放射治疗是食管癌的主要治疗方式之一，精准放疗现已成为食管癌放疗的主流技术，靶区精确确定则是食管癌精确放疗的关键。多模态影像结合是提高食管癌靶区确定准确性的有效途径，而PET-CT则具备功能影像和解剖影像融合的突出优势，在食管癌靶区精确确定与修正中发挥重要作用^[1-2]。临床实践中，许多食管癌患者放疗定位前已行诊断PET-CT检查，通常认为单纯参考诊断PET-CT勾画靶区可能存在不确定性，然而，放疗定位时再次行定位PET-CT扫描一方面会加重患者经济负担，另一方面会增加患者和医生的受辐射概率，导致PET-CT模拟定位在临床中推广相对困难，如果诊断PET-CT用于食管癌靶区勾画是可行的，则有利于PET-CT在食管癌放疗中的普及应用。为此，本研究比较了单纯参考诊断¹⁸F-FDG PET-CT在定位3D-CT图像上勾画的食管癌原发肿瘤大体肿瘤体积(GTV)与基于诊断PET-CT与定位3D-CT形变配准后勾画食管癌原发肿瘤GTV的体积和位置差异。

1.病例资料：选择2013年7月—2018年7月在山东省肿瘤医院接受放疗的72例符合条件的患者作为研究对象。纳入标准：病理诊断明确的初治胸段食管癌患者；治疗前1个月内行¹⁸F-FDG PET-CT扫描检查；已接受三维适形放疗(3D-CRT)或调强放疗(IMRT)，定位方式为大孔径CT模拟定位，扫描方式为3D\|CT增强扫描；食管原发肿瘤的最大标准摄取值(SUV_max)≥2.0。入组病例中，男64例，女8例，年龄44~88岁，中位年龄63岁。胸上段32例，胸中段24例，胸下段16例。病理类型鳞癌70例，腺癌2例。全部患者SUV_max为3.21~49.50，中位SUV_max 12.95。

2.图像配准：将每位患者3D-CT增强扫描定位图像、诊断PET图像、诊断CT图像及诊断PET-CT图像均传入MIM软件系统。首先，将定位CT图像作为参考图像，将诊断CT图像作为浮动图像，先运行刚性配准(rigid image registration，RIR)并手动调整局部错配区域，然后运行整体的形变配准(deformable image registration，DIR)，再选定感兴趣区域运行局部的DIR。同时，PET图像依照同机CT图像参数DIR到定位CT。在配准的过程中，将PET-CT图像通过RIR及DIR映射到定位CT图像上。

3.靶区勾画：同一资深放疗医生在不同时间段先后完成单纯基于定位CT图像的原发肿瘤大体肿瘤体积(gross tumor volume，GTV)勾画(GTV_3D)、基于定位CT图像并参考PET-CT图像的GTV勾画(GTV_PET-ref)、基于定位CT与PET-CT配准图像的GTV勾画(GTV_PET-reg)。每例患者的靶区勾画完成后，均由另一位资深放疗医生和一位资深核医学医生进行审校。首先完成GTV_3D的勾画，即在增强扫描3D-CT定位图像上，基于在纵隔窗(窗宽400 HU、窗位40 HU)，以管壁厚度>5 mm或不含气直径>10 mm作为勾画标准。间隔≥1周后，完成GTV_PET-ref的勾画，即将定位CT所示食管壁增厚区域(厚度>5 mm或不含气直径>10 mm)与PET-CT高代谢区域相互参照，以定位CT为主要图像，将PET-CT肉眼观察高代谢区域而定位CT勾画后未能包含区域进行补充勾画, 或将CT勾画已包括但PET-CT肉眼观察无高代谢的区域修回。间隔≥1周后，在定位CT与诊断PET-CT形变配准后图像上，基于SUV阈值≥2.5及20%的SUV_max自动勾画后，人工视觉观察手动修改，定义为GTV_PET-reg。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。

4.参数比较：分别比较全部患者及胸上、中、下段各组患者GTV_3D、GTV_PET-ref、GTV_PET-reg间中心点位置、靶区体积、靶区长度、适形指数(conformal index, CI)和包含度(degree of inclusion, DI)差异。

5.靶区CI和DI计算：CI反映两靶区体积空间重叠情况，公式为CI=A∪B/A∩B, 变化范围为0(无重叠)~1(完全重叠。若 < 1，则是因为两靶区位置、形状及体积大小差异所致。DI=(A∩B)/A，即靶区A和B重合部分体积占靶区A体积百分比。假设靶区B为标准靶区，采用靶区A制定放疗计划，将有1-DI(靶区B)的正常组织接受不必要的照射，同时将有1-DI(靶区A)的标准靶区得不到照射。

6.中心间距计算：基于GTV_3D、GTV_PET-ref、GTV_PET-reg靶区中心点在x(左右方向)、y(前后方向)、z(头脚方向)坐标轴上的坐标，用各靶区同一坐标轴上的坐标值相减即得到各靶区中心点在3个坐标轴上的差异，即△x、△y、△z，根据公式V=(△x²+△y²+△z²)^1/2计算各个靶区间的中心间距。

7.统计学处理：采用SPSS 19.0软件，计量资料靶区位置、体积、DI、CI值不服从正态分布, GTV_3D、GTV_PET-ref、GTV_PET-reg间两两比较行Wilcoxon符号秩和检验。靶区最大横径、长度符合正态分布，数据用x±s表示，靶区间两两比较行配对t检验。靶区中心间距与CI值的相关性检验采用Spearman法分析。P < 0.05为差异有统计学意义。

1.靶区中心间距差异: 表 1为全组及分段靶区间中心间距。全组及胸上、中、下段GTV_3D与GTV_PET-ref、GTV_3D与GTV_PET-reg、GTV_PET-ref与GTV_PET-reg靶区中心间距间差异均无统计学意义(P>0.05)。

表 1(Table 1)

表 1 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg靶区间中心间距(mm) Table 1 The displacement of center of mass(COM) in the 3D vector between GTVPET-reg and GTVPET-ref, GTVPET-reg and GTV3D, GTVPET-ref and GTV3D (mm) 组别 例数 GTV3D与GTVPET-ref GTVPET-ref与GTVPET-reg GTV3D与GTVPET-reg M IQR M IQR M IQR 全组患者 72 0.551 0.278，1.050 0.537 0.211，1.300 0.635 0.245，1.208 食管上段 32 0.527 0.250，0.980 0.369 0.178，0.688 0.537 0.244，0.982 食管中段 24 0.520 0.243，1.051 0.624 0.259，1.458 0.624 0.250，1.230 食管下段 16 0.830 0.325，2.367 0.948 0.447，2.859 0.890 0.303, 2.545 注: M.中位数；IQR.四分位间距

表 1 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg靶区间中心间距(mm) Table 1 The displacement of center of mass(COM) in the 3D vector between GTVPET-reg and GTVPET-ref, GTVPET-reg and GTV3D, GTVPET-ref and GTV3D (mm)

2.靶区间体积比较：GTV_3D、GTV_PET-ref、GTV_PET-reg的靶区体积见表 2。全组靶区体积GTV_3D>GTV_PET-reg>GTV_PET-ref，但GTV_3D与GTV_PET-ref、GTV_3D与GTV_PET-reg、GTV_PET-ref与GTV_PET-reg靶区体积间差异均无统计学意义(P>0.05)。胸下段GTV_3D小于GTV_PET-ref，分别为44.82、49.87 cm³，差异有统计学意义(Z=2.430，P < 0.05)。

表 2(Table 2)

表 2 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg体积大小(cm3) Table 2 Target volumes of GTV3D, GTVPET-ref, andGTVPET-reg in all and different groups of patients(cm3) 组别 例数 GTV3D GTVPET-ref GTVPET-reg M IQR M IQR M IQR 全组患者 72 44.90 26.13，58.98 40.36 27.13，57.17 41.15 27.67，59.04 食管上段 32 39.43 26.12，52.06 36.67 25.67，56.56 37.87 25.38，58.62 食管中段 24 44.90 29.10，59.28 40.34 30.59，56.34 41.59 28.34，60.23 食管下段 16 44.82 19.76，55.47 49.87 28.93，55.56 a 41.15 31.66，53.55 注: M.中位数；IQR.四分位间距；a与GTV3D相比，Z=2.430，P < 0.05

表 2 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg体积大小(cm3) Table 2 Target volumes of GTV3D, GTVPET-ref, andGTVPET-reg in all and different groups of patients(cm3)

3.靶区间长度及最大横径比较：GTV_3D、GTV_PET-ref、GTV_PET-reg靶区长度和最大横径列于表 3。全组及胸下段靶区长度GTV_PET-ref >GTV_3D(t=2.134、3.204，P < 0.05)，但GTV_3D与GTV_PET-reg、GTV_PET-ref与GTV_PET-reg靶区间差异无统计学意义(P>0.05)；全组及胸上、中段最大横径GTV_PET-ref、GTV_PET-reg均小于GTV_3D(t=-3.891~3.716，P < 0.05)，GTV_PET-ref与GTV_PET-reg靶区间差异无统计学意义(P>0.05)。

表 3(Table 3)

表 3 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg长度及最大横径(cm, x±s) Table 3 Maximum transverse diameter of target volumes and tumor length target volumes of GTV3D, GTVPET-ref, and GTVPET-reg in all and different segments of patients(cm, x±s) 组别 例数 长度(cm) 最大横径(cm) GTV3D GTVPET-ref GTVPET-reg GTV3D GTVPET-ref GTVPET-reg 全组患者 72 8.54±3.43 8.54±3.43 a 8.54±3.43 3.94±1.00 3.75± 0.94 3.80±0.94 bc 食管上段 32 8.48±3.58 8.57±4.99 7.54±3.91 3.62±0.82 3.49±0.76 3.49±0.73 bc 食管中段 24 8.52±2.54 9.51±3.78 8.71±3.39 4.05±1.00 3.76±0.89 3.89±0.96 bc 食管下段 16 8.58±4.44 10.03±4.59 a 9.53±5.18 4.15±1.09 4.02±1.11 3.87±1.07 注：a与GTV3D相比，t=2.134、3.204，P < 0.05；b与GTV3D相比，t=-3.891、1.284、-1.672，P < 0.05；c与GTVPET-ref相比，t=2.103、1.178、3.716，P < 0.05

表 3 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg长度及最大横径(cm, x±s) Table 3 Maximum transverse diameter of target volumes and tumor length target volumes of GTV3D, GTVPET-ref, and GTVPET-reg in all and different segments of patients(cm, x±s)

4.靶区间的CI比较：全组患者GTV_3D与GTV_PET-ref的CI(0.72，0.57~0.78)大于GTV_3D与GTV_PET-reg的CI(0.68，0.56~0.78)，GTV_3D与GTV_PET-reg的CI(0.68，0.56~0.78)大于GTV_PET-ref与GTV_PET-reg的CI(0.67±0.15), 差异有统计学意义(Z=-2.756、-2.244，P < 0.05)。GTV_3D与GTV_PET-ref、GTV_PET-ref与GTV_PET-reg、GTV_3D与GTV_PET-reg的CI与靶区中心间距均呈显著负相关(R=-0.344、-0.517、-0.527，P < 0.05)。

5.靶区间的DI比较：见表 4。全组患者，GTV_PET-ref对GTV_3D的DI值大于GTV_PET-reg对GTV_3D(Z=-2.741，P < 0.05)；并且，GTV_3D对GTV_PET-ref的DI值大于GTV_3D对GTV_PET-reg的DI值(Z=1.429，P < 0.05)。食管下段，GTV_PET-ref对GTV_3D的DI值也大于GTV_PET-reg对GTV_3D(Z=-2.534，P < 0.05)，同时，GTV_3D对GTV_PET-ref的DI值大于GTV_3D对GTV_PET-reg的DI值(Z=2.275，P < 0.05)。GTV_PET-ref对GTV_3D的DI值大于GTV_PET-ref对GTV_PET-reg的DI值(Z=2.585，P < 0.05)。

表 4(Table 4)

表 4 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg间的包含度 Table 4 The DI of GTV3D, GTVPET-ref, and GTVPET-reg in all and different segments of patients 组别 例数 GTVPET-ref对 GTV3D GTVPET-reg对 GTV3D GTV3D对 GTVPET-ref GTV3D对 GTVPET-reg GTVPET-reg对 GTVPET-ref GTVPET-ref对 GTVPET-reg M IQR M IQR M IQR M IQR M IQR M IQR 全组患者 72 0.86 0.76，0.92 0.82 0.75，0.90a 0.87 0.72，0.93 0.84 0.66，0.92b 0.82 0.76，0.89 0.84 0.77，0.90 食管上段 32 0.87 0.78，0.92 0.84 0.75，0.90 0.82 0.72，0.92 0.82 0.68，0.92 0.84 0.78，0.89 0.84 0.78，0.91 食管中段 24 0.84 0.77，0.92 0.82 0.78，0.90 0.86 0.70，0.92 0.85 0.65，0.93 0.80 0.74，0.89 0.85 0.80，0.89 食管下段 16 0.83 0.40，0.90 0.76 0.32，0.90 a 0.90 0.81，0.95 0.83 0.40，0.90 b 0.83 0.67，0.90 0.80 0.65，0.88 a 注: M.中位数; IQR.四分位间距。a与同一部位GTVPET-ref对GTV3D的包含度相比, Z=-2.741、-2.534、2.585, P < 0.05；b与GTV3D对GTVPET-ref的包含度相比, Z=1.429、2.275，P < 0.05

表 4 全组及各段患者GTV3D、GTVPET-ref、GTVPET-reg间的包含度 Table 4 The DI of GTV3D, GTVPET-ref, and GTVPET-reg in all and different segments of patients

PET-CT引导食管癌精准放疗已广为放疗科医生所接受，由于放疗定位时患者往往已获得诊断PET-CT影像，如何高效、经济和简洁应用诊断PET-CT影像指导靶区勾画是亟待解决的问题，实际上，直接参考诊断PET-CT指导勾画食管癌放疗靶区目前临床应用较为广泛，但由于缺乏验证，该方法的准确性受到质疑。由于采集时间和体位差异，直接将诊断PET-CT与定位CT刚性配准指导靶区勾画可能会导致较大误差，该方法无法为临床应用；形变配准技术应用一方面可尽量减少因呼吸状态、体位不同、摆位误差等造成的图像间的空间错配^[3-5]，另一方面通过设置SUV阈值自动识别肿瘤靶区，不仅可以减少勾画者自身及勾画者间的差异，还可节约时间，提高勾画效率。该技术在头颈部肿瘤已获广泛应用^[6-8]，但在食管靶区勾画中仅有近年来的少量文献进行了有益探索^[9-10]，但相关研究仅仅是对形变配准的优势进行了探讨，如Guo等^[11]的研究显示，就食管癌原发肿瘤GTV勾画而言，基于诊断PET-CT形变配准优于刚性配准，并没有回答单纯参考诊断PET-CT图像而不行图像配准所勾画食管癌原发肿瘤GTV的可行性。

本研究对单纯参考诊断¹⁸F-FDG PET-CT在定位3D-CT图像上勾画的食管癌原发肿瘤GTV与基于诊断¹⁸F-FDG PET-CT与定位3D-CT形变配准后勾画食管癌原发肿瘤GTV的体积和位置差异进行了比较，客观反映了单纯参考诊断PET-CT在食管靶区勾画中的可行性。本研究发现，就全组患者而言，单纯参考诊断PET-CT所勾画的食管癌原发肿瘤GTV_PET-ref，无论靶区体积还是靶区长度，均与基于诊断PET-CT与定位3D-CT形变配准后勾画食管癌原发肿瘤GTV_PET-reg间差异无统计学意义，而且两者与单纯基于定位3D-CT所勾画的GTV_3D靶区中心间距间差异也无统计学意义。当然，分段来看，胸下端患者，无论是靶区体积，或是靶区长度，GTV_PET-ref都大于GTV_PET-reg。

食管癌靶区通常是纵轴长、横轴短的类圆柱形结构，靶区纵向长度和最大横径大小是影响食管癌靶区体积大小重要因素。因此，测量不同靶区纵向长度及最大横径不仅可以反映基于不同方式勾画靶区形态特征，还可以进一步分析靶区体积变化，进而有助于选择合适的影像构建方式勾画靶区。本研究显示，仅有全组及胸下段食管癌患者GTV_PET-ref纵轴长度显著大于GTV_3D，而其他各组GTV_3D、GTV_PET-ref和GTV_PET-reg两两靶区纵轴长度均无差异，由此说明参考诊断PET-CT与形变配准PET-CT后勾画靶区纵轴长度并无差异，但参考诊断PET-CT勾画靶区有增加靶区纵轴长度趋势。Hong等^[12]对25例食管癌患者基于不同影像所得的靶区长度进行比较，结果显示，基于PET-CT勾画的靶区平均长度(6.53 cm)长于基于CT勾画的靶区平均长度(4.8 cm)。le Grange等^[13]研究也发现基于PET-CT勾画的靶区长度(12.6 cm)大于基于CT勾画的靶区长度(11.7 cm)。进一步分析本研究中靶区最大横径差异显示，全组及胸上、中段GTV_PET-ref、GTV_PET-reg最大横径均显著小于GTV_3D，GTV_PET-ref与GTV_PET-reg最大横径无差异，下段各靶区横径大小无差异，由于胸中上段食管毗邻心脏、气管等高密度组织，胸下段食管主要毗邻肺低密度组织，PET-CT在区分肿瘤与高密度组织优势在本研究中得到较好体现，无论是参考还是形变配准诊断PET-CT后勾画靶区均未减低该优势。在分析靶区纵轴长度及最大横径基础上，进一步比较靶区体积显示，胸下段食管靶区受靶区长度影响明显，靶区长度较长的GTV_PET-ref体积显著大于GTV_3D，与GTV_PET-reg差异也接近有统计学意义(P=0.068)。

综合靶区位置和体积特征的CI和DI是反映靶区几何学差异的优良指标。本研究显示GTV_3D、GTV_PET-ref与GTV_PET-reg两两之间有较好的适形度，CI均接近0.7，然而，GTV_PET-ref与GTV_3D间CI显著大于GTV_PET-reg与GTV_3D间CI，且GTV_PET-ref与GTV_PET-reg间CI随靶区间距增大而显著降低。说明参考和形变配准诊断PET-CT所勾画靶区间有良好的适形度，该适形度随靶区间位移增大显著降低，与参考诊断PET-CT所勾画靶区相比，形变配准诊断PET-CT并自动勾画靶区显著降低了与3D-CT靶区适形度，基于SUV阈值≥2.5及20%的SUV_max自动勾画可能导致靶区较大变异可能是导致这一现象原因。另外，在分析与3D\|CT靶区DI关系时同样发现了相似结果，GTV_PET-reg与GTV_PET-ref相比，虽然对GTV_3D均有较好的DI(0.82对0.86)，但两者之间差异具有统计学意义；并且，GTV_3D对GTV_PET-ref、GTV_PET-reg的DI间差异也具有统计学意义(0.87对0.84)。尽管基于定位3D-CT勾画靶区非标准靶区，但因其临床应用的广泛性常作为靶区比较参照，与参考诊断PET-CT所勾画靶区相比，形变配准诊断PET-CT并自动勾画靶区在与GTV_3D比较中获得较差的CI和DI，可能导致更大范围的脱靶或正常组织接受非必要照射，因此其大范围临床应用需要谨慎，尚需进一步研究。本机构Guo等^[11]也证实在临床应用中应用形变配准将诊断PET-CT与计划CT进行构建时应慎重。Hanna等^[14]基于10例肺癌患者的诊断PET-CT与计划CT进行形变配准，结果显示，基于PET和基于CT所得融合图像包含度不一致，形变配准对靶区构建没有很明显优势。

需要指出的是，基于PET-CT进行靶区勾画的理想SUV阈值目前仍有争议，不同阈值的选择可能会误判食管炎症等非肿瘤因素，从而影响靶区勾画的准确性^[15]。另外，本研究在假设诊断PET-CT图像中PET与CT图像完全匹配的前提下进行的，由于PET图像采集多个呼吸周期时相，CT图像瞬间采集，二者图像很难达到完全匹配。

综上所述，尽管在位移相对大的区域(如下段)会有些差别，但对全组患者而言，无论是靶区体积大小，还是靶区空间位置，参考诊断PET-CT与基于诊断PET-CT形变配准所勾画食管癌原发肿瘤GTV均没有显著的差别，甚至参考勾画所得GTV与基于定位3D-CT勾画GTV间的适形度和包含度都好于形变勾画所得GTV，因此，建议放疗医生可以参照治疗前近期的诊断PET-CT勾画食管癌原发肿瘤GTV。

利益冲突  无

作者贡献声明  石景真负责分析数据和论文撰写；李奉祥指导论文的撰写和修改；李建彬设计实验, 指导论文的撰写和修改；张英杰、郭延娈、王玮、王金之负责患者入组和数据采集