四維CT輪廓勾畫(huà)方式的探討

張愛(ài)萍　尹立杰　戴建榮　楊彥琴　王杰　范穎琳　卿珍　韓軍

[摘 要] 目的：通過(guò)對(duì)比兩種方法勾畫(huà)的內(nèi)腫瘤區(qū)（IGTV）位置和體積差異，探討一種滿足臨床準(zhǔn)確度要求且高效的4D CT輪廓勾畫(huà)方式。方法：選取10例行胸部4D CT患者，每例都采用兩種方式進(jìn)行IGTV勾畫(huà)。一種為所有時(shí)相逐層勾畫(huà)后融合，定義為IGTV1；另一種為單套勾畫(huà)，其余時(shí)相作為背景播放，定義為IGTV2。為了保證測(cè)試充分性，由十位醫(yī)生完成全部病例勾畫(huà)。對(duì)比兩種方法所得IGTV的幾何中心位置、體積大小、重合度及勾畫(huà)時(shí)間。結(jié)果：兩種方式產(chǎn)生的IGTV幾何中心在x、y、z軸上平均差異都小于1mm。IGTV1、IGTV2體積分別為（23.13±20.05）cm3、（23.27±19.86）cm3，體積比為1.02±0.04，兩者重合度為96.05%±1.73%。兩種勾畫(huà)方式所產(chǎn)生IGTV幾何中心位置和體積均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義差別，幾何形狀也重合較好。但采用本文探討組織輪廓勾畫(huà)方式，可顯著縮短醫(yī)生組織輪廓勾畫(huà)時(shí)間，平均勾畫(huà)時(shí)間從25.52min降至7.9min。結(jié)論：本文探討IGTV勾畫(huà)方式勾畫(huà)準(zhǔn)確度完全能滿足臨床應(yīng)用要求，且勾畫(huà)速度提高了3倍。

[關(guān)鍵詞] 4D CT；IGTV；呼吸時(shí)相； 輪廓勾畫(huà)

中圖分類(lèi)號(hào)：R445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5200（2015）02-001-03

準(zhǔn)確靶區(qū)定位是制定腫瘤放射治療方案關(guān)鍵。胸腹部腫瘤定位時(shí)，呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致胸部器官（肺、乳腺等）和上腹部器官（肝、胃、腎等）位置和形狀周期性變化。心臟跳動(dòng)也有類(lèi)似呼吸運(yùn)動(dòng)影響，只是影響范圍小、程度輕。研究發(fā)現(xiàn)胸腹部器官在頭腳方向運(yùn)動(dòng)幅度大于其前后及左右方向運(yùn)動(dòng)幅度。文獻(xiàn)報(bào)道呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肝臟頭腳方向移動(dòng)10～26 mm（淺呼吸）、12～75 mm（深呼吸），前后l～12 mm，左右l～9 mm[1-2]。放療過(guò)程中如果忽略呼吸引起胸腹部器官運(yùn)動(dòng)，可能造成部分目標(biāo)靶區(qū)在某些呼吸時(shí)相位于射野之外，而周?chē)鞴龠M(jìn)入射野。

四維CT作為與時(shí)間關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)CT，其能夠很好地反映正常器官和腫瘤運(yùn)動(dòng)情況[3-5]。理論上四維CT是進(jìn)行胸腹部腫瘤個(gè)體化內(nèi)靶區(qū)勾畫(huà)金標(biāo)準(zhǔn)。肺癌、肝癌、胰腺癌放射治療應(yīng)用研究均表明，四維CT可在保證靶區(qū)準(zhǔn)確基礎(chǔ)上減少進(jìn)入PTV正常組織體積，更好地保護(hù)正常組織[6-8]。本文就4D靶區(qū)勾畫(huà)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行對(duì)比分析，探討一種既能滿足臨床精度要求，又方便快捷勾畫(huà)方式。

1 對(duì)象和方法

1.1 4D 靶區(qū)勾畫(huà)實(shí)現(xiàn)方式

4D靶區(qū)勾畫(huà)最直接最準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)方式是對(duì)采集多套圖像都進(jìn)行靶區(qū)勾畫(huà)。但現(xiàn)有Cine掃描模式產(chǎn)生圖像通常有上千幅，甚至更多，這使靶區(qū)勾畫(huà)成為4D放療所面臨難題。為了節(jié)省臨床靶區(qū)勾畫(huà)工作量，有采用以兩個(gè)呼吸極限相位CT來(lái)確定靶區(qū)勾畫(huà)方式，但Rietzel E等[9-10]利用4D CT研究胸部腫瘤區(qū)勾畫(huà)時(shí)，發(fā)現(xiàn)單純以兩個(gè)呼吸極限相位CT來(lái)確定靶區(qū)不足以覆蓋靶區(qū)真實(shí)運(yùn)動(dòng)范圍，可能造成靶區(qū)約6.3%遺漏。而Zhang T等[11]在研究肺癌立體定向放療中4D靶區(qū)勾畫(huà)時(shí)，以呼氣末CT為基準(zhǔn)，對(duì)呼吸周期中十個(gè)呼氣相位CT進(jìn)行變形配準(zhǔn)，得到配準(zhǔn)變換矩陣后，把呼氣末時(shí)相上勾畫(huà)腫瘤區(qū)自動(dòng)映射到其它相位CT上，進(jìn)而得到所有相位腫瘤區(qū)所覆蓋范圍，但此種實(shí)現(xiàn)方式完全依賴(lài)于變形配準(zhǔn)算法準(zhǔn)確度。研究表明，該種實(shí)現(xiàn)方式相比所有時(shí)相逐層勾畫(huà)平均體積增大約9%[12]。

基于此，本文探討一種新4D靶區(qū)勾畫(huà)方式，即只在一個(gè)時(shí)相上勾畫(huà)靶區(qū)，其余時(shí)相該層對(duì)應(yīng)圖像作為背景動(dòng)態(tài)播放，這樣雖然只做了一套圖像靶區(qū)勾畫(huà)，實(shí)際上所有時(shí)相輪廓都已涵蓋。為了更明確描述呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)靶體積影響，勾畫(huà)靶區(qū)時(shí)，采用包含GTV運(yùn)動(dòng)信息的內(nèi)GTV（Internal gross target volume， IGTV） [13]，將采用此方法勾畫(huà)的包含GTV運(yùn)動(dòng)信息的IGTV輪廓與所有圖像全部勾畫(huà)的IGTV輪廓進(jìn)行對(duì)比分析，探討該方法精度。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取10例不同類(lèi)型胸部腫瘤病例，每例患者4D CT圖像都由10個(gè)不同呼吸時(shí)相CT序列組成。為保證測(cè)試充分性，排除人為誤差影響，靶區(qū)勾畫(huà)由10位有5年工作經(jīng)驗(yàn)、相同職稱(chēng)醫(yī)生完成。每位醫(yī)生都采用兩種方式進(jìn)行IGTV勾畫(huà)。比較分析兩種方式下靶區(qū)勾畫(huà)時(shí)間及IGTV差異。

1.2.1 IGTV勾畫(huà) 為了避免人為因素影響，每位醫(yī)生在ModernTPS治療計(jì)劃系統(tǒng)中對(duì)同一患者采用兩種方式進(jìn)行IGTV勾畫(huà)時(shí)，要在同一窗寬窗位設(shè)置下進(jìn)行。

方式一：在10個(gè)呼吸時(shí)相CT圖像上分別勾畫(huà)GTV，并將其融合得到IGTV，本文定義為IGTV1；

方式二：從10套圖像中選取一套為參考圖像，在參考圖像中勾畫(huà)GTV時(shí)，相對(duì)應(yīng)其余時(shí)相該斷層圖像作為背景連續(xù)播放，最終勾畫(huà)完成GTV即為IGTV，本文定義為IGTV2。

1.2.2 分析方法 方式一得到IGTV視為理想內(nèi)腫瘤區(qū)，比較其與方式二勾畫(huà)IGTV在幾何中心位置、體積大小及重合度差異，同時(shí)對(duì)比分析兩種勾畫(huà)方式時(shí)間差異。對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)采用配對(duì)Wilcoxon符號(hào)秩和檢驗(yàn)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

（1）幾何中心位置和體積大?。篒GTV幾何中心點(diǎn)用圖像坐標(biāo)系中x、y、z軸坐標(biāo)值來(lái)表示。兩種勾畫(huà)方式IGTV體積差異可通過(guò)體積比值來(lái)反映。（2）重合度：IGTV1體積表示為VIGTV1；IGTV2體積表示為VIGTV2. 則：VIGTV1與VIGTV2重合度為：，以此反映IGTV1與IGTV2之間重合情況。（3）IGTV勾畫(huà)時(shí)間取十位醫(yī)生相同勾畫(huà)方式平均值。

2 結(jié)果

2.1 幾何中心位置差異

如表1所示，所有患者在兩種勾畫(huà)方式下IGTV幾何中心在x、y、z軸上平均差異均小于1mm，且三個(gè)軸上秩和檢驗(yàn)P值均>0.05，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。說(shuō)明兩種勾畫(huà)方式下IGTV幾何中心位置無(wú)顯著差異。

2.2 體積大小、重合度分析

如表2所示，IGTV1和IGTV2兩種方式勾畫(huà)IGTV體積分別為（23.13±20.05）cm3、（23.27±19.86）cm3，兩者體積無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義差別（z=-1.122，P=0.262），說(shuō)明兩種勾畫(huà)方式下IGTV體積無(wú)顯著差異。IGTV1與IGTV2重合度為96.05%±1.73%，說(shuō)明兩種勾畫(huà)方式產(chǎn)生IGTV幾何形狀重合較好。

2.3 IGTV勾畫(huà)時(shí)間

如表3所示，本文探討組織輪廓勾畫(huà)方式，所有時(shí)相輪廓一次勾畫(huà)完成，與傳統(tǒng)逐個(gè)時(shí)相勾畫(huà)方式在勾畫(huà)時(shí)間上比較有顯著差異（z=-2.803，P=0.005）。

3 討論

依據(jù)4DCT影像勾畫(huà)靶區(qū)體積包含了GTV伴隨呼吸運(yùn)動(dòng)空間位移，可以客觀地確定內(nèi)腫瘤區(qū)。理想IGTV是在所有呼吸時(shí)相（一般10個(gè)）勾畫(huà)靶區(qū)后融合而成，然而，在所有時(shí)相CT圖像中勾畫(huà)靶區(qū)顯著增加了醫(yī)生工作。因此，本研究探討了一種單套圖像勾畫(huà)輪廓，其余時(shí)相作為背景播放方式，一次完成IGTV勾畫(huà)。上述結(jié)果對(duì)比分析可見(jiàn)，兩種勾畫(huà)方式所產(chǎn)生IGTV幾何中心位置變化不明顯。IGTV1與IGTV2重合度為96.05%±1.73%，考慮即使是同一個(gè)人在相同窗寬窗位，多次重復(fù)勾畫(huà)同一套CT圖像時(shí)，多次勾畫(huà)輪廓也不能完全重合，我們認(rèn)為兩種方式產(chǎn)生IGTV幾何形狀重合度吻合較好，差別可以接受。但采用本文探討組織輪廓勾畫(huà)方式，可顯著縮短醫(yī)生組織輪廓勾畫(huà)時(shí)間。

本文探討的IGTV勾畫(huà)方式，既滿足臨床使用精度要求，又極大程度節(jié)省了醫(yī)生勾畫(huà)輪廓時(shí)間，降低了醫(yī)生勾畫(huà)工作負(fù)荷問(wèn)題。同時(shí)，該實(shí)現(xiàn)方式也可用于危及器官勾畫(huà)，用于更準(zhǔn)確評(píng)估危及器官受量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] K.M.Langen，D.T.Jones.Organ motion and its management[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2001，50（1）：265-278.

[2] M.A.Clifford，F(xiàn).Banovac，E.Levy，et a1.Assessment of hepatic motion secondary to respiration for Computer assisted interventions[J].Comput Aided Surg，2002，7（5）：291-299.

[3] Vedam SS， Keall PJ， Kini VR， et al. Acquiring a four-dimensional computed tomography dataset using an external respiratory signal[J]. Phys Med Biol， 2003，48（1）： 45-62.

[4] Keall PJ， Starkschall G， Shukla H， et al. Acquiring 4D thoracic CT scans using a multislice helical method[J]. Phys Med Biol 2004，49（10）：2053-2067.

[5] Keall P. 4-dimensional computed tomography imaging and treatment planning[J]. Semin Radiat Oncol， 2004，14（1）：81-90.

[6] Xi M， Liu MZ， Deng XW， et al. Defining internal target volume （ITV） for hepatocellular carcinoma using four-dimensional CT[J]. Radiother Oncol 2007，84（3）： 272-278.

[7] Korreman S， Persson G， Nygaard D，et al. Respiration-correlated image guidance is the most important radiotherapy motion management strategy for most lung cancer patients[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys， 2012，83（4）： 1338-1343.

[8] Sangalli G， Passoni P， Cattaneo GM， et al. Planning design of locally advanced pancreatic carcinoma using 4DCT and IMRT/IGRT technologies[J]. Acta Oncol 2011，50（1）：72-80.

[9] Rietzel E，Chen GTY，Choi NC，et a1.Four-dimensional Image-based treatment planning：Target volume segmentation and dose calcuIation in the presence 0f respiratory motion[J].Int J Radiat 0ncol Biol Phys.2005，61（5）：1535-1550.

[10] Rietzel E，Liu AK，Karen P，et a1.Design of 4D treatment planning target volumes[J].Int J Radiat oncol Biol Phys.2006，66（1）：287-295

[11] Zhang T，Chton NP，Tome WA，et a1.0n the automated definition of mobile target volumes from 4D-CT images for stereotactic body radiotherapy [J].Med Phys.2005，32（11）： 3493-3502.

[12] Weiss E， Wijesooriya K， Ramakrishnan V， et a1.Comparison of intensity-modulated radiotherapy planning based on manual and automatically generated contours using deformable image registration in four-dimensional computed tomography of lung cancer patients[J]. Int J Radiat oncol Biol Phys， 2008， 70（2）， 572-581.

[13] Ezhil M，Vedam S，Balter P，et a1.Determination of patient-specific internal gross tumor volumes for lung cancer using four-dimensional computed tomography[J].Radiat Oncol，2009，4（4）：1-14.