Relationship between Tumor Burden and Early Response Time and Radiation Dose after Intraoperative Radiotherapy for Unresectable Pancreatic Cancer
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摘要:
目的：探讨影像参数评价不可切除胰腺癌术中放疗（IORT）后60 d内肿瘤负荷的变化及与IORT照射剂量的相关性。方法：回顾性纳入2017年4月至2020年7月的四川省肿瘤医院经IORT治疗的不可切除胰腺癌32例，记录IORT前7 d及IORT后60 d内肿瘤影像参数：最长径（LA）、短径（SA）、最大横截面积（A）及各参数值绝对值变化（Δ）及变化率（Δ％），区分不同肿瘤负荷组（缩小/稳定/增大），分析各参数与IORT照射剂量及肿瘤应答时间的关系。结果：不可切除胰腺癌IORT后LA低于IORT前，差异有统计学意义；不可切除胰腺癌IORT后SA和A均低于IORT前，差异无统计学意义。基于ΔLA区分不同肿瘤负荷组：缩小组、稳定组及增大组，其IORT后对应肿瘤应答时间分别为（39.57±11.77）d、（38.08±12.87）d、（41.17±10.42）d。3组患者IORT前肿瘤的LA、SA、A比较，差异均无统计学意义。3组患者IORT后肿瘤LA、SA、A比较，差异均有统计学意义。3组患者IORT前后ΔLA均有统计学意义。不可切除胰腺癌ΔLA与IORT剂量水平呈中等水平负相关（r=-0.47）。稳定组ΔLA与增大组ΔA与IORT剂量呈中等及高度相关（r=0.66 vs. 0.90）。稳定组的ΔSA与应答时间呈中等负相关关系（r=-0.68）；余组的LA、SA及A变化幅度均与应答时间无明显相关。结论：ΔLA能评价不可切除胰腺癌IORT后60 d内肿瘤负荷变化；其肿瘤负荷改变与IORT局部照射剂量相关，但不受应答时间影响。
Abstract:Objective: To investigate the correlation between changes in tumor burden and the dose of intraoperative radiation therapy (IORT) for unresectable pancreatic cancer within 60 days of treatment evaluated using imaging parameters. Methods: A total of 32 cases of unrespectable pancreatic cancer treated with IORT at the Sichuan Cancer Hospital from April 2017 to July 2020 were retrospectively included. The imaging parameters of the tumor were recorded 7 days before IORT and 60 days after IORT: the longest axis (LA), shortest axis (SA), largest cross-sectional area (A), absolute value changes of each parameter (Δ), and change rate (Δ%). Different tumor load groups (shrinking/stabilizing/increasing) were differentiated, and the relationship between each parameter, IORT radiation dose, and tumor response time was analyzed. Results: The LA of unresectable pancreatic cancer after IORT was lower than that before IORT, with significant differences observed. The SA and A values of unresectable pancreatic cancer after IORT were lower than those before IORT, with no statistical significance observed. Based on ΔLA of the pancreatic tumor, the three groups, shrinkage, stability, and enlargement, were divided, with a corresponding tumor response time of (39.57±11.77) d, (38.08±12.87) d, (41.17±42) d, respectively. There were no significant differences in LA, SA, and A among the three groups before IORT, while significant differences were observed in LA, SA, and A after IORT. The ΔLA of the three groups was statistically significant before and after IORT. There was a moderate negative correlation between ΔLA and IORT dose levels in unrespectable pancreatic cancer (r=−0.47,). There was a moderate and high correlation between ΔLA and IORT dose in the stable group and ΔA and IORT dose in the enlargement group, respectively (r=0.66 vs. 0.90). There was no significant correlation between the response time and imaging parameters in these groups, except for a moderate negative correlation between ΔSA and response time in the stability group (r=−0.68). Conclusion: ΔLA can be used to evaluate changes in tumor load within 60 days of IORT for unresectable pancreatic cancer. The efficacy of pancreatic cancer could be correlated with the IORT irradiation dose, whereas the tumor burden could not be affected by the tumor response time.
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Keywords:
- exposure dose /
- IORT /
- tumor load /
- response time
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随着年龄的增长，腰椎退行性变及椎间盘病变日趋增多，CT检查能及时发现诊断腰椎病变并能随访治疗效果，但CT检查辐射问题一直为人们所关注，随着患者受辐射剂量的增加，癌症的发生概率会增大，腰椎CT扫描范围包括性腺，而人体性腺对辐射最敏感，所以开展低剂量腰椎CT检查非常必要。
以往研究均是通过降低管电压或者降低管电流来降低辐射剂量，因腰椎体层较厚，降低管电压或管电流会导致图像噪声增加。本文为解决腰椎CT高辐射剂量及图像噪声偏高的问题，采用最新的能谱纯化技术结合高级模拟迭代重建（ADMIRE）技术，探讨如何更好的优化腰椎CT检查的图像质量和降低辐射剂量。
1. 材料与方法
1.1 一般资料
选取2021年8月至2022年5月因腰痛来我院行腰椎CT检查的患者，在检查前计算患者的体质量指数（bodymassindex，BMI），BMI=体重（kg）/身高（m）2。纳入年龄在25～65岁，BMI在18.5～25 kg/m2的患者，排除有腰椎手术史和腰椎畸形及有椎体金属植入物的患者，共收集88例。对照组（A组）、试验组（B组）每组44例。
A组与B组平均年龄分别为（45.9±12.1）岁和（47.2±13.8）岁。两组间年龄差异无统计学意义，A组与B组平均BMI分别为（20.1±2.89）kg/m２和（21.40±3.50）kg/m２。
1.2 扫描方法
采用德国SOMATOM Force第3代双源CT，扫描范围从胸12椎体至骶1椎体。扫描参数：对照组（A组）管电压120 kV，参考管电流350 mAs；试验组（B组）管电压Sn 150 kV，参考管电流350 mAs，其他扫描参数均一致。
重建采用高级模拟迭代重建算法（ADMIRE），重建等级3级，重建薄层图像，层厚1 mm，层间距0.60 mm，软组织窗采用软组织算法，卷积核Br40，骨窗采用骨算法，卷积核Br64，重建图像窗宽，窗位分别为350 HU和50 HU（软组织窗）、2500 HU和800 HU（骨窗）。所有图像重建完成后自动发至西门子Syngovia VB20A后处理工作站。
1.3 图像质量评价
1.3.1 客观评价
由1名主管技师从工作站中取L3椎体正中层面，在软组织窗上测量腰大肌与竖脊肌的CT值和噪声，腰大肌的噪声为SD1，竖脊肌的噪声为SD2，噪声值用对应所测的标准差表示，并计算信噪比（SNR）：
$$ {\rm{SNR}}=腰大肌\;{\rm{CT}}\;值/{\rm{SD}}1。$$ (1) 1.3.2 主观评价
由3名副主任及以上诊断医师双盲法进行评分。评价L3/4层面椎间盘、椎间孔、黄韧带、硬膜囊及小关节图像质量。评价标准[1]：2分（软组织结构清晰，其边缘清楚，无伪影，且诊断明确）；1分（软组织结构清晰，边缘欠清，有轻度伪影，但尚可诊断）；0分（软组织结构不清，边缘模糊，伪影较重，不能进行诊断）。
1.4 辐射剂量
统计设备记录的容积CT剂量指数（CT dose index volumes，CTDIvol）及剂量长度乘积（dose length product，DLP），并计算有效辐射剂量（effective dose，ED）[2]，计算公式：
$$ {\rm{ED}}={\rm{DLP}}\times k（k=0.011\;{\rm{mSv}}\cdot{\rm{mGy}}\cdot{\rm{cm}}）。$$ (2) 1.5 统计学分析
1.5.1 客观评价和辐射剂量统计分析
采用SPSS 26.0软件对数据进行统计学分析。连续性数据非正态分布数据两组间比较采用Mann-Whitney U检验，用中位数及四分位数（M(Q25,Q75)）表示。双侧检验，以P<0.05为差异有统计学意义。
1.5.2 主观评价
采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）对3位诊断医师的评分结果一致性进行分析。ICC介于0和1之间，ICC大于0.75表示一致性较好。
2. 结果
2.1 客观评价结果
两组图像腰大肌的CT值、竖脊肌的CT值和噪声（SD2）、SNR均存在统计学差异，而腰大肌的噪声（SD1）不具有统计学差异（表1）；图1为120 kV轴位上噪声和CT值测量及矢状位重组图，图2为Sn 150 kV下的轴位上噪声和CT值测量测量及矢状位重组图。
表 1 A组和B组图像质量客观评价表Table 1. Objective evaluation of image quality in groups A and B项目 组别 统计检验 A组 B组 Z P 腰大肌/HU 53.00（48.70～56.00） 47.90（43.70～51.00） 2.741 0.016 SD1 5.73（4.83～6.83） 5.09（4.69～5.24） 1.904 0.057 竖脊肌/HU 52.00（46.2～55.00） 43.50（38.20～51） 3.511 <0.001 SD2 5.41（5.27～5.98） 4.56（3.62～5.63） 3.964 <0.001 SNR 9.12（7.88～10.51） 9.86（7.95～10.02） -0.693 0.488 ![]()
图 1 管电压120 kV下CT值和噪声测量及矢状位重组图（重组层厚1 mm、间隔0.6 mm）Figure 1. CT value, noise measurement, and sagittal position recombination at 120 kV tube voltage (recombination layer thickness 1 mm, interval 0.6 mm)![]()
图 2 管电压Sn 150 kV下CT值和噪声测量及矢状位重组图（重组层厚1 mm、间隔0.6 mm）Figure 2. CT value, noise measurement, and sagittal position recombination at tube voltage Sn 150 kV (recombination layer thickness 1 mm, interval 0.6 mm)2.2 主观评价
3位医师对椎间盘、椎间孔、黄韧带、硬膜囊及小关节及整体图像质量评价均无统计学差异（表2），说明两组图像质量医师主观评价无差异，且均能符合医师诊断要求。
表 2 3位诊断医师的主观评分统计分析表Table 2. Statistical analysis of the subjective scores from the three doctors interpreting the computed tomography images指标 组别 P A组 B组 椎间盘 2.00±0.00 2.00±0.00 >0.999 椎间孔 1.98±0.15 1.98±0.15 0.156 黄韧带 1.95±0.21 2.00±0.00 0.562 硬膜囊 1.98±0.15 1.95±0.21 >0.999 小关节图像 2.00±0.00 2.00±0.00 0.320 整体图像质量 2.00±0.00 2.00±0.00 >0.999 2.3 辐射剂量
两组辐射剂量DLP、ED有统计学差异，两组辐射剂量差异明显，B组DLP值比A组降低了32.27％，B组ED值比A组降低了30.31％（表3）。
表 3 A组和B组辐射剂量统计表Table 3. Radiation dose in groups A and B项目 组别 统计检验 A组 B组 Z P mAs 333.00（300.00～362.00） 237.50（222.00～261.00） 7.885 <0.001 CTDIvol 14.75（13.65～16.00） 6.57（5.20～7.23） 8.015 <0.001 DLP 413.60（351.00～425.50） 280.13（230.89～327.20） 6.946 <0.001 ED 4.55（3.86～4.68） 3.08（2.54～3.60） 6.946 <0.001 3. 讨论
腰椎因体层相对较厚，需要高管电压来增加X线的穿透力，高管电流来降低图像的噪声，造成腰椎CT辐射剂量往往较高，以往研究都是通过降低管电流来降低辐射剂量。随着设备和技术的进步，众多新的降低辐射剂量的技术出现，如：低管电压[3-4]、自动管电流[5-6]、高级迭代重建算法[7]、能谱纯化[8]等，这些技术为我们开展低剂量CT提供了条件。
本研究B组管电压是用能谱纯化Sn 150 kV，而A组管电压是用120 kV，统计结果显示B组的辐射剂量低于A组30.31％。因为A组120 kV的X线球管是用铜和铝滤过，Sn 150 kV的X线球管是用能谱纯化技术的锡滤过，锡的原子序数比铜和铝高，锡滤过板能过滤掉X线球管的低能级射线，提高射线能量，而对人体产生辐射的主要是低能级软射线，低能级软射线以光电效应为主，大部分被人体吸收产生辐射。能谱纯化技术只保留了对人体成像有用的高能级射线，高能级射线会穿过人体相对辐射较少，所以B组辐射剂量低于A组，多学者也证实了这一说法[9-13]。
客观评价中A组肌肉的噪声要高于B组，腰大肌的噪声两组之间无统计学差异，而竖脊肌的噪声两组之间有统计学差异，此结果说明射线能量和图像噪声成正相关，也证实了Sn 150 kV的穿透力较120 kV的好。因竖脊肌处于腰大肌的下层，射线先穿过腰大肌再到竖脊肌，射线能量会因组织的阻挡发生衰减，A组射线的能量到达竖脊肌时比B组衰减更多，因衰减后的能量差异造成了噪声值的差异，故造成了两组不同肌肉之间统计学结果的差异。
沈梓璇等[14]论述了120 kVp管电压所获得的腰椎图像质量评分以及信噪比皆较高，但辐射剂量也较大的观点。本文为了解决这一问题，首次采用Sn 150 kV用于腰椎CT检查，主观评价结果显示，3位观察者的ICC为0.829，表示为两组图像主观评价一致性较好，说明两组图像质量均满足诊断要求，主客观评价结果均证实了Sn 150 kV用于腰椎CT检查是可行的。王帅等[15]也证实Sn 150 kV能用于全腹部CT检查，且辐射剂量较低，与本文研究结果一致。
高级模拟迭代重建，是将原始图像中的原始数据噪声投射到图像中，得到的图像是多次迭代重建后的组合，再将原始数据进行准确的图像校正，对原始数据域进行去噪及去除伪影，最后进行图像域的校正，反复迭代来降低噪声，图像空间分辨率不受影响。客观评价表中A组和B组图像的噪声均值都处于10以下，证实了高级模拟迭代重建的降噪能力。顾海峰等[16]和Schlunk等[17]也证明了迭代重建能降低噪声保证图像质量满足诊断需求。
综上所述，采用能谱纯化Sn 150 kV结合ADMIRE，不但能有效减低辐射剂量，还可保证优质的图像质量，值得在成人腰椎CT中推广使用。
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表 1 32例不可切除胰腺癌IORT术前患者一般情况及肿瘤影像资料
Table 1 General information and tumor imaging data of 32 patients with unresectable pancreatic cancer before IORT
项目 数值 项目 数值 年龄/（岁，x±s（范围）） 60±9（47～81） 肿瘤实质/（例，％） 性别（男/女（n）） 24/8 伴囊变 1（3.13） 肿瘤长径/（cm，x±s（范围）） 4.54±1.30（2.40～7.90） 伴坏死 19（59.38） 肿瘤部位/（例，％） 实性 12（37.50） 胰头 7（21.88） 影像学检查/（例，％） 钩突 3（9.38） IORT术前后均MRI 3（9.38） 胰头+钩突 1（3.13） IORT术前后均CT 16（50.00） 胰颈 2（6.25） IORT术前MRI术后CT 13（40.63） 胰颈体 10（31.25） 主胰管扩张/（例，％） 26（81.25） 胰体 4（12.50） 胰尾萎缩/（例，％） 19（59.38） 胰体尾 2（6.25） 轻度萎缩 4（12.50） 胰尾 3（9.38） 明显萎缩 15（46.88） 
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表 2 32例不可切除胰腺癌患者IORT后影像参数对比
Table 2 Comparisons of imaging parameters post-IORT in 32 patients with unresectable pancreatic cancer
时间点 参数对比 统计检验 IORT前 IORT后 统计量 P LA/cm 4.54±1.30 3.99±1.48 3.2 0.00a SA/cm 3.00（2.50，4.00） 2.80（1.98，3.68） － 0.12b A/mm2 841.40（480.90，1110.00） 775.80（416.10，901.90） － 0.12b 注：a-配对t检验；b-Wilcoxon符号秩检验，Graphpad prism无统计值；非正态分布计量资料用M(Q1,Q3)表示。
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表 3 IORT肿瘤负荷3组间患者基本情况及影像参数比较
Table 3 Comparisons of patients' basic information and imaging parameters among the three IORT tumor burden groups
组别 IORT前 IORT后 统计量 P 缩小组（n=14） LA/cm 4.34±1.22 3.14±1.07 5.16 0.00d SA/cm 3.00±0.93 2.27±0.83 5.05 0.00d A/mm2 701.20±365.50 506.70±283.60 2.62 0.02d 稳定组（n=12） LA/cm 5.01±1.47 4.61±1.58 2.29 0.04d SA/cm 2.95（2.58，4.00） 3.10（2.53，4.00） － 0.69e A/mm2 952.60（644.10，1305.00） 811.70（576.6，1057） － 0.58d 增大组（n=6） LA/cm 4.08±0.99 4.75±1.23 5.82 0.00d SA/cm 3.38±1.10 3.97±1.48 1.48 0.20d A/mm2 927.40（517.40，1538.00） 1295.38（724.80，2135.00） － 0.44d 统计量 LA/cm 1.34a 5.32a SA/cm 0.35a 9.06c A/mm2 4.37c 7.60c P LA/cm 0.28 0.01 SA/cm 0.71 0.01 A/mm2 0.11 0.02 注：a-F值；b-$\chi^2 $值；c-Kruskal-Wallis检验；d-配对t检验；e-Wilcoxon符号秩检验，Graphpad prism无检验值。两两比较：缩小组LA与稳定组LA在IORT后同期比较，缩小组LA与增大组LA在IORT后同期比较，缩小组SA与增大组SA在IORT后同期比较，均P<0.05。
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表 4 不可切除胰腺癌IORT后肿瘤负荷变化的应答时间（天）
Table 4 Response time to tumor burden changes after IORT for unresectable pancreatic cancer (day)
肿瘤负荷（LA） n（％） 时间范围
（Post-IORT）中位时间
（Post-IORT）最早时间
（Post-IORT）缩小 14（43.75） 15～53 39 15 稳定 12（37.50） 18～60 35 18 增大 6（18.75） 26～53 42 26
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表 5 不可切除胰腺癌IORT后肿瘤负荷变化与应答时间相关性（天）
Table 5 Correlation of tumor burden changes and response time after IORT for unresectable pancreatic cancer (day)
组别 LA vs. 应答时间（$ \bar{x}\pm s $）（范围） ΔLA（$ \bar{x}\pm s $） 统计检验 r P 缩小组 （n=14） LA 39.57±11.77（15～53） -1.21±0.88 0.20 0.50 SA -0.73±0.54 0.16 0.59 A -194.54±277.91 0.27 0.34 稳定组 （n=12） LA 38.08±12.87（18～60） -0.40±0.60 -0.18 0.58 SA 0.07±0.36 -0.68 0.01 A -182.73±630.28 0.17 0.61 增大组（n=6） LA 41.17±10.42（26-53） 0.67±0.28 0.79 0.06 SA 0.58±0.96 0.40 0.43 A 217.32±453.19 -0.06 0.92
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表 6 不同肿瘤负荷组影像参数变化
Table 6 Changes of imaging parameters in different tumor burden groups
组别 ΔLA/％ ΔLA/cm ΔSA/％ ΔSA/cm ΔA/％ ΔA/mm2 缩小组（n=14） -27.53 -1.21 -5.05 -0.09 -0.68 373.33 稳定组（n=12） -8.51 -0.40 3.12 0.03 -13.67 383.87 增大组（n=6） 16.14 0.67 -25.02 -0.82 -22.01 806.57
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表 7 32例胰腺肿瘤影像参数变化与IORT放射剂量（Dose）的相关性
Table 7 Correlation between the changes of imaging parameters and IORT radiation dose of 32 patients with pancreatic cancers
相关系数及其检验 剂量 vs.ΔA％ 剂量 vs.ΔA 剂量 vs.ΔLA％ 剂量 vs.ΔLA 剂量 vs.ΔSA％ 剂量 vs.ΔSA r 0.13 0.06 0.40 0.39 -0.26 -0.21 P 0.47 0.75 0.02 0.03 0.15 0.25
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表 8 肿瘤负荷3组内变化与IORT剂量（Dose）的相关性
Table 8 Correlation between the changes of imaging parameters and IORT dose within the tumor burden groups
组别 相关系数
及其检验剂量 vs.ΔLA/％ 剂量 vs.ΔLA 剂量 vs.ΔSA/％ 剂量 vs.ΔSA 剂量 vs.ΔA/％ 剂量 vs.ΔA 缩小组
（n=14）r 0.45 0.36 -0.39 -0.29 0.06 -0.19 P 0.11 0.21 0.17 0.31 0.83 0.52 稳定组
（n=12）r 0.57 0.66 -0.31 -0.10 0.16 0.30 P 0.05 0.02 0.33 0.75 0.61 0.35 增大组
（n=6）r 0.20 0.26 0.14 -0.12 0.17 0.90 P 0.71 0.61 0.80 0.82 0.75 0.01
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