螺旋断层加速器MVCT图像用于头颈部剂量计算的研究

戴相昆，王运来，冯林春，俞 伟

解放军总医院海南分院放疗科，三亚市，572000

螺旋断层加速器MVCT图像用于头颈部剂量计算的研究

【作 者】戴相昆，王运来，冯林春，俞 伟

解放军总医院海南分院放疗科，三亚市，572000

目的 评估螺旋断层加速器兆伏级CT图像进行头颈部剂量计算的可行性和准确性。方法 使用Cheese Phantom测量MVCT电子密度校准曲线，采集10例鼻咽癌病例的常规CT图像设计调强计划，将计划保持参数不变移植到MVCT图像上进行剂量重算，将重算剂量结果与原计划进行比较，并验证剂量重算的准确性。结果 MVCT的CT值与电子密度呈较好的线性和稳定性，相对剂量分布保持一致，绝对剂量误差均小于±3%。结论 MVCT图像进行头颈部剂量计算具有较好的可靠性，符合临床应用要求。

螺旋断层加速器；扇形束兆伏级CT；头颈部肿瘤；剂量重算

螺旋断层加速器是一种集调强放射治疗和影像引导放射治疗于一体的新型治疗设备，是直线加速器和螺旋扫描CT机的结合[1]。螺旋断层加速器采用MV级扇形束对患者进行扫描，可以在治疗前或治疗中获取MVCT图像，然后对患者MVCT和计划KVCT的图像进行配准，根据配准结果可以获取患者治疗前和治疗中患者的位置误差并进行修正，从而保证患者治疗的准确性。同时每天采集的MVCT图像可以用来评估患者体型或解剖结构变化对剂量的影响，这个功能也是实现自适应放疗的前提之一[2]。基于图像的剂量重算均要求对CT值与电子密度进行转化，因此必须建立电子密度校准曲线。由于MVCT具有的特性，其电子密度校准曲线的具有不同于kVCT的不确定性，其电子密度校准曲线的不确定性将转化为剂量计算的不确定性。我们将建立MVCT的CT值-电子密度校准曲线，并测试不同的MVCT参数设置对校准曲线的影响。选择实际鼻咽癌病例，比较基于MVCT图像计划与基于kVCT图像计划的剂量分布，并对重算剂量准确性进行验证[3]。

1 材料与方法

1.1 影像设备

计划kVCT图像采用Philips Big Bore大孔径CT进行扫描，扫描层厚为3 mm。MVCT图像由螺旋断层加速器获取。该系统由滑环机架和位于放射源对侧的氙气探测器阵列组成，它使用GE 环形充氙气体电离室，共有738个通道，其中540个用于MVCT成像，其他探测器用于测量本底。每个通道用25.4 mm长和0.32 mm宽的钨片分隔成两个空腔，空腔内为氙气，氙气的气压约为5个大气压。电离室通道之间的间隔为1.21 mm。收集每个电离室通道两个空腔产生的电荷量形成探测信号。源到探测器的距离为145 cm，源到等中心的距离为85 cm。视野大小由多叶准直器叶片的宽度决定，叶片在等中心的最大投影宽度为40 cm，MVCT的FOV为40 cm。探测器阵列的曲率半径为110 cm[4]。螺旋断层治疗机MVCT在进行扫描时其能量经由6 MV调制至3.5 MV，铅门宽度为5 mm，等中心处射野宽度为400 mm。当患者穿过治疗机孔径时，机架连续的旋转，获取患者的MVCT图像。断层放射治疗机MVCT的能量和强度是固定的，可调参数为螺距比。螺距比的定义为射野在等中心处的长度与机架每旋转一圈时治疗床前进的距离的比值。螺旋断层治疗机MVCT共有三种扫描模式，分别为Fine、Normal和Coarse，对应图像层厚分别2 mm、4 mm、6 mm，对应的螺距为1、1.6、2.4。螺距比的改变对图像质量有一定的影响，增大螺距比会降低长轴方向的分辨率，同时减少吸收剂量，国内对MVCT成像剂量已有相关报道[5-6]。将获取MVCT图像与kVCT图像进行配准，图像配准工作均由物理师在医师的帮助下进行。使用Tomo Adaptive软件自带配准程序进行配准，并在冠状面、横断面和失状面三个方向上进行配准，配准方式为先自动配准，然后再手动调整，配准过程中可对MVCT图像进行平移和旋转调整。

1.2 MVCT校准曲线

CT图像的电子密度校准是进行剂量计算的基本条件，电子密度的稳定性是CT值完整性的重要参数，因此我们必须保证电子密度校准曲线的稳定性[7]。我们使用 Cheese Phantom圆柱形固体水模体和不同电子密度插棒组合而成的电子密度CT体模建立MVCT的CT值—电子密度校准曲线，并通过研究MVCT参数设置的变化对校准曲线的影响来测试MVCT值的稳定性。

Cheese Phantom圆柱形模体的材料为固体水，其直径为30 cm，厚度18 cm。在横断面上共有20个插孔用来插入密度棒。其中内环8个插孔，外环有12个插孔。模体共有12根组织等效插棒，等效组织插棒相对于水的电子密度等效值范围从0.29到1.824。如图1(a)为模体扫描后得到MVCT图像，图1(b)为不同密度插棒排列的对应位置。

使用Fine、Normal和Coarse三种扫描方式分别对模体进行扫描，由扫描图像分析校准曲线随扫描参数变化而产生的改变。获取的MVCT图像在TomoconTM图像工作站进行数据采集和分析。

图1 模体扫描前后对比图Fig.1 Comparison fi gure before and after phantom scan

1.3 计划剂量与重算剂量比较

选取临床治疗的10例鼻咽癌患者，获取大孔径CT图像后上进行调强治疗计划的设计。具体螺旋断层加速器参数设置为射野宽度2.5 cm，螺距比为0.32，调制因子为2.186，处方剂量为PGTV为70 Gy/33次，亚临床病灶PTV为60 Gy/33次。将原治疗计划移植到螺旋断层加速器获取的MVCT图像，采用MVCT电子密度校正曲线进行校准后进行剂量重算。分析基于MVCT剂量重算的结果和基于大孔径CT图像计算得到的剂量分布，比较MVCT重算计划和常规CT计划的剂量体积直方图（DVH）和等剂量曲线分布图。

1.4 剂量准确性验证

收集10例鼻咽癌患者对其MVCT计划重算剂量进行验证。验证方法与螺旋断层加速器调强计划验证方法相同[8]。绝对剂量中采用0.056 cm3A1SL电离室，相对剂量则采用柯达EDR2慢感光胶片进行验证。选用圆柱形固体水模体(Med—Cal，USA)，直径为30 cm，长为18 cm。根据电离室测量数据，计算出电离室参考点的剂量误差。照射后将EDR2胶片进行冲洗，VidarAdvanced Pro胶片扫描仪扫描后输入到治疗计划系统胶片分析系统中，定性分析胶片测量的横断面剂量分布。将计算剂量分布和测量剂量分布叠放在一起，观察等剂量曲线的一致性。当靶区剂量参考点剂量误差≤±3%，则表明计划结果可接受。

2 结果

2.1 MVCT值电子密度校准曲线

将MVCT图像传输至TomoconTM图像工作站，读取每个插棒的MVCT值和标准偏差，使用OriginPro7.5软件得出相对电子密度和MVCT值的曲线。图2显示了螺距对电子密度校准曲线的影响。在Fine、Normal和Coarse三种扫描方式所得的结果中，MVCT值变化几乎没有变化，因此我们认为螺距比对MVCT值产生的影响可以忽略。由于MVCT图像的剂量重算需要选择一个有代表性的CT值到电子密度校准曲线，因此我们将三种测量结果取平均值，根据平均值重建了平均电子密度校准曲线。后面的MVCT图像的剂量重算将采用平均校准曲线。

图2 MVCT的电子密度校准Fig.2 Electron density calibration of MVCT

图3 MVCT图像与kVCT剂量分布比较（上为 kVCT,下为 MVCT）Fig.3 Dose distribution compared between kVCT and MVCT (up: kVCT, down: MVCT)

图4 MVCT图像与kVCT剂量DVH比较（实线:kVCT;虚线:MVCT）Fig.4 MVCT images and kVCT dose DVH comparison (solid line: kVCT; dashed: MVCT)

图5 MVCT与kVCT绝对剂量差值分布Fig.5 Absolute dose distribution of the difference between MVCT and kVCT

图6 10例鼻咽癌患者MVCT图像重算剂量的绝对剂量误差分布Fig.6 Absolute dose error of MVCT image recalculation dose for 10 NPC patients

2.2 剂量比较结果

获取MVCT图像时，所有病例的扫描范围均要求包含全部靶区。由前面的研究可知扫描螺距对MVCT剂量重算的影像可以忽略[2]，因此我们仅选择临床常用的Normal方式进行扫描。获取MVCT图像后，我们首先在Tomo Adaptive软件中将MVCT图像和kVCT图像进行位置配准，保证其位置准确性。然后采用平均MVCT值电子密度校准曲线进行校准。将原治疗计划保持所有计划参数不变并移植到MVCT图像上并重新进行剂量计算，由此得到基于MVCT图像的剂量分布。由于在Tomo Adaptive软件中所得到的剂量信息均为单次照射的剂量分布，因此我们下面比较的都为单次照射的剂量分布信息。图3中给出了MVCT图像和kVCT图像的同一层面的剂量分布，图4中给出了两种计划的DVH图比较结果。经过比较我们发现MVCT重算剂量与kVCT剂量具有很好的一致性[3]。

由Tomo Adaptive软件我们还可以得出kVCT剂量和MVCT重算剂量的绝对剂量差值分布，如图5所示，我们发现单次照射剂量的最大差值在±0.09 Gy范围以内。

2.3 重算剂量准确性验证

绝对剂量验证考虑选取剂量梯度变化较小区域的点剂量进行验证。图6显示了10例鼻咽癌患者MVCT图像重算剂量的绝对剂量验证结果。由图我们可以看出模体中绝对剂量点测量误差分布情况，其分布范围均处于±3%以内，平均偏差为1.27%。

相对剂量验证考虑模体计划中某一平面剂量分布是否与实际照射中相应平面的测量结果相一致。如图7所示，通过模体中胶片放置层面计算剂量分布，其中图7为任意曲面剂量曲线分布比较。实际测量结果进行定性比较分析，测量剂量分布与计划系统计算结果基本保持较好的一致性。

图7 模体中EDR2胶片测量(灰色)与计算剂量 (黑色)的比较结果Fig.7 Dositry compared between MVCT and kVCT

3 讨论

根据Langen KM，Meeks SL等[2]的研究可知有两种方法可以通过MVCT图像获取剂量分布。第一方法是使用出射剂量用于重建患者体内的吸收剂量。即根据螺旋断层加速器的氙气探测器阵列接受的出射剂量的信号推算照射剂量的注量图，然后用注量图重新计算MVCT图像中解剖结构的剂量分布，其方法较为复杂。第二种方法是使用治疗计划的剂量注量图在MVCT图像上重算剂量分布。这种方法不使用出射剂量且更容易实现，因此目前评估治疗过程中解剖结构的变化而造成的治疗计划实施的误差多采用这种方法[3]。

康普顿散射是kV级和MV级能量的射线在组织中的主要的光子衰减模型。kV级射线由于能量较低，其对骨组织等一类的高原子序数物质作用过程中光电效应贡献增加，这就导致CT值随着电子密度和材料的原子序数的增加而增加。对于MV级较高能量即使是作用于更高原子序数的物质，其中光电效应对光子衰减的贡献也可以忽略，因此MVCT值的电子密度校正曲线可以认为是线性的[3]。本文得到的结果也显示出MVCT值和电子密度曲线之间的线性关系。

在早期的报道中有人提出扇形束和锥形束CT图像中会出现杯状失真，这个杯状失真会导致影像中心部分的暗化。因此在建立图像电子密度校准曲线之前，首先应该对MVCT图像进行均匀性校正。而我们在MVCT图像质量的测试中未发现杯状失真[9]，因此我们并没有对MVCT图像进行均匀性校正。而螺距比的改变对MVCT值的影响也可以忽略，我们的结论也符合这一预期。

由于鼻咽癌患者治疗周期较长，通常在6～8周，因此治疗过程中患者会出现体重的减轻及肿瘤的退缩等一系列改变，这必定会带来一定的剂量学误差。因此我们在进行实验时均选择刚刚接受治疗的患者，以减小这一原因产生的剂量学差异。通过二维剂量分布以及剂量体积直方图等的比较，结果表明MVCT剂量重算与kVCT剂量之间具有较好的一致性[3]。我们采用电离室和EDR2胶片对重算剂量的准确性进行验证。在验证过程中我们考虑了徐寿平等[8]提出的在螺旋断层放疗系统调强放疗验证过程可能产生误差的因素，验证结果表明基于MVCT图像的剂量重算具有较好的准确性，符合临床应用的要求。

在对10例鼻咽癌患者MVCT图像进行剂量重算的研究之后，我们发现MVCT剂量重算没有表现出剂量学方面的不稳定性，同时使用MVCT图像进行剂量计算的精度和kVCT上的剂量计算精度相近，具有较好的可靠性和稳定性。因此我们认为基于每天扫描获取的MVCT图像，可以使用剂量学重建技术进行剂量重算从而得到可靠的剂量分布，对照射靶区以及正常器官的受量进行评估。并且根据前次治疗分次的剂量重算结果，可以为医师提供基于每天扫描的MVCT图像的剂量信息，从而为剩余治疗分次进行自适应计划的必要性和可能性提供临床依据[3]。

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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

俞伟，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.