调强放疗中金属植入物及伪影的消减技术

王 勇 孙彦泽 赵培峰 孙建猛 周 钢

1（苏州大学附属第二医院放疗科 苏州215004）

2（苏州大学放射肿瘤治疗学研究所 苏州215004）3（苏州市肿瘤放射治疗重点实验室 苏州 215004）

在现代肿瘤放射治疗中，CT 图像常用于放射治疗三维剂量分布计算。剂量计算准确性的基本要求是CT图像重建HU的精确，HU值不正确可能会导致电子密度标定的误差。人体由密度不同的结构组成，例如软组织、骨骼、牙齿、肺和空气空腔等。除了这些生物异质性以外，人工的生物相容性材料也可能存在，例如髋关节假体、脊髓固定植入物、下颌骨重建物和牙科填充物等。通常，这些植入物是由高原子序数（高Zeff）金属材料组成，会在CT 图像上造成众所周知的金属伪影［1］。这些金属伪影是由于射线束硬化、泊松噪声、康普顿散射、边缘效应和光子饥饿等导致，可能导致放疗剂量计算偏差［2-4］。另外，金属伪影也会影响视觉效果，对肿瘤靶区和危及器官的准确勾画及边界的确定产生影响。本文利用模体评估了金属植入物及其伪影对治疗计划的剂量计算的影响，并探讨了利用密度填充（Density filling，DF）及金属伪影消减技术（Metal artifact reduction，MAR）处理后，在容积旋转调强治疗（VMAT）计划中对剂量计算准确性的改善，为临床设计带金属植入物患者的放疗计划提供参考。

1 材料与方法

1.1 模体设计及图像采集

模拟髋关节置换患者在调强模体（CIRS model 002H9K， Norfolk， VA）中插入两根直径为2.5 cm 的不锈钢金属棒，调整模体位置，将电离室（PTW，TW30013）的有效测量体积几何中心置于两根金属棒所在平面内中间位置的B 点［5］。利用带有金属伪影消减技术（MAR）的大孔径模拟CT（GE， 590RT）进行扫描，获取未使用MAR技术的常规图像CTNorm以及使用MAR校正处理的图像CTMAR，将图像传至Monaco 放射治疗计划系统（Elekta，Version 5.11）。根据电子密度模体（CIRS 062M）上标准材料的物理密度及相对电子密度值进行线性拟合，获取不锈钢金属棒的相对电子密度为6.61，在CTNorm和CTMAR图像中分别勾画出金属棒区域，并对金属棒进行密度填充（DF）得到CTDF图像和CTMAR+DF图像。在所有图像中勾画出电离室的有效测量体积并构建治疗床以模拟治疗床对剂量的衰减［6］。本文计划系统中所计算的和在加速器照射条件下实际测量的电离室有效体积剂量均指吸收剂量。

1.2 模体VMAT计划剂量学比较

在模体的CTNorm图像中勾画出靶区PTV（包含B点）和危及器官，处方剂量为200 cGy，设计全弧（360°，图1（a））和分段弧VMAT计划（图1（b））两种类型的治疗计划，分段弧的路径避开金属区域。计划完成后通过图像配准将靶区及危及器官复制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF图像中，调强计划也保持原射野参数不变进行移植，获取两种图像的剂量计算结果。在医科达加速器上实施VMAT 计划并对剂量进行实际测量后，分析比较各类图像的剂量计算误差。

图1 全弧VMAT计划(a)与避开金属区域的分段弧VMAT计划(b)设计示意图Fig.1 Design of full arc VMAT plan(a)and part arc VMAT plan(a),the part arc avoiding metal area

1.3 临床病例VMAT计划剂量学比较

选取6例椎体中植入金属钢钉并接受腹膜后放疗的患者，获取CTNorm和CTMAR图像。在治疗计划系统中利用自动勾画功能，设置CT值的阈值大于3 070 HU，勾画出植入的金属钢钉区域进行密度填充，获得患者的CTNorm+DF和CTMAR+DF图像。在CTNorm图像中设计VMAT计划，为减少肠道的受照剂量，弧角度设置尽量避免从患者的肠道入射，因此有部分弧的入射路径通过了植入的金属钢钉。计划完成时处方剂量覆盖95%的PTV，靶区最大剂量尽量不超过处方剂量的110%。计划完成后复制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF图像中，评估计划结果的差异。评估参数包括PTV的最大剂量Dmax、最小剂量Dmin、平均剂量Dmean、处方剂量覆盖靶区相对体积VDp、均匀指数（Homogeneity index，HI）及适形指数（Conformal index，CI）。

1.4 统计分析

在Excel软件中对剂量的计算及测量结果进行统计学分析；在临床病例剂量学研究中，利用SPSS23.0 软件对4 种计划计算结果两两进行配对t检验，p＜0.05 为差异有统计学意义，采用OriginPro 8.0 软件进行数据的拟合及作图比较分析。

2 结果

2.1 模体中VMAT计划剂量计算差异

表1为设计的VMAT全弧计划与避开金属区域的分段弧计划剂量计算结果。在常规CT 图像中，避开金属区域的分段弧计划可降低计算剂量与实测剂量的计算差异（4.97%vs.6.14%）。常规CT图像经密度填充后计算差异明显改善（2.35%vs.6.14%），由于部分弧避开金属区域差异变化不明显（4.64%vs.4.97%）。经金属伪影消减技术校正后的图像中，避开金属区域的分段弧计划较全弧计划明显提高了剂量计算精度（0.16%vs.5.57%），采用金属伪影消减技术和密度填充校正后的图像全弧计划和分段弧计划较常规图像的计划显著提高剂量计算的精度（2.14%vs.6.14%，0.42%vs.4.97%）。

表1 各种图像校正后VMAT计划的剂量计算差异Table 1 Dose calculation differences of VMAT plans after various image corrections

2.2 临床病例VMAT剂量计算差异

如图2 所示，常规图像CTNorm上设计的VMAT计划，在复制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF图像时，靶区的剂量覆盖率及等剂量线分布有较大的改变。进一步分析显示，4种图像计算结果中靶区的剂量学参数差异均无统计学意义（p＞0.05）；所有参数比较中，CTMAR与CTNorm计算结果相当；对于Dmin，CTNorm+DF和CTMAR+DF分别相对CTNorm减少5.53%和4.91%；对于Dmean，CTNorm+DF和CTMAR+DF分别相对CTNorm减少1.14%和0.92%（p＜0.05）；对于VDp，CTNorm+DF和CTMAR+DF分别相对CTNorm减少8.45%和6.68%；对靶区剂量的均匀度和适形度，CTNorm+DF和CTMAR+DF相对CTNorm的均匀性和适形性都有所降低，详见表2。

图2 椎体金属植入物患者VMAT计划在4种图像中的剂量结果示例：(a)利用CTNorm图像设计计划的等剂量线分布图；(b)将计划复制到CTMAR图像的等剂量线分布图；(c)将计划复制到CTDF图像的等剂量线分布图；(d)将计划复制到CTDF+MAR图像的等剂量线分布图Fig.2 Examples of dose distribution results of the VMAT plan with vertebral metal implant patients(a)is the isodose distribution with CTNorm image;(b)is the isodose distribution recalculated with CTMAR image;(c)is copy the plan to the isodose distribution recalculated with CTDF image;(d)is the isodose distribution recalculated with CTDF+MAR image

表2 6例患者靶区剂量学参数在4种图像中计算结果比较Table 2 Comparison of the PTV dosimetric parameters results of 6 patients in four CT images （-x ± s）

3 讨论

在肿瘤放射治疗CT模拟定位图像中，金属伪影的产生不仅会影响疾病的诊断和肿瘤靶区的勾画准确度，还会影响剂量计算的精度。有研究表明，采用16 bit 的CT 图像能更准确地读取金属植入物的CT值，经扩展CT-ED曲线的方法可以提高计划系统中剂量计算的精确度［7-8］。此外，也有研究表明双能CT优于金属去伪影技术（MAR）可以更好地减少金属植入物的影响［9-10］。目前，大多数放疗单位使用的是常规的12 bit CT 模拟定位机，图像CT值显示范围为-1 024～3 071 HU，超过该范围的高密度材料都显示为最大值3 071 HU。金属植入物的CT值一般远大于3 071 HU，所以采用常规CT对这类患者进行放疗定位可能会给后续治疗计划的设计带来额外的计算误差［7］。近年来大多数商用模拟定位CT带有金属去伪影消减技术，但是基于目前最常用的12 bit CT 模拟定位机并不是所有单位都具有MAR技术。基于此，本研究在已知金属植入物密度的前提下，在计划系统中对图像里面的金属区域进行密度填充，还原其真实的电子密度信息，同时结合模拟定位CT的金属伪影消减技术，减少植入物附近组织CT值的误差。

当射野的入射路径通过金属区域时，由于图像中金属区域的CT值远低于实际值，计划系统中默认该金属区域电子密度低于实际值，从而低估了金属区域对X 射线的衰减，使得计划系统对射野在金属植入物后方组织的剂量计算结果大于实际测量结果，从而导致剂量的计算结果偏高。本研究结果显示，入射路径避开金属区域能够减少剂量误差，分别采用DF和MAR技术进行处理后，都能使剂量计算误差明显减少，DF 较伪影消减技术更明显。当采用DF和伪影消减技术相结合的方式时，可使计算误差进一步减少。在进行VMAT计划设计时，应尽量避开金属区域采用分段弧设计的方法。在临床病例VMAT 计划所有参数比较中，CTMAR与CTNorm计算结果相当，差异较小；对于Dmin、Dmean、VDp，CTNorm+DF和CTMAR+DF相对CTNorm均减少；CTNorm+DF和CTMAR+DF适形性和均匀性分别相对CTNorm均有所降低。

在放射治疗剂量计算中，基于含金属植入物的CT图像剂量计算误差主要包括：金属植入物的CT 值与实际值的偏差和金属伪影导致周围正常组织CT值与实际值的偏差［5］。从本文的研究结果可见，金属去伪影消减技术能够消除图像中大部分的金属伪影，患者体内的金属植入物是影响剂量计算准确度的主要因素，即使在CT模拟机没有伪影消减技术的条件下，单独采用DF技术处理金属区域，也能有效提高放疗计划的计算准确度。去伪影消减技术结合密度填充处理可以进一步提高剂量计算的精度。