使用临床X射线CT扫描仪和质子CT原型机对体外模体相对阻止本领估算的多中心比较

《Radiotherapy and Oncology》：Multi-center comparison of relative stopping power estimation of an ex vivo phantom using clinical X-ray CT scanners and a proton CT prototype

　　

摘要

背景与目的

精确估计相对阻止本领（RSP）对于质子治疗（PT）计划是至关重要的。新兴的X射线计算机断层扫描（xCT）技术正在推动更先进的RSP校准策略，但同时也可能在中心间引入更大的变异性。本研究旨在评估以质子CT（pCT）原型机作为参考时，质子治疗计划中xCT校准与RSP估计的中心间变异性。

材料与方法

将一具离体仿体运送至五个欧洲质子治疗中心和一个研究中心，并使用单能及双能xCT系统进行扫描。在三种仿体配置下完成采集，以模拟不同的解剖尺寸。各中心按照各自的临床方案将重建的xCT图像校准为RSP，并与基于pCT的RSP图进行比较。

结果

基于xCT与基于pCT的RSP图之间的逐体素比较显示，软组织中的中心间RSP变异性约为1%，而骨组织中最高可达5%，且较大仿体尺寸下差异更大。与pCT相比，最大偏差（高达5%）出现在相同的配置中。实施束硬化校正的中心通常与pCT的一致性更好，而尺寸特异性HLUT的效果则取决于组织和解剖结构。这些RSP变化在代表性临床场景中对水等效厚度的影响导致，脑部病例的中心间2σ变异性为1.09%，前列腺病例为1.39%。

结论

本工作首次通过离体仿体和pCT测量作为参考，对基于xCT的RSP估计进行了中心间比较。所观察到的变异性凸显了对xCT校准方案进行全面且标准化验证的重要性。

引言

质子剂量计算中一个关键的不确定度来源是对束线路径上质子阻止本领的估计[1]。具体而言，相对于水的相对阻止本领（RSP）对于准确确定质子射程和剂量沉积至关重要。临床上使用X射线计算机断层扫描（xCT）通过扫描仪特有的校准，将CT值（CTN，以亨氏单位HU表示）转换为三维RSP图来估计RSP。目前针对单能CT（SECT）扫描仪的方法——目前使用最广泛——依赖于定义亨氏单位查找表（HLUT），由于CTN与RSP值之间缺乏一一对应关系，这本质上引入了方法论上的不确定度[1]、[2]。最近，所谓利用双能CT（DECT）或光子计数CT（PCCT）的"直接方法"通过允许对材料属性（如相对电子密度）进行直接定量，从而消除了对HLUT的需求，并实现了更针对患者的个性化RSP计算，显示在RSP精度上有所改进[3]、[4]、[5]。所有这些方法在一定程度上都依赖于在组织等效材料（TEMs）中采集的数据，这些材料模仿人体组织的密度和组成。通常，这种CT校准的准确性是针对每个质子治疗（PT）中心而言的，因为它取决于所采用的扫描仪和成像方案以及校准方法——尽管在某些情况下，它可能是针对特定扫描仪型号定义的——并直接影响质子射程的预测。

由欧洲粒子治疗网络（EPTN）协调的一次初步调查显示，在xCT扫描模式、图像重建方法上存在显著的中心间变异性，尤其是在HLUT定义上，导致RSP估计存在差异[6]。治疗计划中普遍采用的射程不确定度约为最大射程的3%–3.5%，其中CTN到RSP的转换是整体不确定度中的主导因素，此外还包括与CT成像和治疗计划系统相关的不确定度[1]、[2]、[7]。在EPTN的一次中心间比较研究中，报告了跨各种TEM的RSP预测变异性约为6%–9%，转化为约3%的射程预测差异[8]。为应对这些偏差，2023年提出了一份共识指南，旨在标准化SECT和DECT方法的HLUT规范，以期在中心内部提高治疗精度，并通过减少射程预测中的变异性来增强中心间数据的可比性[9]。然而，进一步的中心间比较将非常有益。实现协调一致的RSP预测可以显著提高治疗质量，也有利于粒子治疗中至关重要的多中心临床试验。

在此背景下，高精度的质子CT（pCT）采集可以作为潜在的临床参考工具来验证RSP估计的准确性。事实上，作为xCT校准的替代方案，质子成像正不断发展。pCT扫描仪可以利用穿过患者的低强度临床质子束，直接建立患者的三维RSP图。具体而言，三维RSP图是通过测量在不同投影角度下采集的单质子能量损失，结合单质子穿过患者的路径信息而重建的。该方法可能实现优于CTN到RSP转换相关RSP精度，因为人体组织的RSP可以通过与治疗中使用的相同物理过程在体内确定，从而确保一致性。已开发出多种pCT原型机，显示相比标准xCT校准具有更高的RSP精度[10]。作为成像模态，pCT相比xCT还提供了一些优势，包括更低的辐射剂量和对束硬化伪影的免疫性[11]。这些方面可以显著减少治疗计划中的不确定度，最大化PT的高弹道精度。然而，这些有前景的原型机仍处于研发阶段，尚未用于临床环境。主要限制源于质子多次散射，这会降低最终图像分辨率。应对这一挑战需要开发先进的粒子跟踪系统以及高效的重建算法以满足临床需求，这将显著推高质子治疗设备的成本。此外，使用治疗室和治疗束进行pCT可能会降低患者通量，这一方面不应被低估，因为它直接影响本已具有挑战性的质子治疗设施的商业前景。尽管如此，该技术的显著优势显而易见，持续的努力正聚焦于使其走向实际应用[10]。

目前最先进的pCT扫描仪之一，是意大利国家核物理研究所（Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN）努力的结果。先前的研究已证明该系统的可靠性[12]、[13]，实现了与临床xCT扫描仪相当的性能，同时提供更高的RSP精度[14]、[15]、[16]，并对金属假体伪影具有免疫性[17]。尽管该原型机尚不满足用于患者的完整临床要求，但已提出一种避免直接患者采集的替代方法[15]、[18]。具体而言，从离体仿体获取RSP图可以发挥双重作用：验证和完善临床xCT校准方法，以及开发新的校准方法[15]。已与SECT[14]以及更先进的谱能CT系统（如DECT和PCCT）[16]进行了比较。

在本研究中，首先使用INFN pCT系统对一具离体仿体进行扫描，随后在六个欧洲（临床和研究）中心使用临床SECT和DECT扫描仪进行中心间比较。各中心的xCT图像按照当地的临床或研究方案进行校准，并将所得RSP图与基于pCT的RSP图进行比较。这实现了首次使用离体仿体和pCT数据作为参考的直接中心间RSP估计比较。

片段

研究设计

在本研究中，一具离体仿体（下一节将更详细地描述）首先在参考PT中心使用INFN pCT系统扫描，然后运送到欧洲其他五个中心——包括四个PT中心和一个研究中心——使用临床SECT和DECT进行成像（图1）。按照各中心自己的临床或研究方案应用各自特有的CTN到RSP转换后，将校准的RSP图与基于pCT获取的RSP图进行比较。值得

结果

不同xCT之间以及与pCT相比的RSP变异性结果报告在表2和补充材料S6中。总体而言，较大的仿体尺寸与更大的偏差相关。此外，最高偏差出现在密质骨区域，与pCT相比，xCT变异值高达(4.6±0.3)%，MAPE为(4.6±0.3)%。变异和MAPE相关误差通过误差传播获得，仅考虑pCT不确定度。

在

讨论

本研究首次使用pCT原型机作为参考进行了RSP估计的多中心比较。另一关键创新是使用由异质生物组织组成的离体仿体，该仿体采用三种不同的尺寸配置（四肢、头部、骨盆），使得能够详细分析跨组织类型（脂肪、肌肉、松质骨、密质骨）和靶体几何形状（四肢、头部和骨盆配置）的中心间RSP变异性。本研究

作者贡献声明

Elena Fogazzi：撰写初稿、项目管理、数据整理、概念化。Esther B?r：撰写—审阅与编辑、资源、调查。Mara Bruzzi：撰写—审阅与编辑、资源、调查、概念化。Mario Ciocca：撰写—审阅与编辑、资源、调查。Carlo Civinini：撰写—审阅与编辑、资源、调查。Paolo Farace：撰写—审阅与编辑、资源、调查。

资金支持

本工作在pRad实验框架内完成，由意大利国家核物理研究所—国家科学委员会5（INFN-CSN5）资助。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Christian Richter、Julien Schwengfelder报告与Siemens Healthineers存在的关系，包括：资金资助和非财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述工作。所有其他作者 Elena Fogazzi|Esther B?r|Mara Bruzzi|Mario Ciocca|Carlo Civinini|Paolo Farace|Francesco Fracchiolla|Callum Gillies|Guyue Hu|Guillaume Landry|Stefano Lorentini|Katia Parodi|Christian Richter|Roberto Righetto|Ilaria Rinaldi|Monica Scaringella|Julian Schwengfelder|Alessandro Vai|Enrico Verroi|Francesco Tommasino 特伦托大学物理系，意大利特伦托