【摘要】：X(γ)射線放療中的CT成像,除了腫瘤靶區(qū)和周圍危及器官的定位,還要提供后續(xù)劑量計算所需的組織參數(shù),實現(xiàn)組織不均勻校正,常規(guī)采用化學當量校準法,即通過電子密度體模建立CT值-電子密度映射關系。物質的線性衰減系數(shù)同時取決于電子密度(electron density,ρ_e)和有效原子序數(shù)(effective atomic number,Zeff),所以CT值與ρ_e之間不存在一一對應關系。研究表明,化學當量校準法引起的劑量計算誤差在頭頸部復雜部位甚至超過40%。理論上,同時采集兩套投影數(shù)據(jù)的雙能CT(dual-energy computed tomography,DECT)可以準確測量電子密度。近年來,隨著DECT技術的發(fā)展,基于臨床用DECT的放療模擬研究取得了突破,ρ_e的測量誤差低于10%。未來的DECT模擬,體模的作用發(fā)生根本改變,即確定DECT-ρ_e方程(模型)的系數(shù)。但從目前的研究來看,實驗普遍采用組織等效體模,比如CIRS 062和Gammex467。所以本文的目的就是提出專用于DECT模擬的體模,并按照體模研究的規(guī)律初步研制原型,為進一步探索提高DECT-ρ_e轉換準確性,逐步實現(xiàn)精確模擬奠定基礎。在正文的第一部分,比較了診斷CT機、大孔徑CT機以及Hi-ART螺旋斷層放療系統(tǒng)的MVCT機用于測量電子密度的性能差異。根據(jù)X射線與物質的相互作用規(guī)律推導得到3.5 MV的X射線衰減系數(shù)隨電子密度變化的一元線性模型。采用CIRS 062體模在Hi-ART螺旋斷層放療系統(tǒng)的MVCT機、GE Light Speed 16排診斷CT機和Siemens SOMATOM Sensation Open型大孔徑CT機上分別進行掃描實驗。對MVCT值與電子密度做線性擬合,根據(jù)擬合方程計算電子密度并分析誤差;對診斷CT機、大孔徑CT機的kVCT圖像根據(jù)常規(guī)化學當量校準法建立CT值-電子密度轉換曲線。結果顯示MVCT值與電子密度線性擬合的可決系數(shù)r2=0.9988。除肺組織等效材料(-7.16%)之外,根據(jù)擬合方程得到的電子密度測量值相對誤差均在±2%以內。k VCT圖像的CT值總體上隨ρ_e的增大而增大,呈現(xiàn)分段線性關系。當ρ_e1.1時,對應的CT值差別不大;而當ρ_e1.1時,大孔徑CT圖像的CT值逐漸大于診斷CT圖像的。尤其是對于CT值大的物質,如密質骨的CT值相差在100 HU以上。采用大孔徑CT與診斷CT獲得的CT值-ρ_e轉換曲線本質上沒有區(qū)別。根據(jù)MVCT值-電子密度的單線性關系可準確獲得電子密度測量值,可用于放療劑量計算。但采用MVCT無法直接從MVCT圖像獲得組織的Zeff。在正文的第二部分,提出了DECT模擬體模原型。根據(jù)DECT模擬的特點以碘為光電吸收基質,水和乙醇為康普頓散射基質,研制了DECT模擬體模原型,它的組織參數(shù)和元素組成與體內組織無對應關系。在Siemens SOMATOM Definition Flash上掃描體模原型和常用的組織等效體模CIRS 062,采用Saito提出的ΔHU-ρ_e模型,對比分析二者測量ρ_e的差異。結果顯示,體模原型的ΔHU-ρ_e之間同樣存在線性關系(r2=0.9962,w=-0.428)。模型系數(shù)a=0.972,b=0.995,與理論值相符。ρ_e測量誤差、相對標準差均比CIRS 062的低,Bland-Altman圖顯示二者的ρ_e測量值均未出現(xiàn)異常點。體模原型同樣可以達到確定Saito提出的ΔHU-ρ_e模型系數(shù)的目的,體模可行性得到初步驗證。在正文的第三部分,根據(jù)基質分析原理實現(xiàn)體模,使其電子密度和有效原子序數(shù)與人體組織的范圍相一致,以實現(xiàn)DECT模擬體模的輻射等效性,并評價DECT測量電子密度的性能。采用組成元素的原子序數(shù)在10以上的多種無機物為光電吸收基質,組成元素的原子序數(shù)在10以下的多種有機溶劑和水為康普頓散射基質,自制了一種DECT模擬體模。在Siemens SOMATOM Definition Flash上掃描DECT模擬體模,分析ρ_e測量誤差。自制DECT模擬體模的ρ_e和Zeff分別在0.8~1.3和6.4~13.1之間,一定程度上實現(xiàn)了對人體組織參數(shù)的輻射等效。體模的ΔHU與ρ_e之間的線性關系成立(r2=0.9690,α=0.489)。a、b分別為0.942、0.986,與理論值相符。采用自制DECT模擬體模評價DECT測量電子密度,結果顯示ρ_e測量誤差在10%范圍內,并非文獻報道的1%。DECT測量電子密度的準確性有待進一步提高。在正文的第四部分,從射束硬化效應的角度探討了體模輪廓尺寸的變化對CT值和ρ_e測量的影響。按體重過低、正常和超重以上分三組收集西南醫(yī)院常規(guī)上腹部DECT檢查患者的圖像資料。分析不同體型的患者的CT值差異。在此基礎上,設計了一款圓臺形水模,其橫截面直徑為22~30 cm。內嵌一圓盤,在內外兩環(huán)(距離中心分別為4.5、9.0 cm)處開孔用于放置插件。選擇乙醇、水、乙二醇、丙三醇、氯化鈣溶液(3g/5 m L)五種物質作為體模插件。在Siemens SOMATOM Definition Flash掃描儀上先后執(zhí)行SECT掃描和DECT掃描。SECT掃描電壓選擇100、120 kVp;DECT掃描A、B球管電壓分別為80/140Sn、80/140、100/140Sn k Vp。結果顯示,密度比水小的物質CT值隨體模直徑增大而增大;密度比水大的物質CT值隨體模直徑增大而減小。在內、外環(huán)處CT值的變化不同,內環(huán)處變化更明顯,約為外環(huán)處的2倍。不同物質的CT值變化與Zeff呈比例。體模在不同直徑處,所確定的模型系數(shù)α=0.482、0.485、0.476、0.494、0.492,α表現(xiàn)出隨體模直徑增大而增大的趨勢。體模直徑與α相對應時,ρ_e測量誤差均在±0.5%范圍內。如果α取值不當,則會造成ρ_e測量誤差增大。體模尺寸越大、物質的原子序數(shù)越大,對CT值的影響越大。體模尺寸的變化會影響DECT測量ρ_e模型系數(shù)的確定。不同體型的人應有對應的體模與之相匹配。
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【學位授予單位】：第三軍醫(yī)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R730.55

【參考文獻】

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1 高立權;孫小U，

本文編號：2315199