基于CT圖像的腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌術(shù)前規(guī)劃

劉 芳，楊志永*，張達(dá)光,2，姜 杉(.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖像導(dǎo)航放射治療系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.天津醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射治療科，天津 300060)

·方法技術(shù)學(xué)·

基于CT圖像的腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌術(shù)前規(guī)劃

劉 芳1，楊志永1*，張達(dá)光1,2，姜 杉1
(1.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖像導(dǎo)航放射治療系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.天津醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射治療科，天津 300060)

目的提出基于CT圖像的腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌的術(shù)前規(guī)劃方法，并評(píng)價(jià)該治療方法的可行性。方法將1例胰腺癌患者的術(shù)前CT圖像導(dǎo)入本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)中，獲得腫瘤和周圍器官的重建圖像。借助基于腫瘤表面的虛擬手術(shù)導(dǎo)板，選擇進(jìn)針點(diǎn)位置，進(jìn)而規(guī)劃出粒子植入的針道及粒子數(shù)量，并評(píng)估輻射劑量。結(jié)果共規(guī)劃21條針道，擬植入45顆粒子。術(shù)前規(guī)劃中腫瘤的劑量參數(shù)指標(biāo)D90為12 481 cGy，V100為92.83%，可滿足臨床劑量要求；而周邊正常胰腺組織的D90為0，V100僅為0.40%。結(jié)論理論上，腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌能保證粒子精準(zhǔn)植入并達(dá)到腫瘤局部控制效果。

放射療法；碘同位素；胰腺腫瘤；超聲檢查；腹腔鏡

圖1 腫瘤和周圍器官勾畫(A)及重建(B)

胰腺癌是一種常見的消化道腫瘤，具有惡性度高、病情發(fā)展快、預(yù)后差等特點(diǎn)。根治性手術(shù)切除是目前治療胰腺癌最有效的手段，但患者就診時(shí)多為晚期，有手術(shù)機(jī)會(huì)的患者僅占15%～20%[1]。將放射性粒子植入腫瘤內(nèi)部，借助其組織間照射作用，可達(dá)到治療惡性腫瘤的目的[2]。近年來(lái)，超聲引導(dǎo)I125粒子植入為治療胰腺癌提供了新的方法，但存在不同程度的并發(fā)癥[3]，并可損傷正常器官[4]。

腹腔鏡超聲是一種將腹腔鏡與術(shù)中超聲聯(lián)合應(yīng)用的新型診療技術(shù)，除具有腹腔鏡手術(shù)創(chuàng)傷小、術(shù)中出血少等優(yōu)點(diǎn)外,還可借助術(shù)中超聲直接觀察病灶與周圍正常組織器官位置關(guān)系，具有實(shí)時(shí)引導(dǎo)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)病灶定位準(zhǔn)確及精準(zhǔn)度高等特點(diǎn)[5]，對(duì)降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和減少術(shù)后并發(fā)癥均具有重要意義。針對(duì)目前常規(guī)超聲引導(dǎo)I125粒子植入手術(shù)的局限性，本研究提出腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌的手術(shù)思路，基于術(shù)前CT圖像規(guī)劃粒子植入路徑和粒子數(shù)量，并評(píng)估輻射劑量，探討其可行性。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源及處理 采用由天津醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院提供的1例胰腺癌患者的術(shù)前CT掃描原始圖像數(shù)據(jù)，該患者為男性，67歲，體質(zhì)量65 kg。CT掃描管電壓120 kV，管電流173 mA，層厚及層間距均為1.5 mm；患者取仰臥位，頭先進(jìn)掃描。

將CT原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system， TPS)進(jìn)行腫瘤和周圍組織器官的三維重建，并由專業(yè)的物理師勾畫靶區(qū)和周圍器官(圖1)。該軟件采用適于醫(yī)學(xué)圖像三維重建的可視化工具函數(shù)庫(kù)(visualization toolkit, VTK)，在Microsoft Visual Studio 2010環(huán)境中開發(fā)。軸位圖像的勾畫結(jié)果和三維重建的局部放大圖像顯示，腫瘤位于小腸下方，植入針無(wú)法直接到達(dá)腫瘤內(nèi)部。但小腸因蠕動(dòng)可發(fā)生移動(dòng)和變形，且CT圖像所示小腸位置為其在掃描時(shí)的大致位置，I125植入過(guò)程中可有效利用小腸自身的可移動(dòng)性在腹腔鏡聲引導(dǎo)下使植入針避開小腸順利到達(dá)腫瘤內(nèi)部。故認(rèn)為該患者的CT資料可用于術(shù)前治療規(guī)劃。

1.2 治療規(guī)劃 基于術(shù)前CT圖像的腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌規(guī)劃主要包括確定進(jìn)針點(diǎn)、生成針道和布置粒子。

1.2.1 進(jìn)針點(diǎn)的確定 通過(guò)基于腫瘤表面的虛擬手術(shù)導(dǎo)板，確定粒子植入的進(jìn)針點(diǎn)。由于術(shù)中需根據(jù)腫瘤大小和腹腔鏡超聲探頭進(jìn)入人體的手術(shù)切口位置來(lái)確定虛擬模板的大小和位置。假定手術(shù)切口的位置位于腫瘤重心的正上方,改變皮膚的透明度后，根據(jù)腫瘤的大小和形狀生成最小包圍盒(圖2)。最終模板是由腫瘤表面的四點(diǎn)p1，p2，p3和p4確定的區(qū)域，記為S(圖3白色區(qū)域)。

以集合P={P0,P1,P2…Pn}和Q={Q0,Q1,Q2…Qn}分別表示2組相交平面束[公式(1)和(2)]。

Pi={(x,y,z)|A1(x-xp1-k·i·xe1)+B1(y-yp1-k·i·ye1)+C1(z-zp1-k·i·ze1)=0}

(1)

Qj={(x,y,z)|A2(x-xp2-k·j·xe2)+B2(y-yp2-k·j·ye2)+C2(z-zp2-k·j·ze2)=0}

(2)

其中(A1，B1，C1)是點(diǎn)p1到p2的向量，作為平面束P的法向量，平面束中的第1個(gè)平面P0經(jīng)過(guò)點(diǎn)p1；e1是向量(A1，B1，C1)的單位向量；k為平面束中相鄰平面之間的距離，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，考慮到實(shí)體模板中孔的間距大小，本研究中k取值5 mm。同理，(A2，B2，C2)是點(diǎn)p2到p3的向量，作為平面束Q的法向量，平面束中的第1個(gè)平面Q0經(jīng)過(guò)點(diǎn)p2；e2是向量(A2，B2，C2)的單位向量。利用此2組相交平面束與不規(guī)則曲面S分別相交，得到的交線即為模板網(wǎng)格(圖3)。其中黑色的曲線代表平面束P與S的交線，紅色曲線則代表平面束Q與S的交線。

圖2 最小包圍盒示意圖 圖3 虛擬手術(shù)導(dǎo)板示意圖

圖4 針道和可植入粒子位置示意圖(4A)及局部放大圖(4B)

在所有交線已知的情況下，還需確定網(wǎng)格的頂點(diǎn)，即所有黑色曲線與紅色曲線的交點(diǎn)，作為植入針的進(jìn)針點(diǎn)。將曲線細(xì)分為一組線段，其中任意紅色的線段記為L(zhǎng)r，黑色的線段記為L(zhǎng)b。求網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)的問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為求空間兩線段Lr和Lb的交點(diǎn)。

交點(diǎn)的求解分3種情況：①線段Lr和Lb共面且相交于端點(diǎn)，即2條線段的4個(gè)端點(diǎn)中“三點(diǎn)共線”，共線的3個(gè)點(diǎn)分別記為S0、S1、S2，其中S0為交點(diǎn)?！叭c(diǎn)共線”坐標(biāo)需滿足以公式(3)；

(3)

其中點(diǎn)S0為線段的交點(diǎn)，必位于由S1和S2構(gòu)成的線段上，故S0的坐標(biāo)也必須滿足相應(yīng)邊界條件[公式(4)]；

(4)

②線段Lr和Lb共面且端點(diǎn)不存在“三點(diǎn)共線”，將線段Lr的2個(gè)端點(diǎn)分別記為Sr1和Sr2，線段Lb的2個(gè)端點(diǎn)分別記為Sb1和Sb2，則由Sr1、Sr2和Sb1確定的平面方程見公式(5)；

xn·x+yn·y+zn·z-(xn·xsb1+yn·ysb1+zn·zsb1)=0

(5)

其中n是平面的法向量，同時(shí)垂直于線段Lr和Lb。由于線段Lr和Lb共面，故端點(diǎn)Sb2也位于由方程(5)確定的平面中，滿足該平面方程；在線段滿足共面的前提下，交點(diǎn)的求解又分線段Lr和Lb平行和相交2種情況：當(dāng)線段Lr和Lb平行時(shí)，由點(diǎn)Sr1指向點(diǎn)Sr2的向量記為r，點(diǎn)Sb1指向點(diǎn)Sb2的向量記為b，則r和b也平行，即滿足公式(6)；

r=λb(λ≠0)

(6)

其中λ為實(shí)數(shù)，當(dāng)線段Lr和Lb的端點(diǎn)滿足等式(6)，即線段平行時(shí)沒有交點(diǎn)；當(dāng)線段Lr和Lb相交且交點(diǎn)不是端點(diǎn)時(shí)，則交點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z)需滿足公式(7)及相應(yīng)邊界條件[公式(8)]：

(7)

(8)

③當(dāng)線段Lr和Lb不共面時(shí)，二者間無(wú)交點(diǎn)。

1.2.2 針道和可植入粒子位置的生成 在三維空間中確定植入針路徑和可植入粒子位置。理想情況下，所有的植入針均應(yīng)沿既定路徑，從手術(shù)切口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)進(jìn)針點(diǎn)(網(wǎng)格頂點(diǎn))，將粒子植入腫瘤。在規(guī)劃所有植入針路徑的同時(shí)，可獲得該針道中可植入粒子的位置信息，相鄰可植入粒子位置間距均為5 mm，最終生成的所有針道和可植入粒子位置如圖4所示。

1.2.3 粒子的布置 參照美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(huì)(American Medical Physics Society， AAPM)推薦的介入治療中點(diǎn)源和線源的劑量計(jì)算模型[6]，采用粒子活度為0.70 mCi的6 711型I125粒子的劑量，評(píng)估單顆粒子的輻射劑量。其中用于近距離治療劑量計(jì)算的坐標(biāo)系見圖5。由公式(9)計(jì)算單顆粒子的輻射劑量。

(9)

其中SK為粒子源的空氣比釋動(dòng)能強(qiáng)度，∧為劑量率常量，GL(r,θ)為線源的幾何函數(shù)，gL(r)為放射劑量函數(shù)，F(xiàn)(r,θ)為各向異性函數(shù)。理論上，對(duì)空間中多顆粒子而言，多顆粒子的輻射劑量等同于單顆粒子輻射劑量的線性疊加[7]。以分別位于3條針道上的多顆粒子為例，獲得的等劑量面示意圖(圖6)。依據(jù)“外周密、中間疏”的原則，在規(guī)劃的可植入粒子位置放置粒子，實(shí)時(shí)觀察粒子顯示的等劑量面。根據(jù)等劑量面在生成的可植入位置添加或刪減粒子，使粒子疊加的劑量面恰好覆蓋腫瘤(圖7)。

圖5 劑量計(jì)算坐標(biāo)系

1.3 劑量評(píng)估 采用劑量體積直方圖(dose volume histogram， DVH)描述腫瘤體積與所受輻射劑量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并評(píng)價(jià)本研究提出的規(guī)劃是否能滿足臨床治療輻照劑量的要求。如90%靶區(qū)接受的劑量(D90)>12 000 cGy，相應(yīng)的處方劑量(>12 000 cGy)覆蓋靶區(qū)體積的百分比(V100、V150、V200)滿足V100>90%、V150<50%、V200<25%則認(rèn)為可滿足臨床劑量要求[8]。

2 結(jié)果

治療規(guī)劃軟件運(yùn)行于安裝Windows 7操作系統(tǒng)、主頻3.60 MHz×4、內(nèi)存8 GB的計(jì)算機(jī)時(shí)，生成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的模板共耗時(shí)3.50 s；獲得所有針道信息共耗時(shí)7.30 s。最終，共規(guī)劃21條針道，擬植入45顆粒子。16條針道為有效針道，無(wú)需調(diào)整、可直接用于粒子植入；除有效針道外，根據(jù)劑量需要添加5條針道用于粒子植入。術(shù)前規(guī)劃中腫瘤和正常胰腺的DVH見圖7。腫瘤受到的輻射劑量滿足臨床劑量要求(表1)；周圍正常胰腺組織的D90為0，V100僅為0.40%(圖8)。

3 討論

近年來(lái)，平面手術(shù)導(dǎo)板因有利于保證植入針定向和定位的精準(zhǔn)性、提高粒子在靶區(qū)的空間合理分布，被廣泛應(yīng)用于近距離粒子植入治療惡性腫瘤的手術(shù)中[9-10]。但平面手術(shù)導(dǎo)板在術(shù)中也會(huì)引發(fā)一系列并發(fā)癥。呂金爽等[11]采用平面手術(shù)導(dǎo)板輔助放射性粒子植入治療32例肺癌患者,其中8例患者出現(xiàn)肺出血。此外，由于平面手術(shù)導(dǎo)板的針道全部為平行針道，導(dǎo)板位置固定后無(wú)法再調(diào)整針道，難以避開既定路徑中的正常組織器官。綜合考慮平面手術(shù)導(dǎo)板的優(yōu)點(diǎn)和局限性，本研究出于兩方面原因選擇基于腫瘤表面的虛擬手術(shù)導(dǎo)板：①參考平面手術(shù)導(dǎo)板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，生成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的虛擬手術(shù)導(dǎo)板，以網(wǎng)格的頂點(diǎn)作為植入針進(jìn)針點(diǎn)，有利于提高腫瘤內(nèi)粒子位置和劑量的合理分布；②虛擬模板由網(wǎng)格構(gòu)成，在術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中植入粒子的過(guò)程中均可根據(jù)避障的需要適時(shí)調(diào)整植入針的進(jìn)針點(diǎn)，有效避開正常組織器官。相對(duì)于傳統(tǒng)的平面手術(shù)導(dǎo)板，虛擬手術(shù)導(dǎo)板規(guī)劃的針道具有更高的靈活性；此外，相對(duì)于傳統(tǒng)的二維超聲，在三維空間中可更直觀地觀察放射性粒子在腫瘤內(nèi)部的照射范圍，輔助臨床選擇粒子的植入位置，在保證腫瘤接受足夠輻射劑量的同時(shí)盡可能地減少對(duì)周圍器官的輻射。本規(guī)劃結(jié)果表明，通過(guò)虛擬手術(shù)導(dǎo)板確定進(jìn)針點(diǎn)，從而進(jìn)一步規(guī)劃針道，可獲得能夠直接用于治療規(guī)劃的有效針道，有助于提高規(guī)劃的效率。

圖6 多顆粒子等劑量面顯示(A)及局部放大圖(B) 圖7 三維劑量規(guī)劃示意圖

圖8 體積劑量直方圖

表1 臨床劑量要求及術(shù)前規(guī)劃結(jié)果

國(guó)內(nèi)外關(guān)于腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌的研究少見，本研究從理論上驗(yàn)證了該方法的可行性。后續(xù)將展開相應(yīng)的假體模型實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證該方法的應(yīng)用價(jià)值。術(shù)前規(guī)劃中的手術(shù)切口與術(shù)中切口位置的精準(zhǔn)匹配及術(shù)中超聲實(shí)時(shí)引導(dǎo)有助于避免粒子植入時(shí)的偏差。但由于胰腺周圍血管豐富，實(shí)際術(shù)中可能需要調(diào)整植入針的方向和位置，可能與術(shù)前規(guī)劃存在一些差異，今后的研究將在術(shù)中劑量?jī)?yōu)化方面展開深入探討和驗(yàn)證。

綜上，本研究針對(duì)臨床實(shí)際，提出基于CT圖像的腹腔鏡超聲引導(dǎo)I125粒子植入治療胰腺癌的術(shù)前規(guī)劃，DVH評(píng)估結(jié)果表明該規(guī)劃中的治療輻射劑量能夠滿足臨床劑量要求。

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Preoperativeplanningoflaparoscopicultrasound-guidedI125implantationintreatmentofpancreaticcancerbasedonCTimages

LIUFang1,YANGZhiyong1*,ZHANGDaguang1,2,JIANGShan1
(1.LaboratoryofImageGuideRadiologyTreatmentSystem,SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300350,China； 2.DepartmentofRadiationtherapy，CancerHospitalofTianjinMedicalUniversity，Tianjin300060，China)

ObjectiveTo propose a novel preoperative planning method for laparoscopic ultrasound-guided implantation of I125seeds in treating pancreatic cancer based on CT images, and to evaluate the feasibility of this treatment.MethodsCT images of a pancreatic cancer patient were transmitted into the treatment planning system (TPS) developed by our laboratory, to obtain three-dimensional representations of the tumor and surrounding organs. All the positions of puncture were selected with the aid of virtual template, then possible needle paths and the number of necessary I125seeds were planned， and the radiation dose was evaluated.ResultsA total of 21 needle paths with 45 seeds implantation into the tumor were planned. In the preoperative planning, the dosage parameters D90 and V100 of the tumor were 12 481 cGy and 92.83%， which was relatively eligible for the clinic requirement， whereas of suurounding non-tumor pancreatic tissue was 0 and 0.40%, respecyively.ConclusionLaparoscopic ultrasound-guided implantation of I125seeds can be considered as a useful method for treating pancreatic cancer with accurate implantation of125I seeds and satisfying effect of local control for the tumor in theory.

Radiotherapy； Iodine isotopes； Pancreatic neoplasms； Ultrasonography； Laparoscopy

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51775368)。

劉芳(1992—)，女，湖北孝感人，在讀碩士。研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理。E-mail： liufang1173@tju.edu.cn

楊志永，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院圖像導(dǎo)航放射治療系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，300350。E-mail: shanjmri@tju.edu.cn

2017-08-14

2017-10-17

10.13929/j.1672-8475.201708018

R735.9; R817

A

1672-8475(2017)12-0763-05