4D 錐形束CT 在肺癌立體定向放療中的應用研究

劉利彬，胡彩容，鄭步宏，劉銀鳳，傅萬凱

福建醫科大學腫瘤臨床醫學院，福建省腫瘤醫院 （福州福建 350014）

肺癌是目前致死率最高的常見腫瘤，其中非小細胞肺癌（Non-small cell ungcancer，NSCLC）死亡占5%[1]。據統計，約有16%的NSCLC 患者被診斷為早期階段，特征為原發灶小且無淋巴結轉移（T1～2，N0期）[2]。早期NSCLC 臨床上多通過肺葉切除術、系統性肺門和縱隔淋巴結清掃術治療，然而，有大量患者因合并癥與年齡因素無法進行手術。隨著醫療技術進步，立體定向放射治療（stereotactic body radiation therapy，SBRT）發展為一種安全、有效和高效的治療方式，已是無法手術NSCLC 患者的首選治療方案[3]。多項研究表明對于I 期非小細胞肺癌和肺轉移灶，SBRT 相對于手術治療具有無創、高效、便利、安全等優點[4]。但因肺癌SBRT 的治療次數少，單次劑量大，對放射治療位置準確性要求更高。肺部呼吸引起腫瘤與正常器官的運動，尤其是靠近橫膈和胸壁的組織，呼吸運動幅度更大，很大程度上影響放療的精確性。圖像引導是提高治療精度的重要手段。目前主流圖像引導方式為三維錐形束CT（3D cone beam CT，3D-CBCT），其相對于電子射野影像系統具有高分辨力、三維成像等優點，但是3D-CBCT 只能靜態成像，無法觀察到腫瘤的運動范圍，限制了其在肺癌SBRT 中的應用。為了解決呼吸運動引起的放療誤差，本院開展了四維錐形束CT（4D cone beam CT，4D-CBCT）圖像影像引導下的非小細胞肺癌SBRT 技術。4D-CBCT圖像在3D-CBCT 基礎上增加了呼吸運動功能，可充分展示腫瘤及正常器官的運動情況，減少肺部腫瘤因運動引起的位置不確定性，從而提放射治療的精確度[5-7]。本研究旨在比較3D-CBCT 與4D-CBCT在圖像配準中的有效性，以及在非小細胞肺癌SBRT 中的應用價值，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集本院自2020 年9 月至2021 年4 月共17 例非小細胞肺癌SBRT 患者，其中男10 例，女7 例；年齡51～83 歲，中位年齡60 歲；腫瘤位置在肺中上葉12 例，肺下葉5 例；根據美國腫瘤放射治療協會（Radiation Therapy OncologyGroup，RTOG）定義，中央型腫瘤被認為是距離近端支氣管樹小于2 cm 或靠近重要結構（如大血管或脊髓）的腫瘤[8]，本研究中中央型肺癌4 例，周圍型肺癌13 例。納入標準：意識清醒，能配合單次長時間放療。排除標準：合并其他嚴重并發癥；依從性差者；患有精神類疾病者。

1.2 方法

1.2.1 患者固定及定位靶區

患者體位為仰臥位，雙手抱頭，固定方式均為醫科達公司的Bodyfix 系統，即底部為加長型負壓真空墊Bluebag，體表覆蓋塑料蓋膜，蓋膜下放置真空抽氣管，待患者確認體位后抽取真空，使蓋膜完全貼合在體表。固定完成后，患者在大孔徑CT模擬機（Philips Brilliance CT Big Bore）進行4D-CT掃描，將掃描完成后圖像傳輸至物理組計劃系統進行預計劃設計，確定出靶區范圍和治療中心；大體腫瘤靶區（gross tumor volume，GTV）為CT 掃描后肺窗腫瘤組織可見范圍以及縱膈窗軟組織可見侵犯范圍；腫瘤內靶區（internal target volume，ITV）定義為GTV 在10 個呼吸時相的運動范圍；預計劃完成后，將定位圖像傳輸至加速器XVI 系統。醫師設定4D-CBCT 條件為：配準方式為雙配準，匹配范圍（Clipbox）為PTV 外擴至包括臨近的椎體以及胸骨，灰度匹配；掩膜（Mask）設定為ITV 外擴5 mm，匹配方式為4D 灰度匹配，然后患者移至Elekta Axcess IGRT 加速器室，根據計劃系統確定的治療中心，先在加速器治療床上進行復位，完成后進行4D-CBCT 掃描，掃描完成后，按照Clipbox 的數值校正誤差而不是Mask 誤差值，此目的為消除體位因素影響，使4D-CBCT 定位圖像與CT 模擬機圖像完全重復。將掃描后4D-CBCT 圖像傳輸至治療計劃系統，與CT模擬機定位圖像融合，根據融合結果，再進行二次精確靶區勾畫和計劃設計，靶區勾畫由一名主治醫師、一名副主任物理師和一名副主任醫師共同完成，最終結果由副主任醫師確定，設計完成后最終計劃再傳輸至醫科達加速器XVI 系統。

1.2.2 圖像獲取及治療

在Elekta Axcess加速器上，患者每次治療都進行3D-CBCT和4D-CBCT掃描，掃描條件為：S20準直器，F0濾線器，電壓120 kV，電流475 mAs；掃描完成后首先進行3D灰度匹配，得出左右（left-right，LR）、頭腳（superior-inferior，SI）、前后（anteriorposterior，AP）三個方向的線性誤差值，數據定義為3D-CBCT誤差值；然后進行4D-CBCT掃描，獲取的圖像進行雙配準模式匹配，得出LR、SI、AP三個方向共10個呼吸時相線性誤差值，取平均值進行校正，此組數據定義為4D-CBCT，掃描完成后按照Mask的誤差值的平均值進行校正加速器治療床。

1.3 觀察指標

分析3D-CBCT 和4D-CBCT 兩組患者在LR、SI、AP 方向誤差值，比較兩組之間的差異；同時計算出3D 運動范圍[5]，3D motion 表示每個病人最大腫瘤運動直徑的百分比，分析中上肺葉與下肺以及周圍型與中央型的運動誤差。

1.4 統計學處理

采用SPSS 26.0 軟件進行統計學分析。3D-CBCT與4D-CBCT 之間誤差值使用配對t檢驗，中央型和周圍型肺癌、上肺和中下肺以及運動幅度之間的比較使用獨立樣本t檢驗，P<0.05差異為有統計學意義。

2 結果

2.1 3D-CBCT 與4D-CBCT 的掃描誤差對比

17 例患者共行69 次CBCT 掃描，其中3D-CBCT與4D-CBCT 的對比結果如表1 所示。兩種匹配方式LR、SI、AP 方向的差異均無統計學意義（P>0.05）。

表1 3D-CBCT 與4D-CBCT 掃描結果對比（±s）

表1 3D-CBCT 與4D-CBCT 掃描結果對比（±s）

注：LR 為患者的左右方向，SI 為患者的頭腳方向，AP 為患者的前后方向

掃描方法 LR（cm） SI（cm） AP（cm）3D-CBCT -0.40±2.9 1.9±4.6 -0.4±3.35 4D-CBCT -0.07±2.8 1.3±4.3 -0.6±3.12 t-1.91 1.75 0.97 P 0.06 0.08 0.33

2.2 中上肺與下肺的誤差對比

在SI-3D 和SI-4D 方向，下葉患者大于中上葉患者，差異有統計學意義（P<0.05）。3D motion 對比，下葉患者大于中上葉患者，差異有統計學意義（P<0.05），見表2。

表2 中上肺與下肺的腫瘤掃描誤差對比（±s）

表2 中上肺與下肺的腫瘤掃描誤差對比（±s）

注：LR 為患者的左右方向，SI 為患者的頭腳方向，AP 為患者的前后方向

位置 3D-CBCT LR（cm） SI（cm） AP（cm）中上葉 -0.37±2.88 0.25±4.13 -0.09±3.04下葉 -0.44±3.12 4.81±3.95 -0.96±3.85 t 0.09 -4.48 1.04 P 0.93 0.00 0.30位置 4D-CBCT 3D motion LR（cm） SI（cm） AP（cm）中上葉 -0.05±2.42 0.12±4.06 -0.46±2.97 3.51±1.79下葉 -0.13±3.45 3.52±3.95 -1.05±3.41 7.49±3.59 t 0.12 -3.37 0.76 -6.1 P 0.90 0.001 0.45 0.00

2.3 周圍型與中央型腫瘤掃描誤差對比

3D-CBCT 與4D-CBCT 掃描結果中，在SI-3D和SI-4D 方向，周圍型腫瘤掃描誤差大于中央型，差異有統計學意義（P<0.05）。在LR-3D 方向，周圍型患者大于中央型患者，3D-CBCT 方式兩組差異有統計學意義（P<0.05）。3D motion 對比，中央型與周圍型差異有統計學意義（P<0.05）見表3。

表3 周圍型與中央型腫瘤掃描誤差對比（±s）

表3 周圍型與中央型腫瘤掃描誤差對比（±s）

注：LR 為患者的左右方向，SI 為患者的頭腳方向，AP 為患者的前后方向

3D-CBCT LR SI AP中央型 0.04±3.05 0.31±4.01 -0.63±3.98周圍型 -1.23±2.61 3.54±4.66 -0.18±2.59 t 2.39 -3.01 -0.55 P 0.02 0.03 0.58腫瘤類型腫瘤類型4D-CBCT 3D motion LR SI AP中央型 0.41±3.04 -0.01±3.92 -0.59±3.70 0.38±0.25周圍型 -0.58±2.51 2.76±4.31 -0.75±2.46 0.54±0.32 t 1.48 -2.80 0.21 2.36 P 0.14 0.007 0.83 0.02

3 討論

提高劑量傳輸的準確性和可靠性是放療過程中最重要的問題。而在胸腹部腫瘤尤其是肺癌SBRT中，呼吸運動誘發的腫瘤運動和正常器官運動給精確治療帶來了巨大的挑戰[9]。精確的ITV 是放療實施的關鍵，最初SBRT 多采用統一的、群體化的邊界來考慮ITV 運動[10]，但實際情況中每個患者的呼吸特點不同，群體化ITV 邊界可能會錯誤預估個體患者ITV 的范圍。肺部的呼吸運動規律因人而異，很難準確的預測，常規3D CT 掃描后的圖像不能真實反映腫瘤的GTV 以及ITV 情況[11]。近年來發展出多種方法以解決呼吸運動問題，如呼吸門控技術、動態腫瘤追蹤技術和4D CT 配合4D-CBCT 技術，其中4D-CBCT 技術應用最廣泛。患者在定位掃描時采用4D CT 技術，同時采集患者的CT 信息和呼吸運動信號，并確定出腫瘤和正常器官隨呼吸的運動路徑，從而便于臨床醫師確定ITV。目前認為4D CT 是評估肺癌腫瘤運動和器官運動的可靠工具，但每次放療實施時均行4D CT 掃描較困難[12]。呼吸運動會引起周圍的相鄰器官做周期性的運動，從而引起圖像的特異性降低，4D-CBCT 可以把圖像按照呼吸時相分成多組圖像（通常10 個時相），可降低呼吸運動偽影并生成各個呼吸時相的3D 圖像，進而與計劃圖像相匹配，得出10 個時相的誤差值，腫瘤位置的驗證及各個時相誤差值的糾正可有效改善劑量傳輸的準確性[13]。由于4D-CBCT 能夠減少呼吸運動而引起的腫瘤位置的不確定性，使得腫瘤的邊緣模糊降低，適用于肺癌等受呼吸運動影響大的部位的圖像引導[14]。所以在每次放療正式實施時，配合4D-CBCT 圖像引導技術來確保患者的精確體位。

Bissonnette 等[15]研究發現肺癌SBRT 分次間的腫瘤運動范圍不大，Cusumano 等[16]的研究也指出胸腹部腫瘤ITV 在前后和頭腳方向的運動幅度分布為（2.0±1.0）mm 和（5.0±3.0）mm，但研究是基于3D-CBCT 技術，4D-CBCT 技術還未普及。SUN 等[17]報道尤其是位于肺下葉的腫瘤和靠近胸壁和膈肌的腫瘤通常會因呼吸運動而產生較大的誤差和劑量學差異。本研究患者均需實施SBRT，肺部腫瘤的特點是體積小、貼近胸壁或膈肌的腫瘤運動范圍大，因此在治療時迫切需要能提高治療精確性的圖像引導技術，進而達到最佳的治療效果。

本研究中，4D-CBCT 與3D-CBCT 總體掃描結果在三個方向均無差異，原因可能為中上肺的患者占多數，而中上肺患者的運動幅度相對較小，對整體誤差均數的影響不大。但按照腫瘤位置單獨分析，可發現腫瘤位于中上肺與下肺以及腫瘤位于中央和外周的掃描誤差相比差異有統計學意義。中上肺與下肺在SI 方向的掃描誤差相比差異有統計學意義，與既往文獻報道結果一致[18-19]，主要原因為下肺腫瘤靠近膈肌，受到膈肌牽拉從而引起較大幅度的運動。這也提醒了在尚未配置4D-CBCT 技術的單位，如要開展SBRT，必須采取呼吸控制來減少下肺的運動。本研究的結果證實中心性腫瘤左右方向和頭腳方向的誤差無論是3D-CBCT 還是4D-CBCT 均小于周圍性腫瘤，與文獻報道的結果相似[20-21]。但是周圍性腫瘤的位置不能忽視，如單純采用3D-CBCT來作為SBRT 位置驗證手段的話，無法保證在治療實施時的位置與定位時的位置完成重合，易遺漏靶區。

同時，4D-CBCT 也有不足之處。4D-CBCT 最大的問題是掃描時間較長，且患者SBRT 單次治療時間長，患者依從性較低，這方面可通過優化放療流程，提前訓練患者等方法解決。另外，因4D-CBCT和3D-CBCT 的圖像獲取都是在患者放療實施前進行的，但在放療實施過程中患者腫瘤位置的運動可能與采集圖像時不同，目前無法做到放療實施過程中實時追蹤腫瘤位置。

4 結論

綜上所述，4D-CBCT 與3D-CBCT 兩種圖像引導方式都可應用于肺部腫瘤放療的位置驗證，但是存在靶區運動的情況下，4D-CBCT 能夠在不借助額外的呼吸監控裝置和人工干預呼吸裝置的情況下準確觀察到腫瘤組織的運動軌跡，應用于自由呼吸狀態下的肺部腫瘤放療更可靠。