基于屏气下心电门控CT/MRI进行胸部肿瘤放射治疗时心脏受量评估的研究

The complications of radiotherapy were important factors to affect the survival time and life quality of patients with cancer. Radiotherapy-induced heart disease was one common complication which could result in serious consequences in the radiotherapy of thoracic carcinoma. The dose-volume index was the most common applied to predict the probability of the radiotherapy-induced heart disease. Because of the comprehensive affect of breathing and heartbeat motion, the conventional approach applying dose-volume index to predict the radiotherapy-induced heart injury based on static planning 3D-CT images (which each CT slice can only reflect the shape and location information at certain moment) containing large uncertainty, and the versatility of predictive standards developed by different scholars were poor. This study aimed to offer an feasible approach to evaluate the heart irradiation dose objectively, by designing algorithm of interpolation reconstruction and deformable registration based on electrocardiography (ECG)-gated dynamic CT/MRI images under breath holding for the radiotherapy of thorax carcinoma associated with active breathing control techniques .Analyzing the effect of breath and heartbeat motion in evaluating the heart irradiation dose applying conventional methods in free breathing.

放射治疗并发症是影响肿瘤患者生存时间和生存质量的重要因素。放射性心脏损伤为胸部肿瘤放射治疗时可造成严重后果的并发症。当前对放射心脏损伤的预测以剂量-体积指标最为常用。受呼吸和心跳的综合影响，以往基于静态计划3D-CT(每层CT图像仅能反应心脏某一瞬间位置、形态信息)制定的预测心脏放射性损伤的剂量-体积指标存在很大不确定性，不同学者制定的预测标准通用性较差。本研究拟通过插值重建算法、形变配准算法的研究，以屏气状态下心电门控CT/MRI获得的动态影像为基础，为接受主动呼吸控制技术辅助放射治疗的胸部肿瘤患者心脏受量的准确评估提供一个可行方案；并在此基础上分析呼吸和心跳对应用传统方法进行自由呼吸下放射治疗时心脏受量评估的影响。

本课题通过基于屏气下心电门控 CT/MRI 进行心脏受量评估的相关研究，探讨胸部肿瘤精确放疗时心脏受量评估的新方法。主要完成的研究包括：①深吸气屏气状态对胸部肿瘤放疗时心脏体积及受量影响的研究；②基于KV-CBCT进行胸部肿瘤放疗时心脏轮廓勾画及剂量评估的可行性；③基于心电门控4D-CT进行心脏、心包和左心室肌的随心跳体积及形态变化规律的研究；④基于心电门控4D-CT研究食管癌放疗时心跳对心脏、心包和左心室肌受量影响的研究;⑤基于灰度信息形变配准方法进行心电门控4D-CT不同时相CT图像间配准的研究。这些研究的结果表明：呼吸和心跳显著影响了心脏体积、形态及受照剂量的准确评估，基于传统静态3D计划CT进行心脏剂量评估不能完全保证心脏的安全.深吸气屏气下可减少心脏体积，改变心脏与肿瘤靶区的空间关系，从而降低心脏的受照剂量; KV—CBCT在心脏轮廓勾画和剂量评估时，可以模糊呼吸和心跳的影响，为心脏提供重复性和稳定性较好的剂量-体积指标。基于心电门控下动态心脏4D-CT的相关研究表明，心脏和心包体积随心跳的变化规律基本一致，心脏和心包的形态变化幅度要小于其体积变化；左心室肌形态变化幅度远超体积变化，食管癌放疗时左心室肌剂量评估误差要高于心脏和心包，对心脏和心包整体轮廓的剂量评估并不能代替其局部结构。形变配准技术可以消除靶器官在不同时相间体积和形态的差异；目标图像形变后心脏和心包的体积和形态变化基本一致，而左心室肌的体积和形态改善非常显著，这就为心脏、心包和心室肌剂量的准确累加提供了基础。由此得出结论，基于传统的静态3D-CT进行胸部肿瘤放疗时心脏受量评估存在很大误差，无法满足胸部肿瘤放疗时放射性心脏损伤准确预测的要求，基于心电门控4D-CT和形变配准技术为心脏受量的准确评估提供了一种可行方法。