呼吸門(mén)控PET/CT對(duì)于肺癌放療靶區(qū)勾畫(huà)的指導(dǎo)

張艷蘭 孫琦婷 武萍 郝新忠 秦志星 程鵬亮 武志芳 李思進(jìn)

·論著·

呼吸門(mén)控PET/CT對(duì)于肺癌放療靶區(qū)勾畫(huà)的指導(dǎo)

張艷蘭 孫琦婷 武萍 郝新忠 秦志星 程鵬亮 武志芳 李思進(jìn)

目的 通過(guò)對(duì)肺部腫瘤進(jìn)行呼吸門(mén)控PET/CT研究，給予肺部腫瘤放療靶區(qū)勾畫(huà)指導(dǎo)，最終使患者接受合理的照射靶區(qū)。方法 對(duì)20個(gè)惡性結(jié)節(jié)進(jìn)行呼吸門(mén)控PET/CT與常規(guī)PET/CT采集，比較肺部不同位置結(jié)節(jié)的平均四維PET體積與三維PET體積的差別，以及平均四維CT體積與三維CT體積的差別。以平均四維體積與三維體積的相對(duì)差值作為體積間的差異,分別從結(jié)節(jié)位置、運(yùn)動(dòng)幅度研究其對(duì)四維體積與三維體積的影響。結(jié)果 用兩種方法測(cè)得的平均四維PET體積比三維PET體積大17.2%。體積相對(duì)差值與結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度及結(jié)節(jié)位置有關(guān)。下肺和肺門(mén)病灶平均四維PET體積與三維PET體積的平均差值為26.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上肺和胸膜病灶的平均差值（2.7%）。當(dāng)結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度大于3mm時(shí)，四維與三維PET體積差值的平均值為24.3%；小于3mm時(shí)，平均值為1.8%。平均四維CT體積比三維CT體積大3.9%，體積差值范圍為0.2~5.9 cm3，體積比值為1.10±0.32。只有在下肺，平均四維CT體積明顯大于三維CT體積，平均差值為11.3%。結(jié)論 對(duì)于靠近肝脾的下肺結(jié)節(jié)，用平均四維PET勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)更精確些；對(duì)于肺門(mén)周?chē)慕Y(jié)節(jié)，考慮平均四維PET體積作為腫瘤靶區(qū)；對(duì)于上肺和胸膜的結(jié)節(jié)，建議采用低劑量呼吸門(mén)控掃描且已經(jīng)考慮了呼吸運(yùn)動(dòng)的平均四維CT體積勾畫(huà)靶區(qū)。

肺腫瘤；正電子發(fā)射斷層顯像術(shù)；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；放療靶區(qū)；體積比較

腫瘤體積的大小直接影響放療靶區(qū)的劃定，但由于肺部呼吸運(yùn)動(dòng)引起靶組織位移的原因，常常影響瘤體體積的判定。早期文獻(xiàn)報(bào)道采用呼吸門(mén)控PET/CT有助于肺部占位體積的精確計(jì)算[1-2]，近年來(lái)文獻(xiàn)大多報(bào)道了四維PET與三維PET相比腫瘤位置的變化，也有關(guān)于體積變化的研究[3]。此外，四維CT通過(guò)對(duì)一個(gè)呼吸周期內(nèi)不同呼吸時(shí)期腫瘤體積的連續(xù)捕捉，有效減輕了呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影，從而得到了廣泛應(yīng)用。許多學(xué)者比較了四維CT體積與三維CT體積的差別[4-6]，以獲得對(duì)腫瘤靶區(qū)的準(zhǔn)確勾畫(huà)。

本研究通過(guò)對(duì)肺部腫瘤進(jìn)行呼吸門(mén)控PET/CT采集與常規(guī)采集，比較肺部不同位置結(jié)節(jié)的四維PET體積與三維PET體積的差別，以及四維CT體積與三維CT體積的差別，給予肺部腫瘤放療靶區(qū)勾畫(huà)指導(dǎo)，最終使患者接受合理的照射劑量。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2011年5月至2012年11月在山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科進(jìn)行PET/CT檢查的患者17例，平均年齡（63.5±8.6）歲。收集標(biāo)準(zhǔn)：①行常規(guī)PET/CT發(fā)現(xiàn)肺部有惡性肺結(jié)節(jié)；②經(jīng)患者同意并簽署知情同意書(shū)后對(duì)肺結(jié)節(jié)行延遲顯像及呼吸門(mén)控PET/CT。

1.2 采集設(shè)備及方法

儀器為美國(guó)GEDiscovery VCTPET/CT儀；呼吸運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為美國(guó)Varian公司實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。后處理工作站為美國(guó)GEAW4.4工作站。

常規(guī)采集：按5．55～7．40MBq/kg體重注射18FFDG，顯像前排空膀胱，掃描范圍從顱頂?shù)焦晒墙恕Ｗ⑸?8F-FDG后患者靜臥休息40～65min。CT掃描條件：120 kV，80mA，層厚3.75mm。PET圖像采集采用三維模式，約6～7個(gè)床位，2min/床位。

延遲顯像：于注射18F-FDG后2 h進(jìn)行，掃描范圍為一個(gè)床位，2min/床位，并將肺結(jié)節(jié)盡量置于顯像范圍中心。其余條件同上。

呼吸門(mén)控PET/CT圖像采集：行常規(guī)PET/CT延遲顯像后，保持患者體位不變，緊接著行呼吸門(mén)控PET/CT顯像。同樣將要研究的肺結(jié)節(jié)盡量置于顯像范圍中心。掃描時(shí)要求患者均勻呼吸。CT呼吸門(mén)控掃描采用“后門(mén)控”技術(shù)，在同一CT掃描視野范圍內(nèi)進(jìn)行1個(gè)呼吸周期內(nèi)的四維CT動(dòng)態(tài)掃描。把1個(gè)周期分成6個(gè)時(shí)相，呼吸控制系統(tǒng)則連續(xù)記錄CT曝光的時(shí)相信息，并同時(shí)記錄呼吸節(jié)律信號(hào)。CT掃描條件：120 kV，30mA，層厚2.5mm。PET掃描在接收到呼吸信號(hào)的觸發(fā)后進(jìn)行，設(shè)置為6個(gè)時(shí)相，1min/時(shí)相。CT圖像的“后門(mén)控”處理在后臺(tái)工作站上進(jìn)行，先對(duì)呼吸曲線設(shè)置不同的相位值，吸氣末為0，呼氣末為50%，下—個(gè)吸氣末為100%。CT呼吸門(mén)控圖像在后處理工作站自動(dòng)劃分為6個(gè)時(shí)相的呼吸門(mén)控系列圖像。之后將數(shù)據(jù)傳到前臺(tái)，用后重建軟件對(duì)各個(gè)時(shí)相的PET圖像進(jìn)行新的重建。重建時(shí)采用其對(duì)應(yīng)時(shí)相的CT圖像作衰減校正，從而實(shí)現(xiàn)呼吸運(yùn)動(dòng)后的PET衰減校正，并與非門(mén)控的平均衰減校正結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1.3 圖像處理

PET圖像處理：三維PET體積、6個(gè)時(shí)相的四維PET體積、最大密度投影法（maximum intensity projection，MIP）得到的平均四維PET體積的測(cè)量均在后處理工作站中勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)的SIM軟件中進(jìn)行。采用閾值法勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)，軟件可以設(shè)置從0到100%范圍內(nèi)不同大小的閾值自動(dòng)勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)，之后軟件自動(dòng)計(jì)算出結(jié)節(jié)體積，期間無(wú)人為誤差。

CT圖像處理：三維CT體積、6個(gè)時(shí)相的四維CT體積的測(cè)量也均在后處理工作站中勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)的SIM軟件中進(jìn)行。由一名有3年工作經(jīng)驗(yàn)的放療科醫(yī)師勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)，采用肺窗，窗寬為1250，窗位為-600，通過(guò)軟件計(jì)算得到體積。

將每個(gè)結(jié)節(jié)的6個(gè)時(shí)相的四維PET體積相加計(jì)算平均值，將MIP法得到的平均四維PET體積與三維PET體積比較；將6個(gè)時(shí)相的四維CT體積相加計(jì)算平均值，并與三維CT體積比較；從結(jié)節(jié)位置、運(yùn)動(dòng)幅度分析，以體積相對(duì)差值[即：（平均四維體積－三維體積）/三維體積）]作為體積間的差異，研究呼吸門(mén)控PET/CT對(duì)四維體積與三維體積的影響。

2 結(jié)果

2.1 平均四維PET體積與三維PET體積比較結(jié)果

本研究共20個(gè)惡性肺結(jié)節(jié)（表1），其中5個(gè)位于上肺，2個(gè)貼近胸膜，6個(gè)位于肺門(mén)，7個(gè)位于下肺。運(yùn)動(dòng)幅度為1.0~6.4mm，平均3.3mm。對(duì)每個(gè)結(jié)節(jié)進(jìn)行常規(guī)PET/CT采集，得到三維PET體積，后進(jìn)行呼吸門(mén)控PET/CT采集，分別用40%閾值法和MIP法兩種方法測(cè)量得到平均四維PET體積。所有結(jié)節(jié)的三維PET體積為9.5 cm3，40%閾值法得到的平均四維PET體積為9.7 cm3，比三維PET體積大14.4%；MIP法得到的平均四維PET體積為11.0 cm3，比三維PET體積大20%。

2.2 PET體積差值及其與結(jié)節(jié)位置、運(yùn)動(dòng)幅度的關(guān)系

圖1為兩種方法測(cè)得的平均四維PET體積與三維PET體積的比較結(jié)果，其中只有4個(gè)結(jié)節(jié)的三維PET體積小于平均四維PET體積，其余16個(gè)結(jié)節(jié)的平均四維PET體積大于三維PET體積，平均四維PET體積比三維PET體積大17.2%。圖2為平均四維PET體積與三維PET體積的相對(duì)差值與結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度及結(jié)節(jié)位置的關(guān)系，由圖可見(jiàn)，除2個(gè)結(jié)節(jié)外，下肺和肺門(mén)的平均四維PET體積均大于三維 PET體積，平均相對(duì)差值為26.5%；除1個(gè)結(jié)節(jié)差值較大外（155%），上肺和胸膜平均四維PET體積與三維PET體積的平均相對(duì)差值為2.7%。當(dāng)結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度小于3mm時(shí)，平均四維PET體積與三維PET體積的平均相對(duì)差值為1.8%；大于3mm時(shí)，平均相對(duì)差值為24.3%。

表1 20個(gè)結(jié)節(jié)的三維PET體積與平均四維PET體積比較Table 1 Comparison of gross tumor volume of twenty nodules defined by average four-dimensional PET and three-dimensionalPET

圖1 20個(gè)結(jié)節(jié)的平均四維PET體積與三維PET體積的相對(duì)差值Fig.1 Relative difference of gross tumor volume of twenty nodules definedbyaverage four-dimensionalPETand three-dimensionalPET

圖2 20個(gè)結(jié)節(jié)的平均四維PET體積與三維PET體積的相對(duì)差值隨結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度的變化Fig.2 The changes of relative difference with respiratory motion amplitudeofgross tumor volumeof twenty nodulesdefined by average four-dimensionalPETand three-dimensionalPET

2.3 CT體積差值及其與結(jié)節(jié)位置、運(yùn)動(dòng)幅度的關(guān)系

圖3為20個(gè)結(jié)節(jié)的三維CT體積與平均四維CT體積的比較結(jié)果，結(jié)節(jié)的基本信息與表1一致。CT肺窗體積均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PET體積。其中，13個(gè)結(jié)節(jié)6個(gè)時(shí)相的平均四維CT體積大于三維CT體積。三維CT體積為14.7 cm3，平均四維CT體積為15.2 cm3，平均四維CT體積比三維CT體積大3.9%。

圖3 20個(gè)結(jié)節(jié)的平均四維CT體積與三維CT體積的相對(duì)差值Fig.3 Relative difference of gross tumor volume of twenty nodules defined by average four-dimensionalCTand three-dimensionalCT

圖4為三維CT體積與平均四維CT體積的相對(duì)差值與結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度及結(jié)節(jié)位置的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，對(duì)于下肺，除1例結(jié)節(jié)外，平均四維CT體積明顯大于三維CT體積，平均相對(duì)差值為11.3%；對(duì)于上肺、肺門(mén)、胸膜，平均四維CT體積與三維CT體積比較沒(méi)有規(guī)律。結(jié)節(jié)呼吸幅度與體積相對(duì)差值亦無(wú)明顯規(guī)律，對(duì)于呼吸幅度大于3mm的結(jié)節(jié)，平均四維CT體積與三維CT體積的平均相對(duì)差值為11.8%；對(duì)于呼吸幅度小于3mm的結(jié)節(jié)，平均相對(duì)差值為7.4%。

本研究請(qǐng)一位放療科醫(yī)師在下肺某結(jié)節(jié)勾畫(huà)常規(guī)靶區(qū)與呼吸門(mén)控靶區(qū)，并顯示其差別（圖5）。由圖可見(jiàn)，平均四維PET體積大于三維PET體積，而平均四維CT體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均四維PET體積，因此，采用符合惡性腫瘤的生物學(xué)特點(diǎn)的平均四維PET體積勾畫(huà)靶區(qū)，縮小了靶區(qū)。同時(shí)，平均四維CT體積大于三維CT體積，但并不能完全將其包含于內(nèi)，然而考慮到四維CT體積涵蓋呼吸信息，所以對(duì)上肺和胸膜的結(jié)節(jié)采用低劑量平均四維CT體積勾畫(huà)靶區(qū)。

圖4 20個(gè)結(jié)節(jié)的平均四維CT體積與三維CT體積的相對(duì)差值隨結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度的變化Fig.4 The changes of relative difference with respiratory motion amplitudeofgross tumorvolumeof twenty nodulesdefined by average four-dimensionalCTand three-dimensionalCT

圖5 常規(guī)靶區(qū)與呼吸門(mén)控靶區(qū)的差別 圖中，a為三維PET體積；b為平均四維PET體積；c為平均四維CT體積；d為三維CT體積（常規(guī)靶區(qū)）。Fig.5 The difference between the common target and respiratory gating target

3 討論

呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)使肺部的靶組織產(chǎn)生位移，為了在運(yùn)動(dòng)中連續(xù)照射靶組織，醫(yī)師在勾畫(huà)靶區(qū)時(shí)不得不增加臨床靶容積周?chē)耐鈹U(kuò)，進(jìn)而增加了受照射正常組織的體積。目前，呼吸門(mén)控技術(shù)已在靶區(qū)勾畫(huà)方面得以研究并受到重視。

本研究對(duì)20個(gè)結(jié)節(jié)進(jìn)行呼吸門(mén)控PET/CT研究，發(fā)現(xiàn)用兩種方法測(cè)得的平均四維PET體積比三維PET體積大22%。體積相對(duì)差值與結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度及結(jié)節(jié)位置有關(guān)，下肺和肺門(mén)的平均四維PET體積與三維PET體積的平均相對(duì)差值為26.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上肺和胸膜的平均相對(duì)差值（2.7%）。當(dāng)結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度大于3mm時(shí)，平均四維PET體積與三維PET體積的相對(duì)差值為24.3%；小于3mm時(shí)，相對(duì)差值為1.8%。這些結(jié)果與文獻(xiàn)[3]報(bào)道結(jié)果一致：22個(gè)結(jié)節(jié)，平均四維PET體積比三維PET體積大35%（P＜0.0001）；當(dāng)結(jié)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)幅度大于3mm時(shí)，平均四維PET體積與三維PET體積的差值為54%；小于3mm時(shí)，體積差值為14%。由此可見(jiàn)，下肺和肺門(mén)的腫瘤受呼吸影響較大，四維PET較三維PET更能夠代表腫瘤代謝的實(shí)際靶區(qū)。

另一種對(duì)腫瘤體積準(zhǔn)確定位的研究方法是四維CT。文獻(xiàn)報(bào)道，四維CT并不能完全應(yīng)用于放射治療中處于呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的腫瘤，腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)幅度越大，引起的運(yùn)動(dòng)偽影越具有隨機(jī)性[4-6]。文獻(xiàn)提出四維CT較多排CT更能夠精確定義腫瘤體積。Hof等[5]提出，考慮到呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，四維CT的體積（40.7 cm3）小于經(jīng)過(guò)外放后腫瘤靶區(qū)三維CT的體積（57.7 cm3）。

本研究中13個(gè)結(jié)節(jié)平均四維CT體積比三維CT體積大3.9%，體積差值范圍為0.2～5.9 cm3，體積比值為1.10±0.32，此比值接近文獻(xiàn)[6]得到的結(jié)果（1.60±0.55）。然而，對(duì)于下肺，除1例結(jié)節(jié)外，平均四維CT體積明顯大于三維CT體積，平均差值為11.3%；對(duì)于呼吸幅度大于3mm的結(jié)節(jié)，平均四維CT體積與三維CT體積的平均相對(duì)差值為11.8%；對(duì)于呼吸幅度小于3mm的結(jié)節(jié)，該值為7.4%?？梢?jiàn)，下肺的結(jié)節(jié)受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響較大，呼吸幅度越大，導(dǎo)致的偽影越明顯，體積差值越大。

對(duì)于個(gè)別結(jié)節(jié)，由于患者呼吸運(yùn)動(dòng)自主性及兩次掃描呼吸模式改變的影響，使得上肺結(jié)節(jié)體積差值較大，如第3例結(jié)節(jié)，平均四維PET體積與三維PET體積的差值達(dá)到155%；下肺結(jié)節(jié)，第15例，平均四維CT體積比三維CT體積小18.1%?？梢?jiàn)，患者的積極配合，以及常規(guī)掃描和呼吸門(mén)控掃描時(shí)吸氣與呼氣的模式一致性對(duì)于研究至關(guān)重要。

盡管對(duì)于下肺和肺門(mén)考慮了受呼吸運(yùn)動(dòng)影響較大的四維CT體積同樣可以取代四維PET體積勾畫(huà)靶區(qū)，但考慮到利用PET勾畫(huà)靶區(qū)更加符合惡性腫瘤的生物學(xué)特點(diǎn)，使靶區(qū)精確，對(duì)于下肺和肺門(mén)病灶，我們采用平均四維PET體積勾畫(huà)靶區(qū)。本研究采用30mA低劑量呼吸門(mén)控采集，相對(duì)于250mA的常規(guī)放療CT定位，對(duì)患者造成的輻射劑量低[7]，對(duì)于上肺和胸膜尚且采用低劑量且涵蓋了呼吸信息的四維CT體積勾畫(huà)靶區(qū)，而文獻(xiàn)中所說(shuō)的四維CT體積并不能完全代表處于呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的腫瘤，還需在四維CT體積的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展多少范圍，是后續(xù)研究的內(nèi)容。

通過(guò)以上分析得出，靠近肝脾的下肺結(jié)節(jié)受呼吸運(yùn)動(dòng)影響明顯，更適合用平均四維PET勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)；對(duì)于肺門(mén)周?chē)慕Y(jié)節(jié)，勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)時(shí)應(yīng)考慮呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，考慮平均四維PET勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)；對(duì)于上肺和胸膜的結(jié)節(jié)，建議采用低劑量呼吸門(mén)控掃描且已經(jīng)考慮了呼吸運(yùn)動(dòng)的平均四維CT體積勾畫(huà)靶區(qū)。

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Guiding the target delineation in radiation therapy of lung cancer by respiratory gated PET/CT

Zhang Yanlan*,Sun Qiting,Wu Ping,Hao Xinzhong,Qing Zhixing,Cheng Pengliang,Wu Zhifang,Li Sijin.*Department of Nuclear Medicine,the FirstHospitalof ShanxiMedical University,Taiyuan 030001, China

Wu Zhifang,Email：wuzhifang01@sina.com

ObjectiveTo give target outline guidance for lung tumor radiation therapy by respiratory gating（RG）four-dimensional PET/CT for lung cancer.Eventually reasonable radiation target regions in treatmentplanning are received by patients.MethodsTwentymalignantnoduleswere studied by RG PET/CT and conventional PET/CT.The differences ofgross tumor volume defined by average fourdimensional PET and three-dimensional PET were compared in different lung locations.Differences of gross tumor volume defined by average four-dimensional CT and three-dimensional CT were also investigated.Differences between volume defined by average four-dimensional volumes and threedimensional volumeswere defined as relative difference ofgross tumor volume,and influences for volume defined by four-dimensional PET and CT and three-dimensional PET and CT based on the nodal position and respiratorymotion amplitudewere also investigated in this study.ResultsBoth volumes defined by average four-dimensional PETmeasured with two techniqueswere 17.2%greater than the volume defined by three-dimensional PET on average.The relative difference of the volume defined by average fourdimensional PET and three-dimensional PET was related to the nodal position and respiratory motion amplitude.The mean difference was 26.5%for the lower lobe and hilus of the lung,which wasmuchgreater than thatof the upper lobe and pleura（2.7%）.When the respiratorymotion amplitude of nodules was＞3mm,the differencebetween the volumesdefined by average four-dimensionalPETand three-dimensional PETwas 24.3%（as＜3mm,differencewas 1.8%）.The volume defined by average four-dimensional CTwas3.9%larger than the volume defined by three-dimensional CT,with difference range ofnodule volumeat0.2 cm3to 5.9 cm3and ratiosof1.10±0.32.Only the nodules in the lower lobe showed significantly larger volumes defined by average four-dimensional CT than those defined by three-dimensional CTwith average difference of11.3%.ConclusionsFor lung nodulesclose to the liverand spleen,the volume defined by average four-dimensional PET showed more accuracy for sketching tumor target.For nodules around thehilusof the lung,the volume defined by average four-dimensional PET can be considered as tumor target.For the upper lobe and pleuralnodules,the volume defined by average four-dimensionalCTwas selected for the targetoutline,which adopted low-dose RG scan and considered breathingmovement.

Lung neoplasms;Positron-emission tomography;Tomography,X-ray computed;Radiation target regions;Volume comparison

2014－07－04）

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2015.02.001

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20120321028-03）

030001太原，山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院放療科（張艷蘭），核醫(yī)學(xué)科（武萍，郝新忠，秦志星，程鵬亮，武志芳，李思進(jìn)）；030001太原，山西省心血管病醫(yī)院影像科（孫琦婷）

武志芳（Email：wuzhifang01@sina.com）