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CT值-电子密度转换曲线对VMAT计划剂量计算的影响

2023-08-18 160 上传者：管理员

摘要：分析CT值-电子密度转换曲线对容积旋转调强放疗(Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT)计划剂量计算的影响。方法采集、建立不同管电压、管电流、扫描部位的9条CT值-电子密度转换曲线(H＿100、H＿120、H＿140、C＿100、C＿120、C＿140、A＿100、A＿120、A＿140)，并以头部扫描序列H＿120条件为标准扫描条件，分别对同一鼻咽癌VMAT放疗计划进行剂量计算，将VMAT计划移植到验证模体，行剂量计算，创建验证计划，分析标准条件与非标准条件下的剂量差异。结果 VMAT计划标准条件与非标准条件剂量对比，脑干剂量误差最大，Dmax误差为26.90 cGy，相对误差为0.52%；腹部条件A＿140(腹部140 kV 300 mA)下与标准条件剂量学差异无统计学意义(P>0.05)；其他条件下均与标准条件剂量学差异有统计学意义(P<0.05)。模体验证计划标准条件与非标准条件剂量对比，密质骨Dmean误差最大，为0.30 cGy，相对误差为0.56%；统计分析结果显示，模体验证放疗计划非标准条件与标准条件剂量比较，差异均有统计学意义(P<0.05)。结论不同CT值-电子密度转换曲线对VMAT计划剂量计算均有一定程度的影响；在临床工作中，必须针对不同的管电压、管电流、扫描部位等，建立标准的CT值-电子密度转换曲线；CT模拟定位和剂量计算时，应选择相应的扫描参数条件和CT值-电子密度转换曲线，以提高剂量计算的准确性。

关键词：
CT值
剂量计算
容积旋转调强放疗计划
放射治疗
电子密度
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随着放射治疗新技术的迅猛发展，容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）已逐渐发展成熟并成为目前主流的肿瘤精准放疗技术[1,2]。VMAT技术要求加速器机架旋转速度、多叶准直器运动速度、剂量率不断地变化，这对加速器机械性能、输出剂量稳定性及计划系统剂量计算准确性提出了更高的要求。剂量的精确计算是精确计划的重要组成部分，而治疗计划系统数据的正确采集是保证剂量计算精确的重要环节，除对加速器不同能量的物理剂量数据采集外，对组织不均匀性的校正也至关重要，而CT值-电子密度转换曲线正确的建立是解决这一问题的有效方法[3]。在此过程中，保证剂量计算的精确性是肿瘤放疗的基础[4,5]。CT值-电子密度转换曲线是剂量计算的基础和前提，因此CT值-电子密度转换曲线的准确性至关重要。本研究在保证加速器机械性能和输出剂量稳定可靠的前提下，拟采集、建立不同管电压、管电流、扫描部位的9条CT值-电子密度转换曲线，并对同一鼻咽癌患者设计VMAT计划，旨在探讨CT值-电子密度转换曲线对剂量计算的影响。

1、资料与方法

1.1设备与仪器

Varian Vital Beam医用加速器、Eclipse 15.6放疗计划系统、GE Optima 620 CT模拟定位机、LAP三维移动激光灯、CIRS 062电子密度模体。

CIRS 062模体为330 mm×270 mm×50 mm（宽×高×深），配9种共17个可分别与水、肌肉、肺（呼气）、肺（吸气）、脂肪、肝、乳腺、密质骨、松质骨组织等效的模体插件，为直径约30.5 mm的圆柱体，可放置于距中心半径分别为60.0、115.3 mm的两个圆周上；将每两个相同插件分别在模体内外两圈对称排布，在相同扫描条件下，两个相同插件的CT平均值即为该插件的CT值。CIRS 062模体如图1所示，CIRS 062模体CT如图2所示，其组织等效模体的相对电子密度、物理密度如表1所示。

图1 CIRS 062模体

Eclipse 15.6放疗计划系统为最新版本，配置先进的光子剂量算法（Acuros External Beam Algorithm,AXB）和各向异性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm,AAA）。两种算法各有优势，AAA算法在鼻咽、腮腺等部位的剂量计算精度较高，但在食管、鼻腔等部位，特别是低密度区域的计算精度与AXB算法相比偏低[6,7,8,9,10]。

1.2 CT值-电子密度转换曲线采集

CT扫描前，完成预热自检，并验证LAP三维激光灯的准确性，保持每次CT扫描环境条件相同；将电子密度模体置于我院肿瘤血液科专用CT碳素板床面，并在其表面贴3个铅标记点，保证模体与CT扫描平面垂直，以及每次扫描时模体位置相同。扫描时采用相同的扫描床高度、螺距和图像重建算法，分别改变扫描的部位、CT管电压和管电流进行CT扫描，图像传输至放疗计划系统，利用计划系统测量工具测量等效模体内外圈中心直径1 cm圆形区域的平均CT值，将采集的CT值与对应等效模体的相对电子密度建立CT值-电子密度转换曲线。

图2 CIRS 062模体CT

表1组织等效模体

扫描条件：头部：H＿100（头部100 k V 280 m A）、H＿120（头部120 k V 280 m A）、H＿140（头部140 k V280 m A）；胸部：C＿100（胸部100 k V 200 m A）、C＿120（胸部120 k V 200 m A）、C＿140（胸部140 k V 200 m A）；腹部：A＿100（腹部100 k V 300 m A）、A＿120（腹部120 k V300 m A）、A＿140（腹部140 k V 300 m A）。

1.3 VMAT计划剂量计算

将建立的9条CT-电子密度转换曲线录入到Eclipse15.6放疗计划系统；选取1例鼻咽癌患者，以头部扫描序列H＿120为标准CT-电子密度转换曲线，选用AAA算法，物理师设计VMAT计划，处方剂量：计划大体肿瘤靶区（Planning Gross Tumor Volume,PGTV) 70 Gy/32 f，颈部转移淋巴结（Planning Gross Target Volume of Node,PGTVnd)68 Gy/32 f，鼻咽癌原发灶高危亚临床靶区（Planning Clinical Target Volume 1,PTV1)60 Gy/32 f，鼻咽癌中危亚临床靶区（PTV2)54 Gy/32 f,5 f/W。放疗医生、物理师共同评估、确认放疗计划，此计划作为标准计划；分别改变CT值-电子密度转换曲线，不重新优化计划，保持原始计划的通量，仅行体积剂量计算，得到非标准CT值-电子密度转换曲线的VMAT计划，统计9个VMAT计划（H＿100、H＿120、H＿140、C＿100、C＿120、C＿140、A＿100、A＿120、A＿140）的靶区和危及器官的剂量数据。

1.4模体验证计划剂量计算

将9个VMAT计划分别移植到对应的CIRS 062模体9套CT扫描图像上，创建验证计划，进行剂量计算，选择该17个组织等效模体中心直径10 mm×12.5 mm圆柱体区域为感兴趣区域，统计记录该区域的平均剂量。

1.5统计学分析

应用SPSSPRO统计分析软件进行统计学分析，分别对标准与非标准CT值-电子密度转换曲线下得到的剂量学数据进行配对样本t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2、结果

2.1 CT值-电子密度转换曲线

采用相同的图像重建算法、螺距、扫描床高度，分别改变扫描部位、CT管电压、管电流进行扫描，将测量的CT值与对应插件的电子密度建立CT值-电子密度转换曲线。管电压对CT值的影响如图3～5所示，CT管电压对CT值的影响较大，尤其表现在高密度组织，其中管电压100 k V与140 k V条件，松质骨CT值误差最大为71.11 HU，相对误差为30.00%；密质骨CT值误差最大为233.74 HU，相对误差为27.04%。不同管电流、扫描部位对CT值的影响如图6～8所示，管电流、扫描部位对CT值的影响较小，其中管电流200、280 m A与胸部、头部条件，松质骨CT值误差最大为22.66 HU，相对误差为7.93%；密质骨CT值误差最大为31.41 HU，相对误差为2.94%（松质骨和密质骨为组织等效模体插件的名称，在图中确实无法直接体现，是通过计算其误差对比后得来）。

2.2不同CT值-电子密度转换曲线的VMAT计划靶区和危及器官剂量比较

以头部扫描序列H＿120条件为标准扫描条件，得到标准CT-电子密度转换曲线，设计的VMAT计划作为标准计划，与非标准条件下得到的8个放疗计划进行剂量对比；其中，PGTV、PGTVnd、PTV1、PTV2、喉、腮腺、甲状腺统计Dmean，其他危及器官统计Dmax,VMAT计划剂量统计结果如表2所示。鼻咽癌VMAT放疗计划标准条件与非标准条件剂量对比显示，脑干的剂量误差最大，其Dmax误差为26.90 c Gy，相对误差为0.52%。统计分析结果显示，A＿140条件下与标准条件剂量学差异无统计学意义（P>0.05）；其他条件下均与标准条件剂量学差异有统计学意义（P<0.05）。

图3头部CT值-电子密度转换曲线

图4胸部CT值-电子密度转换曲线

图5腹部CT值-电子密度转换曲线

图6 100 k V CT值-电子密度转换曲线

2.3模体验证计划剂量对比分析

将9个VMAT计划分别移植到对应的组织模体CT图像上，创建验证计划，进行剂量计算，测量记录感兴趣区域的Dmean，结果如表3所示。模体验证放疗计划标准条件与非标准条件剂量对比显示，密质骨Dmean误差最大，为0.30 c Gy，相对误差为0.56%。统计分析结果显示，模体验证放疗计划非标准条件与标准条件剂量比较，差异均有统计学意义（P<0.05）。

3、讨论与结论

图7 120 k V CT值-电子密度转换曲线

放射治疗计划系统（Treatment Planning System,TPS）在进行剂量计算时，需要将CT定位扫描得到的组织CT值转换为相对电子密度，即得到CT值-电子密度转换曲线，然后进行非均匀组织剂量校正，才能得到准确的剂量分布结果。然而当扫描条件不同时，相同组织扫描得到的CT值也存在差异，导致TPS计算得到的剂量结果也存在差异[11]。大量研究显示，管电压对CT值影响较大，需针对不同的管电压设定特定的CT值-电子密度转换曲线；管电流则对CT值的影响较小[12,13]。

本研究主要针对模拟定位CT不同管电压、管电流、扫描部位进行扫描，采集、建立了9条CT值-电子密度转换曲线，分析不同CT值-电子密度转换曲线对VMAT计划剂量计算的影响。结果表明，管电压对CT值的影响较大，尤其表现在高密度组织，管电流、扫描部位对CT值的影响较小，这与张国前等[11]的研究结果一致，主要原因为CT模拟机X线能量较低，X线与物质的相互作用以光电反应为主，故原子量相对大的物质受管电压影响较大；且高密度组织的CT值与X线能量呈负相关，随着管电压的增加，物质的CT值反而降低[14]。

VMAT计划剂量计算结果显示，标准条件与非标准条件剂量对比，脑干Dmax误差最大；统计分析结果显示，腹部A＿140条件下，非标准条件与标准条件剂量学差异无统计学意义；其余条件，剂量学差异均有统计学意义。模体验证计划标准条件与非标准条件剂量对比显示，密质骨Dmean误差最大；统计分析结果显示，非标准条件与标准条件剂量学差异均有统计学意义。李克等[15]采集头部、胸部、腹部3种部位下的CT值-电子密度转换曲线进行剂量计算，头部模式与腹部模式下计算出来的机器跳数均无统计学差异，而它们与胸部模式下计算出来的机器跳数均有统计学差异（P<0.05），胸部模式与头部、腹部模式下的CT值-电子密度转换曲线计算出来的肿瘤患者的机器跳数有统计学差异（P<0.05）。廖雄飞等[13]的研究结果显示，在改变管电压或毫安秒的情况下，同一感兴趣点的点剂量均会有一定的变化，最大相对偏差为2.19%；统计学结果显示，保持管电压不变、改变毫安秒为50 m As时，点剂量有明显差异（t=3.125,P<0.01），其他非标准扫描条件得到的结果均无统计学差异（P>0.05）。高立权等[16]分别用未校正和已校正的曲线对三维适形放射治疗（Three-Dimensional Conformal Radiotherapy,3DCRT）计划和三维适形调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT）计划进行剂量计算，得到的机器跳数数值相差小于20%；不同曲线下3DCRT计划机器跳数值相差9%,IMRT计划机器跳数值相差19%；同一曲线下3DCRT与IMRT计划偏差值相同。

图8 140 k V CT值-电子密度转换曲线

表2不同CT值-电子密度转换曲线的VMAT计划靶区和危及器官剂量（c Gy)

注：以头部扫描序列H＿120条件为标准扫描条件。PGTV：计划大体肿瘤靶区；PGTVnd：颈部转移淋巴结；PTV1：鼻咽癌原发灶高危亚临床靶区；PTV2：鼻咽癌中危亚临床靶区。表中的统计值为标准条件分别与非标准条件两两配对t检验结果。

表3模体验证计划剂量（c Gy)

注：以头部扫描序列H＿120条件为标准扫描条件。表中的统计值为标准条件分别与非标准条件两两配对t检验结果。

综上所述，VMAT属于先进、复杂的调强技术，具有较大的技术优势[17]，但也不能忽略加速器机械性能、多叶光栅到位精度[18]、输出剂量、治疗床板对射线的衰减[19,20]等因素的影响。为降低剂量误差，CT值-电子密度转换曲线的差异所带来的剂量计算误差不能忽略[21]。CT值-电子密度转换曲线的错误可能导致的剂量计算误差在3%以上[22,23]。因此，在临床工作中，除定期做加速器质控保证加速器性能稳定可靠外，还必须针对不同的扫描部位、CT管电压、管电流等，建立标准的CT值-电子密度转换曲线；CT模拟定位和剂量计算时，应选择相应的扫描参数条件和CT值-电子密度转换曲线，以提高剂量计算的准确性。

参考文献:

[11]张国前,张书旭余辉,等放疗定位扫描条件对CT值的影响[J].中国医疗设备,2015,33(3)-13-16.

[13]廖雄飞,黎杰王培CT模拟定位机的扫描参数对放疗计划系统剂量计算的影响[J]肿瘤预防与治疗,2015 28(1):

[14]祁振宇,黄劭敏,邓小武放疗计划CT值的校准检测及其影响因素分析[J]癌症2006,25(1):

[15]李克钟小军张晓华等不同扫描部位采集的CT值电子密度转换曲线对放疗剂量的影响[J]医疗卫生装备,2017 ,38(12):

[16]高立权,孙小喆,刘智惠CT-电子密度转换曲线的采集校正及对治疗计划剂量计算的影响[J]医疗卫生装备,2016,37(2)

[20]王绪刚,于晓君,魏绪国医科达Precise直线加速器高压故障维修案例[J].中国医疗设备,2022,37(2):

[21]吴先想,郭红博费振乐,等CT值相对电子密度转换关系影响因素及其对剂量计算的影响分析[].中国医学物理学杂志,2019,36(2):

基金资助:吴阶平医学基金(320.6750.2021-22-29);

文章来源:周军,卢爱琼,何水等.CT值-电子密度转换曲线对VMAT计划剂量计算的影响[J].中国医疗设备,2023,38(08):26-31.