Varian 锥形束CT 不同版本扫描协议的辐射剂量对比

刘春霞 付 娟 张艳龙 王克强 明 鑫 艾克文 孟慧鹏,

1（延安大学附属医院放射科 陕西716000）

2（武警特色医学中心 天津300162）

3（天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津300072）

4（天津医科大学生物医学工程与技术学院 天津300050）

目前锥形束CT（Cone-beam CT，CBCT）已广泛应用于放射治疗中，包括摆位位置验证、跟踪靶区及敏感组织的变化、设备的质控等，且有进一步用于自适应放疗（Adaptive radiotherapy，ART）中剂量计算的潜力［1-3］。单次CBCT 成像辐射剂量较小，通常在1～10 cGy，但放射治疗过程中通常会每周至少进行一次CBCT扫描，累积辐射剂量的潜在风险不可忽视［4-5］，因此充分了解不同CBCT的辐射剂量对精确放疗剂量学的影响以及正常器官的保护至关重要。美国医学物理学会（AAPM）111 工作组建议的辐射剂量测量方法（TG111）是被主流学者认可的方法之一［5-6］。本研究采用TG111方法对Varian公司（美国）典型加速器装配的CBCT 系统进行研究，比较分析Varian CBCT不同软件版本扫描协议的辐射剂量，为临床应用中合理使用CBCT提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 仪器设备

使用Varian CBCT系统（美国，瓦里安公司），其主要结构为X 射线源（型号：G242）和非晶硅平板探测器（型号：4030CB），与直线加速器的MV 级射线源垂直装配，夹角分别为90°和270°；CBCT 系统使用的软件版本分别为V1.4（Clinac IX）、 V1.5 （Clinac IX 和TrueBeam） 和V1.6（TrueBeam）；电离室使用PTW 0.6 cm3指形电离室；模体使用TG111 推荐的加长型（长度为45 cm）有机玻璃（Poly methyl methacrylate，PMMA）圆柱模体，模体的中心和四周（0°、90°、180°、270°处边缘）均有开孔，可插入电离室测量剂量，其中Φ16 cm 的PMMA 模体用于头部协议的测量，Φ32 cm的PMMA模体用于体部协议的测量。

1.2 方法

1.2.1 Varian CBCT系统

CBCT系统的辐射剂量测量使用Varian公司的Clinac IX 和TrueBeam，两种设备均有两种滤波扫描模式（Half-fan 和Full-fan），X 射线源机头均装配两对可移动的准直器，在设备的等中心处可形成（2 cm×2 cm）～（50 cm×50 cm）之间任意大小的射野。TrueBeam 的CBCT 系统比Clinac IX 的多一层钛合金射束硬化滤波，可更有效过滤低能光子。Varian CBCT系统有多种版本扫描协议，本实验使用V1.4、V1.5 和V1.6 等3 个版本，各版本扫描协议的参数见表1。其中Clinac IX每个版本的扫描协议均测量5 种，TrueBeam 每个版本的扫描协议均测量3 种（TrueBeam 头部扫描协议只有一种），两种设备的Pelvis spot light （PSL）扫描协 议在临床中均不常用，因此均未测量该协议。

表1 扫描协议参数Table 1 Parameters of scanning protocol

1.2.2 辐射剂量的测量

使用的辐射剂量测量方法为AAPM 推荐的方法（TG111），用0.6 cm3指形电离室配合加长型模体的测量相关参数。采集数据时按照与常规治疗病人类似的方式摆位，将模体中心移至设备等中心处进行CBCT扫描，各扫描协议的扫描参数（表1）均与临床扫描实际病人相同，扫描时间均采用各扫描协议的预设时间（与扫描实际病人一致）。对两种设备共测量4 组数据（V1.4 和V1.6 版本各一组，V1.5 版本两组），为了保证测量数据的可靠，本研究每组数据的结果均为5次重复测量的平均值，每组数据均测量模体中心和周边共计5个点的剂量（1 次扫描获取1 个点）确定CBCT 的辐射剂量，最终的辐射剂量计算公式参照了多位学者的研究［7-8］。计算得到的加权辐射剂量记为TG111W（公式中用WTG111表示），归一化辐射剂量记为nTG111W（公式中用NTG111W表示），计算见公式（1）和（2）。

式中：DC表示模体中心测量到的剂量，单位为mGy；表示模体周边4 个位置测量到的剂量平均值，单位为mGy；EmAs表示各扫描协议的曝光量，单位为mAs。归一化辐射剂量NTG111W表示每100 mAs曝光量的加权辐射剂量（TG111W），单位为mGy。

1.2.3 结果分析

TG111W和nTG111W均比较不同软件版本同一扫描协议之间的差异，由于TrueBeam 头部协议仅有一种，只参与SDH协议的比较。LDH和HQH协议在软件版本V1.4 和V1.5 之间比较，Head（Clinac IX中为SDH协议）、Thorax、Pelvis协议在两种设备软件版本V1.4、V1.5 和V1.6 之间比较。V1.5 版本的扫描协议两种设备均进行了测量，因此单独对该版本协议不同设备之间的差异进行比较。此外，还比较Clinac IX设备V1.4和V1.5版本各扫描协议的差异，TrueBeam设备V1.5和V1.6版本各扫描协议的差异。通过数据分析初步得出与CBCT系统辐射剂量相关的参数，为临床应用中合理使用CBCT提供数据支持。

2 结果

Clinac IX和TureBeam均包括V1.5版本的扫描协议，为便于区分，前者记为V1.5（IX），后者记为V1.5（TB）；TureBeam的Head和Thorax协议分别并入STD和LDT协议统计结果。Varian CBCT系统各软件版本扫描协议的辐射剂量测量结果如表2所示。由表2可知，V1.5版本（两种设备）各扫描协议的加权辐射剂量整体高于另外两个版本（Pelvis 协议除外，该协议中V1.6 版本略高于V1.5），最大值为V1.5版本的HQH协议（30.06 mGy），最小值为V1.4 版本的LDH 协议（2.83 mGy）；归一化辐射剂量差异均较小，最大差异在SDH 协议中（V1.4 和V1.5 （TB）的差异为1.33 mGy），最小差异在LDT（Thorax）和Pelvis 中（V1.5 （TB）和V1.6的差异均为0.01 mGy）；V1.4和V1.5（IX）相比，5 种扫描协议中均表现为V1.4 版本小于V1.5 （IX）版本；V1.5 （IX）和V1.5 （TB）相比，3 种扫描协议中除LDT 协议外均表现为V1.5（IX）小于V1.5 （TB）；V1.5 （TB）和V1.6 相比，3 种扫描协议中除Pelvis 外均表现为V1.5（TB）大于V1.6。各版本扫描协议辐射剂量统计学结果如表3所示。

表2 辐射剂量测量结果Table 2 Results of radiation dose measurement (±s,n=5,mGy)

表2 辐射剂量测量结果Table 2 Results of radiation dose measurement (±s,n=5,mGy)

剂量参数Dose parameters盆腔Pelvis Clinac IX V1.4 Clinac IX V1.5 TureBeam V1.5 TureBeam V1.6 TG111W nTG111W TG111W nTG111W TG111W nTG111W TG111W nTG111W低剂量头Low-dose head(LDH)2.83±0.02 3.93±0.03 2.99±0.02 3.97±0.02高质量头High-quality head(HQH)28.60±0.40 3.97±0.06 30.06±0.32 3.99±0.04/ / / // / / /标准剂量头Standard dose head(SDH)5.56±0.09 3.83±0.05 5.75±0.08 3.81±0.05 6.59±0.12 2.50±0.05 3.99±0.09 2.72±0.06低剂量胸Low-dose thorax(LDT)6.98±0.10 2.66±0.04 7.45±0.11 2.75±0.05 5.55±0.09 2.10±0.03 5.53±0.08 2.09±0.03 21.39±0.30 3.06±0.04 22.34±0.32 3.16±0.03 24.83±0.35 2.35±0.03 24.96±0.33 2.36±0.03

表3 辐射剂量统计学结果Table 3 Results of radiation dose statistics (±s,n=5,mGy)

表3 辐射剂量统计学结果Table 3 Results of radiation dose statistics (±s,n=5,mGy)

剂量参数Dose parameters盆腔Pelvis V1.4 vs.V1.5(IX)TG111W nTG111W TG111W高质量头High-quality head(HQH)−34.129＜0.001 2.333＞0.05低剂量头Low-dose head(LDH)−39.000＜0.001−9.000＜0.05 V1.5(IX)vs.V1.5(TB)nTG111W V1.5(TB)vs.V1.6 TG111W nTG111W t p t p t p t p t p t p/ / / / / / / // / / / / / / /标准剂量头Standard dose head(SDH)−30.667＜0.001 6.000＜0.05−42.968＜0.001 537.255＜0.001 177.596＜0.001−37.667＜0.001低剂量胸Low-dose thorax(LDT)−148.627＜0.001−9.487＜0.05 279.550＜0.001 68.836＜0.001 4.802＜0.05 3.162＜0.05−162.581＜0.001−12.250＜0.001−162.476＜0.001 157.677＜0.001−13.000＜0.001−3.161＜0.05

由 表3 可 知，V1.4 vs. V1.5 （IX）、V1.5（IX） vs.V1.5 （TB）及V1.5 （TB） vs.V1.6，不同软件版本各扫描协议的加权辐射剂量均有统计学意义，t 值最大为279.550，最小为4.802；不同软件版本各扫描协议的归一化辐射剂量均有统计学意义（V1.4 vs.V1.5 （IX）的HQH 协议除外），t值最大为537.255，最小为2.333。图1为各软件版本扫描协议的加权辐射剂量与曝光量关系的对比。由图1可知，各版本扫描协议中随着曝光量的增大加权辐射剂量均增加（V1.5 （TB）标准剂量头除外）。图2 为各软件版本扫描协议的归一化辐射剂量对比。由图2可知，V1.4和V1.5（IX）相比，5种扫描协议中除SDH 外均表现为V1.4 版本小于V1.5 （IX）版本；V1.5 （IX）和V1.5 （TB）相比，3 种扫描协议中均表现为V1.5 （IX）大于V1.5 （TB）；V1.5 （TB）和V1.6 相比，3 种扫描协议除LDT外均表现为V1.5（TB）小于V1.6。

3 讨论

用于测量CBCT辐射剂量常用的方法有锥形束剂量指数（CBDI）、国际原子能机构5号报告建议的方法（IAEA）和美国医学物理学会（AAPM）111 工 作 组 建 议 的 方 法（TG111）［5-7］。CBDI 和IAEA方法均使用标准CTDI（CT dose index）模体配合笔形电离室测量，由于该模体长度为15 cm，不能满足测量时的完全散射条件，测量结果误差偏大；尽管IAEA 方法通过在空气中步进多次测量，一定程度改善了此问题，但是由于其窄射线束（20 mm）参考剂量在模体中测量，最终仍低估了CBCT 扫描的剂量［7，9-10］。因此，本研究使用TG111 的方法，加长型模体长度达到45 cm，可满足测量过程中的完全散射，其结果的准确性已被学者们的研究证实［7，9］。

CBCT系统的生厂商多年来一直在努力改善图像质量的同时，尽可能减少辐射剂量。采取的措施包括改进CBCT 系统的射线源准直器控制方式，减少患者身体受照射的体积；调整CBCT系统的扫描协议参数，最优匹配临床任务的同时使用最低的辐射剂量；改进射线源的入射角度和扫描范围，避免对重要敏感器官长时间照射［11］。本研究使用的Varian CBCT系统最初头部和体部均使用相同的扫描参数，从V1.4 版本开始大幅改进了不同部位的扫描协议，尤其对于头部协议将扫描范围减小到200°，扫描的管电压也降到了100 kVp，大幅减少了辐射剂量［12］。研究发现，Varian CBCT系统并不是软件版本越高辐射剂量就越低，这与Kim等［12］对Varian CBCT 早期版本的研究结论不同，他们的研究发现新版本的辐射剂量较老版本的有较大幅度降低，推荐临床使用新版本。事实上，Varian CBCT系统早期版本每次升级均会较大幅度降低曝光量，因此早期版本中后发布版本辐射剂量会明显降低。

本研究的软件版本V1.5和V1.6是在V1.4基础上的进一步优化，并未大幅调整每个扫描协议的曝光量，而是通过微调曝光量、扫描区域、射线束大小等参数，使CBCT系统更好地服务于不同的临床需求。研究还发现辐射剂量与管电压、曝光量、射线束宽度、扫描范围等参数设置均密切相关，因此不同软件版本扫描协议辐射剂量的差异，需通过主流方法实测后综合评估，才能为临床使用提供数据支持。本研究中归一化辐射剂量量化的是曝光量一致的情况下，各扫描协议之间的差异（图2），结果显示，尽管不同版本的扫描协议其他参数（射束宽度、管电压、扫描直径等）不同，但去除曝光量影响后，同一设备不同扫描协议（含不同软件版本之间）的辐射剂量差异均较小（不同设备之间该参数有差异的原因将在下文进行阐述）。V1.5（TB）和V1.6的Thorax和Pelvis扫描协议相比，曝光量相同，扫描时机架的旋转范围和扫描直径均不同，但两种版本的归一化辐射剂量值几乎重合（图2），进一步说明曝光量对辐射剂量结果的影响最大，因此在研究的4 种Varian CBCT软件版本中，曝光量是对辐射剂量影响最大的参数。有研究发现，多次CBCT的累积辐射剂量可增加辐射二次致癌等风险［13-15］，该累积剂量同样会对靶区剂量及正常组织的受量造成影响，使用辐射剂量较大的软件版本进行CBCT扫描势必扩大这种影响。然而当前的放疗计划系统较少考虑该影响，当累积剂量叠加到治疗计划后造成靶区剂量覆盖变差、正常组织受量增加的情况，将会出现临床是不可接受的结果。因此临床使用中应尽量使用能满足图像需求但辐射剂量更低的扫描协议进行扫描，必须使用辐射剂量较高的扫描协议时，应合理规划整个疗程中扫描的总次数，以确保患者的辐射剂量安全。多次使用辐射剂量较高的扫描协议，尤其是曝光量较大时，需在患者的正常治疗计划中考虑CBCT扫描带入的额外辐射，并对原始计划靶区和危机器官的剂量分布变化进行量化，确保CBCT产生的额外辐射剂量对调强放疗的影响降到最低。

从实验的结果来看，3个版本的扫描协议各有优缺点，分析结果发现，管电压越高、曝光量越大则加权辐射剂量越大，而曝光量的影响更大。图1的SDH协议中V1.5 （TB）版本除了曝光量外其他参数均与另外3个版本较接近，由于该版本的曝光量明显高于另外3个版本，因此其加权辐射剂量最高。归一化辐射剂量表现为同一设备不同版本扫描协议结果均较接近，不同设备之间则差异略大。TureBeam的归一化辐射剂量较IX的均有较明显的降低，究其原因是前者固有的射束硬化滤波进一步减少了低能光子，进而降低了辐射剂量。增加曝光量能改善图像的质量［7］，缺点是同时带来辐射剂量的增加，如TureBeam 的Pelvis 协议为了改善图像质量曝光量较Clinac IX 的有较大幅度提升，但是实验结果显示，其加权辐射剂量并未大幅增加（表2），同样是由于射束硬化滤波抵消了曝光量增加带来的部分辐射剂量，这也是扫描协议参数较接近时TureBeam 的辐射剂量总低于Clinac IX的主要原因。

本研究的不足之处在于一方面是仅对Varian两种设备三种软件版本的扫描协议进行了测量，未能搜集更多的设备进一步验证本研究的观点；另一方面是辐射剂量测量仅在模体中进行，不可避免与真实患者实际接受的辐射剂量存在一定差异（这也是目前使用模体进行辐射剂量相关问题研究不可回避的问题之一）。下一步将联合更多的中心搜集更多设备和软件版本的辐射剂量数据进行比较，并基于课题组前期有关CBCT 的Monte Carlo模拟相关研究［16］，结合患者定位CT影像数据对各软件版本扫描协议的辐射剂量进行个性化模拟，进而得到更加接近真实情况的辐射剂量数据。

综上所述，各版本扫描协议的辐射剂量与管电压和曝光量等参数密切相关（曝光量影响最大），为了保证患者的安全，临床使用中需要根据使用扫描协议的不同，合理规划CBCT 扫描的频次。