基于4D-CT和4D-CBCT扫描研究呼吸运动对模体成像体积的影响*

刘首鹏，廖雄飞，黎杰，王首龙，郎锦义

610054成都，电子科技大学 医学院 (刘首鹏)；610041成都，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心，电子科技大学医学院 放疗中心(廖雄飞、黎杰、王首龙、郎锦义)

常规CT扫描成像仅考虑空间因素，而忽略了时间影响。既不能提供运动靶区准确的位置信息，同时又容易导致较为严重的伪影[1]。因此基于常规CT扫描成像且受呼吸运动影响的靶区难以达到预期精准放疗的目的。

随着科学技术的发展,四维CT(four-dimensional computed tomography,4D-CT)成像技术逐渐得到广泛应用[2-7]。4D-CT扫描采用螺旋扫描模式，对同一位置持续扫描至少一个完整呼吸周期，最后按照呼吸时相对采集的图像进行分组、重建，从而得到一组完整呼吸周期下运动目标的完整CT图像[8]。四维锥形束CT(four-dimensional cone beam computed tomognaphy，4D-CBCT)也称为呼吸相关锥形束CT，其原理是在获取投影数据后，首先根据2D投影数据中的膈肌位置对数据进行相位拆分，分成8～10个时相，然后对拆分后的图像分别进行重建，形成三维CBCT图像。该技术不但可以消除呼吸运动引起的运动伪影，还可以在治疗之前验证运动中肿瘤的平均位置、轨迹和形状变化等信息[9]。本研究目的在于对比4D-CT与4D-CBCT两种成像技术针对运动目标的成像结果，为临床运动靶区的勾画以及门控治疗技术提供一些建议。

1 材料与方法

1.1 设备及参数

CIRS公司的QUASAR模体(图1A)是专门用来模拟肺部呼吸运动的模体，针对不同的呼吸模式配备不同的插件，本研究采用编号为500-3317的4D-CT插件，插件总长18 cm，直径8 cm，内嵌有边长为3 cm的正方体(C3，静止体积为27.00 cm3)，直径为2 cm(S2，静止体积为4.19 cm3)和1 cm(S1，静止体积为0.52 cm3)的球体模拟不同大小肺部肿瘤，密度为1.41 g/cm3,。该模体配备有QUASAR Programmable Respiratory Motion V3.3.8软件，可调节呼吸频率和振幅，本研究中振幅设定为5 mm、10 mm、20 mm和30 mm四档；频率设定为10次/min、12次/min、15次/min和20次/min四档。

4D-CT图像采集在飞利浦大孔径CT(Philips Brilliance Big Bores CT，美国)上进行，参数设置为：管电压120 kV，管电流40 mA，扫描层厚3 mm，重建层厚3 mm,螺距根据呼吸频率设定(pitch=呼吸频率/120)，扫描范围包括运动模块上下界，利用腹部压力传感器记录模体运动轨迹，记录呼吸信号和呼气末的时相。4D-CT根据扫描期间的呼吸信号周期等时间间隔划分为10个时相，然后再重建出10个相位(0%～90%)的图像，0%代表吸气末时相，80%代表呼气末时相，如图1B波形图所示。

4D-CBCT图像采集运用医科达InfinityTM加速器(Elekta linear accelerator,瑞典)机载X射线容积成像系统5.0容积影像成像系统进行采集。4D-CBCT扫描参数设定为：150 kV,40 mA,脉冲长度32 ms, S20准直器，F0滤线器，扫描角度360 °，机架转速60°/min,扫描时间6 min,共采集1 980帧图像，图像重建分辨率选用专用中等分辨率(4D-Med-Res)算法，重建层厚3 mm。X射线容积成像系统自动重建10个时相图像。

1.2 图像和数据处理方法

将4D-CT与4D-CBCT扫描的图像均传至MIM(Version 6.9.4)系统，并对C3、S2和S1三个插件进行勾画。在MIM软件上，对4D-CT 和4D-CBCT 10个时相图像中3个特定模块进行自动阈值勾画，4D-CT和4D-CBCT图像自动勾画阈值分别为220 HU，-330 HU[该阈值根据4D-CT或4D-CBCT扫描静止模体图像自动勾画体积与静止理论体积(Vs)一致时所得]平滑指数设置为5.0。自动勾画后再进行手动修正。

使用公式ΔVi=(Vi-Vs)/Vs×100%计算各插件相对于静止体积的变化率，式中Vi代表4D-CT和4D-CBCT图像中勾画的各时相各插件靶区体积；Vs代表静止状态下各插件靶区体积。插件S1、S2、C3静止时体积(Vs)分别为0.52 cm3、4.19 cm3、27.00 cm3。

1.3 统计方法

运用SPSS 20.0软件对4D-CT和4D-CBCT图像中10个时相间各特定插件体积变化差异行Friedman秩和检验，P<0.05为差异有统计学意义。

图1 QUASAR呼吸运动模体、组件及呼吸运动波形图

2 结 果

2.1 16种呼吸模式下4D-CT与4D-CBCT扫描结果对比

16种呼吸模式下4D-CT与4D-CBCT扫描的到S1、S2和C3插件十个时相中绝对体积如图2所示。经统计学分析得知，16种呼吸模式下，4D-CT扫描结果S1、S2和C3三种插件十个时相体积变化率平均值分别为62.42%±47.64%、35.95%±32.02%和32.71%±20.31%，而4D-CBCT扫描结果分别为48.59%±26.76%、8.80%±11.43%和18.19%±9.05%。由表1和图2中A、B、C图可见，4D-CT扫描结果中S1、S2和C3三种插件在40%～70%时相体积变化较其它时相平稳，且40%～70%时相体积变化率平均值分别降至37.02%±14.12%，17.29%±7.58%和23.43%±11.1%；图2中D、E、F图分别显示S1、S2和C3三种插件4D-CBCT扫描结果，0%～90%十个时相三种插件体积变化差异有统计学意义(P均小于0.001)。4D-CT扫描结果中S1、S2和C3插件体积变化率范围分别为1.15%～279.77%、5.05%～148.99%和10.90%～104.26%；而4D-CBCT扫描结果分别为3.05%～159.54%、1.52%～81.19%和1.78%～65.59%。

2.2 S1、S2与C3三种插件不同扫描模式下40%～70%时相体积变化统计学比较

16种呼吸模式下，4D-CT与4D-CBCT扫描得到S1、S2与C3三种插件40%～70%时相绝对体积变化如表2所示。统计学结果显示，在两种扫描模式下S1、S2和C3三种插件，在40%～70%四个时相间其绝对体积变化差异均无统计学意义(P>0.05)。

表1 4D-CT扫描10个时相S1、S2与C3插件体积变化率(平均值±标准差,%)

图2 16种呼吸模式下4D-CT与4D-CBCT扫描QUASAR模体得到的S1、S2与C3插件在10个时相下的体积分布情况

表2 4D-CT与4D-CBCT扫描结果40%～70%时相S1、S2与C3插件绝对体积统计学对比(cm3)

3 讨 论

呼吸运动一直都是影响肺部肿瘤放射治疗精确性的主要因素，如何精确地定位靶区的形态、捕捉其运动轨迹是其中的关键环节[10]。随着科学技术的进步，多种呼吸运动管理技术包括快速CT扫描技术、深吸气屏气技术[11-12]、主动呼吸控制技术[13-15]、呼吸门控技术[16-17]、实时追踪技术[18-21]以及慢速CT扫描技术[22]等均得到了不同程度的发展，然而上述多种技术均存在不同程度的弊端，不能在临床上得到广泛的推广。四维CT扫描技术的出现能够较好地解决呼吸运动问题[23-25]。4D-CT与4D-CBCT两者在扫描成像原理基础以及重建方法等多方面均存在差异，本研究针对这两种扫描技术在运动模体的成像结果方面进行一些临床研究。

本研究结果显示，在16种呼吸模式下，4D-CT与4D-CBCT扫描得到的运动模体插件S1、S2和C3各时相绝对体积均有不同程度的增加。4D-CT扫描结果中S1、S2和C3插件体积变化率最大值分别为279.77%、148.99%和104.26%；而4D-CBCT扫描结果分别为159.54%、81.19%和65.59%。两种扫描方式得到结果差异较大，可能是由于获取图像方式差异造成[8-9]，4D-CT是扇形束扫描模式,根据外部呼吸运动信号等时间间隔对数据进行相位拆分，再重建各个时相图像；而4D-CBCT是容积扫描模式，根据2D投影数据中的膈肌位置对数据进行相位拆分，分成8～10个时相，然后对拆分后的图像分别进行重建，形成三维CBCT图像。由图2可见，16种扫描模式下4D-CT扫描结果中40%～70%时相体积变化明显降低，同时表2中结果显示，此四个时相之间的体积变化差异无统计学意义(P>0.05)，故建议将此段时相获取的图像作为运动靶区的勾画时相或作为门控技术治疗时相，此时运动靶区体积与真实体积最为接近，减少了正常组织不必要的勾画，危及器官(organs at risk,OAR)辐照剂量更低；与4D-CT相比，4D-CBCT扫描得到的结果无明显规律可寻，S1、S2和C3三种插件40%～70%时相体积变化差异无统计学意义(P>0.05),此段时相获取的图像可回传至计划系统进行靶区勾画或者作为治疗前CBCT配准时的参考图像。

本研究结果显示1 cm的靶区体积变化率明显大于直径2 cm和边长3 cm的靶区。可能是直径1 cm的小球部分容积效应更明显，扫描层厚为3 mm对其有较大影响[26]。而边长3 cm的正方体体积变化率大于直径2 cm的小球，可能由靶区形状的区别导致，球体两端横截面积较小，容易在快速螺旋CT扫描时漏掉。本研究的不足之处是QUASAR运动模体只能模拟Y轴(头脚)方向运动，不能模拟三维方向的运动及旋转，此外未考虑不规律呼吸运动。

总之，呼吸运动会影响4D-CT和4D-CBCT的成像结果，针对运动模体，4D-CT和4D-CBCT扫描的图像结果体积均偏大，4D-CT中40%～70%的呼吸时相体积与真实体积更接近，建议在肿瘤体积勾画与呼吸门控治疗时使用40%～70%时相。

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