張帥楠，田 龍，趙 鑫

（河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心，河北張家口 075000）

0 引言

在基于CT 的前列腺癌（prostate cancer，PCa）圖像引導(dǎo)放療（image guided radiotherapy，IGRT）計(jì)劃設(shè)計(jì)中，需將CT 值轉(zhuǎn)換為劑量計(jì)算所需的電子密度（electron densities，ED）[1]。相比傳統(tǒng)CT 而言，在基于MR 的放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中，軟組織對(duì)比度和靶區(qū)勾畫精度均得到了顯著提升[2-4]。但是，MR 無(wú)法提供CT 值和ED，需將MR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并生成用于劑量計(jì)算和獲取數(shù)字重建放射影像（digital reconstructed radiographs，DRR）的合成CT（synthetic CT，sCT）圖像，特別是在單獨(dú)基于MR 的PCa IGRT 中[5-8]。

以傳統(tǒng)CT 作為質(zhì)量保證（quality assurance，QA）的金標(biāo)準(zhǔn)，sCT 相對(duì)CT 的劑量分布Gamma 通過(guò)率較高，劑量體積直方圖（dose-volume histogram，DVH）差異較小[9]。但以傳統(tǒng)CT 作為sCT 的QA 標(biāo)準(zhǔn)后無(wú)法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)基于MR 的PCa IGRT。常用于分次治療間靶區(qū)位置校準(zhǔn)的錐形束CT（cone beam CT，CBCT）可作為一種有效的sCT QA 設(shè)備。加速器機(jī)載CBCT不同于傳統(tǒng)CT，在實(shí)現(xiàn)單獨(dú)基于MR 的PCa IGRT中扮演了重要角色。而且CBCT 圖像獲取便捷，質(zhì)量可滿足臨床鑒別要求。因此，本研究評(píng)價(jià)利用CBCT 為sCT 提供QA 的可行性，以期實(shí)現(xiàn)真正意義上的單獨(dú)基于MR 的PCa IGRT。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究分為2 個(gè)部分：第1 部分是檢驗(yàn)CBCT 設(shè)備的性能和建立CBCT 的CT 值-ED 曲線的體外實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)象為KOYOTO KAGAKU PH-4 高精仿真人體模型；第2 部分是驗(yàn)證CBCT 取代CT 成為sCT QA 標(biāo)準(zhǔn)的可行性的臨床試驗(yàn)，研究對(duì)象為10 例于2021 年6 月至2022 年12 月間在河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院接受診療的PCa 患者?；颊咭话阗Y料：年齡53～57 歲，平均年齡（55.4±2.1）歲；Gleason 評(píng)分[10]≤6分的2 例，Gleason 評(píng)分為7 分的3 例，Gleason 評(píng)分≥8 分的5 例。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）腫瘤僅適合IGRT 治療；（2）身體質(zhì)量指數(shù)為18～25 kg/m2；（3）除前列腺特異性抗原外，其他生理、生化指標(biāo)未見明顯異常；（4）接受黃金基準(zhǔn)標(biāo)志物（gold fiducial marker，GFM）置入術(shù)。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）前列腺肥大，伴嚴(yán)重鈣化；（2）合并直腸息肉或痔瘡。本研究通過(guò)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 體外實(shí)驗(yàn)

體外實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)CBCT 的CT 值（CT 值CBCT）的長(zhǎng)期穩(wěn)定性并建立CBCT 的CT 值-ED 曲線。（1）使用瓦里安Trilogy 加速器的On-board kV 級(jí)CBCT 對(duì)模型進(jìn)行每月1 次共計(jì)10 次掃描。CBCT 設(shè)置參數(shù)：選擇pelvis 掃描模式（Full Fan），管電壓為100 kVp，管電流為80 mAs，層厚為2.5 mm，視野（field of view，F(xiàn)OV）為25 m×18 cm。（2）使用Philips Big Bore 大孔徑CT 對(duì)模型進(jìn)行同步掃描，CT 設(shè)置參數(shù)：管電壓為120 kV，管電流為300 mAs，層厚為3 mm。（3）將CBCT和CT 數(shù)據(jù)以DICOM 格式傳輸至影像歸檔和通信系統(tǒng)（picture archiving and communication system，PACS）并于相同層面進(jìn)行分析。分別讀取10 次掃描2 種圖像中不同器官內(nèi)CT 值的平均值。（4）使用SPSS 19.0軟件建立CBCT 與CT 的CT 值之間的函數(shù)關(guān)系并生成CBCT CT 值-ED 曲線。

1.3 臨床試驗(yàn)

1.3.1 GFM 置入和圖像獲取

患者側(cè)臥，雙腿屈曲，雙手抱膝，對(duì)直腸肛管進(jìn)行局麻并建立靜脈通道。在Philips iU22 彩色多普勒超聲診斷儀直腸探頭引導(dǎo)下經(jīng)患者直腸對(duì)前列腺成像[11]。采用細(xì)針抽吸術(shù)（采用5 mL 注射器和18G 針頭隨超聲探頭進(jìn)入直腸，穿透直腸前壁刺入前列腺體）將3 枚IBA Visicoil helical 線性金標(biāo)志物置入靶區(qū)不同層面且間距≥15 mm。

在接受IGRT 前3 d，所有患者接受SIGNAVoyager 1.5T MR 和CT 掃描。MR 設(shè)置參數(shù)為：采用快速自旋回波（fast spin echo，F(xiàn)SE）序列，層厚為2.5 mm，回波時(shí)間（echo time，TE）為96 ms，重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）為15 000 ms，F(xiàn)OV 為448 mm×314 mm，采集矩陣為640×512，重建矩陣為1 024×1 024，重建體素為0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm，帶寬為390 Hz，采集時(shí)間為7 min，獲取T2WI 圖像數(shù)據(jù)。CT 設(shè)置參數(shù)同體外實(shí)驗(yàn)。使用Spectronic Medical MRI Planner 計(jì)劃系統(tǒng)生成sCT 圖像。sCT 用于靶區(qū)和危及器官（organ at risk，OAR）的勾畫和劑量計(jì)算。CT 在臨床試驗(yàn)中僅作為QA 的金標(biāo)準(zhǔn)，不用于治療。首次治療中的CBCT用于本研究，其他分次治療中CBCT 聯(lián)合GFM 用于IGRT。3 種圖像均在患者處于相同定位體位且排空膀胱及直腸的情況下獲取。IGRT 總劑量為7 600 cGy，分次為38 次，每次200 cGy。

1.3.2 圖像處理和比較

使用Eclipse 13.6 軟件將sCT、CT 和CBCT 進(jìn)行基于GFM 的融合配準(zhǔn)。將sCT 上的靶區(qū)和OAR 輪廓拷貝至CT 和CBCT 圖像上后，通過(guò)Eclipse 13.6軟件讀取10 名患者CT 和CBCT 圖像上各器官CT值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并通過(guò)各自的CT 值-ED 曲線轉(zhuǎn)換為劑量分布。分別進(jìn)行sCT 相對(duì)CT 和sCT相對(duì)CBCT 圖像上的Gamma 通過(guò)率和DVH 比較。使用SUNnuclear 公司的SunPatient 軟件比較等中心處3 個(gè)方向（橫斷面、冠狀面、矢狀面）DRR 上劑量分布的Gamma 通過(guò)率，其中Gamma 通過(guò)率閾值設(shè)置為3%/3 mm。2 種圖像劑量驗(yàn)證通過(guò)點(diǎn)所占百分比為Gamma 通過(guò)率。使用DVH 評(píng)價(jià)靶區(qū)和OAR 的劑量指標(biāo)，包括Dmean、Dmax、Dmin、95%計(jì)劃靶區(qū)（PTV95%）、直腸V50、膀胱V50、恥骨聯(lián)合V70、股骨頭V50、小腸V50。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以表示，組間差異采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。CT 值CBCT 長(zhǎng)期穩(wěn)定性采用方差分析。函數(shù)關(guān)系采用一元線性回歸分析，相關(guān)性分析采用Pearson法。以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 體外實(shí)驗(yàn)

仿真人體模型10 次掃描結(jié)果（見表1）顯示，各器官的CT 值CBCT 方差比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，滿足方差齊性，因此CT 值CBCT 長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好。CT 值CBCT和CT 值CT 范圍分別為-1 000～1 750 HU 和-1 000～1 500 HU，各器官CT 值CBCT 和CT 值CT 均呈高度正相關(guān)，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。一元回歸方程為CT 值CBCT=1.110×CT 值CT+3.891，相關(guān)系數(shù)r為0.999，R2=0.899 8，CT 值CBCT 同CT 值CT 之間具有良好線性，可將CT 的CT 值-ED 曲線轉(zhuǎn)換為CBCT 的CT 值-ED 曲線（如圖1 所示）。

圖1 體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 各器官CT 值CBCT 和CT 值CT 結(jié)果（）

表1 各器官CT 值CBCT 和CT 值CT 結(jié)果（）

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2.2 臨床試驗(yàn)

1 號(hào)患者3 種圖像（如圖2 所示）中sCT 相對(duì)CT 和sCT 相對(duì)CBCT 在橫斷面、冠狀面、矢狀面上Gamma 通過(guò)率均呈高度正相關(guān)（見表2），具有高度一致性，組間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且差異平均值均小于0.1%，2 組間比較差異可忽略。10 名患者sCT相對(duì)CT 和sCT 相對(duì)CBCT DVH 各項(xiàng)指標(biāo)差異平均值均呈高度正相關(guān)（見表3），組間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且差異平均值較小可忽略。

圖2 1 號(hào)患者的sCT、CT、CBCT 圖像

表3 sCT 相對(duì)CT 以及sCT 相對(duì)CBCT 的DVH 各項(xiàng)指標(biāo)差異比較（）單位：%

表3 sCT 相對(duì)CT 以及sCT 相對(duì)CBCT 的DVH 各項(xiàng)指標(biāo)差異比較（）單位：%

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3 討論

PCa IGRT 中MR 技術(shù)在成像質(zhì)量，即軟組織分辨力上具有其他成像技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但MR圖像自身無(wú)法提供CT 值和CT 值-ED 曲線，因此無(wú)法進(jìn)行劑量計(jì)算。一種解決手段是通過(guò)基于GFM 或骨骼的MR-CT 圖像融合技術(shù)，將MR 圖像上靶區(qū)輪廓和OAR 拷貝至CT 圖像上并進(jìn)行劑量計(jì)算[12-13]。該過(guò)程無(wú)論手動(dòng)還是自動(dòng)，均會(huì)造成工作量的增加及引入GFM 識(shí)別和配準(zhǔn)誤差，而且重復(fù)的掃描也會(huì)增加患者額外輻照劑量和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，單獨(dú)基于MR的PCa IGRT 勢(shì)在必行，其中基于MR 生成并用于劑量計(jì)算的sCT 是重中之重。盡管sCT 已被證明可用于劑量計(jì)算，但其QA 程序標(biāo)準(zhǔn)并未確定。目前，利用CT 對(duì)sCT 劑量進(jìn)行驗(yàn)證是唯一手段，但有悖于單獨(dú)基于MR 的原則，因此亟須開發(fā)嚴(yán)格且可行的新QA程序。在放療科各類大型設(shè)備中，CBCT 具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，若將CBCT 應(yīng)用于sCT 劑量的QA 程序中，不僅可在治療中同時(shí)完成靶區(qū)位置和劑量驗(yàn)證，也可降低患者額外輻照劑量和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。本研究通過(guò)與金標(biāo)準(zhǔn)CT 進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)CBCT 在sCT 劑量驗(yàn)證中各項(xiàng)差異均較小，可取代CT 為sCT 提供QA。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)研究，因此本研究為基于MR 生成的sCT 的QA 創(chuàng)建奠定了重要的理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有一定的臨床意義。

通過(guò)對(duì)本研究各項(xiàng)結(jié)果的分析和與其他試驗(yàn)[14-15]的比較，本研究得出以下結(jié)論：（1）體外實(shí)驗(yàn)中CT 值CBCT 在不同器官中均表現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定性。本研究應(yīng)用的是PH-4 高精仿真人體模型，該模型盆腔中各器官與真實(shí)人體基本相同。其他試驗(yàn)中應(yīng)用了不同的模體，也取得了相似的結(jié)果。例如，鞏漢順等[14]在不同掃描條件下的CBCT 影像質(zhì)量及其CT 值長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析研究中，應(yīng)用的是Catphan 504 模體中的CTP 404 模塊。結(jié)果顯示，CBCT 長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好，尤其是提高掃描電壓和電流后，穩(wěn)定性顯著增加。（2）體外實(shí)驗(yàn)中CBCT 的CT 值-ED 曲線隨條件改變而不同。本研究計(jì)算獲取的一元回歸方程為：CT 值CBCT=1.110×CT 值CT+3.891，而在宋炳文等[15]針對(duì)頭頸腫瘤患者的調(diào)強(qiáng)劑量計(jì)算的快速CBCT CT 值修正方法研究中，卻得到CT 值CBCT=1.213 5×CT 值CT+21.08 的方程。本研究認(rèn)為，導(dǎo)致該差異的原因可能與所使用的模體（即掃描部位）以及CBCT 設(shè)置參數(shù)有關(guān)。因此，不同單位需要根據(jù)治療部位和設(shè)備參數(shù)建立相應(yīng)的QA 程序，而不是完全參照已有試驗(yàn)。而且，QA程序的建立必須經(jīng)歷體外實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)，否則會(huì)引入較大誤差。另外，宋炳文等[15]研究中數(shù)據(jù)采集自10 例患者，而本研究數(shù)據(jù)采集自模體。真實(shí)患者在試驗(yàn)過(guò)程中不可避免地存在器官運(yùn)動(dòng)和充盈度改變的情況，因此存在較大誤差，而本研究使用的模體則避免了該誤差，因此回歸方程更為準(zhǔn)確。（3）臨床試驗(yàn)中，器官運(yùn)動(dòng)和充盈度的改變對(duì)結(jié)果影響較大。本研究中，各器官DVH 最大差異出現(xiàn)于直腸，其次為膀胱和小腸。盡管試驗(yàn)中已歸一了3 種掃描時(shí)的定位體位，特別囑患者排空直腸和膀胱，但仍然無(wú)法避免器官運(yùn)動(dòng)以及充盈度變化（例如直腸充氣）等影響，特別當(dāng)MR 掃描時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)該影響會(huì)增大。相比上述器官，其他不易發(fā)生位移或無(wú)充盈度變化的器官差異明顯較小。

總之，本研究通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證明了CBCT 設(shè)備的可靠性并建立了相對(duì)科學(xué)和準(zhǔn)確的CBCT CT 值-ED曲線和劑量學(xué)模型，通過(guò)臨床試驗(yàn)中Gamma 通過(guò)率和DVH 數(shù)據(jù)證明了CBCT 取代金標(biāo)準(zhǔn)CT 為sCT 提供QA 的可行性。嚴(yán)格的體外實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)為sCT QA 程序的創(chuàng)建提供了重要的方法和理論依據(jù)。未來(lái)可根據(jù)患者和設(shè)備特點(diǎn)創(chuàng)建自適應(yīng)的sCT QA 程序，從而真正實(shí)現(xiàn)單獨(dú)基于MR 的各部位IGRT。但是，本研究依然存在一些不足，包括：（1）患者樣本容量較小，需擴(kuò)大樣本容量。（2）臨床試驗(yàn)中對(duì)GFM 和鈣化點(diǎn)的處理不夠完善。本研究中僅簡(jiǎn)單地將其剔除CT 值計(jì)算并在原位置取周圍組織CT 值平均值進(jìn)行“填充”。該做法是否對(duì)DVH 計(jì)算有所影響尚不得知，需在未來(lái)試驗(yàn)中深入研究。（3）臨床試驗(yàn)的時(shí)效性。本研究中MR 和CT 圖像獲取自放療前3 d（前后間隔3 h 內(nèi)），計(jì)劃完成后于放療中獲取CBCT，該時(shí)間段內(nèi)器官變化未作研究和處理。未來(lái)研究中或縮短計(jì)劃完成時(shí)間至1 d，或開發(fā)新圖像算法有效降低計(jì)劃拷貝過(guò)程中器官變化的影響，或于MR 和CT 掃描后直接進(jìn)行CBCT 成像，以完成sCT 的QA。