基于4DCBCT定位和引導(dǎo)評(píng)估中下葉肺癌放療內(nèi)靶區(qū)ITV的投照準(zhǔn)確性

李 毅，吳文婧，惠蓓娜，張?jiān)旅?，?堯，張曉智

(1.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科，陜西西安 710061；2.西安市疾病預(yù)防控制中心，陜西西安 710054)

在肺癌立體定向放射治療(stereotactic body radiation therapy, SBRT)過程中，在較少的分次內(nèi)給予腫瘤大劑量照射，每次治療的準(zhǔn)確性非常重要。但肺中下葉腫瘤因患者擺位位移和呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)范圍較大，為了減小或消除這些因素對(duì)于腫瘤放射治療準(zhǔn)確性的影響，圖像引導(dǎo)放射治療發(fā)展迅速，如電子射野影像裝置[1]、三維錐形束CT(three-dimensional cone beam computed tomography, 3DCBCT)[2-3]、四維錐形束CT(four-dimensional cone beam computed tomography, 4DCBCT)[4]。其中4DCBCT在校正腫瘤放療擺位偏移的同時(shí)，可校正治療過程中腫瘤運(yùn)動(dòng)的偏移，從而有效縮小計(jì)劃靶體積外放邊界，較少正常組織的照射[5]。然而受設(shè)備精度、圖像配準(zhǔn)差異和器官運(yùn)動(dòng)等因素的影響，該技術(shù)無法完全消除這些偏移對(duì)于腫瘤放療準(zhǔn)確性的影響。經(jīng)過校正后的擺位偏移或腫瘤運(yùn)動(dòng)偏移稱為殘余誤差[6-7]。本研究探討4DCBCT引導(dǎo)下的肺中下葉腫瘤在SBRT治療分次間的殘余誤差，以及對(duì)于靶區(qū)外放邊界的影響。

1 材料與方法

1.1 患者的一般臨床資料回顧性分析2018年1月至2020年3月，在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科接受治療前4DCBCT掃描的肺癌患者20例，中位年齡63歲(46～80歲)。其中男性13例，女性7例。本研究設(shè)計(jì)方案通過了倫理委員會(huì)論證，患者簽署了知情同意書。

1.2 方法

1.2.13DCT定位及預(yù)計(jì)劃制定 患者取仰臥位，雙手上舉，臂抱肘交叉置于頭頂，熱塑體模固定體位。在患者自由呼吸狀態(tài)下，CT模擬定位機(jī)(Big bore, Philips Medical Systems, Cleveland)行3DCT定位，掃描范圍為胸廓入口到膈肌下2 cm。掃描圖像傳輸至醫(yī)科達(dá)Monaco治療計(jì)劃系統(tǒng)(Treatment Planning System, TPS)。醫(yī)師勾畫臨床腫瘤靶區(qū)(Gross Target Volume, GTV)、物理師確定治療中心后，制作單野預(yù)計(jì)劃。預(yù)設(shè)計(jì)劃制作完成后，將預(yù)設(shè)計(jì)劃圖像、結(jié)構(gòu)和計(jì)劃信息傳輸至XVI。

1.2.24DCBCT定位確定內(nèi)靶區(qū)體積(internal target volume, ITV) 將患者置于加速器治療床，采用與3DCT定位相同的體位，根據(jù)預(yù)計(jì)劃移動(dòng)床至治療中心位置。在患者自由呼吸狀態(tài)下行4DCBCT掃描，掃描條件為：120 kV，400 mAs，S20，掃描角度為-180°～20°，在該角度范圍內(nèi)收集圖像975幀，采用中分辨率重建圖像，重建層間距和層厚均為3 mm。重建得到4DCBCT的10個(gè)時(shí)相圖像與3DCT定位圖像進(jìn)行Clipbox和Mask雙配準(zhǔn)。Clipbox的配準(zhǔn)框包括病灶和患側(cè)的骨性結(jié)構(gòu)，Mask配準(zhǔn)框包括腫瘤GTV外擴(kuò)0.5 cm，其中Clipbox選擇骨組織平移配準(zhǔn)，校正擺位誤差為0；Mask選擇4D灰度平移配準(zhǔn)，獲得呼吸運(yùn)動(dòng)誤差。將校正擺位偏差后的4DCBCT中的10個(gè)呼吸時(shí)相圖像回傳至TPS。在TPS工作站，醫(yī)師勾畫10個(gè)時(shí)相的GTV，相加得到ITV。

1.2.3靶區(qū)計(jì)劃制定在TPS工作站，將3DCT與4DCBCT圖像融合配準(zhǔn)后，將ITV映射到3DCT圖像上，均勻外放0.3 cm形成PTV。靶區(qū)及正常器官勾畫完成后，物理師制作放射治療計(jì)劃。本研究中所有患者處方劑量采用48 Gy/4次或50 Gy/5次的SBRT分次模式。因SBRT治療單次劑量大、治療時(shí)間長(zhǎng)，為了減少SBRT治療時(shí)間，所有患者計(jì)劃采用6FFF高劑量率能量，雙部分弧容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療(volume modulated arc therapy, VMAT)技術(shù)，至少99%的GTV接受處方劑量，至少95%的PTV接受處方劑量。

1.2.44DCBCT引導(dǎo)放射治療 治療前，患者采用與4DCBCT定位相同的體位和掃描條件。取重建得到4DCBCT的10個(gè)時(shí)相圖像與3DCT定位圖像進(jìn)行Clipbox和Mask雙配準(zhǔn)(圖1)。Clipbox的配準(zhǔn)框包括病灶和患側(cè)的骨性結(jié)構(gòu)，Mask配準(zhǔn)框包括腫瘤PTV外擴(kuò)0.5 cm，其中Clipbox選擇骨組織平移配準(zhǔn)，Mask選擇4D灰度平移配準(zhǔn)。配準(zhǔn)容差值根據(jù)處方劑量曲線與靶區(qū)的具體情況而定，一般為2 mm。如果Clipbox和Mask配準(zhǔn)結(jié)果不一致，且兩組配準(zhǔn)結(jié)果均沒有超出容差值，移床參數(shù)以后者為準(zhǔn)；如果超出容差值，可手動(dòng)滑動(dòng)Clipbox和Mask的比例條，如圖1D所示，以高劑量區(qū)域?qū)?zhǔn)靶區(qū)的原則計(jì)算移動(dòng)床值。根據(jù)最終配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行移床后治療。

1.2.5誤差分析與外放邊界計(jì)算統(tǒng)計(jì)4DCBCT校正后的擺位和腫瘤運(yùn)動(dòng)殘余誤差，由殘余誤差計(jì)算左右、上下、前后的靶區(qū)外放邊界大小。HODAPP[8]報(bào)告中列舉了外放邊界的公式。根據(jù)STROOM[9]和VAN HERK[10]的研究公式，每位患者的擺位或呼吸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)殘差是所有分次擺位或呼吸運(yùn)動(dòng)殘差的平均值，隨機(jī)殘差是所有分次擺位或呼吸運(yùn)動(dòng)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差，所有患者擺位或呼吸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)記為∑，而所有患者擺位或呼吸運(yùn)動(dòng)隨機(jī)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)記為σ。

圖1 1例肺下葉腫瘤患者的4DCBCT圖像(綠色)與3DCT圖像(粉紅色)配準(zhǔn)結(jié)果

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析應(yīng)用SPSS Version 19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。左右、上下、前后方向上殘余誤差比較行配對(duì)t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 擺位殘差結(jié)果擺位系統(tǒng)殘差和隨機(jī)殘差為擺位校正后的系統(tǒng)偏差和隨機(jī)偏差，在左右(left and right, LR)、上下(superior and inferior, SI)、前后(anterior and posterior, AP)3個(gè)方向上的結(jié)果見表1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，擺位殘差分布近似Guassian函數(shù)分布，其中上下方向擺位系統(tǒng)殘差和隨機(jī)殘差分布范圍最大。4DCBCT校正后，擺位系統(tǒng)殘差和隨機(jī)殘差的極大值、極小值絕對(duì)值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差明顯較小。校正后擺位系統(tǒng)殘差中，左右、上下、前后方向上分別為(0.07±0.12)cm、(0.03±0.15)cm和(0.04±0.12)cm, 上下方向系統(tǒng)殘差均大于左右和前后方向系統(tǒng)殘差，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.953，t=2.311；P=0.008，P=0.032)。校正后擺位隨機(jī)殘差中，左右、上下、前后方向上分別為(0.12±0.06)cm、(0.29±0.18)cm和(0.14±0.14)cm，上下方向隨機(jī)殘差均大于左右和前后方向隨機(jī)殘差，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.374，t=3.765；P=0.003，P=0.001)。上下方向擺位系統(tǒng)殘差和隨機(jī)殘差的極值最大，得出肺癌放射治療擺位誤差中，上下方向擺位殘差的幅度較大。

表1 20例SBRT肺癌患者的擺位系統(tǒng)殘差和隨機(jī)殘差

2.2 腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)殘差結(jié)果腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)殘差和隨機(jī)殘差為校正后的腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)偏差和隨機(jī)偏差，在LR、SI、AP 3個(gè)方向上的結(jié)果見表2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)殘差分布近似Guassian函數(shù)分布，主要分布在-0.50～0.59 cm之間，其中上下方向腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)殘差分布范圍最大。4DCBCT校正后，腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)殘差的最大值、最小值絕對(duì)值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差明顯較小。呼吸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)殘差中，上下方向極大值最大，左右方向極小值絕對(duì)值最大。呼吸運(yùn)動(dòng)隨機(jī)殘差中，上下方向殘差均大于左右和前后方向殘差，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.245，t=3.178；P=0.004，P=0.006)。得出治療分次間，上下方向的腫瘤運(yùn)動(dòng)變化最大。呼吸運(yùn)動(dòng)幅度極值分布中，上下方向運(yùn)動(dòng)幅度極值大于左右和前后方向運(yùn)動(dòng)幅度極值，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.895，t=3.887；P=0.001,P=0.001)。

表2 20例SBRT治療患者呼吸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)殘差和隨機(jī)殘差

2.3 利用擺位殘差和呼吸運(yùn)動(dòng)殘差得出的外放邊界值肺癌SBRT治療殘差外放邊界結(jié)果見表3。在4DCBCT校正后，腫瘤外放邊界值在3個(gè)方向明顯減小。利用擺位和呼吸運(yùn)動(dòng)殘差計(jì)算的肺癌SBRT治療外放邊界中，上下方向外放邊界值大于左右、前后兩個(gè)方向的外放邊界值，前后方向外放邊界值大于左右方向外放邊界值。

表3 20例肺中下葉腫瘤SBRT放療靶區(qū)外放邊界

3 討 論

肺部SBRT放射治療過程中，擺位和呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)于單次大劑量的準(zhǔn)確投照影響較大，這對(duì)于呼吸運(yùn)動(dòng)較大的中下葉肺癌SBRT治療尤為明顯。為了減小這些因素對(duì)于準(zhǔn)確治療的影響，4DCBCT在線校正患者擺位和呼吸運(yùn)動(dòng)誤差。但4DCBCT無法完全校正這些誤差，校正后存在殘余誤差。

在以往研究中，4DCT掃描確定腫瘤的呼吸運(yùn)動(dòng)邊界[11-12]，但4DCT在患者定位階段獲取，不能反映患者治療時(shí)腫瘤的呼吸運(yùn)動(dòng)偏差變化[13-14]。RABINOWITZ等[15]研究表明，在患者定位階段和治療階段，呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腫瘤偏差平均為5.1 mm，對(duì)于胸部腫瘤而言，呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腫瘤偏差偏移可達(dá)5.8 mm。YANG等[16]研究表明，4DCT只能采集有限個(gè)呼吸時(shí)相的信號(hào)，但患者呼吸在任何時(shí)刻可能發(fā)生變化，不能準(zhǔn)確反映患者治療時(shí)的腫瘤運(yùn)動(dòng)。本研究采用4DCBCT確定腫瘤放療ITV，可更準(zhǔn)確評(píng)估腫瘤的呼吸運(yùn)動(dòng)范圍。

本研究發(fā)現(xiàn)上下方向的殘余誤差最大，但ROSSI等[17]研究112例肺癌SBRT治療患者(上葉66例，中下葉46例)，采用VMAT治療技術(shù)，得出前后方向的殘余誤差最大。分析原因，可能是因?yàn)镽OSSI等研究中58.9%的患者為上葉腫瘤患者，前后方向呼吸運(yùn)動(dòng)較大，導(dǎo)致該方向的殘余誤差稍大于上下方向的殘余誤差。在得出的擺位和呼吸運(yùn)動(dòng)殘余誤差中，ITV外放0.6 cm可消除99%的患者放療的殘余誤差，ITV外放0.5 cm可消除95%的患者放療的殘余誤差。VLOET等[18]研究22例肺癌SBRT治療患者，采用4DCT確定ITV，CBCT校正擺位誤差后獲得殘余誤差，得出VMAT治療中ITV需外放0.5 cm可消除99%的患者放療的殘余誤差，0.3 cm可消除95%的患者放療的殘余誤差。該研究外放邊界稍小于本研究結(jié)果，分析原因，可能由于VLOET的研究未考慮治療分次間ITV的變化，而且該研究中患者包括上葉肺癌病例，呼吸運(yùn)動(dòng)較小，導(dǎo)致外放邊界較小。

本研究結(jié)果表明，4DCBCT掃描確定的ITV常規(guī)外放0.3 cm，這對(duì)于中下葉肺癌SBRT治療患者顯得較小。這也表明4DCBCT校正后的殘余誤差不可忽略，而且0.3 mm的外放邊界不足[19]。較小的ITV外放邊界可減少正常組織發(fā)生并發(fā)癥的概率，但存在少部分患者腫瘤有漏照的可能性[20]，因此選取合適的ITV外放邊界對(duì)于中下葉肺癌SBRT準(zhǔn)確治療尤其重要。而當(dāng)腫瘤臨近重要正常器官時(shí)，為了避免重要器官超量，在臨近重要器官的方向上，可采用0.3 cm的腫瘤外放邊界，但在4DCBCT掃描時(shí)，需要在手動(dòng)配準(zhǔn)時(shí)，減小該方向的殘差到0.3 cm之內(nèi)。

綜上所述，肺中下葉腫瘤患者SBRT治療中，4DCBCT校正后的放療靶區(qū)擺位殘差和呼吸運(yùn)動(dòng)殘差不可忽略。經(jīng)4DCBCT校正，放療靶區(qū)擺位誤差和呼吸運(yùn)動(dòng)誤差明顯減小，由4DCBCT確定治療位置的ITV需均勻外放0.6 cm，保證放療靶區(qū)的準(zhǔn)確投照的同時(shí)，減少正常組織受照的體積。因?yàn)槊總€(gè)單位機(jī)器質(zhì)量控制水平不一樣，技術(shù)員擺位的水平不一樣，所以每個(gè)單位得到的殘余誤差都各有差別，相應(yīng)的外放邊界也各不一樣[21]。本研究也為各個(gè)單位通過殘余誤差計(jì)算腫瘤外放邊界的大小提供一種參考方法。由于本研究樣本量偏小，今后可通過加大樣本研究、對(duì)患者進(jìn)行隨訪、追蹤臨床治療效果，進(jìn)一步完善研究。