呼吸控制技术在肺部肿瘤精确放射治疗中的应用

作者              作者单位

伍锐   南方医科大学生物医学工程学院，广州 510515

陈超敏 南方医科大学生物医学工程学院，广州 510515

The Study on Breathing-control Technique Used

in Lung Tumor Accurate Radiation TherapyWU Rui, CHEN Chaomin

(School of Biomedical Engineering , Southern Medical University , Guangzhou 510515)

Abstract：To overcome the adverse effects on precise tumor irradiation caused by respiratory movement, During the course of radiotherapy,a variety of breathing-control techniques is utilized to limit the range of tumors′ respiratory movement, reduce the maximum displacement of tumor in each breathing period as far as possible, practice has proved that these several methods can improve the treatment gain of the tumors.The advantage and disadvantage during these several existed methods of respiratory control on the base of positively tracking the latest related articles at home and abroad are compared and how to carry out the process of respiratory tumor movement displacement error compensation technology is introduced.

Key words：Breathing movement;Precise radiotherapy;Therapeutic gain ratio ;Respiratory control;Displacement error compensation

1 引 言

肿瘤精确放射治疗技术的基本要求是对肿瘤最终疗效达到“三高一低”，即高精度、高剂量、高疗效和低损伤，实现被照靶区高剂量照射的同时又使靶区周围正常组织器官尽量免受不必要的照射，最大程度地提高肿瘤的治疗增益比[1]。然而，肺部器官的呼吸运动导致了肺部肿瘤也发生同步的呼吸运动，这样肺部肿瘤在整个照射治疗的过程中，会相对照射野的静止位置发生不断的偏移，在运动范围较大的情况下，肿瘤位置可能会超出放疗计划内所制定的照射区域。如果患者在自由呼吸的情况下直接做肺部肿瘤的放疗，最终疗效与预期疗效会相差甚远。为了克服呼吸运动对肿瘤放疗产生不利的影响，呼吸控制技术在肿瘤放疗领域中得到应用和推广，经过几十年来的不断发展完善，这门技术已经成为提高动态肿瘤治愈率、减少周围正常组织并发症的重要手段。

2 目前呼吸控制技术方法及存在的问题

到目前为止，常用的呼吸控制技术有：被动加压技术、深吸气后屏气技术( deep inspiration breath-hold ,DIBH)、主动呼吸控制技术 ( active breathing control ,ABC)、呼吸门控技术、实时跟踪放射技术、慢速CT扫描、呼吸运动补偿技术等。

2.1 被动加压技术

应用各种装置对体位进行固定并对胸腹部采用加压的方法，来限制肺部、膈肌等的运动幅度，从而减少肺部肿瘤的运动幅度。例如，瑞典Elekta公司推出的全身立体适形体架系统是国内外普遍采用的立体定位框架，该系统主要组成部分有：真空成形袋、CT定位框架、激光指示器和膈肌压盘[2]。该装置不仅能固定体位，还可以减小膈肌运动幅度从而减少肿瘤动度。Herfarth[3]等也报道了采用膈肌压盘限制呼吸运动的效果 ,该方法可使膈肌运动范围降低到 3～13 mm(平均 7.3 mm) 。Negoro[4]等用X线透视来观察肿瘤动度，当肿瘤运动范围超过5 mm时就对腹部进行加压，使肿瘤的运动范围从8～20 mm 降到2～11 mm(P=0.0002)。被动加压技术简单易行，不足之处是此方法精度较差。

2.2 深吸气后屏气技术

深吸气后屏气 ( deep inspiration breath-hold ,DIBH)技术是属于最简单的呼吸运动控制方法，要求患者在治疗前深吸气，然后在加速器出束照射过程中屏气并一直保持到治疗结束，运用DIBH方法虽然不能使被照肿瘤保持绝对静止但至少可减少其动度。实践证明，在治疗中运用DIBH方法与患者在自由呼吸状态下进行放疗，这两种情况相比，前者能够减少靶区的外放边界，增加治疗的准确性。Rosenzweig等[5]应用DIBH技术后放疗总剂量为69.4～87.9 Gy,并有效减少了正常组织的受照体积,与自由呼吸状态下同样方法治疗相比,NTCP明显下降,并且没有一个患者因为急性放射性损伤等并发症而中断放疗。此外，在放疗模拟定位阶段即CT扫描的过程中，应用DIBH技术也能适当减少正常肺组织被划进放疗靶区范围的体积。Hanley等[6]对5例非小细胞肺癌患者进行了实验，分别在自由状态和深吸气后屏气下进行CT扫描，重建图像后再勾画靶区，结果发现，与自由呼吸状态的情况相比，在DIBH下靶区内接受大于 25 Gy 剂量的正常肺体积减小了30 %。DIBH技术能够减小肿瘤运动幅度，并降低了肺组织密度,从而减少了高剂量曲线内正常肺组织的受照射体积，可以降低正常组织并发症(NTCP)。DIBH技术的不足之处是要求患者屏气的过程持续较长的一段时间，进行治疗时通常要坚持到1 min左右。这对于某些肺部呼吸功能不很健全的患者来说，不太容易实现，因为功能残气量的不足导致某些患者不可能在屏气下坚持太长时间。因此，DIBH技术并不适合所有的患者，而只适合那些肺部功能比较健全的患者使用。

2.3 主动呼吸控制技术(ABC)

此技术亦是近几年研究的热点，Wong[7]等首次报道了利用ABC可减少肺部肿瘤靶区与呼吸运动相关的外放边界。ABC装置由两对呼吸流量监测器和活瓣组成，患者通过嘴与整套装置相连接，装置又与微机系统相接可以进行数据传递。患者的呼吸信号可以由ABC装置持续监控并通过计算机数字化处理后在显示屏上显示，由此即可以实时观察患者的肺活量变化，当肺活量在吸气或呼气相超过设定值的时候，两对活瓣关闭从而制动患者呼吸，然后在此制动期进行放疗。应用ABC技术也能有效减少正常肺组织照射体积，靶区中心位移亦能明显减少，并且患者不需要一次性屏气很长时间，通过实时监控能使治疗出束时间把握得很准确。但本技术的缺点在于每次呼吸控制前，因患者的功能残气量不同、重复吸气控制造成疲劳以及肺肿瘤患者多伴有呼吸系统症状而致耐受性较差。

2.4 呼吸门控系统(RGS)

应用RGS患者能自由呼吸，通过监测外置的或置于肿瘤中的标志物的运动，使患者呼吸或肿瘤位置处于某一特定范围时，开始实施照射。RGS的最大好处是患者在治疗中可以自由呼吸，Miohara[8]等应用门控技术治疗了150多例肺癌和肝癌患者,发现利用此技术可以使靶区外放边界减少到 5～10 mm。此技术监测呼吸时相的方法是在患者的胸部或腹部放置反映性的标记物，这些标记物的运动过程就可以被安置在墙上的视频摄像机记录下来，摄像机再将图像传到计算机，然后软件对标记物运动进行数字分析并储存起来，标记物到达某一位置其运动信号就成为促发放疗的“开关”。此技术的缺点在于对肿瘤的运动监控采用的不是直接的方法，而是采用间接的手段，通过跟踪患者体表所放置标志物的运动情况来代替体内肿瘤的实际运动状况，鉴于呼吸运动的复杂性，肿瘤运动和外部监控信号在时间、空间上很难保持一致，这样会造成对获取肿瘤实际运动信息产生一定的偏差。

2.5 实时跟踪放射技术

治疗前将金粒植入患者肿瘤内或附近，用诊断型X线机进行实时跟踪放疗，再由肿瘤放疗医生根据正常危及器官与肿瘤的距离和剂量体积直方图( dose volume histogram , DVH)所确定的金粒允许偏离范围来确定是否出束照射，治疗时诊断用X线系统以每秒30帧图像的速度进行监控 ,并与模板图像进行配准比较，若金粒偏离在允许范围之内 ,则予以照射 ,否则切断照射。该技术的优点是在治疗过程中直接监控肿瘤运动并指导门控治疗，部分解决了放疗过程中肿瘤运动的问题，患者在治疗过程中可以进行自由呼吸。但不足之处是该技术属于有创技术，而且金粒在肿瘤内可能会发生一定的松动。此外，此方法需要在加速器上另外附加特殊的跟踪设备和门控设备，且照射过程断断续续，由此延长了整个治疗时间。

2.6 慢速CT扫描

Lagerwaard[9]等通过实验研究后发现，慢速CT扫描的靶区大于常规CT扫描的靶区，其重复性也优于常规 CT 扫描，这说明慢速CT扫描可较好地反映肿瘤的运动情况。使用该方法不需要特殊设备，患者耐受性好;缺点是扫描时间长，患者接受的X线辐射也比较多。另外，由于扫描速度慢而导致CT重建图像的运动伪影更加严重，不利于勾画靶区。

2.7 呼吸运动误差补偿法

此方法的关键之处是要靠硬件技术来实现对肺部肿瘤呼吸运动的补偿。它主要是通过设计一套可以在二维平面上做自由运动的活动平台，将此平台叠加在加速器治疗床上与治疗床一体化，平台可以在治疗床上自由滑动。此平台在步进电机的驱动下有规律的运动，整个运动过程与步进电机保持同步[10]。患者在实施治疗时被摆放到可移动平台的上面，可移动平台的运动方式根据患者体内肿瘤的实时运动情况来确定，平台的运动方向始终保持与肿瘤的运动方向相反，在每一时刻的运动速率大小又尽量保持相同，这样当肿瘤由于呼吸运动而偏离初始时刻照射野中心位置时，平台在同一时刻由于反向运动又会相应带动肿瘤回到原来的初始位置。此技术的核心思想是为了实现对肺部肿瘤呼吸运动位置偏离进行准确补偿的根本目的，当然，要想有效地消除肿瘤呼吸运动的位置偏差，在如何应用步进电机对可移动平台进行精确控制这一点上，还有很多技术上的难题需要解决。目前此技术尚处于研究阶段，不够完善，因此应用的很少。此技术的最大优点是患者可以在治疗中自由呼吸，不需要通过手术在患者体内放置标志物因而是无创的，在这种情况下能够减少患者呼吸运动对肺部肿瘤精确放疗效果的不利影响。

3 呼吸运动位移误差补偿法的研究

肺部肿瘤的呼吸运动可认为是非刚性体的运动[11]，在其运动的同时还会发生形变。鉴于一般情况下肿瘤形变量不太，因此可以认为其形变对精确治疗的影响可忽略不计，此方法只考虑肿瘤在三维空间方向上的位移变化对疗效所造成的不利影响。本方法是在原有加速器治疗床上再附加一套类似于床的附属装置[12]，称之为可移动平台设备，此平台大小、厚度应适中且不能太重，以避免对原治疗床施加过大的压力。此平台叠加在治疗床上与其相接配套使用，两者之间吻合度要非常高。平台和治疗床连接好后，能在上面灵活自由滑动。平台的滑动靠一整套与微型计算机相连的控制系统进行操纵。控制系统的核心部分主要由单片机集成电路板、大功率步进电机、一部微型计算机所组成，单片机通过调用事先人为设计好的一些计算机语言程序对步进电机进行有目的的控制，能在不同时刻自动调节电机的转速跟转向，在此种情形下步进电机按照事先设定的运动规律进行运转，进而再带动与其相连的可移动平台也进行具有相同规律的同步移动。

3.1 可移动平台的设计

为了实现肺部肿瘤呼吸运动所造成的位置偏差进行动态补偿，简称运动误差补偿。实现这一目的的思路较简单，患者在治疗的同时，可移动平台也连续运动，在连续的时间间隔内，平台带动患者做相对于肿瘤呼吸运动的反向运动，当肿瘤在某一时刻、某一方向发生位移时，治疗床根据控制系统发回的控制信号再进行相反方向的移动，这样一来，肿瘤同时又相当于返回原来初始位置，于是，在一定程度上也可以减少肿瘤的呼吸运动范围。

3.2 肿瘤呼吸运动预估模型的建立

由步进电机所控制的可移动平台，其运动方式仅仅每一时刻与肿瘤反向运动还不够，还要考虑运动的速率问题，因此，必须建立适当的平台移动“位移—时间”曲线波形。在这里平台移动“位移—时间”曲线等同于肿瘤运动的“位移—时间”曲线。本方法为了建立此模型，运用了基于动态图像序列运动矢量估计算法的基本原理，采用了如下若干种算法：较优的块匹配方法[13]、投影算法[14]、瞬时傅立叶变换法[15]等。

3.3 可移动平台的硬件控制实现方法流程 呼吸运动位移补偿法技术

综上所述，利用可移动平台实现肿瘤的呼吸运动位移误差补偿技术涉及到建立呼吸运动估计模型和单片机硬件控制系统的设计两大方面。

4.1 要想建立与实际情况相近的呼吸运动模型，则必须选择适当的运动估计算法，首先对患者进行CT扫描以获取原始图像，在此基础上进行图像重建，再从图像材料中确定所要研究的运动目标(即肿瘤靶区)，通过所选取的算法建立肿瘤的“位移—时间”关系的曲线波形图。

4.2 对所建立的肿瘤呼吸运动规律波形曲线图进行分析，并根据此曲线图再通过AD采样原理提取出肿瘤靶区在某一呼吸时相的速率大小和运动方向等信息，以此作为制订一整套C语言程序设计流程图的依据，最终为了实现通过单片机控制的步进电机能够带动可移动平台在治疗过程中的每一时刻都与肿瘤靶区做相对反向运动，且运动速率的大小基本保持一致。但本方法存在的问题是：患者在治疗中肿瘤靶区的运动规律与在模拟定位时所获取的靶区呼吸规律模型有一定偏差，目前我们拟采用IGRT(图象引导放射治疗)的手段，在治疗过程中实时获取到肿瘤靶区在每一呼吸时相的位移信息并与之前在模拟定位阶段所建立的呼吸模型相比较，假若偏差超出预定范围，则加速器停止出束。

5 展望

以上所介绍的若干应用于肺部肿瘤放疗的呼吸控制技术，实现方法简单，所用的硬件设备成本也较低，在一定程度上能够减少呼吸运动对肺部肿瘤放疗精确度所带来的不利影响，但这几种技术在实际应用中也有缺陷。呼吸运动是不断变化的，在不同的呼吸模式下呼吸运动不同。为此，需要更深入研究呼吸运动的变化，寻求在放射治疗的模拟和治疗阶段呼吸运动的差异，减少模拟和治疗间的误差。而在监测呼吸运动过程中，需要进一步研究采用的呼吸信号与肿瘤位置的关联，以建立恒定的二者关系。

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