趙培峰，孫彥澤，周鋼

蘇州大學附屬第二醫(yī)院放療科/蘇州大學放射腫瘤治療學研究所/蘇州市腫瘤放射治療重點實驗室，江蘇蘇州215004

前言

在放射治療計劃系統(tǒng)中患者體內的劑量沉積是根據其CT圖像對應的電子密度來計算的，該電子密度由計劃系統(tǒng)中的CT值-密度轉換曲線得到。因此，圖像CT值的準確獲取是劑量計算準確的保證[1-2]。隨著骨科手術技術的進展，越來越多接受放射治療的患者帶有金屬植入物（如牙齒填充物、脊柱穩(wěn)定性植入物或者髖關節(jié)替代物等），這些金屬植入物以及它們在CT圖像中產生的偽影會對放射治療計劃系統(tǒng)的劑量計算產生影響，導致計算結果的偏差[3-5]。本研究探討帶有金屬偽影的常規(guī)CT定位圖像在未經處理以及經過金屬偽影消減技術（MetalArtifact Reduction,MAR）處理后，射野角度設置對調強放射治療計劃劑量計算偏差的影響，進一步指導臨床上帶金屬植入物患者放射治療計劃的優(yōu)化設計，提高治療的準確度。

1 材料與方法

1.1 圖像CT值精確度評價

采用具有圖像MAR的大孔徑模擬CT（GE,590RT）進行掃描，獲取調強模體（CIRS model 002H9K,Norfolk,VA）未插入金屬棒的基準圖像和插入不銹鋼金屬棒（直徑2.5 cm）后未使用以及使用MAR校正處理的CT圖像。將圖像傳至Monaco放射治療計劃系統(tǒng)（Version 5.11），在3幅圖像的相同位置選取金屬棒周圍8個不同距離的感興趣區(qū)域（圖1）。獲取基準圖像及帶金屬棒模體圖像中相應區(qū)域的平均CT值HUbaseline image和HUmetalimage（包括校正前與校正后）。利用式（1）計算帶金屬棒圖像在校正前與校正后CT值的誤差，評價MAR對圖像CT值的校正效果。

圖1 CIRS模體的三種CT圖像Fig.1 Three kinds of CT images of CIRS phantom

1.2 不同角度的單個適形野照射劑量計算準確度

模擬髖關節(jié)置換的患者在模體中插入兩根不銹鋼金屬棒，調整模體的位置，將Farmer電離室（0.6 cc）的有效測量體積分別置于兩金屬棒所在平面內中間位置相隔2 cm的A、B、C點（圖2），掃描獲取未使用和使用MAR進行校正的CT圖像。將圖像傳至Monaco計劃系統(tǒng)后，勾畫出電離室的有效測量體積[4]并構建治療床模型，從而模擬治療床對劑量的衰減[6]。以B點為等中心，在0°～360°內每間隔5°設置一個10 cm×10 cm的方形照射野，機器跳數為100 MU。采用蒙特卡羅算法對每個射野在A、B、C點的照射劑量進行計算，并按照計劃設計要求，在醫(yī)科達Synergy加速器上對模體進行擺位、照射和測量。記錄測量結果，利用式（2）對射野的劑量計算偏差δ進行分析。

1.3 不同射野角度設置的調強放射治療計劃劑量計算準確度

圖2 模擬髖關節(jié)置換患者的模體（左）及3個劑量測量點示意圖（右）Fig.2 Phantom for simulating hip replacement patient(left)and 3 dose measurement points(right)

在插入金屬棒并經過MAR校正的模體圖像中勾畫出靶區(qū)PTV（包含A、B、C點）及危及器官，分別設計5野和7野兩種類型的調強放射治療計劃，每種計劃分別設置0、1或2個射野其入射路徑通過金屬區(qū)域，其他射野的入射路徑避開金屬區(qū)域。所有計劃完成時，95%的靶區(qū)體積被處方劑量覆蓋，靶區(qū)最大劑量不超過處方劑量的110%。然后通過圖像配準將靶區(qū)及危及器官拷貝至未經校正的模體圖像中，調強計劃也保持原射野參數不變進行復制，獲取未經校正模體圖像中的劑量計算結果（圖3）。同時，在加速器上按照治療計劃設計的要求對模體實施照射，測量A、B、C點的照射劑量。對比計劃系統(tǒng)中的計算結果，利用式（2）對劑量的計算偏差進行分析。

圖3 5野調強放射治療計劃示例Fig.3 Exam p le of 5-field intensity-m odulated radiotherapy(IMRT)p lan

1.4 統(tǒng)計學分析

在Excel軟件中對劑量的計算及測量結果進行統(tǒng)計學分析；采用OriginPro 8.0軟件進行數據的擬合及作圖比較分析。所有劑量計算偏差的分析結果皆為A、B、C點測量結果的平均值。

2 結果

2.1 采樣區(qū)域的平均CT值

圖4所示為標準模體圖像以及有無采用MAR處理的帶金屬模體圖像中8個采樣區(qū)域的平均CT值。在標準模體圖像中，CT值的變化范圍為-7～8 HU；在未采用MAR處理的帶金屬模體圖像中，CT值的變化范圍為-72～184 HU，其中最大偏差為191 HU；采用MAR處理后，CT值的變化范圍為-5～25 HU，其中最大偏差為33 HU。

2.2 不同角度的單個適形野劑量計算偏差

圖4 3種CT圖像中各采樣區(qū)域的平均CT值Fig.4 Average CT value of sam p led areas in 3 CT im ages

不同角度的單個適形野劑量計算偏差如圖5所示。在沒有經過MAR校正的CT圖像中，當射野入射路徑未通過金屬區(qū)域時，平均劑量計算偏差為3.24%；入射路徑通過金屬區(qū)域（射野角度范圍：80°～100°及255°～285°）時，計算偏差明顯增大（劑量計算值大于測量值），根據通過金屬范圍路徑的長短不同計算偏差范圍可達5.51%～72.14%。在經過MAR校正后的圖像中，射野入射路徑未通過金屬區(qū)域時，劑量計算偏差平均值為1.56%；當入射路徑通過金屬區(qū)域時計算偏差也明顯增大，偏差范圍為5.32%～48.19%。

圖5 不同射野角度的單個適形射野劑量計算偏差Fig.5 Dose calcu lation deviation for single conform al field at different field angles

2.3 不同射野角度設置的調強放射治療計劃劑量計算偏差

不同射野角度設置的調強放射治療計劃劑量計算偏差如圖6所示。采用未經過MAR處理的圖像設計5野IMRT計劃，其中入射路徑通過金屬區(qū)域的射野數目分別為0、1、2時，劑量計算偏差分別為3.15%、8.75%和13.33%；7野IMRT計劃劑量計算偏差分別為3.03%、5.28%和10.71%。采用經過MAR處理的圖像設計5野IMRT計劃，當分別有0、1、2個射野其入射路徑通過金屬區(qū)域時，劑量計算偏差分別為1.54%、5.93%和9.06%；7野IMRT計劃計算偏差分別為1.29%、4.38%和7.75%。

3 討論

圖6 不同射野角度設置的5野和7野調強放療計劃劑量計算偏差Fig.6 Dose calculation deviation for 5-and 7-field IMRT plans with different field angles

圖像中CT值的準確獲取是劑量計算準確的保證，金屬植入物以及它們在CT圖像中產生的偽影會對放射治療計劃系統(tǒng)的劑量計算產生影響。有研究表明，采用16-bit CT圖像能更準確地讀取放射治療患者定位圖像中金屬植入物的CT值，經擴展計劃系統(tǒng)中的CT-ED曲線可以提高劑量計算的精確度[7-8]。目前大多數放療單位使用常規(guī)12-bit的CT模擬定位機，圖像CT值的顯示范圍為-1 024～3 071 HU，超過該范圍的高密度材料都顯示為最大值?；颊唧w內高密度金屬植入物的CT值常遠大于3 071 HU，所以采用常規(guī)CT對這類患者進行放射治療定位可能會給后續(xù)治療計劃的設計帶來額外的計算誤差[9-13]。這種誤差主要是由CT圖像并沒有對被掃描對象的空間結構進行真實描繪（包括金屬區(qū)域內電子密度描述不準確以及在金屬區(qū)域外的偽影）而產生，而并非由計劃系統(tǒng)的劑量算法等其它因素引起[14-17]。如何在采用常規(guī)CT對帶有金屬植入物患者進行模擬定位的放射治療中評估和減少這部分誤差，提高治療計劃劑量計算的準確度，是臨床放射治療工作中值得注意的問題[18-20]。

本研究結果顯示在常規(guī)的CT圖像中為帶金屬植入物的患者設計放射治療計劃時，射野的入射路徑通過金屬區(qū)域將導致較大的劑量計算偏差。由于圖像中金屬區(qū)域的CT值遠低于實際值，較低的電子密度低估了X射線的衰減，導致計劃系統(tǒng)對金屬植入物后方組織的計算結果大于實際測量結果。入射路徑避開金屬區(qū)域的射野雖然部分受到金屬偽影的影響，但其劑量計算偏差在臨床可接受的范圍內，而采用MAR對圖像進行校正能有效地減少金屬偽影，進一步提高劑量計算的準確度。在設計調強放射治療計劃時，采用多個分散的射野有利于增加計劃優(yōu)化的自由度，提高計劃質量。在選擇射野角度時應盡可能使其入射路徑避開金屬區(qū)域，必要時可以選擇非共面的照射野。當靶區(qū)周圍金屬區(qū)域分布的范圍較大以致射野無法完全避開時，利用偽影校正后的CT圖像，選取一通過金屬范圍路徑較短的射野，并盡量減少該射野在整個治療計劃中的比重，從而降低劑量計算的偏差，提高計劃結果的可信度。

總之，采用常規(guī)CT圖像為帶金屬植入物患者設計放射治療計劃時，射野入射路徑通過金屬區(qū)域會顯著影響劑量計算的準確度，在進行計劃設計時應盡量避免使用這種射野。采用MAR校正CT圖像并減少這種射野的劑量權重能夠改善這部分影響，但即便如此，在調強放射治療計劃中存在兩個及以上的這種射野時可能導致臨床上不可接受的劑量偏差。