4D-CT出现以前, 对随呼吸运动的胸腹肿瘤进行放疗计划设计时, 为确保靶区不会因运动而漏照射, 通常会扩大照射范围, 显然, 这种方式会增加正常组织的受照剂量和毒副作用。4D-CT由于包含了靶区的运动信息, 与放疗技术相结合, 可望减少受照范围, 提高靶区剂量, 并减少对正常组织的副作用, 因此, 利用4D-CT对胸腹肿瘤进行精确的放疗成为目前研究的热点之一。由于胸腹部4D-CT通常有1 000 ~ 2 000幅图像, 甚至更多, 这使靶区勾画成为4D放疗所面临的第一个难题。本文将探讨胸腹肿瘤靶区在不同相位4D-CT、平均密度投影和最大密度投影CT中的表现特征, 寻求快速准确勾画运动靶区范围的方法。

1 材料方法 1.1 设备材料

GE LightSpeed16排螺旋CT, 本研究组自行开发设计的4D-CT重建软件系统(ZHANGShuxu4D-CT), Nomos公司生产的Corvus V8.0放疗计划系统(TPS)及IBA公司生产的调强验证软件系统OmniProI' mRT。

1.2 CT扫描

研究中选择了3例具有代表性的病例:靶区边界清晰、大小适中、易于辨认, 患者一般状况良好, 能够配合完成试验, 其中2例为肺癌患者, 其肿瘤靶区分别位于肺尖、右肺中部, 另1例患者选择其左肾为“模拟”靶区。患者在自由呼吸状态下用GE LightSpeed16排螺旋CT机进行“电影”(Cine)扫描。扫描时CT机的kV值均设为120, 其它参数设置如表 1所示。CT像素矩阵为512 ×512, 每床位Cine扫描持续时间为患者的1个呼吸周期再加上1s(约4 ~ 6s)。同时, 每个患者还在屏气状态下进行一次普通螺旋断层扫描, 层厚为5mm, 患者基本信息见表 1。

Cine扫描后, 用本研究开发的4D-CT重建软件系统^{[1, 2]}对扫描所得CT图像进行4D-CT重建, 然后, 从4D-CT中挑选呼吸周期中的两个极限相位CT系列, 即呼气末相4D-CT和吸气末相4D-CT, 输入到TPS中进行分析研究。对Cine扫描数据进行平均密度投影(Average Intensity Projection, AIP), 生成AIP CT。再对Cine扫描数据进行最大密度投影(Maximum Intensity Projection, MIP)重建, 生成MIP CT。

1.3 AIP和MIP CT中靶区对比

对肺部肿瘤患者的AIP和MIP CT图像进行冠状面和矢状面重建。选择AIP和MIP CT中对应的横断面和矢状面进行对比分析。为了量化具有相同窗宽/窗位的AIP和MIP CT中靶区和正常器官的差异, 研究中利用OmniProI' mRT系统胶片剂量分析模块, 读入这两类图像, 以图像中的最大灰度值对像素进行归一, 然后, 对应图像直接相减就能直观、准确地分析二者的差异(图 1和图 2)。在相同窗宽和窗位条件下, 在Corvus V8.0放疗计划系统中采用自动靶区勾画具, 对上述AIP和MIP CT中右肺肿瘤靶区进行勾画, 体积值分别为31.16 cm³、37.69 cm³, MIP CT中靶体积与AIP CT中的靶体积之比为1.21(表 2)。

1.4 4D-CT与AIP

CT中靶区对比将患者两个极限相位4D-CT和AIP CT都输入到TPS中, 分别以两极限呼吸相位4D-CT作为基准图像, AIP CT作为融合图像进行图像配准。为了比较基准图像和融合图像中靶区形态、大小的差异, 首先用3D-TPS在基准图像中勾画出靶区的轮廓, 并对靶区轮廓填充颜色, 然后切换到融合图像, 此时图像底层显示融合图像, 而基准图像中所勾画过的靶区和其他组织、器官则以填充色的方式在原来的位置显示出来, 从而可以清楚地看到基准图像和融合图像中对应的靶区和组织的差异。结果发现, AIP CT中靶区大于两个极限相位4D-CT中的靶区, 其比值分别为1.30和1.07 (表 2)。

1.5 4D-CT与MIP

CT中靶区对比将患者两个极限呼吸相位4D-CT和MIP CT都输入到TPS中, 分别以两极限相位4D-CT作为基准图像, MIP CT系列作为融合图像进行图像融合配准。图像配准、靶区勾画及显示方法与AIP CT相同, 从而可以看到两个极限相位4D-CT与MIP CT中横断面上靶区形态和大小的差异, 结果发现, MIP CT中的靶区大于两个极限相位4D-CT中的靶区, 其比值分别为1.57和1.21(表 2)。

1.6 AIP和MIP CT体模实验

为了更进一步探讨靶区和正常组织在AIP和MIP CT中的表现特征, 研究中鸡蛋固定于塑料泡沫块中, 放到自制的模拟呼吸运动平台上, 在运动平台的带动下作往返周期运动, 周期设为3.5s, 运动幅度±1cm, 用GE LightSpeed16排螺旋CT机对运动体模进行Cine模式扫描, 每床位Cine扫描持续时间4秒。CT图像采用全周扫描重建, 每次重建8幅图像, 层厚为2.5mm, CT像素矩阵为512 ×512, CT扫描机架旋转周期0.5秒, 实验中进行了10次Cine扫描重建。扫描后, 用本研究开发的AIP/MIP CT软件系统, 直接生成AIP和MIP CT并进行矢状面和冠状面重建(图 3, 4, 5)。

2 结果

AIP和MIP CT之间的差异:AIP CT中的组织、器官形态更接近于普通CT, 而MIP CT包含更多的高密度影, 两者之间具有明显的差异, 主要表现在高密度的气管、主动脉、支气管和肿瘤靶区及其边缘。

3 讨论

4D-CT由于包含了肿瘤靶区的运动信息, 用4D-CT能准确地勾画不同时刻靶区的形态, 获得恰当的靶体积。4D-CT不仅在胸部肿瘤的精确放疗研究中得到了广泛应用, 而且在胃、肝和胰腺等部位肿瘤的放疗研究中也取得了良好效果, 由于靶区勾画精度更高, 可显著地减少正常组织的受照射剂量, 降低对正常组织的毒副作用^[3-5]。获得4D-CT后进行放疗的首要问题是靶区的勾画, RietzelE等^[6-7]利用4D-CT研究了胸部肿瘤靶区的勾画, 发现单纯以两个呼吸极限相位CT来确定的靶区不足以覆盖靶区的真实运动范围, 有可能造成靶区遗漏; 应由所有相位4D-CT靶区轮廓复合来得到靶体积。考虑到在所有各相4D-CT中勾画靶区十分费时费力, 为此, 需要寻求简便、快捷的确定运动靶区范围的方法。

正如前面研究中所示(图 3, 5), MIP CT保留了所有相位中同一空间位置的最大CT值, 当该组织器官能被增强显像时, MIP CT中所见的器官是其运动包络组成, 所以MIP CT可以较好地反映肿瘤个体化的运动范围, 依据MIP CT勾画的肿瘤靶区大多数情况下能较好地覆盖各不同时刻肿瘤的位置。用MIP CT来确定4D放疗计划设计中靶区范围, 既能避开在数以千计的4D-CT上勾画靶区的辛劳, 提高计划设计效率, 又能在多数情况下使运动靶区受到适当的照射。但是, 利用MIP CT快速确定靶区运动范围时特别要注意下列情况:当患者呼吸周期重复性较差、呼吸无规律时用MIP CT确定的靶区范围可能出现较大误差, 有研究表明, 其最大径向偏差可能超过1cm^[8-9], 同时, 当病灶紧邻等密度或高密度组织时, MIP CT确定的靶区也不够精确, 这时根据所有呼吸相位4D-CT来确定靶区会更准确^[5]。

利用AIP CT勾画靶区范围, 可以直接利用现有的3D-TPS中进行包含靶区运动信息的放疗计划设计。由于AIP CT中的靶区是所有各相4D-CT中靶区运动范围的综合体现, 在AIP CT上勾画的靶区能较好地覆盖各相4D-CT中的靶区, 以此为基础进行的放疗计划设计中包含了患者个体化的运动持征, 能实现个体化的精确放疗。用AIP CT进行放疗计划设计, 体现了患者个体化的运动持征, 既能使运动靶区受到较为合理的照射, 靶区剂量分布均匀^[10-11], 又不致于过分扩大照射范围。利用AIP CT还可以大大减轻靶区勾画的劳动强度, 若在所有相位的4D-CT(假设共10个相位)上进行靶区勾画, 其工作量将十倍于AIP CT上的勾画。因此, 采用AIP CT进行计划设计是充分利用4D-CT中靶区运动信息的一个切实可行的好方法, 只是在利用AIP CT勾画靶区时, 要特别注意窗宽、窗位的选择, 如图 4所示, 当窗宽、窗位的选择不恰当时, AIP CT靶区范围与实际范围相差甚远。