腹部腫瘤放療中器官呼吸運動管理的研究進展

朱 蝶 付前鋒 張大昕

哈爾濱醫科大學附屬第一醫院腫瘤一科，黑龍江哈爾濱 150001

放療是多種惡性腫瘤常用的有效治療方法之一。由于腹部腫瘤周圍存在大量危及器官（organ at risk，OAR），器官間彼此緊鄰且呼吸、胃腸充盈等生理變化會引起其運動，因此腹部腫瘤放療在技術上具有挑戰性，包括對肝臟、胰腺、腎臟、腎上腺等部位的放療[1-2]。如果不加以管理，這些運動會導致劑量傳遞的顯著不確定性，可能致靶區受照劑量不足、OAR 受照劑量過量，影響治療效果[2]。根據美國醫學物理學家協會工作組76 號報告[3]，在放療中，減少呼吸運動影響的方法可大致分為五類：運動包括技術、屏氣技術、強制淺呼吸技術、呼吸門控技術和實時運動跟蹤技術。本文對腹部腫瘤放療中的器官呼吸運動管理的研究進展作一綜述。

1 運動包括技術

在腹部放療中，器官運動顯著影響治療質量，并可能造成不準確性的劑量傳遞[4]。在器官周圍加上合理的邊界以覆蓋其運動的全部范圍，這是最簡單也是最常用的策略[2]。但增大腫瘤邊界的同時可能導致周圍OAR 受到不必要照射。國際輻射單位與測量委員會62 號報告中定義了內靶區（internal target volume，ITV）為推薦治療的目標[5]，即臨床靶區（clinical target volume，CTV）+考慮器官運動引起的位置的變化；計劃靶區（planning target volume，PTV）為ITV+擺位誤差、機器誤差等。同時報告也建議在OAR 周圍勾畫安全邊界產生計劃危及器官體積（planning organ at risk volume，PRV），以補償治療期間器官位置的不確定性。

為了獲得更好的治療率，必須使用最佳的ITV、合理的PRV。慢速CT、吸氣和呼氣屏氣CT、四維（four dimensions，4D）或呼吸相關CT、MRI、PET/CT 等影像技術可能包括圖像采集時全部器官的呼吸運動，可以用于確定ITV/PRV。然而慢速CT 花費的時間較長，可能導致運動偽影而得到的圖像質量差，因此在腹部放療中較少應用[3]。通過屏氣CT 可以減少運動偽影，吸氣屏氣CT 和呼氣屏氣CT 的融合可以得到腹部器官的運動范圍[6]。4D 影像技術在自由呼吸狀態下進行，在一個呼吸或其他運動周期的每個時相采集一套圖像，一些研究通過分析器官在不同呼吸時相圖像上的位置來評估器官的運動[7-9]，提示器官在呼吸周期中的移位變形等可以通過4DCT、4DMRI、4DPET/CT 進行量化。研究顯示，與4DCT 比較，普通的3DCT技術會低估ITV 的范圍[7]。此外，和cine-MRI 比較，4DCT 也可能會低估腹部的器官運動[10]。關于肺癌的研究顯示，4DCT 和4DPET/CT 技術對確定ITV 的優劣沒有定論[9]，但目前還未曾有關于腹部器官的報道。因此，在評估及管理器官運動時，應用4D 技術可以確定器官的運動范圍，而MRI 的應用，更能包括其全部運動。

2 屏氣技術

對于受呼吸影響的腹部器官，屏氣可以使其暫時相對停止運動。放療醫師及物理師在屏氣定位CT 的基礎上制訂放療計劃，患者在每次放療過程中保持相同水平的屏氣，因此患者必須具備重復屏氣的能力。在屏氣治療的同時需要呼吸監測技術及體內外標志物的輔助，當屏氣水平達到預計的位置時，才能打開射線束進行治療。無論是自愿屏氣或輔助屏氣技術，都已經被證實可以最大限度地減少呼吸誘導的運動，吸氣屏氣、深吸氣屏氣和呼氣屏氣等技術均有相關文獻報道[11-13]。Mast 等[11]和Naumann 等[12]的研究分別發現吸氣屏氣、深吸氣屏氣都能顯著降低照射體積，且吸氣屏氣技術使CTV-PTV 邊緣減小10 mm 以上。目前有關腹部腫瘤深吸氣屏氣放療的研究發現，盡管外部指標顯示呼吸運動在3 mm 以內，但仍有部分患者能觀察到明顯的內部靶點運動，存在隨機的殘存運動[14-15]。Lens 等[13]的研究顯示，在屏氣過程中器官仍有移動，腹部放療使用呼氣屏氣并延遲至屏氣10 s 后開始照射可能更好。使用屏氣技術對患者呼吸功能要求高，可能會增加治療時間，在臨床中應用并不廣泛。如果應用此技術，應對患者進行個體化評估，選擇最佳的屏氣技術來進行放療計劃和治療[1]。

3 強制淺呼吸技術

強制淺呼吸技術最初是由斯德哥摩爾卡羅林斯卡醫院的Lax 等[16]為立體定向放射治療肺癌而開發的，現在用于多種部位的腫瘤。強制淺呼吸一般通過對患者腹部施加壓力使患者保持淺呼吸，限制膈肌在顱尾方向的運動幅度而限制呼吸誘導的器官運動。應用腹部壓迫的兩種常見固定裝置是Bodyfix 系統和腹部加壓鋼板，雖然兩者在減少同一分次中的腫瘤運動方面沒有顯著差異，但后者更舒適，在減少呼吸道腫瘤的顱尾運動和整體運動方面更好[17]。研究顯示腹部壓迫可以降低肝臟、胰腺、腎臟的運動[18-20]，也可以降低胃腸道的受照劑量[21]，同時有顯著降低小腸不良反應發生率的趨勢。俯臥位治療也能夠限制腹部呼吸的幅度，減少腹部器官的運動，特別是顱尾方向的運動。Li 等[22]發現直腸癌俯臥位放療患者的小腸運動明顯低于仰臥位，并且其正常組織并發癥發生率更低。與屏氣技術比較，強制淺呼吸技術將患者的自主呼吸控制轉為被動控制以達淺呼吸，在臨床上實施起來相對較為容易。

4 呼吸門控技術

幅度門控和相位門控是兩種常見的呼吸門控技術。呼吸門控技術是采用紅外線或其他方法來監測呼吸運動，只有當目標器官移動到預定的位置時才能開啟射線束進行照射。與屏氣技術不同，使用呼吸門控技術時患者保持正常呼吸，其屏氣的負擔被轉移到治療機上，因此這種方法對患者來說相對容易。在一個呼吸周期內，門控的位置和寬度是通過監測患者的呼吸運動，使用外部或內部標記來確定的，但基于外部替代信號的門控可能不準確。Poulsen 等[23]發現使用門控能降低靶區在任意方向上最大運動的平均誤差，能增加劑量傳遞的穩定性，并提出即使存在大范圍運動也能使CTV 獲得較高劑量，減少正常組織受照劑量。門控選擇的窗口通常以末端呼氣為中心，因為這個階段呼吸是最穩定的。陳子印等[24]發現利用呼吸門控技術選擇呼氣末3 個連續呼吸時相進行靶區勾畫較全時相縮小了靶區的體積，并能降低OAR 的受照劑量。Grootjans 等[25]提出一種基于幅度的最優呼吸門控算法，在胸部和上腹部的PET 成像中，它能消除呼吸引起的運動偽影，提高影像質量。呼吸門控對患者無呼吸方面要求，但需配備實時監控和同步放療系統，對設備要求高，目前正在臨床實際應用中推廣。

5 實時運動跟蹤技術

由于人的呼吸運動并不能夠嚴格重復，所以每次治療時靶區及周圍OAR 的位置不能達到與影像定位時完全一致。理想情況下，實時運動跟蹤技術能夠在治療期間準確有效地定位運動中的目標靶區或器官，并實時反饋給治療系統以適當調整射線束，從而減少周圍OAR 的照射。實時定位是實時運動跟蹤技術的重要過程，MV 成像儀、KV 成像儀、MV/KV 聯合成像系統、立體成像儀和EM 應答器等均可用于腹部放療實時確定器官位置[26-29]。一些文獻也報道了幾種實時跟蹤并調整射線束的方式，Cyberknife 系統可以使用外部或內部替代物來連續跟蹤不同器官同一分次中的運動，其成像系統在放療期間生成實時影像，并與計劃CT 生成的數字重建X 線片進行比較，同時根據圖像匹配結果產生的信號，調整治療床的位置以調整射線束，目前已被用于肺癌、肝癌、胰腺癌等腫瘤的立體定向放射治療中[30-32]。萬向直線加速器系統（Vero）也能減少治療中呼吸運動帶來的影響，Park 等[33]使用Vero 系統的體部立體定向放射治療（stereotactic body radiation therapy，SBRT）追蹤肝臟腫瘤的治療情況，發現與運動包括技術的計劃比較，使用跟蹤計劃的CTV和PTV 顯著減少了39.9%和35.2%，正常肝組織受照劑量顯著降低，同時病灶縮小，治療效果良好。動態多葉準直器（dynamic multileaf collimator，DMLC）跟蹤通過在放療中使用DMLC 連續對準和調整治療機孔徑，以實時跟蹤靶區運動。這一方法最早是由Keall 等[34]提出，他們證明了調強放療可基于DMLC 進行實時追蹤。此外，治療床跟蹤技術也能實時跟蹤腫瘤運動。Zhang 等[2]通過使用多葉準直器或治療床的主動校正進行實時腫瘤跟蹤，減少了由于運動引起的劑量傳遞誤差。隨著放射治療技術的發展，使用實時運動跟蹤技術已經成為現代精準放療的不二選擇。

6 小結與展望

隨著放療技術的發展，器官呼吸運動管理技術也在不斷進步，通過這些技術可以提高腹部放療的精確度。由于患者之間存在個體差異，應為每個患者選擇最佳的個體化呼吸運動管理技術。臨床中將幾種呼吸管理技術相結合，能達到更好的治療效果。與屏氣、強制淺呼吸技術比較，使用呼吸門控及實時運動跟蹤技術，患者的舒適度更高，更容易被接受。運動包括技術是最基本也是最常用的技術，其通過擴大器官邊界以達到包含相應器官全部運動的目的，但腹部器官眾多且運動復雜，合理的邊界仍需進一步探索。