基于4DCT和形變配準(zhǔn)技術(shù)評(píng)估呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)肺癌立體定向放射治療過(guò)程中劑量的影響

吳文婧，李毅，孫玄子，張曉智，孫雷煥，張斌，李軍軍

1.西安市疾病預(yù)防控制中心放射衛(wèi)生科，陜西西安710054；2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科，陜西西安710061；3.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，陜西西安710061

前言

放射治療作為腫瘤綜合治療的重要手段之一，在肺癌治療中起到重要作用［1］。早期非小細(xì)胞肺癌放射治療中，立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiotherapy,SBRT）技術(shù)治療效果與手術(shù)效果相同［2］，對(duì)于年齡大或不能耐受手術(shù)的患者，SBRT治療優(yōu)于手術(shù)。但SBRT 治療過(guò)程中，單次給予高劑量，較小的劑量誤差可能會(huì)導(dǎo)致治療失敗，SBRT 治療對(duì)于劑量準(zhǔn)確性提出了更高的要求。在肺下葉腫瘤患者SBRT 治療過(guò)程中，腫瘤和正常器官隨呼吸運(yùn)動(dòng)的位移和形變較大［3-5］，引起的劑量誤差也較大［4-8］。據(jù)報(bào)道呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肝臟腫瘤運(yùn)動(dòng)最大可達(dá)34 mm［9］，肺部腫瘤運(yùn)動(dòng)最大可達(dá)35 mm［10］，腎上腺腫瘤運(yùn)動(dòng)最大可達(dá)27 mm［11］，這使得腫瘤和正常器官的劑量難以準(zhǔn)確評(píng)估。近年來(lái)，應(yīng)用四維CT（4DCT）及形變配準(zhǔn)技術(shù)可準(zhǔn)確獲得腫瘤的運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)行腫瘤的準(zhǔn)確定位和劑量累加，進(jìn)而準(zhǔn)確地評(píng)估呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)患者受量的影響［3,12-13］，但以往研究均假定患者各呼吸時(shí)相維持時(shí)間等比例，未考慮患者實(shí)際呼吸時(shí)相維持時(shí)間比。本研究利用4DCT 和形變配準(zhǔn)技術(shù)，引入患者各呼吸時(shí)相維持時(shí)間占比的因素，探討呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)肺下葉腫瘤患者SBRT治療過(guò)程中劑量的影響。

1 資料與方法

1.1 一般臨床資料

2016年至2018年間，隨機(jī)抽樣選取西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院14 例II-III 期小細(xì)胞肺癌患者。入組條件為診斷明確并接受SBRT 治療的II-III 期小細(xì)胞下葉肺癌患者，男6 例，女8 例，中位年齡64 歲（25～72 歲），均通過(guò)醫(yī)院倫理委員會(huì)論證，并簽署知情同意書(shū)。

1.2 CT掃描

對(duì)患者行三維CT（3DCT）和4DCT 掃描定位。采用荷蘭Philips 公司85 cm 大孔徑定位CT，患者采用仰臥位，雙臂交叉抱肘置頂，熱塑體模固定。掃描層厚3 mm，層間距3 mm，掃描范圍上至環(huán)狀軟骨，下至腎上腺，4DCT圖像根據(jù)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度生成10個(gè)呼吸時(shí)相序列圖像。

1.3 呼吸運(yùn)動(dòng)曲線分析

4DCT 掃描定位后，CT 自動(dòng)記錄患者呼吸運(yùn)動(dòng)曲線。本研究選用Quasar Respiratory Motion version v3.3.8 軟件分析呼吸運(yùn)動(dòng)曲線，吸氣末（EI）為0%時(shí)相，呼氣末（EE）為50%時(shí)相。運(yùn)用Microsoft Office Excel隨機(jī)數(shù)生成公式隨機(jī)選取患者呼吸運(yùn)動(dòng)曲線中的3 個(gè)呼吸周期，根據(jù)呼吸曲線計(jì)算10 個(gè)呼吸時(shí)相（0%～90%）的維持時(shí)間（△t0-90），并進(jìn)一步計(jì)算3 個(gè)呼吸周期中，各△t占全呼吸周期時(shí)長(zhǎng)的平均占比（PP0-90）。

1.4 腫瘤勾畫(huà)及制作放射治療計(jì)劃

3DCT 及4DCT 的10 個(gè)時(shí)相序列傳輸至pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)（V9.10,飛利浦公司,美國(guó)），由同一放療醫(yī)師逐層勾畫(huà)大體腫瘤靶體積（Gross Tumor Volume,GTV）及雙肺、心臟、脊髓等危及器官（OAR），將GTV均勻外放一定邊界（鱗癌0.8 cm,腺癌0.6 cm）形成臨床靶體積（CTV），將CTV 均勻外放0.3 cm 形成計(jì)劃靶體積（Planning Target Volume,PTV），制定調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃，采用SBRT 分割模式，總劑量45 Gy，15 Gy/次。計(jì)劃制定后，將3DCT 計(jì)劃移植到各呼吸時(shí)相的序列圖像中并計(jì)算劑量。

1.5 劑量比較

利用MIM 工作站將各個(gè)時(shí)相的劑量變形配準(zhǔn)到50%時(shí)相圖像中，按照患者各呼吸時(shí)相等比例權(quán)重疊加劑量，形成4D疊加劑量；按照患者各呼吸時(shí)相維持時(shí)間占比（PP0-90）權(quán)重疊加劑量，形成4D 加權(quán)疊加劑量。4D 疊加劑量、4D 加權(quán)疊加劑量分別與3DCT 計(jì)劃劑量進(jìn)行比較。比較指標(biāo)包括靶區(qū)均勻性、適形性，肺V5、V10、V20（5、10、20 Gy 受量的體積占整體的百分?jǐn)?shù)），心臟平均劑量。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，定量參數(shù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并對(duì)兩組資料行配對(duì)t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 呼吸曲線及呼吸時(shí)相的時(shí)間

患者放療定位時(shí)自由呼吸的運(yùn)動(dòng)曲線如圖1所示。可見(jiàn)患者呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，胸廓運(yùn)動(dòng)并非線性，尤其是呼氣過(guò)程曲線曲率更大。14 名患者各隨機(jī)選擇3個(gè)呼吸周期，將各呼吸時(shí)相維持時(shí)間占比（PP0-90）求均值后列于圖2。由圖2可見(jiàn)呼吸時(shí)相維持時(shí)間明顯不均等且臨近呼氣末時(shí)相時(shí)間間隔占比（PP40）最大。

2.2 劑量體積直方圖（DVH）及等劑量分布

以各呼吸時(shí)相維持時(shí)間占比（PP0-90）為權(quán)重進(jìn)行疊加，腫瘤和正常器官的DVH 和等劑量分布圖如圖3和圖4所示，可見(jiàn)各個(gè)時(shí)相圖像中心臟受量的變化最大。

2.3 4D加權(quán)疊加劑量與3D劑量的比較

圖1 患者放射治療時(shí)呼吸曲線Fig.1 Respiration motion curve of a patient receiving radiotherapy for lung tumor

圖2 14例患者各呼吸時(shí)相維持時(shí)間占總呼吸周期時(shí)長(zhǎng)百分比Fig.2 Percentages of time intervals of each respiratory phase in 14 patients

14例患者4D加權(quán)疊加劑量與3D劑量比較結(jié)果見(jiàn)表1。在PTV平均劑量、患側(cè)肺V20、患側(cè)肺平均劑量、健側(cè)肺平均劑量和全肺平均劑量的對(duì)比中，4D加權(quán)疊加均小于3D 劑量，分別減小了2.37%，5.08%，5.19%，3.61%和3.46%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；在心臟平均劑量的對(duì)比中，4D加權(quán)疊加劑量大于3D劑量，增加了5.12%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。14例患者每一項(xiàng)劑量學(xué)指標(biāo)結(jié)果顯示，與3D劑量相比，4D加權(quán)疊加PTV 最小劑量、平均劑量、患側(cè)肺V5、患側(cè)肺V10、患側(cè)肺V20、患側(cè)肺平均劑量、健側(cè)肺V5、健側(cè)肺V10、健側(cè)肺平均劑量、全肺V5、全肺V10、全肺V20、全肺平均劑量、心臟平均劑量變化范圍分別為：-14.73%～12.73%，-9.78%～0.51%，-5.9%～4.72%，-6.75%～4.98%，-8.24%～0.51%，-8.09%～0.39%，-8.94%～3.33%，-3.48%～6.34%，-6.59%～7.04%，-7.12%～8.99%，-7.76%～8.56%，-7.25%～7.81%，-6.81%～0.27%，-7.81%～6.68%。

3 討論

SBRT 已作為早期非小細(xì)胞肺癌治療的首選手段，取得了很好的臨床效果，但在SBRT 治療肺癌過(guò)程中，腫瘤、肺和心臟受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，在放療過(guò)程中易發(fā)生明顯的位移和變形［7-8,14-16］，計(jì)劃設(shè)計(jì)所得的劑量學(xué)分布可能并未反應(yīng)腫瘤區(qū)和正常組織真實(shí)的受量［17-21］，進(jìn)而可能影響治療效果。因此，需要準(zhǔn)確評(píng)估肺癌SBRT 治療過(guò)程中給予腫瘤劑量和正常組織劑量的準(zhǔn)確性。

本研究利用4DCT獲得SBRT治療患者10個(gè)呼吸時(shí)相的圖像序列，將平掃3D計(jì)劃劑量移植到10個(gè)呼吸時(shí)相序列，利用變形配準(zhǔn)技術(shù)將各個(gè)時(shí)相劑量等比例權(quán)重疊加，得到患者4D疊加劑量。結(jié)果表明呼吸運(yùn)動(dòng)引起了肺癌SBRT治療過(guò)程中腫瘤和肺受量的降低，心臟劑量的增加。Ehrbar等［22］也利用4DCT和圖像配準(zhǔn)技術(shù)評(píng)估呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)SBRT治療肺癌患者劑量學(xué)的影響，得出3D和4D腫瘤劑量偏差為-2.1%～1.4%，3D和4D重要器官劑量偏差為-0.8%～1.7%，結(jié)果與Rao等［13］和Zou等［23］的研究結(jié)果類似，偏差結(jié)果小于本研究結(jié)果，可能因?yàn)楸狙芯烤x擇肺下葉腫瘤患者，呼吸幅度影響較大，導(dǎo)致腫瘤和正常器官劑量變化較大，特別對(duì)于腫瘤最小劑量而言，4D疊加劑量增加了12.68%，更加容易受到呼吸運(yùn)動(dòng)的影響。而且Ehrbar等［22］的研究將所有患者的呼吸周期固定為3.4 s和6.8 s，沒(méi)有考慮到個(gè)體化導(dǎo)致偏差結(jié)果較小。

圖3 各呼吸時(shí)相計(jì)劃中腫瘤和正常組織的劑量-體積直方圖Fig.3 Dose-volume histograms of tumor and organs-at-risk for each respiratory phase plan

圖4 治療計(jì)劃劑量疊加前后分布圖Fig.4 Dose distributions before and after dose accumulation

綜上所述，患者的呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腫瘤和肺受量的降低，但在較小的變化范圍內(nèi)。利用4DCT 和形變配準(zhǔn)技術(shù)，引入患者個(gè)體化的呼吸時(shí)間權(quán)重比因素，可更合理評(píng)估呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)肺下葉腫瘤SBRT 放射治療過(guò)程中劑量學(xué)的影響。

表1 14例患者3D計(jì)劃和4D加權(quán)疊加計(jì)劃的劑量學(xué)指標(biāo)比較Tab.1 Dosimetric differences between 3D plan and 4D weighted accumulation plan for 14 patients