光学表面监测系统引导实现左侧乳腺癌深吸气屏气治疗临床应用及评估

时间：2024-08-31

张光伟，钟鹤立，吴何苟，刘剑锋，张定，杨东，樊娟，李彬，徐广然

深圳市人民医院（暨南大学第二临床医学院，南方科技大学第一附属医院）肿瘤放疗科，广东深圳518020

前言

左侧乳腺癌自由呼吸状态下进行放射治疗的作用可能会被心脏毒性部分抵消［1‐2］。放射治疗导致的相关心脏疾病一直是左侧乳腺癌患者的一个问题［3］，系统治疗可能会放大这种风险［4‐5］。深吸气屏气（Deep Inspiration Breath Hold, DIBH）技术使心脏向下、后方移动，既保证了靶区组织的覆盖，也显著降低了偶然心脏照射的风险［6‐7］。DIBH 被认为是影响左乳腺癌术后放疗后总生存率的主要因素之一［8］。

SGRT（Surface Guided Radiation Therapy）是以光学体表监测系统（Optical Surface Monitoring System,OSMS）引导的放射治疗。本研究通过OSMS 引导实现左侧乳腺癌DIBH 治疗，分析摆位时间和CBCT（Cone‐Beam Computed Tomography）图像配准靶区与心脏位置的准确性，以评估其实际临床应用价值。

1 材料与方法

1.1 患者资料

选取2020年8月至2021年1月深圳市人民医院肿瘤放疗科30 例左侧乳腺癌保乳术后患者，平均年龄43.4 岁（32～51 岁），无基础心脏病史，KPS 评分≥90，既往身体健康，无其他合并症。

1.2 临床工作流程

1.2.1 医生初步筛选左侧乳腺癌患者，肿瘤位于中下侧、靶区距离心脏近者为首选；肺功能良好，无呼吸障碍；胸式呼吸，DIBH时间大于35 s；患者能配合，无沟通障碍。

1.2.2 呼吸训练医生接诊后至CT 模拟定位之前，通过视频教学引导患者进行有效的呼吸训练。患者平躺，手臂上举抱头，用鼻子吸气以保证胸式呼吸，主要利用胸部肋间肌肉的力量进行DIBH，腰背和手臂放松，不可抬背挺腰。反复呼吸训练可增加稳定屏气时间。

1.2.3 CT 模拟定位定位开始前评估患者呼吸训练效果以作进一步筛选，包括屏气时长、是否胸式呼吸、屏气量以及屏气的重复性等。定位过程中患者全程自主屏气。所有患者均采用真空垫结合翼型板的方式进行体位固定，真空垫不可过紧，以免影响患者屏气到自由呼吸间的体位回复。屏气与自由呼吸在等中心位置的前后方向变化大于0.8 cm 为佳。体表以激光纹身点做标记，一套自由呼吸（Free Breath‐ing, FB）位置标记，一套DIBH 位置标记，铅点贴在DIBH 标记中心。先扫描FB 状态CT 图像，嘱患者DIBH 并确认与标记重合后扫描DIBH 状态CT 图像。采用SIEMENS 公司的SOMAETOM Definition AS CT模拟机，120 kV，135 mAs，层厚3 mm。

1.2.4 治疗计划设计靶区勾画和计划设计在DIBH CT 图像上进行，评估心脏受量以做最后筛选。采用3DCRT+IMRT 混合治疗技术，6 MV，600 MU/min。导出3 个文件到DICOM，1 个治疗计划RT plan，2 个CT（FB和DIBH）体表外轮廓RT structure。

1.2.5 治疗在OSMS 工作站上依次导入1 个RT plan和2 个RT structure（FB 和DIBH），再重复导入一次DIBH 外轮廓作为监控体表，通过对FB 和DIBH 体表SSD 的测量判断是否导入错误，DIBH 体表SSD 数值应小于FB体表。依次勾画感兴趣区（ROI），见图1。

图1 不同体表及ROI勾画Fig.1 Different body surface and ROI profiles

患者首次治疗依据FB 体表标记摆位，指导正确的屏气后（与DIBH 体表标记重合），抓取当前屏气体表作为监控体表，用以引导CBCT扫描屏气。选择头部扫描条件（机架旋转200°，约35 s），床不置中，扫描从180°开始逆时针到340°结束（避免机头和打开的CBCT 影像系统遮挡摄像单元从而无法引导屏气）。OSMS 显示前后（Vertical）方向在±0.05 cm 以内开始屏气扫描。软组织自动配准后治疗师手动手术夹配准，记录配准误差数据。如需修正床值，移床前先让患者屏气，在一次屏气内完成移床、拍摄监控体表和DIBH 摆位体表，待患者放松后拍摄FB 摆位体表。新拍摄的体表将作为后续治疗的参考体表。治疗中每次屏气保证Vertical 方向在±0.05 cm 以内，OSMS监测到六维误差超过设定阈值（±3 mm；±3°）时，控制加速器立刻停止出束。后续治疗摆位先以FB摆位体表引导摆位，利用“Move Couch”自动摆位功能一键修正床值，再以DIBH 摆位体表引导，患者屏气后Vertical 方向在±0.05 cm以内时再次使用“Move Couch”，然后拍摄新的监控体表，用以引导CBCT 扫描或治疗中的屏气。每次CBCT 验证并修正床值后均需拍摄新的参考体表。

1.3 数据收集和分析

共得到277 组CBCT 扫描靶区配准误差数据，每组数据包括左右（x）、头脚（y）、前后（z）方向平移误差和Rx、Ry、Rz 方向旋转误差。在配准好的影像上再以心脏为目标三维平移方向手动匹配，得到的数据与靶区误差数据相减即为心脏位置的误差数据，共277 组。此配准由同一治疗师完成以减少误差。共记录450个摆位时间数据，摆位时间定义为从患者接触治疗床至CBCT 扫描前或加速器出束前（无CBCT扫描分次）。采用SPSS 25.0软件进行数据分析，计量数据用均数±标准差表示。

2 结果

2.1 摆位误差结果

绝对摆位误差在x、y、z平移方向和Rx、Ry、Rz旋转方向分别为（0.11±0.08）、（0.14±0.11）、（0.13±0.10）cm和（0.79±0.66）、（0.69±0.57）、（0.73±0.64）°。图2和图3分别为平移及旋转误差分布散点图。

图2 CBCT靶区配准平移误差分布散点图Fig.2 Scatter plot of translation error distribution after CBCT registration for target areas

图3 CBCT靶区配准旋转误差分布散点图Fig.3 Scatter plot of rotation error distribution after CBCT registration for target areas

2.2 心脏位置误差结果

心脏位置在x、y、z方向平移误差分别为（0.01±0.30）、（0.05±0.34）、（0.01±0.09）cm。误差分布散点图见图4。

图4 心脏位置误差分布散点图Fig.4 Scatter plot of translation error distribution of cardiac position

2.3 摆位时间结果

共记录450 个摆位时间数据，摆位时间均值±标准差为（4.1±1.2）min。

3 讨论

左侧乳腺癌DIBH 放疗技术在不影响靶区剂量覆盖的情况下，可明显降低心脏、冠脉左前降支和肺的受量，减少放疗后不良反应的发生，前提是精确的摆位和良好的屏气重复性［9‐10］。目前主流的呼吸门控和DIBH 技术包括：ABC（Active Breathing Control）、RPM（Real‐time Position Management）、SGRT 等。ABC 通过气泵阀门主动控制肺的吸气量［11］，但仅保证每次屏气的可重复吸气量，而不验证胸腔位置，患者可采用胸式或腹式呼吸，并可进行非呼吸相关的运动［12］。且因为是强迫屏气，对大多数患者来说不舒服［13］。Zellars等［14］观察到ABC 未能预防左乳腺DIBH 放疗导致的心脏灌注损害。RPM 通过单台红外摄像机监测置于患者剑突附近的基准盒形成呼吸曲线［15］，但有研究发现RPM 单独应用可能不足以定义DIBH 水平，原因是RPM 仅进行单一表面点的2D 监测以及对呼吸基线的相对测量［16‐17］。Laaksomaa 等［18］报道基于纹身的RPM 研究中，头脚方向高达4.4 mm 的等中心随机误差。OSMS 通过多台摄像机实时获取患者体表信息，形成体表轮廓，与参考轮廓进行实时匹配，可用于引导摆位和治疗监控，治疗中患者六维位置误差超过设定阈值时，加速器即刻停束，保证治疗安全。SGRT 替代标记摆位，可提高摆位准确性和DIBH位置重复性［19‐21］。因为它考虑的是体表的很多个点，而不是1 个或几个点，因此它可以评估目标位置的线性和旋转的变化，同时，追踪的表面是目标的一部分而不是替代物［22］。

SGRT 技术可提高摆位精度和摆位速度，增加舒适度［23‐25］。Hamming 等［26］报道通过SGRT 引导，左乳腺DIBH 实现5 mm 以内的位置误差，且SGRT 技术可以额外获得患者位置信息，而ABC 不能。Laaksomaa 等［27］研究结果显示残差3 mm 以内，光学体表引导的左乳腺DIBH 可以大幅降低IGRT 次数。Zagar 等［28］利用放疗后早期影像学改变判断心脏损伤，通过对20例光学表面引导的左乳腺DIBH患者放疗前和放疗后6 个月SPECT 扫描比较，无一例出现心脏灌注损害。本研究以OSMS 引导实现左侧乳腺癌DIBH 放疗技术，OSMS 实时监控体表变化，治疗中与患者呼吸相关或不相关运动导致的六维位置误差超过阈值（±3 mm；±3°）时，加速器即刻停束，保证治疗安全，且因患者全程自主屏气，舒适度较高。研究结果显示很高的靶区精度，而较小的心脏位置变化则反映出治疗中屏气与CT 模拟定位屏气有良好的重复性。

呼吸门控技术实施的重点是严格的患者筛选和有效的呼吸训练。在本技术应用流程中，医生接诊时的初步筛选、CT 模拟定位时的筛选以及物理计划评估时的筛选都是非常重要的步骤。通过有效的视频教学引导和反复的自主屏气训练，能增加患者屏气的稳定性和重复性，也能提高屏气时间，减少治疗时的屏气次数。呼吸训练的另外一个重点是引导患者进行胸式呼吸。OSMS实时监测患者体表，其引导的DIBH 放疗技术主要依赖FB 和DIBH 时两个体表轮廓的差异。胸式呼吸导致胸廓前后、左右方向明显变化，FB 与DIBH 体表差别明显，且DIBH 使心脏远离左胸壁，能更好地保护心脏。腹式呼吸则主要表现为上下方向的改变，DIBH 时心脏位置在前后方向上的改变较胸式呼吸大大降低，且此时FB 与DIBH 体表不会有太大差异，OSMS 在引导摆位和监控时难以辨别。

患者CT 模拟定位时，真空垫塑形不可过紧，建议松紧度为手指可于两侧腋下与真空垫内缘之间较轻松通过，以便于患者多次屏气之间的体位回复，否则将影响治疗流程。对FB 和DIBH 两套体表进行SSD 测量可判断体表导入是否有误，避免临床差错，为必不可少的质控环节。

一次屏气完成CBCT 扫描可以保证扫描图像的质量，因此选择头部条件进行扫描，机架只需旋转200°，约35 s。由于头部条件扫描直径限制（最大直径为26.3 cm），扫描的图像可能不能涵括全右侧胸腔，但不影响左侧乳腺靶区和心脏的配准。需要注意的是，图像配准后如需修正床值，需在移床前屏气，否则移床后体表位置改变，OSMS 无法引导正确的屏气。

保证治疗中屏气与定位屏气的重复性是本技术应用的重点，这关系到对心脏等危及器官的有效保护，因此要求患者的每次屏气均得到准确的引导。在本技术应用流程中，患者首次摆位时，重复确认患者屏气状态下与体表DIBH 标记重合后采集新的监控体表以引导后续屏气，后续每次屏气均要求OSMS工作站上的Vertical方向误差在±0.05 cm 以内以保证屏气重复性。DIBH 摆位体表ROI 仅包括靶区范围以保证靶区精度，因此仅在CBCT验证并移床后才采集更新，但治疗实施中机架旋转到一定角度遮挡部分摄像单元会导致监测数据出现跳动从而影响治疗，因此需增加一个监控体表。监控体表ROI扩大到对侧乳腺，出现遮挡时也不影响监测，每次摆位结束后或CBCT验证并移床后均采集新的监控体表，这样既保证了摆位精度，也能准确地引导患者的屏气。

本技术应用中，治疗摆位需分两个步骤完成，分别是FB 摆位与DIBH 摆位，流程较为复杂。OSMS的“Move Couch”自动摆位功能可轻松地将患者移到等中心位置，治疗摆位时仅需手动调整患者3个旋转方向±2°以内，移动治疗床使3 个平移方向±2 cm 以内，利用“Move Couch”功能一键使患者体位移动到OSMS实时匹配的正确位置，此时六维监测数据均接近于0，既提供了很好的摆位精度，也可节约摆位时间。本研究结果显示摆位时间为（4.1±1.2）min，是临床可以接受的。

尽管本研究显示心脏位置误差均值较小，但仍有个别治疗分次心脏位置在X 轴或Y 轴方向有较大误差，可能是由屏气量的误差所导致。因此，本技术的临床实施要求严格的患者筛选和呼吸训练以及放射治疗师对治疗流程的严格把控，以期获得最好的临床应用效果。