密度覆盖对前列腺磁共振引导自适应放疗治疗计划的影响（从剂量学角度分析）

《Medical Dosimetry》：Dosimetric impact of density overrides on treatment planning for prostate MR-guided adaptive radiotherapy

　　

卡森·马修斯（Carson Matthews）|索蒂里奥斯·斯塔塔基斯（Sotirios Stathakis）|克里斯塔尔·柯比（Krystal Kirby）|摩根·艾尔（Morgan Aire）|理查德·莱西厄（Richard Lesieur）|克里斯托弗·施奈德（Christopher Schneider）

美国路易斯安那州立大学物理与天文系，巴吞鲁日，LA 70820

摘要

使用磁共振（MR）引导的直线加速器（MR-LINAC）的自适应放射治疗（ART）是一种新兴方法，允许每天调整治疗计划。然而，在自适应计划过程中使用的体积密度覆盖（BDO，例如在Elekta Unity系统中）可能会通过近似电子密度（ED）来引入与参考计算机断层扫描（CT）图像相比的剂量学不确定性。本研究旨在评估和量化Monaco治疗计划系统（TPS）中基于BDO的计划与相应的基于CT的计划之间的剂量学差异，用于前列腺MR引导的自适应放射治疗（MRgART）。采用回顾性分析方法，选择了21名接受前列腺容积调制弧形治疗（VMAT）的匿名患者。将计划CT中的CT数值使用我们机构使用的CT到ED表格转换为电子密度。然后在Monaco TPS的CT数据集上计算原始计划的剂量（作为参考）。接着复制每个计划，并通过为每个勾画的结构分配一个均匀的Hounsfield单位（HU）值来应用BDO。使用覆盖后的密度（通过相同的CT到ED表格转换为ED）重新计算剂量，并通过基线和QUANTEC（临床正常组织效应的定量分析）剂量-体积直方图（DVH）指标与参考计划进行比较，表示为处方剂量的百分比。密度异质性增加的区域，如直肠中的空气，显示出最大的差异，某些基线DVH指标（D_50%）相差高达9%。没有QUANTEC DVH指标的差异超过1%。前列腺轮廓的平均剂量差异为0.6%。其他感兴趣的轮廓体积的平均剂量差异均未超过1.0%。本研究的结果强调了在Elekta Unity / Monaco工作流程中使用BDO进行MRgART的临床可行性。尽管BDO在某些区域（尤其是直肠）存在局部剂量差异，但它并未以任何显著方式影响关键的QUANTEC DVH指标。由于这项评估是在单一TPS平台上进行的，因此应谨慎将其直接推广到其他系统（例如RayStation、Eclipse）。了解BDO对剂量分布的影响对于优化治疗计划策略和确保在MRgART背景下提供安全有效的放射治疗至关重要。

引言

在放射治疗中，精确地向肿瘤输送剂量同时保护周围健康组织对于治疗成功至关重要。然而，患者的解剖结构是动态的，在治疗过程中由于体重波动、肿瘤消退或内脏器官运动等因素会发生变化。这些变化可能会改变组织的物理密度，从而影响计划剂量分布的准确性。尽管存在这些解剖学变化，但治疗计划通常是根据单一点获取的影像生成的，并且在治疗过程中很少进行修订。因此，初始的束流参数可能无法完全考虑到持续的解剖学变化，从而在治疗进展过程中引入了剂量输送不佳的风险。

先前的研究已经显示了患者解剖结构在治疗过程中的变化对治疗的影响。^1,2 为了应对这种运动，采用了一种称为自适应放射治疗（ART）的技术，根据患者当天的影像更新束流参数以重新优化计划。特别是对于前列腺癌，自适应过程强调了通过减少靶区边缘来提高治疗比率的重要性。³

虽然自适应计划有许多好处，但仍存在一些后勤问题。ART的主要缺点有两个方面。首先，每次需要重新优化治疗时重新扫描患者会使计划制定过程更加耗时和昂贵，主要是由于多次计算机断层扫描（CT）的成本。其次，用于计划的额外影像集可能会使剂量累积变得繁琐。虽然这对于准确性至关重要，但目前癌症中心尚未建立从不同几何形状汇总剂量分布的成熟工作流程，如果操作不当可能会导致剂量学错误。⁵

磁共振成像-直线加速器（MR-LINAC）通过结合放射治疗和磁共振技术，为ART的一些复杂性提供了解决方案。MR-LINAC使临床医生能够在束流开始前立即使用患者的磁共振（MR）影像集开始自适应过程，减少了重复CT模拟的难度。此外，MR图像提供的更好的软组织对比度有助于比CT图像更精确地勾画肿瘤和附近的风险器官（OAR）。最后，虽然需要初始CT，但可以在不增加额外辐射的情况下调整患者的计划。

使用MR-LINAC进行ART的一个问题是，MR图像不包含进行剂量计算所需的电子密度（ED），这些电子密度是由Hounsfield单位（HU）得出的。在传统的CT模拟治疗计划中，使用CT到ED表格为每个体素分配相应的电子密度，然后可以在TPS中用于计划优化。该表格是通过使用与临床相同的CT采集参数扫描包含已知电子密度插入物的校准模型来建立的。测量每个插入物的平均HU值，并将其与已知的相对ED值进行对比，然后拟合一个双线性校准曲线以形成CT到ED表格，如图1所示。

一种利用MR影像集进行治疗计划的变通方法是生成合成CT（synCT）。虽然存在多种生成synCT的方法（例如基于图谱的方法、深度学习），^6,7 一种临床实施的方法是体积密度覆盖（BDO）。这种方法在Elekta? Unity系统（Elekta，AB，斯德哥尔摩，瑞典）中使用，定义为将均匀的ED表示应用于每个解剖轮廓，通常是根据模拟过程中观察到的该轮廓内的平均密度得出的。

虽然应用BDO提供了剂量计算所需的ED，但与使用患者的实际异质密度分布相比，这种近似方法存在剂量学不确定性。由于ED矩阵是近似的，因此在TPS中计算的剂量可能与使用原始CT数据计算的剂量有很大差异。目前尚不清楚以这种方式应用密度覆盖时我们应该预期哪些特定的剂量误差。因此，通过比较在CT影像集上计算的剂量分布与应用了密度覆盖的同一影像集上计算的剂量分布，可以研究仅由电子密度矩阵变化引起的剂量差异。了解密度覆盖的影响有助于临床医生考虑并可能减少MRgART中与BDO和电子密度相关的不确定性。

章节片段

患者数据

本研究包括21名接受前列腺癌根治性放射治疗的匿名患者。患者的人口统计信息和治疗特征总结在表1中。患者的平均年龄为69.7岁，体重范围从129磅到331磅（平均：205.1磅），代表了局部前列腺治疗的典型临床人群。所有患者都接受了使用容积调制弧形治疗的传统分次放射治疗

电子密度比较

在审查表2中总结的勾画结构时，大多数参考CT轮廓在患者之间显示出一致的平均HU值。如膀胱、骨骼、阴茎头和前列腺等OAR的变异很小，标准差小于其各自平均密度的1%。这种低变异性表明这些结构在CT上的勾画和分割是稳定且可重复的。相比之下，直肠和股骨头的变异明显更高

讨论

本研究的目的是量化当前BDO工作流程与基于CT的计算相比的剂量学误差，以增强对MRgART过程中可能出现的差异的理解。虽然本研究没有提出具体的策略来减轻这些误差或建议修改临床计划标准，但其发现提供了关于这些剂量学差异的幅度和特征的宝贵见解。

平均ED分析，剂量

结论

本研究表明，使用BDO得到的剂量分布与使用标准DVH指标评估的目标体积和解剖学上均匀的风险器官的参考CT计算结果大致相当。尽管在剂量网格中观察到了局部体素级别的剂量差异，但这些变化根据QUANTEC剂量指标并未导致临床上显著的剂量学误差。

在密度差异明显的区域发现了剂量偏差

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究部分得到了Charles M. Smith医学物理研究基金的支持。