DRR剂量测量；介绍一种新的应用方法——利用数字重建放射图像来评估放射治疗中的剂量分布

《Practical Radiation Oncology》：DRR dosimetry; Introducing a new application of Digitally Reconstructed Radiographs for evaluation of dose distribution in radiation therapy

基于DRR图像的剂量分布计算方法研究，建立DRR像素值与水等效厚度（WET）的线性关系（R2=0.992），实现剂量分布独立验证。结果显示6MV和15MV能量的点剂量差异分别≤1%和2.4%，γ分析通过率达98%和95%。该技术突破传统DRR几何验证局限，无需TPS即可在普通计算机完成剂量校验，为放疗质控提供新工具。

　　

穆罕默德·亚辛·穆罕默迪博士|梅赫迪·莫门内扎德博士|哈米德·戈拉姆侯赛尼安博士|埃尔凡·萨奇安博士|阿扎姆·埃斯坎达里博士|沙赫罗赫·纳塞里博士

伊朗马什哈德医科大学医学物理系

摘要

引言

数字重建放射图像（DRR）传统上用于几何放疗治疗的验证，迄今为止尚未有关于其剂量学应用的报道。本研究首次提出了一种方法，利用DRR图像来推导放疗治疗计划中的剂量分布。

方法

首先，建立了DRR图像像素值与水模深度之间的关联。随后，得出了深度与吸收剂量之间的关系。通过结合这两个方程，建立了DRR图像像素值与吸收剂量之间的联系。然后使用这种方法计算了均匀和水模（RANDO）的剂量分布。为了验证该技术的准确性，将结果与治疗计划系统（TPS）的剂量分布进行了比较。

结果

在RANDO模的等中心点处比较剂量时，6 MV和15 MV能量的差异分别为1%和2.4%。使用伽马分析（3%-3mm标准）进行区域剂量分布比较时，6 MV和15 MV能量的吻合率分别为98%和95%。

结论

DRR剂量学是一种创新方法，它利用DRR图像来计算放疗计划中的剂量分布，扩展了其传统的几何用途。该方法独立于TPS运行，可以在个人电脑上实现，具有成本效益。作为一种补充工具，它确保了放疗治疗的剂量学验证和质量控制。

引言

放疗的主要目标是在不损害周围健康组织的情况下，向目标病灶传递最佳剂量。实现这一目标需要在几何（三维空间排列）和剂量学（剂量分布）两个方面都达到准确、一致和可重复的效果^1,2。治疗验证是在治疗前和治疗过程中进行的关键过程，通过评估实际设置与计划设置之间的一致性来确保正确的对齐和准确性^3,4。为此，会使用电子门控成像设备（EPID）获取的门控图像与参考图像（通常是来自治疗计划的数字重建放射图像（DRR）进行比较。这种比较可以识别并纠正患者设置、定位或束流对齐中的差异，确保治疗过程符合预期计划5, 6, 7, 8。DRR类似于传统的二维放射图像，但它们是从三维成像数据（如CT扫描）重建而来的7, 8, 9。在治疗计划系统（TPS）中，使用了多种算法（包括光线追踪、光场渲染、剪切变形渲染和飞溅渲染）来生成这些图像10, 11, 12, 13, 14, 15, 16。除了几何验证之外，DRR图像还用于将组织不均匀性转换为水等效路径长度（WEPL），并评估患者体内的放射学厚度^17,18。WEPL方法解决了由于组织密度变化引起的挑战，这些变化可能显著影响放疗效果。在这种方法中，沿束流路径的组织累积线性衰减值被转换为表示相同衰减效应的等效水深度17, 18, 19。尽管DRR在临床放疗中得到了广泛应用，但其应用主要局限于几何和视觉验证，特别是患者定位、束流对齐和场匹配。据我们所知，目前还没有发表的研究直接利用DRR像素数据进行独立的剂量分布计算或剂量学验证。这代表了当前质量保证（QA）方法中的一个明显空白，因为基于DRR图像进行独立剂量计算可以提供额外的安全保障，防止潜在的剂量传递错误。在这项研究中，我们介绍了DRR剂量学，这是一种直接从DRR图像推导剂量分布的新方法。这种方法为DRR增加了新的剂量学维度，使其从纯粹的几何验证工具转变为独立的剂量验证方法。将剂量学验证整合到DRR的使用中可以（1）通过提供对TPS计算剂量的独立检查来提高患者安全性，（2）通过快速检测计划剂量分布与实际剂量分布之间的差异来提高治疗准确性，（3）通过消除对额外测量或专用设备的需求来提高工作流程效率，从而在标准计算机上实现实时验证。这些优势对于自适应放疗和资源有限的临床环境尤为重要，因为这些环境中迫切需要及时且经济高效的验证工具。通过将DRR剂量学纳入常规临床工作流程，放疗中心可以加强整体质量保证，确保患者治疗更加安全和可靠。

小节片段

DRR像素值与水等效模深度之间的关系

在此阶段，使用Plastimatch（版本1.9.3）生成了30个虚拟立方体水模，每个模的长度和宽度均为300毫米，厚度从10毫米到300毫米不等，以10毫米为间隔。Plastimatch是一款用于放射治疗中体积图像处理的软件应用程序（http://plastimatch.org）。它还可以从组织的整个厚度或其中选定的深度生成DRR²⁰。对于这一步骤，生成了DRR图像

DRR像素值与模深度（水等效厚度，WET）之间的关系

使用线性回归拟合建立了DRR图像的平均像素值与模深度（表示为WET）之间的关系，如方程（2）所示，其中WET以毫米为单位：$WET=\left(453.83*DRRPilVa\mathrm{el}\right)5.955$

该线性回归的决定系数为$R^2=0.992$，表明测量的DRR像素值与相应的WET之间有很好的拟合。对应的图表显示在图4a中。

WET与吸收剂量之间的关系

之间的关系

讨论

在这项研究中，我们介绍了一种使用DRR图像计算剂量分布的新方法。DRR图像可以使用TPS和Plastimatch软件生成，两者都需要体积CT图像作为输入。两者之间的一个关键区别是TPS生成的DRR图像代表患者或模的整个厚度，而Plastimatch允许在选定的深度生成DRR。这种灵活性使得可以可视化特定的解剖层，并便于

结论

在这项初步研究中，DRR剂量学作为一种新颖且实用的方法被引入，用于放疗计划中的剂量分布计算。从DRR像素值得出的剂量图与TPS计算的结果非常吻合，等中心点的剂量差异≤2.4%，伽马通过率在所有测试条件下均超过95%。该方法无需专用硬件即可独立且低成本地验证治疗计划，从而提高了临床工作流程的效率

作者贡献

每位作者都对研究的构思、设计、分析和撰写做出了贡献。纳塞里博士和梅赫迪·莫门内扎德博士负责初步研究想法和设计的研究设计，以及数据分析和解释。穆罕默德·亚辛·穆罕默迪博士、埃尔凡·萨奇安博士和阿扎姆·埃斯坎达里博士参与了文献回顾和数据收集过程，并在起草和修订手稿中发挥了关键作用。戈拉姆侯赛尼安博士也提供了

利益冲突声明

无。

致谢

该项目由马什哈德医科大学资助（项目编号：4000754。