4D 锥形束CT 在肺癌立体定向放疗中的应用研究

刘利彬，胡彩容，郑步宏，刘银凤，傅万凯

福建医科大学肿瘤临床医学院，福建省肿瘤医院 （福州福建 350014）

肺癌是目前致死率最高的常见肿瘤，其中非小细胞肺癌（Non-small cell ungcancer，NSCLC）死亡占5%[1]。据统计，约有16%的NSCLC 患者被诊断为早期阶段，特征为原发灶小且无淋巴结转移（T1～2，N0期）[2]。早期NSCLC 临床上多通过肺叶切除术、系统性肺门和纵隔淋巴结清扫术治疗，然而，有大量患者因合并症与年龄因素无法进行手术。随着医疗技术进步，立体定向放射治疗（stereotactic body radiation therapy，SBRT）发展为一种安全、有效和高效的治疗方式，已是无法手术NSCLC 患者的首选治疗方案[3]。多项研究表明对于I 期非小细胞肺癌和肺转移灶，SBRT 相对于手术治疗具有无创、高效、便利、安全等优点[4]。但因肺癌SBRT 的治疗次数少，单次剂量大，对放射治疗位置准确性要求更高。肺部呼吸引起肿瘤与正常器官的运动，尤其是靠近横膈和胸壁的组织，呼吸运动幅度更大，很大程度上影响放疗的精确性。图像引导是提高治疗精度的重要手段。目前主流图像引导方式为三维锥形束CT（3D cone beam CT，3D-CBCT），其相对于电子射野影像系统具有高分辨力、三维成像等优点，但是3D-CBCT 只能静态成像，无法观察到肿瘤的运动范围，限制了其在肺癌SBRT 中的应用。为了解决呼吸运动引起的放疗误差，本院开展了四维锥形束CT（4D cone beam CT，4D-CBCT）图像影像引导下的非小细胞肺癌SBRT 技术。4D-CBCT图像在3D-CBCT 基础上增加了呼吸运动功能，可充分展示肿瘤及正常器官的运动情况，减少肺部肿瘤因运动引起的位置不确定性，从而提放射治疗的精确度[5-7]。本研究旨在比较3D-CBCT 与4D-CBCT在图像配准中的有效性，以及在非小细胞肺癌SBRT 中的应用价值，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集本院自2020 年9 月至2021 年4 月共17 例非小细胞肺癌SBRT 患者，其中男10 例，女7 例；年龄51～83 岁，中位年龄60 岁；肿瘤位置在肺中上叶12 例，肺下叶5 例；根据美国肿瘤放射治疗协会（Radiation Therapy OncologyGroup，RTOG）定义，中央型肿瘤被认为是距离近端支气管树小于2 cm 或靠近重要结构（如大血管或脊髓）的肿瘤[8]，本研究中中央型肺癌4 例，周围型肺癌13 例。纳入标准：意识清醒，能配合单次长时间放疗。排除标准：合并其他严重并发症；依从性差者；患有精神类疾病者。

1.2 方法

1.2.1 患者固定及定位靶区

患者体位为仰卧位，双手抱头，固定方式均为医科达公司的Bodyfix 系统，即底部为加长型负压真空垫Bluebag，体表覆盖塑料盖膜，盖膜下放置真空抽气管，待患者确认体位后抽取真空，使盖膜完全贴合在体表。固定完成后，患者在大孔径CT模拟机（Philips Brilliance CT Big Bore）进行4D-CT扫描，将扫描完成后图像传输至物理组计划系统进行预计划设计，确定出靶区范围和治疗中心；大体肿瘤靶区（gross tumor volume，GTV）为CT 扫描后肺窗肿瘤组织可见范围以及纵膈窗软组织可见侵犯范围；肿瘤内靶区（internal target volume，ITV）定义为GTV 在10 个呼吸时相的运动范围；预计划完成后，将定位图像传输至加速器XVI 系统。医师设定4D-CBCT 条件为：配准方式为双配准，匹配范围（Clipbox）为PTV 外扩至包括临近的椎体以及胸骨，灰度匹配；掩膜（Mask）设定为ITV 外扩5 mm，匹配方式为4D 灰度匹配，然后患者移至Elekta Axcess IGRT 加速器室，根据计划系统确定的治疗中心，先在加速器治疗床上进行复位，完成后进行4D-CBCT 扫描，扫描完成后，按照Clipbox 的数值校正误差而不是Mask 误差值，此目的为消除体位因素影响，使4D-CBCT 定位图像与CT 模拟机图像完全重复。将扫描后4D-CBCT 图像传输至治疗计划系统，与CT模拟机定位图像融合，根据融合结果，再进行二次精确靶区勾画和计划设计，靶区勾画由一名主治医师、一名副主任物理师和一名副主任医师共同完成，最终结果由副主任医师确定，设计完成后最终计划再传输至医科达加速器XVI 系统。

1.2.2 图像获取及治疗

在Elekta Axcess加速器上，患者每次治疗都进行3D-CBCT和4D-CBCT扫描，扫描条件为：S20准直器，F0滤线器，电压120 kV，电流475 mAs；扫描完成后首先进行3D灰度匹配，得出左右（left-right，LR）、头脚（superior-inferior，SI）、前后（anteriorposterior，AP）三个方向的线性误差值，数据定义为3D-CBCT误差值；然后进行4D-CBCT扫描，获取的图像进行双配准模式匹配，得出LR、SI、AP三个方向共10个呼吸时相线性误差值，取平均值进行校正，此组数据定义为4D-CBCT，扫描完成后按照Mask的误差值的平均值进行校正加速器治疗床。

1.3 观察指标

分析3D-CBCT 和4D-CBCT 两组患者在LR、SI、AP 方向误差值，比较两组之间的差异；同时计算出3D 运动范围[5]，3D motion 表示每个病人最大肿瘤运动直径的百分比，分析中上肺叶与下肺以及周围型与中央型的运动误差。

1.4 统计学处理

采用SPSS 26.0 软件进行统计学分析。3D-CBCT与4D-CBCT 之间误差值使用配对t检验，中央型和周围型肺癌、上肺和中下肺以及运动幅度之间的比较使用独立样本t检验，P<0.05差异为有统计学意义。

2 结果

2.1 3D-CBCT 与4D-CBCT 的扫描误差对比

17 例患者共行69 次CBCT 扫描，其中3D-CBCT与4D-CBCT 的对比结果如表1 所示。两种匹配方式LR、SI、AP 方向的差异均无统计学意义（P>0.05）。

表1 3D-CBCT 与4D-CBCT 扫描结果对比（±s）

表1 3D-CBCT 与4D-CBCT 扫描结果对比（±s）

注：LR 为患者的左右方向，SI 为患者的头脚方向，AP 为患者的前后方向

扫描方法 LR（cm） SI（cm） AP（cm）3D-CBCT -0.40±2.9 1.9±4.6 -0.4±3.35 4D-CBCT -0.07±2.8 1.3±4.3 -0.6±3.12 t-1.91 1.75 0.97 P 0.06 0.08 0.33

2.2 中上肺与下肺的误差对比

在SI-3D 和SI-4D 方向，下叶患者大于中上叶患者，差异有统计学意义（P<0.05）。3D motion 对比，下叶患者大于中上叶患者，差异有统计学意义（P<0.05），见表2。

表2 中上肺与下肺的肿瘤扫描误差对比（±s）

表2 中上肺与下肺的肿瘤扫描误差对比（±s）

注：LR 为患者的左右方向，SI 为患者的头脚方向，AP 为患者的前后方向

位置 3D-CBCT LR（cm） SI（cm） AP（cm）中上叶 -0.37±2.88 0.25±4.13 -0.09±3.04下叶 -0.44±3.12 4.81±3.95 -0.96±3.85 t 0.09 -4.48 1.04 P 0.93 0.00 0.30位置 4D-CBCT 3D motion LR（cm） SI（cm） AP（cm）中上叶 -0.05±2.42 0.12±4.06 -0.46±2.97 3.51±1.79下叶 -0.13±3.45 3.52±3.95 -1.05±3.41 7.49±3.59 t 0.12 -3.37 0.76 -6.1 P 0.90 0.001 0.45 0.00

2.3 周围型与中央型肿瘤扫描误差对比

3D-CBCT 与4D-CBCT 扫描结果中，在SI-3D和SI-4D 方向，周围型肿瘤扫描误差大于中央型，差异有统计学意义（P<0.05）。在LR-3D 方向，周围型患者大于中央型患者，3D-CBCT 方式两组差异有统计学意义（P<0.05）。3D motion 对比，中央型与周围型差异有统计学意义（P<0.05）见表3。

表3 周围型与中央型肿瘤扫描误差对比（±s）

表3 周围型与中央型肿瘤扫描误差对比（±s）

注：LR 为患者的左右方向，SI 为患者的头脚方向，AP 为患者的前后方向

3D-CBCT LR SI AP中央型 0.04±3.05 0.31±4.01 -0.63±3.98周围型 -1.23±2.61 3.54±4.66 -0.18±2.59 t 2.39 -3.01 -0.55 P 0.02 0.03 0.58肿瘤类型肿瘤类型4D-CBCT 3D motion LR SI AP中央型 0.41±3.04 -0.01±3.92 -0.59±3.70 0.38±0.25周围型 -0.58±2.51 2.76±4.31 -0.75±2.46 0.54±0.32 t 1.48 -2.80 0.21 2.36 P 0.14 0.007 0.83 0.02

3 讨论

提高剂量传输的准确性和可靠性是放疗过程中最重要的问题。而在胸腹部肿瘤尤其是肺癌SBRT中，呼吸运动诱发的肿瘤运动和正常器官运动给精确治疗带来了巨大的挑战[9]。精确的ITV 是放疗实施的关键，最初SBRT 多采用统一的、群体化的边界来考虑ITV 运动[10]，但实际情况中每个患者的呼吸特点不同，群体化ITV 边界可能会错误预估个体患者ITV 的范围。肺部的呼吸运动规律因人而异，很难准确的预测，常规3D CT 扫描后的图像不能真实反映肿瘤的GTV 以及ITV 情况[11]。近年来发展出多种方法以解决呼吸运动问题，如呼吸门控技术、动态肿瘤追踪技术和4D CT 配合4D-CBCT 技术，其中4D-CBCT 技术应用最广泛。患者在定位扫描时采用4D CT 技术，同时采集患者的CT 信息和呼吸运动信号，并确定出肿瘤和正常器官随呼吸的运动路径，从而便于临床医师确定ITV。目前认为4D CT 是评估肺癌肿瘤运动和器官运动的可靠工具，但每次放疗实施时均行4D CT 扫描较困难[12]。呼吸运动会引起周围的相邻器官做周期性的运动，从而引起图像的特异性降低，4D-CBCT 可以把图像按照呼吸时相分成多组图像（通常10 个时相），可降低呼吸运动伪影并生成各个呼吸时相的3D 图像，进而与计划图像相匹配，得出10 个时相的误差值，肿瘤位置的验证及各个时相误差值的纠正可有效改善剂量传输的准确性[13]。由于4D-CBCT 能够减少呼吸运动而引起的肿瘤位置的不确定性，使得肿瘤的边缘模糊降低，适用于肺癌等受呼吸运动影响大的部位的图像引导[14]。所以在每次放疗正式实施时，配合4D-CBCT 图像引导技术来确保患者的精确体位。

Bissonnette 等[15]研究发现肺癌SBRT 分次间的肿瘤运动范围不大，Cusumano 等[16]的研究也指出胸腹部肿瘤ITV 在前后和头脚方向的运动幅度分布为（2.0±1.0）mm 和（5.0±3.0）mm，但研究是基于3D-CBCT 技术，4D-CBCT 技术还未普及。SUN 等[17]报道尤其是位于肺下叶的肿瘤和靠近胸壁和膈肌的肿瘤通常会因呼吸运动而产生较大的误差和剂量学差异。本研究患者均需实施SBRT，肺部肿瘤的特点是体积小、贴近胸壁或膈肌的肿瘤运动范围大，因此在治疗时迫切需要能提高治疗精确性的图像引导技术，进而达到最佳的治疗效果。

本研究中，4D-CBCT 与3D-CBCT 总体扫描结果在三个方向均无差异，原因可能为中上肺的患者占多数，而中上肺患者的运动幅度相对较小，对整体误差均数的影响不大。但按照肿瘤位置单独分析，可发现肿瘤位于中上肺与下肺以及肿瘤位于中央和外周的扫描误差相比差异有统计学意义。中上肺与下肺在SI 方向的扫描误差相比差异有统计学意义，与既往文献报道结果一致[18-19]，主要原因为下肺肿瘤靠近膈肌，受到膈肌牵拉从而引起较大幅度的运动。这也提醒了在尚未配置4D-CBCT 技术的单位，如要开展SBRT，必须采取呼吸控制来减少下肺的运动。本研究的结果证实中心性肿瘤左右方向和头脚方向的误差无论是3D-CBCT 还是4D-CBCT 均小于周围性肿瘤，与文献报道的结果相似[20-21]。但是周围性肿瘤的位置不能忽视，如单纯采用3D-CBCT来作为SBRT 位置验证手段的话，无法保证在治疗实施时的位置与定位时的位置完成重合，易遗漏靶区。

同时，4D-CBCT 也有不足之处。4D-CBCT 最大的问题是扫描时间较长，且患者SBRT 单次治疗时间长，患者依从性较低，这方面可通过优化放疗流程，提前训练患者等方法解决。另外，因4D-CBCT和3D-CBCT 的图像获取都是在患者放疗实施前进行的，但在放疗实施过程中患者肿瘤位置的运动可能与采集图像时不同，目前无法做到放疗实施过程中实时追踪肿瘤位置。

4 结论

综上所述，4D-CBCT 与3D-CBCT 两种图像引导方式都可应用于肺部肿瘤放疗的位置验证，但是存在靶区运动的情况下，4D-CBCT 能够在不借助额外的呼吸监控装置和人工干预呼吸装置的情况下准确观察到肿瘤组织的运动轨迹，应用于自由呼吸状态下的肺部肿瘤放疗更可靠。