摘要：乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤，其發(fā)病率位居女性惡性腫瘤之首。放射治療作為乳腺癌的重要治療手段，能夠有效降低復(fù)發(fā)率和死亡率。然而，在放療過(guò)程中，心臟不可避免地暴露于電離輻射中，從而增加心臟毒性的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是缺血性心肌病等并發(fā)癥。因此，在乳腺癌放療中，如何有效保護(hù)心臟并降低其受照劑量成為治療中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文將從放療對(duì)心臟的影響、心臟劑量限值、心臟區(qū)域自動(dòng)分割技術(shù)以及降低心臟受照劑量的策略四個(gè)方面進(jìn)行探討，旨在通過(guò)多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)心臟的有效保護(hù)，從而降低心臟并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，提升患者的長(zhǎng)期生存質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：乳腺癌；放射治療；深度學(xué)習(xí)；分割；心臟受照劑量

Cardiac protection strategies in breast cancer radiotherapy： from segmentation

technology to dose control

HUANG Jinghan 1 ， LI Xia 2 ， MAIDINA Batuer 1 ， ZHOU Chuanghui 3 ， ZHOU Linghong 1 ， QIN Genggeng 1， 4

1 School of Biomedical Engineering， Southern Medical University， Guangzhou 510000， China;" 2 Department of Radiation Oncology，

4 Department of Radiology， Nanfang Hospital， Southern Medical University， Guangzhou 510000， China;" 3 School of Medical and Information

Engineering， Gannan Medical University， Ganzhou 341000， China

Abstract： Breast cancer is the most common malignancy among women， with the highest incidence rate of all female cancers.Radiotherapy is an essential treatment modality for breast cancer， effectively reducing recurrence and mortality rates.However， during radiotherapy， the heart inevitably gets exposed to ionizing radiation， increasing the risk of cardiac toxicity，particularly complications such as ischemic cardiomyopathy. Therefore， effective cardiac protection and minimizing heartradiation exposure are crucial challenges in breast cancer radiotherapy. This review explores four key aspects： the impact ofradiotherapy on the heart， cardiac dose constraints， automated segmentation of cardiac regions， and strategies to reducecardiac dose exposure， in order to implement effective cardiac protection through various technologies to reduce the risk ofcardiac complications and improve patients' long-term quality of life.

Keywords： breast cancer; radiotherapy; deep learning; segmentation; cardiac radiation dose

乳腺癌是全球女性中最常見(jiàn)的惡性腫瘤，其發(fā)病率已超過(guò)肺癌［1］。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，乳腺癌、肺癌及結(jié)直腸癌占女性新發(fā)惡性腫瘤的51%，其中乳腺癌占32%［2］ 。全球每年新增乳腺癌病例超過(guò)200萬(wàn)例，其中約2/3的乳腺癌患者需要接受放射治療［3］ 。術(shù)后輔助放療有助于提高局部腫瘤控制率，降低復(fù)發(fā)率和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)，最終提高患者的生存率。與單純的根治術(shù)相比，術(shù)后輔助放療可顯著改善預(yù)后［4-7］ 。區(qū)域淋巴結(jié)放療顯著降低了乳腺癌患者的復(fù)發(fā)率、乳腺癌死亡率和全因死亡率，特別是對(duì)于有陽(yáng)性腋窩淋巴結(jié)的患者［8］ 。然而，乳腺癌放療的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是如何在確保腫瘤控制的同時(shí)，盡量減少正常組織的輻射暴露，特別是在左側(cè)乳腺癌患者中［9］，心臟及其亞結(jié)構(gòu)常常暴露在照射野內(nèi)。研究表明，左側(cè)乳腺癌放療可能會(huì)增加心臟疾病的發(fā)生率，特別是冠狀動(dòng)脈疾病和心肌梗死［10］ 。手動(dòng)勾畫心臟及其亞結(jié)構(gòu)不僅復(fù)雜且耗時(shí)，并且受限于操作者的經(jīng)驗(yàn)，可能導(dǎo)致勾畫的精度和一致性不足。這使得精準(zhǔn)分割心臟結(jié)構(gòu)以降低心臟高危區(qū)域受照劑量，成為臨床實(shí)踐中亟待解決的問(wèn)題。本研究旨在全面探討乳腺癌放療中的心臟保護(hù)策略，特別是在分割技術(shù)與劑量控制方面的應(yīng)用，重點(diǎn)展示本文在多技術(shù)手段整合上的創(chuàng)新，為臨床實(shí)踐提供更有效的心臟保護(hù)方法。

1 乳腺癌放射治療中心臟的不良反應(yīng)

長(zhǎng)期隨訪研究表明，乳腺癌放射治療與心臟不良反應(yīng)密切相關(guān)［11］ 。常見(jiàn)的放射治療后心臟毒性可表現(xiàn)為心律失常、心包炎、充血性心臟病、缺血性心肌病（心肌梗死）或瓣膜病等［12， 13］ 。多項(xiàng)研究表明，放射治療（尤其是涉及頸動(dòng)脈、冠脈其他主要?jiǎng)用}的大范圍暴露）顯著增加了心血管疾病死亡風(fēng)險(xiǎn)［14， 15］。有研究對(duì)1970～2003年間接受放射治療的199例浸潤(rùn)性乳腺癌或?qū)Ч軆?nèi)癌患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)左側(cè)乳腺癌放療顯著增加了遠(yuǎn)端左前降支管腔狹窄的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)4～7倍之多［16］ 。這表明放射治療與冠狀動(dòng)脈狹窄部位存在直接關(guān)聯(lián)。有研究納入1958～2001年間接受乳腺癌放療的2168例患者，將接受放療的乳腺癌患者的缺血性心臟病發(fā)生率與其受照劑量和個(gè)人心臟危險(xiǎn)因素聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)心臟平均劑量每增加1 Gy，冠狀動(dòng)脈異常發(fā)生率線性增加7.4%［17］ 。然而，患者沒(méi)有放療的情況下也存在患缺血性心臟病風(fēng)險(xiǎn)，但是電離輻射會(huì)使乳腺癌患者缺血性心臟病風(fēng)險(xiǎn)增加數(shù)倍［18］。因此，為了進(jìn)一步降低乳腺癌患者的心臟毒性風(fēng)險(xiǎn)，可以結(jié)合乳腺癌復(fù)發(fā)率、死亡率及其他疾病風(fēng)險(xiǎn)，來(lái)更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)患者在臨床中面臨的風(fēng)險(xiǎn)［19］。乳腺癌患者放療時(shí)，其心臟接受的輻射劑量因人而異，導(dǎo)致患者之間心臟毒性風(fēng)險(xiǎn)存在顯著差異［19， 20］ 。一項(xiàng)關(guān)于乳腺癌保乳手術(shù)后放療的薈萃分析研究了10801例女性，發(fā)現(xiàn)對(duì)于無(wú)心臟風(fēng)險(xiǎn)因素的患者，保乳術(shù)后放療可將 15 年內(nèi)的死亡風(fēng)險(xiǎn)從 25.2% 降低至21.4%［21］。另有研究表明，左側(cè)乳腺癌患者放射治療時(shí)，心臟接受2 Gy平均劑量，30年內(nèi)由電離輻射導(dǎo)致缺血性心臟病的死亡風(fēng)險(xiǎn)低于0.1%［17］ 。對(duì)于這類患者，放療的益處顯然大于其心臟毒性風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于心臟劑量限制無(wú)法滿足靶區(qū)劑量覆蓋或已有心臟病史的患者，可考慮降低心臟放療劑量以減少輻射引發(fā)的心臟風(fēng)險(xiǎn)［21］。

2 乳腺癌患者接受放射治療時(shí)心臟劑量限值

德國(guó)放射腫瘤協(xié)會(huì)乳腺癌專家小組提出劑量限值（表1）。2003～2013年間，在28個(gè)國(guó)家的149項(xiàng)研究報(bào)道的398種方案中，左側(cè)乳腺癌患者的心臟平均劑量為5.4 Gy；調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）的心臟平均劑量為5.6 Gy；而呼吸控制的切線放射治療和側(cè)臥位治療可將心臟平均劑量分別降至1.3 Gy和1.2 Gy；質(zhì)子放療（PT）的心臟平均劑量最低，僅為0.5 Gy。在右側(cè)乳腺癌患者中，基于23項(xiàng)研究的45種方案數(shù)據(jù)，心臟平均劑量為3.3 Gy。綜上所述，左側(cè)乳腺癌放療中評(píng)估心臟劑量差異很大，PT在左側(cè)乳腺癌患者中提供了最低的心臟平均劑量［22］。心臟平均劑量是預(yù)測(cè)心臟毒性的重要參數(shù)，減少心臟平均劑量可有效降低心臟相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)［16， 17， 23］ 。通過(guò)現(xiàn)代化放療技術(shù)，乳腺癌患者的心臟平均劑量可以降至2～3 Gy以下。有研究使用現(xiàn)代三維技術(shù)和切線束治療左側(cè)乳腺癌，發(fā)現(xiàn)心臟平均劑量為2.1 Gy［24］ 。一項(xiàng)對(duì)2007～2013年間256例左側(cè)乳腺癌患者的研究表明，心臟平均劑量在0.91～4.45 Gy間［25］ 。盡管放療技術(shù)的進(jìn)步顯著降低了心臟平均劑量，但左前降支等心臟亞結(jié)構(gòu)仍然會(huì)暴露在高劑量下［26］。有研究指出，左心室前部相關(guān)區(qū)域最大劑量高達(dá)47.2 Gy，左前降支平均和最大劑量分別為9.2 Gy和24.6 Gy［27］ 。因此，對(duì)于左側(cè)乳腺癌患者，即使心臟平均劑量較低，心臟亞結(jié)構(gòu)仍可能接受高劑量照射［28］。

IMRT與PT在減少心臟輻射劑量方面各有優(yōu)勢(shì)。IMRT通過(guò)優(yōu)化劑量分布降低了心臟受照劑量，但其復(fù)雜性和成本較高。PT則利用布拉格峰效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了精確的劑量控制，顯著減少了心臟暴露劑量，但設(shè)備的可及性限制了其應(yīng)用范圍。因此，基于患者的具體情況選擇合適的技術(shù)顯得尤為重要。

3 乳腺癌放療中心臟區(qū)域的分割技術(shù)

由于放射治療專用CT設(shè)備獲取的圖像難以清晰顯示心臟亞結(jié)構(gòu)，有研究利用MRI優(yōu)越的軟組織對(duì)比度，與CT圖像共同優(yōu)化MR/CT圖譜，以提高心臟、大血管和室間隔分割精度［29］ 。這一方法為放療期間的心臟保護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，在冠狀動(dòng)脈分割方面，MRI和CT聯(lián)合方法的效果仍然有限。有研究開(kāi)發(fā)并測(cè)試了一種自動(dòng)化算法，能夠在所有圖像中實(shí)時(shí)檢測(cè)心臟邊緣，監(jiān)控乳腺癌治療時(shí)心臟暴露在射線的區(qū)域［30］ 。有研究基于圖譜的自動(dòng)分割方法可以準(zhǔn)確地勾畫出心臟和部分亞結(jié)構(gòu)，但左前降支分割效果較差［31］。盡管這些方法在心臟整體分割中表現(xiàn)出色，但在亞結(jié)構(gòu)的精確分割，尤其是冠狀動(dòng)脈左前降支（LADCA）的分割方面，仍存在不足。

基于圖譜自動(dòng)分割技術(shù)依賴于圖像配準(zhǔn)算法的精度，在解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化和邊緣不清晰的情況下，表現(xiàn)并不理想［32］。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展［33］ ?；谏疃葘W(xué)習(xí)的自動(dòng)分割技術(shù)可以自適應(yīng)地探索醫(yī)學(xué)圖像中的代表性特征，并具有遷移學(xué)習(xí)能力［34］。有學(xué)者利用深度學(xué)習(xí)、多圖譜映射和幾何建模設(shè)計(jì)了一種模型，可以在CT圖像上自動(dòng)分割心臟亞結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，除LADCA外，其他所有結(jié)構(gòu)的體積比接近1。該模型能夠準(zhǔn)確分割大部分心臟亞結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于LADCA的分割仍存在一定的誤差［35］。有研究提出了一種基于CT圖像深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)分割心臟亞結(jié)構(gòu)的方法，該方法使用了掩模評(píng)分區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，除LADCA以及二尖瓣和三尖瓣外，其他亞結(jié)構(gòu)分割效果良好［36］。有學(xué)者提出了一種基于深度學(xué)習(xí)相互增強(qiáng)策略的自動(dòng)分割方法，該模型由3個(gè)子網(wǎng)絡(luò)組成：視網(wǎng)膜U-net、分類模塊和分割模塊。與3D U-net、掩模R-CNN、掩模評(píng)分R-CNN及不合分類模塊的網(wǎng)絡(luò)相比，所提出的方法能夠提高小型亞結(jié)構(gòu)（如冠狀動(dòng)脈）分割精度，同時(shí)保證較大亞結(jié)構(gòu)的分割精度［37］。

在分割技術(shù)的討論中，深度學(xué)習(xí)方法相比傳統(tǒng)手動(dòng)分割具有顯著的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)手動(dòng)分割不僅耗時(shí)且易受操作者經(jīng)驗(yàn)影響，而深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠自動(dòng)化地進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，減少人為誤差，提高分割精度和一致性，尤其在復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)下具有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于乳腺癌放療中的心臟保護(hù)策略，雖然圖譜和深度學(xué)習(xí)技術(shù)在分割心臟亞結(jié)構(gòu)方面取得了進(jìn)展，但仍存在顯著誤差。有學(xué)者提出，以高風(fēng)險(xiǎn)心臟區(qū)域替代易受電離輻射影響的LADCA，可以更好地在乳腺癌放療中保護(hù)心臟［38］ 。研究納入40例接受放療的乳腺癌患者，勾畫出LADCA和8個(gè)高危心臟區(qū)域（HRCZ）。研究表明，3.5 cm寬的HRCZ可以作為L(zhǎng)ADCA在乳腺癌放療中的可靠替代區(qū)域，對(duì)HRCZ施加最大劑量限制可以有效減少LADCA的受照劑量，自動(dòng)分割算法可準(zhǔn)確地勾畫出HRCZ［38］ 。后續(xù)進(jìn)一步研究，有學(xué)者提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的功能性心臟圖譜，并用HRCZ替代LADCA。這不僅減少了LADCA的勾畫難度，還提高了自動(dòng)分割心臟亞結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性［39］。

4 降低心臟受照劑量的措施

有研究選取14例健康女性志愿者進(jìn)行了心臟MRI檢查，以確定典型左側(cè)乳腺癌患者在放射治療時(shí)心臟受照體積。在潮末容積（基線）、深吸氣和強(qiáng)制呼氣時(shí)，通過(guò)保持呼吸獲取的覆蓋整個(gè)心臟的連續(xù)橫切片堆疊，評(píng)估放射治療區(qū)域內(nèi)的心臟容積。結(jié)果顯示，深吸氣屏氣減少了心臟受照體積。然而，受限于樣本量較小，且對(duì)長(zhǎng)期呼吸控制的可行性缺乏明確探討，這些因素可能影響該結(jié)論的廣泛適用性［40］ 。有研究選取15例中位年齡53歲的患者，在正常呼吸和深吸氣后屏氣時(shí)分別進(jìn)行CT掃描。結(jié)果顯示，深吸氣后屏氣時(shí)心臟容積顯著降低，其中7例患者的心臟完全移出照射區(qū)域［41］ 。研究證實(shí)，深吸氣屏氣時(shí)的心臟位置是保護(hù)心臟的理想位置［41-43］ 。盡管呼吸周期對(duì)心臟暴露的影響得到證實(shí)，研究未詳細(xì)討論這種技術(shù)在更廣泛患者群體中的適用性以及該群體的代表性。有研究納入24例女性，通過(guò)持續(xù)正壓通氣作為輔助手段，減少乳腺癌放療中的心臟受照劑量。結(jié)果顯示，持續(xù)正壓通氣輔助放療不僅可行，還能在降低心臟受照劑量的同時(shí)，保證靶區(qū)劑量覆蓋，提升左側(cè)乳腺癌患者的治療效果［44］。然而，研究尚需驗(yàn)證持續(xù)正壓通氣技術(shù)在患者間的個(gè)體差異、通氣方法的可重復(fù)性及其長(zhǎng)期臨床效果。有學(xué)者對(duì)比了30例接受多導(dǎo)管腔內(nèi)放射治療加速部分乳腺照射治療的患者和22例接受深吸氣屏氣全乳腺照射并同步整合腫瘤增強(qiáng)技術(shù)的患者，證實(shí)了多導(dǎo)管腔內(nèi)放射治療加速部分乳腺照射更適合保護(hù)患者的心臟［45］。然而，不同治療技術(shù)受治療方案和患者適應(yīng)癥的影響較大，仍需進(jìn)一步研究以驗(yàn)證其在更廣泛人群中的適用性。

5 總結(jié)與展望

在乳腺癌放療中，特別是左側(cè)乳腺癌患者，心臟暴露于照射區(qū)域內(nèi)會(huì)顯著增加心臟毒性風(fēng)險(xiǎn)，因此，降低心臟受照劑量一直是臨床關(guān)注的重點(diǎn)。然而，僅僅依賴心臟平均劑量來(lái)評(píng)估心臟受照風(fēng)險(xiǎn)是不夠的。多項(xiàng)研究表明，即使在乳腺癌放療中，心臟平均劑量未超過(guò)2 Gy，左心室及左前降支等心臟亞結(jié)構(gòu)仍然可能受到高劑量照射，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟并發(fā)癥。因此，更應(yīng)關(guān)注高危心臟區(qū)域的受照劑量。目前，心臟保護(hù)的措施多種多樣，包括：通過(guò)協(xié)調(diào)呼吸周期或采用側(cè)臥位治療等技術(shù)手段，避免心臟暴露于照射區(qū)域；使用更為先進(jìn)的放療技術(shù)，如IMRT或PT；利用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，提升高危心臟區(qū)域的自動(dòng)分割精度，以便更精確地評(píng)估和控制這些區(qū)域的受照劑量。

盡管上述策略在臨床實(shí)踐中已展現(xiàn)出顯著的心臟保護(hù)效果，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。IMRT能夠通過(guò)優(yōu)化劑量分布顯著降低正常組織的輻射暴露，是目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。臨床數(shù)據(jù)顯示，IMRT在減少心臟平均劑量方面表現(xiàn)出色，但仍存在部分高劑量區(qū)可能導(dǎo)致心臟并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。此外，IMRT的復(fù)雜性和較高的成本也是其應(yīng)用的挑戰(zhàn)。PT則因其獨(dú)特的布拉格峰效應(yīng)，能夠更精準(zhǔn)地控制輻射劑量，將高劑量區(qū)域集中在腫瘤部位，顯著減少心臟及其他正常組織的受照劑量。臨床研究表明，PT在減少心臟暴露劑量方面效果顯著，尤其在左側(cè)乳腺癌放療中具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，PT的高昂成本和設(shè)備的有限可及性限制了其廣泛應(yīng)用。深度學(xué)習(xí)輔助的自動(dòng)分割技術(shù)為心臟亞結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)勾畫提供了新的可能性。通過(guò)自動(dòng)化分割，能夠提高心臟亞結(jié)構(gòu)勾畫的準(zhǔn)確性和一致性，減少人為操作的誤差。盡管如此，這一技術(shù)在復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)下的魯棒性和適應(yīng)性仍需進(jìn)一步提升。當(dāng)前臨床數(shù)據(jù)支持其在提高勾畫效率和精度方面的潛力，但在大規(guī)模推廣應(yīng)用前，仍需更多的驗(yàn)證性研究。

未來(lái)的研究應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注以下幾個(gè)方面：第一，如何在保證靶區(qū)劑量覆蓋的前提下，進(jìn)一步降低心臟及其亞結(jié)構(gòu)的受照劑量，特別是對(duì)于高危心臟區(qū)域的精準(zhǔn)保護(hù)。第二，在新技術(shù)和新方法的開(kāi)發(fā)中，既要考慮技術(shù)的先進(jìn)性，也要重視其在臨床實(shí)踐中的可操作性和可推廣性。例如，PT雖然在心臟保護(hù)方面表現(xiàn)優(yōu)異，但其高昂的成本和有限的可及性限制了其廣泛應(yīng)用。第三，隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于深度學(xué)習(xí)的心臟亞結(jié)構(gòu)自動(dòng)分割技術(shù)將成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。如何提升算法的魯棒性和適應(yīng)性，使其在各種臨床場(chǎng)景中都能保持較高的分割精度，是未來(lái)研究的關(guān)鍵方向。第四，除了放療技術(shù)的優(yōu)化外，還需加強(qiáng)對(duì)放療后心臟并發(fā)癥的長(zhǎng)期隨訪和管理，建立更加完善的預(yù)警和干預(yù)體系，以便在放療后期及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理心臟毒性，最大限度地保護(hù)患者的生命質(zhì)量。

綜上所述，在乳腺癌放療中，心臟保護(hù)仍然是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的課題。未來(lái)的研究和臨床實(shí)踐需要進(jìn)一步整合多學(xué)科力量，探索更加有效的心臟保護(hù)策略，以便在提升乳腺癌患者生存率的同時(shí)，最大限度地降低其心臟并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。這不僅關(guān)乎治療效果，更關(guān)系到患者的長(zhǎng)期生存質(zhì)量。

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