主動呼吸控制結合光學體表監測在左側乳腺癌深吸氣屏氣放療呼吸訓練中的應用

李譚譚，覃仕瑞，李秀粉，李偉，張江鵠，宋永文，郇福奎，唐玉

1. 國家癌癥中心，北京 100021；2. 國家腫瘤臨床醫學研究中心，北京 100021；3. 中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院放療科，北京 100021

引言

左側乳腺癌保乳術后全乳放療中，心臟劑量升高會明顯增加遠期并發癥出現概率以及死亡率[1]。Darby等[2]對2196例接受全乳放療的乳腺癌患者進行回顧性分析，心臟平均劑量每增加1 Gy，發生冠脈疾病的風險增加7.4%。深吸氣屏氣（Deep Inspiration Breath-Hold，DIBH）放療技術可以使雙肺擴張，心臟遠離胸壁，大幅降低心肺輻射劑量[3]。Rochet等[4]研究表明，與自由呼吸（Free Breathing，FB）相比較，75%的行DIBH患者的心臟平均劑量、左前降支以及左肺劑量均明顯降低。左側乳腺癌患者接受DIBH放療前及放療后六個月隨訪結果顯示，心臟室壁運動積分指數及灌注功能均未發生變化，表征未發生心臟損傷[5]。

主動呼吸控制技術（Active Breathing Coordinator，ABC）和自主深吸氣屏氣（Voluntary Deep Inspiration Breath-Hold，vDIBH）是現階段實現DIBH的兩種主要方式。ABC是通過控制吸氣量來幫助病人實現屏氣，需用到移動控制裝置、呼吸管、鼻夾、手閘、折射眼鏡等輔助設備以及口、眼、鼻、手協同配合，此技術對操作人員、消毒水平有很高要求，同時增加了培訓及預約時間[6-8]。vDIBH主要應用攝像頭監測體外設備或體表信息實時表征呼吸水平，可由患者自主控制呼吸，無需其他輔助設備。目前常用在臨床的設備有實時位置管理系統（Real-time Position Management，RPM）（Varian，Palo Alto，CA）、AlignRT（VisionRT，London，UK）、Catalyst（C-RAD，Uppsala，Sweden）[9-12]，其中第一種為體外設備，后兩種為體表監測。

患者宣教以及呼吸訓練對于左側乳腺癌DIBH放療至關重要，本研究首次結合基于吸氣量控制的ABC技術和光學體表監測技術，旨在評估兩種方法在呼吸訓練中的相關性，探尋使用光學體表監測的可行性以及閾值控制范圍，并比較兩種呼吸狀態下劑量學差異。

1 材料與方法

1.1 入組標準

18～70歲女性，左側乳腺癌保乳術后擬行全乳放療患者，全身治療前無內乳和鎖骨上淋巴結轉移、無遠地轉移、無基礎心臟病史，經宣教培訓后需要熟練掌握DIBH動作，吸氣量＞1 L，屏氣時間＞35 s，并可連續重復上述動作6次以上。患者一般資料如表1所示。

表1 患者一般資料

1.2 主動呼吸控制訓練

結合ABC（Elekta，Stockholm，Sweden）屏幕和附件（手閘、吹嘴、過濾套件、折射眼鏡）對入組患者宣教培訓，確認患者知曉使用流程。病人取仰臥位于乳腺托架（CIVCO，Medical Solutions，Orange City，lowa）上，雙側上肢上舉，待平靜呼吸穩定后囑患者最大限度進行DIBH，三次測量取平均值記錄最大吸氣量Vmax。選擇最大吸氣量的80%V80%做為門控閾值，設定屏氣時間為35 s，如患者可連續完成屏氣三次以上，勾畫體表標記線，分別在FB和DIBH下行CT掃描，掃描條件：120 kV、150 mAs、層厚5 mm。

1.3 光學體表監測

Sentinel（C-RAD，Uppsala，Sweden）采用掃描激光和攝像器結合方案（圖1），應用在模擬定位CT機房內，在呼吸訓練以及初次定位時采集患者輪廓和呼吸波形，無需在體表放置附件，虛擬門控點置于劍突下。在使用ABC訓練同時，采集患者FB幅度、最大吸氣幅度以及最大吸氣量80%時的幅度，分別用AFB、Amax、A80%表示（圖2）。計算80%幅度與最大吸氣幅度比值（A80%/Amax）和80%幅度與FB幅度比值（A80%/AFB）。

圖1 Sentinel光學體表定位系統

圖2 虛擬門控點位置及呼吸幅度采集

1.4 劑量評估

患者DIBH和FB的CT圖像分別上傳至 Pinnacle 計劃系統，在定位CT上勾畫臨床靶體積，外放成計劃靶體積（Planning Target Volume，PTV），勾畫危及器官。計劃設計時，15例患者均予處方劑量全乳95% PTV、43.5 Gy/15次，制定切線野為主的固定野調強放療計劃。記錄各患者兩種呼吸狀態下雙肺體積、全肺V20、心臟平均劑量以及心臟受到10 Gy和20 Gy的相對體積分數（V10&V20）。

1.5 統計方法

使用GraphPad Prism 6.0軟件進行數據處理和作圖，使用SPSS 21.0軟件對FB和DIBH兩種狀態雙肺體積差值與ABC吸氣量閾值、兩種呼吸狀態下心臟、肺劑量分別進行配對t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 吸氣量

15例患者使用ABC訓練后FB與DIBH的CT影像上雙肺體積差值為（1570±192）cm3，ABC控制吸氣量閾值為（1467±106）cm3，P值為0.108，兩者無顯著性差異，對應關系如圖3所示。

圖3 CT影像體積差值與ABC吸氣量對應關系

2.2 光學體表幅度比較

ABC呼吸訓練同時使用Sentinel測量15例患者FB、80%最大吸氣量以及最大吸氣量的光學表面呼吸幅度（圖4），FB幅度平均為3.97 mm，95%CI為（3.2～4.7）mm；80%最大吸氣量幅度平均為12.1 mm，95%CI為（11.4～14.1）mm；80%最大吸氣量幅度與最大吸氣幅度比值（A80%/Amax）為0.78±0.12；80%最大吸氣量幅度與FB幅度比值（A80%/AFB）為3.24±1.08。139次 DIBH使用ABC控制36 s內顯示吸氣量無變化的情況下，光學體表幅度下降超過3 mm為15人次，占比10.8%。

圖4 15例患者自由呼吸、深吸氣屏氣80%最大吸氣量、以及最大吸氣量時體表幅度

2.3 劑量學差異

DIBH與FB相比，心臟平均劑量（降幅平均為35.4%）、V10、V20、左肺平均劑量、全肺V20均顯著減低（P＜0.001），見表2。

表2 FB與DIBH心臟和肺劑量學比較

3 討論

左側乳腺癌DIBH放療在保證靶區照射準確的同時，要確保心臟和肺受照體積穩定可靠。Kaza等[13]研究表明，FB到DIBH雙肺吸氣量是保證位置準確的重要因素。本研究對兩種呼吸狀態CT圖像上雙肺體積差值與ABC的吸氣量閾值進行了比較，結果兩者無顯著差異，CT體積差值平均值略高于ABC吸氣量閾值，有1例患者前者明顯低于后者。基于ABC吸氣量計算原理，Remouchamps等[14]研究表明，患者在吸氣時如果氣流速率過快會造成吸氣量被低估。即使接受了呼吸訓練，患者實際接受CT掃描時呼吸速率和幅度都會增加[15]。呼氣末的殘余氣量不穩定造成呼吸基線水平發生漂移，相同吸氣量閾值下殘余氣量增加也會導致CT圖像上雙肺體積略高。與ABC吸氣量閾值相比有一例患者CT圖像上兩種狀態雙肺體積差值明顯較低，究其原因大概有以下兩種：① 胸式呼吸和腹式呼吸兩種呼吸模式不同，進入胸腔氣體量也會不同。在病患宣教階段雖然告知患者采用胸式呼吸，但部分患者由于緊張也不能很好控制。與腹式呼吸相比較，病人采用胸式呼吸胸廓擴張程度腹背方向最大有1.9 cm的差異，同時在緊張狀態更容易呈現胸式呼吸[16]；② 口含呼吸嘴如果漏氣，ABC設備是無法監測的，使用光學實時追蹤對DIBH進行質量控制是必要的[15]。

光學體表監測設備Sentinel使用激光投射在身體表面然后探測體表位置變化，虛擬探測點為直徑4 cm的圓圈置于劍突下。本研究基于吸氣量控制的ABC設備使用80%最大吸氣量作為門控閾值，同時監測體表呼吸幅度，發現屏氣幅度與最大吸氣幅度比值平均為0.78，接近0.8，相對于呼吸基線水平DIBH呼吸幅度平均為12.1 mm。Ledsom等[17]對13例左側乳腺癌保乳術后DIBH放療患者使用Sentinel監測體表變化，研究發現DIBH幅度平均為16.5 mm，范圍為11.9～24.0 mm，與其總體水平接近，平均值略高于本研究。15例患者DIBH幅度與FB幅度比值平均為3.24，范圍為2～4 mm。Ledsom等[17]對30例左側乳腺癌保乳術后DIBH放療患者使用RPM探測呼吸幅度變化，其研究表明DIBH幅度變化范圍為0.93～5.46 cm，平均為2.27 cm，DIBH與FB幅度比值平均為10.96，95%CI為（8.98～12.94）。兩種方法探測位置區域不同可能為結果差異較大的主要原因。

本研究發現在ABC設備顯示病人屏氣穩定的情況下，體表幅度下降超過3 mm的占比接近10%。針對CT圖像上兩種呼吸狀態雙肺體積差值明顯小于ABC吸氣閾值病例的體表幅度進行分析，發現該病人在DIBH前呼吸基線水平下沉，DIBH幅度明顯低于平均水平，屏氣狀態下幅度下降6 mm。光學體表監測作為無創無輻射實時監測技術，能夠幫助分析病人呼吸狀態，保證高效穩定的屏氣狀態。ABC設備患者使用的呼吸管以及過濾套件需要執行嚴格的消毒，在呼吸道傳染疾病流行的時期使用存在一定風險，同時對吸氣容量要進行嚴格的校準質控。相比之下，無接觸的光學體表監測幫助實現vDIBH是更加簡單有效的選擇。針對病患基線水平的不同，使用光學體表監測設備評價其屏氣質量及治療可行性，進而對擬行DIBH患者篩選，將是研究下一步開展的方向。

綜上所述，在左側乳腺癌保乳術后放療呼吸訓練中，使用光學體表監測設備實現高質量DIBH是有效的。