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。
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:
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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.
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