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4D-CT在肺转移瘤个体化精准放疗中的研究

2021-12-28 82 上传者：管理员

摘要：目的探讨基于4D-CT不同时相结合肺转移瘤内靶区勾画的差异。方法选择20例行4D-CT模拟定位扫描的肺转移瘤患者,按不同时相(0%～90%)、最大密度投影(MIP)和平均方式进行图像重建,分别基于10个时相叠加形成(A方式,参考靶区)、基于最大密度投影图像勾画(B方式)、基于CT0(吸气末)和CT50(呼气末)时相叠加形成(C方式)、基于CT0、CT20和CT50相叠加形成(D方式)、基于CT0、CT20、CT50和CT70相叠加形成(E方式)和基于平均时相勾画的靶区按前后左右各3mm和头脚方向5mm方式外扩形成(F方式)内靶区,用重合度指标、形状相似性系数和Jaccard系数评估B、C、D、E、F方式与A方式的内靶区差异。结果B、C、D、E和F方式5种内靶区创建方式与参考靶区重合度指标分别为0.81±0.08,0.80±0.10,0.85±0.08,0.88±0.08,0.93±0.07;形状相似性系数分别为0.88±0.05,0.88±0.06,0.92±0.05,0.93±0.05,0.73±0.08;Jaccard系数0.79±0.10,0.80±0.10,0.85±0.08,0.86±0.08,0.57±0.10;其中B方式与C方式靶区重合度指数、形状相似性系数和J系数没有统计学差异(P=0.486,0.863,0.803)。结论基于两极限呼吸和CT20时相创建内靶区可实现勾画质量和勾画效果的平衡。

关键词：
内靶区
呼吸运动
四维CT
最大密度投影
肺癌
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放射治疗已证实对肺癌患者，尤其是对早期肺癌或肺转移瘤患者的局部肿瘤控制率和提高总生存率方面有显著效果[1,2]。然而，患者的呼吸运动会造成肿瘤靶区产生形变和位移动[3,4],因此在临床上如何保证肺癌靶区精准度是目前研究的重点。目前主要解决方式是采用呼吸门控技术[5],这种模式最大的好处是能足够保证放疗靶区的精准性，但会显著延长患者的治疗时间，降低放疗设备的利用率和患者放疗的舒适度，因此该种模式临床上的普及率并不高。另一种模式是基于4D-CT进行肿瘤靶区和内靶区创建[6,7],这虽然在一定程度上增加了靶区范围，但它能确保在呼吸周期靶区不会脱靶。由于4D-CT涉及的图像资料较多，采用何种模式确定内靶区在临床上一直存在争论。本研究通过比较不同模式创建的内靶区，从而寻找高效和精准的内靶区创建模式。

1、材料与方法

1.1 一般资料

选取2016年10月至2020年6月在本院放疗中心进行放疗的肺转移瘤患者20例，患者年龄40～77岁，中位年龄50岁。男性14例，女性患者6例。左肺上叶2例、中叶5例、下叶3例，右肺上叶2例，中叶4例、下叶4例。所有患者均能行自由呼吸。

1.2 4D-CT模拟定位及图像重建

所有患者采用塑形垫与头颈肩面罩或颈胸膜相结合的方式进行体位固定，利用西门子大孔径CT模拟机(SOMATOMDefinitionAS)行CT图像扫描，扫描时用瓦里安RPM进行呼吸波探测，探测反光盒放置在患者腹部位置。患者在自由呼吸状态下行4D-CT扫描，图像扫描后导入RPM探测的呼吸波，并分别基于不同方式(0-90时相、平均时相、最大密度投影)进行图像重建，图像完成重建后传入瓦里安Eclipse13.5计划系统进行靶区勾画。

1.3 靶区勾画及内靶区的形成

所有靶区的勾画由一名具有丰富经验的高级职称放疗医师完成。本研究仅仅关注肺部肿瘤靶区，不涉及阳性淋巴结靶区。内靶区按以下几种模式产生，A方式：基于10个时相叠加形成的靶区；B方式：基于最大密度投影图像勾画的靶区；C方式：基于CT0(吸气末)和CT50(呼气末)时相叠加形成的靶区；D方式：基于CT0、CT20和CT50相叠加形成的靶区；E方式：基于CT0、CT20、CT50和CT70相叠加形成的靶区；F方式：基于平均时相勾画的靶区按前后左右各3mm和头脚方向5mm方式外扩形成的靶区。

1.4 靶区差异研究

以A方式得到靶区为参考靶区，比较其他方式与参考靶区差异。具体用体积差异(volumedifference,公式1)[8]、重合度指标OR(overlapratio,公式2)[8]、形状相似性系数DSC(Dice-similaritycoefficients,公式3)[9]和Jaccard系数(公式4)[9]进行评估，具体计算公式如下：(1)ΔV(%)=VB−VAVA×100%;(2)OR=VA∩VBVA;(3)DSC=2|VA∩VB||VA|+|VB|;(4)J(A,B)=|VA∩VB||VA∪VB|。

体积差异的绝对值越接近0,表明该方式的结果与参考靶区越接近；OR值位于0～1之间，越接近1表示与参考靶区重合性越好，反之则差异越大。DSC和J系数越接近1,表示与参考靶区形状相似性越好，反之则差异越大。

1.5 统计学方法

应用SPSS统计软件进行数据处理，计量资料采用表示(x¯±s);组间比较采用配对资料t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2、结果

2.1 20例不同时相靶区体积

由表1可以看出呼吸运动对肿瘤靶区体积影响很大。

2.2 6种ITV勾画方式的体积及比较

20例患者基于A、B、C、D、E、F方式创建的内靶区体积范围分别为2.0～64.0cc,1.3～51.5cc,1.2～56.8cc,1.3～58.3cc,1.4～59.6cc,4.0～71.7cc,体积大小分别为(15.7±17.1)cc,(13.3±14.5)cc,(13.1±15.1)cc,(13.8±15.8)cc,(14.2±16.0)cc,(21.3±19.5)cc,且B、C、E、F、G方式创建的内靶区与参考靶区差异均有统计学意义(P<0.05),但B与C方式、D方式和E方式创建的靶区体积差异没有统计学意义(P=0.585、0.176、0.052)。

2.3 5种ITV勾画方式与A方式的靶区差异比较

B、C、D、E和F方式创建的内靶区与参考靶区的体积差异、重合度差异、形状相似性差异见表2和图1。其中E方式创建的内靶区体积差异(-12.4±7.6)和形状相似性DSC系数(0.93±0.05),J系数(0.86±0.08)要优于其他方式。虽然F方式靶区重合性最好(0.93±0.07),但其体积差异、形状相似性最差。B与C方式创建的内靶区DSC和J系数差异没有统计学意义(P=0.486,0.803),以及B与D方式的体积差异没有统计学意义(P=0.377)。

3、讨论

由于呼吸运动的存在，三维CT可能造成肺转移瘤靶区漏扫或重复扫描，因此其图像无法真实地反映肿瘤靶区的位置和形态，临床上为了降低此部分的影响，往往会在肿瘤靶区的基础上外扩一定范围生成内靶区以降低呼吸运动的影响。研究表明4D-CT图像上肿瘤运动的伪影较少[10],因此基于4D-CT图像勾画能够有效降低呼吸运动的影响。目前勾画10个时相CT图像的GTV叠加生成的内靶区是生成个体化内靶区的金标准，该方式几乎能完全消除呼吸运动的影响，实现精准确定个体化的内靶区，从而保证肿瘤能够得到充足的照射剂量，同时最大限度降低正常组织的照射剂量[11]。但由于临床上所勾画的图像数量较多，严重影响临床医生勾画效率。

本研究系统地比较了基于MIP、极限呼吸状态、极限呼吸结合中间状态和平均时相外扩的方式形成内靶区与金标准形成的内靶区的差异，从而寻找临床上最合适的内靶区产生模式。本文的研究结果表明基于MIP勾画与基于极限呼吸时相的内靶区重合度(0.81±0.08Vs0.80±0.10)、形状相似性结果(0.88±0.05Vs0.88±0.06)相当，但前者内靶区体积更接近基于10个时相勾画的结果[(-16.5±7.9)%Vs(-20.2±9.7)%]。这与早期其他研究小组的研究结果一致[12,13]。有学者用4D-CT研究早期肺癌发现基于MIP勾画与极限呼吸状态勾画靶区占10个时相勾画靶区的比值为0.86±0.077和0.848±0.074(P>0.05)[12]。MIP在图像重建时保留了所有相位中同一空间位置的最大CT值，因此MIP图像所见的器官是其运动包络组成，所以MIP图像可以较好地反映肿瘤个体化的运动范围，依据MIP勾画的肿瘤靶区能较好的匹配参考靶区，故有研究小组建议使用基于MIP勾画来代替10个时相的勾画叠加的方式[14,15]。本研究发现在极限呼吸时相上增加勾画CT20或CT20和CT70,其内靶区的体积重合度(0.85±0.08,0.88±0.08)、形状相似性(0.92±0.05,0.93±0.05)能得到显著提高，且与基于最大密度投影方式勾画差异具有统计学意义。研究结果表明基于平均时相勾画常规外扩增加了靶区的体积和重合度，但体积差异和形状相似性最差，也就是说该方式虽然会避免靶区漏照，但会明显增加非靶区不必要的照射，这对个体化精准放疗是极其不利的。

肺转移瘤的局部放射治疗是尤为重要的，但往往会配合采用化疗、靶区或免疫治疗等，因此该部分的患者精准确定靶区对降低正常组织肺照射剂量显得尤为重要。通过4D-CT扫描，然后基于极限呼吸和CT20或CT20及CT70相结合的方式能够替代10个呼吸时相叠加方式形成内靶区，这样可以在大幅度减轻放疗医师勾画工作量的同时保证靶区勾画的精准和质量。

参考文献:

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[13]张书旭,余辉,杨俊,等.平均密度和最大密度投影CT在放疗中的应用研究[J].中国辐射卫生,2010,19(3):316-318.

[14]李奉祥,李建彬,马志芳,等基于3D-CT､4D-CT和锥形束CT定义的非小细胞肺癌内靶区比较[J].中华放射医学与防护杂志,2014,34(2)110-115.

[15]严鹏伟,朱焕锋,刘雅恬,等.基于3D-CT和4D-CT的肺癌放射治疗靶区勾画方法的研究[J].肿瘤学杂志,2020,26(7):591-595.

文章来源：黄玉玲,潘纯国,袁星星,周继民,刘智华,张云.4D-CT在肺转移瘤个体化精准放疗中的研究[J].实用癌症杂志,2021,36(12):2007-2010.