第一部分18F-FDGPET/CT预测食管鳞癌根治性放疗后局部失败的高危患者的应用研究研究背景:食管癌(Esophageal Cancer,EC)作为最常见的消化系统肿瘤之一,在全世界范围内其总发病率在所有恶性肿瘤中居第8位,总死亡率则居所有恶性肿瘤的第6位。近些年来,在欧美国家中食管腺癌在食管癌中所占比例呈逐年上升趋势,但在中国食管鳞状细胞癌(Esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)仍占所有食管癌的90%以上,是我国食管癌最常见的病理类型。对于非手术治疗的局部晚期的食管癌患者而言,放化疗综合治疗是其最主要的治疗手段。近年来随着放疗技术的进步及新的化疗方案和治疗药物的出现,食管癌的放化疗治疗也取得了一些的进展,但接收放化疗治疗的局部晚期食管癌患者2年的总生存(Overall survival,OS)率仅为30%-40%,局部失败仍是食管癌放化疗后的主要失败模式,约有50%的患者在治疗后出现局部失败。寻找易出现局部失败的高危人群给予提高放疗剂量或应用新的治疗药物等措施是提高食管癌放化疗治疗疗效的重要途径。不同于传统的计算机断层扫描(computer tomography,CT)等常规的医学影像学手段,功能分子影像(Molecular Imaging)是在分子水平融合分子生物学、生物化学、数据图象处理等多学科融合性技术。正电子发射断层扫描/计算机断层扫描(Positron emission tomography/computer tomography,PET/CT)是当前功能分子影像技术的重要代表,选择不同机制的功能分子示踪剂可显示机体及病灶组织的糖代谢、增值状况及乏氧状况等。而18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose,18F-FDG)作为在目前临床实际应用中最为常见的PET示踪剂,在食管癌的临床诊断、疾病分期、治疗反应检测和预后等多个方面都有着十分重要的临床应用价值。但目前应用18F-FDG PET/CT寻找放化疗后局部复发的高危人群的作用尚有争议。研究目的:本研究旨在证实18F-FDG PET/CT中代谢体积相关指标对于接受根治性放疗治疗局部晚期食管癌患者局部控制率及总生存率的预测作用,并寻找易出现治疗后局部失败的高危患者群。研究方法:1.入组患者回顾性分析2010年9月至2013年2月在山东省肿瘤医院接受根治性放疗治疗前行18F-FDGPET/CT扫描的ESCC患者。排除远处转移,伴有其他恶性肿瘤,既往接受过胸部放疗或手术治疗的患者后符合试验入组条件的患者共92例纳入本研究。2.ESCC患者的 18F-FDG PET/CT显像所有入组ESCC患者在治疗开始之前均已接受全身18F-FDG PET/CT显像检查。为了便于对PET/CT图像进行定量分析,我们采用了几个常用的PET/CT相关参数包括最大SUV(SUVmax),肿瘤代谢体积(Metabolic Tumor Volume,MTV)和糖代谢总量(Total Lesion Glycolysis,TLG)。3.治疗方案所有患者均为非手术治疗的接受根治性放疗治疗的ESCC患者。放疗采用三维适形放疗(three-dimensional conformal radiotherapy,3D-CRT)或者调强放疗(Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT)。治疗计划应用三维适形计划系统ADAC-Pinnacle3,version5.0。综合分析和参考治疗前各种检查结果,包括治疗前18F-FDG PET/CT显像所包含的相关信息后勾画大体肿瘤靶区(gross tumor volume,GTV)。肿瘤原发灶GTV定义为所有检查中所显示的可见食管肿瘤病灶。淋巴结GTV为CT所示淋巴结短径超过1.0cm或长径超过1.5cm以及直径无明显增大但治疗前18F-FDGPET/CT中有18F-FDG明显高摄取的淋巴结。临床肿瘤体积(clinical tumor volume,CTV)为GTV于头脚方向外扩3.0-5.0 cm肿瘤四周外扩1.0 cm的食管区域,并包括肿瘤所在部位的引流淋巴结区域。计划肿瘤靶区(planning target volume,PTV)为CTV在各个方向外扩5-10mm的摆位误差所得。所有患者的放疗均采用常规分割,单次剂量1.8-2.0Gy,每周5次。所有入组的患者中共有84例患者接受铂类药物联合氟尿嘧啶或多西他赛的联合化疗,有8例患者仅接受放疗治疗而未接受化疗治疗。34例患者接受同步放化疗(concurrent Chemoradiatherapy,CCRT)治疗,50例患者接受序贯放化疗治疗。4.ESCC患者放化疗后的定期随访治疗后对入组ESCC患者的生存状况进行随访直至患者死亡。完成放化疗后第1年内每3个月复查食管钡餐及颈胸腹部CT,自第2年起每6个月复查一次,自第3年起每1年复查一次。OS为自患者接受18F-FDG PET/CT检查时起至患者死亡的时间。无局部进展时间(local failure free survival,LFFS)指自患者接受18F-FDG PET/CT检查时起至首次发现食管肿瘤局部进展或无肿瘤局部进展而因其他原因死亡的时间。5.收集数据的统计学处理采用SPSS17.0统计学软件对患者生存数据及18F-FDG PET/CT检查相关数据进行统计学分析。Kaplan-Meier方法对OS及LFFS进行分析,组间差别采用log rank法。应用单因素及多因素分析确定18F-FDG PET/CT相关指标对患者OS及LFFS预后意义。p<0.05被定义为有统计学意义。研究结果:1.生存分析随访至2014年9月,截止至数据分析时,有48例患者死亡,占所有患者总数的52.2%。其余患者未死亡,随访的中位时间是26个月(6-42个月)。所有入组患者中位生存期是23.8个月(95%CI,15.0-32.6个月)。1年总生存率是89.0%,2年总生存率为50.0%,3年生存率为34.8%。2.失败模式及局部控制率至随访结束,入组92例患者中42例(45.7%)出现局部治疗失败,共33例患者(35.8%)发现远处转移,其中有21例患者(22.8%)仅有远处转移而无局部失败,另12例患者(13.0%)发现远处转移同时伴有局部失败,29例(31.5%)患者无治疗失败。1年,2年和3年无局部进展生存率分别为80.0%,58.7%和35.2%。3.18F-FDG PET/CT代谢参数和生存结果的关系治疗前18F-FDG PET/CT中MTV及TLG与一线接受放化疗治疗EC患者的OS(p=0.033,p=0.022)及LFFS(p=0.035,p=0.011)显著相关,但治疗前 18F-FDG PET/CT中SUVmax与OS及LFFS无明显统计学相关性(p=0.095,p=0.052)。应用Cox比例风险模型进行多因素分析结果示MTV、TLG及N分期为预测OS的独立预后因子,MTV、TLG、肿瘤分期T4及肿瘤长度为预测LFFS的独立预后因子。4.亚组分析采用ROC曲线对肿瘤长度,治疗前原发灶SUVmax,MTV及TLG进行分析并计算其各自曲线下面积(area under curve,AUC)。其结果是食管肿瘤长度,治疗前SUVmax、MTV和TLG的AUC分别为0.608(p=0.076),0.597(p=0.111),0.648(p = 0.015)以及0.701(p=0.001)。根据ROC曲线所示最佳阈值将全组患者分为高MTV组、低MTV组及高TLG组和低TLG组,MTV<19.1cm3组患者共43例,其3年无局部进展生存率是59.6%而MTV≥19.1cm3组患者共49例,其3年无局部进展生存率为11.6%(p=0.036)。MTV<19.1cm3组与MTV≥l9.1cm3组患者3年总生存率分别是49.6%和29.1%(p=0.013)。TLG<130组患者(47例)3年无局部进展生存率为57.8%,TIG≥130组患者3年无局部进展生存率为16.4%(p=0.002),其3年总生存率分别为50.0%和27.7%(p=0.024)。另外为了分析放疗剂量对患者生存及局部控制率的影响,我们将患者分为高剂量组(≥60Gy)和低剂量组(<60Gy),其中高剂量组50人,低剂量组42人,高剂量组3年无局部进展生存率为40.3%,低剂量组患者3年无局部进展生存率为31.1%(p=0.658),其3年总生存率分别为47.8%和45.6%(p=0.142)。研究结论:治疗前18F-FDGPET/CT代谢参数MTV和TLG能很好地预测ESCC患者放化疗治疗后的生存及局部控制率;高MTV及TLG患者更易出现局部治疗失败且生存期较短。针对此类患者,需找出易出现局部失败的亚临床靶区给予加量照射可能会提高其局部控制率及总生存。第二部分18F-FDG PET/CT预测食管鳞癌患者局部失败的高危区域的临床应用研究研究背景:之前研究已显示18F-FDG PET/CT可用于预测ESCC放化疗后易出现局部失败的高危人群。提高放疗剂量是提高肿瘤放化疗后局部控制率的最常见的措施之一。但是放射治疗肿瘤协作组(Radiation Therapy Oncology Group,RTOG)94-05研究显示对于大范围临床靶区给予无选择性的加量照射并不能提高放化疗后患者的肿瘤局控率或是延长患者总生存。寻找易出现局部失败的临床亚靶区并给予选择性的剂量雕刻(Dose painting)是解决这一问题的关键。随着当前放疗技术的发展,三维适形放疗(3D-CRT)、调强放疗(IMRT)及图像引导放疗(Imaging Guide Raidotherapy,IGRT)等技术使得放疗剂量可以准确施照于肿瘤,如何寻找肿瘤的亚靶区成为当前研究的热点。研究目的:探究18F-FDG PET/CT预测ESCC局部失败的高危区域的应用价值,寻找局部加量的可能阈值。研究方法:1.入组患者本前瞻性研究自2011年9月至2013年6月于山东省肿瘤医院共入组56例非手术局部晚期ESCC患者。在开始治疗前所有的入组患者均接受全身18F-FDG PET/CT检查并且有18F-FDG高摄取的肿瘤病灶。其他的入组条件包括患者一般状况评分(ECOG)≤1,血液学、肝肾功能检查无异常。排除标准包括食管多源发肿瘤或伴有其他肿瘤,之前接受过胸部放疗,全身化疗,靶向药物治疗或手术治疗。治疗前检查包括一般查体,血液学检查,肝肾功能及血生化检查,心电图检查,肺功能检查,钡餐检查,食管镜检查,食管内镜超声(EUS)及颈、胸、腹部的增强CT检查等。治疗失败的定义是有病理学确诊或者连续的影像学检查提示疾病进展。对于确定治疗失败的患者,在进行挽救治疗以前再次进行18F-FDG PET/CT检查。本实验经山东省肿瘤医院伦理委员会许可,所有患者均填写知情同意书。2.治疗方案所有入组ESCC患者均需接受CCRT治疗。入组患者放射治疗均采用3D-CRT。原发肿瘤GTV为所有可见的食管肿瘤病灶。淋巴结GTV为CT所示淋巴结短径超过1.0cm或长径超过1.5cm或治疗前18F-FDG PET/CT显示的18F-FDG高摄取的淋巴结。CTV为GTV沿食管头脚方向外扩3.0 cm四周外扩1.0 cm的区域以及肿瘤所在食管部位的淋巴结引流区。PTV为CTV在各个方向外扩5mm摆位误差。采用常规分割放疗,1.8Gy/次,每日1次,每周5次,放疗28次至总剂量大50.4Gy之后对于原发肿瘤继续局部加量照射9.0Gy至总剂量59.4Gy。对于淋巴结引流区域不进行局部加量照射。加量照射范围包括原发肿瘤GTV沿食管头脚方向外放2.0cm,四周外放1.0cm。所有入组患者放疗过程中进行2周期同步化疗,具体方案为顺铂75mg/m2于放疗第1天和第29天静脉滴注,于放疗第1天至第4天和第29至32天分别氟尿嘧啶700mg/m2持续静脉泵入96小时。3.ESCC 患者的 18F-FDG PET/CT 显像对ESCC患者行放化疗治疗前行全身18F-FDG PET/CT检查:(1)患者扫描前至少禁食休息6小时,控制空腹血糖浓度在6.6mmol/L以下;(2)将合成的18F-FDG(5.50-7.40MBq/kg)经0.9%氯化钠注射液稀释后由静脉通道迅速注射;(3)休息60分钟后开始扫描,患者取平卧位,双手体侧,腹带固定;(4)首先行全身螺旋CT扫描,扫描参数为(120kV,层厚4.25mm,球管转速0.8 秒/旋转,PFOV50cm);(5)沿从头至脚方向进行全身PET断层显像,层厚为4.25mm,50cm AFOV,平均每例患者采集4-5个床位;PET和CT扫描在患者正常潮式呼吸状态下进行,采集时间约在25-35分钟之间;(6)PET数据经CT衰减校正后,采用最大迭代法(ordered subsets expectation maximization,0SEM)进行图像重建,在 Philips extended brilliance 工作站经多层面、多幅成像与CT图像进行融合,在横断面、冠状面和矢状面行多层面图像显示和处理。重建参数为:128×128矩阵;(7)测量18F-FDG PET/CT参数:由两名核医学科医师在知道患者病史及其他影像学检查资料的前提下,一起读取和分析PET/CT资料。为了便于对PET/CT图像进行定量分析,我们采用了几个常用的PET/CT相关参数包括最大SUV(SUVmax),肿瘤代谢体积(MTV)和糖代谢总量(TLG)。4.局部失败高危区域的确定在食管原发灶治疗失败的患者中,在治疗前18F-FDG PET/CT图像上高摄取原发灶内勾画不同的亚靶区。首先以40%-70%SUVmax为阈值在治疗前18F-FDG PET/CT图像原发灶上自动勾画得到相应的亚靶区MTV40%、MTV50%、MTV60%和MTV70%。在患者治疗失败的18F-FDGPET/CT图像的原发灶,以SUV2.5为阈值勾画得MTV。以骨性结构及肿瘤周围重要解剖学位置为参照,将前后两次18F-FDG PET/CT图像进行配准融合。前后两次18F-FDG PET/CT中所勾画的高代谢区域亚靶区随之在融合图像显示。计算前后两次18F-FDG PET/CT中不同亚靶区的重合率(Overlap Fraction,OF)。OF定义为两次18F-FDG PET/CT配准融合后中的高代谢区域相互重合区域的体积与两次18F-FDG PET/CT中所单独勾画的较小的高代谢区域体积的比值,OF越接近于100%,前后两次18F-FDG PET/CT中所示的高代谢区域重合性越好。5.ESCC患者放化疗后的定期随访治疗后对入组ESCC患者的生存状况进行随访直至患者死亡。完成放化疗后患者在45天内完成第一次随访,包括胸腹部强化CT及食管钡餐检查。放化疗结束后第1年内每3个月复查食管钡餐及CT检查,第2年起每6个月复查一次,第3年起每年复查1次。对于随访中怀疑有局部治疗失败的患者活检病理明确诊断。确诊治疗失败的患者再次行18F-FDG PET/CT检查。OS为自患者接受18F-FDG PET/CT检查时起至患者死亡的时间。高代谢区域无局部进展生存期为患者接受18F-FDG PET/CT检查至高代谢区域出现局部失败或患者死亡的时间6.收集数据的统计学处理采用SPSS17.0统计学软件对患者生存数据及18F-FDG PET/CT检查相关数据进行统计学分析。Kaplan-Meier方法对OS及高代谢区域无局部进展生存期进行分析,组间差别采用log rank法。应用单因素及多因素分析确定18F-FDG PET/CT相关指标对患者OS及高代谢区域局部无进展生存期的预后意义。p<0.05被定义为有统计学意义。研究结果1.生存分析随访至2014年12月,3例患者失访,1例患者治疗初期拒绝进一步治疗,共52例患者纳入最终分析。截止至数据分析时,有27例(51.9%)患者死亡,其余患者随访过程中未死亡,患者随访中位时间为26个月(8-39个月)。所有入组患者1年,2年及3年的生存率分别为80.4%,54.8%和34.5%。2.失败模式至随访结束时间,所有52例患者中21例(40.4%)出现原发肿瘤局部失败,14例(26.9%)患者发现远处转移,2例(3.8%)患者仅出现食管区域淋巴结转移无其他部位治疗失败,21例(40.4%)患者至末次随访未见治疗失败。对于21例原发肿瘤失败患者,其中14例(66.7%)为肿瘤残存,7例(33.3%)为肿瘤复发。3.18F-FDG PET/CT预测局部失败高危区域所有的21例原发肿瘤治疗失败的患者中有20例患者(95.2%)治疗后局部失败部位位于治疗前18F-FDG PET/CT所示的高18F-FDG摄取的区域内,仅有1例患者(4.8%)出现了食管癌复发但复发部位位于原发肿瘤高代谢区域外。治疗前18F-FDG PET/CT原发灶中以40%至70%SUVmax为阈值得到的亚靶区。其中40%SUVmax为阈值所得的亚靶区MTV40%体积为23.09 ± 16.25cm3,占治疗前SUV 2.5所勾画肿瘤代谢总体积MTV的71.2%。相应的亚靶区MTV50%,MTV60%和MTV70%的体积分别为 19.65 ± 11.32cm3(60.6%),11.34 ± 7.28cm3(34.9%)和8.12 士 4.85cm3(25.0%)。将失败后 18F-FDG PET/CT图像与治疗前 18F-FDG PET/CT图像进行配准融合,计算各个阈值勾画的区域与失败后SUV2.5勾画的区域的OF值分别为78.6 ±21.7%,66.3 ±22.4%,54.5 ±24.2%和42.8 ±25.7%。4.18F-FDG PET/CT代谢参数预测局部失败单因素分析显示T分期(p=0.036),肿瘤长度(p=0.029),治疗前原发肿瘤MTV(p=0.007)和TLG(p=0.006)是高代谢区域治疗失败的相关因子。多因素分析结果显示MTV、TLG及肿瘤长度是高代谢区域局部治疗失败的独立危险因子。ROC曲线示肿瘤长度,治疗前MTV和TLG的AUC值分别为0.584(p =0.305),0.743(p = 0.003)和0.747(p = 0.003)。根据ROC 曲线所示MTV预测高代谢区域治疗失败的最佳阈值为21cm3,TLG的最佳阈值为95。MTV<21cm3的患者共25例,其治疗前高代谢区域的2年无局部进展生存率为77.9%,而MTV>21cm3的患者27例,其治疗前高代谢区域的2年无局部进展生存率为50.1%(p=0.004)。治疗前TLG<95患者20例,其2年高代谢区域无局部进展生存率为83.6%,而TLG≥95患者32例2年无局部进展生存率为47.4%(p = 0.007)。研究结论接受同步放化疗治疗的ESCC患者,局部失败易发生在治疗前18F-FDG PET/CT所示的高代谢区域内。治疗前18F-FDGPET/CT中50%SUVmax可能是勾画易出现局部复发需要增加放疗剂量高危区域的潜在阈值。