主動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. 上海市質子重離子醫院 放射物理科，上海 201321；2. 上海市放射腫瘤學重點實驗室，上海 201321；3. 上海質子重離子放射治療工程技術研究中心，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、肝動脈/門靜脈化療栓塞術和放射治療等[1‐2]。通過研究分析，放療聯合經導管化療栓塞對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時能夠提高腫瘤的緩解率[6‐8]。但肝臟是受呼吸運動影響較大的器官[9]，在放療時醫生會將靶區外擴邊界放得更大，同時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]。通過統計國人的肝癌多伴有乙肝后肝硬化，這更導致了肝臟放射耐受性的降低[12]。

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

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

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取近年在上海質子重離子醫院進行粒子治療的肝癌患者10位進行研究。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位患者均肝內碘油沉積良好。在患者入院治療之前，醫生對患者進行ABC屏氣耐受性評估，屏氣時間通過呼吸評估來確定，本研究所采用標準為深吸氣后屏氣20～35 s。

1.2 ABC原理與患者使用過程

本研究所采用的ABC裝置為瑞典醫科達（Elekta）公司生產。其ABC裝置分為三部分：① 計算機控制與顯示部分；② 球囊閥門、流量監測與手柄控制部分；③ 其他一些輔助器件如鼻夾、支撐架等等。ABC工作原理：當手柄被按下時，會有反饋信號反饋到計算機控制部分，通過監測呼吸流量是否達到閾值，若達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。同時所使用的ABC設備均進行常規的QA校準，要求在吸氣3 L，偏差在0.5%以內。

患者使用過程：患者用鼻夾夾緊鼻子使之不能通氣后，用嘴巴咬緊咬嘴經過口呼吸，當手柄按下后，深吸氣后達到預設的呼吸閾值，球囊閥門充氣，強制患者無法通過口呼吸，使之處于屏氣狀態。當患者屏氣無法堅持時，可以松開手柄按鈕，患者恢復自由呼吸。對患者進行反復訓練，直至患者熟練掌握。

1.3 患者ABC訓練及閾值與屏氣時間的設定

先由治療師對患者進行講解，使其熟悉ABC相應的操作。之后打開ABC設備，讓患者躺在模擬機床上按住手柄按鈕深吸氣后屏住，在常規模擬機透視下觀察患者橫隔的穩定性，看是否存在漏氣行為。重復數次，同時觀察并記錄患者所能吸氣的最大值與屏氣時間，通過所記錄的數據設定相應合適的閾值（1.1～1.3 L）與時間。

1.4 模擬定位與實施

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，患者深吸氣達到閾值后屏住呼吸行定位增強CT掃描。依據增強CT掃描結果，由醫生來確定腫瘤體積，勾畫靶區，由物理師來進行設計相應的計劃并驗證?，F如今，入組本研究的患者均是在主動呼吸控制技術下調強碳離子治療，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到閾值屏住，踩下透視踏板觀察膈肌是否穩定，同時選取最優曝光條件通過相應的拍片架拍攝0°與90°的射野驗證片各一張（圖1）。之后將驗證片與重建圖像（Digitally Reconstructed Radiograph，DRR）以椎體進行配準，配準完成后，操作界面顯示出病人體位需要移動的距離（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]，即實際治療時病人體位向右側移動0.18 cm，向腳方向移動0.05 cm，降治療床0.11 cm。DRR移動的方向見圖2。

圖1 體位校正的顯示屏

圖2 病人體位移動的方向

肝臟內碘油的配準：之后以DRR肝臟內的碘油為標準，將驗證片上的碘油與之配準。配準后的結果見圖3左下角，以[]外的數字Lat1減去[Lat2]內的數字，即為該次拍驗證片時，肝臟內標記的位置和定位CT時的標記位置的差異。Lat1‐Lat2為患者左右方向的，Long1‐Long2為頭腳方向的，Vert1‐Vert2為腹背方向的標記位置重復性的差異。

圖3 肝臟內標記的配準

3 結果

射野驗證片與DRR圖像配準后，測量驗證片與DRR圖像中碘油偏差值并計算分析，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，其重復性較好，不確定性小。其中Lat、Long、Vert的負數均值分別為（‐0.17±0.14）、（‐0.22±0.21）、（‐0.19±0.16）cm；Lat、Long、Vert的正數均值分別為（0.22±0.24）、（0.25±0.21）、（0.19±0.22）cm。

10位患者共采集100次射野驗證片，將射野驗證片與對應的DRR圖像進行配準，在基于腰椎配準好的情況下，測量射野驗證片與DRR圖像中碘油在三維方向上的偏差，分析所得數據（表1～3），同時10粒患者在三個方向上的誤差均值（圖4～6）。

表1 ABC技術肝臟碘油位置在三維方向上的偏差值（cm）

表2 ABC技術肝臟位置各方向的重復性（cm）

表3 ABC技術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技術用于光子放療對轉移性肝癌和原發性肺癌以及乳腺癌腫瘤靶區和臟器位置的重復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。

因所采集的數據均是在腰椎配準好的情況下，測量碘油的誤差，所以本研究所采集的數據均不包含擺位誤差。在本研究中，由表1可知Lat、Long、Vert三個方向中各有92%、88%、94%的數據小于我院醫生勾畫的CTV外擴邊界5 mm。而Long方向上的誤差均值較其他兩個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性較差有關。

由表1所知Lat、Long、Vert三個方向最大的誤差值較大分別為9.0、9.0、9.1 mm，在實際粒子治療時，碰到該情況，會先重新擺位拍片進行重新配準；如若該情況沒有因重新擺位而得到改善，則會根據醫生的要求將椎體對好的情況下，再以碘油為參照調節三個方向，將DRR圖像中的碘油與驗證片中的碘油配準到誤差小于等于5 mm內。

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，即驗證片碘油位于DRR碘油的下方（疑是吸氣過多所致），33%為負數，即驗證片碘油位于DRR碘油上方（疑是吸氣不足所致）。

由表1～3的數據分析結果可以為醫生外擴邊界提供數據基礎：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方向上的90%以上的正負值在所放的外擴邊界之內。這樣Lat、Long、Vert三個方向在該外擴邊界內相應的百分比為94%、91%、94%。

由圖4～6可知10位患者在三個方向上的均值誤差整體較小且均勻，其中有兩位患者的數據在一個或兩個方向上明顯差別于其他患者，個人認為造成該現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（這是因為ABC控制下，吸氣達到閾值，球囊閥門關閉有一定的延時，這就導致快速用力吸氣的會吸入更多的氣體，因而治療前的呼吸訓練非常重要）；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ABC用于肝癌粒子治療，可以有效地減少了呼吸運動的影響，肝臟位置不確定性誤差均值均小于5 mm，符合我院治療標準；同時也可為醫生靶區外擴邊界的設置提供數據基礎。

同時因患者呼吸用力程度的不同也會導致肝臟位置的不同，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，并且有可能進一步減少外擴邊界的設置。