乳腺癌保乳术后患者自由呼吸状态下胸廓变化对放疗摆位的影响

陈董 许青 鲁晓腾 复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心，复旦大学上海医学院肿瘤学系 （上海 200032）

内容提要：目的：研究自由呼吸状态下由于不同呼吸时相所导致的胸廓变化大小不同，对乳腺癌保乳术后患者放疗摆位精度的影响。方法：回顾性选取2020年3月～2020年10月在复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心接受诊治的75例乳腺癌保乳术后患者作为研究对象。采集首次放疗前锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）图像，与模拟定位三维CT图像进行配准，获得首次摆位后在LAT（左右）、LNG（头脚）、VRT（腹背）3个方向摆位误差数值。测量CT图像与CBCT图像中计划中心层面，胸廓长径X、胸廓短径Z、胸廓斜径Y，评估患者胸廓大小变化ΔX，ΔZ、ΔY并分组与摆位误差进行分析。结果：定位CT图像的X、Z、Y分别为（22.38±1.26）cm、（8.30±1.12）cm、（15.56±1.59）cm；CBCT图像的X、Z、Y分别为（22.10±1.22）cm、（8.29±1.17）cm、（15.77±1.57）cm。CTx与CBCTx，CTy与CBCTy比较差异有统计意义（P＜0.05），CTz与CBCTz比较差异无统计意义。X、Y、Z变化大小与摆位误差均无统计意义。结论：自由呼吸状态下，由呼吸引起的胸廓扩张变化对摆位误差影响小。可进一步通过辅助呼吸门控控制呼吸幅度，光学表面成像系统监控呼吸位移等提高放疗精准度。

调强放疗治疗（Intensity-Modulated Radiotherapy，IMRT）已成为乳腺癌治疗的重要方法，具有剂量分布均匀、适形度高、降低心脏和肺等危及器官的照射剂量、提高局部控制率、达到良好的美容效果等特点[1-3]。乳腺癌放疗过程中，影响靶区移位的主要因素之一是呼吸运动。乳腺为附着于胸壁的软组织，形态特殊，器官活动度大，呼吸运动将导致胸壁运动，呼吸不同时相时胸廓扩张大小不相同，降低了治疗的摆位精度，靶区受照量不均匀，甚至出现脱靶情况。准确测量摆位误差和呼吸运动引起的靶区位移，为PTV外扩提供参考依据，对精准放疗有着重要的意义[4]。本研究通过比较乳腺癌保乳术后患者的CT模拟定位图像和首次放射治疗前在自由呼吸状态时采集的CBCT图像，测量记录胸廓直径、横径以及斜径的数值，分析乳腺癌保乳术后患者在自由呼吸状态下由呼吸导致的不同时相，胸廓变化对放疗摆位精度的影响。

1.资料与方法

1.1 临床资料

回顾性选取2020年3月～2020年10月在复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心接受诊治的75例乳腺癌保乳术后患者作为研究对象，均为女性，年龄31～77岁，平均48岁。

仪器设备：采用SOMATOM Definition AS大孔径64排螺旋CT（德国西门子公司）采集定位CT图像，扫描层厚5mm。联影uRT-linac 506c直线加速器（中国联影公司），配备机载兆伏级CBCT（1.5MV），胸部扫描协议采集CBCT图像。uRT-TPOIS治疗计划系统。Klarity碳纤维多功能体板。

1.2 方法

1.2.1 CT模拟定位与图像采集

患者取仰卧位，自然平躺于Klarity碳纤维多功能体板，双侧上肢外展上举于多功能板臂托上，脚踝置于脚垫固定，身体垂直居中。运用三维可移动激光确立扫描中心，患者自由平静呼吸，于呼气末时在体表皮肤标记“十”字线（治疗摆位线），并用金属Mark点标记三个中心点，CT进行螺旋扫描并获取平稳呼吸状态下的三维定位CT图像，扫描结束后将模拟定位CT图像数据传送至uRT-TPOIS。医师进行靶区及危及器官的勾画，物理师进行治疗计划设计，经模拟机校准治疗中心。患者均于首次放疗前按定位参数摆位，平稳自由呼吸下采集CBCT扫描图像，扫描整个过程约60s，图像重建。将CBCT图像与计划CT图像自动常规配准。靶区勾画，放疗计划制定，图像引导放射治疗均于uRT-TPOIS系统完成。

1.2.2 实验数据测量

在uRT-TPOIS系统中利用计划系统自带的标尺，测量每位患者CT图像、CBCT图像上计划中心层面胸廓经椎前横径（定义为胸廓长径X）、椎前至胸骨内侧直径（定义为胸廓短径Z）、测乳腺组织最凸点至椎前距离（定义为胸廓斜径Y）。具体如图1所示。

图1.uRT-TPOIS系统中测量CT、CBCT图像上胸廓长径X，短径Z，斜径Y

胸廓差异计算见公式（1）、公式（2）、公式（3）：

1.3 统计学分析

采用SPSS 26.0对数据进行统计分析。胸廓大小在CT图像与CBCT图像上的对比用配对t检验，胸廓变化组间比较采用单因素方差分析。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2.结果

2.1 结果描述

75例患者首次放疗前行CBCT扫描，考虑误差方向时前后、头脚、左右方向摆位误差（有方向）分别为（0.07±0.24）cm、（-0.07±0.28）cm、（0.07±0.26）cm；只考虑误差值大小（无方向）时分别为（0.20±0.15）cm、（0.23±0.17）cm、（0.21±0.16）cm，最大值分别为0.62cm，0.66cm，0.62cm。

2.2 胸廓扩张大小数据分析结果

75例乳腺癌患者定位CT图像与首次放疗前采集CBCT图像胸廓大小，在X、Y方向上差异有统计意义（P＜0.05），在Z方向上差异无统计意义（P＞0.05），具体数据见表1。

表1.配对样本t检验分析结果(±s,cm)

表1.配对样本t检验分析结果(±s,cm)

Item CT CBCT t P X 22.38±1.26 22.10±1.22 9.907 0.000 Y 15.56±1.59 15.77±1.57 -4.848 0.000 Z 8.30±1.12 8.29±1.17 0.369 0.713

2.3 各方向摆位误差分析结果（无方向）

51例（68%）患者ΔX≤3mm，记为AX组；13例（17.3%）患者3mm＜ΔX≤5mm，记为BX组；11例（14.7%）患者ΔX＞5mm，记为CX组，ΔXmax为9mm。数据见表2。

表2.X方向摆位误差单因素方差分析结果(±s,cm)

表2.X方向摆位误差单因素方差分析结果(±s,cm)

Directions AX BX CX F P VRT 0.21±0.14 0.13±0.10 0.23±0.21 2.10 0.13 LNG 0.22±0.15 0.31±0.20 0.19±0.20 1.84 0.16 LAT 0.21±0.14 0.24±0.18 0.22±0.20 0.23 0.79

47例（63%）患者ΔZ≤3mm，记为AZ组；24例（32%）患者3mm＜ΔZ≤5mm，记为BZ组；4例（5%）患者ΔZ＞5mm，记为CZ组，ΔZmax为6mm。数据见表3。

表3.Z方向摆位误差单因素方差分析结果(±s,cm)

表3.Z方向摆位误差单因素方差分析结果(±s,cm)

Directions AZ BZ CZ F P VRT 0.20±0.16 0.18±0.14 0.21±0.09 0.17 0.85 LNG 0.21±0.15 0.31±0.20 0.24±0.25 2.53 0.86 LAT 0.19±0.15 0.29±0.17 0.32±0.14 3.77 0.05

46例（60%）患者ΔY≤3mm，记为AY组；12例（16%）患者3mm＜ΔY≤5mm，记为BY组；17例（24%）患者ΔY＞5mm，记为CY组，ΔYmax为10mm。数据见表4。

表4.Y方向摆位误差单因素方差分析结果(±s,cm)

表4.Y方向摆位误差单因素方差分析结果(±s,cm)

Directions AY BY CY F P VRT 0.21±0.16 0.18±0.13 0.18±0.13 0.40 0.67 LNG 0.20±0.15 0.31±0.20 0.26±0.19 2.17 0.12 LAT 0.20±0.16 0.28±0.21 0.21±0.10 1.38 0.26

3.讨论

乳腺癌放疗中影响靶区移位的主要因素有呼吸运动、摆位误差和乳腺形状变化引起的形变误差[5]。目前本院乳腺癌保乳术后放疗定位主要采用常规3DCT扫描，首次放疗进行CBCT体位验证。CBCT图像引导是目前最为常用的乳腺癌保乳术后放疗引导技术，由于其三维影像功能成为放疗前摆位验证的重要手段，可大大减小靶区摆位误差，提高放疗精确性[6,7]。本院采用64排螺旋CT常规胸部扫描采集时间约为14s，包含部分呼吸信息，运动信息较少。CBCT时间明显较3DCT扫描时间长，约60s左右，包含多个呼吸循环周期和部分运动信息。乳腺肿瘤受呼吸运动影响，随着呼吸频率做周期性运动，从而降低医学图像的敏感性和特异性，降低放疗精度[8]。本研究分析平静呼吸状态下3DCT模拟定位与CBCT图像，记录对比两者胸廓扩张程度的变化。结果显示，胸廓扩张度大小在CBCT图像与CT模拟定位图像中相比，长径、斜径方向上有显著统计学差异（P=0），短径方向上无统计学差异。长径方向ΔX最大9mm，短径方向ΔZ最大6mm，斜径方向ΔY最大10mm。胸廓扩张程度在不同采集图像上有明显变化，胸廓斜径变化最大，＞5mm者24%，可能原因是由于乳腺软组织形态，位置特殊距离肺很近，器官活动度大，分次内胸壁随呼吸运动变化，并且随手臂移动和呼吸运动位移较大。除此之外常规3DCT扫描与CBCT扫描在自由呼吸状态下分别采集获取的CT图像，两者时相可能不一致。研究结果显示，平静呼吸状态下，放疗分次内存在呼吸运动导致的乳腺癌靶区位移，在临床治疗中不容忽视。测量呼吸引起的移动，对乳腺癌PTV的确定有着重要的意义，呼吸变化会导致肿瘤PTV被低估或者扩大化，从而导致肿瘤脱靶[9]。

吴志勤等[10]通过对不同乳腺厚度患者分组并对比骨性配准和灰度配准方式，分析提出首选灰度配准方式。艾秀清等[11]分别采用灰度配准、骨性标志配准和自动灰度配准结合手动骨性标志配准，并指出自动灰度配准结合手动骨性标志配准在左右、头脚方向上的配准精度和稳定性优于自动灰度配准及自动骨性标志配准。陈彩霞等[12]指出骨性配准主要通过骨性灰阶进行计算配准，受呼吸运动影响大，灰度配准更实用于CBCT图像引导下乳腺癌保乳术后放疗中，减少摆位误差提升放疗精确性。本研究中利用联影加速器常规配准即基于图像灰度互信息的配准算法。

除此之外，本研究根据长径、短径、斜径方向变化程度各分3组，共计9组，结果显示组间摆位误差间均无统计学差异（P＞0.05）。患者自由呼吸状态下，胸廓扩张程度的大小对放疗的摆位误差影响差异不大，平静呼吸状态下呼吸运动所致靶区位移较小。陈偲晔等[13]利用CBCT测得深吸气屏气摆位误差前后、头脚、左右方向上分别为2mm、2.1mm、1.9mm。本研究结果与以上研究结果类似，说明在平静呼吸状态下，呼吸运动能引起靶区幅度的位移小。

综上所述，自由平静呼吸状态下，胸廓因呼吸引起的变化可导致肿瘤运动，靶区位移，不同CT获取的CT图像时相不确定，随机性给精确治疗造成不确定性。随着技术发展，在乳腺癌放射治疗中，尤其左侧乳腺癌，多项研究通过训练患者呼吸，利用深吸气屏气门控（DIBH-Gating）技术减少运动呼吸导致的乳腺靶区位移，并有效地降低肺、心脏受量。除此之外，研究表明，相比单独使用体表三点标记，结合光学表面引导（SGRT）可显著提高摆位精度[14-16]。但目前为止SGRT仍然不能取代CBCT/CT，在线CBCT/CT依然是乳腺癌摆位误差控制的金标准[17]。