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    雙能量與單能量CT 掃描及重建影像在頭頸部腫瘤粒子治療計劃靶區(qū)顯示的差異

    2019-02-12 10:34:30龔雪明StefanieKaess苗華棟
    關(guān)鍵詞:勾畫頭頸部能譜

    蔣 磊 龔雪明 Stefanie Kaess 鹿 蓉 苗華棟

    國外很多研究機構(gòu)發(fā)表了“Dual-Energy Computed Tomography(DECT)掃描和影像重建技術(shù)應(yīng)用在以放射治療為目的,改善質(zhì)子Stopping Power Ratio 和提高照射劑量統(tǒng)計準確性”的研究性文獻以及大量理論性數(shù)據(jù),并且這些數(shù)據(jù)已經(jīng)被臨床逐步推廣。然而國內(nèi)很少將DECT 掃描和重建技術(shù)引入臨床放射治療計劃(TPS),原因是DECT 設(shè)備整機價格較SECT 設(shè)備昂貴,國內(nèi)DECT 掃描技術(shù)的主要臨床應(yīng)用都集中在以心臟及血管增強為診斷目的的檢查。另外,和國內(nèi)放射物理師臨床經(jīng)驗缺乏也有一定關(guān)系。

    作為放射治療計劃設(shè)計最重要的組成部分,清晰地勾畫腫瘤區(qū)域與正常組織之間解剖輪廓、通過組織的Hounsfield Unit(HU)值[1]準確地計算出與之相關(guān)的Stopping Power Ratio(SPR)[2]以及最優(yōu)化的照射劑量(as low as reasonable achievable, ALARA)都是關(guān)鍵[3],而這些數(shù)據(jù)的獲得必須以CT掃描作為基礎(chǔ)。國內(nèi)目前常用單一能量(120kVp)的X 線束掃描,對于衰減系數(shù)相對較小的正常組織與腫瘤區(qū)域之間,因為缺乏足夠的對比度,導(dǎo)致臨床靶區(qū)輪廓勾畫不清晰。另外,人工金屬偽影及血管強化影像無法消除,導(dǎo)致影像無法用于評估,照射劑量計算誤差大。雙能量CT使用兩種不同千伏值(80/140kVp)的X 線束,掃描范圍相同的FOV,并且將兩種能量獲得的影像合并重建,得到一個可任意地選擇范圍在40 ~190keV 內(nèi)的能譜曲線影像。相比SECT 的影像,在不增加輻射劑量的前提下,DECT 獲得了更豐富的影像信息和最理想的重建影像條件,同時也改善了顯示人體不同組織構(gòu)造密度與腫瘤特征之間變化的準確性。對制定放射治療計劃(TPS),勾畫靶區(qū)的具體位置和體積,以及臨床靶區(qū)(CTV)和相鄰危及器官(organs at risk, OAR)之間的關(guān)系,都能提供清晰的影像和準確的數(shù)據(jù)。

    本文旨在分析和比較20 例頭頸部腫瘤放射治療(包括質(zhì)子、重離子治療)患者的SECT(管電壓120kVp)影像與DECT(管電壓80kVp/140kVp)影像以及DECT 模式下使用“Dual-Energy”軟件重建出不同千電子伏(kilo electron voltage, keV)水平能譜的單能量影像(掃描部位,層厚一致)[4]。探討兩種掃描模式獲得的影像和雙能量能譜CT 重建的單能量影像,在改善衰減系數(shù)相近的正常組織與腫瘤組織顯示分辨率和對比度上的差異,以及差異對改善和提高三維適形放射治療設(shè)計中腫瘤區(qū)(GTV)、臨床靶區(qū)(CTV)和危及器官(OAR)之間自動勾畫的準確性是否具有臨床價值,并通過統(tǒng)計兩種掃描方式共三種能量的掃描劑量、容積CT 劑量指數(shù)CTDIvol(mGy)、劑量長度乘積DLP(mGy.cm),計算出頭頸部有效劑量D=k·DLP(頭 部K 值0.0023mSv·mGy-1·cm-1,頸 部K 值0.0054mSv·mGy-1·cm-1),研究雙能量掃描在頭頸部腫瘤CT 放射治療計劃設(shè)計應(yīng)用的可行性。

    方 法

    1.設(shè)備及材料

    西 門 子SOMATOM Definition AS128 排 和64 排 螺 旋CT 掃 描,安 裝Dual-Energy“Monoenergy”3D 軟 件 的Syngo.via,VersionVA30B 工 作站和物理師勾畫靶區(qū)使用的MIMVersion6.5.9 工作站,UNIDOSWebline 高精度劑量儀和參數(shù)校正使用的Phantom。

    2.DECT 和SECT 掃描協(xié)議,重建參數(shù)設(shè)定

    DECT: 采 用 管 電 壓80kVp, 參 考 電 流380mAs,CTDIvol7.1mGy 和 管 電 壓140kVp, 參考電流90mAs,CTDIvol9.08mGy。掃描參數(shù):準直32×1.2mm,層厚1.5mm,旋轉(zhuǎn)時間1 秒,螺距0.55,F(xiàn)OV500mm。重建技術(shù):使用軟組織重建函數(shù)D34S Medium Smooth BHC Bone,窗位Cerebrum。SECT:采用管電壓120kVp,參考電流300mAs,CTDIvol49.76mGy。掃描參數(shù):準直32×1.2mm,層厚1.5mm,旋轉(zhuǎn)時間1 秒,螺距0.55,F(xiàn)OV500mm。重建技術(shù):使用軟組織重建函數(shù)H30S Medium Smooth,窗位Cerebrum。

    3.CT 劑量指數(shù)(CTDI),容積CT 劑量指數(shù)(CTDIvol)和劑量長度乘積(DLP)記錄和比較

    將一端連接UNIDOSWebline 高精度劑量儀的長桿電離室探頭分次放入L(體部)=32diameter/S(頸部)=16diameter)CTDI Phantom 中心及12 點鐘位置,使用已設(shè)置的DECT 和SECT 掃描參數(shù)掃描,經(jīng)劑量儀檢測和計算,得到劑量指數(shù)CTDI 值。同時通過設(shè)備掃描軟件自身攜帶的劑量檢測軟件,統(tǒng)計容積CT 劑量指數(shù)(CTDIvol)和劑量長度乘積(DLP),并根據(jù)上述數(shù)值計算出CTDI 有效劑量ED 值:ED= k·DLP(頸部K 值0.0054 mSv·mGy-1·cm-1)。同樣使用DECT 和SECT 掃描參數(shù),掃描人體頭頸部體模(model of human body phantom),統(tǒng)計容積CT 劑量指數(shù)(CTDIvol)和劑量長度乘積(DLP),并根據(jù)上述數(shù)值計算出CTDI 有效劑量ED 值。比較兩種掃描模式下四組數(shù)據(jù)的差異性,確認DECT 掃描是否符合輻射正當化原則(ALARA)。

    4.掃描參數(shù)

    根據(jù)《Catphan? 600 技術(shù)手冊》所提供的相關(guān)目標CT 標準值和顯示要求,確定最佳能譜CT重建單能量影像keV 值分布范圍。根據(jù)選定的keV值和線性融合參數(shù)對按照人體頭頸組織構(gòu)造設(shè)計的Phantom 進行影像重建。

    分別對CAT Phantom 和人體頭頸Phantom 采用已設(shè)置參數(shù)DECT 和SECT 掃描[5],將得到CAT Phantom DECT 影像數(shù)據(jù)傳入Siemens SyngoVia工作站,使用“Dual-Energy”軟件“Mono-energy”功能重建出能譜值從40 ~190keV 范圍內(nèi)的單能量影像[6]。通過測量、統(tǒng)計CAT Phantom(CTP404, CTP486)相關(guān)目標在能譜曲線影像(以40keV 為基礎(chǔ),每次以10 個keV 遞增[7]),80kVp、120kVp 和140kVp 影像的CT 值,確定能譜keV 值的范圍。并與《Catphan? 600 技術(shù)手冊》所提供的標準值比較,選取與標準值接近的能譜keV 值影像。同時,評價CAT Phantom(選擇CTP404,CTP528,CTP515, CTP486)在SECT 和DECT 掃描影像、能譜CT 重建單能量影像顯示效果是否達到《Catphan? 600 技術(shù)手冊》規(guī)定(空間分辨率、密度分辨率、噪聲)的顯示要求。按照人體頭頸組織構(gòu)造設(shè)計的Phantom,采用預(yù)先設(shè)置的DECT 和SECT 參數(shù)掃描,并根據(jù)上述方法掃描和重建影像。然后,放射物理師將影像導(dǎo)入放射治療計劃工作站,確定掃描和重建影像是否符合臨床放射治療要求。

    5.臨床實施階段

    5.1 一般資料:對2017 年1 ~4 月于上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院擬頭頸部腫瘤放射治療(質(zhì)子、重離子治療)患者20 例,其中女性9 例、男性11 例,平均年齡42.2 歲,其中一位患者右眼摘除術(shù)后,另一位右側(cè)腮腺切除術(shù)后,其余均無手術(shù)史。

    5.2 治療計劃設(shè)計階段:采用熱塑性塑料面罩對頭頸部固定,掃描基線以制模時在面罩上留有的定位線為準,并且以面罩所覆蓋范圍作為掃描范圍。采用已通過驗證的常規(guī)SECT(管電壓120kVp)掃描參數(shù),記錄下每個病人容積CT 劑量指數(shù)(CTDIvol)和劑量長度乘積(DLP),計算出有效劑量ED。將掃描后的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入本院放射物理師使用的專業(yè)放射治療計劃設(shè)計系統(tǒng)(MIM Version 6.5.9)工作站,由放射物理師勾畫出腫瘤區(qū)域(GTV),臨床靶區(qū)(CTV)的范圍,以及OARS (包括Brain Stem、Chiasm、Spinal Cord、Cochlea、EYE、LENS、Opticnerve、Parotid),并以文件名(RTstruct)保存勾畫影像在系統(tǒng)中,為放射治療后的驗證階段做好準備。

    5.3 治療計劃驗證階段:固定方法,掃描基線,掃描范圍,層厚與常規(guī)SECT 相同。采用DECT(管電壓80kVp 和140kVp)雙能量掃描,同樣記錄下每個病人容積CT 劑量指數(shù)(CTDIvol)和劑量長度乘積(DLP),計算出有效劑量ED。根據(jù)經(jīng)過驗證得到的能譜keV 值對雙能量影像重建。同樣,將掃描影像數(shù)據(jù)和重建影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入該系統(tǒng)工作站,由同一位放射物理師操作,采用放療計劃設(shè)計系統(tǒng)工作站自帶的Adaptive Recontour-Deform 功能,由計劃設(shè)計軟件根據(jù)RTstruct 影像,自動在7 組影像中勾畫出同層,同部位靶區(qū),以及器官,統(tǒng)計8 組影像數(shù)據(jù)在GTV、CTV 和OARs 的3D 容積(Volume),以及軟件根據(jù)3D 容積范圍自動計算所得平均CT 值(HU)。

    5.4 影像主觀評價法:由2 名主治醫(yī)師對SECT(120kVp) 和DECT(80kVp/140kVp), 以及DECT 重建的能譜keV 值影像,采用雙盲法進行獨立評價,統(tǒng)一圖像的窗寬和窗位。采用四分法對影像進行評價,評價內(nèi)容包括以下方面:

    5.1 腫瘤邊緣銳利度評分:4 分,邊緣清晰銳利;3 分,邊緣較銳利;2 分,邊緣模糊;1 分,邊緣顯示不清或與偽影無法分辨。

    5.2 影像主觀噪聲:4 分,影像噪聲??;3 分,影像噪聲較??;2 分,影像噪聲偏大;1 分,影像噪聲大。

    5.3 勾畫靶區(qū)評分:4 分,影像總體質(zhì)量優(yōu),有信心清晰勾畫出靶區(qū);3 分,影像總體質(zhì)量較好,有較高信心勾畫出靶區(qū);2 分,影像總體質(zhì)量較差,影像勾畫靶區(qū);1 分,影像總體質(zhì)量極差,無法勾畫靶區(qū)。2 名醫(yī)師判斷不一致時,經(jīng)第3 名主任醫(yī)師進行評分后采用多數(shù)者評分值。

    6.統(tǒng)計學方法

    使用SPSS17.0 進行統(tǒng)計學分析。CAT Phantom 所含化學成分材料AIR、PMP、LDPE、Water、Polystryrene、Acrylic、DelrinTM、Teflon的CT 定量參數(shù)值以表示,采用單樣本t 檢驗,P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計學意義。臨床實施階段DECT 及能譜重建勾畫出GTV、CTV 和OARs 的3D 容積和CT 值(HU)以表示,符合正態(tài)分布者,采用獨立樣本t 檢驗,P<0.01 表示差異具有統(tǒng)計學意義。SECT 與DECT 及能譜重建勾畫區(qū)域3D容積(Volume)和CT 值(HU)的比較采用配對樣本t 檢驗,不符合正態(tài)分布者采用秩和檢驗。主觀評分采用非參數(shù)檢驗(Friedman test)。P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計學意義。

    圖1 A ~D.頭頸部采用DECT(80/140kVp)掃描及部分能譜重建軸面圖像。E.頭頸部采用SECT(120kVp)掃描軸面圖像。F ~J.上述掃描及部分重建影像在放射治療計劃設(shè)計系統(tǒng)中勾畫腫瘤靶區(qū)圖像。50 KeV(圖F)、90KeV(圖G)、80kVp(圖H)、140kVp(圖I)、120kVp(圖J)頭頸部軸位影像腫瘤區(qū)域GTV(紅線)、CTV(藍線)和OARS(綠線等) 的3D 容積,并且系統(tǒng)根據(jù)容積計算出相關(guān)區(qū)域的平均CT 值(HU)。

    結(jié) 果

    掃 描 參 數(shù): 比 較SECT(120kVp) 與DECT(80kVp/140kVp) 掃描模式下測得CTDI Phantom 中心點和12 點方向的劑量指數(shù)CTDI,以及CTDI Phantom 和人體頭頸部體模Model of human body Phantom 的 掃 描 劑 量、CTDlvol *(mGy)、DLP(mGy.cm)和有效劑量D,DECT 較SECT 輻射劑量明顯降低,符合輻射實踐正當化原則,該掃描協(xié)議可以在臨床掃描檢查中使用。

    最佳能譜keV 值分布范圍:比較使用DECT 掃描影像重建能譜從40 ~190keV 單能量影像所測得CATPhantom(CTP404)各材料成分CT 值,除在Polystryrene 材料成分CT 值無統(tǒng)計學意義(P>0.05)外,其余7 種材料成分CT 值差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)(表1)。并且,數(shù)據(jù)顯示能譜從50 ~90keV 所測得CT 值最接近廠家提供的標準CT值,影像評價顯示(CTP515)能譜低于50keV 的重建影像雖然具有較高的密度分辨率,但能量過低噪聲也隨之明顯升高,導(dǎo)致空間分辨率低,影像質(zhì)量不能滿足診斷要求。顯示(CTP528)能譜高于90keV 的重建影像雖然具有較高的空間分辨率,但高能量降低不同組織之間的有效衰減,導(dǎo)致密度分辨率低,同樣影像質(zhì)量也不滿足診斷要求。因此,我們在臨床實施階段,除選擇2 組DECT 掃描影像外,能譜值為50keV、60keV、70keV、80keV、90keV 共5 組重建影像作為對照組,SECT(120kVp)掃描影像作為標準組。

    表1 CTP404 各材料成分在能譜重建影像中CT 值分析

    表1 CTP404 各材料成分在能譜重建影像中CT 值分析

    CT Value AIR75%N,23.2%O,1.3%A PMP[C6H12(CH2)]LDPE[C2H4]Water[H2O]Polystryrene[C8H8]Acrylic[C5H8O2]DelrinTM Proprietary Teflon [CF2]-970.50±1.75 -160.82±38.10 -74.59±45.54 22.78±37.29 -19.37±39.44 133.05±32.43 330.16±32.60 860.23±19.36-2217.26 -16.886 -6.552 2.444 -1.965 16.411 40.506 177.77 0.00 0.00 0.00 0.027 0.068 0.00 0.00 0.00-1000 -200 -100 0 -35 120 340 990

    表2 DECT 及能譜重建3D 容積范圍(Volume)和平均CT 值(HU)的關(guān)系

    表2 DECT 及能譜重建3D 容積范圍(Volume)和平均CT 值(HU)的關(guān)系

    GTV CTV Cochlea Parotid Spinal Cord 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值DECT 及能譜重建影像15.64±0.41 218.97±37.32 93.51±2.7 43.89±7 0.55±0.05 1190.12±294.54 38.31±0.45-20.67±10.19 27.69±1.22 26.98±1.47 Kolmogorov-Smirnov Z 0.582 0.562 0.458 0.539 0.354 0.559 0.531 0.497 0.589 0.651 t 100.77 15.53 91.92 16.61 30.97 10.69 227.16 -5.37 60.02 48.54 P<0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 Chiasm EYE LENS Opticnerve Brain Stem 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值DECT 及能譜重建影像1.5±0.13 38.26±7.06 12.5±0.49 20.89±8.87 0.15±0.01 17.86±9.43 0.81±0.03-9.2±5.34 25.94±2.52 38.58±5.01 Kolmogorov-Smirnov Z 0.757 0.569 0.604 0..335 0.459 0.708 0.492 0.485 0.597 0.518 t 31.1 14.34 68.17 6.23 32.32 5.01 62.22 -4.55 27.18 20.37 P<0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01

    影像質(zhì)量主觀評價:對20 例頭頸部腫瘤放射治療患者標準組SECT 和對照組DECT 掃描影像,能譜從50 ~90keV 重建影像共160 組影像主觀評價分數(shù)統(tǒng)計,腫瘤邊緣銳利度和勾畫靶區(qū)信心評分在不同能量掃描和能譜重建影像,總體分布是不相同的,影像評分差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。但是,影像主觀噪聲評分在不同能量掃描和能譜重建影像,總體分布是相同的,影像評分差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

    3D 容積范圍和平均CT 值:分析和檢驗20 例頭頸部腫瘤放射治療患者DECT 掃描和能譜從50-90keV 重建影像勾畫出GTV、CTV 和OARs 的3D容積范圍和計算出的平均CT 值,數(shù)據(jù)值呈現(xiàn)正態(tài)分布,并且差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.01)(表2)。

    比較20 例頭頸部腫瘤放射治療患者標準組SECT 掃描影像和對照組DECT 掃描及能譜從50-90keV 重建影像勾畫出GTV、CTV 和OARs 的3D容積范圍和平均CT 值:Brain Stem 和Spinal Cord平均CT 值,Chiasm、EYE、LENS 3D 容積范圍和平均CT 值差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。Brain Stem 和Spinal Cord3D 容 積 范 圍,GTV、CTV、Chiasm、Cochlea、Optic nerve、Parotid 3D 容 積范圍和平均CT 值差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)(表3)。

    比較20 例頭頸部腫瘤放射治療患者標準組SECT 和對照組DECT 掃描劑量、CTDlvol(mGy)、DLP(mGy.cm)和有效劑量D(表3),顯示對照組均低于標準組,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

    表3 表3 兩組能量掃描及5 種能譜重建3D 容積范圍、平均CT 值(HU)和輻射劑量比較(±)( )

    表3 表3 兩組能量掃描及5 種能譜重建3D 容積范圍、平均CT 值(HU)和輻射劑量比較(±)( )

    分組GTV CTV Cochlea Parotid Spinal Cord Total mAs DLP 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值標準組 59±38.43 54.34±98.25 190.42±153.65 100.14±191.95 0.35±0.24 1129.99±151.64 35.26±15.83 3.67±25.3 20.26±8.38 6.56±5.6 7291.9±533.64 2229.9±169.2對照組 59.6±38.07 43.08±115.94 188.65±148.17 96.24±161.49 0.37±0.25 1192.97±332.14 36.81±17.02-9.63±33.99 19.62±7.75 43.45±11.2 6145.3±140.39 752.87±18.57 F 0.001 0.06 0.01 0.04 0.07 17.53 0.45 2.65 0.11 6 13.42 20.39 P >0.05 >0.05 >0.05 >0.05 >0.05 >0.05 >0.05 >0.05 >0.05 <0.05 <0.05 <0.05分組Chiasm EYE LENS Opticnerve Brain Stem有效劑量E CTDIvol 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值 3D 容積 CT 值標準組 1.33±0.53 25.42±13.83 9.6±1.37 45.42±3.73 0.27±0.07 95.94±9.95 0.71±0.29 36.62±38.52 26.68±6.47 26.85±1.54 12.04±0.91 50.06±000對照組 1.1±0.42 33.88±17.81 10.61±1.66 17.37±7.95 0.21±0.05 21.73±9.62 0.72±0.3 31.28±38.31 25.21±6.65 38.01±5.67 4.07±0.1 16.08±0.47 F 2.64 0.11 1.3 14.97 2.41 0.28 0.03 0.01 0.05 16.56 20.36 4.46 P <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 >0.05 >0.05 >0.05 <0.05 <0.05 <0.05

    討 論

    本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)DECT 掃描及能譜重建影像測得頸部腫瘤組織和正常組織的CT值呈現(xiàn)出正態(tài)分布,能量在60 ~80keV 時CT 值最高,相對應(yīng)的3D 容積也最大,同時影像的噪聲最低,分辨率最高,腫瘤與正常組織的邊界,以及腫瘤組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示更加清晰,從而增加物理師準確地勾畫腫瘤靶區(qū)的信心。相比SECT(120kVp)一次掃描只能獲得一種能量結(jié)果,DECT 采用高(140kVp)、低(80kVp)兩種管電壓掃描,并且將掃描后的影像合并重建,得到能譜值從40 ~190keV 范圍內(nèi)的單能量影像。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),DECT 測得腫瘤組織和正常組織的CT 值均涵蓋了SECT 的CT 值,相對應(yīng)的3D 容積也同樣涵蓋。也正是因為DECT 掃描的這個特點,對X 線束的衰減系數(shù)接近正常組織和腫瘤,可以調(diào)節(jié)能譜能量,獲得影像顯示差異的最佳密度分辨率和空間分辨率。特別是在除金屬偽影方面效果更顯著。對于DECT 掃描外界一直存在兩種能量掃描會增加患者接受輻射的劑量,容易引起被照射器官輻射損傷。在本研究中,DECT 掃描參數(shù)是通過對CTDI Phantom 和人體體模掃描后,由高精度劑量儀測得的輻射劑量計算得出,并且專業(yè)掃描軟件監(jiān)測顯示的結(jié)果證明:DECT輻射劑量明顯低于SECT。在接下來臨床實施階段,這個結(jié)果也進一步得到了證實。因此,遵循輻射防護最優(yōu)化原則(as low as reasonable achievable, ALARA),設(shè)置低輻射劑量的CT 檢查掃描參數(shù)尤為重要。

    綜上所述,頭頸部腫瘤粒子治療計劃靶區(qū)設(shè)計顯示中,在輻射劑量明顯降低的前提下,DECT 掃描影像以及基于DECT 影像重建的不同能譜值影像可以獲得可變量的CT 值,對改善衰減系數(shù)相近的正常組織與腫瘤組織顯示分辨率和對比度具有優(yōu)于SECT掃描影像獲得單一的CT 值,一定程度上提高了臨床三維適形放射治療設(shè)計中腫瘤區(qū)(GTV)、臨床靶區(qū)(CTV)和危及器官(OR)之間自動勾畫的準確性。

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