PET/CT聯合4DCT在食管癌放療中的應用*

何 瀚，黃 榮，蔣 軍

(廣東省佛山市第一人民醫院胸腹放療科 528000)

論著·臨床研究

PET/CT聯合4DCT在食管癌放療中的應用*

何 瀚，黃 榮，蔣 軍

(廣東省佛山市第一人民醫院胸腹放療科 528000)

目的分析標準攝取值(SUV)閾值下的正電子發射體層顯像(PET)/CT和全時相4DCT在食管癌靶區勾畫的相關性，探索能準確反映靶區空間運動的最優SUV值。方法將該院初治的82例食管癌患者于同一天分別行PET/CT和4DCT掃描定位，選取不同SUV閾值(≥2.0、2.5、3.0、3.5)及最大SUV值的百分比(≥20% SUVmax、30% SUVmax、40% SUVmax)勾畫PET/CT靶區內大體腫瘤體積(IGTV)PET/CT，疊加各時相4DCT靶區得到包含所有呼吸狀態的靶區IGTV10，對比兩圖像的靶區中心偏移、體積比和適形指數(CI)，選出與4DCT靶區配準度相對較好的SUV值，并分析該閾值下靶區中心偏移、體積比和CI分別與IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移的相關性。結果SUV取2.0或20% SUVmax時，4DCT和PET/CT圖像靶區空間匹配程度較好。IGTVPET2.0、IGTVPET20%與IGTV10的靶區中心偏移在頭腳方向位移和空間運動位移上均呈正相關(P<0.05)；體積比在IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移間均無相關性(P>0.05)；CI在IGTV10體積和IGTV10長軸徑上呈正相關，在頭腳方向位移及空間運動位移上呈負相關(P<0.05)。結論SUV取2.0和20% SUVmax時，PET/CT與全時相4DCT勾畫食管癌靶區的體積相近，但在適形度上二者仍有一定偏差，應對PET/CT閾值及4DCT時相選取做進一步研究。

食管腫瘤；放射治療；靶區勾畫；正電子發射計算機斷層成像；四維計算機斷層成像

食管癌是我國發病率較高的惡性腫瘤，其發病率高居第5位[1]。采用合理的手段治療食管癌，能有效提高食管癌的控制率，延長患者生存期。當前，立體定向放療已經成為治療食管癌的重要手段，但傳統的3DCT定位技術由于只能對患者病灶的某一時刻成像，無法克服呼吸運動和心臟搏動的影響，因此在放療時容易造成靶區移出治療射野外。4DCT技術能夠對患者的各個呼吸時相進行掃描，重建出腫瘤在每個呼吸運動下的狀態，很好地彌補了3DCT的不足[2-3]。正電子發射體層顯像(PET)/CT聯合4DCT進行腫瘤定位可以減少勾畫者主觀因素引起的誤差和器官運動產生的偽影。本研究將PET/CT下不同標準攝取值(SUV)閾值勾畫的靶區IGTVPET/CT(IGTV：內大體腫瘤體積)與4DCT下全時相融合靶區IGTV10進行比較，分析二者的關聯性，以及IGTVPET/CT和IGTV10兩種靶區的靶區中心偏移、體積比和適形指數(CI)的差異，為腫瘤的精確放療提供依據。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集2015年1月至2016年12月本院初治食管癌患者82例，其中男53例，女29例；年齡49～84歲，中位年齡69歲；所有患者均經病理確診為鱗癌，Ⅲ期52例，Ⅳ期30例；病灶分別位于食管上段39例，食管中段29例，食管下段14例。納入標準：(1)患者經食管鏡或病理確診為食管癌；(2)臨床分期為局部Ⅲ期或部分Ⅳ期，且經影像學證實無遠處轉移；(3)患者生存質量卡氏評分(KPS)大于70分，心肺功能基本正常，能完成呼吸訓練；(4)患者空腹狀態下血糖在正常水平，或經藥物控制在正常水平；(5)患者中性粒細胞計數大于或等于1.5×109/L，血小板大于或等于100×109/L，血紅蛋白大于或等于100 g/L，肝腎功能基本正常；(6)經患者及家屬同意，并簽署知情同意書。排除標準：(1)既往或現在患有其他惡性腫瘤；(2)患者存在放化療禁忌證；(3)出現嚴重的消化道反應；(4)患者或家屬放棄治療。本研究經倫理委員會審查批準。

1.2方法

1.2.13DCT和4DCT圖像的采集 所有患者均采用仰臥位，選擇負壓真空袋結合熱塑體模固定。定位采用GE大孔徑CT(Discovery CT590 RT)，患者在經呼吸訓練后分別行3DCT和4DCT掃描，3DCT軸位掃描周期為2.8 s(掃描時間1 s、掃描范圍2.4 cm、間隔時間1.8 s)，層厚3 mm。4DCT掃描時間大于60 s，重建層厚3 mm。利用瓦里安公司的實時位置管理(RPM)系統追蹤4DCT掃描的呼吸運動時相。在患者劍突處放置兩個熒光標記點，在床尾處放置紅外攝像裝置以檢測標記點的運動。工作站將攝像裝置檢測到的標記點軌跡信號轉換成呼吸信號，RPM將呼吸周期平均分為10個時相并歸類對應時相下的4DCT，其中，將吸氣末定為0%時相。

1.2.2PET/CT圖像的采集 確定患者血糖水平正常后，靜脈注射18氟脫氧葡萄糖(18F-FDG)0.15 mCi/kg，45 min后行全身PET/CT顯像。靜息60 min，采用與3D/4DCT相同的固定裝置和體位，行PET/CT掃描。先行胸部CT掃描，結束后立刻進行PET圖像采集，采集時間為每個床位2 min，共采集3～5個床位。PET和CT采集層厚分別為4.25 mm和5 mm。將掃描完的PET圖像和CT圖像進行重建并融合。圖像重建采用有序子集最大期望值法，利用CT透射掃描數據對PET圖像進行衰減矯正，得到PET圖像和CT圖像。

1.2.3圖像配準 將采集的3DCT、4DCT及PET/CT圖像傳至MIM軟件，以3DCT為標準圖像，將PET/CT的CT圖像與其按照灰度配準，在不改變原始圖像灰度信息的情況下，基于解剖結構微調邊界及輪廓。4DCT及PET圖像自動配準到此坐標系下。

1.2.4靶區的勾畫 按照國際輻射單位和測定委員會(ICRU)50號[4]及62號[5]報告對3D/4DCT圖像進行靶區勾畫，靶區勾畫的CT條件為窗寬850 HU,窗位-750 HU，將食管厚度大于5 mm或充氣狀態下厚度大于10 mm作為大體腫瘤靶區(GTV)。將4DCT各個時相采集到的GTV疊加得到10個時相下的腫瘤靶區IGTV10。對PET/CT圖像勾畫靶區時則基于不同的SUV閾值，將不同SUV值(≥2.0、2.5、3.0、3.5)及最大SUV值的百分比(≥20% SUVmax、30% SUVmax、40% SUVmax)作為靶區分區的條件，分別得到靶區IGTVPET2.0、IGTVPET2.5、IGTVPET3.0、IGTVPET3.5，以及IGTVPET20%、IGTVPET30%、IGTVPET40%[6-8]。比較4DCT靶區和不同SUV閾值的PET/CT靶區的相關性。

1.2.5靶區中心偏移、體積比和CI的計算 靶區中心的計算：計算4DCT和PET/CT靶區中心的空間坐標，二者之差在左右方向記為△x，頭腳方向記為△y，腹背方向記為△z，利用空間距離公式(△x2+△y2+△z2)1/2得到靶區中心的距離。體積比的計算：體積比定義為IGTV10與IGTVPET體積的比值，與SUV閾值選取有關；CI的計算：CI定義為4DCT和PET/CT靶區的交集與并集的比值，即(IGTV10∩IGTVPET)/(IGTV10∪IGTVPET)[7]。CI反映4DCT和PET/CT靶區在形狀和位置上的匹配程度，CI=1表示靶區完全重合。

2 結 果

2.14DCT和PET/CT的靶區中心偏移、體積比和CI對比 將82例食管癌患者IGTV10和各IGTVPET的靶區中心偏移、體積比和CI進行對比，當SUV閾值取SUV=2.0和20% SUVmax時，4DCT和PET/CT圖像在靶區中心的偏移量和體積差異最小，且CI高于其他閾值，見表1。因此，選擇SUV為2.0和20% SUVmax作為進一步研究指標。圖1為某例食管癌患者4DCT圖像勾畫IGTV10(綠色)和PET-CT圖像勾畫IGTVPET2.0(紅色)在橫截位、矢狀位和冠狀位的配準結果。

2.2IGTVPET2.0、IGTVPET20%與IGTV10的相關性分析 IGTVPET2.0、IGTVPET20%與IGTV10在IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移的相關性見表2。結果顯示，在靶區中心偏移方面，IGTVPET2.0及IGTVPET20%與IGTV10在頭腳方向位移和空間運動位移上均呈正相關；在體積比方面，IGTVPET2.0及IGTVPET20%與IGTV10在IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移間均無相關性；在CI方面，IGTVPET2.0及IGTVPET20%與IGTV10在IGTV10體積和IGTV10長軸徑上呈正相關，在頭腳方向位移及空間運動位移上呈負相關。

表1 82例食管癌患者IGTV10和各IGTVPET的靶區中心偏移、體積比和CI對比

表2 82例食管癌患者在IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移間的相關性

A：橫截位；B：矢狀位；C：冠狀位

圖1 IGTV10和IGTVPET2.0的靶區配準結果

3 討 論

食管癌精確放療的準確性受呼吸運動、食管蠕動及心臟搏動等諸多因素的影響，其中呼吸運動為最主要的影響因素[9]，通過4DCT構建全時相的呼吸周期可以將上述因素考慮在內。但CT本身存在偽影，且醫師在勾畫靶區時存在主觀性，使得食管癌邊界的勾畫存在一定難度。PET/CT在腫瘤診斷方面有很大優勢，近年來成為腫瘤靶區勾畫研究的熱點[10]。PET/CT通過設置SUV閾值能夠自動識別腫瘤靶區，克服了醫師的主觀因素。但PET/CT存在空間分辨率差的缺點，腫瘤運動對成像質量影響較大，同時，閾值選擇的不確定性也會影響靶區勾畫的準確度。本研究通過設置不同SUV閾值，力圖找到最佳的SUV，食管癌的PET/CT和4DCT圖像在空間上盡可能一致。

本研究結果顯示，當SUV閾值取2.0和20% SUVmax時，4DCT和PET/CT圖像空間匹配程度最高。這與Wang等[8]得到的研究結果一致。在比較IGTVPET2.0、IGTVPET20%與IGTV10在IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移間的相關性時發現，IGTVPET2.0、IGTVPET20%與IGTV10的靶區中心偏移在頭腳方向位移和空間運動位移上均呈正相關；體積比在IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移間均無相關性；CI在IGTV10體積和IGTV10長軸徑上呈正相關，在頭腳方向位移及空間運動位移上呈負相關。因此，雖然SUV取2.0和20% SUVmax時4DCT和PET/CT的空間匹配程度高于其他閾值，但仍然不能使PET/CT代替4DCT，這主要表現在IGTVPET與IGTV10的CI在IGTV10體積、IGTV10長軸徑、頭腳方向位移及空間運動位移間均有相關性。

影響兩靶區CI的因素主要是靶區體積、形狀和位置偏移。觀察上述結果，SUV取2.0和20% SUVmax時，IGTV10和IGTVPET靶區中心偏移量分別為1.78±1.19和1.95±1.05，且體積比接近于1，但CI僅為0.61±0.20和0.59±0.19。因此，本研究中影響CI的主要因素是靶區形狀的改變。這可能是由于4DCT的主觀因素和PET/CT空間分辨率低導致二者邊界不一致。

此外，產生4DCT與PET/CT圖像匹配差異的原因，還與患者在圖像掃描時的呼吸幅度和頻率不一致有關，因此患者在定位前應先接受必要的呼吸訓練。最后，患者體內的18F-FDG水平不均勻也會導致差異產生，壞死病灶和炎癥可能會干擾腫瘤的勾畫[11]，僅憑借SUV值很難獲得精確的病灶信息。

多影像聯合勾畫食管癌靶區可以彌補單一影像手段的不足。全時相4DCT雖能消除靶區運動的不確定性，包含靶區空間的運動信息，但其存在靶區被高估的可能，而EE時相下的GTV被認為較接近實際腫瘤大小[12]。因此，單純采用全時相4DCT配準4DCT和PET/CT是不可靠的，如何消除配準圖像之間的空間錯位、提高邊緣適形度還需要進一步研究。

[1]Chen W，He Y，Zheng R，et al．Esophageal cancer incidence and mortality in China,2009[J]．J Thorac Dis，2013，5(1)：19-26.

[2]Li F，Li J，Zhang Y，et al．Geometrical differences in gross target volumes between 3DCT and 4DCT imaging in radiotherapy for non-small-cell lung cancer[J]．J Radiat Res，2013，54(5)：950-956.

[3]Wang W，Li J，Zhang Y，et al．Comparison of patient-specific internal gross tumor volume for radiation treatment of primary esophageal cancer based separately on three-dimensional and four-dimensional computed tomography images[J]．Dis Esophagus，2014，27(4)：348-354.

[4]International Commission on Radiation Units and Measurements．ICRU report 50:prescribing，recording，and reporting photo beam therapy[R]．Bethesda，MD：Internional Commission on Radiation Units and Measurements，1993．[5]International Commission on Radiation Units and Measurements．ICRU report 62:prescribing,recording,and reporting photo beam therapy (supplement to ICRU report 50)[R]．Bethesda，MD：International Commission on Radiation Units and Measurements，1999.

[6]Riegel AC，Bucci MK，Mawlawi OR，et al．Defining internal target volume using positron emission tomography for radiation therapy planning of moving lung tumors[J]．J Appl Clin Med Phys，2014，15(1)：4600.

[7]Vali FS，Nagda S，Hall W，et al．Comparison of standardized uptake value-based positron emission tomography and computed tomography target volumes in esophageal cancer patients undergoing radiotherapy[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys，2010，78(4)：1057-1063.

[8]Wang YC，Hsieh TC，Yu CY，et al．The clinical application of 4D 18F-FDG PET/CT on gross tumor volume delineation for radiotherapy planning in esophageal squamous cell cancer[J]．J Radiat Res，2012，53(4)：594-600.

[9]Hashimoto T，Shirato H，Kato M，et al．Real-time monitoring of a digestive tract marker to reduce adverse effects of moving organs at risk (OAR) in radiotherapy for thoracic and abdominal tumors[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys，2005，61(5)：1559-1564.

[10]劉琪，傅小龍．PET-CT在食管癌放療中的應用進展[J]．中華放射腫瘤學雜志，2012，21(3)：293-296．

[11]Muijs CT，Beukema JC，Pruim J，et al．A systematic review on the role of FDG-PET/CT in tumour delineation and radiotherapy planning in patients with esophageal cancer[J]．Radiother Oncol，2010，97(2)：165-171.

[12]Persson GF，Nygaard DE，Munck Af Rosensch?ld P，et al．Artifacts in conventional computed tomography (CT) and free breathing four-dimensional CT induce uncertainty in gross tumor volume determination[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys，2011，80(5)：1573-1580.

ApplicationofPET/CTcombinedwith4DCTinradiotherapyofesophagealcarcinoma*

HeHan,HuangRong,JiangJun

(DepartmentofChestandAbdomenRadiotherapy,FoshanMunicipalFirstPeople′sHospital,Foshan,Guangdong528000,China)

ObjectiveTo study the correlation of positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) under different standardized uptake value (SUV) thresholds and full time four-dimensional computed tomography (4DCT) in esophageal carcinoma target delineation and explore the optimum SUV value that can accurately reflect the spatial movement of the target.MethodsEighty-two patients with esophageal cancer initial treatment in this hospital were respectively performed the scanning localization by PET/CT and 4DCT on the same day.Then different SUV thresholds (≥2.0,2.5,3.0,3.5) and the percentage of maximum SUV value (≥20% SUVmax,30% SUVmax,40% SUVmax) were selected to delineate the internal gross target volume (IGTV)PET/CTin PET/CT,the ten phases of the 4DCT were collected to obtain the full time target IGTV10,the target center offset,volume ratio and conformity index (CI) were compared between the two images,the relatively good SUV value with the registration in 4DCT target was picked out,then the correlation between the target center offset,volume ratio and CI with the IGTV10volume,long axial diameter of IGTV10,displacement of head-to-foot direction and spatial motion was analyzed.ResultsWhen the SUV threshold was 2.0 or 20% SUVmax,the spatial matching degree of 4DCT and PET/CT images was better.The head-to-foot direction displacement and special motion displacement in the target center offset of IGTVPET2.0,IGTVPET20%and IGTV10showed the positive correlation (P<0.05);the volume ratio had no correlation with the IGTV10volume,IGTV10long axial diameter,head-to-foot direction displacement and special motion displacement (P>0.05);CI had positive correlation with IGTV10volume and IGTV10long axial diameter,while had negative correlation with the head-to-foot direction displacement and special motion displacement (P<0.05).ConclusionWhen SUV taking 2.0 or 20% SUVmax,the esophageal carcinoma target volume of PET/CT is similar to that of full time 4DCT,but there are still some deviations in the conformity index,therefore the PET/CT threshold value and 4DCT time phase selection should be further studied.

esophageal neoplasms；radiotherapy；target delineation；positron emission tomography；four-dimensional computed tomography

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.35.020

廣東省佛山市科技發展專項資金項目(2015AB00291)。

何瀚(1979-)，副主任醫師，碩士，主要從事腫瘤放射治療方面的研究。

R735.1

A

1671-8348(2017)35-4963-03

2017-06-22

2017-09-16)