钛合金植入物对椎体放射治疗计划的剂量学影响

2023-02-12陈晓慧许安杰陈佳艳胡伟刚彭佳元

中国医疗器械杂志 2023年1期

关键词：模体植入物钛合金

【作者】陈晓慧，许安杰，陈佳艳，胡伟刚，彭佳元

1 复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心，上海市，200032

2 复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海市，200032

3 上海市放射肿瘤学重点实验室，上海市，200032

4 上海市放射治疗临床医学研究中心，上海市，200032

0 引言

骨转移的放射治疗要求治疗计划具有陡峭的剂量分布和较高的剂量计算精度。一些患者在放疗时已植入了椎体固定装置，在这些病例中高密度的金属植入物会产生伪影降低CT的成像质量[1]，影响治疗计划系统（treatment planning system,TPS）中CT密度表的正确赋值；也会衰减射线并引起剂量的局部扰动，对剂量计算造成干扰[2]，在剂量计算中引入误差。因此在带有高密度植入物的病例中，剂量计算将变得更为复杂。

一些研究者进行了钛合金对射线影响的研究[3]。但在患者的放射治疗中，考虑到肿瘤与脊髓相对位置的变化以及不同的射野参数等多种因素，金属植入物对剂量的影响很难被预测。有研究者通过蒙特卡罗算法[4]或利用胶片验证[5]来评估金属植入物对患者SBRT计划的剂量影响，但实际临床中蒙特卡罗算法并未被广泛使用，常规调强技术和SBRT技术在布野方式及分割剂量上也多有不同。因此在带有高密度金属植入物的病例中，研究植入物对使用常规计算方式的常规调强放疗及立体定向放射放疗的剂量影响仍有必要性。

本研究将通过扩展CT密度表和勾画并赋值钛合金植入物的方式进行密度校正，分析高密度的钛合金植入物对椎体放射治疗计划的剂量学影响，另外我们将应用校正方法前后计算所得剂量与在自制仿真模体上实际测量所得剂量进行比较，以验证TPS计算的准确性。

1 资料和方法

1.1 患者选取，计划设计与目标

随机选取在复旦大学附属肿瘤医院完成临床治疗的10例椎体转移患者计划。10例病例均植入了钛合金椎体固定系统，且使用IMRT技术治疗。

采用常规的CT密度表对10例计划进行重新优化。10例计划使用Pinnacle 8.0 m计划系统设计，包括数个共面射野。子野的最小机器跳数（monitor unit,MU）为10，最小子野面积为10 cm2，最大子野数设为35。优化算法采用直接机器参数优化，剂量计算使用自适应卷积。计算网格设为4 mm。治疗使用Varian Trilogy加速器产生的6 MV X线，其搭载的多叶光栅（MLC）为millennium 120，共60对叶片，中间40对在等中心平面投影宽0.5 cm，两端各10对宽1.0 cm。优化完成后采用筒串卷积（collapsed cone convolution,CCC）算法进行三维剂量计算，将该组计划归为常规组。

1.2 高密度金属校正方法

1.2.1 扩展CT密度表

临床上，常规使用的CT密度表中密度覆盖范围为0～1.53 g/cm3，以此在保证人体正常组织能够被自动赋值的同时不会给CT伪影赋予过高的密度[6]。为了更加准确地反映钛合金植入物的真实密度，将原有的常规CT密度表范围扩展为0～4.43 g/cm3，使其密度覆盖范围包含钛合金植入物的真实密度。

1.2.2 勾画钛金属区域和密度赋值

在CT图像中使用1800～4300 CT值范围自动勾画钛合金组织，经人工修正后在电子重建影像上再次确认轮廓。应用高密度钛金属CT密度表，将勾画出的钛金属植入物赋值为4.43 g/cm3。

1.3 校正计划及校正前后的剂量学比较

在计划参数保持不变的情况下，对1.1节的病例采用1.2节描述的校正方法进行密度校正。通过采用CCC算法进行三维剂量计算，得到校正后的三维剂量分布，称为校正组，并与常规组进行比较。

比较指标包括PTVV100、PTVV95、适形性指数（conformity index,CI）、均匀性指数（homogeneity index,HI）和脊髓的最大剂量。

适形性指数计算式为：

本次报告以伊利股份财务指标的分析为主要内容，先介绍了伊利股份公司的情况，然后结合企业经济效益指标体系以及乳制品行业和上市公司自身的特点，以2012年-2016年为分析的时间区间，将伊利股份纵向的财务分析指标分为偿债能力、盈利能力、营运能力和发展能力四个方面，先进行单项指标的分析评价，再进行财务趋势分析和财务综合分析。

式中：VT,ref为参考等剂量线所包括的靶区体积；VT为靶区体积；Vref为参考等剂量线所包括的体积，单位均为cm3。

均匀性指数计算式为：

式中：D2%、D50%和D98%分别为2%、50%和98%的靶区体积所受剂量。

在SPSS软件中使用Shapiro-Wilk 法执行正态分布检验，对不符合正态分布的执行Wilcoxon秩和检验，对符合正态分布的行配对t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

1.4 仿真模体设计和剂量验证

为了消除剂量计算引入的计算误差，本次实验设计了颈部仿真模体进行剂量的测量，验证校正前后TPS剂量计算的准确性。

1.4.1 仿真模体设计制作

本次实验通过SolidWork软件，设计了一种模拟患者颈部肌肉组织和锥体骨组织的非均匀解剖结构模型（见图1），并通过3D打印技术打印成非均匀的颈部模体。模体主要材料为模拟肌肉组织的聚乳酸，密度为1 g/cm3；模拟椎体骨组织的感光树脂，密度为1.3 g/cm3。将临床使用的钛合金锥体固定系统植入模拟锥体骨组织，在模拟骨组织模体的脊髓位置留置空腔以供插入电离室，椎间盘中央同样留置空腔，可插入外附有钛网的聚乳酸棒。模体可置于两个聚乳酸支撑架上以固定位置。

图1 植入钛合金椎体固定系统的颈部仿真模体Fig.1 simulation phantom with a titanium alloy fixation system

模体制作完成后插入电离室，使用飞利浦Brilliance 大孔径模拟CT扫描，得到层厚为1 mm的仿真模体CT图像，以1.2.2节描述的方式勾画出钛合金锥体固定系统，同时勾画出相应电离室的测量体积。

1.4.2 验证计划与剂量测量

将10例IMRT计划在Pinnacle中拷贝至颈部仿真模体CT，分别采用常规CT密度表下自动赋值密度和1.2节所述校正方法以原计划参数重新计算，读出电离室有效测量体积处的平均剂量，作为TPS计算值。实际剂量测量使用IBA dose1剂量仪和IBA FC65-G电离室，分别计算两组验证计划的剂量偏差：

其中，采用常规CT密度表计算的TPS计算值归入常规验证组，采用高密度钛金属CT密度表计算的TPS计算值归入校正验证组，进行对比。

另外选取10例椎体SBRT计划，使用与IMRT验证计划相同的方式做剂量计算的验证。在实际临床过程中考虑使用SBRT技术可能会对锥体病例有更高的剂量精度要求，未对带有钛金属植入物的患者使用SBRT技术进行放射治疗。因此本次实验中SBRT计划仅做测量验证。

SBRT计划使用Eclipse 13.5计划系统设计。计划优化采用Eclipse13.5.35版本光子优化算法（photon optimizer,PO）。计算剂量使用各向异性分析算法（anisotropic analyticalalgorithm,AAA）（13.5.35版本）计算模型，计算网格取2.0 mm。机器参数为Edge加速器产生的6 MV X线，采用瓦里安high-definition 120 MLC，中间32对在等中心平面投影宽2.5 mm，两侧各14对宽5 mm。

SBRT计划的测量采用Standard Imaging的SuperMAX剂量仪，电离室为Exradin A16微型电离室。验证测量结果同样采用同1.3节的方式进行统计学分析。

2 结果

常规组与校正组的靶区与正常组织剂量学比较如表1所示。PTV各项剂量学指标未见明显差异，但校正组与常规组的V100均值相比减少了1.6%。其中校正组相比常规组的计划，V100最大偏差为11.35%，而V95最大偏差为4.57%。图2可见1例IMRT计划使用常规CT密度表时的剂量分布和校正后的剂量分布。脊髓最大剂量在常规组和校正组的比较中具有显著差异（P=0.02），其平均最大剂量分别为4008.85f 158.45 cGy和3892.64f 443.10 cGy，差异最大的1例可达7.05%。

图2 校正前后的剂量分布比较Fig.2 Dose distribution comparison before and after correction

表1 常规组与校正组的靶区与正常组织剂量比较Tab.1 Dose comparison of PTV and normal tissue between normal group plan and corrected group plan

20例病例的TPS计算值与测量值比较如表2所示。在10例IMRT计划中，常规验证组与校正验证组的TPS计算结果与测量剂量相比，平均偏差分别为3.42%与1.90%，P<0.05，具有显著差异。在10例SBRT计划中，两组TPS计算结果与测量剂量相比的平均偏差分别为1.25%和0.60%（常规验证组和校正验证组），P<0.01。其中IMRT计划在校正验证组的偏差最小为0.11%，最大为5.00%，中值为1.62%，常规验证组的偏差最小为0.44%，最大为11.76%，中值为2.6%。SBRT计划在校正验证组的偏差最小为0.18%，最大为5.63%，中值为1.74%，常规验证组的偏差最小为0.06%，最大为6.22%，中值为2.34%。

表2 常规验证组和校正验证组在IMRT计划和SBRT计划中的剂量偏差比较Tab.2 Dose error comparison between normal group and corrected group in IMRT plans and SBRT plans

带有钛合金植入物的椎体放疗IMRT计划中，高密度的金属会在CT图像上产生不准确的CT值并引起剂量计算的误差。本次研究分析了钛合金植入物对于椎体放射治疗计划的剂量学影响，并将计算所得剂量与自制仿真模体上实际测量剂量进行比较，以验证TPS计算的准确性。实验结果显示在椎体调强计划中应用校正方法后会显著影响脊髓的最大剂量，且校正后的TPS计算值具有更高的准确性。

表1所示为常规组和校正组的剂量指标对比，PTV剂量的各项剂量学指标未见明显差异。但在个别病例中，采用校正方法前后的剂量线分布可能出现如图2的明显改变。在本次实验中，V100最大偏差可达11.35%，且常规组与校正组的脊髓最大剂量具有显著差异。实际计划设计中仍应对高密度的金属植入物做校正处理。在常规验证组与校正验证组的IMRT计划中，TPS计算值对比实际测量值的平均剂量偏差分别为3.42%与1.90%，P<0.05。而在常规验证组与校正验证组的SBRT计划中，该对比的平均偏差分别为1.25%与0.60%，P<0.01。使用两类放疗技术的计划中，常规验证组与校正验证组的结果均有显著差异，使用校正方法能够降低计算值与实际测量值的偏差。

本次研究中，常规组与校正组比V100平均减少了1.6%。使用校正方法在多数计划中仅小幅改变PTV接受处方剂量的体积。但在部分病例中，偏差可能会大于10%。这与WANG等[6]关于椎体立体定向放疗的研究中的结论相似。但在该研究中，两种赋值方式下脊髓没有明显差异，而本次实验中常规组与校正组的脊髓最大剂量表现出显著差异。该差异可能来自靶区勾画，SBRT计划的靶区一般避开脊髓，但常规调强计划的靶区通常将脊髓包含于靶区。此外SBRT和常规调强在射野数量、方向等参数的差异也是可能原因[5]。

本次研究中验证部分因为自制模体的限制无法使用胶片验证。尽管已通过移床将测量点置于脊髓位置，但点剂量仅能反映出一个点的剂量准确性，尚不足以完整反映剂量分布的改变。在进一步的研究中将探索在自制模体中实施面剂量测量的方式。