鈦合金植入物對(duì)椎體放射治療計(jì)劃的劑量學(xué)影響

【作 者】 陳曉慧，許安杰，陳佳艷，胡偉剛，彭佳元

1 復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射治療中心，上海市，200032

2 復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海市，200032

3 上海市放射腫瘤學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市，200032

4 上海市放射治療臨床醫(yī)學(xué)研究中心，上海市，200032

0 引言

骨轉(zhuǎn)移的放射治療要求治療計(jì)劃具有陡峭的劑量分布和較高的劑量計(jì)算精度。一些患者在放療時(shí)已植入了椎體固定裝置，在這些病例中高密度的金屬植入物會(huì)產(chǎn)生偽影降低CT的成像質(zhì)量[1]，影響治療計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system,TPS）中CT密度表的正確賦值；也會(huì)衰減射線并引起劑量的局部擾動(dòng)，對(duì)劑量計(jì)算造成干擾[2]，在劑量計(jì)算中引入誤差。因此在帶有高密度植入物的病例中，劑量計(jì)算將變得更為復(fù)雜。

一些研究者進(jìn)行了鈦合金對(duì)射線影響的研究[3]。但在患者的放射治療中，考慮到腫瘤與脊髓相對(duì)位置的變化以及不同的射野參數(shù)等多種因素，金屬植入物對(duì)劑量的影響很難被預(yù)測。有研究者通過蒙特卡羅算法[4]或利用膠片驗(yàn)證[5]來評(píng)估金屬植入物對(duì)患者SBRT計(jì)劃的劑量影響，但實(shí)際臨床中蒙特卡羅算法并未被廣泛使用，常規(guī)調(diào)強(qiáng)技術(shù)和SBRT技術(shù)在布野方式及分割劑量上也多有不同。因此在帶有高密度金屬植入物的病例中，研究植入物對(duì)使用常規(guī)計(jì)算方式的常規(guī)調(diào)強(qiáng)放療及立體定向放射放療的劑量影響仍有必要性。

本研究將通過擴(kuò)展CT密度表和勾畫并賦值鈦合金植入物的方式進(jìn)行密度校正，分析高密度的鈦合金植入物對(duì)椎體放射治療計(jì)劃的劑量學(xué)影響，另外我們將應(yīng)用校正方法前后計(jì)算所得劑量與在自制仿真模體上實(shí)際測量所得劑量進(jìn)行比較，以驗(yàn)證TPS計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 資料和方法

1.1 患者選取，計(jì)劃設(shè)計(jì)與目標(biāo)

隨機(jī)選取在復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院完成臨床治療的10例椎體轉(zhuǎn)移患者計(jì)劃。10例病例均植入了鈦合金椎體固定系統(tǒng)，且使用IMRT技術(shù)治療。

采用常規(guī)的CT密度表對(duì)10例計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化。10例計(jì)劃使用Pinnacle 8.0 m計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括數(shù)個(gè)共面射野。子野的最小機(jī)器跳數(shù)（monitor unit,MU）為10，最小子野面積為10 cm2，最大子野數(shù)設(shè)為35。優(yōu)化算法采用直接機(jī)器參數(shù)優(yōu)化，劑量計(jì)算使用自適應(yīng)卷積。計(jì)算網(wǎng)格設(shè)為4 mm。治療使用Varian Trilogy加速器產(chǎn)生的6 MV X線，其搭載的多葉光柵（MLC）為millennium 120，共60對(duì)葉片，中間40對(duì)在等中心平面投影寬0.5 cm，兩端各10對(duì)寬1.0 cm。優(yōu)化完成后采用筒串卷積（collapsed cone convolution,CCC）算法進(jìn)行三維劑量計(jì)算，將該組計(jì)劃歸為常規(guī)組。

1.2 高密度金屬校正方法

1.2.1 擴(kuò)展CT密度表

臨床上，常規(guī)使用的CT密度表中密度覆蓋范圍為0～1.53 g/cm3，以此在保證人體正常組織能夠被自動(dòng)賦值的同時(shí)不會(huì)給CT偽影賦予過高的密度[6]。為了更加準(zhǔn)確地反映鈦合金植入物的真實(shí)密度，將原有的常規(guī)CT密度表范圍擴(kuò)展為0～4.43 g/cm3，使其密度覆蓋范圍包含鈦合金植入物的真實(shí)密度。

1.2.2 勾畫鈦金屬區(qū)域和密度賦值

在CT圖像中使用1800～4300 CT值范圍自動(dòng)勾畫鈦合金組織，經(jīng)人工修正后在電子重建影像上再次確認(rèn)輪廓。應(yīng)用高密度鈦金屬CT密度表，將勾畫出的鈦金屬植入物賦值為4.43 g/cm3。

1.3 校正計(jì)劃及校正前后的劑量學(xué)比較

在計(jì)劃參數(shù)保持不變的情況下，對(duì)1.1節(jié)的病例采用1.2節(jié)描述的校正方法進(jìn)行密度校正。通過采用CCC算法進(jìn)行三維劑量計(jì)算，得到校正后的三維劑量分布，稱為校正組，并與常規(guī)組進(jìn)行比較。

比較指標(biāo)包括PTVV100、PTVV95、適形性指數(shù)（conformity index,CI）、均勻性指數(shù)（homogeneity index,HI）和脊髓的最大劑量。

適形性指數(shù)計(jì)算式為：

本次報(bào)告以伊利股份財(cái)務(wù)指標(biāo)的分析為主要內(nèi)容，先介紹了伊利股份公司的情況，然后結(jié)合企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)體系以及乳制品行業(yè)和上市公司自身的特點(diǎn)，以2012年-2016年為分析的時(shí)間區(qū)間，將伊利股份縱向的財(cái)務(wù)分析指標(biāo)分為償債能力、盈利能力、營運(yùn)能力和發(fā)展能力四個(gè)方面，先進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)的分析評(píng)價(jià)，再進(jìn)行財(cái)務(wù)趨勢(shì)分析和財(cái)務(wù)綜合分析。

式中：VT,ref為參考等劑量線所包括的靶區(qū)體積；VT為靶區(qū)體積；Vref為參考等劑量線所包括的體積，單位均為cm3。

均勻性指數(shù)計(jì)算式為：

式中：D2%、D50%和D98%分別為2%、50%和98%的靶區(qū)體積所受劑量。

在SPSS軟件中使用Shapiro-Wilk 法執(zhí)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，對(duì)不符合正態(tài)分布的執(zhí)行Wilcoxon秩和檢驗(yàn)，對(duì)符合正態(tài)分布的行配對(duì)t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4 仿真模體設(shè)計(jì)和劑量驗(yàn)證

為了消除劑量計(jì)算引入的計(jì)算誤差，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了頸部仿真模體進(jìn)行劑量的測量，驗(yàn)證校正前后TPS劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.4.1 仿真模體設(shè)計(jì)制作

本次實(shí)驗(yàn)通過SolidWork軟件，設(shè)計(jì)了一種模擬患者頸部肌肉組織和錐體骨組織的非均勻解剖結(jié)構(gòu)模型（見圖1），并通過3D打印技術(shù)打印成非均勻的頸部模體。模體主要材料為模擬肌肉組織的聚乳酸，密度為1 g/cm3；模擬椎體骨組織的感光樹脂，密度為1.3 g/cm3。將臨床使用的鈦合金錐體固定系統(tǒng)植入模擬錐體骨組織，在模擬骨組織模體的脊髓位置留置空腔以供插入電離室，椎間盤中央同樣留置空腔，可插入外附有鈦網(wǎng)的聚乳酸棒。模體可置于兩個(gè)聚乳酸支撐架上以固定位置。

圖1 植入鈦合金椎體固定系統(tǒng)的頸部仿真模體Fig.1 simulation phantom with a titanium alloy fixation system

模體制作完成后插入電離室，使用飛利浦Brilliance 大孔徑模擬CT掃描，得到層厚為1 mm的仿真模體CT圖像，以1.2.2節(jié)描述的方式勾畫出鈦合金錐體固定系統(tǒng)，同時(shí)勾畫出相應(yīng)電離室的測量體積。

1.4.2 驗(yàn)證計(jì)劃與劑量測量

將10例IMRT計(jì)劃在Pinnacle中拷貝至頸部仿真模體CT，分別采用常規(guī)CT密度表下自動(dòng)賦值密度和1.2節(jié)所述校正方法以原計(jì)劃參數(shù)重新計(jì)算，讀出電離室有效測量體積處的平均劑量，作為TPS計(jì)算值。實(shí)際劑量測量使用IBA dose1劑量儀和IBA FC65-G電離室，分別計(jì)算兩組驗(yàn)證計(jì)劃的劑量偏差：

其中，采用常規(guī)CT密度表計(jì)算的TPS計(jì)算值歸入常規(guī)驗(yàn)證組，采用高密度鈦金屬CT密度表計(jì)算的TPS計(jì)算值歸入校正驗(yàn)證組，進(jìn)行對(duì)比。

另外選取10例椎體SBRT計(jì)劃，使用與IMRT驗(yàn)證計(jì)劃相同的方式做劑量計(jì)算的驗(yàn)證。在實(shí)際臨床過程中考慮使用SBRT技術(shù)可能會(huì)對(duì)錐體病例有更高的劑量精度要求，未對(duì)帶有鈦金屬植入物的患者使用SBRT技術(shù)進(jìn)行放射治療。因此本次實(shí)驗(yàn)中SBRT計(jì)劃僅做測量驗(yàn)證。

SBRT計(jì)劃使用Eclipse 13.5計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)。計(jì)劃優(yōu)化采用Eclipse13.5.35版本光子優(yōu)化算法（photon optimizer,PO）。計(jì)算劑量使用各向異性分析算法（anisotropic analyticalalgorithm,AAA）（13.5.35版本）計(jì)算模型，計(jì)算網(wǎng)格取2.0 mm。機(jī)器參數(shù)為Edge加速器產(chǎn)生的6 MV X線，采用瓦里安high-definition 120 MLC，中間32對(duì)在等中心平面投影寬2.5 mm，兩側(cè)各14對(duì)寬5 mm。

SBRT計(jì)劃的測量采用Standard Imaging的SuperMAX劑量儀，電離室為Exradin A16微型電離室。驗(yàn)證測量結(jié)果同樣采用同1.3節(jié)的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果

常規(guī)組與校正組的靶區(qū)與正常組織劑量學(xué)比較如表1所示。PTV各項(xiàng)劑量學(xué)指標(biāo)未見明顯差異，但校正組與常規(guī)組的V100均值相比減少了1.6%。其中校正組相比常規(guī)組的計(jì)劃，V100最大偏差為11.35%，而V95最大偏差為4.57%。圖2可見1例IMRT計(jì)劃使用常規(guī)CT密度表時(shí)的劑量分布和校正后的劑量分布。脊髓最大劑量在常規(guī)組和校正組的比較中具有顯著差異（P=0.02），其平均最大劑量分別為4008.85f 158.45 cGy和3892.64f 443.10 cGy，差異最大的1例可達(dá)7.05%。

圖2 校正前后的劑量分布比較Fig.2 Dose distribution comparison before and after correction

表1 常規(guī)組與校正組的靶區(qū)與正常組織劑量比較Tab.1 Dose comparison of PTV and normal tissue between normal group plan and corrected group plan

20例病例的TPS計(jì)算值與測量值比較如表2所示。在10例IMRT計(jì)劃中，常規(guī)驗(yàn)證組與校正驗(yàn)證組的TPS計(jì)算結(jié)果與測量劑量相比，平均偏差分別為3.42%與1.90%，P<0.05，具有顯著差異。在10例SBRT計(jì)劃中，兩組TPS計(jì)算結(jié)果與測量劑量相比的平均偏差分別為1.25%和0.60%（常規(guī)驗(yàn)證組和校正驗(yàn)證組），P<0.01。其中IMRT計(jì)劃在校正驗(yàn)證組的偏差最小為0.11%，最大為5.00%，中值為1.62%，常規(guī)驗(yàn)證組的偏差最小為0.44%，最大為11.76%，中值為2.6%。SBRT計(jì)劃在校正驗(yàn)證組的偏差最小為0.18%，最大為5.63%，中值為1.74%，常規(guī)驗(yàn)證組的偏差最小為0.06%，最大為6.22%，中值為2.34%。

表2 常規(guī)驗(yàn)證組和校正驗(yàn)證組在IMRT計(jì)劃和SBRT計(jì)劃中的劑量偏差比較Tab.2 Dose error comparison between normal group and corrected group in IMRT plans and SBRT plans

帶有鈦合金植入物的椎體放療IMRT計(jì)劃中，高密度的金屬會(huì)在CT圖像上產(chǎn)生不準(zhǔn)確的CT值并引起劑量計(jì)算的誤差。本次研究分析了鈦合金植入物對(duì)于椎體放射治療計(jì)劃的劑量學(xué)影響，并將計(jì)算所得劑量與自制仿真模體上實(shí)際測量劑量進(jìn)行比較，以驗(yàn)證TPS計(jì)算的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在椎體調(diào)強(qiáng)計(jì)劃中應(yīng)用校正方法后會(huì)顯著影響脊髓的最大劑量，且校正后的TPS計(jì)算值具有更高的準(zhǔn)確性。

表1所示為常規(guī)組和校正組的劑量指標(biāo)對(duì)比，PTV劑量的各項(xiàng)劑量學(xué)指標(biāo)未見明顯差異。但在個(gè)別病例中，采用校正方法前后的劑量線分布可能出現(xiàn)如圖2的明顯改變。在本次實(shí)驗(yàn)中，V100最大偏差可達(dá)11.35%，且常規(guī)組與校正組的脊髓最大劑量具有顯著差異。實(shí)際計(jì)劃設(shè)計(jì)中仍應(yīng)對(duì)高密度的金屬植入物做校正處理。在常規(guī)驗(yàn)證組與校正驗(yàn)證組的IMRT計(jì)劃中，TPS計(jì)算值對(duì)比實(shí)際測量值的平均劑量偏差分別為3.42%與1.90%，P<0.05。而在常規(guī)驗(yàn)證組與校正驗(yàn)證組的SBRT計(jì)劃中，該對(duì)比的平均偏差分別為1.25%與0.60%，P<0.01。使用兩類放療技術(shù)的計(jì)劃中，常規(guī)驗(yàn)證組與校正驗(yàn)證組的結(jié)果均有顯著差異，使用校正方法能夠降低計(jì)算值與實(shí)際測量值的偏差。

本次研究中，常規(guī)組與校正組比V100平均減少了1.6%。使用校正方法在多數(shù)計(jì)劃中僅小幅改變PTV接受處方劑量的體積。但在部分病例中，偏差可能會(huì)大于10%。這與WANG等[6]關(guān)于椎體立體定向放療的研究中的結(jié)論相似。但在該研究中，兩種賦值方式下脊髓沒有明顯差異，而本次實(shí)驗(yàn)中常規(guī)組與校正組的脊髓最大劑量表現(xiàn)出顯著差異。該差異可能來自靶區(qū)勾畫，SBRT計(jì)劃的靶區(qū)一般避開脊髓，但常規(guī)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的靶區(qū)通常將脊髓包含于靶區(qū)。此外SBRT和常規(guī)調(diào)強(qiáng)在射野數(shù)量、方向等參數(shù)的差異也是可能原因[5]。

本次研究中驗(yàn)證部分因?yàn)樽灾颇ｓw的限制無法使用膠片驗(yàn)證。盡管已通過移床將測量點(diǎn)置于脊髓位置，但點(diǎn)劑量僅能反映出一個(gè)點(diǎn)的劑量準(zhǔn)確性，尚不足以完整反映劑量分布的改變。在進(jìn)一步的研究中將探索在自制模體中實(shí)施面劑量測量的方式。

4 結(jié)論

使用常規(guī)的CT密度表進(jìn)行含有鈦金屬植入物的劑量計(jì)算會(huì)帶來較大的劑量誤差，通過將CT密度表延長至鈦金屬CT密度范圍，即建立含有鈦金屬CT密度信息的CT密度表，并為鈦金屬人工賦值的校正方式可以減小劑量計(jì)算時(shí)的劑量誤差。