CT值相對電子密度轉換關系影響因素及其對劑量計算的影響分析

吳先想，郭紅博，費振樂，，崔相利，牛振洋，劉苓苓

1.安徽醫科大學生命科學學院生物醫學工程系，安徽合肥230032；2.中國科學技術大學生命科學學院生物醫學工程系，安徽合肥230026；3.聯勤保障部隊第901醫院放療科，安徽合肥230031；4.中國科學院合肥腫瘤醫院，安徽合肥230031

前言

隨著現代放射治療技術不斷的發展，放射治療已經成為治療癌癥的重要手段之一。在臨床中，對病人進行治療前，需要在CT模擬定位機上對病人進行模擬定位掃描，獲得含有位置和解剖信息的CT圖像，治療計劃系統將獲得的CT圖像中的CT值到組織相對電子密度（HU-RED）轉換信息，并以組織相對電子密度為基礎對不均勻組織進行校正，最后進行劑量計算［1-3］。在這個過程中，保證劑量計算的精確性是放射治療的基礎［4-5］。臨床中，病人在模擬定位掃描時，為了獲得病人清晰的CT影像，不同部位掃描條件會有所差別，如掃描電壓、電流、層厚，上述因素都會對HU-RED轉換曲線產生影響，進而給病人治療計劃中的劑量計算帶來誤差。本研究以醫科達Monaco5.11治療計劃系統和16排飛利浦CT模擬定位機為基礎，分析HU-RED轉換曲線對治療計劃系統中劑量計算精確性產生的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗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電子密度如表1所示。等效組織模體棒可以對人體的肺部、腹部、胸部、肌肉、肝臟、骨頭和致密骨進行等效組織模擬［6-7］，CRIS062電子密度模體如圖1a所示。

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

1.1.2 HU-RED轉換曲線的獲取 將16排飛利浦CT模擬定位機調整到工作狀態，把相同等效組織模體棒插入模體對應內外層圓柱孔徑內，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。考慮到等效組織模體棒在模體內的擺放位置對CT值產生影響，將內層模體棒按順時針依次旋轉90°、180°、270°放置，調整CT模擬定位機的掃描層厚為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序列導入到Monaco5.11治療計劃系統，打開上述CT序列，讀取每個等效組織模體棒內等中心層面半徑為6 mm球體內的平均CT值。根據不同的掃描條件，將已知相對電子密度的等效組織模體棒和其對應的CT值進行擬合，獲得不同掃描條件下的HU-RED轉換曲線，并導入到治療計劃系統。

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 治療計劃制定及劑量對比分析

1.2.1 病例選擇與計劃制定 選取中國科學院合肥腫瘤醫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，靶區均由醫生完成勾畫。分析上述影響因素對HU-RED轉換曲線的影響，選取差異較大的HU-RED轉換曲線導入Monaco5.11治療計劃系統。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轉換曲線為基礎分別對28例病人設計容積旋轉調強（VMAT）計劃，記為Plan1；保持計劃的通量和子野不變，調用其它差異較大的轉換曲線對28例病人分別進行劑量計算，記為Plan2。

1.2.2 劑量學差異分析 本研究采用DVH數據對靶區和危及器官的劑量進行評估，靶區采用D2、D50、D95、D98指標進行劑量對比分析，腦干、視神經、晶體、肝臟、腎、脊髓、股骨頭、膀胱、直腸均采用最大點劑量（Dmax）和平均劑量（Dmean）進行對比分析，肺部采用V5、V20體積受量進行對比分析［8］。

1.3 統計學方法

采用SPSS 16.0軟件進行統計分析,符合正態分布的數據進行配對t檢驗，非正態分布的數據采用Wilcoxon符號秩檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同掃描條件下HU-RED轉換曲線差異比較結果

掃描電壓為90、120 kV的轉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域，見圖2a；CT模擬機掃描層厚和掃描電流對轉換曲線無明顯影響，見圖2b和圖2c。電子密度模體中模體棒的擺放順序對CT值無明顯影響，見圖2d。

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

2.2 計劃靶區（PTV）及危及器官劑量分析

2.2.1 腫瘤靶區PTV劑量學參數分析 在通量、子野不變的情況下，在頭頸部和盆腔部腫瘤兩種計劃中，90 kV的HU-RED轉換曲線比120 kV的HU-RED轉換曲線計算得到的靶區PTV劑量D2、D50、D95、D98略大（P≤0.029）。對于胸部和腹部腫瘤兩種計劃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轉換曲線計算出的D50、D95、D98略大。具體如表2～表5所示。

2.2.2 危及器官劑量學參數分析 在頭部危及器官中，兩種計劃腦干的Dmean具有顯著差異，應用90 kV的HU-RED轉換曲線計算的計劃（Plan2）中腦干的Dmean略大（P=0.025），晶體、視神經的Dmax、Dmean沒有顯著性差異。在胸部危及器官中，兩種計劃脊髓的Dmax、Dmean具有顯著性差異，90 kV的HU-RED轉換曲線計算的計劃脊髓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，兩種計劃患側腎的Dmean有顯著差異，應用90 kV的HU-RED轉換曲線計算的計劃（Plan2）中Dmean略大（P=0.032）。在盆腔部位中，一側股骨頭Dmean有顯著差異，另一側股骨頭Dmean、Dmax有顯著差異，膀胱的Dmean有顯著差異，都是在90 kV的HU-RED轉換曲線計劃（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劃劑量計算的精準性為前提。在治療計劃設計之前，CT模擬定位掃描高質量CT影像，幫助醫生完成腫瘤靶區及危及器官的準確勾畫，同時為治療計劃的評估提供空間體積信息，為劑量計算提供基礎。由于人體的解剖結構非常復雜，具有空腔臟器、高密度骨質結構、人體表面不規則等特點，人體組織結構具有組織不均勻性。在劑量計算中，計劃系統根據從CT影像中得到的相對電子密度，使用不均勻組織校正算法對組織電子密度進行校正，依據蒙卡劑量算法精確計算出患者體內的劑量分布［9-11］。根據Constantinou等［12］研究，在6和10 MV能量條件下照射100 cGy劑量，使用錯誤的HU-RED轉換曲線進行劑量計算，計算得到的劑量比正常值分別高出20.1%、14.9%。因此準確獲取病人的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劃計算的精確度，從而影響到放射治療的質量。

表2 8例頭部腫瘤患者靶區及危及器官劑量參數對比（ ±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及危及器官劑量參數對比（ ±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及危及器官劑量參數對比（ ±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及危及器官劑量參數對比（ ±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

本次研究主要驗證CT模擬定位掃描條件改變引起的HU-RED轉換曲線的改變，最終導致治療計劃系統中相對電子密度改變而對劑量計算過程造成的影響［13-14］。由于CT模擬定位機在不同工作電壓下，X線球管發射出的X光能量會發生變化，不同能量的X光在和物質作用時產生的光電效應強度會發生變化，光電效應在高電子密度組織中差異較大，正如本次實驗中，不同掃描電壓下，在相對較低的電子密度組織中CT值差異較小，在相對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，治療計劃的靶區劑量具有顯著差異，在解剖結構較復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高劑量區無顯著差異，頭頸部空腔中點劑量差異具有顯著性。應用90 kV的HU-RED轉換曲線的計劃中計算的劑量比應用120 kV的HU-RED轉換曲線的計劃中計算的劑量偏高，原因在于不同的治療計劃系統盡管算法不同，但最終的劑量計算都是基于組織的電子密度，不準確的HU-RED轉換曲線會導致劑量計算產生誤差，VMAT計劃中進行通量和子野優化后，分別調用90和120 kV的相對電子密度轉換曲線進行劑量計算，組織的CT值相同時，90 kV的相對電子密度轉換曲線轉換得到的相對電子密度偏低，對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轉換曲線計算的計劃劑量計算結果偏高。當歸一到處方劑量時，使用90 kV的HU-RED轉換曲線計算的PTV實際受量將會不足，對于靠近靶區和組織密度較大的危及器官，如腦干、患側腎、脊髓、股骨頭等，將不能夠準確地評估所受的照射劑量。因此需要保證CT模擬定位時掃描電壓和劑量計算使用的HU-RED轉換曲線相一致，保證病人放射治療的質量不受影響。

表4 6例腹部腫瘤患者靶區及危及器官劑量參數對比（ ±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及危及器官劑量參數對比（ ±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及危及器官劑量參數對比（ ±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及危及器官劑量參數對比（ ±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屬于現代較為復雜的調強技術，雖然具有技術優勢［16］，但不能忽略多種因素對劑量計算本身的影響。本研究中靶區和危及器官劑量差異具有顯著性，根據ICRU 24號報告，腫瘤靶區劑量精確性應好于5%［17］。但劑量實施過程中多葉光柵到位精度會受到重力的影響［18］，治療床板及延長板會對射線產生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轉換曲線的差異所帶來的劑量計算誤差不能夠忽略。

綜上所述，在放射治療中，保證治療計劃系統中HU-RED轉換曲線的精確性非常重要，物理師在設計治療計劃時，使用的HU-RED轉換曲線需要與患者的CT模擬定位時掃描電壓相一致，掃描電壓不能因為掃描部位的不同而隨意改變，確保劑量計算用的相對電子密度信息與患者體內相對電子密度相一致是劑量計算的基礎。