基于4DCT和形變配準技術評估呼吸運動對肺癌立體定向放射治療過程中劑量的影響

吳文婧，李毅，孫玄子，張曉智，孫雷煥，張斌，李軍軍

1.西安市疾病預防控制中心放射衛(wèi)生科，陜西西安710054；2.西安交通大學第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科，陜西西安710061；3.西安交通大學第一附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科，陜西西安710061

前言

放射治療作為腫瘤綜合治療的重要手段之一，在肺癌治療中起到重要作用［1］。早期非小細胞肺癌放射治療中，立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiotherapy,SBRT）技術治療效果與手術效果相同［2］，對于年齡大或不能耐受手術的患者，SBRT治療優(yōu)于手術。但SBRT 治療過程中，單次給予高劑量，較小的劑量誤差可能會導致治療失敗，SBRT 治療對于劑量準確性提出了更高的要求。在肺下葉腫瘤患者SBRT 治療過程中，腫瘤和正常器官隨呼吸運動的位移和形變較大［3-5］，引起的劑量誤差也較大［4-8］。據(jù)報道呼吸運動導致肝臟腫瘤運動最大可達34 mm［9］，肺部腫瘤運動最大可達35 mm［10］，腎上腺腫瘤運動最大可達27 mm［11］，這使得腫瘤和正常器官的劑量難以準確評估。近年來，應用四維CT（4DCT）及形變配準技術可準確獲得腫瘤的運動信息，進行腫瘤的準確定位和劑量累加，進而準確地評估呼吸運動對患者受量的影響［3,12-13］，但以往研究均假定患者各呼吸時相維持時間等比例，未考慮患者實際呼吸時相維持時間比。本研究利用4DCT 和形變配準技術，引入患者各呼吸時相維持時間占比的因素，探討呼吸運動對肺下葉腫瘤患者SBRT治療過程中劑量的影響。

1 資料與方法

1.1 一般臨床資料

2016年至2018年間，隨機抽樣選取西安交通大學第一附屬醫(yī)院14 例II-III 期小細胞肺癌患者。入組條件為診斷明確并接受SBRT 治療的II-III 期小細胞下葉肺癌患者，男6 例，女8 例，中位年齡64 歲（25～72 歲），均通過醫(yī)院倫理委員會論證，并簽署知情同意書。

1.2 CT掃描

對患者行三維CT（3DCT）和4DCT 掃描定位。采用荷蘭Philips 公司85 cm 大孔徑定位CT，患者采用仰臥位，雙臂交叉抱肘置頂，熱塑體模固定。掃描層厚3 mm，層間距3 mm，掃描范圍上至環(huán)狀軟骨，下至腎上腺，4DCT圖像根據(jù)呼吸運動幅度生成10個呼吸時相序列圖像。

1.3 呼吸運動曲線分析

4DCT 掃描定位后，CT 自動記錄患者呼吸運動曲線。本研究選用Quasar Respiratory Motion version v3.3.8 軟件分析呼吸運動曲線，吸氣末（EI）為0%時相，呼氣末（EE）為50%時相。運用Microsoft Office Excel隨機數(shù)生成公式隨機選取患者呼吸運動曲線中的3 個呼吸周期，根據(jù)呼吸曲線計算10 個呼吸時相（0%～90%）的維持時間（△t0-90），并進一步計算3 個呼吸周期中，各△t占全呼吸周期時長的平均占比（PP0-90）。

1.4 腫瘤勾畫及制作放射治療計劃

3DCT 及4DCT 的10 個時相序列傳輸至pinnacle計劃系統(tǒng)（V9.10,飛利浦公司,美國），由同一放療醫(yī)師逐層勾畫大體腫瘤靶體積（Gross Tumor Volume,GTV）及雙肺、心臟、脊髓等危及器官（OAR），將GTV均勻外放一定邊界（鱗癌0.8 cm,腺癌0.6 cm）形成臨床靶體積（CTV），將CTV 均勻外放0.3 cm 形成計劃靶體積（Planning Target Volume,PTV），制定調強放射治療計劃，采用SBRT 分割模式，總劑量45 Gy，15 Gy/次。計劃制定后，將3DCT 計劃移植到各呼吸時相的序列圖像中并計算劑量。

1.5 劑量比較

利用MIM 工作站將各個時相的劑量變形配準到50%時相圖像中，按照患者各呼吸時相等比例權重疊加劑量，形成4D疊加劑量；按照患者各呼吸時相維持時間占比（PP0-90）權重疊加劑量，形成4D 加權疊加劑量。4D 疊加劑量、4D 加權疊加劑量分別與3DCT 計劃劑量進行比較。比較指標包括靶區(qū)均勻性、適形性，肺V5、V10、V20（5、10、20 Gy 受量的體積占整體的百分數(shù)），心臟平均劑量。

1.6 統(tǒng)計學處理

應用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計學分析，定量參數(shù)以均數(shù)±標準差表示，并對兩組資料行配對t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 呼吸曲線及呼吸時相的時間

患者放療定位時自由呼吸的運動曲線如圖1所示。可見患者呼吸運動時，胸廓運動并非線性，尤其是呼氣過程曲線曲率更大。14 名患者各隨機選擇3個呼吸周期，將各呼吸時相維持時間占比（PP0-90）求均值后列于圖2。由圖2可見呼吸時相維持時間明顯不均等且臨近呼氣末時相時間間隔占比（PP40）最大。

2.2 劑量體積直方圖（DVH）及等劑量分布

以各呼吸時相維持時間占比（PP0-90）為權重進行疊加，腫瘤和正常器官的DVH 和等劑量分布圖如圖3和圖4所示，可見各個時相圖像中心臟受量的變化最大。

2.3 4D加權疊加劑量與3D劑量的比較

圖1 患者放射治療時呼吸曲線Fig.1 Respiration motion curve of a patient receiving radiotherapy for lung tumor

圖2 14例患者各呼吸時相維持時間占總呼吸周期時長百分比Fig.2 Percentages of time intervals of each respiratory phase in 14 patients

14例患者4D加權疊加劑量與3D劑量比較結果見表1。在PTV平均劑量、患側肺V20、患側肺平均劑量、健側肺平均劑量和全肺平均劑量的對比中，4D加權疊加均小于3D 劑量，分別減小了2.37%，5.08%，5.19%，3.61%和3.46%，差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；在心臟平均劑量的對比中，4D加權疊加劑量大于3D劑量，增加了5.12%，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。14例患者每一項劑量學指標結果顯示，與3D劑量相比，4D加權疊加PTV 最小劑量、平均劑量、患側肺V5、患側肺V10、患側肺V20、患側肺平均劑量、健側肺V5、健側肺V10、健側肺平均劑量、全肺V5、全肺V10、全肺V20、全肺平均劑量、心臟平均劑量變化范圍分別為：-14.73%～12.73%，-9.78%～0.51%，-5.9%～4.72%，-6.75%～4.98%，-8.24%～0.51%，-8.09%～0.39%，-8.94%～3.33%，-3.48%～6.34%，-6.59%～7.04%，-7.12%～8.99%，-7.76%～8.56%，-7.25%～7.81%，-6.81%～0.27%，-7.81%～6.68%。

3 討論

SBRT 已作為早期非小細胞肺癌治療的首選手段，取得了很好的臨床效果，但在SBRT 治療肺癌過程中，腫瘤、肺和心臟受呼吸運動的影響，在放療過程中易發(fā)生明顯的位移和變形［7-8,14-16］，計劃設計所得的劑量學分布可能并未反應腫瘤區(qū)和正常組織真實的受量［17-21］，進而可能影響治療效果。因此，需要準確評估肺癌SBRT 治療過程中給予腫瘤劑量和正常組織劑量的準確性。

本研究利用4DCT獲得SBRT治療患者10個呼吸時相的圖像序列，將平掃3D計劃劑量移植到10個呼吸時相序列，利用變形配準技術將各個時相劑量等比例權重疊加，得到患者4D疊加劑量。結果表明呼吸運動引起了肺癌SBRT治療過程中腫瘤和肺受量的降低，心臟劑量的增加。Ehrbar等［22］也利用4DCT和圖像配準技術評估呼吸運動對SBRT治療肺癌患者劑量學的影響，得出3D和4D腫瘤劑量偏差為-2.1%～1.4%，3D和4D重要器官劑量偏差為-0.8%～1.7%，結果與Rao等［13］和Zou等［23］的研究結果類似，偏差結果小于本研究結果，可能因為本研究均選擇肺下葉腫瘤患者，呼吸幅度影響較大，導致腫瘤和正常器官劑量變化較大，特別對于腫瘤最小劑量而言，4D疊加劑量增加了12.68%，更加容易受到呼吸運動的影響。而且Ehrbar等［22］的研究將所有患者的呼吸周期固定為3.4 s和6.8 s，沒有考慮到個體化導致偏差結果較小。

圖3 各呼吸時相計劃中腫瘤和正常組織的劑量-體積直方圖Fig.3 Dose-volume histograms of tumor and organs-at-risk for each respiratory phase plan

圖4 治療計劃劑量疊加前后分布圖Fig.4 Dose distributions before and after dose accumulation

綜上所述，患者的呼吸運動導致腫瘤和肺受量的降低，但在較小的變化范圍內。利用4DCT 和形變配準技術，引入患者個體化的呼吸時間權重比因素，可更合理評估呼吸運動對肺下葉腫瘤SBRT 放射治療過程中劑量學的影響。

表1 14例患者3D計劃和4D加權疊加計劃的劑量學指標比較Tab.1 Dosimetric differences between 3D plan and 4D weighted accumulation plan for 14 patients