螺旋斷層加速器MVCT圖像用于頭頸部劑量計算的研究

戴相昆，王運來，馮林春，俞 偉

解放軍總醫(yī)院海南分院放療科，三亞市，572000

螺旋斷層加速器MVCT圖像用于頭頸部劑量計算的研究

【作 者】戴相昆，王運來，馮林春，俞 偉

解放軍總醫(yī)院海南分院放療科，三亞市，572000

目的 評估螺旋斷層加速器兆伏級CT圖像進行頭頸部劑量計算的可行性和準確性。方法 使用Cheese Phantom測量MVCT電子密度校準曲線，采集10例鼻咽癌病例的常規(guī)CT圖像設計調強計劃，將計劃保持參數不變移植到MVCT圖像上進行劑量重算，將重算劑量結果與原計劃進行比較，并驗證劑量重算的準確性。結果 MVCT的CT值與電子密度呈較好的線性和穩(wěn)定性，相對劑量分布保持一致，絕對劑量誤差均小于±3%。結論 MVCT圖像進行頭頸部劑量計算具有較好的可靠性，符合臨床應用要求。

螺旋斷層加速器；扇形束兆伏級CT；頭頸部腫瘤；劑量重算

螺旋斷層加速器是一種集調強放射治療和影像引導放射治療于一體的新型治療設備，是直線加速器和螺旋掃描CT機的結合[1]。螺旋斷層加速器采用MV級扇形束對患者進行掃描，可以在治療前或治療中獲取MVCT圖像，然后對患者MVCT和計劃KVCT的圖像進行配準，根據配準結果可以獲取患者治療前和治療中患者的位置誤差并進行修正，從而保證患者治療的準確性。同時每天采集的MVCT圖像可以用來評估患者體型或解剖結構變化對劑量的影響，這個功能也是實現自適應放療的前提之一[2]?；趫D像的劑量重算均要求對CT值與電子密度進行轉化，因此必須建立電子密度校準曲線。由于MVCT具有的特性，其電子密度校準曲線的具有不同于kVCT的不確定性，其電子密度校準曲線的不確定性將轉化為劑量計算的不確定性。我們將建立MVCT的CT值-電子密度校準曲線，并測試不同的MVCT參數設置對校準曲線的影響。選擇實際鼻咽癌病例，比較基于MVCT圖像計劃與基于kVCT圖像計劃的劑量分布，并對重算劑量準確性進行驗證[3]。

1 材料與方法

1.1 影像設備

計劃kVCT圖像采用Philips Big Bore大孔徑CT進行掃描，掃描層厚為3 mm。MVCT圖像由螺旋斷層加速器獲取。該系統由滑環(huán)機架和位于放射源對側的氙氣探測器陣列組成，它使用GE 環(huán)形充氙氣體電離室，共有738個通道，其中540個用于MVCT成像，其他探測器用于測量本底。每個通道用25.4 mm長和0.32 mm寬的鎢片分隔成兩個空腔，空腔內為氙氣，氙氣的氣壓約為5個大氣壓。電離室通道之間的間隔為1.21 mm。收集每個電離室通道兩個空腔產生的電荷量形成探測信號。源到探測器的距離為145 cm，源到等中心的距離為85 cm。視野大小由多葉準直器葉片的寬度決定，葉片在等中心的最大投影寬度為40 cm，MVCT的FOV為40 cm。探測器陣列的曲率半徑為110 cm[4]。螺旋斷層治療機MVCT在進行掃描時其能量經由6 MV調制至3.5 MV，鉛門寬度為5 mm，等中心處射野寬度為400 mm。當患者穿過治療機孔徑時，機架連續(xù)的旋轉，獲取患者的MVCT圖像。斷層放射治療機MVCT的能量和強度是固定的，可調參數為螺距比。螺距比的定義為射野在等中心處的長度與機架每旋轉一圈時治療床前進的距離的比值。螺旋斷層治療機MVCT共有三種掃描模式，分別為Fine、Normal和Coarse，對應圖像層厚分別2 mm、4 mm、6 mm，對應的螺距為1、1.6、2.4。螺距比的改變對圖像質量有一定的影響，增大螺距比會降低長軸方向的分辨率，同時減少吸收劑量，國內對MVCT成像劑量已有相關報道[5-6]。將獲取MVCT圖像與kVCT圖像進行配準，圖像配準工作均由物理師在醫(yī)師的幫助下進行。使用Tomo Adaptive軟件自帶配準程序進行配準，并在冠狀面、橫斷面和失狀面三個方向上進行配準，配準方式為先自動配準，然后再手動調整，配準過程中可對MVCT圖像進行平移和旋轉調整。

1.2 MVCT校準曲線

CT圖像的電子密度校準是進行劑量計算的基本條件，電子密度的穩(wěn)定性是CT值完整性的重要參數，因此我們必須保證電子密度校準曲線的穩(wěn)定性[7]。我們使用 Cheese Phantom圓柱形固體水模體和不同電子密度插棒組合而成的電子密度CT體模建立MVCT的CT值—電子密度校準曲線，并通過研究MVCT參數設置的變化對校準曲線的影響來測試MVCT值的穩(wěn)定性。

Cheese Phantom圓柱形模體的材料為固體水，其直徑為30 cm，厚度18 cm。在橫斷面上共有20個插孔用來插入密度棒。其中內環(huán)8個插孔，外環(huán)有12個插孔。模體共有12根組織等效插棒，等效組織插棒相對于水的電子密度等效值范圍從0.29到1.824。如圖1(a)為模體掃描后得到MVCT圖像，圖1(b)為不同密度插棒排列的對應位置。

使用Fine、Normal和Coarse三種掃描方式分別對模體進行掃描，由掃描圖像分析校準曲線隨掃描參數變化而產生的改變。獲取的MVCT圖像在TomoconTM圖像工作站進行數據采集和分析。

圖1 模體掃描前后對比圖Fig.1 Comparison fi gure before and after phantom scan

1.3 計劃劑量與重算劑量比較

選取臨床治療的10例鼻咽癌患者，獲取大孔徑CT圖像后上進行調強治療計劃的設計。具體螺旋斷層加速器參數設置為射野寬度2.5 cm，螺距比為0.32，調制因子為2.186，處方劑量為PGTV為70 Gy/33次，亞臨床病灶PTV為60 Gy/33次。將原治療計劃移植到螺旋斷層加速器獲取的MVCT圖像，采用MVCT電子密度校正曲線進行校準后進行劑量重算。分析基于MVCT劑量重算的結果和基于大孔徑CT圖像計算得到的劑量分布，比較MVCT重算計劃和常規(guī)CT計劃的劑量體積直方圖（DVH）和等劑量曲線分布圖。

1.4 劑量準確性驗證

收集10例鼻咽癌患者對其MVCT計劃重算劑量進行驗證。驗證方法與螺旋斷層加速器調強計劃驗證方法相同[8]。絕對劑量中采用0.056 cm3A1SL電離室，相對劑量則采用柯達EDR2慢感光膠片進行驗證。選用圓柱形固體水模體(Med—Cal，USA)，直徑為30 cm，長為18 cm。根據電離室測量數據，計算出電離室參考點的劑量誤差。照射后將EDR2膠片進行沖洗，VidarAdvanced Pro膠片掃描儀掃描后輸入到治療計劃系統膠片分析系統中，定性分析膠片測量的橫斷面劑量分布。將計算劑量分布和測量劑量分布疊放在一起，觀察等劑量曲線的一致性。當靶區(qū)劑量參考點劑量誤差≤±3%，則表明計劃結果可接受。

2 結果

2.1 MVCT值電子密度校準曲線

將MVCT圖像傳輸至TomoconTM圖像工作站，讀取每個插棒的MVCT值和標準偏差，使用OriginPro7.5軟件得出相對電子密度和MVCT值的曲線。圖2顯示了螺距對電子密度校準曲線的影響。在Fine、Normal和Coarse三種掃描方式所得的結果中，MVCT值變化幾乎沒有變化，因此我們認為螺距比對MVCT值產生的影響可以忽略。由于MVCT圖像的劑量重算需要選擇一個有代表性的CT值到電子密度校準曲線，因此我們將三種測量結果取平均值，根據平均值重建了平均電子密度校準曲線。后面的MVCT圖像的劑量重算將采用平均校準曲線。

圖2 MVCT的電子密度校準Fig.2 Electron density calibration of MVCT

圖3 MVCT圖像與kVCT劑量分布比較（上為 kVCT,下為 MVCT）Fig.3 Dose distribution compared between kVCT and MVCT (up: kVCT, down: MVCT)

圖4 MVCT圖像與kVCT劑量DVH比較（實線:kVCT;虛線:MVCT）Fig.4 MVCT images and kVCT dose DVH comparison (solid line: kVCT; dashed: MVCT)

圖5 MVCT與kVCT絕對劑量差值分布Fig.5 Absolute dose distribution of the difference between MVCT and kVCT

圖6 10例鼻咽癌患者MVCT圖像重算劑量的絕對劑量誤差分布Fig.6 Absolute dose error of MVCT image recalculation dose for 10 NPC patients

2.2 劑量比較結果

獲取MVCT圖像時，所有病例的掃描范圍均要求包含全部靶區(qū)。由前面的研究可知掃描螺距對MVCT劑量重算的影像可以忽略[2]，因此我們僅選擇臨床常用的Normal方式進行掃描。獲取MVCT圖像后，我們首先在Tomo Adaptive軟件中將MVCT圖像和kVCT圖像進行位置配準，保證其位置準確性。然后采用平均MVCT值電子密度校準曲線進行校準。將原治療計劃保持所有計劃參數不變并移植到MVCT圖像上并重新進行劑量計算，由此得到基于MVCT圖像的劑量分布。由于在Tomo Adaptive軟件中所得到的劑量信息均為單次照射的劑量分布，因此我們下面比較的都為單次照射的劑量分布信息。圖3中給出了MVCT圖像和kVCT圖像的同一層面的劑量分布，圖4中給出了兩種計劃的DVH圖比較結果。經過比較我們發(fā)現MVCT重算劑量與kVCT劑量具有很好的一致性[3]。

由Tomo Adaptive軟件我們還可以得出kVCT劑量和MVCT重算劑量的絕對劑量差值分布，如圖5所示，我們發(fā)現單次照射劑量的最大差值在±0.09 Gy范圍以內。

2.3 重算劑量準確性驗證

絕對劑量驗證考慮選取劑量梯度變化較小區(qū)域的點劑量進行驗證。圖6顯示了10例鼻咽癌患者MVCT圖像重算劑量的絕對劑量驗證結果。由圖我們可以看出模體中絕對劑量點測量誤差分布情況，其分布范圍均處于±3%以內，平均偏差為1.27%。

相對劑量驗證考慮模體計劃中某一平面劑量分布是否與實際照射中相應平面的測量結果相一致。如圖7所示，通過模體中膠片放置層面計算劑量分布，其中圖7為任意曲面劑量曲線分布比較。實際測量結果進行定性比較分析，測量劑量分布與計劃系統計算結果基本保持較好的一致性。

圖7 模體中EDR2膠片測量(灰色)與計算劑量 (黑色)的比較結果Fig.7 Dositry compared between MVCT and kVCT

3 討論

根據Langen KM，Meeks SL等[2]的研究可知有兩種方法可以通過MVCT圖像獲取劑量分布。第一方法是使用出射劑量用于重建患者體內的吸收劑量。即根據螺旋斷層加速器的氙氣探測器陣列接受的出射劑量的信號推算照射劑量的注量圖，然后用注量圖重新計算MVCT圖像中解剖結構的劑量分布，其方法較為復雜。第二種方法是使用治療計劃的劑量注量圖在MVCT圖像上重算劑量分布。這種方法不使用出射劑量且更容易實現，因此目前評估治療過程中解剖結構的變化而造成的治療計劃實施的誤差多采用這種方法[3]。

康普頓散射是kV級和MV級能量的射線在組織中的主要的光子衰減模型。kV級射線由于能量較低，其對骨組織等一類的高原子序數物質作用過程中光電效應貢獻增加，這就導致CT值隨著電子密度和材料的原子序數的增加而增加。對于MV級較高能量即使是作用于更高原子序數的物質，其中光電效應對光子衰減的貢獻也可以忽略，因此MVCT值的電子密度校正曲線可以認為是線性的[3]。本文得到的結果也顯示出MVCT值和電子密度曲線之間的線性關系。

在早期的報道中有人提出扇形束和錐形束CT圖像中會出現杯狀失真，這個杯狀失真會導致影像中心部分的暗化。因此在建立圖像電子密度校準曲線之前，首先應該對MVCT圖像進行均勻性校正。而我們在MVCT圖像質量的測試中未發(fā)現杯狀失真[9]，因此我們并沒有對MVCT圖像進行均勻性校正。而螺距比的改變對MVCT值的影響也可以忽略，我們的結論也符合這一預期。

由于鼻咽癌患者治療周期較長，通常在6～8周，因此治療過程中患者會出現體重的減輕及腫瘤的退縮等一系列改變，這必定會帶來一定的劑量學誤差。因此我們在進行實驗時均選擇剛剛接受治療的患者，以減小這一原因產生的劑量學差異。通過二維劑量分布以及劑量體積直方圖等的比較，結果表明MVCT劑量重算與kVCT劑量之間具有較好的一致性[3]。我們采用電離室和EDR2膠片對重算劑量的準確性進行驗證。在驗證過程中我們考慮了徐壽平等[8]提出的在螺旋斷層放療系統調強放療驗證過程可能產生誤差的因素，驗證結果表明基于MVCT圖像的劑量重算具有較好的準確性，符合臨床應用的要求。

在對10例鼻咽癌患者MVCT圖像進行劑量重算的研究之后，我們發(fā)現MVCT劑量重算沒有表現出劑量學方面的不穩(wěn)定性，同時使用MVCT圖像進行劑量計算的精度和kVCT上的劑量計算精度相近，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。因此我們認為基于每天掃描獲取的MVCT圖像，可以使用劑量學重建技術進行劑量重算從而得到可靠的劑量分布，對照射靶區(qū)以及正常器官的受量進行評估。并且根據前次治療分次的劑量重算結果，可以為醫(yī)師提供基于每天掃描的MVCT圖像的劑量信息，從而為剩余治療分次進行自適應計劃的必要性和可能性提供臨床依據[3]。

[1] Olivera GH, Shepard DM, Reckwerdt PJ. et al. Maximum likewood as a common computational framework in tomotherapy[J]. Phys Med Biol, 1998, 43(11): 3277-3294．

[2] Langen KM, Meeks SL, Poole DO, et al. The use of megavoltage CT (MVCT) images for dose recomputations[J]. Phys Med Biol, 2005, 50: 4259-4276.

[3] 戴相昆, 王運來. 螺旋斷層加速器MVCT 影像質量分析及劑量重算的研究[D]. 清華大學, 2010.

[4] Meeks SL, Harmon JF Jr, Langen KM, et al. Performance characterization of megavoltage computed tomography imaging on a helical tomotherapy unit[J]. Med Phys, 2005, 32(8): 2673-2681．

[5] 徐壽平, 解傳濱, 鞠忠建, 等. 螺旋斷層放療MVCT成像劑量測量及其分析[J]. 癌癥, 2009, 28(8): 886-889.

[6] 王運來, 廖雄飛. Hi-ART螺旋斷層放療機MV螺旋CT劑量指數的測量[J]. 中華放射醫(yī)學與防護雜志, 2010, 30(1): 44-46.

[7] Thomas SJ. Relative electron density calibration of CT scanners for radiotherapy treatment planning[J]. Br J Radiol, 1999, 72: 781-786.

[8] 徐壽平, 鄧小武, 戴相昆, 等. 螺旋斷層放療系統調強放療驗證[J].中華放射腫瘤學, 2008, 17(5): 395-397.

[9] 戴相昆, 王運來, 徐壽平, 等. 螺旋斷層放射治療機MVCT影像質量的測量分析[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2010, 34(6): 458-461.

Use of Megavoltage CT(MVCT) in Helical Tomotherapy for Head and Neck Dose Calculation

【 Writers 】Dai Xiangkun, Wang Yunlai, Feng Linchun,Yu Wei
Department of Radiation Oncology, Hai-Nan Branch of PLA General Hospital, Sanya, 572000

helical tomotherapy, fan beam megavoltage CT,head and neck tumor, dose recalculation

R730.5;TP391.41

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.018

1671-7104(2014)02-0141-04

2013-10-31

俞偉，E-mail: iabcde@163.com

【 Abstract 】Objective To evaluate the feasibility and accuracy of using Megavoltage CT(MVCT) for head and neck dose calculation. Methods The cheese Phantom was imaged using MVCT scanner, and the MVCT value density calibration curve was established. Conventional CT and MVCT image of nasopharyngeal carcinoma was acquired respectively, and IMRT plan was designed on conventional CT image of NPC patient. The conventional CT plan was copied to MVCT image. The dose distribution was calculated for tumor and normal tissue using the MVCT value density calibration curve, and compared with that of conventional CT. Ten NPC patients were collected for dose veri fi cation of IMRT plan on MVCT images. Results The MVCT numbers depended linearly on the electron density of the sample, and the stability of the MVCT numbers to electron density was good.The error between the measured dose and calculated dose in measured point was less than 3%.The isodose distribution was well agreement with that calculated by planning system. Conclusions Performing dose recalculation using MVCT of Tomotherapy in head and neck region was feasible.and the dose distributions on kVCT and MVCT were in excellent agreement.