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放射治疗中肺部肿瘤运动轨迹预测研究现状

【摘要】在放射治疗过程中，由于患者的呼吸作用，肺部肿瘤会发生位移，导致

放射线难以精准照射靶区。这不仅会对周围健康组织的生理结构造成损伤，还会

降低治疗的效果。因此，精确预测肿瘤的运动轨迹并实时调整治疗束的位置显得

尤为重要。目前，预测肺部肿瘤运动轨迹的方法主要分为两大类：基于标记物的

预测和无需标记物的预测。本综述将讨论这两种预测方法的研究进展，分析其基

本原理、应用场景、当前面临的挑战以及未来的发展趋势。期望能够为相关领域

的研究人员和临床医生提供一个较为全面的视角，以推动肺部肿瘤放射治疗的改

进和优化。

【关键词】呼吸运动；肺部肿瘤；预测；肿瘤运动轨迹；精准放疗

随着放射治疗技术的不断进步，精准放疗已逐渐成为研究和实践的焦点［１］。

该技术的核心目标在于实现更为精确和高效的剂量投递，确保肿瘤受到足够治疗

的同时，最大限度地减少对周围健康组织的损伤［２］。然而，在实际应用中，

照射剂量的准确性常受到多种因素的影响。其中，呼吸引起的肿瘤运动［３］、

器官体积变化导致的肿瘤形变［４］以及患者在放疗过程中的摆位误差［５］，

是最为突出的三大问题。特别是在胸腹部区域，呼吸运动被认为是导致照射剂量

不准确的最主要因素［６］。

肺部肿瘤由于其位置的特殊性，受呼吸运动的影响尤为显著［７］。放射治

疗过程中，为确保肿瘤受到充分照射，临床医生通常会扩大照射靶区，这不可避

免地会对肿瘤周围的正常肺组织造成一定损伤［８⁃９］。这种损伤不仅可能引

发一系列并发症，还可能影响患者的生存质量［１０］。近些年，四维计算机体

层成像（４ＤＣＴ）定位与呼吸门控技术的出现，为提高肺癌患者放疗的精度和

安全性提供了重要的支持。４ＤＣＴ定位技术可以准确地模拟人体在生理运动下

的组织运动情况，呼吸门控技术通过跟踪患者的呼吸频率和幅度，确保射线束在

呼吸周期的最佳时相内对肿瘤进行照射，从而减少了正常肺组织的损伤［１１］。

但是呼吸门控技术需要在特定的呼吸时相内进行照射，这可能导致治疗时间的延

长。技术员需要在模拟定位时界定呼吸阈值，只有当呼吸阈值达到触发区间时才

触发加速器出束治疗，这增加了技术员的工作量和患者的治疗周期。因此，如何

有效预测肺部肿瘤的运动轨迹，在精准放疗的基础上提升放疗效率，已成为当前

研究的热点问题［１２］。

目前，预测肺部肿瘤运动轨迹的方法主要分为有标记物预测和无标记物预测

两大类（图１）。前者通常依赖于植入或外部的标记物来追踪肿瘤的运动，而后

者则利用医学影像技术直接分析肿瘤的运动。本综述旨在对近些年国内外在肺部

肿瘤运动轨迹预测领域的研究成果进行全面回顾，以期为该领域的进一步研究提

供有价值的参考。

一、有标记物预测

基于标记物的肺部肿瘤运动轨迹预测是一种在放射治疗领域中具有重要应

用价值的方法。通过在肿瘤周围精心放置标记物或使用外部替代品来保持与肿瘤

的关联，该方法能够实时监测并预测肿瘤的运动路径。目前，常用的标记物主要

分为体内标记物和体表标记物两类。

１．体内标记物预测：Ｓｈｉｒａｔｏ等［１３］在２０００年首次尝试在

人体内植入直径为２ｍｍ的金标记物。通过动态Ｘ射线影像技术，评估了标记物

与肺部肿瘤在不同呼吸阶段的三维空间关系，实现了对肺部肿瘤运动轨迹的实时

预测。然而，这种方法的有效性建立在一个关键假设之上，即金标记物在整个放

疗过程中保持相对静止，但这一假设在实际应用中并不总是成立。随后，Ｖｅｍ

ｐｒａｌａ等［１４］采用了一种更先进的方法，使用相关滤波技术来跟踪金标

记物的运动，并利用术前的ＣＴ图像来确定标记物的位置，进而预测肺部肿瘤的

运动轨迹。这种方法不仅适用于不同部位的肿瘤预测，而且有效避免了金标记物

形变所带来的干扰。除了金标记物外，Ｈｏｕｄｅ等［１５］还探索了使用永磁

体作为体内标记物的可能性。研究发现，植入永磁体不仅可以实现对直线加速器

的自适应运动控制，还可以连续监测不同放疗周期之间肿瘤体积的缩小情况。

尽管体内标记物预测方法具有较高的准确性，但它们也存在一些明显的局限

性。首先，植入标记物需要对患者进行有创操作，这不仅增加了患者的身体负担，

还可能导致标记物在患者移动过程中发生移位或脱落。更重要的是，植入标记物

可能会引发不同程度的不良反应，最高可达３级，从而对患者的安全构成潜在威

胁［１６］。

２．体表标记物预测：鉴于体内标记物预测方法的局限性和潜在风险，目前

临床上通过捕捉体表标记