催眠在放療術(shù)中的應(yīng)用

李榮茂安 謀余紹徳謝耀欽,2(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所深圳58055)

2(中國科學(xué)院健康信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穿戴式器械實(shí)驗(yàn)室深圳518055)

催眠在放療術(shù)中的應(yīng)用

李榮茂1安 謀1余紹徳1謝耀欽1,2
1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所深圳518055)

2(中國科學(xué)院健康信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穿戴式器械實(shí)驗(yàn)室深圳518055)

肺癌放療期間位置的不確定會影響治療效果。為了有效地控制肺癌放療中的呼吸運(yùn)動，催眠作為一種全新的控制方法被引入肺癌治療中。為了驗(yàn)證所提出的方法，選擇6名志愿者在專業(yè)催眠師的指導(dǎo)下進(jìn)行試驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)均在相同的環(huán)境條件下重復(fù)，且分別記錄正常狀態(tài)和催眠狀態(tài)下呼吸的幅度。呼吸均值和均方根(RMS)結(jié)果表明，催眠狀態(tài)下的平均值和有效值分別為56.6%和64.4%，低于正常狀態(tài)。其中，催眠狀態(tài)下的均值和均方根的呼吸幅度分別為16.2mm、8.6mm，而正常狀態(tài)下時分別為37.4mm、23.9mm。此外，穩(wěn)定峰和相鄰波的相似性結(jié)果表明，催眠狀態(tài)下不同周期之間的γ指數(shù)通過率為16.4%，高于正常狀態(tài)。文章實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催眠作為一種干預(yù)的、可替代的呼吸控制方式，可有效地減少呼吸幅度和增加呼吸周期的穩(wěn)定性。該方法有望在圖像引導(dǎo)放射治療中得到應(yīng)用。

放療；呼吸控制；催眠

1 引 言

肺癌是一種高發(fā)癌癥，同時也是癌癥中最難治的病癥之一。目前在肺癌的治療中存在兩大技術(shù)難點(diǎn)：一是由于胸腹部危及器官較多，在放療中要盡量避免對危及器官的劑量投射；二是胸腹部隨著呼吸運(yùn)動作周期性運(yùn)動，對治療構(gòu)成諸多困難。

在目前追求對目標(biāo)的精確定位放療中，無論是病人的擺位，還是治療計(jì)劃系統(tǒng)(Treatment Plan System, TPS)的設(shè)計(jì)，包括靶區(qū)勾畫、配準(zhǔn)、劑量計(jì)算及加速器參數(shù)的穩(wěn)定等都能直接影響系統(tǒng)精度的實(shí)現(xiàn)，因此，需要對每一個環(huán)節(jié)都進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂?。而對病人的呼吸控制，更是肺腑部癌癥治療中最注重的部分。呼吸控制具有以下作用：在術(shù)前進(jìn)行呼吸控制可以降低計(jì)劃靶區(qū)(Plan Target Volume, PTV)，從而可以增大靶區(qū)劑量率，降低放射次數(shù)，縮短療程；術(shù)前進(jìn)行呼吸控制還可以降低臨床靶區(qū)(Clinical Target Volume, CTV)與PTV的間隙，從而提高放射精確度，減少正常組織的劑量，提升4D-CT成像質(zhì)量。而在術(shù)中進(jìn)行呼吸控制可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確放療。

目前對于肺癌病人的控制方式主要有：(1)被動加壓技術(shù)：應(yīng)用各種裝置對體位進(jìn)行固定并對胸腹部采用加壓的方法來限制肺部、膈肌等的運(yùn)動幅度，從而減少肺部腫瘤的運(yùn)動幅度。此方法簡單易行，但精度較差。(2)深呼吸后屏氣技術(shù)(DIBH)：屬于最簡單的呼吸運(yùn)動控制方法，要求患者在治療前深吸氣，然后在加速器出束照射過程中屏氣并一直保持到治療結(jié)束。DIBH方法雖然不能使被照腫瘤保持絕對靜止，但可減少其運(yùn)動。不足之處是需要患者保持較長時間的屏氣配合，進(jìn)行治療時通常要堅(jiān)持1分鐘左右，且臨床放療持續(xù)時間通常大于1分鐘。這對于某些肺部呼吸功能不很健全的患者來說，更是難以實(shí)現(xiàn)。因此，DIBH技術(shù)并不適合所有的患者，而只適合那些肺部功能比較健全的患者使用。

上述方法不僅使病人不能自由呼吸，更是加重了本來患有肺部疾病的病人的負(fù)擔(dān)，且在放療精度上也難以滿足。雖然通過跟蹤、補(bǔ)償?shù)确椒梢詫刂撇∪俗杂珊粑膬x器設(shè)備、算法(呼吸門控系統(tǒng)、實(shí)時跟蹤放療、慢速CT掃描及呼吸運(yùn)動誤差補(bǔ)償法)等進(jìn)行精確的控制，但由于難以控制病人在治療過程中的情緒波動及身體行為等因素，使得呼吸控制難以達(dá)到理想效果。

胸部放療治療的先決條件是對胸廓呼吸運(yùn)動進(jìn)行精確結(jié)構(gòu)建模[1]。其中一種傳統(tǒng)方法是：患者治療前培訓(xùn)，此方法需使呼吸越平穩(wěn)越好，且計(jì)劃靶區(qū)PTV覆蓋腫瘤運(yùn)動的整個區(qū)域。另一種方法是門控技術(shù)：呼吸波形相位控制法。通常在呼吸最深時，一旦目標(biāo)腫瘤移出放射區(qū)域則停止，所以腫瘤的輻射僅適用于在一個特定的時間周期中。呼吸的位置管理(RPM)系統(tǒng)[2,3]是瓦里安開發(fā)的門控功能強(qiáng)大的工具之一，它可以檢測和跟蹤呼吸運(yùn)動，而不需要對病人進(jìn)行訓(xùn)練。另一個與呼吸跟蹤產(chǎn)生(RTG)的工具也被用于跟蹤呼吸運(yùn)動[4]。門控技術(shù)的缺點(diǎn)是需要長期的治療時間。第三種辦法是：自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)。病人首先通過前方的屏幕觀測到目前呼吸波形狀態(tài)以及目標(biāo)呼吸狀態(tài)，然后根據(jù)需要調(diào)節(jié)呼吸運(yùn)動，以達(dá)到呼吸控制。在使用過程中，不可避免地會對病人造成干擾，這可能會導(dǎo)致患者的不適。在當(dāng)前的圖像引導(dǎo)放射治療(IGRT)中，植入金屬標(biāo)記點(diǎn)及放射越來越多，造成的影響也越來越嚴(yán)重[5-9]。在此方法中，立體X射線成像同步并依次形成于劑量射送的過程中。在投影圖像中，高對比度的標(biāo)記點(diǎn)被探測到，而其位置信息通過三角網(wǎng)格法被實(shí)時地抓取到。雖然基準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)提供了一種可靠的實(shí)時跟蹤方式，但植入基準(zhǔn)標(biāo)記侵入性程序可能導(dǎo)致一些并發(fā)癥，如氣胸和出血[10]。

催眠作為西方心理學(xué)的技術(shù)手段被廣泛應(yīng)用在心理咨詢及心理治療上，主要應(yīng)用在術(shù)前病人狀態(tài)的穩(wěn)定與術(shù)后病人心理的輔導(dǎo)，但目前尚未在放療術(shù)中進(jìn)行應(yīng)用。在清醒時，人腦的腦波主要為β波，此時人處于主動意識狀態(tài)，行為受主意識決定，受潛意識影響；而在催眠狀態(tài)時，人的腦電波主要為α波，此時人腦處于潛意識狀態(tài)，人的行為受潛意識所控制[11,12]。催眠師可以通過對病人的持續(xù)暗示來使其穩(wěn)定在催眠狀態(tài)中，病人的個人狀態(tài)可以由催眠師引導(dǎo)并保持。這樣便有可能實(shí)現(xiàn)對病人狀態(tài)進(jìn)行控制。對于病人放療，如能對病人的呼吸幅度進(jìn)行抑制及對病人的呼吸頻率進(jìn)行測量，將會對提高放療的精確性起到重要作用。

2 實(shí)驗(yàn)方法

在本實(shí)驗(yàn)中，選取9名志愿者，年齡在20～30歲之間，通過對志愿者進(jìn)行敏感度測試，從中選出對催眠較為敏感的6名志愿者做后續(xù)實(shí)驗(yàn)，其年齡、體重、胸圍參數(shù)見表1。敏感度測試實(shí)驗(yàn)包括手臂上升下降敏感度測試試驗(yàn)、感官敏感度測試試驗(yàn)。對篩選出的6名志愿者分別測試其在正常呼吸與被催眠時的呼吸情況，記錄其呼吸波形。具體操作步驟為：志愿者先平躺在床上，保持平穩(wěn)15分鐘，在此期間要求志愿者保持靜止且無說話行為，測量其正常呼吸時的波形情況；然后通過催眠師引導(dǎo)，將志愿者導(dǎo)入催眠狀態(tài)中，在確定志愿者進(jìn)入催眠狀態(tài)后，由催眠師對志愿者進(jìn)行持續(xù)引導(dǎo)，使其在催眠的狀態(tài)下保持15分鐘，記錄其在催眠狀態(tài)下的呼吸波形。

圖1為用于實(shí)驗(yàn)的腦波(EEG)系統(tǒng)，包括用于記錄電信號的EEG系統(tǒng)和用于探測呼吸信號的Sleep Sensor傳感器。其中，腦波(EEG)是日本Nihon Kohden公司開發(fā)的系統(tǒng)，可記錄在很短一段時間內(nèi)的電活動，如圖1(a)所示。它由一臺筆記本電腦，隔離功率供應(yīng)，先進(jìn)的電極接線盒，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配件及一個全方位的可選配件組成。作為一部腦電圖系統(tǒng)，可在各種環(huán)境中使用，并提供一個全面的方法來分析得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這有利于從控制室遠(yuǎn)程訪問[11]。睡眠傳感器(圖 1(b))是這個系統(tǒng)檢測呼吸的工具。通過將它綁在志愿者的胸前和腹部，相應(yīng)的信號就被運(yùn)送到EEG系統(tǒng)作進(jìn)一步的分析。而相應(yīng)等比例的電感線則完全包圍著實(shí)驗(yàn)者，如圖1(c)橫截面圖所示。病人呼吸變化的電感被電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號，因而可準(zhǔn)確地、可靠地記錄呼吸波形。

表16 名志愿者的年齡、體重、胸圍屬性列表Table1. The properties of age, weight and chest circumference for six volunteers

圖1 用于實(shí)驗(yàn)的EEG系統(tǒng)圖Fig.1. Sensors and EEG system used in the experiment

圖2 六名志愿者正常狀態(tài)(紅色)和催眠狀態(tài)(藍(lán)色)下的峰值(左)與根均方(右)差別圖Fig.2. Peak value and maximum Root-Mean-Square (RMS) of respiratory amplitude for the six volunteers in the normal state (red) and in the hypnosis state (blue),respectively

在整個實(shí)驗(yàn)過程中，睡眠傳感器的參數(shù)設(shè)置為常數(shù)。其中，靈敏度為10μV/mm，CAL電壓為50μV，時間常數(shù)為0.3s，高頻濾波器為50Hz。

3 結(jié)果與分析

圖2顯示了6名志愿者在正常狀態(tài)(紅點(diǎn))和催眠狀態(tài)下(藍(lán)點(diǎn))的呼吸幅度的平均峰值和最大根均方值(RMS)。

平均RMS的定義是：

其中i是志愿者的數(shù)量，Ni是志愿者的波峰的數(shù)量。很顯然，從圖2可以看出，催眠狀態(tài)下的峰值遠(yuǎn)低于正常狀態(tài)下的，這樣的RMS表明在催眠狀態(tài)下的呼吸更穩(wěn)定。其中，催眠狀態(tài)下的均值和均方根(RMS)的呼吸幅度分別為16.2mm、8.6mm而正常狀態(tài)下分別為37.4mm和23.9mm。在臨床中，PTV覆蓋所有腫瘤可能到達(dá)的區(qū)域。平均振幅和RMS的降低對保護(hù)患者，減少無效劑量有很大的幫助。較低的平均振幅表示的輻射能量集中在腫瘤，而較低RMS則意味著這是一種較穩(wěn)定的治療。

圖3顯示了不同志愿者在正常狀態(tài)和催眠狀態(tài)下的平均呼吸周期。顯然，這兩種狀態(tài)之間沒有明顯的區(qū)別。

圖3 六名志愿者在正常(紅色)與催眠狀態(tài)(藍(lán)色)下的平均呼吸周期比較圖Fig.3. Mean cycle of respiration for different volunteers in the normal state (red) and in the hypnosis state (blue)

圖 4 顯示了在一定范圍內(nèi)的峰值附近的振幅和時間加權(quán)平均值之間的對比情況。該參數(shù)被定義為：

圖4 六名志愿者的呼吸波形以波峰波(谷)為中心附近的波形平穩(wěn)定比率(正常呼吸(紅色)，催眠狀態(tài)下(藍(lán)色))Fig.4. Relative ratio of the wave nearby the peak and the amplitude with time weighted (The red and blue points stand for the normal state and the hypnosis state, respectively)

其中比率代表呼吸波形峰值附近的位移。波形被分成i個小的時間間隔ti，Ai相應(yīng)為T波峰值附近的時間間隔，呼吸波形振幅在時間t內(nèi)的位移。通過計(jì)算可得到的每個峰的比率，而最終結(jié)果是所有波峰的平均值。從6名志愿者的平均情況來看，催眠狀態(tài)期間的平均值和有效值分別為56.6%和64.2%，小于正常狀態(tài)期間的值。

在圖4中，x軸表示峰附近的時間間隔?？梢钥闯?，在催眠狀態(tài)下的相對比例減少的速度比在正常狀態(tài)下的慢。較穩(wěn)定波形的波峰附近，比率也下降較慢。

為了評估不同周期之間的差異，引入γ指數(shù)的通過比率[13-15]，如圖5所示。γ通過率是另一個量，以評估不同的周期之間的相似性。它被定義為：

其中

并且δ為不同的周期與xm，xc之間的差異。xm為模板循環(huán)的時間，xc為其他周期的時間。在實(shí)驗(yàn)中，被選中的第一個起始周期為模板周期。模板之間的周期和其他周期的比值為γ通過率。參數(shù)表示估計(jì)移位程度，參數(shù)表示估計(jì)時間差別。在我們的實(shí)驗(yàn)中，通過不同周期的比率中的10組參數(shù)(每組兩個)的設(shè)置來計(jì)算γ通過率。從圖5可以看出，γ指數(shù)在密集曲線中的面積較對穩(wěn)定。因此，將γ指數(shù)的參數(shù)選擇為1.2和28%。

γ通過比率評價中使用的劑量分布相似，也可以用于判斷相鄰兩個呼吸周期的相似性。正如我們所知道的，呼吸運(yùn)動可能會導(dǎo)致劑量分布的變化。

圖6為γ1.2，28%的指數(shù)曲線之間傳遞比的第一個周期。在12個相鄰周期中，催眠和正常狀態(tài)分別用藍(lán)色曲線、和紅色曲線表示。對6名志愿者平均呼吸波形波峰和相鄰波的相似性分析表明，在催眠狀態(tài)下的不同周期之間的γ指數(shù)通過率為16.4%，高于在正常狀態(tài)。在這6名志愿者中，有5人在催眠狀態(tài)下比在正常的狀態(tài)具有更高γ1.2，28%的通過率曲線，這意味著催眠狀態(tài)下的呼吸循環(huán)更穩(wěn)定。但圖6中志愿者5的結(jié)果與其他五名志愿者相反，表明并不是所有的患者都適合使用催眠呼吸控制。

圖5 不同參數(shù)下的γ通過率對比圖Fig.5. γindex of passing ratio between the fi rst cycle and the other 13 adjacent cycles with ten different parameters

4 討 論

在這項(xiàng)工作中，我們提出一種新的方法，在肺癌放療期間使用催眠控制呼吸運(yùn)動。由于催眠能在使病人感覺舒適的基礎(chǔ)上控制呼吸平穩(wěn)，因

此該方法在放射治療過程中對患者無副作用。

圖6 在選定參數(shù)下(1.2, 28%)，不同志愿者的 γ 通過率與不同呼吸狀態(tài)比較(正常呼吸(紅色)，催眠呼吸(藍(lán)色))Fig.6. γ 1.2, 28% passing ratio between the fi rst cycle and the next 13 adjacent cycles in the hypnosis state (blue) and the normal state (red)

不同呼吸狀態(tài)下的平均峰值結(jié)果表明，催眠狀態(tài)下的波峰值附近的振幅比在正常狀態(tài)下的更穩(wěn)定(圖2)。如果這兩種狀態(tài)的波形是類似的，那么兩種狀態(tài)的平均周期應(yīng)該具有相同的比例與平均峰。而我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種狀態(tài)之間的平均周期無顯著差異(圖3)，符合實(shí)驗(yàn)推測。這將導(dǎo)致催眠狀態(tài)較正常狀態(tài)具有更慢的幅度下降速度(如圖7所示，催眠狀態(tài)為綠線，正常狀態(tài)為紅線)。以上結(jié)果顯示催眠狀態(tài)下呼吸的穩(wěn)定性較好。

圖7 以波峰為中心附近呼吸波形的平穩(wěn)度比率示意圖Fig.7. Comparison of waveforms between the hypnosis-like state (green) and the normal-like state (red)

然而，在本實(shí)驗(yàn)中僅選定6名志愿者，顯然數(shù)量是不夠的，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會存在一定程度的爭議。文章的重要貢獻(xiàn)是提出在放療手術(shù)中可以使用催眠的方法來對病人的呼吸進(jìn)行控制。具有挑戰(zhàn)性的問題之一是如何保護(hù)暴露于輻射中的催眠師，這是一個關(guān)鍵的技術(shù)方法。該方法的最終目標(biāo)是治療患者的副作用最少，成為適用于較大數(shù)目的患者。

目前這項(xiàng)工作只是一個初步的臨床研究，需要進(jìn)一步應(yīng)用到臨床研究。此實(shí)驗(yàn)雖然在闡釋催眠和呼吸運(yùn)動之間的關(guān)系上有諸多限制，不過已經(jīng)證明催眠在臨床放療應(yīng)用具有可能性。

5 結(jié) 論

在本文中，我們將催眠用于肺癌放療的呼吸控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示催眠可以有效地穩(wěn)定呼吸運(yùn)動，表明它適合用于肺癌放療期間的呼吸控制。雖然催眠并不能適用于所有的情況，但它提供了一種新的呼吸控制方式，且無任何毒副作用。接下來的問題是如何在臨床條件下使用催眠進(jìn)行相關(guān)疾病的治療。由于它是一種非侵入性的方法，所以相信在不久的將來，催眠干預(yù)會在多種臨床中得到應(yīng)用。

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The Application of Hypnosis in Radiotherapy

LI Rongmao1AN Mou1YU Shaode1XIE Yaoqin1,21( Institute of Biomedical and Health Engineering, Shenzhen Institutes of Advanced Technology,
Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China )
2( Lab for Wearable Devices, Key Lab for Health Informatics of Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China )

The uncertain position of lung tumor during radiotherapy compromises the treatment effect. To control the respiratory motion effectively during the radiotherapy of lung cancer without any side effects, a novel control method was introduced in the lung cancer treatment. In order to verify the suggested method, six volunteers were selected with a wide range of distribution of age, weight, and chest circumference. A set of experiments were conducted for each volunteer, under the guidance of a professional hypnotist. All the experiments were repeated in the same environmental condition. The amplitude of respiration was recorded under the normal state and hypnosis, respectively. The mean value and the root mean-square (RMS) of the breathing amplitude were 16.2 mm and 8.6 mm during the hypnosis state, while they were 37.4 mm and 23.9 mm during the normal state. It can be seen that the mean value and the RMS during the hypnosis state were 56.6% and 64.2%, smaller than those during normal state, respectively. Moreover, the stability of the peaks and the similarity of the adjacent wave were also analyzed. The passing ratio of γ index between different cycles during the hypnosis state was 16.4%, higher than that during the normal state. Results demonstrate that the hypnosis intervention can be an alternative way for the respiratory control, which can effectively reduce the respiratory amplitude and increase the stability of the respiratory cycle. The proposed method will fi nd applications in the image guided radiotherapy.

radiotherapy; respiration control; hypnosis

R 734

A

2013-11-20

李榮茂，碩士，研究方向?yàn)楹粑\(yùn)動控制、催眠與腦功能機(jī)制；安謀，研究助理，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)圖像重建；余紹德，碩士，研究助理，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程；謝耀欽(通訊作者)，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閳D像引導(dǎo)放射治療、醫(yī)學(xué)影像處理和分析、醫(yī)學(xué)物理，E-mail：yq.xie@siat.ac.cn。