立体定向放射治疗中肺肿瘤和膈肌动度的研究

中华放射肿瘤学杂志 2000年第4期第9卷 论　著

作者：曹永珍　黑月林　吕仲虹　杨天恩

单位：天津医科大学总医院放射治疗科　300052

关键词：肺肿瘤；放射疗法；立体定向放射治疗；呼吸动度；三维重建

　　【摘要】　目的　本实验为解决位于胸腔肿瘤行立体定向放射治疗时随呼吸动度的影响。方法　对48例肺癌患者肿瘤动度的实际测量，得出肺不同部位肿瘤的动度数据；通过模拟呼吸动度下肿瘤体积变化和CT扫描方式的研究，将不同体积的小球分别在不同CT扫描时间下进行体积测量分析。结果　⑴位于上肺的肿瘤在X、Y方向动度很小，为(0.20±0.06)、（0.20±0.11)cm;下肺X、Y方向动度由于受心脏和大动脉搏动影响，稍大于上肺为(0.31±0.10)、(0.36±0.10)cm;但不论肿瘤位于肺的什么部位，对Z轴方向影响最大；尤以下肺更显著，为(0.90±0.45)～(0.93±0.46)cm,这主要受膈肌影响。⑵每一层组织CT扫描时间大于或等于一个呼吸周期的话，肿瘤信息不会丢失，而且三维重建图像包括了各方向的动度；如采用螺旋CT快速扫描则三维重建图像不能包括肿瘤的全部动度。 结论　肺部肿瘤呼吸动度影响主要是Z轴方向。如果定位时CT扫描（每一层组织）所需时间与每个呼吸周期时间一致的话，重建肿瘤轮廓完全包括了动度的影响，确定大肿瘤体积（GTV）根本不需加安全边界。而用扫描时间小于呼吸周期的CT（如螺旋CT）则治疗计划重建的三维影像不能反映出肿瘤的全部动度范围。

Movement of pulmonary lesion and diaphragm in stereotactic radiotherapy for lung cancers

CAO Yongzhen　HEI Yuelin　LU Zhonghong

　　（Department of Radiation Oncology，Tianjin Medical University General Hospital, Tianjin, 300052, China）

　　【Abstract】　Objective　To study the range of movement of pulmonary lesion and diaphragm in stereotactic radiotherapy for lung cancers. 　Methods　We measured the range of movement in 48 lung cancer patients. The movement at different locations of the lung varied. The change in tumor volume from the reconstructed three-dimensional (3D) images during respiration as measured by a respiratory simulator was observed. 　Results　The movement was smaller in upper parts of lung in the X and Y directions (0.2±0.06)～(0.20±0.11 )cm. The movement of the lower field of lung was larger than that of the upper fields (0.31±0.10)～(0.36±0.10)cm. This is due to the heart and aortic pulsation. However, the movement was the largest in the Z direction (0.9±0.45)～(0.93±0.46)cm. Moreover, if the time of computed tomography (CT) scan for each slice of lung tissue was equal to or longer than the interval of a breathing cycle, the tumor information was not lost. The reconstructed 3D images involved all the movements. The size of reconstructed 3D images changed inversely with the breathing movement. 　Conclusions　The affection of breathing movement in lung cancer is chiefly in the Z direction. If the time of CT scan is equal to or longer than the interval of a breathing cycle, the reconstructed 3D images will encompass all the information of the tumor and its movement, showing the gross tumor volume (GTV) which does not need any safety margin. If the time of CT is shorter than the breathing cycle like the spiral CT, the reconstructed 3D image can not show the range of tumor movement.

　　【Key words】　Lung neoplasms/radiotherapy;Stereotactic radiotherapy; Breathing movement; Reconstructed 3D

　　立体定向放射治疗的临床应用已由颅内病变扩展到颅外以及全身肿瘤的治疗。位于胸、腹腔肿瘤行立体定向放射治疗时，病变会随呼吸及心脏搏动而运动。国外多采用限制呼吸运动、呼吸同步照射等方法，并在病变周围加一定量的安全边界。为了临床治疗需要，笔者作了如下研究。

　　1　材料与方法

　　1.1　对肺肿瘤及膈肌呼吸动度的测量：对就诊时48例肺癌患者，治疗前进行呼吸动度测量，对发生在肺不同部位的肿瘤进行观察测量，同时对每位患者的膈肌动度均进行测量。测量工具：利用本科GE720模拟机和自制X光标尺（X光标尺是用有机玻璃制成，用细金属丝刻度，共4只），分别测量X、Y、Z 3个方向的呼吸动度和膈肌动度。测量方法：患者仰卧在模拟机床上（与治疗时体位相同），平静呼吸，然后分别将3只光标尺放在X、Y、Z3个方位上。X方向的测量将光标尺平行于人体横轴放在肿瘤位置的胸壁上；Z方向的测量将光标尺平行于人体纵轴放在肿瘤位置的胸壁上；Y方向测量将光标尺垂直于人体横轴固定在侧胸壁上。另一只光标尺放在膈肌的位置，平行于人体长轴。然后在模拟机下观察各个方向的呼吸动度，将读数分别记录下来。笔者将肺分为上、中、下三部分，以肺门为界，肺门以上为上肺区，肺门区为中肺区，肺门以下为下肺区。对位于不同区域的病变进行测量后分别记录下来。

　　1.2　模拟呼吸动度下CT扫描影像三维重建后肿瘤体积的变化：使用自制的呼吸运动模拟器(该模拟器用QV电机，转速为1200r/min)，通过36∶9的变速齿轮将转速下调到15～16r/min，再用可调变压器制成调速的呼吸运动模拟器，转速为9～30r/min。电机通过曲轴传动，推动尼龙棒在滑道内往返运动，尼龙棒上分别安装了不同直径的模拟肿瘤的有机玻璃球。实验时将有机玻璃球的水平移动速度通过调节电压分别设定为12、20和25次/min。水平移动的幅度由曲轴的曲径决定，分别为1、2cm。有机玻璃球的直径分别为2、3cm。将有机玻璃球分别置于CT（Picker 2000S和岛津4500T）扫描视野的中央，分别对有机玻璃球在X、Y、Z轴做不同频率不同幅度的运动时进行常规CT 和螺旋CT无间隔薄层（2mm）扫描。扫描范围包括整个球体，Z轴扫描范围由Z轴方向运动轨迹决定，确保不会遗漏。将CT扫描结果通过光盘传输到Star-1000计划系统行影像三维重建，将结果记录分析。

　　2　结果

　　对48例肺癌患者呼吸动度测量结果显示，位于左、右上肺肺的肿瘤，在X、Y方向动度为（0.20±0.06）、（0.20±0.11）cm，下肺的肿瘤在X、Y方向动度为（0.31±0.10）、（0.36±0.10）cm，主要是心脏搏动所致。不论肿瘤位于肺的上、中、下部，对Z轴影响最大，Z轴动度在上肺为（0.38±0.23）cm，中肺为（0.46±0.33）cm，下肺为（0.90±0.45）～（ 0.93±0.46）cm；尤以下肺更为显著，这主要是受膈肌动度的影响，其结果见表1。膈肌动度测量结果为X=（1.5±0.47）cm。

表1　肺部肿瘤随呼吸运动的动度变化(cm)

　　不同CT机器下小球体积的变化：用呼吸动度模拟器在普通CT（岛津4500T每层扫描时间2.8s）和螺旋CT（Picker 2000S每层扫描时间＜1s）下分别进行连续无间隔薄层扫描，影像资料经光盘直接输入STAR-1000立体定向放射治疗计划系统；选择同样的窗宽和窗水平（肺窗显示影像最清晰，体积最大），将小球影像三维重建，并得出重建后小球的体积。结果显示，同一体积的小球在普通CT下扫描三维重建体积大于小球体积，呈圆柱型（见图1)；而在螺旋CT下扫描获得的小球体积均接近实际小球体积，其结果见表2、3（本实验分别采用两种CT，其Hounsfield单位会有少许差别，但Hoinsfield单位可作为CT的诊断依据，不同的CT机会有微小差别，但不致影响本实验结果）。

图1　影像重建图

　　实验结果显示，普通CT扫描影像三维重建后球体积大小与呼吸动度呈负相关。球体积越小，随呼吸动度产生的体积与静止体积比值越大，反之相反。不同体积的小球在相同呼吸动度下，小球体积越小，呼吸动度对其体积影响越大，反之小球体积越大，呼吸动度对其体积变化影响越小。

　　3　讨论

　　肺肿瘤的呼吸动度：临床试验中观察到，肺门以上部位的肺癌，在患者平卧平静呼吸状态下，对X、Y轴影响很小，肺门以下部位肿瘤随平静呼吸动度影响较大。肿瘤不论在肺的哪个部位，对Z轴方向随呼吸动度影响最大(见表1)。这些数值均小于Rose等^［1］的实际结果,与Ekberg等^［2］的结果相近。

表2　 2cm直径小球不同CT扫描时体积（cm³）的变化

表3　3cm直径小球不同CT扫描时体积（cm³）的变化

　　笔者的试验结果显示，膈肌（肝脏）动度为（1.50±0.47）cm。Lax等^［3］报道对肝脏恶性肿瘤行立体定向放射治疗时，要尽量将膈肌动度减到最小。其对17例患者进行X光检查，结果发现，在平静呼吸状态下，膈肌动度范围为1.5～2.5cm，通过腹部加压，可将膈肌动度减少到5～10mm。并认为对肝和肺的大多数病例靶动度为5～8mm。Davies等^［4］报道用超声扫描测量膈肌和肝脏在平静呼吸时上下方向（Z轴）平均动度分别为（12±7）mm（范围7～28mm）和（10±8）mm（范围5～17mm）。

　　关于安全边界问题：有关胸腹腔肿瘤在行立体定向放射治疗时是否加安全边界，文献报道很多。Ekerg等^［2］、Cardinale等^［5］均主张加安全边界。根据计划靶体积（planning target volume，PTV）设计的治疗计划能够保证临床靶体积（clinic target volume，CTV）接受足量的治疗剂量，但有可能出现过多的正常组织受到照射而使正常组织并发症概率（normal tissue complication probability, NTCP）增加。Balter等^［6］报道在治疗肝肿瘤时，为了减少正常组织受照的体积，采用患者在平静呼吸的吸气末时进行肿瘤CT扫描的定位及治疗，这时大肿瘤体积（gross tumor volume，GTV）在Z轴方向的安全边界由平静呼吸时3.8cm减为2.9cm。从笔者试验结果显示，是否加安全边界及加多少，取决于CT扫描一个层面的时间。如果每扫描一层组织所需时间和每个呼吸周期的时间一致，那么肿瘤信号是不会丢失漏掉的；也就是说，肿瘤随每个呼吸周期的动度都会在CT扫描图像上留下信号。这样在连续CT扫描过程中，对一个肿瘤会被清晰地记录下来它的全部动度，三维重建后的肿瘤图像即包括了肿瘤本身体积也包括了它随呼吸动度而产生的体积影响成分。笔者认为这样的扫描得到的GTV不需要加安全边界，如果人为地加安全边界必然会增加正常组织损伤的机会。如果CT扫描每一层组织时间短于每个呼吸周期的话，得到的图像就会小于肿瘤本身的体积，更不会含有呼吸动度所产生的体积变化成分。笔者的实验也证实如此，用普通CT扫描，因每一层图像所需时间与每个呼吸周期时间相同，得到的图像体积包括了全部呼吸动度。而用螺旋CT（Picker 2000S）扫描，由于每一层组织扫描时间短于每个呼吸周期的时间，它所扫描得到的CT图像三维重建后在不同直径的小球和不同动度情况下得到体积接近或小于小球体积本身，并且形状也有很大改变。这说明在整个扫描过程中，对小球体积的信息有丢失漏掉的情况。因此得出结论，安全边界不能一概而论，要根据自己所用的设备具体情况具体分析，既可保证治疗足够的靶体积，提高肿瘤控制概率（tumor control probability, TCP），又要防止过多正常组织受照，使NTCP降低。

　　目前为了减少呼吸动度的影响，在行立体定向放射治疗时有几种方法可供选择：（1）患者平静呼吸时，"门控"放射治疗^［7-10］，即在呼吸周期的特定时相，重复给予短时的放射治疗。这种方法要求对患者呼吸的实时监控及对射线发送的实时控制。Osaka等^［9］报道利用重离子门控放射治疗直径在15～40mm 的肺及肝脏肿瘤时，受照体积可减少28%～84%。然而，仍然需要沿呼吸运动方向加10～15mm 的安全边界以针对连续的器官运动及任何来自平静呼吸时的意想不到的动作如叹息。（2）另一个较简单的方法是指导患者在深吸气末屏住呼吸以制动器官的运动。该方法不需要对机器的繁琐控制。Hanley等^［11］报道通过指导患者练习，5例肺癌患者能够在疲劳前进行10～13次，每次屏住呼吸12～16s。透视下观察在单次屏气时膈肌位置的变化为(1.0±0.9)mm，屏气间的膈肌位置变化为(2.5±1.6)mm,而自由呼吸时膈肌位置变化为(26.4±9.3)mm。屏住呼吸的方法能够有效地减少器官的运动，但由于患者达到和保持深吸气能力的不同，PTV 中仍需要包括安全边界。（3）Balter等^［9］报道在呼吸周期中，正常呼气末的间期最长，如果在此呼气位置进行CT扫描定位做治疗计划，可有意地减少治疗边界。但它不能用于呼吸运动的吸气相，所以还不如屏气的方法容易掌握。（4）Wong等^［12］报道利用主动呼吸控制装置来减少与呼吸运动相关的安全边界。患者的呼吸运动由该装置持续监控，在吸气相或呼气相达到预置的肺容量时，患者的气流被临时阻断，从而制动呼吸运动，并在制动期进行放射治疗。

　　综上所述，门控放射治疗距离临床应用还很遥远。深吸气屏气时治疗，患者很难保证全程配合。呼气末的定位治疗还不如屏气的方法容易掌握。主动呼吸控制的方法同样需特殊装置，尚未广泛应用。

参考文献

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收稿日期：2000-05-08