鈦合金植入物對椎體放射治療計劃的劑量學影響

【作 者】 陳曉慧，許安杰，陳佳艷，胡偉剛，彭佳元

1 復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院放射治療中心，上海市，200032

2 復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海市，200032

3 上海市放射腫瘤學重點實驗室，上海市，200032

4 上海市放射治療臨床醫(yī)學研究中心，上海市，200032

0 引言

骨轉(zhuǎn)移的放射治療要求治療計劃具有陡峭的劑量分布和較高的劑量計算精度。一些患者在放療時已植入了椎體固定裝置，在這些病例中高密度的金屬植入物會產(chǎn)生偽影降低CT的成像質(zhì)量[1]，影響治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system,TPS）中CT密度表的正確賦值；也會衰減射線并引起劑量的局部擾動，對劑量計算造成干擾[2]，在劑量計算中引入誤差。因此在帶有高密度植入物的病例中，劑量計算將變得更為復雜。

一些研究者進行了鈦合金對射線影響的研究[3]。但在患者的放射治療中，考慮到腫瘤與脊髓相對位置的變化以及不同的射野參數(shù)等多種因素，金屬植入物對劑量的影響很難被預測。有研究者通過蒙特卡羅算法[4]或利用膠片驗證[5]來評估金屬植入物對患者SBRT計劃的劑量影響，但實際臨床中蒙特卡羅算法并未被廣泛使用，常規(guī)調(diào)強技術(shù)和SBRT技術(shù)在布野方式及分割劑量上也多有不同。因此在帶有高密度金屬植入物的病例中，研究植入物對使用常規(guī)計算方式的常規(guī)調(diào)強放療及立體定向放射放療的劑量影響仍有必要性。

本研究將通過擴展CT密度表和勾畫并賦值鈦合金植入物的方式進行密度校正，分析高密度的鈦合金植入物對椎體放射治療計劃的劑量學影響，另外我們將應用校正方法前后計算所得劑量與在自制仿真模體上實際測量所得劑量進行比較，以驗證TPS計算的準確性。

1 資料和方法

1.1 患者選取，計劃設(shè)計與目標

隨機選取在復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院完成臨床治療的10例椎體轉(zhuǎn)移患者計劃。10例病例均植入了鈦合金椎體固定系統(tǒng)，且使用IMRT技術(shù)治療。

采用常規(guī)的CT密度表對10例計劃進行重新優(yōu)化。10例計劃使用Pinnacle 8.0 m計劃系統(tǒng)設(shè)計，包括數(shù)個共面射野。子野的最小機器跳數(shù)（monitor unit,MU）為10，最小子野面積為10 cm2，最大子野數(shù)設(shè)為35。優(yōu)化算法采用直接機器參數(shù)優(yōu)化，劑量計算使用自適應卷積。計算網(wǎng)格設(shè)為4 mm。治療使用Varian Trilogy加速器產(chǎn)生的6 MV X線，其搭載的多葉光柵（MLC）為millennium 120，共60對葉片，中間40對在等中心平面投影寬0.5 cm，兩端各10對寬1.0 cm。優(yōu)化完成后采用筒串卷積（collapsed cone convolution,CCC）算法進行三維劑量計算，將該組計劃歸為常規(guī)組。

1.2 高密度金屬校正方法

1.2.1 擴展CT密度表

臨床上，常規(guī)使用的CT密度表中密度覆蓋范圍為0～1.53 g/cm3，以此在保證人體正常組織能夠被自動賦值的同時不會給CT偽影賦予過高的密度[6]。為了更加準確地反映鈦合金植入物的真實密度，將原有的常規(guī)CT密度表范圍擴展為0～4.43 g/cm3，使其密度覆蓋范圍包含鈦合金植入物的真實密度。

1.2.2 勾畫鈦金屬區(qū)域和密度賦值

在CT圖像中使用1800～4300 CT值范圍自動勾畫鈦合金組織，經(jīng)人工修正后在電子重建影像上再次確認輪廓。應用高密度鈦金屬CT密度表，將勾畫出的鈦金屬植入物賦值為4.43 g/cm3。

1.3 校正計劃及校正前后的劑量學比較

在計劃參數(shù)保持不變的情況下，對1.1節(jié)的病例采用1.2節(jié)描述的校正方法進行密度校正。通過采用CCC算法進行三維劑量計算，得到校正后的三維劑量分布，稱為校正組，并與常規(guī)組進行比較。

比較指標包括PTVV100、PTVV95、適形性指數(shù)（conformity index,CI）、均勻性指數(shù)（homogeneity index,HI）和脊髓的最大劑量。

適形性指數(shù)計算式為：

本次報告以伊利股份財務指標的分析為主要內(nèi)容，先介紹了伊利股份公司的情況，然后結(jié)合企業(yè)經(jīng)濟效益指標體系以及乳制品行業(yè)和上市公司自身的特點，以2012年-2016年為分析的時間區(qū)間，將伊利股份縱向的財務分析指標分為償債能力、盈利能力、營運能力和發(fā)展能力四個方面，先進行單項指標的分析評價，再進行財務趨勢分析和財務綜合分析。

式中：VT,ref為參考等劑量線所包括的靶區(qū)體積；VT為靶區(qū)體積；Vref為參考等劑量線所包括的體積，單位均為cm3。

均勻性指數(shù)計算式為：

式中：D2%、D50%和D98%分別為2%、50%和98%的靶區(qū)體積所受劑量。

在SPSS軟件中使用Shapiro-Wilk 法執(zhí)行正態(tài)分布檢驗，對不符合正態(tài)分布的執(zhí)行Wilcoxon秩和檢驗，對符合正態(tài)分布的行配對t檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

1.4 仿真模體設(shè)計和劑量驗證

為了消除劑量計算引入的計算誤差，本次實驗設(shè)計了頸部仿真模體進行劑量的測量，驗證校正前后TPS劑量計算的準確性。

1.4.1 仿真模體設(shè)計制作

本次實驗通過SolidWork軟件，設(shè)計了一種模擬患者頸部肌肉組織和錐體骨組織的非均勻解剖結(jié)構(gòu)模型（見圖1），并通過3D打印技術(shù)打印成非均勻的頸部模體。模體主要材料為模擬肌肉組織的聚乳酸，密度為1 g/cm3；模擬椎體骨組織的感光樹脂，密度為1.3 g/cm3。將臨床使用的鈦合金錐體固定系統(tǒng)植入模擬錐體骨組織，在模擬骨組織模體的脊髓位置留置空腔以供插入電離室，椎間盤中央同樣留置空腔，可插入外附有鈦網(wǎng)的聚乳酸棒。模體可置于兩個聚乳酸支撐架上以固定位置。

圖1 植入鈦合金椎體固定系統(tǒng)的頸部仿真模體Fig.1 simulation phantom with a titanium alloy fixation system

模體制作完成后插入電離室，使用飛利浦Brilliance 大孔徑模擬CT掃描，得到層厚為1 mm的仿真模體CT圖像，以1.2.2節(jié)描述的方式勾畫出鈦合金錐體固定系統(tǒng)，同時勾畫出相應電離室的測量體積。

1.4.2 驗證計劃與劑量測量

將10例IMRT計劃在Pinnacle中拷貝至頸部仿真模體CT，分別采用常規(guī)CT密度表下自動賦值密度和1.2節(jié)所述校正方法以原計劃參數(shù)重新計算，讀出電離室有效測量體積處的平均劑量，作為TPS計算值。實際劑量測量使用IBA dose1劑量儀和IBA FC65-G電離室，分別計算兩組驗證計劃的劑量偏差：

其中，采用常規(guī)CT密度表計算的TPS計算值歸入常規(guī)驗證組，采用高密度鈦金屬CT密度表計算的TPS計算值歸入校正驗證組，進行對比。

另外選取10例椎體SBRT計劃，使用與IMRT驗證計劃相同的方式做劑量計算的驗證。在實際臨床過程中考慮使用SBRT技術(shù)可能會對錐體病例有更高的劑量精度要求，未對帶有鈦金屬植入物的患者使用SBRT技術(shù)進行放射治療。因此本次實驗中SBRT計劃僅做測量驗證。

SBRT計劃使用Eclipse 13.5計劃系統(tǒng)設(shè)計。計劃優(yōu)化采用Eclipse13.5.35版本光子優(yōu)化算法（photon optimizer,PO）。計算劑量使用各向異性分析算法（anisotropic analyticalalgorithm,AAA）（13.5.35版本）計算模型，計算網(wǎng)格取2.0 mm。機器參數(shù)為Edge加速器產(chǎn)生的6 MV X線，采用瓦里安high-definition 120 MLC，中間32對在等中心平面投影寬2.5 mm，兩側(cè)各14對寬5 mm。

SBRT計劃的測量采用Standard Imaging的SuperMAX劑量儀，電離室為Exradin A16微型電離室。驗證測量結(jié)果同樣采用同1.3節(jié)的方式進行統(tǒng)計學分析。

2 結(jié)果

常規(guī)組與校正組的靶區(qū)與正常組織劑量學比較如表1所示。PTV各項劑量學指標未見明顯差異，但校正組與常規(guī)組的V100均值相比減少了1.6%。其中校正組相比常規(guī)組的計劃，V100最大偏差為11.35%，而V95最大偏差為4.57%。圖2可見1例IMRT計劃使用常規(guī)CT密度表時的劑量分布和校正后的劑量分布。脊髓最大劑量在常規(guī)組和校正組的比較中具有顯著差異（P=0.02），其平均最大劑量分別為4008.85f 158.45 cGy和3892.64f 443.10 cGy，差異最大的1例可達7.05%。

圖2 校正前后的劑量分布比較Fig.2 Dose distribution comparison before and after correction

表1 常規(guī)組與校正組的靶區(qū)與正常組織劑量比較Tab.1 Dose comparison of PTV and normal tissue between normal group plan and corrected group plan

20例病例的TPS計算值與測量值比較如表2所示。在10例IMRT計劃中，常規(guī)驗證組與校正驗證組的TPS計算結(jié)果與測量劑量相比，平均偏差分別為3.42%與1.90%，P<0.05，具有顯著差異。在10例SBRT計劃中，兩組TPS計算結(jié)果與測量劑量相比的平均偏差分別為1.25%和0.60%（常規(guī)驗證組和校正驗證組），P<0.01。其中IMRT計劃在校正驗證組的偏差最小為0.11%，最大為5.00%，中值為1.62%，常規(guī)驗證組的偏差最小為0.44%，最大為11.76%，中值為2.6%。SBRT計劃在校正驗證組的偏差最小為0.18%，最大為5.63%，中值為1.74%，常規(guī)驗證組的偏差最小為0.06%，最大為6.22%，中值為2.34%。

表2 常規(guī)驗證組和校正驗證組在IMRT計劃和SBRT計劃中的劑量偏差比較Tab.2 Dose error comparison between normal group and corrected group in IMRT plans and SBRT plans

帶有鈦合金植入物的椎體放療IMRT計劃中，高密度的金屬會在CT圖像上產(chǎn)生不準確的CT值并引起劑量計算的誤差。本次研究分析了鈦合金植入物對于椎體放射治療計劃的劑量學影響，并將計算所得劑量與自制仿真模體上實際測量劑量進行比較，以驗證TPS計算的準確性。實驗結(jié)果顯示在椎體調(diào)強計劃中應用校正方法后會顯著影響脊髓的最大劑量，且校正后的TPS計算值具有更高的準確性。

表1所示為常規(guī)組和校正組的劑量指標對比，PTV劑量的各項劑量學指標未見明顯差異。但在個別病例中，采用校正方法前后的劑量線分布可能出現(xiàn)如圖2的明顯改變。在本次實驗中，V100最大偏差可達11.35%，且常規(guī)組與校正組的脊髓最大劑量具有顯著差異。實際計劃設(shè)計中仍應對高密度的金屬植入物做校正處理。在常規(guī)驗證組與校正驗證組的IMRT計劃中，TPS計算值對比實際測量值的平均劑量偏差分別為3.42%與1.90%，P<0.05。而在常規(guī)驗證組與校正驗證組的SBRT計劃中，該對比的平均偏差分別為1.25%與0.60%，P<0.01。使用兩類放療技術(shù)的計劃中，常規(guī)驗證組與校正驗證組的結(jié)果均有顯著差異，使用校正方法能夠降低計算值與實際測量值的偏差。

本次研究中，常規(guī)組與校正組比V100平均減少了1.6%。使用校正方法在多數(shù)計劃中僅小幅改變PTV接受處方劑量的體積。但在部分病例中，偏差可能會大于10%。這與WANG等[6]關(guān)于椎體立體定向放療的研究中的結(jié)論相似。但在該研究中，兩種賦值方式下脊髓沒有明顯差異，而本次實驗中常規(guī)組與校正組的脊髓最大劑量表現(xiàn)出顯著差異。該差異可能來自靶區(qū)勾畫，SBRT計劃的靶區(qū)一般避開脊髓，但常規(guī)調(diào)強計劃的靶區(qū)通常將脊髓包含于靶區(qū)。此外SBRT和常規(guī)調(diào)強在射野數(shù)量、方向等參數(shù)的差異也是可能原因[5]。

本次研究中驗證部分因為自制模體的限制無法使用膠片驗證。盡管已通過移床將測量點置于脊髓位置，但點劑量僅能反映出一個點的劑量準確性，尚不足以完整反映劑量分布的改變。在進一步的研究中將探索在自制模體中實施面劑量測量的方式。

4 結(jié)論

使用常規(guī)的CT密度表進行含有鈦金屬植入物的劑量計算會帶來較大的劑量誤差，通過將CT密度表延長至鈦金屬CT密度范圍，即建立含有鈦金屬CT密度信息的CT密度表，并為鈦金屬人工賦值的校正方式可以減小劑量計算時的劑量誤差。