王峻峰， 黃章玲， 李定宇， 劉飛， 彭慧， 胡國清

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·影像技術(shù)學(xué)·

主動(dòng)呼吸控制在肺部腫瘤放射治療中的臨床應(yīng)用價(jià)值

王峻峰， 黃章玲， 李定宇， 劉飛， 彭慧， 胡國清

目的：探討自由呼吸(FB)與主動(dòng)呼吸控制(ABC)時(shí)肺部腫瘤靶區(qū)在單排螺旋CT慢速掃描中的成像規(guī)律，比較兩種狀態(tài)下腫瘤靶區(qū)在放射治療中肺部吸收劑量的差異。方法：搜集非小細(xì)胞肺癌患者13例，采用單排螺旋CT慢速掃描分別在自由呼吸、主動(dòng)呼吸控制下采集CT圖像，勾畫出兩種呼吸狀態(tài)下的大體腫瘤靶區(qū)(GTV)，在GTV基礎(chǔ)上外擴(kuò)計(jì)劃靶區(qū)(PTV)，對(duì)比兩種狀態(tài)下計(jì)劃靶區(qū)位置及形態(tài)的差異。針對(duì)13例患者制訂放療計(jì)劃，計(jì)算雙肺的V5(吸收劑量大于500 cGY的肺百分體積)、V20(吸收劑量大于2000 cGY的肺百分體積)及肺平均劑量(MLD)。對(duì)比ABC與FB兩種狀態(tài)下的劑量學(xué)差異。結(jié)果：ABC和FB狀態(tài)下腫瘤PTV平均體積分別為(29.9±12.9) cm3和(81.2±35.4) cm3，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。ABC和FB兩種狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的V5分別為(14.2±4.7)%與(21.6±6.1)%，V20分別為(7.3±3.2)%與(11.9±3.8)%，MLD分別為(564.2±175.8) cGy與(753.9±211.2) cGy，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)論：單排螺旋CT慢速掃描情況下，ABC與FB兩種狀態(tài)下腫瘤靶區(qū)的體積差異明顯。呼吸控制可以有效減小靶區(qū)的體積，減輕肺部的副損傷，使進(jìn)一步提高腫瘤的照射劑量成為可能。

呼吸控制； 放射治療； 體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)； 癌，非小細(xì)胞肺

放射治療作為腫瘤治療的重要手段，在惡性腫瘤的治療中起著不可替代的作用。三維適形放療(three dimensional conformal radiation therapy ，3DCRT)或調(diào)強(qiáng)放療( intensity modulation radiated therapy ，IMRT)技術(shù)可產(chǎn)生高度適形的劑量分布，可減少正常組織的受照體積，解決了靜止靶區(qū)的劑量適形問題。大體腫瘤靶區(qū)(gross tumor volume，GTV)多數(shù)情況下依據(jù)靜態(tài)圖像如CT、MRI確定，但是由于呼吸運(yùn)動(dòng)、心跳、器官運(yùn)動(dòng)等因素，腫瘤會(huì)周期性地改變位置，這些因素中由于呼吸運(yùn)動(dòng)造成的影響最為明顯。主動(dòng)呼吸控制(active breathing control，ABC)是在呼吸的特定時(shí)相關(guān)閉呼吸通道，使患者保持此呼吸狀態(tài)并接受CT定位或治療，此方法可以使采集圖像或治療時(shí)靶區(qū)的位置保持相對(duì)一致。同時(shí)，吸氣狀態(tài)可以增大肺的體積，從而減少受照的肺體積以減輕肺的副反應(yīng)，可對(duì)腫瘤給予更高的照射劑量。對(duì)于肺癌，Li等[1]的研究表明，將局部劑量提高到70 GY/10次的情況下，肺癌的中位生存期及無疾病進(jìn)展時(shí)間分別為42.0個(gè)月和24.6個(gè)月，可見對(duì)于呼吸運(yùn)動(dòng)影響很大的腫瘤，放射治療也可以得到比較好的治療效果。本研究旨在探討肺癌患者在自由呼吸與ABC兩種狀態(tài)下，腫瘤靶區(qū)在放射治療中肺部吸收劑量的差異。

材料與方法

搜集我院腫瘤科2013年-2016年間的肺癌患者，Kamofsky評(píng)分不小于70分，無嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾病，心功能基本正常，無胸、腹水及胸、腹腔感染，無神經(jīng)精神方面疾患，符合上述條件的患者共13例。

主動(dòng)呼吸控制設(shè)備采用醫(yī)科達(dá)公司的ABC系統(tǒng)，設(shè)定患者吸氣最大幅度的60%作為限制閾值。在ABC和自由呼吸(free breathing，F(xiàn)B)狀態(tài)下，采集患者的全肺圖像?？紤]到ABC系統(tǒng)的精度以及心跳、內(nèi)臟蠕動(dòng)等因素的影響，使用ABC技術(shù)時(shí)掃描兩次，并將兩次采集的圖像在計(jì)劃系統(tǒng)中做圖像融合，用于實(shí)際治療的靶區(qū)勾畫。CT模擬機(jī)采用GE公司的CT/e型單排螺旋CT，機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度1層/s，掃描層厚3 mm，掃描速度3 mm/s，管電壓120 kV、管電流120 mA。在Pinncal 9.6計(jì)劃系統(tǒng)中對(duì)ABC采集到的兩套圖像進(jìn)行圖像融合處理取得靶區(qū)的最大體積，以減少ABC的誤差。調(diào)節(jié)CT圖像到窗寬1000 HU、窗位-400 HU，勾畫GTV后根據(jù)靶區(qū)在肺部的位置不同做相應(yīng)的外放，人體左右及前后方向外放8～10 mm，在頭腳方向，對(duì)肺尖的靶區(qū)外放10 mm，中肺外放15 mm，下肺外放25 mm形成計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)，測量ABC和FB時(shí)對(duì)應(yīng)的PTV體積，對(duì)比體積上的差異。

結(jié)　果

在ABC及FB狀態(tài)下所采集的CT圖像中勾畫腫瘤GTV，計(jì)算4個(gè)放射劑量學(xué)參數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果顯示4個(gè)參數(shù)在兩種狀態(tài)下差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，表1)。

表1　ABC與FB狀態(tài)下4個(gè)參數(shù)值對(duì)比

討　論

一般情況下，提高腫瘤的局控率可以延長生存期，而腫瘤的局控率與放射治療劑量有關(guān)，也與對(duì)腫瘤形態(tài)的確定有很大的關(guān)系。腫瘤病灶的大小直接決定了照射范圍，同時(shí)也決定了放射副反應(yīng)的大小。GTV是依據(jù)影像資料如CT、PET、MRI并結(jié)合其它臨床診斷信息確定的。

CT能根據(jù)物質(zhì)的電子密度用于放射治療劑量的計(jì)算，因此成為放射治療重要的影像設(shè)備。根據(jù)CT采集圖像速度不同，可分為快速掃描與慢速掃描。目前先進(jìn)的多排高速CT機(jī)架只需0.28 s即可旋轉(zhuǎn)一圈，掃描速度高達(dá)43 cm/s，單排慢速CT機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間在1～5 s之間，掃描速度為1.5 mm/s或更低，全身掃描的時(shí)間有時(shí)會(huì)長達(dá)20 min。在采集圖像時(shí)，呼吸等因素會(huì)對(duì)腫瘤的形態(tài)產(chǎn)生較大的影響，在自由呼吸狀態(tài)下，肺部腫瘤的運(yùn)動(dòng)幅度很大。Shimizu等[2]對(duì)16例肺癌患者行CT掃描，旋轉(zhuǎn)速度3秒/層，發(fā)現(xiàn)呼吸運(yùn)動(dòng)引起的腫瘤動(dòng)度為2.1～24.4 mm，平均6.4 mm。蔡昱等[3]所做慢速掃描的研究顯示，在采集圖像時(shí)伴隨著患者的呼吸、心臟及大血管搏動(dòng)等規(guī)律不明顯的運(yùn)動(dòng)，不僅造成圖像不清晰，采集到的圖像差別也很大。勾畫出的靶區(qū)體積的差異決定了后續(xù)的治療計(jì)劃能否對(duì)病灶實(shí)施足夠高的劑量。李承軍等[4]的研究表明，高速采集時(shí)腫瘤形態(tài)和位置的重復(fù)性低于慢速掃描。如果腫瘤隨呼吸運(yùn)動(dòng)的方向與掃描時(shí)CT床的方向一致，則有可能使腫瘤在此方向上呈現(xiàn)一個(gè)較小的體積，如果方向相同，則會(huì)增大腫瘤的體積。由于呼吸運(yùn)動(dòng)個(gè)體化的不規(guī)律與CT掃描參數(shù)的復(fù)雜性，掃描后腫瘤靶區(qū)會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。同樣，在吸氣末與呼氣末高速CT采集到的腫瘤靶區(qū)的位置也有很大的差別。

調(diào)強(qiáng)放療對(duì)某些腫瘤的治療已經(jīng)成為常規(guī)方法，但是對(duì)肺部腫瘤，很多醫(yī)生還是持保留意見。不僅在治療時(shí)腫瘤會(huì)隨呼吸運(yùn)動(dòng)而脫靶，在獲取GTV的圖像采集過程中，也存在腫瘤形態(tài)隨機(jī)性變化的問題。為了解決這些問題，可以使用以下幾種技術(shù)，如4DCT、呼吸門控，但是它們都存在相應(yīng)的缺點(diǎn)。4DCT的最大密度投影技術(shù)可以保證照射到足夠的靶區(qū)，但是對(duì)正常組織的保護(hù)就成為提高局部劑量的障礙。呼吸門控由于對(duì)治療機(jī)器利用率不高，增加了治療時(shí)間，只能對(duì)那些不能配合屏氣的患者使用。主動(dòng)呼吸控制可以在CT掃描和放射治療時(shí)，使腫瘤保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，基本上解決了由于呼吸運(yùn)動(dòng)引起的腫瘤靶區(qū)位移的影響。本研究使用的是醫(yī)科達(dá)公司的ABC(主動(dòng)呼吸控制)技術(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)是在呼吸通道上安裝一個(gè)監(jiān)控呼吸氣體量的氣流計(jì)裝置，患者吸氣到一定程度時(shí)，關(guān)閉通道的閥門，使患者屏氣，以準(zhǔn)確地控制腫瘤的位置。閥門是一個(gè)充氣的氣囊，需要關(guān)閉的時(shí)候用氣泵往氣囊里充氣，使氣囊膨脹堵住通氣管道，充氣是需要一定的時(shí)間的，在氣流計(jì)探測到吸氣已經(jīng)達(dá)到了預(yù)定的量之后，開始關(guān)閉閥門，到徹底關(guān)閉閥門之前，患者仍然是可以吸氣的。如果患者吸氣速度不平穩(wěn)，就會(huì)導(dǎo)致每次充氣開始到徹底關(guān)閉這段時(shí)間吸氣的量不一致，腫瘤的位置會(huì)有一定變化，但是這個(gè)變化相對(duì)于不使用呼吸控制還是比較小的。基于此特點(diǎn)，并考慮到其他內(nèi)臟的運(yùn)動(dòng)，在ABC用于定位時(shí)我們對(duì)患者做了兩次掃描，在計(jì)劃系統(tǒng)中將兩次采集的圖像進(jìn)行融合，取得腫瘤的最大運(yùn)動(dòng)范圍，可更真實(shí)地反應(yīng)腫瘤的形態(tài)。ABC屏氣后不但降低了腫瘤的活動(dòng)度，可以縮小GTV(PTV)的邊界，而且深吸氣后降低肺組織密度可進(jìn)一步減少高劑量靶區(qū)內(nèi)正常肺組織的體積，降低了局部并發(fā)癥的發(fā)生率。Cheung等[5]對(duì)10例肺下葉的周圍型非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行研究，結(jié)果表明使用ABC吸氣控制技術(shù)可使肺總體積增加42.0%，PTV內(nèi)的肺質(zhì)量減少18.0%，從而降低放射性肺毒性發(fā)生的危險(xiǎn)。Rosenzweig等[6]訓(xùn)練7例患者深吸氣、深呼氣、再深吸氣后控制呼吸，比較深吸氣與FB的計(jì)劃，在不增加治療毒性的前提下，可將肺部腫瘤的總劑量從69.4 Gy提高到87.9 Gy。

由以上研究可見，ABC技術(shù)在肺部腫瘤的治療中可取得獨(dú)特的效果。 但在實(shí)際應(yīng)用中也可能存在一些問題，如ABC只測量呼吸總量，而患者的呼吸習(xí)慣是有差異的，本研究并未考慮單次治療間胸式呼吸和腹式呼吸對(duì)腫瘤位置的影響，有待于進(jìn)一步深入研究。

[1]Li Q,Swanick CW,Allen PK,et al.Stereotactic ablative radiotherapy (SABR) using 70Gy in 10 fractions[J].Radiother Oncol,2014,112(2):256-261.

[2]Shimizu S,Shirato H,Aoyama H,et al.High-speed magnetic resonance imaging for four-dimensional treatment planning of conformal radiotherapy of moving body tumors[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2000,48(2):471-474.

[3]蔡昱，陳元，肖志平.慢速CT掃描用于肺腫瘤三維適形放療的可行性研究[J].山東醫(yī)藥,2005,45(8):1-3.

[4]李承軍，徐利明.肺癌放療中活動(dòng)靶區(qū)常規(guī)定位和PET/CT定位的模體研究比較[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2011,28(4):2743-2749.

[5]Cheung PC,Sixel KE,Tirona R,et al.Reproducibility of lung tumor position and reduction of lung mass within the planning target volume using active breathing control (ABC)[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2003,57(5):1437-1442.

[6]Rosenzweig KE,Hanley J,Mah D,et al.The deep inspiration breath-hold technique in the treatment of inoperable non-small-cell lung cancer[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2000,48(1):81-87.

The clinical application value of active breathing control in radiotherapy of lung cancer

WANG Jun-feng,HUANG Zhang-ling,LI Ding-xue,et al.

Cancer center,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030,China

Objects:To investigate the image manifestations of target area of lung cancer using single slice CT with slow scanning mode under the condition of active breath control (ABC) and free breath (FB).To compare the difference of dosage in radiotherapy of lung cancer between these two conditions.Methods:13 patients with NSCLC were recruited.Single slice spiral CT with slow scanning mode under the condition of ABC and FB were used for image acquisition respectively.The gross tumor volume (GTV) of tumor target area under these two breath conditions were delineated.Then,to expand the GTV target area to obtain the planning target volume (PTV).The differences of location and shape of these planned target areas under the two different conditions were compared.Radiotherapy plan was made for these 13 patients,the V5 the absorped dose >500Gy of lung volume %,V20 absorped dose >2000Gy of lung volume % and MLD (mean lung dose) were calculated,the dose difference between ABC and FB was compared.Results:The mean volume of the tumor target area under ABC and FB were (29.9±12.9)cm and (81.2±35.4)cm respectively,with significant statistic difference (P<0.05).The corresponding V5,V20 and MLD of ABC and FB were (14.2±4.7) and (21.6±6.1);(7.2±3.2) and (11.9±3.8);(564.2±175.8)cGy and (753.9±211.2)cGy,respectively,with significant differences (P<0.05).Conclusions:The difference between the tumor target area under ABC and FB conditions was significant.Under single slice spiral CT with slow scanning mode,the volume of target area and the injury of lung could be effectively reduced and alleviated by breath control,which makes it possible to increase the radiation dose of tumor.

Active breath control; Radiotherapy; Tomography,X-ray computed; Carcinoma,non small cell lung

430030華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院腫瘤中心

王俊峰(1973-)，男，吉林人，碩士，助理研究員，主要從事放射物理學(xué)、放射治療呼吸控制及醫(yī)學(xué)圖像處理工作。

胡國清，E-mail：gqhu@tjmu.edu.cn

R734.2; R814.42; R815

A

1000-0313(2016)09-0878-03

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.09.019

2016-01-07

2016-03-30)