背景和目的:放疗是肺癌治疗的重要手段,21世纪后期,随着计算机自动控制技术与放疗技术的相结合,三维适形放射治疗(three dimension conformal radiation therapy;3DCRT)、调强放射治疗(intensity Modulated Radiation Therapy;IMRT)、容积旋转弧形调强放射治疗(volumetric modulated arc therapy;VMAT)、立体定向放射外科治疗(stereotactic radiosurgery;SRS)、立体定向消融放疗(stereotactic ablative radiotherapy;SABR)等多种新型放疗技术广泛应用于临床治疗。立体定向消融放疗又称为立体定向放射治疗(stereotactic body radiation therapy;SBRT),已在早期不可手术或不愿手术的非小细胞肺癌(non-small-cell lung cancer;NSCLC)和肺部寡转移肺癌中取得了较好的治疗效果。SABR具有单次大剂量照射,放疗次数较少,靶区适形性较高,靶区外照射剂量跌落较迅速,周围正常组织及器官照射剂量最小等特点,越来越多应用于部位较局限的小病灶放疗(肺癌、肝癌、胰腺癌等)。图像引导放射治疗(image guided radiation therapy;IGRT)将直线加速器与影像系统相结合,在放疗分次间和分次内及时修正因肿瘤、器官运动而造成的误差。SABR与图像引导放疗的应用,提高放疗的高精度、高剂量、高疗效、低损伤,但是胸部肿瘤的位置可能因呼吸运动、心脏运动等非自主运动而发生改变,导致靶区剂量传递出现几何和剂量学不确定性。在目前SABR的临床治疗中,患者每次治疗前进行图像引导放疗,大部分肿瘤中心采用三维锥形束CT(three-dimensional cone beam CT;3D-CBCT)技术进行图像引导放疗,对患者放疗前的肿瘤靶区位置进行图像配准,但是3D-CBCT只能提供静态图像,不能很好反映肿瘤和内脏器官对呼吸运动的变化规律。为了解决患者放疗中呼吸运动对肿瘤运动轨迹、剂量传递等影响,在呼吸门控技术及3D-CBCT的基础上引入时间因素,研究人员提出了四维锥形束CT(four-dimensional cone beam CT;4D-CBCT)的概念和方法。4D-CBCT 是根据患者的呼吸信号对投影的影像数据重建后形成的三维动态序列图像,可以实时监测肿瘤在10个呼吸相中肿瘤运动轨迹,全面了解肿瘤运动规律,确保肿瘤在呼吸运动中治疗更加精确,同时减少危及器官的放射剂量。4D-CBCT技术随着十余年的发展,已经在放疗的图像引导、监视肿瘤运动轨迹、靶区勾画和外扩等方面逐步开展研究和技术推广,常规的3D-CBCT图像引导的验证图像是静态的,而4D-CBCT采集患者在完整呼吸状态下的实时动态图像,能够提供肿瘤的时空位置信息,从而提高肺癌SABR的放疗精度。但是4D-CBCT技术的在肿瘤放疗的这些方面是否优于3D-CBCT技术目前还不确定,因此,4D-CBCT图像引导放疗等技术在临床肿瘤放疗中的广泛应用受到限制。本研究主要从肺癌SABR治疗中采集的3D-CBCT与4D-CBCT图像分别在X轴、Y轴、Z轴各个方向的摆位误差的平移矢量结果及摆位误差的绝对值进行统计分析,为4D-CBCT技术在肺癌SABR放疗中的图像验证提供依据。材料和方法:本研究从2019年4月至2020年1月期间,入组23例(25枚肿瘤)早期不可手术或不愿手术的非小细胞肺癌(N=7例,Ⅰ或Ⅱ期)或肺部寡转移癌(N=16例,原发灶已控制,≤3个肺部转移灶)患者在河南省肿瘤医院放疗中心行SABR治疗。23例患者在我科CT模拟机(phillip brilliance TM big bore CT)上进行4D CT模拟定位,患者首先在自由呼吸状态下行3D CT扫描,扫描范围为自胸廓入口至肺底。然后,患者被要求继续进行自由呼吸,根据RPM(real-time position management)系统记录呼吸周期,待患者呼吸波形稳定后进行4D CT扫描,扫描范围同上。将4D CT获得图像重建后传至Eclipse治疗系统。在4D CT的最大密度投影(maximal intensity projection;MIP)图像序列上勾画内靶区体积(internal target volume;ITV),计划靶体积(planning target volume;PTV)是在ITV的基础上:头脚、腹背及左右方向上均匀外扩5mm,肿瘤靶区的勾画参考 RTOG(radiation therapy oncology group)1106 标准勾画。放疗计划制定在平均密度投影(average intensity projection;AIP)图像上进行,靶区要求95%的PTV接受100%的处方剂量,或者95%的处方剂量接受99%的PTV。然后在医科达Infinity直线加速器的XVI Symmetry呼吸管理系统进行3D/4D-CBCT图像扫描,每次SABR治疗前首先行3D-CBCT图像扫描,在XVI系统进行Clipbox配准;再行4D-CBCT图像扫描,Mask的配准以4D灰度平移配准。3D-CBCT扫描影像、4D-CBCT重建影像分别与计划4D CT图像进行上述方式的标准进行图像配准。图像自动配准后并在线行人工配准,3D-CBCT图像配准后,记录摆位数据后未移动治疗床。当4D-CBCT图像配准后,根据人工配准在各方向摆位误差结果移动治疗床开始放疗。记录每次放疗前患者3D-CBCT、4D-CBCT配准图像在左右、头脚及腹背方向上的摆位误差位移数据。总共获得160组肺癌患者SABR治疗前的3D-CBCT与4D-CBCT影像配准在左右(left-right;LR/X)、头脚(superior-inferior;SI/Y)、腹背(anterior-posterior;AP/Z)方向位移数据。结果:1.3D-CBCT、4D-CBCT在X轴、Y轴、Z轴三个方向的配准摆位误差值分别为:-0.03±0.6cm 和-0.05±0.23cm(P=0.86>0.05),-0.10±0.62cm 和-0.12±0.39cm(P=0.794>0.05),-0.06±0.41cm 和 0.09±0.31cm(P=0.002<0.05)。3D-CBCT与4D-CBCT配准图像在Z轴方向的配准摆位误差有统计学意义(P<0.05),在X轴、Y轴方向配准摆位误差无统计学意义(P>0.05)。所有的摆位误差中,Y轴方向的摆位误差最大,其次Z轴方向摆位误差,X轴方向摆位误差最小。4D-CBCT较3D-CBCT摆位误差矢量值差异较小。2.肺上叶组(N=13枚)和肺中下叶组(N=12枚)肿瘤在3D-CBCT及4D-CBCT配准图像摆位误差的统计学结果:3D-CBCT图像配准在肺上叶组与肺中下叶组的Z轴方向摆位误差值有统计学意义(P=0.005<0.05),但是X轴、Y轴方向摆位误差无统计学意义。4D-CBCT图像引导下放疗的肺上叶组与肺中下叶组肿瘤在Y轴、Z轴两个方向的摆位误差值的差异有统计学意义(P=0.048,0.215,均<0.05),在X轴方向的摆位误差无统计学意义。但是4D-CBCT在肺上叶组的摆位误差绝对值均小于肺中下叶组的摆位误差绝对值,肺中下叶组肿瘤在SABR放疗时可优先选择4D-CBCT图像引导技术。3.左肺(N=9枚)和右肺(N=16枚)在两种图像引导放疗中摆位误差数据比较:3D-CBCT在Y轴方向摆位误差差异有统计学意义(P=0.004<0.05),在X轴、Z轴方向差异无统计学意义(P=0.429,0.064,均>0.05);4D-CBCT重建图像配准中在X轴、Y轴、Z轴三个方向摆位误差差异均无统计学意义(P=0.649,0.414,0.054,均>0.05)。3D-CBCT在左肺X轴方向的摆位误差较右肺有优势,但是4D-CBCT技术对于不同肺部肿瘤放疗时无差异。4.放疗剂量50Gy/5次(N=11枚)和放疗剂量60Gy/8次(N=9枚)的患者在两种配准图像的摆位误差数据:3D-CBCT图像配准在Y轴、Z轴方向摆位误差的差异有统计学意义(P=0.027,0,均<0.05),在X轴方向无统计学意义(P=0.545>0.05)。4D-CBCT图像配准的结果中在Z轴方向有统计学意义(P=0<0.05),X轴、Y轴方向摆位误差无统计学意义(P=0.496,0.177,均>0.05)。随着放疗次数的增加,每次放疗时肿瘤体积发生变化,3D-CBCT技术在放疗5次较8次的Y轴方向的摆位误差小,在Z轴方向摆位误差较大;4D-CBCT技术虽然在放疗5次较8次的Z轴方向摆位误差较大,但是减少患者放疗分次间在左右、头脚方向的摆位误差的差异。5.3D-CBCT与4D-CBCT配准图像在X轴、Y轴、Z轴三个方向的配准摆位误差的绝对值进行统计分析,结果分别为:0.49±0.47cm和0.15±0.16cm(P<0.001),0.46±0.41cm 和 0.29±0.27cm(P<0.001),0.33±0.23cm 和 0.24±0.21cm(P<0.001)。4D-CBCT与3D-CBCT图像配准在X轴、Y轴、Z轴三个方向的摆位误差绝对值数值差异均有统计学意义。4D-CBCT较3D-CBCT图像配准更有优势。3D-CBCT在X轴摆位误差绝对值最大,其次Y轴方向摆位误差绝对值,Z轴方向摆位误差绝对值最小。4D-CBCT在Y轴方向摆位误差绝对值值最大,其次Z轴方向摆位误差绝对值,X轴方向摆位误差绝对值最大。6.通过公式2.5Σ+0.7σ计算手动配准在3D-CBCT、4D-CBCT不同配准方式的摆位边界外放值。3D-CBCT图像配准时:3D-CBCT在X轴、Y轴、Z轴三个方向的ITV外放建议分别为:6.5mm,5.2mm,3.5mm;肺上叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:5.0mm,3.0mm,2.1mm;肺中下叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:7.4mm,7.1mm,2mm;左肺叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:8.0mm,3.1mm,3mm;右肺叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:8mm,6.4mm,0.5mm。4D-CBCT图像配准时:4D-CBCT在X轴、Y轴、Z轴三个方向的ITV外放建议分别为:1.8mm,2.7mm,4.0mm;肺上叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:1.5mm,0.3mm,3.3mm;肺中下叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:2.0mm,4.5mm,4.3mm;左肺叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:1.7mm,3.6mm,3.1mm;右肺叶组肺癌在X轴、Y轴、Z轴摆位边界分别为:2.2mm,3.1mm,0.6mm。肺上叶组与肺中下叶组,左肺与右肺,在3D-CBCT、4D-CBCT图像配准中的X轴、Y轴、Z轴方向的摆位边界值均无统计学意义。4D-CBCT技术保证放疗时肿瘤运动轨迹在PTV范围之内,满足SABR的放疗要求。结论:通过对160组4D-CBCT与3D-CBCT配准图像在X轴、Y轴、Z轴三个方向的摆位误差值及绝对值进行比较,得出以下结论:1.4D-CBCT较3D-CBCT在肺癌患者SABR治疗中可能有优势,减小患者在放疗时摆位误差,减少放疗分次内、分次间的摆位误差,满足SABR的放疗要求。2.肺中下叶组肿瘤患者SABR时建议选择4D-CBCT技术进行放疗前摆位验证。肿瘤位于左肺、右肺或者放疗次数为5次、8次时可适当选择4D-CBCT图像验证,而且对于患者年龄偏大、呼吸运动不规律、肿瘤靶区靠近横隔、纵隔、胸壁等情况时,建议使用4D-CBCT技术进行图像配准,减少呼吸运动伪影。3.4D-CBCT图像验证减少肿瘤内靶区体积在各方向的外扩边界,保证肿瘤ITV在放疗时各方向运动范围均在PTV范围之内,也满足SABR的放疗要求,减少靶区外剂量跌落,降低放疗的毒副作用。