Accuracy Assessment of Cone-Beam CT Images for Pelvic Tumor Dose Calculation
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摘要:目的
评估锥形束CT（cone-beam CT, CBCT）图像在盆腔肿瘤放疗剂量计算中的可行性和精确度。
方法改进容积密度覆盖法建立CBCT图像的CT值（hounsfield unit, HU）-相对电子密度（relative electron density, RED）曲线，将定位CT计划移植至CBCT图像上，在优化参数不变的情况下，CBCT计划使用构建的密度曲线计算剂量，比较两种计划的剂量计算偏差。
结果两种计划的靶区和危及器官各项剂量学参数平均差异分别小于1%和1.5%，靶区适形性指数（conformity index, CI）、均匀性指数（homogeneity index, HI）以及伽马通过率均较为接近，差异均无统计学意义。
结论经该方法修正后的CBCT图像可用于盆腔肿瘤放疗计划剂量计算。
Abstract: Objective To evaluate the feasibility and accuracy of cone-beam CT (CBCT) images for radiotherapy dose calculation in pelvic tumors.MethodsImproved volumetric density cover method to establish CT value-relative electron density curves of CBCT images, the localization CT plan was transferred to the CBCT images, and the constructed density curve was applied to calculate the dose of CBCT plan while maintaining the optimization parameters unchanged, and the deviation of the dose calculation between the two plans was analyzed.
ResultsThe mean differences in dosimetric parameters between the two plans in the target area and organs at risk were less than 1% and 1.5%, respectively, the target area conformity index (CI), homogeneity index (HI), and gamma passing rate were relatively close to each other, and the differences were not statistically significant.
ConclusionCBCT images corrected by this method can be used for pelvic tumor radiotherapy plan dose calculation.
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Keywords:
- cone-beam CT /
- density curve /
- dose calculation /
- pelvic tumor
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0. 引言
放射治疗疗程一般较长，患者肿瘤形态、位置、大小和正常器官位置都可能在治疗期间发生变化。这些变化可能会显著改变患者体内的放射剂量分布，导致计划质量下降和临床治 疗效果欠佳[1-2]。为了确保患者接受准确的照射剂量，需要重新设计治疗计划。CBCT图像能够反映靶区及周围危及器官和组织的真实状态，并提供剂量计算所需要的CT值。利用CBCT图像进行靶区修改并重新设计放疗计划，可以实现自适应放疗的目标。由于CBCT图像自身特性和重建算法的原因，导致其图像存在较多的散射伪影和噪声[3-4]。CBCT图像的CT值不稳定，组织结构的电子密度不准确。与CT图像相比，其CT值-相对电子密度关系更为复杂。因此，直接用于放疗剂量计算会产生较大的剂量偏差[5-6]，在使用前必须对其进行CT值修正，以建立正确的密度曲线。本研究选取20例盆腔肿瘤病例进行分析，通过全面评估CBCT计划与CT计划在剂量体积直方图（dose volume histogram, DVH）和等剂量曲线分布以及伽马通过率等方面的差异性，探讨CBCT图像用于盆腔肿瘤放疗剂量计算的可行性和精确度。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
选取2022年10月至2023年10月期间在本院行放疗的盆腔肿瘤病例20例，其中前列腺癌7例，宫颈癌13例，中位年龄56岁（36~77岁）。随机选取其中10例作为CBCT图像HU-RED曲线建模病例，另外10例用于验证CBCT计划与定位CT计划的剂量计算差异。病例纳入标准：①患者需在接受首次治疗前进行CBCT图像扫描；②CT和CBCT图像信息必须完整，以确保数据的准确性和可靠性；排除标准：①CBCT图像有严重伪影或图像质量较差的病例；②靶区范围过大，导致CBCT图像上主要组织结构信息不完整的病例；3、盆腔部位有金属或其他高密度植入物的病例。
1.2 实验设备
Elekta Synergy加速器（瑞典，医科达公司）；Philips Brilliance CT Big Bore（荷兰，飞利浦公司）大孔径CT模拟定位机；Monaco 5.11计划系统；二维伽马通过率分析设备MEPHYSTO Navigator（德国，PTW公司）。
1.3 实验方法
1.3.1 影像获取
在定位CT床板上用固定体架加真空袋将患者按盆腔肿瘤摆位要求摆位，采用多层螺旋CT扫描获取定位CT图像，扫描参数：120 kV、80 mA，曝光时间25 ms，重建矩阵512×512，重建层厚5 mm。CBCT影像均选取每例患者第一次治疗时采集的CBCT影像，扫描参数：M10准直器，F1滤过器，100 kV，32 mA，10ms，360°/min，0.6 mGy，旋转360°扫描获取650帧图像，FOV40 mm×40 mm，重建层厚5 mm。然后分别将定位CT和CBCT影像导入Monaco治疗计划系统。
1.3.2 CT值-相对电子密度曲线建立
在Monaco治疗计划系统中，对10例建模病例的CT和CBCT图像进行危及器官（Organ at Risk, OAR）勾画，包括直肠、小肠、膀胱、左右股骨头及骨盆。勾画工作由两位经验丰富的主治医师独立完成，所有勾画结果均由一位副主任医师复核，以确保勾画的准确性和一致性。通过治疗计划系统的图像分析功能，分别提取各危及器官的平均CT值和平均相对电子密度值。为拓展电子密度的范围，分别提取小肠的最小CT值及相对电子密度值，以及股骨头的最大CT值及相对电子密度值，并计算其平均值。然后，将CBCT图像中各器官结构的平均CT值与CT图像中相应器官的平均相对电子密度值对应，建立CBCT图像的HU-RED曲线，将该曲线刻录并保存至计划系统中，以用于CBCT图像剂量计算。
1.3.3 计划创建
计划CT图像采用自身的HU-RED曲线，CBCT图像则使用创建的HU-RED曲线。由于计划CT图像和CBCT图像的获取时间不一致，为尽量保证两幅图像的结构一致性，选择首次治疗前扫描的CBCT图像进行分析。另外，我们对CBCT和CT图像进行了基于骨性标志物的刚性配准，并通过目测检查配准结果的准确性，必要时进行微调，以尽可能减少解剖学偏差的影响。在CT图像上分别设计了调强放射治疗（image guided radiotherapy, IMRT）计划和适形放射治疗（conformal radiotherapy, CRT）计划。随后将这些计划移植至CBCT图像，在保持所有优化参数不变的前提下直接实施剂量计算。通过对比CBCT计划与CT计划中靶区及危及器官的各项剂量学参数，分析两种计划剂量计算结果的差异。本研究中所有放疗计划的处方剂量均归一为50 Gy/25 f/5周。
1.3.4 计划比较指标
（1）通过DVH比较两种计划中计划靶区（planning target volume, PTV）的关键剂量学参数，包括D2、D50、D98、Dmean，以及适形性指数CI和均匀性指数HI。危及器官剂量学参数统计包括直肠和膀胱的Dmean和V50，左右股骨头的Dmean和V30，以及骨盆的Dmean和V20。
（2）在2%/2 mm和3%/3mm的伽马分析标准下，剂量阈值设置为10%，分别对两种计划的剂量文件进行伽马通过率验证。
1.4 统计学方法
使用Origin Pro 2021绘制图形，并采用SPSS 26.0统计软件进行数据分析。描述性统计用均数±标准差表示，所有数据均进行正态分布检验，对于符合正态分布的数据，采用配对t检验进行分析，P<0.05表示差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 两组图像HU-RED曲线
CBCT和CT图像的HU-RED曲线呈现出相似的变化趋势，表明两者在组织密度量化方面具有一定的一致性。然而，在不同组织结构中，CT值的差异存在显著变化。在低密度组织（如空气和软组织）中，两组曲线的CT值差异较小；而在高密度组织（如骨组织）中，CT值差异显著大于低密度组织的差异。相关结果如图1所示。
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图 1 CBCT和CT图像的CT值-相对电子密度曲线Figure 1. CT value-relative electron density curves for CBCT and CT images2.2 靶区和危及器官的DVH比较
表1和表2分别列出了IMRT和CRT技术下靶区的各项剂量学参数统计数据，结果均无太大差异。在IMRT中，CBCT计划的D2、D50、Dmean略高于定位CT计划，而D98略低于定位CT计划，差异均无统计学意义；在CRT中，CBCT计划的D2、D50、D98和Dmean均略低于定位CT计划，但同样差异无统计学意义。这表明两种计划在靶区剂量覆盖方面具有较高的一致性。在IMRT技术下，CBCT计划与定位CT计划的HI和CI差异较小，且均无统计学意义，表明两种计划在保证靶区内部剂量均匀性和外部剂量适形性方面具有较高的相似性。表3和表4分别展示了IMRT和CRT技术下，两种计划中OAR剂量学参数的统计数据，结果差异较小且无统计学意义，表明CBCT计划与定位CT计划在OAR剂量计算方面表现一致，剂量分布几乎相同。
表 1 IMRT中PTV剂量学参数统计结果（$\color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）Table 1. Statistical results of PTV dosimetric parameters in IMRT(mean±SD)PTV D2/cGy D50/cGy D98/cGy Dmean/cGy HI CI pCT 5408 ±525201 ±555010 ±545206 ±520.077±0.007 0.838±0.022 CBCT 5419 ±735219 ±545006 ±615211 ±510.078±0.006 0.825±0.033 t −0.802 −1.322 0.274 −0.417 −0.516 1.233 P 0.443 0.219 0.790 0.687 0.619 0.249 表 2 CRT中PTV剂量学参数统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）Table 2. Statistical results of PTV dosimetric parameters in CRT(mean±SD)PTV D2/cGy D50/cGy D98/cGy Dmean/cGy pCT 5502 ±695277 ±734975 ±645271 ±78CBCT 5471 ±905262 ±934971 ±695261 ±60t 2.008 0.889 0.265 0.768 P 0.076 0.397 0.797 0.462 表 3 IMRT中危及器官剂量学参数统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）Table 3. Statistical results of OARs dosimetric parameters in IMRT(mean±SD)OAR 参数 pCT CBCT t P 直肠 Dmean/cGy 3419 ±3823413 ±3860.509 0.623 V50(%) 20.49±4.93 20.60±5.06 −1.110 0.312 膀胱 Dmean/cGy 3630 ±2663616 ±2711.072 0.312 V50(%) 25.00±6.06 25.03±6.13 −0.190 0.853 骨盆 Dmean/cGy 2927 ±2662930 ±259−0.390 0.706 V20(%) 73.60±7.34 73.34±6.92 0.962 0.361 左股骨头 Dmean/cGy 1533 ±1851540 ±188−1.371 0.203 V30(%) 8.99±2.74 8.94±2.67 1.510 0.165 右股骨头 Dmean/cGy 1598 ±2061593 ±2020.914 0.384 V30(%) 9.31±2.46 9.26±2.39 1.478 0.174 表 4 CRT中危及器官剂量学参数统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）Table 4. Statistical results of OARs dosimetric parameters in CRT(mean±SD)OAR 参数 pCT CBCT t P 直肠 Dmean/cGy 4506 ±2844519 ±292−0.805 0.442 V50(%) 60.07±10.42 59.72±10.29 1.605 0.143 膀胱 Dmean/cGy 4821 ±2944825 ±297−0.281 0.785 V50(%) 65.48±7.29 65.97±7.29 −1.763 0.112 骨盆 Dmean/cGy 3339 ±2763350 ±293−0.992 0.347 V20(%) 80.83±5.57 80.41±5.27 1.302 0.225 左股骨头 Dmean/cGy 2598 ±2482608 ±262−1.031 0.329 V30(%) 35.88±6.45 35.81±6.32 0.649 0.533 右股骨头 Dmean/cGy 2688 ±2352697 ±228−1.024 0.332 V30(%) 36.29±6.94 36.27±7.14 0.104 0.920 2.3 两种计划剂量学参数绝对差异
CBCT计划与CT计划的PTV剂量学参数绝对差异较小，差异的平均值均小于1%。在所有病例中，最大差异出现在一例患者的D98剂量上，差异为1.85%。危及器官的各项剂量学参数差异也较小，平均差异均小于1.5%。在所有病例中，最大的差异出现在一例患者的膀胱V50上，差异为2.53%，具体结果如图2所示。
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图 2 两种计划剂量学参数绝对差异Figure 2. Absolute dosimetric parameters differences between two plans2.4 等剂量曲线分布和DVH图
图3展示了一例病例IMRT计划在横断面等中心层面的等剂量曲线分布情况。从图中可以看出，CBCT计划与定位CT计划在等剂量曲线分布上具有较高的一致性，无论是在高剂量区域还是低剂量区域，均表现出显著的重合性。
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图 3 一例患者的两种计划等剂量曲线分布Figure 3. Isodose curve distribution for two plans in a single patient图4为该病例的DVH图。从图中可以看出，两种计划的剂量体积曲线差异较小，尤其是在PTV的剂量分布上，几乎无法区分。CBCT计划的剂量曲线在
4800 ~5100 cGy剂量区间内，PTV的剂量略低于定位CT计划，而在5100 cGy以上的更高剂量区间，CBCT计划的PTV剂量则高于定位CT计划。对于危及器官，CBCT计划的剂量曲线在大部分区域低于定位CT计划，但在各器官的高剂量区域，定位CT计划的剂量曲线略高于CBCT计划。这些结果进一步验证了CBCT计划与定位CT计划在剂量分布上的一致性。
2.5 伽马通过率比较
使用剂量分析软件分别对CBCT计划和CT计划的IMRT剂量云图分析和对比。在剂量阈值设定为10%以及2%/2 mm和3%/3 mm标准下，两种计划的二维伽马通过率均较为接近，CBCT计划的平均伽马通过率略低于CT计划，但差异无统计学意义，具体结果详见表5。
表 5 两种计划的伽马通过率统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s, %）Table 5. Statistical results of gamma passing rate for two plans(mean±SD, %)参数 2%/2mm 3%/3mm pCT plan 91.3±1.5 98.1±1.1 CBCT plan 90.7±1.8 97.7±1.3 t 1.186 1.372 P 0.266 0.203 3. 讨论
随着医学影像技术的不断进步，CBCT在放射治疗领域的应用日益广泛。CBCT图像能够提供患者实时的解剖信息，帮助医生精确地定位肿瘤及正常组织的位置。然而，CBCT图像在放疗剂量计算中的应用仍面临诸多挑战，如散射伪影较多、图像质量不佳、扫描范围有限以及缺乏稳定的CT值等，这些问题可能导致其图像直接用于放疗剂量计算时出现较大的剂量误差[7]。为解决这些问题，研究者们提出了多种CBCT图像CT值修正方法，并在剂量计算研究中取得了一系列有前景的成果。这些方法包括基于模体标定曲线法[6,8-9]、密度覆盖法[10-12]、图像配准法[13-14]以及基于深度学习模型合成伪CT[15-17]等。本研究在传统密度覆盖法的基础上，对密度区域的选择方法进行了改进。通过结合患者的真实解剖结构，提取结构信息建立CBCT图像的HU-RED曲线，并将其应用于放疗剂量计算中，取得了较为理想的实验结果。这一改进方法为CBCT在放疗中的剂量计算应用提供了新的思路。
多位学者[8-9]的研究表明，不同体积、不同材料和不同扫描条件下，得到的CBCT图像的CT值各不相同，差异可能高达10%。本研究采用真实人体作为研究对象，并使用相同的扫描参数获取CT和CBCT图像，从而避免因不同扫描模体之间散射条件差异而引入的不确定性。为最大程度减少CBCT图像和CT图像之间患者解剖结构变化带来的影响，本研究选择了患者首次治疗前扫描的CBCT图像进行分析。尽管形变配准算法在处理解剖结构差异时具有一定优势，但其精确性可能受到算法本身的限制，甚至可能引入额外的不确定性或导致图像失真[18]。因此，本研究采用刚性配准的方法对CBCT图像和CT图像进行对齐，以最大限度减少解剖结构差异对剂量计算的影响，确保结果的准确性和可靠性。
在本研究中，两种照射技术下靶区的平均剂量差异分别为0.68%和0.7%，略高于宋炳文等[19]报告的0.56%和MACFARLANE等[20]报告的0.5%。这种差异可能与病例选择有关，他们的研究主要集中于头颈部位病例，相较于盆腔部位，头颈部靶区的形变受周围器官影响较小。而本研究选择的病例为盆腔部位，靶区形状更容易受到周围器官变化的影响，从而导致剂量差异略高。RICHTER等[6]将CT和CBCT图像划分为6个不同的密度区域（空气、脂肪、液体、骨关节、股骨头和股骨），并基于11例盆腔患者组建立了HU-RED曲线，所得CBCT计划与CT计划的靶区平均剂量差异为(0.7±0.5)%。本研究通过分割人体固有器官的7个密度区域，基于10例盆腔病例建立了HU-RED曲线，所得平均剂量差异与其结果较为接近，表明采用该方法修正的CBCT图像在靶区剂量计算中具有较高的准确性。在所有病例中，除一例患者的直肠V50和膀胱V50剂量差异超过2%外，其余病例的靶区及危及器官各项剂量学参数差异均小于2%。进一步分析发现，差异较大的两例患者中，一例因膀胱充盈不足，导致与定位时的解剖结构差异较大；另一例因直肠胀气，使较多直肠体积进入到照射区域。这些因素可能是导致这两例患者直肠和膀胱剂量差异显著高于其他病例的主要原因。
靶区内剂量不足可能导致部分肿瘤细胞未能被完全消灭，从而降低肿瘤的局部控制率，增加复发风险。而超过治疗所需的过量剂量对肿瘤局控率的提升作用有限，反而可能引发更多副作用，尤其是在靠近膀胱和直肠等危及器官时。在盆腔肿瘤的放疗中，剂量计算偏差可能导致危及器官的照射剂量过高，增加膀胱和直肠急性和晚期并发症的风险，同时提升小肠发生急性放射性肠炎的概率。此外，股骨头和骨盆区域接受高剂量照射可能导致局部骨质放射性坏死和髂血管损伤，进而影响局部供血功能，阻碍组织修复。这些潜在问题凸显了盆腔肿瘤放疗中剂量计算精度的重要性，必须将其控制在严格范围内。ICRU 24号报告[21]明确指出，靶区剂量的精确性要求应优于±5%，剂量分布精度的计算误差应控制在3%以内。在本研究中，靶区和危及器官所有剂量学参数差异均未超过3%，充分满足剂量精度的阈值要求。此外，CBCT计划与CT计划的二维伽马通过率在2%/2 mm标准和3%/3 mm标准下均超过90%。尽管CT计划的伽马通过率略高于CBCT计划，但差异无统计学意义，表明两种计划的剂量投递均符合临床应用标准。本研究还分别设计了IMRT计划和CRT计划，比较了两种照射技术下两种计划的剂量计算差异。分析结果显示，两种技术间的差异同样无统计学意义。这表明，本研究基于密度曲线的CBCT图像剂量计算方法不受放疗技术选择的限制，在不同放疗技术下均具有良好的适用性和可靠性。
本研究仅针对盆腔部位的CBCT图像，探讨了HU-RED曲线的标定方法。由于CBCT图像的CT值在不同体积及不同扫描条件下存在显著差异，该曲线无法直接用于头颈或胸部等其他解剖区域。因此，在未来的研究中，有必要针对不同部位标定多条HU-RED曲线，建立适用于不同解剖区域的曲线库，以进一步提高CBCT图像在放疗剂量计算中的普适性和精确性。
综上所述，本文提出的CBCT图像HU-RED曲线标定方法具有操作简便的特点，且可完全基于治疗计划系统实现。通过正确的曲线标定，CBCT图像在剂量计算中能够达到较高的精度。该方法为临床基于CBCT图像的计划调整提供了重要基础支持，并为自适应精准放疗技术的应用提供了有力保障。
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图 1 CBCT和CT图像的CT值-相对电子密度曲线
Figure 1. CT value-relative electron density curves for CBCT and CT images
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图 2 两种计划剂量学参数绝对差异
Figure 2. Absolute dosimetric parameters differences between two plans
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图 3 一例患者的两种计划等剂量曲线分布
Figure 3. Isodose curve distribution for two plans in a single patient
表 1 IMRT中PTV剂量学参数统计结果（$\color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）
Table 1 Statistical results of PTV dosimetric parameters in IMRT(mean±SD)
PTV D2/cGy D50/cGy D98/cGy Dmean/cGy HI CI pCT 5408 ±525201 ±555010 ±545206 ±520.077±0.007 0.838±0.022 CBCT 5419 ±735219 ±545006 ±615211 ±510.078±0.006 0.825±0.033 t −0.802 −1.322 0.274 −0.417 −0.516 1.233 P 0.443 0.219 0.790 0.687 0.619 0.249 
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表 2 CRT中PTV剂量学参数统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）
Table 2 Statistical results of PTV dosimetric parameters in CRT(mean±SD)
PTV D2/cGy D50/cGy D98/cGy Dmean/cGy pCT 5502 ±695277 ±734975 ±645271 ±78CBCT 5471 ±905262 ±934971 ±695261 ±60t 2.008 0.889 0.265 0.768 P 0.076 0.397 0.797 0.462
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表 3 IMRT中危及器官剂量学参数统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）
Table 3 Statistical results of OARs dosimetric parameters in IMRT(mean±SD)
OAR 参数 pCT CBCT t P 直肠 Dmean/cGy 3419 ±3823413 ±3860.509 0.623 V50(%) 20.49±4.93 20.60±5.06 −1.110 0.312 膀胱 Dmean/cGy 3630 ±2663616 ±2711.072 0.312 V50(%) 25.00±6.06 25.03±6.13 −0.190 0.853 骨盆 Dmean/cGy 2927 ±2662930 ±259−0.390 0.706 V20(%) 73.60±7.34 73.34±6.92 0.962 0.361 左股骨头 Dmean/cGy 1533 ±1851540 ±188−1.371 0.203 V30(%) 8.99±2.74 8.94±2.67 1.510 0.165 右股骨头 Dmean/cGy 1598 ±2061593 ±2020.914 0.384 V30(%) 9.31±2.46 9.26±2.39 1.478 0.174
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表 4 CRT中危及器官剂量学参数统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s）
Table 4 Statistical results of OARs dosimetric parameters in CRT(mean±SD)
OAR 参数 pCT CBCT t P 直肠 Dmean/cGy 4506 ±2844519 ±292−0.805 0.442 V50(%) 60.07±10.42 59.72±10.29 1.605 0.143 膀胱 Dmean/cGy 4821 ±2944825 ±297−0.281 0.785 V50(%) 65.48±7.29 65.97±7.29 −1.763 0.112 骨盆 Dmean/cGy 3339 ±2763350 ±293−0.992 0.347 V20(%) 80.83±5.57 80.41±5.27 1.302 0.225 左股骨头 Dmean/cGy 2598 ±2482608 ±262−1.031 0.329 V30(%) 35.88±6.45 35.81±6.32 0.649 0.533 右股骨头 Dmean/cGy 2688 ±2352697 ±228−1.024 0.332 V30(%) 36.29±6.94 36.27±7.14 0.104 0.920
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表 5 两种计划的伽马通过率统计结果（$ \color{[RGB]{42,147,80}}{\bar{x}} $±s, %）
Table 5 Statistical results of gamma passing rate for two plans(mean±SD, %)
参数 2%/2mm 3%/3mm pCT plan 91.3±1.5 98.1±1.1 CBCT plan 90.7±1.8 97.7±1.3 t 1.186 1.372 P 0.266 0.203
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