3DCT聯合4DCBCT在中下葉肺癌SABR放療靶區外放邊界中的應用研究

李毅，吳文婧，張月美，張甲狄，張曉智

1.西安交通大學第一附屬醫院腫瘤放療科，陜西西安710061；2.西安市疾病預防控制中心放射衛生科，陜西西安710054

前言

肺癌立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT）中，在1～5 次內給予腫瘤大劑量照射，稱為立體定向消融放射治療（Stereotactic Ablative Radiotherapy,SABR）。由于SABR 中治療次數少，劑量較大，每次治療的準確性非常重要。但肺部腫瘤因患者擺位誤差或呼吸運動導致運動范圍較大，為了評估這些因素對于腫瘤放射治療準確性的影響，2010年國際輻射單位及測量委員會（ICRU）頒布的第62號報告中指出，在腫瘤放射治療中，臨床靶區體積（CTV）外放一定邊界形成計劃靶區體積（PTV）再進行劑量投照。PTV 外放邊界包括擺位邊界和內邊界，其中擺位邊界為患者在治療中位置與定位中位置的差異，內邊界為CTV 位置和形狀的變化。三維CT 常用于評估靶區擺位邊界，四維CT（4DCT）常用于評估靶區內邊界［1-3］。盡管如此，Shah等［4］研究報道肺癌腫瘤運動模式變化多樣，每個呼吸運動周期中或每天的運動幅度和頻率會不一樣。4DCT 只能評估腫瘤定位時的運動范圍，無法評估腫瘤治療過程中的運動范圍。肺癌治療過程中，腫瘤的大小和運動可能超出4DCT 評估的結果，而且因不規律的呼吸運動導致圖像偽影加大，4DCT 難以準確評估腫瘤的運動范圍和大小，內邊界計算不準確。近年來，四維錐形束CT（4DCBCT）發展迅速，采用慢速錐形束掃描，減小了呼吸運動對圖像質量的影響，且可在治療過程中評估靶區擺位邊界和內邊界。Snoke 等［5］研究報道4DCBCT 在評估腫瘤擺位偏差的同時，可評估腫瘤治療過程中運動范圍。Purdie等［6］研究報道與4DCT 相比，治療前4DCBCT 獲得的腫瘤運動位置與4DCT獲得的結果相差10 mm 左右，4DCBCT 可更準確地評估腫瘤運動位置。本研究基于3DCT 和4DCBCT 評估中下葉肺癌在放療分次間靶區的擺位邊界和內邊界，確定PTV外放邊界大小。

1 對象與方法

1.1 研究對象

回顧性分析2018年10月～2020年7月間西安交通大學第一附屬醫院腫瘤放療科接受4DCBCT 掃描的中下葉肺癌患者19 例，中位年齡63（46～80）歲，其中男12例，女7例。

1.2 3DCT定位和治療計劃設計

在患者自由呼吸狀態下，采用仰臥體位，雙手上舉，抱肘交叉，熱塑體模固定。CT 模擬定位機（Big bore,Philips Medical Systems,Cleveland）行3DCT 定位后，圖像傳輸至醫科達Monaco 治療計劃系統。醫生勾畫臨床腫瘤靶區（CTV），根據經驗上下外放1 cm，其余方向各外放0.5 cm，形成計劃靶區體積（PTV）后，物理師制作放射治療計劃。本研究中所有患者處方劑量采用48 Gy/4 次或50 Gy/5 次。因SABR 治療單次劑量大，治療時間長，為了減少SABR 治療時間，所有患者計劃采用6FFF高劑量率能量，雙部分弧VMAT 治療技術，至少99%的CTV 接受處方劑量，至少95%的PTV接受處方劑量。

1.3 治療前4DCBCT掃描

將患者置于加速器治療床，采用與3DCT 定位相同的體位和固定裝置，在患者自由呼吸狀態下行4DCBCT 掃描，掃描條件為：120 kV，400 mAs，S20，掃描角度為-180°～20°，在該角度范圍內收集圖像975幀，在線中分辨率重建圖像，重建層間距、層厚均為0.3 cm。將重建得到4DCBCT 的10 個時相圖像與3DCT 定位圖像進行Clipbox 和Mask 雙配準，如圖1所示。Clipbox 的配準框包括病灶和患側的骨性結構，Mask 配準框包括腫瘤PTV 外擴0.5 cm，其中Clipbox 選擇骨組織平移配準，獲得患者擺位誤差；Mask 選擇4D 灰度平移配準，獲得呼吸運動誤差，配準容差值為0.2 cm。Clipbox 和Mask 配準結果得出后，醫生可手動滑動Clipbox 和Mask 的比例條，如圖1d所示，以高劑量區域對準靶區的原則計算移動床值。根據最終雙配準結果進行移床后治療。

1.4 誤差分析與外放邊界計算

Clipbox 配準評估腫瘤擺位誤差，Mask 配準評估腫瘤呼吸運動誤差，利用ICRU 83#報告［7］中列舉了外放邊界計算公式，確定左右、上下、前后3個方向的PTV外放邊界大小。根據Stroom等［8］和van Herk等［9］的研究公式，每位病人的擺位或呼吸運動系統誤差是分次擺位誤差的平均值，隨機誤差是分次擺位誤差的標準差。

1.5 統計學處理

應用SPSS19 軟件對數據進行分析，左右、前后、上下3 個方向上誤差比較采用Mann-Whitney U 秩和檢驗，P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 擺位系統誤差和隨機誤差結果

經統計分析，擺位系統誤差和隨機誤差的結果見表1。由表1可見，擺位系統誤差中，上下方向誤差均大于左右和前后方向誤差（r=0.538,-0.412；P＜0.05）。上下方向擺位系統誤差和隨機誤差最大，得出肺癌放射治療中，上下方向擺位的幅度和變化較大。

2.2 呼吸運動系統誤差和隨機誤差結果

經統計分析，呼吸運動系統誤差和隨機誤差結果見表2。由表2 可見，呼吸運動系統誤差和隨機誤差中，上下方向最大值和最小值絕對值最大。呼吸運動隨機誤差中，上下方向誤差均大于左右和前后方向的誤差（r=-0.466,0.588；P＜0.05），得出治療分次間，上下方向的腫瘤運動變化最大。呼吸運動幅度極值分布中，上下方向運動幅度大于左右方向運動幅度（r=0.526,-0.498；P＜0.05）。

圖1 4DCBCT圖像（綠色）與3DCT圖像（粉紅色）配準結果Fig.1 Registration results between 4DCBCT image(green)and 3DCT image(purple)

表1 中下葉肺癌SABR治療患者擺位系統誤差和隨機誤差（cm）Tab.1 Systematic and random setup errors in stereotactic ablative radiotherapy(SABR)for lung cancer in middle or lower lobe(cm)

表2 中下葉肺癌SABR治療患者呼吸運動系統誤差和隨機誤差（cm）Tab.2 Systematic and random errors caused by respiratory motion in SABR for lung cancer in middle or lower lobe(cm)

2.3 PTV外放邊界值

PTV 外放邊界結果見表3。由表3 可見，利用擺位誤差計算肺癌SABR治療外放邊界中，上下方向外放邊界值最大，左右方向外放邊界值大于前后方向外放邊界值。利用擺位和呼吸運動誤差共同計算的中下葉肺癌SABR治療外放邊界中，上下方向外放邊界值最大，左右方向外放邊界值大于前后方向外放邊界值。利用van Herk 等的公式2.5∑+0.7σ計算出的外放邊界值最大。

表3 中下葉肺癌SABR放療靶區外放邊界（cm）Tab.3 PTV margin in SABR for lung cancer in middle or lower lobe(cm)

3 討論

腫瘤放射治療過程中，擺位和呼吸運動對腫瘤位置的變化和不確定性不可避免，因此CTV 外放一定邊界，可減小這些因素對腫瘤放療準確性的影響，這對于單次劑量較大的肺癌SABR 治療顯得尤為重要。在研究腫瘤呼吸運動時，CTV 的誤差作為評價的指標，但GTV 到CTV 的亞臨床病灶在圖像中無法確定。因此本研究采用GTV 的誤差評估腫瘤的運動。在以往研究中，4DCT 評估腫瘤的呼吸運動誤差，CBCT 評估腫瘤的擺位誤差。但4DCT 在患者定位階段獲取，不能反映患者治療時腫瘤的呼吸運動誤差變化。Rabinowitz等［10］研究結果表明，在患者定位階段和治療階段，腫瘤誤差平均為5.1 mm，對于胸部腫瘤而言，腫瘤誤差偏移可達5.8 mm。Yang 等［11］研究表明4DCT 只能采集有限個呼吸時相的信號，但患者呼吸在任何時刻可能發生變化，不能反映患者治療時的腫瘤運動。本研究采用4DCBCT 同時評估腫瘤擺位和呼吸運動的誤差。

Guckenberger 等［12］和Worm 等［13］研究表明治療分次內腫瘤擺位誤差在2 mm 左右，變化較小。因此本研究未考慮治療分次內擺位誤差對于外放邊界的影響。本單位既往研究20 例中下葉腫瘤SBRT 治療中，采用熱塑體模固定，利用治療前CBCT 掃描得出擺位誤差在左右、上下、前后3 個方向上分別為（0.03±0.24）、（0.02±0.43）、（0.02±0.26）cm［14］，與本研究結果基本一致。Wang等［15］研究36例肺癌SBRT治療中，采用真空墊固定體位，治療前CBCT 掃描得出擺位外放邊界3 個方向在0.9～1.0 cm 范圍內，與本研究結果基本一致。張瑋婷等［16］利用4DCBCT 研究15例肺癌SBRT 治療患者中，采用真空墊固定體位，得出在左右、上下、前后3 個方向上的擺位誤差外放邊界分別為0.74、0.89、0.72 cm，與本研究結果基本一致。Ueda 等［17］研究28 例肺癌SBRT 治療中，采用醫科達BodyFIX真空固定裝置，治療前CBCT掃描得出腫瘤外放邊界最大在上下方向為0.52 cm，小于本研究結果。分析原因，可能因為固定裝置對于肺癌SBRT 治療患者的擺位誤差影響較大，較好的固定裝置使得患者移動較小，得出較小的擺位誤差外放邊界。

Li 等［18］研究結果表明肺癌分次內腫瘤的呼吸運動與分次治療前的腫瘤呼吸運動變化較小。因此本研究未考慮治療分次內腫瘤呼吸運動誤差對于外放邊界的影響。Haga 等［19］研究10 例肺癌SBRT 治療中，采用BodyFrame 裝置固定體位，利用治療前4DCBCT 掃描得出腫瘤呼吸運動系統誤差的平均值小于1 mm，在左右、上下、前后方向上的標準差分別為1.3、2.1、1.6 mm，小于本研究結果。分析原因：可能因為立體定向固定裝置BodyFrame 使得患者呼吸運動幅度變化減小，測量的標準差小于本研究結果。Steiner 等［20］研究8 例肺癌SBRT 治療中，采用瓦里安電磁粒子植入和4DCBCT相結合的治療引導方式，采用BodyFIX真空固定裝置，得出患者呼吸運動幅度最大值在上下方向可達3.14 cm，與本研究結果類似，但得出患者呼吸運動在左右、上下、前后方向上的值分別為（0.37±0.25）、（1.00±0.85）、（0.51±0.42）cm，小于本研究結果。分析原因：可能因為Steiner 等的研究中一半患者為上葉肺癌患者，呼吸幅度較小，而且使用的立體定向固定裝置BodyFix 減小患者的呼吸運動幅度，運動誤差結果較小。

腫瘤外放邊界的大小也與腫瘤的位置有關。李金凱等［21］研究24 例肺癌患者（肺上葉組15 例，肺中下葉組9 例）治療中，采用熱塑體膜固定，利用4DCBCT獲得腫瘤外放邊界，得出肺中下葉組腫瘤受呼吸運動影響較大，在上下方向上的外放邊界是肺上葉組的2倍，且肺中下葉組腫瘤在左右、上下、前后3個方向上的外放邊界分別為0.505 2、1.351 1、0.505 3 cm，外放邊界小于本研究結果。分析原因可能是該研究中9例肺中下葉患者為常規分次放射治療模式，單次劑量小，治療時間短，只采集前3次4DCBCT圖像，擺位誤差和呼吸運動誤差較小，導致得出較小的外放邊界。本單位既往研究中下葉肺癌患者SBRT 治療中，采用熱塑體膜固定，利用4DCT 和3DCBCT 分別評估患者呼吸運動誤差和擺位誤差，使用van Herk公式計算得到左右、上下、前后3 個方向上的外放邊界分別為0.88、2.68、0.98 cm［14］，與本研究結果類似。以上研究結果表明，中下葉肺癌患者外放邊界大于肺上葉腫瘤PTV外放邊界。

綜上所述，中下葉肺癌患者SABR 治療中，4DCBCT可評估患者的擺位和呼吸運動誤差，得到腫瘤PTV 外放邊界大小。肺癌SABR 治療患者腫瘤PTV 外放邊界既與體位固定裝置相關，也與腫瘤的位置相關。為了得到本科室中下葉肺癌患者SABR治療的PTV 外放邊界，本研究利用4DCBCT 評估患者的擺位誤差和呼吸運動誤差，得到腫瘤PTV 的邊界大小，為肺癌患者SABR治療提供參考數據。由于設備限制，本研究未采用4DCT 確定內靶區ITV，根據以往研究結果外放PTV 邊界，結果稍小于本研究結果，表明中下葉肺癌SABR放射治療中需采用個體化評估擺位邊界和呼吸運動邊界。