在肺癌粒子治療中主動呼吸控制技術與呼吸門控技術頭腳方向穩定性分析

謝文波，李永強

1.上海市質子重離子醫院 放射物理科，上海 201321；2.上海市放射腫瘤學重點實驗室，上海 200032；3.上海質子重離子放射治療工程技術研究中心，上海 201321

引言

呼吸運動是肺癌患者放療過程中不可忽視的因素[1]，影響放療中腫瘤的位置。為提高放療的精準性，在肺癌患者定位與放療中需考慮呼吸運動造成的影響[2]。在常規光子放療中，為確保肺部腫瘤靶區處方劑量能夠都較好地覆蓋，計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）由臨床靶區外擴1～2 cm 所得[3]，PTV 過大會使正常組織處于高劑量區域，增加肺的照射總體積，從而增加放射副反應的發生概率[4-5]。而粒子因有布拉格峰這獨特的物理特性，可確保靶區劑量情況下，減少肺的照射總體積。目前，臨床上常用的減少呼吸運動影響的方法主要有腹部壓迫技術、主動呼吸控制（Active Breathing Coordinator，ABC）技術、呼吸門控（Respiratory Gating，RG）技術及同步動態追蹤技術等[6-10]。

我院粒子設備使用的是筆形束掃描技術，該技術缺點是對有位置變動的器官很敏感，會因照射點位置誤差帶來較大的劑量誤差[11-12]?；谙嚓P文獻可知，采用門控技術可解決呼吸運動對劑量分布的影響，減少正常組織的照射劑量[13-14]。在粒子治療中使用ABC 技術或RG技術可減少呼吸運動對靶區劑量分布的影響，確保粒子治療的精準性。本研究通過回顧性研究分析在肺癌粒子治療中，使用ABC 與RG 技術的腫瘤位置頭腳方向的偏差值，明確兩種技術在頭腳方向的穩定性，為肺癌的粒子治療提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取本院進行粒子治療的肺癌病例共40 例為研究對象，均為仰臥體位，其中20 例使用ABC 技術，20 例使用RG 技術。ABC 組均為男性，平均年齡為67.2 歲，中位年齡為64.5 歲；RG 組為12 男8 女，平均年齡為62 歲，中位年齡為63 歲?；颊呷朐褐?，醫生根據呼吸評估確定采用何種技術配合粒子治療。

1.2 研究方法

1.2.1 ABC原理

本研究使用的ABC 裝置為瑞典醫科達（Elekta）公司生產。工作原理：當手柄被按下時，會有反饋信號反饋到計算機控制部分，監測呼吸流量是否達到閾值，若達到則控制球囊閥門充氣，阻斷通氣管道。松下手柄，則通氣管道開通。同時所使用的ABC 設備均進行常規的QA 校準，要求吸氣3 L，偏差在0.5%以內。

1.2.2 ABC控制下，患者閾值與屏氣時間的設定

先由治療師對患者進行講解，使其熟悉ABC 相應的操作。之后打開ABC 設備，讓患者躺在CT 床上按住手柄按鈕深吸氣后屏住，觀察并記錄患者所能吸氣的最大值與屏氣時間，重復數次后，通過所記錄的數據設定相應合適的閾值（1.1～1.3 L）與時間（通常為20～30 s）。

1.2.3 RG原理

本研究使用的RG 裝置為AZ733V.LNK（Anzai Medical，日本)，工作原理：將感應器用綁帶綁在患者腹部位置，患者正常呼吸過程中感應器將信號反饋到計算機控制部分，通過監測感應器所受壓力的不同，將患者的呼吸實時有效地在電腦顯示屏中顯現出來。同時所使用的RG 設備均進行常規的質量保證（Quality Assurance，QA）校準，要求在QA 模式下，在感應器上放置配套的QA 砝碼，呼吸門控接口盒的顯示燈為綠燈狀態。

1.2.4 窗口設定

RG 窗口通常設定為EX20-IN20（呼氣末20%至吸氣初20%）。

1.2.5 患者呼吸評估

評估時讓患者與制模時的體位一致，均采用仰臥體位。在ABC 控制下患者按住手柄按鈕緩緩深吸氣后達到閾值屏住呼吸，在Varian 模擬機透視下觀察患者橫膈的穩定性，檢查是否存在漏氣行為。重復數次，直至患者能夠熟練地配合；在RG 技術控制下，在Varian 常規模擬機下透視觀察患者呼吸膈肌運動是否與電腦顯示的呼吸曲線一致，同時觀察呼氣末的膈肌位置是否固定。若觀察呼吸曲線一致，則確定該患者在粒子治療時可適用RG 技術。

1.2.6 模擬定位與實施

使用西門子CT（Somatom Definition As，Siemens，德國）對患者掃描時，采用真空袋或真空袋+無網格熱塑膜固定體位。在ABC 控制下，患者深吸氣達到閾值后屏住呼吸行定位CT 掃描，層厚為3 mm，并將圖像導入計劃系統；在RG 控制下，對患者進行4D-CT 掃描，層厚為3 mm，掃描后根據呼吸曲線將圖像重建為11 個時相，EX100，EX80，……，0，IN20，……，IN100。其中0 代表呼氣末，EX100（IN100）代表吸氣末，并將EX20、0、IN20 三個時相進行平均重建新的平均融合圖像（Average EX20-IN20），同時將所有圖像導入計劃系統。

1.2.7 ABC技術或RG技術在粒子治療應用

對肺部腫瘤患者進行粒子治療，使用ABC 技術患者按下手柄吸氣后潮氣量達到設定閾值屏住呼吸（圖1a），束流引出進行治療，當松開手柄正常呼吸潮氣量低于設定閾值則中斷束流，反復數次直至該次治療結束；使用RG 技術患者用配套綁帶將感應器固定于腹部呼吸動度較大處，通常將RG 束流窗口設定為呼氣末20%至吸氣初20%（EX20-IN20）（ 圖1b），患者正常呼吸，由系統自動在EX20-IN20 呼吸窗口引出束流進行治療，超過該窗口則中斷束流，反復數次直至該次治療結束。

圖1 使用ABC技術的界面（a）和使用RG技術界面（b）

40 例病例均為肺癌患者，采用仰臥體位，20 例使用ABC 技術，20 例使用RG 技術，治療期間對40 例病例進行CT 掃描共計120 次。使用ABC 技術的病例在吸氣達到設定閾值屏住呼吸狀態下掃CT 并重建，與相同狀態下的定位CT 圖像在肺窗下進行腫瘤位置頭腳方向位移值比較并記錄數據；使用RG 技術的病例選擇在呼氣末20%至吸氣初20%的時相重建的平均CT 圖像，與呼氣末20%至吸氣初20%的時相重建的定位CT 圖像在肺窗下進行腫瘤位置頭腳方向位移值比較，并記錄數據；兩種情況中分別隨機選取8 位病例進行CT 掃描后進行重建后劑量評估，記錄PTV 的V95數據；最終對收集數據進行誤差均值、絕對誤差均值、離散度t檢驗雙樣本異方差分析，數據用±s表示，以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

40 例病例配合良好，使用ABC 病例在吸氣后屏住呼吸均可在設定閾值上，且無漏氣行為；使用RG 病例呼吸平穩，沒有大幅度的吸喘氣現象，呼吸曲線變化幅度小。

ABC 組與RG 組頭腳方向的腫瘤位置偏移（含正負值）誤差均值（圖2）分別為（-0.05±0.07）cmvs.（-0.05±0.31）cm，無統計學意義（P＞0.05）。

圖2 ABC組和RG組頭腳方向的腫瘤位置偏移誤差均值

ABC 組與RG 組在頭腳方向腫瘤位置偏移絕對值誤差均值（圖3）為（0.10±0.04）cmvs.（0.34±0.17）cm，具有統計學意義（P＜0.001）。

圖3 ABC組和RG組在頭腳方向的腫瘤位置偏移絕對值誤差均值

ABC 組與RG 組在頭腳方向的離散度（圖4）為（0.08±0.03）cmvs.（0.23±0.15）cm，有統計學意義（P＜0.001）。

圖4 ABC組和RG組頭腳方向的腫瘤偏移值離散度（可體現兩種技術在肺癌粒子治療的穩定性）

根據數據分析，使用ABC 或RG，在治療期間CT圖像與定位CT 在相同狀態下的圖像對比，其位移值正負占比以及分別在各區間占比如表1 所示（其中位移值為正，代表治療期間CT 圖像與定位CT 圖像椎體配準好的情況下，腫瘤位置高于定位CT 時；位移值為負，則代表腫瘤位置低于定位CT 時）。

表1 使用ABC或RG技術，治療期間CT圖像與定位CT比較，其位移值正負占比以及各區間占比（%）

使用ABC 或RG 技術治療期間，其中8 位患者進行CT 掃描后的劑量重建評估，其PTV 的V95離散度為（1.95%±1.3%）vs.（0.61%±0.45%），差異具有統計學意義（P=0.015），見圖5。

圖5 使用ABC與RG兩種技術PTV的V95離散度對比

3 討論

在肺癌粒子治療中，呼吸運動是引起靶區運動的主要原因[15]，也是整個粒子治療中最大的不確定性因素。其中呼吸運動造成的頭腳方向的位移遠大于其他方向[16]，根據相關研究表明，在平靜呼吸下，肺部腫瘤在頭腳方向的動度可超過2 cm，因此需有限制呼吸運動引起腫瘤位置移動的措施[17-18]。目前粒子治療常用限制呼吸運動影響的方法有ABC 與RG 技術。而在肺癌粒子治療中，醫生勾畫靶區的外擴邊界通常為5 mm，本研究中ABC 與RG 技術均符合該部位腫瘤粒子治療的標準。

在常規光子治療中，使用ABC 或RG 技術所做的計劃與自由呼吸狀態下所做的計劃比較，其內靶區、計劃靶區體積更小，95%計劃靶區接受的劑量更高，正常肺組織接受高于5 Gy 和20 Gy 的體積百分比，雙肺的平均劑量更小[19]。同時ABC 技術離散度與絕對值誤差均值變化較小，可說明使用ABC 技術肺部體積變化較RG 技術小，這有利于靶區劑量的穩定，更好地保護正常肺組織，提高腫瘤照射劑量，這與張小妮[20]的研究可相互印證。綜上可知，ABC 技術在肺癌的粒子治療中頭腳方向的穩定性優于RG 技術，且在劑量學方面也有相應的優勢。

雖ABC 穩定性優于RG 技術，且劑量學方面有優勢，但在實際應用中，ABC 并不適用于所有患者，因此RG技術可作為ABC 的一個補充。ABC 優點：正常情況下能夠將呼吸控制得更加穩定，可確保吸氣屏氣后的肺體積變化小[21]，束流治療區域穩定；對中下肺葉病灶有明顯的幾何學與劑量學優勢[22]。ABC 缺點：操作較RG復雜，需對患者進行必要的呼吸訓練；對治療患者的肺功能有一定的要求[23-24]；使用的ABC 裝置對體位有要求，正常只能仰臥體位；患者吸氣量有可能因呼吸訓練而發生變化，從而造成肺體積變化[22]。RG 優點：對患者肺功能要求較低[25]；患者體位無要求（仰臥，俯臥均可）。RG 缺點：受感應器綁帶以及相關放大倍數等因素影響；設置的RG 窗口為EX20-IN20（呼氣末20%至吸氣初20%），因此無法確保束流在每個呼吸內照射在同一層肺部腫瘤上。

本研究的局限性在于使用的RG 技術是將壓力傳感作為輸入信號而獲得呼吸數據，這些數據反映了患者胸部或者腹部表面的運動，有相關研究報道患者的外部呼吸運動與腫瘤的內部呼吸運動是存在差異的[26]。因此應用于肺癌的RG 技術，可考慮將呼吸潮氣量作為輸入信號，使得獲得的呼吸數據更加準確。同時，在本研究中未考慮分次內的穩定性，后續可研究ABC 與RG 在肺癌粒子治療中分次內的穩定性。

4 結論

ABC 與RG 技術頭腳方向的穩定性符合肺癌粒子治療的標準，ABC 技術頭腳方向的穩定性優于RG 技術，且在劑量學方面也有一定的優勢。本研究為肺癌粒子治療提供參考，醫生可綜合考慮患者與臨床實施情況來制定個性化的呼吸管理措施以減少呼吸運動導致的劑量差異的影響，確保粒子治療的精準性。