基于3DCT與CBCT勾畫的胸中下段食管癌內在大體腫瘤靶區的比較

谷振芳 李建彬 徐保彬 崔巍 王麗芳 陳長建

基于3DCT與CBCT勾畫的胸中下段食管癌內在大體腫瘤靶區的比較

谷振芳 李建彬 徐保彬 崔巍 王麗芳 陳長建

目的 比較基于三維CT(3DCT)和錐形束CT(CBCT)圖像定義的胸中下段食管癌內在大體腫瘤靶區即內靶區的體積(IGTV)及匹配度。方.15例胸中下段食管癌患者, 首先完成胸部3DCT掃描,基于3DCT制定放療計劃, 在3DCT上勾畫得到GTV3D, 依據山東省腫瘤醫院通過四維CT(4DCT)圖像測得的胸中下段食管癌靶區運動范圍95%可信區間上限外擴得到IGTV, 胸中下段食管癌GTV頭腳、前后、左右方向分別外擴6.0、3.0、3.0 mm得到IGTV3D, 放療治療前5次拍攝CBCT, 并基于骨性標志配準校正,在CBCT圖像上勾畫得到IGTVCBCT。比較IGTV3D與IGTVCBCT靶區間體積及匹配度。結果 IGTV3D大于IGTVCBCT(t=2.531, P=0.018), IGTV3D與IGTVCBCT總匹配指數為(0.604±0.0430), 亞組胸中段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數為(0.611±0.0371), 胸下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數為(0.562±0.0168),胸中段與胸下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數比較, 差異具有統計學意義(t=2.478, P=0.028)。結論 在胸中下段食管癌的放療中IGTV3DCT明顯大于IGTVCBCT, 兩靶區的匹配指數為(0.604±0.0430), IGTV3DCT不能有效的包含IGTVCBCT, 即使3DCT與CBCT配準校正后, 也有可能導致較嚴重的脫靶, 放療期間利用CBCT圖像不能提供可靠有效的在線校正。

食管癌；三維CT；錐形束CT；內在大體腫瘤靶區；匹配度

放射治療過程中呼吸運動、心臟和大血管搏動以及食管本身蠕動是構成食管癌特別是胸中下段食管癌放療分次內靶區位移的主要因素［1］, 由此引起的器官運動是影響胸中下段食管癌放療精確性的關鍵因素。ICRU62號報告提出了內靶區(ITV)的概念以用于包含腫瘤運動信息, 但并不清楚定位時獲得的ITV能否反映治療體位腫瘤運動情況。整合在加速器上的CBCT是一種在線的成像工具, 能夠獲取患者治療體位的容積信息［2］。治療過程中體部CBCT掃描時間超過1 min, 包含數個呼吸周期, 基于CBCT圖像可以構建在線IGTVCBCT［3］。本研究比較基于3DCT均勻外擴獲得的ITV與基于CBCT定義的ITV的體積差異及靶區匹配度, 進一步探討3DCT結合CBCT在胸中下段食管癌放療靶區確定中的應用, 進一步確定CBCT能否為胸中下段食管癌患者放療期間提供精確可靠的在線校正。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2013年10月～2014年6月在本院行三維適形放療(3DCRT)的胸中下段食管癌患者15例, 腺癌8例, 鱗癌7例；胸中段6例, 胸下段9例；男9例, 女6例；年齡42～72歲, 中位年齡55歲；全部患者均于放療前模擬定位時完成3DCT掃描, 并均于放療前5次放療前采集CBCT圖像。入組患者均無慢性肺疾病且通氣功能正常, PS評分0～1分。

1.2 DCT模擬定位掃描 患者仰臥, 雙手上舉, 負壓袋固定, 在自由呼吸狀態下, 采用飛利浦大孔徑CT (Philips Brilliance Bores CT, 美國), 行胸部增強CT 模擬定位掃描, 序貫完成3DCT軸位掃描。首先行3DCT軸位掃描, 每個掃描周期為2.8 s, 其中掃描時間1 s, 準直器寬度2.4 cm, 間隔時間1.8 s, 層厚5 mm；將掃描的3DCT圖像傳至瓦里安Eclips.10.0治療計劃系統。

1.3 放療計劃 以3DCT圖像為計劃CT圖像, 制定3DCRT計劃, 采用5個共面不規則適形野, 時間劑量分割為：60 Gy/30次.2 Gy/次, 5次/周。

1.4 CBCT圖像采集 首次治療前依據CT模擬定位數據擺位, 按照治療計劃參數擺位至腫瘤中心, 利用CBCT(美國瓦里安公司Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA)掃描, 獲得治療體位的CBCT圖像, 整個掃描過程約1 min左右, 圖像重建層厚5.0 mm, 將CBCT圖像與計劃CT圖像自動配準, 并依據骨性標志配準進行手動微調, 配準后的CBCT圖像自動傳到瓦里安Eclips.10.0治療計劃系統。1. 5 靶區勾畫及IGTV定義 在3DCT圖像上勾畫食管可見腫瘤GTV, 依據山東省腫瘤醫院通過4DCT圖像測得的器官運動所致胸中下段食管癌原發腫瘤內靶區邊界外擴95%可信區間上限外擴得到IGTV, 胸中下段食管癌GTV頭腳、前后、左右方向分別外擴6.0、3.0、3.0 mm得到IGTV3D, 在CBCT圖像上勾畫食管可見腫瘤得到IGTVCBCT。為減小勾畫誤差,圖像均由同一位放療醫師在縱隔窗上勾畫, 同一患者3DCT圖像及CBCT圖像勾畫IGTV需在同一時間序貫完成, 勾畫標準一致, 以食管管壁＞5 mm或不含氣直徑＞10 mm作為食管可見腫瘤勾畫標準。當然為方便勾畫者勾畫需考慮到圖像的對比度.3DCT圖像上一般在窗寬240 HU, 窗位-160 HU進行靶區勾畫, CBCT圖像上一般在窗寬400 HU, 窗位-200 HU進行勾畫。

1. 6 靶區分析及匹配度計算 比較基于3DCT所得IGTV3D及基于CBCT所得IGTVCBCT靶區間的體積差異及靶區匹配度。匹配指數(matching index, MI)定義為靶區A和B交集與并集的比值［4,5］, 公式為MI=A ∩B/A∪B。MI反映兩靶區在大小、形狀、位置間的匹配情況。如果兩靶區完全一致MI為1, 若＜1則是因兩靶區位移、形狀及體積大小改變導致的。

1. 7 統計學方法 采用SPSS17.0統計學軟件進行統計分析。計量資料以均數±標準差( x-±s)表示, 組間數據采用t檢驗；全組靶區體積及匹配指數比較采用配對t檢驗。P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區體積大小比較 胸中下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT體積差異見表1。IGTV3D均大于IGTVCBCT, 兩組間體積比較, 差異有統計學意義(t=2.531, P=0.018)。

表1 胸中下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT體積比較(±s, cm3)

表1 胸中下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT體積比較(±s, cm3)

注：IGTV3D與IGTVCBCT比較, t=2.531, P=0.018

項目IGTV3DIGTVCBCT體積73.670±29.02750.544±20.230

2.2 靶區間匹配指數 全組患者IGTV3D與IGTVCBCT間的匹配指數見表2。胸中下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數為(0.604±0.0430), 亞組胸中段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數為(0.611±0.0371), 胸下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數為(0.562±0.0168)。胸中段與胸下段食管癌IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數比較, 差異具有統計學意義(t=2.478, P=0.028)。

表2 全組及亞組胸中段、胸下段匹配指數比較±s)

表2 全組及亞組胸中段、胸下段匹配指數比較±s)

注：胸中段與胸下段比較, t=2.478, P=0.028

項目全組患者(n=15)胸中段組(n=6)胸下段組(n=9)匹配指數0.604±0.04300.611±0.03710.562±0.0168

3 討論

目前基于3DCT模擬定位掃描是我國食管癌放療定位的主流技術, 但放射治療過程中多因素引起的器官運動影響胸中下段食管癌放療精確性, 呼吸因素是其中的主要因素, 由此引起的擺位誤差對靶區位移有一定的影響。

目前有兩種技術可以分析擺位誤差即電子射野影像系統(EPID)及CBCT, CBCT是繼EPID之后主要的影像引導放療工具, 用來分析擺位誤差。隨著CBCT為代表的在線影像引導放療技術的普及應用, 在線校正后食管癌患者的殘余擺位誤差顯著減小, 且在放療療程中保持相對恒定［6,7］, CBCT圖像由于圖像質量、圖像提供的信息配準等方面有一定的優勢, 使其越來越多的應用于臨床。Schiffner等［8］的研究表明：對25例食管癌患者進行不同次的CBCT后用TomoThera的自適應治療計劃系統進行分析, 結果顯示隨著CBCT的頻次從0增加到60%, ＞5 mm的擺位誤差從66%降到20%, 劑量方面也有顯著影響, 靶區的低劑量區減少, 正常組織心臟和肺的受量降低, 所以應用CBCT雖然增加了費用及小量的輻射, 但對患者仍是有益的。在放射治療CBCT技術中配準是十分關鍵的, 配準后將CBCT圖像與定位CT圖像進行對比,判斷圖像解剖結構在水平、冠狀及矢狀面上的重疊性及覆蓋性, 如果發現靶區配準不滿意時, 根據實際腫瘤情況進行手動匹配, 直至軟組織結果獲得最佳重疊。胸中下段食管受呼吸、心臟搏動影響較大, 所以通過CBCT校正擺位誤差后,基于治療體位獲取的CBCT圖像上勾畫的IGTV能否準確包含定位3DCT圖像上勾畫的食管癌內在大體腫瘤, 即CBCT能否為胸中下段食管癌患者放療期間提供有效可靠的在線校正值得商榷。

目前有關食管癌定位3DCT與CBCT圖像ITV靶區間的體積差異與匹配指數比較的資料較少, 但多數學者報道了周圍型肺癌的多種影像技術勾畫的ITV體積差異。本研究通過比較基于定位3DCT圖像與治療體位采集CBCT圖像勾畫的IGTV靶區間的體積差異及匹配指數, 以評估CBCT作為胸中下段食管癌患者放射治療期間在線校正的可靠性。該研究結論得出基于3DCT勾畫的IGTV比基于CBCT勾畫的IGTV體積要大, IGTV3D體積平均比IGTVCBCT增大22%, 二者之間差異具有統計學意義(t=2.531, P=0.018)。但5次CBCT勾畫的IGTVCBCT體積之間差異無統計學意義(P＞0.05)。全組患者IGTV靶區間的匹配指數為(0.604±0.0430)。胸中段6例患者IGTV3D體積平均比IGTVCBCT增大30%, 靶區間匹配指數為(0.611±0.0371), 胸下段9例IGTV3D體積平均比IGTVCBCT增大35%, 靶區間匹配指數為(0.562±0.0168), 亞組胸下段食管患者的IGTV靶區間的體積差異較胸中段食管顯著, 匹配指數較胸中段偏小, 這可能與放射治療過程中食管下段腫瘤受呼吸因素、心臟搏動因素影響較大有關。

山東省腫瘤醫院李奉祥在肺癌的放療中顯示IGTV3D與IGTVCBCT匹配指數為0.83, 匹配指數用來衡量CBCT在線校正的效率, 本組數據顯示整體匹配指數為(0.604±0.0430), 胸中段匹配指數較胸下段高提示CBCT在食管癌放療的在線校正中對于食管胸中段腫瘤的校正效率高。通過該研究得出放療過程中通過CBCT配準校正擺位誤差后, 基于治療體位獲取的CBCT圖像上勾畫的IGTV不能準確包含定位3DCT圖像上勾畫的食管癌內在大體腫瘤, 靶區的匹配度不理想, 這種情況在胸下段食管癌中表現的更加明顯, 且有可能導致較嚴重的脫靶現象, 這提示臨床上放療期間通過CBCT提供在線校正胸中下段食管癌, 尤其是胸下段食管癌時的可靠性有待進一步研究。

但是由于目前國內外該方面的資料較少, 且該研究樣本量較小, 且CBCT圖像質量差, 本身存在較大偽影, 雖然ITV均由同一位放療醫師在縱隔窗上勾畫, 且同一患者3DCT圖像及CBCT圖像勾畫IGTV均在同一時間序貫完成, 但在靶區勾畫中仍可能存在一定誤差, 作者認為可能的原因如下：①CBCT圖像中食管腫瘤的上下界確定難度大；②掃描3DCT及CBCT圖像層厚太厚、層間勾畫落差較大；③由于縱隔內軟組織及血管較多, CBCT圖像未增強, 勾畫中食管癌與周圍軟組織分界不清。通過該研究及具體的勾畫過程, 作者認為可以從以下幾個方面進一步提高：①治療過程中通過一定的食管造影成像技術使食管腫瘤上下界分辨更清晰, 如放療過程中口服泛影葡胺造影劑；②掃描3DCT圖像及CBCT圖像時層厚為2～3 mm, 雖然在一定程度上增加了勾畫者的工作量, 但層間的勾畫落差變?。虎塾袟l件可行增強的CBCT圖像采集, 提高組織分辨率, 便于勾畫者勾畫。臨床上基于以上技術的改善及提高是否能縮小兩靶區間的體積差異, 進一步提高靶區間的匹配指數值得進一步探討。

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Comparison of internal gross target volume in thoracic middle and lower segment esophageal cancer based o.3DCT and CBCT

GU Zhen-fang, LI Jian-bin, XU
Bao-bin, et al. Shandong Province Tumor Hospital/School of Medicine and Life Science, Shandong Academy of Medical Science of Jinan University, Jina.250117, China

Objective To compare the volume and matching index (MI) of internal gross target volume (IGTV) in thoracic middle and lower segment esophageal cancer based on three-dimensional CT (3DCT) and cone beam CT (CBCT). Methods There wer.15 patients with thoracic middle and lower segment esophageal cancer. Firstly, they received ches.3DCT scan. On the basis of thei.3DCT results, radiotherapy scheme was formulated, and IGTV3DCTwas delineated. Their IGTV was gained from external expansion of 95% confidence interval in thoracic middle and lower segment esophageal cancer target volume motion range by four-dimensional CT (4DCT) in Shandong province tumor hospital. The external expansions in GTV head-foot, front-back, leftright direction were 6.0.3.0, an.3.0 mm respectively, and IGTV3DCTcould be showed from them. CBCT was taken in the first five times of radiotherapy treatment, and it was adjusted by bone landmarks. IGTVCBCTwas delineated from CBCT image. Target volumes and matching indexes were compared between IGTV3DCTand IGTVCBCT. Results The volume of IGTV3DCTwas higher than that of IGTVCBCT(t=2.531, P=0.018). The total matching index of IGTV3DCT and IGTVCBCTwas (0.604±0.0430). The matching index of IGTV3DCTand IGTVCBCTin subgroup of thoracic middle segment esophageal cancer was (0.611±0.0371), and that of IGTV3DCTand IGTVCBCTin thoracic lower segment esophageal cancer was (0.562±0.0168). Difference of matching index of IGTV3DCTand IGTVCBCT between thoracic middle and lower segment esophageal cancer had statistical significance (t=2.478, P=0.028). Conclusion In the radiotherapy for thoracic middle and lower segment esophageal cancer, IGTV3DCT is obviously higher than IGTVCBCT, and their matching index was (0.604±0.0430). Therefore, IGTV3DCTcannot effectively contain IGTVCBCT. Even through registration correction o.3DCT and CBCT, possibility of severe offtarget still exists. CBCT image cannot provide reliable online correction in radiotherapy.

Esophageal cancer; Three-dimensional CT; Cone beam CT; Internal gross target volume; Matching index

10.14163/j.cnki.11-5547/r.2015.06.002

2014-11-07］

250117 山東省腫瘤醫院/濟南大學山東省醫學科學院醫學與生命科學學院(谷振芳 李建彬)；濟寧醫學院附屬醫院腫瘤科(谷振芳 徐保彬 崔巍 王麗芳 陳長建)