谷振芳 李建彬 徐保彬 崔巍 王丽芳 陈长建

基于3DCT与CBCT勾画的胸中下段食管癌内在大体肿瘤靶区的比较

谷振芳 李建彬 徐保彬 崔巍 王丽芳 陈长建

目的 比较基于三维CT(3DCT)和锥形束CT(CBCT)图像定义的胸中下段食管癌内在大体肿瘤靶区即内靶区的体积(IGTV)及匹配度。方.15例胸中下段食管癌患者, 首先完成胸部3DCT扫描,基于3DCT制定放疗计划, 在3DCT上勾画得到GTV3D, 依据山东省肿瘤医院通过四维CT(4DCT)图像测得的胸中下段食管癌靶区运动范围95%可信区间上限外扩得到IGTV, 胸中下段食管癌GTV头脚、前后、左右方向分别外扩6.0、3.0、3.0 mm得到IGTV3D, 放疗治疗前5次拍摄CBCT, 并基于骨性标志配准校正,在CBCT图像上勾画得到IGTVCBCT。比较IGTV3D与IGTVCBCT靶区间体积及匹配度。结果 IGTV3D大于IGTVCBCT(t=2.531, P=0.018), IGTV3D与IGTVCBCT总匹配指数为(0.604±0.0430), 亚组胸中段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数为(0.611±0.0371), 胸下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数为(0.562±0.0168),胸中段与胸下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数比较, 差异具有统计学意义(t=2.478, P=0.028)。结论 在胸中下段食管癌的放疗中IGTV3DCT明显大于IGTVCBCT, 两靶区的匹配指数为(0.604±0.0430), IGTV3DCT不能有效的包含IGTVCBCT, 即使3DCT与CBCT配准校正后, 也有可能导致较严重的脱靶, 放疗期间利用CBCT图像不能提供可靠有效的在线校正。

食管癌；三维CT；锥形束CT；内在大体肿瘤靶区；匹配度

放射治疗过程中呼吸运动、心脏和大血管搏动以及食管本身蠕动是构成食管癌特别是胸中下段食管癌放疗分次内靶区位移的主要因素［1］, 由此引起的器官运动是影响胸中下段食管癌放疗精确性的关键因素。ICRU62号报告提出了内靶区(ITV)的概念以用于包含肿瘤运动信息, 但并不清楚定位时获得的ITV能否反映治疗体位肿瘤运动情况。整合在加速器上的CBCT是一种在线的成像工具, 能够获取患者治疗体位的容积信息［2］。治疗过程中体部CBCT扫描时间超过1 min, 包含数个呼吸周期, 基于CBCT图像可以构建在线IGTVCBCT［3］。本研究比较基于3DCT均匀外扩获得的ITV与基于CBCT定义的ITV的体积差异及靶区匹配度, 进一步探讨3DCT结合CBCT在胸中下段食管癌放疗靶区确定中的应用, 进一步确定CBCT能否为胸中下段食管癌患者放疗期间提供精确可靠的在线校正。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2013年10月～2014年6月在本院行三维适形放疗(3DCRT)的胸中下段食管癌患者15例, 腺癌8例, 鳞癌7例；胸中段6例, 胸下段9例；男9例, 女6例；年龄42～72岁, 中位年龄55岁；全部患者均于放疗前模拟定位时完成3DCT扫描, 并均于放疗前5次放疗前采集CBCT图像。入组患者均无慢性肺疾病且通气功能正常, PS评分0～1分。

1.2 DCT模拟定位扫描 患者仰卧, 双手上举, 负压袋固定, 在自由呼吸状态下, 采用飞利浦大孔径CT (Philips Brilliance Bores CT, 美国), 行胸部增强CT 模拟定位扫描, 序贯完成3DCT轴位扫描。首先行3DCT轴位扫描, 每个扫描周期为2.8 s, 其中扫描时间1 s, 准直器宽度2.4 cm, 间隔时间1.8 s, 层厚5 mm；将扫描的3DCT图像传至瓦里安Eclips.10.0治疗计划系统。

1.3 放疗计划 以3DCT图像为计划CT图像, 制定3DCRT计划, 采用5个共面不规则适形野, 时间剂量分割为：60 Gy/30次.2 Gy/次, 5次/周。

1.4 CBCT图像采集 首次治疗前依据CT模拟定位数据摆位, 按照治疗计划参数摆位至肿瘤中心, 利用CBCT(美国瓦里安公司Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA)扫描, 获得治疗体位的CBCT图像, 整个扫描过程约1 min左右, 图像重建层厚5.0 mm, 将CBCT图像与计划CT图像自动配准, 并依据骨性标志配准进行手动微调, 配准后的CBCT图像自动传到瓦里安Eclips.10.0治疗计划系统。1. 5 靶区勾画及IGTV定义 在3DCT图像上勾画食管可见肿瘤GTV, 依据山东省肿瘤医院通过4DCT图像测得的器官运动所致胸中下段食管癌原发肿瘤内靶区边界外扩95%可信区间上限外扩得到IGTV, 胸中下段食管癌GTV头脚、前后、左右方向分别外扩6.0、3.0、3.0 mm得到IGTV3D, 在CBCT图像上勾画食管可见肿瘤得到IGTVCBCT。为减小勾画误差,图像均由同一位放疗医师在纵隔窗上勾画, 同一患者3DCT图像及CBCT图像勾画IGTV需在同一时间序贯完成, 勾画标准一致, 以食管管壁＞5 mm或不含气直径＞10 mm作为食管可见肿瘤勾画标准。当然为方便勾画者勾画需考虑到图像的对比度.3DCT图像上一般在窗宽240 HU, 窗位-160 HU进行靶区勾画, CBCT图像上一般在窗宽400 HU, 窗位-200 HU进行勾画。

1. 6 靶区分析及匹配度计算 比较基于3DCT所得IGTV3D及基于CBCT所得IGTVCBCT靶区间的体积差异及靶区匹配度。匹配指数(matching index, MI)定义为靶区A和B交集与并集的比值［4,5］, 公式为MI=A ∩B/A∪B。MI反映两靶区在大小、形状、位置间的匹配情况。如果两靶区完全一致MI为1, 若＜1则是因两靶区位移、形状及体积大小改变导致的。

1. 7 统计学方法 采用SPSS17.0统计学软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差( x-±s)表示, 组间数据采用t检验；全组靶区体积及匹配指数比较采用配对t检验。P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区体积大小比较 胸中下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT体积差异见表1。IGTV3D均大于IGTVCBCT, 两组间体积比较, 差异有统计学意义(t=2.531, P=0.018)。

表1 胸中下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT体积比较(±s, cm3)

表1 胸中下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT体积比较(±s, cm3)

注：IGTV3D与IGTVCBCT比较, t=2.531, P=0.018

项目IGTV3DIGTVCBCT体积73.670±29.02750.544±20.230

2.2 靶区间匹配指数 全组患者IGTV3D与IGTVCBCT间的匹配指数见表2。胸中下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数为(0.604±0.0430), 亚组胸中段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数为(0.611±0.0371), 胸下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数为(0.562±0.0168)。胸中段与胸下段食管癌IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数比较, 差异具有统计学意义(t=2.478, P=0.028)。

表2 全组及亚组胸中段、胸下段匹配指数比较±s)

表2 全组及亚组胸中段、胸下段匹配指数比较±s)

注：胸中段与胸下段比较, t=2.478, P=0.028

项目全组患者(n=15)胸中段组(n=6)胸下段组(n=9)匹配指数0.604±0.04300.611±0.03710.562±0.0168

3 讨论

目前基于3DCT模拟定位扫描是我国食管癌放疗定位的主流技术, 但放射治疗过程中多因素引起的器官运动影响胸中下段食管癌放疗精确性, 呼吸因素是其中的主要因素, 由此引起的摆位误差对靶区位移有一定的影响。

目前有两种技术可以分析摆位误差即电子射野影像系统(EPID)及CBCT, CBCT是继EPID之后主要的影像引导放疗工具, 用来分析摆位误差。随着CBCT为代表的在线影像引导放疗技术的普及应用, 在线校正后食管癌患者的残余摆位误差显著减小, 且在放疗疗程中保持相对恒定［6,7］, CBCT图像由于图像质量、图像提供的信息配准等方面有一定的优势, 使其越来越多的应用于临床。Schiffner等［8］的研究表明：对25例食管癌患者进行不同次的CBCT后用TomoThera的自适应治疗计划系统进行分析, 结果显示随着CBCT的频次从0增加到60%, ＞5 mm的摆位误差从66%降到20%, 剂量方面也有显著影响, 靶区的低剂量区减少, 正常组织心脏和肺的受量降低, 所以应用CBCT虽然增加了费用及小量的辐射, 但对患者仍是有益的。在放射治疗CBCT技术中配准是十分关键的, 配准后将CBCT图像与定位CT图像进行对比,判断图像解剖结构在水平、冠状及矢状面上的重叠性及覆盖性, 如果发现靶区配准不满意时, 根据实际肿瘤情况进行手动匹配, 直至软组织结果获得最佳重叠。胸中下段食管受呼吸、心脏搏动影响较大, 所以通过CBCT校正摆位误差后,基于治疗体位获取的CBCT图像上勾画的IGTV能否准确包含定位3DCT图像上勾画的食管癌内在大体肿瘤, 即CBCT能否为胸中下段食管癌患者放疗期间提供有效可靠的在线校正值得商榷。

目前有关食管癌定位3DCT与CBCT图像ITV靶区间的体积差异与匹配指数比较的资料较少, 但多数学者报道了周围型肺癌的多种影像技术勾画的ITV体积差异。本研究通过比较基于定位3DCT图像与治疗体位采集CBCT图像勾画的IGTV靶区间的体积差异及匹配指数, 以评估CBCT作为胸中下段食管癌患者放射治疗期间在线校正的可靠性。该研究结论得出基于3DCT勾画的IGTV比基于CBCT勾画的IGTV体积要大, IGTV3D体积平均比IGTVCBCT增大22%, 二者之间差异具有统计学意义(t=2.531, P=0.018)。但5次CBCT勾画的IGTVCBCT体积之间差异无统计学意义(P＞0.05)。全组患者IGTV靶区间的匹配指数为(0.604±0.0430)。胸中段6例患者IGTV3D体积平均比IGTVCBCT增大30%, 靶区间匹配指数为(0.611±0.0371), 胸下段9例IGTV3D体积平均比IGTVCBCT增大35%, 靶区间匹配指数为(0.562±0.0168), 亚组胸下段食管患者的IGTV靶区间的体积差异较胸中段食管显著, 匹配指数较胸中段偏小, 这可能与放射治疗过程中食管下段肿瘤受呼吸因素、心脏搏动因素影响较大有关。

山东省肿瘤医院李奉祥在肺癌的放疗中显示IGTV3D与IGTVCBCT匹配指数为0.83, 匹配指数用来衡量CBCT在线校正的效率, 本组数据显示整体匹配指数为(0.604±0.0430), 胸中段匹配指数较胸下段高提示CBCT在食管癌放疗的在线校正中对于食管胸中段肿瘤的校正效率高。通过该研究得出放疗过程中通过CBCT配准校正摆位误差后, 基于治疗体位获取的CBCT图像上勾画的IGTV不能准确包含定位3DCT图像上勾画的食管癌内在大体肿瘤, 靶区的匹配度不理想, 这种情况在胸下段食管癌中表现的更加明显, 且有可能导致较严重的脱靶现象, 这提示临床上放疗期间通过CBCT提供在线校正胸中下段食管癌, 尤其是胸下段食管癌时的可靠性有待进一步研究。

但是由于目前国内外该方面的资料较少, 且该研究样本量较小, 且CBCT图像质量差, 本身存在较大伪影, 虽然ITV均由同一位放疗医师在纵隔窗上勾画, 且同一患者3DCT图像及CBCT图像勾画IGTV均在同一时间序贯完成, 但在靶区勾画中仍可能存在一定误差, 作者认为可能的原因如下：①CBCT图像中食管肿瘤的上下界确定难度大；②扫描3DCT及CBCT图像层厚太厚、层间勾画落差较大；③由于纵隔内软组织及血管较多, CBCT图像未增强, 勾画中食管癌与周围软组织分界不清。通过该研究及具体的勾画过程, 作者认为可以从以下几个方面进一步提高：①治疗过程中通过一定的食管造影成像技术使食管肿瘤上下界分辨更清晰, 如放疗过程中口服泛影葡胺造影剂；②扫描3DCT图像及CBCT图像时层厚为2～3 mm, 虽然在一定程度上增加了勾画者的工作量, 但层间的勾画落差变小；③有条件可行增强的CBCT图像采集, 提高组织分辨率, 便于勾画者勾画。临床上基于以上技术的改善及提高是否能缩小两靶区间的体积差异, 进一步提高靶区间的匹配指数值得进一步探讨。

［1］ Hashimoto T, Shirato H, Kato M, et al. Real-time monitoring of a digestive tract marker to reduce adverse effects of moving organs at risk (OAR) in radiotherapy for thoracic and abdominal tumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys.2005, 61(5):1559-1564.

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［8］ Schiffner DC, Schulheiss TE, Chen YJ, et al. Can less-than-daily Image guided radiation therapy (IGRT) be used to treat esophageal cancer A study of patient positioning errors and their dosimetric consequences. Int J Radiat Oncol Biol Phys.2008, 72(1):537-538.

Comparison of internal gross target volume in thoracic middle and lower segment esophageal cancer based o.3DCT and CBCT

GU Zhen-fang, LI Jian-bin, XU
Bao-bin, et al. Shandong Province Tumor Hospital/School of Medicine and Life Science, Shandong Academy of Medical Science of Jinan University, Jina.250117, China

Objective To compare the volume and matching index (MI) of internal gross target volume (IGTV) in thoracic middle and lower segment esophageal cancer based on three-dimensional CT (3DCT) and cone beam CT (CBCT). Methods There wer.15 patients with thoracic middle and lower segment esophageal cancer. Firstly, they received ches.3DCT scan. On the basis of thei.3DCT results, radiotherapy scheme was formulated, and IGTV3DCTwas delineated. Their IGTV was gained from external expansion of 95% confidence interval in thoracic middle and lower segment esophageal cancer target volume motion range by four-dimensional CT (4DCT) in Shandong province tumor hospital. The external expansions in GTV head-foot, front-back, leftright direction were 6.0.3.0, an.3.0 mm respectively, and IGTV3DCTcould be showed from them. CBCT was taken in the first five times of radiotherapy treatment, and it was adjusted by bone landmarks. IGTVCBCTwas delineated from CBCT image. Target volumes and matching indexes were compared between IGTV3DCTand IGTVCBCT. Results The volume of IGTV3DCTwas higher than that of IGTVCBCT(t=2.531, P=0.018). The total matching index of IGTV3DCT and IGTVCBCTwas (0.604±0.0430). The matching index of IGTV3DCTand IGTVCBCTin subgroup of thoracic middle segment esophageal cancer was (0.611±0.0371), and that of IGTV3DCTand IGTVCBCTin thoracic lower segment esophageal cancer was (0.562±0.0168). Difference of matching index of IGTV3DCTand IGTVCBCT between thoracic middle and lower segment esophageal cancer had statistical significance (t=2.478, P=0.028). Conclusion In the radiotherapy for thoracic middle and lower segment esophageal cancer, IGTV3DCT is obviously higher than IGTVCBCT, and their matching index was (0.604±0.0430). Therefore, IGTV3DCTcannot effectively contain IGTVCBCT. Even through registration correction o.3DCT and CBCT, possibility of severe offtarget still exists. CBCT image cannot provide reliable online correction in radiotherapy.

Esophageal cancer; Three-dimensional CT; Cone beam CT; Internal gross target volume; Matching index

10.14163/j.cnki.11-5547/r.2015.06.002

2014-11-07］

250117 山东省肿瘤医院/济南大学山东省医学科学院医学与生命科学学院(谷振芳 李建彬)；济宁医学院附属医院肿瘤科(谷振芳 徐保彬 崔巍 王丽芳 陈长建)