調(diào)強放療中金屬植入物及偽影的消減技術(shù)

王 勇 孫彥澤 趙培峰 孫建猛 周 鋼

1（蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院放療科 蘇州215004）

2（蘇州大學(xué)放射腫瘤治療學(xué)研究所 蘇州215004）3（蘇州市腫瘤放射治療重點實驗室 蘇州 215004）

在現(xiàn)代腫瘤放射治療中，CT 圖像常用于放射治療三維劑量分布計算。劑量計算準(zhǔn)確性的基本要求是CT圖像重建HU的精確，HU值不正確可能會導(dǎo)致電子密度標(biāo)定的誤差。人體由密度不同的結(jié)構(gòu)組成，例如軟組織、骨骼、牙齒、肺和空氣空腔等。除了這些生物異質(zhì)性以外，人工的生物相容性材料也可能存在，例如髖關(guān)節(jié)假體、脊髓固定植入物、下頜骨重建物和牙科填充物等。通常，這些植入物是由高原子序數(shù)（高Zeff）金屬材料組成，會在CT 圖像上造成眾所周知的金屬偽影［1］。這些金屬偽影是由于射線束硬化、泊松噪聲、康普頓散射、邊緣效應(yīng)和光子饑餓等導(dǎo)致，可能導(dǎo)致放療劑量計算偏差［2-4］。另外，金屬偽影也會影響視覺效果，對腫瘤靶區(qū)和危及器官的準(zhǔn)確勾畫及邊界的確定產(chǎn)生影響。本文利用模體評估了金屬植入物及其偽影對治療計劃的劑量計算的影響，并探討了利用密度填充（Density filling，DF）及金屬偽影消減技術(shù)（Metal artifact reduction，MAR）處理后，在容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強治療（VMAT）計劃中對劑量計算準(zhǔn)確性的改善，為臨床設(shè)計帶金屬植入物患者的放療計劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 模體設(shè)計及圖像采集

模擬髖關(guān)節(jié)置換患者在調(diào)強模體（CIRS model 002H9K， Norfolk， VA）中插入兩根直徑為2.5 cm 的不銹鋼金屬棒，調(diào)整模體位置，將電離室（PTW，TW30013）的有效測量體積幾何中心置于兩根金屬棒所在平面內(nèi)中間位置的B 點［5］。利用帶有金屬偽影消減技術(shù)（MAR）的大孔徑模擬CT（GE， 590RT）進行掃描，獲取未使用MAR技術(shù)的常規(guī)圖像CTNorm以及使用MAR校正處理的圖像CTMAR，將圖像傳至Monaco 放射治療計劃系統(tǒng)（Elekta，Version 5.11）。根據(jù)電子密度模體（CIRS 062M）上標(biāo)準(zhǔn)材料的物理密度及相對電子密度值進行線性擬合，獲取不銹鋼金屬棒的相對電子密度為6.61，在CTNorm和CTMAR圖像中分別勾畫出金屬棒區(qū)域，并對金屬棒進行密度填充（DF）得到CTDF圖像和CTMAR+DF圖像。在所有圖像中勾畫出電離室的有效測量體積并構(gòu)建治療床以模擬治療床對劑量的衰減［6］。本文計劃系統(tǒng)中所計算的和在加速器照射條件下實際測量的電離室有效體積劑量均指吸收劑量。

1.2 模體VMAT計劃劑量學(xué)比較

在模體的CTNorm圖像中勾畫出靶區(qū)PTV（包含B點）和危及器官，處方劑量為200 cGy，設(shè)計全?。?60°，圖1（a））和分段弧VMAT計劃（圖1（b））兩種類型的治療計劃，分段弧的路徑避開金屬區(qū)域。計劃完成后通過圖像配準(zhǔn)將靶區(qū)及危及器官復(fù)制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF圖像中，調(diào)強計劃也保持原射野參數(shù)不變進行移植，獲取兩種圖像的劑量計算結(jié)果。在醫(yī)科達加速器上實施VMAT 計劃并對劑量進行實際測量后，分析比較各類圖像的劑量計算誤差。

圖1 全弧VMAT計劃(a)與避開金屬區(qū)域的分段弧VMAT計劃(b)設(shè)計示意圖Fig.1 Design of full arc VMAT plan(a)and part arc VMAT plan(a),the part arc avoiding metal area

1.3 臨床病例VMAT計劃劑量學(xué)比較

選取6例椎體中植入金屬鋼釘并接受腹膜后放療的患者，獲取CTNorm和CTMAR圖像。在治療計劃系統(tǒng)中利用自動勾畫功能，設(shè)置CT值的閾值大于3 070 HU，勾畫出植入的金屬鋼釘區(qū)域進行密度填充，獲得患者的CTNorm+DF和CTMAR+DF圖像。在CTNorm圖像中設(shè)計VMAT計劃，為減少腸道的受照劑量，弧角度設(shè)置盡量避免從患者的腸道入射，因此有部分弧的入射路徑通過了植入的金屬鋼釘。計劃完成時處方劑量覆蓋95%的PTV，靶區(qū)最大劑量盡量不超過處方劑量的110%。計劃完成后復(fù)制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF圖像中，評估計劃結(jié)果的差異。評估參數(shù)包括PTV的最大劑量Dmax、最小劑量Dmin、平均劑量Dmean、處方劑量覆蓋靶區(qū)相對體積VDp、均勻指數(shù)（Homogeneity index，HI）及適形指數(shù)（Conformal index，CI）。

1.4 統(tǒng)計分析

在Excel軟件中對劑量的計算及測量結(jié)果進行統(tǒng)計學(xué)分析；在臨床病例劑量學(xué)研究中，利用SPSS23.0 軟件對4 種計劃計算結(jié)果兩兩進行配對t檢驗，p＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義，采用OriginPro 8.0 軟件進行數(shù)據(jù)的擬合及作圖比較分析。

2 結(jié)果

2.1 模體中VMAT計劃劑量計算差異

表1為設(shè)計的VMAT全弧計劃與避開金屬區(qū)域的分段弧計劃劑量計算結(jié)果。在常規(guī)CT 圖像中，避開金屬區(qū)域的分段弧計劃可降低計算劑量與實測劑量的計算差異（4.97%vs.6.14%）。常規(guī)CT圖像經(jīng)密度填充后計算差異明顯改善（2.35%vs.6.14%），由于部分弧避開金屬區(qū)域差異變化不明顯（4.64%vs.4.97%）。經(jīng)金屬偽影消減技術(shù)校正后的圖像中，避開金屬區(qū)域的分段弧計劃較全弧計劃明顯提高了劑量計算精度（0.16%vs.5.57%），采用金屬偽影消減技術(shù)和密度填充校正后的圖像全弧計劃和分段弧計劃較常規(guī)圖像的計劃顯著提高劑量計算的精度（2.14%vs.6.14%，0.42%vs.4.97%）。

表1 各種圖像校正后VMAT計劃的劑量計算差異Table 1 Dose calculation differences of VMAT plans after various image corrections

2.2 臨床病例VMAT劑量計算差異

如圖2 所示，常規(guī)圖像CTNorm上設(shè)計的VMAT計劃，在復(fù)制到CTNorm+DF、CTMAR和CTMAR+DF圖像時，靶區(qū)的劑量覆蓋率及等劑量線分布有較大的改變。進一步分析顯示，4種圖像計算結(jié)果中靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（p＞0.05）；所有參數(shù)比較中，CTMAR與CTNorm計算結(jié)果相當(dāng)；對于Dmin，CTNorm+DF和CTMAR+DF分別相對CTNorm減少5.53%和4.91%；對于Dmean，CTNorm+DF和CTMAR+DF分別相對CTNorm減少1.14%和0.92%（p＜0.05）；對于VDp，CTNorm+DF和CTMAR+DF分別相對CTNorm減少8.45%和6.68%；對靶區(qū)劑量的均勻度和適形度，CTNorm+DF和CTMAR+DF相對CTNorm的均勻性和適形性都有所降低，詳見表2。

圖2 椎體金屬植入物患者VMAT計劃在4種圖像中的劑量結(jié)果示例：(a)利用CTNorm圖像設(shè)計計劃的等劑量線分布圖；(b)將計劃復(fù)制到CTMAR圖像的等劑量線分布圖；(c)將計劃復(fù)制到CTDF圖像的等劑量線分布圖；(d)將計劃復(fù)制到CTDF+MAR圖像的等劑量線分布圖Fig.2 Examples of dose distribution results of the VMAT plan with vertebral metal implant patients(a)is the isodose distribution with CTNorm image;(b)is the isodose distribution recalculated with CTMAR image;(c)is copy the plan to the isodose distribution recalculated with CTDF image;(d)is the isodose distribution recalculated with CTDF+MAR image

表2 6例患者靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)在4種圖像中計算結(jié)果比較Table 2 Comparison of the PTV dosimetric parameters results of 6 patients in four CT images （-x ± s）

3 討論

在腫瘤放射治療CT模擬定位圖像中，金屬偽影的產(chǎn)生不僅會影響疾病的診斷和腫瘤靶區(qū)的勾畫準(zhǔn)確度，還會影響劑量計算的精度。有研究表明，采用16 bit 的CT 圖像能更準(zhǔn)確地讀取金屬植入物的CT值，經(jīng)擴展CT-ED曲線的方法可以提高計劃系統(tǒng)中劑量計算的精確度［7-8］。此外，也有研究表明雙能CT優(yōu)于金屬去偽影技術(shù)（MAR）可以更好地減少金屬植入物的影響［9-10］。目前，大多數(shù)放療單位使用的是常規(guī)的12 bit CT 模擬定位機，圖像CT值顯示范圍為-1 024～3 071 HU，超過該范圍的高密度材料都顯示為最大值3 071 HU。金屬植入物的CT值一般遠大于3 071 HU，所以采用常規(guī)CT對這類患者進行放療定位可能會給后續(xù)治療計劃的設(shè)計帶來額外的計算誤差［7］。近年來大多數(shù)商用模擬定位CT帶有金屬去偽影消減技術(shù)，但是基于目前最常用的12 bit CT 模擬定位機并不是所有單位都具有MAR技術(shù)。基于此，本研究在已知金屬植入物密度的前提下，在計劃系統(tǒng)中對圖像里面的金屬區(qū)域進行密度填充，還原其真實的電子密度信息，同時結(jié)合模擬定位CT的金屬偽影消減技術(shù)，減少植入物附近組織CT值的誤差。

當(dāng)射野的入射路徑通過金屬區(qū)域時，由于圖像中金屬區(qū)域的CT值遠低于實際值，計劃系統(tǒng)中默認該金屬區(qū)域電子密度低于實際值，從而低估了金屬區(qū)域?qū) 射線的衰減，使得計劃系統(tǒng)對射野在金屬植入物后方組織的劑量計算結(jié)果大于實際測量結(jié)果，從而導(dǎo)致劑量的計算結(jié)果偏高。本研究結(jié)果顯示，入射路徑避開金屬區(qū)域能夠減少劑量誤差，分別采用DF和MAR技術(shù)進行處理后，都能使劑量計算誤差明顯減少，DF 較偽影消減技術(shù)更明顯。當(dāng)采用DF和偽影消減技術(shù)相結(jié)合的方式時，可使計算誤差進一步減少。在進行VMAT計劃設(shè)計時，應(yīng)盡量避開金屬區(qū)域采用分段弧設(shè)計的方法。在臨床病例VMAT 計劃所有參數(shù)比較中，CTMAR與CTNorm計算結(jié)果相當(dāng)，差異較小；對于Dmin、Dmean、VDp，CTNorm+DF和CTMAR+DF相對CTNorm均減少；CTNorm+DF和CTMAR+DF適形性和均勻性分別相對CTNorm均有所降低。

在放射治療劑量計算中，基于含金屬植入物的CT圖像劑量計算誤差主要包括：金屬植入物的CT 值與實際值的偏差和金屬偽影導(dǎo)致周圍正常組織CT值與實際值的偏差［5］。從本文的研究結(jié)果可見，金屬去偽影消減技術(shù)能夠消除圖像中大部分的金屬偽影，患者體內(nèi)的金屬植入物是影響劑量計算準(zhǔn)確度的主要因素，即使在CT模擬機沒有偽影消減技術(shù)的條件下，單獨采用DF技術(shù)處理金屬區(qū)域，也能有效提高放療計劃的計算準(zhǔn)確度。去偽影消減技術(shù)結(jié)合密度填充處理可以進一步提高劑量計算的精度。