Catalyst光学体表监测在左侧乳腺癌ABCDIBH放射治疗中的应用

刘剑锋，钟鹤立，张光伟，吴何苟，刘婷婷，高勇，李彬

深圳市人民医院 肿瘤放疗科，广东 深圳 518020

引言

放射治疗是乳腺癌治疗的重要方式[1]。近年来，深吸气屏气（Deep Inspiration Breath Hold，DIBH）技术在放疗领域得到越来越广泛的应用[2]。特别是在左侧乳腺癌放疗中，该技术能有效扩大患者胸腔容积，拉开心脏与胸壁的距离，降低心脏受照剂量和体积，减少心脏的远期反应[3-7]，使患者长远获益。基于此，我院开展了以主动呼吸控制（Active Breathing Control，ABC）技术引导左侧乳腺癌患者的DIBH 放射治疗。该技术可以监测整个呼吸周期的空气流量，并将气流容积限定在设定的阈值内，从而使患者屏气以维持该容积[8]。屏气的有效性和重复性主要通过治疗前内锥形束计算机断层扫描（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）配准进行位置验证。ABC 技术不具备实时体位监测功能，难以判断治疗中体位的变化，且无法单独根据呼吸曲线判断患者嘴角漏气及因鼻夹松动而导致鼻呼吸等假屏气情况[8]。而CBCT 也不适合分次内进行多次扫描，会额外增加患者受照射剂量，从而增加患者患上其他肿瘤疾病的风险[9-10]，并增加患者经济负担[11]，降低治疗效率。因此，对治疗中屏气后的体位监测尤为关键。

光学体表追踪系统是通过加速器室Catalyst 3 台摄像机和投影仪组合的方式，利用光学三角原理，获取30 万个几何结点并重建三维体表轮廓，与参考轮廓进行匹配监测。该系统没有电离辐射，对患者无任何创伤，治疗过程中可实现全程体位监测，实时获取表面轮廓的误差数据。目前该系统辅助摆位及监测功能已广泛应用于各种肿瘤的放疗实施[12]，但对于反复吸气屏气的ABC 患者治疗中光学体表监测的研究较少。因此，本研究将以CBCT 配准为参考标准，分析Catalyst 对ABC技术实施过程中实时体位监测的精确性与有效性，保证乳腺癌DIBH 放射治疗过程中患者吸气量的一致性和乳腺靶区位置的精确性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取23 例深圳市人民医院放疗科2022 年1 月至2023 年2 月期间实施ABC 技术的左侧乳腺癌患者为研究对象，年龄为31～63 岁，年龄中位数为49 岁，所有患者均经病理确诊，无基础心脏病史，KPS 评分≥90 分。纳入标准：左侧乳腺癌患者，患者无沟通障碍，能配合；无呼吸障碍，肺功能好；采用胸式呼吸，DIBH 时间≥40 s。设备采用的是瑞典Elekta 公司的Axesse 直线加速器及ABC 设备、瑞典C-RAD 公司的Catalyst 摄像器与投影器成像设备、SIEMENS 公司的SOMAETOM Definition AS CT 模拟机、Monaco 治疗计划系统。

1.2 工作流程

1.2.1 呼吸训练

CT 模拟定位前，指引患者进行呼吸训练，要求患者以胸式呼吸法进行呼吸，屏气幅度和时间均可达到要求的患者再对其进行CT 定位。

1.2.2 ABC技术定位

所有患者均采用真空垫体位固定，仰卧，左手抱头顶，右手握住开关阀门的手柄上举。引导患者进行呼吸训练，夹住鼻子，以胸式呼吸法进行呼吸，用口深吸气后屏住，反复练习。CT 定位前，给患者口中放置口含器，连接ABC 设备，让患者尽量深吸气，多次训练。经过3 次以上的评估，将阀门阈值设在患者最大吸气量的80%，分别标记自由呼吸（Free Breath，FB）和DIBH激光标记点并进行CT 扫描。

1.2.3 计划设计

靶区勾画和计划设计在屏气CT 图像上进行，采用三维适形放射治疗技术结合调强放射治疗技术。

1.2.4 治疗实施

导入患者计划，治疗前要通过模体完成Catalyst 的日检校正工作，质量保证系统精度＜1 mm。根据患者的皮肤颜色设置合适的相机参数，最大限度地减小光线影响以获取完整的体表轮廓。摆位时先用鼻夹夹紧患者鼻孔，口中放置连接开关阀门的口含装置，嘱咐患者口呼吸，激光灯对准FB 状态下的位置标记；让患者深吸气，同时按下手柄控制按钮，当吸气量达到设定的阈值时，激活装置，此时气流阀门自动关闭，患者肺内气量不再发生变化，开始屏气；治疗前在患者屏气状态下进行CBCT，与计划设计时的CT 图像进行配准；修正误差后，在Catalyst 的治疗界面，及时采集患者DIBH 轮廓，此时位置偏差归零。本次治疗中DIBH 体位实时监测的参考轮廓如图1 所示。治疗中再次进行CBCT，同时记录光学体表监测数据，CBCT 配准后记录误差数据。

图1 ABC设备与Catalyst光学体表监测装置

1.3 数据收集

收集23例患者分次内CBCT配准后左右（x轴）方向、头脚（y轴）方向和前后（z轴）方向的误差数据共88 组，扫描中实时Catalyst 光学体表监测x、y、z轴平移方向的数据共88 组。

1.4 统计学分析

采用SPSS 21.0 软件对数据进行分析，计量资料采用±s表示，计数数据比较采用χ2检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义。应用Pearson 法分析两组误差的相关性，应用Bland-Altman 法评估两种系统的一致性，并计算95%CI值。将光学体表监测值与CBCT 配准误差值之间的差值定义为Catalyst 体表监测精度，差值越小，精度越高。

2 结果

2.1 误差比较

Catalyst 监测和CBCT 配准在x、y、z轴平移方向统计结果如表1 所示，差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表1 Catalyst监测和CBCT配准在x、y、z轴方向的误差比较（±s，mm）

表1 Catalyst监测和CBCT配准在x、y、z轴方向的误差比较（±s，mm）

注：CBCT：锥形束计算机断层扫描。

项目x轴y轴z轴Catalyst0.08±1.041.44±2.150.45±1.69 CBCT0.15±1.151.51±2.280.44±1.81 95%CI[-2.01，1.86] [-2.69，2.57] [-2.32，2.34]t值-0.73-0.430.07 P值0.470.670.94

2.2 一致性分析

Catalyst 监测和CBCT 配准误差的95%CI值在x、y、z轴方向分别为[-2.01，1.86]、[-2.69，2.57]、[2.32，2.34] mm，临床中可接受此差异，Catalyst 监测和CBCT 配准误差差异的Bland-Altman 图直观地说明了二者误差一致性较好，见图2。

图2 Catalyst和CBCT配准误差在x（a）、y（b）、z（c）轴方向上的95%CI值

2.3 相关性分析

Catalyst 监测和CBCT 配准误差之间的Pearson 相关分析：在x轴方向和z轴方向呈强相关，在y轴方向呈极强相关，相关系数r值如表2 所示，线性回归分析如图3 所示。

表2 Catalyst监测和CBCT配准误差之间相关分析

图3 Catalyst和CBCT配准误差在x（a）、y（b）、z（c）轴方向上线性关系图

2.4 Catalyst监测和CBCT配准误差累积频率分布

在计划靶区外扩的阈值范围内，y轴＜3 mm 的误差百分比，Catalyst 监测为73.9%，CBCT 配准为79.5%，在y轴3～5 mm 的误差百分比，Catalyst 监测为21.6%，CBCT 配准为17%，见表3。

表3 Catalyst监测和CBCT配准在x、y与z平移方向累积频率分布[n=88，n（%）]

2.5 Catalyst监测精度

Catalyst 监测精度在x、y、z轴方向分别为（-0.08±0.99）、（-0.06±1.34）、（0.01±1.19）mm，可满足临床中的应用需要。

3 讨论与结论

放疗已成为乳腺癌术后的标准治疗，然而，晚期心脏毒性可能会影响长期生存率[13-14]，为了降低该风险，ABC 技术已被常规使用于左侧乳腺癌的放疗中。ABC技术的原理是通过球囊阀的方式控制气道开关，使用数字化肺活度仪实时监测呼吸量，在肺部吸气量一致的情况下进行DIBH 治疗[15]。ABC 技术可显著降低心脏剂量，提高局部控制率[16-17]，同时操作简单，患者依从性及耐受性较好[18]。然而，该技术的实际获益程度还取决于患者每次屏气的重复性，有2 个因素会潜在地影响其重复性：① 不同的呼吸方式（胸式呼吸、腹式呼吸）可能会导致心脏与胸壁间距离的变化及屏气后体表的变化。Plathow 等[19]发现，即使在患者吸气量保持一致的情况下，胸式呼吸与腹式呼吸所导致的胸壁扩张程度亦会有所不同，平均差异达1.9 cm。Fassi 等[20]及McConnell等[21]研究也表明，仅仅基于控制肺容量的DIBH 左乳放疗，不能保证乳腺外表面位置完全相同，虽然ABC引导的吸气量保持不变，但乳房表面位置存在不可忽略的变化，在临床情况下应特别考虑该因素的影响。② ABC 通气量到达阈值至阀门关闭存在时间差，呼吸曲线只设置了阈值下限，没有阈值上限，如果患者治疗时因为紧张，吸气用力过大，会导致气体流速过快，从而超过设定的限值。Kaza 等[22]研究表明，ABC 设备控制的肺容量虽然比通过自主屏气控制肺容量重复性更好，但也会有1.8%的平均变化率。根据呼吸曲线，本研究统计出部分患者的分次间吸气量变化的平均值为0.23 L。此外，在该技术实施过程中，仅通过ABC 设备的呼吸曲线，无法排除患者因嘴角漏气及因鼻夹松动而导致鼻呼吸等假屏气情况，且随着治疗中屏气次数的增加，患者的体位会有轻微滑动，另外治疗中的一些意外动作同样会引起位置的变化。本研究的目的正是为了及时发现以上异常情况，及时处理，避免投照脱靶。

作为影像引导治疗的CBCT 依然是验证放疗体位的“金标准”[10]，但仅限于治疗前单次屏气的位置验证，治疗开始后的体位变化难以被发现。准确且可重复的体位是实现精准放疗的基础，为了及时发现治疗中体位及形态的变化，在尽可能减少患者辐射剂量原则的基础上，本研究在治疗中使用Catalyst 监测吸气屏气后的体位。本文应用模体检测Catalyst 精度＜1 mm，但模体是刚性结构，而人体胸廓乳腺等非刚性组织在反复吸气屏气后会产生形变和位移，为了提高放疗的精确性，确定体表位移与内部靶区位移的相关性非常重要[23]。Wikström 等[24]通过比较发现，光学体表监测系统是CBCT 的补充，本研究结果也表明Catalyst 监测误差与CBCT 配准误差具有强相关性，二者结论一致。Stieler等[25]研究表明，胸部肿瘤患者光学体表技术与CBCT的误差在x、y、z轴方向分别为（0.7±3.3）、（-0.7±3.8）、（2.4±3.2）mm；Wiant 等[26]研究发现，在自由呼吸的状态下，通过光学表面影像系统分次内实时监测乳腺癌患者位置，在治疗的第5 分钟时体位误差在x、y、z轴方向分别为（0±1.87）、（-0.39±1.85）、（0.28±1.88）mm，第10 分钟时体位误差在x、y、z方向分别为（0.11±1.96）、（-0.44±1.98）、（0.36±2.15）mm，因此认为光学体表监测有效可行，且随着治疗时间的延长，体位误差会越来越大，以y方向最为明显，其次是z方向，监测尤为重要，这均与本研究结论基本一致。

对于DIBH 的患者来说，相比较常规FB 状态下的治疗，加速器只有在屏气状态下才会出束治疗，治疗时间更长，治疗中的体位变化，会有更多的不确定性。李谭谭等[27]研究发现，在ABC 辅助控制吸气量的情况下，光学体表门控点起伏变化超过3 mm 的比例为10.8%，本研究中通过CBCT 验证，z轴方向大于3 mm 的比例为8%，二者研究结果相近。通过研究，实际治疗中发现患者吸气方式不一致或出现假屏气情况时，y轴与z轴会有较明显的改变，其中一项超过3 mm 时，及时通过对讲系统嘱咐患者放松，注意吸气方式不变，保持口呼吸，再重新吸气，有部分患者的体表状态会得到改善。其次，研究中发现，随着吸气屏气次数的增加，累积造成的位移误差越来越大是常见情况，特别是y轴方向较明显，体位变化在阈值的临界状态3～5 mm 达到了21.6%，经CBCT 验证靶区位置，这一比例下降到17%，虽然Catalyst 高估了部分y轴方向的误差，但也不可忽视该误差。特别是一些意外动作的发生，会造成更大的体位变化。研究中发现共有4 次监测中y轴方向位移超过5 mm 阈值，当下经过CBCT 配准，验证了靶区的相应移动，同时暂停治疗，进入机房与患者沟通。经过与患者沟通，有如下原因：① 由于手柄滑落，重新拿起手柄的影响；② 由于咳嗽的影响；③ 患者不自主运动的影响。经重新摆位，校正误差后继续治疗，由此保证治疗的精准执行。治疗中患者轻微的动作，难以从监控显示器上发现，而Catalyst 能够及时捕捉到这些变化，为实现精准治疗，减少计划靶区的外扩边界提供了保障。由于本研究中加速器门控接口只有一个，由ABC 设备控制，Catalyst 不能控制出束，因此治疗过程中需要时刻关注监测值。

总之，以Catalyst 与CBCT 强相关性和一致性为基础，光学体表监测的意义主要是能够在一定程度上保证ABC 患者治疗中吸气方式的一致性。由于是治疗的同时进行监测，所以不会增加治疗时间，也不受监测频率的限制，为能够及时发现患者体位变化所造成的乳腺靶区位移提供了最大可能。需要注意的是，乳腺属于浅表组织，所以和光学表面有很好的对应关系，对于肺、肝脏等内部器官，因为中心点离皮肤表面较远，与光学体表的对应关系还需要进一步研究。

综上所述，Catalyst 能够很好地监测使用ABC 治疗左侧乳腺癌分次内误差。与CBCT 比较，Catalyst 的准确性得到了检验，可以验证使用ABC 患者屏气的有效性，避免患者在治疗中的体位发生意外变动，提高放疗的精确度，且该方式安全可靠，具有临床应用价值。