杜 乙，王賢剛

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084)

腫瘤放射治療(放療)是利用放射線如放射性同位素產(chǎn)生的α、β、γ射線和各類X射線治療機或加速器產(chǎn)生的X射線、電子束、質(zhì)子束及其他粒子束等治療惡性腫瘤的一種方法。該方法具有定位準(zhǔn)確、毒副作用小、適用性廣等優(yōu)點，我國每年接受放療的癌癥患者比例約為65%～75%[1]。

放療的效果很大程度上取決于靶區(qū)定位與劑量交付的準(zhǔn)確性。為保證準(zhǔn)確性，放療計劃需通過質(zhì)量保證(QA)措施后方可實施[2]。劑量驗證作為放療QA的重要環(huán)節(jié)，要求對靶區(qū)內(nèi)人體組織的三維吸收劑量進(jìn)行精確測量[2]。常見的劑量驗證方法有電離室法[3-4]、膠片法[5-6]、熱釋光片法，獨立或搭配組織等效模體(如三維水箱、有機玻璃)使用，以一維點劑量或二維面劑量來驗證整個放療劑量沉積的過程。

目前公認(rèn)的劑量驗證技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(RTAP準(zhǔn)則)要求驗證技術(shù)應(yīng)達(dá)到空間分辨率≤1 mm，測量時間≤60 min，測量準(zhǔn)確度≤3%，技術(shù)精確度≤1%[7]。

早期的放療技術(shù)以共面野照射為代表，照射角度固定，射線能量與束流強度恒定，照射野內(nèi)劑量分布的幾何規(guī)則度高，但往往與靶區(qū)符合度不高，造成對周圍正常組織的不必要損傷。隨著臨床對放療精確性要求的不斷提高和技術(shù)的不斷進(jìn)步，短程放療、調(diào)強放療、立體定向放療、圖像引導(dǎo)放療等新型照射技術(shù)相繼出現(xiàn)，區(qū)別于早期共面野技術(shù)，這些技術(shù)統(tǒng)稱為精確放療技術(shù)[8-9]，主要特點是多照射角度、多照射野、射線能量與束流強度動態(tài)調(diào)節(jié)、劑量沉積區(qū)域與靶區(qū)適型度高等[10]。

精確放療技術(shù)在劑量學(xué)方面的特點是劑量梯度大、劑量分布復(fù)雜，照射期間動態(tài)變化。新技術(shù)的高給予劑量和復(fù)雜照射過程增大了實際交付劑量與預(yù)期劑量間出現(xiàn)較大偏差的概率。

新放療技術(shù)的發(fā)展和對健康的更加關(guān)注，要求QA措施有效落實。在劑量驗證環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的采用電離室、熱釋光片、膠片等設(shè)備，配合組織等效模體，通過測量空間參考點劑量或二維面劑量來驗證三維分布劑量的技術(shù)，受限于劑量計在幾何尺寸、劑量響應(yīng)等方面的固有不足，空間分辨率、能量范圍、測量時間等三維測量能力不佳，在理論或?qū)嵺`上，難以應(yīng)對放療技術(shù)發(fā)展所帶來的空間復(fù)雜分布劑量測量的巨大挑戰(zhàn)和RTAP準(zhǔn)則的各項要求，這種潛在困難要求以解決多野動態(tài)立體照射下劑量信息保存和測定為核心的新型劑量測量手段的出現(xiàn)，以滿足三維吸收劑量與劑量梯度測量在準(zhǔn)確性、精確度等方面的要求。

為固定三維動態(tài)劑量，相關(guān)研究人員發(fā)展了凝膠劑量計，以達(dá)到輻照過程中固定不同空間位置吸收劑量的目的，自1984年首次用于劑量驗證技術(shù)研究以來[7]，受到了研究人員的廣泛關(guān)注，各項性能也得到了大幅改進(jìn)。早期的研究人員使用核磁共振成像技術(shù)(MR)[11]作為劑量讀出手段，并以此發(fā)展出了基于MR的三維凝膠劑量驗證技術(shù)，測量結(jié)果穩(wěn)定，能滿足QA的一般要求[12]，但應(yīng)用中存在MR運營成本高、擠占病患醫(yī)療資源等弊端，限制了技術(shù)的推廣。

Gore等[13-14]于1996年首次提出了基于光學(xué)CT的新型三維凝膠劑量驗證技術(shù)，該技術(shù)利用凝膠劑量計的光學(xué)特性，相較于傳統(tǒng)劑量驗證手段，多方面性能突出，且具較大的機理研究與性能提升的科研價值和低成本、適宜推廣的應(yīng)用潛質(zhì)，引起了相關(guān)科研人員與放射科醫(yī)生的廣泛興趣。

本文結(jié)合基于光學(xué)CT的三維凝膠劑量驗證技術(shù)的發(fā)展歷史，從技術(shù)角度對基礎(chǔ)理論和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，重點就常見的凝膠劑量計與光學(xué)CT技術(shù)路線兩方面內(nèi)容展開論述。

1 基于光學(xué)CT的三維凝膠劑量驗證技術(shù)原理與方法

凝膠劑量計本質(zhì)上是一種化學(xué)劑量計，其研究工作始于20世紀(jì)50年代，它是按照特定工藝要求將輻射敏感試劑均勻彌散在形態(tài)固定的基底材料中而制成，因最早使用凝膠作為基底材料而得名。輻射敏感試劑在基底材料中的位置較為穩(wěn)定，受照射時，會隨局部沉積劑量的不同而發(fā)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)，致使劑量計某些參數(shù)發(fā)生定量變化，以此存儲劑量的位置與強度信息。常用的測量參數(shù)有弛豫時間、密度、光衰減系數(shù)等，針對這些參數(shù)相應(yīng)地發(fā)展出了適于MR、X射線CT、光學(xué)CT等不同成像技術(shù)[15]的劑量測量技術(shù)。

凝膠劑量計的研究主要集中在凝膠劑量計的化學(xué)組成、輻照中劑量沉積的物理化學(xué)機理、性能評估與改進(jìn)、制備工藝探索等基礎(chǔ)理論與應(yīng)用方法研究。

光學(xué)CT技術(shù)與X射線CT技術(shù)類似，以射線/光線強度在物質(zhì)中傳播發(fā)生指數(shù)衰減為物理基礎(chǔ)，以CT成像為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，獲取物質(zhì)對射線/光線的衰減系數(shù)分布，經(jīng)校正、刻度、標(biāo)定等操作后，呈現(xiàn)目標(biāo)信息。與X射線CT的主要區(qū)別在于，光學(xué)CT使用可見光源，系統(tǒng)設(shè)計的自由度大，但易受散射、折射、反射等因素干擾，偽像成因與表現(xiàn)復(fù)雜，校正方法需進(jìn)行專門設(shè)計[16]。

光學(xué)CT技術(shù)的研究圍繞以可見光對凝膠劑量計中存儲的三維劑量信息進(jìn)行斷層掃描過程中所涉及的系統(tǒng)設(shè)計、重建算法、偽像校正、三維劑量表示等技術(shù)為核心而展開。

基于光學(xué)CT的三維凝膠劑量驗證技術(shù)是凝膠劑量學(xué)與光學(xué)CT技術(shù)在放療劑量驗證中的結(jié)合與應(yīng)用，利用劑量計輻射前后光衰減系數(shù)變化來表征沉積劑量，使用光學(xué)CT進(jìn)行讀出，劑量驗證過程分為如下4步[17]。

1) 制備組織等效的凝膠劑量計：根據(jù)受照部位尺寸制作凝膠劑量計，并與組織等效材料組合，制成半透明的凝膠劑量計模體。

2) 按照放療計劃照射：根據(jù)待驗證放療計劃和醫(yī)生處方劑量照射模體。

3) 光學(xué)CT掃描模體讀出劑量：用光學(xué)CT進(jìn)行掃描，重建得到三維圖像，即三維劑量分布。

4) 空間劑量信息表達(dá)：根據(jù)三維劑量分布繪制劑量分布的二維、三維劑量等值線及劑量梯度，與放療計劃的劑量處方進(jìn)行比對。

2 常用的凝膠劑量計

放療劑量驗證技術(shù)中的凝膠劑量計應(yīng)具備如下要求：1) 時間與空間穩(wěn)定性好；2) 組織等效性好；3) 沉積效應(yīng)與射線能量、劑量率等因素?zé)o關(guān)；4) 易于制作與儲存。

凝膠劑量計分類方法較多，如根據(jù)光衰減物理機制不同可將其劃分為光吸收型與光散射型2類，更常見的是依據(jù)化學(xué)組分與劑量沉積機理不同而劃分為3類[18]：亞鐵類、輻射聚合類、輻射變色塑料(PRESAGETM)。

2.1 亞鐵類凝膠劑量計

亞鐵類凝膠劑量計出現(xiàn)最早，是在經(jīng)典的Fricke溶液化學(xué)劑量計基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。亞鐵類凝膠劑量計依靠Fe2+在受照射后發(fā)生定量氧化反應(yīng)生成Fe3+，致使劑量計光吸收譜線發(fā)生偏移，從而將沉積劑量以光吸收系數(shù)形式進(jìn)行三維固定[19]。它通常以明膠為基底材料，以Fe(NH4)2(SO)2·6H2O作為主反應(yīng)物。

亞鐵類凝膠劑量計主要依靠輻射變色存儲劑量效應(yīng)，屬于光吸收型劑量計，研究較早，成果豐富，具有基材料衰減系數(shù)小、制備工藝簡單、反應(yīng)機理明確、反應(yīng)靈敏度高、組織等效性好等優(yōu)點，但其劑量信息載體(Fe3+)擴散現(xiàn)象嚴(yán)重，梯度信息會在數(shù)小時內(nèi)損失掉，時間與溫度穩(wěn)定性較差，不宜長期保存[19]。為克服這些不足，在原Fricke配方基礎(chǔ)上，研究人員提出了多種改良方案以減緩擴散速度，并取得了一定成果，如添加二甲酚橙作為螯合劑而得到的FXG劑量計[20]。

2.2 聚合類凝膠劑量計

聚合類凝膠劑量計以丙烯酰胺等單分子聚合物作為輻射敏感試劑，依靠輻射誘變單分子聚合反應(yīng)，生成散射系數(shù)較大的大分子聚合物，導(dǎo)致劑量計的光散射系數(shù)發(fā)生變化，以此將沉積劑量分布以光散射系數(shù)的形式固定下來[17]。

聚合類凝膠劑量計輻照后在外觀上會由透明變渾濁，屬于光散射型劑量計。在性能上，聚合類劑量計溫度與化學(xué)穩(wěn)定性好，可較好地保持劑量梯度信息。由于光衰減主要依靠散射作用，散射信號會對陣列探測器的相鄰單元產(chǎn)生影響，影響測量精度與分辨率。

2.3 PRESAGETM劑量計

PRESAGETM劑量計以聚氨酯塑料為基材料，以孔雀藍(lán)等輻射敏感染料為輻射敏感試劑，依靠輻射表色染料輻照前后的光吸收系數(shù)變化來表征劑量信息，屬吸收型劑量計，于2006年注冊成為專利[21]。

PRESAGETM劑量計有許多優(yōu)良性能[22-23]：首先，由于使用塑料(聚氨酯)作為基材料，模體剛度得以提升，樣品無需容器盛放，消除了容器壁產(chǎn)生的反射與折射信號的影響，并能加工成任意形狀；其次，由于屬于吸收型劑量計，散射影響小，輻射變色試劑在633 nm處存在吸收峰值，非常適合使用He-Ne激光器進(jìn)行光學(xué)CT掃描，提高了測量靈敏度；同時，PRESAGETM劑量計的擴散效應(yīng)小，不會被空氣氧化，穩(wěn)定性顯著，利于長期保存。

PRESAGETM劑量計也存在一定不足，如組織等效性不如凝膠；基材剛度較大，制備時易產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，形成散射/折射核而引起偽像。

3類常用凝膠劑量計的性能列于表1[18]。除上述3種劑量計外，還有交聯(lián)凝膠劑量計[24-26]等多種新型凝膠劑量計，關(guān)于新型凝膠劑量計的開發(fā)研究一直在積極開展中。

表1 3種凝膠劑量計的性能

3 三維光學(xué)CT劑量讀出技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1996年Gore等[13]設(shè)計出了第一臺用于凝膠劑量計掃描的三維光學(xué)CT實驗樣機。

與X射線CT技術(shù)類似，光學(xué)CT掃描方式也有筆形束掃描、平行束掃描和錐形束掃描。早期受探測器技術(shù)限制，系統(tǒng)設(shè)計以筆形束掃描為主，隨著技術(shù)的進(jìn)步，研究人員先后提出了基于陣列探測器的錐形束與平行束掃描技術(shù)方案。

3.1 筆形束掃描

早期的光學(xué)CT系統(tǒng)普遍采用筆形束掃描方式，如圖1所示。它以激光器作為點光源(如He-Ne激光器)、以光電二極管為點探測器，進(jìn)行筆形束/平行束掃描，并在旋轉(zhuǎn)-升降系統(tǒng)的配合下，完成三維數(shù)據(jù)采集。為減少光學(xué)界面的干擾，光學(xué)CT系統(tǒng)將樣品置于裝有匹配液的水箱中。

圖1 筆形束掃描方案示意圖

類似于第一代CT掃描方式，筆形束掃描的光學(xué)CT系統(tǒng)探測器一致性好、信噪比高、折射少、測量準(zhǔn)確度好、視野不受探測器尺寸限制、對樣品光衰減類型無要求，是光路分析、誤差與偽像分析的優(yōu)秀研究平臺。但此類系統(tǒng)存在掃描耗時長、分辨率受限等不足，雖不斷有改進(jìn)方案出現(xiàn)，如以鏡面旋轉(zhuǎn)取代光源-探測器平移的掃描方式[16]，但性能提升有限。

3.2 錐形束掃描

Wolodzko等[27]于1999年首次提出了采用面光源的錐形束掃描方案。如圖2所示。與筆形束掃描相比，錐形束掃描的入射光線呈錐形穿過被測樣品，無升降-平移環(huán)節(jié)，每次掃描獲取二維陣列投影數(shù)據(jù)，極大地縮短了數(shù)據(jù)采集時間，掃描時間僅為幾min[28-29]。由于陣列探測器的像素單元小、像素高、投影數(shù)據(jù)密集度高，具有高分辨率測量的潛質(zhì)，但易受散射信號影響，故不適合測量光散射型樣品，同時由于樣品內(nèi)光路呈錐形束分布，在重建圖像前的投影數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)中需加入幾何校正部分，否則重建圖像中會出現(xiàn)徑向幾何畸變。

圖2 錐形束掃描方案示意圖

3.3 平行束掃描

Doran等[30]于2001年首次提出了采用聚焦透鏡的平行束掃描方案，如圖3所示。該方案將點光源經(jīng)聚焦透鏡后形成平行光場，入射光線平行穿過被測樣品，以陣列探測器(如CCD相機)采集投影，每次掃描獲取二維陣列投影數(shù)據(jù)。

圖3 平行束掃描方案示意圖

相較于錐形束掃描，平行束掃描同樣具有掃描快速、探測像素小的優(yōu)點與高分辨率測量的潛質(zhì)，也不適合掃描光散射型樣品。聚焦透鏡的使用，使樣品內(nèi)光路相互平行，消除了與入射角度有關(guān)的徑向畸變問題，但增加了圖像鏈的長度與系統(tǒng)的復(fù)雜度[31-32]。

以上3種掃描方式的部分通用參數(shù)列于表2。

表2 3種掃描方式參數(shù)

4 三維凝膠劑量驗證研究中需研究的科學(xué)問題

基于凝膠劑量計-光學(xué)CT的放療劑量驗證技術(shù)經(jīng)10余年發(fā)展，積累了許多研究成果，但依然存在多方面問題未能得到很好解決，目前的研究熱點也多圍繞這些方面而展開。

4.1 凝膠劑量計研究

凝膠劑量計本質(zhì)上是一種化學(xué)劑量計，也是三維凝膠劑量驗證技術(shù)的重要組成部分，不同化學(xué)組分、不同制備條件、不同劑量響應(yīng)機理均會影響劑量計的各項性能，并最終影響系統(tǒng)的測量精度[33]。輻照過程中的劑量沉積與固定機理探索是一個重要的基礎(chǔ)研究方向，改進(jìn)或開發(fā)性能更加優(yōu)良的新型凝膠劑量計是凝膠劑量學(xué)的研究熱點，同時也是提高系統(tǒng)性能的重要手段。

4.2 掃描方案與系統(tǒng)設(shè)計

一般而言，X射線CT掃描方法均可用在光學(xué)CT上，如螺旋掃描、偏置掃描等，同時可見光源與探測器的形式多于X射線CT，如不同波長的單色光源、多種CCD和CMOS探測器，光路走向也可借助相關(guān)器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，如平面鏡、聚焦透鏡，這增加了光學(xué)CT方案設(shè)計的自由度，故光學(xué)CT在掃描方案和系統(tǒng)設(shè)計方面存在很大的靈活性[34]。

新型優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計一直是光學(xué)CT的主要研究方向之一。例如，目前的系統(tǒng)設(shè)計普遍使用匹配水箱來消除介質(zhì)面對光傳播的影響，但諸如匹配液不易配置、水箱壁面沾污等問題會引起嚴(yán)重偽像，為此研究人員提出了“干式”掃描的概念。干式掃描更方便用戶使用，相關(guān)研究工作也取得了一定進(jìn)展[35]。

4.3 重建算法與迭代重建算法

光學(xué)CT中，入射光線往往會由于物質(zhì)散射與截面折射而發(fā)生光路偏折，從而引起局部測量偏差，傳統(tǒng)的濾波反投影算法會在反投影過程中將這種局部偏差擴展至整條投影線，導(dǎo)致重建圖像中出現(xiàn)環(huán)形或帶狀偽像[36]。采用濾波或平滑的方法雖能緩解某些偽像的影響，但犧牲了圖像邊緣信息，不利于了解劑量梯度變化和繪制等劑量曲線。

相較于濾波反投影算法，迭代重建算法可將系統(tǒng)中實際存在的某些物理干擾因素通過建模的方法融合進(jìn)系統(tǒng)矩陣，重建過程即可實現(xiàn)物理修正，同時，選擇合適的目標(biāo)函數(shù)，可對噪聲、測量偏差乃至壞數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行抑制，并對邊緣信息進(jìn)行合理增強[37]，非常適合光學(xué)CT圖像重建與劑量分布信息獲取。

目前，大部分研究人員在使用光學(xué)CT進(jìn)行圖像重建時，仍沿用傳統(tǒng)的濾波反投影算法，而近年來在X射線CT領(lǐng)域取得較大發(fā)展的迭代重建算法并未在光學(xué)CT中得到較好應(yīng)用。如何結(jié)合光學(xué)CT中光線傳播機制與圖像感興趣信息建立相應(yīng)的迭代重建算法，尚需系統(tǒng)而細(xì)致的深入研究。

4.4 偽像成因與校正方法研究

偽像問題作為影響圖像質(zhì)量的重要因素，一直是CT領(lǐng)域的研究熱點。一般而言，基于射線衰減規(guī)律和反投影重建的幾種常見偽像，如環(huán)形、帶狀、硬化偽像，均會在光學(xué)CT中出現(xiàn)。同時，光學(xué)CT中特有的光反射、折射和散射現(xiàn)象，在不同光介面作用下，均可能引起特殊形態(tài)的偽像，如徑向幾何畸變、拱形偽像[28-29]。此外，一些外界因素，如光路中的障礙物、外界雜散光線、環(huán)境條件變化引起的系統(tǒng)漂移等，也可能會形成偽像[38]。

光學(xué)CT中偽像形成的機理分析研究與相應(yīng)的校正算法研究，對光學(xué)CT的測量結(jié)果和圖像質(zhì)量影響巨大，同樣是目前光學(xué)CT研究中的主要問題之一。

5 結(jié)論

基于光學(xué)CT的三維凝膠劑量驗證技術(shù)，采用凝膠劑量計固定三維劑量分布、光學(xué)CT掃描讀出劑量分布信息，并給出交付劑量的等劑量曲線，在三維劑量分布驗證方面具有很大優(yōu)勢，可能成為臨床劑量驗證的有效手段。同時，該方法作為輻射物理、凝膠化學(xué)、光學(xué)技術(shù)與CT成像技術(shù)的交叉領(lǐng)域，尚有一系列科學(xué)問題需進(jìn)行深入探討，具有很大的研究和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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