利用4D錐形束CT研究肺癌放療的靶區(qū)外放范圍

李金凱,葛小林,王沛沛,李彩虹,王亭亭,李順梅,石鑫磊,陳新,孫新臣

(南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療中心，江蘇南京 210029)

·論 著·

利用4D錐形束CT研究肺癌放療的靶區(qū)外放范圍

李金凱,葛小林,王沛沛,李彩虹,王亭亭,李順梅,石鑫磊,陳新,孫新臣

(南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療中心，江蘇南京 210029)

目的：利用4D錐形束CT研究肺癌放療的靶區(qū)外擴(kuò)范圍。方法：隨機(jī)選取2013年10月8日至2014年6月26日南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院20例肺癌患者，熱塑體膜固定，平靜呼吸下CT螺旋掃描定位，治療前利用4D錐形束CT進(jìn)行靶區(qū)位置驗(yàn)證，根據(jù)公式MPTV=2.5Σ總+0.7σ總，分別計(jì)算只考慮擺位擴(kuò)邊、考慮擺位擴(kuò)邊和內(nèi)擴(kuò)邊及考慮修正擺位擴(kuò)邊系統(tǒng)誤差后3種情況下不同部位PTV在3個(gè)方向的外擴(kuò)范圍。結(jié)果：第1種情況只考慮擺位擴(kuò)邊，X方向4.185 mm，Y方向6.590 mm，Z方向4.117 mm。第2種情況考慮擺位擴(kuò)邊和內(nèi)擴(kuò)邊，肺上葉組：X方向4.454 mm，Y方向7.108 mm，Z方向4.476 mm；肺中下葉組：X方向5.052 mm，Y方向13.511 mm，Z方向5.053 mm。第3種情況擺位擴(kuò)邊系統(tǒng)誤差被修正，考慮內(nèi)擴(kuò)邊，肺上葉組：X方向2.790 mm，Y方向4.797 mm，Z方向2.982 mm；肺中下葉組：X方向3.869 mm，Y方向12.809 mm，Z方向3.969 mm。結(jié)論：肺癌的PTV外擴(kuò)范圍必須考慮腫瘤運(yùn)動(dòng)，修正擺位擴(kuò)邊系統(tǒng)誤差對(duì)肺上葉組腫瘤更有意義。

肺癌； 圖像引導(dǎo)放療； 錐形束CT； 中位圖像

整合在加速器上的錐形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)是一種在線的成像工具，能夠提供患者治療位置的容積信息，用于在線擺位校正、照射劑量驗(yàn)證和自適應(yīng)放療等[1]。由于CBCT掃描速度較慢，所生成的圖像很容易受到器官運(yùn)動(dòng)影響而產(chǎn)生偽影。為了減少呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，Sonke等[2]提出了四維錐形束CT(four-dimensional cone beam computed tomography，4D-CBCT)的概念和實(shí)現(xiàn)4D-CBCT的方法。與四維CT(four-dimensional computed tomography)類似，4D-CBCT[3-4]也是由同一時(shí)相的投影數(shù)據(jù)重建而成，不同的是投影數(shù)據(jù)需要在每一機(jī)架角度分出不同時(shí)相，并且根據(jù)膈肌在上下方向的運(yùn)動(dòng)幅度記錄呼吸信號(hào)。4D-CBCT克服了普通CBCT的缺陷，可以在線評(píng)估腫瘤的運(yùn)動(dòng)幅度和范圍[5]。

醫(yī)科達(dá)公司Axesse加速器的Symmetry系統(tǒng)具備4D-CBCT功能，南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院(江蘇省人民醫(yī)院)自2013年10月完成裝機(jī)并開(kāi)始使用該系統(tǒng)治療患者。肺癌在放射治療中由于呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，其靶區(qū)外放范圍一直較其它腫瘤大，作者利用Symmetry系統(tǒng)對(duì)肺癌在放療中的靶區(qū)擴(kuò)邊大小進(jìn)行了研究，現(xiàn)將有關(guān)研究結(jié)果報(bào)道如下。

1 對(duì)象與方法

1.1 病例選擇及一般資料

隨機(jī)方法選取2013年10月8日至2014年6月26日在我院行放射治療的20例肺癌患者，年齡35～83歲，中位年齡61歲，均為男性患者。根據(jù)國(guó)際抗癌聯(lián)合會(huì)(UICC)第6版肺癌TNM分期標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ期1例，Ⅱ期5例，Ⅲ期13例，Ⅳ期1例。所有患者均經(jīng)病理學(xué)確診，病理類型為鱗癌12例，腺癌5例，小細(xì)胞未分化癌3例。依據(jù)腫瘤所在肺葉不同分為2組，其中肺上葉組11例，肺中下葉組9例，4例肺上葉組患者行體部立體定向放射治療(SBRT)。腫瘤體積最大的為261.78 ml，最小的為4.35 ml，中位為68.44 ml。

1.2 體位固定和CT模擬

所有患者均仰臥于Orfit全碳纖維體部固定板上，雙手上舉抓手柄，利用Orfit熱塑體膜固定，在保證患者體位舒適性的同時(shí)使患者的姿勢(shì)處于最佳的照射狀態(tài)。西門子大孔徑CT模擬定位螺旋掃描，掃描范圍自環(huán)甲膜至肋膈角下5 cm，螺距為1，重建層厚為5 mm，在掃描過(guò)程中患者平靜呼吸。將CT定位圖像通過(guò)放療專用網(wǎng)絡(luò)傳送至XIO治療計(jì)劃系統(tǒng)，根據(jù)勾畫的靶區(qū)設(shè)計(jì)三維適形或調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃，并將符合臨床要求的計(jì)劃和CT圖像分別傳輸至醫(yī)科達(dá)Axesse加速器和MosaiQ服務(wù)器的圖像工作站。

1.3 圖像引導(dǎo)參數(shù)的設(shè)定和4D-CBCT圖像的獲取[6-7]

在MosaiQ工作站新建CT掃描野，選擇CBCT掃描參數(shù)：管電壓120 kV，射野準(zhǔn)直器S20，濾線器F0，掃描機(jī)架旋轉(zhuǎn)角度為180°～-180°(CC或CW)，機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度為90°·min-1，重建算法為S20 4D-Low_Res，等效劑量為15.5 mGy。設(shè)定配準(zhǔn)方式為雙配準(zhǔn)(分別為Clipbox和Mask)，確定配準(zhǔn)范圍、配準(zhǔn)算法及容差值，其中Clipbox選擇灰度平移配準(zhǔn)，配準(zhǔn)范圍取靶區(qū)上下各2 cm包括完整胸廓的骨組織區(qū)域；Mask選擇4D灰度平移配準(zhǔn)，配準(zhǔn)范圍取肺部計(jì)劃腫瘤區(qū)(plan gross tumor volume，PGTV)外擴(kuò)0.5 cm的區(qū)域，容差值根據(jù)處方劑量曲線與靶區(qū)的具體情況而定，一般為3 mm。配準(zhǔn)移床參考點(diǎn)取治療計(jì)劃等中心點(diǎn)，同步MosaiQ工作站與XVI工作站，調(diào)用CT掃描野按預(yù)設(shè)條件進(jìn)行CBCT的掃描，時(shí)間約為4 min。

根據(jù)膈肌在上下方向的運(yùn)動(dòng)幅度記錄呼吸信號(hào)，然后將呼吸信號(hào)根據(jù)臨床要求分成不同的時(shí)相，作者選擇了10個(gè)時(shí)相，即把一個(gè)呼吸運(yùn)動(dòng)周期的膈肌位置分解為10個(gè)不同的高度。將獲得的約1 300幀DR圖像在每一機(jī)架角度分出不同時(shí)相，由同一時(shí)相的投影數(shù)據(jù)重建形成某一時(shí)相的CBCT影像，10個(gè)時(shí)相的CBCT影像組成了動(dòng)態(tài)的4D-CBCT影像。由于肺部腫瘤在每個(gè)時(shí)相的駐留時(shí)間不同，導(dǎo)致不同時(shí)相所獲得的投影數(shù)據(jù)幀數(shù)亦不相同，依據(jù)XVI每秒鐘只獲得5.5幀DR圖像的特性，可計(jì)算出每一個(gè)時(shí)相在整個(gè)呼吸運(yùn)動(dòng)周期中所占時(shí)間比，利用時(shí)間加權(quán)法計(jì)算出10個(gè)CBCT時(shí)相的中位位置圖像(CBCTmean)。CBCTmean就像一幅水墨畫，根據(jù)每個(gè)時(shí)相所占據(jù)呼吸運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)間比“涂繪”而成，某一時(shí)相所占時(shí)間比越大，其在中位位置圖像上的顏色就越深，兩者成正比關(guān)系。

1.4 擺位誤差的獲得及分析調(diào)整

CBCT的掃描頻率分別是常規(guī)分割前3次治療前和SBRT每次治療前(一般為5～8次)。首先利用中位位置圖像進(jìn)行Clipbox的自動(dòng)灰度配準(zhǔn)，獲得X(左右)、Y(頭腳)、Z(腹背)3個(gè)方向的平移矢量，然后利用Mask的4D自動(dòng)灰度配準(zhǔn)獲取10個(gè)時(shí)相中每個(gè)時(shí)相在X(左右)、Y(頭腳)、Z(腹背)3個(gè)方向的平移矢量，如圖1所示，具體移床參數(shù)依中位位置圖像的平移矢量為準(zhǔn)，以上配準(zhǔn)結(jié)果均由患者的主管醫(yī)生和技師共同審核。如Clipbox和Mask的配準(zhǔn)結(jié)果不一致，且兩組配準(zhǔn)結(jié)果均沒(méi)有超出容差值，移床參數(shù)以后者為準(zhǔn)；如其中一組超過(guò)容差值，則對(duì)兩組配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行折中計(jì)算，移床閾值X、Y、Z 3個(gè)方向均設(shè)定為2 mm。

圖1 不同時(shí)相在3個(gè)方向配準(zhǔn)的平移矢量Fig 1 Translation vector in three directions with different phases

1.5 PTV外放范圍的計(jì)算

2 結(jié) 果

20例肺癌患者共獲得71組4D-CBCT驗(yàn)證圖像，其中肺上葉組11例獲得44組。分3種情況對(duì)PTV的外放范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：第1種為只考慮SM的外擴(kuò)范圍MSM，結(jié)果X、Z方向均小于5 mm，Y方向最大為6.590 mm。第2種為SM和IM均考慮的外放范圍MPTV，肺上葉組和肺中下葉組MPTV分開(kāi)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果肺上葉組和肺中下葉組腫瘤MPTV在X和Z方向差別不大均在4～6 mm內(nèi)，在Y方向差別明顯分別為7.108 mm和13.511 mm。第3種為經(jīng)圖像引導(dǎo)修正過(guò)SM系統(tǒng)誤差后僅考慮IM的外放范圍M修，結(jié)果肺上葉組腫瘤外放范圍M修較肺中下葉組縮小明顯，Y方向比例最大接近1/3，具體結(jié)果詳見(jiàn)表1。

3 討 論

隨著以SBRT為代表的高精度放療方式的發(fā)展，人們對(duì)以CBCT為基礎(chǔ)的影像引導(dǎo)技術(shù)要求越來(lái)越高[9]。僅僅利用CBCT校正擺位誤差已難以滿足高精度放療的需要，目前研究逐漸開(kāi)始關(guān)注其包含的呼吸運(yùn)動(dòng)信息，期待CBCT能在放療靶區(qū)驗(yàn)證方面發(fā)揮更大作用[10-11]。Symmetry由醫(yī)科達(dá)公司研發(fā)制造，提供了管理呼吸運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的尖端解決方案，它可以在線重建4D影像并找出腫瘤每次治療的時(shí)間加權(quán)平均位置，無(wú)需門控和跟蹤。

表1 肺癌不同部位不同情況下計(jì)劃靶區(qū)的外擴(kuò)范圍

Tab 1 The margin of PTV in different parts and situations

注： MSM：不考慮IM的PTV外擴(kuò)范圍； IM1：肺上葉組的IM； MPTV1：肺上葉組考慮IM的PTV外擴(kuò)范圍； M修1：圖像引導(dǎo)修正后肺上葉組考慮IM的PTV外擴(kuò)范圍； IM2：肺中下葉組的IM； MPTV2：肺中下葉組考慮IM的PTV外擴(kuò)范圍； M修2：圖像引導(dǎo)修正后肺中下葉組考慮IM的PTV外擴(kuò)范圍

有文獻(xiàn)證實(shí)肺部腫瘤分次間擺位誤差為5～40 mm[12]，臨床上為避免靶區(qū)漏照只能最大限度地?cái)U(kuò)大治療范圍，致使治療體積成倍增加，限制了腫瘤劑量的提高。本研究對(duì)PTV的外放范圍分3種情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，考慮到器官運(yùn)動(dòng)(如呼吸運(yùn)動(dòng)、心臟搏動(dòng))對(duì)肺上葉組、肺中下葉組腫瘤的影響存在差異，本研究亦對(duì)不同部位的腫瘤靶區(qū)進(jìn)行了分組統(tǒng)計(jì)。第1種為只考慮熱塑體模導(dǎo)致的擺位誤差，忽略腫瘤靶區(qū)的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果符合熱塑體模固定擺位誤差的特點(diǎn)，與郝春成等[13]的研究一致。第2種為考慮擺位誤差和腫瘤運(yùn)動(dòng)的PTV外放范圍，按腫瘤部位分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果為肺中下葉組腫瘤外放范圍在Y方向上遠(yuǎn)大于肺上葉組，其中肺中下葉組13.511 mm為肺上葉組7.108 mm的近2倍，分析原因可能為肺中下葉組腫瘤受呼吸運(yùn)動(dòng)影響較大所致，患者均為男性以腹式呼吸為主，頭腳方向最大。第3種為SM系統(tǒng)誤差得到修正，考慮隨機(jī)誤差和腫瘤運(yùn)動(dòng)的外放范圍，結(jié)果為肺上葉組、肺中下葉組腫瘤外放范圍均較第2種情況有不同程度縮小，但以肺上葉組外放范圍縮小明顯，修正后Y方向最大僅為4.797 mm，肺中下葉組外放范圍縮小幅度在3個(gè)方向均較肺上葉組小，相對(duì)而言，肺上葉組腫瘤利用圖像引導(dǎo)獲益更大，更適合精確治療。有研究[14]結(jié)果顯示，利用CBCT圖像引導(dǎo)調(diào)整后的計(jì)劃靶區(qū)只需外擴(kuò)2～3 mm，明顯減少了PTV邊界的外擴(kuò)值，本研究的結(jié)果稍有不同，肺上葉組與此結(jié)論較為相近，但肺中下葉組Y方向變化不大，僅由原來(lái)的13.5 mm減小為12.8 mm，原因可能為內(nèi)靶區(qū)的定義不同所致。

總之，4D-CBCT包含了充分的運(yùn)動(dòng)信息，在描述器官運(yùn)動(dòng)的不確定性上比傳統(tǒng)CBCT有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，4D-CBCT也存在技術(shù)局限性，如掃描時(shí)間長(zhǎng)以及由此帶來(lái)的額外劑量和患者可能產(chǎn)生的體位變化等[15]。

[1] 李奉祥,李建彬,張英杰,等.四維影像在腫瘤放射治療中的應(yīng)用[J].中華腫瘤雜志，2011,33(10):721-725．

[2] SONKE J J,ZIJP L,REMEIJER P,et al.Respiratory correlated cone beam CT[J].Med Phys,2005,32(4):1176-1186．

[3] VERGALASOVA I,CAI J,YIN F F.A novel technique for markerless,self-sorted 4D-CBCT:feasibilty study[J].Med Phys,2012,39(3):1442-1451．

[4] VERGALASOVA I,CAI J,GILES W,et al.Evaluation of the effect of respiratory and anatomical variables on a Fourier technique for markerless,self-sorted 4D-CBCT[J].Phys Med Biol,2013,58(20):7239-7259．

[5] HUGO G D,ROSU M.Advances in 4D radiation therapy for managing respiration:Part I-4D imaging[J].Z Med Phys,2012,22(4):258-271．

[6] SWEENEY R A,SEUBERT B,STARK S,et al.Accuracy and inter-observer variability of 3D versus 4D cone-beam CT based image-guidance in SBRT for lung tumors[J].Radiat Oncol,2012,81(7):81-89．

[7] SONKE J J,ROSSI M,WOLTHAUS J,et al.Frameless stereotactic body radiotherapy for lung cancer using four-dimensional cone beam CT guidance[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2009,74(2):567-574．

[8] Van HERK M.Errors and margins in radio therapy[J].Semin Radiat Oncol,2004,14(1):52-64．

[9] 邢曉波,周宓.PET/CT在非小細(xì)胞肺癌精確放療中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代醫(yī)學(xué),2011,39(3):378-381．

[10] 李奉祥,李建彬,馬志芳,等.基于3D-CT、4D-CT和錐形束CT定義的非小細(xì)胞肺癌內(nèi)靶區(qū)比較[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,2014,34(2):110-115．

[11] LIU H W,KHAN R,D’AMBROSI R,et al.The influence of target and patient characteristics on the volume obtained from cone beam CT in lung stereotactic body radiation therapy[J].Radiother Oncol,2013,106(3):312-316．

[12] SHIMIZU S S,SHIRATO H,KAGEI K,et al.Impact of respiratory movement in the computed tomographic images of small lung tumors in three-dimensional(3D) radiotherapy[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2000,46(5):1127-1133．

[13] 郝春成,葛曉峰,張立杰.利用錐形束CT圖像分析非小細(xì)胞肺癌臨床靶區(qū)外放的研究[J].實(shí)用腫瘤學(xué)雜志，2011,25(5):426-430．

[14] WANG L,FEIGENBERG S,FAN J,et al.Target repositional accuracy and PTV margin verification using three-dimensional cone-beam computed tomography(CBCT) in stereotactic body radiotherapy(SBRT) of lung cancers[J].J Appl Clin Med Phys,2012,13(2):3708-3715．

[15] GAO H,LI R,LIN Y,et al.4D cone beam CT via spatiotemporal tensor framelet[J].Med Phys,2012,39(11):6943-6946．

Evaluation of the margins of PTV in radiotherapy on lung cancer using 4D-CBCT

LI Jin-kai，GE Xiao-lin，WANG Pei-pei，LI Cai-hong，WANG Ting-ting，LI Shun-mei，SHI Xin-lei，CHEN Xin，SUN Xin-chen

(DepartmentofRadiationOncology，theFirstAffiliatedHospital，NanjingMedicalUniversity,Nanjing210029，China)

Objective: To define margins of PTV in radiotherapy on lung cancer using 4D-cone beam(CB)CT. Methods: 20 cases of lung cancer patients coming from the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University were randomly selected from October 8， 2013 to June 26， 2014， thermoplastic membrane fixed， spiral CT scanned under quiet breathing.4D-CBCT were performed to verify target position before treatment. We respectively calculated the margins of PTV in three directions when only considering setup margins， considering setup margins and internal margins， and only considering internal margins after system error correction of setup margins according to the formula MPTV=2.5Σtotal+0.7σtotal. Results: In the first condition margins of PTV only based on setup margins: X direction was 4.185 mm， Y direction 6.590 mm， Z direction 4.117 mm; in the second condition， margins of PTV based on setup margins and internal margins: X direction 4.454 mm， Y direction 7.108 mm， Z direction 4.476 mm in the upper lobe， however， X direction 5.052 mm， Y direction 13.511 mm， Z direction 5.053 mm in the middle-lower lobe; in the thirdly condition， system error of setup margins was corrected， in the upper lobe: X direction 2.790 mm， Y direction 4.797 mm， Z direction 2.982 mm; besides， in the middle-lower lobe: X direction 3.869 mm， Y direction 12.809 mm， Z direction 3.969 mm. Conclusion: Tumor movement should be considered when defining margins of PTV， and it’s more meaningful to correct the system error of setup margins on the lung tumor in the upper lobe．

lung cancer; image-guided radiotherapy; cone beam computed tomography; mid-position image

2014-12-26

2015-03-17

李金凱(1983-)，男，山東臨沂人，主管技師，主要從事腫瘤放射物理學(xué)的研究。E-mail:lijinkai1028@163.com

孫新臣 E-mail:13770662828@163.com

李金凱,葛小林,王沛沛,等.利用4D錐形束CT研究肺癌放療的靶區(qū)外放范圍[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)版,2015,34(4):609-612.

R734.2; R815

A

1671-6264(2015)04-0609-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.04.024