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新一代光谱CT在质子中心的应用

2019/10/17 作者:飞利浦放射肿瘤事业部

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质子治疗是国际公认的尖端、理想的肿瘤放射治疗技术。质子射线在进入人体的过程中剂量释放很少,到达肿瘤靶区时能量全部释放,形成所谓Bragg峰,类似在肿瘤区域进行“立体定向爆破”,即肿瘤靶区接受了较大放射剂量,而周围组织的损伤则降到最低。


质子治疗中的剂量计算是以组织相对阻止本领为基础,而传统方法是先将CT亨氏单位(HU)转换为质子阻止本领(proton stopping power)。这个转换过程存在不确定性,也会使质子射程计算产生不确定性。鉴于这个原因,很多人看好能谱技术。能谱技术在提高分辨组织特征和提高计算质子阻止本领精准度上有巨大潜力。常规能谱技术都是基于球管实现,需要预先特殊的扫描流程,准确性也不高,因此在过去很难在临床常规应用。而IQon光谱CT开启了能量常规应用的全新时代。


本文将讨论飞利浦IQon光谱CT在质子中心的应用。

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IQon光谱CT光谱成像原理简述

飞利浦 IQon光谱CT采用单源双层探测器的光谱成像技术,突破了以往以管电压获取双能量数据的方式,采用立体双层探测器设计,两层闪烁晶体排列在一起分别获得高低能量信号。在光谱成像过程中,球管在一个固定管电压状态下工作,X线先经过探测器的上层,低能量的光子被上层纳米钇合金探测器吸收,可以实现对低能量射线100%的吸收能力,同时保证99%的高能量光子无损穿透性能;剩下的高能量光子被下层探测器吸收,获得高能量数据。因为两套数据是同时获取的,时间域和空间域匹配度非常好,这也有利于在数据空间上实现物质分离。这种以立体双层探测器接受区分X线光子的能力,真正实现了“同源”“同时”“同向”的能量成像,极大地提高了能量分辨率。

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IQon光谱CT在美国圣裘德儿童研究医院质子中心的应用

作为全美最佳儿童专科医院,圣裘德儿童研究医院(St. Jude Children's Research Hospital)的放射肿瘤质子中心于2016年率先引入了飞利浦的IQon光谱CT,到目前为止,IQon光谱CT已扫描超过600例用于质子治疗的儿童患者。

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来自圣裘德儿童研究医院的Hua博士于2018年《MEDICAL PHYSICS》杂志上发表了使用飞利浦IQon光谱CT进行的模体试验结果。其通过扫描已知ED (electron density)和Zeff (effective atomic number)的组织等效体模计算IQon光谱CT的ED和Zeff的准确度。结果显示,ED平均误差≤1%,Zeff平均误差≤2%。

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IQon光谱CT在质子中心的应用优势

IQon光谱CT有诸多临床应用,其中的电子密度(Electron Density)、有效原子序数(Effective Atomic Number)、单能级图像(MonoE)等技术可以在质子中心起到如下优势:1. 靶区剂量精准计算;2. 靶区精准勾画;3. 靶区结构精准鉴别;4. 去金属伪影等。


靶区剂量精准计算(ED+Zeff)

利用传统CT图像方法得到阻止本领值是目前质子治疗计划中靶区勾画不确定度的主要影响因素。Yang et al.在2012年《Physics in Medicine and Biology》上发表了模体实验结果,显示使用CT亨氏单位(HU)置换导致质子射程不确定度(两个标准差情况下)大致为3.5%。此后一些学者对基于能谱CT图像的质子阻止本领估算和治疗靶区勾画的不确定度进行了一系列研究。2019年4月,德国海德堡大学医院放射肿瘤科Faller和海德堡粒子束治疗中心的Ackermann等人使用飞利浦IQon光谱CT的电子密度及有效原子序数对阻止本领预测进行了试验验证,其试验结果显示,在阻止替代物模体实验中可以获得质子阻止本领估算误差为0.7% (平均值)。

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靶区精准勾画(MonoE, Iodine enhancement)

IQon光谱CT在一次扫描中可以获得40~200 keV、161能级的MonoE单能级图像,比起传统CT成像采用混合能量成像、只能提供混合能量下CT值衰减的图像而言,MonoE单能级图像还原了物体在单能X线源情况下可能获得的图像,改善常规CT的CT值漂移问题,得到准确CT值,其低keV水平还可以提高图像的密度分辨率,有助于病灶及病灶轮廓显示。

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碘图可以敏感识别病灶中的含碘对比剂,从而提供有无强化的信息,与常规图像相比,碘图分析图像排除了脏器本底对增强的影响,真正反映的是造影剂浓度即血供的情况。

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靶区结构精准鉴别(Iodine enhancement, Zeff, MonoE)

有效原子序数(effective atomic number, Zeff)是从原子序数发展而来。如某种化合物或混合物的吸收衰减系数与某种元素对X线的吸收衰减系数相同,那该元素的原子序数就是某化合物或混合物的有效原子序数。物质的X线衰减曲线很大程度取决于物质的有效原子序数的大小,依据这一特性,可以利用有效原子序数进行物质化学组成成分的分析。


去金属伪影(MonoE)

金属伪影的产生原因主要是因为球管物理条件受限,产生射线为宽谱X射线,通过高密度物体时产生不等比例的X线衰减(主要是低能射线被过滤),导致对应的数据丢失,周围组织X线的衰减信号丢失,图像上便出现了不连续性、条状等伪影。而IQon光谱CT通过立体双层探测器对X线进行高低能量采集,并在数据空间进行重建,模拟生成单能X线下生成的40~200 keV的单能级图像,结合O-Mar后可以明显改善金属伪影。

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总结

IQon光谱CT打破以往以管电压获得能量数据的方式,采用立体双层探测器,以“同时”“同向”“同源”的方式获得高低能量数据,在数据空间进行成像技术。其电子密度、有效原子序数在估算质子SPR值上比单能CT更为精准;MonoE单能级图像、碘图利于靶区精准勾画;有效原子序数、碘图等利于靶区结构鉴别;MonoE单能级图像利于抑制金属伪影。综上,我们可以发现IQon光谱CT在质子中心相较于传统单能量CT具有显著优势和应用前景。(质子中国 编辑报道)


致谢

本文参考和引用了美国圣裘德儿童研究医院放疗中心Dr. Hua的已发表文献,在此特地致谢!Chia-ho Hua博士,密歇根大学生物医学工程博士,纪念斯隆-凯特琳癌症中心医学物理学(放射治疗)博士后。圣裘德儿童研究医院医学物理研究部主任,美国儿童肿瘤协作组医学物理委员会主席,ASTRO, AAPM等多个行业协会委员。获得众多荣誉与奖项,如:密歇根大学工程学院生物医学工程杰出成就奖,圣.裘德儿童研究医院杰出服务奖,AAPM会议科学委员会获胜者等等。近年来以第一作者/通讯作者的身份在国际顶级杂志发表过数十篇论文,且参与了多项临床试验研究。Dr. Hua近年来的主要研究聚焦于提高质子治疗的准确性用于放射治疗的高级成像,儿童的辐射剂量与体积效应的关系等领域。


文献参考

[1] Chia-ho Hua, Nadav Shapira, Thomas E. Merchant, et al. Accuracy of electron density, effective atomic number, and iodine concentration determination with a dual-layer dual-energy computed tomography stysem. Medical Physics,2018.

[2] YANG M, ZHU X R, PARK PC, et al. Comprehensive analysis of proton range uncertainties related to patient stopping-power-ratio estimation using the stoichiometric calibration. Physics in Medicine and Biology,2012,57(11):99-117

[3] Mojgan Hojjati, Steven Van Hedent, Negin Rassouli, Curtis Tatsuoka, David Jordan, Amar Dhanantwari, Prabhakar Rajiah. Quality of routine diagnostic abdominal images generated from a novel detector-based spectral CT scanner: a technical report on a phantom and clinical study. Abdomenal Radiology,2017.

[4] Friderike Faller, B. Ackermann, M. Alber, et al. Calibration and validation of ion stopping power prediction with Philips IQon Spectral CT,Radiotherapy and Oncology,2019,133:S558-S559.


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