CT造影劑對(duì)腦動(dòng)靜脈畸形VMAT計(jì)劃劑量分布的影響

鄧官華，李少群，周巧敏，羅日順，張平，戴鵬，羅龍輝，賴名耀，山常國，蔡林波

廣東三九腦科醫(yī)院腫瘤綜合治療中心，廣東廣州510510

前言

腦動(dòng)靜脈畸形（Arteriovenous Malformation,AVM）是一種先天性局部腦血管發(fā)育異常的血管團(tuán)［1］，大體上AVM呈現(xiàn)為相互纏繞的血管，常有一個(gè)局限中心團(tuán)以及引流靜脈，并且在AVM中不含腦實(shí)質(zhì)［2］。臨床上為了更準(zhǔn)確地勾畫AVM病灶及危及器官（Organs-at-Risk,OAR），通常會(huì)在CT掃描過程中靜脈注射造影劑。然而在實(shí)際治療階段，腦血管中的CT造影劑早已代謝清空，AVM病灶等血供豐富組織的CT值會(huì)有較大幅度下降，經(jīng)過CT-電子密度曲線轉(zhuǎn)化后計(jì)算放療計(jì)劃劑量分布時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定誤差。相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)靜脈注射CT造影劑對(duì)放療計(jì)劃劑量分布的影響較小，臨床上可忽略［3-5］；但同時(shí)也有研究表明在增強(qiáng)CT圖像上設(shè)計(jì)放療計(jì)劃會(huì)導(dǎo)致患者接受的實(shí)際劑量偏高［6-8］。針對(duì)目前靜脈注射CT造影劑對(duì)AVM患者放療計(jì)劃劑量分布影響的系統(tǒng)研究國內(nèi)報(bào)道較少，本研究將主要探討在AVM容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）計(jì)劃中，因使用CT造影劑導(dǎo)致組織CT值增大所引起的劑量計(jì)算誤差。

1 資料與方法

1.1 病例選取

選取廣東三九腦科醫(yī)院腫瘤綜合治療中心2017年1月至2020年1月收治確診為AVM的15例患者為研究對(duì)象，其中，男9例，女6例，年齡8～48歲，腫瘤體積為0.4～32.0 cm3。

1.2 設(shè)備儀器

定位CT為SIMENS 64排大孔徑螺旋放療專用CT（SOMATOM Definition AS）；放療計(jì)劃系統(tǒng)為VARIAN Eclipse 13.6；治療機(jī)為VARIAN UNIQUE直線加速器，配備120片全自動(dòng)獨(dú)立多葉準(zhǔn)直器（Multi-Leaf Collimator,MLC），中間80片MLC寬度為0.5 cm，其余MLC寬度為1.0 cm，射線能量為6 MV光子。

1.3 CT掃描

患者采取仰臥位，用Brainlab專用頭架和熱塑面膜固定（科來瑞迪，R408），掃描層厚1.5 mm，層間距0 mm，電壓120 keV，電流350 mAs。掃描范圍：上界至顱頂，下界至第二頸椎。先獲取平掃CT圖像（C-），通過計(jì)算機(jī)內(nèi)置設(shè)定，在相同體位下行增強(qiáng)掃描（C+），最終將兩次CT圖像傳輸?shù)椒暖熡?jì)劃系統(tǒng)Eclipse 13.6。CT造影劑為碘克沙醇（威視派克，通用電氣藥業(yè)（上海）有限公司），采用高壓注射器經(jīng)手臂以2 mL/s注射速度靜脈注射60 mL造影劑，延時(shí)35 s掃描。CT掃描過程中，囑咐患者保持體位固定，并將耳環(huán)、假牙等摘除［9］。

1.4 靶區(qū)勾畫和計(jì)劃設(shè)計(jì)

通過VARIAN Eclipse工作站的圖像配準(zhǔn)功能對(duì)兩組CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。放療醫(yī)生根據(jù)AVM介入治療歐洲專家共識(shí)等的推薦［10］，在增強(qiáng)CT圖像上勾畫計(jì)劃靶區(qū)（Planning Target Volume,PTV）和OAR，其中OAR包括晶體、眼球、視神經(jīng)、視交叉、腦干以及感興趣區(qū)域（Region of Interest,ROI）。待醫(yī)生勾畫完P(guān)TV和OAR后，物理師將上述結(jié)構(gòu)復(fù)制至平掃CT圖像。

所有放療計(jì)劃均采用VMAT技術(shù)照射，5條非共面弧，如圖1所示。為了避免葉片引起的凹凸論效應(yīng)，適當(dāng)調(diào)整MLC角度［11］。采用各向異性分析算法計(jì)算照射區(qū)域劑量，PTV處方劑量為16 Gy/次。正常組織約束條件為：晶體Dmax＜3 Gy，視神經(jīng)Dmax＜10 Gy，延髓Dmax＜10 Gy，腦干Dmax＜10 Gy［12］。VMAT計(jì)劃優(yōu)化完后由醫(yī)生評(píng)估確認(rèn)，并以此治療計(jì)劃作為模板計(jì)劃。打開平掃CT圖像，插入先前保存的模板計(jì)劃，不進(jìn)行通量?jī)?yōu)化，重新計(jì)算劑量分布。模板計(jì)劃使得平掃CT圖像的弧條件、處方劑量以及計(jì)算方法與增強(qiáng)CT圖像一致。所有生成VMAT計(jì)劃僅限于實(shí)驗(yàn)參數(shù)比較。

圖1 腦動(dòng)靜脈畸形（AVM）VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of volumetric modulated arc therapy plan for arteriovenous malformation(AVM)

1.5 劑量學(xué)評(píng)價(jià)

比較兩組計(jì)劃的PTV、OAR和正常組織的劑量分布。PTV的劑量評(píng)價(jià)包括D2%、D98%、Dmean以及劑量分布的適形度、均勻性和跌落速度。劑量分布的適形度、均勻性和跌落速度分別用適形度指數(shù)（Conformity Index,CI）、均勻性指數(shù)（Homogeneity Index,HI）以及梯度跌落指數(shù)（Gradient Index,GI）來表示。CI、HI及GI計(jì)算公式如下［13-15］：

其中，TVPV為接受處方劑量照射的PTV體積，TV為PTV體積，PV為處方劑量照射的體積，D2%為2%PTV體積的受照射劑量，D98%為98% PTV體積的受照射劑量，Dmean為PTV的平均劑量，V50%為50%處方劑量線包裹體積，V100%為處方劑量線包裹體積。

同時(shí)記錄晶體、眼球、視神經(jīng)、腦干的Dmax以及正常組織受照射體積（V2Gy、V10Gy、V12Gy）。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 21.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用非參數(shù)配對(duì)Wilcoxon檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

圖2為AVM患者的增強(qiáng)和平掃CT圖像，CT值的改變?nèi)绫?所示。在ROI（粉紅色區(qū)域，腦血管）處CT值增大明顯，大約平均增加110 HU；PTV（綠色區(qū)域）CT值有所增大，大約平均增加50 HU。眼睛、腦干等造影劑尚未到達(dá)區(qū)域，CT值增大不明顯。

圖2 AVM患者的增強(qiáng)和平掃CT圖像Fig.2 Contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image of AVM patient

表1 增強(qiáng)和平掃圖像的CT值比較（HU）Tab.1 Comparison of Hounsfield unit between contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image(HU)

圖3為增強(qiáng)和平掃CT圖像的CI、HI及GI的箱線圖。增強(qiáng)和平掃CT圖像的CI分別為0.82±0.08和0.83±0.07；HI分別為7.88±2.25和8.33±1.07；GI分別為5.25±2.76和5.14±2.26。兩組圖像的CI、HI及GI差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

圖3 增強(qiáng)和平掃CT圖像的CI、HI以及GI比較Fig.3 Comparison of conformity index,homogeneity index and gradient index between contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image

表2為增強(qiáng)和平掃CT圖像的PTV、OAR及正常組織劑量參數(shù)表，兩組圖像的PTV、OAR及正常組織間的劑量學(xué)參數(shù)差異小于2%，且無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 增強(qiáng)和平掃圖像的劑量學(xué)差異比較Tab.2 Dosimetric comparison between contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image

3 討論

AVM是指由腦血管先天發(fā)育障礙引發(fā)的腦局部血管數(shù)量和結(jié)構(gòu)異常，常伴有供血?jiǎng)用}增粗迂曲，血流加快［16］。AVM最為常見和最為嚴(yán)重的并發(fā)癥是顱內(nèi)出血，病死率高達(dá)30%［17］。采取不開顱、無創(chuàng)傷的立體定向放療可降低顱內(nèi)出血率，改善臨床癥狀，是一種較為理想的治療方式。對(duì)AVM患者行大劑量的立體定向放療的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確勾畫PTV和OAR。因此，在CT掃描過程中需靜脈注射造影劑，以提高腦血管與周圍腦組織的對(duì)比度。

目前的放療計(jì)劃系統(tǒng)是建立在組織CT值基礎(chǔ)之上，通過CT-電子密度轉(zhuǎn)換曲線來進(jìn)行劑量計(jì)算［18-21］。CT值的大小反映了X射線在人體內(nèi)不同密度組織線性衰減的強(qiáng)弱。CT值越小，線性衰減系數(shù)越小，組織對(duì)X射線的衰減越弱，即相當(dāng)于有更多的X射線穿過組織［22］。高原子序數(shù)的造影劑經(jīng)靜脈進(jìn)入腦血管等血供豐富的組織中，使各組織的CT值增大，對(duì)X射線的衰減增強(qiáng)，但這種衰減在臨床上是否具有意義，目前學(xué)術(shù)界尚未有統(tǒng)一結(jié)論。王艷霞等［6］的研究表明CT造影劑對(duì)中上段食管癌患者的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃有影響，在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃時(shí)，改變?cè)鰪?qiáng)CT圖像中大血管內(nèi)的電子密度，能夠有效降低肺等危機(jī)器官的受照射劑量。楊曉霞等［7］發(fā)現(xiàn)CT造影劑會(huì)影響胸腹部腫瘤患者三維適形計(jì)劃的等中心點(diǎn)劑量。然而也有研究表明CT造影劑對(duì)放療設(shè)計(jì)劑量分布的影響有限，臨床上可忽略。林志安等［3］發(fā)現(xiàn)造影劑對(duì)食管癌調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃劑量分布的影響有限，可直接在增強(qiáng)CT圖像上設(shè)計(jì)放療計(jì)劃。朱鷺超等［4］研究結(jié)果表明在食管癌三維適形放療中使用CT造影劑對(duì)放療劑量分布影響較小，均在臨床接受范圍內(nèi)。Shibamoto等［23］發(fā)現(xiàn)CT造影對(duì)劑量分布的影響與解剖部位有關(guān)。

目前靜脈注射CT造影劑是否對(duì)AVM的VMAT計(jì)劃劑量分布產(chǎn)生影響的系統(tǒng)研究國內(nèi)報(bào)道較少，因此本研究針對(duì)上述問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然增強(qiáng)和平掃圖像在PTV和ROI的CT值上存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（PTV約平均增加50 HU；ROI約平均增加110 HU），但是這種CT值差異并沒有導(dǎo)致劑量學(xué)的差異。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)兩組計(jì)劃的CI、HI、GI和OAR劑量等均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。究其原因，有以下幾方面：（1）相對(duì)于胸腹部腫瘤而言，腦組織血管雖然密集，但大血管數(shù)量較少，血流量相對(duì)沒那么豐富，造影劑流經(jīng)范圍沒這么大［23］，所以增強(qiáng)和平掃圖像OAR的CT值差異并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；（2）本研究中約有90%的AVM患者行過栓塞手術(shù)治療，造影劑無法通過腦血管大量進(jìn)入靶區(qū)內(nèi)，使得PTV的CT值差異（50 HU）在經(jīng)過CT-電子密度曲線轉(zhuǎn)換后無法形成劑量學(xué)差異［24］；（3）即使造影劑進(jìn)入血流相對(duì)豐富的腦組織，導(dǎo)致增強(qiáng)圖像的CT值高于平掃圖像，但是只要VMAT計(jì)劃的弧不經(jīng)過或者較短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過血管密集腦組織，那么這種由于注射造影劑帶來的CT值差異也不會(huì)造成劑量學(xué)的影響。此外，相對(duì)于胸腹部因呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的OAR位移較大，AVM患者由于頭部骨骼的存在，顱內(nèi)OAR移動(dòng)相對(duì)較小。加上患者采用熱塑面膜固定，且平掃和增強(qiáng)兩幅圖像采集時(shí)間較短，避免了患者在CT掃描期間的不自主移動(dòng)，因此本研究不考慮圖像配準(zhǔn)階段引入誤差的影響。綜上所述，對(duì)于行過栓塞手術(shù)治療的AVM患者，使用CT造影劑對(duì)VMAT計(jì)劃的PTV及OAR劑量分布影響很小，臨床上可忽略。

本研究只探討了CT造影劑對(duì)行過栓塞手術(shù)治療的AVM患者VMAT計(jì)劃劑量分布的影響，考慮到三維適形放療或調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的射野角度是否穿過腦血管，穿過腦血管的射野在總劑量中的貢獻(xiàn)度以及AVM患者是否行過栓塞手術(shù)等都有可能造成研究結(jié)果的差異，因此對(duì)于三維適形放療及調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃是否具有相同的結(jié)論，還需作進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究探討CT造影劑對(duì)AVM的VMAT計(jì)劃劑量分布的影響，發(fā)現(xiàn)在PTV和ROI處，雖然增強(qiáng)圖像的CT值顯著高于平掃圖像，但兩組計(jì)劃的劑量學(xué)參數(shù)并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。因此，臨床上對(duì)行過栓塞治療的AVM患者可用增強(qiáng)CT代替平掃CT進(jìn)行PTV勾畫和VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)。