Catalyst光學體表監測在左側乳腺癌ABCDIBH放射治療中的應用

劉劍鋒，鐘鶴立，張光偉，吳何茍，劉婷婷，高勇，李彬

深圳市人民醫院 腫瘤放療科，廣東 深圳 518020

引言

放射治療是乳腺癌治療的重要方式[1]。近年來，深吸氣屏氣（Deep Inspiration Breath Hold，DIBH）技術在放療領域得到越來越廣泛的應用[2]。特別是在左側乳腺癌放療中，該技術能有效擴大患者胸腔容積，拉開心臟與胸壁的距離，降低心臟受照劑量和體積，減少心臟的遠期反應[3-7]，使患者長遠獲益?；诖?，我院開展了以主動呼吸控制（Active Breathing Control，ABC）技術引導左側乳腺癌患者的DIBH 放射治療。該技術可以監測整個呼吸周期的空氣流量，并將氣流容積限定在設定的閾值內，從而使患者屏氣以維持該容積[8]。屏氣的有效性和重復性主要通過治療前內錐形束計算機斷層掃描（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）配準進行位置驗證。ABC 技術不具備實時體位監測功能，難以判斷治療中體位的變化，且無法單獨根據呼吸曲線判斷患者嘴角漏氣及因鼻夾松動而導致鼻呼吸等假屏氣情況[8]。而CBCT 也不適合分次內進行多次掃描，會額外增加患者受照射劑量，從而增加患者患上其他腫瘤疾病的風險[9-10]，并增加患者經濟負擔[11]，降低治療效率。因此，對治療中屏氣后的體位監測尤為關鍵。

光學體表追蹤系統是通過加速器室Catalyst 3 臺攝像機和投影儀組合的方式，利用光學三角原理，獲取30 萬個幾何結點并重建三維體表輪廓，與參考輪廓進行匹配監測。該系統沒有電離輻射，對患者無任何創傷，治療過程中可實現全程體位監測，實時獲取表面輪廓的誤差數據。目前該系統輔助擺位及監測功能已廣泛應用于各種腫瘤的放療實施[12]，但對于反復吸氣屏氣的ABC 患者治療中光學體表監測的研究較少。因此，本研究將以CBCT 配準為參考標準，分析Catalyst 對ABC技術實施過程中實時體位監測的精確性與有效性，保證乳腺癌DIBH 放射治療過程中患者吸氣量的一致性和乳腺靶區位置的精確性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取23 例深圳市人民醫院放療科2022 年1 月至2023 年2 月期間實施ABC 技術的左側乳腺癌患者為研究對象，年齡為31～63 歲，年齡中位數為49 歲，所有患者均經病理確診，無基礎心臟病史，KPS 評分≥90 分。納入標準：左側乳腺癌患者，患者無溝通障礙，能配合；無呼吸障礙，肺功能好；采用胸式呼吸，DIBH 時間≥40 s。設備采用的是瑞典Elekta 公司的Axesse 直線加速器及ABC 設備、瑞典C-RAD 公司的Catalyst 攝像器與投影器成像設備、SIEMENS 公司的SOMAETOM Definition AS CT 模擬機、Monaco 治療計劃系統。

1.2 工作流程

1.2.1 呼吸訓練

CT 模擬定位前，指引患者進行呼吸訓練，要求患者以胸式呼吸法進行呼吸，屏氣幅度和時間均可達到要求的患者再對其進行CT 定位。

1.2.2 ABC技術定位

所有患者均采用真空墊體位固定，仰臥，左手抱頭頂，右手握住開關閥門的手柄上舉。引導患者進行呼吸訓練，夾住鼻子，以胸式呼吸法進行呼吸，用口深吸氣后屏住，反復練習。CT 定位前，給患者口中放置口含器，連接ABC 設備，讓患者盡量深吸氣，多次訓練。經過3 次以上的評估，將閥門閾值設在患者最大吸氣量的80%，分別標記自由呼吸（Free Breath，FB）和DIBH激光標記點并進行CT 掃描。

1.2.3 計劃設計

靶區勾畫和計劃設計在屏氣CT 圖像上進行，采用三維適形放射治療技術結合調強放射治療技術。

1.2.4 治療實施

導入患者計劃，治療前要通過模體完成Catalyst 的日檢校正工作，質量保證系統精度＜1 mm。根據患者的皮膚顏色設置合適的相機參數，最大限度地減小光線影響以獲取完整的體表輪廓。擺位時先用鼻夾夾緊患者鼻孔，口中放置連接開關閥門的口含裝置，囑咐患者口呼吸，激光燈對準FB 狀態下的位置標記；讓患者深吸氣，同時按下手柄控制按鈕，當吸氣量達到設定的閾值時，激活裝置，此時氣流閥門自動關閉，患者肺內氣量不再發生變化，開始屏氣；治療前在患者屏氣狀態下進行CBCT，與計劃設計時的CT 圖像進行配準；修正誤差后，在Catalyst 的治療界面，及時采集患者DIBH 輪廓，此時位置偏差歸零。本次治療中DIBH 體位實時監測的參考輪廓如圖1 所示。治療中再次進行CBCT，同時記錄光學體表監測數據，CBCT 配準后記錄誤差數據。

圖1 ABC設備與Catalyst光學體表監測裝置

1.3 數據收集

收集23例患者分次內CBCT配準后左右（x軸）方向、頭腳（y軸）方向和前后（z軸）方向的誤差數據共88 組，掃描中實時Catalyst 光學體表監測x、y、z軸平移方向的數據共88 組。

1.4 統計學分析

采用SPSS 21.0 軟件對數據進行分析，計量資料采用±s表示，計數數據比較采用χ2檢驗，以P＜0.05 為差異有統計學意義。應用Pearson 法分析兩組誤差的相關性，應用Bland-Altman 法評估兩種系統的一致性，并計算95%CI值。將光學體表監測值與CBCT 配準誤差值之間的差值定義為Catalyst 體表監測精度，差值越小，精度越高。

2 結果

2.1 誤差比較

Catalyst 監測和CBCT 配準在x、y、z軸平移方向統計結果如表1 所示，差異均無統計學意義（P＞0.05）。

表1 Catalyst監測和CBCT配準在x、y、z軸方向的誤差比較（±s，mm）

表1 Catalyst監測和CBCT配準在x、y、z軸方向的誤差比較（±s，mm）

注：CBCT：錐形束計算機斷層掃描。

項目x軸y軸z軸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 監測和CBCT 配準誤差的95%CI值在x、y、z軸方向分別為[-2.01，1.86]、[-2.69，2.57]、[2.32，2.34] mm，臨床中可接受此差異，Catalyst 監測和CBCT 配準誤差差異的Bland-Altman 圖直觀地說明了二者誤差一致性較好，見圖2。

圖2 Catalyst和CBCT配準誤差在x（a）、y（b）、z（c）軸方向上的95%CI值

2.3 相關性分析

Catalyst 監測和CBCT 配準誤差之間的Pearson 相關分析：在x軸方向和z軸方向呈強相關，在y軸方向呈極強相關，相關系數r值如表2 所示，線性回歸分析如圖3 所示。

表2 Catalyst監測和CBCT配準誤差之間相關分析

圖3 Catalyst和CBCT配準誤差在x（a）、y（b）、z（c）軸方向上線性關系圖

2.4 Catalyst監測和CBCT配準誤差累積頻率分布

在計劃靶區外擴的閾值范圍內，y軸＜3 mm 的誤差百分比，Catalyst 監測為73.9%，CBCT 配準為79.5%，在y軸3～5 mm 的誤差百分比，Catalyst 監測為21.6%，CBCT 配準為17%，見表3。

表3 Catalyst監測和CBCT配準在x、y與z平移方向累積頻率分布[n=88，n（%）]

2.5 Catalyst監測精度

Catalyst 監測精度在x、y、z軸方向分別為（-0.08±0.99）、（-0.06±1.34）、（0.01±1.19）mm，可滿足臨床中的應用需要。

3 討論與結論

放療已成為乳腺癌術后的標準治療，然而，晚期心臟毒性可能會影響長期生存率[13-14]，為了降低該風險，ABC 技術已被常規使用于左側乳腺癌的放療中。ABC技術的原理是通過球囊閥的方式控制氣道開關，使用數字化肺活度儀實時監測呼吸量，在肺部吸氣量一致的情況下進行DIBH 治療[15]。ABC 技術可顯著降低心臟劑量，提高局部控制率[16-17]，同時操作簡單，患者依從性及耐受性較好[18]。然而，該技術的實際獲益程度還取決于患者每次屏氣的重復性，有2 個因素會潛在地影響其重復性：① 不同的呼吸方式（胸式呼吸、腹式呼吸）可能會導致心臟與胸壁間距離的變化及屏氣后體表的變化。Plathow 等[19]發現，即使在患者吸氣量保持一致的情況下，胸式呼吸與腹式呼吸所導致的胸壁擴張程度亦會有所不同，平均差異達1.9 cm。Fassi 等[20]及McConnell等[21]研究也表明，僅僅基于控制肺容量的DIBH 左乳放療，不能保證乳腺外表面位置完全相同，雖然ABC引導的吸氣量保持不變，但乳房表面位置存在不可忽略的變化，在臨床情況下應特別考慮該因素的影響。② ABC 通氣量到達閾值至閥門關閉存在時間差，呼吸曲線只設置了閾值下限，沒有閾值上限，如果患者治療時因為緊張，吸氣用力過大，會導致氣體流速過快，從而超過設定的限值。Kaza 等[22]研究表明，ABC 設備控制的肺容量雖然比通過自主屏氣控制肺容量重復性更好，但也會有1.8%的平均變化率。根據呼吸曲線，本研究統計出部分患者的分次間吸氣量變化的平均值為0.23 L。此外，在該技術實施過程中，僅通過ABC 設備的呼吸曲線，無法排除患者因嘴角漏氣及因鼻夾松動而導致鼻呼吸等假屏氣情況，且隨著治療中屏氣次數的增加，患者的體位會有輕微滑動，另外治療中的一些意外動作同樣會引起位置的變化。本研究的目的正是為了及時發現以上異常情況，及時處理，避免投照脫靶。

作為影像引導治療的CBCT 依然是驗證放療體位的“金標準”[10]，但僅限于治療前單次屏氣的位置驗證，治療開始后的體位變化難以被發現。準確且可重復的體位是實現精準放療的基礎，為了及時發現治療中體位及形態的變化，在盡可能減少患者輻射劑量原則的基礎上，本研究在治療中使用Catalyst 監測吸氣屏氣后的體位。本文應用模體檢測Catalyst 精度＜1 mm，但模體是剛性結構，而人體胸廓乳腺等非剛性組織在反復吸氣屏氣后會產生形變和位移，為了提高放療的精確性，確定體表位移與內部靶區位移的相關性非常重要[23]。Wikstr?m 等[24]通過比較發現，光學體表監測系統是CBCT 的補充，本研究結果也表明Catalyst 監測誤差與CBCT 配準誤差具有強相關性，二者結論一致。Stieler等[25]研究表明，胸部腫瘤患者光學體表技術與CBCT的誤差在x、y、z軸方向分別為（0.7±3.3）、（-0.7±3.8）、（2.4±3.2）mm；Wiant 等[26]研究發現，在自由呼吸的狀態下，通過光學表面影像系統分次內實時監測乳腺癌患者位置，在治療的第5 分鐘時體位誤差在x、y、z軸方向分別為（0±1.87）、（-0.39±1.85）、（0.28±1.88）mm，第10 分鐘時體位誤差在x、y、z方向分別為（0.11±1.96）、（-0.44±1.98）、（0.36±2.15）mm，因此認為光學體表監測有效可行，且隨著治療時間的延長，體位誤差會越來越大，以y方向最為明顯，其次是z方向，監測尤為重要，這均與本研究結論基本一致。

對于DIBH 的患者來說，相比較常規FB 狀態下的治療，加速器只有在屏氣狀態下才會出束治療，治療時間更長，治療中的體位變化，會有更多的不確定性。李譚譚等[27]研究發現，在ABC 輔助控制吸氣量的情況下，光學體表門控點起伏變化超過3 mm 的比例為10.8%，本研究中通過CBCT 驗證，z軸方向大于3 mm 的比例為8%，二者研究結果相近。通過研究，實際治療中發現患者吸氣方式不一致或出現假屏氣情況時，y軸與z軸會有較明顯的改變，其中一項超過3 mm 時，及時通過對講系統囑咐患者放松，注意吸氣方式不變，保持口呼吸，再重新吸氣，有部分患者的體表狀態會得到改善。其次，研究中發現，隨著吸氣屏氣次數的增加，累積造成的位移誤差越來越大是常見情況，特別是y軸方向較明顯，體位變化在閾值的臨界狀態3～5 mm 達到了21.6%，經CBCT 驗證靶區位置，這一比例下降到17%，雖然Catalyst 高估了部分y軸方向的誤差，但也不可忽視該誤差。特別是一些意外動作的發生，會造成更大的體位變化。研究中發現共有4 次監測中y軸方向位移超過5 mm 閾值，當下經過CBCT 配準，驗證了靶區的相應移動，同時暫停治療，進入機房與患者溝通。經過與患者溝通，有如下原因：① 由于手柄滑落，重新拿起手柄的影響；② 由于咳嗽的影響；③ 患者不自主運動的影響。經重新擺位，校正誤差后繼續治療，由此保證治療的精準執行。治療中患者輕微的動作，難以從監控顯示器上發現，而Catalyst 能夠及時捕捉到這些變化，為實現精準治療，減少計劃靶區的外擴邊界提供了保障。由于本研究中加速器門控接口只有一個，由ABC 設備控制，Catalyst 不能控制出束，因此治療過程中需要時刻關注監測值。

總之，以Catalyst 與CBCT 強相關性和一致性為基礎，光學體表監測的意義主要是能夠在一定程度上保證ABC 患者治療中吸氣方式的一致性。由于是治療的同時進行監測，所以不會增加治療時間，也不受監測頻率的限制，為能夠及時發現患者體位變化所造成的乳腺靶區位移提供了最大可能。需要注意的是，乳腺屬于淺表組織，所以和光學表面有很好的對應關系，對于肺、肝臟等內部器官，因為中心點離皮膚表面較遠，與光學體表的對應關系還需要進一步研究。

綜上所述，Catalyst 能夠很好地監測使用ABC 治療左側乳腺癌分次內誤差。與CBCT 比較，Catalyst 的準確性得到了檢驗，可以驗證使用ABC 患者屏氣的有效性，避免患者在治療中的體位發生意外變動，提高放療的精確度，且該方式安全可靠，具有臨床應用價值。