王 勇 孫彥澤 趙培峰 孫建猛 周 鋼

1（蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院放療科 蘇州215004）

2（蘇州大學(xué)放射腫瘤治療學(xué)研究所 蘇州215004）3（蘇州市腫瘤放射治療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘇州 215004）

在現(xiàn)代腫瘤放射治療中，CT 圖像常用于放射治療三維劑量分布計(jì)算。劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的基本要求是CT圖像重建HU的精確，HU值不正確可能會(huì)導(dǎo)致電子密度標(biāo)定的誤差。人體由密度不同的結(jié)構(gòu)組成，例如軟組織、骨骼、牙齒、肺和空氣空腔等。除了這些生物異質(zhì)性以外，人工的生物相容性材料也可能存在，例如髖關(guān)節(jié)假體、脊髓固定植入物、下頜骨重建物和牙科填充物等。通常，這些植入物是由高原子序數(shù)（高Zeff）金屬材料組成，會(huì)在CT 圖像上造成眾所周知的金屬偽影［1］。這些金屬偽影是由于射線束硬化、泊松噪聲、康普頓散射、邊緣效應(yīng)和光子饑餓等導(dǎo)致，可能導(dǎo)致放療劑量計(jì)算偏差［2-4］。另外，金屬偽影也會(huì)影響視覺(jué)效果，對(duì)腫瘤靶區(qū)和危及器官的準(zhǔn)確勾畫(huà)及邊界的確定產(chǎn)生影響。本文利用模體評(píng)估了金屬植入物及其偽影對(duì)治療計(jì)劃的劑量計(jì)算的影響，并探討了利用密度填充（Density filling，DF）及金屬偽影消減技術(shù)（Metal artifact reduction，MAR）處理后，在容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療（VMAT）計(jì)劃中對(duì)劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的改善，為臨床設(shè)計(jì)帶金屬植入物患者的放療計(jì)劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 模體設(shè)計(jì)及圖像采集

模擬髖關(guān)節(jié)置換患者在調(diào)強(qiáng)模體（CIRS model 002H9K， Norfolk， VA）中插入兩根直徑為2.5 cm 的不銹鋼金屬棒，調(diào)整模體位置，將電離室（PTW，TW30013）的有效測(cè)量體積幾何中心置于兩根金屬棒所在平面內(nèi)中間位置的B 點(diǎn)［5］。利用帶有金屬偽影消減技術(shù)（MAR）的大孔徑模擬CT（GE， 590RT）進(jìn)行掃描，獲取未使用MAR技術(shù)的常規(guī)圖像CTNorm以及使用MAR校正處理的圖像CTMAR，將圖像傳至Monaco 放射治療計(jì)劃系統(tǒng)（Elekta，Version 5.11）。根據(jù)電子密度模體（CIRS 062M）上標(biāo)準(zhǔn)材料的物理密度及相對(duì)電子密度值進(jìn)行線性擬合，獲取不銹鋼金屬棒的相對(duì)電子密度為6.61，在CTNorm和CTMAR圖像中分別勾畫(huà)出金屬棒區(qū)域，并對(duì)金屬棒進(jìn)行密度填充（DF）得到CTDF圖像和CTMAR+DF圖像。在所有圖像中勾畫(huà)出電離室的有效測(cè)量體積并構(gòu)建治療床以模擬治療床對(duì)劑量的衰減［6］。本文計(jì)劃系統(tǒng)中所計(jì)算的和在加速器照射條件下實(shí)際測(cè)量的電離室有效體積劑量均指吸收劑量。

1.2 模體VMAT計(jì)劃劑量學(xué)比較

在模體的CTNorm圖像中勾畫(huà)出靶區(qū)PTV（包含B點(diǎn)）和危及器官，處方劑量為200 cGy，設(shè)計(jì)全?。?60°，圖1（a））和分段弧VMAT計(jì)劃（圖1（b））兩種類型的治療計(jì)劃，分段弧的路徑避開(kāi)金屬區(qū)域。計(jì)劃完成后通過(guò)圖像配準(zhǔn)將靶區(qū)及危及器官?gòu)?fù)制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF圖像中，調(diào)強(qiáng)計(jì)劃也保持原射野參數(shù)不變進(jìn)行移植，獲取兩種圖像的劑量計(jì)算結(jié)果。在醫(yī)科達(dá)加速器上實(shí)施VMAT 計(jì)劃并對(duì)劑量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量后，分析比較各類圖像的劑量計(jì)算誤差。

圖1 全弧VMAT計(jì)劃(a)與避開(kāi)金屬區(qū)域的分段弧VMAT計(jì)劃(b)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Design of full arc VMAT plan(a)and part arc VMAT plan(a),the part arc avoiding metal area

1.3 臨床病例VMAT計(jì)劃劑量學(xué)比較

選取6例椎體中植入金屬鋼釘并接受腹膜后放療的患者，獲取CTNorm和CTMAR圖像。在治療計(jì)劃系統(tǒng)中利用自動(dòng)勾畫(huà)功能，設(shè)置CT值的閾值大于3 070 HU，勾畫(huà)出植入的金屬鋼釘區(qū)域進(jìn)行密度填充，獲得患者的CTNorm+DF和CTMAR+DF圖像。在CTNorm圖像中設(shè)計(jì)VMAT計(jì)劃，為減少腸道的受照劑量，弧角度設(shè)置盡量避免從患者的腸道入射，因此有部分弧的入射路徑通過(guò)了植入的金屬鋼釘。計(jì)劃完成時(shí)處方劑量覆蓋95%的PTV，靶區(qū)最大劑量盡量不超過(guò)處方劑量的110%。計(jì)劃完成后復(fù)制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF圖像中，評(píng)估計(jì)劃結(jié)果的差異。評(píng)估參數(shù)包括PTV的最大劑量Dmax、最小劑量Dmin、平均劑量Dmean、處方劑量覆蓋靶區(qū)相對(duì)體積VDp、均勻指數(shù)（Homogeneity index，HI）及適形指數(shù)（Conformal index，CI）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

在Excel軟件中對(duì)劑量的計(jì)算及測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析；在臨床病例劑量學(xué)研究中，利用SPSS23.0 軟件對(duì)4 種計(jì)劃計(jì)算結(jié)果兩兩進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，p＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，采用OriginPro 8.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合及作圖比較分析。

2 結(jié)果

2.1 模體中VMAT計(jì)劃劑量計(jì)算差異

表1為設(shè)計(jì)的VMAT全弧計(jì)劃與避開(kāi)金屬區(qū)域的分段弧計(jì)劃劑量計(jì)算結(jié)果。在常規(guī)CT 圖像中，避開(kāi)金屬區(qū)域的分段弧計(jì)劃可降低計(jì)算劑量與實(shí)測(cè)劑量的計(jì)算差異（4.97%vs.6.14%）。常規(guī)CT圖像經(jīng)密度填充后計(jì)算差異明顯改善（2.35%vs.6.14%），由于部分弧避開(kāi)金屬區(qū)域差異變化不明顯（4.64%vs.4.97%）。經(jīng)金屬偽影消減技術(shù)校正后的圖像中，避開(kāi)金屬區(qū)域的分段弧計(jì)劃較全弧計(jì)劃明顯提高了劑量計(jì)算精度（0.16%vs.5.57%），采用金屬偽影消減技術(shù)和密度填充校正后的圖像全弧計(jì)劃和分段弧計(jì)劃較常規(guī)圖像的計(jì)劃顯著提高劑量計(jì)算的精度（2.14%vs.6.14%，0.42%vs.4.97%）。

表1 各種圖像校正后VMAT計(jì)劃的劑量計(jì)算差異Table 1 Dose calculation differences of VMAT plans after various image corrections

2.2 臨床病例VMAT劑量計(jì)算差異

如圖2 所示，常規(guī)圖像CTNorm上設(shè)計(jì)的VMAT計(jì)劃，在復(fù)制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF圖像時(shí)，靶區(qū)的劑量覆蓋率及等劑量線分布有較大的改變。進(jìn)一步分析顯示，4種圖像計(jì)算結(jié)果中靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p＞0.05）；所有參數(shù)比較中，CTMAR與CTNorm計(jì)算結(jié)果相當(dāng)；對(duì)于Dmin，CTNorm+DF和CTMAR+DF分別相對(duì)CTNorm減少5.53%和4.91%；對(duì)于Dmean，CTNorm+DF和CTMAR+DF分別相對(duì)CTNorm減少1.14%和0.92%（p＜0.05）；對(duì)于VDp，CTNorm+DF和CTMAR+DF分別相對(duì)CTNorm減少8.45%和6.68%；對(duì)靶區(qū)劑量的均勻度和適形度，CTNorm+DF和CTMAR+DF相對(duì)CTNorm的均勻性和適形性都有所降低，詳見(jiàn)表2。

圖2 椎體金屬植入物患者VMAT計(jì)劃在4種圖像中的劑量結(jié)果示例：(a)利用CTNorm圖像設(shè)計(jì)計(jì)劃的等劑量線分布圖；(b)將計(jì)劃復(fù)制到CTMAR圖像的等劑量線分布圖；(c)將計(jì)劃復(fù)制到CTDF圖像的等劑量線分布圖；(d)將計(jì)劃復(fù)制到CTDF+MAR圖像的等劑量線分布圖Fig.2 Examples of dose distribution results of the VMAT plan with vertebral metal implant patients(a)is the isodose distribution with CTNorm image;(b)is the isodose distribution recalculated with CTMAR image;(c)is copy the plan to the isodose distribution recalculated with CTDF image;(d)is the isodose distribution recalculated with CTDF+MAR image

表2 6例患者靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)在4種圖像中計(jì)算結(jié)果比較Table 2 Comparison of the PTV dosimetric parameters results of 6 patients in four CT images （-x ± s）

3 討論

在腫瘤放射治療CT模擬定位圖像中，金屬偽影的產(chǎn)生不僅會(huì)影響疾病的診斷和腫瘤靶區(qū)的勾畫(huà)準(zhǔn)確度，還會(huì)影響劑量計(jì)算的精度。有研究表明，采用16 bit 的CT 圖像能更準(zhǔn)確地讀取金屬植入物的CT值，經(jīng)擴(kuò)展CT-ED曲線的方法可以提高計(jì)劃系統(tǒng)中劑量計(jì)算的精確度［7-8］。此外，也有研究表明雙能CT優(yōu)于金屬去偽影技術(shù)（MAR）可以更好地減少金屬植入物的影響［9-10］。目前，大多數(shù)放療單位使用的是常規(guī)的12 bit CT 模擬定位機(jī)，圖像CT值顯示范圍為-1 024～3 071 HU，超過(guò)該范圍的高密度材料都顯示為最大值3 071 HU。金屬植入物的CT值一般遠(yuǎn)大于3 071 HU，所以采用常規(guī)CT對(duì)這類患者進(jìn)行放療定位可能會(huì)給后續(xù)治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)帶來(lái)額外的計(jì)算誤差［7］。近年來(lái)大多數(shù)商用模擬定位CT帶有金屬去偽影消減技術(shù)，但是基于目前最常用的12 bit CT 模擬定位機(jī)并不是所有單位都具有MAR技術(shù)。基于此，本研究在已知金屬植入物密度的前提下，在計(jì)劃系統(tǒng)中對(duì)圖像里面的金屬區(qū)域進(jìn)行密度填充，還原其真實(shí)的電子密度信息，同時(shí)結(jié)合模擬定位CT的金屬偽影消減技術(shù)，減少植入物附近組織CT值的誤差。

當(dāng)射野的入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域時(shí)，由于圖像中金屬區(qū)域的CT值遠(yuǎn)低于實(shí)際值，計(jì)劃系統(tǒng)中默認(rèn)該金屬區(qū)域電子密度低于實(shí)際值，從而低估了金屬區(qū)域?qū) 射線的衰減，使得計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)射野在金屬植入物后方組織的劑量計(jì)算結(jié)果大于實(shí)際測(cè)量結(jié)果，從而導(dǎo)致劑量的計(jì)算結(jié)果偏高。本研究結(jié)果顯示，入射路徑避開(kāi)金屬區(qū)域能夠減少劑量誤差，分別采用DF和MAR技術(shù)進(jìn)行處理后，都能使劑量計(jì)算誤差明顯減少，DF 較偽影消減技術(shù)更明顯。當(dāng)采用DF和偽影消減技術(shù)相結(jié)合的方式時(shí)，可使計(jì)算誤差進(jìn)一步減少。在進(jìn)行VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)金屬區(qū)域采用分段弧設(shè)計(jì)的方法。在臨床病例VMAT 計(jì)劃所有參數(shù)比較中，CTMAR與CTNorm計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，差異較??；對(duì)于Dmin、Dmean、VDp，CTNorm+DF和CTMAR+DF相對(duì)CTNorm均減少；CTNorm+DF和CTMAR+DF適形性和均勻性分別相對(duì)CTNorm均有所降低。

在放射治療劑量計(jì)算中，基于含金屬植入物的CT圖像劑量計(jì)算誤差主要包括：金屬植入物的CT 值與實(shí)際值的偏差和金屬偽影導(dǎo)致周?chē)＝M織CT值與實(shí)際值的偏差［5］。從本文的研究結(jié)果可見(jiàn)，金屬去偽影消減技術(shù)能夠消除圖像中大部分的金屬偽影，患者體內(nèi)的金屬植入物是影響劑量計(jì)算準(zhǔn)確度的主要因素，即使在CT模擬機(jī)沒(méi)有偽影消減技術(shù)的條件下，單獨(dú)采用DF技術(shù)處理金屬區(qū)域，也能有效提高放療計(jì)劃的計(jì)算準(zhǔn)確度。去偽影消減技術(shù)結(jié)合密度填充處理可以進(jìn)一步提高劑量計(jì)算的精度。