劉首鵬，廖雄飛，黎杰，王首龍，郎錦義

610054成都，電子科技大學 醫(yī)學院 (劉首鵬)；610041成都，四川省腫瘤醫(yī)院·研究所，四川省癌癥防治中心，電子科技大學醫(yī)學院 放療中心(廖雄飛、黎杰、王首龍、郎錦義)

常規(guī)CT掃描成像僅考慮空間因素，而忽略了時間影響。既不能提供運動靶區(qū)準確的位置信息，同時又容易導致較為嚴重的偽影[1]。因此基于常規(guī)CT掃描成像且受呼吸運動影響的靶區(qū)難以達到預期精準放療的目的。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,四維CT(four-dimensional computed tomography,4D-CT)成像技術(shù)逐漸得到廣泛應用[2-7]。4D-CT掃描采用螺旋掃描模式，對同一位置持續(xù)掃描至少一個完整呼吸周期，最后按照呼吸時相對采集的圖像進行分組、重建，從而得到一組完整呼吸周期下運動目標的完整CT圖像[8]。四維錐形束CT(four-dimensional cone beam computed tomognaphy，4D-CBCT)也稱為呼吸相關(guān)錐形束CT，其原理是在獲取投影數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)2D投影數(shù)據(jù)中的膈肌位置對數(shù)據(jù)進行相位拆分，分成8～10個時相，然后對拆分后的圖像分別進行重建，形成三維CBCT圖像。該技術(shù)不但可以消除呼吸運動引起的運動偽影，還可以在治療之前驗證運動中腫瘤的平均位置、軌跡和形狀變化等信息[9]。本研究目的在于對比4D-CT與4D-CBCT兩種成像技術(shù)針對運動目標的成像結(jié)果，為臨床運動靶區(qū)的勾畫以及門控治療技術(shù)提供一些建議。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及參數(shù)

CIRS公司的QUASAR模體(圖1A)是專門用來模擬肺部呼吸運動的模體，針對不同的呼吸模式配備不同的插件，本研究采用編號為500-3317的4D-CT插件，插件總長18 cm，直徑8 cm，內(nèi)嵌有邊長為3 cm的正方體(C3，靜止體積為27.00 cm3)，直徑為2 cm(S2，靜止體積為4.19 cm3)和1 cm(S1，靜止體積為0.52 cm3)的球體模擬不同大小肺部腫瘤，密度為1.41 g/cm3,。該模體配備有QUASAR Programmable Respiratory Motion V3.3.8軟件，可調(diào)節(jié)呼吸頻率和振幅，本研究中振幅設(shè)定為5 mm、10 mm、20 mm和30 mm四檔；頻率設(shè)定為10次/min、12次/min、15次/min和20次/min四檔。

4D-CT圖像采集在飛利浦大孔徑CT(Philips Brilliance Big Bores CT，美國)上進行，參數(shù)設(shè)置為：管電壓120 kV，管電流40 mA，掃描層厚3 mm，重建層厚3 mm,螺距根據(jù)呼吸頻率設(shè)定(pitch=呼吸頻率/120)，掃描范圍包括運動模塊上下界，利用腹部壓力傳感器記錄模體運動軌跡，記錄呼吸信號和呼氣末的時相。4D-CT根據(jù)掃描期間的呼吸信號周期等時間間隔劃分為10個時相，然后再重建出10個相位(0%～90%)的圖像，0%代表吸氣末時相，80%代表呼氣末時相，如圖1B波形圖所示。

4D-CBCT圖像采集運用醫(yī)科達InfinityTM加速器(Elekta linear accelerator,瑞典)機載X射線容積成像系統(tǒng)5.0容積影像成像系統(tǒng)進行采集。4D-CBCT掃描參數(shù)設(shè)定為：150 kV,40 mA,脈沖長度32 ms, S20準直器，F(xiàn)0濾線器，掃描角度360 °，機架轉(zhuǎn)速60°/min,掃描時間6 min,共采集1 980幀圖像，圖像重建分辨率選用專用中等分辨率(4D-Med-Res)算法，重建層厚3 mm。X射線容積成像系統(tǒng)自動重建10個時相圖像。

1.2 圖像和數(shù)據(jù)處理方法

將4D-CT與4D-CBCT掃描的圖像均傳至MIM(Version 6.9.4)系統(tǒng)，并對C3、S2和S1三個插件進行勾畫。在MIM軟件上，對4D-CT 和4D-CBCT 10個時相圖像中3個特定模塊進行自動閾值勾畫，4D-CT和4D-CBCT圖像自動勾畫閾值分別為220 HU，-330 HU[該閾值根據(jù)4D-CT或4D-CBCT掃描靜止模體圖像自動勾畫體積與靜止理論體積(Vs)一致時所得]平滑指數(shù)設(shè)置為5.0。自動勾畫后再進行手動修正。

使用公式ΔVi=(Vi-Vs)/Vs×100%計算各插件相對于靜止體積的變化率，式中Vi代表4D-CT和4D-CBCT圖像中勾畫的各時相各插件靶區(qū)體積；Vs代表靜止狀態(tài)下各插件靶區(qū)體積。插件S1、S2、C3靜止時體積(Vs)分別為0.52 cm3、4.19 cm3、27.00 cm3。

1.3 統(tǒng)計方法

運用SPSS 20.0軟件對4D-CT和4D-CBCT圖像中10個時相間各特定插件體積變化差異行Friedman秩和檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

圖1 QUASAR呼吸運動模體、組件及呼吸運動波形圖

2 結(jié) 果

2.1 16種呼吸模式下4D-CT與4D-CBCT掃描結(jié)果對比

16種呼吸模式下4D-CT與4D-CBCT掃描的到S1、S2和C3插件十個時相中絕對體積如圖2所示。經(jīng)統(tǒng)計學分析得知，16種呼吸模式下，4D-CT掃描結(jié)果S1、S2和C3三種插件十個時相體積變化率平均值分別為62.42%±47.64%、35.95%±32.02%和32.71%±20.31%，而4D-CBCT掃描結(jié)果分別為48.59%±26.76%、8.80%±11.43%和18.19%±9.05%。由表1和圖2中A、B、C圖可見，4D-CT掃描結(jié)果中S1、S2和C3三種插件在40%～70%時相體積變化較其它時相平穩(wěn)，且40%～70%時相體積變化率平均值分別降至37.02%±14.12%，17.29%±7.58%和23.43%±11.1%；圖2中D、E、F圖分別顯示S1、S2和C3三種插件4D-CBCT掃描結(jié)果，0%～90%十個時相三種插件體積變化差異有統(tǒng)計學意義(P均小于0.001)。4D-CT掃描結(jié)果中S1、S2和C3插件體積變化率范圍分別為1.15%～279.77%、5.05%～148.99%和10.90%～104.26%；而4D-CBCT掃描結(jié)果分別為3.05%～159.54%、1.52%～81.19%和1.78%～65.59%。

2.2 S1、S2與C3三種插件不同掃描模式下40%～70%時相體積變化統(tǒng)計學比較

16種呼吸模式下，4D-CT與4D-CBCT掃描得到S1、S2與C3三種插件40%～70%時相絕對體積變化如表2所示。統(tǒng)計學結(jié)果顯示，在兩種掃描模式下S1、S2和C3三種插件，在40%～70%四個時相間其絕對體積變化差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表1 4D-CT掃描10個時相S1、S2與C3插件體積變化率(平均值±標準差,%)

圖2 16種呼吸模式下4D-CT與4D-CBCT掃描QUASAR模體得到的S1、S2與C3插件在10個時相下的體積分布情況

表2 4D-CT與4D-CBCT掃描結(jié)果40%～70%時相S1、S2與C3插件絕對體積統(tǒng)計學對比(cm3)

3 討 論

呼吸運動一直都是影響肺部腫瘤放射治療精確性的主要因素，如何精確地定位靶區(qū)的形態(tài)、捕捉其運動軌跡是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10]。隨著科學技術(shù)的進步，多種呼吸運動管理技術(shù)包括快速CT掃描技術(shù)、深吸氣屏氣技術(shù)[11-12]、主動呼吸控制技術(shù)[13-15]、呼吸門控技術(shù)[16-17]、實時追蹤技術(shù)[18-21]以及慢速CT掃描技術(shù)[22]等均得到了不同程度的發(fā)展，然而上述多種技術(shù)均存在不同程度的弊端，不能在臨床上得到廣泛的推廣。四維CT掃描技術(shù)的出現(xiàn)能夠較好地解決呼吸運動問題[23-25]。4D-CT與4D-CBCT兩者在掃描成像原理基礎(chǔ)以及重建方法等多方面均存在差異，本研究針對這兩種掃描技術(shù)在運動模體的成像結(jié)果方面進行一些臨床研究。

本研究結(jié)果顯示，在16種呼吸模式下，4D-CT與4D-CBCT掃描得到的運動模體插件S1、S2和C3各時相絕對體積均有不同程度的增加。4D-CT掃描結(jié)果中S1、S2和C3插件體積變化率最大值分別為279.77%、148.99%和104.26%；而4D-CBCT掃描結(jié)果分別為159.54%、81.19%和65.59%。兩種掃描方式得到結(jié)果差異較大，可能是由于獲取圖像方式差異造成[8-9]，4D-CT是扇形束掃描模式,根據(jù)外部呼吸運動信號等時間間隔對數(shù)據(jù)進行相位拆分，再重建各個時相圖像；而4D-CBCT是容積掃描模式，根據(jù)2D投影數(shù)據(jù)中的膈肌位置對數(shù)據(jù)進行相位拆分，分成8～10個時相，然后對拆分后的圖像分別進行重建，形成三維CBCT圖像。由圖2可見，16種掃描模式下4D-CT掃描結(jié)果中40%～70%時相體積變化明顯降低，同時表2中結(jié)果顯示，此四個時相之間的體積變化差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，故建議將此段時相獲取的圖像作為運動靶區(qū)的勾畫時相或作為門控技術(shù)治療時相，此時運動靶區(qū)體積與真實體積最為接近，減少了正常組織不必要的勾畫，危及器官(organs at risk,OAR)輻照劑量更低；與4D-CT相比，4D-CBCT掃描得到的結(jié)果無明顯規(guī)律可尋，S1、S2和C3三種插件40%～70%時相體積變化差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05),此段時相獲取的圖像可回傳至計劃系統(tǒng)進行靶區(qū)勾畫或者作為治療前CBCT配準時的參考圖像。

本研究結(jié)果顯示1 cm的靶區(qū)體積變化率明顯大于直徑2 cm和邊長3 cm的靶區(qū)?？赡苁侵睆? cm的小球部分容積效應更明顯，掃描層厚為3 mm對其有較大影響[26]。而邊長3 cm的正方體體積變化率大于直徑2 cm的小球，可能由靶區(qū)形狀的區(qū)別導致，球體兩端橫截面積較小，容易在快速螺旋CT掃描時漏掉。本研究的不足之處是QUASAR運動模體只能模擬Y軸(頭腳)方向運動，不能模擬三維方向的運動及旋轉(zhuǎn)，此外未考慮不規(guī)律呼吸運動。

總之，呼吸運動會影響4D-CT和4D-CBCT的成像結(jié)果，針對運動模體，4D-CT和4D-CBCT掃描的圖像結(jié)果體積均偏大，4D-CT中40%～70%的呼吸時相體積與真實體積更接近，建議在腫瘤體積勾畫與呼吸門控治療時使用40%～70%時相。

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