呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)CT影像靶區(qū)勾畫的運(yùn)動(dòng)體模研究

陳少卿，黎軍和，何文靜，游震宇，孫 哲，汪小浪

（南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤科，南昌 330006）

非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）是嚴(yán)重影響廣大人民健康、發(fā)病率最高的惡性腫瘤之一，三維適形放療（3-dimensional conformal radiotherapy，3DCRT）和調(diào)強(qiáng)放療（intensity modulated radiotherapy，IMRT）是NSCLC患者的主要治療手段。3DCRT和IMRT精確實(shí)施的關(guān)鍵是靶區(qū)的精確勾畫，其勾畫的基礎(chǔ)是CT圖像采集。由于呼吸運(yùn)動(dòng)的存在，使得CT采集的圖像出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影。筆者采用自主研發(fā)的呼吸運(yùn)動(dòng)體模系統(tǒng)模擬了肺的生理運(yùn)動(dòng)并驗(yàn)證不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和不同瘤體大小對(duì)CT圖像中病灶體積的影響，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 呼吸運(yùn)動(dòng)體模系統(tǒng)

呼吸運(yùn)動(dòng)體模系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和體模組成，見圖1。本研究未考慮器官變形，而是假設(shè)器官運(yùn)動(dòng)是剛性的。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在平面內(nèi)同時(shí)做二維運(yùn)動(dòng)，亦能模擬身體長(zhǎng)軸方向（z軸）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本研究共模擬2種狀態(tài):靜止?fàn)顟B(tài)和z軸運(yùn)動(dòng)。參考Erridge等［1］的測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)定二維運(yùn)動(dòng)幅度z軸方向分別為1.0、1.5、2.0 cm，運(yùn)動(dòng)頻率分別為20次·min-1。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承載的體模大小為15 cm×15 cm×3 cm， 其內(nèi)有 5個(gè)直徑分別為 1.0、2.0、3.0、4.0及5.0 cm圓柱體，圓柱體高為2.5 cm，見圖2。圓柱體內(nèi)注射液體后，液體體積分別為1.6、6.1、13.4、23.4 及 36.7 cm3。

圖1 呼吸運(yùn)動(dòng)體模系統(tǒng)

圖2 體模

1.2 顯像和測(cè)量

顯像采用Discovery LS型PET-CT儀。體模內(nèi)圓柱體注射3%泛影葡胺后，將體模及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)置于PET/CT掃描孔內(nèi)，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，模擬包括靜止?fàn)顟B(tài)在內(nèi)的4種呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。CT掃描參數(shù):140 kV，90 mA，每環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.8 s，螺距為 0.75，重建成4.25 mm·層-1的橫斷CT圖像。CT窗寬為1500 Hu，窗位為-700 Hu。掃描結(jié)束后，將CT圖像傳輸至Xeleris工作站，進(jìn)行初步圖像處理后，再將CT圖像從Xeleris工作站傳至Advantage Workstation工作站，利用圖形軟件勾畫大體靶區(qū)（gross tumor volume，GTV），計(jì)算 GTV 體積。

1.3 實(shí)驗(yàn)分組

本研究對(duì)CT圖像進(jìn)行了比對(duì)研究，按體模圓柱體（瘤體）大小分為 5 組:GTV1、GTV2、GTV3、GTV4、GTV5。測(cè)量、計(jì)算各組靜止?fàn)顟B(tài)及運(yùn)動(dòng)幅度為 1.0、1.5及 2.0 cm時(shí)的 GTV值（分別用 GTV0、GTV1.0、GTV1.5、GTV2.0表示）。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

所有體模均在CT掃描下清晰顯像。各組不同狀態(tài)下GTV值比較見表1。

表1 各組不同狀態(tài)下GTV值比較 n=5，，V/cm3

表1 各組不同狀態(tài)下GTV值比較 n=5，，V/cm3

LSD檢驗(yàn):*P＜0.05與同組GTV0比較；△P＜0.05與同組GTV2.0比較；其余兩兩比較均P＞0.05。

組別 GTV0 GTV1.0 GTV1.5 GTV2.0 F P GTV1 組 2.65±0.05 3.08±0.95 3.23±0.39* 3.27±1.25* 1.189 0.317 GTV2 組 6.80±0.43 9.31±2.35* 8.71±2.11* 9.30±3.21* 2.552 0.061 GTV3 組 13.15±1.12 16.23±3.09* 15.71±3.42* 15.38±3.92* 1.875 0.138 GTV4 組 23.65±0.27 26.84±4.30*△ 25.99±4.54*△ 30.82±6.63* 7.857 0.000 GTV5 組 36.55±0.27 42.27±4.63* 40.19±4.98*△ 45.48±6.78* 9.104 0.000

3 討論

NSCLC近年來發(fā)病率和死亡率都有逐年增加的趨勢(shì)，而3DCRT和IMRT是NSCLC的主要治療手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了高清晰度的CT等影像設(shè)備，加之高性能的放射治療機(jī)及與之配套的放射治療計(jì)劃系統(tǒng)的出現(xiàn)，使3DCRT和IMRT技術(shù)日臻完善，成為目前最常用的放射治療技術(shù)。3DCRT和IMRT實(shí)施過程中最重要的步驟之一就是基于CT圖像的靶區(qū)勾畫。國(guó)際放射單位與測(cè)量委員會(huì)（ICRU）于1993年對(duì)靶區(qū)的定義作了明確的定義:靶區(qū)包括GTV、臨床靶區(qū)（CTV）及計(jì)劃靶區(qū)（PTV），其中 GTV指臨床可見或可觸及的、可以通過診斷檢查手段證實(shí)的腫瘤范圍；在3DCRT和IMRT實(shí)施過程中，GTV的勾畫是靶區(qū)勾畫的最基礎(chǔ)步驟。

目前臨床上絕大多數(shù)情況下勾畫GTV都是基于CT圖像。隨著多排螺旋CT的出現(xiàn)，CT影像采集時(shí)間顯著縮短，降低了影像變形，提高了影像空間分辨率，特別是強(qiáng)大的影像后處理工作站的出現(xiàn)，臨床上能得到解剖結(jié)構(gòu)清晰、影像變形小的三維影像，為腫瘤設(shè)計(jì)放療計(jì)劃提供了優(yōu)越良好的平臺(tái)［2］。雖然CT圖像在診斷時(shí)可以清晰地顯示胸內(nèi)臟器的微小病變，但CT診斷和CT定位對(duì)胸內(nèi)臟器成像的要求是不同的，影像學(xué)診斷要求排除呼吸運(yùn)動(dòng)的干擾而形成清晰圖像，而CT定位是在平靜呼吸狀態(tài)下進(jìn)行CT掃描［3］。這樣，CT定位時(shí)得到的CT圖像必然受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響。

呼吸運(yùn)動(dòng)為人體不自主運(yùn)動(dòng)之一，自由呼吸狀態(tài)下肺部腫瘤受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，出現(xiàn)不同程度的位移。Erridge等［1］用EPID監(jiān)測(cè)了 25例NSCLC患者肺部腫瘤的運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)腫瘤頭腳方向運(yùn)動(dòng)距離為（12.5±7.3）mm（z軸方向）。 Shimizu 等［4］在患者自由呼吸狀態(tài)下對(duì)肺部腫瘤進(jìn)行CT掃描，利用三角形的各個(gè)邊長(zhǎng)之間的關(guān)系計(jì)算出腫瘤的位移，結(jié)果顯示肺下葉腫瘤頭腳方向平均位移9.1 mm（3.4～24.0 mm），上中葉腫瘤頭腳方向的平均位移是6.2 mm（2.4～11.3 mm）。根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)果，本部分研究設(shè)定了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅度。

患者在做3DCRT和IMRT治療前的腫瘤定位與接受治療時(shí)的狀態(tài)一致，都是在平靜呼吸狀態(tài)下進(jìn)行，有研究表明呼吸運(yùn)動(dòng)使得CT采集的圖像出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影［5-6］或出現(xiàn)圖像的幾何變形［7］，在這種 CT圖像上進(jìn)行靶區(qū)勾畫時(shí)容易產(chǎn)生空間遺漏［8-10］，從而進(jìn)一步影響到GTV的勾畫［11］。CT采用的是螺旋掃描，可在很短的時(shí)間內(nèi)（幾秒至十幾秒）完成胸部圖像采集，每一層CT圖像僅代表占呼吸周期很小一部分的病灶形態(tài)信息，尤其在放療CT定位不進(jìn)行呼吸控制的掃描情況下，極易形成運(yùn)動(dòng)偽影，腫瘤形態(tài)和體積發(fā)生變形。以上所述的原因?qū)?dǎo)致CT圖像的不確定性，這種不確定性勢(shì)必造成勾畫GTV時(shí)，所勾畫的GTV與實(shí)際情況不符合，從而導(dǎo)致過多的正常肺組織接受不必要的高劑量照射，同時(shí)也容易引起腫瘤漏照。

本研究使用了二維呼吸運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)，近似模擬了z軸不同運(yùn)動(dòng)幅度下GTV勾畫情況。結(jié)果顯示GTV1、GTV2及 GTV3組靜止?fàn)顟B(tài)下GTV與運(yùn)動(dòng)幅度分別為1.0、1.5及2.0 cm狀態(tài)下GTV之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P 分別為:0.317、0.061、0.138），而GTV4和GTV5組靜止?fàn)顟B(tài)下GTV與運(yùn)動(dòng)幅度分別為1.0、1.5及2.0 cm狀態(tài)下GTV之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P分別為:0.000、0.000）。 說明在z軸方向不同的運(yùn)動(dòng)幅度下，CT圖像勾畫的GTV體積會(huì)與靶區(qū)的真實(shí)體積產(chǎn)生一定差異，在瘤體直徑為1.0～3.0 cm時(shí)，這種差異不明顯，但是瘤體直徑為4.0～5.0 cm時(shí)，這種差異很明顯，提示這種情況下CT圖像勾畫的GTV體積可能與事實(shí)嚴(yán)重不符，不建議用這種CT圖像勾畫GTV。進(jìn)一步的檢驗(yàn)分析顯示，隨著z軸方向運(yùn)動(dòng)幅度的加大，CT圖像勾畫的靶區(qū)會(huì)越來越偏離腫瘤實(shí)際情況，用這種CT圖像勾畫GTV，將明顯與腫瘤實(shí)際大小不一致。

綜上所述，CT圖像必將隨著CT設(shè)備的發(fā)展而不斷獲得提高，但由于呼吸運(yùn)動(dòng)的存在，得到的CT圖像與實(shí)際情況會(huì)產(chǎn)生一定的差異，這在某種程度上會(huì)嚴(yán)重影響放療計(jì)劃制定過程中GTV的勾畫，從而導(dǎo)致靶區(qū)劑量的不準(zhǔn)確或增加靶區(qū)周圍高危器官的受照劑量，因此在制定放療計(jì)劃時(shí)最好使用門控技術(shù)等有效措施降低呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)放療靶區(qū)勾畫的影響。

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