腹部肿瘤放疗中器官呼吸运动管理的研究进展

朱 蝶 付前锋 张大昕

哈尔滨医科大学附属第一医院肿瘤一科，黑龙江哈尔滨 150001

放疗是多种恶性肿瘤常用的有效治疗方法之一。由于腹部肿瘤周围存在大量危及器官（organ at risk，OAR），器官间彼此紧邻且呼吸、胃肠充盈等生理变化会引起其运动，因此腹部肿瘤放疗在技术上具有挑战性，包括对肝脏、胰腺、肾脏、肾上腺等部位的放疗[1-2]。如果不加以管理，这些运动会导致剂量传递的显著不确定性，可能致靶区受照剂量不足、OAR 受照剂量过量，影响治疗效果[2]。根据美国医学物理学家协会工作组76 号报告[3]，在放疗中，减少呼吸运动影响的方法可大致分为五类：运动包括技术、屏气技术、强制浅呼吸技术、呼吸门控技术和实时运动跟踪技术。本文对腹部肿瘤放疗中的器官呼吸运动管理的研究进展作一综述。

1 运动包括技术

在腹部放疗中，器官运动显著影响治疗质量，并可能造成不准确性的剂量传递[4]。在器官周围加上合理的边界以覆盖其运动的全部范围，这是最简单也是最常用的策略[2]。但增大肿瘤边界的同时可能导致周围OAR 受到不必要照射。国际辐射单位与测量委员会62 号报告中定义了内靶区（internal target volume，ITV）为推荐治疗的目标[5]，即临床靶区（clinical target volume，CTV）+考虑器官运动引起的位置的变化；计划靶区（planning target volume，PTV）为ITV+摆位误差、机器误差等。同时报告也建议在OAR 周围勾画安全边界产生计划危及器官体积（planning organ at risk volume，PRV），以补偿治疗期间器官位置的不确定性。

为了获得更好的治疗率，必须使用最佳的ITV、合理的PRV。慢速CT、吸气和呼气屏气CT、四维（four dimensions，4D）或呼吸相关CT、MRI、PET/CT 等影像技术可能包括图像采集时全部器官的呼吸运动，可以用于确定ITV/PRV。然而慢速CT 花费的时间较长，可能导致运动伪影而得到的图像质量差，因此在腹部放疗中较少应用[3]。通过屏气CT 可以减少运动伪影，吸气屏气CT 和呼气屏气CT 的融合可以得到腹部器官的运动范围[6]。4D 影像技术在自由呼吸状态下进行，在一个呼吸或其他运动周期的每个时相采集一套图像，一些研究通过分析器官在不同呼吸时相图像上的位置来评估器官的运动[7-9]，提示器官在呼吸周期中的移位变形等可以通过4DCT、4DMRI、4DPET/CT 进行量化。研究显示，与4DCT 比较，普通的3DCT技术会低估ITV 的范围[7]。此外，和cine-MRI 比较，4DCT 也可能会低估腹部的器官运动[10]。关于肺癌的研究显示，4DCT 和4DPET/CT 技术对确定ITV 的优劣没有定论[9]，但目前还未曾有关于腹部器官的报道。因此，在评估及管理器官运动时，应用4D 技术可以确定器官的运动范围，而MRI 的应用，更能包括其全部运动。

2 屏气技术

对于受呼吸影响的腹部器官，屏气可以使其暂时相对停止运动。放疗医师及物理师在屏气定位CT 的基础上制订放疗计划，患者在每次放疗过程中保持相同水平的屏气，因此患者必须具备重复屏气的能力。在屏气治疗的同时需要呼吸监测技术及体内外标志物的辅助，当屏气水平达到预计的位置时，才能打开射线束进行治疗。无论是自愿屏气或辅助屏气技术，都已经被证实可以最大限度地减少呼吸诱导的运动，吸气屏气、深吸气屏气和呼气屏气等技术均有相关文献报道[11-13]。Mast 等[11]和Naumann 等[12]的研究分别发现吸气屏气、深吸气屏气都能显著降低照射体积，且吸气屏气技术使CTV-PTV 边缘减小10 mm 以上。目前有关腹部肿瘤深吸气屏气放疗的研究发现，尽管外部指标显示呼吸运动在3 mm 以内，但仍有部分患者能观察到明显的内部靶点运动，存在随机的残存运动[14-15]。Lens 等[13]的研究显示，在屏气过程中器官仍有移动，腹部放疗使用呼气屏气并延迟至屏气10 s 后开始照射可能更好。使用屏气技术对患者呼吸功能要求高，可能会增加治疗时间，在临床中应用并不广泛。如果应用此技术，应对患者进行个体化评估，选择最佳的屏气技术来进行放疗计划和治疗[1]。

3 强制浅呼吸技术

强制浅呼吸技术最初是由斯德哥摩尔卡罗林斯卡医院的Lax 等[16]为立体定向放射治疗肺癌而开发的，现在用于多种部位的肿瘤。强制浅呼吸一般通过对患者腹部施加压力使患者保持浅呼吸，限制膈肌在颅尾方向的运动幅度而限制呼吸诱导的器官运动。应用腹部压迫的两种常见固定装置是Bodyfix 系统和腹部加压钢板，虽然两者在减少同一分次中的肿瘤运动方面没有显著差异，但后者更舒适，在减少呼吸道肿瘤的颅尾运动和整体运动方面更好[17]。研究显示腹部压迫可以降低肝脏、胰腺、肾脏的运动[18-20]，也可以降低胃肠道的受照剂量[21]，同时有显著降低小肠不良反应发生率的趋势。俯卧位治疗也能够限制腹部呼吸的幅度，减少腹部器官的运动，特别是颅尾方向的运动。Li 等[22]发现直肠癌俯卧位放疗患者的小肠运动明显低于仰卧位，并且其正常组织并发症发生率更低。与屏气技术比较，强制浅呼吸技术将患者的自主呼吸控制转为被动控制以达浅呼吸，在临床上实施起来相对较为容易。

4 呼吸门控技术

幅度门控和相位门控是两种常见的呼吸门控技术。呼吸门控技术是采用红外线或其他方法来监测呼吸运动，只有当目标器官移动到预定的位置时才能开启射线束进行照射。与屏气技术不同，使用呼吸门控技术时患者保持正常呼吸，其屏气的负担被转移到治疗机上，因此这种方法对患者来说相对容易。在一个呼吸周期内，门控的位置和宽度是通过监测患者的呼吸运动，使用外部或内部标记来确定的，但基于外部替代信号的门控可能不准确。Poulsen 等[23]发现使用门控能降低靶区在任意方向上最大运动的平均误差，能增加剂量传递的稳定性，并提出即使存在大范围运动也能使CTV 获得较高剂量，减少正常组织受照剂量。门控选择的窗口通常以末端呼气为中心，因为这个阶段呼吸是最稳定的。陈子印等[24]发现利用呼吸门控技术选择呼气末3 个连续呼吸时相进行靶区勾画较全时相缩小了靶区的体积，并能降低OAR 的受照剂量。Grootjans 等[25]提出一种基于幅度的最优呼吸门控算法，在胸部和上腹部的PET 成像中，它能消除呼吸引起的运动伪影，提高影像质量。呼吸门控对患者无呼吸方面要求，但需配备实时监控和同步放疗系统，对设备要求高，目前正在临床实际应用中推广。

5 实时运动跟踪技术

由于人的呼吸运动并不能够严格重复，所以每次治疗时靶区及周围OAR 的位置不能达到与影像定位时完全一致。理想情况下，实时运动跟踪技术能够在治疗期间准确有效地定位运动中的目标靶区或器官，并实时反馈给治疗系统以适当调整射线束，从而减少周围OAR 的照射。实时定位是实时运动跟踪技术的重要过程，MV 成像仪、KV 成像仪、MV/KV 联合成像系统、立体成像仪和EM 应答器等均可用于腹部放疗实时确定器官位置[26-29]。一些文献也报道了几种实时跟踪并调整射线束的方式，Cyberknife 系统可以使用外部或内部替代物来连续跟踪不同器官同一分次中的运动，其成像系统在放疗期间生成实时影像，并与计划CT 生成的数字重建X 线片进行比较，同时根据图像匹配结果产生的信号，调整治疗床的位置以调整射线束，目前已被用于肺癌、肝癌、胰腺癌等肿瘤的立体定向放射治疗中[30-32]。万向直线加速器系统（Vero）也能减少治疗中呼吸运动带来的影响，Park 等[33]使用Vero 系统的体部立体定向放射治疗（stereotactic body radiation therapy，SBRT）追踪肝脏肿瘤的治疗情况，发现与运动包括技术的计划比较，使用跟踪计划的CTV和PTV 显著减少了39.9%和35.2%，正常肝组织受照剂量显著降低，同时病灶缩小，治疗效果良好。动态多叶准直器（dynamic multileaf collimator，DMLC）跟踪通过在放疗中使用DMLC 连续对准和调整治疗机孔径，以实时跟踪靶区运动。这一方法最早是由Keall 等[34]提出，他们证明了调强放疗可基于DMLC 进行实时追踪。此外，治疗床跟踪技术也能实时跟踪肿瘤运动。Zhang 等[2]通过使用多叶准直器或治疗床的主动校正进行实时肿瘤跟踪，减少了由于运动引起的剂量传递误差。随着放射治疗技术的发展，使用实时运动跟踪技术已经成为现代精准放疗的不二选择。

6 小结与展望

随着放疗技术的发展，器官呼吸运动管理技术也在不断进步，通过这些技术可以提高腹部放疗的精确度。由于患者之间存在个体差异，应为每个患者选择最佳的个体化呼吸运动管理技术。临床中将几种呼吸管理技术相结合，能达到更好的治疗效果。与屏气、强制浅呼吸技术比较，使用呼吸门控及实时运动跟踪技术，患者的舒适度更高，更容易被接受。运动包括技术是最基本也是最常用的技术，其通过扩大器官边界以达到包含相应器官全部运动的目的，但腹部器官众多且运动复杂，合理的边界仍需进一步探索。