不同圖像引導方式在頭頸部腫瘤中成像劑量測量

張玉海，夏火生，高 楊

解放軍第309醫院放療科，北京， 100091

不同圖像引導方式在頭頸部腫瘤中成像劑量測量

【作 者】張玉海，夏火生，高 楊

解放軍第309醫院放療科，北京， 100091

目的 測量不同圖像引導方式在頭模中的成像劑量。方法 應用UNIDOS E型劑量儀（德國PTW公司）與30013型電離室，測量Varian Clinac iX直線加速器配置的EPID、OBI和CBCT圖像引導功能在圓柱形模體的成像劑量。二維圖像采用0o和270o兩個正交野成像，三維圖像采用CBCT成像。結果 二維成像時，OBI系統（KV級X線）模體內各點平均吸收劑量0.74mGy，顯著低于EPID系統（MV級X線）的90.93mGy，且圖像清晰度優于后者；標準CBCT（KV級X線）各點平均吸收劑量4.77mGy，而低劑量CBCT模式僅為標準模式的50%，能夠完成精確匹配。結論 OBI系統比EPID系統成像劑量更低，圖像質量更好。CBCT作為三維圖像引導方式顯著優于二維圖像引導方式，進行日常的擺位驗證也是安全的。因此，合理選擇圖像引導方式和設置圖像采集參數，能夠有效地減少患者的額外受照劑量。

圖像引導放射治療；成像劑量；頭頸部腫瘤

圖像引導放射治療（image-guided radiotherapy, IGRT）是繼三維適形放射治療（three dimensional conformal radiotherapy, 3DCRT）和適形調強放射治療（intensity-modulated radiotherapy, IMRT）之后，又一新的放療技術，是提高放射治療精度、保證放射治療質量的重要手段。2009年8月我院引進了VARIAN公司生產的Clinac iX 直線加速器治療系統，它搭載了多種方式的圖像引導功能，包括MV級治療用X線電子射野影像系統（electronic portal imaging device EPID）和KV級的X線機載影像系統（on board imager, OBI）。OBI系統是直接整合到加速器上的橫向安裝的KV X射線源和數字化X射線探測板，系統能夠獲取OBI二維圖像或CBCT（cone beam CT，CBCT）三維圖像。對于頭頸部腫瘤，由于靶區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的次數相對較多，必要時甚至要求每次治療前都進行圖像引導[1]。而在實施圖像引導過程中，必然會給患者增加額外的照射劑量，不當的圖像引導方式有可能增加晶體等高放射敏感組織和器官損傷的風險。因此，本文對Clinac iX 型直線加速器的幾種圖像引導方式的成像劑量和特點進行研究，以期對開展頭頸部腫瘤的IGRT，選擇最佳的圖像引導方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 設備和儀器

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

表1 成像劑量測量結果Tab.1 The measured results of the imaging dose

圖1 頭模測量點示意圖Fig.1 The measured points in the head phantom

1.2 測量方法

1.2.1 EPID系統的成像劑量測定

展開EPID系統，加速器照射野調整為20 cm×20 cm，機架角0o，6MV X線5MU照射[2]，獲取一幅MV圖像的同時，電離室測得模體內某一測量點的成像劑量。然后機架轉到270o，同樣的條件獲取另一幅MV圖像及該點成像劑量。重復以上過程依次對A、B、C、D、O各點的進行測量。拍攝方向為從前向后和從左向右。測量時，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定

方法與1.2.1相似，展開與加速器垂直的OBI系統，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，同時測量模體中一點的吸收劑量。同樣條件下測量其它各點的成像劑量。

1.2.3 CBCT三維模式的成像劑量測量

CBCT是利用OBI旋轉一周獲取一定體積范圍內的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，源到探測器的距離（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。機架從22o～178゜逆時針旋轉200度掃描的同時，電離室測量出模體中一點的CBCT成像劑量。重復以上過程分別測量其它各點的CBCT成像劑量。本研究對標準CBCT和低劑量CBCT兩種模式均進行了劑量測定。

2 結果

2.1 曝光條件與成像劑量

不同圖像引導方式的曝光條件與成像劑量測定結果見表1。

測量結果顯示，EPID（MV級X線）系統成像劑量最高，遠遠高于其它KV級X線圖像引導方式的成像劑量。同樣為二維圖像引導的KV級X線OBI成像劑量最低，不及前者的1%；CBCT KV級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。

為保證測量結果的準確可靠，在EPID方式測量過程中劑量儀宜選擇中量程，而KV級圖像引導均選擇低量程。統計顯示，無論哪種圖像引導方式下，所測得A、B、C、D各點的劑量平均值均與O點非常接近；由于二維圖像引導時投照角度為0゜和270゜兩個正交野，模體內A點和D點的劑量分別高于C點和B點，都說明測量數據可靠。標準CBCT時，模體內各測量點的吸收劑量也不均勻，原因是頭部CBCT掃描時OBI裝置僅旋轉200度，而不是旋轉一周，這樣就減少了掃描的毫安秒，在實施IGRT時能減小患者受照劑量。結果還顯示，采用低劑量CBCT模式掃描，模體吸收劑量更小，約為標準模式的50%。

2.2 圖像引導方式與成像質量

通過電腦屏幕的圖像清晰度比較，二維圖像引導的OBI系統顯著優于EPID。三維圖像引導時，標準CBCT圖像清晰度略優于低劑量CBCT模式。在精確圖像匹配和可視性方面，CBCT的三維圖像引導功能顯著優于二維圖像引導模式。

3 討論

近年來，圖像引導技術作為腫瘤放療最重要的進展之一受到廣泛關注，與之相應的是配置了圖像引導功能的新型加速器的出現和應用。目前正在臨床使用的圖像引導系統包括：EPID、滑軌CT、kV級CBCT、MV級CBCT、Tomotherapy系統等，而具有CBCT三維圖像引導功能的新型加速器已經成為主流趨勢。Varian Clinac iX型加速器同時配備了EPID、OBI、CBCT等多種圖像引導裝置，既可選擇MV級或KV級X射線進行二維圖像引導，還可進行KV級X線的CBCT三維圖像引導。究竟不同圖像引導方式在成像劑量和成像質量有多大不同，正是放射腫瘤學家最為關切的問題。

本研究是基于本單位所引進的Varian Clinac iX型加速器進行的劑量分析。由于EPID系統使用的是MV級X線曝光成像，而高能射線與組織相互作用時以康普頓效應為主，康普頓效應對射線的能量依賴性小，不同組織結構對高能射線的吸收衰減差別不大，所以圖像對比度低且較模糊；OBI系統KV級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，圖像質量好；而且能夠實時進行OBI圖像與DRR圖像的二維配準，CBCT圖像與CT圖像的三維配準，大大提高了在線復位精度；而且，EPID成像劑量遠遠高于OBI成像劑量。

若以模體測定的數據為依據，模擬評估頭頸部腫瘤圖像引導的額外增加劑量，一對正交的MV/MV圖像模體內各點單次吸收劑量在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，常規采用5MU采集圖像，全程額外增加劑量為270 ～ 330 cGy；若采用OBI系統的KV/KV圖像引導，全程額外增加劑量只有1.5 ～ 3.4 cGy，不及EPID系統的1%；若采用OBI系統做標準CBCT圖像引導，全程額外劑量為10 ～ 20 cGy之間，低劑量模式下是5 ～ 10cGy。該結果與Islam[3]等對醫科達Synergy加速器的XVI影像系統的測量結果接近。可見，KV級X線成像劑量低的優勢是毋庸置疑的，即使是CBCT單次成像劑量也不到放療常規分割的1%，其危害對于一個放療患者來說通常也是可以接受的。因此筆者認為，在減小擺位誤差方面OBI系統完全可以替代EPID系統。

此外，圖像引導的成像劑量與掃描條件設置有很大的關系。Song[4]等對醫科達的XVI系統和瓦里安的OBI系統的CBCT研究結果顯示，XVI系統采用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系統進行測量，但是結果卻與Song等的XVI系統更接近。究其原因，XVI系統的掃描條件與筆者接近，而OBI系統的掃描條件（包括kV和mAs）均高于筆者。在一些特殊情況下，有必要進一步減小患者的成像劑量。比如說鼻咽癌調強計劃，晶體、視神經、腦干、脊髓等危及組織往往都是接近或已經達到最大耐受劑量，這就要求圖像引導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。根據測量結果分析得出，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，更少的散射線會使圖像的對比度更好；頭頸部應采用200o而非360o的掃描范圍，CBCT圖像已經滿足需要；對頭頸部腫瘤治療，建議采用OBI二維圖像引導，或者部分分次數采用，因為大量研究表明用頭頸肩膜固定的體位三個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系統在圖像質量、成像劑量以及自動化程度方面均優于EPID系統。一般情況下，放療過程中多次使用CBCT進行圖像引導也是安全的，不過在某些特殊情況下，需要綜合考慮圖像引導方式、成像質量、受照劑量等各方面的因素，確保患者的治療準確和安全。

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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.