CARE Dose 4D在鼻咽癌放療定位中的應用

成肇杰，韋婷，梁衛學，王占宇，劉光明，周建紅，林歡

柳州市工人醫院腫瘤放射治療中心，廣西柳州 545005

前言

鼻咽癌是兩廣地區高發的一種鼻咽粘膜惡性腫瘤，主要以放療為主的綜合治療策略能獲得較好的療效［1-3］。而鼻咽癌的精確放療依賴于CT 模擬定位掃描，高質量的CT 定位圖像是腫瘤靶區（GTV）精確勾畫的基礎，其中CT 值穩定更是人體內各組織受照劑量精確計算的前提［4］。放療定位圖像的質量和CT值的穩定主要受掃描條件的影響，通過調整掃描條件可以獲得較好的圖像。但掃描條件的改變有可能引起CT 值的變化，導致靶區劑量計算產生誤差［5］。隨著CT掃描的廣泛應用，CT產生的電離輻射的有害性得到越來越廣泛的關注和重視［6-7］。CARE Dose 4D技術是西門子CT的一種自動曝光控制功能，能夠以優化的劑量在各種體型和身體各種部位的檢查中獲得穩定的圖像質量。為兼顧鼻咽癌放療定位圖像的質量與穩定的CT 值并降低患者輻射劑量，本研究探討CARE Dose 4D 技術在鼻咽癌放療定位中的應用價值。

1 材料與對象

1.1 主要儀器

本研究使用西門子16 排模擬定位大孔徑螺旋CT（SOMATOM Definition AS）、電子密度模體（CIRS 062M）（圖1、2）、MEDRAD Vistron Plus 高壓注射器和Raystation 治療計劃系統（瑞典RaySearch公司，型號4.7.5.4）。

圖1 電子密度模體CIRS 062MFig.1 Electron density module CIRS 062M

圖2 CIRS 062M的CT圖像Fig.2 CT image of CIRS 062M

1.2 病例選擇

選取2021年1～5月期間在柳州市工人醫院腫瘤放射治療中心接受放療的鼻咽癌患者60例做研究對象。其中男42 例，女18 例，年齡27～75 歲，平均年齡48.93 歲。隨機分為兩組：A 組男性21 例，女性9 例，平均年齡49.13歲，平均體質量指數（BMI）為23.17；B組男性21 例，女性9 例，平均年齡48.73 歲，BMI 為23.86。兩組患者性別、年齡以及BMI無統計學差異，均在檢查前簽署知情同意書。

2 方法

2.1 掃描方法

60 例鼻咽癌患者行CT 模擬定位時，囑其仰臥在定位底板上，擺正位置并在其頭頸肩部套上低溫熱塑模，待熱塑模定型后，在患者頭部的兩側等中心平面處按激光十字線放置3個直徑為1 mm 的金屬標記點，按金屬標記點作為零點，掃描范圍從頭頂至胸鎖關節下2 cm，先行平掃再行增強掃描。A 組：使用120 kV 固定300 mAs 行常規掃描；B 組：固定120 kV并采用CARE Dose 4D技術，設置預設值為500 mAs。兩組其他掃描參數相同：FOV 500 mm，層厚、層間距3 mm，螺距1，對比劑濃度320 mgI/mL，劑量1.5 mL/kg，速率2.5 mL/s。

2.2 建立兩組掃描方法的CT-RED轉換曲線

掃描前機器進行自檢預熱，確保CT 處于正常狀態。在兩種不同掃描條件下進行掃描電子密度模體，并在兩組CT 圖像中測量各模體棒的對應CT 值，取其平均值。通過Raystation 治療計劃系統CT-RED轉換曲線程序建立兩組不同掃描方法下的CT-RED轉換曲線，比較兩組曲線的是否具有差異。

2.3 客觀圖像質量評估

兩組患者掃描完成后，在CT-SIM 重建圖像并傳至后處理工作站，選擇3 個層面（鼻咽部腫瘤中心層面、頸部淋巴結轉移灶層面、肱骨頭平面），分別測量胸鎖乳突肌、三角肌、耳旁空氣、鼻咽區可見病灶和同層面翼外肌的平均CT 值和標準差（Standard Deviation,SD）。CT 值的標準差（SD）代表該層面的噪聲水平，并計算信噪比（Signal-to-Noise Ratio,SNR）=病灶平均CT 值/病灶區SD，對比噪聲比（Contrast-to-Noise Ratio CNR）=（病灶平均CT 值-翼外肌平均CT值）/翼外肌SD。對比兩組SNR、CNR以及GTV的平均CT值和SD的差異性。

2.4 主觀圖像質量評估

2 組圖像均由2 名有經驗的腫瘤放療醫師按照ICRU62 號文件原則進行靶區勾畫，并進行雙盲法評分，分別觀察3 個層面圖像，以整體圖像質量的優劣進行評分［8］：5分，解剖細節顯示清楚，組織邊界明顯，3 個層面靶區均能精確勾畫；4 分，解剖細節較清楚，組織邊界能夠區分，保證鼻咽區病灶層面及頸部淋巴結轉移灶層面不影響靶區勾畫；3 分，大部分的解剖結構可用于靶區勾畫，少數淋巴結轉移病灶解剖結構模糊，只有其中一個層面影響靶區勾畫；2 分，基本解剖結構顯示不清楚，邊界不清楚，剖細節不足以被發現，有2 個層面不能進行靶區勾畫；1 分，解剖結構模糊，3 個層面均不能用于靶區勾畫。評分4 分以上為優質圖像，3 分以上表明能滿足靶區勾畫要求。評分出現分歧時，由2名醫師協商達成一致意見。

2.5 輻射劑量評估

CT 容積劑量指數（CT Volume Dose Index,CTDIvol）是目前國內外最常用的一種歐共體定義的CT 劑量指標，能反映整個掃描容積范圍內的劑量情況［9］，并且在定期開機校準的前提下，醫院CT設備的穩定性檢測結果均能滿足現有檢測規范的要求［10］。因此本研究應用CT 機自動生成的CTDIvol及劑量長度乘積（Dose Length Product, DLP）來計算有效劑量（Effective Dose, ED），并以此來評價患者的輻射劑量。DLP 是一次掃描患者所接受的輻射劑量，DLP=CTDIvol×掃描長度，是反映身體不同部位的非均勻性輻射劑量；參考最新歐盟委員會CT 質量標準指南［11］，ED（mSv）＝DLP（mGy?cm）×k，頸部轉換系數k=0.005 9 mSv/(mGy?cm)。記錄兩組患者由CT 機自動生成的CTDIvol和DLP，并分別計算ED。

2.6 統計學分析

采用SPSS 22.0軟件進行統計學分析。兩組圖像SD、SNR、CNR、GTV的CT值、DLP、CTDIvol、ED、SD 的比較均采用獨立樣本t檢驗，主觀評分采用Mann-whitney U檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

3 結果

3.1 兩組掃描方法對CT-RED曲線的影響

A 組和B 組掃描CIRS 062M 的數據如表1所示，在兩種不同的掃描方法下，各等效組織模體棒對應的相對電子密度及CT 值的變化并不大（圖3）。CTRED 轉換曲線幾乎不變，而相對電子密度是劑量計算的基礎，因此開啟CARE Dose 4D 并不會對劑量計算產生差異。

圖3 兩種不同掃描方式下CT值與電子密度值的轉換曲線Fig.3 CT-RED conversion curves under two different scanning modes

表1 等效組織模體對應的相對電子密度及CT值Tab.1 Relative electron density and CT values corresponding to equivalent tissue phantoms

3.2 兩組患者的一般資料、客觀評價

兩組患者年齡、BMI之間均無統計學差異（P>0.05），客觀評價中兩組圖像SNR、CNR、GTV 的平均CT 值之間的差異無統計學意義（P>0.05, 表2），具有可比性。

表2 兩組患者一般資料、客觀評價比較（± s）Tab.2 Comparison of general information and objective evaluation between two groups(Mean±SD)

表2 兩組患者一般資料、客觀評價比較（± s）Tab.2 Comparison of general information and objective evaluation between two groups(Mean±SD)

組別n年齡/歲BMI/kg?m-2 GTV的平均CT值SNR CNR ABt值30 30 P值49.13±10.50 48.73±10.58 0.147 0.884 23.17±3.28 23.86±2.72-0.886 0.379 68.30±8.65 70.93±9.47-1.124 0.265 9.27±1.97 9.36±1.76-0.206 0.838 1.19±0.91 1.34±0.82-0.670 0.506

3.3 輻射劑量分析

B 組與A 組比較CTDIvol降低35%，DLP、ED 均降低43%，差異有統計學意義（t=49.441、33.284、33.310,P<0.001, 表3）。因此，在鼻咽癌的放療定位掃描中應用CARE Dose 4D 技術可以明顯降低患者的輻射劑量。

表3 兩組患者輻射劑量對比分析（± s）Tab.3 Comparative analysis of radiation dose between two groups(Mean±SD)

表3 兩組患者輻射劑量對比分析（± s）Tab.3 Comparative analysis of radiation dose between two groups(Mean±SD)

組別CTDIvol/mGy DLP/mGy?cm ED/mSv A B t值P值24.03±0.40 15.62±0.93 49.441<0.001 891.62±38.68 510.37±49.40 33.284<0.001 5.26±0.23 3.01±0.29 33.310<0.001

3.4 兩組圖像的噪聲及主觀評價比較

兩組圖像在肩部三角肌平面，A 組SD 高于B 組，差異有統計學意義（t=30.809,P<0.001）；頸部胸鎖乳突肌、鼻咽部翼外肌、同層面空氣中的SD 差異無統計學意義（t=0.236、-0.408、-0.538,P>0.05，表4）。兩組圖像主觀評價存在顯著性差異（z=-2.445,P<0.05），雖然都滿足GTV 勾畫要求，但是在A 組圖像中，肩部橫斷面內頸部淋巴引流區噪聲較大，這對醫生勾畫該層面的靶區造成了一定困擾（圖4）。因此，從靶區勾畫角度來說，B組圖像要優A組圖像。

表4 兩組圖像的主觀評分及噪聲對比分析（± s）Tab.4 Subjective score and noise analysis of two groups of images(Mean±SD)

表4 兩組圖像的主觀評分及噪聲對比分析（± s）Tab.4 Subjective score and noise analysis of two groups of images(Mean±SD)

組別噪聲圖像質量評分/例3分3分以下A B t值5分6 11 4分15 18 9 1 0 0 P值空氣5.93±0.55 6.00±0.51-0.538 0.593胸鎖乳突肌6.07±0.57 6.03±0.64 0.236 0.815三角肌11.40±0.76 6.30±0.50 30.809<0.001翼外肌7.58±1.25 7.70±1.01-0.408 0.685 z=-2.445，P=0.014

4 討論

根據ICRU 62 號文件定義治療體積，其中GTV1和GTV2分別為鼻咽區可見病灶和頸部轉移淋巴結，CTV 為鼻咽區、顱底、鼻腔和上頜竇后部、咽旁間隙、II-V 區頸部淋巴引流區，PTV 為CTV 外放5 mm［12］。而鼻咽癌模擬定位CT 掃描的范圍包括顱底-頸部-部分肩部，其中包括了輻射敏感器官眼晶狀體和甲狀腺（圖4），因此鼻咽癌放療定位CT 掃描中應該充分考慮對患者造成的潛在輻射危害。有文獻報道，超過5～150 mSv 的X 線吸收劑量與癌癥發生有關［13］。在降低輻射危害方面，如何個體化兼顧輻射劑量與圖像質量的平衡，是放射工作人員研究的重要課題［14］，相關研究表明可通過降低管電壓、管電流和應用CARE Dose 4D 的方法來降低患者的輻射劑量［15-16］。因此本研究主要探討CARE Dose 4D技術在鼻咽癌放療定位中兼顧圖像的質量以及穩定的CT值的同時降低患者輻射劑量的可行性。

圖4 兩組圖像靶區勾畫及肩部橫斷面的對比Fig.4 Comparison of target area segmentation and shoulder cross-sections between two groups of images

放療定位CT 掃描不同于放射科診斷CT 掃描，放射科診斷CT 檢查只需考慮是否滿足臨床影像診斷，而放療定位CT 掃描不僅需要提供高質量的圖像以保證靶區及危及器官組織的勾畫，還要提供穩定的CT 值以保證CT-RED 轉換曲線的穩定，從而保證放療計劃系統的劑量計算。大部分放療單位采用單一掃描協議的方式采集影像［17］，以保證圖像的質量和CT-RED轉換曲線的穩定。本研究基于CIRS 062M，采用不同的管電流設置方法進行掃描，發現固定300 mAs 和開啟CARE Dose 4D 技術調節下，各組織等效模體棒對應的相對電子密度及CT 值的變化并不大，CT-RED 轉換曲線幾乎不變。而相對電子密度是劑量計算的基礎，因此開啟CARE Dose 4D 并不會對劑量計算產生差異。與張坤等［18］和朱鳳盈等［19］基于CIRS電子密度模體對CT圖像CT值的影響因子進行詳細的分析的研究結果相符，該研究結果明確了掃描條件中管電壓、過濾器、掃描位置對CT 值的影響，但是管電流的變化對CT值沒有影響。

CARE Dose 4D 是一種自動曝光控制功能，能夠以優化的劑量在各種體型和身體各種部位的檢查中獲得穩定的圖像質量；能夠根據每個病人的具體解剖特征自動調整管電流，以獲得穩定的診斷圖像質量。而管電流的變化對圖像的質量有較大的影響，有研究發現，管電流降低以后，1%對比度的2 mm 插件已經無法用肉眼觀察到［20］。因此在鼻咽癌放療定位CT 掃描中，在使用不同掃描協議時，需要注意圖像的特性和某些圖像質量的改變。有文獻報道，在CT 掃描時，應用CARE Dose 4D 技術可得到優質的圖像質量，并能降低約26.17%的有效輻射劑量［15］。而鼻咽癌放療定位的掃描范圍包括了顱底-頸部-部分肩部，體層厚度、組織解剖特征差異大，造成各位置的X 線衰減率變化大。通過應用CARE Dose 4D技術實時調節管電流，在螺旋掃描過程中，CT機的球管根據X 線衰減率的不同，自動控制X 線的管電流，從而實現自動實時劑量調節，確保劑量最優化。有研究證明在相同管電壓下，增加CARE Dose 4D 的預設值，實際輸出的mAs 增加，輻射量增大，SD 降低，圖像質量提高［21］。本研究A 組中應用固定300 mAs掃描，結果發現肩部平面淋巴引流區噪聲大，而且有條狀偽影，分析認為鎖骨與周圍軟組織密度相差較大，部分容積效應的影響會產生條帶狀的骨偽影［22］。而CARE Dose 4D 可以在此位置根據mAs 預設值自動增加實際輸出的mAs 以改善圖像質量，因此，應該合理設置CARE Dose 4D 的預設值，這樣才能在保證圖像質量的前提下降低輻射劑量。本研究使用CARE Dose 4D 預設值500 mAs，以增加肩部區域所需的mAs 調節上限，獲得了良好的圖像質量的同時較固定300 mAs 降低了43%的有效輻射劑量。本研究主要探討CARE Dose 4D 在鼻咽癌放療定位中的應用價值，其預設值的最佳值我們將在后續研究中再進行多參數對比研究。

本研究探討在鼻咽癌放療定位CT 掃描中應用CARE Dose 4D 技術，對比該技術下測量的CT-RED轉換曲線與常規固定mAs 掃描下測量的CT-RED 轉換曲線，結果證明該技術是可行的。分析圖像質量及輻射劑量，結果顯示，應用CARE Dose 4D 技術掃描的B 組患者接受的輻射劑量低于用固定mAs 掃描的A 組，CTDIvol降低35% ，DLP、ED 均降低43%。兩組圖像的SNR、CNR 以及GTV 的平均CT 值之間的差異無統計學意義（P>0.05）；而肩部肱骨頭水平兩組圖像SD差異有統計學意義（P<0.001），且A組三角肌水平SD要高于B組，分析認為肩部水平組織厚，密度大，從而造成X 線高衰減，CARE Dose 4D 自動升高管電流可降低圖像SD。頸部和鼻咽部的位置由于組織厚度相對薄，密度小，造成X線的低衰減，因此有效mAs 降低并不會造成探測器的有效光子數量減少［13］。兩組圖像主觀評價存在顯著性差異（z=-2.445,P<0.05），雖然都滿足GTV 勾畫要求（圖4），但是在A組圖像中由于肩部橫斷面內頸部淋巴引流區噪聲較大，對醫生勾畫該層面的靶區造成了一定困擾。因此從靶區勾畫角度來說B 組圖像質量要優A 組。本研究在鼻咽癌放療定位應用CARE Dose 4D 技術進行CT 掃描，在降低43%的輻射劑量的同時，提高部分圖像質量。

綜上所述，鼻咽癌的放療定位掃描中應用CARE Dose 4D 技術是可行的，圖像完全滿足臨床GTV 勾畫的要求，能對原發腫瘤做出精確的定位，骨質結構清晰顯示，同時又能大幅度降低輻射劑量，值得推廣應用。本研究的不足之處：（1）CARE Dose 4D的預設值設置為500 mAs、固定mAs 設置為300 mAs，未進行多參數設置對照；（2）病例較少，下一步將增加樣本量做進一步總結。