颅内肿瘤放疗中kV 级锥形束CT 引导引入的眼晶体吸收剂量研究

丁红军，付 娟，孙小喆，明 鑫，张若辉，4，张艳龙，董化江，孟慧鹏，*

（1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.武警特色医学中心，天津 300162；3.天津医科大学生物医学工程与技术学院，天津 300050；4.河北医科大学第四医院放疗科，石家庄 050011）

0 引言

基于锥形束CT（cone-beam CT，CBCT）的图像引导技术已被广泛应用于放疗中，对保障患者的治疗安全起到积极作用[1-2]。单次kV级CBCT 引导引入的器官吸收剂量通常为1～40 cGy，然而随着以Halcyon 为代表的新一代放疗设备问世后，kV 级CBCT 引导的频次由每周至少一次变为强制每次治疗均需引导，因此累积吸收剂量的潜在风险不可忽视[3-4]，图像引导引入的额外辐射受到学者的进一步关注[5-6]。眼晶体是颅内肿瘤放疗中对辐射最敏感的结构之一，其耐受吸收剂量极低，超过阈值的吸收剂量会使白内障等副作用的发生概率大幅增加[7]。晶体位于眼睛的浅表，体积较小，直接测量较难得到其准确的吸收剂量。有学者尝试通过半导体电离室直接测量的方法得到眼晶体的吸收剂量，准确性较差[8]。已有文献对放射从业人员的眼晶体吸收剂量的研究较多[6，9]，但患者放疗中不同扫描协议、不同等中心位置下CBCT 引导引入的眼晶体吸收剂量相关的研究很少。因此，本研究将在前期研究准确构建CBCT 系统的基础上[10]，通过Monte Carlo方法分析不同设备（扫描协议）、不同等中心位置下kV 级CBCT 引导引入的眼晶体吸收剂量，分析其差异，为颅内肿瘤放疗中计算眼晶体的额外吸收剂量（制订治疗计划通常不计算该剂量）提供数据支持。

1 资料和方法

1.1 资料

1.1.1 一般资料

回顾性选取武警特色医学中心2014 年6月至2016 年5月的30 例颅内肿瘤放疗病例，其中男性16例、女性14 例，年龄为42～67 岁，中位年龄53 岁。纳入标准：（1）计划CT 图像包含整个头颅区域；（2）患者眼晶体功能正常。排除标准：（1）计划CT 图像眼晶体层面未清晰采集；（2）包含多个等中心。

1.1.2 仪器与设备

计划CT 图像采集使用荷兰Philips 公司的16排大孔径CT；Monte Carlo 模拟软件使用EGSnrc 程序，软件版本为v2.0；模拟的CBCT 系统（均为美国Varian 公司产品）扫描协议分别为V1.5（型号：Clinac iX）和V1.6（型号：TrueBeam），具体参数见表1；验证实验模型使用德国PTW 公司的MP3-M 大水箱和OCTAVIUS Detector 729 二维电离室矩阵。

表1 扫描协议参数

1.2 方法

1.2.1 Monte Carlo 模拟参数设置

前期研究[10]已通过EGSnrc 程序的Beamnrc 子程序准确构建了Varian 公司的CBCT 系统，本实验在此基础上微调部分参数，实现CBCT 系统V1.5 和V1.6 头部扫描协议的模拟。为保证后续实验结果的可靠性，模拟的CBCT 系统均通过三维水箱或二维电离室矩阵对相关关键参数进行准确性验证，如百分深度剂量、离轴剂量等。本实验Monte Carlo模拟的粒子数使用1×109，粒子能量上限均设置为1 MeV；电子和光子的截止能量（ECUT、PCUT）、二次粒子能量阈值（AE、AP）设为ECUT=AE=0.521 MeV、PCUT=AP=0.001 MeV；电子步进算法和边界穿越算法分别设为PRESTA-Ⅱ和EXACT。

1.2.2 实验设计

（1）实验数据的准备。选取30 例颅内肿瘤放疗病例的计划CT 数据，导入EGSnrc 程序的ctcreate子程序生成Monte Carlo 模拟用体素仿体数据。

（2）Monte Carlo 模拟。通过EGSnrc 程序进行Monte Carlo 模拟，30 例病例均模拟4 种扫描协议（见表1），每种扫描协议均选取5 个等中心（记为iso）位置进行模拟，最终4 种扫描协议各生成5 组结果。等中心位置选取示意图如图1 所示，分别标记为iso1、iso2、iso3、iso4、iso5，其中眼晶体层面的等中心位置标记为iso3。

图1 等中心位置选取示意图

（3）眼晶体吸收剂量的获取。Monte Carlo 模拟结束后生成对应的相空间文件，通过EGSnrc 程序的DOSXYZnrc 和dosxyz_show 对该文件进行分析，得到眼晶体的吸收剂量，并记录左右眼晶体的平均值。

1.2.3 统计学分析

采用SPSS 26.0 进行统计学分析，对V1.5 和V1.6 各自的每种扫描协议不同等中心位置的结果、同一等中心位置V1.5 的3 种扫描协议及V1.6 的1种扫描协议进行配对样本t 检验，P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

30 例病例4 种扫描协议5 个等中心位置的眼晶体吸收剂量结果见表2。由表2 可知，不同扫描协议之间眼晶体吸收剂量的平均值有明显差异，吸收剂量整体最高的扫描协议为高质量头协议，iso3的吸收剂量平均值为19.53 mGy，吸收剂量最低的扫描协议为低剂量头协议，ios1、ios2、ios4和ios5的吸收剂量平均值均为1.91 mGy；标准剂量头协议和头部协议的吸收剂量平均值介于高质量头协议和低剂量头协议之间。不同等中心各扫描协议间的眼睛体吸收剂量配对样本t 检验结果见表3。不同扫描协议各等中心间的眼晶体吸收剂量对比如图2 所示，每种扫描协议均表现为ios3与其余4 个等中心相比差异有统计学意义（P＜0.001），其余4 个等中心间差异均无统计学意义（P＞0.05）。不同等中心各扫描协议间的眼晶体吸收剂量对比如图3 所示，每个等中心位置均表现为任意2 种扫描协议之间差异均有统计学意义（P＜0.001）。

表2 30 例病例4 种扫描协议5 个等中心位置的眼晶体吸收剂量结果（±s，n=30）单位：mGy

表2 30 例病例4 种扫描协议5 个等中心位置的眼晶体吸收剂量结果（±s，n=30）单位：mGy

扫描协议 iso1 iso2 iso3 iso4 iso5标准剂量头 3.58±0.193.57±0.194.10±0.183.56±0.193.57±0.18低剂量头 1.91±0.081.91±0.072.43±0.081.91±0.071.91±0.08 V1.5（Clinac iX）高质量头 19.01±0.5919.03±0.6119.53±0.6418.98±0.6319.04±0.59 V1.6（TureBeam）头部 3.05±0.093.04±0.083.47±0.093.04±0.073.05±0.08

表3 不同等中心各扫描协议间的眼晶体吸收剂量配对样本t 检验结果（n=30）

图2 不同扫描协议各等中心间的眼晶体吸收剂量对比

图3 不同等中心各扫描协议间的眼晶体吸收剂量对比

3 讨论

有研究表明，多次CBCT 引导的累积辐射剂量会导致辐射二次致癌等风险增加[11-13]，而颅内肿瘤放疗中，眼晶体的吸收剂量升高会使白内障等副作用出现的概率大幅增加（目前白内障形成的辐射剂量阈值为2 Gy）[7，14]。头部肿瘤放疗中，眼晶体的耐受吸收剂量极低且较难通过直接测量准确得到[8]，不同扫描协议、不同等中心位置下CBCT 引导引入的眼晶体吸收剂量相关研究很少，因此本研究采用Monte Carlo 方法[15]来评估图像引导引入的眼晶体吸收剂量（针对kV 级CBCT）。Monte Carlo方法在放疗中可用于模拟放疗设备中大量粒子在物质中的输运历程，通过大量粒子的统计试验，从粒子的产生到输运历程中吸收或穿透物质的全过程均可得到可信的结果。本研究采用的模拟粒子数量级为1×109，由模拟本身引入的不确定度小于2%，经计算最终引入的模拟值与实测值的差异平均值在±0.8%以内。因此，模拟出的眼晶体吸收剂量具有较高的准确性。

CBCT 引导的辐射剂量与多个扫描参数密切相关，包括管电流、管电压、扫描直径、射束宽度等。本课题组的前期研究发现管电流是对CBCT 图像引导辐射剂量影响最大的参数，Varian 的CBCT 系统扫描协议虽然射束宽度、管电压、扫描直径等参数不同，但是当管电流接近时，图像引导引入的辐射剂量差异均较小[16]。本研究的标准剂量头协议（Clinac iX）和头部协议（TureBeam）的管电流基本相同，标准剂量头协议的扫描直径和射束宽度均小于头部协议，但标准剂量头协议的眼晶体吸收剂量却高于头部协议，差异有统计学意义（P＜0.001）。主要原因是由于TureBeam 的CBCT 系统相比Clinac iX 增加了射束硬化滤波，该结构能够抑制部分低能光子，减小辐射剂量，因此也降低了眼晶体的吸收剂量。该结果同样印证了前期研究[16]扫描协议参数差异较小时，Clinac iX 的CBCT 辐射剂量高于TureBeam。

本研究结果显示，不同的扫描协议对眼晶体的吸收剂量有较大影响。参与研究的30 例病例中，低剂量头协议的眼晶体吸收剂量最低的等中心平均值为1.91 mGy，高质量头协议中吸收剂量最高的等中心平均值高达19.53 mGy。因此，颅内肿瘤放疗中，为了减少图像引导引入的眼晶体吸收剂量，应在图像质量和辐射更低的扫描协议之间权衡，而每次治疗均需要进行图像引导时，不应使用高质量头协议这类高辐射剂量的扫描协议；当必须使用高辐射剂量的扫描协议时，应在患者的治疗计划中考虑CBCT图像引导引入的额外眼晶体吸收剂量，确保整个疗程中患者的眼晶体吸收剂量低于其辐射阈值。当扫描协议一定时，不同的等中心位置对眼晶体的吸收剂量影响较小，然而研究结果发现位于眼晶体后方的等中心iso3的吸收剂量高于其他4 个等中心。因此，颅内肿瘤放疗中，治疗等中心位于眼晶体后方区域附近时，在治疗计划中考虑图像引导引入的眼晶体吸收剂量应适当增加其剂量值。

早期的CBCT 扫描协议辐射剂量均较高，如Cheng 等[17]报道的早期Varian 头部CBCT 扫描协议单次图像引导引入的眼晶体吸收剂量平均值高达59.38 mGy。多年来CBCT 厂商采取多种措施努力达到低辐射剂量、高图像质量的图像引导[18]，本研究头部扫描协议的峰值电压已由最初的125 kVp 降至100 kVp，扫描范围也由360°减小到200°。因此，本研究涉及的CBCT 头部扫描协议引入的眼晶体吸收剂量与早期扫描协议相比已有较大幅度降低，吸收剂量最大的等中心（高质量头协议中）其平均值为19.53 mGy，远低于Cheng 等[17]报道的平均值。然而，高质量头协议单次图像引导引入的眼晶体吸收剂量仍然较高，尤其是类似Halcyon 的新一代放疗设备（强制每次治疗均需图像引导），患者在整个放疗过程中由CBCT 多次引导引入的吸收剂量仍处于较高水平，在临床使用中应引起重视。为了保证颅内肿瘤放疗患者的安全，可采取必要的措施，如佩戴铅护目镜或增加金属防护罩等，以大幅降低眼晶体的吸收剂量。为了兼顾图像质量和防护效果，建议首选铋防护罩（已被证实对图像影响较小）[19]。

本研究的不足之处是未能对更多的主流CBCT系统进行模拟，下一步将对医科达等公司的主流CBCT 系统进行模拟，进一步验证颅内肿瘤放疗中kV级CBCT 引导引入的眼晶体吸收剂量。

综上所述，不同的扫描协议、不同的等中心位置对CBCT 引导引入的眼晶体吸收剂量均有影响，前者大于后者。另外，CBCT 引导的眼晶体吸收剂量不容忽视，引导次数较多时，应在治疗计划中充分考虑其影响。