鄭佳俊，翟振宇，蔣明華，孫 麗

（江蘇省腫瘤醫(yī)院，江蘇省腫瘤防治研究所，南京醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，南京 210009）

0 引言

基于實(shí)時(shí)位置管理（real position management，RPM）系統(tǒng)的相位式呼吸門控技術(shù)可以在對(duì)患者呼吸無干涉的情況下，減少因靶區(qū)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的靶區(qū)外擴(kuò)和危及器官受量[1-5]。在計(jì)劃設(shè)計(jì)中，門控窗口的選擇至關(guān)重要，其標(biāo)準(zhǔn)是在維持一定占空比（出束時(shí)間所占總治療時(shí)間百分比）的情況下，選出呼吸運(yùn)動(dòng)比較穩(wěn)定的窗口作為出束窗口[6-9]。在目前RPM 系統(tǒng)的工作流程中，窗口選擇基于Eclipse 治療計(jì)劃系統(tǒng)中內(nèi)置的呼吸幅度分析（respiratory amplitude distribution，RAD）工具[10]。該工具將患者行CT 掃描時(shí)的呼吸信號(hào)（作為后續(xù)治療的參考波形）根據(jù)相位平均劃分為10 個(gè)時(shí)相，并給出每個(gè)時(shí)相內(nèi)呼吸信號(hào)的統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差，兩者可用于衡量該相位內(nèi)呼吸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。然而，為保證門控計(jì)劃的執(zhí)行效率，門控窗口往往包含數(shù)個(gè)分時(shí)相。在這種情況下，因?yàn)镽AD 不能直接給出各個(gè)窗口的呼吸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，所以基于RAD 工具的窗口選擇不可避免地依賴于決策醫(yī)師或物理師的主觀經(jīng)驗(yàn)和目測(cè)精度。本研究提出一種基于窗口內(nèi)的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差選擇門控窗口的方法，以期提高基于RPM 系統(tǒng)的相位式呼吸門控放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中窗口選擇的一致性和準(zhǔn)確性，保證臨床所選門控窗口的質(zhì)量。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

采用隨機(jī)數(shù)字表法隨機(jī)選取本科室2020年3—10 月完成基于RPM 系統(tǒng)的相位式呼吸門控放療的38 例患者。其中，肺癌患者30 例，肝癌患者8例；男性17 人，女性21 人；年齡11～84 歲，中位年齡62 歲；單次照射劑量為2～10 Gy。臨床門控窗口由高年資醫(yī)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)基于RAD 工具選出。38 例相位式呼吸門控放療患者的臨床窗口分布如圖1 所示。

圖1 38 例相位式呼吸門控放療患者的臨床窗口分布

1.2 可選門控窗口

在相位式呼吸門控放療中，參考呼吸波形（即4D-CT 掃描期間的呼吸波形）與經(jīng)轉(zhuǎn)換得到的相位-位移信息儲(chǔ)存于RPM 工作站中（后綴為.vxp 的文本文件）。提取相位-位移數(shù)據(jù)后，將相位均分為10 個(gè)時(shí)相，即0%～90%，表示為ψ1，ψ2，…，ψ10。通常，RPM相位分割數(shù)為10，因此可選擇的門控窗口數(shù)為10×10=100 個(gè)，每個(gè)可選擇的門控窗口可表示為

式中，i 表示初始相位的序號(hào)，取值為1～10；j 表示窗口寬度（即窗口所包含的相位個(gè)數(shù)），取值同樣為1～10。1例患者的呼吸波形和相位-位移空間如圖2 所示。

圖2 1 例相位式呼吸門控放療患者的呼吸波形和相位-位移空間

1.3 建議窗口選取

由于肺部和肝部的腫瘤運(yùn)動(dòng)與外部標(biāo)記物位置（呼吸信號(hào)）的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[11-13]，門控窗口內(nèi)呼吸位移信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差可以用于衡量呼吸運(yùn)動(dòng)的相對(duì)穩(wěn)定性[14]。建議窗口選取方法如下：

（1）將從.vxp 文件中提取出的呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)根據(jù)相位的不同分為10 個(gè)時(shí)相[共10 組，如圖2（b）中的相位劃分]；

（2）根據(jù)公式（1），將10 個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)組合為可選窗口數(shù)據(jù)[共100 組，如圖2（b）中的窗口W4，4和W3，6]；

（3）計(jì)算所有100 個(gè)可選窗口內(nèi)呼吸信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差；

（4）在100 個(gè)可選窗口中，將與臨床所選窗口占空比相同但呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差最小的窗口作為建議窗口。

所有上述計(jì)算和數(shù)據(jù)提取均通過自主開發(fā)的Python 腳本工具完成。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Python 的scipy.stats 統(tǒng)計(jì)學(xué)工具對(duì)臨床窗口和建議窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)，P＜0.05 表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

2.1 可選窗口

1 例相位式呼吸門控放療患者100 個(gè)可選窗口的呼吸信號(hào)位移直方圖以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差如圖3 所示。各子圖中，位移數(shù)據(jù)的集中程度（曲線尖銳程度）表示此可選窗口下呼吸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，如尖銳曲線代表運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好。在臨床所選占空比為50%的情況下，臨床窗口（橙色）的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差為0.109 cm，而建議窗口（綠色窗口）的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差為0.080cm，顯示出更好的呼吸穩(wěn)定性。另外，圖3 中還顯示可選門控窗口呼吸信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差隨占空比的增大總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其余病例的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差隨占空比的變化趨勢(shì)與之類似。

圖3 1 例相位式呼吸門控放療患者100 個(gè)可選窗口的呼吸信號(hào)位移直方圖以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差（子圖中數(shù)字）

2.2 窗口對(duì)比

38 例相位式呼吸門控放療患者中，臨床窗口呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差為（0.114±0.050）cm，建議窗口呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差為（0.108±0.049）cm，經(jīng)配對(duì)t 檢驗(yàn)得到P值為0.009，二者存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。38 例患者臨床窗口和建議窗口的初始相位的分布圖如圖4 所示?？梢钥闯?，有27 例患者的臨床窗口與建議窗口一致；有11 例患者的臨床窗口和建議窗口的初始相位存在差異，但是差異都不超過1 個(gè)相位。存在差異的11例患者臨床窗口和建議窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差如圖5 所示。11 例患者的建議窗口呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)于臨床窗口均有所減小。其中，有1 例下降幅度超過30%，有8 例下降幅度在5%～30%，剩余2 例下降幅度在5%以內(nèi)。

圖4 38 例相位式呼吸門控放療患者臨床窗口與建議窗口的初始相位分布

2.3 病例分析

#6 病例的臨床窗口和建議窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差差異超過了30%。圖6（a）為此病例的相位-位移空間；圖6（b）和（c）分別為臨床窗口和建議窗口呼吸信號(hào)直方圖，呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差從0.172 cm 降到了0.113 cm。有2 例患者的相位式呼吸門控放療窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差差異幅度小于5%，分別為1.2%和1.8%（如圖5 中的#2 病例和#7 病例）。以差異為1.2%的#2 病例為例，相位-位移空間如圖7（a）所示，臨床窗口呼吸信號(hào)直方圖（標(biāo)準(zhǔn)差為0.084 cm）和建議窗口呼吸信號(hào)直方圖（標(biāo)準(zhǔn)差為0.083 cm）如圖7（b）、（c）所示。對(duì)于子窗口W4，4而言，無論是與時(shí)相ψ3合并還是與ψ8合并，所得到的新窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差都沒有明顯區(qū)別。這表明如果臨床窗口與最優(yōu)窗口的標(biāo)準(zhǔn)差接近，則有可能存在一個(gè)占空比更大的窗口，既不會(huì)導(dǎo)致呼吸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性下降，又可以減少門控放療的治療時(shí)間。基于此，計(jì)算窗口W3，6的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差為0.088 cm，相應(yīng)的呼吸信號(hào)直方圖如圖7（d）所示，顯示窗口W3，6為潛在的可擴(kuò)展窗口。

圖5 存在窗口差異的11 例患者的臨床窗口與建議窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差

圖6 #6 病例呼吸相位-位移空間及各類窗口呼吸信號(hào)直方圖

圖7 #2 病例呼吸相位-位移空間及各類窗口呼吸信號(hào)直方圖

3 討論

在呼吸門控放療中，門控窗口選擇的目標(biāo)是選出合適的窗口，使得窗口內(nèi)患者的呼吸盡量平穩(wěn)和一致，從而減少靶區(qū)因腫瘤運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的外擴(kuò)范圍。Fuji 等[15]的研究表明，針對(duì)每個(gè)患者制定個(gè)體化的門控窗口可以提高呼吸門控放療的有效性。然而，在當(dāng)前的窗口選擇流程中，RAD 工具只給出各個(gè)分時(shí)相內(nèi)呼吸信號(hào)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，無法定量地衡量包含多個(gè)相位的窗口的患者呼吸情況。因此，窗口選擇過程（基于目測(cè)和經(jīng)驗(yàn)）帶有主觀性和隨機(jī)性，難以符合門控放療計(jì)劃設(shè)計(jì)的最優(yōu)原則[16]。為此，本研究采用了類似“窮舉法”的方法，基于患者呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)獲取所有100 個(gè)可選門控窗口的呼吸信號(hào)，然后計(jì)算所有窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差，再通過數(shù)據(jù)可視化的方法（如圖3 所示）將各個(gè)可選窗口的質(zhì)量進(jìn)行直觀展示?；诖朔椒?，放療醫(yī)師和物理師可以對(duì)不同患者各個(gè)呼吸窗口的質(zhì)量進(jìn)行快速評(píng)估，從而提高窗口選取的便利性和有效性。

本研究提出了基于窗口呼吸信號(hào)分析的窗口選擇方法，對(duì)已選擇的臨床窗口，將與其具有相同占空比但呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差最小的窗口作為建議窗口，再同臨床所選窗口進(jìn)行比較，從而起到對(duì)臨床窗口進(jìn)行質(zhì)量控制的作用。38 例患者中，建議窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差由臨床窗口的（0.114±0.05）cm 下降為（0.108±0.049）cm，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。本方法將8 例相位式呼吸門控放療患者的窗口呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差降低了5%～30%，表明8 例患者建議窗口內(nèi)的呼吸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性高于臨床窗口。因此，本方法有助于提高呼吸門控放療中窗口選擇的一致性和選擇效率。在患者負(fù)荷較大的情況下，本方法所帶來的窗口質(zhì)量的改善程度會(huì)更加明顯。

Vedam 等[14]的研究表明，相位式呼吸門控放療的窗口選取應(yīng)當(dāng)結(jié)合占空比和呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差選取，但未給出具體的選取準(zhǔn)則。本研究計(jì)算了所有可選窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差，可以較為直觀地對(duì)比各個(gè)呼吸窗口的質(zhì)量（如圖3 所示）。Hugo 等[17]的研究表明，門控窗口的占空比會(huì)影響劑量分布的準(zhǔn)確性，選擇較小的占空比會(huì)導(dǎo)致劑量分布的準(zhǔn)確率更高。本研究中可選窗口內(nèi)呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差隨占空比的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，呼吸穩(wěn)定性下降，這可能導(dǎo)致劑量分布畸變。Oh 等[8-9]研究了23 例肺癌患者和52例肝癌患者的呼吸信號(hào)后發(fā)現(xiàn)，肺癌患者的最佳門控窗口為30%～70%，而肝癌患者的最佳門控窗口為30%～60%或30%～70%。本研究中不同患者的建議窗口的初始相位存在較大差異，提示有必要建立個(gè)體化的呼吸門控窗口選擇規(guī)范。

基于RPM 系統(tǒng)的呼吸門控放療需要在醫(yī)師、物理師、治療師和設(shè)備廠家等多方的密切合作下才能完成，任何步驟中的交流失誤都會(huì)削弱門控放療的臨床效果，甚至引發(fā)危及患者安全的事件。#6 病例的臨床窗口和建議窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差差異超過了30%，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，此差異是由于負(fù)責(zé)窗口選擇的醫(yī)師與負(fù)責(zé)門控放療計(jì)劃窗口設(shè)置的物理師的溝通失誤所致。缺乏直觀的窗口內(nèi)呼吸信號(hào)分析工具也是造成此類失誤的部分原因之一。未來，可將本文的窗口選擇方法納入到相位式呼吸門控放療計(jì)劃設(shè)計(jì)規(guī)范中，通過直接對(duì)比建議窗口和所選窗口的呼吸信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差，有助于避免此類失誤。

本研究亦有不足之處：須首先人工指定窗口占空比，然后才能給出具體的建議窗口，這一點(diǎn)限制了本方法在窗口選擇自動(dòng)化方面的應(yīng)用。盡管如此，本方法依然提供了一種窗口選擇方法，能夠提高窗口選擇的效率和一致性。未來需要進(jìn)一步研究減少呼吸運(yùn)動(dòng)和縮短治療時(shí)間所帶來的治療收益（治療質(zhì)量方面和治療時(shí)間方面），在效費(fèi)比的基礎(chǔ)上開發(fā)更科學(xué)的算法來輔助門控窗口選擇。

綜上所述，基于窗口呼吸信號(hào)分析的窗口選擇方法可以減少在選擇過程中出錯(cuò)的概率，保證和提高所選窗口的質(zhì)量，提高窗口選擇的一致性和選擇效率。