劉苓苓，費(fèi)振樂，崔相利，李潔，牛振洋，王宏志

1. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 健康與醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所（醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），安徽 合肥 230031；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 研究生院科學(xué)島分院，安徽 合肥 230026；3. 中國(guó)科學(xué)院合肥腫瘤醫(yī)院 放療中心，安徽 合肥 230031；4. 中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第901醫(yī)院 腫瘤診療中心，安徽 合肥 230031

引言

在精準(zhǔn)放療過程中，制定放療計(jì)劃的CT圖像是計(jì)算機(jī)斷層掃描的序列且均為靜止圖像，實(shí)際掃描CT圖像過程中患者的自由呼吸則會(huì)導(dǎo)致CT圖像中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，改變解剖結(jié)構(gòu)的大小、形狀和密度[1]，已被證明會(huì)對(duì)放療產(chǎn)生不利影響[2]，所以常規(guī)CT掃描成像中受呼吸運(yùn)動(dòng)影響，靶區(qū)難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期精準(zhǔn)放療的目的[3]。

患者的呼吸會(huì)引起胸腹部器官處于不斷運(yùn)動(dòng)中，胸腹部腫瘤更容易受呼吸運(yùn)動(dòng)影響[4-5]，尤其影響適合做立體定向體部放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）的肺和肝臟小體積腫瘤。SBRT是一種少分次大劑量高生物等效劑量腫瘤治療方法[6-7]，劑量傳輸嚴(yán)格適形腫瘤靶區(qū)且劑量梯度大[8-9]，運(yùn)動(dòng)因素是保證劑量傳輸準(zhǔn)確性的重要因素。運(yùn)動(dòng)可能會(huì)影響腫瘤質(zhì)量中心的位置、體積大小，并且不同運(yùn)動(dòng)幅度、掃描層厚對(duì)不同體積的腫瘤影響不盡相同。所以小體積腫瘤保證高精準(zhǔn)放療的第一步是探索運(yùn)動(dòng)對(duì)CT影像的影響。

本文從影像學(xué)角度研究運(yùn)動(dòng)對(duì)不同體積的小體積腫瘤的靶區(qū)體積影響，采用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和9個(gè)不同體積的球體分別模擬呼吸運(yùn)動(dòng)和不同體積的腫瘤。通過分析9個(gè)球體不同條件下掃描的CT圖像，探索運(yùn)動(dòng)方式、呼吸幅度和掃描層厚對(duì)不同體積腫瘤的影響，為臨床小體積腫瘤CT掃描提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）模擬腫瘤的球體。選用CT 掃描無偽影的3D打印常用材料——立體光刻（Stereo Lithography Appearance ，SLA）光敏樹脂3D打印制成9個(gè)直徑10～50 mm的小球，從大到小依次為B1～B9，B1球直徑最大，B9球直徑最小。

（2）設(shè)備。① 荷蘭飛利浦16排Brilliance CT Big Bore螺旋CT模擬定位機(jī)：具有85 cm超大孔徑，專用于放療模擬定位，能夠滿足各種特殊體位放療需求；② 加拿大Modus QA QUASAR程控呼吸運(yùn)動(dòng)儀：可模擬某一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，最大運(yùn)動(dòng)幅度為20 mm，最大載重20 kg，自帶程序可編輯所需呼吸頻率和呼吸幅度并控制呼吸平臺(tái)按呼吸波形運(yùn)動(dòng)；③ 瑞典醫(yī)科達(dá)公司Monaco5.11.03計(jì)劃系統(tǒng)：支持靶區(qū)勾畫和三維適形計(jì)劃、調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃等計(jì)劃設(shè)計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。擺正呼吸運(yùn)動(dòng)儀，使其標(biāo)記線與CT激光燈重合，使呼吸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向與CT進(jìn)床方向平行。然后將模擬腫瘤的球體按一定的間隔固定在呼吸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上（圖1）。

圖1 呼吸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)擺放

（2）軟件設(shè)置。在呼吸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的軟件——QUASAR Programmable Respiratory Motion里編輯需要的呼吸幅度和呼吸頻率正弦曲線。呼吸頻率均選擇每分鐘20個(gè)呼吸周期，呼吸幅度分別設(shè)置為0、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10和15 mm。

（3）CT掃描。掃描電壓是120 kV，電流是30 mA，螺距是0.938。每個(gè)呼吸幅度分別掃描2、3和5 mm三種層厚的CT圖像。

（4） 勾畫。橫斷面勾畫，再在冠狀面和矢狀面修改補(bǔ)漏。逐個(gè)勾畫不同呼吸幅度、不同層厚、不同體積的球體。

2 結(jié)果

2.1 球體的實(shí)測(cè)體積與理論體積偏差

由于制作工藝的差異，球體的實(shí)際體積與理論體積存在差異。用游標(biāo)卡尺沿不同直徑方向測(cè)量直徑，每個(gè)球測(cè)量3次，取平均值，計(jì)算出球的體積。根據(jù)計(jì)算，得出不同體積球的實(shí)際體積和理論體積相對(duì)誤差小于3.67%。

2.2 CT掃描床移動(dòng)導(dǎo)致的球體體積變化

為分析呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)腫瘤體積的影響，需去除掃描床的移動(dòng)對(duì)圖像的影響。為此，采集一組球體的靜態(tài)圖像。靜態(tài)圖像的掃描條件是：呼吸運(yùn)動(dòng)儀是power off狀態(tài)，呼吸運(yùn)動(dòng)儀和球體相對(duì)掃描床是靜止?fàn)顟B(tài)。球體體積只受掃描床移動(dòng)的影響（圖2）。

圖2 球體受掃描床移動(dòng)影響的體積變化

掃描床的移動(dòng)使所有球體掃描體積均有不同程度的增加。球體體積越小，體積受床運(yùn)動(dòng)影響越大；層厚越厚，球體體積受影響越大。掃描床的移動(dòng)對(duì)球體體積的影響在8.43%～120%，體積越小、掃描層厚越厚，影響越大。

2.3 運(yùn)動(dòng)對(duì)球體體積的影響結(jié)果

患者腫瘤體積大小往往是通過影像學(xué)信息獲取的，所獲取的體積已經(jīng)包含了運(yùn)動(dòng)對(duì)其造成的影響，影響包括掃描過程中掃描床的移動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)兩個(gè)因素。結(jié)果分為兩部分闡述：① 兩個(gè)因素同時(shí)作用的影響結(jié)果；② 呼吸運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果。

2.3.1 掃描床移動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)共同作用

本部分以球體實(shí)際體積作為參考，分析兩種因素的作用結(jié)果。圖3是按照球體從大到小的順序排列的每個(gè)球體受運(yùn)動(dòng)影響的體積變化趨勢(shì)，a～h依次表示B1～B8球，橫縱坐標(biāo)一致；i是B9球，由于體積與其他球體差異較大，縱坐標(biāo)與其他圖不一致。

圖3 每個(gè)球體受掃描床和呼吸運(yùn)動(dòng)影響的體積偏差趨勢(shì)

根據(jù)圖3中球體體積變化趨勢(shì)可知，球體體積整體偏差較大且偏差隨呼吸幅度的增大和球體體積變小而增大。B1球體積偏差-23.5%～44.5%，B2球體積偏差-20.9%～77.1%，B3球體積偏差-11.4%～130%，B4球體積偏差-7%～139%，B5球體積偏差-7.47%～79.2%，B6球體積偏差1.17%～96.1%，B7球體積偏差9.68%～125%，B8球體積偏差20.9%～127%。小體積球體B9受運(yùn)動(dòng)幅度和掃描層厚影響最大，2 mm層厚時(shí)體積變化幅度為38.5%～141%，3 mm層厚時(shí)體積變化幅度為68.3%～356%，5 mm層厚時(shí)體積幅度為79.0%～505%。

層厚變化對(duì)球體體積的影響沒有固定的規(guī)律，2、3 mm層厚球體體積變化趨勢(shì)相近，更接近球體實(shí)際體積；5 mm層厚相比其他掃描層厚球體體積變化較大。體積越小的球體，這種趨勢(shì)越明顯。

2.3.2 呼吸運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果

在分析球體受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響大小時(shí)，以球體靜止?fàn)顟B(tài)下掃描的體積作為參考。圖4是按照球體從大到小的順序排列的每個(gè)球體受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響趨勢(shì)，a～i依次表示B1～B9球。根據(jù)圖4中球體體積變化趨勢(shì)，各掃描層厚按照呼吸幅度從小到大，將體積變化曲線分為變化較小、中等、較大區(qū)域，分析結(jié)果如表1所示。直徑20～50 mm的球體在呼吸幅度2 mm內(nèi)體積偏差為-10%～10%，在呼吸幅度2～5 mm內(nèi)體積偏差為-20%～20%，呼吸幅度大于5 mm體積偏差為-29.9%～113%。直徑≤15 mm的球體受呼吸運(yùn)動(dòng)幅度影響最大，體積偏差為-26.9%～175%。從表1數(shù)據(jù)可知，直徑大于20 mm的小體積腫瘤在2 mm呼吸幅度時(shí)體積偏差開始變大，需要從2 mm呼吸幅度開始做呼吸運(yùn)動(dòng)管理，但是一般人體呼吸幅度都會(huì)超出2 mm，所以小體積腫瘤建議全部做呼吸運(yùn)動(dòng)管理。

表1 球體體積受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響分析

圖4 呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)球體體積的影響趨勢(shì)

2.4 運(yùn)動(dòng)造成的球體形變

球體受運(yùn)動(dòng)影響時(shí)會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生較大形變，變?yōu)閳A柱形或橢圓形。呼吸幅度越大、掃描層越厚，形變?cè)絿?yán)重。圖5是呼吸幅度150 mm、掃描層厚5 mm時(shí)勾畫出的球體輪廓，可以看到球體形變嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)造成的偽影面積大。橫斷面上的運(yùn)動(dòng)偽影呈現(xiàn)螺旋的銀河系星圖。

圖5 球體受運(yùn)動(dòng)影響發(fā)生的形變

綜上，小體積腫瘤的實(shí)測(cè)體積對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度、掃描層厚依賴性大。運(yùn)動(dòng)會(huì)使小球體積增加或減少。本研究給出了體積受腫瘤大小、呼吸幅度、掃描層厚三個(gè)因素影響的范圍。小體積腫瘤體積越小，越應(yīng)該在較小呼吸幅度就采取呼吸管理并采用薄層掃描，減少運(yùn)動(dòng)對(duì)CT圖像的偽影影響。

3 討論

掃描床移動(dòng)和掃描區(qū)域的運(yùn)動(dòng)相互影響，導(dǎo)致采集CT圖像上有大量的運(yùn)動(dòng)偽影。這些偽影導(dǎo)致靶區(qū)精確勾畫困難或靶區(qū)變形，可能會(huì)造成原本的球形靶區(qū)經(jīng)CT掃描后變?yōu)闄E球形或半球形的靶區(qū)，甚至若干個(gè)離散的形狀不規(guī)則的靶區(qū)[10]。本文中小球受運(yùn)動(dòng)影響發(fā)生了橢圓形或圓柱形形變，符合上述描述。靶區(qū)的形變會(huì)繼發(fā)性導(dǎo)致計(jì)劃系統(tǒng)劑量計(jì)算產(chǎn)生嚴(yán)重差異，患者實(shí)際受照位置、劑量與制定計(jì)劃的位置、劑量存在差別[11]。而臨床上實(shí)施調(diào)強(qiáng)放療的關(guān)鍵是保證射野輸出劑量的準(zhǔn)確性，呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了腫瘤精確位置的不確定，可能會(huì)因漏照而造成腫瘤的復(fù)發(fā)，腫瘤部位周邊的正常組織被動(dòng)接受大劑量的射線照射而增加毒副反應(yīng)發(fā)生率和危害程度，從而影響放療的質(zhì)量和精確性[12-13]。

本文研究得出呼吸運(yùn)動(dòng)造成小體積球體相對(duì)偏差范圍為-30%～180%，大體積球體相對(duì)偏差范圍大部分在-30%～110%，與張書旭等[14]的研究結(jié)果趨勢(shì)一致，存在的差異的原因是本文選擇的小體積球體體積較小，使偏差范圍大，導(dǎo)致了數(shù)值上限變大。與前人研究中相近體積小球受呼吸運(yùn)動(dòng)影響結(jié)果相比[15-16]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體一致，存在的差異與實(shí)驗(yàn)方法、模體大小有關(guān)。將上述研究中與本文類似直徑的球體體積變化比較，驗(yàn)證了本文數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

本文選擇直徑小于5 cm球體共9個(gè)，3個(gè)掃描層厚（2、3和5 mm）、0～15 mm[17]共15個(gè)呼吸幅度，通過采集的圖像分析球體體積變化趨勢(shì)，主要通過圖像信息分析掃描床移動(dòng)對(duì)小球體積的影響、掃描床移動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)聯(lián)合對(duì)球體體積的影響和呼吸運(yùn)動(dòng)因素對(duì)球體體積的影響。僅掃描床運(yùn)動(dòng)造成的小球體積偏差為8%～120%。掃描床和呼吸運(yùn)動(dòng)使直徑10 mm球形腫瘤體積最大增加5倍；直徑15～50 mm腫瘤，呼吸幅度小于1.5 mm時(shí)體積偏差為1.05%～45.6%，呼吸幅度2～3.5 mm時(shí)體積偏差為-6.41%～72.4%，呼吸幅度4～15 mm時(shí)體積偏差為-23.5%～139%。掃描床移動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)因素聯(lián)合導(dǎo)致小體積腫瘤體積變化較大，由于設(shè)備硬件條件所限螺旋CT的掃描過程中掃描床的移動(dòng)是無法控制的，只能從控制呼吸運(yùn)動(dòng)因素方面考慮做運(yùn)動(dòng)控制。呼吸運(yùn)動(dòng)因素使直徑≤15 mm的腫瘤體積偏差為-26.9%～175%；直徑20～50 mm的球體在呼吸幅度2 mm內(nèi)體積偏差-10%～10%，在呼吸幅度2～5 mm內(nèi)體積偏差-20%～20%，呼吸幅度大于5 mm時(shí)體積偏差-29.9%～113%。由數(shù)據(jù)可知，直徑20～50 mm的球體在2 mm呼吸幅度使腫瘤體積偏差變大。對(duì)于小體積腫瘤在檢測(cè)到呼吸幅度達(dá)到2 mm時(shí)就應(yīng)該考慮做呼吸運(yùn)動(dòng)管理，但人體呼吸幅度一般都超出2 mm，所以建議直徑小于5 cm的小體積腫瘤均應(yīng)在CT掃描階段做呼吸運(yùn)動(dòng)管理，盡可能降低呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)腫瘤體積的影響。以往的研究從劑量測(cè)量角度得出，呼吸幅度大于8 mm時(shí)，呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)劑量的影響不符合臨床要求[18]。本文從影像學(xué)角度得出，小體積腫瘤應(yīng)全部考慮做呼吸運(yùn)動(dòng)管理。

本文選擇了受運(yùn)動(dòng)影響較大的小體積腫瘤為研究對(duì)象，為了更細(xì)致地觀測(cè)腫瘤受運(yùn)動(dòng)的影響，選擇的球體大小、掃描層厚和呼吸幅度參數(shù)都比較多，所得結(jié)果可給臨床醫(yī)生進(jìn)行小體積腫瘤掃描提供更多的參考參數(shù)。下一步工作將考慮小球體積的變化規(guī)律是否可以驗(yàn)證四維CT勾畫靶區(qū)的準(zhǔn)確性和對(duì)劑量帶來的影響。