【作 者】李京，肖青，張祥斌，戴谷宇，柏森，鐘仁明

四川大學(xué)華西醫(yī)院 放療科，成都市，610041

0 引言

雙能CT的特點(diǎn)是高低兩種能量同源、同時(shí)、同向進(jìn)行掃描，一次掃描后可以重建不同千電子伏特（keV）對(duì)應(yīng)的虛擬單能量圖像，重建原理是將原始圖像分離成兩種基礎(chǔ)物質(zhì)（通常用水和碘）并獲取物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù)對(duì)，通過(guò)在給定keV處線性組合質(zhì)量密度圖來(lái)合成虛擬圖像[1]，能提供準(zhǔn)確的CT值[2]，有替代常規(guī)圖像進(jìn)行放療靶區(qū)勾畫(huà)和劑量計(jì)算的可能。

與常規(guī)圖像相比，VMI可以改善軟組織對(duì)比度和對(duì)比噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR）[3]。高keV圖像可以減少金屬偽影，改善金屬偽影對(duì)靶區(qū)及危及器官勾畫(huà)和劑量計(jì)算的不良影響[4]。已有研究證明：VMI在40 keV時(shí)可顯著提高胰腺癌腫瘤對(duì)比度和CNR[5]，實(shí)現(xiàn)大腸癌肝轉(zhuǎn)移的最佳定量和定性病變描述[6]，改善腹部惡性淋巴瘤的病變輪廓顯示[7]；在60 keV時(shí)能獲取更好的頭頸部腫瘤對(duì)比度和CNR[8]，可用于在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中[9]自動(dòng)勾畫(huà)頭頸部危及器官；在75 keV時(shí)對(duì)肺癌患者的腫瘤顯示和CNR最佳[10]，用140 keV重建并使用MARS（metal artifact reduction software）能很好地降低金屬偽影，且改善劑量計(jì)算問(wèn)題[11]。

劑量計(jì)算是放療計(jì)劃的重要環(huán)節(jié)，治療計(jì)劃系統(tǒng)將圖像的CT值轉(zhuǎn)換成相對(duì)電子密度后才能進(jìn)行劑量計(jì)算。因此VMI應(yīng)用于放療的前提是探究其圖像能否被TPS識(shí)別，CT值轉(zhuǎn)化成相對(duì)電子密度后劑量計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用DECT完成模體CT值到電子密度的轉(zhuǎn)化[12-14]，但是VMI實(shí)際應(yīng)用于放療計(jì)劃的劑量學(xué)研究尚不完善。筆者使用已獲得放療醫(yī)生和物理師批準(zhǔn)的計(jì)劃，將相同的計(jì)劃參數(shù)移植到VMI和常規(guī)圖像上，探究劑量分布的差異。

1 材料和方法

1.1 模體選擇

本研究采用CIRS-062電子密度參考模體、仿真頭模和成年女性體模進(jìn)行劑量學(xué)研究。CIRS-062電子密度模體，內(nèi)含電子密度已知的人體各組織模擬插件（見(jiàn)圖1），用于測(cè)量不同keV參數(shù)重建圖像對(duì)應(yīng)的CT值，并與常規(guī)圖像進(jìn)行對(duì)比。仿真頭模和成年女性體模用于劑量分布驗(yàn)證。

圖1 CIRS-062電子密度模體圖像Fig.1 Images of CIRS-062 electron density phantom

1.2 圖像獲取

在GE Revolution CT掃描儀上分別對(duì)三個(gè)模體進(jìn)行CT掃描和圖像重建。放療常規(guī)使用峰值電壓（kilovolt peak，kVp）為120 kV的混合能量成像，其掃描參數(shù)為：管電壓120 kV，管電流180～540 mA，螺距0.992，層厚0.625 mm，重建圖像層厚3 mm，設(shè)為對(duì)照組。GSI[15]掃描參數(shù)為：管電壓80 kV/140 kV，管電流280 mA，螺距0.992，層厚0.625 mm，掃描后以10 keV為間隔從40 keV到140 keV重建出11組虛擬單能量圖像，重建層厚3 mm，設(shè)為試驗(yàn)組。

1.3 CT值獲取

將獲得的CIRS-062電子密度模體的12組圖像導(dǎo)入治療計(jì)劃系統(tǒng)Eclipse（Version 13.5,Varian Medical System Inc.,Palo Alto,CA），選擇圓形感興趣區(qū)（range of interest，ROI）測(cè)量每組圖像上各插件CT值（致密骨插件ROI取38.05 mm2，其他插件取502.45 mm2，ROI與插件半徑之間留1 mm邊緣）[16-17]，即為人體各組織對(duì)應(yīng)的CT值，比較不同圖像CT值的差異。

1.4 計(jì)劃選擇與驗(yàn)證

在Eclipse中導(dǎo)入仿真頭模和體模的對(duì)照組和試驗(yàn)組CT圖像，選擇臨床使用的標(biāo)準(zhǔn)CT值-電子密度曲線（常規(guī)120 kVp掃描獲?。┻M(jìn)行CT值到電子密度的轉(zhuǎn)化。選取經(jīng)放療醫(yī)生和物理師批準(zhǔn)的3例不同類型的放療計(jì)劃（見(jiàn)表1），將其計(jì)劃參數(shù)、計(jì)劃靶區(qū)體積（planning target volume，PTV）分別移植到12組圖像上，重新計(jì)算后得到劑量分布[18]。在放療計(jì)劃中，靶區(qū)需要接受足夠劑量的照射，因此PTV的劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）是評(píng)估劑量分布的重要指標(biāo)。從Eclipse獲取DVH，統(tǒng)計(jì)SBRT計(jì)劃中覆蓋100%體積的劑量（D100），IMRT和VMAT計(jì)劃中覆蓋95%體積的劑量（D95），并計(jì)算VMI 與常規(guī)圖像上的標(biāo)準(zhǔn)化劑量差（δD=|DVMI-D120kVp|/Dprescription）[19]。將Eclipse的驗(yàn)證計(jì)劃、PTV結(jié)構(gòu)、劑量分布和CT圖像導(dǎo)入3DVH（Version 3.3.1,Sun Nuclear Corporation,Melbourne,FL,USA）三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)，重建靶區(qū)的劑量分布，調(diào)整γ通過(guò)率參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)2%/2.000 mm，閾值0.001%）后可分析VMI和常規(guī)圖像每個(gè)體素的劑量差值[20]。

表1 三例放療計(jì)劃的基本信息Tab.1 The basic information of the 3 treatment plans

2 結(jié)果

2.1 CT值比較

通過(guò)對(duì)CIRS-062電子密度模體掃描和測(cè)量，各插件對(duì)應(yīng)組織的CT值列于表2。致密骨在不同圖像上CT值變化最大，70 keV、80 keV圖像與常規(guī)圖像差值僅有70～80 Hu，40 keV圖像則高達(dá)1 212 Hu。梁骨差異略小，差值范圍在20～365 Hu之間。脂肪、乳腺差異均在100 Hu以內(nèi)，呼氣肺、吸氣肺、肌肉和肝臟在不同圖像上的CT值變化小于40 Hu。水的CT值變化均在3 Hu以內(nèi)。不同單能量圖像間CT值比較發(fā)現(xiàn)，40 keV圖像與常規(guī)圖像CT值的差值高于其他虛擬單能量圖像，70 keV、80 keV圖像的差值最小。

表2 不同圖像上測(cè)得的各組織CT值（Hu）Tab.2 CT value of tissues measured on different images

2.2 劑量分布

三例計(jì)劃表現(xiàn)出的靶區(qū)劑量分布差異一致：在40 keV圖像上，DVH與常規(guī)圖像差異最大；在40～70 keV圖像上，差異隨能量增加而逐漸減?。辉?0～140 keV圖像上差異較小。部分VMI與常規(guī)圖像的局部DVH比較，如圖2所示。

圖2 VMI和常規(guī)圖像驗(yàn)證計(jì)劃中PTV的局部劑量體積直方圖Fig.2 Partial DVH of PTV in VMI and normal image verification plan

從常規(guī)圖像的靶區(qū)DVH中讀取劑量學(xué)特征值作為對(duì)照，試驗(yàn)組VMI的DVH特征值及其與對(duì)照組的比較如表3所示。所有單能量圖像的標(biāo)準(zhǔn)化劑量差均在2%以內(nèi)，其中70 keV的特征值與對(duì)照組最相似，δD接近于0%。

表3 靶區(qū)劑量（Gy）及標(biāo)準(zhǔn)化劑量差（%）統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of target dose (Gy) and standardized dose difference (%)

將常規(guī)圖像的劑量分布作為對(duì)照組，統(tǒng)計(jì)其與VMI劑量分布在每個(gè)體素的差值（見(jiàn)表4）。以70 keV為例，體素的劑量差統(tǒng)計(jì)直方圖如圖3所示，在±0.1 Gy以內(nèi)的頻數(shù)最高，較大劑量差值的頻數(shù)很低。

表4 體素劑量差值統(tǒng)計(jì)（Gy）Tab.4 Statistics of voxel dose difference (Gy)

圖3 三例計(jì)劃在70 keV與對(duì)照組中體素劑量差的統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.3 Statistical histogram of voxel dose difference between 70 keV and control group for the three plans

3 討論

虛擬單能量圖像對(duì)腫瘤病灶顯示有很大優(yōu)勢(shì)，高keV圖像還能有效減少金屬偽影及其產(chǎn)生的劑量學(xué)效應(yīng)[4]。與放療常規(guī)成像方式相比，雙能CT在更低或相等的輻射劑量下獲取補(bǔ)充重建[8]，可改善放療流程中的靶區(qū)勾畫(huà)和劑量計(jì)算。研究使用CIRS電子密度模體和人體仿真模體，測(cè)量不同VMI的CT值并在將其應(yīng)用于TPS中，對(duì)6 MV光子計(jì)劃的劑量學(xué)差異進(jìn)行了初步研究。

各組織在不同VMI中CT值與常規(guī)圖像有不等的差別，例如致密骨在40 keV時(shí)CT值的差別高達(dá)1 212 Hu，水的CT值在各單能量圖像上均低于3 Hu。CT值的差異取決于各組織相應(yīng)的衰減系數(shù)μ，μ隨射線能量、物質(zhì)的有效原子序數(shù)和電子密度而變化[21]，常規(guī)成像得到峰值電壓為120 kV的混合圖像，VMI則是雙源峰值電壓80 kV和140 kV掃描后重建的單能量圖像，且各組織的物理性質(zhì)不同，因此表現(xiàn)出不同程度的CT值差異。但兩種成像方式獲得的CT值經(jīng)過(guò)TPS中標(biāo)準(zhǔn)曲線（常規(guī)120 kVp掃描）轉(zhuǎn)化成電子密度，以及AAA算法對(duì)組織不均勻性的校正后，相同計(jì)劃參數(shù)下獲得的劑量分布差異并不大。具體表現(xiàn)為：在體素劑量差值統(tǒng)計(jì)中，差值集中分布在0 Gy，且全局劑量γ通過(guò)率（2%/2 mm）均為100.0%，劑量差異非常細(xì)微。在靶區(qū)劑量評(píng)估中，試驗(yàn)組和對(duì)照組的劑量差在處方劑量2%以內(nèi)，是臨床上可以接受的誤差，70～140 keV圖像的DVH曲線與對(duì)照組很接近，證明累計(jì)劑量差異也在臨床可接受的范圍。

本研究證實(shí)了雙能CT掃描后重建的虛擬單能量圖像可采用已有的標(biāo)準(zhǔn)CT-電子密度曲線直接應(yīng)用于TPS中，且70～120 keV圖像與常規(guī)120 kVp圖像6 MV光子計(jì)劃的劑量分布基本一致。在此前提下，可以探究不同部位腫瘤在臨床上圖像質(zhì)量最佳的虛擬單能量圖像以用于精確的靶區(qū)勾畫(huà)，再將靶區(qū)結(jié)構(gòu)移植到70 keV圖像上，基于TPS標(biāo)準(zhǔn)CT值-相對(duì)電子密度曲線進(jìn)行放療計(jì)劃設(shè)計(jì)。也可以探究去金屬偽影效果最佳的高keV圖像，直接應(yīng)用于TPS中進(jìn)行CT值和相對(duì)電子密度的轉(zhuǎn)換并設(shè)計(jì)治療計(jì)劃。