智能一体化四维CT在肺癌模拟定位中的应用

张铁权 王 敏 徐振华 盛洪国

近年来，放射治疗向以精确定位、精确计划和精确治疗为目标的“三精”放射治疗迈进[1]。基于X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的图像引导放射治疗和调强放射治疗基本解决了静止靶区的精确放射治疗问题，但呼吸运动是影响肺癌等运动靶区精确放射治疗的重要因素[2-3]。近年出现的四维CT(four-dimensional，4D-CT)技术能同时采集CT图像和呼吸信号，将整个呼吸周期中的靶区及正常器官的运动变化考虑在内，并形成随时间变化的图像序列，捕捉肿瘤的运动轨迹，并产生精确的内靶区，解决运动伪影和呼吸运动导致的放射治疗剂量偏差，提高放射治疗疗效和减少放射治疗并发症的发生，更好地体现“三精”理念，使患者在平静呼吸状态下达到真正的精确治疗成为可能。已有的文献研究工作中，多使用附加第三方设备进行4D-CT扫描，无需附件的智能一体化4D-CT扫描鲜有报道[4-6]。为此，本研究对行智能一体化4D-CT扫描实现的4D-CT图像的采集和应用进行归纳总结，探讨智能一体化4D-CT技术在肺癌放射治疗模拟定位中的应用。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019年4-5月在中国中医科学院广安门医院行放射治疗的10例肺癌患者，其中男性6例，女性4例；年龄26～88岁，中位年龄58岁；非小细胞肺癌8例，小细胞肺癌2例；非小细胞肺癌中肺鳞癌2例，肺腺癌6例。对10例肺癌患者均行平静呼吸下智能一体化4D-CT扫描。本研究得到医院伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①年龄≥18岁，性别不限；②经病理学确诊为肺癌；③卡氏功能量表(Karnofsky performance scale，KPS)评分≥70分，无心脏、肺、肝脏、肾脏及血液等系统功能障碍；④呼吸训练后可平静、匀畅呼吸；⑤无造影剂过敏史。

(2)排除标准：①拒绝行4D-CT扫描的患者；②不能平稳呼吸的患者；③经呼吸训练后仍未达到要求的患者。

1.3 仪器设备

采用Discovery CT机(美国GE公司)；590RT型大孔径CT模拟定位机(美国GE公司)。

1.4 治疗方法

1.4.1 呼吸训练

(1)4D-CT扫描前呼吸训练。为保证患者呼吸平稳、匀畅，进一步提高4D-CT的图像质量及重复性，所有入选患者行4D-CT扫描前均进行呼吸训练：①除外心肺功能不全、大量胸水、呼吸道梗阻等不能平卧的因素；②向患者及家属交代呼吸训练的重要性，取得理解与配合；③保持环境安静，患者平卧，床旁监护仪监护患者呼吸情况，观察患者呼吸波形；④嘱患者平静呼吸，避免深呼吸、突然换气、打嗝及咳嗽等。

(2)合格呼吸训练。患者满足呼吸训练合格条件为：①肉眼观察患者胸廓及腹壁起伏与监护仪的呼吸波基本一致；②患者呼吸波形幅度基本一致；③患者呼吸波形节律基本一致，频率16～20次/min；④患者呼吸波形形状基本一致且波形为单峰型；⑤患者能够满足规律呼吸＞5 min而无明显不适。

1.4.2 体膜制作

患者定位前4 h禁食水，仰卧于体架上，头垫C枕，双手抱肘置于前额，用热塑体膜固定。剑突下5 cm处剪掉30 cm×20 cm的部分体膜，留出附加辅助参考标记物接触区，嘱患者按呼吸训练的方式平静呼吸。

1.5 4D-CT扫描及运动数据采集

(1)4D-CT扫描。患者先行普通螺旋CT增强扫描，范围为环甲膜水平至肺下缘5 cm水平，层厚2.5 mm，由计算机重建出非门控，即non-gated图像。其后立即行4D-CT扫描，采用4D-CT电影模式，即在同一床位进行轴向连续、快速扫描，采集不同呼吸时相的CT数据，扫描范围及层厚与非门控扫描相同。

(2)运动数据采集。患者CT扫描结束后利用机器自带的软件对4D-CT图像运动数据进行登记排序，将每个呼吸周期均分为10个时相，分别命名为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，0%为吸气末，50%为呼气末，并通过软件生成最大密度投影(maximal intensity projection，MIP)，将4D-CT图像及常规扫描CT图像通过CT模拟工作站一并传输至放射治疗计划系统工作站，其技术路线见图1。

图1 智能一体化4D-CT扫描技术路线

(3)高度差测量法。在患者上腹部呼吸幅度较大的位置(剑突与脐中间)放置含2个红外反射标记物的塑料块，通过放置于CT床尾的电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)摄像头红外线装置，探测放置在患者上腹部塑料块上的荧光标记点，2个荧光标记点形成运动轨迹，运动轨迹被转换为呼吸运动信息，用以表示呼吸周期长度及呼吸运动幅度，并能在电脑上同步显示，这种全新的方法能够记录到患者的呼吸运动，并将时间信息整合到扫描得到的CT资料中，其技术路线见图2。

图2 附加RPM系统4D-CT扫描技术路线

图3 附加Bellows系统4D-CT扫描技术路线

(4)压力差测量法。将弹性气囊用可伸缩的圆柱型皮带捆扎在患者上腹部呼吸幅度较大的位置，当患者吸气时其腹部膨胀，腹压带压力增加，被压力感应器探测到后压力感应器提供一个直流电压模拟信号，然后将其数字化，转换成数字信号，通过远程压力传感器测量压力变化来获取呼吸曲线，其技术路线见图3。

1.6 观察指标

浏览4D-CT所得各套图像，进行图像质量评价。每套图像的横断面、冠状面及矢状面连续扫描完全，不存在缺损、断层及错层现象。

2 结果

10例患者的4D-CT图像均不存在缺损、断层及错层现象，可用于制定放射治疗计划。

患者0%吸气末图像、50%呼气末图像和患者MIP影像见图4。

图4 肺癌患者4D-CT图像

3 讨论

随着放射物理、放射生物、影像学以及计算机技术的发展，放射治疗进入了精确放射治疗的时代，肿瘤靶区的精确勾画和重建是精确放射治疗的基础。呼吸运动、心脏和大血管搏动、食管胃肠等消化系统器官的蠕动以及放射治疗过程中肿瘤退缩和形变等，导致胸、腹部靶区处于不断地运动和变化之中，使得靶区的精确界定变得困难，其中呼吸运动是影响肺癌放射治疗靶区准确性的一大主要因素，众多学者做了相关的研究[3]。

目前，胸部放射治疗所用影像是螺旋CT在患者自由呼吸状态下扫描所得，扫描时间短，只能获得某一呼吸时刻的影像信息，不能真实反映患者接受治疗时肿瘤及危及器官的位置变化。为了保证肿瘤靶区得到所需剂量，医生通常凭借经验在临床靶体积(clinical target volume，CTV)外扩大一定的边界，形成计划靶体积(planning target volume，PTV)来解决，有可能造成部分靶区漏照或过多正常组织受照[7-9]。国际辐射单位与测量委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)发布的62号报告中提出内靶体积(internal target volume，ITV)概念，定义为正常器官生理运动而导致的CTV在三维空间上的变异。在胸部肿瘤患者中，不同患者的呼吸运动形式与幅度有差异，同一患者不同肺叶运动类型也不同[10]。呼吸运动的多样性、变化性及不可预测性要求个体化确定ITV，且是肺癌进行精确放射治疗的基本前提之一[11-12]。

近年来出现的4D-CT技术，能够记录患者的呼吸运动并将时间信息整合到CT图像中，得到与呼吸运动相伴随的空间运动特征及呼吸周期各个时相的三维CT影像，再现肿瘤真实形态的同时能很好地反映肿瘤的运动规律和范围，使得个体化ITV成为可能，为肺部肿瘤的精确治疗提供可靠依据[13-17]。

4D-CT获取呼吸信号主要有高度差测量法及压力差测量法等。高度差测量法是通过测量体表随呼吸起伏的高度差来检测呼吸信号，较为成熟的有RPM系统[18-20]。在患者上腹部呼吸幅度较大的位置(剑突与脐中间)放置含2个红外反射标记物的塑料块，RPM系统通过放置于CT床尾的电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)摄像头红外线装置，探测放置在患者上腹部塑料块上的荧光标记点，2个荧光标记点形成运动轨迹，运动轨迹被转换为呼吸运动信息，用以表示呼吸周期长度及呼吸运动幅度，并能在电脑上同步显示，这种全新的方法能够记录到患者的呼吸运动，并将时间信息整合到扫描得到的CT资料中。

4 结论

智能一体化4D-CT通过监测扫描，包括位于患者上腹部呼吸幅度最大处金属丝在内的呼吸运动，根据解剖特征，分析提取患者呼吸运动参数，使用创新的算法，生成扫描参数。动态追踪内部解剖结构变化，从CT图像中得到体部面积、肺部面积、空气含量、肺组织密度、肺扩张度和肺体比的6种解剖特征参数，这些参数用于衡量解剖结构随呼吸周期的运动范围，结合CT扫描的解剖位置和图像，从而确定使用哪些特征参数最合适。从解剖特征参数中分解出患者的呼吸曲线，通过优化呼吸曲线，得到重要的呼吸周期、峰顶相位和峰谷相位门控参数。通过分析患者呼吸的关键信息，根据门控参数重新排列4D-CT图像。

智能一体化4D-CT技术无需使用昂贵的外置呼吸监测设备即可采集患者的呼吸运动信息，无需额外的繁冗准备，且工作流程简化，精准高效，与人工判断呼吸运动曲线是否达标相比，可通过一系列参数的自动对比智能判断3个连续呼吸周期的平均差异是否在预设的周期性呼吸阈值范围，小于预设值即刻显示可行4D-CT扫描，标准统一，重复性强，简单高效。4D-CT技术的创新算法，可提高智能识别能力，采集的图像与真实期相匹配，精确的再现肿瘤靶区运动轨迹和范围，智能追踪内部解剖结构的变化，采集肿瘤呼吸运动信息更快捷、更精准。