CT‐電子密度轉換曲線誤差對IMRT劑量計算結果的影響

朱鳳盈，馬彥凝，羅錦勝，潘宏威，王遠遠，藍茂英

1.南方醫科大學順德醫院放射治療科，廣東佛山528300；2.瓦里安醫療系統公司，北京100176；3.合肥離子醫學中心醫療部，安徽合肥230000

前言

治療計劃系統（Treatment Planning System,TPS）進行劑量計算依賴于CT影像中所包含的相對電子密度信息，該密度信息利用CT值轉換得到，這一轉換通常視所使用的CT而定［1］。TPS劑量計算時，錯誤的CT/電子密度（CT‐ED）關系會造成劑量計算錯誤。CT值的大小受CT掃描參數如管電壓、管電流、層厚等以及掃描條件的影響，導致對應物質的相對電子密度誤差［2］。本研究主要分析CT‐ED轉換曲線誤差對宮頸癌患者調強放射治療（IMRT）計劃劑量造成的影響，建立正確的CT‐ED轉換曲線應該在臨床工作中予以重視，以保證治療計劃劑量計算的精度。

1 材料與方法

1.1 主要設備和儀器

（1）CT 掃描機：西門子SOMATOM Definition AS 20 層螺旋大孔徑CT，CT 床附加碳素纖維平板床面；（2）模體：CIRS062 電子密度模體；（3）TPS：瓦里安Eclipse 治療計劃系統；（4）直線加速器：瓦里安Trilogy直線加速器，MLC 60對，中間40對葉片，每片寬度5 mm，兩端各10對葉片，寬度1 cm。

1.2 病例選擇

隨機選取2018年11月～2019年1月在南方醫科大學順德醫院放射治療科進行IMRT 治療的宮頸癌患者10例進行回顧性研究。年齡38～75 歲，平均年齡61 歲，中位年齡61 歲。計劃選擇腹部CT‐ED 轉換曲線完成，掃描電壓120 kⅤ，電流35 mA，層厚3 mm。

1.3 IMRT計劃設計及CT‐ED轉換曲線引入

處方劑量5 040 cGy，分28次完成照射。采用前3后2或前2后3布野，射野避開對腎臟、直腸等危及器官的照射。在TPS對轉換曲線引入±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.0%和±3.0%的誤差，重新計算劑量分布。每例患者得到10個新計劃，與原計劃進行劑量學比較。

1.4 評價指標

分別評價原計劃和新計劃靶區及危及器官的劑量體積參數，評價指標包括：處方劑量包繞靶區體積（ⅤRx）、最大劑量（D2%）、最小劑量（D98%）、適形度指數（Conformity Index, CI）和均勻性指數（HomogeneityIndex,HI）；危及器官包括脊髓的最大劑量（D1cc）、小腸的最大劑量（D1cc）、膀胱和直腸的體積劑量（Ⅴ45Gy），以及股骨頭的體積劑量（Ⅴ30Gy）［3］。

1.5 統計學方法

從10例宮頸癌患者IMRT 計劃中分別得出靶區ⅤRx、D2%、D98%與轉換曲線誤差的散點圖；危及器官脊髓、小腸最大劑量D1cc與轉換曲線誤差的散點圖；膀胱和直腸的體積劑量Ⅴ45Gy與轉換曲線誤差的散點圖；股骨頭的體積劑量Ⅴ30Gy與轉換曲線誤差的散點圖。通過Matlab 軟件對上述數據進行擬合，采用線性擬合、多項式擬合等方法，擬合出靶區及危及器官劑量參數偏差值（Δ）與轉換曲線誤差之間的相關公式。采用SPSS 21.0 統計軟件進行統計學分析，計量資料用均數±標準差表示，相關性進行Spearman 分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 轉換曲線誤差對靶區劑量參數的影響

如表1所示，當轉換曲線誤差為正數時，即CT‐ED轉換曲線數值增大，ⅤRx降低，當出現1.5%偏差時，計劃靶區（PTⅤ）的ⅤRx為94.73%±1.86%，誤差繼續增大，帶來的影響超出臨床可接受范圍。當轉換曲線誤差為負數時，ⅤRx升高，引入誤差越大，ⅤRx值越大。如圖1所示，Matlab 擬合得到轉換曲線誤差與ΔⅤRx之間的相關公式如下所示：

表1 轉換曲線誤差對處方劑量包繞靶區體積的影響（±s,%）Tab.1 Effect of conversion curve errors on target coverage(Mean±SD,%)

表1 轉換曲線誤差對處方劑量包繞靶區體積的影響（±s,%）Tab.1 Effect of conversion curve errors on target coverage(Mean±SD,%)

項目覆蓋率轉換曲線誤差3.0%90.30±3.11 2.0%93.57±2.32 1.5%94.73±1.86 1.0%95.67±1.47 0.5%96.46±1.11 0%97.12±0.85‐0.5%97.61±0.68‐1.0%98.02±0.55‐1.5%98.33±0.44‐2.0%98.60±0.36‐3.0%99.00±0.26

圖1 腹部CT-ED轉換曲線Fig.1 Abdominal CT-ED conversion curve

對于D2%、D98%，引入正轉換曲線誤差，數值降低，引入負轉換曲線誤差，數值升高，引入的轉換曲線誤差越大，D2%、D98%數值變化越大。如表2所示，ΔD2%、ΔD98%與轉換曲線誤差之間存在顯著負相關性。如圖2b和圖2c所示，用Matlab得到轉換曲線誤差與ΔD2%、ΔD98%之間的相關公式：

CI、HI隨轉換曲線誤差變化沒有表現出明顯規律，兩者之間沒有顯著的相關性，如表2所示。圖2a～圖2i 為10例患者IMRT 計劃靶區及危及器官劑量參數偏差值與轉換曲線誤差之間的散點圖。

2.2 轉換曲線誤差對危及器官劑量參數的影響

脊髓‐D1cc、小腸‐D1cc、膀胱‐Ⅴ45Gy、直腸‐Ⅴ45Gy和股骨頭‐Ⅴ30Gy，在引入正轉換曲線誤差時，數值降低，引入負轉換曲線誤差時，數值升高，引入的轉換曲線誤差越大，危及器官數值變化越大。如表2所示，危及器官劑量參數偏差值與轉換曲線誤差之間存在顯著負相關性。圖2a～圖2i 為用Matlab 擬合得到的轉換曲線誤差與危及器官劑量參數偏差值之間的相關公式：

表2 靶區及危及器官劑量參數偏差值與轉換曲線誤差之間的Spearman法相關分析Tab.2 Spearman correlation analysis between the conversion curve errors and the deviation values of dosimetric parameters of target areas and organs-at-risk

圖2 10例患者IMRT計劃靶區及危及器官劑量參數偏差值與轉換曲線誤差之間的散點圖Fig.2 Scatter plots between the conversion curve errors and the deviation values of dosimetric parameters of target areas and organs-at-risk in IMRT plans of 10 patients

3 討論

為了確保放療劑量的精確計算，需要保證計劃系統CT‐ED 轉換曲線的準確性。目前，有不少文獻［4‐12］對CT 值和ED 的關系進行了相應的研究。Zurl 等［4］研究表明使用不同的CT 掃描協議可以導致HU 值高達20%的變化，導致系統平均劑量誤差達到1.5%。李克等［13］研究了基于不同掃描部位采集的CT‐ED轉換曲線對放療劑量的影響，結果表明在不同掃描部位下進行采集的CT‐ED 轉換曲線對放療劑量計算有一定影響，對于頭部與胸部的腫瘤應該盡量選擇對應掃描模式下的CT‐ED 轉換曲線進行劑量計算，以保證治療計劃劑量計算的精度。

有研究表明CT 定位條件和掃描參數可能導致CT值的改變，特別是掃描電壓和CT定位床面的散射對CT 值的影響較大［14］。此外，CT 增強造影劑也會影響CT值從而影響劑量的計算，并且其濃度越高CT值則增加越多，導致劑量也會增高［15‐16］。若體內有金屬植入物，也會導致CT 值產生較大的偏差，這種偏差包含金屬植入物本身的CT 值偏差以及金屬導致的周圍組織的CT 值的偏差［17‐18］。除此，若患者體內存在工人關節、心臟起搏器等外部植入物也可能導致CT值的變化，從而引起劑量計算的偏差。

由于客觀因素，CT‐ED轉換曲線的誤差無法完全避免。TPS劑量計算時，錯誤的CT‐ED關系會造成劑量計算錯誤。研究表明，CT‐ED轉換曲線的誤差有可能導致劑量計算結果相差3%以上［8,19］。本研究側重于分析CT‐ED 轉換曲線誤差對宮頸癌患者IMRT 計劃劑量造成的影響，擬合出靶區及危及器官劑量參數偏差值（Δ）與轉換曲線誤差之間的相關公式，以直觀顯示轉換曲線誤差對臨床評價指標帶來的影響。轉換曲線引入正誤差時計劃劑量參數降低，引入負誤差時計劃劑量參數升高，引入的誤差越大劑量變化越大。PTⅤ的ⅤRx與轉換曲線誤差顯著性負相關，當出現1.5%偏差時，為94.73%±1.86%，誤差繼續增大，帶來的影響超出臨床可接受范圍。

為確保CT‐ED 轉換曲線的準確性，需要對CT 進行定期質控。對此，AAPM TG 66號報告［20］詳細描述了CT 模擬機的質控規范，包括CT 值精確性、電子密度和CT 值的轉換等均有相應檢查頻率和容差限值。不同廠家的CT 模擬機性能參數都不完全一樣，各個放療中心應該根據自己設備的情況建立CT‐ED 轉換曲線，并且考察可能影響CT 密度值的因素，完善CT模擬機的QA標準。

總之，CT‐ED 轉換曲線誤差越大，導致劑量計算的誤差也越大。在當今精確放療的時代，需要定期對CT 做相應的質控，保證CT‐ED 轉換曲線的準確性，以保證放療計劃劑量計算的精度。