双能量CT虚拟单能成像在直肠癌放疗中用于靶区勾画的评估

《Radiotherapy and Oncology》：Evaluation of dual-energy CT virtual monoenergetic imaging for target delineation in rectal cancer radiotherapy

直肠癌新辅助放化疗患者中，双能CT静脉期40keV虚拟单能成像在病灶对比度（LC）、信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）上显著优于合成120kVp CT（p<0.0001），且与T2WI-MRI的GTV勾画一致性更高（DSC 0.83±0.04 vs 0.67±0.10，p<0.0001），尤其在头尾端定位误差上更优。本研究为DECT-VMI在直肠癌精准放疗中的应用提供了循证依据。

　　

刘凯|王伟平|王鹏|齐曦|周宇晨|刘鼎超|聂明明|徐启明|周冰|徐浩然|曲月|胡珂|杨波

中国医学科学院北京协和医院放射肿瘤科，北京协和医学院

摘要

目的

评估双能量CT（DECT）虚拟单能成像（VMI）在直肠癌中的图像质量，并探讨其在放疗中用于大体肿瘤体积（GTV）勾画的临床价值。

材料与方法

本研究前瞻性纳入29名接受新辅助化放疗的直肠癌患者。每位患者在同一天接受了增强CT（DECT）和3.0T MRI检查。分别评估了40–200 keV及合成120 kVp CT（S_120kVp）下的病变对比度（LC）、对比度噪声比（CNR）和信噪比（SNR），并据此确定最佳单能图像（VMI_Eopt）。三名放射肿瘤科医师独立评估了VMI_Eopt、S_120kVp和T2WI-MRI的整体图像质量及肿瘤勾画能力，并勾画了GTV。T2WI-MRI作为参考标准。使用Dice相似系数（DSC）比较各方法的勾画性能，并进一步分析了观察者间的一致性和颅尾边缘的识别能力。

结果

静脉期40 keV VMI（VMI_Eopt）的LC、CNR和SNR显著高于S_120kVp（p < 0.0001）。VMI_Eopt在整体图像质量（p = 0.040）和肿瘤勾画能力（p = 0.449）方面的主观评分与MRI相当。VMI_Eopt与MRI定义的GTV之间的吻合度显著高于S_120kVp与MRI定义的GTV（平均DSC：0.83 ± 0.04 vs 0.67 ± 0.10，p < 0.0001）。在注册精度较高的患者中，VMI_Eopt与MRI比较的DSC进一步提高至0.86 ± 0.01。观察者间一致性方面，VMI_Eopt优于S_120kVp（0.82 ± 0.05 vs 0.76 ± 0.07，p < 0.001）。使用VMI_Eopt时，颅尾边缘的误差也显著减少。

结论

静脉期40 keV DECT VMI在客观和主观评价上均优于S_120kVp，显著提高了GTV勾画的准确性、观察者间的一致性和颅尾边缘的识别能力。它可作为直肠癌放疗中平衡肿瘤控制与正常组织保护的可靠成像工具。

引言

结直肠癌是全球第三大常见恶性肿瘤，也是癌症相关死亡的第二大原因[1]。直肠癌和直肠乙状结肠交界癌约占病例的三分之一，其临床管理高度依赖于准确的分期[2]。对于局部晚期直肠癌（LARC），新辅助治疗可以降低肿瘤分期或减少肿瘤体积，已成为提高局部控制和保留括约肌的标准策略[3]。放疗的成功在很大程度上取决于剂量的一致性和靶区勾画的准确性。后者受到直肠蠕动、膀胱充盈变化以及肿瘤沿肠壁浸润的影响，这使得传统成像难以精确界定肿瘤边界[4]。目前临床实践依赖计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）的互补使用，但两者均存在局限性。CT的软组织对比度较低，可能导致肿瘤边界模糊，增加局部复发或正常组织毒性的风险[5]。尽管MRI是T和N分期的金标准，但由于缺乏电子密度信息且易受金属伪影影响，无法独立支持放疗计划[6]。虽然提出了CT-MRI融合技术，但器官位移和变形导致的配准误差限制了其广泛应用[7]。这些挑战凸显了需要一种兼具高软组织对比度和放疗兼容性的新型成像技术的需求。

双能量CT（DECT）利用不同X射线能量下的组织衰减差异，同时获取高能和低能数据集，以实现精确的组织表征和改善图像对比度。从DECT重建的虚拟单能图像（VMI），尤其是在低能量（40–70 keV）下，可显著增强血管丰富肿瘤的碘对比度[8]。最新研究表明，VMI在胰腺癌、肝癌和直肠癌等多种腹部和盆腔恶性肿瘤中提高了病变的可见性[9]、[10]、[11]。然而，大多数研究仅关注信噪比（SNR）等客观指标，未系统评估其对放疗靶区勾画的影响。2023年，Kraft等人首次证明VMI可改善脑转移瘤的靶区勾画一致性[12]。但目前尚无针对解剖结构复杂的直肠癌的前瞻性研究。

本研究旨在填补这一空白。通过将DECT VMI与常规CT和MRI作为参考标准进行比较，系统评估了其在直肠癌中的性能，包括肿瘤可见性、靶区勾画准确性、观察者间一致性和颅尾边缘识别能力。本研究为其在精准放疗中的应用提供了依据。

患者选择

本研究获得了北京协和医院伦理委员会的批准，所有参与者均签署了书面知情同意书。研究方案已在中国临床试验注册平台（ChiCTR2400082448）注册。2024年2月至10月期间，符合条件的新辅助放疗患者（符合治疗计划CT模拟要求）被纳入研究：年龄≥18岁；病理学确诊为直肠癌

结果

本研究共纳入29名直肠癌患者。图1A–C显示了40–200 keV范围内VMI图像的LC、SNR和CNR变化趋势。随着VMI能量的降低，LC、SNR和CNR逐渐增加，静脉期值始终高于相同能量下的动脉期值。静脉期VMI_40keV表现最佳。如图1D–F所示，静脉期VMI_40keV的LC、SNR和CNR显著高于

讨论

对于局部晚期直肠癌的新辅助治疗而言，精确的靶区勾画至关重要，但受直肠活动度和传统CT软组织对比度有限的影响[4]、[17]。尽管MRI是金标准，但其配准误差和无法直接进行剂量计算的限制了其应用。我们的研究结果表明，40 keV VMI显著增强了碘对比度，提供了优于S_120kVp的LC、SNR和CNR

资金声明

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62476287）和中国科技部国家重点研发计划（项目编号：2022YFC2402305）的支持。

数据可用性声明

本研究使用和分析的数据集可向相应作者索取。

作者贡献声明

刘凯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、项目管理、调查、数据分析、数据管理、概念构思。王伟平：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、方法学、数据分析、概念构思。王鹏：初稿撰写、验证、调查、数据分析、数据管理、概念构思。齐曦：验证、调查、数据管理。周宇晨：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们衷心感谢Philips Healthcare提供光谱CT设备和技术支持，以及PVmed提供在线光谱CT图像处理系统和技术协助，这些对于本研究的顺利进行至关重要。