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PET-CT扫描引导下肺癌精确放疗的运动体模试验研究

陈少卿  
【摘要】: 目的:测量不同瘤体大小、不同运动频率及不同运动幅度下,用PET图像和PET-CT融合图像勾画GTV的大小,探讨不同运动状态和不同瘤体大小对PET图像和PET-CT融合图像中病灶体积的影响。测量不同瘤体大小、不同运动频率及不同运动幅度下,用CT图像勾画GTV的大小,探讨不同运动状态和不同瘤体大小对CT图像中病灶体积的影响。测定呼吸运动体模的同机FDG PET-CT图像融合的精度,探讨呼吸频率、运动幅度及病灶大小对融合精度的影响。 方法:本实验分为三部分。第一部分:使用自行研制的二维运动平台系统及体模(该体模内有5个直径分别为1.0 cm、2.0 cm、3.0 cm、4.0 cm及5.0 cm的圆柱体,可模拟5种不同大小的瘤体),近似模拟28种呼吸运动状态,模拟参数为:呼吸频率为16次/分钟、18次/分钟及20次/分钟,z轴方向运动幅度为1.0 cm、1.5 cm及2.0 cm,x轴方向运动幅度为0.5 cm、1.0 cm及1.5 cm。对以上呼吸频率及二维方向运动幅度参数进行排列组合,即可得到28种呼吸运动状态。在所有运动状态下对同一体模进行PET-CT扫描,利用PET图像和PET-CT融合图像勾画GTV并计算其大小。按瘤体大小分成5大组:GTV1组、GTV2组、GTV3组、GTV4组、GTV5组,每个大组均含有不同运动频率、不同运动方向及不同运动幅度下的PET图像资料和PET-CT融合图像资料。第二部分:使用自行研制的二维运动平台系统及体模(该体模可以模拟5种不同大小的瘤体),模拟不同频率及幅度的呼吸运动,在不同运动状态下对体模进行CT扫描,利用CT图像勾画GTV并计算其大小。按瘤体大小分成5大组:GTV1组、GTV2组、GTV3组、GTV4组、GTV5组,每个大组均含有不同运动频率、不同运动方向及不同运动幅度下的CT图像资料。第三部分:使用二维运动平台系统及体模,模拟不同频率及幅度的呼吸运动,用体积法测量不同呼吸状态下不同体积病灶的PET-CT同机图像融合精度。体积法为测定体模PET与CT图像融合部分体积(V_(PET-CT))与总体积(V_(PET+CT))的比值(R)。 结果:1、(1)PET图像结果:GTV1组、GTV2组、GTV3组、GTV4组及GTV5组静止状态下大小分别为2.78±0.09 cm~3、7.90±0.21 cm~3、14.15±1.23 cm~3、22.05±0.48 cm~3及40.65±1.02 cm~3;5个实验组运动状态下大小分别为3.96±0.24 cm~3 ~ 5.89±1.09 cm~3、9.68±2.32 cm~3 ~ 14.41±3.19 cm~3、16.39±2.22 cm~3 ~ 22.58±6.07 cm~3、27.69±3.85 cm~3 ~ 37.12±8.11 cm~3及44.44±4.72 cm~3 ~ 56.77±10.83 cm~3。单因素方差分析结果显示,不同运动频率下每个实验组PET图像勾画的GTV之间差异有显著性(F分别为7.43、4.95、6.28、9.20、7.61,P均<0.01);不同z轴运动幅度下每个实验组PET图像勾画的GTV之间差异有显著性(F分别为6.51、5.91、4.13、5.77、3.57,P均<0.01);不同x轴运动幅度下每个实验组PET图像勾画的GTV之间差异有显著性(F分别为13.17、29.23、23.23、29.01、23.99,P均<0.01)。 (2)PET-CT融合图像结果:GTV1组、GTV2组、GTV3组、GTV4组及GTV5组静止状态下大小分别为2.80±0.53 cm~3、8.30±0.11 cm~3、14.85±0.69 cm~3、24.20±0.11 cm~3及41.65±0.59 cm~3;5个实验组运动状态下大小分别为5.30±1.28 cm~3 ~ 6.79±1.91 cm~3、13.38±4.42 cm~3 ~ 17.96±5.16 cm~3、19.54±4.59 cm~3 ~ 26.11±8.06 cm~3、30.91±7.21 cm~3 ~ 40.93±9.56 cm~3、49.14±7.06 cm~3 ~ 61.44±11.62 cm~3。单因素方差分析结果显示,不同运动频率下每个实验组PET-CT融合图像勾画的GTV之间差异有显著性(F分别为8.26、5.10、8.86、9.40、8.66,P均<0.01);不同z轴运动幅度下每个实验组PET-CT融合图像勾画的GTV之间差异有显著性(F分别为6.50、5.20、4.87、6.39、6.00,P均<0.01)。不同x轴运动幅度下每个实验组PET-CT融合图像勾画的GTV之间差异有显著性(F分别为8.28、20.73、15.04、19.89、21.74,P均<0.01)。 (3)多因素分析结果:5个实验组中,PET图像和PET-CT融合图像勾画的GTV与各因素之间均存在交互作用。z轴运动幅度与x轴运动幅度、z轴运动幅度与运动频率、x轴运动幅度与运动频率、z轴运动幅度与运动频率及x轴运动幅度之间存在交互效应。 2、GTV1组、GTV2组、GTV3组、GTV4组及GTV5组静止状态下大小分别为2.65±0.05 cm~3、6.80±0.43 cm~3、13.15±1.12 cm~3、23.65±0.27 cm~3及36.55±0.27 cm~3;5个实验组运动状态下大小分别为3.02±0.46 cm~3 ~ 3.42±1.27 cm~3、8.50±1.73 cm~3 ~ 9.44±3.31 cm~3、15.02±3.64 cm~3 ~ 16.24±3.14 cm~3、25.49±6.51 cm~3 ~ 30.82±6.63 cm~3及40.19±4.98 cm~3 ~45.48±6.78 cm~3。单因素方差分析结果显示,不同运动频率下GTV2组、GTV4组及GTV5组CT图像勾画的GTV之间差异有显著性(F分别为3.18、6.68、7.20,P分别为0.027、0.000、0.000),GTV1组、GTV3组GTV之间差异无显著性(F分别为2.20、2.42,P分别为0.093、0.070);不同z轴运动幅度下GTV4组、GTV5组GTV之间差异有显著性(F分别为7.86、9.10,P分别为0.000、0.000),GTV1组、GTV2组、GTV3组GTV之间差异无显著性(F分别为1.19、2.55、1.88,P分别为0.317、0.061、0.138);不同x轴运动幅度下GTV4组、GTV5组GTV之间差异有显著性(F分别为5.40、5.07,P分别为0.002、0.003),GTV1组、GTV2组、GTV3组GTV之间差异无显著性(F分别为1.391、2.14、2.10,P分别为0.249、0.099、0.104)。多因素分析结果:5个实验组中,每组的CT图像勾画的GTV与各因素之间均存在交互作用。z轴运动幅度与x轴运动幅度、z轴运动幅度与运动频率、x轴运动幅度与运动频率、z轴运动幅度与运动频率及x轴运动幅度之间存在交互效应。 3、静止状态下R值(R_0)为0.88±0.21。运动频率为16次/分、18次/分、20次/分状态下R值分别为0.61±0.21(R_(16))、0.58±0.25(R_(18))、0.54±0.22(R_(20))。R_0、R_(16)、R_(18)及R_(20)之间差异有统计学意义(F=6.24,P<0.01)。z轴方向运动幅度为1.0 cm、1.5 cm及2.0 cm状态下R值分别为0.55±0.25(R_(z-1.0))、0.60±0.20(R_(z-1.5))及0.58±0.23(R_(z-2.0)),x轴方向运动幅度为0.5 cm、1.0 cm及1.5cm状态下R值分别为0.63±0.24(R_(x-0.5))、0.60±0.18(R_(x-1.0))及0.50±0.24(R_(x-1.5)),在z轴和x轴运动方向上,各R值差异有统计学意义(P<0.01)。体模内圆柱体体积为1.6 cm~3、6.1 cm~3、13.4 cm~3、23.4 cm~3及36.7 cm~3的R值分别为0.36±0.18(R_(1.6))、0.51±0.22(R_(6.1))、0.58±0.18(R_(13.4))、0.71±0.20(R_(23.4))及0.72±0.15(R_(36.7)),R_0、R_(1.6)、R_(6.1)、R_(13.4)、R_(23.4)及R_(36.7)之间差异有统计学意义(F=18.23,P<0.01)。多因素方差分析显示PET-CT的融合精度与各因素之间存在交互效应。z轴运动幅度与x轴运动幅度、z轴运动幅度与运动频率、x轴运动幅度与运动频率之间存在交互效应(P均<0.01)。 结论:1.在运动频率为在16次/分钟、18次/分钟及20次/分钟,z轴方向运动幅度为1.0 cm、1.5 cm、2.0 cm及x轴方向运动幅度为0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm时,所得到PET图像靶区和PET-CT融合图像靶区都明显大于静止状态下靶区,瘤体直径为1.0 cm~5.0 cm时,PET靶区体积比实际靶区体积高大约3.8%~91.7%,PET-CT融合靶区高估实际体积大约18.0%~142.1%;瘤体直径为1.0 cm~5.0 cm时,运动状态下PET图像靶区之间差异为-59.87%~32.53%,其差异大部分没有显著性;运动状态PET-CT融合图像靶区之间差异为-72.9%~54.7%,其差异亦大部分没有显著性。PET图像和PET-CT融合图像勾画的GTV与各因素之间均存在交互效应,各个方向的运动幅度和不同的运动频率均同时对GTV的勾画产生综合影响; 2.在运动频率为在16次/分钟、18次/分钟及20次/分钟,z轴方向运动幅度为1.0 cm、1.5 cm、2.0 cm及x轴方向运动幅度为0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm时,运动状态下CT图像靶区与静止状态下靶区差异为7.8%~ 38.8%,其差异部分具有显著性。运动状态下CT靶区之间差异为-20.4%~ 14.4%,其差异绝大部分具有显著性。用CT图像勾画的靶区与真实体积之间存在差异,但这种差异具有不确定性。CT图像勾画的GTV与各因素之间均存在显著的线形相关关系,各个方向的运动幅度和不同的运动频率均同时对GTV的勾画产生综合影响; 3.不同呼吸频率、幅度及病灶大小对PET-CT图像同机融合精度均会产生较大影响,采用融合图像制定放疗计划时,建议对融合精度进行测定并采取有效的措施降低融合误差;


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