智能一體化四維CT在肺癌模擬定位中的應(yīng)用

張鐵權(quán) 王 敏 徐振華 盛洪國(guó)

近年來(lái)，放射治療向以精確定位、精確計(jì)劃和精確治療為目標(biāo)的“三精”放射治療邁進(jìn)[1]。基于X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(X-ray computed tomography，CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的圖像引導(dǎo)放射治療和調(diào)強(qiáng)放射治療基本解決了靜止靶區(qū)的精確放射治療問(wèn)題，但呼吸運(yùn)動(dòng)是影響肺癌等運(yùn)動(dòng)靶區(qū)精確放射治療的重要因素[2-3]。近年出現(xiàn)的四維CT(four-dimensional，4D-CT)技術(shù)能同時(shí)采集CT圖像和呼吸信號(hào)，將整個(gè)呼吸周期中的靶區(qū)及正常器官的運(yùn)動(dòng)變化考慮在內(nèi)，并形成隨時(shí)間變化的圖像序列，捕捉腫瘤的運(yùn)動(dòng)軌跡，并產(chǎn)生精確的內(nèi)靶區(qū)，解決運(yùn)動(dòng)偽影和呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的放射治療劑量偏差，提高放射治療療效和減少放射治療并發(fā)癥的發(fā)生，更好地體現(xiàn)“三精”理念，使患者在平靜呼吸狀態(tài)下達(dá)到真正的精確治療成為可能。已有的文獻(xiàn)研究工作中，多使用附加第三方設(shè)備進(jìn)行4D-CT掃描，無(wú)需附件的智能一體化4D-CT掃描鮮有報(bào)道[4-6]。為此，本研究對(duì)行智能一體化4D-CT掃描實(shí)現(xiàn)的4D-CT圖像的采集和應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)，探討智能一體化4D-CT技術(shù)在肺癌放射治療模擬定位中的應(yīng)用。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2019年4-5月在中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院行放射治療的10例肺癌患者，其中男性6例，女性4例；年齡26～88歲，中位年齡58歲；非小細(xì)胞肺癌8例，小細(xì)胞肺癌2例；非小細(xì)胞肺癌中肺鱗癌2例，肺腺癌6例。對(duì)10例肺癌患者均行平靜呼吸下智能一體化4D-CT掃描。本研究得到醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡≥18歲，性別不限；②經(jīng)病理學(xué)確診為肺癌；③卡氏功能量表(Karnofsky performance scale，KPS)評(píng)分≥70分，無(wú)心臟、肺、肝臟、腎臟及血液等系統(tǒng)功能障礙；④呼吸訓(xùn)練后可平靜、勻暢呼吸；⑤無(wú)造影劑過(guò)敏史。

(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：①拒絕行4D-CT掃描的患者；②不能平穩(wěn)呼吸的患者；③經(jīng)呼吸訓(xùn)練后仍未達(dá)到要求的患者。

1.3 儀器設(shè)備

采用Discovery CT機(jī)(美國(guó)GE公司)；590RT型大孔徑CT模擬定位機(jī)(美國(guó)GE公司)。

1.4 治療方法

1.4.1 呼吸訓(xùn)練

(1)4D-CT掃描前呼吸訓(xùn)練。為保證患者呼吸平穩(wěn)、勻暢，進(jìn)一步提高4D-CT的圖像質(zhì)量及重復(fù)性，所有入選患者行4D-CT掃描前均進(jìn)行呼吸訓(xùn)練：①除外心肺功能不全、大量胸水、呼吸道梗阻等不能平臥的因素；②向患者及家屬交代呼吸訓(xùn)練的重要性，取得理解與配合；③保持環(huán)境安靜，患者平臥，床旁監(jiān)護(hù)儀監(jiān)護(hù)患者呼吸情況，觀察患者呼吸波形；④囑患者平靜呼吸，避免深呼吸、突然換氣、打嗝及咳嗽等。

(2)合格呼吸訓(xùn)練。患者滿足呼吸訓(xùn)練合格條件為：①肉眼觀察患者胸廓及腹壁起伏與監(jiān)護(hù)儀的呼吸波基本一致；②患者呼吸波形幅度基本一致；③患者呼吸波形節(jié)律基本一致，頻率16～20次/min；④患者呼吸波形形狀基本一致且波形為單峰型；⑤患者能夠滿足規(guī)律呼吸＞5 min而無(wú)明顯不適。

1.4.2 體膜制作

患者定位前4 h禁食水，仰臥于體架上，頭墊C枕，雙手抱肘置于前額，用熱塑體膜固定。劍突下5 cm處剪掉30 cm×20 cm的部分體膜，留出附加輔助參考標(biāo)記物接觸區(qū)，囑患者按呼吸訓(xùn)練的方式平靜呼吸。

1.5 4D-CT掃描及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

(1)4D-CT掃描。患者先行普通螺旋CT增強(qiáng)掃描，范圍為環(huán)甲膜水平至肺下緣5 cm水平，層厚2.5 mm，由計(jì)算機(jī)重建出非門控，即non-gated圖像。其后立即行4D-CT掃描，采用4D-CT電影模式，即在同一床位進(jìn)行軸向連續(xù)、快速掃描，采集不同呼吸時(shí)相的CT數(shù)據(jù)，掃描范圍及層厚與非門控掃描相同。

(2)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集。患者CT掃描結(jié)束后利用機(jī)器自帶的軟件對(duì)4D-CT圖像運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行登記排序，將每個(gè)呼吸周期均分為10個(gè)時(shí)相，分別命名為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，0%為吸氣末，50%為呼氣末，并通過(guò)軟件生成最大密度投影(maximal intensity projection，MIP)，將4D-CT圖像及常規(guī)掃描CT圖像通過(guò)CT模擬工作站一并傳輸至放射治療計(jì)劃系統(tǒng)工作站，其技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 智能一體化4D-CT掃描技術(shù)路線

(3)高度差測(cè)量法。在患者上腹部呼吸幅度較大的位置(劍突與臍中間)放置含2個(gè)紅外反射標(biāo)記物的塑料塊，通過(guò)放置于CT床尾的電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)攝像頭紅外線裝置，探測(cè)放置在患者上腹部塑料塊上的熒光標(biāo)記點(diǎn)，2個(gè)熒光標(biāo)記點(diǎn)形成運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)軌跡被轉(zhuǎn)換為呼吸運(yùn)動(dòng)信息，用以表示呼吸周期長(zhǎng)度及呼吸運(yùn)動(dòng)幅度，并能在電腦上同步顯示，這種全新的方法能夠記錄到患者的呼吸運(yùn)動(dòng)，并將時(shí)間信息整合到掃描得到的CT資料中，其技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

圖2 附加RPM系統(tǒng)4D-CT掃描技術(shù)路線

圖3 附加Bellows系統(tǒng)4D-CT掃描技術(shù)路線

(4)壓力差測(cè)量法。將彈性氣囊用可伸縮的圓柱型皮帶捆扎在患者上腹部呼吸幅度較大的位置，當(dāng)患者吸氣時(shí)其腹部膨脹，腹壓帶壓力增加，被壓力感應(yīng)器探測(cè)到后壓力感應(yīng)器提供一個(gè)直流電壓模擬信號(hào)，然后將其數(shù)字化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)程壓力傳感器測(cè)量壓力變化來(lái)獲取呼吸曲線，其技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

1.6 觀察指標(biāo)

瀏覽4D-CT所得各套圖像，進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。每套圖像的橫斷面、冠狀面及矢狀面連續(xù)掃描完全，不存在缺損、斷層及錯(cuò)層現(xiàn)象。

2 結(jié)果

10例患者的4D-CT圖像均不存在缺損、斷層及錯(cuò)層現(xiàn)象，可用于制定放射治療計(jì)劃。

患者0%吸氣末圖像、50%呼氣末圖像和患者M(jìn)IP影像見(jiàn)圖4。

圖4 肺癌患者4D-CT圖像

3 討論

隨著放射物理、放射生物、影像學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，放射治療進(jìn)入了精確放射治療的時(shí)代，腫瘤靶區(qū)的精確勾畫和重建是精確放射治療的基礎(chǔ)。呼吸運(yùn)動(dòng)、心臟和大血管搏動(dòng)、食管胃腸等消化系統(tǒng)器官的蠕動(dòng)以及放射治療過(guò)程中腫瘤退縮和形變等，導(dǎo)致胸、腹部靶區(qū)處于不斷地運(yùn)動(dòng)和變化之中，使得靶區(qū)的精確界定變得困難，其中呼吸運(yùn)動(dòng)是影響肺癌放射治療靶區(qū)準(zhǔn)確性的一大主要因素，眾多學(xué)者做了相關(guān)的研究[3]。

目前，胸部放射治療所用影像是螺旋CT在患者自由呼吸狀態(tài)下掃描所得，掃描時(shí)間短，只能獲得某一呼吸時(shí)刻的影像信息，不能真實(shí)反映患者接受治療時(shí)腫瘤及危及器官的位置變化。為了保證腫瘤靶區(qū)得到所需劑量，醫(yī)生通常憑借經(jīng)驗(yàn)在臨床靶體積(clinical target volume，CTV)外擴(kuò)大一定的邊界，形成計(jì)劃靶體積(planning target volume，PTV)來(lái)解決，有可能造成部分靶區(qū)漏照或過(guò)多正常組織受照[7-9]。國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)發(fā)布的62號(hào)報(bào)告中提出內(nèi)靶體積(internal target volume，ITV)概念，定義為正常器官生理運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的CTV在三維空間上的變異。在胸部腫瘤患者中，不同患者的呼吸運(yùn)動(dòng)形式與幅度有差異，同一患者不同肺葉運(yùn)動(dòng)類型也不同[10]。呼吸運(yùn)動(dòng)的多樣性、變化性及不可預(yù)測(cè)性要求個(gè)體化確定ITV，且是肺癌進(jìn)行精確放射治療的基本前提之一[11-12]。

近年來(lái)出現(xiàn)的4D-CT技術(shù)，能夠記錄患者的呼吸運(yùn)動(dòng)并將時(shí)間信息整合到CT圖像中，得到與呼吸運(yùn)動(dòng)相伴隨的空間運(yùn)動(dòng)特征及呼吸周期各個(gè)時(shí)相的三維CT影像，再現(xiàn)腫瘤真實(shí)形態(tài)的同時(shí)能很好地反映腫瘤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和范圍，使得個(gè)體化ITV成為可能，為肺部腫瘤的精確治療提供可靠依據(jù)[13-17]。

4D-CT獲取呼吸信號(hào)主要有高度差測(cè)量法及壓力差測(cè)量法等。高度差測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量體表隨呼吸起伏的高度差來(lái)檢測(cè)呼吸信號(hào)，較為成熟的有RPM系統(tǒng)[18-20]。在患者上腹部呼吸幅度較大的位置(劍突與臍中間)放置含2個(gè)紅外反射標(biāo)記物的塑料塊，RPM系統(tǒng)通過(guò)放置于CT床尾的電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)攝像頭紅外線裝置，探測(cè)放置在患者上腹部塑料塊上的熒光標(biāo)記點(diǎn)，2個(gè)熒光標(biāo)記點(diǎn)形成運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)軌跡被轉(zhuǎn)換為呼吸運(yùn)動(dòng)信息，用以表示呼吸周期長(zhǎng)度及呼吸運(yùn)動(dòng)幅度，并能在電腦上同步顯示，這種全新的方法能夠記錄到患者的呼吸運(yùn)動(dòng)，并將時(shí)間信息整合到掃描得到的CT資料中。

4 結(jié)論

智能一體化4D-CT通過(guò)監(jiān)測(cè)掃描，包括位于患者上腹部呼吸幅度最大處金屬絲在內(nèi)的呼吸運(yùn)動(dòng)，根據(jù)解剖特征，分析提取患者呼吸運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使用創(chuàng)新的算法，生成掃描參數(shù)。動(dòng)態(tài)追蹤內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)變化，從CT圖像中得到體部面積、肺部面積、空氣含量、肺組織密度、肺擴(kuò)張度和肺體比的6種解剖特征參數(shù)，這些參數(shù)用于衡量解剖結(jié)構(gòu)隨呼吸周期的運(yùn)動(dòng)范圍，結(jié)合CT掃描的解剖位置和圖像，從而確定使用哪些特征參數(shù)最合適。從解剖特征參數(shù)中分解出患者的呼吸曲線，通過(guò)優(yōu)化呼吸曲線，得到重要的呼吸周期、峰頂相位和峰谷相位門控參數(shù)。通過(guò)分析患者呼吸的關(guān)鍵信息，根據(jù)門控參數(shù)重新排列4D-CT圖像。

智能一體化4D-CT技術(shù)無(wú)需使用昂貴的外置呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備即可采集患者的呼吸運(yùn)動(dòng)信息，無(wú)需額外的繁冗準(zhǔn)備，且工作流程簡(jiǎn)化，精準(zhǔn)高效，與人工判斷呼吸運(yùn)動(dòng)曲線是否達(dá)標(biāo)相比，可通過(guò)一系列參數(shù)的自動(dòng)對(duì)比智能判斷3個(gè)連續(xù)呼吸周期的平均差異是否在預(yù)設(shè)的周期性呼吸閾值范圍，小于預(yù)設(shè)值即刻顯示可行4D-CT掃描，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，重復(fù)性強(qiáng)，簡(jiǎn)單高效。4D-CT技術(shù)的創(chuàng)新算法，可提高智能識(shí)別能力，采集的圖像與真實(shí)期相匹配，精確的再現(xiàn)腫瘤靶區(qū)運(yùn)動(dòng)軌跡和范圍，智能追蹤內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的變化，采集腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)信息更快捷、更精準(zhǔn)。