呼吸运动对肺癌三维适形放疗肿瘤靶区影响的研究

冯献斌，曾自力

0 引言

肺癌是世界范围内最为常见的恶性肿瘤之一，手术、放射治疗和化疗是其主要的治疗手段。其中放疗是肺癌治疗中较为有效、安全、重要的手段之一[1]。实现精确放疗的前提是精确的靶区确认，但精确的靶区确认是困难的，因为呼吸运动、心脏和血管搏动会引起肺肿瘤在放疗过程中的运动和形变。呼吸运动引起的临床靶体积位置变化是影响胸腔内肿瘤治疗准确性的主要因素[2]。近年来，虽然放疗技术有了很大提高，但随呼吸运动的病灶的适形放疗还不能令人满意，于是便出现了一些对呼吸进行补偿的措施，这些措施覆盖了肺癌放疗从靶区确定到治疗评估的各个环节。如在照射过程中，有门控技术、呼吸控制技术、实时追踪技术、强迫浅呼吸技术等。每种技术还存在很多具体实施方法。但其需要专门的设备、复杂的操作和不菲的费用才能实现。目前，国内相当一部分医疗单位无法满足这些条件，同时大部分肺癌患者无力承担这些技术的高昂费用。因此，应根据现有条件尽量控制呼吸运动的影响，从而减少放射治疗所带来的副作用。本文利用治疗计划系统（treat mentplanning system，TPS）的图像融合技术，分析研究呼吸运动对肺癌三维适形放疗（three dimensional conformal radiotherapy，3DCRT）肿瘤靶区（gross targetvolume，GTV）几何中心位移和体积的影响，为GTV的勾画提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取病理证实的原发性非小细胞肺癌患者，在主管医生的指导下，行呼吸屏气训练。在平静呼吸状态下，吸气时屏住气，保持9 s左右；呼气时屏住气，保持9 s左右。入选的27例患者，年龄42～78岁，中位年龄58岁，病灶分别位于左右肺的上、中、下各部位，各部位分别有9、7、11例。

1.2 患者的体位固定及CT定位扫描

采用曾自力、刘兵等[3]用真空垫让患者仰卧固定体位的方法，用激光灯校正体位，使患者体中轴与床长轴一致，用气泵抽真空垫使其真空，固定患者体位。

采用16排螺旋CT，行CT增强扫描，扫描参数：管电压140 kV，管电流110mA，扫描层厚3.75mm，螺距1.75mm，X线球管旋转一圈进床35mm，扫描时间可控制在6～7 s内，扫描范围自上界胸廓至下界膈肌全部。保持平静呼吸状态，行第一次CT扫描，相同条件下行呼气末屏气扫描和吸气末屏气扫描，呼气末屏气扫描和吸气末屏气扫描之间的时间间隔为120 s，以利于患者恢复平静呼吸节律。

1.3 患者靶区的确定

将CT扫描信息通过网络传入美国瓦里安公司Eclipse DX治疗计划系统，由患者主管医生勾画靶区，根据国际辐射单位和计量委员会（ICRU），ICRU 50—1993和 ICRU 62—1999号报告，GTV是可证实的实体瘤范围和恶性赘生物的范围。它由初始瘤（GTV-初）和可能的转移淋巴结（GTV-结）或其他转移灶（GTV-M）组成。GTV几乎总是对应于那些瘤细胞密度最高的恶性赘生物，因此，为达到根治的目的，必须用足够的剂量完全覆盖GTV。对于肺癌，GTV就是原发肿瘤和有临床意义的阳性区域淋巴结[4]。本文只勾画肺内GTV，不考虑纵隔病灶。肺内病变在肺窗中勾画，肺窗窗宽为1 600 HU，窗位为-600HU[1]。在TPS中勾画第一次CT扫描图像，得到GTV；将呼气末屏气扫描和吸气末屏气扫描图像进行融合，得到融合图像，勾画得到融合图像的肿瘤靶区（gross target volume fusion，GTVf）；勾画吸气末屏气扫描图像，得到诊断图像的肿瘤靶区GTVz。

1.4 GTVf分别与GTV、GTVz的比较

设患者身体左右方向为X，前后方向为Y，头脚方向为Z。利用TPS得到GTVf的中心坐标（X0，Y0，Z0），GTV的中心坐标（X1，Y1，Z1），GTVz的中心坐标（X2，Y2，Z2）；得到 GTVf的体积 VGTVf、GTV的体积VGTV、GTVz的体积VGTVz。将GTVf的中心坐标分别与GTV、GTVz的中心坐标进行比较；将VGTVf分别与VGTV、VGTVz的体积进行比较；将VGTV与VGTVz的体积进行比较。

1.5 统计方法

采用SPSS13.0统计软件包进行统计学分析，计量资料以x±s表示，应用配对t检验比较各项指标，以P﹤0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 GTVf与GTV、GTVz中心坐标的比较

2.1.1 GTVf与GTV中心坐标的比较

肿瘤靶区的几何中心在患者身体左右方向X位移幅度的平均值为（0.34±0.21）cm，范围在0.00～0.70cm之间；前后方向Y位移幅度的平均值为（0.21±0.27）cm，范围在0.00～0.50 cm之间；头脚方向Z位移幅度的平均值为（0.84±0.42）cm，范围在0.30～1.50 cm之间。

2.1.2 GTVf与GTVz中心坐标的比较

肿瘤靶区的几何中心在患者身体左右方向X位移幅度的平均值为（0.36±0.24）cm，范围在0.00～0.80 cm之间；前后方向Y位移幅度的平均值为（0.28±0.31）cm，范围在0.10～0.60 cm之间；头脚方向Z位移幅度的平均值为（0.91±0.43）cm，范围在0.30～1.70 cm之间。

2.2 V GTVf、V GTV、V GTVz 相互比较

2.2.1 VGTVf与VGTV的比较

融合图像肿瘤靶区体积与平静呼吸状态下肿瘤靶区体积相比，9例病灶位于肺的上部位，融合图像肿瘤靶区体积平均增加37.29%；7例病灶位于肺的中部位，融合图像肿瘤靶区体积平均增加21.44%；11例病灶位于肺的下部位，融合图像肿瘤靶区体积平均增加44.82%。它们的差异都有统计学意义，见表1。

表1 V GTVf与V GTV的比较

2.2.2 VGTVf与 VGTVz的比较

融合图像肿瘤靶区体积VGTVf与诊断图像肿瘤靶区体积VGTVz相比，9例病灶位于肺的上部位，融合图像肿瘤靶区体积平均增加42.33%；7例病灶位于肺的中部位，融合图像肿瘤靶区体积平均增加25.39%；11例病灶位于肺的下部位，融合图像肿瘤靶区体积平均增加50.97%。它们的差异都有统计学意义，见表2。

表2 V GTVf与V GTVz的比较

2.2.3 VGTV与VGTVz的比较

平静呼吸状态下，肿瘤靶区体积VGTV与诊断图像肿瘤靶区体积VGTVz相比，9例病灶位于肺的上部位，肿瘤靶区体积平均增加4.09%；7例病灶位于肺的中部位，肿瘤靶区体积平均增加4.28%；11例病灶位于肺的下部位，肿瘤靶区体积平均增加4.24%。它们的差异都有统计学意义，见表3。

表3 V GTV与V GTVz的比较

3 讨论

随着影像技术、计算机技术、立体定位及验证等一系列技术及方法的发展和结合，放射治疗可实施对靶区的准确打击及对正常组织的有效保护，实现放疗方案最优化，将高剂量集中于靶区，使放疗损伤风险降到最低。从而，为患者提供了更合理、安全、有效的治疗策略，使患者获得更好的疗效和更高的生活质量。

为了使放疗靶区标准化，ICRU50—1993和ICRU 62—1999号报告推荐了专门的靶区勾画方法，但勾画起来并非易事。诊断性CT图像是在患者呼吸暂停（吸口气，屏住气）情况下的吸气末屏气扫描图像，在TPS中勾画得到诊断性CT图像的GTVz；而放疗计划设计时，采用的CT扫描图像是患者在平静呼吸状态下进行的，在TPS中勾画得到治疗计划的GTV。对于肺癌，诊断性CT图像的GTVz，只采集了呼吸周期中某一时刻的信息，但这些信息不能准确代表患者接受放射治疗时相关器官在呼吸周期中的状态。目前，常假设平静呼吸状态下CT扫描所得图像能代表肿瘤的平均位置，根据经验数据，将临床靶区（clinical target volume，CTV）外放，这可能造成过多正常组织受照或部分靶区漏照[5]，有研究认为，约10%～15%的靶区处于低剂量区[6]。由于时间、空间融合因素导致CT单层扫描上生成模糊影像，同时，由于呼吸运动和CT扫描的不同步，使结果不能真实反映肿瘤影像。因此，呼吸运动会影响影像资料的可靠性，在诊断性CT图像和平静呼吸状态下的CT扫描图像上勾画的GTVz和GTV是不精确的。从结果可以看出，呼吸运动会引起肺部病灶产生位移，而且这些位移在X、Y、Z 3个方向上均有改变，这与Bradley JD，Perez CA，DehdashtiF的结果相同[7]。同时，VGTV与VGTVz差异较大，P＜0.05，差异有统计学意义。3DCRT的每次治疗不能在一个呼吸周期内完成，因此，不可避免地受到呼吸运动的影响[8]。

肿瘤治疗失败的主要原因是病变的局部未控或复发。造成靶区移动进而影响精确放射治疗的主要原因是呼吸运动。如何确定肿瘤靶区随呼吸变化产生的移动范围，准确勾画肿瘤靶区，在减少正常组织受照射的同时又不让肿瘤靶区漏照，是急需解决的问题。现在已有确定肿瘤位移的方法应用于临床，如图像引导放射治疗（image guided radiation therapy，IGRT）、自适应放射治疗（adaptive radiotherapy，ART）等，它们使因呼吸而漏照的肺癌肿瘤靶区得到了较好的减少，对并发症的控制也获得了满意的效果。但其价格昂贵，国内相当一部分医疗单位无法购买这些设备。为了确定肿瘤的位移和体积的变化，根据现有的条件，在TPS中将平静呼吸状态下，呼气末屏气扫描和吸气末屏气扫描图像进行融合，得到融合图像，勾画得到融合图像GTVf可能较合理、客观地反映患者在3DCRT中的实际情况。国外有学者尝试采集患者平静呼气末和吸气末图像，进行靶区图像融合来确定个体化内部肿瘤靶区（internal target volume，ITV）边界[10]。但有学者[10-11]认为，肿瘤体积小且运动幅度较大时，吸气末和呼气末二时相图像之间位置分开较明显，其中间呼吸状态的信息可能会不够全面。以吸气末屏气扫描、呼气末屏气扫描和呼气中段三时相扫描图像进行融合可能更合理。

3DCRT的特点是靶区的高度适形和靶区边缘剂量锐减，所以对靶区的精确确定有更高的要求。目前，3DCRT治疗靶区勾画主要依赖于CT图像，但单纯根据CT图像确定靶区至少存在4个问题：最佳的CT扫描条件、原发灶侵入软组织的程度、肺不张或肺实变与原发灶紧密相连时肿瘤边界的确定、纵隔转移淋巴结的确定[12]。文献回顾分析发现，临床医生勾画GTV的变异性是导致肺癌治疗计划不确定性的主要原因。为了提高靶区勾画的一致性，我们选择了最佳的胸部扫描条件；GTV的大小与CT层面的窗宽、窗位密切相关，因此，标准的窗宽、窗位参数应该在勾画靶区时特别强调。通过总结分析，我们认为，肺内病变在肺窗中勾画，肺窗窗宽1 600，窗位-600时CT显示的病变大小与实际大小最为接近。同时，对放疗医生进行了正规的放射医学培训，他们有条理的靶区勾画，加上影像优化技术和丰富的经验，确保了肿瘤靶区的精确勾画。刘利、郁志龙[13]研究认为，PET/CT用于肺癌定位可进一步明确临床分期，准确定位定性肿瘤病灶，确定淋巴结性质，区分肿瘤与肺不张，鉴别治疗后有无肿瘤残存等，对放疗靶区勾画有帮助，有助于靶区的精确化[14]。

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