基于锥形束CT 的直肠癌患者放疗中实际吸收剂量探讨

陈立明 付 娟 张艳龙 明 鑫 王克强 段敬豪 孟慧鹏,

1（武警特色医学中心 天津300162）

2（天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津300072）

3（天津医科大学生物医学工程与技术学院 天津300050）

随着放疗技术的不断发展，自适应放疗（Adaptive radiotherapy，ART）的相关研究越来越多，该技术尚未较好实现的一个目标是跟踪分次治疗中的肿瘤变化和患者已接受的剂量分布［1-3］。在放射治疗中，计划设计与患者治疗中实际的吸收剂量通常会有一定差异，较准确地追踪患者实际接受的剂量，是实现ART 的基础，也为后续定量评估治疗效果提供数据支持。锥形束CT（Conebeam CT，CBCT）以其成像快速、射线利用率高等特点成为放疗中不可缺少的有力工具［4-5］。前期的研究已证实基于散射校准的锥形束CT可实现高精度的剂量计算［6-7］，本研究将基于锥形束CT及在线位置验证的摆位误差数据探讨直肠癌患者放疗中的实际吸收剂量。通过比较实际吸收剂量和计划设计剂量之间的差异，分析直肠癌放疗中危及器官（Organ at risk，OAR）和靶区的剂量学变化特点。

1 材料和方法

1.1 病例与仪器

病例选取在武警特色医学中心2012 年12 月至2016 年12 月期间进行放疗的直肠癌RapidArc 病例20 例，其中男性11 例，女性9 例，中位年龄55（41～64）岁，实验数据的使用已经过该院伦理委员会批准，批准编号为：PJHEC-2016-A18；CBCT散射校准采用自行开发的CITK（Cone-beam CT imaging toolkit）工具包［7］；CBCT 图像与计划CT（pCT）图像的配准使用Varian 公司（美国）软件Registration 10.0；计划设计及剂量计算使用Varian公司的软件Eclipse 10.0。

1.2 方法

1.2.1 数据获取

20 例直肠癌患者在CT 定位前1 h 均排空膀胱和直肠，并饮用500 mL 温水，定位采用的体位固定方式为热塑体膜加定位板。为了保证膀胱充盈度相同，每次治疗前1 h均采取与定位时相同的操作。为了便于比较，本实验所选择的病例放疗处方均为5 000 cGy/25 f/5 week，计划设计时要求至少95%的靶体积被处方剂量包绕，计划优化时OAR的限量参照临床常规要求执行。

实验需要的数据为20 例患者的pCT、CBCT、在线配准的摆位误差数据。其中pCT 相关数据包括每例患者的原始断层CT 图像（像素512×512、层厚5 mm）、RapidArc 放疗计划的靶区及OAR 轮廓信息、基于pCT图像的治疗计划信息。pCT相关数据已存在于Eclipse 系统中，选取相应的病例备用即可。CBCT数据需收集每例患者首次治疗及治疗期间每周一次的CBCT相关数据，每次均收集全套原始投影文件，经CITK工具包散射校准并三维重建为与pCT 规格相同的断层图像。此外，还收集每例患者每周一次共计5次的摆位误差数据。

1.2.2 实验设计

实验的基本思想是将pCT 图像的治疗计划移植到散射校准后的CBCT图像上生成初始CBCT计划，该计划经每周的摆位误差数据修正等中心位置后进行剂量计算，生成修正后的CBCT计划，记为CBCTn计划（n 的取值为1～5，分别对应5 周的CBCT）。5 周的CBCT 计划剂量叠加得到总的CBCT计划，通过该计划与pCT计划的比较，探讨直肠癌患者调强放疗中实际吸收剂量与治疗计划剂量之间的差异。

（1）基础数据准备。从Eclipse 系统中选取20例直肠癌病例的pCT 计划数据，并记录治疗期间首次治疗和之后每周一次的CBCT摆位误差数据。

（2）CBCTn计划的生成。CBCTn计划生成时首先将散射校准后的CBCT 图像与pCT 图像通过Registration 10.0 软件配准（刚性配准）， 然后将pCT 计划（记为PCT）中的靶区、OAR、计划数据移植到CBCT图像上，接着人为将计划的等中心位置移动（结合摆位误差数据），最后使用CBCT 的HU-RED （Hounsfield unit-relative electron density）曲线进行剂量计算，计算网格大小与pCT 治疗计划一致。

（3）CBCTn计划的后处理。移植于pCT 计划的5套CBCT计划处方剂量均为5 000 cGy/25 f，每周患者实际接受的处方剂量为1 000 cGy/5 f，因此将5 套CBCT 计划的治疗次数均由25 次调整为5次，即每套CBCT计划的总处方剂量为1 000 cGy。在此基础上通过Eclipse 的计划叠加功能将处理过的5 套CBCT 计划叠加，生成新的CBCT 计划，记为PCBCT。

（4）PCT与PCBCT的比较。本研究中假设PCBCT的剂量结果即为患者实际治疗中各组织的吸收剂量，最终比较分析靶区和OAR 的剂量学参数，具体采用的比较参数见1.2.3节。

1.2.3 评估方法

两种计划通过剂量体积直方图（Dose volume histogram， DVH）比较靶区和OAR 的剂量差异，针对靶区还评估临床中常用的适形指数（Conformity index，CI，Ic记为变量）和均匀性指数（Homogeneity index，HI，Ih记为变量）。适形指数Ic=VT.ref/VT×VT.ref/Vref，式中：VT为靶体积；VT.ref为参考等剂量线面所包绕的靶区体积；Vref为参考等剂量线面所包绕的所有区域体积。靶区剂量均匀性指数Ih=（D2-D98）/D50×100%，式中：D2、D98和D50分别为2%、98%和50%体积的靶区受到照射的剂量。CI指数越接近1表示靶区适形度越好，HI指数越小表示靶区均匀性越好。

记录的参数PTV 包括D2、D98、D50、CI、HI；OAR 包括左、右股骨头、膀胱、小肠，均统计Dmean、D5、V20、V30和V40。剂 量 学 参 数 结 果 使 用SPSS 19.0 软件计算得出均值、标准差等统计学参数，并对两种计划的结果进行配对t检验分析，当p＜0.05时，认为差异有统计学意义。

2 结果

20 例患者两种计划的靶区剂量学参数结果见表1。由表1可知，PCBCT与PCT相比，D2、D98、D50、CI、HI 的平均值均一定程度减小，差异依次为2.8%、2.5%、2.9%、2.0%、4.4%，均有统计学意义（p＜0.001），t 值最大为315.69，最小为5.31。20例患者两种计划的OAR剂量学参数结果见表2。由表2 可知，PCBCT与PCT相比，Dmean、D5、V20、V30和V40在左、右股骨头中的差异均较小，两种计划各参数平均值的差异最大为0.3%，最小为0.1%，但差异有统计学意义（p＜0.001），t 值最大为51.77，最小为6.80；在小肠中PCBCT与PCT相比，Dmean、D5、V20、V30和V40的平均值均一定程度增大，差异依次为3.0%、3.1%、2.5%、3.1%、3.6%，均有统计学意义（p＜0.001），t值最大为37.93，最小为8.82；膀胱的结果与小肠类似，PCBCT与PCT相比，Dmean、D5、V20、V30和V40的平均值均一定程度增大，差异依次为3.0%、1.8%、0.9%、3.2%、3.4%，均有统计学意义（p＜0.001），t 值最大为190.66，最小为15.31。图1 为其中1 例患者两种计划DVH 图的对比。由图1 可知，PCBCT与PCT相比，靶区的覆盖明显变差，尤其在低剂量区，具体表现为DVH曲线左移，随着剂量的增加差异逐渐减小；左、右股骨头的剂量曲线几乎重叠，整体表现为PCBCT的吸收剂量略增加（左股骨头D85以上覆盖的区域除外）；小肠和膀胱的表现类似，PCBCT与PCT相比，DVH曲线均右移，PCBCT的吸收剂量均高于PCT，且均表现为低剂量区的差异大于高剂量区的。

表1 靶区剂量学参数结果Table 1 Results of target dosimetric parameters (，n=20)

表1 靶区剂量学参数结果Table 1 Results of target dosimetric parameters (，n=20)

参数(PTV)Parameters pCT CBCT D2/cGy D98/cGy D50/cGy CI HI t p 5 243±64 5 087±70 55.54＜0.001 4 872±69 4 751±67 315.69＜0.001 5 105±50 4 944±49 48.33＜0.001 0.865±0.022 0.847±0.021 178.46＜0.001 0.071±0.018 0.068±0.018 5.31＜0.001

表2 OAR剂量学参数结果Table 2 Results of OARs dosimetric parameters (，n=20)

表2 OAR剂量学参数结果Table 2 Results of OARs dosimetric parameters (，n=20)

参数(PTV)Parameters左股骨头Femoral head_L pCT CBCT t p右股骨头Femoral head_R pCT CBCT t p小肠Small intestine pCT CBCT t p膀胱Bladder pCT CBCT t p Dmean/cGy 2 229±193 2 224±192-51.77＜0.001 2 140±282 2 144±283 33.89＜0.001 2 753±441 2 835±454 27.92＜0.001 3 786±185 3 899±190 91.55＜0.001 D5/cGy 3 164±297 3 174±298 47.68＜0.001 2 986±485 2 992±286 27.56＜0.001 4 345±512 4 480±528 37.93＜0.001 4 952±116 5 042±118 190.66＜0.001 V20/%75.54±7.51 75.47±7.50-45.01＜0.001 77.09±10.08 77.71±10.09 34.20＜0.001 59.65±11.4 61.14±11.68 23.40＜0.001 97.52±2.27 98.36±2.17 15.31＜0.001 V30/%17.28±8.18 17.32±8.19 9.45＜0.001 13.70±8.94 13.73±8.95 6.80＜0.001 38.25±10.32 39.44±10.64 16.57＜0.001 74.75±6.34 77.14±6.55 52.69＜0.001 V40/%1.72±0.93 1.72±0.94 8.21＜0.001 1.91±1.03 1.92±1.03 8.28＜0.001 20.09±10.19 20.82±10.55 8.82＜0.001 46.52±8.10 48.11±8.37-25.69＜0.001

图1 两种计划的DVH图对比Fig.1 Comparison of the dose-volume histogram for two plans

3 讨论

放疗是直肠癌治疗中最重要的手段之一，可用于术前放疗、术后放疗及单独根治性放疗，而患者实际接受的吸收剂量，尤其是靶区实际接受的剂量和计划的处方剂量是否一致，直接影响放疗的疗效［8-9］。当前主流的放疗设备均具备CBCT图像采集功能，用于验证治疗位置的准确性；但较少将CBCT 图像直接用于放疗计划的剂量计算，主要原因是CBCT 图像的HU（Hounsfield unit，HU）值不准确。Lo 等［10］和Yoo 等［11］最早尝试将CBCT图像用于放疗计划的剂量计算发现，直接将CBCT用于剂量计算临床不能接受，误差较大。其他学者的研究亦表明，CBCT 图像HU 值的不准确对剂量计算产生较大影响［12-15］。本课题组［5-6］前期的研究发现，影响CBCT图像HU值准确的主要原因是原始投影文件中存在的散射污染（主要为康普顿散射和瑞利散射），因此已基于Monte Carlo模拟实现了CBCT图像的散射校准，大幅提高了重建后CBCT 图像HU 值的准确性。在盆腔CBCT 图像中与pCT图像相比，HU值差异可控制在10 HU之内［5-6］；结合Thomas等［16］和Hatton等［17］的研究可知，该HU 值差异对剂量计算的影响在±0.3%以内，因此本研究将散射校准后的CBCT图像用于剂量计算可获得较高的准确性。

本研究中20 例直肠癌病例的摆位误差数据在左右、上下方向均在±3 mm 以内，头脚方向误差均在±5 mm 以内，均在临床可接受的摆位误差阈值范围内［18］。CBCTn计划的等中心位置经摆位误差数据进行校准后，排除其他不确定因素外（盆腔受生理运动等因素影响较小，保证膀胱充盈度一致的情况下，不确定因素亦较少），理论上计算得到的各组织吸收剂量就是患者当次的实际吸收剂量，将整个疗程所有的CBCTn计划结果累加就能得到整个疗程中患者实际的吸收剂量。从实验的结果看，尽管摆位误差在可接受的阈值范围内，但是靶区的覆盖明显变差，实际的吸收剂量低于pCT计划的剂量；而由于等中心位置的偏移，小肠和膀胱的实际吸收剂量均高于pCT 计划的剂量；左、右股骨头由于几何位置离靶区较远，影响较小，但大多数区域实际的吸收剂量仍略高于pCT计划的剂量。由此可见，在摆位误差不可避免的情况下，治疗计划剂量传递的准确性是降低的，患者体内实际得到的吸收剂量与治疗计划有不同程度的差异。摆位误差进一步变大则可能会放大这种差异。因此随着放疗技术的发展，一方面在保证患者辐射安全的前提下，尽可能多地使用图像引导，减小摆位误差，另一方面进一步降低摆位误差可接受的阈值，均有利于提高治疗计划剂量传递的准确性。

本研究统计的剂量学参数中，PCBCT与PCT相比，靶区及OAR 的所有结果均有统计学差异，靶区剂量的降低会影响肿瘤的控制率，OAR剂量的增加，尤其是小肠剂量的增加不可避免地带来各种临床并发症风险增加，如肠梗、腹泻等。值得注意的是PCBCT计算得到剂量在图1 左股骨头D85以上覆盖的区域中表现异常，其剂量低于PCT，其他病例中亦有部分OAR 的某一区域（通常在低剂量区）与其他区域表现不同，且出现这种情况的计划通常在治疗的后期，可能原因是本研究采用的Registration 10.0 软件为刚性配准（实验设备自带的配准软件），尽管直肠癌放疗中多数时候OAR的体积变化较其他部位病种小，但是在治疗后期，直接移植于pCT 计划的轮廓信息与真实的OAR 轮廓仍有一定差异，这种差异导致了表现异常的剂量分布。这也是本研究的不足之处，下一步将结合适当的形变配准算法进行CBCT和pCT图像的配准，并基于形变配准算法对移植的轮廓信息进行必要的调整，进而得到更符合真实情况的实际吸收剂量。

本研究的数据还表明，基于现有的技术条件可实现放疗中各组织实际吸收剂量的追踪，为ART技术使用摆位CBCT图像跟踪分次治疗中患者已接受的剂量分布提供数据支持。在直肠癌放疗中，可进一步借助摆位CBCT 图像结合ART 技术的其他手段（如形变配准等），基于已接受的实际吸收剂量对后续治疗计划作出必要的调整，进而实现治疗计划剂量到患者体内的准确传递，保证患者的治疗效果和安全。事实上，pCT图像与不同时间点CBCT 图像的轮廓结构配准问题在ART 技术实现流程的多个环节均涉及，如轮廓勾画阶段、剂量计算阶段、治疗时在线位置验证阶段等。然而，要使用形变配准算法实现两种图像上轮廓结构快速准确地映射，通常需要建立相对复杂的模型和算法描述一个形变场，计算出同一场景不同图像之间的对应关系，在此基础上才能将pCT 图像的轮廓结构自动勾画（映射）到CBCT 图像上，且最终映射的准确度受算法本身影响较大，因此，本研究当前只使用了设备自带的刚性配准算法进行两种图像的配准，基于形变配准的相关研究将作为下一步研究的重点。

综上所述，在临床可接受的摆位误差阈值范围内，直肠癌病例的实际吸收剂量与治疗计划相比仍有不同程度的差异，基于散射校准后的CBCT图像结合摆位误差数据制定的CBCT计划，可为直肠癌患者放疗中各组织实际吸收剂量提供参考，为临床使用中定量评估治疗效果提供数据支持。