基于四维CT的呼吸门控技术分析呼吸运动对肺部肿瘤的影响

王义海，潘广鹏，陆艳荣，张瑾熔

（新疆医科大学附属肿瘤医院胸腹放疗科，乌鲁木齐 830011）

肺癌是常见的恶性肿瘤之一。目前放射治疗手段已成为肿瘤治疗最主要的方法之一，在肿瘤的综合治疗手段中占有重要的地位。对于肺部肿瘤放射治疗是除手术外最主要的局部治疗手段。呼吸运动所致肺部肿瘤运动是肺癌放疗失败的主要因素之一［1］。本研究采用基于四维 CT（four－dimensional computed tomography，4D－CT）的呼吸门控技术对肺部肿瘤治疗计划几何中心在平静呼吸下的三维方向移动范围进行研究，以期确定肺癌放疗时内靶区体积外扩距离。

1 资料与方法

1.1 对象 选择新疆医科大学附属肿瘤医院胸腹放疗科2013年8月－2014年1月首次行三维适形调强放疗的肺部肿瘤患者48例（均未行手术治疗），男性30例，女性18例，年龄42～76岁，其中病灶位于左肺24例，右肺24例，神志清楚、查体配合，且卡氏评分（KPS）≥80分，通气功能良好，能较长时间平卧。

1.2 方法 患者平躺，双手上举抱肘，待至患者平静呼吸并完全放松后以真空气垫固定体位，启动呼吸门控系统，剑突处放置瓦里安呼吸感应器（荧光标记模块），连接并启动红外线摄像头探测荧光模块的运动轨迹，通过计算机转化为呼吸运动信息，根据显示屏上呼吸运动幅度，适当调整模块位置，得到满意的运动轨迹。然后开始扫描，要求患者平静呼吸状态下以层距3mm进行增强扫描。将扫描后图像通过CT机的4D软件程序将所得CT数据组进行重建、分层处理，得到10个不同4D－CT呼吸时相：分别为0%～90%。将全部呼吸时相通过Varian网络系统传至Eclipse 8.3三维治疗计划系统进行图像登记。由一位副主任医师分别勾画每位患者10个呼吸时相中的大体肿瘤体积GTV，通过Eclipse 8.3治疗计划系统确定GTV几何中心坐标，比较GTV在左右（X轴冠状位）、前后（Y轴矢状位）、头脚（Z轴横断位）方向随呼吸的位移大小及三维空间移动向量，同时测量各边界位移变化：分别记录每位患者10层图像各个边界在三维方向上的最大位移（吸气末）、最小位移（呼气末）坐标，两者之差即为相应的位移，也即三维方向的呼吸动度。

1.3 统计学处理 采用SPSS17.0统计软件进行分析，全肺呼吸运动三维矢量采用χ2检验；左右肺间差异采用t检验，检验水准α＝0.05；方向精度按照文献［2］中给出的公式进行计算。

2 结果

2.1 全肺呼吸动度及三维方向矢量 在平静呼吸状态下，肺的呼吸动度在X轴方向（左右）、Y轴方向（前后）、Z轴方向（头脚）分别为1.97、2.33、8.41 mm；方向精度分别为1.31、1.50、1.92mm；平均误差分别为（1.00±1.28 ）、（1.19±1.49）、（1.67±1.89）mm，三维方向的呼吸动度差异有统计学意义（χ2＝6.773，P ＝0.034）。

2.2 病灶位于左、右肺的呼吸动度比较 病灶位于左、右肺的呼吸动度在X轴方向（左右）、Y轴方向（前后）、Z轴方向（头脚）分别为1.96和1.99mm（t＝0.79，P＝0.94），2.49和2.18mm（t＝0.72，P＝0.48），8.49和8.18mm（t＝1.21，P＝0.23），三维方向的呼吸动度差异无统计学意义。

3 讨论

精确放疗已成为肺部肿瘤放疗的主流技术，靶区的确定是肺癌放疗的关键环节。呼吸运动对肺内肿瘤的放射剂量分布和放疗效果影响较大，所以呼吸运动是影响GTV外扩边界的重要因素，因此，很多学者也进行了相关研究以减少肿瘤位移对靶区的影响［2－5］。由于常规定位扫描时间较短，很难完全包括肺部肿瘤在整个呼吸周期中的位置和体积，从而造成肺部肿瘤在放疗时由于呼吸运动而与实际靶区不符合。基于四维CT扫描所获得的肺肿瘤靶区则可相对准确反映静态肿瘤体积及呼吸运动导致的空间位移，以此确定的靶区因为考虑了肿瘤受呼吸运动的影响，因此相对准确。

胸部器官生理性运动是影响精确放疗的重要因素，也是放疗分次内靶区外扩的主要组成部分。4D－CT将时间因素融合入3D图像，较为准确地反映了胸部肿瘤运动范围和空间位置变化规律，在显著减少呼吸运动伪影同时提供了呼吸周期内靶区空间运动变化规律和解剖形变信息，可为内靶区（internal target volume，ITV）的确定提供更为个体化依据，减少了基于常规CT定位图像进行ITV确定时统一边界外扩所致的周围正常组织器官受照、靶区漏照及靶区内低剂量区［6－8］。

本研究采用基于四维CT的呼吸门控技术对肺部肿瘤进行研究，三维方向的数据采集是应用肺体积最大和最小时的差值，也即肺体积最大时代表平静吸气末，肺体积最小时代表平静呼气末，因此可以代表肺在三维方向上的呼吸动度。结果显示，在平静呼吸状态下，肺的呼吸动度在X方向为1.97mm、Y方向2.33mm、Z方向8.41mm；为减少测量仪器或方法的重复性度量误差，即随机误差的影响，对三维方向精度进行了计算，分别为1.31、1.50、1.92mm，这与 Weiss等［9］报道的Z轴方向位移（6.6±6.4）mm 大于 Y 轴方向（3.0±2.6）mm和X轴方向（2.4±1.8）mm结果相似。本研究提示，在内靶区外扩时不但要考虑到呼吸运动的影响还要考虑随机误差的影响，在X、Y方向应至少外扩3mm，而在Z方向至少外扩10mm。如此才可能避免传统方法在三维方向上外扩同样安全边界造成的靶区漏照或（和）正常组织过量照射。Yu等［10］研究认为，肿瘤的位移大小还与肿瘤分期有关，早期非小细胞肺癌比局部晚期非小细胞肺癌的运动幅度明显增加，早期肺癌运动幅度的中位数和最大值分别为5.9和31.0mm，而局部晚期肺癌为1.2和12 mm。本研究所选病例均为局部晚期肺癌患者，故结果较相关［11－12］研究略小。

肺内各部位在呼吸过程中的运动幅度各不相同，从而造成肺内各部位病灶位移的可能不同，左肺因还受心脏搏动得影响，可能与右肺在三维方向的移动幅度不同，因此，本研究中对左右肺的呼吸动度进行了比较，结果显示左右肺在X方向（左右），Y方向（前后），Z方向（头脚）分别为1.96、1.99mm，2.49、2.18mm，8.49、8.18mm，经检验差异无统计学意义。

综上所述，应用呼吸门控技术可以定量测定肺部肿瘤受呼吸运动影响在三维方向的移动范围，可以确定个体化肺癌放疗时内靶区体积外扩距离。

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