主动呼吸控制用于肝癌粒子治疗肝脏位置不确定性研究

谢文波

1. 上海市质子重离子医院 放射物理科，上海 201321；2. 上海市放射肿瘤学重点实验室，上海 201321；3. 上海质子重离子放射治疗工程技术研究中心，上海 201321

引言

如今肝癌的治疗手段有多种，例如外科治疗、消融治疗、肝动脉/门静脉化疗栓塞术和放射治疗等[1‐2]。通过研究分析，放疗联合经导管化疗栓塞对治疗肝癌的疗效较其他手段要好，肿瘤的缓解率与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，在剂量大于50 Gy时能够提高肿瘤的缓解率[6‐8]。但肝脏是受呼吸运动影响较大的器官[9]，在放疗时医生会将靶区外扩边界放得更大，同时因正常肝脏的放射耐受性较低[10]，这些因素最终限制了放疗剂量的增加[11]。通过统计国人的肝癌多伴有乙肝后肝硬化，这更导致了肝脏放射耐受性的降低[12]。

目前，临床上控制因呼吸运动造成器官移动的方法研究有多种：呼吸门控、肿瘤跟踪、自主屏气和主动呼吸控制（Active Breathing Coordinator，ABC）等技术[13‐15]。其中ABC技术作为一种通过主动呼吸来有效地减少呼吸运动的技术[13]，在国内外的文献中均有了相关的研究记载。在我院肝癌患者分别使用ABC技术、呼吸门控技术以及腹部压迫技术等配合粒子治疗。根据患者实际状况，选择合适的技术配合粒子治疗，尽可能的保护肿瘤附近的正常器官（Organ at Risk，OAR），增加肿瘤靶区的剂量，减少正常组织并发症[16]，提高治疗增益比。

在粒子治疗时，因其有较为陡峭的布拉格峰[17]，为了更好地保护肿瘤附近的OAR，要求更为精确的治疗。为探讨ABC用于肝癌粒子治疗时，肝脏位置的不确定性，本研究采集ABC用于粒子治疗时，在对准腰椎的前提下，分析计算患者肝脏碘油位置的偏差值，同时为合理的外扩边界设置提供依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取近年在上海质子重离子医院进行粒子治疗的肝癌患者10位进行研究。其中10位患者均为男性，平均年龄为54.3岁，中位年龄为57岁，年龄跨度为29～75岁，10位患者均肝内碘油沉积良好。在患者入院治疗之前，医生对患者进行ABC屏气耐受性评估，屏气时间通过呼吸评估来确定，本研究所采用标准为深吸气后屏气20～35 s。

1.2 ABC原理与患者使用过程

本研究所采用的ABC装置为瑞典医科达（Elekta）公司生产。其ABC装置分为三部分：① 计算机控制与显示部分；② 球囊阀门、流量监测与手柄控制部分；③ 其他一些辅助器件如鼻夹、支撑架等等。ABC工作原理：当手柄被按下时，会有反馈信号反馈到计算机控制部分，通过监测呼吸流量是否达到阈值，若达到则控制球囊阀门充气，阻断通气管道。松下手柄，则通气管道开通。同时所使用的ABC设备均进行常规的QA校准，要求在吸气3 L，偏差在0.5%以内。

患者使用过程：患者用鼻夹夹紧鼻子使之不能通气后，用嘴巴咬紧咬嘴经过口呼吸，当手柄按下后，深吸气后达到预设的呼吸阈值，球囊阀门充气，强制患者无法通过口呼吸，使之处于屏气状态。当患者屏气无法坚持时，可以松开手柄按钮，患者恢复自由呼吸。对患者进行反复训练，直至患者熟练掌握。

1.3 患者ABC训练及阈值与屏气时间的设定

先由治疗师对患者进行讲解，使其熟悉ABC相应的操作。之后打开ABC设备，让患者躺在模拟机床上按住手柄按钮深吸气后屏住，在常规模拟机透视下观察患者横隔的稳定性，看是否存在漏气行为。重复数次，同时观察并记录患者所能吸气的最大值与屏气时间，通过所记录的数据设定相应合适的阈值（1.1～1.3 L）与时间。

1.4 模拟定位与实施

用真空垫将患者体位固定于仰卧位，双手上举过头顶。在ABC控制下，患者深吸气达到阈值后屏住呼吸行定位增强CT扫描。依据增强CT扫描结果，由医生来确定肿瘤体积，勾画靶区，由物理师来进行设计相应的计划并验证。现如今，入组本研究的患者均是在主动呼吸控制技术下调强碳离子治疗，其肿瘤剂量为55～60 GyE，分10次治疗，每周5次。

2 研究方法

10位患者肝脏碘油沉积均良好，每位患者总治疗10次。粒子治疗之前，让患者按住手柄吸气达到阈值屏住，踩下透视踏板观察膈肌是否稳定，同时选取最优曝光条件通过相应的拍片架拍摄0°与90°的射野验证片各一张（图1）。之后将验证片与重建图像（Digitally Reconstructed Radiograph，DRR）以椎体进行配准，配准完成后，操作界面显示出病人体位需要移动的距离（图1），这就是摆位误差。图1中左下角显示 ：Lat ‐0.18[‐0.18]；Long +0.05[+0.05]；Vert‐0.11[‐0.11]，即实际治疗时病人体位向右侧移动0.18 cm，向脚方向移动0.05 cm，降治疗床0.11 cm。DRR移动的方向见图2。

图1 体位校正的显示屏

图2 病人体位移动的方向

肝脏内碘油的配准：之后以DRR肝脏内的碘油为标准，将验证片上的碘油与之配准。配准后的结果见图3左下角，以[]外的数字Lat1减去[Lat2]内的数字，即为该次拍验证片时，肝脏内标记的位置和定位CT时的标记位置的差异。Lat1‐Lat2为患者左右方向的，Long1‐Long2为头脚方向的，Vert1‐Vert2为腹背方向的标记位置重复性的差异。

图3 肝脏内标记的配准

3 结果

射野验证片与DRR图像配准后，测量验证片与DRR图像中碘油偏差值并计算分析，得出其在Lat、Long、Vert的误差均值为（0.19±0.20）、（0.23±0.21）、（0.18±0.19）cm，说明其肝脏位置的偏差值小，其重复性较好，不确定性小。其中Lat、Long、Vert的负数均值分别为（‐0.17±0.14）、（‐0.22±0.21）、（‐0.19±0.16）cm；Lat、Long、Vert的正数均值分别为（0.22±0.24）、（0.25±0.21）、（0.19±0.22）cm。

10位患者共采集100次射野验证片，将射野验证片与对应的DRR图像进行配准，在基于腰椎配准好的情况下，测量射野验证片与DRR图像中碘油在三维方向上的偏差，分析所得数据（表1～3），同时10粒患者在三个方向上的误差均值（图4～6）。

表1 ABC技术肝脏碘油位置在三维方向上的偏差值（cm）

表2 ABC技术肝脏位置各方向的重复性（cm）

表3 ABC技术肝脏位置各方向的占比（%）

图4 10位患者在Lat方向上的误差均值

图5 10位患者在Long方向上的误差均值

图6 10位患者Vert方向上的误差均值

4 讨论

ABC技术用于光子放疗对转移性肝癌和原发性肺癌以及乳腺癌肿瘤靶区和脏器位置的重复性均有较为深入的研究[18‐20]。赵建东等[21]的研究显示分次放疗的肝脏位置重复性良好，其Lat、Long、Vert分别为5.5、6.6、4.2 mm。而本研究在Lat、Long、Vert三个方向上的误差均值为（1.9±2.0）、（2.3±2.1）、（1.8±1.9）mm。

因所采集的数据均是在腰椎配准好的情况下，测量碘油的误差，所以本研究所采集的数据均不包含摆位误差。在本研究中，由表1可知Lat、Long、Vert三个方向中各有92%、88%、94%的数据小于我院医生勾画的CTV外扩边界5 mm。而Long方向上的误差均值较其他两个方向上较大且误差小于5 mm的百分比较小的原因有可能是患者在头脚方向上的分次粒子治疗间肝脏位置的重复性较差有关。

由表1所知Lat、Long、Vert三个方向最大的误差值较大分别为9.0、9.0、9.1 mm，在实际粒子治疗时，碰到该情况，会先重新摆位拍片进行重新配准；如若该情况没有因重新摆位而得到改善，则会根据医生的要求将椎体对好的情况下，再以碘油为参照调节三个方向，将DRR图像中的碘油与验证片中的碘油配准到误差小于等于5 mm内。

由表2可知在ABC控制的情况下由Long的差值可以判断有64%为正数，即验证片碘油位于DRR碘油的下方（疑是吸气过多所致），33%为负数，即验证片碘油位于DRR碘油上方（疑是吸气不足所致）。

由表1～3的数据分析结果可以为医生外扩边界提供数据基础：向右放5 mm，向左放6 mm；向头方向放5 mm，向脚方向放6 mm；向腹部方向放5 mm，向背部方向放5 mm。这样可以确保在每个方向上的90%以上的正负值在所放的外扩边界之内。这样Lat、Long、Vert三个方向在该外扩边界内相应的百分比为94%、91%、94%。

由图4～6可知10位患者在三个方向上的均值误差整体较小且均匀，其中有两位患者的数据在一个或两个方向上明显差别于其他患者，个人认为造成该现象可能的原因有如下两种：① 不同患者深吸气用力程度不同（这是因为ABC控制下，吸气达到阈值，球囊阀门关闭有一定的延时，这就导致快速用力吸气的会吸入更多的气体，因而治疗前的呼吸训练非常重要）；② 不同患者的呼吸模式的不一样（胸式呼吸与腹式呼吸）[22]。

本研究证实ABC用于肝癌粒子治疗，可以有效地减少了呼吸运动的影响，肝脏位置不确定性误差均值均小于5 mm，符合我院治疗标准；同时也可为医生靶区外扩边界的设置提供数据基础。

同时因患者呼吸用力程度的不同也会导致肝脏位置的不同，基于这种情况，探讨在一次粒子治疗中，患者每次吸气屏住时ABC的不确定性也是非常有必要的，这可以更为精确的研究ABC在单次粒子治疗与分次粒子治疗中的不确定性，并且有可能进一步减少外扩边界的设置。