3DCT联合4DCBCT在中下叶肺癌SABR放疗靶区外放边界中的应用研究

李毅，吴文婧，张月美，张甲狄，张晓智

1.西安交通大学第一附属医院肿瘤放疗科，陕西西安710061；2.西安市疾病预防控制中心放射卫生科，陕西西安710054

前言

肺癌立体定向放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT）中，在1～5 次内给予肿瘤大剂量照射，称为立体定向消融放射治疗（Stereotactic Ablative Radiotherapy,SABR）。由于SABR 中治疗次数少，剂量较大，每次治疗的准确性非常重要。但肺部肿瘤因患者摆位误差或呼吸运动导致运动范围较大，为了评估这些因素对于肿瘤放射治疗准确性的影响，2010年国际辐射单位及测量委员会（ICRU）颁布的第62号报告中指出，在肿瘤放射治疗中，临床靶区体积（CTV）外放一定边界形成计划靶区体积（PTV）再进行剂量投照。PTV 外放边界包括摆位边界和内边界，其中摆位边界为患者在治疗中位置与定位中位置的差异，内边界为CTV 位置和形状的变化。三维CT 常用于评估靶区摆位边界，四维CT（4DCT）常用于评估靶区内边界［1-3］。尽管如此，Shah等［4］研究报道肺癌肿瘤运动模式变化多样，每个呼吸运动周期中或每天的运动幅度和频率会不一样。4DCT 只能评估肿瘤定位时的运动范围，无法评估肿瘤治疗过程中的运动范围。肺癌治疗过程中，肿瘤的大小和运动可能超出4DCT 评估的结果，而且因不规律的呼吸运动导致图像伪影加大，4DCT 难以准确评估肿瘤的运动范围和大小，内边界计算不准确。近年来，四维锥形束CT（4DCBCT）发展迅速，采用慢速锥形束扫描，减小了呼吸运动对图像质量的影响，且可在治疗过程中评估靶区摆位边界和内边界。Snoke 等［5］研究报道4DCBCT 在评估肿瘤摆位偏差的同时，可评估肿瘤治疗过程中运动范围。Purdie等［6］研究报道与4DCT 相比，治疗前4DCBCT 获得的肿瘤运动位置与4DCT获得的结果相差10 mm 左右，4DCBCT 可更准确地评估肿瘤运动位置。本研究基于3DCT 和4DCBCT 评估中下叶肺癌在放疗分次间靶区的摆位边界和内边界，确定PTV外放边界大小。

1 对象与方法

1.1 研究对象

回顾性分析2018年10月～2020年7月间西安交通大学第一附属医院肿瘤放疗科接受4DCBCT 扫描的中下叶肺癌患者19 例，中位年龄63（46～80）岁，其中男12例，女7例。

1.2 3DCT定位和治疗计划设计

在患者自由呼吸状态下，采用仰卧体位，双手上举，抱肘交叉，热塑体模固定。CT 模拟定位机（Big bore,Philips Medical Systems,Cleveland）行3DCT 定位后，图像传输至医科达Monaco 治疗计划系统。医生勾画临床肿瘤靶区（CTV），根据经验上下外放1 cm，其余方向各外放0.5 cm，形成计划靶区体积（PTV）后，物理师制作放射治疗计划。本研究中所有患者处方剂量采用48 Gy/4 次或50 Gy/5 次。因SABR 治疗单次剂量大，治疗时间长，为了减少SABR 治疗时间，所有患者计划采用6FFF高剂量率能量，双部分弧VMAT 治疗技术，至少99%的CTV 接受处方剂量，至少95%的PTV接受处方剂量。

1.3 治疗前4DCBCT扫描

将患者置于加速器治疗床，采用与3DCT 定位相同的体位和固定装置，在患者自由呼吸状态下行4DCBCT 扫描，扫描条件为：120 kV，400 mAs，S20，扫描角度为-180°～20°，在该角度范围内收集图像975帧，在线中分辨率重建图像，重建层间距、层厚均为0.3 cm。将重建得到4DCBCT 的10 个时相图像与3DCT 定位图像进行Clipbox 和Mask 双配准，如图1所示。Clipbox 的配准框包括病灶和患侧的骨性结构，Mask 配准框包括肿瘤PTV 外扩0.5 cm，其中Clipbox 选择骨组织平移配准，获得患者摆位误差；Mask 选择4D 灰度平移配准，获得呼吸运动误差，配准容差值为0.2 cm。Clipbox 和Mask 配准结果得出后，医生可手动滑动Clipbox 和Mask 的比例条，如图1d所示，以高剂量区域对准靶区的原则计算移动床值。根据最终双配准结果进行移床后治疗。

1.4 误差分析与外放边界计算

Clipbox 配准评估肿瘤摆位误差，Mask 配准评估肿瘤呼吸运动误差，利用ICRU 83#报告［7］中列举了外放边界计算公式，确定左右、上下、前后3个方向的PTV外放边界大小。根据Stroom等［8］和van Herk等［9］的研究公式，每位病人的摆位或呼吸运动系统误差是分次摆位误差的平均值，随机误差是分次摆位误差的标准差。

1.5 统计学处理

应用SPSS19 软件对数据进行分析，左右、前后、上下3 个方向上误差比较采用Mann-Whitney U 秩和检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 摆位系统误差和随机误差结果

经统计分析，摆位系统误差和随机误差的结果见表1。由表1可见，摆位系统误差中，上下方向误差均大于左右和前后方向误差（r=0.538,-0.412；P＜0.05）。上下方向摆位系统误差和随机误差最大，得出肺癌放射治疗中，上下方向摆位的幅度和变化较大。

2.2 呼吸运动系统误差和随机误差结果

经统计分析，呼吸运动系统误差和随机误差结果见表2。由表2 可见，呼吸运动系统误差和随机误差中，上下方向最大值和最小值绝对值最大。呼吸运动随机误差中，上下方向误差均大于左右和前后方向的误差（r=-0.466,0.588；P＜0.05），得出治疗分次间，上下方向的肿瘤运动变化最大。呼吸运动幅度极值分布中，上下方向运动幅度大于左右方向运动幅度（r=0.526,-0.498；P＜0.05）。

图1 4DCBCT图像（绿色）与3DCT图像（粉红色）配准结果Fig.1 Registration results between 4DCBCT image(green)and 3DCT image(purple)

表1 中下叶肺癌SABR治疗患者摆位系统误差和随机误差（cm）Tab.1 Systematic and random setup errors in stereotactic ablative radiotherapy(SABR)for lung cancer in middle or lower lobe(cm)

表2 中下叶肺癌SABR治疗患者呼吸运动系统误差和随机误差（cm）Tab.2 Systematic and random errors caused by respiratory motion in SABR for lung cancer in middle or lower lobe(cm)

2.3 PTV外放边界值

PTV 外放边界结果见表3。由表3 可见，利用摆位误差计算肺癌SABR治疗外放边界中，上下方向外放边界值最大，左右方向外放边界值大于前后方向外放边界值。利用摆位和呼吸运动误差共同计算的中下叶肺癌SABR治疗外放边界中，上下方向外放边界值最大，左右方向外放边界值大于前后方向外放边界值。利用van Herk 等的公式2.5∑+0.7σ计算出的外放边界值最大。

表3 中下叶肺癌SABR放疗靶区外放边界（cm）Tab.3 PTV margin in SABR for lung cancer in middle or lower lobe(cm)

3 讨论

肿瘤放射治疗过程中，摆位和呼吸运动对肿瘤位置的变化和不确定性不可避免，因此CTV 外放一定边界，可减小这些因素对肿瘤放疗准确性的影响，这对于单次剂量较大的肺癌SABR 治疗显得尤为重要。在研究肿瘤呼吸运动时，CTV 的误差作为评价的指标，但GTV 到CTV 的亚临床病灶在图像中无法确定。因此本研究采用GTV 的误差评估肿瘤的运动。在以往研究中，4DCT 评估肿瘤的呼吸运动误差，CBCT 评估肿瘤的摆位误差。但4DCT 在患者定位阶段获取，不能反映患者治疗时肿瘤的呼吸运动误差变化。Rabinowitz等［10］研究结果表明，在患者定位阶段和治疗阶段，肿瘤误差平均为5.1 mm，对于胸部肿瘤而言，肿瘤误差偏移可达5.8 mm。Yang 等［11］研究表明4DCT 只能采集有限个呼吸时相的信号，但患者呼吸在任何时刻可能发生变化，不能反映患者治疗时的肿瘤运动。本研究采用4DCBCT 同时评估肿瘤摆位和呼吸运动的误差。

Guckenberger 等［12］和Worm 等［13］研究表明治疗分次内肿瘤摆位误差在2 mm 左右，变化较小。因此本研究未考虑治疗分次内摆位误差对于外放边界的影响。本单位既往研究20 例中下叶肿瘤SBRT 治疗中，采用热塑体模固定，利用治疗前CBCT 扫描得出摆位误差在左右、上下、前后3 个方向上分别为（0.03±0.24）、（0.02±0.43）、（0.02±0.26）cm［14］，与本研究结果基本一致。Wang等［15］研究36例肺癌SBRT治疗中，采用真空垫固定体位，治疗前CBCT 扫描得出摆位外放边界3 个方向在0.9～1.0 cm 范围内，与本研究结果基本一致。张玮婷等［16］利用4DCBCT 研究15例肺癌SBRT 治疗患者中，采用真空垫固定体位，得出在左右、上下、前后3 个方向上的摆位误差外放边界分别为0.74、0.89、0.72 cm，与本研究结果基本一致。Ueda 等［17］研究28 例肺癌SBRT 治疗中，采用医科达BodyFIX真空固定装置，治疗前CBCT扫描得出肿瘤外放边界最大在上下方向为0.52 cm，小于本研究结果。分析原因，可能因为固定装置对于肺癌SBRT 治疗患者的摆位误差影响较大，较好的固定装置使得患者移动较小，得出较小的摆位误差外放边界。

Li 等［18］研究结果表明肺癌分次内肿瘤的呼吸运动与分次治疗前的肿瘤呼吸运动变化较小。因此本研究未考虑治疗分次内肿瘤呼吸运动误差对于外放边界的影响。Haga 等［19］研究10 例肺癌SBRT 治疗中，采用BodyFrame 装置固定体位，利用治疗前4DCBCT 扫描得出肿瘤呼吸运动系统误差的平均值小于1 mm，在左右、上下、前后方向上的标准差分别为1.3、2.1、1.6 mm，小于本研究结果。分析原因：可能因为立体定向固定装置BodyFrame 使得患者呼吸运动幅度变化减小，测量的标准差小于本研究结果。Steiner 等［20］研究8 例肺癌SBRT 治疗中，采用瓦里安电磁粒子植入和4DCBCT相结合的治疗引导方式，采用BodyFIX真空固定装置，得出患者呼吸运动幅度最大值在上下方向可达3.14 cm，与本研究结果类似，但得出患者呼吸运动在左右、上下、前后方向上的值分别为（0.37±0.25）、（1.00±0.85）、（0.51±0.42）cm，小于本研究结果。分析原因：可能因为Steiner 等的研究中一半患者为上叶肺癌患者，呼吸幅度较小，而且使用的立体定向固定装置BodyFix 减小患者的呼吸运动幅度，运动误差结果较小。

肿瘤外放边界的大小也与肿瘤的位置有关。李金凯等［21］研究24 例肺癌患者（肺上叶组15 例，肺中下叶组9 例）治疗中，采用热塑体膜固定，利用4DCBCT获得肿瘤外放边界，得出肺中下叶组肿瘤受呼吸运动影响较大，在上下方向上的外放边界是肺上叶组的2倍，且肺中下叶组肿瘤在左右、上下、前后3个方向上的外放边界分别为0.505 2、1.351 1、0.505 3 cm，外放边界小于本研究结果。分析原因可能是该研究中9例肺中下叶患者为常规分次放射治疗模式，单次剂量小，治疗时间短，只采集前3次4DCBCT图像，摆位误差和呼吸运动误差较小，导致得出较小的外放边界。本单位既往研究中下叶肺癌患者SBRT 治疗中，采用热塑体膜固定，利用4DCT 和3DCBCT 分别评估患者呼吸运动误差和摆位误差，使用van Herk公式计算得到左右、上下、前后3 个方向上的外放边界分别为0.88、2.68、0.98 cm［14］，与本研究结果类似。以上研究结果表明，中下叶肺癌患者外放边界大于肺上叶肿瘤PTV外放边界。

综上所述，中下叶肺癌患者SABR 治疗中，4DCBCT可评估患者的摆位和呼吸运动误差，得到肿瘤PTV 外放边界大小。肺癌SABR 治疗患者肿瘤PTV 外放边界既与体位固定装置相关，也与肿瘤的位置相关。为了得到本科室中下叶肺癌患者SABR治疗的PTV 外放边界，本研究利用4DCBCT 评估患者的摆位误差和呼吸运动误差，得到肿瘤PTV 的边界大小，为肺癌患者SABR治疗提供参考数据。由于设备限制，本研究未采用4DCT 确定内靶区ITV，根据以往研究结果外放PTV 边界，结果稍小于本研究结果，表明中下叶肺癌SABR放射治疗中需采用个体化评估摆位边界和呼吸运动边界。