究分析。

除了前列腺癌，还需要对其他部位放疗做更多的研究，并开发一个精确且快速的图像剂量计算方法，便于IGRT的计划设计时考虑图像剂量。

[1] 殷蔚伯.肿瘤放射治疗学 [M].第4版.北京:中国协和医科大学出版社,2008:1007-1049.

[2] 胡逸民.肿瘤放射物理学 [M].北京:原子能出版社,2003:296-308.

[3] Murphy MJ,Balter J,Balter S,et al.The management of imaging dose during image-guided radiotherapy:report of the AAPM Task Group 75 [J].Med Phys,2007,34(10):4041-4063.

[4] Brenner DJ.Is it time to retire the CTDI for CT quality assurance and dose optimization?[J].Med Phys,2005,32(10):3225-3226.

[5] Boone JM.The trouble with CTD100[J].Med Phys,2007,34(4): 1364-1371.

[6] Ding GX,Duggan DM,Coffey CW.Characteristics of kilovoltage x-ray beams used for cone-beam computed tomography in radiation therapy [J]Phys Med Biol,2007,52(6):1595-1615.

[7] Kawrakow I,Mainegra-Hing E,Rogers DWO,et al.The EGSnrc code system:Monte Carlo simulation of electron and photon transport[Z]. NRC Report PIRS,2010.

[8] Rogers DWO,Walters B,Kawrakow I.BEAMnrc user's manual[Z]. NRC Report PIRS,2001:509.

[9] Xu X,Gu J,Song W.Monte Carlo based kV CBCT modeling and dose calculations involving anatomical phantom[J].Med Phys,2009,36 (6):2813.

（责任编辑：常海庆）

Dosimetric Study on kV-CBCT Scanning Based on Image Guided Radiotherapy for Prostate Cancer

ZHANG Bailin1,2,ZHU Lin1,2,DAI Zhenhui1,2,CHEN Yancan1,2,ZHANG Shengfeng1,2,LIU Xiaowei3,WANG Xuetao1,2*
(1Guangdong Provincial Hospital of Chinese Medicine,Guangzhou 510006,China;2The Second Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou 510006,China;3School of Physics,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China;*

WANG Xuetao,Tel:13711513268)

ObjectiveTo evaluate the additional image dose(rectum,bladder and femoral head)of kV-CBCT scanning based on image guided radiotherapy for prostate cancer.MethodsThe Monte Carlo method was used to establish kV-CBCT physical model combined with patient CT images,simulate the scanning condition and calculate the dose in region of interest.ResultsIn 44 times of CBCT scanning,the average dose of rectum was 77.8 cGy,bladder was 79.6 cGy and femoral head was 159 cGy.ConclusionsImage guided radiotherapy can make an non-ignorable image dose for organs at risk.In plan designing,the original treatment planning need to be carefully evaluated in order to still satisfy the dose constraints.

Image guided radiotherapy;Prostate cancer;Dose calculation

R737.25

A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.07.0881

2017－03－10

2017－06－02

广东省科技厅自筹经费类项目 （2015）；广州市科技计划项目 （20160701168）

张白霖，男，博士学位，研究方向：肿瘤放射治疗技术。

*通讯作者：王学涛，电话：13711513268。