瓦里安呼吸门控实时位置管理系统在4D 放射治疗中的应用方式

赵汝彬，郝连花，张红叶，袁清伟，陈涛（通信作者）

山东省临沂市人民医院放疗技术科 （山东临沂 276000）

在体部放射治疗中，肿瘤靶区会随着呼吸而运动，为了避免因运动导致的肿瘤剂量不足，采取的方法是扩大照射范围形成内靶区（internal target volume，ITV）[1]。扩大的幅度一般根据统计结果确定，但实际上不同的患者和不同的肿瘤部位，肿瘤在各个方向的运动幅度不同，因此，若能够确定肿瘤的个体化范围，则可减少放射损伤[2]；另一方面，如果只在肿瘤随呼吸运动到某一位置时实施放射治疗，则可在保证肿瘤不脱靶的情况下，进一步减小照射范围[3]。为此，很多技术得以发展，主要有两类，分别为同步呼吸放射治疗和控制呼吸放射治疗[4]。实时位置管理（realtime position management，RPM）系统是瓦里安（Varian）公司针对肿瘤靶区随呼吸运动的问题提供的一种放射治疗方案[5]。考虑到时间因素或者呼吸运动的放射治疗称之为4D放射治疗。本研究旨在探讨RPM 系统在4D 放射治疗中的应用方式，现报道如下。

1 材料与方法

瓦里安公司Trilogy 直线加速器（带影像透视功能），瓦里安公司Eclipse 13.6计划系统，飞利浦Big Bore 大孔径CT 以及瓦里安呼吸门控RPM 系统1.7.13（MR2）。

1.1 RPM 系统的原理与方式

RPM 系统的原理：放射治疗的过程包括定位图像获取、计划设计、计划验证以及治疗实施，在不同的阶段均可采用RPM 系统；RPM 系统与CT 模拟机配合可以获取全相图像或指定相图像，且与直线加速器配合可控制治疗机定相出束治疗。

RPM 系统的方式：（1）呼吸循环切分，一个呼吸循环可以切分为各个部分，称为相，切分方式可以根据呼吸周期或呼吸幅度，相应的称为时相或幅相；（2）RPM 系统与CT 模拟机配合进行图像采集有两种方式，全相扫描与单相扫描，全相扫描是将一个呼吸周期分为十个相，每个相都进行扫描，从而获得患者整个呼吸周期的运动规律，又称4D CT，单相扫描是只扫描一个指定的相，可以是时相或幅相；（3）RPM 系统与直线加速器配合实施治疗，RPM 系统控制直线加速器出束，通过监控患者的呼吸曲线，只在呼吸进行到某一指定相时命令加速器出束。

1.2 RPM 系统与CT 扫描有关的设置

若采用全相扫描，则CT 扫描需要使用回顾方式，若采用单相扫描，则需要使用前瞻方式，设置方法如下：打开RPM 控制软件，于View 菜单下点击system configuration，点击advanced，选择CT retrospective（回顾）或者CT prospective（前瞻）。对呼吸相的抓取可选择时相或幅相，设置方法如下：于View 菜单下点击session configuration，选取phrase（时相）或者amplitude（幅相）。

1.3 获取全相图像的放射治疗

图像获取：扫描全部相位，首先打开RPM 主机，然后打开CT 主机，如果使用2个标记点的RPM 监控模块，则无需校准，如果使用6个标记点的监控模块，则每次开始前需要进行校准检查，RPM 程序会自动判断是否需要实施校准；在CT 机输入患者信息，摆好患者位置，准备扫描，打开RPM 程序，新建患者，在输入患者ID 时要与CT 机输入的一致；RPM 选择回顾模式，相选择推荐选择时相，将反光块置于患者体表平坦且随呼吸运动幅度较大的部位，并做好体表位置标记；打开RPM 控制软件，先追踪，待稳定后开始记录；CT 选择全相呼吸扫描模式，确认接收到波形后，根据呼吸周期计算每分钟呼吸循环次数，查表确定螺距并进行设定，RPM 控制软件开启门控，CT 开始扫描；扫描完毕等待接收呼吸文件，RPM 软件停止门控，输入存储文件参数，其中Exam No、Series No 与CT 机一致，否则呼吸文件无法导入CT 机，存储文件，CT 机将自动读取存储的文件，并重建4D CT 的十个时相序列。

治疗计划：首先在各个时相或主要时相勾画肿瘤靶区（gross tumor volume，GTV），然后将其全部复制到平均密度投影图像上，最后融合为ITV（或在最大密度融合图像上直接勾画ITV），外扩计划靶区（planning target volume，PTV），做治疗计划。

治疗实施：同常规放射治疗，治疗时不采用RPM系统。

总之，通过RPM 系统配合CT 获取4D CT，用于勾画ITV，在治疗时不采用RPM 系统。

1.4 获取指定相图像下的门控放射治疗

图像获取：扫描单个相位，RPM 选择前瞻方式，相选择推荐选择幅相，打开RPM 控制软件先追踪，根据患者呼吸曲线，选择扫描的相，推荐选择呼气末，待呼吸稳定后开始记录；CT 选择单相呼吸扫描模式，确认接收到波形，不设定螺距，RPM 控制软件开启门控，CT 开始扫描，扫描时RPM 控制CT 扫描时机，CT 机只在指定的相进行扫描，不扫描其他相；扫描结束后无文件，CT 机无需呼吸文件进行图像重建。

治疗计划：勾画靶区，外扩PTV，做治疗计划，此时的CT 图像为指定呼吸相的图像，所做的治疗计划只是针对该时刻的靶区位置，因此放射治疗时，需要只在该时刻出束，采用RPM 系统。

治疗实施：实施前验证RPM 控制治疗机在指定的相出束，并准确照射到移动靶区，验证通过后即可通过RPM 控制直线加速器实现门控放射治疗。

1.5 RPM 门控放射治疗前的验证

在加速器下，为在治疗前透视验证RPM 系统是否控制直线加速器在指定的相出束，需要进行额外设置，具体步骤如下：在Eclipse 计划系统中创立摆位野，在摆位野下创建MLC，MLC 适形为可观测的移动靶区或器官（可见的周围性肺癌靶区，若靶区不可见则可选择勾画并观察膈肌）；批准计划时，选择需要显示在数字重建射线影像（digitally reconstructed radiograph，DRR）上的轮廓，通过这两项处理，在加速器下实施透视时，透视图像上可以显示MLC 及靶区轮廓；打开RPM 控制软件，打开参考呼吸曲线，点击Verify，加速器影像系统开启到透视模式并打开轮廓显示；RPM 控制软件开启门控，加速器按下透视按键开始透视，此时RPM 控制射线的开启时机会显示在透视图像上，并通过颜色变化提示出束时刻，轮廓线和MLC 射野指示为绿色，说明射线不出束，为红色说明射线出束；根据轮廓颜色的变化，判断出束时靶区或膈肌是否刚好移动到MLC射野之内，是则说明未脱靶，否则说明存在脱靶，需要排查原因。

1.6 RPM 系统治疗实施

打开RPM 控制软件，选择患者，打开参考曲线，然后依次点击治疗、记录、开启门控；加速器控制台打开患者，调出计划，准备治疗，按下Beam ON，此时射线出束时机已由RPM 系统控制，RPM 系统根据呼吸曲线的设置，在呼吸进入预设相时通知加速器出束，实现指定相门控放射治疗。

2 结果

2.1 RPM 全相图像获取治疗方案

在飞利浦大孔径CT 机上选择oncology 扫描图卡，选择Resp 4D CT Chest 项目，RPM 设置选择CT retospective（回顾）方式及phase 时相扫描，见图1。

图1 RPM 控制软件回顾前瞻，幅相时相设置界面

在RPM 控制软件上依次点击Track、Record、Enable Gating，见图2。

图2 RPM 控制软件开启门控菜单

于CT 控制端观察是否收到呼吸波形，收到后开始扫描，扫描完毕后在RPM 控制软件上点击Stop Gating、Save，保存呼吸文件等待CT 机读取，CT 机读取呼吸文件，并重建出包含十个呼吸时相的图像序列，即为4D CT。

计划设计与治疗实施：勾画靶区有3种方式，分别为在每个时相序列图像上勾画、挑选吸气末呼气末以及中间3个时相勾画、在密度最大投影融合图像上勾画。融合靶区即为ITV，外扩（只考虑摆位误差，不考虑呼吸运动幅度）为PTV，最后将PTV 复制到平均密度投影融合图像上进行计划设计，治疗时无需RPM，同常规放射治疗。

2.2 RPM 指定相放射治疗方案

在飞利浦大孔径CT 机上选择oncology 扫描图卡，选择Resp single Phrase 项目，RPM 设置选择CT prospective（前瞻）方式及Amplitude 幅相扫描，见图1；在RPM 控制软件上依次点击Track、Record、Enable Gating，见图2；通过调整蓝色和橙色横线选择扫描的相（需抓取的患者呼吸阶段），选择呼气末稳定时段，见图3。

图3 RPM 控制软件选定扫描幅相方法

于CT 控制端观察是否收到呼吸波形，收到后开始扫描，此时RPM 控制CT 机只在指定的呼吸相出束扫描，扫描完毕后在RPM 控制软件上点击停止门控 ，CT 重建出一个相的图像序列。

计划设计、验证与实施：靶区勾画完毕外扩为PTV，进行计划设计，为实现治疗前动态透视验证，在Eclipse 计划系统中添加摆位野，野下添加MLC，并将MLC 适形为透视可见的靶区，如果靶区不可见，适形为膈肌，批准计划时选择将靶区或膈肌显示在DRR 上，治疗时间乘数改为4或5，见图4。

图4 Eclipse 计划系统透视验证参数设置

治疗前透视验证，将直线加速器开启到透视模式，在RPM 控制软件点击验证，然后开启门控，加速器开启透视，并同时显示MLC 以及器官轮廓，并通过轮廓颜色变化模拟加速器实际出束时机，轮廓颜色在出束时显示红色，不出束时显示绿色；仔细观察器官随呼吸的移动以及MLC 颜色，若MLC 变红，器官刚好运动至照射范围内，则说明验证通过，见图5。

图5 治疗前透视验证界面

治疗时，在RPM 控制软件点击治疗、开启门控，加速器开启治疗，RPM 根据患者呼吸到指定范围后控制直线加速器出束，呼吸离开指定范围后停止出束，直至完成所有治疗。

2.3 常规放射治疗、全相放射治疗和单相放射治疗比较

3种治疗方式在各个环节的占用时间、是否透视验证以及PTV 靶区等几个方面存在差别，见表1。

表1 3种治疗方式比较

3 讨论

在行CT 扫描时，使用RPM 系统可获取全相图像即4D CT，也可获取单相图像。获取全相图像，勾画ITV，放射治疗时会在整个呼吸周期持续照射靶区及移动范围；获取单相图像，放射治疗时，只在该相时刻出射线，照射范围不包含靶区移动范围。

除此之外，RPM 系统还可以在获取全相图像下实现指定相的门控放射治疗。CT 图像采集扫描全部相位，计划设计时在几个指定时相勾画靶区，治疗实施时，RPM 系统控制治疗机在指定相出射线照射靶区。

采用4D CT 可以勾画ITV，使得PTV 的范围不会盲目扩大，在不丢失靶区的情况下减小照射体积。使用单时相，只在呼吸进入指定相时出束照射，照射体积更小[6]。

如果患者呼吸运动幅度过大（＞1 cm），应采用RPM单相放射治疗方案，以减小照射体积；如果呼运动幅度小（＜1 cm），可采用RPM 全相扫描放射治疗方案。为此，在图像获取阶段，需要同时获取全相4D CT 图像与幅度控制单相图像，根据4D CT 图像判断靶区移动幅度，并根据移动幅度决定采用何种放射治疗方案；通过采用无均整模器模式射束，提高剂量率，缩短治疗时间[7]。

通过RPM 系统与CT 模拟机和直线加速器的配合，可以实现不同放射治疗方式。需要注意的是，不同的方案在治疗复杂度、治疗时间与照射范围上存在差异，合理选择RPM 的使用方式，可以实现最佳的治疗增益。

［参考文献］

［1］ Hodapp N. The ICRU Report 83: prescribing, recording and reporting photon-beam intensity-modulated radiation therap (IMRT) [J]. Strahlenther Onkol, 2012, 188(1): 97-99.

［2］ 王义海，阿合力·那斯肉拉，潘广鹏，等.四维CT 呼吸门控技术联合图像引导放射治疗在肺癌中的应用[J].重庆医学，2014（30）：3994-3996.

［3］ Patel AA, Wolfgang JA, Niemierko A, et al. Implications of Respiratory Motion as Measured by Four-Dimensional Computed Tomography for Radiation Treatment Planning of Esopageal Cancer[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2009, 74(1): 290-296.

［4］ 陈博，杨怡萍. 呼吸门控技术在胸部肿瘤放射治疗中的研究进展[J]. 现代肿瘤医学，2019，27（12）：184-187.

［5］ Liu J, Lin T, Fan JJ, et al. Evaluation of the combined use of two different respiratory monitoring systems for 4D CT simulatio and gated treatment[J]. J Appl Clin Med Phys, 2018, 19(5): 666-675.

［6］ Weiss E, Wijesooriya K, Dill SV, et al. Tumor and normal tissue motion in the thorax during respiration: Analysis of volumetric and positional variatons using 4DCT[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007, 67(1): 296-307.

［7］ 刘穆平，初磊，邓煜，等. 呼吸门控技术以及非均整模式应用于早期非小细胞肺癌小[J]. 肿瘤预防与治疗，2019，32（8）：707-710.