中华放射医学与防护杂志  2015, Vol. 35 Issue (8): 590-593   PDF    
引用本文
段益利, 李建彬, 张英杰, 李彦康, 王玮, 马志芳, 郭延娈. 基于PET/CT选定阈值与基于4D-CT呼气末时相所勾画非小细胞肺癌原发肿瘤靶区相关性分析[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(8): 590-593, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.08.007.
基于PET/CT选定阈值与基于4D-CT呼气末时相所勾画非小细胞肺癌原发肿瘤靶区相关性分析
段益利1, 李建彬1 , 张英杰1, 李彦康2, 王玮1, 马志芳1, 郭延娈1    
1. 250117 济南, 山东省肿瘤医院放疗三病区;
2. 山东大学医学院
收稿日期: 2014-11-17
基金项目： 国家自然科学基金青年基金(81201735);山东省科技发展计划项目(2012GSF11839);山东省自然科学基金(ZR2011HM004)
通信作者： E-mail:lijianbin@msn.com
[摘要]    目的 探讨基于PET/CT图像选定阈值与基于4D-CT呼气末时相图像所勾画的非小细胞肺癌(NSCLC)原发肿瘤靶区相关性因素。方法 入组NSCLC患者序贯完成3DCT、4D-CT、18F-FDG PET/CT胸部定位扫描。基于4D-CT呼气末时相(50%)图像勾画原发肿瘤大体肿瘤体积(GTV50%)。基于PET图像原发肿瘤标准摄取值(SUV)≥2.0、SUV最大值(SUVmax)的20%勾画内大体肿瘤体积(IGTV)分别命名为IGTVPET2.0、IGTVPET20%。分析IGTVPET2.0、IGTVPET20%与GTV50%的体积比(VR2.0、VR20%)及适形指数(CI2.0、CI20%)与GTV50%最大横径、GTV50%体积大小、GTV头脚方向位移、GTV三维运动矢量及SUVmax的相关性。结果 VR2.0和GTV50%最大横径、GTV50%体积大小、GTV头脚方向位移、GTV三维运动矢量及SUVmax均无相关性(P>0.05);VR20%和GTV50%体积大小、GTV50%最大横径及SUVmax呈负相关(r=-0.663、-0.669、-0.752,P<0.05)。CI2.0和GTV50%体积大小、GTV50%最大横径呈正相关(r=0.613、0.483,P<0.05)。结论 3D PET图像是包含了多个呼吸周期的中位图像,未能包含肿瘤的全部运动信息,基于3D PET/CT图像所构建的靶区不能准确地代表NSCLC的IGTV。
[关键词]     非小细胞肺癌    FDG PET-CT    4D-CT    标准摄取值    内大体肿瘤体积    
Detection of the correlations in target volumes for primary tumor of non-small cell lung cancer based on FDG PET/CT and the end-expiration phase of 4D-CT
Duan Yili1, Li Jianbin1 , Zhang Yingjie1, Li Yankang2, Wang Wei1, Ma Zhifang1, Guo Yanluan1    
1. Department of Radiation Oncology, Shandong Cancer Hospital & Institute, Jinan 250117, China
2.Shandong university school of medicine,Jinan 250117, China
[Abstract]    Objective To investigate the correlations in target volumes based on positron emission tomography CT (PET/CT) and the end-expiration phase of four-dimensional CT (4D-CT) images for non-small cell lung cancer (NSCLC). Methods Seventeen patients with NSCLC sequentially underwent three-dimensional CT (3DCT), 4D-CT and 18F-FDG PET/CT thoracic simulation scans. The gross target volume (GTV) was contoured on the end-expiration phase (50%) of 4D-CT and defined as GTV50%. The internal gross target volumes (IGTV) based on PET/CT images (IGTVPET) were determined by the standardized uptake value (SUV) 2.0 (IGTVPET2.0) and 20% percentage of the maximal standardized uptake value (SUVmax) (IGTVPET20%). The following parameters were calculated to analyze the correlation between IGTVPET and GTV50% in volume ratio (VR) and conformity index (CI): maximum transverse diameter of GTV50%, volume of GTV50%, the displacement of GTV in the cranial-caudal direction and 3D Vector calculated from 4D-CT dataset as well as the SUVmax. Results There was no significant correlation between the VR of IGTVPET2.0 to GTV50% and the maximum transverse diameter of GTV50%, volume of GTV50%, the displacement of GTV in the cranial-caudal direction, 3D Vector and the SUVmax(P>0.05). The VR between IGTVPET20% and GTV50% inversely related to maximum transverse diameter of GTV50%, volume of GTV50% and SUVmax (r=-0.663, -0.669, -0.752, P<0.05). The CI between IGTVPET2.0 and GTV50% positively related to volume of GTV50% and maximum transverse diameter of GTV50% (r=0.613, 0.483, P<0.05). Conclusions 3D PET images provide a time-averaged image of the tumor during the numerous breathing cycle. They fail to include the full information of moving tumor. The target volumes based on 3D PET might not reflect the real IGTV of NSCLC.
[Key words]     Non-small cell lung cancer    Fluorodeoxyglucose positron emission tomography    Four-dimensional computed tomography    Standardized uptake value    Internal gross target volume    

4D-CT能够为非小细胞肺癌(NSCLC)放疗提供准确的靶区运动范围和形变信息，从而能够更加合理和准确地确定内肿瘤靶区(ITV)。Caldwell等[1]的模型研究指出，基于3D PET/CT扫描所得图像亦有望获得特异性的ITV。理论上，基于PET/CT图像与基于4D-CT所构建的ITV是相对应的,但对于PET图像勾画的内大体肿瘤靶区(IGTV)和4D-CT单时相大体肿瘤靶区(GTV)的关联性，以及后者与4D\|CT全时相IGTV间的关联性，二者是否对等，目前并不清楚。这一问题的明确有助于基于3D PET/CT确定包含合理呼吸运动信息的NSCLC的IGTV，并且有助于利用3D PET/CT辅助4D-CT单时相图像进行NSCLC靶区构建。为此，本研究就基于PET/CT选定阈值所勾画IGTV与基于4D-CT呼气末时相图像所勾画GTV(GTV50%)间关联性及其影响因素进行分析，并与基于4D-CT 10个时相所构建IGTV与GTV50%间关联性进行比较，以探讨基于3D PET/CT图像构建NSCLC IGTV的可行性和可靠性。

资料与方法

1. 入组条件：经细胞学或组织学证实的初治NSCLC；无慢性肺病且通气功能正常，能在平静呼吸状态下进行模拟定位扫描；无PET/CT扫描及4D-CT增强扫描禁忌症；PET图像上标准摄取值的最大值(SUVmax)≥2.5；患者自愿接受4D-CT、PET/CT模拟定位，并签署知情同意书。

2. 病例资料：2012年12月至2013年12月在山东省肿瘤医院放疗科行3D PET/CT和4D-CT同步定位扫描的NSCLC患者中符合入组条件者共17例。男13例，女4例；年龄45～79岁，中位年龄66岁。腺癌9例，鳞癌7例，腺鳞癌1例；中央型6例，周围型11例。

3. CT定位扫描及图像获得：患者仰卧位，头颈肩联合热塑模体位固定，在自由呼吸状态下，采用荷兰飞利浦大孔径CT，序贯完成3DCT及4D-CT胸部增强扫描。首先行3DCT轴位扫描，每个扫描周期为2.8 s(扫描时间1 s，间隔时间1.8 s)，层厚3 mm。4D-CT扫描时间>60 s，重建层厚3 mm。扫描时辅以美国瓦里安实时位置管理(real-time position management，RPM)系统，利用红外线摄像装置记录放置在剑突附近模块上的两个荧光标记点运动轨迹同步记录呼吸信号，4D-CT工作站将运动轨迹信号转换成呼吸运动信息，整合到4D-CT图像资料中，再依据RPM记录的呼吸信号，将每个呼吸周期的CT图像平均分为10个呼吸时相，并指定0时相(T0)为吸气末时相、50%时相(T50)为呼气末时相。

4. PET/CT定位扫描及图像获得：在4D-CT扫描的同一天或间隔一天行18F-FDG PET/CT扫描。基于4D-CT定位扫描体位固定方式及定位参数，重复头颈肩联合热塑模体位固定。先行胸部CT扫描，结束后立刻进行PET图像采集，采集时间为2 min/床位，共采集3～5个床位。图像重建采用有序子集最大期望值法(OSEM)，利用CT透射扫描数据对PET图像进行衰减矫正(CTAC)，得到PET图像和CT图像。

5. 图像配准：分别将3DCT、4D-CT及PET/CT图像导入MIM-6.0.4软件系统。以3DCT图像为基准图像，将PET/CT的CT图像与3DCT图像基于灰度配准后辅以骨性标志校正，与3DCT同步获得的4D-CT图像及与PET/CT的CT同积扫描的PET图像自动配准到这一坐标系中。

6．靶区勾画及靶区中心坐标值和靶区体积获得：由同一位放疗医师在4D-CT 10个呼吸时相图像上以肺窗条件(窗宽1 600 HU，窗位-600 HU)逐层勾画原发肿瘤GTV，基于4D-CT呼气末时相(50%)图像勾画GTV50%。将10个呼吸时相GTV通过图像融合叠加形成IGTV10。在MIM软件中选定PET图像原发肿瘤为感兴趣区域(region of interest,ROI)后，软件自动计算出ROI的SUVmax。前期研究结果表明，基于PET图像SUV值≥2.0及SUVmax的百分比≥20%自动勾画的IGTVPET同IGTV10体积大小较为接近，且空间匹配度相对较高[2]，鉴于此，本研究基于上述阈值自动勾画PET图像原发肿瘤靶区(参照PET/CT的CT图像手动去除非原发肿瘤区域)并分别定义为IGTVPET2.0、IGTVPET20%。MIM软件系统自动给出各靶区中心点坐标及各靶区体积大小，手动测量基于4D-CT呼气末时相图像所得GTV50%的最大横径。

7．三维运动矢量：测定同一患者10个呼吸时相GTV中心点坐标，把同一坐标轴上最大值与最小值相减，得出靶区中心在各标轴上的位移，GTV在左右、前后、头脚方向的最大位移为分别用△x、△y、△z表示，根据公式三维运动矢量(3D Vector)=(△x2 + △y2 + △z2)1/2计算出GTV中心三维运动矢量。

8．靶区适形指数(conformity index，CI)：定义为两靶区交集与合集的比值，计算公式为CI(A,B)=(A∩B)/(A∪B)[3]，反映两靶区相互之间的匹配情况。

9．统计学处理：采用SPSS 17.0软件进行统计分析。IGTVPET2.0、IGTVPET20%、IGTV10与GTV50%的体积比(VR2.0、VR20%、VR10)及IGTVPET2.0、IGTVPET20%、IGTV10与GTV50%间的CI(CI2.0、CI20%、CI10)间比较采用Wilcoxon秩和检验；相关性分析采用Spearman检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

1. GTV50%体积、最大横径及SUVmax：GTV50%体积、最大横径及SUVmax的中位值分别为20.35 cm3(3.04～154.12 cm3)、3.52 cm(2.28～7.91 cm)、11.34(6.07～25.51)。

2. 中心点运动幅度：GTV头脚方向位移及三维运动矢量的中位值分别为1.4和2.88 mm。

3. VR2.0、VR20%、VR10及CI2.0、CI20%、CI10：VR2.0、VR20%、VR10中位值分别为1.24、1.27和1.29，三者间差异无统计学意义(P＞0.05)。CI2.0、CI20%、CI10中位值分别为0.50、0.55和0.77，CI10显著高于CI2.0、CI20%(Z=-3.627、-3.055，P＜0.05)。

4. VR2.0、VR20%、VR10及CI2.0、CI20%、CI10与各参数间的相关性：VR2.0与GTV50%体积、GTV50%最大横径、GTV头脚方向位移、三维运动矢量、SUVmax均无相关性(P>0.05)。VR20%与GTV50%大小、GTV50%最大横径、SUVmax呈负相关(r=-0.663、-0.669、-0.752,Pi＜0.05)。CI2.0与GTV50%大小、GTV50%最大横径呈正相关(r=0.613、0.483,P＜0.05)。CI20%与上述参数均无相关性(P>0.05)。VR10与GTV头脚方向位移、三维运动矢量呈正相关(r=0.589、0.593,P＜0.05)；而二者的CI与GTV头脚方向位移、三维运动矢量呈负相关(r=-0.566、-0.57,P＜0.05)。

讨 论

4D-CT扫描所得图像包含了与呼吸运动相关的肿瘤位移信息，现已成为NSCLC放疗定位的主流技术。其中，呼气末时相是呼吸运动中最稳定的时相[4]，而基于4D-CT全时相图像构建的IGTV10被认为是理想的IGTV[5]。3D PET扫描时间较长，包含了多个呼吸周期。Hanna等[6]指出，基于3D PET图像所勾画的肿瘤靶区包含了肿瘤运动及变形信息，代表了肿瘤的ITV而非GTV。

从理论上讲，由于IGTV10包含了放疗分次内整个呼吸周期中靶区的空间位移及形变信息，因此肿瘤运动幅度越大，基于4D-CT 10个时相构建的IGTV10体积越大，IGTV10与肿瘤的VR就越大。本研究结果也证实了这一点，即IGTV10与GTV50%的VR和GTV头脚方向的位移、三维运动矢量呈正相关。而IGTVPET2.0、IGTVPET20%与GTV50%的VR和GTV头脚方向的位移、三维运动矢量均无相关性，这说明3D PET图像未能包含肿瘤的全部运动信息。实际上，3D PET扫描所得图像是多个呼吸周期中肿瘤运动位置的时间平均值的体现，尽管通过调整阈值可以改变基于PET图像所勾画IGTVPET的体积使之与IGTV10相接近，但无法纠正IGTVPET的位置，因此，基于3D PET图像勾画所得IGTV不能够准确地反映NSCLC的运动轨迹，不能代表NSCLC的真实IGTV。IGTVPET20%与GTV50%的VR和GTV50%大小、GTV50%最大横径、SUVmax呈负相关。不难理解，肿瘤的SUVmax越大，基于SUVmax百分比得出的绝对阈值越大，由此勾画得到的肿瘤体积就越小。进一步分析GTV50%大小与SUVmax的相关性得知，GTV50%大小与SUVmax呈正相关，这同IGTVPET20%与GTV50%的VR和GTV50%大小、SUVmax均呈负相关是相吻合的。同时，这与Hübner等[7]的研究结果即肺癌的SUV与病灶大小呈正相关是一致的。提示在勾画体积较大的NSCLC时，应采用相对较低的SUVmax百分比；若应用较高阈值则勾画出的肿瘤体积会小于肿瘤的实际体积。

适形指数反映两靶区三维空间匹配情况，是两靶区间体积大小、形状、空间位置的综合反映。本研究结果显示，尽管IGTVPET2.0、IGTVPET20%、IGTV10与GTV50%间的VR差异无统计学意义，但IGTV10与GTV50%间的CI显著高于IGTVPET2.0、IGTVPET20%与GTV50%间的CI。在本研究中可以看到，由于肿瘤对FDG摄取的不均质性，基于PET图像阈值自动勾画所得靶区的线条呈锯齿状，因此，形状上的差异是IGTVPET与GTV50%间CI较低的原因之一。许多肿瘤由于坏死或乏氧等因素会造成对FDG摄取的不均质性，同时SUV值受到多重因素的影响，如组织的构成、摄取时间的长短、血糖浓度、呼吸运动等。因此，基于PET图像勾画实体肿瘤靶区时，如果仅是基于阈值自动勾画而忽略其他影像和临床信息，或许不能准确地勾画肿瘤体积。Macmanus和Hicks[8]也建议，在临床中应用PET勾画肿瘤靶区时不能仅凭SUV值，同时要结合其他有效信息。由于PET和CT扫描时间的差异，用瞬间的CT图像去对包含多个时相呼吸运动信息的PET图像进行衰减校正不可避免地会出现误差，进而会导致两种图像在时间和空间位置上不完全匹配。因此，IGTVPET与GTV50%位置间的差异是造成二者间CI较低的另一原因。Grills等[9]对21例NSCLC患者分别基于CT和PET勾画大体肿瘤靶区作了比较，结果显示GTVCT与GTVPET间的平均匹配指数仅为0.65。由此他们认为，尽管部分GTVCT与GTVPET体积大小相近，但二者在位置上却存在明显差异。已有研究表明，4D PET/CT能够相对真实地反映肿瘤运动范围，从而提高运动肿瘤ITV定义的准确度[10]。

综上所述，3D PET图像是包括了多个呼吸周期的中位图像，未能包含肿瘤的全部运动信息，基于3D PET/CT图像所构建的靶区不能够准确地代表NSCLC的IGTV。

参考文献
[1] Caldwell CB, Mah K, Skinner M, et al. Can PET provide the 3D extent of tumor motion for individualized internal target volumes? A phantom study of the limitations of CT and the promise of PET[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2003, 55(5):1381-1393.
[2] 段益利,李建彬,张英杰,等. 4D-CT与PET-CT勾画非小细胞肺癌原发肿瘤IGTV的比较研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2014, 34(10): 753-757.
[3] Gondi V, Bradley K, Mehta M, et al. Impact of hybrid fluorodeoxyglucose positron-emission tomography/computed tomography on radiotherapy planning in esophageal and non-small-cell lung cancer[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007, 67(1):187-195.
[4] George R, Chung TD, Vedam SS, et al. Audio-visual biofeedback for respiratory-gated radiotherapy: impact of audio instruction and audio-visual biofeedback on respiratory-gated radiotherapy[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2006, 65(3):924-933.
[5] Keall P. 4-dimensional computed tomography imaging and treatment planning[J]. Semin Radiat Oncol, 2004, 14(1): 81-90.
[6] Hanna GG, McAleese J, Carson KJ, et al. (18)F-FDG PET-CT simulation for non-small-cell lung cancer: effect in patients already staged by PET-CT[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2010, 77(1): 24-30.
[7] Hübner KF, Buonocore E, Gould HR, et al. Differentiating benign from malignant lung lesions using ″quantitative″ parameters of FDG PET images[J]. Clin Nucl Med, 1996, 21(12): 941-949.
[8] Macmanus MP, Hicks RJ. Where do we draw the line? Contouring tumors on positron emission tomography/computed tomography[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2008, 71(1): 2-4.
[9] Grills IS, Yan D, Black QC, et al. Clinical implications of defining the gross tumor volume with combination of CT and 18FDG-positron emission tomography in non-small-cell lung cancer[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007, 67(3): 709-719.
[10] Bettinardi V, Picchio M, Di Muzio N, et al. Detection and compensation of organ/lesion motion using 4D-PET/CT respiratory gated acquisition techniques[J]. Radiother Oncol, 2010, 96(3): 311-316.