快速kV切换双能CT与单能CT计算质子治疗计划的剂量学比较

《Medical Dosimetry》：Dosimetric comparison of proton therapy plans calculated using fast kV-switching dual-energy CT versus single-energy CT

　　

快速kV切换双能CT（DECT）已被证明比使用单能CT（SECT）的常规HU-RSP转换方法更准确地预测质子治疗计划中的相对阻止本领（RSP）。评估组织 characterization 的改善、范围不确定性的降低以及剂量计算的准确性至关重要。在本研究中，治疗计划在体模上基于SECT和DECT进行计算，并与金标准参考模型进行剂量学比较。SECT和DECT扫描在一个圆柱形头部体模上进行，该体模包含10个不同的插入物。八个独立的单野计划被优化以靶向中央计划靶区体积（PTV），每个计划穿过不同的插入物。基于体模和插入物的已知几何形状、密度和组成创建了金标准参考扫描。计划在参考扫描上重新计算而不重新优化。从名义计划到参考计划的剂量和范围差异被计算，以评估使用DECT与SECT进行RSP计算的准确性。PTV的D95在DECT中参考CT上计算的平均百分相对误差为-0.56% ± 0.19%，在SECT中为-0.79% ± 0.39%。除穿过乳腺和脂肪的计划外，DECT对PTV远端和近端1 mm处危及器官（OARs）的平均剂量比SECT更准确。在参考图像上计算的平均范围差异为0.20 mm ± 0.75 mm，而使用SECT计划的范围变化平均为1.01 mm ± 1.10 mm。正值表示在参考扫描中过度延伸到远端结构。与SECT计算的计划相比，使用DECT计算的计划在近端和远端结构中显示出更小的范围误差。DECT到参考计划的平均剂量差异小于SECT。这表明DECT作为计算质子治疗计划中RSP的更准确方法具有潜力。

双能CT（DECT）作为一种新兴的影像模态，在质子治疗计划制定中已显示出优于传统单能CT（SECT）的应用前景。传统SECT方法通过化学计量法将CT值，即Hounsfield单位（HU），转换为相对阻止本领（RSP）。该方法基于组织替代材料建立校准曲线，假设CT值与人体组织成分之间存在固定关系。然而，由于扫描条件、患者体型和射线硬化等因素导致HU值变化，加之人体组织实际成分的个体差异，这种转换存在不确定性。此外，SECT使用单一多色X射线谱，所得图像同时包含电子密度和原子序数信息，导致不同阻止本领的材料可能呈现相同的HU值。DECT则从两种不同低高X射线能量采集数据，通过两种能量下确定的衰减系数区分不同材料，实现体素级的电子密度和有效原子序数（Z_eff）成像，进而通过Bethe-Bloch方程直接计算RSP。鉴于上述技术优势，DECT有望将质子治疗计划中SECT通常存在的3.5%范围不确定性降低至1%，从而减少计划中的不确定性余量，降低周围健康组织的不必要照射，改善靶区覆盖并更好地保护周围健康组织和器官。

为验证DECT在质子治疗计划中的实际优势，研究人员开展了一项体模端到端剂量学比较研究。该研究采用Sun Nuclear Corporation生产的组织等效头部体模（直径20 cm，由HE CT固体水构成），包含10个不同材料插入物。使用GE Revolution快速kV切换DECT（80 kVp/140 kVp快速切换，周期0.25 ms）和SECT（120 kVp）进行扫描，扫描参数经过优化以控制噪声水平。DECT采用专有的RSP图重建算法，输出已校准的RSP图（CT值按100:1比例缩放）。在RayStation治疗计划系统（版本2024A SP3）中，基于DECT和SECT图像分别制定治疗计划，采用质子笔形束扫描（PBS）蒙特卡罗算法（IonMonteCarlo，100,000离子/点，0.1%不确定性）进行优化，处方剂量为50 Gy_RBE/25分次。为建立金标准参考，研究人员根据制造商提供的规格，将体模和各插入物的CT值覆盖为其质量密度，选择近似匹配的元素组成作为基础材料，构建了具有已知几何、密度和成分的参考CT。随后将SECT和DECT计划均在参考CT上重新计算而不重新优化，通过比较名义计划与参考计划的差异来量化评估计划准确性。

研究结果显示，DECT与SECT计划之间存在高度一致性，D99、D98、D95、平均剂量、D50、D2和D1等剂量学参数均在0.25%范围内吻合。在参考CT上重新计算后，DECT计划的PTV D95平均百分相对误差（%RE）为-0.56% ± 0.19%，优于SECT的-0.79% ± 0.39%。对于PTV近端和远端1 mm处的OARs，除乳腺+脂肪计划外，DECT的平均剂量更接近参考计划：近端1 mm处DECT的%RE为-0.9% ± 0.6%（SECT为-1.7% ± 0.7%），远端1 mm处DECT为0.6% ± 0.7%（SECT为1.8% ± 0.4%）。在范围偏差方面，DECT平均为0.20 mm ± 0.75 mm的超量程，显著优于SECT的1.01 mm ± 1.10 mm。各材料中肺组织的范围偏差最大（DECT 1.5 mm，SECT 2.7 mm），与其低密度和高噪声敏感性相关。乳腺+脂肪计划因涉及两种不同材料，产生了复合不确定性，导致DECT出现1 mm的范围回缩，表现为远端OAR剂量低估（%RE -3.2%）和近端剂量高估（%RE 0.9%），这一现象通过强制单一材料验证实验得到证实。

在讨论部分，研究人员指出扫描协议选择存在固有限制：DECT由于同时使用低高kVp，无法与SECT实现完全匹配的CTDI_vol。本研究将DECT的mA设为最高可用值（485 mA）以优化噪声统计，但不同扫描协议的剂量学影响尚需进一步研究。与Zhu等研究采用CT值-RSP转换曲线构建金标准不同，本研究通过覆盖制造商指定质量密度和选择匹配元素组成的方法，消除了扫描器变异性和CT值不确定性的影响，尽管存在插入物与孔径1 mm间隙、制造公差及基础材料选择近似性等局限。研究强调，当前结果基于简单的单野均匀材料计划，临床实际中的复杂非均匀人体几何需要更多拟人化体模和患者研究来全面评估；然而，头尺寸体模数据已表明DECT在平均意义上具有更小的范围误差，为其临床应用提供了初步依据。

研究结论明确指出：与参考数据集相比，SECT的剂量学差异大于DECT；平均而言，DECT的范围误差小于SECT。在该体模端到端研究中，基于DECT的计划相对于参考数据集产生的剂量和范围偏差均小于基于SECT的计划，证实DECT作为更准确的RSP计算方法的潜力。