基于4DCT的胸部食管運(yùn)動研究.pdf

1、目的:
　　 利用四維CT技術(shù)定量研究亞洲人種精確放療中分次內(nèi)胸段食管原發(fā)腫瘤的運(yùn)動情況及正常食管的運(yùn)動情況，了解其運(yùn)動規(guī)律及特點(diǎn)，指導(dǎo)原發(fā)腫瘤（Gross Tumor Volume，GTV）的內(nèi)靶區(qū)（Internal Target Volume，ITV）制定及亞臨床灶(Clinical Target Volume，CTV)的內(nèi)靶區(qū)(ITV)外放，為胸段食管癌精確放療計(jì)劃靶區(qū)的制定提供可靠的參考數(shù)據(jù)。
　　 材料和方法:

2、
　　 1.采集山東省腫瘤醫(yī)院放療科2009年5月至2011年2月行常規(guī)定位CT增強(qiáng)掃描和4DCT掃描的25例確診的胸段原發(fā)食管癌患者，將掃描獲得的每個(gè)完整呼吸周期的4D-CT圖像根據(jù)RPM采集的信號提取分類為T1-T10，分別代表吸氣末到呼氣末等不同時(shí)相的十套CT圖像。將圖像傳入Varian Eclipse8.6計(jì)劃系統(tǒng)，每一例患者均在統(tǒng)一的縱隔窗條件下按食管壁厚度≥5mm或不含氣食管直徑≥10mm，作為腫瘤GTV勾畫判別標(biāo)準(zhǔn)

3、，在獲得的每一個(gè)患者的10套片子上都勾畫GTV1-GTV10，指定專一的放療科醫(yī)師執(zhí)行靶區(qū)勾畫，并由同一名上級醫(yī)師復(fù)核。建立鄰近靶區(qū)容易辨認(rèn)的脊柱骨性參考點(diǎn)，作為人工測量坐標(biāo)參考原點(diǎn)。測量并記錄每一個(gè)GTV中心點(diǎn)的相對三維空間坐標(biāo)值，并以每個(gè)方向運(yùn)動矢量的均值為參考中心，計(jì)算出每一個(gè)GTV中心點(diǎn)在不同呼吸時(shí)相相對于參考中心的在不同方向的移動矢量峰值。腫瘤所在胸部食管的部位以靶區(qū)中心所在位置確定。分析胸部上中下各段食管腫瘤運(yùn)動的特征、范疇

4、，以及雙肺體積、GTV隨呼吸的變化關(guān)系。
　　 2.自2010年5月至2011年4月，采集并分析山東省腫瘤醫(yī)院放療科6例正常食管的4DCT圖像，對每一例的10套圖像(T1-10)的胸段食管進(jìn)行整體長度的變化測量并勾畫確定Point1-Point7，并基于平均呼吸時(shí)相圖像做為參考，測量并計(jì)算七點(diǎn)的相對三維空間坐標(biāo)，計(jì)算出每一個(gè)點(diǎn)在不同呼吸時(shí)相對于均值參考中心的三維空間左右、前后、頭腳方向的移動矢量峰值，統(tǒng)計(jì)并分析各點(diǎn)的運(yùn)動特征及可

5、信區(qū)間。了解亞臨床病灶或退縮后病變需要外放的范圍并指導(dǎo)CTV的ITV外放制定。
　　 結(jié)果:
　　 一胸段食管原發(fā)腫瘤患者肺體積變化及GTV中心運(yùn)動情況
　　 1男性總肺體積為3301.47±926.01 cm3，女性總肺體積2708.78±827.26cm3，二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=6.395，P=0.000)。
　　 呼氣末和吸氣末雙肺體積分別為3010.17±934.25cm3、3334.97±9

6、47.95cm3，二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=17.481，P=0.000)。
　　 上段病例肺體積呼吸氣末分別為2918±508.25cm3、3192.35±481.5cm3，二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-12.367,P=0.000）;中段病例肺體積呼吸氣末分別為3128.11±1076.36cm3、3499.36±1103.77cm3，二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=12.109,P=0.000);下段病例肺體積呼吸氣末分別為283

7、2.56±1035.5cm3、3107.21±1003.02cm3，二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=15.501,P=0.000)。
　　 男性總的原發(fā)灶GTV體積為39.03±35.27cm3，女性總的原發(fā)灶GTV體積為22.71±15.96cm3，在呼氣末和吸氣末食管原發(fā)灶GTV體積分別為35.29±32.7cm3、34.76±32.3cm3，GTV在呼氣末和吸氣末之間比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t=-0.82，P=0.935)。
　

8、　 2胸段食管腫瘤中心在X、Y、Z軸方向總的峰值運(yùn)動不同，分別為0.67±0.58mm，0.53±0.3mm，1.67±1.17mm，以Z軸方向最大，最大為5.38mm。X軸較Y軸方向運(yùn)動略大，但比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.13)，X、Z和Y、Z軸之間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.000，P=0.000)。
　　 胸上段腫瘤中心在X、Y、Z軸方向的峰值運(yùn)動分別為X軸（左右方向）為0.36±0.16mm，Y軸（前后方向）為0.43±0

9、.33mm，Z軸（頭腳方向）為0.75±0.64mm。之間比較X、Y無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=6.192,P=0.02;t=-0.647,P=0.525)，X、Z統(tǒng)計(jì)學(xué)有差異（F=10.141，P=0.004;t=-2.164，P=0.047），Y、Z統(tǒng)計(jì)學(xué)無差異(F=3.35，P=0.079;t=-1.653,P=0.11)。
　　 向左:0.32±0.16mm，向右:0.41±0.17mm(F=0.13,P=0.725;t=-1.0

10、09,P=0.333);
　　 向前:0.44±0.4mm，向后:0.41±0.29mm（F=0.426,P=0.526;t=0.154，P=0.88）;
　　 向上:0.89±0.81mm，向下:0.61±0.45mm（F=0.979,P=0.342;t=0.799，P=0.44）。
　　 胸中段腫瘤中心在X、Y、Z軸方向的峰值運(yùn)動分別為X軸（左右方向）為0.64±0.39mm，Y軸（前后方向）為0.56±0.

11、29mm，Z軸（頭腳方向）為1.8±0.98mm。之間比較X、Y無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（F=1.05,P=0.311;t=0.852,P=0.398），X、Z統(tǒng)計(jì)學(xué)有差異（F=11.595，P=0.001;t=-5.582,P=0.000），Y、Z統(tǒng)計(jì)學(xué)有差異(F=16.17，P=0.000;t=-6.16,P=0.000)。
　　 向左:0.73±0.47mm，向右:0.54±0.28mm（F=2.777,P=0.109;t=1.28，

12、P=0.213）;，
　　 向前:0.54±0.3mm，向后:0.57±0.29mm(F=0.012,P=0.913;t=-0.227,P=0.822);
　　 向上:1.93±0.96mm，向下:1.66±1.03mm(F=0.133,P=0.718;t=0.678,P=0.504)。
　　 胸下段腫瘤中心在X、Y、Z軸方向的峰值運(yùn)動分別為X軸（左右方向）為1.16±0.99mm,Y軸（前后方向）為0.59±0

13、.3mm,Z軸（頭腳方向）為2.65±1.3mm。之間比較X、Y無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=3.507,P=0.077;t=1.735,P=0.112)，X、Z統(tǒng)計(jì)學(xué)有差異(F=0.996,P=0.332;t=-2.872,P=0.01)，Y、Z統(tǒng)計(jì)學(xué)有差異(F=9.179,P=0.007;t=-4.866,P=0.001)。
　　 向左:1.01±0.65mm，向右:1.31±1.32mm(F=1.404,P=0.27;t=-0.462

14、P=0.657);
　　 向前:0.6±0.28mm，向后:0.58±0.36mm(F=0.401,P=0.544;t=0.139,P=0.893);
　　 向上:2.51±1.17mm，向下:2.79±1.55mm(F=0.374,P=0.558;t=-0.317,P=0.759)。
　　 X軸向運(yùn)動情況上段為0.36±0.16mm，中段為0.64±0.39mm，下段為1.16±0.99mm，上段與中段、上段與

15、下段之間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[上中Mann-Whitney U=93,Wilcoxon W=198,Z=-2.525,P=0.011][上下Mann-Whitney U=14,Wilcoxon W=119,Z=-3.28,P=0.001]，中段與下段無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[中下Mann-Whitney U=77,Wilcoxon W=428,Z=-1.872,P=0.063]。
　　 Y軸向運(yùn)動情況上段為0.43±0.33mm，中段為0.56

16、±0.29mm，下段為0.59±0.3mm(F=1.082,P=0.347)，上、中、下段比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[上中Mann-Whitney U=125,Wilcoxon W=230,Z=-1.617,P=0.11][上下Mann-Whitney U=45.5,Wilcoxon W=105.5,Z=-1.436,P=0.154][中下 Mann-Whitney U=124,Wilcoxon W=475,Z=-0.212,P=0.849]。<

17、br>　　 Z軸軸向運(yùn)動情況上段為0.75±0.65mm，中段為1.8±0.98mm，下段為2.65±1.3mm，上段與中段、上段與下段之間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[上中Mann-Whitney U=53,Wilcoxon W=158,Z=-3,659,P=0.000][上下Mann-Whitney U=6,Wilcoxon W=111,Z=-3.751,P=0.000]，中段與下段統(tǒng)計(jì)學(xué)差異不明顯[中下Mann-Whitney U=74,W

18、ilcoxon W=425,Z=-1.978,P=0.049]。
　　 二.正常胸段食管總的運(yùn)動情況
　　 正常胸段食管總的運(yùn)動情況在X軸（左右方向）為1.44±1.34mm,Y軸（前后方向）為1.42±1.21mm,Z軸（頭腳方向）為3.73±2.77mm?？偟南蜃?1.32±0.83mm，向右:1.58±1.7mm，向前:1.46±1.44mm，向后:1.37±0.92mm,向上:3.69±2.39mm，向下:3.7

19、7±3.13mm。
　　 胸段食管各點(diǎn)的運(yùn)動情況
　　 1點(diǎn):X軸（左右方向）為1.78±3.04mm,Y軸（前后方向）為0.43±0.23mm,Z軸（頭腳方向）為0mm。向左:0.95±0.71mm，向右:2.61±4.26mm，向前:0.39±0.24mm，向后:0.48±0.24mm，向上:0mm，向下:0mm。左右無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，前后比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[左右Mann-Whitney U=16,Wilcoxon W=3

20、7,Z=-0.32,P=0.818][前后Mann-Whitney U=9.5,Wilcoxon W=30.5,Z=-1.363,P=0.18]
　　 2點(diǎn):X軸（左右方向）為1.12±0.45mm,Y軸（前后方向）為1.5±2.27mm,Z軸（頭腳方向）為3.17±3.41mmmm。向左:1.19±0.6mm，向右:1.05±0.29mm,向前:2.0±3.25mm，向后:1.0±0.43mm，向上:3.12±2.82mm，向

21、下:3.21±4.19mm。左右、前后、上下比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[左右Mann-Whitney U=17.5,WilcoxonW=38.5,Z=-0.8,P=0.937][前后 Mann-Whitney U=11.5,WilcoxonW=32.5,Z=-1.043,P=0.31][頭腳Mann-Whitney U=17,Wilcoxon W=38,Z=-0.16,P=0.937]
　　 3點(diǎn):X軸（左右方向）為1.5±0.8mm,Y

22、軸（前后方向）為0.98±0.64mm,Z軸（頭腳方向）為2.68±0.92mm。向左:1.72±0.98mm，向右:1.28±0.57mm,向前:0.85±0.32mm，向后:1.1±0.87mn，向上:2.72±0.83mm，向下:2.63±1.08mm。左右、前后、上下比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[左右Mann-Whitney U=15,WilcoxonW=36,Z=-0.48,P=0.699][前后Mann-Whitney U=17,Wil

23、coxon W=38,Z=-0.16,P=0.937][頭腳Mann-Whitney U=15.5,Wilcoxon W=36.5,Z=-0.401,P=0.699]
　　 4點(diǎn):X軸（左右方向）為1.2±0.73mm,Y軸（前后方向）為1.29±0.67mm,Z軸（頭腳方向）為3.75±0.89mmmm。向左:0.99±0.74mm，向右:1.42±0.72mm,向前:1.31±0.58mm，向后:1.27±0.81mm，向上

24、:3.45±0.7mm，向下:3.7±1.11mm。[左右Mann-Whitney U=12,Wilcoxon W=33,Z=-0.961,P=0.394][前后Mann-Whitney U=14.5,Wilcoxon W=35.5,Z=-0.561,P=0.589][頭腳Mann-WhitneyU=16,Wilcoxon W=37,Z=-0.32,P=0.818]
　　 5點(diǎn):X軸（左右方向）為1.31±0.92mm,Y軸（前

25、后方向）為1.25±0.39mm,Z軸（頭腳方向）為5.57±2.62mmmm，向左:1.3±0.87mm，向右:1.32±1.06mm,向前:1.14±0.34mm，向后:1.36±0.44mm，向上:5.11±1.3mm，向下:6.02±3.59mm。[左右Mann-Whitney U=15,Wilcoxon W=36,Z=-0.482,P=0.699][前后Mann-Whitney U=14,Wilcoxon W=35,Z=-0.

26、641,P=0.589][頭腳Mann-Whitney U=18,Wilcoxon W=39,Z=0.000,P=1.0]
　　 6點(diǎn):X軸（左右方向）為1.34±0.61mm,Y軸（前后方向）為2.69±1.16mm, Z軸（頭腳方向）為6.58±2.35mmmm，向左:1.04±0.33mm，向右:1.65±0.7mm，向前:2.57±1.29mm，向后:2.81±1.12mm，向上:6.28±1.86mm，向下:6.89±

27、2.91mm。[左右Mann-Whitney U=7.0，Wilcoxon W=28，Z=-1.761，P=0.093][前后Mann-Whitney U=15,Wilcoxon W=36,Z=-0.48,P=0.699][頭腳Mann-Whitney U=14,Wilcoxon W=35,Z=-0.641,P=0.589]
　　 7點(diǎn):X軸（左右方向）為1.88±1.06mm，Y軸（前后方向）為1.77±0.42mm，Z軸（頭

28、腳方向）為4.55±1.43mmmm，向左:2.05±1.1mm，向右:1.72±1.11mm，向前:1.97±0.42mm，向后:1.57±0.33mm，向上:5.18±1.14mm，向下:3.93±1.51mm。[左右Mann-Whitney U=14.5，Wilcoxon W=35.5，Z=-0.561,P=0.589][前后Mann-Whitney U=8.0,WilcoxonW=29,Z=-1.601,P=0.132][頭腳M

29、ann-Whitney U=10.0,Wilcoxon W=31,Z=-1.281，P=0.24]
　　 X軸方向:1(1.78±3.04mm)，2(1.12±0.45mm)，3(1.5±0.8mm)，4(1.2±0.73mm)，5(1.31±0.92mm),6(1.34±0.61mm),7(1.88±1.06mm)(F=0.547,P=0.771),X軸方向7點(diǎn)之間比較均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=1.0，0.555，0.959，0.6

30、44，0.799，0.836）。
　　 Y軸方向:1(0.43±0.23mm),2(1.5±2.27mm),3(0.98±0.64mm),4(1.29±0.67mm),5(1.25±0.39mm),6(2.69±1.16mm),7(1.77±0.42mm)(F=1.909,P=0.09)，Y軸方向第1點(diǎn)與2、3、6、7點(diǎn)之間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.05)，其余各點(diǎn)之間比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。
　　 Z軸方向:

31、1(0mm)，2(3.17±3.4mm)，3(2.68±0.92mm)，4(3.58±0.89mm)，5(5.57±2.62mm),6(6.58±2.35mm),7(4.55±1.43mm)(F=5.889,P=0.000),Z軸方向第3點(diǎn)與5、6、7點(diǎn)之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，4、6之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.05)。
　　 左右（X軸）方向:第1點(diǎn)運(yùn)動幅度較大，與吞咽蠕動有關(guān)，其余各點(diǎn)運(yùn)動幅度相近。前后（Y軸）方向:第2、6點(diǎn)運(yùn)動幅度

32、最大，提示受相關(guān)組織器官限制較少的部位，活動的空間較大的情況下運(yùn)動增大。頭腳（Z軸）方向:第2、5、6點(diǎn)運(yùn)動幅度較大，提示膈肌附近移動最為明顯。
　　 我們的數(shù)據(jù)顯示對于食管癌原發(fā)灶運(yùn)動由頸部向腹部逐漸增大，但幅度相對較小，外放時(shí)重點(diǎn)注意左右方向和頭腳方向。正常食管的數(shù)據(jù)對接近正常食管的亞臨床灶或原發(fā)灶退縮后的ITV外放可以參考，也可以應(yīng)用在胸部腫瘤放療時(shí)控制正常食管毒性方面，有助于更加精確的制定更加合理的正常食管的ITV，可望

33、進(jìn)一步減少脫靶幾率并降低相應(yīng)危及器官等的受照劑量及毒副反應(yīng)。
　　 結(jié)論:
　　 采用4DCT測量胸段食管原發(fā)腫瘤靶區(qū)運(yùn)動情況并制定個(gè)體化的ITV外放可行，整體胸段食管腫瘤越靠近頸部運(yùn)動幅度最小，越接近腹部運(yùn)動幅度越大。胸段食管腫瘤GTV前后（Y軸）方向運(yùn)動較小且相對一致，左右（X軸）、頭腳（Z軸）方向運(yùn)動幅度由頸部向腹部逐步增大，胸上段移動最小，胸下段移動最大，對于不同部位的食管腫瘤應(yīng)給予不同的外放范圍，重點(diǎn)注意左右方

34、向和頭腳方向的運(yùn)動情況。
　　 正常胸段食管各點(diǎn)的運(yùn)動情況不同，即使在同一段內(nèi)的不同點(diǎn)之間也有所不同，整體數(shù)據(jù)顯示較帶瘤病變靶區(qū)運(yùn)動幅度增大，但運(yùn)動較為明顯的部位在鄰近膈肌上下處，且為前后和頭腳方向明顯，在左右方向整體運(yùn)動較為一致。在考慮腫瘤病變明顯退縮后或胸部腫瘤放射治療時(shí)正常食管的保護(hù)應(yīng)參考正常食管運(yùn)動數(shù)據(jù)及時(shí)修訂ITV的外放，在CTV部分外放時(shí)也應(yīng)參照考慮，以避免漏照或過度照射，有望進(jìn)一步減少放射治療中危及器官的毒副作用，