肺通气功能分布引导的调强放疗计划设计研究

张书旭，王锐濠，余辉，林生趣，张国前，齐斌，雷怀宇

广州医科大学附属肿瘤医院放疗中心，广东 广州 510095

肺通气功能分布引导的调强放疗计划设计研究

张书旭，王锐濠，余辉，林生趣，张国前，齐斌，雷怀宇

广州医科大学附属肿瘤医院放疗中心，广东 广州 510095

目的 基于肺通气功能分布，探讨保护肺功能的调强放疗计划（IMRT）设计方案。方法 选择16例肺癌患者，分别进行呼气末和吸气末后屏气CT扫描，通过肺通气功能分析系统获取患者肺通气功能的三维分布，并自动勾画出雅可比值分别为0.5、0.7、0.9所对应的功能肺。对每个患者，进行角度设置相同，且均为5野的两种IMRT计划设计：根据定位CT上靶区和危及器官的解剖信息，进行普通IMRT计划设计；将肺通气功能分布与CT定位图像融合，额外增加对功能肺的剂量限制，分别进行3种强度不同的肺通气功能图像引导的f-IMRT计划设计。对比分析IMRT和f-IMRT计划中靶区和正常组织受照剂量的差异。结果 所有IMRT和f-IMRT计划都可满足临床要求。与IMRT计划相比，f-IMRT各组计划中脊髓、食道和心脏等受照剂量变化不明显（P>0.05）；f0.5-IMRT、f0.7-IMRT以及f0.9-IMRT计划中全肺的V5、V10、V20均显著下降（P<0.05）；f0.7-IMRT计划中功能肺的V5、V10、V20显著下降（P<0.05）；f0.9-IMRT计划中功能肺的V5、V10、V20和V30均显著下降，差异有统计学意义（P<0.05）。结论 肺通气图像引导的IMRT计划能有效地降低功能肺的受照剂量，可望较好地保护肺功能，改善患者的生存质量。

调强放疗；肺通气功能分布；图像引导放疗；靶区勾画

0 前言

目前，放射治疗仍然是不能手术或不愿手术的非小细胞肺癌（NSCLC）患者的主要治疗方法之一，而放射性肺炎则是影响NSCLC疗效的最常见并发症，其发生几率和严重程度与放射剂量、照射面积、照射部位、肺功能情况、同期或序贯化疗等均有密切关系[1-2]。很早以前的研究证实[3]肺癌放疗过程中，当V20<22%时，两年内放射性肺炎发生率为0；当V20达到22%～31%、31%～40%或＞40%时，两年内放射性肺炎发生率分别可达7%、13%、36%。如何减少放射性肺炎的发生，一直是放疗界关注的重点。

日常放疗计划设计时并未考虑肺功能的差异，即对所有区域的肺组织未加任何区别。但实际上，肺组织，特别是肺癌患者的肺组织各区域的肺功能并非一致，且不同功能状态的肺组织对放射线的反应也不一样。NSCLC病人放疗后各区域肺功能下降的程度与该区域的照射剂量呈线性相关[4]；当对肺功能不良的区域进行照射时，放疗后其功能下降程度较受照剂量相同的正常区域小。如果在放疗计划设计时，让射线通过肺功能不良区域对肿瘤进行照射，尽可能减少对正常功能区域的照射，则有可能减少放疗对肺功能的损伤和放疗并发症的发生。本文拟探讨基于肺通气功能分布的调强放疗（IMRT）计划设计，以达到保护肺功能的目的。

1 材料与方法

1.1 病例选择

选择拟行放射治疗的NSCLC患者16例，其中男14例，女2例。年龄38～73岁，中位年龄55岁。其中12例为鳞癌，4例为腺癌。所有患者均经病理确诊并签署知情同意书。

1.2 4D-CT肺通气图像的获取与处理

对患者进行放疗前的CT模拟定位，在仰卧下分别进行呼气和吸气后屏气扫描，主要扫描参数：120 kV，100 mAs，层厚为2.5 mm，矩阵512×512，扫描范围覆盖整个胸部。扫描后，将图像传至研究组开发的肺通气功能分析软件系统（ZHANGShuxu 4D-CT LF，V1.0，软著登字第0396648）进行肺通气功能分析[5]：以呼气末图像作为参考图像，吸气末图像作为浮动图像，进行三维B样条变形配准，获得吸气末CT图像中各体素单元相对呼气末CT图像中各体素的变形函数，再把该函数转化为雅可比矩阵。通过变形配准得到雅可比，它表示一幅图像形变到另一幅图像时局部体素的扩张和收缩度，雅可比>l，形变后体素扩张；雅可比<1，形变后体素收缩；雅可比=1，表示体素无变化。研究中，先将雅可比矩阵转化为灰度图，再把灰度图伪彩化后与CT融合，并进行三维重建，可得到直观的三维通气分布，见图1。再由肺通气功能分析软件系统自动勾画出雅可比值分别为0.5、0.7、0.9所对应的功能肺区域，见图2。

图1 3个连续横断面上通气图像与参考CT的融合效果示意图

图2 雅可比值分别为0.5、0.7、0.9所对应的功能肺区域

1.3 计划设计

利用Nucletron公司生产的Oncentra计划系统（V4.1）进行靶区勾画和计划设计。由有经验的放疗医生在CT解剖图像上勾画大体肿瘤区（GTV）和危及器官，如脊髓、食道、心脏等；GTV外扩6～8 mm形成临床靶区（CTV）；CTV外扩8 mm形成计划靶区（PTV）；脊髓、食道外扩5 mm边界。X射线能量选用6 MV；医用加速器为Clinac 23EX，120叶多叶准直器；在呼气末CT图像（下称解剖图像）上进行普通IMRT计划设计。

首先，进行角度设置相同，且均为5野的IMRT计划设计，每个射野的子野数限15个，最小子野跳数＞2，最小子野面积＞2 cm2。主要的剂量约束条件：全肺V20<30%，V30<20%，平均剂量<20 Gy；PTV最小剂量65 Gy，最大剂量70 Gy，95%体积>66 Gy；食道超过55 Gy的体积<35%，平均剂量<34 Gy；脊髓最大剂量<45 Gy。剂量计算采用三维卷积迭加（Collapsed Cone Convolution Superposition，CCCS）算法，PTV处方剂量为66 Gy，2 Gy/次，每周5次。

然后，在上述条件的基础上，增加对高功能肺的剂量约束和限制，进行肺通气功能图像引导的f-IMRT计划设计，功能肺相对应的剂量约束条件为：f-V20<20%，f-V10<35%。功能肺雅可比值为0.5、0.7、0.9时，对应的计划分别记为f0.5-IMRT、f0.7-IMRT、f0.9-IMRT。

1.4 统计学处理

根据剂量体积直方图（DVH），对比分析IMRT和f-IMRT计划的剂量学差异。采用SPSS 19.0统计软件进行统计学分析，计量资料描述采用均值±标准差（x_±s）。对f-IMRT各组计划数据分别与IMRT计划数据进行配对t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 IMRT计划靶区的适形度和均匀性比较

所有IMRT和f-IMRT计划都可满足临床要求；而从PTV适形度指数（CI）和均匀度指数（HI）来看，f-IMRT计划中的PTV的适形指数降低，剂量均匀性较IMRT计划差，但仅f0.9-IMRT和IMRT计划的差异有统计学意义（P<0.05），f0.5-IMRT、f0.7-IMRT和IMRT计划的差异并无统计学意义（P>0.05），见表1。

表1 IMRT和f-IMRT计划中PTV CI 和HI的比较

2.2 脊髓、食道和心脏等危及器官的受照剂量对比

与IMRT计划相比，f-IMRT各组计划中脊髓、食道和心脏等受照剂量变化不明显，差异均无统计学意义（P>0.05），见表2。

2.3 全肺受照剂量对比

统计结果显示，与IMRT计划相比，f0.5-IMRT、f0.7-IMRT以及f0.9-IMRT计划中全肺的V5、V10、V20显著下降（P<0.05）；而全肺的V30的变化不显著，差异仅f0.9-IMRT计划中的有统计学意义（P<0.05），f0.5-IMRT、f0.7-IMRT计划中的差异无统计学意义（P＞0.05），见表3。

2.4 不同雅可比值的功能肺的受照剂量对比

与IMRT计划相比，f0.5-IMRT计划功能肺的V10、V20显著下降（P<0.05），而V5、V30变化不明显（P＞0.05），详见表4。与IMRT计划相比，f0.7-IMRT计划功能肺的V5、V10、V20显著下降（P<0.05），而V30变化不明显（P＞0.05），详见表5。与IMRT计划相比，f0.9-IMRT计划功能肺的V5、V10、V20和V30均显著下降（P<0.05），见表6。

表2 IMRT和f-IMRT计划中脊髓、食道和心脏等危及器官的受照剂量对比（Gy ）

表3 IMRT和f-IMRT计划中全肺受照剂量的体积百分比的比较（%）

表4 IMRT和f0.5-IMRT计划功能肺受照剂量的体积百分比（%）

表5 IMRT和f0.7-IMRT计划功能肺受照剂量的体积百分比（%）

表6 IMRT和f0.9-IMRT计划功能肺受照剂量的体积百分比（%）

3 讨论

在肺癌的放疗计划设计时，可对靶区和高功能肺进行剂量约束，利用IMRT优化技术，在满足剂量约束的前提下，使子野尽量通过低功能肺区，减少对高功能肺的损伤，达到保护肺功能、减少并发症的目的。研究发现，在SPECT肺功能图像引导下进行三维适形放射治疗（3D-CRT）可减少3%～17%功能肺受照体积[6-7]和平均剂量[8]。Lavrenkov K等[9]报道，结合SPECT肺灌注显像的f-IMRT能明显降低Ⅲ期非小细胞肺癌患者功能肺的V20和平均受照剂量，且高功能肺区散在分布于两肺者下降更为明显。

其他功能图像还包括超极化的3He-MRI，病人吸入超极化的3He气体后在MRI上能够选择性地显示通气区域。与SPECT技术相比，3He-MRI不需要使用放射性元素，而同样能得到肺通气分布图像，而且3He-MRI图像还能与放疗计划用CT图像进行配准，基于3He-MRI的IMRT放疗计划，能使功能肺受照体积f-V20减少1%～3%[10]。上述几种功能图像各有不同的优缺点和适用范围，SPECT/CT是临床上应用的标准肺功能评价手段，但由于所用的99Tcm标记的放射性气溶胶会在气道沉积而产生伪影，且利用SPECT在肺功能显像时无法量化使用。而利用13N进行PET肺功能成像时，需要附带气体发生装置的回旋加速器即时产生13N（半衰期9.97 min），极大地限制了该技术的研究和应用。同样，MRI在进行功能成像时需要示踪气体和特殊的设备，而且示踪气体超极化的程度具有时间依赖性，难以得到量化的生理学参数。

正是由于SPECT/CT、PET/CT、MRI等功能成像设备在放疗应用中存在上述不便或不足，因此，近年来从CT图像中获取人体功能信息成为了一个新的研究方向。本研究结果显示，f-IMRT计划较IMRT计划明显降低了高功能肺区的受照剂量和体积，尤其是显著降低了低剂量区的体积，同时全肺的实际受照剂量也明显下降，说明降低肺受照剂量的效果是整体性的；而周围危及器官的受照剂量未见明显增加，但f-IMRT计划同时也降低了PTV内剂量的均匀性和适形性。Yamamoto[11]等报道，当靶区PTV范围与高功能肺区的体积重叠较多时，高功能肺受照剂量在f-IMRT计划中下降明显；而当重叠区较少或远离PTV时，高功能肺受照剂量在f-IMRT计划中的下降并不明显。但当PTV与高功能肺区域重叠较多时会产生另一个问题，即在IMRT计划优化过程中，当高功能肺区受照剂量下降时，PTV的剂量适形度和均匀性也下降。因此，在应用于临床实践中时，在减少功能肺受照剂量的同时需要考虑靶区内剂量的均匀性和适形度，在两者之间找到一个平衡点。

研究还发现，在计划设计时将高功能肺区和低功能肺区分开比较，分别评估其DVH，并定量分析放射毒性，可有助于准确预测放疗后肺功能状况[12]。但4D-CT肺功能成像还处在实验研究阶段，随着三维图像配准技术的发展，其生理准确性需要进一步提高。由于研究的时间尚短，患者病例数还非常少，还未能细分不同的病例类型条件下IMRT和f-IMRT计划的差异，还需要在大宗病例下进行严格的统计分析和随访证实。

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勘误声明

本刊2014年9月刊第157页《Me-3D序列动态增强扫描在截肢后患者坐骨神经成像中的应用价值》一文，作者单位为南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院），特此更正。

Research on the Design of IMRT Plans Guided by Pulmonary Ventilation Images

ZHANG Shu-xu, WANG Rui-hao, YU Hui, LIN Sheng-qu, ZHANG Guo-qian, Qi Bin, LEI Huai-yu
Radiotherapy Center, Cancer Center of Guangzhou Medical University, Guangzhou Guangdong 510095, China

Objective To design the IMRT plans with pulmonary-protection function based on pulmonary ventilation images. Methods The peak-exhale and peak-inhale CT data of 16 patients with lung cancer were put into the pulmonary ventilation analysis system to get the three dimensional pulmonary ventilation distribution images. And functional lungs whose Jacobin ratios were 0.5, 0.7, and 0.9 were delineated automatically by the system. Then two kinds of 5-f i eld IMRT plans with the same angle settings of all the 16 patients were designed. Conventional IMRT plans were designed according to the anatomical information of the targets and normal tissues in CT positioning images. Three kinds of f-IMRT (function-intensity-modulated radiation therapy) plans which combined pulmonary ventilation images with CT images and added dose constraint to functional lungs were also designed. The differences of dose distributions in conventional IMRT plans and f-IMRT plans were compared. Results Both IMRT and f-IMRT plans can meet the clinical requirements. There is no signif i cant difference in the exposure dose of heart, esophagus and spinal cord between IMRT plans and f-IMRT plans (P＞0.05). Compared with IMRT plans, the V5, V10, and V20of the total lung in f-IMRT plans decreased signif i cantly (P＜0.05); the V5, V10, and V20of the functional lung in f0.7-IMRT plans decreased signif i cantly (P＜0.05); the V5, V10, V20, and V30of the functional lung in f0.9-IMRT plans decreased signif i cantly (P＜0.05). Conclusion The exposure dose of the functional lung can be signif i cantly reduced in f-IMRT plans guided by pulmonary ventilation images, which would be used to protect the pulmonary functions and improve the living quality of patients with lung cancer.

IMRT; pulmonary ventilation distribution; IGRT; target delineation

R734.2；TP391.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.10.005

1674-1633(2014)10-0015-04

2014-05-05

2014-07-03

国家自然基金面上项目资助（81170078）；广东省科技计划项目资助（2011B031800111）；广东省教育厅科技创新项目资助（2013KJCX152）。

本文作者：张书旭，博士，教授，博士生导师，主要从事肿瘤放射物理学及医学图像处理研究工作。

作者邮箱：gthzsx@163.com