前列腺癌圖像引導放療中錐形束CT 為合成CT 提供質量保證的可行性研究

張帥楠，田 龍，趙 鑫

（河北北方學院附屬第一醫院醫學影像中心，河北張家口 075000）

0 引言

在基于CT 的前列腺癌（prostate cancer，PCa）圖像引導放療（image guided radiotherapy，IGRT）計劃設計中，需將CT 值轉換為劑量計算所需的電子密度（electron densities，ED）[1]。相比傳統CT 而言，在基于MR 的放療計劃設計中，軟組織對比度和靶區勾畫精度均得到了顯著提升[2-4]。但是，MR 無法提供CT 值和ED，需將MR 數據轉換并生成用于劑量計算和獲取數字重建放射影像（digital reconstructed radiographs，DRR）的合成CT（synthetic CT，sCT）圖像，特別是在單獨基于MR 的PCa IGRT 中[5-8]。

以傳統CT 作為質量保證（quality assurance，QA）的金標準，sCT 相對CT 的劑量分布Gamma 通過率較高，劑量體積直方圖（dose-volume histogram，DVH）差異較小[9]。但以傳統CT 作為sCT 的QA 標準后無法實現單獨基于MR 的PCa IGRT。常用于分次治療間靶區位置校準的錐形束CT（cone beam CT，CBCT）可作為一種有效的sCT QA 設備。加速器機載CBCT不同于傳統CT，在實現單獨基于MR 的PCa IGRT中扮演了重要角色。而且CBCT 圖像獲取便捷，質量可滿足臨床鑒別要求。因此，本研究評價利用CBCT 為sCT 提供QA 的可行性，以期實現真正意義上的單獨基于MR 的PCa IGRT。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究分為2 個部分：第1 部分是檢驗CBCT 設備的性能和建立CBCT 的CT 值-ED 曲線的體外實驗，研究對象為KOYOTO KAGAKU PH-4 高精仿真人體模型；第2 部分是驗證CBCT 取代CT 成為sCT QA 標準的可行性的臨床試驗，研究對象為10 例于2021 年6 月至2022 年12 月間在河北北方學院附屬第一醫院接受診療的PCa 患者?；颊咭话阗Y料：年齡53～57 歲，平均年齡（55.4±2.1）歲；Gleason 評分[10]≤6分的2 例，Gleason 評分為7 分的3 例，Gleason 評分≥8 分的5 例。納入標準：（1）腫瘤僅適合IGRT 治療；（2）身體質量指數為18～25 kg/m2；（3）除前列腺特異性抗原外，其他生理、生化指標未見明顯異常；（4）接受黃金基準標志物（gold fiducial marker，GFM）置入術。排除標準：（1）前列腺肥大，伴嚴重鈣化；（2）合并直腸息肉或痔瘡。本研究通過醫學倫理委員會批準，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 體外實驗

體外實驗檢驗CBCT 的CT 值（CT 值CBCT）的長期穩定性并建立CBCT 的CT 值-ED 曲線。（1）使用瓦里安Trilogy 加速器的On-board kV 級CBCT 對模型進行每月1 次共計10 次掃描。CBCT 設置參數：選擇pelvis 掃描模式（Full Fan），管電壓為100 kVp，管電流為80 mAs，層厚為2.5 mm，視野（field of view，FOV）為25 m×18 cm。（2）使用Philips Big Bore 大孔徑CT 對模型進行同步掃描，CT 設置參數：管電壓為120 kV，管電流為300 mAs，層厚為3 mm。（3）將CBCT和CT 數據以DICOM 格式傳輸至影像歸檔和通信系統（picture archiving and communication system，PACS）并于相同層面進行分析。分別讀取10 次掃描2 種圖像中不同器官內CT 值的平均值。（4）使用SPSS 19.0軟件建立CBCT 與CT 的CT 值之間的函數關系并生成CBCT CT 值-ED 曲線。

1.3 臨床試驗

1.3.1 GFM 置入和圖像獲取

患者側臥，雙腿屈曲，雙手抱膝，對直腸肛管進行局麻并建立靜脈通道。在Philips iU22 彩色多普勒超聲診斷儀直腸探頭引導下經患者直腸對前列腺成像[11]。采用細針抽吸術（采用5 mL 注射器和18G 針頭隨超聲探頭進入直腸，穿透直腸前壁刺入前列腺體）將3 枚IBA Visicoil helical 線性金標志物置入靶區不同層面且間距≥15 mm。

在接受IGRT 前3 d，所有患者接受SIGNAVoyager 1.5T MR 和CT 掃描。MR 設置參數為：采用快速自旋回波（fast spin echo，FSE）序列，層厚為2.5 mm，回波時間（echo time，TE）為96 ms，重復時間（repetition time，TR）為15 000 ms，FOV 為448 mm×314 mm，采集矩陣為640×512，重建矩陣為1 024×1 024，重建體素為0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm，帶寬為390 Hz，采集時間為7 min，獲取T2WI 圖像數據。CT 設置參數同體外實驗。使用Spectronic Medical MRI Planner 計劃系統生成sCT 圖像。sCT 用于靶區和危及器官（organ at risk，OAR）的勾畫和劑量計算。CT 在臨床試驗中僅作為QA 的金標準，不用于治療。首次治療中的CBCT用于本研究，其他分次治療中CBCT 聯合GFM 用于IGRT。3 種圖像均在患者處于相同定位體位且排空膀胱及直腸的情況下獲取。IGRT 總劑量為7 600 cGy，分次為38 次，每次200 cGy。

1.3.2 圖像處理和比較

使用Eclipse 13.6 軟件將sCT、CT 和CBCT 進行基于GFM 的融合配準。將sCT 上的靶區和OAR 輪廓拷貝至CT 和CBCT 圖像上后，通過Eclipse 13.6軟件讀取10 名患者CT 和CBCT 圖像上各器官CT值的平均值和標準差，并通過各自的CT 值-ED 曲線轉換為劑量分布。分別進行sCT 相對CT 和sCT相對CBCT 圖像上的Gamma 通過率和DVH 比較。使用SUNnuclear 公司的SunPatient 軟件比較等中心處3 個方向（橫斷面、冠狀面、矢狀面）DRR 上劑量分布的Gamma 通過率，其中Gamma 通過率閾值設置為3%/3 mm。2 種圖像劑量驗證通過點所占百分比為Gamma 通過率。使用DVH 評價靶區和OAR 的劑量指標，包括Dmean、Dmax、Dmin、95%計劃靶區（PTV95%）、直腸V50、膀胱V50、恥骨聯合V70、股骨頭V50、小腸V50。

1.4 統計學分析

采用SPSS 19.0 軟件進行統計學分析，符合正態分布的計量資料以表示，組間差異采用配對樣本t檢驗。CT 值CBCT 長期穩定性采用方差分析。函數關系采用一元線性回歸分析，相關性分析采用Pearson法。以P＜0.05 為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 體外實驗

仿真人體模型10 次掃描結果（見表1）顯示，各器官的CT 值CBCT 方差比較差異均無統計學意義，滿足方差齊性，因此CT 值CBCT 長期穩定性良好。CT 值CBCT和CT 值CT 范圍分別為-1 000～1 750 HU 和-1 000～1 500 HU，各器官CT 值CBCT 和CT 值CT 均呈高度正相關，差異均具有統計學意義。一元回歸方程為CT 值CBCT=1.110×CT 值CT+3.891，相關系數r為0.999，R2=0.899 8，CT 值CBCT 同CT 值CT 之間具有良好線性，可將CT 的CT 值-ED 曲線轉換為CBCT 的CT 值-ED 曲線（如圖1 所示）。

圖1 體外實驗結果

表1 各器官CT 值CBCT 和CT 值CT 結果（）

表1 各器官CT 值CBCT 和CT 值CT 結果（）

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2.2 臨床試驗

1 號患者3 種圖像（如圖2 所示）中sCT 相對CT 和sCT 相對CBCT 在橫斷面、冠狀面、矢狀面上Gamma 通過率均呈高度正相關（見表2），具有高度一致性，組間差異均具有統計學意義，且差異平均值均小于0.1%，2 組間比較差異可忽略。10 名患者sCT相對CT 和sCT 相對CBCT DVH 各項指標差異平均值均呈高度正相關（見表3），組間差異均具有統計學意義，且差異平均值較小可忽略。

圖2 1 號患者的sCT、CT、CBCT 圖像

表3 sCT 相對CT 以及sCT 相對CBCT 的DVH 各項指標差異比較（）單位：%

表3 sCT 相對CT 以及sCT 相對CBCT 的DVH 各項指標差異比較（）單位：%

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3 討論

PCa IGRT 中MR 技術在成像質量，即軟組織分辨力上具有其他成像技術無法比擬的優勢。但MR圖像自身無法提供CT 值和CT 值-ED 曲線，因此無法進行劑量計算。一種解決手段是通過基于GFM 或骨骼的MR-CT 圖像融合技術，將MR 圖像上靶區輪廓和OAR 拷貝至CT 圖像上并進行劑量計算[12-13]。該過程無論手動還是自動，均會造成工作量的增加及引入GFM 識別和配準誤差，而且重復的掃描也會增加患者額外輻照劑量和經濟負擔。因此，單獨基于MR的PCa IGRT 勢在必行，其中基于MR 生成并用于劑量計算的sCT 是重中之重。盡管sCT 已被證明可用于劑量計算，但其QA 程序標準并未確定。目前，利用CT 對sCT 劑量進行驗證是唯一手段，但有悖于單獨基于MR 的原則，因此亟須開發嚴格且可行的新QA程序。在放療科各類大型設備中，CBCT 具有得天獨厚的優勢，若將CBCT 應用于sCT 劑量的QA 程序中，不僅可在治療中同時完成靶區位置和劑量驗證，也可降低患者額外輻照劑量和經濟負擔。本研究通過與金標準CT 進行比較，發現CBCT 在sCT 劑量驗證中各項差異均較小，可取代CT 為sCT 提供QA。目前國內尚無相關研究，因此本研究為基于MR 生成的sCT 的QA 創建奠定了重要的理論和數據基礎，具有一定的臨床意義。

通過對本研究各項結果的分析和與其他試驗[14-15]的比較，本研究得出以下結論：（1）體外實驗中CT 值CBCT 在不同器官中均表現了長期穩定性。本研究應用的是PH-4 高精仿真人體模型，該模型盆腔中各器官與真實人體基本相同。其他試驗中應用了不同的模體，也取得了相似的結果。例如，鞏漢順等[14]在不同掃描條件下的CBCT 影像質量及其CT 值長期穩定性分析研究中，應用的是Catphan 504 模體中的CTP 404 模塊。結果顯示，CBCT 長期穩定性良好，尤其是提高掃描電壓和電流后，穩定性顯著增加。（2）體外實驗中CBCT 的CT 值-ED 曲線隨條件改變而不同。本研究計算獲取的一元回歸方程為：CT 值CBCT=1.110×CT 值CT+3.891，而在宋炳文等[15]針對頭頸腫瘤患者的調強劑量計算的快速CBCT CT 值修正方法研究中，卻得到CT 值CBCT=1.213 5×CT 值CT+21.08 的方程。本研究認為，導致該差異的原因可能與所使用的模體（即掃描部位）以及CBCT 設置參數有關。因此，不同單位需要根據治療部位和設備參數建立相應的QA 程序，而不是完全參照已有試驗。而且，QA程序的建立必須經歷體外實驗和臨床試驗，否則會引入較大誤差。另外，宋炳文等[15]研究中數據采集自10 例患者，而本研究數據采集自模體。真實患者在試驗過程中不可避免地存在器官運動和充盈度改變的情況，因此存在較大誤差，而本研究使用的模體則避免了該誤差，因此回歸方程更為準確。（3）臨床試驗中，器官運動和充盈度的改變對結果影響較大。本研究中，各器官DVH 最大差異出現于直腸，其次為膀胱和小腸。盡管試驗中已歸一了3 種掃描時的定位體位，特別囑患者排空直腸和膀胱，但仍然無法避免器官運動以及充盈度變化（例如直腸充氣）等影響，特別當MR 掃描時間較長時該影響會增大。相比上述器官，其他不易發生位移或無充盈度變化的器官差異明顯較小。

總之，本研究通過體外實驗證明了CBCT 設備的可靠性并建立了相對科學和準確的CBCT CT 值-ED曲線和劑量學模型，通過臨床試驗中Gamma 通過率和DVH 數據證明了CBCT 取代金標準CT 為sCT 提供QA 的可行性。嚴格的體外實驗和臨床試驗為sCT QA 程序的創建提供了重要的方法和理論依據。未來可根據患者和設備特點創建自適應的sCT QA 程序，從而真正實現單獨基于MR 的各部位IGRT。但是，本研究依然存在一些不足，包括：（1）患者樣本容量較小，需擴大樣本容量。（2）臨床試驗中對GFM 和鈣化點的處理不夠完善。本研究中僅簡單地將其剔除CT 值計算并在原位置取周圍組織CT 值平均值進行“填充”。該做法是否對DVH 計算有所影響尚不得知，需在未來試驗中深入研究。（3）臨床試驗的時效性。本研究中MR 和CT 圖像獲取自放療前3 d（前后間隔3 h 內），計劃完成后于放療中獲取CBCT，該時間段內器官變化未作研究和處理。未來研究中或縮短計劃完成時間至1 d，或開發新圖像算法有效降低計劃拷貝過程中器官變化的影響，或于MR 和CT 掃描后直接進行CBCT 成像，以完成sCT 的QA。