光學表面監測系統引導實現左側乳腺癌深吸氣屏氣治療臨床應用及評估

張光偉，鐘鶴立，吳何茍，劉劍鋒，張定，楊東，樊娟，李彬，徐廣然

深圳市人民醫院（暨南大學第二臨床醫學院，南方科技大學第一附屬醫院）腫瘤放療科，廣東深圳518020

前言

左側乳腺癌自由呼吸狀態下進行放射治療的作用可能會被心臟毒性部分抵消［1‐2］。放射治療導致的相關心臟疾病一直是左側乳腺癌患者的一個問題［3］，系統治療可能會放大這種風險［4‐5］。深吸氣屏氣（Deep Inspiration Breath Hold, DIBH）技術使心臟向下、后方移動，既保證了靶區組織的覆蓋，也顯著降低了偶然心臟照射的風險［6‐7］。DIBH 被認為是影響左乳腺癌術后放療后總生存率的主要因素之一［8］。

SGRT（Surface Guided Radiation Therapy）是以光學體表監測系統（Optical Surface Monitoring System,OSMS）引導的放射治療。本研究通過OSMS 引導實現左側乳腺癌DIBH 治療，分析擺位時間和CBCT（Cone‐Beam Computed Tomography）圖像配準靶區與心臟位置的準確性，以評估其實際臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 患者資料

選取2020年8月至2021年1月深圳市人民醫院腫瘤放療科30 例左側乳腺癌保乳術后患者，平均年齡43.4 歲（32～51 歲），無基礎心臟病史，KPS 評分≥90，既往身體健康，無其他合并癥。

1.2 臨床工作流程

1.2.1 醫生初步篩選左側乳腺癌患者，腫瘤位于中下側、靶區距離心臟近者為首選；肺功能良好，無呼吸障礙；胸式呼吸，DIBH時間大于35 s；患者能配合，無溝通障礙。

1.2.2 呼吸訓練醫生接診后至CT 模擬定位之前，通過視頻教學引導患者進行有效的呼吸訓練。患者平躺，手臂上舉抱頭，用鼻子吸氣以保證胸式呼吸，主要利用胸部肋間肌肉的力量進行DIBH，腰背和手臂放松，不可抬背挺腰。反復呼吸訓練可增加穩定屏氣時間。

1.2.3 CT 模擬定位定位開始前評估患者呼吸訓練效果以作進一步篩選，包括屏氣時長、是否胸式呼吸、屏氣量以及屏氣的重復性等。定位過程中患者全程自主屏氣。所有患者均采用真空墊結合翼型板的方式進行體位固定，真空墊不可過緊，以免影響患者屏氣到自由呼吸間的體位回復。屏氣與自由呼吸在等中心位置的前后方向變化大于0.8 cm 為佳。體表以激光紋身點做標記，一套自由呼吸（Free Breath‐ing, FB）位置標記，一套DIBH 位置標記，鉛點貼在DIBH 標記中心。先掃描FB 狀態CT 圖像，囑患者DIBH 并確認與標記重合后掃描DIBH 狀態CT 圖像。采用SIEMENS 公司的SOMAETOM Definition AS CT模擬機，120 kV，135 mAs，層厚3 mm。

1.2.4 治療計劃設計靶區勾畫和計劃設計在DIBH CT 圖像上進行，評估心臟受量以做最后篩選。采用3DCRT+IMRT 混合治療技術，6 MV，600 MU/min。導出3 個文件到DICOM，1 個治療計劃RT plan，2 個CT（FB和DIBH）體表外輪廓RT structure。

1.2.5 治療在OSMS 工作站上依次導入1 個RT plan和2 個RT structure（FB 和DIBH），再重復導入一次DIBH 外輪廓作為監控體表，通過對FB 和DIBH 體表SSD 的測量判斷是否導入錯誤，DIBH 體表SSD 數值應小于FB體表。依次勾畫感興趣區（ROI），見圖1。

圖1 不同體表及ROI勾畫Fig.1 Different body surface and ROI profiles

患者首次治療依據FB 體表標記擺位，指導正確的屏氣后（與DIBH 體表標記重合），抓取當前屏氣體表作為監控體表，用以引導CBCT掃描屏氣。選擇頭部掃描條件（機架旋轉200°，約35 s），床不置中，掃描從180°開始逆時針到340°結束（避免機頭和打開的CBCT 影像系統遮擋攝像單元從而無法引導屏氣）。OSMS 顯示前后（Vertical）方向在±0.05 cm 以內開始屏氣掃描。軟組織自動配準后治療師手動手術夾配準，記錄配準誤差數據。如需修正床值，移床前先讓患者屏氣，在一次屏氣內完成移床、拍攝監控體表和DIBH 擺位體表，待患者放松后拍攝FB 擺位體表。新拍攝的體表將作為后續治療的參考體表。治療中每次屏氣保證Vertical 方向在±0.05 cm 以內，OSMS監測到六維誤差超過設定閾值（±3 mm；±3°）時，控制加速器立刻停止出束。后續治療擺位先以FB擺位體表引導擺位，利用“Move Couch”自動擺位功能一鍵修正床值，再以DIBH 擺位體表引導，患者屏氣后Vertical 方向在±0.05 cm以內時再次使用“Move Couch”，然后拍攝新的監控體表，用以引導CBCT 掃描或治療中的屏氣。每次CBCT 驗證并修正床值后均需拍攝新的參考體表。

1.3 數據收集和分析

共得到277 組CBCT 掃描靶區配準誤差數據，每組數據包括左右（x）、頭腳（y）、前后（z）方向平移誤差和Rx、Ry、Rz 方向旋轉誤差。在配準好的影像上再以心臟為目標三維平移方向手動匹配，得到的數據與靶區誤差數據相減即為心臟位置的誤差數據，共277 組。此配準由同一治療師完成以減少誤差。共記錄450個擺位時間數據，擺位時間定義為從患者接觸治療床至CBCT 掃描前或加速器出束前（無CBCT掃描分次）。采用SPSS 25.0軟件進行數據分析，計量數據用均數±標準差表示。

2 結果

2.1 擺位誤差結果

絕對擺位誤差在x、y、z平移方向和Rx、Ry、Rz旋轉方向分別為（0.11±0.08）、（0.14±0.11）、（0.13±0.10）cm和（0.79±0.66）、（0.69±0.57）、（0.73±0.64）°。圖2和圖3分別為平移及旋轉誤差分布散點圖。

圖2 CBCT靶區配準平移誤差分布散點圖Fig.2 Scatter plot of translation error distribution after CBCT registration for target areas

圖3 CBCT靶區配準旋轉誤差分布散點圖Fig.3 Scatter plot of rotation error distribution after CBCT registration for target areas

2.2 心臟位置誤差結果

心臟位置在x、y、z方向平移誤差分別為（0.01±0.30）、（0.05±0.34）、（0.01±0.09）cm。誤差分布散點圖見圖4。

圖4 心臟位置誤差分布散點圖Fig.4 Scatter plot of translation error distribution of cardiac position

2.3 擺位時間結果

共記錄450 個擺位時間數據，擺位時間均值±標準差為（4.1±1.2）min。

3 討論

左側乳腺癌DIBH 放療技術在不影響靶區劑量覆蓋的情況下，可明顯降低心臟、冠脈左前降支和肺的受量，減少放療后不良反應的發生，前提是精確的擺位和良好的屏氣重復性［9‐10］。目前主流的呼吸門控 和DIBH 技術包括：ABC（Active Breathing Control）、RPM（Real‐time Position Management）、SGRT 等。ABC 通過氣泵閥門主動控制肺的吸氣量［11］，但僅保證每次屏氣的可重復吸氣量，而不驗證胸腔位置，患者可采用胸式或腹式呼吸，并可進行非呼吸相關的運動［12］。且因為是強迫屏氣，對大多數患者來說不舒服［13］。Zellars等［14］觀察到ABC 未能預防左乳腺DIBH 放療導致的心臟灌注損害。RPM 通過單臺紅外攝像機監測置于患者劍突附近的基準盒形成呼吸曲線［15］，但有研究發現RPM 單獨應用可能不足以定義DIBH 水平，原因是RPM 僅進行單一表面點的2D 監測以及對呼吸基線的相對測量［16‐17］。Laaksomaa 等［18］報道基于紋身的RPM 研究中，頭腳方向高達4.4 mm 的等中心隨機誤差。OSMS 通過多臺攝像機實時獲取患者體表信息，形成體表輪廓，與參考輪廓進行實時匹配，可用于引導擺位和治療監控，治療中患者六維位置誤差超過設定閾值時，加速器即刻停束，保證治療安全。SGRT 替代標記擺位，可提高擺位準確性和DIBH位置重復性［19‐21］。因為它考慮的是體表的很多個點，而不是1 個或幾個點，因此它可以評估目標位置的線性和旋轉的變化，同時，追蹤的表面是目標的一部分而不是替代物［22］。

SGRT 技術可提高擺位精度和擺位速度，增加舒適度［23‐25］。Hamming 等［26］報道通過SGRT 引導，左乳腺DIBH 實現5 mm 以內的位置誤差，且SGRT 技術可以額外獲得患者位置信息，而ABC 不能。Laaksomaa 等［27］研究結果顯示殘差3 mm 以內，光學體表引導的左乳腺DIBH 可以大幅降低IGRT 次數。Zagar 等［28］利用放療后早期影像學改變判斷心臟損傷，通過對20例光學表面引導的左乳腺DIBH患者放療前和放療后6 個月SPECT 掃描比較，無一例出現心臟灌注損害。本研究以OSMS 引導實現左側乳腺癌DIBH 放療技術，OSMS 實時監控體表變化，治療中與患者呼吸相關或不相關運動導致的六維位置誤差超過閾值（±3 mm；±3°）時，加速器即刻停束，保證治療安全，且因患者全程自主屏氣，舒適度較高。研究結果顯示很高的靶區精度，而較小的心臟位置變化則反映出治療中屏氣與CT 模擬定位屏氣有良好的重復性。

呼吸門控技術實施的重點是嚴格的患者篩選和有效的呼吸訓練。在本技術應用流程中，醫生接診時的初步篩選、CT 模擬定位時的篩選以及物理計劃評估時的篩選都是非常重要的步驟。通過有效的視頻教學引導和反復的自主屏氣訓練，能增加患者屏氣的穩定性和重復性，也能提高屏氣時間，減少治療時的屏氣次數。呼吸訓練的另外一個重點是引導患者進行胸式呼吸。OSMS實時監測患者體表，其引導的DIBH 放療技術主要依賴FB 和DIBH 時兩個體表輪廓的差異。胸式呼吸導致胸廓前后、左右方向明顯變化，FB 與DIBH 體表差別明顯，且DIBH 使心臟遠離左胸壁，能更好地保護心臟。腹式呼吸則主要表現為上下方向的改變，DIBH 時心臟位置在前后方向上的改變較胸式呼吸大大降低，且此時FB 與DIBH 體表不會有太大差異，OSMS 在引導擺位和監控時難以辨別。

患者CT 模擬定位時，真空墊塑形不可過緊，建議松緊度為手指可于兩側腋下與真空墊內緣之間較輕松通過，以便于患者多次屏氣之間的體位回復，否則將影響治療流程。對FB 和DIBH 兩套體表進行SSD 測量可判斷體表導入是否有誤，避免臨床差錯，為必不可少的質控環節。

一次屏氣完成CBCT 掃描可以保證掃描圖像的質量，因此選擇頭部條件進行掃描，機架只需旋轉200°，約35 s。由于頭部條件掃描直徑限制（最大直徑為26.3 cm），掃描的圖像可能不能涵括全右側胸腔，但不影響左側乳腺靶區和心臟的配準。需要注意的是，圖像配準后如需修正床值，需在移床前屏氣，否則移床后體表位置改變，OSMS 無法引導正確的屏氣。

保證治療中屏氣與定位屏氣的重復性是本技術應用的重點，這關系到對心臟等危及器官的有效保護，因此要求患者的每次屏氣均得到準確的引導。在本技術應用流程中，患者首次擺位時，重復確認患者屏氣狀態下與體表DIBH 標記重合后采集新的監控體表以引導后續屏氣，后續每次屏氣均要求OSMS工作站上的Vertical方向誤差在±0.05 cm 以內以保證屏氣重復性。DIBH 擺位體表ROI 僅包括靶區范圍以保證靶區精度，因此僅在CBCT驗證并移床后才采集更新，但治療實施中機架旋轉到一定角度遮擋部分攝像單元會導致監測數據出現跳動從而影響治療，因此需增加一個監控體表。監控體表ROI擴大到對側乳腺，出現遮擋時也不影響監測，每次擺位結束后或CBCT驗證并移床后均采集新的監控體表，這樣既保證了擺位精度，也能準確地引導患者的屏氣。

本技術應用中，治療擺位需分兩個步驟完成，分別是FB 擺位與DIBH 擺位，流程較為復雜。OSMS的“Move Couch”自動擺位功能可輕松地將患者移到等中心位置，治療擺位時僅需手動調整患者3個旋轉方向±2°以內，移動治療床使3 個平移方向±2 cm 以內，利用“Move Couch”功能一鍵使患者體位移動到OSMS實時匹配的正確位置，此時六維監測數據均接近于0，既提供了很好的擺位精度，也可節約擺位時間。本研究結果顯示擺位時間為（4.1±1.2）min，是臨床可以接受的。

盡管本研究顯示心臟位置誤差均值較小，但仍有個別治療分次心臟位置在X 軸或Y 軸方向有較大誤差，可能是由屏氣量的誤差所導致。因此，本技術的臨床實施要求嚴格的患者篩選和呼吸訓練以及放射治療師對治療流程的嚴格把控，以期獲得最好的臨床應用效果。

4 結論

左側乳腺癌DIBH 放療技術可將心臟向下、后方推移，遠離放療靶區，減少心臟受量。基于OSMS 引導實施左側乳腺癌DIBH 放療實現了較好的靶區和心臟位置準確性，OSMS的自動擺位功能可幫助提高擺位精度、減少擺位時間。