肺癌放疗中的呼吸运动问题解决对策

王 强，叶 涛，陈宏林，章龙珍

肺癌放疗中的呼吸运动问题解决对策

王 强，叶 涛，陈宏林，章龙珍

目的：研究一种个体化的定位及靶区确定方法，解决肺癌放疗中准确包全肿瘤及相对减少肺损伤的矛盾问题。方法：选择30例肺癌患者，先予以体位固定，热塑体膜塑型，带膜在X线模拟定位机下观察测量呼吸时肿瘤的上下运动数据，之后带膜在CT模拟定位机下分别于平静吸气末、平静呼气末均屏气CT扫描全肺，图像资料传至Prowess工作站。由一位经验丰富的医师在吸气末图像上勾画肿瘤靶区（gross target volume，GTV）后，主要以预先测量的个体化呼吸动度外放形成内靶区（internal target volume，ITV）。其他程序按常规方法进行。结果：实验组的方法可减少ITV、计划靶区（planning target volume，PTV）的体积，并且使双肺V20减少，最终减轻放射性损伤。结论：该方法既能满意地包全呼吸运动中的肿瘤，又能减少正常组织照射受量，适用于没有4DCT的基层医院，不需要额外增加人员及设备，值得推广。

肿瘤放疗；呼吸运动；解决对策

0 引言

肺癌是世界范围内最为常见的恶性肿瘤之一。肺癌需要综合治疗，放射疗法是治疗肺癌的主要手段之一。以往的放疗设备和技术落后，并且无客观剂量分布曲线，相关的放疗损伤抵消了放疗对生存的获益，一度使放疗在肺癌治疗中的地位较低。近几年来，调强放疗的出现使我们能够针对病变按要求对靶区形状及剂量分布进行调整，肺癌单纯放疗及术后放疗的疗效正在逐渐被认可，其疗效与剂量呈正相关。在实际临床工作中，由于不同研究所用的分级标准和治疗方案不一，有报道称发生于放疗后的急性放射性肺损伤的发生率为13%～44%[1]，它是影响放疗疗效的主要剂量限制性因素。胸部呼吸运动的特殊性以及心肺重要脏器的耐受性问题，使放疗医师们一直在最大程度地杀灭肿瘤与最小程度地引起正常组织的放疗损伤之间摸索着。目前通常做法是在肿瘤病灶的基础上外放一个所谓的“标准边缘”形成临床靶区（clinic target volume，CTV），但是由于CT模拟定位机扫描只是取得了体内肿瘤和正常危及器官运动的瞬间图像，而且不同患者的呼吸运动是不一样的，即使同一患者不同呼吸之间也会变异。因此现已有研究证实这种方法既会造成肿瘤遗漏，又会让正常组织受到不必要的照射[2-3]。目前，针对这方面问题的解决方法有主动呼吸控制（active breath control，ABC）技术、呼吸门控技术、4DCT、慢CT等，但所有的这些控制技术，都需要相应的设备，过程比较复杂，需要更多的时间和人力投入，各有缺陷，一些方法患者不能耐受，而另一些方法国内还未能普及。故笔者在基层医院现有的条件下设计一种可操作的实验方法，尽量地形成个体化的CTV，以包全肿瘤又减少正常组织的放射损伤。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2011年1月至2012年6月30例经病理学或细胞学确诊的肺癌患者的临床资料，卡氏评分均＞70分。其中男性18例、女性12例；年龄31～72岁，中位年龄60岁。包括鳞癌22例，腺癌8例；中叶癌12例，下叶癌18例。

1.2 机器设备

X线三维调强适形放射治疗（intensity-modulat ed rediation therapy，IMRT）使用的主要设备为德国西门子公司生产的Primuls Plus双光子医用直线加速器、四川成都核动力研究所生产的模拟定位机、美国Prowess公司生产的Panter放射治疗计划系统及相关设备和日本东芝Xpress螺旋CT等。

1.3 CT定位

放疗采用调强放射（IMRT）技术，将体架置于CT模拟定位机上，患者仰卧于定位体架上，双手交叉上举置于前额部，采用激光摆位，热塑膜体模固定；用螺旋CT机定位扫描。于患者平静吸气末屏气后与平静呼气末屏气后分别扫描，层厚3 mm，扫描范围上界至环甲膜，下界至肾上极，2套数据通过网络传输至放疗计划室。计划设计采用美国Prowess公司生产的Panter放射治疗计划系统。

1.4 病变运动测量

倪蓉晖等[4]研究发现，用胸腹体罩可减小呼吸所产生的器官上下（Z轴）移动的范围，与不用体罩相比差异显著。而肖锋等[5]研究指出减小呼吸运动幅度，可以有效减小剂量误差。因此在患者开始正式放疗前，我们先对患者进行平静均匀呼吸训练以减小呼吸运动幅度。王培合等[6]通过建立预测数学模型等相关研究指出呼吸控制可减小计划靶区（planning target volune，PTV）外扩边界，进而减轻放射损伤。因为放疗是在热塑膜固定条件下实施的，所以我们在测量每个患者个体化的呼吸运动时是在模体固定下测量的，这样得到的数据应该更准确。操作过程：测量前训练患者平静自然呼吸。开始测量后嘱患者仰卧于定位体架上，双手交叉上举置于前额部，采用激光摆位，热塑膜体模固定；平静呼吸3～5 min后，前面已述呼吸运动在前后左右动度幅度及差异相对不大，而在头脚上下方向动度较大，故我们只在模拟定位机下测量肺部病变随呼吸在头脚方向的动度。个别患者的不可见病灶以相近解剖区域的可见结构，如支气管、血管影或钙化灶为参照。

1.5 靶区设计及勾画

具体步骤：每个患者的靶区都在吸气末图像上勾画，CT参数选择窗位-750 HU，窗宽850 HU。由同一高年资医师勾画正常器官和病变靶区。肿瘤靶区（gross target volume，GTV）为肺部CT肺窗可见肿物，包括边缘密集而短的毛刺，临床靶区（clinical target volume，CTV）为GTV外放6～8mm（鳞癌外放6mm，腺癌外放8mm）。包及淋巴引流区，并适当修改CTV。CTV外放形成内靶区（internal target volume，ITV）时，实验组在四周外放0.5 cm，向上（头部方向）外放预先测量的呼吸动度，向下（脚部方向）外放0.3 cm，形成ITV1。对照组按照常用的经典方法，四周外放0.5 cm，中叶上下均外放1 cm，下叶上下均外放1.5cm，形成ITV2。ITV1、ITV2分别均匀外放0.5cm后形成计划靶区PTV1、PTV2，并适当修改。

分别对PTV1、PTV2制订调强适形放射治疗计划：为了便于比较，每例患者的2个计划的照射野数目、方向及各照射野权重一致。采用常规分割，单次剂量2 Gy，5次/周，95%PTV 60～70 Gy。采用剂量-体积直方图（dose-volume histograms，DVH）图进行优化，95%等剂量线完全覆盖PTV，正常组织限量：脊髓最大剂量＜45 Gy；食管V50＜50%，无高剂量；心脏V30＜40%，V40＜30%；双肺V20＜28%。提交物理师行计划设计。

1.6 靶区验证

（1）把吸气末CT图像上实验组勾画出的最终靶区融合在呼气末的CT图像上，亦可以完全包及瘤体。（2）所有的电子射野影像系统（electronic portal imaging device，EPID）实时成像与治疗计划系统（treament planning system，TPS）提供的数字重建图像（digitally reconstructed radiography，DRR）情况吻合，EPID未发现肿瘤运动到照射野外。

1.7 观察指标

根据剂量-体积直方图（DVH）统计每一例患者2个计划的GTV、CTV、ITV、PTV、双肺V20（V20（%）为组织接受照射剂量≥20 Gy的体积占该组织总体积的百分比）及Dmean（Dmean为组织接受的平均剂量）。

1.8 统计学处理

采用SPSS20.0统计软件包进行分析，2个计划观察指标CTV、ITV、PTV、双肺V20及Dmean组间比较采用单因素方差分析，差异显著性采用LSD检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

从对正常组织的保护性角度来分析，实验组的ITV、PTV均小于对照组，且P值小于0.05，差异具有统计学意义（见表1）。说明实验组正常组织受照射的体积较少，放射性损伤减少，肺组织的保护性较好。

表1 实验组和计划组的ITV、PTV比较cm3

从对放射性肺损伤的指标来分析，实验组肺放射性损伤的指标V20小于对照组，实验组肺的平均放射剂量Dmean也小于对照组，且P值均小于0.05，差异具有统计学意义（见表2）。说明实验组的方法可使放射性肺损伤的几率相应减小。

表2 实验组和计划组的V20及肺的平均放射剂量Dmean比较

3 讨论

该实验方法的第一步是预先在模拟定位机上测量出每位患者肿瘤的个体化运动幅度。第二步是平静吸气末屏气进行定位CT扫描，以使肿瘤固定在呼吸运动的一侧极限位置。外放CTV形成ITV时，因为吸气末肿瘤在头脚方向的脚部极限位置，所以主要向头部方向外放预先测量的呼吸动度，向脚部方向外放3 mm以包及可能存在的微小运动。同等条件下再次进行呼气末屏气定位CT扫描，与之前吸气末的图像融合，验证之前在吸气末图像上勾画靶区并按试验方法外放得到的PTV是否可以完全覆盖另一个运动极限（呼气末）位置。第三步在吸气末CT上按常规经典方法外放形成ITV、PTV，重新制作计划，采集参数CTV、ITV、PTV、双肺V20及Dmean，同实验方法对应的参数进行比较分析。

众所周知，许多情况下，放疗体积内正常组织的耐受量决定了靶区可给予的最高剂量，因此缩小放射野而不遗漏肿瘤，必将有利于肿瘤控制概率（tumor control probability，TCP）的提高。胸部肿瘤的放疗，尤其是精确放疗需要尽可能地明确靶区，减少对正常组织的损伤，而胸部呼吸及心脏运动使得以上要求难度更大。目前我们常规做法是在GTV的基础上外放一个所谓的“标准边缘”形成PTV，这种均匀外放是假设肿瘤在呼吸上下运动的中间（如图1所示），如果假设成立，这种外放是可以的。但实际上如图2、3所示，如果扫描时肿瘤在运动的2个极端，是不需要均匀外放的。这时如果还是均匀外放，将会造成一侧漏照，另一侧正常组织受到不必要的照射。

该实验之所以选择肺中叶及下叶的肿瘤为主，是因为目前文献报道肺部肿瘤在头足方向的位移显著大于前后及侧位方向，且下叶大于上叶[7-8]。Seppenwoolde等[9]使用实时跟踪放疗系统研究肺癌的运动情况，也得出同样的结果。所以胸部的呼吸运动对精确放疗提出了更高的要求。目前在没有4DCT的情况下，针对中、下叶肺部肿瘤，考虑到呼吸位移较大，常规上下外放1～1.5 cm来形成ITV，但是，可以想象在定位扫描的瞬间获取的图像，肿瘤恰好在呼气末或者吸气末，都只要以单方向外放为主即可。常规外放方法都是以肿瘤为中心上下外放同样距离，这样势必造成一侧靶区漏照，一侧正常组织受到不必要的照射，增大放射损伤，治疗增益比下降。而且目前多排CT的普及使得扫描速度较快，导致扫描出的肿瘤结果只是在呼吸时相中的某个位置。由于瘤体自身随呼吸在做沿身体长轴方向为主的上下往返周期性运动，而开始扫描的时相没有选择性，扫描随机开始于靶区运动的任何时刻。如图4所示如果把呼吸往返运动分成上、中、下3段的话，那么按概率来说，随机扫描时肿瘤靶区运动在上段、下段区域的机会占2/ 3，肿瘤靶区在中间位置时的机会只占1/3。目前CTV外放ITV时都是三维均匀外放，就是基于假设扫描时肿瘤位于呼吸运动的中间，实际上肿瘤位于两端的概率肯定更多，而位于两端的时候，肿瘤的位移只向另一侧做单方向运动，这样我们在CTV外放形成ITV及PTV时，其实大部分情况下主要以恰当的一侧方向外放为主更合适。

故我们首先个体化地测量出每位患者的呼吸动度，然后把呼吸运动固定在一个极端位置，这样呼吸基本上只向另一端运动，我们只需向一侧外放预先测量的距离，这样既可以减少正常组织的照射，也可以尽可能地包全肿瘤。经过我们的实验得出，这种

图2 肿块位于呼吸运动的上端

图3 肿瘤位于呼吸运动的下端

图4 肺部肿块的呼吸运动

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）方法可以使靶区包全肿瘤，并且相对于经典的外放方法，我们在包全瘤体的情况下，可以减少ITV、PTV的体积，减少双肺V20、Dmean的量，从而减少对正常组织的损伤，结果表明其与常规方法比较，差异有统计学意义。此方法简单易操作，不需要增加设备及人力，可以在基层医院普遍应用。

[1]Rodrigues G，Lock M，D`Souza D，et al.Prediction of radiation pneumonitis by dose-volume histogram parameters in lung cancer—a systematic review[J].Radiotherapy and Oncology，2004，71（2）：127-138.

[2]Shimizu S，Shirato H，Ogura S，et al.Detection of lung tumor movement in real tumor-tracking radiotherapy[J].Int J Radiat Oncol Biolphys，2001，51：304-310.

[3]吴健雄，陈龙.减少呼吸运动在适形放射治疗中的研究进展[J].现代肿瘤医学，2008，16（3）：481-483.

[4]倪蓉晖，雷新，王东.胸腹体罩对呼吸器官运动的影响[J].现代肿瘤医学，2006，14（1）：47-48.

[5]肖锋，谭丽娜，孙晓欢.呼吸运动对肺癌动态调强放疗剂量分布的影响[J].现代肿瘤医学，2012，20（3）：608-611.

[6]王培合，马瑞忠.肺癌精确放疗中PTV外扩边界的研究进展[J].医疗卫生装备，2011，32（9）：86-88.

[7]石芳，于金明.非小细胞肺癌放疗靶区研究进展[J].肿瘤预防与治疗，2008，21（1）：8-11.

[8]王培合，郝福荣，马瑞忠.肺部肿瘤在呼吸运动过程中三维实时位移曲线的建立探索[J].医疗卫生装备，2009，30（7）：82-83.

[9]Sppenwoolde Y，Shirato H，Kitamura K，et al.Precise and real-time measurement of 3D tumor motion in lung due to breathingand heartbeat，measured during radiotherapy[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2002，53（4）：822-834.

（收稿：2013-05-06 修回：2014-02-07）

Countermeasures to respiratory movement during lung cancer radiotherapy

WANG Qiang1，2,YE Tao2,CHEN Hong-lin2,ZHANG Long-zhen3
(1.Xuzhou Medical College,Xuzhou 221002,Jiangsu Province,China;2.Department of Radiation Oncology,Xuzhou Cancer Hospital,Xuzhou 221005,Jiangsu Province,China;3.Department of Radiation Oncology,the Affiliated Hospital of Xuzhou Medical College,Xuzhou 221006,Jiangsu Province,China)

ObjectiveTo develop an individualized method for positioning and target assigning to conquer the contradiction between covering the tumor body and reducing lung injury.MethodsTotally 30 lung cancer patients were selected as the subjects,who underwent postural immobilization and film remodeling.X-ray simulation localization machine was used to observe the movement of the tumor body when breathing,and then CT scanning of the lung was performed with CT simulation localization machine at end inspiration and end expiration.The images were transmitted to Prowess workstation.An experienced physician outlined GTV at the images at end inspiration,and ITV formed on the basis of the individualized breathing movement.Other programs were carried out according to conventional flow.Results The volumes of ITV and PTV could be reduced in the experimental group with V20 of both lungs decreased,and then the radiation injury could be relived.ConclusionThe method can cover the tumor body with the radiation to adjacent tissues reduced,which can be used in the primary hospital without 4DCT.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：75-77，94]

cancer radiation oncology;respiratory movement;countermeasure

R318；R445

A

1003-8868（2014）11-0075-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.075

王 强（1980—），男，主治医师，主要从事肿瘤调强放疗方面的研究工作，E-mail：doctorwang618@126.com。

221002江苏徐州，徐州医学院（王 强）；221005江苏徐州，徐州市肿瘤医院放疗科（王 强，叶 涛，陈宏林）；221006江苏徐州，徐州医学院附属医院放疗科（章龙珍）

章龙珍，E-mail：jsxzzlz@126.com