Tomotherapy计划系统中利用不同密度模体精确创建CT值密度曲线

2022-03-04庞廷田杨波于浪刘峡刘楠李文博董婷婷邱杰

中国医疗设备 2022年2期

庞廷田，杨波，于浪，刘峡，刘楠，李文博，董婷婷，邱杰

北京协和医院放疗科，北京 100730

引言

常规加速器、钴60Co等放疗设备的输出剂量校准，在校准流程和方法上都有标准可依[1-2]，通常做法是采用特定射野在水中特定深度处将设备输出剂量调整到特定吸收剂量值。剂量校准工具需经由有资质的国际或国家计量实验室校准，其所测吸收剂量可以溯源到初级标准剂量实验室美国医学物理学家协会和国际原子能机构虽然对如何在水中测量Tomotherapy的输出剂量进行了说明[2-3]，但是此过程并非设备剂量校准过程。其校准过程为通过调整设备输出，使治疗计划系统中制作的一系列校准计划（TomoPhan plan）的剂量偏差在较小范围内[4-6]。

设备剂量校准过程中的所用TomoPhan系列校准计划以及计划所用模体CT图像以及该图像匹配的IVDT表都由厂家统一提供，优化参数统一设定，计划系统的优化和计算模型为标准模型，Tomotherapy就是依靠该校准流程的一致来保障所有设备的输出剂量校准到同一剂量水平[7]。

在设备校准完成以后，用户需要为本单位CT模拟机单独创建IVDT表，并且用设备随机佩带的cheese phantom进行独立剂量验证，以确保设备剂量校准精度。在Tomotherapy计划系统中创建IVDT表时，有两点较特殊，需要引起设备用户的注意：①Tomotherapy随机配带的Gammex密度模体中用于创建CT值密度曲线的物质较少，肝脏、脂肪、肌肉等人体大量存在的软组织对应的密度棒并不包含，与其密度相近的密度点只有水，缺少上述组织密度点是否会影响剂量计算的精度；②Tomotherapy的IVDT表创建要求中明确需要加入空气密度点，此要求在其他计划系统中并不多见，通过本研究证明其必要性。本研究拟在设备应用于临床以前对上述问题进行探索，以期为患者进行精确放疗进行有力保障。

1 材料和方法

本研究设计实验内容如下：① 分别利用Gammex模体（Gammex公司，美国）和CIRS（Computerized Imaging Reference Systems，CIRS 公司，美国）两种密度模体建立与CT模拟定位机扫描条件对应的的IVDT表，其中CIRS密度模体创建的IVDT表依据在CT值-100到+100 HU范围内是否包含水密度点以外的物质密度点分别创建不同IVDT表；② 以Gammex密度模体创建的IVDT表以是否包含空气密度点为标准分别单独创建IVDT表。调用不同IVDT表在相应的Cheese模体CT图像上设计调强计划以及剂量传输验证计划（Delivery Quality Assurance，DQA），测量计划的剂量偏差并进行配对t检验，通过分析与对照组的剂量偏差是否有统计学差异来判断根据不同条件创建的IVDT表是否剂量计算精度要求。

由于Tomotherpay计划系统是逆向计划系统，无法正向给予调强计划的照射时间和辐照剂量，同时计划系统中对DQA计划中特定点的点剂量测量误差存在人为因素，因此本实验通过测量并分析实际测量点的剂量偏差来综合分析IVDT表给剂量计算精度来的最终影响。

1.1 输出剂量校准

在进行本研究的实验之前，首先按照Tomotherapy校准流程对设备输出剂量进行校准，将所有Tomophan系列校准计划的剂量偏差调整到±1%以内，并将该设备输出剂量状态标定为剂量标准状态。

1.2 建立CT值密度曲线

1.2.1 建立Gammex密度模体的IVDT表

按照Tomotherapy创建IVDT表要求将Gammex密度棒插入Cheese模体中，用Siemens Somatom CT（西门子公司，德国）模拟机进行CT扫描、用头部和胸部扫描条件扫描该密度模体，将图像导入Varian Eclipse计划系统（瓦里安公司，美国）中，在该计划系统中读取各密度棒以及模体外围空气的平均CT值，并按照Tomotherapy要求在计划系统中创建IVDT表，分别命名为Gammex IVDT Head（standard）和 Gammex IVDT ABDO（standard），将Gammex IVDT Head（standard）中的空气密度点删除，建立 Gammex IVDT Head（without air）。

1.2.2 建立CIRS 密度模体的IVDT表

方法同上，扫描本单位的CIRS头部密度模体，该模体包含Lung（inhale）、Lung （exhale）、Adipose、Breast、water、muscle、Liver、Bone（200）、Bone（800）等9种物质，密度从0.2～1.53 g/cm3，以CT值在-100～100 HU范围内是否含有除水以外的其他物质密度点为标准分别在Tomotherapy计划系统中建立IVDT表，分别命名为CIRS IVDT Head（with -100～100 HU）和 CIRS IVDT Head（without-100～100 HU），利用腹部扫描条件扫描CIRS腹部密度模体，方法同步骤2，分布创建IVDT表：CIRS IVDT Abdo（with-100～100 HU）和CIRS IVDT Abdo（without-100～100 HU）。

1.3 扫描Cheese phantom并勾画计划靶区

将Gammex模体密度棒更换为与模体密度相同的virtual Water插棒，将A1SL电离室插入模体中心下方5 mm处（图1a），在 Siemens CT模拟机上分别利用头部扫描条件和腹部扫描条件对Cheese phantom进行扫描得到Cheese image Head和Cheese image Abdo两幅Cheese模体CT图像，将Cheese image Head的CT图像导入Eclipse计划系统，在模体中心处勾画直径为5 cm长度为8 cm的圆柱形靶区计划靶区 ( Planning Target Volume，PTV ) 并勾画出电离室空腔V-chamber（图1b），勾画完成后将图像导入Tomotherapy计划系统并将chamber体积进行密度赋值，赋值为电离室周围模体的平均密度值。

图1 扫描Cheese Phantom模体勾画PTV

1.4 调强计划制作

PTV处方剂量为10 Gy/5f，该部分计划分为Tomo-Helical和Tomo-Direct两种传输模式，每种传输模式包括1.0、2.5、5.0 cm三种jaw的宽度的计划，再次jaw的宽度再根据Fix和Dynamic两种jaw运动模式制作计划，综上所述共10个调强计划。在进行治疗计划制作时，分布调用 Gammex IVDT Head（standard）、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）以及Gammex IVDT Head（without air）4条IVDT表，每条IVDT表对应的调强计划为一组，每组包含上述10个调强计划，三组调强计划依次命名为：Standard Plan组、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan组、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan 组，Gammex IVDT Head（without air）Plan 组。

1.5 测量并分析上述四组计划剂量偏差

利用MVCT对Cheese模体进行图像引导以纠正摆位误差，点剂量测量工具为A1SL电离室和TOMOElectrometer静电计（Standard Image公司，美国），对三组治疗计划进行点剂量测量，测量位置为扫描时电离室位置，根据公式：Δ=[（Dmeasure-Dplan）/Dplan]×100%计算剂量偏差，以Standard Plan组剂量偏差为对照组，CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan组、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan组，Gammex IVDT Head（without air）Plan组分别于与Standard Plan组进行配对t检验，P<0.05为有统计学差异。

1.6 DQA计划制作

将Cheese image Abdo图像作为DQA的图像导入Tomotherapy计划系统，对步骤1.4 中制作的前3组调强计划分别制作DQA plan点剂量验证计划，其中Standard Plan组只调用Gammex IVDT Abdo（standard）进行来设计DQA计划，CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan组和 CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan组的DQA计划分别调用Gammex IVDT ABDO（standard），CIRS IVDT Abdo（with-100～100 HU）和CIRS IVDT Abdo（without-100～100 HU）三条IVDT表，生成7组DQA计划，DQA计划依次命名为：DQA standard plan组、DQA CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan1组、DQA CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan2组、DQA CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan3组和 DQA CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan1组、DQA CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan2组和 DQA CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan3组，

1.7 测量并分析上述7组DQA计划剂量偏差

测量步骤1.6中的7组DQA Plan计划的点剂量偏差，利用MVCT对Cheese phantom进行图像引导以纠正模体摆位误差，用A1SL和TOMO-Electrometer静电计对制作的60个计划的电离室位置进行点剂量测量，并根据公式：DQAΔ=[（Dmeasure-Dplan）/Dplan]×100%计算剂量偏差，以DQAStandard Plan组测量结果为标准，其余6组均与其进行配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 CT值密度曲线

用不同扫描条件分别对GammeX密度模体和CIRS密度模体分别进行CT扫描，并建立IVDT表（图2）：首先，Gammex密度模体所建IVDT表和和CIRS密度模体所建IVDT表，所有除了水在CT值-100～100 HU范围内不含任何密度物质点的三条曲线，从CT值-400～300 HU范围内的曲线部分基本重合，也即在软组织密度区域该部分曲线彼此接近，由CT值转换为密度的误差小于1%，但是在低密度肺组织（CT值<-400 HU）和高密度骨组织（CT值>600 HU）的曲线部分，两种密度模体在同种扫描条件下的IVDT表差距开始变大，部分区域差值得到的密度差别大于5%

图2 Tomotherapy计划系统中根据不同条件创建的CT值密度曲线

2.2 四组调强计划剂量偏差分析结果

按照步骤1.5要求测量Standard Plan组、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan组、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan组和 Gammex IVDT Head（without air）Plan组等4组点剂量，根据公式计算计划剂量和实测剂量的剂量偏差，结果如表1所示。CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan组和Standard Plan组剂量偏差相比，平均量偏低0.15%，两组剂量偏差无统计学差异，CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan组和 Standard Plan组相比，平均剂量偏高2%，有显著的统计学差异（P<0.001），由此可见，IVDT表中是否含有-100～+100 HU范围内的物质密度点，对剂量计算结果会产生显著影响。Gammex IVDT Head（without air）组的平均剂量偏差偏高0.64%，和Standard Plan组比有明显统计学差异，说明在IVDT表中加入空气密度点很有必要，删除空气密度点导致剂量计算偏差约1.1%。

表1 四组调强计划的剂量偏差分析

2.3 七组调强计划剂量偏差结果分析

按照步骤1.7 要求测量七组DQA plan的点剂量，根计算七组DQA计划剂量偏差，依次与DQA Plan A组进行配对t检验，结果如表2所示，可知，调用Gammex IVDT ABDO、CIRS IVDT ABDO（without -100～100 HU）进行剂量计算的 DQA Plan A、DQA Plan B1、DQA Plan B3、DQA Plan C1、DQA Plan C3、三组计划偏差平均值分别为-0.47%、-0.51%、-0.53%、-0.50%、-0.41%，P值分别为0.924、0.884、0.901、0.878，四组没有统计学差异，调用CIRS IVDT ABDO进行剂量计算的DQA Plan B2、DQA Plan C2两组计划偏差平均值均为1.77%，与DQA Plan A组相比，P<0.001,具有统计学差异，剂量偏差都偏高1.77%，但是两组剂量偏差没有明显差别，彼此没有统计学差异。

表2 七组 DQA计划实测剂量偏差分析

3 讨论

Tomotherapy计划系统计算剂量分布分两步进行[8-12]：① 利用IVDT表插值得到物理密度，然后利用物理密度在通量衰减系数表格中进行插值得到该物质的通量衰减系数，继而通过有效路径长度法对该物质非均质修正，得到主射束的通量分布图；② 利用在水中通过蒙卡模拟方法得到的剂量卷积核对第一步中得到的通量进行卷积，计算得到最终的剂量分布。其中，串筒卷积算法的主流计划系统采用的标准剂量卷积方法，卷积核是在水中通过蒙卡模拟方法得到，其计算精度已经被很多学者证实，在此不再赘述[13-19]，但在第一步中，利用IVDT表差值得到物质的物理密度进而求得非均质修正所使用质量衰减系数，这个过程是非均质修正的过程，其修正的精确与否会对整个剂量计算精度有较大影响，有必要对IVDT表的精度进行验证。

本实验中，在Tomotherapy计划系统由Gammex IVDT Head（standard）曲线可以读出Cheese模体密度为1.028 g/cm3而不是Gammex厂家标注的1.047 g/cm3，由此可知这种创建IVDT表的方式，降低了模体的物理密度，在创建IVDT表时之所以要做上述的人为修正，主要是为了纠正物理密度创建IVDT表给剂量计算精度带来的误差。在Tomotherapy计划系统IVDT表所需密度为的物理密度而非剂量计算精度更高的电子密度[20-23]，这是因为KV级光子射线与物质的相互作用机制和MV级光子射线作用机制不同导致的结果[24-27]。KV级光子线与物质作用方式主要是光电效应，光子射线的衰减与物质的物理密度成正比，也即CT值与物理密度近似正比关系，但是物质与MV级光子主要作用方式以康普顿效应为主，这个过程中射线的衰减与物质的电子密度成正比关系，而非物理密度[28-30]，因此用电子密度来创建IVDT表格，是现代放疗计划系统的趋势。平时质控工作中，为了操作方便、快捷，经常会使用一些模体来代替水，例如Solid Water、Virtual Water、有机玻璃、Plastic water等模体，这些模体共同特点就是模拟水和MV级光子线相互作用场景，其电子密度与水相近，但是由于不同模体的构成元素不同，其物理密度与水可能相差较大，如此一来放疗计划系统若使用物理密度来建立IVDT表格，就可能由此带来剂量计算误差[28-30]，Tomotherapy计划系统就是属于此种情形。本研究中Standard Plan组、CIRS IVDT Head（with-100～100 HU）Plan组、CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）Plan等三组计划的剂量偏差分析结果印证了以上论述，实验中使用的cheese phantom 模体的物理密度和水相差近5%，而相对电子密度仅为1.01，通过创建IVDT表时去除CT值在-100～100 HU范围内的物质密度点来降低cheese phantom的密度使其更接近于相对电子密度，从而保障了使用cheese phantom进行剂量测量的精度。

通过DQA计划剂量偏差分析可知，无论在患者治疗计划设计时调用的IVDT表是否正确，只要在做DQA计划时正确的调用DQA图像对应IVDT表进行剂量计算，验证误差都能达到临床要求。可见，DQA计划和常规直线加速器调强计划验证的目的类似，只是验证治疗设备执行这个治疗计划的能力，并没有对剂量计算精度进行验证。

通过分析Standard Plan组和Gammex IVDT Head（without air）Plan两组剂量偏差结果可知是在IVDT表中加入空气密度点很有必要，这和Tomotherpay计划系统最终的剂量计算方法有关[8]。

不同品牌密度模体在同一种CT扫描条件下所建IVDT表有所区别，CIRS IVDT Head（without-100～100 HU）和Gammex IVDT Head（standard）非常接近，密度读取误差小于1%，但是在低密度肺组织（CT值小于500 HU）和高密度骨组织（CT值大于600 HU）的曲线部分，两种密度模体在同种扫描条件下的IVD表差距开始变大，部分区域差值得到的密度差别大于5%。由于本研究目的为设备输出剂量的独立验证，所有实验均在Cheese模体上进行，因此只要确保IVDT表中cheese phantom模体的密度值准确即可，因此从质控的角度来看，利用不同品牌的密度模体创建IVDT表是可行的。本研究中用CIRS密度模体创建的IVDT表，该曲线在低密度肺组织区域和高密度高组织区域的进行密度赋值时会和Gammex密度模体创建的IVDT表进行密度赋值时差别逐渐变大，最大误差约10%，因此如果利用不同品牌密度模体创建的IVDT表，在应用于临床患者治疗计划之前需要对不同密度区域的计算精度进行验证。同一个密度模体在不同CT扫描条件下，所得IVDT表也有区别，当管电压KV和扫描视野FOV变化较大时，区别更加明显[31-34]。在创建IVDT表时，有必要根据CT模拟机型号、扫描条件对IVDT表格进行命名，以免我们在进行治疗计划设计时错误调用。

现代绝大多数商用放疗计划系统仍然是以CT图像为基础来进行治疗计划设计，每种治疗计划系统在投入临床使用前都需要依据本单位的CT模拟机具体属性创建TPS剂量计算所需IVDT表，利用电子密度来创建IVDT表可以获得更准确的剂量计算结果，但是这并不代表利用物理密度创建IVDT表的TPS剂量计算精度就不可接受，依据剂量计算方法的持续改进和数据模型的不断更新[11,13,17,19]，使用物理密度来创建IVDT表的计划系统在人体的大部分环境中进行剂量计算的结果都是临床可接受的（1%），只有在肺组织和骨组织中误差略大（3%以内），因此使用物理密度来进行剂量计算在很长一段时间内还会存在。