碳离子治疗计划系统中CT-WEPL校正曲线的测量研究*

孟万斌,马霄云,张雁山,卢小丽,孟 莉,王紫珩,高福芸

(甘肃省武威肿瘤医院重离子中心，甘肃 武威 733000)

放射治疗(放疗)作为一种治疗恶性肿瘤的物理治疗手段,已经发展了100多年。重离子放疗的出现,使得现代放疗又迈入了一个全新的发展时代[1]。常规放疗使用的射线均属低线性能量传递(LET)射线，低LET射线具有细胞周期依赖性,不能杀灭各期肿瘤细胞[2]。重离子射线被引出射入人体,在到达肿瘤病灶前,射线能量释放很少,但是到达病灶后,射线会瞬间释放大量能量,穿过肿瘤组织后射线能量迅速陡峭衰减，此过程形成的尖峰称为布拉格(Bragg)峰[3]。治疗时可根据肿瘤大小展宽Bragg峰(SOBP),使Bragg峰覆盖肿瘤，因此重离子治疗技术既可以提高肿瘤区域的剂量,又可以降低入射路径上正常组织的受照剂量，降低放射毒性，实现疗效的最大化。重离子射线主要作用于肿瘤细胞DNA双链，使其很难修复，治疗后不易复发。重离子射线杀灭肿瘤细胞时，也不受细胞周期影响，可以彻底杀灭各个周期的细胞,降低复发和转移的概率[4]。

为了准确地使重离子束的Bragg峰落在目标肿瘤上，就必须知道其照射路径上组织的相对阻止本领，但是目前没有任何设备可以直接测量这一数据。自从CHEN等[5]和MUSTAFA等[6]发表了他们的数据，将患者的计算机断层扫描(CT)数据转化为水等效的路径长度(WEPL)系数，等同于水的相对阻止能力，使得这一问题得以解决。具体方法是对每个像素点用水等效系数将组织的CT值转化为WEPL[7-8]，这一方法的重点是通过实验测量并建立CT-WEPL校正曲线，最终测量结果可以输入重离子计划系统，为计划系统的剂量优化提供可靠依据。在德国重离子研究中心(GSI)，CT-WEPL校正曲线目前是通过测量组织等效材料获得[8-10]。

本实验目的在于通过测量建立一个适用于本院碳离子治疗系统的CT-WEPL校正曲线，应用于碳离子放射治疗计划(ciPlan)系统。实验使用几个组织等效的材料来测量其WEPL系数。在这些数据的基础上，分析得到CT-WEPL的校正曲线，并得到了相应的数学方程。这个曲线方程可以直接整合到ciPlan系统中，用于剂量优化计算。

1 材料与方法

1.1一般材料 本实验中，液体等效材料：选择乙醇、花生油、水和饱和盐水作为组织的替代品，主要是因为它们的成分接近人体。固体组织部分：选择新鲜的猪肝、肾、肺和脂肪组织。骨头：选择密度比较高且形状较为规则的牛腿骨。取样容器为T75细胞培养瓶，瓶身采用聚苯乙烯制成，瓶内两壁间距为30.4 mm，即本实验样本厚度(Sample_Thickness)。

取4个T75细胞培养瓶，分别装入纯净水、花生油、饱和盐水、95%乙醇，见图1A；另取4个细胞培养瓶，用刀具截去瓶口，将整块的猪肾脏、肝脏、肺、脂肪按照培养瓶瓶身大小切至合适尺寸，放入截好的培养瓶内，要求组织与瓶壁之间无气泡残留，切割端口用保鲜膜封住，见图1B；再取一空瓶，作为空气测量样本，见图1C；牛腿骨切割成宽度一定的规则薄片，切割成型后测得厚度为36.4 mm，见图1D。除牛腿骨外，所有的组织等效材料均被直接放入容器中。在储存和运输过程中,样品容器必须始终保持直立，以防止容器内任何组织位移。新鲜的样品被储存在冰箱里，且从制备新鲜组织样本到实验结束的时间保持在24 h之内，以防新鲜组织变质。在进行CT扫描和在治疗终端的测量时，液体温度必须保持在室温，约为25 ℃。

1.2仪器 甘肃省武威肿瘤医院重离子中心碳离子治疗系统(由中国科学院近代物理研究所研制的国内首台用于放疗的重离子加速器)2号治疗室水平治疗终端，ciPlan系统(由中国科学院近代物理研究所与上海大图医疗科技有限公司共同开发的国内首套重离子放射治疗计划系统)，三维水箱(MP3-P型，德国PTW公司)、2个电离室(德国PTW公司)、tbaScan软件(德国PTW公司)，放疗专用大孔径CT(SOMATOM Definition AS型，德国西门子公司)。

1.3方法 将制作好的10组样本进行CT扫描，管电压120 kV，层厚1.25 mm，CT进床方向垂直于样本的最大表面(碳离子束入射方向)，每个样品都独立扫描，将扫描图像传送至ciPlan系统，测量各样本的CT值。

本次实验使用束流能量为330 MeV/u，采用均匀扫描模式，实验装置如图2所示，使用多叶光栅将射野范围调整为1.2 cm×1.2 cm大小的正方形(多叶光栅厚度0.4 cm，方野宽度为0.4 cm倍数)，测量样本放置于三维水箱前方，另平行放置2个电离室，参考电离室放置于样品前方，测量Bragg峰位的电离室放置于水箱内部。这些装置均摆放于治疗床上，所有样本摆放最大表面方向与束流入射方向保持一致。测量时，水箱中的电离室沿射束方向移动，测量精度为0.1 mm，为节约时间，百分深度曲线(PDD)只测量Bragg峰区附近剂量分布。

A.液体样本，从左至右依次分别为95%乙醇、饱和食盐水、花生油、纯净水；B.固体样本，从左至右依次是脂肪、肾脏、肝脏、肺；C.空气样本；D.牛骨样本。

图2 实验装置示意图

样本的CT-WEPL系数可与水比较计算得出：

①

或与空气比较计算：

②

2 结 果

2.1各样本测量统计CT值 将CT扫描图像导入ciPlan系统，每个样本读取20组不同位置的CT值，分析每个样本的CT值分布范围，因为CT值在样本的边缘部分呈现很大的变化，因此，CT值只统计所有样本中心区域约50×50像素的区域(约1 cm×1 cm)，统计结果见表1。

表1 各样本测量统计CT值

2.2各样本Bragg峰位深度 实验测得9组T75细胞培养瓶样本的Bragg峰位深度见表2，分布图见图3。牛腿骨因材料原因，不能装入T75细胞培养瓶，用切割成的规则薄片按以上方法单独进行测量，牛骨、空气Bragg峰位置分别为95.9、166.1 mm，与束流线上不放入牛骨(空气)时Bragg峰位置进行比对计算，图4为牛骨样本的测量结果。

图3 碳离子束穿过材料后在水下的百分深度剂量分布(T75细胞培养瓶样本)

图4 碳离子束穿过牛骨在水下的百分深度剂量分布

表2 Bragg峰深度位置(T75细胞培养瓶样本)

2.3各样本WEPL系数计算 代入公式计算得出各样本的WEPL系数，见表3。根据样本测量得到的CT值与CT-WEPL系数，分析最终得出CT-WEPL校正曲线。如下：

表3 不同样本的CT-WEPL系数

此曲线方程可直接导入ciPlan系统，用于碳离子治疗计划的剂量计算，见图5。

图5 根据本次实验数据得出的CT-WEPL校正曲线

2.4本实验与其他研究对比 实验结果显示，CT-WEPL校正曲线分两段呈线性分布，分界点位于CT值为0，即WEPL系数为1.0的位置附近。组织CT值小于水时，WEPL系数随CT值变化较快；当CT值大于水时，WEPL系数随CT值变化较前者变缓。图6是这次实验的测量结果(武威曲线)与IMP[11](中国科学院近代物理研究所)、Gunma(日本群马大学重离子医学中心)曲线的对比。

图6 武威曲线与IMP、Gunma曲线对比

3 讨 论

重离子束拥有物理学和生物学双重优势,使其成为21世纪肿瘤放疗领域最尖端的技术，越来越受到全世界广泛关注。CT-WEPL校正曲线对于重离子放射治疗计划制定的精准程度起到十分重要的作用[5]。本实验通过测量几组组织等效样本材料的CT值，再利用碳离子束流测量得到各样本的CT-WEPL系数，进而分析拟合出CT-WEPL校正曲线。本实验样本CT扫描时使用患者定位CT时的预设参数进行扫描，对于同一种组织等效材料，使用不同CT设备、不同扫描参数扫描时，以及样本扫描时的摆放位置等均会对CT值产生影响，其差异可以达到3%[12]。

摆位误差引起的样品容器、三维水箱的方向与射束方向的偏差，会导致测距误差。样本的最大表面要与碳离子束入射方向一致，当方向有偏差时，会导致束流穿过样本的路径变长，样本实际厚度变大，而三维水箱摆位方向有偏差时，会导致Bragg峰位置测量偏小。治疗室有激光定位系统辅助摆位，可使摆位角度误差小于1°，带入误差可忽略不计。

在实验测量数据中，样本的CT-WEPL系数与空气或者水比较，考虑到样本盛放容器T75细胞培养瓶器壁对束流射程的影响，样本制作时，按其他样本测量条件，也使用T75细胞培养瓶制作了空气与水的测量样本。计算时，因空气、水与样本测量结果中都带有器壁造成的射程误差，而计算CT-WEPL系数时，样本峰值PeakSample与PeakAir或Peakwater做差取相对Bragg峰值差计算，因此，细胞培养瓶造成的误差可忽略，不影响计算结果。

制作新鲜组织样本时，会有一些气泡夹杂在容器里，测量导致CT值与CT-WEPL系数有一定误差。气泡的引入导致会束流穿过样本的路径变短，样本实际厚度变小，且会影响样本CT值的准确度。制作样本时，切割样本厚度可略大于容器厚度，使组织稍受挤压排出气泡。

新鲜组织装入细胞培养瓶时，挤压程度不一样，由于多孔材料在制作过程中具有较大的不确定性[12]，导致CT值变化范围变大，从而使CT值测量有一定误差，尤其是肺组织。本研究表1中，肺组织测量值的标准差较大，主要是受此因素影响。为尽量排出气泡，样本切割时厚度可略大于细胞培养瓶厚度，但不宜过大，影响CT值测量结果。

本研究图6显示，本次实验测得武威曲线前半部分与IMP、Gunma曲线都可以很好地吻合，仅后半部分有一点偏差。分析主要原因可能是由于实验CT机之间存在差异，不同的CT机扫描相同的材料，其扫描图像可能产生不同的CT值分布[13-15]，许多因素可能会影响CT值，例如CT的设定参数(管电压、管电流、扫描层厚等)、样本几何尺寸、样本CT值统计范围等。再者，上述分析中误差的引入也会导致测量结果之间的偏差。因此，在实验的基础上，CT值与WEPL系数之间没有固定通用关系。但由于CT值与WEPL系数之间的相关性直接影响重离子治疗计划系统中剂量优化和剂量分布，因此，对于特定的CT机与重离子治疗设备，在设备投入使用前，有必要通过实验测量，为其建立一个专用的CT-WEPL校正曲线。上海质子重离子医院测量时，使用的等效材料是一套CT机配套的不同密度的固体材料[16]，本实验采用与人体组织组成更为接近的液体和动物组织材料进行测量，优点在于消除了测量材料带来的差异性。不足之处是动物组织材料制备困难，其受操作者制作经验影响很大，譬如肾脏组织，不能切割出足够大的规则体放于T75细胞培养瓶中，需要切割多层进行组合，这样就容易导致材料密度不均匀，从而产生误差。

在临床使用中，还应注意非人体组织材料的CT值与相对阻止本领之间的转换，如金属植入物、补偿组织等，必要时在临床应用中对这些材料指定其相对阻止本领[16]，即对这些材料进行CT-WEPL系数测量。因人体各组织对碳离子束的阻止本领不一，且各单位使用时存在模拟定位CT机的差异，因此，对于特定的CT机与重离子治疗设备，在设备投入使用前，有必要通过实验测量，为其建立一个专用的CT-WEPL校正曲线。