趙培峰，孫彥澤，周鋼

蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院放療科/蘇州大學(xué)放射腫瘤治療學(xué)研究所/蘇州市腫瘤放射治療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215004

前言

在放射治療計(jì)劃系統(tǒng)中患者體內(nèi)的劑量沉積是根據(jù)其CT圖像對(duì)應(yīng)的電子密度來(lái)計(jì)算的，該電子密度由計(jì)劃系統(tǒng)中的CT值-密度轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)得到。因此，圖像CT值的準(zhǔn)確獲取是劑量計(jì)算準(zhǔn)確的保證[1-2]。隨著骨科手術(shù)技術(shù)的進(jìn)展，越來(lái)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(guān)節(jié)替代物等），這些金屬植入物以及它們?cè)贑T圖像中產(chǎn)生的偽影會(huì)對(duì)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)的劑量計(jì)算產(chǎn)生影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)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(jīng)處理以及經(jīng)過(guò)金屬偽影消減技術(shù)（MetalArtifact Reduction,MAR）處理后，射野角度設(shè)置對(duì)調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃劑量計(jì)算偏差的影響，進(jìn)一步指導(dǎo)臨床上帶金屬植入物患者放射治療計(jì)劃的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高治療的準(zhǔn)確度。

1 材料與方法

1.1 圖像CT值精確度評(píng)價(jià)

采用具有圖像MAR的大孔徑模擬CT（GE,590RT）進(jìn)行掃描，獲取調(diào)強(qiáng)模體（CIRS model 002H9K,Norfolk,VA）未插入金屬棒的基準(zhǔn)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(jì)劃系統(tǒng)（Version 5.11），在3幅圖像的相同位置選取金屬棒周?chē)?個(gè)不同距離的感興趣區(qū)域（圖1）。獲取基準(zhǔn)圖像及帶金屬棒模體圖像中相應(yīng)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(jì)算帶金屬棒圖像在校正前與校正后CT值的誤差，評(píng)價(jià)MAR對(duì)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(gè)適形野照射劑量計(jì)算準(zhǔn)確度

模擬髖關(guān)節(jié)置換的患者在模體中插入兩根不銹鋼金屬棒，調(diào)整模體的位置，將Farmer電離室（0.6 cc）的有效測(cè)量體積分別置于兩金屬棒所在平面內(nèi)中間位置相隔2 cm的A、B、C點(diǎn)（圖2），掃描獲取未使用和使用MAR進(jìn)行校正的CT圖像。將圖像傳至Monaco計(jì)劃系統(tǒng)后，勾畫(huà)出電離室的有效測(cè)量體積[4]并構(gòu)建治療床模型，從而模擬治療床對(duì)劑量的衰減[6]。以B點(diǎn)為等中心，在0°～360°內(nèi)每間隔5°設(shè)置一個(gè)10 cm×10 cm的方形照射野，機(jī)器跳數(shù)為100 MU。采用蒙特卡羅算法對(duì)每個(gè)射野在A、B、C點(diǎn)的照射劑量進(jìn)行計(jì)算，并按照計(jì)劃設(shè)計(jì)要求，在醫(yī)科達(dá)Synergy加速器上對(duì)模體進(jìn)行擺位、照射和測(cè)量。記錄測(cè)量結(jié)果，利用式（2）對(duì)射野的劑量計(jì)算偏差δ進(jìn)行分析。

1.3 不同射野角度設(shè)置的調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃劑量計(jì)算準(zhǔn)確度

圖2 模擬髖關(guān)節(jié)置換患者的模體（左）及3個(gè)劑量測(cè)量點(diǎn)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(jīng)過(guò)MAR校正的模體圖像中勾畫(huà)出靶區(qū)PTV（包含A、B、C點(diǎn)）及危及器官，分別設(shè)計(jì)5野和7野兩種類(lèi)型的調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃，每種計(jì)劃分別設(shè)置0、1或2個(gè)射野其入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域，其他射野的入射路徑避開(kāi)金屬區(qū)域。所有計(jì)劃完成時(shí)，95%的靶區(qū)體積被處方劑量覆蓋，靶區(qū)最大劑量不超過(guò)處方劑量的110%。然后通過(guò)圖像配準(zhǔn)將靶區(qū)及危及器官拷貝至未經(jīng)校正的模體圖像中，調(diào)強(qiáng)計(jì)劃也保持原射野參數(shù)不變進(jìn)行復(fù)制，獲取未經(jīng)校正模體圖像中的劑量計(jì)算結(jié)果（圖3）。同時(shí)，在加速器上按照治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的要求對(duì)模體實(shí)施照射，測(cè)量A、B、C點(diǎn)的照射劑量。對(duì)比計(jì)劃系統(tǒng)中的計(jì)算結(jié)果，利用式（2）對(duì)劑量的計(jì)算偏差進(jìn)行分析。

圖3 5野調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃示例Fig.3 Exam p le of 5-field intensity-m odulated radiotherapy(IMRT)p lan

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)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；采用OriginPro 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合及作圖比較分析。所有劑量計(jì)算偏差的分析結(jié)果皆為A、B、C點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果

2.1 采樣區(qū)域的平均CT值

圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)模體圖像以及有無(wú)采用MAR處理的帶金屬模體圖像中8個(gè)采樣區(qū)域的平均CT值。在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)適形野劑量計(jì)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(gè)適形野劑量計(jì)算偏差如圖5所示。在沒(méi)有經(jīng)過(guò)MAR校正的CT圖像中，當(dāng)射野入射路徑未通過(guò)金屬區(qū)域時(shí)，平均劑量計(jì)算偏差為3.24%；入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域（射野角度范圍：80°～100°及255°～285°）時(shí)，計(jì)算偏差明顯增大（劑量計(jì)算值大于測(cè)量值），根據(jù)通過(guò)金屬范圍路徑的長(zhǎng)短不同計(jì)算偏差范圍可達(dá)5.51%～72.14%。在經(jīng)過(guò)MAR校正后的圖像中，射野入射路徑未通過(guò)金屬區(qū)域時(shí)，劑量計(jì)算偏差平均值為1.56%；當(dāng)入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域時(shí)計(jì)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(gè)適形射野劑量計(jì)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(shè)置的調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃劑量計(jì)算偏差

不同射野角度設(shè)置的調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃劑量計(jì)算偏差如圖6所示。采用未經(jīng)過(guò)MAR處理的圖像設(shè)計(jì)5野IMRT計(jì)劃，其中入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域的射野數(shù)目分別為0、1、2時(shí)，劑量計(jì)算偏差分別為3.15%、8.75%和13.33%；7野IMRT計(jì)劃劑量計(jì)算偏差分別為3.03%、5.28%和10.71%。采用經(jīng)過(guò)MAR處理的圖像設(shè)計(jì)5野IMRT計(jì)劃，當(dāng)分別有0、1、2個(gè)射野其入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域時(shí)，劑量計(jì)算偏差分別為1.54%、5.93%和9.06%；7野IMRT計(jì)劃計(jì)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(shè)置的5野和7野調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃劑量計(jì)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(zhǔn)確獲取是劑量計(jì)算準(zhǔn)確的保證，金屬植入物以及它們?cè)贑T圖像中產(chǎn)生的偽影會(huì)對(duì)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)的劑量計(jì)算產(chǎn)生影響。有研究表明，采用16-bit CT圖像能更準(zhǔn)確地讀取放射治療患者定位圖像中金屬植入物的CT值，經(jīng)擴(kuò)展計(jì)劃系統(tǒng)中的CT-ED曲線(xiàn)可以提高劑量計(jì)算的精確度[7-8]。目前大多數(shù)放療單位使用常規(guī)12-bit的CT模擬定位機(jī)，圖像CT值的顯示范圍為-1 024～3 071 HU，超過(guò)該范圍的高密度材料都顯示為最大值?；颊唧w內(nèi)高密度金屬植入物的CT值常遠(yuǎn)大于3 071 HU，所以采用常規(guī)CT對(duì)這類(lèi)患者進(jìn)行放射治療定位可能會(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[9-13]。這種誤差主要是由CT圖像并沒(méi)有對(duì)被掃描對(duì)象的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)描繪（包括金屬區(qū)域內(nèi)電子密度描述不準(zhǔn)確以及在金屬區(qū)域外的偽影）而產(chǎn)生，而并非由計(jì)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(duì)帶有金屬植入物患者進(jìn)行模擬定位的放射治療中評(píng)估和減少這部分誤差，提高治療計(jì)劃劑量計(jì)算的準(zhǔn)確度，是臨床放射治療工作中值得注意的問(wèn)題[18-20]。

本研究結(jié)果顯示在常規(guī)的CT圖像中為帶金屬植入物的患者設(shè)計(jì)放射治療計(jì)劃時(shí)，射野的入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域?qū)?dǎo)致較大的劑量計(jì)算偏差。由于圖像中金屬區(qū)域的CT值遠(yuǎn)低于實(shí)際值，較低的電子密度低估了X射線(xiàn)的衰減，導(dǎo)致計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)金屬植入物后方組織的計(jì)算結(jié)果大于實(shí)際測(cè)量結(jié)果。入射路徑避開(kāi)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(jì)算偏差在臨床可接受的范圍內(nèi)，而采用MAR對(duì)圖像進(jìn)行校正能有效地減少金屬偽影，進(jìn)一步提高劑量計(jì)算的準(zhǔn)確度。在設(shè)計(jì)調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃時(shí)，采用多個(gè)分散的射野有利于增加計(jì)劃優(yōu)化的自由度，提高計(jì)劃質(zhì)量。在選擇射野角度時(shí)應(yīng)盡可能使其入射路徑避開(kāi)金屬區(qū)域，必要時(shí)可以選擇非共面的照射野。當(dāng)靶區(qū)周?chē)饘賲^(qū)域分布的范圍較大以致射野無(wú)法完全避開(kāi)時(shí)，利用偽影校正后的CT圖像，選取一通過(guò)金屬范圍路徑較短的射野，并盡量減少該射野在整個(gè)治療計(jì)劃中的比重，從而降低劑量計(jì)算的偏差，提高計(jì)劃結(jié)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(shè)計(jì)放射治療計(jì)劃時(shí)，射野入射路徑通過(guò)金屬區(qū)域會(huì)顯著影響劑量計(jì)算的準(zhǔn)確度，在進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(quán)重能夠改善這部分影響，但即便如此，在調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃中存在兩個(gè)及以上的這種射野時(shí)可能導(dǎo)致臨床上不可接受的劑量偏差。