四維CT確定肝癌放療內靶區(qū)的臨床應用

劉　進， 孫　菁

復旦大學附屬中山醫(yī)院放療科， 上海　200032

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·論著·

四維CT確定肝癌放療內靶區(qū)的臨床應用

劉進， 孫菁*

復旦大學附屬中山醫(yī)院放療科， 上海200032

[摘要]目的： 探討四維CT(four-dimensional computed tomography, 4DCT)掃描的勾畫方法，以及其在快速確定肝臟腫瘤內靶區(qū)(internal target volume, ITV)中的作用。方法： 2011年1月至2013年8月，便利抽樣選擇復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院接受放療的17例肝癌患者為研究對象，對其進行4DCT掃描。采用5種方法確定內靶區(qū)，即ITVAllPhase、ITV2Phase、ITVMIP、ITVMinIP和ITV2M。將ITVAllPhase作為參考標準計算靶區(qū)，其他4種方法生成的 ITV與之比較，得出體積的百分比、適形指數(shù)(matching index, MI)、低估的體積百分比。同時評估了腫瘤大小/呼吸幅度比值對4種ITVs的影響。結果： 腫瘤的呼吸運動幅度在上下方向最顯著，為(8.4±3.5) mm。ITV2M的體積大小最接近參考體積(ITVAllPhase)，其次是ITV2Phase，最差的是ITVMinIP和ITVMIP。ITV2M的MI為(0.93±0.03)；其次是ITV2Phase，為(0.89±0.05)；最差的為ITVMinIP和ITVMIP，分別為(0.81±0.10)和(0.82±0.10)。經(jīng)過分析ITV2Phase的MI和腫瘤大小與呼吸幅度的比例正相關，(r=0.524，P=0.031)。ITV2M與參考體積(ITVAllPhase)低估的體積百分比最小，為(0.07±0.03)；其次是ITV2Phase，為(0.12±0.06)；最差的是ITVMinIP和ITVMIP，分別為(0.18±0.10)和(0.18±0.12)。腫瘤大小與呼吸幅度的比例與ITV2M的低估值無相關性(r=-0.34，P=0.18)；但與ITV2Phase的低估值負相關(r=-0.539 ，P=0.024)。結論： ITV2M法可以可靠快速地確定肝癌內靶區(qū)，值得推廣。

[關鍵詞]肝癌；放療；四維CT；內靶區(qū)

對于肝癌患者，放療被認為是一種可選擇的、有潛在根治性腫瘤價值的治療手段。為了提高放射治療的療效，靶區(qū)定位的準確性顯得十分重要。然而，肝臟受呼吸運動影響顯著，在各個方向上都存在腫瘤靶區(qū)的運動，尤其在頭腳方向運動最大達3 cm[1]。四維CT(four-dimensional computed tomography, 4DCT),結合了呼吸運動與CT采集過程。以10%為時相間隔將每個呼吸周期圖像分為10個呼吸時相，在這10個時相中分別進行大體腫瘤體積(GTV)的勾畫, 之后進行融合就會得到腫瘤內靶區(qū)(internal target volume, ITV)。該項技術已被廣泛地應用于肺癌的診斷中，以確定肺癌的 ITV[2-3]，但用于確定肝臟ITV的研究甚少[4]。同肺癌一樣，2個極端時相融合有可能遺漏靶區(qū)，且根據(jù)臨床實踐經(jīng)驗[4-6]顯示，低等、中等腫瘤運動幅度(< 1.6 cm)時，通過兩個極端時相獲得ITV是相對安全的。

基于最大密度投影(MIP)的ITV勾畫是在單個3DCT數(shù)據(jù)集上進行的，該數(shù)據(jù)集中每個像素代表了在全部體積4DCT數(shù)據(jù)集中相對應的三維像素所遇到最亮的物體。相反地，基于最小密度投影(MinIP)的ITV勾畫，其數(shù)據(jù)集中每個像素代表了在全部體積數(shù)據(jù)集中最低的數(shù)據(jù)值[6]。 單獨的MIP或MinIP技術肯定會錯失移動腫瘤的空間信息；為此本研究假設將MIP和MinIP結合或許會改變這種情況。因此，本研究探討4DCT掃描的勾畫方法，以期為更精準地測定肝臟ITV提供臨床依據(jù)。

1資料與方法

1.1病例入組2011年1月至2013年8月，復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院為17例接受放療的肝癌患者實施了4DCT掃描。在17例患者中，有6例為原發(fā)性肝細胞性肝癌，另外11例為轉移性肝癌。腫瘤的一般特征見表1。

表1　腫瘤的一般特征

1.24DCT掃描步驟本組患者采用了如下的靜脈強化方案：100 mL造影劑(歐乃派克)，濃度為300 mgI/mL，注入速度為2.5 mL/s。具體操作參見參照文獻[7]，采用Philips公司生產的16排Brilliance Big Bore CT機器Version 2.3.5和Varian RPMTM system 1.65 軟件進行CT掃描和重建。掃描范圍為橫膈上2～3 cm至右腎下極。4DCT圖像重建，如前所述，用10個時相的原始CT數(shù)據(jù)，生成MIP和MinIP的CT圖像。MIP和MinIP都是標準的放射診斷中的體積描繪技術(volume-rendering techniques)[8-9]。

1.3ITV的確定采用以下5種方法確定ITV:(1)ITVAllPhase，即全部10個呼吸時相勾畫的靶區(qū)融合后得到；(2)ITV2Phase，即在0(吸氣末)、50%(呼氣末)2個時相的靶區(qū)融合得到；(3)ITVMIP，即在MIP的CT圖像上勾畫的靶區(qū)范圍；(4)ITVMinIP，即在MinIP的CT圖像上勾畫的靶區(qū)范圍；(5)ITV2M，是由ITVMIP與ITVMinIP融合得到的靶區(qū)范圍。1例患者采用5種方法確定的ITV見圖1。

圖1　1例原發(fā)性肝癌患者采用5種方法確定的內靶區(qū)

A: ITVAllPhase; B: ITV2M; C: ITV2Phase; D: ITVMinIP; E: ITVMIP

1.4數(shù)據(jù)分析和比較將ITVAllPhase作為參考標準計算靶區(qū)，其他4種方法生成的靶區(qū)與之比較，得出體積的百分比、適形指數(shù)(matching index, MI)、低估的體積百分比[10-11]。同時評估了腫瘤大小/呼吸幅度比值對4種ITVs的影響。

2結果

2.1腫瘤呼吸運動幅度和體積大小如表2所示，腫瘤的呼吸運動幅度在上下方向最顯著，為(8.4±3.5) mm，在左右和前后方向上分別為(1.7±0.8) mm和(3.1±2.1) mm。計算的三維矢量大小為(9.4±3.5) mm。

ITV2M、ITV2Phase、ITVMinIP和ITVMIP的體積均比ITVAllPhase小。以ITVAllPhase作為標準參考體積，ITV2M、ITV2Phase、ITVMinIP和ITVMIP作為受試體積，其體積大小占參考體積的之比分別為ITV2M/ITVAllPhase=(94.3±3.5)%；ITV2Phase/ITVAllPhase= (89.5±5.5)%；ITVMinIP/ITVAllPhase= (82.4±12.1)%；ITVMIP/ITVAllPhase=(83.0±10.3)%。合并兩種投影方式ITV2M的體積大小最接近參考體積(ITVAllPhase)，其次是ITV2Phase，最差的是ITVMinIP和ITVMIP。合并兩種投影方式的ITV2M和合并2個呼吸末時相的ITV2Phase的差異有統(tǒng)計學意義(P=0.021)。

表2　腫瘤呼吸運動幅度　l/mm

2.2各種方式測得的適形指數(shù)(MI)由表3所示， ITV2M與ITVAllPhase的適形性最好，MI為(0.93±0.03)；其次是ITV2Phase，MI為(0.89±0.05)。最差的為ITVMinIP和ITVMIP，MI分別為(0.81±0.10)和(0.82±0.10)。ITV2M和ITV2Phase的差異有統(tǒng)計學意義(P=0.001)。ITVMinIP和ITVMIP的差異無統(tǒng)計學意義(P=0.848)，ITV2M與ITVMinIP和ITVMIP的差異均有統(tǒng)計學意義(P1=0.001；P2=0.000)。

腫瘤大小與呼吸幅度的比例采用腫瘤上下徑/上下呼吸幅度表示，經(jīng)過分析ITV2M的MI和腫瘤大小與呼吸幅度的比例無相關性(r=0.341，P=0.181)，但ITV2Phase的MI和腫瘤大小與呼吸幅度的比例正相關，(r=0.524，P=0.031)。

2.3低估的體積百分比圖2顯示了每個患者4種ITV與參考ITVAllPhase比較低估的百分比。ITV2M與參考體積(ITVAllPhase)低估的體積百分比最小，為(0.07±0.03)，最大的低估值為0.17；其次是ITV2Phase，為(0.12±0.06)，最大的低估值為0.26；最差的是ITVMinIP和ITVMIP，分別為(0.18±0.10)和(0.18±0.12)，最大的低估值均為0.42。ITV2M和ITV2Phase低估的體積百分比差異有統(tǒng)計學意義(P=0.000)。ITVMinIP和ITVMIP低估的體積百分比差別無統(tǒng)計學意義(P=0. 988)。

經(jīng)分析顯示，腫瘤大小與呼吸幅度的比例與ITV2M的低估值無相關性(r=-0.34，p=0.18)；但與ITV2Phase的低估值負相關(r=-0.539，P=0.024)。

表3　各種方式測得MI的比較

圖2　4種ITV與ITVAllPhase低估的體積百分比

3討論

肝臟受呼吸運動影響顯著，在各個方向上都存在腫瘤靶區(qū)的運動，尤其在頭腳方向運動有1～3 cm[12-15]。4DCT能較好地消除呼吸運動偽影，反映腫瘤的運動規(guī)律和范圍。肺癌中腫瘤為高密度，與正常肺實質密度對比鮮明。Underberg研究[7]表明，位于臟層胸膜以內的肺內孤立病灶，MIP圖像能客觀反映腫瘤運動信息，而在腫瘤鄰近等密度或高密度組織結構時，不同時相融合導致的腫瘤和鄰近組織邊緣交錯重疊現(xiàn)象，會影響MIP技術的可靠性。

本研究采用的靜脈增強4DCT掃描的圖像，有較好的質量，可以區(qū)分腫瘤和周圍正常肝實質，有利于進行確切的靶區(qū)勾畫。目前，在肝癌上采用密度投影法確定ITV還尚未有報道。本研究結果表明，從待測ITV與標準ITV低估的百分比來看，聯(lián)合ITVMinIP及ITVMIP的ITV2M法效果最佳，其低估值為(0.07±0.03)，最大的低估值為0.17。

Seppenwoolde等[16]和Boldea等[17]報道，腫瘤體積小且運動幅度較大時，吸氣末和呼氣末2時相圖像之間位置分開較明顯，其中間呼吸狀態(tài)的信息可能會不夠全面；另外2時相融合圖像可能忽略腫瘤的滯后現(xiàn)象。ITV2M的MI與腫瘤大小與呼吸幅度的比例無相關性(r=0.341，P=0.181)；但與ITV2Phase的MI與腫瘤大小與呼吸幅度的比例正相關(r=0.524，P=0.031)。ITV2M的低估值和腫瘤大小與呼吸幅度的比例無相關性(r=-0.34，P=0.18)，但ITV2Phase的低估值和腫瘤大小與呼吸幅度的比例負相關(r=-0.539 ，P=0.024)。這表明呼吸幅度越大，2個極端呼吸時相法對較小的腫瘤確定ITV越不準確，而ITV2M法更有優(yōu)勢，呼吸幅度以及體積大小無明顯影響。

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[本文編輯]葉婷， 曉璐

[收稿日期]2016-03-22[接受日期]2016-06-08

[作者簡介]劉進，碩士生. E-mail: ljdian1985@163.com *通信作者(Corresponding author). Tel:021-64041990, E-mail: sun.jing@zs-hospital.sh.cn

[中圖分類號]R 814.42

[文獻標志碼]A

Use of four-dimensional computed tomography scans to determine internal target volume for hepatic malignancies

LIU Jin, SUN Jing*

Department of Radiotherapy, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai200032, China

[Abstract]Objective： To explore the methods of the four-dimensional CT scanning, and its role in the rapid determination of liver tumor in the internal target volume.Methods： From January 2011 to August 2013, 17 cases of patients with hepatocellular carcinoma who received radiotherapy in a tumor hospital were selected by convenience sampling, and the 4DCT scan was performed. Five methods are used to determine the internal target volumes, namely ITVAllPhase, ITV2Phase, ITVMIP, ITVMinIP, and ITV2M. ITVAllPhase: contouring the GTV on each of the ten respiratory phases of the 4DCT data set and combining these GTVs. ITV2Phase: contouring the GTV on the extreme respiratory phases (0% phase = peak inhalation, 50% phase = peak exhalation) and combining these GTVs. ITVMIP: contouring the GTV on the MIP of the 4DCT dataset. ITVMinIP: contouring the GTV on the MinIP of the 4DCT dataset. ITV2M: combining ITVMIPand ITVMinIP. Using ITVAllPhaseas the reference standard ITV, we compared the percentage of volumes, matching indices (MI) and the percentage of underestimated volumes of the respective ITVs generated from the other four approaches. At the same time, the effects of tumor size/respiration ratio on the four types of ITVs were also evaluated. Results： The respiratory motion amplitude was the most significant in the upper and lower direction: (8.4±3.5) mm. The volume size of ITV2Mwas closest to the reference volume (ITVAllPhase), the second was ITV2Phase, and the worst were ITVMinIPand ITVMIP. The MI of ITV2Mwas (0.93±0.03); the second was ITV2Phase, which was (0.89±0.05); the worst were ITVMinIPand ITVMIP, which were (0.81±0.1) and (0.82±0.10). After analysis we found that MI of ITV2Phasewas positively correlated with the ratio of tumor size to respiratory amplitude (r=0.524, P=0.031). Compared with the reference volume (ITVAllPhase), ITV2Mhad the lowest percentage of underestimation; the second was ITV2Phase: (0.12±0.06); the worst were ITVMinIPand ITVMIP: (0.18±0.10) and (0.18±0.12), respectively. The ratio of tumor size to respiratory rate was not correlated with the underestimated value of ITV2M(r=-0.34, P=0.18), but was negatively correlated with the underestimated value of ITV2Phase(r=-0.539, P=0.024).Conclusions： ITV2Mcan reliably and quickly determine the target area of liver cancer, and it is worth popularizing.

[Key Words]liver cancer; radiotherapy; four-dimensional CT; internal target volume