中华放射医学与防护杂志  2020, Vol. 40 Issue (8): 595-599   PDF    
引用本文
李俊禹, 吴昊, 杨敬贤, 李廷廷, 于松茂, 卢子红, 王美娇, 李晨光, 李玮博, 张艺宝. 基于品质因素评价瓦里安锥束CT成像质量与辐射剂量风险收益比[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2020, 40(8): 595-599, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2020.08.004.
基于品质因素评价瓦里安锥束CT成像质量与辐射剂量风险收益比
李俊禹1 , 吴昊1 , 杨敬贤1 , 李廷廷2 , 于松茂1 , 卢子红1 , 王美娇1 , 李晨光1 , 李玮博3 , 张艺宝1     
1. 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科 恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室 100142;
2. 解放军总医院第五医学中心, 北京 100039;
3. Institute of Radiation Medicine, Helmholtz Zentrum München-German Research Center for Environmental Health (GmbH), Neuherberg 185764, Germany
收稿日期: 2019-12-11
基金项目: 首都卫生发展科研专项(首发2018-4-1027);教育部科技发展中心产学研创新基金-"智融兴教"基金(2018A01019);国家自然科学基金(11505012, 11905150, 81672969);国家重点研发计划资助项目(2019YFF01014405);四川省科技计划资助项目(2018HH0099);北京市自然科学基金(7172048, 1202009)
通信作者: 张艺宝, Email:ybzhang66@163.com
[摘要] 目的 分析比对不同Varian加速器平台机载千伏锥束CT（kV CBCT）系统的辐射剂量和成像质量，指导临床选用风险收益比（成像质量/辐射剂量）最高的图像引导方案。方法 利用CT剂量指数模体（CTDI模体）和CT电离室，以及Catphan604模体分别获取Edge、Truebeam、新旧两台ix加速器机载CBCT典型扫描模式的辐射剂量和成像质量参数，使用品质因素（figure of merit，FOM）值评估各图像引导方案的风险收益比。结果 不同型号的瓦里安加速器配置的kV CBCT系统的FOM不同，差异广泛分布于0.65（温和成像一圈）~48.46（温和成像半圈）区间；各扫描参数间FOM也存在较大差异，均值为22.14±13.47。结论 由于设备间和参数间存在显著差异，基于实际测量的验证评估有助于临床选择合理的影像引导方案，剂量敏感患者应优先选择加权CT剂量指数（CTDIw）低的参数和设备；对图像质量要求高的患者应优选对比度噪声比（CNR）高的方案；而普通患者则可依据风险收益比进行选择，此时品质因素FOM可为临床决策提供有利工具。
[关键词] 图像引导放疗    千伏锥形束CT    辐射剂量    成像质量    
Evaluation of cost-effective ratio (imaging quality vs. radiation dose) of Varian cone beam CT based on figure of merit (FOM)
Li Junyu1 , Wu Hao1 , Yang Jingxian1 , Li Tingting2 , Yu Songmao1 , Lu Zihong1 , Wang Meijiao1 , Li Chenguang1 , Li Weibo3 , Zhang Yibao1     
1. Key Laboratory of Carcinogenesis and Translational Research(Ministry of Education/Beijing), Department of Radiation Oncology, Peking University Cancer Hospital & Institute, Beijing 100142, China;
2. The Fifth Medical Center of PLA General Hospital, Beijing 100039, China;
3. Institute of Radiation Medicine, Helmholtz Zentrum München-German Research Center for Environmental Health(GmbH), Neuherberg 185764, Germany
Fund programs: Capital′s Funds for Health Improvement and Research (2018-4-1027); Ministry of Education Science and Technology Development Center (2018A01019); National Natural Science Foundation of China (11505012, 11905150, 81672969); National Key R & D Program of China (2019YFF01014405); Sichuan Science and Technology Program (2018HH0099); Beijing Natural Science Foundation (7172048, 1202009)
Corresponding author: Zhang Yibao, Email: ybzhang66@163.com
[Abstract] Objective To analyze and compare the radiation dose and image quality of kilo-voltage cone beam CT systems on different Varian accelerator platforms, providing data to support clinical decisions on selecting optimal protocols for image-guided radiotherapy based on cost-effective ratio (image quality/radiation dose). Methods The radiation dose and image quality of various CBCT systems and scanning protocols on Varian Edge, Truebeam and ix (new and old) LINACs were obtained using a CT dose index (CTDI) phantom combined with a CT ionization chamber and a Catphan604 phantom, respectively. Figure of merit (FOM) was used to evaluate the cost-effective ratio of the image guidance schemes. Results Considerable inter-system varieties of FOMs were observed, varying from 0.65 (Image Gently-full trajectory) to 48.46 (Image Gently-half trajectory). The inter-protocol varieties were also large, where the mean±SD was 22.14±13.47. Conclusions Considering the explicit inter-system and inter-protocol varieties, it is clinically favorable to evaluate the image guidance schemes based on machine-specific measurement. For instance, parameters and equipment with low CTDIw can be beneficial for dose-sensitive patients. High CNR regimen favors patients with high image quality requirements. For ordinary patients, cost-effective ratio in terms of FOM can be very helpful to guide the decision-making of clinical image-guided radiotherapy.
[Key words] Image guided radiotherapy    kV cone beam CT    Radiation dose    Image quality    

千伏锥束CT(kV CBCT)是当代图像引导放疗(IGRT)中使用最广泛的成像模态[1-2]，在提供高质量三维图像的同时[3]，也给患者带来额外的辐射剂量和二次致癌风险[4]。由于硬件设计[5]和扫描模式[6]不同，各厂家kV CBCT系统和扫描参数之间的成像质量和辐射剂量[7]存在较大差异。虽然文献中不乏针对美国瓦里安机载影像系统(on-board imager, OBI)锥束CT图像质量和辐射剂量的评估报道[8-10]，但如何平衡这对相互矛盾的参数却一直是困扰临床的问题，也缺乏对相同厂家的不同系统和扫描参数间进行横向比较的数据报道。当前大部分临床实践只是依据成像部位选择与之名称相符的参数，但当同一部位存在多套备选参数，或相同的成像视野存在众多可选方案时，临床决策往往因缺乏相应数据支持带有较强的随意性和盲目性。

品质因素(figure of merit，FOM)作为一个综合性指标，可以用于对成像质量/辐射剂量的风险收益比进行整体评估。本工作基于瓦里安TrueBeam和CLINAC ix两个加速器平台机载的4台OBI系统，利用CatPhan604模体和CT剂量指数模体(CTDI模体)分别测量12套不同扫描参数的成像质量和辐射剂量，对比分析48组数据所提示的系统间/参数间成像风险收益比，以期从图像引导优化角度为IGRT相关临床决策提供数据支持。

材料与方法

1.OBI系统和扫描参数：分别选取TrueBeam平台(美国瓦里安Edge和TrueBeam加速器各1台，分别载有硬件构造和软件版本相同的OBI系统)及两台传统美国瓦里安CLINAC ix平台机载的共4套OBI系统进行成像。表 1展示了两套系统各自扫描默认参数设置。其中TrueBeam平台的重建层厚和重建矩阵分别为2 mm，512×512；锥束CT(CBCT)参数为温和成像、头部、聚焦时，扫描直径与扫描范围分别为26.2和18.5 cm；CBCT参数为胸部、盆部、盆部肥胖时，扫描直径与扫描范围分别为46.5和17.5 cm。ix平台的重建层厚、重建矩阵分别为2.5 mm和384×384；CBCT参数为低剂量头部时，扫描直径与扫描范围分别为25和18 cm；CBCT参数为标准剂量头部、高质量头部、盆部聚焦时，扫描直径与扫描范围分别为25和16 cm；CBCT参数为低剂量胸部和盆部时，扫描直径与扫描范围分别为45和16 cm。4台加速器头部、温和成像、聚焦扫描模式使用全扇形滤线器(bow-tie filter)；胸部、盆部扫描模式使用半扇形滤过器。半圈和一圈的运动轨迹机架转角幅度分别为200°和360°。CBCT扫描分为全扇形扫描(full fan)模式和半扇形扫描(half fan)模式两种，前者指获取CBCT图像时kV影像板居中，在每个投影图上能够重建全部物体，后者指获取CBCT图像时kV影像板横向平移，在每幅投影图上仅仅能重建部分物体。OBI系统通过kV探测器(kilo-voltage detector，kVD)的平移实现视野(field of view，FOV)增大。

表 1 Varian TrueBeam平台和CLINAC ix平台加速器OBI预设扫描参数 Table 1 OBI preset scanning parameters on Varian TrueBeam platform and CLINAC ix platform

2.辐射剂量测量：通过治疗室激光灯将PTW固体丙烯酸树脂CTDI头部(直径16 cm)和体部(直径32 cm)模体分别置于加速器等中心位置，在各扫描条件下，利用CT电离室和UNIDOS webline静电计，输入实时温度及气压修正后，测量模体中心和外周4个位置的剂量长度乘积(DLP)。未插入电离室的钻孔以插栓填充以使模体材质均匀。依据公式(1)计算[11]加权CBCT剂量指数(CBCTDIw)。

$ {\rm{CBCTD}}{{\rm{I}}_{\rm{w}}} = \frac{1}{3}{D_0} + \frac{2}{3}{\overline D _p} $ (1)

式中，D0为CTDI模体中心剂量, mGy; Dp为CTDI模体周围4个位置处剂量的平均值，剂量=DLP/10 cm, mGy。

3.对比度噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)计算：在治疗室激光灯辅助下，将Catphan604模体(the phantomlab)的标记点置于加速器等中心位置后分别利用各CBCT模式成像，利用Catphan604模体中CTP732模块第二截面分析CNR，通过公式(2)计算得出各个密度插棒CNR值[10-11]，并计算不同CBCT模式平均CNR。

$ {\rm{CNR = }}\frac{{\left| {\overline C {{\overline T }_{{\rm{insert}}}} - \overline C {{\overline T }_{{\rm{background}}}}} \right|}}{{\sqrt {\sigma _{{\rm{insert}}}^2 + \sigma _{{\rm{background}}}^2} }} $ (2)

式中，CNR为对比度噪声比，CTinsert为插棒的平均CT值，CTbackground为同层面背景的平均CT值，背景定位在模体中心，并且感兴趣区大小与插棒感兴趣区大小(6 mm×6 mm)相同，σinsert为对应插棒的标准偏差，σbackground为对应同层面背景的标准偏差。

4.FOM值计算：各插棒FOM值通过公式(3)计算得出[12-14]，并计算不同CBCT模式平均FOM值。

$ {\rm{FOM}} = \frac{{{\rm{CN}}{{\rm{R}}^2}}}{{{\rm{CBCTD}}{{\rm{I}}_{\rm{w}}}}} $ (3)
结果

表 2、3分别整理比较了4台加速器全扇形扫描和半扇形扫描模式下，利用各扫描参数测得的对比度噪声比CNR、CTDIw，以及由此计算出的FOM值。

表 2 4台机器全扇形扫描模式下成像质量、辐射剂量和风险收益比比较(按FOM降序排列) Table 2 Comparison of imaging quality, radiation dose and cost-effective performance in full fan mode of four machines (in descending order of FOM)

表 3 4台机器半扇形扫描模式下成像质量、辐射剂量和风险收益比比较(按FOM降序排列) Table 3 Comparison of imaging quality, radiation dose and cost-effective performance in Half Fan mode of four machines (in descending order of FOM)

以上数据提示，相同平台的不同机器间，即使成像参数完全相同，其测量结果也不尽相同。对于TrueBeam平台，机器间CNR、CTDIw和FOM差异最大分别是盆部肥胖1圈(9.69)、盆部1圈(2.78 mGy)、温和成像半圈(48.46)；差异最小的分别是温和成像1圈(0.50)、温和成像半圈(0.11 mGy)、温和成像1圈(0.65)；各参数CNR、CTDIw和FOM机器间平均差异均值为4.12±3.01、(1.02±0.81) mGy、22.14±13.47；对于CLINAC平台，机器间CNR、CTDIw和FOM差异最大分别是盆部1圈(5.00)、盆部1圈(2.63 mGy)、低剂量胸部一圈(281.56)；差异最小的分别是标准剂量头部半圈(0.31)、低剂量头部半圈(0.21 mGy)、标准剂量头部(5.00)；各参数CNR、CTDIw和FOM机器间平均差异均值为2.36±1.98、(1.26±1.04) mGy、68.94±109.19。

讨论

本研究中, 相同机器的剂量(CTDIw)与扫描参数的名称相符，如ix加速器的低剂量头部＜标准剂量头部＜高质量头部，最高剂量分别是最低剂量的9.73倍(ix旧)和9.97倍(ix新)，但CNR只相应提高1.96倍和2.26倍。因此，对于本实验设计的两台ix加速器，头部扫描FOM风险收益比最高的是低剂量头部参数，加之头部相对刚性的解剖结构和清晰的骨性标记，该参数可作为头颈部IGRT的成像首选。虽然TrueBeam平台OBI的头部扫描只有头部一个参数，但360°扫描轨迹的辐射剂量分别是200°的1.49倍(Edge)和1.92倍(TrueBeam)。而两台机器成像FOM性价表现则正好相反：Edge的360°高，而TrueBeam的200°高。这一现象提示即使设备型号和参数相同，FOM的差异也可能较大，针对具体机器进行的实际测量和验证或有必要。

对于较小视野的体部全扇形扫描成像，温和成像是TrueBeam系列机型的特色参数，符合美国医学物理师协会(AAPM)倡导的针对儿童等特殊患者体型，通过适当降低管电压和曝光量实现降低辐射剂量的倡议[15]。本研究结果显示，温和成像的辐射剂量较其他成像参数小一个数量级，CTDIw均在2.2 mGy以下，且200°扫描剂量一致低于360°成像剂量。但Edge的200°和TrueBeam的360°分别获得了较高FOM风险收益比，与上述头部参数扫描结果正好相反，再次证明了对具体设备进行实际测量的重要性。

虽然TrueBeam和ix加速器都有聚焦参数，但ix只有200°扫描一种模式，虽然ix和TrueBeam系列200°聚焦模式辐射剂量均低于360°成像，但其CNR和FOM风险收益比均显著低于TrueBeam系列的360°聚焦成像。相比大成像视野的半扇形扫描模式，360°聚焦模式既保留了小成像视野减少辐射剂量和受照组织等优点，同时可为体部IGRT提供更好的软组织分辨率，这对于骨性标记相对缺乏或相对位置关系相对不确定的部位尤其重要。

在半扇形大成像射野扫描模式下，对于胸、盆两个参数，4台机器表现出了一致的风险收益比排序，即ix新机器> ix旧机器> Edge > TrueBeam，说明ix系统虽然是以较高的辐射剂量才获得更好的CNR，但收益幅度大于风险，具体则体现为更好的FOM值。值得注意的是，虽然TrueBeam平台的胸部扫描参数名称为胸部，但其实测剂量却均低于ix加速器的低剂量胸部参数，这与ix系列加速器头部扫描参数的名称与剂量的一致性不同。

作为TrueBeam系列特有的成像参数，盆部肥胖通过增加管电压和管电流的方式提高肥胖患者的成像质量，但辐射剂量也相应成倍增加，且收益 < 风险，故在所有半扇形扫描模式中FOM值最低。该结果说明临床应用中应严格控制该参数的适应证，对普通患者不宜采用此参数进行成像。

总之，由于行业规范对于锥束CT的质量控制标准和容差较加速器宽松得多，相同型号和扫描参数的不同机器间差异较大，基于具体设备进行辐射剂量和成像质量的测量验证十分必要。对于特殊情况，如剂量敏感患者(儿童、复发二次照射等)应优先选择CTDIw低的参数和设备；对图像质量要求高的患者(如自适应放疗和基于CBCT图像进行剂量重建等应用)可优选CNR高的方案。除此之外的普通患者则可依据风险收益比进行选择，此时品质因素FOM可作为指导临床IGRT决策的有利工具。

志谢 感谢中央高校基本科研业务费/北京大学临床医学+X青年专项(PKU2020LCXQ019)和北京市属医院科研培育计划项目(PX2019042)对本研究的资助

利益冲突  无

作者贡献声明  李俊禹负责结果分析、论文撰写；吴昊负责实验设计和指导论文写作；杨敬贤负责指导、监督实验进行；李廷廷、于松茂负责资料收集；卢子红、王美娇负责具体操作；李晨光、李玮博负责数据整理；张艺宝负责研究设计和论文修改

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