吳先想，郭紅博，費(fèi)振樂，，崔相利，牛振洋，劉苓苓

1.安徽醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，安徽合肥230032；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，安徽合肥230026；3.聯(lián)勤保障部隊(duì)第901醫(yī)院放療科，安徽合肥230031；4.中國科學(xué)院合肥腫瘤醫(yī)院，安徽合肥230031

前言

隨著現(xiàn)代放射治療技術(shù)不斷的發(fā)展，放射治療已經(jīng)成為治療癌癥的重要手段之一。在臨床中，對(duì)病人進(jìn)行治療前，需要在CT模擬定位機(jī)上對(duì)病人進(jìn)行模擬定位掃描，獲得含有位置和解剖信息的CT圖像，治療計(jì)劃系統(tǒng)將獲得的CT圖像中的CT值到組織相對(duì)電子密度（HU-RED）轉(zhuǎn)換信息，并以組織相對(duì)電子密度為基礎(chǔ)對(duì)不均勻組織進(jìn)行校正，最后進(jìn)行劑量計(jì)算［1-3］。在這個(gè)過程中，保證劑量計(jì)算的精確性是放射治療的基礎(chǔ)［4-5］。臨床中，病人在模擬定位掃描時(shí)，為了獲得病人清晰的CT影像，不同部位掃描條件會(huì)有所差別，如掃描電壓、電流、層厚，上述因素都會(huì)對(duì)HU-RED轉(zhuǎn)換曲線產(chǎn)生影響，進(jìn)而給病人治療計(jì)劃中的劑量計(jì)算帶來誤差。本研究以醫(yī)科達(dá)Monaco5.11治療計(jì)劃系統(tǒng)和16排飛利浦CT模擬定位機(jī)為基礎(chǔ)，分析HU-RED轉(zhuǎn)換曲線對(duì)治療計(jì)劃系統(tǒng)中劑量計(jì)算精確性產(chǎn)生的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及不同掃描條件下HU-RED曲線獲取

1.1.1 CRIS062電子密度模體 該模體為橢圓的外形，具有17根已知相對(duì)電子密度的圓柱形模體棒插孔，孔徑直徑為30.5 mm，被分為兩個(gè)部分，中心處插入1根等效水模體棒，其它插孔插入等效組織模體棒，圍繞著等效水模體棒分為內(nèi)外兩層，每層8根等效組織模體棒，不同等效組織模體棒的相對(duì)電子密度如表1所示。等效組織模體棒可以對(duì)人體的肺部、腹部、胸部、肌肉、肝臟、骨頭和致密骨進(jìn)行等效組織模擬［6-7］，CRIS062電子密度模體如圖1a所示。

表1 等效組織模體棒對(duì)應(yīng)的相對(duì)電子密度Tab.1 Relative electron density(RED)corresponding to the equivalent tissue model

1.1.2 HU-RED轉(zhuǎn)換曲線的獲取 將16排飛利浦CT模擬定位機(jī)調(diào)整到工作狀態(tài)，把相同等效組織模體棒插入模體對(duì)應(yīng)內(nèi)外層圓柱孔徑內(nèi)，打開三維定位激光燈，將CRIS062電子密度模體以三維定位激光燈為參考準(zhǔn)確固定在碳纖維定位床板上，首先保持掃描層厚（3 mm）和掃描電流（150 mAs）不變，改變掃描電壓（90、120 kV），獲得2組CT序列；然后保持掃描電壓（120 kV）和掃描電流（150 mAs）不變，改變掃描層厚（2、3、5 mm），獲得3組CT序列；再次保持掃描層厚（3 mm）和掃描電壓（120 kV）不變，改變掃描電流（300、395 mAs），得到2組CT序列?？紤]到等效組織模體棒在模體內(nèi)的擺放位置對(duì)CT值產(chǎn)生影響，將內(nèi)層模體棒按順時(shí)針依次旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°放置，調(diào)整CT模擬定位機(jī)的掃描層厚為3 mm、掃描電壓為120 kV、掃描電流為150 mAs，獲得3組CT序列，電子密度模體CT掃描圖像如圖1b所示。將上述獲得的10組CT序列導(dǎo)入到Monaco5.11治療計(jì)劃系統(tǒng)，打開上述CT序列，讀取每個(gè)等效組織模體棒內(nèi)等中心層面半徑為6 mm球體內(nèi)的平均CT值。根據(jù)不同的掃描條件，將已知相對(duì)電子密度的等效組織模體棒和其對(duì)應(yīng)的CT值進(jìn)行擬合，獲得不同掃描條件下的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線，并導(dǎo)入到治療計(jì)劃系統(tǒng)。

圖1 電子密度模體及其CT掃描圖像Fig.1 Electron density phantom and its CT scanned image

1.2 治療計(jì)劃制定及劑量對(duì)比分析

1.2.1 病例選擇與計(jì)劃制定 選取中國科學(xué)院合肥腫瘤醫(yī)院接受放療的病人共28例，其中包括頭部腫瘤8例、胸部腫瘤8例、腹部腫瘤6例、盆腔部位腫瘤6例，每例病人CT序列的掃描電壓為120 kV，掃描層厚為3 mm，掃描電流為150 mAs，靶區(qū)均由醫(yī)生完成勾畫。分析上述影響因素對(duì)HU-RED轉(zhuǎn)換曲線的影響，選取差異較大的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線導(dǎo)入Monaco5.11治療計(jì)劃系統(tǒng)。以掃描電壓為120 kV、掃描電流為150 mAs、掃描層厚為3 mm的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線為基礎(chǔ)分別對(duì)28例病人設(shè)計(jì)容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)（VMAT）計(jì)劃，記為Plan1；保持計(jì)劃的通量和子野不變，調(diào)用其它差異較大的轉(zhuǎn)換曲線對(duì)28例病人分別進(jìn)行劑量計(jì)算，記為Plan2。

1.2.2 劑量學(xué)差異分析 本研究采用DVH數(shù)據(jù)對(duì)靶區(qū)和危及器官的劑量進(jìn)行評(píng)估，靶區(qū)采用D2、D50、D95、D98指標(biāo)進(jìn)行劑量對(duì)比分析，腦干、視神經(jīng)、晶體、肝臟、腎、脊髓、股骨頭、膀胱、直腸均采用最大點(diǎn)劑量（Dmax）和平均劑量（Dmean）進(jìn)行對(duì)比分析，肺部采用V5、V20體積受量進(jìn)行對(duì)比分析［8］。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同掃描條件下HU-RED轉(zhuǎn)換曲線差異比較結(jié)果

掃描電壓為90、120 kV的轉(zhuǎn)換曲線之間的差異較大，尤其是在高物理密度或高電子密度組織區(qū)域，見圖2a；CT模擬機(jī)掃描層厚和掃描電流對(duì)轉(zhuǎn)換曲線無明顯影響，見圖2b和圖2c。電子密度模體中模體棒的擺放順序?qū)T值無明顯影響，見圖2d。

圖2 掃描條件的改變對(duì)CT值的影響Fig.2 Effects of scanning conditions on CT values

2.2 計(jì)劃靶區(qū)（PTV）及危及器官劑量分析

2.2.1 腫瘤靶區(qū)PTV劑量學(xué)參數(shù)分析 在通量、子野不變的情況下，在頭頸部和盆腔部腫瘤兩種計(jì)劃中，90 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線比120 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算得到的靶區(qū)PTV劑量D2、D50、D95、D98略大（P≤0.029）。對(duì)于胸部和腹部腫瘤兩種計(jì)劃PTV的D2無顯著性差異（P≥0.068），PTV的D50、D95、D98有顯著性差異（P≤0.043)，90 kV轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算出的D50、D95、D98略大。具體如表2～表5所示。

2.2.2 危及器官劑量學(xué)參數(shù)分析 在頭部危及器官中，兩種計(jì)劃腦干的Dmean具有顯著差異，應(yīng)用90 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算的計(jì)劃（Plan2）中腦干的Dmean略大（P=0.025），晶體、視神經(jīng)的Dmax、Dmean沒有顯著性差異。在胸部危及器官中，兩種計(jì)劃脊髓的Dmax、Dmean具有顯著性差異，90 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算的計(jì)劃脊髓Dmax、Dmean略大（P≤0.036），肺部和心臟的受照射劑量無明顯差異。在腹部危及器官中，兩種計(jì)劃患側(cè)腎的Dmean有顯著差異，應(yīng)用90 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算的計(jì)劃（Plan2）中Dmean略大（P=0.032）。在盆腔部位中，一側(cè)股骨頭Dmean有顯著差異，另一側(cè)股骨頭Dmean、Dmax有顯著差異，膀胱的Dmean有顯著差異，都是在90 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線計(jì)劃（Plan2）中略大（P≤0.03），其他危及器官受量如膀胱、直腸無顯著差異（P＞0.05）。具體如表2～表5所示。

3 討論

放射治療劑量精度是以治療計(jì)劃劑量計(jì)算的精準(zhǔn)性為前提。在治療計(jì)劃設(shè)計(jì)之前，CT模擬定位掃描高質(zhì)量CT影像，幫助醫(yī)生完成腫瘤靶區(qū)及危及器官的準(zhǔn)確勾畫，同時(shí)為治療計(jì)劃的評(píng)估提供空間體積信息，為劑量計(jì)算提供基礎(chǔ)。由于人體的解剖結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，具有空腔臟器、高密度骨質(zhì)結(jié)構(gòu)、人體表面不規(guī)則等特點(diǎn)，人體組織結(jié)構(gòu)具有組織不均勻性。在劑量計(jì)算中，計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)從CT影像中得到的相對(duì)電子密度，使用不均勻組織校正算法對(duì)組織電子密度進(jìn)行校正，依據(jù)蒙卡劑量算法精確計(jì)算出患者體內(nèi)的劑量分布［9-11］。根據(jù)Constantinou等［12］研究，在6和10 MV能量條件下照射100 cGy劑量，使用錯(cuò)誤的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線進(jìn)行劑量計(jì)算，計(jì)算得到的劑量比正常值分別高出20.1%、14.9%。因此準(zhǔn)確獲取病人的CT模擬定位影像是放射治療重要的組成部分，CT影像的精確度直接影響到放射治療計(jì)劃計(jì)算的精確度，從而影響到放射治療的質(zhì)量。

表2 8例頭部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s,Gy）Tab.2 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 8 patients with head tumors(Mean±SD,Gy)

表2 8例頭部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s,Gy）Tab.2 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 8 patients with head tumors(Mean±SD,Gy)

PTV:Planning target volume;OAR:Organs-at-risk;Plan1:Plan with HU-RED conversion curve(120 kV);Plan2:Plan with HU-RED conversion curve(90 kV)

Item PTV Plan1 D2 D50 D95 D98 64.40±9.84 59.79±6.79 54.58±5.06 53.36±4.73 Brain stem Dmax Dmean 44.91±16.93 22.66±12.28 Left optic nerve Dmax Dmean 23.76±19.99 10.92±11.89 Right optic nerve Dmax Dmean 13.55±8.10 5.55±3.04 Left lens Dmax Dmean 3.36±1.70 2.27±0.95 Plan2 64.60±9.87 59.94±6.84 54.73±5.11 53.50±4.77 44.43±16.95 22.75±12.36 23.96±20.17 10.91±11.95 13.35±7.93 5.57±3.04 3.28±1.50 2.33±0.88 P value 0.004 0.003 0.003 0.011 0.779 0.025 0.189 0.779 0.248 0.488 0.536 0.429 Right lens Dmax Dmean 2.54±1.17 1.75±0.69 2.51±1.24 1.76±0.70 0.805 0.055

表3 8例胸部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s）Tab.3 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 8 patients with thoracic tumors(Mean±SD)

表3 8例胸部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s）Tab.3 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 8 patients with thoracic tumors(Mean±SD)

Item PTV D2/Gy D50/Gy D95/Gy D98/Gy Left lung V20/%V5/%Right lung V20/%V5/%Heart Dmax/Gy Dmean/Gy Spinal cord Dmax/Gy Dmean/Gy Plan1 60.48±6.08 56.50±6.41 53.52±6.16 48.91±7.03 13.98±15.48 30.86±19.62 20.44±15.04 33.34±14.00 61.20±5.02 14.44±7.96 36.78±8.30 9.21±4.10 Plan2 60.72±6.18 56.71±6.48 53.78±6.27 49.14±7.22 13.95±15.42 30.66±19.44 20.40±14.95 33.14±13.92 61.13±4.85 14.46±7.98 37.34±8.41 9.23±4.10 P value 0.068 0.016 0.012 0.042 0.140 0.062 0.265 0.173 0.249 0.169 0.036 0.005

本次研究主要驗(yàn)證CT模擬定位掃描條件改變引起的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線的改變，最終導(dǎo)致治療計(jì)劃系統(tǒng)中相對(duì)電子密度改變而對(duì)劑量計(jì)算過程造成的影響［13-14］。由于CT模擬定位機(jī)在不同工作電壓下，X線球管發(fā)射出的X光能量會(huì)發(fā)生變化，不同能量的X光在和物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，光電效應(yīng)在高電子密度組織中差異較大，正如本次實(shí)驗(yàn)中，不同掃描電壓下，在相對(duì)較低的電子密度組織中CT值差異較小，在相對(duì)較高的電子密度組織中CT值差異較大［15］。在所選取的病例中，治療計(jì)劃的靶區(qū)劑量具有顯著差異，在解剖結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的頭頸部和盆腔部位腫瘤中差異性較大，在胸腹部腫瘤中靶區(qū)高劑量區(qū)無顯著差異，頭頸部空腔中點(diǎn)劑量差異具有顯著性。應(yīng)用90 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線的計(jì)劃中計(jì)算的劑量比應(yīng)用120 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線的計(jì)劃中計(jì)算的劑量偏高，原因在于不同的治療計(jì)劃系統(tǒng)盡管算法不同，但最終的劑量計(jì)算都是基于組織的電子密度，不準(zhǔn)確的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線會(huì)導(dǎo)致劑量計(jì)算產(chǎn)生誤差，VMAT計(jì)劃中進(jìn)行通量和子野優(yōu)化后，分別調(diào)用90和120 kV的相對(duì)電子密度轉(zhuǎn)換曲線進(jìn)行劑量計(jì)算，組織的CT值相同時(shí)，90 kV的相對(duì)電子密度轉(zhuǎn)換曲線轉(zhuǎn)換得到的相對(duì)電子密度偏低，對(duì)于高電子密度的組織影響更大，所以通量、子野、照射量相同的條件下，使用90 kV的HURED轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算的計(jì)劃劑量計(jì)算結(jié)果偏高。當(dāng)歸一到處方劑量時(shí)，使用90 kV的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線計(jì)算的PTV實(shí)際受量將會(huì)不足，對(duì)于靠近靶區(qū)和組織密度較大的危及器官，如腦干、患側(cè)腎、脊髓、股骨頭等，將不能夠準(zhǔn)確地評(píng)估所受的照射劑量。因此需要保證CT模擬定位時(shí)掃描電壓和劑量計(jì)算使用的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線相一致，保證病人放射治療的質(zhì)量不受影響。

表4 6例腹部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s,Gy）Tab.4 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 6 patients with abdominal tumors(Mean±SD,Gy)

表4 6例腹部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s,Gy）Tab.4 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 6 patients with abdominal tumors(Mean±SD,Gy)

Item PTV D2 D50 D95 D98 Plan1 51.47±2.79 49.04±3.28 46.79±3.17 45.51±3.29 Plan2 51.47±2.81 49.09±3.28 46.86±3.18 45.57±3.29 P value 0.943 0.043 0.002 0.008 Liver Dmax Dmean 41.80±14.50 5.97±2.75 41.70±14.55 5.97±2.76 0.109 0.139 Spinal cord Dmax Dmean 22.90±10.84 8.26±4.29 22.60±10.85 8.27±4.29 0.126 0.301 Ipsilateral kidney Dmax Dmean 28.70±16.67 6.13±3.53 28.90±16.81 6.14±3.54 0.054 0.032 Contralateral kidney Dmax Dmean 34.12±15.14 7.37±4.39 34.23±15.15 7.38±4.40 0.353 0.056

表5 6例盆腔部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s,Gy）Tab.5 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 6 patients with pelvic tumors(Mean±SD,Gy)

表5 6例盆腔部腫瘤患者靶區(qū)及危及器官劑量參數(shù)對(duì)比（ ±s,Gy）Tab.5 Dosimetry comparison of PTV and OAR in 6 patients with pelvic tumors(Mean±SD,Gy)

Item PTV D2 D50 D95 D98 Plan1 60.02±8.59 53.59±5.18 51.73±5.80 49.63±4.29 Plan2 60.16±3.53 53.72±5.22 51.81±5.76 49.74±4.30 P value 0.002 0.028 0.029 0.028 Bladder Dmax Dmean 58.97±8.46 34.50±3.78 59.01±8.70 34.58±3.82 0.724 0.030 Small bowl Dmax Dmean 55.01±3.57 20.06±5.03 55.11±3.85 20.09±3.09 0.708 0.059 Left femoral bone Dmax Dmean 45.61±5.46 21.39±4.31 45.81±5.33 21.48±4.34 0.147 0.003 Right femoral bone Dmax Dmean 44.59±7.88 21.59±5.96 44.77±7.96 21.67±5.99 0.010 0.010 Rectum Dmax Dmean 60.49±9.10 51.20±10.39 60.35±9.26 51.32±10.40 0.132 0.102

VMAT屬于現(xiàn)代較為復(fù)雜的調(diào)強(qiáng)技術(shù)，雖然具有技術(shù)優(yōu)勢［16］，但不能忽略多種因素對(duì)劑量計(jì)算本身的影響。本研究中靶區(qū)和危及器官劑量差異具有顯著性，根據(jù)ICRU 24號(hào)報(bào)告，腫瘤靶區(qū)劑量精確性應(yīng)好于5%［17］。但劑量實(shí)施過程中多葉光柵到位精度會(huì)受到重力的影響［18］，治療床板及延長板會(huì)對(duì)射線產(chǎn)生1.7%～6.1%的衰減［19-20］。綜合上述因素考慮，為降低劑量誤差，HU-RED轉(zhuǎn)換曲線的差異所帶來的劑量計(jì)算誤差不能夠忽略。

綜上所述，在放射治療中，保證治療計(jì)劃系統(tǒng)中HU-RED轉(zhuǎn)換曲線的精確性非常重要，物理師在設(shè)計(jì)治療計(jì)劃時(shí)，使用的HU-RED轉(zhuǎn)換曲線需要與患者的CT模擬定位時(shí)掃描電壓相一致，掃描電壓不能因?yàn)閽呙璨课坏牟煌S意改變，確保劑量計(jì)算用的相對(duì)電子密度信息與患者體內(nèi)相對(duì)電子密度相一致是劑量計(jì)算的基礎(chǔ)。