开发一种双能量CBCT校准方法，以准确估计临床前小型动物质子治疗剂量规划中的电子密度

《Applied Radiation and Isotopes》：Development of a Dual-Energy CBCT Calibration Method for Accurate Electron Density Estimation in Preclinical Small-animal Proton Therapy Dose Planning

质子治疗预临床研究首次采用小动物双能锥形束CT（DECT-CBCT），通过40和60 kVp扫描CIRS 062M电密度体模，比较单能CT（SECT）与DECT的HU-SPR转换精度。结果显示DECT在软组织（RMSE 0.25%）和骨组织（RMSE 1.08%）中优于SECT（0.87%和1.44%），但对高密度材料（电子密度>2）SECT更优。DEEDZ方法验证了DECT的高精度（R2=0.9999），为提升小动物质子治疗剂量规划精确性提供新方案。

　　

赵一春（I-Chun Cho）| 塔纳蓬·布安克兰（Tanaporn Buangklang）| 朱建豪（Chien-Hau Chu）| 李申浩（Shen-Hao Lee）| 林建宇（Chien-Yu Lin）| 王春杰（Chun-Chieh Wang）| 范康兴（Kang-Hsing Fan）| 趙思坚（TSI-CHIAN CHAO）

长庚大学放射医学研究中心，台湾桃园市贵山区文华一路259号，333323

摘要

在质子治疗的临床前动物研究中，计算机断层扫描（CT）成像对于计划和质子剂量计算至关重要，这需要将Hounsfield单位（HU）准确转换为阻止功率比（SPR）。虽然传统上使用单能量CT（SECT），但双能量CT（DECT）在估算SPR方面具有更高的准确性。本研究是首个针对质子治疗的动物双能量圆锥束CT（CBCT）研究，开发了一种适用于小型动物CBCT系统的DECT校准方法，该方法使用CIRS 062M电子密度模体在40 kVp和60 kVp下进行扫描。SECT校准采用了化学计量法，在60 kVp下进行；而DECT则遵循了Saito的方法（2017年）。通过将测量的SPR值与Bethe公式计算的理论值进行比较，并使用均方根误差（RMSE）作为评估指标，来评估准确性。结果表明，SECT和DECT都能实现HU到SPR的校准，但DECT在软组织和骨骼组织上的准确性更高，其RMSE分别为0.25%和1.08%，而SECT分别为0.87%和1.44%。然而，对于高密度材料（相对电子密度>2），SECT的表现优于DECT，其RMSE更低（分别为4.19%和5.42%）。这些发现支持在小型动物CBCT中应用DECT，以改进电子密度估算并更精确地进行临床前质子治疗剂量规划。

引言

质子治疗通过靶向肿瘤同时保护周围健康组织，从而实现高精度治疗，降低了毒性。它利用布拉格峰原理，即质子在特定深度释放最大能量，这与传统X射线不同。为了治疗不同深度的肿瘤，通过叠加多个布拉格峰形成扩展布拉格峰（SOBP）（Byun等人，2021年）。临床前小型动物模型对于转化肿瘤学研究至关重要，可支持癌症生物学研究和治疗开发（Tillner等人，2014年）。然而，临床转化受到方法学变异性和剂量学不确定性的限制——尤其是在质子治疗中，即使是亚毫米级的误差也会因剂量梯度陡峭而影响治疗效果。挑战包括质量保证（QA）的缺失、物理学家的参与不足以及专用剂量学工具的缺乏（Biglin等人，2019年；Desrosiers等人，2013年；Yoshizumi等人，2011年）。Hackam和Redelmeier的综述发现，在76项高引用率的动物研究中，只有37项在人类试验中得到了重复验证，这凸显了严格剂量学测量的必要性（Hackam和Redelmeier，2006年）。 微型CT系统通过高分辨率成像和治疗计划系统（TPS）的集成来解决一些不确定性（Orhan，2020年）。这些扫描仪使用微焦点管和CCD/CMOS探测器（Clark和Badea，2021年；Sarkar等人，2017年），并配备用于3D分析和DICOM导出的软件。然而，其局限性包括成本高昂、孔径较小，以及缺乏将Hounsfield单位（HU）转换为阻止功率比（SPR）的标准校准协议，因为现有的Hounsfield查找表（HLUT）方法是基于人体尺寸的。CT成像主要通过光电效应和康普顿效应反映X射线衰减，从而估算相对电子密度（ρ_e）。在质子治疗中，必须通过每个扫描仪特有的HLUT将ρ_e转换为SPR（Wohlfahrt和Richter，2020年）。单能量计算机断层扫描（SECT）在SPR转换中引入的误差高达4.35%。双能量计算机断层扫描（DECT）利用两种能量进行扫描，可以同时提取ρ_e和有效原子数（Z_eff），将SPR误差降低到0.37%（Yang等人，2010年）。DECT已成功应用于人类质子和光子治疗的成像，具有成熟的临床工作流程和成熟的校准模型（Saito和Sagara，2017a，b）。然而，尚未有使用小型动物圆锥束CT（CBCT）的DECT研究，而且基于人类的DECT参数可能无法直接应用于动物规模系统，因为能量范围、几何形状和分辨率要求存在差异。 为了解决临床前成像中的这些局限性，本研究评估了一种适用于40–60 kVp的小型动物的改良牙科CBCT系统。这些系统成本效益高，视野宽广，采集速度快。然而，较低的光子能量会增加束硬化和散射的影响，从而影响HU的准确性（Ritman，2007年）。本研究旨在评估这种低能量CBCT系统用于小型动物质子治疗的可行性和性能。我们重点使用SECT和DECT验证HU到SPR的校准曲线，以确定DECT是否可以提高剂量规划的准确性。这项工作代表了首个针对质子治疗的动物DECT-CBCT研究，旨在提高临床前质子研究的剂量学精度和可转化性。

部分内容摘录

动物CBCT

本研究使用了TYS圆锥束3D成像系统（型号：YS CT-100-G，You-Shang Technology Corp.，台湾）来获取质子治疗研究的动物CT图像（图1）。该系统采用圆锥束几何结构，发射圆锥形X射线束，由平板探测器捕获并重建为断层图像，从而在单次旋转中实现体积数据的采集。为了平衡分辨率和扫描时间，使用了0.2毫米的切片厚度和0.125 × 0.125毫米的探测器像素尺寸。

使用化学计量法的SECT结果

在SECT中，HU值反映了材料密度和化学组成，受到光电吸收和康普顿散射的影响。为了评估准确性，使用CIRS 062电子密度模体（包含组织等效物）在40 kVp和60 kVp下进行扫描。如表3所示，软组织模拟物（例如肌肉、肝脏）显示出较低的变化性和高重复性，表现为较低的CV值。相比之下，骨等效材料在40 kVp下表现出更大的变异性，这是由于……

结论

本研究表明，经过适当校准的双能量动物CBCT在临床前环境中能够提供准确的阻止功率比估算。与SECT相比，DECT在软组织和骨骼组织上的准确性更高。关键参数如α、γ_L和指数m（设为3.7）显著影响了SPR的准确性。DEEDZ方法得到的R^2为0.9999，与ICRU参考数据相当，支持将其整合到临床前质子治疗工作中。 小型动物CBCT系统……

CRediT作者贡献声明

塔纳蓬·布安克兰（Tanaporn Buangklang）：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据管理。 朱建豪（Chien-Hau Chu）：验证、资源、项目管理。 赵一春（I-Chun Cho）：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念构思。 李申浩（Shen-Hao Lee）：验证、资源、方法学、概念构思。 林建宇（Chien-Yu Lin）：监督、项目管理。 王春杰（Chun-Chieh Wang）：方法学、研究、概念构思。 范康兴（Kang-Hsing Fan）：撰写——审阅与编辑、监督。 赵思坚（TSI-CHIAN CHAO）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC）的资助（项目编号：114-2221-E-182-025、114-2121-M-182-001和113-2121-M-182-001）；台湾核安全委员会（NSC11501001L）；以及长庚大学研究项目的资助（项目编号：CMRPG3K1911、CIRPD1I0023、CMRPD2N0161和BMRP736）。作者衷心感谢长庚纪念医院放射研究核心实验室和台湾空间……提供的技术支持和设施。