CT造影剂对脑动静脉畸形VMAT计划剂量分布的影响

2021-06-03邓官华李少群周巧敏罗日顺张平戴鹏罗龙辉赖名耀山常国蔡林波

中国医学物理学杂志 2021年5期

邓官华，李少群，周巧敏，罗日顺，张平，戴鹏，罗龙辉，赖名耀，山常国，蔡林波

广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心，广东广州510510

前言

脑动静脉畸形（Arteriovenous Malformation,AVM）是一种先天性局部脑血管发育异常的血管团［1］，大体上AVM呈现为相互缠绕的血管，常有一个局限中心团以及引流静脉，并且在AVM中不含脑实质［2］。临床上为了更准确地勾画AVM病灶及危及器官（Organs-at-Risk,OAR），通常会在CT扫描过程中静脉注射造影剂。然而在实际治疗阶段，脑血管中的CT造影剂早已代谢清空，AVM病灶等血供丰富组织的CT值会有较大幅度下降，经过CT-电子密度曲线转化后计算放疗计划剂量分布时会产生一定误差。相关的研究发现静脉注射CT造影剂对放疗计划剂量分布的影响较小，临床上可忽略［3-5］；但同时也有研究表明在增强CT图像上设计放疗计划会导致患者接受的实际剂量偏高［6-8］。针对目前静脉注射CT造影剂对AVM患者放疗计划剂量分布影响的系统研究国内报道较少，本研究将主要探讨在AVM容积旋转调强（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）计划中，因使用CT造影剂导致组织CT值增大所引起的剂量计算误差。

1 资料与方法

1.1 病例选取

选取广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心2017年1月至2020年1月收治确诊为AVM的15例患者为研究对象，其中，男9例，女6例，年龄8～48岁，肿瘤体积为0.4～32.0 cm3。

1.2 设备仪器

定位CT为SIMENS 64排大孔径螺旋放疗专用CT（SOMATOM Definition AS）；放疗计划系统为VARIAN Eclipse 13.6；治疗机为VARIAN UNIQUE直线加速器，配备120片全自动独立多叶准直器（Multi-Leaf Collimator,MLC），中间80片MLC宽度为0.5 cm，其余MLC宽度为1.0 cm，射线能量为6 MV光子。

1.3 CT扫描

患者采取仰卧位，用Brainlab专用头架和热塑面膜固定（科来瑞迪，R408），扫描层厚1.5 mm，层间距0 mm，电压120 keV，电流350 mAs。扫描范围：上界至颅顶，下界至第二颈椎。先获取平扫CT图像（C-），通过计算机内置设定，在相同体位下行增强扫描（C+），最终将两次CT图像传输到放疗计划系统Eclipse 13.6。CT造影剂为碘克沙醇（威视派克，通用电气药业（上海）有限公司），采用高压注射器经手臂以2 mL/s注射速度静脉注射60 mL造影剂，延时35 s扫描。CT扫描过程中，嘱咐患者保持体位固定，并将耳环、假牙等摘除［9］。

1.4 靶区勾画和计划设计

通过VARIAN Eclipse工作站的图像配准功能对两组CT图像进行配准。放疗医生根据AVM介入治疗欧洲专家共识等的推荐［10］，在增强CT图像上勾画计划靶区（Planning Target Volume,PTV）和OAR，其中OAR包括晶体、眼球、视神经、视交叉、脑干以及感兴趣区域（Region of Interest,ROI）。待医生勾画完PTV和OAR后，物理师将上述结构复制至平扫CT图像。

所有放疗计划均采用VMAT技术照射，5条非共面弧，如图1所示。为了避免叶片引起的凹凸论效应，适当调整MLC角度［11］。采用各向异性分析算法计算照射区域剂量，PTV处方剂量为16 Gy/次。正常组织约束条件为：晶体Dmax＜3 Gy，视神经Dmax＜10 Gy，延髓Dmax＜10 Gy，脑干Dmax＜10 Gy［12］。VMAT计划优化完后由医生评估确认，并以此治疗计划作为模板计划。打开平扫CT图像，插入先前保存的模板计划，不进行通量优化，重新计算剂量分布。模板计划使得平扫CT图像的弧条件、处方剂量以及计算方法与增强CT图像一致。所有生成VMAT计划仅限于实验参数比较。

图1 脑动静脉畸形（AVM）VMAT计划设计示意图Fig.1 Schematic diagram of volumetric modulated arc therapy plan for arteriovenous malformation(AVM)

1.5 剂量学评价

比较两组计划的PTV、OAR和正常组织的剂量分布。PTV的剂量评价包括D2%、D98%、Dmean以及剂量分布的适形度、均匀性和跌落速度。剂量分布的适形度、均匀性和跌落速度分别用适形度指数（Conformity Index,CI）、均匀性指数（Homogeneity Index,HI）以及梯度跌落指数（Gradient Index,GI）来表示。CI、HI及GI计算公式如下［13-15］：

其中，TVPV为接受处方剂量照射的PTV体积，TV为PTV体积，PV为处方剂量照射的体积，D2%为2%PTV体积的受照射剂量，D98%为98% PTV体积的受照射剂量，Dmean为PTV的平均剂量，V50%为50%处方剂量线包裹体积，V100%为处方剂量线包裹体积。

同时记录晶体、眼球、视神经、脑干的Dmax以及正常组织受照射体积（V2Gy、V10Gy、V12Gy）。

1.6 统计学方法

采用SPSS 21.0对数据进行统计学分析，计量资料采用均数±标准差表示，采用非参数配对Wilcoxon检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

图2为AVM患者的增强和平扫CT图像，CT值的改变如表1所示。在ROI（粉红色区域，脑血管）处CT值增大明显，大约平均增加110 HU；PTV（绿色区域）CT值有所增大，大约平均增加50 HU。眼睛、脑干等造影剂尚未到达区域，CT值增大不明显。

图2 AVM患者的增强和平扫CT图像Fig.2 Contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image of AVM patient

表1 增强和平扫图像的CT值比较（HU）Tab.1 Comparison of Hounsfield unit between contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image(HU)

图3为增强和平扫CT图像的CI、HI及GI的箱线图。增强和平扫CT图像的CI分别为0.82±0.08和0.83±0.07；HI分别为7.88±2.25和8.33±1.07；GI分别为5.25±2.76和5.14±2.26。两组图像的CI、HI及GI差异均无统计学意义（P＞0.05）。

图3 增强和平扫CT图像的CI、HI以及GI比较Fig.3 Comparison of conformity index,homogeneity index and gradient index between contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image

表2为增强和平扫CT图像的PTV、OAR及正常组织剂量参数表，两组图像的PTV、OAR及正常组织间的剂量学参数差异小于2%，且无统计学意义（P＞0.05）。

表2 增强和平扫图像的剂量学差异比较Tab.2 Dosimetric comparison between contrast enhanced CT image and non-enhanced CT image

3 讨论

AVM是指由脑血管先天发育障碍引发的脑局部血管数量和结构异常，常伴有供血动脉增粗迂曲，血流加快［16］。AVM最为常见和最为严重的并发症是颅内出血，病死率高达30%［17］。采取不开颅、无创伤的立体定向放疗可降低颅内出血率，改善临床症状，是一种较为理想的治疗方式。对AVM患者行大剂量的立体定向放疗的关键在于准确勾画PTV和OAR。因此，在CT扫描过程中需静脉注射造影剂，以提高脑血管与周围脑组织的对比度。

目前的放疗计划系统是建立在组织CT值基础之上，通过CT-电子密度转换曲线来进行剂量计算［18-21］。CT值的大小反映了X射线在人体内不同密度组织线性衰减的强弱。CT值越小，线性衰减系数越小，组织对X射线的衰减越弱，即相当于有更多的X射线穿过组织［22］。高原子序数的造影剂经静脉进入脑血管等血供丰富的组织中，使各组织的CT值增大，对X射线的衰减增强，但这种衰减在临床上是否具有意义，目前学术界尚未有统一结论。王艳霞等［6］的研究表明CT造影剂对中上段食管癌患者的调强放疗计划有影响，在设计动态调强放疗计划时，改变增强CT图像中大血管内的电子密度，能够有效降低肺等危机器官的受照射剂量。杨晓霞等［7］发现CT造影剂会影响胸腹部肿瘤患者三维适形计划的等中心点剂量。然而也有研究表明CT造影剂对放疗设计剂量分布的影响有限，临床上可忽略。林志安等［3］发现造影剂对食管癌调强放疗计划剂量分布的影响有限，可直接在增强CT图像上设计放疗计划。朱鹭超等［4］研究结果表明在食管癌三维适形放疗中使用CT造影剂对放疗剂量分布影响较小，均在临床接受范围内。Shibamoto等［23］发现CT造影对剂量分布的影响与解剖部位有关。

目前静脉注射CT造影剂是否对AVM的VMAT计划剂量分布产生影响的系统研究国内报道较少，因此本研究针对上述问题进行了系统的分析，结果发现，虽然增强和平扫图像在PTV和ROI的CT值上存在统计学差异（PTV约平均增加50 HU；ROI约平均增加110 HU），但是这种CT值差异并没有导致剂量学的差异。此外，本研究还发现两组计划的CI、HI、GI和OAR剂量等均无统计学差异。究其原因，有以下几方面：（1）相对于胸腹部肿瘤而言，脑组织血管虽然密集，但大血管数量较少，血流量相对没那么丰富，造影剂流经范围没这么大［23］，所以增强和平扫图像OAR的CT值差异并没有统计学意义；（2）本研究中约有90%的AVM患者行过栓塞手术治疗，造影剂无法通过脑血管大量进入靶区内，使得PTV的CT值差异（50 HU）在经过CT-电子密度曲线转换后无法形成剂量学差异［24］；（3）即使造影剂进入血流相对丰富的脑组织，导致增强图像的CT值高于平扫图像，但是只要VMAT计划的弧不经过或者较短时间内经过血管密集脑组织，那么这种由于注射造影剂带来的CT值差异也不会造成剂量学的影响。此外，相对于胸腹部因呼吸运动导致的OAR位移较大，AVM患者由于头部骨骼的存在，颅内OAR移动相对较小。加上患者采用热塑面膜固定，且平扫和增强两幅图像采集时间较短，避免了患者在CT扫描期间的不自主移动，因此本研究不考虑图像配准阶段引入误差的影响。综上所述，对于行过栓塞手术治疗的AVM患者，使用CT造影剂对VMAT计划的PTV及OAR剂量分布影响很小，临床上可忽略。

本研究只探讨了CT造影剂对行过栓塞手术治疗的AVM患者VMAT计划剂量分布的影响，考虑到三维适形放疗或调强放疗计划的射野角度是否穿过脑血管，穿过脑血管的射野在总剂量中的贡献度以及AVM患者是否行过栓塞手术等都有可能造成研究结果的差异，因此对于三维适形放疗及调强放疗计划是否具有相同的结论，还需作进一步研究。