楊彥舉，鐘 陽，胡偉剛，高大地，趙 俊

復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院放療科，復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海 200032

臨床放療中，使用治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）計算腫瘤靶區(qū)和周圍正常組織的劑量分布是基于精確計算機體層成像值-相對電子密度（computed tomography value to the relative electron density，CT-RED）校準曲線進行的，因此建立一條準確的CT-RED曲線進行組織不均勻性校準對放療尤為重要。將CT值與相對電子密度建立關聯(lián)通常是對已知物理密度的組織替代物校準模體進行CT掃描得到的［1-3］。由于劑量在組織中的累積與組織的RED密切相關，CT值與RED值的不準確匹配將直接導致TPS計算得到的劑量分布與實際治療時差異較大，嚴重時會導致腫瘤局部控制率下降和正常組織出現(xiàn)并發(fā)癥風險升高［4］。

因此，在建立CT-RED校準曲線時應嚴格遵循TPS驗收標準，不同機構給出相應的CT校準曲線和公差精度。國際原子能機構（International Atomic Energy Agency，IAEA）將范圍從肺部到軟組織再到骨骼的CT容差值設為±20。對于高密度骨骼，英國醫(yī)學物理與工程學會（Institute of Physics and Engineering in Medicine，IPEM）、歐洲放射治療與腫瘤學學會和瑞士放射生物學與醫(yī)學物理學學會的CT容差值為±50；對于軟組織，IPEM指南給出±10的容差值；對于肺部組織，因其特殊的組織結構，IPEM報告僅給出±4的容差值［5-8］。關于建立CT-RED曲線的影響因素已有大量團隊研究，如掃描電壓和電流、圖像采集的層厚、掃描模體、掃描床板、掃描場的大小及圖像重建算法等［9-14］。為保證TPS中劑量計算的準確性，建立與每臺CT機和掃描協(xié)議相對應的CT-RED校準曲線是必要的。隨著放療技術的快速發(fā)展，在某些放療中心存在不同廠家CT定位機的情況，需要根據(jù)不同型號CT模擬機及不同部位臨床掃描協(xié)議建立多條CT-RED校準曲線。這給物理師在設計放療計劃時選擇CT-RED曲線帶來較大困擾，若選擇錯誤可能會導致臨床治療中的劑量累積差異較大。

因此，有必要探究使用不同CT-RED校準曲線對計算靶區(qū)劑量分布的影響。本研究主要在3種典型病例（鼻咽癌、肺癌和宮頸癌）中評估不同CT-RED校準曲線對計算腫瘤靶區(qū)和危及器官（organ at risk，OAR）中劑量分布的影響。為降低選擇不匹配校準曲線的風險，本研究將多條CT-RED曲線優(yōu)化為一條，并通過劑量學評估使用改良CT-RED曲線替代原始校準曲線的可行性。

1 材料和方法

1.1 實驗設備及CT-RED曲線建立

本研究使用CIRS-062型電子密度模體（美國CIRS公司），其整體橫斷面為橢圓形（長短軸分別為33和27 cm），中心內嵌圓柱（直徑18 cm），分別模擬人體的軀干和頭部。模體的基底材料為等效固體水（密度為1.00 g/cm3），嵌入兩層呈對側排布的8對已知電子密度的圓柱形模體插件（直徑3 cm），中心為固體水插件，分別模擬人體肌肉、肺、脂肪、肝、乳腺、疏松骨密質骨和水等。使用的CT定位機有兩臺，分別為荷蘭Philips公司的Brilliance TM Big Bore CT和德國Siemens公司的Somatom Definition AS CT。

對CIRS-062模體掃描前，本研究對實驗中的兩臺CT機按裝機驗收流程進行機械和能量質控，使其符合標稱值；擺位時，使用三維激光定位系統(tǒng)對準模體兩側和頂部定位標志；掃描時，為與臨床工作狀態(tài)保持一致，對兩臺CT定位機分別使用不同的臨床掃描協(xié)議（頭部、腹部和胸部協(xié)議）。根據(jù)不同CT機和掃描協(xié)議，獲取插件的CT值并建立6條CT-RED校準曲線，分別為飛利浦頭部協(xié)議（Philips head protocol，PHP）、飛利浦胸部協(xié)議（Philips thorax protocol，PTP）、飛利浦腹部協(xié)議（Philips abdomen protocol，PAP）、西門子頭部協(xié)議（Siemens head protocol，SHP）、西門子胸部協(xié)議（Siemens thorax protocol，STP）和西門子腹部協(xié)議（Siemens abdomen protocol，SAP）。最后將以上校準曲線導入Pinnacle3 TPS（version 8.0，荷蘭Philips公司）中用于劑量計算。

除直接掃描CIRS-062模體建立的CT-RED曲線外，本研究還優(yōu)化出一條綜合6條校準曲線的改良CT-RED校準曲線。CT值和RED值取決于物質密度，它改變了X射線與物質之間康普頓散射、光電效應和電子對效應的占比，CT值會隨組織模體插件的密度增大而增大，但不呈線性關系［15-16］。在CT-RED校準曲線優(yōu)化過程中，根據(jù)插件的質量密度不同，本文將其分為3個密度范圍：A≤0.5 g/cm3，0.5 g/cm3＜B≤1.16 g/cm3，C＞1.16 g/cm3，詳見圖1。不同的掃描協(xié)議在圖像重建時使用的優(yōu)化策略不一，對同一密度插件可能產(chǎn)生20%的CT值偏差，最終影響劑量積累［17］。因此，在低密度區(qū)域（A）中，優(yōu)化時剔除頭部掃描協(xié)議獲得的CT值；在中等密度區(qū)域（B）中，不同協(xié)議間CT值差異很小，對6條曲線取平均值；在高密度區(qū)域（C）中，去除胸部掃描協(xié)議獲得的CT值，以減少其對牙齒和骨骼等高密度物質CT值的影響。

圖1 基于不同協(xié)議對CIRS-062電子密度模體掃描建立的CTRED曲線Fig.1 The CT-RED curve of CIRS-062 electronic density phantom scanning based on different protocols

1.2 放療計劃制定及數(shù)據(jù)評估

本研究分別選取16例頭頸部、胸部及腹部腫瘤患者，放療計劃均采用靜態(tài)調強放療技術在Pinnacle3 TPS中使用6 MV光子線基于自適應卷積算法進行劑量計算，劑量網(wǎng)格為3 mm。表1給出統(tǒng)計各計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）和OAR的評價指標。用RayStation Research 4.7.5.4進行劑量信息的統(tǒng)計，并采用Wilcoxon配對符號秩檢驗在SPSS 22.0軟件中對劑量學差異進行評估，采用MIM軟件進行劑量學3D gamma分析。

表1 各計劃統(tǒng)計指標和OARTab.1 The statistical indicators and OAR of each plan

患者的放療處方如下：

①頭頸部腫瘤：均為鼻咽癌患者，70.4 Gy（2.2 Gy×32次）7例，70 Gy（2 Gy×35次）7例，66 Gy（2 Gy×33次）2例，每個計劃均為9個照射野。

② 胸部腫瘤：均為肺癌患者，60 Gy（2 Gy×30次）6例，剩余病例處方劑量為30～63 Gy不等，每個計劃5～9個照射野。

③腹部腫瘤：均為宮頸癌患者，50.4 Gy（1.8 Gy×28次）9例，其余7例輔助性放療或姑息性放療處方劑量為45.0～57.6 Gy不等，每個計劃7～9個照射野。

2 結果

2.1 CT值

在兩臺CT定位機工作性能符合驗收標準的條件下，使用Philips和Siemens各自頭部、胸部和腹部掃描協(xié)議對CIRS-062模體進行掃描，獲得各插件平均CT值（表2）。根據(jù)前文提到的優(yōu)化策略得到改良CT-RED校準曲線如圖1中黑線所示。若以Philips定位機CT值為基準，兩臺CT定位機之間的HU值差異如圖2所示。同一臺CT定位機不同協(xié)議間對同一插件產(chǎn)生的差異較小，不同CT間差異稍大，主要存在于肺和骨插件中。胸部和腹部協(xié)議之間的CT值差異在調試指南范圍內，但在頭部協(xié)議中，最大HU偏差達到105.1，由此可見，不同廠家機器對低密度和高密度材料的響應存在差異。

表2 CIRS-062型電子密度模體各插件的CT值Tab.2 CT values of each plug-in unit of CIRS-062 electronic density module

圖2 各插件CT值在Philips和Siemens CT定位機頭部、腹部和胸部協(xié)議中的差異Fig.2 The differences of CT values of each plug-in unit in Philips and Siemens CT with the protocols of head,abdomen and chest

2.2 頭頸部腫瘤劑量學評估

鼻咽癌患者的放療計劃首先使用PHP校準曲線參與劑量計算，計劃完成后再選擇另外5條基于不同CT和掃描協(xié)議建立的CT-RED校準曲線進行計算。在RayStation TPS中分別獲得基于各CT-RED校準曲線的相對劑量及絕對劑量與基準劑量的差異分布圖（圖3），其中以PHP得到的劑量為基準。從圖3中可看出，劑量差異較大的位置是牙齒，最大差異達到1.36%（90cGy）；基于Philips CT定位機不同掃描協(xié)議獲得的劑量累積沒有明顯差異，但基于SiemensCT定位機的劑量累積在牙齒和體表邊緣偏高或偏低。為進一步分析各OAR的劑量差異，對16例鼻咽癌患者PTV和OAR劑量的均值進行統(tǒng)計（圖4）。由于配對數(shù)據(jù)差值不滿足正態(tài)分布，所以本研究選擇Wilcoxon配對符號秩和檢驗。圖4中標紅的為使用當前校準曲線與PHP校準曲線計算得到的劑量具有顯著差異。從總體來看，基于不同CT定位機獲取的校準曲線計算的劑量在PTV上沒有顯著差異，但在某些OAR上具有一定差異，且主要存在于不同機器間。

圖3 基于不同掃描協(xié)議計算的鼻咽癌相對和絕對劑量與基準劑量之間差異分布圖Fig.3 The distribution of the difference between the relative or absolute dose and the reference dose of nasopharyngeal carcinoma calculated based on different scanning protocols

圖4 16例鼻咽癌患者基于6條CT-RED校準曲線的劑量累積均值Fig.4 The mean dose of 16 nasopharyngeal carcinoma patients based on 6 CT-RED calibration curves

2.3 胸部腫瘤劑量學評估

為探究不同CT-RED校準曲線對肺癌劑量分布的影響，以PTP校準曲線為劑量計算參考基準，再使用其余CT-RED參與劑量計算。圖5展示了1例基于各校準曲線獲得的相對和絕對劑量與基準劑量之間的差異分布圖。從圖5中可看出，只有在采用SHP協(xié)議時劑量分布有明顯差異，最大劑量差異達到2.5%（150 cGy），基于其他掃描協(xié)議的劑量分布差異可以忽略。圖6展示了16例肺癌患者PTV和各OAR的劑量信息。PTV的劑量積累在使用Philips定位機的CT-RED曲線時沒有差異，但在使用STP和SHP協(xié)議時存在顯著差異。此外，左右肺V5Gy的劑量在其他5個協(xié)議中均有顯著差異，脊髓在較多協(xié)議間也出現(xiàn)差異，說明胸部組織的劑量累積對CT-RED校準曲線較敏感。這主要是因為胸部的特殊空腔結構，脊髓位于周圍骨性結構的包圍中，CT值變化銳利，劑量累積對RED值偏差較敏感。

圖5 基于不同掃描協(xié)議肺癌劑量與基準劑量差異的分布圖Fig.5 The distribution of lung cancer dose based on different scanning protocols

圖6 16例肺癌患者基于6條CT-RED校準曲線的劑量累積均值Fig.6 The mean dose of 16 lung cancer patients based on 6 CT-RED calibration curves

2.4 腹部腫瘤劑量學評估

對于腹部腫瘤，本研究選擇16例宮頸癌病例進行劑量學分析。對每例宮頸癌患者的放療計劃首先使用PAP參與劑量計算，然后再使用其余5條CT-RED進行計算。圖7展示了基于各CTRED校準曲線獲得的相對和絕對劑量與基準劑量之間的差異分布圖，以PAP作為參考標準。從圖7中可看出，不同CT-RED校準曲線對宮頸癌劑量分布影響較小，最大絕對劑量差異不到1%（30 cGy）。圖8展示了PTV和各OAR的劑量統(tǒng)計信息。統(tǒng)計結果顯示，在膀胱V45Gy的劑量累積在使用其他掃描協(xié)議的CT-RED校準曲線時有顯著差異，在脊髓、直腸和腎等OAR沒有或僅有一條校準曲線出現(xiàn)顯著差異。說明兩臺CT定位機對腹部的圖像重建基本一致，因此，各部位劑量累積未出現(xiàn)較大差異。

圖7 基于不同掃描協(xié)議計算的宮頸癌劑量與基準劑量之間的差異分布圖Fig.7 The distribution of the difference between the doses of cervical cancer based on different scanning protocols

圖8 16例宮頸癌患者基于不同CT-RED校準曲線的劑量累積均值Fig.8 The mean dose of 16 patients with cervical cancer based on different CT-RED curves

2.5 基于改良CT-RED校準曲線的劑量學評估

本研究選取頭頸部、胸部和腹部3個部位腫瘤各5例使用優(yōu)化后的CT-RED校準曲線進行劑量計算，然后與基于對應PHP、PTP和PAP建立CT-RED曲線得到的劑量進行比較，得到相對和絕對劑量的差異分布圖（圖9），并進一步統(tǒng)計出各病例PTV和OAR的劑量差異（圖10）。結果顯示，基于改良CT-RED校準曲線得到PTV和OAR的劑量與相應基線劑量差異均小于1%，其中各指標的差異平均值均在±0.3%內，該偏差滿足IAEA對TPS的容差值（1%～2%）［5］，充分證明本中心建立的改良CT-RED校準曲線對各部位腫瘤的劑量計算穩(wěn)定可靠。為進一步說明改良CT-RED曲線與原始臨床方案校準曲線之間的劑量學差異，本研究分別選取鼻炎癌和肺癌病例使用MIM軟件進行了3D gamma劑量學分析?；诟牧糃T-RED的劑量分布與基于PHP和PTP校準曲線之間的劑量分布比較，鼻咽癌gamma通過率（1%和1 mm）為100.0%；肺癌gamma通過率（1%和1 mm）為99.9%。以上結果表明，本研究優(yōu)化的CT-RED可以替代原始測量的CT-RED曲線用于Pinnacle3 TPS進行劑量計算。

圖9 基于優(yōu)化后CT-RED校準曲線與各部位標準CT-RED校準曲線計算的相對和絕對劑量差異分布圖Fig.9 The distribution of relative and absolute dose differences calculated based on optimized CT-RED calibration curve and standard CTRED calibration curve of different cancer

圖10 15例不同腫瘤PTV和OAR的劑量差異圖Fig.10 The dose difference of PTV or OAR in 15 cases with different cancers

3 討 論

創(chuàng)建CT-RED組織不均勻校準曲線的常規(guī)方法是將已知電子密度材料的不連續(xù)CT值導入TPS。多項研究［10-12］表明，不同CT定位機的CT校準曲線有所不同，特別是物理密度較大的材料，CT值的變化程度取決于CT設備、掃描參數(shù)（管電流、工作電壓和重建算法）和掃描模體，但不同校準曲線對各腫瘤放療計劃的劑量影響還沒有定量描述。當前國內獲得臨床使用許可的TPS對組織劑量的計算誤差都在IAEA和IPEM等機構的要求范圍內，所以要通過放療計劃提高組織劑量計算的準確性，關鍵在于準確地獲得CT值。因此，對擁有多臺CT定位機的放療中心來說，在日常放療工作較繁忙的情況下，優(yōu)化出個性化的CT-RED校準曲線對于精確計算劑量和減少流程誤差是一種可選擇的方案。本研究已驗證其可行性，意義等同于不同直線加速器間的束流匹配。

本研究首先進行基于不同CT定位機和掃描協(xié)議獲得的多條CT-RED校準曲線，分析不同掃描協(xié)議間對同種物理密度材料獲得CT值的差異。本研究結果顯示，不同CT間的差異主要存在于頭部協(xié)議，可能因為頭部存在大量密質骨，導致CT值波動較大，該協(xié)議不適合用于其他部位的掃描，這一結論在很多研究［9-13］中均有驗證。此外，在多病種放療計劃的劑量學評估中，根據(jù)對PTV和正常組織OAR的劑量學評估結果可知，劑量學的差異主要存在于不同CT定位機間；同臺CT機基于不同掃描協(xié)議計算得到的劑量差異主要存在于胸部，而其他OAR劑量差異較小。若以Philips掃描協(xié)議為基準，頭部和胸部在使用STP建立的CT-RED校準曲線計算的劑量在很多OAR中的差異均有統(tǒng)計學意義，而在腹部的劑量學差異較小。因此，在物理師進行放療計劃設計過程中，人為因素導致的CT-RED校準曲線選擇錯誤，會導致劑量分布有較大偏差?；谶@個角度，對現(xiàn)有的多條校準曲線進行優(yōu)化非常有必要。如何設計滿足臨床要求的改良校準曲線成為本研究的重點，通過不同腫瘤的研究發(fā)現(xiàn)，鼻咽癌的劑量分布在使用肺部協(xié)議時會導致高密度牙齒部分出現(xiàn)超過3%處方劑量偏差。對比圖1可知，使用胸部掃描協(xié)議對高密度物質CT的重建偏差較大，最后導致TPS中劑量偏差嚴重，最大達到150 cGy（2.5%），大大超出了TPS驗收標準。由頭部、胸部和腹部各部位的劑量學分析可知，不同部位的劑量分布對CT-RED校準曲線的敏感程度不同，因此不能簡單地取平均值來優(yōu)化CT-RED校準曲線，而需要根據(jù)各部位的結構特點采取不同的優(yōu)化策略?；谠摲治?，本研究用不同的優(yōu)化策略將CT-RED曲線分為3個部分，如圖1中所示的A、B、C。在低密度區(qū)域（A）中，本研究在進行優(yōu)化時剔除使用臨床頭部協(xié)議掃描獲取的已知材料密度CT值，這樣可以減少CT值差異導致CT-RED校準曲線的偏差；同樣在高密度區(qū)域（C）中，本研究取平均值時剔除使用肺部協(xié)議掃描獲取高密度的CT值；在中等密度區(qū)域（B）中，由于6條校準曲線劑量相對差異小于處方的1%，中間部分直接對6條曲線取平均值即可。最后本研究對基于本中心優(yōu)化的CT-RED校準曲線計算的PTV和OAR進行劑量學評估，結果顯示，在頭部和胸部與基于標準協(xié)議獲得的劑量分布保持超高的一致性，與原始校準曲線計算得到的劑量差異平均值均在±0.3%內，距離基線1 mm內1%容差的gamma通過率分別達到100.0%和99.9%。

綜上所述，不同的CT-RED校準曲線會導致PTV覆蓋范圍和OAR劑量的差異。利用本研究優(yōu)化出的適用于不同CT機及掃描協(xié)議的改良CTRED校準曲線算出的劑量與原始校準曲線的差異均在1%內，證明使用一條改良CT-RED校準曲線對不同CT機獲得的圖像進行劑量計算是可行的。