一種用于調強劑量計算的快速CBCT HU值修正方法

宋炳文，梁嘉樂，吳思宇，朱鳳盈，潘建南

南方醫科大學順德醫院 放射治療科，廣東 佛山 528300

引言

隨著調強放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy，IMRT）和容積旋轉調強放射治療（Volumetric-Modulated Arc Therapy，VMAT）技術在臨床治療中的廣泛應用，放射治療已經成為癌癥的主要治療手段之一[1-3]。放射治療一般需要持續幾周時間，在此期間，受照射劑量的影響，患者的體重、腫瘤體積以及器官都可能發生變化，導致患者治療期間的解剖結構與初始治療時的解剖結構發生很大差異[4-8]。這些解剖學差異會導致患者體內所接受的實際輻射劑量發生改變，達不到理想的治療效果。

錐形束CT（Cone-Beam CT，CBCT）是一種直接裝備在直線加速器上最初目的用于圖像引導放射治療（Imageguided radiotherapy，IGRT）的一種三維圖像采集裝置，具備采集患者治療期間的解剖信息的功能。但是由于CBCT重建技術的限制，CBCT圖像不能直接用于患者的劑量計算。盡管一些文獻報道了基于密度模體進行CT值（Hounsfield Unit，HU）轉化電子密度（Electron Density，ED）的方法[9-12]，但另有報道顯示，CBCT的HU值高度依賴模體的大小和材質，模體的散射條件和實際患者的散射條件也會有所差異[13-14]，因此一些基于模體刻度的HU-ED方法可能并不一定適用于實際人體的劑量計算。為了避免上述因素的影響，Macfarlane等[15]和Zhang等[16]提出一種基于人體或人形體模的個性化CBCT HU修正方法，發現CBCT HU與CT HU值呈線性關系，且被證明可用于實際人體的精確劑量計算，該方法同時適用于瓦里安和醫科達加速器。但是由于其需要借助一些其他輔助手段（如Matlab）對CBCT進行像素提取，操作上相對比較復雜，一定程度上阻礙了該方法在我國國內放療機構中的廣泛應用。

本研究的目的是在基于人體個性化CBCT HU修正方法的基礎上，提出一種完全基于治療計劃系統的快速CBCT HU值修正方法，使CBCT圖像能應用于調強劑量計算。

1 材料與方法

1.1 圖像獲取

從Eclipse（V13.5，瓦里安公司）計劃系統收集已經執行治療的15例鼻咽癌患者的計劃CT和第一次治療前的CBCT圖像，其中10例用于獲取CBCT HU刻度曲線，另外5例用于測試驗證。CT圖像由德國西門子大孔徑CT（SOMATOM Definition AS）掃描獲得，CBCT圖像由瓦里安Trilogy加速器的On-board kV CBCT（OBI）系統獲取。

1.2 圖像配準和結構拷貝

利用Eclipse計劃系統中的圖像配準功能將CBCT與計劃CT進行圖像配準，配準之后計劃CT的所有靶區和危及器官結構拷貝至CBCT圖像中。

1.3 建立CBCT HU-ED刻度曲線

本步驟分為兩步，第一步為通過Eclipse統計用于刻度的10例患者的CBCT以及CT上的各結構的平均HU值，建立HUCBCT-HUCT曲線，獲取擬合公式。第二步為通過擬合公式獲取用于CT HU-ED曲線中各HU值對應的CBCT HU值，從而建立CBCT HU-ED曲線。

1.4 劑量評估比較

本研究分別使用CT HU-ED和CBCT HU-ED曲線對5例測試患者的CBCT圖像進行了劑量計算，并分別與CT圖像的劑量分布進行Gamma值和劑量體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）比較。

對射野中心點所在的橫斷面、冠狀面及矢狀面的劑量分布分別進行了Gamma比較，驗證CBCT劑量分布與CT劑量分布的一致性。所使用的Gamma分析軟件為OmniPro I’mrt劑量分析軟件，所使用的Gamma標準為1%/1 mm。當Gamma值大于1時，表示該劑量點驗證失敗，反之表示驗證通過。Gamma通過率主要統計兩個劑量分布之間驗證通過的劑量點數量所占百分比。

使用DVH評估靶區和危及器官的劑量指標：PTV（Planning Target Volume）靶區結構的D98%、Dmean差異以及正常組織結構的Dmean或Dmax差異，其中D98%表示98%的PTV體積所吸收的最小劑量，Dmean表示平均劑量，Dmax表示最大劑量。

2 結果

2.1 獲取CBCT HU-ED刻度曲線

為了建立真實患者的CBCT與CT之間的HU關系式，我們利用SPSS 20.0軟件統計了10例頭頸患者的CBCT與CT分別對應的各結構的平均HU值以及標準偏差，并做了配對樣本t檢驗分析，檢驗結果顯示所有結構的P值均小于0.05具有統計學意義，如表1所示。CBCT與CT之間的HU關系式通過origin 8.0專業函數繪圖軟件采用一元線性線性回歸方程獲取為HUCBCT=1.2135×HUCT+21.08，CBCT HU 范 圍為 -600～1600 HU，CT HU 范圍為 -550～1300 HU。如圖1所示，其中一元線性方程截距為21.088，對應標準偏差為14.77；斜率為1.2135，對應標準偏差為0.027；皮爾森相關系數0.99827以及R2相關系數值0.99604均表明CBCT與CT之間的HU值具有良好的線性相關性。通過此關系式，我們可以將CT的HU-ED電子密度曲線轉換為CBCT的HU-ED電子密度曲線，如圖2所示。

表1 CBCT和CT對應HU值統計分析結果（±s）

表1 CBCT和CT對應HU值統計分析結果（±s）

結構區域 HUCBCT HUCT t P Cavity+3 mm-592.36±61.56 -532.03±53.85 -8.189<0.001 Larynx -216.9±55.43 -153.52±43.86 -5.876<0.001 Optical Nerve 1.48±20.31 -9.72±13.27 2.597 0.029 Parotid -29.68±38.37 1.04±20.61 -3.183 0.011 Brainstem 72.33±9.96 27.03±2.29 16.707<0.001 Oral cavity 100.80±65.60 60.51±17.23 2.274 0.049 T-Mjoint 601.78±101.26 450.00±63.41 8.627 <0.001 Mandible 887.05±164.29 670.41±109.0010.781<0.001 Teeth 1580.43±155.361311.65±106.02 9.843 <0.001

圖1 對CBCT與CT之間的HU擬合

2.2 劑量分布Gamma驗證

使用OmniPro I’mrt對一例測試患者的冠狀面進行Gamma分析的示意圖，見圖3，從圖3可以看出，相比修正前，利用本研究建立的CBCT HU-ED曲線，CBCT劑量分布與CT的劑量分布通過率（一致性）提高了4.4%。

圖2 CT與CBCT分別對應的HU-ED曲線比較

本研究總共統計了5例患者的CBCT圖像橫斷面、冠狀面以及矢狀面與CT圖像的劑量分布一致性，利用本研究建立的CBCT HU-ED曲線，CBCT與CT圖形之間的劑量一致性在橫斷面、冠狀面以及矢狀面分別平均提高了2.56%、3.835%以及2.68%，詳細結果見表2。

2.3 DVH比較

表3詳細統計了HU修正后的CBCT HU以及CT圖像的部分靶區和危及器官的DVH劑量學參數。無論是靶區還是危及器官，修正后的CBCT劑量學參數都與CT圖像獲取的劑量學參數十分接近。可以看到，作為臨床最重要的靶區結構PGTVnx70和PTV54的平均絕對差異分別為0.61%±0.48%和0.56%±0.53%。在所有測試病例中，除一例病例的劑量學參數差異大于1%以外，其余測試病例的劑量學參數均小于0.5%。圖4為對一個測試患者HU修正前后CBCT計算的各結構DVH與CT圖像獲取的DVH比較。可以看到，CBCT修正后的各結構DVH相對CT圖像的DVH一致性比修正前明顯提高，其中PTV結構的一致性提高最大。

圖3 OmniPro I’mrt軟件Gamma驗證

表2 橫斷面、冠狀面以及矢狀面Gamma通過率（%）

表3 各結構DVH劑量學參數比較（±s ，%）

表3 各結構DVH劑量學參數比較（±s ，%）

注：Δ為修正后CBCT HU與CT HU相應DVH劑量學參數差異（±s ）。

患者序號PGTVnx70 PTV54 Brain stem Parotid Spinal cord D98% Dmean D98% Dmean Dmax Dmean Dmaximages/BZ_74_592_431_608_444.pngimages/BZ_74_1648_431_1664_444.pngCBCT CT CBCT CT CBCT CT CBCT CT CBCT CT CBCT CT CBCT CT 1 98.9 99.1 104.6 104.7 74.0 72.8 90.4 90.3 72.2 72.6 56.2 56.3 54.3 54.3 2 97.4 97.7 104.0 104.0 70.3 70.3 94.4 94.2 77.1 77.4 59.6 59.5 52.8 52.9 3 99.9 99.0 106.0 105.0 73.0 71.78 94.3 93.4 97.3 96.4 49.7 49.7 54.4 53.8 4 99.9 100.4 102.6 103.1 74.8 74.6 94.5 94.7 80.9 81.6 53.9 53.9 51.7 51.8 5 96.2 94.9 104 102.8 70.0 70.0 81.2 80.5 75.4 74.5 52.8 52.4 50.8 50.4 Δ 0.61±0.48 0.56±0.53 0.56±0.65 0.42±0.36 0.64±0.28 0.12±0.16 0.24±0.25

圖4 CBCT圖形HU修正前后各結構的DVH與CT圖像的DVH比較

3 討論

CBCT影像技術已被廣泛應用于臨床放射治療，其在圖像引導放射治療上的廣泛應用已證明了其獲取患者治療過程中的三維解剖學信息的準確性。如果CBCT可以應用于劑量學計算，將會更進一步促進精確放射治療技術如自適應治療技術的發展。本研究基于Macfarlane[15]提出的方法上的人體個性化CBCT HU修正方法基礎上，建立了一種快速CBCT HU刻度方法，并通過對實際臨床病例的測試證明了其可行性。

蔣曉芹等[13]和Richter等[14]人報道不同體積以及不同材料對CBCT圖像的掃描都會有影響，不同條件下掃描的CBCT圖像HU值與CT圖像掃描的HU值差異各不相同，差異幅度高達10%。為了避免這些因素的影響，本研究所有數據均來源于實際頭頸腫瘤患者的CBCT和CT圖像，能有效避免掃描體積的大幅度變化并確保了掃描材料的一致性。在實際臨床應用時，只需要針對不同的部位進行單獨刻度即可。

相比Macfarlane等[15]的方法，本研究中CBCT刻度方法的完成完全基于治療計劃系統，不需要借助額外的輔助軟件，其主要優勢在于簡便快捷，這有助于CBCT應用于劑量計算在臨床應用中的廣泛使用。在表1結果中，測試病例的PTV平均劑量差異為0.56%，這個結果也與Macfarlane報道的0.5%的PTV平均劑量差異相接近，這說明我們的方法在快速實現CBCT HU刻度的同時也保證了劑量計算的準確性。

為了建立CBCT HU和CT HU關系式，必須對用于獲取關系曲線的CBCT和CT圖像進行配準，為了避免形變配準中可能存在的失真情況，我們對CBCT圖像和CT圖像的配準采用的是剛性配準方法。這種方法可以對鼻腔區域的解剖結構進行精確配準，但是對于頸部，由于CT掃描和CBCT掃描時，頸部可能存在擺位偏差導致配準精度不高。因此，為了確保數據的準確性，在提取數據時，我們只考慮鼻腔區域各正常組織的HU值用于獲取CBCT HU和CT HU關系式。另一個值得注意的問題是，建立CBCT HU-CT HU關系式時HU刻度范圍的選取，除了本研究中使用的-600～1600 HU的CBCT HU刻度范圍，我們還使用-900～1600 HU的CBCT HU刻度范圍獲取了HU-ED曲線，結構發現相比本研究中所使用的刻度范圍，其與計劃CT的劑量學差異會明顯增大，與計劃CT的PTV平均劑量差異達到1.1%，偏差增大0.6%。這是因為CBCT和CT的最低HU閾值都為-1000 HU，因此，在低HU區域并不適用于線性刻度。在實際臨床工作中，我們通常將-350 HU作為Body結構的勾畫閾值，本方法的HU刻度范圍完全可以滿足臨床應用。

4 總結

本文建立了一種簡便快捷的CBCT HU值修正方法，該方法已經被證明可以應用于實際臨床患者的劑量計算。本方法的建立有助于CBCT應用于精確劑量計算在臨床上的廣泛應用，為自適應放射治療等精確放療技術的開展提供幫助。