中华放射医学与防护杂志  2020, Vol. 40 Issue (1): 26-31   PDF    
引用本文
任建新, 巩贯忠, 马星民, 姚鑫森, 尹勇. 不同CT值赋值法对脑转移瘤放疗剂量计算影响的研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2020, 40(1): 26-31, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2020.01.004.
不同CT值赋值法对脑转移瘤放疗剂量计算影响的研究
任建新1 , 巩贯忠2 , 马星民2 , 姚鑫森3 , 尹勇2     
1. 武汉大学物理科学与技术学院 430072;
2. 山东省肿瘤防治研究院(山东省肿瘤医院), 山东第一医科大学(山东省医学科学院)放射物理技术科, 济南 250117;
3. 南华大学核科学技术学院, 衡阳 421001
收稿日期: 2019-05-29
基金项目: 国家重点研发计划（2017YFC0113202）；山东省重点研发计划（2018GSF118006）
通信作者: 尹勇, Email:yinyongsd@126.com
[摘要] 目的 研究不同CT值赋值法对脑转移瘤放疗计划剂量计算的影响，为基于磁共振（MR）图像进行放疗计划设计提供基础。方法 选取35例接受放疗的脑转移瘤患者，每位患者在放疗前同一天分别进行CT和MR模拟定位，基于CT图像制定三维适形放射治疗（3D-CRT）或调强放射治疗（IMRT）计划为原计划Plan1。将CT图像和MR图像刚性配准，在CT和MR图像上勾画主要的组织和器官，计算各组织器官的群体化CT值。基于CT图像，采用3种CT值赋值法生成3组伪CT，分别为：全组织赋予140 HU；空腔、骨骼和软组织分别赋予-700、700和20 HU；不同组织器官分别赋予群体化的CT值。Plan1在3组伪CT上重新计算剂量分布，分别获得Plan2、Plan3、Plan4，然后比较这3组计划和Plan1的剂量学差异。结果 骨骼、空腔平均CT值分别为（735.3±68.0）、（-723.9±27.0）HU，软组织的平均CT值基本分布在-70~70 HU。Plan2、Plan3、Plan4相比Plan1的剂量差异依次减小，在剂量指标比较中，眼晶状体最大剂量差异最大，分别可达5.0%以上、1.5%~2.0%、1.0%~1.5%，其余剂量指标差异的95%置信区间上限基本不超过2.0%、1.2%、0.8%。在像素点剂量比较中，局部靶区病例中差异>1%的区域主要分布在靠近射野的皮肤处，而全脑靶区病例中主要分布在骨骼与空腔、软组织交界处，以及靠近射野的皮肤处。此外，CT值赋值法在3D-CRT的剂量学差异大于IMRT，在全脑靶区病例大于局部靶区病例。结论 不同CT值赋值法对脑转移瘤放疗计划剂量计算的影响显著，对骨骼、空腔和软组织赋予合适CT值，剂量计算偏差可基本控制于1.2%以内，而对各组织器官赋予群体化的CT值，可进一步将偏差控制于0.8%以内，满足临床要求。
[关键词] 脑转移瘤    CT值    伪CT    剂量比较    
Study on the effects of different CT values assignment methods on dose calculation of brain metastases radiotherapy
Ren Jianxin1 , Gong Guanzhong2 , Ma Xingmin2 , Yao Xinsen3 , Yin Yong2     
1. School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
2. Radiation Physics Department of Shandong Cancer Hospital and Institute, Shandong First Medical University and Shandong Academy of Medical Sciences, Jinan 250117, China;
3. School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China
Fund programs: National Key Research and Development Program of China (2017YFC0113202); Key Research Program of Shandong (2018GSF118006)
Corresponding author: Yin Yong, E-mail:yinyongsd@126.com
[Abstract] Objective To study the effects of different CT values assignment methods on the dose calculation of radiotherapy plan for brain metastases, which will provide a reference for radiotherapy treatment planning based on MR images. Methods A total of 35 patients treated with radiotherapy for brain metastases were selected, with pre-treatment CT and MR simulated positioning performed at the same day. Based on the simulation CT images, three dimensional conformal radiation therapy (3D-CRT) or intensity modulated radiation therapy (IMRT) plans were calculated as the original plan (Plan1). The CT and MR images were rigidly registered and then the main tissues and organs were delineated on CT and MR images. The average CT values of each tissue and organ were calculated. Three groups of pseudo CT were generated by three CT values assignment methods based on the CT images:whole tissue was assigned 140 HU; cavity, bone and other tissues were assigned -700 HU, 700 HU and 20 HU, respectively; different tissues and organs were assigned corresponding CT values. The dose distribution of Plan1 was recalculated on three groups of pseudo-CT to obtain Plan2, Plan3 and Plan4, respectively. Finally, the dosimetric difference between Plan1 and other plans (including Plan2, Plan3 and Plan4) were compared. Results The average CT values of bone and cavity were (735.3±68.0) HU and (-723.9±27.0) HU, respectively. The average CT values of soft tissues was mostly distributed from -70 to 70 HU. The dosimetric differences between Plan2, Plan3, Plan4, and Plan1 decreased in turn. The differences of maximum dose of lens were the biggest, which can reach more than 5.0%, 1.5%-2.0% and 1.0%-1.5%, respectively, and the differences of other dose parameters were basically less than 2.0%, 1.2% and 0.8%, respectively. In the pixelwise dosimetric comparison, the areas with more than 1% difference in the local target cases were mainly distributed in the skin near the field. On the other hand, those in the whole brain target cases were mainly distributed at the bone, cavity, bone and soft tissues junction, and the skin near the field. In addition, the dose calculation error of CT value assignment methods in 3D-CRT plan was slightly larger than that in IMRT plan, and that in whole brain target cases were significantly larger than that in local target cases. Conclusions Different CT value assignment methods have a significant effect on the dose calculation of radiotherapy for brain metastases. When appropriate CT values are given to bone, air cavity and soft tissue, respectively, the deviation of dose calculation can be basically controlled within 1.2%. And by assigning mass CT values to various tissues and organs, the deviation can be further controlled within 0.8%, which can meet the clinical requirements.
[Key words] Brain metastases    CT values    Pseudo CT    Dose comparison    

脑转移瘤是常见的恶性肿瘤之一，三维适形放射治疗(three dimensional conformal radiation therapy，3D-CRT)和调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)是当前治疗脑转移瘤的常用放射治疗手段。CT作为放射治疗模拟定位和治疗计划设计的主要依据，为放射治疗剂量计算提供空间位置和电子密度信息[1]。但在靶区勾画时，CT图像中肿瘤边界难以分辨是制约放疗疗效的关键因素[2]。在脑部的肿瘤放疗中，磁共振(MR)图像提供了良好的软组织对比度和多平面成像能力[3]，将MR与CT图像进行融合，大大提高了靶区勾画的准确性，已被广泛用于肿瘤靶区和危及器官勾画[4-5]。但是，MR与CT图像融合的方法引入了额外的配准误差。若仅用MR图像设计放疗计划，可避免冗余的CT图像，简化放疗流程，并消除图像融合误差。然而，缺少电子密度信息是基于磁共振成像(MRI)进行治疗计划设计的主要障碍[6-7]。为此，本研究基于脑转移瘤3D-CRT和IMRT计划探讨不同CT赋值法对脑转移瘤剂量计算的影响，为基于MR图像进行脑转移瘤的计划设计提供参考。

资料与方法

1.一般资料：选取山东省肿瘤医院2018年7月至2019年2月进行放射治疗的35例脑转移瘤患者，每位患者都在放疗前进行CT模拟定位和MR模拟定位。其中男19例，女16例，年龄46~78岁，中位年龄61岁。

2.体位固定与模拟定位：所有患者放疗前均采取仰卧位，头颈热塑面罩固定，在Brilliance大孔径螺旋CT定位机(荷兰Philips公司)上进行CT模拟定位，同一天在Discovery 750 w MR模拟定位机(美国GE公司)上进行MR模拟定位，扫描范围为颈部以上，扫描层厚为3 mm。

3.靶区和危及器官勾画：将CT模拟定位和MR模拟定位的图像传入Eclipse 13.5三维治疗计划系统(美国Varian公司)中，将CT和MR图像刚性配准，然后勾画整个头部(CT图像的整个扫描范围)、大体肿瘤靶区(gross tumor volume，GTV)、计划靶区(planning target volume，PTV)、脑干、脊髓、眼球、眼晶状体、视神经、腮腺等，每位患者均由同一临床医师勾画。

4.计划设计：物理师在Eclipse 13.5计划系统中制定5~7野共面IMRT或3D-CRT计划，其中有10例患者同时制定了IMRT和3D-CRT计划，共45个计划。按计划种类划分为IMRT计划28个，3D-CRT计划17个；按靶区范围分为局部靶区20个，全脑靶区25个。对PTV的处方剂量为40~60 Gy，分次剂量为1.8~2.5 Gy/次，每周5次。

5.组织勾画和CT值分析：将CT和MR图像导入RayStation 7.0工作站(瑞典RaySearch公司)中，将CT和MR图像刚性配准，并进一步勾画骨骼、空腔、胼胝体、排除脑干和胼胝体的脑组织、皮肤。头部排除以上勾画的剩余组织，定义为其他软组织。在RayStation 7.0中计算各组织的平均CT值并记录。

6.组织CT值赋值和剂量重新计算：将原始CT记为CT1，根据上一步得出的各组织群体化CT值，对CT1各组织重新赋予CT值。全组织赋予均匀的140 HU记为CT2；空腔赋予-700 HU，骨骼赋予700 HU，其他组织赋予20 HU记为CT3；脑干赋予30 HU，胼胝体赋予12 HU，排除脑干和胼胝体的脑组织赋予35 HU，腮腺赋予-15 HU，皮肤赋予-50 HU，眼球赋予25 HU，视神经赋予10 HU，眼晶状体赋予60 HU记为CT4。原计划记为Plan1，将Plan1分别复制到CT2、CT3、CT4上进行剂量计算，获得的计划分别记为Plan2、Plan3、Plan4。

7. PTV的适形指数(CI)和均匀指数(HI)[8]比较：其中，CI=(Vt, ref/Vt)×(Vt, ref/Vref)，式中，Vt为靶区体积，Vt, ref为参考剂量线包络的靶区体积，Vref为参考剂量线包络的所有区域体积；HI=(D2%-D98%)/D处方，式中，D2%和D98%分别表示PTV的2%和98%体积剂量，D处方表示PTV的处方剂量。CI越接近1适形性越好，HI越接近0均匀性越好。

8.剂量指标比较：统计4个计划的剂量指标参数和Plan2、Plan3、Plan4相对Plan1的剂量指标差异，以及差异的95%置信区间。统计参数包括：等中心点的点剂量Dpoint、PTV最大剂量Dmax、PTV平均剂量Dmean、PTV的D98%、头部平均剂量Dmean、脑干D5%，以及脑干、胼胝体、左眼、右眼、左右眼晶状体、脊髓的最大剂量Dmax。

9.像素点剂量比较：将Plan2、Plan3、Plan4分别与Plan1作剂量差剪影，比较像素点剂量，并查找差别>1%的区域。

10.在MR图像上制定放疗计划：选取10例病例，在RayStation工作站中，对MR图像不同组织器官分别赋予群体化CT值，制定IMRT计划。

11.统计学处理：采用SPSS 20.0软件分析，满足正态分布的计量资料行配对t检验，结果以$\bar x \pm s$表示。P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

1.各组织器官平均CT值：头部的平均CT值为(140.2±26.6)HU，骨骼平均CT值为(735.3±68.0)HU，空腔平均CT值为(-723.9±27.0)HU，各软组织的平均CT值大多分布在-20~40 HU，其中脑干、胼胝体、脑组织、腮腺、眼球、视神经分别为(29.0±1.3)、(12.0±2.0)、(34.2±1.7)、(-15.8±21.4)、(25.6±3.0)、(9.2±9.6)HU，眼晶状体和皮肤例外，分别为(61.0±6.6)和(-49.0±14.9)HU。

2. PTV的CI和HI：Plan2的HI相对Plan1在局部靶区病例增大6.8%，差异有统计学意义(t=3.627，P < 0.05)；Plan2的其余CI、HI，以及Plan3和Plan4的CI、HI与Plan1相比差异均无统计学意义(P>0.05，表 1)。

表 1 原计划Plan1和3个CT值赋值法计划(Plan2、Plan3、Plan4)中PTV的CI和HI比较($\bar x \pm s$) Table 1 Comparison of CI and HI of PTV between Plan1 and three CT values assignment plans (Plan2, Plan3, Plan4) ($\bar x \pm s$)

3.剂量指标差异：Plan2、Plan3、Plan4的剂量指标与Plan1的差异逐渐减小。在3D-CRT计划中，各剂量指标平均差异的范围分别为-4.7%~0.6%、-1.1%~0.1%、-0.9%~0.1%，高于IMRT计划中的-3.2%~0.3%、-0.9%~0.1%、-0.8%~0.1%；同时，全脑靶区病例中的剂量差异高于局部靶区病例，见表 2，3。

表 2 原计划Plan1和3个CT值赋值法计划(Plan2、Plan3、Plan4)的PTV剂量指标比较(Gy，$\bar x \pm s$) Table 2 Comparison of PTV dose parameters between Plan1 and three CT values assignment plans (Plan2, Plan3, Plan4) (Gy, $\bar x \pm s$)

表 3 原计划Plan1和3个CT值赋值法计划(Plan2、Plan3、Plan4)的关键器官剂量指标比较(Gy，$\bar x \pm s$) Table 3 Comparison of key organs dose parameters between Plan1 and three CT values assignment plans (Plan2, Plan3, Plan4) (Gy, $\bar x \pm s$)

(1) PTV剂量指标差异：对于局部靶区，Plan2、Plan3相比Plan1略有差别，而Plan4与Plan1基本一致。对于全脑靶区，Plan2相比Plan1差异显著，其中PTV的Dmax差别(0.51±1.11)%，Plan3、Plan4相比Plan1略有差别，但差异的95%置信区间上限均不超过0.8%，详见表 2。

(2) 关键器官剂量指标差异：Plan2相比Plan1，左右眼晶状体Dmax相差很大，平均差异2.8~5.8%，部分患者可达5.0%以上，局部靶区中左眼球也出现较大的差异；其他的剂量指标多数都有统计学差异，部分患者可达1.0%以上。Plan3、Plan4相比Plan1，左右眼晶状体和脊髓的Dmax差异较大，最高可到1.5~2.0%、1.0~1.5%；其他组织器官的剂量指标差异较小，差异的95%置信区间上限均不超过1.2%、0.8%，尤其是等中心点剂量(Dpoint)和脑干D5%、Dmax差异更小，详见表 3。

4.像素点剂量差异

(1) 局部靶区患者中的像素点剂量对比：Plan2、Plan3、Plan4相比Plan1的差异>1%的区域依次减小，主要分布在靠近射野的皮肤处。Plan4与Plan1的像素点剂量已基本一致，只有皮肤处存在少量的小范围点状剂量差异区。

(2) 全脑靶区患者中的像素点剂量对比：Plan2、Plan3、Plan4相比Plan1的差异>1%的区域依次减小，主要分布在骨骼与空腔、软组织分界处，以及靠近射野的皮肤处。Plan4与Plan1的差别最小，但依然高于局部靶区患者，皮肤处存在一定数量的小范围点状剂量差异区。

5.在MR图像上制定IMRT计划：采用群体化的CT值赋值法在MR图像上制定了10例IMRT计划，与CT图像上制定相比，用时增加10~30 min，主要增加的工作量为骨骼、空腔、皮肤、胼胝体的勾画，以及各组织器官的CT值赋值。

讨论

MR图像的突出优点在于对软组织有较强分辨能力，因此可更好地用于勾画颅脑部位的肿瘤靶区，以及各种软组织[9-10]。近年来出现一些采用CT值赋值法进行MR图像放疗计划设计的报道[11-13]，但以往研究仅作了粗略的剂量计算差异比较，并未具体找出较大的剂量计算差异出现在哪些区域，也未详细比较靶区和危及器官的剂量学差异，且对脑转移瘤鲜有报道。脑转移瘤最大的特点是不仅有局部肿瘤靶区照射，全脑靶区照射也十分常见。本研究基于MR和CT图像勾画靶区和各组织，在CT图像上重新赋予CT值进行剂量计算的结果可用于评估不同CT值赋值法进行MR图像放疗计划设计的剂量学精度。

颅脑部位主要器官的CT值在-70~70 HU范围内，但是广泛分布的骨骼的CT值往往超过600 HU。张俊等[14]对10例肿瘤患者头颈部主要组织器官的CT值研究发现，下颌骨和颅骨的CT值超过700 HU，软组织中，腮腺、垂体、视神经、大脑、脊髓、脑干等的CT值在-20~45 HU之间，而眼晶状体在60 HU左右。本研究也有类似发现，大部分软组织的CT值在-20~40 HU之间，眼晶状体和皮肤例外，其中眼晶状体拥有最高的软组织CT值，可达60 HU左右，而皮肤拥有最低的软组织CT值，约-50 HU。

在放射治疗中，剂量计算的准确性将直接影响放疗的临床疗效[15]，错误的剂量计算会误导临床医师和物理师，使其无法选择正确的治疗方式。高密度的骨骼对射线吸收较大，因此骨骼电子密度的赋值会在很大程度上影响剂量计算的准确性。Karotki等[11]对10例头颈部肿瘤患者研究发现，对头颈部赋予均匀密度1 g/cm3时，剂量计算差异可达4%~5%；而对骨骼和空腔分别赋予均匀密度1.5和0 g/cm3，剩余组织赋予均匀密度1 g/cm3，危及器官剂量指标的计算差别在2%以内。Young等[12]对10例鼻咽癌患者的研究发现，当对全部组织赋予1 g/cm3均匀密度时，剂量计算差异接近4%，而对骨骼、空腔和其他组织分别赋值时，剂量计算差异可降低到2%以下，只有个别患者在骨骼与软组织分界处达到2%~3%。秦颂兵等[13]对16例鼻咽癌和19例食管癌的研究发现，对骨骼、空腔、肺组织分别赋予800、-1 000和-800 HU，其余组织赋予0 HU时，靶区和危及器官的剂量指标差异在鼻咽癌病例中 < 1%，在食管癌病例中 < 2%。本研究也有类似发现，对于全组织赋予均匀CT值(CT2)、骨骼和空腔以及其他组织分别赋予CT值(CT3)、不同组织分别赋予群体化的CT值(CT4)的剂量计算差异，眼晶状体的Dmax相差最大，分别可达5.0%以上、1.5%~2.0%、1.0%~1.5%，其他剂量学指标差异的95%置信区间上限基本不超过2.0%、1.2%、0.8%。这说明仅对骨骼、空腔和其他组织赋予CT值(或密度值)，就能将靶区和危及器官的大部分剂量学指标的计算差异基本控制在1.2%以内；如果对不同组织赋予群体化的CT值，则可进一步控制在0.8%以内，满足临床要求。

在像素点剂量比较中，Plan2、Plan3、Plan4相对Plan1差异>1%的区域依次减少，局部靶区病例中差异>1%的区域主要分布在靠近射野的皮肤处，而全脑靶区病例中主要分布在骨骼与空腔、软组织交界处，以及靠近射野的皮肤处。这说明在CT值赋值法用于MR图像的计划设计中，皮肤、骨骼、空腔的精确勾画和准确赋值至关重要，这种重要性在全脑靶区病例中尤为明显。

本研究还发现，对于不同CT值赋值法用于剂量计算时的靶区CI和HI与原计划相比大多差异不显著，只有均匀赋值计划Plan2在局部靶区中的HI除外。可能的原因是，在脑转移瘤中，靶区CT值应该接近脑组织的34 HU左右，而均匀赋值法赋予了头部平均CT值140 HU，使得局部靶区的HI随之变差；而全脑靶区中，较大的靶区存在一定的“剂量补偿效应”，减少了HI变化。

此外，CT值赋值法在3D-CRT计划中的剂量计算差异大于IMRT计划，这与Kartutik等[16]的发现类似，可能的原因是IMRT计划剂量计算的自由度较大，多个射野的剂量计算差异之间可能相互补偿，减小了总体差异；同时全脑靶区病例大于局部靶区病例，原因在于全脑靶区范围较大，处方剂量区距离骨骼、空腔较近，赋予的CT值与真实CT值的差异对剂量计算的影响更大。

本研究采用群体化的CT值赋值法在RayStation计划系统上基于MR图像制定了10例IMRT计划，单个计划耗时相比CT计划延长了10~30 min，主要的原因在于相比CT计划，MR计划需要勾画更多的组织器官并重新赋CT值，但是考虑到自动勾画软件越来越成熟便捷，这一困难将来是有望克服的。

在脑转移瘤中，基于MR图像的放疗计划不仅可以更准确地勾画靶区和软组织器官，也可以简化放疗流程，同时具有足够的剂量计算准确性。随着MR模拟定位和MR图像引导放疗技术在越来越多的单位开展，基于MR图像的放疗计划会具有更为广阔的发展前景。

利益冲突  本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展，未接受有关公司的任何赞助，不涉及各相关方的利益冲突

作者贡献声明  任建新负责采集数据，论文撰写，对结果进行统计和分析；巩贯忠、马星民、姚鑫森负责计划制定和数据处理；尹勇设计实验，指导论文的撰写和修改

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