運動對小體積腫瘤影像學差異的研究

劉苓苓，費振樂，崔相利，李潔，牛振洋，王宏志

1. 中國科學院合肥物質科學研究院 健康與醫學技術研究所（醫學物理與技術安徽省重點實驗室），安徽 合肥 230031；2. 中國科學技術大學 研究生院科學島分院，安徽 合肥 230026；3. 中國科學院合肥腫瘤醫院 放療中心，安徽 合肥 230031；4. 中國人民解放軍聯勤保障部隊第901醫院 腫瘤診療中心，安徽 合肥 230031

引言

在精準放療過程中，制定放療計劃的CT圖像是計算機斷層掃描的序列且均為靜止圖像，實際掃描CT圖像過程中患者的自由呼吸則會導致CT圖像中產生運動偽影，改變解剖結構的大小、形狀和密度[1]，已被證明會對放療產生不利影響[2]，所以常規CT掃描成像中受呼吸運動影響，靶區難以實現預期精準放療的目的[3]。

患者的呼吸會引起胸腹部器官處于不斷運動中，胸腹部腫瘤更容易受呼吸運動影響[4-5]，尤其影響適合做立體定向體部放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）的肺和肝臟小體積腫瘤。SBRT是一種少分次大劑量高生物等效劑量腫瘤治療方法[6-7]，劑量傳輸嚴格適形腫瘤靶區且劑量梯度大[8-9]，運動因素是保證劑量傳輸準確性的重要因素。運動可能會影響腫瘤質量中心的位置、體積大小，并且不同運動幅度、掃描層厚對不同體積的腫瘤影響不盡相同。所以小體積腫瘤保證高精準放療的第一步是探索運動對CT影像的影響。

本文從影像學角度研究運動對不同體積的小體積腫瘤的靶區體積影響，采用運動平臺和9個不同體積的球體分別模擬呼吸運動和不同體積的腫瘤。通過分析9個球體不同條件下掃描的CT圖像，探索運動方式、呼吸幅度和掃描層厚對不同體積腫瘤的影響，為臨床小體積腫瘤CT掃描提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）模擬腫瘤的球體。選用CT 掃描無偽影的3D打印常用材料——立體光刻（Stereo Lithography Appearance ，SLA）光敏樹脂3D打印制成9個直徑10～50 mm的小球，從大到小依次為B1～B9，B1球直徑最大，B9球直徑最小。

（2）設備。① 荷蘭飛利浦16排Brilliance CT Big Bore螺旋CT模擬定位機：具有85 cm超大孔徑，專用于放療模擬定位，能夠滿足各種特殊體位放療需求；② 加拿大Modus QA QUASAR程控呼吸運動儀：可模擬某一個方向的運動，最大運動幅度為20 mm，最大載重20 kg，自帶程序可編輯所需呼吸頻率和呼吸幅度并控制呼吸平臺按呼吸波形運動；③ 瑞典醫科達公司Monaco5.11.03計劃系統：支持靶區勾畫和三維適形計劃、調強放療計劃、容積旋轉調強計劃等計劃設計。

1.2 實驗方法

（1）實驗平臺。擺正呼吸運動儀，使其標記線與CT激光燈重合，使呼吸運動平臺運動方向與CT進床方向平行。然后將模擬腫瘤的球體按一定的間隔固定在呼吸運動平臺上（圖1）。

圖1 呼吸運動平臺擺放

（2）軟件設置。在呼吸運動平臺的軟件——QUASAR Programmable Respiratory Motion里編輯需要的呼吸幅度和呼吸頻率正弦曲線。呼吸頻率均選擇每分鐘20個呼吸周期，呼吸幅度分別設置為0、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10和15 mm。

（3）CT掃描。掃描電壓是120 kV，電流是30 mA，螺距是0.938。每個呼吸幅度分別掃描2、3和5 mm三種層厚的CT圖像。

（4） 勾畫。橫斷面勾畫，再在冠狀面和矢狀面修改補漏。逐個勾畫不同呼吸幅度、不同層厚、不同體積的球體。

2 結果

2.1 球體的實測體積與理論體積偏差

由于制作工藝的差異，球體的實際體積與理論體積存在差異。用游標卡尺沿不同直徑方向測量直徑，每個球測量3次，取平均值，計算出球的體積。根據計算，得出不同體積球的實際體積和理論體積相對誤差小于3.67%。

2.2 CT掃描床移動導致的球體體積變化

為分析呼吸運動對腫瘤體積的影響，需去除掃描床的移動對圖像的影響。為此，采集一組球體的靜態圖像。靜態圖像的掃描條件是：呼吸運動儀是power off狀態，呼吸運動儀和球體相對掃描床是靜止狀態。球體體積只受掃描床移動的影響（圖2）。

圖2 球體受掃描床移動影響的體積變化

掃描床的移動使所有球體掃描體積均有不同程度的增加。球體體積越小，體積受床運動影響越大；層厚越厚，球體體積受影響越大。掃描床的移動對球體體積的影響在8.43%～120%，體積越小、掃描層厚越厚，影響越大。

2.3 運動對球體體積的影響結果

患者腫瘤體積大小往往是通過影像學信息獲取的，所獲取的體積已經包含了運動對其造成的影響，影響包括掃描過程中掃描床的移動和呼吸運動兩個因素。結果分為兩部分闡述：① 兩個因素同時作用的影響結果；② 呼吸運動作用的結果。

2.3.1 掃描床移動和呼吸運動共同作用

本部分以球體實際體積作為參考，分析兩種因素的作用結果。圖3是按照球體從大到小的順序排列的每個球體受運動影響的體積變化趨勢，a～h依次表示B1～B8球，橫縱坐標一致；i是B9球，由于體積與其他球體差異較大，縱坐標與其他圖不一致。

圖3 每個球體受掃描床和呼吸運動影響的體積偏差趨勢

根據圖3中球體體積變化趨勢可知，球體體積整體偏差較大且偏差隨呼吸幅度的增大和球體體積變小而增大。B1球體積偏差-23.5%～44.5%，B2球體積偏差-20.9%～77.1%，B3球體積偏差-11.4%～130%，B4球體積偏差-7%～139%，B5球體積偏差-7.47%～79.2%，B6球體積偏差1.17%～96.1%，B7球體積偏差9.68%～125%，B8球體積偏差20.9%～127%。小體積球體B9受運動幅度和掃描層厚影響最大，2 mm層厚時體積變化幅度為38.5%～141%，3 mm層厚時體積變化幅度為68.3%～356%，5 mm層厚時體積幅度為79.0%～505%。

層厚變化對球體體積的影響沒有固定的規律，2、3 mm層厚球體體積變化趨勢相近，更接近球體實際體積；5 mm層厚相比其他掃描層厚球體體積變化較大。體積越小的球體，這種趨勢越明顯。

2.3.2 呼吸運動作用的結果

在分析球體受呼吸運動的影響大小時，以球體靜止狀態下掃描的體積作為參考。圖4是按照球體從大到小的順序排列的每個球體受呼吸運動的影響趨勢，a～i依次表示B1～B9球。根據圖4中球體體積變化趨勢，各掃描層厚按照呼吸幅度從小到大，將體積變化曲線分為變化較小、中等、較大區域，分析結果如表1所示。直徑20～50 mm的球體在呼吸幅度2 mm內體積偏差為-10%～10%，在呼吸幅度2～5 mm內體積偏差為-20%～20%，呼吸幅度大于5 mm體積偏差為-29.9%～113%。直徑≤15 mm的球體受呼吸運動幅度影響最大，體積偏差為-26.9%～175%。從表1數據可知，直徑大于20 mm的小體積腫瘤在2 mm呼吸幅度時體積偏差開始變大，需要從2 mm呼吸幅度開始做呼吸運動管理，但是一般人體呼吸幅度都會超出2 mm，所以小體積腫瘤建議全部做呼吸運動管理。

表1 球體體積受呼吸運動的影響分析

圖4 呼吸運動對球體體積的影響趨勢

2.4 運動造成的球體形變

球體受運動影響時會在運動方向上發生較大形變，變為圓柱形或橢圓形。呼吸幅度越大、掃描層越厚，形變越嚴重。圖5是呼吸幅度150 mm、掃描層厚5 mm時勾畫出的球體輪廓，可以看到球體形變嚴重，運動造成的偽影面積大。橫斷面上的運動偽影呈現螺旋的銀河系星圖。

圖5 球體受運動影響發生的形變

綜上，小體積腫瘤的實測體積對運動幅度、掃描層厚依賴性大。運動會使小球體積增加或減少。本研究給出了體積受腫瘤大小、呼吸幅度、掃描層厚三個因素影響的范圍。小體積腫瘤體積越小，越應該在較小呼吸幅度就采取呼吸管理并采用薄層掃描，減少運動對CT圖像的偽影影響。

3 討論

掃描床移動和掃描區域的運動相互影響，導致采集CT圖像上有大量的運動偽影。這些偽影導致靶區精確勾畫困難或靶區變形，可能會造成原本的球形靶區經CT掃描后變為橢球形或半球形的靶區，甚至若干個離散的形狀不規則的靶區[10]。本文中小球受運動影響發生了橢圓形或圓柱形形變，符合上述描述。靶區的形變會繼發性導致計劃系統劑量計算產生嚴重差異，患者實際受照位置、劑量與制定計劃的位置、劑量存在差別[11]。而臨床上實施調強放療的關鍵是保證射野輸出劑量的準確性，呼吸運動導致了腫瘤精確位置的不確定，可能會因漏照而造成腫瘤的復發，腫瘤部位周邊的正常組織被動接受大劑量的射線照射而增加毒副反應發生率和危害程度，從而影響放療的質量和精確性[12-13]。

本文研究得出呼吸運動造成小體積球體相對偏差范圍為-30%～180%，大體積球體相對偏差范圍大部分在-30%～110%，與張書旭等[14]的研究結果趨勢一致，存在的差異的原因是本文選擇的小體積球體體積較小，使偏差范圍大，導致了數值上限變大。與前人研究中相近體積小球受呼吸運動影響結果相比[15-16]，實驗結果大體一致，存在的差異與實驗方法、模體大小有關。將上述研究中與本文類似直徑的球體體積變化比較，驗證了本文數據的準確性和有效性。

本文選擇直徑小于5 cm球體共9個，3個掃描層厚（2、3和5 mm）、0～15 mm[17]共15個呼吸幅度，通過采集的圖像分析球體體積變化趨勢，主要通過圖像信息分析掃描床移動對小球體積的影響、掃描床移動和呼吸運動聯合對球體體積的影響和呼吸運動因素對球體體積的影響。僅掃描床運動造成的小球體積偏差為8%～120%。掃描床和呼吸運動使直徑10 mm球形腫瘤體積最大增加5倍；直徑15～50 mm腫瘤，呼吸幅度小于1.5 mm時體積偏差為1.05%～45.6%，呼吸幅度2～3.5 mm時體積偏差為-6.41%～72.4%，呼吸幅度4～15 mm時體積偏差為-23.5%～139%。掃描床移動和呼吸運動因素聯合導致小體積腫瘤體積變化較大，由于設備硬件條件所限螺旋CT的掃描過程中掃描床的移動是無法控制的，只能從控制呼吸運動因素方面考慮做運動控制。呼吸運動因素使直徑≤15 mm的腫瘤體積偏差為-26.9%～175%；直徑20～50 mm的球體在呼吸幅度2 mm內體積偏差-10%～10%，在呼吸幅度2～5 mm內體積偏差-20%～20%，呼吸幅度大于5 mm時體積偏差-29.9%～113%。由數據可知，直徑20～50 mm的球體在2 mm呼吸幅度使腫瘤體積偏差變大。對于小體積腫瘤在檢測到呼吸幅度達到2 mm時就應該考慮做呼吸運動管理，但人體呼吸幅度一般都超出2 mm，所以建議直徑小于5 cm的小體積腫瘤均應在CT掃描階段做呼吸運動管理，盡可能降低呼吸運動對腫瘤體積的影響。以往的研究從劑量測量角度得出，呼吸幅度大于8 mm時，呼吸運動對劑量的影響不符合臨床要求[18]。本文從影像學角度得出，小體積腫瘤應全部考慮做呼吸運動管理。

本文選擇了受運動影響較大的小體積腫瘤為研究對象，為了更細致地觀測腫瘤受運動的影響，選擇的球體大小、掃描層厚和呼吸幅度參數都比較多，所得結果可給臨床醫生進行小體積腫瘤掃描提供更多的參考參數。下一步工作將考慮小球體積的變化規律是否可以驗證四維CT勾畫靶區的準確性和對劑量帶來的影響。