主動呼吸控制在肺部腫瘤放射治療中的臨床應用價值

王峻峰， 黃章玲， 李定宇， 劉飛， 彭慧， 胡國清

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·影像技術學·

主動呼吸控制在肺部腫瘤放射治療中的臨床應用價值

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)與主動呼吸控制(ABC)時肺部腫瘤靶區在單排螺旋CT慢速掃描中的成像規律，比較兩種狀態下腫瘤靶區在放射治療中肺部吸收劑量的差異。方法：搜集非小細胞肺癌患者13例，采用單排螺旋CT慢速掃描分別在自由呼吸、主動呼吸控制下采集CT圖像，勾畫出兩種呼吸狀態下的大體腫瘤靶區(GTV)，在GTV基礎上外擴計劃靶區(PTV)，對比兩種狀態下計劃靶區位置及形態的差異。針對13例患者制訂放療計劃，計算雙肺的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)。對比ABC與FB兩種狀態下的劑量學差異。結果：ABC和FB狀態下腫瘤PTV平均體積分別為(29.9±12.9) cm3和(81.2±35.4) cm3，差異有統計學意義(P<0.05)。ABC和FB兩種狀態下對應的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，差異均具有統計學意義(P<0.05)。結論：單排螺旋CT慢速掃描情況下，ABC與FB兩種狀態下腫瘤靶區的體積差異明顯。呼吸控制可以有效減小靶區的體積，減輕肺部的副損傷，使進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，X線計算機； 癌，非小細胞肺

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)或調強放療( intensity modulation radiated therapy ，IMRT)技術可產生高度適形的劑量分布，可減少正常組織的受照體積，解決了靜止靶區的劑量適形問題。大體腫瘤靶區(gross tumor volume，GTV)多數情況下依據靜態圖像如CT、MRI確定，但是由于呼吸運動、心跳、器官運動等因素，腫瘤會周期性地改變位置，這些因素中由于呼吸運動造成的影響最為明顯。主動呼吸控制(active breathing control，ABC)是在呼吸的特定時相關閉呼吸通道，使患者保持此呼吸狀態并接受CT定位或治療，此方法可以使采集圖像或治療時靶區的位置保持相對一致。同時，吸氣狀態可以增大肺的體積，從而減少受照的肺體積以減輕肺的副反應，可對腫瘤給予更高的照射劑量。對于肺癌，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展時間分別為42.0個月和24.6個月，可見對于呼吸運動影響很大的腫瘤，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兩種狀態下，腫瘤靶區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評分不小于70分，無嚴重的呼吸系統疾病，心功能基本正常，無胸、腹水及胸、腹腔感染，無神經精神方面疾患，符合上述條件的患者共13例。

主動呼吸控制設備采用醫科達公司的ABC系統，設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，FB)狀態下，采集患者的全肺圖像。考慮到ABC系統的精度以及心跳、內臟蠕動等因素的影響，使用ABC技術時掃描兩次，并將兩次采集的圖像在計劃系統中做圖像融合，用于實際治療的靶區勾畫。CT模擬機采用GE公司的CT/e型單排螺旋CT，機架旋轉速度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計劃系統中對ABC采集到的兩套圖像進行圖像融合處理取得靶區的最大體積，以減少ABC的誤差。調節CT圖像到窗寬1000 HU、窗位-400 HU，勾畫GTV后根據靶區在肺部的位置不同做相應的外放，人體左右及前后方向外放8～10 mm，在頭腳方向，對肺尖的靶區外放10 mm，中肺外放15 mm，下肺外放25 mm形成計劃靶區(planning target volume，PTV)，測量ABC和FB時對應的PTV體積，對比體積上的差異。

結　果

在ABC及FB狀態下所采集的CT圖像中勾畫腫瘤GTV，計算4個放射劑量學參數并進行統計學分析，結果顯示4個參數在兩種狀態下差異均有統計學意義(P<0.05，表1)。

表1　ABC與FB狀態下4個參數值對比

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，也與對腫瘤形態的確定有很大的關系。腫瘤病灶的大小直接決定了照射范圍，同時也決定了放射副反應的大小。GTV是依據影像資料如CT、PET、MRI并結合其它臨床診斷信息確定的。

CT能根據物質的電子密度用于放射治療劑量的計算，因此成為放射治療重要的影像設備。根據CT采集圖像速度不同，可分為快速掃描與慢速掃描。目前先進的多排高速CT機架只需0.28 s即可旋轉一圈，掃描速度高達43 cm/s，單排慢速CT機架旋轉一周的時間在1～5 s之間，掃描速度為1.5 mm/s或更低，全身掃描的時間有時會長達20 min。在采集圖像時，呼吸等因素會對腫瘤的形態產生較大的影響，在自由呼吸狀態下，肺部腫瘤的運動幅度很大。Shimizu等[2]對16例肺癌患者行CT掃描，旋轉速度3秒/層，發現呼吸運動引起的腫瘤動度為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，在采集圖像時伴隨著患者的呼吸、心臟及大血管搏動等規律不明顯的運動，不僅造成圖像不清晰，采集到的圖像差別也很大。勾畫出的靶區體積的差異決定了后續的治療計劃能否對病灶實施足夠高的劑量。李承軍等[4]的研究表明，高速采集時腫瘤形態和位置的重復性低于慢速掃描。如果腫瘤隨呼吸運動的方向與掃描時CT床的方向一致，則有可能使腫瘤在此方向上呈現一個較小的體積，如果方向相同，則會增大腫瘤的體積。由于呼吸運動個體化的不規律與CT掃描參數的復雜性，掃描后腫瘤靶區會出現不同的結果。同樣，在吸氣末與呼氣末高速CT采集到的腫瘤靶區的位置也有很大的差別。

調強放療對某些腫瘤的治療已經成為常規方法，但是對肺部腫瘤，很多醫生還是持保留意見。不僅在治療時腫瘤會隨呼吸運動而脫靶，在獲取GTV的圖像采集過程中，也存在腫瘤形態隨機性變化的問題。為了解決這些問題，可以使用以下幾種技術，如4DCT、呼吸門控，但是它們都存在相應的缺點。4DCT的最大密度投影技術可以保證照射到足夠的靶區，但是對正常組織的保護就成為提高局部劑量的障礙。呼吸門控由于對治療機器利用率不高，增加了治療時間，只能對那些不能配合屏氣的患者使用。主動呼吸控制可以在CT掃描和放射治療時，使腫瘤保持在一個穩定的狀態，基本上解決了由于呼吸運動引起的腫瘤靶區位移的影響。本研究使用的是醫科達公司的ABC(主動呼吸控制)技術，設備結構是在呼吸通道上安裝一個監控呼吸氣體量的氣流計裝置，患者吸氣到一定程度時，關閉通道的閥門，使患者屏氣，以準確地控制腫瘤的位置。閥門是一個充氣的氣囊，需要關閉的時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間的，在氣流計探測到吸氣已經達到了預定的量之后，開始關閉閥門，到徹底關閉閥門之前，患者仍然是可以吸氣的。如果患者吸氣速度不平穩，就會導致每次充氣開始到徹底關閉這段時間吸氣的量不一致，腫瘤的位置會有一定變化，但是這個變化相對于不使用呼吸控制還是比較小的。基于此特點，并考慮到其他內臟的運動，在ABC用于定位時我們對患者做了兩次掃描，在計劃系統中將兩次采集的圖像進行融合，取得腫瘤的最大運動范圍，可更真實地反應腫瘤的形態。ABC屏氣后不但降低了腫瘤的活動度，可以縮小GTV(PTV)的邊界，而且深吸氣后降低肺組織密度可進一步減少高劑量靶區內正常肺組織的體積，降低了局部并發癥的發生率。Cheung等[5]對10例肺下葉的周圍型非小細胞肺癌患者進行研究，結果表明使用ABC吸氣控制技術可使肺總體積增加42.0%，PTV內的肺質量減少18.0%，從而降低放射性肺毒性發生的危險。Rosenzweig等[6]訓練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技術在肺部腫瘤的治療中可取得獨特的效果。 但在實際應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腫瘤位置的影響，有待于進一步深入研究。

[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].山東醫藥,2005,45(8):1-3.

[4]李承軍，徐利明.肺癌放療中活動靶區常規定位和PET/CT定位的模體研究比較[J].中國醫學物理學雜志，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華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院腫瘤中心

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

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)