深吸氣屏氣技術在肺癌立體定向放射治療中的應用

單書燦，周暉，王玉潔，賀曉東

上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院 放射治療科，上海 201801

引言

根據2019年國家癌癥中心發布的數據，肺癌位居我國惡性腫瘤發病首位，2015年我國新發肺癌病例約為78.7萬例，發病率為57.26/10萬，因肺癌死亡人數為45.87/10萬[1]。放射治療是治療肺癌的常見方法，其中立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）技術是治療尚未淋巴轉移的非小細胞肺癌患者的一種常見手段，具有單次劑量高、治療次數少、適形度高、劑量跌落快等特點[2-3]，可以在給腫瘤靶區更高劑量的同時，更好地保護正常組織[4-5]。對于胸部腫瘤，呼吸運動是引起腫瘤運動的主要原因，在自由呼吸下，肺部腫瘤和危及器官的呼吸動度可以達到3 cm，也是放射治療中最大的不確定因素[6]。目前對于胸部腫瘤呼吸運動常見的管理方法有以下兩種[7-9]：一種是呼吸門控系統，射束根據呼吸時相切換觸發或中斷治療，如Varian的被動呼吸門控RPM系統，Elekta的主動呼吸門控ABC系統；另一種是追蹤系統，在患者體內或體表放置標記，在靶區運動時持續出束。深吸氣屏氣（Deep Inspiration Breath-Hold，DIBH）技術屬于第一種，患者在治療時要求吸氣屏氣并保持在一定吸氣狀態，進行呼吸運動管理一方面可以減少靶區的運動，另一方面可以減少靶區體積，增大肺體積，使心臟遠離胸壁，目前DIBH技術在乳腺癌放射治療中應用廣泛[10-11]。本研究旨在探究對于肺部小體積靶區應用SBRT治療技術的腫瘤患者對照射靶區和正常危及器官照射的影響，以期使患者獲益。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2019年11月至2020年3月在我院接收放射治療的10例非小細胞肺癌SBRT治療的患者，所有患者在DIBH狀態下進行CT采集，同時所有患者均采集4D-CT圖像作為備用CT，其中9例患者采用DIBH技術進行SBRT治療，1例患者由于呼吸屏氣重復性差，最終在4D-CT上進行計劃設計，并進行計劃實施。10例患者中男性7例，女性3例，平均年齡62.9歲；患者在進行CT圖像采集前對其呼吸功能進行評估，要求深吸氣屏氣時間超過30 s，并且要求患者在平時鍛煉自己的呼吸屏氣，以保證在CT掃描和治療過程中的平常心態。其中4D-CT圖像的采集是在患者自由呼吸狀態下進行的。肺癌患者SBRT治療流程圖如圖1所示。

圖1 患者治療流程圖

1.2 CT圖像采集

患者的體位固定裝置采用全身真空墊，CT圖像采集選用16排Philips大孔徑CT（飛利浦公司，荷蘭），DIBH的CT圖像采集的管電壓為120 kV，電流為229 mAs；4D-CT圖像采集的管電壓為120 kV，管電流為600 mAs。掃描范圍包括全肺且頭腳方向超出靶區5 cm的范圍，掃描層厚為2 mm。

選用光學體表追蹤系統（C-RAD公司，瑞典）對患者進行呼吸運動監測，CT端的Sentinel?監測患者定位輪廓，采集呼吸曲線并進行呼吸訓練，最后進行門控定位。Catalyst負責患者治療時擺位，實時監控和呼吸門控治療，用于治療過程中的呼吸運動管理。該系統可以實時追蹤患者治療過程中的體表輪廓變化，通過C-RAD系統確保每次治療在規定的呼吸幅度內完成，并反饋給加速器系統，控制加速器繼續或中斷治療。在劑量率1400 MU/min的情況下，一次屏氣超過30 s，一個治療弧如果能在一次屏氣時間內能完成，可極大地提高治療效率。治療時患者通過視頻眼鏡可以觀察到吸氣狀態的動態變化，并自行控制深吸氣屏氣幅度，在深吸氣屏氣狀態下進行DIBH定位CT掃描、CBCT影像驗證和治療。患者還會采集一套平靜呼吸狀態下的4D-CT，掃描序列波形圖如圖2所示。

圖2 4D-CT和DIBH-CT掃描序列波形圖

1.3 靶區和危及器官的勾畫

由醫生在DIBH的CT上進行靶區和危及器官的勾畫。醫生在4D-CT的各時相上進行靶區的勾畫，并累及到最大密度投影圖像（Maximum Intensity Projection，MIP）上進行修改確認，最后剛性配準到平均時相（Averaged Phase Image，AVG）上，再進行危及器官的勾畫。在DIBH圖像上臨床靶體積（Internal Target Volume，ITV）到計劃靶體積（Planning Target Volume，PTV）的外放邊界為3 mm，在AVG上ITV到PTV的外放邊界為5 mm。危及器官包括肺、心臟、胸壁、大血管。

1.4 計劃設計和評估

計劃設計時加速器的機型為瓦里安的edge，120對多葉準直器，選用6X FFF，劑量率選擇1400 MU/min，采用容積旋轉調強（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）技術，AXB計算算法，1.25 mm的計算網格。兩組CT選用相同的計劃設計參數及計劃優化參數，處方均覆蓋相同的靶區體積，單詞處方劑量為6～15 Gy，治療分次為3～5次。根據靶區位置不同，給予≥180°的雙弧VMAT，處方歸一設置為100%的處方劑量包繞95%的靶區，靶區體積小于13 cc的計劃，D2cm要求小于0.5。對于相鄰的氣管樹、食管、大血管和胸壁按照醫生要求對其最大劑量和體積劑量進行限量，原則上氣管食管最大劑量不超過處方劑量的105%。

兩組計劃評估參數中危及器官包括患側的肺（lung-t）的V5Gy、V10Gy、V20Gy；心臟的平均劑量Dmean；胸壁的D1cc和D5cc；大血管的D10cc。靶區的評估參數包括靶區適形度指數（Conformity Index，CI）為處方劑量線包繞的體積與靶區體積之比[12]；劑量梯度指數（Gradient Index，GI）為50%的劑量線包繞的體積與靶區體積之比[13]；D2cm定義為距PTV邊界2 cm處各方向最大劑量與處方劑量的比值。

1.5 統計學分析

應用SPSS 21.0統計學軟件對數據進行分析，符合正態分布的計量資料采用±s表示，并采用Wilcoxon符號秩檢驗方法進行數據統計分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 DIBH組與4D-CT組患者正常組織和靶區的體積之比

DIBH和自由呼吸狀態下，患者靶區和危及器官的體積變化如圖3所示，其中，DIBH組的ITV和PTV的體積相對于4D-CT組減少了35%和48%，心臟的體積減少了18%；而DIBH組的患側肺的體積和健側肺的體積分別增加了56%和64%，兩組差異有統計學意義（P＜0.05）。

圖3 DIBH組與4D-CT組患者正常組織和靶區的體積之比

2.2 兩組危及器官受照量比較

兩組計劃在相似的射野和優化參數下完成，均滿足SBRT計劃設計要求，高于處方105%的劑量均未落在靶區以外的危及器官上，靶區外正常組織所有超過處方劑量105%的體積小于PTV體積的15%，120%的處方劑量盡量分布在ITV內。

對兩組計劃的結果進行評估，兩組計劃危及器官所受劑量如表1所示，由于DIBH技術使得患者肺的體積變大，同時心臟、胸壁和大血管遠離靶區，所以危及器官所受照射劑量均有不同程度的降低。其中DIBH組患側肺的V5Gy、V10Gy、V20Gy的值比4D-CT組降低了10.4%、10.3%和4.2%，具有統計學差異（P＜0.05）；同時，DIBH組心臟所接受的平均劑量降低了34.6%，具有統計學差異（P＜0.05）；胸壁和大血管的照射劑量，DIBH組也明顯低于4D-CT組，具有統計學差異（P＜0.05）。

表1 兩組危及器官照受量（±s）

表1 兩組危及器官照受量（±s）

危及器官 參數 DIBH組 4D-CT組 P值肺V5 Gy/% 23.6±12.0 34.0±17.1 0.005 V10 Gy/% 11.2±6.1 21.5±13.3 0.005 V20 Gy/% 2.9±1.3 7.1±3.7 0.005心臟 Dmean/cGy 210.2±212.8 317.6±215.8 0.037胸壁 D5 cc/cGy 2692.3±924.9 3083.6±1087.9 0.012 D1 cc/cGy 3170.5±937.0 3696.4±880.2 0.012大血管 D10 cc/cGy 1287.7±955.7 1658.7±1123.0 0.009

2.3 兩組計劃靶區參數比較

兩組計劃靶區的CI、GI、D2cm如表3所示，兩組計劃均能滿足臨床的要求，其中兩組計劃的CI和GI和機器跳數無統計學差異（P＞0.05），DIBH組的D2cm明顯優于4D-CT組（P＜0.05）。兩組計劃的機器跳數雖然無統計學差異，但由于DIBH技術需要患者在治療過程中控制自己的呼吸，相對于平靜呼吸的4D-CT技術其需要更長的治療時間，經統計9例DIBH患者治療時間為14～32 min，平均治療時間為22.8 min。

表2 兩組計劃靶區參數（±s）

表2 兩組計劃靶區參數（±s）

注：CI：適形度；GI：梯度指數；D2 cm：靶區外2 cm外最大劑量。

指標 DIBH組 4D-CT組 P值CI 0.98±0.09 0.97±0.10 0.241 GI 4.51±1.31 4.05±1.64 0.059 D 2cm 0.51±0.03 0.56±0.04 0.017機器跳數 2298.4±637.2 2189.5±629.4 0.333

3 討論

SBRT技術由于單次劑量大，運用于肺癌中時對靶區周圍的正常組織損傷也相對較大。Trovo等[14]隨訪了68例進行SBRT的肺癌患者，結果發現在治療后2～6周內，有30%左右的患者肺部出現毛玻璃改變的放射性肺炎，這與Zhu等[15]的研究結果類似，其隨訪了106例患者肺癌患者，發現治療后有36.8%的患者會出現急性肺損傷。SBRT也會對肺癌患者胸壁造成損傷，如相關研究顯示，采用SBRT治療后胸壁疼痛和肋骨骨折的發生率分別為11.0%和6.3%，且女性的發生率大于男性[16-17]。也有研究顯示，胸壁疼痛和肋骨骨折與胸壁1 cc和5 cc及肋骨1 cc體積所接受的照射劑量相關。表明靠近胸壁的肺癌，選擇DIBH技術可以減少胸壁和肋骨的照射，進一步降低胸壁疼痛和肋骨骨折的發生率。SBRT對血管的損傷與其所受劑量相關[18]，以上研究結果也顯示，DIBH技術相對于自由呼吸4D-CT技術，能一定程度降低血管所受劑量。

DIBH作為一種呼吸管理的技術，在乳腺癌等胸部腫瘤中應用較廣泛[19-20]，可以減少心肺的劑量，本研究中DIBH技術相對4D-CT技術，可以減少靶區的體積，增加肺的體積，使心臟遠離胸壁，從而可以減少對正常危及器官如肺、心臟、胸壁及血管等的損傷。

雖然DIBH技術較復雜性且治療時間較長，但對于胸SBRT，治療次數較少。DIBH技術在進行CT掃描前，需對患者進行呼吸訓練，但仍可能出現在治療時難以重復定位時的情況，本研究中納入的10例患者中，其中有1例患者出現治療時屏氣不能達到CT定位時的狀態，最后采取4D-CT的計劃治療方案，其他9例患者順利完成了DIBH狀態下的治療，患者整體的依從性和完成度相對較高。Gallo等[21]對肺癌的Cyberknife和Truebeam加速器的出束時間的研究中指出，Cyberknife的平均出束時間為45.8 min，Truebeam的出束時間為4.4 min，在不考慮呼吸管理的情況下，Cyberknife的出束時間遠超過常規加速器的出束時間，本研究中，9例DIBH患者治療時間為14～32 min，平均治療時間為22.8 min，且隨著治療經驗的豐富，可使患者在1個屏氣時間內完成1個治療弧的出束，在呼吸調整的時間內完成治療弧的切換。DIBH技術在對于SBRT肺癌患者可以在減少照射靶區的體積的同時，降低正常器官和組織的照射，并且隨著相應配套設施的更新，患者會獲得更精準的放射治療。

隨著呼吸管理設備和技術的發展及普及，DIBH技術在國內各醫療單位得到更加廣泛應用[22-24]，但在除乳腺癌外其他胸部腫瘤的放射治療中的研究相對較少[25-26]，但在相關研究中患者表現出較好的依從性，同時這些研究顯示了較大的劑量學優勢。Josipovic等[25]的文獻中顯示，DIBH狀態下肺的體積與平靜呼吸狀態下肺的體積相比增加了55%，這與本研究結果相似；Paumier等[26]對縱隔霍奇金淋巴瘤的研究結果顯示，與自由呼吸相比，DIBH組大血管、心臟和肺的輻射劑量均有所減少，其中肺的V20Gy降低了近1/3，本研究患側肺V20Gy降低超過1/2，其中差異與靶區體積大小有一定的相關性。但本研究患者數量相對偏少，后續將增加病例數，使得結果更具科學性；另外，本研究未對靶區的位置象限進行統計，對于周圍性和中央型肺癌是否有差異需要進一步的研究。

4 結論

兩組計劃均能滿足臨床要求，DIBH技術可以很大程度上減少靶區照射；DIBH技術同時增加肺的體積，減少了心臟的體積，且使心臟遠離胸壁，從而減少心臟和肺等正常組織的照射劑量。DIBH技術可以在保證靶區照射劑量的同時減少危及器官的照射劑量，DIBH技術將給肺癌SBRT的患者提供更好的治療。