运动对小体积肿瘤影像学差异的研究

刘苓苓，费振乐，崔相利，李洁，牛振洋，王宏志

1. 中国科学院合肥物质科学研究院 健康与医学技术研究所（医学物理与技术安徽省重点实验室），安徽 合肥 230031；2. 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026；3. 中国科学院合肥肿瘤医院 放疗中心，安徽 合肥 230031；4. 中国人民解放军联勤保障部队第901医院 肿瘤诊疗中心，安徽 合肥 230031

引言

在精准放疗过程中，制定放疗计划的CT图像是计算机断层扫描的序列且均为静止图像，实际扫描CT图像过程中患者的自由呼吸则会导致CT图像中产生运动伪影，改变解剖结构的大小、形状和密度[1]，已被证明会对放疗产生不利影响[2]，所以常规CT扫描成像中受呼吸运动影响，靶区难以实现预期精准放疗的目的[3]。

患者的呼吸会引起胸腹部器官处于不断运动中，胸腹部肿瘤更容易受呼吸运动影响[4-5]，尤其影响适合做立体定向体部放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）的肺和肝脏小体积肿瘤。SBRT是一种少分次大剂量高生物等效剂量肿瘤治疗方法[6-7]，剂量传输严格适形肿瘤靶区且剂量梯度大[8-9]，运动因素是保证剂量传输准确性的重要因素。运动可能会影响肿瘤质量中心的位置、体积大小，并且不同运动幅度、扫描层厚对不同体积的肿瘤影响不尽相同。所以小体积肿瘤保证高精准放疗的第一步是探索运动对CT影像的影响。

本文从影像学角度研究运动对不同体积的小体积肿瘤的靶区体积影响，采用运动平台和9个不同体积的球体分别模拟呼吸运动和不同体积的肿瘤。通过分析9个球体不同条件下扫描的CT图像，探索运动方式、呼吸幅度和扫描层厚对不同体积肿瘤的影响，为临床小体积肿瘤CT扫描提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料

（1）模拟肿瘤的球体。选用CT 扫描无伪影的3D打印常用材料——立体光刻（Stereo Lithography Appearance ，SLA）光敏树脂3D打印制成9个直径10～50 mm的小球，从大到小依次为B1～B9，B1球直径最大，B9球直径最小。

（2）设备。① 荷兰飞利浦16排Brilliance CT Big Bore螺旋CT模拟定位机：具有85 cm超大孔径，专用于放疗模拟定位，能够满足各种特殊体位放疗需求；② 加拿大Modus QA QUASAR程控呼吸运动仪：可模拟某一个方向的运动，最大运动幅度为20 mm，最大载重20 kg，自带程序可编辑所需呼吸频率和呼吸幅度并控制呼吸平台按呼吸波形运动；③ 瑞典医科达公司Monaco5.11.03计划系统：支持靶区勾画和三维适形计划、调强放疗计划、容积旋转调强计划等计划设计。

1.2 实验方法

（1）实验平台。摆正呼吸运动仪，使其标记线与CT激光灯重合，使呼吸运动平台运动方向与CT进床方向平行。然后将模拟肿瘤的球体按一定的间隔固定在呼吸运动平台上（图1）。

图1 呼吸运动平台摆放

（2）软件设置。在呼吸运动平台的软件——QUASAR Programmable Respiratory Motion里编辑需要的呼吸幅度和呼吸频率正弦曲线。呼吸频率均选择每分钟20个呼吸周期，呼吸幅度分别设置为0、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10和15 mm。

（3）CT扫描。扫描电压是120 kV，电流是30 mA，螺距是0.938。每个呼吸幅度分别扫描2、3和5 mm三种层厚的CT图像。

（4） 勾画。横断面勾画，再在冠状面和矢状面修改补漏。逐个勾画不同呼吸幅度、不同层厚、不同体积的球体。

2 结果

2.1 球体的实测体积与理论体积偏差

由于制作工艺的差异，球体的实际体积与理论体积存在差异。用游标卡尺沿不同直径方向测量直径，每个球测量3次，取平均值，计算出球的体积。根据计算，得出不同体积球的实际体积和理论体积相对误差小于3.67%。

2.2 CT扫描床移动导致的球体体积变化

为分析呼吸运动对肿瘤体积的影响，需去除扫描床的移动对图像的影响。为此，采集一组球体的静态图像。静态图像的扫描条件是：呼吸运动仪是power off状态，呼吸运动仪和球体相对扫描床是静止状态。球体体积只受扫描床移动的影响（图2）。

图2 球体受扫描床移动影响的体积变化

扫描床的移动使所有球体扫描体积均有不同程度的增加。球体体积越小，体积受床运动影响越大；层厚越厚，球体体积受影响越大。扫描床的移动对球体体积的影响在8.43%～120%，体积越小、扫描层厚越厚，影响越大。

2.3 运动对球体体积的影响结果

患者肿瘤体积大小往往是通过影像学信息获取的，所获取的体积已经包含了运动对其造成的影响，影响包括扫描过程中扫描床的移动和呼吸运动两个因素。结果分为两部分阐述：① 两个因素同时作用的影响结果；② 呼吸运动作用的结果。

2.3.1 扫描床移动和呼吸运动共同作用

本部分以球体实际体积作为参考，分析两种因素的作用结果。图3是按照球体从大到小的顺序排列的每个球体受运动影响的体积变化趋势，a～h依次表示B1～B8球，横纵坐标一致；i是B9球，由于体积与其他球体差异较大，纵坐标与其他图不一致。

图3 每个球体受扫描床和呼吸运动影响的体积偏差趋势

根据图3中球体体积变化趋势可知，球体体积整体偏差较大且偏差随呼吸幅度的增大和球体体积变小而增大。B1球体积偏差-23.5%～44.5%，B2球体积偏差-20.9%～77.1%，B3球体积偏差-11.4%～130%，B4球体积偏差-7%～139%，B5球体积偏差-7.47%～79.2%，B6球体积偏差1.17%～96.1%，B7球体积偏差9.68%～125%，B8球体积偏差20.9%～127%。小体积球体B9受运动幅度和扫描层厚影响最大，2 mm层厚时体积变化幅度为38.5%～141%，3 mm层厚时体积变化幅度为68.3%～356%，5 mm层厚时体积幅度为79.0%～505%。

层厚变化对球体体积的影响没有固定的规律，2、3 mm层厚球体体积变化趋势相近，更接近球体实际体积；5 mm层厚相比其他扫描层厚球体体积变化较大。体积越小的球体，这种趋势越明显。

2.3.2 呼吸运动作用的结果

在分析球体受呼吸运动的影响大小时，以球体静止状态下扫描的体积作为参考。图4是按照球体从大到小的顺序排列的每个球体受呼吸运动的影响趋势，a～i依次表示B1～B9球。根据图4中球体体积变化趋势，各扫描层厚按照呼吸幅度从小到大，将体积变化曲线分为变化较小、中等、较大区域，分析结果如表1所示。直径20～50 mm的球体在呼吸幅度2 mm内体积偏差为-10%～10%，在呼吸幅度2～5 mm内体积偏差为-20%～20%，呼吸幅度大于5 mm体积偏差为-29.9%～113%。直径≤15 mm的球体受呼吸运动幅度影响最大，体积偏差为-26.9%～175%。从表1数据可知，直径大于20 mm的小体积肿瘤在2 mm呼吸幅度时体积偏差开始变大，需要从2 mm呼吸幅度开始做呼吸运动管理，但是一般人体呼吸幅度都会超出2 mm，所以小体积肿瘤建议全部做呼吸运动管理。

表1 球体体积受呼吸运动的影响分析

图4 呼吸运动对球体体积的影响趋势

2.4 运动造成的球体形变

球体受运动影响时会在运动方向上发生较大形变，变为圆柱形或椭圆形。呼吸幅度越大、扫描层越厚，形变越严重。图5是呼吸幅度150 mm、扫描层厚5 mm时勾画出的球体轮廓，可以看到球体形变严重，运动造成的伪影面积大。横断面上的运动伪影呈现螺旋的银河系星图。

图5 球体受运动影响发生的形变

综上，小体积肿瘤的实测体积对运动幅度、扫描层厚依赖性大。运动会使小球体积增加或减少。本研究给出了体积受肿瘤大小、呼吸幅度、扫描层厚三个因素影响的范围。小体积肿瘤体积越小，越应该在较小呼吸幅度就采取呼吸管理并采用薄层扫描，减少运动对CT图像的伪影影响。

3 讨论

扫描床移动和扫描区域的运动相互影响，导致采集CT图像上有大量的运动伪影。这些伪影导致靶区精确勾画困难或靶区变形，可能会造成原本的球形靶区经CT扫描后变为椭球形或半球形的靶区，甚至若干个离散的形状不规则的靶区[10]。本文中小球受运动影响发生了椭圆形或圆柱形形变，符合上述描述。靶区的形变会继发性导致计划系统剂量计算产生严重差异，患者实际受照位置、剂量与制定计划的位置、剂量存在差别[11]。而临床上实施调强放疗的关键是保证射野输出剂量的准确性，呼吸运动导致了肿瘤精确位置的不确定，可能会因漏照而造成肿瘤的复发，肿瘤部位周边的正常组织被动接受大剂量的射线照射而增加毒副反应发生率和危害程度，从而影响放疗的质量和精确性[12-13]。

本文研究得出呼吸运动造成小体积球体相对偏差范围为-30%～180%，大体积球体相对偏差范围大部分在-30%～110%，与张书旭等[14]的研究结果趋势一致，存在的差异的原因是本文选择的小体积球体体积较小，使偏差范围大，导致了数值上限变大。与前人研究中相近体积小球受呼吸运动影响结果相比[15-16]，实验结果大体一致，存在的差异与实验方法、模体大小有关。将上述研究中与本文类似直径的球体体积变化比较，验证了本文数据的准确性和有效性。

本文选择直径小于5 cm球体共9个，3个扫描层厚（2、3和5 mm）、0～15 mm[17]共15个呼吸幅度，通过采集的图像分析球体体积变化趋势，主要通过图像信息分析扫描床移动对小球体积的影响、扫描床移动和呼吸运动联合对球体体积的影响和呼吸运动因素对球体体积的影响。仅扫描床运动造成的小球体积偏差为8%～120%。扫描床和呼吸运动使直径10 mm球形肿瘤体积最大增加5倍；直径15～50 mm肿瘤，呼吸幅度小于1.5 mm时体积偏差为1.05%～45.6%，呼吸幅度2～3.5 mm时体积偏差为-6.41%～72.4%，呼吸幅度4～15 mm时体积偏差为-23.5%～139%。扫描床移动和呼吸运动因素联合导致小体积肿瘤体积变化较大，由于设备硬件条件所限螺旋CT的扫描过程中扫描床的移动是无法控制的，只能从控制呼吸运动因素方面考虑做运动控制。呼吸运动因素使直径≤15 mm的肿瘤体积偏差为-26.9%～175%；直径20～50 mm的球体在呼吸幅度2 mm内体积偏差-10%～10%，在呼吸幅度2～5 mm内体积偏差-20%～20%，呼吸幅度大于5 mm时体积偏差-29.9%～113%。由数据可知，直径20～50 mm的球体在2 mm呼吸幅度使肿瘤体积偏差变大。对于小体积肿瘤在检测到呼吸幅度达到2 mm时就应该考虑做呼吸运动管理，但人体呼吸幅度一般都超出2 mm，所以建议直径小于5 cm的小体积肿瘤均应在CT扫描阶段做呼吸运动管理，尽可能降低呼吸运动对肿瘤体积的影响。以往的研究从剂量测量角度得出，呼吸幅度大于8 mm时，呼吸运动对剂量的影响不符合临床要求[18]。本文从影像学角度得出，小体积肿瘤应全部考虑做呼吸运动管理。

本文选择了受运动影响较大的小体积肿瘤为研究对象，为了更细致地观测肿瘤受运动的影响，选择的球体大小、扫描层厚和呼吸幅度参数都比较多，所得结果可给临床医生进行小体积肿瘤扫描提供更多的参考参数。下一步工作将考虑小球体积的变化规律是否可以验证四维CT勾画靶区的准确性和对剂量带来的影响。