不同扫描条件下CBCT图像剂量计算准确性

不同扫描条件下CBCT图像剂量计算准确性

【作 者】巩汉顺，徐寿平，徐伟，杨涛，丛小虎，葛瑞刚，解传滨

解放军总医院放射治疗科，北京市，100853

分别设计Catphan模体均匀性与非均匀性组织模块扇形束CT计划，利用OBI系统对模体在不同临床条件下进行扫描得到CBCT图像，采用相应CBCT图像HU-ED曲线进行剂量计算并与其扇形束CT计划比较，不同扫描条件下两模块CBCT计划剂量均匀性指数均与其相应扇形束CT计划无差别；均匀组织模块CBCT计划剂量适形指数更接近于扇形束CT计划。不同扫描条件下CBCT图像剂量计算能够满足剂量要求，为其直接用于自适应放疗奠定一定基础。

CBCT；HU值；扫描条件；剂量计算

Accuracy of Dose Calculation with CBCT Images under Different Scanning Conditions

【 Writers 】GONG Hanshun, XU Shouping, XU Wei, YANG Tao, CONG Xiaohu, GE Ruigang, XIE Chuanbin

Department of Radiotherapy, PLA General Hospital, Beijing, 100853

【 Abstract 】The treatment plans were designed based on planning CT of Catphan phantom’s homogenic and heterogenetical module, respectively. With the OBI system, Catphan phantom was scanned under different scanning conditions. The dose was recalculated by applying treatment plans based on planning CT to the CBCT images with its individual houns fi eld unit-electron density calibration curve. The dose distributions were compared with those of the original plan, the results of HI showed a good agreement. CIs in the homogenic module were superior to those in the heterogenetical one. There is a good dose distribution for CBCT images under different scanning conditions. It is helpful for CBCT images directly used for dose re-calculation in adaptive radiation therapy (ART).【Key words 】cone-beam CT(CBCT), HU, scanning condition, dose calculation

0 引言

自适应放疗作为目前放疗中最热门的研究领域之一，其目的是通过对放疗过程进行监测并对已知解剖结构或生物学变化进行修正，进而实现个体化肿瘤治疗。因锥形束CT（CBCT）获得了患者在治疗过程中最能真实反映患者治疗体位状况及解剖结构变化的影像从而为患者实施治疗计划的验证和实时再优化奠定基础。采用类似扇形束CT的方法，利用专用模体创建CBCT图像自身的CT值—电子密度（HUED）曲线，直接在CBCT图像上进行剂量计算，是采用CBCT图像实施剂量计算的两种主要途径之一[1-3]；但由于扫描条件不同而使得图像质量本已劣于扇形束CT的CBCT在图像质量及HU值方面存在明显变化，进而为其剂量计算产生一定偏差。本研究采用CIRS模体创建CBCT图像电子密度校正曲线，利用不同扫描条件下CBCT图像自身HU-ED曲线在其图像上直接进行剂量计算，并与其扇形束CT计划进行比较分析，以验证其剂量计算的准确性。

1 材料与方法

1.1 OBI系统

On-Board Image(OBI)是Varian公司推出的一套锥形束影像系统设备。

1.2 Catphan 504模体

C a t p h a n 5 0 4模体由均匀性检测模块（CTP486）、几何结构和曝光模块（CTP404） 、高分辨力模块（CTP528）、低对比度模块（CTP515）等4个分层模块构成，用来分析图像HU值、分辨力和对比度等要素。

1.3 CIRS 06电子密度模体

CIRS模体为27 cm×33 cm×5 cm椭圆型薄柱体，含有从肺到骨 9种人体等效组织共17个插件，分为内外圈两部分，内环(直径18 cm)主要模拟头部，外环专用于CT电子密度刻度模体。

1.4 创建CBCT图像CT值—电子密度(HU-ED)曲线

利用OBI系统对CIRS模体在不同临床扫描条件下：SDH(Standard Dose Head)、HQH(High Quality Head)及Pelvis进行扫描。为解决由于模体厚度不够而产生散射伪影比较大的问题，分别在CIRS模前后各加5 cm厚固体水（PTW公司）以形成CIRS散射模体[4]；采集图像并以DICOM格式传输至TomoCon PACS 3(TatraMed, Bratislava, Slovak Republic)软件系统，分别读取不同密度插棒在相同直径圆面积内HU均值及标准差，采用OriginPro 8.0选用各个密度插棒相对应HU均值，创建不同扫描条件下CBCT图像自身的 HU-ED曲线(SDH; HQH; Pelvis)。

1.5 扇形束CT图像扫描及计划设计

扇形束C T图像由西门子C T(S O M ATO M Definition AS)扫描获得，扫描条件： 120 kV，240 mA.s，扫描层厚：3 mm 。图像通过DICOM格式传输至Varian Eclipse(Ver 10.0)计划系统，分别在均匀性组织模块(CTP486)与非均匀性组织模块(CTP404)上勾画出靶区(PTV[kVCT-486]：61.6 cm3；PTV[kVCT-404]：45.0 cm3)及危及器官(Organ[kVCT-486]：2.2 cm3；Organ[kVCT-404]：1.9 cm3)，并分别设计其扇形束CT计划(Plan[kVCT-486]；Plan[kVCT-404])，靶区处方剂量均为：40 Gy/20F，均采用VMAT技术，设计两个全弧射野(CW：180.1o～179.9o；CCW: 179.9o～180.1o)治疗计划。

1.6 CBCT图像扫描及剂量计算

利用Varian iX 加速器配备的OBI系统对Catphan 504模体在不同临床扫描条件下(SDH、HQH及Pelvis)进行扫描，图像采用3 mm层厚进行重建，在Varian Eclipse计划系统中将扇形束CT图像与CBCT图像进行融合配准，把扇形束CT图像序列上靶区及危及器官移植到不同扫描条件下CBCT图像序列上，以生成相应组织结构：PTV[SDH-486]/PTV[HQH-486]/PTV[Pelvis-486]；PTV[SDH-404]/PTV[HQH-404]/PTV[Pelvis-404]；Organ[SDH-486]/Organ[HQH-486]/Organ[Pelvis-486]；Organ[SDH-404]/Organ[HQH-404]/Organ[Pelvis-404]；同时把计划参数移植到不同扫描条件下CBCT图像序列上生成相应计划：Plan[SDH-486]/Plan[HQH-486]/ Plan[Pelvis-486]；Plan[SDH-404]/Plan[HQH-404]/ Plan[Pelvis-404]，采用不同扫描条件下CBCT图像自身的HU-ED校正曲线重新进行剂量计算，并与其扇形束CT计划中靶区和危及器官的剂量体积直方图（DVH）以及剂量学参数进行比较分析。

1.7 剂量学参数

靶区的剂量学参数包括最小剂量(Dmin)、最大剂量(Dmax)、平均剂量(Dmean)、均匀性指数(HI)及适形指数(CI)。HI的计算公式为[5]：HI=D5/D95，其中D5接受高剂量的5 % PTV 接受的最小剂量，D95为95%的PTV接受的最低剂量；HI越低（接近1）靶区的剂量越均匀。CI的计算公式为[6]：CI=(Vt.ref×Vt.ref)/(Vt×Vref)，其中Vt.ref为参考等剂量线所包绕的靶区体积，Vt为靶区体积，Vref是参考等剂量线包绕的所有区域的体积。CI的范围介于0～1之间，CI越接近1表示剂量分布适形度越好。

危及器官的剂量学指标主要包括Dmin、Dmax及 Dmean。

2 结果

2.1 不同扫描条件下HU-ED曲线

分别读取不同扫描条件下(SDH、HQH及Pelvis) CIRS模体不同密度插棒在相同直径圆面积内HU均值及标准差，采用OriginPro 8.0作图，并与常规扇形束CT的HU-ED曲线相比存在较大差异，如图1所示。

图1 不同扫描条件下HU-ED曲线Fig. 1 HU-ED curves under different scanning conditions

2.2 剂量分布与剂量体积直方图

图2和图3显示对于均匀与非均匀组织密度模体在不同临床扫描条件下CBCT计划与各自扇形束CT计划的剂量分布，结果无太大差异；同样对于各计划的剂量体积直方图也非常相似，如图4及图5所示。

图2 CTP486模块不同扫描条件下各组计划剂量分布Fig. 2 Dose distribution of CTP486 under different scanning conditions

图3 CTP404模块不同扫描条件下各组计划剂量分布Fig. 3 Dose distribution of CTP404under different scanning conditions

图4 CTP486模块不同扫描条件下各组计划剂量体积直方图Fig. 4 DVH of CTP486under different scanning conditions

图5 CTP404模块不同扫描条件下各组计划剂量体积直方图Fig. 5 DVH of CTP404 under different scanning conditions

2.3 剂量学参数

CBCT图像序列靶区体积均小于其相应扇形束CT，(CTP486模块M: －1.14%；CTP404模块M: － 3.63%)。对于PTV平均剂量，与扇形束CT计划相比，Dmean[PTV-SDH]: 0.56%；Dmean[PTV-HQH]: 0.63%；Dmean[PTV-Pelvis]: 0.59%。HI：对于CTP486和CTP404模块，不同扫描条件下的CBCT计划均与其相应扇形束CT计划无差别(M:0)。对于CI而言，与扇形束CT计划相比CI[Pelvis]值偏差最小(－1.67%)，CI[SDH]值偏差最大(－3.30%)；CTP486模块CBCT计划的CI比CTP404更接近于扇形束CT计划(CI[486]: －1.08%; CI[404]: －4.07%)。

对于Organ最大剂量，两模块在不同临床扫描条件下CBCT计划与扇形束CT计划偏差绝对值的均值，Dmax[Organ-HQH]值最大(0.86%)；Dmax[Organ-Pelvis]值最小(0.51%)，而对于Organ平均剂量，Dmean[Organ-HQH]值最大(0.41%)；Dmean[Organ-SDH]值最小(0.19%)；其中偏差(%)=(Plan[CBCT]-Plan[kVCT])/ Plan[kVCT]×100%，具体数据如图6、7所示。

图6 不同扫描条件下CBCT计划靶区参数相对kVCT偏差值Fig. 6 Errors of PTV vs. kVCT under different scanning conditions

图7 不同扫描条件下CBCT计划危及器官参数相对kVCT偏差值Fig. 7 Errors of organs vs. kVCT under different scanning conditions

3 讨论

CBCT技术已广泛应用于临床，但由于其自身技术构造及重建算法，与扇形束CT相比CBCT图像包含大量的散射，进而导致其图像HU值与诊断CT存在较大差异[7]，Yang等研究发现CBCT横断面图像重建依赖于整个体积的散射[8]，不同密度组织的HU值与标准HU值各存在一定差异[9]；Richter等[10]研究发现CBCT图像与CT图像的HU值平均偏差为564±377，且CBCT图像的HU值与扫描条件存在直接关系。同时由于kV-CBCT的射线能量为千伏级，射线与物质的相互作用主要以光电效应为主，吸收与物质的原子序数相关，在高密度组织区域伪影较重，进而导致HU值偏差较大。本研究中由于扫描条件不同而由同一模体所建立的HU-ED曲线存在一定差异，对于密度为4.51 g/cm3高密度组织插棒CBCT图像的HU值均高于kVCT（216%），且头部扫描模式与盆腔也存在较大差异（116%）。

为了进行剂量计算，需要知道组织结构的平均密度或相对电子密度，CT图像中不同组织结构的HU值是已知的，经过变换可转换成相对电子密度。因图像采集设备不同，同一组织结构不同CT图像的HU值存在一定变化，进而对剂量计算的准确性产生一定的影响。为探讨剂量差异性，很多学者进行了大量的研究[11-13]。Kavitha S 等研究[14]显示：利用模体CBCT图像进行计划设计其剂量与计划CT的差异为1%～3%；Yusuke等[15]对CBCT图像剂量计算的准确性进行评价，结果显示调整后CBCT与计划CT在Dmin，Dmax和Dmean方面的差别小于1%；李奇欣等[4]采用CBCT自身HU-ED曲线设定计划对11例鼻咽癌患者进行研究，结果显示CBCT计划与计划扇形束CT的靶区剂量差异＜1%，危及器官受量差异＜2%。

为了适应不同的扫描部位而设定不同的临床扫描模式（如SDH、HQH及Pelvis），而各扫描模式的成像参数、滤线器、重建精度及机架旋转范围均存在较大差异，势必对所得图像质量产生一定的影响。本研究通过对不同扫描条件下CBCT图像采用各自HU-ED曲线进行剂量计算，并与相应扇形束CT计划相比较，发现无论模块组织密度是否均匀对于靶区的Dmax、Dmean、PTV95及PTV100的偏差均小于±2%；HI无任何差异；而对于CI，由于组织密度不同CTP404模块的偏差均大于CTP486，偏差最大为－4.44%；对于CTP486模块其CI偏差随着扫描电压、扫描电流的增加及机架旋转范围的增大而减少，CI[Pelvis-486]偏差为0。由于CI是与靶区剂量体积相关的参数，本研究对通过配准移植到重建后CBCT图像上的靶区体积进行分析，发现均有不同程度地减小(CTP486模块M:－1.14%；CTP404模块M: －3.63%)，而 CTP404模块Pelvis扫描条件下靶区体积偏差甚至达到－4.00%；靶区体积均为重建所得，重建网格及由于扫描条件不同而导致CBCT图像质量的差异均对其重建精度造成一定影响。对于危及器官而言，其Dmin、Dmax及Dmean偏差均小于±2%。

总之，尽管不同扫描条件下CBCT图像剂量计算与其扇形束CT存在一定差异，但利用CBCT图像进行直接剂量计算的可行性得到了进一步验证，为CBCT图像用于在线自适应放疗提高靶区照射精度奠定一定基础。

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R812

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.019

1671-7104(2017)02-0146-04

2016-09-20

解放军总医院临床科研扶持基金(2016FC-TSYS-1007)

巩汉顺，E-mail: gonghanshun123@163.com

徐寿平，E-mail: shouping_xu@yahoo.com