主動(dòng)呼吸控制用于肝癌粒子治療肝臟位置不確定性研究

謝文波

1. 上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院 放射物理科，上海 201321；2. 上海市放射腫瘤學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201321；3. 上海質(zhì)子重離子放射治療工程技術(shù)研究中心，上海 201321

引言

如今肝癌的治療手段有多種，例如外科治療、消融治療、肝動(dòng)脈/門靜脈化療栓塞術(shù)和放射治療等[1‐2]。通過研究分析，放療聯(lián)合經(jīng)導(dǎo)管化療栓塞對(duì)治療肝癌的療效較其他手段要好，腫瘤的緩解率與患者的生存率均有所提高[3‐5]。肝癌具有一定的放射敏感性，在劑量大于50 Gy時(shí)能夠提高腫瘤的緩解率[6‐8]。但肝臟是受呼吸運(yùn)動(dòng)影響較大的器官[9]，在放療時(shí)醫(yī)生會(huì)將靶區(qū)外擴(kuò)邊界放得更大，同時(shí)因正常肝臟的放射耐受性較低[10]，這些因素最終限制了放療劑量的增加[11]。通過統(tǒng)計(jì)國(guó)人的肝癌多伴有乙肝后肝硬化，這更導(dǎo)致了肝臟放射耐受性的降低[12]。

目前，臨床上控制因呼吸運(yùn)動(dòng)造成器官移動(dòng)的方法研究有多種：呼吸門控、腫瘤跟蹤、自主屏氣和主動(dòng)呼吸控制（Active Breathing Coordinator，ABC）等技術(shù)[13‐15]。其中ABC技術(shù)作為一種通過主動(dòng)呼吸來有效地減少呼吸運(yùn)動(dòng)的技術(shù)[13]，在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)中均有了相關(guān)的研究記載。在我院肝癌患者分別使用ABC技術(shù)、呼吸門控技術(shù)以及腹部壓迫技術(shù)等配合粒子治療。根據(jù)患者實(shí)際狀況，選擇合適的技術(shù)配合粒子治療，盡可能的保護(hù)腫瘤附近的正常器官（Organ at Risk，OAR），增加腫瘤靶區(qū)的劑量，減少正常組織并發(fā)癥[16]，提高治療增益比。

在粒子治療時(shí)，因其有較為陡峭的布拉格峰[17]，為了更好地保護(hù)腫瘤附近的OAR，要求更為精確的治療。為探討ABC用于肝癌粒子治療時(shí)，肝臟位置的不確定性，本研究采集ABC用于粒子治療時(shí)，在對(duì)準(zhǔn)腰椎的前提下，分析計(jì)算患者肝臟碘油位置的偏差值，同時(shí)為合理的外擴(kuò)邊界設(shè)置提供依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取近年在上海質(zhì)子重離子醫(yī)院進(jìn)行粒子治療的肝癌患者10位進(jìn)行研究。其中10位患者均為男性，平均年齡為54.3歲，中位年齡為57歲，年齡跨度為29～75歲，10位患者均肝內(nèi)碘油沉積良好。在患者入院治療之前，醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行ABC屏氣耐受性評(píng)估，屏氣時(shí)間通過呼吸評(píng)估來確定，本研究所采用標(biāo)準(zhǔn)為深吸氣后屏氣20～35 s。

1.2 ABC原理與患者使用過程

本研究所采用的ABC裝置為瑞典醫(yī)科達(dá)（Elekta）公司生產(chǎn)。其ABC裝置分為三部分：① 計(jì)算機(jī)控制與顯示部分；② 球囊閥門、流量監(jiān)測(cè)與手柄控制部分；③ 其他一些輔助器件如鼻夾、支撐架等等。ABC工作原理：當(dāng)手柄被按下時(shí)，會(huì)有反饋信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)控制部分，通過監(jiān)測(cè)呼吸流量是否達(dá)到閾值，若達(dá)到則控制球囊閥門充氣，阻斷通氣管道。松下手柄，則通氣管道開通。同時(shí)所使用的ABC設(shè)備均進(jìn)行常規(guī)的QA校準(zhǔn)，要求在吸氣3 L，偏差在0.5%以內(nèi)。

患者使用過程：患者用鼻夾夾緊鼻子使之不能通氣后，用嘴巴咬緊咬嘴經(jīng)過口呼吸，當(dāng)手柄按下后，深吸氣后達(dá)到預(yù)設(shè)的呼吸閾值，球囊閥門充氣，強(qiáng)制患者無法通過口呼吸，使之處于屏氣狀態(tài)。當(dāng)患者屏氣無法堅(jiān)持時(shí)，可以松開手柄按鈕，患者恢復(fù)自由呼吸。對(duì)患者進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，直至患者熟練掌握。

1.3 患者ABC訓(xùn)練及閾值與屏氣時(shí)間的設(shè)定

先由治療師對(duì)患者進(jìn)行講解，使其熟悉ABC相應(yīng)的操作。之后打開ABC設(shè)備，讓患者躺在模擬機(jī)床上按住手柄按鈕深吸氣后屏住，在常規(guī)模擬機(jī)透視下觀察患者橫隔的穩(wěn)定性，看是否存在漏氣行為。重復(fù)數(shù)次，同時(shí)觀察并記錄患者所能吸氣的最大值與屏氣時(shí)間，通過所記錄的數(shù)據(jù)設(shè)定相應(yīng)合適的閾值（1.1～1.3 L）與時(shí)間。

1.4 模擬定位與實(shí)施

用真空墊將患者體位固定于仰臥位，雙手上舉過頭頂。在ABC控制下，患者深吸氣達(dá)到閾值后屏住呼吸行定位增強(qiáng)CT掃描。依據(jù)增強(qiáng)CT掃描結(jié)果，由醫(yī)生來確定腫瘤體積，勾畫靶區(qū)，由物理師來進(jìn)行設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)劃并驗(yàn)證?，F(xiàn)如今，入組本研究的患者均是在主動(dòng)呼吸控制技術(shù)下調(diào)強(qiáng)碳離子治療，其腫瘤劑量為55～60 GyE，分10次治療，每周5次。

2 研究方法

10位患者肝臟碘油沉積均良好，每位患者總治療10次。粒子治療之前，讓患者按住手柄吸氣達(dá)到閾值屏住，踩下透視踏板觀察膈肌是否穩(wěn)定，同時(shí)選取最優(yōu)曝光條件通過相應(yīng)的拍片架拍攝0°與90°的射野驗(yàn)證片各一張（圖1）。之后將驗(yàn)證片與重建圖像（Digitally Reconstructed Radiograph，DRR）以椎體進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)完成后，操作界面顯示出病人體位需要移動(dòng)的距離（圖1），這就是擺位誤差。圖1中左下角顯示 ：Lat ‐0.18[‐0.18]；Long +0.05[+0.05]；Vert‐0.11[‐0.11]，即實(shí)際治療時(shí)病人體位向右側(cè)移動(dòng)0.18 cm，向腳方向移動(dòng)0.05 cm，降治療床0.11 cm。DRR移動(dòng)的方向見圖2。

圖1 體位校正的顯示屏

圖2 病人體位移動(dòng)的方向

肝臟內(nèi)碘油的配準(zhǔn)：之后以DRR肝臟內(nèi)的碘油為標(biāo)準(zhǔn)，將驗(yàn)證片上的碘油與之配準(zhǔn)。配準(zhǔn)后的結(jié)果見圖3左下角，以[]外的數(shù)字Lat1減去[Lat2]內(nèi)的數(shù)字，即為該次拍驗(yàn)證片時(shí)，肝臟內(nèi)標(biāo)記的位置和定位CT時(shí)的標(biāo)記位置的差異。Lat1‐Lat2為患者左右方向的，Long1‐Long2為頭腳方向的，Vert1‐Vert2為腹背方向的標(biāo)記位置重復(fù)性的差異。

圖3 肝臟內(nèi)標(biāo)記的配準(zhǔn)

3 結(jié)果

射野驗(yàn)證片與DRR圖像配準(zhǔn)后，測(cè)量驗(yàn)證片與DRR圖像中碘油偏差值并計(jì)算分析，得出其在Lat、Long、Vert的誤差均值為（0.19±0.20）、（0.23±0.21）、（0.18±0.19）cm，說明其肝臟位置的偏差值小，其重復(fù)性較好，不確定性小。其中Lat、Long、Vert的負(fù)數(shù)均值分別為（‐0.17±0.14）、（‐0.22±0.21）、（‐0.19±0.16）cm；Lat、Long、Vert的正數(shù)均值分別為（0.22±0.24）、（0.25±0.21）、（0.19±0.22）cm。

10位患者共采集100次射野驗(yàn)證片，將射野驗(yàn)證片與對(duì)應(yīng)的DRR圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，在基于腰椎配準(zhǔn)好的情況下，測(cè)量射野驗(yàn)證片與DRR圖像中碘油在三維方向上的偏差，分析所得數(shù)據(jù)（表1～3），同時(shí)10粒患者在三個(gè)方向上的誤差均值（圖4～6）。

表1 ABC技術(shù)肝臟碘油位置在三維方向上的偏差值（cm）

表2 ABC技術(shù)肝臟位置各方向的重復(fù)性（cm）

表3 ABC技術(shù)肝臟位置各方向的占比（%）

圖4 10位患者在Lat方向上的誤差均值

圖5 10位患者在Long方向上的誤差均值

圖6 10位患者Vert方向上的誤差均值

4 討論

ABC技術(shù)用于光子放療對(duì)轉(zhuǎn)移性肝癌和原發(fā)性肺癌以及乳腺癌腫瘤靶區(qū)和臟器位置的重復(fù)性均有較為深入的研究[18‐20]。趙建東等[21]的研究顯示分次放療的肝臟位置重復(fù)性良好，其Lat、Long、Vert分別為5.5、6.6、4.2 mm。而本研究在Lat、Long、Vert三個(gè)方向上的誤差均值為（1.9±2.0）、（2.3±2.1）、（1.8±1.9）mm。

因所采集的數(shù)據(jù)均是在腰椎配準(zhǔn)好的情況下，測(cè)量碘油的誤差，所以本研究所采集的數(shù)據(jù)均不包含擺位誤差。在本研究中，由表1可知Lat、Long、Vert三個(gè)方向中各有92%、88%、94%的數(shù)據(jù)小于我院醫(yī)生勾畫的CTV外擴(kuò)邊界5 mm。而Long方向上的誤差均值較其他兩個(gè)方向上較大且誤差小于5 mm的百分比較小的原因有可能是患者在頭腳方向上的分次粒子治療間肝臟位置的重復(fù)性較差有關(guān)。

由表1所知Lat、Long、Vert三個(gè)方向最大的誤差值較大分別為9.0、9.0、9.1 mm，在實(shí)際粒子治療時(shí)，碰到該情況，會(huì)先重新擺位拍片進(jìn)行重新配準(zhǔn)；如若該情況沒有因重新擺位而得到改善，則會(huì)根據(jù)醫(yī)生的要求將椎體對(duì)好的情況下，再以碘油為參照調(diào)節(jié)三個(gè)方向，將DRR圖像中的碘油與驗(yàn)證片中的碘油配準(zhǔn)到誤差小于等于5 mm內(nèi)。

由表2可知在ABC控制的情況下由Long的差值可以判斷有64%為正數(shù)，即驗(yàn)證片碘油位于DRR碘油的下方（疑是吸氣過多所致），33%為負(fù)數(shù)，即驗(yàn)證片碘油位于DRR碘油上方（疑是吸氣不足所致）。

由表1～3的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以為醫(yī)生外擴(kuò)邊界提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)：向右放5 mm，向左放6 mm；向頭方向放5 mm，向腳方向放6 mm；向腹部方向放5 mm，向背部方向放5 mm。這樣可以確保在每個(gè)方向上的90%以上的正負(fù)值在所放的外擴(kuò)邊界之內(nèi)。這樣Lat、Long、Vert三個(gè)方向在該外擴(kuò)邊界內(nèi)相應(yīng)的百分比為94%、91%、94%。

由圖4～6可知10位患者在三個(gè)方向上的均值誤差整體較小且均勻，其中有兩位患者的數(shù)據(jù)在一個(gè)或兩個(gè)方向上明顯差別于其他患者，個(gè)人認(rèn)為造成該現(xiàn)象可能的原因有如下兩種：① 不同患者深吸氣用力程度不同（這是因?yàn)锳BC控制下，吸氣達(dá)到閾值，球囊閥門關(guān)閉有一定的延時(shí)，這就導(dǎo)致快速用力吸氣的會(huì)吸入更多的氣體，因而治療前的呼吸訓(xùn)練非常重要）；② 不同患者的呼吸模式的不一樣（胸式呼吸與腹式呼吸）[22]。

本研究證實(shí)ABC用于肝癌粒子治療，可以有效地減少了呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，肝臟位置不確定性誤差均值均小于5 mm，符合我院治療標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)也可為醫(yī)生靶區(qū)外擴(kuò)邊界的設(shè)置提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

同時(shí)因患者呼吸用力程度的不同也會(huì)導(dǎo)致肝臟位置的不同，基于這種情況，探討在一次粒子治療中，患者每次吸氣屏住時(shí)ABC的不確定性也是非常有必要的，這可以更為精確的研究ABC在單次粒子治療與分次粒子治療中的不確定性，并且有可能進(jìn)一步減少外擴(kuò)邊界的設(shè)置。