锥形束CT(CBCT)能为放疗提供精确的影像引导，还能用于剂量重建、运动监测、自适应放疗等诸多领域^[1-3]。诊断CT的医源性辐射致癌风险已为学界公认^[4]。而CBCT不仅单次剂量更高^[5]，且需对基因易感性更高的癌症患者进行反复扫描^[6]，从而累积可观风险^[7]。

美国瓦里安的CBCT OBI和瑞典医科达的CBCT XVI是最主要的放疗引导CBCT。本课题组已发表OBI剂量学模型^[8-9]，但XVI模型尚缺少报道。由于X射线管构造、准直系统、过滤装置、成像范围、扫描参数等差异，现有模型无法描述XVI^[10]。本研究基于PTW体部CTDI模体，测量并建立XVI多套标准参数及不同扫描电压/管电流组合下的剂量学模型。

1.医科达Versa HD加速器机载XVI参数：本研究使用的扫描参数包括最新5.0版本标准Chest M20和Pelvis M20，以及在此基础上通过改变影响剂量的主要可调参数，即扫描电压和管电流形成的多种组合。其中扫描电压的调整通过修改和调用相应的配置脚本文件实现。各条件扫描电压和管电流的具体设置组合如图 1，2所示，其他通用设置包括：M20准直器，F1蝶形滤线器，中部千伏探测器位置，360°机架旋转，180°/min转速，660帧，20 ms(胸部参数)40 ms(盆腔参数)。其中，曝光时间一直保持不变。

图 1 模体内各点剂量和CTDIw与参数变化的关系图 A.固定120 kVp扫描电压，剂量与管电流的关系；B.固定40 mA管电流，剂量与管电压的关系 Figure 1 Regression of air Kerma at various phantom locations and CTDIw A. mA at 120 kVp; B. kVp at 40 mA

图 2 同时改变扫描电压和管电流两个参数对于CTDI体部模体中心点剂量的影响 A. 3D展示；B.以扫描电压分类的2D展示和线性拟合 Figure 2 Dependence of central dose to a CTDI body phantom on both kVp and mA A. 3D display; B. 2D display and linear regression based on various kVp

2.设置CTDI模体：本研究使用长度为15 cm，直径为32 cm的PTW丙烯酸标准体部CTDI模体，其中心、以及0、3、6和9点钟的位置(距外表面0.5 cm)对称钻有直径0.9 cm、深度10 cm的CT电离室适配插孔，并配有相应丙烯酸插件，用于没有放置电离室时的填充。为避免部分射线角度不对称穿透治疗床，在利用治疗室激光灯系统将模体置于等中心位置之前，先将床侧位坐标置零。

3.空气比释动能测量：本研究使用的德国PTW TW30009 CT千伏电离室和PTW UNIDOS webline静电计均已在德国标准实验室完成刻度，标准可溯源至德国国家实验室PTB，Braunschweig。输入静电计的参数包括：系数N_k=8.484×10⁷ Gy·cm·C^-1，修正因子K_Q=1.00(IEC 61267标准：RQT9/120 kV/HVL=8.4 mm铝和RQT8/100 kV/HVL=6.9 mm铝)，极化电压=-100 V，实时温度(摄氏)和气压(hPa)。

4.数据分析：参照文献[10]算法，为标准参数及单变量扫描电压或管电流参数计算加权CT剂量指数(CTDI_w)，定义如下：

式中，D_1~5分别代表中心点和外周4点实测比释动能，mGy^[11]。为了与医科达XVI说明书中计算标称CTDI_w值的方法一致^[11]，D_1~5还分别除以电离室长度10 cm进行了归一。

为揭示同时改变扫描电压和管电流对于CBCT剂量的影响，本研究分别测量4组管电流×5组扫描电压，共计20对参数组合下的模体中心点剂量，并利用SigmaPlot 10.0软件绘制并拟合扫描电压或管电流同时影响剂量的规律。另外，各点比释动能及CTDI_w值也被拟合成以扫描电压或管电流为变量的数学模型。

1.标准参数测量结果：表 1列出了医科达XVI Chest M20(120 kV，20 mA)和Pelvis M20(120 kV，40 mA)标准参数扫描后CTDI模体各点比释动能测量值及CTDI_w计算值。

表 1(Table 1)

表 1 医科达XVI 5.0版Chest M20和Pelvis M20标准参数扫描体部CTDI模体各点比释动能测量值和CTDIw计算值(mGy) Table 1 Measured KERMA and calculated CTDIw at various locations in a body CTDI phantom scanned by standard Chest M20 and Pelvis M20 protocols of Elekta XVI version 5.0(mGy) 标准参数 中心 0点 3点 6点 9点 CTDIw Chest M20 26.88 47.12 45.84 45.84 59.28 4.20 Pelvis M20 125.52 219.20 211.40 210.00 267.40 19.32 注：CTDI.CT剂量指数；CTDIw.加权CT剂量指数

表 1 医科达XVI 5.0版Chest M20和Pelvis M20标准参数扫描体部CTDI模体各点比释动能测量值和CTDIw计算值(mGy) Table 1 Measured KERMA and calculated CTDIw at various locations in a body CTDI phantom scanned by standard Chest M20 and Pelvis M20 protocols of Elekta XVI version 5.0(mGy)

2.单扫描电压或管电流变量测量结果：图 1分别绘制了模体内各点剂量和CTDI_w在固定120 kVp条件下与管电流变量的变化关系，以及固定40 mA条件下模体内各点剂量CTDI_w相对于扫描电压的变化关系，并增加了0 kVp/0 mA对应0 mGy的理论值用于模型拟合。表 2分别列出了图 1中拟合函数的各项系数、相应的P值及可决系数R²。

表 2(Table 2)

表 2 以管电流或扫描电压为单变量的各点比释动能测量值和CTDIw拟合函数系数 Table 2 Fitting parameters of measured KERMA at various locations and calculated CTDIw as functions of either mA or kVp 剂量 固定120 kVp 固定40 mA aa P值 可决系数R2 aa P值 ba P值 可决系数R2 中心剂量 3.080 < 0.001 1.000 -0.970 0.002 0.017 < 0.001 0.998 0点剂量 5.310 < 0.001 1.000 -1.086 0.012 0.024 0.001 0.997 3点剂量 5.179 < 0.001 1.000 -1.076 0.007 0.023 0.001 0.998 6点剂量 5.381 < 0.001 0.999 -1.155 0.003 0.024 < 0.001 0.999 9点剂量 6.679 < 0.001 1.000 -1.382 0.001 0.030 < 0.001 0.999 CTDIw 0.479 < 0.001 1.000 -0.111 0.003 0.002 < 0.001 0.998 注：CTDIw.加权CT剂量指数。aa和b为经验公式mGy=a·mA+b·mA2中的a和b

表 2 以管电流或扫描电压为单变量的各点比释动能测量值和CTDIw拟合函数系数 Table 2 Fitting parameters of measured KERMA at various locations and calculated CTDIw as functions of either mA or kVp

3.同时改变管电流和扫描电压测量结果：图 2A以3D方式绘制了模体中心点剂量随着管电流和扫描电压同时变化的相对关系。由于XVI改变扫描电压需要调用不同的配置文件且可选用的值相对较少，为了更清晰展示量化关系，图 2B以2D方式绘制了各可用扫描电压值下模体中心点剂量随管电流的线性关系。表 3列出了图 2B中函数各系数、相应的P值以及可决系数R²。

表 3(Table 3)

表 3 同时改变扫描电压(kVp)和管电流(mA)时模体中心点比释动能测量值拟合函数系数 Table 3 Fitting parameters of measured KERMA at phantom center as functions of both mA and kVp 扫描电压(kVp) aa P值 可决系数R2 80 0.707 < 0.001 0.998 100 1.669 < 0.001 0.999 110 2.388 < 0.001 0.999 120 3.080 < 0.001 0.999 140 4.697 < 0.001 1.000 注：a a为经验公式mGy=a·mA中的a

表 3 同时改变扫描电压(kVp)和管电流(mA)时模体中心点比释动能测量值拟合函数系数 Table 3 Fitting parameters of measured KERMA at phantom center as functions of both mA and kVp

为了用单个函数同时描述CTDI模体中心点剂量与扫描电压和管电流的变化关系，本研究将表 3(含表 2中的部分120 kVp数据)中的a值拟合成了以扫描电压为变量的三次方模型(图 3)，具体表述为：

图 3 CTDI模体中心点比释动能函数(式2) 中参数a相对于扫描电压的三次方拟合 Figure 3 Cubic regression of a against kVp, where a is the parameter in equation 2 describing KERMA to the phantom center

式中，kVp为管电压，kVp。同时改变扫描电压和管电流对于中心点剂量影响的经验公式可以表述为：

式中，mGy为中心点剂量，mGy；kVp为扫描电压，kVp；mA为管电流，mA。

本研究基于相对通用的标准CTDI体部模体和专用千伏电离室，研究并建立了医科达XVI锥形束CT系统的辐射剂量与参数设置的关系模型。由于硬件构造和参数设置的差异，瓦里安OBI和医科达XVI锥形束CT间的剂量学特征差异明显：如OBI v.1.4说明书所列的标称CTDI_w分别为4.716 mGy(Low-dose Thorax参数)和17.68 mGy(Pelvis参数)^[12]，归一到10 cm后分别为0.471 6和1.768 mGy，仅为表 1所列的XVI标准胸部和骨盆扫描参数的11.23%和9.15%。此外还需指出的是，在头脚方向默认扫描范围上，OBI(16 cm)和XVI(27.7 cm)也相去甚远，由于CTDI_w反应的仅仅是电离室长度(10 cm)范围内的辐射，如果考虑整个扫描范围内的剂量和风险，XVI和OBI的差异更大。因此，单独对XVI锥形束CT进行剂量学建模十分必要。

实验观察到，在任何扫描电压设置下，XVI锥形束CT的辐射剂量与管电流均成典型线性正比关系，这与文献报道的规律一致^[11]。但斜率a在不同条件下存在较大差异，如表 2~3中a的范围广泛分布在0.479~6.679之间，其主要影响因素包括：扫描电压参数值、模体测量位置、剂量描述方法(KERMA/CTDI_w)等。理论上讲，其他可能影响a值的因素还包括kV球管构造、滤线系统，准直系统等等。相比之下，XVI剂量随扫描电压的变化规律相对复杂，基本符合线性平方关系且更加敏感(图 1B，表 2，图 2A)。主要影响因素除管电流值外基本同上。无论是固定管电流改变扫描电压，还是固定扫描电压改变管电流，本研究给出的经验公式都能够准确描述XVI剂量随扫描参数的量化关系，所有R²>0.997。尤其是表 2中的CTDI_w模型，或许可以结合Martin等^[13]提出的器官剂量与CTDI_w的联系，实现不同参数下的器官剂量快速评估。然而，他们的工作是基于瓦里安OBI系统，XVI的CTDI_w与器官剂量的转换关系尚待进一步建立。此外，利用公式(3) 提出的同时改变扫描电压与管电流对CTDI模体中心点剂量的影响模型，可以与器官剂量建立类似联系。这些将是下一步的工作方向。

综上，医科达XVI锥形束CT剂量显著依赖于扫描参数，本研究提出的数学模型可用于快速准确描述其变化特征。但本研究也存在不足，对于同时改变扫描电压和管电流参数仅建立了CTDI模体中心点的剂量学模型，而不是CTDI_w模型。但是后者需要在所有20个参数组合下再测量外周4个点的比释动能，共计80次扫描。这对于XVI的kV X射线管的损害较大，出于设备保护和临床安全考虑，暂不进行此项实验。此外，M20准直器在头脚方向等中心处形成的射野为20 cm，而实验所用的CTDI模体长度为15 cm，散射不足可能导致剂量绝对值偏小，但由于kV级射线需要的散射材料厚度相对较小，且所有实验均采用相同的测试条件，因此数据结果可以反应扫描参数与剂量的相对关系特征。值得注意的是，IEC 6061-2-54标准第203.5.2.4.5.101条规定的XVI系统间CTDI_w的最大允许偏差为±50%^[12]，XVI说明书认可的典型偏差也可达±35%^[12]。虽然不同机器间实测的剂量绝对值与本文结果也可能出现较大偏差，但是参数影响剂量的规律应当基本一致。