碳離子治療計(jì)劃系統(tǒng)中CT-WEPL校正曲線的測量研究*

孟萬斌,馬霄云,張雁山,盧小麗,孟 莉,王紫珩,高福蕓

(甘肅省武威腫瘤醫(yī)院重離子中心，甘肅 武威 733000)

放射治療(放療)作為一種治療惡性腫瘤的物理治療手段,已經(jīng)發(fā)展了100多年。重離子放療的出現(xiàn),使得現(xiàn)代放療又邁入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)代[1]。常規(guī)放療使用的射線均屬低線性能量傳遞(LET)射線，低LET射線具有細(xì)胞周期依賴性,不能殺滅各期腫瘤細(xì)胞[2]。重離子射線被引出射入人體,在到達(dá)腫瘤病灶前,射線能量釋放很少,但是到達(dá)病灶后,射線會瞬間釋放大量能量,穿過腫瘤組織后射線能量迅速陡峭衰減，此過程形成的尖峰稱為布拉格(Bragg)峰[3]。治療時(shí)可根據(jù)腫瘤大小展寬Bragg峰(SOBP),使Bragg峰覆蓋腫瘤，因此重離子治療技術(shù)既可以提高腫瘤區(qū)域的劑量,又可以降低入射路徑上正常組織的受照劑量，降低放射毒性，實(shí)現(xiàn)療效的最大化。重離子射線主要作用于腫瘤細(xì)胞DNA雙鏈，使其很難修復(fù)，治療后不易復(fù)發(fā)。重離子射線殺滅腫瘤細(xì)胞時(shí)，也不受細(xì)胞周期影響，可以徹底殺滅各個(gè)周期的細(xì)胞,降低復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的概率[4]。

為了準(zhǔn)確地使重離子束的Bragg峰落在目標(biāo)腫瘤上，就必須知道其照射路徑上組織的相對阻止本領(lǐng)，但是目前沒有任何設(shè)備可以直接測量這一數(shù)據(jù)。自從CHEN等[5]和MUSTAFA等[6]發(fā)表了他們的數(shù)據(jù)，將患者的計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為水等效的路徑長度(WEPL)系數(shù)，等同于水的相對阻止能力，使得這一問題得以解決。具體方法是對每個(gè)像素點(diǎn)用水等效系數(shù)將組織的CT值轉(zhuǎn)化為WEPL[7-8]，這一方法的重點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)測量并建立CT-WEPL校正曲線，最終測量結(jié)果可以輸入重離子計(jì)劃系統(tǒng)，為計(jì)劃系統(tǒng)的劑量優(yōu)化提供可靠依據(jù)。在德國重離子研究中心(GSI)，CT-WEPL校正曲線目前是通過測量組織等效材料獲得[8-10]。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谕ㄟ^測量建立一個(gè)適用于本院碳離子治療系統(tǒng)的CT-WEPL校正曲線，應(yīng)用于碳離子放射治療計(jì)劃(ciPlan)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)使用幾個(gè)組織等效的材料來測量其WEPL系數(shù)。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析得到CT-WEPL的校正曲線，并得到了相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程。這個(gè)曲線方程可以直接整合到ciPlan系統(tǒng)中，用于劑量優(yōu)化計(jì)算。

1 材料與方法

1.1一般材料 本實(shí)驗(yàn)中，液體等效材料：選擇乙醇、花生油、水和飽和鹽水作為組織的替代品，主要是因?yàn)樗鼈兊某煞纸咏梭w。固體組織部分：選擇新鮮的豬肝、腎、肺和脂肪組織。骨頭：選擇密度比較高且形狀較為規(guī)則的牛腿骨。取樣容器為T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶，瓶身采用聚苯乙烯制成，瓶內(nèi)兩壁間距為30.4 mm，即本實(shí)驗(yàn)樣本厚度(Sample_Thickness)。

取4個(gè)T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶，分別裝入純凈水、花生油、飽和鹽水、95%乙醇，見圖1A；另取4個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)瓶，用刀具截去瓶口，將整塊的豬腎臟、肝臟、肺、脂肪按照培養(yǎng)瓶瓶身大小切至合適尺寸，放入截好的培養(yǎng)瓶內(nèi)，要求組織與瓶壁之間無氣泡殘留，切割端口用保鮮膜封住，見圖1B；再取一空瓶，作為空氣測量樣本，見圖1C；牛腿骨切割成寬度一定的規(guī)則薄片，切割成型后測得厚度為36.4 mm，見圖1D。除牛腿骨外，所有的組織等效材料均被直接放入容器中。在儲存和運(yùn)輸過程中,樣品容器必須始終保持直立，以防止容器內(nèi)任何組織位移。新鮮的樣品被儲存在冰箱里，且從制備新鮮組織樣本到實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間保持在24 h之內(nèi)，以防新鮮組織變質(zhì)。在進(jìn)行CT掃描和在治療終端的測量時(shí)，液體溫度必須保持在室溫，約為25 ℃。

1.2儀器 甘肅省武威腫瘤醫(yī)院重離子中心碳離子治療系統(tǒng)(由中國科學(xué)院近代物理研究所研制的國內(nèi)首臺用于放療的重離子加速器)2號治療室水平治療終端，ciPlan系統(tǒng)(由中國科學(xué)院近代物理研究所與上海大圖醫(yī)療科技有限公司共同開發(fā)的國內(nèi)首套重離子放射治療計(jì)劃系統(tǒng))，三維水箱(MP3-P型，德國PTW公司)、2個(gè)電離室(德國PTW公司)、tbaScan軟件(德國PTW公司)，放療專用大孔徑CT(SOMATOM Definition AS型，德國西門子公司)。

1.3方法 將制作好的10組樣本進(jìn)行CT掃描，管電壓120 kV，層厚1.25 mm，CT進(jìn)床方向垂直于樣本的最大表面(碳離子束入射方向)，每個(gè)樣品都獨(dú)立掃描，將掃描圖像傳送至ciPlan系統(tǒng)，測量各樣本的CT值。

本次實(shí)驗(yàn)使用束流能量為330 MeV/u，采用均勻掃描模式，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，使用多葉光柵將射野范圍調(diào)整為1.2 cm×1.2 cm大小的正方形(多葉光柵厚度0.4 cm，方野寬度為0.4 cm倍數(shù))，測量樣本放置于三維水箱前方，另平行放置2個(gè)電離室，參考電離室放置于樣品前方，測量Bragg峰位的電離室放置于水箱內(nèi)部。這些裝置均擺放于治療床上，所有樣本擺放最大表面方向與束流入射方向保持一致。測量時(shí)，水箱中的電離室沿射束方向移動，測量精度為0.1 mm，為節(jié)約時(shí)間，百分深度曲線(PDD)只測量Bragg峰區(qū)附近劑量分布。

A.液體樣本，從左至右依次分別為95%乙醇、飽和食鹽水、花生油、純凈水；B.固體樣本，從左至右依次是脂肪、腎臟、肝臟、肺；C.空氣樣本；D.牛骨樣本。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

樣本的CT-WEPL系數(shù)可與水比較計(jì)算得出：

①

或與空氣比較計(jì)算：

②

2 結(jié) 果

2.1各樣本測量統(tǒng)計(jì)CT值 將CT掃描圖像導(dǎo)入ciPlan系統(tǒng)，每個(gè)樣本讀取20組不同位置的CT值，分析每個(gè)樣本的CT值分布范圍，因?yàn)镃T值在樣本的邊緣部分呈現(xiàn)很大的變化，因此，CT值只統(tǒng)計(jì)所有樣本中心區(qū)域約50×50像素的區(qū)域(約1 cm×1 cm)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 各樣本測量統(tǒng)計(jì)CT值

2.2各樣本Bragg峰位深度 實(shí)驗(yàn)測得9組T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶樣本的Bragg峰位深度見表2，分布圖見圖3。牛腿骨因材料原因，不能裝入T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶，用切割成的規(guī)則薄片按以上方法單獨(dú)進(jìn)行測量，牛骨、空氣Bragg峰位置分別為95.9、166.1 mm，與束流線上不放入牛骨(空氣)時(shí)Bragg峰位置進(jìn)行比對計(jì)算，圖4為牛骨樣本的測量結(jié)果。

圖3 碳離子束穿過材料后在水下的百分深度劑量分布(T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶樣本)

圖4 碳離子束穿過牛骨在水下的百分深度劑量分布

表2 Bragg峰深度位置(T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶樣本)

2.3各樣本W(wǎng)EPL系數(shù)計(jì)算 代入公式計(jì)算得出各樣本的WEPL系數(shù)，見表3。根據(jù)樣本測量得到的CT值與CT-WEPL系數(shù)，分析最終得出CT-WEPL校正曲線。如下：

表3 不同樣本的CT-WEPL系數(shù)

此曲線方程可直接導(dǎo)入ciPlan系統(tǒng)，用于碳離子治療計(jì)劃的劑量計(jì)算，見圖5。

圖5 根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的CT-WEPL校正曲線

2.4本實(shí)驗(yàn)與其他研究對比 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CT-WEPL校正曲線分兩段呈線性分布，分界點(diǎn)位于CT值為0，即WEPL系數(shù)為1.0的位置附近。組織CT值小于水時(shí)，WEPL系數(shù)隨CT值變化較快；當(dāng)CT值大于水時(shí)，WEPL系數(shù)隨CT值變化較前者變緩。圖6是這次實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果(武威曲線)與IMP[11](中國科學(xué)院近代物理研究所)、Gunma(日本群馬大學(xué)重離子醫(yī)學(xué)中心)曲線的對比。

圖6 武威曲線與IMP、Gunma曲線對比

3 討 論

重離子束擁有物理學(xué)和生物學(xué)雙重優(yōu)勢,使其成為21世紀(jì)腫瘤放療領(lǐng)域最尖端的技術(shù)，越來越受到全世界廣泛關(guān)注。CT-WEPL校正曲線對于重離子放射治療計(jì)劃制定的精準(zhǔn)程度起到十分重要的作用[5]。本實(shí)驗(yàn)通過測量幾組組織等效樣本材料的CT值，再利用碳離子束流測量得到各樣本的CT-WEPL系數(shù)，進(jìn)而分析擬合出CT-WEPL校正曲線。本實(shí)驗(yàn)樣本CT掃描時(shí)使用患者定位CT時(shí)的預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行掃描，對于同一種組織等效材料，使用不同CT設(shè)備、不同掃描參數(shù)掃描時(shí)，以及樣本掃描時(shí)的擺放位置等均會對CT值產(chǎn)生影響，其差異可以達(dá)到3%[12]。

擺位誤差引起的樣品容器、三維水箱的方向與射束方向的偏差，會導(dǎo)致測距誤差。樣本的最大表面要與碳離子束入射方向一致，當(dāng)方向有偏差時(shí)，會導(dǎo)致束流穿過樣本的路徑變長，樣本實(shí)際厚度變大，而三維水箱擺位方向有偏差時(shí)，會導(dǎo)致Bragg峰位置測量偏小。治療室有激光定位系統(tǒng)輔助擺位，可使擺位角度誤差小于1°，帶入誤差可忽略不計(jì)。

在實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)中，樣本的CT-WEPL系數(shù)與空氣或者水比較，考慮到樣本盛放容器T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶器壁對束流射程的影響，樣本制作時(shí)，按其他樣本測量條件，也使用T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶制作了空氣與水的測量樣本。計(jì)算時(shí)，因空氣、水與樣本測量結(jié)果中都帶有器壁造成的射程誤差，而計(jì)算CT-WEPL系數(shù)時(shí)，樣本峰值PeakSample與PeakAir或Peakwater做差取相對Bragg峰值差計(jì)算，因此，細(xì)胞培養(yǎng)瓶造成的誤差可忽略，不影響計(jì)算結(jié)果。

制作新鮮組織樣本時(shí)，會有一些氣泡夾雜在容器里，測量導(dǎo)致CT值與CT-WEPL系數(shù)有一定誤差。氣泡的引入導(dǎo)致會束流穿過樣本的路徑變短，樣本實(shí)際厚度變小，且會影響樣本CT值的準(zhǔn)確度。制作樣本時(shí)，切割樣本厚度可略大于容器厚度，使組織稍受擠壓排出氣泡。

新鮮組織裝入細(xì)胞培養(yǎng)瓶時(shí)，擠壓程度不一樣，由于多孔材料在制作過程中具有較大的不確定性[12]，導(dǎo)致CT值變化范圍變大，從而使CT值測量有一定誤差，尤其是肺組織。本研究表1中，肺組織測量值的標(biāo)準(zhǔn)差較大，主要是受此因素影響。為盡量排出氣泡，樣本切割時(shí)厚度可略大于細(xì)胞培養(yǎng)瓶厚度，但不宜過大，影響CT值測量結(jié)果。

本研究圖6顯示，本次實(shí)驗(yàn)測得武威曲線前半部分與IMP、Gunma曲線都可以很好地吻合，僅后半部分有一點(diǎn)偏差。分析主要原因可能是由于實(shí)驗(yàn)CT機(jī)之間存在差異，不同的CT機(jī)掃描相同的材料，其掃描圖像可能產(chǎn)生不同的CT值分布[13-15]，許多因素可能會影響CT值，例如CT的設(shè)定參數(shù)(管電壓、管電流、掃描層厚等)、樣本幾何尺寸、樣本CT值統(tǒng)計(jì)范圍等。再者，上述分析中誤差的引入也會導(dǎo)致測量結(jié)果之間的偏差。因此，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，CT值與WEPL系數(shù)之間沒有固定通用關(guān)系。但由于CT值與WEPL系數(shù)之間的相關(guān)性直接影響重離子治療計(jì)劃系統(tǒng)中劑量優(yōu)化和劑量分布，因此，對于特定的CT機(jī)與重離子治療設(shè)備，在設(shè)備投入使用前，有必要通過實(shí)驗(yàn)測量，為其建立一個(gè)專用的CT-WEPL校正曲線。上海質(zhì)子重離子醫(yī)院測量時(shí)，使用的等效材料是一套CT機(jī)配套的不同密度的固體材料[16]，本實(shí)驗(yàn)采用與人體組織組成更為接近的液體和動物組織材料進(jìn)行測量，優(yōu)點(diǎn)在于消除了測量材料帶來的差異性。不足之處是動物組織材料制備困難，其受操作者制作經(jīng)驗(yàn)影響很大，譬如腎臟組織，不能切割出足夠大的規(guī)則體放于T75細(xì)胞培養(yǎng)瓶中，需要切割多層進(jìn)行組合，這樣就容易導(dǎo)致材料密度不均勻，從而產(chǎn)生誤差。

在臨床使用中，還應(yīng)注意非人體組織材料的CT值與相對阻止本領(lǐng)之間的轉(zhuǎn)換，如金屬植入物、補(bǔ)償組織等，必要時(shí)在臨床應(yīng)用中對這些材料指定其相對阻止本領(lǐng)[16]，即對這些材料進(jìn)行CT-WEPL系數(shù)測量。因人體各組織對碳離子束的阻止本領(lǐng)不一，且各單位使用時(shí)存在模擬定位CT機(jī)的差異，因此，對于特定的CT機(jī)與重離子治療設(shè)備，在設(shè)備投入使用前，有必要通過實(shí)驗(yàn)測量，為其建立一個(gè)專用的CT-WEPL校正曲線。