戴相昆，王運(yùn)來(lái)，馮林春，俞 偉

解放軍總醫(yī)院海南分院放療科，三亞市，572000

螺旋斷層加速器MVCT圖像用于頭頸部劑量計(jì)算的研究

【作 者】戴相昆，王運(yùn)來(lái)，馮林春，俞 偉

解放軍總醫(yī)院海南分院放療科，三亞市，572000

目的 評(píng)估螺旋斷層加速器兆伏級(jí)CT圖像進(jìn)行頭頸部劑量計(jì)算的可行性和準(zhǔn)確性。方法 使用Cheese Phantom測(cè)量MVCT電子密度校準(zhǔn)曲線，采集10例鼻咽癌病例的常規(guī)CT圖像設(shè)計(jì)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，將計(jì)劃保持參數(shù)不變移植到MVCT圖像上進(jìn)行劑量重算，將重算劑量結(jié)果與原計(jì)劃進(jìn)行比較，并驗(yàn)證劑量重算的準(zhǔn)確性。結(jié)果 MVCT的CT值與電子密度呈較好的線性和穩(wěn)定性，相對(duì)劑量分布保持一致，絕對(duì)劑量誤差均小于±3%。結(jié)論 MVCT圖像進(jìn)行頭頸部劑量計(jì)算具有較好的可靠性，符合臨床應(yīng)用要求。

螺旋斷層加速器；扇形束兆伏級(jí)CT；頭頸部腫瘤；劑量重算

螺旋斷層加速器是一種集調(diào)強(qiáng)放射治療和影像引導(dǎo)放射治療于一體的新型治療設(shè)備，是直線加速器和螺旋掃描CT機(jī)的結(jié)合[1]。螺旋斷層加速器采用MV級(jí)扇形束對(duì)患者進(jìn)行掃描，可以在治療前或治療中獲取MVCT圖像，然后對(duì)患者M(jìn)VCT和計(jì)劃KVCT的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，根據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果可以獲取患者治療前和治療中患者的位置誤差并進(jìn)行修正，從而保證患者治療的準(zhǔn)確性。同時(shí)每天采集的MVCT圖像可以用來(lái)評(píng)估患者體型或解剖結(jié)構(gòu)變化對(duì)劑量的影響，這個(gè)功能也是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)放療的前提之一[2]?；趫D像的劑量重算均要求對(duì)CT值與電子密度進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此必須建立電子密度校準(zhǔn)曲線。由于MVCT具有的特性，其電子密度校準(zhǔn)曲線的具有不同于kVCT的不確定性，其電子密度校準(zhǔn)曲線的不確定性將轉(zhuǎn)化為劑量計(jì)算的不確定性。我們將建立MVCT的CT值-電子密度校準(zhǔn)曲線，并測(cè)試不同的MVCT參數(shù)設(shè)置對(duì)校準(zhǔn)曲線的影響。選擇實(shí)際鼻咽癌病例，比較基于MVCT圖像計(jì)劃與基于kVCT圖像計(jì)劃的劑量分布，并對(duì)重算劑量準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[3]。

1 材料與方法

1.1 影像設(shè)備

計(jì)劃kVCT圖像采用Philips Big Bore大孔徑CT進(jìn)行掃描，掃描層厚為3 mm。MVCT圖像由螺旋斷層加速器獲取。該系統(tǒng)由滑環(huán)機(jī)架和位于放射源對(duì)側(cè)的氙氣探測(cè)器陣列組成，它使用GE 環(huán)形充氙氣體電離室，共有738個(gè)通道，其中540個(gè)用于MVCT成像，其他探測(cè)器用于測(cè)量本底。每個(gè)通道用25.4 mm長(zhǎng)和0.32 mm寬的鎢片分隔成兩個(gè)空腔，空腔內(nèi)為氙氣，氙氣的氣壓約為5個(gè)大氣壓。電離室通道之間的間隔為1.21 mm。收集每個(gè)電離室通道兩個(gè)空腔產(chǎn)生的電荷量形成探測(cè)信號(hào)。源到探測(cè)器的距離為145 cm，源到等中心的距離為85 cm。視野大小由多葉準(zhǔn)直器葉片的寬度決定，葉片在等中心的最大投影寬度為40 cm，MVCT的FOV為40 cm。探測(cè)器陣列的曲率半徑為110 cm[4]。螺旋斷層治療機(jī)MVCT在進(jìn)行掃描時(shí)其能量經(jīng)由6 MV調(diào)制至3.5 MV，鉛門(mén)寬度為5 mm，等中心處射野寬度為400 mm。當(dāng)患者穿過(guò)治療機(jī)孔徑時(shí)，機(jī)架連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，獲取患者的MVCT圖像。斷層放射治療機(jī)MVCT的能量和強(qiáng)度是固定的，可調(diào)參數(shù)為螺距比。螺距比的定義為射野在等中心處的長(zhǎng)度與機(jī)架每旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)治療床前進(jìn)的距離的比值。螺旋斷層治療機(jī)MVCT共有三種掃描模式，分別為Fine、Normal和Coarse，對(duì)應(yīng)圖像層厚分別2 mm、4 mm、6 mm，對(duì)應(yīng)的螺距為1、1.6、2.4。螺距比的改變對(duì)圖像質(zhì)量有一定的影響，增大螺距比會(huì)降低長(zhǎng)軸方向的分辨率，同時(shí)減少吸收劑量，國(guó)內(nèi)對(duì)MVCT成像劑量已有相關(guān)報(bào)道[5-6]。將獲取MVCT圖像與kVCT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，圖像配準(zhǔn)工作均由物理師在醫(yī)師的幫助下進(jìn)行。使用Tomo Adaptive軟件自帶配準(zhǔn)程序進(jìn)行配準(zhǔn)，并在冠狀面、橫斷面和失狀面三個(gè)方向上進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)方式為先自動(dòng)配準(zhǔn)，然后再手動(dòng)調(diào)整，配準(zhǔn)過(guò)程中可對(duì)MVCT圖像進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

1.2 MVCT校準(zhǔn)曲線

CT圖像的電子密度校準(zhǔn)是進(jìn)行劑量計(jì)算的基本條件，電子密度的穩(wěn)定性是CT值完整性的重要參數(shù)，因此我們必須保證電子密度校準(zhǔn)曲線的穩(wěn)定性[7]。我們使用 Cheese Phantom圓柱形固體水模體和不同電子密度插棒組合而成的電子密度CT體模建立MVCT的CT值—電子密度校準(zhǔn)曲線，并通過(guò)研究MVCT參數(shù)設(shè)置的變化對(duì)校準(zhǔn)曲線的影響來(lái)測(cè)試MVCT值的穩(wěn)定性。

Cheese Phantom圓柱形模體的材料為固體水，其直徑為30 cm，厚度18 cm。在橫斷面上共有20個(gè)插孔用來(lái)插入密度棒。其中內(nèi)環(huán)8個(gè)插孔，外環(huán)有12個(gè)插孔。模體共有12根組織等效插棒，等效組織插棒相對(duì)于水的電子密度等效值范圍從0.29到1.824。如圖1(a)為模體掃描后得到MVCT圖像，圖1(b)為不同密度插棒排列的對(duì)應(yīng)位置。

使用Fine、Normal和Coarse三種掃描方式分別對(duì)模體進(jìn)行掃描，由掃描圖像分析校準(zhǔn)曲線隨掃描參數(shù)變化而產(chǎn)生的改變。獲取的MVCT圖像在TomoconTM圖像工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

圖1 模體掃描前后對(duì)比圖Fig.1 Comparison fi gure before and after phantom scan

1.3 計(jì)劃劑量與重算劑量比較

選取臨床治療的10例鼻咽癌患者，獲取大孔徑CT圖像后上進(jìn)行調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)。具體螺旋斷層加速器參數(shù)設(shè)置為射野寬度2.5 cm，螺距比為0.32，調(diào)制因子為2.186，處方劑量為PGTV為70 Gy/33次，亞臨床病灶PTV為60 Gy/33次。將原治療計(jì)劃移植到螺旋斷層加速器獲取的MVCT圖像，采用MVCT電子密度校正曲線進(jìn)行校準(zhǔn)后進(jìn)行劑量重算。分析基于MVCT劑量重算的結(jié)果和基于大孔徑CT圖像計(jì)算得到的劑量分布，比較MVCT重算計(jì)劃和常規(guī)CT計(jì)劃的劑量體積直方圖（DVH）和等劑量曲線分布圖。

1.4 劑量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

收集10例鼻咽癌患者對(duì)其MVCT計(jì)劃重算劑量進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證方法與螺旋斷層加速器調(diào)強(qiáng)計(jì)劃驗(yàn)證方法相同[8]。絕對(duì)劑量中采用0.056 cm3A1SL電離室，相對(duì)劑量則采用柯達(dá)EDR2慢感光膠片進(jìn)行驗(yàn)證。選用圓柱形固體水模體(Med—Cal，USA)，直徑為30 cm，長(zhǎng)為18 cm。根據(jù)電離室測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出電離室參考點(diǎn)的劑量誤差。照射后將EDR2膠片進(jìn)行沖洗，VidarAdvanced Pro膠片掃描儀掃描后輸入到治療計(jì)劃系統(tǒng)膠片分析系統(tǒng)中，定性分析膠片測(cè)量的橫斷面劑量分布。將計(jì)算劑量分布和測(cè)量劑量分布疊放在一起，觀察等劑量曲線的一致性。當(dāng)靶區(qū)劑量參考點(diǎn)劑量誤差≤±3%，則表明計(jì)劃結(jié)果可接受。

2 結(jié)果

2.1 MVCT值電子密度校準(zhǔn)曲線

將MVCT圖像傳輸至TomoconTM圖像工作站，讀取每個(gè)插棒的MVCT值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，使用OriginPro7.5軟件得出相對(duì)電子密度和MVCT值的曲線。圖2顯示了螺距對(duì)電子密度校準(zhǔn)曲線的影響。在Fine、Normal和Coarse三種掃描方式所得的結(jié)果中，MVCT值變化幾乎沒(méi)有變化，因此我們認(rèn)為螺距比對(duì)MVCT值產(chǎn)生的影響可以忽略。由于MVCT圖像的劑量重算需要選擇一個(gè)有代表性的CT值到電子密度校準(zhǔn)曲線，因此我們將三種測(cè)量結(jié)果取平均值，根據(jù)平均值重建了平均電子密度校準(zhǔn)曲線。后面的MVCT圖像的劑量重算將采用平均校準(zhǔn)曲線。

圖2 MVCT的電子密度校準(zhǔn)Fig.2 Electron density calibration of MVCT

圖3 MVCT圖像與kVCT劑量分布比較（上為 kVCT,下為 MVCT）Fig.3 Dose distribution compared between kVCT and MVCT (up: kVCT, down: MVCT)

圖4 MVCT圖像與kVCT劑量DVH比較（實(shí)線:kVCT;虛線:MVCT）Fig.4 MVCT images and kVCT dose DVH comparison (solid line: kVCT; dashed: MVCT)

圖5 MVCT與kVCT絕對(duì)劑量差值分布Fig.5 Absolute dose distribution of the difference between MVCT and kVCT

圖6 10例鼻咽癌患者M(jìn)VCT圖像重算劑量的絕對(duì)劑量誤差分布Fig.6 Absolute dose error of MVCT image recalculation dose for 10 NPC patients

2.2 劑量比較結(jié)果

獲取MVCT圖像時(shí)，所有病例的掃描范圍均要求包含全部靶區(qū)。由前面的研究可知掃描螺距對(duì)MVCT劑量重算的影像可以忽略[2]，因此我們僅選擇臨床常用的Normal方式進(jìn)行掃描。獲取MVCT圖像后，我們首先在Tomo Adaptive軟件中將MVCT圖像和kVCT圖像進(jìn)行位置配準(zhǔn)，保證其位置準(zhǔn)確性。然后采用平均MVCT值電子密度校準(zhǔn)曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。將原治療計(jì)劃保持所有計(jì)劃參數(shù)不變并移植到MVCT圖像上并重新進(jìn)行劑量計(jì)算，由此得到基于MVCT圖像的劑量分布。由于在Tomo Adaptive軟件中所得到的劑量信息均為單次照射的劑量分布，因此我們下面比較的都為單次照射的劑量分布信息。圖3中給出了MVCT圖像和kVCT圖像的同一層面的劑量分布，圖4中給出了兩種計(jì)劃的DVH圖比較結(jié)果。經(jīng)過(guò)比較我們發(fā)現(xiàn)MVCT重算劑量與kVCT劑量具有很好的一致性[3]。

由Tomo Adaptive軟件我們還可以得出kVCT劑量和MVCT重算劑量的絕對(duì)劑量差值分布，如圖5所示，我們發(fā)現(xiàn)單次照射劑量的最大差值在±0.09 Gy范圍以內(nèi)。

2.3 重算劑量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

絕對(duì)劑量驗(yàn)證考慮選取劑量梯度變化較小區(qū)域的點(diǎn)劑量進(jìn)行驗(yàn)證。圖6顯示了10例鼻咽癌患者M(jìn)VCT圖像重算劑量的絕對(duì)劑量驗(yàn)證結(jié)果。由圖我們可以看出模體中絕對(duì)劑量點(diǎn)測(cè)量誤差分布情況，其分布范圍均處于±3%以內(nèi)，平均偏差為1.27%。

相對(duì)劑量驗(yàn)證考慮模體計(jì)劃中某一平面劑量分布是否與實(shí)際照射中相應(yīng)平面的測(cè)量結(jié)果相一致。如圖7所示，通過(guò)模體中膠片放置層面計(jì)算劑量分布，其中圖7為任意曲面劑量曲線分布比較。實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定性比較分析，測(cè)量劑量分布與計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果基本保持較好的一致性。

圖7 模體中EDR2膠片測(cè)量(灰色)與計(jì)算劑量 (黑色)的比較結(jié)果Fig.7 Dositry compared between MVCT and kVCT

3 討論

根據(jù)Langen KM，Meeks SL等[2]的研究可知有兩種方法可以通過(guò)MVCT圖像獲取劑量分布。第一方法是使用出射劑量用于重建患者體內(nèi)的吸收劑量。即根據(jù)螺旋斷層加速器的氙氣探測(cè)器陣列接受的出射劑量的信號(hào)推算照射劑量的注量圖，然后用注量圖重新計(jì)算MVCT圖像中解剖結(jié)構(gòu)的劑量分布，其方法較為復(fù)雜。第二種方法是使用治療計(jì)劃的劑量注量圖在MVCT圖像上重算劑量分布。這種方法不使用出射劑量且更容易實(shí)現(xiàn)，因此目前評(píng)估治療過(guò)程中解剖結(jié)構(gòu)的變化而造成的治療計(jì)劃實(shí)施的誤差多采用這種方法[3]。

康普頓散射是kV級(jí)和MV級(jí)能量的射線在組織中的主要的光子衰減模型。kV級(jí)射線由于能量較低，其對(duì)骨組織等一類的高原子序數(shù)物質(zhì)作用過(guò)程中光電效應(yīng)貢獻(xiàn)增加，這就導(dǎo)致CT值隨著電子密度和材料的原子序數(shù)的增加而增加。對(duì)于MV級(jí)較高能量即使是作用于更高原子序數(shù)的物質(zhì)，其中光電效應(yīng)對(duì)光子衰減的貢獻(xiàn)也可以忽略，因此MVCT值的電子密度校正曲線可以認(rèn)為是線性的[3]。本文得到的結(jié)果也顯示出MVCT值和電子密度曲線之間的線性關(guān)系。

在早期的報(bào)道中有人提出扇形束和錐形束CT圖像中會(huì)出現(xiàn)杯狀失真，這個(gè)杯狀失真會(huì)導(dǎo)致影像中心部分的暗化。因此在建立圖像電子密度校準(zhǔn)曲線之前，首先應(yīng)該對(duì)MVCT圖像進(jìn)行均勻性校正。而我們?cè)贛VCT圖像質(zhì)量的測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)杯狀失真[9]，因此我們并沒(méi)有對(duì)MVCT圖像進(jìn)行均勻性校正。而螺距比的改變對(duì)MVCT值的影響也可以忽略，我們的結(jié)論也符合這一預(yù)期。

由于鼻咽癌患者治療周期較長(zhǎng)，通常在6～8周，因此治療過(guò)程中患者會(huì)出現(xiàn)體重的減輕及腫瘤的退縮等一系列改變，這必定會(huì)帶來(lái)一定的劑量學(xué)誤差。因此我們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)均選擇剛剛接受治療的患者，以減小這一原因產(chǎn)生的劑量學(xué)差異。通過(guò)二維劑量分布以及劑量體積直方圖等的比較，結(jié)果表明MVCT劑量重算與kVCT劑量之間具有較好的一致性[3]。我們采用電離室和EDR2膠片對(duì)重算劑量的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證過(guò)程中我們考慮了徐壽平等[8]提出的在螺旋斷層放療系統(tǒng)調(diào)強(qiáng)放療驗(yàn)證過(guò)程可能產(chǎn)生誤差的因素，驗(yàn)證結(jié)果表明基于MVCT圖像的劑量重算具有較好的準(zhǔn)確性，符合臨床應(yīng)用的要求。

在對(duì)10例鼻咽癌患者M(jìn)VCT圖像進(jìn)行劑量重算的研究之后，我們發(fā)現(xiàn)MVCT劑量重算沒(méi)有表現(xiàn)出劑量學(xué)方面的不穩(wěn)定性，同時(shí)使用MVCT圖像進(jìn)行劑量計(jì)算的精度和kVCT上的劑量計(jì)算精度相近，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。因此我們認(rèn)為基于每天掃描獲取的MVCT圖像，可以使用劑量學(xué)重建技術(shù)進(jìn)行劑量重算從而得到可靠的劑量分布，對(duì)照射靶區(qū)以及正常器官的受量進(jìn)行評(píng)估。并且根據(jù)前次治療分次的劑量重算結(jié)果，可以為醫(yī)師提供基于每天掃描的MVCT圖像的劑量信息，從而為剩余治療分次進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)劃的必要性和可能性提供臨床依據(jù)[3]。

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Use of Megavoltage CT(MVCT) in Helical Tomotherapy for Head and Neck Dose Calculation

【 Writers 】Dai Xiangkun, Wang Yunlai, Feng Linchun,Yu Wei
Department of Radiation Oncology, Hai-Nan Branch of PLA General Hospital, Sanya, 572000

helical tomotherapy, fan beam megavoltage CT,head and neck tumor, dose recalculation

R730.5;TP391.41

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.018

1671-7104(2014)02-0141-04

2013-10-31

俞偉，E-mail: iabcde@163.com

【 Abstract 】Objective To evaluate the feasibility and accuracy of using Megavoltage CT(MVCT) for head and neck dose calculation. Methods The cheese Phantom was imaged using MVCT scanner, and the MVCT value density calibration curve was established. Conventional CT and MVCT image of nasopharyngeal carcinoma was acquired respectively, and IMRT plan was designed on conventional CT image of NPC patient. The conventional CT plan was copied to MVCT image. The dose distribution was calculated for tumor and normal tissue using the MVCT value density calibration curve, and compared with that of conventional CT. Ten NPC patients were collected for dose veri fi cation of IMRT plan on MVCT images. Results The MVCT numbers depended linearly on the electron density of the sample, and the stability of the MVCT numbers to electron density was good.The error between the measured dose and calculated dose in measured point was less than 3%.The isodose distribution was well agreement with that calculated by planning system. Conclusions Performing dose recalculation using MVCT of Tomotherapy in head and neck region was feasible.and the dose distributions on kVCT and MVCT were in excellent agreement.