肺通氣功能分布引導的調強放療計劃設計研究

張書旭，王銳濠，余輝，林生趣，張國前，齊斌，雷懷宇

廣州醫科大學附屬腫瘤醫院放療中心，廣東 廣州 510095

肺通氣功能分布引導的調強放療計劃設計研究

張書旭，王銳濠，余輝，林生趣，張國前，齊斌，雷懷宇

廣州醫科大學附屬腫瘤醫院放療中心，廣東 廣州 510095

目的 基于肺通氣功能分布，探討保護肺功能的調強放療計劃（IMRT）設計方案。方法 選擇16例肺癌患者，分別進行呼氣末和吸氣末后屏氣CT掃描，通過肺通氣功能分析系統獲取患者肺通氣功能的三維分布，并自動勾畫出雅可比值分別為0.5、0.7、0.9所對應的功能肺。對每個患者，進行角度設置相同，且均為5野的兩種IMRT計劃設計：根據定位CT上靶區和危及器官的解剖信息，進行普通IMRT計劃設計；將肺通氣功能分布與CT定位圖像融合，額外增加對功能肺的劑量限制，分別進行3種強度不同的肺通氣功能圖像引導的f-IMRT計劃設計。對比分析IMRT和f-IMRT計劃中靶區和正常組織受照劑量的差異。結果 所有IMRT和f-IMRT計劃都可滿足臨床要求。與IMRT計劃相比，f-IMRT各組計劃中脊髓、食道和心臟等受照劑量變化不明顯（P>0.05）；f0.5-IMRT、f0.7-IMRT以及f0.9-IMRT計劃中全肺的V5、V10、V20均顯著下降（P<0.05）；f0.7-IMRT計劃中功能肺的V5、V10、V20顯著下降（P<0.05）；f0.9-IMRT計劃中功能肺的V5、V10、V20和V30均顯著下降，差異有統計學意義（P<0.05）。結論 肺通氣圖像引導的IMRT計劃能有效地降低功能肺的受照劑量，可望較好地保護肺功能，改善患者的生存質量。

調強放療；肺通氣功能分布；圖像引導放療；靶區勾畫

0 前言

目前，放射治療仍然是不能手術或不愿手術的非小細胞肺癌（NSCLC）患者的主要治療方法之一，而放射性肺炎則是影響NSCLC療效的最常見并發癥，其發生幾率和嚴重程度與放射劑量、照射面積、照射部位、肺功能情況、同期或序貫化療等均有密切關系[1-2]。很早以前的研究證實[3]肺癌放療過程中，當V20<22%時，兩年內放射性肺炎發生率為0；當V20達到22%～31%、31%～40%或＞40%時，兩年內放射性肺炎發生率分別可達7%、13%、36%。如何減少放射性肺炎的發生，一直是放療界關注的重點。

日常放療計劃設計時并未考慮肺功能的差異，即對所有區域的肺組織未加任何區別。但實際上，肺組織，特別是肺癌患者的肺組織各區域的肺功能并非一致，且不同功能狀態的肺組織對放射線的反應也不一樣。NSCLC病人放療后各區域肺功能下降的程度與該區域的照射劑量呈線性相關[4]；當對肺功能不良的區域進行照射時，放療后其功能下降程度較受照劑量相同的正常區域小。如果在放療計劃設計時，讓射線通過肺功能不良區域對腫瘤進行照射，盡可能減少對正常功能區域的照射，則有可能減少放療對肺功能的損傷和放療并發癥的發生。本文擬探討基于肺通氣功能分布的調強放療（IMRT）計劃設計，以達到保護肺功能的目的。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

選擇擬行放射治療的NSCLC患者16例，其中男14例，女2例。年齡38～73歲，中位年齡55歲。其中12例為鱗癌，4例為腺癌。所有患者均經病理確診并簽署知情同意書。

1.2 4D-CT肺通氣圖像的獲取與處理

對患者進行放療前的CT模擬定位，在仰臥下分別進行呼氣和吸氣后屏氣掃描，主要掃描參數：120 kV，100 mAs，層厚為2.5 mm，矩陣512×512，掃描范圍覆蓋整個胸部。掃描后，將圖像傳至研究組開發的肺通氣功能分析軟件系統（ZHANGShuxu 4D-CT LF，V1.0，軟著登字第0396648）進行肺通氣功能分析[5]：以呼氣末圖像作為參考圖像，吸氣末圖像作為浮動圖像，進行三維B樣條變形配準，獲得吸氣末CT圖像中各體素單元相對呼氣末CT圖像中各體素的變形函數，再把該函數轉化為雅可比矩陣。通過變形配準得到雅可比，它表示一幅圖像形變到另一幅圖像時局部體素的擴張和收縮度，雅可比>l，形變后體素擴張；雅可比<1，形變后體素收縮；雅可比=1，表示體素無變化。研究中，先將雅可比矩陣轉化為灰度圖，再把灰度圖偽彩化后與CT融合，并進行三維重建，可得到直觀的三維通氣分布，見圖1。再由肺通氣功能分析軟件系統自動勾畫出雅可比值分別為0.5、0.7、0.9所對應的功能肺區域，見圖2。

圖1 3個連續橫斷面上通氣圖像與參考CT的融合效果示意圖

圖2 雅可比值分別為0.5、0.7、0.9所對應的功能肺區域

1.3 計劃設計

利用Nucletron公司生產的Oncentra計劃系統（V4.1）進行靶區勾畫和計劃設計。由有經驗的放療醫生在CT解剖圖像上勾畫大體腫瘤區（GTV）和危及器官，如脊髓、食道、心臟等；GTV外擴6～8 mm形成臨床靶區（CTV）；CTV外擴8 mm形成計劃靶區（PTV）；脊髓、食道外擴5 mm邊界。X射線能量選用6 MV；醫用加速器為Clinac 23EX，120葉多葉準直器；在呼氣末CT圖像（下稱解剖圖像）上進行普通IMRT計劃設計。

首先，進行角度設置相同，且均為5野的IMRT計劃設計，每個射野的子野數限15個，最小子野跳數＞2，最小子野面積＞2 cm2。主要的劑量約束條件：全肺V20<30%，V30<20%，平均劑量<20 Gy；PTV最小劑量65 Gy，最大劑量70 Gy，95%體積>66 Gy；食道超過55 Gy的體積<35%，平均劑量<34 Gy；脊髓最大劑量<45 Gy。劑量計算采用三維卷積迭加（Collapsed Cone Convolution Superposition，CCCS）算法，PTV處方劑量為66 Gy，2 Gy/次，每周5次。

然后，在上述條件的基礎上，增加對高功能肺的劑量約束和限制，進行肺通氣功能圖像引導的f-IMRT計劃設計，功能肺相對應的劑量約束條件為：f-V20<20%，f-V10<35%。功能肺雅可比值為0.5、0.7、0.9時，對應的計劃分別記為f0.5-IMRT、f0.7-IMRT、f0.9-IMRT。

1.4 統計學處理

根據劑量體積直方圖（DVH），對比分析IMRT和f-IMRT計劃的劑量學差異。采用SPSS 19.0統計軟件進行統計學分析，計量資料描述采用均值±標準差（x_±s）。對f-IMRT各組計劃數據分別與IMRT計劃數據進行配對t檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 IMRT計劃靶區的適形度和均勻性比較

所有IMRT和f-IMRT計劃都可滿足臨床要求；而從PTV適形度指數（CI）和均勻度指數（HI）來看，f-IMRT計劃中的PTV的適形指數降低，劑量均勻性較IMRT計劃差，但僅f0.9-IMRT和IMRT計劃的差異有統計學意義（P<0.05），f0.5-IMRT、f0.7-IMRT和IMRT計劃的差異并無統計學意義（P>0.05），見表1。

表1 IMRT和f-IMRT計劃中PTV CI 和HI的比較

2.2 脊髓、食道和心臟等危及器官的受照劑量對比

與IMRT計劃相比，f-IMRT各組計劃中脊髓、食道和心臟等受照劑量變化不明顯，差異均無統計學意義（P>0.05），見表2。

2.3 全肺受照劑量對比

統計結果顯示，與IMRT計劃相比，f0.5-IMRT、f0.7-IMRT以及f0.9-IMRT計劃中全肺的V5、V10、V20顯著下降（P<0.05）；而全肺的V30的變化不顯著，差異僅f0.9-IMRT計劃中的有統計學意義（P<0.05），f0.5-IMRT、f0.7-IMRT計劃中的差異無統計學意義（P＞0.05），見表3。

2.4 不同雅可比值的功能肺的受照劑量對比

與IMRT計劃相比，f0.5-IMRT計劃功能肺的V10、V20顯著下降（P<0.05），而V5、V30變化不明顯（P＞0.05），詳見表4。與IMRT計劃相比，f0.7-IMRT計劃功能肺的V5、V10、V20顯著下降（P<0.05），而V30變化不明顯（P＞0.05），詳見表5。與IMRT計劃相比，f0.9-IMRT計劃功能肺的V5、V10、V20和V30均顯著下降（P<0.05），見表6。

表2 IMRT和f-IMRT計劃中脊髓、食道和心臟等危及器官的受照劑量對比（Gy ）

表3 IMRT和f-IMRT計劃中全肺受照劑量的體積百分比的比較（%）

表4 IMRT和f0.5-IMRT計劃功能肺受照劑量的體積百分比（%）

表5 IMRT和f0.7-IMRT計劃功能肺受照劑量的體積百分比（%）

表6 IMRT和f0.9-IMRT計劃功能肺受照劑量的體積百分比（%）

3 討論

在肺癌的放療計劃設計時，可對靶區和高功能肺進行劑量約束，利用IMRT優化技術，在滿足劑量約束的前提下，使子野盡量通過低功能肺區，減少對高功能肺的損傷，達到保護肺功能、減少并發癥的目的。研究發現，在SPECT肺功能圖像引導下進行三維適形放射治療（3D-CRT）可減少3%～17%功能肺受照體積[6-7]和平均劑量[8]。Lavrenkov K等[9]報道，結合SPECT肺灌注顯像的f-IMRT能明顯降低Ⅲ期非小細胞肺癌患者功能肺的V20和平均受照劑量，且高功能肺區散在分布于兩肺者下降更為明顯。

其他功能圖像還包括超極化的3He-MRI，病人吸入超極化的3He氣體后在MRI上能夠選擇性地顯示通氣區域。與SPECT技術相比，3He-MRI不需要使用放射性元素，而同樣能得到肺通氣分布圖像，而且3He-MRI圖像還能與放療計劃用CT圖像進行配準，基于3He-MRI的IMRT放療計劃，能使功能肺受照體積f-V20減少1%～3%[10]。上述幾種功能圖像各有不同的優缺點和適用范圍，SPECT/CT是臨床上應用的標準肺功能評價手段，但由于所用的99Tcm標記的放射性氣溶膠會在氣道沉積而產生偽影，且利用SPECT在肺功能顯像時無法量化使用。而利用13N進行PET肺功能成像時，需要附帶氣體發生裝置的回旋加速器即時產生13N（半衰期9.97 min），極大地限制了該技術的研究和應用。同樣，MRI在進行功能成像時需要示蹤氣體和特殊的設備，而且示蹤氣體超極化的程度具有時間依賴性，難以得到量化的生理學參數。

正是由于SPECT/CT、PET/CT、MRI等功能成像設備在放療應用中存在上述不便或不足，因此，近年來從CT圖像中獲取人體功能信息成為了一個新的研究方向。本研究結果顯示，f-IMRT計劃較IMRT計劃明顯降低了高功能肺區的受照劑量和體積，尤其是顯著降低了低劑量區的體積，同時全肺的實際受照劑量也明顯下降，說明降低肺受照劑量的效果是整體性的；而周圍危及器官的受照劑量未見明顯增加，但f-IMRT計劃同時也降低了PTV內劑量的均勻性和適形性。Yamamoto[11]等報道，當靶區PTV范圍與高功能肺區的體積重疊較多時，高功能肺受照劑量在f-IMRT計劃中下降明顯；而當重疊區較少或遠離PTV時，高功能肺受照劑量在f-IMRT計劃中的下降并不明顯。但當PTV與高功能肺區域重疊較多時會產生另一個問題，即在IMRT計劃優化過程中，當高功能肺區受照劑量下降時，PTV的劑量適形度和均勻性也下降。因此，在應用于臨床實踐中時，在減少功能肺受照劑量的同時需要考慮靶區內劑量的均勻性和適形度，在兩者之間找到一個平衡點。

研究還發現，在計劃設計時將高功能肺區和低功能肺區分開比較，分別評估其DVH，并定量分析放射毒性，可有助于準確預測放療后肺功能狀況[12]。但4D-CT肺功能成像還處在實驗研究階段，隨著三維圖像配準技術的發展，其生理準確性需要進一步提高。由于研究的時間尚短，患者病例數還非常少，還未能細分不同的病例類型條件下IMRT和f-IMRT計劃的差異，還需要在大宗病例下進行嚴格的統計分析和隨訪證實。

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勘誤聲明

本刊2014年9月刊第157頁《Me-3D序列動態增強掃描在截肢后患者坐骨神經成像中的應用價值》一文，作者單位為南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院），特此更正。

Research on the Design of IMRT Plans Guided by Pulmonary Ventilation Images

ZHANG Shu-xu, WANG Rui-hao, YU Hui, LIN Sheng-qu, ZHANG Guo-qian, Qi Bin, LEI Huai-yu
Radiotherapy Center, Cancer Center of Guangzhou Medical University, Guangzhou Guangdong 510095, China

Objective To design the IMRT plans with pulmonary-protection function based on pulmonary ventilation images. Methods The peak-exhale and peak-inhale CT data of 16 patients with lung cancer were put into the pulmonary ventilation analysis system to get the three dimensional pulmonary ventilation distribution images. And functional lungs whose Jacobin ratios were 0.5, 0.7, and 0.9 were delineated automatically by the system. Then two kinds of 5-f i eld IMRT plans with the same angle settings of all the 16 patients were designed. Conventional IMRT plans were designed according to the anatomical information of the targets and normal tissues in CT positioning images. Three kinds of f-IMRT (function-intensity-modulated radiation therapy) plans which combined pulmonary ventilation images with CT images and added dose constraint to functional lungs were also designed. The differences of dose distributions in conventional IMRT plans and f-IMRT plans were compared. Results Both IMRT and f-IMRT plans can meet the clinical requirements. There is no signif i cant difference in the exposure dose of heart, esophagus and spinal cord between IMRT plans and f-IMRT plans (P＞0.05). Compared with IMRT plans, the V5, V10, and V20of the total lung in f-IMRT plans decreased signif i cantly (P＜0.05); the V5, V10, and V20of the functional lung in f0.7-IMRT plans decreased signif i cantly (P＜0.05); the V5, V10, V20, and V30of the functional lung in f0.9-IMRT plans decreased signif i cantly (P＜0.05). Conclusion The exposure dose of the functional lung can be signif i cantly reduced in f-IMRT plans guided by pulmonary ventilation images, which would be used to protect the pulmonary functions and improve the living quality of patients with lung cancer.

IMRT; pulmonary ventilation distribution; IGRT; target delineation

R734.2；TP391.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.10.005

1674-1633(2014)10-0015-04

2014-05-05

2014-07-03

國家自然基金面上項目資助（81170078）；廣東省科技計劃項目資助（2011B031800111）；廣東省教育廳科技創新項目資助（2013KJCX152）。

本文作者：張書旭，博士，教授，博士生導師，主要從事腫瘤放射物理學及醫學圖像處理研究工作。

作者郵箱：gthzsx@163.com