主动呼吸控制系统在肺癌放射治疗靶区个体化设计中的应用

作者                作者单位

杨永锋 河北医科大学第三医院放疗科,石家庄市,050051

万欣   河北医科大学第三医院胸外科,石家庄市,050051

张萌   河北医科大学第四医院放疗科

肺癌的三维适形放疗中，肿瘤会随着呼吸运动和心脏搏动而改变位置，这种变化是确定放疗内靶区(ITV)范围的重要依据之一。如何确定和控制病变随呼吸运动的移动范围，准确勾画治疗靶区，在减少周围正常组织的受照同时又不使病变区漏照，已成为当前研究的一个重要问题。我们对15例肺癌患者在三维适形放疗定位过程中应用主动呼吸控制系统控制患者呼吸状态，并在勾画靶区时进行图像融合，从而实现个体化ITV的确定，初步研究结果报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2005年12月至2006年6月间我院经病理或细胞学确诊的原发或转移性肺癌患者15例，男10例，女5例，年龄42～68岁，平均年龄56岁。左肺9例，右肺6例，分期Ⅱa 1例，Ⅱb 6例，Ⅲa 6例，Ⅲb 2例。均符合以下条件：Kamofsky评分大于等于70分;患者年龄小于等于70岁;无严重的急慢性呼吸系统疾病，心功能基本正常;无胸腹水及胸腹腔感染;无神经精神方面疾患;屏气10 s以上;患者本人和家属自愿参加并配合试验。

1.2 仪器设备

主动呼吸控制系统：我院自制YYF1型主动呼吸控制系统;螺旋CT机：德国产Siemens Volume Zoom Plus 4 螺旋CT机;放射治疗计划系统：美国ADAC公司生产的Sunblade 2000计划系统。

1.3 方法

1.3.1 主动呼吸控制系统：放疗定位前指导患者练习屏气，患者口含呼吸接嘴，鼻夹夹鼻，其呼吸气流通过内置流量传感器将患者的呼吸信号转换成数字信号，在控制计算机上观察患者实时的呼吸曲线，当需要呼吸控制时，操作医师按下控制手柄，开始制动呼吸，呼吸接嘴内的阀门关闭，呼吸气流中断，在电脑屏幕上可以观察到呼吸曲线变为直线(图1)。操作医师可以根据需要主动控制患者呼吸于任一时相。

1.3.2 放疗定位及图像采集：使用西门子螺旋CT行放疗定位，患者取仰卧位，体膜固定，激光灯摆位，双手交叉置于头上，连接主动呼吸控制系统，操作医师在电脑屏幕上根据实时显示的患者呼吸运动波形，确认患者处于平静呼吸吸气末时，按下控制手柄，关闭气道阀门，阻断患者呼吸，行螺旋扫描，然后相同条件下进行平静呼吸呼气末扫描，2次扫描间隔至少1min，以利于患者恢复平静呼吸节律，扫描范围包括整个胸腔。

1.3.3 放疗治疗靶区的设计：将每位患者的2组CT图像序列传输至物理室治疗计划系统，进行靶区图像融合后(图2)，由放疗医师和影像医师各一名共同勾画个体化的放疗靶区，并分别对每位患者平静呼吸下，吸气末与呼气末2组CT图像进行阅片(设定Z轴方向为头脚方向，Y轴方向为身体前后方向，X轴方向为身体左右方向，以隆突后缘水平和体中线建立坐标系)，测量肿块随呼吸的移动距离，2名医师所得数值求其均数作为Z、Y、X轴方向的移动距离。

2 结果

15例患者均能耐受主动呼吸控制系统，每位患者均成功采集患者平静呼吸状态下吸气末与呼吸末2组图像序列，将两组图像通过网络导入放射治疗计划系统，启用计划系统靶区图像融合功能，成功实现了个体化的放射治疗靶区。

15例患者肺部病变随呼吸运动产生的移动距离，X轴方向为(0.35±0.23) cm(范围0.00～0.80 cm)，Y轴方向为(0.16±0.15) cm(范围0.00～0.5 cm)，Z轴方向为(0.90±0.42) cm(范围0.30～1.80 cm)。

3 讨论

肺癌是常见的恶性肿瘤之一，近年来其发病率和死亡率均呈明显上升趋势，由于难以早期诊断，肺癌患者确诊时仅有33%的患者能够手术治疗[1]，因此放射治疗已成为中晚期肺癌患者的主要治疗手段之一。在肺癌的三维适形放射治疗中，靶区勾画是否准确直接影响放疗疗效，由于呼吸运动，肺部肿瘤在体内有较大的活动范围，这种变化是计划靶区(PTV) 难以准确确定的重要因素之一，使得靶区剂量无法进一步提高，所以肺癌放射治疗的效果仍然并不令人满意[2-6]。因此，如何确定和控制病变随呼吸变化产生的移动范围，在减少周围正常组织受照的同时又不使病变区漏照，成为当前急需解决的问题。

近年来，国外有学者在放射治疗过程中，采用呼吸控制仪器来减少呼吸运动对PTV的影响。Ohara等[7]提出呼吸门控技术，此方法是在患者平静呼吸状态下，在呼吸周期的特定相，重复给予短时的放射治疗。Shimizu等[8]和Wong等[9]也做过类似的报道，但同样具有机器操作较复杂，对患者间断照射，可能影响治疗效果等不足之处，在临床难以推广应用。

另外有很多学者通过测量患者呼吸运动范围，提出一定的呼吸动度平均值，帮助确定ITV的大小[8，10，11]，这些研究，对PTV准确勾画起到了一定帮助作用，但具体到每位患者，仍存在较大个体化差异。根据我们应用主动呼吸控制系统对15位患者的测量结果显示：肺部肿瘤随着呼吸运动在上下方向移动范围的最大、最小值分别为1.8 cm和0.3 cm，个体间数据相差数倍之多，对于位置在肺脏边缘、肺脏下叶的肿瘤来说，病变随呼吸运动位移更为明显，如果不能够给予个体化治疗方案，而完全依照某一固定值进行靶区外扩确定ITV和PTV，那么部分患者就有可能面临病变区漏照或正常组织受照过多的风险，并不能真正做到PTV足够精确，失去了三维适形放疗的意义。

个体化治疗是国内外公认的确定放疗靶区的最佳方案，如何在简便、准确的情况下确保ITV勾画的个体化就成为一个明确的研究方向。目前，国外有学者尝试采集患者平静呼气末和吸气末图像，进行靶区图像融合来确定个体化ITV边界[12]，但却通过患者自行屏气方式，缺乏客观性和准确性，在汲取国内外学者研究经验的基础上，我们利用自行研制的主动呼吸控制系统，来对患者的呼吸运动实施持续监测和控制。在患者连续呼吸过程中，操作医师通过计算机显示的肺体积实时改变，主动控制患者呼吸于呼吸周期的某个时相，成功构建了患者平静呼吸下吸气末与呼气末两组CT图像序列，观察到肺部肿瘤随呼吸运动产生的活动范围，并在放射治疗计划系统中将两组靶区图像融合，从而实现ITV靶区确定的个体化。

总之，在肺癌放射治疗的靶区勾画和治疗当中，确定和控制放疗中呼吸活动的范围是当务之急，个体化的靶区勾画代表了今后提高靶区定位精度的发展方向，本研究为实现放射治疗个体化提出新的思路与方法。

【参考文献】

1 殷蔚伯，谷铣之主编.肿瘤放射治疗学.第3版.北京：中国协和医科大学出版社，2002.631.

2 Arriagada R， Le Chevalier T，Quoix E， et al.ASTRO plenary：Effect of chemotherapy on locally advanced nonsmall cell lung carcinoma： A randomized study of 353 patients.Int J Radiat Oncol Biol Phys，1991，20：11831190.

3 Cox JD，Gessner R，Matslowski W， et al. Influence of cell type on failure pattern after irradiation for locally advanced carcinoma of the lung. From the Veterans Administration LungGroup (VALG). Cancer，1979，44：9498.

4 Dosoretz DE，Katin MJ，BlitzerP，et al.Medically inoperable lung carcinoma： The role of radiation therapy.Semin Radiat Oncol，1996，6：98104.

5 PerezTamayo R， Brown GS， Concannon JP， et al. Impact of irradiation technique and tumor extent in tumor control and survival of patients with unresectable nonoat cell carcinoma of the lung. Cancer，1982，50：10911099.

6 Smart J. Can lung cancer be cured with by radiation therapy alone? JAMA 1996，195：158159.

7 Ohara K， Okumura T， Akisada M， et al. Irradiation synchronized with respiration gate.Int J Radiat Oncl Biolo Phys， 1989，17：853857.

8 Shimizu S， Shirato H， Ogura S， et al. Detection of lung tumor movement in realtime tumor tracking radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys，2001，51：304310.

9 Wong JW， Sharpe MB， Jaffray DA， et al.The use of active breathing control (abc) to reduce margin for breathing motion.Int J Radiat Oncol Boil Phys， 1999， 44： 911919.

10 陈永秀，刘广升，李强，等. 呼吸动度对适形放疗设野的影响. 肿瘤防治杂志，2003，10：973974.

11 Ekberg L， Holmberg O， Wittgren L， et al. What margins should be added to the clinical target volume in radiotherapy treatment planning for lung cancer?Radiother Oncol， 1998，48：7177.

12 Shih HA， Jiang SB， Aljarrah KM， et al. Internal target volume determined with expansion margins beyond composite gross tumor volume in threedimensional conformal radiotherapy for lung cancer.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2004，60：613622.