張白霖， 朱琳， 戴振暉， 陳艷燦， 張勝峰， 劉小偉， 王學(xué)濤*

（1廣東省中醫(yī)院，廣東 廣州 510006；2廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院，廣東 廣州 510006；3中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275）

·論著·

前列腺癌圖像引導(dǎo)放療中kV級(jí)CBCT掃描的劑量學(xué)研究

張白霖1,2， 朱琳1,2， 戴振暉1,2， 陳艷燦1,2， 張勝峰1,2， 劉小偉3， 王學(xué)濤1,2*

（1廣東省中醫(yī)院，廣東 廣州 510006；2廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院，廣東 廣州 510006；3中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275）

目的評(píng)估前列腺癌圖像引導(dǎo)放療中，kV-CBCT掃描對(duì)直腸、膀胱及股骨頭產(chǎn)生的額外圖像劑量。方法采用蒙特卡羅方法建立kV-CBCT物理模型，結(jié)合患者的CT圖像，模擬掃描條件，計(jì)算感興趣區(qū)域的劑量。結(jié)果44次CBCT掃描，直腸受到的平均劑量為77.8 cGy，膀胱為79.6 cGy，股骨頭為159 cGy。結(jié)論圖像引導(dǎo)放療將對(duì)危及器官產(chǎn)生不可忽略的圖像劑量，在計(jì)劃設(shè)計(jì)中，需謹(jǐn)慎評(píng)估原計(jì)劃是否依然滿足處方要求。

圖像引導(dǎo)放療；前列腺癌；劑量計(jì)算

現(xiàn)今，圖像引導(dǎo)放射治療技術(shù) （image guided radiotherapy，IGRT）正在廣泛開展［1］。IGRT通過治療分次間和治療分次中的影像信息識(shí)別和定位腫瘤靶區(qū)和危及器官，幫助患者擺位、評(píng)估器官與腫瘤體積變化［2］。IGRT越來越頻繁地采用kV級(jí)CBCT（cone beam computed tomography）。盡管CBCT劑量低于CT，但整個(gè)療程中多次掃描產(chǎn)生的額外 “圖像劑量”不可忽略，甚至可能增加二次致癌幾率，這些推測(cè)在美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(huì)發(fā)布的TG75報(bào)告中被驗(yàn)證和評(píng)估［3］。因此，放療中CBCT成像產(chǎn)生的劑量 （CBCT圖像劑量）是一個(gè)值得關(guān)注的問題。傳統(tǒng)CT基于體模劑量測(cè)量提出CTDI概念描述CT設(shè)備劑量特性，針對(duì)出現(xiàn)的多層切片CT、旋轉(zhuǎn)CT、CBCT等新技術(shù)，又發(fā)展出CTDIFDA、CTDI100、CTDIw、CTDIvol、DLP等基于CTDI概念的劑量描述方法，但針對(duì)CBCT的CTDI描述還需進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)［4－5］。目前商用放療計(jì)劃系統(tǒng)配置的劑量算法只能針對(duì)MV級(jí)光子線進(jìn)行計(jì)算［6］，無法對(duì)CBCT劑量進(jìn)行理論計(jì)算。蒙特卡羅方法是一種隨機(jī)算法，通過對(duì)粒子與物質(zhì)相互作用進(jìn)行隨機(jī)模擬以獲得粒子在介質(zhì)中的能量沉積分布，被公認(rèn)為劑量計(jì)算的金標(biāo)準(zhǔn)。本研究根據(jù)廠家提供的設(shè)備參數(shù)對(duì)實(shí)際的CBCT設(shè)備建立物理模型，采用蒙特卡羅方法模擬kV射線源的粒子輸運(yùn)，準(zhǔn)確計(jì)算CBCT產(chǎn)生的圖像劑量，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

選取一個(gè)前列腺放療計(jì)劃，該計(jì)劃臨床靶區(qū) （CTV）處方劑量50.4 Gy分28次實(shí)現(xiàn)，腫瘤靶區(qū)GTV處方劑量28.8 Gy分16次實(shí)現(xiàn)。正常組織的處方要求為：直腸接受75 Gy劑量的體積小于 15% （V75＜15%），接受 70 Gy劑量的體積小于 25%（V70＜25%）；膀胱V80＜15%，V75＜25%；股骨頭沒有超過45 Gy的體積。放療計(jì)劃實(shí)施過程中共進(jìn)行44次CBCT掃描，用于圖像引導(dǎo)患者的日常擺位。使用自行編寫的C＋＋程序從計(jì)劃中提取包含前列腺腫瘤靶區(qū)和危及器官 （直腸、膀胱和股骨頭）輪廓信息的CT圖像，轉(zhuǎn)換成三維網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，每個(gè)網(wǎng)格記錄該位置的物質(zhì)類型 （軟組織、水、脂肪、肺、骨頭、空氣）和相對(duì)密度信息。該三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)將用于蒙特卡羅劑量計(jì)算。

基于蒙特卡羅方法的EGSnrc軟件包開發(fā)初衷是針對(duì)放療（直線加速器）中MV級(jí)射線的劑量計(jì)算［7－8］，近年來，該軟件被成功地應(yīng)用于kV級(jí)射線 （CT系統(tǒng)）的建模和計(jì)算。本研究使用EGSnrc軟件包中的BEAMnrc和DOSXYZnrc來模擬CBCT掃描過程，計(jì)算人體內(nèi)各部位接受的劑量。

首先，使用BEAMnrc對(duì)基于瓦里安公司的EDGE醫(yī)用加速器搭載的kV級(jí)CBCT設(shè)備進(jìn)行建模。X線管內(nèi)部靶材料為95%W和5%Rh，靶面與垂直出射方向呈14°偏角，電子束垂直出射至靶面，形成標(biāo)稱0.4 mm或1.0 mm的焦斑，CBCT模式使用1.0 mm焦斑。X射線出窗后依次經(jīng)過初級(jí)準(zhǔn)直器、監(jiān)測(cè)電離室、次級(jí)準(zhǔn)直器、蝴蝶結(jié)狀均整器［9］等部件出射至掃描區(qū)域。各部件的尺寸及材料均按廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

本研究所使用的CBCT設(shè)備有多組可選掃描參數(shù)，對(duì)應(yīng)不同掃描需求。各組掃描參數(shù)的主要區(qū)別是：X射線能量可選100 kVp或 125 kVp、均整器可選半蝴蝶結(jié)狀或全蝴蝶結(jié)狀、曝光量 （mAs）等。針對(duì)前列腺癌，使用125 kVp－半蝴蝶結(jié)狀均整器進(jìn)行掃描，曝光量250 mAs。使用BEAMnrc建立CBCT機(jī)頭模型，生成相空間文件PSF（particle source file）。將相空間文件及患者的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸入DOSXYZnrc程序，模擬計(jì)算患者體內(nèi)的劑量分布，獲得行一次CBCT掃描時(shí)其直腸、膀胱及股骨頭受到的圖像劑量。

2 結(jié)果

前列腺癌放療過程中，CBCT掃描產(chǎn)生的劑量見表1。

表1 前列腺癌放療中CBCT掃描產(chǎn)生的劑量

44次CBCT掃描，直腸受到的平均劑量為77.8 cGy，膀胱為79.6 cGy，而股骨頭為159.0 cGy。將CBCT掃描對(duì)人體產(chǎn)生的圖像劑量與放療計(jì)劃預(yù)期的劑量疊加，對(duì)未考慮圖像劑量影響（實(shí)線）與考慮圖像劑量影響 （虛線）進(jìn)行比較的劑量體積直方圖見圖1。

圖1 劑量體積直方圖

考慮圖像劑量影響后，直腸劑量體積由V70＝14.0%、V75＝21.5%上升至V70＝14.5%、V75＝22.1%，依然滿足處方要求（V70＜15%、V75＜25%）。膀胱劑量體積由V80＝4.1%、V75＝7.5%上升至V80＝4.58%、V75＝7.9%。盡管股骨頭圖像劑量的影響程度相對(duì)較高，劑量體積依然≤45 Gy，滿足臨床處方要求。

需要注意的是，盡管本研究中的圖像劑量并不導(dǎo)致放療計(jì)劃違反處方劑量要求，但圖像劑量對(duì)DVH指標(biāo)的影響仍提示臨床上需謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)放療計(jì)劃，為危及器官留出足夠的“劑量空間”。另外，CBCT不同的掃描參數(shù) （曝光量、均整器等），可產(chǎn)生不同圖像劑量。前列腺放療需特別關(guān)注直腸和股骨頭的劑量，因此實(shí)施IGRT時(shí)可根據(jù)圖像劑量修改處方劑量要求。本研究中，44次CBCT掃描直腸的圖像劑量約為0.8 Gy，在放療計(jì)劃系統(tǒng)中做計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，可將V75＜25%修改為V74.2＜25%。該方式可解決目前商用放療計(jì)劃系統(tǒng)無法考慮圖像劑量的問題。

3 討論

本研究使用蒙特卡羅方法，評(píng)估采用CBCT開展圖像引導(dǎo)技術(shù)在前列腺癌放療患者中產(chǎn)生的額外圖像劑量對(duì)放療計(jì)劃的影響。將圖像劑量對(duì)危及器官的影響呈現(xiàn)在劑量體積直方圖中進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管應(yīng)用圖像引導(dǎo)技術(shù)時(shí)，患者的危及器官接受的劑量依然滿足臨床處方要求，但圖像劑量對(duì)總劑量存在可觀察到的影響。因此，對(duì)于IGRT，累加圖像劑量并重新評(píng)估放療計(jì)劃是必要的。因?yàn)樯逃玫姆暖焺┝肯到y(tǒng)只配備了MV級(jí)光子線的劑量算法，無適合kV級(jí)光子線的劑量算法［6］，蒙特卡羅算法為計(jì)算IGRT產(chǎn)生的圖像劑量提供了可靠途徑。

掃描用X射線覆蓋患者腫瘤附近的整個(gè)身體，包含腫瘤靶區(qū)和危及器官，劑量分布比X射線更均勻。因此，在相同掃描參數(shù)下，CBCT掃描對(duì)不同患者產(chǎn)生的圖像劑量差異不大。除掃描參數(shù)外，另一個(gè)可能影響圖像劑量的因素是患者的胖瘦程度。因此患者體型與圖像劑量的相關(guān)性值得深入研究分析。

除了前列腺癌，還需要對(duì)其他部位放療做更多的研究，并開發(fā)一個(gè)精確且快速的圖像劑量計(jì)算方法，便于IGRT的計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)考慮圖像劑量。

[1] 殷蔚伯.腫瘤放射治療學(xué) [M].第4版.北京:中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社,2008:1007-1049.

[2] 胡逸民.腫瘤放射物理學(xué) [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.

（責(zé)任編輯：常海慶）

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

廣東省科技廳自籌經(jīng)費(fèi)類項(xiàng)目 （2015）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （20160701168）

張白霖，男，博士學(xué)位，研究方向：腫瘤放射治療技術(shù)。

*通訊作者：王學(xué)濤，電話：13711513268。