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《复旦大学》 2007年
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~(18)F-FDG-PET/CT用于精确确定非小细胞肺癌放疗靶区的定量条件的研究

张碧媛  
【摘要】: 1.~(18)F—FDG—PET/CT图像精确确定肺内肿瘤体积的最佳阈值的筛选——模型试验 目的:通过模型模拟人体常见的非小细胞肺癌(NSCLC)大小和靶/本底(T/B)比值,筛选在我院PET/CT机器条件下使PET图像上的靶体体积和实际体积最接近的最佳显像阈值条件。 方法:采用NEMA IEC—Bodv Phantom Set~(TM)体模模拟人体胸部环境,以体模固有的6个体积分别为0.52 ml、1.15 ml、2.6 ml、5.5 ml、11.4 ml、26.5ml(内径分别为10mm,13mm,17mm,22mm,28mm,37mm)的有机玻璃标准球体,1个自备的体积为127ml(内径为62mm)的塑料标准球体,模拟人体常见的NSCLC的大小。通过向球体和体模内的本底区注入比活度分别为0.563~3.572uCi/ml和0.122~0.203uCi/ml的~(18)F—FDG溶液,以获得临床常见的高、中、低T/B比值(17.7:1、10.1:1、3.2:1)。采用Siemens biograph 16(HR)PET/CT仪采集图像,将PET和CT图像传到Pinnacle 7.0~g放疗计划系统(TPS)工作站上,采用最大互信息法自动图象融合和手动调节相结合的方法进行PET和CT图像的融合,使图像融合精度≤1mm。以窗位40HU,窗宽200HU条件下的CT图像上逐层勾画各球体的内轮廓为金标准,PET的显像阈值的表示采用I_(threshold)=I_(back)+X%I_(max-back(slice))(阈值像素值=本底平均像素值+每个层面的最大像素值与本底平均像素值的差值的某一百分比),调节PET图像的显像阙值,以使PET图像上显示的球体轮廓与CT勾画的球体内轮廓最接近的阈值为最佳阈值。比较本试验筛选的最佳阈值条件与目前国内外广泛应用的以球体内最大像素值(I_(max(total)))的42%为阈值的显像条件勾画的球体体积的大小及空间位置的差异。 结果:标准球体内不同层面的最大像素值的分布与层面体积有关,对≥5.5ml的球体,在扫描纵轴方向上的中间1/2层面的最大像素值与本底平均像素值的差值(I_(max-back(slice)))和最大横断面的最大像素值与本底平均像素值的差值(I_(max-back(max)))较接近,平均相差—3.2%±2.7%,而周边1/2层面的I_(max-back(slice))与I_(max-back(max))的差异较大,平均相差(—20.0%±14.8%) (P<0.05)。 获得与球体实际体积接近的每个层面的最佳%I_(max-back(slice))与球体体积、层面体积、T/B值有关。对≥5.5ml的球体,在球体的中间1/2层面的最佳%I_(max-back(slice))与最大层面的最佳%I_(max-back(slice))相接近,平均相差2.0%±0.3%,而在球体的周边1/2层面的平均差异为10.1%±1.7%(P<0.05)。层面的最佳%I_(max-back(slice))随层面体积的增大而减小,对相同大小的球体,体积相近层面的最佳%I_(max-back(slice))在低T/B组明显高于中、高组(P<0.03),而中、高T/B组之间的相应层面的最佳%I_(max-back(slice))则趋于接近(P>0.05)。体积≥5.5ml、不同T/B的球体的最大层面的最佳%I_(max-back(slice))趋于15~26%之间,%I_(max-back(slice))在20~25%之间的改变引起勾画体积与实际体积的差异≤5%。 对≥5.5ml的球体,以I_(back)+20%I_(max-back(max))(简称20%max法)及I_(back)+20%I_(max-back(slice))(简称20%slice法)为阈值勾画的体积,对实际体积的覆盖率均优于42%I_(max(total))法(简称42%法)(P<0.02),前两者均引起勾画的体积较实际体积扩大,而42%法则导致勾画的体积较实际体积缩小(P=0.000)。20%max法和20%slice法勾画的体积无明显差异(P>0.05)。20%slice法和20%max法导致本底被划入球体的体积平均为5.3±4.7 cm~3和4.4±4.0 cm~3。20%slice法无边缘层面的遗漏,而20%max法在42%的球体中有边缘层面的遗漏。对各种大小的球体,在高、中、低T/B条件下,以20%slice法勾画的球体体积与实际体积的差异分别为11.2%±3.0%、12.8%±3.8%和13.9%±5.2%(P>0.05)。 结论:在我院的PET/CT机器条件下,以I_(back)+20%I_(max-back(slice))为阈值逐层勾画靶区,可不依赖于CT提供的肿瘤体积信息,同时考虑了本底的影响,避免了边缘层面的遗漏,其准确性优于42%I_(max(total))法,虽然会引起靶区比实际体积扩大,但扩大的体积主要是在球体周边的1/2层面,而被划入靶区的本底体积是很小的。理论上以I_(back)+20%I_(max-back(slice))为阈值对伴肺不张的NSCLC的大体靶体积(GTV)的勾画可能是安全的。I_(back)+20%I_(max-back(max))法和I_(back)+20%I_(max-back(slice))法的靶区覆盖率和体积扩大率无明显差异,但I_(back)+20%I_(max-back(max))法可能发生边缘层面的遗漏。模型试验的结果提示提高低T/B比值的靶区的T/B值,可能缩小以I_(back)+20%I_(max-back(slice))为阈值勾画的靶区与实际体积的差异,需要进一步研究。 2.不同显像阈值对PET/CT图像中NSCLC肿瘤靶区勾画及剂量学影响的研究 目的:通过初步的临床应用,验证模型试验所筛选的最佳显像阈值的准确性,通过剂量学分析研究筛选的最佳显像阈值对放疗计划的可能影响。 材料和方法:选择经细胞学或组织病理学证实为NSCLC,肿瘤位于肺上叶,CT图像上原发灶边界清楚,不伴肺不张和/或阻塞性肺炎,透视下肿瘤在头脚和左右方向活动度≤5mm,无区域淋巴结和远处转移的病人。病人在扫描前禁食8h以上,每个病人在注射~(18)F—FDG后1h和2h分别进行一次PET/CT扫描。将两次扫描的PET和CT图像分别传到Pinnacle 7.0~g TPS(放疗计划系统)工作站上,采用最大互信息自动图象融合和手动调节相结合的方法进行PET和CT图像的融合,使融合误差在1.5mm以内。 图像融合好后,在CT图像上以肺窗条件(窗位-700Hu,窗宽700Hu)逐层勾画大体肿瘤体积(GTV),计为GTV_(CT)。然后在1h显像和2h显像的PET图像上用三种方法来勾画GTV,即在肿瘤的每一横断面内分别以42%I_(max(total))、I_(back)+20%I_(max-back(max))和I_(back)+20%I_(max-back(slice))(简称42%法、20%max法和20%slice法)为阈值勾画GTV,计为GTV_(42%)、GTV_(20%max)、GTV_(20%slice)。对同一个病人的同一次扫描图像,比较GTV_(42%)、GTV_(20%max)、GTV_(20%slice)的体积、与GTV_(CT)的空间吻合度及对GTV_(CT)的覆盖率的差异。并比较两次扫描图像之间上述指标的差异。对2h扫描的PET/CT图像分别以GTV_(CT)、GTV_(42%)、GTV_(20%max)、GTV_(20%slice)三维外放1cm为计划靶体积(PTV),由一名物理师分别对PTV_(CT)、PTV_(42%)、PTV_(20%max)和PTV_(20%slice)设计三维适形放疗计划,均给予靶区剂量6600cGy/33次/6.6周。比较以不同PTV设计的计划中PTV_(CT)内接受<95%处方剂量的体积及肺V_(20)(双正常肺内接受≥20Gy的肺体积占双正常肺的百分比),并比较其与基于PTV_(CT)的计划可能产生的TCP(肿瘤控制率)和肺NTCP(正常组织并发症发生率,以放射性肺炎发生率为参照)的差异。 结果:2006、11~2007、3,8例病人入选,中位肿瘤体积40.1cm~3(5.01~95.34cm~3),横断面最大径2.1~5.7cm。在所有病人中均显示,GTV_(42%)不足以覆盖整个GTV_(CT),即便是在受容积效应影响较小的肿瘤中间1/2层面(即位于扫描纵轴方向肿瘤最大径的中间1/2横断面),其对GTV_(CT)的覆盖率平均为51.4%,而GTV_(20%max),GTV_(20%slice)对GTV_(CT)的覆盖率均明显优于GTV_(42%)(P<0.01)。在肿瘤周边1/2层面(即位于扫描纵轴方向肿瘤最大径的周边1/2横断面),GTV_(20%slice)对GTV_(CT)的覆盖率优于GTV_(20%max)(P<0.05),而在肿瘤中间1/2层面两组无明显差异(p>0.05)。所有病人的PET图像的T/B比值随扫描时间的延迟而增高,1h显像的T/B平均为13.9±5.4,2h显像的T/B平均为17.6±6.2(P<0.01),对不同时间扫描的PET图像用同一种方法勾画的GTV各指标之间无明显差异。PTV_(42%)均明显小于PTV_(CT),平均缩小37.8%,PTV_(20%slice)与PTV_(CT)最接近,仅平均扩大2.0%(P<0.01)。以不同的PTV设计放疗计划,在满足同等的剂量优化条件下,42%组的PTV_(CT)内平均有8%的体积接受的剂量<95%处方剂量,由此可能导致TCP下降1%。20%_(max)组和20%_(slice)组的PTV_(CT)内接受<95%处方剂量的体积平均为1.4%和0.01%,对TCP均未造成明显影响。后两组与42%组的差异显著(P<0.01)。20%_(max)组和20%_(slice)组与PTV_(CT)组的肺V_(20)和肺NTCP的无明显差异(P>0.05)。对一例伴有大范围坏死的肿瘤,三种方法勾画的GTV均未能完全覆盖GTV_(CT),GTV_(20%slice)最接近GTV_(CT)。 结论:在本院的PET/CT条件下,与42%I_(max(total))法和I_(back)+20%I_(max-back(max))法相比,由于可能更完整的覆盖肿瘤,I_(back)+20%I_(max-back(slice))可能是适合于多数情况下PET/CT图像上NSCLC靶区勾画的最佳阈值条件。该阈值可能作为伴有肺不张的NSCLC的靶区勾画条件应用于临床开展相应的临床研究。但在肿瘤内葡萄糖代谢水平极不均匀情况下,以I_(back)+20%I_(max-back(slice))为阈值勾画肿瘤靶区的准确性还有待进一步的临床研究。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:R734.2

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【参考文献】
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